JP3736251B2 - 複合材料とその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、新規な複合材料に係り、特に低熱膨張性と高熱伝導性を有する銅複合材料とその製造方法及びそれを用いた半導体装置等の各種用途に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子デバイスによる電力やエネルギーの変換，制御に関連した技術、特にオン，オフモードで用いられる電力用電子デバイスとその応用技術としての電力変換システムがパワーエレクトロニクスである。
【０００３】
電力変換のため、各種のオン，オフ機能を持つ電力用半導体素子が用いられている。この半導体素子としては、ｐｎ接合体を内蔵し、一方向のみの導電性をもつ整流ダイオードをはじめ、種々のｐｎ接合の組合せ構造により、サイリスタ，バイボーラトランジスタ，MOSFET等が実用化され、更には絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）やゲート信号によりターンオフ機能を併せもつゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）も開発されている。
【０００４】
これらの電力用半導体素子は、通電により発熱し、その高容量化，高速化に伴い発熱量も増大する傾向にある。発熱に起因する半導体素子の特性劣化，短寿命化を防止するためには、放熱部を設け、半導体素子及びその近傍での温度上昇を抑制する必要がある。銅は、熱伝導率が３９３Ｗ／ｍ・ｋと大きく、かつ低価格であるため、放熱部材として一般に用いられている。しかし、電力用半導体素子を備える半導体装置の放熱部材は、熱膨張率が４.２×１０-6／℃ のＳｉと接合されるため、熱膨張率がこれに近い放熱部材が望まれる。銅は熱膨張率が１７×１０-6／℃と大きいため、半導体素子との半田接合性は好ましくなく、ＭｏやＷといった熱膨張率がＳｉと近い材料を放熱部材として用いたり、半導体素子と放熱部材の間に設けたりしている。
【０００５】
一方、電子回路を一つの半導体チップ上に集積させた集積回路（ＩＣ）は、その機能に応じてメモリー，ロジック，マイクロプロセッサ等に分類される。これらは電力用半導体素子に対し、電子用半導体素子と呼ばれる。これらの半導体素子の集積度や演算速度は年々増加し、それに伴い発熱量も増大している。ところで、一般に電子用半導体素子は、外気から遮断して故障や劣化を防止する目的で、パッケージ内に収納されている。この多くは、半導体素子がセラミックスにダイボンディングされ、密封されているセラミックスパッケージ及び樹脂で封止されているプラスチックパッケージである。また、高信頼性，高速化に対応するために、複数個の半導体装置を一つの基板上に搭載したマルチチップモジュール （ＭＣＭ）も製造されている。
【０００６】
プラスチックパッケージは、リードフレームと半導体素子の端子がボンディングワイヤにより接続され、これを樹脂で封止する構造になっている。近年は、半導体素子の発熱量の増大に伴い、リードフレームに熱放散性を持たせたパッケージや熱放散のための放熱板を搭載するパッケージも出現している。熱放散のためには、熱伝導率の大きい銅系のリードフレームや放熱板が多用されているが、
Ｓｉとの熱膨張差による不具合が懸念されている。
【０００７】
一方、セラミックスパッケージは、配線がプリントされたセラミック基板上に半導体素子が搭載され、金属やセラミックスのキャップで密封する構造を持つ。さらに、セラミック基板にはＣｕーＭｏやＣｕーＷの複合材料あるいはコバール合金などが接合され、放熱板としてして用いられているが、それぞれの材料において低熱膨張化あるいは高熱伝導化とともに加工性の向上，低コストが要求されている。
【０００８】
ＭＣＭはＳｉ，金属、あるいはセラミックスの基板上に形成された薄膜配線に複数個の半導体素子をベアチップで搭載し、これをセラミックスパッケージに入れ、リッドで封止する構造を持つ。放熱性が要求される場合には、パッケージに放熱板や放熱フィンを設置する。金属製の基板材料として、銅やアルミニウムが使用されており、これらは熱伝導度が高いという長所を持つが、熱膨張係数が大きく半導体素子との整合性が悪い。このため、低信頼性ＭＣＭの基板にはＳｉや窒化アルミニウム（ＡＩＮ）が用いられている。また、放熱板はセラミックスパッケージと接合されるため、熱膨張率の点でパッケージ材料と整合性が良く、熱伝導率の大きな材料が望まれている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、半導体素子を搭載した半導体装置は、いずれもその動作において熱を発生し、蓄熱されると半導体素子の機能を損ねる恐れがある。このため、発生する熱を外部に放散するための熱伝導性に優れた放熱板が必要となる。放熱板は、直接あるいは絶縁層を介して半導体素子と接合されるため、熱伝導性だけでなく、熱膨張の点でも半導体素子との整合性が要求される。
