JP2016184700A - ヒートスプレッダ - Google Patents
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Abstract
Description
上記素子としては、例えば電気自動車やハイブリッド自動車、鉄道車両等において誘導モータを駆動させる際に直流から交流への電力変換をするためのインバータ回路などに組み込まれる、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)等のパワー半導体素子の他、プラズマディスプレイパネル等の画像表示素子、コンピュータのマイクロプロセッサユニット、レーザダイオード等が挙げられる。
この場合、素子の動作可能温度を例えばSi系の素子等の120℃前後から、SiC系の素子等の200℃前後まで引き上げることが可能となり、過熱による誤動作や破損、動作効率の低下等をこれまでよりも起こりにくくできると考えられる。
素子からの熱を除去する手段としては、例えば互いに背向する一対の面が他部材との接合面とされた、平板状のヒートスプレッダを用いるのが一般的である。
そうすると、素子で発生した熱を、ヒートスプレッダを介して速やかに冷却部材に熱伝導させて除去することができる。
基材を上記の複合材料によって形成すると、当該基材ならびにヒートスプレッダの、素子やセラミック基板等に対する熱膨張率の差を、低熱膨張粒子によってできるだけ小さくしながら、素子からの熱を、高熱伝導金属を介して冷却部材に速やかに熱伝導できる。
また特許文献1には、上記被覆層で被覆する前の接合面に、基材に含まれるのと同じ高熱伝導金属からなる下地層を形成して、当該接合面の凹凸や欠陥をできるだけ小さくすることも記載されている。
また発明者の検討によると、上記下地層を形成して接合面の凹凸や欠陥をできるだけ小さくすることにより、形成した被覆層の表面に素子やセラミック基板等を半田によって接合する際に、未接合部分を生じ接合強度を低下させて接合の信頼性を低下させる原因となったり、接合後に熱伝導の妨げとなったりするボイドが発生するのを抑制することもできる。
本発明は、Mg、Al、AgおよびCuからなる群より選ばれた少なくとも1種の金属またはこれら金属の少なくとも1種を含む合金(高熱伝導金属)、ならびにSiC粒子、ダイヤモンド粒子、W粒子およびMo粒子からなる群より選ばれた少なくとも1種の低熱膨張粒子を含む複合材料からなり、多数の前記低熱膨張粒子が各々その一面を同一平面上に一致させた状態で配列されてなる他部材との接合面を備え、前記接合面に配列された前記多数の低熱膨張粒子間には、前記接合面から8.0μm以上、25.0μm以下の範囲で凹入された段差が設けられた基材、および前記接合面に被覆された被覆層を含み、前記被覆層の露出された表面の中心線平均粗さRaは2.0μm以上、9.0μm以下であるヒートスプレッダである。
そのため本発明によれば、熱伝導性、接合強度、ならびに信頼性に優れた半田接合が可能なヒートスプレッダを提供できる。
すなわち中心線平均粗さRaがこの範囲未満では、被覆層の表面の凹凸が小さすぎて、当該表面に対する、溶融した半田の濡れ性を向上する効果が十分に得られないためボイドが発生しやすくなる。
これに対し、被覆層の表面の中心線平均粗さRaを2.0μm以上、9.0μm以下とすることにより、当該表面に適度の凹凸を形成して、ボイドのもとになる空隙を生じさせることなしに半田の濡れ性を向上でき、ボイドの発生を現状よりもさらに良好に抑制できる。
被覆層の表面の中心線平均粗さRaを、本発明では触針式表面粗さ形状測定機を用いて、上記被覆層上の任意の10か所で測定した結果から、日本工業規格JIS B0601:2013「製品の幾何特性仕様(GPS)−表面性状:輪郭曲線方式−用語,定義及び表面性状パラメータ」の規定に則って求めた値の平均値でもって表すこととする。
