JP2016111328A

JP2016111328A - 放熱基板と、それを使用した半導体パッケージと半導体モジュール

Info

Publication number: JP2016111328A
Application number: JP2015180346A
Authority: JP
Inventors: 福井　彰; Akira Fukui; 彰福井
Original assignee: Handotai Netsu Kenkyusho kk
Current assignee: Handotai Netsu Kenkyusho kk
Priority date: 2015-09-14
Filing date: 2015-09-14
Publication date: 2016-06-20

Abstract

【課題】CuMoまたはCuWであって、室温以上800℃以下における線膨張係数の最大値が10ppm/K以下で、かつ温度200℃における熱伝導率が250W/m・K以上の放熱基板材料、または、これを使用したパッケージもしくは半導体モジュールを提供することを課題とする。【解決手段】粗粒のMoまたは粗粒のWとCuからなるCuMoまたはCuWの複合材をクロス圧延することにより、室温以上800℃以下における線膨張係数の最大値が10ppm/K以下であって、温度200℃における熱伝導率が250W/m・K以上の放熱基板材料を得る。【選択図】図２

Description

本発明は高性能な半導体モジュールの半導体パッケージ（以下、パッケージと略称し、ときにはPKGと略記する）に搭載するものであって（1）半導体モジュールに適した線膨張係数と、（2）大きな熱伝導率を有し、（3）表面に欠陥の少ない金属層を有したCuMoまたはCuWの放熱基板に関する。

半導体モジュールには、LSI、IGBTパワー半導体、電波・光通信用半導体、レーザー、LED、センサー等の用途があり、これらに必要な性能によって構造も多種多様である。半導体モジュールは、異なる線膨張係数と異なる熱伝導率の材料で構成された非常に高度な精密機器であり、そのPKGに使用される放熱基板も多様な複合材や多様な形状のものが多く提案されている。

半導体モジュールの放熱基板には、PKGの製作、半導体デバイスのハンダ付けにおいて、性能や寿命を確保するために、半導体モジュールに適した線膨張係数が必要である。熱伝導率についても、半導体デバイスの熱を冷却し性能や寿命を確保するために、高い値が必要である。他に各種部材や半導体デバイスを接合するために、良好なメッキを施し易いことも極めて重要である。

また放熱基板の形状を大別すると、厚み1mm以下で数ミリ角のサブマウント、平板、ネジ止め平板、三次元形状等があり、これらの形状が得やすい製法が望まれる。

高性能の放熱基板には、当初はCuが用いられていたが、近年の半導体モジュールの高性能化に伴って発熱量が大きくなり、これまでのCuでは線膨張係数が大きすぎるために、PKGの製造工程と耐久性、さらに半導体デバイスの性能および寿命において問題が発生した。そのため、高性能半導体モジュールに対応した線膨張係数を有する放熱基板が求められるようになった。

この対策として、線膨張係数を変更・調整することができ、高性能半導体モジュールの線膨張係数に対応できる放熱基板としてCuWが開発され、また原価低減と高熱伝導率を目的としてCuMo系の放熱基板が開発された。更にPKG製作に銀ろう付けがなく軽量化が必要な場合の対応としてAlSiCが開発された。しかし、これらのいずれの複合材も半導体モジュールに適した線膨張係数における熱伝導率がCuより大幅に小さいという問題点があった。

CuW系放熱基板は室温25℃（以下RTと略記）以上800℃以下における最大線膨張係数が10ppm/K以下と半導体モジュール用として適した線膨張係数であるゆえに、PKGの製作に際して、種々の線膨張係数の異なる部材と800℃もの高温下における銀ろう付けが可能であった。また半導体デバイス用として、200℃以上400℃以下の温度におけるハンダ付けにおいても問題がなく、更に、これまでの半導体モジュールに使用されてきたSiやGaAsデバイスのジャンクション温度に対応できた。このためCuWはIC、LSI、パワー半導体、通信用半導体、光デバイス、レーザー、センサー等の幅広い半導体モジュールに使用されている。

また、銀ろう付けの必要ない半導体モジュールの場合においても半導体デバイスのハンダ付けとジャンクション温度への線膨張係数の対応は必要であり、RT以上800℃以下の範囲の最大線膨張係数が10ppm/K以下のCuWであれば、これを使用しても線膨張係数に因る問題が発生しなかったので、CuWは更に幅広い半導体モジュールに拡大して使用されるようになった。

しかし、CuWはRTにおける熱伝導率が200W/m・K以下とCuにくらべ大幅に小さいという問題があり、改善が進められた。CuWではCuを30wt%Cuに増やしたCuW（図１、表１）で熱伝導率を向上させるべく開発が行われたが、温度が高くなると線膨張係数が10ppm/Kを超えるという問題が生じ、実用化には至らなかった。

