JPH11307701A - 放熱基板及びその製造方法 - Google Patents
放熱基板及びその製造方法Info
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Abstract
大容量整流器に搭載される大面積を備え、製造が簡単
で,熱膨張率が半導体やセラミック絶縁体に近く,しか
も熱伝導性の優れた大面積を有し、工程の多さ,複維さ
によるコストを低減でき,また,外観から分かる形状で
は,従来の放熱基板と明らかな相違のない経済的に有利
な大面積を備えた放熱基板とその製造方法とを提供す
る。 【解決手段】 放熱基板は、モリブデン(Mo)の圧粉
体に、質量比で20〜60%の銅(Cu)を溶融、染み
込ませる含浸してなるCu−Mo複合基板からなる。
Description
熱基板とその製造方法に関し、詳しくは、金属酸化物半
導体電界効果型トランジスタ(MOSFET),IGB
T等のパワー半導体、又は、電気鉄道車両や電気自動車
等に用いられる大容量整流器に搭載される大面積放熱基
板とその製造方法に関する。
に使用される大容量の整流器の冷却が重要な課題とな
り,これらの整流器および関連部品を搭載し,冷却装置
に接合するための比較的大型の放熱部材に対する要求が
出てきた。この放熱部材には,熱伝導の観点からアルミ
ニウムや銅等の金属材料が考えられるが,これら材料は
熱膨張が大きく,整流器主材であるシリコンやシリコン
を組みつけた窒化アルミニウム基板等の絶縁材料と接合
する場合,ハンダ付けによる接合や,繰り返し使用時の
熱変化により,熱膨張の差による熱歪により部材が変形
したり破損する恐れが有る。それゆえ,熱膨張が半導体
やセラミック絶縁材料に近くしかも熱伝導の優れた材料
が求められている。
れる用途と同種の物性は,これら整流器に限らず半導体
素子を搭載するセラミックパッケージの放熱基板にも,
従来からも要求されてきたものである。
ラミックと銀ロー付けにて接合される放熱基板の場合
は,890〜900℃と接合温度が高く,冷却時の熱歪
みによるセラミック材の変形,破損に対し,より厳しい
温度条件で組み立てられるため,アルミナ,べリリア等
のセラミック材と熱膨張の近い特性を持つことが,良好
な熱伝導を有する事にも増して材料選定の条件となって
いる。これを満たすものとして、タングステン(W)と
銅(Cu)の複合材(以下,W−Cu複合材と呼ぶ)が
提案され,汎用されている。このW−Cu複合材の製造
方法は,W粉末に有機質のバインダーを添加混合し,こ
れを金型内で型押した後,水素等の還元雰囲気中で加熱
し,有機バインダーを蒸発・分解・除去して粉末集合体
を得る。この粉末集合体を還元雰囲気中で焼結して,所
定の空孔率を持つW多孔体を得,これに銅の融点以上の
還元雰囲気中で銅を染み込ませ(以下、含浸と呼ぶ)て
W−Cu複合体を得る方法がとられている。
(集積回路)パッケージ用の放熱基板は,前述の熱歪み
の問題を避けるため,アルミナ,べリリア等と熱膨張を
近似させる必要があり,銅を質量比10〜15%含浸さ
せたW−Cu複合材が使用されている。
孔体を経済的に製造するため,1200〜1350℃と
いう比較的低温でW多孔体を得るため,及び銅の含浸を
容易ならしむる目的で,熱伝導は最も望ましい値よりは
低くなるが,少量のニッケル等の添加されたW粉末が使
用される場合が多い。
し,ラジエーター等の冷却装置に接続される放熱基板の
場合,整流器(Si)やシリコンを組みつけた窒化アル
ミ基板との接合には半田等の低融点材料が使用されるた
め,前述のセラミック製の半導体パッケージの場合に比
べ熱膨張の整合性に対する許容範囲が広くなる。
に格段に大きな熱を伴うため,放熱部材の選定には熱伝
導の良否がより重要な要素となる。併せて大型且つ軽量
の部材が要求される。
ッケージに用いられるCu−W複合材は,特性及び製造
方法の両面で必ずしも,大容量整流器の用途には適合し
ない。さらにまた,本来の物性を現出させ,工業的にも
実用性のある方法でなければならない。
ーニング仕上げのままでは,外表皮の精度を充分満足さ
せ難いのは自明である。圧延工程を必要最小限に行なう
事で,精度も向上出来,製品をより造り易くするばかり
か,本来的にプレス加工がより容易になれば大変有効で
ある。
でない一般的なサイズ,即ちマイクロ波パッケージの如
くの放熱基板への応用は,本材料の利便性向上のための
課題を充分解決できると期待させるものである。
いるCu−Wは、多孔質WにCuを溶浸しているため、
通常、Cu含有量が10〜20重量%が主で、熱膨張率
が6〜7×10-6/K、熱伝導率210〜250W/m
・Kと優れた特性を有するが、部品の軽薄短小が進む今
日、密度が大きく重いという欠陥は次第に重大な要因と
