(57)【要約】      （修正有）【課題】熱伝導率、熱膨張係数の異方性が小さく、半導体素子が発する大量の熱を十分に下面側に伝達し、誤動作や熱破壊を起こしたりせず、機密性を十分に保つこと。【解決手段】上面に半導体素子２の載置部を有する基体４ａと、載置部を囲んで固定された箱体を具備し、基体４ａは、厚み方向の熱伝導率が２５０W/mK以上、熱膨張係数が0.1ppm/Kより大きく４ｐｐｍ/Ｋより小さく、平面方向の熱伝導率が１５０W/mK以上、熱膨張係数が４ｐｐｍ/Ｋ以上１０ppm/K以下の黒鉛と金属からなる複合体を基材とし、基材の周囲に金属層が形成されている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子搭載用モジュールにおいて、一方向の熱伝導率が２５０Ｗ／ｍＫ以上、熱膨張係数が０．１ｐｐｍ／Ｋ以上、４ｐｐｍ／Ｋ未満、前記一方向と直交する熱伝導率が１５０Ｗ／ｍＫ以上、熱膨張係数が４ｐｐｍ／Ｋ以上、１０ｐｐｍ／Ｋ以下の黒鉛と金属からなる複合体を放熱基板とし、当該放熱基板の一方向面側あるいは直交面側に半導体素子を搭載することを特徴とする半導体素子搭載用モジュール。
【請求項２】
半導体素子搭載用モジュールにおいて、厚み方向の熱伝導率が２５０Ｗ／ｍＫ以上、熱膨張係数が０．１ｐｐｍ／Ｋ以上、４ｐｐｍ／Ｋ未満、前記厚み方向と直交する熱伝導率が１５０Ｗ／ｍＫ以上、熱膨張係数が４ｐｐｍ／Ｋ以上、１０ｐｐｍ／Ｋ以下の黒鉛と金属からなる複合体を放熱基板とし、当該放熱基板の直交面側に半導体素子を搭載することを特徴とする半導体素子搭載用モジュール。
【請求項３】
押出成形、焼成、黒鉛化処理された多孔質黒鉛化押出成形体にＡｌ又はＣｕから選ばれた金属または該金属を１種以上含む合金を溶湯鍛造し、前記多孔質黒鉛化押出成形体内部に前記金属によるランダムな放熱経路を形成した黒鉛と金属からなる複合体を放熱基板とし、前記多孔質黒鉛化押出成形体の押出方向を前記放熱基板の厚み方向に一致させ、もって厚み方向の熱伝導率が２５０Ｗ／ｍＫ以上、熱膨張係数が０．１ｐｐｍ／Ｋ以上、４ｐｐｍ／Ｋ未満、前記厚み方向と直交する方向の熱伝導率が１５０Ｗ／ｍＫ以上、熱膨張係数が４ｐｐｍ／Ｋ以上、１０ｐｐｍ／Ｋ以下としており、当該放熱基板の直交面側に半導体素子を搭載することを特徴とする半導体素子搭載用モジュール。
【請求項４】
前記熱伝導率が２５０Ｗ／ｍＫ以上、熱膨張係数が０．１ｐｐｍ／Ｋ以上、４ｐｐｍ／Ｋ未満となる方向が、放熱基板の厚み方向側面に対し略４５°傾いていることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の半導体素子搭載用モジュール。
【請求項５】
前記放熱基板のヤング率が５ＧＰａ以上１００ＧＰａ以下、曲げ強さが５ＭＰａ以上１００ＭＰａ以下であることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の半導体素子搭載用モジュール。
【請求項６】
前記半導体素子を搭載した放熱基板の受熱側の面に、ＮｉあるいはＣｕ、Ａｌのうち少なくとも１種を含む金属層を形成したことを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の半導体素子収納用モジュール。
【請求項７】
前記放熱基板の放熱側がフィン形状となっているか、あるいは、放熱基板と水冷ジャケットを一体化した構造体であることを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の半導体素子搭載用モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＩＣ，ＬＳＩ等の半導体集積回路基板、電界効果型トランジスター（ＦＥＴ）、光半導体パッケージなどの半導体素子を搭載する半導体素子搭載用モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の半導体素子搭載用モジュール（以下、半導体モジュールという）を図１、２、３に示す。
【０００３】
半導体モジュールには、図１のように絶縁基板１ａと接合された半導体素子２の上面に伝熱部材３を介して放熱基板４ａが戴置された半導体モジュール、図２のように半導体素子２が放熱基板４ｂ上に直接戴置された半導体モジュール、図３のように半導体素子２が戴置されたセラミック回路基板のような絶縁基板１ｂを介して放熱基板１ａが接合されている半導体モジュールなどがある。
また、半導体モジュールとしては、特許文献１に銅と第一酸化銅からなる複合体を放熱基板に用いた半導体モジュールが提案されている。これらは、熱伝導率を３００Ｗ／ｍＫ以上とすると、熱膨張係数は１０ｐｐｍ／Ｋより大きくなり、熱膨張係数を１０ｐｐｍ／Ｋ以下とすると、熱伝導率が１２０Ｗ／ｍＫと小さくなり、半導体素子の放熱性と熱サイクル負荷時の信頼性の両者を満足するものではなかった。
