(57)【要約】【課題】  ＣｕとＣｕ２Ｏとで構成される銅系複合材料板状体が有する優れた放熱効果を最大限引き出すことを目的とする。【解決手段】  ＣｕとＣｕ２Ｏを組成とする銅系複合材料のＣｕ２Ｏの体積率を小とする第１の面１ａと、前記体積率を大とする第２の面１ｂを有するようにする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣｕとＣｕ２Ｏを組成とする銅系複合材料のＣｕ２Ｏの体積率を小とする第１の面と、前記体積率を大とする第２の面を有することを特徴とする銅系複合材料板状体。
【請求項２】
前記第１の面を、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＢＮ等のセラミックの基板に皮膜させたことを特徴とする請求項１に記載の銅系複合材料板状体。
【請求項３】
前記第１の面を、銅又は銅合金の基板に皮膜させたことを特徴とする請求項１に記載の銅系複合材料板状体。
【請求項４】
前記第１の面の前記体積率を０ｖｏｌ％とし、前記第２の面の前記体積率を５０ｖｏｌ％としたことを特徴とする請求項１に記載の銅系複合材料板状体。
【請求項５】
前記基板が平板体、異形断面板体又は管状体あることを特徴とする請求項２〜３のいずれか１項に記載の銅系複合材料板状体。
【請求項６】
Ｃｕ粉末とＣｕ２Ｏ粉末の混合物を準備するステップと、前記混合物の混合比を０〜５０ｖｏｌ％に連続的又は段階的に変化させて供給するステップと、前記混合比の混合物を基板にプラズマ・ガンで溶射させて基板面に溶射膜を形成させるステップを含むことを特徴とする銅系複合材料板状体の製造方法。
【請求項７】
前記基板は、平板状または異形断面板状の銅又は銅合金であって、プラズマ・ガンとの水平相対位置を可変自在とすることを特徴とする請求項６記載の銅系複合材料板状体の製造方法。
【請求項８】
前記基板は、管状の銅又は銅合金であって、プラズマ・ガンとの距離を一定に維持させながら、前記基板または前記プラズマ・ガンのいずれか一方を回転移動又は回動移動させるようにしたことを特徴とする請求項６記載の銅系複合材料板状体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体チップ等の発熱体の放熱板として利用可能な銅系複合材料板状体及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のＩＧＢＴやパワーＭＯＳ等の半導体装置等の発熱体の放熱板として、例えば、Ｃｕ板の表面にＣｕ粉末とＣｕ２Ｏ粉末の混合粉末を溶射して形成した応力緩和層を設けた銅系放熱板が提案されている（特許文献１参照）。
【０００３】
この銅系放熱板は、半導体素子の下面にセラミック絶縁基板を介して配置されており、セラミック絶縁基板側に位置する応力緩和層はＣｕの高熱伝導性とＣｕ２Ｏの低熱膨張性により、熱応力を緩和しながら半導体素子から受ける熱をＣｕ板に伝えて放熱特性の向上を図っている。
【特許文献１】特開２００４−８３９６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、この銅系放熱板によれば、膜厚方向にＣｕとＣｕ２Ｏの組成比が一定であるため、Ｃｕの組成比を大にして熱伝導率を大にすると熱膨張率も大となり、Ｃｕの組成比を小にして熱伝導率を小にすると、熱膨張率も小となって、高熱伝導率と低熱膨張率の特性を生かすことができない。このため、半導体チップの発熱量が高くなればなるほど要求される熱伝導率と熱膨張率のバランスを考慮して、いずれか一方を多少犠牲にしながらＣｕとＣｕ２Ｏの体積比を設計しなければならないという問題が生じる。
【０００５】
