CN101681896A - 半导体装置用散热器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种半导体装置用散热器及其制造方法，其可以接合多个销形散热片，使得即使组装到直接用水冷却的半导体装置用散热构造中，这多个销形散热片也不易断裂。半导体装置用散热器(1)具有：多个柱状部件(13)，其通过螺柱焊与板状部件(11、12)的至少一个表面接合；以及接合层(14)，其形成在板状部件(11、12)和柱状部件(13)之间。板状部件(11、12)包含基材(11)和表面层(12)。表面层(12)和柱状部件(13)由含有铝或铝合金的材料构成。板状部件(11、12)的厚度为0.5～6mm，表面层(12)的厚度为0.1～1mm。接合层(14)在其与板状部件(11、12)的边界具有接合界面(15)。接合界面(15)存在于表面层(12)内的面积比例换算为向板状部件(11、12)的一个表面的投影平面，为大于或等于50％而小于或等于100％。

Description

半导体装置用散热器及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种半导体装置用散热器及其制造方法，特别地，涉及在搭载于汽车等上的绝缘栅型双极晶体管(IGBT)等动力设备中使用的散热器及其制造方法。
背景技术
在电车或电动车等的电动机控制中使用的IGBT等动力设备中，为了有效地释放半导体装置的发热，使用散热器。
图6是概略表示现有的使用了散热器的半导体装置用散热构造的图。
如图6所示，在由氮化铝、氮化硅、氧化铝等构成的绝缘基板4的两侧表面，形成铝层3(或铜层)。在形成铝层3的绝缘基板4的一个表面上，经由焊锡层2搭载半导体装置5。在形成铝层3的绝缘基板4的相反一侧的另一个表面上，经由焊锡层2接合由铜-钼合金板6构成的散热器。此外，为了确保焊锡层的接合性，在铜-钼合金板6的表面实施镀镍。在与绝缘基板4接合的铜-钼合金板6的一个表面的相反一侧的另一个侧面，经由导热脂7安装冷却单元500。在冷却单元500的内部形成冷媒流通路径530，其用于利用泵510使水或其它液体作为冷媒而流通。因为冷却单元500具有冷却器520，所以最后会将热量释放到空气中。由铜-钼合金板6构成的散热器，起到将半导体装置5中的局部发热传递至冷却单元500的冷媒流通路径530中的作用。
为了实现上述目的，散热器要求较高的热传导性。另外，为了防止搭载的半导体装置因温度变化引起的热应力破坏，散热器还要求与绝缘基板材料接近的热膨胀特性。
作为满足这些要求的散热器材料，当前一直使用铜-钼合金板。
但是，铜-钼合金板存在几个缺点。
第1个问题是其重量大，特别是在要求轻量化的输送设备上，是很大的问题。
第2个问题并不是铜-钼合金板本身的缺点，如图6所示，因为在铜-钼合金板6与冷却单元500之间设置热传导脂7，所以无法提高冷却效率。为了解决这一问题，也考虑利用液体直接冷却铜-钼合金板6等方法。
但是，在利用液体直接冷却铜-钼合金板的情况下，必须研究冷却单元的结构。在这里，汽车发动机用的一般冷却器是铝合金制，从铝腐蚀的角度来说，很难与半导体装置用散热构造共用冷却器。此外，也考虑构成半导体装置用散热构造专用的铜制冷却器，但该方法在导致重量增加的同时，除了空间充裕的大型车辆等之外，很难在乘用车中使用。
为了解决上述第1课题，作为散热器的材料，提出取代铜-钼合金板，使用铝或铝合金与碳化硅粒子的复合材料。在使用这种材料的情况下，为了确保焊锡层的接合性，在复合材料的表面实施镀镍等。但是，在这种材料中，由于碳化硅粒子与铝或铝合金的界面在复合材料表面露出、以及由碳化硅粒子的脱粒等形成的孔隙的影响，很难均匀地在表面上形成镀层。因此，因为会发生在形成焊锡层之后，在焊锡层内部残留大量由镀层不完整而造成的空隙等问题，所以这种复合材料未广泛使用。
在国际公开第WO2006/077755号小册子(专利文献1)中，提出用于解决这些问题的半导体装置用部件。该半导体装置用部件具有基材和与基材两侧表面接合的表面层，该基材由铝-碳化硅复合材料构成，该复合材料是使粒状的碳化硅分布在铝或铝合金中，初始原料为粉末材料，表面层含有初始原料为熔制材料的铝或铝合金。在该半导体装置用部件中，因为镀层形成在作为熔制材料的铝或铝合金的表面层上，所以可以形成高质量的镀层，大幅度减少残留在焊锡层中的空隙。另外，该半导体装置用部件也可以解决上述第2课题，因为存在作为熔制材料的铝或铝合金的表面层，所以可以期待能够实现以与汽车用发动机共用冷却器的形式直接用水冷却散热器的半导体装置用散热构造。
在电车或电动车等输送用设备中，要求使IGBT等动力设备进一步小型化而节省空间，并增大动力设备的输出。为了与这些要求相对应，必须进一步提高散热器的单位面积的散热性。
在散热部件中，因材质而限定热传导率等物性值的情况下，为了提高散热性，有效的方法是增大散热面积，已知通常采用翅片或销等形状作为散热面。对于由铝或铝合金与碳化硅粒子的复合材料构成的散热部件，也尝试以翅片或销形成为散热面。
另外，例如，在日本专利第3692437号公报(专利文献2)、日本特开2005-121345号公报(专利文献3)中提出，为了制造具有销形散热片的散热片或板型热导管，使多个销形散热片通过螺柱焊与铝或铝合金材料接合。
专利文献1：国际公开第WO2006/077755号小册子
专利文献2：日本专利第3692437号公报
专利文献3：日本特开2005-121345号公报
发明内容
因此，作为散热器的材料，考虑使用具有由铝-碳化硅复合材料构成的基材、和与基材的两侧表面接合的含有铝或铝合金的表面层的部件，通过螺柱焊使多个销形散热片与表面层接合。但是，即使尝试在表面层上通过螺柱焊接合多个销形散热片，也很难获得具有对于散热器材料来说实用的接合强度的构造体。特别地，很难以下述方式接合多个销形散热片，即，即使将散热器组装到直接用水冷却的半导体装置用散热构造中，多个销形散热片也不易断裂。
因此，本发明的目的在于提供一种半导体装置用散热器及其制造方法，其可以以下述方式接合多个销形散热片，即，即使组装到直接用水冷却的半导体装置用散热构造中，多个销形散热片也不易断裂。
本发明的半导体装置用散热器具有：板状部件，其具有一个表面和该一个表面相反一侧的另一个表面；多个柱状部件，其与该板状部件的至少一个表面接合；以及接合层，其形成在板状部件和柱状部件之间。板状部件包含基材和与该基材的两侧表面接合的表面层。板状部件的线膨胀系数大于或等于3×10-6/K且小于或等于16×10- 6/K，板状部件的热传导率大于或等于120W/m·K。表面层由含有铝或铝合金的材料构成，柱状部件由含有铝或铝合金的材料构成。板状部件的厚度大于或等于0.5mm且小于或等于6mm，表面层的厚度大于或等于0.1mm且小于或等于1mm。接合层在其与板状部件的边界上具有接合界面。该接合界面存在于表面层内的面积比例，换算为向板状部件的一个表面的投影平面，为大于或等于50％且小于或等于100％。
