半導体機器ヒートシンク用 CrCu 複合材料
「JC' CREP」の開発
寺 尾 星 明1和田浩2小日置英明))太 田 裕 樹 松 原 行 宏.

は じめに.

ヒートシンクに適用するための方策

光通信や無線通信，あるいは，インバータなどに使用されヒートシンク用途では，相手材の種類と接合温度により要ている半導体の高出力化が進展しており，社会基盤として重求される熱膨張率は異なってくるが，12×10－6/K 以下とす

要な電子機器の安定性を維持するためには，半導体から発生る必要がある．また熱伝導率は既存のヒートシンク材と同等する熱を効率良く機器外に逃がすヒートシンク(放熱板ある以上であることが要求される．図に German モデル(1) のいは放熱部品)が重要な役割を果たしている．

計算結果と開発した Cr Cu 材の熱特性を示す． W Cu 材でヒートシンクには，半導体素子として使用される Si, SiC,多用されている 90 mass  W Cu の熱伝導率は 180 W / mK

GaAs など，あるいは，パーケージに使用される Al2O3 や

程 度 で あ る ． German ら の モ デ ル に よ る 計 算 で は ， 50

AlN などのセラミックやコバール材(FeNiCo 合金)と同等

massCrCu とすると熱伝導率は 175 W/mK で熱膨張率はの低熱膨張率が要求され，かつ熱伝導率が高いものが求めら13.5×10－6/K となる．

れる．そのような要求を満たす素材として，従来，粉末冶金

このような高 Cr 配合率 CrCu 材の製造には，凝固偏析が法による WCu 材や MoCu 材が使用されてきた．しかし，大きい溶解法ではなく， Cr 粉末を成形，焼結した後純銅をW や Mo はレアメ タルであり 鉱石産地も 限られる ことか溶浸し複合化する粉末冶金法が最適である．最大の開発課題

ら，高価で供給安定性に大きな問題がある．さらに，WCu 熱処理と◯ 圧延の Cr 組である熱特性の向上については，◯材や MoCu 材は塑性加工性に乏しく，複雑形状のプレス加織制御の二つの方法により熱膨張率の低減を図った．さらに工は難しいため，部品形状にするには切削加工が中心とな

Cu 材と CrCu 材とのクラッド化と圧延により熱膨張率の低る．ただし，難切削材でもあり，ヒートシンクの部品形状に減効果を維持しかつ熱伝導率の向上を図り，ヒートシンク用仕上げるまでのプロセスのコスト面でも課題を有している．

途への適用範囲の拡大を目指した．

そこで Cr に着目し開発を行った．Cr は熱膨張率，熱伝導率ともに W や Mo より素材特性は劣るものの，同じ 6A 族であり，また Cu との固溶限が低いため Cr Cu 複合材料の形成が可能である．また，生産量は W, Mo と比較して 100倍以上あり，地政学的リスクも少ないことから安価で，供給は安定している．ただ， Cr と Cu を単純に複合しただけでは熱特性の点で WCu 材，MoCu 材の代替することはできないため，熱特性を向上させる独自の方策が必要となる．

JFE 精密株式会社1)取締役 2)素形材部 次長
JFE スチール株式会社スチール研究所 主任研究員
Development of CrCu Composites for Heatsink of Semiconductor Devices; Hoshiaki Terao, Hiroshi Wada, Hideaki
Kobiki, Hiroki Otaand Yukihiro Matsubara(JFE Precision Corporation, JFE Steel Corporation)
2013年10月31日受理[doi:10.2320/materia.53.66]



図1

開発した CrCu ヒートシンク材の熱特性．

新技術・新製品

図2

.

