JP2005217290A - ヒートシンク、その製造方法および半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 大量の熱を発生する半導体装置用のヒートシンクを提供する。また、電流ロスが少なく、ＳｉＣ基板の表面に形成された金属被膜の剥がれが少ないヒートシンクを提供する。
【解決手段】 本発明のヒートシンクは、主面におけるマイクロパイプの密度が３０個／ｃｍ^２以上であるＳｉＣ基板を用いたことを特徴とする。また、本発明のヒートシンクは、主面におけるマイクロパイプの密度が３０個／ｃｍ^２以上であるＳｉＣ基板を用いたサブマウントを備えることを特徴とする。かかるヒートシンクにおいては、ＳｉＣ基板の少なくとも１面が、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ａｕ、ＡｇおよびＣｕからなる群より選ばれる少なくとも１種を含む組成の金属材料により被覆されている態様が好ましい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電流のロスが少なく、熱伝導率の高いヒートシンク、その製造方法、およびかかるヒートシンクを備える半導体装置に関する。

半導体レーザ装置、電力コントロール用半導体装置または電界効果型半導体装置などでは、半導体素子の発熱により、半導体の素子機能が低下するのを避けるために、放熱体であるヒートシンクを用いる。ヒートシンクは、半導体素子に直接装着し、またはサブマウントと呼ばれる熱膨張差を緩和するための緩衝材を介して半導体素子に装着し、半導体素子の熱を熱伝導の作用により除去する。

代表的なヒートシンクには、たとえば、アルミナ基板の表面に、厚膜メタライズしたものを絶縁放熱基板とし、ＣｕまたはＡｌなどの金属からなるヒートシンクを、絶縁放熱基板上にハンダ付けした後、半導体素子を搭載する面に、銅製のヒートスプレッダをハンダ付けしたものがある（特許文献１参照）。

また、熱伝導率の良好なＣｕまたはＡｌなどの金属は、ＳｉまたはＧａＡｓなどの半導体材料に比べて、熱膨張率が大きいため、ヒートシンクとして用いた場合には、半導体素子との熱膨張係数の差による歪が大きくなって、反り、割れまたは剥がれなどが起こる。これを防ぐために、半導体素子とヒートシンクの間にサブマウントを配置し、サブマウント材料の熱膨張率を、半導体素子材料とヒートシンク用金属材料との中間の値に調整する方法がある。さらに、ＣｕとＷを合金化し、熱膨張率をＣｕより小さくする方法、また、Ｃｕ基材中にＣｕ_２Ｏを分散させることにより、Ｃｕ基材の熱膨張率を下げる方法がある（特許文献２参照）。

サブマウント材料としては、たとえば、ＣｕＷなどが用いられているが、近年、半導体素子の小型化、高集積化および大容量化が進み、半導体素子の単位面積当たりの発熱量が増加した結果、ＣｕＷなどからなるサブマウントでは、熱により誘発される半導体素子の歪みを十分に抑制することが困難となっている。かかる問題に対して、サブマウント材料として、熱膨張係数が小さいＡｌＮまたはＳｉＣを用いる技術が提案されている（特許文献３参照）。

一方、ＳｉＣ基板を被覆する金属として、従来より、Ｔｉ、Ｎｉ、ＡｌまたはＣｒなどが提案されている。かかる金属材料は、１０００℃以上のアニールを施すことによって、ＳｉＣ基板と密着させ、電気的な導通が確保される。
特開平７−３０９６８８号公報 特開２００３−２２１６０４号公報 特開平９−９６７４７号公報

ヒートシンクに、熱伝導性に優れるＣｕまたはＡｌなどの金属材料を用いる場合には、Ｃｕの熱膨張係数が１７×１０^−６／℃であり、Ａｌの熱膨張係数が２３．５×１０^−６／℃であるのに対して、半導体素子材料であるＳｉの熱膨張係数が４．２×１０^−６／℃であり、ＧａＡｓの熱膨張係数が５．５×１０^−６／℃である。

したがって、ＣｕまたはＡｌの熱膨張係数が、半導体材料の熱膨張係数に比べて非常に大きいため、両者を直接接合すると、熱膨張係数の差による歪が大きくなり、反り、割れまたは剥がれなどが起こり易い。また、熱膨張差による歪を防ぐために、ＣｕＷなどの合金、またはＣｕ_２Ｏを分散させたＣｕ基材などを使用する方法もあるが、熱膨張率が５×０^−６／℃以上とまだ高く、熱膨張率を小さくすると、熱伝導率も小さくなる傾向がある。

