(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
a) Moからなる板状の芯基材を厚さ方向に貫通するように、Cuからなる挿入体を導入して本体を作製し、
b) 前記本体の表面及び裏面にそれぞれCuからなる板状の熱伝導部材を配置して積層体を作製し、
c) 前記積層体をCuの融点未満に加熱及び加圧することにより、前記芯基材と前記挿入体の界面、及び前記芯基材と前記熱伝導部材の界面においてCuを局所的に溶融させて複合合金化する
ことにより、室温から300℃の温度範囲における線膨張係数の最大値が8.0ppm/K以下であり、300℃における熱伝導率が表面に平行な方向において150W/m・K以上かつ厚さ方向において200W/m・K以上であり、電気伝導率が60IACS%以上である放熱基板を製造する
ことを特徴とする放熱基板の製造方法。
【請求項２】
a) Moからなる板状の芯基材を厚さ方向に貫通するように、Cuからなる挿入体を導入して本体を作製し、
b) 前記本体の表面及び裏面にそれぞれCuからなる板状の熱伝導部材を配置して積層体を作製し、
c) 前記積層体をCuの融点以上に加熱及び加圧することにより複合合金化する
ことにより、室温から300℃の温度範囲における線膨張係数の最大値が8.0ppm/K以下であり、300℃における熱伝導率が表面に平行な方向において150W/m・K以上かつ厚さ方向において200W/m・K以上であり、電気伝導率が60IACS%以上である放熱基板を製造する
ことを特徴とする放熱基板の製造方法。
【請求項３】
a) Moからなる板状の芯基材と、該芯基材を厚さ方向に貫通するように導入された、Cuからなる貫通部とを有する本体と、
b) 前記本体の表裏面に形成された、Cuからなる熱伝導層と、
c) 前記芯基材と前記貫通部の界面に形成された第１溶融部と、
d) 前記芯基材と前記熱伝導層の界面に形成された第２溶融部と、
を有し、
室温から300℃の温度範囲における線膨張係数の最大値が8.0ppm/K以下であり、300℃における熱伝導率が表面に平行な方向において150W/m・K以上かつ厚さ方向において200W/m・K以上であり、電気伝導率が60IACS%以上であることを特徴とする放熱基板。
【請求項４】
請求項３に記載の放熱基板を備えることを特徴とする半導体パッケージ。
【請求項５】
請求項３に記載の放熱基板を備えることを特徴とする半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体デバイスの動作時に発生する熱を放出するために用いられる放熱基板とその製造方法に関する。特に、電極としても好適に用いることができる放熱基板に関する。また、そのような放熱基板を備えた半導体パッケージ及び半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスは、パワー半導体、電波通信・光通信用半導体、レーザ、LED、センサー等、様々な分野で広く用いられている。
【０００３】
半導体デバイスを搭載した半導体モジュールは、高度な情報処理やエネルギー変換を行う高度な精密機器であり、様々な材料で構成されている。また、半導体デバイスの動作により生じる熱を半導体モジュールの外部に放出するために放熱基板が用いられる。
【０００４】
適切なコストで半導体モジュールの高性能化を実施するために、該モジュールに実装する半導体デバイスの材料はSiからGaNやSiCに移行しつつある。また、従来、半導体デバイスの動作温度は最高125℃程度であったが、現在では175℃〜225℃で動作させることが多くなっており、将来的には300℃で動作させることが想定されている。そのため、300℃で動作する半導体デバイスに対応可能な放熱基板が求められている。また、新型の半導体モジュールに対応するためには新たな特性も必要になってきている。
【０００５】
Si、GaN、あるいはSiCの線膨張係数や熱伝導率といった基本的な物理的特性は広く知られているが、それらに配線加工され表面に金属層が形成された半導体デバイスとしての物理的特性には不明な点が多い。配線加工や金属層が形成されることにより線膨張係数が材料本来のものよりも大きくなっていると想定される。また、熱伝導率に関しては材料本来の値よりも低く、また温度が上がるとさらに低下する。Si、GaN、及びSiCに限らず、他の材料においても温度が上がると同様の傾向がある。
【０００６】
こうした状況を踏まえ、半導体モジュール、半導体パッケージ、放熱基板等のメーカーでは、半導体モジュール、半導体パッケージ、放熱基板の作製や実験、シミュレーションなどを繰り返し、設計のノウハウを蓄積して製品の改良や新製品の開発を行っている。
【０００７】
放熱基板には、温度と線膨張係数の異なる半導体デバイスと冷却器（Cu板、Al板、Alフィン、ラジエータ等の冷却器、あるいはそれらの組み合わせ）が上下に取り付けられる。半導体モジュールの動作中には、半導体デバイスや冷却器の取り付け位置で生じる熱応力でのひずみの整合を放熱基板の線膨張係数で取ることが求められる。さらに、半導体デバイスで生じた熱を冷却器に効率よく放出するために、高い熱伝導率を有することも求められる。一般に、線膨張係数及び熱伝導率は温度によって異なり、室温（RT）から半導体デバイスの最高動作温度までの全温度範囲で上記の要件を満たすことが求められる。
【０００８】
（線膨張係数）
従来、放熱基板の材料は、パッケージの製造の容易さや熱伝導率の高さを勘案して選択されてきた。例えば、CuとMoを交互に5〜12層積層した多層Cu/Mo/Cuからなり全体としてCuを80〜87wt%含有する放熱基板は、熱伝導率が300W/m・Kと高く、また、パッケージの製造工程で達しうる最高温度（約800℃）における線膨張係数が小さくパッケージの製造工程で取付部材が変形や剥離したりするといった問題がないため良好なパッケージの製作が可能である。しかし、この放熱基板は、室温から半導体デバイスの最高動作温度の範囲内での線膨張係数が12ppm/Kと大きく、ヒートサイクルテストを行うと半導体デバイスが放熱基板から剥離してしまうことが判明した。そのため、最近では、パッケージの製造が容易であり熱伝導率が高いだけでなく、半導体デバイスの動作温度での線膨張係数が小さい放熱基板の検討が進められている。
【０００９】
現在、広く用いられている放熱基板では、室温から800℃の温度範囲での最大線膨張係数が10ppm/K以下である。線膨張係数は1Kあたりの膨張率であり、半導体デバイスの最高動作温度が300℃と高くなると、温度上昇分だけ膨張量が大きくなる。この点を考慮すると、300℃で動作する半導体デバイスに対応するためには放熱基板の線膨張係数が8.0ppm/K以下であることが求められる。
