(57)【要約】【課題】DBA基板やDBC基板などのセラミック基板の代替として有用であり、例えばパワー半導体から発生する熱を効率よく放熱することができる放熱基板部品を提供する。【解決手段】有機樹脂を含有する電気絶縁層の少なくとも片面に、Cuマトリックスと30質量％超え80質量％以下のCrを含有するCr−Cu合金層を配置する。【選択図】図１
2011082350.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機樹脂を含有する電気絶縁層の少なくとも片面に、Cuマトリックスと30質量％超え80質量％以下のCrを含有するCr−Cu合金層を有することを特徴とする電子機器用放熱基板部品。
【請求項２】
有機樹脂を含有する電気絶縁層の片面のみに、Cu層を介して、Cuマトリックスと30質量％超え80質量％以下のCrを含有するCr−Cu合金層を有することを特徴とする電子機器用放熱基板部品。
【請求項３】
有機樹脂を含有する電気絶縁層の片面に、Cu層を介して、Cuマトリックスと30質量％超え80質量％以下のCrを含有するCr−Cu合金層を有し、他面には、該Cu層を介し又は介さずに該Cr−Cu合金層を有することを特徴とする電子機器用放熱基板部品。
【請求項４】
有機樹脂を含有する電気絶縁層の少なくとも片面に、Cu層を介して、Cuマトリックスと30質量％超え80質量％以下のCrを含有するCr−Cu合金層を有し、さらに該Cr−Cu合金層の表面にCu層をそなえることを特徴とする電子機器用放熱基板部品。
【請求項５】
有機樹脂を含有する電気絶縁層の片面に、Cu層を介して、Cuマトリックスと30質量％超え80質量％以下のCrを含有するCr−Cu合金層を有し、さらに該Cr−Cu合金層の表面にCu層をそなえ、他面には、該Cu層を介して該Cr−Cu合金層を有することを特徴とする電子機器用放熱基板部品。
【請求項６】
前記Cr−Cu合金層におけるCrのアスペクト比が10を超える扁平状であり、かつ該扁平状Crの厚さ方向の個数密度が10個／mm以上 1000個／mm以下の層状の組織であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の電子機器用放熱基板部品。
【請求項７】
前記扁平状Crに加えて、前記Cuマトリックス中に長径が100 nm以下でアスペクト比が10未満の粒子状のCrを有し、該粒子状Crの密度が20個／μm2以上であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の電子機器用放熱基板部品。
【請求項８】
前記Cr−Cu合金中に不可避に混入する不純物であるＯ，Ｎ，Ｃ，Al，Siの混入量をそれぞれ、Ｏ：0.08質量％以下、Ｎ：0.03質量％以下、Ｃ：0.03量％以下、Al：0.05量％以下、Si：0.10質量％以下に抑制したことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の電子機器用放熱基板部品。
【請求項９】
前記Cr−Cu合金層とCu層との接合が、拡散接合によるものであることを特徴とする請求項２乃至８のいずれかに記載の電子機器用放熱基板部品。
【請求項１０】
前記有機樹脂を含有する電気絶縁層の有機成分の一部または全部が、熱硬化性接着剤であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の電子機器用放熱基板部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体を搭載する積層基板等に適用して好適な、絶縁性を有する放熱基板部品に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高出力のパワー半導体部品は、ハイブリッドカーのインバータ等に使用され、近年、需要が急速に伸びている。
このパワー半導体部品において、半導体は通常、セラミック基板と接合されるのが一般的である。セラミック基板としては、アルミナセラミックに銅をメタライズした積層基板（DBC基板）や窒化アルミにアルミニウムをメタライズした積層基板（DBA基板）が知られている。
【０００３】
半導体は、自ら発生する熱を速やかに放熱することが望ましいことから、最終的には空冷あるいは水冷されるが、それらを効率よく行うため、また狭い空間内で他の素子に悪影響を与えないようにするために、半導体と通常ハンダにより接合されたセラミック基板はさらに、高熱伝導率の材料と組み合わせて積層されている。
セラミック基板は、Siといった半導体材料と同様、熱膨張率が低いため、半導体とセラミック基板との間では信頼性の高い接合が可能である。
【０００４】
