JP2006278595A - 放熱板およびその製造法 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｐｂフリーはんだを適用した場合に、はんだボイドの生成が顕著に抑制され、高い接合面強度が安定して発揮される半導体装置用の放熱板を提供する。
【解決手段】板の圧延方向をＬ方向、圧延方向と板厚方向とに垂直な方向をＴ方向と呼ぶとき、オーバーハング部を有し且つＬ方向の径が３μｍ以上である窪みが、Ｌ方向に５０μｍ以上の長さＸ（μｍ）にわたって、下記（Ａ）に従うＬ方向の密度で連なって形成される「筋状カブリ」の存在密度が、Ｔ方向１ｍｍあたりに３本以下である銅または銅合金の板からなる半導体装置用の放熱板。（Ａ）前記長さＸの中に存在する各窪みのＬ方向の径を合計した値をＤ_TOTAL（μｍ）とするとき、下記(１)式を満たすこと。
Ｄ_TOTAL／Ｘ＞０.１ ……(１)
【選択図】図２

Description

本発明は、パワー半導体モジュールやＩＣパッケージ等の半導体装置を構成する部材の一つである放熱板（半導体装置用の放熱板という）およびその製造法に関する。

エアコン、冷蔵庫といった家電製品、インバーターをはじめとする産業用機器、ハイブリット車等の各種分野で使用されているパワー半導体モジュールや、ＩＣパッケージ等の半導体装置は、一般に半導体素子、銅パターン、絶縁層、導体層、放熱板などから構成されている。これらの構成部材のうち、放熱板は通常は導体層（金属）と絶縁層（セラミックス）とを接合した「絶縁基板」の裏面（導体層側）に接合され、パワー半導体モジュール等から発生した熱を吸収して、外部へと効率良く放散させる機能を有する。また、パワー半導体モジュール等を機器に取り付ける際の強度を負担する役割を担う場合もある。このため、半導体装置用の放熱板は、熱伝導度の大きい銅系材料で構成し、かつ、板厚も２ｍｍ以上、あるいは特に３〜６ｍｍといった厚板の状態で使用される場合が多い。

パワー半導体モジュールではその組み立て時に、放熱板は基板に対してはんだ接合されるので、はんだ接合部の信頼性に優れることが必要とされる。はんだ接合の信頼性を低下させる大きな要因として、はんだ付け時にはんだ層内部に生成するボイド（以下「はんだボイド」という）の存在が挙げられる。はんだボイドの生成量が多くなると絶縁基板と放熱板との間の接合力が低下し、昇温、降温を繰り返すうちに接合面にクラックが発生してしまう。

従来のＳｎ−Ｐｂ系はんだの場合は銅系材料との濡れ性が良好であり、ボイドの発生も比較的起こりにくいものであった。しかし近年、環境問題からＰｂフリー化の要求が高まり、従来のＳｎ−Ｐｂ系はんだに代えて、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系などのＰｂフリーはんだが使用されるようになってきた。これらＰｂフリーはんだは、濡れ性が従来のＳｎ−Ｐｂ系はんだより劣り、また硬質であるため絶縁基板と放熱板との熱膨張差により適度に経時変形して応力を緩和する機能にも劣る。また、一般的に放熱板にはＮｉめっきが施されるが、コストダウンを目的としてＮｉめっきを省略することが強く望まれるようになってきた。このため、Ｐｂフリーはんだを適用するＮｉめっきレスの放熱板では、はんだボイドの発生に起因して使用時における耐久性が不足することがあった。

特開２００２−２９２４０６号公報

はんだボイドは、主として、はんだ付け時に放熱板表面に付着している異物から生じるガスや、表面の窪み（凹部）に存在していた空気を巻き込むことによって形成される。このため、はんだボイドの生成を低減するには、放熱板の表面粗さを小さくすることが有効であると考えられる。発明者らはＲａを小さくした銅系材料を作製して、Ｐｂフリーはんだを使用したときのはんだボイドの生成状況および耐久性を種々調査した。しかし、Ｒａを小さくしても、必ずしもボイド生成が低減するとは限らず抜本的対策にはならないことがわかった。

一方、特許文献１には、２０μｍ以上のクラック状の折れ込み欠陥が存在しない表面性状の良好な銅合金材料が記載されている。併せてＲｙを０.４５〜０.９０μｍに低減することも記載されている。しかしながら、このような材料を用いても、はんだボイドに起因する上記問題は解決に至らない。

