JP2007012928A - 放熱基板とそれを備えた半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】製造コストの低下と軽量化とを図ることができるとともに、放熱フィン等の放熱部材に十分に固定することができ、安定した放熱性を得ることが可能な放熱基板とそれを備えた半導体装置を提供することである。
【解決手段】放熱基板１０は、中央部１１０と、周辺部１２０とを備える。中央部１１０は、相対的に小さな表面積を有する頂面と、この頂面と反対側で頂面よりも相対的に大きな表面積を有する底面と、頂面と底面との間にある側面とを有し、かつ、相対的に高い熱伝導率を有する。周辺部１２０は、中央部１１０の側面を囲むように配置され、中央部１１０の側面に嵌め合わせられた側面を有し、かつ、中央部１１０の熱伝導率よりも相対的に低い熱伝導率を有する。中央部１１０の側面と周辺部１２０の側面は、互いに嵌め合わせられる角部ＡとＢを有する。
【選択図】 図１１

Description

この発明は、一般的には放熱基板に関し、特定的には半導体素子等の熱発生部材の熱を効率的に放散させるために用いられる放熱基板とそれを備えた半導体装置に関するものである。

従来から、半導体素子等の熱発生部材の熱を直接的に、または金属部材やセラミックス部材を介して放散させるために種々の放熱基板が提案されている。

たとえば、特許第２７０４９３２号公報（特許文献１）には、放熱効果に優れているとともに、クラックや圧痕が生じることなく所望の表面形状に加工できる工業的量産性に優れた放熱基板が開示されている。この放熱基板は、モリブデンおよびタングステンのうちの一方と銅とを含む複合材料を焼結することによって得られた焼結体と、この焼結体の表面を覆う銅からなる被覆層とを有する。

また、たとえば、特開２００１−３５８２６６号公報（特許文献２）には、半導体搭載用放熱基板材料として、銅‐モリブデン複合圧延体の両面に銅板を圧着した銅クラッド型の放熱基板が開示されている。

さらに、特表２００２−５２４８６２号公報（特許文献３）には、機能的に分類された金属基板が開示されている。この金属基板は、機能的挿入物と、この機能的挿入物を取り囲む周辺ボディとを備え、機能的挿入物および周辺ボディが、基板のｘ−ｙ平面の２個の金属組成物であり、周辺ボディが少なくとも２次元で機能的挿入物を取り囲み、機能的挿入物が周辺ボディより高い熱伝導率を有し、周辺ボディが機能的挿入物より低い熱膨張係数を有する。

特開２００４−３６３５２１号公報（特許文献４）には、放熱板から冷却器への放熱性能を向上させるための半導体装置の放熱構造が開示されている。この放熱構造は、半導体装置と、この半導体装置が実装面に実装された放熱板と、半導体装置が収納されるとともに放熱板が固定された筐体とを含む、半導体パッケージが冷却器に固定されている半導体装置の放熱構造であって、筐体は、半導体パッケージの冷却器への固定前の状態において、放熱板を冷却器側に凸に変形させるように、放熱板の実装面を押圧する当接部を実装面との対向面に有し、当接部によって冷却器側に凸に変形された放熱板が冷却器に押圧されるように、半導体パッケージが冷却器に固定されている。
特許第２７０４９３２号公報 特開２００１−３５８２６６号公報 特表２００２−５２４８６２号公報 特開２００４−３６３５２１号公報

ところで、半導体素子等の熱発生部材の出力が向上するにつれて発熱量が増加するのに応じて放熱基板の放熱性の向上が求められている。

放熱基板の材料としては、従来から、上記の特許第２７０４９３２号公報、特開２００１−３５８２６６号公報に開示されているように、銅‐モリブデン合金、銅‐タングステン合金が用いられている。しかし、タングステン、モリブデンは比較的高価な金属であるので、放熱基板の製造コストの上昇を招くという問題がある。また、タングステン、モリブデンを用いた合金は、比較的重いので、軽量化を図る上で障害になるという問題がある。

そこで、上記の特表２００２−５２４８６２号公報に開示されているように、中央部に高い熱伝導率を有する銅‐モリブデン合金、銅‐タングステン合金の機能的挿入物を配置し、この機能的挿入物を取り囲むように安価で軽い材料からなる周辺ボディを配置した金属基板を放熱基板に用いることが考えられる。しかし、上記公報に開示されているように、機能的挿入物と周辺ボディとの間の接合部がテーパ状であるので、接合が容易ではなく、中央部の機能的挿入物が放熱フィン等の部材に十分に固定されない場合がある。その結果、所望の安定した放熱性を得ることができない場合がある。

また、上記の特開２００４−３６３５２１号公報に開示されている半導体装置の放熱構造では、当接部によって冷却器側に凸に変形された放熱板が冷却器に押圧されるように、半導体パッケージが冷却器に固定されるので筐体の構造が複雑になるだけでなく、安定性に欠き、所望の安定した放熱性を得ることができない場合がある。

そこで、この発明の目的は、製造コストの低下と軽量化とを図ることができるとともに、放熱フィン等の放熱部材に十分に固定することができ、安定した放熱性を得ることが可能な放熱基板とそれを備えた半導体装置を提供することである。