なる。また、切断による加工方法のため厚みを薄くでき
ないこと(0.5mm限度)、大面積化(B5版相当以
上)ができないこともネックとなっている。
20重量%Cu−Moも市販されているが、Cu−W同
様厚みや大面積化に問題があり、また、決して安価とは
言い難い。
ワー半導体用には大型基板が使われ、一般的な半導体パ
ッケージよりも大きな熱が発生するため、放熱性、熱膨
張の基板等との整合性、反りが最重要の特性となる。
で、98〜375cm2 のものを大型基板といい、一般
的なパソコン等に使われるMPU用の基板2.2〜25
cm2 と比べ十倍以上の面積の違いがある。
含有量が40質量%(RCM40)以上のものについて
であり、加えてCu含有量によって圧延できる素材(焼
結体)厚みが異なり、特に、パワー半導体に適当とされ
るCu含有量が40質量%以下の領域については、大型
基板を製造することは困難である。
は、熱伝導率が170W/m・Kと多少低くなるが、放
熱性としては実用に耐え得る値である。また、熱膨張係
数は7×10-6/KとSiとより近い値となり、基板と
の整合性が良くなり、クラックや亀裂等の品質上の不安
がなくなる上、剛性が大きくなるため反りの発生程度が
小さくなるという利点がある。熱伝導率重視とするか、
あるいは熱膨張率や剛性を重視とするかは用途次第であ
り、その選択肢が増える。
−RCM40〜60)は、特に、RCM60の熱膨張率
は12.3×10-6/Kと大きいが、熱伝導率が286
W/m・Kと高く、ガリウムヒ素(GaAs)用の放熱
基板として汎用されている。しかし、RCMは、Cuと
Mo粒子が非常に細かく均一に混在されている、いわゆ
る分散強化型複合材であり、加工性がPCMよりもやや
劣ることが、製造上コストが高くなる等弱点である。
道車両や電気自動車等に使用される,大容量整流器に搭
載される大面積を備えた放熱基板を提供することにあ
る。
前記放熱基板を製造する方法を提供することにある。
題は,製造が簡単で,熱膨張率が半導体やセラミック絶
縁体に近く,しかも熱伝導性の優れた大面積を有する放
熱基板を提供することにある。
熱基板の製造方法を提供することにある。
は、工程の多さ,複維さによるコストを低減でき,ま
た,外観から分かる形状では,従来の放熱基板と明らか
な相違のない経済的に有利な大面積を備えた放熱基板を
提供することにある。
術的課題は、前記放熱基板を製造する方法を提供するこ
とにある。
デン(Mo)の圧粉体に、質量比で20〜60%の銅
(Cu)を溶融、染み込ませてなる(以下、含浸とい
う)Cu−Mo複合基板からなることを特徴とする放熱
基板が得られる。
温間圧延又は冷間圧延を繰り返すことによって得られる
圧延板であって、微小な空孔やCu含浸ムラがない(C
uとMoが均一に分布している)ことが好ましい。
u粉末を5質量%以下の割合で混合した粉末の圧粉体
に、質量比で40〜60%の銅(Cu)を含浸してなる
ことを特徴とする放熱基板が得られる。
熱基板を製造する方法において、平均粒径(FSSS)
2〜6μmのMo粉末を、油圧あるいは静水圧(CI
P)プレス機で5トン/cm2 以下の圧力で圧粉体を形
成し、還元性あるいは不活性雰囲気炉中で、1083〜
1300℃で質量比20〜60%のCuをMo圧粉体に
含浸させてCu−Mo複合基板を得ることを特徴とする
放熱基板の製造方法が得られる。
板を製造する方法において、平均粒径(FSSS)2〜
6μmのMo粉末と5%以下のCu粉と混合し、油圧あ
るいは静水圧(CIP)プレス機で5トン/cm2 以下
の圧力で圧粉体を形成し、還元性あるいは不活性雰囲気
炉中で、1083〜1300℃で質量比40〜60%の
Cuを前記圧粉体に含浸させることを特徴とする放熱基
板の製造方法が得られる。
て、図面を参照して説明する。
%を越える複合材を得るには,銅を含浸させるモリブデ
ン多孔体として見掛け密度6.7(g/cm3 )以下の
多孔体を用意する必要がある。しかし,慣習的に行われ
てきた方法では,これは困難である。
ンダーを添加することなく,静水圧成形法を用い所定の
空孔率を有する圧粉体を造り,この圧粉体に銅を含浸さ
せてMo−Cu複合材をつくる造り方を,鋭意テストを
繰り返すことにより得ることができたものである。尚,
適性なモリブデンの粉末調整と加圧成形方法が選択され
る。
ブデンの金属粉末は,工業的に用いられるモリブデンの
金属粉末であり,これはモリブデン酸化物原料を水素に
て還元し得られる。本発明においては,粉末冶金におけ
る一般的な注意事項を施すことは当然である。さらに,
この粉末の特性は還元温度,水素分圧,水分圧等が主な
支配因子で,これから造られる圧粉体は更に圧粉体の成
形圧力により,その空隙の在り方含む特性がコントロー
