(57)【要約】【課題】ヒートシンク等の放熱性を必要とする部品を低コストで製造することが可能であり、平坦性や直線性に優れ、加工性が良く、形状精度のばらつきが少ない高品質な銅−モリブデン複合材料およびそれを用いたヒートシンクを提供する。【解決手段】純銅または銅を主成分とする合金と、モリブデンまたはモリブデンを主成分とする合金とを合計で７層以上積層して形成され、モリブデン層および銅層の各単層の厚さが総板厚の２５％以下であることを特徴とする銅−モリブデン複合材料。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
純銅または銅を主成分とする合金からなる銅層と、モリブデンまたはモリブデンを主成分とする合金からなるモリブデン層とを合計で７層以上積層して形成され、モリブデン層および銅層の各単層の厚さが総板厚の２５％以下であることを特徴とする銅−モリブデン複合材料。
【請求項２】
前記銅−モリブデン複合材料は、長さが３０ｍ以上の長尺材であることを特徴とする請求項１記載の銅−モリブデン複合材料。
【請求項３】
前記銅−モリブデン複合材料は、総板厚が０．１ｍｍ〜５ｍｍ、かつ体積が１×１０６ｍｍ３以上であることを特徴とする請求項１記載の銅−モリブデン複合材料。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の銅−モリブデン複合材料から成ることを特徴とするヒートシンク。
【請求項５】
厚さが０．１ｍｍ〜５ｍｍであり、モリブデン層の単層あたりの厚さが０．３ｍｍ以下であり、銅層とモリブデン層が合計で７層以上に積層された銅−モリブデン複合材料から成ることを特徴とするヒートシンク。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、銅−モリブデン複合材料およびそれを用いたヒートシンクに係り、特に、熱伝導度が高く、低熱膨張性の材料で、加工性に優れた高品質の銅−モリブデン複合材料およびそれを用いたヒートシンクに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体部品等の放熱性を必要とする部品において、例えば、ヒートシンクやリードフレーム・基板・封着部品などの材料には、低熱膨張性と高放熱性・高導電性等の物性が要求されている。こうした物性を備えた材料を単体の金属材料で形成することは困難であるため、通常ヒートシンク等は、数種類の材料を組み合わせた複合材料により形成される。複合材料の構成例としては、例えば、アルミニウムや銅等の高熱伝導材と、低熱膨張材とを組み合わせたクラッド材や、粒子分散合金、含浸合金などが使用されている。
【０００３】
粒子分散合金の具体的な例としては、アルミニウムに炭化シリコンの粒子を分散させた複合材料や、銅にアルミナ粒子を分散させた複合材料があり、また、含浸合金の例としてはスポンジ状のタングステン多孔体に銅を含浸させた複合材料などがある。
【０００４】
しかしながら、粒子分散合金や含浸合金等は、金型を使用して製造するため大きな合金塊を作ることが困難であり、合金の量産性および製造コストの点で好ましくなかった。
【０００５】
一方、粒子分散合金や含浸合金より量産に適する材料としては、リボン状の金属材料を２〜５層積層して張り合わせたクラッド材がある。このクラッド材は、コイル状に成形可能であるため、量産性に優れている。こうしたクラッド材の具体例としては、銅と鉄−ニッケル合金を積層して形成したクラッド材が挙げられる。
【０００６】
しかしながら、このクラッド材は、鉄−ニッケル合金の熱伝導度が低いために、クラッド材の法線方向（板厚方向）への熱伝導性が低く、熱拡散性も低かった。
【０００７】
このようなクラッド材における熱伝導度の低さを解消するため、鉄−ニッケル合金の代わりに、熱伝導性に優れるモリブデンやタングステン等を使用したクラッド材も製造されている。
【０００８】
