JP2006054297A - 放熱基板及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体素子のＳｉやＧａＡｓ並びに各種パッケージ材料、特にアルミナ、ＡｌＮと熱膨張を整合させることができ、高集積化、軽量化に対応できる高熱伝導率を持つＣｕ−インバー焼結合金からなる半導体装置用放熱基板を低コストで提供すること。
【解決手段】 放熱基板は、Ｃｕ−ステンレスインバーの焼結合金であって、前記Ｃｕの含有量が３０〜７０質量％である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、Ｃｕ−インバー系合金からなる半導体装置用放熱基板に関し、詳しくは、ＩＣ，マイクロ波、光関係等の半導体装置、あるいはハイブリット自動車用ＩＧＢＴ、オルタネーターに用いられる放熱基板及びその製造方法に関する。

半導体装置用放熱基板には、搭載した半導体素子から発生する熱を効率よく放熱するため高い熱伝導率を有すると共に、熱応力を極力小さくするため半導体素子や各種パッケージ材料と熱膨張係数が近似していること、即ち熱膨張係数が整合していること、さらに、パッケージの気密性維持や接合部の劣化防止などの信頼性を確保し、且つ、所望の放熱性などを確実にするため、空孔や亀裂などの欠陥が存在しないこと、低コスト即ち経済性に優れること、及び、自動車などの移動体用途に対しては軽量化が要求される。

従来より一般的に使用されている半導体装置用放熱基板としては、溶浸法あるいは焼結法により製造されるＷ（タングステン）−Ｃｕ（銅），Ｍｏ（モリブデン）−Ｃｕ系焼結合金、あるいはクラッド材のＣｕ／Ｍｏ／Ｃｕ，Ｃｕ／インバー／Ｃｕ，Ｃｕ／Ｃｕ−Ｍｏ／Ｃｕがある。

それらのなかで、Ｗ−Ｃｕ合金はＷの低熱膨張とＣｕの熱伝導を利用しＳｉ半導体、アルミナとのマッチングを図り、ＩＣパッケージ等に多用されてきた（例えば、特許文献１、参照）。

しかし、近年高周波化が進み、且つ半導体の容量が大きくなってきたため、熱伝導率に限界のあるＷ−Ｃｕ合金では満足できない状況が生じてきた。即ち、アルミナを絶縁材とするセラミックスパッケージの場合、アルミナと放熱基板を銀ローで接合している。銀ローが凝固する７８０℃前後と常温の間の熱膨張を近似させるためには、銅の比率を１０〜２０質量％（以下、単に「％」とも云う）に留める必要があり熱伝導率は制約を受ける。又、Ｗは比重が大きいため重いという難点がある。

複合体の熱伝導率はその組成によって決まり、材料中に空孔などの欠陥がなく構成金属が固溶し合金を作らない場合、熱伝導率は構成金属の比率で決まる。

通常、Ｗ−Ｃｕの場合、極微量のニッケルなどの鉄族金属を添加して濡れ性を改善し、銅の浸透を容易にしている。このため、熱伝導率がさらに下がる。

一方、Ｍｏ−Ｃｕは、溶融銅とＭｏの濡れ性がよいため他金属の添加の必要がない為、Ｗ−Ｃｕのような熱伝導率の低下はない（特許文献２，参照）。又、Ｍｏ−Ｃｕ焼結合金は圧延性が良く、圧延することによりＭｏが繊維化してＣｕ／Ｍｏ界面の面積が増加して熱膨張係数が低く抑えられること（特許文献３及び４、参照）、あるいは、圧延加工や打ち抜き加工が可能のため、大型板も経済的に製造出来、大きな発熱を伴う大容量の半導体素子が用いられる電気自動車のインバーター、あるいは移動体通信関係のマイクロ波、光関係に使用範囲が拡大している。

特許文献５に示されるインバー−Ｃｕは、低熱膨張のインバーとの組み合わせであるが、欠陥のない合金とする為に、銅の融点以上で焼結するとインバー中のＮｉが銅に固溶し、熱伝導が低下すると云う問題点が有る。

このため銅を被覆したインバー粉末による焼結性向上（特許文献６、参照）、あるいは相互反応せずに緻密化する粉末押出合金も提案されている（特許文献７、参照）。

前者はＣｕの融点以下の固相焼結の為、合金中に巣が残存して、塑性加工性が乏しく、且つ、熱伝導性が劣る。又、後者は緻密化するものの塑性加工性が乏しく、形状が制限されるという問題がある。