この発明に従った放熱基板は、第１の基材と、第２の基材とを備える。第１の基材は、相対的に小さな表面積を有する頂面と、この頂面と反対側で頂面よりも相対的に大きな表面積を有する底面と、頂面と底面との間にある側面とを有し、かつ、相対的に高い熱伝導率を有する。第２の基材は、第１の基材の側面を囲むように配置され、第１の基材の側面に嵌め合わせられた側面を有し、かつ、第１の基材の熱伝導率よりも相対的に低い熱伝導率を有する。第１の基材の側面と第２の基材の側面は、互いに嵌め合わせられる角部を有する。

この発明の放熱基板においては、相対的に高い熱伝導率を有する中央部の第１の基材を相対的に高価な材料を用いて構成し、相対的に低い熱伝導率を有する周辺部の第２の基材を相対的に安価な材料を用いて構成することができるので、製造コストを低下することができる。

また、この発明の放熱基板においては、相対的に高い熱伝導率を有する中央部の第１の基材を相対的に重い材料を用いて構成し、相対的に低い熱伝導率を有する周辺部の第２の基材を相対的に軽い材料を用いて構成することができるので、軽量化を図ることができる。

さらに、この発明の放熱基板においては、第１の基材は、相対的に小さな表面積の頂面と、この頂面と反対側で頂面よりも相対的に大きな表面積の底面とを有するので、頂面から底面に向かう方向への熱伝導、すなわち熱放散を促進する。また、第２の基材は第１の基材の側面を囲むように配置され、第１の基材と第２の基材の側面が互いに嵌め合わせられる角部を有するので、第１の基材と第２の基材を容易に強固に接合することができ、放熱フィン等の放熱部材に十分に接触して固定することができる。これらにより、安定した放熱性を得ることができる。

この発明の放熱基板においては、第２の基材は、頂面と、この頂面と反対側にある底面とを有し、第１の基材と第２の基材の側面が嵌め合わせられた状態で第１の基材と第２の基材の頂面がほぼ同一面上にあり、第１の基材の底面が第２の基材の底面よりも外側に突出しているのが好ましい。

このようにすることにより、中央部の第１の基材を放熱フィン等の放熱部材に十分に接触して固定することができるので、安定した放熱性を得ることができる。

この場合、第１の基材の底面が第２の基材の底面よりも外側に突出している量が、第２の基材の厚みに対して１．５％以上１７％以下であるのが好ましい。

また、この発明の放熱基板においては、第２の基材は、頂面と、この頂面と反対側にある底面とを有し、第１の基材と第２の基材の側面が嵌め合わせられた状態で第１の基材と第２の基材の頂面がほぼ同一面上にあり、第１の基材と第２の基材の底面がほぼ同一面上にあり、第１の基材と第２の基材の底面が外側に凸になるように湾曲しているのが好ましい。

このようにすることにより、中央部の第１の基材を放熱フィン等の放熱部材に十分に接触して固定することができるので、安定した放熱性を得ることができる。

この場合、第１の基材と第２の基材の底面が外側に凸になるように湾曲している量が、底面の長さ１ｍｍ当たり０．３μｍ以上５．５μｍ以下であるのが好ましい。

さらに、この発明の放熱基板においては、第１の基材と第２の基材の側面において厚み差による段差が形成され、この段差によって第１の基材の側面と第２の基材の側面は互いに嵌め合わせられる角部を有するのが好ましい。

この場合、段差の高さは、第１の基材の頂面と底面との間の距離に対して０．１以上０．９以下であるのが好ましい。段差の幅は、第１の基材の幅に対して０．０１以上０．２以下であるのが好ましい。

この発明の放熱基板において、第１の基材の熱伝導率は１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、第１の基材の熱膨張率は８×１０^−６／Ｋ以下であるのが好ましい。

この発明に従った半導体装置は、上述のいずれかの特徴を有する放熱基板と、この放熱基板の上に搭載された半導体素子とを備える。

以上のようにこの発明によれば、放熱基板の製造コストの低下と軽量化とを図ることができるだけでなく、放熱基板を放熱フィン等の放熱部材に十分に接触して固定することができ、安定した放熱性を得ることができる。

以下、この発明の一つの実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１はこの発明の一つの実施の形態として放熱基板が組み込まれた半導体装置を示す平面図、図２は図１のＩＩ−ＩＩ線における半導体装置の断面図である。

図１と図２に示すように、半導体装置１には、この発明の一つの実施の形態として放熱基板１０が組み込まれている。放熱基板１０の上面にはハンダ層２１を介在させて、絶縁基板として相対的に高い熱伝導率を有する窒化アルミニウム焼結体からなる窒化アルミニウム基板２０が固着されている。また、窒化アルミニウム基板２０の上にはハンダ層３１を介在させて熱発生部材としての半導体素子３０が固着されている。半導体素子３０の例としては、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を挙げることができる。放熱基板１０の下面には、ボルト４０を用いて空気冷却用のアルミニウム製またはアルミニウム合金製の放熱フィン部材５０が固着されている。

