(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅と酸化銅を有する複合材料であって、前記酸化銅はアイランド状に分散し、前記アイランドの５０％以上が、アスペクト比が３以上であり、一方向に配向していることを特徴とする複合材料。
【請求項２】
銅と酸化銅を有する複合材料であって、前記酸化銅は１０〜５５体積％でアイランド状に分散し、前記アイランドの５０％以上が、アスペクト比が３〜２０であり、その６０％以上が一方向に配向していることを特徴とする複合材料。
【請求項３】
請求項１又は２において、室温から３００℃の平均線膨張係数が５×１０−６〜１７×１０−６／℃及び熱伝導率が１００〜３８０Ｗ／ｍ・Ｋであることを特徴とする複合材料。
【請求項４】
銅と酸化銅を有する複合材料であって、前記酸化銅はアイランド状に分散し、前記アイランドの５０％以上が、アスペクト比が３以上で、その長手方向が一方向に配向しており、配向方向の熱伝導率が配向方向に直角方向の熱伝導率より高いこと、又は室温から３００℃における配向方向の線膨張係数が配向方向に直角方向の線膨張係数よりも大であることを特徴とする複合材料。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかにおいて、共晶酸化銅が分散していることを特徴とする複合材料。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかにおいて、表面に厚さ５０μｍ以下の銅層を有することを特徴とする複合材料。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の複合材料よりなることを特徴とする半導体装置用放熱板。
【請求項８】
請求項７において、表面にＡｕ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ｃｒ，Ａｌ，Ｓｎ，Ｓｎ−Ｐｂのうち少なくとも一つのめっき層を有することを特徴とする半導体装置用放熱板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低熱膨張性と高熱伝導性を有する銅複合材料及びそれを用いた放熱板と半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子デバイスによる電力やエネルギーの変換，制御に関連した技術、特にオン，オフモードで用いられる電力用電子デバイスとその応用技術としての電力変換システムがパワーエレクトロニクスである。
【０００３】
電力変換のため、各種のオン，オフ機能を持つ電力用半導体素子が用いられている。この半導体素子としては、ｐｎ接合体を内蔵し、一方向のみの導電性をもつ整流ダイオードをはじめ、種々のｐｎ接合の組合せ構造により、サイリスタ，バイボーラトランジスタ，ＭＯＳＦＥＴ等が実用化され、更には絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）やゲート信号によりターンオフ機能を併せもつゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）も開発されている。
【０００４】
これらの電力用半導体素子は、通電により発熱し、その高容量化，高速化に伴い発熱量も増大する傾向にある。発熱に起因する半導体素子の特性劣化，短寿命化を防止するためには、放熱部を設け、半導体素子及びその近傍での温度上昇を抑制する必要がある。銅は、熱伝導率が３９３Ｗ／ｍ・ｋと大きく、かつ低価格であるため、放熱部材として一般に用いられている。しかし、電力用半導体素子を備える半導体装置の放熱部材は、熱膨張率が４．２×１０−６／℃  のＳｉと接合されるため、熱膨張率がこれに近い放熱部材が望まれる。銅は熱膨張率が１７×１０−６／℃と大きいため、半導体素子との半田接合性は好ましくなく、ＭｏやＷといった熱膨張率がＳｉと近い材料を放熱部材として用いたり、半導体素子と放熱部材の間に設けたりしている。
【０００５】
一方、電子回路を一つの半導体チップ上に集積させた集積回路（ＩＣ）は、その機能に応じてメモリー，ロジック，マイクロプロセッサ等に分類される。これらは電力用半導体素子に対し、電子用半導体素子と呼ばれる。これらの半導体素子の集積度や演算速度は年々増加し、それに伴い発熱量も増大している。ところで、一般に電子用半導体素子は、外気から遮断して故障や劣化を防止する目的で、パッケージ内に収納されている。この多くは、半導体素子がセラミックスにダイボンディングされ、密封されているセラミックスパッケージ及び樹脂で封止されているプラスチックパッケージである。また、高信頼性，高速化に対応するために、複数個の半導体装置を一つの基板上に搭載したマルチチップモジュール  （ＭＣＭ）も製造されている。