特公平７−１０５４６４号公報 特開平１１−３０７７０１号公報 特開２００１−３５８２６６号公報 特開平６−３１０６２０号公報 米国特許第４１５８７１９号明細書 米国特許第４８９４２９３号明細書 特開平６−２４４３３０号公報

係る従来の事情に鑑み、本発明の技術的課題は、半導体素子のＳｉやＧａＡｓ並びに各種パッケージ材料、特にアルミナ、ＡｌＮと熱膨張を整合させることができ、高集積化、軽量化に対応できる高熱伝導率を持つＣｕ−インバー焼結合金からなる半導体装置用放熱基板を低コストで提供することにある。

本発明者らは、インバー−Ｃｕ合金は、放熱材料として知られているが、ＣｕとＣｕの融点以下で固溶がほとんどないＦｅ−Ｃｏ−Ｃｒ系のステンレスインバーの合金とすることにより、熱膨張係数を維持しながら熱伝導率を大幅に向上することを見出した。さらに、この合金に塑性加工を施すことによって、塑性加工前と同じ熱伝導率を維持しながら、塑性加工前よりも熱膨張係数が低下することも見出し本発明を完成するに到ったものである。

即ち、本発明の放熱基板は、含有量が３０〜７０質量％のＣｕと、残部としてステンレスインバーとを含むＣｕ−ステンレスインバーの焼結合金からなることを特徴とする。ここで、本発明において、ステンレスインバーとは、（Ｆｅ（鉄）−Ｃｏ（コバルト）−Ｃｒ（クロム）合金を指している。そして、本発明の放熱基板は、半導体装置用として用いられることが好ましい。

また、本発明に係る放熱基板において、前記ステンレスインバーは、Ｆｅが３４〜３８％、Ｃｏが５２〜５６％及び残部が実質的にＣｒからなり、粒径が１〜１０μｍの合金原料粉末からなることを特徴としている。

また、本発明に係る放熱基板において、前記Ｃｕ−ステンレスインバー焼結合金は、７００℃〜８５０℃の熱処理を施すことで、Ｃｕ中に過飽和に固溶している金属を再析出させていることを特徴とする。ここで、本発明の放熱基板において、７００℃〜８５０℃の熱処理を施すことで、Ｃｕ中に過飽和の固溶金属が析出し、熱伝導度を改善することができる。

また、本発明に係る放熱基板において、前記Ｃｕ−ステンレスインバー焼結合金は、塑性加工が施されていることを特徴としている。ここで、本発明において、塑性加工は、熱膨張係数を改善するために行われる。

また、本発明に係る放熱基板の製造方法は、３０〜７０質量％のＣｕ含有量になるように銅粉末と、粒径が１〜１０μｍのステンレスインバー粉末を混合し、この混合粉末を９．８〜２９．４×１０^７Ｐａで成形し、得られた成形体を１１００〜１３００℃で焼結してＣｕ−ステンレスインバー複合基板を得ること特徴とする。ここで、本発明において、銅粉末の粒径は、１０〜１５０μｍであることが好ましい。その理由は、１０μｍ未満では、銅粉末が酸化しやすく、且つ高価であり、また、１５０μｍを超えるとステンレスインバー粉末との均一混合が得にくいためである。

また、本発明に係る放熱基板の製造方法は、粉末粒径が１〜１０μｍのステンレスインバーのプレス成形体からなるか又は、このプレス成形体を中間焼結（中焼とも呼ぶ）して空隙量を調整した中間焼結体からなる素材を用意し、前記素材にＣｕの含有量が３０〜７０質量％になるようにＣｕを溶浸してＣｕ−ステンレスインバー複合基板を得ることを特徴とする。

また、本発明に係る放熱基板の製造方法は、前記いずれか一つの放熱基板の製造方法において、前記ステンレスインバーとして、Ｆｅが３４〜３８％、Ｃｏが５２〜５６％及び残部が実質的にＣｒからなるものを用いることを特徴としている。

また、本発明に係る放熱基板の製造方法は、前記いずれか一つの放熱基板の製造方法において、前記Ｃｕ−ステンレスインバー焼結合金に、７００℃〜８５０℃の熱処理を施して、Ｃｕ中に過飽和の固溶金属を析出させることを特徴とする。ここで、本発明において、７００℃〜８５０℃の熱処理を施して、Ｃｕ中に過飽和の固溶金属を析出させることで、熱伝導度を改善するものである。ここで、７００℃〜８５０℃での熱処理は、還元雰囲気中又は非酸化雰囲気中で、その熱処理時間は、５〜３０時間が好ましい。