【００１０】
（熱伝導率）
各種材料からなる放熱基板の熱伝導率は、Cuの熱伝導率の値である400W/m・K、あるいはその半分の値である200W/m・K以上であることを指標として特性が評価されることが多い。XY面内（表面に平行な面内）とZ軸方向（厚さ方向）の両方の熱伝導率がこの指標を満たすことが望ましいが、300℃で動作する高性能半導体モジュールでは特にZ軸方向の熱伝導率が重要であり、その値が200W/m・K以上であることが望まれる。
【００１１】
放熱基板の材料の候補の１つにAlSiCがあり、その熱伝導率は室温で200W/m・Kである。しかし、300℃では90W/m・Kにまで低下してしまう。また、熱伝導率が高いCuとダイヤモンドの複合材料も候補として考えられてきたが、Cuとダイヤモンドはほとんど反応しない。このため半導体モジュールに実装してヒートサイクルテストを行うと界面が剥離し、室温でも熱伝導率が1/2〜1/3に低下してしまう。
【００１２】
現在、熱伝導率を高めるために、CuWやCuMoからなる、様々な構造の放熱基板が開発されている。例えば、放熱基板内部にCuとWあるいはCuとMoを均一に分散させたものは均一分散構造と称されるが、CuMoではCuとMoの濡れ性が悪くボイドがあるため圧延してボイドをなくしたものを均一分散型の放熱基板としている。また、Cu/CuMo/CuやCo/Mo/Cuのような積層クラッド型の放熱基板も開発されている。積層クラッド型では線膨張係数が小さくXY面内の熱伝導率が高い放熱基板が得られているが、Z軸方向の熱伝導率が低いという問題がある。
【００１３】
現在、用いられている半導体モジュールでは、半導体デバイスで発生する熱を放熱基板から冷却器（Cu板、Al板、Alフィン、ラジエータ等の冷却器、あるいはそれらの組み合わせ）に伝えることにより最終的に放出している。放熱基板の一方の表面から伝わる熱を他方の面に配置された冷却器側に伝達する必要がある。設計上の制約から半導体モジュールの大きさは制限される。そのため放熱基板も熱容量を優先して大きくすることはできない。こうしたことからXY面内での熱伝導率よりもZ軸方向の熱伝導率の重要性が高まっているが、実用化されている放熱基板ではまだ十分に考慮されているとは言えない。
【００１４】
現在、用いられている半導体デバイスの最高動作温度は175〜225℃の範囲内であり、実用化されている均一分散型や積層クラッド型のCuMo放熱基板では、全体もしくはXY面内での熱伝導率が200W/m・K以上のものが実用化されている。しかし、Z軸方向の熱伝導率については明確な値がほとんど示されていない。
【００１５】
一般に、放熱基板の熱伝導率は温度上昇に伴って低下する。そのため、300℃で動作する半導体デバイスに対応する放熱基板では、300℃におけるZ軸方向の熱伝導率が200W/m・K以上であり、かつ、過去の知見からXY面内の熱伝導率も150W/m・K以上であることが好ましい。
【００１６】
（電気伝導率）
ところで、半導体モジュールの一態様であるパワー半導体モジュールでは、放熱基板上に載置された半導体デバイスにCuやAlのリード線が接続される。パワー半導体モジュールにおいても小型化が進められており、リード線では通電容量を確保することが困難になっている。そこで、放熱基板と電極の機能を一体化した電極放熱基板の開発が進められているが、現状では十分な電気伝導率が得られておらず実用化には至っていない。また、過去にリード線にCuMoを用いることが検討されたが、複雑な波形の大電流が流れる通電経路に炉の発熱体に使用されるMoが含まれると通電が不安定になり、更に欠陥によって断線しやすいという問題がある。そのため、半導体モジュールのメーカーからは電極内の主要な通電経路（メイン電路）にはWやMoを使用しない事が望まれている。更に、電極放熱基板は放熱基板と電極の両方の特性を併せ持つ必要がある。
【００１７】
電気部品や半導体部品の形状は、その用途や構成によって都度異なる。そこで、これら部品やその材料の電気伝導率を統一的に評価する国際基準としてIACS(International Annealed Copper Standard)が用いられている。これは焼鈍標準軟銅(体積抵抗率: 1.7241×10-2 μΩm)の電気伝導率を100%IACSとして規定したものであり、例えばAlは59%IACSである。300℃で動作する半導体モジュールの設計では300℃における焼鈍標準軟銅の電気伝導率を100%IACSとした値が用いられる。
【００１８】
（放熱基板と半導体デバイスの接合）
高性能半導体モジュールでは、放熱基板への半導体デバイスの接合には主にハンダが用いられてきた。しかし、必ずしも熱伝導率（20〜70W/m・K）や電気伝導率が高くなく、また耐熱温度も400℃前後であり、半導体デバイスの動作温度として想定されている300℃に近い。これに変わるものとしてナノAg（熱伝導率200W/m・K以上）接合の実用化が進められている。300℃で動作する半導体デバイスに対応した半導体モジュールにもナノAgの使用が望まれている。ナノAgによる接合では、放熱基板と半導体デバイスをナノAgで温度300℃、圧力2.5MPaで焼結接合すると、その後はAgの融点である960℃まで溶けない耐熱性があるが、バインダーの抜け跡による強度不足が起こる。そのため、これを半導体デバイスに悪影響のない温度420℃、圧力5.0MPaで2次焼結することにより強度不足を解決し実用化が進められている。
【００１９】
（従来技術）
ここで、CuMoやCuWからなる放熱基板において、線膨張係数を小さくしつつ熱伝導率を高くするべくなされた従来技術を説明する。
【００２０】
特許文献１には、Mo又はWからなる多孔質焼結体にCuを含浸させることにより製造された、溶浸後の焼結体の密度比が100%である均一分散型のCuMo放熱基板及びCuW放熱基板が提案されている。
【００２１】
特許文献２には、2〜6μmのMo粉末から作製したスケルトンにCuを含浸させ、これを圧延することにより製造された、均一分散型の放熱基板が提案されている。20〜60wt%CuのCuMoを冷間又は温間にて圧延する製造方法が提案されている。Cuの含有比が40wt%であるCuMo放熱基板について、室温から800℃における最大線膨張係数が8.0ppm/Kであり、200℃における熱伝導率が200W/m・Kであることが報告されている。
【００２２】
