JP2001332665A

JP2001332665A - 半導体用放熱板、およびその製造方法

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Publication number: JP2001332665A
Application number: JP2000153036A
Authority: JP
Inventors: Makoto Hori; 誠堀; Takashi Suzumura; 隆志鈴村; 慶平 ▲冬▼; Kiyouhei Fuyu; Tadao Otani; 忠男大谷; Noboru Hagiwara; 登萩原
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2000-05-24
Filing date: 2000-05-24
Publication date: 2001-11-30

Abstract

(57)【要約】【課題】高価な材料を用いることなく省コスト性に優
れ、特に半導体素子側の熱膨張を抑えて熱伝導性に優れ
る半導体用放熱板、およびその製造方法を提供する。【解決手段】穴あき銅箔３の熱膨張率および熱伝導率
より小なる熱膨張率および熱伝導率を有した銅複合材２
を穴あき銅箔３の吸熱側から放熱側にかけて埋設した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体用放熱板、お
よびその製造方法に関し、特に、半導体接合部の熱膨張
を抑えながら放熱性が良好で、生産性、省コスト性に優
れる半導体用放熱板、およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体素子を搭載した半導体装置
は、その動作時に熱を発生する。この発熱に起因する半
導体素子の特性劣化、短寿命化を防ぐために放熱板を設
け、半導体素子およびその近傍での温度上昇を抑制する
ようにした半導体装置が提案され、実用化されている。

【０００３】近年、半導体装置の高容量化、高速化に伴
い半導体素子の発熱量が増大する傾向にあり、熱伝導性
に優れ、熱膨張率が小で、かつ、廉価な放熱板が要求さ
れている。熱伝導性に優れる材料としては銅が知られて
おり、熱伝導率が３９３Ｗ／（ｍ・Ｋ）と大で、かつ低
価格であるため、ＬＳＩの放熱部材として一般に用いら
れている。

【０００４】また、各種オン・オフ機能をもつ電力やエ
ネルギーの変換、制御用の半導体素子では発熱量が特に
大であるので、熱伝導性および熱膨張率に優れる放熱板
が用いられている。このような放熱板の材料として、熱
膨張率が半導体素子を形成するＳｉの熱膨張率に近い材
料（Ｍｏ、Ｗ）が使われている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の放熱板
によると、銅で形成した場合には放熱性および製造コス
トに優れる反面、発熱量の増大に伴って熱膨張が大にな
り、発熱量の大なる半導体装置に用いると熱破壊を生じ
る恐れがある。また、Ｍｏ、Ｗで形成した場合には放熱
性を大にしつつ熱膨張率を小にできる反面、製造コスト
が大になるという問題がある。

【０００６】従って、本発明の目的は、高価な材料を用
いることなく省コスト性に優れ、特に半導体素子側の熱
膨張を抑えて熱伝導性に優れる半導体用放熱板、および
その製造方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するため、半導体素子から発生する熱を放熱する半導
体用放熱板において、所定のパターンで点在する複数の
穴を有し、所定の熱膨張率および熱伝導率を有する板状
の伝熱部材と、前記板状の伝熱部材に点在する前記複数
の穴に充填され、前記所定の熱膨張率および熱伝導率よ
り小なる熱膨張率および熱伝導率を有した充填部材より
構成される半導体用放熱板を提供する。

【０００８】また、本発明は、上記目的を達成するた
め、酸化銅の粒体を１０〜７０体積％含む銅の粒体によ
って構成された粒状の銅複合材を用意し、連続的に供給
される帯状の銅箔に重ねて複数の穴を有する帯状の穴あ
き銅箔を連続的に供給し、前記銅複合材を前記穴あき銅
箔上に供給して前記複数の穴に充填し、前記銅箔とその
上に重ねられた前記穴あき銅箔を圧延して前記銅複合材
の分布を均一化し、前記銅複合材を有する前記銅箔およ
び穴あき銅箔を加熱処理して焼結体を形成し、前記焼結
体を所定の厚さとなるように圧延し、圧延後の焼結体を
所定の寸法に加工して半導体用放熱板にする半導体用放
熱板の製造方法を提供する。

