CN116648315A - 复合材料、半导体封装件、以及复合材料的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的复合材料为板状，具有第一表面和第二表面。第二表面是第一表面的相反面。复合材料具有多个第一层和至少一个第二层。第一层和第二层以第一层位于第一表面和第二表面的方式沿复合材料的厚度方向交替层叠。第一层是包含铜的层。第二层是含浸有铜的钼粉末压坯的层。作用于位于第一表面的第一层以及位于第二表面的第一层的压缩残余应力为50MPa以下。

Description

复合材料、半导体封装件、以及复合材料的制造方法
技术领域
本发明涉及复合材料、半导体封装件、以及复合材料的制造方法。本申请要求2020年12月24日提交的日本专利申请特愿2020-214612号的优先权。该日本专利申请中记载的全部记载内容通过参考被本说明书引用。
背景技术
在专利文献1(日本特开2019-96654号公报)中记载了散热板。在专利文献1中记载的散热板具有第一表面和第二表面。第二表面是第一表面的相反面。专利文献1中记载的散热板具有多个铜层、以及多个铜-钼层。铜层和铜-钼层以铜层位于散热板的第一表面和第二表面的方式沿散热板的厚度方向交替层叠。专利文献1中记载的散热板通过钎焊与封装构件接合。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2019-96654号公报。
发明内容
本发明的复合材料为板状，具有第一表面和第二表面。第二表面是第一表面的相反面。复合材料具有多个第一层和至少一个第二层。第一层和第二层以第一层位于第一表面和第二表面的方式沿复合材料的厚度方向交替层叠。第一层是包含铜的层。第二层是含浸(impregnation)有铜的钼粉末压坯的层。作用于位于第一表面的第一层以及位于第二表面的第一层的压缩残余应力为50MPa以下。
附图说明
图1是复合材料10的立体图。
图2是沿图1的II-II线的剖视图。
图3A是复合材料10在厚度方向的导热率的测量试样的制作顺序的第一说明图。
图3B是复合材料10在厚度方向的导热率的测量试样的制作顺序的第二说明图。
图3C是复合材料10在厚度方向的导热率的测量试样的制作顺序的第三说明图。
图4是复合材料10的散热性能的评价方法的说明图。
图5是复合材料10的制造工序图。
图6是作为一个例子的层叠体20的剖视图。
图7是半导体封装件100的分解立体图。
具体实施方式
[本发明要解决的问题]
根据本发明人发现的见解，专利文献1中记载的散热板因在进行钎焊时的热而在铜层与铜-钼层之间产生裂纹，由此线膨胀系数增大。
本发明提供一种即使在施加了用于进行钎焊的热后也能够维持低的线膨胀系数的复合材料、使用了该复合材料的半导体封装件以及复合材料的制造方法。
[本发明的效果]
根据本发明的复合材料，即使在施加了用于进行钎焊的热后，也能够维持低的线膨胀系数和高的导热率。
[本发明的实施方式的说明]
首先，列述本发明的实施方式进行说明。
(1)本发明的一个实施方式的复合材料为板状，具有第一表面和第二表面。第二表面是第一表面的相反面。复合材料具有多个第一层和至少一个第二层。第一层和第二层以第一层位于第一表面和第二表面的方式沿复合材料的厚度方向交替层叠。第一层是包含铜的层。第二层是含浸有铜的钼粉末压坯的层。作用于位于第一表面的第一层以及位于第二表面的第一层的压缩残余应力为50MPa以下。
在上述(1)的复合材料中，由于作用于位于第一表面的第一层以及位于第二表面的第一层的压缩残余应力小，所以即使在施加用于进行钎焊的热时该压缩残余应力被释放，第一层也不会大幅变形，在第一层与第二层的界面不易产生裂纹。因此，根据上述(1)的复合材料，即使在施加了用于进行钎焊的热后，也能够维持低的线膨胀系数。
(2)在上述(1)的复合材料中，在以800℃保持15分钟之后，在使复合材料的温度从室温变为200℃时，复合材料在与第一表面和第二表面平行的方向的线膨胀系数可以为6ppm/K以上且10ppm/K以下。在以800℃保持15分钟之后，复合材料在厚度方向的导热率可以为230W/m·K以上。
根据上述(2)的复合材料，即使在施加了用于进行钎焊的热后，也能够维持低的线膨胀系数和高的导热率。
(3)在上述(1)或(2)的复合材料中，第一层的数量和第二层的数量的总和可以为5以上。在以800℃保持15分钟之后，复合材料在厚度方向的导热率可以为261W/m·K以上。
根据上述(3)的复合材料，在施加了用于进行钎焊的热后，能够维持更高的导热率。
(4)在上述(1)至(3)的复合材料中，在以800℃保持15分钟之前，在使复合材料的温度从室温变为800℃时，复合材料在与第一表面和第二表面平行的方向的线膨胀系数可以为7.5ppm/K以上且8.5ppm/K以下。
根据上述(4)的复合材料，能够抑制在对复合材料进行壳体构件的钎焊时由于复合材料的线膨胀系数与壳体构件的线膨胀系数的不同而导致在钎料中产生裂纹。
(5)在上述(1)至(4)的复合材料中，位于第一表面的第一层以及位于第二表面的第一层的厚度可以为复合材料的厚度的25％以下。第二层的厚度可以大于复合材料的厚度的10％。第二层中的钼的体积比率可以为55％以上。复合材料中的钼的体积比率可以大于13％且小于43％。
