JP2004303818A

JP2004303818A - ヒートスプレッダモジュールの製造方法及びヒートスプレッダモジュール

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Publication number: JP2004303818A
Application number: JP2003092511A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Ishikawa; 貴浩石川; Masayuki Shinkai; 正幸新海; Makoto Miyahara; 誠宮原; Shuhei Ishikawa; 修平石川; Nobusuke Nakayama; 信亮中山; Seiji Yasui; 誠二安井
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2003-03-28
Filing date: 2003-03-28
Publication date: 2004-10-28
Anticipated expiration: 2023-03-28
Also published as: KR20040085043A; KR100564113B1; US20080272180A1; US20040191558A1; DE102004014703A1; US7433187B2; JP4014528B2

Abstract

【課題】ヒートスプレッダモジュールを接合する際に、余剰の硬ろう材を生じることなく、しかも、必要な接合強度を得られるようにする。
【解決手段】ヒートスプレッダモジュール１０は、台座１２と、該台座１２上に第１の硬ろう材１８を介して接合されたヒートスプレッダ材１４と、該ヒートスプレッダ材１４上に第２の硬ろう材２０を介して接合された中間層２４と、該中間層２４上に第３の硬ろう材２８を介して接合された絶縁基板２２と、該絶縁基板２２上に第４の硬ろう材３０を介して接合された回路基板２６とを有し、第１〜第４の硬ろう材１８、２０、２８、３０は、加圧接合時での各硬ろう材１８、２０、２８、３０の厚みが３〜２０μｍとなるように供給され、かつ、活性元素（Ｔｉ）の含有量が４００〜１０００μｇ／ｃｍ^２である。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体等で構成されたＩＣチップ等を冷却するために使用されるヒートスプレッダモジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ゲート隔離型バイポーラトランジスタ）等の半導体装置の発熱を効果的に放散させる部材としてのヒートスプレッダモジュールは、回路基板、絶縁基板及びヒートスプレッダ材（熱拡散層）、台座により構成される。更に必要に応じてこれら部材間に応力緩衝層を設けることもある。従来、これら部材を接合する際には、半田層（融点＝２５０℃程度）を用いて接合することが多かった。
【０００３】
しかし、半田層が大きな熱抵抗となることと、回路基板と絶縁基板とのろう接合工程と、接合体と台座との接合工程の２つの工程を経由することから製造コストを高価格化させる要因となっていた。
【０００４】
そこで、本発明者らは、先に特許文献１において、回路基板、絶縁基板、中間層及びヒートシンク材を硬ろう材を用いて加圧しつつ加熱して接合することで、熱抵抗となる接合層を残留させず、かつ、１工程で接合する手法を開示した。この手法によれば、高い熱伝導率をもったヒートスプレッダモジュールを安価に得ることができる。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−４３４８２号公報（段落［００３３］、図５Ａ）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述の１工程で接合を完了する手法においては、硬ろう材を供給しすぎると、接合時に余剰の硬ろう材が台座周辺に押し出されることになる。この場合、押し出された硬ろう材を除去しなければならず、製造コストが高くなるおそれがある。
【０００７】
また、溶融した硬ろう材が押し出されると、例えば回路基板や緩衝層として用いている銅板の側端面と硬ろう材が接触することになるが、この場合、当該硬ろう材と銅板との合金化が促進され、該合金化された部分の電気伝導率や熱伝導率が銅に比べて低下したり、あるいは耐力が上昇して応力緩衝効果が銅に比べて低減するなどヒートスプレッダモジュールとしての品質を劣化させるおそれがある。
【０００８】
そこで、硬ろう材が押し出されないように、硬ろう材の供給量を低減することが考えられるが、接合に必要な活性元素の絶対量が不足するおそれがあり、この場合、必要な接合強度が得られないという新たな問題が生じるおそれがある。
【０００９】
