(57)【要約】【課題】熱膨張率が小さくて熱伝導性が高く、半導体装置との接合が容易で、低価格な放熱体を提供する。【解決手段】半導体装置に接合され、半導体装置から発生する熱を放熱する放熱体１を、金属粉末とこの金属粉末より低い熱膨張率を有する無機化合物粉末とを混合した焼結体で形成し、この焼結体における無機化合物粉末の濃度を、半導体装置への接合面側を高く、放熱側を低くした。また、焼結体の気孔に、焼結温度より低い融点の低融点金属粉末を、含浸又は圧入した。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体装置に接合され、半導体装置から発生する熱を放熱する放熱体において、
金属粉末とこの金属粉末より低い熱膨張率を有する無機化合物粉末との混合物から得られた焼結体であり、この焼結体における前記無機化合物の濃度を、前記半導体装置への接合面側を高く、放熱側を低くした
ことを特徴とする放熱体。
【請求項２】
前記焼結体は、銅、アルミニウム、銀、金又はこれらの合金から選択される金属粉末と、室温〜３００℃における熱膨張率が５×１０−６／Ｋ以下の酸化銅、酸化錫、酸化亜鉛、酸化鉛、酸化ニッケル、酸化アルミニウムの何れかによる無機化合物粉末の混合物を焼結して成る
ことを特徴とする請求項１に記載の放熱体。
【請求項３】
前記焼結体は、前記金属粉末に銅、前記無機化合物粉末に酸化第二銅を用い、酸化第一銅の濃度を、前記半導体装置への接合面側で１０〜７０容量％、前記放熱側で０〜５０容量％とした
ことを特徴とする請求項２に記載の放熱体。
【請求項４】
前記焼結体の気孔に、焼結温度より低い融点の低融点金属粉末を、含浸又は圧入した
ことを特徴とする請求項１に記載の放熱体。
【請求項５】
前記焼結体における前記半導体装置への接合面に、低融点金属層が形成された
ことを特徴とする請求項１に記載の放熱体。
【請求項６】
半導体装置に接合され、半導体装置から発生する熱を放熱する放熱体を形成する放熱体形成用金型において、
前記放熱体を形成する凹部を１乃至は複数備え、前記凹部の開口平面の面積が、前記凹部の底面よりも大きく、かつ前記凹部の断面形状が略逆台形状である
ことを特徴とする放熱体形成用金型。
【請求項７】
半導体装置に接合され、半導体装置から発生する熱を放熱する放熱体を製造する放熱体の製造方法において、
金属粉末とこの金属粉末より低い熱膨張率を有する無機化合物粉末との混合粉末を金型に注入したのち加振し、この加振により高密度となった混合粉末を焼結し、この焼結体の上面に、前記焼結の温度より低い融点の低融点金属粉末を載せて加圧しながら加熱し、この加熱後に冷却により固化された放熱体を取り出す
ことを特徴とする放熱体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子やこの素子を用いた半導体モジュールなどの半導体装置から発生する熱を放熱する放熱体、放熱体形成用金型、及び放熱体の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体回路（ＬＳＩ）の高容量化、高速化に伴い、その回路が形成される半導体素子の発熱量はさらに増大する傾向にある。このため、発熱に起因する半導体素子の特性劣化、短寿命化を防止するために、放熱部材（放熱体）を設け、半導体素子及びその近傍での温度上昇を抑制する必要がある。Ｃｕ（銅）は、熱伝導率が３９３Ｗ／（ｍ・Ｋ）と大きく、かつ低価格であるため、ＬＳＩの放熱体として一般に用いられている。一方、各種オン・オフ機能を持つ電力やエネルギーの変換、制御用の半導体素子は、発熱量が特に大きいことから、放熱体として、熱膨張率が半導体素子の構成材料であるＳｉ（シリコン）の熱膨張率に近い材料、例えばＭｏ（モリブデン）やＷ（タングステン）が使われている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の放熱体に用いられるＣｕは、熱伝導率が大きいものの、熱膨張係数（熱膨張率）が１７×１０−６／Ｋと大きいため、発熱量が多く熱膨張率が小さい半導体装置用の放熱体には熱歪み等の点から直接利用することができない。また、ＭｏやＷは、熱膨張率が小さいが、高価格で熱伝導性が低いという問題がある。さらに、放熱体の生成は一度に複数以上多数個、低圧で作る為、製造コストは下がるが、放熱体にボイドが残り易く、密度が不足し強度が低い、或いは半導体装置との接合が難しいという問題があった。