特許文献３は本発明者による発明であり、特許文献２と同様にMoの含有比が大きい放熱基板であって、粒径の大きいMoを用いて溶浸法もしくは焼結法で作製したCuMoの複合材を緻密化後に固相焼結したあと、クロス圧延することにより製造した、均一分散型の放熱基板を提案している。室温から800℃における最大線膨張係数が10ppm/K以下で、200℃における熱伝導率が250W/m・K以上の放熱基板を製造できることを報告している。
【００２３】
特許文献４には、Cu/Mo/Cu/Mo/Cu・・・・/Cuのように積層され放熱基板全体でのCu含有比が80〜87wt%である多層クラッド型の放熱基板が提案されている。
【００２４】
特許文献５には、Mo圧粉体の空隙にCuを含浸させ圧延したCuMo複合体の表面にCu層を形成することにより、Cu/Mo/Cu放熱基板よりも優れた熱伝導率を有し、30〜800℃における最大線膨張係数が8.3ppm/K以下である積層クラッド型の放熱基板を製造することが提案されている。
【００２５】
特許文献６には、積層クラッド型のCu/Mo/Cu放熱基板やCu/W/Cu放熱基板をホットプレス（HP：Hot Press）法で製造することにより、圧延工程により製造するよりも放熱基板内部の線膨張係数等の均一性を高めることが提案されている。
【００２６】
特許文献７には、WやMoといった低線膨張係数の材料からなる板状部材に貫通孔を形成し、その空間にCuを溶浸させて製造した放熱基板が提案されており、そのXY面内の線膨張係数が8.5ppm/K、Z軸方向の熱伝導率が260W/m・Kであることが報告されている。以下、このように、線膨張係数が小さい板状部材を厚さ方向に貫通するように熱伝導率の高い材料を導入した構造を垂直型の放熱基板と呼ぶ。
【００２７】
特許文献８には、圧縮成形用型内に、Cuからなる複数の棒状部材を配置し、その隙間にWあるいはMoの粉末を充填したあと、Cuの融点未満の温度で焼結体を製造し、これを棒状部材の長手方向と垂直にスライスすることにより製造された、垂直型構造の放熱基板が提案されている。これにより、例えば線膨張係数が9.2ppm/Kであり熱伝導率が265W/m・Kの放熱基板が得られることが報告されている。
【００２８】
特許文献９には、低熱膨張材であるインバー合金の厚さ方向に貫通するスリット孔を多数形成したスリット多孔板を用い、その上下にCu等の高熱伝導材を配置したあと、冷間または温間のクラッド圧延することによりこれらを接合して製造された、垂直型構造の表裏面に高熱伝導層を有する構造の放熱基板が記載されている。以下、このような構造を有するものをハイブリッド型の放熱基板と呼ぶ。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２９】
【特許文献１】特開平６−１３４９４号公報
【特許文献２】特開平１１−３０７７０１号公報
【特許文献３】特許第５８１８０４５号明細書
【特許文献４】特開２０１０−５６１４８号公報
【特許文献５】特開２００１−３５８２６６号公報
【特許文献６】特開平６−２６８１１５号公報
【特許文献７】特開２００３−１７６３７号公報
【特許文献８】特開２０１０−６２３１０号公報
【特許文献９】特開２０１１−３８００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３０】
上述のように、従来、種々の材料や構成からなる放熱基板が提案されており、また線膨張係数や熱伝導率の値が示されているが、線膨張係数についてはどのような温度範囲での値であるかが明示されていないものが多い。また、熱伝導率についても、XY面内あるいはZ軸方向のいずれにおける値であるかや測定温度が不明なものも多い。さらに、電気伝導率についてはほとんど触れられていない。特に、後述する今回の発明と比較するための300℃での熱伝導率や電気伝導率の値がほとんど記載されていない。
【００３１】
そこで、本発明者は、実用化されている均一分散型のCuMo放熱基板、積層クラッド型のCu/CuMo/Cu放熱基板及びCu/Mo/Cu放熱基板を入手してそれらの特性を測定した。また、放熱基板の構造による特性の違いを確認するため、Cu含有率を50vol%に統一した垂直型及びハイブリッド型の放熱基板を、上記の特許文献等を参考にそれぞれ作製し、それらの特性を測定した。測定した特性は、室温から800℃の温度範囲における最大線膨張係数、XY面内（表面に平行な面内）及びZ軸（厚さ）方向の熱伝導率、並びに電気伝導率である。また、各試料の放熱基板でパッケージを製作し、300℃で1000時間放置して破損や割れが生じていないことを確認する、パッケージとしての評価を行った。さらに、各試料の放熱基板でモジュールを製作し通電したまま300℃で5分維持し、次に-40℃で5分維持するというサイクルを100回繰り返して破損が生じないことを確認する、モジュールとしての評価を行った。それらの結果を、放熱基板用の材料として広く用いられている金属であるCu、Ag、Mo、及びWの特性と共に表１に示す。
【００３２】
【表１】
0006041117.tif 000002
【００３３】
試料１〜４はCu、Al、Mo、及びWの板材である。試料５〜７はそれぞれ、実際に使用されている均一分散型のCuMo放熱基板、積層クラッド型のCu/CuMo/Cu放熱基板、及びCu/Mo/Cu放熱基板である。
【００３４】
試料８は特許文献７に記載の方法を参照して作製した垂直型のCuMo放熱基板、試料９は特許文献８に記載の方法を参照して作製した垂直型構造のCuMo放熱基板、試料１０は特許文献９に記載の方法を参照して作製したハイブリッド型の放熱基板である。具体的には、Mo板に形成した貫通穴（以下、「ビア」とも呼ぶ。）にCuの円柱部材を挿入し、さらにその上下にCu板を置き、HP装置によりCuの融点未満の温度で加熱加圧し複合体を製作した後、さらにCuの融点以下で圧延してCu含有量を50vol%としたハイブリッド型のCuMo放熱基板を作製した。
【００３５】
表１に示す結果、特にCu含有比を50vol%に揃えた試料８〜１０の測定結果から以下の傾向が確認された。均一分散型では線膨張係数が小さく熱伝導率は等方的である。積層クラッド型では線膨張係数が均一分散型よりも小さく、熱伝導率はXY面内で高くZ軸方向で低い。また、垂直型では、線膨張係数が積層クラッド型よりも小さい。熱伝導率に関しては、積層クラッド型と逆にXY面内で低くZ軸方向で高い。ハイブリッド型では、線膨張係数が積層クラッド型と垂直型の中間程度であり、熱伝導率の異方性は積層クラッド型や垂直型よりも小さい。
【００３６】
本発明者は当初、積層クラッド型と垂直型では熱伝導率の異方性に違いはあっても値そのものに大きな差はないと考えていたが、上記測定結果を見ると、積層クラッド型に比べ、垂直型の熱伝導率はXY面内及びZ軸方向のいずれにおいても低い。また、ハイブリッド型の放熱基板ではXY面内及びZ軸方向のいずれにおいても熱伝導率が高くなることが期待されたが、実際にはXY面内で198W/m・K、Z軸方向で179W/m・Kと低かった。
