(57)【要約】【課題】プロセスが簡略化され、加工コストが低減された高品質なヒートスプレッダ、および当該ヒートスプレッダの製造方法を提供する。【解決手段】本発明のヒートスプレッダ１０は、半導体素子３の内部の熱を放熱する金属基複合材料層１２と、金属基複合材料層１２のうち、半導体素子３と接触する表面以外の表面を覆うように配置される金属材料層１１とを備える。金属基複合材料層１２は、熱伝導率が２００Ｗ／ｍＫ以上である熱伝導性材料の粒子が、金属材料層１１を構成する金属材料の粒子中に分散されている。ヒートスプレッダ１０の製造方法には、金属材料部材の一方の主表面上の一部から所定の深さの領域を加工する工程と、上記領域内に熱伝導性材料を供給する工程と、熱伝導性材料に回転部材を当接させた状態で回転部材を回転させることにより熱伝導性材料を金属材料部材の内部に攪拌させて金属基複合材料層１２を形成する工程とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱部品と接触させることにより前記発熱部品の内部の熱を放熱する金属基複合材料層と、
前記金属基複合材料層のうち、前記発熱部品と接触する表面以外の表面を覆うように配置される金属材料層とを備えるヒートスプレッダであり、
前記金属基複合材料層は、熱伝導率が２００Ｗ／ｍＫ以上である熱伝導性材料の粒子が、前記金属材料層を構成する金属材料の粒子中に分散されている、ヒートスプレッダ。
【請求項２】
前記熱伝導性材料は、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、ＢＮ、ＡｌＮ、ダイヤモンド、カーボンナノチューブ、炭素繊維からなる群から選択される少なくとも１種を含む、請求項１に記載のヒートスプレッダ。
【請求項３】
前記金属材料はＡｌ、Ｃｕからなる群から選択される少なくとも１種を含む、請求項１または２に記載のヒートスプレッダ。
【請求項４】
前記発熱部品は半導体材料からなる、請求項１〜３のいずれか１項に記載のヒートスプレッダ。
【請求項５】
前記半導体材料と前記金属基複合材料層との熱膨張係数の差が９×１０−６／Ｋ以下である、請求項４に記載のヒートスプレッダ。
【請求項６】
前記半導体材料と前記金属基複合材料層との熱膨張係数の差が６×１０−６／Ｋ以下である、請求項４または５に記載のヒートスプレッダ。
【請求項７】
前記半導体材料はＳｉ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＡｌＮからなる群から選択される少なくとも１種を含む、請求項４〜６のいずれか１項に記載のヒートスプレッダ。
【請求項８】
前記金属基複合材料層の熱伝導率が２５０Ｗ／ｍＫ以上である、請求項１〜７のいずれか１項に記載のヒートスプレッダ。
【請求項９】
金属材料部材の一方の主表面上の一部から所定の深さの領域を加工する工程と、
前記領域内に熱伝導性材料を供給する工程と、
前記熱伝導性材料に回転部材を当接させた状態で前記回転部材を回転させることにより前記熱伝導性材料を前記金属材料部材の内部に攪拌させて金属基複合材料層を形成する工程とを備える、ヒートスプレッダの製造方法。
【請求項１０】
前記熱伝導性材料の粒子の平均粒径が０．１μｍ以上５μｍ以下である、請求項９に記載のヒートスプレッダの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートスプレッダおよびヒートスプレッダの製造方法に関するものであり、より特定的には、半導体装置の放熱に用いられるヒートスプレッダおよびヒートスプレッダの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
パーソナルコンピュータやモバイル電子機器の高機能化、高密度実装化に伴い、ＣＰＵ、ＧＰＵ、チップセット、メモリーチップ等の発熱部品の単位面積あたりの発熱量が飛躍的に増大しており、放熱装置の高性能化が求められている。これは半導体素子（半導体装置）は、構成する半導体材料固有の作動上限温度が定まっており、その温度以上では素子が破壊してしまう。つまり、放熱が不十分な状態では著しく寿命低下をきたす。このため、半導体装置に用いる放熱装置が高効率に放熱することが要求される。
【０００３】
通常自然対流や電動送風装置を用いた強制対流をもちいて放熱をはかるが、原理的に単位面積あたりの放熱量には冷却方式固有の上限がある。このため一般に、大量の熱を放熱するためには、放熱する面積を拡大するヒートスプレッダと称する放熱装置が用いられている。具体的には半導体装置の放熱面に、半導体素子の主表面よりも主表面の面積の大きいＡｌやＣｕなどの金属をベースとする複合材料、例えばＡｌ-ＳｉＣ複合材料やＣｕ-ダイヤモンド複合材料など、半導体素子を構成する半導体材料と熱膨張係数の近い、放熱性に優れた材料との複合材料を接触させる。このようにしてヒートスプレッダは、半導体装置の熱を吸い上げると共に放熱材料の面内方向にも広げる。なおここで主表面とは、最も面積の大きい主要な面をいう。
【０００４】
このようにヒートスプレッダにより、半導体装置が発熱する熱を放熱させる領域を広げることができるため、ヒートスプレッダを構成する各領域の発熱量を小さくすることができる。さらには、ヒートスプレッダの熱をＡｌやＣｕなどの金属材料で形成された冷却材、例えばヒートシンクに伝えて放熱する方法がとられることもある。
【０００５】
