專利名稱：復(fù)合材料、其制造方法及使用其的構(gòu)件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種Mo-Cu類復(fù)合材料及使用該復(fù)合材料的構(gòu)件。
背景技術(shù)：
由于Mo和Cu(以下也稱為銅)彼此不發(fā)生固熔，固此Mo-Cu類材料通常是使兩成分混合并結(jié)合而成的復(fù)合材料。從而，該材料為兼具M(jìn)o和Cu所具有功能的功能材料，通過對兩成分的含有比例或微觀、宏觀的配置設(shè)計，能夠提供具有各種功能和功能水平的構(gòu)件。
該材料在廣義上分成Mo與Cu粒子等在微觀上大致平均分布的材料(類型1)、Mo與Cu在宏觀上結(jié)合的材料(類型2)、以及兩者組合或中間配置的材料(類型3)。
類型1為狹義的Mo-Cu類復(fù)合材料。而在類型2中，例如包括按Cu、Mo、Cu的順序依次貼合Cu板和Mo板形成的CMC(注冊商標(biāo))之類Cu和Mo疊層材料，或Mo或Cu在宏觀上局部存在的材料。類型3為兩種類型混合存在的材料。
另外，作為本申請基礎(chǔ)的日本專利申請第2002-312130號說明書中的″Mo-Cu燒結(jié)合金”及″Mo-Cu合金相”的用語基于上述現(xiàn)有的微觀結(jié)構(gòu)，在本申請中分別替換成″Mo-Cu類復(fù)合材料”及″Mo-Cu類復(fù)合相”等同義詞。
迄今為止，該材料主要用于電·電子器材的放熱構(gòu)件，特別是半導(dǎo)體裝置的放熱構(gòu)件。但是，由于該材料具有上述功能，因此可以利用Mo和Cu具有的有利特性，并抑制其不利特性，或使其互相補充。因此，根據(jù)不同設(shè)計，可以開拓更多的用途。例如可分別考慮如下的用途如果利用Mo的剛性和Cu的延展性，則能夠用于結(jié)構(gòu)構(gòu)件；如果利用Mo和Cu的放射線特性，則能夠用于特殊的放射線機器用構(gòu)件；如果利用Mo的耐熱性和Cu的導(dǎo)電性，則能夠用于電觸點、放電加工或焊接用電極等耐熱性電·電子構(gòu)件；如果利用Mo和Cu的化學(xué)特性，則能夠用于化學(xué)裝置用構(gòu)件。
關(guān)于適用于裝配放熱構(gòu)件、特別是半導(dǎo)體元件的Mo-Cu類復(fù)合材料，特公平7-105464號公報(以下稱為參考文獻(xiàn)1)中公開了一種非軋制材料，即類型1的材料；特開平6-310620號公報(以下稱為參考文獻(xiàn)2)及特開平2001-358266號公報(以下稱為參考文獻(xiàn)3)中公開了一種軋制材料，即類型1的材料；專利2000-323632號公報(以下稱為參考文獻(xiàn)4)中公開了一種按Mo、Cu、Mo的順序疊合而成的類型2的材料；特開平10-12767號公報(以下稱為參考文獻(xiàn)5)中公開了一種按Cu、Mo、Cu順序疊合而成的類型2的材料以及與Mo-Cu復(fù)合材料層組合得到的類型3的材料。
已知該用途的材料主要要求實際使用時的高導(dǎo)熱率及與實際使用時及組裝時的半導(dǎo)體元件及其裝備部周圍的構(gòu)件(以下稱為外圍構(gòu)件)的熱膨脹系數(shù)相匹配?，F(xiàn)在，隨著半導(dǎo)體元件集成度的快速提高、大容量封裝體(package)小型化的發(fā)展、電器材整流器的大容量化的進(jìn)展等，組裝在封裝體中的構(gòu)件的熱負(fù)荷迅速增加。因此，要求上述放熱構(gòu)件具有更高的導(dǎo)熱率。例如，在半導(dǎo)體元件為Si、外圍構(gòu)件為AlN之類熱膨脹系數(shù)均較小并接近Mo的情況下，僅憑Mo-Cu類復(fù)合材料整體的成分比例，難以在提高導(dǎo)熱率的同時，實現(xiàn)該材料間的熱膨脹系數(shù)的匹配。
參考文獻(xiàn)4及5的材料為了實現(xiàn)與組裝時或?qū)嶋H使用時的對象材料的熱膨脹系數(shù)相匹配，著重于Mo與Cu的疊合設(shè)計或與對象材料的連接面的改善等研究，但是金屬包層結(jié)構(gòu)最終在安裝時或?qū)嶋H使用時產(chǎn)生較高的熱負(fù)荷，此時容易產(chǎn)生層間熱應(yīng)力，無法避免某種程度的變形。
參考文獻(xiàn)1中公開了一種材料，Mo或Cu在微觀上大致平均地分布在三維方向，整體由Mo-Cu類復(fù)合相構(gòu)成。參考文獻(xiàn)2中公開了一種將該材料進(jìn)行塑性加工而成的材料。如該文獻(xiàn)所述，上述塑性加工而成的材料的成分粒子在塑性加工方向延伸配置，因此與相同Cu量的參考文獻(xiàn)1所述材料相比，導(dǎo)熱率大致相同，熱膨脹系數(shù)低至1×10-6/℃左右。但是，此情況下，認(rèn)為使用塑性加工方向時能夠得到與參考文獻(xiàn)1所述材料相同的導(dǎo)熱率，而使用厚度方向時導(dǎo)熱率有若干程度的降低。與參考文獻(xiàn)3所述材料相同。如上所述，Mo-Cu類復(fù)合材料的導(dǎo)熱率、熱膨脹系數(shù)隨Cu量呈正比增加。因此，在抑制熱膨脹系數(shù)的同時提高導(dǎo)熱率的程度有限。另外，塑性加工而成的材料的熱特性表現(xiàn)出方向性，有必要以此為前提改進(jìn)材料設(shè)計。
以上述半導(dǎo)體裝置用放熱構(gòu)件為例，回顧Mo-Cu類復(fù)合材料的現(xiàn)有材料設(shè)計傾向，在使用該材料的其他功能并將其用于其他用途時，也必需按相同思路來解決問題。即，希望開發(fā)出一種新型材料設(shè)計，在將該材料用于某一用途時，能夠激發(fā)作為主成分的Cu和Mo的有利于該用途的功能，抑制不利功能，并且能夠互相補充。