また、リードフレーム等の通電部品では０.１５〜０.３０ｍｍ程度の薄板が主に使用され、ディスクリート系でも１.０ｍｍ以下の板厚が主流である。特許文献１でも板厚０.１５ｍｍといった薄板を対象としている。このような薄板であれば、板厚が厚い段階で表面粗度が大きくても、トータルの冷間圧延率を大きくできることや、途中で物理的または化学的研磨の工程を入れることなどで、表面粗度の小さい製品を作ることは比較的簡単である。ところが、半導体装置の放熱板としては板厚２ｍｍ以上のものが望まれる。このような厚い板厚の製品において表面粗度を厳密にコントロールすることは容易ではない。

このようなことから、半導体装置用の放熱板においてＰｂフリーはんだ使用時のボイド発生を抑制することは容易ではなく、Ｐｂフリーはんだを適用した場合に高い信頼性を示すＮｉめっきレス放熱板を製造する技術は未だ確立されていない。本発明はこのような問題を解決しようというものである。

発明者らは詳細な検討の結果、板厚２ｍｍ以上の銅系材料においてＰｂフリーはんだ使用時のボイド発生を改善するには表面性状を適正化することが極めて有効であることを見出した。すなわち、２０μｍ以上といった大きな表面欠陥を無くすだけでは不十分であり、幅が例えば１５μｍ以下の窪みであっても、オーバーハング部を有するような、異物に対するアンカー効果が高い窪みは、一定以下の存在密度に低減する必要があることがわかった。本発明はこのような知見に基づいて完成したものである。

上記目的は、板の圧延方向をＬ方向、圧延方向と板厚方向とに垂直な方向をＴ方向と呼ぶとき、
オーバーハング部を有し且つＬ方向の径が３μｍ以上である窪みが、Ｌ方向に５０μｍ以上の長さＸ（μｍ）にわたって、下記（Ａ）に従うＬ方向の密度で連なって形成される「筋状カブリ」
の存在密度が、はんだ接合される板面部分においてＴ方向１ｍｍあたりに３本以下であり、好ましくは最大高さＲｙ：１.０μｍ以下、かつ算術平均粗さＲａ：０.１５μｍ以下であり、厚さが２ｍｍ以上である、銅または銅合金の板からなる半導体装置用の放熱板によって達成される。
（Ａ）前記長さＸのなかに存在する各窪みのＬ方向の径を合計した値をＤ_TOTAL（μｍ）とするとき、下記(１)式を満たすこと。
Ｄ_TOTAL／Ｘ＞０.１ ……(１)

ここで、オーバーハング部とは、窪み内部の壁面において、法線方向が水平方向より下（板厚中心側）を向いている壁面部分である。Ｌ方向の径とは、Ｌ方向における窪みの最大長さである。すなわちＬ方向の径は、Ｔ方向に垂直な面に投影される「窪みの投影像」を想定したとき、その「窪みの投影像」におけるＬ方向の長さであると捉えることができる。ここでいう筋状カブリには、対象となる窪み（オーバーハング部を有し且つＬ方向の径が３μｍ以上の窪み）が複数個連なっているものの他、Ｌ方向の径が５０μｍ以上の窪みが単独で存在しているものも含まれる。ここで注意すべきは、単なるＬ方向の筋状欠陥と本願でいう「筋状カブリ」とは区別されるということである。すなわち、板面上に、Ｌ方向に連なる窪みによって形成される筋状欠陥が存在するとき、必ずしもその全長が「筋状カブリ」に該当するわけではない。上記の「長さＸ」は、筋状欠陥のなかでも「オーバーハング部を有し且つＬ方向の径が３μｍ以上の窪み」が上記（Ａ）を満たすような密度で存在している部分の最大長さである。ただし(１)式を満たしてもＸが５０μｍに達しないような短い部分は「筋状カブリ」と認めない。１本の筋状欠陥の中には、長さＸの「筋状カブリ」（ただしＸの値は個々の筋状カブリに特有の値）が複数箇所に認められる場合もあれば、全く認められない場合もあり、また、この筋状欠陥の全長がＸに該当して全体が１本の「筋状カブリ」と認められる場合もある。なお、筋状欠陥の方向は正確なＬ方向から少し傾いている場合もあり、またわずかに曲がっている場合もある。このような場合でも、Ｔ方向に垂直な面に投影される「筋状欠陥の投影像」を想定することにより、その投影像上で長さＸを把握することができる。「筋状カブリ」の存在密度がはんだ接合される板面部分においてＴ方向１ｍｍあたりに３本以下であるとは、長さ１ｍｍのＴ方向の直線を、当該放熱板のはんだ接合される板面部分の任意の位置に引いたと仮定したとき、その直線と交わる筋状カブリの本数が、３本を超えることがないような場合を意味する。

