(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
主成分が金属とダイヤモンドからなる複合材の表面にメッキにより金属層を形
成し、前記金属層の形成された前記複合材を固相焼結し、前記固相焼結により前記金属層の表面に残ったピンホールを修復して、ろう付けやハンダ付けが可能なＮｉ系メッキを形成することを特徴とする放熱基板の製造方法。
【請求項２】
主金属と添加金属およびダイヤモンドの粉末を混合し、その混合粉末を型押しした後に液相焼結をすることでダイヤモンドの表面に添加金属の炭化物と主金属からなる層を形成し、前記液相焼結ののちに複合材の表面にメッキにより金属層を形成し、前記金属層の形成された前記複合材を固相焼結し、前記固相焼結により前記金属層の表面に残ったピンホールを修復して、ろう付けやハンダ付けが可能なＮｉ系メッキを形成することを特徴とする放熱基板の製造方法。
【請求項３】
前記放熱基板の線膨張係数が6.5ppm/K以上15ppm/K以下の範囲にあり、熱伝導率が420W/m・K以上であることを特徴とする請求項２に記載の放熱基板の製造方法。
【請求項４】
前記主金属はAg、Cu、Alまたはこれらの合金であり、前記添加金属は複合材全体に対しTi、Cr、Co、Mn、Ni、Fe、B、Si、Mg、Znから選ばれた１種もしくは1種以上の金属であり、その添加割合は複合材全体に対し1vol%以上15vol%以下であって、前記ダイヤモンドの粒径はその95％以上が10μｍ以上1000μｍ以下であることを特徴とする請求項２または３に記載の放熱基板の製造方法。
【請求項５】
前記複合材の表面はAg、Cu、Niまたはこれらの合金から選ばれた金属層からなり、その厚みは5μｍ以上200μｍ以下である請求項１から３何れかに記載の放熱基板の製造方法。
【請求項６】
前記複合材を研削や研磨した後に、Ti、Cr、Au、Ptまたは、これらの合金から選ばれた金属を蒸着して、その表面にAg、Cu、Niまたはこれらの合金から選ばれた金属層を形成し、その合計の厚さが5μｍ以上200μｍ以下である請求項１から３何れかに記載の放熱基板の製造方法。
【請求項７】
前記固相焼結は真空、減圧、非酸化、還元、不活性ガス、難燃性液体、不燃性液体から選ばれた雰囲気において、前記主金属と前記添加金属からなる合金の液相出現温度以下の温度と50MPa以上500MPa以下の圧力で加熱し加圧して得られた請求項２または３に記載の放熱基板の製造方法。
【請求項８】
前記固相焼結は真空、減圧、非酸化、還元、不活性ガス、難燃性液体、不燃性液体から選ばれた雰囲気において、前記主金属または前記主金属と前記添加金属からなる合金の液相出現温度以下の温度で50MPa以上500MPa以下のホットプレスで加熱し加圧して得られた請求項２または３に記載の放熱基板の製造方法。
【請求項９】
前記固相焼結は水中において、前記主金属または前記主金属と前記添加金属からなる合金の液相出現温度以下の温度で50MPa以上500MPa以下の通電焼結で加熱し加圧して得られた請求項２または３に記載の放熱基板の製造方法。
【請求項１０】
前記複合材を高温高圧下で緻密化した後に金属層をもうけ、再度、固相焼結を行う請求項２または３に記載の放熱基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は高性能な半導体モジュールのパッケージ(以下PKGと略記)に搭載するものであって、表面に欠陥の少ない金属層を有し、半導体モジュールに適した線膨張係数と、大きな熱伝導率を有する安価な金属ダイヤモンド系の放熱基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体モジュールには、LSI、IGBT、パワー半導体、電波・光通信用半導体、レーザー、LED、センサー等の用途があり、これらに必要な性能によって構造も多種多様である。半導体モジュールは異なる線膨張係数と熱伝導率の材料からなる部材で構成された、非常に高度な精密機器であり、そのPKGに使用される放熱基板も多様な複合材や形状のものが多く提案されている。
【０００３】
半導体モジュールの放熱基板には、PKGの製作、半導体デバイスのハンダ付けにおいて、性能や寿命を確保するために、適した線膨張係数が必要である。熱伝導率についても、半導体デバイスの熱を放散して冷却し性能や寿命を確保するために、高い値が必要である。他に各種部材や半導体デバイスを接合するために、良好なメッキを施し易いことも極めて重要である。
【０００４】
また放熱基板の形状を大別すると、厚み1ｍｍ以下で数ミリ角のサブマウント、平板、ネジ止め平板、三次元形状等があり、これらの形状が得やすい製法が望まれる。
【０００５】