このことをよりわかりやすく説明するために、以下の図１４は、従来から用いられるヒートスプレッダやヒートシンクの態様を示す概略断面図である。図１４に示すように、ヒートシンク１の一方の主表面上にヒートスプレッダ２、ヒートスプレッダ２の一方の主表面上に半導体素子３が配置されている。つまり発熱部品である半導体装置としての半導体素子３と接触するようにヒートスプレッダ２が配置されている。図１４における左右方向の幅は、半導体素子３やヒートスプレッダ２の一の主表面の大きさを示すが、図１４に示すように、ヒートスプレッダ２のうち半導体素子３と接触する主表面の大きさは、半導体素子３のうちヒートスプレッダ２と接触する主表面の大きさよりも大きい。このように半導体素子３よりも表面積の大きいヒートスプレッダ２を用いることにより、半導体素子３の熱を放熱させる領域を広げることができる。このため、ヒートスプレッダ２を構成する各領域の発熱量を小さくすることができる。さらにヒートスプレッダ２の熱を冷却したり放熱したりするためのヒートシンク１に伝えて放熱することができる。
【０００６】
ここで、半導体素子３と熱膨張係数の近いヒートスプレッダ２とすることが好ましいのは、半導体素子３とヒートシンク１を構成する金属材料製の冷却材との間には熱膨張係数に大きな差があるためである。つまり、ヒートスプレッダ２の一方の主表面上に半導体素子３をそのまま積層すると、温度サイクル下で両者の界面に熱応力が発生し、半導体素子３に歪みが発生してデバイスが安定動作しなかったり、または、最悪の場合は、界面でのクラックの発生や剥離、半導体素子３の破壊に至る場合もある。このため、ヒートシンク１を構成する金属と、半導体素子３を構成する半導体材料との熱膨張係数の中間の熱膨張係数を持つヒートスプレッダ２を介在させるのである。
【０００７】
これらのヒートスプレッダ２は粒子分散型の組織を持つ場合が多く、その熱膨張係数は、当該ヒートスプレッダを構成する複合材料中に含有される熱伝導率の高い粒子の体積含有率で決まる。そこで、半導体素子３とヒートシンク１それぞれの熱膨張係数の中間の適度な値になるように組成が調整されて製造される。これらのヒートスプレッダ２は、半導体素子３、またはヒートシンク１と、ろう付けやＡｕ−Ｓｎメッキを介して接合される。
【０００８】
このように半導体材料と金属材料との熱膨張係数の中間の適度な値となるように組成が調整されたヒートスプレッダは、たとえば熱伝導性に優れた材料の粒子（熱伝導性粒子）を金属材料と混合したものを焼結することにより形成される。あるいは特開２００６−１０８３１７号公報（特許文献１）に開示されているように、熱伝導性粒子をＡｌやＣｕなどの金属材料が溶融された溶湯中に添加して混合したものを圧延加工やプレス加工などにより、所望形状のヒートスプレッダを形成することもできる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−１０８３１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上述した焼結や成形によるヒートスプレッダの製造方法は、いずれも複雑なプロセスを有するために加工コストが高くなる。また、上述したいずれの製造方法を用いた場合においても、形成されたヒートスプレッダの実使用においては、形成されたヒートスプレッダとヒートシンクとを接合するプロセスを行なう必要がある。このため、さらに加工コストが高くなるという問題がある。
【００１１】
本発明は、以上の問題に鑑みなされたものであり、その目的は、プロセスが簡略化され、加工コストが低減された高品質なヒートスプレッダ、および当該ヒートスプレッダの製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係るヒートスプレッダは、発熱部品と接触させることにより発熱部品の内部の熱を放熱する金属基複合材料層と、金属基複合材料層のうち、発熱部品と接触する表面以外の表面を覆うように配置される金属材料層とを備えるヒートスプレッダである。上記金属基複合材料層は、熱伝導率が２００Ｗ／ｍＫ以上である熱伝導性材料の粒子が、上記金属材料層を構成する金属材料の粒子中に分散されている。
【００１３】
上述したようなヒートスプレッダの、発熱部品と接触して放熱する金属基複合材料層は、半導体素子を構成する半導体材料との熱膨張係数の整合性が高い。また当該金属基複合材料層の表面を覆うように配置されているため、上記金属基複合材料層は熱の伝達する範囲を広げる。つまり上記金属基複合材料層は、従来から用いられるヒートスプレッダの役割を有する。さらに上記金属基複合材料層の表面を覆う金属材料層は熱伝導性が高い。このため当該金属材料層は、従来から用いられるヒートシンクの役割を有する。このように上記ヒートスプレッダは、１台で従来から用いられるヒートスプレッダとヒートシンクとの両方の役割を備える。したがって当該ヒートスプレッダを実使用する際に、改めてヒートシンクを接合する必要はない。
【００１４】
以上の特性を備えるヒートスプレッダは、後述する本発明に係るヒートスプレッダの製造方法を用いることにより、少ないプロセス数で形成することができる。したがって、金属基複合材料層の一方の主表面上に接触させた、半導体素子などの発熱部品との接触部近傍における熱応力による破壊などの不具合を抑制することができるヒートスプレッダが、少ないプロセス数で形成される。つまり高品質のヒートスプレッダが安価で提供される。
