(57)【要約】【課題】加工性に優れ、短時間の加工で凹凸のない接続面を形成できる上、半導体素子等との間での熱伝導の効率を向上し、ダイヤモンド複合材料の高い熱伝導性を活かして、半導体素子がそれ自体の発熱によって動作不良等を生じるのを防止できる半導体素子実装用基板と、それを用いた半導体素子装置を提供する。【解決手段】半導体素子実装用基板は、ダイヤモンド粒子を(Ａ)  Ｃｕ、Ａｇ、Ａｌ、およびＭｇからなる群より選ばれた少なくとも１種の第一の金属、および(Ｂ)  Ｍｏ、Ｗ、およびＮｂからなる群より選ばれた少なくとも１種の第二の金属の２種で結合してなり、ダイヤモンド粒子の体積比率が４０〜５５体積％で、かつ２５〜４００℃の熱膨張率が５．０×１０−６〜８．５×１０−６Ｋのダイヤモンド複合材料からなる。半導体装置は、かかる半導体素子実装用基板の接続面に半導体素子を接続した。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
多数のダイヤモンド粒子を結合材によって結合したダイヤモンド複合材料からなり、
他部材との接続面を有し、
前記結合材は、
(Ａ)  Ｃｕ、Ａｇ、Ａｌ、およびＭｇからなる群より選ばれた少なくとも１種の第一の金属、および
(Ｂ)  Ｍｏ、Ｗ、およびＮｂからなる群より選ばれた少なくとも１種の第二の金属
の２種であり、
前記ダイヤモンド粒子と２種の金属の総量中に占める前記ダイヤモンド粒子の体積比率は、４０体積％以上、５５体積％以下で、かつ
前記ダイヤモンド複合材料の、２５℃から４００℃までの熱膨張率は、５．０×１０−６／Ｋ以上、８．５×１０−６Ｋ以下である、
半導体素子実装用基板。
【請求項２】
前記接続面は、深さまたは高さが１０〜４０μｍ、面方向の最大径が１０μｍ以上、３ｍｍ以下である凹部および凸部を有しないか、または前記凹部および凸部の、前記接続面の単位面積当たりの存在個数が１０個／ｃｍ２以下である請求項１に記載の半導体素子実装用基板。
【請求項３】
前記接続面の、前記凹部および凸部以外の領域での表面粗さを示す粗さ曲線の算術平均粗さＲａは、０．１μｍ以上、０．５μｍ以下、最大高さ粗さＲｚは、１μｍ以上、５μｍ以下である請求項２に記載の半導体素子実装用基板。
【請求項４】
熱伝導率は、３００Ｗ／ｍＫ以上、４５０Ｗ／ｍＫ以下である請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の半導体素子実装用基板。
【請求項５】
前記第一の金属はＣｕ、第二の金属はＭｏであり、前記ダイヤモンド粒子と前記２種の金属の総量中に占める前記ダイヤモンド粒子の体積比率をｙ、前記ＣｕとＭｏの総量中に占めるＭｏの体積比率をｘ＝Ｂ／（Ａ＋Ｂ）×１００〔体積％、ＡはＣｕの体積％、ＢはＭｏの体積％〕としたとき、前記ｘおよびｙは式(１)(２)：
ｙ≧−５．３７ｘ＋１００      (１)
ｙ≦−０．７２ｘ＋９１      (２)
を満足する範囲である請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の半導体素子実装用基板。
【請求項６】
前記第一の金属はＣｕ、第二の金属はＷであり、前記ダイヤモンド粒子と２種の金属の総量中に占める前記ダイヤモンド粒子の体積比率をｙ、前記ＣｕとＷの総量中に占めるＷの体積比率をｘ＝Ｂ／（Ａ＋Ｂ）×１００〔体積％、ＡはＣｕの体積％、ＢはＷの体積％〕としたとき、前記ｘおよびｙは式(３)(４)：
ｙ≧−５．３７ｘ＋１００      (３)
ｙ≦−０．９２ｘ＋１０１      (４)
を満足する範囲である請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の半導体素子実装用基板。
【請求項７】
前記第一の金属はＡｇ、第二の金属はＭｏであり、前記ダイヤモンド粒子と前記２種の金属の総量中に占める前記ダイヤモンド粒子の体積比率をｙ、前記ＡｇとＭｏの総量中に占めるＭｏの体積比率をｘ＝Ｂ／（Ａ＋Ｂ）×１００〔体積％、ＡはＡｇの体積％、ＢはＭｏの体積％〕としたとき、前記ｘおよびｙは式(５)(６)：
ｙ≧−０．７４ｘ＋４９      (５)
ｙ≦−１．３３ｘ＋１２７      (６)
を満足する範囲である請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の半導体素子実装用基板。
【請求項８】
前記第一の金属はＡｇ、第二の金属はＷであり、前記ダイヤモンド粒子と２種の金属の総量中に占める前記ダイヤモンド粒子の体積比率をｙ、前記ＡｇとＷの総量中に占めるＷの体積比率をｘ＝Ｂ／（Ａ＋Ｂ）×１００〔体積％、ＡはＡｇの体積％、ＢはＷの体積％〕としたとき、前記ｘおよびｙは式(７)(８)：
ｙ≧−０．７４ｘ＋４９      (７)
ｙ≦−０．８３ｘ＋１０２      (８)
を満足する範囲である請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の半導体素子実装用基板。
【請求項９】
前記接続面は、Ａｕ−Ｓｎ系、Ｉｎ−Ｓｎ系、またはＡｕ-Ｇｅ系の半田またはロウ材からなる接合層によって被覆されている請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の半導体素子実装用基板。
【請求項１０】
前記接続面と接合層との間には、Ｎｉ、Ａｕ、Ｔｉ、およびＣｒからなる群より選ばれた少なくとも１種の金属からなる密着層が設けられている請求項９に記載の半導体素子実装用基板。
【請求項１１】
前記密着層と接合層との間には、Ｐｔ、Ｍｏ、およびＰｄからなる群より選ばれた少なくとも１種の金属からなる拡散防止層が設けられている請求項１０に記載の半導体素子実装用基板。
【請求項１２】
前記請求項１〜請求項１１のいずれか１項に記載の半導体素子実装用基板の接続面に、半導体素子が接続された半導体素子装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多数の微小なダイヤモンド粒子を結合材によって結合したダイヤモンド複合材料からなる半導体素子実装用基板、およびこの半導体素子実装用基板を用いた半導体素子装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザー等の半導体素子がそれ自体の発熱によって動作不良を生じるのを防止するために、当該半導体素子と接続される半導体素子実装用基板（ヒートシンク、放熱基板、ハウジング等）には、放熱性に優れることが必要とされる。
そのため従来は、半導体素子実装用基板を、例えばＡｌＮ、ＳｉＣ等の、熱伝導率が高く、かつ良好な放熱性を有するセラミックによって形成するのが一般的であった。ところが近年の、半導体素子の高出力化に伴って、半導体素子実装用基板には、現状よりも高度な放熱性が要求されるようになってきている。
【０００３】
そこでこの要求に対応するため、半導体素子実装用基板を、多数の微小なダイヤモンド粒子が、例えばＣｕ、Ａｇ等の金属や、ＳｉＣ等のセラミックからなる結合材によって結合された、ダイヤモンド複合材料によって形成することが提案された。