【０００４】
また、特許文献２には、本発明の複合体とほぼ同等の熱伝導率を有する複合体が提案されているが、前記複合材料の充填材は、主としてモリブデン、あるいはタングステンの硬質粒子からなり、所望の形状に加工する際に加工性に劣るという問題があった。
【０００５】
また、特許文献３に炭素繊維を炭素で結合した一方向性炭素繊維基体を用いた半導体パッケージが提案されている。この発明に用いられた複合材料の特性は不明であるが、通常、炭素繊維を炭素で結合した一方向性複合材料の場合、繊維方向の熱伝導率は３００Ｗ／ｍＫ以上となっているとしても、それと直交する方向の熱伝導率は５０Ｗ／ｍＫ以下と非常に小さく、熱伝導率の異方性が大きく、熱を四方八方に拡散させて放熱させる用途に対しては不適であった。
【０００６】
また、特許文献４に炭素繊維と銅、アルミニウム、銀および金からなる群から選ばれた少なくとも１種類の金属とからなる複合体が提案されている。この発明の複合材の熱伝導率は炭素繊維方向だけであり、それと直交する方向の熱伝導率は不明であるが、一般に、繊維方向の熱伝導率が３００Ｗ／ｍＫの場合、それと直交する方向の熱伝導率は１００Ｗ／ｍＫ未満である。よって、この例も半導体素子が発する熱を放熱するには十分ではなく、搭載された半導体素子を長期間にわたり正常かつ安定に作動させることはできなかった。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−３３９０２０
【特許文献２】
特開２００２−１２１６３９
【特許文献３】
特開２０００−１５０７４５
【特許文献４】
特開２０００−２４７７５８
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、半導体素子の高集積化、かつ同素子の大型化が急速に進むにつれ発熱量が増大するため、放熱基板に対しては放熱効率の向上が求められ、より高い熱伝導率で、かつ半導体モジュールとしての信頼性を向上させるために、半導体素子あるいはセラミック回路基板のような周辺部材との熱膨張係数差をより小さくすることも同時に求められている。上述のような熱伝導率と熱膨張係数からなる放熱基板では、放熱効率と半導体モジュールの信頼性を同時に満足させることができないという問題が発生していた。
また、気密封止が必要なモジュールの場合、炭素系材料と金属からなる複合材料を用いたモジュールでは、特に十分な気密封止が達成されないという問題が発生していた。
【０００９】
本発明は、このような問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、半導体素子が発する熱を放熱板を介して効率よく半導体モジュールの外部に放散し、よって半導体モジュール内部に搭載される半導体素子を長期間に亘り正常かつ安定に動作させるとともに、半導体モジュールの気密性が必要な場合には、十分な気密性が得られる半導体素子搭載用モジュールを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、半導体素子搭載用モジュールにおいて、一方向の熱伝導率が２５０Ｗ／ｍＫ以上、熱膨張係数が０．１ｐｐｍ／Ｋ以上、４ｐｐｍ／Ｋ未満、前記一方向と直交する熱伝導率が１５０Ｗ／ｍＫ以上、熱膨張係数が４ｐｐｍ／Ｋ以上、１０ｐｐｍ／Ｋ以下の黒鉛と金属からなる複合体を放熱基板とし、当該放熱基板の一方向面側あるいは直交面側に半導体素子を搭載する半導体素子搭載用モジュールである。
【００１１】
本発明は、半導体素子搭載用モジュールにおいて、厚み方向の熱伝導率が２５０Ｗ／ｍＫ以上、熱膨張係数が０．１ｐｐｍ／Ｋ以上、４ｐｐｍ／Ｋ未満、前記厚み方向と直交する熱伝導率が１５０Ｗ／ｍＫ以上、熱膨張係数が４ｐｐｍ／Ｋ以上、１０ｐｐｍ／Ｋ以下の黒鉛と金属からなる複合体を放熱基板とし、当該放熱基板の直交面側に半導体素子を搭載する半導体素子搭載用モジュールである。
【００１２】
本発明は、押出成形、焼成、黒鉛化処理された多孔質黒鉛化押出成形体にＡｌ又はＣｕから選ばれた金属または該金属を１種以上含む合金を溶湯鍛造し、前記多孔質黒鉛化押出成形体内部に前記金属によるランダムな放熱経路を形成した黒鉛と金属からなる複合体を放熱基板とし、前記多孔質黒鉛化押出成形体の押出方向を前記放熱基板の厚み方向に一致させ、もって厚み方向の熱伝導率が２５０Ｗ／ｍＫ以上、熱膨張係数が０．１ｐｐｍ／Ｋ以上、４ｐｐｍ／Ｋ未満、前記厚み方向と直交する方向の熱伝導率が１５０Ｗ／ｍＫ以上、熱膨張係数が４ｐｐｍ／Ｋ以上、１０ｐｐｍ／Ｋ以下としており、当該放熱基板の直交面側に半導体素子を搭載する半導体素子搭載用モジュールである。
【００１３】
