(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｗ、Ｍｏ、またはダイヤモンドと、Ｃｕとの複合材料からなり、他部材との接続のための接続面を有する基体を備え、前記基体の少なくとも前記接続面にＮｉめっき層が形成されたヒートスプレッダであって、前記Ｎｉめっき層が、前記接続面にＮｉめっきを施して、厚み０．２μｍ以上、１．２μｍ以下の第１めっき層を形成し、式(I)：
６２０℃≦Ｔ１≦８５０℃      (I)
を満足する温度Ｔ１（℃）で熱処理して前記基体中から前記第１めっき層中にＣｕを拡散させたのち、前記第１めっき層の表面にＮｉめっきを施して、厚み０．６μｍ以上、２．５μｍ以下の第２めっき層を形成し、式(II)：
３００℃≦Ｔ２≦５８０℃      (II)
を満足する温度Ｔ２（℃）で熱処理して前記第２めっき層と前記第１めっき層とを一体化させて形成され、
前記Ｎｉめっき層は、前記基体との界面から厚み方向に０．２μｍ以上、１．９μｍ以下の範囲にＣｕの含有量ＲＨ（質量％）が式(III)：
２．５質量％≦ＲＨ      (III)
を満足する高Ｃｕ領域を有すると共に、前記Ｎｉめっき層の最表面がＣｕを含まないか、または前記最表面におけるＣｕの含有量ＲＳ（質量％）が式(IV)：
０質量％＜ＲＳ≦０．３質量％      (IV)
を満足し、かつ前記Ｎｉめっき層の、前記基体に対する密着強度ＳＡ（Ｎ／ｍｍ２）が９０Ｎ／ｍｍ２以上であることを特徴とするヒートスプレッダ。
【請求項２】
前記基体がＣｕ−Ｗ複合材料からなり、前記Ｃｕ−Ｗ複合材料におけるＷの含有量が７５質量％以上、９５質量％以下である請求項１に記載のヒートスプレッダ。
【請求項３】
半導体素子と、前記半導体素子の動作時に発生する熱を除去するための、請求項１または２に記載のヒートスプレッダとを備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
前記ヒートスプレッダが複数の接続面を備え、前記複数の接続面のうち少なくとも１つの接続面に前記半導体素子、他の接続面に熱除去部材が、それぞれＡｇフィラーを配合した樹脂接着剤を介して接続されている請求項３に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記接続面に対する前記半導体素子、および前記熱除去部材の接着強度ＳＢ（Ｎ／ｍｍ２）が、それぞれ１５．７Ｎ／ｍｍ２以上である請求項４に記載の半導体装置。
【請求項６】
請求項１または２に記載のヒートスプレッダを製造するための製造方法であって、Ｗ、Ｍｏ、またはダイヤモンドと、Ｃｕとの複合材料からなる前記基体の少なくとも前記接続面にＮｉめっきを施して厚みが０．２μｍ以上、１．２μｍ以下の第１めっき層を形成し、式(I)：
６２０℃≦Ｔ１≦８５０℃      (I)
を満足する温度Ｔ１（℃）で熱処理して前記基体中から前記第１めっき層中にＣｕを拡散させる工程と、前記第１めっき層の表面にＮｉめっきを施して厚みが０．６μｍ以上、２．５μｍ以下の第２めっき層を形成し、式(II)：
３００℃≦Ｔ２≦５８０℃      (II)
を満足する温度Ｔ２（℃）で熱処理して前記第２めっき層と前記第１めっき層とを一体化させて前記Ｎｉめっき層を形成する工程とを含むことを特徴とするヒートスプレッダの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子からの熱除去用として好適に使用されるヒートスプレッダと、前記ヒートスプレッダの製造方法と、前記ヒートスプレッダを用いた半導体装置とに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子の動作時に発生する熱を、前記素子外に直接に、あるいはヒートシンク、ステム、パッケージ等を介して間接的に除去するために、サブマウントやリッド、ベース基板等と呼ばれる半導体素子搭載部材としてヒートスプレッダが用いられる。ヒートスプレッダにフィン等を一体に形成したヒートシンク等も使用される。
従来のヒートスプレッダは、Ｓｉ（ケイ素）やセラミック等によって形成されるのが一般的であった。しかし近時、Ｗ（タングステン）からなる多孔質体の細孔内にＣｕ（銅）を溶浸させて形成されたＣｕ−Ｗ複合材料や、Ｍｏ（モリブデン）からなる多孔質体の細孔内にＣｕを溶浸させて形成されたＣｕ−Ｍｏ複合材料等からなるヒートスプレッダが提案されている（特許文献１参照）。
【０００３】
ヒートスプレッダは、例えば半導体素子、ヒートシンク、ステム、パッケージ等（以下、これらを「他部材」と総称する場合がある。また、半導体素子を除く他の部材を「熱除去部材」と総称する場合がある。）が接続される複数の接続面を備えた任意の立体形状に形成される。そして、前記複数の接続面のうち少なくとも１つの接続面に半導体素子、他の接続面にヒートシンク、ステム、パッケージ等の熱除去部材を接続して半導体装置が構成される。
【０００４】
前記半導体装置には、例えば温度＋８５℃、相対湿度８５％の高温高湿環境下で１０００時間、静置する高温高湿試験や、あるいは温度＋１５０℃で３０分間静置する工程と、温度−６５℃で３０分間静置する工程とを１サイクルとして、前記サイクルを１０００サイクルに亘って繰り返すヒートサイクル試験等に合格しうる高い信頼性を有していることが求められる。
【０００５】
しかし、先に説明した複合材料からなるヒートスプレッダは、その表面に露出したＣｕが、前記高温高湿環境下等の様々な環境下で酸化したり腐食したりしやすいため、半導体装置に、前記の試験をクリアする高い信頼性を付与することは困難である。そこで特許文献１では、前記複合材料によって所定の立体形状に形成した、ヒートスプレッダのもとになる基体の少なくとも接続面にＮｉ（ニッケル）めっきを施して、厚み約１μｍ程度のＮｉめっき層を形成した後、水素ガス等の還元性雰囲気中で８００℃程度に加熱してヒートスプレッダを製造することが提案されている。
【０００６】
Ｎｉめっき層を加熱するのは、ＣｕとＮｉが全率固溶することを利用して、基体中のＣｕをＮｉめっき層中に拡散させるためである。これによりＮｉめっき層が基体と強固に一体化されて、前記Ｎｉめっき層が、半導体装置の使用時の熱履歴（半導体素子の動作時の発熱等）によって脹れを生じたり基体から剥離したりするのを抑制できる。
しかし高温で熱処理した場合には、基体中のＣｕがＮｉめっき層の最表面まで拡散して、前記最表面に露出した状態で蓄積される傾向がある。そして露出したＣｕは酸化したり腐食したりしやすいため、その露出量が多いほど、Ｎｉめっき層の、前記高温高湿環境等に対する耐性が低下して、半導体装置に高い信頼性を付与できないおそれがある。
【０００７】
特に、近年に至って増加する傾向にある、ヒートスプレッダの接続面に、他部材を、樹脂接着剤を用いて接着して組み立てられる半導体装置において、Ｎｉめっき層の最表面に露出したＣｕが酸化したり腐食したりすると、前記他部材の、ヒートスプレッダに対する接続の強度が低下したり、他部材がヒートスプレッダから剥離したりするという重大な欠陥を生じるおそれがある。
【０００８】
かかる問題を解消するため、熱処理の温度を下げたり、Ｎｉめっき層の上にさらにＡｕめっき層を積層したりすることも検討されている。しかし前者の場合には、当然ながら、基体からＮｉめっき層中に拡散するＣｕの全体量が少なくなって、前記Ｎｉめっき層の、基体に対する密着性が低下するため、他部材の、ヒートスプレッダに対する接続の強度が却って低下したり、前記他部材がＮｉめっき層ごとヒートスプレッダから剥離したりするおそれがある。また後者の場合には、ヒートスプレッダの製造コストが著しく増加するという問題がある。
【０００９】
そこで、基体の少なくとも接続面に、Ｎｉめっき層に代えて、その最表面がＡｌ（アルミニウム）の自然酸化による酸化膜で被覆されたＡｌ被覆層を形成したり（特許文献２参照）、ダイヤモンドライクカーボン膜を形成したり（特許文献３参照）することが提案されている。しかし前者のＡｌ被覆層は、特に塩素を含む雰囲気中で劣化して、基体に対する密着性が低下しやすいという問題がある。先に説明した樹脂接着剤には、その熱伝導性を高めるためにＡｇ（銀）フィラーが配合されることがあるが、前記Ａｇフィラーが配合される樹脂接着剤には、そのもとになる樹脂とＡｇフィラーとの親和性を高めるために塩素が配合されるのが一般的である。