【００１５】
上述した本発明に係るヒートスプレッダにおいて、上記熱伝導性材料は、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、ＢＮ、ＡｌＮ、ダイヤモンド、カーボンナノチューブ、炭素繊維からなる群から選択される少なくとも１種を含むことが好ましい。上述した材質からなる熱伝導性材料の粒子が金属材料層を構成する金属材料の粒子中に分散されることにより、半導体材料との熱膨張係数の整合性が高い金属基複合材料層が容易に形成される。
【００１６】
上述した本発明に係るヒートスプレッダにおいて、上記金属材料層を構成する金属材料はＡｌ、Ｃｕからなる群から選択される少なくとも１種を含むことが好ましい。Ａｌ（アルミニウム）やＣｕ（銅）は加工性やろう付け性、めっき性に優れている。また熱伝導率が高い金属材料である。したがって、当該金属材料層をヒートシンクの役割を有する部分として利用することができる。
【００１７】
ここでの発熱部品は、上述したようにたとえば半導体材料からなる半導体素子（半導体装置）である。この場合において、発熱部品と金属基複合材料層との熱膨張係数の差は９×１０−６／Ｋ以下であることが好ましく、６×１０−６／Ｋ以下であることがさらに好ましい。具体的には、半導体材料はＳｉ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＡｌＮからなる群から選択される少なくとも１種を含むことが好ましい。上述した熱伝導性材料や金属材料を用いて形成された金属基複合材料層に、上述した半導体材料からなる半導体素子（半導体装置）を接合すれば、両者を構成する材料間の熱膨張係数の差を９×１０−６／Ｋ以下とすることができる。したがって、互いに接合された両者の間に加わる熱応力を緩和させることにより、半導体素子の誤作動を抑制し、熱応力破壊などの不具合を抑制することができる。
【００１８】
上述した本発明に係るヒートスプレッダにおいては、金属基複合材料層の熱伝導率が２５０Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましい。このようにすれば、金属基複合材料層を従来から用いられるヒートスプレッダとして十分に機能させることができる。
【００１９】
以上に述べた本発明に係るヒートスプレッダの製造方法は、金属材料部材の一方の主表面上の一部から所定の深さの領域を加工する工程と、上記領域内に熱伝導性材料を供給する工程と、上記熱伝導性材料に回転部材を当接させた状態で上記回転部材を回転させることにより上記熱伝導性材料を上記金属材料部材の内部に攪拌させて金属基複合材料層を形成する工程とを備える。
【００２０】
金属材料部材は、上記ヒートスプレッダの金属材料層を形成するための部材であり、金属材料層と同様にたとえばＡｌ、Ｃｕからなる群から選択される少なくとも１種を含む材料により構成される。金属材料部材の一方の主表面上の一部から所定の深さの領域に対してたとえば切削工具を用いた研磨による除去加工を行なう。そして除去加工により形成される溝（ギャップ）の内部を充填するように、熱伝導性材料を充填する。この熱伝導性材料は熱伝導率が２００Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましい。そして当該熱伝導性材料を攪拌し、熱伝導性材料が金属材料部材と混合された金属基複合材料層が形成されるようにする。
【００２１】
このように熱伝導性材料を金属材料部材で攪拌させることにより混合させれば、焼結や成形などの煩雑な工程を経ることなく容易に、ヒートスプレッダの役割を有する金属基複合材料層を形成することができる。また金属基複合材料層を構成するための熱伝導性材料を適切に選択すれば、半導体材料との接触時における熱応力を緩和させることができるため、半導体素子の誤作動や、半導体素子と金属基複合材料層との接合された部分における熱応力破壊などの発生を抑制することができる。さらに、熱伝導性材料の攪拌により形成される金属材料層を構成するための金属材料を適切に選択すれば、ヒートシンクとしての役割を有する高品質な金属材料層が形成される。
【００２２】
上述した本発明に係るヒートスプレッダの製造方法において、金属基複合材料層を形成するために供給する熱伝導性材料の粒子の平均粒径は０．１μｍ以上５μｍ以下であることが好ましい。ここで熱伝導性材料の粒子の平均粒径とは、当該粒子を球形であると近似した場合における、個々の当該球形の直径の平均値である。熱伝導性材料の粒子の平均粒径を上述した範囲内とすることにより、熱伝導性に優れた高品質な金属基複合材料層を、短いタクトタイムで形成することができる。つまり、熱伝導性に優れ、高効率に放熱することができる高品質な金属基複合材料層を、低コストで形成することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、焼結や成形などの煩雑な工程を経ることなく容易に、つまり低コストで、発熱部品である半導体素子や、ヒートシンクとしての役割を有する金属材料層との熱応力が緩和され、熱伝導性に優れ、高効率に放熱することができる高品質なヒートスプレッダが形成される。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本実施の形態に係るヒートスプレッダの構成、および当該ヒートスプレッダに接触するように発熱部品が載置された態様を示す概略断面図である。
