JP3684440B2

JP3684440B2 - ヒートシンク及びその製造方法

Info

Publication number: JP3684440B2
Application number: JP25158798A
Authority: JP
Inventors: 学新井; 洋之宮本; 高佐藤
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 1998-01-29
Filing date: 1998-09-04
Publication date: 2005-08-17
Anticipated expiration: 2018-09-04
Also published as: JPH11284112A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子に発生した熱を放散するためのヒートシンク及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子（チップ）のマウントは、熱放出や電気的導出を目的として、搭載する素子の種類に応じて開発されてきた。特に、パワー素子のマウントでは損失による発熱がその小さな面積の素子内で生じるため、単位面積当りの発熱量が大きな値となるので、半導体素子温度を許容値内に抑えて当該素子の動作効率や信頼性を確保しながらできる限り大きな電流が扱えるようにするには、この発熱を効果的に放出することが重要となる。
【０００３】
そこで、この熱の放出に、その取り扱いの容易さから図４に示すようなヒートシンクＢを用いたマウントが使用されている。このヒートシンクＢは、銅、鉄又はそれらの合金を鋳造又は機械加工により円柱形状に形成したものであり、その上面にメッキ等により金の薄膜５１が形成されている。このヒートシンクＢは熱伝導性が良好であり損失熱の放出効率が高い。また薄膜５１は素子５２とヒートシンクＢとの接合を熱圧着で可能にし、熱的・電気的接触抵抗を極めて小さくすることができる。
【発明が解決しようとする課題】
このようなマウントは、従来からシリコンやガリウム砒素を基材とする半導体素子で使用されてきたが、素子とヒートシンクの熱膨張係数差が大きいことは無視されてきた。これは、シリコンやガリウム砒素の半導体素子を搭載したパワーデバイスの損失電力が精々十数ワット程度であるところから、熱膨張係数差によって発生する機械的応力が素子やその素子とヒートシンクとの接合部に永久破壊をもたらす程度には大きくならないので、問題とならなかったからである。
【０００４】
しかし、シリコンカーバイドを使用した素子では、シリコンやガリウム砒素を使用した素子と比較して、かなり大きな電流を扱うことがきるので、そこでの損失電力もシリコンやガリウム砒素を使用した素子と比較するとかなり大きく、数百ワット以上になることがあり、熱膨張係数差が無視できなくなる。
【０００５】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、その目的は、熱膨張係数をそこに搭載する半導体素子のそれに対応させることが容易であり、かつ熱伝導率も良好で、半導体素子との密着性も良好にすることが容易なヒートシンク及びその製造方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための第１の発明は、タングステン、モリブデン等の高融点の第１の金属の多孔質焼結体の少なくとも表面に、炭化層を形成し、銅、銀、金の少なくとも一つよりなる第２の金属を前記第１の金属の多孔質焼結体に含浸してなり、前記第１の金属と前記第２の金属との割合を、その熱膨張係数が搭載すべき半導体素子の熱膨張係数とほぼ同じになる値に設定して構成した。
【０００７】
第２の発明は、第１の発明において、前記第１の金属の含有率を、ほぼ５０〜９０重量％に設定して構成した。
【０００８】
第３の発明は、タングステン、モリブデン等の高融点の第１の金属の多孔質焼結体に炭素を含む樹脂を含浸させてから高温処理して炭化層を形成し、次に銅、銀、金のいずれか一つ以上からなる第２の金属を溶融含浸させて製造するよう構成した。
【０００９】
第４の発明は、タングステン、モリブデン等の高融点の第１の金属の多孔質焼結体を炭化雰囲気中で高温処理して炭化層を形成し、次に銅、銀、金のいずれか一つ以上からなる第２の金属を溶融含浸させて製造するよう構成した。
【００１０】
第５の発明は、第３又は第４の発明において、前記第２の金属の含浸に先だって、無電解メッキにより前記第２の金属と同じ金属の被膜を前記炭化層上に形成するよう構成した。
【００１４】
【発明の実施の形態】
［第１の実施の形態］
図１は本発明の第１の実施の形態のヒートシンクＡを示す図である。このヒートシンクＡは、タングステン粉末１１を焼結して作成した多孔質タングステン１を基材とし、これに銅２を含浸させたものである。この多孔質タングステン１の気孔率は、そこに含浸させる銅２とタングステンとの比率できまる実効的な熱膨張係数が、そこに搭載接着する半導体素子３の熱膨張係数に近くなるように設定する。例えば、ヒートシンクＡに占めるタングステン含有率が半導体素子に応じて、５０〜９０重量％となるように、その気孔率を設定する。また、このタングステン含有率は含浸銅２による熱伝導性向上効果も考慮して決める。
【００１５】
ヒートシンクＡに半導体素子３を搭載するときは、その半導体素子３がシリコンの場合は、ヒートシンクＡの上面に被着した金層４の上にＡｕ−Ｓｉの共晶合金を蒸着やスパッタ等により被着し、これを接着材５として加熱接着する。
【００１６】
また、半導体素子３がシリコンカーバイド場合は、上記の共晶合金の接着材５の上面に更にシリコンをスパッタにより被着し、これを炭化してシリコンカーバイド（図示せず）としてから、チタン含有のろう材（図示せず）を用いて接着することが好ましい。
【００１７】
また、同様に半導体素子３がシリコンカーバイドの場合は、多孔質タングステン１の全孔の表面に、または少なくとも周囲の孔の表面に炭化層（炭化タングステン層）を形成して、シリコンカーバイドとの接着性を向上させ、これに上記と同様な銅２の含浸を行ってから、金層４、あるいは必要に応じて接着材５によりシリコンカーバイドの半導体素子３を接着搭載させる。