一方、CuMoはMoがWより比重が小さく粉末単価も安いという利点があるが、Cuとの濡れ性が悪いため溶浸法や焼結法で製造すると相対密度が小さくなり、放熱基板として要求される特性や品質を満足する材料が得られないという問題があった。このため鍛造、ホットプレス（HP）、圧延等を施すことにより、相対密度が99%以上で熱伝導率200W/m・K以上の放熱基板が開発（表１）され実用化された。しかし、CuMoの場合、Cu量を増やした50wt%Cu以上の高熱伝導率材（表１）では温度が高くなると線膨張係数が10ppm/Kを超えるという問題が生じた。

更に、半導体モジュールの技術進歩による高性能化でSiデバイスのジャンクション温度が125℃から175℃に上昇し、高温下で動作可能なGaN、SiCデバイスの採用検討が進められた。しかし、放熱基板について何度における熱伝導率が必要なのかが明確な値が公開されていなかった。放熱基板メーカーは、RTもしくは100℃において250W/m・K以上の熱伝導率を有し、また最終のNi系メッキ性の向上を図るべく、Cu/CuMo/Cu、Cu/Mo/Cu、多層Cu/Mo/Cuといったクラッド材を開発した。しかし、バイメタル現象のために反りが発生することと、この高熱伝導率材は100℃以上200℃以下の温度で線膨張係数に高いピーク（図１）が存在してその値が10ppm/Kを超えるという問題と、加えて断面に低熱伝導率のMo層があることで厚み方向の熱伝導率が小さいことなどから、半導体モジュールの寿命や性能に問題があることが分かってきた。

これまでに開発されたCuW、CuMo、AlSiCの放熱基板を調査し必要な特性を調べた。
図１にCuW、CuMoの代表的な放熱基板の温度と線膨張係数の関係のグラフを示す。表１に既存の放熱基板のRT、RT以上800℃以下の範囲の最大線膨張係数とRTにおける熱伝導率の関係を示す。
調査結果から、放熱基板がRT以上800℃以下の範囲の最大線膨張係数が10ppm/K以上の場合にはPKG製造や半導体モジュールの性能に問題が生じることがあることが分かった。また放熱基板の熱伝導率については、半導体デバイスがジャンクション温度に達した際の放熱基板の温度における値が高いことが必要なことが分かった。
他に、既存のCuW、CuMo、AlSiCのいずれの放熱基板材料もRTよりも高温になると更に熱伝導率が小さくなるので、RT以上800℃以下の範囲における最大線膨張係数が10ppm/K以下であって、かつ100℃から200℃の範囲において250W/m・K以上である既存の放熱基板材料が存在しないことも分かった。

近年、ジャンクション温度が200〜225℃と高温になるGaN、SiCデバイスが本格的に使用されるようになってきている。これらに用いられる放熱基板は高熱伝導率でかつ寸法が大きいので、放熱基板の温度は半導体デバイスの温度より低くなる。ジャンクション温度が225℃の場合は放熱基板の温度は200℃前後になるため、200℃における熱伝導率が高い放熱基板材料が必要であることが分かってきた。また、半導体モジュールの性能を確保するためにも200℃における線膨張係数が10ppm/K以下である放熱基板が強く望まれるようになってきた。

半導体デバイスのGaNやSiCへの移行が進んだ結果、ジャンクション温度が200℃を超えた値になり、樹脂の使用限界温度を越えてきている。半導体モジュールの設計を工夫し大型の放熱基板を使用したPKGとすることにより樹脂の限界温度にならないようにした半導体モジュールも開発されているが、大型で高価になり経済的でないという問題がある。このためセラミック等の耐熱性の高い部材を銀ろう付けしたPKGが必要になってきている。CuWやCuMoはCu並みに銀ろう付け可能な耐熱性を持つが、Cuよりも熱伝導率が小さいという問題がある。そこで適した線膨張係数とされるRT以上800℃以下における最大線膨張係数が10ppm/K以下を維持しつつ、200℃での熱伝導率が250W/m・K以上である放熱基板が望まれている。しかし、現在は該当するCuWやCuMoの放熱基板材料が存在しない。

AlSiCは耐熱性が不足のため銀ろう付けが出来ず、また温度が高くなるにつれ主成分のSiCの熱伝導率が大幅に低下するので高性能半導体モジュールの放熱基板として問題がある。
他に金属ダイヤモンド系の放熱基板材料には要求特性を満たすものがあるがNiメッキの品質確保が難しく、加えて価格があまりにも高く実用化には向かないという問題がある。

