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JP2003013168A - 高熱伝導性材料及びその製造方法 - Google Patents

高熱伝導性材料及びその製造方法

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JP2003013168A
JP2003013168A JP2001194585A JP2001194585A JP2003013168A JP 2003013168 A JP2003013168 A JP 2003013168A JP 2001194585 A JP2001194585 A JP 2001194585A JP 2001194585 A JP2001194585 A JP 2001194585A JP 2003013168 A JP2003013168 A JP 2003013168A
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high thermal
thermal conductivity
tungsten carbide
copper
preform
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JP2001194585A
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Hiroyuki Tsuto
宏之 津戸
Ichiro Aoki
一郎 青木
Yoshibumi Takei
義文 武井
Tatsuya Shiogai
達也 塩貝
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Taiheiyo Cement Corp
Original Assignee
Taiheiyo Cement Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高い熱伝導性を維持しつつ、熱膨張係数を低
くすることのできる高熱伝導性材料を提供し、その製造
方法をも提供すること。 【解決手段】 強化材である炭化タングステンを20〜
70体積%含み、残部が銅からなり、かつ160W/m
K以上の熱伝導率を有し、10×10-6/℃以下の熱膨
張係数を有することとした高熱伝導性材料。炭化タング
ステン粉末で20〜70体積%の粉末充填率を有するプ
リフォームを形成し、そのプリフォームに溶融した銅を
不活性ガス雰囲気中で非加圧で浸透させることにより作
製することとした前記高熱伝導性材料の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、高熱伝導性材料及
びその製造方法に関し、特にICパッケージや多層配線
基板などに供するヒートシンク材等の放熱体に用いられ
る高熱伝導性材料及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】半導体、とりわけLSIは、高集積化、
高速化されているため発熱が増加しており、それがため
に、半導体内の回路に誤動作を発生させたり、ひいては
半導体回路自身を破壊させたりしている。そのため、高
集積半導体を収納するパッケージの熱放散が必要とされ
ている。
【0003】そのパッケージの熱放散については、従
来、絶縁基板として熱伝導率が約20W/mK程度の熱
伝導率の低いアルミナセラミックスからなる材料が用い
られているので、熱放散を高めるためにヒートシンクが
備えられたパッケージが使用されている。
【0004】そのヒートシンクには、高熱伝導性に加え
てアルミナセラミックスとの熱膨張係数を一致させると
いう観点から、その含有割合を変えることにより熱膨張
係数を一致させることのでき得る銅とSiCとの複合材
料からなるヒートシンクが提案されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この材
料では、複合化はできるものの、SiCが銅に対して濡
れ性が悪いためにSiCと銅との密着性が悪く、それが
ためにSiCによる銅の拘束が十分に働かないで銅の膨
張を抑えることができず、複合化した複合材料の熱膨張
係数が思ったより小さくならないという問題があった。
【0006】本発明は、上述した材料が有する課題に鑑
みなされたものであって、その目的は、高い熱伝導性を
維持しつつ、熱膨張係数を低くすることのできる高熱伝
導性材料を提供し、その製造方法をも提供することにあ
る。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明者等は、上記目的
を達成するため鋭意研究した結果、SiCと銅との複合
材料の代わりに炭化タングステン(WC)と銅との複合