本発明の半導体素子搭載用モジュールにおいて、前記熱伝導率が２５０Ｗ／ｍＫ以上、熱膨張係数が０．１ｐｐｍ／Ｋ以上、４ｐｐｍ／Ｋ未満となる方向が、放熱基板の厚み方向側面に対し略４５°傾いたものとすることができる。
本発明の半導体素子搭載用モジュールにおいて、前記半導体素子を搭載した放熱基板の少なくとも受熱側の面に、ＮｉあるいはＣｕ、Ａｌのうち少なくとも１種を含む金属層を形成することは望ましい。また、前記放熱基板の放熱側がフィン形状となっているか、あるいは、放熱基板と水冷ジャケットを一体化した構造体であることは望ましい構造である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体素子搭載用モジュールによれば、放熱基板は黒鉛と金属からなる複合体からなり、この複合体は多孔質黒鉛化押出成形体内部にランダムな方向で分散含浸された金属を含有する黒鉛質金属複合体である。よって、半導体素子から放熱基板に伝わった熱は、黒鉛質金属複合体の内部においてランダムな方向に熱が伝達されながら放熱基板の放熱面側全体に伝わることになる。このとき、多孔質黒鉛化押出成形体の押出し方向と一致する方向の熱伝導率が２５０Ｗ／ｍＫ以上、熱膨張係数が０．１ｐｐｍ／Ｋ以上、４ｐｐｍ／Ｋ未満を満足し、同時に前記押出し方向と直交する方向の熱伝導率が１５０Ｗ／ｍＫ以上、熱膨張係数が４ｐｐｍ／Ｋ以上、１０ｐｐｍ／Ｋ以下を満足することを見出した。即ち、熱伝導率と熱膨張率は放熱基板の一方向面とそれに直交する面とで異方性を有している。ここで熱伝導率は高い熱伝導率レベルにも関わらず、その異方性自体は小さく、その為半導体素子等の搭載面に自由度があり、しかも非搭載面に設けたヒートシンクを含む不特定の放熱面への熱の伝わりが早く放熱特性に優れている。一方、熱膨脹率は数値的に低いレベルに収まっているが、その異方性は熱伝導率に比較して大きい。よって、半導体素子やヒートシンク等の熱膨張率に応じて適宜その搭載面を選択することにより過大な熱応力による弊害を効果的に回避することができる。このように本発明では方向に寄らず高い熱伝導率と熱膨脹率の異方性を利用して半導体素子等の搭載面を選択的に設定したモジュールであることに特徴がある。
【００１５】
以下、本発明の半導体素子搭載用モジュールの構成について説明を加える。
先ず、一方向の熱伝導率が２５０Ｗ／ｍＫ以上、熱膨張係数が０．１ｐｐｍ／Ｋ以上、４ｐｐｍ／Ｋ未満、前記一方向と直交する熱伝導率が１５０Ｗ／ｍＫ以上、熱膨張係数が４ｐｐｍ／Ｋ以上、１０ｐｐｍ／Ｋ以下の黒鉛と金属からなる複合体を放熱基板とし、当該放熱基板の一方向面側あるいは直交面側に半導体素子を搭載するとしたのは、基板の半導体素子搭載面を選択できることを意図している。例えば、図２に示された半導体素子搭載用モジュールでは、放熱基板４ａと半導体素子との間に第２の放熱基板４ｂを設けているが、この場合、放熱基板４ａは下面の放熱性を優先するため、熱伝導率が２５０Ｗ／ｍＫ以上、熱膨張係数が０．１ｐｐｍ／Ｋ以上、４ｐｐｍ／Ｋ未満の一方向面を厚み方向に一致させて用いる（矢印の押出し方向を厚み方向に一致）。一方、放熱台４ｂは半導体素子との接合性、熱応力緩和性を重視するため、半導体素子の熱膨脹係数により近い方向を選択する。例えばＳｉ系半導体の場合は、図２のように熱伝導率が２５０Ｗ／ｍＫ以上、熱膨張係数が０．１ｐｐｍ／Ｋ以上、４ｐｐｍ／Ｋ未満の一方向面を素子搭載面に一致させて用いる（矢印の押出し方向を平面方向に一致）。他方ＧａＡｓ系半導体の場合では、熱伝導率が１５０Ｗ／ｍＫ以上、熱膨張係数が４ｐｐｍ／Ｋ以上、１０ｐｐｍ／Ｋ以下の直交面側を素子搭載面に一致させて用いるのが好ましい。このように熱伝導率と熱膨脹率の異方性を利用して個々のモジュールに適した方向を選択できることを特徴としている。
【００１６】
本発明の黒鉛質金属複合体の一構成として、押出成形によって得た多孔質黒鉛化押出成形体の押出方向を放熱基板の厚み方向とし、放熱基板の厚み方向の熱伝導率が２５０Ｗ／ｍＫ以上、熱膨張係数が０．１ｐｐｍ／Ｋ以上、４ｐｐｍ／Ｋ未満、厚み方向と直交する熱伝導率が１５０Ｗ／ｍＫ以上、熱膨張係数が４ｐｐｍ／Ｋ以上、１０ｐｐｍ／Ｋ以下とした半導体素子搭載用モジュールがある。このものは、シリコン半導体素子が接合する面が押出方向に対して直交する放熱基板となり、放熱基板の熱伝導率は厚さ方向の方が面方向より大きいので、半導体素子の熱は素早く放熱基板の他面に接合されたヒートシンクに伝達される。一方、放熱基板の熱膨張率は面方向の方が厚さ方向より大きいので、放熱基板面方向における熱膨張率は半導体素子の熱膨張率とヒートシンクの熱膨張率の両方に近い。そのため、半導体素子の動作時に放熱基板との接合面とヒートシンクの接合面の両方において熱応力を緩和することができる。
【００１７】
