JP2021168376A - Method of manufacturing heat dissipation substrate and method of manufacturing composite substrate - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、ダイヤモンド粒子および金属を含む放熱基板の製造方法及び複合基板の製造方法に関する。 The present disclosure relates to a method for manufacturing a heat radiating substrate containing diamond particles and a metal, and a method for manufacturing a composite substrate.
半導体発光素子の光出力が増加するに伴って、半導体素子の放熱が重要な課題になっている。半導体素子の放熱は、半導体発光素子だけではなく、高速で演算処理を実行する半導体集積回路素子、マイクロ波の発振を行うモノリシックマイクロ波集積回路素子などでも重要な課題のひとつである。 As the light output of a semiconductor light emitting element increases, heat dissipation of the semiconductor element has become an important issue. Heat dissipation of semiconductor elements is one of the important issues not only in semiconductor light emitting elements but also in semiconductor integrated circuit elements that execute arithmetic processing at high speed and monolithic microwave integrated circuit elements that oscillate microwaves.
このように動作時に発熱する半導体素子からの放熱を行うため、半導体素子の熱を散逸させる放熱基板などの放熱部材の開発が進められている。放熱部材には、高い熱伝導率を有することが求められる。放熱基板の有望な材料として、ダイヤモンドと金属を含む複合材料の開発が進められている。この複合材料は、金属に比べて熱伝導率の高いダイヤモンドの粒子が銅(Cu)などの金属中に分散した構造を有している。 In order to dissipate heat from the semiconductor element that generates heat during operation in this way, development of a heat radiating member such as a heat radiating substrate that dissipates the heat of the semiconductor element is underway. The heat radiating member is required to have high thermal conductivity. As a promising material for heat-dissipating substrates, the development of composite materials containing diamond and metal is underway. This composite material has a structure in which diamond particles having a higher thermal conductivity than that of a metal are dispersed in a metal such as copper (Cu).
特許文献1には、ダイヤモンド粒子がCu中に分散した複合材料の例が開示されている。特許文献2には、ダイヤモンド粒子を金属層で被覆してからCu粉末と焼結して複合材料を作製する方法が開示されている。特許文献3には、ダイヤモンド粒子がCu中に分散した複合材料にメッキ金属層を形成した放熱基板が開示されている。
Patent Document 1 discloses an example of a composite material in which diamond particles are dispersed in Cu.
本開示は、製造工程中の薄肉化処理によって低下した熱伝導率を高めることが可能な放熱基板の製造方法及び複合基板の製造方法を提供する。 The present disclosure provides a method for manufacturing a heat-dissipating substrate and a method for manufacturing a composite substrate, which can increase the thermal conductivity lowered by the thinning treatment during the manufacturing process.
本開示の放熱基板の製造方法は、一態様において、ダイヤモンドと金属を含む複合材料を準備する工程と、前記複合材料の表面を薄肉化処理して、前記複合材料に加工面を形成する工程と、パルス通電焼結により、前記複合材料に50MPa未満の圧力を印加した状態で前記複合材料を加熱する工程とを含む。 In one aspect, the method for manufacturing a heat-dissipating substrate of the present disclosure includes a step of preparing a composite material containing diamond and a metal, and a step of thinning the surface of the composite material to form a processed surface on the composite material. A step of heating the composite material in a state where a pressure of less than 50 MPa is applied to the composite material by pulse energization sintering is included.
本開示の複合基板の製造方法は、一態様において、薄肉化処理が施されたダイヤモンドと金属を含む複合材料を準備する工程と、パルス通電焼結により、前記複合材料に50MPa未満の圧力を印加した状態で前記複合材料を加熱する工程と、を含む。 In one aspect of the method for manufacturing a composite substrate of the present disclosure, a pressure of less than 50 MPa is applied to the composite material by a step of preparing a composite material containing diamond and a metal which has been subjected to a thinning treatment and pulse energization sintering. This includes a step of heating the composite material in a state of being heated.
本開示の実施形態によれば、製造工程中の薄肉化処理によって低下した熱伝導率を、パルス通電焼結によって高めることが可能になる。 According to the embodiment of the present disclosure, it is possible to increase the thermal conductivity reduced by the thinning treatment during the manufacturing process by pulse energization sintering.
本開示の実施形態を説明する前に、本発明者が見出した知見およびその技術背景を説明する。 Before explaining the embodiments of the present disclosure, the findings found by the present inventor and the technical background thereof will be described.
図1は、ダイヤモンドおよびCuなどの材料について、線膨張係数および熱伝導率をプロットしたグラフである。グラフの横軸は線膨張係数、縦軸が熱伝導率である。線膨張係数は単位長さあたりの線膨張率であり、単位は[10−6/K]である。熱伝導率の単位は、[W/mK (ワット毎メートル毎ケルビン)]である。 FIG. 1 is a graph in which the coefficient of linear expansion and thermal conductivity are plotted for materials such as diamond and Cu. The horizontal axis of the graph is the coefficient of linear expansion, and the vertical axis is the thermal conductivity. The coefficient of linear expansion is the coefficient of linear expansion per unit length, and the unit is [ 10-6 / K]. The unit of thermal conductivity is [W / mK (Watt per meter Kelvin)].
単結晶のダイヤモンドは、物質中で最も高いレベルの熱伝導率を有し、理想的には2000[W/mK]を超える極めて高い値を示す。多結晶ダイヤモンド粒子の熱伝導率は、例えば900〜1800[W/mK]程度である。CVD法などによって作製されるダイヤモンド粒子の熱伝導率は、例えば900〜1800[W/mK]程度である。 Single crystal diamonds have the highest level of thermal conductivity of any material, ideally at extremely high values in excess of 2000 [W / mK]. The thermal conductivity of polycrystalline diamond particles is, for example, about 900 to 1800 [W / mK]. The thermal conductivity of diamond particles produced by a CVD method or the like is, for example, about 900 to 1800 [W / mK].
図2は、ダイヤモンド粒子10の一例を模式的に示す斜視図である。図2の例におけるダイヤモンド粒子10は、例えば、六角形および四角形の面(ファセット)を表面に有する多面体の形状を有している。実際のダイヤモンド粒子では、表面に他の多角形の面が表れていたり、一部が欠損していたりしており、より複雑で多様な形状を有し得る。個々のダイヤモンド粒子の熱伝導率は、表面または内部に存在する結晶欠陥または不純物などの存在に応じて異なる値を有し得る。
FIG. 2 is a perspective view schematically showing an example of the
一方、金属であるCuの熱伝導率は、約400[W/mK]程度であり、Agの熱伝導率は約420[W/mK]程度である。このため、Cuなどの金属中にダイヤモンド粒子を分散させた複合材料の熱伝導率は、金属の熱伝導率とダイヤモンド粒子の熱伝導率との間の中間的な値を示す。複合材料に含まれるダイヤモンド粒子の体積比率が高いほど、複合材料の熱伝導率の理論値は増加する。しかし、実際には複合材料の熱伝導率は、ダイヤモンドの体積比率だけでは単純には決まらず、Cuとダイヤモンド粒子との界面の状態も影響していると考えられる。Cuとダイヤモンドとの界面は製造工程中にダイヤモンド粒子に生じ得る欠陥・損傷などによって変動し得る。 On the other hand, the thermal conductivity of Cu, which is a metal, is about 400 [W / mK], and the thermal conductivity of Ag is about 420 [W / mK]. Therefore, the thermal conductivity of the composite material in which the diamond particles are dispersed in a metal such as Cu shows an intermediate value between the thermal conductivity of the metal and the thermal conductivity of the diamond particles. The higher the volume ratio of diamond particles contained in the composite material, the higher the theoretical value of thermal conductivity of the composite material. However, in reality, the thermal conductivity of the composite material is not simply determined only by the volume ratio of diamond, and it is considered that the state of the interface between Cu and diamond particles also has an effect. The interface between Cu and diamond can fluctuate due to defects, damage, etc. that may occur in the diamond particles during the manufacturing process.
半導体素子が放熱基板に接合されて使用される場合、半導体素子側の放熱基板と接触する部材と放熱基板との間に存在する線膨張係数の差が大きいと、剥がれなどの問題が生じ得る。このため、放熱基板に使用される複合材料の線膨張係数は、接合対象である部材の線膨張係数に近いことが望ましい。 When a semiconductor element is used by being bonded to a heat radiating substrate, if the difference in linear expansion coefficient existing between the member in contact with the heat radiating substrate on the semiconductor element side and the heat radiating substrate is large, problems such as peeling may occur. Therefore, it is desirable that the coefficient of linear expansion of the composite material used for the heat radiating substrate is close to the coefficient of linear expansion of the member to be joined.
ダイヤモンド粒子およびCuを含む複合材料は、Cuよりも熱伝導率が高く、かつ、半導体の線膨張係数に近い優れた特性を有している。なお、金属をマトリクスとする複合材料は、メタル・マトリクス・コンポジット(MMC)と呼ばれることがある。このため、ダイヤモンド粒子がCu中に分散した複合材料を、本明細書では、「Cu-ダイヤモンドMMC」と称する場合がある。また、単に「Cuダイヤモンド複合材料」または「複合材料」と称する場合がある。なお、MMCのマトリクスとなる金属はCuだけに限られず、Ag,Alなども取り得る。 The composite material containing diamond particles and Cu has a higher thermal conductivity than Cu and has excellent properties close to the coefficient of linear expansion of a semiconductor. A composite material using a metal as a matrix is sometimes called a metal matrix composite (MMC). Therefore, the composite material in which diamond particles are dispersed in Cu may be referred to as "Cu-diamond MMC" in the present specification. Further, it may be simply referred to as "Cu diamond composite material" or "composite material". The metal that becomes the matrix of MMC is not limited to Cu, but Ag, Al, and the like can also be taken.
放熱基板を半導体素子に接合する場合、必要に応じて厚さは調節可能であることが好ましい。ところが、本発明者がCu‐ダイヤモンドMMCに対して研磨加工を行ったところ、研磨加工されたCu‐ダイヤモンドMMCの熱伝導率は研磨加工される前のCu‐ダイヤモンドMMCの熱伝導率よりも低くなっていた。研磨加工を行うことで、Cu‐ダイヤモンドMMC中のダイヤモンドとCuとの密着性が低下するために熱伝導率が低下したものと考えられる。 When the heat radiating substrate is bonded to the semiconductor element, it is preferable that the thickness can be adjusted as needed. However, when the present inventor performed a polishing process on the Cu-diamond MMC, the thermal conductivity of the polished Cu-diamond MMC was lower than the thermal conductivity of the Cu-diamond MMC before the polishing process. It was. It is considered that the thermal conductivity was lowered because the adhesion between the diamond and Cu in the Cu-diamond MMC was lowered by performing the polishing process.