例えば、半導体素子を保持または搭載するための基板の製造方法として、タングステンまたはモリブデンからなる基材に銅またはチタンを接合して均質で歪の少ない基板を製造する方法がある（特許文献１参照）。
【０００９】
また、ヒートシンク部材の基材として用いるモリブデン板またはタングステン板に鋼材を接合してクラッド材とする際に、ひびの発生を防止する方法もある（特許文献２参照）。
【００１０】
一方、銅板とモリブデン板とを積層し、あるいは銅板とモリブデン板とを接合して形成したクラッド板を積層し、圧延圧着する方法があり、銅層とモリブデン層とから構成される多層積層材の製造が可能である（特許文献３参照）。
【００１１】
【特許文献１】
特開平６−２６８１１５号公報（明細書段落番号［００１３］〜［００１５］）
【００１２】
【特許文献２】
特開平１１−２８４１１１号公報（明細書段落番号［０００６］〜［０００８］）
【００１３】
【特許文献３】
特許第３２６７５６５号公報（明細書段落番号［０００４］）
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、モリブデンやタングステンは高融点の金属であり、溶解法によって調製することが困難である。そのため、クラッド材の構成材料となるモリブデン板やタングステン板は、通常、金型を使用して粉末焼結法によって製造されるため、製造可能な製品の大きさに限界がある。このような製法上の制約により、板材またはリボン材とした際の製品の大きさは、現状では、幅１ｍｍ当りの重量にして５０ｇ程度の大きさの製品が限界であった。
【００１５】
従って、通常クラッド材にモリブデン材を使用する場合は、銅材と積層して３層構造のクラッド材としたとしても、得られる製品の長さが１０ｍ〜２０ｍ程度であった。このような１０ｍ〜２０ｍ程度のクラッド材は、コイル材用圧延機にセットするには長さが充分ではないため、通常のコイル圧延のように張力をかけて圧延することが難しく、形状的にも平坦度、直線性、板厚ばらつきの点で精度が低く、ヒートシンク等に使用するには不都合なものであった。
【００１６】
また、銅板とモリブデン板とを３層に積層して形成したクラッド材は、銅とモリブデンとの熱膨張率の差異により、クラッド材に反りを生じることがあり、この反りの発生を防止するための手段が模索されていた。
【００１７】
このため量産加工に適し、平坦度や直線性に優れ、長尺材の製造が可能な複合材料が求められていた。
【００１８】
本発明は、上述したような課題を解決するためになされたもので、ヒートシンク等の放熱性を必要とする部品を低コストで製造することが可能であり、平坦性や直線性に優れ、加工性が良く、形状精度のばらつきが少ない高品質な銅−モリブデン複合材料およびそれを用いたヒートシンクを提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、クラッド材を構成する銅およびモリブデンを従来のクラッド材より、さらに繰返し圧着することにより、銅とモリブデンが交互に層状に積層された複合材料を作製することに成功し、圧着後所定の厚さまで焼鈍、圧延などを繰返すことにより、プレス加工時の加工効率および加工精度が向上し、従来の銅−モリブデン複合材料より長尺な複合材料の製造が可能であるとの知見を得た。
【００２０】
また、本発明者らは、前記した特許第３２６７５６５号公報（特許文献３）に記載されたような多層積層材に対しても圧延工程（冷間または熱間）、焼鈍工程などを繰返し、所定の板厚まで成形することにより、目的とする平坦度や直線性に優れた高品質な銅−モリブデン複合材料の製造が可能であるとの知見を得た。
【００２１】
また、冷間圧着工程または熱間圧着工程の後の冷間圧延工程において、コイル材用圧延機を用いて積層材に張力を付加させながら銅−モリブデン複合材料を圧延することにより、平坦性が十分に高く、層構成比率が安定した、均質な銅−モリブデン複合材料の長尺品が得られることが判明した。
【００２２】
