(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
放熱板において、高熱膨張率のCuを溶融させることにより生成される相であるCu部と、低熱膨張率のCr粉末を焼結しさらに溶融したCuを含浸させることにより生成される相であるCr−Cu部とを有し、かつ該Cr−Cu部のCuと前記Cu部のCuとが溶融したCuの凝固体からなる２層構造を有し、対向する前記Cu部の表面と前記Cr−Cu部の表面の熱膨張係数が異なり、さらに前記Cr−Cu部の熱膨張係数が４〜14×10-6／Ｋ、前記Cu部の熱膨張係数が10〜24×10-6／Ｋであることを特徴とする半導体装置用放熱板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子等の電子部品を搭載した電子機器を作動させる間に、電子部品から発生する熱を速やかに放散させる金属板（以下、放熱板という）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子等の電子部品を搭載した電子機器を作動させる際には、電子回路に通電するので、電子部品が発熱する。電子部品の温度が上昇すれば、半導体素子の特性が変化し、電子機器の作動が不安定になる。さらに長時間にわたって使用することによって過剰な高温に曝されると、電子部品の接合材（たとえばハンダ等）や絶縁材（たとえば合成樹脂等）が変質して、電子機器の故障の原因になる。そのため、電子部品から発生する熱を速やかに放散させる必要がある。そこで、放熱板を介して熱を放散させる技術が種々検討されている。
【０００３】
放熱板にはＷ，Moやセラミックス等の熱膨張率の低い成分とAl，Cu等の熱伝導率の低い成分とを組み合わせ、しかも互いに合金化しない等、それぞれの成分の有する熱特性を阻害しないように複合化させた組織を有する材料が用いられている。
たとえば特許文献１には、Ｗ−Cu，Mo−Cu等の金属−金属系複合材料を用いた放熱板が開示されている。この技術では、高価なＷやMoを使用するが、比較的安価なCrを使用し、熱膨張率を熱処理にて調整したCr−Cu材の放熱板への適用も紹介されている（特許文献４）。
【０００４】
また特許文献２には、SiＣ−Al，Cu2Ｏ−Cu等のセラミックス−金属系複合材料を用いた放熱板が開示されている。
これらの放熱板を使用する際には、放熱板の片方の面に電子部品をロウ付けまたはハンダ付けし、放熱板の他方の面に電子部品の熱を効率良く放散するための熱放散部材を接合して使用される。この際に、たとえば、電子部品（すなわち半導体素子）の基板として使用するAlＮにAl製電極をダイレクトボンディングした基板（いわゆるＤＢＡ基板）の熱膨張率は５〜７×10-6／Ｋであるのに対して、放熱板として使用するＷ−Cu系複合材料の熱膨張率は６〜８×10-6／Ｋ，Mo−Cu系複合材料の熱膨張率は 7.5〜９×10-6／Ｋであり、いずれも大きな差はない。ところが、汎用の熱放散部材として使用される純Al，Al合金，純Cu，Cu合金の熱膨張率は16〜24×10-6／Ｋであり、基板や放熱板とは大幅に異なる。
【０００５】
そのため、たとえば放熱板の片方の面にＤＢＡ基板をロウ付けやハンダ付け等で温度を上げて接合し、同時に放熱板の他方の面にも熱放散部材を同様に接合した場合に、放熱板とＤＢＡ基板との接合面には熱歪に起因する問題は生じないが、放熱板と熱放散部材との接合面では熱歪によって接合面が剥離する等の問題が発生する。
従来のＷ−Cu，Mo−Cu，Cr−Cu等の金属−金属系複合材料やSiＣ−Al，Cu2Ｏ−Cu等のセラミックス−金属系複合材料を用いた放熱板は、半導体素子側に熱膨張率を対応させることを主目的としているため、Ｗ，Mo，Crの配合量が一般的にCu配合量より多く、熱伝導率は純Cuと比較して低い。そのため放熱板だけを空冷するだけでは、半導体から発生する熱を放熱する能力が不足する場合が多い。そのため、Al（熱膨張率23.5×10-6／Ｋ）やCu（熱膨張率17.6×10-6／Ｋ）のフィン等の熱放散部材と接合させてさらに放熱効率を向上させる必要がある。その際、放熱板と熱放散部材との熱膨張率との差が大きいため、ロウ付けやハンダによる温度を上げた接合を試みると、接合時の反りや熱サイクルでの接合面の亀裂が生じてしまい、安定して熱を放熱することができない。そのため、ネジ止め，接着剤等で機械的に接合している場合が多い。その場合、接合面にはミクロには空隙が生じてしまう。そのため一般的には熱伝導性グリースを充填する等の方策が採られているが、それでもその部分の熱抵抗が大きくなり、十分な放熱効果が得られない。