ダイヤモンドは、理論熱伝導率が２０００Ｗ／ｍ・Ｋという、物質中で最高の熱伝導率を有することから、かかるダイヤモンドを含む上記のダイヤモンド複合材料を用いて半導体素子実装用基板を形成すれば、その熱伝導率を、従来のセラミック等からなるものに比べて飛躍的に向上できると考えられている。
【０００４】
ダイヤモンド複合材料からなる半導体素子実装用基板と、この半導体素子実装用基板に接続（実装）される半導体素子との間でできるだけスムースに熱伝導させるためには、半導体素子実装用基板と半導体素子とが、半田やロウ材の層を介して、できるだけ隙間なく密着した状態で接続されていることが必要である。
半導体素子実装用基板に熱的に接続されて、半導体素子からの放熱を補助するための他の放熱部材についても同様である。半導体素子実装用基板と他の放熱部材との間でできるだけスムースに熱伝導させるためには、半導体素子実装用基板と他の放熱部材とが、半田やロウ材の層を介して、できるだけ隙間なく密着した状態で接続されていることが必要である。
【０００５】
そしてそのためには、ダイヤモンド複合材料からなる半導体素子実装用基板の、半導体素子を接続するための素子実装面や、他の放熱部材（以下、半導体素子を含めて、これらを「他部材」と総称する場合がある。）を熱的に接続するための伝熱面等の、他部材との接続面ができるだけ平滑に仕上げられている必要がある。
そこで半導体素子実装用基板の接続面を平滑に仕上げるために、従来は、かかる接続面を、例えばダイヤモンド砥石等を用いて研磨加工するのが一般的である。また研磨加工した接続面を、金属膜で被覆する場合もある。
【０００６】
例えば特許文献１には、半導体素子実装用基板としての半導体レーザー搭載用サブキャリヤをダイヤモンド複合材料によって形成するとともに、その接続面を、日本工業規格ＪＩＳ  Ｂ０６０１：２００１「製品の幾何特性仕様（ＧＰＳ）−表面性状：輪郭曲線方式−用語，定義及び表面性状パラメータ」において規定された、表面粗さを示す粗さ曲線の算術平均粗さＲａが０．５μｍ以下となるように研磨加工すること、研磨加工した接続面をＮｉ、Ｃｒ、Ｔｉ、およびＴａからなる群より選ばれた少なくとも１種の金属からなる第一の金属膜と、Ｍｏ、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｓｎ、Ｐｄ、Ｇｅ、およびＩｎからなる群より選ばれた少なくとも１種の金属からなる第二の金属膜とでこの順に被覆することが記載されている。
【０００７】
また特許文献２、３には、それぞれ半導体素子実装用基板としてのヒートシンクをダイヤモンド複合材料によって形成するとともに、その接続面を、算術平均粗さＲａが、特許文献２では０．２μｍ以下、特許文献３では０．５μｍ以下となるように研磨加工することや、研磨加工した接続面を、先に説明したのと同様の第一および第二の金属膜で被覆することが記載されている。
【０００８】
しかし、ダイヤモンド粒子と結合材の総量中に占めるダイヤモンド粒子の体積比率が６０体積％以上の、一般的なダイヤモンド複合材料からなる半導体素子実装用基板は加工性が低く、例えばダイヤモンド砥石等を使用した研磨加工には長時間を要するため、半導体素子実装用基板の生産性が低下して、製造コストが嵩むという問題がある。
例えば、かかるダイヤモンド複合材料からなる半導体素子実装用基板の接続面を、＃１００〜＃４００のダイヤモンド砥石を用いた平面研磨によって、上記所定の表面粗さになるまで研磨加工しようとすると、１つの接続面を仕上げるのにおよそ２０時間以上もの時間を要する。
【０００９】
しかも、たとえ接続面を所定の表面粗さに研磨加工できたとしても、当該接続面には、研磨時に、ダイヤモンド粒子が脱落することで発生した凹部や、研磨されずに残ったダイヤモンド粒子に起因する凸部が多数、存在する。
そのため、かかる凹部や凸部によって接続面に生じる凹凸によって、当該接続面と他部材との間の、半田やロウ材の層を介した密着が妨げられて両者間に隙間を生じやすく、生じた隙間が、半導体素子実装用基板と他部材との間での熱伝導の効率を低下させる原因となる。
【００１０】
また接続面と他部材との間をたとえ隙間なく密着させることができたとしても、接続面に存在する凹部が、両者間の界面に、熱伝導を妨げる空隙として残留して、やはり半導体素子実装用基板と他部材との間での熱伝導の効率を低下させる原因となる。
そのためこのいずれの場合にも、ダイヤモンド複合材料の良好な熱伝導性を十分に活かして、半導体素子実装用基板の熱伝導性を十分に向上することができないという問題もある。
【００１１】
したがって特許文献１〜３に記載された従来の半導体素子実装用基板では、近年の、半導体レーザー等の半導体素子のさらなる高出力化に十分に対応できず、半導体素子が、それ自体の発熱によって動作不良を生じるのを防止する効果が不十分になりつつあるのが現状である。
また凹部や凸部の大きさは、ダイヤモンド粒子の粒径に依存して、深さまたは高さが５〜３００μｍ程度と大きいのに対し、特許文献１〜３において接続面に形成している金属膜の厚みは、それに比べて著しく小さい。
【００１２】
例えば特許文献１の実施例３では、第一の金属膜としてのＮｉ膜の、厚みの最大値を２μｍ、第二の金属膜としてのＡｕ膜の厚みを０．２μｍに設定しており、合計の厚みは、最大でも２．２μｍに過ぎない。
また特許文献３の実施例３では、第一の金属膜としてのＮｉ膜の厚みを１μｍ、第二の金属膜としてのＰｔ膜の厚みを０．２μｍに設定しており、合計の厚みは１．２μｍに過ぎない。
【００１３】
そのため、たとえ接続面を２層の金属膜で被覆したとしても、それによって凹部や凸部を埋める、すなわち凹部を、空隙として残留しないように、金属膜を形成する金属によって満たしたり、凹部や凸部を金属膜中に埋没させたりして接続面を平滑化するのは困難である。
特許文献４には、半導体素子実装用基板としての放熱体をダイヤモンド複合材料によって形成するとともに、当該放熱体の接続面に、先に説明した金属膜よりも厚みの大きいＣｕ材層を形成して凹部や凸部を埋めることで、Ｃｕ材層の表面を平滑面とすることが記載されている。
【００１４】
かかる構成によれば、先に説明した接続面の凹凸によって他部材との密着が妨げられて両者間に隙間を生じたり、凹部が、両者間の界面に熱伝導を妨げる空隙として残留したりするのを防止して、接続面と他部材とを、Ｃｕ材層、および半田やロウ材の層を介して隙間なく密着させた状態で互いに接続することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２００３−３０９３１６号公報
【特許文献２】特開２００４−１７５６２６号公報
【特許文献３】特開２００５−１８４０２１号公報
【特許文献４】特開２００５−１７５００６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
ところがＣｕの熱伝導率は、ダイヤモンド複合材料の熱伝導率よりも低い。そのため特許文献４に記載されているような、半導体素子実装用基板の接続面に存在する凹部や凸部を埋めることができる厚みの大きいＣｕ材の層は、たとえその表面が平滑であって、他部材を、半田やロウ材の層を介して隙間なく密着できたとしても、熱伝導の効率を向上する効果が不十分である。
【００１７】