このような放熱板は、「仕上冷間圧延、レベラーによる形状矯正、順送金型による加工」を上記の順序で含む工程で放熱板を作るに際し、仕上冷間圧延前のＴ方向における最大高さＲｙが２.５μｍ以下となるようにし、かつ、レベラーによる形状矯正前のＴ方向における最大高さＲｙが１.５μｍ以下となるようにする製造法によって得ることができる。表面粗さのパラメーターはＪＩＳ Ｂ０６０１に規定されている。Ｒｙの測定においては基準長さを４.０ｍｍとすることができる。

ここで、仕上冷間圧延前の工程履歴は特に規定されない。なお、スリット、脱脂等、基本的に材料の組織状態に変化を与えない工程は適宜上記工程の途中に含めることができる。

また、上記レベラーによる形状矯正においては、レベラーに供する材料の板厚をｔ（ｍｍ）、レベラー入り側のロール間ギャップをＧ₁（ｍｍ）、レベラー出側のロール間ギャップをＧ₂（ｍｍ）とするとき、下記(２)〜(４)式を満たすようにすることが好ましい。
０.６５ｔ≦Ｇ₁≦０.９０ｔ ……(２)
０.７０ｔ≦Ｇ₂≦０.９５ｔ ……(３)
Ｇ₁≦Ｇ₂ ……(４)

本発明によれば、半導体装置に使用するＮｉめっきレス放熱板において、その表面性状を適正化することにより、Ｐｂフリーはんだを適用した際のボイドの発生が安定的に抑制され、はんだ接合面での耐久性を顕著に改善することが可能になった。本発明の手法は厚さ２〜６ｍｍといった板厚の大きい材料に適用できるので、パワー半導体モジュール等の高い放熱性が要求される用途に好適である。したがって本発明は、半導体装置の信頼性向上と、Ｐｂフリー化による環境問題の改善に寄与するものである。

図１に、銅系材料からなる従来の半導体装置用放熱板の表面についての光学顕微鏡写真を例示する。これは後述実施例１で使用したのと同様組成のＣｕ−Ｆｅ−Ｐ系銅合金からなるものである。写真の上下方向がＬ方向（圧延方向）に相当する。図１中、点線で囲んだ部分に「筋状カブリ」が見られる。この材料は、Ｔ方向１ｍｍあたりに存在する筋状カブリの本数が３本を超えている。

筋状カブリを形成する窪みの形状としては、比較的点状に近いものや、Ｌ方向の径が１０μｍ以上の長い形状のものが観察される。これらの窪みはオーバーハング部を有している。すなわち、オーバーハング部が窪みの上に覆い被さっているため、このような筋状欠陥の原因となった異物や、工程途中であとから窪みに入り込んだ異物は窪みから抜け出し難く、はんだ付け時まで残存しやすい。また、窪み内部へのはんだの流れ込みがオーバーハング部により妨げられ、窪み内部に空気が閉じこめられやすい。したがって、はんだ付け時には、このような窪み中の異物から発生したガスや、窪み中の空気がはんだ層中に入り込みやすく、これがはんだボイドの原因となる。このような現象は、銅系材料との濡れ性が良くないＰｂフリーはんだにおいて一層起こりやすい。

発明者らは詳細な検討の結果、このようなオーバーハング部をもつ窪みは、Ｌ方向の径が３μｍ以上であれば、Ｔ方向の径（窪み内部の最大径）が例えば３〜２０μｍ程度と小さいようなものでも、それらが筋状カブリを形成して連なっていて、かつそのような筋状カブリの本数が多い場合には、比較的大きいはんだボイドが多発する原因となることを突き止めた。そしてそのようなはんだボイドが多発すると、はんだ接合部の信頼性は大幅に低下する。したがって、放熱板の製造過程においてこのような微細な筋状カブリをできるだけ発生させないことが、はんだ接合の耐久性を向上させる上で極めて重要となる。

筋状カブリの構成要素として対象となる窪みは、オーバーハング部を有し且つＬ方向の径が３μｍ以上である窪みである。オーバーハング部を有しないものは内部への異物の残存が起こりにくく、またはんだも窪み内部に流れ込みやすいので、本発明では特に問題としない。窪みは通常圧延によってＬ方向に伸ばされた形状をもつが、Ｌ方向の径が３μｍに満たないような微小窪みは、特に問題とする必要はない。ここで、窪みの径は表面の開口部における径ではなく、内部におけるＬ方向の最大径である。内部の径は断面観察により測定できるが、光学顕微鏡による慎重な表面観察によっても推定できる。オーバーハング部を有する窪みにおいてＬ方向の開口部の径が３μｍ以上であれば、内部の径もそれ以上であるから、少なくともその窪みは筋状カブリの構成要素となりうる。