(6)在上述(1)至(5)的复合材料中，位于第一表面的第一层中的铜的体积比率以及位于第二表面的第一层中的铜的体积比率可以为90％以上。位于第一表面的第一层的厚度以及位于第二表面的第一层的厚度可以为复合材料的厚度的15％以上。
在上述(6)的复合材料中，能够降低第一表面(第二表面)的中央部与第一表面(第二表面)的端部之间的温度差。
(7)在上述(1)至(6)的复合材料中，第二层的厚度可以为复合材料的厚度的18％以上。在以800℃进行15分钟的保持前后，在使复合材料的温度从室温变为200℃时，复合材料在与第一表面和第二表面平行的方向的线膨胀系数的变化可以为0.3ppm/K以下。
根据上述(7)的复合材料，能够进一步抑制由于施加了用于进行钎焊的热而导致的线膨胀系数的恶化。
(8)本发明的另一实施方式的复合材料为板状，具有第一表面和第二表面。第二表面是第一表面的相反面。复合材料具有多个第一层和至少一个第二层。第一层和第二层以第一层位于第一表面和第二表面的方式沿复合材料的厚度方向交替层叠。第一层是包含铜的层。第二层是含浸有铜的钼粉末压坯的层。在复合材料中，在以800℃保持15分钟之后，在使复合材料的温度从室温变为200℃时，复合材料在与第一表面和第二表面平行的方向的线膨胀系数为6ppm/K以上且10ppm/K以下。在以800℃保持15分钟之后，复合材料在厚度方向的导热率为230W/m·K以上。
根据上述(8)的复合材料，即使在施加了用于进行钎焊的热后，也能够维持低的线膨胀系数和高的导热率。
(9)在上述(8)的复合材料中，在以800℃保持15分钟之前，在使复合材料的温度从室温变为800℃时，复合材料在与第一表面和第二表面平行的方向的线膨胀系数可以为7.5ppm/K以上且8.5ppm/K以下。
根据上述(9)的复合材料，能够抑制在对复合材料进行壳体构件的钎焊时由于复合材料的线膨胀系数与壳体构件的线膨胀系数的不同而导致在钎料中产生裂纹。
(10)在上述(8)或(9)的复合材料中，第一层的数量和第二层的数量的总和可以为5以上。在以800℃保持15分钟之后，复合材料在厚度方向的导热率可以为261W/m·K以上。
根据上述(10)的复合材料，在施加了用于进行钎焊的热后，能够维持更高的导热率。
(11)在上述(8)至(10)的复合材料中，位于第一表面的第一层以及位于第二表面的第一层的厚度可以为复合材料的厚度的25％以下。第二层的厚度可以大于复合材料的厚度的10％。第二层中的钼的体积比率可以为55％以上。复合材料中的钼的体积比率可以大于13％且小于43％。
(12)在上述(8)至(11)的复合材料中，位于第一表面的第一层中的铜的体积比率以及位于第二表面的第一层中的铜的体积比率可以为90％以上。位于第一表面的第一层的厚度以及位于第二表面的第一层的厚度可以为复合材料的厚度的15％以上。
在上述(12)的复合材料中，能够降低第一表面(第二表面)的中央部与第一表面(第二表面)的端部之间的温度差。
(13)在上述(8)至(12)的复合材料中，第二层的厚度可以为复合材料的厚度的18％以上。在以800℃进行15分钟的保持前后，在使复合材料的温度从室温变为200℃时，复合材料在与第一表面和第二表面平行的方向的线膨胀系数的变化可以为0.3ppm/K以下。
根据上述(13)的复合材料，能够进一步抑制由于施加了用于进行钎焊的热而导致的线膨胀系数的恶化。
(14)本发明的一个实施方式的半导体封装件具有复合材料和壳体构件，上述复合材料为板状，具有第一表面和作为第一表面的相反面的第二表面，上述壳体构件钎焊在上述第一表面和上述第二表面中的任一个表面上。复合材料具有多个第一层和至少一个第二层。第一层和第二层以第一层位于第一表面和第二表面的方式沿复合材料的厚度方向交替层叠。第一层是包含铜的层。第二层是含浸有铜的钼粉末压坯的层。在使复合材料的温度从室温变为200℃时，复合材料在与第一表面和第二表面平行的方向的线膨胀系数为6ppm/K以上且10ppm/K以下。复合材料在厚度方向的导热率为230W/m·K以上。
根据上述(14)的半导体封装件，即使在钎焊时施加了热后，也能够维持复合材料的低的线膨胀系数和高的导热率。
(15)在上述(14)的半导体封装件中，第一层的数量和第二层的数量的总和可以为5以上。在以800℃保持15分钟之后，复合材料在厚度方向的导热率可以为261W/m·K以上。
根据上述(15)的半导体封装件，在施加了用于进行钎焊的热后，能够维持复合材料更高的导热率。
(16)在上述(14)或(15)的半导体封装件中，位于第一表面的第一层以及位于第二表面的第一层的厚度可以为复合材料的厚度的25％以下。第二层的厚度可以大于复合材料的厚度的10％。第二层中的钼的体积比率可以为55％以上。复合材料中的钼的体积比率可以大于13％且小于43％。
(17)在上述(14)至(16)的半导体封装件中，位于第一表面的第一层中的铜的体积比率以及位于第二表面的第一层中的铜的体积比率可以为90％以上。位于第一表面的第一层的厚度以及位于第二表面的第一层的厚度可以为复合材料的厚度的15％以上。
根据上述(17)的半导体封装件，能够降低第一表面(第二表面)的中央部与第一表面(第二表面)的端部之间的温度差。