他に、高性能モジュールの放熱基板には、半導体デバイスをハンダ付けした際にボイドが多いと冷却を阻害するので半導体デバイスの熱による破壊や剥離が起こるという問題がある。CuWやCuMo中のMoやWが露出した面は最終のNi系メッキとの密着性が良くないため、密着性を改善すべく熱処理をメッキ毎に施した多層のメッキで問題の解決を図っている。このように放熱基板の表層に良好な最終のNi系メッキを行うため、既存のCuWやCuMoでは数回のメッキと熱処理を施すことからメッキに高い費用が掛かるという問題がある。

（従来技術の調査）
これまでにCuMoやCuWの熱伝導率の向上を図るための研究開発が行われ報告がなされている。

特許文献１では10wt%CuのCuWの放熱基板にNi-Pメッキを施してセラミックに銀ろう付けしたLSIの半導体モジュールを開示する。

特許文献２では溶浸法で製造した相対密度100%の5〜22wt%CuのCuWにセラミックを接合した半導体モジュールを開示する。Cuが少なくても多くても半導体モジュールの製造や性能に問題が生じるとある。

特許文献３ではCu量を増やし粗粒のW粉末を用いてスケルトンを形成し、Cuを溶浸したCuWにおいて熱伝導率を向上させた放熱基板を開示する。
しかし、粗粒のW 粉末を用いて相対密度の高いCuWを製作することは難度が高く、更に熱伝導率が大きい材質はCu量が30wt%以上（図１）であるが、これまでの30wt%CuWと同様で高温における線膨張係数が大きくなってしまうという問題がある。

特許文献４では焼結法で製造した相対密度90〜98%で10〜70wt%CuのCuMoを圧延加工した放熱基板を開示する。
CuMoは線膨張係数がCuWと同じ場合には熱伝導率が劣り、またCuMoは適した線膨張係数である10ppm/Kとなる50wt%Cu以下の組成では焼結法の場合には相対密度90%以上の複合材の製作が困難であるという問題がある。

特許文献５ではCu/Mo/CuやCu/W/Cuの放熱基板をホットプレス（以降HPと略記）で多段に製造する方法が開示されている。

特許文献６ではCu/CuW/CuやCu/CuMo/Cuの放熱基板と、それを使用した半導体モジュールが開示されている。

特許文献７ではMoが0.5〜8μm、Cuが50μmの粉末を用い、焼結法で相対密度90%以上の複合材を製造し、650℃以上で一軸と多軸で圧延した良好率の高い放熱基板の製造方法が開示されている。しかし、650℃以上での圧延は表層と内部でCuやMoの酸化が生じてクラックが入り必ずしも被圧延性が良くない。また熱伝導率も非常に不安定になるので放熱基板としては問題がある。

特許文献８では焼結法で製造したCuMoを鍛造して相対密度を高くし、これを圧延することで線膨張係数が12ppm/K以下で200℃における熱伝導率が230W/m・K以上の放熱基板と、それを使用した半導体モジュールが開示されている。
しかし、CuMoの相対密度が低い複合材は冷間鍛造すると破断してしまう。また熱間鍛造すると表層と内部のCuやMoの酸化が起こってクラックが入り易く、また必ずしも被圧延性が良くない。また熱伝導率も非常に不安定になるので放熱基板としては問題がある。

特許文献９では2〜6μmのMo粉末を用いてスケルトンを製作し、当該スケルトンにCuを含浸する溶浸法で製造した20〜60wt%CuのCuMoを冷間もしくは温間にて圧延し、打ち抜き加工や3D形状加工ができ線膨張係数が7〜12ppm/Kで熱伝導率が170〜280W/m・Kの放熱基板が開示されている。
しかし、Mo粉末が2〜6μmの範囲外の1μm以下や6μmを超えるようなMo粒子では製造が困難であり製作範囲が狭い。この製法では適した線膨張係数とされるRT以上800℃以下における最大線膨張係数が10ppm/K以下で、かつ温度200℃における熱伝導率が250W/m・K以上である放熱基板が得られない。

特許文献１０ではCu/Mo/Cu/Mo/Cu・・・・とCuとMoを積層したクラッドの放熱基板を開示する。少ないMo量であっても小さな線膨張係数で大きな熱伝導率が得られ、また表層がCuのため被メッキ性に優れるとの報告がある。
しかし、高熱伝導率の材質は、高温の線膨張係数は小さな値であるが100〜200℃近辺にピークが存在し、適した線膨張係数である10ppm/Kを超えるという問題がある。また平面方向に対し厚み方向の熱伝導率が小さいという問題がある。更にクラッド材上下のバランスがとれていない場合、温度が高くなると構造的にバイメタル効果で反りが生じるため性能および寿命に問題が生じる。

特許平4-340752号公報特開平6-13494号公報特開2002-356731号公報特開平5-1255407号公報特開平6-268115号公報特開平6-26117号公報特開平10-72602号公報特開平11-26966号公報特開平11-307701号公報特開2010-56148号公報