また、本発明に係る放熱基板の製造方法は、前記いずれか１つの放熱基板の製造方法において、前記Ｃｕ−ステンレスインバー焼結合金に、塑性加工を施すことを特徴とする。ここで、本発明において、塑性加工は熱膨張係数を改善するために行われ、この焼結合金の加工率については、３０〜９８％の温間圧延の塑性加工を施すことがより好ましい。

本発明によれば、半導体素子のＳｉやＧａＡｓ並びに各種パッケージ材料、特にアルミナ、ＡｌＮと熱膨張を整合させることができ、高集積化、軽量化に対応できる高熱伝導率を持つＣｕ−インバー焼結合金からなる半導体装置用放熱基板を低コストで提供することができる。

まず、本発明の半導体装置用の放熱基板について詳細に説明する。

図１は本発明の実施の形態による放熱基板の熱膨張係数と熱伝導率との関係を示すグラフである。あわせて、比較のために、比較材Ａ，Ｂと従来材Ｃ（特許文献１より），従来材Ｄ（特許文献２より）を示している。

本発明の半導体装置用の放熱基板は、Ｃｕ−ステンレスインバーの焼結合金であって、前記Ｃｕの含有量が３０〜７０質量％である。ここで、本発明において、ステンレスインバーとは、（Ｆｅ（鉄）−Ｃｏ（コバルト）−Ｃｒ（クロム）合金を指している。

一般に、インバー−Ｃｕ合金は、放熱材料として知られているが、ＣｕとＣｕの融点以下で固溶がほとんどないＦｅ−Ｃｏ−Ｃｒ系のステンレスインバーの合金とすることにより、熱膨張係数を維持しながら熱伝導率を大幅に向上する。さらに、この合金に塑性加工を施すことによって、塑性加工前と同じ熱伝導率を維持しながら、塑性加工前よりも熱膨張係数が低下する。

一方、Ｆｅ−Ｎｉ系インバーからなるＣｕ−インバー合金をＣｕの融点以上で焼結すると、インバー成分中のニッケルと銅が相互反応してＣｕ−ニッケルのモネル合金を形成し熱伝導が低下する。

しかし、本発明のＦｅ−Ｃｏ−Ｃｒからなるステンレスインバーは、Ｃｕの融点以上で焼結してもニッケルのように全率固溶が起き難い組み合わせである。また、一部Ｃｕに固溶した元素はＣｕの融点以下の熱処理にて再析出するため、熱伝導の低下はわずかとする事ができる。

焼結後Ｆｅ，Ｃｏ，Ｃｒは冷却時Ｃｕ中に過飽和で固溶している。再加熱処理によりＦｅ，Ｃｏ，Ｃｒは再析出する。析出は、温度が高い方が早く進行するが、温度が高い程Ｃｕ中に残留するＦｅ，Ｃｏ，Ｃｒが多くなる。実用的には水素雰囲気中、７００〜８５０℃にて、５〜３０時間が好ましい。

又、ステンレスインバーは熱膨張係数がゼロに近い為、Ｃｕの熱膨張を抑え、合金として低熱膨張が得られる。Ｃｕ含有量が多くなるにつれて熱膨張係数は大きく熱伝導は高くなる。

また、塑性加工、つまり圧延加工を繰返し施すことによって材料中の空孔などの欠陥をなくすことができる。

Ｓｉ，ＧａＡｓ半導体及びアルミナパッケージとの熱膨張のマッチングよりＣｕ組成は３０〜７０％が実用範囲である。分散するインバー粒子は１〜１０μｍである。粒子径の特性への影響は小さいが、１μｍ未満の場合は、粉末表面が酸化し易く、且つ、粉末製造コストが極端に高くなる。又、粒径が大きくなると特性のバラツキが大きく、又、熱膨張係数も同一含有量で比較すると大きくなる為、１０μｍ以下が好ましい。

このように、Ｃｕにステンレスインバー粒子が均一に分散したＣｕ−ステンレスインバー合金の各々の組成の合金を９０％圧延加工した材料の熱膨張係数と熱伝導率の関係は、図１の曲線のごとく変化する。図1の曲線において、本発明材は、加工率９０％のデータを示している。また、比較材Ａは、合金上がりのデータを示している。比較材Ｂは、加工率９０％のデータを示している。

図１からわかるように、例えば、本発明の例２の６０％ステンレスインバー−４０％Ｃｕ合金において、ステンレスインバー粒が均一に分散し、９０％の加工を施した（図１および下記表１）熱膨張係数は７×１０^−６／℃、熱伝導率は１５５／（ｍ・Ｋ）である。