かかるセラミック基板に積層される放熱材料（ヒートシンク）としては、純銅が最も良く使用され、その銅板から空冷されているケースが多い。しかしながら、純銅は熱膨張率が大きく、セラミック基板と熱膨張率差が大きいため、接合界面に大きな熱応力が発生し、半導体の破損や基板からの剥離といった問題が生じる。そこで、このような放熱材料を用いる場合、熱応力を緩和するだけの厚さが必要であった。ただ、加熱冷却を繰り返す用途では、その熱応力差によりハンダ材に熱疲労が加わるため接合信頼性、製品寿命の点で問題が残る。
【０００５】
また、半導体の発熱量が大きいハイブリッド車用のインバータでは、アルミニウム製冷却機に接合されて水冷されている。この場合の放熱材料（ヒートシンク）としては、熱伝導率がある程度高くしかも熱膨張率が低いMo−Cu材が適用されている例がある。Mo−Cu材とセラミック基板とは熱膨張率が近いため信頼性の高い接合が得られるものの、Mo−Cu材とアルミニウム製冷却機との接合では、その熱膨張率差が大きいため、シリコングリースを介してねじ止めにより接合されているのが現状である。
【０００６】
さらに近年では、DBA基板とアルミニウム冷却機とをアルミニウムに複数の小さな穴をあけた「緩衝材」を間に挿入してアルミろう付けにより接合する例が報告されている（非特許文献１）。
また、発明者らは、Mo−Cu材料の代替材料として、低熱膨張性および高熱伝導性の両方を兼ね備え、かつ比較的安価であるCr−Cu合金を提案している（特許文献１）。
【０００７】
さらに、電子部品の絶縁性材料としては、セラミックの他、エポキシ樹脂などの絶縁性樹脂が一般的に使用されていて、かかる絶縁樹脂を使用した電子回路基板が開示されている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第4138844号公報
【特許文献２】特開2007-150224号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】日経エレクトロニクス（2009.6.29）P14−P15
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
セラミック基板は、絶縁性セラミック板の上下にアルミニウム板あるいはニッケルメッキしたアルミニウム板をろう付けしたものである。セラミックと金属とは直接ハンダまたはろう付けにより接合することはできないため、セラミック表面に金属層を形成させる必要があり、耐熱金属粉末焼結法や活性金属法と呼ばれているメタライズ処理が必要である。
そのため、セラミック板とアルミニウム板（多くはNiめっき付き）の製作、メタライズ処理、ろう付け処理と多くの工程が必要であり、コスト高となる。特にハイブリッド車用では、高熱伝導率のAlNを使用するため高価であり、ハイブリッド車や電気自動車の本格的な普及にはDBA基板に替わるインバータ構造が必要となっている。
【００１１】
特許文献２には、電子回路基板として絶縁性樹脂を使用することが開示されているが、半導体および放熱板との信頼性の高い接合についての記載はない。
すなわち、抵抗チップと銅箔をハンダ接合し、絶縁性樹脂を介してアルミニウム、銅、炭化珪素アルミ板（ALSIC 熱膨張率：16ppm）などの熱膨張率の高い放熱板との接合が実施例として紹介されている。この場合、Cu箔と抵抗チップとの接合において、熱サイクル試験後のハンダ信頼性評価は、亀裂がハンダフィレットの長さの1/2以下でクラック発生無しとの判定とされている。、しかしながら、さらに発熱が大きく、熱応力によるクラックが発生しやすいパワー半導体との接合信頼性についての開示はない。
【００１２】
本発明は、上記の現状に鑑み開発されたもので、DBA基板やDBC基板などのセラミック基板の代替として有用であり、主にパワー半導体から発生する熱を効率よく放熱することができる放熱基板部品を提案することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
さて、発明者らは、上記の目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、以下に述べる知見を得た。
(1) 低熱膨張率のCr−Cu合金に対して、高価なDBCやDBA基板に代わり、有機樹脂を含有する材料で直接絶縁層を形成することによって、安価で薄い絶縁性放熱基板部品とすることができる。
(2) Cr−Cu合金２枚以上を、絶縁層を介して貼り合わせたものも同様に安価な絶縁性放熱基板部品となる。
(3) 絶縁層の形成は、有機物の塗布でも形成可能であるが、有機絶縁フィルムを貼り付けることが、欠陥が無く絶縁性の信頼性が高い絶縁層が容易に形成する上で望ましい。