在按照这种方式构成的本发明的半导体装置用散热器中，因为同时具有尽可能高效释放半导体装置发热的较高的导热性，和为了防止搭载的半导体装置的因温度变化引起的热应力破坏而与绝缘基板材料接近的热膨胀性，并且，由含有铝或铝合金的材料构成的柱状部件利用上述限定的面积比例的接合界面与板状部件接合，所以可以接合多个销形散热片，以使得即使在直接用水冷却的半导体装置用散热构造中组装本发明的半导体装置用散热器，多个销形散热片也不易断裂。
在本发明的半导体装置用散热器中，表面层的材料与柱状部件的材料相比，优选电化学方面更稳定的材料。由此，因为柱状部件与表面层相比先发生腐蚀，所以可以对于腐蚀而提高长时间的可靠性。
在这种情况下，形成表面层的含有铝或铝合金的材料中的铝的含量，优选高于形成柱状部件的含有铝或铝合金的材料中的铝的含量。由此，因为柱状部件与表面层相比先发生腐蚀，所以可以对于腐蚀而提高长时间的可靠性。
另外，在这种情况下，形成表面层的铝或铝合金的结晶粒径，优选大于形成柱状部件的铝或铝合金的结晶粒径。由此，因为柱状部件与表面层相比先发生腐蚀，所以表面层根据后述定义，与柱状部件相比电化学方面更稳定，且可对于腐蚀而提高长时间的可靠性。
在本发明的半导体装置用散热器中，基材的初始原料优选粉末材料。
本发明涉及的半导体装置用部件具有至少具有上述某一种特征的半导体装置用散热器。
在按照本发明的半导体装置用散热器的制造方法中，利用螺柱焊方法，使柱状部件与板状部件的至少一个表面接合，以使得接合界面存在于表面层内的面积比例，换算为向板状部件的一个表面的投影平面，为大于或等于50％且小于或等于100％。
在本发明的半导体装置用散热器的制造方法中，优选在利用螺柱焊方法使柱状部件与板状部件的至少一个表面接合之前，通过至少对表面层进行加热，增大形成表面层的铝或铝合金的结晶粒径。
另外，在本发明的半导体装置用散热器的制造方法中，优选在利用螺柱焊方法使柱状部件与板状部件的至少一个表面接合之后，通过至少对表面层进行加热，增大形成表面层的铝或铝合金的结晶粒径。
发明的效果
如上所述，根据本发明，可以获得以下述方式组合多个销形散热片的半导体装置用散热器，其即使组装到直接用水冷却的半导体装置用散热构造中，多个销形散热片也不易断裂。
附图说明
图1是表示作为本发明的一个实施方式的散热器的概略剖面的图。
图2是表示在本发明的实施方式的散热器中，柱状部件的接合部的一个方式的概略的局部剖面图。
图3是表示在本发明的实施方式的散热器中，柱状部件的接合部的另一个方式的概略剖面图。
图4是概略地表示使用作为本发明的一个实施方式的散热器的半导体装置用散热构造的图。
图5是概略地表示使用作为本发明的另一个实施方式的散热器的半导体装置用散热构造的图。
图6是概略地表示使用现有的散热器的半导体装置用散热构造的图。
标号说明
1：散热器
11：基材
12：表面层
13：柱状部件
具体实施方式
关于对多个销形散热片进行接合，使得即使组装到直接用水冷却的半导体装置用散热构造中，多个销形散热片也不易断裂的半导体装置用散热器及其制造方法，发明人进行了认真研究，其结果发现，作为销形散热片的柱状部件与表面层的接合界面的面积比例，对柱状部件的接合强度产生影响。根据该发现提出本发明。
首先，对于成为本发明的半导体装置用散热器的前提的结构进行说明。
图1是表示作为本发明的一个实施方式的散热器的概略剖面的图。
如图1所示，半导体装置用散热器1具有：板状部件，其具有一个表面和该一个表面相反一侧的另一个表面；多个柱状部件13，其与该板状部件的至少一个表面接合，例如为多根销形散热片；以及接合层，其形成在板状部件与柱状部件13之间。板状部件包含基材11、和与该基材11的两侧表面接合的表面层12。板状部件的线膨胀系数大于或等于3×10-6/K且小于或等于16×10-6/K，板状部件的热传导率大于或等于120W/m·K。表面层12由含有铝或铝合金的材料构成，柱状部件13由含有铝或铝合金的材料构成。板状部件的厚度大于或等于0.5mm且小于或等于6mm，表面层12的厚度大于或等于0.1mm且小于或等于1mm。接合层在其与板状部件的边界处具有接合界面。该接合界面存在于表面层内的面积比例，换算为向板状部件的一个表面投影的平面，为大于或等于50％且小于或等于100％。关于接合层如后所述。
在如上所述构成的散热器1中，因为板状部件的表面层12含有铝或铝合金，所以可以在所期望的表面上高质量地形成镀镍层，并且，在用水冷却接合有柱状部件13一侧的表面层12的表面的情况下，可以使乘用车已有的冷却器、和用于半导体装置用散热构造的冷却器共用。另外，在对接合有柱状部件13一侧的表面层12的表面进行电镀的情况下，也可以高质量地实施电镀，并提高使乘用车已有的冷却器、和用于半导体装置用散热构造的冷却器共用的可靠性。
因为搭载在散热器上的IGBT等半导体装置的基板的材质是硅，所以板状部件的线膨胀系数的下限值为与硅相同的3×10-6/K。通常，最大热应力在软钎焊时产生，目前主流的无铅焊锡的熔点与室温之差约为200～250℃。在板状部件的线膨胀系数小于3×10-6/K的情况下，在软钎焊之后，在构成IGBT等半导体装置的基板的脆性材料即硅中会残留拉伸残余应力，从可靠性方面不优选。板状部件的线膨胀系数的上限值，因搭载在散热器上的半导体装置的种类而不同。在将要求高散热性能的IGBT等搭载到散热器上的情况下，为了不会使构成基板发生损坏，虽然也与尺寸、结构有关，但必须小于或等于12×10-6/K。但是，如果是其它一般的半导体装置的发热扩散的程度，也可以小于或等于与铜相等的线膨胀系数即16×10-6/K。
对于板状部件的热传导率，最低必须大于或等于120W/m·K，低于该值的热传导特性，很难作为散热器的材料采用。板状部件的热传导率优选大于或等于150W/m·K，更优选大于或等于180W/m·K。板状部件的热传导率的上限值并不特别限定，但目前具有最高热传导率的材料是金刚石，其热传导率大于或等于1000W/m·K。如果不考虑成本而使用金刚石制造由含有铝或铝合金的表面层夹持的基材11，则认为可以获得接近于1000W/m·K的热传导率。
但是，如果考虑实际的成本，基材11优选使用下述的复合材料，即，以铝或铝合金作为基体，在该基体中分散有碳化硅粒子。碳化硅粒子因为被用于研磨剂等，所以可以通过艾奇逊(Acheson)法等大量生产，制造成本低于其它复合材料用添加剂。另外，该材料可以对应于碳化硅粒子的添加量，调整线性热膨胀系数而进行设计。即，在以铝为基体的情况下，如果碳化硅粒子的添加量是20质量％，则线膨胀系数约为16×10-6/K，如果是40质量％，则约为14×10-6/K，如果是60质量％，则约为9×10-6/K，如果是80质量％，则约为6×10-6/K。但是，在这种材料中，要得到低于6×10-6/K的线膨胀系数，碳化硅粒子的含量要大于或等于80质量％，因此很难。因此，由基材11和表面层12构成的板状部件的线膨胀系数的下限值是6×10-6/K，其中，该基材11由以铝或铝合金作为基体而在该基体中分散有碳化硅粒子的复合材料构成，该表面层12由铝或铝合金构成。另一方面，上限值如上所述，根据搭载于散热器上的半导体装置的种类而不同。特别地，在将要求高散热性能的IGBT搭载到散热器上的情况下，必须使其小于或等于12×10-6/K。