【０００６】
プラスチックパッケージは、リードフレームと半導体素子の端子がボンディングワイヤにより接続され、これを樹脂で封止する構造になっている。近年は、半導体素子の発熱量の増大に伴い、リードフレームに熱放散性を持たせたパッケージや熱放散のための放熱板を搭載するパッケージも出現している。熱放散のためには、熱伝導率の大きい銅系のリードフレームや放熱板が多用されているが、
Ｓｉとの熱膨張差による不具合が懸念されている。
【０００７】
一方、セラミックスパッケージは、配線がプリントされたセラミック基板上に半導体素子が搭載され、金属やセラミックスのキャップで密封する構造を持つ。さらに、セラミック基板にはＣｕ−ＭｏやＣｕ−Ｗの複合材料あるいはコバール合金などが接合され、放熱板としてして用いられているが、それぞれの材料において低熱膨張化あるいは高熱伝導化とともに加工性の向上，低コストが要求されている。
【０００８】
ＭＣＭはＳｉ，金属、あるいはセラミックスの基板上に形成された薄膜配線に複数個の半導体素子をベアチップで搭載し、これをセラミックスパッケージに入れ、リッドで封止する構造を持つ。放熱性が要求される場合には、パッケージに放熱板や放熱フィンを設置する。金属製の基板材料として、銅やアルミニウムが使用されており、これらは熱伝導度が高いという長所を持つが、熱膨張係数が大きく半導体素子との整合性が悪い。このため、低信頼性ＭＣＭの基板にはＳｉや窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が用いられている。また、放熱板はセラミックスパッケージと接合されるため、熱膨張率の点でパッケージ材料と整合性が良く、熱伝導率が大きな材料が望まれている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、半導体素子を搭載した半導体装置は、いずれもその動作において熱を発生し、蓄熱されると半導体素子の機能を損ねる恐れがある。このため、発生する熱を外部に放散するための熱伝導性に優れた放熱板が必要となる。放熱板は、直接あるいは絶縁層を介して半導体素子と接合されるため、熱伝導性だけでなく、熱膨張の点でも半導体素子との整合性が要求される。
【００１０】
現在用いられている半導体素子は、主にＳｉ及びＧａＡｓである。これらの熱膨張係数は、それぞれ２．６×１０−６〜３．６×１０−６／℃，５．７×１０−６〜６．９×１０−６／℃である。これらに近い熱膨張係数をもつ放熱板材料には、従来よりＡｌＮ，ＳｉＣ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｕ−Ｗ等が知られているが、これらは単一材料であるため、熱伝達係数と熱伝導率を任意にコントロールする事は困難であるとともに、加工性に乏しくコストが高いという問題がある。
【００１１】
最近になって、放熱板材料としてＡｌ−ＳｉＣが提案されている。これはＡｌとＳｉＣの複合材であり、両成分の比率を変えることによって熱伝達係数及び熱伝導率を広範囲にコントロールできるが、加工性が非常に悪く、コストが高いという問題がある。特開平８−７８５７８号公報にはＣｕ−Ｍｏ焼結合金、特開平９−    １８１２２０  号公報にはＣｕ−Ｗ−Ｎｉ凝結合金、特開平９−２０９０５８号公報にはＣｕ−ＳｉＣ焼結合金、特開平９−１５７７３号公報にはＡｌ−ＳｉＣが提案されている。これらの従来公知の粉末冶金法による複合材は、両成分の比率を変えることによって熱膨張率及び熱伝導率を広範囲にコントロールできるが、強度や塑性加工性が低く、薄板の製造が困難であり、さらに粉末製造に関わるコスト高，製造工程の増加等の問題がある。
【００１２】
本発明は、低熱膨張・高熱伝導性で、かつ塑性加工性に優れた複合材料及びそれを用いた半導体装置とその放熱板を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、種々検討を重ねた結果、高熱伝導性のＣｕと低熱膨張性のＣｕ２Ｏを複合化して、かつＣｕ２Ｏ  を棒状として一方向に配向させて分散させることにより、上記問題点を解決できることを見いだした。
【００１４】
本発明は、銅と酸化銅を有する複合材料であって、前記酸化銅は好ましくはアイランド状に分散し、かつ該アイランドの５０％以上がアスペクト比が３以上で、その長手方向が一方向に配向することを特徴とする複合材料にある。