半導体モジュールの高性能化が進んでおり、放熱基板に実績のあるCuMoまたはCuWにおいて、半導体モジュール用放熱基板として適した線膨張係数であるRT以上800℃以下の範囲の最大線膨張係数が10ppm/K以下であって、200℃における熱伝導率が250W/m・K以上である放熱基板が強く望まれている。

しかし、既存のCuWではCu量を増やすことや粗粒粉を使用することによる熱伝導率の向上が試みられたが、このような高熱伝導率材は高温での線膨張係数が放熱基板として適した値の10ppm/Kより大きくなる問題があって未だ実用化されていない。

また、CuMoにおいてもCuの割合を増やすことやクラッド材にすることで熱伝導率の向上が試みられたが、このような高熱伝導率材においても線膨張係数が放熱基板として適した値の10ppm/Kより大きくなるという問題があり、放熱基板としての用途が限定されている。
既存のCuMoおよびCuWの各種放熱基板の技術調査や測定を行った。表１にRT以上800℃以下における最大線膨張係数とRTにおける熱伝導率の関係のグラフを示す。
熱伝導率が250W/m・K以上であることを満たす材質は認められない。温度がRTから100℃においてはより熱伝導率が小さくなる。200℃に達すると更に熱伝導率が小さくなるので、200℃において熱伝導率が250W/m・K 以上であることを満たす材質の可能性はないと思われてきた。

発明者はこうした問題を解決するために、粗粒のMo又はWとCuからなるCuMoおよびCuWの複合材をクロス圧延することによって、RT以上800℃以下における線膨張係数の最大値が10ppm/K以下であって、200℃における熱伝導率が250W/m・K以上である放熱基板が得られることを確認した。

既に、MoやWの粗粒粉を使用した粉末冶金法による複合材においては電気伝導率や熱伝導率等の特性が向上することが知られている。しかし、粗粒のMoやWを用いて高い相対密度の複合材を製造することはあまりにも難しく、これまでは10μm以下の微粒子粉末を用い、製造条件の最適化を行って放熱基板を製作してきた。CuWの場合は溶浸法により放熱基板に使用できる相対密度99%以上の放熱基板は製造出来た。一方、CuMoではCuのMoへの濡れ性の悪さから相対密度が99%以上の放熱基板の製作が難しいので、先ず90%以上の複合材を作り、それを加熱し鍛造や圧延等することにより相対密度が99%以上の放熱基板を得てきた。

MoやWが粗粒になると、CuWの溶浸法でも相対密度の小さい複合材しか得られない。CuMoでは更に相対密度の小さい複合材しか得られないため、温間や熱間で圧延すると複合材の表層部端部にクラックや破断が起こり、圧延材から得られる良好部の量が少ないという問題がある。これは相対密度の小さい複合材に温間や熱間の圧延を行うと、強度不足のためと加熱による表層や内部のCuやMo、Wが酸化することによって欠陥が生じるためである。
また、良好な圧延を行うための緻密な複合材を得るには、高温で高い圧力が必要であり、大型の装置が必要となって大きなサイズの複合材の製作難度が高いという問題がある。

特にCuMoはCuWに比べ軽くMo粉末が安価であるが、MoがWに比べCuの濡れ性が悪く、粗粒のMo粉末では溶浸法、焼結法共に圧延し得る複合材が得にくいため、圧延を適用してもCuMoの方が製造する難度が高いという問題があった。しかし、CuWに比べCuMoの方がMoの原料費が安く、かつ放熱基板として軽量になり最も使用実績があることから、CuMoにおいてRT以上800℃以下における線膨張係数の最大値が10ppm/K以下であって、200℃における熱伝導率が250W/m・K以上である放熱基板が強く求められている。一方CuWは機械加工性に優れ、3D形状品用として求められている。

発明者は60μmのMo粉末を使用して40wt%CuのCuMoを溶浸法と焼結法で製作し、その複合材の表層部を除去し、温間の450℃における低圧下率のクロス圧延を繰り返し、得られた圧延材の良好な部分から測定試料を切り出して線膨張係数と熱伝導率を測定した。その結果、溶浸法と焼結法で得られた複合材の測定値に有意な差が認められないことを確認した。
しかし、既存の40wt%CuのCuMoに比べ、熱伝導率が圧延体の内部のクラックや酸化で大幅に小さかった。また被メッキ性の確認のため既存のCuMoと同じように、この複合体に多層メッキとして熱処理後、5μmのNiメッキ、熱処理、3μmのNi-Bメッキをしたものと、複合体に単層メッキとしてダイレクトに3μmのNi-Bメッキを行ったものの2種類のメッキに対して、大気中において400℃で30分保持を行うフクレテストを行ったところ多数のフクレが生じた。フクレの原因は放熱基板の表層の酸化が熱処理の際にMoの脱落やササクレ等の欠陥により生じたものと判明した。またCuWでも溶浸法と焼結法で複合材を製作し圧延後に確認したがCuMoと同様の結果になった。