放熱基板には、当初はCuが用いられていたが、近年の半導体モジュールの高性能化で発熱量が大きくなり、これまでのCu では線膨張係数が大きすぎるためにPKGの製造工程と耐久性、さらに半導体デバイスの性能寿命での問題が発生した。このため、高性能半導体モジュールに対応した線膨張係数を有する放熱基板が求められるようになった。
【０００６】
この対策として線膨張係数を変更・調整することができ、高性能半導体モジュールの線膨張係数に対応できるCuW、CuMo （特許文献1）が開発された。また軽量化が必要な場合の対応としてAlSiC（特許文献2）が開発された。しかし、これらのいずれの複合材も半導体モジュールに適した線膨張係数での熱伝導率が320W/m・K以下の値でCuより小さいという問題点があった。
【０００７】
このためCuW、CuMo 、AlSiCがカバーする範囲の6.5 ppm/K 以上15ppm/K以下の線膨張係数を有し、熱伝導率がCuの393W/m・Kと同じか、それ以上で金属の中で最も熱伝導率が高いAgの420W/m・K以上の材質が望まれ、種々の放熱基板の複合材料が研究開発されてきた。
【０００８】
放熱基板には線膨張係数と熱伝導率の特性以外にメッキの品質が重要である。半導体モジュールメーカーで半導体デバイスや絶縁板をハンダ付で接合する際に、接合界面にボイドが多く存在すると熱の流れが遮断され、半導体デバイスや絶縁板に剥離や破壊が起こる。このため良好なハンダ付が可能な最終のNi系メッキを施し得る欠陥の少ない表層を有する放熱基板が必要となる。
【０００９】
最終のNi系メッキには、品質確保のための種々の形態があり、これらの形態に対応するため、放熱基板メーカーでメッキを行う場合とPKGメーカーでメッキを行う場合があり、品質に対応するために多様なNi系メッキ、ハンダ材質、ハンダ付の条件等の開発が行われてきた。これらの開発において最終のNi系メッキの品質確保には、放熱基板の表層に欠陥の少ないことが極めて重要であり、それを実現するため種々の放熱基板の開発が進められてきた。
【００１０】
最終のNi系メッキには種々の形態があるため、一般的には最終のNi系メッキを施す前の線膨張係数と熱伝導率の値が複合材の放熱基板の基準特性として使用されている。
【００１１】
Cuの放熱基板は、表層の欠陥が少ないので、良好な最終のNi系メッキを施すことが容易である。しかしCuWやCuMoの機械加工品や研磨品は相対密度が低いと表層欠陥の問題が発生し易いので、実用化には相対密度が真密度の99％以上が必要であるとされている。しかしCuMo系のクラッド品においては表層がCu層なので最終のNiメッキを施す上での問題は回避できている。
【００１２】
AlSiCでは相対密度が真密度の99%以上であってもセラミックのSiCにメッキがし難いという問題がある。しかし複合材にピンホールなどの欠陥やメッキがし難いSiCがあっても、複合材の製作時にその表層に純Al箔や溶浸金属のAlの層を設けることにより、最終のNi系メッキを良好に施すことができている。
【００１３】
近年、半導体モジュールの急速な発展と高性能化で半導体デバイスの発熱が大きくなってきており、それに伴って熱対策が重要になってきている。このため半導体モジュールの腺膨張係数に対応できる線膨張係数を有し、かつ熱伝導率が高く、ハンダ濡れ性の評価より厳しい接合界面におけるボイド評価に合格する良好なハンダ付ができる新しい高品質な放熱基板が強く望まれていた。
【００１４】
高性能半導体モジュールの放熱基板として、金属ダイヤモンドの放熱基板が高い熱伝導率が得られる可能性があり有望であることから、これまで様々な研究開発が行われ、報告されている。
【００１５】
金属とダイヤモンドのみの場合には、金属のダイヤモンドへの濡れ性があまりにも悪く、既存のCuWやCuMo の製造法で採用されている溶浸法や焼結法では放熱基板に使用できる複合材は製造が困難であった。こうしたなか、Cuとダイヤモンドの粉末をキャニングし、高温で5万気圧の高圧下で焼結する超高圧焼結法（特許文献3）で高い熱伝導率が得られるとの報告がある。しかしこの製法では相対密度が高い複合材が得られるものの、ダイヤモンドが多い組成範囲のため、線膨脹係数が小さ過ぎるうえに、製造コストも高くなる。また製品形状の製作加工には、ブロック素材のスライス加工や研削加工が必要で、それに起因する欠陥により最終のNi系メッキの品質に問題が生じ、用途が限定されていた。
【００１６】
主金属と添加金属とダイヤモンドの粉末を混合した圧粉体を焼結することでダイヤモンド表面に添加金属の炭化物ができ、高い熱伝導率が得られるとの報告（特許文献4）がある。しかし、この製法の複合材は不安定で高い真密度が得られないため、表面に多数のピンホールがあり良好な最終のNi系メッキの品質が確保できないという問題点がある。このため放熱基板として使用できる複合材の放熱基板は得られていなかった。