(18)在上述(14)至(17)的复合材料中，第二层的厚度可以为复合材料的厚度的18％以上。在以800℃进行15分钟的保持前后，在使复合材料的温度从室温变为200℃时，复合材料在与第一表面和第二表面平行的方向的线膨胀系数的变化可以为0.3ppm/K以下。
根据上述(18)的半导体封装件，能够进一步抑制由于施加了用于进行钎焊的热而导致的复合材料的线膨胀系数的恶化。
(19)本发明的一个实施方式的复合材料的制造方法包括准备层叠体的工序、加热层叠体的工序、以及对被加热了的状态的层叠体进行压延的工序。层叠体具有第一表面和作为第一表面的相反面的第二表面。层叠体具有多个第一板材和至少一个第二板材。第一板材和第二板材以第一板材位于第一表面和第二表面的方式沿层叠体的厚度方向交替层叠。第一板材包含铜。第二板材是含浸有铜的钼粉末压坯。
根据上述(19)的复合材料的制造方法，可以得到即使在施加了用于进行钎焊的热后也能够维持低的线膨胀系数的复合材料。
[本发明的实施方式的详细内容]
一边参考附图一边说明本发明的实施方式的详细内容。在以下的附图中，对相同或相当的部分赋予相同的参考标记，重复的说明不再赘述。
(第一实施方式)
对第一实施方式的复合材料(以下称为“复合材料10”)进行说明。
<复合材料10的结构>
图1是复合材料10的立体图。图2是沿图1的II-II线的剖视图。如图1和图2所示，复合材料10为板状。复合材料10具有第一表面10a和第二表面10b。第二表面10b是第一表面10a在复合材料10的厚度方向的相反面。
复合材料10的厚度记为厚度T1。厚度T1是第一表面10a与第二表面10b之间的距离。以下，有时将与复合材料10的厚度方向正交的方向(与第一表面10a和第二表面10b平行的方向)称为层内方向。
复合材料10具有多个第一层11和至少一个第二层12。第一层11的数量和第二层12的数量的总和为3以上。第一层11和第二层12沿复合材料10的厚度方向交替层叠。对此，从另外的观点而言，第二层12被夹在两个第一层11之间。
第一层11位于第一表面10a和第二表面10b。有时将位于第一表面10a的第一层11记为第一层11a，将位于第二表面10b的第一层11记为第一层11b。
第一层11的厚度记为厚度T2。第一层11a的厚度T2以及第一层11b的厚度T2优选为厚度T1的15％以上。第一层11a的厚度T2以及第一层11b的厚度T2例如为厚度T1的25％以下。
第一层11是包含铜的层。第一层11除了包含铜以外，也可以包含钼。第一层11中的铜的体积比率例如为80％以上。第一层11中的铜的体积比率优选为90％以上。第一层11也可以是纯铜(第一层11中的铜的体积比率也可以为100％)。
作用于第一层11a的压缩残余应力以及作用于第一层11b的压缩残余应力为50MPa以下。作用于第一层11a的压缩残余应力以及作用于第一层11b的压缩残余应力优选40MPa以下。使用X射线衍射法(更具体而言为sin2φ法)测量作用于第一层11a的压缩残余应力以及作用于第一层11b的压缩残余应力。
在测量作用于第一层11a(第一层11b)的压缩残余应力的样品的准备中，第一，从复合材料10中切出宽为1mm和长为5mm的测量用样品。测量用样品的宽度方向和长度方向与复合材料10的厚度方向正交。
第二，将20个测量样品排列在平面上，使得它们彼此接触。此时，测量样品排列成与复合材料10的厚度方向平行的剖面朝向上。此外，此时，测量样品在测量样品的长度方向上排列成两列。
第三，将已排列的测量样品的上表面抛光。以各个测量样品的上表面间的阶梯差为0.1mm以下的方式进行该抛光。对以这种方式准备的测量样品的上表面照射X射线(CuKα射线)，由此使用sin2φ法进行残余应力的测量。
第二层12是铜-钼熔浸(infiltration)材料的层。铜-钼熔浸材料是将铜含浸在钼粉末压坯(将钼的粉末压缩成型的材料)的空隙中后进行压延的材料。优选第二层12中的钼的体积比率为55％以上。第二层12中的钼的体积比率例如为85％以下。
第二层12的厚度记为厚度T3。厚度T3优选大于厚度T1的10％。厚度T3例如为厚度T1的35％以下。厚度T3和第二层12中的钼的体积比率优选以复合材料10中的钼的体积比率为大于13％且小于43％的方式设定。厚度T3优选为厚度T1的18％以上且35％以下。
在以800℃保持15分钟之后，在使复合材料10的温度从27℃(以下称为“室温”)变为200℃时，复合材料10在层内方向的线膨胀系数优选为6ppm/K以上且10ppm/K以下。
基于温度从室温变为200℃时的复合材料10在层内方向的膨胀位移来测量复合材料10在层内方向的线膨胀系数是考虑了使用复合材料10的半导体封装件的工作温度。此外，在以800℃保持15分钟之后测量复合材料10在层内方向的线膨胀系数是考虑了对复合材料10进行钎焊时的加热。
在以800℃保持15分钟之前，在使复合材料10的温度从室温变为800℃时，复合材料10在层内方向的线膨胀系数优选为7.5ppm/K以上且8.5ppm/K以下。这是考虑了钎焊于复合材料10的壳体构件大多由氧化铝形成，在使温度从室温变为800℃时的氧化铝的线膨胀系数为8ppm/K左右。
在以800℃进行15分钟的保持前后，在使复合材料10的温度从室温变为200℃时，复合材料10在层内方向的线膨胀系数的变化量(增加量)优选为0.3ppm/K以下。