従って、本発明は、熱伝導率と熱膨張率のいずれの特性を犠牲にすることなく、発熱量の小さなものから大きいパワー半導体素子を備える半導体チップに至るまで対応し得る高熱伝導性と低熱膨張性を兼備することによって、高熱伝導、放熱に伴う放熱板自体の熱応力によるそり等の変形やチップとの接合界面の剥離を生じない放熱板として利用可能な銅系複合材料板状体及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記の目的を達成するためになされたものであり、ＣｕとＣｕ２Ｏを組成とする銅系複合材料のＣｕ２Ｏの体積率を小とする第１の面と、前記体積率を大とする第２の面を有することを特徴とし、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＢＮ等のセラミックの基板に溶射させて皮膜形成させたことを特徴とする。ここで基板とは、本発明に係る銅系複合材料板状体を製造する際の被溶射ベースとして、溶射させた銅系複合材料板状体を剥離させることを目的とするもの又は銅系複合材料板状体と一体接合し銅系複合材料板状体の一部となるものをいう。ここでの基板は前者を目的とするもので、銅系複合材料板状体を容易に剥離でき、薄膜厚の部材とすることができるから安価である。この結果、Ｃｕの体積率が大きい側である第１の面（半導体チップに対しては放熱側となる面。）の膜厚を薄くできるから、発熱量の比較的小さい半導体チップの放熱板としてそのまま利用することができる。
【０００７】
前記第１の面を、銅又は銅合金の基板に接合させたことを特徴とする。ここでの基板は前記の後者を目的とするもので、Ｃｕの体積率が大きい側である第１の面にさらに銅等が一体接合し、実質的にＣｕの膜厚が大きくなるから熱伝導性を一層高めることができ、発熱量の大きな半導体チップの放熱板として利用することができる。
【０００８】
前記第１の面の前記体積率を０ｖｏｌ％とし、前記第２の面の前記体積率を５０ｖｏｌ％としたことを特徴とする。第１の面では高熱伝導性を、この第２の面（半導体チップに対しては半導体チップとの接合面となって半導体チップからの発熱を受ける受熱側となる面。）では低熱膨張性を有する銅系複合材料板状体を得ることができる。
【０００９】
前記基板が平板体、異形断面板体または管体であることを特徴とする。これにより種々形状の銅系複合材料板状体とすることができる。
【００１０】
本発明の銅系複合材料板状体の製造方法は、Ｃｕ粉末とＣｕ２Ｏ粉末の混合物を準備するステップと、前記混合物の混合比を０〜５０ｖｏｌ％に連続的又は段階的に変化させて供給するステップと、前記混合比の混合物を基板にプラズマ・ガンで溶射させて基板面に溶射膜を形成させるステップを含むことを特徴とする。いわゆる傾斜組織化を焼結法、粉末圧延法、鋳造法等の従来技術で達成しようとすると、技術的にもコスト的にも非常に困難であることを解消し、簡易な装置でありながらＣｕ粉末とＣｕ２Ｏ粉末を容易に溶融またはそれに近い状態に吹き付けて皮膜を形成させるためにはプラズマ溶射が最適である。また、混合比を連続的又は段階的に変化させていわゆる傾斜組成化させることにより、第２の面から第１の面に向かう熱量を膜厚内に滞留させることなく円滑に第１の面から放出させる。
【００１１】
前記基板は、平板状または異形断面板状の銅又は銅合金であって、プラズマ・ガンとの水平相対位置を可変自在とすることを特徴とする。基板が大面積であっても、均一に溶射した銅系複合材料板状体を製造することができる。
【００１２】
また、前記基板は、管状の銅又は銅合金であって、プラズマ・ガンとの距離を一定に維持させながら、前記基板または前記プラズマ・ガンのいずれか一方を回転移動又は回動移動させるようにしたことを特徴とする。基板が管体であっても、その周面に均一溶射した銅系複合材料板状体をできる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明による銅系複合材料板状体によれば、成膜形成された表裏の表層にはチップの発熱量の大小にかかわらず界面剥離等の生じない第２の面と、その受熱を円滑かつ確実に放出する第１の面を兼備させているから、熱伝導率と熱膨張率のバランスを考慮するまでもなく、発熱量の小さいチップから発熱量の大きなチップに至るまで広範囲の放熱板として利用できる。
【００１４】
また、本発明による銅系複合材料板状体の製造方法によれば、容易に第１の面から第２の面に至るいわゆる傾斜組織化した成膜形成ができるため、チップに対し反り等の変形や界面剥離の生じない一体接合を可能とし、さらに種々形状のチップ表面に均一の皮膜形成を行うこともできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明による銅系複合材料板状体及びその製造方法の実施をするための最良の形態について図１〜４を参照しながら説明する。図１は、基板２に本発明に係る銅系複合材料板状体１を溶射した断面概念図である。