このように構成された半導体装置１において、半導体素子３０から発生した熱を効率的に放散させるためには、放熱基板１０と放熱フィン部材５０との間の密着性が重要なファクターとなる。放熱基板１０と放熱フィン部材５０との間に隙間が存在すると、これらの間での熱の伝達が阻害され、結果として半導体素子３０から発生した熱を効率的に放散させることが困難になる。したがって、半導体素子３０が搭載されている領域に相当する放熱基板１０の中央部が放熱フィン部材５０に十分に接触して固定されることが放熱性を向上させるためには重要である。

また、半導体装置１において、半導体素子３０から発生した熱を効率的に放散させるためには、半導体素子３０が搭載されている領域に相当する放熱基板１０の中央部が少なくとも相対的に高い熱伝導率を有することが重要なファクターとなる。相対的に高い熱伝導率を有する材料は、比較的重く、高価である。したがって、放熱基板の製造コストの低下と軽量化とを図るためには、半導体素子３０が搭載されている領域に相当する放熱基板１０の中央部と、半導体素子３０が搭載されている領域を取り囲む領域に相当する放熱基板１０の周辺部との間で構成材料を異ならせることが重要である。

図３はこの発明の実施の形態として放熱基板を示す平面図、図４〜図６はこの発明の放熱基板の実施形態１〜３を示し、図３のＩＶ−ＩＶ線における放熱基板の断面図である。図１１は、この発明の放熱基板の実施の形態１〜３の接合部の詳細を示す部分断面図である。

図３に示すように、放熱基板１０は、第１の基材としての中央部１１０と、中央部１１０を取り囲むように配置された第２の基材としての周辺部１２０とから構成されている。中央部１１０は、ほぼ矩形状の外周面を有する板からなる。周辺部１２０は、外周面と内周面がほぼ矩形状に形成された環状の板からなる。中央部１１０が周辺部１２０のほぼ中央に形成された穴に挿入されて、中央部１１０の外周面が周辺部１２０の内周面に嵌め合わせられることにより、中央部１１０が周辺部１２０に固定されている。中央部１１０は相対的に高い熱伝導率を有する材料から構成され、周辺部１２０は中央部１１０よりも相対的に低い熱伝導率を有する材料から構成されている。

このように放熱基板１０が構成されているので、相対的に高い熱伝導率を有する中央部１１０を相対的に高価な材料を用いて構成し、相対的に低い熱伝導率を有する周辺部１２０を相対的に安価な材料を用いて構成することができるので、製造コストを低下することができる。

また、相対的に高い熱伝導率を有する中央部１１０を相対的に重い材料を用いて構成し、相対的に低い熱伝導率を有する周辺部１２０を相対的に軽い材料を用いて構成することができるので、軽量化を図ることができる。

中央部１１０の好ましい構成材料としては、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）‐タングステン（Ｗ）複合合金、銅（Ｃｕ）‐モリブデン（Ｍｏ）複合合金、銅（Ｃｕ）／銅（Ｃｕ）‐モリブデン（Ｍｏ）複合合金／銅（Ｃｕ）のクラッド材、アルミニウム（Ａｌ）またはアルミニウム合金、アルミニウム（Ａｌ）−炭化珪素（ＳｉＣ）複合材、多結晶珪素（Ｓｉ）、珪素（Ｓｉ）‐炭化珪素（ＳｉＣ）複合材、銅（Ｃｕ）−ダイヤモンド複合材等を挙げることができる。周辺部１２０の好ましい構成材料としては、鋼や鋳鉄等の鉄系合金、インバー、コバール、フェノール樹脂やエポキシ樹脂等の合成樹脂、カーボン（Ｃ）等を挙げることができる。具体的には、鉄系金属としては、耐食性に優れ、深絞り成形や張力成形が可能なオーステナイト系のステンレス鋼（ＳＵＳ３０４、ＳＵＳＶＭ１５Ｊ１等）、製造コストの低減を重視する場合には強靭性の鋳鉄（ＦＣ３０、ＦＣ３５等）、機械的強度に優れる球状黒鉛鋳鉄（ＦＣＤ５５、ＦＣＤ７０等）、靭性に優れ、かしめ加工に最適な機械構造用炭素鋼（Ｓ４５Ｃ等）や構造用鋼（ＳＣＭ１４５Ｈ等）を挙げることができる。

図４〜図６に示すように、この発明の一つの実施の形態としての放熱基板１０においては、周辺部１２０は中央部１１０の側面を囲むように配置され、中央部１１０と周辺部１２０の側面が嵌め合わせられている。中央部１１０は、相対的に小さな表面積を有する頂面と、この頂面と反対側で頂面よりも相対的に大きな表面積を有する底面と、頂面と底面との間にある側面とを有し、相対的に高い熱伝導率を有する。周辺部１２０は、中央部１１０の側面を囲むように配置され、中央部１１０の側面に嵌め合わせられた側面を有し、中央部１１０の熱伝導率よりも相対的に低い熱伝導率を有する。この発明の一つの実施の形態では、図４〜図６と図１１に示すように、中央部１１０と周辺部１２０とは互いに嵌め合わせられる角部ＡとＢを有する。