【図２】本実施の形態に係るヒートスプレッダの製造方法を説明するためのフローチャートである。
【図３】図２の工程（Ｓ１０）および工程（Ｓ２０）を説明する概略図である。
【図４】図２の工程（Ｓ３０）を説明する概略図である。
【図５】図２の工程（Ｓ４０）を説明する概略図である。
【図６】図５の回転ツールの態様を示す概略図である。
【図７】図２の工程（Ｓ４０）を説明する概略図である。
【図８】図２の工程（Ｓ３０）を行なった後の、図４とは異なるギャップ４を形成した主表面の態様を説明する概略図である。
【図９】図２の工程（Ｓ４０）を行なった後の、図４とは異なるギャップ４を形成した主表面の態様を説明する概略図である。
【図１０】図２の工程（Ｓ３０）を行なった後の、図４とは異なるギャップ４を形成した主表面の態様を説明する概略図である。
【図１１】図２の工程（Ｓ４０）を行なった後の、図４とは異なるギャップ４を形成した主表面の態様を説明する概略図である。
【図１２】図２の工程（Ｓ３０）を行なった後の、図４とは異なるギャップ４を形成した主表面の態様を説明する概略図である。
【図１３】図２の工程（Ｓ４０）を行なった後の、図４とは異なるギャップ４を形成した主表面の態様を説明する概略図である。
【図１４】従来から用いられるヒートスプレッダやヒートシンクの態様を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。
【００２６】
（実施の形態）
図１に示すように、本発明の実施の形態に係るヒートスプレッダ１０は、金属材料層１１と、金属基複合材料層１２とから構成される。金属基複合材料層１２の一方の主表面上には半導体素子３などの発熱部品が載置される。また金属材料層１１は、金属基複合材料層１２のうち、発熱部品である半導体素子３と接触する表面（具体的には図１における上側の表面）以外の表面を覆うように配置されている。逆に言えば、本実施の形態に係るヒートスプレッダ１０は、金属材料層１１と、金属材料層１１の一方の主表面の一部の領域から所定の深さの領域に設けた溝（ギャップ）を埋めるように配置された金属基複合材料層１２とから構成される。つまりここで、金属基複合材料層１２を形成するために金属材料層１１が一部除去された領域とは、半導体素子３などの発熱部品を載置するための領域である。
【００２７】
なお、図１のヒートスプレッダ１０は、金属基複合材料層１２のうち半導体素子３が接触する一の主表面（上側の主表面）を除くすべての表面が金属材料層１１で覆われた構成となっている。このような構成とすることにより、金属材料層１１の表面積は半導体素子３の表面積よりも大きくなる。つまりこのように半導体素子３よりも表面積の大きい金属材料層１１を用いることにより、半導体素子３の熱を放熱させる領域を広げることができる。また金属材料層１１は半導体素子３よりも体積が大きいため、金属材料層１１を構成する各領域の発熱量を小さくすることができる。しかしたとえば金属基複合材料層１２の上側の主表面以外の、たとえば左右側面の一部についても金属材料層１１に覆われずに露出した状態となっていてもよい。
【００２８】
金属基複合材料層１２は、後述するようにたとえばＳｉＣ（炭化珪素）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化珪素）、ＢＮ（窒化ホウ素）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ダイヤモンド、カーボンナノチューブ、炭素繊維からなる群から選択される少なくとも１種を含む材料の粒子が、金属材料層１１を構成するＡｌやＣｕを含む金属材料の粒子中に分散された構成となっている。このように金属基複合材料層１２は、ＡｌやＣｕなどの金属材料中にＳｉＣなどの半導体材料やダイヤモンドなどの絶縁体材料が混合された複合材料である。
【００２９】
また半導体素子３は、金属基複合材料層１２と接触するように配置されている。したがって、これらが接合されたときの両者の熱膨張係数の差に基づく熱応力が小さくなることが好ましい。つまり半導体素子３を構成する半導体材料は、金属基複合材料層１２を構成する材料との熱膨張係数の差が９×１０−６／Ｋ以下であることが好ましく、当該熱膨張係数の差は６×１０−６／Ｋ以下であることがより好ましい。このようにすれば、半導体素子３は、金属基複合材料層１２と接合された領域において、熱応力破壊などが発生することを抑制することができる。また、半導体素子３が誤作動するなどの不具合を抑制することもできる。そのためには具体的には、半導体素子３を構成する主構成材料としてＳｉ（シリコン）、ＩｎＰ（インジウムリン）、ＧａＡｓ（ガリウム砒素）、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）からなる群から選択される少なくとも１種を含むことが好ましい。
【００３０】