１ａは銅系複合材料板状体１の第１の面、１ｂは第２の面である。もとより第１の面１ａと第２の面１ｂとの間の膜厚部分は前記のいわゆる傾斜組織化されている。
基板２は銅および銅合金である。銅および銅合金を基板２とすることによって、成膜した銅系複合材料板状体１の第１の面１ａ側と基板２が一体接合される。従って、放熱効果を一層大きくすることができ、発熱量の大きいチップの放熱板として利用可能になる。
【００１６】
基板２はこれに限定されるものではなくＡｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＢＮ等のセラミックであってもよい。かかる場合には、成膜した銅系複合材料板状体１は基板２から容易に剥離させることができるから、比較的発熱量の小さいチップの放熱板としてそのまま利用することができる。
【００１７】
本発明の銅系複合材料板状体１は、Ｃｕに対するＣｕ２Ｏの体積比率を基板２側では０〜５ｖｏｌ％とし、溶射皮膜表面側では３０〜６０ｖｏｌ％となるように連続的または段階的に傾斜状に変化させている。これは溶射皮膜表面側でＣｕ２Ｏの体積比が３０ｖｏｌ％未満の場合には室温〜３００℃での熱膨張率が高くなり、パワー半導体素子の放熱板として使用する際に、ヒート・サイクルにおいて界面での割れや剥離が生ずる可能性が生じる。
一方、溶射皮膜表面側でＣｕ２Ｏの体積比が６０ｖｏｌ％を超える場合には、Ｃｕで構成される熱伝導のパスが急激に低下し、熱伝導率が急激に低下するからである。
【００１８】
図２は、本発明による銅系複合材料板状体１における膜厚方向の距離とＣｕ２Ｏの体積比率との関係図であって、同図（ａ）は連続的にＣｕ２Ｏの体積率を変化させた場合、同図（ｂ）は段階的にＣｕ２Ｏの体積率を変化させた場合を示す。
【００１９】
図３は、本発明による銅系複合材料板状体１の製造に用いる直流プラズマ溶射装置１０の概要図である。主要構成部は、溶射チェンバー１１、プラズマ・ガス１２、Ｃｕ粉末２０とＣｕ２Ｏ粉末２１を収納するパウダー・フィーダー１３、直流プラズマ・ガン１４、その先端に装備してプラズマ・ジェット１５を溶射させるプラズマ・ノズル１４ａ、ワークである基板２を載置固定する基板ホルダー１６、基板ホルダー１６を支持するための支軸１７とからなる。支軸１７は、同図に示すように左右方向に自在に水平移動ができるとともに、軸を中心として回転させることもできる。これによって固定されたプラズマ・ノズル１４ａに対し水平相対位置を連続的に変化させることができるから、溶射皮膜の均一化な大面積の銅系複合材料板状体１の成膜形成を可能とする。
【００２０】
特に基板２が管体であってその外周面に溶射して銅系複合材料板状体１の成膜形成を行う場合には、図４に示すよう、基板２を軸線周りに回転させながら直流プラズマ・ガン１４から溶融素材の液滴を基板２の外周面に吹き付けつつ、直流プラズマ・ガン１４を基板２に対して軸線方向に相対移動させてやるようにすればよい。
逆に、直流プラズマ・ガン１４を基板２の外周面に一定の間隔を存して回動させつつ、軸線方向に相対移動させてやるようにしてもよい。
もとよりこれら動作はすべて予め設定されたプログラミングによって自動制御されるようになっている。
【００２１】
使用するプラズマ発生源は、アーク放電（直流プラズマ）でも高周波（高周波プラズマ）でもよい。気圧は大気圧下でも減圧下でもよい。プラズマ・ガス１２はＡｒを基本とし、直流プラズマでは微量のＨ２を、高周波プラズマでは微量のＯ２若しくはＨ２を加えて酸化雰囲気、還元雰囲気と使い分けて、溶射皮膜のＣｕとＣｕ２Ｏの体積比を制御しても良いようになっている。Ｃｕ粉末２０とＣｕ２Ｏ粉末２１は、不純物は総量で１００ｐｐｍ以下であることが望ましい。粒径は１０μｍ〜１００μｍが望ましい。Ｃｕ粉末２０およびＣｕ２Ｏ粉末２１はパウダー・フィーダー１３で連続的または段階的に混合比を変えながらプラズマ中に供給されるが、プラズマ中に別々に供給しても構わない。プラズマの出力は、１０ｋｗ〜６０ｋｗ程度とする。出力が１０ｋｗ以下の場合、粉末が充分に溶融せず、多孔質の溶射皮膜になるとともに、歩留まりも低下する。また、出力が６０ｋｗを超えると、粉末が蒸発し、プラズマを著しく不安定にするとともに、歩留まりも低下する。