このように放熱基板１０が構成されているので、中央部１１０は、相対的に小さな表面積の頂面と、この頂面と反対側で頂面よりも相対的に大きな表面積の底面とを有するので、頂面から底面に向かう方向への熱伝導、すなわち熱放散を促進する。また、周辺部１２０は中央部１１０の側面を囲むように配置され、中央部１１０と周辺部１２０の側面が互いに嵌め合わせられる角部ＡとＢを有するので、中央部１１０と周辺部１２０を容易に強固に接合することができ、図１と図２に示されるような放熱フィン部材５０等の放熱部材に十分に接触して固定することができる。これらにより、安定した放熱性を得ることができる。

なお、周辺部１２０の構成材料が中央部１１０の構成材料と比較して安価な材料である場合、中央部１１０の頂面の表面積をできるだけ小さくするのが製造コストを低くする上で望ましいが、熱放散性を高めるためには中央部１１０の上に接合される窒化アルミニウム基板２０等の基板の平面積以上でかつその平面積の２倍以下であるのが好ましい。

図４に示すように、この発明の放熱基板１０の一つの実施の形態では、中央部１１０と周辺部１２０は、頂面と、この頂面と反対側にある底面とを有し、中央部１１０と周辺部１２０の側面が嵌め合わせられた状態で、中央部１１０と周辺部１２０の頂面と底面の両者がほぼ同一面上にあってもよいが、図５に示すように、中央部１１０と周辺部１２０の頂面がほぼ同一面上にあるが、中央部１１０の底面が周辺部１２０の底面よりも外側に突出しているのが好ましい。

図５に示すように中央部１１０の底面を突出させることにより、図１と図２に示すように周辺部１２０をボルト４０で放熱フィン部材５０等の放熱部材に固定させた場合に、中央部１１０が押圧された状態で放熱部材に対してより十分に接触して固定されるので、安定した放熱性を得ることができる。このとき、図５に示す領域Ｓにおいて中央部１１０を放熱部材に対してより十分に密着させて固定することができる。

この場合、中央部１１０の底面が周辺部１２０の底面よりも外側に突出している量ΔＴが、周辺部１２０の厚みに対して１．５％以上１７％以下であるのが好ましい。

上記のΔＴが１．５％未満では、中央部１１０の底面と放熱部材との密着性を向上させるには不十分である。ΔＴが１７％を超えると、中央部１１０と周辺部１２０との嵌合部に、たとえば図１１に示される角部ＡまたはＢの箇所でクラックが発生する可能性がある。

また、この発明の放熱基板１０のさらにもう一つの実施の形態では、中央部１１０と周辺部１２０は、頂面と、この頂面と反対側にある底面とを有し、中央部１１０と周辺部１２０の側面が嵌め合わせられた状態で、中央部１１０と周辺部１２０の頂面がほぼ同一面上にあり、中央部１１０と周辺部１２０の底面がほぼ同一面上にあるが、図６に示すように中央部１１０と周辺部１２０の底面が外側に凸になるように湾曲しているのが好ましい。

図６に示すように放熱基板１０を湾曲させることにより、図１と図２に示すように周辺部１２０をボルト４０で放熱フィン部材５０等の放熱部材に固定させた場合に、中央部１１０が押圧された状態で放熱部材に対してより十分に接触して固定されるので、安定した放熱性を得ることができる。このとき、湾曲した状態では図６に示す領域Ｓにおいて中央部１１０の底面が接地するが、図１と図２に示すように周辺部１２０をボルト４０で放熱フィン部材５０等の放熱部材に固定させた場合には、図５に示す領域Ｓの範囲程度まで中央部１１０が押圧された状態で放熱部材に対してより十分に接触して固定される。

この場合、中央部１１０と周辺部１２０の底面が外側に凸になるように湾曲している量ΔＳが、底面の長さ１ｍｍ当たり０．３μｍ以上５．５μｍ以下であるのが好ましい。

上記のΔＳが底面の長さ１ｍｍ当たり０．３μｍ未満であれば、中央部１１０の底面と放熱部材との密着性を向上させるには不十分である。ΔＳが底面の長さ１ｍｍ当たり５．５μｍを超えると、放熱基板１０の反りが大きくなりすぎ、中央部１１０と周辺部１２０との嵌合部に、たとえば図１１に示される角部ＡまたはＢの箇所で、あるいは、放熱基板１０と窒化アルミニウム基板２０等の絶縁基板との接合部に、クラックが発生する可能性がある。

なお、図４〜図６に示すように、この発明の放熱基板１０においては、中央部１１０と周辺部１２０の側面において厚み差による段差（図１１において高さｔの段差）が形成され、この段差によって中央部１１０の側面と周辺部１２０の側面は互いに嵌め合わせられる角部ＡとＢ（図１１）を有する、いわゆる「かぎ形状」の角部を有するのが好ましい。

この場合、図１１において段差の高さｔは、中央部１１０の頂面と底面との間の距離Ｔに対して０．１以上０．９以下であるのが好ましい。段差の幅ｌ（小文字のエル）は、中央部１１０の幅Ｌに対して０．０１以上０．２以下であるのが好ましい。

