(57)【要約】【課題】本発明は、化合物半導体を用いた高出力半導体素子のパッケージング用に適合して使用可能な放熱板材であって、アルミナ(Ａｌ２Ｏ３)のようなセラミック素材と接合しても良好な接合が可能となるように、セラミック素材と同一ないし類似した熱膨張係数を有し、かつ高出力素子で発生する多量の熱を速やかに外部へ排出可能な高い熱伝導度を得ることができる放熱板材に関する。【解決手段】本発明による放熱板材は、２種以上の物質が積層された構造を有する放熱板材であって、前記放熱板材の厚み方向に、コア層と、前記コア層を上下でカバーするカバー層とを含んでなり、前記カバー層は、銅を含む物質からなり、上記コア層は、第１熱膨張係数を有する母材と、第２熱膨張係数を有する合金からなり、前記コア層の厚み方向に沿って平行に延長する複数の層が前記母材内に格子状に配置されていることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２種以上の物質が積層された構造を有する放熱板材であって、
前記放熱板材の厚み方向に、コア層と、前記コア層を上下でカバーするカバー層とを含んでなり、
前記カバー層は、銅を含む物質からなり、
上記コア層は、第１熱膨張係数を有する母材と、第２熱膨張係数を有する合金からなり、前記コア層の厚み方向に沿って平行に延長する複数の層が前記母材内に格子状に配置されている放熱板材。
【請求項２】
前記母材は、銅と炭素を含む物質の複合組織からなり、
前記複数の層は、Ｃｕ、Ｍｏ、またはＣｕとＭｏを含む合金層からなる請求項１に記載の放熱板材。
【請求項３】
前記複合組織は、銅と板状の黒鉛物質とからなり、
前記板状の黒鉛物質は、前記放熱板材の厚み方向に沿って平行に配向されており、
かつ、前記板状の黒鉛物質は、前記放熱板材の厚み方向に垂直な面方向のうち、一方向に沿って平行に配向されている請求項１に記載の放熱板材。
【請求項４】
前記カバー層は、銅または銅合金からなる請求項１に記載の放熱板材。
【請求項５】
前記合金層は、Ｃｕ−Ｍｏ合金である請求項２に記載の放熱板材。
【請求項６】
前記合金層は、Ｃｕ３０〜６０重量％と、Ｍｏ４０〜７０重量％を含む請求項５に記載の放熱板材。
【請求項７】
前記放熱板材は、板材の厚み方向への熱伝導度が３５０Ｗ／ｍＫ以上であり、
長手および幅方向の熱膨張係数が、８．０×１０−６／Ｋ〜９．０×１０−６／Ｋである請求項１乃至６のいずれか１項に記載の放熱板材。
【請求項８】
前記放熱板材の厚み方向において、前記カバー層の厚みは、全体厚みの５〜４０％である請求項１乃至６のいずれか１項に記載の放熱板材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放熱板材に関し、より詳細には、化合物半導体を用いた高出力半導体素子のパッケージング用に適合して使用可能な放熱板材であって、アルミナ(Ａｌ２Ｏ３)のようなセラミック素材と接合しても良好な接合が可能となるように、セラミック素材と同一ないし類似した熱膨張係数を有し、かつ高出力素子で発生する多量の熱を速やかに外部へ排出可能な高い熱伝導度を得ることができる放熱板材に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、情報通信および国防分野の核心技術として、ＧａＮ系化合物半導体を用いた高出力増幅素子が注目を集めている。
【０００３】
このような高出力電子素子や光素子では、一般素子に比べて多くの熱が発生しており、このように発生した多量の熱を効率的に排出することができるパッケージング技術が必要である。
【０００４】
現在、ＧａＮ系化合物半導体を活用した高出力半導体素子には、Ｗ／Ｃｕの２層の複合素材、ＣｕとＭｏの２相の複合素材、Ｃｕ／Ｃｕ−Ｍｏ合金／Ｃｕの３層の複合素材、Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕの多層の複合素材のように比較的良好な熱伝導度と低い熱膨張係数とを有する金属基複合板材が用いられている。
【０００５】
ところで、これらの複合板材の厚み方向への熱伝導度は、最大で２５０Ｗ／ｍＫ程度であり、実際にそれ以上の高い熱伝導度を具現することができないため、数百ワット級のパワートランジスターのような素子には適用し難い問題がある。
【０００６】