【００１７】
ダイヤモンド粉末の表層に添加金属の炭化物の膜を形成したスケルトンに金属を溶浸する製造法を用いて高い熱伝導率が得られるとの報告（特許文献5）がある。この製法は焼結法に比べ高い真密度と熱伝導率が得られるが、スケルトンの構造が不安定なため組成にバラツキが生じるという問題がある。また外周の余剰な溶浸金属をダイヤモンド砥石で研削除去する必要が生じ、それによって複合材の表面のダイヤモンドの欠けや脱粒、特にダイヤモンドと金属の界面剥離等が生じて、金属の蒸着を施したとしても放熱基板に必要な品質を有する最終のNi系メッキが施せないという問題点がある。そのため放熱基板として使用できる複合材とはならなかった。
【００１８】
ダイヤモンド粉末にCuメッキした粉末の圧粉体をSPS(Spark Plasma Sintering：放電プラズマ焼結)法で焼結して高い熱伝導率が得られるとの報告（特許文献6）がある。しかし、ダイヤモンド粉末へのCuメッキは費用が高く、加えてSPS通電焼結法で高い熱伝導率を得るには、長時間の焼結が必要で生産性が低いという問題点がある。また表層にダイヤモンドが露出することがあり、良好なハンダ付ができる最終のNi系メッキの品質が確保できない問題点があった。
【００１９】
ダイヤモンド粉末にSiCのセラミックコートを施したスケルトンにAl・Si・Mg合金を加圧溶浸（特許文献7）することで、高熱伝導率でありながら表層に溶浸金属の膜を形成した結果、最終のNi系メッキの品質も満足できるという報告がある。しかし、薄い放熱基板の場合には、表層に熱伝導率の小さい溶浸金属の層があるため放熱基板に適さない。また、精密な治具を用いて表層に溶浸金属の層を設けるには製造難度が高く、安価に複合材ができないので経済的でない。加えて表層の溶浸金属の膜は、必ずしも最終のNi系メッキに適しているとはいえない。更にこの製法はAl合金にしか適用できず、スケルトンの安定性を確保するには組成範囲もAl合金が60%以下と限定される。このため放熱基板として使用できる範囲に限界があり用途が限定されていた。
【００２０】
ダイヤモンド粉末に金属やセラミックのコーテイングを施した圧粉体にCuを溶浸した複合材に、純Cu板を銀ろう付してPKG（特許文献8）を製造した報告がある。しかし、ダイヤモンド粉末に金属やセラミックのコーテイングを施す費用は高く、加えて外周の余剰な溶浸金属をダイヤモンド砥石で研削除去する必要があり、その後にCu板を銀ろう付するので、製造工程が多く経済的でない。また金属ダイヤモンドの放熱基板に純Cu板を銀ろう付すると、Cuと銀ろう材が反応して合金となり熱伝導率の小さい層が生成する。またCu板が厚くても蝋付部にボイド等の欠陥が生じる問題点がある。このため放熱基板として使用できる複合材は未だ商品化されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２１】
【特許文献１】；特開平6-13494号公報
【特許文献２】；特開2004-55577号公報
【特許文献３】；W02003/040420号公報
【特許文献４】；特開平11-67991号公報
【特許文献５】；特開平10-223812号公報
【特許文献６】；特開2008-248324号公報
【特許文献７】；W02010/007974号公報
【特許文献８】；特表2006-505951号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
これまでに報告された金属ダイヤモンド系の複合材の放熱基板において、金属とダイヤモンドの比率を変えることで線膨張係数の可変・調整ができ、ダイヤモンドの比率を増やすことや大きな粒子のダイヤモンドを使用することにより、CuやAgを超える大きな熱伝導率が有する放熱基板を得られることが報告されている。
【００２３】
しかし、金属ダイヤモンド系の放熱基板において真密度が99%以上の複合材料であっても、表層にダイヤモンドが露出してメッキが付かないために、露出したダイヤモンドと同程度の大きさのメッキホールの欠陥が生じる。このため最終のNi系メッキにメッキホールの欠陥が転写され、表層に現われるという問題がある。またダイヤモンド砥石で研削した後、Ti等の金属の蒸着を行うことでダイヤモンドがメッキに覆われてメッキホールの欠陥は無くなるものの、ダイヤモンドと金属の界面剥離による影響により、新たにメッキの金属層の表層に数μｍ以下のピンホールが生じ、これに起因して良好なハンダ付ができる最終のNi系メッキの品質が確保できないという問題がある。
【００２４】