従って、熱膨張係数をアルミナと一致させるため、例えば８×１０^−６／℃に定める場合、均一分散ステンレスインバー−Ｃｕ焼結合金では５０％ステンレスインバー−５０Ｃｕ合金が必要である。この場合、熱伝導率は１８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。

このように本発明のＣｕ−ステンレスインバー合金からなる放熱基板は、従来のＦｅ−ＮｉインバーＣｕ合金の放熱基板に比べ同一熱膨張係数では、より高い熱伝導率が得られる。

即ち、本発明のＣｕ−ステンレスインバー合金からなる放熱基板は、Ｆｅ−Ｎｉ系インバー−Ｃｕ合金より熱膨張係数を０．４×１０^−６／℃以上低減できるため、アルミナと整合させるＣｕ−ステンレスインバー合金のＣｕ量を多くできる。

従って、熱伝導が高くなりパッケージの高性能化あるいは小型化が可能となると共に、高価なインバー含有量が少なくできるため経済的である。

また、本発明の放熱基板では、同程度の熱膨張を持つＷ−ＣｕあるいはＭｏ−Ｃｕ合金に比べ密度が小さくなるので半導体装置の軽量化にも適している。

本発明に関わるＣｕ−ステンレスインバー合金のＣｕ含有量は、放熱基板として利用価値のある３０質量％以上であり、且つ、熱膨張係数の点で放熱基板として通常利用できる範囲を考慮して７０質量％以下とする。特に、パッケージ材料として最も広く使用されているアルミナと組み合わせる場合には、熱膨張係数の一致を得るためＣｕ含有量を４０〜６０質量％とすることが好ましい。

なお、各種半導体素子の熱膨張係数は、Ｓｉが３×１０^−６／℃、ＧａＡｓが５．９×１０^−６／℃、アルミナが６．７×１０^−６／℃、ＡｌＮが４．５×１０^−６／℃である。

次に、本発明の放熱基板の製造方法について説明する。

まず、１０〜５０μｍのＣｕ粉末と１〜１０μｍのステンレスインバー粉末を所定量秤量後、混合する。この混合粉末をプレス成形する。このプレス体をＣｕの融点以上にて焼結させることによりＣｕ−ステンレスインバー合金が得られる。

さらに、Ｃｕ中に固溶したステンレスインバー元素をＣｕの融点以下で熱処理して再析出させることによって高熱伝導度を示すＣｕ−ステンレスインバー合金が得られる。又、この合金を塑性加工にて所定の厚みにする事により、熱伝導度を維持して熱膨張係数を小さくする事ができ、高熱伝導度、低熱膨張を示すＣｕ−ステンレスインバー合金が得られる。

又、合金の製造方法として上記ステンレスインバー粉末をプレス成形し、このプレス成形体にＣｕを溶浸させることによってもＣｕ−ステンレスインバー合金が得られる。

それでは、本発明の放熱基板の製造の具体例について説明する。

（例）
平均粒径３２μｍの市販のＣｕ粉末と平均粒径３μｍの市販のステンレスインバー粉末（Ｆｅが３４〜３８質量％−Ｃｏが５２〜５６質量％−Ｃｒが７〜１２質量％）を、先ず３０〜７０質量％Ｃｕ−残部インバーの割合でＶ型ミキサーにて３０分混合した。次に、この混合粉末を９．８×１０^７Ｐａでプレス成形し、５０×１００×１０ｍｍの成形体を作製した。この成形体を１３００℃、水素雰囲気中で加熱し、各種組成のＣｕ−ステンレスインバー合金を得た。その後、８００℃、水素雰囲気中で１０時間加熱し、Ｃｕ中に固溶した元素を再析出させた。

この合金の表面の余剰Ｃｕや汚れを除去するためホーニングした後、２５０℃で温間圧延加工により加工率７０，９０％の塑性加工をそれぞれ施した。合金及び塑性加工後の圧延体から試料片（熱伝導試料片は直径１０ｍｍ、厚み２ｍｍ，熱膨張試料片は圧延方向に切り出し形状は１５×５×３ｍｍとした）を切り出し、熱伝導率及び熱膨張係数を測定した。結果を表１に示す。尚、熱伝導率は塑性加工の前後で変化はなかった。

なお、２５０℃で温間圧延加工を行なうことにより圧延時割れをなくする効果がある。好ましい範囲は１５０〜３００℃である。３００℃以上では表面酸化が激しくなる為、３００℃以下が好ましい。

