JP2007088045A - 複数の半導体基板を搭載するための放熱板およびそれを用いた半導体基板接合体 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｐｂフリーはんだで複数の半導体基板を接合した後の放熱板形状を安定して精度良くフラット化することのできる放熱板を提供する。
【解決手段】 複数の半導体基板をはんだ接合により搭載するための銅または銅合金からなる放熱板であって、下記（１）式および（７）〜（９）式を満たすように、並設する半導体基板の搭載部分と、その間の部分とで曲率半径に差を付けて反り付けしたことを特徴とする半導体基板用放熱板（選択図参照）。
Ｒ_A≦Ｒ_B＜Ｒ_S ……（１）
１０≦Ｒ_A／（Ｌ_A・ｔ）≦７０ ……（７）
１０≦Ｒ_B／（Ｌ_B・ｔ）≦７０ ……（８）
２００≦Ｒ_S／（Ｌ_S・ｔ）≦１００００ ……（９）
【選択図】図３

Description

半導体素子から発生する熱を効率よく放散させるための手段として、半導体基板を熱伝導性の良い材料からなる「放熱板」の上に搭載する手段が広く採用されている。

図１に、放熱板の上に半導体基板を搭載した半導体モジュールの構成例を模式的に示す。アルミナや窒化アルミニウムなどのセラミックスからなる絶縁基板５の表面には銅パターン４が形成されており、その反対側の面には銅板などからなる導体層６が形成されている。絶縁基板５と銅パターン４および導体層６が一体となって半導体基板３を構成している。半導体基板３の銅パターン４が形成された面には、例えばはんだ層２を介して半導体素子７が搭載されている。銅パターン４と半導体素子７の間には必要に応じてＡｌなどの導電材料からなるリード線８が取り付けられ、回路を構成する。一方、半導体基板３の導体層６が形成された面は、はんだ層２を介して放熱板１と接合されている。

絶縁基板５は、半導体素子と同程度の小さい熱膨張係数を必要とすることから、例えばパワー半導体用絶縁基板としてはセラミックスで作られる。これに対し、放熱板１は直接半導体素子と接合されるものではないため半導体素子と同等の小さい熱膨張係数までは要求されず、むしろ熱伝導性の方が優先される。このため、放熱板には熱伝導性の良好な銅、銅合金、アルミニウムまたはアルミニウム合金の板が主として使用される。

半導体基板を放熱板にはんだ接合する際、はんだ層が薄くなりすぎる箇所が生じると、その部分ではんだ層にクラックが入りやすい。その対策として、できるだけ均一なはんだ層厚みを実現するために、放熱板の半導体基板を搭載する面に複数の突起を設け、両者の間隙を確保しておくことが行われている（特許文献１、２）。

はんだの種類については、最近では環境問題からＰｂフリーはんだが主流になりつつある。ＰｂフリーはんだとしてはＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｓｂ系などが実用に供されている。しかし、これらは従来のＰｂはんだに比べクリープに対する抵抗力が強い。このため、はんだ付け時の冷却過程において、放熱板は半導体基板との熱膨張差によって半導体基板側が凸になる「反り」を生じやすい。すなわち、従来のＰｂはんだの場合は、はんだ付け時の冷却過程で放熱板と半導体基板が異なる熱膨張挙動を呈すると、両者の間を埋めるＰｂはんだはクリープ現象によって変形することで歪を吸収し、放熱板の反りは大きくならずに済んでいた。ところがＰｂフリーはんだの場合はクリープ変形が生じにくいため、両者の熱膨張差に起因する歪は緩和されず、結果的により熱膨張係数の大きい放熱板（銅または銅合金）が半導体基板よりも大きく収縮して、上記のような反りが生じ、しばしば問題となっていた。この問題の対策として、はんだ接合前に予め放熱板に逆方向の反り（逆反り）を付けておく手法が採られることがある（特許文献３〜５）。すなわち、半導体基板側の面が凹面となる曲面形状を形成しておき、熱膨張差による反りが相殺されるようにするものである。

特開２０００−２７７８７６号公報 特開２００１−３５８２６７号公報 特開平２−７７１４３号公報 特開平４−９６３５５号公報 特開２００３−６８９４９号公報

上記のように、放熱板に予め「逆反り」を付けておくことにより、Ｐｂフリーはんだを使用した場合に問題となる半導体基板搭載後の放熱板の反りを実用上問題のないレベルに抑えることが可能になった。また、放熱板に突起を形成する手法を併用することにより、はんだ層厚みが均一化され、欠陥の少ないはんだ層が実現されるようになった。

ところが、機器によっては複数の半導体基板を１枚の放熱板の上に搭載するタイプの半導体モジュールが採用されることがある。このタイプの放熱板では、予め「逆反り」を付けたとしても半導体基板をＰｂフリーはんだで接合した後の板形状が不均一になりやすい。放熱板を冷却フィンにねじ止めするような場合は、ねじによる拘束力である程度の形状修正は可能であるが、過大な拘束力が必要となったり、あるいは形状修正そのものが不可能な不均一変形を生じることもあり、製造性良く安定して冷却フィンとのフラットな接合を実現することは難しい。ねじ等による拘束力が利用できない使用態様の放熱板では、はんだ接合後の放熱板形状をより精度良くフラット化する必要があり、従来の逆反りを形成する手法では対応が極めて困難である。