ルされる。
は、FSSS粒度で2〜6μmの範囲である。そのよう
に限定した理由は,圧粉体の加熱前後の特性は,粒度が
細かすぎると嵩(ボリューム)も増え所望の見掛け密度
を得るために成形圧力を上昇させると含浸した後にモリ
ブデン粒子同志の凝集が起こり易いばかりか,プレス機
の負荷も多く不都合であるからである。この臨界的な最
小粒度は,凡そ1.8μmで,これ以上の2.0μmで
は,問題無かった。
るし,取り扱いでも圧粉体の周辺が崩れ易い。この臨界
的な最大粒度は,凡そ6.5ミクロンであった。
は、1083(好ましくは1150)〜1300℃の範
囲である。その理由は、この温度範囲が,空孔も無く,
9mmまでの複合体を安定して得る事が分かった。さら
に加えてこの温度域が上述のそれぞれの圧粉体に無理な
変形を生じ難く良好な条件となる。
5トン/cm2 以下である。その理由は、次の通りであ
る。銅を含浸させて複合材を得るに,含浸時に複合体が
所謂焼結すると,所望の空孔率が変化し,質量30%以
上の銅を含浸させることが出来ない。したがって,圧粉
体の構造が含浸後も極く小さいことが大切な条件となり
上記粒度及び温度の他成形における成形圧力も5トン/
cm2 を越えないことが重要な条件となるからである。
工度を上げれば,次第に圧延加工による組織が特にモリ
ブデンの結晶粒子の形状に現われてくる。ある限度をこ
えれば,本発明による材料の予見できる特徴の,例え
ば,異方性が出現する事になる。
0%を越えない範囲なら一般的なサイズの放熱基板の所
望特性を損なわずに製造することができた。ただ,望ま
しくは30%以内の加工度で行なうことで,比較的コス
トの掛かる圧延工程を少なくできる上,1〜2mm程度
の薄い放熱基板も賄えることが判明した。
40%を越えない範囲が好ましいとしたのは,40%を
越えると言わばモリブテンの粒径における最長径と最短
径の比率を3ないし4以上となり,本発明の材料特性及
び経済性の優位性を損なうからである。この場合,熱間
圧延により大きな加工度を採る必要はなく,むしろ冷間
あるいは400度以下の温間領域で加工をすることで熱
間作業の防熱,安全,衛生に関する配慮か殆ど不要にな
り量産規模の工程として有効である。
プレス加工を行ったところ,比較的小さい加工度の段差
を有する形状(キャビテイー型)において,プレス圧力
の減少及び僅かではあるがヘアクラックの発生安定性に
おいて優れていることが見出だされた。
めっきは欠かせない表面処理である。銅,モリブデンが
それぞれ化学的性質を大きく異にしている事から,含浸
後ホーニングだけでは,微小なボイドや銅含浸ムラの無
い安定しためっきの条件は狭い範囲でしかなかった。し
かし,本発明においては,僅かながらでも圧延加工を施
すことにより,この安定性が著しく向上することか判っ
た。
利便性のある一般の小さな放熱基板も供給可能と成しえ
た。
ような小さいサイズの放熱基板のものは,当然板厚の薄
いものも多く,しかも単に平板形状でない異形形状品の
プレス加工によるものを求められる事も多い。その場合
は,先に得られた本発明の基板にさらなる圧延加工を施
して板厚を薄くしても特性上は支障無いことは当然であ
る。但し,本発明では,量産性、即ち、経済性を重視し
ており,このように圧延加工比率を増せば次第にその経
済性は損なわれることになるは,いうまでも無い。
3トン/cm2 でPCM40〜26の製造方法を開示
し、実用上の不都合から、CIP圧力2トン/cm2 で
PCM30までとした。
で、Mo粒怪と圧力の関係を鋭意検討した結果、Cuを
含浸できる領域、いわゆるPCMの作製可能領域が判明
した。また、熱伝導率が170W/m・K以上であれば
実用に耐え得ることや、熱膨張係数も12×10-6/K
程度までならマイクロ波用半導体へ応用され得ることか
ら、30〜40質量%Cu(PCM30〜40)から2
0〜60質量%Cu(PCM20〜60)へ適用範囲を
広げることによって、用途を格段に広げられるメリット
が生ずる。つまり、図1によると、粒度2〜6μmのM
o粉末とプレス圧力を1〜5トン/cm2 の範囲で調整
することにより、いわゆるPCM20〜60を製造する
ことができる。
形性が悪い上、プレス体のMoどうしの隙間が狭く、C
u含浸時の収縮も大きく、Cuの含浸性も悪いため、所
定の量が入り込まない。また、Mo粒怪が6μmを超え
るものについては、還元温度を高くしなければならず、
耐火材の消耗が激しく、さらに還元(チャージ)量を多
くせねばならず未還元が発生し易い等という問題があ
り、Mo粉末の製造白体難しい上、プレス成形性も非常
に悪く実用性に欠ける。プレス圧力については、1トン
/cm2 未満では、成形後のハンドリング性が悪く、5