同様に、60μmのMo粉末を使用し、40wt%CuのCuMoを溶浸法と焼結法で製作した。その複合材の表層部を除去し、酸化防止のためステンレススチール（以下SUSと略記）製のケースでキャニングにより密封し（図２）、800℃でクロス圧延し相対密度99%以上の複合材を製作した。その複合材をSUSケースから取り出して水素中において950℃にて60分間の固相焼結を行うことによって酸化物の還元と圧延の欠陥を修復した。その後に厚さ10μmのCuメッキを形成し、450℃において温間のクロス圧延を繰り返した。最後に水素中400℃において10分間の熱処理を行い、その後に軽い冷間圧延で表面を整えた。それら溶浸法と焼結法で製作した材料から試料を切り出して線膨張係数と熱伝導率を測定した。線膨張係数は既存品の40wt%CuのCuMoと大差なかったが、熱伝導率が大幅に向上していた。また、この複合体に多層メッキとして熱処理後、5μmのNiメッキ、熱処理、3μmのNi-Bメッキをしたものと、複合体に単層メッキとしてダイレクトに3μmのNi-Bメッキを行ったものの2種類のメッキに対して、大気中において400℃で30分保持を行うフクレテストを行ったところフクレは見られなかった。
また、CuWでも溶浸法と焼結法で複合材を製作し緻密化とCuメッキし圧延後に確認したがCuMoと同様な結果になった。

本発明によれば、粗粒のMoやWとCuからなるCuMoやCuWの緻密化した複合材を固相焼結後にクロス圧延することで、RT以上800℃以下における最大線膨張係数が10ppm/K以下であって、200℃の熱伝導率が250W/m・K以上であることを満たした材料が得られる。
また、最終のNiメッキの品質についても、表面にCu層がある場合には、Cuの放熱基板と同様にダイレクトで最終のNi系メッキが可能となって経済的である。
本発明により、高熱伝導率で線膨張係数が小さく、かつメッキが容易なCuMoとCuWの放熱基板が得られる。

本発明品は、新しいアイデアとして、粗粒のMoやWの粉末を用いてなるCuMoとCuWをクロス圧延して製作することによって低熱膨張で高熱伝導率のCuMoとCuWの放熱基板を得るものである。

更に、銀ろう付けのないPKGを使用する半導体モジュールにおいてもハンダ付けやジャンクション温度への対応が必要であり、本発明品のCuMoとCuWの放熱基板はこれらに適した線膨張係数で大きな熱伝導率を有しているので、広範囲の半導体モジュールのメモリ、IC、LSI、パワー半導体、通信用半導体、光デバイス、レーザー、LED、センサー等に使用が可能である。

表２に、本発明のCuMoとCuWの放熱基板のRT以上800℃以下における最大線膨張係数と温度200℃における熱伝導率を示す。また、比較材の値も併せて示す。

CuW、CuMoの代表的な放熱基板の温度と線膨張係数の関係を示すグラフ。 SUSケースでキャニングした構造の断面図。

（原料）
粗粒のMoやWを使用するCuMoとCuWで大きな熱伝導率の放熱基板の製作が可能になる。本発明のMoやWの粒子の大きさはその90%以上が15μm以上200μm以下の範囲の粉末からなり、残りの10%に、この範囲外の粉末が含まれていても問題ない。粒子の大きさが15μm以下の場合は、適した線膨張係数である10ppm/K以下において、温度200℃での熱伝導率が250W/m・K以上であることを達成できない。また粒子の大きさが200μm以上の場合は熱伝導率の向上効果が小さく、粉末の価格も大幅に高くなってしまう。一方、Cu粉末には特に指定はないが、5μm以上10μm以下の電解銅粉が好適である。

（組成）
CuMo、CuW共に、組成は（1）半導体モジュールに適した線膨張係数と、（2）大きな熱伝導率を有することを満たせば特に指定はない。またWとMoが混合していても線膨張係数と熱伝導率の要求特性を満たしていれば構わない。
添加金属については、適した金属の添加により溶浸性や焼結性が向上することは既に報告されており、（1）半導体モジュールに適した線膨張係数と、（2）大きな熱伝導率を有することを満たせば添加金属の元素や量については特に指定はない。但し、添加金属によって熱伝導率が低下するので金属の添加はあまり好ましくない。従って、本発明では、複合材の製作の難度は増すが、添加物金属のない方が高い熱伝導率を得やすい。