本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、ヒートスプレッダモジュールを接合する際に、余剰の硬ろう材を生じることなく、しかも、必要な接合強度を得ることができるヒートスプレッダモジュールの製造方法及びヒートスプレッダモジュールを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るヒートスプレッダモジュールの製造方法は、台座上に少なくともヒートスプレッダ材と絶縁基板と金属板とが接合されたヒートスプレッダモジュールの製造方法において、少なくとも前記台座と、ヒートスプレッダ材と、絶縁基板と、金属板との間にそれぞれ活性元素を含む硬ろう材を供給する工程と、これらの積層された部材を加圧しつつ加熱して硬ろう材を溶融させて接合する工程とを含み、前記各硬ろう材は、溶融させた際に厚みが３〜２０μｍとなるように供給され、かつ、前記活性元素の含有量が４００〜１０００μｇ／ｃｍ^２であることを特徴とする。
【００１１】
これにより、まず、各硬ろう材を、溶融させた際に各硬ろう材の厚みが３〜２０μｍとなるように供給するようにしたので、前記台座、ヒートスプレッダ材、絶縁基板及び金属板を所定の圧力をかけつつ加熱して接合した際に、押し出される硬ろう材の量をほとんどゼロに近い状態あるいは少ないものとすることができる。そのため、押し出された硬ろう材を除去する工程を省略することができ、製造コストを抑えることができる。しかも、金属板の表面の合金化、緩衝層として用いている銅板の側端面へのろう材のはみ出しや合金化による応力緩衝効果の低下を抑制することができ、ヒートスプレッダモジュールとしての品質を劣化させることはない。
【００１２】
また、活性元素の含有量を５０〜２０００μｇ／ｃｍ^２、より望ましくは４００〜１０００μｇ／ｃｍ^２としたので、接合に必要な活性元素の絶対量を十分に確保でき、必要な接合強度を得ることができる。
【００１３】
そして、前記製造方法において、前記活性元素はＴｉであることが好ましい。この場合、前記硬ろう材として、前記活性元素であるＴｉを３〜１５質量％含む硬ろう材を用いることが好ましい。また、前記硬ろう材として、Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ−Ｔｉの硬ろう材を用いることが好ましい。
【００１４】
前記製造方法においての前記硬ろう材は、部材間に板材として積層するか、あるいはペーストとして被接合部材に印刷されるか、もしくはバインダーを用いて粉体を被接合部材に塗布することで供給することができる。
【００１５】
また、前記製造方法において、活性元素を含む硬ろう材のかわりに、活性元素を含まない硬ろう材粉体と活性元素粉体を混合した硬ろう材粉体、もしくはこれらのペーストを用いることもできる。この場合、活性元素を含まない硬ろう材としては、Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎの硬ろう材が、活性元素としてはＴｉであることが望ましい。
【００１６】
前記ヒートスプレッダ材は、Ｃ母材にＣｕまたはＣｕ合金が含浸された複合材、もしくはＳｉＣ母材にＣｕまたはＣｕ合金が含浸された複合材で構成されていることが好ましい。
【００１７】
この場合、前記ヒートスプレッダ材と隣接する部材間には、前記硬ろう材が、溶融させた際に厚みが３〜２０μｍとなるように供給され、かつ、前記活性元素の含有量が４００〜１０００μｇ／ｃｍ^２であり、前記絶縁基板と隣接する部材間には、前記硬ろう材が、溶融させた際に厚みが３〜２０μｍとなるように供給され、かつ、前記活性元素の含有量が５０〜１０００μｇ／ｃｍ^２としてもよい。
【００１８】
次に、本発明に係るヒートスプレッダモジュールは、少なくとも台座と、ヒートスプレッダ材と、絶縁基板と、金属板との間にそれぞれ活性元素を含む硬ろう材が供給され、これらの部材を加圧しつつ加熱して接合することにより構成されるヒートスプレッダモジュールであって、前記各硬ろう材は、溶融させた際に各硬ろう材の厚みが３〜２０μｍとなるように供給され、かつ、前記活性元素の含有量が５０〜２０００μｇ／ｃｍ^２、より望ましくは４００〜１０００μｇ／ｃｍ^２であることを特徴とする。
【００１９】
これにより、ヒートスプレッダモジュールを接合する際に、余剰の硬ろう材を生じることなく、しかも、必要な接合強度を得ることができる。
【００２０】
また、本発明に係るヒートスプレッダモジュールは、少なくとも台座と、ヒートスプレッダ材と、絶縁基板と、金属板との間にそれぞれ活性元素を含む硬ろう材が供給され、これらの部材を接合することにより構成されるヒートスプレッダモジュールであって、前記金属板は、その側端面から内部に向かって所定の範囲にわたって合金化され、前記所定の範囲は、０μｍ以上、２００μｍ以下の範囲であることを特徴とする。この場合、前記金属板の合金化された部分は、前記硬ろう材の組成元素を含む。
【００２１】
これにより、金属板の上下に位置する絶縁基板等に割れなどが生じなくなり、信頼性の高いヒートスプレッダモジュールを提供することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るヒートスプレッダモジュールの製造方法及びヒートスプレッダモジュールの実施の形態例を図１〜図１７を参照しながら説明する。
【００２３】
本実施の形態に係るヒートスプレッダモジュール１０は、図１に示すように、台座１２と、該台座１２上に配されたヒートスプレッダ材１４と、該ヒートスプレッダ材１４上に配された熱伝導層１６と、台座１２とヒートスプレッダ材１４との間に介在された第１の硬ろう材１８と、ヒートスプレッダ材１４と熱伝導層１６との間に介在された第２の硬ろう材２０とを有する。