またＣｕ材の層は、ダイヤモンド複合材料との熱膨張率の差が大きい上、厚みが大きい分だけ内部応力が高い。そのためＣｕ材の層の上に、例えば半田やロウ材の層を介して他部材を接続する際の熱履歴や、半導体素子を駆動させる際の素子自体の発熱による熱履歴等によって、かかるＣｕ材の層自体が接続面からはく離しやすいという問題もある。
本発明の目的は、加工性に優れ、短時間の加工で、できるだけ凹凸のない接続面を形成できる上、それによって半導体素子等の他部材との間での熱伝導の効率をこれまでよりも向上し、ダイヤモンド複合材料の高い熱伝導性を十分に活かして、例えば半導体素子がそれ自体の発熱によって動作不良等を生じるのを防止できる半導体素子実装用基板を提供することにある。
【００１８】
また本発明の目的は、かかる本発明の半導体素子実装用基板の接続面に接続された半導体素子がそれ自体の発熱によって動作不良を生じるのを防止して、当該半導体素子を、これまでよりも長期間に亘って駆動させ続けることができる半導体素子装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は、多数のダイヤモンド粒子を結合材によって結合したダイヤモンド複合材料からなり、
他部材との接続面を有し、
前記結合材は、
(Ａ)  Ｃｕ、Ａｇ、Ａｌ、およびＭｇからなる群より選ばれた少なくとも１種の第一の金属、および
(Ｂ)  Ｍｏ、Ｗ、およびＮｂからなる群より選ばれた少なくとも１種の第二の金属
の２種であり、
前記ダイヤモンド粒子と２種の金属の総量中に占める前記ダイヤモンド粒子の体積比率は、４０体積％以上、５５体積％以下で、かつ
前記ダイヤモンド複合材料の、２５℃から４００℃までの熱膨張率は、５．０×１０−６／Ｋ以上、８．５×１０−６Ｋ以下である、
半導体素子実装用基板である。
【００２０】
また本発明は、かかる本発明の半導体素子実装用基板の接続面に、半導体素子が接続された半導体素子装置である。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、加工性に優れ、短時間の加工で、できるだけ凹凸のない接続面を形成できる上、それによって半導体素子等の他部材との間での熱伝導の効率をこれまでよりも向上し、ダイヤモンド複合材料の高い熱伝導性を十分に活かして、例えば半導体素子がそれ自体の発熱によって動作不良等を生じるのを防止できる半導体素子実装用基板を提供できる。
【００２２】
また本発明によれば、かかる本発明の半導体素子実装用基板の接続面に接続された半導体素子がそれ自体の発熱によって動作不良を生じるのを防止して、当該半導体素子を、これまでよりも長期間に亘って駆動させ続けることができる半導体素子装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明のうち第一の金属としてのＣｕと第二の金属としてのＭｏとを併用した実施例、比較例における、ダイヤモンドの体積比率と、ＣｕとＭｏの体積比率との関係を示すグラフである。
【図２】本発明のうち第一の金属としてのＣｕと第二の金属としてのＷとを併用した実施例、比較例における、ダイヤモンドの体積比率、ＣｕとＷの体積比率との関係を示すグラフである。
【図３】本発明のうち第一の金属としてのＡｇと第二の金属としてのＭｏとを併用した実施例、比較例における、ダイヤモンドの体積比率と、ＡｇとＭｏの体積比率との関係を示すグラフである。
【図４】本発明のうち第一の金属としてのＡｇと第二の金属としてのＷとを併用した実施例、比較例における、ダイヤモンドの体積比率、ＡｇとＷの体積比率との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
《半導体素子実装用基板》
本発明は、多数のダイヤモンド粒子を結合材によって結合したダイヤモンド複合材料からなり、
他部材との接続面を有し、
前記結合材は、
(Ａ)  Ｃｕ、Ａｇ、Ａｌ、およびＭｇからなる群より選ばれた少なくとも１種の第一の金属、および
(Ｂ)  Ｍｏ、Ｗ、およびＮｂからなる群より選ばれた少なくとも１種の第二の金属
の２種であり、
前記ダイヤモンド粒子と２種の金属の総量中に占める前記ダイヤモンド粒子の体積比率は、４０体積％以上、５５体積％以下で、かつ
前記ダイヤモンド複合材料の、２５℃から４００℃までの熱膨張率は、５．０×１０−６／Ｋ以上、８．５×１０−６Ｋ以下である、
半導体素子実装用基板である。
【００２５】
ダイヤモンド複合材料からなる半導体素子実装用基板を構成する、例えばＣｕ、Ａｇ、Ａｌ、およびＭｇ等の結合材は、金属材料の中でも比較的熱伝導率が高いため、ダイヤモンド粒子による高い熱伝導を補助する効果に優れている上、機械加工性が良いことが知られている。
そのため、ダイヤモンド粒子と結合材の総量中に占める結合材の体積比率を、ダイヤモンド粒子の体積比率が一般的な６０体積％以上の範囲より小さくなるように、相対的に増加させると、ダイヤモンド複合材料からなる半導体素子実装用基板の良好な熱伝導性を維持しながら、その加工性を向上できる。
【００２６】
すなわち、研磨加工時に発生するダイヤモンド粒子の脱粒や研磨残りによる凹凸を減らして、先に説明した従来の各種被覆層等を形成しなくても平滑性に優れ、他部材を隙間なく密着できる接続面を、できるだけ短時間の研磨加工で形成することが可能となる。
しかし結合材の体積比率が増加することでダイヤモンド複合材料の熱膨張率が増加して、特に半導体素子との熱膨張率の差が大きくなる。
【００２７】
その結果、接続面に他部材を接続する際や半導体素子を動作させる際の熱履歴による膨張、収縮によって、当該半導体素子等の他部材が破損したり、接続面との接続が外れたりしやすくなるという新たな問題を生じる。
そこで発明者は、結合材についてさらに検討した。その結果、通常の結合材であるＣｕ、Ａｇ、Ａｌ、およびＭｇからなる群より選ばれた少なくとも１種の第一の金属に加えて、当該第一の金属に対して全く、あるいは殆ど固溶しない上、第一の金属よりも熱膨張率が小さい、Ｍｏ、Ｗ、およびＮｂからなる群より選ばれた少なくとも１種の第二の金属を、結合材として併用すればよいことを見出した。
【００２８】
すなわち、第二の金属は熱膨張率が小さいため、当該第二の金属を第一の金属と併用することで、ダイヤモンド複合材料の熱膨張率を調整して、特に半導体素子との熱膨張率の差をできるだけ小さくすることができる。
しかも第二の金属は、第一の金属とは全く、あるいは殆ど固溶しないため、第一の金属に固溶して格子のずれやそれに伴う電子伝導の低下等を生じることがなく、したがって第一の金属による良好な熱伝導を維持することができる。
【００２９】
そのため第一および第二の２種の金属を結合材として併用することで、結合材の体積比率を増加させることによる、半導体素子実装用基板の良好な熱伝導性を維持しながら加工性を向上する効果を良好に保持しながら、ダイヤモンド複合材料の熱膨張率の増加を抑制して、特に半導体素子の熱膨張率に近づけることができる。
またそのため、熱履歴が加えられた際の膨張、収縮によって半導体素子等の他部材が破損したり、接続面との接続が外れたりするのを防止できる。
【００３０】