また、本発明者は、このようにして作製されたCu-ダイヤモンド複合材料に研磨加工を行って損傷を与えた後、低温・低圧のパルス通電焼結を行うと、研磨加工後に低下していた熱伝導率を上昇させ得ることを見出した。研磨工程では、Cu-ダイヤモンド複合材料の表面が削られる。このため、複合材料の表面付近に存在するダイヤモンド粒子の全体または一部は、周辺のCuともに、複合材料から削られたり、脱落したりする。研磨加工によってダイヤモンド粒子がCu-ダイヤモンド複合材料から外れることを「脱粒」と呼ぶ。このような脱粒が生じると、Cu-ダイヤモンド複合材料の表面の平滑性が損なわれる。こうして、研磨加工によって複合材料の表面に形成された加工面、すなわち研磨面は平滑ではなく、ダイヤモンド粒子のサイズと同レベルのサイズを有する凹凸が加工面には存在し得る。また、このような研磨工程により、複合材料に残ったダイヤモンド粒子に対して研磨中に加わった応力により、Cuとダイヤモンド粒子との界面にも隙間が生じる可能性がある。この結果、研磨工程後の複合材料の熱伝導率は、研磨工程前の複合材料の熱伝導率よりも低くなる。しかし、研磨加工したあとの複合材料に対して、後述するパルス通電焼結を行うと、熱伝導率が上昇することがわかった。これは、ダイヤモンド粒子とCu界面の隙間が修復されることなどが原因と考えられる。以下、このような研磨工程後に行うパルス通電焼結を、複合材料の作製方法の一例であるパルス通電焼結から区別して「再パルス通電焼結」と呼ぶことがある。 Further, the present inventor performed polishing on the Cu-diamond composite material thus produced to damage the Cu-diamond composite material, and then performed low-temperature / low-pressure pulse energization sintering, which resulted in a decrease after the polishing process. It has been found that the thermal conductivity can be increased. In the polishing process, the surface of the Cu-diamond composite is scraped. Therefore, all or a part of the diamond particles existing near the surface of the composite material, together with the surrounding Cu, is scraped or dropped from the composite material. The removal of diamond particles from the Cu-diamond composite by polishing is called "threshing". When such shedding occurs, the smoothness of the surface of the Cu-diamond composite material is impaired. In this way, the processed surface formed on the surface of the composite material by the polishing process, that is, the polished surface is not smooth, and irregularities having a size equal to the size of the diamond particles may exist on the processed surface. Further, due to the stress applied to the diamond particles remaining in the composite material during polishing by such a polishing step, a gap may be formed at the interface between Cu and the diamond particles. As a result, the thermal conductivity of the composite material after the polishing step is lower than the thermal conductivity of the composite material before the polishing step. However, it was found that the thermal conductivity of the composite material after polishing was increased by performing pulse current sintering, which will be described later. It is considered that this is because the gap between the diamond particles and the Cu interface is repaired. Hereinafter, the pulse energization sintering performed after such a polishing step may be referred to as "repulse energization sintering" to distinguish it from the pulse energization sintering which is an example of the method for producing a composite material.
本開示の放熱基板の製造方法は、上記の新しい知見に基づいて完成した。以下、本開示における放熱基板の製造方法の実施形態を説明する。なお、放熱基板は、本開示の複合基板の一例である。 The method for manufacturing the heat radiating substrate of the present disclosure has been completed based on the above new findings. Hereinafter, embodiments of the method for manufacturing a heat radiating substrate in the present disclosure will be described. The heat dissipation substrate is an example of the composite substrate of the present disclosure.
<実施形態>
図3Aは、本開示の実施形態による放熱基板の製造方法における主な工程を示すフローチャートである。図3Aに示されるように、本実施形態における放熱基板の製造方法は、ダイヤモンドと銅を含む複合材料を準備する工程S100と、複合材料の表面を薄肉化処理して、複合材料に加工面を形成する工程S200と、パルス通電焼結により、複合材料に50MPa未満の圧力を印加した状態で複合材料を加熱する工程S300と、を含む。
<Embodiment>
FIG. 3A is a flowchart showing a main process in the method for manufacturing a heat radiating substrate according to the embodiment of the present disclosure. As shown in FIG. 3A, the method for manufacturing a heat radiating substrate in the present embodiment includes a step S100 of preparing a composite material containing diamond and copper, and a thinning treatment on the surface of the composite material to form a processed surface on the composite material. The step S200 of forming and the step S300 of heating the composite material in a state where a pressure of less than 50 MPa is applied to the composite material by pulse energization sintering are included.
以下、複合材料に用いる金属がCuの場合を説明する。なお、Cu以外の金属としては、例えば、Alや銀Agを用いることができる。金属の熱伝導率は200[W/mK]以上が好ましい。Alの熱伝導率は約240[W/mK]であり、Agの熱伝導率は約420[W/mK]であるため、ダイヤモンドとの複合材料を形成したとしても、高い熱伝導率を維持することができる。 Hereinafter, the case where the metal used for the composite material is Cu will be described. As the metal other than Cu, for example, Al or silver Ag can be used. The thermal conductivity of the metal is preferably 200 [W / mK] or more. Since the thermal conductivity of Al is about 240 [W / mK] and the thermal conductivity of Ag is about 420 [W / mK], high thermal conductivity is maintained even if a composite material with diamond is formed. can do.
まず、本実施形態における複合材料を準備する工程S100を説明する。図3Bは、本実施形態による複合材料を準備する工程S100の具体例を示すフローチャートである。上述のように、複合材料の熱伝導率が低下する原因は、研磨加工によるものと考えられる。よって、本開示の実施形態による効果は、準備する複合材料の製法には依存しない。すなわち、本実施形態では、公知の方法により製造された様々な複合材料を用いることができるし、例えば、市販されている複合材料を用いてもよい。複合材料を製造する方法としては、例えば、焼結法、溶融法等が挙げられる。複合材料の製造方法として好ましい方法はパルス通電焼結法である。この方法であれば、後述するように従来と比べて比較的低温の条件で複合材料を得ることができる。 First, the step S100 for preparing the composite material in the present embodiment will be described. FIG. 3B is a flowchart showing a specific example of the step S100 for preparing the composite material according to the present embodiment. As described above, the cause of the decrease in thermal conductivity of the composite material is considered to be the polishing process. Therefore, the effect of the embodiments of the present disclosure does not depend on the method of producing the composite material to be prepared. That is, in this embodiment, various composite materials produced by known methods can be used, and for example, commercially available composite materials may be used. Examples of the method for producing the composite material include a sintering method and a melting method. A preferred method for producing the composite material is a pulse current sintering method. With this method, as will be described later, a composite material can be obtained under relatively low temperature conditions as compared with the conventional method.
以下、図3Bを用いてパルス通電焼結法による複合材料の製造方法を説明する。図3Bに示されるように、この工程S100は、ダイヤモンド粒子とCu粉末粒子との混合粉末を準備する工程S10と、パルス通電焼結法により、混合粉末に圧力を印加した状態で500℃以上800℃未満の温度に保持して、混合粉末からダイヤモンドとCuを含む複合材料を生成する工程S20とを含む。この「温度」は、例えば放射温度計または熱電対などの温度測定装置によって直接または間接的に測定される「温度」である。本開示における「温度」は、後述する図5に示されるようなSPS装置のダイ30における温度の測定値である。なお、後述する焼結ピーク温度Tsとは、放射温度計または熱電対で測定されるダイ30の温度の内、所定の圧力で合計1分以上保持される温度を意味するものとする。例えば、図6の場合、焼結工程において、最も高い温度で保持されている温度を焼結ピーク温度Tsと呼び、昇温および降温の途中で過渡的に変化する温度から区別する。
Hereinafter, a method for producing a composite material by a pulse energization sintering method will be described with reference to FIG. 3B. As shown in FIG. 3B, this step S100 includes a step S10 of preparing a mixed powder of diamond particles and Cu powder particles, and a pulse energization sintering method in which a pressure is applied to the mixed powder at 500 ° C. or higher and 800 ° C. or higher. It includes a step S20 of producing a composite material containing diamond and Cu from the mixed powder while keeping the temperature below ° C. This "temperature" is a "temperature" that is directly or indirectly measured by a temperature measuring device such as a radiation thermometer or a thermocouple. The “temperature” in the present disclosure is a measured value of the temperature in the
図4は、工程S10の混合粉末に含まれるダイヤモンド粒子の例を示す写真である。ある実施形態において、ダイヤモンド粒子の平均粒径は、40μm以上500μm以下である。ダイヤモンド粒子の粒径分布は、ピークが単数の単峰型である必要はなく、ピークは複数であってもよい。ダイヤモンド粒子の平均粒径を40μm以上とすることにより、Cu‐ダイヤモンドMMCを安価に製造しながら、熱伝導率を高めることができる。ダイヤモンド粒子の平均粒径を500μm以下とすることにより、ダイヤモンド粒子そのものの製造コストを低減できる。また、ダイヤモンド粒子の粒径分布は200μm以上400μm以下であることが好ましい。この範囲であれば、熱伝導率をさらに向上させることができる。ある実施形態において、混合粉末におけるダイヤモンド粒子は、平均粒径が200μm以上400μm以下の粒子と、平均粒径が40μm以上80μm以下の粒子とを含んでいてもよい。本明細書では、平均粒径が200μm以上400μm以下の粒子を「大粒子」、平均粒径が40μm以上80μm以下の粒子を「小粒子」と呼ぶ。平均粒径が相対的に小さい粒子は平均粒径が相対的に大きな粒子どうしがつくる隙間を埋めるように配置することできるので、熱伝導率がCuよりも高いダイヤモンドの充填量を増やすことができる。これにより、Cu‐ダイヤモンドMMCの熱伝導率をさらに向上させることができる。このような粒径分布に双峰性がある混合粉末を本明細書では、「バイモーダル混合粉末」と呼ぶ。バイモーダル混合粉末では、平均粒径が200μm以上400μm以下の粒子がダイヤモンド粒子全体に占める割合は、質量比率で50%以上であることが好ましい。平均粒径が大きい粒子が多いほど、ダイヤモンド粒子の総表面積が減少し、ダイヤモンド粒子とCuとの界面における熱抵抗の寄与が小さくなるからである。 FIG. 4 is a photograph showing an example of diamond particles contained in the mixed powder of step S10. In certain embodiments, the average particle size of the diamond particles is 40 μm or more and 500 μm or less. The particle size distribution of the diamond particles does not have to be a single peak type with a single peak, and may have a plurality of peaks. By setting the average particle size of the diamond particles to 40 μm or more, it is possible to increase the thermal conductivity while inexpensively producing Cu-diamond MMC. By setting the average particle size of the diamond particles to 500 μm or less, the manufacturing cost of the diamond particles themselves can be reduced. Further, the particle size distribution of the diamond particles is preferably 200 μm or more and 400 μm or less. Within this range, the thermal conductivity can be further improved. In certain embodiments, the diamond particles in the mixed powder may include particles having an average particle size of 200 μm or more and 400 μm or less and particles having an average particle size of 40 μm or more and 80 μm or less. In the present specification, particles having an average particle size of 200 μm or more and 400 μm or less are referred to as “large particles”, and particles having an average particle size of 40 μm or more and 80 μm or less are referred to as “small particles”. Since particles having a relatively small average particle size can be arranged so as to fill the gaps formed by particles having a relatively large average particle size, it is possible to increase the filling amount of diamond having a higher thermal conductivity than Cu. .. Thereby, the thermal conductivity of Cu-diamond MMC can be further improved. A mixed powder having such a bimodal particle size distribution is referred to herein as a "bimodal mixed powder". In the bimodal mixed powder, the ratio of particles having an average particle size of 200 μm or more and 400 μm or less to the entire diamond particles is preferably 50% or more in terms of mass ratio. This is because the larger the average particle size, the smaller the total surface area of the diamond particles, and the smaller the contribution of thermal resistance at the interface between the diamond particles and Cu.