図3

50 massCrCu 材における時効温度と熱膨張率との関係．

図450 massCrCu 材における圧下率と熱膨張率との関係．

溶浸性に及ぼす Cr 焼結体の残留炭素，酸素の影
響．

ヒートシンク用 CrCu 溶浸体の検討

溶浸体中に空孔が残留すると，ヒートシンク用途に必須のNi メッキ不良や熱特性の劣化を招く恐れがある．また，常温付近で脆性を示す Cr 粒と Cu 相との間に空孔や有害な介在物がないことが良好なプレス加工性や圧延性を得るための必要条件となると考えられる． Cr 粉末は不純物が少ない溶解精錬法の純クロムの粉砕粉末(100 メッシュ)を採用したが，それでも粉末表面には C, O が残留しており，焼結によ法は，はんだ付けの用途では適用可能であるが，823 K よりりこれらを十分低減しないと溶浸性に大きく影響を与えるこ

高いロウ付を行うと Cr の 2 次析出物が粗大化して熱膨張率とが判明した．図に示すように，Cr 焼結体中の C, O 含有低減効果が少なくなるため，この用途には適用は難しい．

量をともに 0.01 mass程度以下とすることにより，空孔および残留介在物のないヒートシンク用の溶浸体を得ることに.

圧延による熱膨張率の低減成功した．この溶浸体は加工性に優れプレス加工が可能であることを確認した．

これまでの報告(2)と異なり，高 Cr 配合率 CrCu 材は圧延によって小さな圧下率でも熱膨張率が低減することを確認し

.

熱処理による熱膨張率の低減た．また，健全な溶浸体は，圧下率 98 以上の冷間圧延が中間熱処理無しで可能であることも確認した．ただし，冷間

これまでに 15 massCrCu 溶製材を用いた基礎研究にお圧延板には耳割れが見られ，また板表面にも Cr 粒の割れやいて，圧下率99.5以上の強加工を行うことにより熱膨張率

Cr 粒と Cu 相間の剥離等の微細な欠陥が発生していた．こが低減することが報告(2) されている．これは， Cr 粒が高圧

れらは 353 K 以上の温間圧延の導入により解消でき，表面下率の圧延により細分，延伸されて Cu 相との界面の表面積欠陥がなくヒートシンクに適用できる健全な圧延板を得るこが増加したためと推定されている．筆者らはこのような状態とに成功した．図に示すように，圧下率が高くなるにつれを熱処理に伴う Cr の 2 次析出により実現し，熱膨張率を低て，熱膨張率は低下していく．一方熱伝導率では圧下率が減させることを試みた．溶浸により Cu 相中に Cr は僅かに90 程度まで厚さ方向の熱伝導率が低下しその後は一定と固溶する．クロム銅( JIS Z3234 )では，溶体化処理によりなる結果となり，図に示すように，厚さ方向の熱膨張率はCr を固溶後急冷，時効熱処理により材料を硬化させてい圧延面方向に比べて低い．このため圧延板の場合，圧延面方る．この硬化は Cr の 2 次析出物によるものであるが，析出向，厚さ方向ともに放熱されるヒートシンクには適用可能と物が小さすぎて熱膨張率の低減には寄与しない．そこで，考えられるが，厚さ方向のみの放熱が必要なヒートシンクのCr を固溶後に急冷せず，徐冷してから時効熱処理すること場合には，機能が十分発揮できない可能性がある．

で，大きな Cr の 2 次析出物とし， Cu 相との界面の表面積を増加させ熱膨張率を低減できるとする仮説をたて検証した．

.

Cr
Cu と Cu のクラッド化による熱特性の向上

50 mass  Cr Cu 溶浸体に対して， 1473 K 溶浸後炉冷( 1.8Ks 保持後， 473 K まで 2.7 Ks で冷却)後時効熱処理を行っ

幅広い用途のヒートシンクに Cr Cu 材を適用するためにた．時効は，保持温度を変化させて水素 3.6 Ks 保持にて処は，厚さ方向の熱特性を改善する必要があるが，熱膨張率を理した．その結果，図に示すように，時効により熱膨張率低下することなく厚さ方向の放熱性の改善を図るためには，が低下する現象を発見した(3)．ただし，この熱処理による方熱伝導率の高い材料とクラッド化することが有効と考えられ