【０００９】上記した半導体用放熱板、およびその製造
方法によると、板状の伝熱部材より熱伝導率より小なる
熱膨張率および熱伝導率を有した充填部材を伝熱部材に
点在する複数の穴に充填して吸熱側から放熱側にかけて
設けることで、充填部材の組成に基づいて熱膨張に基づ
く変形を吸収する。このことにより吸熱側（半導体装
置）で放熱板の変形を抑制しながら伝熱部材を介して放
熱側への熱を速やかに放出することが可能になる。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の第１の実施の形
態に係る半導体用放熱板を示し、（ａ）は縦断面、
（ｂ）は上面（半導体装置側）、（ｃ）はＡ−Ａ部の横
断面を示す。この半導体用放熱板（以下、複合放熱板と
いう）１は、銅（Ｃｕ）および酸化銅（Ｃｕ₂Ｏ）の混
合焼結材からなる銅複合材２と、円形、角型、ひし形等
の穴３Ａを開口された穴あき銅箔３と、穴あき銅箔３の
下部に焼結材層６を介して設けられる銅箔４と、穴あき
銅箔３の半導体装置側に積層される焼結材層５で形成さ
れており、同図（ｃ）に示すように、穴あき銅箔３は楕
円状の穴３Ａを規則的に配列されて、穴３Ａの内部に銅
複合材２が充填されている。また、穴３Ａの大きさ、
数、間隔は銅複合材２を構成する混合粉の粒径に基づい
て決定する。穴あき銅箔３の縁の有無は限定しないが、
穴３Ａは穴あき銅箔３に均一に分散していることが好ま
しい。

【００１１】本発明で用いる銅複合材２は、金属と該金
属よりも熱膨張係数が小さい無機化合物粒子を有し、こ
の金属中に無機化合物粒子が分散することを特徴とす
る。また、金属中に分散する無機化合物粒子は、直径が
２００μｍ以下で、好ましくは６０μｍ以下である。こ
れは、金属中に無機化合物粒子が分散することにより低
熱膨張性の銅複合材が得られることによる。

【００１２】また、銅複合材２は、Ｃｕ₂Ｏを２０〜７
０体積％含むＣｕ合金からなり、室温から３００℃にお
ける熱膨張係数が７〜１４×１０^-6／Ｋおよび熱伝導率
が８０〜２８８Ｗ／ｍ・Ｋであることを特徴とする。Ｃ
ｕ₂Ｏ量が２０体積％以下では、熱膨張率が１４×１０
^-6／Ｋ以上となり、また、Ｃｕ₂Ｏ量が７０体積％以上
では、熱伝導率が８０Ｗ／ｍ・Ｋ以下となり、好ましく
ない。

【００１３】本発明に使用する銅複合材２の他に、金属
としてＣｕ以外に電気伝導性の高いＡｕ，Ａｇ，Ａｌも
使用可能である。また、無機化合物として室温から３０
０℃の温度範囲における熱膨張係数が５×ｌ０^-6／Ｋ以
下の酸化錫、酸化亜鉛、酸化鉛、酸化ニッケル、酸化ア
ルミニウム（Ａ１₂Ｏ₃）等も使用可能である。