Cu粉末粒子の平均粒径は、例えば、3μm以上10μm以下である。Cu粉末には、粉砕などによって生じ得る粒径1μm以下のCu微粉が含まれていてもよい。Cu粉末粒子は、不可避的な不純物を含有していてもよい。ただし、酸素、窒素などの不純物は、熱伝導率の低下を招くため、可能な限り除去されていることが望ましい。Cu粉末粒子における不純物の含有量は、2質量%以下が好ましい。このようなCu粉末粒子は公知の製法によって製造されるものを使用してもよい。また、市販されているCu粉末粒子を使用してもよい。 The average particle size of Cu powder particles is, for example, 3 μm or more and 10 μm or less. The Cu powder may contain Cu fine powder having a particle size of 1 μm or less, which may be generated by pulverization or the like. Cu powder particles may contain unavoidable impurities. However, impurities such as oxygen and nitrogen cause a decrease in thermal conductivity, so it is desirable to remove them as much as possible. The content of impurities in the Cu powder particles is preferably 2% by mass or less. As such Cu powder particles, those produced by a known production method may be used. Alternatively, commercially available Cu powder particles may be used.
なお、本開示における「平均粒径」とは、レーザ回折式粒度分布測定装置によって測定される粒度分布における「メディアン径」を意味する。 The "average particle size" in the present disclosure means the "median diameter" in the particle size distribution measured by the laser diffraction type particle size distribution measuring device.
本開示の実施形態では、濡れ性を高めるためにCu粉末粒子以外の金属を意図的に添加してない。従来、Cuとダイヤモンドとは濡れ性が悪いため、添加金属によって濡れ性を改善することが必要であると考えられていたが、本開示の実施形態では、そのような添加金属は不要である。Cu粉末粒子以外の金属を意図的に添加しないことで、焼結阻害を低減することができる。ある実施形態において、混合粉末におけるCu以外の金属の添加量は、質量比率で1%以下である。 In the embodiments of the present disclosure, no metal other than Cu powder particles is intentionally added in order to improve the wettability. Conventionally, since Cu and diamond have poor wettability, it has been considered necessary to improve the wettability with an additive metal, but in the embodiment of the present disclosure, such an additive metal is unnecessary. By intentionally not adding a metal other than Cu powder particles, sintering inhibition can be reduced. In certain embodiments, the amount of the metal other than Cu added in the mixed powder is 1% or less in terms of mass ratio.
また、ダイヤモンド粒子とCu粉末粒子との密着性を高めるなどの目的で、上述のように個々のダイヤモンド粒子を銅などの金属層によって被覆する可能性があるが、本開示の実施形態では、ダイヤモンド粒子を金属層によって被覆しない。これは、予めダイヤモンド粒子をCuなどの金属層によって被覆しないことにより、予めダイヤモンド粒子をCuなどの金属層によって被覆する場合と比べて焼結活性を高めることができるからである。予めダイヤモンド粒子をCuなどの金属層で被覆すると、焼結活性が低下し、金属を添加する場合と同様に高温での焼成が必要となる。 Further, as described above, individual diamond particles may be coated with a metal layer such as copper for the purpose of enhancing the adhesion between the diamond particles and the Cu powder particles. However, in the embodiment of the present disclosure, diamonds are used. Do not coat the particles with a metal layer. This is because by not pre-coating the diamond particles with a metal layer such as Cu, the sintering activity can be enhanced as compared with the case where the diamond particles are pre-coated with a metal layer such as Cu. If the diamond particles are coated with a metal layer such as Cu in advance, the sintering activity is lowered, and firing at a high temperature is required as in the case of adding a metal.
本実施形態において、混合粉末におけるCu粉末粒子の質量比率は、例えば、60%以上85%以下が好ましく、混合粉末におけるダイヤモンド粒子の質量比率は、例えば、15%以上40%以下が好ましい。言い換えると、Cu粉末粒子とダイヤモンド粒子との質量比率は、60:40から85:15の範囲内で選択され、例えば80:20である。ダイヤモンド粒子の質量比率が増加するほど、複合材料の熱伝導率は増加する。Cu粉末粒子の質量比を60%以上85%以下とすることで、ダイヤモンドの周囲に充分な量の銅が配置され、Cu‐ダイヤモンドMMC内に、熱伝導を阻害する隙間が生じにくくなる。言い換えると、Cu粉末粒子の質量比が上記範囲であれば、Cuがダイヤモンドの周囲に十分配置できるだけの体積をもつことができるので、ダイヤモンド粒子間の隙間を効果的に埋めやすい。また、Cuの量が多すぎると、Cuの熱伝導率がダイヤモンドの熱伝導率よりも低いので、Cu‐ダイヤモンドMMCの熱伝導率が低下し得るが、上記範囲であれば、高い熱伝導率を有するCu‐ダイヤモンドMMCを製造することができる。また、後述するように、本発明者の実験によると、ダイヤモンド粒子の質量比率が同一でも、バイモーダル混合粉末の方が高い熱伝導率を実現しやすい。 In the present embodiment, the mass ratio of Cu powder particles in the mixed powder is preferably 60% or more and 85% or less, and the mass ratio of diamond particles in the mixed powder is preferably 15% or more and 40% or less, for example. In other words, the mass ratio of Cu powder particles to diamond particles is selected in the range of 60:40 to 85:15, for example 80:20. As the mass ratio of diamond particles increases, the thermal conductivity of the composite increases. By setting the mass ratio of the Cu powder particles to 60% or more and 85% or less, a sufficient amount of copper is arranged around the diamond, and gaps that hinder heat conduction are less likely to occur in the Cu-diamond MMC. In other words, if the mass ratio of the Cu powder particles is in the above range, the Cu can have a volume sufficient to be arranged around the diamond, so that it is easy to effectively fill the gaps between the diamond particles. Further, if the amount of Cu is too large, the thermal conductivity of Cu is lower than the thermal conductivity of diamond, so that the thermal conductivity of Cu-diamond MMC may decrease, but within the above range, the thermal conductivity is high. Cu-diamond MMC having the above can be produced. Further, as described later, according to the experiment of the present inventor, even if the mass ratio of the diamond particles is the same, the bimodal mixed powder is more likely to realize a higher thermal conductivity.
工程S20におけるパルス通電焼結法は、例えば図5に示されるような焼結装置100を用いて実行され得る。パルス通電焼結法は、放電プラズマ焼結法(スパーク・プラズマ・シンタリング:SPS)法と称されることもある。このため、図5の焼結装置100は、「SPS装置」と呼ばれる場合がある。図5の焼結装置100は、キャビティ20を形成する貫通孔を有するダイ30と、ダイ30の貫通孔に沿って相対的に上下動し得る上パンチ40と下パンチ50とを備えている。この例における焼結装置100は、縦一軸加圧下で自己発熱を利用した焼結を行うことができる。上パンチ40は第1の電極51に電気的に接続され、下パンチ50は第2の電極52に電気的に接続されている。第1の電極51および第2の電極52は、電源ユニット60に電気的に接続されている。
The pulsed energization sintering method in step S20 can be performed using, for example, a
ダイ30は、耐熱性に優れた材料、例えばグラファイトから形成され得る。上パンチ40および下パンチ50は、導電性および耐熱性を有する材料、例えばグラファイトから形成され得る。なお、熱伝導率測定においては、試料が平坦であるほど信頼性の高い熱拡散率を測定することができる。したがって、製造する焼結体の平坦性を確保することが難しい場合は、上パンチ40と試料の間および下パンチ50と試料の間に硬質な材料を挿入し、平坦な面を有する焼結体を得ることが好ましい。硬質な材料は、超硬合金が好ましく、例えば、炭化タングステン(WC)や炭化チタン(TiC)である。また、上パンチ40および下パンチ50の材料を該材料に変更してもよい。キャビティ20は、ダイ30の貫通孔の内壁面と、上パンチ40の下端面と、下パンチ50の上端面によって規定される空間である。キャビティ20の内部には、上述した混合粉末が装填される。上パンチ40および下パンチ50の少なくとも一方が上下方向に移動することにより、上パンチ40と下パンチ50との間隔が減少してキャビティ20内の混合粉末に圧力が印加される。上パンチ40および下パンチ50は、例えば、不図示の油圧装置によって駆動される。キャビティ20内の混合粉末に印加される圧力は、例えば5MPa以上100MPa以下の範囲で任意に調整され得る。
The die 30 can be formed from a material having excellent heat resistance, for example, graphite. The
パルス通電焼結法では、焼結装置100によって混合粉末に圧力を印加しながら、上パンチ40と下パンチ50との間でパルス通電を行う。パルス通電は、第1の電極51と第2の電極52との間に電源ユニット60から直流のパルス電流を繰り返して流すことによって行われる。上パンチ40および下パンチ50によって加圧された混合粉末中において、Cu粉末粒子どうしが接触しているため、混合粉末中に局所的な電流パスが幾つも形成され、電流が流れる。このようなパルス通電により、ジュール熱が発生し、混合粉末の温度は所定の焼結温度まで上昇する。
In the pulse energization sintering method, pulse energization is performed between the
図6は、パルス通電焼結工程の開始から終了までの間の時間の経過に伴って、混合粉末の温度および圧力が変化する様子の例を模式的に示す図である。温度は一点鎖線で示され、圧力は実線で示されている。横軸が時間、左側の縦軸が温度、右側の縦軸が圧力を示している。上パンチ40および/または下パンチ50の移動により、圧力は、例えば数秒で焼結時圧力Psに達し、焼結時圧力Psが例えば、60〜1800秒の間、維持される。パルス通電の開始により、混合粉末の温度は例えば10〜150[℃/分]またはそれ以上のレートで上昇する。所定の焼結ピーク温度Tsに達した後、パルス通電の電圧印加条件を調整することにより、焼結ピーク温度Tsが目標温度の±5℃以内に維持される。焼結温度の制御は、図5のダイ30に取り付けられた温度測定装置による測定のフィードバックで実行され得る。
FIG. 6 is a diagram schematically showing an example of how the temperature and pressure of the mixed powder change with the passage of time from the start to the end of the pulse energization sintering step. The temperature is indicated by the alternate long and short dash line, and the pressure is indicated by the solid line. The horizontal axis shows time, the left vertical axis shows temperature, and the right vertical axis shows pressure. Due to the movement of the
所定の焼結時間が経過して混合粉末から複合材料が作製された後、パルス通電を停止し、降温を開始する。また、上パンチ40および/または下パンチ50の移動により、複合材料に対する圧力の印加を停止する。複合材料の温度が十分に低下し、例えば50℃以下になった後、複合材料はダイ30から取り出される。
After a predetermined sintering time elapses and a composite material is produced from the mixed powder, the pulse energization is stopped and the temperature is lowered. Further, the movement of the
図6では、時間の経過に伴って温度および圧力が直線的に上昇、維持されるように示されているが、これは説明をわかりやすくするためである。現実の温度および圧力の推移は、僅かなオーバーシュート、曲線的な変化、小さな振動などを含み得る。 In FIG. 6, the temperature and pressure are shown to rise and maintain linearly over time, for the sake of clarity. Actual temperature and pressure transitions can include slight overshoots, curvilinear changes, small vibrations, and so on.