【００１５】
本発明は、銅と酸化銅を有する複合材料において、前記酸化銅は１０〜５５体積％でアイランド状に分散し、該アイランドの５０％以上がアスペクト比が３〜２０で、かつ６０％以上のアイランドの長手方向が一方向に配向することを特徴とする複合材料にある。
【００１６】
本発明は、銅と酸化銅を有する複合材料において、前記酸化銅は１０〜５５体積％でアイランド状に分散し、該アイランドの５０％以上がアスペクト比が３〜２０で、かつ６０％以上のアイランドの長手方向が一方向に配向し、さらに室温から３００℃の線膨張係数が５×１０−６〜１７×１０−６／℃で熱伝導率が１００〜３８０Ｗ／ｍ・Ｋであることを特徴とする複合材料にある。
【００１７】
本発明は、銅と酸化銅を有する複合材料において、前記酸化銅は１０〜５５体積％でアイランド状に分散し、該アイランドの５０％以上がアスペクト比が３〜２０で、かつ６０％以上のアイランドの長手方向が一方向に配向し、さらに室温から３００℃の線膨張係数が好ましくは５×１０−６〜１７×１０−６／℃及び熱伝導率が１００〜３８０Ｗ／ｍ・Ｋであり、また配向方向の熱伝導率が配向方向に直角方向の熱伝導率より高く、その比が１．０５〜２．５倍で、その差が好ましくは５〜１２０Ｗ／ｍ・Ｋでかつ配向方向の室温から３００℃における線膨張係数が配向方向に直角方向の線膨張係数よりも大で、好ましくは１．１〜２．０倍であることを特徴とする複合材料にある。
【００１８】
本発明は、前記複合材料において、銅中に共晶酸化銅が分散することを特徴とする複合材料にある。また前記複合材料において、その表面に厚さ５０μｍ以下の銅層を有することを特徴とする複合材料にある。
【００１９】
本発明は、前記複合材料よりなることを特徴とする半導体装置用放熱板にある。また前記半導体装置用放熱板において、表面にＡｕ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ｃｒ，Ａｌ，Ｓｎ，Ｓｎ−Ｐｂのうち少なくとも一つのめっき層を有することを特徴とする半導体装置用放熱板にある。
【００２０】
本発明は、放熱板上に搭載された絶縁基板及び該絶縁基板上に搭載された半導体素子を有する半導体装置において、前記放熱板は前述に記載の放熱板よりなることを特徴とする。
【００２１】
本発明は、放熱板上に搭載された半導体素子と、前記放熱板に接続されたリードフレームと、該リードフレームと半導体素子とを電気的に接続する金属ワイヤとを備え、前記半導体素子を樹脂封止した半導体装置において、前記放熱板は前述に記載の放熱板よりなることを特徴とする。
【００２２】
本発明は、放熱板上に搭載された半導体素子と、前記放熱板に接続されたリードフレームと、該リードフレームと半導体素子とを電気的に接続する金属ワイヤとを備え、前記半導体素子を樹脂封止するとともに、前記放熱板の少なくとも前記素子の接合面に対して反対の面側かが開放されている半導体装置において、前記放熱板は前述に記載の放熱板よりなることを特徴とする。
【００２３】
本発明は、放熱板上に搭載された半導体素子と、外部配線接続用ピンを有し、中央部に前記素子を収納する開放空間を有するセラミックス多層配線基板と、前記素子と基板の端子とを電気的に接続する金属ワイヤとを備え、前記素子を前記空間に設置するように前記放熱板と前記基板とを接合するとともに前記基板をリッドによって接合し前記素子を大気より遮断する半導体装置において、前記放熱板は前述に記載の放熱板よりなることを特徴とする。
【００２４】
本発明は、放熱板上に搭載された半導体素子と、外部配線接続用端子を有し、中央部に前記素子を収納する凹部を有するセラミックス多層配線基板と、前記素子と基板の端子とを電気的に接続する金属ワイヤとを備え、前記素子を前記凹部に設置するように前記放熱板と前記基板の凹部とを接合するとともに前記基板をリッドによって接合し前記素子を大気より遮断する半導体装置において、前記放熱板は前述に記載の放熱板よりなることを特徴とする。
【００２５】
本発明は、放熱板上に熱伝導性樹脂によって接合された半導体素子と、セラミックス絶縁基板に接合されたリードフレームと、前記素子とリードフレームとを電気的に接続するＴＡＢとを備え、前記放熱板と絶縁基板とを接合し前記素子を大気より遮断するとともに前記素子と絶縁基板との間に熱伝導性樹脂弾性体を介在させた半導体装置において、前記放熱板は前述に記載の放熱板よりなることを特徴とする。
【００２６】