(4) 有機絶縁フィルムは、エポキシ樹脂などの熱硬化性接着剤を含有し、熱圧着により貼り付けることができるものが、熱に対する耐久性も期待でき、望ましい。
本発明は、上記の知見に立脚するものである。
【００１４】
すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．有機樹脂を含有する電気絶縁層の少なくとも片面に、Cuマトリックスと30質量％超え80質量％以下のCrを含有するCr−Cu合金層を有することを特徴とする電子機器用放熱基板部品。
【００１５】
２．有機樹脂を含有する電気絶縁層の片面のみに、Cu層を介して、Cuマトリックスと30質量％超え80質量％以下のCrを含有するCr−Cu合金層を有することを特徴とする電子機器用放熱基板部品。
【００１６】
３．有機樹脂を含有する電気絶縁層の片面に、Cu層を介して、Cuマトリックスと30質量％超え80質量％以下のCrを含有するCr−Cu合金層を有し、他面には、該Cu層を介し又は介さずに該Cr−Cu合金層を有することを特徴とする電子機器用放熱基板部品。
【００１７】
４．有機樹脂を含有する電気絶縁層の少なくとも片面に、Cu層を介して、Cuマトリックスと30質量％超え80質量％以下のCrを含有するCr−Cu合金層を有し、さらに該Cr−Cu合金層の表面にCu層をそなえることを特徴とする電子機器用放熱基板部品。
【００１８】
５．有機樹脂を含有する電気絶縁層の片面に、Cu層を介して、Cuマトリックスと30質量％超え80質量％以下のCrを含有するCr−Cu合金層を有し、さらに該Cr−Cu合金層の表面にCu層をそなえ、他面には、該Cu層を介して該Cr−Cu合金層を有することを特徴とする電子機器用放熱基板部品。
【００１９】
６．前記Cr−Cu合金層におけるCrのアスペクト比が10を超える扁平状であり、かつ該扁平状Crの厚さ方向の個数密度が10個／mm以上 1000個／mm以下の層状の組織であることを特徴とする前記１乃至５のいずれかに記載の電子機器用放熱基板部品。
【００２０】
７．前記扁平状Crに加えて、前記Cuマトリックス中に長径が100 nm以下でアスペクト比が10未満の粒子状のCrを有し、該粒子状Crの密度が20個／μm2以上であることを特徴とする前記１乃至６のいずれかに記載の電子機器用放熱基板部品。
【００２１】
８．前記Cr−Cu合金中に不可避に混入する不純物であるＯ，Ｎ，Ｃ，Al，Siの混入量をそれぞれ、Ｏ：0.08質量％以下、Ｎ：0.03質量％以下、Ｃ：0.03量％以下、Al：0.05量％以下、Si：0.10質量％以下に抑制したことを特徴とする前記１乃至７のいずれかに記載の電子機器用放熱基板部品。
【００２２】
９．前記Cr−Cu合金層とCu層との接合が、拡散接合によるものであることを特徴とする前記２乃至８のいずれかに記載の電子機器用放熱基板部品。
【００２３】
10．前記有機樹脂を含有する電気絶縁層の有機成分の一部または全部が、熱硬化性接着剤であることを特徴とする上記１乃至９のいずれかに記載の電子機器用放熱基板部品。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、Cr−Cu合金が純Cuよりも低熱膨張率であり、低熱膨張率の半導体素子との積層接着において熱応力が低減するため、信頼性の高い接合が得られる。そのため有機樹脂を含有する絶縁被膜層とCr-Cu合金層およびCu層を有する放熱基板部品を使用することにより、DBAやDBCなどのセラミック基板を使用することなく、半導体やアルミ冷却器と信頼性の高い接合を得ることができる。
さらに、本発明によれば、セラミック基板が不要となる上、W-Cu材やMo-Cu材などの高価な低熱膨張率材を使用することもなく、さらにCr-Cu材もCu層と組合せることにより必要最低限の材料を使用するため、低コスト化を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に従う電子機器用放熱基板部品の好適例を示す断面図である。
【図２】本発明に従う電子機器用放熱基板部品の他の好適例を示す断面図である。
【図３】本発明に従う電子機器用放熱基板部品の他の好適例を示す断面図である。
【図４】本発明に従う電子機器用放熱基板部品を適用した例を示す図である。
【図５】本発明に従う電子機器用放熱基板部品を適用した他の例を示す図である。
【図６】本発明に従う電子機器用放熱基板部品を適用した他の例を示す図である。
【図７】本発明に従う電子機器用放熱基板部品を適用した他の例を示す図である。
【図８】本発明に従う電子機器用放熱基板部品を適用した他の例を示す図である。
【図９】本発明に従う電子機器用放熱基板部品を適用した他の例を示す図である。