【００１０】
現在用いられている半導体素子は、主にＳｉ及びＧａＡＳである。これらの熱膨張係数は、それぞれ２.６×１０-6〜３.６×１０-6／℃，５.７×１０-6〜６.９×１０-6／℃ である。これらに近い熱膨張係数をもつ放熱板材料には、従来よりＡｌＮ，ＳｉＣ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｕ−Ｗ等が知られているが、これらは単一材料であるため、熱伝達係数と熱伝導率を任意にコントロールする事は困難であるとともに、加工性に乏しくコストが高いという問題がある。
【００１１】
最近になって、放熱板材料としてＡｌ−ＳｉＣが提案されている。これはＡｌとＳｉＣの複合材であり、両成分の比率を変えることによって熱伝達係数及び熱伝導率を広範囲にコントロールできるが、加工性が非常に悪く、コストが高いという問題がある。特開平8−78578号公報にはＣｕーＭｏ焼結合金、特開平9− 181220号公報にはＣｕ−Ｗ−Ｎｉ凝結合金、特開平9−209058 号公報にはＣｕ−ＳｉＣ焼結合金、特開平9−15773号公報にはＡｌ−ＳｉＣが提案されている。これらの従来公知の粉末冶金法による複合材は、両成分の比率を変えることによって熱膨張率及び熱伝導率を広範囲にコントロールできるが、強度や塑性加工性が低く、薄板の製造が困難であり、さらに粉末製造に関わるコスト高，製造工程の増加等の問題がある。
【００１２】
本発明は、塑性加工性に優れた複合材料及びその製造方法とそれを用いた半導体装置とその放熱板並びに静電吸着装置とその誘電体板を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、種々検討を重ねた結果、高熱伝導性のＣｕとそれより低熱膨張性のＣｕ2Ｏ を溶解法を用いて複合化してそれぞれ分散させることにより、上記問題点を解決できることを見いだした。
【００１４】
本発明は、金属と好ましくは該金属よりも熱膨張係数が小さい無機化合物を有する複合材料において、前記化合物は粒径１００μｍ以上の粒子が１mm四方当り５個以下、好ましくは２個以下、最も好ましくは零及び残りの大部分が好ましくは粒径５０μｍ以下、好ましくは２０μｍ以下の粒状に形成されていることを特徴とする。
【００１５】
本発明は、前記化合物は棒状の幹に粒子状の枝が形成されたデンドライト状に形成されていることを特徴とする。
【００１６】
本発明は、金属と無機化合物とを有する複合材料において、前記化合物は大部分が直径２０μｍ以下の棒状に形成されていることを特徴とする。前述の粒子は粒径５〜５０μｍが好ましく、また全体の１〜１０％が粒径１μｍ以下の微細粒子を形成しているのが好ましい。
【００１７】
本発明は、金属と無機化合物とを有する複合材料において、一方の方向、好ましくは凝固方向の熱膨張係数又は熱伝導率がその方向に対して直角又は垂直の方向よりも大きい値を有し、前者が１.０１〜１.３倍、好ましくは１.１〜１.３倍、後者が１.１〜３.０倍、好ましくは１.２〜２.５倍であることを特徴とする。本発明に係る複合材料は銅と酸化銅とを有する複合材料において特に好ましいものである。
【００１８】
本発明は、金属と直径が５〜３０μｍである棒状の無機化合物とを有する複合材料であり、好ましくは前記無機化合物はその全体に対して、断面の面積率で９０％以上が直径５〜３０μｍである棒状であることを特徴とする。本発明は、銅と酸化銅とを有する鋳造材又は焼結材よりなり、塑性加工されていることを特徴とする。
【００１９】
本発明は、銅，酸化銅と不可避的不純物を有する複合材料において、前記酸化銅は１０〜５５体積％でデンドライトを形成し、かつ室温から３００℃の線膨張係数が５×１０-6〜１７×１０-6／℃及び室温の熱伝導率が１００〜３８０Ｗ／ｍ・ｋであり、異方性を有することを特徴とする。
【００２０】
本発明は、銅，酸化銅好ましくは第一酸化銅（Ｃｕ2Ｏ ）と不可避的不純物を有する複合材料において、前記酸化銅は好ましくは１０〜５５体積％有し、一方向に配向した棒状であり、かつ室温から３００℃の線膨張係数が５×１０-6〜１７×１０-6／℃及び室温の熱伝導率が１００〜３８０Ｗ／ｍ・ｋであり、さらに配向方向の熱伝導率が配向方向に直角方向の熱伝導率より高く、好ましくはその差が５〜１００Ｗ／ｍ・ｋであることを特徴とする。
【００２１】
本発明は、金属と該金属に対して共晶組織を形成する無機化合物とを溶解し凝固する製造方法にあり、特に銅と酸化銅を有する複合材料の製造方法において、銅または銅及び酸化銅を原料とし、酸素分圧が１０-2Ｐａ〜１０3 Ｐａの雰囲気中で溶解後鋳造する工程と、８００℃〜１０５０℃で熱処理する工程及び冷間もしくは熱間で塑性加工する工程を含むことが好ましい。
【００２２】
本発明は、前述に記載の複合材料よりなることを特徴とする半導体装置用放熱板にある。また、その表面にＮｉめっき層を有することを特徴とする半導体装置用放熱板にある。
【００２３】
