(57)【要約】【課題】従来のクラッド材と同等の大きな熱伝導率をもち、より小さな熱膨張係数をもつ材料を得る。【解決手段】１１は外側Ｃｕ層（外側層：Ｃｕ層）、１２は内側Ｃｕ層（内側層：Ｃｕ層）、１５はＭｏ層であり、Ｍｏ層１５を挟んでＣｕ層１１、１２が積層され、全層数は７層となっている。ここで、最も外側の層（図１における最上層及び最下層）は外側Ｃｕ層１１となっており、これ以外のＣｕ層は内側Ｃｕ層（内側層）１２となっている。従って、外側Ｃｕ層１１の片側、内側Ｃｕ層１２の両側にはＭｏ層１５が存在している。この際、一方の面側のＭｏ層の影響だけを受ける外側Ｃｕ層１１（一方）の厚さを、全てのＣｕ層の厚さの総和（第１の材料層総膜厚）に対して２５％以下とする。内側Ｃｕ層１２のうち最も厚い層の厚さ（内側層厚さ）を、全てのＣｕ層の厚さの総和（第１の材料層総膜厚）に対して５０％以下とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の材料からなる層と、該第１の材料よりも小さな熱膨張係数及び前記第１の材料よりも低い熱伝導率を有する第２の材料からなる層とが交互に積層されてなるクラッド材であって、
前記第１の材料からなる層及び前記第２の材料からなる層が交互に合計５層以上積層され、
前記クラッド材における前記第２の材料からなる層の占める体積比が４．８〜２０％の範囲内であり、
最外層となった前記第１の材料からなる層の厚さである外側層厚さの、前記クラッド材における全ての前記第１の材料からなる層の厚さの和である第１の材料層総膜厚に対する比率が２５％以下であり、
両側を前記第２の材料からなる層で挟まれた前記第１の材料からなる層のうち最も厚い層の厚さである内側層厚さの、前記第１の材料層総膜厚に対する比率が５０％以下であることを特徴とするクラッド材。
【請求項２】
前記第２の材料からなる層の厚さがすべて４００μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のクラッド材。
【請求項３】
前記第１の材料が、銅、銀、銅を含む合金、銀を含む合金のいずれかであることを特徴とする請求項１又は２に記載のクラッド材。
【請求項４】
前記第２の材料が、モリブデン、タングステンのいずれかであることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のクラッド材。
【請求項５】
室温での熱伝導率が２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のクラッド材。
【請求項６】
熱膨張係数が１４×１０−６／Ｋ以下であることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載のクラッド材。
【請求項７】
請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載のクラッド材からなる放熱基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置用の放熱基板用材料に関し、特に大電力で動作するＬＳＩ、ＩＣ、パワートランジスタを搭載する半導体装置用放熱基板の材料として用いられるクラッド材、及びこれを用いた放熱基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイス、特に、大電力で動作するＬＳＩ、ＩＣ、パワートランジスタ等を搭載する半導体装置用放熱基板には、これらの半導体デバイスから発生する熱を効率よく拡散・放熱することが要求されている。そのため、これらの放熱基板には高い機械的強度と高い熱伝導率が要求される。一方、これらの放熱基板には、半導体チップを構成するシリコン、半導体パッケージを構成するアルミナ等のセラミックス材料、コバール材等、いずれも熱膨張係数が６×１０−６／Ｋ以下と小さい材料がろう付けされて使用される。このろう付けの温度は８５０℃程度であるため、反りのない状態でこれらをろう付けで接合した後に冷却する際に、これらのろう付けされた材料と比べて放熱基板は大きく収縮する。そのため、常温においてはこの放熱基板には熱歪みまたは反りが発生する。これを低減するために、この放熱基板の熱膨張係数は、上記のろう付けされる材料に近い、すなわち、その熱膨張係数が小さいということが要求される。