上記の比率ｔ／Ｔが０．１未満では、図１１に示す周辺部１２０において角部Ａを形成する部分の強度が小さくなり、その部分が変形し、または亀裂が発生する可能性がある。比率ｔ／Ｔが０．９を超えると、図１１に示す中央部１１０において角部Ｂを形成する部分の強度が小さくなり、その部分が変形し、または亀裂が発生する可能性がある。いわゆる「かぎ形状」の角部の強度を高めるためには、上記の比率ｔ／Ｔが０．３以上０．７以下であるのがさらに好ましい。

上記の比率ｌ／Ｌが０．０１未満では、図１１に示す中央部１１０において角部Ｂを形成する部分の長さが短く、その部分が変形し、または亀裂が発生する可能性がある。比率ｌ／Ｌが０．２を超えると、図１１に示す周辺部１２０において角部Ａを形成する部分の長さが長くなり、その部分が変形し、または亀裂が発生する可能性がある。いわゆる「かぎ形状」の角部の強度を高めるためには、上記の比率ｌ／Ｌが０．０５以上０．２以下であるのがさらに好ましい。

この発明の放熱基板１０において中央部１１０は、図１と図２に示すように窒化アルミニウム基板２０等の絶縁基板や半導体素子３０をハンダで接合するために通常、ニッケル（Ｎｉ）めっきが表面に施される。周辺部１２０は、周囲環境に与える影響の信頼性、中央部１１０と周辺部１２０との嵌合等に問題がなければ、表面にニッケルめっきを施す必要がない。このため、この発明の放熱基板１０においては、めっきに要する製造コストを低減することができる。また、上記のニッケルめっきが電解めっきで行われる場合、めっきの施す面積が大きくなると、電位差によって、基板の端部にてめっき層が厚くなる場合があり、後工程の熱処理等で膨れ等の外観不良を生じさせることがある。この点を考慮すると、本発明の放熱基板１０においては、中央部１１０のみにめっきを施せばよいので、めっきの施す面積を小さくすることにより、上記の問題を解消することができる。これにより、本発明の放熱基板１０を用いることにより、めっきに対する信頼性を高めるという効果が得られる。

この発明の放熱基板１０において中央部１１０と周辺部１２０とを嵌め合わせるだけで構成することができるが、かしめ加工、圧入、焼きばめ、冷やしばめ、熱拡散、溶浸による一体化、ハンダ付け、ろう付け、接着剤等によって中央部１１０と周辺部１２０とを接合することにより、中央部１１０から周辺部１２０への熱伝導を高めることができるので、放熱基板１０の放熱特性をさらに向上させることができる。

圧入、焼きばめ、冷やしばめによる接合の場合、嵌め合い公差としては、中央部１１０を０．０１ｍｍ以上０．２ｍｍ以下の範囲で大きくすることが好ましく、０．０５ｍｍ以上０．１５ｍｍ以下の範囲で大きくするのがさらに好ましい。この場合、嵌め合い公差が０．０１ｍｍ未満であれば、嵌め代が小さすぎて、接合部の強度が不十分となる。嵌め合い公差が０．２ｍｍを超えると、嵌め代が大きすぎて、中央部１１０または周辺部１２０が変形し、亀裂を生じさせる場合がある。

ハンダ付け、ろう付け、接着剤等による接合の場合、嵌め合い公差としては、中央部１１０を０．０１ｍｍ以上０．２ｍｍ以下の範囲で小さくすることが好ましく、０．０５ｍｍ以上０．１５ｍｍ以下の範囲で小さくするのがさらに好ましい。この場合、嵌め合い公差が０．０１ｍｍ未満であれば、隙間が小さすぎて、ろう材等が隙間に十分に入らないため充填されず、接合不良が生じる。嵌め合い公差が０．２ｍｍを超えると、隙間が大きすぎて、ろう隙等の欠陥が接合部に生じ、必要な接合強度を得ることができない。

この発明の放熱基板１０において、中央部１１０の熱伝導率は１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、中央部１１０の熱膨張率は８×１０^−６／Ｋ以下であるのが好ましい。熱伝導の観点からは中央部１１０に銅または銅を多く含む合金を用いるのが好ましいが、銅は熱膨張率が大きいので、半導体素子を構成する珪素（Ｓｉ）やガリウム砒素（ＧａＡｓ）等の材料に熱応力を与える可能性がある。このため、図１と図２に示されるような半導体素子３０等の熱発生部材からの熱を効率的に放散させるために中央部１１０の熱伝導率は１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であるとともに、半導体素子を構成する珪素（Ｓｉ：熱膨張率４．２×１０^−６／Ｋ）やガリウム砒素（ＧａＡｓ：熱膨張率６．５×１０^−６／Ｋ）等の材料に対して熱膨張差による熱応力を小さくするために、４．２×１０^−６／Ｋ以上８×１０^−６／Ｋ以下であるのが好ましい。なお、高い熱伝導率を有し、かつ半導体素子を構成する材料と比べて高い熱膨張率を有する材料として銅やアルミニウム等を中央部１１０に用いる場合、周辺部１２０の構成材料としては、比較的低い熱膨張率を有する銅‐タングステン複合合金や銅−モリブデン複合合金等を用いるのが好ましい。