【００２４】
熱伝導層１６は、絶縁基板２２と、該絶縁基板２２とヒートスプレッダ材１４との間に介在された中間層２４と、絶縁基板２２上に配されたＣｕ又はＡｌからなる回路基板２６と、中間層２４と絶縁基板２２との間に介在された第３の硬ろう材２８と、絶縁基板２２と回路基板２６との間に介在された第４の硬ろう材３０とを有する。
【００２５】
回路基板２６上には下地層３２を介してＩＣチップ３４が実装され、台座１２の下面に例えばＡｌやＣｕで構成された放熱体としてのヒートシンク３６が例えばねじ止め（図示せず）によって固定される。絶縁基板２２には、ＡｌＮ又はＳｉ_３Ｎ_４を用いることができる。
【００２６】
ここで、台座１２と、ヒートスプレッダ材１４と、絶縁基板２２と、中間層２４と、回路基板２６とで構成されるヒートスプレッダモジュールの構成部材の積層順序は必ずしも図１の構成に限られることはなく、台座１２がヒートシンク３６と隣接し、回路基板２６が下地層３２を介してＩＣチップ３４に隣接していれば、中間層２４とヒートスプレッダ材１４はそれぞれ一層でなく複数の層の組み合わせとしてもよいし、絶縁基板２２は回路基板２６の直下ではなく、台座１２から回路基板２６の間のいずれか適当な位置に配置してもよい。
【００２７】
また、ヒートスプレッダ材１４の熱伝導率は、１５０Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましい。１５０Ｗ／ｍＫ未満であると、ヒートスプレッダモジュール１０が使用されることに伴ってＩＣチップ３４が発した熱をヒートスプレッダモジュール１０の外部へと伝達させる速度が遅くなるので、該ヒートスプレッダモジュール１０の温度を一定に保持する効果に乏しくなるからである。
【００２８】
ヒートスプレッダ材１４の構成材料は、熱伝導率や熱膨張率が上記した範囲内となるようなものであれば特に限定されないが、ＳｉＣ、ＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＢｅＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｂｅ_２Ｃ、Ｃ、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、Ａｌ合金、Ａｇ、Ａｇ合金、Ｓｉからなる群から選択された少なくとも１つを好適な例として挙げることができる。即ち、ヒートスプレッダ材１４は、これらの中から選定された単体または２つ以上からなる複合材から構成することができる。複合材としては、ＳｉＣ／Ｃｕ複合材４０（図２参照）やＣ／Ｃｕ複合材４２（図３参照）を例示することができる。
【００２９】
ＳｉＣ／Ｃｕ複合材４０は、図２に示すように、ＳｉＣで構成された多孔質焼結体４４の開気孔４６内に溶融したＣｕ又はＣｕ合金４８を含浸し、次いで、このＣｕ又はＣｕ合金４８を凝固させることにより得られる。
【００３０】
Ｃ／Ｃｕ複合材４２は、図３に示すように、カーボン又はその同素体を予備焼成してネットワーク化することによって得られる多孔質焼結体５０の開気孔５２内に溶融したＣｕ又はＣｕ合金５４を含浸し、次いで、このＣｕ又はＣｕ合金５４を凝固させることにより得られるものであって、例えば特開２００１−３３９０２２号公報に示される部材である。
【００３１】
ヒートスプレッダ材１４が上述した複合材料や合金からなる場合、熱膨張率や熱伝導率は、構成成分の組成比を設定することにより、熱膨張率３．０×１０^−６〜１．０×１０^−５／Ｋ、熱伝導率：１５０Ｗ／ｍＫ以上に制御することができる。
【００３２】
第１〜第４の硬ろう材１８、２０、２８、３０は、活性元素を含む硬ろう材であることが好ましい。この場合、活性元素は、Ｍｇ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ、Ｂｅ等の周期律表第２Ａ族、Ｃｅ等の第３Ａ族、Ｔｉ、Ｚｒ等の第４Ａ族、又は、Ｎｂ等の第５Ａ族、Ｂ、Ｓｉ等の第４Ｂ族に属する元素のうちの少なくとも１つを使用することができる。この実施の形態では、前記第１〜第４の硬ろう材１８、２０、２８、３０として、Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ−Ｔｉの硬ろう材を使用した。この場合、活性元素はＴｉである。
【００３３】
一方、下地層３２は、図１に示すように、前記熱伝導層１６上に形成された半田層６０と、ＩＣチップ３４の半田層６０に対する濡れ性を良好にするためのＮｉ層６２とを有して構成されている。前記台座１２は、純銅もしくは銅合金にて構成されている。
【００３４】
ここで、本実施の形態に係るヒートスプレッダモジュール１０の製造方法について図４Ａ〜図５を参照しながら説明する。
【００３５】
まず、図４Ａに示すセッティング工程において、台座１２上に、板状の第１の硬ろう材１８、ヒートスプレッダ材１４、板状の第２の硬ろう材２０、中間層２４、板状の第３の硬ろう材２８、絶縁基板２２、板状の第４の硬ろう材３０及び回路基板２６の順に載置（セッティング）する。このセッティング工程は、例えば大気中で行われる。