すなわち、本発明に係る銅−モリブデン複合材料は、純銅または銅を主成分とする合金からなる銅層と、モリブデンまたはモリブデンを主成分とする合金からなるモリブデン層とを合計で７層以上積層して形成され、モリブデン層および銅層の各単層の厚さが総板厚の２５％以下であることを特徴とする。
【００２３】
本発明者らは、銅層（銅板）とモリブデン層（モリブデン板）とを少なくとも７層以上積層してクラッド材を形成し、各単層の厚さを総板厚の２５％以下とすることにより、従来の銅−モリブデン複合材料に比較して長尺の複合材料が得られることを確認した。また、各単層の厚さを２５％以下にすることにより、ヒートシンクに用いた際の法線方向（板厚方向）への放熱性を向上させることができることを見出した。
【００２４】
また、この銅−モリブデン複合材料によれば、長さ３０ｍ以上の長尺材を製造することが可能である。
【００２５】
銅−モリブデン複合材料は、長さ３０ｍ以上の長尺材とすることにより、コイル状に巻回したコイル材を用いて圧延することが可能となる。また、圧延した複合材料からヒートシンク等の部品をプレス切断機やプレス打抜機により生産する際に、銅−モリブデン複合材料の平坦性が優れているため、ヒートシンク等の部品への加工精度が向上する。
【００２６】
また、この銅−モリブデン複合材料は、少なくとも合計で７層以上の銅層とモリブデン層を積層して構成したので、従来の主流である３層の銅−モリブデン複合材料に比較して加工性に優れている。また、複合材料の法線方向の熱伝導性に優れるため、放熱性等の熱的特性に優れたヒートシンク等の部品を製造することが可能である。
【００２７】
ここで銅層を形成する純銅または銅を主成分とする合金とは、例えば、ＪＩＳに規定される無酸素銅等が好適に使用される。一方、モリブデン層を形成するモリブデンは９９．９％以上の純度を有する高純度モリブデンであることが好ましい。
【００２８】
また、この銅−モリブデン複合材料によれば、長さ１００ｍ以上の長尺材の製造も可能である。長さを１００ｍ以上とした長尺材の銅−モリブデン複合材料は、ヒートシンク等の部品をプレス加工により生産する際の生産効率をさらに向上させることができるので、ヒートシンク等の部品を生産する際の生産コストの削減に極めて有効である。
【００２９】
一方、銅−モリブデン複合材料は、厚さ（総板厚）が０．１ｍｍ〜５ｍｍとしとき、銅−モリブデン複合材料の体積（厚さ×幅×長さ）を１×１０６ｍｍ３以上にすることが好ましい。
【００３０】
上記銅−モリブデン複合材料の厚さが０．１ｍｍ未満の場合、機械加工時の強度および取扱い性が低下する。すなわち、銅−モリブデン複合材料の厚さは、０．１ｍｍが実用上の下限値となる。
【００３１】
また、銅−モリブデン複合材料の厚さが５ｍｍを超えるとなると、現状の設備（圧延機）では接合加工（圧延加工）の加工率が充分確保できず各層間に空隙等が残り、熱伝導性が低くなる可能性がある。従って、銅−モリブデン複合材料の厚さの実用上の上限値は、５ｍｍとする。
【００３２】
モリブデンは、銅に比較して熱伝導性が低く、複合材料に占めるモリブデン層の厚さが厚いと、複合材料の熱抵抗が増大して熱伝導性が低下する。そのため、モリブデン層は、複合材料の熱膨張係数を低下させる（反りが生じ難くする）ために必要な最小限の厚さとすることが好ましい。本発明の銅−モリブデン複合材料では、モリブデン層および銅層の各単層あたりの厚さを総板厚の２５％以下としたので、複合材料の法線方向への熱伝導性を維持し、また反り量の少ない複合材料を得ることが可能である。
【００３３】
さらに、本発明のヒートシンクは、厚さが０．１ｍｍ〜５ｍｍであり、モリブデン層の厚さが単層あたり０．３ｍｍ以下であり、銅層とモリブデン層を７層以上に積層して形成した銅−モリブデン複合材料により作製されたことを特徴とする。また、モリブデン層の単層の厚さ０．３ｍｍ以下は、総板厚の２５％以下を満たすことが好ましい。
【００３４】
