(57)【要約】【課題】価格が廉価であり，熱伝導性に優れ，一定以上の初期強度を持ちながら軟化温度が比較的高温であること，さらには接合基板や半導体装置に対するはんだ接合部分の信頼性に優れる厚みが２ｍｍ以上の放熱板を得る。【解決手段】  質量％において，Ｐ：０.０５％以下，Ｍ元素＋Ｐ：０.０６５〜０.３％，ただし，ＭはＦｅ，ＣｏまたはＮｉの少なくとも１種を表す，を含有し，残部が銅および不可避的不純物からなり，銅マトリックス中にＭ−Ｐ系化合物が分散した金属組織を有し，そして，熱伝導率：３４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上，ビッカース硬さ：ＨＶ１００以上，４００℃で３０分間加熱後のビッカース硬さが加熱前のビッカース硬さの８０％以上の放熱板用銅基合金である。【選択図】【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％において，
Ｐ：０.０５％以下，
Ｍ元素＋Ｐ：０.０６５〜０.３％，
ただし，ＭはＦｅ，ＣｏまたはＮｉの少なくとも１種を表す，
を含有し，残部が銅および不可避的不純物からなり，
銅マトリックス中にＭ−Ｐ系化合物が分散した金属組織を有し，
熱伝導率：３４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上，
ビッカース硬さ：ＨＶ１００以上，
４００℃で３０分間加熱後のビッカース硬さが加熱前のビッカース硬さの８０％以上，
である半導体装置用の放熱板。
【請求項２】
表面粗さが中心線平均粗さ（Ｒａ）で０.１０μｍ以下でかつ最大高さ（Ｒｙ）が１.０μｍ以下の板状体からなる請求項１に記載の放熱板。
【請求項３】
板厚が２ｍｍ以上である請求項１または２に記載の放熱板。
【請求項４】
銅板の最終圧延時に表面の中心線平均粗さ（Ｒａ）が０.２５〜０.１５μｍで最大高さ（Ｒｙ）が２.５〜１.５μｍの圧延ロールを使用すること，
当該最終圧延前に中間酸洗浄を，そして当該最終圧延後に最終酸洗浄を実施し，それら酸洗浄の洗浄液として濃度１〜１０質量の硫酸，硝酸，塩酸のうち少なくとも１種を使用すること，
該中間酸洗浄が，前バフ掛け→酸洗浄→後バフ掛けの工程からなること，
を特徴とする請求項２に記載の放熱板の製造法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，パワー半導体モジュールやＩＣパッケージ等の半導体装置を構成する部材の一つである放熱板（半導体装置用の放熱板という）およびその製造法に関する。
【背景技術】
【０００２】
エアコン，冷蔵庫といった家電製品，インバーターをはじめとする産業用機器，ハイブリット車等の各種分野で使用されているパワー半導体モジュールや，ＩＣパッケージ等の半導体装置は，一般に半導体素子，銅パターン，絶縁板，導体層，放熱板などから構成されている。これらの構成部材のうち，放熱板は通常は金属と絶縁板（セラミックス）との接合基板（単に接合基板と呼ぶ）の裏面その他に接合され，パワー半導体モジュール等から発生した熱を吸収して，外部へと効率良く放散させる機能を有することが必要がある。このため，放熱板としては熱伝導度が高い銅系材料の使用が不可欠となってきている。
【０００３】
熱伝導度に優れることのほか，パワー半導体モジュールではその組み立て時に，放熱板は接合基板に対してはんだ接合されるので，はんだ接合部の信頼性に優れることが必要とされる。さらに，はんだ接合時や組み立て工程で加えられる熱処理によって放熱板が軟化して強度低下が引き起こされると，組み立て後のパワー半導体モジュールの寸法精度に悪影響を及ぼし動作信頼性が低下する。したがって，組み立て後に十分な寸法精度を得るためには，放熱板は一定以上の強度を有すると共に熱処理によって強度低下が引き起こされないことが必要である。
【０００４】
このように，パワー半導体モジュールなどで使用される放熱板においては，熱伝導性をはじめとして，接合基板とのはんだ濡れ性，熱に対する耐軟化性，強度特性等の多様な要求を満足する必要がある。同時に家電製品やＰＣの低価格化に伴い，価格が廉価であることも望まれる。