【０００６】
ところで、金属−金属系複合材料の一般的な放熱板製造方法をＷ−Cuを例に以下に説明する。
Ｗ粉末を成形，焼結後、焼結体の上に銅を載せて溶かし込み浸透させる、いわゆる含浸法が使用されている。成形工程でＷ粉末だけでなくCu粉末を混合し成形する場合や、Ｗの焼結を活性化するためNi，Co等のVIII族元素を少量Ｗ粉末に添加し成形する場合もある。Mo−Cuは、Ｗ−Cuと同様の方法に加え、Mo粉末とCu粉末を混合し、成形，焼結後圧延する方法が使用されている。
【特許文献１】特公平5-38457号公報
【特許文献２】特開2002-212651 号公報
【特許文献３】特開2001-358266 号公報
【特許文献４】特願2005-119104 号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は上記のような問題を解消し、半導体等の電子部品から発生する熱を従来より効率良く逃がすため、熱膨張率が異なる電子部品や熱放散部材を温度を上げて接合しても熱歪に起因する問題が発生しない放熱板を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、半導体等の熱を発する電子部品と接合する面は従来の放熱板の材料であり、一方、放熱フィンを有する冷却器等に代表される熱放散部材との接合面は、CuやAlの熱膨張率に近い材料であることを特徴とする。
従来、放熱板の上下面の特性を変化させる方法として、熱間圧延を用いたクラッド材が一般的であるが、たとえばＷ板とCu板の組合せとする場合は、熱膨張率の差が大きいため、製造の際に、材料同士の接合のために温度を上げて接合させた後の冷却時に両者の熱膨張差により大きく曲がってしまい、目標とする放熱板を製造することが困難である。
【０００９】
唯一クラッド材で製造する方法として、特許文献３に開示されている上下にCuを配置する方法があるが、本発明と同様の効果を得るためにはクラッド後、一方の面のCu層を完全に除去する必要がある。しかし、Cu層を除去するとクラッド時の歪が解放され、加工後、放熱板に反りが生じてしまう。本発明は、圧延工程を使用する必要がなく、通常の放熱板を製造する粉末冶金法により製造できる。たとえばＷ−Cu系放熱板を製造する場合は、含浸させるCuの量は必要最低限に留めることが経済的な面から一般的である。本発明は逆にCu量を多くし、Cuの層を形成することにより達成できる。
【００１０】
含浸の際の低熱膨張率材料（粉末）への含浸部分と、含浸する高熱膨張率材料の部分における含浸後の凝固収縮を考慮して含浸すれば、クラッド材と異なり、大きな反りを起こさないように多層構造を製造できる。
本発明は、Cr等の低膨張率金属と純Cu等の高熱伝導，高熱膨張率金属との複合金属材料からなる放熱板であって、一方の面は低熱膨張率材料の含有量の多い層であり、その反対の面は高膨張率材料の層で構成された放熱板である。ここで複合材料とは、溶融したCuの凝固体とCr等の焼結体によって複合的に構成される２層構造の材料を指す。
【００１１】
本発明の放熱板は、Cuを溶融させることにより生成される相であるCu部と、Cr粉末を焼結しさらに溶融したCuを含浸させることにより生成される相であるCr−Cu部とを複合させた構造を有し、Cr−Cu部の熱膨張率は４〜14×10-6／Ｋ、Cu部の熱膨張率は10〜24×10-6／Ｋとする。
【００１２】
なお上下面の材料選定は、接合する相手材の熱膨張率や耐熱衝撃等の使用環境下により適宜選定すれば良く、半導体等の電子部品側の材料の熱膨張率は４〜14×10-6／Ｋで、反対面の熱放散部材側の材料のそれは10〜24×10-6／Ｋ、好ましくは14〜24×10-6／Ｋの中から選定すれば良い。たとえば電子部品側の基材がガラスセラミックス（11.5×10-6／Ｋ）の場合、本発明の電子部品側の熱膨張率は９〜14×10-6／Ｋが好ましい。AlＮ（ 4.5×10-6／Ｋ）の場合は、４〜９×10-6／Ｋが好ましい。
【００１３】
