三井金属の銅焼結材料「Cuprima」

この記事で分かること

三井金属の銅焼結材料「Cuprima」

　三井金属が、パワーモジュールと放熱部材（ヒートシンク）の接合向け銅焼結材料「Cuprima（クプリマ）」の開発を発表しています。

　EV（電気自動車）の普及やパワーモジュールの高出力化に伴い、いかに効率よく熱を逃がすか（熱管理）が非常に重要な課題となっています。

　放熱性に優れる銅焼結材料は高性能だが高価な「銀」、安価だが性能に限界がある「はんだ」に対し、「高性能かつ現実的なコストで大面積に使える銅」というミッシングリンクを埋める材料として期待されています。

銅焼結材料とは何か

　銅焼結材料とは、微細な銅の粉末（マイクロ粒子やナノ粒子）を主成分とし、加熱・加圧することによって粉末同士を物理的に結合（焼結）させて作られた材料です。

　近年、EV（電気自動車）のインバータなどに搭載される次世代パワー半導体（SiCやGaN）の「接合材（接着剤のような役割）」として非常に大きな注目を集めています。

銅焼結の仕組み

　「焼結」という言葉は、身近な例でいうと「セラミックス（陶磁器）」や「粉末冶金」と同じプロセスです。

1. ペースト状で塗布： 銅の微細な粉末に、溶剤や分散剤を混ぜてペースト（クリーム）状にし、接合したい部分に塗ります。
2. 加熱・加圧（焼結）： 銅の融点（1085℃）よりも遥かに低い温度（一般に200℃〜300℃）で熱をかけ、圧力を加えます。
3. 原子の結合： 粒子が非常に小さいため、融点に達していなくても表面の原子が活発に動き回り、粒子同士がくっつき合って一体化（密な銅の層に変化）します。

なぜ今、銅焼結材料が必要とされているのか

　背景には、パワー半導体の進化があります。従来のシリコン（Si）半導体に比べ、次世代のSiC（シリコンカーバイド）半導体は「200℃以上の高温」で動作できるのが強みです。しかし、ここで問題が発生しました。

従来のはんだ（Solder）の限界

　これまで主流だった「はんだ」は、約220℃で溶けてしまいます。半導体チップが200℃超の熱を持つと、はんだ自身が柔らかくなったり溶けたりしてしまい、壊れてしまいます。また、熱を逃がす能力（熱伝導率）もそれほど高くありません。

銅焼結材料の圧倒的な優位性

• 高い耐熱性（融点1085℃）： 200℃〜300℃の低温で接合（焼結）させた後は、純銅そのもの（融点1085℃）の性質に変わるため、半導体が200℃以上の高温になっても絶対に溶けません。
• 極めて高い放熱性： 銅は金属の中でもトップクラスに熱を伝えやすい（熱伝導率が高い）ため、チップが発生した凶悪な熱を瞬時にヒートシンクへ逃がすことができます。電気抵抗が低い（電気がよく通る）のもメリットです。

「銀（Ag）焼結」との違い　

　実は、同じ「金属焼結」の技術として、先に実用化されたのは「銀焼結材料」でした。銀は銅よりも酸化しにくく、低い温度で簡単に焼結するため技術的に扱いやすいのです。

　しかし、以下の理由から、現在は「銅」へのシフト（あるいは銅の選択）が急速に進んでいます。

比較項目	銀（Ag）焼結	銅（Cu）焼結（Cuprimaなど）
材料コスト	非常に高価（貴金属のため）	圧倒的に安価（ベースメタルのため量産向き）
マイグレーション	発生しやすい（水分と電圧で銀が移動し、ショートの原因になる現象）	発生しにくい（信頼性が高い）
技術的難易度	比較的容易（大気中で焼結可能）	難しい（銅は加熱するとすぐ酸化するため、窒素などの還元雰囲気や特殊な粒子設計が必要）

　銀は「性能は最高だが高すぎる」、はんだは「安いが性能が足りない」。その中間に位置し、「銀並みの高性能を、はんだに迫る低コストで実現する」切り札として開発されたのが、銅焼結材料です。

　技術的なハードルだった「銅の酸化」や「大面積への施工」を各化学・素材メーカー（三井金属など）が独自の粉末制御・ペースト調合技術によって克服し、現在まさに本格的な社会実装のフェーズを迎えています。

なぜ低い融点で焼結できるのか

　銅の融点は1085℃なのに、なぜ200℃〜300℃という低い温度で結合（焼結）できる理由は、材料に使われている銅の粉末が「ナノメートル（10億分の1メートル）〜マイクロメートル（100万分の1メートル）」という極小のサイズであるためです。