温度从室温变为200℃(800℃)时的复合材料10在层内方向的线膨胀系数通过使用TD5000SA(布鲁克AXS公司制)，测量温度从室温变为200℃(800℃)时的复合材料10在层内方向的膨胀位移来计算。在计算温度从室温变为200℃时的复合材料10在层内方向的线膨胀系数时，复合材料10的平面形状为3mm×15mm的矩形形状。测量值为三个试样的平均值。
在作为评价对象的复合材料10的大小小于3mm×15mm的情况下，可以使用X射线衍射法计算线膨胀系数。通过将复合材料10的多个切片以散热面排列在同一平面中的方式拼接在一起，使散热面的面积达到100mm2以上。拼接在一起的散热面可以成为一条边大致为10mm以上的矩形。在室温以及800℃时，对散热面照射X射线，根据对应于Cu(331)的衍射峰导出衍射角(2θ)。根据该衍射角，使用下述式，由此能够将晶面间距的变化率用作线膨胀系数。在材料的面内存在各向异性的情况下，整齐排列试样使得作为线膨胀系数的测量目标的方向与X射线的入射面平行。示出将室温设为25℃时的线膨胀系数的计算式。
(线膨胀系数)＝(1/sin(θat800℃)-1/sin(θat25℃))×sin(θat25℃)/(800-25)
此处，θat25℃为在25℃测量时的衍射角2θ的1/2倍，θat800℃为在800℃测量时的衍射角2θ的1/2倍。
在以800℃保持15分钟之后，复合材料10在厚度方向的导热率优选为230W/m·K以上。在以800℃保持15分钟之后，复合材料10在厚度方向的导热率更优选为261W/m·K以上。该导热率的测量在室温下进行。另外，在以800℃保持15分钟之后测量复合材料10在厚度方向的导热率是考虑了对复合材料10进行钎焊时的加热。
复合材料10的厚度方向的导热率使用激光闪光法来测量。更具体而言，使用LFA457MicroFlash(耐驰公司制)测量复合材料10的热扩散系数，并且基于该热扩散系数、以及复合材料10的各构成材料的体积比率和比热，计算复合材料10的厚度方向的导热率。
在计算复合材料10的厚度方向的导热率时，复合材料10被切成平面形状为直径10mm的圆形。在计算上述导热率时，各构成材料的比热基于日本金属学会编《金属数据手册第4版》(金属データブック第4版，2004年、丸善出版)来决定。此外，在测量复合材料10的导热率之前，在相同条件下测量相同形状的纯铜试样的导热率，使用该结果作为参考，进行测量结果的修正。
图3A是复合材料10的厚度方向的导热率的测量试样的制作顺序的第一说明图。如图3A所示，从作为测量对象的复合材料10中切出薄片15。薄片15的厚度、长度、以及宽度分别为t(mm)、B(mm)、以及C(mm)。
将2除以t的值去小数点进一取整所得的数设为X。将10除以B的值去小数点进一取整所得的数设为Y1。将10除以C的值去小数点进一取整所得的数设为Y2。从作为测量对象的复合材料10中切出与X、Y1和Y2的乘积相等的数量的薄片15。
图3B是复合材料10的厚度方向的导热率的测量试样的制作顺序的第二说明图。如图3B所示，由X片薄片15来制作块16。块16的厚度、长度、以及宽度分别为大约2(mm)、B(mm)、以及C(mm)。在块16的制作中，第一，堆叠X片薄片15。此时，在相邻的薄片15之间配置了由平均粒径为4μm的纯银形成的无定形粉末。在相邻的薄片15之间配置的无定形粉末的量每100mm2为0.2g±30％。
在块16的制作中，第二，准备形成有内侧尺寸为B(mm)×C(mm)的开口的矩形模具(未图示)，将堆叠的薄片15配置在该开口内。上述模具是石墨制。在块16的制作中，第三，堆叠的薄片15在被施加了负荷P的状态下进行热处理。负荷P为4.9N以上且9.8N以下。热处理在惰性气体环境下进行。热处理以900℃的保持温度、10分钟的保持时间进行。通过热处理，无定形粉末软化变形，相邻的薄片15被粘接，由此制作块16。
图3C是复合材料10的厚度方向的导热率的测量试样的制作顺序的第三说明图。如图3C所示，在纵向排列Y1个、在横向排列Y2个块16，由此制作高度大约10mm、宽度大约10mm、厚度大约2mm的测量试样17。在纵向排列Y1个、在横向排列Y2个块16时，利用粘接部件将相邻的块16彼此粘接。粘接部件可以使用银钎焊箔、陶瓷粘接剂等能够耐受至800℃左右的温度的材料。在纵向排列了Y1个、在横向排列了Y2个的块16也可以通过在其外周卷绕不锈钢丝等来固定。
复合材料10的端部温度差优选为50℃以下。图4是复合材料10的散热性能的评价方法的说明图。在图4中，示意性地示出了从复合材料10的一个侧面观察时的状态。从与第一表面10a垂直的方向观察，复合材料10被切割成长宽为10mm的矩形。发热体90与切割后的复合材料10的第一表面10a的中央接触。从与第一表面10a垂直的方向观察，发热体90是长宽为10mm的矩形。发热体90的发热量为50W。
使用硅油(信越化学公司制G-751)将铝散热片80粘接在切割后的复合材料10的第二表面10b。该粘接通过如下方式进行：在切割后的复合材料10的第二表面10b与铝散热片80之间配置了硅油的状态下，施加9.8N的负荷。
将切割后的复合材料10的第一表面10a与发热体90的界面处的温度记为第一温度。将切割后的复合材料10的第一表面10a的端部(角部)的温度记为第二温度。将切割后的复合材料10的第二表面10b与铝散热片80的界面处的温度记为第三温度。使用未图示的热电偶测量第一温度、第二温度、以及第三温度。以第三温度成为25℃±3℃的方式来控制对铝散热片80的空气冷却。作为测量环境的周围温度设置为25℃±5℃。