【００１８】
［第２の実施の形態］
図２はヒートシンクＡの製造工程を示す図である。ここでは、多孔質タングステン１に樹脂を含浸させた上で高温処理することにより炭化層をすべての孔内表面に形成し、この炭化層上に含浸銅２の濡れ性向上用に無電解銅メッキ層を形成し、その後に銅を孔内に含浸させて製造する。
【００１９】
以下、詳しく説明する。まず図２の(a)に示すようにタングステン粉末１１を金型１２に入れてヒートシンクの形状に加圧成形する。このとき、タングステン粉末１１の粒径、加圧力を適当に選ぶことによって、種々の気孔率が得られる。例えば、約18〜23％の気孔率を得るには、50〜100μｍの粒径で〜１トンの加圧を行えばよい。
【００２０】
次に、図２の(b)に示すように、水素炉チャンバー１３内に水素ガス１４を1.0 kgf/cm²、5.0 ｌ/min程度流しながら、2400℃で60分間焼結させて、多孔質タングステン１を得る。
【００２１】
次に、図２の(c)に示すように、容器１５内でこの多孔質タングステン１に炭素を含む樹脂１６を含浸させてから、固化、乾燥させた後、図２の(d)に示すように、再度水素炉チャンバー１３内に入れて、水素ガス１４を1.0 kgf/cm²、5.0ｌ/min程度流しながら、1400〜2000℃で15〜60分間高温加熱して、多孔質タングステン１の全ての穴内表面に炭化層（炭化タングステン層）が10〜30μｍ厚で形成された多孔質タングステン１を得る。
【００２２】
更に続いて、図２の(e)に示すように、炭化層を形成された多孔質タングステン１を容器１７内で無電解メッキ液１８に浸し、無電解銅メッキを行う。これにより、炭化層の上面に約５〜50μｍ厚の無電解銅メッキ層が形成される。この銅メッキ層を形成する理由は、後の工程で銅を含浸させる際、表面の濡れ性を良好にし、確実な銅含浸が行われるようにするためである。
【００２３】
続いて、無電解銅メッキ層が孔表面に形成された多孔質タングステン１を銅片１９と共に、図２の(f)に示すように、坩堝２０に入れてから、これら全部を水素炉チャンバー１３に入れて、水素ガス１４を1.0 kgf/cm²、5.0 ｌ/min程度流しながら、1500℃で30分間高温加熱し、銅片１９を溶融させ多孔質タングステン１の孔内に含浸させる。
【００２４】
そして、この多孔質タングステン１の表面を研磨してから、その上面にスパッタやメッキ等により金層４を被着させて、図１に示したようなヒートシンクＡを得る。
【００２５】
［第３の実施の形態］
図３はヒートシンクの別の製造工程を示す図である。ここでは、多孔質タングステン１を炭化雰囲気中で高温処理することによって炭化層（膜厚：約100μｍ）を外周の表面に形成し、この炭化層上に無電解銅メッキ層を形成し、この後に銅２を含浸させる。
【００２６】
まず、図３の(a)〜(b)によって、図２の(a)〜(b)の場合と同様に、多孔質タングステン１を成形する。
【００２７】
続いて、図３の(c)に示すように、この多孔質タングステン１をカーボン製容器２１に入れてから、それら全部を再度水素炉チャンバー１３に入れ、水素ガス１４を1.0 kgf/cm²、5.0 ｌ/min程度流しながら、1400〜2000℃で15〜60分間高温加熱することにより、外周の表面に膜厚が約100μｍの炭化層が形成された多孔質タングステン１を得る。
【００２８】
次に、図３の(d)〜(e)により、図２の(e)〜(f)と同様に、炭化層の上面に５〜15μｍ厚の無電解銅メッキ層を形成すると共に、銅を溶融含浸させる。
【００２９】
このように、この第３の実施の形態は、炭化層を形成するために、カーボン製容器２１内で加熱させて多孔質タングステン１の外周表面を炭化させる点が第２の実施の形態と異なり、その他の工程は同じである。
【００３０】
［その他の実施の形態］
なお、以上で述べたヒートシンクＡの形状は円柱形状であったが、接合する素子の形状や用途に応じて種々の形状に成形できることは勿論であり、後から機械加工により形状を変更することもでき、さらにサイズの大きな板形状の多孔質タングステンに銅含浸を行った後に、ダイシングして個々のヒートシンクを作成することもできる。
【００３１】
また、ヒートシンクＡはその基材として、タングステンの他に同様の熱膨張係数で高耐熱のモリブデンを使用することも可能である。タングステンの熱膨張係数は4.59×10^-6／℃、モリブデンの熱膨張係数は5.1×10^-6／℃である。
【００３２】
また、孔内への含浸材料としては、銅２と同様に、タングステンやモリブデンに比べて熱伝導率の大きな銀や金を用いることができる。これらの銀や金は銅と同様に熱膨張係数もタングステンやモリブデンに比べて３倍程度（例えば銅は4.01W／cm℃）大きいので、タングステンやモリブデンに対する含有率を変化させることによって、銅と同様にヒートシンクとしての実効熱膨張係数を多様に調整することができる。
【００３３】
また、ヒートシンクの半導体素子に対する接着面には、金に限らず、銅、ニッケル等のメッキ層、スパッタ層、溶着層を被着することによって、半導体素子との接着に適した表面状態とすることができる。
【００３４】
また、ヒートシンクは、多孔質焼結体に限られず、粉末のタングステンやモリブデンと銅、銀、金の少なくとも一つの金属粉末の焼結体、混合体、又は溶着体として構成することもできる。
【００３５】
【発明の効果】
以上から本発明によれば、放熱すべき半導体素子の熱膨張係数に近い熱膨張係数で、同時に熱抵抗の少ないヒートシンクを実現することができる。特に、発熱量の大きなシリコンカーバイドを使用した半導体素子を搭載するヒートシンクとして好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態のヒートシンクの説明図である。
【図２】第２の実施の形態のヒートシンクの製造工程の説明図である。
【図３】第３の実施の形態のヒートシンクの製造工程の説明図である。
【図４】従来のヒートシンクの説明図である。
【符号の説明】
１：多孔質タングステン、２：含浸銅、３：半導体素子、４：金層、５：接着材、
１１：タングステン粉末、１２：金型、１３：水素炉チャンバー、１４：水素ガス、１５：容器、１６：樹脂、１７：容器、１８：無電解メッキ液、１９：銅片、２０：坩堝、２１：カーボン製容器。