一方、ＳｉＣの熱伝導率は、室温で４００Ｗ／ｍＫ以上あり、熱膨張率もシリコン単結晶に非常に近い。しかし、ＳｉＣ基板上にＴｉ、Ｎｉ、ＡｌまたはＣｒなどの金属被膜を形成する場合には、１０００℃以上の熱処理を加える必要がある。これは、金属材料と基板のＳｉとを結合させ、界面に金属シリサイドを形成して、電位障壁を小さくすると同時に、密着性を高める必要があるためである。

また、ＳｉＣ基板の電気抵抗率は、不純物を高濃度に添加した場合でも、１０ｍΩ・ｃｍであり、ＣｕまたはＡｌの電気抵抗率が１〜３μΩ・ｃｍであるのに対して、３桁以上大きいため、ＳｉＣ基板を通じて電流を流す場合には、電流のロスが大きくなる。

本発明のヒートシンクは、電子部品の放熱のために装着するヒートシンクであって、第１の局面によれば、主面におけるマイクロパイプの密度が３０個／ｃｍ^２以上であるＳｉＣ基板を用いたことを特徴とする。また、第２の局面によれば、主面におけるマイクロパイプの密度が３０個／ｃｍ^２以上であるＳｉＣ基板を用いたサブマウントを備えることを特徴とする。

かかるヒートシンクにおいては、ＳｉＣ基板の少なくとも１面が、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ａｕ、ＡｇおよびＣｕからなる群より選ばれる少なくとも１種を含む組成の金属材料により被覆されている態様が好ましい。また、ＳｉＣ基板の主面を、（０００１）面から±１０度以内とする態様が好ましい。

本発明の方法は、かかるヒートシンクの製造方法であり、ＳｉＣ基板は、成長面におけるマイクロパイプの密度が３０個／ｃｍ^２以上であるＳｉＣを種結晶とする昇華再結晶法により形成することができる。また、結晶成長は、原料ＳｉＣを２３００℃以上に加熱し、６６７０Ｐａ以下の雰囲気で行なうのが好適である。さらに、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ａｕ、ＡｇおよびＣｕからなる群より選ばれる少なくとも１種を含む組成の金属材料を、電解メッキ法または化学メッキ法によりＳｉＣ基板の少なくとも１面に被覆する態様が望ましい。

本発明のヒートシンクは、半導体レーザ装置、電力コントロール用半導体装置または電界効果型半導体装置用のヒートシンクとして有用である。

本発明によれば、熱伝導率が高いヒートシンクを安価に提供することができる。本発明のヒートシンクは、電気抵抗率が低く、熱膨張率がＳｉに近いので、利用価値が大きい。

（ヒートシンク）
本発明のヒートシンクは、主面におけるマイクロパイプの密度が３０個／ｃｍ^２以上であるＳｉＣ基板を用いたことを特徴とする。また、本発明のヒートシンクは、主面におけるマイクロパイプの密度が３０個／ｃｍ^２以上であるＳｉＣ基板を用いたサブマウントを備えることを特徴とする。

ＳｉＣは、熱伝導率が室温で４００Ｗ／ｍＫ以上あるため、ＳｉＣ基板を用いたヒートシンク、またはＳｉＣ基板を用いたサブマウントを備えるヒートシンクとすることにより、放熱作用の大きいヒートシンクを提供することができる。本発明のヒートシンクは、熱伝導率が、４００Ｗ／ｍＫ以上のものが好ましく、４５０Ｗ／ｍＫ以上のものがより好ましい。また、本明細書において、熱伝導率は、ＪＩＳ−Ｒ１６１１に基づき測定する。

ＳｉＣの熱膨張率は、半導体素子の主材料であるＳｉに非常に近いため、ＣｕまたＡｌなどからなるヒートシンクに比べて熱膨張に伴う半導体素子の歪が小さく、半導体素子の反り、割れまたは剥がれなどを効果的に防止することができる。

単結晶ＳｉＣは、直径が数μｍ〜２０μｍ程度の貫通孔であるマイクロパイプを有する。本発明のヒートシンクは、半導体素子またはサブマウントを実装する面、すなわち、主面におけるマイクロパイプの密度が３０個／ｃｍ^２以上であるＳｉＣ基板を用いる。

かかる構成により、主面にＴｉ、Ｎｉ、ＡｌまたはＣｒなどの金属被膜を形成した場合に、金属層がマイクロパイプ内に入り込み、マイクロパイプがアンカー効果を奏し、従来のように、１０００℃以上にアニール処理を施さなくても、金属被膜とＳｉＣ基板とが高い密着性を示し、金属被膜が剥がれにくくなる。