【００１０】
そのためヒートスプレッダの接続面に、他部材を、樹脂接着剤を用いて接続して組み立てられる半導体装置に、前者のＡｌ被覆層を有するヒートスプレッダを用いた場合には、前記Ａｌ被覆層が樹脂接着剤中の塩素によって劣化しやすいため、他部材の、ヒートスプレッダに対する接続の強度が却って低下したり、前記他部材がＡｌ被覆層ごとヒートスプレッダから剥離したりしやすくなるおそれがある。また後者の場合には、ヒートスプレッダの製造コストが著しく増加するという問題がある。
【特許文献１】特開平０６−０１３４９４号公報
【特許文献２】特開平１０−２８４６４３号公報
【特許文献３】特開２００４−１０４０７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、他部材の接続の強度が低下したり、前記他部材が剥離したりしにくいため、半導体装置に高い信頼性を付与できるヒートスプレッダと、前記ヒートスプレッダを用いた半導体装置とを提供することにある。本発明の他の目的は、前記本発明のヒートスプレッダを効率的に、しかも再現性よく製造するため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】
【００１２】
前記課題を解決するため、発明者は、先に説明したＣｕ−Ｗ複合材料等のＣｕを含む複合材料からなる基体と、前記基体の少なくとも接続面に形成されたＮｉめっき層とを備えたヒートスプレッダにおいて、前記基体から拡散されてＮｉめっき層中に含まれるＣｕの含有量に、前記Ｎｉめっき層の厚み方向において濃度差をつけることを検討した。
その結果、接続面にＮｉめっきを施して、厚み０．２μｍ以上、１．２μｍ以下の第１めっき層を形成し、式(I)：
６２０℃≦Ｔ１≦８５０℃      (I)
を満足する温度Ｔ１（℃）で熱処理して前記基体中から前記第１めっき層中にＣｕを拡散させたのち、前記第１めっき層の表面にＮｉめっきを施して、厚み０．６μｍ以上、２．５μｍ以下の第２めっき層を形成し、式(II)：
３００℃≦Ｔ２≦５８０℃      (II)
を満足する温度Ｔ２（℃）で熱処理して前記第２めっき層と前記第１めっき層とを一体化させてＮｉめっき層を形成することで、
Ｎｉめっき層の基体との界面側の、前記界面から厚み方向に０．２μｍ以上、１．９μｍ以下の範囲でのＣｕの含有量ＲＨ（質量％）を式(III)：
２．５質量％≦ＲＨ      (III)
を満足する高濃度とし、かつ
前記Ｎｉめっき層の最表面にＣｕを含有させないか、または前記最表面におけるＣｕの含有量ＲＳ（質量％）を式(IV)：
０質量％＜ＲＳ≦０．３質量％      (IV)
を満足する低濃度として、Ｎｉめっき層の最表面にＣｕを露出させないか、あるいは露出されるＣｕの量を少なくすると、
Ｎｉめっき層の、基体に対する良好な密着性を確保しながら、前記Ｎｉめっき層の、高温高湿環境等に対する耐性を向上して、前記Ｃｕが酸化したり腐食したりすることによる、他部材の、ヒートスプレッダに対する接続の強度が低下したり、前記他部材がヒートスプレッダから剥離したりする不具合が発生するのを、これまでよりも抑制できることを見出した。
【００１３】
また、前記Ｎｉめっき層を形成するＮｉや、Ｎｉめっき層に含まれるＣｕは、Ａｌのように樹脂接着剤中の塩素によっては劣化しにくいため、前記劣化によって、他部材の、ヒートスプレッダに対する接続の強度が低下したり、前記他部材がＮｉめっき層ごとヒートスプレッダから剥離したりするおそれがないこと、Ａｕめっきを施したりダイヤモンドライクカーボン膜を形成したりする場合のように、ヒートスプレッダの製造コストを増加させるおそれがないことも判明した。
【００１４】
したがって本発明は、Ｗ、Ｍｏ、またはダイヤモンドと、Ｃｕとの複合材料からなり、他部材との接続のための接続面を有する基体を備え、前記基体の少なくとも前記接続面にＮｉめっき層が形成されたヒートスプレッダであって、前記Ｎｉめっき層が、前記接続面にＮｉめっきを施して、厚み０．２μｍ以上、１．２μｍ以下の第１めっき層を形成し、式(I)：
６２０℃≦Ｔ１≦８５０℃      (I)
を満足する温度Ｔ１（℃）で熱処理して前記基体中から前記第１めっき層中にＣｕを拡散させたのち、前記第１めっき層の表面にＮｉめっきを施して、厚み０．６μｍ以上、２．５μｍ以下の第２めっき層を形成し、式(II)：
３００℃≦Ｔ２≦５８０℃      (II)
を満足する温度Ｔ２（℃）で熱処理して前記第２めっき層と前記第１めっき層とを一体化させて形成され、
前記Ｎｉめっき層は、前記基体との界面から厚み方向に０．２μｍ以上、１．９μｍ以下の範囲にＣｕの含有量ＲＨ（質量％）が式(III)：
２．５質量％≦ＲＨ      (III)
を満足する高Ｃｕ領域を有すると共に、前記Ｎｉめっき層の最表面がＣｕを含まないか、または前記最表面におけるＣｕの含有量ＲＳ（質量％）が式(IV)：
０質量％＜ＲＳ≦０．３質量％      (IV)
を満足し、かつ前記Ｎｉめっき層の、前記基体に対する密着強度ＳＡ（Ｎ／ｍｍ２）が９０Ｎ／ｍｍ２以上であることを特徴とする。
【００１６】
基体は、特にＣｕ−Ｗ複合材料からなり、前記Ｃｕ−Ｗ複合材料におけるＷの含有量が７５質量％以上、９５質量％以下であるのが好ましい。前記Ｃｕ−Ｗ複合材料からなる基体は、接続面に接続される他部材、すなわち種々の半導体材料からなる半導体素子や、Ｓｉ、セラミック等からなるヒートシンク、ステム、パッケージ等との熱膨張係数の整合性に優れると共に高い熱伝導率を有する上、コスト安価に製造できる。
【００１７】
本発明の半導体装置は、半導体素子と、前記半導体素子の動作時に発生する熱を除去するための、前記本発明のヒートスプレッダとを備えることを特徴とする。前記本発明によれば、前記ヒートスプレッダの機能によって、例えば高温高湿環境下等の様々な環境下で他部材の接続の強度が低下したり、前記他部材が剥離したりするのを防止して、半導体装置に高い信頼性を付与できる。
【００１８】
半導体装置の具体的な構成としては、ヒートスプレッダが複数の接続面を備え、前記複数の接続面のうち少なくとも１つの接続面に前記半導体素子、他の接続面に熱除去部材が、それぞれＡｇフィラーを配合した樹脂接着剤を介して接続されている半導体装置が挙げられる。また前記半導体装置においては、半導体素子や熱除去部材の、ヒートスプレッダの接続面に対する接続の強度を示す接着強度が、それぞれ１５．７Ｎ／ｍｍ２以上であるのが好ましい。
【００１９】
また本発明は、前記本発明のヒートスプレッダを製造するための製造方法であって、Ｗ、Ｍｏ、またはダイヤモンドと、Ｃｕとの複合材料からなる前記基体の少なくとも前記接続面にＮｉめっきを施して厚みが０．２μｍ以上、１．２μｍ以下の第１めっき層を形成し、式(I)：
６２０℃≦Ｔ１≦８５０℃      (I)
を満足する温度Ｔ１（℃）で熱処理して前記基体中から前記第１めっき層中にＣｕを拡散させる工程と、前記第１めっき層の表面にＮｉめっきを施して厚みが０．６μｍ以上、２．５μｍ以下の第２めっき層を形成し、式(II)：
３００℃≦Ｔ２≦５８０℃      (II)
を満足する温度Ｔ２（℃）で熱処理して前記第２めっき層と前記第１めっき層とを一体化させて前記Ｎｉめっき層を形成する工程とを含むことを特徴とする。
【００２０】
前記本発明の製造方法によれば、本発明のヒートスプレッダを、Ｎｉめっきと熱処理とを繰り返すだけで、再現性よく、かつ効率的に製造できる。すなわち、前記工程を経てＮｉめっき層を形成する場合には、高Ｃｕ領域の厚みとＣｕの含有量とを第１めっき層の厚みおよびＣｕの含有量とほぼ一致できると共に、低Ｃｕ領域の厚みとＣｕの含有量とを第２めっき層の厚みおよびＣｕの含有量とほぼ一致できる。
【００２１】
また、第１および第２めっき層におけるＣｕの含有量は、それぞれのめっき層に対する熱処理の条件、特に温度を変更することで任意に調整できる。そのため、それぞれのめっき層の厚みと熱処理の条件とを変更することで、高Ｃｕ領域の厚みとＣｕの含有量、Ｎｉめっき層の最表面におけるＣｕの含有量、ならびに前記最表面を含む低Ｃｕ領域の厚みとＣｕの含有量を任意に調整でき、本発明のヒートスプレッダを、再現性よく、かつ効率的に製造できる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、他部材の接続の強度が低下したり、前記他部材が剥離したりしにくいため、半導体装置に高い信頼性を付与できるヒートスプレッダと、前記ヒートスプレッダを用いた半導体装置とを提供することができる。また本発明によれば、前記本発明のヒートスプレッダを効率的に、しかも再現性よく製造するための製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