【図１０】本発明に従う電子機器用放熱基板部品を適用した他の例を示す図である。
【図１１】実施例で用いた電子機器用放熱基板部品の構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明を説明する。
Cr−Cu合金は、同じように低熱膨張率で高熱伝導率を特徴とするMo−Cu合金やＷ−Cu合金と比較すると安価である。またCr−Cu合金は、純銅と比較すると熱膨張率が半導体に近いため半導体とハンダ界面の熱応力を低減できる。
一方、電気的絶縁が得られる材料として、有機樹脂がある。この有機樹脂は、熱硬化性などの反応性を付与することが容易であり、その特長を活かして絶縁層を容易に形成することが可能である。
そこで、本発明では、Cr−Cu合金に直接、有機樹脂を含有する材料を用いて絶縁層を形成することにより、従来のDBA構造による絶縁と比較して、安価で、しかも各層間の信頼性の高いハンダなどの接合を行った放熱基板部品を開発したのである。
【００２７】
以下、本発明を図面に従い具体的に説明する。
図１，２，３にそれぞれ、本発明に従う電子機器用放熱基板部品として好適な構成を示す。
図中、番号１は有機樹脂を含有する電気絶縁層、２はCr−Cu合金層、そして３がCu層である。
【００２８】
図１(a)は、電気絶縁層１の片面のみにCr−Cu合金層２を配置した場合、同図(b)は、電気絶縁層１の両面にそれぞれCr−Cu合金層２を配置した場合である。
Cr−Cu合金層は、純銅よりも熱伝導率が幾分小さいとはいえ、それでも高い熱伝導率を有し、さらに純銅よりも熱膨張率が小さく、半導体や絶縁層との接合界面に大きな熱応力が発生することがないため、信頼性の高い接合を得ることができる。また、従来のCu層のように、熱応力を緩和するために厚肉とする必要がなく、薄肉で済むので、その分放熱性の向上を図ることができる。
なお、Cr−Cu合金層と電気絶縁層、また電気絶縁層とアルミニウム製冷却機とは、ハンダやろう付けにより問題なく接合することができる。
また、図１(b)に示したように、電気絶縁層の両面にCr−Cu合金層を配置し、どちらかのCr−Cu合金層をアルミニウム製冷却機に接合する場合も、接合手段としてはハンダやろう付けで事足りる。
図１に示したところにおいて、Cr−Cu合金層の厚みは、厚さ方向の熱抵抗や積層基板の薄型化、軽量化の観点から、3000μm 以下、また電気絶縁層の厚みは30〜300μm 程度とすることが好ましい。電気絶縁層の厚みを30μm以上とすることにより絶縁性を確保でき、300μm以下とすると熱伝導性を大きく妨げることがない。なお、熱伝導性は低いほど好ましいため、電気絶縁層厚さは120μm以下がさらに好ましい。
【００２９】
図２(a)は、電気絶縁層１の片面のみにCu層３を介してCr−Cu合金層２を配置した場合、同図(b)は、電気絶縁層１の片面にCu層３を介してCr−Cu合金層２を配置する一方、他面にはCr−Cu合金層２のみを配置した場合、図(c)は、電気絶縁層１の両面にそれぞれCu層３を介してCr−Cu合金層２を配置した場合である。
この例は、電気絶縁層１とCr−Cu合金層２とをCu層３を介して接合することにより、両者の接合性の一層の向上を図ったものである。
一般に熱膨張率の大きさは、有機樹脂を含む電気絶縁層＞Cu＞Cr-Cu合金の順である。したがって、電気絶縁層の冷熱サイクル時の熱応力による剥離を抑えるためには、Cr-Cu合金に直接接合するよりも、図２に示すように熱膨張率が近いCu層を介在させることが有利である。
図２に示したところにおいて、電気絶縁層の厚みは図１の場合と同じで良い。また、Cu層およびCr−Cu合金層の厚みは、特に制限は無いが、厚さ方向の熱抵抗や積層基板の薄型化、軽量化の観点から、各層を合計した全体厚さは3000μm以下とすることが好ましい。
【００３０】
図３(a)は、電気絶縁層１の片面のみにCu層３を介してCr−Cu合金層２を配置し、さらにこのCr−Cu合金層２の表面にCu層３を配置した場合、同図(b)は、電気絶縁層１の片面にCu層３を介してCr−Cu合金層２を配置し、さらにこのCr−Cu合金層２の表面にCu層３を配置する一方、他面にはCu層３を介してCr−Cu合金層２を配置した場合、同図(c)は、電気絶縁層１の両面にそれぞれCu層３を介してCr−Cu合金層２を配置し、さらにこのCr−Cu合金層２の表面にCu層３を配置した場合である。
この例は、電気絶縁層１とCr−Cu合金層２とをCu層３を介して接合することにより、両者の接合性の一層の向上を図ると共に、かかるCr−Cu合金層の表面にCu層を配置することにより、ハンダやロウ付けによる接合強度の向上を図ったものである。
すなわち、最外層にCu層を配置することにより、表面にNi等のメッキを施さなくてもハンダやロウ付けが可能となる。