【０００５】
従来より，このような放熱板を構成するための銅系材料としては，無酸素銅が一般的に使用されてきたが，Ｃｕ−Ｚｒ系Ｃｕ基合金やＣｕ−Ｓｎ系Ｃｕ基合金等を使用することも提案されている。特許文献１には（Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ）−Ｐ系析出物を利用した銅基合金製の放熱板が記載されている。
【特許文献１】特開２００３−６８９４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
コスト的に廉価で熱伝導性に優れる無酸素銅は，放熱板用材料として一般的であるが，軟化開始温度が２００℃〜３００℃である。このため，２００℃〜３５０℃での数分間のはんだ接合時に材料が軟化し，組み立て後の寸法精度が低下してパワー半導体モジュールの動作信頼性が低下するという問題があった。
【０００７】
Ｃｕ−Ｚｒ系Ｃｕ基合金は，熱伝導性に優れ軟化開始温度も４００℃以上であるが，その添加金属であるＺｒ自体が高価であり，活性金属であることから，製造時の溶解・鋳造及び熱処理工程において特殊な制御が必要となり，価格が高くならざるを得ないという問題がある。Ｃｕ−Ｓｎ系Ｃｕ基合金はＳｎ濃度が低いと強度や耐熱性が不足し，Ｓｎ濃度が高いと熱伝導性が低下してしまう。
【０００８】
一方，パワー半導体モジュールの放熱板ではＮｉ等のめっきを施す場合が多いが，コストの問題でめっきレス化が進んでいる。更に，前述のはんだ接合時のはんだとして，Ｐｂフリー化が進んでいるが，このＰｂフリーはんだは，従来のＰｂはんだと比較すると濡れにくいので，放熱板と接合基板のはんだ接合部の信頼性が，従来のＰｂはんだの場合と比較して低下するという問題がある。はんだ濡れ性を改善するには，放熱板の面粗度を制御することが有効であり，このためには，圧延ロールの粗さを管理することになるが，板厚が２ｍｍ以上の圧延板を製造する場合には，この圧延ロールの粗さのみの管理でははんだ濡れ性の改善には限界がある。すなわち，厚さが２ｍｍを超える場合には，圧延時に中央部と端部に厚さの差が発生する所謂エッジドロップが起こり易く，エッジ部が中央部に比べて数十μｍ以上薄くなる場合がある。したがって薄い場合と同様の方法で隠逸な表面粗さを得ることが難しい。
【０００９】
更に，最近のパワー半導体モジュールでは，低コスト・小型化を目的として接合基板を無くしてしまい，放熱板と半導体素子を直接接合する技術等が開発されている。半導体素子と放熱板を直接接合する場合には，放熱板の性能が直接半導体装置の動作状況に影響を与えやすくなるために，接合基板を含む装置よりも，一層放熱板の寸法精度やはんだ接合部の信頼性が必要となる。
【００１０】
したがって本発明は，この分野の前記のような諸問題に鑑み，価格が廉価であり，熱伝導性に優れ，一定以上の初期強度を持ちながら軟化温度が比較的高温であること，さらには接合基板や半導体装置に対するはんだ接合部分の信頼性に優れる厚みが２ｍｍ以上の放熱板を得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によれば，前記の課題を解決する放熱板用の銅基合金として，
質量％において，
Ｐ：０.０５％以下，
Ｍ元素＋Ｐ：０.０６５〜０.３％，
ただし，ＭはＦｅ，ＣｏまたはＮｉの少なくとも１種を表す，
を含有し，残部が銅および不可避的不純物からなり：
銅マトリックス中にＭ−Ｐ系化合物が分散した金属組織を有し：
熱伝導率：３４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上，
ビッカース硬さ：ＨＶ１００以上，
４００℃で３０分間加熱後のビッカース硬さが加熱前のビッカース硬さの８０％以上
である放熱板用銅基合金を提供する。この銅基合金は板厚２ｍｍ以上の放熱板に供される。
【００１２】
この銅基合金から形成される放熱板は，その表面粗さが中心線平均粗さ（Ｒａ）０.１０μｍ以下で，かつ最大高さ（Ｒｙ）が１.００μｍ以下であるのが好ましく，これによって，良好なはんだ接合性を具備する。