また、黒鉛質金属複合体からなる放熱基板を、熱伝導率が２５０Ｗ／ｍＫ以上、熱膨張係数が０．１ｐｐｍ／Ｋ以上、４ｐｐｍ／Ｋ未満となる方向が、放熱基板の厚み方向側面に対し略４５°傾いたもので形成することもできる。これは図６に示すように黒鉛質金属複合体の基材から放熱基板を切り出す際に、多孔質黒鉛化押出成形体の押出方向（→方向）に対し略４５°となるように切り出して用いることを意味している。これにより、放熱基板１ｅの熱伝導率、熱膨張係数の異方性が実質的になくなり、四方八方への良好な放熱が可能となり放熱設計が容易になる。
【００１８】
本発明の放熱基板を構成する黒鉛質金属複合体は、実質的に当該複合体を構成する多孔質黒鉛化押出成形体の押出方向と直交する方向の熱膨張係数が４ｐｐｍ／Ｋ以上、１０ｐｐｍ／Ｋ以下である。よって、この面を半導体素子搭載面に一致させると、通常、半導体素子として用いられるシリコン、ガリウム砒素、インジウムリン等の熱膨張係数が、それぞれ、４．２×１０−６／Ｋ、６．５×１０−６／Ｋ、４．５×１０−６／Ｋ程度、さらに、セラミック回路基板などの周辺部材として用いられる窒化珪素、窒化アルミニウム、アルミナの絶縁基板の熱膨張係数が４〜７×１０−６／Ｋであるため、熱膨張係数の整合も良く、ろう接等の金属接合を行うモジュール組み立て工程や、繰り返し熱が加わり、接合部で熱応力が発生する環境などにおいても放熱基板と半導体素子や周辺部材との熱膨張係数の整合が良好なため、接合部は高い信頼性を得ることができる。さらに、このとき放熱基板の熱膨張率は面方向より厚さ方向の方が半分以下と小さいので、パッケージ作製時の加熱時に、高さ方向の膨張率が小さくなり組み立て工程において、位置決めしやすく好ましい。
【００１９】
さて、本発明で用いる黒鉛質金属複合体は、５０〜９０体積％の黒鉛質の間を銅、銅合金、アルミ、アルミ合金、マグネシウム、マグネシウム合金、真鍮、黄銅、シリコン、亜鉛、銀、ニッケル、マグネシウムなどからなる金属によって埋められた組織を有する。このような基材は例えば次の工程のようにして作製される。
純度９９．７％以上のコークスなどの炭素粒子用い、それらをピッチとともに混合し、押し出し成形した成形体を２０００℃以上の温度にて焼成したのち、必要であれば更にピッチを含浸し、２５００℃以上の温度にて黒鉛化処理を行って得られた黒鉛質材料（プリフォーム）に銅、銅合金、アルミ、アルミ合金、マグネシウム、マグネシウム合金、真鍮、黄銅、シリコン、亜鉛、銀などを１種以上含む金属を含浸してなるものである。含浸方法は、減圧鋳造法、加圧鋳造法、溶湯鍛造法などでよいが溶湯鍛造法であることが好ましい。含浸させる金属としては、上記したような可能な限り高熱伝導率を有する金属が好ましいが、使用される環境、特にそれらが曝される温度により決定される。また、含浸は融点より１０℃以上高い温度及び１０  ＭＰａ以上の圧力で行うことが必要とされる。曝される最高温度が５００℃の場合、アルミやアルミ合金が好ましく、９００℃の場合は、銅や銅合金、銀が好ましい。得られた黒鉛質金属複合体には熱処理を施すことが必要である。この熱処理は、（融点−１０℃）以下であって、かつアルミやアルミ合金の場合２００℃以上の温度、銅や銅合金の場合は３００℃以上の温度において、それぞれ昇温速度３０℃／分以下、冷却速度２０℃／分以下の条件で行う。
【００２０】
さらに、本発明の半導体搭載用モジュールは、一方向の熱伝導率が２５０Ｗ／ｍＫ以上、熱膨張係数が０．１ｐｐｍ／Ｋ以上、４ｐｐｍ／Ｋ未満、なおかつ一方向と直交する方向の熱伝導率が１５０Ｗ／ｍＫ以上、熱膨張係数が４ｐｐｍ／Ｋ以上１０ｐｐｍ／Ｋ以下の黒鉛と金属からなる複合体を用い、その半導体素子戴置面の裏面側にフィン形状を設けることにより放熱性がより向上し、あるいは、放熱基板と水冷ジャケットを一体化した構造体とすることによりさらに放熱性が向上し、かつ従来、放熱基板とは別に銅等の高比重の金属により水冷ジャケットを設けたのに比較し、接合工程が不要になり、構造がシンプルで、かつ軽量化を図ることができる。これは、放熱基板のヤング率が５ＧＰａ以上１００ＧＰａ以下、好ましくは５〜３０ＧＰａであり、げ強さが５ＭＰａ以上１００ＭＰａ以下、好ましくは５〜５０ＭＰａの特性を有していることにより、容易に基材の裏面にフィン形状を一体形成することができる。ただし、フィンの厚みは０．５ｍｍ以上が好ましい。
【００２１】
また、半導体素子搭載用モジュールでは気密性を必要とする場合が多いが、この様な場合、黒鉛質金属複合体だけで気密性を確保することは十分ではない。従って、黒鉛質金属複合体の周囲、特に半導体素子が戴置される面、より好ましくは全周囲に金属層を形成した放熱基板とすることにより、必要とする気密性が確保される。基材の周囲に金属層を形成する方法は、蒸着、スパッタ等の乾式法、あるいはめっきなどの湿式法、銀ペースト、銅ペースト等を用いた印刷焼成法でもよい。なかでも、無電解めっきによれば、容易に基材の全周囲に均一な厚さの金属層を形成することができる。金属層としてはＮｉ−Ｐ、Ｎｉ−Ｂ、Ｃｕ、Ａｌなどでよいが、これらに限定されるものではない。