図２には、従来の一様な曲率半径をもつ「逆反り」を形成した放熱板に複数の半導体基板をはんだ接合した際の放熱板断面の変形挙動の一例を模式的に示してある。図２（ａ）は半導体基板をはんだ接合する前の「逆反り」を付けた放熱板の断面形状および半導体基板搭載位置を示したものである。反り量については極めて誇張して描いてある。各半導体基板は放熱板表面に形成された突起（図の断面内にはない）によって放熱板表面との間隔（はんだ層が形成される隙間）が確保されている。図２（ｂ）はＰｂフリーはんだで接合した後の断面である（はんだ層は省略してある）。図２中の半導体基板は図１の半導体基板３に相当する部分の断面を簡略化して示してある。はんだ接合後の反りの方向を、半導体基板搭載面が凹面になる場合を＋（プラス）、凸面になる場合を−（マイナス）とするとき、この例では図２（ｂ）に示すように半導体基板搭載部分で「−」の反りが生じ、半導体基板の間の部分では「＋」の反りが残存している。全体としてはＭ字型の変形が生じたことになる。図２（ｃ）は冷却フィンにこの放熱板をねじ止めすることにより密着を図ろうとした場合の断面である。放熱板にはいわばＭ字型の湾曲が残り、十分な密着が達成されていない。

このように、複数の半導体基板を搭載するタイプの放熱板では、Ｐｂフリーはんだを用いて基板を接合した後の放熱板の反りを均一にフラット化することが難しく、その手法は未だ確立されていない。本発明は、Ｐｂフリーはんだで複数の半導体基板を接合した後の放熱板形状を安定して精度良くフラット化することのできる放熱板を提供すること、およびその放熱板と半導体基板接合体の接合体を提供することを目的とする。

以下、「基板」というときは特に断らない限り「半導体基板」を意味する。
発明者らは種々検討の結果、複数の半導体基板を搭載する放熱板においては、半導体基板を搭載する部分と、その間の部分とで「逆反り」の大きさに差をつけることがＰｂフリーはんだ接合後の放熱板形状をフラット化するために極めて有効であることを見出した。

すなわち上記目的は、複数の半導体基板をはんだ接合により搭載するための銅または銅合金からなる放熱板であって、当該各半導体基板をはんだ接合により搭載したのちの放熱板形状が下記（２）〜（６）式を満たすように、隣り合う２つの半導体基板搭載部分と、その間の部分とで下記（１）式のように曲率半径に差を付けて反り付けしたことを特徴とする半導体基板用放熱板によって達成される。
Ｒ_A≦Ｒ_B＜Ｒ_S ……（１）
−３０≦δ_A≦＋１００ ……（２）
−３０≦δ_B≦＋１００ ……（３）
−３０≦δ_S≦＋１００ ……（４）
δ_S−δ_A≦９０ ……（５）
δ_S−δ_B≦９０ ……（６）

ここで、放熱板を半導体基板搭載面が上になるように水平面上に置いたとき、鉛直方向に平行で、かつ並設する２枚の半導体基板のそれぞれの搭載領域の中心を通る断面をＺ断面と呼び、それら２枚の半導体基板のうちＺ断面における長さが長くない方を基板Ａ、他方を基板Ｂと呼ぶとき、はんだ接合前のＺ断面において、
Ｒ_A：基板Ａ搭載部分の平均曲率半径（ｍｍ）、
Ｒ_B：基板Ｂ搭載部分の平均曲率半径（ｍｍ）、
Ｒ_S：基板Ａ搭載部分と基板Ｂ搭載部分に挟まれた部分の平均曲率半径（ｍｍ）、
であり、はんだ接合後のＺ断面において、放熱板裏面の両端部を結ぶ直線を基準線として、
δ_A：基板Ａ搭載部分の裏面中央位置と、基準線との距離で表される反り量（μｍ）、ただし、基板Ａ搭載部分の裏面中央位置が基準線より上にあるときは負の値とする、
δ_B：基板Ｂ搭載部分の裏面中央位置と、基準線との距離で表される反り量（μｍ）、ただし、基板Ａ搭載部分の裏面中央位置が基準線より上にあるときは負の値とする、
δ_S：基板Ａ搭載部分と基板Ｂ搭載部分に挟まれた部分の裏面中央位置と、基準線との距離で表される反り量（μｍ）、ただし、基板Ａ搭載部分の裏面中央位置が基準線より上にあるときは負の値とする、
である。

「裏面」は放熱板における半導体基板搭載面の反対側の面である。「基準線より上にあるとき」とは、放熱板の半導体基板搭載面から裏面に向かう方向を正（＋）、その反対の方向を負（−）とするとき、基準線に対して負の方向に位置する場合をいう。

基板の「搭載領域」は、基板を搭載した放熱板（はんだ接合前においては基板を所定の搭載位置に配置した放熱板）を、基板搭載面が上になるように水平面上に置いて、それを鉛直方向から平面的に見た投影図において、対象となる基板の、はんだ接合面の「投影図形の領域」として捉えられる。「搭載領域の中心」は、前記投影図形の重心に相当する位置とみなすことができる。

基板Ａ、基板ＢのうちＺ断面内での長さが「長くない」方を基板Ａとするが、「長くない」には「等しい」場合と「短い」場合が含まれる。長さが「等しい」場合は隣り合ういずれの基板を「基板Ａ」としても構わない。