【０００４】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、熱膨張率が小さくて熱伝導性が高く、半導体装置との接合が容易で、低価格な放熱体、放熱体形成用金型、及び放熱体の製造方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の放熱体は、半導体装置に接合され、半導体装置から発生する熱を放熱する放熱体において、金属粉末とこの金属粉末より低い熱膨張率を有する無機化合物粉末とを混合した焼結体であり、この焼結体における前記無機化合物粉末の濃度を、前記半導体装置への接合面側を高く、放熱側を低くしたことを特徴としている。
【０００６】
また、前記焼結体は、銅、アルミニウム、銀、金又はこれらの合金から選択される金属粉末と、室温〜３００℃における熱膨張率が５×１０−６／Ｋ以下の酸化銅、酸化錫、酸化亜鉛、酸化鉛、酸化ニッケル、酸化アルミニウムの何れかによる無機化合物粉末の混合物を焼結して成ることを特徴としている。
【０００７】
また、前記焼結体は、前記金属粉末に銅、前記無機化合物粉末に酸化第二銅（ＣｕＯ）を用い、酸化第一銅（Ｃｕ２Ｏ）の濃度を、前記半導体装置への接合面側で１０〜７０容量％、前記放熱側で０〜５０容量％としたことを特徴としている。
【０００８】
また、前記焼結体の気孔に、焼結温度より低い融点の低融点金属粉末を、含浸又は圧入したことを特徴としている。
【０００９】
また、前記焼結体における前記半導体装置への接合面に、低融点金属層が形成されたことを特徴としている。
【００１０】
また、本発明の放熱体形成用金型は、半導体装置に接合され、半導体装置から発生する熱を放熱する放熱体を形成する放熱体形成用金型において、前記放熱体を形成する凹部を１乃至は複数備え、前記凹部の開口平面の面積が、前記凹部の底面よりも大きく、かつ前記凹部の断面形状が略逆台形状であることを特徴としている。
【００１１】
また、本発明の放熱体の製造方法は、半導体装置に接合され、半導体装置から発生する熱を放熱する放熱体を製造する放熱体の製造方法において、金属粉末とこの金属粉末より低い熱膨張率を有する無機化合物粉末との混合粉末を金型に注入したのち加振し、この加振により高密度となった混合粉末を焼結し、この焼結体の上面に、前記焼結の温度より低い融点の低融点金属粉末を載せて加圧しながら加熱し、この加熱後に冷却により固化された放熱体を取り出すことを特徴としている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１３】
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係る放熱体の構成を示し、（ａ）は放熱体の断面図、（ｂ）は平面図である。
【００１４】
この図１に示す本実施の形態の放熱体１は、断面形状が逆台形状、平面形状が正方形状を成しており、その上面７及び下面８が平滑面となっている。但し、実際に製造される放熱体１の上面７の一辺と下面８の一辺との長さの差は、放熱体１を製造する金型の抜き勾配量程度であるので実際には殆ど無い。（ａ）には放熱体１の特徴をかもし出すために、上下辺の差を判別できる逆台形状で表現した。従って、放熱体１は、実際には薄い角板状に近い。なお、逆台形状の表現は、以降の説明で参照する他の図においても同様とした。この他、図２に示すように、平面形状が円形の放熱体１ａもあり、外形は主に、その円形と方形とする。
【００１５】
また、放熱体１は、金属と、この金属よりも熱膨張係数が小さい無機化合物粒子（ＣｕＯ粒子）とを有し、金属の中に無機化合物粒子が分散し、かつ低融点金属が充填されていることを特徴としている。
【００１６】
金属中に分散する無機化合物粒子は、直径が２００μｍ以下で、好ましくは６０μｍ以下である。これは、金属中に無機化合物粒子が分散することによって、はじめて低熱膨張性の放熱体が得られるためである。さらに、焼結体の気孔（ボイド）に低融点金属２７が充填（圧入）されている為、放熱体１の密度はより高く、強度も大きくなる。下記表１に金属であるＣｕとＣｕＯ粒子との粒径及び密度の適例を示す。