本発明は、第１の放熱板上に金属によって接合された半導体素子と、接地板が接合された第２の放熱板の前記接地板上に前記第１の放熱板を搭載し、前記素子の端子に電気的に接続したＴＡＢとを備え、前記素子を樹脂封止した半導体装置において、前記放熱板は前述に記載の放熱板よりなることを特徴とする。
【００２７】
第一酸化銅の体積分率は１０〜５５体積％の間で目的とする熱伝導率と線膨張係数にあわせて選択すればよい。また第一酸化銅の形状は一つ一つが独立して存在し、かつ棒状アイランドであり、そのアスペクト比は５以上であればよい。望ましくは、アスペクト比は５〜２０程度がよい。さらに８０％以上のアイランドの長手方向は一方向に配向していることが望ましく、その配向性のばらつきは
１０°以内であることがよい。このように銅中に単純に第一酸化銅を分散させるのではなく、その分布形態を制御することにより、熱伝導率と線膨張係数のバランスに優れた複合材料を提供できる。室温から３００℃の線膨張係数及び熱伝導率を含有量と加工率によって制御可能であり、また分布形態の制御により配向方向の熱伝導率と配向方向に直角方向の熱伝導率との違いを目的に応じて酸化銅の配向方向の配置を定めることができる。さらに本発明に係わる複合材料は、前記に加えて銅中に共晶酸化銅が分散してもよく、またその表面に厚さ５０μｍ以下の銅層を有してもよい。
【００２８】
本発明に係る複合材料は、銅及び酸化銅からなる原料を粉末冶金法もしくは鋳造法で作製した後、熱間で塑性加工し、最後に焼鈍することにより作製される。塑性加工は押出し，圧延，鍛造，スエージング等の方法で断面減少率で５０％以上の塑性加工を施すのが好ましい。相対密度は１００％とするものである。
【００２９】
また本発明に係わる放熱板は、前記複合材料から板厚方向が第一酸化銅の配向方向に平行となるように切出せばよい。これにより放熱板の板厚方向の熱伝導率はそれに直角な方向よりも大きく、かつ放熱板の面内の線膨張係数はそれに直角な方向よりも小さくなる。したがって放熱板は熱放散性が向上し、かつ絶縁基板もしくはチップとの線膨張係数の整合性が向上し、モジュールの高信頼性化が図れる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
Ｃｕインゴットを大気中にて溶解した後、３０体積％の酸化銅（Ｃｕ２Ｏ）を添加し溶解した。これを金型鋳造した後、温度９００℃で押出しを行った。加工度は断面減少率で５０〜９０％まで行った。１パス毎の断面減少率は５％とし、割れを防止した。断面減少率が大きくなるに連れて、表１に示す様に線膨張係数及び熱伝導率には異方性が生じる。表１に記したＬ方向とは、延伸方向であり、Ｃ方向とは、Ｌ方向と垂直な方向を示し、以下同様の表現を用いる。図１にＬ方向に平行な断面のミクロ組織と断面減少率の関係を示す。また図２にＣ方向に平行な断面のミクロ組織と断面減少率の関係を示す。５０％が１００倍，９０％が５０倍である。断面減少率が大きくなるに連れて、個々の酸化銅は微細になるとともに、アスペクト比はほとんどが３以上で、大きくなり、またその配向方向は延伸方向に近づいていく。図１に示す９０％のものの棒径は２０μｍ以下で、１〜１０μｍがほとんどである。長さは１００μｍ以上のものが１５個であった。この視野は７１０×４８０μｍである。断面減少率が高くなるにつれて、配向はより顕著となり、Ｌ方向の熱伝導率が高くなるが、逆にＣ方向のそれが低くなり、Ｌ方向の線膨張係数が大きくなり、逆にＣ方向のそれは小さくなる。その結果、Ｌ方向の熱伝導率は３５１Ｗ／ｍ・Ｋまで上昇し、Ｃ方向との比率が１．０５以上で、最大１．７７であった。一方、線膨張係数はＣ方向で１０．４×１０−６／℃となった。
【００３１】
【表１】
0003552623.tif 000002
【００３２】
（実施例２）
表２にＣｕ−４０ｖｏｌ．％Ｃｕ２Ｏ  組成の線膨張係数と熱伝導率の値を示す。まずＣｕ粉と酸化銅粉を混合した後、冷間プレスして、これを９５０℃×３時間焼結した後、温度９５０℃でスエージングを行った。加工度は断面減少率で９０％まで行った。図３にＬ方向に平行な断面の１００倍のミクロ組織を示す。その結果、Ｌ方向の熱伝導率はＣ方向のそれより１．７５  倍と高く、２６７Ｗ／ｍ・Ｋまで上昇した。一方、線膨張係数はＬ方向は大きいがＣ方向で７．８×１０−６／℃と小さくなった。酸化銅の塊となっているものは５０μｍ以下であり、その９５％以上は２０μｍ以下である。
【００３３】
【表２】
0003552623.tif 000003
【００３４】
（実施例３）