【００３６】
次に、図４Ｂに示す接合工程において、第１の硬ろう材１８、ヒートスプレッダ材１４、第２の硬ろう材２０、中間層２４、第３の硬ろう材２８、絶縁基板２２、第４の硬ろう材３０及び回路基板２６がセッティングされた台座１２を治具７０上に固定し、例えば１．０×１０^−５Ｔｏｒｒ以下の真空中にて、上方から加圧を行いながら、昇温・降温を行って接合する。この接合処理によって、図１に示すように、回路基板２６、絶縁基板２２、中間層２４、ヒートスプレッダ材１４及び台座１２が一体化された接合体、即ち、ヒートスプレッダモジュール１０が得られる。
【００３７】
図４Ａでは、板状の第１〜第４の硬ろう材１８、２０、２８、３０を用いたが、図５に示すように、ペースト状の第１〜第４の硬ろう材１８、２０、２８、３０を用いることができる。この場合、第１の硬ろう材１８を塗布した台座１２上に第２の硬ろう材２０を塗布したヒートスプレッダ材１４を載置し、該ヒートスプレッダ材１４上に第３の硬ろう材２８を塗布した中間層２４を載置する。
【００３８】
更に、前記中間層２４上に第４の硬ろう材３０を塗布した絶縁基板２２を載置し、該絶縁基板２２上に回路基板２６を載置する。これによって、第１〜第４の硬ろう材１８、２０、２８、３０の塗布によるセッティング工程が完了する。
【００３９】
なお、図４Ｂに示す接合工程では、０．２ＭＰａ以上、１０ＭＰａ以下の力で加圧することが好ましい。
【００４０】
そして、本実施の形態では、図４Ａ又は図５に示すセッティング工程において、第１〜第４の硬ろう材１８、２０、２８、３０を供給する際に、加圧しつつ加熱して接合するときの各第１〜第４の硬ろう材１８、２０、２８、３０が溶融した際に平均厚みが３〜２０μｍとなる量だけ各第１〜第４の硬ろう材１８、２０、２８、３０を供給する。
【００４１】
この場合、Ｔｉの含有量が５０〜２０００μｇ／ｃｍ^２、より望ましくは４００〜１０００μｇ／ｃｍ^２であることが好ましい。
【００４２】
これにより、まず、各硬ろう材１８、２０、２８、３０を、加圧しつつ加熱して接合するときの各硬ろう材１８、２０、２８、３０が溶融した際の厚みが３〜２０μｍとなるように供給するようにしたので、台座１２、ヒートスプレッダ材１４、中間層２４、絶縁基板２２及び回路基板２６を所定の圧力をかけて接合した際に、押し出される硬ろう材８０（例えば図７Ａ参照）の量をほとんどゼロに近い状態あるいは少ないものとすることができる。そのため、押し出された硬ろう材８０を除去する工程を省略することができ、製造コストを抑えることができる。しかも、金属板である中間層２４の表面の合金化を抑制することができ、ヒートスプレッダモジュール１０としての品質を劣化させることはない。なお、回路基板２６は、０．１〜０．３ｍｍ程度の薄い板厚の部材が用いられることが多い。そのため、押し出された硬ろう材８０がその部材の側面に付着する量は少なく、硬ろう材８０と前記部材（回路基板２６）とはほとんど合金化されない。
【００４３】
また、各部材間の接合強度は、各硬ろう材１８、２０、２８、３０に含まれるＴｉの量に依存するが、本実施の形態では、Ｔｉの含有量を５０〜２０００μｇ／ｃｍ^２、より望ましくは４００〜１０００μｇ／ｃｍ^２としたので、接合に必要なＴｉの絶対量を十分に確保でき、必要な接合強度を得ることができる。
【００４４】
ここで、７つの実験例を示す。まず、第１の実験例は、数種のサンプル（比較例Ｃ１及びＣ２並びに実施例Ｅ１及びＥ２）について、硬ろう材８０のはみ出し状態を外観的にみたものである。これらサンプルの共通の構成は、図６に示すように、２つの接合体８２及び８４をバッファ層８６を介して積層した構造を有し、各接合体８２及び８４は、Ｃ／Ｃｕ複合材４２（図３参照）によるヒートスプレッダ材１４（厚み＝３．０ｍｍ）上に第２の硬ろう材２０、Ｃｕによる中間層２４（厚み＝０．２５ｍｍ）、第３の硬ろう材２８、ＳＮによる絶縁基板２２（厚み＝０．３ｍｍ）、第４の硬ろう材３０及びＣｕによる回路基板２６（厚み＝０．３ｍｍ）が積層されている。
【００４５】
そして、前記サンプルに対し、温度が８３０℃、雰囲気が１．０×１０^−５Ｔｏｒｒ以下の真空中において、加圧力３．５ＭＰａで加圧接合した。加圧時間は１０分とした。
【００４６】
比較例Ｃ１は、加圧接合時の第２〜第４の硬ろう材２０、２８、３０の各厚みを５０μｍとした例を示し、比較例Ｃ２は、加圧接合時の第２〜第４の硬ろう材２０、２８、３０の各厚みを３０μｍとした例を示す。同様に、実施例Ｅ１は、加圧接合時の第２〜第４の硬ろう材２０、２８、３０の各厚みを２０μｍとした例を示し、実施例Ｅ２は、加圧接合時の第２〜第４の硬ろう材２０、２８、３０の各厚みを１０μｍとした例を示す。
【００４７】
実験後の各サンプルの外観を図７Ａ〜図８Ｂに示す。比較例Ｃ１は、図７Ａに示すように、加圧時に大量の余剰の硬ろう材８０が押し出され、回路基板２６や中間層２４の側面に大量の硬ろう材８０が付着していることがわかる。比較例Ｃ２は、図７Ｂに示すように、比較例Ｃ１ほどではないが、加圧時に余剰の硬ろう材８０が押し出され、回路基板２６や中間層２４の側面に硬ろう材８０が付着していることがわかる。
【００４８】