因此，本發(fā)明的第一個目的在于提供一種復(fù)合材料，是類型1及類型2的復(fù)合材料，能夠?qū)崿F(xiàn)高導(dǎo)熱率、與外圍構(gòu)件的熱膨脹系數(shù)的匹配。
另外，本發(fā)明的第二個目的在于提供一種復(fù)合材料，在用于放熱構(gòu)件時，考慮了塑性加工后的放熱特性。
另外，本發(fā)明的第三個目的在于提供一種低成本復(fù)合材料，該復(fù)合材料能夠與半導(dǎo)體元件的Si或GaAs以及各種封裝體材料、特別是氧化鋁、AlN的熱膨脹系數(shù)相匹配，具有能夠適應(yīng)高集成化、輕質(zhì)化要求的高導(dǎo)熱率。
另外，本發(fā)明的第四個目的在于提供一種使用上述復(fù)合材料的放熱構(gòu)件。
另外，本發(fā)明的第五個目的在于提供一種制造上述復(fù)合材料的方法。
另外，本發(fā)明的第六個目的在于提供一種半導(dǎo)體裝置，該半導(dǎo)體裝置將上述放熱構(gòu)件用于半導(dǎo)體裝置的放熱用途，例如用于放熱基板等。

發(fā)明內(nèi)容
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明涉及的復(fù)合材料為Cu含量30～70重量％的Mo-Cu類復(fù)合材料，其特征為，材料中含有銅池(copperpool)相和Mo-Cu類復(fù)合相，含有10～50重量％銅池相。
此處，在本發(fā)明中，上述銅池相的平均短徑優(yōu)選為50～200μm，另外，優(yōu)選實施塑性加工。
另外，本發(fā)明的構(gòu)件及放熱構(gòu)件使用上述任一種復(fù)合材料。
而且，本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的特征為使用上述放熱構(gòu)件。
另外，本發(fā)明復(fù)合材料的制造方法的特征為包括以下工序在Mo粉末基質(zhì)(matrix)內(nèi)配置平均短徑為50μm以上的銅類原料，在該狀態(tài)下，進(jìn)行一體化成形，制得成形體，或再進(jìn)一步燒結(jié)該成形體，制成中間燒結(jié)體的工序；使銅或銅合金熔滲在該成形體或中間燒結(jié)體中，制成銅含量為30～70重量％、含有10～50重量％銅池相的復(fù)合材料的工序。
在此，本發(fā)明的復(fù)合材料制造方法中，上述銅類原料優(yōu)選平均短徑為50～200μm的粉末，并在上述一體化成形前將其與Mo粉末混合。


圖1(a)為示出配置本發(fā)明的復(fù)合材料的銅類原料后進(jìn)行一體化成形后的金屬組織的模式圖。
圖1(b)為示出在圖1(a)的復(fù)合材料的銅熔滲后形成池相后的金屬組織的模式圖。
圖2為示出圖1(b)中塑性加工后的金屬組織的模式圖。
圖3表示本發(fā)明的復(fù)合材料的金屬組織之一例的光學(xué)顯微鏡照片。
圖4表示改變本發(fā)明的復(fù)合材料的銅量時的導(dǎo)熱率與熱膨脹系數(shù)的關(guān)系。
圖5表示本發(fā)明的復(fù)合材料的銅量與楊氏模量的關(guān)系之一例。
圖6表示在與圖4大致相同的條件下制得的本發(fā)明復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)與塑性加工率的關(guān)系。
圖7(a)為示出本發(fā)明復(fù)合材料的銅池相與Mo-Cu類復(fù)合相的配置圖案例，并在微觀視野內(nèi)繪制將多個尺寸的銅池相微觀混合配置的情況模式圖。
圖7(b)及圖7(c)表示梯度功能性設(shè)計配置本發(fā)明復(fù)合材料的銅池相后的例子。
圖7(d)為無序方向性配置本發(fā)明復(fù)合材料的紡錘形銅池相時在微現(xiàn)視野內(nèi)繪制而成的圖。
圖7(e)為在宏觀視野內(nèi)繪制由銅池相配置密度不同的三層本發(fā)明復(fù)合材料構(gòu)成的構(gòu)件得到的模式圖。
圖7(f)為在宏觀視野內(nèi)描繪本發(fā)明復(fù)合材料的其他配置圖案例得到的模式圖。
圖7(g)為使棒狀銅池相在本發(fā)明復(fù)合材料棒狀構(gòu)件的長軸方向上取向時的概念斜視圖。
圖8為本發(fā)明放熱構(gòu)件安裝在半導(dǎo)體模塊用封裝體內(nèi)的狀態(tài)的簡要剖面圖。
具體實施例方式
下面，基于制造方法說明本發(fā)明。
首先，將平均短徑為50μm以上的銅類原料配置在Mo基質(zhì)上，在該狀態(tài)下將其一體化成形。銅類原料的成分可以為純銅，也可以是主成分為銅的合金或其中混有少量附屬成分的原料，可以根據(jù)最終用途進(jìn)行選擇。例如，在用于著重導(dǎo)熱性或?qū)щ娦缘茹~本身性能的構(gòu)件時，優(yōu)選使用純銅或電解銅等高純度原料。另外，例如，用于裝置構(gòu)件等時，可以根據(jù)需要選擇韌性高的銅合金。為了使被配置的銅類原料的每個單元最終熔融，成為銅池相，優(yōu)選預(yù)先使其外徑尺寸接近于最終希望的外徑尺寸，一體化成形后，使其形狀或基質(zhì)上的配置圖案接近于最終的復(fù)合材料所希望的形態(tài)，將其大致維持在該狀態(tài)。
在Mo基質(zhì)上配置銅類原料時，使用模具將其配置在盡可能不損壞形狀的固定位置上，或使用V型混合機等無切斷·粉碎作用的混合機，進(jìn)行均勻分散配置。