また本発明では特に、前記（１）式および下記（７）〜（９）式あるいはさらに下記（１０）式および（１１）式を満たすように、隣り合う２つの半導体基板搭載部分と、その間の部分とで曲率半径に差を付けて反り付けした半導体基板用放熱板を提供する。
１０≦Ｒ_A／（Ｌ_A・ｔ）≦７０ ……（７）
１０≦Ｒ_B／（Ｌ_B・ｔ）≦７０ ……（８）
２００≦Ｒ_S／（Ｌ_S・ｔ）≦１００００ ……（９）
Ｒ_A／Ｒ_S≧０.０１ ……（１０）
Ｒ_B／Ｒ_S≦０.９ ……（１１）

ここで、Ｚ断面において、
Ｒ_A、Ｒ_B、Ｒ_S：上記のとおり、
Ｌ_A：基板Ａの長さ（ｍｍ）、
Ｌ_B：基板Ｂの長さ（ｍｍ）、
Ｌ_S：基板Ａと基板Ｂの間隔（ｍｍ）、
ｔ：放熱板の板厚（ｍｍ）、
である。なお、上記各パラメータはδ_A、δ_B、δ_Sを除き、いずれもはんだ接合前の初期の放熱板（本発明の対象となる放熱板）におけるものである。（７）式、（８）式および（９）式を適用するときの板厚ｔは、それぞれ基板Ａ搭載部分、基板Ｂ搭載部分およびその間の部分における平均板厚が採用される。

この場合、特に２５〜３００℃の熱膨張係数が１０×１０^-6〜２０×１０^-6／Ｋであり、板厚が１〜５ｍｍである銅または銅合金を素材に用いた放熱板が好適な対象となる。

図３に、本発明の放熱板の上に２枚の半導体基板を並設した場合のＺ断面を模式的に例示する。これは、はんだ接合前の状態をイメージしたものであり、反りの大きさについては極めて誇張して描いてある。上記Ｒ_A、Ｒ_B、Ｒ_S、Ｌ_A、Ｌ_B、Ｌ_Sの各パラメータを図３中に示してある。この図はＺ断面における基板Ａと基板Ｂの長さが等しい場合（すなわちＬ_A＝Ｌ_Bの場合）を例示している。

Ｌ_AおよびＬ_BはそれぞれＺ断面における基板Ａおよび基板Ｂの長さであるが、より具体的には基板の裏面（放熱板側となる面）を構成する導体層（図１の符号６）部分の長さである。Ｌ_Sは基板Ａと基板Ｂの間隔であるが、より具体的にはそれぞれの基板の裏面（放熱板側となる面）を構成する導体層（図１の符号６）部分の間隔である。放熱板の「基板Ａ（基板Ｂ）搭載部分」とは、Ｚ断面において基板Ａ（基板Ｂ）の両端部からそれぞれ板厚方向に直線を引いたときの、それら２直線の間の領域を意味する。この場合、基板の「両端部」の距離が前記Ｌ_A（Ｌ_B）に相当するものである。

曲率半径は板厚中心部における値であるが、曲率半径が１０００ｍｍ以上の場合は放熱板の表面（半導体基板搭載面またはその裏面）における曲率半径で近似することができる。

図４には、半導体基板をはんだ接合により搭載したのちの放熱板について、反り量δ_A、δ_B、δ_Sを説明するためにＺ断面を模式的に示した。反り量は極めて誇張して描いてある。Ｚ断面において、放熱板裏面の両端部を結ぶ直線を基準線と定める。端面に面取りや丸め（Ｒ）が付けられている場合は、それらによる板厚の欠損が始まる点を裏面の端部と見ればよい。一方、「基板Ａ搭載部分の裏面中央位置」、「基板Ｂ搭載部分の裏面中央位置」、および「それらに挟まれた部分の裏面中央位置」を定める。これらの各中央位置はそれぞれ図３に示した「基板Ａ搭載部分」、「基板Ｂ搭載部分」、および「基板Ａ搭載部分と基板Ｂ搭載部分に挟まれた部分」における放熱板裏面の輪郭線の長さで見た中央位置である。そして、それらの位置と基準線との距離を定め、前記位置が基準線より上にあるときは「−」の値、下にあるときは「＋」の値として、δ_A、δ_Bおよびδ_Sが決定される。図４（ａ）はδ_A、δ_B、δ_Sがいずれも「＋」となる場合の例、図４（ｂ）はそれらがいずれも「−」となる場合の例である。なお、裏面に例えば冷却フィンに設けられた凹凸に嵌合する突起または窪みが形成されているような場合は、その突起や窪みがない場合の裏面形状（Ｚ断面における輪郭）を想定して基準線や上記各部の中央位置を定めればよい。δ_A、δ_B、δ_Sの各値はダイヤルゲージや接触式またはレーザー等の光学系焦点による二次元または三次元形状測定器を用いて測定できる。