一方、実施例Ｅ１は、図８Ａに示すように、加圧時に押し出された硬ろう材８０の量が少なく、回路基板２６や中間層２４の側面にはほとんど硬ろう材８０が付着していない。実施例Ｅ２にあっては、図８Ｂに示すように、加圧時において硬ろう材８０は押し出されず、回路基板２６や中間層２４の側面には硬ろう材８０は付着していなかった。
【００４９】
第２の実験例は、実験後の上述の比較例Ｃ１及びＣ２並びに実施例Ｅ１及びＥ２を縦方向に破断し、中間層２４の合金化の度合い並びに絶縁基板２２の割れ具合をみたものである。実験結果を図９Ａ〜図１０Ｂに示す。
【００５０】
比較例Ｃ１は、図９Ａに示すように、中間層２４の側面から中心に向かって約２００μｍにわたって合金化され（合金化の範囲ａ１参照）、比較例Ｃ２は、図９Ｂに示すように、約１００μｍにわたって合金化されていた（合金化の範囲ａ２参照）。特に、比較例Ｃ１では、合金化された範囲が広いことから、絶縁基板２２に割れ９０が生じていた。
【００５１】
実施例Ｅ１は、図１０Ａに示すように、中間層２４の側面から中心に向かって約２０μｍにわたって合金化されているが（合金化の範囲ｂ１参照）、比較例Ｃ１やＣ２と比して大幅に低減している。実施例２では、図１０Ｂに示すように、約１０μｍ程度の合金化であり（合金化の範囲ｂ２参照）、ほとんど合金化されていないことがわかる。
【００５２】
次に、第３の実験例は、上述した第１の実験例と同様のサンプル（図６参照）において、第２〜第４の硬ろう材２０、２８、３０を供給した際の各硬ろう材２０、２８、３０の厚みの違いによって、押し出された硬ろう材８０の量の変化を測定したものである。押し出された硬ろう材８０の量の測定は、押し出された硬ろう材８０を切り取り、重量を測定することにより行った。
【００５３】
測定結果を図１１に示す。この図１１において、◇で示すプロットは、第２〜第４の硬ろう材２０、２８、３０として、Ｔｉを２．２質量％含有する硬ろう材を用いた場合を示し、■で示すプロットは、第２〜第４の硬ろう材２０、２８、３０として、Ｔｉを７質量％含有する硬ろう材を用いた場合を示す。また、右上がりの直線Ｇは、供給時の第２〜第４の硬ろう材２０、２８、３０全体の重量の変化を示す。
【００５４】
図１１に示すように、供給される第２〜第４の硬ろう材２０、２８、３０の厚みが大きくなるほど押し出される硬ろう材８０の量も増加している。しかし、供給時の第２〜第４の硬ろう材２０、２８、３０全体の重量との差、即ち、接合に寄与している量はほとんど変化していないことがわかる。
【００５５】
つまり、この第３の実験例から、接合に寄与する硬ろう材の重量はほとんど変わらないことから、この重量以上の硬ろう材を供給しても無駄であり、却って、中間層２４に対して不要な合金化を招き、特性の劣化につながることがわかる。
【００５６】
次に、第４の実験例について説明する。この第４の実験例は、第１〜第４の硬ろう材１８、２０、２８、３０中のＴｉの含有量に対するヒートスプレッダモジュールの接合強度の違いをみたものである。
【００５７】
この第４の実験例では、第１〜第４の硬ろう材１８、２０、２８、３０として、６０Ａｇ−２４Ｃｕ−１４Ｉｎ−２．２Ｔｉを用い、供給時の厚みが５μｍ、７．５μｍ、１０μｍ、１５μｍ及び２０μｍとした第１種のサンプルと、第１〜第４の硬ろう材１８、２０、２８、３０として、５８Ａｇ−２２Ｃｕ−１３Ｉｎ−７Ｔｉを用い、供給時の厚みが５μｍ、７．５μｍ、１０μｍ、１５μｍ及び２０μｍとした第２種のサンプルとを用意した。
【００５８】
第１種のサンプル及び第２種のサンプルは共に、図１２に示すように、Ｃｕによる台座１２（厚み＝２．０ｍｍ）上に、第１の硬ろう材１８、Ｃ／Ｃｕ複合材によるヒートスプレッダ材１４（厚み＝３．０ｍｍ）、第２の硬ろう材２０、中間層２４（厚み＝１．０ｍｍ）、第３の硬ろう材２８、ＳＮによる絶縁基板２２（厚み＝０．３ｍｍ）、第４の硬ろう材３０及びＣｕによる回路基板２６（厚み＝０．２ｍｍ）が積層された構造を有する。
【００５９】
そして、これら第１種及び第２種のサンプルについて、台座１２と回路基板２６に端子を接合して鉛直軸線方向の単純引張による剥離試験を行い、接合面（硬ろう材部分）において剥離したときの強度あるいはヒートスプレッダ材１４において破断したときの強度を測定した。接合面で剥離するということは接合強度が低いことを示し、ヒートスプレッダ材１４で破断するということは接合強度が高く、信頼性が高いことを示す。
【００６０】
測定結果を図１３に示す。この図１３において、横軸には、第１種のサンプルにおける各硬ろう材１８、２０、２８、３０の厚みの目盛りと、第２種のサンプルにおける各硬ろう材１８、２０、２８、３０の厚みの目盛りと、Ｔｉの含有量の目盛りを示す。
【００６１】
また、図１３において、□で示すプロットは、第１種のサンプルについて接合面で剥離した強度を示し、■で示すプロットは、第１種のサンプルについてヒートスプレッダ材１４で破断した強度を示す。同様に、○で示すプロットは、第２種のサンプルについて接合面で剥離した強度を示し、●で示すプロットは、第２種のサンプルについてヒートスプレッダ材１４で破断した強度を示す。接合面での剥離はいずれもヒートスプレッダ材１４と台座１２との界面か、ヒートスプレッダ材１４と中間層２４の界面かで生じていた。
【００６２】