このような構成からなるヒートスプレッダ１０においては、金属基複合材料層１２がたとえば図１４に示す従来から用いられるヒートスプレッダ２の役割を有し、金属材料層１１が図１４におけるヒートシンク１の役割を有する。つまり、図１における半導体素子３が載置された、ヒートスプレッダ１０の一構成要素である金属基複合材料層１２は、ヒートスプレッダ２と同様に、例えばＡｌ-ＳｉＣ複合材料やＣｕ-ダイヤモンド複合材料など、半導体素子を構成する半導体材料と熱膨張係数の近い、放熱性に優れた材料との複合材料である。そして金属基複合材料層１２は、ヒートスプレッダ２と同様に、半導体素子３の持つ熱を、半導体素子３よりも主表面の面積が大きい（つまり熱容量の大きい）金属材料層１１へ伝播する橋渡しを行なう。このように熱を高効率に金属材料層１１へ伝播させるために、金属基複合材料層１２は一方向を除いて金属材料層１１に囲まれた構成となっている。したがって図１における金属基複合材料層１２は、図１４におけるヒートスプレッダ２に相当し、図１における金属材料層１１は、図１４におけるヒートシンク１に相当する。
【００３１】
以上のように本実施の形態のヒートスプレッダ１０は、金属基複合材料層１２は、半導体素子３との接合部近傍における熱応力を緩和させることが可能な材料からなり、かつ高効率にヒートシンクとしての金属材料層１１へ伝播させることを可能とする。また後述するように、当該ヒートスプレッダ１０は、原料を混合した後で焼結したりプレス成形するなどの煩雑な工程を経ずに形成される。したがってヒートスプレッダ１０は少ないプロセスで簡易に形成されるため、低コストで提供することができる。
【００３２】
以上より、本実施の形態によれば、熱伝導性に優れ、高効率に放熱することができる高品質なヒートスプレッダ１０が低コストで形成される。
【００３３】
以下に、上述したように低コストにて簡易に形成できるヒートスプレッダ１０の製造方法を説明する。図２のフローチャートに示すように、まず金属材料部材を準備する工程（Ｓ１０）が実施される。これは具体的には、金属材料層１１を形成するための部材である金属材料部材を準備する工程である。
【００３４】
ここでは直方体状（板状）の金属材料部材１３を準備する。金属材料部材１３は形成しようとする図１のヒートスプレッダ１０の金属材料層１１を構成する金属材料と同一の金属材料からなることが好ましい。したがって、金属材料部材１３はたとえばＡｌやＣｕからなる群から選択される少なくとも１種を含むことが好ましい。なおここで金属材料部材１３とは、ＡｌやＣｕの金属の単体である必要はなく、たとえばＡｌ合金やＣｕ合金であってもよい。
【００３５】
次に図２に示すように金属表面を加工する工程（Ｓ２０）を実施する。これは具体的には、金属材料部材１３の一方の主表面上の一部の領域に対し、表面から所定の深さ分の領域を除去する加工を行なう工程である。
【００３６】
図３を参照して、工程（Ｓ１０）にて準備した金属材料部材１３の上側の主表面上の、左右方向に関する中央付近の領域に対して、当該主表面から、上下方向（深さ方向）にある深さ分を研磨加工により除去する。このようにして、溝状のギャップ４を形成する。なおギャップ４は図３においてはほぼ直方体状となるように形成している。しかしギャップ４の形状は直方体状に限られるものではなく、たとえば半円柱状などであってもよい。またギャップ４を形成する領域は、概ね最終的に図１の金属基複合材料層１２を形成させたい領域に一致させることが好ましい。
【００３７】
なお、上記のように金属材料部材１３に対してギャップ４を形成する加工を行なう際には、たとえばタングステンカーバイド（ＷＣ）やコバルト（Ｃｏ）からなる超硬合金や、立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）からなる切削工具を用いて、旋削による除去加工を行なうことが好ましい。
【００３８】
次に図２に示すように熱伝導性材料を供給する工程（Ｓ３０）を実施する。これは具体的には図４を参照して、工程（Ｓ２０）にて形成したギャップ４の内部に熱伝導性材料５の粉末を供給することにより、ギャップ４の内部を充填する工程である。
【００３９】
このようにギャップ４が形成され、熱伝導性材料５が供給される場所は、概ね最終的に金属基複合材料層１２が形成される領域である。したがってここでの熱伝導性材料は、最終的に形成される金属基複合材料層１２に載置される発熱部品（半導体素子３：図１参照）を構成する半導体材料と熱膨張係数が近いことが好ましい。このようにすれば、半導体素子３との熱膨張係数の整合性が高い金属基複合材料層１２が容易に形成されるためである。具体的には、半導体素子３がＳｉ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＡｌＮからなる群から選択される少なくとも１種を含む場合、熱伝導性材料５としてたとえば熱伝導率が２００Ｗ／ｍＫ以上であるＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、ＢＮ、ＡｌＮ、ダイヤモンド、カーボンナノチューブ、炭素繊維からなる群から選択される少なくとも１種を含む材料を用いることが好ましい。
【００４０】
次に図２に示すように、熱伝導性材料を攪拌させる工程（Ｓ４０）を実施する。これは具体的には、工程（Ｓ３０）でギャップ４の内部を充填するように供給した熱伝導性材料を回転させ、摩擦力を利用して、熱伝導性材料と、金属材料部材１３を構成する金属材料とを攪拌させる摩擦攪拌処理を行なう工程である。
【００４１】