放熱板を前述のように平面的に見た投影図においてｘ−ｙ座標系を想定するとき、基板のレイアウトはｘ方向のみに複数枚を並設する場合もあるし、ｘ方向およびｙ方向の両方向に並設する場合もある。後者は例えば１枚の放熱板のｘ方向に２枚、ｙ方向に２枚、計４枚の半導体基板を搭載するような場合である。ｘ、ｙ両方向に並設する場合は、少なくともそのいずれかの方向について上記各式の条件を適用する。また、ｘ方向（またはｙ方向）に３枚以上の基板を配置する場合、隣り合う２枚の基板のすべての組み合わせにおいて上記の条件を適用すればよい。本発明では、これらの放熱板に複数の半導体基板を接合した接合体が提供される。これらの放熱板は、半導体基板を接合する際、Ｐｂフリーはんだが好適に使用できる。

本発明によれば、複数の半導体基板を搭載する放熱板において、従来、Ｐｂフリーはんだ接合後の放熱板に生じていた不均一な反り変形を顕著に抑制することが可能になった。したがって本発明は、半導体モジュールの設計自由度の拡大、および信頼性の向上に寄与するものである。

前述のように、基板をＰｂフリーはんだで接合したときの「反り」を低減するためには、予め放熱板に逆方向の反りを付けておくことが有効であり、複数の基板を１枚の放熱板に搭載する場合も、この手法は利用されている。通常、この「逆反り」を付ける際には、板面のｘ方向、ｙ方向にそれぞれ一様な曲率半径をもつ曲面をプレスによって形成する。しかしながら、この一様な「逆反り」は、複数の半導体基板を搭載する際には、不均一変形を引き起こす要因となってしまう（図２）。

そこで本発明では基板を搭載する位置と、その間の位置とで「逆反り」の大きさに差をつける。具体的には、まず前記Ｚ断面において（１）式が成立するようにする。
Ｒ_A≦Ｒ_B＜Ｒ_S ……（１）
Ｒ_A、Ｒ_B、Ｒ_Sの定義については上述のとおりである。

（１）式は、隣り合う基板どうしの間の部分の平均曲率半径Ｒ_Sを、基板搭載部分の平均曲率半径Ｒ_A、Ｒ_Bより大きくすることを意味する。隣り合う２つの基板の長さが等しい場合、つまりＬ_A＝Ｌ_Bのときは、それらの搭載位置における平均曲率半径もＲ_A＝Ｒ_Bとすることが望ましい。放熱板の各部位における平均曲率半径Ｒ_A、Ｒ_B、Ｒ_Sは、それぞれの部位（図３参照）における微小領域の曲率半径を当該部位全体にわたって平均した値として捉えることができる。また、ＲＡ、ＲＢ、ＲＳの各値は、接触式またはレーザー等による形状測定器により測定される基板等細部および基板間の反り量から、円弧近似により算出することができる。

Ｒ_SがＲ_A、Ｒ_Bと等しくなるときは一様な曲率をもつ従来の放熱板と同様の場合である。この場合はＰｂフリーはんだを用いて基板を接合した際、隣り合う基板どうしの間の部分での逆反りの相殺効果が、基板搭載部分に比べかなり小さいため、はんだ接合後の放熱板はＭ字型（図２（ｂ））、またはＶ字型の反り形状を有するものとなる。したがって、（１）式に示されるように、並設する基板の搭載部分に挟まれた部分における平均曲率半径が、基板搭載部分の平均曲率半径より大きくなるようにする。

次に、基板をＰｂフリーはんだで接合したときに半導体基板搭載部分の形状が「逆反り」の相殺効果によりできるだけフラットになるように平均曲率半径Ｒ_A、Ｒ_Bを設定する必要がある。１枚の基板を搭載するタイプの放熱板では、はんだ接合後の反り形状が上で定義した「−」側に比較的大きな許容範囲をとることができる。しかしながら複数の基板を搭載するタイプの放熱板では、各基板搭載部分で「−」の大きな反りが生じると全体としてＭ字型の形状となり、冷却フィンとの密着性を確保するための矯正が難しくなるなどの問題が新たに生じることが明らかになった。したがって、１枚の基板を搭載するタイプとは異なり、「逆反り」の相殺効果が大きめに発揮されるようにすること、すなわち、「−」の反りよりもむしろ若干「＋」の反りが残るように曲率を設定することが有利である。ただし、わずかな「−」反りは、冷却フィンとの隙間を導電性のコンパウンドで埋めることにより放熱性が確保できるため、許容される。

発明者らの検討によれば、目的の各半導体基板を実際にはんだを用いて所定の位置に接合してみたとき、はんだ接合後の放熱板の反り形状がＺ断面において（２）〜（４）式を満たす形状となるように、前記Ｒ_A、Ｒ_BおよびＲ_Sを設定して予め「逆反り」を形成しておけば良いことがわかった。このとき、冷却フィンとのフラットな接触が実現できる。
−３０≦δ_A≦＋１００ ……（２）
−３０≦δ_B≦＋１００ ……（３）
−３０≦δ_S≦＋１００ ……（４）
δ_S−δ_A≦９０ ……（５）
δ_S−δ_B≦９０ ……（６）
δ_A、δ_B、δ_Sの定義については上述のとおりである。

図５には、本発明に従った場合の放熱板のＺ断面を模式的に例示してある。反り量は極めて誇張して描いてある（以下の図６、図７において同じ）。図５（ａ）は、（１）式に従うように各部分の平均曲率半径を適正化したはんだ接合前の状態である。図５（ｂ）は、はんだ接合後の放熱板形状を例示したものである。この例では前記（２）式〜（６）式を満たし、わずかなＶ字型の形状が得られた状態を示してある。図５（ｃ）は、（ｂ）のものをねじ止めにて冷却フィンに取り付けた状態である。（ｂ）の状態での変形がわずかなＶ字型であることにより、ねじによる形状矯正効果が十分に得られ、フラットな形状でフィンに取り付けることが可能となる。