かかる本発明の半導体素子実装用基板は、結合材として第１および第２の２種の金属を併用すること以外は、従来同様に製造できる。特に、先に説明した特許文献１〜３に記載の、超高圧発生装置を用いた製造方法によって好適に製造することができる。
すなわちダイヤモンド粒子と、結合材としての第１および第２の２種の金属とを所定の体積比率で混合して、モリブデン等からなるカプセル中に封入し、真空中、不活性ガス雰囲気中、または還元性雰囲気中で、加圧しながら加熱して焼結させたのちカプセルを除去し、次いで所定の形状に加工するとともに、その接続面を放電加工による切断、ダイヤモンド砥石等による研磨、またはブラスト加工等の１種または２種以上の加工によって仕上げることで、本発明の半導体素子実装用基板が製造される。
【００３１】
焼結時の加圧圧力は１ＧＰａ以上、特に４ＧＰａ以上であるのが好ましく、６ＧＰａ以下であるのが好ましい。また加熱温度は１１００℃以上であるのが好ましく、１５００℃以下、特に１２００℃以下であるのが好ましい。
焼結に際しては、カプセルを上記所定の圧力下、所定の温度に加熱することで、結合材としての２種の金属のうち少なくとも第一の金属を溶融させてダイヤモンド粒子間に浸透させ、次いで圧力を保持した状態で温度を９００℃以下（常温も含む）に下げて一定時間、保持することで第一の金属を凝固させたのち常圧、常温に戻してカプセルを回収するのが好ましい。
【００３２】
〈ダイヤモンド粒子〉
ダイヤモンド粒子としては、理論熱伝導率が２０００Ｗ／ｍ・Ｋという、物質中で最高の熱伝導率を有する、天然ないし合成のダイヤモンドの粒子が、いずれも使用可能である。
ダイヤモンド粒子の平均粒径は５μｍ以上、特に１０μｍ以上であるのが好ましく、１００μｍ以下、特に５０μｍ以下であるのが好ましい。
【００３３】
ダイヤモンド粒子の平均粒径がこの範囲未満では、ダイヤモンド粒子と、結合材としての２種の金属との界面面積が増大することでダイヤモンド複合材料の熱抵抗が大きくなり、半導体素子実装用基板の熱伝導性が低下するおそれがある。
一方、ダイヤモンド粒子の平均粒径が上記の範囲を超える場合には、研磨等の加工性が低下して、接続面に生じる凹部や凸部の大きさが大きくなり、接続面の平滑性が低下して半導体素子等の他部材を隙間なく密着できないおそれがある。
【００３４】
なおダイヤモンド粒子の表面には、例えば特許文献３に記載されているように、結合材と同一材質のコーティング層が形成されていてもよい。
〈結合材〉
結合材としては、先に説明したようにＣｕ、Ａｇ、Ａｌ、およびＭｇからなる群より選ばれた少なくとも１種の第一の金属と、Ｍｏ、Ｗ、およびＮｂからなる群より選ばれた少なくとも１種の第二の金属とを併用する。
【００３５】
この２種の金属は、それぞれダイヤモンド粒子と均一に混合するために、いずれも粒子状であるのが好ましい。
このうち第一の金属の粒子は、平均粒径が０．１μｍ以上、特に１μｍ以上であるのが好ましく、１００μｍ以下、特に５０μｍ以下であるのが好ましい。
平均粒径がこの範囲未満である微小な第一の金属の粒子は製造、および取り扱いが容易でないため、半導体素子実装用基板の生産性が低下し、製造コストが高くつくおそれがある。
【００３６】
一方、第一の金属の粒子の平均粒径が上記の範囲を超える場合には、ダイヤモンド複合材料中で、第一の金属の偏析が生じやすくなるおそれがある。
また第二の金属の粒子は、同様の理由で、平均粒径が０．１μｍ以上、特に１μｍ以上であるのが好ましく、１００μｍ以下、特に５０μｍ以下であるのが好ましい。
すなわち、平均粒径がこの範囲未満である微小な第二の金属の粒子は製造、および取り扱いが容易でないため、半導体素子実装用基板の生産性が低下し、製造コストが高くつくおそれがある。
【００３７】
一方、第二の金属の粒子の平均粒径が上記の範囲を超える場合には、ダイヤモンド複合材料中で、第二の金属の偏析が生じやすくなるおそれがある。
〈体積比率〉
本発明において、ダイヤモンド粒子と２種の金属の総量中に占めるダイヤモンド粒子の体積比率が４０体積％以上、５５体積％以下に限定されるのは、下記の理由による。
【００３８】
すなわちダイヤモンド粒子の体積比率がこの範囲未満では、ダイヤモンド粒子による、半導体素子実装用基板の熱伝導率を、従来のセラミック等からなるものに比べて大幅に向上する効果が得られない。
また、結合材として２種の金属を併用しているにもかかわらずダイヤモンド複合材料の熱膨張率が増加して、特に半導体素子との熱膨張率の差が大きくなってしまう。そのため、熱履歴が加えられた際の膨張、収縮によって半導体素子等の他部材が破損したり、接続面との接続が外れたりしやすくなる。
【００３９】
一方、ダイヤモンド粒子の体積比率が上記の範囲を超える場合には、相対的に結合材としての２種の金属の合計の体積比率が少なくなって、先に説明した、結合材の体積比率を増加させることによる、加工性を向上して、できるだけ短時間の研磨加工で、平滑性に優れ、他部材を隙間なく密着できる接続面を形成する効果が得られない。
これに対し、ダイヤモンド粒子の体積比率を上記の範囲とすることにより、ダイヤモンド複合材料の熱膨張率の増加を抑えて、特に半導体素子との熱膨張率の差をできるだけ小さくすることが可能となる。また熱伝導率をできるだけ高いレベルに維持しながらその加工性を向上して、できるだけ短時間の研磨加工で、平滑性に優れ、半導体素子等の他部材を隙間なく密着できる接続面を形成することが可能となる。
【００４０】
なお、かかる効果をより一層向上することを考慮すると、ダイヤモンド粒子の体積比率は、上記の範囲でも４３体積％以上であるのが好ましく、５３体積％以下であるのが好ましい。
〈熱特性〉
（熱膨張率）
また本発明において、ダイヤモンド複合材料の２５℃から４００℃までの熱膨張率が５．５×１０−６／Ｋ以上、８．５×１０−６／Ｋ以下に限定されるのは、下記の理由による。
【００４１】
すなわち、ダイヤモンド複合材料の熱膨張率がこの範囲未満、または範囲を超える場合には、そのいずれにおいても、特に接続面に接続する半導体素子との熱膨張率の差が大きくなる。そのため、熱履歴が加えられた際の膨張、収縮によって半導体素子等の他部材が破損したり、あるいは接続が外れたりしやすくなる。
これに対し、ダイヤモンド複合材料の熱膨張率を上記の範囲とすることにより、特に接続面に接続する半導体素子との熱膨張率の差をできるだけ小さくできる。したがって熱履歴が加えられた際の膨張、収縮によって半導体素子等の他部材が破損したり、接続が外れたりするのを防止できる。
【００４２】
ダイヤモンド複合材料の熱膨張率を調整するためには、ダイヤモンド粒子の体積比率を、先に説明した範囲で変更したり、第一の金属と第二の金属の体積比率を変更したりすればよい。
かかるダイヤモンド粒子の体積比率、および２種の金属の体積比率と、熱膨張率との関係は、組み合わせる２種の金属の種類によって異なる。
【００４３】
例えば第一の金属がＣｕ、第二の金属がＭｏである組み合わせにおいては、図１中に実線で囲んだ範囲、すなわちダイヤモンド粒子の体積比率ｙが４０体積％以上、５５体積％以下あるとともに、かかるダイヤモンド粒子の体積比率ｙ、およびＣｕとＭｏの総量中に占めるＭｏの体積比率ｘ＝Ｂ／（Ａ＋Ｂ）×１００〔体積％、ＡはＣｕの体積％、ＢはＭｏの体積％〕が、式(１)(２)：