一方、半導体素子を製造する工程には、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）のようなセラミック素材とのろう付け接合工程が必須である。
【０００７】
このようなろう付け接合工程は、約８００℃以上の高温で行われるので、前記金属複合体基板とセラミック素材との間の熱膨張係数の差により、ろう付け接合過程において撓みや破損が発生してしまい、このような撓みや破損は、素子の不良を誘発する。
【０００８】
さらに、最近では、高い出力の実現と製造時の生産効率性とを高めるために、１つの放熱板材に複数個のチップを実装してパッケージの長さが長くなりつつある。このようにパッケージの長さが長くなる場合、放熱板材の長さも長くなり、１つのチップを実装する時には問題がなかった放熱板材と半導体素子との間の熱膨張係数の差も、実装される半導体素子の数が増加する場合、問題となるので、複数個のチップを実装するのに用いられる放熱板材の場合、セラミック素材の熱膨張係数の類似性がより一層重要な要素として浮び上がっており、セラミック素材の熱膨張係数と類似しながらも、放熱特性に優れた放熱板材の開発が至急である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上述した従来技術の問題点を解決するためのものであって、板材の面方向（横及び／または縦方向）に９．０×１０−６／Ｋ以下の低い熱膨張係数を有し、セラミック材料（特にアルミナ）との接合時、熱変形量の差による撓みや破損が発生しないだけでなく、板材の厚み方向に３５０Ｗ／ｍＫ以上の高い熱伝導度を具現することができ、特に数百ワット級のパワートランジスターのような高出力素子のチップを複数個実装する用途に適合して使用可能な放熱板材を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために本発明は、２種以上の物質が積層された構造を有する放熱板材であって、前記放熱板材の厚み方向に、コア層と、前記コア層を上下でカバーするカバー層とを含んでなり、前記カバー層は、銅を含む物質からなり、上記コア層は、第１熱膨張係数を有する母材と、第２熱膨張係数を有する合金からなり、前記コア層の厚み方向に沿って平行に延長する複数の層が前記母材内に格子状に配置されている放熱板材を提供する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明による放熱板材は、板材の厚み方向への熱伝導度が３５０Ｗ／ｍＫ以上で、好ましい実施形態によると、熱伝導度が４００Ｗ／ｍＫ以上であるので、高出力素子に適合して使用することができる。
【００１２】
また、本発明による放熱板材は、面方向（横または縦）方向への熱膨張係数が８．０×１０−６／Ｋ〜９．０×１０−６／Ｋと、放熱板材とろう付け接合されるセラミック物質からなる高出力素子との熱膨張係数の差が大きくないため、２以上の素子をパッケージするためにろう付け工程を行う過程における、撓みや剥離またはセラミックの破損を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明による放熱板材の構造と、本発明で規定する厚み方向と面方向（長手及び幅）を示した図である。
【図２】本発明の好ましい実施形態による放熱板材の全体構造を示した図である。
【図３】本発明の好ましい実施形態による放熱板材を構成するコア層の構造を示した図である。
【図４】本発明の好ましい実施形態による放熱板材を構成するコア層の平面像である。
【図５】図４の平面像を拡大した図であって、Ｃｕ−Ｍｏからなる格子内の複合組織を構成する黒鉛粒子が一方向に配向された状態を示している。
【図６】本発明の好ましい実施形態による放熱板材を構成するコア層の断面像である。
【図７】図６の断面像を拡大した図であって、Ｃｕ−Ｍｏからなる格子内の複合組織を構成する黒鉛粒子が厚み方向に配向された状態を示している。
【図８】本発明の好ましい実施形態による放熱板材の幅（ｙ）方向の熱膨張係数の測定結果を示した図である。