此外，也可以在碳化硅粒子的基础上，通过添加例如碳纤维等添加剂，调整上述板状部件的线膨胀系数，这些改良实质上也包含在本发明范围内。
构成散热器1的板状部件的厚度大于或等于0.5mm且小于或等于6mm。在板状部件的厚度小于0.5mm的情况下，无法将热量传递至板状部件的面内，很难作为散热器起作用，同时，其刚性小，容易因局部发热而发生板弯曲。在板状部件的厚度大于6mm的情况下，虽然板状部件的面内热传递良好，但板厚度方向的温度梯度下降，不易使发热的半导体装置下方的温度降低，可能发生半导体装置热失控等。作为动力设备用散热器，其最佳板厚大于或等于2mm且小于或等于5mm。
在上述板状部件的厚度内，优选使存在于板状部件表面的表面层12的单侧厚度大于或等于0.1mm。在表面层12的厚度小于0.1mm的情况下，对于柱状部件13的接合强度来说，很难获得实用的强度。另一方面，表面层12的厚度的上限值，考虑到与柱状部件13接合，对其不限制。
但是，如上所述，例如如在日本专利第3692437号公报(专利文献2)、日本特开2005-121345号公报(专利文献3)中提出所示，已知可以通过螺柱焊，使铝或铝合金的平板与铝或铝合金的销形散热片接合。在本发明的散热器1中，因为在由铝或铝合金构成的表面层12的比例在板状部件内较大的情况下，认为表面层12与由铝或铝合金构成的基材11的平板实质上为同一部件，所以这种情况是公知的技术。
但是，在本发明的散热器1中，板状部件的厚度限制为0.5～6mm的尺寸范围内，如果由铝或铝合金构成的表面层12的厚度较大，则因为由铝或铝合金构成的表面层12的线膨胀系数较大，为23×10- 6/K，所以包含由铝或铝合金构成的表面层12在内的板状部件的特性，大于膨胀系数的上限值即16×10-6/K。作为由铝或铝合金构成的表面层12的厚度的上限值的1mm是作为参考的最大值，即，是刚好满足板状部件的厚度上限值为6mm以内且线膨胀系数的上限值为16×10-6/K的情况。为了不增大板状部件的线膨胀系数，由铝或铝合金构成的表面层12的厚度优选大于或等于0.1mm且小于或等于0.4mm。如果表面层12的厚度超过0.4mm，则柱状部件13的接合强度饱和。
与板状部件接合的柱状部件13的形状并不特别限制，可以采用圆柱、圆锥、棱柱、棱锥或它们的任意的组合。但是，为了通过结合柱状部件13而获得冷却效果，柱状部件的高度优选至少大于或等于与接合部分的面积等价的圆的直径。但是，即使使得柱状部件的高度大于与接合部分的面积等价的圆的直径的4倍，由柱状部件的接合得到的效果也会饱和。另外，柱状部件13的直径优选大于或等于2mm且小于或等于8mm。在柱状部件13的直径小于2mm的情况下，柱状部件的刚性较低，很难抵抗液体冷却时的流体压力。在柱状部件13的直径大于8mm的情况下，因为本发明的散热器1的板状部件的厚度是0.5mm～6mm，所以反而会降低散热器1整体的冷却效率。
对于柱状部件13的间距也必须考虑，但其因使用条件而不同，很难加以限定。这是因为，由于并不是在散热器1的板状部件的整个平面上搭载半导体装置，所以很难在板状部件的整个平面上限制柱状部件13的间隔。
下面，对于接合层在其与板状部件的边界上具有接合界面，使该接合界面存在于表面层12内的面积比例，换算为向板状部件的一个表面的投影平面，为大于或等于50％且小于或等于100％的理由进行说明。
在本发明的散热器1中，柱状部件12通过螺柱焊与板状部件接合。螺柱焊的方式提出多种，但基本上，其为电弧焊接的一种，是以通电发热为主而使螺柱下部的较小的凸起部(直径约为0.5mm×长度约为0.7mm)熔化，从而与螺柱以外的材料接合的方法。在本发明中，采用螺柱焊方法中的间隙式。本发明的散热器1中，螺柱相当于柱状部件13，通过螺柱焊的方法使柱状部件13与板状部件12接合。
发明人着眼于，在螺柱焊方法中，因为熔化部分的体积小且螺柱及其接合对象的部件均可以保持为希望的气氛温度、例如室温，所以不易受到材质的热膨胀系数差异的影响，对在散热器的柱状部件的接合中使用螺柱焊方法进行了研究。
如上所述，当前已知可以通过螺柱焊，使铝或铝合金的平板与铝或铝合金的作为螺柱的销形散热片接合。但是，如上所述，即使尝试通过螺柱焊使多个销形散热片与上述表面层接合，也很难获得具有对于散热器的材料来说实用的接合强度的构造体。特别地，很难以下述方式对多个销形散热片进行接合，即，即使将散热器组装到直接用水冷却的半导体装置用散热构造中，多个销形散热片也不易断裂。这是因为，由于用于冷却的液体等从横向施加力，因而在作为柱状部件的销形散热片的接合部正下方的板状部件内容易发生破裂，从而柱状部件在板状部件内部断裂或被拔出，而与板状部件分离。为了防止这种现象，发明者研究了螺柱焊的多种条件。
其结果，在本发明的散热器中，通过螺柱焊在板状部件和柱状部件之间形成的接合层(熔融部)，在其与板状部件的边界处具有接合界面，如果该接合界面存在于表面层(含有铝或铝合金)内的面积比例，换算为向板状部件的一个表面的投影平面，为大于或等于50％且小于或等于100％的条件，则即使在液体冷却中液体从横向施加力，也不会使柱状部件断裂或拔出，而仅是发生变形，保持与板状部件接合的状态。
在这里，对接合界面存在于表面层内的面积比例进行定义。
图2和图3是表示在本发明的上述方式的散热器中，柱状部件的接合部的概略局部剖视图。
如图2和图3所示，柱状部件13与构成板状部件的基材11(在本实施方式中，作为一个例子，其为铝-碳化硅复合材料，其由作为基体的铝或铝合金，和在该铝或铝合金中分散的大量碳化硅粒子构成)上的表面层12接合。在由基材11和表面层12构成的板状部件、和柱状部件13之间，形成由铝的柱状晶体构成的接合层14。接合层14是通过螺柱焊使柱状部件13的一部分熔融后凝固的部分。接合层14在其与板状部件的边界处具有接合界面15。在接合界面15中，接合界面151是存在于表面层12内的部分，接合界面部152是存在于基材11内的部分。在图2中，接合界面15存在于表面层12内的比例是100％，即，接合界面15仅由接合界面151构成，换算为向板状部件的一个表面的投影平面的区域如图2的上部所示，是斜向右下阴影线的区域。在图3中，接合界面15由存在于表面层12内的接合界面部151、和存在于基材11内的接合界面152构成。在图3的上部，将接合界面部151换算为向板状部件的一个表面的投影平面的区域，作为斜向右下阴影线的区域而表示，将接合界面部152换算为向板状部件的一个表面的投影平面的区域，作为网格阴影线的区域而表示。因此，作为接合界面15存在于表面层12内的面积比例，其换算为向板状部件的一个表面的投影平面的面积比例，是在图3的上部，斜向右下阴影线的区域相对于网格阴影线的区域和斜向右下阴影线的区域的总面积(最大圆面积)的面积的比例。换言之，接合界面15存在于表面层12内的面积比例，是从接合界面15的总面积中减去接合界面15存在于基材11内的接合界面部152的面积后的面积，占整个接合界面15面积的比例，即，将从接合界面15的整个面积中减去接合界面15存在于基材11内的接合界面部152的面积后的面积(接合界面部151的面积)，除以整个接合界面15的面积而得到的值(％)。
