(57)【要約】【課題】  高い熱伝導率と低い熱膨張率を兼備するＣｕとＣｕ２Ｏとから成る銅系複合材料を、低いコストで製造し、且つ塑性加工を不要とする方法を提供する。【解決手段】  プラズマ・ガスとしてＡｒとＯ２とを供給し、高周波コイルによりプラズマ・フレームを発生させる。複合材料の原材料としてはＣｕ２Ｏを用いず、Ｃｕ粉末のみを前記プラズマ・フレーム中に供給し、前記プラズマ・フレーム中に供給されたＣｕ粉末の一部が酸化されて得られたＣｕ２Ｏと酸化されなかったＣｕ粉末とを溶射することによって、所望の銅系複合材料を得ることが可能となる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣｕとＣｕ２Ｏで構成される銅系複合材料を製造する銅系複合材料の製造方法において、
酸素を含むプラズマ・ガスを供給してプラズマ・フレームを生成するプラズマ・フレーム生成工程と、
前記プラズマ・フレーム中にＣｕ粉末を供給してＣｕとＣｕ２Ｏの複合材料を生成する複合材料生成工程と、を含むことを特徴とする銅系複合材料の製造方法。
【請求項２】
前記プラズマ・フレーム生成工程は、高周波を用いたものであることを特徴とする請求項１記載の銅系複合材料の製造方法。
【請求項３】
前記複合材料生成工程は、前記プラズマ・フレーム内に２ヶ所以上の場所からＣｕ粉末を供給することを特徴とする請求項１又は２記載の銅系複合材料の製造方法。
【請求項４】
前記複合材料生成工程におけるＣｕ粉末を供給する前記２ヶ所以上の場所の内の、少なくとも１ヶ所は前記プラズマ・フレームの上部に位置し、少なくとも１ヶ所は前記プラズマ・フレームの下部に位置することを特徴とする請求項１から３いずれか記載の銅系複合材料の製造方法。
【請求項５】
前記プラズマ・フレーム生成工程におけるプラズマ・ガス中の酸素濃度を連続的もしくは段階的に変化させることにより、溶射皮膜の厚さ方向でＣｕとＣｕ２Ｏの体積比を連続的若しくは段階的に変化させた銅系傾斜組成複合材料を製造することを特徴とする請求項１から４いずれか記載の銅系複合材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放熱板に利用可能な、高い熱伝導性と低い熱膨張率を兼備した銅系複合材料の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子は、日々高性能なものが開発されている。その高性能化に伴い、駆動時における半導体素子からの発熱量が増大する傾向にある。半導体素子の温度が上昇すると、その動作に安定性がなくなり、誤作動が生じるおそれがある。そのため、放熱板などを介して発生した熱を逃がしてやることで、当該半導体素子の温度上昇を抑える必要がある。
【０００３】
放熱板として用いられる材質には、高い熱伝導性が求められるので、金属、特に銅やアルミニウムなどが主として用いられている。その中でも特に銅については、その低コスト性を理由に広く利用されている。
【０００４】
しかしながら、高い熱伝導率と低コスト性とを併せ持つ銅といえども、半導体素子用放熱板としては決して万能とは言えない。低コスト性及び高熱伝導性を有する一方で、高い熱膨張率をも有しているため、温度が上昇した場合には銅と比較して熱膨張率の低い半導体素子との接合部に歪みを生じさせ、変形、剥離、破壊などを引き起こす原因となってしまうのである。
【０００５】
このような問題点に対しては、Ｃｕと比較して熱膨張率の低いＣｕ２Ｏを加えた銅系複合材料を用いることで、解決がなされてきた。Ｃｕ２ＯはＣｕに比べ熱伝導率はやや劣るものの、ＣｕとＣｕ２Ｏからなる銅系複合材料としては充分な熱伝導率を備えている。その一方で、ＣｕにＣｕ２Ｏを加えることで熱膨張率を低減させることもできる。従って、ＣｕとＣｕ２Ｏからなる銅系複合材料を放熱板として用いることにより、当該放熱板の熱膨張率を半導体素子基板の熱膨張率に近づけることが可能となり、当該放熱板と当該半導体素子基板との接合部の歪の発生を抑えることが可能となるのである。
【０００６】