また、マイクロパイプの内部に入り込んだ金属材料を通じて電流を流せるため、半導体−金属間の電位障壁およびＳｉＣの電気抵抗を補完して、ＳｉＣ基板の電気抵抗を下げ、電流のロスを低減することができる。かかる観点から、主面におけるマイクロパイプの密度が１００個／ｃｍ^２以上のＳｉＣ基板を用いるのが好ましく、１０００個／ｃｍ^２以上のＳｉＣ基板がより好ましい。

本明細書において、マイクロパイプの密度は、焦点深度が深い、暗視野の顕微鏡により観察し、計数して求める。なお、高温の溶融アルカリによって基板を腐食し、マイクロパイプを拡大し、一般的な顕微鏡で観察することにより求めることもできる。また、本発明のヒートシンクは、電気抵抗率が、８０ｍΩ・ｃｍ以下が好ましく、４０ｍΩ・ｃｍ以下がより好ましい。

ＳｉＣ基板中のマイクロパイプの口径は、小さ過ぎると、被覆する金属材料が入り込みにくく、入り込んでも深部まで到達しないため、１μｍ以上が好ましく、３μｍ以上がより好ましい。一方、口径が大き過ぎると、基板の機械的強度および表面の平滑性が低下しやすいため、３００μｍ以下が好ましく、２００μｍ以下がより好ましい。

ＳｉＣ基板の主面は、（０００１）面から±１０度以内が好ましく、±５度以内がより好ましい。ＳｉＣ基板の主面が、（０００１）面から±１０度より大きくと、主面に分布するマイクロパイプの密度が小さくなり、形成した金属被膜との密着性および導電性が低下する傾向にある。

ＳｉＣ基板の表面を被覆する金属材料は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ａｕ、ＡｇおよびＣｕからなる群より選ばれる少なくとも１種を含む組成が好ましい。特に、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌまたはこれらの合金は、一旦、ＳｉＣ基板上に形成すると、基板から剥がれにくいので有用である。一方、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕまたはこれらの合金は導電性が良好である点で好ましい。したがって、かかる金属材料によりＳｉＣ基板の少なくとも１面が被覆されている態様が望ましい。

（ヒートシンクの製造方法）
本発明のヒートシンクの製造方法は、主面におけるマイクロパイプの密度が３０個／ｃｍ^２以上であるＳｉＣ基板を用いたことを特徴とするヒートシンク、または主面におけるマイクロパイプの密度が３０個／ｃｍ^２以上であるＳｉＣ基板を用いたサブマウントを備えることを特徴とするヒートシンクの製造方法である。

かかる製造方法により、放熱作用が大きく、熱膨張に伴う歪の小さいヒートシンクを得ることができる。また、金属被膜を形成した場合には、金属被膜が剥がれにくく、基板の電気抵抗を低下することができる。

主面におけるマイクロパイプの密度が３０個／ｃｍ^２以上であるＳｉＣ基板は、結晶成長面におけるマイクロパイプの密度が３０個／ｃｍ^２以上であるＳｉＣを種結晶とする昇華再結晶法により製造することができる。１００個／ｃｍ^２以上のマイクロパイプ密度を有するＳｉＣを種結晶に使用すると、得られるＳｉＣにおけるマイクロパイプ密度も高くなり、好ましい。

昇華再結晶法においては、ＳｉＣ基板のマイクロパイプ密度を高める点で、原料ＳｉＣの温度を２３００℃以上とするのが好ましく、２４００℃以上とすると、より好ましい。また、同様の理由により、昇華再結晶時の雰囲気は、６６７０Ｐａ以下が好ましく、２６７０Ｐａ以下がより好ましい。

ヒートシンクの製造においては、ＳｉＣ基板の主面を、（０００１）面から±１０度以内の面とするのが好ましく、±５度以内とする態様がより好ましい。ＳｉＣ基板の主面を、（０００１）面から±１０度以内とすることにより、主面に分布するマイクロパイプの密度を高くして、基板の表面に形成する金属被膜との密着性および基板との導電性を高めることができる。

Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕまたはこれらの合金は、スパッタ法、蒸着法またはメッキにより、ＳｉＣ基板の表面に形成することができる。かかる方法のうち、電解メッキ法または化学メッキ法は、マイクロパイプの内部にまで金属材料を埋め込むことができ、アンカー効果が大きく、金属被膜が剥がれにくくなり、また、ＳｉＣ基板の電気抵抗値を大きく下げる点で好ましい。