另外，為了活化銅池相的功能而配置的銅類原料量通常在10～50重量％范圍內(nèi)。其原因在于不足10重量％時，下述控制熱、電、機械性能的銅池相效果差；如果超過50重量％，則由于功能接近銅，因此損壞復(fù)合材料本來的特征。但是，成形體或?qū)⑵錈Y(jié)(也稱為中間燒結(jié))而得到的中間燒結(jié)體內(nèi)含有銅，因此容易發(fā)生收縮。因此，由于成形及中間燒結(jié)的條件不同，因此其空隙率多少存在不均，另外，配置的銅類原料在復(fù)合材料中的含量雖然在該范圍內(nèi)，但是也多少存在偏差。
圖1(a)、圖1(b)及圖2分別為示出其微觀配置的一種方案例的模式圖，圖1(a)為在配置銅類原料后進(jìn)行一體化成形時、圖1(b)為在相同視野內(nèi)銅熔滲后形成池相時觀察到的相同部分的形態(tài)。圖1(a)、圖1(b)為未進(jìn)行塑性加工時的結(jié)果，圖2為用輥軋等進(jìn)行塑性加工時的結(jié)果。
圖1(a)為預(yù)先混合大粒子得到的銅類原料；圖1(b)中，該部分形成銅池相。
圖1(a)中，作為基質(zhì)的Mo相在熔滲后，分別如圖1(b)所示在空隙內(nèi)填充銅類原料，制成Mo-Cu類復(fù)合相。另外，該Mo-Cu類復(fù)合相的微細(xì)組織形態(tài)容易因原料的Mo粒子尺寸或形狀、以及成形后的制造條件等不同而改變。例如，只要改變Mo粒子的粒度分布，或預(yù)先以適當(dāng)比例混合微細(xì)粉末與粗粉末，控制成形體或中間燒結(jié)體的空隙率或空隙形態(tài)等，就可以控制熔滲后的銅量或尺寸，進(jìn)而控制其分布形態(tài)。從而，也可以控制復(fù)合材料的基質(zhì)的功能。
本發(fā)明的主要目的是通過形成銅池相來控制復(fù)合材料的功能，但是，基質(zhì)也是能夠控制本發(fā)明復(fù)合材料功能的要素。此時銅類原料的短徑為圖1的Ds部分。圖1(b)的銅池相短徑為與之對應(yīng)的部分。
銅類原料為一次粒子集合形成的二次粒子的情況下，該短徑Ds由該集合體的外形算出。如圖1(a)及圖2所示，以外形最大的部分為長徑D1，將與其長徑垂直相交方向的最大寬度部分作為短徑Ds。如果外形為纖維狀，則長度為長徑D1，最大直徑為短徑Ds。另外，如果為板狀，則表面方向的最大長度部分為長徑D1，與長徑垂直相交的最大厚度部分為短徑Ds。即使為不規(guī)則形狀或中空形狀，也可以按相同的思路加以確定。使用平均短徑為50μm以上的原料是因為如果使其分布在不足50μm的尺寸范圍內(nèi)則在復(fù)合材料中形成池相的效果變小。另外，用光學(xué)顯微鏡在任意剖面的視野內(nèi)觀察其存在形態(tài)，以如圖1(a)、圖1(b)及圖2所示的二維圖案進(jìn)行確定。銅池相的情況下，用光學(xué)顯微鏡將復(fù)合材料的任意剖面放大數(shù)10倍至100倍，拍攝其照片。另外，進(jìn)行塑性加工的情況下，拍攝與加工方向垂直的方向上的剖面照片。然后，按每單位確認(rèn)視野內(nèi)拍攝的全部池相，分別測量相當(dāng)于長徑或短徑的尺寸。平均值為其算術(shù)平均值。
作為起始原料的銅原料優(yōu)選使用平均短徑在200μm以下范圍內(nèi)的原料。如果超過200μm，則由銅池相引起的復(fù)合材料功能不均變大。Mo粉末的平均粒徑通常在數(shù)μm左右即可，不足1μm的粉末造價高，如果超過10μm，則例如熱特性、電特性、機械特性等功能不均變大，因此優(yōu)選在1～10μm的范圍內(nèi)。
當(dāng)然，在必須控制Mo-Cu類復(fù)合相的微細(xì)組織時，只要根據(jù)其目的適當(dāng)選擇其尺寸或分布等即可。另外，本發(fā)明的粉末平均粒徑全部為按Fisher粒徑分析(FSSS)法測量的二次粒徑。其中，銅池相的情況下，如上所述，其外徑并用長徑與短徑。Cu及Mo粉末的純度越高越好，但是，也根據(jù)復(fù)合材料的用途不同而各異。通常為99％以上。
將銅原料配置在Mo基質(zhì)上后進(jìn)行的成形可以使用常用方法，基于適應(yīng)對象用途的最終形狀或存在形態(tài)進(jìn)行選擇。例如，有粉末加壓成形法、靜水壓成形法、擠出成形法、噴射成形法、刮刀法等，在施加壓力的情況下，通過調(diào)整壓力來調(diào)整成形體的空隙量。為了成形而添加有機質(zhì)或無機質(zhì)粘合劑時，將其預(yù)先混合。此時，其種類或添加量也將影響熔滲前的成形體或中間燒結(jié)體的空隙量、以及復(fù)合相或復(fù)合材料整體的Cu量，因此，也需要調(diào)整成形后在非氧化性氣體環(huán)境中的加熱除去條件或為了控制空隙量而進(jìn)行的燒結(jié)條件等。
也包括添加粘合劑或不添加粘合劑的情況，在成形時壓縮不充分、空隙量多、不在所希望范圍的情況下，在還原性氣體環(huán)境中、800～1400℃下對成形體進(jìn)行燒結(jié)(也稱為中間燒結(jié))，使成形體收縮，形成中間燒結(jié)體，確保所希望的空隙量。另外，由此也可以改善處理的簡便性。另外，由于成形體或中間燒結(jié)體預(yù)先含有Cu或代替Cu的Cu合金等，因此，即使在其熔點以下的溫度下也開始收縮。因此，為了控制燒結(jié)時的收縮或由此引起的變形，優(yōu)選在1100～1300℃下進(jìn)行燒結(jié)。還原性氣體優(yōu)選為含有氫氣的氣體。如上所述，準(zhǔn)備具有所希望空隙量的成形體或中間燒結(jié)體。另外，當(dāng)設(shè)復(fù)合材料所希望的Cu重量比例為W(％)、最初配置在成形體內(nèi)的銅類原料的Cu重量比例為W0(％)、熔滲的銅或銅合金的密度為ρ(g/cm3)時，制造中的空隙率的目標(biāo)值ρ(％)可以用式(W-W0)/100ρ進(jìn)行計算。另外，銅原料與熔滲的銅或銅合金不同時，設(shè)前者與后者的密度為ρ0及ρ，用式(W/ρ-W0/ρ0)/100進(jìn)行計算。