図１は、本発明のヒートスプレッダの、実施の形態の一例の要部であるＮｉめっき層の一部を拡大した断面図である。
本発明は、Ｗ、Ｍｏ、またはダイヤモンドと、Ｃｕとの複合材料からなり、他部材との接続のための接続面を有する基体を備え、前記基体の少なくとも前記接続面にＮｉめっき層が形成されたヒートスプレッダであって、前記Ｎｉめっき層が、前記接続面にＮｉめっきを施して、厚み０．２μｍ以上、１．２μｍ以下の第１めっき層を形成し、式(I)：
６２０℃≦Ｔ１≦８５０℃      (I)
を満足する温度Ｔ１（℃）で熱処理して前記基体中から前記第１めっき層中にＣｕを拡散させたのち、前記第１めっき層の表面にＮｉめっきを施して、厚み０．６μｍ以上、２．５μｍ以下の第２めっき層を形成し、式(II)：
３００℃≦Ｔ２≦５８０℃      (II)
を満足する温度Ｔ２（℃）で熱処理して前記第２めっき層と前記第１めっき層とを一体化させて形成され、
前記Ｎｉめっき層は、前記基体との界面から厚み方向に０．２μｍ以上、１．９μｍ以下の範囲にＣｕの含有量ＲＨ（質量％）が式(III)：
２．５質量％≦ＲＨ      (III)
を満足する高Ｃｕ領域を有すると共に、前記Ｎｉめっき層の最表面がＣｕを含まないか、または前記最表面におけるＣｕの含有量ＲＳ（質量％）が式(IV)：
０質量％＜ＲＳ≦０．３質量％      (IV)
を満足し、かつ前記Ｎｉめっき層の、前記基体に対する密着強度ＳＡ（Ｎ／ｍｍ２）が９０Ｎ／ｍｍ２以上であることを特徴とする。
【００２４】
基体１を形成する複合材料としては、
(a)  先に説明したように、ＷやＭｏからなる多孔質体の細孔内にＣｕを溶浸させて形成されたＣｕ−Ｗ複合材料やＣｕ−Ｍｏ複合材料が挙げられる他、
(b)  多数の微小なダイヤモンド粒子を結合材としてのＣｕで結合した複合構造を有するＣｕ−ダイヤモンド複合材料、
等も挙げられる。
【００２５】
基体１は、半導体素子の動作時の発熱をできるだけスムースに除去することを考慮すると、熱伝導率が１７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、６５０Ｗ／ｍ・Ｋ以下、特に２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上、６５０Ｗ／ｍ・Ｋ以下であるのが好ましい。
【００２６】
熱伝導率が前記範囲未満では、半導体素子の動作時の発熱を効率的に逃がせないため、前記半導体素子の動作効率が低下したり、寿命が短くなったり、或いは寿命前に半導体素子が破損したりするおそれがある。一方、熱伝導率が前記範囲を超えるものは、Ｃｕを含む材料としては作製することが困難である。
【００２７】
また基体１は、種々の半導体材料からなる半導体素子や、Ｓｉ、セラミック等からなるヒートシンク、ステム、パッケージ等との熱膨張係数の整合性を向上することを考慮すると、その熱膨張係数が２．０×１０-6／Ｋ以上、１０×１０-6／Ｋ以下であるのが好ましい。熱膨張係数が前記範囲未満であるか、あるいは前記範囲を超える場合には、このいずれにおいても熱膨張係数の整合性が低下する。そのため、ヒートスプレッダ４の接続面２に前記他部材を接続する際や半導体装置の使用時の熱履歴等によって半導体素子に過剰な応力が生じて、前記半導体素子の特性が劣化したり、半導体素子が破損したりするおそれがある。
【００２８】
また、半導体素子等の他部材の、ヒートスプレッダ４に対する接続の強度が低下したり、前記他部材がヒートスプレッダ４から剥離したりするおそれもある。なお、例えば半導体素子としてＳｉ系、ＧａＡｓ（ガリウム−砒素）系、ＧａＮ（窒化ガリウム）系等の半導体材料からなるものを用いる場合、前記半導体素子に対する熱膨張係数の整合性をさらに向上することを考慮すると、基体１の熱膨張係数は、前記範囲内でも４．０×１０-6／Ｋ以上、８．０×１０-6／Ｋ以下であるのがさらに好ましい。
【００２９】
また近時、ヒートスプレッダ４それ自体を半導体素子への電気的接続のための電極としても機能させることが試みられており、そのためには基体１の比抵抗が１．６×１０-8Ωｍ以上、１．０×１０-3Ωｍ以下であるのが好ましい。比抵抗が前記範囲を超える場合には、それ自体を素子の電極として機能させる効果が十分に得られないだけでなく、電極として機能させた際に基体１自体が発熱するおそれもある。また、比抵抗が前記範囲未満である材料（複合材料を含む）は特別なものに限られており、高価で、しかも製造が容易でない。そのため基体１の、ひいてはヒートスプレッダ４や半導体装置の生産性を低下させ、製造コストを高騰させる要因となる。
【００３０】
前記各特性を、いずれも好適な範囲内に調整するためには、基体１の複合構造や組成を調整すればよい。かかる調整によって、各特性がいずれも前記範囲を満足する基体１を形成できる。熱伝導率と熱膨張係数の観点から好適な基体１の材料としては、(a)のＣｕ−Ｗ複合材料やＣｕ−Ｍｏ複合材料、(b)のＣｕ−ダイヤモンド複合材料が挙げられ、特に製造コストの観点からは(a)のうちＣｕ−Ｗ複合材料が好ましい。なお、(b)のＣｕ−ダイヤモンド複合材料におけるダイヤモンドの割合は４０質量％以上、６０質量％以下であるのが好ましい。
【００３１】
また(a)のＣｕ−Ｗ複合材料におけるＷの割合は７５質量％以上、９５質量％以下、特に８０質量％以上、９０質量％以下であるのが好ましい。Ｗの割合が前記範囲未満では、Ｃｕ−Ｗ複合材料からなる基体１の熱膨張係数が前記範囲を超えるため、接続面２に接続される他部材、すなわち、種々の半導体材料からなる半導体素子や、Ｓｉ、セラミック等からなるヒートシンク、ステム、パッケージ等との、熱膨張係数の整合性が取れなくなるおそれがある。
【００３２】
またＷの割合が前記範囲を超える場合には、Ｃｕ−Ｗ複合材料からなる基体１の熱伝導率が先に説明した範囲未満となって、半導体素子の動作時の発熱を効率的に逃がすことができないため、半導体素子の動作効率が低下したり、寿命が短くなったり、寿命前に半導体素子が破損したりするおそれがある。前記Ｃｕ−Ｗ複合材料からなる基体１は、先に説明した特許文献１に記載の製造方法によって製造できる。
【００３３】
すなわちＷの粉末を、必要に応じて、結合材として機能する少量のＮｉを添加したＷ合金の粉末や樹脂バインダ等と混合して所定の立体形状にプレス成形した後、還元性雰囲気中で焼結させてＷからなる多孔質体を作製し、前記多孔質体の細孔内に、還元性雰囲気中で、加熱して溶融させたＣｕを溶浸させてＣｕ−Ｗ複合材料からなる基体１の前駆体を得る。そして前記前駆体を、必要に応じてワイヤ放電加工等によって所定の基体１の立体形状に切り出すと共に、その接続面２を所定の表面粗さとなるように仕上げ加工して基体１が製造される。
【００３４】
接続面２の表面粗さは、日本工業規格ＪＩＳ  Ｂ０６０１：２００１「製品の幾何特性仕様（ＧＰＳ）−表面性状：輪郭曲線方式−用語，定義及び表面性状パラメータ」において規定された粗さ曲線の算術平均粗さＲａで表して１．６μｍ以下であるのが好ましい。算術平均粗さＲａが前記範囲を超える場合には、接続面２に接続される他部材との間で良好な熱伝導が得られないおそれがある。
【００３５】
基体１の形状等は、接続面２に接続する半導体素子の形状や寸法、あるいは前記接続面２に半導体素子やヒートシンク、ステム、パッケージ等の他部材を接続して構成される半導体装置の全体の形状等に合わせて任意に設定できるが、例えば平板状の基体１の場合はその厚みが０．１５ｍｍ以上、１０ｍｍ以下、特に１ｍｍ以上、３ｍｍ以下であるのが好ましい。厚みが前記範囲を超える場合には半導体装置の薄型化、小型化が難しい上、材料費が嵩んで、ヒートスプレッダ４の、ひいては半導体装置の製造コストを増加させる原因にもなる。
【００３６】