筋状カブリは、このような窪みが、Ｌ方向に５０μｍ以上の長さＸ（μｍ）にわたって、下記（Ａ）に従うＬ方向の密度で連なって形成される筋状の表面欠陥である。
（Ａ）長さＸ中に存在する各窪みのＬ方向の径を合計した値をＤ_TOTAL（μｍ）とするとき、下記(１)式を満たすこと。
Ｄ_TOTAL／Ｘ＞０.１ ……(１)

上記(１)式を満たすような場合でも、Ｌ方向長さＸが５０μｍ未満であれば、はんだボイドの発生に起因するはんだ接合力の低下はほとんど顕在化しない。したがって、ここで対象とする筋状カブリは、長さＸが５０μｍ以上のものである。

また、１本の筋状欠陥から供給されるボイド源となるガス量は、筋状欠陥を構成する窪みのトータル容積に影響される。窪みの容積はＬ方向における窪みの径のトータル長さに概略比例するので、ここではＬ方向長さＸ中に存在する窪み（ただしオーバーハング部を有し且つＬ方向の径が３μｍ以上である窪み）のトータル長さをＤ_TOTALと表示する。種々検討の結果、長さＸに占めるＤ_TOTALの割合が０.１未満であるような筋状欠陥の部分は、問題となる程度のボイド形成にほとんど寄与しない。このため本発明で対象とする「筋状カブリ」は上記(１)式を満たすような筋状欠陥に限られる。

以上のような筋状カブリが、はんだ接合される板面部分においてＴ方向１ｍｍあたりに３本を超えて存在する領域があると、その放熱板においては、はんだボイドの生成に起因した接合力の低下が顕在化する。このため本発明の放熱板では、筋状カブリの存在密度がはんだ接合される板面部分においてＴ方向１ｍｍあたりに３本以下である銅または銅合金に規定している。

はんだボイドの生成には、表面粗度の影響も考慮することが望ましい。すなわち、Ｔ方向における表面粗さが、最大高さＲｙ：１.０μｍ以下、かつ算術平均粗さＲａ：０.１５μｍ以下である場合において、特にはんだボイドの生成を顕著に抑制することができる。

以上のように放熱板の表面粗度を規定することによるはんだボイドの軽減対策は、銅または銅合金からなる放熱板に広く適用できる。なかでも、以下のような組成を持つ銅合金が好適な対象の１つとして挙げられる。
質量％において、Ｐ：０.０５％以下、Ｍ元素＋Ｐ：０.０６５〜０.３％、残部Ｃｕおよび不可避的不純物からなる銅合金。この場合において特に、Ｃｕマトリックス中にＭ−Ｐ系化合物が分散した金属組織を有し、熱伝導率：３４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、ビッカース硬さ：ＨＶ１００以上のものが一層好適である。また、４００℃で３０分間加熱後のビッカース硬さが加熱前のビッカース硬さの８０％以上となるような、軟化抵抗の高い合金であることが望ましい。

ＭはＦｅ、ＣｏおよびＮｉのうち１種または２種以上であることが好ましい。Ｍ元素が０.０５質量％未満ではＰ化合物の析出量が少なく、必要な強度が得られず、また耐軟化性の向上も十分ではない。他方、Ｍ元素が０.２５質量％を超えると熱伝導率が低下して放熱板としての基本的な伝熱特性が得られず、コスト的に不利となる。Ｍ元素の含有量は合計で０.０５〜０.２５質量％、好ましくは０.０６〜０.２０質量％とするのがよい。Ｐ含有量は基本的にはＭ元素と化合物を形成するに十分な量であればよく、このため０.０１〜０.０５質量％とするのがよく、０.０１５〜０.０３質量％が一層好ましい。この範囲において、ＭとＰの総量が０.０６５〜０.３質量％、好ましくは０.０７〜０.２５質量であるのが望ましい。
Ｍ−Ｐ系の化合物はＣｕマトリックス中に微細に分散することが必要であり、この観点からも、ＭとＰの含有量を適正に制御する必要がある。

