(57)【要約】【課題】Ｃｕ板表面にＣｕとＣｕ２Ｏ　粒子からなる混合粉末を溶射して、Ｃｕよりも低熱膨張で、かつヤング率の低いＣｕとＣｕ２Ｏ　の複合組織を有する応力緩和層を設けた放熱板とすることにより、パワー素子あるいはセラミック絶縁板との接合工程及び使用時の温度サイクルで発生する熱応力を軽減できるので、接合信頼性が高くなる。また、放熱板の反りによる変形も低減できる。【解決手段】Ｃｕ板表面にＣｕとＣｕ２Ｏ　粒子からなる混合粉末を溶射して、Ｃｕよりも低熱膨張で、かつヤング率の低いＣｕとＣｕ２Ｏ　の複合組織を有する応力緩和層を設けた放熱板とする。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅（Ｃｕ）もしくは銅（Ｃｕ）合金の層と、前記層より熱膨張係数及びヤング率が小さい応力緩和層とが一体形成されていることを特徴とする銅系放熱板。
【請求項２】
前記応力緩和層は、室温から３００℃における熱膨張係数が８×１０−６／℃〜１４×１０−６／℃、ヤング率が３５ＭＰａ〜９５ＭＰａであることを特徴とする銅系放熱板。
【請求項３】
前記応力緩和層は、Ｃｕ２Ｏ　を２０〜６０体積％含み、残部が銅（Ｃｕ）と不可避的不純物からなり、ＣｕとＣｕ２Ｏ　粒子との複合組織を有することを特徴とする請求項１又は２記載の銅系放熱板。
【請求項４】
銅（Ｃｕ）若しくは銅（Ｃｕ）合金の表面に銅（Ｃｕ）粉末及びＣｕ２Ｏ　粉末からなる混合粉末を溶射し、応力緩和層を前記銅若しくは銅合金と一体形成することを特徴とする銅系放熱板の製造方法。
【請求項５】
銅（Ｃｕ）若しくは銅（Ｃｕ）合金の表面に銅（Ｃｕ）粉末及びＣｕ２Ｏ　粉末からなる混合粉末を溶射し、応力緩和層を前記銅若しくは銅合金と一体形成する工程と、
前記応力緩和層を加熱する工程と、を有することを特徴とする銅系放熱板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、放熱板及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電力変換のため、各種のオン，オフ機能を持つパワー半導体素子が用いられている。この半導体素子としては、ｐｎ接合体を内蔵し、一方向のみの導電性をもつ整流ダイオードをはじめ、種々のｐｎ接合の組合せ構造により、サイリスタ，バイポーラトランジスタ，ＭＯＳＦＥＴ等が実用化され、更には絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）やゲート信号によりターンオフ機能を併せもつゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）も開発されている。
【０００３】
これらの電力用半導体素子は、通電により発熱し、その高容量化，高速化に伴い発熱量も増大する傾向にある。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は、放熱部を設け、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。一般に、パワー半導体素子を備える半導体装置の放熱部材は、直接あるいはＡｌＮなどのセラミック絶縁板を介して、熱膨張率が２．６×１０−６〜３．６×１０−６／℃　のＳｉ素子や５．７×１０−６〜６．９×１０−６のＧａＡｓ素子と接合されるため、熱膨張係数がこれに近い放熱部材が望まれる。
【０００４】