表３にＣｕ−５０ｖｏｌ．％Ｃｕ２Ｏ  組成の線膨張係数と熱伝導率の値を示す。作製方法は実施例２と同様とした。加工度は断面減少率で９０％まで行った。図４にＬ方向に平行な断面の１００倍のミクロ組織を示す。その結果、Ｌ方向の熱伝導率はＣ方向のそれより２．２２  倍と高く、２１８Ｗ／ｍ・Ｋまで上昇した。一方、線膨張係数はＣ方向で６．１×１０−６／℃  となった。酸化銅の塊は１００μｍ以下の大きさであり、塊のほとんどは２０μｍ以下である。
【００３５】
【表３】
0003552623.tif 000004
【００３６】
（実施例４）
実施例３の素材の延伸方向に垂直な面で切出した複合材料の表面をＣｕめっきした後、Ｎｉ電解めっきした放熱板を得た。このとき放熱板の板厚方向と前記酸化銅の長手方向の配向方向とは平行である。このとき放熱板の板厚方向の熱伝導率は２６７Ｗ／ｍ・Ｋ、面内の線膨張係数は７．８×１０−６／℃  である。本放熱板は、表面にＣｕめっきによるＣｕ層があるため、モジュールとしてチップを積層した場合、チップからの熱流は、いったん放熱板の面内でＣｕめっき層全体に広がり、その後板厚方向に拡散する。
【００３７】
以後、本発明の銅複合材料を放熱板とした実施例について述べるが、その組織配向はすべて放熱板の板厚方向がＬ方向のもので、かつＣｕめっき層を有するものである。
【００３８】
（実施例５）
本発明の銅複合材料を、パワー半導体素子の内、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ；以下ＩＧＢＴと略す）モジュールの放熱板（ベース板）に適用した実施例を述べる。
【００３９】
図５はモジュール内部の平面図、図６はモジュールの一部の断面図を示す。
【００４０】
ＩＧＢＴ素子１０１４個とダイオード素子１０２２個は半田２０１により銅箔２０２，２０３を図示していない銀ろう材でＡｌＮ板２０４に接合したＡｌＮ基板１０３に接続される。ＡｌＮ基板１０３上にはエミッタ配線１０４とコレクタ配線１０５，ゲート配線１０６の領域が形成されており、ＩＧＢＴ素子１０１とダイオード素子１０２は、コレクタ配線１０５領域に半田付けされる。各素子からは、金属ワイヤ１０７によってエミッタ配線１０４に接続される。また、ゲート配線１０６領域上には抵抗素子１０８が配置され、ＩＧＢＴ素子１０１のゲートパッドから金属ワイヤ１０７によって抵抗素子１０８に接続される。半導体素子を搭載したＡｌＮ基板１０３の６基板は、半田２０６によって本発明の係るＣｕ−Ｃｕ２Ｏ  合金からなるベース材１０９に接続される。各絶縁基板間は、端子２０６と樹脂性のケース２０７が一体になったケースブロック２０８の端子２０６とＡｌＮ基板１０３を半田２０９によって配線する。また、ケース２０７とベース１０９はシリコーンゴム系接着剤２１０によって接続される。ケースブロック２０８からの端子接続は、主端子が各ＡｌＮ基板１０３上でエミッタ端子接続位置１１０，エミッタセンス端子接続位置１１１，コレクタ接続端子位置１１２が各々２箇所、ゲート端子接続位置１１３が１箇所で接続される。次に、樹脂注入口を持ったケース蓋２１１から端子全面が被覆されるようシリコーンゲル２１２を注入し、その後熱硬化型エポキシ樹脂２１３を全面に注入してモジュールを完成させる。ベース材１０９は、酸化銅の長手方向がその平板面と平行に図５の左右に配向しているのが好ましい。
【００４１】
表４に一般的に使用されるベース材と、本発明のＣｕ−Ｃｕ２Ｏ  合金材でＣｕ−４０体積％Ｃｕ２Ｏの熱膨張係数と熱伝導率を示す。Ｃｕ−Ｃｕ２Ｏベース材料を用いた半導体素子は、一般的に使用されるＣｕベースのモジュールに比べて熱膨張係数が小さく、ＡｌＮ基板１０３とベース１０９を接続する半田２０９の信頼性を向上させることができる。その一方で、過酷な使用環境下で半田１０６の信頼性を向上させるために使用されるＭｏやＡｌ−ＳｉＣベースは、Ｃｕ−Ｃｕ２Ｏベースを用いた半導体素子に比べて熱膨張係数は小さいが、熱伝導率も小さく、モジュールの熱抵抗が大きくなる問題が生じる。本実施例のＣｕ−Ｃｕ２Ｏ  ベースを搭載したモジュールでは、信頼性（熱疲労試験寿命）はＣｕベースに比べ５倍以上、熱抵抗は同じベース厚さのモジュールで、Ｍｏベースに比べて０．８  倍以下にすることができる。
【００４２】
【表４】
0003552623.tif 000005
【００４３】