【００１７】
【表１】
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ここで、放熱体１は、例えば金属がＣｕの場合、無機化合物の１つであるＣｕ２Ｏ（酸化第一銅）を１０〜７０体積％含むＣｕ合金からなり、室温から３００℃における熱膨張係数が６〜１５×１０−６／Ｋおよび熱伝導率が５０〜３５０Ｗ／ｍ・Ｋである。Ｃｕ２Ｏ量が１０体積％以下では、熱膨張率が１５×１０−６／Ｋ以上となり、また、Ｃｕ２Ｏ量が７０体積％以上では、熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以下となり、好ましくない。
【００１８】
このように、放熱体１は、Ｃｕ２Ｏを１０〜７０体積％含むＣｕ合金から成り、放熱体１の上部にＣｕ２Ｏの多い放熱層２９、下部にＣｕ２Ｏの少ない放熱層３０を配置したので、上部の放熱層２９は熱膨張率が低く、下部の放熱層３０は熱膨張率及び熱伝導率が高い。このため、半導体装置と接合される上部の放熱層２９には直接熱が伝わるが、下部の放熱層３０の方が熱伝導率が高いため、上部の放熱層２９では熱が遅く伝導され、下部の放熱層３０では速く伝導されるので、上下の放熱層２９，３０において温度差が小さくなる。また、上部の放熱層２９には半導体装置の熱が直接伝わるが、上部の放熱層２９は下部の放熱層３０よりも熱膨張率が低いので、上下の放熱層２９，３０では、熱膨張量の差が小さくなる。この結果、放熱体１の反りは軽減する。
【００１９】
また、放熱体１の最上部に、他金属との接合が容易な低融点金属２７が存在するので、半導体用絶縁板或いは半導体装置と直接接合する際に、その接合を容易に行うことができる。
【００２０】
さらに、放熱体１には、金属としてＣｕ以外に電気伝導性の高いＡｕ（金）、Ａｇ（銀）、Ａｌ（アルミニュウム）も使用可能である。また、無機化合物粒子として室温から３００℃の温度範囲における熱膨張係数が、５×１０−６／Ｋ以下の酸化錫、酸化亜鉛、酸化鉛、酸化ニッケル、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）等も使用可能である。
【００２１】
次に、放熱体１の製造方法を、図３に示す放熱体１の製造工程図を参照して説明する。図３に示すように、放熱体１の製造工程は、粉末注入・スリきり工程Ｓ１、加振工程Ｓ２、焼結待機工程Ｓ３、焼結工程Ｓ４、低融点金属粉末注入工程Ｓ５、加熱加圧工程Ｓ６、冷却工程Ｓ７、放熱体取り出し工程Ｓ８から成る。
【００２２】
但し、金型２は、放熱体１を連続で作製する際は工程終了毎に製造装置を移動して循環する。また、本発明の製造方法において、焼結工程Ｓ４は、長時間要し、律速するので、焼結工程Ｓ４の前に焼結待機工程Ｓ３を加味する場合もあり、本例では、焼結待機工程Ｓ３を加味した。
【００２３】
まず、粉末注入・スリきり工程Ｓ１において、混合粉末１２を図４（ａ）に示すように、振動機５に載置固定された金型２の逆台形状凹部である焼結体生成用凹部２６に注入する。混合粉末１２は、原料粉末として、平均粒径１９．５μｍの電解Ｃｕ粉末と粒径５０μｍ以下のＣｕＯ粉末を用い、その電解Ｃｕ粉末とＣｕＯ粉末とを下記表２の実施例１〜７に示す比率で調合した後、スチールボールを入れた乾式ボールミルで３〜１０時間混合することによって得たものである。
【００２４】
【表２】
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また、金型２の構造を、図５及び図６の断面図、並びに図７の平面図に示す。この金型２は方形の放熱体１を作製するものであるが、円形の放熱体１ａの場合は平面形状が例えば図８に示す構成となっている。これらの図に示すように、金型２には、複数の焼結体生成用凹部２６が設けられており、金型２の本体には、加振用蓋３又は加圧用蓋６を規制しながら移動させるためのシャフトスライド部４が固定され、更に各蓋３又は６との当接面にスペーサ３８が設けられている。加振用蓋３には、焼結体生成用凹部２６と対応する位置に、空気抜き用のパイプ３７が貫通して挿入固定されている。また、加圧用蓋６には、焼結体生成用凹部２６と対応する位置に突起部６ａが設けられている。