本実施形態において、焼結温度を維持する際の電圧は1.0V以上、3.0V以下の範囲で調整し、パルス電流は400A以上800A以下の範囲で調整する。パルス電流のデューティー比は例えば、10〜80%であり、パルス幅は例えば、1から500ミリ秒である。所定の焼結ピーク温度Tsで所定の時間保持したあとは、パルス通電は停止される。なお、これらの値は混合粉末の重量や焼結温度、パンチの材料など種々の条件によって変動するものであり、上記範囲に限定されず、適宜変更可能なものである。 In the present embodiment, the voltage for maintaining the sintering temperature is adjusted in the range of 1.0 V or more and 3.0 V or less, and the pulse current is adjusted in the range of 400 A or more and 800 A or less. The duty ratio of the pulse current is, for example, 10 to 80%, and the pulse width is, for example, 1 to 500 milliseconds. After holding at a predetermined sintering peak temperature Ts for a predetermined time, pulse energization is stopped. These values vary depending on various conditions such as the weight of the mixed powder, the sintering temperature, and the punch material, and are not limited to the above range and can be changed as appropriate.
焼結温度を例えば600℃に設定した場合、室温から焼結温度に達するまでの時間は、例えば、数分から20分程度である。キャビティ20は、不図示の減圧チャンバ内に位置している。減圧チャンバ内の雰囲気圧力は、例えば100Pa以下である。こうして、パルス通電による焼結工程中に粉末粒子が酸化したり窒化したりすることが防止され得る。
When the sintering temperature is set to, for example, 600 ° C., the time from room temperature to the sintering temperature is, for example, about several minutes to 20 minutes. The
本開示に係る実施形態における焼結ピーク温度Tsは、前述のように、500℃以上800℃未満である。この範囲であれば、優れた熱伝導率を有するCu‐ダイヤモンドMMCを製造することができる。また、好ましい焼結ピーク温度Tsは500℃以上750℃以下である。さらに好ましくは、550℃以上700℃以下である。特に好ましくは600℃以上700℃以下である。上記範囲であれば、さらに優れた熱伝導率を有するCu‐ダイヤモンドMMCを得ることができる。焼結時間の範囲は、焼結ピーク温度Tsにも依存し、例えば1分以上30分以下の範囲にある。焼結ピーク温度Tsが例えば550℃以上650℃以下の場合、焼結時間は5分以上20分以下、例えば10分程度であり得る。 As described above, the sintering peak temperature Ts in the embodiment according to the present disclosure is 500 ° C. or higher and lower than 800 ° C. Within this range, Cu-diamond MMC having excellent thermal conductivity can be produced. The preferred sintering peak temperature Ts is 500 ° C. or higher and 750 ° C. or lower. More preferably, it is 550 ° C. or higher and 700 ° C. or lower. Particularly preferably, it is 600 ° C. or higher and 700 ° C. or lower. Within the above range, Cu-diamond MMC having even better thermal conductivity can be obtained. The range of the sintering time also depends on the sintering peak temperature Ts, and is, for example, in the range of 1 minute or more and 30 minutes or less. When the sintering peak temperature Ts is, for example, 550 ° C. or higher and 650 ° C. or lower, the sintering time can be 5 minutes or more and 20 minutes or less, for example, about 10 minutes.
上記の焼結ピーク温度Tsで混合粉末に印加する圧力は、一定の圧力で保持する場合、5MPa以上100MPa以下である。印加する圧力を5MPa以上100MPa以下とすることで、優れた熱伝導率を有するCu‐ダイヤモンドMMCを製造することができる。好ましくい圧力範囲は10MPa以上90MPaである。より好ましい圧力範囲は20MPa以上90MPa以下である。さらに好ましくは25MPa以上75MPa以下である。特に好ましくは25MPa以上50MPa以下である。これらの圧力範囲であれば優れた熱伝導率を有するCu‐ダイヤモンドMMCを製造することができる。上記したように、焼結ピーク温度Tsにおいて一定の圧力を印加することを本明細書では「連続加圧」と呼ぶ。 The pressure applied to the mixed powder at the above sintering peak temperature Ts is 5 MPa or more and 100 MPa or less when held at a constant pressure. By setting the applied pressure to 5 MPa or more and 100 MPa or less, a Cu-diamond MMC having excellent thermal conductivity can be produced. The preferred pressure range is 10 MPa or more and 90 MPa. A more preferable pressure range is 20 MPa or more and 90 MPa or less. More preferably, it is 25 MPa or more and 75 MPa or less. Particularly preferably, it is 25 MPa or more and 50 MPa or less. Within these pressure ranges, Cu-diamond MMC having excellent thermal conductivity can be produced. As described above, applying a constant pressure at the sintering peak temperature Ts is referred to as "continuous pressurization" in the present specification.
なお、これまでは連続加圧する場合について説明したが、上記圧力は常に一定である必要はない。焼結の進行に応じて印加圧力を段階的または連続的に上昇させたり、降下させたりしてもよい。また、パルス通電を行いながら、第1の圧力と、第1の圧力よりも高い第2の圧力とを混合粉末に対して繰り返し印加してもよい。このような加圧の形態を「サイクル加圧」と呼ぶことにする。上記サイクル加圧において、第1の圧力と、第1の圧力よりも高い第2の圧力とを繰り返し印加することで、高い熱伝導率を有するCu‐ダイヤモンドMMCを製造することができる。これは、例えば次に説明するようなメカニズムによるものと考えられる。 Although the case of continuous pressurization has been described so far, the pressure does not have to be constant at all times. The applied pressure may be increased or decreased stepwise or continuously according to the progress of sintering. Further, the first pressure and the second pressure higher than the first pressure may be repeatedly applied to the mixed powder while performing pulse energization. Such a form of pressurization will be referred to as "cycle pressurization". In the cycle pressurization, a Cu-diamond MMC having a high thermal conductivity can be produced by repeatedly applying a first pressure and a second pressure higher than the first pressure. This is considered to be due to, for example, the mechanism described below.
第1の圧力と第2の圧力にはその絶対値に差がある。これらの圧力を繰り返し印加する場合、第2の圧力を印加したあとに第1の圧力を印加する工程が存在する。このとき、相対的に高い圧力から相対的に低い圧力を印加することになるので、第1の圧力が印加されているときのダイヤモンド粒子は第2の圧力が印加されているときと比べて、ダイ内での自由度が増す。これにより、ダイヤモンド粒子の配置またはCuとダイヤモンド粒子との界面の状態が熱伝導にとってより有利になり得ると考えられる。また、Cu表面に存在し、熱伝導を阻害する酸素を除去している可能性もある。その結果、サイクル加圧によって製造されるCu‐ダイヤモンドMMCは第1の圧力のみを印加する場合と比べて熱拡散率が向上し、熱伝導率が高くなると考えられる。 There is a difference in the absolute value between the first pressure and the second pressure. When these pressures are repeatedly applied, there is a step of applying the first pressure after applying the second pressure. At this time, since a relatively high pressure is applied to a relatively low pressure, the diamond particles when the first pressure is applied are compared with those when the second pressure is applied. Increases the degree of freedom within the die. Therefore, it is considered that the arrangement of diamond particles or the state of the interface between Cu and diamond particles can be more advantageous for heat conduction. It is also possible that oxygen, which is present on the Cu surface and inhibits heat conduction, is removed. As a result, it is considered that the Cu-diamond MMC produced by cycle pressurization has an improved thermal diffusivity and a higher thermal conductivity as compared with the case where only the first pressure is applied.
上記ダイヤモンド粒子とCu粉末粒子との混合物に印加する圧力は、第2の圧力は第1の圧力よりも大きいという条件の下で、5MPa以上100MPa以下の範囲において第1の圧力と第2の圧力をそれぞれ設定することができる。第1の圧力は5MPa以上60MPa以下であり、第2の圧力は20MPa以上100MPa以下としてよい。好ましくは、第1の圧力が5MPa以上20MPa未満であり、第2の圧力が20MPa以上40MPa以下である。第1の圧力と第2の圧力とをそれぞれ上記範囲とすることで、熱伝導率をさらに向上させることができる。 The pressure applied to the mixture of the diamond particles and the Cu powder particles is the first pressure and the second pressure in the range of 5 MPa or more and 100 MPa or less under the condition that the second pressure is larger than the first pressure. Can be set respectively. The first pressure may be 5 MPa or more and 60 MPa or less, and the second pressure may be 20 MPa or more and 100 MPa or less. Preferably, the first pressure is 5 MPa or more and less than 20 MPa, and the second pressure is 20 MPa or more and 40 MPa or less. By setting the first pressure and the second pressure in the above ranges, the thermal conductivity can be further improved.