本発明で対象とするようなパワー半導体モジュールなどの放熱板の主たる役割は、パワー半導体モジュールから発生する熱を放熱板内に吸収して、外部に放散することであり、熱伝導性に優れることが必要となる。そこで放熱板に使用される銅基合金の熱伝導率は３４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが必要である。好ましくは熱伝導率が３５５Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが望ましい。

放熱板は、組み立て工程時に接合基板もしくは半導体素子とはんだ接合されるが、はんだ接合時や組み立て工程で加えられる熱処理によって放熱板が軟化して強度低下が引き起こされると、組み立て後のパワー半導体モジュールの寸法精度に悪影響を及ぼし動作信頼性が低下するため、一定以上の強度を持ち、かつ熱処理によって強度低下が引き起こされないことが必要となる。加えて、放熱板はプレス加工により成形されるので、一定以上の強度を保有し、プレス抜き性に優れることも重要である。そこで、放熱板に使用される銅基合金はＨＶ１００以上であることが必要であり、好ましくはＨＶ１１０以上であることが望ましい。更に、上記のはんだ接合時もしくは組み立て工程時に放熱板は２００〜３５０℃で数分間加熱される。したがって、実用上最も熱が加わる接合条件と考えられる４００℃で３０分間に加熱後で材料が軟化しない、つまり加熱後のビッカース硬さが加熱前のビッカース硬さの８０％以上であることが必要である。好ましくは全く低下しないことが望まれる。
このような諸特性は、前述の組成に規定された銅合金によって実現可能である。

次に、本発明の放熱板の製造方法について説明する。
製造工程としては、例えば
溶解・鋳造→熱間圧延→面削→冷間圧延１→（脱脂）→熱処理→酸洗浄→バフ掛け→冷間圧延２→脱脂→酸洗浄→バフ掛け→レベラーによる形状矯正→順送金型による加工
の工程が採用できる。ここで、冷間圧延２は最終的な板厚を支配する仕上冷間圧延であり、冷間圧延１は冷間圧延２の前に行われる最後の冷間圧延である。冷間圧延１の前には目標板厚に応じて「冷間圧延→（脱脂）→熱処理→酸洗浄→バフ掛け」の工程が１回または２回以上挿入されることがある。なお、冷間圧延１前に冷間圧延を行う場合、その冷間圧延及びバフ掛けでは、冷間圧延１及び冷間圧延２前のバフ掛けと同様の管理が必要である。また、レベラーによる形状矯正に供する前には通常スリットにより必要な板幅にそろえられる。
本発明では特に、上記冷間圧延１以降の工程において、以下のようにして表面性状の適正化を図る。

〔冷間圧延１〕
この工程では、概ね３〜６ｍｍの板厚まで例えば５０〜８０％程度の圧延を行う。この工程に供する材料は、面削を行って熱延酸化スケールその他の異物を除去しておくことが望ましい。この工程での圧延後の表面粗さはＴ方向のＲｙで２.５μｍ以下とする必要がある。Ｒｙがこれより大きいと、後工程の冷間圧延２において凹部の被り込みが生じやすくなり、筋状カブリが多発する原因となる。また、平均線（ＪＩＳ Ｂ０６０１）に対しての最大谷深さが１.５μｍ以内であることが前記被り込みの発生をより安定的に防止する上で有効である。Ｒｙは２.５μｍ以下、最大谷深さは２.０μｍ以下にすることがより好ましい。

このような表面粗度のコントロールは、通板時の疵付き防止を徹底することに加え、平滑度の高いワークロールの使用によって実現できる。具体的には、ロール軸に平行方向の表面粗さがＲｙで３.０μｍ以下好ましくは２.５μｍ以下に平滑化されたワークロールを使用し、１パスあたりの圧下率を３０％以下とすることが望ましい。

〔熱処理〕
この熱処理は４００〜６００℃の雰囲気温度で３０分以上行うことが望ましい。

〔酸洗浄→バフ掛け〕
熱処理後には酸化スケールを除去するために、酸洗浄およびバフ掛けを施す。酸洗浄は硫酸が一般的に使用される。硫酸酸洗−水洗後にバフによる物理研磨を行う。はんだボイドを効果的に抑制するためには、この段階でバフ研磨を実施して酸化スケールや異物を入念に除去しておくことが望ましい。ただし、バフ掛けによりＲｙが大きくなることがないようにバフの番手を管理する必要がある。例えば＃６００以上のバフを使用すると通常良好な結果が得られる。ただし、あまり番手が大きいと酸化スケール等の除去に多大な時間を要するので、概ね＃１０００以下の番手で実施するとよい。
このようにして、仕上冷間圧延前の表面粗さをＴ方向のＲｙで２.５μｍ以下にすることができる。これを超えると、仕上冷間圧延で凹部の被り込みが生じやすくなり、筋状カブリが多発する原因となる。