本発明は、放熱板上に搭載された絶縁基板及び該絶縁基板上に搭載された半導体素子を有する半導体装置において、前記放熱板は前述に記載の放熱板よりなることを特徴とする。
【００２４】
本発明は、放熱板上に搭載された半導体素子と、前記放熱板に接続されたリードフレームと、該リードフレームと半導体素子とを電気的に接続する金属ワイヤとを備え、前記半導体素子を樹脂封止した半導体装置において、前記放熱板は前述に記載の放熱板よりなることを特徴とする。
【００２５】
本発明は、放熱板上に搭載された半導体素子と、前記放熱板に接続されたリードフレームと、該リードフレームと半導体素子とを電気的に接続する金属ワイヤとを備え、前記半導体素子を樹脂封止するとともに、前記放熱板の少なくとも前記素子の接合面に対して反対の面側かが開放されている半導体装置において、前記放熱板は前述に記載の放熱板よりなることを特徴とする。
【００２６】
本発明は、放熱板上に搭載された半導体素子と、外部配線接続用ピンを有し、中央部に前記素子を収納する開放空間を有するセラミックス多層配線基板と、前記素子と基板の端子とを電気的に接続する金属ワイヤとを備え、前記素子を前記空間に設置するように前記放熱板と前記基板とを接合するとともに前記基板をリッドによって接合し前記素子を大気より遮断する半導体装置において、前記放熱板は前述に記載の放熱板よりなることを特徴とする。
【００２７】
本発明は、放熱板上に搭載された半導体素子と、外部配線接続用端子を有し、中央部に前記素子を収納する凹部を有するセラミックス多層配線基板と、前記素子と基板の端子とを電気的に接続する金属ワイヤとを備え、前記素子を前記凹部に設置するように前記放熱板と前記基板の凹部とを接合するとともに前記基板をリッドによって接合し前記素子を大気より遮断する半導体装置において、前記放熱板は前述に記載の放熱板よりなることを特徴とする。
【００２８】
本発明は、放熱板上に熱伝導性樹脂によって接合された半導体素子と、セラミックス絶縁基板に接合されたリードフレームと、前記素子とリードフレームとを電気的に接続するＴＡＢとを備え、前記放熱板と絶縁基板とを接合し前記素子を大気より遮断するとともに前記素子と絶縁基板との間に熱伝導性樹脂弾性体を介在させた半導体装置において、前記放熱板は前述に記載の放熱板よりなることを特徴とする。
【００２９】
本発明は、第１の放熱板上に金属によって接合された半導体素子と、接地板が接合された第２の放熱板の前記接地板上に前記第１の放熱板を搭載し、前記素子の端子に電気的に接続したＴＡＢとを備え、前記素子を樹脂封止した半導体装置において、前記放熱板は前述に記載の放熱板よりなることを特徴とする。
【００３０】
本発明は、前述に記載の複合材料よりなることを特徴とする静電吸着装置用誘電体板にある。
【００３１】
本発明は、電極層に電圧を印加することにより前記電極層上に接合された誘電体板と物体との間に静電吸引力を生じさせて前記誘電体板の表面に前記物体を固定する静電吸着装置において、前記誘電体板は前述に記載の誘電体板よりなることを特徴とする。
【００３２】
即ち、本発明に係る複合材料は金属として電気伝導率の高いＡｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ａｌが用いられ、特にＣｕは高融点で高強度を有する点で最も優れている。また、無機化合物として前述のようにベースの金属に対して極端に硬さの異なる従来のＳｉＣ，Ａｌ2Ｏ3等の化合物ではなく、比較的硬度の低い粒子で、室温から３００℃の範囲での平均線膨張係数が１０×１０-6／℃以下、より好ましくは７×１０-6／℃以下のものがよい。無機化合物としては、酸化銅，酸化錫，酸化鉛，酸化ニッケルが考えられる。特に、延性のある酸化銅が塑性加工性に富むので好ましい。
【００３３】
本発明に係る複合材料の製造方法は、銅及び酸化銅からなる原料を溶解，鋳造する工程と、８００℃〜１０５０℃で熱処理する工程及び冷間もしくは熱間で塑性加工する工程を含むことを特徴とする。
【００３４】
また、本発明に係る複合材料の製造方法は、銅または銅及び酸化銅からなる原料を１０-2Ｐａ〜１０3 Ｐａの酸素分圧下で溶解，鋳造する工程と、８００℃〜１０５０℃で熱処理する工程及び冷間もしくは熱間で塑性加工する工程を含むことを特徴とする。
【００３５】
