JP2006190705A - 半導体搭載用放熱基板 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来の銅・タングステン合金からなる半導体搭載用放熱基板を改良し、高熱伝導性と低熱膨張性に優れた放熱基板を提供すること。
【解決手段】 銀の含有量が０．０２〜０．４重量％の銀・銅合金とタングステンもしくはモリブデンとの複合合金であって前記銀・銅合金の含有量が８〜３０重量％のもの、又は前記銀・銅合金を含まないモリブデンからなる低熱膨張材のブロックの所定箇所に表裏に貫通する穴が形成され、この穴に前記銀・銅合金が充填されている半導体搭載用放熱基板。当該放熱基板の表裏両面に銅もしくは銀・銅合金からなる被覆層を設けておくとより効果的である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体素子を搭載するための放熱基板に関し、より詳しくは、熱膨張係数が半導体素子やセラミックス等のパッケージ材料に近似するとともに、良好な熱伝導率を備えた放熱基板に関するものである。

半導体素子を搭載するための放熱基板用材料として使用されているのは、熱膨張係数が半導体素子とほぼ等しく、熱伝導性に優れた銅・タングステン合金である。この材料で作られた基板の上に半導体素子を搭載するが、半導体素子の発熱量が大きい場合は、この放熱基板と素子の間にペルチェ素子からなるペルチェクーラーを介装することも行われている。従来、この銅・タングステン合金は、タングステン粉末と銅粉末の混合粉末を成形して燒結する混合法、又は、予め多孔質のタングステン燒結体（スケルトン）を製作し、これに銅を含浸する溶浸法で製造されてきた。

上記従来の製造方法で製造された銅・タングステン合金は、タングステンの低熱膨張係数と銅の高熱伝導度とを組み合わせて所望の性質を得るものであるが、その性質がタングステンと銅の含有量の混合則に依存するため、例えば熱膨張係数をある値にすると、熱伝導度は必然的にほぼ決定される。このため、熱膨張係数を半導体素子のそれと同程度に保って半導体素子の破損や剥離等を防止しながら熱伝導度をより高くすることはできないという問題点があった。

近年、半導体素子の発熱量が増大する傾向があり、大量の熱を放熱しなければならないため、高熱伝導度を有する放熱基板材料が要求されるようになったが、上記従来の溶浸法や混合法で製造される銅・タングステンでは、上記混合則による制約のため、熱伝導度が制限され、所望の性能に達したものは得られていないのが現状である。

熱膨張係数を所定の値に保ったまま熱伝導度を向上させるものとして、タングステン（又はモリブデン）線で編んだ金属網中に銅を溶浸する方法が提案されている（特許文献１）。この方法で製造された複合材料は、熱膨張が金属網によって制約され、熱伝導は網目中の銅によって行われるため、目的とする材料となってはいるが、金属網を構成するタングステン（モリブデン）線の交差部で銅含浸時に空隙が発生しやすいという問題点がある。放熱基板中に空隙が多く存在すると、放熱基板自体の性能が低下するほか、使用中にガスが発生して半導体や電子機器に悪影響を及ぼす恐れがあるので、空隙の発生は極力押さえる必要がある。一方、この空隙を除去するため、圧延や鍛造等の加工を施すと、金網の形状を制御できないという問題点があった。

また、上記特許文献１に記載の材料の問題点を解決するものとして、低熱膨張材でつくられたハニカム構造体の板のハニカム状空間部に高熱伝導材を含浸してなる放熱基板用複合材料が提案されている（特許文献２）。

上記ハニカム構造体の放熱基板用複合材料は、高い剛性を有するタングステン等の低熱膨張材でつくられたハニカム構造体により、平面方向の熱膨張が拘束され、かつ高熱伝導材の層が表裏に貫通しているので、高熱伝導度が発揮されるという優れた効果がある。しかしながら、このハニカム構造のものは、後続のろう付け等の加熱の際に、そのハニカム空間部に含浸した銅が、基板表面から盛り上がり、半導体が板面から浮き上がって、熱が有効に伝導しなくなるおそれがあった。

特開平７−２４９７１７号公報 特開２００３−０１７６３７号公報

本発明は、上記従来の複合材料の問題点を改良し、熱膨張係数が小さく、高熱伝導を得ることができ、しかも半導体を密着させて搭載することのできる放熱基板を提供する事を課題としている。