［実施例１］
平均粒径が５μｍのモリブデン粉末を水圧１００ＭＰａの静水圧成形によって厚みが１２ｍｍで大きさが１００ｍｍ×１００ｍｍのほぼ正方形状の板に成形した。このモリブデン成形体の上に厚みが４ｍｍで大きさが１００ｍｍ×１００ｍｍの銅板を載せた状態で、水素雰囲気中で温度１２５０℃に加熱することにより銅を溶解し、モリブデン成形体の空隙に含浸させることによって銅を３５質量％含有する銅‐モリブデン焼結体を作製した。この銅‐モリブデン焼結体を１％の圧下率で所望の厚みになるまで繰り返し冷間圧延することによって、厚みが３．５ｍｍで大きさが１００ｍｍ×４００ｍｍの銅‐モリブデン複合合金からなる板を作製した。この銅‐モリブデン複合合金の熱伝導率は２１０Ｗ／ｍ・Ｋ、熱膨張率は７．２×１０^−６／Ｋであった。

作製された銅‐モリブデン複合合金板を用いて放熱基板を以下のようにして作製した。

（本発明例１）
銅‐モリブデン複合合金板を機械加工することにより、図５に示される放熱基板１０を構成する中央部１１０として、厚みが３．３ｍｍで頂面が３０ｍｍ×５０ｍｍ、底面が３３ｍｍ×５３ｍｍの板を作製した。ここで、図１１に示すように、中央部１１０のかぎ形状部の各部寸法は、ｔが１．５ｍｍ、ｌが１．５ｍｍ、Ｌが５３ｍｍ、Ｔ＋ΔＴが３．３ｍｍ（ΔＴが０．３ｍｍ）であった。その後、厚みが１μｍのニッケルめっき層で中央部１１０の表面を被覆した。

一方、市販のステンレス鋼材（ＳＵＳ３０４）を機械加工することにより、図５に示される放熱基板１０を構成する周辺部１２０として、厚みが３ｍｍ（図１１におけるＴ）で大きさが５０ｍｍ×７５ｍｍの板を作製した。その後、プレス加工にて所定の位置の中央部を打ち抜くことによって、上記のステンレス鋼板に大きさが３０ｍｍ×５０ｍｍのほぼ矩形状の穴をあけた。そして、上記で作製した中央部１１０のかぎ形状部との圧入代が０．１ｍｍになるように、図１１に示すように周辺部１２０の矩形状穴をかぎ形状にエンドミルにて加工した。その後、図１と図３に示すように、放熱フィン部材５０と締結するためのボルト４０の穴４１として直径が１０．５ｍｍの穴をエンドミルにて所定の位置に４箇所あけた。

以上のようにして作製された中央部１１０と周辺部１２０とを、圧入プレスにて５０ｋｇｆ（５０×９．８Ｎ）の荷重を加えた圧入により接合して一体化させた。このようにして、図５に示されるような放熱基板１０を作製した。

（本発明例２）
銅‐モリブデン複合合金板を機械加工することにより、図４に示される放熱基板１０を構成する中央部１１０として、厚みが３．３ｍｍで頂面が３０ｍｍ×５０ｍｍ、底面が３３ｍｍ×５３ｍｍの板を作製した。ここで、図１１に示すように、中央部１１０のかぎ形状部の各部寸法は、ｔが１．５ｍｍ、ｌが１．５ｍｍ、Ｌが５３ｍｍ、Ｔ＋ΔＴが３．３ｍｍ（ΔＴが０ｍｍ）であった。その後、厚みが１μｍのニッケルめっき層で中央部１１０の表面を被覆した。

一方、市販のステンレス鋼材（ＳＵＳ３０４）を機械加工することにより、図４に示される放熱基板１０を構成する周辺部１２０として、厚みが３．３ｍｍ（図１１におけるＴ）で大きさが５０ｍｍ×７５ｍｍの板を作製した。その後、プレス加工にて所定の位置の中央部を打ち抜くことによって、上記のステンレス鋼板に大きさが３０ｍｍ×５０ｍｍのほぼ矩形状の穴をあけた。そして、上記で作製した中央部１１０のかぎ形状部との圧入代が０．１ｍｍになるように、図１１に示すように周辺部１２０の矩形状穴をかぎ形状にエンドミルにて加工した。その後、図１と図３に示すように、放熱フィン部材５０と締結するためのボルト４０の穴４１として直径が１０．５ｍｍの穴をエンドミルにて所定の位置に４箇所あけた。

以上のようにして作製された中央部１１０と周辺部１２０とを、圧入プレスにて５０ｋｇｆ（５０×９．８Ｎ）の荷重を加えた圧入により接合して一体化させた。このようにして、図４に示されるような放熱基板１０を作製した。