図６には、Ｒ_A、Ｒ_Bが大きすぎ、Ｒ_Sが小さすぎた場合の放熱板のＺ断面を模式的に例示してある。図６（ａ）は、はんだ接合前の状態である。図６（ｂ）は、はんだ接合後の放熱板形状を例示したものであり、Ｒ_A、Ｒ_Bが大きすぎたことにより基板搭載部分ではそれぞれ前記（２）式、（３）式を外れて「−」の大きな反り量δ_A、δ_Bが生じ、Ｒ_Sが小さすぎたことにより基板搭載部分に挟まれた部分では前記（４）式を外れて「＋」の大きな反り量δ_Sが残った。その結果Ｍ字型のＺ断面形状となり、図６（ｃ）に示すように、ねじ止めによってフラットな形状を実現することができなかったものである。すなわち、冷却フィンとの間には隙間が生じてしまい、冷却効率に劣る結果となる。

ただし、δ_A、δ_Bおよびδ_Sがそれぞれ（２）〜（４）式を満たす値であっても、（５）式または（６）式を満たさない場合は、冷却フィンにねじ止めした場合にＭ字型の変形が残りやすいことがわかった。つまり、δ_Sとδ_Aの差、およびδ_Sとδ_Bの差が大きくなりすぎないように（５）式、（６）式を満たすことが重要である。

図７には、Ｒ_A、Ｒ_Bが小さすぎ、Ｒ_Sが大きすぎた場合の放熱板のＺ断面を模式的に例示してある。図７（ａ）は、はんだ接合前の状態である。図７（ｂ）は、はんだ接合後の放熱板形状を例示したものであり、Ｒ_A、Ｒ_Bが小さすぎたことにより基板搭載部分ではそれぞれ前記（２）式、（３）式を外れて「＋」の大きな反り量δ_A、δ_Bが残った。その結果Ｕ字型のＺ断面形状となり、図７（ｃ）に示すように、ねじ止めにより冷却フィンに取り付けてもフラットな接触形態は得られないものである。また、はんだが基板からはみ出して使用不可となる場合もある。

Ｒ_A、Ｒ_Bが適正であり、Ｒ_Sが小さすぎる場合は、大きなＶ字型のＺ断面形状となり、この場合もねじによる矯正は不可能となる。またＲ_A、Ｒ_Bが小さすぎ、Ｒ_Sも小さすぎる場合は、図７（ｂ）に示したよりもさらに大きなＵ字型の形状となってしまう。

適正なＲ_A、Ｒ_B、Ｒ_Sの範囲は、予めシミュレーション実験を行うことによってはんだ接合後の放熱板形状が上記（２）〜（４）式を満たす反り形状となるように定めることが可能である。その際、はんだにはＰｂフリーはんだを使用することが好ましい。
なお、上記（２）〜（４）式に代えて、それぞれ下記（２）’〜（４）’式を満たすようにすることが一層好ましい。
０≦δ_A≦＋５０ ……（２）’
０≦δ_B≦＋５０ ……（３）’
０≦δ_S≦＋５０ ……（４）’

発明者らの更なる検討によれば、半導体基板搭載部分について、Ｐｂフリーはんだを用いた基板接合によって生じる放熱板の変形量は当該基板の長さに依存することがわかった。つまり、Ｚ断面における基板長さに応じて基板搭載部分の曲率半径を調整することにより、基板接合後の放熱板の形状を顕著にフラット化することが可能になる。その際、基板搭載部分で「−」の反りが大きくなりすぎないように配慮する必要がある。発明者らは詳細な研究の結果、（７）式および（８）式を満たすように基板搭載部分の曲率半径を調整し、かつ、基板搭載部分に挟まれた部分に関しては（９）式満たすように曲率半径を調整すれば、従来、半導体基板用の放熱板に使用されている銅または銅合金材料を用いて、複数の基板を搭載した際の放熱板の形状を安定して顕著にフラット化できることがを見出した。

１０≦Ｒ_A／（Ｌ_A・ｔ）≦７０ ……（７）
１０≦Ｒ_B／（Ｌ_B・ｔ）≦７０ ……（８）
２００≦Ｒ_S／（Ｌ_S・ｔ）≦１００００ ……（９）
Ｒ_A、Ｒ_B、Ｒ_S、Ｌ_A、Ｌ_B、Ｌ_S、ｔの定義については上述のとおりである。

上記（７）式のＲ_A／（Ｌ_A・ｔ）、（８）式のＲ_B／（Ｌ_B・ｔ）が上限を外れて大きすぎ、（９）式のＲ_S／（Ｌ_S・ｔ）が下限を外れて小さすぎる場合には、前述の図６に示したようにＭ字型の変形が生じてしまい、好ましくない。
逆に、上記（７）式のＲ_A／（Ｌ_A・ｔ）、（８）式のＲ_B／（Ｌ_B・ｔ）が下限を外れて小さすぎ、（９）式のＲ_S／（Ｌ_S・ｔ）が上限を外れて大きすぎる場合には、前述の図７に示したようにＵ字型の変形が生じてしまい、好ましくない。
また、（７）式のＲ_A／（Ｌ_A・ｔ）、（８）式のＲ_B／（Ｌ_B・ｔ）が適正であるか、または下限を外れて小さすぎ、（９）式のＲ_S／（Ｌ_S・ｔ）が下限を外れて小さすぎる場合には、大きなＶ字型またはＵ字型のＺ断面形状となり、やはり好ましくない。

