JP2007116080A - 突起を有する半導体基板用放熱板 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 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、板面に半導体基板と放熱板の間隔を確保するための突起を有し、前記突起は下記(1)式および(2)式を満たすようにプレス加工により周囲に窪みを付けることによって形成された、下記(3)式を満たす柱状(ただし上面は曲面であって構わない)の形状を有するものである半導体基板用放熱板。(選択図参照)。
0.1≦h1≦1.0…(1)、30≦θ1≦90…(2)、0.05≦h0≦0.5…(3)
【選択図】図2
Description
ただ、突起を設けるためには放熱板の製造工程が増大し、生産性の面ではマイナス要因となる。そこで、効率的な突起の形成手法としては、プレス成形による方法が有力となる。すなわち、放熱板の表面から加工ピンと呼ばれるプレス型を押し込んで窪みを作ることにより、その窪み部分から排除された材料(肉)のメタルフローを利用して、窪み近傍の表面を隆起させ、突起を形成する。
0.1≦h1≦1.0 ……(1)
30≦θ1≦90 ……(2)
0.05≦h0≦0.5 ……(3)
ここで、
h1:半導体基板を搭載する側の板面を基準とした窪み深さ(mm)、
θ1:h1/2の深さ位置において窪み外周面に接する平面と水平面とのなす角度(°)、
h0:半導体基板を搭載する側の板面を基準とした突起高さ(mm)、
である。
δ1≦0.15 ……(4)
δ1≦h0−0.01 ……(5)
δ2≦0.03 ……(6)
ここで、
δ1:半導体基板を搭載する側の板面を基準とした盛り上がり高さ(mm)、
δ2:突起を形成した面の裏面の板面を基準とした突き出し量(mm)、
である。
θ0:半導体基板を搭載する側の板面の高さ位置において突起側面に接する平面と水平面とのなす角度(°)、
D0:半導体基板を搭載する側の板面の高さ位置における突起の直径(mm)、
D1:半導体基板を搭載する側の板面の高さ位置における窪み外周の直径(mm)、
なお図2では、h0、h1、δ1、δ2の大きさを極めて誇張して描いてある。
70≦θ0≦120 ……(11)
図3に、加工ピンの断面形状を模式的に示す。加工ピンの寸法設計を適正化し、かつプレス時の押し込み量を適正化することによっては、1回のパンチ工程で突起高さh0をほぼ目標値に近づけることができ、その突起部形状のまま放熱板用途に供することが可能である。なお、加工ピンの先端は、円滑なメタルフローを実現するためにアール(曲率)を付けた方がよい。
図4に、突起上面と窪み周囲の盛り上がり部をパンチするためのプレス型の断面形状を模式的に示す。このパンチ工程により突起高さが修正され、盛り上がり部の高さが低減される。
1000≦R≦10000 ……(12)
ここで、平均曲率半径Rは板厚中央部の位置における円弧の平均半径である。放熱板の板面上で、ある方向(x方向)とそれに直交する方向(y方向)の両方向について、それぞれ板面の中央部を通る線上における平均曲率半径Rが上記(12)式を満たすことが望ましい。
ここで、耐熱温度は当該素材をその温度で30min加熱保持したときに、ビッカース硬さが加熱前の硬さの80%となるときの温度とする。
ここで、「残部実質的にCu」とは、前記各特性を満たし、Pbフリーはんだとの濡れ性が実用上問題ない範囲で、上記以外の元素の混入が許容されることを意味し、「残部がCuおよび不可避的不純物からなる」場合が含まれる。
0.1≦h1≦1.0 ……(1)
窪み深さがh1(mm)が小さすぎると必要な突起高さを確保するために必要な加工ピンの打ち込み面積を大きくする必要があり、プレス荷重が過大となり生産性を損ねる。一方h1を大きくしすぎると突起高さが過剰に高くなりやすく、その後複数回のパンチを行っても所定の高さに修正することが難しくなる。また、裏面の突き出し量が大きくなって冷却フィンとのフラットな接触が得ることも難しくなる。
(1)式に代えて下記(1)’式を採用することがより好ましい。
0.15≦h1≦0.8 ……(1)’
30≦θ1≦90 ……(2)
この角度θ1(°)が小さすぎると充分な突起高さを確保することが難しくなる。逆にθ1が大きすぎると加工ピンが打ち込めず、突起を形成することが困難である。