【００２２】
【実施例】
はじめに、図１、図３、図４を用いて、本発明の半導体素子搭載用モジュールの実施形態を説明する。図１は半導体素子から発生した熱を直接放熱する断面構造を示し、図３、図４はパワー半導体モジュール冷却構造断面図を示している。これらの図では、主に半導体素子と半導体素子から発生した熱を放熱するための放熱構造を示している。
最初に本実施形態の構成を説明する。図１に示した半導体素子の直接放熱では、半導体素子２の裏面に熱伝導グリスなどの伝熱部材３を介し、銅あるいは銅合金と黒鉛、アルミニウムあるいはアルミ合金と黒鉛、真鍮と黒鉛の何れかからなる複合材料の放熱基板４ａが設置されている（矢印方向は押出し方向を示す。以下同様。）。また、本発明によれば、半導体素子と前記金属と黒鉛からなる複合体の熱膨張係数差が小さいので、熱伝導グリスを介した接触のかわりに、銀ろうやはんだを用いたろう接などの金属接合を行うことも可能であり、熱伝導グリスによる場合よりろう接の方がより熱抵抗を低減でき、半導体モジュールとしての信頼性も向上する。一方、図３に示したパワー半導体モジュールは、半導体素子２の裏面にセラミックス絶縁基板１ｂを取り付け、さらにこの絶縁基板１ｂの裏面に、銅あるいは銅合金と黒鉛、アルミニウムあるいはアルミ合金と黒鉛、真鍮と黒鉛の何れかからなる複合材の放熱基板４ａを取り付けて構成されている。ここで放熱基板４ａの平面方向の熱膨張係数は１０ｐｐｍ／以下なので、隣接配置される半導体素子ならびに周辺部材との間での熱歪が生じにくく、低い熱抵抗が維持される。その上、平面方向の熱伝導率１５０Ｗ／ｍｋ以上と高熱伝導率であるため平面方向の放熱性も良好となる。
【００２３】
また、図４に示すように、銅あるいは銅合金と黒鉛、アルミニウムあるいはアルミ合金と黒鉛、真鍮と黒鉛の何れかからなる複合材の放熱基板４ｃは加工性に優れるため、機械加工により、放熱基板４ｃの半導体素子戴置面の裏面側に冷却媒体との接触面積を増大させて冷却能力を向上させる放熱フィンを冷却媒体の流れ方向に対して平行となるように形成した一体構造とすることにより、より放熱効率を向上させることができ、かつ構造がシンプルになることにより低背化が図られる。あるいは、また、本発明の半導体素子搭載用モジュールに用いられる放熱基板は、黒鉛質金属複合体からなる易加工性材料のため放熱基板と水冷ジャケットを一体化した構造体としてもよい。従来、放熱基板と放熱フィン、あるいは水冷ジャケットとはんだ、グリース、高熱伝導性シートなどの伝熱部材により接触させ、放熱しているため界面での熱抵抗が上昇し放熱効率が悪化していたが、図４、図５に示した実施例は、放熱板の裏面に複数のフィン形状を形成させた一体構造、また、方熱板４ｄの裏面に水冷ジャケットを形成した一体構造であり放熱基板と放熱構造体との間の熱抵抗の上昇が全くなく、より放熱性を向上させる効果がある。
【００２４】
以下、本発明の半導体素子搭載用モジュールをパワー半導体モジュールに用いた図３の実施例により詳細に説明する。
放熱基板４ａとして縦×横×厚さが３０×３０×２ｍｍである黒鉛質アルミ複合体及び黒鉛質銅複合体と、絶縁基板１ｂとして縦×横×厚さが３０×３０×０．８ｍｍの窒化アルミニウム基板、窒化珪素基板及びアルミナ基板を用意した。絶縁基板１ｂと放熱基板４ａはろう付けされ、半導体素子２と絶縁基板１ｂははんだ付け、放熱基板４ａとヒートシンク５は高熱伝導グリースを介して接触させ、熱抵抗を低減させている。
【００２５】
さらに、放熱基板４ａとして、縦×横×厚さが５０×５０×２ｍｍのＳｉを含むアルミ合金が２０〜３０％含浸された黒鉛質アルミ複合体とＣｕが２０〜３０％含浸された黒鉛質銅複合体、さらに上記基板に縦×横×厚さが５０×５０×５ｍｍのフィン付の黒鉛質アルミ複合体、及び黒鉛質銅複合体（フィンの溝深さ３ｍｍ）を用意し、それぞれ表１に示す実施例とした。その際、放熱基板４ａの厚み方向の熱伝導率が２５０Ｗ／ｍＫ以上、熱膨張係数が０．１ｐｐｍ／Ｋより大きく４ｐｐｍ／Ｋ未満、直交する平面方向（素子搭載面側）の熱伝導率が１５０Ｗ／ｍＫ以上、熱膨張係数が４ｐｐｍ／Ｋ以上、１０ｐｐｍ／Ｋ以下となるように構成した。
さらに、比較のために放熱基板として、同じ形状サイズのＡｌ：ＳｉＣが３０体積％：７０体積％の複合材、Ｃｕ：Ｗが１５体積％：８５体積％、Ｃｕ：Ｍｏが４０体積％：６０体積％の複合材も用意し、それぞれ比較例とした。なお、Ｃｕ−ＷとＣｕ−Ｍｏ以外の材料については表面にＮｉめっきを施した。
【００２６】
次に、製造方法について説明を加える。多孔質黒鉛化押出成形体は、以下のように製造した。