　物質をここまで小さくすると、日常の感覚とは異なる「ナノ粒子の特異現象」が起こります。理由は大きく2つあります。

1. 表面の原子が「超不安定」で動きやすい（表面エネルギー）

　物質を構成する原子は、周囲を別の原子に囲まれているときが最も安定します。

　しかし、粒子のサイズを極限まで小さくすると、全体に対して「表面にむき出しになっている原子」の割合が爆発的に増えます。

　周りに仲間がいない表面の原子は、非常に不安定で「早く誰かとくっついて安定したい！」という高いエネルギー（表面エネルギー）を持っています。

　そのため、ほんの少しの熱（200℃程度）を加えるだけで、融点に達していなくても表面の原子が激しく動き回り、隣の粒子とくっつき合おうとします。

2. 融点そのものが低下する（融点降下現象）

　物質はサイズが小さくなると、物理的な性質が変わります。

　直径が数ナノメートル級の極小粒子になると、表面の原子がバラバラに動き出しやすくなるため、物質全体の融点そのものが数百℃も下がります。 これを「サイズ効果による融点降下」と呼びます。

焼結が起きるイメージ

1. 加熱前： 微細な銅の粉末同士が接触している状態。
2. 加熱（230℃など）： 表面の不安定な原子たちが元気に動き出し、接触面（ネック）を通ってお互いの粒子の間を移動し始めます。
3. 一体化： 粒子と粒子の隙間（空隙）を埋めるように原子が移動し、最終的に一つの強固な「純銅の塊」へと変化します。

　ナノ粒子同士がくっついて「大きな塊（マクロな銅）」に戻った瞬間、表面の割合は激減し、融点は本来の1085℃へと一気にはね上がります。だからこそ、「230℃でくっつくのに、その後250℃の過酷な環境に晒されても絶対に溶けない」という魔法のような接合が可能になります。

どのようにナノ粒子化するのか

　金属をナノ粒子（10億分の1メートル規模の超微細な粉）にする製造方法は、アプローチの違いによって大きく「トップダウン（物理的方法）」と「ボトムアップ（化学的方法）」の2つに分類されます。

1. ボトムアップ法（化学的アプローチ）

　原子や分子を化学反応で1つずつ結合させ、ナノサイズまで「大きく育てる」方法です。銅焼結材料に求められる均一で極小なナノ粒子を作る際、最も主流な手法です。

① 湿式還元法（液相法）

　水や有機溶媒の中に銅のイオン（塩）を溶かし、そこに「還元剤」という薬品を投入する方法です。

• 仕組み： イオン状態の銅に電子を与えると、銅の原子が析出します。この原子同士が次々とくっつき、ナノサイズの塊（粒子）へと成長します。
• ポイント： 粒子が大きくなりすぎないよう、表面を保護する「保護剤（有機物）」を絶妙なタイミングで付着させて成長をストップさせます。
• メリット： 粒子の大きさが非常に均一になりやすく、大量生産にも向いています。

② 気相法（蒸発凝縮法）

　バルク（塊）の銅にプラズマやレーザーなどの超高温を当てて、一瞬で蒸発（ガス化）させる方法です。

• 仕組み： 蒸発した銅の原子が、冷たい不活性ガスと衝突して急冷されることで、瞬時に凝縮してナノ粒子（煤のような状態）になります。
• メリット： 不純物が混ざりにくく、極めて高純度なナノ粒子が作れます。

2. トップダウン法（物理的アプローチ）

　大きな銅の塊を、機械的な力で限界まで「細かく砕きまくる」方法です。

① ビーズミル粉砕法

　容器の中に、非常に硬くて微細なセラミックビーズ（直径数十マイクロメートルなど）と銅の粉末、溶媒を入れ、猛烈な速度で回転・撹拌します。

• 仕組み： ビーズとビーズの間に挟まれた銅の粉末が、摩擦や衝突の強力なエネルギーによってナノサイズまで y 破砕されます。
• メリット： 設備が比較的シンプルですが、限界まで小さくしようとすると時間がかかり、ビーズの摩耗粉などのゴミ（コンタミ）が混入しやすいデメリットがあります。

② アトマイズ法（マイクロ～サブマイクロ向け）

　三井金属などの金属メーカーが元々得意とする金属粉末の基盤技術です。溶かしたドロドロの銅（湯）をノズルから噴射し、そこに高圧のガスや水を激しく衝突させて吹き飛ばし、一瞬で微細な液滴にして固めます。

　アトマイズ法単体では「マイクロメートル（100万分の1メートル）」規模の粒子になりやすいため、これをさらに上記の化学処理や粉砕技術と組み合わせることで、焼結材料に適した粒径へと調整します。

ナノ粒子化における最大の難所：保護剤技術

　実は、ナノ粒子を「作る」こと以上に「キープする」ことの方が難航します。

　前述の通り、ナノ粒子はエネルギーが非常に高いため、そのまま放置すると粒子同士が勝手にくっついて巨大化（凝集）し、ただの銅の粉に戻ってしまいます。また、銅は空気中で一瞬で酸化してしまいます。

　そのため、メーカー各社はナノ粒子の表面を特殊な有機物の膜（保護剤／界面活性剤）でバリアのように覆う技術を競っています。

• 保管時： 保護剤のバリアで粒子同士の合一や酸化を防ぐ。
• 接合（焼結）時： 200℃以上の熱がかかると、この保護剤がキレイに蒸発・分解して消え去り、むき出しになった銅粒子同士が瞬時に結合する。

　この「極小サイズで均一に作る化学プロセス」と「必要なときまで眠らせておく保護剤の調合技術」の合わせ技によって、優れた銅焼結材料が作られています。