〔冷間圧延２（仕上冷間圧延）〕
この工程は放熱板の目標板厚を決定付ける最終の仕上冷間圧延である。概ね５〜５０％の圧延率を付与することが望ましい。この工程での圧延後の表面粗さはＴ方向のＲｙで１.５μｍ以下とする必要がある。Ｒｙがこれより大きいと、後工程のレベラーによる矯正において筋状カブリが発生する原因となる。また、Ｒａは０.２μｍ以下になっていることが望ましい。

このような表面粗度のコントロールは、冷間圧延１の場合と同様、通板時の疵付き防止を徹底することに加え、平滑度の高いワークロールの使用によって実現できる。具体的には、ロール軸に平行方向の表面粗さがＲｙで２.０μｍ以下好ましくは１.５μｍ以下に平滑化されたワークロールを使用し、１パスあたりの圧下率を２５％以下とすることが望ましい。また、そのワークロール表面のロール軸に平行方向のＲａは０.２５μｍ以下好ましくは０.２０μｍ以下であることが望ましい。

〔脱脂→酸洗浄→バフ掛け〕
冷間圧延２を終えた板材表面には、特に凹凸の谷の部分にＯ、Ｃ等を主体とする異物が付着している可能性がある。そこで、脱脂、酸洗浄、バフ掛けを行う方が望ましい。脱脂および酸洗浄は通板時に表面疵が付かないように配慮しながら、一般的な条件で行えばよい。酸洗液の酸としては硫酸が使用できる。また、バフ掛けでは、バフ掛け前後で表面粗さが変わらないような番手のバフを使用することが望ましい。通常、＃１５００〜＃３０００のバフを使用することで良好な結果が得られる。
このようにして、レベラーによる形状矯正に供する材料の表面粗度をＴ方向のＲｙで１.５μｍ以下にすることができる。これを超えると、後述するような適正ロール間ギャップでレベラーをかけた場合でも、微少な筋状カブリの発生が効果的に防止できない事態を招く。

〔レベラーによる形状矯正〕
次にスリットにより必要な幅の帯材としたのち、コイル状に巻いた状態でプレス現場に運ぶ。プレスは、順送金型を用いて連続的に行う。すなわち、コイルをほどきながら帯材を順送金型に連続的に供給していき、個々の製品に加工する。ところが半導体装置用の放熱板は板厚２〜５ｍｍ程度と厚いため、コイルの巻き癖が強く、このまま順送金型へ送ることはできない。そこで、順送金型の前にはレベラーを配置し、ほどいたコイルをレベラーに通して形状矯正してから、順送金型に送る。レベラーは上下複数のロールをもち、材料はそれらの間を通り抜けることで形状矯正される。したがって材料は、レベラーのロールからも表面性状への影響を受ける。

種々検討の結果、最終的に材料Ｔ方向のＲｙを１.０μｍにするには、レベラーのロールとして、ロール軸方向の表面粗さがＲｙで０.８μｍ以下に調整されたロールを使用することが好ましいことがわかった。

また、レベラーの条件としては、材料の板厚に応じて下記(２)〜(４)式の関係が成り立つようにすることが望ましい。
０.６５ｔ≦Ｇ₁≦０.９０ｔ ……(２)
０.７０ｔ≦Ｇ₂≦０.９５ｔ ……(３)
Ｇ₁≦Ｇ₂ ……(４)
ただし、ｔはレベラーに供する材料の板厚（ｍｍ）、Ｇ₁はレベラー入り側のロール間ギャップ（ｍｍ）、Ｇ₂はレベラー出側のロール間ギャップ（ｍｍ）である。

入り側のロール間ギャップが０.９０ｔを超えるか、または出側のロール間ギャップが０.９５ｔを超えると、十分な平坦性が得られず、金型内で材料を送れなかったり、必要なそり量が得られなくなるトラブルが生じやすい。逆に、入り側のロール間ギャップが０.６５ｔ未満、または出側のロール間ギャップが０.７０ｔ未満だと、材料表面の凹凸が必要以上に潰されることにより、微少な筋状カブリが発生しやすくなる。
なお、このレベラー条件は、ロール径が概ね３０〜２００ｍｍで、ロール数が上下合わせて５本以上であるレベラーに適用できる。