（複合材）
粗粒のMo粉末やW粉末とCuを用いて製作する場合、CuMoやCuWでは溶浸法と焼結法のどちらの製法であっても、同程度の大きさのMo粉末やW粉末を用いれば、圧延後の相対密度が99%以上の複合材であれば特性等に大差がないため、特に指定はなく、経済的な方式を選べばよい。

（緻密化）
放熱基板を得るためのクロス圧延には相対密度の高い緻密な複合材が必要であるが、緻密化の方法については特に指定はない。CuMoやCuWの相対密度を99%以上に緻密化するには高い温度と圧力が必要であり、ホットプレスや鍛造でも可能であるが、装置が大型になり経済的でない。また熱間鍛造は複合材の表層や内部のCu、Mo、Wの酸化が起こるので好ましくない。
一方、複合材の緻密化を加熱圧延後に固相焼結する方式では、その後の製造工程も圧延であるので有効な方法であるが、相対密度の低い複合材の場合は酸化防止をしなければ圧延時に表層や内部が酸化するという問題がある。緻密化は酸化防止と外周割れ防止のためにSUSのケースを用いてキャニングで脱気封入し、これを圧延することで相対密度99%以上の緻密な圧延に適した複合材が得られる。相対密度が99%以上であることは事前に実験により条件の最適値を出しておけば管理できる。更にキャニングすることで複合材の外周の割れや亀裂を最小限にできるので、クロス圧延での歩留まりを向上できる。更に、その複合材をCuの融点以下の水素中で固相焼結すれば、MoやWとCuの粒子面の剥離の修復や残存酸素で生じた酸化物の還元ができ、圧延に適した複合材になる。固相焼結の条件としては、水素中において、800℃以上、Cuの融点以下にて60分間の保持が好適である。この固相焼結により良好な圧延が可能となり、800℃の銀ろう付けの高温下でも複合材のメッキフクレ等の問題が起こらない緻密な放熱基板が得られる。
なお、相対密度の低い複合材を用い、これに低い圧下率の圧延と固相焼結を繰り返すことによって相対密度を99%以上とすることでクロス圧延に適した複合材を得る方法があるが、この方法は経済的でない。

（表層のCuメッキ）
50%以下のMoや60%以下のWで残部がCuであるCuMoやCuWのようにCuの多い組成の場合は、表層のCuメッキは圧延する際に必ずしも必要ではないが、Cuが少なくなるとMoやWの粒子が接触している箇所や重なっている箇所が多くなり、圧延時にMoやWの粒子の脱落やささくれといった現象が起こる。この問題はCuメッキを施してから圧延することで改善が可能である。経済的な面から考えるとメッキの厚さは10μm以下が好適であるが、3μm以下と薄すぎると効果が出ないことがある。圧延することでメッキ層は薄くなるが、最終的に全体に1μm程度のCu層が残っていれば最終のNiメッキには問題ない。
また、Cuメッキの厚みを増やすことでとCu/CuMo/CuやCu/CuW/Cuと同じようなクラッド構造にすることも可能である。

（圧延）
クロス圧延は非酸化もしくは還元雰囲気中において300℃以上の温度に加熱した複合材をX軸方向とY軸方向を交互で圧延を行うもので、クロス圧延によりRT以上800℃以下の範囲での最大線膨張係数が小さくなって安定し、熱伝導率も向上し安定する。圧延は一軸のみではX軸およびY軸間の線膨張係数の差が大きく、放熱基板としては適さない。交互で行うクロス圧延が望ましいが、MoとWの粗大粒子は必ずしも真球でないため、アスペクト比(長尺/短尺の比)ではX軸とY軸の線膨張係数を管理できない。
過去の実績から線膨張係数差が20%以下であれば使用上の問題はないが、それ以上の差が生じると使用上の制約が出てくる。材質と組成および使用するMoとWの粉末の形状を適切に選択し、クロス圧延条件の最適化を行うことによって要求特性を満たす放熱基板が得られる。
しかし、得られた放熱基板の線膨張係数のX軸とY軸の差が20%以下になるのであれば、クロス圧延におけるX軸とY軸の圧延順や圧延回数にはこだわらない。
なお、相対密度99%以上の複合材においては厚みが圧延前の1/5以下になると偏平化したMoやWの分断のために線膨張係数と熱伝導率にバラツキが生じることがあるので、圧延前の1/5を超える厚みに止めることが望ましい。
冷間、温間、熱間の圧延にはこだわらないが、冷間では高い圧下率が取れないので生産性が低い。CuMoは400℃前後の温間圧延が望ましいが、CuWの場合は600℃前後の熱間圧延が望ましく、また表層の酸化物除去を目的として圧延毎に酸洗い、還元処理、またはバフ掛け等を行うことで被圧延性が改善される。完成品の表面状態を整えるため、水素中で熱処理後に冷間圧延することにより、放熱基板に適した状態が得られる。