図１３の結果から、第１種のサンプルは、厚み５〜２０μｍのすべてについて接合面での剥離がみられたが、厚み２０μｍのサンプルにおいてはヒートスプレッダ材１４での破断もみられた。
【００６３】
一方、第２種のサンプルは、厚み５μｍのサンプルにおいて、接合面での剥離がみられたが、その強度は２０ＭＰａであって、接合強度としては実用レベルのものであった。厚み７．５〜２０μｍのサンプルについては、すべてヒートスプレッダ材１４での破断がみられ、接合面での剥離はなかった。
【００６４】
ここで、第１種のサンプルのうち、厚みが２０μｍのＴｉ量は、約４２０μｇ／ｃｍ^２であり、第２種のサンプルのうち、厚みが５μｍのＴｉ量は、約３５０μｇ／ｃｍ^２である。このことから、ヒートスプレッダ材１４と台座１２間、ヒートスプレッダ材１４と中間層２４間の接合に必要なＴｉの含有量は４００μｇ／ｃｍ^２以上であれば、接合強度は実用レベルのものを得ることができることがわかる。
【００６５】
次に、第５の実験例について説明する。この第５の実験例で用いられる第３種のサンプル及び第４種のサンプルは、図１４に示すように、Ｃｕによる中間層２４（厚み＝１．０ｍｍ）上に、第１の硬ろう材１８、ＳＮによる絶縁基板２２（厚み＝０．３ｍｍ）、第２の硬ろう材２０、及びＣｕによる回路基板２６（厚み＝０．２ｍｍ）が積層された構造を有する。
【００６６】
この第５の実験例は、ＳＮによる絶縁基板２２とＣｕによる回路基板２６、ＳＮによる絶縁基板２２と中間層２４間の接合に必要なＴｉの含有量に対する接合強度の違いをみたものである。
【００６７】
測定結果を図１５に示す。この図１５において、接合強度判定は、中間層２４と回路基板２６に端子を接合して鉛直軸線方向の単純引張による剥離試験を行い、そのとき、接合面で剥離をおこしたものはＮＧと判定し、絶縁基板２２自体の破損を起こしたものは接合強度としては実用レベルにあるとの判断でＯＫとした。
【００６８】
図１５の結果から、第３種のサンプルでは、厚み３μｍのものについて接合面での剥離がみられたが、厚み５〜２０μｍのものにおいては絶縁基板２２での破断が生起した。
【００６９】
一方、第４種のサンプルでは、厚み３〜２０μｍの全てのものにおいて、絶縁基板２２での破断が生起した。
【００７０】
ここで、第３種のサンプルのうち、厚みが３μｍのＴｉ量は、約３８μｇ／ｃｍ^２であり、厚みが５μｍのＴｉ量は、約６３μｇ／ｃｍ^２である。このことから、ＳＮによる絶縁基板２２とＣｕによる回路基板２６、ＳＮによる絶縁基板２２と中間層２４間の接合に必要なＴｉの含有量は、５０μｇ／ｃｍ^２以上であれば、接合強度は実用レベルのものを得ることができることがわかる。
【００７１】
次に、第６の実験例について説明する。この第６の実験例は、第１〜第４の硬ろう材１８、２０、２８、３０中のＴｉの含有量に対するヒートスプレッダモジュール１０の熱伝導率の変化をみたものである。即ち、第４の実験例で使用した第１種のサンプルと第２種のサンプルの熱伝導率を測定した。
【００７２】
測定結果を図１６に示す。□で示すプロットは、第１種のサンプルの熱伝導率を示し、●で示すプロットは、第２種のサンプルの熱伝導率を示す。
【００７３】
第１種のサンプル全部、並びに第２種のサンプルのうち、供給時の第１〜第４の硬ろう材１８、２０、２８、３０の厚みが５μｍ、７．５μｍ、１０μｍ及び１５μｍについては、熱伝導率として３５０（Ｗ／ｍＫ）以上を確保できているが、第２種のサンプルのうち、供給時の硬ろう材１８、２０、２８、３０の厚みが２０μｍ（Ｔｉの含有量換算で１３００μｇ／ｃｍ^２以上のもの）については、熱伝導率が３５０（Ｗ／ｍＫ）未満となっていた。
【００７４】
このように、図１６の特性から、Ｔｉの含有量が１２００μｇ／ｃｍ^２以下であれば、熱伝導率は実用レベルのものを得ることができることがわかる。
【００７５】
次に、第７の実験例について説明する。この第７の実験例は、総合的な実験を示すもので、以下の接合条件にて接合したサンプル１〜２３（図１２と同様の構成を有する）についての接合強度と、熱伝導率と、はみ出した硬ろう材８０の量と、中間層２４の合金化の判定とをみたものである。
【００７６】
合金化の判定は、ろう材塗付量が２０μｍを超えるものであって、中間層の側面から内部に向かって２００μｍ以上の合金化を生じた部位がある場合は「×」と判定し、ろう材塗付量が１０〜２０μｍの範囲であって、２００μｍ以上の合金化を生じた部位がない場合は「○」、ろう材塗付量が１０μｍ未満であって、合金化の範囲が１００μｍ以下の場合は「◎」として判定した。
【００７７】
接合条件は、雰囲気を１．０×１０^−５Ｔｏｒｒ以下の真空、接合温度を８３０℃、処理時間を１０分間、加圧力を３．５ＭＰａとした。
【００７８】
接合強度は、各サンプル１〜２３を引っ張り、接合界面で剥離（ＮＧ）したか、ヒートスプレッダ材１４で破断（ＯＫ）したかを判定した。
【００７９】
はみ出した硬ろう材８０の量は、硬ろう材がはみ出てもほとんど合金化されない回路基板２６に着目し、該回路基板２６とその下層に位置する絶縁基板２２との間からはみ出た硬ろう材８０の量を測定し、その測定値を４倍にしたものである。
【００８０】