【０００３】
こうした要求を考慮して、Ｃｕ（銅）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｗ（タングステン）などの単一材料、Ｃｕ−Ｗ、Ｃｕ−Ｍｏ等の複合金属が放熱基板の材料として用いられてきた。
【０００４】
これらの材料のうち、Ｃｕは３９０Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度と、高い熱伝導率を有しているが、その熱膨張係数が２０×１０−６/Ｋと大きい。
【０００５】
一方、ＭｏやＷは熱膨張係数は小さい（Ｍｏ：５×１０−６／Ｋ、Ｗ：４×１０−６／Ｋ）ものの、熱伝導率がそれぞれ１４２Ｗ／（ｍ・Ｋ）、１６７Ｗ／（ｍ・Ｋ）と、Ｃｕと比べると低い。そのため、熱膨張係数が小さく熱伝導率が高い材料として、ＭｏやＷと、Ｃｕとを組み合わせた材料として、これらを積層構造としたクラッド材が使用されている。
【０００６】
こうしたクラッド材においては、一般に、Ｃｕの比率を高めることによって熱伝導率を高くできる一方、同時に熱膨張係数も大きくなり、ＭｏやＷの比率を高めることによって熱膨張係数を小さくできる一方、熱伝導率も小さくなることは明らかである。すなわち、熱伝導率を高く保ち、かつ熱膨張係数を小さく保つことは困難である。
【０００７】
これに対して、特許文献１においてはＭｏ層とＣｕ層の膜厚構成を最適化することによって、熱伝導率を高く保ち、かつ熱膨張係数を小さく抑える技術が記載されている。この技術においては、クラッド材におけるＭｏ比率を２．７８〜１０％とし、かつクラッド材を構成する各Ｍｏ層の厚さを２００μｍ以下とされる。この場合には、隣接するＭｏ層の存在によってＣｕ層の熱膨張を抑制することができるため、Ｍｏの含有量が小さいにも関わらず、熱膨張係数をＭｏに近い低い値に、かつ熱伝導率をＣｕに近い大きな値とすることができた。
【特許文献１】特許３８６２７３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、より大電力で動作する素子を搭載する放熱基板用材料においては、特に熱膨張係数に関して、更に小さい値が要求されている。これに対しては、特許文献１に記載のクラッド材における値も充分ではなかった。
【０００９】
すなわち、従来のクラッド材と同等の大きな熱伝導率をもち、より小さな熱膨張係数をもつ材料が望まれている。
【００１０】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
請求項１記載の発明の要旨は、第１の材料からなる層と、該第１の材料よりも小さな熱膨張係数及び前記第１の材料よりも低い熱伝導率を有する第２の材料からなる層とが交互に積層されてなるクラッド材であって、前記第１の材料からなる層及び前記第２の材料からなる層が交互に合計５層以上積層され、前記クラッド材における前記第２の材料からなる層の占める体積比が４．８〜２０％の範囲内であり、最外層となった前記第１の材料からなる層の厚さである外側層厚さの、前記クラッド材における全ての前記第１の材料からなる層の厚さの和である第１の材料層総膜厚に対する比率が２５％以下であり、両側を前記第２の材料からなる層で挟まれた前記第１の材料からなる層のうち最も厚い層の厚さである内側層厚さの、前記第１の材料層総膜厚に対する比率が５０％以下であることを特徴とするクラッド材に存する。
請求項２記載の発明の要旨は、前記第２の材料からなる層の厚さがすべて４００μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のクラッド材に存する。