材料とすれば、高い熱伝導性を維持しつつ、熱膨張係数
の低い高熱伝導性材料が得られるとの知見を得て本発明
を完成するに至った。
【0008】即ち本発明は、(1)強化材である炭化タ
ングステンを20〜70体積%含み、残部が銅からな
り、かつ160W/mK以上の熱伝導率を有し、10×
10-6/℃以下の熱膨張係数を有することを特徴とする
高熱伝導性材料(請求項1)とし、(2) 炭化タング
ステン粉末で20〜70体積%の粉末充填率を有するプ
リフォームを形成し、そのプリフォームに溶融した銅を
不活性ガス雰囲気中で非加圧で浸透させることにより、
160W/mK以上の熱伝導率を有し、10×10-6
℃以下の熱膨張係数を有する炭化タングステンと銅との
複合材料からなる高熱伝導性材料を作製することを特徴
とする高熱伝導性材料の製造方法(請求項2)とするこ
とを要旨とする。以下さらに詳細に説明する。
【0009】上記で述べたように、本発明の高熱伝導性
材料としては、強化材である炭化タングステンを20〜
70体積%含み、残部が銅からなり、かつ160W/m
K以上の熱伝導率を有し、10×10-6/℃以下の熱膨
張係数を有することとする高熱伝導性材料とした(請求
項1)。
【0010】これは、SiCの代わりに銅との濡れ性の
良い炭化タングステンとすることにより、炭化タングス
テンと銅との密着性が良くなり、それがために炭化タン
グステンによる銅の拘束が十分に働いて銅の膨張を抑え
ることができ、複合化した複合材料の熱膨張係数を期待
通り小さくすることができるものとしたものである。
【0011】その複合材料中の炭化タングステンの含有
率としては、20〜70体積%とした。炭化タングステ
ンの含有率が20体積%より低いと、熱膨張係数が大き
くなって低い熱膨張係数が得られず、70体積%より高
いと、高い熱伝導率が得られない。その銅と炭化タング
ステンとの割合で複合化された材料の熱伝導率は、16
0W/mK以上の高い熱伝導率が得られ、10×10-6
/℃以下の低い熱膨張係数が得られる。
【0012】その高熱伝導性材料の製造方法としては、
先ず炭化タングステン粉末で20〜70体積%の粉末充
填率を有するプリフォームを形成し、そのプリフォーム
に溶融した銅を不活性ガス雰囲気中で非加圧で浸透させ
ることとする製造方法とした(請求項2)。
【0013】炭化タングステンと銅とを複合化させる方
法としては、慣用の方法が用いられ、例えば、炭化タン
グステン粉末と銅粉末とを混合し、成形し、焼成して作
製する粉末冶金法、炭化タングステン粉末でプリフォー
ムを形成し、そのプリフォームに溶融した銅を加圧して
浸透させ作製する高圧鋳造法、あるいはそのプリフォー
ムに溶融した銅を非加圧で浸透させ作製する非加圧浸透
法などがある。
【0014】その中で非加圧浸透法は、機械的な加圧を
行わなくても溶融した銅を浸透できるという特徴がある
ので、高価で大掛かりな装置を必要とせず、容易で安価
に作製できるという特徴があり、しかも炭化タングステ
ンは銅に対する濡れ角が30°以下とSiCに比べて濡
れ性がはるかに良いので、SiCの場合には難しかった
この非加圧浸透法で簡単に安価に作製できるので、本発
明が特に好ましいものとなる。
【0015】
【発明の実施の形態】本発明の製造方法を詳しく述べる
と、ここでは先の非加圧浸透法で製造する方法を述べる
ので、先ず炭化タングステン粉末を用意し、それに複合
化させる銅のインゴットも用意する。
【0016】用意した炭化タングステン粉末で20〜7
0体積%の粉末充填率を有するプリフォームを形成す
る。プリフォームの形成方法はプレス法でもよいし、鋳
込み法でもよく、プリフォームを形成できる方法であれ
ばどんな方法でもよい。
【0017】得られたプリフォームに用意した銅のイン
ゴットを接触させ、それを不活性ガス雰囲気中、例えば
アルゴンガス雰囲気中で所定温度で熱処理し、溶融した
銅を非加圧でプリフォーム中に浸透させ、それを冷却し
て炭化タングステンと銅との複合材料からなる高熱伝導
性材料を作製する。
【0018】以上の方法で高熱伝導性材料を作製すれ
ば、高い熱伝導性を維持しつつ、熱膨張係数の低い高熱
伝導性材料が得られる。
【0019】
【実施例】以下本発明の実施例を比較例と共に具体的に
挙げ、本発明をより詳細に説明する。
【0020】(実施例1) (1)高熱伝導性材料の作製 強化材である炭化タングステン粉末(日本新金属社製、
平均粒径100μm)100重量部にコロイダルシリカ
液(常磐電気社製、FJ294)を3重量部加え、これ
にさらにイオン交換水を30重量部加え混合してスラリ
ーを調整した。
【0021】得られたスラリーをフィルタープレスして
成形体を成形した後、その成形体を1000℃の温度で
焼成して50体積%の粉末充填率を有するプリフォーム
を形成した。得られたプリフォームに銅(平野商店扱
い、純度99.9%)のインゴットを接触させ、それを