然后，在該成形體或中間燒結(jié)體的空隙內(nèi)熔滲銅或銅合金，得到Cu含量為30～70重量％、銅池相的含量為10～50重量％的Mo-Cu類復(fù)合材料。另外，本發(fā)明的銅含量為復(fù)合材料中銅的實際含量，最初配置的銅類原料或熔滲的原料如果不為純銅，則少于上述總量。另外，銅池相的含量不局限于熔滲體中的銅相材質(zhì)，也用銅相的重量比例表示。熔滲在還原性氣體環(huán)境中、Cu或Cu合金熔點以上至1400℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。優(yōu)選的環(huán)境氣體為含有氫氣的氣體，優(yōu)選的溫度范圍為1150～1300℃。在該溫度范圍內(nèi)，熔融的Cu或Cu合金被充分熔滲在空隙內(nèi)。以上，為制造本發(fā)明復(fù)合材料的基本過程。
本發(fā)明的復(fù)合材料制造方法中，還包括對該熔滲體進(jìn)行塑性加工的情況。塑性加工根據(jù)最終形狀，可使用熱軋·溫軋或冷軋進(jìn)行軋制/鍛造/擠出/熱壓等常用方法。此時，考慮到構(gòu)件所要求的最終塑性加工體形態(tài)，調(diào)整加工溫度·環(huán)境氣體·加工率等塑性加工條件。利用塑性加工實現(xiàn)致密化，在熔滲體內(nèi)存在孔隙的情況下，可以減少其用量。另外，根據(jù)加工條件，出現(xiàn)組織的延伸取向，賦予材料功能方向性。此處，初期形狀是指利用塑性加工而壓縮的方向的初期尺寸(例如，初期厚度)，加工后的形狀是指塑性加工后相同方向的尺寸(例如，加工后的厚度)。
本發(fā)明的塑性加工材料的加工率是指加工量/初期形狀×100％(加工量＝初期形狀-加工后形狀)。而且，對于本發(fā)明的復(fù)合材料，也可以在該塑性加工的同時，與其他構(gòu)件或產(chǎn)品、例如金屬陶瓷等合成一體，或與其復(fù)合化。另外，也可對熔滲體的塑性加工體實施冷軋或熱軋、溫軋之類的塑性加工，同時使其與金屬或塑料等有機材料合成一體，或使其復(fù)合化。從而，賦予其更多種功能，也可以得到具有更高附加價值的構(gòu)件。
本發(fā)明的復(fù)合材料可以利用包括上述工序的方法獲得。另外，根據(jù)需要，也可以在上述基本工序中，追加適當(dāng)?shù)慕雍稀崽幚淼绕渌ば颉?br> 圖3示出由此獲得的本發(fā)明復(fù)合材料的組織之一例，是利用熱軋法進(jìn)行塑性加工而得到的。因此，銅池相與Mo-Cu類復(fù)合相混合存在形成組織。圖3中，延伸的淺色部分對應(yīng)于銅池相，其他深色部分對應(yīng)于Mo-Cu類復(fù)合相。本發(fā)明復(fù)合材料中的銅量在占包括銅池相在內(nèi)的整體的30～70重量％范圍內(nèi)。在不足30重量％時，過多地表現(xiàn)為Mo的特征，同時進(jìn)行塑性加工時的加工性降低。而如果超過70重量％，則即使形成銅池相，活化Mo與Cu的特征的復(fù)合化效果也將降低。根據(jù)對象用途，將Cu量控制在該范圍內(nèi)。例如，作為半導(dǎo)體裝置的放熱構(gòu)件使用時，為了與GaAs半導(dǎo)體元件或氧化鋁外圍構(gòu)件的熱膨脹系數(shù)相匹配，優(yōu)選在40～60重量％的范圍內(nèi)。
銅池相的含量占復(fù)合材料整體的10～50重量％。其理由為不足10重量％時，如下所述，控制其形成后獲得的熱·電·機械特性的效果降低。如果超過50重量％，則接近Cu的功能，使復(fù)合材料本身的特征變得不明顯。另外，其平均短徑優(yōu)選為50～200μm。不足下限時，基于上述相同的理由，其效果降低；如果超過上限，有時將損害復(fù)合材料功能的均一性。銅池相的尺寸或其含量被控制在該范圍內(nèi)，根據(jù)復(fù)合材料整體的銅量或相同材料對應(yīng)的功能用途，進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)計。另外，塑性加工得到的材料或未經(jīng)塑性加工得到的材料有時即使用于相同用途其適宜范圍也不相同。其中一例如上所述，作為半導(dǎo)體裝置的放熱構(gòu)件，為了與GaAs半導(dǎo)體元件或氧化鋁外圍構(gòu)件的熱膨脹系數(shù)相匹配，如上所述，優(yōu)選將復(fù)合材料整體內(nèi)的Cu量控制在40～60重量％的范圍內(nèi)，同時，在重視導(dǎo)熱性，適應(yīng)于提高導(dǎo)熱性用途的情況下，銅池相的含量優(yōu)選在25～45重量％的范圍內(nèi)。其中，對于相同的用途，如果使用經(jīng)軋制加工制成板狀的材料，并主要在厚度方向放熱，則與在厚度方向和垂直面方向放熱相比，需要較多的銅池相含量。
參見圖4時，6條線上端的0、10、30的數(shù)值表示銅池相的量(重量％)，三條虛線為未進(jìn)行塑性加工的情況，三條實線表示利用熱軋法進(jìn)行加工率為90％的塑性加工的情況。圖4中雖然沒有明確標(biāo)注，但是，各線越向右上方延伸，銅量越多。另外，本發(fā)明中的導(dǎo)熱率是根據(jù)激光光解(laser flash)測定法、用板狀試驗片在其厚度方向進(jìn)行測量得到的值。在不進(jìn)行塑性加工的情況下，從原材料的任意部分裁下試驗片；進(jìn)行塑性加工的情況下，剪裁試驗片，使與原材料的塑性加工方向成直角的方向為試驗片的厚度方向。