ｙ≧−５．３７ｘ＋１００      (１)
ｙ≦−０．７２ｘ＋９１      (２)
を満足する範囲とすることにより、ダイヤモンド複合材料の２５℃から４００℃までの熱膨張率を、５．５×１０−６／Ｋ以上、８．５×１０−６／Ｋ以下の範囲とすることができる。
【００４４】
同様に第一の金属がＣｕ、第二の金属がＷである組み合わせにおいては、図２中に実線で囲んだ範囲、すなわちダイヤモンド粒子の体積比率ｙが４０体積％以上、５５体積％以下あるとともに、かかるダイヤモンド粒子の体積比率ｙ、およびＣｕとＷの総量中に占めるＷの体積比率ｘ＝Ｂ／（Ａ＋Ｂ）×１００〔体積％、ＡはＣｕの体積％、ＢはＷの体積％〕が、式(３)(４)：
ｙ≧−５．３７ｘ＋１００      (３)
ｙ≦−０．９２ｘ＋１０１      (４)
を満足する範囲とすることにより、ダイヤモンド複合材料の２５℃から４００℃までの熱膨張率を、５．５×１０−６／Ｋ以上、８．５×１０−６／Ｋ以下の範囲とすることができる。
【００４５】
第一の金属がＡｇ、第二の金属がＭｏである組み合わせにおいては、図３中に実線で囲んだ範囲、すなわちダイヤモンド粒子の体積比率ｙが４０体積％以上、５５体積％以下あるとともに、かかるダイヤモンド粒子の体積比率ｙ、およびＡｇとＭｏの総量中に占めるＭｏの体積比率ｘ＝Ｂ／（Ａ＋Ｂ）×１００〔体積％、ＡはＡｇの体積％、ＢはＭｏの体積％〕が、式(５)(６)：
ｙ≧−０．７４ｘ＋４９      (５)
ｙ≦−１．３３ｘ＋１２７      (６)
を満足する範囲とすることにより、ダイヤモンド複合材料の２５℃から４００℃までの熱膨張率を、５．５×１０−６／Ｋ以上、８．５×１０−６／Ｋ以下の範囲とすることができる。
【００４６】
さらに第一の金属がＡｇ、第二の金属がＷである組み合わせにおいては、図４中に実線で囲んだ範囲、すなわちダイヤモンド粒子の体積比率ｙが４０体積％以上、５５体積％以下あるとともに、かかるダイヤモンド粒子の体積比率ｙ、およびＡｇとＷの総量中に占めるＷの体積比率ｘ＝Ｂ／（Ａ＋Ｂ）×１００〔体積％、ＡはＡｇの体積％、ＢはＷの体積％〕が、式(７)(８)：
ｙ≧−０．７４ｘ＋４９      (７)
ｙ≦−０．８３ｘ＋１０２      (８)
を満足する範囲とすることにより、ダイヤモンド複合材料の２５℃から４００℃までの熱膨張率を、５．５×１０−６／Ｋ以上、８．５×１０−６／Ｋ以下の範囲とすることができる。
【００４７】
なおダイヤモンド複合材料の熱膨張率を、本発明では、示差熱膨張計を用いて測定した値でもって表すこととする。
（熱伝導率）
本発明の構成により、半導体素子実装用基板の熱伝導率をどの程度としうるかは特に限定されないが、かかる熱伝導率は３００Ｗ／ｍＫ以上、４５０Ｗ／ｍＫ以下であるのが好ましい。
【００４８】
半導体素子実装用基板の熱伝導率がこの範囲未満では放熱性が不十分で、接続面に接続した半導体素子からの発熱を、半導体素子実装用基板を通して速やかに放熱させることができず、半導体素子がそれ自体の発熱によって動作不良を生じるのを防止できないおそれがある。
一方、熱伝導率が上記の範囲を超える高い放熱性を半導体素子実装用基板に付与することは、たとえ本発明の構成であっても困難である。
【００４９】
これに対し、半導体素子実装用基板の熱伝導率を上記の範囲とすることで、当該半導体素子実装用基板により高度な放熱性を付与して、接続面に接続した半導体素子が、それ自体の発熱によって動作不良を生じるのをより一層防止できる。
熱伝導率を調整するためには、ダイヤモンド粒子の体積比率、および第一の金属と第二の金属の体積比率を、先に説明した範囲で変更すればよい。
【００５０】
なお半導体素子実装用基板の熱伝導率を、本発明では、レーザーフラッシュ法によって測定した値でもって表すこととする。
〈接続面〉
本発明の半導体素子実装用基板は、先に説明したように従来のものに比べて結合材が多く、加工性の良いダイヤモンド複合材料からなるため、当該半導体素子実装用基板の、半導体素子を接続するための素子実装面や、他の放熱部材を熱的に接続するための伝熱面等の、他部材との接続面は、これまでに比べて短時間の研磨加工で、凹凸のない平滑性に優れた面とすることができる。
【００５１】
例えば＃１００〜＃４００のダイヤモンド砥石を用いた平面研磨では、従来は２０時間程度を要しても、もっと粗い面しか形成できなかったものを、１〜５時間程度の処理によって、深さまたは高さが１０〜４０μｍ、面方向の最大径が１０μｍ以上、３ｍｍ以下である凹部および凸部を有しないか、または、かかる大きさの凹部および凸部の、接続面の単位面積当たりの存在個数が１０個／ｃｍ２以下という平滑性に優れた接続面とすることができる。
【００５２】
凹部および凸部の存在個数が上記の範囲を超える場合には、接続面に、半導体素子等の他部材を隙間なく密着できないおそれがある。
これに対し、凹部および凸部の存在個数を上記の範囲とすることにより、半導体素子等の他部材を接続面に隙間なく密着させた状態で接続して、熱伝導の効率を向上することが可能となる。
【００５３】
なお、凹部および凸部の存在個数の下限値は、いうまでもなく０個／ｃｍ２である。つまり凹部および凸部を全く有しないのが、他部材を隙間なく密着させて熱伝導の効率を向上する上で最も好ましいが、存在個数が１０個／ｃｍ２以下であれば、０個／ｃｍ２の場合と同等の効果を奏することができる。
かかる凹部および凸部の存在個数を、本発明では、当該個数を規定する接続面内の任意の１０個所で、倍率２０倍の顕微鏡を用いて、そのφ１１ｍｍの視野中に確認された、先に説明した深さまたは高さと、面方向の最大径とを有する凹部および凸部の個数を計数し、それを１ｃｍ２あたりの個数に換算した結果の平均値でもって表すこととする。
【００５４】
また本発明の半導体素子実装用基板によれば、上述した短時間の平面研磨により、接続面の、凹部および凸部以外の領域を、ＪＩＳ  Ｂ０６０１：２００１において規定された、粗さ曲線の算術平均粗さＲａが０．１μｍ以上、０．５μｍ以下、最大高さ粗さＲｚが１μｍ以上、５μｍ以下という、平滑性に優れた面とすることもできる。
算術平均粗さＲａ、および／または最大高さ粗さＲｚがこの範囲を超える場合には、接続面に、半導体素子等の他部材を隙間なく密着できないおそれがある。
【００５５】
一方、算術平均粗さＲａ、および／または最大高さ粗さＲｚを上記の範囲未満とすることは、たとえ本発明の構成であっても困難であり、研磨に長時間を要する上、製造の歩留まりが低下する等して半導体素子実装用基板の生産性が低下するとともに、製造コストが高くつくおそれがある。
これ対し、算術平均粗さＲａ、および最大高さ粗さＲｚを上述した範囲とすることにより、半導体素子実装用基板の生産性を向上し、製造コストを低減しながら、なおかつ半導体素子等の他部材をより一層隙間なく密着させて、熱伝導の効率をさらに向上できる。
【００５６】
〈接合層〉
接続面は、Ａｕ−Ｓｎ系、Ｉｎ−Ｓｎ系、またはＡｕ-Ｇｅ系で、かつ鉛フリーの半田またはロウ材からなる接合層によって被覆されているのが好ましい。