【００３７】
このように垂直型やハイブリッド型で所期の熱伝導率の値が得られない要因を特定するため、本発明者は作製した垂直型及びハイブリッド型の放熱基板の内部を調査した。すると、Mo板状部材に形成した貫通孔にCuを溶浸させる方法を用いて作製した垂直型の放熱基板（試料８）では、MoとCuの界面や溶けたCu内部にボイドが多く、また表層でも溶浸残りのCuに大量のボイドがあり、除去が必要である。これは、CuとMoの濡れ性が悪いこととCuの溶融時にCu内部からガスが放出されたことが原因であると考えられる。このようなボイドが熱伝導を妨げるために所期の熱伝導率が得られなかったものと考えられる。
【００３８】
また、容器内に複数のCu棒状部材を立設してその周囲にMo粉末を充填し、これをCuの融点未満の温度で圧縮成形することにより得た垂直型の放熱基板（試料９）でもCuとMoの界面の密着性が悪く、それにより熱伝導が妨げられていると考えられる。また、この方法ではMo粉末の焼結温度以下で加熱圧縮成形しているためMo粉末の間にも空隙ができ、これによっても熱伝導が妨げられていると考えられる。さらに、300℃で動作する半導体デバイスの放熱基板として用いると、Mo部分の空隙に酸素が入り込み、動作時の熱で未焼結の部分のMoが酸化して熱伝導率や電気伝導率が低下する可能性もある。
【００３９】
特許文献９に記載の方法で作製したハイブリッド型の放熱基板（試料１０）でも上記同様の問題があると考えられる。
【００４０】
本発明が解決しようとする課題は、表面に平行な面内及びその面に垂直な方向のいずれにおいても高い熱伝導率を有するハイブリッド型の放熱基板であって、構成部材の内部や接合部にボイドや空隙がなく熱伝導率等について所期の特性が得られる放熱基板、及びその製造方法を提供することである。また、そのような放熱基板を備えた半導体パッケージ及び半導体モジュールを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００４１】
本発明者は、上記課題を解決し、放熱基板としての特性だけでなく電極としての特性も併せ持つ、積層構造と垂直構造を組み合わせたハイブリッド型の放熱基板を製造する方法を見出した。
【００４２】
その一つは、局所溶融接合法を用いた製造方法である。
本発明者は、線膨張係数の小さいMoからなる板状部材（芯基材）の厚さ方向に貫通穴（ビア）を設けてMoよりも熱伝導率の高いCuの円柱部材を挿入し、さらにCu板状部材を芯基材の表面及び裏面に配置した積層体を作製し、それをカーボンの治具にセットしてSPS（SPS：Spark Plasma Sintering）装置であるシンテックス株式会社製の放電プラズマ焼結装置(SPS-1050)に取り付けて通電及び加圧すると、Cuの融点以下で各構成部材の界面にプラズマが発生してCuが局所的に溶融し、放熱基板の内部で移動することを見出した。この放熱基板の内部や接合部にはボイドや空隙がなく、後述の実施例で説明するように線膨張係数が小さく、また熱伝導率及び電気伝導率が高いという特性が得られた。これにより、各構成部材の接合部等においてCuを局所的に溶融し加圧することでCuとMoの濡れ性を高め、これらを良好に接合できることが分かった。また、Cuを局所的に溶融するだけでなく、さらに加圧して複合合金化することにより、MoとCuの界面に存在する空隙やCu内部の気泡を確実が放出され、ボイドや空隙の内放熱基板が得られたものと考えられる。
【００４３】
別の一つの方法は、全体溶融接合法を用いた製造方法である。
本発明者は、上記同様に作製した積層体をMo枠部材とともに配置し、それをカーボンの治具にセットしHP装置に取り付けてCuの融点以上に加熱及び加圧して各構成部材を接合させた。この方法ではCuを全溶融させることにより芯基材のビアや表裏面を流動させた。この放熱基板の内部や接合部にもボイドや空隙がなく、後述の実施例で説明するように線膨張係数が小さく、また熱伝導率と電気伝導率が高いという特性が得られた。これにより、各構成部材の接合部等においてCuを全溶融し加圧することでもCuとMoの濡れ性を高め、これらを良好に接合できることが分かった。また、Cuを溶融するだけでなく、さらに加圧して複合合金化することにより、溶融したCu内部の気泡を確実が放出され、ボイドや空隙の内放熱基板が得られたものと考えられる。
【００４４】
即ち、上記課題を解決するためになされた本発明に係る放熱基板の製造方法の第１の態様は、
a) Moからなる板状の芯基材を厚さ方向に貫通するように、Cuからなる挿入体を導入して本体を作製し、
b) 前記本体の表面及び裏面にそれぞれCuからなる板状の熱伝導部材を配置して積層体を作製し、
c) 前記積層体をCuの融点未満に加熱及び加圧することにより、前記芯基材と前記挿入体の界面、及び前記芯基材と前記熱伝導部材の界面においてCuを局所的に溶融させて複合合金化する
ことにより、室温から300℃の温度範囲における線膨張係数の最大値が8.0ppm/K以下であり、300℃における熱伝導率が表面に平行な方向において150W/m・K以上かつ厚さ方向において200W/m・K以上であり、電気伝導率が60IACS%以上である放熱基板を製造する
ことを特徴とする。
【００４５】
また、上記課題を解決するためになされた本発明に係る放熱基板の製造方法の第２の態様は、
a) Moからなる板状の芯基材を厚さ方向に貫通するように、Cuからなる挿入体を導入して本体を作製し、
b) 前記本体の表面及び裏面にそれぞれCuからなる板状の熱伝導部材を配置して積層体を作製し、
c) 前記積層体をCuの融点以上に加熱及び加圧することにより複合合金化する
ことにより、室温から300℃の温度範囲における線膨張係数の最大値が8.0ppm/K以下であり、300℃における熱伝導率が表面に平行な方向において150W/m・K以上かつ厚さ方向において200W/m・K以上であり、電気伝導率が60IACS%以上である放熱基板を製造する
ことを特徴とする。
【００４６】
さらに、上記課題を解決するためになされた本発明に係る放熱基板は、
a) Moからなる板状の芯基材と、該芯基材を厚さ方向に貫通するように導入された、Cuからなる貫通部とを有する本体と、
b) 前記本体の表裏面に形成された、Cuからなる熱伝導層と、
c) 前記芯基材と前記貫通部の界面に形成された第１溶融部と、
d) 前記芯基材と前記熱伝導層の界面に形成された第２溶融部と、
を有し、