図５を参照して、工程（Ｓ３０）にて金属材料部材１３のギャップ４の内部に充填された熱伝導性材料５を回転させて攪拌させるための回転ツール６を準備する。この回転ツール６は、図６に示すように、略円筒形の本体部７とプローブ８とから構成される。プローブ８は、本体部７の長手方向に関する一方の端部から本体部７の長手方向に沿った方向に延在する、本体部７よりも径の小さい領域である。なお、プローブ８は回転ツール６に必要なものではなく、場合によってはプローブ８を有しない略円筒状の本体部７のみからなる回転ツール６を用いてもよい。プローブ８を有しない回転ツール６を用いた場合の態様は、図７に示すとおりである。回転ツール６の材質は、本体部７、プローブ８ともに、たとえばＪＩＳに規格されているＳＫＤ６１鋼などの工具鋼や、タングステンカーバイド（ＷＣ）、コバルト（Ｃｏ）からなる超硬合金、Ｓｉ３Ｎ４（窒化珪素）などのセラミックス、立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）からなるものとすることが好ましい。
【００４２】
図６に示す回転ツール６を、図５に示すように熱伝導性材料５の粉末を充填したギャップ４の底部などギャップ４上に当接するように設置する。すなわちたとえば回転ツール６がプローブ８を備える場合には、プローブ８の一方の（本体部７が配置される側と反対側の）端部が、ギャップ４上に当接するように設置する。このように回転ツール６の端部がギャップ４上に当接された状態を保ちながら、図６に示すように回転ツール６を、円筒形状の長手方向に交差する平面に沿った方向に回転させる。このように回転ツール６を回転させながら、ギャップ４の延在する方向に沿った方向に回転ツール６を移動させる。このようにすれば、ギャップ４の内部に充填された熱伝導性材料５の粉末を攪拌させ、同時に熱伝導性材料５を金属材料部材１３の内部に混入させることができる。あるいは逆に金属材料部材１３を熱伝導性材料５の内部に混入させることもできる。このようにして、熱伝導性材料５と金属材料部材１３とが混合された領域を形成することができる。このように両者が混合された領域が、図７に示すように金属基複合材料層１２に転化される。
【００４３】
なお図５中の矢印に示すように、図５においては、回転ツール６を回転させながらギャップ４の延在する方向に沿った方向に移動させている。しかし図７に示すように回転ツール６はギャップ４の延在する方向に移動させることなく、同じ場所にて回転させ続けることにより熱伝導性材料５の粉末を金属材料部材１３の内部に混入させることもできる。以上のように熱伝導性材料５を攪拌させることにより、図７に示すように、熱伝導性材料５の粒子と金属材料部材１３を構成する金属材料の粒子とが互いに分散されて複合材料となった領域である金属基複合材料層１２と、金属基複合材料層１２の周囲を囲むように（ただし図７の上側の主表面上を除く）金属材料部材１３と同一の金属材料からなる金属材料層１１とが配置された、ヒートスプレッダ１０を形成することができる。
【００４４】
以上のように工程（Ｓ４０）にて熱伝導性材料５を攪拌する処理を高効率に行なうためには、工程（Ｓ３０）においてギャップ４を充填する熱伝導性材料５を構成する粒子は、その平均粒径が０．１μｍ以上５μｍ以下であることが好ましい。仮に当該平均粒径が５μｍを超えると、回転ツール６の摩耗が激しくなり、回転ツール６の寿命が短くなることがある。また仮に当該平均粒径が０．１μｍを下回ると、熱伝導性材料５が金属材料の内部に分散されて混合される際に、金属材料層１１を構成する金属材料の粒子と熱伝導性材料５の粒子との界面の面積が増大する。このため、金属基複合材料層１２と金属材料層１１との界面近傍において、金属基複合材料層１２から金属材料層１１への熱伝導率が低下する可能性がある。以上より、熱伝導性材料５を構成する粒子の平均粒径は上記範囲内であることが好ましい。
【００４５】
なお、以上の工程により形成される金属基複合材料層１２は、熱伝導率が２５０Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましい。このようにすれば、金属基複合材料層１２上に載置される半導体素子３の発生する熱を、効率よく金属材料層１１へ伝播させて放熱することができる。したがって当該熱伝導率は２５０Ｗ／ｍＫ以上であれば高いほど好ましく、その値に上限はない。ここで金属基複合材料層１２の熱伝導率は、金属材料部材１３や熱伝導性材料５の材質（すなわちヒートスプレッダ１０を構成する各材質の熱伝導率）、およびこれらの各材質の含有比率に依存する。
【００４６】
ただし以上に述べた摩擦攪拌処理において形成される、金属基複合材料層１２全体に対する、ＳｉＣなどのセラミックス材料の粒子の体積占有率が５０質量％を超えると、金属基複合材料層１２の内部における金属材料が塑性変形されにくくなる。これはセラミックス材料が金属材料よりも硬質であるため、セラミックス材料の体積占有率が増加すれば、形成される金属基複合材料層１２全体の硬度が増加されるために変形されにくくなるためである。このため、金属基複合材料層１２全体に対する、セラミックス材料の粒子の体積含有率は５０質量％以下であることが好ましく、３０質量％以下であることがより好ましい。
【００４７】
以上に述べた各工程の処理を行なうことにより、図１に示す放熱効率の高いヒートスプレッダ１０が形成される。以上に述べたように、本実施の形態に係る製造方法によれば、焼結や成形などの煩雑な工程を経ずに低コストで、上記ヒートスプレッダ１０を形成することができる。
【００４８】