図３に示したところにおいて、電気絶縁層の厚みは図１の場合と同じで良い。また、半導体と接合する側の最外Cu層以外のCu層およびCr−Cu合金層の厚みは、特に制限は無いが、厚さ方向の熱抵抗や積層基板の薄型化、軽量化の観点から、各層を合計した全体厚さは3000μm以下とすることが好ましい。さらに、最外層にうち半導体と接合する側のCu層の厚みは100μm 以下とすることが好ましい。というのは、このCu層の厚みは100μm を超えると、最外層の表面付近の熱膨張率がCuの値に近付くことにより、熱応力が増大して、半導体の剥離、破断が懸念されるからである。
一方、最外層の他方の側のCu層の厚みは、接する材料によるが、銅やアルミニウムのようにCr−Cu合金よりも熱膨張率が大きな材料に接する場合は、表面付近の熱膨張率をなるべく接する材料に近づけることにより熱応力を低減するため、Cu層の厚みは100μm 以上、好ましくは500μｍ程度以上とするのが望ましい。
【００３１】
放熱基板部品を構成するためには、放熱板と電気絶縁層を、熱硬化や融着接合する必要がある。放熱基板部品を接合構成する場合、接する材料間の熱膨張差により生じる熱応力をなるべく小さくするため、両者の熱膨張率差を小さくすることが好ましい。
半導体は低熱膨張率であるため、接合相手は低熱膨張率のCr−Cu合金材とすることが好ましい。一方、アルミニウム冷却器は高熱膨張率であるため、接合相手はCr−Cu合金材よりはCu材とすることが好ましい。
そのため、Cr−Cu合金材とCu材を接合した接合材を使用して、半導体とはCr−Cu合金材側で、一方アルミニウム冷却器とはCu材側でそれぞれ接合することにより、薄い接合材でもそれぞれ信頼性の高い接合を得ることができる。
【００３２】
本発明に従うCr−Cu合金／Cu積層体の製造方法としては、Cr−Cu合金板とCu板をそれぞれ圧延したのち接合することもできるが、Cr−Cu合金板とCu板とを接合したのち圧延を施して積層体とすると、接合および圧延の工程を少なくでき、経済的に有利である。
この際の圧下率は、80％以上、好ましくは90％以上とするのが望ましい。というのは、圧下率が大きくなるほど熱膨張率が低減し、またCu層を挿入することにより厚さ方向の熱伝導率が向上するからである。
なお、Cr−Cu合金板とCu板との接合方法としては、放電プラズマ焼結（SPS）やホットプレスによる拡散接合がとりわけ有利に適合する。
【００３３】
次に、本発明で使用するCr−Cu合金において、Cr含有量を前記の範囲に限定した理由について説明する。
Crは、本発明のCr−Cu合金において、熱膨張率の低減を達成するための重要な元素である。Cr含有量が30質量％以下では、半導体材料との接合に必要とされる低熱膨張率（約14×10-6Ｋ-1以下）が得られない。一方、80質量％を超えると、Cr粒子中への溶浸性が低下し圧延の信頼性に問題が生じてくる。したがって、Crは30質量％超え80質量％以下の範囲に限定した。
【００３４】
残部はCuおよび不可避的不純物である。
不可避的不純物のうち特にＯ，Ｎ，Ｃ，Al，Siについては、冷間での圧延加工性を劣化させる弊害があるので、それぞれ混入はＯ：0.08質量％以下，Ｎ：0.03質量％以下，Ｃ：0.03量％以下，Al：0.05量％以下，Si：0.1質量％以下に抑制することが好ましい。
すなわち、Cr−Cu合金中のＯ含有量を0.08質量％以下，Ｎ含有量を0.03質量％以下，Ｃ含有量を0.03質量％以下まで減少させることにより、大きい圧下を加えても割れのない良好なCr−Cu合金板を得ることができる。
さらに検討した結果、Cr−Cu合金を製造する過程で不可避的に混入するAl，Siの含有量を減少させれば、Cr−Cu合金板をプレス加工する際の延性が向上し、また圧下率：90％以上の圧延が可能になることが判明した。
なお、その他の不可避的不純物としては、Ｓ：0.03質量％以下，Ｐ：0.02質量％以下，Fe：0.3質量％以下が許容される。
【００３５】
本発明のCr−Cu合金を得るためには、Crの原料としてCr粉末を用いて粉末冶金法を適用する必要がある。粉末冶金法の採用によって、Cr粉末を用い、これを単独で、あるいはCu粉末と混合して、金型に充填し、焼結して多孔質体とし、この多孔質体にCuを溶浸させることによって、30質量％を超えるCrを均一に分布させたCr−Cu合金の製造が可能になる。上記した多孔質体に求められる好ましい気孔率としては、水銀圧下法（ＪＩＳ規格R1655：2003）で得られる値で15〜65体積％程度である。なお、多孔質体を得るに際し、気孔率を調整するには、原料粉を金型に充填した後、成形する際の圧力を適宜調整すればよく、また圧力を加えず充填したまま（いわゆる自然充填）で、焼結しても良い。