高周波溶解炉にて、大気中でＣｕ−０.６質量％Ｆｅ−０.１８質量％Ｐ合金を溶解した。Ｃｕ、Ｆｅ、Ｐの残部は不可避的不純物である。これを縦型半連続鋳造機を用いて鋳造し、幅５００ｍｍ、厚さ１８０ｍｍ、長さ４０００ｍｍのインゴットを得た。このインゴットを用いて、「熱間圧延→面削→冷間圧延１→熱処理→酸洗浄１→バフ掛け１→冷間圧延２→脱脂→酸洗浄２→バフ掛け２→レベラーによる形状矯正→順送金型による加工」の工程により、板厚３.０ｍｍの放熱板を製造した。

このとき、冷間圧延１では、圧延率を６０％と共通とし、ワークロールの軸に平行方向の表面粗さを種々変えて、以下の６例を製造した。
・発明例１：Ｒｙ＝２.５μｍ
・発明例２：Ｒｙ＝２.０μｍ
・発明例３：Ｒｙ＝２.９μｍ
・比較例１：Ｒｙ＝３.５μｍ
・比較例２：Ｒｙ＝３.８μｍ
・比較例３：Ｒｙ＝３.１μｍ
このうち発明例１〜３に使用したワークロールはいずれも、平均線（ＪＩＳ Ｂ０６０１）に対しての最大谷深さが１.５μｍ以下である。

熱処理は、５５０℃×３６０分保持とした。酸洗浄１は硫酸水溶液を用いて行い、水洗、乾燥後、＃１０００でバフ掛けを行った。冷間圧延２では圧延率２０％で３.０ｍｍまで圧延した。その際、軸方向の表面粗さがＲａ＝０.２０μｍ、Ｒｙ＝１.６μｍのワークロールを使用した。次いで常法により脱脂を行い、酸洗浄２を硫酸水溶液で行い、水洗、乾燥後、＃２０００でバフ掛けを行った。その材料をスリットして所定の幅の帯材とし、コイル状に巻いた。このコイルをほどきながら、レベラーによる形状矯正を介して、順送金型に連続供給し、最終的にそり付けまで行った放熱板（厚さ３ｍｍ、幅５０ｍｍ、長さ１００ｍｍ）を得た。レベラーは上下合わせて１５本のロールを有するものを用い、ロール径約３０ｍｍ、各ロールの軸方向表面粗さはＲｙが０.８μｍ以下である。ロール間ギャップは、入り側：０.７７ｔ、出側：０.９０ｔ（ｔ＝３.０ｍｍ）とした。

冷間圧延２前、レベラー前、およびプレス後の放熱板について、Ｔ方向の表面粗さＲａ、およびＲｙを基準長さ４.０ｍｍとして接触式表面粗さ測定装置により調べた。

一方、絶縁基板として、回路パターン、Ａｌ₂Ｏ₃層、導体層で構成される４０ｍｍ×４０ｍｍの基板を用意した。そして、各放熱板と絶縁基板の導体層とをはんだで接合した。このとき使用したはんだはＣｕ−３.５Ａｇで、はんだ接合条件は３００℃×１０ｍｉｎとした。
はんだ付けに供する各放熱板については、はんだ接合される板面部分について、予め光学顕微鏡観察を行って、Ｔ方向１ｍｍあたりに存在する筋状カブリの本数を測定した。

はんだ接合後のサンプルについて、板厚方向に任意に切断して、その断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察することにより、ボイドの大きさ、および数を調査した。
また、この接合したサンプルについて、大気中で「−４０℃×１ｈ保持→１２５℃×１ｈ保持」を１サイクルとするヒートサイクル試験を２０００サイクル行い、試験後に絶縁基板−はんだ層間にクラックが発生するかどうかを調査した。クラックの発生有無は超音波および断面観察によって調べ、クラックの発生が認められなかったものを○（良好）、認められたものを×（不良）と評価した。
結果を表１に示す。

表１から判るように、発明例の放熱板は筋状カブリのＴ方向存在密度が３本／ｍｍ以下であり、その結果、Ｐｂフリーはんだを使用したにもかかわらず、はんだボイドの生成が顕著に抑制され、はんだ接合面での耐久性が改善された。

これに対し、比較例１〜３では冷間圧延２（仕上冷間圧延）におけるＲｙが２.５を超えたことにより、冷間圧延２で凹部に被り込みが生成し、結果的に筋状カブリの存在密度が高くなって、大きなはんだボイドが多数生成し、はんだ接合面での耐久性に劣った。

