(57)【要約】【課題】半導体素子との線膨張係数の整合のほか、高熱伝導、そして軽量かつ低価格化を実現する半導体回路部材およびその製造方法を提供する。【解決手段】実装される半導体素子からの熱を放散するヒートスプレッダやヒートシンクなどの半導体回路部材において、線膨張係数１０×１０-6（１／Ｋ）以下のＦｅ−Ｎｉ系合金線単数もしくは並列した複数本と、不可避的不純物を含む純ＡｌまたはＡｌ合金を熱間押出などで複合したものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
実装される半導体素子からの熱を放散するヒートスプレッダやヒートシンクなどの半導体回路部材において、線膨張係数１０×１０-6（１／Ｋ）以下のＦｅ−Ｎｉ系合金線単数もしくは並列した複数本と、不可避的不純物を含む純ＡｌまたはＡｌ合金を複合したことを特徴とする半導体回路部材。
【請求項２】
実装される半導体素子からの熱を放散するヒートスプレッダやヒートシンクなどの半導体回路部材において、不可避的不純物を含む純ＡｌまたはＡｌ合金を被覆した線膨張係数１０×１０-6（１／Ｋ）以下のＦｅ−Ｎｉ系合金複合線単数もしくは並列した複数本と、不可避的不純物を含む純ＡｌまたはＡｌ合金を複合したことを特徴とする半導体回路部材。
【請求項３】
並列した合金線または複合線材群を、１段から複数段、同方向もしくは異方向に重ね、不可避的不純物を含む純ＡｌまたはＡｌ合金を、その上下から挟むように重ねて複合した請求項２または３記載の半導体回路部材。
【請求項４】
合金線または複合線に、不可避的不純物を含む純ＡｌまたはＡｌ合金を熱間押出、または熱間押出に加え、その後のダイス引抜またはロール圧延工程により被覆して複合する請求項１〜３いずれかに記載の半導体回路部材。
【請求項５】
実装される半導体素子からの熱を放散するヒートスプレッダやヒートシンクなどの半導体回路部材の製造方法において、線膨張係数１０×１０-6（１／Ｋ）以下のＦｅ−Ｎｉ系合金線材に、不可避的不純物を含む純ＡｌまたはＡｌ合金を熱間押出、または熱間押出に加え、その後のダイス引抜またはロール圧延工程により複合することを特徴とする半導体回路部材の製造方法。
【請求項６】
実装される半導体素子からの熱を放散するヒートスプレッダやヒートシンクなどの半導体回路部材の製造方法において、不可避的不純物を含む純ＡｌまたはＡｌ合金を被覆した線膨張係数１０×１０-6（１／Ｋ）以下のＦｅ−Ｎｉ系合金線材に、不可避的不純物を含む純ＡｌまたはＡｌ合金を熱間押出、または熱間押出に加え、その後のダイス引抜またはロール圧延工程により複合することを特徴とする半導体回路部材の製造方法。
【請求項７】
実装される半導体素子からの熱を放散するヒートスプレッダやヒートシンクなどの半導体回路部材の製造方法において、線膨張係数１０×１０-6  （１／Ｋ）以下のＦｅ−Ｎｉ系合金線材、または不可避的不純物を含む純ＡｌまたはＡｌ合金を被覆した線膨張係数１０×１０-6（１／Ｋ）以下のＦｅ−Ｎｉ系合金複合線と、不可避的不純物を含む純ＡｌまたはＡｌ合金をホットプレスにより複合することを特徴とする半導体回路部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子を実装する半導体回路部材、特に大電流を印加し高温になる半導体素子を実装する際の熱放散を目的とした基板、ヒートスプレッダおよびヒートシンク部材などの半導体回路部材とその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
産業用の工作機械やロボット、エアコンのコンプレッサ、半導体製造装置、医療機器、ハイブリッド自動車のモータドライブなどの回路基板には、１００Ａもしくはそれ以上もの大電流が印加される場合がある。それら基板の半導体素子は、大電流の印加により発熱温度が１００℃以上にも達する。半導体素子など回路部品の寿命は温度上昇に大きく影響される。
【０００３】
そこで、半導体素子からの発熱を放散させる目的で、この様な回路基板にはベース材、ヒートスプレッダおよびヒートシンクなどが適用される（パワーモジュール基板）。