これらの効果により、モジュールの構造や他の部材の選択の幅を拡げることが可能となる。例えば、図５の実施例では、Ｃｕ−Ｃｕ２Ｏ  合金ベース材はＭｏベース材に比べて熱伝導率が大きい、言い換えれば熱拡がり性が向上するため，動作時の半導体素子端部と中央部の温度差を小さく抑えられる効果があり、半導体素子を従来モジュールに比べ約１．２  倍に大きくしている。これにより、従来素子では同じ電流量を確保するために、ＩＧＢＴで３０個使用していた構造を２４で設計が可能になり、モジュールサイズを小型化することができた。さらに、ＡｌＮより熱伝導率が約２０％小さいアルミナ基板を絶縁基板に使用することが可能になる。アルミナはＡｌＮに比べ抗折強度が強く、基板サイズを大きくすることができる。また、アルミナ板は熱膨張係数がＡｌＮ板に比べ大きく、ベース材料との熱膨張差を小さくできるので、モジュール自身の反り量も小さくすることができる。アルミナ基板の使用により、基板の許容サイズを大きくできるので、１枚当りの搭載できる半導体素子数を多くすることができる。つまり、各絶縁板毎に必須な絶縁確保用の面積や基板間の面積を減らすことができ、モジュールサイズを小さくすることが可能である。
【００４４】
図７は、本実施例のモジュール製造過程の模式図を示す。（ａ）Ｃｕ−Ｃｕ２Ｏ  ベース１０９は、表面がＮｉめっきされ、ほぼ平坦な状態で入荷される。（ｂ）半導体素子１０１を半田１０２により接合したＡｌＮ基板１０３を半田２０５により接合する。この時ベース１０９の熱膨張係数が半導体素子とＡｌＮ基板の複合体より大きいので、半田の冷却過程でモジュール裏面が凹の形状で反る。（ｃ）ケースブロック２０８を熱硬化型の接着剤で組立てる工程で、半田接合完了の複合体３０１に比べケースの熱膨張係数が大きいため、接着剤の冷却過程でモジュール裏面がほぼ平坦になる。（ｄ）モジュール内部にシリコーンゲル２１２，熱硬化型エポキシ樹脂２１３を充填すると、樹脂の熱膨張係数が大きいためモジュール裏面が凸の形状で反る。
【００４５】
図８に、各工程での裏面反り量の実測結果を示す。本発明のＣｕ−Ｃｕ２Ｏ  ベースを使用すると、反り量は従来のＭｏベースを使用したモジュールに比べると、約１／３に抑えることができる。また、Ｃｕベースの結果は図示していないが、ＡｌＮ基板との膨張係数差が大きく（ｂ）の工程で裏面が凹の方向で反り量が大きく、モジュール完成後でも裏面が凹で１００μｍ以上の反りが発生する。本発明のＣｕ−Ｃｕ２Ｏ  べースではモジュールの反り量を小さくすることができるのでモジュールの大型化が可能になる。また、組立工程での反り量と同じく、モジュール実働時の温度変化による反りの変化量も小さいので、モジュールと冷却フィンの間に塗布するグリースの流失をおさえることができる。
【００４６】
図９に、本発明のモジュールを適用した電力変換装置の一実施例を示す。パワー半導体装置５０１は、ヒートシンク５１１上に放熱性グリース５１０をはさんで締め付けボルト５１２により実装され、２レベルインバータを構成した例を示す。一般的にモジュール５０１は、中間点（Ｂ点）を一本の中間点配線５０３で配線できるように左右を反転させて実装する。コレクタ側配線５０２とエミッタ側配線５０４は各々ｕ，ｖ，ｗ相を配線して電源電圧５０９を供給する。信号線は各ＩＧＢＴモジュール５０１〜ゲート配線５０５，エミッタ補助配線５０６，コレクタ補助配線５０７によって構成する。５０８は負荷である。
【００４７】
図１０及び図１１に、モジュールを実装した場合の締め付け前及び後のモジュール裏面の反り量（グリース厚さ）を示し、（ａ）が本発明、（ｂ）が従来法のものである。従来知られているＡｌ−ＳｉＣベースのモジュールの場合、裏面の凸量が約１００μｍであるが、モジュールをグリースを塗布して締め付けると、締め付け時にグリースに押されて変形し、逆にモジュールの裏面が凹の状態に変形して中央部でのグリース厚さが厚くなり、接触抵抗が大きくなる。これに対して、本発明のＣｕ−Ｃｕ２Ｏ  ベースの場合、初期の裏面の反り量が約５０μｍであるが、ベース材の剛性が大きいので、グリースを塗布して締め付けた後のモジュール中央部のグリース厚さを約５０μｍに抑えられ、従来のＡｌ−ＳｉＣベースに比べて半減させることができた。さらにモジュール内でのグリース厚さのばらつきも小さくすることができる。実装時のグリースに押されて変形する問題は、Ｃｕ−Ｃｕ２Ｏ  合金よりも剛性の小さなＣｕベースモジュールの実装時にも当然発生する問題となり、本発明のＣｕ−Ｃｕ２Ｏ  合金で対策できる。
【００４８】
図に示すように、本発明のＣｕ−Ｃｕ２Ｏ  合金ベースは従来の高信頼性モジュールで適用されていたＭｏあるいはＡｌ−ＳｉＣ等のベース材に比べ熱抵抗，接触熱抵抗を小さくすることができることを説明した。それにより、図９に示すようにモジュールを細密の状態で実装できた。さらに、冷却フィンの冷却効率を下げることができるので電力変換装置の実装面積，体積を小さくすることができる。また、グリース厚さを薄くできる事から、冷却フィンの平坦度の許容範囲を大きく設定できるので、大型フィンでの電力変換装置の組立も可能になる。また、強制空冷等の補助冷却機能をなくすこともでき、この点でも小型化，低騒音化を図ることができる。
