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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