（半導体装置）
本発明のヒートシンクは、主面におけるマイクロパイプの密度が３０個／ｃｍ^２以上であるＳｉＣ基板を用いたヒートシンク、または主面におけるマイクロパイプの密度が３０個／ｃｍ^２以上であるＳｉＣ基板を用いたサブマウントを備えるヒートシンクである。したがって、各種の電子装置に使用し、電子部品の放熱に利用することができるが、電流のロスが少なく、熱伝導率が高いという特質を生かして、大量の熱を発生する半導体素子を備える半導体装置のヒートシンクとして特に有用である。

たとえば、半導体レーザ装置、ＣＰＵ（central processing unit）、ＭＰＵ（microprocessor unit）、ユニポーラ型の電極を形成してなる半導体、サイリスタ、ＩＧＢＴもしくはＧＴＯなどの電力コントロール用半導体装置、または電界効果型半導体装置などのヒートシンクとして使用すると、顕著な効果を奏する。

実施例１
単結晶ＳｉＣ基板を、図２に示すように、種結晶を用いて昇華再結晶を行なう改良レイリー法により作成した。種結晶として、成長面方位が（０００１）方向である六方晶型の６Ｈ−ＳｉＣ単結晶からなる基板２１を用意した。用意した基板２１は、結晶成長面におけるマイクロパイプの密度が３０個／ｃｍ^２であった。基板２１を黒鉛製るつぼ２３の蓋２４の内面に取り付けた。また、黒鉛製るつぼ２３の内部には、原料２２となる高純度の立方晶型ＳｉＣ粉末（ＪＩＳ粒度＃２５０）を充填した。

つぎに、原料２２を充填した黒鉛製るつぼ２３を、基板２１を取り付けた蓋２４で閉じ、黒鉛製の支持棒２６により二重石英管２８の内部に設置し、黒鉛製るつぼ２３の周囲を黒鉛製の熱シールド(フェルト）２７で被覆した。雰囲気ガスとして、Ａｒガスをステンレス製チャンバ２０の枝管２０ａから二重石英管２８の内部へ流した。Ａｒガスの流量は、１Ｌ／分とした。つづいて、ワークコイル２９に高周波電流を流し、高周波電流を調節することで、原料２２の温度が２３００℃で、種結晶である基板２１の温度が２２００℃になるように調節した。

その後、Ａｒガスの流量を調節するとともに、真空ポンプ２５を用いて二重石英管２８の内部を減圧した。減圧は、大気圧から１．３３ｋＰａまで２０分かけて徐々に行ない、１．３３ｋＰａの真空度で５時間保持することにより、厚さ１０ｍｍのＳｉＣ単結晶基板を得た。つぎに、得られたＳｉＣ単結晶から、厚さ０．３ｍｍ、口径５０ｍｍ、特性変動を抑えるために（０００１）面が主面となるように切り出し、研磨加工を行なって平坦面を形成した。平坦面の面精度は、平均二乗粗さで１５ｎｍであった。

つぎに、硫酸ニッケルと塩化ニッケルとホウ酸を用いた電解メッキにより、主面にＮｉ被膜を形成した。電解メッキは、電流密度３００ｍＡ／ｄｍ^２で、４０分間行ない、厚さ３μｍのＮｉ膜を形成した。得られたヒートシンクの断面図を図１に示す。図１に示すように、このヒートシンクは、ＳｉＣ基板１２からなり、主面にはＮｉ膜（金属薄膜）１３を有し、内部のマイクロパイプにはＮｉ層（金属層）１４が充填されていた。

最後に、ハンダ付けを行なうために、主面のＮｉ膜１３上に、厚さ５００ｎｍのＡｇ層（図示していない。）を形成した。Ａｇ層を形成したヒートシンクについて、厚さ方向に垂直に、電圧１０ｍＶ〜１００ｍＶのパルス状の電流を流して、電気抵抗を測定した結果、電気抵抗率は８０ｍΩ・ｃｍであった。

また、ＳｉＣ基板の主面におけるマイクロパイプの密度は３０個／ｃｍ^２であり、ヒートシンクの熱伝導率は４８０Ｗ／ｍＫであった。つぎに、ヒートシンクを治具にハンダ付けした後、５．０Ｎの横応力をかけて、金属被膜の剥離性を評価（ＥＴＡＪ ＥＴ−７４０７）した結果、剥離は認められなかった。

比較例１
実施例１で得られたＳｉＣ単結晶から、（０００１）面に直交する（１０−１０）面をＸ線で割り出し、（１０−１０）面が主面となるように結晶を切り出した以外は、実施例１と同様にしてヒートシンクを製造した。ＳｉＣ基板の主面におけるマイクロパイプの密度は０個／ｃｍ^２であった。また、ヒートシンクの電気抵抗率は１００ｍΩ・ｃｍ、熱伝導率は４８０Ｗ／ｍＫであった。また、実施例１と同様に金属被膜の剥離試験を行なった結果、剥がれが頻繁に生じた。