【００２２】
基板２のプラズマ・ノズル１４ａに対する鉛直方向の相対位置（すなわち鉛直方向の間隔）は、基板ホルダー１６のプラズマ・ノズル１４ａに対する鉛直方向の相対位置とも関連するものであるが、プラズマの方式、出力、気圧等の設定条件によって最適な位置決めを行う。そのために、支軸１７が昇降自在となるように制御される機構を装備することもできる。
【００２３】
溶射膜の気孔率、組織、ＣｕとＣｕ２Ｏの体積比、粉体重量に対する溶射膜の歩留まり等は、上記のパラメータで決まり、それらを制御することにより目的とする銅系複合材料板状体１を得る。
【００２４】
次に本発明に係る銅系複合材料板状体１の製造について説明する。
【実施例１】
【００２５】
図３に示す直流プラズマ溶射装置１０を用い、面積１００ｍｍ×１００ｍｍ、厚さ３ｍｍの無酸素銅平板基板上に、Ｃｕ粉末２０とＣｕ２Ｏ２１粉末の混合粉末を溶射した。粉末は、Ｃｕ粉末２０とＣｕ２Ｏ粉末２１の混合比を調節可能なパウダー・フィーダー１３で混合させ、直流プラズマ・ガン１４内部に供給した。平均粒径はそれぞれ３０μｍ、５０μｍとした。溶射は大気圧化で実施し、プラズマ・ガス２はＡｒとした。プラズマ・ガン１４の出力は２０ｋｗとした。平板状の基板２は、直流プラズマ・ノズル１４ａから１５０ｍｍの位置に置き、支軸１７を回転させるとともに、水平方向に移動させ、溶射皮膜の均一化を図った。粉末供給開始時にはＣｕ粉末２０のみを供給し、水平方向移動の１シフト終了毎にＣｕ２Ｏ粉末２１の混合比を上げていった。
【００２６】
得られた複合材の溶射皮膜厚さは２ｍｍであり、表面におけるＣｕ２Ｏの体積率は５０ｖｏｌ％であった。電子線マクロアナライザ（ＥＰＭＡ）による断面組織観察の結果、クラックは無く、気孔もほとんど観察されなかった。無酸素銅基板との界面での密着も良好であった。また、溶射皮膜はＣｕ２Ｏ粒子がラメラ状に分散した異方性のある組織であった。膜厚方向へのＸ線ライン分析の結果、Ｏ濃度が段階的に増加していることが確認された。Ｘ線解析装置（ＸＲＤ）による解析の結果、ＣｕのピークとＣｕ２Ｏのピークのみが検出された。厚さ方向への熱伝導率を室温で測定した結果、２９０（Ｗ／ｍ・Ｋ）であった。
【００２７】
このようにして得られた本発明による複合材を２０ｍｍ×２０ｍｍに切り出し、溶射皮膜面に熱膨張率３．０×１０−６／℃の同サイズのＳｉウェハを接合させた。更に、２００℃〜４００℃の温度に加熱し、室温に冷却するヒート・サイクル試験を実施した。試験後の界面の観察を行った結果、いずれの温度において１０サイクル後も本複合材との界面には全く剥離は見られなかった。
【００２８】
（比較例１）
ボール・ミルにて平均粒径３０μｍのＣｕ粉末と平均粒径５０μｍのＣｕ２Ｏ粉末を混合させ、ＣＩＰにて直径１００ｍｍ、長さ３００ｍｍに成形後、焼結し、Ｃｕ２Ｏの体積率５０ｖｏｌ％の複合材を得た。電子線マクロアナライザ（ＥＰＭＡ）による断面組織観察の結果、等方性の組織を有することを確認した。熱伝導率を室温にて測定した結果、１５０（Ｗ／ｍ・Ｋ）であった。
【００２９】
このようにして得られた焼結体から厚さ５ｍｍ、面積２０ｍｍ×２０ｍｍのサンプルを切り出し、実施例１と同様に熱膨張率３．０×１０−６／℃の同サイズのＳｉウェハを接合させた。更に、２００℃〜４００℃の温度に加熱し、室温に冷却するヒート・サイクル試験を実施した。試験後の界面の観察を行った結果、いずれの温度において１０サイクル後も界面には全く剥離は見られなかった。
【００３０】
（比較例２）
ボール・ミルにて平均粒径３０μｍのＣｕ粉末と、平均粒径５０μｍのＣｕ２Ｏ粉末を混合させ、ＣＩＰにて直径１００ｍｍ、長さ３００ｍｍに成形後、焼結し、Ｃｕ２Ｏの体積率２０ｖｏｌ％の複合材を得た。電子線マクロアナライザ（ＥＰＭＡ）による断面組織観察の結果、等方性の組織を有することを確認した。熱伝導率を室温にて測定した結果、２９０（Ｗ／ｍ・Ｋ）であった。