銅は、熱伝導率が３９３Ｗ／ｍ・Ｋと大きく、かつ低価格であるため、放熱部材として良く用いられているが、３００℃における熱膨張率が１７×１０−６／℃と大きいため、高容量すなわち半導体素子からの発熱量が大きな半導体装置に対しては、ＳｉやＧａＡｓに近い熱膨張係数をもつＡｌ−ＳｉＣ，Ｃｕ−Ｍｏ合金あるいはＣｕ−Ｗ合金等が多用される様になってきた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
銅は、低コストで高熱伝導性を有しているが、熱膨張係数が大きいために、近年の半導体素子からの発熱量の増大に対して対応が困難になっている。すなわち、半導体素子あるいはセラミック絶縁板との熱膨張差に起因して、はんだ接合時の熱応力あるいは使用時における熱サイクルによる熱応力により、放熱板の反り変形やはんだ層からの剥離あるいはセラミック絶縁板の破壊などの問題を生じている。
【０００６】
一方、ＳｉやＧａＡｓに近い熱膨張係数をもつＡｌ−ＳｉＣ，Ｃｕ−Ｍｏ合金あるいはＣｕ−Ｗ合金等は、熱伝達係数と熱伝導率を任意にコントロールすることが困難であるとともに、加工性に乏しくコストが高いという問題がある。
【０００７】
以上の課題に対して、発明者らは、パワー素子から発生する熱をより効率良く系外に放散するための放熱板には、高熱伝導性を有する銅（Ｃｕ）が好適であり、パワー素子あるいはセラミック絶縁板との熱膨張係数差に起因する熱応力の軽減は、Ｃｕよりも熱膨張係数及びヤング率が小さい物質からなる応力緩和層をパワー素子あるいはセラミック絶縁板との接合界面に形成することが有効である考えられた。
【０００８】
以上、本願発明の目的は、加工性に富み、接合信頼性の高い放熱板を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の課題を考慮してなされたものである。
【００１０】
本発明に係わる銅系放熱板は、銅（Ｃｕ）もしくは銅（Ｃｕ）合金の表面に、それよりも熱膨張係数及びヤング率が小さく、室温から３００℃における熱膨張係数が８×１０−６／℃〜１４×１０−６／℃、ヤング率が３５ＭＰａ〜９５ＭＰａであり、Ｃｕ２Ｏ　を２０〜６０体積％含み、残部が銅（Ｃｕ）と不可避的不純物からなり、ＣｕとＣｕ２Ｏ　粒子との複合組織を有する応力緩和層が形成されていることを特徴とする。
【００１１】
本発明に係わる銅系放熱板の製造方法は、銅（Ｃｕ）粉末とＣｕ２Ｏ　粉末からなる混合粉末を用いて、銅（Ｃｕ）もしくは銅（Ｃｕ）合金の表面に溶射を行うことにより、ＣｕとＣｕ２Ｏ　粒子との複合組織からなる応力緩和層を一体形成することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係わる銅系放熱板の製造方法は、銅（Ｃｕ）粉末とＣｕ２Ｏ　粉末からなる混合粉末を用いて、銅（Ｃｕ）もしくは銅（Ｃｕ）合金の表面に溶射を行い、ＣｕとＣｕ２Ｏ　粒子との複合組織からなる応力緩和層を一体形成した後に、８００℃から１０００℃に加熱して、前記応力緩和層の緻密化及びＣｕ２Ｏ　粒子の粒状化を図ることを特徴とする。
【００１３】
本発明に係わる銅系放熱板表面に形成される応力緩和層の組成として、ＣｕとＣｕ２Ｏ　粒子から構成される表１のごとき組成を用いることにより、パワー素子或いはセラミック絶縁基板と放熱板の熱膨張係数差を小さくすることができるため、半導体装置製造のはんだ工程や使用中の温度変化時に発生する熱応力を低減でき、接合信頼性が高くなる。また、放熱板の反りによる変形も低減できる。さらに、ＣｕとＣｕ２Ｏ　粒子から構成される材料はヤング率がＣｕの０．３〜０．６倍程度であるため、パワー素子或いはセラミック絶縁基板−放熱板接合部分の熱応力緩和が更に助長され、接合部分やセラミックの劣化が避けられる。
【００１４】