他方、熱放散部材がAl合金ＪＩＳ H5302 ADC12 （23×10-6／Ｋ）の場合は、本発明の熱放熱部材側の熱膨張率は17〜24×10-6／Ｋが好ましい。また純Cu（17×10-6／Ｋ）の場合、14〜20×10-6／Ｋが好ましい。
一般的に放熱板は熱伝導率が高いことが必要である。本発明の複合材料に使用される低熱膨張材料は必ずしも熱伝導率が高くない。そのため低熱膨張材の含有量は最小限に留めることが放熱性の面から好ましい。ゆえに、電子部品側のみ必要な低熱膨張率を具備する本発明放熱板用材料は、従来の放熱板と比較し、熱放散性に優れる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の放熱板を使用すれば、半導体と接合する面は従来の放熱板の材料であり、一方、熱放散部材の接合面はCuやAlの熱膨張率に近い材料であるので、ロウ付けあるいはハンダ付けによる接合が可能であり、熱衝撃試験を経ても反りや空隙の生じない良好な性能が得られる。
しかも本発明の放熱板は、従来の放熱板に比べて放熱効率が良くなり、熱放散部材の小型化等により半導体装置の小型化，高性能化に寄与する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は、本発明の放熱板に電子部品と熱放散部材とを接合した例を模式的に示す断面図である。
本発明の放熱板３は、高熱膨張率のCuを溶融させることにより生成される相であるCu部と、低熱膨張率のCr粉末を焼結しさらに溶融したCuを含浸させることにより生成される相であるCr−Cu部とを有し、かつCr−Cu部のCuとCu部のCuとが溶融したCuの凝固体からなる２層構造を有する。
【００１７】
放熱板３のCr−Cu部では低熱膨張率材であるCrの含有量が変化すれば、熱膨張率が変化する。したがって、放熱板３の片方の面に接合する電子部品（たとえば基板２）の熱膨張率と他方の面に接合する熱放散部材４の熱膨張率が異なる場合でも、基板２と放熱板３との接合面における熱膨張率の差を縮小し、かつ熱放散部材４と放熱板３との接合面における熱膨張率の差を縮小することができる。
【００１８】
その結果、熱膨張率が異なる電子部品（たとえば基板２）や熱放散部材４を放熱板３に接合しても、熱歪に起因する問題（たとえばハンダ5b，5cの剥離等）は発生しない。したがって本発明では放熱板の上下を、いずれもロウ付けまたはハンダ付けで接合することが可能であり、さらには同時に接合することもできる。従来必要であった熱放散部材とのネジ止め，接着剤等の機械的に接合する手間を省くことができる。また、放熱板と熱放散部材との反り，空隙がなく、熱を効率的に放散することができる。
【００１９】
半導体等の電子部品に接するCr−Cu部のCr等の低熱膨張材料（粉末）の配合量は、30〜100 体積％の範囲内（すなわち30体積％以上）を満足することが好ましい。その理由は、低熱膨張材料の含有量が30体積％未満の場合は、Cr−Cu部の熱膨張率が14×10-6／Ｋを超えてしまい、接合の際に電子部品との間に反りや空隙が生じてしまうからである。
【００２０】
一方の熱放散部材に接するCu部は純Cuとする。その理由は、高熱伝導，高熱膨張率材料のCuの配合量が減少すれば熱膨張率が低下して、接合の際に熱放散部材との間に反りや空隙が生じてしまうからである。
【実施例】
【００２１】
［実施例１］
Cr粉を自然充填し、真空中または水素雰囲気中で焼結して、気孔率50体積％の多孔質焼結体（寸法：50mm×50mm×３mm）を２個製作した。その焼結体の上に銅板（寸法：50mm×50mm×５mm）を載置し、真空中で1200℃に加熱してCuを溶解した。このようにしてCrの焼結体内にCuを含浸させた。
【００２２】
このCrとCuの複合金属材料をフライス盤で加工し、Cr多孔質焼結体にCuを含浸させた部分（以下、Cr−Cu部という）の厚さを1.5mm ，Cuの部分（以下、Cu部という）の厚さを1.5mm （合計厚さ３mm）に加工した。
放熱板３mmに加工した後、電解ニッケルメッキを５μｍ施し、さらに熱膨張率調整のための時効処理（ 550℃,１hr）を行なった。
【００２３】
２個製作したうちの片方の複合金属材料をCr−Cu部とCu部の境界面で切断し、分割した。複合金属材料のCr−Cu部とCu部の熱膨張率を、それぞれ個別に測定したところ、室温〜200 ℃の範囲の平均熱膨張率は、Cr−Cu部が11×10-6／Ｋ，Cu部が16.5×10-6／Ｋであった。