【００４９】
（実施例６）
実施例１〜４に記載の本発明の銅複合材料を放熱板として図１２及び図１３に示すＩＣを搭載したプラスチックパッケージに適用した。図１２は放熱板内蔵型であり、図１３は放熱板露出型である。
【００５０】
放熱板は、モールド樹脂の熱膨張係数を考慮して、室温から３００℃における熱膨張係数が９×１０−６〜１４×１０−６／℃の範囲となるように、Ｃｕ−２０〜５５体積％Ｃｕ２Ｏ  の範囲内で組成を変えて作製し、機械加工及びＮｉめっき処理を施して供した。
【００５１】
図１２でパッケージ構造を説明する。リードフレーム３１は、絶縁性ポリイミドテープ３２を介して本発明の銅複合材料からなるＮｉめっきされた放熱板３３と接着されている。ＩＣ３４は放熱板３３とはんだにて接合されている。また、Ａｕワイヤ３５でＩＣ上のＡｌ電極とリードフレームが接続されている。これらは、リードフレームの一部を除き、エポキシ樹脂，粒径０．５  〜１００μｍが９０重量％以上である球形シリカ製フィラー全体に対して７０〜９０重量％、および硬化剤を主成分とするモールド樹脂３６で封止されている。この樹脂にシリコーンをエポキシ樹脂に対し１〜１５重量％含むことが好ましい。図１３に示した放熱板露出型のパッケージは、放熱板３３がモールド樹脂の外部に露出している点が図１２と異なる。
【００５２】
上記のようにして実装されたパッケージについて、反りや放熱板とモールド樹脂との接合部分でのクラックの有無を観察した。その結果、モールド樹脂と放熱板との熱膨張差が０．５  ×１０−６／℃以下であれば問題がなく、組成的にはＣｕ−２０〜３５体積％Ｃｕ２Ｏ  が熱伝導率も２００Ｗ／ｍ・ｋと高く、好適であった。放熱板３３及びリードフレーム３１はいずれも加工方向が図の左右に対応しており、酸化銅が図の左右の方向に伸びたものが好ましい。
【００５３】
（実施例７）
図１４及び図１５は、実施例１〜４に記載の本発明の銅複合材料を放熱板として用い、ＩＣを搭載したセラミックスパッケージの断面図を示す。まず、図１４について説明する。ＩＣ４１はポリイミド系樹脂にてＮｉめっきされた放熱板４２に接合されている。さらに、放熱板４２とＡｌ２Ｏ３製のパッケージ４３は半田により接合されている。パッケージにはＣｕによる配線がなされ、かつ配線基板との接続用にピン４４が設けられている。ＩＣ上のＡｌ電極とパッケージの配線とは、Ａｌワイヤ４５で接続されている。これらを封止するために、コバール製のウエルドリング４６をパッケージにＡｇろうで接合し、さらにウエルドリングとコバール製のリッド４７をローラー電極を用いて溶接した。図１５は、図１４のセラミックスパッケージに放熱フィン４８を接続したパッケージである。放熱板４２及び放熱フィン４８のいずれも加工方向が図の上下方向であり、酸化銅が上下に伸びたものが好ましい。
【００５４】
（実施例８）
図１６及び図１７は、ＴＡＢ（Ｔａｐｅ  Ａｕｔｏｍａｔｅｄ  Ｂｏｎｄｉｎｇ）技術を適用し、かつ実施例１〜４に記載の本発明の銅複合材料を放熱板に使用したパッケージについて説明する。
【００５５】
まず、図１６のパッケージについて説明する。ＩＣ５１は熱伝導性樹脂５２を介してＮｉめっきされた本発明に係る放熱板５３を接合されている。ＩＣの端子にはＡｕバンプ５４が形成され、ＴＡＢ５５と接続されており、さらにＴＡＢは薄膜配線５６を経由してリードフレーム５７と接続されている。ＩＣはＳｉゴム５８を挿んで、Ａｌ２Ｏ３製のセラミック基板５９，フレーム６０、およびシーリングガラス６１で密封されている。
【００５６】
図１７は、樹脂で封止したパッケージである。ＩＣ６５は、Ａｕ−Ｓｉ合金６６により、Ｎｉめっきされた本発明に係る放熱板６７と接合されており、さらに、熱伝導性樹脂６８により銅接地板６９及びＮｉめっきされた本発明に係る放熱板７０と接続されている。一方、ＩＣの端子は、Ａｕバンプ７１でＴＡＢ７２と接続され、樹脂７３にて封止されている。ここで、リードフレーム及び放熱板の一部は、封止樹脂の外部に露出している。また、ＴＡＢはエポキシ系Ａｇペースト７４で銅接地板に固定されている。放熱板５３，７０はいずれも酸化銅の加工方向が図面の左右，上下及び奥行方向にいずれも対応できるものである。
【００５７】
（実施例９）
