JP2012039007A - 半導体基板用放熱板及びその製造方法並びに加圧部材 - Google Patents

Abstract

【課題】 突起高さを高くしやすく、半田欠陥の発生を安定して防止でき、且つ、冷却フィンとの接触性も良好に確保できる、半導体基板用放熱板及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 半導体基板搭載面１ａに半導体基板３との間隔を確保するための突起群を備え、該突起群は一対の突起１０，１０の集合体であり、該一対の突起１０，１０は、前記半導体基板搭載面１ａにプレス加工で形成される窪み１１の両側に分離してメタルフローにより形成される。
【選択図】 図３

Description

本発明は、半導体素子を搭載する基板（半導体基板）に接合される放熱板に関する。本発明はまた、同放熱板の製造方法と、同放熱板を製造するために用いて好適な加圧部材に関する。

半導体素子から発生する熱を効率よく放散させるため、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ことは広く知られている。さらに、前記半導体基板と前記放熱板とを接合するための半田層を適切な厚み且つ均一なものとするため、スペーサとして機能する複数の突起を前記放熱板の半導体基板搭載面に均一な高さで形成することも公知となっている（特許文献１参照）。

前記複数の突起の形成方法として、メタルフローを利用したプレスによる方法がある。この方法では、放熱板の表面に加圧ピンをめり込ませて窪みを形成する。この窪みの部分から排除された材料（肉）のメタルフローにより、窪み近傍の表面が隆起して前記突起が形成される。

前記突起の形状としては、中央部に窪みを有するものと、中央部に窪みのないものが知られている。

中央部に窪みを有する突起は、円錐台状の加圧突起を有する加圧部材を使用することで形成される（特許文献１参照）。すなわち、前記加圧部材を放熱板に押圧することにより、前記円錐台状加圧突起の形状に対応する形状の窪みが放熱板に形成され、その窪みの周りに、メタルフローによりリング状の突起が形成される。この方法では、前記加圧突起の形状を角錐台状に変更することで、前記突起も、角形リング状に形成することができる。

一方、中央部に窪みのない突起は、環状の加圧突起を有する加圧部材を使用することで形成される（特許文献２参照）。すなわち、前記加圧部材を放熱板に押圧することにより、前記環状加圧突起の形状に対応する形状の窪みが放熱板に形成され、その窪みで囲まれる中央部分がメタルフローにより隆起して、中央部に窪みのない突起が形成される。この方法では、前記環状加圧突起の形状を円環状や多角環状等にすることで、前記突起も、中央部に窪みのない円柱状や多角柱状等に形成することができる。

特開２０００−２７７８７６号公報 特開２００７−１１６０８０号公報

しかしながら、中央部に窪みを有する突起は、突起高さを高くすることが難しく、十分な厚さの半田層を確保しにくいという問題がある。また、中央部に窪みを有する突起を形成すると、突起中央の窪み部分には半田が流れにくいため、これに起因する半田欠陥が生じ易いという問題もある。

一方、中央部に窪みのない突起を形成する方法にも問題がある。すなわち、中央部に窪みのない突起を形成するために前記環状加圧突起を有する加圧部材を放熱板に押圧すると、環状の窪みの外周に不必要な盛り上がり部が形成され易く、これが半田の流れ込みを阻止して欠陥を作る要因になる。さらに、大きな加圧力を要するため、突起の裏面側の放熱板表面に膨らみが生じやすく、その膨らみ量が大きくなると放熱板を冷却フィンに取り付ける際にフラットな接触が得られないこともある。

本発明は、前記の如き事情に鑑みてなされたもので、突起高さを高くしやすく、半田欠陥の発生を安定して防止でき、且つ、冷却フィンとの接触性も良好に確保できる、半導体基板用放熱板及びその製造方法を提供しようとするものである。

本発明はまた、前記半導体基板用放熱板の製造方法を実施するのに用いて好適な加圧部材を提供しようとするものである。

前記課題を解決するため、本発明に係る半導体基板用放熱板は、半導体基板を半田接合により搭載するための放熱板であって、半導体基板搭載面に前記半導体基板との間隔を確保するための突起群を備え、該突起群は一対の突起の集合体であり、該一対の突起は、前記半導体基板搭載面に形成される窪みの両側に分離して形成されることを特徴とする（請求項１）。