図7Aは、焼結中における「サイクル加圧」の例を示す図である。この例では、焼結時間の間、第1の圧力P1と、第1の圧力P1よりも高い第2の圧力P2とを混合粉末に対して繰り返し印加している。一例として、第1の圧力P1を10MPa、第2の圧力P2を40MPaとする場合、第1の圧力P1を10秒間印加した後、第2の圧力P2を20秒間印加する動作を1サイクルとして、例えば10〜50サイクルの圧力印加を焼結工程中に繰り返すことができる。後述するように、焼結時間の間に圧力を変動させることにより、得られる複合材料が緻密化して相対密度が高くなる。このことは、複合材料の熱伝導率を高めることに寄与する。 FIG. 7A is a diagram showing an example of "cycle pressurization" during sintering. In this example, during the sintering time, the first pressure P1 and the second pressure P2 higher than the first pressure P1 are repeatedly applied to the mixed powder. As an example, when the first pressure P1 is 10 MPa and the second pressure P2 is 40 MPa, the operation of applying the first pressure P1 for 10 seconds and then applying the second pressure P2 for 20 seconds is defined as one cycle. For example, 10 to 50 cycles of pressure application can be repeated during the sintering process. As will be described later, by varying the pressure during the sintering time, the resulting composite becomes denser and has a higher relative density. This contributes to increasing the thermal conductivity of the composite material.
図7Bは、焼結中における「サイクル加圧」の別の例を示す図である。図7Bに示すように、昇温の段階から第1の圧力と、第1の圧力よりも高い第2の圧力とを混合粉末に対して繰り返し印加してもよい。また、この第1の圧力と第2の圧力とを、焼結ピーク温度Tsの保持時間の間においても繰り返し印加することができる。 FIG. 7B is a diagram showing another example of "cycle pressurization" during sintering. As shown in FIG. 7B, the first pressure and the second pressure higher than the first pressure may be repeatedly applied to the mixed powder from the stage of raising the temperature. Further, the first pressure and the second pressure can be repeatedly applied even during the holding time of the sintering peak temperature Ts.
図8は、本実施形態により製造される複合材料80の外形の例を模式的に示す斜視図である。この例において、複合材料80は厚さがT[mm]、半径がR[mm]の円板形状を有している。厚さTは、例えば0.2mm以上20.0mm以下である。また、半径Rは、例えば3mm以上200mm以下である。焼結直後における複合材料80の形状は、円板形状に限られず、直方体または他の多面体の形状を有していてもよいし、表面にストライプ溝または規則的な凹凸パターンを有する形状を有していてもよい。焼結直後における複合材料80の上面視における形状は、図5のキャビティ20と垂直な軸方向断面の形状によって規定される。例えば、図5のダイ30が角柱形状の貫通孔を有し、上パンチ40の下端面および下パンチ50の上端面が平坦な矩形の面である場合、焼結装置100から取り出される複合材料80は、上面視が矩形である薄板形状を有し得る。複合材料80は、焼結装置100から取り出された後、任意の厚さを得るために薄肉化処理を行う。薄肉化処理は切削、研磨などの研磨加工、およびレーザ加工を含む。1個の複合材料80から複数の放熱部材を個片化することも可能である。
FIG. 8 is a perspective view schematically showing an example of the outer shape of the
図9は、こうして製造された複合材料80の断面の一部を拡大して示す模式図である。図9は、光学顕微鏡による断面観察に基づいている。図9に示される複合材料80は、金属マトリクスであるCu70と、Cu70中に分散した多数のダイヤモンド粒子10とを含有している。Cu70は、混合粉末に含まれていたCu粉末粒子がパルス通電によって焼結して一体化した金属体である。複合材料80に含まれる個々のダイヤモンド粒子10は、混合粉末に含まれていたダイヤモンド粒子である。パルス通電焼結の工程中にダイヤモンド粒子10の一部が欠けたりすることは生じ得るが、複数のダイヤモンド粒子が結合して新たな1個の粒子に粒成長することはない。
FIG. 9 is a schematic view showing an enlarged part of a cross section of the
上記の複合材料の製造方法によれば、先行技術1および2に比べて低い温度、かつ、低い圧力でCu-ダイヤモンド複合材料を作製することにより、複合材料の熱伝導率を、例えば、460[W/mK]以上の値にすることができる。また、500[W/mK]以上の熱伝導率を有する複合材料を得ることもできる。さらには600[W/mK]、好ましくは690〜710[W/mK]またはそれ以上の値にすることが可能である。これは、焼結温度を従来必要と考えられた値よりも低くし、かつ圧力を低くすることにより、高温高圧焼結時に生じていたダイヤモンド粒子またはCu/ダイヤモンド界面における熱伝導性の劣化を抑制または回避することができたためと考えられる。
According to the above-mentioned method for producing a composite material, the thermal conductivity of the composite material can be increased, for example, by producing the Cu-diamond composite material at a lower temperature and lower pressure than those of the
上記複合材料の製造方法によれば、パルス通電焼結後にCu−ダイヤモンドMMCを室温に冷やすまでの温度差は先行技術1および2と比べて小さい。実施形態1において線膨張係数差に依存した銅とダイヤモンドそれぞれ伸縮の量は、先行技術1および2と比べて小さくなる。すなわち、銅とダイヤモンドとが線膨張係数差により剥離しにくくなるので、熱伝導率の低下を低減することができる。
According to the above-mentioned method for producing a composite material, the temperature difference until the Cu-diamond MMC is cooled to room temperature after pulse energization sintering is smaller than that of the
再び図3Aを参照して、工程S200を説明する。この工程S200では、Cu-ダイヤモンド複合材料を薄肉化処理する。薄肉化処理は研磨加工およびレーザ加工を含む。研磨加工は粗研磨、精研磨、固定砥粒方式(研削)、遊離砥粒方式(研磨)など、さまざまな研磨方法によって行われ得る。 Step S200 will be described again with reference to FIG. 3A. In this step S200, the Cu-diamond composite material is thinned. The thinning process includes polishing and laser processing. The polishing process can be performed by various polishing methods such as rough polishing, fine polishing, fixed abrasive grain method (grinding), and free abrasive grain method (polishing).
本開示における「研磨」は、ダイヤモンドのように硬度の高い砥粒によって複合材料80の表面を削り取る「研削」を含む意味を有する。一般に、「研削」は、加工対象である工作物の表面部分を砥粒によって削り取ることを意味し、研削によって現れた表面、すなわち加工面は、必ずしも平滑であるとは限られない。一方、「研磨」は、加工対象である工作物の表面を砥粒によって削り取り、かつ、平滑な表面を形成することを意味する。Cu-ダイヤモンド複合材料では、ダイヤモンドを含んでいるため、研磨加工を行っても、理想的に平滑な表面は形成されないこともある。砥粒との衝突または摩擦により、複合材料の表面からダイヤモンド粒子が欠落するため、研磨加工後も、複合材料の加工面には、ダイヤモンド粒子のサイズ程度の凹凸が残り得る。このため、本開示においては、研磨と研削とを区別せず、「研磨工程」は、研磨および/または研削を行う工程を広く意味するものとする。
The term "polishing" in the present disclosure has a meaning including "grinding" in which the surface of the
図10は、複合材料80の加工面80Pの近傍を模式的に示す断面図である。薄肉化処理によって削り取られた部分に参照符号「80X」が付されている。図10の例において、加工面80Pには、ダイヤモンド粒子10のサイズ程度の凹凸が存在している。複合材料80の厚さは、この複合材料を搭載するパッケージのサイズに依存する。よって、薄肉化処理は、複合材料が所望の厚さになるまで行う。例えば、薄肉化処理前における複合材料80の厚さが1mmのとき、薄肉化処理後の複合材料80の厚さは、100μm以上800μm以下であり得る。このような研磨工程は、パルス通電焼結直後における複合材料80の厚さを、最終的に必要な放熱部材の厚さよりも十分に大きくすることを可能にする。発明者の実験によると、作製すべき複合材料80が薄すぎると、焼結工程途中にパルス通電焼結によって発生する熱の分布が不均一化するなどして、複合材料80の特性ばらつきが増加することがわかった。このため、薄肉化処理によって厚さを目標値に合わせることを前提として、その目標値よりも厚い複合材料80を形成すれば、特性のばらつきを抑制または低減することが可能になる。
FIG. 10 is a cross-sectional view schematically showing the vicinity of the processed
しかしながら、本発明者の更なる検討によると、薄肉化処理後の複合材料80の熱伝導率は、研磨工程前の熱導電率の例えば80%程度に低下し得ることがわかった。これは、複合材料80の相対密度および熱拡散率が低下することに起因する。その理由は、例えば研磨加工を行う場合、複合材料80の一部が削り取られるとき、応力が発生し、ダイヤモンド粒子10とCu70との界面における熱抵抗が増加するためと考えられる。また、研磨加工時の振動によって、複合材料内部のダイヤモンドとCuとの密着性が低下することも一因であると考えられる。相対密度の低下は、複合材料80の内部に複数の空隙が発生したことを意味する。また、レーザ加工を行う場合、複合材料には局所的に熱が与えられ、複合材料の温度が上昇する。これにより、ダイヤモンド粒子10とCu70は線膨張係数差により複合材料内部のダイヤモンドとCuとの密着性が低下し得る。このような薄肉化処理によって生じ得る熱伝導率低下の原因を、以下、複合材料の「欠陥」または「損傷(ダメージ)」と称することにする。なお、上述のような薄肉化処理に起因する熱伝導率の低下は、複合材料のマトリクスがCu以外の金属であっても起こり得る。
However, according to a further study by the present inventor, it has been found that the thermal conductivity of the
本実施形態では、図3Aに示すように、薄肉化処理を行う工程S200の後、再パルス通電焼結による欠陥回復の工程S300を実行する。この工程S300では、薄肉化処理によって生じた欠陥または損傷の程度を緩和したり、元の状態に回復したりすることが可能になる。その結果、薄肉化処理によって低下した熱伝導率を上昇させることができる。言い換えると、再パルス通電焼結により、複合材料80の熱拡散率を、再パルス通電焼結を行う前の熱拡散率よりも高くすることができる。再パルス通電焼結は、複合材料に50MPa未満の圧力を印加した状態で行うことができる。50MPa未満の圧力で再パルス通電焼結を行うことで、複合材料が再度緻密に焼結されるので、薄肉化処理により低下した熱伝導率が効果的に向上し得る。
In the present embodiment, as shown in FIG. 3A, after the step S200 of performing the thinning process, the step S300 of defect recovery by re-pulse energization sintering is executed. In this step S300, it is possible to alleviate the degree of defects or damage caused by the thinning process, or to restore the original state. As a result, the thermal conductivity lowered by the thinning treatment can be increased. In other words, by re-pulse energization sintering, the thermal diffusivity of the
ある実施形態において、再パルス通電焼結は、低温低圧の条件で実行される。具体的には、例えば図5に示されるような焼結装置100において、上パンチ40と下パンチ50との間に形成されたキャビティ20内に薄肉化処理後の複合材料80を装填する。焼結装置100としては、パルス通電焼結を行うことが可能な焼結装置を用いる。Cuとダイヤモンドとの混合粉末をパルス通電焼結することにより複合材料80を得る場合は、複合材料80を作製するときに使用した焼結装置と同一または同型の焼結装置を好適に使用すればよい。再パルス通電焼結により、複合材料80に例えば5MPa以上50MPa以下の圧力を印加した状態で例えば500℃以上800℃未満の温度に保持する。印加する圧力は、好ましくは5MPa以上40MPa以下である。保持する時間は、保持温度にもよるが、例えば60秒以上1800秒以下である。圧力の印加は、前述した「サイクル加圧」でもよい。薄肉化処理によって低下した熱伝導率を高めるためのパルス通電焼結の方法は、上記条件の下、例えば、図6および図7Aならびに図7Bを参照しながら説明した連続加圧およびサイクル加圧を含み得る。
In certain embodiments, repulse energization sintering is performed under low temperature and low pressure conditions. Specifically, for example, in the
図11は、薄肉化処理された複合材料80の再パルス通電焼結後の状態を模式的に示す断面図である。再パルス通電焼結の結果、薄肉化処理によって生じた欠陥または損傷の程度が緩和され、元の状態に回復し得る。これは、再パルス通電焼結工程における温度および圧力のもとで、複合材料80の相対密度が高まり、ダイヤモンド粒子とCuとの界面における熱抵抗が低下したり、放熱経路が短くなって熱拡散率が高まったりしたためと考えられる。
FIG. 11 is a cross-sectional view schematically showing a state of the thinned
また、再パルス通電焼結を行うと、複合材料の熱拡散率が、再パルス通電焼結を行う前の熱拡散率よりも高くなることがわかった。ここで、熱伝導率と熱拡散率との間には、以下の関係がある。
熱伝導率[W/m・K]=熱拡散率[m2/秒]×比熱[J/K・kg]×密度[kg/m3]
It was also found that when re-pulse energization sintering was performed, the thermal diffusivity of the composite material became higher than the thermal diffusivity before re-pulse energization sintering. Here, there is the following relationship between the thermal conductivity and the thermal diffusivity.