これら（７）〜（９）式の規定は、特に２５〜３００℃の熱膨張係数が１０×１０^-6〜２０×１０^-6／Ｋであり、板厚が１〜５ｍｍ好ましくは２〜４ｍｍの銅または銅合金を素材に用いた放熱板において、好適に適用できる。このような素材としては、例えば、純Ｃｕ（純度９９.９９％以上）、Ｃｕ−Ｆｅ−Ｐ系合金（特にＦｅ：０.００１〜０.３質量％、Ｐ：０.００１〜０.３質量％、残部実質的にＣｕ）、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｂ系合金（特にＮｉ：３〜１５質量％、Ｂ：０.１〜５質量％、残部実質的にＣｕ）などが挙げられる。

なお、上記（７）〜（９）式に代えて、それぞれ下記（７）’〜（９）’式を満たすようにすることが一層好ましい。
２０≦Ｒ_A／（Ｌ_A・ｔ）≦６０ ……（７）’
２０≦Ｒ_B／（Ｌ_B・ｔ）≦６０ ……（８）’
３００≦Ｒ_S／（Ｌ_S・ｔ）≦５０００ ……（９）’

基板搭載部分と、その部分に挟まれた部分の平均曲率半径の差に関しては、（１０）式および（１１）式を満たすようにすることが好ましい。
Ｒ_A／Ｒ_S≧０.０１ ……（１０）
Ｒ_B／Ｒ_S≦０.９ ……（１１）
Ｒ_A／Ｒ_Sが０.０１より小さいとＵ字型のＺ断面形状となりやすく、Ｒ_B／Ｒ_Sが０.９を超えて大きいと従来の一様な曲率半径を有する放熱板と同様にＭ字型やＶ字型のＺ断面形状となりやすい。上記（１０）式および（１１）式に代えて、それぞれ下記（１０）’式および（１１）’式を満たすようにすることが一層好ましい。
Ｒ_A／Ｒ_S≧０.０５ ……（１０）’
Ｒ_B／Ｒ_S≦０.９ ……（１１）’

このような形状をもつ本発明の放熱板は、一般的な銅または銅合金の製造プロセスにより、例えば板厚２〜４ｍｍの条を得た後、これを順送金型によるプレス加工することにより製造できる。順送金型プレスにおいては、はんだ層厚みを確保するための突起を形成した後、１枚ずつに分離し、最終段で反り付けを行う手順が採用できる。

本発明の放熱板は、はんだとの濡れ性や、耐食性を改善する等の目的で、表面にＮｉめっき等のめっきを施してから使用することができる。はんだは、Ｓｎ−３.５Ａｇ、Ｓｎ−５Ｓｂ、Ｓｎ−０.７Ｃｕ、Ｓｎ−９Ｚｎ、Ｓｎ−３.８Ａｇ−０.７Ｃｕ等の融点が１７０〜２５０℃のＰｂフリーはんだが適用できる。板面に所定量のフラックスとはんだを配置し、その上に複数の半導体基板を設置した状態ではんだの融点より概ね５０〜１００℃高い温度の炉（例えばＮ₂＋Ｈ₂雰囲気）に装入し、十分にはんだが溶けてから炉外に出して放冷する。

Ｃｕ−０.０７Ｆｅ−０.０２Ｐ合金（焼鈍後、約２５％の冷間圧延を行ったもの）を用いて、順送金型によるプレスにより、基板配置の異なるイ、ロ、２種類の放熱板を作製した。この合金からなる放熱板は、２５〜３００℃の熱膨張係数が約１７×１０^-6／Ｋである。図８および図９にそれぞれ放熱板イおよびロの半導体基板搭載位置を示す。また図中には対象とする基板Ａおよび基板Ｂ、並びにＺ断面の位置を示した。放熱板イは厚さ４ｍｍ、１辺１００ｍｍの正方形であり、放熱板ロは厚さ２ｍｍ、長辺１２０ｍｍ、短辺８０ｍｍの長方形である。いずれも、１枚の放熱板の上に４枚の半導体基板を搭載するものであり、放熱板ロはｘ方向において並設する２枚の基板長さが異なる。各基板搭載位置には、１枚の基板に対し４個の突起（径：約１.５ｍｍ、突起高さ：板面より約２０μｍ）を形成してある。イ、ロとも、各基板搭載位置の中央が凹部になるように種々の形状の「逆反り」を形成したものを用意した。

表１に各放熱板のｘ方向におけるＺ断面でのＲ_A、Ｒ_B、Ｒ_S、Ｌ_A、Ｌ_B、Ｌ_S、Ｒ_A／Ｒ_S、Ｒ_B／Ｒ_S、Ｒ_A／（Ｌ_A・ｔ）、Ｒ_B／（Ｌ_B・ｔ）、Ｒ_S／（Ｌ_S・ｔ）を示す。ｙ方向については、Ｒ_AおよびＲ_Bはｘ方向のＲ_Aに概ね等しく、Ｒ_Sはｘ方向のＲ_Sに概ね等しく、Ｌ_AおよびＬ_Bはｘ方向のＬ_Aに等しく、Ｌ_Sはｘ方向のＬ_Sに等しくなるようにした。