在使发热体90与切割后的复合材料10的第一表面10a接触后，经过30秒以上，温度达到稳定状态时的第一温度与第二温度的差(第一温度－第二温度)为复合材料10的端部温度差。对于该端部温度差，进行10次测量，采用其平均值。即，复合材料10的端部温度差是在发热体90与第一表面10a接触且铝散热片80与第二表面10b粘接的状态下的、发热体90接触的第一表面10a的部分的温度与第一表面10a的端部(角部)的温度的差。端部温度差越小，复合材料10的层内方向的导热越好。
<复合材料10的制造方法>
图5是复合材料10的制造工序图。如图5所示，复合材料10的制造方法包括准备工序S1、加热工序S2、以及压延工序S3。
在准备工序S1中，准备层叠体20。图6是作为一个例子的层叠体20的剖视图。如图6所示，层叠体20具有多个第一板材21和至少一个第二板材22。第一板材21使用与第一层11相同的材料形成，第二板材22使用与第二层12相同的材料形成。第一板材21和第二板材22沿层叠体20的厚度方向交替配置。
层叠体20通过与第一板材21相同的材料也覆盖了侧面，固定成各层在与厚度方向垂直的面的方向无法移动。固定的方法不限于该方法，也可以使用设置贯通孔并利用铆钉固定等的方法进行固定。此外，还可以以各层无法相对移动的方式固定在其它板材上。
在加热工序S2中，对各相层被固定了的层叠体20进行加热。在该热处理中，在氢环境中将层叠体20加热至规定的温度。该规定的温度是小于铜的熔点的温度。该规定的温度例如为900℃。
压延工序S3在加热工序S2后进行。在压延工序S3中，使层叠体20通过压延辊。由此，第一板材21和第二板材22一边被压延，一边彼此接合，从而制造出图1和图2所示的结构的复合材料10。即，在复合材料10中，使用热压延接合法，将第一层11和第二层12接合。
<复合材料10的效果>
在使用包含铜的层(以下称为“铜层”)与包含钼和铜的层(以下称为“铜钼层”)交替层叠的板状的复合材料作为半导体封装件的散热器时，利用钎焊将壳体构件安装在该复合材料的表面。在进行该钎焊时，通常以800℃左右加热15分钟左右。
在上述的复合材料中，通常使用扩散接合法使铜层和铜钼层相互接合。其结果是大的压缩残余应力作用于铜层。通过上述在进行钎焊时的加热，铜层软化。伴随着铜层的软化，作用于铜层的压缩残余应力被释放，其结果是铜层大幅变形，在与铜钼层之间的接合界面产生裂纹。该裂纹使上述复合材料在层内方向的线膨胀系数增大。
在复合材料10中，使用热压延接合法进行第一层11和第二层12的接合。在使用热压延接合法进行接合时，因为铜的导热率大于钼的导热率，所以一边保持第一层11的温度比第二层12的温度高的状态一边被冷却，因此在与第二层12的界面附近不易残留形变。
因此，在复合材料10中，可以抑制在进行了壳体构件的钎焊后在第一层11与第二层12之间的接合界面产生裂纹。即，根据复合材料10，即使在进行了壳体构件的钎焊后，也能够维持低的在层内方向的线膨胀系数。
在以800℃保持15分钟之后，在使复合材料10的温度从室温变为200℃时，复合材料10在层内方向的线膨胀系数为6ppm/K以上且10ppm/K以下，并且复合材料10在厚度方向的导热率为230W/m·K以上(优选为261W/m·K以上)，在这种情况下，即使在进行了壳体构件的钎焊后，也能够维持复合材料10在厚度方向的导热率，同时降低复合材料10在层内方向的线膨胀系数。
在第一层11a的厚度T2以及第一层11b的厚度T2为厚度T1的15％以上，并且第一层11a中的铜的体积比率以及第一层11b中的铜的体积比率为90％以上的情况下，在第一表面10a侧以及第二表面10b侧，热容易沿层内方向扩散。因此，在这样的情况下，能够降低端部温度差。
钼的线膨胀系数比铜小，导热率比铜小。因此，复合材料10中的钼的体积比率越大，复合材料10在层内方向的线膨胀系数越小，复合材料10在厚度方向的导热率越小。厚度T3越大，复合材料10在厚度方向的导热率越小，复合材料10在层内方向的线膨胀系数越小。第二层12中的钼的体积比率越大，复合材料10在厚度方向的导热率越小，复合材料10在层内方向的线膨胀系数越小。
此外，铜的线膨胀系数比钼大，导热率比钼大。因此，第一层11a的厚度T2以及第一层11b的厚度T2越大，复合材料10在层内方向的线膨胀系数越大，复合材料10在厚度方向的导热率越大。
本发明人进行了深入的研究，在钼的体积比率大于13％且小于43％、厚度T3大于厚度T1的10％、第二层12中的钼的体积比率为55％以上、并且第一层11a的厚度T2以及第一层11b的厚度T2的25％以下的情况下，即使在进行了壳体构件的钎焊后，也能够维持复合材料10在厚度方向的导热率，同时降低复合材料10在层内方向的线膨胀系数。
<实施例>