トン/cm2 を超えると耐性からプレス機は特殊となり
一般的でなく、また、その圧力に耐え得る金型の材質も
特殊鋼を用いなくてはならず汎用性に欠ける。CIPと
の聞係については、CIPは油圧よりも成形性がよいた
め、10〜20%低めに設定することができる。しか
し、一般的なCIP圧力は、3トン/cm2 が汎用限界
であるが、用途(特に、サイズ)に応じて使い分けをす
ればよいことが判った。
酸化し易く、酸化していてはCuとの濡れ性が低下(毛
細管現象が低下)し、所望するCuが入らなくなるた
め、還元性の強い水素雰囲気で圧粉体を500〜100
0℃で還元することにある。本発明では、連続炉を使っ
て行なっているので、還元、含浸の工程が同時に含まれ
ているので、特に製造コストが高くなるという問題はな
い。
を製造する際は、2μm程度の細かいMo粉末を1〜
1.5トン/cm2 の低い圧力で作れるが、粉末が細か
い故、収縮等の影響でCu合浸量をコントロールするに
は若干の熟練を要する。そこで、予め1〜5質量%のC
u粉末をMo粉末に混合した粉末て圧粉体を作り、Cu
を含浸することによりCu含有量の多い領域のPCMを
容易に製造することができるようになる。Cu粉が予め
少量入っていることにより、Mo粉とのつなぎの役割を
果たすので成形を保ち易くなり、またCuの領域も確保
でき、Cuの含浸が促進されるため、Mo平均粒怪を3
〜4μm(汎用粒怪)、圧力を1.5〜2トン/cm2
(汎用圧力)とできる。さらに、Mo平均粒径を2μm
から4μmグレードにすることにより、原料コストを大
幅に下げられるメリットも生ずる。
比較を示す図である。
で配合した後、十分均一混合する。そして、油圧あるい
はCIPにより粉末成形し、焼結した後、圧延するとい
う工程で製造される。それに対し、本発明のPCMは、
Mo粉末を油圧、あるいは、CIPにより成形したその
圧粉体にCuを含浸した後、圧延するものであり、RC
Mより製造工程が一工程簡略され、製造コストが安くな
る上、緻密化したCu−Mo複合材が製造できる。
厚さ(T)1mmの金属組織の比較を示す図である。ミ
クロ的に観ると、PCM35はCuの割合が少ないにも
拘らず、Mo粒子間のCuの占める割合が多くなってい
る。これが含浸法の特徴であり、加工性をより良くして
いる一因である。
00℃以下の温間圧延が可能である。含浸体素材の厚み
が,5mm以下ならば冷間圧延で90%の加工ができ
る。しかし、素材厚みが10mm程度の場合となると、
150〜400℃の加熱が必要である。
50℃で引張強度や硬さが低下し始め、400℃まで急
激に低下し、伸び率は、逆に同温度領域で急激に増加す
る。これによって、加工性が良くなるためであり、圧延
の際には、その効果が大きく表れる。尚、図5は、丸善
出版の金属データブック(古河電工時報)から抜粋した
データであるが、「純銅」として代表される無酸素銅、
電気銅、及びリン脱酸銅のいずれも150〜400℃で
急激な遷移領域を持つことが判り、PCMの含浸原料に
は酸素銅あるいは電気銅を用いているため適用できる。
Cuの一領域に占める面積がPCMより小さいため、そ
の効果は僅かである。
ことが言える。例えば、キャビティ型の放熱基板をプレ
ス加工により製作すると、RCM40はクラックが入り
易いのに対し、PCM35はCu含有量が少ないにも拘
らず、そのようなクラックが入り難い故、加工性はRC
Mより有益である。
基板の製造例について説明する。
成形機で4.5トン/cm2 の荷重を掛け、厚み(T)
5×80×185mmの圧粉体を作った。この圧粉体の
相対密度は、70%であった。この圧粉体の上部にMo
の質量比で25%分のCu板を載せ、水素還元性雰囲気
炉において、1300℃でCuを溶融、染み込ませた
(含浸した)。
9mmであり、Cu含浸量はICP(Inductively Coup
led Plasma)発光分析装置で測定した結果、20.5質
量%(PCM20)、相対密度は97%であった。この
含浸体の表面を液体ホーニングにより平坦処理し、40
0℃に設定したホットプレートで温めながら、圧下率1
0%以下で圧延を繰り返しT3mmまで加工した。この
板のMo粒子のアスペクト比(最長怪/最短怪)を測定
したところ、ほぼ2であり、熱膨張係数の異方性は8%
であった。熱伝導率は170W/m・K、ヤング率は2
40GPaであった。
の金型で打ら抜き加工を行なったが、側面や表面にはク
ラックや割れ等の不良はなく良好であった。また、これ
に3μm電解Niめっきを施した後、水素雰囲気中にて
850℃×20分処理したが、めっきの膨れ、変色、染
み、ムラ等の不良はなかった。更に、Agロー(BAg
−8)付けした後、密着強度を測定したところ、5kg