半導体基板として、窒化アルミニウム基板の表面に銅パターンを形成した厚さ約０.３ｍｍのもので、図８および図９に示した搭載位置に合う寸法のもの（４種類）を用意した。Ｌ_A、Ｌ_B、Ｌ_Sの値は表１に示したとおりである。はんだはロジン系フラックスを含有したＳｎ−３.５Ａｇ合金ペーストを用意し、各放熱板の所定位置に上記はんだペーストを通常の手法で適正量塗布し、その上に半導体基板を載せて３００℃、Ｎ₂＋Ｈ₂雰囲気の炉に装入し、約１０分経過後に炉外に出して放冷した。

はんだ接合を終えた各サンプルについて、ｘ方向のＺ断面における反り量δ_A、δ_B、δ_S（図４参照）を接触式表面形状測定器を用いて測定した。測定方法は、図４に示した基準線と放熱板両端との接点の間で放熱板の形状に沿って測定子を走査させ、そのうねりを検出する方法とした。その結果を表２に示す。表２中にはδ_S−δ_A、δ_S−δ_Bの値も併記した。

また、はんだ接合後の各放熱板（基板を搭載したもの）を、厚さ５ｍｍのアルミニウム板からなる冷却フィンの表面に、５ｍｍφのねじにて固定することを試みた（一部のサンプルを除く）。なお、放熱板には予め４隅からｘ方向、ｙ方向に約５ｍｍの位置にねじの通る孔を形成してある。放熱板を冷却フィンに固定した後、両者の間にフラットな接触が実現できたものを◎（優秀）、若干隙間が生じたが導電性コンパウンドで埋めれば良好な放熱性が確保できるものを○（良好）、隙間が大きすぎ充分な放熱性が実現できないものを×（不良）と評価した。
結果を表２に示す。

表１、表２からわかるように、前記（１）式および（７）〜（１１）式を満たす逆反りを付けたことにより（２）式〜（６）式を満たすような反り形状とした本発明の放熱板は、いずれも冷却フィンとのフラットな接触が実現できた。なかでも（７）’〜（９）’式を満たすＮｏ.４、２４は、δ_A、δ_B、δ_Sが一層フラットに近く、特に良好な反りの相殺効果が得られた。

これに対し、比較例であるＮｏ.１、Ｎｏ.２１は一様な平均曲率半径の反り付けを行ったものであり、（５）式および（６）式を外れてδ_A、δ_Bが「−」の反り量、δ_Sが「＋」の反り量となり、フィンに取り付け後に図２（ｃ）のようにＭ字型の形状を解消できなかった。Ｎｏ.２、Ｎｏ.２２はＲ_A、Ｒ_Bが（７）式、（８）式を外れて大きく、Ｒ_Sが（９）式を外れて小さかったことにより、δ_A、δ_Bが「−」の大きな反り量となり、δ_Sが「＋」の大きな反り量として残ったため、フィンに取り付け後に図６（ｃ）のように大きなＭ字型の形状が残った。Ｎｏ.３、Ｎｏ.２３はＲ_A、Ｒ_Bは適正であるがＲ_Sが（９）式を外れて小さかったことにより、δ_Sが「＋」の大きな反り量として残ったため、フィンに取り付け後にＶ字型の形状が矯正できなかった。Ｎｏ.９、Ｎｏ.２９はＲ_Sは適正であるがＲ_A、Ｒ_Bが（７）式、（８）式を外れて小さかったことにより、δ_A、δ_Bが「＋」の大きな反り量として残り、Ｕ字型の形状が解消されなかった。Ｎｏ.１０、３０はＲ_Sは適正であるがＲ_A、Ｒ_Bが（７）式、（８）式を外れて大きかったので、δ_A、δ_Bが「−」の大きな反り量となり、フィンに取り付け後に逆Ｕ字型の形状が残った。Ｎｏ.１１、３１はＲ_A、Ｒ_Bが（７）式、（８）式を外れて小さく、Ｒ_Sが（９）式を外れて大きかったことにより、δ_A、δ_Bが「＋」の非常に大きな反り量として残り、δ_Sが「−」の反り量となったため、フィンに取り付け後に図７（ｃ）のように大きなＵ字型の形状が残った。さらに放熱板と基板の間からはんだの「はみ出し」が生じ、はんだ接合そのものが不十分であった。

放熱板の上に半導体基板を搭載した半導体モジュールの構成例を模式的に示した断面図。 一様な曲率半径の反りを付けた従来の放熱板に複数の半導体基板を搭載した場合における放熱板の反り挙動を模式的に示した断面図。 放熱板のＺ断面における各パラメーターおよび各部分の名称を模式的に示した断面図。 反り量を説明するために、はんだ接合後の放熱板のＺ断面を模式的に示した図。 適正な反りを付けた本発明の放熱板に複数の半導体基板を搭載した場合における放熱板の反り挙動を模式的に示したＺ断面の図。 Ｒ_A、Ｒ_Bが大きすぎ、Ｒ_Sが小さすぎる反りを付けた比較例の放熱板に複数の半導体基板を搭載した場合における放熱板の反り挙動を模式的に示したＺ断面の図。 Ｒ_A、Ｒ_Bが小さすぎ、Ｒ_Sが大きすぎる反りを付けた比較例の放熱板に複数の半導体基板を搭載した場合における放熱板の反り挙動を模式的に示したＺ断面の図。 実施例に用いた放熱板イにおける基板搭載位置を模式的に示した平面図。 実施例に用いた放熱板ロにおける基板搭載位置を模式的に示した平面図。