Thermal conductivity [W / m · K] = thermal diffusivity [m 2 / sec] x specific heat [J / K · kg] x density [kg / m 3 ]
後述する実験の結果によると、薄肉化処理によって減少した相対密度および熱伝導率が再パルス通電焼結によっていずれも増加する。また、例えば後述する実施例1によれば、再パルス通電焼結によって相対密度が増加する割合よりも熱伝導率が増加する割合の方が大きかった。このことは、再パルス通電焼結が、薄肉化処理によって低下した複合材料80の熱拡散率そのものを増加させることを意味している。言い換えると、再パルス通電焼結は、薄肉化処理後の複合材料の相対密度を増加させるだけではなく、薄肉化処理によって生じた欠陥・損傷を回復することに寄与していると考えられる。
According to the results of the experiments described later, the relative density and thermal conductivity reduced by the thinning treatment are both increased by the re-pulse energization sintering. Further, for example, according to Example 1 described later, the rate of increase in thermal conductivity was larger than the rate of increase in relative density due to repulse energization sintering. This means that the re-pulse energization sintering increases the thermal diffusivity itself of the
再パルス通電焼結は、複合材料80の加工面80P上に金属の粉末または金属板を接触させた状態で行われてもよい。これらの金属の例は、Cu、Al、CuW、CuMoなどである。熱伝導率および取り扱いの容易性の観点からはCuを用いることが好ましい。また、複合材料80との間で熱膨張の差を小さくする観点からはCuWを用いることが好ましい。Cuの粉末またはCu板は、複合材料80のCuと接合して一体化されやすい。再パルス通電焼結により、金属の粉末は、複合材料80の加工面80Pに結合した金属層を形成することができる。また、複合材料80の加工面80P上に接触させた金属板も、再パルス通電焼結により、複合材料80の加工面80Pに結合した金属層を形成することができる。「金属板」は、その厚さが十分に薄い場合、自立的な剛性を有している必要はない。そのように薄い金属板を、金属の薄膜または箔(フォイル)と呼んでもよい。
The re-pulse energization sintering may be performed in a state where the metal powder or the metal plate is in contact with the processed
図12は、こうして形成された金属層82を有する複合材料80の一部を模式的に示す断面図である。再パルス通電焼結によって形成された金属層82と下地の複合材料80との間では一体焼結が実現している。特に金属層82がCuから形成されている場合には、複合材料80を構成するCuと連続している。このような一体焼結によれば、複合材料80の加工面80P上に物理的または化学的な方法によって金属を接合させる場合、あるいは、接合材を介して金属層を複合材料80に接合させる場合に比べて、複合材料80と金属層82とを、より強固に結合することが可能になる。
FIG. 12 is a cross-sectional view schematically showing a part of the
金属層82の表面は、再パルス通電焼結の工程中、例えば図5に示される焼結装置100において、上パンチ40の下端面に押圧される。このときの圧力は、前述したように、例えば5MPa以上50MPa以下であり、温度は例えば500℃以上800℃未満である。このため、軟化した金属は加工面80Pに強く結合することが可能である。また、この時の圧力は5MPa以上40MP以下であることが好ましい。
The surface of the
金属層82の熱伝導率は、せいぜい400[W/mK]程度であるため、金属層82が厚すぎると、複合材料80と金属層82が一体焼結された放熱基板の熱伝導率が低下する。このため、金属層82の厚さは、例えば50μm以上500μm以上が好ましい。
Since the thermal conductivity of the
複合材料80の加工面上に金属の粉末を接触させた状態でパルス通電焼結を行い、金属層82を形成する場合、複合材料80に対する金属層82の密着性を高めることが容易である。
When pulse energization sintering is performed in a state where the metal powder is in contact with the processed surface of the
また、複合材料80の加工面上に金属板を接触させた状態で再パルス通電焼結を行い、金属層82を形成する場合は、所定の厚さを有する金属板を用いることができるので、金属層82の厚さを目標値に近づけやすい利点がある。また、金属板を用いる場合は金属板の熱伝導率を材料である金属の熱伝導率に近づけた状態に維持できる。よって、複合材料80を所定の厚さ以上にすることで、複合材料80と金属層82とが一体焼結されている放熱基板の熱伝導率を向上させやすい。
Further, when repulse energization sintering is performed in a state where the metal plate is in contact with the processed surface of the
こうして形成された金属層82は、ダイヤモンド粒子10を実質的に含まないため、複合材料80の加工面80Pに比べて平滑な表面を形成し得る。平滑な表面は、半導体発光素子などの発熱源と放熱部材とが熱的に接触する場合において、実効的な接触面積を拡大して熱抵抗を下げることに寄与する。また、金属層82が複合材料80の表面に位置することにより、メッキなどが容易になる効果もある。
Since the
こうして得られた金属層82を有する複合材料80の個片化を行うことにより、複合材料80から複数個の放熱基板を得ることができる。また、個片化を行わず1個の放熱基板として用いてもよい。
By individualizing the
また、再パルス通電焼結は、複合材料80の加工面80P上に金属の粉末または金属板を接触させずに行うことができる。この場合、複合材料にはダイヤモンドよりも熱伝導率が低い材料が付加されない。よって、再パルス通電焼結後の放熱基板の熱伝導率が向上し、元の複合材料の熱伝導率に近づけることができる。
Further, the re-pulse energization sintering can be performed without contacting the metal powder or the metal plate on the processed
<実施例1>
まず、Cu‐ダイヤモンドMMC複合材料を準備した。複合材料は以下の方法で得た。平均粒径が5μmのCu粉末粒子と平均粒径が250μmのダイヤモンド粒子とを混合し、混合粉末を得た。混合粉末の総重量は6.24グラムであった。この混合粉末全体に対して、Cu粉末粒子は60質量パーセントであり、平均粒径が250μmのダイヤモンド粒子は20質量パーセントであり、平均粒径が60μmのダイヤモンド粒子は20質量パーセントであった。次にSPSシンテックス社製の焼結装置(型番SPS−515S)を用いて、厚さが3mmのCu‐ダイヤモンドMMCを作製した。焼結ピーク温度Tsは670℃であり、印加圧力は36MPaであった。焼結ピーク温度Tsの保持時間は、10分であった。また、焼結開始時の真空度は10Paであった。複合材料のサイズは、直径20mm×厚さ2.731mmであった。複合材料を得た後、密度および熱拡散率を測定した。上記複合材料の作製条件を表1に示す。
<Example 1>
First, a Cu-diamond MMC composite material was prepared. The composite material was obtained by the following method. Cu powder particles having an average particle size of 5 μm and diamond particles having an average particle size of 250 μm were mixed to obtain a mixed powder. The total weight of the mixed powder was 6.24 grams. The Cu powder particles were 60% by mass, the diamond particles having an average particle size of 250 μm were 20% by mass, and the diamond particles having an average particle size of 60 μm were 20% by mass with respect to the entire mixed powder. Next, a Cu-diamond MMC having a thickness of 3 mm was produced using a sintering apparatus (model number SPS-515S) manufactured by SPS Syntex. The sintering peak temperature Ts was 670 ° C., and the applied pressure was 36 MPa. The holding time of the sintering peak temperature Ts was 10 minutes. The degree of vacuum at the start of sintering was 10 Pa. The size of the composite material was 20 mm in diameter x 2.731 mm in thickness. After obtaining the composite material, the density and thermal diffusivity were measured. Table 1 shows the production conditions of the composite material.
次に準備した複合材料に研磨加工を行い、複合材料に加工面を形成した。この研磨加工により、厚さが0.184mm減少した。加工面を形成した後、密度および熱拡散率を測定した。 Next, the prepared composite material was polished to form a processed surface on the composite material. By this polishing process, the thickness was reduced by 0.184 mm. After forming the machined surface, the density and thermal diffusivity were measured.