このように銅層とモリブデン層とを合計で７層以上に積層し、銅−モリブデン複合材料の厚さを０．１ｍｍ〜５ｍｍとし、モリブデン層の厚さを０．３ｍｍ以下とした銅−モリブデン複合材料により形成されたヒートシンクは、材料となる銅−モリブデン複合材料の反り量が少なく、工作精度が向上するので、従来のヒートシンクに比較して熱伝導性が良好である。また、放熱性が向上するため、高性能のヒートシンクを製造することが可能になる。
【００３５】
なお、複合材料の加工工程（圧延等）において、銅層とモリブデン層の伸びの違いにより部分的に層が不連続になる個所が発生する可能性があるが、この不連続部は大量（例えば全体として５体積％以上）になければ特性に影響を与えるものではない。言い換えれば、本発明の銅−モリブデン複合材料は不連続部が５体積％未満程度存在していてもよいものとする。なお、不連続部が存在しない方がよいことは言うまでもない。
【００３６】
以上説明の通り、本発明に係る銅−モリブデン複合材料およびそれを用いたヒートシンクによれば、ヒートシンク等の放熱性を必要とする部品を低コストで製造することが可能であり、平坦性や直線性に優れ、加工性が良く、形状精度のばらつきの少ない高品質な銅−モリブデン複合材料およびそれを用いたヒートシンクを提供することが可能である。
【００３７】
【発明の実施の形態】
本発明に係る銅−モリブデン複合材料の実施の形態について、貼付図面および実施例を参照して以下に具体的に説明する。
【００３８】
図１に本発明の一実施例に係る銅−モリブデン複合材料７の構造図を示す。図１に示すように、本発明の銅−モリブデン複合材料７は、銅板１とモリブデン板２とを少なくとも７層以上積層して構成したものである。
【００３９】
銅−モリブデン複合材料７の製造方法としては、一般的な圧延法が適用できる。例えば、図２に示したようにコイル材３をガイドローラー４を介して圧延ローラー５により圧延される。出来上がった複合材料（クラッド材）はリール６に巻き取られる。供給されるコイル材３は、銅板、モリブデン板の単層であってもよいし、予め銅／モリブデンを所定枚数のクラッド材としたものを用いてもよい。また、特許文献３のように鉄製のケースを用いて圧延することも効果的である。また、圧延する際はコイル材に張力を付加しながら行うと平坦性が良好な大型のクラッド材を作製し易い。
【００４０】
また、コイル材としては板材、条材、リボン、箔、線材など様々な形態であってよく、その厚さも任意である。また、圧延に際してコイル材への張力の付加は任意であるが、張力を付加しながら圧延ロール５に供給した方が端部の形状を安定させ易く、また前記不連続部を形成し難いので好ましい。また、銅板のサイズをモリブデン板より若干長いものを用いて圧延することにより不連続部の形成を防ぐことができる。
【００４１】
また、必要に応じ、一度出来上がった複合材料を再度圧延してもよいし、表面研磨、端部の切断加工などの後加工を行ってもよい。また、ヒートシンク等の放熱部品に加工する際も適切な加工を行うものとする。
【００４２】
本発明に係る銅−モリブデン複合材料（実施例１〜実施例３）と従来の銅−モリブデン複合材料（比較例１，比較例２）とを製造し、それぞれの特性について調査し、比較検討した。
【００４３】
（実施例１）
幅２００ｍｍ、長さ１０００ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの銅板と、幅２００ｍｍ、長さ１０００ｍｍ、厚さ１ｍｍのモリブデン板を用意し、銅板２０１枚とモリブデン板２００枚とを交互に積層し、さらに最外層に厚さ２ｍｍの銅板を配置した。これを鉄製のケース（保護材）に入れて水素炉中で加熱して熱間圧延を行い、厚さ４ｍｍ，幅２３０ｍｍ，長さ約３０ｍの熱間コイル材を製造した。その後、この熱間コイル材の表面を研磨した後、冷間圧延と焼鈍を行い、厚さ１ｍｍ、長さ約１５０ｍの銅−モリブデン複合材料（体積：１．２×１０７ｍｍ３，モリブデン層単層あたり最大厚さ：０．０１２５ｍｍ以下）を得た。
