JP2021086937A - ヒートシンク材およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】安定供給の点や高価であることが問題とならずに熱伝導性と熱膨張性との両立を図ることができ、かつ形状自由度の高いヒートシンク材およびその製造方法を提供する。【解決手段】半導体デバイスに用いるヒートシンク材は、１０〜４０℃の平均熱膨張係数が５ｐｐｍ／℃以下であるＦｅ基合金またはＣｒ基合金の積層造形材からなり、連通した空洞を有する格子状をなすマトリックス部材と、前記マトリックス部材の前記空洞に充填されたＣｕまたはＣｕ合金からなる充填材とを有する。【選択図】 図３
Description
本発明は、ヒートシンク材およびその製造方法に関する。
パワーモジュール等の半導体モジュールにおいては、半導体素子の信頼性および耐久性の観点から高い放熱性を有することが求められ、放熱対策としてヒートシンクが用いられている。ヒートシンクの材料としては、熱伝導性が良好な銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）等が一般的であったが、これらの材料は半導体材料や半導体デバイスを保持するセラミックス基板との熱膨張係数の差が大きく、接合部の劣化を招く。
このため、ヒートシンク材としてタングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）とＣｕを複合化したものを用いて、放熱性（熱伝導性）と熱膨張性との両立を図っている（例えば、特許文献１）。
また、低熱膨張性金属からなるロータス型ポーラス金属の気孔内部に高熱伝導性金属粉末を充填し焼結してなる、高熱放散性低熱膨張性複合金属材技術もみられる（例えば、特許文献２）。
しかしながら、ＷやＭｏはレアメタルであり、ＷやＭｏを用いたヒートシンク材は安定供給の点や高価であることが問題となる。
また、ロータス型ポーラス金属は、連続鋳造法によって製造することから、一定断面形状の長尺物に限られるため、最終製品形状に制約が大きいという問題がある。
したがって、本発明は、安定供給の点や高価であることが問題とならずに熱伝導性と熱膨張性との両立を図ることができ、かつ形状自由度の高いヒートシンク材およびその製造方法を提供することを課題とする。
本発明は、以下の（１）〜（９）を提供する。
（１）半導体デバイスに用いるヒートシンク材であって、
１０〜４０℃の平均熱膨張係数が５ｐｐｍ／℃以下であるＦｅ基合金またはＣｒ基合金の積層造形材からなり、連通した空洞を有する格子状をなすマトリックス部材と、前記マトリックス部材の前記空洞に充填されたＣｕまたはＣｕ合金からなる充填材とを有することを特徴とするヒートシンク材。
１０〜４０℃の平均熱膨張係数が５ｐｐｍ／℃以下であるＦｅ基合金またはＣｒ基合金の積層造形材からなり、連通した空洞を有する格子状をなすマトリックス部材と、前記マトリックス部材の前記空洞に充填されたＣｕまたはＣｕ合金からなる充填材とを有することを特徴とするヒートシンク材。
（２）前記充填材は溶浸材であることを特徴とする（１）に記載のヒートシンク材。
（３）前記充填材の体積率は、３０〜７０％であることを特徴とする（１）または（２）に記載のヒートシンク材。
（４）前記積層造形材の前記空洞の直径または１辺の長さが０．５ｍｍ以上であることを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載のヒートシンク材。
（５）前記マトリックス部材は、質量％で、Ｃ：０．０５％以下、Ｓｉ：０．４％以下、Ｍｎ：０．５％以下、Ｎｉ：３１．５〜３６．５％、Ｃｏ：６．０％以下を含有し、かつＮｉ＋０．７８Ｃｏ：３５．５〜３６．５％であり、残部がＦｅおよび不可避不純物からなるＦｅ基合金で構成されることを特徴とする（１）〜（４）のいずれかに記載のヒートシンク材。