【００２５】
また上記混合粉末１２の注入後に、同工程Ｓ１において、図４（ｂ）に示すように、金型２上面をスキーパですりきって、焼結体生成用凹部２６中の混合粉末１２の注入量を一定にする。この後、矢印１０方向（以降、蓋の進行方向を示す）に、シャフトスライド部４を介して加振用蓋３を金型２にセットする。
【００２６】
次に、加振工程Ｓ２において、図４（ｃ）に示すように、振動機５により金型２を矢印２３方向に加振する。この加振によって、焼結体生成用凹部２６中の混合粉末１２の密度を高め、この混合粉末１２面の上部に隙間１５を形成する。その際、密度が小さく粒径が大きいＣｕＯ粉末は、金型２の上部側に移動し、逆に密度が大きく粒径が小さいＣｕ粉末は金型２の下部側に移動する。これによって、粉末成形体２５となる。
【００２７】
次に、焼結待機工程Ｓ３において、図４（ｄ）又は図５に示すように、粉末成形体２４をアルゴンガス雰囲気中で熱１４によって加熱して焼結する。なお、焼結温度は、ＣｕＯ含有量に応じて８５０〜１０００℃の間で変化させ、各温度で１〜３時間保持する。また、加熱時に、隙間１５から空気（含むガス）１１が放出される。これによって、焼結体１３が形成される。また、このとき、Ｃｕの一部及びＣｕＯはＣｕ２Ｏとなる（２Ｃｕ＋ＣｕＯ→Ｃｕ２Ｏ＋Ｃｕ）。この焼結体１３は、図６に示すように、Ｃｕ２Ｏ高濃度層の焼結体３５と、Ｃｕ２Ｏ低濃度層の焼結体３６となる。
【００２８】
次に、低融点金属粉末注入工程Ｓ５において、加振用蓋３を外し、図４（ｅ）又は図６に示すように、焼結体１３の上部に低融点金属粉末２７を挿入し、加圧用蓋６をシャフトスライド部４に通して金型２上に配置する。この場合、加圧用蓋６の突起部６ａと金型２の上面との間に隙間１５ａが生じる。
【００２９】
次に、加熱加圧工程Ｓ６において、図４（ｆ）に示すように、上記の隙間１５ａが生じた状態で、焼結体１３と低融点金属粉２７とをアルゴンガス雰囲気中で加熱すると、隙間１５ａから空気（含むガス）１１を放出し、加圧用蓋６は落下しながら、低融点金属２７を加圧し、低融点金属２７はボイド（気孔部）３１に挿入される。
【００３０】
その後、冷却工程Ｓ７において、低融点金属２７の融点温度以下まで冷却し、図４（ｇ）に示すように、加圧用蓋６を金型２から外す。
【００３１】
次いで、放熱体取り出し工程Ｓ８において、図４（ｈ）に示すように、製造された放熱体１を、電磁による電着或いは負圧による吸引を利用した取出器１６により金型２から取出す。この取り出した放熱体１の上面に、不用な低融点金属２７がある場合は治具等で除去する。
【００３２】
このように製造された放熱体１において、室温〜３００℃の温度範囲でＴＭＡ（Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ａｎａｌｙｓｉｓ）装置を用いて測定した熱膨張係数（熱膨張率）及びレーザーフラッシュ法により求めた熱伝導率の参考データを上記表２に示す。
【００３３】
この他の実施の形態を、図９及び図１０を参照して説明する。図９に示す放熱体１ｂは、上記の放熱体１の上面に他金属との接合が容易な低融点金属層２９を形成したものである。また、図１０は、放熱体１ｂの密度をさらに増大させる場合の金型２を用いた製造装置の断面図である。低融点金属粉末２７を圧入後、放熱体１ｂを金型２から取り出さず、そのまま、金型２を加熱したプレスベース２２に乗せ、さらに金型２の周囲にヒータ１７及び保温材２１をセットする。次いで、プレス１８によりパンチ２０の突起１９で放熱体１ｂを圧縮し、さらに密度が高い放熱体１ｃを作る。
【００３４】
このように、上記実施の形態の放熱体によれば、ＣｕとＣｕ２Ｏとから成る焼結体１３と低融点金属粉末２７を組み合わせることにより、半導体装置側で低熱膨張率、放熱側で高熱伝導性を有する放熱体を提供することができるので、半導体装置に接合して使用した際に、半導体装置の発熱による反りを吸収することができる。
【００３５】
また、放熱体を形成する金型２の焼結体生成用凹部２６は、逆台形状なので作製された放熱体を金型２から容易に離脱することができる。