【００３６】
使用するCr粉末は、純度：99％以上のものを使用することが好ましい。ここに、Cr粉末の粒度は目開きが50〜325メッシュ（45〜300μm）、好ましくは100〜200メッシュ（75〜150μm）程度の篩で分級して得られるものを使用するのが好適である。
また、Cr粉末中の不純物は、多孔質体にCuを溶浸した溶浸体の加工性向上と熱伝導率向上の観点から、可能な限り低減することが好ましい。
【００３７】
Cr粉末は、一般に電解法，Alテルミット法，電気炉精錬法等により製造された金属塊または金属フレークを機械粉砕して得られる。AlとSiは、Cr原料に不可避的不純物として比較的多く含まれる元素であり、Ｃ，Ｎ，Ｏ等のガス成分も不可避的不純物として多く含まれる。また、機械粉砕の過程でFeが混入することがある。
【００３８】
Alは、不可避的不純物として含まれるが、特にAlテルミット法でCr原料を製造する場合は、他の製法より多くCr粉末に混入する可能性がある。Alは、Cr−Cu合金において一部はCu中に固溶する。残りのAlは酸化物粒子として混入し、その酸化物がCr−Cu合金板の冷間プレス加工を劣化させることが判明した。Siも、Alと同様に、冷間プレス加工性を劣化させる上、Cu中に固溶したSiはCuの熱伝導率を大きく劣化させる。したがって、Al，Siは、半導体用放熱部品として好ましくない元素であり、その含有量を上記した範囲に抑えることが好ましい。
【００３９】
ＣとＮは、Crと結合して炭化物や窒化物を形成し、Cr−Cu合金板の延性を著しく低下させ、Ｏも一部Cu中に固溶して熱伝導率を低下させるとともに、Crと結合して酸化物を形成することにより、Cr−Cu合金板の熱特性と延性を劣化させる。したがって、Ｃ，Ｎ，Ｏの含有量は上記した範囲に抑えることが好ましい。
Cu粉末は、工業的に生産される電解銅粉，アトマイズ銅粉等を使用することが好ましい。
【００４０】
Cr粉末を焼結して得た多孔質体に溶浸させるCuは、工業的に製造されるタフピッチ銅，りん脱酸銅，無酸素銅等の金属Cu板、あるいは電解銅粉，アトマイズ銅粉等のCu粉末を使用するのが好ましい。
さらに、得られた溶浸体に切削加工や研削加工を施して、溶浸体の表面に残留するCuを除去すれば、所定の厚みのCr−Cu合金を得ることができる。
【００４１】
切削加工を行う場合は、作業効率を向上する観点から超硬チップによるフライス加工が好ましい。ただし、超硬チップが欠損するとCr−Cu合金板の表面に疵を誘発する原因になるので、超硬チップの保守点検が重要である。超硬チップの耐用性を高めるために、CrＮ等でコーティングした超硬チップを使用することが好ましい。
得られたCr−Cu合金に冷間圧延または温間圧延を施すことによってCuマトリックス中のCr相は扁平になる。そのCr相のアスペクト比が10以下では、十分に満足いくほどの熱膨張率の低減効果が得られない。したがって、Cr相のアスペクト比は10超えとすることが望ましい。より好ましくは50以上である。
【００４２】
Cr相のアスペクト比は、Cr−Cu合金板の厚み方向を含む断面のうち、扁平したCr相の長径が最大となる方向を含む断面、さらに具体的には溶浸体を冷間圧延または温間圧延した後の断面（圧延方向および圧下方向を含む断面）を光学顕微鏡で観察して求められ、下記の(1)式で算出される値である。そして、100〜400倍の光学顕微鏡で観察した任意の１視野の平均値を求める。なお、観察した視野に全体が入っているCr相について測定する。また複数のCr相が合体して形成されているように見えるものは、複数のCr相に分解し、分解した各Cr相のアスペクト比を求める。
アスペクト比＝Ｌ1／Ｌ2                        ・・・(1)
【００４３】
なお、(1)式において、Ｌ1は、Cr−Cu合金板の厚み方向を含む断面のうち、扁平したCr相の長径が最大となる方向を含む断面においてその長径が最大となる方向の最大長さを指し、Ｌ2は、Cr−Cu合金の厚み方向を含む断面のうち、扁平したCr相の長径が最大となる方向を含む断面において厚み方向の最大長さを指す。冷間圧延または温間圧延を施して得られるCr−Cu合金板の場合には、上記の扁平したCr相の長径が最大となる方向は圧延方向である。また、２方向への圧延を行う場合には、２方向のうち扁平したCr相の長径が最大となる圧延方向である。
【００４４】
また、扁平したCr相の厚さ方向の個数密度は10個／mm以上，1000個／mm以下とすることが好ましい。厚さ方向に10個／mm未満では、Cr相の層状組織の形成が不十分になり、圧延方向の熱膨張率が低くなりにくいという問題が生じ、一方、1000個／mmを超えると、Cr相同士が接触して熱伝導に有効なCu相がCrによって遮断されるため熱伝導に影響を及ぼすからである。