（６）前記マトリックス部材は、質量％で、Ｆｅ：３〜６％、Ｍｎ：０．１〜１％を含み、残部がＣｒおよび不可避不純物からなるＣｒ基合金で構成されることを特徴とする（１）〜（４）のいずれかに記載のヒートシンク材。
（７）前記マトリックス部材は、質量％で、Ｆｅ：１．２％以下（０を含む）、Ｃｏ：１〜３％を含み、残部がＣｒおよび不可避不純物からなるＣｒ基合金で構成されることを特徴とする（１）〜（４）のいずれかに記載のヒートシンク材。
（８）１０〜４０℃の平均熱膨張係数が５ｐｐｍ／℃以下であるＦｅ基合金またはＣｒ基合金の粉末を、レーザーまたは電子ビームによって溶融・凝固させて積層造形し、連通した空洞を有する格子状をなすマトリックス部材を形成する工程と、前記マトリックス部材の前記空洞に、ＣｕまたはＣｕ合金からなる充填材を充填させる工程と、
を有することを特徴とするヒートシンク材の製造方法。
を有することを特徴とするヒートシンク材の製造方法。
（９）前記充填材は、溶浸により前記マトリックス部材の前記空洞に充填されることを特徴とする（８）に記載のヒートシンク材の製造方法。
本発明によれば、安定供給の点や高価であることが問題とならずに熱伝導性と熱膨張性との両立を図ることができ、かつ形状自由度の高いヒートシンク材およびその製造方法が提供される。
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るヒートシンク材を用いた半導体モジュールの一例の概略構成を示す断面図である。
図１は、本発明の一実施形態に係るヒートシンク材を用いた半導体モジュールの一例の概略構成を示す断面図である。
半導体モジュールは、セラミック基板１１に半導体素子１２が搭載され、セラミック基板１１の裏面側に本実施形態のヒートシンク材１３が設けられて構成されている。ヒートシンク材１３には放熱のためのフィン１４が貼り付けられている。なお、ヒートシンク材１３は、半導体素子１２とセラミック基板１１の間に設けられていてもよい。
本実施形態の半導体モジュールは、光通信モジュール、高周波通信モジュール、インバータ等の車載用モジュール、ＩＣ・ＣＰＵパッケージ、ＬＥＤ照明用モジュール等に適用される。
次にヒートシンク材１３について説明する。
ヒートシンク材１３は、半導体素子１２からの熱を放散させるためのものであり、熱伝導性が高いことが求められる。従来は、ヒートシンク材として、熱伝導性が良好な銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）等が一般的に用いられていたが、これらの材料は半導体材料や半導体素子を保持するセラミック基板との熱膨張係数の差が大きく、接合部の劣化を招くため、より熱膨張係数の小さいことが要求される。このため、ヒートシンク材としてタングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）と銅（Ｃｕ）を複合化したものを用いて、放熱性（熱伝導性）と熱膨張性との両立を図ることが行われているが、ＷやＭｏはレアメタルであり、安定供給の点や高価であることが問題となる。また、性能面でも熱伝導率を極力高くした上で熱膨張係数がより低いものが求められ、さらに熱伝導率と熱膨張係数の調整マージンが広いことも求められる。
ヒートシンク材１３は、半導体素子１２からの熱を放散させるためのものであり、熱伝導性が高いことが求められる。従来は、ヒートシンク材として、熱伝導性が良好な銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）等が一般的に用いられていたが、これらの材料は半導体材料や半導体素子を保持するセラミック基板との熱膨張係数の差が大きく、接合部の劣化を招くため、より熱膨張係数の小さいことが要求される。このため、ヒートシンク材としてタングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）と銅（Ｃｕ）を複合化したものを用いて、放熱性（熱伝導性）と熱膨張性との両立を図ることが行われているが、ＷやＭｏはレアメタルであり、安定供給の点や高価であることが問題となる。また、性能面でも熱伝導率を極力高くした上で熱膨張係数がより低いものが求められ、さらに熱伝導率と熱膨張係数の調整マージンが広いことも求められる。