准备样品1至样品37作为复合材料的样品。样品1至样品37是具有图2所示的结构的复合材料。在样品1至样品30中，使用热压延接合法将第一层11和第二层12接合。在样品31至样品37中，使用SPS(Spark Plasma Sintering，放电等离子烧结)法将第一层11和第二层12接合。SPS法是同时施加利用通电进行的焦耳加热和利用压制机构进行的加压，使金属等被成型材料的界面以原子级别粘结的方法，能够使粉末材料烧结致密化、使不同种材料的金属接合(扩散接合)。在本实施例中，利用了后者的效果。另外，在使用SPS法时，将层叠体20配置在筒状的石墨模具内，并且对层叠体20一边进行脉冲通电，一边加热、加压至规定的温度。该规定的温度是小于铜的熔点的温度。该规定的温度例如为900℃。加压压力采用在保持石墨模具的耐久性的范围内使复合材料的相对密度达到99体积％以上的条件，在未达到规定的温度的情况下，能够通过适当提高温度进行调整。
在表1中示出了样品1至样品37中的第一层11a和第一层11b的厚度T2、第一层11a和第一层11b中的铜的体积比率、第二层12的厚度T3、第二层12中的钼的体积比率、层数、以及作用于第一层11a和第一层11b的压缩残余应力。
虽然在表1中未示出，但是在样品1至样品37中，厚度T1全部为1mm。此外，在样品1至样品37中，在第一层11a和第一层11b以外的第一层11中的铜的体积比率全部为100％。此外，第一层11a和第一层11b以外的第一层11的厚度T2自然根据第一层11a和第一层11b的厚度T2、第二层12的厚度T3、层数、以及厚度T1决定，因此未在表1中示出。
【表1】
表1
将作用于第一层11a和第一层11b的压缩残余应力为50MPa以下设为条件A。样品1至样品30满足条件A，但是样品31至样品37不满足条件A。
将第一层11a以及第一层11b的厚度T2为厚度T1的25％以下设为条件B。将复合材料中的钼的体积比率大于13％且小于43％设为条件C。
将第二层12的厚度T3大于厚度T1的10％设为条件D。将第二层12中的钼的体积比率为55％以上设为条件E。
样品3至样品14、样品18至样品24、以及样品26至样品29还满足条件B、条件C、条件D、以及条件E。另一方面，样品1至样品2、样品15至样品17、样品25、以及样品30不满足条件B、条件C、条件D、以及条件E中的至少一个。
将第一层11a以及第一层11b中的铜的体积比率为90％以上设为条件F。将第一层11a以及第一层11b的厚度T2为厚度T1的15％以上设为条件G。
样品3至样品12、样品18至样品23、以及样品26至样品28还满足条件F以及条件G。另一方面，样品13至样品14、样品24、以及样品29不满足条件F、以及条件G中的至少任一个。
第一层11的数量和第二层12的数量为5以上、且厚度T3为厚度T1的18％以上设为条件H。样品3至样品11、以及样品18至样品19还满足条件H。另一方面，样品12、样品20至样品23、以及样品26至样品28不满足条件H。
在表2中示出样品1至样品37在层内方向的线膨胀系数、在厚度方向的导热率、以及端部温度差的测量结果。作为线膨胀系数，测量在以800℃进行15分钟的保持之后使温度从室温变为200℃时在层内方向的线膨胀系数(表2中的“第一线膨胀系数”)、在以800℃进行15分钟的保持之前使温度从室温变为200℃时在层内方向的线膨胀系数(表2中的“第二线膨胀系数”)、以及在以800℃进行15分钟的保持之前使温度从室温变为800℃时在层内方向的线膨胀系数(表2中的“第三线膨胀系数”)。导热率在以800℃进行15分钟的保持之后测量。
【表2】
表2
样品31至样品37的第一线膨胀系数比样品1至样品30的第一线膨胀系数大。如上所述，样品1至样品30满足条件A，另一方面，样品31至样品37不满足条件A。
由该比较显然可知，通过使作用于第一层11a和第一层11b的压缩残余应力为50MPa以下，可以在施加用于进行钎焊的热时，抑制在第一层11与第二层12的接合界面产生裂纹(即使在施加了用于进行钎焊的热后，也可以维持低的线膨胀系数)。
样品3至样品14、样品18至样品24、以及样品26至样品29还满足第一线膨胀系数为6ppm/K以上且10ppm/K以下、以及在层内方向的导热率为261W/m·K以上。如上所述，样品3至样品14、样品18至样品24、以及样品26至样品29还满足条件B、条件C、条件D、以及条件E。
由该比较显然可知，通过使钼的体积比率大于13％且小于43％、厚度T3大于厚度T1的10％、第一层11a的厚度T2以及第一层11b的厚度T2的25％以下、且第二层12中的钼的体积比率为55％以上，即使在施加了用于进行钎焊的热后，也能够维持复合材料10在厚度方向的导热率，同时降低复合材料10在层内方向的线膨胀系数。
样品3至样品14、样品18至样品24、以及样品26至样品29的第三线膨胀系数为7.5ppm/K以上且8.5ppm/K以下。如上所述，样品3至样品14、样品18至样品23、以及样品26至样品28还满足条件B、条件C、条件D、以及条件E。
由该比较显然可知，通过使钼的体积比率大于13％且小于43％、厚度T3大于厚度T1的10％、第一层11a的厚度T2以及第一层11b的厚度T2的25％以下、且第二层12中的钼的体积比率为55％以上，能够抑制由于复合材料10的线膨胀系数与壳体构件的线膨胀系数的不同而引起在钎料中产生裂纹。
样品3至样品12、样品18至样品23、以及样品26至样品28的端部温度差小于50℃。如上所述，样品3至样品12、样品18至样品23、以及样品26至样品28还满足条件F、以及条件G。