一方、主金属と添加金属およびダイヤモンドからなる液相焼結の複合材では、露出したダイヤモンドの表面が添加金属の炭化物と金属からなる層に覆われるので、メッキホール欠陥は生じない。しかし、Cu等に比べ添加金属の炭化物は、メッキがしにくく密着性が低いので、内部にボイドが生じ易く、また表層にも数μｍ以下のピンホールが生じ易いという問題がある。併せて焼結性が悪いため、複合材の相対密度が低くなり易く、また表層にも巣が生じ易く、これらが原因となってメッキの金属層にピンホール欠陥ができ、最終のNi系メッキの品質が確保できないという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
こうした問題を解決するために、本発明は、主成分が金属とダイヤモンドからなる複合材の表面にメッキにより金属層を形成し、前記金属層の形成された前記複合材を固相焼結し、前記固相焼結により前記金属層の表面に残ったピンホールを修復して、ろう付けやハンダ付けが可能なＮｉ系メッキを形成することを特徴とする放熱基板の製造方法を提供するものである。
【００２６】
なかでも主金属と添加金属およびダイヤモンドの粉末を混合し、その混合粉末を型押しした後に液相焼結をすることでダイヤモンドの表面に添加金属の炭化物と主金属からなる層を形成し、前記液相焼結ののちに複合材の表面にメッキにより金属層を形成し、前記金属層の形成された前記複合材を固相焼結し、前記固相焼結により前記金属層の表面に残ったピンホールを修復して、ろう付けやハンダ付けが可能なＮｉ系メッキを形成することを特徴とする放熱基板の製造方法を提供するものである。
【００２７】
粉末冶金の焼結法は高精度で多様な製品を最も低コストで製造出来る方法であり、小型・中型品をニアネットシェイプで製造できる可能が高く、この技術で種々の半導体部品が開発され実用化されている。
【００２８】
しかし、金属とダイヤモンドのみを液相焼結すると、ダイヤモンドに対する金属の濡れ性があまりにも悪く、焼結時に金属とダイヤモンドが分離するか表層に金属が粒状に生成してしまい、正常な複合材が得られない問題がある。
【００２９】
一方、主金属・添加金属・ダイヤモンドの混合粉末の型押体を液相焼結した複合材は、相対密度が低くて不安定な問題があるが、露出したダイヤモンドの表面に添加金属の炭化物と主金属からなる層があるので、メッキで金属層を形成しても大きな欠陥が生じないことがある。しかし、添加金属の炭化物と主金属は必ずしもメッキし易くないという問題がある。併せて焼結性がわるいため複合材の表層に巣も生じ易い。これらが原因となって最終のNi系メッキの品質が確保できないという問題がある。更に金属層のメッキは厚みがあつくなると密着性が低下し、内部にボイド等が多く発生する。また表層の粒子が大きいと、凹凸を生じて脱落することもある。
【００３０】
こうしたなか、主金属・添加金属・ダイヤモンドの液相焼結した複合材であっても良好なハンダ付ができる最終のNi系メッキを行う方法として、複合材にメッキで金属層を形成したものを加熱し加圧する固相焼結をすることで、金属層の密着性が向上し、また金属層の内部ボイド、ピンホール、ザラツキ等の欠陥が修復でき、同時にその金属層を加熱し加圧することで複合材が緻密化され特性が向上し安定化する効果があることを見出だした。
【００３１】
高性能モジュールの放熱基板の品質は、近年では放熱基板に最終のNi系メッキを行い半導体デバイスや絶縁板にハンダ付けされた状態のハンダボイド率で確認されるようになってきている。そこでハンダボイド率を測定することにより、表層に欠陥の少ない金属層を形成すれば、放熱基板で最終のNi系メッキ品質が確保でき、厳しい規格に合格する良好なハンダ付が可能になることを確認した。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、金属・ダイヤモンド・添加物の混合粉末の型押品を液相焼結法で製造した複合材にメッキにより金属層を形成した後、真空中等の酸化しにくい雰囲気中で金属層の液相出現温度以下において50MPa以上の圧力下で固相焼結を行うことにより、金属層の表面と内部を修正できて欠陥の少ない金属層が得られ、良好なハンダ付が出来る最終のNi系メッキ品質を確保できる放熱基板とすることができる。併せて複合材の緻密化で相対密度や熱伝導率の向上を図ることができる。
【００３３】
欠陥の少ない金属層が得られることで線膨張係数と熱伝導率の値を満たせば内部の複合材の相対密度が90%以下と著しく低くなければ放熱基板としては最終のNi系メッキ品質に特に大きな問題は起こらないことも確認できているので、放熱基板として使用が可能である。
【００３４】
放熱基板に耐熱性が必要な場合には主金属をAgやCu、それらの合金にすれば良く、軽量化が必要な場合には主金属をAlやAl合金にすることで達成できる。このようにしてCuW、CuMo、AlSiCの放熱基板の線膨張係数の範囲をカバーでき、良好なハンダ付ができ、かつ高い熱伝導率の複合材を提供できる。