室温から300℃の温度範囲における線膨張係数の最大値が8.0ppm/K以下であり、300℃における熱伝導率が表面に平行な方向において150W/m・K以上かつ厚さ方向において200W/m・K以上であり、電気伝導率が60IACS%以上であることを特徴とする。
【００４７】
ここでは、Moからなる芯基材、Cuの円柱部材、及びCuの熱伝導部材を用いたものに特化して記載したが、これは典型的な組み合わせの１つに過ぎない。即ち、線膨張係数が小さい第１金属からなる芯基材と、該第１金属よりも熱伝導率が高い第２金属からなる挿入体、及び第１金属よりも熱伝導率が高い第３金属からなる熱伝導部材を組み合わせることができる。また、各構成部材の表面にメッキ処理等を施したものを用いることもできる。
【００４８】
さらに、本発明に係る半導体パッケージと半導体モジュールは、それぞれ前記放熱基板を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００４９】
本発明に係る放熱基板の製造方法では、MoとCuの界面においてCuを局所的に溶融させつつ、あるいは全溶融させつつ加圧する。これにより、構成部材の内部や接合部に空隙やボイドがなく、各構成材料に応じた所期の特性を有する放熱基板を得ることができる。また、本発明に係る放熱基板は電極として好適に用いることができる。さらに、そのような放熱基板を備えた半導体パッケージと半導体モジュールが得られる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明に係る放熱基板の一実施例の構造を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００５１】
本発明に係る放熱基板の製造方法の一実施形態は、
a) 第１の金属を芯材とする板状の芯基材を厚さ方向に貫通するように、前記第１の金属よりも熱伝導率が大きい第２の金属を芯材とする挿入体を導入して本体を作製し、
b) 前記本体の表面及び裏面にそれぞれ、前記第１の金属よりも熱伝導率が大きい第３の金属を芯材とする板状の熱伝導部材を配置して積層体を作製し、
c) 前記積層体を前記第１の金属、前記第２の金属、及び前記第３の金属の融点未満の温度で放電プラズマ焼結する
工程を有する。
【００５２】
なお、ここでいう、「第１の金属を芯材とする板状の芯基材」は、第１の金属のみからなる板状部材、及び第１の金属からなる板状部材の表面にメッキ等の処理を施したもののいずれであってもよい。「第２の金属を芯材とする」、及び「第３の金属を芯材とする」という記載も同様である。
【００５３】
また、本発明に係る放熱基板の製造方法の別の実施形態は、
a) 第１の金属を芯材とする板状の芯基材を厚さ方向に貫通するように、前記第１の金属よりも熱伝導率が大きい第２の金属を芯材とする挿入体を導入して本体を作製し、
b) 前記本体の表面及び裏面にそれぞれ、前記第１の金属よりも熱伝導率が大きい第３の金属を芯材とする板状の熱伝導部材を配置して積層体を作製し、
c) 前記積層体を、前記第１の金属の融点未満であり前記第２の金属及び前記第３の金属の融点以上の温度に加熱して加圧する
工程を有する。
【００５４】
さらに、本発明に係る放熱基板の一実施形態は、
a) 第１の金属を芯材とする板状の芯基材と、該芯基材を厚さ方向に貫通するように導入された、前記第１の金属よりも熱伝導率が大きい第２の金属を芯材とする貫通部とを有する本体と、
b) 前記本体の表裏面に形成された、前記第１の金属よりも熱伝導率が大きい第３の金属を芯材とする熱伝導層と、
c) 前記芯基材と前記貫通部の界面に形成された第１溶融部と、
d) 前記芯基材と前記熱伝導層の界面に形成された第２溶融部と
を有する。
【００５５】
以下、本発明に係る放熱基板及びその製造方法の実施例について詳しく説明する。
【００５６】
本発明に係る放熱基板及びその製造方法では、ハイブリッド型の放熱基板の構造要件を満たし目標の特性を有する限りにおいて、第１、第２、及び第３金属の含有比率にはこだわらない。第１、第２、及び第３金属の複合合金化については局所溶融接合法と局所溶融接合法を示し、それぞれの一例としてSPS法とHP法を例示したが、これらと同様の原理に基づく別の方法により、同様の特性を有する放熱基板を製造してもよい。以下に本発明に係る放熱基板、及び放熱基板の製造方法の実施例について、図１を参照して説明する。
【００５７】
（第１金属の芯基材１１）
第１金属からなる芯基材１１の役割は、該芯基材に形成されるビアに導入される第２の金属を拘束してその熱膨張を抑制すること、及び芯基材１１の表裏面に設けられる第３の金属からなる熱伝導層１３の熱膨張を抑制することである。第２及び第３の金属の熱膨張を抑制するという観点から、第１の金属は剛性が高い金属（単一種の金属あるいは合金）であることが好ましい。また、放熱基板の線膨張係数を小さく抑えるという観点から線膨張係数が8.0ppm/K以下であることが好ましい。これらの要件を満たす材料としては、後述の実施例で使用するMoのほか、W、CuMo合金、CuW合金などが挙げられる。また、Cr、SUS、コバール、インバー、ダイヤモンド複合体、AlSiC複合体を用いることもできる。さらに、これらを組み合わせたものであってもよく、これらに所望の特性を付与するための添加物を含んだ材料であってもよい。その他、WやMoの粉末を使用してスケルトンを作製し、全体溶融接合法を用いて該スケルトンにCuを含浸させて形成したCuWやCuMoを芯基材とすることもできる。
【００５８】
（第２金属の柱状部材１２）
本発明に係る放熱基板における第２金属からなる柱状部材１２（例えば円柱部材）の役割は、放熱基板の一方の表面（半導体デバイスが搭載される側）に形成される熱伝導層１３からの熱を他方の表面（金属フィン等の冷却器が設けられる側）に形成された熱伝導層１３に効率よく伝達することである。この観点から、第２の金属の熱伝導率は350W/m・K以上であることが好ましい。また、放熱基板を電極としても使用する場合（以下、この場合の放熱基板を「電極放熱基板」とも呼ぶ。）には、第２の金属の電気伝導率が60%IACS以上である（Alの電気伝導率よりも高い）ことが好ましい。これらの要件を満たす材料として、後述の実施例で使用するCuのほか、Agや、それらの合金を用いることができる。また、第２金属の柱状部材１２は円柱部材に限らず、ビアに挿入することができ、製造後の放熱基板が必要な特性を有するような金属からなるものであれば、粉末やチップ、あるいはメッキ等により形成されるものであってもよい。更に外部から溶けた金属を挿入することにより形成してもよい。なお、第２金属は放熱基板のZ軸方向の熱伝導率に大きく影響するため、熱伝導率が低いWやMoを含まないことが好ましい。電極放熱基板として用いた場合の発熱を避けるという観点でもWやMoを含まないことが好ましい。