かかる半田またはロウ材からなる接合層は、接続面、すなわち素子実装面や伝熱面に半導体素子や他の放熱部材等の他部材を接続する際の加熱によって速やかに溶融し、しかも半導体素子を動作させる際の熱履歴によって接続の強度が大きく低下したり溶融したりしない上、熱伝導性や接続の耐久性を向上する点で優れている。
【００５７】
接合層は、接続面のうち凹部および凸部以外の領域での厚みが１μｍ以上、特に３μｍ以上であるのが好ましく、１０μｍ以下、特に７μｍ以下であるのが好ましい。
接合層の厚みがこの範囲未満では、接続面上に接続される半導体素子等の他部材の、接続の強度が不十分になるおそれがある。
一方、接合層の厚みが上記の範囲を超える場合には、接続した半導体素子実装用基板と他部材との間に多量の半田またはロウ材が介在することになるため、両者間の熱伝導性が低下するおそれがある。
【００５８】
接合層は、例えば真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、化学めっき法、電気めっき法等の、従来公知の種々の成膜方法によって形成することができる。また接合層は、例えば半田またはロウ材からなる箔状のプリフォームを接続面に積層した状態で加熱、溶融させて形成してもよい。
〈密着層〉
接続面と接合層との間には、Ｎｉ、Ａｕ、Ｔｉ、およびＣｒからなる群より選ばれた少なくとも１種の金属からなる密着層を設けるのが好ましい。
【００５９】
かかる密着層の機能により、接合層の、接続面への密着性を向上して、接合層上に接続される他部材の、半導体素子実装用基板に対する接続の強度を高めることができる。
密着層は、接続面のうち凹部および凸部以外の領域での厚みが０．０１μｍ以上であるのが好ましく、１０μｍ以下であるのが好ましい。
密着層の厚みがこの範囲未満では、密着層を形成することによる効果が得られないおそれがある。
【００６０】
一方、密着層の厚みが上記の範囲を超える場合には、接続面と他部材との間の熱伝導性が低下するおそれがある。
密着層は、例えば真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、化学めっき法、電気めっき法等の、従来公知の種々の成膜方法によって形成することができる。
〈拡散防止層〉
密着層と接合層との間には、Ｐｔ、Ｍｏ、およびＰｄからなる群より選ばれた少なくとも１種の金属からなる拡散防止層を設けるのが好ましい。
【００６１】
上記両層の間に拡散防止層を介在させると、素子実装面に半導体素子を接続したり伝熱面に他の放熱部材を接続したりする際の加熱によって接合層を溶融させた際に、当該拡散防止層の機能によって、密着層から接合層へ金属が拡散するのを防いで、当該接合層を形成する半田またはロウ材の組成が変質するのを防止することができる。
拡散防止層は、接続面のうち凹部および凸部以外の領域での厚みが０．０１μｍ以上であるのが好ましく、１μｍ以下であるのが好ましい。
【００６２】
拡散防止層の厚みがこの範囲未満では、拡散防止層を形成することによる効果が得られないおそれがある。
一方、拡散防止層の厚みが上記の範囲を超える場合には、接続面と他部材との間の熱伝導性が低下するおそれがある。
拡散防止層は、例えば真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、化学めっき法、電気めっき法等の、従来公知の種々の成膜方法によって形成することができる。
【００６３】
《半導体装置》
本発明は、以上で説明した本発明の半導体素子実装用基板を、必要に応じて、レーザー加工等によって所定の平面形状に切り出した後、接続面としての素子実装面に半導体素子が接続された半導体装置である。
かかる本発明の半導体装置においては、半導体素子を、先に説明したように素子実装面に、例えば接合層を介して隙間なく密着させた状態で接続できる。そのため半導体素子からの発熱を、半導体素子実装用基板を通して速やかに放熱することができ、半導体素子が、それ自体の発熱によって動作不良を生じるのを防止して、これまでよりも長期間に亘って駆動させ続けることが可能となる。
【００６４】
また半導体素子実装用基板が、例えば素子実装面とともに伝熱面を有する場合には、かかる伝熱面に、例えば金属基板等の他の放熱部材を、やはり接合層を介して隙間なく密着させた状態で接続できるため、半導体素子からの発熱を、半導体素子実装用基板と他の放熱部材とを通してより一層、速やかに放熱することができる。そのため半導体素子を、さらに長期間に亘って駆動させ続けることが可能となる。
【実施例】
【００６５】
〈実施例１−１〉
平均粒径４０μｍのダイヤモンド粒子、平均粒径３μｍのＣｕ粉（純度９９％以上、第一の金属）、および平均粒径３μｍのＭｏ粉（純度９９％以上、第二の金属）を、この３成分の総量中に占めるダイヤモンド粒子の体積比率が４０．０体積％、Ｃｕ粉の体積比率が５２．８体積％、Ｍｏ粉の体積比率が７．２体積％となるように配合した混合物を、プレス圧：１９６ＭＰａの条件で予備成形後、真空中でモリブデンからなるカプセル中に封入した。
【００６６】
３成分の総量中に占めるダイヤモンド粒子の体積比率ｙは４０体積％、ＣｕとＭｏの総量中に占めるＭｏの体積比率ｘは１２体積％であった。
次いでこのカプセルを加圧圧力：５ＧＰａ、加熱温度：１１００℃の条件で５分間、加圧しながら加熱し、引き続いて圧力を保持した状態で温度を常温に下げて３０分間保持した後、常圧に戻してカプセルを回収した。
【００６７】
回収したカプセルの表面を研削することでモリブデンを除去して焼結体を取り出し、取り出した焼結体を放電加工して板状に切り出した後、板の一面を＃１４０のダイヤモンド砥石を用いて２時間、平面研磨して素子搭載面として、厚み０．３ｍｍの半導体素子実装用基板を作製した。
〈実施例１−２〜１−２１〉
ダイヤモンド粒子、Ｃｕ粉、およびＭｏ粉の体積比率を調整して、３成分の総量中に占めるダイヤモンド粒子の体積比率ｙ（体積％）、およびＣｕとＭｏの総量中に占めるＭｏの体積比率ｘ（体積％）を表１〜表３に示す値としたこと以外は実施例１−１と同様にして、同形状、同寸法の半導体素子実装用基板を作製した。
【００６８】
〈比較例１−１〜１−３〉
平均粒径４０μｍのダイヤモンド粒子、および平均粒径３μｍのＣｕ粉（純度９９％以上）を表４に示す値で配合し、Ｍｏ粉を配合しなかったこと以外は実施例１−１と同様にして、同形状、同寸法の半導体素子実装用基板を作製した。
〈比較例１−４〜１−２２〉
ダイヤモンド粒子、Ｃｕ粉、およびＭｏ粉の体積比率を調整して、３成分の総量中に占めるダイヤモンド粒子の体積比率ｙ（体積％）、およびＣｕとＭｏの総量中に占めるＭｏの体積比率ｘ（体積％）を表４〜表７に示す値としたこと以外は実施例１−１と同様にして、同形状、同寸法の半導体素子実装用基板を作製した。
【００６９】
実施例、比較例で作製した半導体素子実装用基板の熱膨張率、熱伝導率、素子搭載面における、深さまたは高さが１０〜４０μｍ、面方向の最大径が１０μｍ〜３ｍｍである凹部および凸部の、単位面積あたりの個数、ならびに凹部および凸部外の領域での表面粗さを示す粗さ曲線の算術平均粗さＲａ、最大高さ粗さＲｚを表１〜表７にまとめた。
また実施例、比較例におけるダイヤモンドの体積比率と、ＣｕとＭｏの体積比率との関係を図１に示した。図中の○は実施例、●は比較例を示している。