原料として用いる酸化銅は第一酸化銅（Ｃｕ2Ｏ）または第二酸化銅（ＣｕＯ)のいずれでもよい。溶解，鋳造時の酸素分圧は１０-2Ｐａ〜１０3 Ｐａがよく、特に１０-1Ｐａ〜１０2 Ｐａが好ましい。また原料の配合組成，酸素分圧及び凝固時の冷却速度等を変えることにより、複合材料のＣｕ相とＣｕ2Ｏ 相の比率や、Ｃｕ2Ｏ 相の大きさ，形状を制御できる。Ｃｕ2Ｏ 相の比率は、１０〜５５体積％の範囲がよい。特にＣｕ2Ｏ 相が５５体積％以上になると、熱伝導率が低下と特性のバラツキを招くため、半導体装置の放熱板に不適となる。またＣｕ2Ｏ 相の形状は、凝固時に形成されたデンドライト形状が好ましい。これはデンドライトでは樹枝が複雑に入り組んでいるため、熱膨張が大きいＣｕ相の膨張を熱膨張が小さいＣｕ2Ｏ 相がピニングするためである。凝固時に形成されるデンドライト樹枝部は、原料の配合組成または酸素分圧を変えることにより、Ｃｕ相の場合、Ｃｕ2Ｏ 相の場合及びＣｕＯ相の場合に制御できる。また共晶反応によりＣｕ相中に粒状で微細なＣｕ2Ｏ 相を分散させ、強度向上を図ることが可能である。さらに鋳造後、８００℃〜１０５０℃で熱処理することにより、Ｃｕ2Ｏ 相の大きさ及び形状を制御できる。また上述の熱処理により凝固時に形成されたＣｕＯを内部酸化法を用いてＣｕ2Ｏ に変態させることも可能である。すなわちＣｕＯはＣｕと共存する場合、高温においては（１）式によりＣｕ2Ｏ に変態する方が熱的に安定であることを利用している。
【００３６】
２Ｃｕ＋ＣｕＯ→Ｃｕ＋Ｃｕ2Ｏ …（１）
（１）式が平衡に到達するためには所定の時間を要するが、例えば熱処理温度が９００℃の場合には、３時間程度で十分である。また前記熱処理によりＣｕ相中に共晶反応で生成した微細なＣｕ2Ｏ 相の大きさ及び形状を制御できる。
【００３７】
溶解方法は普通鋳造のほか、一方向凝固法や薄板連続鋳造法などいずれの方法でもよい。普通鋳造では、デンドライトが等方的に形成されるため、複合材料は等方化される。また、一方向凝固法では、Ｃｕ相とＣｕ2Ｏ 相が一方向に配向することにより、複合材料に異方性を付与できる。さらに薄板連続鋳造法では、凝固速度が速いため、デンドライトが微細となり、さらにデンドライトは板厚方向に配向し、薄板複合材料に異方性が付与できるとともに、製造コストの削減が可能となる。
【００３８】
さらに本発明の複合材料は、構成するＣｕ相及びＣｕ2Ｏ 相の硬さが低く、延性に富むため、圧延，鍛造などの冷間または熱間加工が可能であり、鋳造または熱処理後に必要に応じて施される。加工を付与することにより、複合材料に異方性が発現するほか、強度向上を図ることが出来る。特に冷間または熱間加工により、Ｃｕ2Ｏ 相は加工方向に伸ばされて配向し、その伸ばされた方向とそれに直角の方向とに熱特性，機械的特性に異方性が出現する。この時、伸ばされた配向方向の熱伝導率は配向方向に直角方向の熱伝導率より高く、その差が５〜１００Ｗ／ｍ・ｋとなる。
【００３９】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
【００４０】
【表１】
【００４１】
銅と純度２ＮのＣｕ2Ｏ 粉末を表１に示す比率で調合した原料を大気溶解後に鋳造した複合材料に関して、線膨張係数，熱伝導率及び硬さを測定した。熱膨張係数は、標準試料をＳｉＯ2 とし、押し棒式測定装置を用いて室温から３００℃の温度範囲で測定した。また熱伝導率はレーザーフラッシュ法により測定した。その結果を表１に併記した。また、得られた試料Ｎo.３のミクロ組織(１００倍)を図１に示す。視野は７２×９５μｍである。図に示す様に酸化銅はデンドライト状に形成されており、更に粒径１０〜５０μｍの粒状のものが大部分で、径１００μｍの塊のものが１個見られる。また、径が３０μｍ以下で長さが５０μｍ以上の棒状とデンドライト状のものが約１０個であり、更に基地に０.２μm以下の粒状のものが前述の棒状及びデンドライト状に形成した部分から０.５μm程度の幅の非形成帯があり、その部分を除いて分散しており、またそれが糸状に連らなったものも形成されている。
【００４２】
熱膨張係数及び熱伝導率は、表１より明らかなように、ＣｕとＣｕ2Ｏ の組成比を調整することによって、広範囲にわたって変化しており、放熱板に求められる熱的特性に制御できることがわかった。
【００４３】
一方、ミクロ組織は図１より明らかなように、Ｃｕ2Ｏ はデンドライトを形成し、Ｃｕ相とＣｕ2Ｏ 相が均一に分散した緻密な組織となっている。なお、写真中の白い部分がＣｕ相、黒い部分がＣｕ2Ｏ 相である。
【００４４】
硬さ測定の結果、Ｃｕ相はＨｖ７５〜８０、Ｃｕ2Ｏ がＨｖ２１０〜２３０の硬さであった。また、機械加工性を旋盤及びドリル加工で評価した結果、加工性は非常に良好であり、形状付与が容易であることがわかった。
【００４５】
（実施例２）
【００４６】
【表２】
【００４７】
一方向凝固法を用いて、銅と純度３ＮのＣｕ2Ｏ 粉末を表２に示す比率で調合した原料を、種々の酸素分圧下で溶解後に鋳造し、複合材料を作製した。酸素分圧１０-2Ｐａの雰囲気下で溶解後に鋳造した試料Ｎo.７のミクロ組織(１００倍)を図２に示す。写真から明らかなように、Ｃｕ2Ｏ 相はデンドライトを形成し、さらに粒径５〜５０μｍの粒状のものが大部分である。また、径が３０μｍ以下で長さ５０μｍ以上の直線状に連らなった棒状及びデンドライト状のものが約１６個形成された組織となっている。粒径１００μｍ以上の塊が１個見られる。基地にはほとんどが粒径０.２μｍ 以下のもの、またそれが糸状になって互いに網目状に連らなったものも形成されている。その基地での微細なＣｕ2Ｏ 粒子の形成は図１と同様に非形成帯がある。