また、低熱膨張性金属からなるロータス型ポーラス金属の気孔内部に高熱伝導性金属粉末を充填し焼結してなる、高熱放散性低熱膨張性複合金属材技術もあるが、この技術は、連続鋳造法によって製造することから、一定断面形状の長尺物に限られ、最終製品形状に制約が大きい。
そこで、本実施形態では、ヒートシンク材１３として、１０〜４０℃の平均熱膨張係数が５ｐｐｍ／℃以下である低熱膨張のＦｅ基合金またはＣｒ基合金の積層造形材からなり、連通した空洞を有する格子状をなすマトリックス部材と、マトリックス部材の前記空洞に充填されたＣｕ（銅）またはＣｕ合金からなる充填材とを有する構造のものを用いる。
図２はマトリックス部材の一例を示す斜視図である。図２に示すように、マトリックス部材２１は、連通した空洞３１が規則的に形成されて全体として格子状をなしている。図３はヒートシンク材の一例を示す模式的に示す断面図である。図３に示すように、図２に示すマトリックス部材２１の連通した空洞３１に充填材２２が充填されてヒートシンク材１３が構成されている。
マトリックス部材２１は、使用目的に応じて任意の形状を実現できることが理想であるが、従来の加工法では実現不可能な場合がある。これに対し、積層造形材によれば任意の形状を容易に実現することができ、形状自由度が極めて高い。積層造形は、粉末にレーザーまたは電子ビームを作用させて、所望の形状に積層させるものであり、溶融・凝固の際の冷却速度を３０００℃／ｓｅｃ．以上と極めて速くすることができる。このため、デンドライト２次アーム（ＤＡＳ）間隔が５μｍ以下という微細組織が得られる。
上述したように、ヒートシンク材１３は、セラミック基板や半導体材料との熱膨張係数の差が小さいことが必要であるため、熱膨張係数の大きいＣｕまたはＣｕ合金からなる充填材２２以外の部分を構成するマトリックス部材２１は、極力低熱膨張係数のものであることが好ましい。このため、マトリックス部材２１を、１０〜４０℃の平均熱膨張係数を５ｐｐｍ／℃以下とする。
Ｆｅ基の低熱膨張合金としては、Ｆｅ−３６％Ｎｉ合金（インバー）やＦｅ−３２％Ｎｉ−５％Ｃｏ合金が知られているが、積層造形の場合は、上述のように溶融・凝固の際の冷却速度が速く、極めて微細な組織となるため、低熱膨張係数が得られる範囲を広くすることができる。
例えば、マトリックス部材２１を、質量％で、Ｃ：０．０５％以下、Ｓｉ：０．４％以下、Ｍｎ：０．５％以下、Ｎｉ：３１．５〜３６．５％、Ｃｏ：６．０％以下を含有し、かつＮｉ＋０．７８Ｃｏ：３５．５〜３６．５％であり、残部がＦｅおよび不可避不純物からなるＦｅ基合金で構成することにより、１０〜４０℃で０．５ｐｐｍ／℃以下の低い熱膨張係数を得ることができる。また、この組成のＦｅ基合金は、Ｍｓ点が−１００℃以下であり、適用温度が−１００℃以下の用途でもマルテンサイト変態せずに適用可能である。
また、マトリックス部材２１を構成するＣｒ基合金としては、９５％程度のＣｒを含有するＣｒ基合金が好適である。Ｃｒ基合金は比較的低い熱膨張係数を有し、特定組成の積層造形材とすることにより上記範囲の低熱膨張係数を得ることができる。例えば、質量％で、Ｆｅ：３〜６％、Ｍｎ：０．１〜１％を含み、残部がＣｒおよび不可避不純物からなるＣｒ基合金、または質量％で、Ｆｅ：１．２％以下（０を含む）、Ｃｏ：１〜３％を含み、残部がＣｒおよび不可避不純物からなるＣｒ基合金が１０〜４０℃間の平均熱膨張係数が５ｐｐｍ／℃以下という低熱膨張係数を得ることができる。また、Ｃｒ基合金は高温での熱膨張係数が低く、上記組成のＣｒ合金は、２０〜１１００℃間の平均熱膨張係数が１２ｐｐｍ／Ｋ以下である。また、Ｃｒ基合金は、溶製材料では高密度を実現することが困難であり、強度上難があるが、上記組成の積層造形材は理論密度の９０％以上の密度を得ることができ、高い強度を示す。