（最終メッキ）
MoやWは必ずしも被メッキ性はよくないが、銀ろう付けやハンダ付けの際にCuMoやCuW中のCuが浸食される問題が起こるので、これを防ぐために最終のNi系のメッキが施される。高級品の場合は半導体デバイスのハンダ付け性を向上するためと商品価値を上げるため、最終のNi系のメッキの上にAuメッキを施すこともある。
Cuの放熱基板の場合には熱処理なしの1回のダイレクトNi系メッキで十分であるが、CuMoやCuWでは、MoやWの露出面での被メッキ性が良くないので、熱処理＋Niメッキ＋熱処理＋Niメッキといった多層メッキが行われるが、工程が長く納期やコストがかかる。本発明品の場合は同じ多層メッキも可能であるが、圧延前に施したCuメッキ層が残存している場合は、ダイレクトに1回の最終Ni系メッキを施すことも可能である。

（その他）
半導体モジュールにおいては、放熱基板と半導体デバイスのハンダ接合部の品質が重要であり、厳しいボイド率が求められる。ハンダ材としては半導体デバイスの場合はPbフリー化と高温化に対応したAuSn(融点280℃)、AuSi(融点363℃)のハンダ材が主に使われ、200℃以上の半導体デバイスの場合は更なる高品質が望まれるのでAuメッキした放熱基板にハンダ付されることもある。
既にCu、CuMo、CuWでは対応する最終のNi系のメッキが開発されており、本発明ではCuメッキ層がある場合にはダイレクトの最終3μmのNi-Bメッキのフクレテストで品質管理が可能である。しかし、CuMo、CuWと同じ多層の最終Ni系メッキを望まれることも多く、フクレテストで品質確認と管理が可能である。フクレテストで問題なければAgろう付けやハンダ接合や使用上の問題が起こらないとの知見がある。

＜放熱基板の評価＞
（線膨張係数の測定）
複合材から放電加工(以下WEDMと略記)でX軸とY軸で10mm×4mm×厚み2〜2.5mmの試料を切り出し、線膨張係数測定装置（セイコーインスツル社製)を用いてRT〜800℃の範囲の線膨張係数の測定を行い、X軸とY軸での大きい方を値として採用した。

（熱伝導率の測定）
複合材からWEDMでφ10mm×厚み2〜2.5mmの試料を切り出し、レーザーフラッシュ法の熱伝導率測定装置（アルバック理工社製 TC-7000）で水素中、200℃で熱伝導率の測定を行った。

（メッキのフクレテスト）
5mm×25mmの試料に多層のNiメッキと単層のダイレクトメッキを行い、それらを大気中で400℃に30分間保持し、実体顕微鏡を用いて10倍の倍率で外観観察し、金属層のメッキのフクレがない場合はOKであり、大小にかかわらずフクレが認められた場合にはNGと判断した。

（実施例１；40wt%CuのCuMoの溶浸法・緻密化・圧延、試料No. 6）
平均粒度60μmのMo粉末に、10μmの電解Cu粉末3wt%、及びパラフィンワックス1wt%を混合し、得られた混合粉末を50mm×50mmの金型でプレス成型し、その成型体を水素中において600℃にて60分間加熱して脱ワックスを行った。更に水素中において1000℃に加熱してスケルトンを製作した。このスケルトンにCu板を載せ、水素中において1250℃にて60分間加熱することによりCuを溶浸した。このようにして40wt%Cuで50mm×50mm×6mmのCuMo複合材を製作した。複合材の表層に残存した余剰の溶浸Cuや表層の欠陥を切削で除去した。その複合材をSUSのケースに入れて脱気した後に端部を溶接しキャニングした。それを800℃においてクロス圧延し、複合材の相対密度が99%以上になったところで取り出し、水素中において950℃にて60分間の焼結を行った。その複合材に10μmのCuメッキを施したのち400℃において温間のクロス圧延を行い、厚みを2mmにした。
それを水素中で450℃において15分間の熱処理を行った後に冷間圧延して表面を整えた。
その放熱基板に多層のNi系のメッキとダイレクトの単層Niメッキを施したものとでフクレテストを行った。
併せて線膨張係数と熱伝導率の測定を行った。
結果を表２に示す。