これらサンプル１〜２３の内訳（第１〜第４の硬ろう材１８、２０、２８、３０の組成、硬ろう材１８、２０、２８、３０の供給量、Ｔｉの含有量）を、測定結果と共に図１７に示す。この図１７において、Ｗ１は各硬ろう材１８、２０、２８、３０の供給量、Ｗ２はＴｉの含有量、λｍはヒートスプレッダモジュール１０の熱伝導率、ｈｍははみ出した硬ろう材８０の量を示す。
【００８１】
また、以下の説明では、硬ろう材１８、２０、２８、３０の組成の表記について、６０Ａｇ−２４．７Ｃｕ−１４Ｉｎ−１．３Ｔｉの組成のものを「１．３Ｔｉ材」、５９．８Ａｇ−２４Ｃｕ−１４Ｉｎ−２．２Ｔｉの組成のものを「２．２Ｔｉ材」、５８．４Ａｇ−２３．５Ｃｕ−１３．５Ｉｎ−４．５Ｔｉの組成のものを「４．５Ｔｉ材」、５８Ａｇ−２２Ｃｕ−１３Ｉｎ−７Ｔｉの組成のものを「７Ｔｉ材」と記す。
【００８２】
図１７の測定結果から、まず、接合強度の判定についてみると、サンプル１〜３、「１．３Ｔｉ材」を用いたサンプル１〜４に関しては、サンプル１〜３がＮＧの判定であり、この判定を決めるＴｉの含有量の臨界点は、サンプル３の３７８．３μｇ／ｃｍ^２とサンプル４の６３０．５μｇ／ｃｍ^２との間に存在する。
【００８３】
「２．２Ｔｉ材」を用いたサンプル５〜１１に関しては、サンプル５〜７がＮＧの判定であり、この判定を決めるＴｉの含有量の臨界点は、サンプル７の２１３．４μｇ／ｃｍ^２とサンプル８の３２０．１μｇ／ｃｍ^２との間に存在する。
【００８４】
「４．５Ｔｉ材」を用いたサンプル１２〜１７に関しては、サンプル１２がＮＧの判定であり、この判定を決めるＴｉの含有量の臨界点は、サンプル１２の２１８．２５μｇ／ｃｍ^２とサンプル１３の３２７．６μｇ／ｃｍ^２との間に存在する。
【００８５】
「７Ｔｉ材」を用いたサンプル１８〜２３に関しては、ＮＧの判定を受けたサンプルはなく、ＮＧ判定を決めるＴｉの含有量の臨界点は、３３９．５μｇ／ｃｍ^２未満に存在する。
【００８６】
また、熱伝導率についてみると、３６０（Ｗ／ｍＫ）未満のものは、サンプル１１（Ｔｉの含有量：１０６７（μｇ／ｃｍ^２））、サンプル１６（Ｔｉの含有量：８７３（μｇ／ｃｍ^２））、サンプル１７（Ｔｉの含有量：１３０９．５（μｇ／ｃｍ^２））、サンプル２１（Ｔｉの含有量：１０１８．５（μｇ／ｃｍ^２））、サンプル２２（Ｔｉの含有量：１３５８（μｇ／ｃｍ^２））及びサンプル２３（Ｔｉの含有量：２０３７（μｇ／ｃｍ^２））であった。
【００８７】
従って、熱伝導率として３５０（Ｗ／ｍＫ）を決める臨界点は、サンプル１６の８７３（μｇ／ｃｍ^２）とサンプル１１の１０６７（μｇ／ｃｍ^２）との間に存在する。
【００８８】
また、中間層２４の合金化について、「×」の判定を受けたものは、第１〜第４の硬ろう材１８、２０、２８、３０の供給量が２９．１（ｍｇ／ｃｍ^２）であるサンプル３、１０、１７及び２３並びに硬ろう材１８、２０、２８、３０の供給量が４８．５（ｍｇ／ｃｍ^２）であるサンプル４及び１１であった。
【００８９】
ここで、硬ろう材１８、２０、２８、３０の供給量２９．１（ｍｇ／ｃｍ^２）は、供給時の厚みで換算すると、３０μｍであり、硬ろう材１８、２０、２８、３０の供給量４８．５（ｍｇ／ｃｍ^２）は、供給時の厚みで換算すると、５０μｍである。
【００９０】
この第７の実験例から、硬ろう材１８、２０、２８、３０の供給時の厚みが２０μｍ未満であって、かつ、Ｔｉの含有量が４００〜１０００（μｇ／ｃｍ^２）であれば、ヒートスプレッダモジュール１０の熱伝導率として３５０（Ｗ／ｍＫ）以上を得ることができ、接合強度も十分な強度を確保でき、しかも、中間層２４の合金化もほとんど発生しない良好なヒートスプレッダモジュールを得ることができることがわかる。
【００９１】
なお、この発明に係るヒートスプレッダモジュールの製造方法及びヒートスプレッダモジュールは、上述の実施の形態に限らず、この発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【００９２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るヒートスプレッダモジュールの製造方法及びヒートスプレッダモジュールによれば、ヒートスプレッダモジュールを接合する際に、余剰の硬ろう材を生じることなく、しかも、必要な接合強度を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係るヒートスプレッダモジュールの構成を示す縦断面図である。
【図２】ヒートスプレッダ材の構成材料の一例であるＳｉＣ／Ｃｕ複合材を示す拡大図である。
【図３】ヒートスプレッダ材の構成材料の他の例であるＣ／Ｃｕ複合材を示す拡大図である。
【図４】図４Ａはセッティング工程を示す説明図であり、図４Ｂは接合工程を示す説明図である。
【図５】他のセッティング工程を示す説明図である。
【図６】第１〜第３の実験例にて使用したサンプルの構成を示す断面図である。
【図７】図７Ａは、比較例Ｃ１における加圧接合後の外観を示す斜視図であり、図７Ｂは、比較例Ｃ２における加圧接合後の外観を示す斜視図である。
【図８】図８Ａは、実施例Ｅ１における加圧接合後の外観を示す斜視図であり、図８Ｂは、実施例Ｅ２における加圧接合後の外観を示す斜視図である。