另外，圖4中未形成銅池相的試驗片僅由在平均短徑為3μm左右的Mo粒子基質(zhì)的空隙內(nèi)布滿熔滲銅的Mo-Cu類復(fù)合相構(gòu)成。形成了銅池相的樣品在相同的Mo-Cu類復(fù)合相中大致均勻地分散有平均粒徑為100μm左右的銅池相。由圖4可知，即使導(dǎo)熱率相同，通過形成銅池相，可以降低熱膨脹系數(shù)。而且，根據(jù)本發(fā)明人等的驗證，在銅量為30重量％以上、銅池相的含量為10重量％以上的區(qū)域內(nèi)，其降低量至少在0.4×10-6/℃以上。另外，即使將導(dǎo)熱率轉(zhuǎn)換為導(dǎo)電率，與其熱膨脹系數(shù)的關(guān)系也存在大致相同的傾向。
參見圖5，楊氏模量是使用上述試驗片、由使用超聲波的共振法進(jìn)行測定而獲得的。2條線上端的0、10數(shù)值表示銅池相的含量(重量％)，虛線表示未進(jìn)行塑性加工的加工率為0％的情況，實線表示利用溫軋法以90％加工率進(jìn)行塑性加工的情況。剪裁試驗片，使與原材料的軋制方向成直角的方向為荷重方向。另外，圖5中未形成銅池相的樣品僅為在平均粒徑為3μm左右的Mo粒子基質(zhì)的空隙內(nèi)布滿銅的Mo-Cu類復(fù)合相。形成了銅池相的樣品在相同的Mo-Cu類復(fù)合相基質(zhì)中大致均勻地分散有占總量10重量％平均短徑為100μm左右的銅池相。另外，圖5雖然沒有記載，但是銅量為70重量％以下的本發(fā)明材料即使使用相同的銅量，也可以通過增加銅池相量，使楊氏模量變大。由圖5可知，即使銅量相同，形成銅池相的材料也具有至少在15MPa以上的較高楊氏模量，即，與無銅池相的情況相比高出10％以上。這一現(xiàn)象在使用鉻銅等與其他銅合金的情況下也可以被觀察到，認(rèn)為其也將影響上述熱膨脹系數(shù)降低現(xiàn)象。雖然未經(jīng)確認(rèn)，但是，本發(fā)明的復(fù)合材料，在相同的總銅量下，與無銅池相、僅具有Mo-Cu類復(fù)合相的情況相比，構(gòu)成基質(zhì)的Mo-Co類復(fù)合相中Mo的量相對較多，因此出現(xiàn)上述現(xiàn)象。
此類復(fù)合材料雖然利用銅量改變厚度方向的熱膨脹系數(shù)水平，但是，如上所述，也可以通過塑性加工的程度加以改變。
圖6示出在與上述圖4大致相同的條件下制得的本發(fā)明材料的熱膨脹系數(shù)與塑性加工率的關(guān)系。圖6的線右端數(shù)值為銅量(重量％單位)，根據(jù)圖6的直線斜率可以知道，加工率每增加10％，厚度方向的熱膨脹系數(shù)至少降低0.2×10-6/℃。
圖7A至圖7(g)為示出本發(fā)明復(fù)合材料的銅池相與Mo-Cu類復(fù)合相的配置圖案例的模式圖。圖7(a)至圖7(g)的黑色部分為銅池相，白色部分表示由Mo-Cu類復(fù)合相構(gòu)成的基質(zhì)。對于圖案具有以下幾種情況圖3的視野范圍內(nèi)，即，在微觀中進(jìn)行設(shè)計的情況，以原料或構(gòu)件的比例、即在宏觀中進(jìn)行設(shè)計的情況，以及并用或混合上述圖案得到的中間考慮方案進(jìn)行設(shè)計的情況。設(shè)計要點為復(fù)合材料的成分種類與銅池相及Mo-Cu類復(fù)合相的形態(tài)等。作為復(fù)合材料的成分種類，例如，有純銅或銅合金等銅類原料成分、Mo及添加在其中的成分等。作為銅池相的形態(tài)，有其尺寸形狀和其配置間隔或每復(fù)合材料單元體積的配置密度等，作為Mo-Cu類復(fù)合相的形態(tài)，有Mo粒子的尺寸及其分布等。通過組合上述多種要素，在成分種類固有的物性及其組合物性范圍內(nèi)，得到具有極微小功能改變的復(fù)合材料及使用該復(fù)合材料的應(yīng)用構(gòu)件。
圖7(a)是在微觀視野內(nèi)描繪微觀混合配置的多種尺寸銅池相得到的圖。通過由此配置復(fù)合材料整體，與配置大致相同尺寸的銅池相時相比，能夠得到同時具有無銅池相時的性能的材料。通過組合其中Mo粒子的尺寸或其分布等、Mo-Cu類復(fù)合相的形態(tài)要素，能夠在類似的功能范圍內(nèi)得到各種功能的材料。
圖7(b)和圖7(c)為梯度功能性設(shè)計配置銅池相時的例子。圖7(b)為從某一面A向另一面B大致連續(xù)且由大向小地配置不同尺寸的銅池相時在宏觀視野內(nèi)繪制成的圖。也可以間斷地縮小尺寸。圖7(c)為以從某一面A向另一面B階段性或連續(xù)的方式，改變同一尺寸的銅池相配置間隔而配置時在宏觀視野內(nèi)繪制成的圖。也可以間斷地進(jìn)行改變。梯度功能性配置設(shè)計的要素中，除此以外，還有成分種類或其重量比例、傾斜起點及其方向等眾多因素。由此，例如，得到在內(nèi)外或中間與外圍熱膨脹系數(shù)不同的一體構(gòu)件，在一側(cè)配置熱膨脹系數(shù)小的陶瓷、在另一側(cè)配置其他熱膨脹系數(shù)較大的金屬等在無翹曲等影響的狀態(tài)下可以容易地進(jìn)行貼合。此時，與Mo-Cu類復(fù)合相的形態(tài)要素相組合，可以得到更多功能水平的功能材料。