充填材２２の空洞３１への充填方法は特に限定されないが、溶浸により行うことができる。溶浸を行う際には、マトリックス部材２１の上に充填材２２であるＣｕまたはＣｕ合金粉を配置し、電気炉のような加熱炉にて、マトリックス部材２１を構成するＦｅ基合金（融点：１４５０℃）やＣｒ基合金の融点より低く、充填材２２の融点（純Ｃｕの融点：１０８５℃）よりも高い温度に加熱することにより行うことができる。このときの炉内雰囲気は、Ａｒガスや窒素ガス等の不活性雰囲気であることが好ましい。また、充填材２２を十分に溶融する観点から加熱温度は、充填材２２の融点＋１００℃以上であることが好ましい。また、溶融した充填材浴中にマトリックス部材を浸漬することでも溶浸することが可能である。
溶浸の例を図４に示す。上型４１と下型４２の間にマトリックス部材２１を配置し、上型４１のマトリックス部材２１の上の空間部分に充填材粉４３を充填し、その上に重錘４４を載せる。下型４２のマトリックス部材２１の下方部分は空洞４５となっている。この状態で加熱して充填材粉４３を溶融させることにより、充填材がマトリックス部材２１の空洞３１内に溶浸される。
このように、ヒートシンク材１３は、低熱膨張のＦｅ基合金またはＣｒ基合金からなる格子状をなすマトリックス部材に形成された空洞３１に、高熱伝導性を有するＣｕまたはＣｕ合金からなる充填材２２が充填されて構成されているので、ＷやＭｏのようなレアメタルのような安定供給の点や高価であることが問題となる材料を用いることなく高熱伝導性および低熱膨張性を両立させることができる。
また、マトリックス部材２１は連通した空洞を有する格子状をなしているので、空洞に充填された充填材２２が低熱膨張のマトリックス部材２１に拘束される。このため、ヒートシンク材１３全体の熱膨張係数をより低くすることができる。従来のＷやＭｏとＣｕを複合化したヒートシンク材は、熱伝導率が２００Ｗ／ｍ・Ｋ、室温付近の熱膨張係数が８ｐｐｍ/℃程度であるが、本発明によれば低熱膨張合金とＣｕまたはＣｕ合金との比率を調整することにより、従来のＷやＭｏとＣｕを複合化したヒートシンク材と同等の熱伝導率および熱膨張係数で、かつ目的に応じた任意の形状のヒートシンク材を、供給安定性が高く、低価格な原材料を使って得ることが可能となる。
また、低熱膨張係数のマトリックス部材と高熱伝導率の充填材とを複合化するため、低熱膨張合金と高熱伝導率充填材との割合を調整することができ、熱伝導率と熱膨張係数の調整マージンが広い。
この場合に、空洞３１の体積率、すなわち充填材２２の体積率は３０〜７０％が好ましい。充填材２２の体積率を調整することにより、上述のように熱伝導性と熱膨張性とを適切なものとすることができる。充填材２２の体積率が３０％未満となるとヒートシンク材１３の熱伝導性が不十分となり、７０％を超えるとヒートシンク材１３の熱膨張係数が大きくなる。
また、空洞３１の直径または１辺の長さが、０．５ｍｍ以上であることが好ましい。空洞３１の直径または１辺の長さが０．５ｍｍより小さいと充填材２２が空洞３１に入り込み難くなる。
以下、本発明の実施例について説明する。
［第１の実施例］
本発明の第１の実施例では、質量％で、Ｃ：０．０３％、Ｓｉ：０．０４％、Ｍｎ：０．１１％、Ｎｉ：３３．５％、Ｃｏ：３．４％を含有し、かつＮｉ＋０．７８Ｃｏ：３６．２％であり、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる上記Ｆｅ基合金の範囲内の組成を有するＦｅ基合金を高周波誘導炉で溶解し、アトマイズ装置を用いて溶融した金属を滴下し、ノズルから不活性ガス（本例では窒素ガス）を噴霧することで液滴に分断するとともに急速凝固させた球状粉末を、ふるい分けして粒径１０〜４５μｍの造形用粉末を得た。