上記課題を解決するため、本発明は次のような構成を採用した。すなわち、本発明にかかる半導体搭載用放熱基板は、銀の含有量が０．０２〜０．４重量％の銀・銅合金とタングステンもしくはモリブデンとの複合合金であって前記銀・銅合金の含有量が８〜３０重量％のもの、又は前記銀・銅合金を含まないモリブデンからなる低熱膨張材のブロックの所定箇所に表裏に貫通する穴が形成され、この穴に前記銀・銅合金が充填されていることを特徴としている。前記穴の面積は、半導体素子もしくはペルチェクーラーを載せることができる大きさとするのが好ましい。この基板の表裏両面に銅もしくは銀・銅合金の被覆層を形成しておくとさらに効果的である。

この半導体搭載用放熱基板は、剛性の高い低熱膨張材であるタングステンもしくはモリブデンを主成分とするブロック（母材）の板の所定箇所に表裏に貫通する穴をあけ、この穴に少量の銀を含有する銅を高熱伝導材として充填してなるものであるから、高熱伝導材の部分に半導体を搭載すると、当該半導体の熱を高熱伝導材を通って効率よく逃がすことができる。また、高熱伝導材の部分は、低熱膨張材でからなる母材で囲まれているので、平面方向への膨張が拘束される結果、半導体とほぼ同様な熱膨張が保たれ、半導体素子の剥離等の問題が生じない。さらに、高熱伝導材は、少量の銀を含有する銀・銅合金であるから、溶浸後の合金の結晶は比較的小さくなり、高熱伝導材の表面に粒界による大きな段差が生じない。このため、半導体やペルチェ素子を密着状態で搭載することができる。

以下、図面に表された本発明の実施形態例に基づいて、具体的に説明する。図１は本発明の放熱基板の１例を表すもので、少量の銅とタングステン（もしくはモリブデン）の合金又はモリブデンからなる低熱膨張材で作られた板状ブロック（母材）２の中央部に表裏に貫通する穴３があけられており、その穴に高熱伝導材４が溶浸により充填されている。穴３の形状は、図示例では長方形であるが、これに限らず、例えば円形、小判型等、適当な形状とすることができる。なお、両端部には、位置決め用の半円形凹部５が形成されている。

図２は上記と異なる実施形態を表すもので、この例では、上記と同様の放熱基板１の表裏両面に銅又は銀・銅合金の被覆層６が設けられている。被覆層６の厚みは０．２〜１．０ｍｍとするのが好ましく、０．３〜０．７ｍｍとするのがより好ましい。この放熱基板１’は、低熱膨張材の母材２の表面も高熱伝導材である銅もしくは銀・銅合金で被覆されているので、放熱効果はさらに高くなる。この場合も、被覆層は薄いので、熱膨張は母材である低熱膨張材によって拘束される。

低熱膨張材（母材）としては、銅含有率の低い銅・タングステン合金（例えばＷ−１０Ｃｕ）を好適に使用することができる。低熱膨張材における銅の含有率は、重量比で８〜３０％とするのが好ましく、１０〜１５％とするのがより好ましい。低熱膨張材として、モリブデン、銅・モリブデン合金を使用することもできる。なお、請求項に記載の発明とは異なるが、コバール等の材料も低膨張材として使用可能である。一方、高熱伝導材としては、少量の銀を含む銀・銅合金を使用する。この銀・銅合金における銀の含有量は、重量比で０．０２〜０．４％とするのが好ましく、０．０５〜０．３％とするのがより好ましい。銀の含有率を高くするとコストが高くなり、低過ぎると所望の性能が得られなくなるので、上記範囲が適当である。

高熱伝導材として、純銅を使用すると、溶浸した銅の結晶は単結晶に近い大きな結晶となる。このため、半導体を搭載した後の加熱、例えばロウ付け等の加熱により、高熱伝導材の結晶粒界に十ミクロン以上（例えば１５ミクロン）の段差が生じ、半導体が板面から浮き上がって剥離等が生じるという問題があるが、本発明では、少量の銀を添加することにより、このような問題を防止することができた。この理由は明らかではないが、銀の添加により、結晶粒が小さくなり、大きな段差が生じなくなるためであると推測される。

さらに、高熱伝導材として純銅を使用すると、当該高熱伝導材にポアが生じやすく、不良率が高くなるが、少量の銀の添加により、この不良率を低減することもできた。これは、溶浸後の高熱伝導材は、溶浸体周囲の温度勾配により低温側から徐々に冷却され凝固していくが、銅単体の場合凝固開始サイトが少なく、一方向凝固となり、最終凝固部にはポアが生じやすい。一方、銀の添加により、凝固開始サイトの数が増え、そのような現象が生じにくくなるためではないかと推測される。