なお、扁平したCr相の厚さ方向の個数密度は厚さ方向全体の断面観察を行い、厚さ方向１mm当たりの個数密度に換算する。観察は厚さ方向に平行な線20本に交差するCr相の数を測定し、20本の平均値を個数密度とする。
【００４５】
本発明に係るCr−Cu合金／Cu積層体の製造方法としては、Cr−Cu合金板とCu板をそれぞれ圧延したのち、所望の枚数を重ねて接合することもできるが、Cr−Cu合金板とCu板とを所望枚数積層後、圧延を施して積層体とすると、接合および圧延の工程を少なくでき、経済的に有利である。
Cr−Cu合金板とCu板との接合方法としては、放電プラズマ焼結（SPS）やホットプレスによる拡散接合がとりわけ有利に適合する。
さらに、Cr−Cu合金板とCu板との接合後圧延品の場合は、圧延後300〜900℃の温度範囲で加熱することが好ましい。さらに好ましくは、拡散接合時の冷却工程にて30℃/分以下の冷却速度で冷却あるいは拡散接合後900〜1050℃の温度範囲で溶体化熱処理後30℃/分以下の冷却速度で冷却し、圧延後500〜750℃の温度範囲にて加熱する。圧延材（後）接合品の場合も接合後300〜900℃の温度範囲で加熱することが好ましい。さらに好ましくは、圧延前に300〜900℃の温度範囲で加熱し、拡散接合時の冷却工程にて30℃/分以下の冷却速度で冷却あるいは拡散接合後900〜1050℃の温度範囲で溶体化熱処理後30℃/分以下の冷却速度で冷却し、500〜750℃の温度範囲にて加熱する。
これらによって、扁平したCr相に加えて、Cuマトリックス中に長径が100 nm以下でアスペクト比が10未満の粒子状のCr相を析出させることが、熱膨張率低減の観点から好ましい。このとき、粒子状のCr相の密度は20個／μm2以上とすることが好ましい。ここでいう粒子状Cr相の密度は、以下の方法で決定される。すなわち、１〜５kVの低加速電圧による走査型電子顕微鏡（いわゆるＳＥＭ）観察を１万倍〜30万倍程度で行い、視野中に見えるCr相の数から密度（個／μm2）を算出する。
【００４６】
かくして、本発明によれば、低熱膨張性で、熱伝導性に優れ、しかも各層間の信頼性の高いハンダなどの接合を行った放熱基板部品を得ることができる。
図４〜図10に、本発明に従う放熱基板部品を適用した代表例を例示する。図中、番号１が有機樹脂を含有する電気絶縁層、２がCr−Cu合金層、３がCu層である。また、４は半導体、５はアルミニウム冷却器であり、６でハンダ付け又はろう付けを示す。
いずれの適用例においても、従来に比べると大幅な薄型化が達成されていることがわかる。
【００４７】
本発明において、有機樹脂を含有する電気絶縁層としては、エポキシ樹脂などの熱硬化性接着剤を含有し、熱圧着により貼り付け可能であるものが望ましい。
また、この電気絶縁層には、有機樹脂成分の他に、熱膨張率の低減、熱伝導率の向上および電気絶縁性の向上といった目的から、無機成分をフィラーとして混合したものが好適である。
ここに、電気絶縁層における有機樹脂の含有量は5〜50質量％程度、またフィラーの含有量は50〜95質量％程度とするのが好ましい。
【００４８】
さらに、Cr−Cu層に直接、絶縁層を形成する方法としては、熱硬化性樹脂の塗布後の硬化、熱硬化性フィルムの熱硬化による貼付、熱可塑性樹脂フィルムの熱融着、熱可塑性樹脂による溶融樹脂コーティング等の方法があるが、このうち熱硬化性フィルムの熱硬化による貼付が、絶縁信頼性に優れており望ましい。
【００４９】
一般に有機樹脂の熱伝導率は、1.0W/m・K未満であるが、AlN粉をフィラーとして複合し、熱伝導率を1.0W/m・K以上にすると、有機樹脂単独で形成した絶縁層よりも熱抵抗が小さくなり、より望ましい。しかしながら、20.0W/m・Kを超えるような絶縁層では、有機樹脂成分の比率が少なくなり、安定した絶縁層が得られない。
【実施例】
【００５０】
実験には、図11に示す構造になる積層基板を用いた。この積層基板の構成の骨子は、前掲図６と共通するので同一の番号で示し、番号７が接合層、そして８が種々の材料からなる放熱基板部品である。なお、いずれの実験も電気絶縁層としては、東レ株式会社製  TSA33（熱伝導率：３W/m・K、絶縁破壊電圧：130kV/mm）を用いた。接合は、熱プレスを用い、プレス板の温度を180℃に制御し、1Mpaの圧力で1時間プレスし、TSA33を熱硬化させた。
実施例1、3、5では、番号8と7との間の接合層は、有機樹脂を含む電気絶縁層であり、実施例2、4、6では、ハンダである。実施例2、4、6では、番号8中に有機樹脂を含む絶縁層が含まれる。
【００５１】
また、Ｃｒ−Cu合金は、次のようにして作製した。