［第１の実施例］
本発明の第１の実施例では、質量％で、Ｃ：０．０３％、Ｓｉ：０．０４％、Ｍｎ：０．１１％、Ｎｉ：３３．５％、Ｃｏ：３．４％を含有し、かつＮｉ＋０．７８Ｃｏ：３６．２％であり、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる上記Ｆｅ基合金の範囲内の組成を有するＦｅ基合金を高周波誘導炉で溶解し、アトマイズ装置を用いて溶融した金属を滴下し、ノズルから不活性ガス（本例では窒素ガス）を噴霧することで液滴に分断するとともに急速凝固させた球状粉末を、ふるい分けして粒径１０〜４５μｍの造形用粉末を得た。
レーザー式積層造形装置を用いて、出力２００Ｗ、レーザー移動速度８００ｍｍ/秒、レーザー走査ピッチ０．１ｍｍ、粉末積層厚さ０．０４ｍｍの条件で粉末を積層造形し、φ７×５１ｍｍとφ１１×３ｍｍの格子状マトリックス部材を作製した。マトリックス部材の空洞の直径は１ｍｍ、空洞の体積率は５０％とした。
次に、このようにして作製したマトリックス部材を、上述した図４に示すように、電気炉内の上型と下型の間にセットし、上型のマトリックス部材の上の空間部分にＣｕ粉を充填し、その上に重錘を載せ、Ａｒガス雰囲気で１２００℃に加熱した。これによりＣｕ粉末が溶融し、マトリックス部材の空洞に溶浸された。これを冷却した後、観察した結果、マトリックス部材の空洞に充填材としてＣｕが充填していることが確認された。
上記素材を研磨加工して、φ６ｍｍ×５０ｍｍの熱膨張測定試料と、φ１０ｍｍ×２ｍｍの熱伝導測定試料を作製した。これらの試料を用いて、１０〜４０℃の熱膨張係数と、２５℃の熱伝導率を測定した結果、熱膨張係数が９．５ｐｐｍ／℃、熱伝導率が２１５Ｗ／ｍ・Ｋであった。
［第２の実施例］
次に、本発明の第２の実施例について説明する。
質量％で、０．３７％のＭｎおよび４．３％のＦｅを含み、残部がＣｒおよび不可避的不純物からなるＣｒ基合金の範囲内の組成を有するＣｒ基合金を電気炉で溶解し、高純度アルミナ製るつぼに鋳造した合金鋳塊をジョークラッシャーによって粗粉砕および振動ミルによる微粉砕後、篩分けして得た６３μｍ以下の粗粉末を撹拌型粉体球状化装置により球状化した。その後、ふるい分けして粒径１０〜４５μｍのＣｒ基合金粉末を作製し、造形原料とした。
次に、本発明の第２の実施例について説明する。
質量％で、０．３７％のＭｎおよび４．３％のＦｅを含み、残部がＣｒおよび不可避的不純物からなるＣｒ基合金の範囲内の組成を有するＣｒ基合金を電気炉で溶解し、高純度アルミナ製るつぼに鋳造した合金鋳塊をジョークラッシャーによって粗粉砕および振動ミルによる微粉砕後、篩分けして得た６３μｍ以下の粗粉末を撹拌型粉体球状化装置により球状化した。その後、ふるい分けして粒径１０〜４５μｍのＣｒ基合金粉末を作製し、造形原料とした。
レーザー式積層造形装置を用いて、出力２００Ｗ、レーザー移動速度８００ｍｍ/秒、レーザー走査ピッチ０．１ｍｍ、粉末積層厚さ０．０４ｍｍの条件で粉末を積層造形し、φ７×５１とφ１１×３ｍｍの格子状マトリックス部材を作製した。マトリックス部材の空洞の直径は１ｍｍ、空洞の体積率は５０％とした。
次に、このようにして作製したマトリックス部材を、上述した図４に示すように、電気炉内の上型と下型の間にセットし、上型のマトリックス部材の上の空間部分にＣｕ粉を充填し、その上に重錘を載せ、Ａｒガス雰囲気で１２００℃に加熱した。これによりＣｕ粉末が溶融し、マトリックス部材の空洞に溶浸された。これを冷却した後、観察した結果、マトリックス部材の空洞に充填材としてＣｕが充填していることが確認された。
上記素材を研磨加工して、φ６ｍｍ×５０ｍｍの熱膨張測定試料と、φ１０ｍｍ×２ｍｍの熱伝導測定試料を作製した。これらの試料を用いて、１０〜４０℃の熱膨張係数と、２５℃の熱伝導率を測定した結果、熱膨張係数が１０．８ｐｐｍ／℃、熱伝導率が２５１Ｗ／ｍ・Ｋであった。