また本発明において、基材の接合面からの段差の凹入高さ(以下「段差高さ」と略記する場合がある。)が8.0μm以上、25.0μm以下に限定されるのは、下記の理由による。
すなわち基材の接合面の段差高さがこの範囲未満では、当該接合面に被覆される被覆層の厚みにもよるものの、当該被覆層の表面の凹凸が小さくなりすぎてその中心線平均粗さRaが2.0μmを下回ってしまい、当該表面に対する、溶融した半田の濡れ性を向上する効果が十分に得られずボイドが発生しやすくなる。
なお、かかる効果をより一層向上することを考慮すると、基材の接合面の段差高さは、上記の範囲でも11.0μm以上、特に12.0μm以上であるのが好ましく、19.0μm以下、特に17.0μm以下であるのが好ましい。
(段差高さの測定方法)
作製したヒートスプレッダを接合面と直交方向に切断し、研磨して断面を露出させ、さらに必要に応じて上記断面を仕上げた状態で、当該断面の、接合面の近傍の任意の位置でSEM(倍率300倍)を用いて、縦(厚み方向)330μm×横(厚み方向と直交方向)360μmの範囲を1視野として、当該1視野内における、多数の低熱膨張粒子が各々その一面を同一平面上に一致させた状態で配列されて形成された基材の接合面から、最も凹入した段差の底までの、上記基材の厚み方向の凹入高さを求める。
〈基材〉
上記本発明のヒートスプレッダのもとになる基材としては、例えば
(i) 高熱伝導金属の粉末と低熱膨張粒子とを混合し、型押ししたのち焼結させる、
(ii) 基材の形状に対応した型内に低熱膨張粒子を充填したのち、当該型内に、溶融させた高熱伝導金属を流し込む、
(iii) あらかじめ基材の形状に形成した低熱膨張粒子からなる焼結体(スケルトン)に、溶融させた高熱伝導金属を溶浸させる、
等の種々の方法によって作製される基材が使用可能である。
上記(i)〜(iii)のいずれかの方法等で作製した基材の接合面に、先述した所定の段差高さを有する段差を形成するには、まず当該基材の接合面を研磨等の任意の方法で平坦化して、多数の低熱膨張粒子を当該接合面に露出させるとともに、露出させた低熱膨張粒子の露出したそれぞれ一面を、同一平面である上記接合面と一致させて配列された状態とする。
そうすると上記低熱膨張粒子間に、接合面から所定の段差高さで凹入された段差が形成される。
例えばMg用のエッチング液としては、リンゴ酸、クエン酸またはピロリン酸ナトリウム等のエチレングリコール溶液(濃度70質量%程度)や、あるいは希硝酸(濃度1.5〜10質量%程度)等が挙げられる。
Ag用のエッチング液としては、例えばリン酸−酢酸−硝酸系、無水クロム酸−濃硫酸系等の混酸水溶液、硝酸第二鉄水溶液等が挙げられる。
上記エッチング液を使用したエッチングによって形成する段差の段差高さを前述した範囲とするためには、使用するエッチング液の種類、濃度等を調整したり、エッチングの時間や温度等を調整したりすればよい。
なお段差の形成方法としては、上記エッチング法以外にも例えばブラスト法等を採用することもできる。
ただし機械的な研磨法は、接合面にボイドの原因となる研磨跡が残るため好ましくない。
高熱伝導金属としては、Mg、Al、AgおよびCuからなる群より選ばれた少なくとも1種の金属、またはこれら金属の少なくとも1種を含む合金が用いられる。
具体的にはMg、Al、Ag、またはCuのそれぞれ金属単体の他、Mg−Al合金、Al−Si合金等も使用可能である。
かかる高熱伝導金属を低熱膨張粒子と組み合わせて基材を形成することにより、当該基材を含むヒートスプレッダに高い熱伝導性を付与できる。
(低熱膨張粒子)
低熱膨張粒子としては、SiC粒子、ダイヤモンド粒子、W粒子およびMo粒子からなる群より選ばれた少なくとも1種が挙げられる。
特に、上記熱膨張率の差を小さくする効果の点でSiC粒子および/またはダイヤモンド粒子が好ましく、生産性や製造コスト等の点でSiC粒子がさらに好ましい。