Claims

タングステン、モリブデン等の高融点の第１の金属の多孔質焼結体の少なくとも表面に、炭化層を形成し、銅、銀、金の少なくとも一つよりなる第２の金属を前記第１の金属の多孔質焼結体に含浸してなり、前記第１の金属と前記第２の金属との割合を、その熱膨張係数が搭載すべき半導体素子の熱膨張係数とほぼ同じになる値に設定したことを特徴とするヒートシンク。
前記第１の金属の含有率を、ほぼ５０〜９０重量％に設定したことを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク。
タングステン、モリブデン等の高融点の第１の金属の多孔質焼結体に炭素を含む樹脂を含浸させてから高温処理して炭化層を形成し、次に銅、銀、金のいずれか一つ以上からなる第２の金属を溶融含浸させて製造することを特徴とするヒートシンクの製造方法。
タングステン、モリブデン等の高融点の第１の金属の多孔質焼結体を炭化雰囲気中で高温処理して炭化層を形成し、次に銅、銀、金のいずれか一つ以上からなる第２の金属を溶融含浸させて製造することを特徴とするヒートシンクの製造方法。
前記第２の金属の含浸に先だって、無電解メッキにより前記第２の金属と同じ金属の被膜を前記炭化層上に形成することを特徴とする請求項３又は４に記載のヒートシンクの製造方法。