100メッシュの篩下で200メッシュの篩上で分級したCr粉末（粒度75〜150μｍ）を型に自然充填し、さらに真空中で焼結して、気孔率45体積％（Cuを溶浸した後のCr含有量に換算すると50質量％に相当する）の焼結体（70mm×70mm×５mm）を作製した。焼結温度は1500℃，焼結時間は60分とした。得られた焼結体の上面にCu板を載置して、真空中で1200℃に加熱して30分保持することによってCuを溶解し、焼結体に溶浸させた。引き続き、平均冷却速度26℃／分で冷却して溶浸体を得た。
その後、得られた溶浸体の表面に残留するCuをフライス盤で除去し、さらに厚さ3.5mmまで切削加工を行なった。
次に、厚さ：3.5mmのCr−Cu合金に25℃で冷間圧延を施し、厚さ：0.8mmまで圧下してCr−Cu合金板とした。圧下率は77％である。
かくして得られたCr−Cu合金の物性を表１に、また不純物元素の混入量を表２に示す。なお、以下の実施例では上記のようにして得られたCr-Cu合金をそれぞれの厚みに切削加工して使用した。
【００５２】
【表１】
2011082350.tif 000003
【００５３】
【表２】
2011082350.tif 000004
【００５４】
なお、Cr−Cu合金とCuを積層する場合（実施例３、４、５，６）は、両者を拡散接合により接合した。拡散接合は、両者を重ね合わせて、放電プラズマ焼結（SPS）装置［住友石炭鉱業（株）社製DR.SINTER  SPS-1050］により、900℃、40分保持、加圧力：20MPaの条件で行った。
実施例１
放熱基板部品として、電気絶縁層の片面に厚み：0.8mmのCr−Cu合金層を有するものを用いた。
実施例２
放熱基板部品として、電気絶縁層の両面にそれぞれ厚み：0.4mmのCr−Cu合金層を有するものを用いた。
実施例３
放熱基板部品として、電気絶縁層の片面に、0.1mm厚のCu層を介して、厚み：0.7mmのCr−Cu合金層を有するものを用いた。
実施例４
放熱基板部品として、電気絶縁層の両面にそれぞれ0.1mm厚のCu層を介して、厚み：0.3mmのCr−Cu合金層を有するものを用いた。
実施例５
放熱基板部品として、電気絶縁層の片面に、0.1mm厚のCu層を介して、厚み：0.6mmのCr−Cu合金層を有し、さらに0.1mm厚のCu層をそなえるものを用いた。
実施例６
放熱基板部品として、電気絶縁層の片面（半導体側）に、0.1mm厚のCu層を介して、厚み：0.4mmのCr−Cu合金層を有し、さらにその上に0.1mm厚のCu層をそなえ、他面には、0.1mm厚のCu層を介して、厚み：0.1mmのCr−Cu合金層を有するものを用いた。
比較例１
放熱基板部品として、電気絶縁層の片面に厚み：0.8mmのCu層を有するものを用いた。
比較例２
放熱基板部品として、電気絶縁層の両面にそれぞれ厚み：0.4mmのCu層を有するものを用いた。
【００５５】
上記のようにして得た各放熱基板部品に対し、−40℃と120℃の各槽に５分間保持する熱衝撃試験を行った。
試験後の各サンプルについて、超音波探傷試験により、クラック等の発生の有無について調査した。
その結果、比較例１，２は、1000サイクル終了後、積層放熱板と半導体のハンダ接合面での剥離が観察されたのに対し、実施例１〜６はいずれも、3000サイクル終了後も、剥離やクラックの発生は認められなかった。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明によれば、DBAやDBCなどのセラミック基板を使用することなく、半導体やアルミ冷却器と信頼性の高い接合を行うことにできる放熱基板部品を得ることができる。
また、セラミック基板が不要となる上、W-Cu材やMo-Cu材などの高価な低熱膨張率材を使用することもなく、さらにCr-Cu材もCu層と組合せることにより必要最低限の材料を使用するため、低コスト化を達成することができ、特にパワー半導体等に適用して好適である。
【符号の説明】
【００５７】
１  電気絶縁層
２  Cr−Cu合金層
３  Cu層
４  半導体
５  アルミニウム冷却器
６  ハンダ付け又はろう付け
７  接合層
８  放熱基板部品
【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】
2011082350.tif 000011
【図８】
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【図９】
2011082350.tif 000013
【図１０】
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【図１１】
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