【００７０】
【表１】
2015099913.tif 000002
【００７１】
【表２】
2015099913.tif 000003
【００７２】
【表３】
2015099913.tif 000004
【００７３】
【表４】
2015099913.tif 000005
【００７４】
【表５】
2015099913.tif 000006
【００７５】
【表６】
2015099913.tif 000007
【００７６】
【表７】
2015099913.tif 000008
【００７７】
比較例１−３の結果より、従来の、結合材としてＣｕのみを用いた系では、ダイヤモンド粒子の体積比率が大きいと加工性が悪く、２時間程度の短時間の研磨では平滑性に優れた接続面を形成できないことが判った。
また比較例１−１、１−２の結果より、ダイヤモンド粒子の体積比率を小さくすると加工性が向上して、短時間の研磨によって平滑性に優れた接触面を形成できるものの、２５℃から４００℃までの熱膨張率が５．０×１０−６／Ｋ以上、８．５×１０−６Ｋ以下の範囲を外れて大きくなってしまうため、熱履歴が加えられた際の膨張、収縮によって半導体素子等の他部材が破損したり、接続面との接続が外れたりしやすくなることが判った。
【００７８】
これに対し実施例１−１〜１−２１、比較例１−４〜１−２２の結果より、ダイヤモンド粒子の体積比率を４０体積％以上、５５体積％以下とし、なおかつ結合材として、第一の金属であるＣｕと第二の金属であるＭｏとを、熱膨張率が上記の範囲となるように、つまり図１中に実線で囲んだ範囲に入るように併用することで、良好な加工性を維持しながら、熱履歴が加えられた際の膨張、収縮によって半導体素子等の他部材が破損したり、接続面との接続が外れたりするのを防止できることが判った。
【００７９】
〈実施例２−１〉
平均粒径４０μｍのダイヤモンド粒子、平均粒径３μｍのＣｕ粉（純度９９％以上、第一の金属）、および平均粒径３μｍのＷ粉（純度９９％以上、第二の金属）を、この３成分の総量中に占めるダイヤモンド粒子の体積比率が４０．０体積％、Ｃｕ粉の体積比率が５２．８体積％、Ｗ粉の体積比率が７．２体積％となるように配合した混合物を、プレス圧：１９６ＭＰａの条件で予備成形後、真空中でモリブデンからなるカプセル中に封入した。
【００８０】
３成分の総量中に占めるダイヤモンド粒子の体積比率ｙは４０体積％、ＣｕとＷの総量中に占めるＷの体積比率ｘは１２体積％であった。
次いでこのカプセルを加圧圧力：５ＧＰａ、加熱温度：１１００℃の条件で５分間、加圧しながら加熱し、引き続いて圧力を保持した状態で温度を常温に下げて３０分間保持した後、常圧に戻してカプセルを回収した。
【００８１】
回収したカプセルの表面を研削することでモリブデンを除去して焼結体を取り出し、取り出した焼結体を放電加工して板状に切り出した後、板の一面を＃１４０のダイヤモンド砥石を用いて２時間、平面研磨して素子搭載面として、厚み０．３ｍｍの半導体素子実装用基板を作製した。
〈実施例２−２〜２−２１〉
ダイヤモンド粒子、Ｃｕ粉、およびＷ粉の体積比率を調整して、３成分の総量中に占めるダイヤモンド粒子の体積比率ｙ（体積％）、およびＣｕとＷの総量中に占めるＷの体積比率ｘ（体積％）を表８〜表１０に示す値としたこと以外は実施例２−１と同様にして、同形状、同寸法の半導体素子実装用基板を作製した。
【００８２】
〈比較例２−１〜２−１９〉
ダイヤモンド粒子、Ｃｕ粉、およびＷ粉の体積比率を調整して、３成分の総量中に占めるダイヤモンド粒子の体積比率ｙ（体積％）、およびＣｕとＷの総量中に占めるＷの体積比率ｘ（体積％）を表１１〜表１３に示す値としたこと以外は実施例２−１と同様にして、同形状、同寸法の半導体素子実装用基板を作製した。
【００８３】
実施例、比較例で作製した半導体素子実装用基板の熱膨張率、熱伝導率、素子搭載面における、深さまたは高さが１０〜４０μｍ、面方向の最大径が１０μｍ〜３ｍｍである凹部および凸部の、単位面積あたりの個数、ならびに凹部および凸部外の領域での表面粗さを示す粗さ曲線の算術平均粗さＲａ、最大高さ粗さＲｚを表８〜表１３にまとめた。
また実施例、比較例におけるダイヤモンドの体積比率と、ＣｕとＷの体積比率との関係を図２に示した。図中の○は実施例、●は比較例を示している。
【００８４】
【表８】
2015099913.tif 000009
【００８５】
【表９】
2015099913.tif 000010
【００８６】
【表１０】
2015099913.tif 000011
【００８７】
【表１１】
2015099913.tif 000012
【００８８】
【表１２】
2015099913.tif 000013
【００８９】
【表１３】
2015099913.tif 000014
【００９０】
実施例２−１〜２−２１、比較例２−１〜２−１９の結果より、ダイヤモンド粒子の体積比率を４０体積％以上、５５体積％以下とし、なおかつ結合材として、第一の金属であるＣｕと第二の金属であるＷとを、熱膨張率が５．０×１０−６／Ｋ以上、８．５×１０−６Ｋ以下の範囲となるように、つまり図２中に実線で囲んだ範囲に入るように併用することで、良好な加工性を維持しながら、熱履歴が加えられた際の膨張、収縮によって半導体素子等の他部材が破損したり、接続面との接続が外れたりするのを防止できることが判った。
【００９１】
〈実施例３−１〉
平均粒径４０μｍのダイヤモンド粒子、平均粒径３μｍのＡｇ粉（純度９９％以上、第一の金属）、および平均粒径３μｍのＭｏ粉（純度９９％以上、第二の金属）を、この３成分の総量中に占めるダイヤモンド粒子の体積比率が４０．０体積％、Ａｇ粉の体積比率が４７．５体積％、Ｍｏ粉の体積比率が１２．５体積％となるように配合した混合物を、プレス圧：１９６ＭＰａの条件で予備成形後、真空中でモリブデンからなるカプセル中に封入した。
【００９２】
３成分の総量中に占めるダイヤモンド粒子の体積比率ｙは４０体積％、ＡｇとＭｏの総量中に占めるＭｏの体積比率ｘは２１体積％であった。
次いでこのカプセルを加圧圧力：５ＧＰａ、加熱温度：１１００℃の条件で５分間、加圧しながら加熱し、引き続いて圧力を保持した状態で温度を常温に下げて３０分間保持した後、常圧に戻してカプセルを回収した。
【００９３】
回収したカプセルの表面を研削することでモリブデンを除去して焼結体を取り出し、取り出した焼結体を放電加工して板状に切り出した後、板の一面を＃１４０のダイヤモンド砥石を用いて２時間、平面研磨して素子搭載面として、厚み０．３ｍｍの半導体素子実装用基板を作製した。
〈実施例３−２〜３−２３〉
ダイヤモンド粒子、Ａｇ粉、およびＭｏ粉の体積比率を調整して、３成分の総量中に占めるダイヤモンド粒子の体積比率ｙ（体積％）、およびＡｇとＭｏの総量中に占めるＭｏの体積比率ｘ（体積％）を表１４〜表１７に示す値としたこと以外は実施例３−１と同様にして、同形状、同寸法の半導体素子実装用基板を作製した。
【００９４】
〈比較例３−１〜３−３〉
平均粒径４０μｍのダイヤモンド粒子、および平均粒径３μｍのＡｇ粉（純度９９％以上）を表１８に示す値で配合し、Ｍｏ粉を配合しなかったこと以外は実施例３−１と同様にして、同形状、同寸法の半導体素子実装用基板を作製した。