上記混合粒子を低熱膨張粒子として用いて、前述した(i)〜(iii)等の方法によって基材を作製すると、当該基材は、混合粒子中の比較的粒径の大きい粒子(以下「大粒子」と略記する場合がある。)間に、高熱伝導金属とともに比較的粒径の小さい粒子(以下「小粒子」と略記する場合がある。)が充填された構造となる。
そのため接合面に被覆層を形成した際に、当該被覆層の表面に、上記段差に基づく凹凸を形成して、その中心線平均粗さRaを前述した所定の範囲とすることができる。
上記混合粒子の例としては、当該混合粒子の全量中に占める、上記小粒子としての粒径3μm以上、30μm以下の粒子の割合が30質量%以上、50質量%以下で、かつ上記大粒子としての粒径80μm以上、270μm以下の粒子の割合が50質量%以上、70質量%以下であるもの等を用いるのが好ましい。
一方、粒径3μm以上、30μm以下の小粒子の割合が上記の範囲を超えるか、または粒径80μm以上、270μm以下の大粒子の割合が上記の範囲未満である場合には、このいずれにおいても、上述した比較的大きな開口を有する段差を接合面に形成できないおそれがある。
すなわち粒径3μm未満の粒子の割合は2質量%以下、粒径30μmを超え、80μm未満の粒子の割合は8質量%以下で、かつ粒径270μmを超える粒子の割合は2質量%以下であるのが好ましい。
上記粒径分布を有する混合粒子は、例えば平均粒径が80μm以上、270μm以下の範囲の中央値付近にある第一原料粒子と、平均粒径が3μm以上、30μm以下の範囲の中央値付近にある第二原料粒子とを、粒径分布に考慮しながら所定の割合で配合することで調製できる。
また、例えば高熱伝導金属としてMg、低熱膨張粒子としてSiC粒子を組み合わせる場合には、前述した(i)〜(iii)等の方法によって基材を作製するに際し、SiC粒子の表面を、例えば特許文献1に記載されているように溶融したMgと接触させる前の任意の時点で酸化処理して、当該溶融したMgの濡れ性の良いSiO2膜を形成してもよい。
(含有割合)
作製した基材を構成する高熱伝導金属と低熱膨張粒子の含有割合は、組み合わせる高熱伝導金属と低熱膨張粒子の種類や低熱膨張粒子の粒径分布等に応じて、例えば基材の熱膨張率や熱伝導率が次項で説明する好適範囲に入るように適宜調整すればよい。
基材の熱膨張率は、前述した各種の材料からなる素子やセラミック基板等との熱膨張率のマッチングを図る、すなわち熱膨張率の差をできるだけ小さくすることを考慮すると、温度200℃で3×10−6/K以上であるのが好ましく、12×10−6/K以下であるのが好ましい。
なお熱伝導率は、上記の範囲でも700W/mK以下であるのが好ましい。本発明の構成を採用しても、これより熱伝導率を大きくすることは困難である。
さらに平板状の基材の厚み、すなわち互いに背向する一対の接合面間の距離は、ヒートスプレッダや素子のサイズ等に応じて適宜設定できるものの、基材およびヒートスプレッダを単体で取り扱うことができる強度を維持しながら、一対の接合面間でできるだけ速やかに熱伝導させること等を考慮すると1mm以上であるのが好ましく、8mm以下であるのが好ましい。
また中心線平均粗さRaは、上記の範囲であればいくら小さくても構わないが、平坦化に要する手間と時間等とを考慮すると0.1μm以上であるのが好ましい。
基材の接合面を被覆層で被覆するためには、それに先立って当該接合面をまずジンケート処理液で処理して、その全面に薄いZn膜を形成しておくのが好ましい。
接合面の全面にZn膜を形成すると、本来的にメッキの条件等が大きく異なる高熱伝導金属と低熱膨張粒子が共に露出した接合面の表面状態を一定化して、その上にメッキによって被覆層を形成しやすくできる。
〈被覆層〉