コークス等の炭素原料粉末を平均粒径は５０μｍ以上、５０μｍ〜３ｍｍ程度に粉砕し分級した後、バインダーとしてピッチを添加し、混練する。混練物を所定の形状の押出口を有するダイから押し出し、所定の長さに切断後焼成し、黒鉛化させる。ここで押出成形後７００〜１０００℃により焼成しているが焼成後の成形体には多数の気孔があるので、嵩密度１．６５  ｇ／ｃｍ３以上とするために焼成後の成形体の気孔内へピッチを含浸し再焼成する。この後、黒鉛化成形体とするために２６００〜３０００℃の温度で熱処理することにより、炭素質から黒鉛質に変化し多孔質黒鉛化押出成形体とする。尚、高熱伝導率及び低熱膨張率を有する多孔質黒鉛化押出成形体を得るためには、多孔質黒鉛化押出成形体を燃焼させたときに残る不燃性の鉱物質（灰分）は０．５質量％以下とし、純度の高い黒鉛質となすことが好ましい。
【００２７】
多孔質黒鉛化押出成形体への溶融金属の含浸は溶湯鍛造法で行った。溶湯鍛造法を行うのに好ましい金型装置の一例を図７に示す。図７（ａ）  に示すように、金型装置１０は、中央にキャビティ１１ａを有する上型１１と、上型１１の下に配置され、中央に開口部１２ａを有する下型１２と、上型１１のキャビティ１１ａ内に配置された下パンチ１３と、下パンチ１３の底部に連結して下型１２の開口部１２ａを貫通するシャフト１４と、上型１１のキャビティ１１ａ内に進入する上パンチ１５と、上パンチ１５の上面に連結したプランジャーシャフト１６とを有する。
図７（ａ）  に示すように、まず上パンチ１５を取り外し、かつ多孔質黒鉛化押出成形体２０を載置した下パンチ１３を上型１１のキャビティ１１ａ内の最下部まで降下させた状態で、取鍋２００より溶融金属Ｍをキャビティ１１ａ内に注入する。溶湯鍛造温度は溶融金属の種類により異なるが、一般に溶融金属の融点より１０℃以上高い温度であるのが好ましい。このとき上下型１１、１２等を所定の温度に加熱しておくとともに、含浸中に凝固しないように十分な量の溶融金属Ｍをキャビティ１１ａ内に注入する。また、多孔質黒鉛化押出成形体の温度を溶融金属の融点と同等か、好ましくは溶融金属の融点以上に予め加熱しておくと、成形体の空孔中への溶融金属の十分な浸入が達成されるので好ましい。そして溶融金属を注入した時に、多孔質黒鉛化押出成体２０が浮上するのを防止するために、鉄製材料などの重しをするとより好ましい。
【００２８】
図７（ｂ）  に示すように、上パンチ１５をキャビティ１１ａ内に進入させ、プランジャーシャフト１６を介して高圧で上パンチ１５を押圧すると、高圧になった溶融金属Ｍは多孔質黒鉛化押出成形体２０の空孔内に浸入する。溶湯鍛造圧力は溶融金属の種類によらず１０  ＭＰａ以上必要で、より好ましくは５０  ＭＰａ以上である。また、加圧時間は溶融金属の種類、温度及び圧力によらず、１分〜３０分もあれば良い。そして多孔質黒鉛化押出成形体２０に浸入した溶融金属Ｍが凝固した後、図７（ｃ）  に示すように、上パンチ１５を除去し、次いで下パンチ１３を上昇させて、得られた金属含浸多孔質黒鉛化押出成形体２１を取り出す。最後に図７（ｄ）  に示すように、金属含浸多孔質黒鉛化押出成形体２１を凝固金属Ｍ’から切り出す。なお溶融金属Ｍが多孔質黒鉛化押出成形体２０の空孔に十分に加圧浸入しないうちに凝固するのを防止するために、溶湯鍛造の間上下の金型１１、１２及びパンチ１３、１５を所定の温度に加熱している。
【００２９】
次に、多孔質黒鉛化押出成形体に熱処理を施した。昇温速度は３０℃／分以下、保持温度は、（融点−１０℃）以下で、かつアルミニウム系は２００℃以上、銅系は３００℃以上とし、保持時間は１〜１２０分程度であれば良い。保持温度が各金属の（融点−１０℃）超であると、金属が軟化又は溶融して、多孔質黒鉛化押出成形体から滲出する恐れがある。また保持温度が２００℃未満では、熱処理効果が十分に得られない。保持した後は徐冷を行う。その冷却速度は２０℃／分以下で行い、１０℃／分以下が好ましい。冷却速度が２０℃／分超であると、含浸した金属の熱履歴が残るので好ましくない。尚、昇温速度の下限および冷却速度の下限は、熱処理効率を考慮して０．５℃／分程度であれば良い。
【００３０】
パワー半導体モジュールは、以下のように作製した。
始めに、絶縁基板１ｂの上下面にろう材にてアルミニウム板を０．２ＭＰａの圧力を加え、真空中で５８０℃に加熱し、積層接着後、アルミニウム板をエッチング法により所定のパターンに回路形成し、絶縁基板を絶縁性回路基板１ｂとした。次に放熱基板４ａの上にパターン形成のないアルミニウム板を下側にした絶縁性回路基板１ｂをはんだ接合した。
次に、セラミック回路基板１ｂのアルミニウム板上にＮｉめっきを施し、このＮｉめっき上にはんだを用いて半導体チップ２の１０×１０ｍｍを接合し、セラミック回路基板上に半導体チップを搭載した。これらを半導体素子搭載用モジュールとした。