本発明によれば、前記突起群により、前記半導体基板と前記放熱板と間に適切な間隔が確保される。このため、放熱板と半導体基板との間に、十分な接合力が保証されるだけの均一な厚みを有する半田層を確保できる。また、前記一対の突起は、前記窪みの両側に分離して形成されるので、前記半導体基板搭載面に供給される半田は、前記一対の突起同士の間から前記窪みに向けて流れ込むことができる。よって、前記従来の、中央部に窪みを有する突起の場合に問題となっていた半田欠陥は生じない。

好適な実施の一形態として、前記窪みが、底面と、該底面の互いに対向する部位から上向きに広がりながら延びる一対の斜面とで形成され、該一対の斜面に連続して前記一対の突起が形成されている態様を例示する（請求項２）。

好適な実施の一形態として、前記底面が長方形状であり、前記一対の斜面が前記底面の一対の長辺部から上向きに広がりながら延びている態様を例示する（請求項３）。

好適な実施の一形態として、前記一対の突起間の溝が前記半導体基板搭載面上に供給される半田の流れ方向に向くように前記一対の突起が配設される態様を例示する（請求項４）。この実施の形態によれば、前記窪みに半田が一層流れ込み易くなるので、半田欠陥が一層生じにくくなり、前記半導体基板と前記放熱板との一体性がなお一層高まる。

一方、本発明に係る半導体基板用放熱板の製造方法は、半導体基板を半田接合により搭載するための放熱板の製造方法であって、放熱板素材の半導体基板搭載面に加圧部材を押圧して窪みをつけることにより、その窪みの両側にメタルフローによる一対の突起を互いに分離させて形成することを特徴とする（請求項５）。

本発明の製造方法によれば、前記放熱板を容易に製造することができる。また、前記一対の突起の高さを高くし易い。

好適な実施の一形態として、前記加圧部材が、先端面と、該先端面の互いに対向する部位から押圧方向後方へと広がりながら延びる一対の斜面と、を備える態様を例示する（請求項６）。この場合、前記加圧部材が先端面を有するので、突起の裏面側の放熱板表面に膨らみが生じにくく、冷却フィンとの接触性も良好に確保できる。また、前記一対の斜面に案内されてメタルフローによる前記一対の突起が形成され易くなる。

また、本発明に係る加圧部材は、半導体基板を半田接合により搭載するための放熱板素材に押圧されて該放熱板素材上にメタルフローによる突起を形成せしめる加圧部材であって、先端面と、該先端面の互いに対向する部位から押圧方向後方へと広がりながら延びる一対の斜面と、を備えている（請求項７）。

本発明に係る加圧部材を放熱板素材に押圧し、加圧部材の先端面を放熱板素材にめり込ませると、前記一対の斜面に案内されながらメタルフローが生じ、前記一対の斜面の両側に分離して前記放熱板素材上に一対の突起が形成される。

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である。 本発明の実施の一形態に係る放熱板の半導体基板搭載面における突起部の位置を模式的に示した図である。 本発明の実施の一形態に係る半導体基板用放熱板について、突起部近傍の断面を模式的に示した図である。 本発明の実施の一形態に係る加圧部材の形状を模式的に例示した図である。 突起上面をパンチするためのプレス型の断面形状を模式的に例示した図である。 図２の加圧部材と図３のプレス型とを一体化した実施の形態の模式図である。 本発明の他の実施の形態に係る放熱板の半導体基板搭載面における突起部の位置を模式的に示した図である。 本発明の他の実施の形態に係る加圧部材の形状を模式的に例示した図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の一形態について説明する。

図１には、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が模式的に示されている。アルミナやアルミニウムなどのセラミックスからなる絶縁基板５の表面には銅などからなる金属パターン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と金属パターン４及び導体層６が一体となって半導体基板３を構成する。半導体基板３の金属パターン４が形成された面には、例えば半田層２を介して半導体素子７が搭載される。金属パターン４と半導体素子７の間には、必要に応じてアルミニウム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、半田層２を介して放熱板１と接合される。

