(57)【要約】【課題】半導体搭載用基板に使用される放熱基板に関するもので、比較的低い燒結温度で高密度を得ることができ、しかも必要な熱膨張係数と熱伝導度を備え、製法が比較的簡単な放熱基板材料を提供すること。【解決手段】材質が、重量比でニッケルを２〜１０％、銅を１〜５％、燐をニッケルと銅を合わせた重量に対し０．５〜１０％含有し、残部がタングステンである半導体用放熱基板。ニッケルの一部をコバルト及び／又は鉄した合金でもよい。この半導体用放熱基板は、金属粉末射出成形法により製造するのが好ましい。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
材質が重量比でニッケルを２〜１０％、銅を１〜５％、燐をニッケルと銅を合わせた重量に対し０．５〜１０％含有し、残部がタングステンであることを特徴とする半導体用放熱基板。
【請求項２】
金属粉末射出成形法により製造された請求項１に記載の半導体用放熱基板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体搭載用基板に使用される放熱基板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体用放熱基板としては、熱伝導度が高い材料であって、しかも半導体基板に貼り合わせたときに変形等が生じないように、熱膨張係数が半導体基板と同程度（低熱膨張係数）である必要がある。従来、半導体用放熱基板として使用されてきたのは、主として銅タングステン合金（Ｃｕ−Ｗ）である。銅タングステン合金は、タングステンと銅の配合比率によって、熱伝導度と熱膨張係数をある程度調整することができる。
【０００３】
銅タングステン合金は、粉末冶金技術によって製造されるもので、その製法には、タングステン粉末と銅粉末を混合して成形し燒結する粉末混合法と、あらかじめ多孔質のタングステンスケルトンを製作して、これに溶融銅を含浸させる溶浸法がある。この銅タングステン合金の製法については、例えば特許文献１、特許文献２等に開示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平８−１９９２８０号公報
【０００５】
【特許文献２】
特開平１０−２８００６４号公報
【０００６】
銅タングステン合金は、熱特性にすぐれているが、燒結時に生じる液相がほとんど銅で構成されているため、粘度が低く、表面に滲み出という問題がある。このため、燒結後にかなりの手間をかけて仕上げ加工を施す必要がある。
【０００７】
他の低熱膨張材料としては、コバールがある。コバールの熱膨張係数は５．３ｘ１０−６／Ｋと低く、ファインブランキング等により安価に製造できるが、熱伝導度が１７Ｗ／ｍＫと著しく低いため、放熱基板材料としては適していない。さらに、放射線遮蔽材料や航空機のカウンターウエイト、携帯電話機の振動子等に使用される高密度合金として、タングステン重合金が従来から知られている。この種の高密度合金は、基本的にはタングステン（Ｗ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）から構成されるもので、このタングステン重合金も熱膨張係数が低い材料であるが、これも熱伝導度が低いため、半導体用放熱基板としては使用されていない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記事情に鑑み、必要な熱膨張係数と熱伝導度を備え、しかも製法が比較的簡単な放熱基板材料を提供することを課題としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は次のような放熱基板を提供する。すなわち、請求項１に記載の半導体用放熱基板は、材質が重量比でニッケルを２〜１０％、銅を１〜５％、燐をニッケルと銅を合わせた重量に対し０．５〜１０％含有し、残部がタングステンであることを特徴としている。ニッケルの一部をコバルト及び／又は鉄で置換した合金でもかまわない。
【００１０】