その後、この放熱基板１０を、反り量が３μｍ／ｍｍとなるように作製した金型にセットし、圧力２００ＭＰａでプレス加工することにより、図６に示すように湾曲量ΔＳが底面の長さ１ｍｍ当たり３μｍとなる放熱基板１０を作製した。

（比較例１）
銅‐モリブデン複合合金板を機械加工することにより、図７に示される放熱基板１０を構成する中央部１１１として、厚みが３．３ｍｍで頂面が３０ｍｍ×５０ｍｍ、底面が３３ｍｍ×５３ｍｍ、接合部がテーパ状である板を作製した。その後、厚みが１μｍのニッケルめっき層で中央部１１１の表面を被覆した。

一方、市販のステンレス鋼材（ＳＵＳ３０４）を機械加工することにより、図７に示される放熱基板１０を構成する周辺部１２１として、厚みが３．３ｍｍで大きさが５０ｍｍ×７５ｍｍの板を作製した。その後、プレス加工にて所定の位置の中央部を打ち抜くことによって、上記のステンレス鋼板に大きさが３０ｍｍ×５０ｍｍのほぼ矩形状の穴をあけた。そして、上記で作製した中央部１１１のテーパ状部との圧入代が０．１ｍｍになるように、図７に示すように周辺部１２１の矩形状穴をテーパ状にエンドミルにて加工した。その後、図１と図３に示すように、放熱フィン部材５０と締結するためのボルト４０の穴４１として直径が１０．５ｍｍの穴をエンドミルにて所定の位置に４箇所あけた。

以上のようにして作製された中央部１１０と周辺部１２０とを、圧入プレスにて５０ｋｇｆ（５０×９．８Ｎ）の荷重を加えた圧入により接合して一体化させた。このようにして、図７に示されるような放熱基板１０を作製した。

（比較例２）
銅‐モリブデン複合合金板を機械加工することにより、図８と図９に示される放熱基板１１として、最大厚みが３．３ｍｍ、最小厚みが３ｍｍで頂面の大きさが５０ｍｍ×７５ｍｍ、底面の大きさが３３ｍｍ×５３ｍｍ、底面の突出量ΔＴが０．３ｍｍである板を作製した。そして、図１と図８に示すように、放熱フィン部材５０と締結するためのボルト４０の穴４１として直径が１０．５ｍｍの穴を研削加工にて所定の位置に４箇所あけた。その後、厚みが１μｍのニッケルめっき層で放熱基板１１の表面を被覆した。

（比較例３）
銅‐モリブデン複合合金板を機械加工することにより、図８と図１０に示される放熱基板１２として、厚みが３．３ｍｍで大きさが５０ｍｍ×７５ｍｍの板を作製した。そして、図１と図８に示すように、放熱フィン部材５０と締結するためのボルト４０の穴４１として直径が１０．５ｍｍの穴を研削加工にて所定の位置に４箇所あけた。その後、厚みが１μｍのニッケルめっき層で放熱基板１２の表面を被覆した。

この放熱基板１２を、反り量が３μｍ／ｍｍとなるように作製した金型にセットし、圧力２００ＭＰａでプレス加工することにより、図１０に示すように湾曲量ΔＳが底面の長さ１ｍｍ当たり３μｍとなる放熱基板１２を作製した。

（放熱性の評価試験）
以上のようにして得られた各放熱基板の上に、図１と図２に示すように厚みが３ｍｍで大きさが４０ｍｍ×２０ｍｍの窒化アルミニウム基板２０を、ハンダ材（鉛（Ｐｂ）−スズ（Ｓｎ）合金、組成比（質量比率）９０：１０）を用いてハンダ層２１を介在させて固着し、さらに窒化アルミニウム基板２０の上にＩＧＢＴの半導体素子３０を、ハンダ材（鉛（Ｐｂ）−スズ（Ｓｎ）合金、組成比（質量比率）５０：５０）を用いてハンダ層３１を介在させて固着した。電気配線を施した後、アルミニウム製の空気冷却用放熱フィン部材５０に開けられたボルト用ねじ穴にＭ１０のボルト４０を挿入し、ナットをトルク２０ｋｇｆ・ｍ（２０×９．８Ｎ・ｍ）で締め付けて放熱基板を放熱フィン部材５０に固定した。このようにして半導体装置１を構成した。また、温度測定用の熱電対（ＪＩＳ Ｃ１６０２ Ｋ型）を半導体素子３０の表面上に配置した。

ＩＧＢＴの半導体素子３０に２４Ｖ、２５０Ａの出力条件で３０分間通電した後、半導体素子３０の表面温度を測定した。

その結果、測定された半導体素子３０の表面温度は、本発明例１の放熱基板を組み込んだ半導体装置１では５５℃、本発明例２の放熱基板を組み込んだ半導体装置１では５６．５℃であったが、比較例１の放熱基板を組み込んだ半導体装置１では５９℃、比較例２の放熱基板を組み込んだ半導体装置１では５５℃、比較例３の放熱基板を組み込んだ半導体装置１では５６．５℃であった。

［実施例２］
上記の本発明例１で作製した放熱基板１０において、図５に示す突出量ΔＴを変更した各放熱基板１０を用いて、上記と同様にして半導体装置１を構成し、放熱性を評価した。