基材の接合面を被覆する被覆層としては、例えば無電解Ni−Pメッキ層、無電解Ni−Bメッキ層、電気Niメッキ層、無電解Cuメッキ層、電気Cuメッキ層その他の1種または2種以上からなる、単層または複層の種々の被覆層が採用可能である。
かかる無電解Ni−Bメッキ層は、例えば下地として他のメッキ層を形成した上に形成するのが好ましい。
各メッキ層の形成に先立って、接合面の表面やZn膜の表面、あるいは先に形成したメッキ層の表面には、従来同様に任意の触媒付与や活性化処理を施してもよい。
被覆層は、先述したように段差高さが8.0μm以上、25.0μm以下である段差が形成された接合面を被覆した際に、その表面の中心線平均粗さRaが2.0μm以上、9.0μm以下となるように、全体の厚みを設定すればよい。
被覆層の全体の厚みがこの範囲未満では、当該被覆層の本来の機能である、溶融した半田の濡れ性を向上したり、ヒートスプレッダに耐食性を付与したりする効果が十分に得られないおそれがある。
また熱伝導率の低いNi層を主体とする場合は、ヒートスプレッダの熱伝導率が低下するおそれもある。
そして一方の接合面を被覆した被覆層上に、パワー半導体素子等の素子を直接に、あるいはセラミック基板等を介して半田接合によって接合するとともに、他方の接合面には冷却部材を接触させた状態で固定する等して使用される。
すなわち上記接合面に、段差高さ8.0μm以上、25.0μm以下の段差が形成されるとともに被覆層で被覆されて、当該被覆層の表面の中心線平均粗さRaが2.0μm以上、9.0μm以下の範囲とされる。
(高熱伝導金属、低熱膨張粒子)
高熱伝導金属としてはMgの粉末を用いた。
また低熱膨張粒子としては、平均粒径132μmのSiC粒子(第一原料粒子)と、平均粒径16μmのSiC粒子(第二原料粒子)とを質量比(第一原料粒子)/(第二原料粒子)=70/30で配合した混合粒子を用いた。
・ 粒径3μm未満の粒子:1質量%
・ 粒径3μm以上、30μm以下の小粒子:32質量%
・ 粒径30μmを超え、80μm未満の粒子:3質量%
・ 粒径80μm以上、270μm以下の大粒子:63質量%
・ 粒径270μmを超える粒子:1質量%
(基材の作製)
上記混合粒子を、互いに背向する一対の面が他部材との接合面とされた、縦45mm×横45mm×厚み5.2mmの平板状の基材の形状に対応した型内に供給し、振動を与えてタップ充填した。
作製した基材を構成するMg(高熱伝導金属M)とSiC粒子(低熱膨張粒子L)の体積比M/L=30/70であった。
なお体積比M/Lは、MgとSiCの密度、用いたSiC粒子の質量、ならびに作製した基材の密度(質量/体積)から算出できる。他の高熱伝導金属Mと低熱膨張粒子Lからなる複合材料についても同様とする。
(平坦化)
上記基材の一対の接合面を平面研削盤によって研磨して平坦化した。
平坦化後の中心線平均粗さRaは、両接合面とも0.3μmであった。また厚みは5.0μmであった。
上記基材の全面を洗浄し、脱脂し、次いで平坦化した一方の接合面のみを露出させて他の面はマスキングした状態で、エッチング液としてのクエン酸のエチレングリコール溶液(濃度70質量%)に一定時間浸漬したのち引き上げて、デスマット処理をしたのち再び洗浄した。
上記基材の全面を、ジンケート処理液で処理してZn膜を形成した。
(被覆層形成)
ジンケート処理した基材の全面に、まず厚み4.0μmの無電解Ni−Pメッキ層を形成し、次いでその上に厚み1.5μmの無電解Ni−Bメッキ層を積層して、全体の厚みが5.5μmの2層構造の被覆層を形成し、ヒートスプレッダを製造した。
(断面観察)
製造した実施例1のヒートスプレッダを接合面と直交方向に切断し、研磨して断面を露出させたのち、さらにArプラズマでドライエッチングするクロスセクションポリッシュ(CP)をして断面を仕上げて、SEMによって観察をした。