(2)式に代えて下記(2)’式を採用することがより好ましい。
45≦θ1≦80 ……(2)’
θ0>θ1+10 ……(7)
すなわち、突起側面が鉛直に近く、かつ窪み外周面は傾斜している形状の窪みを形成したとき、突起高さの確保、突起高さの寸法精度の確保、および製造性の面で有利となる。
すなわち当該突起は下記(11)式を満たす形状を有することが望ましい。
70≦θ0≦120 ……(11)
0.05≦h0≦0.5 ……(3)
突起高さh0(mm)が低すぎると半導体基板を搭載した際のはんだ厚さが不十分となり、放熱板と半導体基板との間に発生する熱応力の緩衝作用が低下してはんだ層にクラックの発生を招く。
(3)式に代えて下記(3)’式を採用することがより好ましい。
0.1≦h0≦0.4 ……(3)’
δ1≦0.15 ……(4)
δ1≦h0−0.01 ……(5)
盛り上がり高さδ1(mm)が(4)式を外れて大きいと窪み周囲から窪み内部へのはんだの流れが阻害されやすく、その場合、突起近傍でのはんだ濡れ性が充分に確保できず、はんだクラックの原因となりやすい。またδ1が突起高さh0との関係で(5)式を外れて大きいと半導体基板と盛り上がり部の間隔が狭くなることに起因して窪み内部へのはんだの流れが阻害されやすく、やはりはんだクラックの原因となりやすい。
盛り上がり高さδ1は、窪みを形成する際の加工ピンの打ち込み深さ、すなわち窪み深さh1を小さくすることなどによって軽減できるが、図4に示したようなプレス型を用いて盛り上がり部をパンチする工程を付加することも有効である。
δ2≦0.03 ……(6)
裏面の突き出し量δ2(mm)が(6)式を外れて大きいと放熱板を冷却フィンに取り付けて使用するときに冷却フィンとのフラットな接触が確保しにくいために放熱性が低下しやすい。裏面の突き出し量δ2は、板厚2mm以上の放熱板の場合、窪み深さh1を上記(1)式の範囲とすることで概ね(6)式を満たす範囲に調整可能である。
0.1≦D0≦5 ……(8)
0.5≦D1≦9 ……(9)
0.2≦D1−D0≦8.5 ……(10)
窪み外周の直径D1が(9)式を外れて小さすぎる場合は、そのリング状窪みの中央を充分に隆起させることが難しく、所定の突起高さh0を確保できないことがある。D1を大きくしても中央部を充分に隆起させるためには窪み深さh1を上記(1)式あるいは(1)’式を満たすように確保する必要があることには変わりない。このためD1が大きすぎるとプレス荷重が過大となるだけでメリットに乏しい。
(10)式のD1−D0はリング状窪みのリング幅に対応する指標である。窪み外周の直径D1は突起直径D0に応じて(10)式を満たすように適正化することが望ましい。
(8)〜(10)式に代えて下記(8)’〜(10)’式を採用することが一層好ましい。
0.5≦D0≦4 ……(8)’
1≦D1≦6 ……(9)’
0.5≦D1−D0≦5 ……(10)’
[1]質量%で、Fe:0.05〜0.2%、P:0.005〜0.1%、残部Cuおよび不可避的不純物。
[2]質量%で、Fe:0.1〜0.25%、Ni:0.05〜0.2%、Sn:0.01〜0.1%、P:0.005〜0.1%、残部Cuおよび不可避的不純物。
[3]質量%で、Sn:0.1〜0.3%、P:0.005〜0.1%、残部Cuおよび不可避的不純物。
[4]質量%で、Co:0.2〜0.35%、P:0.005〜0.1%、残部Cuおよび不可避的不純物。
加工ピンでリング状の窪みを付けてその中央に突起を隆起させるためには、HVが70〜200好ましくは80〜150程度の硬さに調整された板材をプレス成形に供することが望ましい。
1000≦R≦10000 ……(12)
1000≦R≦7000 ……(12)’
〔突起高さh0のバラツキ評価〕
◎(極めて優秀):各製品のh0が平均値±0.02mm以内にある。
○(優秀):各製品のh0が平均値±0.03mm以内にある。
△(良好):各製品のh0が平均値±0.05mm以内にある。
いずれも△以上の評価に収まっていた。
なお、突起側面の角度θ0は表1に記載していないが、各種放熱板とも90°を目標に加工ピンの形状を設定してあり、ランダムに選んだ複数の試料についての突起の軸を含む断面の観察から、θ0は90°±2°以内に収まっていることが確認された。
〔はんだクラック評価〕
○(良好):どの試料にもはんだクラックが見当たらない。