上記の如く、ＣｕとＣｕ２Ｏとから構成される銅系複合材料の高い熱伝導率と低い熱膨張率を兼備するという優れた特性を活かし、既に半導体素子用放熱板の材料としても利用されている。その製造方法としては主として焼結法が挙げられる。また、その他の製造方法としては、粉末圧延法、鋳造法、溶射法等が挙げられる（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００４−８３９６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した銅系複合材料の主な製造方法である焼結法においては、焼結体を焼成した後、切り出し加工や切削加工若しくは熱間押し出し後に圧延加工を行う、というように放熱材に仕上げるまでには多くの工程が必要であり、コストが嵩むといった問題があった。また、ＣｕとＣｕ２Ｏとから構成される銅系複合材料においてＣｕ２Ｏの体積比が多くなるほど加工性が悪化するので、特にＣｕ２Ｏの体積比が多い銅系複合材料を製造する場合には、押し出し時や圧延時に割れが発生してしまい、歩留まりを大幅に低下させるという問題もあった。
【０００８】
また、粉末圧延法を用いた場合においては、生成する銅系複合材料の厚さの制御が困難であるために、クラックの発生が多いという問題があった。鋳造法を用いた場合においては、ＣｕとＣｕ２Ｏの体積比の制御が非常に困難であるとともに、基本的に鋳造後に圧延工程が必要であり、歩留まりも悪いという問題があった。
【０００９】
更に、従来技術においては、ＣｕとＣｕ２Ｏとから構成される銅系複合材料を製造するためには原材料としてＣｕ粉末とＣｕ２Ｏ粉末とを使用していたのであるが、Ｃｕ２Ｏ粉末はＣｕ粉末よりも高コストであるため、純銅より成る材料と比較してコストが嵩むという問題もあった。
【００１０】
ＣｕとＣｕ２Ｏとから構成される銅系複合材料は、高い熱伝導率と低い熱膨張率を兼備するという非常に優れた特性を備えるため、多くの用途での使用が期待されるのであるが、当該銅系複合材料をより普及させるためには、塑性加工が困難である、製造コストが高いといった課題を解決する必要があった。
【００１１】
本発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、高い熱伝導率と低い熱膨張率を兼備するＣｕとＣｕ２Ｏとから成る銅系複合材料を、低いコストで製造し、且つ塑性加工を不要とする方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、ＣｕとＣｕ２Ｏで構成される銅系複合材料を製造する銅系複合材料の製造方法において、酸素を含むプラズマ・ガスを供給してプラズマ・フレームを生成するプラズマ・フレーム生成工程と、前記プラズマ・フレーム中にＣｕ粉末を供給してＣｕとＣｕ２Ｏの複合材料を生成する複合材料生成工程と、を含むことを特徴とする銅系複合材料の製造方法を提供するものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、高い熱伝導率と低い熱膨張率を兼備するＣｕとＣｕ２Ｏとから成る銅系複合材料を、高コストであるＣｕ２Ｏ粉末を原材料として用いずに製造することが可能となるので、当該銅系複合材料を低いコストで製造することが期待でき、また、最終目的物の形状となるように製造することが可能となるので、ＣｕとＣｕ２Ｏとから成る銅系複合材料が塑性加工の困難さにかかわらず高歩留まりで製造することが期待できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明に係る銅系複合材料の製造方法の好適な実施例について説明する。
【００１５】
本発明による銅系複合材料の製造方法は、ＣｕとＣｕ２Ｏとで構成される銅系複合材料をプラズマ溶射法で得る製造方法において、酸素の存在する雰囲気下で、Ｃｕ粉末のみをプラズマ中に連続的に供給することにより、ＣｕとＣｕ２Ｏとで構成される銅系複合材料を得るものである。
［銅系複合材料の製造装置］
【００１６】
図１に本発明における銅系複合材料の製造装置の概略図を示す。
【００１７】