次に、２個製作したうちの他方の複合金属材料を、図１に示すように放熱板３として使用し、Cr−Cu部の表面にＤＢＡ基板２をハンダ付けし、Cu部の表面に冷却フィンを有するAl合金(ADC12 )製の熱放散部材４をハンダ付けした。これを発明例１の電子部品冷却体とする。
【００２４】
一方、比較例として、純Cu（熱膨張率17.6×10-6／Ｋ）とCu−Mo合金（熱膨張率10×10-6／Ｋ）の放熱板３を使用して電子部品冷却体を構成した。つまり、純Cuの放熱板３（厚さ３mm）の片方の面にＤＢＡ基板２をハンダ付けし、かつ冷却フィンを有するAl合金(ADC12 )製の熱放散部材４を他方の面にハンダ付けした。これを比較例１の電子部品冷却体とする。また、Cu−Mo合金の放熱板３（厚さ３mm）の片方の面にＤＢＡ基板２をハンダ付けし、かつ冷却フィンを有するAl合金製の熱放散部材４を他方の面にハンダ付けした。これを比較例２の電子部品冷却体とする。
【００２５】
発明例１と比較例１，２の電子部品冷却体を、−40℃と120 ℃の各槽での保温時間が５分となる熱衝撃試験を行なった。熱衝撃試験は、WINTECH LT20（楠本化成製）液槽式熱衝撃試験器で行なった。試験後のサンプルについて、超音波探傷試験によりクラック等の発生の有無を調査した
その結果、比較例１の電子部品冷却体は、1000サイクル終了後、放熱板３とＤＢＡ基板２の接合面での剥離が観察された。比較例２の電子部品冷却体は、1000サイクル終了後、放熱板３と熱放散部材４の接合面にクラックの発生が確認された。発明例１の電子部品冷却体は、3000サイクル終了後でも、剥離やクラックの発生は認められなかった。
【００２６】
［参考例１］
純Ｗ粉末にNiを0.15％添加し、□50mm×２mmに成形して、水素中1450℃で焼結してＷの密度を15ｇ／cm2 とし、□50×５mmの純Cu板を水素中1200℃で含浸を行なう。その後、Ｗ焼結体にCuを含浸した部分（以下、Ｗ−Cu部という）の厚さを1.5mm ，純Cuの部分（以下、Cu部という）を1.5mm の厚さでフライス加工して、３mm厚の２層の放熱板を製作した。実施例１と同様の方法で層の境界面で分割し、それぞれの部分の熱膨張率を測定した。Ｗ−Cu部の熱膨張率は 4.8×10-6／Ｋであり、Cu部分17×10-6／Ｋであった。
【００２７】
［参考例２］
純Ｗ粉末を□50mm×２mmに成形して、水素中1450℃で焼結してＷの密度を13ｇ／cm2 とし、□50×５mmの純Cu板を水素中1200℃で含浸を行なう。その後、Ｗ焼結体にCuを含浸したＷ−Cu部の厚さを1.5mm ，純CuのCu部を1.5mm の厚さでフライス加工して、３mm厚の２層の放熱板を製作した。実施例１と同様の方法で層の境界面で分割し、それぞれの部分の熱膨張率を測定した。Ｗ−Cu部の熱膨張率は 7.3×10-6／Ｋであり、Cu部は17×10-6／Ｋであった。
【００２８】
［参考例３］
純Ｗ粉末にNiを0.15％添加し、参考例１と同じ条件で□50mm×１mmに成形して、さらに純Ｗ粉末に参考例２と同じ条件で□50mm×１mmに成形したものを上に重ねて、水素中1450℃で焼結した。さらに□50×５mmの純Cu板を水素中1200℃で含浸を行なう。その後、Ｗ焼結体にCuを含浸したＷ−Cu部の厚さを２mm，純CuのCu部を１mmの厚さでフライス加工した。□50mmの側面に溶け出したCuおよび側面をフライス加工して□45mm×３mmの板に仕上げた。その板を５μｍ厚の電解ニッケルメッキを行なった。この放熱板の上面にAlＮ板を、下面に無酸素銅（C1020）板をそれぞれロウ付けで接合した。得られた接合体を実施例１で述べた−40〜120 ℃での冷熱衝撃試験を同じ条件で実施した。3000サイクル終了後でも剥離やクラックの発生は見られなかった。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の放熱板に電子部品と熱放散部材とを接合した例を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００３０】
１  半導体素子
２  基板
３  放熱板
４  熱放散部材
5a  ハンダ
5b  ハンダ
5c  ハンダ
【図１】
0004799069.tif 000002