/mm2 の強度が得られた。
し、質量比で2%分の乎均粒径8μmの電解Cu粉を混
合した。この混合粉末をCIPで、M−8581で開示
した方法により2.3トン/cm2 の荷重を掛け、厚み
(T)5.5×180×185mmの圧粉体を作った。
この時の相対密度は70%であった。この圧粉体の上部
にMoの質量比で25%分のCu板を載せ、水素還元性
雰囲気炉において1300℃でCuを含浸した。含浸体
のサイズはT5×160×179mmであり、Cu含浸
量は20.3質量%(PCM20)、相対密度は97%
であった。この含浸体の表面を液体ホーニングにより平
坦処理し、400℃に設定したホットプレートで温めな
がら、圧下率10%以下で圧延を燥り返しT3×260
×179mmまで加工した。各々の特性は、例1とほぼ
同じ値であった。
の金型て打ち抜き加工を行ない、360cm2 の面積を
有する大型基板ができた。なお、側面や表面にはクラッ
クや割れ等の不良はなく、良好であった。また、この打
ち抜き板に3μm電解Niめっきを施した後、例1と同
様の熱処理し、密着強度を測定した結果、剥がれや膨れ
等の不良は、生じず、良好で、4.8kg/mm2 の密
着強度が得られ充分なことが判明した。以上のように、
大面積で所望した特性を有する高信頼性放熱基板ができ
た。
成形機で1.2トン/cm2 の荷重を掛け、厚み(T)
11×80×185mmの圧粉体を作った。この時の相
対密度は35%であった。この圧粉体の上部にMoの質
量比で63%分のCu板を載せ、水素還元性雰囲気炉に
おいて、1150℃でCuを含浸した。この時のサイズ
はT10×75×174mmであり、Cu合浸量は5
8.8質量%(PCM60)であった。
処理し、250℃に設定したホットプレートで温めなが
ら、圧下率10%以下で圧延を燥り返しT1mmまで加
工した。この圧延板の平均熱膨張係数は12×10-6/
K、熱伝導率は280W/m・K、ヤング率は170G
Paであった。
品に打ち抜いたが、側面や表面にクラックや割れ等は発
生せず良好にできた。また、打ち抜き部品をNiめっき
した後、例1と同様の熱処理をし、密着強度を測定した
結果、剥がれや膨れ等の不良は生じず良好で、4.6k
g/mm2 であった。
し、質量比で5%分の平均粒径8μmの電解Cu粉を乾
式で混合した。この混合粉末を油圧成形機で1.8トン
/cm2 の荷重を掛け、厚み(T)11×80×185
mmの圧粉体を作った。この時の相対密度は50%であ
った。この圧粉体の上部に、Moの質量比で58%分の
Cu板を載せ、水素還元性雰囲気炉において1150℃
でCuを含浸した。この時のサイズは、T10×75×
174mmであり、Cu含浸量は59.6質量%(PC
M60)であった。この含浸体を例3と同様の製造工程
でT1mmまで加工し、同様に打ち抜き、Niめっきし
た後、例1と同様の熱処理をし、密着強度を測定した結
果、剥がれや膨れ等の不良は生じず、良好で、4.8k
g/mm2 の密着強度が得られ充分なことがわかった。
また、各々の特性は、例3と同じで、放熱基板としての
有用性が得られた。
成形機で1.5トン/cm2 の荷重を掛け厚み(T)5
×80×185mmの圧粉体を作った。この圧粉体の相
対密度は60%であった。この圧粉体の上部にMoの質
量比で38%分のCu板を載せ、水素還元性雰囲気炉に
おいて、1300℃でCuを含浸した。含浸体のサイズ
は、T4.6×77×179mmであり、Cu含浸量
は、35.5質量%(PCM35)、相対密度は98%
であった。この含浸体を例3と同様の処理をし、300
℃に設定したホットプレートで温めながら、圧下率10
%以下で圧延を繰り返しT0.8mmまで加工した。こ
の圧延板の平均熱膨張係数は8.5×10-6/K、熱伝
導率は200W/m・K、ヤング率は220GPaであ
り、放熱基板として有用な素材ができた。
0.8×□30mmの板を用い、図5(a)及び図5
(b)に示すような凹部13の内径□15mm、押し込
み深さ(D)0.35mmで常温にてプレス加工により
キャビティ型の基板を作製した。この時の雄型と雌型の
クリアランスは25μmで、雄型の突端にR0.2mm
を付けた金型を使って加工を行なった。
のものも同様の加工を行なった結果、PCM35は段差
部にクラックや亀裂等の不良はなく、しかも凹部底面は
素子を搭載しても十分平坦な精度のある形状に加工でき
たが、RCM40は参照符号10で示される部分に小さ
い亀裂が見られ、組成の近い領域で比較するとPCMの
加工性の良さが判った。
板を次のように製造した。
板を配置し,全体をゴムケースに入れ,静水圧プレス
(CIP)により1.8トン/cm2 の圧力で,155
×255×3.3mmあるいは5.3mmに成形する。