【００５９】
（第３金属の熱伝導層１３）
本発明に係る放熱基板において表面及び裏面に形成される第３金属からなる熱伝導層１３の役割は、半導体デバイスからの熱を効率よくXY面内（表面に平行な面内）に拡散すること、あるいは上記第２金属から伝達された熱を第２金属のXY面内（表面に平行な面内）に拡散することである。第３の金属の熱伝導率は350W/m・K以上であることが好ましい。また、電極放熱基板の場合には、第３の金属の電気伝導率が60%IACS以上である（Alの電気伝導率よりも高い）ことが好ましい。これらの要件を満たす材料としては、後述の実施例で使用するCuのほか、Agや、それらの合金を用いることができる。また、XY面内の熱拡散効率を高くするため、熱伝導層は100μmm以上の厚さで形成されていることが好ましいが、求められる特性に応じて適宜に変更可能である。さらに、芯基材１１の表面と裏面に形成する熱伝導層１３の厚さを同一にすることにより反りを低減することができ、逆に異なる厚さにすることにより特定の方向に反らせることもできる。また、第３金属は、製造後の放熱基板が必要な特性を有するような金属からなるものであれば、粉末やチップ、あるいは溶射、蒸着、メッキ等により形成されるものであってもよい。更に外部から溶けた金属を挿入し、カーボン治具やMo枠で厚みをコントロールして形成して製作してもよい。なお、第３金属は放熱基板のXY面内の熱伝導率に大きく影響するため、熱伝導率が低いWやMoを含まないことが好ましい。電極放熱基板として用いた場合の発熱を避けるという観点でもWやMoを含まないことが好ましい。
【００６０】
次に、本発明に係る放熱基板の製造方法の一実施例における各工程について説明する。
【００６１】
（第１金属のビア加工）
まず、第１の金属からなる芯基材１１に貫通孔（ビア）を形成する。ビアの加工は適宜の方法（レーザ加工、エッチング、ドリル加工、放電加工（WEDM）、パンチング等）により行うことができる。また、ビアの大きさ、形状、及び数は、放熱基板全体及び／又は本体に占めるCuの割合を考慮して適宜に決めることができる。例えば、１辺10.0mm角の正方形からなる面積100mm2の面積あたり、直径2.8mmのビアを5個形成することにより、第２の金属を30vol%で含む本体（ビアに第２の金属を導入した芯基材）を作製することができる。本実施例では全体に均一にビアを設けているが、搭載される半導体デバイスが特定の位置で発熱する場合には、発熱位置に対応する場所に多くの（あるいは大きな）ビアを形成するようにしてもよい。なお、ビアの断面形状は典型的には円柱状であるが、これに限定されず、多角柱状や、厚さ方向の中央に向かって徐々に狭くなる鼓（つづみ）状など、種々の形状とすることができる。例えば、芯基材の上下からエッチング、ドリル、レーザ等で加工する際に、表面及び裏面にテーパ状の孔が形成されると、自然に鼓状のビアが形成される。また、隣接するビアの離間間隔が小さい場合や製品が小さい場合には、隣接するビアの表面側及び裏面側端部を繋げておくことで、第２からなる柱状部材と第３金属からなる熱伝導層を一体的に形成することができる。また、ビアの配置はいずれも一例であり、第２の金属の含有比に応じて適宜に変更される。また、芯基材に網状のものやスリット材を使用して第２金属を導入するビアを形成してもよい。
【００６２】
（積層体の作製）
本実施例では、ビアを形成した芯基材に、該ビアよりもわずかに径が小さい、第２の金属からなる円柱部材を挿入する。そして、芯基材の表面及び裏面に第３の金属からなる板状部材を配置することにより積層体を作製した。
【００６３】
（局所溶融接合法又は全体溶融接合法による積層体の複合合金化）
本実施例では、ハイブリッド型の放熱基板を製作する方法には主なもとしては局所溶融接合法と全体溶融接合法の２通りを示す。なお、ここでいう局所、全体とは、第２の金属及び第３の金属の局所あるいは全体を指すものであって、芯基材を構成する第１の金属を溶融させるわけではない。本願明細書に記載の局所溶融接合法あるいは全体溶融接合法の原理を利用してハイブリッド型の放熱基板を製造する限りにおいて、本実施例に記載した具体例以外の方法を採ることもできる。
【００６４】
局所溶融接合法、全体溶融接合法のいずれにおいても第１、第２、及び第３金属からなる積層体を複合合金化する。
局所溶融接合法では、積層体の上下をカーボン治具で挟んで放電プラズマ焼結装置(シンテックス株式会社製、SPS-1050)に取り付けて通電し、機械的に圧力を加えつつ第１及び第２並びに第３の金属の融点未満の温度に加熱し接合を行った。放熱基板の大きさにもよるが、例えば第１の金属がMo、第２及び第３の金属がCuである場合には、温度800〜1000℃、2.5MPa以上の圧力で5分程度の処理を行えばよい。SPS法では、加熱及び加圧状態でパルス電圧を印加することにより、被処理物（ハイブリッド型の積層体）の内部に存在する空隙に局所的にプラズマを発生させ、該空隙の近傍に存在する材料を局所的に溶融させる。また、溶融した金属が圧力で移動し欠陥部が消失する。このように2段加圧することで内部構造が安定し、積層体内部の空隙をなくすことができる。これにより、ハイブリッド型の放熱基板が得られる。また、応用として第１金属にメッキ処理を施して局所的に溶融させ界面を接合することも考えられる。また、SPS装置で融点以上に加熱しても特に問題はない。
【００６５】
一方、全体溶融接合法では、例えばHP法により積層体を複合合金化する。この場合には、第２及び第３の金属の融点以上に加熱しつつ加圧する。これにより芯基材のビア内部に第２の金属をいきわたらせて空隙をなくし、またビアの内壁面の第１の金属と第２の金属を溶融体で接合する。例えば、第１の金属がMo、第２及び第３の金属がCuである場合には、Cuの融点以上1400℃以下の温度で1.0MPa以上に加圧した状態を10分以上保持することによって複合合金化することができる。なお、カーボン治具や外周枠を工夫して余分なCuとガスを外部に放出することにより、接合部や第１及び第２金属の内部からより確実にボイドを消失させることができる。枠の材質はMoに限らずSUS等でもよい。他の全体溶融接合法として、溶融した第２及び第３の金属をカーボン治具内に注入するようにしても良い。全体溶融接合法としては、HP法のほかに、SPS装置、加熱炉、加圧溶浸鍛造機、あるいはガス加圧機等の熱間等方圧加圧（HIP：Hot Isostatic Pressing）装置を用いる方法等、適宜の方法を用いることもできる。高性能半導体モジュールや高性能LED用の電極放熱基板等では、全体溶融接合法の枠をそのまま用いて経済的にハイブリッド型の放熱基板を製造することもできる。