図１８は、実施例１〜４に記載の本発明の銅複合材料を放熱板に適用したＭＣＭの実施例を示す。ＩＣ８１はＡｕワイヤ８２を用いて、Ｎｉめっきされた本発明に係る放熱板８３の上に形成された薄膜配線８４に接続され、さらに、ＡｕワイヤでＡｌＮ製のパッケージ８５上に形成されている配線に接続され、外部端子８６として取り出されている。ＩＣ部は、４２合金製のリッド８７とパッケージのＷメタライズ層の間にＡｕ−Ｓｎ製のプリフォーム８８を挿んで接合し、密封されている。
【００５８】
放熱板８３の酸化銅の長手方向は図の上下方向に配向させるのが好ましい。
【００５９】
【発明の効果】
本発明によれば、高熱伝導性を有するＣｕ相と低熱膨張性を有するＣｕ２Ｏ  相からなる複合組織を有しており、塑性加工によって伸ばされたＣｕ２Ｏ  相の方向性を要求する熱膨張係数及び熱伝導率の目的に合わせて制御可能であるため、半導体装置用放熱板として顕著な効果が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１に係る試料Ｎｏ．１のミクロ組織を示す光学顕微鏡写真。
【図２】本発明の実施例１に係る試料Ｎｏ．１のミクロ組織を示す光学顕微鏡写真。
【図３】本発明の実施例２に係る試料Ｎｏ．４のミクロ組織を示す光学顕微鏡写真。
【図４】本発明の実施例３に係る試料Ｎｏ．５のミクロ組織を示す光学顕微鏡写真。
【図５】本発明の実施例５に係るＩＧＢＴモジュールの平面図。
【図６】本発明の実施例５に係るＩＧＢＴモジュールの断面図。
【図７】本発明の実施例５に係るＩＧＢＴモジュールの製造工程の模式図。
【図８】本発明の実施例５に係るＩＧＢＴモジュールの各製造工程でのベース反り量。
【図９】本発明の実施例５に係るＩＧＢＴモジュールを実装した電力変換装置の平面図及び断面図。
【図１０】本発明の実施例５に係るＩＧＢＴモジュールを実装した電力変換装置のモジュールの実装前における反り量。
【図１１】本発明の実施例５に係るＩＧＢＴモジュールを実装した電力変換装置のモジュールの実装後における反り量。
【図１２】本発明の実施例６に係る放熱板内蔵型プラスチックパッケージの断面図。
【図１３】本発明の実施例６に係る放熱板露出型プラスチックパッケージの断面図。
【図１４】本発明の実施例７に係るセラミックパッケージの断面図。
【図１５】本発明の実施例７に係る放熱フィン付きセラミックパッケージの断面図。
【図１６】本発明の実施例８に係る半導体装置の断面図。
【図１７】本発明の実施例８に係る半導体装置の断面図。
【図１８】本発明の実施例９に係るＭＣＭの断面図。
【符号の説明】
２１…ＩＧＢＴ素子、２２…ダイオード、２３…コレクタ電極、２４…ゲート電極、２５…エミッタ電極、２６…ＡｌＮ製絶縁板、２７，３３，４２，５３，６７，７０…放熱板、３１，５７…リードフレーム、３２…絶縁性ポリイミドテープ、３４，４１，５１，６５，８１…ＩＣ、３５，８２…Ａｕワイヤー、３６…モールド樹脂、４３，８５…パッケージ、４４…ピン、４５…Ａｌワイヤ、４６…ウエルドリング、４７，８７…リッド、４８…放熱フィン、５２，６８…熱伝導性樹脂、５４…Ａｕバンプ、５５…ＴＡＢ、５６，８４…薄膜配線、５８…Ｓｉゴム、５９…セラミック基板、６０…フレーム、６１…シーリングガラス、６６…Ａｕ−Ｓｉ合金、６９…銅接地板、７１…Ａｕバンプ、７２…ＴＡＢ、７３…樹脂、７４…エポキシ系Ａｇペースト、８３…放熱基板、８６…外部端子、８８…プリフォーム、１０１…ＩＧＢＴ素子、１０２…ダイオード素子、１０３…ＡｌＮ基板、１０４…エミッタ配線、１０５…コレクタ配線、１０６，５０５…ゲート配線、１０７…金属ワイヤ、１０８…抵抗素子、１０９…底面金属基板、１１０…エミッタ端子接続位置、１１１…エミッタセンス端子接続位置、１１２…コレクタ端子接続位置、１１３…ゲート端子接続位置、２０１，２０５，２０９…半田、２０２…半導体素子側銅箔、２０３…ベース側銅箔、２０４…ＡｌＮ板、２０６…端子、２０７…ケース、２０８…ケースブロック、２１０…シリコンゴム系接着剤、２１１…ケース蓋、２１２…シリコンゲル、２１３…熱硬化型エポキシ樹脂、３０１…半導体素子からベース材まで接続した複合体、５０１…パワー半導体装置、５０２…コレクタ側配線、５０３…中間点配線、５０４…エミッタ側配線、５０６…エミッタ補助配線、５０７…コレクタ補助配線、５０８…負荷（モーター）、５０９…電源、５１０…放熱性グリース、５１１…ヒートシンク、５１２…モジュール締め付けボルト。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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