具体地说，如果利用3％氟溶液等适当的蚀刻液，观察相当于图2和图3的剖面组织，则螺柱焊时熔融后凝固的部分作为接合层14，可以识别为柱状结晶的区域，可知接合界面15为该柱状结晶区域与板状部件之间的边界线。接合界面15存在于表面层12内的面积比例，可以根据作为边界线的接合界面15计算。因此，如图2所示，在作为该边界线的接合界面15整体存在于表面层12内的情况下，接合界面15存在于表面层12内的面积比例是100％。
为了使接合界面15存在于表面层12内的面积比例大于或等于50％，必须在基材11的表面上，形成厚度大于或等于0.1mm的由铝或铝合金构成的表面层12。另外，在基材11的表面上形成厚度大于或等于0.4mm的由铝或铝合金构成的表面层12的情况下，接合界面15存在于表面层12内的面积比例是100％
此外，在柱状部件13接合时，也可以在表面层12上实施厚度小于或等于十几μm的镀镍等金属镀层。
在基材11是通过粉末法制造的复合材料，例如，由铝-碳化硅复合材料构成的情况下，在基材11的内部具有空隙等，其中，该铝-碳化硅复合材料由作为基体的铝或铝合金、和在该铝或铝合金中分散的大量碳化硅粒子构成。在螺柱焊时，构成柱状部件13的铝或铝合金熔融时剩余的熔融的铝或铝合金会飞溅，形成在柱状部件13的周围等，但该剩余的熔融的铝或铝合金会利用毛细管浸透现象，向基体11内存在空隙的位置浸透，从而具有减少上述飞溅形成的效果。因此，在作为基体11使用由粉末法制成的复合材料的情况下，通过使表面层12的厚度为0.1～0.35mm左右，以使得接合界面15存在于表面层12内的面积比例不达到100％，换言之，使接合界面15的一部分位于基材11内部，从而可以得到飞溅较少的散热器1。此外，这样减少飞溅的形成量，不仅可以得到良好的外观，而且从与飞溅的耐腐蚀相关的可靠性的方面，即通过减少飞溅的游离等而提高耐腐蚀性的方面，也是有利的。
下面，对于本发明的散热器的耐腐蚀性进行说明。本发明的散热器，为了提高对于腐蚀的可靠性，首先，优选表面层12的材料与柱状部件13的材料相比，是电化学方面更稳定的材料。在这种情况下，优选形成表面层12的含有铝或铝合金的材料中的铝含量，高于形成柱状部件13的含有铝或铝合金的材料中的铝含量。另外，在这种情况下，优选形成表面层12的铝或铝合金的结晶粒径，大于形成柱状部件的铝或铝合金的结晶粒径。此外，在本发明的散热器的制造方法中，为了提高对于腐蚀的可靠性，优选在利用螺柱焊方法使柱状部件13与板状部件的至少一个表面接合之前，通过至少对表面层12进行加热，增大形成表面层12的铝或铝合金的结晶粒径。另外，在散热器的制造方法中，优选在利用螺柱焊方法使柱状部件13与板状部件的至少一个表面接合之后，通过至少对表面层12进行加热，增大形成表面层12的铝或铝合金的结晶粒径。
下面，对于这些特征进行说明。
如果使由铝或铝合金构成的柱状部件13的材质，与由铝或铝合金构成的表面层12相比，电化学方面更活泼，则可以提高对于腐蚀的长期可靠性。在这里，对于电化学方面的活泼进行定义。狭义地说，在使2种铝或铝合金，与使用环境下的溶液介质接触并浸渍时，先发生腐蚀的一方比另一方更活泼，广义地说，通过加速试验等，选择适当的腐蚀溶液(例如5％氮化钠水溶液等)，在使2种铝或铝合金与腐蚀溶液接触并浸渍时，先发生腐蚀的一方比另一方更活泼。
由铝或铝合金构成的表面层12，为了减小板状部件整体的线膨胀系数，优选较薄的。但是，在较薄的表面层12上，容易因腐蚀而形成贯穿表面层12的通孔。在形成通孔的情况下，与表面层12相比，内侧的基材11也处于腐蚀环境下，特别是在基材11的材料与形成表面层12的铝或铝合金，或形成柱状部件13的铝或铝合金相比更活泼的情况下，进一步促进腐蚀，会发生漏液等问题。
在基材11由通过熔制法制造的复合材料构成的情况下，作为该复合材料，例如，在由作为基体的铝或铝合金、和在该铝或铝合金中分散的大量碳化硅粒子构成的铝-碳化硅复合材料中，由于铸造的容易性、碳化硅粒子的反应抑制等，使用含有大量硅、铜的JIS合金编号为AC4C等添加元素较多的铸造用铝合金。另一方面，作为形成表面层12的铝或铝合金，一般使用延展用铝或铝合金的情况较多。铸造用铝合金与延展用铝或铝合金相比较，添加元素的浓度高，铝的纯度低，更活泼。在这种情况下，由于腐蚀而在表面层12上形成通孔之后，形成基材11的复合材料的腐蚀会进一步加强。
与之相对，在基材11由通过粉末法制造的复合材料构成的情况下，作为这种复合材料，例如，在由作为基体的铝或铝合金，和在该铝或铝合金中分散的大量碳化硅粒子构成的铝-碳化硅复合材料中，因为容易使构成基体的铝的纯度与表面层12的铝的纯度相同，或大于或等于表面层12的铝的纯度，所以可以提高相对于腐蚀的可靠性。
另外，由螺柱焊形成的接合层14，因为由熔融后凝固的组织构成，所以例如即使将同种类的铝或铝合金用于表面层12和柱状部件13的材料，也容易在构成接合层14的柱状晶域的粒界上偏析出溶质元素等，从而使接合层14成为容易腐蚀的位置。
作为其对策，通过使柱状部件13的材料相对于表面层12的材料更活泼，可以利用柱状部件13的牺牲阳极效果，保护表面层12免受腐蚀，同时，因为接合层14的组成是柱状部件13与表面层12中间的组成，所以可以保护接合层14免受腐蚀。
此外，使柱状部件13的一部分材质与柱状部件13的另一部分和表面层12相比电化学方面更活泼，也可以得到相同的效果。
成为发生腐蚀起点的位置是结晶粒界。因此，出于减少腐蚀发生起点的目的，使在本发明的散热器1中，形成表面层12的铝或铝合金的晶粒粗大，有助于提高对于腐蚀的可靠性。
在这里，对于结晶粒径进行定义。所谓结晶粒径，是指位于与用于冷却的溶液介质等接触的表面的晶粒的等价粒径。实际的测定是这样实施的：在利用氢氧化钠溶液等适当的腐蚀溶液对其表面进行蚀刻之后，测定规定面积内的晶粒。此外，晶粒完全进入规定面积内以1计数，晶粒未完全进入规定面积内以0.5计数。结晶粒径是将规定面积除以记数的总数而计算出的面积，假定为圆而换算为直径。
形成表面层12的铝或铝合金的结晶粒径，优选大于或等于6mm。在结晶粒径大于或等于6mm的情况下，与结晶粒径小于6mm的情况相比，表面层12的腐蚀大幅度延迟。另一方面，关于结晶粒径的上限值，结晶粒径越大越好，极端地认为单晶是最好的。但是，现实中很难在厚度为0.3mm的表面层12内生长结晶粒径超过30mm的晶粒。
此外，如果使形成柱状部件13的铝或铝合金的结晶粒径，小于形成表面层12的铝或铝合金的结晶粒径，可以得到类似于牺牲阳极的效果。另外，因为柱状部件13的壁厚大于表面层12，因而耐腐蚀，所以先腐蚀柱状部件13的方法，作为整体可以提高耐腐蚀性。另外，在晶界减少的情况下，因为位错密度也影响腐蚀，所以优选位错密度较低。