【００４８】
また、酸素分圧１０3 Ｐａの雰囲気下で溶解後に鋳造した試料Ｎo.８のミクロ組織(１００倍)を図３に示す。写真から明らかなように、Ｃｕ2Ｏ 相はデンドライトを形成し、さらに一方向に配向した組織となっており、さらに原料及び酸素分圧を変化させることにより、Ｃｕ2Ｏ 相の形状及び密度を制御できることがわかった。図に示す様に粒径５〜３０μｍの粒状のもの、径が３０μｍ以下，長さ５０μｍ以上の棒状及びデンドライト状のものが約３３個形成されている。最も長いもので約２００μｍである。基地には図１及び図２と同様に粒径 ０.２μｍ以下の微細な粒子は前述の粒状，棒状，デンドライト状の形成周辺には図１と同様の非形成帯があり、本実施例ではこれらが全体に形成されているので、微細粒子の形成は少なくなっている。
【００４９】
表２に、上記２種類の複合材料の線膨張係数及び熱伝導率の測定結果を示す。その結果、いずれの複合材料においても、線膨張係数と熱伝導率に異方性が認められた。縦方向は鋳物の凝固方向であり、横方向は凝固方向に水平な方向である。熱膨張係数はＣｕ2Ｏの含有量が３０vol％以上になると縦方向が横方向より若干大きくなる。また、熱伝導率は縦方向が横方向よりも１.１ 倍以上大きくなる。
【００５０】
なお、原料溶湯中に酸素ガスをバブリングすることによっても、雰囲気ガスとして酸素を用いた場合と同様の結果が得られた。
【００５１】
（実施例３）
【００５２】
【表３】
【００５３】
前述の試料Ｎo.８を９００℃において９０％の加工度まで熱間加工した結果、加工性は健全であり、本発明の複合材料は、塑性加工性に優れることが判明した。図４は表３に示す試料Ｎo.９のミクロ組織（１００倍）である。鋳造ままのものに比較して配向性が顕著となり、またＣｕ2Ｏ 相は塑性加工方向に伸ばされ一方向に伸長し、かつ１から２０の範囲でアスペクト比を有する組織となった。棒径は２０μｍ以下で、１〜１０μｍがほとんどである。また、長さが１００μｍ以上のものは約１５個である。更に、鋳造時の０.２μｍ 以下の微細粒子は２〜５μｍ程度の粒子に成長して消失している。また表３に併記するように、上記試料Ｎo.９の線膨張係数及び熱伝導率には、いっそう顕著な異方性が認められた。特に、熱伝導率は棒状に沿った縦方向が横方向の１.２２ 倍の値を示した。また、熱膨張係数は縦方向が横方向よりも若干大きくなっている。
【００５４】
（実施例４）
【００５５】
【表４】
【００５６】
上記の試料Ｎo.９を９００℃にて３時間熱処理した表４に示す試料Ｎo.１０のミクロ組織（１００倍）を図５に示す。熱処理によりＣｕ2Ｏ 相は塑性加工方向に伸ばされ、配向性を有したままほとんどが棒径５〜３０μｍに粗大化していた。長さ１００μｍ以上のものが約５０個となり、熱処理前より連らなっている。また、微細粒子は粒径２〜５μｍの粒子となって消失している。また表４に併記するように、その線膨張係数及び熱伝導率は、試料Ｎo.９よりも異方性が小さくなった分、熱伝導率が各方向で上昇し、加工またはその後の熱処理による組織制御により、線膨張係数及び熱伝導率の異方性を制御できた。縦方向の熱伝導率は横方向のそれの１.１１倍であった。
【００５７】
（実施例５）
原料粉として、粒径７５μｍ以下の電解Ｃｕ粉，粒径１〜２μｍのＣｕ2Ｏ 粉末を用い、Ｃｕ粉末とＣｕ2Ｏ粉末をＣｕ−５５体積％Ｃｕ2Ｏの組成比で５５０ｇ調合した後、スチールボールを入れたＶミキサー中で１０時間混合した。混合粉末を直径８０mmの金型に注入し、６００kg／cm2 の圧力で冷間プレスして直径８０mm×２２mmの予備成形体を得た。その後、予備成形体をアルゴンガス雰囲気中で９７５℃×３時間の焼結を行った。次いで、得られた焼結体を８００℃に加熱して２００トンプレスで鍛練比１.８ まで鍛造した後５００℃で軟化焼鈍し、組織観察，熱伝達係数及び熱伝導率の測定に供した。
【００５８】
鍛造材は、側面に多少の耳割れが観察されたが、それ以外の部分は健全であり、本発明の銅複合材料は、塑性加工性に優れることが判明した。
【００５９】
鍛造材の鍛伸方向に平行な面のミクロ組織（３００倍）を観察した結果、Ｃｕ相及びＣｕ2Ｏ 相は、変形して鍛伸方向に配向しているが、クラック等の欠陥は認められない。Ｃｕ2Ｏ 粒子は９５％以上が連らなった塊となり、塑性加工によって伸ばされた方向に延ばされていた。
【００６０】
表５は、レーザーフラッシュ法による熱伝導率の測定結果を示すが、鍛造しない焼結ままの状態では、熱伝導率の異方性は認められない。しかし、鍛造することによって異方性が生じ、Ｃｕ相及びＣｕ2Ｏ 相の配向方向（鍛伸方向）に対して平行なＬ方向の熱伝導率は、それに直角なＣ方向（鍛造方向）の２倍以上の値を示している。また、室温から３００℃までの熱膨張係数を測定した結果、異方性が認められる。
【００６１】
【表５】
【００６２】
（実施例６）
本発明の銅複合材料を、パワー半導体素子の内、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor；以下ＩＧＢＴと略す）モジュールの放熱板（ベース板）に適用した実施例を述べる。