図1より、実施例1のヒートスプレッダは、SiCの大粒子間にMgとともにSiCの小粒子が充填された構造を有していること、図の上側の接合面では、上記SiCの特に大粒子が、それぞれその一面を同一平面である上記接合面と一致させた状態で配列されていること、そしてエッチングにより、上記接合面の、大粒子間に露出した高熱伝導金属と小粒子とが除去されて段差が形成されていることが確認された。
〈実施例2〜6〉
エッチングの時間を変更して、接合面の段差の段差高さを8.7μm(実施例2)、12.4μm(実施例3)、16.2μm(実施例4)、20.6μm(実施例5)、および24.0μm(実施例6)としたこと以外は実施例1と同様にしてヒートスプレッダを製造した。
〈実施例7、8、比較例1、2〉
エッチングの時間を変更して、接合面の段差の段差高さを3.0μm(比較例1)、7.8μm(比較例2)、16.1μm(実施例7)、および19.8μm(実施例8)とし、なおかつ無電解Ni−Pメッキ層の厚みを1.0μm、無電解Ni−Bメッキ層の厚みを1.0μm、被覆層の全体の厚みを2.0μmとしたこと以外は実施例1と同様にしてヒートスプレッダを製造した。
〈実施例9、比較例3〉
エッチングの時間を変更して、接合面の段差の段差高さを15.7μm(実施例9)、および27.0μm(比較例3)とし、なおかつ無電解Ni−Pメッキ層の厚みを6.0μm、無電解Ni−Bメッキ層の厚みを2.0μm、被覆層の全体の厚みを8.0μmとしたこと以外は実施例1と同様にしてヒートスプレッダを製造した。
〈実施例10、比較例4〉
エッチングの時間を変更して、接合面の段差の段差高さを9.4μm(比較例4)、および18.5μm(実施例10)とし、なおかつ無電解Ni−Pメッキ層の厚みを7.0μm、無電解Ni−Bメッキ層の厚みを3.0μm、被覆層の全体の厚みを10.0μmとしたこと以外は実施例1と同様にしてヒートスプレッダを製造した。
〈比較例5〉
エッチングの時間を変更して、接合面の段差の段差高さを18.2μmとし、なおかつ無電解Ni−Pメッキ層の厚みを0.8μm、無電解Ni−Bメッキ層の厚みを0.2μm、被覆層の全体の厚みを1.0μmとしたこと以外は実施例1と同様にしてヒートスプレッダを製造した。
〈実施例11〉
低熱膨張粒子としての2種のSiC粒子(第一、第二原料粒子)の質量比を変更して調製した、下記の粒径分布を有する混合粒子を使用したこと以外は実施例1と同様にして基材を作製した。
・ 粒径3μm未満の粒子:1質量%
・ 粒径3μm以上、30μm以下の小粒子:42質量%
・ 粒径30μmを超え、80μm未満の粒子:4質量%
・ 粒径80μm以上、270μm以下の大粒子:52質量%
・ 粒径270μmを超える粒子:1質量%
作製した基材を構成するMg(高熱伝導金属M)とSiC粒子(低熱膨張粒子L)の体積比M/L=30/70であった。
次いで上記基材に対するエッチングの時間を変更して、接合面の段差の段差高さを10.5μmとしたこと以外は実施例1と同様にしてヒートスプレッダを製造した。
被覆層の表面の中心線平均粗さRaは2.1μmであった。
低熱膨張粒子としての2種のSiC粒子(第一、第二原料粒子)の質量比を変更して調製した、下記の粒径分布を有する混合粒子を使用したこと以外は実施例1と同様にして基材を作製した。
・ 粒径3μm未満の粒子:0.5質量%
・ 粒径3μm以上、30μm以下の小粒子:30質量%
・ 粒径30μmを超え、80μm未満の粒子:1質量%
・ 粒径80μm以上、270μm以下の大粒子:68質量%
・ 粒径270μmを超える粒子:0.5質量%
作製した基材を構成するMg(高熱伝導金属M)とSiC粒子(低熱膨張粒子L)の体積比M/L=30/70であった。
次いで上記基材に対するエッチングの時間を変更して、接合面の段差の段差高さを19.4μmとしたこと以外は実施例1と同様にしてヒートスプレッダを製造した。
被覆層の表面の中心線平均粗さRaは6.8μmであった。