【図９】本発明の好ましい実施形態による放熱板材の長手（ｘ）方向の熱膨張係数の測定結果を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施例を詳細に説明する。しかし、以下において例示する本発明の実施例は、様々な別の形態で変形されてもよく、本発明の範囲が以下に詳述する実施例に限定されるものではない。本発明の実施例は、当業界における平均的な知識を有した者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。
【００１５】
本発明者は、板材の面方向（板材の長手及び幅方向）に９．０×１０−６／Ｋ以下の低い熱膨張係数を有するだけでなく、板材の厚み方向に３５０Ｗ／ｍＫ以上の高い熱伝導度を具現することができる放熱板材を具現するために研究した結果、以下のような構造を有する放熱板材を通じて、上述した長軸方向の熱膨張係数と板材の厚み方向の熱伝導度の具現ができることを見出して、本発明に到るようになった。
【００１６】
図１は、本発明による放熱板材の構造と、本発明で規定する厚み方向と面方向（長手及び幅）を示した図である。長手方向は、相対的に長尺の長軸方向であり、幅方向は、長手方向に対して垂直な方向を意味し、長手方向と幅方向の長さが同一である場合、両方のうち、いずれかの一方の方向を長手方向とし、他方の方向を幅方向と定義する。
【００１７】
本発明による放熱板材は、２種以上の物質が積層された構造を有し、その厚み方向に、コア層と、前記コア層を上、下でカバーするカバー層とを含んでなり、前記カバー層は、銅を含む物質からなり、前記コア層は、例えば、銅と炭素を含む物質の複合組織からなる第１の熱膨張係数を有する母材と、前記母材内に、例えば、Ｃｕ、Ｍｏ、またはＣｕとＭｏを含む第２の熱膨張係数を有する合金層が格子状に配置されていることを特徴とする。
【００１８】
このように、本発明では、カバー層を銅を主成分とする物質を用い、コア層を銅と炭素を含む物質の複合組織とするとともに、前記複合組織内に格子形態に配置された、Ｃｕ、Ｍｏ、またはＣｕとＭｏを含む合金層を配置することにより、カバー層とコア層の耐剥離性を高め、同時に厚み方向に、現在使用されている放熱板材では具現することのできない高い熱伝導度とともに、面方向（長手及び幅方向）の熱膨張係数をセラミック材料と類似に合わせることができるようにする。また、本発明による放熱板材の素材及び構造は、放熱板材に２つ以上の素子が接合されても、熱変形量の差を最小化することができ、剥離またはセラミックの破損を防げるようになる。
【００１９】
また、前記放熱板材において、前記複合組織は、銅と板状の黒鉛物質とからなり、前記板状の黒鉛物質は、前記放熱板材の厚み方向に沿って平行に配向されており、同時に前記板状の黒鉛物質は、前記放熱板材の厚み方向に垂直な面方向のうち、一方向（すなわち、長手方向または幅方向）に沿って平行に配向されていてもよい。前記板状の黒鉛物質の形状は、板状の形状はもちろん、フレーク（ｆｌａｋｅ）状、鱗状のような形状の粉末を含むことを意味する。
【００２０】
また、本発明において、‘厚み方向または面方向のうち、一方向に平行に配向された組織'とは、当該方向と板状粒子とがなす内角が４５°未満である粒子が、複合組織の面積分率で５０％を超えた組織を意味し、４５°未満である粒子が、複合組織の面積分率で７０％以上であることが好ましい。
【００２１】
このような構造を通じて厚み方向の熱伝導度を高めるとともに、面方向への熱膨張係数を低く維持することができる。
【００２２】
また、前記放熱板材において、前記カバー層は、銅または銅合金からなっていてもよく、好ましい例として、前記カバー層は、Ｃｕ含有量が９９重量％以上である純Ｃｕからなっていてもよい。
【００２３】
また、前記放熱板材において、前記合金層は、Ｃｕ−Ｍｏ合金からなっていてもよい。また、好ましい例として、前記Ｃｕ−Ｍｏ合金は、Ｃｕ３０〜６０重量％、Ｍｏ４０〜７０重量％を含んでいてもよいが、これは、Ｃｕの含有量が３０重量％未満であれば、熱膨張係数が７×１０−６／Ｋ以下とあまりにも小さくて、セラミックとろう付け接合の際にセラミック方向にたわむ現象が発生し、６０重量％超過であれば、熱膨張係数が９×１０−６／Ｋ以上とあまりにも大きい過ぎて、セラミックと反対方向にたわむ現象が発生し、Ｍｏの含有量が４０重量％未満であれば、熱膨張係数が９×１０−６／Ｋ以上とあまりにも大きい過ぎて、セラミックと反対方向にたわむ現象が発生し、７０重量％超過であれば、熱膨張係数が７×１０−６／Ｋ以下とあまりにも小さくて、ろう付け接合の際にセラミック方向にたわむ現象が発生するからである。