一方、厚みが前記範囲未満では、基体１が反りを生じやすくなって、接続面２に、半導体素子等の他部材を良好に密着できないおそれがある。また、ヒートスプレッダ４の熱容量が不足して熱を十分に除去できないおそれもある。平板状の基体１の反り量は、例えば平面形状が矩形状の基体１の場合、その対角線方向の長さ１ｍｍあたり１μｍ以下、特に０．５μｍ以下であるのが好ましい。反り量が前記範囲を超える場合には、前記のように接続面２に、半導体素子等の他部材を良好に密着できないおそれがある。
【００３７】
そのため、半導体素子の動作時の発熱を効率的に逃がせなくなって、半導体素子の動作効率が低下したり、寿命が短くなったり、寿命前に半導体素子が破損したりするおそれがある。なお反り量の最小値は、対角線方向の長さ１ｍｍあたり０μｍであって反りがないのが最も好ましい。基体１は前記平板状の他、例えば特許文献３に記載された、平板の片面に半導体素子を収容する凹部を有する凹形状等の任意の立体形状に形成できる。
【００３８】
前記基体１の、少なくとも接続面２に形成されるＮｉめっき層３は、先に説明したように、基体１との界面から厚み方向に０．２μｍ以上、１．９μｍ以下の範囲にＣｕの含有量ＲＨ（質量％）が式(III)：
２．５質量％≦ＲＨ      (III)
を満足する高Ｃｕ領域５を有すると共に、その最表面６がＣｕを含まないか、または前記最表面６におけるＣｕの含有量ＲＳ（質量％）が式(IV)：
０質量％＜ＲＳ≦０．３質量％      (IV)
を満足し、かつ前記Ｎｉめっき層３の、基体１に対する密着強度ＳＡ（Ｎ／ｍｍ２）が９０Ｎ／ｍｍ２以上である必要がある。これにより、Ｎｉめっき層３の、基体１に対する良好な密着性を確保しながら、前記Ｎｉめっき層３の最表面に露出されるＣｕの量を少なくして、Ｎｉめっき層３の、高温高湿環境等に対する耐性を向上できる。そのため、前記Ｃｕが酸化したり腐食したりすることによる、他部材の、ヒートスプレッダ４に対する接続の強度が低下したり、前記他部材がヒートスプレッダ４から剥離したりする不具合が発生するのを抑制できる。
【００３９】
高Ｃｕ領域５の厚みが１．９μｍ以下に限定されるのは、厚みが１．９μｍを超える場合には、Ｎｉめっき層３の全体の厚みにもよるが、前記高Ｃｕ領域５からのＣｕの拡散を抑制して、その最表面６を、Ｃｕを含まないか、またはその含有量ＲＳが式(IV)を満足する状態にできないためである。つまり高Ｃｕ領域５の厚みが１．９μｍを超えると、Ｎｉめっき層３の、高温高湿環境等に対する耐性を向上する効果が得られない。
【００４０】
また高Ｃｕ領域５の厚みは、前記範囲内でも０．２μｍ以上である必要がある。高Ｃｕ領域の厚みを前記範囲内とすることによって、前記高Ｃｕ領域５を設けたことによる、Ｎｉめっき層３の、基体１に対する良好な密着性を維持する効果をさらに向上できる。
また高Ｃｕ領域５におけるＣｕの含有量ＲＨが式(III)を満足する範囲に限定されるのは、含有量ＲＨが２．５質量％未満では、基体１から高Ｃｕ領域５へのＣｕの拡散が十分でないことになり、Ｎｉめっき層３の、基体１に対する良好な密着性を確保する効果、つまりＮｉめっき層３の、基体１に対する密着強度ＳＡ（Ｎ／ｍｍ２）を９０Ｎ／ｍｍ２以上とする効果が得られないためである。
【００４１】
含有量ＲＨは、２０質量％以下であるのが好ましい。含有量ＲＨが２０質量％を超える場合には、Ｎｉめっき層３の全体の厚みにもよるが、前記高Ｃｕ領域５からのＣｕの拡散を抑制して、Ｎｉめっき層３の最表面６を、Ｃｕを含まないか、またはその含有量ＲＳが式(IV)を満足する状態にできないおそれがある。つまり高Ｃｕ領域５におけるＣｕの含有量ＲＨが２０質量％を超える場合にも、Ｎｉめっき層３の、高温高湿環境等に対する耐性を向上する効果が得られないおそれがある。なお含有量ＲＨは、前記範囲内でも７質量％以下であるのがさらに好ましい。
【００４２】
Ｎｉめっき層３の最表面６におけるＣｕの含有量ＲＳが式(IV)を満足する範囲に限定されるのは、含有量ＲＳが０．３質量％を超える場合には、Ｎｉめっき層３の、高温高湿環境等に対する耐性を向上する効果が得られないためである。なお、Ｎｉめっき層３の耐性を向上する効果を考慮すると、前記最表面６はＣｕを含有していない、言い換えれば含有量ＲＳが０質量％であるのが最も好ましく、本発明は、含有量ＲＳが０．３質量％以下で、０質量％までの範囲を包含している。
【００４３】
ただしＮｉめっき層３の、基体１に対する良好な密着性を確保する効果との兼ね合いを考慮すると、Ｎｉめっき層３の最表面６は、前記式(IV)の範囲でＣｕを含有していても差し支えない。
Ｎｉめっき層３の、基体１に対する密着強度ＳＡ（Ｎ／ｍｍ２）が９０Ｎ／ｍｍ２以上に限定されるのは、密着強度ＳＡが９０Ｎ／ｍｍ２未満では、前記Ｎｉめっき層３の、基体１に対する良好な密着性を確保できないためである。つまり密着強度ＳＡが９０Ｎ／ｍｍ２未満では、ヒートスプレッダ４の接続面２に他部材を接続する際や、半導体装置の使用時の熱履歴等によってＮｉめっき層３が脹れを生じたり基体１から剥離したりしやすくなる。
【００４４】
前記密着強度ＳＡは高いほど好ましく、その上限は特に限定されないが、実用的な密着強度を有するＮｉめっき層３を備えたヒートスプレッダ４を、生産性良く製造すること等を考慮すると、密着強度ＳＡ（Ｎ／ｍｍ２）は９００Ｎ／ｍｍ２以下であるのが好ましい。
Ｎｉめっき層３は、これも先に説明したように、その最表面６から厚み方向に０．３μｍ以上の範囲にＣｕを含まないか、またはその含有量ＲＬ（質量％）が式(V)：
０質量％＜ＲＬ＜０．５質量％      (V)
を満足する低Ｃｕ領域７を有しているのが好ましい。Ｎｉめっき層３の最表面６側に低Ｃｕ領域７を設けることによって、前記最表面６に蓄積されるＣｕの量をさらに少なくして、前記Ｃｕの酸化や腐食による、他部材の、ヒートスプレッダ４に対する接続の強度が低下したり、前記他部材がヒートスプレッダ４から剥離したりする不具合の発生をより一層有効に防止できる。
【００４５】
低Ｃｕ領域７の厚みが０．３μｍ以上であるのが好ましいのは、厚みが０．３μｍ未満では、高Ｃｕ領域５の厚みやＣｕの含有量ＲH等にもよるが、かかる低Ｃｕ領域７を設けることによる前記効果が十分に得られないおそれがあるためである。低Ｃｕ領域７の厚みの上限は、特に限定されないが４．５μｍであるのが好ましい。厚みが４．５μｍを超えても、それ以上の効果は得られない。のみならず、Ｎｉめっき層３の全体の厚みが大きくなり、残留応力が高くなって、前記Ｎｉめっき層３が、ヒートスプレッダ４の接続面２に他部材を接続する際や、半導体装置の使用時の熱履歴等によって脹れを生じたり基体１から剥離したりしやすくなるおそれがある。
【００４６】
低Ｃｕ領域７におけるＣｕの含有量ＲＬが式(V)を満足する範囲であるのが好ましいのは、含有量ＲＬが０．５質量％以上では、高Ｃｕ領域５の厚みやＣｕの含有量ＲＨ等にもよるが、かかる低Ｃｕ領域７を設けることによる前記効果が十分に得られないおそれがあるためである。なお、Ｎｉめっき層３の耐性を向上する効果を考慮すると、前記低Ｃｕ領域７はＣｕを含有していない、言い換えれば含有量ＲＬが０質量％であるのが最も好ましく、本発明は、含有量ＲＬが０．５質量％未満で、０質量％までの範囲を包含している。
【００４７】
ただしＮｉめっき層３の、基体１に対する良好な密着性を確保する効果との兼ね合いを考慮すると、低Ｃｕ領域７は、前記式(V)の範囲でＣｕを含有していても差し支えない。
図１では、高Ｃｕ領域５と低Ｃｕ領域７とが直接に接触するように記載されているが、前記両領域５、７間には、いずれの領域に課された条件も満足しない中間層が介在してもよい。
【００４８】
Ｎｉめっき層３中に含まれるＣｕの含有量の、厚み方向の分布を、本発明では、マーカス型高周波グロー放電発光表面分析装置〔ホリバ・ジョバンイボン社（HORIBA JOBIN YVON S. A. S.）製のＪＹ５０００ＲＦ−ＰＳＳ〕を用いて測定した値でもって表すこととする。
前記分析装置は、測定試料を、その最表面からアルゴンプラズマによって厚み方向に削りながら、所定の厚みごとに元素分析を繰り返す装置であって、前記分析装置によれば、測定試料を最表面から深さ数１０μｍに及ぶ範囲まで、分解能よく元素分析できると共に、分析面積が４ｍｍφと広いので、偏析等の影響を少なくして、測定試料のより平均的な情報を得ることが可能である。
【００４９】