１１；セラミック基板
１２；半導体素子
１３；ヒートシンク材
１４；フィン
２１；マトリックス部材
２２；充填材
３１；空洞
１２；半導体素子
１３；ヒートシンク材
１４；フィン
２１；マトリックス部材
２２；充填材
３１；空洞
Claims (9)
- 半導体デバイスに用いるヒートシンク材であって、
１０〜４０℃の平均熱膨張係数が５ｐｐｍ／℃以下であるＦｅ基合金またはＣｒ基合金の積層造形材からなり、連通した空洞を有する格子状をなすマトリックス部材と、前記マトリックス部材の前記空洞に充填されたＣｕまたはＣｕ合金からなる充填材とを有することを特徴とするヒートシンク材。 - 前記充填材は溶浸材であることを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク材。
- 前記充填材の体積率は、３０〜７０％であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヒートシンク材。
- 前記積層造形材の前記空洞の直径または１辺の長さが０．５ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のヒートシンク材。
- 前記マトリックス部材は、質量％で、Ｃ：０．０５％以下、Ｓｉ：０．４％以下、Ｍｎ：０．５％以下、Ｎｉ：３２．５〜３４．５％、Ｃｏ：６．０％以下を含有し、かつＮｉ＋０．７８Ｃｏ：３５．５〜３６．５％であり、残部がＦｅおよび不可避不純物からなるＦｅ基合金で構成されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のヒートシンク材。
- 前記マトリックス部材は、質量％で、Ｆｅ：３〜６％、Ｍｎ：０．１〜１％を含み、残部がＣｒおよび不可避不純物からなるＣｒ基合金で構成されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のヒートシンク材。
- 前記マトリックス部材は、質量％で、Ｆｅ：１．２％以下（０を含む）、Ｃｏ：１〜３％を含み、残部がＣｒおよび不可避不純物からなるＣｒ基合金で構成されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のヒートシンク材。
- １０〜４０℃の平均熱膨張係数が５ｐｐｍ／℃以下であるＦｅ基合金またはＣｒ基合金の粉末を、レーザーまたは電子ビームによって溶融・凝固させて積層造形し、連通した空洞を有する格子状をなすマトリックス部材を形成する工程と、
前記マトリックス部材の前記空洞に、ＣｕまたはＣｕ合金からなる充填材を充填させる工程を有することを特徴とするヒートシンク材の製造方法。 - 前記充填材は、溶浸により前記マトリックス部材の前記空洞に充填されることを特徴とする請求項８に記載のヒートシンク材の製造方法。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP6978650B1 (ja) * | 2020-09-14 | 2021-12-08 | 株式会社エヌ・ティ・ティ・データ・ザムテクノロジーズ | 積層造形物の熱処理方法および低熱膨張合金造形物の製造方法 |
-
2019
- 2019-11-28 JP JP2019215240A patent/JP2021086937A/ja active Pending
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| JP2022047833A (ja) * | 2020-09-14 | 2022-03-25 | 株式会社エヌ・ティ・ティ・データ・ザムテクノロジーズ | 積層造形物の熱処理方法および低熱膨張合金造形物の製造方法 |
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