圖7(d)為將銅池相的形狀制成紡錘形的材料無序方向性配置時在微觀視野內(nèi)繪制成的圖。將材料整體有方向性地進(jìn)行配置時，也可預(yù)先確定方向地配置此類形狀的銅類原料，進(jìn)行一體化成形，或配置球狀橢圓狀之類常見形狀的銅類元件，熔滲銅后，進(jìn)行塑性加工而獲得。由此，可獲得方向性，且容易對功能進(jìn)行微調(diào)。因此，可以擴大至例如電觸點、點焊、電阻焊接、放電加工、加熱用構(gòu)件或裝置用構(gòu)件等用途。
圖7(e)為將由銅池相配置密度不同的三層構(gòu)成的構(gòu)件在宏觀視野內(nèi)繪制而成的模式圖。圖7(e)的虛線表示層的邊界。該材料如下制得例如，將三層印刷電路基板擠出并壓合，沖壓后進(jìn)行燒結(jié)，使銅熔滲而制得。此時，稍微加工就可進(jìn)一步維持連續(xù)性。從而可以得到具有與上述圖7(b)及圖7(c)相同功能的構(gòu)件。另外，雖然圖中未示出，但也可以使用粒度分布不同的Mo粒子得到具有兩種的功能水平部分的構(gòu)件。例如，在具有第一種功能的中央部僅由分布寬度窄、粒徑小的Mo粒子構(gòu)成，從而能夠擴大空隙率，增多埋設(shè)在其中的熔滲銅量。具有第二種功能的外圍部在加入了粒徑大的Mo粒子的狀態(tài)下構(gòu)成，能夠縮小空隙率，減少埋設(shè)在其中的熔滲銅量。其結(jié)果為得到的構(gòu)件在銅量較多的中央部具有高放熱性，在銅量少的外圍部具有低熱膨脹性。從而，可以容易地提供一種例如在中央部配置具有高熱負(fù)荷的半導(dǎo)體芯片、在外圍部配置陶瓷等低熱膨脹性的外圍器材得到的放熱構(gòu)件經(jīng)適當(dāng)?shù)囊惑w化而形成的復(fù)合構(gòu)件。
圖7(f)以后為在宏觀視野內(nèi)模式地繪制而成的其他配置圖案例。圖7(f)在平面方向成放射狀地形成高于銅池相配置密度的部分，該部分為熱或電流的主要通路，或主要用于緩沖機械變形的緩沖通路等。另外，可以僅形成表面部分，也可以形成通過至內(nèi)側(cè)。其形態(tài)可以根據(jù)用途自由地改變。
圖7(g)為在棒狀構(gòu)件的長軸方向配置棒狀的銅池相時的斜視概念圖。也可以據(jù)此選擇應(yīng)用形態(tài)。
如上所述，本發(fā)明的復(fù)合材料不僅限于目前使用的放熱構(gòu)件，通過在二維、三維方向巧妙地組合銅池相的有無和配置密度的大小設(shè)計配置圖案，從而可以用于通電、放電加工、焊接、電焊、化學(xué)機器、結(jié)構(gòu)構(gòu)件等極其廣泛的用途。另外，也可以根據(jù)其設(shè)計，在同一構(gòu)件中并存多種或幾種功能，如某部分稱為放熱部、其他部分稱為結(jié)構(gòu)部之類的情況。而且，除銅池相以外，組合Mo-Cu類復(fù)合相的形態(tài)要素，或使用表面處理或與其他功能材料復(fù)合等手段，能夠進(jìn)一步擴大其使用范圍。
下面說明本發(fā)明的具體例。
(例1)準(zhǔn)備純度均為99％以上的表1所述銅或銅合金原料及表2所述的Mo粉末。
從下表1的銅類原料和下表2的Mo粉末中，選擇下表3至5所述的組合，使用同表中記載的比例及下述手段，在Mo粉末基質(zhì)中以大致均勻的間隔配置銅類原料，進(jìn)行一體化成形。另外，下表3～5中左側(cè)標(biāo)記的*為比較例的樣品。樣品編號為1～8的材料是與相對于原料編號13的Mo粉末為100時，重量比例為1％的以醇類為介質(zhì)的樟腦混合后，使用模型擠壓粉碎方式進(jìn)行造粒得到成形用粉末。
表1

注)二次粒子的平均粒徑為一次粒子集合而成的外形的短軸方向直徑。
表2

注)二次粒子的平均粒徑為一次粒子集合而成的外形的直徑。
如下所述地制備樣品編號9～35的成形用粉末。
對于Mo粉末，樣品編號9～34是將原料編號13的材料直接與各種銅類原料接上表所示比例用V型混合機進(jìn)行混合而制備。
樣品編號35是相對于原料編號13的Mo粉末為100時添加重量比例為1％、平均粒徑為2μm的Ni粉末，用不銹鋼球及罐式球磨機進(jìn)行預(yù)混合粉碎，將真空干燥后的Mo粉末與各種銅類原料按表中提供的比例用V型混合機混合進(jìn)行制備。從而，在大致維持銅類原料最初形狀的同時將其大致均勻地分散配置在Mo粉末中。然后，與相對于上述粉末100重量比例為1％的以醇類為介質(zhì)的樟腦混合后，使用模具擠壓粉碎方式進(jìn)行造粒，得到成形用粉末。
如上所述地制備的樣品編號1～35的成形用粉末在室溫下填充在模具內(nèi)，使用粉末加壓方法以最高5ton/cm2的壓力進(jìn)行一體化成形。然后，在氮氣氣流中、400℃下除去粘合劑。標(biāo)記#表示為了調(diào)整空隙率，再在氫氣環(huán)境氣體中、800～1400℃下進(jìn)行中間燒結(jié)。由得到的成形體或中間燒結(jié)體的外徑尺寸與重量計算其空隙率。
其值示于下表3～表5的″初預(yù)混合的銅原料，準(zhǔn)備適合于上述空隙率的銅類熔滲材料，放置在成形體或中間燒結(jié)體的上面或下面，在氫氣環(huán)境氣體中、1200℃下保持2小時，熔滲與使用的銅原料相同的銅類熔滲材料。
樣品編號36、37的一體化成形分別使用擠出成形、噴射成形進(jìn)行。準(zhǔn)備原料編號11的Mo粉末和原料編號4的銅類原料，分別稱量，使按重量比例計Mo粉末為80％、銅類原料為20重量％，用與上述相同的V型混合機進(jìn)行預(yù)混合。
添加相對于樣品編號36的粉末為100時按固體成分的體積比例計為5％的含有增塑劑的聚乙酸乙烯酯的水溶液，進(jìn)行混煉，以矩形剖面進(jìn)行擠出，進(jìn)行切斷形成成形體。