【００６６】
LED等において用いられる半導体モジュールは小さく、その製造時に放熱基板に様々な構成部品を取り付ける加工の難度は高い。そのため、加工コストが高くなりやすい。LED用の半導体モジュールに搭載される放熱基板は、例えば縦3.0mm×横3.0mm×高さ1.0mmという大きさである。そこで、半導体モジュールの構成を予め考慮し、上記全体溶融接合法において使用する枠部材をそのまま半導体モジュールの構成部材として使用できるように該枠部材を設計することにより、経済的かつ効率よく半導体モジュールを製造することが可能になる。
【００６７】
（メッキ処理）
上記のように積層体を複合合金化することにより得た放熱基板の表面にNi系のメッキ処理を施す。Ni系のメッキ処理とは、NiあるいはNi合金によるメッキ処理をいう。これにより、後にパッケージの製造や半導体デバイスを取り付ける際に行われる蝋付けやハンダ付けでボイド等の欠陥が生じる可能性を低減することができる。また、蝋付けやハンダ付けにより放熱基板が侵食されるのを防止することもできる。
【００６８】
次に、上記のようにして作製された放熱基板の特性やその評価方法を説明する。
【００６９】
（半導体パッケージ）
一般的に、半導体モジュールでは放熱基板にセラミックや他の部材を蝋付けして製作される。このためパッケージの製造工程では室温（RT）〜800℃の温度範囲における最大線膨張係数が8.0ppm/K以下であることが求められる。また、半導体デバイスの動作温度として想定される300℃において1000時間保持しても破損や損傷等の不具合が生じないことも求められる。他にプラスチックパッケージや金属パッケージ等があるがセラミックパッケージの評価を合格すれば問題ないとの知見がある。
【００７０】
（半導体モジュール）
本発明の半導体モジュールの用途はメモリ、IC、LSI、通信用、パワー半導体、センサー、LEDなど多種多様であり、将来的にはさらに広がることが想定されている。特にパワー半導体モジュールでは、電極放熱基板を半導体デバイスの上下もしくは一方に接合して用いると効率的に半導体デバイスを冷却することができ、また通電断面積を大きくして大きな通電容量を確保することができる。電極を水平に配置する垂直型のLED用の電極放熱基板等として使用することにより高性能化を図ることもできる。
【００７１】
（線膨張係数）
放熱基板の特性を評価する項目の１つは線膨張係数の値である。各実施例の放熱基板からWEDMにより縦20mm×横10mm×厚さ1.5mmの試料を切り出し、線膨張係数測定装置（セイコーインスツル株式会社製）を用いてRT〜800℃の範囲の最大の値の線膨張係数を測定した。試料の縦方向（X方向）と横方向（Y方向）でそれぞれ線膨張係数を測定し、それらのうちの大きい方の値が8.0ppm/K以下であるか否かにより良否を判定した。
【００７２】
（熱伝導率）
放熱基板の特性を評価する項目の別の１つは熱伝導率であり、より詳しくはXY面内（基板表面に平行な面内）での熱伝導率とZ軸方向（厚さ方向）の熱伝導率である。各実施例の放熱基板から直径10mm×厚さ1.5mmの試料を切り出し、レーザーフラッシュ法の熱伝導率測定装置（アドバンス理工社製  FTC-RT）を用いて真空、300℃においてZ軸方向の熱伝導率を3回測定した。そして、測定結果の平均値が200W/m・K以上であるか否かにより良否を判定した。XY面内の熱伝導率の評価は、各実施例の放熱基板をそのまま（縦25mm×横25mm×厚さ1.5mm）使用し、レーザーフラッシュ法の熱伝導率測定装置（アドバンス理工社製  TC-7000）を用いて真空、300℃においてXY面内の熱伝導率を3回測定した。そして、測定結果の平均値がZ軸方向で200W/m・K以上、XY面内で150 W/m・K以上であるか否かにより良否を判定した。
【００７３】
（電気伝導率）
評価項目のさらに別の１つは電気伝導率である。各実施例の放熱基板からWEDMにより直径10mm×厚さ1.5mmの試料を切り出し、その上下面に電流・電圧端子を溶接する四端子法の電気伝導率測定装置（(株)ナプソン社製  RT70V）を用いて大気圧、300℃における電気抵抗値を3回測定した。そして、測定結果の平均値が60%IACS以上であるか否か（即ちAlの電気伝導率よりも高いか否か）により良否を判定した。なお、一般的な電気伝導度の測定方法として、渦電流をシグマテスタで測定する方法も知られているが、本実施例の放熱基板のように内部が複数の異なる構造体である場合の測定方法としては適さないと判断し、今回は四端子法を用いた。
【００７４】
（パッケージ製造評価）
パッケージ製造評価は放熱基板のみのより電極放熱基板の評価の方が厳しい。そこで、今回は電極放熱基板のパッケージとして製造評価を実施した。各実施例の放熱基板（縦25mm×横25mm×厚さ1.5mmの試料）に2μのNi-Bメッキ行い。それに上下に金属層があるセラミック枠とその上に蝋材（AgCu：融点780℃）を挟んで電極端子を同時にカーボン治具にセットし、窒素水素の雰囲気において800℃で蝋付けして評価用のパッケージを作製した。そして、パッケージとしての信頼性を確認するために300℃で1000時間放置し、構成部材の剥離や割れがないかを確認した。
【００７５】
（モジュール評価のヒートサイクル試験）
さらに、半導体モジュールに搭載することを想定し、ヒートサイクル試験を行った。上述のパッケージ製造評価で用いたものと同じパッケージの放熱基板に1μm厚さのAgメッキ処理を施し、その上に、縦10mm×横10mmの大きさで300℃における線膨張係数が5.6ppm/Kであり上下面に1μm厚さのAgメッキ処理を施したヒータチップをナノAgペーストの二次焼結方式で接合するとともに、その上面にリード線を付けてパッケージの電極端子に配線して評価用の半導体モジュールを作製した。こうして作製した評価用の半導体モジュールの底面（ヒータチップの接合面と反対側の面）に100mmｘ100mmｘ5mmの冷却板をナノAgペーストの二次焼結方式で接合して取り付け、さらに樹脂シートを取り付けて絶縁した。これをヒートサイクル試験評価装置に取り付け、ヒータチップと放熱基板の間に30Aの電流を流したまま、ヒータの温度を300℃に加熱して5分保持し、続いて-40℃まで冷却して5分保持するという加熱冷却サイクルを100サイクル繰り返してヒータと放熱基板の間の電圧をモニタリングした。そして、100サイクルの間にヒータチップと放熱基板の接合面電圧値に異常な変動が生じないかを調べ、超音波探傷機で剥離や剥離があった場合には不合格とした。
【実施例】