【００３５】
本発明は放熱基板の形状についても、サブマウント(数ミリ角*厚み0.1~1ｍｍ)、平板（10~250角*厚み0.8~5ｍｍ）ネジ止め平板（10~250角*厚み0.8~5ｍｍ）、平板、三次元形状（大きさ10~50*厚み1~5ｍｍ）等に対応できる製法である。
【００３６】
また、厚み精度が厳しい放熱基板では研削が必要であるが、他の金属ダイヤモンドの複合材料の放熱基板と同様にダイヤモンド砥石の研削により複合材の表面のダイヤモンドの欠けや脱粒、特にダイヤモンドと金属の界面剥離が起こり、金属の蒸着を施したとしても良好な最終のNi系メッキが出来ない問題があるが、複合材にTi、Cr、Au、Pt等の金属を蒸着した後にメッキで金属層を形成してから加熱加圧の固相焼結をすることで良好な最終のNi系メッキを確保することができる。
【００３７】
更に同一組成で高い機械強度や大きな熱伝導率が必要な場合には、液相焼結後の複合材を融点直下の高温で高い圧力で加圧後、メッキで金属層を形成し、その金属層を形成した複合材を固相焼結することで本発明の放熱基板が得られる。
【００３８】
次に、最終の固相焼結は真空、減圧、非酸化、還元、不活性ガス等の雰囲気中で行うことも可能であるが、装置が大型化し焼結に時間を要する。しかし、市販の抵抗溶接機を使い、水中で固相焼結を行うことで容易かつ安価に製造することができる。また、この製法はスライス、研削、切断等の加工が不要なため、大きなダイヤモンド粒子を使用した高熱伝導率でニアネットシェイプの放熱基板が得られる。
【００３９】
本発明は既存の技術の応用で金属ダイヤモン系の複合材に良好なハンダ付ができる欠陥の少ない金属層を簡単に設けることが出来る技術である。また水中で固相焼結する新しい技術で金属・添加物・ダイヤモンドの放熱基板をニアネットシェイプで製作できる技術である。更にメッキ後に固相焼結することで複合材の相対密度や熱伝導率の向上と安定も図れる。
【００４０】
本発明はCuW、CuMo、AlSiC等では製造が出来なかったニアネットシェイプでの金属・添加金属・ダイヤモンドの高性能な放熱基板の製作が可能である。
【００４１】
以上のように本発明は主金属・添加金属・ダイヤモンドの粉末を混合し型押し後に液相焼結を行い、その複合材に金属層を設けたのち、加熱し加圧する固相焼結を行う二段階焼結により、表層に欠陥の少ない金属層を有し、線膨張係数6.5 ppm/K以下15ppm/K以上の範囲で、熱伝導率420W/m・K以上で低価格の新しい発想の半導体モジュールの放熱基板を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】水中で二次固相焼結を行う装置の概略図
【図２】上記放熱基板の断面を示した拡大写真
【発明を実施するための形態】
【００４３】
（組成）
既に主金属がAg、Cu、Alや合金であれば・添加金属・ダイヤモンドを最適に混合し型押し後に液相焼結を行うことで線膨張係数6.5 ppm/K以上15ppm/K以下の範囲、熱伝導率420W/m・K以上の放熱基板にできるとの報告がある。しかし、添加金属を使用しても焼結が不安定で相対密度が低いため、最終のNi系メッキの品質が確保できない問題があり、熱伝導率のバラツキが大きく、熱伝導率が安定して420W/m・K以上にならない問題等があるため実用化に至っていない。
本発明はメッキにより金属層を形成したのち加熱し加圧する固相焼結を行うことで、表層に欠陥の少ない金属層を形成して熱伝導率の向上と安定を図ったものである。
耐熱性が必要な場合、主金属はAg、Cu、またはこれらの合金が望ましい。大型の放熱基板で軽量化が必要な場合はAlやAl合金が望ましい。
【００４４】
添加金属はダイヤモンドと炭化物をつくるかまたは主金属と合金にできる元素であれば特に指定しないがTi、Cr、Co、Mn、Ni、Fe、B、Y、Si、Mg、Zn等で複合材全体の1 vol%以上15vol%以下であり、一種類以上でも効果があれば問題ない。1vol%未満でも15vol%を超えても熱伝導率が420 W/m・K以上にはならない。
Ag、Cu、とこれらの合金の場合はTi、Cr、Co、Mn、Ni、Fe、Bで複合材全体の1 vol%以上5 vol%以下が望ましく、1vol%未満でも5vol%を超えても熱伝導度率が420W/m・K以上にはならない。Alの場合は複合材全体のSiが5 vol%以上15 vol%以下の値が望ましく、5 vol%未満でも15 vol%を超えても熱伝導度率が420W/m・K以上にはならない。また1.0 vol%Mg添加することで液相焼結が安定する効果がある。
【００４５】