【０００４】
図５及び図６で、その構造例の概略を説明する。
【０００５】
図５は、基板５６上に絶縁材５５を介して金属配線５４が形成され、その金属配線５４に、はんだまたはろう材５３にて半導体素子５１が実装されると共にワイヤ５２がボンディングされ、その半導体素子５１の熱を放散するために基板５６が、はんだまたはろう材５３にてヒートシンク５８上に設けられ、半導体素子５１で発生した熱をヒートシンク５８にて放散する構造例を示している。
【０００６】
図６は、金属配線５４上に半導体素子５１を直接実装する代わりに金属配線５４上に、はんだまたはろう材５３にてヒートスプレッダ５９を設け、そのヒートスプレッダ５９上に、はんだまたはろう材５３にて半導体素子５１を実装した構造例を示す。
【０００７】
半導体素子５１は、ＳｉやＳｉＣなどの低線膨張材である。例えば、Ｓｉの線膨張係数は約４×１０-6（１／Ｋ）である。一方、ヒートシンク５８やヒートスプレッダ５９の材料である純Ｃｕや純Ａｌの線膨張係数は、約２０×１０-6（１／Ｋ）である。
【０００８】
よって、ヒートスプレッダ５９やヒートシンク５８などの部材に純Ｃｕや純Ａｌを使用すると、チップ材（半導体素子５１）と間の線膨張差に基づく熱応力の発生により、半導体素子５１と上記部材の間のはんだやろう材５３による接合部分で剥離することがある。
【０００９】
そこで従来、これらの部材には線膨張係数を整合させる目的で、焼結金属（Ｍｏ、Ｗ、Ｃｕ−Ｍｏ、Ｃｕ−Ｗなど）、クラッド材（Ｃｕ−Ｉｎｖｅｒ合金−Ｃｕなど）、セラミックス（ＡｌＮ、Ａｌ2Ｏ3、Ｓｉ3Ｎ4など）が用いられてきた。
【００１０】
ここにＩｎｖｅｒ合金とはＦｅ−３６ｍａｓｓ％Ｎｉ合金である。
【００１１】
最近では、それら部材には線膨張係数の整合だけでなく、熱放散性を高める目的で優れた熱伝導性、そして軽量かつ低価格が求められている。
【００１２】
前述の低線膨張の焼結金属には、熱伝導、重量及び価格、Ｃｕ−Ｉｎｖｅｒ合金−Ｃｕなどクラッド材にはＩｎｖｅｒ合金部分の断熱作用及び重量、ＡｌＮ、Ａｌ2Ｏ3、Ｓｉ3Ｎ4などセラミックスには機械的じん性、熱伝導及び価格の問題がそれぞれある。
【００１３】
以上を改善したものとして、含浸材（Ａｌ−ＳｉＣ（特許文献１）、Ａｌ‐Ｃ（鈴木総業株式会社カタログ））、焼結材（Ｃｕ−Ｃｕ2 Ｏ（特許文献２）、Ａｌ−Ｉｎｖｅｒ合金（特許文献３）、Ａｌ−Ａｌ2Ｏ3（特許文献４））などが提案されている。
【００１４】
【特許文献１】特公平７−０２６１７４号公報
【特許文献２】特開２００３−１７９１９１号公報
【特許文献３】特開２０００−１８３２３４号公報
【特許文献４】特開２００２−２０８６６０号公報
【特許文献５】特開２００４−１５２９７０号公報
【特許文献６】特開２００４−６３６５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、これらは非常に高価である。
【００１６】
また、穿孔したＩｎｖｅｒ合金など低線膨張材の上下を高熱伝導材などで圧延クラッドする提案（特許文献５）があるが、低線膨張材を穿孔することから、材料歩留面で十分とは言えない。
【００１７】
さらに、Ｉｎｖｅｒ合金などＦｅ−Ｎｉ系合金低線膨張材全体を、ＣｕやＡｌなどの高熱伝導材で被った形のクラッド材の提案（特許文献６）がある。
【００１８】
図７及び図８にその構造例を示す。
【００１９】
この図７，図８では、低線膨張材６１全周を高熱伝導材６０で被ったクラッド材６２を用い、そのクラッド材６２上に、はんだまたはろう材５３を介して半導体素子５１を実装することで、熱がクラッド材６２の両側端部（高熱伝導材部分）から放散される。さらに低線膨張材を穿孔するタイプに比べて低価格化できる。
【００２０】
しかし、その図７、図８の提案では、高熱伝導材６０とＩｎｖｅｒ合金である低線膨張材６１の具体的な製法の記述がない。
【００２１】
高熱伝導材６０としてＡｌを用いる場合に、接合の手法によってはＡｌとＩｎｖｅｒ合金の界面が、Ａｌの酸化の影響で十分金属接合されていないことが多い。