【００７６】
以下、上述の製造方法により作製した実施例Ａ〜Ｅと比較例Ａ及びＢの放熱基板の作製条件と特性の評価結果を説明する。表２はその一覧である。
【００７７】
【表２】
0006041117.tif 000003
【００７８】
（実施例Ａ〜Ｃ、比較例Ｘ）
実施例ＡではMoからなる縦25mm×横25mm×厚さ1.0mmのMo板状部材（第１金属の芯基材）にパンチングを行って、半径1.42mmのビアを10mm四方あたり5個形成した。そして、形成した各ビアに半径1.4mm×長さ1.05mmのCu円柱部材（第２金属の柱状部材）を挿入した。その上下に縦25mm×横25mm×高さ0.3mmのCu板状部材（第３金属の板状部材）を置き積層体を作製した。そして、この積層体をカーボン治具によりSPS装置にセットし、真空、温度950℃、圧力10MPa（約100kgf/cm2）で1分間保持して加熱加圧した。さらに、その後、50MPa（約500kgf/cm2）に加圧した。こうして作製した複合合金体の表面を研磨して厚みを1.5mmとし、Cuの含有比が50vol%である放熱基板を作製した。
【００７９】
実施例Ｂ及びＣと比較例Ｘは、それぞれビアの大きさもしくは数を変更することによりCuの含有比を60vol%、70vol%、80vol%とした点以外は実施例Ａと同じである。
【００８０】
（実施例Ｅ）
実施例Ｇでは、Moからなる縦30mm×横30mm×厚さ1.0mmのMo板状部材（第１金属の芯基材）にレーザ加工を行って、半径1.42mmのビアを10mm四方あたり5個形成した。そして、形成した各ビアに半径1.4mm×長さ1.05mmのCu円柱部材（第２金属の柱状部材）を挿入した。その上下に、外周が縦30mm×横30mmであり内周が縦25mm×横25mmであって高さが0.25mmである、Mo枠部材（第３金属の厚さ調整用の枠部材）を配置し、該枠部材の内部に縦25mm×横25mm×高さ0.3mmのCu板状部材（第３金属の板状部材）を挿入した積層体を作製した。そして、この積層体をカーボン治具によりHP装置にセットし、真空、温度1300℃、50MPa（約500kgf/cm2）に加圧することによりCuを全溶融させつつ余剰のCuとガスを外部に放出させ複合合金化した。そして、作製した複合合金体の表面を研磨して厚み1.5mmとし、WEDMにより縦25mm×横25mm×厚さ1.5mmの大きさで切り出すことによりCuの含有比が50vol%である放熱基板を作製した。
【００８１】
（比較例Ｙと実施例Ｄ）
比較例Ｙと実施例Ｄは、それぞれビアの大きさもしくは数を変更することにより、あるいは芯基材の上下のCu厚みを変更することによりCuの含有比を30vol%、40vol%、とした点以外は実施例Ｅと同じである。
【００８２】
実施例Ａ〜Ｅでは最大線膨張係数（基準値：8.0ppm/K以下）、及び熱伝導率（基準値：Z軸方向で200W/m・K以上、XY面内出150 W/m・K以上）について基準値よりも優れた特性が確認された。一方、比較例Ｘでは線膨張係数が8.5ppm/K、比較例ＹではXY面内の熱伝導率が145W/m・Kであった。電気伝導率については実施例Ａ〜Ｅと比較例Ｘ及びＹの全てがAlの電気伝導率（59IACS%）を超える電気伝導率を有しており、いずれも電極放熱基板として使用できることが確認できた。さらに、パッケージ評価についても問題ないことが確認できた。一方、モジュール評価については、実施例Ａ〜Ｅでは問題がなかったものの比較例Ｘ及びＹではヒータチップと放熱基板の接合面間の電圧の異常変化（急激な上昇）が見られ超音波探傷で調べたところ剥離がみられた。
【００８３】
上記実施例Ａ〜Ｅの放熱基板は、将来的に想定されている300℃で動作する半導体デバイス用の放熱基板として求められる特性の要件（室温〜300℃の温度範囲における線膨張係数が8.0ppm/K以下、かつ熱伝導率がZ軸で200W/m・K以上、XY面内で150W/m・K以上、を満たすことが確認された。これは、本実施例の製造方法を用いることにより放熱基板内部に空隙やボイドの発生が防止され、材料本来の特性を有する放熱基板が得られたことを意味する。
【００８４】
また、メイン電路にWやMoを含まず電気伝導率が60%IACS以上であるという要件を満たした電極放熱基板を得ることが出来た。電流は、まずは抵抗の低い経路を流れ、その経路における通電量が許容量を超えると他の経路にも流れ出す。本実施例の放熱基板では主に電流が流れる電路（メイン電路）を構成する第２金属と第３金属がCuである。これは、半導体モジュールメーカが求める、WやMoをメイン電路に含まないという要件を満たす構成であり、高い電気伝導率を有し、安定的に通電することができる。
【００８５】
半導体モジュールの用途はメモリ、IC、LSI、通信用、パワー半導体、センサー、LEDなど多種多様であり、将来的にはさらに広がることが想定されているが、本発明に係るハイブリッド構造の放熱基板はこれらのいずれの用途の半導体モジュールにも好適に用いることができる。特にパワー半導体モジュールでは。小型化が進められるにつれリード線での通電容量の確保が難しくなっているが、本発明に係る電極放熱基板を半導体デバイスの上下もしくは一方に面接合して用いると、効率的に半導体デバイスを冷却することができるだけでなく、通電断面積を大きくして大きな通電容量を確保することができる。さらに、従来用いられてきた絶縁基板に代えて、安価で薄い樹脂製の絶縁シートを用いることも可能になる。
【００８６】
上記実施例は一例であって、本発明の趣旨に沿って適宜に変更することができる。
【符号の説明】
【００８７】
１１…芯基材（第１の金属）
１２…柱状部材（第２の金属）
１３…熱伝導層（第３の金属）
【要約】
【課題】XY面内及びZ方向で高い熱伝導率と電気伝導度を有しボイド等がなく所期の特性が得られる放熱基板とその製造方法を提供する。
【解決手段】Mo芯基材１１を貫通するように、Cu挿入体１２を導入して本体を作製し、その表裏面にCu熱伝導部材１３を配置して積層体を作製し、Cuの融点未満に加熱及び加圧してCuを局所的に溶融させて複合合金化する。これにより室温から300℃の温度範囲での線膨張係数が8.0ppm/K以下であり、300℃での熱伝導率が表面に平行な方向において150W/m・K以上かつ厚さ方向において200W/m・K以上であり、電気伝導率が60IACS%以上である放熱基板が得られる。この放熱基板は電極放熱基板として好適に用いることができる。また、こうした放熱基板を備えた半導体パッケージと半導体モジュールが得られる。
【選択図】図１【図１】
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