针对腐蚀的上述对策，可以组合使用。
作为柱状部件13的材料与接合柱状部件13一侧的表面层12的材料相比，电化学方面更活泼的具体例子，优选形成表面层12的铝或铝合金中的铝含量(铝纯度)，高于形成柱状部件13的铝或铝合金中的铝含量。如果表面层12的材料是JIS合金编号(国际铝合金名称)A1070(铝纯度大于或等于99.70质量％)的铝合金，则只要将纯度低于表面层12的材料的低JIS合金编号A1050(铝纯度大于或等于99.50质量％)铝合金等用于柱状部件13的材料即可。另外，如果表面层12的材料是JIS合金编号(国际铝合金名称)A5005的铝合金，则只要将纯度低于表面层12的材料的JIS合金编号A5052的铝合金等用于柱状部件13的材料即可。
此外，可以使柱状部件13的一部分材质与柱状部件13的其他部分和表面层12相比，电化学方面更活泼。例如，作为柱状部件13可以使用下述复合柱状部件，即，将外径为8mm、内径为6mm的由JIS合金编号A1050的铝合金构成的管和外径为5mm的由JIS合金编号A5005的铝合金构成的圆棒相互嵌套，将由此制造而成的复合材料利用拉线模拉线至外径达到4mm，然后通过车床加工得到。
在散热器的制造方法中，可以通过进行热处理，调整形成表面层12的铝或铝合金的组织，从而提高散热器的耐腐蚀性。这是减少容易成为腐蚀起点的晶界的方法。
作为第1方法，可以在利用螺柱焊方法使柱状部件13与板状部件的至少一个表面接合之前，通过至少对表面层12进行加热，从而使形成表面层12的铝或铝合金的晶粒生长，具体地说，使其结晶粒径大于或等于6mm即可。此时的加热温度，因为目的与通常的热处理不同，所以与一般的再结晶温度(工业中使用的软化温度，例如大多的延展用铝合金的软化温度345～415℃)相比采用较高的温度，优选可使晶粒生长的温度。例如，如果形成表面层12的材料是JIS的合金编号A1050铝合金，则只要在温度550～650℃下进行热处理即可。
作为第2方法，可以在利用螺柱焊方法使柱状部件13与板状部件的至少一个表面接合之后，通过对散热器1加热而至少对表面层12进行加热，从而使形成表面层12的铝或铝合金的晶粒生长，具体地说，使其结晶粒径大于或等于6mm即可。
另外，如上所述，因为晶粒内的位错等也会影响腐蚀，所以为了减少位错，与第1方法相比，优选采用第2方法。
此外，为了提高散热器的耐腐蚀性，也可以同时使用第1和第2方法。
上述针对腐蚀的各种方法，可以将电化学方面的活泼与否、和组织控制组合使用，在这种情况下，可以通过向铝或铝合金中添加微量元素等而有效利用公知的耐腐蚀性提高效果。
图4是概略地表示使用作为本发明的一个实施方式的散热器的半导体装置用散热构造的图。
如图4所示，在动力设备单元100上，电气连接电源200、电动机300及控制部400。在动力设备单元100中，在由氮化钠、氮化硅、氧化铝等构成的绝缘基板4的两侧表面形成铝层3(或铜层)。在形成铝层3的绝缘基板4的一个表面，经由焊锡层2搭载半导体装置(芯片)5。在形成铝层3的绝缘基板4相反一侧的另一个表面，经由焊锡层2接合作为本发明的一个实施方式的散热器1。并且，为了确保焊锡层的接合性，在构成散热器1的板状部件的表面层12的表面上，在接合绝缘基板4侧的表面上实施镀镍。同样地，在绝缘基板4表面的铝层3上，也经由焊锡层2而对接合位置的表面实施镀镍。在接合有作为销形散热片的多个柱状部件13侧的散热器1的表面，安装冷却单元500。在冷却单元500的内部，形成用于利用泵510使作为冷媒的水或其它液体流通的冷媒流通路径530。冷媒流通路径530内的液体配置为，与在散热器1上形成的多个柱状部件13的表面直接接触。冷却单元500因为具有冷却器520，所以最终将热量释放到大气中。具有多个柱状部件13的散热器1，发挥将半导体装置5上局部产生的热量传递至冷却单元500的冷媒流通路径530的作用。
图5是表示使用作为本发明的另一个实施方式的散热器的半导体装置用散热构造的图。
如图5所示，在动力设备单元100上电气连接电源200、电动机300及控制部400。在该动力设备单元100中，在散热器1上形成表面层12的基材11的一个表面上，经由焊锡层2搭载半导体装置(芯片)5。此外，为了确保焊锡层的接合性，对在构成散热器1的板状部件的表面层12的表面中、接合半导体装置(芯片)5侧的表面实施镀镍。在形成表面层12的基材11相反一侧的另一个表面，接合作为销形散热片的多个柱状部件13。在接合多个柱状部件13侧的散热器1的表面安装冷却单元500。在冷却单元500的内部形成用于利用泵510使作为冷媒的水或其它液体流通的冷媒流通路径530。冷媒流通路径530内的液体配置为，与在散热器1上形成的多个柱状部件13的表面直接接触。因为冷却单元500具有冷却器520，所以最终将热量释放到大气中。具有多个柱状部件13的散热器1，发挥将半导体装置5中局部产生的热量传递至冷却单元500的冷媒流通路径530的作用。
在图4所示的实施方式中，作为构成散热器1的基材11的材料，优选使用铝-碳化硅复合材料，其由作为基体的铝或铝合金、和在该铝或铝合金中分散的大量碳化硅粒子构成。另外，在图5所示的实施方式中，作为构成散热器1的基材11的材料，优选采用由氮化铝烧结体、氮化硅烧结体、氧化铝烧结体、作为基体的硅、及分散在该硅中的大量碳化硅粒子构成的硅-碳化硅复合材料等。
如图4和图5所示，通过采用本发明的散热器1，可以实现以与汽车用发动机共用冷却器的形式直接用水冷却散热器的半导体装置用散热构造。另外，在电车或电动车等输送用设备中，如果使IGBT等动力设备进一步小型化而实现空间节省，则要求增大动力设备的输出，为了与该要求相对应，还可以进一步提高散热器1的单位面积的散热性。
此外，在使用本发明的散热器的情况下，可以紧凑地设计高输出的半导体装置。此外，如上所述，为了使散热器与半导体装置(芯片)等接合，在期望的位置实施镀镍、镀金、保护层等。另外，考虑与绝缘基板的热膨胀差，也有在散热器上施加预应力的情况。也可以将前述公知的技术与本发明的散热器组合。
实施例
(实施例1)
将太平洋ランダム株式会社制的纯度为99.5％、粒度为#320的碳化硅粉末、东洋アルミニウム株式会社制的JIS合金编号A1070的铝合金粉末、以及辅助剂混合，制备碳化硅粒子的体积含有率为20％、40％、60％、80％、85％的混合粉末，作为散热器1的基材11的初始原料。
作为散热器1的表面层12的初始原料，制备平面尺寸为120mm×120mm、厚度为0.05mm、0.1mm、0.2mm、0.4mm、0.8mm、1.2mm的JIS合金编号A1050的铝合金板。
利用2块铝合金板夹持上述制备的混合粉末，以成为120mm×120mm×3.1mm大小的方式，利用挤压机施加大约700吨的负载，进行成型，制造成型体。