【００２２】
その結果、半導体素子５１が発熱した際、ＡｌとＩｎｖｅｒ合金の界面が熱応力に耐えきれず剥離し、所望の熱膨張特性が得られないことが懸念される。
【００２３】
そこで、本発明の目的は、大電流を印加する回路基板に適用するベース材、ヒートスプレッダ、ヒートシンクなどの部材について、半導体素子との線膨張係数の整合のほか、高熱伝導、そして軽量かつ低価格化を実現する半導体回路部材およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
上記目的を達成するために請求項１の発明は、実装される半導体素子からの熱を放散するヒートスプレッダやヒートシンクなどの半導体回路部材において、線膨張係数１０×１０-6（１／Ｋ）以下のＦｅ−Ｎｉ系合金線単数もしくは並列した複数本と、不可避的不純物を含む純ＡｌまたはＡｌ合金を複合したことを特徴とする半導体回路部材である。
【００２５】
請求項２の発明は、実装される半導体素子からの熱を放散するヒートスプレッダやヒートシンクなどの半導体回路部材において、不可避的不純物を含む純ＡｌまたはＡｌ合金を被覆した線膨張係数１０×１０-6（１／Ｋ）以下のＦｅ−Ｎｉ系合金複合線単数もしくは並列した複数本と、不可避的不純物を含む純ＡｌまたはＡｌ合金を複合したことを特徴とする半導体回路部材である。
【００２６】
請求項３の発明は、並列した合金線または複合線材群を、１段から複数段、同方向もしくは異方向に重ね、不可避的不純物を含む純ＡｌまたはＡｌ合金を、その上下から挟むように重ねて複合した請求項２または３記載の半導体回路部材である。
【００２７】
請求項４の発明は、合金線または複合線に、不可避的不純物を含む純ＡｌまたはＡｌ合金を熱間押出、または熱間押出に加え、その後のダイス引抜またはロール圧延工程により被覆して複合する請求項１〜３いずれかに記載の半導体回路部材である。
【００２８】
請求項５の発明は、実装される半導体素子からの熱を放散するヒートスプレッダやヒートシンクなどの半導体回路部材の製造方法において、線膨張係数１０×１０-6（１／Ｋ）以下のＦｅ−Ｎｉ系合金線材に、不可避的不純物を含む純ＡｌまたはＡｌ合金を熱間押出、または熱間押出に加え、その後のダイス引抜またはロール圧延工程により複合することを特徴とする半導体回路部材の製造方法である。
【００２９】
請求項６の発明は、実装される半導体素子からの熱を放散するヒートスプレッダやヒートシンクなどの半導体回路部材の製造方法において、不可避的不純物を含む純ＡｌまたはＡｌ合金を被覆した線膨張係数１０×１０-6（１／Ｋ）以下のＦｅ−Ｎｉ系合金線材に、不可避的不純物を含む純ＡｌまたはＡｌ合金を熱間押出、または熱間押出に加え、その後のダイス引抜またはロール圧延工程により複合することを特徴とする半導体回路部材の製造方法である。
【００３０】
請求項７の発明は、実装される半導体素子からの熱を放散するヒートスプレッダやヒートシンクなどの半導体回路部材の製造方法において、線膨張係数１０×１０-6（１／Ｋ）以下のＦｅ−Ｎｉ系合金線材、または不可避的不純物を含む純ＡｌまたはＡｌ合金を被覆した線膨張係数１０×１０-6（１／Ｋ）以下のＦｅ−Ｎｉ系合金複合線と、不可避的不純物を含む純ＡｌまたはＡｌ合金をホットプレスにより複合することを特徴とする半導体回路部材の製造方法である。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、Ｉｎｖｅｒ合金などＦｅ−Ｎｉ系低膨張線材を、純Ａｌもしくは高熱伝導性のＡｌ合金で熱間押出により被覆することで、Ｆｅ−Ｎｉ系合金とＡｌの界面接合力不足による剥離の問題を解消できる。さらに、従来の焼結金属やセラミックスに比べて非常に低価格で量産でき、かつ機械的じん性も高い優れた半導体回路部材を得ることが可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００３３】