ま て り あ 第53巻 第 2 号(2014)
Materia Japan



図5

図7

CrCu 材ヒートシンクプレス加工品(a)と光通信半導体パッケージの外観写真(b)．

表1

ヒートシンク材の切削加工性及び塑性加工性比較．
WCu 材MoCu 材CrCu 材

切削加工

×

△

○

冷間圧延×

△

○

プレス加工

×

△

○

段差プレス加工

××○

CrCu 圧延材とクラッド圧延材の熱特性比較．

 圧延による Cr 粒組織の制御，◯
 Cu 材と Cr 制御，◯

Cu 材のクラッド化と圧延，以上 3 つの独自のプロセス開発により，ヒートシンク用途に使用可能とする性能を具備することに成功した．
図6

クラッド圧延材の断面組織例(a)と段付きプレス加工例CrCu 材圧延断面組織写真(b)．



熱間圧延は不要で，温間圧延にて表面欠陥のない圧延板が得られ，ヒートシンク用途にて必須の Ni メッキが可能で，はんだ付け，ロウ付けも可能である．

WCu 材， MoCu 材より硬度が低く，表に示すようる．そこで Cr Cu 材に純 Cu 板を接合して，その圧延加工に WCu 材，MoCu 材より切削性，塑性加工性に優れ性や熱特性への影響を検討した．55 massCrCu 溶浸材とる．図 6(b)の断面組織写真に示すように，段差のつい純 Cu 板を積層して拡散接合した後，圧下率96～98まで圧延してクラッド圧延材を製作した．熱特性が単純複合則に従たプレス加工が可能である．


圧延材，クラッド圧延材ともに複雑形状なプレス加工がうとすると，純 Cu 板と接合することにより熱伝導率は改善可能であることに加えて，切削加工が必要な場合でも切される．一方で，熱膨張率は純 Cu 板の体積分大きくなるは削性が良好であることから，部品への加工プロセスコストを大幅に低減できる．

ずであるが，図 5 に示したように， Cr Cu 圧延材と比較して，熱膨張率が同様のレベルとなるクラッド圧延材は厚さ方Cr Cu 材およびクラッド圧延材は密度が 7.9 ～ 8.5× 103

向，面方向ともに Cr 熱伝導率が 70～80 W/mK 向上した．

kg/m3 と WCu 材，MoCu 材より低いため部品軽量化

図(a)に開発したクラッド圧延材の断面組織例を示す．クも期待できる．

ラッド圧延材はプレス加工性も良好である．

.
.

特

許開発した CrCu 材ヒートシンクの特長
国 内 特 許 は ， 第 4138844 号 ， 第 4213134 号 な ど 登 録 計 9

光通信，無線通信用途を中心に商品化に成功し量産を開始した．図に光通信の光半導体用パッケージへの適用例を示件，その他公開 5 件．海外特許は，米国，中国，韓国，欧州に 2 件登録，一部審査中である．

す．さらにインバータなどへの適用範囲拡大を図っている．
開発した Cr
Cu 材ヒートシンクの特長は以下の通りである．


材を使用していることから，材料の原料コストを低減かつ安定化できる．
Cr は，熱膨張率，熱伝導率ともに同じ 6A 族の W, Mo
 熱処理による Cr の 2 次析出物のより劣っているが，◯献

ヒートシンクで使用されている WCu 材，MoCu 材の原料である W, Mo 材より安価で，安定供給可能な Cr文( 1 ) R. M. German, K. F. Hens and J. L. Johnson: The International
Journal of Powder Metallurgy, 30(1994), 205215.
( 2 ) 三原邦照，栗原正明，大山好正，鈴木洋夫古河電工技報，第107号，(2001), 5357.
( 3 ) 寺尾星明，小日置英明日本金属学会 2012 年秋期講演大会概要集，(2012), 659.

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