本発明の放熱基板材料である複合材料の製法について銅・タングステン合金の場合を例にとって具体的に説明すると、次のとおりである。まず、原料である粒径３〜６ミクロンの純タングステン粉末もしくは燒結性を向上させるため微量（例えば０．１〜０．３ｗｔ％）のニッケルをドープしたタングステン粉末を造粒する。これを所定の金型（所定の貫通穴を有する）中でプレス成形した後、得られた成形体を水素気流中で加熱して脱脂（造粒用バインダーや潤滑剤の除去）と燒結を行う。脱脂は８００℃以下で行い、その後１２００〜１６００℃で燒結する。得られるスケルトンの比重は、この時の燒結温度に依存する。

得られたタングステンスケルトンに少量の銀を含有する銀・銅合金（例えばＡｇ含有量が０．２ｗｔ％）を溶浸する。この溶浸は、水素気流中で１２００℃程度で行う。この溶浸によって、スケルトンのポア内に銀・銅合金が浸透するとともに、予め中央部に形成されている穴（空間）内に銀・銅合金が充填された基板素材が得られる。得られた基板素材の上下両面を研削し、外周を切断加工するとともに、上下両面をラッピングして目的とする放熱基板を得る。

この複合材料は、高い剛性を有する銅・タングステン等の低熱膨張材で作られた母材により、平面方向の熱膨張が拘束される。一方、板面と垂直方向には、銀・銅合金からなる高熱伝導材の層が貫通しているので、高熱伝導度が発揮される。このため、従来の溶浸法や混合燒結法によって製造された銅タングステン材料に比べて、高い熱伝導度／熱膨張係数比が得られ、平面方向の熱膨張が半導体素子やセラミックス等の熱膨張と近似し、かつ垂直方向への熱伝導が良好なものとなるのである。

平均粒度６ミクロンのタングステン粉末にＰＶＰ１％を加え、噴霧造粒した。これを金型中で所定形状（中央部に貫通穴を有する板状）にプレス成形した。この時のプレス圧は５トン／ｃｍ² であった。得られた成形体を８００℃で脱脂するとともに、１５００ｘ１ｈｒの条件で燒結した。この燒結によって、Ｗ−１３Ｃｕの比率となる空隙率を有するスケルトンが得られた。

次に、０．２ｗｔ％の銀を含有する銀・銅合金（銅は無酸素銅）を上記スケルトンの下にセットし、電気炉内で１３００℃ｘ１ｈｒの条件で溶浸した。しかるのち、アルミナ砥石で上下両面を研削するとともに、超硬エンドミルで外周を切削加工した。さらに上下両面にラッピングを施し、ロウ付けのため表面にニッケルメッキを施した。これにより、所望の半導体搭載用放熱基板が得られた。

平均粒度３ミクロンのタングステン粉末に硝酸ニッケルの形でニッケルを０．２ｗｔ％添加した。この粉末を乾燥した後、水素中で６００℃で還元した。得られた還元粉末に射出成形用の有機物バインダー（エチレンビニルアセテート−ブチルメタアクリレート−ポリスチレンの共重合体，パラフィンワックス，フタル酸ブチル，ステアリン酸）を加えて混練し、射出成形用のフィードストックとした。

このフィードストックを用いて所定形状に射出成形し、脱脂と燒結（燒結温度は１４００℃、他の条件は上記と同じ）を行って、Ｗ−８Ｃｕ相当の空隙率を有するスケルトンを得た。このスケルトンに実施例１と同様の処理を施して、目的とする半導体搭載用放熱基板を得た。

この放熱基板は、低熱膨張係数を有するタングステン（又はモリブデン）系材料の板に設けた所定形状の穴の中に、高熱伝導度を有する銀・銅合金を充填したものであるから、この高熱伝導度を有する合金の上に半導体等の素子を搭載すれば、熱膨張係数の差による剥離等が生じにくく、密着性が良好で、しかも発生する熱を効率よく放熱することができ、半導体素子を有する電子機器用の放熱基板として、有効に利用できる。

本発明の１実施形態を表す平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。 上記と異なる実施形態を表す平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。

符号の説明

１ 放熱基板
２ 低熱膨張材の板（母材）
３ 穴
４ 高熱伝導材

Claims (2)

1. 銀の含有量が０．０２〜０．４重量％の銀・銅合金とタングステンもしくはモリブデンとの複合合金であって前記銀・銅合金の含有量が８〜３０重量％のもの、又は前記銀・銅合金を含まないモリブデンからなる低熱膨張材のブロックの所定箇所に表裏に貫通する穴が形成され、この穴に前記銀・銅合金が充填されていることを特徴とする半導体搭載用放熱基板。
2. 放熱基板の表裏両面に、銅もしくは銀・銅合金からなる高熱伝導材の被覆層が設けられている請求項１に記載の半導体搭載用放熱基板。

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