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、半導体素子７と直接に接合されるものではないため、半導体素子７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１には、熱伝導性の良好な銅、銅合金、アルミニウム、又はアルミニウム合金の板が主として使用され、本願発明においては銅または銅合金が好ましい。

半導体基板３を放熱板１に半田接合する際、半田層が薄くなりすぎる箇所が生じると、その部分で半田層にクラックが入りやすい。その対策として、できるだけ均一な半田層厚みを実現するために、放熱板１の半導体基板搭載面１ａには突起群が配設され、この突起群により、両者の間隙が均一に確保される。

図２に一例を示すように、前記突起群は、前記放熱板１上における半導体基板搭載位置の四隅近くに配設される。前記突起群は、一対の突起１０，１０の集合体である。図２の例では、前記一対の突起１０，１０が四組図示されているが、前記放熱板１と前記半導体基板３との間隔を均一に保持するためには、前記一対の突起１０，１０は半導体基板搭載面１ａ上に最少で三組備わっていればよい。

前記一対の突起１０，１０の一例が図３に示されている。図３（ａ）は、前記一対の突起部の平面図（上面図）、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ矢視断面図、図３（ｃ）は、前記一対の突起部の斜視図（写真）である。

図３に示すように、前記一対の突起１０，１０は、前記半導体基板搭載面１ａに形成される窪み１１の両側に分離して形成される。具体的には、前記窪み１１は、平坦な底面１２と、該底面１２の互いに対向する部位から上向きに広がりながら延びる一対の斜面１３，１３とで形成され、該一対の斜面１３，１３に連続して、前記半導体基板搭載面１ａから上方への隆起である前記一対の突起１０，１０が形成される。

図３の例では、前記窪み１１の前記底面１２が長方形状［図３（ａ）参照］であり、前記一対の斜面１３，１３が前記底面１２の一対の長辺部１４，１４から上向きに広がりながら延びている。前記一対の突起１０，１０の上面は、プレス加工により略同一の高さとされ、図３の例では、図３（ａ）及び（ｃ）に見られるように、上から見て半円状となっている。

次に、前記一対の突起１０，１０を有する放熱板１の製造方法（すなわち、図３に示す一対の突起１０，１０の形成方法）について説明する。

前記一対の突起１０，１０は、図４に示す加圧部材１５を用いてプレス加工により形成することができる。図４の加圧部材１５は、丸棒状本体１６の下端部に、先端面１７と、該先端面１７の互いに対向する部位１８，１８（先端面の一対の長辺部）から押圧方向後方へと広がりながら延びる一対の斜面１９，１９と、を備える。前記先端面１７の形状は、前記放熱板１に形成される前記窪み１１の底面１２の形状と一致する。同様に、前記加圧部材１５の前記一対の斜面１９，１９の傾斜角度は、前記窪み１１の前記一対の斜面１３，１３の傾斜角度に一致する。前記加圧部材１５の前記一対の斜面１９，１９間の角度θは、例えば３０〜１２０°の範囲内、さらには５０〜７０°とするのが好ましい。実験によれば、この角度範囲にすると、窪み１１の両脇に十分な高さを有する一対の突起１０，１０を形成し易いからである。

図４の加圧部材１５を放熱板素材１’の半導体基板搭載面１ａ’に対して直角に押圧すると、前記加圧部材１５の下端部が放熱板素材１’にめり込んで前記窪み１１が形成される。同時に、その窪み１１の両側に、メタルフローによって一対の突起１０’，１０’が互いに分離した状態で形成される。その後、図５に示すように、一対の突起１０’，１０’に対してプレス型２０を押し付ける。このプレス加工により、上面が略同一の高さの平坦面となっている前記一対の突起１０，１０が出来上がる。

但し、図６に示すように、前記加圧部材１５が組み込まれたプレス型２１を用いれば、前記一対の突起１０，１０の上面を同一高さにするための工程を別に設ける必要がなくなる。