なお、図３から図７においては、熱伝導性材料５を充填するためのギャップ４を、金属材料部材１３の上側の主表面のうち左右方向の中央部に１本形成させている。当該ギャップ４は図３から図７の左右方向に所定の幅を有し、当該各図の奥行き方向に延在するように形成されている。しかし当該ギャップ４は必ずしも図３から図７に示す領域に形成される必要はない。たとえば図８に示すように、金属材料部材１３の上側の主表面上の、奥行き方向に延在するように左右２本のギャップ４を並列させてもよい。この場合、ギャップ４に熱伝導性材料５を充填し、上記と同様にこれを攪拌させると、図９に示すようにギャップ４よりも左右方向の幅が広くなった金属基複合材料層１２が形成される。図９において左右方向の幅が図８よりも広くなるのは、熱伝導性材料５や金属材料部材１３の粒子が拡散することによる。同様に、たとえば図１０に示すように、金属材料部材１３の上側の主表面上に、奥行き方向および幅方向に延在するように２本ずつ、合計４本のギャップ４を並列させてもよい。この場合、ギャップ４に熱伝導性材料５を充填し、上記と同様にこれを攪拌させると、図１１に示すようにギャップ４よりも左右方向の幅が広くなった金属基複合材料層１２が形成される。さらにたとえば図１２に示すように、金属材料部材１３の上側の主表面上に、奥行き方向および幅方向に延在する、図８よりも奥行き方向の長さが短いギャップ４を１本形成してもよい。この場合においても図１３に示すようにギャップ４よりも左右方向の幅が広くなった金属基複合材料層１２が形成される。つまりギャップ４は金属材料部材１３の上側の主表面上の任意の領域に形成することができる。ただし図８と図９、図１０と図１１、図１２と図１３との対比によりわかるように、概ね金属基複合材料層１２を形成させたい領域にギャップ４を形成することが好ましい。
【実施例１】
【００４９】
以上に述べた、本実施の形態のヒートスプレッダ１０の金属基複合材料層１２上に半導体素子３を接合した場合の接合部の耐熱衝撃性と、金属基複合材料層１２を構成する金属材料部材１３に半導体素子３を接合した場合の接合部の耐熱衝撃性とを比較する試験を行なった。以下にその詳細を説明する。
【００５０】
上記試験用の試料として、図１に示す本実施の形態の金属基複合材料層１２上に半導体素子３を接合した試料Ａ１、Ａ２、Ａ３およびＡ４を準備した。また比較用として、金属基複合材料層１２を構成する金属材料部材１３（図３〜図５参照）の上に半導体素子３を接合した試料Ｂ１およびＢ２を準備した。以下の表１に、試料Ａ１〜Ａ４および試料Ｂ１、Ｂ２の各構成要素の材質や特性、使用した工具や試験結果を示している。
【００５１】
【表１】
2011054793.tif 000003
【００５２】
表１の「半導体素子」の欄に示すように、各試料に用いた半導体素子３として、試料Ａ１、Ａ２およびＢ１についてはＩｎＰを半導体材料とする素子を、試料Ａ３、Ａ４およびＢ２についてはＳｉを半導体材料とする素子を準備した。これらの素子は主表面が１ｍｍ×１ｍｍの正方形であり、対向する１対の主表面の距離である厚みが０．２５ｍｍの直方体状（平板状）である。なお表１の「半導体素子の熱膨張係数」の欄に示すように、ＩｎＰの２０℃における熱膨張係数は４．３×１０−６／Ｋであり、Ｓｉの２０℃における熱膨張係数は３．２×１０−６／Ｋである。また、表１中に記載がないが、この他に半導体素子３として、ＧａＡｓおよびＧａＮを半導体材料とする素子も用いた。
【００５３】
試料Ａ１〜Ａ４を形成するための、図１の金属材料層１１としての金属材料部材１３（図３〜図５参照）を構成する金属材料、または試料Ｂ１およびＢ２の金属材料部材１３を、表１の「金属材料部材」の欄に示す。表１に示すように、試料Ａ１、Ａ２およびＢ１についてはＣｕを金属材料として用いている。一方試料Ａ３、Ａ４およびＢ２についてはＡｌを金属材料として用いている。なお表１中の「金属材料部材の熱伝導率」の欄に示すように、Ｃｕの熱伝導率は３９５Ｗ／ｍＫ、Ａｌの熱伝導率は２３５Ｗ／ｍＫである。これらの金属材料部材は、主表面が１００ｍｍ×１００ｍｍの正方形であり、対向する１対の主表面の距離である厚みが５ｍｍである直方体状（平板状）である。
【００５４】
ここで試料Ａ１〜Ａ４の金属基複合材料層１２（図１参照）は、上述した図２のフローチャートに示す手順に従い形成されている。つまり図２の工程（Ｓ１０）にて上述した材質やサイズの金属材料部材１３を準備した後、図２の工程（Ｓ２０）にて金属材料部材１３の一方の主表面に対し、図３に示すように主表面の（左右方向に関する）中央部に、幅が１ｍｍ、奥行きが１００ｍｍ、深さが２ｍｍのギャップ４を形成している。ここでギャップ４を形成する加工に用いた切削工具を表１の「工具」の欄に示している。試料Ａ１については超硬合金からなる切削工具を、試料Ａ２、Ａ３およびＡ４についてはｃＢＮからなる切削工具を用いてギャップ４を形成した。
【００５５】
そして図２の工程（Ｓ３０）において、ギャップ４の内部に熱伝導性材料５を充填した。各試料に対して充填した熱伝導性材料５の材質を、表１中の「熱伝導性材料の粒子」の欄に示す。表１に示すように、試料Ａ１およびＡ２については
ＳｉＣの粒子を、試料Ａ３およびＡ４についてはダイヤモンドの粒子を充填した。各試料に充填した各粒子の平均粒径を、表１中の「平均粒径」の欄に示す。
【００５６】