ダイヤモンドは熱伝導率の値を確保するため95％以上が10μｍ以上1000μｍ以下の範囲であることが望ましい。10μm以下では熱伝導率が420W/m・K以上は得られない。1000μm以上では熱伝導度向上の効果が少ない上に切断等の加工性が著しく低下し、更に粉末価格が大幅に高くなる。また上記の範囲の大小粒子のダイヤモンドを混合しても、その量が95%以上なら問題ない。5%以内の10μｍ以下1000μｍ以上の大小のダイヤモンドが混入していても問題ない。
他にダイヤモンドが高価なためダイヤモンドの一部を安価で低線膨張係数のSiC、W、Moで置換しても特性を満たせば問題ない。
【００４６】
（液相焼結）
型押し後の焼結は真空、減圧、加圧、非酸化、還元ガス、不活性ガス中で主金属の液相出現温度以上が必要である。液相焼結することでダイヤモンド粒子の表層に添加金属とダイヤモンドが反応して炭化物ができる。更に炭化物と添加金属と主金属が反応した合金層ができ金属・添加物・ダイヤモンドからなる複合材が出来る。
【００４７】
（金属層）
金属層は液相焼結後の複合材やその研磨品にメッキを被覆して形成するものでAg、Cu、Ni、それらの合金等を使い、厚みが5μｍ以上200μｍ以下であれば、複合材の全面、上下、半導体デバイスを搭載する部分のみでも問題ない。やわらかくて熱伝導度率の大きいAgやCuの金属層が好適であり、Niまたはこれらの合金のメッキはAl系ダイヤモンドの大型で寸法の厚い放熱基板に有効である。また金属層はAg、Cu、Niまたはこれらの合金を多層にメッキしても問題ない。
金属層の厚みは5μｍ以下では加熱加圧しても放熱基板に必要な欠陥の少ない金属層を全体に設けられない。また200μｍ以上では金属層が非常に不安定になるとともにメッキ費用が高くなる。
【００４８】
（固相焼結）
メッキ後の固相焼結は真空、減圧、加圧、非酸化、不活性ガス、難燃性液体、不燃性液等の雰囲気で行うことができるが、水中法で通電焼結を行うことで形状をニアネットシェイプで製作が可能でコスト的にも有利である。温度は液相出現温度以下で加圧50MPa以上500MPa以下の条件で固相焼結を行うことにより、複合材の表面にメッキされた金属層の欠陥を修復し、更に複合材自体の熱伝導率の向上と安定化を図ることができる。その製造はホットプレス（以下HPと略記）、鍛造、通電焼結等により可能である。この固相焼結で金属とダイヤモンドからなる複合材の表にメッキしたAg、Cu、Niや、それらの合金の金属層を、Cuの放熱基板の表層のような欠陥の少ない状態にできる。
【００４９】
固相焼結の方法としては薄いシートやウエハーではHPで多段の製造ができ、効果的である。またニアネットシェイプには通電焼結が好適である。更に温度や圧力を加えることで熱伝導度の向上安定化が図れる。Ag、Cu、Niやそれらの合金のメッキは高温では軟化するので、温度400℃以上から液相出現温度以下で圧力50MPa以上500MPa以下の焼結をすれば良い。温度は400℃以下では十分な修復ができない、また600℃以上になると治具や電極の間から大きなバリが出始め、治具の寿命が著しく低下してしまう。AlやAl合金では融点が低いので500℃以下が望ましい。
圧力は50MPa以上で、それ以下では金属層の十分な修正ができない、また500MPa以上では大型装置を用いなければ加圧できないので経済的でない、また一般的な治具や電極では破壊してしまうことがある。このため複合材と金属層に適した固相焼結の条件温度や圧力や治具や電極を選択することが重要である。
【００５０】
真空やガス中等での固相焼結は装置が大型化し加熱し加圧するのに時間を要し、また自動化が難しい。水中の固相焼結でも同じように金属層のメッキ改善効果が得られることから、市販の抵抗溶接機を用いて複合材を水中において金属の電極で挟み込み、通電焼結をすることにより数十秒の短時間で固相焼結ができ、かつ自動化も可能である。安定させるには金属の電極で挟みこんだまま電流の入り切りの通電を繰り返すことで効果が向上する。形状的にも小型品やネジ止め平板や三次元形状品の放熱基板をニアネットシェイプで大量生産が可能である。また、この製法によればダイヤモンド砥石の研削や切断加工の必要がなく、粒径の大きいダイヤモンド粉末を使用できるので高熱伝率の放熱基板が得られる。
【００５１】
尚、加熱し加圧する固相焼結で金属層の一部がバリになり金属層の厚みが薄くなる。更に表面の粗さ精度を向上させるためバフ研磨で表面を目標の粗さにするので、更に薄くなることがあるが、最終的には複合材の表面全体に金属層が2μｍ以上残っていれば問題はない。
【００５２】
（加工）