【００２４】
前記放熱板材の厚み方向において、前記カバー層の厚みは、全体厚みの５％未満である場合、熱膨張係数があまりにも低すぎて、たわみが発生するかまたは放熱特性が低下することがあり、４０％超過の場合、熱膨張係数があまり大きくて、反対方向へのたわみが発生することがあるため、５〜４０％であることが好ましく、上、下層の厚みは、実質的に同一であるものが好ましい。
【実施例】
【００２５】
図２は、本発明の好ましい実施形態による放熱板材の全体構造を示した図であり、図３は、本発明の好ましい実施形態による放熱板材を構成するコア層の構造を示した図である。
【００２６】
図２に示されたように、本発明の好ましい実施例による放熱板材は、Ｃｕカバー層の内部にコア層が配置された構造からなる。
前記コア層は、図３に示されたように、Ｃｕと黒鉛からなる複合材からなる母材に、上面から見る時、Ｃｕ−Ｍｏ合金層が長手（ｘ方向）及び幅（ｙ方向）方向に格子状に配置されており、このＣｕ−Ｍｏ合金層は、コア層の厚み方向を延長して下面から見る時も、同一の格子状の形態を成している。
【００２７】
このようなＣｕ−Ｍｏ合金層の配置は、ｘ方向及びｙ方向への熱膨張係数を低くすると同時に、厚み方向への熱伝導度を最大限維持できるようにし、且つＣｕからなるカバー層との接合時に、Ｃｕ−Ｍｏ合金層との接合面積を最小化して、層間の剥離を防ぐことにも寄与する。
【００２８】
また、図３の赤色点線で示されたＣｕ−Ｍｏ格子で区分される単位母材組織は、その下の拡大図に示されたように、Ｃｕと板状の黒鉛材の複合材とからなり、板状の黒鉛材は、厚み方向に略平行に配向されるともに、ｙ方向に対しても平行に配向されたことを特徴とする。このような構造を通じて、厚み方向への熱伝導度を最大化することができ、同時に面方向への熱膨張を抑制することができるようになる。
【００２９】
図４は、本発明の好ましい実施形態による放熱板材を構成するコア層の平面（上面）像である。図４において明るいグレーの格子形態からなる部分が、Ｃｏ−Ｍｏ合金（Ｃｏ：４５重量％、Ｍｏ：５５重量％）部分であり、相対的に黒い部分が、Ｃｕと鱗状の黒鉛粒子との複合組織部分である。図５から確認されるように、Ｃｕ−Ｍｏ合金格子内の複合組織を構成する黒鉛粒子は、格子の一方向に配向された状態を示している。
【００３０】
図６は、本発明の好ましい実施形態による放熱板材を構成するコア層の断面像であって、厚み方向に沿って等間隔に配置されたＣｕ−Ｍｏ（最も明るいグレー）からなる格子を示している。また、コアの上、下面には、Ｃｕからなるカバー層が見られる。
【００３１】
図７は、図６の断面像を拡大したものであって、Ｃｕ−Ｍｏからなる格子内の複合組織を構成する黒鉛粒子が厚み方向に配向された状態を示している。
【００３２】
図８、図９及び表１は、本発明の好ましい実施例による放熱板材と、この放熱板材と比較例１（銅（Ｃｕ）／銅−モリブデン合金（Ｃｕ−Ｍｏ）／銅（Ｃｕ）の構造を有し、厚み方向の長さの比率が、Ｃｕ４０％、Ｃｕ−Ｍｏ２０％、Ｃｕ４０％からなり、全体厚みは本発明の実施例と同一である）、及び本発明の放熱板材と同一のサイズの純銅で製造した板材の熱伝導度及び熱膨張係数を比較したものである。
【００３３】
【表１】
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【００３４】
表１から確認されるように、本発明の実施例による放熱板材の熱膨張係数は、面方向（長手及び幅）において８.１×１０−６／Ｋ〜８.８×１０−６／Ｋの熱膨張係数を示しており、高出力の半導体素子を構成するセラミック物質の熱膨張係数との差が殆どなく、２以上の素子を実装する時に、撓みや剥離の問題が発生しない。
【００３５】
また、本発明の実施例による放熱板材の厚み方向の熱伝導度は４００Ｗ／ｍＫの水準であるが、これは、既存の比較例１の板材はもちろん、銅のみからなる板材（比較例２）に比べても優れているだけでなく、面方向に９×１０−６／Ｋ以下の熱膨張係数を具現することができるいかなる放熱板材に比べても、顕著に向上した熱伝導性を有する。
【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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