図１（ａ）は、図５〜図８で説明した半導体素子の熱を放散するスプレッダやヒートシンクからなる半導体回路部材１２の詳細断面図を示し、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図を示したものである。
【００３４】
図１において、矩形断面の低熱膨張金属１１に、純Ａｌもしくは高熱伝導性のＡｌ合金からなる高熱伝導金属１０を挟み、これを熱間押出工法や熱間押出の後工程で圧延工程を加えて複合して熱放散部材である半導体回路部材１２を形成したものである。
【００３５】
使用する低熱膨張金属１１であるＦｅ−Ｎｉ系合金線は、線膨張係数１０×１０-6（１／Ｋ）以下のものとする。線膨張係数５×１０-6（１／Ｋ）以下のＩｎｖｅｒ合金、４２合金（Ｆｅ−４２ｍａｓｓ％Ｎｉ）及びスーパーインバー（Ｆｅ−３２ｍａｓｓ％Ｎｉ−５ｍａｓｓ％Ｃｏ）などが好ましい。
【００３６】
Ａｌ材は熱放散性の面から、不可避的不純物を含む純Ａｌもしくは熱伝導率２００Ｗ／ｍＫ以上のＡｌ合金が好ましい。例えば、電気用ＡｌやＪＩＳで規格されたＡｌ０７０やＡｌ０５０合金材が好適である。Ｆｅ−Ｎｉ系合金と不可避的不純物を含む純ＡｌまたはＡｌ合金の面積比率や各々の材質は、半導体素子へ印加する電流やその発熱条件など、用途によって変えるものとする。
【００３７】
Ｆｅ−Ｎｉ系合金と純ＡｌまたはＡｌ合金について、本発明では熱間押出工法によって接合する。その結果、ＡｌとＦｅ−Ｎｉ系合金線の金属的結合力が圧延工法に比較して非常に強固になる。熱間押出について、価格面からコンフォーム押出など連続押出が好ましい。尚、熱間押出の後、ダイス引抜またはロール圧延することが好ましい。ＡｌとＦｅ−Ｎｉ系合金線界面の金属的接合力がより高まると共に、部材全体の機械的強度が加工硬化により向上するためである。
【００３８】
図２は、本発明の他の実施の形態を示したもので、図２（ａ）は半導体回路部材６２の詳細断面図を示し、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＢ−Ｂ線断面図を示したものである。
【００３９】
本実施の形態においては、矩形断面の低熱膨張金属１１を複数本並べ、これに純Ａｌもしくは高熱伝導性のＡｌ合金からなる高熱伝導金属１０を挟み、これを熱間押出工法や熱間押出の後工程で圧延工程を加えて複合して熱放散部材である半導体回路部材１２を形成したものである。
【００４０】
図３は、本発明の更に他の実施の形態を示したもので、図３（ａ）は、低熱膨張金属１１を断面円形の線材を用いた形態を、また図３（ｂ）は低熱膨張金属１１を断面楕円形の線材を用いた形態を示す。
【００４１】
なお図示の他に低熱膨張金属１１を菱形に形成してもよい。
【００４２】
図４は、本発明の更に他の実施の形態を示したものである。
【００４３】
本実施の形態においては、低熱膨張金属１１に純ＡｌまたはＡｌ合金１０ａを被覆した複合線材１３を並列に並べ、この複合線材１３群の上に１段から複数段、異方向に重ね、その上下を不可避的不純物を含む純ＡｌまたはＡｌ合金１０，１０で挟み込んで、ホットプレスで圧着して半導体回路部材１２を形成したものである。
【００４４】
この結果、半導体回路部材１２の線膨張係数の異方性をより小さくすること可能である。
【００４５】
以上において、従来の図７，図８で説明したＩｎｖｅｒ合金などＦｅ−Ｎｉ系合金全体をＡｌで被った形の部材には、前述の通りＡｌとＦｅ−Ｎｉ系合金の接合方法に関する記述がない。そのため、ＡｌとＦｅ−Ｎｉ系合金の界面が十分金属接合されないことが懸念される。その結果、半導体素子が発熱した際、ＡｌとＦｅ−Ｎｉ系合金に発生する熱応力に耐えきれず剥離し、所望の熱膨張特性が得られないことが想定される。
【００４６】
本発明は、上述したように単数もしくは並列した複数本のＩｎｖｅｒ合金線などのＦｅ−Ｎｉ系合金線について、不可避的不純物を含む純ＡｌまたはＡｌ合金と熱間押出工法により複合するようにしたものである。熱間押出の後工程で圧延工程を加えることにより、ＡｌとＦｅ−Ｎｉ系合金線の金属的接合力がより高めることが可能となる。
【００４７】