【００６３】
図６はモジュール内部の平面図、図７はモジュールの一部の断面図を示す。
【００６４】
ＩＧＢＴ素子１０１４個とダイオード素子１０２２個は半田２０１により銅箔２０２，２０３を図示していない銀ろう材でＡｌＮ板２０４に接合したＡｌＮ基板１０３に接続される。ＡｌＮ基板１０３上にはエミッタ配線１０４とコレクタ配線１０５，ゲート配線１０６の領域が形成されており、ＩＧＢＴ素子１０１とダイオード素子１０２は、コレクタ配線１０５領域に半田付けされる。各素子からは、金属ワイヤ１０７によってエミッタ配線１０４に接続される。また、ゲート配線１０６領域上には抵抗素子１０８が配置され、ＩＧＢＴ素子１０１のゲートパッドから金属ワイヤ１０７によって抵抗素子１０８に接続される。半導体素子を搭載したＡｌＮ基板１０３の６基板は、半田２０５によって本発明に係るＣｕ−Ｃｕ2Ｏ 合金からなるベース材１０９に接続される。各絶縁基板間は、端子２０６と樹脂性のケース２０７が一体になったケースブロック２０８の端子２０６とＡｌＮ基板１０３を半田２０９によって配線する。また、ケース２０７とベース１０９はシリコンゴム系接着剤２１０によって接続される。ケースブロック２０８の端子接続は、主端子が各ＡｌＮ基板１０３上でエミッタ端子接続位置１１０，エミッタセンス端子接続位置１１１，コレクタ接続端子位置１１２が各々２箇所、ゲート端子接続位置１１３が１箇所で接続される。次に、樹脂注入口を持ったケース蓋２１１から端子全面が被覆されるようシリコンゲル２１２を注入し、その後熱硬化型エポキシ樹脂２１３を全面に注入してモジュールを完成させる。
【００６５】
【表６】
【００６６】
表６に一般的に使用されるベース材と、本発明の実施例１〜５で得られるＣｕ−Ｃｕ2Ｏ 合金材でＣｕー３０体積％Ｃｕ2Ｏ の熱膨張係数と熱伝導率を示す。Ｃｕ−Ｃｕ2Ｏ ベース材料を用いた半導体素子は、一般的に使用されるＣｕベースのモジュールに比べて熱膨張係数が小さく、ＡｌＮ基板１０３とベース１０９を接続する半田２０９の信頼性を向上させることができる。その一方で、過酷な使用環境下で半田の信頼性を向上させるために使用されるＭｏやＡｌ−ＳｉＣベースは、Ｃｕ−Ｃｕ2Ｏ ベースを用いた半導体素子に比べて熱膨張係数は小さいが、熱伝導率も小さく、モジュールの熱抵抗が大きくなる問題が生じる。本実施例のＣｕ−Ｃｕ2Ｏ ベースを搭載したモジュールでは、信頼性(熱疲労試験寿命)はＣｕベースに比べ５倍以上、熱抵抗は同じベース厚さのモジュールで、Ｍｏベースに比べて０.８倍以下にすることができる。
【００６７】
これらの効果により、モジュールの構造や他の部材の選択の幅を拡げることが可能となる。例えば、図６の実施例では、Ｃｕ−Ｃｕ2Ｏ 合金ベース材はＭｏベース材に比べて熱伝導率が大きい、言い換えれば熱拡がり性が向上するため，動作時の半導体素子端部と中央部の温度差を小さく抑えられる効果があり、半導体素子を従来モジュールに比べ約１.２ 倍に大きくしている。これにより、従来素子では同じ電流量を確保するために、ＩＧＢＴで３０個使用していた構造を２４で設計が可能になり、モジュールサイズを小型化することができた。さらに、ＡｌＮより熱伝導率が約２０％小さいアルミナ基板を絶縁基板に使用することが可能になる。アルミナはＡｌＮに比べ抗折強度が強く、基板サイズを大きくすることができる。また、アルミナ板は熱膨張係数がＡｌＮ板に比べ大きく、ベース材料との熱膨張差を小さくできるので、モジュール自身の反り量も小さくすることができる。アルミナ基板の使用により、基板の許容サイズを大きくできるので、１枚当りの搭載できる半導体素子数を多くすることができる。つまり、各絶縁板毎に必須な絶縁確保用の面積や基板間の面積を減らすことができ、モジュールサイズを小さくすることが可能である。
【００６８】
図８は、本実施例のモジュール製造過程の模式図を示す。(ａ)Ｃｕ−Ｃｕ2Ｏ からなるベース材１０９は、表面がＮｉめっきされ、ほぼ平坦な状態で入荷される。（ｂ）半導体素子であるＩＧＢＴ素子１０１を半田により接合したＡｌＮ基板１０３を半田２０５により接合する。この時ベース材１０９の熱膨張係数が半導体素子とＡｌＮ基板の複合体より大きいので、半田の冷却過程でモジュール裏面が凹の形状で反る。（Ｃ）ケースブロック２０８を熱硬化型の接着剤で組立てる工程で、半田接合完了の複合体３０１に比べケースの熱膨張係数が大きいため、接着剤の冷却過程でモジュール裏面がほぼ平坦になる。（ｄ）モジュール内部にシリコンゲル２１２，熱硬化型エポキシ樹脂２１３を充填すると、樹脂の熱膨張係数が大きいためモジュール裏面が凸の形状で反る。
【００６９】