溶射チェンバ１の上部にはプラズマ・フレーム２を発生させるための高周波コイル３が設けられている。高周波コイル３の上部には更に、Ａｒガス供給口４とＯ２ガス供給口５とが設けられている。Ａｒガス供給口４とＯ２ガス供給口５とはそれぞれＡｒガス・タンク６、Ｏ２ガス・タンク７と接続されており、各タンク内のガスがそれぞれの供給口より高周波コイル３内に供給され、当該ガスに高周波コイル３により高周波磁場が印加されることで、プラズマ・フレーム２が発生するのである。
【００１８】
また、高周波コイル３の上部には更に、第１の粉末供給口８が設けられている。第１の粉末供給口８はパウダー・フィーダ９と接続されており、パウダー・フィーダ９内に充填されたＣｕ粉末が第１の粉末供給口８よりプラズマ・フレーム２内に供給される。
【００１９】
更に、高周波コイル３の下部には更に、第２の粉末供給口１０が設けられている。第２の粉末供給口１０はパウダー・フィーダ１１と接続されており、パウダー・フィーダ１１内に充填されたＣｕ粉末が第２の粉末供給口１０よりプラズマ・フレーム２内に供給される。
【００２０】
上述した高周波コイル３、Ａｒガス供給口４、Ｏ２ガス供給口５、第１の粉末供給口８及び第２の粉末供給口１０より、プラズマ・トーチ１２が形成される。
【００２１】
溶射チェンバ１内の高周波コイル３の下方には、被溶射基板１３を搭載するための基板ホルダ１４が設けられており、基板ホルダ１４は、回転軸１５により回転自在となっている。また、回転軸１５は水平方向の移動が可能となるように設けられており、これにより基板ホルダ１４も水平方向の移動が可能となる。
【００２２】
尚、本実施形態においては、プラズマ源として高周波を用いているが、本発明は高周波プラズマを用いたものに限られるのではなく、アーク放電を用いるもの等その方式は問わない。但し、酸素ガスをプラズマ・ガスとして使用するので、プラズマ源としては高周波を利用することが好適である。また、直流プラズマ・ガンを高周波プラズマ・トーチ上部に備えたハイブリッド・プラズマとしてもよい。主たるプラズマ・ガスとしては本実施形態においてはＡｒを用いているが、本発明はこれに限らず、Ａｒ以外のガスを用いるものであっても良い。
【００２３】
また、溶射皮膜中でのＣｕとＣｕ２Ｏとの分散状態を制御するために、上述のようにプラズマ・フレームへのＣｕ粉末の供給部を２ヶ所以上にすることが望ましいが、本発明はこれに限らず、Ｃｕ粉末の供給部が１ヶ所のみからなるものであってもよい。
【００２４】
更にまた、本実施形態においては、パウダー・フィーダを２つ設けているが、本発明はこれに限らず、パウダー・フィーダは１つのみを設け、当該パウダー・フィーダと２つの粉末供給口が接続されているように構成されたものであってもよい。
［銅系複合材料の製造方法］
【００２５】
次に、上述の本発明に係る製造装置を用いた銅系複合材料の製造方法について説明する。
【００２６】
プラズマ・ガスとして用いられるＡｒガスとＯ２ガスとは、Ａｒガス供給口４及びＯ２ガス供給口５よりプラズマ・トーチ１２内に放出され、混合ガスとなる。プラズマ・トーチ１２内において、プラズマ・トーチ１２の周囲に設けられた高周波コイル３により発生する高周波磁場によって当該混合ガスが電離し、プラズマ・フレーム２を形成する。
【００２７】
尚、プラズマ・トーチ１２内に放出されるプラズマ・ガスの気圧は、大気圧下でも減圧下でもよい。
【００２８】
Ｃｕ粉末が第１の粉末供給口８を介してプラズマ・トーチ２内に供給されると、当該Ｃｕ粉末はプラズマ・フレーム２の熱によって完全溶融若しくは表面のみが溶融して液滴となる。と同時にその一部はプラズマ・ガスを構成する酸素の存在により酸化されＣｕ２Ｏとなる。
【００２９】
また、第２の粉末供給口１０からも、Ｃｕ粉末が供給される。当該Ｃｕ粉末はプラズマ・フレーム２の下部に供給され、溶融若しくは表面のみ溶融して液滴となるのであるが、プラズマ・フレーム２内に供給されてから重力落下により当該プラズマ・フレーム２を離脱するまでに要する時間は、第１の粉末供給口８から供給されたＣｕ粉末よりは短いため、当該第１の粉末供給口８から供給されたＣｕ粉末ほどは酸化されないこととなる。
【００３０】
尚、その際にＣｕ粉末の溶融状態やＯ２ガスの供給比を制御することによって、酸化状態の程度を制御することが可能となる。
【００３１】