また本発明は、Ｉｎｖｅｒ合金線などのＦｅ−Ｎｉ系合金線を心材とし、熱間押出工法によって不可避的不純物を含む純ＡｌまたはＡｌ合金との複合線材を造る。複合線材は熱間押出の後、引抜または圧延工程を施すことが好ましい。その後工程で、得られた複合線材単数もしくは並列した複数本と、再度熱間押出工法により不可避的不純物を含む純ＡｌまたはＡｌ合金と複合してもよい。
【００４８】
さらに本発明は、Ｉｎｖｅｒ合金線などのＦｅ−Ｎｉ系合金線を心材とし、熱間押出工法によって不可避的不純物を含む純ＡｌまたはＡｌ合金との複合線材を造る。その後工程で、得られた複合線材単数もしくは並列した複数本と不可避的不純物を含む純ＡｌまたはＡｌ合金板で圧延工程により複合してもよい。
【００４９】
このように本発明は、押出工法を用いたアルミ被覆インバー線を用いたことに特徴がある。
【００５０】
裸のインバー線を並列に並べてその両面をアルミ板によって直接圧延する場合には、Ａｌ板の表面に酸化被膜が強固に形成されているため、Ａｌ板とＩｎｖｅｒ線の界面において十分な金属的接合が得られないと考えたためである。
【００５１】
そこで、押出で接合させる、もしくは押出により得られたＡｌ被覆Ｉｎｖｅｒ線を圧延し接合させることを考えた。Ａｌ板とアルミ被覆インバー線の外層のＡｌが同種金属であるため、両者を圧延した場合には金属的接合が得られることが明らかになった。
【実施例】
【００５２】
本発明の効果を確認するため、上記した本発明の製造方法によって放熱部材（半導体回路部材）を製作し評価を行った。
【００５３】
評価試験は大電流の繰り返し印加を考慮し、冷熱サイクル（−５５℃、１０分⇔１６０℃、１０分、３０００サイクル）を実施した。
【００５４】
作製した供試放熱用部材は、矩形のＩｎｖｅｒ合金線をＪＩＳ規格で規定されたＡｌ０５０（純Ａｌ系合金）で被覆としたものとした。評価する構造は幅５０ｍｍ×長さ１００ｍｍ×厚み５ｍｍとした。
【００５５】
Ｉｎｖｅｒ合金とＡｌ材は、両者の面積比が５種（１：３、１：２、１：１、２：１）となるよう複合した。評価に用いる部材の員数は各５個とした。
【００５６】
冷熱サイクル試験後の供試材について、Ａｌ材とＩｎｖｅｒ合金線界面の剥離の有無を確認する為、断面について１００００倍のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）観察を行った。その結果、本発明は全てについて剥離が認められず健全であることを確認した。
【００５７】
本発明により、Ｉｎｖｅｒ合金などＦｅ−Ｎｉ系合金全体をＡｌで被った形の部材の熱放散用部材に関する特許文献６の提案において懸念される低線膨張のＦｅ−Ｎｉ系合金とＡｌの界面剥離の問題が解消される。また、本発明は従来の焼結金属やセラミックスより比べて低価格で量産でき、かつ機械的強度（じん性）も高く信頼性も高い。従って、本発明は最適と考える。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の一実施の形態を示す図である。
【図２】本発明の他の実施の形態を示す図である。
【図３】本発明の更に他の実施の形態を示す図である。
【図４】本発明の更に他の実施の形態を示す図である。
【図５】従来の半導体回路基板の構造例である。
【図６】従来の半導体回路基板の構造例である。
【図７】同じく従来の半導体回路基板の構造例である。
【図８】同じく従来の半導体回路基板の構造例である。
【符号の説明】
【００５９】
１０  高熱伝導金属（純ＡｌもしくはＡｌ合金）
１１  低熱膨張金属（Ｆｅ−Ｎｉ系合金）
１２  熱放散部材（半導体回路部材）
１３  複合線材
【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】
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【図７】
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【図８】
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