【図９】図９Ａは、比較例Ｃ１における加圧接合後の中間層の合金化の状態を示す断面図であり、図９Ｂは、比較例Ｃ２における加圧接合後の中間層の合金化の状態を示す断面図である。
【図１０】図１０Ａは、実施例Ｅ１における加圧接合後の中間層の合金化の状態を示す断面図であり、図１０Ｂは、実施例Ｅ２における加圧接合後の中間層の合金化の状態を示す断面図である。
【図１１】第３の実験例の測定結果を示すもので、各硬ろう材の供給時の厚みの違いによる硬ろう材のはみ出し量の変化を示す特性図である。
【図１２】第４〜第６の実験例にて使用したサンプルの構成を示す断面図である。
【図１３】第４の実験例の測定結果を示すもので、硬ろう材中のＴｉの含有量に対するヒートスプレッダモジュールの接合強度の違いを示す特性図である。
【図１４】第５の実験例にて使用したサンプルの構成を示す断面図である。
【図１５】第５の実験例の測定結果を示すもので、ＳＮによる絶縁基板とＣｕによる回路基板、もしくは中間層間のろう材量とＴｉの含有量に対する接合強度の違いを示す表図である。
【図１６】第６の実験例の測定結果を示すもので、硬ろう材中のＴｉの含有量に対するヒートスプレッダモジュールの熱伝導率の変化を示す特性図である。
【図１７】第７の実験例の測定結果を示すもので、サンプル１〜２３についての接合強度と、熱伝導率と、はみ出した硬ろう材の量と、中間層の合金化の判定結果を示す表図である。
【符号の説明】
１０…ヒートスプレッダモジュール１２…台座
１４…ヒートスプレッダ材１６…熱伝導層
１８…第１の硬ろう材２０…第２の硬ろう材
２２…絶縁基板２４…中間層
２６…回路基板２８…第３の硬ろう材
３０…第４の硬ろう材８０…はみ出した硬ろう材

Claims

台座上に少なくともヒートスプレッダ材と絶縁基板と金属板とが接合されたヒートスプレッダモジュールの製造方法において、
少なくとも前記台座と、ヒートスプレッダ材と、絶縁基板と、金属板との間にそれぞれ活性元素を含む硬ろう材を供給する工程と、
これらの積層された部材を加圧しつつ加熱して硬ろう材を溶融させて接合する工程とを含み、
前記各硬ろう材は、溶融させた際に厚みが３〜２０μｍとなるように供給され、かつ、前記活性元素の含有量が４００〜１０００μｇ／ｃｍ^２であることを特徴とするヒートスプレッダモジュールの製造方法。
請求項１記載のヒートスプレッダモジュールの製造方法において、
前記硬ろう材は活性元素と硬ろう材が混合されたものであることを特徴とするヒートスプレッダモジュールの製造方法。
請求項１又は２記載のヒートスプレッダモジュールの製造方法において、前記活性元素はＴｉであることを特徴とするヒートスプレッダモジュールの製造方法。
請求項３記載のヒートスプレッダモジュールの製造方法において、
前記硬ろう材として、前記活性元素であるＴｉを３〜１５質量％含む硬ろう材、もしくは活性元素であるＴｉを３〜１５質量％混合させた硬ろう材を用いることを特徴とするヒートスプレッダモジュールの製造方法。
請求項３又は４記載のヒートスプレッダモジュールの製造方法において、
前記硬ろう材として、Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ−Ｔｉの硬ろう材、もしくはＡｇ−Ｃｕ−Ｉｎ−Ｔｉの硬ろう材とＴｉを混合した硬ろう材を用いることを特徴とするヒートスプレッダモジュールの製造方法。
請求項１〜５のいずれか１項に記載のヒートスプレッダモジュールの製造方法において、
前記ヒートスプレッダ材は、Ｃ母材にＣｕまたはＣｕ合金が含浸された複合材、もしくはＳｉＣ母材にＣｕまたはＣｕ合金が含浸された複合材で構成されていることを特徴とするヒートスプレッダモジュールの製造方法。
請求項６記載のヒートスプレッダモジュールの製造方法において、
前記ヒートスプレッダ材と隣接する部材間には、前記硬ろう材が、溶融させた際に厚みが３〜２０μｍとなるように供給され、かつ、前記活性元素の含有量が４００〜１０００μｇ／ｃｍ^２であり、
前記絶縁基板と隣接する部材間には、前記硬ろう材が、溶融させた際に厚みが３〜２０μｍとなるように供給され、かつ、前記活性元素の含有量が５０〜１０００μｇ／ｃｍ^２であることを特徴とするヒートスプレッダモジュールの製造方法。
少なくとも台座と、ヒートスプレッダ材と、絶縁基板と、金属板との間にそれぞれ活性元素を含む硬ろう材が供給され、これらの部材を加圧しつつ加熱して接合することにより構成されるヒートスプレッダモジュールであって、
前記各硬ろう材は、溶融させた際に厚みが３〜２０μｍとなるように供給され、かつ、前記活性元素の含有量が４００〜１０００μｇ／ｃｍ^２であることを特徴とするヒートスプレッダモジュール。
少なくとも台座と、ヒートスプレッダ材と、絶縁基板と、金属板との間にそれぞれ活性元素を含む硬ろう材が供給され、これらの部材を加圧しつつ加熱して接合することにより構成されるヒートスプレッダモジュールであって、
前記金属板は、その側端面から内部に向かって所定の範囲にわたって合金化され、前記所定の範囲は、０μｍ以上、２００μｍ以下の範囲であることを特徴とするヒートスプレッダモジュール。
請求項８又は９記載のヒートスプレッダモジュールにおいて、
前記金属板の合金化された部分は、前記硬ろう材の組成元素を含むことを特徴とするヒートスプレッダモジュール。