請求項３記載の発明の要旨は、前記第１の材料が、銅、銀、銅を含む合金、銀を含む合金のいずれかであることを特徴とする請求項１又は２に記載のクラッド材に存する。
請求項４記載の発明の要旨は、前記第２の材料が、モリブデン、タングステンのいずれかであることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のクラッド材に存する。
請求項５記載の発明の要旨は、室温での熱伝導率が２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のクラッド材に存する。
請求項６記載の発明の要旨は、熱膨張係数が１４×１０−６／Ｋ以下であることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載のクラッド材に存する。
請求項７記載の発明の要旨は、請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載のクラッド材からなる放熱基板に存する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は以上のように構成されているので、従来のクラッド材と同等の大きな熱伝導率をもち、かつ、より小さな熱膨張係数をもつ。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
【００１４】
本発明のクラッド材は、第１の材料からなる層と、第１の材料よりも小さな熱膨張係数及び第１の材料よりも低い熱伝導率を有する第２の材料からなる層とが交互に積層されてなるクラッド材である。ここで、この実施の形態としては、特許文献１と同様に、第１の材料からなる層としてＣｕ層、第２の材料からなる層としてＭｏ層が用いられる。ここで第１の材料からなる層及び第２の材料からなる層が交互に合計５層以上積層される。また、特に第１の材料からなる層として、片側においてのみ第２の材料からなる層と接する外側層と、両側において第２の材料からなる層と接する内側層との膜厚構成を異ならせている。
【００１５】
特許文献１に記載のクラッド材においては、クラッド材中におけるＭｏ層の占める体積比が２．７８〜１０％の範囲であったのに対し、本実施の形態のクラッド材においては、これを４．８〜２０％とした場合でも熱膨張係数を小さくすることができる。
【００１６】
図１は、本発明のクラッド材１０の断面図である。図において、１１は外側Ｃｕ層（外側層：Ｃｕ層）、１２は内側Ｃｕ層（内側層：Ｃｕ層）、１５はＭｏ層であり、Ｍｏ層１５を挟んでＣｕ層１１、１２が積層され、全層数は７層となっている。ここで、最も外側の層（図１における最上層及び最下層）は外側Ｃｕ層１１となっており、これ以外のＣｕ層は内側Ｃｕ層（内側層）１２となっている。従って、外側Ｃｕ層１１の片側、内側Ｃｕ層１２の両側にはＭｏ層１５が存在している。
【００１７】
ここで、このクラッド材１０においては、この中におけるＭｏ層１５の体積比率が４．８〜２０％の範囲である。また、堆積された各Ｍｏ層１５の厚さは等しくなくともよいが、その最大厚さは４００μｍ以下である。また、１つの外側Ｃｕ層１１の厚さ（外側層厚さ）の、全てのＣｕ層の厚さの総和（第１の材料層総膜厚）に対する比率は２５％以下である。また、複数の内側Ｃｕ層１２のうちの最大厚さ（内側層厚さ）の、第１の材料層総膜厚に対する比率は５０％以下である。
【００１８】
このクラッド材１０を用いた放熱基板においては、熱伝導率は、半導体チップ等はその表面に搭載されるため、図１における上下方向のものが重要である。また、放熱基板の反りの原因となる熱膨張は、図１における水平方向で発生するため、熱膨張係数は、図１における水平方向のものが重要である。従って、以下では、熱伝導率、熱膨張係数はこれらの方向におけるものとする。ここで、熱伝導率はＪＩＳＲ１６５９−３で定義される量であり、熱膨張係数はＪＩＳＨ７４０４で定義される量である。