粉体を乗せ,水素雰囲気の熱処理炉の中で,1100℃
程度から徐々に昇温し1150〜1300℃とする。こ
の温度は,粉末の粒度により,例えば、2〜6μm(J
IS H2116によるFsss法測定値)の範囲で細
かい程低温とし粗い程高温とする。処理最終の温度は,
実質的に銅が十分に溶ける温度が必要で,1150℃以
上が欠かせない。また,構体の変形を来たす事は避けね
ばならず,プレス圧力の高くする条件下の場合,銅は含
浸されにくく高温が良いが,実験の結果より1300℃
を超えてはならないことが判明している。
面の形状精度を得るため,ホーニング加工を行う。5μ
m以上のニッケルめっきを施し3及び5mm厚の製品と
した。仕上がり寸法250mmの長さ方向の反りは,何
れも65±5μmミクロンの範囲に納まっており,大容
量のインバーターに組み込んだ処充分な接合安定性が得
られた。
干劣り±0.75×10-6/Kとなったが実用上充分性
能が得られた。熱伝導率については,10W/m・Kで
あった。また,粉末のプレス圧力に対する銅含浸量,熱
伝導率,及び熱膨張係数の測定結果を,下記表1に示し
た。9mmの製品板厚まで製作できた。尚,この放熱基
板を搭載した装置は変形,構成部品の剥離,ワレに対し
て高い信頼性を有して入ることが分かった。
ろ、銅とモリブデンは均一に分布されていたと共に巨大
な粒子を含まずプレスによる加工はスムーズに行え且
つ,周辺部のチッピングも起こさず,電気鉄道自動車や
電気自動車に用いる大容量整流器に搭載可能であること
も判った。
張係数=9は,ギリギリの許容域で,しかもプレス体の
取扱の最中で割れやすく実用上好ましく無い。プレス圧
力2.3トン/cm2 では,熱伝導率が200W/m・
Kを割る上組織上,モリブデンの凝集が観られた。これ
は銅を徐々に昇温して,含浸しているにも拘わらずモリ
ブデンの焼結が起きてしまい,また粉末の適正範囲を選
択していても変わらず不都合である。したがって,プレ
ス圧力としては2トン/cm2 が実用上の上限と判明し
た。
板を次のように製造した。
を銅板にはさみ,熱処理して,ホーニング加工までを、
例7と同様に行った。次に,板厚5mmの素材を300
℃の温間条件で,3回ないしは6回に分けて圧延加工を
施し3mm迄加工した。表面は清浄で凹凸もなく,プレ
ス加工した仕上げ面となんら変わらぬ精度になった。
素中アニールをおこなった後の検査で,フクレ,ボイ
ド,色ムラ等生じることなく正常な仕上がりと為しえ
た。また,組織を観察したところ,モリブデンの粒径に
おける最長径と最短径の比率はほぼ2であった。
り,3mmから2.1mmの板材を作成した。外径□3
0,凹部段差0.25,凹部内径□15,裏面平坦の放
熱基盤を,雄型の突端形状R0.2,雌型と雄型のクリ
アランスを片側25μmとり,常温にてプレス加工した
ところ,段差部のクラックもなく,しかも凹段部底面は
素子を搭載しても充分平坦な精度のある形状に加工出来
た。もちろんめっきも例8と同様なんら問題もなく正常
な仕上がりになった。
合,焼結,圧延を施してなる銅/モリブデン複合材で,
銅の含有率が40%の場合について行なったところ,容
易に2.1mmの板材は準備できた。
たところ,段部の底部コーナーに段差と平行にヘアクラ
ックのあることが顕微鏡検査で検出された。
率をはかったところ2.7であった。また,クラックは
圧延方向と直角に加工された部分に発生しており,モリ
ブデンの形状に起因していると思われる。
電気鉄道車両や電気自動車に使用される,大容量整流器
に搭載される大面積放熱基板を提供することができる。
ているW−Cu複合材料のごとき,有機質のバインダー
等の添加を行わず,またバインダー除去のための熱処理
も不要であり,極めて経済的に複合材を製造でき,モリ
ブデンの厚粉体に質量比で30〜40%の銅を含浸さ
せ,しかもこの外の処理は極めて少なく,熱膨張率が半
導体やセラミック絶縁体に近く,しかも熱伝導性の優れ
た材料を得る大面積放熱基板とその製造方法が得られ
る。
末を所定の条件でプレス成形しただけの物へ銅を含浸さ
せる事で,焼結や圧延,あるいは鍛造のように,銅の不
均一分布(銅の融点近傍での揺れ)をコントロールした
り,工程の多さ,複維さによるコスト低減でき,また,
外観から分かる形状では明らかに相違のない経済的に有
利な大面積放熱基板とその製造方法を提供することがで
きる。
る。
金属組織の比較を示す電子顕微鏡写真である。
におよぼす焼なまし温度の影響を示す図である。
基板の平面図である。図5(b)は図5(a)の異形状
放熱基板の断面図である。
Claims (41)
- 【請求項1】 モリブデン(Mo)の圧粉体に、質量比
で20〜60%の銅(Cu)を溶融、染み込ませる含浸