ここで、応力緩和層はＣｕにＣｕ２Ｏ　を２０〜６０体積％含有する組成が好適であり、室温から３００℃における熱膨張係数が８×１０−６／℃〜１４×１０−６／℃、ヤング率が３５ＭＰａ〜９５ＭＰａの特性を示す。Ｃｕ２Ｏ　量が２０体積％以下では、熱膨張係数，ヤング率ともに大きくなり、応力緩和の効果が得られず、６０体積％以上の場合は、熱伝導率が小さくなり、熱拡散が阻害され、放熱板としての性能が損なわれるために好ましくない。
【００１５】
また、応力緩和層の組成及び厚さはパワー素子の発熱量，放熱板の大きさと厚さによって選択される。
【００１６】
本発明の放熱板の応力緩和層は、図１に示すように、応力緩和層２が溶射によってＣｕ板１表面に直接形成，接合されるため接合強度が高く、熱ストレスに対する接合信頼性が向上するとともに、Ｃｕ板１の高い熱伝導性の効果によって放熱効率が確保される。
【００１７】
前述の溶射による方法で形成された応力緩和層は、８００℃〜１０００℃の温度で熱処理することによって焼結が進行し、緻密化が図られ、さらにＣｕ２Ｏ　の粒状化が生じて熱伝導率が向上する。
【００１８】
【表１】
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【００１９】
【発明の実施の形態】
本願発明の実施形態について、実施例及び図面を用いて具体的に説明する。
【００２０】
（実施例１）
まず、本実施例に係るＣｕとＣｕ２Ｏ　粉末から構成される混合粉末の溶射による応力緩和層ついて図２に基づいて述べる。図２において、被溶射材のＣｕ板１には１００ｍｍ×６０ｍｍ×３ｍｍｔの無酸素銅を用い、応力緩和層２を構成する溶射材料の組成はＣｕ−５０体積％Ｃｕ２Ｏ　とした。Ｃｕ粉末及びＣｕ２Ｏ　の平均粒径はそれぞれ２０μｍ，５０μｍとし、ボールミルで均一に混合した後に用いた。
【００２１】
溶射は大気プラズマ溶射とし、厚さ０．８ｍｍ　の溶射層を形成した。この時の溶射条件は、プラズマ出力が６０ｋＷ（８００Ａ，７５Ｖ）及びプラズマガスがＡｒ＋Ｈ２　である。また、溶射距離は１００ｍｍとし、粉末供給量は３３ｇ／ｍｉｎ、成膜速度は約２０μｍ／パスである。
【００２２】
得られた溶射層（応力緩和層２）は、ミクロ組織観察の結果、図２に示すように緻密であり、ＣｕとＣｕ２Ｏ　の混合粉末が溶射時に粒子表面が溶融しつつ飛行し、Ｃｕ板に衝撃的に衝突するために、Ｃｕ板１との接合界面にはポロシティ等の欠陥も観察されず、健全であった。
【００２３】
（実施例２）
図３は、実施例１と同一の条件でＣｕ板１表面に溶射して応力緩和層２を形成した後、９００℃に加熱して層の緻密化を図るとともに、Ｃｕ２Ｏ　を粒状化したもののミクロ組織である。組織中の黒い部分がＣｕ２Ｏ　相、白い部分がＣｕ相であり、熱処理によってＣｕ２Ｏが粒状化したことがわかる。また、ＣｕとＣｕ２Ｏの混合粉末は、溶射時に粒子表面が溶融しつつ飛行し、Ｃｕ板に堆積する際に急冷凝固されるために、組織が微細である。この結果、強度が向上した。
【００２４】
溶射層についてＸ線回折により酸化物の同定を行った結果、検出された回折ピークはＣｕ２Ｏ　のみであり、溶射層はＣｕとＣｕ２Ｏ　粒子からなる複合組織であることを確認した。
【００２５】
本実施例では、Ｃｕ板への溶射について示したが、Ｃｕ合金についても同様の結果が得られる。また、溶射の雰囲気は大気中の他に、不活性ガス中あるいは真空中であっても良い。
【００２６】
（実施例３）