本発明の放熱基板の材質は、その組成からみて、前述の高密度合金に類するものであるが、従来の高密度合金と異なり、タングステン、ニッケル、銅のほかに、所定量の燐Ｐを添加している。この燐の添加により、燒結性が向上し、比較的低温で高密度に燒結できることがわかっている（特願２００１−３９４４１２）。
【００１１】
本発明は、この高密度合金の成分と特性について種々研究している過程で、この高密度合金と同様な組成の合金が、熱膨張係数が低く、しかも半導体用放熱基板として使用するに適した熱伝導度を備えていることを見出して本発明を完成したのである。
【００１２】
通常のタングステン、ニッケル、銅からなるタングステン重合金は、熱膨張係数が５〜８ｘ１０−６／Ｋと低いが、この熱膨張係数は、比較的低熱膨張のタングステンと比較的高熱膨張である他の成分の組成比を変えることによって制御することができる。すなわち、タングステン重合金は、タングステン粒子と、ニッケル、銅、タングステン合金からなるマトリックスから構成されている。タングステンの熱伝導度は１６７Ｗ／ｍＫであるが、マトリックスの熱伝導度は、タングステンに比較すると著しく低いので、この種のタングステン重合金では、タングステン粒子相の体積分率が高くなるほど、熱伝導度は高くなる。また、タングステンの熱膨張係数は４．６ｘ１０−６／Ｋであり、タングステン相が増えるほど熱膨張係数は小さくなる。
【００１３】
タングステン重合金は、複雑形状のニアネット製造に適している。従来の銅タングステン合金の寸法のバラツキは、±１．０％であるが、ＭＩＭにより、製造した場合のタングステン重合金の寸法バラツキを実測したところ、±０．３％であった。銅タングステン合金は熱特性に優れているが、銅の滲み出し等により寸法のバラツキが大きく、ニアネット製造が困難であり、高コストとならざるを得ないのである。
【００１４】
本願発明では、従来のタングステン重合金の組成のほかに燐が添加されているが、この燐は、燒結後にニッケル−銅相中に残存し、マトリックスはニッケル−銅−タングステン−燐系合金となる。燐が存在することでニッケル−銅中へのタングステンの溶解度は低下するので、タングステン粒子相の体積分率が高くなり、熱伝導度は向上し、逆に熱膨張係数は低下するものと考えられる。すなわち、燐の添加により、熱伝導度及び熱膨張係数がともに純タングステンのそれに近づくのである。
【００１５】
本発明は、ニッケル（Ｎｉ）又はニッケルとコバルト（Ｃｏ）及び／又は鉄（Ｆｅ）の合金や銅（Ｃｕ）が、燐（Ｐ）とのあいだに比較的低温の共晶点を持つことに着目し、タングステン、ニッケル（コバルト、鉄等を含んでもよい）、銅系合金にリンを添加することにより、低温で液相を生成させ、炉体、発熱体の材料が低コストですむ１０００℃程度の比較的低温で高密度（１７ｇ／ｃｍ３  以上）の燒結体を得るものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について具体例を挙げつつ詳細に説明する。この放熱基板材料は、公知の粉末冶金法によって製造することができる。図１はその製造工程を表すもので、まず各原料粉末を目的とする合金の組成に合わせて配合し、アトライタミル等の公知の混合装置で混合する。燐としては、例えば赤燐粉末（Ｃｕ−８％Ｐ、燐酸銅等でもよい）を使用する。混合時間は均一な混合状態が得られる時間であり、通常は２〜４時間である。
【００１７】
得られた混合粉末を射出成形用バインダーとともにニーダーミキサー中で混練し、フィードストックを得る。該フィードストックを射出成形、脱脂し、その成形体を水素雰囲気等の非酸化性雰囲気中で燒結する。この合金にはリン（燐）が添加されているので、燒結温度は１０００℃程度の比較的低温でよく、燒結時間は通常は３時間以上である。この燒結により、目的とする密度１７ｇ／ｍ３  以上の高密度合金の高密度燒結体が得られるのである。図２は燒結温度と燒結密度との関係を表す。
【００１８】
【実施例１】
平均粒度１．５ミクロンのタングステン粉末、平均粒度２．５ミクロンのカルボニルニッケル粉末、平均粒度１５ミクロンのアトマイズ銅粉末、及び赤燐粉末をＷ−３％Ｎｉ−２％Ｃｕ−０．１％Ｐ（Ｐ量はＮｉとＣｕを合わせた量に対し２％）（実施例Ａ）、及びＷ−６％Ｎｉ−４％Ｃｕ−０．２％Ｐ（実施例Ｂ）となるように秤量し、アトライタミル中で３時間混合した。得られた混合粉末と射出成形用バインダーをニーダ中で混練し、フィードストックを作製した。