液滴となったＣｕおよびＣｕ２Ｏは、そのまま落下し、下方に位置する被溶射基板１３に到達して凝固する。これにより、被溶射基板１３上に皮膜を形成する。このため、被溶射基板１３上に形成された溶射皮膜はＣｕとＣｕ２Ｏとより構成される複合材料皮膜となる。その際、溶射皮膜の組織はラメラ状の異方性に富んだ組織となる。
【００３２】
その際、基板ホルダ１４を回転軸１５によって回転させたり、水平移動させたりすることで、Ｃｕと及びＣｕ２Ｏの液滴が基板ホルダ１４上へ落下する位置を制御することが可能となり、大面積の被溶射基板に対しても均一の溶射皮膜を形成することが可能となるのである。
【００３３】
また、得られる溶射皮膜の大きさや形状を制御することも可能となるので、その後の加工を最低限に抑えつつも所望の形状の銅系複合材料を得ることが可能となるのである。
【００３４】
その後、得られた溶射皮膜を更に８００〜１０００℃の温度で数時間熱処理することにより、焼結が進行し、緻密化が図られ、Ｃｕ２Ｏが粒状化する。
【００３５】
溶射皮膜のＣｕとＣｕ２Ｏの体積比は、主にＡｒガスとＯ２ガスの供給比及び第１の粉末供給口８及び第２の粉末供給口１０からのＣｕ粉末の供給比を変えることによって、Ｃｕ粉末の全供給量の内の酸化される割合を調整することで制御が可能となる。
【００３６】
更に、ＡｒガスとＯ２ガスの供給比及び第１の粉末供給口８と第２の粉末供給口１０からの供給比を連続的若しくは段階的に変化させることで、ＣｕとＣｕ２Ｏの体積比が連続的若しくは段階的に変化する銅系傾斜組成複合材料を製造することも可能である。
【００３７】
得られた溶射皮膜を被溶射基板１３から剥離することで目的の銅系複合材料を得ることが基本であるが、被溶射基板１３から剥離せずに複合材料とすることも可能である。また、プラズマ・トーチ１２と被溶射基板との水平相対位置を連続的に変化させれば、均一大面積の銅系複合材料とすることも可能である。
【００３８】
ＣｕとＣｕ２Ｏの体積比は、Ｃｕ２Ｏが２０〜６０ｖｏｌ％となるようにすることが望ましい。Ｃｕ２Ｏが２０ｖｏｌ％未満の場合、室温〜３００℃での熱膨張率が高くなり、パワー半導体素子の放熱板として使用する際に、界面での割れや剥離が生じる可能性がある。一方、Ｃｕ２Ｏが６０ｖｏｌ％以上の場合、Ｃｕで構成される熱伝導のパスが急激に低下し、熱伝導率が急激に低下するからである。
【００３９】
また、使用するＣｕ粉末の純度については特に規定しないが、不純物は総量で１００ｐｐｍ以下であることが望ましい。プラズマ・トーチ上部から供給するＣｕ粉末の粒径は３０〜１００μｍ、高周波コイル下から供給する粉末の粒径は１０〜５０μｍであることが望ましい。プラズマの出力は２０〜６０ｋＷ程度が望ましい。出力が２０ｋＷ未満の場合には、特に高周波コイル下から供給する粉末が充分に溶融せず、多孔質の溶射皮膜になるとともに、歩留まりも低下するからであり、出力が６０ｋＷ以上の場合には、粉末が蒸発しプラズマを著しく不安定にするとともに、歩留まりも低下するからである。
【００４０】
溶射膜の気孔率、組織、ＣｕとＣｕ２Ｏの体積比、粉体重量に対する溶射膜の歩留まり等は、上記のパラメータで決まり、これらを制御することにより、目的とする銅系複合材料を得ることが可能となる。
［実施例１］
【００４１】
図１に示す高周波プラズマ溶射法による製造装置を用いて、銅系複合材料を製造した。大気圧下においてＡｒと微量のＯ２からなるプラズマ・ガスを使用し、高周波コイル３によりプラズマ・フレーム２を発生させた。プラズマ・トーチ１２の上部に位置する第１の粉末供給口８から平均粒径８０μｍのＣｕ粉末を、高周波コイル３の下部に位置する第２の粉末供給口１０から平均粒径２０μｍのＣｕ粉末をそれぞれ供給し、各々のＣｕ粉末を完全溶融若しくは表面のみを溶融させ液滴とするとともに、その一部を酸化させＣｕ２Ｏを生成した。液滴となったＣｕ及びＣｕ２Ｏは、混合したまま重力落下することにより、プラズマ・トーチ１２の下方に位置する直径３０ｍｍの水冷ＢＮ基板上に溶射された。
【００４２】
この際、高周波の周波数は４ＭＨｚとし、出力は３０ｋＷとした。ＡｒとＯ２の流量比は、２０：１とした。基板はプラズマ・トーチ１２の出口から１００ｍｍの位置に置き、回転軸１５により回転させ、溶射皮膜の均一化を図った。