なお、前記アルミニウム板を銅板として回路形成した絶縁性回路基板も作製した。
【００３１】
表１に本実施例のパワー半導体モジュールの放熱特性の評価結果を示す。放熱特性は、通電時の半導体チップの表面温度と半導体チップとヒートシンク裏面との間の熱抵抗（℃／Ｗ）を測定し、さらに−４０℃〜１２５℃までの昇降温試験を３０００サイクルした後の半導体チップと放熱基板裏面との間の熱抵抗を測定した。なお、３０００サイクルの温度サイクル試験後の熱抵抗は温度サイクル試験前の熱抵抗からの上昇率で示した。
【００３２】
【表１】
2005005528.tif 000003
【００３３】
比較例のＡｌ−ＳｉＣ、Ｃｕ−Ｍｏ、Ｃｕ−Ｗに比較して、実施例は厚み方向の熱伝導率が２５０Ｗ／ｍＫ以上と高く、平面方向の熱膨張係数が４以上、１０以下と半導体素子、および絶縁基板との熱膨張率の整合がとれているため、比較例に比べて、半導体素子の表面温度および熱抵抗は総じて低くなり、サイクル試験後の上昇率も小さくなった。
【００３４】
次に、光通信用の半導体素子収納用モジュールに用いた実施例を以下に説明する。図２は半導体素子収納用モジュールの断面図である。
図２において、２は半導体素子、４ａ、４ｂは放熱基板、３１は気密性を確保するための箱体、３２は光ファイバー、３３は光ファイバーを通し、ガラス封止するための貫通孔である。
放熱基板４ａ、４ｂは上述の実施例と同様の製造法で作成したものでその説明は省略するが、表１の黒鉛質銅複合体（実施例１相当）である。
図２で半導体素子は、放熱基板４ｂにろう接等で直接金属接合されている。ここで放熱基板４ａと４ｂを一体構造としても良いが、４ｂの放熱基板は、搭載面方向の熱伝導率が２５０Ｗ／ｍＫ以上、熱膨張係数が０．１ｐｐｍ／Ｋ以上、４ｐｐｍ／Ｋ未満となるように用い、３〜４ｐｐｍ／Ｋの半導体素子とより近い熱伝導率となるようにし、４ａの放熱基板は厚み方向の熱伝導率が２５０Ｗ／ｍＫ以上、熱膨張係数が０．１ｐｐｍ／Ｋ以上、４ｐｐｍ／Ｋ未満、直交する面方向を熱伝導率が１５０Ｗ／ｍＫ以上、熱膨張係数が４ｐｐｍ／Ｋ以上、１０ｐｐｍ／Ｋ以下とした放熱基板を用いている。このように厚み方向と平面方向の特性が異なる放熱基板を組み合わせて使用することも可能である。そうすることにより、半導体素子との熱膨張係数差が小さくなり、半導体素子への熱応力負荷が低減され半導体素子が搭載されたモジュールの信頼性が向上する。
【００３５】
更に、図２を詳細に説明する。黒鉛質銅複合体を、厚み方向の熱伝導率が２５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上となる方向に板状に切り出して４ａ、４ｂが一体化した放熱基板４ａを作製する。板の寸法は、例えば厚いところで５ｍｍ、薄いところで２ｍｍ程度である。
さらに、この板の上下面、あるいは全周囲に例えばＮｉ−Ｂの金属層６をめっきによって形成し、次に金めっき層７を形成する。
放熱基板４ａの熱膨張係数は含浸される金属の性質や量によって異なるが、例えば銅が分散されていると平面方向で５〜７ｐｐｍ／Ｋとなり、また銅が分散されていることによって放熱基板４ａのネジ止め時の潰れが大きく軽減される。よって、半導体パッケージを外部装置にネジで締め付けることにより密着固定する場合に強固に締め付けることができる。
【００３６】
金めっき層は、半導体素子２との接合に利用されるろう材との濡れを良好にする。ろう材によっては金めっき層が必要ない場合もある。そして、箱体３１の下面に、放熱基板４ａの上面の金属層を半田や銀ロウ等のロウ材を介してロウ付けすることにより、放熱基板４ａが箱体３１枠体３の下面に取り付けられる。
また、放熱基板４ａの上下面に金属層と金めっき層が形成されていることから、放熱基板４ａが表面に気孔が存在する多孔質であるとしても、その気孔は金属層によって完全に塞がれる。しかし、側面に金属層が形成されていないと十分な気密性が得られない。その場合は金属層を全周囲にほどこすことにより、半導体モジュール内部の気密封止の信頼性が高いものとなる。
本発明において、金属層を予め放熱基板４ａに形成することにより、半導体素子と接合しにくい黒鉛質金属複合体を金属層を介して放熱基板４ａに強固に接合するためにも好ましい。
また、半導体素子２の載置面（接合面）に平行な方向（平面方向）の熱膨張係数は４〜１０ｐｐｍ／Ｋであり、箱体３１との熱膨張係数の整合もよく熱応力が発生せず高信頼性のモジュールとなることが明らかになった。
【００３７】
箱体３１は、放熱基板４ａの上面の外周部に載置部を取り囲むようにしてロウ材、ガラスまたは樹脂等の接着剤を介して取り付けられており、放熱基板４ａと箱体３１とで半導体素子２を収容する為の空所が内部に形成される。