在将该成型体在氮气气氛中、温度650℃下加热8小时之后，再利用挤压机在高温下对成型体施加大约1500吨的负载。在温度630℃下对所得到的成型体进行加热之后，实施压延加工，使作为板状部件的厚度为3mm。由此，如图1所示，制造构成散热器1的由基材11和表面层12构成的板状部件。
在压延加工后，利用尼龙刷对板状部件的样品实施物理清洁，利用氢氧化钠溶液和硝酸溶液进行化学清洁。
组合使用日本スタツドウエルデイング株式会社制的螺柱焊机型号NSW CD9和XY载物台，在板状部件的样品的一个表面中央接合柱状部件13。具体地说，作为柱状部件13，使用JIS合金编号A1050的铝合金制的直径3mm×长度10mm的销，以6mm间隔的正方形，配置在60mm×60mm的平面区域中，通过螺柱焊接合121根销。螺柱焊的条件是电压为50V、加压力50N、初始间隙2.0mm。按照这种方式制造散热器1的样品。
另一方面，如图4所示，制备在两侧表面形成铝层3的氮化铝制的平面区域为58mm×58mm的绝缘基板4。对于散热器1，对接合柱状部件13的表面层12的表面实施掩蔽而不进行镀镍之后，对相反一侧的表面实施镀镍。在去除掩蔽之后，经由焊锡层2，接合绝缘基板4的一个表面，该表面形成有在表面实施镀镍的铝层3。在形成铝层3的绝缘基板4的另一个表面，经由焊锡层2接合IGBT，作为驱动输出为90W的三相交流电动机300的半导体装置5。
然后，利用图4所示的半导体装置用散热构造的试验装置，配置为直接用水冷却散热器1，实施负载试验。此外，冷媒使用纯水，流量为5升/分钟。负载是将施加在电动机300上的阻抗定为低、中、高，重复各加速、低速、减速，根据此时的IGBT的动作状态进行判断。
另外，如图2和图3所示，在上述实施方式所述的方法中，对于柱状部件13的接合层14，将接合界面15存在于表面层12的面积比例，换算为向板状部件的一个表面的投影平面而计算出。
其结果，在表1中表示样品的材料构成(构成基材11的碳化硅(SiC)粒子的体积含有比例、表面层12的厚度、柱状部件13(销)的有无)、是否可制造、上述面积比例、其特性(热传导率、线膨胀系数)和负载试验(IGBT耐久试验)的结果。
在表1中，作为散热器的结构，同时表示未在基材11的两个表面形成表面层12的情况下的对比例、和未接合柱状部件13的情况下的现有例。
此外，热传导率表示利用激光闪光法(アルバツク理工株式会社制TC-7000)测量的23℃时的值。线膨胀系数由利用マツクスサイエンス社制DTM5000测量的温度为30℃至120℃间的斜率表示。
作为负载试验的结果，○表示正常运行，△表示可恢复的热失控，×表示损坏。
表1
Figure G2008800181796D00211
在表1中，在是否可制造一栏中，所谓“Type.3”，在后述的实施例5中说明，其表示柱状部件13弯曲一次而断裂。
根据表1可知，为了接合柱状部件13，需要厚度大于或等于0.1mm的表面层12。另外，无法制造出碳化硅体积含有比例超过85％的样品。
另外可知，为了得到比未接合有销的现有例的散热器(No.12)优良的特性，需要使用线膨胀系数小于或等于16×10-16/K的板状部件。另外可知，为了得到更优良的特性，需要使用线膨胀系数小于或等于12×10-16/K的板状部件。
可知为了得到线膨胀系数小于或等于16×10-16/K这样的较小线膨胀系数的板状部件，必须使表面层12的厚度较薄。
(实施例2)
研究散热器1的板状部件的热传导率的影响。
利用与实施例1相同的方法，在制造No.6样品时，作为基材11的初始原料，取代东洋アルミニウム株式会社制的JIS合金编号A1070的铝合金粉末，制备在合金编号A1050的铝合金粉末中添加6质量％的镁并进行雾化处理后的粉末。使用将该添加镁的铝合金粉末与合金编号A1050的铝合金粉末改变混合比例而调合得到的粉末，制造改变了构成散热器1的板状部件的热传导率的样品。
此外，因为作为基材11的初始原料使用添加镁的铝合金粉末，所以在实施例1中，使氮气气氛中的加热温度、高温下的挤压加工时的加热温度、压延加工时的加热温度为最低的520℃，对应于添加镁的铝合金粉末的熔点进行了调整。
利用与实施例1相同的方法评价按照上述方式制造的样品。将其结果表示在表2中。
表2
根据表2可知，如果构成散热器1的板状部件的热传导率大于或等于150W/m·K，则与实施例1的现有例(No.12)相比，表现出优良的特性。此外，如果构成散热器1的板状部件的热传导率大于或等于180W/m·K，则表现出更高的性能。
同样地，研究表面层12的热传导率的影响、柱状部件13的热传导率的影响。在任意一种情况下，在表面层12或柱状部件13的热传导率小于150W/m·K的情况下，与实施例1的现有例比较，无法获得优良的特性。特别地，在柱状部件13的热传导率小于150W/m·K的情况下，与现有例比较，特性较差。
(实施例3)
对于散热器1的板状部件的厚度的影响进行研究。
在利用与实施例1相同的方法制造样品时，以No.5样品的特性为基准，调整作为基材11的初始原料的碳化硅粒子与铝合金粉末的混合粉末的量，使表面层12的厚度为0.1mm，制造板状部件的整体厚度为0.4mm、0.5mm、1.0mm、2.0mm、4.0mm、6.0mm、8.0mm的板状部件，从而制造改变构成散热器1的板状部件厚度的样品。实施与实施例1相同的评价。
在表3中表示其结果。
表3
Figure G2008800181796D00251
根据表3，在板状部件的厚度为0.4mm、0.5mm的样品中，在负载试验中因中负载而发生弯曲，动作的稳定性与基准相比降低，在板状部件的厚度为0.5mm、1mm的样品中，发生如果在负载试验中达到高负载，则因弯曲这种变形而使动作不稳定的情况。在板状部件的厚度为2.0mm至6.0mm的范围内，任何一种样品直至达到高负载都可以无问题地运行。但是，如果是板状部件的厚度为8.0mm的样品，无法稳定地进行高负载的运行。
(实施例4)
对于散热器1的作为柱状部件13的销的形状的影响进行研究。
在利用与实施例1相同的方法制造样品时，使除了销长度以外的结构与No.9相同，关于销的长度的影响，制造使直径3mm的销的长度以1.5mm、3mm、6mm、9mm、12mm、15mm变化的试样。
另一方面，关于销的直径的影响，在利用与实施例1相同的方法制造样品时，使除了销结构以外的结构与No.9相同，将销的间隔维持为使用直径为3mm的销时的销之间的相邻距离即3mm，制造将直径1.6mm×长度6.4mm、直径2mm×长度8mm、直径6mm×长度24mm、直径8mm×长度32mm、直径10mm×长度40mm的各销以正方形排列而形成的样品。
大致与实施例1相同地，利用图4所示的半导体装置用散热构造的实验装置实施负载试验。通过在半导体装置(芯片)5上设置热电偶，比较对现有例(样品No.12)施加中负载情况下的半导体装置5的温度，和相同负载下各样品的半导体装置5的温度，从而进行评价。
关于销的长度，认为长度越大则半导体装置5的温度越低。但是，即使使销的长度长于销直径的4倍，其与销的长度为销的直径4倍时的半导体装置5的温度也没有差别。在销的长度与销的直径相当时，半导体装置5的温度相当于未接合有销的现有例的半导体装置5的温度、和与销长度为销的直径为4倍时的半导体装置5的中间温度。