由该比较显然可知，通过使第一层11a的厚度T2以及第一层11b的厚度T2为厚度T1的15％以上、并且第一层11a中的铜的体积比率以及第一层11b中的铜的体积比率为90％以上，能够减小端部温度差。
样品3至样品11、以及样品18至样品19的第一线膨胀系数与第二线膨胀系数的差为0.3ppm/K以下。此外，在样品3至样品11、以及样品18至样品19中，作用于第一层11a和第一层11b的压缩残余应力为40MPa以下。由该比较显然可知，通过使第一层11的数量和第二层12的数量的总和为5以上、且厚度T3为厚度T1的18％以上，可以进一步减小作用于第一层11a和第一层11b的压缩残余应力，可以抑制由于施加用于进行钎焊的热而导致在层内方向的线膨胀系数的增加。
(第二实施方式)
对第二实施方式的半导体封装件(以下称为“半导体封装件100”)进行说明。
图7是半导体封装件100的分解立体图。如图7所示，半导体封装件100具有：复合材料10、半导体元件30、壳体构件40、盖50、端子60a、以及端子60b。
复合材料10在半导体封装件100中作为散热器发挥功能。半导体元件30配置在第一表面10a上。在半导体元件30与第一表面10a之间，也可以夹着导热构件。半导体元件30在工作时成为发热源。
壳体构件40由例如陶瓷材料形成。陶瓷材料例如是氧化铝。壳体构件40以包围半导体元件30的方式配置在第一表面10a上。壳体构件40的下端(第一表面10a侧的端)与第一表面10a之间通过例如钎焊接合。盖50由例如陶瓷材料或金属材料形成。盖50封闭壳体构件40的上端侧。
端子60a和端子60b插入壳体构件40。其结果是端子60a和端子60b的一端位于由第一表面10a、壳体构件40以及盖50划分的空间内，端子60a和端子60b的另一端位于该空间的外部。端子60a和端子60a由例如金属材料形成。金属材料为例如科伐合金(kovar)。
虽未图示，但端子60a和端子60b的一端侧与半导体元件30电连接。半导体封装件100在端子60a和端子60b的另一端侧与半导体封装件100以外的其他装置或电路电连接。
在第二表面10b安装有散热构件70。散热构件70例如是在内部形成有冷却剂流经的流路的金属板。但是，散热构件70不限于此。散热构件70也可以是例如散热片。在散热构件70与第二表面10b之间，也可以夹着导热构件。
应当认为，本次公开的实施方式在各方面都是示例，不具有限制性。本发明的范围不通过上述实施方式表示，而是通过权利要求书的范围表示，旨在包括与权利要求书的范围等同的含义和范围内的所有变化。
附图标记说明
10复合材料；10a第一表面；10b第二表面；11、11a、11b第一层；12第二层；15薄片；16块；20层叠体；21第一板材；22第二板材；30半导体元件；40壳体构件；50盖；60a端子；60b端子；70散热构件；80铝散热片；90发热体；100半导体封装件；P负荷；S1准备工序；S2加热工序；S3压延工序；T1、T2、T3厚度。

Claims (19)

1.一种复合材料，其为板状，具有第一表面和作为所述第一表面的相反面的第二表面，
所述复合材料具有多个第一层和至少一个第二层，
所述第一层和所述第二层以所述第一层位于所述第一表面和所述第二表面的方式沿所述复合材料的厚度方向交替层叠，
所述第一层是包含铜的层，
所述第二层是含浸有铜的钼粉末压坯的层，
作用于位于所述第一表面的所述第一层以及位于所述第二表面的所述第一层的压缩残余应力为50MPa以下。
2.根据权利要求1所述的复合材料，其中，
在以800℃保持15分钟之后，在使所述复合材料的温度从室温变为200℃时，所述复合材料在与所述第一表面和所述第二表面平行的方向的线膨胀系数为6ppm/K以上且10ppm/K以下，
在以800℃保持15分钟之后，所述复合材料在厚度方向的导热率为230W/m·K以上。
3.根据权利要求1或2所述的复合材料，其中，
所述第一层的数量和所述第二层的数量的总和为5以上，
在以800℃保持15分钟之后，所述复合材料在厚度方向的导热率为261W/m·K以上。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的复合材料，其中，
在以800℃保持15分钟之前，在使所述复合材料的温度从室温变为800℃时，所述复合材料在与所述第一表面和所述第二表面平行的方向的线膨胀系数为7.5ppm/K以上且8.5ppm/K以下。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的复合材料，其中，
位于所述第一表面的所述第一层以及位于所述第二表面的所述第一层的厚度为所述复合材料的厚度的25％以下，
所述第二层的厚度大于所述复合材料的厚度的10％，
所述第二层中的钼的体积比率为55％以上，
所述复合材料中的钼的体积比率大于13％且小于43％。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的复合材料，其中，
位于所述第一表面的所述第一层中以及位于所述第二表面的所述第一层中的铜的体积比率为90％以上，
位于所述第一表面的所述第一层的厚度以及位于所述第二表面的所述第一层的厚度为所述复合材料的厚度的15％以上。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的复合材料，其中，