〈比較例３−４〜３−２２〉
ダイヤモンド粒子、Ａｇ粉、およびＭｏ粉の体積比率を調整して、３成分の総量中に占めるダイヤモンド粒子の体積比率ｙ（体積％）、およびＡｇとＭｏの総量中に占めるＭｏの体積比率ｘ（体積％）を表１８〜表２１に示す値としたこと以外は実施例３−１と同様にして、同形状、同寸法の半導体素子実装用基板を作製した。
【００９５】
実施例、比較例で作製した半導体素子実装用基板の熱膨張率、熱伝導率、素子搭載面における、深さまたは高さが１０〜４０μｍ、面方向の最大径が１０μｍ〜３ｍｍである凹部および凸部の、単位面積あたりの個数、ならびに凹部および凸部外の領域での表面粗さを示す粗さ曲線の算術平均粗さＲａ、最大高さ粗さＲｚを表１４〜表２１にまとめた。
また実施例、比較例におけるダイヤモンドの体積比率と、ＡｇとＭｏの体積比率との関係を図３に示した。図中の○は実施例、●は比較例を示している。
【００９６】
【表１４】
2015099913.tif 000015
【００９７】
【表１５】
2015099913.tif 000016
【００９８】
【表１６】
2015099913.tif 000017
【００９９】
【表１７】
2015099913.tif 000018
【０１００】
【表１８】
2015099913.tif 000019
【０１０１】
【表１９】
2015099913.tif 000020
【０１０２】
【表２０】
2015099913.tif 000021
【０１０３】
【表２１】
2015099913.tif 000022
【０１０４】
比較例３−３の結果より、従来の、結合材としてＡｇのみを用いた系では、ダイヤモンド粒子の体積比率が大きいと加工性が悪く、２時間程度の短時間の研磨では平滑性に優れた接続面を形成できないことが判った。
また比較例３−１、３−２の結果より、ダイヤモンド粒子の体積比率を小さくすると加工性が向上して、短時間の研磨によって平滑性に優れた接触面を形成できるものの、２５℃から４００℃までの熱膨張率が５．０×１０−６／Ｋ以上、８．５×１０−６Ｋ以下の範囲を外れて大きくなってしまうため、熱履歴が加えられた際の膨張、収縮によって半導体素子等の他部材が破損したり、接続面との接続が外れたりするのを防止できないことが判った。
【０１０５】
これに対し実施例３−１〜３−２３、比較例３−４〜３−２２の結果より、ダイヤモンド粒子の体積比率を４０体積％以上、５５体積％以下とし、なおかつ結合材として、第一の金属であるＡｇと第二の金属であるＭｏとを、熱膨張率が上記の範囲となるように、つまり図３中に実線で囲んだ範囲に入るように併用することで、良好な加工性を維持しながら、熱履歴が加えられた際の膨張、収縮によって半導体素子等の他部材が破損したり、接続面との接続が外れたりするのを防止できることが判った。
【０１０６】
〈実施例４−１〉
平均粒径４０μｍのダイヤモンド粒子、平均粒径３μｍのＡｇ粉（純度９９％以上、第一の金属）、および平均粒径３μｍのＷ粉（純度９９％以上、第二の金属）を、この３成分の総量中に占めるダイヤモンド粒子の体積比率が４０．０体積％、Ａｇ粉の体積比率が４７．５体積％、Ｗ粉の体積比率が１２．５体積％となるように配合した混合物を、プレス圧：１９６ＭＰａの条件で予備成形後、真空中でモリブデンからなるカプセル中に封入した。
【０１０７】
３成分の総量中に占めるダイヤモンド粒子の体積比率ｙは４０体積％、ＡｇとＷの総量中に占めるＷの体積比率ｘは２１体積％であった。
次いでこのカプセルを加圧圧力：５ＧＰａ、加熱温度：１１００℃の条件で５分間、加圧しながら加熱し、引き続いて圧力を保持した状態で温度を常温に下げて３０分間保持した後、常圧に戻してカプセルを回収した。
【０１０８】
回収したカプセルの表面を研削することでモリブデンを除去して焼結体を取り出し、取り出した焼結体を放電加工して板状に切り出した後、板の一面を＃１４０のダイヤモンド砥石を用いて２時間、平面研磨して素子搭載面として、厚み０．３ｍｍの半導体素子実装用基板を作製した。
〈実施例４−２〜４−２３〉
ダイヤモンド粒子、Ａｇ粉、およびＷ粉の体積比率を調整して、３成分の総量中に占めるダイヤモンド粒子の体積比率ｙ（体積％）、およびＡｇとＷの総量中に占めるＷの体積比率ｘ（体積％）を表２２〜表２５に示す値としたこと以外は実施例４−１と同様にして、同形状、同寸法の半導体素子実装用基板を作製した。
【０１０９】
〈比較例４−１〜４−１９〉
ダイヤモンド粒子、Ａｇ粉、およびＷ粉の体積比率を調整して、３成分の総量中に占めるダイヤモンド粒子の体積比率ｙ（体積％）、およびＡｇとＷの総量中に占めるＷの体積比率ｘ（体積％）を表２６〜表２８に示す値としたこと以外は実施例４−１と同様にして、同形状、同寸法の半導体素子実装用基板を作製した。
【０１１０】
実施例、比較例で作製した半導体素子実装用基板の熱膨張率、熱伝導率、素子搭載面における、深さまたは高さが１０〜４０μｍ、面方向の最大径が１０μｍ〜３ｍｍである凹部および凸部の、単位面積あたりの個数、ならびに凹部および凸部外の領域での表面粗さを示す粗さ曲線の算術平均粗さＲａ、最大高さ粗さＲｚを表２２〜表２８にまとめた。
また実施例、比較例におけるダイヤモンドの体積比率と、ＡｇとＷの体積比率との関係を図４に示した。図中の○は実施例、●は比較例を示している。
【０１１１】
【表２２】
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【０１１２】
【表２３】
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【０１１３】
【表２４】
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【０１１４】
【表２５】
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【０１１５】
【表２６】
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【０１１６】
【表２７】
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【０１１７】
【表２８】
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【０１１８】
実施例４−１〜４−２３、比較例４−１〜４−１９の結果より、ダイヤモンド粒子の体積比率を４０体積％以上、５５体積％以下とし、なおかつ結合材として、第一の金属であるＡｇと第二の金属であるＷとを、熱膨張率が５．０×１０−６／Ｋ以上、８．５×１０−６Ｋ以下の範囲となるように、つまり図４中に実線で囲んだ範囲に入るように併用することで、良好な加工性を維持しながら、熱履歴が加えられた際の膨張、収縮によって半導体素子等の他部材が破損したり、接続面との接続が外れたりするのを防止できることが判った。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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