本発明では、前記分析装置を用いて、測定試料を、その最表面からアルゴンプラズマによって厚み方向に削りながら、厚み約０．００３μｍごとに元素分析した結果を、例えば図４、図５に示すようにプロットして、試料中に含まれるＣｕ等の各元素の、厚み方向の含有量の分布曲線を求める。図５は、図４の分布曲線のうちＣｕの分布曲線を拡大して示したグラフである。
【００５０】
次に前記分布曲線から、測定試料の最表面、つまりＮｉめっき層３の最表面６におけるＣｕの含有量ＲＳ（質量％）を求めると共に、Ｎｉめっき層３の主成分であるＮｉの含有量と、基体１としての、図の例の場合はＣｕ−Ｗ複合材料の主成分であるＷの含有量とが一致する点を、基体１とＮｉめっき層３との界面とする。
そして前記界面からＮｉめっき層３の最表面６へ向けて、前記Ｎｉめっき層３の厚み方向の、Ｃｕの含有量ＲＨ（質量％）が２．５質量％以上、２０質量％以下である領域の厚みを求めて高Ｃｕ領域５の厚みとすると共に、前記最表面６から基体１へ向けて、前記Ｎｉめっき層３の厚み方向の、Ｃｕの含有量ＲＬ（質量％）が０．５質量％未満である領域の厚みを求めて低Ｃｕ領域７の厚みとする。
【００５１】
基体１に対するＮｉめっき層３の密着強度ＳA（Ｎ／ｍｍ2）は、本発明では日本工業規格ＪＩＳ  Ｋ６８５０：１９９９「接着剤−剛性被着材の引張せん断接着強さ試験方法」に規定された試験方法を応用した、下記の測定方法によって測定した値でもって表すこととする。
すなわち矩形平板状のヒートスプレッダを２枚用意し、前記２枚のヒートスプレッダの、それぞれ矩形の短辺側の一端から長さ方向の１２．５ｍｍの範囲を半田接合部として、Ｐｂ−Ｓｎ共晶半田（Ｐｂ：６０質量％、Ｓｎ：４０質量％）を用いて、２２０℃×３分間の条件で半田接合したものを試験片として用意する。次に前記試験片の、互いに反対方向に突出した２つの非接着部を、それぞれ精密万能試験機（オートグラフ）のつかみ具で保持して、試験片の幅方向の中心線と、つかみ具の中心線とが一致するように注意しながら５０ｍｍ／分の速度で、それぞれ反対方向に引っ張った際の破断応力（Ｎ/ｍｍ2）を、Ｎｉめっき層３の基体１に対する密着強度ＳA（Ｎ／ｍｍ2）とする。
【００５２】
例えばＮｉめっき層３が、高Ｃｕ領域のもとになる第１めっき層と、低Ｃｕ領域のもとになる第２めっき層とを積層して形成されており、しかも両めっき層が、第２めっき層形成後の熱処理が不十分であった等の理由で十分に一体化されていない場合に、前記測定を実施すると、Ｎｉめっき層３は、基体１との界面ではなく前記両めっき層の界面で剥離することがある。その際に測定される密着強度は、厳密には、Ｎｉめっき層３の全体としての、基体１に対する密着強度ではなく、前記界面での両めっき層間の密着強度であることになる。
【００５３】
しかし前記両密着強度は同じ測定によって求められ、区別することが困難である上、両めっき層間の界面での剥離は、Ｎｉめっき層３の全体が基体１から剥離する場合と同じ結果を引き起こすことになる。そのため２層構造のＮｉめっき層３は、基体１に対する密着強度に優れるだけでなく、第１めっき層と第２めっき層との界面での密着性にも優れている必要があると考えられる。したがって本願発明でいうところの、Ｎｉめっき層３の、基体１に対する密着強度ＳA（Ｎ／ｍｍ2）には、前記界面での剥離によって測定される密着強度をも含むこととする。
【００５４】
Ｎｉめっき層３の全体の厚みは５μｍ以下、特に０．６μｍ以上、５μｍ以下であるのが好ましい。厚みが５μｍを超える場合には残留応力が高くなって、Ｎｉめっき層３が、ヒートスプレッダ４の接続面２に他部材を接続する際や、半導体装置の使用時の熱履歴等によって脹れを生じたり基体１から剥離したりしやすくなるおそれがある。一方、厚みが０．６μｍ未満では、高Ｃｕ領域５を備えると共に、その最表面６におけるＣｕの含有量ＲＳが０．３質量％以下であるＮｉめっき層３を形成するのが実質的に困難である。
【００５５】
前記Ｎｉめっき層３を有する本発明のヒートスプレッダ４は、
(i)  Ｗ、Ｍｏ、またはダイヤモンドと、Ｃｕとの複合材料からなる前記基体の少なくとも前記接続面にＮｉめっきを施して厚みが０．２μｍ以上、１．２μｍ以下の第１めっき層を形成し、式(I)：
６２０℃≦Ｔ１≦８５０℃      (I)
を満足する温度Ｔ１（℃）で熱処理して前記基体中から前記第１めっき層中にＣｕを拡散させる工程と、
(ii)  前記第１めっき層の表面にＮｉめっきを施して厚みが０．６μｍ以上、２．５μｍ以下の第２めっき層を形成し、式(II)：
３００℃≦Ｔ２≦５８０℃      (II)
を満足する温度Ｔ２（℃）で熱処理して前記第２めっき層と前記第１めっき層とを一体化させて前記Ｎｉめっき層を形成する工程と、
を含む本発明の製造方法によって製造できる。
【００５６】
すなわち前記(i)の工程において、基体１の、少なくとも接続面２に直接に接するように形成した第１めっき層を温度Ｔ1（℃）で熱処理して基体１中からＣｕを第１めっき層中に拡散させた後、(ii)の工程において第１めっき層上に積層した第２めっき層を温度Ｔ2（℃）で熱処理して前記第１めっき層と一体化させる。
そうすると、基体１との界面から第１めっき層の厚みにほぼ対応した範囲が高Ｃｕ領域５とされると共に、最表面６を含む、第２めっき層の厚みにほぼ対応した範囲が低Ｃｕ領域７とされたＮｉめっき層３が形成される。
【００５７】
また、第１および第２めっき層に対する熱処理の温度Ｔ1、Ｔ2を、それぞれ前記範囲内で変更することで、それぞれのめっき層におけるＣｕの含有量を任意に調整できる。そのため前記製造方法によれば、前記第１および第２めっき層の厚みと熱処理の条件とを変更することで、高Ｃｕ領域５の厚みとＣｕの含有量ＲH（質量％）、Ｎｉめっき層３の最表面６におけるＣｕの含有量ＲS（質量％）、ならびに前記最表面６を含む低Ｃｕ領域７の厚みとＣｕの含有量ＲL（質量％）を任意に、しかも再現性よく調整でき、本発明のヒートスプレッダ４を、Ｎｉめっきと熱処理とを繰り返すだけで、再現性よく、かつ効率的に製造できる。
【００５８】
前記製造方法において、工程(i)の第１めっき層の形成と熱処理、並びに工程(ii)の第２めっき層の形成と熱処理はそれぞれ１回ずつ行うのが、工程数を減らして製造コストを低減する上で好ましい。しかし、それぞれの工程を厚み方向に２回以上に分けて繰り返し行うようにしてもよい。その場合には、各層の厚みと熱処理の条件とを個別に変更することで、Ｎｉめっき層の厚み方向におけるＣｕの含有量の分布をより細かく制御できる。
【００５９】
第１および第２めっき層を形成するためのＮｉめっき処理としては電気Ｎｉめっき、無電解Ｎｉめっき、および気相めっき（ＰＶＤ法、ＣＶＤ法を含む）のいずれを採用してもよい。このうち無電解Ｎｉめっきとしては、
(a)  還元剤として次亜リン酸ソーダ〔ＮａＨ2ＰＯ2等〕を用いた無電解Ｎｉ−Ｐめっき、
(b)  還元剤として水素化ホウ素化合物〔ＮａＢＨ4、(ＣＨ3)2ＨＮ・ＢＨ3、(Ｃ2Ｈ5)2ＨＮ・ＢＨ3等〕を用いた無電解Ｎｉ−Ｂめっき、および
(c)  還元剤としてヒドラジン化合物〔Ｎ2Ｈ4、Ｎ2Ｈ4・Ｈ2ＳＯ4、Ｎ2Ｈ4・ＨＣｌ、Ｎ2Ｈ4・２ＨＣｌ等〕を用いた狭義の無電解Ｎｉめっき、
のいずれを採用してもよい。
【００６０】
なお(a)の無電解Ｎｉ−Ｐめっきによって形成されるＮｉめっき層中に含まれるＰの含有量は６質量％以上、１５質量％以下、特に９質量％以上、１２質量％以下であるのが好ましい。また(b)の無電解Ｎｉ−Ｂめっきによって形成されるＮｉめっき層中に含まれるＢの含有量は０．１質量％以上、５質量％以下、特に０．３質量％以上、３質量％以下であるのが好ましい。
【００６１】
第１めっき層は、電気Ｎｉめっき、または(b)の無電解Ｎｉ−Ｂめっきによって形成するのが好ましい。電気Ｎｉめっきによって形成されるめっき層は、ほぼ純Ｎｉからなるため、基体１からのＣｕの拡散によって、前記基体１に対してより強固に一体化できる。また無電解Ｎｉ−Ｂめっきによって形成されるめっき層は、電気めっきによるものに比べて均一性や緻密性に優れている。
【００６２】
第１めっき層の厚みは０．２μｍ以上、１．２μｍ以下である必要がある。厚みが０．２μｍ未満では、Ｎｉめっき層３中に、十分な厚みを有する高Ｃｕ領域を形成できないため、前記Ｎｉめっき層３の、基体１に対する密着強度が大幅に低下する。そして、ヒートスプレッダ４の接続面２に他部材を接続する際や、半導体装置の使用時の熱履歴等によって、前記Ｎｉめっき層３が脹れを生じたり基体１から剥離したりしやすくなる。