【００４３】
溶射終了後、溶射皮膜を基板から剥離させた。溶射皮膜厚さは３ｍｍであった。断面組織観察の結果、Ｃｕ２Ｏの体積率は２０ｖｏｌ％であり、クラックは無く、気孔もほとんど観察されなかった。溶射皮膜はＣｕ２Ｏ粒子がラメラ状に微細に分散した異方性のある組織であった。更に、得られた複合材をＡｒ雰囲気下で９００℃の温度で１０時間保持させた。ＥＰＭＡによる断面組織観察の結果、Ｃｕ２Ｏの粒状化が進み、より等方的な組織に変化していた。ＸＲＤによる解析の結果、ＣｕのピークとＣｕ２Ｏのピークのみが検出された。平面方向の熱伝導率を室温にて測定した結果、２８０（Ｗ／ｍ・Ｋ）であった。また、平面方向の熱膨張率を室温から１００℃まで測定した結果、１４（１０−６／℃）であった。
【００４４】
また、比較材として、従来技術による製造方法を用いて、Ｃｕ及びＣｕ２Ｏからなる銅系複合材料を製造し、その性能について調べた。
【００４５】
ボール・ミルにて平均粒径３０μｍのＣｕ粉末と平均粒径５０μｍのＣｕ２Ｏ粉末とを混合させ、ＣＩＰにて直径１００ｍｍ、長さ３００ｍｍに成型後、焼結し、Ｃｕ２Ｏの体積率２０ｖｏｌ％の複合材を得た。ＥＰＭＡによる断面組織観察の結果、等方性の組織を有することを確認した。熱伝導率を室温で測定した結果、２９０（Ｗ／ｍ・Ｋ）であった。また、熱膨張率を室温から１００℃まで測定した結果、１４（１０−６／℃）であった。
【００４６】
以上、本発明によれば、高い熱伝導性と低い熱伝導率を兼備した銅系複合材料を、従来の主な製造方法であった焼結方と同等の性能を有しながら、安価な製造コストで製造することが可能であることがわかる。
［実施例２］
【００４７】
次の実施例は、ＣｕとＣｕ２Ｏの体積比が段階的に変化する銅系傾斜組成複合材料について製造したものである。
【００４８】
図１に示す高周波プラズマ溶射法による製造装置を用い、大気圧下でプラズマ・ガスとしてＡｒと微量のＯ２を使用して、プラズマ・トーチ１２の上部に位置する第１の粉末供給口８から平均粒径８０μｍのＣｕ粉末を供給し、高周波コイル３の下部に位置する第２の粉末供給口１０から平均粒径２０μｍのＣｕ粉末を供給し、直径３０ｍｍの水冷ＢＮ基板上に、Ｃｕ粉末とＣｕ２Ｏ粉末との混合粉末を溶射した。高周波の周波数は４ＭＨｚとし、出力は３０ｋＷとした。粉末供給開始時にはＡｒのみを供給し、所定の時間毎に、Ｏ２の供給量を段階的に増加させ、最終的にＡｒとＯ２の流量比を１０：１とした。また、Ｃｕ粉末供給開始時には、第１の粉末供給口８と第２の粉末供給口１０からの供給量比を１：１とし、所定の時間ごとに第２の粉末供給口１０からの供給量を段階的に減少させ、最終的に供給量比を２：１とした。基板はプラズマ・トーチ１２の出口から１００ｍｍの位置に置き、回転軸１５より回転させ、溶射皮膜の均一化を図った。
【００４９】
溶射終了後、溶射皮膜を基板から剥離させた。溶射皮膜厚さは３ｍｍであった。断面組織観察の結果、Ｃｕ２Ｏの体積率は基板側で０ｖｏｌ％、表面側で６０ｖｏｌ％であり、膜厚方向で段階的に増加していることが観察された。Ｃｕ２Ｏ粒子はラメラ状に微細に分散してた。また、クラックは無く、気孔もほとんど観察されなかった。
【００５０】
以上、本発明によれば、高い熱伝導性と低い熱伝導率を兼備した銅系複合材料であって、ＣｕとＣｕ２Ｏの体積比が段階的に変化する銅系傾斜組成複合材料を、安価な製造コストで製造することが可能であることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明に係る銅系複合材料の製造装置の概略図である。
【符号の説明】
【００５２】
１  溶射チェンバ
２  プラズマ・フレーム
３  高周波コイル
４  Ａｒガス供給口
５  Ｏ２ガス供給口
６  Ａｒガス・タンク
７  Ｏ２ガス・タンク
８  第１の粉末供給口
９、１１  パウダーフィーダ
１０  第２の粉末供給口
１２  プラズマ・トーチ
１３  被溶射基板
１４  基板ホルダ
１５  回転軸
【図１】
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