【００１４】図２は、複合放熱板の製造装置を示し、穴
あき銅箔３を供給する供給ロール７と、銅箔４を供給す
る供給ロール８と、銅複合材２の混合粉２Ａを供給する
ホッパー９、混合粉２Ａを穴あき銅箔３の穴（図示せ
ず）および表裏に行き渡らせるための加振用振動機１０
と、混合粉２Ａを加熱して焼結させる加熱器１１と、加
熱器１１にアルゴンガスＡｒを供給する吸気ダクト１１
Ａと、加熱器１１からアルゴンガスＡｒを放出する排気
ダクト１１Ｂと、ホッパー９により供給された混合粉２
Ａを圧延して成形する成形ロール１３と、混合粉２Ａを
加熱して形成した焼結材１４を圧延する圧延ロール１５
と、成形ロール１３と圧延ロール１５の間に接続される
加熱用電源装置１６と、複合放熱板１に形成される酸化
スケールを除去する電動ブラシ１７と、酸化スケールの
飛散を防ぐカバー部１８と、カバー部１８に空気等の気
体を供給する吸気ダクト１８Ａと、カバー部１８から気
体を放出する排気ダクト１８Ｂと、複合放熱板１を所定
の長さに切断する切断機１９と、切断機１９の設けられ
る部分に位置する切断機テーブル２０と、所定の位置に
配置されて穴あき銅箔３および銅箔４をガイドするガイ
ドロール２２を有する。

【００１５】図３は、加熱器１１を拡大して示し、加熱
用電源装置１６は、成形ロール１３と圧延ロール１５に
通電することによりロール間の穴あき銅箔３および銅箔
４が発熱する。このことにより混合粉２Ａが加熱されて
焼結する。

【００１６】以下に、上記した製造装置による半導体用
放熱板の製造方法を説明する。

【００１７】まず、銅複合材（焼結材）２用の混合粉２
Ａを形成する。本実施の形態では、平均粒径３７μｍの
電解Ｃｕ粉と粒径２μｍ以下のＣｕＯ粉末を調合して混
合粉２Ａとして用いる。電解Ｃｕ粉とＣｕＯ粉はスチー
ルボールを入れた乾式ボールミルで１０ｈ混合して混合
粉としており。この電解Ｃｕ粉とＣｕＯ粉の比率を変え
て第１〜第７銅複合材を作成した。

【００１８】次に、穴あき銅箔３および銅箔４を供給ロ
ール７及び８から送り出し、その上にホッパー９により
上記した混合粉２Ａを投下する。混合粉２Ａは、穴あき
銅箔３上に落下する。

【００１９】次に、混合粉２Ａを搭載した穴あき銅箔３
および銅箔４を加振用振動機１０で振動させる。このこ
とによって穴あき銅箔３の表裏に混合粉２Ａが行き渡
る。この後、成形ロール１３で圧延して混合粉２Ａを穴
３Ａへ充填するとともに量を均一化する。

【００２０】次に、成形ロール１３で穴あき銅箔３およ
び銅箔４を圧延して混合粉２Ａを成形し、加熱器１１に
搬送する。加熱器１１には吸気ダクト１１Ａからアルゴ
ンガスＡｒを供給する。加熱器１１において、混合粉２
Ａは下流の成形ロール１３に搬送される過程で加熱され
て所定の密度を有する焼結材１４となる。加熱温度はＣ
ｕＯの含有量に応じて８５０〜１０００℃の間で行う。
アルゴンガスＡｒは焼結材１４の還元を防止する。成形
ロール１３は、焼結材１４、穴あき銅箔３、および銅箔
４を０．２ｍｍとなるように圧延して複合放熱板１を形
成する。複合放熱板１はカバー部１８内の電動ブラシ１
７で研磨されて酸化スケールを除去した後、切断機１９
で切断されて所定の長さの複合放熱板１となる。

【００２１】上記した第１〜第７銅複合材を用いて形成
した複合放熱板１に対して、室温〜３００℃の温度範囲
でＴＭＡ(Thermal Mechanical Analysis)装置を用い
て測定した熱膨張率及びレーザーフラッシュ法により求
めた熱伝導率の参考データを以下の表１に示す。

【表１】今日、半導体装置用の複合放熱板について要求される数
値は、熱膨張率が１０ｐｐｍ／Ｋ以下で、熱伝導率が１
５０Ｗ／Ｋ・ｍ以上である。この要求を満たすものとし
て第４銅複合材（Ｃｕ＝５０％、Ｃｕ₂Ｏ＝５０％）を
用いた複合放熱板が該当する。