低熱膨張粒子としての2種のSiC粒子(第一、第二原料粒子)の質量比を変更して調製した、下記の粒径分布を有する混合粒子を使用したこと以外は実施例1と同様にして基材を作製した。
・ 粒径3μm未満の粒子:1質量%
・ 粒径3μm以上、30μm以下の小粒子:48質量%
・ 粒径30μmを超え、80μm未満の粒子:8質量%
・ 粒径80μm以上、270μm以下の大粒子:42質量%
・ 粒径270μmを超える粒子:1質量%
作製した基材を構成するMg(高熱伝導金属M)とSiC粒子(低熱膨張粒子L)の体積比M/L=30/70であった。
次いで上記基材に対するエッチングの時間を変更して、接合面の段差の段差高さを6.9μmとしたこと以外は実施例1と同様にしてヒートスプレッダを製造した。
被覆層の表面の中心線平均粗さRaは0.9μmであった。
低熱膨張粒子としての2種のSiC粒子(第一、第二原料粒子)の質量比を変更して調製した、下記の粒径分布を有する混合粒子を使用したこと以外は実施例1と同様にして基材を作製した。
・ 粒径3μm未満の粒子:0.5質量%
・ 粒径3μm以上、30μm以下の小粒子:8質量%
・ 粒径30μmを超え、80μm未満の粒子:5.5質量%
・ 粒径80μm以上、270μm以下の大粒子:84質量%
・ 粒径270μmを超える粒子:2質量%
作製した基材を構成するMg(高熱伝導金属M)とSiC粒子(低熱膨張粒子L)の体積比M/L=30/70であった。
次いで上記基材に対するエッチングの時間を変更して、接合面の段差の段差高さを27.2μmとしたこと以外は実施例1と同様にしてヒートスプレッダを製造した。
被覆層の表面の中心線平均粗さRaは9.7μmであった。
高熱伝導金属としてAlの粉末を用いたこと以外は実施例1と同様にして基材を作製した。
作製した基材を構成するAl(高熱伝導金属M)とSiC粒子(低熱膨張粒子L)の体積比M/L=30/70であった。
次いで、エッチング液として水酸化ナトリウム水溶液(濃度20質量%)を使用するとともにエッチングの時間を変更して、接合面の段差の段差高さを15.5μmとしたこと以外は実施例1と同様にしてヒートスプレッダを製造した。
〈実施例14〉
低熱膨張粒子として、平均粒径180μmのダイヤモンド粒子(第一原料粒子)と、平均粒径16μmのダイヤモンド粒子(第二原料粒子)とを質量比(第一原料粒子)/(第二原料粒子)=70/30で配合して調製した、下記の粒径分布を有する混合粒子を使用したこと以外は実施例1と同様にして基材を作製した。
・ 粒径3μm未満の粒子:0質量%
・ 粒径3μm以上、30μm以下の小粒子:35質量%
・ 粒径30μmを超え、80μm未満の粒子:3質量%
・ 粒径80μm以上、270μm以下の大粒子:62質量%
・ 粒径270μmを超える粒子:0質量%
作製した基材を構成するMg(高熱伝導金属M)とダイヤモンド粒子(低熱膨張粒子L)の体積比M/L=40/60であった。
次いで上記基材に対するエッチングの時間を変更して、接合面の段差の段差高さを18.7μmとしたこと以外は実施例1と同様にしてヒートスプレッダを製造した。
被覆層の表面の中心線平均粗さRaは6.1μmであった。
高熱伝導金属としてCuの粉末を用いたこと以外は実施例14と同様にして基材を作製した。
作製した基材を構成するCu(高熱伝導金属M)とダイヤモンド粒子(低熱膨張粒子L)の体積比M/L=40/60であった。
次いで、エッチング液として塩化第二鉄水溶液(濃度5〜20質量%)を使用するとともにエッチングの時間を変更して、接合面の段差の段差高さを13.5μmとしたこと以外は実施例1と同様にしてヒートスプレッダを製造した。
〈実施例16〉
高熱伝導金属としてAgの粉末を用いたこと以外は実施例14と同様にして基材を作製した。
作製した基材を構成するAg(高熱伝導金属M)とダイヤモンド粒子(低熱膨張粒子L)の体積比M/L=40/60であった。