次に図２の工程（Ｓ４０）において、図５や図７に示すように図６の回転ツール６を用いて、熱伝導性材料５に対して摩擦攪拌処理を行なった。ここで用いた回転ツール６は、プローブ８が上下方向（延在方向）の長さ１．７５ｍｍ、延在方向に交差する円形の直径が３．８ｍｍであり、本体部７が上下方向（延在方向）の長さが３０ｍｍであり延在方向に交差する円形の直径が１２ｍｍである。当該摩擦攪拌処理を行なうにあたり、回転ツール６の回転速度は１４００ｒｐｍとし、回転ツール６がギャップ４の延在する方向（図３〜図５の奥行き方向）に移動する速度は４５ｍｍ／ｍｉｎとした。
【００５７】
このようにして、試料Ａ１〜Ａ４用の、ヒートスプレッダ１０に相当するものが形成された。これらの金属基複合材料層１２が形成されたヒートスプレッダ１０の表面全体を深さ約０．１ｍｍ分だけ研磨加工により除去し、ヒートスプレッダ１０の表面の中心線平均粗さＲａが０．０５ｍｍとなるようにした。
【００５８】
続いて形成されたヒートスプレッダ１０のうち金属基複合材料層１２の部分のみを切り出し加工により取り出した。そして当該金属基複合材料層１２の密度をアルキメデス法により測定し、金属材料部材１３の真密度の値などを参考にして
金属基複合材料層１２全体に対する、セラミックス材料の粒子の体積含有率を算出した。その結果を表１中の「金属基複合材料層の含有率」の欄に示す。さらにその右の欄には「金属基複合材料層の熱伝導率」、「金属基複合材料層の熱膨張係数」の順に記載している。そしてその右の「熱膨張係数差」の欄には、試料Ａ１〜Ａ４の各半導体素子３と金属基複合材料層１２とのそれぞれを構成する材料の、２０℃における熱膨張係数の差を示している。
【００５９】
一方、比較用である試料Ｂ１およびＢ２については、摩擦攪拌処理による金属基複合材料層１２を形成しないため、「工具」の欄から「金属基複合材料層の熱伝導率」の欄までは空欄としている。そこでそれぞれの金属材料部材１３の熱膨張係数を、表１中の「金属基複合材料層の熱膨張係数」の欄に、金属材料部材１３とＢ１、Ｂ２の半導体素子３との熱膨張係数差を、表１中の「熱膨張係数差」の欄に示している。
【００６０】
以上のように形成された試料Ａ１〜Ａ４用の金属基複合材料層１２、および試料Ｂ１、Ｂ２用の金属材料部材１３の主表面に、半導体素子３の主表面を接合した。具体的には、半導体素子３の主表面に活性銀ろうペースト（融点７８０℃）を厚み約３μｍ分だけ塗布した後、金属基複合材料層１２または金属材料部材１３の主表面上に８５０℃で真空ろう付けにより接合した。以上により試料Ａ１〜Ａ４、およびＢ１〜Ｂ２が形成された。
【００６１】
これらの試料を炉内に投入し、温度サイクルを付加することによる、半導体素子３のろう付け接合された部分の耐久性を試験した。具体的には、上記炉内温度を昇温速度１０℃／ｍｉｎで７００℃まで加熱した後、７００℃の状態を１分間保持した。その後当該炉内から各試料を取り出し、すぐに常温の水中に当該試料を投入した。このような昇温と降温との温度サイクルを最大３０回繰り返し与え、各回の昇温と降温との終了後に試料の一部を切断し、半導体素子３と金属基複合材料層１２（金属材料部材１３）とがろう付け接合された界面を、実体顕微鏡を用いて観察した。ただし、界面の観察によりろう付け部分が剥離を起こしていると確認された場合は、当該温度サイクル付加の試験を終了した。剥離を起こすまでに温度サイクル付加を行なった回数を、表１中の「温度サイクル回数」の欄に示す。ただし当該温度サイクル付加は最大３０回で終了したため、試料Ａ４については３０回の温度サイクル付加後においても剥離が起こらなかった。
【００６２】
表１より、本実施の形態に係る（試料Ａ１〜Ａ４の）金属基複合材料層１２と半導体素子３との接合部分は、比較用の（試料Ｂ１〜Ｂ４の）金属材料部材１３と半導体素子３との接合部分よりも多数回の温度サイクルに耐えることができることがわかる。試料Ａ１〜Ａ４において半導体素子３と接合される金属基複合材料層１２は、金属材料に、半導体素子を構成する半導体材料との熱膨張係数の差が小さいＳｉＣなどの熱伝導性材料の粒子を混合させている。このため金属基複合材料層１２と半導体素子３との熱膨張係数差は、金属材料部材１３と半導体素子３との熱膨張係数差よりも小さいため、両者の接合部分における熱応力が小さくなったためと考えられる。このことは、表１中の「熱膨張係数差」の値が小さい試料ほど、温度サイクル回数が大きくなっていることからもわかる。
【００６３】
以上のように本発明の各実施の形態および実施例について説明を行なったが、今回開示した各実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明は、焼結や成形などの煩雑な工程を経ることなく容易に、つまり低コストで、発熱部品である半導体素子や、ヒートシンクとしての役割を有する金属材料層との熱応力が緩和され、熱伝導性に優れ、高効率に放熱することができる高品質なヒートスプレッダを形成する技術として、特に優れている。
【符号の説明】
【００６５】
１  ヒートシンク、２，１０  ヒートスプレッダ、３  半導体素子、４  ギャップ、５  熱伝導性材料、６  回転ツール、７  本体部、８  プローブ、１１  金属材料層、１２  金属基複合材料層、１３  金属材料部材。
【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】
2011054793.tif 000011
【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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