図９に、各工程での裏面反り量の実測結果を示す。本発明のＣｕ−Ｃｕ2Ｏ ベースを使用すると、反り量は従来のＭｏベースを使用したモジュールに比べると、約１／３に抑えることができる。また、Ｃｕベースの結果は図示していないが、ＡｌＮ基板との膨張係数差が大きく（ｂ）の工程で裏面が凹の方向で反り量が大きく、モジュール完成後でも裏面が凹で１００μｍ以上の反りが発生する。本発明のＣｕ−Ｃｕ2Ｏ ベースではモジュールの反り量を小さくすることができるのでモジュールの大型化が可能になる。また、組立工程での反り量と同じく、モジュール実働時の温度変化による反りの変化量も小さいので、モジュールと冷却フィンの間に塗布するグリースの流失をおさえることができる。
【００７０】
図１０に、本発明のモジュールを適用した電力変換装置の一実施例を示す。モジュール５０１は、ヒートシンク５１１上に放熱性グリース５１０をはさんで締め付けボルト５１２により実装され、２レベルインバータを構成した例を示す。一般的にパワー半導体装置のモジュール５０１は、中間点（Ｂ点）を一本の中間点配線５０３で配線できるように左右を反転させて実装する。コレクタ側配線５０２とエミッタ側配線５０４は各々ｕ，ｖ，ｗ相を配線して電源５０９を供給する。信号線は各ＩＧＢＴのモジュール５０１〜ゲート配線５０５，エミッタ補助配線５０６，コレクタ補助配線５０７によって構成する。５０８は負荷である。
【００７１】
図１１及び図１２に、モジュールを実装した場合の締め付け前及び後のモジュール裏面の反り量（グリース厚さ）を示し、（ａ）が本発明の実施例１〜４に示したＣｕ−Ｃｕ2Ｏ 合金を用いたもの、（ｂ）が従来法のものである。従来知られているＡｌ−ＳｉＣベースのモジュールの場合、裏面の凸量が約１００μｍであるが、モジュールをグリースを塗布して締め付けると、締め付け時にグリースに押されて変形し、逆にモジュールの裏面が凹の状態に変形して中央部でのグリース厚さが厚くなり、接触抵抗が大きくなる。これに対して、本発明のＣｕ−３０体積％Ｃｕ2Ｏ ベースの場合、初期の裏面の反り量が約５０μｍであるが、ベース材の剛性が大きいので、グリースを塗布して締め付けた後のモジュール中央部のグリース厚さを約５０μｍに抑えられ、従来のＡｌ−ＳｉＣベースに比べて半減させることができた。さらにモジュール内でのグリース厚さのばらつきも小さくすることができる。実装時のグリースに押されて変形する問題は、Ｃｕ−Ｃｕ2Ｏ 合金よりも剛性の小さなＣｕベースモジュールの実装時にも当然発生する問題となり、本発明のＣｕ−Ｃｕ2Ｏ 合金で対策できる。
【００７２】
図に示すように、本発明のＣｕ−Ｃｕ2Ｏ 合金ベースは従来の高信頼性モジュールで適用されていたＭｏあるいはＡｌ−ＳｉＣ等のベース材に比べ熱抵抗，接触熱抵抗を小さくすることができることを説明した。それにより、図１０に示すようにモジュールを細密の状態で実装できた。さらに、冷却フィンの冷却効率を下げることができるので電力変換装置の実装面積，体積を小さくすることができる。また、グリース厚さを薄くできることから、冷却フィンの平坦度の許容範囲を大きく設定できるので、大型フィンでの電力変換装置の組立も可能になる。また、強制空冷等の補助冷却機能をなくすこともでき、この点でも小型化，低騒音化を図ることができる。
【００７３】
（実施例７）
実施例１〜５に記載の本発明の銅ー酸化銅合金からなる複合材料を放熱板として図１３及び図１４に示すＩＣを搭載したプラスチックパッケージに適用した。図１３は放熱板内蔵型であり、図１４は放熱板露出型である。
【００７４】
放熱板は、モールド樹脂の熱膨張係数を考慮して、室温から３００℃における熱膨張係数が９×１０-6〜１４×１０-6／℃の範囲となるように、Ｃｕ−２０〜５５体積％Ｃｕ2Ｏ の範囲内で組成を変えて作製し、機械加工及びＮｉめっき処理を施して供した。
【００７５】
図１３でパッケージ構造を説明する。リードフレーム３１は、絶縁性ポリイミドテープ３２を介して本発明の銅複合材料からなるＮｉめっきされた放熱板３３と接着されている。ＩＣ３４は放熱板３３とはんだにて接合されている。また、Ａｕワイヤ３５でＩＣ上のＡｌ電極とリードフレームが接続されている。これらは、リードフレームの一部を除き、エポキシ樹脂，シリカ製フィラー、および硬化剤を主成分とするモールド樹脂３６で封止されている。図１４に示した放熱板露出型のパッケージは、放熱板３３がモールド樹脂の外部に露出している点が図１３と異なる。
【００７６】
上記のようにして実装されたパッケージについて、反りや放熱板とモールド樹脂との接合部分でのクラックの有無を観察した。その結果、モールド樹脂と放熱板との熱膨張差が０.５×１０-6／℃ 以下であれば問題がなく、組成的にはＣｕ−２０〜３５体積％Ｃｕ2Ｏ が熱伝導率も２００Ｗ／ｍ・ｋと高く、好適であった。
【００７７】
（実施例８）
図１５及び図１６は、実施例１〜５に記載の本発明の銅複合材料を放熱板として用い、ＩＣを搭載したセラミックスパッケージの断面図を示す。まず、図１５について説明する。ＩＣ４１はポリイミド系樹脂にてＮｉめっきされた放熱板４２に接合されている。さらに、放熱板４２とＡｌ2Ｏ3製のパッケージ４３ははんだにより接合されている。パッケージにはＣｕによる配線がなされ、かつ配線基板との接続用にピン４４が設けられている。ＩＣ上のＡｌ電極とパッケージの配線とは、Ａｌワイヤ４５で接続されている。これらを封止するために、コバール製のウエルドリング４６をパッケージにＡｇろうで接合し、さらにウエルドリングとコバール製のリッド４７をローラー電極を用いて溶接した。図１６は、図１５のセラミックスパッケージに放熱フィン４８を接続したパッケージである。