なお、当初から突起の高さにばらつきがない場合には、前記プレス型２０によって後から上面をプレス加工する必要はない。

本実施の形態に係る前記放熱板１によれば、前記突起群により、前記半導体基板３と前記放熱板１との間に適切な間隔が確保される。このため、放熱板１と半導体基板３との間に、十分な接合力が保証されるだけの均一な厚みを有する半田層２を確保できる。また、前記一対の突起１０，１０は、前記窪み１１の両側に分離して形成されるので、前記半導体基板搭載面１ａに供給される半田は、前記一対の突起１０，１０同士の間から前記窪み１１に向けて流れ込むことができる。よって、前記従来の、中央部に窪みを有する突起の場合に問題となっていた半田欠陥は生じない。

このような半田欠陥の防止効果は、図２及び図７に示すように、前記一対の突起１０，１０間の溝が前記半導体基板搭載面１ａ上に供給される半田２ａの流れ方向（図２、図７の矢印の方向）に向くように前記一対の突起１０，１０を配設した場合（すなわち、前記窪み１１の長さ方向と前記半田２ａの流れ方向とが一致するように前記一対の突起１０，１０を配設した場合）に特に顕著となる。このような配置にすれば、前記窪み１１に半田２ａが一層流れ込み易くなり、半田欠陥が一層生じにくくなるからである。したがって、前記半導体基板と前記放熱板との一体性がなお一層高まる。

本発明の放熱板の製造方法によれば、前記加圧部材１５が先端面１７を有するので、突起の裏面側の放熱板表面に膨らみが生じにくく、該放熱板表面に接合される冷却フィンとの接触性も良好に確保できる。また、前記加圧部材１５の前記一対の斜面１９，１９に案内されてメタルフローによる前記一対の突起１０，１０が形成され易くなる利点もある。

表１には、本発明の方法により板厚３ｍｍの銅合金（ＤＯＷＡメタルテック（株）製のＤＳＣ−３Ｎ合金）からなる放熱板上に形成された突起の実施例が比較例とともに示されている。

表１において、パンチ工数が２回の実施例６は、１回目は前記加圧部材１５で窪みを形成し、２回目は図５のプレス型２０を押し付けて突起の高さを制御したものである。

また、比較例７，８は、前記特許文献２に記載されている、中央部に窪みのない突起の例である。すなわち、リング状の加圧突起を有する加圧部材を放熱板に押圧することにより、リング状加圧突起の形状に対応するリング状の窪みが放熱板に形成され、その窪みで囲まれる中央部分がメタルフローにより隆起して、中央部に窪みのない円柱状の突起が形成されたものである。比較例７，８の突起の直径は１．５ｍｍである。

表１において、「窪み深さｈ１」とは、図３（ｂ）に示すように、放熱板１の半導体基板搭載面１ａと窪み１１の底面１２との間の距離、「窪み側面角度θ１」とは、窪み１１の斜面１３と水平面とで窪みの外側に形成される角度、「突起高さｈ０」とは、放熱板１の半導体基板搭載面１ａと突起上面との間の距離、「裏面の突き出し量δ２」とは、放熱板１に加圧部材１５を押圧したときに放熱板１の裏面に生ずる膨らみの高さである。

なお、窪みの深さｈ１は、０．１〜１．０ｍｍの範囲内であるのが好ましく、特に、０．２〜０．９ｍｍの範囲内であるのが好ましい。浅すぎると突起高さが十分でなく、深すぎると裏面の膨らみが大きくなりすぎるからである。

突起高さｈ０は、１００〜３００μｍの範囲内であるのが好ましく、特に、１１０〜２５０μｍの範囲内であるのが好ましい。低すぎると半田の厚さを確保できず、前記範囲より高くしようとすると裏面への膨らみが大きくなりすぎるからである。

裏面突き出し量δ２は、１０μｍ以下であるのが好ましく、特に、５μｍ以下であるのが好ましい。１０μｍを超えると、放熱板の裏面に接合される放熱フィンとの接触が不良となり、放熱性が悪くなるからである。