【００１３】
このような表面粗さをもつ当該銅基合金の放熱板を製造するには，銅板の最終圧延時に表面の中心線平均粗さ（Ｒａ）が０.２５〜０.１５μｍで最大高さ（Ｒｙ）が２.５〜１.５μｍの圧延ロールを使用し，当該最終圧延前に中間酸洗浄を，そして当該最終圧延後に最終酸洗浄を実施し，それら酸洗浄の洗浄液として濃度１〜１０質量の硫酸，硝酸，塩酸のうち少なくとも１種を使用し，そして，該中間酸洗浄を前バフ掛け→酸洗浄→後バフ掛けの工程とするのがよい。これによって，板厚が２ｍｍ以上であっても，良好な面粗度を具備することができ，はんだ濡れ性を改善することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明で対象とするようなパワー半導体モジュールなどの放熱板の主たる役割は，パワー半導体モジュールから発生する熱を放熱板内に吸収して，外部に放散することであり，熱伝導性に優れることが必要となる。そこで放熱板に使用される銅基合金の熱伝導率は３４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが必要である。好ましくは熱伝導率が３５５Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが望ましい。
【００１５】
放熱板は，組み立て工程時に接合基板もしくは半導体素子とはんだ接合されるが，はんだ接合時や組み立て工程で加えられる熱処理によって放熱板が軟化して強度低下が引き起こされると，組み立て後のパワー半導体モジュールの寸法精度に悪影響を及ぼし動作信頼性が低下するため，一定以上の強度を持ち，かつ熱処理によって強度低下が引き起こされないことが必要となる。加えて，放熱板はプレス加工により成形されるので，一定以上の強度を保有し，プレス抜き性に優れることも重要である。そこで，放熱板に使用される銅基合金はＨＶ１００以上であることが必要であり，好ましくはＨＶ１１０以上であることが望ましい。更に，上記のはんだ接合時もしくは組み立て工程時に放熱板は２００〜３５０℃で数分間加熱される。したがって，実用上最も熱が加わる接合条件と考えられる４００℃で３０分間に加熱後で材料が軟化しない，つまり加熱後のビッカース硬さが加熱前のビッカース硬さの８０％以上であることが必要である。好ましくは全く低下しないことが望まれる。
【００１６】
本発明者らは，このような放熱板に要求される諸特性を同時に満足するＣｕ基合金として，Ｃｕマトリックス中においてＰと化合物を形成する周期律表VIII族（鉄族）の遷移金属元素Ｍを適量含有したＭ−Ｐ系Ｃｕ基合金が適することを見い出した。ＭはＦｅ，ＣｏまたはＮｉの１種または２種以上であることが好ましく，Ｍ元素の含有量は合計で０.０５〜０.２５質量％，好ましくは０.０６〜０.２０質量％であり，Ｐ含有量が０.０１〜０.０５質量％，好ましくは０.０１５〜０.０３質量％であるのがよい。この範囲において，ＭとＰの総量が０.０６５〜０.３質量％，好ましくは０.０７〜０.２５質量であるのが望ましい。
【００１７】
Ｍ元素が０.０５質量％未満ではＰ化合物の析出量が少なく，必要な強度が得られず，また耐軟化性の向上も十分ではない。他方，Ｍ元素が０.２５質量％を超えると熱伝導率が低下して放熱板としての基本的な伝熱特性が得られず，コスト的に不利となる。Ｐ含有量は基本的にはＭ元素と化合物を形成するに十分な量であればよく，このため０.０１〜０.０５質量％とするのがよい。Ｍ−Ｐ系の化合物はＣｕマトリックス中に微細に分散することが必要であり，この観点からも，ＭとＰの含有量を適正に制御する必要がある。
【００１８】
放熱板材料としてこのようなＭ−Ｐ系Ｃｕ基合金を使用したうえで，その放熱板と接合基板または半導体素子とのはんだ接合性を一層改善するには，当該放熱板の表面粗さを，中心線平均粗さ（Ｒａ）が０.１０μｍ以下でかつ最大高さ（Ｒｙ）が１.０μｍ以下にすることがよいことがわかった。中心線平均粗さ（Ｒａ）が０.１０μｍを越えても，また最大高さ（Ｒｙ）が１.００μｍを越えても，はんだ濡れ性が低下するようになる。このため，好ましくはＲａが０.０９μｍ以下で，Ｒｙが０.８０μｍ以下である。