次に加工面を形成した複合材料に、上記焼結装置を用いてパルス通電焼結を行い、放熱基板を得た。このパルス通電焼結では、複合材料の前記加工面上にCu粉末およびCu板を接触させずに複合材料単体で行った。焼結ピーク温度Tsは660℃であり、印加圧力は36MPaであった。焼結ピーク温度Tsの保持時間は10分であった。焼結開始時の真空度は10Paであった。このパルス通電焼結により、複合材料の厚さが0.122mm減少した。放熱基板を得た後、密度および熱拡散率を測定した。 Next, the composite material on which the machined surface was formed was subjected to pulse energization sintering using the above-mentioned sintering device to obtain a heat radiating substrate. This pulse energization sintering was performed on the composite material alone without contacting the Cu powder and the Cu plate on the processed surface of the composite material. The sintering peak temperature Ts was 660 ° C., and the applied pressure was 36 MPa. The holding time of the sintering peak temperature Ts was 10 minutes. The degree of vacuum at the start of sintering was 10 Pa. By this pulse energization sintering, the thickness of the composite material was reduced by 0.122 mm. After obtaining the heat dissipation substrate, the density and thermal diffusivity were measured.
なお、実施例1および後述の各実施例では、焼結ピーク温度Tsを維持している間の電流値は350A以上700A以下の範囲にあった。印加電圧のパルス幅は3.3ミリ秒であった。 In Example 1 and each of the examples described later, the current value while maintaining the sintering peak temperature Ts was in the range of 350 A or more and 700 A or less. The pulse width of the applied voltage was 3.3 ms.
<実施例2>
下記点以外は実施例1と同じ方法により、放熱基板を得た。
<Example 2>
A heat radiating substrate was obtained by the same method as in Example 1 except for the following points.
複合材料を準備するにあたり、Cu粉末粒子とダイヤモンド粒子との混合比率を変更した。混合粉末全体に対して、Cu粉末粒子は65質量パーセントとし、平均粒径が250μmのダイヤモンド粒子は20質量パーセントとし、平均粒径が60μmのダイヤモンド粒子は15質量パーセントとした。焼結ピーク温度Tsは660℃としてパルス通電焼結を行った。上記複合材料の作製条件を表1に示す。 In preparing the composite material, the mixing ratio of Cu powder particles and diamond particles was changed. The Cu powder particles were 65% by mass, the diamond particles having an average particle size of 250 μm were 20% by mass, and the diamond particles having an average particle size of 60 μm were 15% by mass with respect to the entire mixed powder. Pulsed current sintering was performed with the sintering peak temperature Ts set to 660 ° C. Table 1 shows the production conditions of the composite material.
複合材料に研磨加工を行い、加工面を形成した後、加工面上にCu板を接触させた状態で再パルス通電焼結を行い、放熱基板を得た。再パルス通電焼結の条件は、複合材料を準備する際の焼結条件と同様である。 After polishing the composite material to form a processed surface, re-pulse energization sintering was performed with the Cu plate in contact with the processed surface to obtain a heat-dissipating substrate. The conditions for re-pulse energization sintering are the same as the sintering conditions for preparing the composite material.
<実施例3>
下記点以外は実施例2と同じ方法により、放熱基板を得た。
<Example 3>
A heat radiating substrate was obtained by the same method as in Example 2 except for the following points.
複合材料を準備するにあたり、第1の圧力を10MPaとし、第2の圧力を36MPaとしてこれらを繰り返し印加した。印加した圧力の保持時間は第1の圧力が15秒、第2の圧力が20秒、圧力の切り替え時間の合計を50秒とし、1サイクルの合計時間を85秒とした。繰り返したサイクル数は25回であった。焼結ピーク温度Tsの保持時間は20分であった。上記複合材料の作製条件を表1に示す。 In preparing the composite material, the first pressure was set to 10 MPa and the second pressure was set to 36 MPa, and these were repeatedly applied. The holding time of the applied pressure was 15 seconds for the first pressure, 20 seconds for the second pressure, 50 seconds for the total pressure switching time, and 85 seconds for the total time for one cycle. The number of repeated cycles was 25. The holding time of the sintering peak temperature Ts was 20 minutes. Table 1 shows the production conditions of the composite material.
複合材料に研磨加工を行い、加工面を形成した後、加工面上にCu粉末粒子を接触させた状態でパルス通電焼結を行い、放熱基板を得た。パルス通電焼結の条件は、複合材料を準備する際の焼結条件と同様である。 After polishing the composite material to form a processed surface, pulse energization sintering was performed with Cu powder particles in contact with the processed surface to obtain a heat-dissipating substrate. The conditions for pulse energization sintering are the same as the sintering conditions for preparing a composite material.
<熱伝導率>
実施例1から実施例3のそれぞれに対して熱伝導率を求めた。熱伝導率は比熱と密度と熱拡散率の積として求めることができる。比熱はダイヤモンドとCuの比熱の文献値を、混合した質量比で重みづけすることで得た。密度はアルキメデス法によって測定した。熱拡散率はネッチジャパン社製の測定装置(型番LFA−447)を用い、キセノンランプを用いたフラッシュ法により得た。測定温度は25℃であった。実施例1における複合材料の厚さは2.731mmであり、研磨加工後の厚さは2.547mmであり、パルス通電焼結後の厚さは2.425mmであった。実施例2における複合材料の厚さは2.636mmであり、研磨加工後の厚さは2.492mmであった。パルス通電焼結後の放熱基板の厚さは2.560mmであった。実施例3における複合材料の厚さは2.636mmであり、研磨加工後の厚さは2.445mmであった。パルス通電焼結後の放熱基板の厚さは2.510mmであった。研磨前、研磨後、および再パルス通電焼結後における「相対密度」を表2に示し、「熱拡散率」を表3に示し、「熱伝導率」を表4に示す。なお、表2における「相対密度」とは、複合材料の真比重に対する実際の密度の相対比を表す。実施例2および実施例3の場合、再パルス通電焼結後の真密度は、複合材料とCu粉末粒子もしくはCu板とを焼結した放熱基板の密度であるため、再パルス通電焼結が密度に及ぼした影響がわかりにくくなる。よって、「複合材料準備後」と「加工面形成後」と「再パルス通電焼結後」とのそれぞれにおいて相対密度の推移を求めた。
<Thermal conductivity>
The thermal conductivity was determined for each of Examples 1 to 3. Thermal conductivity can be calculated as the product of specific heat, density and thermal diffusivity. The specific heat was obtained by weighting the literature values of the specific heat of diamond and Cu with a mixed mass ratio. Density was measured by the Archimedes method. The thermal diffusivity was obtained by a flash method using a xenon lamp using a measuring device (model number LFA-447) manufactured by Netch Japan Co., Ltd. The measurement temperature was 25 ° C. The thickness of the composite material in Example 1 was 2.731 mm, the thickness after polishing was 2.547 mm, and the thickness after pulsed current sintering was 2.425 mm. The thickness of the composite material in Example 2 was 2.636 mm, and the thickness after polishing was 2.492 mm. The thickness of the heat radiating substrate after pulse energization sintering was 2.560 mm. The thickness of the composite material in Example 3 was 2.636 mm, and the thickness after polishing was 2.445 mm. The thickness of the heat radiating substrate after pulse energization sintering was 2.510 mm. Table 2 shows the "relative density" before polishing, after polishing, and after re-pulse energization sintering, Table 3 shows the "thermal diffusivity", and Table 4 shows the "thermal conductivity". The "relative density" in Table 2 represents the relative ratio of the actual density to the true specific gravity of the composite material. In the case of Example 2 and Example 3, since the true density after repulse energization sintering is the density of the heat radiation substrate obtained by sintering the composite material and Cu powder particles or Cu plate, the repulse energization sintering is the density. It becomes difficult to understand the effect on. Therefore, the transition of the relative density was obtained for each of "after preparing the composite material", "after forming the machined surface", and "after re-pulse energization sintering".
表2および表3からわかるように、いずれの実施例でも、研磨工程によって相対密度および熱拡散率が低下した。しかし、加工面形成後に再パルス通電焼結を行った実施例1から実施例3にかかる放熱基板の相対密度はいずれも研磨加工後の相対密度よりも高かった。また、同様に、熱伝導率も、研磨加工後よりも再パルス通電焼結後の熱伝導率の方が高かった。 As can be seen from Tables 2 and 3, in each of the examples, the relative density and the thermal diffusivity were reduced by the polishing step. However, the relative densities of the heat-dissipating substrates according to Examples 1 to 3 in which re-pulse energization sintering was performed after the processed surface was formed were all higher than the relative densities after the polishing process. Similarly, the thermal conductivity after re-pulse energization sintering was higher than that after polishing.
なお、実施例2および実施例3では、表面に厚さが0.2mm程度の金属層が存在する。この金属層は複合材料の研磨加工面上にCu粉末粒子またはCu板を接触させた状態でパルス通電焼結を行うことにより形成したものであり、ダイヤモンド粒子を含まないCuの層である。一方、実施例1では、放熱基板の表面領域にもダイヤモンド粒子が存在する。このため、Cu層が一体焼結された実施例2、実施例3における放熱基板では、表3に示されるように、パルス通電焼結後の熱拡散率が増加していないよう見える。しかしながら、実施例1における熱伝導率の大幅な改善および実施例2,実施例3ではダイヤモンドよりも熱拡散率の小さなCuの層が存在を考慮すると、複合材料80そのものの熱拡散率は、いずれの実施例でもパルス通電焼結によって増加していると結論づけられる。
In Examples 2 and 3, a metal layer having a thickness of about 0.2 mm is present on the surface. This metal layer is formed by performing pulse energization sintering in a state where Cu powder particles or Cu plates are in contact with the polished surface of the composite material, and is a Cu layer containing no diamond particles. On the other hand, in the first embodiment, diamond particles are also present in the surface region of the heat radiating substrate. Therefore, in the heat-dissipating substrates in Examples 2 and 3 in which the Cu layer is integrally sintered, it seems that the thermal diffusivity after pulse energization sintering does not increase, as shown in Table 3. However, considering the significant improvement in thermal conductivity in Example 1 and the presence of a layer of Cu having a thermal diffusivity smaller than that of diamond in Examples 2 and 3, the thermal diffusivity of the
次に、ダイヤモンドとCuを含む複合材料を準備する工程の一例を示す。 Next, an example of a step of preparing a composite material containing diamond and Cu will be shown.