【００６３】
また、厚みが１．２μｍを超える場合には残留応力が高くなったり、基体１と第１めっき層との熱膨張係数の差に起因する熱応力が高くなったりしやすいため、前記(i)の工程の温度Ｔ１での熱処理中に、前記第１めっき層が脹れを生じたり基体１から剥離したりしやすくなる。
第２めっき層は、Ｎｉめっき層３の最表面６を形成する層であるため、前記最表面６上に接続される他部材や、前記他部材を最表面６に接続するために用いられる樹脂接着剤等との相性や要求される特性等に応じて最適なＮｉめっき方法を選択して形成すればよい。例えば前記最表面６に、先に説明したＡｇフィラーと塩素とを含む樹脂接着剤を用いて他部材を接続する場合は、無電解Ｎｉ−Ｐめっきによって第２めっき層を形成するのが好ましい。Ｎｉ−Ｐめっき層は、熱処理をすることでＮｉ3Ｐを生じ、前記Ｎｉ3Ｐが、樹脂接着剤中のＡｇフィラーや塩素イオンと良好な結合性を有するため、接続の信頼性を向上できる。
【００６４】
第２めっき層の厚みは０．６μｍ以上、２．５μｍ以下である必要がある。厚みが０．６μｍ未満では、前記(ii)の工程の温度Ｔ２での熱処理時に、第１めっき層中から第２めっき層中に拡散するＣｕの量が多くなりすぎる。そのため、Ｎｉめっき層３の最表面６におけるＣｕの含有量ＲＳ（質量％）を、式(IV)を満足する含有量に抑制できなかったり、前記Ｎｉめっき層３中に、所定の厚みを有する低Ｃｕ領域を形成できなかったりする。
【００６５】
一方、厚みが２．５μｍを超えても、それ以上の効果は得られない。のみならず、Ｎｉめっき層３の全体の厚みが大きくなり、残留応力が高くなるため、前記Ｎｉめっき層３が、ヒートスプレッダ４の接続面２に他部材を接続する際や、半導体装置の使用時の熱履歴等によって脹れを生じたり基体１から剥離したりしやすくなる。
【００６６】
先に説明したように、第１めっき層の熱処理の温度Ｔ１（℃）が式(I)を満足する温度とされるのは、６２０℃未満では、基体１中から第１めっき層中に十分な量のＣｕを拡散させて、Ｎｉめっき層３の、基体１に対する良好な密着性を確保できないためである。一方、８５０℃を超える場合には、第１めっき層中に拡散するＣｕの量が多くなりすぎて、却って、Ｎｉめっき層３の、基体１に対する良好な密着性を確保できないためである。のみならず、基体１と第１めっき層との熱膨張係数の差に起因する熱応力が高くなって、温度Ｔ１での熱処理中に、前記第１めっき層が脹れを生じたり基体１から剥離したりしやすくなるおそれもある。
【００６７】
第２めっき層の熱処理の温度Ｔ２（℃）が式(II)を満足する温度とされるのは、３００℃未満では、第１および第２めっき層を良好に一体化できないためである。一方、５８０℃を超える場合には、第１めっき層中から第２めっき層中に拡散するＣｕの量が多くなりすぎて、Ｎｉめっき層３の最表面６におけるＣｕの含有量ＲＳ（質量％）を、式(IV)を満足する含有量に抑制できないためである。
【００６８】
本発明の半導体装置は、半導体素子と、前記半導体素子の動作時に発生する熱を除去するための、前記本発明のヒートスプレッダとを備えることを特徴とするものである。半導体装置の具体的な構成としては、ヒートスプレッダが複数の接続面を備え、前記複数の接続面のうち少なくとも１つの接続面に前記半導体素子、他の接続面に熱除去部材が、それぞれＡｇフィラーを配合した樹脂接着剤を介して接続されたものが挙げられる。
【００６９】
前記半導体装置においては、ヒートスプレッダの接続面に他部材を接続する際や、半導体装置の使用時の熱履歴等によって、前記他部材の、ヒートスプレッダに対する接続の強度が低下したり剥離したりするのをさらに確実に防止して、半導体装置に高い信頼性を付与することを考慮すると、前記他部材の、ヒートスプレッダの接続面に対する接続の強度を示す初期の接着強度ＳＢ（Ｎ／ｍｍ２）が１５．７Ｎ／ｍｍ２以上であるのが好ましい。また、温度＋８５℃、相対湿度８５％の高温高湿環境下で１０００時間、静置する高温高湿試験を行った後の前記接着強度ＳＢ（Ｎ／ｍｍ２）が５Ｎ／ｍｍ２以上であるのが好ましい。
【００７０】
接着強度ＳB（Ｎ／ｍｍ2）は、日本工業規格ＪＩＳ  Ｋ  ６８５０：１９９９「接着剤−剛性被着材の引張せん断接着強さ試験方法」に規定された試験方法で測定される接着強度でもって表すこととする。また測定の際には、ヒートスプレッダの接続面に、実際に他部材を接続するために用いる樹脂接着剤を使用することとする。前記接着強度ＳB（Ｎ／ｍｍ2）は、初期および高温高湿試験後のいずれにおいても高ければ高いほど好ましく、その上限は、それぞれ前記測定方法における測定限界、つまり測定に使用した樹脂接着剤の接着強度や、あるいは半導体素子等の他部材自体の破壊強度等に達しても構わない。
【００７１】
図２は、本発明の半導体装置の、実施の形態の一例を示す断面図である。図の例の半導体装置８は、平板状のパッケージ９と、前記パッケージ９の図において上側の面１０の中央部に、半田バンプ１１を介して接続された平板状の半導体素子１２と、前記本発明のヒートスプレッダ４とを備えている。
ヒートスプレッダ４は、図の例では、先に説明したように全体が平板状で、かつ前記平板の、図において下側の面１３の中央部に、前記半導体素子１２を収容するための凹部１４が設けられた凹形状に形成された基体１を備えている。そして前記基体１の、凹部１４の底面１５が半導体素子１２との接続のための接続面２とされ、前記凹部１４の周囲の面１３がパッケージ９との接続のための接続面２とされていると共に、図の例の場合は外周面の全面に、先に説明したようにＣｕの含有量を厚み方向に分布させたＮｉめっき層３が形成されてヒートスプレッダ４が構成されている。
【００７２】
前記ヒートスプレッダ４を、前記接続面１５上のＮｉめっき層３と、半導体素子１２の、図において上側の面１６との間に樹脂接着剤の層１７、接続面１３上のＮｉめっき層３と、パッケージ９の上側の面１０との間に樹脂接着剤の層１８を挟んで接着して互いに固定することで半導体装置８が構成されている。前記半導体装置８においては、半導体素子１２の動作時の熱を、ヒートスプレッダ４を介して直接に、また前記ヒートスプレッダ４とパッケージ９とを介して間接的に除去できる。
【００７３】
のみならず、前記半導体素子１２をパッケージ９とヒートスプレッダ４とで外部から保護しているため、ヒートスプレッダ４が先に説明した本発明の構成を有するものであことと相まって、半導体素子１２の動作の安定性や、半導体装置８の信頼性等を向上できる。なお、半導体装置の構成は、図の例のものには限定されず、例えば平板状のヒートスプレッダの片面に半導体素子、反対面にヒートシンク、ステム、パッケージ等を接続する等、様々な構成を採用できる。
【実施例】
【００７４】
〈実施例１〉
（基体の作製）
平均粒径３μｍのＷ粉末に１質量％のアクリルバインダを加えて平均粒径５０μｍに造粒し、前記造粒物を、幅３０ｍｍ×長さ１１０ｍｍの平面形状が矩形状の凹部を有する金型の、前記凹部内に充填して面圧１．５ｔｏｎ／ｃｍ2の圧力をかけて矩形平板状にプレス成形し、次いで水素ガス雰囲気中で８００℃で１時間の加熱をしてバインダを除去させた後、引き続き水素ガス雰囲気中で１２５０℃に加熱して焼結させてＷからなる多孔質体を作製した。
【００７５】
次に前記多孔質体を、その空隙量の１．３倍の体積のＣｕ板と重ねた状態で、水素ガス雰囲気中で１２５０℃に加熱してＣｕを溶解させることで、前記Ｃｕを、Ｗからなる多孔質体の細孔内に溶浸させてＣｕ−Ｗ複合材料（Ｃｕ：１０質量％、Ｗ：９０質量％）からなる基体の前駆体を得、前記前駆体の板の、互いに平行な２面（接続面）と、前記２面と交差する４側面とをそれぞれ研削加工して幅２５ｍｍ×長さ１００ｍｍ×厚み２ｍｍの矩形平板状の基体を作製した。
【００７６】
（ヒートスプレッダの製造）
前記基体の表面の全面に、電気Ｎｉめっきによって厚み１．２μｍの第１めっき層を形成し、水素ガス雰囲気中で８００℃に加熱して熱処理した後、前記第１めっき層上に、無電解Ｎｉ−Ｐめっきによって厚み１μｍの第２めっき層を形成し、水素ガス雰囲気中で５００℃に加熱して熱処理してＮｉめっき層を形成すると共に、ヒートスプレッダを製造した。