所述第二层的厚度为所述复合材料的厚度的18％以上，
在以800℃进行15分钟保持的前后，在使所述复合材料的温度从室温变为200℃时，所述复合材料在与所述第一表面和所述第二表面平行的方向的线膨胀系数的变化为0.3ppm/K以下。
8.一种复合材料，其为板状，具有第一表面和作为所述第一表面的相反面的第二表面，
所述复合材料具有多个第一层和至少一个第二层，
所述第一层和所述第二层以所述第一层位于所述第一表面和所述第二表面的方式沿所述复合材料的厚度方向交替层叠，
所述第一层是包含铜的层，
所述第二层是含浸有铜的钼粉末压坯的层，
在以800℃保持15分钟之后，在使所述复合材料的温度从室温变为200℃时，所述复合材料在与所述第一表面和所述第二表面平行的方向的线膨胀系数为6ppm/K以上且10ppm/K以下，
在以800℃保持15分钟之后，所述复合材料在厚度方向的导热率为230W/m·K以上。
9.根据权利要求8所述的复合材料，其中，
在以800℃保持15分钟之前，在使所述复合材料的温度从室温变为800℃时，所述复合材料在与所述第一表面和所述第二表面平行的方向的线膨胀系数为7.5ppm/K以上且8.5ppm/K以下。
10.根据权利要求8或9所述的复合材料，其中，
所述第一层的数量和所述第二层的数量的总和为5以上，
在以800℃保持15分钟之后，所述复合材料在厚度方向的导热率为261W/m·K以上。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的复合材料，其中，
位于所述第一表面的所述第一层以及位于所述第二表面的所述第一层的厚度为所述复合材料的厚度的25％以下，
所述第二层的厚度大于所述复合材料的厚度的10％，
所述第二层中的钼的体积比率为55％以上，
所述复合材料中的钼的体积比率大于13％且小于43％。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的复合材料，其中，
位于所述第一表面的所述第一层中以及位于所述第二表面的所述第一层中的铜的体积比率为90％以上，
位于所述第一表面的所述第一层的厚度以及位于所述第二表面的所述第一层的厚度为所述复合材料的厚度的15％以上。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的复合材料，其中，
所述第二层的厚度为所述复合材料的厚度的18％以上，
在以800℃进行15分钟保持的前后，在使所述复合材料的温度从室温变为200℃时，所述复合材料在与所述第一表面和所述第二表面平行的方向的线膨胀系数的变化为0.3ppm/K以下。
14.一种半导体封装件，其具有：复合材料、以及壳体构件，
所述复合材料为板状，具有第一表面和作为所述第一表面的相反面的第二表面，
所述壳体构件钎焊在所述第一表面和所述第二表面中的任一个表面上，
所述复合材料具有多个第一层和至少一个第二层，
所述第一层和所述第二层以所述第一层位于所述第一表面和所述第二表面的方式沿所述复合材料的厚度方向交替层叠，
所述第一层是包含铜的层，
所述第二层是含浸有铜的钼粉末压坯的层，
在使所述复合材料的温度从室温变为200℃时，所述复合材料在与所述第一表面和所述第二表面平行的方向的线膨胀系数为6ppm/K以上且10ppm/K以下，
所述复合材料在厚度方向的导热率为230W/m·K以上。
15.根据权利要求14所述的半导体封装件，其中，
所述第一层的数量和所述第二层的数量的总和为5以上，
在以800℃保持15分钟之后，所述复合材料在厚度方向的导热率为261W/m·K以上。
16.根据权利要求14或15所述的半导体封装件，其中，
位于所述第一表面的所述第一层以及位于所述第二表面的所述第一层的厚度为所述复合材料的厚度的25％以下，
所述第二层的厚度大于所述复合材料的厚度的10％，
所述第二层中的钼的体积比率为55％以上，
所述复合材料中的钼的体积比率大于13％且小于43％。
17.根据权利要求14至16中任一项所述的半导体封装件，其中，
位于所述第一表面的所述第一层中以及位于所述第二表面的所述第一层中的铜的体积比率为90％以上，
位于所述第一表面的所述第一层的厚度以及位于所述第二表面的所述第一层的厚度为所述复合材料的厚度的15％以上。
18.根据权利要求14至17中任一项所述的半导体封装件，其中，
所述第二层的厚度为所述复合材料的厚度的18％以上，
在以800℃进行15分钟的保持前后，在使所述复合材料的温度从室温变为200℃时，所述复合材料在与所述第一表面和所述第二表面平行的方向的线膨胀系数的变化为0.3ppm/K以下。
19.一种复合材料的制造方法，包括：
准备层叠体的工序；
加热所述层叠体的工序；以及
对被加热了的状态的所述层叠体进行压延的工序，
所述层叠体具有第一表面和作为所述第一表面的相反面的第二表面，
所述层叠体具有多个第一板材和至少一个第二板材，
所述第一板材和所述第二板材以所述第一板材位于所述第一表面和所述第二表面的方式沿所述层叠体的厚度方向交替层叠，
所述第一板材包含铜，
所述第二板材是含浸有铜的钼粉末压坯。
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