【００１９】
このクラッド材１０の熱伝導率は、Ｃｕ層（外側Ｃｕ層１１及び内側Ｃｕ層）の総膜厚と、Ｍｏ層１５の総膜厚で決まる。すなわち、これらの総膜厚が同じであれば、層数あるいはその構成によらずに同じ熱伝導率となる。これは、各層における熱伝導は独立に生じ、他層の熱伝導に影響を与えることはないためである。
【００２０】
一方、このクラッド材１０の熱膨張係数は、Ｃｕ層の総膜厚と、Ｍｏ層の総膜厚が同じであっても、その層数や、各層の膜厚によって変わる。これは、各層が熱膨張するに際して、その上下に存在する他層の影響を受けるためである。この点については、特許文献１に記載のクラッド材と同様である。すなわち、本来大きな熱膨張係数をもつＣｕ層は、加熱された際に軟化するために、熱膨張係数の小さなＭｏ層１５の熱膨張に従った熱膨張をする。従って、このクラッド材１０においては、熱膨張係数の大きなＣｕの体積比率が大きいものの、クラッド材１０全体としての熱膨張係数はＭｏに近い値となる。
【００２１】
この際、内側Ｃｕ層１２は両側（図１中の上下側）でＭｏ層１５と接しているのに対し、外側Ｃｕ層１１は片側（図１中上側のＣｕ層１１においては下側、下側のＣｕ層１１においては上側）でしかＭｏ層１５と接していない。従って、上記の効果は特に内側Ｃｕ層１２において大きく現れ、外側Ｃｕ層１１においては、それよりも弱くなる。
【００２２】
従って、このクラッド材１０においては、一方の面側のＭｏ層の影響だけを受ける外側Ｃｕ層１１（一方）の厚さを、全てのＣｕ層の厚さの総和（第１の材料層総膜厚）に対して小さく、具体的にはこの比率を２５％以下とする。すなわち、このクラッド材１０において、内側Ｃｕ層１２よりも熱膨張に与える影響の大きな外側Ｃｕ層１１の比率を小さくすることにより、クラッド材１０の熱膨張係数を抑えている。
【００２３】
また、一方で、内側Ｃｕ層１２のうちの１層の厚さが大きければ、たとえこの層の両側にＭｏ層１５があった場合でも、この内側Ｃｕ層１２自身のＣｕの熱膨張の影響は大きくなる。このため、内側Ｃｕ層１２のうち最も厚い層の厚さ（内側層厚さ）を第１の材料層総膜厚に対して小さく、具体的にはこの比率を５０％以下とする。
【００２４】
熱膨張係数はＣｕが２０×１０−６／Ｋ、Ｍｏが５×１０−６／Ｋであり、熱伝導率はＣｕが３９０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、Ｍｏが１４２Ｗ／（ｍ・Ｋ）であるが、以上の構成によって、熱膨張係数が１４×１０−６／Ｋ以下、または熱伝導率が２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上のクラッド材を得ることができる。
【００２５】
このクラッド材は、特許文献１に記載された方法と同様の方法で製造することができる。
【００２６】
すなわち、所定の膜厚構成で積層したＣｕ層、Ｍｏ層を、印加圧力５０ｋｇｆ／ｃｍ２以上１５０ｋｇｆ／ｃｍ２以下、及び温度８５０℃以上１０００℃以下で熱間一軸加工法によって接合する。このとき、雰囲気としては、Ｃｕの酸化を抑制するために、非酸素雰囲気が好ましい。このため、窒素雰囲気、アルゴン雰囲気、ヘリウム雰囲気、または真空中でこの工程を行うことが好ましい。
【００２７】
この際、各層の表面にはその積層を容易にするためにめっき層を形成しておくことも可能であるが、めっき層は、熱伝導率を低下させる原因となるため、形成しないことが好ましい。ただし、このクラッド材を放熱基板として用いた場合において、外側Ｃｕ層１１に他の物質をろう付けやはんだ付けで接合する場合には、これらの層の外側の面には予めめっき層を形成しておくことにより、この接合を容易に行うことができるため、好ましい。
【００２８】