关于销的直径，总体来说，与未接合有销的现有例的半导体装置5相比，直径较小的温度较低。并且，接合有直径为10mm的销的样品与现有例相比，半导体装置5的温度未降低。另一方面，接合有直径为1.6mm的销的样品在负载试验后，因用于冷却销的水流而变形。这种变形在接合有直径为2mm的销的样品中未发生。
(实施例5)
为了研究散热器1的作为柱状部件13的销的接合强度，与表面层12的厚度、接合界面15的面积比例的关系，制造与实施例1的样品No.8至No.11相同的样品。为了评价销的接合强度，在散热器1的各样品中，使板状部件固定，利用钳子夹持任意的20根销而实施弯曲试验。此时，施加在钳子上的力是最大为2kgf·m的扭矩。
对在弯曲试验中销在某个位置断裂的情况进行分类的结果，作为断裂的形状，可以分为：(Type.1)销在其主体部完全断裂，(Type.2)承受数次弯曲，销最后从板上拔出而断裂，(Type.3)弯曲1次而断裂。与实施例1相同地，如图2和图3所示，对于柱状部件13的接合层14，将接合界面15存在于表面层12内的面积比例换算为向板状部件的一个表面的投影平面而计算出。
在表4中表示其结果。
表4
Figure G2008800181796D00281
根据表4可知，如果接合界面15存在于表面层12内的面积比例超过50％，则看不到(Type.3)的破坏样式，此时的表面层12的厚度为0.1mm。另外可知，如果接合界面15存在于表面层12内的面积比例是100％，则只能看到(Type.1)的破坏样式，此时的表面层12的厚度为0.4mm。
对于散热器的用途来说，因为散热器不会重复承受塑性变形，所以只要具有大于或等于(Type.2)的接合强度，即，不达到(Type.3)的断裂样式程度的接合强度即满足要求。
在制造样品No.8、No.9时，在螺柱焊条件下使电压从50V向70V变化，可以在样品No.8上看到(Type.3)的断裂样式，在样品No.9上未看到(Type.3)的断裂样式。在螺柱焊条件下使电压为70V时，接合界面15存在于表面层12内的面积比例在样品No.8中是29％，在样品No.9中是52％。此外，在螺柱焊条件下使电压小于或等于30V的情况下，无法得到足够的接合所需的熔融能量。在螺柱焊条件下，为了稳定地进行焊接，加压力在40～60N范围内是适当的。无论加压力低于或高于上述范围，在螺柱焊时，电弧产生都会不稳定。在螺柱焊条件下，关于初始间隙，同样地，最佳范围是0.5～5mm。无论初始间隙是高或是低，在螺柱焊中电弧产生均会不稳定。由此，根据螺柱焊条件而接合状态变化，但为了维持良好的接合，必须使接合界面15存在于表面层12内的面积比例至少为50％。
(实施例6)
在利用与实施例1相同的方法制造样品时，使除了形成散热器1的基材11的复合材料的基体材料、表面层12的材料、及作为柱状部件13的销的材料之外的构成与样品No.2相同，通过使用JIS合金编号A1050(铝合金含量大于或等于99.50％质量)、A1070(铝合金含量大于或等于99.70％质量)、A1100(铝合金含量大于或等于99.00％质量)的各种合金，改变基材11的基体材料、表面层12的材料、及柱状部件13的材料的组合，研究散热器1的腐蚀状态。
在研究中，考虑在半导体装置用散热构造中，使用含有微量氯元素的一般的自来水作为冷媒的情况，选择5％的氯化钠溶液作为加速腐蚀溶液(温度为40℃)，观察浸渍1000小时后的腐蚀状态。此外，试验区域是包含接合有销的板状部件的60mm×60mm的平面区域在内的70mm×70mm的平面区域，对其它平面区域在浸渍前利用搪瓷涂料进行涂敷，进行防腐蚀处理。
根据预先进行的铝板材与腐蚀溶液的接触浸渍研究，按照合金编号A1100、A1050、A1070的顺序，其电化学方面越来越活泼。
在表5中表示腐蚀状态的观察结果。
表5
Figure G2008800181796D00301
根据表5可知，通过使销的材质比形成表面层12的材质更活泼，可以抑制早期在形成表面层12的铝合金中产生通孔腐蚀。此外可知，通过使基材11的基体材料与形成表面层12的材质相比，电化学方面相同或更稳定，在表面层12中发生通孔腐蚀的情况下，也可以抑制基材11内部的腐蚀的进行。
与上述相同的结果，在使用实施方式中所述的复合柱状部件形式的销的情况下也可以得到。
(实施例7)
研究在散热器1中形成表面层12或柱状部件13的铝或铝合金的晶粒对腐蚀的影响。
除了作为表面层12的初始原料而使用使压延温度变化、结晶粒径平均为0.1mm、1mm、6mm、10mm、18mm的铝合金的板之外，制造与实施例6的No.2a相同的散热器1，进行与实施例6相同的腐蚀试验。
其结果可知，结晶粒径越大，成为贯穿腐蚀基点的通孔腐蚀位置的每单位面积的密度越低。但是，如果使形成表面层12的铝合金的结晶粒径大于或等于6mm，则几乎没有变化。在形成表面层12的铝合金的结晶粒径小于6mm的情况下，通孔腐蚀产生位置大部分与晶界一致。另一方面，在形成表面层12的铝合金的结晶粒径大于或等于6mm的样品中，不仅是晶界，可以看到在结晶粒内也发生通孔腐蚀。
下面，作为表面层12的初始原料，使用上述结晶粒径平均为0.1mm、1mm的铝合金板的样品，进一步对该样品实施高温热处理(温度625℃)，使形成表面层12的铝合金的结晶粒径为6mm。另外，作为表面层12的初始原料，对于上述结晶粒径为6mm的样品，实施为了消除应力而通常使用的软化处理(温度345℃的热处理)。对于按照上述方式制造的散热器1的样品，与上述同样地实施腐蚀试验。
对作为表面层12的初始原料而结晶粒径为6mm的样品实施软化处理的样品，因为结晶粒内的通孔腐蚀发生更少，所以通孔腐蚀密度更低。另一方面，通过高温处理使结晶粒径成长至6mm的样品，与高温处理前的样品相比，通孔腐蚀密度减少，但在表面层1上看到与实施过软化处理的样品相比较大的通孔腐蚀。两者的差别在于形成销的铝合金的结晶粒径的差异，在进行高温热处理的样品中，与形成表面层12的铝合金的结晶粒径相比，形成作为柱状部件12的销的铝合金的结晶粒径较大，与此相对，在实施了软化处理的样品中，形成作为柱状部件13的销的铝合金的结晶粒径比形成表面层12的铝合金的结晶粒径小。
为了进行验证，在由结晶粒径为1mm、6mm的铝合金构成的表面层12上，接合结晶粒径分别比表面层12小和大的销，与上述同样地进行腐蚀试验。销是通过冷塑性加工制造，其结晶粒径通常在0.02～1mm左右的范围内。使用的销通过热处理调整结晶粒度，为0.5mm、3mm、7mm。在该验证试验结果中可以看到，如果销的结晶粒径大于表面层12的结晶粒径，则表面层12的通孔腐蚀有增大的趋势。
(实施例8)
使用太平洋ランダム株式会社制的纯度为99.5％、粒度为#320的碳化硅粉末，形成孔隙率为20％的由碳化硅构成的骨架之后，利用熔融锻造机以3吨/cm2的压力，通过使加热至温度750℃的JIS合金编号AC3A的铸造用铝合金向碳化硅粒子的骨架中浸透而使其凝固，从而制造5mm×130mm×130mm大小的一个铝合金铸造物，作为散热器1的基材11的初始原料。