【００３１】
このようにして得られた焼結体から厚さ５ｍｍ、面積２０ｍｍ×２０ｍｍのサンプルを切り出し、実施例１と同様に熱膨張率３．０×１０−６／℃の同サイズのＳｉウェハを接合させた。更に、２００℃〜４００℃の温度に加熱し、室温に冷却するヒート・サイクル試験を実施した。その結果、４００℃においては１サイクルで界面で剥離が見られ、３００℃においては１０サイクル後の界面の観察を行った結果、部分的に小さな剥離があることが確認された。
【００３２】
以上、本発明によれば、表１に示すように、より高い熱伝導率を維持しながら、放熱板として利用する際の、パワー半導体素子等との熱応力に起因する剥離等を防ぐことが可能となることがわかる。
【００３３】
【表１】
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【実施例２】
【００３４】
図３に示す直流プラズマ溶射装置１０を用い、内径６ｍｍ、外径８ｍｍの無酸素銅パイプ基板に、Ｃｕ粉末２０とＣｕ２Ｏ粉末２１の混合粉末を溶射した。粉末は、Ｃｕ粉末２０とＣｕ２Ｏ粉末２１の混合比を調節可能なパウダー・フィーダー１３で混合させ、直流プラズマ・ガン１４内部に供給した。平均粒径はそれぞれ３０μｍ、５０μｍとした。溶射は大気圧化で実施し、プラズマ・ガン１４の出力は２０ｋｗとした。無酸素銅パイプ基板は、直流プラズマ・ガン１４出口から１５０ｍｍの位置に置き、支軸を１７を回転させるとともに、水平方向に移動させ、溶射皮膜の均一化を図った。粉末供給開始時にはＣｕ粉末のみを供給し、水平方向移動の１シフト終了毎にＣｕ２Ｏ粉末２１の混合比を上げていった。
【００３５】
得られた複合材の溶射皮膜厚さは２ｍｍであり、表面におけるＣｕ２Ｏの体積率は６０ｖｏｌ％であった。電子線マクロアナライザ（ＥＰＭＡ）による断面組織観察の結果、クラックは無く、気孔もほとんど観察されなかった。無酸素銅基板との界面での密着も良好であった。また、溶射皮膜はＣｕ２Ｏ粒子がラメラ状に分散した異方性のある組織であった。膜厚方向へのＸ線ライン分析の結果、Ｏ濃度が段階的に増加していることが確認された。ＸＲＤによる解析の結果、ＣｕのピークとＣｕ２Ｏのピークのみが検出された。
【００３６】
本発明による銅系複合材料板状体１は、第２の面１ｂ側では低い熱膨張性を満たすようにＣｕ２Ｏの体積比率を高くし、第１の面１ａ側では高い熱伝導性を満たすようにＣｕの体積比率を高くするように傾斜機能化させたものであるから、例えばＳｉウェハとの接合においては、第２の面１ｂに発熱体ともなるＳｉウェハを接合させることになる。
また、上記説明では主として基板２である銅若しくは銅合金を平板としたが、この平板の背面に放熱用フィンを設けたり、ヒート・パイプと組み合わせる等の使用方法や応用システムが別途考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明による銅系複合材料板状体の断面図である。
【図２】銅系銅系複合材料板状体における膜厚方向の距離とＣｕ２Ｏの体積比率との関係図であって、（ａ）は、連続的にＣｕ２Ｏ体積比率を変化させた場合を示す。（ｂ）は、段階的にＣｕ２Ｏ体積比率を変化させた場合を示す。
【図３】本発明による銅系複合材料板状体の製造装置の概要図である。
【図４】被溶射基板が管体の場合の銅系複合材料板状体の製造方法である。
【符号の説明】
【００３８】
１      銅系複合材料板状体
１ａ    第１の面
１ｂ    第２の面
２      基板
１０    直流プラズマ溶射装置
１１    溶射チェンバー
１２    プラズマ・ガス
１３    パウダー・フィーダー
１４    直流プラズマ・ガン
１４ａ  プラズマ・ノズル
１５    プラズマ・ジェット
１６    基板ホルダー
１７    支軸
２０    Ｃｕ粉末
２１    Ｃｕ２Ｏ粉末
【図１】
2006015666.tif 000004
【図２】
2006015666.tif 000005
【図３】
2006015666.tif 000006
【図４】
2006015666.tif 000007