薄いシートやウエハーの複合材の表面粗さは治具や電極の面粗さが転写されるので製品の形状にウォ―タージェット、高出力レーザー、ワイヤカット等で切断して製品化する。しかし、さらに精度が必要な場合には、金属層を研磨紙やバフで研磨し所定の表面粗さに仕上げ、製品の形状にウォ―タージェット、高出力レーザー、ワイヤカット等で切断して製品化することも可能である。またニアネットシェイプで作られる複合材は形状加工が不要でありコスト的に有利である。
【００５３】
（最終メッキ）
最終のメッキは放熱基板に各種の部材、絶縁板、半導体デバイス等を銀ろう付やハンダ付等で接合することを目的として行われるが、放熱基板に欠陥があると、その影響で最終のNi系メッキに欠陥が発生し、良好な銀ろう付やハンダ付が出来ない問題が発生する。Ni系メッキが多層になっても次々と欠陥が転写されていくので問題は解決しない。
【００５４】
半導体モジュールにおいては、放熱基板への半導体デバイスのハンダ接合が最も重要であり非常に低いボイド率が求められる。近年、様々なハンダ材質や技術が開発されてきたがPbフリー化と高温対応のためにSnAgCu(融点；218℃)のハンダ材が主に使われ評価にも使われる。
【００５５】
これまでのCuでは、電解Ni、無電解Ni-P 、無電解Ni-Bが行われてきた。またCuWやCuMo系の放熱基板の最終のメッキは、電解Ni+無電解Ni-Pと、無電解Ni-P+無電解Ni-B、無電解Cu+無電解Ni-Pが行われる。さらにAlSiCでは無電解Ni-P+無電解Ni-Bである。一般的には良好なハンダ性を確保するため、最終メッキを3μｍのNi-Bとした場合のハンダボイド評価が行われる。
【００５６】
発明は最終のNiのメッキをCuW、CuMo 、AlSiCのように多層のメッキも可能であるが複合合金の金属層が第1層の役目をはたすので最終の表層のNi系メッキのみでも問題ない。またメッキ金属層がNi系メッキの電解Ni、無電解Ni-P 、無電解Ni-Bの場合は最終のメッキ自体の省略が可能である。
【００５７】
これまでJIS  Z3197（対応国際規格ISO94455）によるハンダ広がり80％以上の規格でハンダ品質の評価がされることがあったが、規格がゆるすぎて実態と合わないので、ボイド面積5%以下の規格が使用されるようになってきている。
【００５８】
最終のメッキが3μｍのNi-BでSnAgCu（218℃）ハンダの評価は非常に厳しく超音波測定でボイド率5％以下を合格すれば銀ろう付、他のハンダ付け、樹脂付等で問題が起こらない知見がある。
【００５９】
〈放熱基板の評価〉
（腺膨張係数の測定）
固相焼結後の25＊25＊2~2.5ｍｍ試料からWEDMやパワーレーザーで10ｍｍ＊5ｍｍ＊厚み2~2.5ｍｍ切り出し熱膨張係数計(セイコー電子工業社製)でRT（25℃）の腺膨張係数の測定を行う。
【００６０】
（熱伝導の測定）
固相焼結後の25＊25＊2~2.5ｍｍの試料からWEDMやパワーレーザーでφ10ｍｍ＊厚み2~2.5ｍｍを切り出しレーザーフラッシュ法の熱伝導度計(アルバック理工製  TC-7000)でRT（25℃）の熱伝導率の測定を行う。
【００６１】
（金属層の密着テスト）
固相焼結後の25＊25＊2~2.5ｍｍの試料を大気中に450℃に30分保持し、外観を顕微鏡の10倍の倍率で目視観察し、金属層のメッキのフクレがない場合はOKであり、大小にかかわらずフクレが見つかった場合にはNGと判断した。
【００６２】
（ハンダボイド品質の測定）
固相焼結後の25＊25ｍｍの複合合金をバリ取りしバフ研磨後に3μｍNi-Bメッキの放熱基板に10＊10ｍｍ＊0.7ｍｍのSiデバイスの金属電極付を高温SnAgCu(218℃)ハンダで接合し超音波でボイドの面積を調べ5%以下なら合格（OK）、以上を不合格（NG）とした。なお、この評価は非常に厳しいので測定でボイド率5％以下を合格すれば銀ろう付、他のハンダ付け、樹脂付等で問題が起こらない知見がある
【実施例】
【００６３】
（実施例-1；Ag−Ti−ダイヤモンドの放熱基板試料、Ｎｏ9）
69vol%Ag、1vol%Ti、30vol%・30μｍダイヤモンドの粉末の混合し25＊25ｍｍの金型を使用し圧力500MPaでプレス型押し後に真空中・温度1100℃・60分で液相焼結を行い、その複合材に金属層5μｍのAgメッキ後、HPで温度400度、圧力50MPa、30分保持で固相焼結を行い、バリ取り後、フクレテストを行い、その後3μｍNi・Bメッキを行い、ハンダ付のボイド品質の評価を行った。
結果を表1に示す。
【００６４】
（実施例-2；Cu−Cr−ダイヤモンドの放熱基板試料、Ｎｏ15）
35vol%Ag、5vol%Cr、60vol%・100μｍダイヤモンドの粉末の混合し25＊25ｍｍの金型を用いて圧力500MPaでプレス型押し後に水素中・温度1200℃・60分で液相焼結を行い、その複合材に金属層の50μｍのCuメッキを施した後、セラミック治具に複合材を入れ通電焼結機で圧力300MPaがかかるように上下電極で加圧し、通電加熱で600℃、5分保持で固相焼結を行い、バリ取り後、フクレテストを行い、その後3μｍNi・Bメッキを行い、ハンダ付のボイド品質の評価を行った。