【００１９】
この表面粗さを得るには，当該合金板の製造時において，最終圧延前の中間酸洗浄条件と最終圧延後の最終酸洗浄条件を適切に制御したうえで，最終圧延時に使用する圧延ロールの表面粗さを適切なものとするのがよい。すなわち，いずれの酸洗浄工程でも，バフ掛けを実施し，そのバフ掛け条件と洗浄液および洗浄速度を適切に組み合わせることによって最終圧延時に適正な表面粗度が得られるようにすることが必要である。以下にこれらの条件についての本発明者らによる知見事実を説明する。
【００２０】
「中間酸洗浄工程」について
中間酸洗浄では，洗浄液として濃度が１〜１０質量％の硫酸，硝酸，塩酸のうち少なくとも１種を使用する。濃度が１０質量％を越えるものでは設備に与える悪影響が無視できなくなり，１質量％以下のものでは酸洗浄の主目的である表面酸化膜の除去力が低下する。これら鉱酸のうち塩酸と硝酸は反応性が強く，排水処理にも困難さを伴うことから，好ましくは硫酸を使用するのがよい。
【００２１】
中間酸洗浄工程は，前バフ掛け→酸洗浄→後バフ掛けとする。前バフ掛けに使用するバフロールは，砥粒がＡｌ2Ｏ3またはＳｉＣのどちらか１種であって粒度が♯３２０のものを使用し，後バフ掛けに使用するバフロールは，砥粒がＡｌ2Ｏ3またはＳｉＣのどちらか１種であって粒度は♯１０００又は♯１５００とするのがよい。すなわち，前バフ掛けで材料表面の粗研磨を行い，後バフ掛けで精密研磨を行う。前バフ掛けのバフ粒度が♯３２０より粗くなると，研磨によって材料の表面にキズを残し，最終の表面状態にまで影響を及ぼす。粒度が♯３２０より細かくなると，研磨能力が低下する。このため前工程のキズを十分に研磨することができず，最終の表面状態に影響を及ぼすようになる。前バフ掛けを省略した場合も粒度が♯３２０より細かくなる場合と同様の理由により，最終の表面状態に悪影響を及ぼすので，前バフ掛けを実施するのがよい。
【００２２】
中間酸洗浄の実施にさいしては，材料がバフを通過する際のスピードと，材料がバフを通過する際にバフから受ける加圧力とを限定する必要がある。すなわち，材料がバフを通過する際のスピードが２５Ｍ／ｍｉｎを超えると，設備への負担が大きくなるばかりでなく，研磨能力が低下する。このため，２５Ｍ／ｍｉｎ以下のスピードとするが，１５Ｍ／ｍｉｎ未満になると，生産性で不利となるので，１５〜２５Ｍ／ｍｉｎの範囲とするのがよい。加圧力は前バフ掛け時で０.９Ａ／ｃｍを超えると，または後バフ掛け時で０.２５Ａ／ｃｍを超えると，バフロール自身が材料表面に及ぼす力が大きくなって材料に変形を与える恐れがある。他方前バフ掛け時で０.５Ａ／ｃｍ未満，また後バフ掛け時で０.１５Ａ／ｃｍ未満になると，研磨能力が低下し材料表面を十分に研磨することができない。このため，加圧力は前バフ掛け時で０.５〜０.９Ａ／ｃｍ，後バフ掛け時で０.１５〜０.２５Ａ／ｃｍとするのがよい。
【００２３】
「最終圧延」について
最終圧延では，前記の中間酸洗浄を経た銅板に対して，ロール表面の中心線平均粗さ（Ｒａ）が０.２５μｍ〜０.１５μｍでかつ最大高さ（Ｒｙ）が２.５μｍ〜１.５に調整されたμｍ圧延ロールを用いて圧延する。圧延ロールのＲａとＲｙの一方または両方が前記の上限値を超えると，最終酸洗浄後の材料のＲａ，Ｒｙが目標値を達成できず，はんだ濡れ性が低下するようになり，前記の下限値未満では，圧延ロールを過度に平滑にすることになり，コスト面や生産性で不利となる。最終圧延の圧下率については１０〜９０％の範囲とすればよい。
【００２４】
「最終酸洗浄」について
最終酸洗浄では，洗浄液として，濃度が１〜１０質量％の硫酸，硝酸，塩酸のうち少なくとも１種を使用する。濃度が１０質量％を越えるものでは設備に与える悪影響が無視できなくなり，１質量％未満のものでは酸洗浄の主目的である表面酸化膜の除去力が低下する。これら鉱酸のうち塩酸と硝酸は反応性が強く，排水処理にも困難さを伴うことから，好ましくは硫酸を使用するのがよい。最終酸洗浄工程は酸洗浄→バフ掛けとする。すなわち酸洗浄の後，最終仕上げのバフ掛けを行う。バフ掛けに使用するバフは砥粒がＡｌ2Ｏ3，ＳｉＣのどちらか1 種を使用し，砥粒の粒度は♯１０００又は♯１５００であり，材料が工程を通過する速度は１５Ｍ／ｍｉｎ〜２０Ｍ／ｍｉｎ，材料がバフを通過する際にバフが製品に与える加圧力は０.０９Ａ／ｃｍ〜０.１Ａ／ｃｍであるのがよい。