（実施例２；40wt%CuのCuMoの焼結法・緻密化・圧延、試料No. 7）
平均粒度60μmのMo粉末および10μmの電解Cu粉末を用い、40wt%のCuと残部Moの配合比率で粉末を混合し、得られた混合粉末を50mm×50mmの金型でプレス成型した。得られた成型体を水素中において1250℃にて60分間液相焼結して複合材を製作した。複合材の表層の欠陥を切削で除去し、その複合材をSUSのケースに入れ脱気した後に端部を溶接しキャニングした。それを800℃にてクロス圧延し、複合材が相対密度99%以上になったところで取り出し、水素中において950℃にて60分間加熱して固相焼結を行った。その複合材に10μmのCuメッキを施したのちに400℃にてクロス圧延を行い、厚さ2mmの板材を得た。その板材を水素中において450℃にて15分間の熱処理を行い、その後に冷間圧延を行って表面を整えた。
その放熱基板にNi系の多層メッキと単層のダイレクトメッキ施した試料にそれぞれフクレテストを行った。
併せて線膨張係数と熱伝導率の測定を行った。
結果を表２に示す。

（実施例３；45wt%CuのCuWの焼結法の圧延、試料No. 20）
平均粒度60μmのW粉末および10μmの電解Cu粉末を用いて45wt%のCuと残部Wの配合比率で粉末を混合し、得られた混合粉末を50mm×50mmの金型でプレス成型行った。その成型体を水素中において、1250℃にて60分間液相焼結し、複合材を得た。
複合材の表層の欠陥を切削で除去し、その複合材をSUSのケースに入れ脱気した後に端部を溶接しキャニングした。それを800℃でクロス圧延し、複合材が相対密度99%以上になったところで取り出し、水素中において1000℃にて60分間の固相焼結を行った。その複合材に10μmのCuメッキを施したのち、600℃にてクロス圧延を行い、厚さを2mmにした。
その放熱基板にNi系の多層メッキと単層のダイレクトメッキ施した試料にそれぞれフクレテストを行った。
併せて線膨張係数と熱伝導率の測定を行った。
結果を表２に示す。

（実施例４；PKGの放熱基板に半導体デバイスを搭載した半導体モジュールの評価）
実施例２の線膨張係数9.1ppm/Kで熱伝導率293W/m・Kの放熱基板にセラミックとコバール等の部材を水素中において800℃にて銀ろう付けしてPKGを製作した。そのPKGに剥離や割れのない事を確認し、それに10mm×10mm×0.7mmのSiデバイスの金属電極層を高温AuSi(融点363℃)ハンダにより400℃で接合して半導体モジュールを製作した。超音波でハンダ付け部のボイド面積が3%以下であることを確認した。その半導体モジュールに対してヒートサイクルテスト(-40〜225℃、3000回)を行った。併せて、比較のため同寸法の実施例２と線膨張係数の値が同じ9.1ppm/Kで熱伝導率が213W/m・Kの既存の40wt%CuのCuMoの放熱基板で同じPKGを作り、デバイスを搭載した上でヒートサイクルテスト(-40〜225℃、3000回)を行った。
その結果、いずれの試料においても剥離や割れ等の問題は起こらなかった。

（今回開示の解釈-1）
本発明により将来的な高性能半導体モジュール用としての要求を満たす高性能放熱基板を得ることができる。

（今回開示の解釈-2）
なお、本発明は現形態に限定されるものではなく本発明の目的を達成できる範囲での形態は本発明に含まれる。本発明を実施する際の具体的な構造や形態等は本発明の目的を達成できる範囲内で他の構造でもよい。
例えば他の製法の金属ダイヤモンドの放熱基板のメッキ品質の確保にも本発明は応用できる。

（今回開示の解釈-3）
今回開示された実施形態及び実施例はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。上記した説明でなく特許請求範囲によって示される。

１…溶浸法または焼結法で製作された複合材
２…SUSキャニングケース
３…全周溶接した接合部

Claims

粗粒のMoまたは粗粒のWとCuからなるCuMoまたはCuWの複合材をクロス圧延して室温25℃以上800℃以下における線膨張係数の最大値が10ppm/K以下とした温度200℃における熱伝導率が250W/m・K以上である放熱基板材料。
前記複合材の原料となるMoまたはWの粉末粒子の90wt%以上が15μm以上200μm以下である請求項１の記載の放熱基板材料。
前記複合材を緻密化した後にクロス圧延して得た請求項１又は２に記載の放熱基板材料。
前記複合材にメッキにより金属層を形成した後にクロス圧延して得た請求項１又は２に記載の放熱基板材料。
前記複合材を緻密化し、その複合材にメッキにより金属層を形成した後にクロス圧延して得た請求項１又は２に記載の放熱基板材料。
前記クロス圧延が温間、熱間、冷間もしくはこれらを組み合わせたクロス圧延である請求項１から５のいずれかに記載の放熱基板材料。
請求項１から６のいずれかに記載の放熱基板材料を使用した半導体パッケージまたは半導体モジュール。
前記半導体用モジュールがメモリ、IC、LSI、パワー半導体、通信用半導体、光デバイス、レーザー、LED、センサー等に用いられるものである請求項７に記載の半導体パッケージ又は半導体モジュール。