【００３６】
また、低融点金属粉末２７を焼結体１３のボイド３１に封入することにより、放熱体が高密度となり、強度を向上させることができる。図１０を参照した方法では、より高密度となって強度がより向上する。
【００３７】
また、上記のような製造方法を取ることにより、プレス成形工程の省略、成形時の多数段取りや、成形・焼結を同一の金型２で実施することができるので、省力化が可能となり、製造コストを低減させることができる。
【００３８】
また、半導体装置との接合側に低融点金属が存在するので、半導体装置接合用のメッキ加工が実施し易く、かつ半導体装置との接合性を良くすることができる。低融点金属層２８を設けた放熱体１ｂでは、その接合性をより良くすることができる。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、半導体装置に接合され、半導体装置から発生する熱を放熱する放熱体を、金属粉末とこの金属粉末より低い熱膨張率を有する無機化合物粉末とを混合した焼結体で形成し、この焼結体における無機化合物粉末の濃度を、半導体装置への接合面側を高く、放熱側を低くした。これによって、半導体装置の接合面側は熱膨張率及び熱伝導率が低く、放熱体の放熱側は熱膨張率が高くなる。このため、半導体装置と接合面には直接熱が伝わるが、接合面側では、熱の伝導速度は遅い。また、接合面側から伝達されてきた熱は、放熱側では速く伝導される。このことから、放熱体における接合面側と放熱側との温度差が小さくなる。また、接合面側が放熱側よりも熱膨張率が低いので、双方の側では熱膨張量の差が小さくなる。この結果、放熱体の反りは軽減する。従って、熱膨張率が小さくて熱伝導性が高くなる。
【００４０】
また、放熱体の接合面側には、他金属との接合が容易な低融点金属が多く混じっているので、半導体装置との接合が容易となる。更に、放熱体は、同一の金型で製造することができるので、製造コストを抑えて低価格とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る方形の放熱体の構成を示し、（ａ）は放熱体の断面図、（ｂ）は平面図である。
【図２】上記実施の形態に係る円形の放熱体の構成を示し、（ａ）は放熱体の断面図、（ｂ）は平面図である。
【図３】上記放熱体の製造工程図である。
【図４】放熱体の製造工程の各工程を説明するための図である。
【図５】上記方形の放熱体を製造する製造装置の構成を示す第１の図である。
【図６】上記方形の放熱体を製造する製造装置の構成を示す第２の図である。
【図７】上記方形の放熱体を製造する製造装置における金型の平面図である。
【図８】上記円形の放熱体を製造する製造装置における金型の平面図である。
【図９】他の実施の形態に係る放熱体の構成を示す断面図である。
【図１０】他の実施の形態に係る放熱体を製造する製造装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１，１ａ，１ｂ，１ｃ　放熱体
２　金型
３　加振用蓋
４　シャフトスライド部
５　振動機
６　加圧用蓋
７　放熱体上面
８　放熱体下面
１０　蓋進行方向
１１　空気（ガス）
１２　混合粉末
１３　焼結体
１４　熱
１５，１５ａ　隙間
１６　取出器
１７　ヒータ
１８　プレス（油圧シリンダ）
１９　突起部
２０　パンチ
２１　保温材
２２　プレスベース
２３　加振方向
２４　粉末成形体
２５　凹部底面
２６　焼結体生成用凹部
２７　低融点金属粉末
２８　低融点金属層
２９　放熱体上部（低熱膨張率層）
３０　放熱体下部（高熱伝導率層）
３１　焼結体のボイド
３５　焼結体（Ｃｕ２Ｏ高濃度層）
３６　焼結体（Ｃｕ２Ｏ低濃度層）
３７　パイプ
３８　スペーサ
【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】
2004063899.tif 000010
【図７】
2004063899.tif 000011
【図８】
2004063899.tif 000012
【図９】
2004063899.tif 000013
【図１０】
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