箱体３１はＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＦｅ−Ｎｉ合金からなり、例えば、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金のインゴット（塊）に従来周知のプレス成型法等の金属加工法により所定の枠状に成型することによって製作される。
Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金またはＦｅ−Ｎｉ合金からなる箱体３１は、その熱膨張係数が４〜６ｐｐｍ／Ｋであり、放熱基板４ａの熱膨張係数４〜１０ｐｐｍ／Ｋとほとんど同じである。よって、放熱基板４ａと箱体３１との間に発生する熱応力は小さく、半導体モジュールとしての高い信頼性が確保される。
また、半導体素子の熱膨張係数も３〜６ｐｐｍであり、基体１と半導体素子２との間に発生する熱応力は小さく、半導体モジュールとしての高い信頼性が確保される。
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更は可能である。
【００３８】
表２に上記実施例で示した光半導体モジュールの気密封止性試験の結果を示す。
金属層の有無と気密性との相関を評価するために、ＪＩＳ  Ｃ  ７０２１  Ａ−６に基づき、日本真空製のヘリウムリークディテクターＤＬＭＳ−３３型を用い、放熱基板を貫通するヘリウムガスの量を測定した。放熱基板を貫通するヘリウムガスの量をリーク量として、気密性のパラメータとした。結果を表２に示す。
【００３９】
【表２】
2005005528.tif 000004
【００４０】
Ａｌ−黒鉛、Ｃｕ−黒鉛のいずれも、金属層を形成することにより気密性が著しく向上することが分かった。なお金属層の厚さは０．５μｍ未満だと十分な気密性が得られない。また２０μｍを超えると金属層の残留応力の増大により、金属層が剥離する。また黒鉛／Ｃｕ複合体等は、ＡｇペーストやＣｕペーストを印刷したのち、９００℃で焼成した膜を形成しても良い。この場合、膜応力が低いので、膜厚は２０μｍ以上でも良好な気密性が得られる。さらに、金属層が上下面だけの場合より、全周囲に形成されている方が高い高い気密性が得られる。
【００４１】
【発明の効果】
本発明の半導体素子収納用モジュールによれば、一方向の熱伝導率が２５０Ｗ／ｍＫ以上、熱膨張係数が０．１ｐｐｍ／Ｋ以上、４ｐｐｍ／Ｋ未満、前記一方向と直交する熱伝導率が１５０Ｗ／ｍＫ以上、熱膨張係数が４ｐｐｍ／Ｋ以上、１０ｐｐｍ／Ｋ以下の黒鉛と金属からなる黒鉛質金属複合体を放熱基板としたものであり、放熱基板の一方向側を基板の厚み方向に一致させて用いる場合と、またあるいは一方向側を半導体素子搭載面方向に一致させて用いる場合と、またこれらを組合せて用いる場合とがある。これにより高熱伝導性と低熱膨張性の異方性の特徴を選択的に構成した半導体素子収納用モジュールとなる。よって、半導体素子が発する熱を効率良くモジュール外部に放散し、半導体モジュール内部に搭載される半導体素子を長期間に亘り正常かつ安定に動作させることができる。
また、基体の周囲に金属層を形成しているので気密性が保たれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体素子搭載用モジュールについて一実施形態を示す断面図である。
【図２】本発明の半導体素子搭載用モジュールの一実施形態を示す大断面図である。
【図３】本発明の半導体素子搭載用モジュールの一実施形態を示す断面図である。
【図４】本発明の半導体素子搭載用モジュールの一実施形態を示す断面図である。
【図５】本発明の半導体素子搭載用モジュールの一実施形態を示す断面図である。
【図６】炭素質金属複合体を４５°方向に切り出す例を示す説明図である。
【図７】溶湯鍛造法により炭素質金属複合体を製造する過程を示す説明図である。
【符号の説明】
１ａ、１ｂ：絶縁基板
２：半導体素子
３：伝熱部材
４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ：放熱基板
５：放熱構造体
６：配線
７：接続端子
８：熱硬化性樹脂
９：はんだ
１０：接着剤
３１：箱体
３２：光ファイバー
３３：貫通孔
【図１】
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【図２】
2005005528.tif 000006
【図３】
2005005528.tif 000007
【図４】
2005005528.tif 000008
【図５】
2005005528.tif 000009
【図６】
2005005528.tif 000010
【図７】
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