次いで、エッチング液としてリン酸50質量%−酢酸40質量%−硝酸4質量%の混酸水溶液を使用するとともにエッチングの時間を変更して、接合面の段差の段差高さを16.5μmとしたこと以外は実施例1と同様にしてヒートスプレッダを製造した。
〈実施例17〉
高熱伝導金属としてAlの粉末を用いたこと以外は実施例14と同様にして基材を作製した。
作製した基材を構成するAl(高熱伝導金属M)とダイヤモンド粒子(低熱膨張粒子L)の体積比M/L=40/60であった。
次いで、エッチング液として水酸化ナトリウム水溶液(濃度20質量%)を使用するとともにエッチングの時間を変更して、接合面の段差の段差高さを12.9μmとしたこと以外は実施例1と同様にしてヒートスプレッダを製造した。
〈半田の濡れ性評価〉
直径5φ×長さ10mmの円柱状のPb−Sn半田〔Pb:60質量%、Sn:40質量%〕を、実施例、比較例で製造したヒートスプレッダの、段差を形成した側の接合面を被覆した被覆層の上に、上記円柱の一端を当該接合面と接触させ、長さ方向を上記接合面と直交させた状態で載置し、窒素雰囲気中で、リフロー炉を用いて280℃×180秒間加熱して溶融させた。
すなわち接触角が小さいほど、被覆層の表面は半田の濡れ性に優れていると評価することができる。
〈ボイド率の測定〉
接合面にNiメッキ層を形成した、縦20mm×横50mmのDBA(Direct Bond Aluminum)基板〔三菱マテリアル(株)製〕を用意した。
そしてN2+4体積%H2混合ガス雰囲気中で、リフロー炉を用いて280℃×600秒間加熱して半田を溶融させて、ヒートスプレッダとDBA基板とを半田接合した。
ボイド率は、良好な半田接合のために0.5%以下であるのが好ましい。
なお表1、表2中、低熱膨張粒子Lの種類の欄の「Dia」はダイヤモンド粒子を示す。また「小粒子(wt%)」は粒径3μm以上、30μm以下の粒子の質量%、「大粒子(wt%)」は粒径80μm以上、270μm以下の粒子の質量%を示す。
また実施例1〜17の結果より、上記効果をより一層向上することを考慮すると、接合面の段差の段差高さは、上記の範囲でも11.0μm以上、特に12.0μm以上であるのが好ましく、19.0μm以下、特に17.0μm以下であるのが好ましいこと、被覆層の表面の中心線平均粗さRaは、上記の範囲でも3.0μm以上であるのが好ましく、6.5μm以下であるのが好ましいことが判った。
Claims (3)
- Mg、Al、AgおよびCuからなる群より選ばれた少なくとも1種の金属またはこれら金属の少なくとも1種を含む合金、ならびにSiC粒子、ダイヤモンド粒子、W粒子およびMo粒子からなる群より選ばれた少なくとも1種の低熱膨張粒子を含む複合材料からなり、多数の前記低熱膨張粒子が各々その一面を同一平面上に一致させた状態で配列されてなる他部材との接合面を備え、前記接合面に配列された前記多数の低熱膨張粒子間には、前記接合面から8.0μm以上、25.0μm以下の範囲で凹入された段差が設けられた基材、および前記接合面に被覆された被覆層を含み、前記被覆層の露出された表面の中心線平均粗さRaは2.0μm以上、9.0μm以下であるヒートスプレッダ。
- 前記低熱膨張粒子は、平均粒径の異なる2種の粒子の混合粒子からなり、前記混合粒子の全量中に占める、粒径3μm以上、30μm以下の粒子の割合は30質量%以上、50質量%以下で、かつ粒径80μm以上、270μm以下の粒子の割合は50質量%以上、70質量%以下である請求項1に記載のヒートスプレッダ。
- 前記混合粒子の全量中に占める、粒径3μm未満の粒子の割合は2質量%以下、粒径30μmを超え、80μm未満の粒子の割合は8質量%以下で、かつ粒径270μmを超える粒子の割合は2質量%以下である請求項2に記載のヒートスプレッダ。
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