実施例２
種結晶として、結晶成長面におけるマイクロパイプの密度が１００個／ｃｍ^２のＳｉＣ基板を用いた以外は、実施例１と同様にしてヒートシンクを製造した。ＳｉＣ基板の主面におけるマイクロパイプの密度は１００個／ｃｍ^２であった。また、ヒートシンクの電気抵抗率は４０ｍΩ・ｃｍ、熱伝導率は４８０Ｗ／ｍＫであった。実施例１と同様に、金属被膜の剥離試験を行なった結果、剥がれは認められなかった。

実施例３
種結晶として、結晶成長面におけるマイクロパイプの密度が１０００個／ｃｍ^２のＳｉＣ基板を用いた以外は、実施例１と同様にしてヒートシンクを製造した。ＳｉＣ基板の主面におけるマイクロパイプの密度は１０００個／ｃｍ^２であった。また、ヒートシンクの電気抵抗率は１０ｍΩ・ｃｍ、熱伝導率は４８０Ｗ／ｍＫであった。実施例１と同様に、金属被膜の剥離試験を行なった結果、剥がれは認められなかった。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明のヒートシンクは、各種の半導体素子の放熱に使用することができるが、熱伝導率が大きいため、大量の熱を発生する半導体装置のヒートシンクとして、特に有用である。また、ＳｉＣ基板の表面に形成された金属被膜により電流ロスを少なくすることができ、形成した金属被膜は剥がれにくい。

本発明のヒートシンクの断面図である。 本発明のヒートシンク用ＳｉＣ単結晶の製造装置を示す模式図である。

符号の説明

１２ ＳｉＣ基板、１３ 金属薄膜、１４ 金属層。

Claims (12)

1. 電子部品の放熱のために装着するヒートシンクであって、主面におけるマイクロパイプの密度が３０個／ｃｍ^２以上であるＳｉＣ基板を用いたことを特徴とするヒートシンク。
2. 電子部品の放熱のために装着するヒートシンクであって、主面におけるマイクロパイプの密度が３０個／ｃｍ^２以上であるＳｉＣ基板を用いたサブマウントを備えることを特徴とするヒートシンク。
3. ＳｉＣ基板の少なくとも１面が、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ａｕ、ＡｇおよびＣｕからなる群より選ばれる少なくとも１種を含む組成の金属材料により被覆されていることを特徴とする請求項１または２に記載のヒートシンク。
4. ＳｉＣ基板の主面が、（０００１）面から±１０度以内の面であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のヒートシンク。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載のヒートシンクの製造方法。
6. ＳｉＣ基板は、成長面におけるマイクロパイプの密度が３０個／ｃｍ^２以上であるＳｉＣを種結晶とする昇華再結晶法により形成することを特徴とする請求項５に記載のヒートシンクの製造方法。
7. 原料ＳｉＣを２３００℃以上に加熱して、結晶成長を行なう請求項６に記載のヒートシンクの製造方法。
8. ６６７０Ｐａ以下の雰囲気で結晶成長を行なう請求項６に記載のヒートシンクの製造方法。
9. Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ａｕ、ＡｇおよびＣｕからなる群より選ばれる少なくとも１種を含む組成の金属材料を、電解メッキ法または化学メッキ法によりＳｉＣ基板の少なくとも１面に被覆することを特徴とする請求項５に記載のヒートシンクの製造方法。
10. 主面におけるマイクロパイプの密度が３０個／ｃｍ^２以上であるＳｉＣ基板を用いたヒートシンク、または主面におけるマイクロパイプの密度が３０個／ｃｍ^２以上であるＳｉＣ基板を用いたサブマウントを備えるヒートシンクを有することを特徴とする半導体レーザ装置。
11. 主面におけるマイクロパイプの密度が３０個／ｃｍ^２以上であるＳｉＣ基板を用いたヒートシンク、または主面におけるマイクロパイプの密度が３０個／ｃｍ^２以上であるＳｉＣ基板を用いたサブマウントを備えるヒートシンクを有することを特徴とする電力コントロール用半導体装置。
12. 主面におけるマイクロパイプの密度が３０個／ｃｍ^２以上であるＳｉＣ基板を用いたヒートシンク、または主面におけるマイクロパイプの密度が３０個／ｃｍ^２以上であるＳｉＣ基板を用いたサブマウントを備えるヒートシンクを有することを特徴とする電界効果型半導体装置。

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