【００２２】上記したように、ＣｕとＣｕ₂Ｏからなる
低熱膨張性の銅複合材と穴あき銅箔及び銅箔を組み合わ
せることにより、複合放熱板の半導側において低熱膨張
率で、放熱側において熱膨張率の高い、高熱伝導性の半
導体用放熱板を提供することができる。また、ＣｕとＣ
ｕ₂Ｏからなる混合粉を穴あき銅箔及び銅箔に供給し、
粉成形、焼結、圧延、スケール除去、定尺切断を連続的
に行うことにより、大幅な省力化が可能となり、製造コ
ストの低減ができる。

【００２３】図４は、本発明の第２の実施の形態に係る
穴あき銅箔を示し、ひし形の穴３Ａを開口された穴あき
銅箔３を用いても第１の実施の形態の複合放熱板１と同
様の効果を奏することができる。

【００２４】図５は、本発明の第３の実施の形態に係る
他の穴あき銅箔を示し、ひし形の穴３Ａと円形の穴３Ｂ
とを開口された穴あき銅箔３を用いても第１の実施の形
態の複合放熱板１と同様の効果を奏することができる。
この場合、接合される半導体素子の発熱状態に基づいて
穴３Ａと穴３Ｂの配列を適宜設定すれば、熱伝導性を損
なうことなく熱膨張を緩和して半導体素子との接合不良
を防ぐことが可能になる。同図においては穴あき銅箔３
に縁３Ｃを設けているが、縁を設けない穴あき銅箔３と
しても良い。

【００２５】図６は、本発明の第４の実施の形態に係る
他の半導体用放熱板の断面を示し、穴あき銅箔３の下部
に銅箔４を設ける構成において図１に示す複合放熱板１
と相違している。その他の構成および機能については第
１の実施の形態の複合放熱板１と同一であるので、重複
する説明を省略する。

【００２６】上記した半導体用放熱板によると、Ｃｕと
Ｃｕ₂Ｏからなる低熱膨張性の銅複合材と穴あき銅箔及
び銅箔を組み合わせることにより、複合放熱板の半導側
において低熱膨張率で、放熱側において熱膨張率の高
い、高熱伝導性の半導体用放熱板の厚さを低減すること
ができる。

【００２７】図７は、本発明の第５の実施の形態に係る
他の半導体用放熱板の断面を示し、穴あき銅箔３に代え
て細孔２３Ａを有する網状の銅テープ２３を用いる構成
において図１に示す複合放熱板１と相違している。銅テ
ープ２３に設けられる細孔２３Ａには銅複合材２を充填
している。その他の構成および機能については第１の実
施の形態の複合放熱板１と同一であるので、重複する説
明を省略する。

【００２８】図８は、本発明の第６の実施の形態に係る
他の半導体用放熱板の断面を示し、穴あき銅箔３の下部
を放熱面とした構成において図１に示す複合放熱板１と
相違している。その他の構成および機能については第１
の実施の形態の複合放熱板１と同一であるので、重複す
る説明を省略する。

【００２９】上記した半導体用放熱板によると、Ｃｕと
Ｃｕ₂Ｏからなる低熱膨張性の銅複合材と穴あき銅箔を
組み合わせることにより、複合放熱板の半導側において
低熱膨張率で、放熱側において熱膨張率の高い、高熱伝
導性の半導体用放熱板の厚さを更に低減することができ
る。

【００３０】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明の半導体用放
熱板、およびその製造方法によると、複数の穴を有する
伝熱部材の熱膨張率および熱伝導率より小なる熱膨張率
および熱伝導率を有した充填部材を伝熱部材の複数の穴
に充填して吸熱側から放熱側にかけて設けたため、高価
な材料を用いることなく省コスト性に優れ、特に半導体
素子側の熱膨張を抑えて優れた熱伝導性を付与すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る半導体用放熱
板を示し（ａ）は縦断面図、（ｂ）は上面図（半導体装
置側）、（ｃ）はＡ−Ａ部の横断面図