図２には、参考のため発明例１および比較例１について放熱板表面の光学顕微鏡写真およびＴ方向の粗さ曲線を例示する。粗さ曲線は写真中に示したラインに対応する部分の測定例である。点線で囲んだ箇所に筋状カブリが観察される。

冷間圧延２（仕上冷間圧延）のワークロールの表面粗さを変えた以外、実施例１の発明例１および２とそれぞれ同様の条件で比較例４および５の放熱板を作製した。
各例の冷間圧延２で使用したワークロールは、軸方向の表面粗さが以下のものであった。
・発明例１：Ｒａ＝０.２０μｍ、Ｒｙ＝１.６μｍ
・発明例２：Ｒａ＝０.２０μｍ、Ｒｙ＝１.６μｍ
・比較例４：Ｒａ＝０.３０μｍ、Ｒｙ＝２.４μｍ
・比較例５：Ｒａ＝０.３０μｍ、Ｒｙ＝２.４μｍ
これらについて、実施例１と同様の評価を行った。その結果を表２に示す。

比較例４および５はＴ方向のＲｙが１.５μｍを超えたため、レベラーにおいて微少な筋状カブリが多く発生し、その結果、大きなはんだボイドが多数生成し、はんだ接合面での耐久性に劣った。

酸洗浄２およびバフ掛け２を行わなかったこと以外、発明例１と同様の条件で発明例４の放熱板を作製し、実施例１と同様の評価を行った。その結果を表３に示す。

発明例４でははんだボイドの生成が多少多くなったが、はんだ接合面での耐久性に問題はなかった。しかし、はんだ接合面での優れた耐久性を発現する放熱板を安定的に供給するためには、信頼性の面で、酸洗浄２およびバフ掛け２を実施することが好ましい。

レベラー条件として、ロール間ギャップを、入り側：０.６５ｔ、出側：０.７０ｔ（ｔ＝３.０ｍｍ）としたこと以外、発明例１と同様の条件で発明例５の放熱板を作製し、実施例１と同様の評価を行った。その結果を表４に示す。

発明例５でははんだボイドの生成が若干多くなったが、はんだ接合面での耐久性に問題はなかった。

銅系材料からなる従来の放熱板の表面についての光学顕微鏡写真を例示した図。 発明例１および比較例１について放熱板表面の光学顕微鏡写真およびＴ方向の粗さ曲線を例示した図。

Claims (5)

1. 板の圧延方向をＬ方向、圧延方向と板厚方向とに垂直な方向をＴ方向と呼ぶとき、
   オーバーハング部を有し且つＬ方向の径が３μｍ以上である窪みが、Ｌ方向に５０μｍ以上の長さＸ（μｍ）にわたって、下記（Ａ）に従うＬ方向の密度で連なって形成される「筋状カブリ」
   の存在密度が、はんだ接合される板面部分においてＴ方向１ｍｍあたりに３本以下である銅または銅合金の板からなる半導体装置用の放熱板。
   （Ａ）前記長さＸの中に存在する各窪みのＬ方向の径を合計した値をＤ_TOTAL（μｍ）とするとき、下記(１)式を満たすこと。
   Ｄ_TOTAL／Ｘ＞０.１ ……(１)
2. Ｔ方向における表面粗さが、最大高さＲｙ：１.０μｍ以下、かつ算術平均粗さＲａ：０.１５μｍ以下である請求項１に記載の銅または銅合金の板からなる半導体装置用の放熱板。
3. 板厚が２ｍｍ以上である請求項１または２に記載の銅合金の板からなる半導体装置用の放熱板。
4. 「仕上冷間圧延、レベラーによる形状矯正、順送金型による加工」を上記の順序で含む工程で放熱板を製造するに際し、仕上冷間圧延前のＴ方向における最大高さＲｙが２.５μｍ以下となるようにし、かつ、レベラーによる形状矯正前のＴ方向における最大高さＲｙが１.５μｍ以下となるようにする請求項１〜３に記載の放熱板の製造法。
5. レベラーによる形状矯正に供する材料の板厚をｔ（ｍｍ）、レベラー入り側のロール間ギャップをＧ₁（ｍｍ）、レベラー出側のロール間ギャップをＧ₂（ｍｍ）とするとき、レベラーによる形状矯正に際し、下記(２)〜(４)式を満たすようにする請求項４に記載の放熱板の製造法。
   ０.６５ｔ≦Ｇ₁≦０.９０ｔ ……(２)
   ０.７０ｔ≦Ｇ₂≦０.９５ｔ ……(３)
   Ｇ₁≦Ｇ₂ ……(４)