<実験例1>
平均粒径が5μmのCu粉末粒子と平均粒径が250μmのダイヤモンド粒子とを混合し、混合粉末を得た。混合粉末の総重量は6.24グラムであった。この混合粉末全体に対して、Cu粉末粒子は80質量パーセントであり、ダイヤモンド粒子は20質量パーセントであった。次にSPSシンテックス社製の焼結装置(型番SPS−515S)を用いて、厚さが3mmのCu‐ダイヤモンドMMCを作製した。焼結ピーク温度Tsは500℃であり、印加圧力は36MPaであった。焼結ピーク温度Tsの保持時間は、10分であった。また、焼結開始時の真空度は10Paであった。作製条件および見積もった熱伝導率を表5に示す。
<Experimental example 1>
Cu powder particles having an average particle size of 5 μm and diamond particles having an average particle size of 250 μm were mixed to obtain a mixed powder. The total weight of the mixed powder was 6.24 grams. The Cu powder particles were 80% by mass and the diamond particles were 20% by mass with respect to the whole mixed powder. Next, a Cu-diamond MMC having a thickness of 3 mm was produced using a sintering apparatus (model number SPS-515S) manufactured by SPS Syntex. The sintering peak temperature Ts was 500 ° C., and the applied pressure was 36 MPa. The holding time of the sintering peak temperature Ts was 10 minutes. The degree of vacuum at the start of sintering was 10 Pa. Table 5 shows the production conditions and the estimated thermal conductivity.
<実験例2から実験例6>
実験例2から実験例6は下記表5に示すように、実験例1に対して焼結温度のみ、または焼結ピーク温度Tsと印加圧力の両方を変化させ、Cu‐ダイヤモンドMMCを得た。また、実験例5ではダイヤモンド粒子をバイモーダル混合粉末とした。Cu‐ダイヤモンドMMC全体に対して、平均粒径が60μmのダイヤモンド粒子は10質量パーセントであり、平均粒径が250μmのダイヤモンド粒子は20質量パーセントであった。
<Experimental Example 2 to Experimental Example 6>
As shown in Table 5 below, Experimental Examples 2 to 6 obtained Cu-diamond MMC by changing only the sintering temperature or both the sintering peak temperature Ts and the applied pressure with respect to Experimental Example 1. Further, in Experimental Example 5, diamond particles were used as a bimodal mixed powder. The diamond particles having an average particle size of 60 μm were 10% by mass and the diamond particles having an average particle size of 250 μm were 20% by mass with respect to the entire Cu-diamond MMC.
<実験例7>
以下の点以外は実験例1と同じ方法で複合材料を得た。焼結温度を640℃、第1の圧力を10MPaとし、第2の圧力を36MPaとしてこれらを繰り返し印加した。印加した圧力の保持時間は第1の圧力が15秒、第2の圧力が20秒、圧力の切り替え時間の合計を50秒とし、1サイクルの合計時間を85秒とした。繰り返したサイクル数は25回であった。また、焼結ピーク温度Tsの保持時間は20分であった。
<Experimental Example 7>
A composite material was obtained by the same method as in Experimental Example 1 except for the following points. The sintering temperature was 640 ° C., the first pressure was 10 MPa, and the second pressure was 36 MPa, and these were repeatedly applied. The holding time of the applied pressure was 15 seconds for the first pressure, 20 seconds for the second pressure, 50 seconds for the total pressure switching time, and 85 seconds for the total time for one cycle. The number of repeated cycles was 25. The holding time of the sintering peak temperature Ts was 20 minutes.
<実験例8および実験例9>
表5に示すように各条件変化させることで、それぞれCu‐ダイヤモンドMMCを得た。
<Experimental Example 8 and Experimental Example 9>
Cu-diamond MMC was obtained by changing each condition as shown in Table 5.
複合材料を準備する工程において、ダイヤモンド粒子と銅粉末粒子との混合粉末を準備し、パルス通電焼結により、該混合粉末に5MPa以上100MPa以下の圧力を印加した状態で500℃以上800℃未満の温度に保持して、該混合粉末から複合材料を生成した実験例1から実験例9は、Cu単体と比べて高い熱伝導率を有する複合材料であった。これらの実験例1から実験例9における複合材料は上記実施例1から実施例3における複合材料として利用できるものである。 In the step of preparing the composite material, a mixed powder of diamond particles and copper powder particles is prepared, and a pressure of 5 MPa or more and 100 MPa or less is applied to the mixed powder by pulse energization sintering, and the temperature is 500 ° C. or higher and lower than 800 ° C. Experimental Examples 1 to 9 in which a composite material was produced from the mixed powder while being kept at a temperature were composite materials having higher thermal conductivity than Cu alone. These composite materials in Experimental Examples 1 to 9 can be used as composite materials in Examples 1 to 3 described above.
図13は、表5の実験例3と同様にして製造された複合材料の一部について、その断面の光学顕微鏡写真を示す図である。図14は、表5の実験例7と同様にして製造された複合材料の一部について、その断面の光学顕微鏡写真を示す図である。それぞれの写真において、相対的に明度の高い領域がCuの部分であり、相対的に明度の低い領域がダイヤモンド粒子である。図14の複合材料では、平均粒径が250μmの相対的に大きなダイヤモンド粒子の隙間に、平均粒径が60μmの相対的に小さなダイヤモンド粒子が位置している。図13の複合材料に比べると、図14の複合材料では、ダイヤモンド粒子の個数が増え、また、表面の合計面積も増大している。このことは、Cuとダイヤモンドとの界面の面積が増加することを意味している。この界面の面積が増加すると、ダイヤモンドとCuとの密着性が悪いために熱抵抗が増加して熱伝導率が低下する可能性がある。しかしながら、本実験例では、そのような現象は観察されなかった。 FIG. 13 is a diagram showing an optical micrograph of a cross section of a part of the composite material produced in the same manner as in Experimental Example 3 in Table 5. FIG. 14 is a diagram showing an optical micrograph of a cross section of a part of the composite material produced in the same manner as in Experimental Example 7 in Table 5. In each photograph, the region with relatively high lightness is the Cu portion, and the region with relatively low lightness is the diamond particles. In the composite material of FIG. 14, relatively small diamond particles having an average particle size of 60 μm are located in the gaps between relatively large diamond particles having an average particle size of 250 μm. Compared to the composite material of FIG. 13, in the composite material of FIG. 14, the number of diamond particles is increased, and the total area of the surface is also increased. This means that the area of the interface between Cu and diamond increases. When the area of this interface increases, the thermal resistance may increase and the thermal conductivity may decrease due to poor adhesion between diamond and Cu. However, no such phenomenon was observed in this experimental example.
図13および図14からわかるように、実験例における複合材料は緻密である。 As can be seen from FIGS. 13 and 14, the composite material in the experimental example is dense.
<応用例>
本開示における実施形態で製造された放熱基板を備える発光装置の構成例を説明する。
<Application example>
A configuration example of a light emitting device including the heat radiating substrate manufactured according to the embodiment of the present disclosure will be described.
図15は、発光ダイオード(LED)22と、LED22を支持する放熱基板24とを備える発光装置200の構成例を模式的に示す斜視図である。放熱基板24は、上記の実施形態における製造方法で作製された。放熱基板24の上面には、例えばAlNなどの絶縁層26が形成されている。絶縁層26上には、p側配線28pおよびn側配線28nが形成され、それぞれ、LED22のp側電極およびn側電極に電気的に接続されている。放熱基板24の下面は、不図示のヒートシンクまたは冷却装置に熱的に接触している。動作にLED22で発生した熱は、絶縁層26によって面内方向に拡がった後、放熱基板24を介して速やか外部に散逸していく。
FIG. 15 is a perspective view schematically showing a configuration example of a
なお、上記の発光装置200、300の構成例は、本開示の実施形態による複合材料を放熱部材として利用する半導体装置の例であり、この複合材料はさまざまな用途に使用され得る。
The above-mentioned configuration examples of the
本開示による放熱基板の製造方法は、さまざまな放熱基板として利用可能な複合基板を提供する。放熱基板の例は、半導体発光素子、半導体集積回路素子、モノリシックマイクロ波集積回路素子などの素子に熱的に接触するパッケージ基体、サブマウント、ヒートスプレッダ、パッケージ、およびヒートシンクを含む。 The method for manufacturing a heat radiating substrate according to the present disclosure provides a composite substrate that can be used as various heat radiating substrates. Examples of heat dissipation substrates include package substrates, submounts, heat spreaders, packages, and heat sinks that are in thermal contact with elements such as semiconductor light emitting devices, semiconductor integrated circuit devices, and monolithic microwave integrated circuit devices.
10・・・ダイヤモンド粒子、20・・・キャビティ、30・・・ダイ、40・・・上パンチ、50・・・下パンチ、60・・・電源ユニット、100・・・焼結装置 10 ... Diamond particles, 20 ... Cavity, 30 ... Die, 40 ... Upper punch, 50 ... Lower punch, 60 ... Power supply unit, 100 ... Sintering device
Claims (13)
前記複合材料の表面を薄肉化処理して、前記複合材料に加工面を形成する工程と、
パルス通電焼結により、前記複合材料に50MPa未満の圧力を印加した状態で前記複合材料を加熱する工程と、を含む、放熱基板の製造方法。 The process of preparing a composite material containing diamond and metal,
A step of thinning the surface of the composite material to form a processed surface on the composite material.
A method for manufacturing a heat radiating substrate, which comprises a step of heating the composite material in a state where a pressure of less than 50 MPa is applied to the composite material by pulse energization sintering.
ダイヤモンド粒子と銅粉末粒子との混合粉末を準備する工程と、
パルス通電焼結により、前記混合粉末に5MPa以上100MPa以下の圧力を印加した状態で500℃以上800℃未満の温度に保持して、前記混合粉末から前記複合材料を生成する工程と、を含む、請求項1から4のいずれか1項に記載の放熱基板の製造方法。 The step of preparing the composite material is
The process of preparing a mixed powder of diamond particles and copper powder particles,
A step of producing the composite material from the mixed powder by holding the mixed powder at a temperature of 500 ° C. or higher and lower than 800 ° C. in a state where a pressure of 5 MPa or more and 100 MPa or less is applied to the mixed powder by pulse energization sintering is included. The method for manufacturing a heat radiating substrate according to any one of claims 1 to 4.
前記混合粉末における前記ダイヤモンド粒子の質量比率は15%以上40%以下である、請求項5または6に記載の放熱基板の製造方法。 The mass ratio of the copper powder particles in the mixed powder is 60% or more and 85% or less.
The method for manufacturing a heat radiating substrate according to claim 5 or 6, wherein the mass ratio of the diamond particles in the mixed powder is 15% or more and 40% or less.
パルス通電焼結により、前記複合材料に50MPa未満の圧力を印加した状態で前記複合材料を加熱する工程と、を含む、複合基板の製造方法。 The process of preparing a thinned composite material containing diamond and metal,
A method for producing a composite substrate, which comprises a step of heating the composite material in a state where a pressure of less than 50 MPa is applied to the composite material by pulse energization sintering.
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