また、特許文献１に記載されたクラッド材と同様に、このクラッド材１０を成型（パターニング）するにあたっては、プレス打ち抜き加工法を用いてこれを容易に行うことができる。これは、機械的に柔らかく、加工しやすい材料であるＣｕの体積比が大きいためである。また、加工しにくい材料であるＭｏからなるＭｏ層１５の最大膜厚を４００μｍ以下とすることにより、この加工を容易に行うことができる。
【００２９】
従って、コストの安い成形方法であるプレス打ち抜き法を使用することが可能である。これにより、本発明のクラッド材を用いた放熱基板を低コストで得ることができる。
【００３０】
また、低コストでこのクラッド材１０を製造するためには、内側Ｃｕ層１２の厚さを全て同一とし、両側の２層の外側Ｃｕ層１１の厚さを同一とすることが好ましい。この場合には、外側Ｃｕ層１１の厚さを内側Ｃｕ層１２の厚さの１／２として、内側Ｃｕ層１２及びＭｏ層１５の層数を変えることによって、クラッド材１０全体の総数（膜厚）を変えた他種類のクラッド材を製造することができる。特にこの場合には、積層層数が大きく膜厚が大きなクラッド材１０を製造する場合には、図２に示すように、この際に、予め製造された２枚の積層体（クラッド材１０）同士を更に積層し、新たにクラッド材２０を製造することもできる。この場合には、クラッド材２０においては、外側Ｃｕ層１１同士が接合されて新たに内側Ｃｕ層１２となり、積層層数の大きな厚いクラッド材２０を製造することができる。このクラッド材２０においても、Ｍｏ層１５の総膜厚が４００μｍ以下である限りにおいて、上記と同様の特性を得ることができ、これを低コストで得ることができる。なお、この場合に内側Ｃｕ層１２の厚さは厳密に同一である必要はなく、外側Ｃｕ層１１の厚さも厳密にその１／２である必要もなく、上記の効果を奏する範囲内で適宜設定することが可能である。
【００３１】
なお、上記の例では、第１の材料からなる層としてＣｕ層、第２の材料からなる層としてＭｏ層を計７層積層した場合につき記載したが、積層層数は、５層以上であるクラッド材であれば同様の効果を奏する。また、第１の材料からなる層としてＣｕ層の代わりに、Ｃｕ同様に熱伝導率が高い材料として、例えば、銅合金、銀（Ａｇ）、銀を含む合金のいずれかからなる層を用いることもできる。同様に、第２の材料からなる層としてＭｏ層の代わりに、タングステン（Ｗ）からなる層を用いることもできる。
【実施例】
【００３２】
以下に、本発明の実施例について、比較例と共に説明する。
【００３３】
本発明の実施例となるＣｕとＭｏの積層構造を、その層数及び各層の厚さを変えたクラッド材を実施例１〜１２として作成した。一方、比較例として、Ｃｕ層とＭｏ層の膜厚構成を変えたクラッド材を比較例１〜９として作成した。これらの試料における熱膨張係数、熱伝導率を測定した。実施例、比較例共に、その製造方法は前記の通り、特許文献１に記載の方法で行った。熱膨張係数は、８５０℃から３０℃まで冷却する間の平均を、マックサイエンス（株）製のDilato Meterを用いて、ＪＩＳＨ７４０４に記載の方法によってアルゴン雰囲気で測定した。熱膨張係数測定に用いた各試料は２０ｍｍ（長さ）×３ｍｍ（幅）の大きさとした。熱伝導率は、真空理工（株）製レーザーフラッシュ測定装置によってＪＩＳＨ７８０１に規定される熱拡散率を求め、ＣｕとＭｏの体積割合から、比熱と密度の平均値を求め、ＪＩＳＲ１６５０−３に記載された方法より求めた。熱伝導率測定の各試料は直径１０ｍｍの大きさに製作したサンプルを切り出して測定した。これらの実施例及び比較例のＭｏの体積比率、熱膨張係数、クラッド材の膜厚、積層構造における各層の構成について示したのが表１である。ここで、各層の構成及び膜厚について、例えば「Cu(200)/Mo(25)/Cu(200)/Mo(25)/Cu(600)/Mo(25)/Cu(200)/Mo(25)/Cu(200)」とは、「Cu(200μｍ)/Mo(25μｍ)/Cu(200μｍ)/Mo(25μｍ)/Cu(600μｍ)/Mo(25μｍ)/Cu(200μｍ)/Mo(25μｍ)/Cu(200μｍ)の積層構造」を表す。