【００４４】
（実施例２）
現状で入手可能な最長のモリブデン板（厚さ０．８ｍｍ×幅８０ｍｍ×長さ１０ｍ）の両面に、厚さ０．２ｍｍ、幅８０ｍｍで、長さが上記モリブデン板より若干長めの無酸素銅製の銅板を重ね合わせて積層材とし、この積層材を厚さ０．５ｍｍ以下となるような圧力を加えて圧延して銅層とモリブデン層とを接合させ、さらにこの積層材を１０００℃程度に加熱して銅板とモリブデン板とを完全に密着させて、厚さ０．５ｍｍ×幅７５ｍｍ×長さ約２０ｍのクラッド材を得た。
【００４５】
さらにこのクラッド材３枚を積層して圧延することにより、銅／モリブデン／銅／モリブデン／銅／モリブデン／銅の７層構造を有するクラッド材を得た。
【００４６】
このクラッド材をコイル材用圧延機により張力を張った状態で圧延し、長さ約２３ｍ、厚さ１ｍｍの平坦度に優れた銅−モリブデン複合材料（体積：１．６×１０６ｍｍ３，モリブデン層単層あたりの最大厚さ：０．２５ｍｍ以下）を製造した。
【００４７】
（実施例３）
モリブデン板（厚さ０．８ｍｍ×幅８０ｍｍ×長さ１０ｍ）の両面に、厚さ０．２ｍｍ、幅８０ｍｍで、長さが上記モリブデン板より若干長めの無酸素銅製の銅板を重ね合わせて得られた銅／モリブデン／銅の３層構造を有する積層材を長さ１０００ｍｍに切断し、計１０１層を積層したものを、鉄製のケースに入れて水素炉中で加熱し、熱間圧延を行い、圧着させて長さ約４０ｍ、厚さ２ｍｍのクラッド材とした。そのクラッド材をコイル材用圧延機により張力を張った状態で圧延し、長さ８０ｍ、厚さ１ｍｍの平坦性に優れた銅−モリブデン複合材（体積：６．２×１０６ｍｍ３，モリブデン層単層あたりの最大厚さ：０．０１ｍｍ以下，モリブデン層単層あたりの最小厚さ：０．００４４ｍｍ）を製造した。
【００４８】
（比較例１）
実施例１と同様に、モリブデン板（厚さ０．８ｍｍ×幅８０ｍｍ×長さ１０ｍ）の両面に、厚さ０．２ｍｍ、幅８０ｍｍで、長さが上記モリブデン板より若干長めの無酸素銅製の銅板を重ね合わせ、圧延して厚さ０．５ｍｍ以下として接合させ、さらに１０００℃程度に加熱して銅板とモリブデン板とを密着させてクラッド材を得た。このクラッド材を圧延して、長さ約２０ｍ、厚さ０．５ｍｍの３層構造の銅−モリブデン複合材料（体積：９．６×１０５ｍｍ３，モリブデン層単層あたりの最大厚さ：０．２６ｍｍ）を作製した。
【００４９】
（比較例２）
モリブデン板（厚さ１．６ｍｍ×幅８０ｍｍ×長さ２００ｍｍ）の両面に、厚さ０．４ｍｍ、幅８０ｍｍで、長さが上記モリブデン板より若干長めの無酸素銅製の銅板を重ね合わせ、圧延して接合させ、さらに１０００℃程度に加熱して銅板とモリブデン板とを密着させて、長さ約０．４ｍのクラッド材を得た。このクラッド材をさらに圧延して、長さ約０．５ｍ、厚さ１ｍｍの３層構造の銅−モリブデン複合材料（体積：２．６×１０６ｍｍ３，モリブデン層単層あたりの最大厚さ：０．３３ｍｍ）を作製した。
【００５０】
（比較例３）
焼結法により作製した銅−モリブデン分散合金を圧延して長さ２０ｍ、厚さ１ｍｍの銅−モリブデン複合材料を作製した。
【００５１】
（比較例４）
比較例１の銅−モリブデン複合材料において、銅とモリブデンの体積比を逆にしたものを作製した。
【００５２】
なお、実施例１〜実施例３および比較例１〜４に使用される銅およびモリブデンは、すべて同一の組成を有する金属材料（無酸素銅および純度９９．９％以上のモリブデン）を用いて製造した。また、実施例１〜３および比較例１，２，４はいずれも不連続部が０〜５体積％以下の良品を使用した。
【００５３】
これら実施例１〜実施例３および比較例１〜４について、それぞれの特性について比較検討した結果を表１および表２に示す。なお、平坦度は１ｍあたりの厚さのバラツキ（最大値−最小値）で示した。反りは、１ｍあたり３ｍｍ以下以下のものを良好（○）、３ｍｍを超えて１０ｍｍ以下のもの普通（△）、１０ｍｍを超えたものを悪（×）で示した。また、生産性は、長尺化の可否、歩留り、品質（平坦度）などを考慮して、最良（◎）、良（○）、普通（△）、悪（×）で示した。