結果を表1に示す。
【００６５】
（実施例-3；Ag−Ti−Dia−残Cuの放熱基板、試料Ｎｏ24）
10vol%Ag、37vol%Cu、3vol%Ti、30vol%・100μｍと20vol%・30μｍダイヤモンド粉末を混合し25＊25ｍｍの金型を用いて圧力500MPaでプレス型押し後に、真空1000℃60分保持する液相焼結後、その複合材に金属層の100μｍのCuメッキを施した後、その素材１を図１のセラミック治具４に入れ抵抗溶接機を用いて水中６で上下電極２、３による100MPa加圧しながら通電し温度500℃2秒保持し、それを加圧したままで500℃になる通電を3回繰り返す固相焼結を行い、バリ取り後、フクレテストし、その後3μｍNi・Bメッキを行い、ハンダ付のボイド品質の評価を行った。
結果を表1に示す。
【００６６】
（実施例-4；Al−Si−Mg−Diaの放熱基板、試料Ｎｏ27）
29vol%Al、10vol%Si、1 vol%Mg 、60vol%・50ｍμダイヤモンド粉末を混合し、25＊25ｍｍ金型を用いて圧力500MPaでプレス型押し後に窒素・温度600℃・60分で一液相焼結を行い、その複合材の表層を研削しTiとNiを併せて0.3μｍ蒸着し更に金属層の10μｍのNiメッキを施した後、HPで真空、温度450度、圧力100MPa、10分保持で固相焼結を行い、バリ取り後、フクレテストを行い、その後3μｍNi・Bメッキを行い、ハンダ付のボイド品質の評価を行った。
結果を表2に示す。
【００６７】
（実施例-5；PKGの放熱基板に半導体デバイスを搭載した半導体モジュールの評価）
実施例-3の熱膨張係数8.3ppm/Kで熱伝導度555W/m/Kの放熱基板にセラミックとコバール等の部材をH2中750℃で銀ろう付け後に剥離や割れのない確認したPKGを作り、それに10＊10＊0.7ｍｍのSiデバイスの金属電極を高温AuSn(280℃)ハンダを300℃で接合し超音波でボイド面積が3%以下であることを確認した半導体モジュールを製作しヒートサイクルテスト(-40~125℃3000回)を行った。併せて、比較のため同寸法の実施例-3と同じ熱膨張係数8.3ppm/Kで熱伝導度200W/m/Kの20wt%CuWの放熱基板で同じPKGを作りデバイスを搭載してヒートサイクルテスト(-40~125℃3000回)を行った。
結果はいずれの試料も剥離や割れ等の問題は起こらなかった。
【００６８】
実施例１，２，３
【表１】
0005807935.tif 000002
【００６９】
実施例４
【表２】
0005807935.tif 000003
【００７０】
比較例
【表３】
0005807935.tif 000004
【００７１】
（今回開示の解釈-1）
これにより将来的な高性能半導体モジュールに対応できる高性能放熱基板の要求を満たすことができる。
【００７２】
（今回開示の解釈-2）
なお、本発明は現形態に限定されるものではなく本発明の目的を達成できる範囲での形態は本発明に含まれる。本発明を実施する際の具体的な構造や形態等は本発明の目的を達成できる範囲内で他の構造でもよい。例えば他の製法の金属ダイヤモンドの放熱基板のメッキ品質の確保にも本発明は応用できる。
【００７３】
（今回開示の解釈-3）
今回開示された実施形態及び実施例はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。上記した説明でなく特許請求範囲によって示される。
【符号の説明】
【００７４】
1  金属と添加金属及びダイヤモンドからなる複合材に金属層を形成した素材
2  上下する上電極
3  下電極
4  セラミック治具
5  溶接機電源
6  水
7  ダイヤモンド
8  金属層
9  放熱基板の断面拡大写真
【要約】
【課題】表面に欠陥の少ない金属層を持ち、線膨張係数が6.5ppm/K以上15ppm/K以下の範囲にあり、熱伝導率が420W/m・K以上である放熱基板と、それを使用した半導体用モジュールを提供することを課題とする。
【解決手段】主金属と添加金属およびダイヤモンドの粉末を混合し、その混合粉末を型押しした後に液相焼結を行い、得られた複合材の表面にメッキにより金属層を形成し、のちに加熱し加圧する固相焼結を行うことにより、表面に欠陥の少ない金属層を有する放熱基板を得る。
【選択図】  図１【図１】
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【図２】
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