（比較例１）
比較のためＦｅ−Ｎｉ系インバー粉末を下記表１の組成で配合、混合し、粉末押し出し（比較材Ａ）し、同様に熱膨張係数及び熱伝導度を測定した。

（比較例２）
比較のため本発明材と同一条件でプレス、焼結、熱処理を施し（比較材Ｂ）、同様に熱膨張係数及び熱伝導度を測定した。

表１の結果からわかるように圧延加工を施すことにより、又加工率を上げれば、圧延方向の熱膨張係数は小さくなる。又、最終組成がほぼ同一でもＣｕ−Ｆｅ−Ｎｉ系インバーに比べ熱伝導率が高くなる。

尚、比較材Ａは圧延加工で割れが発生し、加工が困難であった。又、表中合金上がりとは圧延加工前の合金の意味である。また、従来材Ｃは特許文献１，従来材Ｄは特許文献２による。

以上説明したように、本発明によれば、半導体素子のＳｉやＧａＡｓならびに各種パッケージ材料、特にアルミナあるいはＡｌＮと熱膨張係数を簡単且つ精密に整合させることができる。特に、高価なＭｏやＷを使用しないため低コストで、且つ、軽量化が可能な半導体装置用放熱基板を提供することができる。

本発明に係る放熱基板は、半導体素子のＳｉやＧａＡｓ並びに各種パッケージ材料、特にアルミナ、ＡｌＮ等のパッケージの半導体装置用放熱基板に最適である。

本発明材（加工率９０％）の熱膨張係数と熱伝導率の関係を示す図で、併せて比較材Ａ（Ｃｕ−Ｆｅ−Ｎｉ系インバー押出し）及び比較材Ｂ（Ｃｕ−Ｆｅ−Ｎｉ系インバー焼結・熱処理材：加工率９０％）及び従来材Ｃ（Ｃｕ−Ｗ−Ｎｉ）、従来材Ｄ（Ｃｕ-Ｍｏ）のデータも示している。

Claims (9)

1. 含有量が３０〜７０質量％のＣｕと、残部としてステンレスインバーとを含むＣｕ−ステンレスインバーの焼結合金からなることを特徴とする放熱基板。
2. 請求項１記載の放熱基板において、前記ステンレスインバーは、Ｆｅが３４〜３８％、Ｃｏが５２〜５６％及び残部が実質的にＣｒからなり、粒径が１〜１０μｍの合金原料粉末からなることを特徴とする放熱基板。
3. 請求項１又は２に記載の放熱基板において、前記Ｃｕ−ステンレスインバー焼結合金は、７００℃〜８５０℃の熱処理を施すことで、Ｃｕ中に過飽和の固溶金属が析出していることを特徴とする放熱基板。
4. 請求項１乃至３の内のいずれか１つに記載の放熱基板において、前記Ｃｕ−ステンレスインバー焼結合金は、塑性加工が施されていることを特徴とする放熱基板。
5. ３０〜７０質量％のＣｕ含有量になるように銅粉末と、粒径が１〜１０μｍのステンレスインバー粉末を混合し、この混合粉末を９．８〜２９．４×１０^７Ｐａで成形し、得られた成形体を１１００〜１３００℃で焼結してＣｕ−ステンレスインバー複合基板を得ること特徴とする放熱基板の製造方法。
6. 粉末粒径が１〜１０μｍのステンレスインバーのプレス成形体からなるか又は、このプレス成形体を中間焼結して空隙量を調整した中間焼結体からなる素材を用意し、前記素材にＣｕの含有量が３０〜７０質量％になるようにＣｕを溶浸してＣｕ−ステンレスインバー複合基板を得ることを特徴とする放熱基板の製造方法。
7. 請求項５又は６に記載の放熱基板の製造方法において、前記ステンレスインバーとして、Ｆｅが３４〜３８％、Ｃｏが５２〜５６％及び残部が実質的にＣｒからなるものを用いることを特徴とする放熱基板の製造方法。
8. 請求項５乃至７に記載の放熱基板の製造方法において、前記Ｃｕ−ステンレスインバー焼結合金に、７００℃〜８５０℃の熱処理を施して、Ｃｕ中に過飽和の固溶金属を析出させることを特徴とする放熱基板の製造方法。
9. 請求項５乃至８の内のいずれか１つに記載の放熱基板の製造方法において、前記Ｃｕ−ステンレスインバー焼結合金に、塑性加工を施すことを特徴とする放熱基板の製造方法。
   
   

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