してなるCu−Mo複合基板からなることを特徴とする
放熱基板。 - 【請求項2】 請求項1記載の放熱基板において、温間
圧延又は冷間圧延を繰り返すことによって得られる圧延
板であって、微小な空孔やCu含浸ムラがない(Cuと
Moが均一に分布している)ことを特徴とする放熱基
板。 - 【請求項3】 請求項2記載の放熱基板において,打ち
抜き加工で端面又は側面及び表面に欠けや、クラック、
割れがなく、形状精度の良い加工ができ、表面にめっき
を施した後、700℃以上で熱処理してもめっきの膨
れ、剥離、ムラのない充分密着しためっき層を有するこ
とを特徴とする放熱基板。 - 【請求項4】 請求項1乃至3の内のいずれかに記載の
放熱基板において、前記Cu−Mo複合板を圧延加工し
た圧延板であって、この圧延板中のMo粒子のアスペク
ト比(最長径/最短径)が2以下であることを特徴とす
る放熱基板。 - 【請求項5】 請求項4記載の放熱基板において,前記
圧延板は、圧延方向に平行な方向と圧延方向に垂直な方
向の熱膨張係数の差(異方性)が8%以下であることを
特徴とする放熱基板。 - 【請求項6】 請求項1記載の放熱基板において、前記
Cu含浸量がモリブデン(Mo)の圧粉体に対して、質
量比で20〜40%であることを特徴とする放熱基板。 - 【請求項7】 請求項6記載の放熱基板において、電気
自動車や電気鉄道車両に使用されるパワー半導体に用い
られ、複数の半導体素子の搭載に用いられることを特徴
とする放熱基板。 - 【請求項8】 請求項7記載の放熱基板において、前記
Cu含浸量がモリブデン(Mo)の圧粉体に対して、質
量比で20〜30%であることを特徴とする放熱基板。 - 【請求項9】 請求項8記載の放熱基板において、熱膨
張係数7〜8.5×10-6/K、熱伝導率170〜19
0W/m・K、ヤング率220〜240GPa、密度1
0g/cm3 以下の各特性を備え、高信頼性を有するこ
とを特徴とする放熱基板。 - 【請求項10】 請求項6記載の放熱基板において,前
記Cu含浸量がモリブデン(Mo)の圧粉体に対して、
質量比で30〜40%であることを特徴とする放熱基
板。 - 【請求項11】 請求項10記載の放熱基板において、
車両の大容量整流器に搭載されていることを特徴とする
放熱基板。 - 【請求項12】 請求項1乃至3の内のいずれかに記載
の放熱基板において、前記圧延板にプレス加工によって
凹凸に段差を有する異形状を備えている事を特徴とする
放熱基板。 - 【請求項13】 請求項12記載の放熱基板において、
前記Cu含有量がモリブデン圧粉体に対して質量比で4
0〜60%であることを特徴とする放熱基板。 - 【請求項14】 請求項13記載の放熱基板において、
熱膨張係数8.7〜12×10-6/K、熱伝導率230
〜280W/m・K、ヤング率170〜200GPa、
密度10g/cm3 以下の特性を備えていることを特徴
とする放熱基板。 - 【請求項15】 請求項14記載の放熱基板において、
表面粗さRa≦0.1mm、反り≦O.3mmであること
を特徴とする放熱基板。 - 【請求項16】 請求項15記載の放熱基板において、
マイクロ波用半導体に搭載されることを特徴とする放熱
基板。 - 【請求項17】 請求項16記載の放熱基板を具備する
ことを特徴とする半導体パッケージ。 - 【請求項18】 Mo粉末に予めCu粉末を5質量%以
下の割合で混合した粉末の圧粉体に、質量比で40〜6
0%の銅(Cu)を含浸したCu−Mo複合基板から実
質的になることを特徴とする放熱基板。 - 【請求項19】 請求項18記載の放熱基板において、
熱膨張係数8.7〜12×10-6/K、熱伝導率230
〜280W/m・K、ヤング率170〜200GPa、
密度10g/cm3以下の特性を備えたことを特徴とす
る放熱基板。 - 【請求項20】 請求項19記載の放熱基板において、
マイクロ波用半導体の搭載に用いられることを特徴とす
る放熱基板。 - 【請求項21】 請求項20記載の放熱基板において、
前記Cu−Mo複合基板を冷間圧延又は温間圧延した圧
延板からなり、微小な空孔やCu含浸ムラがないことを
特徴とする放熱基板。 - 【請求項22】 請求項21記載の放熱基板において、
前記圧延板は、打抜き加工で端面又は側面にクラック、
割れがなく、形状精度の良い加工ができ、表面にめっき
を施した後700℃以上で熱処理しても、めっきの膨
れ、剥離、ムラの無い充分密着しためっき層を有するこ
とを特徴とする放熱基板。 - 【請求項23】 請求項21記載の放熱基板において、
前記圧延板は、凹凸に段差を有する形状を備えているこ
とを特徴とする放熱基板。 - 【請求項24】 Cu−Mo複合放熱基板を製造する方
法において、平均粒径(FSSS)2〜6μmのMo粉