×(不良):1つ以上の試料にはんだクラックが生じていた。
〔放熱性評価〕
○(良好):冷却フィンとのフラットな接触が実現でき、放熱性に問題がない。
△(やや不良):冷却フィンとの間にわずかな隙間が認められ、用途によっては放熱性が懸念される。
×(不良):冷却フィンとの間に大きな隙間が認められ、放熱性が低下した。
なお、冷却フィンは厚さ5mmのアルミニウム板の上にフィンが形成されているものを使用した。
結果を表1に示す。
結果を表2に示す。
〔実施例3の放熱性評価〕
○(良好):素材の熱伝導率が250W/mK以上であり、かつ冷却フィンとのフラットな接触が実現でき、放熱性に問題がない。
△(やや不良):素材の熱伝導率は250W/mK以上であるが、冷却フィンとの間にわずかな隙間が認められ、用途によっては放熱性が懸念される。
×(不良):素材の熱伝導率が250W/mK未満であるか、または冷却フィンとの間に大きな隙間が認められる。
結果を表3に示す。
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
10 放熱板
11 半導体基板を搭載する側の板面
12 突起
13 突起の軸
14 窪み
15 盛り上がり部
16 裏面の板面
17 突き出し部
Claims (9)
- 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、板面に半導体基板と放熱板の間隔を確保するための突起を有し、前記突起は下記(1)式および(2)式を満たすようにプレス加工により周囲に窪みを付けることによって形成された、下記(3)式を満たす柱状(ただし上面は曲面であって構わない)の形状を有するものである半導体基板用放熱板。
0.1≦h1≦1.0 ……(1)
30≦θ1≦90 ……(2)
0.05≦h0≦0.5 ……(3)
ここで、
h1:半導体基板を搭載する側の板面を基準とした窪み深さ(mm)、
θ1:h1/2の深さ位置において窪み外周面に接する平面と水平面とのなす角度(°)、
h0:半導体基板を搭載する側の板面を基準とした突起高さ(mm)、
である。 - 窪み周囲の盛り上がり高さが下記(4)式および(5)式を満たすものである請求項1に記載の半導体基板用放熱板。
δ1≦0.15 ……(4)
δ1≦h0−0.01 ……(5)
ここで、
δ1:半導体基板を搭載する側の板面を基準とした盛り上がり高さ(mm)、
である。 - 突起を形成した面の裏面における突き出し量が下記(6)式を満たすものである請求項1または2に記載の半導体基板用放熱板。
δ2≦0.03 ……(6)
ここで、
δ2:突起を形成した面の裏面の板面を基準とした突き出し量(mm)、
である。 - 突起は、加工ピンで窪みを付けて突起を隆起させるパンチ工程の後、少なくとも突起上面または窪み周囲の盛り上がり部のいずれかをパンチする工程を経て形成されたものである請求項1〜3のいずれかに記載の半導体基板用放熱板。
- 前記突起は下記(11)式を満たす形状を有するものである請求項1〜4のいずれかに記載の半導体基板用放熱板。
70≦θ0≦120 ……(11)
ここで、
θ0:半導体基板を搭載する側の板面の高さ位置において突起側面に接する平面と水平面とのなす角度(°)、
である。 - Pbフリーはんだを使用して半導体基板が接合される請求項1〜5のいずれかに記載の半導体基板用放熱板。
- 平均曲率半径R(mm)が下記(12)式を満たすように半導体基板を搭載する面が凹面になる反り付けが施された請求項1〜6のいずれかに記載の半導体基板用放熱板。
1000≦R≦10000 ……(12) - 25〜300℃の熱膨張係数が10×10-6〜20×10-6/K、常温での熱伝導率が250W/mK以上、耐熱温度が300℃以上、ビッカース硬さがHV70〜200、板厚が1〜5mmの銅または銅合金を素材に用いた請求項1〜7のいずれかに記載の半導体基板用放熱板。
ここで、耐熱温度は当該素材をその温度で30min加熱保持したときに、ビッカース硬さが加熱前の硬さの80%となるときの温度とする。 - 前記素材は、Fe、Co、NiおよびSnの1種以上と、Pとを合計0.01〜0.4質量%含有し、残部実質的にCuからなる銅合金である請求項8に記載の半導体基板用放熱板。
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