【００２５】
このようにして得られる本発明に従う放熱板は，熱伝導率，常温強度および熱処理後の耐軟化性に優れることに加えて，はんだ濡れ性にも優れるようになり，しかも，比較的低コストで製造できる。
【実施例１】
【００２６】
表１に示した化学成分（質量％）の銅基合金Ｎo.１〜４（本発明例）と，銅基合金Ｎo.５〜９（比較例）をいずれも高周波誘導溶解炉を用いて溶製し，４０×４０×１５０ｍｍの鋳塊を鋳造した。各鋳塊から４０×４０×３０ｍｍの試片を切り出し，９００℃で６０分間の均質化処理を行い，８.０ｍｍまで熱間圧延し，水冷し酸洗を行った。しかる後，同一条件で冷間圧延，焼鈍，冷間圧延を繰返して，板厚３.０ｍｍの試片を作製した。
【００２７】
得られた各試片の銅基合金について，熱伝導率，ビッカース硬さを測定し，さらに各試片を４００℃に３０分加熱後（熱処理後）の常温でのビッカース硬さを測定した。熱伝導率は熱伝導率測定装置を用いて測定し，ビッカース硬さはJIS Z 2244に準拠して測定した。それらの結果を表２に示した。
【００２８】
【表１】
2005243821.tif 000002
【００２９】
【表２】
2005243821.tif 000003
【００３０】
表２の結果から明らかなように，無酸素銅のＮo.５は熱処理後の軟化が著しい。Ｃｕ−Ｚｒ系の合金Ｎo.６はＺｒが高価なために製造コストが高くなる。Ｃｕ−Ｓｎ系のＮo.７では熱処理後に軟化し，Ｃｕ−Ｐ系の合金Ｎo.８では硬さが低くて強度が充分ではなく，またＣｕ−Ｆｅ−Ｎｉ−Ｐ系の合金Ｎo.９でも，合金成分の総量が０.３質量％を超えるので熱伝導率が低いことから，いずれも放熱板として使用するには難がある。
【００３１】
これに対して，本発明に従う合金Ｎo.１〜４はいずれも熱伝導率が３４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上を示し，ビッカース硬さがＨＶ１００以上でかつ４００℃で３０分間加熱後のビッカース硬さが加熱前のビッカース硬さの８０％以上を示しており，放熱板として好適である。
【実施例２】
【００３２】
表１のＮo.１の銅基合金を供試材として，中間酸洗浄条件，最終圧延加工率及び最終酸洗浄条件を表３に示すように変化させて，板厚３.０ｍｍの試片Ｎo.１０〜１５を作製した。得られた各銅基合金について表面粗さ（中心線平均粗さＲａおよび最大高さＲｙ）とは  んだ濡れ性を評価し，それらの結果を表４に示した。
【００３３】
なお中心線平均粗さＲａおよび最大高さＲｙの測定は，JIS B 0601 1994 (1994 年度版) に準拠し，万能表面粗さ測定器を用いて最小単位０.０１μｍまでの測定を行った。はんだ濡れ性は JIS C 0053 に準拠し，２５０℃±３℃のはんだ浴（Ｓｎ：６０質量％，Ｐｂ４０質量％）を使用し，引き上げ速度２５ｍｍ／ｓｅｃ，浸漬深さ８ｍｍ，浸漬時間５ｓｅｃとし，フラックスは使用しなかった。はんだ濡れ性の評価は，濡れ面積を評価することで行い，濡れ面積が９９％以上であるものを最良（◎印），９５％以上であるものを良好（○印），それ以下を不良（△印）と判定した。
【００３４】
【表３】
2005243821.tif 000004
【００３５】
【表４】
2005243821.tif 000005
【００３６】
表４の結果から，中間酸洗浄において，前バフ掛けの粒度が粗く最終酸洗浄の無いＮo.１２，前バフ掛けの粗度が洗いＮo.１３，最終酸洗浄の無いＮo.１４，前バフ掛けの粒度が粗く最終圧延ロールが粗いＮo.１５および前バフ掛けが無く最終酸洗浄の無いＮo.１６では，いずれもＲａ，Ｒｙが高くてはんだ濡れ性が悪い。
【００３７】
これに対して，中間酸洗浄条件，最終圧延加工率及び最終酸洗浄条件が本発明で規定する範囲にある例Ｎo.１０およびＮo.１１のものは，ＲａはＲｙがいずれも低くてはんだ濡れ性が良好である。