【００３４】
ここで、実施例１〜７、１１、１２では最外層（最上層、最下層）がＣｕ層となっており、この厚さが外側Ｃｕ層の厚さとなっている。一方、実施例８〜１０では最外層はＣｕ層ではなく、Ｍｏ層となっているため、外側Ｃｕ層の厚さは零となっている。どの場合においても、第１の材料層総膜厚は全てのＣｕ層の厚さの和となっている。
【００３５】
ここで、Ｍｏ体積比は、クラッド材の全体膜厚に対するＭｏ層の占める割合である。外側Ｃｕ膜厚比とは、一方の外側Ｃｕ層の厚さの、全てのＣｕ層の厚さの総和（第１の材料層総膜厚）に対する比率であり、内側Ｃｕ膜厚比とは、内側Ｃｕ層のうち最も厚い層の厚さ（内側層厚さ）の第１の材料層総膜厚に対する比率である。外内Ｃｕ膜厚比とは、外側Ｃｕ層の厚さの内側Ｃｕ層の最大厚さに対する比率（外側Ｃｕ膜厚比の内側Ｃｕ膜厚比に対する比率）である。全ての実施例においては、Ｍｏ比率は４．８〜２０％の範囲であり、外側Ｃｕ膜厚比は２５％以下、内側Ｃｕ膜厚比は５０％以下となっている。
【００３６】
【表１】
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【００３７】
また、これらの結果から、各実施例と比較例についての熱伝導率と熱膨張係数についてプロットしたグラフが図３である。この結果より、実施例においては、同等の熱伝導率（同等のＭｏ比）をもつ比較例と比べて小さな熱膨張係数が得られることが確認できる。具体的には、実施例１は比較例１〜４と比べて、実施例３は比較例５、６と比べて、実施例４〜６は比較例７と比べて、実施例１２は比較例９と比べて、それぞれ同等のＭｏ比率をもつにも関わらず、熱膨張係数が小さくなっている。これら以外の実施例についても、同等の熱伝導率をもつ比較例と比べて小さな熱膨張係数が得られることが明らかである。
【００３８】
また、前記の実施例は全て中心から見て上下方向に対称な構造を有しており、Ｃｕ層を最外層とした実施例１〜７、１１、１２、Ｍｏ層を最外層とした実施例８〜１０の全てにおいて良好な結果が得られている。従って、実施例中には無いが、片側の最外層をＣｕ層とし、他方側の最外層をＭｏ層とした非対称な構造においても同様の効果を奏することは明らかである。
【００３９】
すなわち、本発明の実施例においては、比較例と比べて、同等の熱伝導率においては、より小さな熱膨張係数を実現することができる。特に本発明によれば、熱膨張係数を１４×１０−６／Ｋ以下としながら、室温での熱伝導率を２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上としたクラッド材を得ることができる。
【００４０】
一方、外側Ｃｕ膜厚比が２５％よりも大きな比較例３〜５、８、内側Ｃｕ膜厚比が５０％よりも大きな比較例１、２、６、７、９においては、Ｍｏ比率が同等に小さな同様の積層構造であるにも関わらず、熱膨張係数が実施例よりも大きくなった。
【００４１】
従って、実施例のクラッド材においては、比較例と同等のＭｏ体積比であるにも関わらず、熱膨張係数をより小さくできることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施の形態のクラッド材の構造を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態のクラッド材の製造方法の一例を示す図である。
【図３】実施例及び比較例となるクラッド材の熱伝導率と熱膨張係数の測定結果である。
【符号の説明】
【００４３】
１０、２０  クラッド材
１１  外側Ｃｕ層（外側層）
１２  内側Ｃｕ層（内側層）
１５  Ｍｏ層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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