図４は、本実施例に係る放熱板を用いたパワー半導体装置の断面図である。半導体素子１０１は例えばＩＧＢＴやパワーＭＯＳであり、セラミック絶縁基板１０９，放熱板１１０上に搭載されている。半導体素子１０１の裏面は半田などの接合材１０２によってセラミック絶縁基板１０９上の表面金属配線パターンである金属層１０６に接続されている。チップ表面側はＡｌ等からなる太線のワイヤ１０３によってチップ表面電極とセラミック絶縁基板上の金属配線パターンである金属層１１１が接続された構造となっている。チップ表面はゲル又はモールドレジン１０５によりコーティングされ、各電極端子は外部引き出し端子に接続され、これらはプラスチック製のケース１０４内に実装されている。本発明においては、これらのモールドレジン１０５とケース１０４が一体材料で構成されたトランスファモールド構造でもよい。このようなパワー半導体モジュールが熱伝導グリース等を介して電力変換器の共通ヒートシンク上に実装され、適宜配線バーを接続することにより電力変換装置が構成されている。本実施例の特徴とするところはパワー半導体モジュールの裏面側で放熱を行う部分の構造に関するものである。すなわち、セラミック絶縁基板１０９裏面の金属層１０７は、Ｃｕよりなる放熱板１１０表面に溶射によって一体成形されたＣｕとＣｕ２Ｏ　からなる応力緩和層１１３を介して、放熱板１１０とはんだ接合（図示せず）された構造となっている。セラミック絶縁基板１０９は例えばＡｌＮからなり、表裏面にはＣｕからなる金属層１０６，１０７，１１１があらかじめ銀ローなどの公知の方法で接合されている。
【００２７】
以上のように、応力緩和層１１３としてＣｕ−Ｃｕ２Ｏ　複合材を用いているためセラミック絶縁基板１０９との熱膨張係数差が小さいことにより、また、ヤング率もＣｕの０．３〜０．６倍程度であるため、熱膨張係数差が無視できない値である場合においても、接合界面に発生する熱応力が減少してセラミック側への応力が緩和され、セラミックの割れや剥離等が避けられる。
【００２８】
尚、セラミック絶縁基板はＡｌＮの外にＡｌ２Ｏ３，Ｓｉ３Ｎ４など他の材質でも本発明の構造が適用できるのは言うまでもない。
【００２９】
また、本実施例でも放熱板の形状が平板について述べたが、放熱板の背面に複数の冷却用のフィンを設けたヒートシンク及びそれを用いたパワー半導体装置に対しても適用が可能であることは言うまでもない。
【００３０】
以上、本実施例によれば、Ｃｕ板表面にＣｕとＣｕ２Ｏ　粒子からなる混合粉末を溶射して、Ｃｕよりも低熱膨張で、かつヤング率の低いＣｕとＣｕ２Ｏ　の複合組織を有する応力緩和層を設けた放熱板とすることにより、パワー素子あるいはセラミック絶縁板との接合工程及び使用時の温度サイクルで発生する熱応力を軽減できるので、接合信頼性が高くなる。また、放熱板の反りによる変形も低減できる。
【００３１】
【発明の効果】
以上、本発明により、加工性に富み、接合信頼性の高い放熱板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る銅系放熱板の概略図。
【図２】本発明の実施例１に係る応力緩和層とＣｕ板の接合部断面のミクロ組織を示す光学顕微鏡写真。
【図３】本発明の実施例２に係る応力緩和層とＣｕ板の接合部断面のミクロ組織を示す光学顕微鏡写真。
【図４】本発明の実施例３に係る半導体装置の断面図。
【符号の説明】
１，５，１１２…Ｃｕ板、２，３，１１３…応力緩和層、４…応力緩和層とＣｕ板の接合面、１０１…半導体素子、１０２…接合材、１０３…ワイヤ、１０４…ケース、１０５…ゲル又はモールドレジン、１０６，１０７，１１１…金属層、１０８…金属層と放熱板の接合面、１０９…セラミック絶縁基板、１１０…放熱板。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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