【００１９】
このフィードストックを所定の金型中に射出成形し、成形体を得た。これを水素雰囲気中で加熱して、脱脂するとともに、１０００℃で燒結した。得られた燒結体の寸法精度は±０．３％であった。この燒結体から熱伝導度及び熱膨張係数測定用の試片を切り出して測定した結果を表１及び図３に示す。なお、燒結体の成分について調査したところ、燐は当初添加量の８５％が残留していることがわかった。この燐は、微量であり、用途上なんら問題とならないものである。
【００２０】
得られた燒結体は、外面機械加工なしに、表面をニッケルメッキして使用に供した。銅タングステン合金の場合は、寸法精度が±１％で、表面には銅が滲み出していたので、外面をエンドミルで機械加工した。その後ニッケルメッキを行って使用に供した。
【００２１】
【表１】
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【００２２】
【実施例２】
平均粒度１．５ミクロンのタングステン粉末、平均粒度２．５ミクロンのカルボニルＮｉ粉、平均粒度１５ミクロンのアトマイズ銅粉、平均粒度１．８ミクロンのコバルト粉及び赤燐粉を用い、Ｗ−１．８Ｎｉ−１．２Ｃｕの割合で配合するとともに、このうちのＮｉとＣｕを合わせた量に対しＰが４％となるように燐を添加し、アトライタミル中で４時間混合した。混合粉末を３０ｘ３００ｍｍの金型中で１５００ｋｇｆ／ｃｍ２  の圧力で１．５ｍｍの厚さにプレス成形した。この成形体を水素雰囲気中、１２００℃で１．５時間燒結した。得られた合金の密度は１８．３ｇ／ｃｍ３  であった。この合金の熱膨張係数と熱伝導率は、上記実施例Ａと同等であった。得られた合金は、上下面を０．０５ｍｍラップ加工後、ニッケルメッキして使用に供した。
【００２３】
【比較例１】
平均粒度１．５ミクロンのタングステン粉末、平均粒度２．５ミクロンのカルボニルＮｉ粉、平均粒度１５ミクロンのアトマイズ銅粉をＷ−３％Ｎｉ−２％Ｃｕ（比較例Ｃ）、及びＷ−６％Ｎｉ−４％Ｃｕ（比較例Ｄ）となるように秤量し、アトライタミル中で３時間混合した。混合後は混合粉末を乾燥した。
【００２４】
得られた混合粉末と射出成形用の有機バインダーであるエチレンビニルアセテート・ブチルメタアクリレート・ポリスチレンの共重合体、パラフィンワックス、フタル酸ブチル、ステアリン酸を加えてニーダ中で混練し、フィードストックを作製した。このフィードストックを所定の金型中に射出成形し、成形体を得た。これを水素雰囲気中で脱脂し、１３５０℃で燒結した。
【００２５】
得られた燒結体の寸法精度は±０．３％であった。この燒結体から熱伝導度及び熱膨張係数測定用の試片を切り出して測定した結果を表１及び図３に併記した。
【００２６】
【比較例２】
上記実施例と同様な原料を用い、Ｗ−１．８％Ｎｉ−１．２％Ｃｕ（比較例Ｅ）、及びＷ−１．８％Ｎｉ−１．２％Ｃｕ−０．１％Ｐ（比較例Ｆ）となるように配合し、上記と同様な工程で燒結体を得た。この燒結体から熱伝導度及び熱膨張係数測定用の試片を切り出して測定した結果を表１及び図３に併記した。
【００２７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の半導体用放熱基板は、比較的低い燒結温度で高密度を得ることができるものであり、熱伝導度にすぐれ、低熱膨張係数を有するものである。しかも、多くの場合、外面機械加工なしに、燒結上りで寸法精度を満足する燒結体を得られるので、製造コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体用放熱基板の製造工程図である。
【図２】燒結温度と密度との関係を表すグラフである。
【図３】実施例と比較例の性質を表すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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