添加相對于樣品編號36的粉末為100時以體積比例計為30％含有增塑劑的聚乙烯，進(jìn)行加熱混煉，按熱法噴射成形為矩形剖面的交點(ノ一ト)狀，進(jìn)行裁切形成成形體。然后，在真空中加熱，前者在400℃下除去固體成分，后者在600℃下除去固體成分。再在氫氣中、1200℃下進(jìn)行中間燒結(jié)，得到下表3的空隙率。然后，在與樣品編號1～34相同的條件下熔滲銅類熔滲材料。
樣品編號38使用與原料編號9相同的銅類原料，除此之外，在與使用編號15相同的條件下進(jìn)行至熔滲。
表3

表4

表5

如下制備樣品編號39。
準(zhǔn)備由上表1的原料編號10的含有1重量％左右Cr的鉻銅構(gòu)成的銅類原料和表2的原料編號13的Mo粉末。樣品編號39的材料首先將銅類原料20重量％和Mo粉末80重量％用V型混合機進(jìn)行混合。另外，樣品編號40的起始原料僅為Mo粉末。然后，在各粉末中加入按體積比例計為5％的含增塑劑的聚乙酸乙烯酯水溶液，進(jìn)行混煉，以矩形剖面形狀進(jìn)行擠出，進(jìn)行裁切形成成形體。將上述成形體在真空中、400℃下進(jìn)行加熱，分別除去粘合劑。再在氫氣中、1300℃下進(jìn)行中間燒結(jié)，在氫氣中、1250℃下將與作為原料的銅類原料相同材質(zhì)的鉻銅熔滲在空隙內(nèi)。
以磨削加工除去得到的全部熔滲體的外圍后，采集切粉，用發(fā)光分光分析確認(rèn)Cu、Mo及雜質(zhì)的含量。銅池相含量如下計算拍攝研磨后樣品剖面的50倍光學(xué)顯微鏡照片，對同視野中的銅部分進(jìn)行圖像處理，得出相當(dāng)于其中的銅池相的部分的面積比例，利用該面積比例與分析得到的總銅量值結(jié)果而算得。上表3的熔滲體的總含銅量與銅池相的量均為確認(rèn)值。塑性加工體的成分量與此相同，并未記載于表中。
表4的熔滲后的相對密度由樣品的成分分析結(jié)果計算理論密度，為用水中法(阿基米德法)確認(rèn)得到的實測密度的比例(％)。另外，塑性加工后，確認(rèn)全部為100％。導(dǎo)熱率及熱膨脹系數(shù)的計量確認(rèn)方法如上所述。
各熔滲體的塑性加工如下進(jìn)行。首先，除去全部熔滲體樣品的外圍部，準(zhǔn)備矩形原料。然后，對其使用熱軋裝置，在150℃～300℃的溫度范圍內(nèi)，以30％～90％范圍內(nèi)的加工率進(jìn)行熱軋軋制。使用上述軋制帶鋼(hoop)，按與上述熔滲體相同的順序確認(rèn)各特性。
上述結(jié)果總結(jié)在表3～表5中。另外，表中未記載楊氏模量的結(jié)果，但如上述圖5及其說明所述，樣品編號1～38確認(rèn)為大致在圖5線上的數(shù)據(jù)。樣品編號39及40的情況下，確認(rèn)為大致延續(xù)曲線的結(jié)果，均以MPa為單位，對于剛結(jié)束熔滲的材料，39為145MPa、40為130MPa；以10％加工率進(jìn)行塑性加工后，39為160MPa、40為145MPa。導(dǎo)電率也未記載在表中，但上述例中使用的試驗片以％IACS單位(以純銅為100％，用渦電流法進(jìn)行測定)進(jìn)行確認(rèn)時，在相同導(dǎo)電率的樣品間，與無銅池相的材料相比，形成了銅池相的本發(fā)明復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)降低5％左右，楊氏模量增高10％左右。
(例2)用與上表3～表5的樣品編號2、5、10、14、17、18、22、24、25、29、32、33、38～40相同的材料組成，準(zhǔn)備150mm見方、5mm厚的板狀原料。在任一種情況下，均以相同的尺寸準(zhǔn)備熔滲體和以90％的加工率對其進(jìn)行塑性加工得到的材料。
在其上下兩面進(jìn)行鍍鎳。將其安裝在圖8的模式圖所示剖面結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體模塊用封裝體內(nèi)，進(jìn)行冷熱循環(huán)試驗。圖8的符號21為由上述本發(fā)明復(fù)合材料構(gòu)成的中間基板，符號22為熱膨脹系數(shù)約4×10-6/℃的硅半導(dǎo)體元件，符號23為熱膨脹系數(shù)約4×10-6/℃的氮化鋁(AlN)類陶瓷構(gòu)成的上部基板，24為熱膨脹系數(shù)約17×10-6/℃的銅構(gòu)成的基板。另外，本發(fā)明的中間基板21上用銀焊料焊接陶瓷或金屬等外圍構(gòu)件25，中間基板21經(jīng)銀-錫類釬料與基礎(chǔ)基板24連接。而且，外圍構(gòu)件25用通常的銀焊料進(jìn)行焊接。
冷熱循環(huán)的一個循環(huán)工序為-50℃下保持15分鐘后，升溫30分鐘，在150℃下保持15分鐘。每500個循環(huán)確認(rèn)一次是否存在模塊輸出及損傷狀態(tài)，同時重復(fù)2000循環(huán)施加負(fù)荷。結(jié)果如表6所示。另外，此時的″樣品編號在塑性加工前和加工后兩者幾乎無差異，所以未分開表示。但是，無銅池相的材料最終的損傷程度小于塑性加工后的材料。由結(jié)果可明確本發(fā)明材料在實用方面的優(yōu)勢。
另外，樣品編號2、5、10、18的總銅量及銅池相量相同，準(zhǔn)備在厚度方向賦予圖7(c)的梯度功能性得到的具有與上述相同尺寸的試驗片，按與上述相同的循環(huán)工序進(jìn)行3000次冷熱循環(huán)試驗。此時，任一種試驗片均調(diào)整銅池相的梯度功能性配置形態(tài)，使熱膨脹系數(shù)在上部基板側(cè)約為6×10-6/℃、基板側(cè)約為12×10-6/℃。另外，在這種情況下，按相同尺寸準(zhǔn)備與上述相同的塑性加工前后的樣品，任一種試驗片均在上下表面實施鍍鎳。樣品編號2和10的第1組、5與18的第2組各自的總銅量均相同。