符号の説明

１ 放熱板
２ はんだ層
３ 半導体基板
４ 銅パターン
５ 絶縁基板
６ 導体層
７ 半導体素子
８ リード線

Claims (6)

1. 複数の半導体基板をはんだ接合により搭載するための銅または銅合金からなる放熱板であって、当該各半導体基板をはんだ接合により搭載したのちの放熱板形状が下記（２）〜（６）式を満たすように、隣り合う２つの半導体基板搭載部分と、その間の部分とで下記（１）式のように曲率半径に差を付けて反り付けしたことを特徴とする半導体基板用放熱板。
   Ｒ_A≦Ｒ_B＜Ｒ_S ……（１）
   −３０≦δ_A≦＋１００ ……（２）
   −３０≦δ_B≦＋１００ ……（３）
   −３０≦δ_S≦＋１００ ……（４）
   δ_S−δ_A≦９０ ……（５）
   δ_S−δ_B≦９０ ……（６）
   ここで、放熱板を半導体基板搭載面が上になるように水平面上に置いたとき、鉛直方向に平行で、かつ並設する２枚の半導体基板のそれぞれの搭載領域の中心を通る断面をＺ断面と呼び、それら２枚の半導体基板のうちＺ断面における長さが長くない方を基板Ａ、他方を基板Ｂと呼ぶとき、はんだ接合前のＺ断面において、
   Ｒ_A：基板Ａ搭載部分の平均曲率半径（ｍｍ）、
   Ｒ_B：基板Ｂ搭載部分の平均曲率半径（ｍｍ）、
   Ｒ_S：基板Ａ搭載部分と基板Ｂ搭載部分に挟まれた部分の平均曲率半径（ｍｍ）、
   であり、はんだ接合後のＺ断面において、放熱板裏面の両端部を結ぶ直線を基準線として、
   δ_A：基板Ａ搭載部分の裏面中央位置と、基準線との距離で表される反り量（μｍ）、ただし、基板Ａ搭載部分の裏面中央位置が基準線より上にあるときは負の値とする、
   δ_B：基板Ｂ搭載部分の裏面中央位置と、基準線との距離で表される反り量（μｍ）、ただし、基板Ａ搭載部分の裏面中央位置が基準線より上にあるときは負の値とする、
   δ_S：基板Ａ搭載部分と基板Ｂ搭載部分に挟まれた部分の裏面中央位置と、基準線との距離で表される反り量（μｍ）、ただし、基板Ａ搭載部分の裏面中央位置が基準線より上にあるときは負の値とする、
   である。
2. 複数の半導体基板をはんだ接合により搭載するための銅または銅合金からなる放熱板であって、下記（１）式および（７）〜（９）式を満たすように、隣り合う２つの半導体基板搭載部分と、その間の部分とで曲率半径に差を付けて反り付けしたことを特徴とする半導体基板用放熱板。
   Ｒ_A≦Ｒ_B＜Ｒ_S ……（１）
   １０≦Ｒ_A／（Ｌ_A・ｔ）≦７０ ……（７）
   １０≦Ｒ_B／（Ｌ_B・ｔ）≦７０ ……（８）
   ２００≦Ｒ_S／（Ｌ_S・ｔ）≦１００００ ……（９）
   ここで、放熱板を半導体基板搭載面が上になるように水平面上に置いたとき、鉛直方向に平行で、かつ並設する２枚の半導体基板のそれぞれの搭載領域の中心を通る断面をＺ断面と呼び、それら２枚の半導体基板のうちＺ断面における長さが長くない方を基板Ａ、他方を基板Ｂと呼ぶとき、はんだ接合前のＺ断面において、
   Ｒ_A：基板Ａ搭載部分の平均曲率半径（ｍｍ）、
   Ｒ_B：基板Ｂ搭載部分の平均曲率半径（ｍｍ）、
   Ｒ_S：基板Ａ搭載部分と基板Ｂ搭載部分に挟まれた部分の平均曲率半径（ｍｍ）、
   Ｌ_A：基板Ａの長さ（ｍｍ）、
   Ｌ_B：基板Ｂの長さ（ｍｍ）、
   Ｌ_S：基板Ａと基板Ｂの間隔（ｍｍ）、
   ｔ：放熱板の板厚（ｍｍ）、
   である。
3. さらに下記（１０）式および（１１）式を満たす請求項２に記載の半導体基板用放熱板。
   Ｒ_A／Ｒ_S≧０.０１ ……（１０）
   Ｒ_B／Ｒ_S≦０.９ ……（１１）
4. 銅または銅合金は、２５〜３００℃の熱膨張係数が１０×１０^-6〜２０×１０^-6／Ｋであり、板厚が１〜５ｍｍである請求項１〜３に記載の半導体基板用放熱板。
5. Ｐｂフリーはんだによって半導体基板を接合する請求項１〜４に記載の半導体基板用放熱板。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の放熱板を使用した半導体基板と放熱板の接合体。

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