【００７７】
（Ｃｕ等の含有量分布の測定）
前記ヒートスプレッダのＮｉめっき層について、前出のマーカス型高周波グロー放電発光表面分析装置〔ホリバ・ジョバンイボン社（HORIBA JOBIN YVON S. A. S.）製のＪＹ５０００ＲＦ−ＰＳＳ〕を用いて、Ｃｕ等の元素の、厚み方向の含有量の分布を測定した。測定は、先に説明したように測定試料を、その最表面からアルゴンプラズマによって厚み方向に削りながら、厚み約０．００３μｍごとに元素分析した結果をプロットすることで行った。結果を図４に示す。また、図４のうちＣｕの分布曲線を拡大して図５に示す。
【００７８】
両図よりＮｉめっき層は、基体との界面（Ｎｉの含有量とＷの含有量とが一致する点）から最表面（表面からの深さ０μｍの点）に向かって厚み方向に１μｍの範囲が、Ｃｕの含有量ＲＨ（質量％）が式(III)の範囲内で、かつ最大含有量が４．８質量％である高Ｃｕ領域、Ｎｉめっき層の最表面のＣｕの含有量ＲＳ（質量％）が０．０１質量％（測定限界）未満で、かつ、前記最表面から基体に向かって厚み方向に１．１μｍの範囲が、Ｃｕの含有量ＲＬ（質量％）が式(V)の範囲内である低Ｃｕ領域となっていることが確認された。
【００７９】
（接着強度の測定）
日本工業規格ＪＩＳ  Ｋ  ６８５０：１９９９「接着剤−剛性被着材の引張せん断接着強さ試験方法」に規定された試験方法に則って、他部材の、ヒートスプレッダの接続面に対する接続の強度を示す接着強度を測定した。すなわち図３に示すように、前記ヒートスプレッダ４を２枚用意し、前記２枚のヒートスプレッダ４の、それぞれ短辺側の一端から長さ方向の１２．５ｍｍの範囲を接着部１９として、７０質量％のＡｇフィラーを含む液状のエポキシ樹脂接着剤の層２０を介して、前記接着部１９から、各々のヒートスプレッダ４の非接着部２１がそれぞれ反対方向に突出するように重ね合わせた状態で、１８０℃で１時間の加熱をして接着剤を硬化させた後、さらに１５０℃で２４時間、乾燥させて密着強度測定用の試験片２２を作製した。
【００８０】
そして前記試験片２２の、互いに反対方向に突出した２つの非接着部２１を、それぞれ図示しない精密万能試験機（オートグラフ）のつかみ具で保持して、試験片２２の幅方向の中心線と、つかみ具の中心線とが一致するように注意しながら、５０ｍｍ／分の速度で、図中に白抜きの矢印で示すようにそれぞれ反対方向に引っ張った際の破断応力（Ｎ/ｍｍ2）を、初期の接着強度として求めたところ１７．６Ｎ／ｍｍ2であって、実施例１のヒートスプレッダは、他部材の接続の強度に優れていることが確認された。
【００８１】
また、同様にして作製した試験片２２を、温度＋８５℃、相対湿度８５％の高温高湿環境下で１０００時間、静置した後、同様にして接着強度を求めたところ１１．８Ｎ／ｍｍ2であって、実施例１のヒートスプレッダは、前記高温高湿環境に対する耐性にも優れていることが判った。
（密着強度の測定）
Ｎｉめっき層の、基体に対する密着強度を、前記接着強度の測定方法を応用した下記の方法で測定した。すなわち２枚のヒートスプレッダを、エポキシ樹脂接着剤に代えてＰｂ−Ｓｎ共晶半田（Ｐｂ：６０質量％、Ｓｎ：４０質量％）を用いて、２２０℃×３分間の条件で半田接合したものを試験片として、前記と同様にして破断応力を測定したところ、オートグラフの測定限界である１００Ｎ／ｍｍ2を超えており、Ｎｉめっき層は基体に対して強固に密着していることが確認された。
【００８２】
〈比較例１〉
第２めっき層の熱処理温度を８００℃としたこと以外は実施例１と同様にして、ヒートスプレッダを製造した。前記ヒートスプレッダのＮｉめっき層について、実施例１と同様にして、Ｃｕ等の元素の厚み方向の含有量の分布を測定した。結果を図６に示す。また図６のうち、Ｃｕの分布曲線を拡大して図７に示す。両図よりＮｉめっき層は、基体との界面から最表面に向かって厚み方向に１．８μｍの範囲が、Ｃｕの含有量ＲＨ（質量％）が式(III)の範囲内で、かつ最大含有量が６．３質量％である高Ｃｕ領域になっていることが確認されたが、多量のＣｕがＮｉめっき層の最表面まで拡散しており、前記Ｎｉめっき層の最表面のＣｕの含有量ＲＳ（質量％）が０．８質量％と高い上、低Ｃｕ領域が形成されていないことが判った。
【００８３】
また前記ヒートスプレッダについて、実施例１と同様にして、Ｎｉめっき層の密着強度を求めたところ、オートグラフの測定限界である１００Ｎ／ｍｍ2を超えており、Ｎｉめっき層は、基体に対して強固に密着していることが確認された。また実施例１と同様にして接着強度を求めたところ、初期の接着強度は１６．７Ｎ／ｍｍ2であって、比較例１のヒートスプレッダは他部材の接続の強度に優れていることが確認されたが、高温高湿環境下で静置した後の接着強度は２．９Ｎ／ｍｍ2と大きく低下しており、前記高温高湿環境に対する耐性が不十分であることが判った。
【００８４】
〈実施例２、比較例２、３〉
第１めっき層の厚みを０．０５μｍ（比較例２）、０．２μｍ（実施例２）、２．１μｍ（比較例３）としたこと以外は実施例１と同様にして、ヒートスプレッダを製造した。
〈実施例３、４、比較例４〉
第２めっき層の厚みを０．３μｍ（比較例４）、０．６μｍ（実施例３）、２．５μｍ（実施例４）としたこと以外は実施例１と同様にして、ヒートスプレッダを製造した。
【００８５】
〈実施例５、６、比較例５〉
第１めっき層の熱処理温度Ｔ1（℃）を５００℃（比較例５）、６２０℃（実施例５）、９００℃（比較例６）としたこと以外は実施例１と同様にして、ヒートスプレッダを製造した。
〈実施例６〉
第１めっき層の熱処理温度Ｔ1（℃）を８５０℃とし、かつ第２めっき層の厚みを２．５μｍ、熱処理温度Ｔ2（℃）を５８０℃としたこと以外は実施例１と同様にしてヒートスプレッダを製造した。
【００８６】
〈実施例７〜９、比較例７〜１０〉
第２めっき層の熱処理温度Ｔ2（℃）を２５０℃（比較例７）、２８０℃（比較例８）、３００℃（実施例７）、３５０℃（実施例８）、５５０℃（実施例９）、６２０℃（比較例９）、７００℃（比較例１０）としたこと以外は実施例１と同様にして、ヒートスプレッダを製造した。
【００８７】
〈実施例１０〉
第２めっき層を電気Ｎｉめっきによって形成したこと以外は実施例１と同様にして、ヒートスプレッダを製造した。
〈実施例１１〉
第１および第２めっき層を、いずれも無電解Ｎｉ−Ｂめっきによって形成したこと以外は実施例１と同様にして、ヒートスプレッダを製造した。
【００８８】
〈実施例１２〉
下記の工程を経て作製したＣｕ−Ｍｏ複合材料からなる基体を使用したこと以外は実施例１と同様にして、ヒートスプレッダを製造した。
（基体の作製）
平均粒径３μｍのＭｏ粉末に１質量％のアクリルバインダを加えて平均粒径５０μｍに造粒し、前記造粒物を、幅３０ｍｍ×長さ１１０ｍｍの平面形状が矩形状の凹部を有する金型の、前記凹部内に充填して面圧１．５ｔｏｎ／ｃｍ2の圧力をかけて矩形平板状にプレス成形し、次いで水素ガス雰囲気中で８００℃で１時間の加熱をしてバインダを除去させた後、引き続き水素ガス雰囲気中で１２５０℃に加熱して焼結させてＭｏからなる多孔質体を作製した。
【００８９】
次に前記多孔質体を、その空隙量の１．３倍の体積のＣｕ板と重ねた状態で、水素ガス雰囲気中で１２５０℃に加熱してＣｕを溶解させることで、前記Ｃｕを、Ｍｏからなる多孔質体の細孔内に溶浸させてＣｕ−Ｍｏ複合材料（Ｃｕ：１５質量％、Ｍｏ：８５質量％）からなる基体の前駆体を得、前記前駆体の板の、互いに平行な２面（接続面）と、前記２面と交差する４側面とをそれぞれ研削加工して幅２５ｍｍ×長さ１００ｍｍ×厚み２ｍｍの矩形平板状の基体を作製した。
【００９０】
〈実施例１３〉
下記の工程を経て作製したＣｕ−ダイヤモンド複合材料からなる基体を使用したこと以外は実施例１と同様にして、ヒートスプレッダを製造した。
（基体の作製）
平均粒径１５μｍのダイヤモンド粒子とＣｕ粉末とを、ダイヤモンド複合材料の総体積に占めるダイヤモンド粒子の割合が６０体積％となるように配合した混合物を、プレス圧２ｔｏｎ／ｃｍ2の条件で予備成形後、真空中でモリブデンからなるカプセル中に封止した。次いで前記カプセルを加圧圧力５ＧＰａ、加熱温度１１００℃の条件で５分間、加圧しながら加熱し、次いで圧力を保持した状態で温度を５００℃以下に下げて３０分間、保持したのち常温、常圧に戻してカプセルを回収した。