アルゴンガス雰囲気中で1200℃の温度で加熱処理
し、溶融した銅をプリフォーム中に非加圧で浸透させ、
冷却して炭化タングステンと銅との複合材料からなる高
熱伝導性材料を作製した。
【0022】(2)評価 得られた高熱伝導性材料から3×4×15mmの試験片
を切り出し、その試験片の熱膨張係数をJIS R16
18に準拠して求めた(測定機器:理学電気社製、TM
A8410)。また、得られた高熱伝導性材料からφ1
0×2mmの試験片を切り出し、その試験片の熱伝導率
をレーザーフラッシュ法で測定した(測定機器:理学電
気社製、LF/TCM−FA8510B)。それらの結
果を表1に示す。
【0023】(実施例2)実施例1のフィルタープレス
圧を増加して炭化タングステン粉末の充填率を60体積
%とするプリフォームを形成した他は実施例1と同様に
高熱伝導性材料を作製し、評価した。その結果も表1に
示す。
【0024】(比較例1)比較のために比較例1では、
炭化タングステン粉末に銅粉末(昭和化学社製、平均粒
径5μm)を加えて混合した粉末で炭化タングステン粉
末の充填率が15体積%のプリフォームを形成した他は
実施例1と同様に高熱伝導性材料を作製し、評価した。
その結果も表1に示す。
【0025】(比較例2)比較のために比較例2では、
炭化タングステン粉末に銅粉末(昭和化学社製、平均粒
径5μm)を加えて混合した粉末をφ20mmの金型に
充填し、それをプレスして成形した成形体をアルゴンガ
ス雰囲気中で1150℃の温度で燒結して炭化タングス
テンの含有率が85体積%の高熱伝導性材料を作製し、
それを実施例1と同様に評価した。その結果も表1に示
す。
【0026】(比較例3)比較のために比較例3では、
炭化タングステン粉末の代わりにSiC粉末(信濃電気
精錬社製、平均粒径15μm)を用いた他は実施例2と
同様に高熱伝導性材料を作製し、評価した。その結果も
表1に示す。
【0027】
【表1】
【0028】表1から明らかなように、実施例1、2と
も本発明で規定した160W/mK以上の熱伝導率を有
する高熱伝導性材料が得られ、また10×10-6/℃以
下の熱膨張係数を有する高熱伝導性材料が得られた。こ
のことは、本発明の高熱伝導性材料であれば、高い熱伝
導性を維持しつつ、熱膨張係数を低くすることのできる
高熱伝導性材料とすることができることを示している。
【0029】これに対して比較例1では、炭化タングス
テンの含有率が少な過ぎたので、高い熱伝導率が得られ
るものの、熱膨張係数が本発明の規定した値より大きく
なってしまっていた。また、比較例2では、炭化タング
ステンの含有率が多過ぎたので、低い熱膨張係数が得ら
れるものの、熱伝導率が本発明の規定した値より小さく
なってしまっていた。さらに、比較例3では、SiCに
よる拘束の働きが十分でないため、熱伝導率は本発明の
規定した値より大きくなるものの、熱膨張係数が本発明
の規定した値より大きくなってしまっていた。
【0030】
【発明の効果】以上の通り、本発明の高熱伝導性材料で
あれば、高い熱伝導性を維持しつつ、熱膨張係数を低く
することのできる高熱伝導性材料とすることができるよ
うになった。このことにより、熱放散のより良好なヒー
トシンク材等の放熱体に用いられる高熱伝導性材料を提
供できるようになった。さらに、非加圧浸透法で作製で
きるので、複雑な形状のヒートシンク材等であっても、
簡単にしかも安価に作製できるようになった。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 23/36 C22C 101:12 23/373 H01L 23/36 Z // C22C 101:12 M (72)発明者 塩貝 達也 千葉県佐倉市大作2−4−2 太平洋セメ ント株式 会社 中央研究所 Fターム(参考) 4K020 AA22 AC04 BA02 BB22 5F036 AA01 BB01 BD01

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 強化材である炭化タングステンを20〜
    70体積%含み、残部が銅からなり、かつ160W/m
    K以上の熱伝導率を有し、10×10-6/℃以下の熱膨
    張係数を有することを特徴とする高熱伝導性材料。
  2. 【請求項2】 炭化タングステン粉末で20〜70体積
    %の粉末充填率を有するプリフォームを形成し、そのプ
    リフォームに溶融した銅を不活性ガス雰囲気中で非加圧
    で浸透させることにより、160W/mK以上の熱伝導
    率を有し、10×10-6/℃以下の熱膨張係数を有する
    炭化タングステンと銅との複合材料からなる高熱伝導性
    材料を作製することを特徴とする高熱伝導性材料の製造
    方法。
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