末を、油圧あるいは静水圧(CIP)プレス機で5トン
/cm2 以下の圧力で圧粉体を形成し、還元性あるいは
不活性雰囲気炉中で、1083〜1300℃で質量比2
0〜60%のCuをMo圧粉体に含浸させてCu−Mo
複合基板を得ることを特徴とする放熱基板の製造方法。 - 【請求項25】 請求項24記載の放熱基板の製造方法
において、前記Cu−Mo複合基板に、40%以下の加
工度で圧延を施して圧延板を得ることを特徴とする放熱
基板の製造方法。 - 【請求項26】 請求項25記載の放熱基板の製造方法
において、前記圧延板に冷間圧延あるいは400℃以下
の温間圧延によって、微小な空孔やCu含浸ムラがない
(CuとMoが均一に分布している)圧延板を得ること
を特徴とする放熱基板の製造方法。 - 【請求項27】 請求項26記載の放熱基板の製造方法
において、前記圧延板中のMo粒子のアスペクト比(最
長径/最短径)が2以下であることを特徴とする放熱基
板の製造方法。 - 【請求項28】 請求項27記載の放熱基板の製造方法
において、前記圧延方向に平行な方向と前記圧延方向に
垂直な方向の熱膨張係数の差(異方性)が8%以下であ
ることを特徴とする放熱基板の製造方法。 - 【請求項29】 請求項26乃至28の内のいずれかに
記載の放熱基板の製造方法において、前記圧延板の表面
にめっきを施し、700℃以上で熱処理してもめっきの
膨れ、剥離、ムラのない充分密着しためっき層を有する
めっき付圧延板を得ることを特徴とする放熱基板の製造
方法。 - 【請求項30】 請求項26乃至28の内のいずれかに
記載の放熱基板の製造方法において、前記圧延板に、打
ち抜き加工を施して端面又は側面及び表面に欠けや、ク
ラック、割れがなく、形状精度の良い加工板を得ること
を特徴とする放熱基板の製造方法。 - 【請求項31】 請求項30記載の放熱基板の製造方法
において、前記加工板の表面にめっきを施し、700℃
以上で熱処理してもめっきの膨れ、剥離、ムラのない充
分密着しためっき層を有するめっき付加工板を得ること
を特徴とする放熱基板の製造方法。 - 【請求項32】 請求項27記載の放熱基板の製造方法
において、前記圧粉体に含浸させるCu量は、質量比2
0〜30%であることを特徴とする放熱基板の製造方
法。 - 【請求項33】 請求項27記載の放熱基板の製造方法
において、前記圧延板に、凹凸に段差を有する形状の放
熱基板にプレス塑性加工を施して異形状の放熱基板を得
ることを特徴とする放熱基板の製造方法。 - 【請求項34】 請求項33記載の放熱基板の製造方法
において、更に,プレス加工工程を備え,前記圧延の前
に銅含浸し,前記圧延を施した後,前記プレス加工工程
によって段差を有する形状の放熱基板に加工することを
特徴とする放熱基板の製造方法。 - 【請求項35】 請求項34記載の放熱基板の製造方法
において、前記圧粉体に含浸させるCu量は、質量比3
0〜40%であることを特徴とする放熱基板の製造方
法。 - 【請求項36】 請求項35記載の放熱基板の製造方法
において、前記圧粉体は、実質的に巨大粒子を含まず、
前記含浸は、体積収縮率3%以下で銅を均一に分布させ
ることからなることを特徴とする放熱基板の製造方法。 - 【請求項37】 請求項34記載の放熱基板の製造方法
において、前記圧粉体に含浸させるCu量は、質量比4
0〜60%であることを特徴とする放熱基板の製造方
法。 - 【請求項38】 Cu−Mo複合基板を製造する方法に
おいて、平均粒径(FSSS)2〜6μmのMo粉末と
5%以下のCu粉と混合し、油圧あるいは静水圧(CI
P)プレス機で5トン/cm2 以下の圧力で圧粉体を形
成し、還元性あるいは不活性雰囲気炉中で、1083〜
1300℃で質量比40〜60%のCuを前記圧粉体に
含浸させてCu−Mo複合基板を得ることを特徴とする
放熱基板の製造方法。 - 【請求項39】 請求項38記載の放熱基板の製造方法
において、前記Cu−Mo複合基板を40%以上の加工
度で冷間圧延あるいは400℃以下の温間圧延によっ
て、微小な空孔やCu含浸ムラがない圧延板を得ること
を特徴とする放熱基板の製造方法。 - 【請求項40】 請求項39記載の放熱基板の製造方法
において、前記圧延板にさらに凹凸に段差を有する形状
の放熱基板にプレス塑性加工して異形状の放熱基板を得
ることを特徴とする放熱基板の製造方法。 - 【請求項41】 請求項39記載の放熱基板の製造方法
において、前記圧延板に打抜き加工を施してクラック等
が発生しない良好な加工板を得た後、表面に安定しため
っき層を施すことを特徴とする放熱基板の製造方法。
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