另外，在以温度650℃熔融的JIS合金编号为AC4C的铸造用铝合金中，在真空气氛下，加入太平洋ランダム株式会社制的纯度为99.5％、粒度为#320的碳化硅粉末，使其体积比例为40％，进行搅拌复合。复合后，通过使气氛恢复大气，制造5mm×130mm×130mm大小的另一个铝合金铸造物，作为散热器1的基材11的初始原料。
在研磨上述制造的两个铝合金铸造物的各自的表面，使其厚度为2.8mm之后，作为表面层12的初始原料，使厚度为0.1mm的JIS合金编号A1050的铝合金板，与两个铝合金铸造物的各两侧表面扩散接合(温度550℃、4小时、压力2吨/cm2)。通过将这样获得的材料切割为120mm×120mm大小，如图1所示，制造由构成散热器1的基材11和表面层12构成的两个板状部件。使用这些板状部件，与实施例1同样地，进行板状部件的清洁处理、柱状部件13的接合。由此制造散热器1的样品。
使用这些散热器1的样品，与实施例1同样地，利用图4所示的半导体装置用散热构造的试验装置实施负载试验(IGBT耐久试验)，前者的散热器1的样品与实施例1的样品No.8相比，后者的散热器1的样品与样品No.2相比，耐久性都要差一些，但表现出大致相同的特性。
但是，作为螺柱焊后的飞溅的残余量，使用由粉末法得到的基材11的实施例1的样品No.8、No.2，比使用由熔制法得到的基材11的实施例8的两个样品少。另外，在实施实施例5所示的弯曲试验时，使用由熔制法得到的基材11的实施例8的两个样品，与使用由粉末法得到的基材11的实施例1的样品No.8、No.2相比，(Type.1)的破坏样式的比例减少，(Type.2)的破坏样式的比例增加，有接合强度变差的趋势。这些现象可以推定为，因为在使用由粉末法得到的基材11的样品中在基材11的内部存在孔隙，所以在螺柱焊时，形成作为所接合的柱状部件13的销的铝或铝合金熔融，剩余的熔融的铝或铝合金通过毛细管浸透被吸收到基材11的内部，从而结合强度提高。
(实施例9)
在由厚度为0.7mm的市售氮化铝(AlN)烧结体构成的板(平面区域为70mm×70mm)、由厚度为0.3mm的市售氮化硅(Si3N4)烧结体构成的板(平面区域为70mm×70mm)、由厚度为0.5mm的市售氧化铝(Al2O3)烧结体构成的板(平面区域为70mm×70mm)、由厚度为3mm的株式会社アライドマテリアル制的复合材料(Si-SiC：在硅基体中分布碳化硅粒子的复合材料，碳化硅粒子含量为70质量％)构成的板(平面区域为70mm×70mm)的各表面，通过扩散接合而接合厚度为0.3mm、铝纯度为99.9％的铝板。由此，制造由基体11和表面层12构成的散热器1的板状部件，该基体11由上述各种材料构成，该表面层12由铝板构成。
使用这些板状部件，与实施例1同样地，进行板状部件的清洁处理、柱状部件13的接合。由此制造散热器1的各样品。如图5所示，在未结合柱状部件13的表面层12上，经由焊锡层2，接合作为与实施例1相同样式的半导体装置5的IGBT。然后，利用图5所示的半导体装置用散热构造的试验装置，以与实施例1相同的方法，实施负载试验(IGBT耐久试验)。
在表6中表示样品的特性和负载试验的结果。
表6
Figure G2008800181796D00341
根据表6，使用任意一种样品的散热器1，半导体装置均可以在高负载下无问题地动作。
这里公示的实施方式和实施例，所有内容均是例示而并非是限制。本发明的范围不限于以上的实施方式和实施例，如权利要求所示，包含与权利要求范围等同的含义及范围内的全部修正和变形。
工业实用性
本发明的半导体装置用散热器，用于在搭载在汽车等的绝缘栅型双极晶体管(IGBT)等称之为动力设备的半导体装置中，有效释放半导体装置的发热。

Claims (9)

1.一种半导体装置用散热器(1)，其特征在于，具有：
板状部件(11、12)，其具有一个表面和与该一个表面相反一侧的另一个表面；
多个柱状部件(13)，其与前述板状部件(11、12)的至少一个表面接合；以及
接合层(14)，其形成在前述板状部件(11、12)与前述柱状部件(13)之间，
前述板状部件(11、12)包含基材(11)、和与该基材(11)的两侧表面接合的表面层(12)，
前述板状部件(11、12)的线膨胀系数大于或等于3×10-6/K且小于或等于16×10-6/K，前述板状部件(11、12)的热传导率大于或等于120W/m·K，
前述表面层(12)由含有铝或铝合金的材料构成，
前述柱状部件(13)由含有铝或铝合金的材料构成，
前述板状部件(11、12)的厚度大于或等于0.5mm且小于或等于6mm，前述表面层(12)的厚度大于或等于0.1mm且小于或等于1mm，
前述接合层(14)在其与前述板状部件(11、12)的边界处具有接合界面(15)，
前述接合界面(15)存在于前述表面层(12)内的面积比例，换算为向前述板状部件(11、12)的一个表面的投影平面，为大于或等于50％且小于或等于100％。
2.如权利要求1所述的半导体装置用散热器(1)，其特征在于，
前述表面层(12)的材料与前述柱状部件(13)的材料相比，在电化学方面更稳定。
3.如权利要求2所述的半导体装置用散热器(1)，其特征在于，
形成前述表面层(12)的含有铝或铝合金的材料中的铝的含量，高于形成前述柱状部件(13)的含有铝或铝合金的材料中的铝的含量。
4.如权利要求2所述的半导体装置用散热器(1)，其特征在于，
形成前述表面层(12)的铝或铝合金的结晶粒径，大于形成前述柱状部件(13)的铝或铝合金的结晶粒径。
5.如权利要求1所述的半导体装置用散热器(1)，其特征在于，
前述基材(11)的初始原料是粉末材料。
6.一种半导体装置用部件，其特征在于，
具有权利要求1所述的半导体装置用散热器(1)。
7.一种权利要求1所述的半导体装置用散热器(1)的制造方法，其特征在于，
利用螺柱焊方法，使前述柱状部件(13)与前述板状部件(11、12)的至少一个表面接合，以使得前述接合界面(15)存在于前述表面层(12)内的面积比例，换算为向前述板状部件(11、12)的一个表面的投影平面，为大于或等于50％且小于或等于100％。
8.如权利要求7所述的半导体装置用散热器(1)的制造方法，其特征在于，
在利用螺柱焊方法使前述柱状部件(13)与前述板状部件(11、12)的至少一个表面接合之前，通过至少对前述表面层(12)进行加热，增大形成前述表面层(12)的铝或铝合金的结晶粒径。
9.如权利要求7所述的半导体装置用散热器(1)的制造方法，其特征在于，
在利用螺柱焊方法使前述柱状部件(13)与前述板状部件(11、12)的至少一个表面接合之后，通过至少对前述表面层(12)进行加热，使形成前述表面层(12)的铝或铝合金的结晶粒径增大。
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