試驗結(jié)果與未賦予梯度功能性的上述情況不同，樣品編號2及5的情況下，直至2000循環(huán)均未出現(xiàn)輸出降低及損傷，直至2500循環(huán)主要出現(xiàn)因中間基板的翹曲使其與上部基板剝離導(dǎo)致50％以上輸出降低。與此相反，以形成了銅池相的本發(fā)明復(fù)合材料為基礎(chǔ)的10和18在塑性加工前直至3000循環(huán)雖存在若干輸出降低，但是能夠維持無損傷狀態(tài)。塑性加工后幾乎沒有輸出降低。由其結(jié)果可知，即使是在梯度功能相同的配置設(shè)計的情況下，形成了銅池相的本發(fā)明材料具有優(yōu)良的冷熱耐久性。
對于本發(fā)明實施例的模塊，在極端的冷熱循環(huán)工序下，中間基板與楊氏模量高的陶瓷制上部基板間的熱膨脹系數(shù)差大。因此，需要能夠耐受兩者間的熱變形、導(dǎo)熱性高的中間基板，可知優(yōu)選使用本發(fā)明的復(fù)合材料。
另外，在實際使用時的冷熱負(fù)荷小于本模塊的其他各種半導(dǎo)體裝置中也用作放熱構(gòu)件進(jìn)行組裝，確認(rèn)具有銅池相形成效果。其結(jié)果為確認(rèn)本發(fā)明的材料在組裝時或形成封裝體后的耐久性方面具有優(yōu)勢。
由上述結(jié)果可知，在以放熱構(gòu)件為代表的半導(dǎo)體裝置中使用的構(gòu)件中，與未形成銅池相的材料相比，形成了銅池相的本發(fā)明材料是優(yōu)選的。
表6

(例3)從樣品編號2和10的熔滲剛結(jié)束后的原料中裁出直徑為5mm、厚度為5mm的用作點焊的一對電極。使用該電極，在銅合金上點焊直徑5mm、厚度1mm的電焊點。使其朝向焊接機的通電部進(jìn)行準(zhǔn)備，固定電極對。電焊點的組件為將銀焊料薄片放置在基體金屬上，其上承載主成分為銀的電焊點。將該組件放置在下部的固定電極上，使上述可動電極下降，對組件施加500g負(fù)荷，同時通電3秒鐘，使銀焊料熔融，然后，將其放冷。由此重復(fù)進(jìn)行點焊，比較焊接數(shù)超過1000個時的電極消耗量，樣品編號10的形成銅池相的材料為樣品編號2的未形成銅池相的材料的大致60％。
(例4)從樣品編號2和10的材料中裁出直徑、厚度均為10mm的放電加工用電極。使用該電極，在直徑20mm的棒狀TiC-Co類金屬陶瓷部件的一側(cè)表面利用放電加工形成直徑約10mmm、深度為3mm的帶底孔。改變操作，重復(fù)該步驟時，比較加工數(shù)超過1000個時的電極消耗量時，樣品編號10的形成銅池相的樣品大致為樣品編號2未形成銅池相的樣品的70％。
以上說明了本發(fā)明的實施方案，但是本發(fā)明并不限定于上述例子，也可以具有各種形式改變的方案。
工業(yè)實用性本發(fā)明的復(fù)合材料最適用于電·電子器材的放熱構(gòu)件、結(jié)構(gòu)構(gòu)件、放熱機器用構(gòu)件、電觸點、放電加工或焊接用電極等電·電子構(gòu)件、及化學(xué)裝置用構(gòu)件。
權(quán)利要求
1.一種復(fù)合材料，是Cu含量為30～70重量％的Mo-Cu類復(fù)合材料，其特征為，該材料中含有銅池相和Mo-Cu類復(fù)合相，含有10～50重量％的銅池相。
2.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征為，所述銅池相的平均短徑為50～200μm。
3.如權(quán)利要求1或2所述的復(fù)合材料，其特征為，該復(fù)合材料經(jīng)過塑性加工而制成。
4.一種構(gòu)件，其特征為，使用權(quán)利要求1～3任一項所述的復(fù)合材料。
5.一種放熱構(gòu)件，其特征為，使用權(quán)利要求1～3任一項所述的復(fù)合材料。
6.一種復(fù)合材料的制造方法，其特征為，包括以下工序在Mo粉末基質(zhì)上配置平均短徑為50μm以上的銅類原料，在該狀態(tài)下，進(jìn)行一體化成形，制成成形體，或再燒結(jié)該成形體，制成中間燒結(jié)體的工序；使銅或銅合金熔滲在該成形體或中間燒結(jié)體中，制成Cu含量為30～70重量％、含有10～50重量％銅池相的復(fù)合材料。
7.如權(quán)利要求6所述的復(fù)合材料制造方法，其特征為，所述銅類原料為平均短徑50～200μm的粉末，在所述一體化成形前，將其與Mo粉末混合。
8.一種半導(dǎo)體裝置，其特征為，使用權(quán)利要求5所述的放熱構(gòu)件。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種復(fù)合材料，是Cu含量為30～70重量％的Mo－Cu類復(fù)合材料，該材料中含有銅池相和Mo－Cu類復(fù)合相，含有10～50重量％的銅池相。放熱構(gòu)件使用復(fù)合材料。
文檔編號C22C9/00GK1708596SQ20038010230
公開日2005年12月14日 申請日期2003年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月28日
發(fā)明者伊藤正幸, 有川正, 平山典男, 天野良成, 齋藤信行 申請人:聯(lián)合材料公司