【図２】半導体用放熱板の製造装置を示す説明図

【図３】半導体用放熱板の製造装置における加熱器の拡
大図

【図４】本発明の第２の実施の形態に係る穴あき銅箔を
示す説明図

【図５】本発明の第３の実施の形態に係る他の穴あき銅
箔を示す説明図

【図６】本発明の第４の実施の形態に係る他の半導体用
放熱板の断面図

【図７】本発明の第５の実施の形態に係る他の半導体用
放熱板の断面図

【図８】本発明の第６の実施の形態に係る他の半導体用
放熱板の断面図

【符号の説明】

１複合放熱板２銅複合材２Ａ混合粉３銅箔３Ａ穴３Ｂ穴３Ｃ縁４銅箔５焼結材層６焼結材層７供給ロール８供給ロール９ホッパー１０加振用振動機１１加熱器１１Ａ吸気ダクト１１Ｂ排気ダクト１３成形ロール１４焼結材１５圧延ロール１６加熱用電源装置１７電動ブラシ１８カバー部１８Ａ吸気ダクト１８Ｂ排気ダクト１９切断機２０切断機テーブル２２ガイドロール２３Ａ細孔２３銅テープ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ▲冬▼ 慶平茨城県日立市日高町５丁目１番１号日立電線株式会社総合技術研究所内 (72)発明者大谷忠男茨城県日立市日高町５丁目１番１号日立電線株式会社総合技術研究所内 (72)発明者萩原登茨城県日立市日高町５丁目１番１号日立電線株式会社総合技術研究所内Ｆターム(参考） 5F036 AA01 BB01 BD01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体素子から発生する熱を放熱する半
導体用放熱板において、所定のパターンで点在する複数の穴を有し、所定の熱膨
張率および熱伝導率を有する板状の伝熱部材と、前記板状の伝熱部材に点在する前記複数の穴に充填さ
れ、前記所定の熱膨張率および熱伝導率より小なる熱膨
張率および熱伝導率を有した充填部材より構成されるこ
とを特徴とする半導体用放熱板。
【請求項２】前記複数の穴は、円形、角型、ひし型等
の断面形状を有する構成の請求項第１項記載の半導体用
放熱板。
【請求項３】前記充填部材は、酸化銅の粒体を１０〜
７０体積％含む銅の粒体によって構成された粒状の銅複
合材を焼結することによって形成される構成の請求項第
１項記載の半導体用放熱板。
【請求項４】前記板状の伝熱部材は、前記充填部材に
よって片面あるいは両面を被覆されている構成の請求項
第１項記載の半導体用放熱板。
【請求項５】前記板状の伝熱部材は、銅箔によって片
面を被覆されている構成の請求項第１項記載の半導体用
放熱板。
【請求項６】前記板状の伝熱部材は、前記充填部材に
よって片面を被覆され、かつ、その上を銅箔によって被
覆されている構成の請求項第１項記載の半導体用放熱
板。
【請求項７】酸化銅の粒体を１０〜７０体積％含む銅
の粒体によって構成された粒状の銅複合材を用意し、連続的に供給される帯状の銅箔に重ねて複数の穴を有す
る帯状の穴あき銅箔を連続的に供給し、前記銅複合材を前記穴あき銅箔上に供給して前記複数の
穴に充填し、前記銅箔とその上に重ねられた前記穴あき銅箔を圧延し
て前記銅複合材の分布を均一化し、前記銅複合材を有する前記銅箔および穴あき銅箔を加熱
処理して焼結体を形成し、前記焼結体を所定の厚さとなるように圧延し、圧延後の焼結体を所定の寸法に加工して半導体用放熱板
にすることを特徴とする半導体用放熱板の製造方法。
【請求項８】前記加熱処理をアルゴンガス雰囲気中で
行う請求項第７項記載の半導体用放熱板の製造方法。
【請求項９】前記加熱処理を前記酸化銅の含有率に応
じて８５０℃から１０００℃の範囲で行う請求項第７項
記載の半導体用放熱板の製造方法。
【請求項１０】前記焼結体から酸化スケールを除去し
た後に前記所定の寸法に加工する請求項第７項記載の半
導体用放熱板の製造方法。