【００５４】
【表１】
2004249589.tif 000003
【００５５】
【表２】
2004249589.tif 000004
【００５６】
表１および表２に示す評価結果を考察する。
【００５７】
実施例１は単一素材である板材を多層積層し、接合する例であり、実施例２はコイル状の素材をクラッド化、適当な板厚まで加工し、コイル材での圧着を繰返すことによって多層化する方法である。また実施例３はコイルで接合したクラッド材をシートに切断し、クラッド化する例である。
【００５８】
実施例２，３ではコイル化するためにはある程度の長さが必要であり、総体積に限りのあるモリブデンでは幅を制限することで長さを稼がざるを得ず、従って幅が８０ｍｍ程度となっている。層数を増やせば増やすほど圧着の回数が増え、労務・材料の能率が下がる方法ではあるが、多層クラッド化は可能であった。
【００５９】
比較例１および比較例４は通常方法によって得られる３層のコイル状クラッド材であり、実施例２，３で素材として使用したものと同様のものである。先述の通り長さを稼ぐために幅を狭くするとともに厚さも薄くなってしまった。また、そのように工夫して作製したが、２０ｍ程度の長さであり、その後の部品加工に供すると効率はあまり良く無いものとなることは明白であった。
【００６０】
比較例２は実際に使用される部品（ヒートシンク）に近いサイズで加工を行っている例であり、形状（平坦度）の制御などが難しく、また、モリブデン層が厚いためプレス加工の際の歩留りや金型の寿命が低下するなど成形加工にコストがかかるという難点を持っている。
【００６１】
比較例３は分散合金の例であり、銅とモリブデンの比重差により均一に分散させることに難点がある。
【００６２】
また、各実施例および比較例の熱膨張率および熱伝導率には大きな差はないが、熱伝導率は若干良くなっている。これはモリブデン層の最大厚さを総板厚の２５％以下と小さくしていることから、モリブデン層が熱抵抗層となることを抑制しているためである。
【００６３】
一方、平坦性においては本実施例にかかるものは３ｍｍ／１ｍ当り以下と優れた値を具備していた。平坦性が良いということは寸法精度に優れた複合材料であることを示している。それに対し、比較例１および比較例４は７ｍｍ／１ｍ当り以上と平坦性は悪かった。これは銅に比べて硬いモリブデン層の厚さが厚いため、圧延時に、銅とモリブデンの熱膨張差による反りの発生や原材料となるモリブデン板の表面状態の影響を受け易いためと思われる。また、比較例４のように３層構造においてモリブデン層が薄いと反りが発生し易いことも分かった。
【００６４】
また、生産性については、前述の通り、本実施例の複合材料は大型のものを作製できる。大型の複合材料が作製できるということは、複合材料からヒートシンクを作製する際の打抜き加工（プレス加工）等のヒートシンク製造工程において大量の被加工材（銅−モリブデン複合材料）を供給できるものであるからヒートシンクの生産性も向上させることができる。
【００６５】
【発明の効果】
本発明の銅−モリブデン複合材料およびそれを用いたヒートシンクによれば、ヒートシンク等の放熱性を必要とする部品を低コストで製造することが可能であり、平坦度や直線性に優れ、加工性が良く、形状精度のばらつきが少ない高品質な銅−モリブデン複合材料およびそれを用いたヒートシンクを提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る銅−モリブデン複合材料の一例を示す断面図。
【図２】銅−モリブデン複合材料の製造方法の一例を示す図。
【符号の説明】
１  銅層
２  モリブデン層
３  クラッド材
４  ガイドローラー
５  圧延ローラー
６  リール
７  銅−モリブデン複合材料
【図１】
2004249589.tif 000005
【図２】
2004249589.tif 000006