その結果を表１に示す。表１において突出量ΔＴは、図５に示す寸法そのもの（ｍｍ）と、周辺部１２０の厚みに対する比率（％）で示されている。

［実施例３］
上記の本発明例２で作製した放熱基板１０において、図６に示す湾曲量ΔＳを変更した各放熱基板１０を用いて、上記と同様にして半導体装置１を構成し、放熱性を評価した。

その結果を表２に示す。表２において湾曲量ΔＳは、図６に示す寸法そのもの（μｍ）と、底面の長さ１ｍｍ当たりの値（μｍ／ｍｍ）で示されている。

［実施例４］
上記の本発明例２で作製した図４に示す放熱基板１０において、図１１に示すかぎ部形状の各部寸法を変更した各放熱基板１０を用いて、上記と同様にして半導体装置１を構成し、放熱性の評価試験を行い、かぎ部の信頼性を評価した。

その結果を表３に示す。

以上に開示された実施の形態や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慮されるべきである。本発明の範囲は、以上の実施の形態や実施例ではなく、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修正や変形を含むものと意図される。

この発明に従った放熱基板は、半導体素子等の熱発生部材の熱を効率的に放散させるために十分に利用され得る。

この発明の一つの実施の形態として放熱基板が組み込まれた半導体装置を示す平面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線における半導体装置の断面図である。 この発明の実施の形態または比較例１として放熱基板を示す平面図である。 この発明の放熱基板の実施形態１を示し、図３のＩＶ−ＩＶ線における放熱基板の断面図である。 この発明の放熱基板の実施形態２を示し、図３のＩＶ−ＩＶ線における放熱基板の断面図である。 この発明の放熱基板の実施形態３を示し、図３のＩＶ−ＩＶ線における放熱基板の断面図である。 この発明の放熱基板の比較例１を示し、図３のＩＶ−ＩＶ線における放熱基板の断面図である。 この発明の放熱基板の比較例２と比較例３を示す平面図である。 この発明の放熱基板の比較例２を示し、図８のＩＸ−ＩＸ線における放熱基板の断面図である。 この発明の放熱基板の比較例３を示し、図８のＩＸ−ＩＸ線における放熱基板の断面図である。 この発明の放熱基板の実施の形態１〜３の接合部の詳細を示す部分断面図である。

符号の説明

１：半導体装置、１０：放熱基板、１１０：中央部、１２０：周辺部。

Claims (10)

1. 相対的に小さな表面積を有する頂面と、この頂面と反対側で前記頂面よりも相対的に大きな表面積を有する底面と、前記頂面と前記底面との間にある側面とを有しかつ相対的に高い熱伝導率を有する第１の基材と、
   この第１の基材の側面を囲むように配置され、前記第１の基材の側面に嵌め合わせられた側面を有しかつ前記第１の基材の熱伝導率よりも相対的に低い熱伝導率を有する第２の基材とを備え、
   前記第１の基材の側面と前記第２の基材の側面は、互いに嵌め合わせられる角部を有する、放熱基板。
2. 前記第２の基材は、頂面と、この頂面と反対側にある底面とを有し、
   前記第１の基材と前記第２の基材の側面が嵌め合わせられた状態で前記第１の基材と前記第２の基材の頂面がほぼ同一面上にあり、前記第１の基材の底面が前記第２の基材の底面よりも外側に突出している、請求項１に記載の放熱基板。
3. 前記第１の基材の底面が前記第２の基材の底面よりも外側に突出している量が、前記第２の基材の厚みに対して１．５％以上１７％以下である、請求項２に記載の放熱基板。
4. 前記第２の基材は、頂面と、この頂面と反対側にある底面とを有し、
   前記第１の基材と前記第２の基材の側面が嵌め合わせられた状態で前記第１の基材と前記第２の基材の頂面がほぼ同一面上にあり、前記第１の基材と前記第２の基材の底面がほぼ同一面上にあり、前記第１の基材と前記第２の基材の底面が外側に凸になるように湾曲している、請求項１に記載の放熱基板。
5. 前記第１の基材と前記第２の基材の底面が外側に凸になるように湾曲している量が、底面の長さ１ｍｍ当たり０．３μｍ以上５．５μｍ以下である、請求項４に記載の放熱基板。
6. 前記第１の基材と前記第２の基材の側面において厚み差による段差が形成され、この段差によって前記第１の基材の側面と前記第２の基材の側面は互いに嵌め合わせられる角部を有する、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の放熱基板。
7. 前記段差の高さは、前記第１の基材の頂面と底面との間の距離に対して０．１以上０．９以下である、請求項６に記載の放熱基板。
8. 前記段差の幅は、前記第１の基材の幅に対して０．０１以上０．２以下である、請求項６に記載の放熱基板。
9. 前記第１の基材の熱伝導率は１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、前記第１の基材の熱膨張率は８×１０^−６／Ｋ以下である、請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の放熱基板。
10. 請求項９に記載の放熱基板と、この放熱基板の上に搭載された半導体素子とを備えた、半導体装置。

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