窪みの幅は、０．２〜１．０ｍｍ程度であるのが好ましく、特に、０．３〜１．０ｍｍ程度であるのが好ましい。これらの範囲を外れると、窪み深さ、突起高さ、裏面への膨らみ量を前記の寸法範囲にするのが難しくなる可能性があるからである。

窪みの長さは、１．５〜３ｍｍ程度であるのが好ましく、特に、１．７〜２．５ｍｍ程度であるのが好ましい。長すぎると半田が流れないおそれがあり、短すぎると、窪み深さ、突起高さ、裏面への膨らみ量を前記の寸法範囲にするのが難しくなるからである。

表１の実施例、比較例について、はんだ流れ性を評価した。放熱板１の半導体基板搭載面１ａに、半田板を介して半導体基板３を配置した後、加熱接合した。接合後、突起及び窪み部の断面を実体顕微鏡で観察した。窪み部まで半田が埋まっているものを○、空間が見られるものを×とした。

また、放熱性については、裏面突き出し量が１０μｍ以下を○、１０μｍを超えるものを×とした。

表１から分かるように、本発明の各種実施例によれば、はんだ濡れ性（はんだ流れ性）、放熱性の両面で比較例のものより優位な結果が出た。

また、実施例の銅合金以外でも、例えば純銅（無酸素銅、タフピッチ銅）において本願発明の突起や窪みを作製できることを確認している。

なお、前記加圧部材の他の実施の形態として、図８に示すように、角棒状本体２３の下端部に、平坦な先端面２４と、該先端面２４の互いに対向する部位２５，２５から押圧方向後方へと広がりながら延びる一対の斜面２６，２６と、を備える加圧部材２２を使用することもできる。さらに、棒状本体の断面形状を五角形以上の多角形とすることもできる。加圧部材の形状を変更すれば、それに対応して前記窪みと前記一対の突起の形状も変わることは勿論である。

１ 放熱板
１ａ 半導体基板搭載面
２ａ 半田
３ 半導体基板
１０，１０ 一対の突起
１１ 窪み
１２ 窪みの底面
１３，１３ 一対の斜面
１４，１４ 窪みの底面の一対の長辺部
１５，２２ 加圧部材
１７，２４ 加圧部材の先端面
１９，１９ 加圧部材の一対の斜面
２６，２６ 加圧部材の一対の斜面

Claims (7)

1. 半導体基板を半田接合により搭載するための放熱板であって、半導体基板搭載面に前記半導体基板との間隔を確保するための突起群を備え、該突起群は一対の突起の集合体であり、該一対の突起は、前記半導体基板搭載面に形成される窪みの両側に分離して形成されている、半導体基板用放熱板。
2. 前記窪みが、底面と、該底面の互いに対向する部位から上向きに広がりながら延びる一対の斜面とで形成され、該一対の斜面に連続して前記一対の突起が形成されている、請求項１に記載の半導体基板用放熱板。
3. 前記底面が長方形状であり、前記一対の斜面が前記底面の一対の長辺部から上向きに広がりながら延びている、請求項２に記載の半導体基板用放熱板。
4. 前記一対の突起間の溝が前記半導体基板搭載面上に供給される半田の流れ方向に向くように前記一対の突起が配設されている、請求項１に記載の半導体基板用放熱板。
5. 半導体基板を半田接合により搭載するための放熱板の製造方法であって、放熱板素材の半導体基板搭載面に加圧部材を押圧して窪みをつけることにより、その窪みの両側にメタルフローによる一対の突起を互いに分離させて形成する、半導体基板用放熱板の製造方法。
6. 前記加圧部材は、先端面と、該先端面の互いに対向する部位から押圧方向後方へと広がりながら延びる一対の斜面と、を備える、請求項５に記載の半導体基板用放熱板の製造方法。
7. 半導体基板を半田接合により搭載するための放熱板素材に押圧されて該放熱板素材上にメタルフローによる突起を形成せしめる加圧部材であって、先端面と、該先端面の互いに対向する部位から押圧方向後方へと広がりながら延びる一対の斜面と、を備える、加圧部材。

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