【００９１】
次に前記カプセルの表面を研削することでモリブデンを除去して焼結体を取り出し、放電加工して幅２５ｍｍ×長さ５０ｍｍに切り出した後、平面研磨して幅２５ｍｍ×長さ５０ｍｍ×厚み２ｍｍの矩形平板状の基体を作製した。
〈比較例１１〉
熱処理した第１めっき層の上に第２めっき層を形成しなかったこと以外は実施例１と同様にして、ヒートスプレッダを製造した。
【００９２】
前記各実施例、比較例のヒートスプレッダについて、実施例１と同様にして、Ｎｉめっき層におけるＣｕ等の元素の、厚み方向の含有量の分布を求めると共に、前記Ｎｉめっき層の基体に対する密着強度、並びに初期および高温高湿環境下で静置した後の接着強度を求めた。結果を実施例１、比較例１の結果と併せて表１、表２に示す。
【００９３】
【表１】
0004876097.tif 000002
【００９４】
【表２】
0004876097.tif 000003
【００９５】
表の実施例１および比較例１、１１の結果より、Ｎｉめっき層のＣｕの分布に差をつける必要があること、実施例１、２および比較例２、３の結果より、第１めっき層の厚みによって規定される高Ｃｕ領域の厚みは２μｍ以下、特に０．１μｍ以上、２μｍ以下であるのが好ましいこと、実施例１、３、４および比較例４の結果より、第２めっき層の厚みによって規定される低Ｃｕ領域の厚みは０．３μｍ以上であるのが好ましいことが判った。
【００９６】
また実施例１、５、６および比較例５、６の結果より、第１めっき層の熱処理温度は６００℃を超え、８５０℃以下である必要があること、実施例１、７〜９および比較例７〜１０の結果より、第２めっき層の熱処理温度は３００℃以上、６００℃以下である必要があることが判った。また実施例１〜９および比較例１、４、９、１０の結果より、Ｎｉめっき層の最表面におけるＣｕの含有量は０．５質量％未満である必要があることが判った。
【００９７】
さらに実施例１、１０、１１の結果より、第１のめっき層は電気Ｎｉめっきで形成するのが好ましく、第２のめっき層は無電解Ｎｉ−Ｐめっきで形成するのが好ましいこと、実施例１、１２、１３の結果より、基体はＣｕ−Ｗ複合材料で形成するのが好ましいことが判った。
〈実施例１４〉
（基体の作製）
平均粒径３μｍのＷ粉末に１質量％のアクリルバインダを加えて平均粒径５０μｍに造粒し、前記造粒物を、縦３５ｍｍ×横３５ｍｍの平面形状が矩形状の凹部を有する金型の、前記凹部内に充填して面圧１．５ｔｏｎ／ｃｍ2の圧力をかけて矩形平板状にプレス成形し、次いで水素ガス雰囲気中で８００℃で１時間の加熱をしてバインダを除去させた後、引き続き水素ガス雰囲気中で１２５０℃に加熱して焼結させてＷからなる多孔質体を作製した。
【００９８】
次に前記多孔質体を、その空隙量の１．３倍の体積のＣｕ板と重ねた状態で、水素ガス雰囲気中で１２５０℃に加熱してＣｕを溶解させることで、前記Ｃｕを、Ｗからなる多孔質体の細孔内に溶浸させてＣｕ−Ｗ複合材料（Ｃｕ：１０質量％、Ｗ：９０質量％）からなる基体の前駆体を得、前記前駆体の板の、互いに平行な２面（接続面）と、前記２面と交差する４側面とをそれぞれ研削加工して縦３０ｍｍ×横３０ｍｍ×厚み１ｍｍの矩形平板状とした。そして前記平板の片面に、機械加工によって縦１９ｍｍ×横１９ｍｍ×深さ０．２５ｍｍの、平面形状が矩形状の凹部を座ぐり加工して、図２に示すように平板状で、かつ前記平板の、図において下側の面１３の中央部に凹部１４が設けられた基体１を作製した。
【００９９】
（ヒートスプレッダの製造）
前記基体１の表面の全面に、電気Ｎｉめっきによって、厚み１．２μｍの第１めっき層を形成し、水素ガス雰囲気中で８００℃に加熱して熱処理した後、前記第１めっき層上に、無電解Ｎｉ−Ｐめっきによって、厚み１μｍの第２めっき層を形成し、水素ガス雰囲気中で５００℃に加熱して熱処理してＮｉめっき層３を形成して、Ｃｕの含有量の分布が実施例１と同じヒートスプレッダ４を製造した。
【０１００】
（半導体装置の製造）
縦３０ｍｍ×横３０ｍｍ×厚み１ｍｍのアルミナ製のパッケージ９の、図２において上側の面１０の中央部に、半田バンプ１１を介して、縦１５ｍｍ×横１５ｍｍ×厚み０．２ｍｍのシリコン系の半導体素子１２を接続した後、前記半導体素子１２の図において上側の面と、ヒートスプレッダ４の凹部１４の底面１５である接続面２上のＮｉめっき層３との間、およびパッケージ９の上側の面１０と、ヒートスプレッダ４の凹部１４の周囲の面１３である接続面２上のＮｉめっき層３との間に、それぞれ１５質量％のＡｇフィラーを含む液状のエポキシ樹脂接着剤の層を挟んだ状態で、１５０℃で１時間の加熱をして接着剤を硬化させて図２に示す半導体装置８を製造した。
【０１０１】
（接着強度の測定）
接着強度の測定のために、接着面が直径１０ｍｍの円形である治具を用意した。そして前記半導体装置８を、温度＋８５℃、相対湿度８５％の高温高湿環境下で１０００時間、静置した後、パッケージ９の、図２において下側の面２３の中央部と、基体１の、図において上側の面２４の中央部のＮｉめっき層３上とに、それぞれ前記治具の接着面を、半導体装置の製造で使用したのと同じエポキシ樹脂接着剤の層を挟んで重ねた状態で、１５０℃で１時間の加熱をして接着剤を硬化させて、それぞれの面に治具を接着した。
【０１０２】
そして一対の治具を、図２の上下方向に引っ張って引張強度の推移を測定したところ、引張強度が４．９Ｎ／ｍｍ2の時点で引張強度の推移に変化が見られたが、外観上は、パッケージ９とヒートスプレッダ４との間で剥離等は見られなかった。そのため測定を中止し、半導体装置８を分解して内部を確認したところ、半導体素子１２とヒートスプレッダ４との間や、半導体素子１２とパッケージ９との間では剥離等は見られず、半導体素子１２自体が破損しているのが確認された。
【０１０３】
〈比較例１２〉
第２めっき層の熱処理温度を８００℃としたこと以外は実施例１４と同様にして、Ｃｕの含有量の分布が比較例１と同じヒートスプレッダ４を製造し、前記ヒートスプレッダ４を使用したこと以外は実施例１４と同様にして、図２に示す半導体装置８を製造した。そして前記半導体装置８を温度＋８５℃、相対湿度８５％の高温高湿環境下で１０００時間、静置した後、実施例１４と同様にして引っ張り強度の推移を測定したところ、引張強度が０．９８Ｎ／ｍｍ2の時点で、ほぼ同時にパッケージ９とヒートスプレッダ４との間、および半導体素子１２とヒートスプレッダ４との間で剥離した。そこで剥離面を観察したところ、いずれの剥離面においても、Ｎｉめっき層３中のＣｕの腐食によって、エポキシ樹脂接着剤が前記Ｎｉめっき層３から剥離したことが確認された。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】本発明のヒートスプレッダの、実施の形態の一例の要部であるＮｉめっき層の一部を拡大した断面図である。
【図２】本発明の半導体装置の、実施の形態の一例を示す断面図である。
【図３】本発明の、実施例、比較例において、接着強度を測定するために作製した試験片の概略を示す断面図である。
【図４】本発明の、実施例１のヒートスプレッダにおける、Ｎｉめっき層の厚み方向の、元素の分布曲線を示すグラフである。
【図５】図４の分布曲線のうち、Ｃｕの分布曲線を拡大して示したグラフである。
【図６】比較例１のヒートスプレッダにおける、Ｎｉめっき層の厚み方向の、元素の分布曲線を示すグラフである。
【図７】図６の分布曲線のうち、Ｃｕの分布曲線を拡大して示したグラフである。
【符号の説明】
【０１０５】
１     基体
２、１３、１５       接続面
３     Ｎｉめっき層
４     ヒートスプレッダ
５     高Ｃｕ領域
６     最表面
７     低Ｃｕ領域
８     半導体装置
９     パッケージ（他部材）
１２   半導体素子（他部材）
１７、１８    樹脂接着剤の層
【図１】
0004876097.tif 000004
【図２】
0004876097.tif 000005
【図３】
0004876097.tif 000006
【図４】
0004876097.tif 000007
【図５】
0004876097.tif 000008
【図６】
0004876097.tif 000009
【図７】
0004876097.tif 000010