（実施例９）
図１７及び図１８は、ＴＡＢ（Tape Automated Bonding）技術を適用し、かつ実施例１〜４に記載の本発明の銅複合材料を放熱板に使用したパッケージについて説明する。
【００７８】
まず、図１７のパッケージについて説明する。ＩＣ５１は熱伝導性樹脂５２を介してＮｉめっきされた本発明に係る放熱板５３を接合されている。ＩＣの端子にはＡｕバンプ５４が形成され、ＴＡＢ５５と接続されており、さらにＴＡＢは薄膜配線５６を経由してリードフレーム５７と接続されている。ＩＣはＳｉゴム５８を挿んで、Ａｌ2Ｏ3製のセラミック基板５９，フレーム６０、およびシーリングガラス６１で密封されている。
【００７９】
図１８は、樹脂で封止したパッケージである。ＩＣ６５は、Ａｕ−Ｓｉ合金６６により、Ｎｉめっきされた本発明に係る放熱板６７と接合されており、さらに、熱伝導性樹脂６８により銅接地板６９及びＮｉめっきされた本発明に係る放熱板７０と接続されている。一方、ＩＣの端子は、Ａｕバンプ７１でＴＡＢ７２と接続され、樹脂７３にて封止されている。ここで、リードフレーム及び放熱板の一部は、封止樹脂の外部に露出している。また、ＴＡＢはエポキシ系Ａｇペースト７４で銅接地板に固定されている。
【００８０】
（実施例１０）
図１９は、実施例１〜４に記載の本発明の銅複合材料を放熱板に適用したMCMの実施例を示す。ＩＣ８１はＡｕワイヤ８２を用いて、Ｎｉめっきされた本発明に係る放熱板８３の上に形成された薄膜配線８４に接続され、さらに、ＡｕワイヤでＡｌＮ製のパッケージ８５上に形成されている配線に接続され、外部端子８６として取り出されている。ＩＣ部は、４２合金製のリッド８７とパッケージのＷメタライズ層の間にＡｕ−Ｓｎ製のプリフォーム８８を挿んで接合し、密封されている。
【００８１】
（実施例１１）
図２０は、本発明の複合材料を誘電体板に使用した静電吸着装置の断面図である。
【００８２】
本静電吸着装置は、図２０に示すように、真空処理室９５内部の減圧雰囲気中で導体または半導体からなる加工物９０に加工を施すスパッタリング装置のチャックとして使用可能である。本静電吸着装置の電極９４に直流電源装置９１からの電圧（５００Ｖ程度）を印加すると、誘電体板９２の表面に加工物９０を吸着させることができる。本実施例に用いた誘電体板は実施例１〜４に記載の銅−酸化銅合金からなる複合材料を用いた。
【００８３】
さて、実際のスパッタリングに際しては、本静電吸着装置に加工物９０を装着した後、ガス排気口９７に連結された排気ポンプを駆動することによって、真空処理室９５の内部圧力が１×１０-3Ｐａ程度になるまで真空排気する。その後、ガス導入口９６に取り付けられたバルブを開放することによって、真空処理室９５の内部に反応ガス（アルゴンガス等）を１０ＳＣＣＭ程度導入する。このときの真空処理室９５の内部圧力は２×１０-2Ｐａ程度である。
【００８４】
その後、本静電吸着装置の電極９４の高周波電源１３から約４ｋＷの高周波電力(１３.５６ＭＨｚ）を供給することによって、本静電吸着装置の電極９４と他の電極（不図示）との間にプラズマを生成させる。この場合、高周波印加電圧ＶDC及びＶPPは、２ｋＶ及び４ｋＶである。なお、本静電吸着装置の電極９４と高周波電源９３との間に挿入されているマッチングボックス９８は、高周波電力がプラズマに効率的に供給されるように真空処理室９５側とのインピーダンス整合をとるためのものである。
【００８５】
このスパッタリング装置を実際に使用した結果、加工中に加工物９０の温度は４５０℃程度まで達したが、本静電吸着装置の誘電体板９２には、異物発生の原因となる割れ等は認められなかった。このことは、本静電吸着装置の使用が、加工の信頼性向上に有用であることを意味する。
【００８６】
なお、スパッタリング装置のほか、減圧雰囲気で導体または半導体（例えば、シリコン基板）からなる加工物に加工を施す加工装置（いわゆる、減圧中加工装置）、例えば、化学的気相蒸着装置，物理的蒸着装置，ミリング装置，エッチング装置，イオン注入装置等のチャックとして本静電吸着装置を使用しても、加工の信頼性の向上という同様の効果が達成されることは言うまでもない。
【００８７】
本実施例によれば、静電吸着装置の誘電体板の絶縁破壊強度を低下させることなく、その耐熱性を向上させることができる。従って、本発明に係る静電吸着装置を減圧中加工装置のチャックとして利用すれば、誘電体板の割れ等に起因する異物の発生を低減することができる。
【００８８】
【発明の効果】
本発明の銅複合材料は、塑性加工性に優れ、特に高熱伝導性を有するＣｕ相と低熱膨張性を有するＣu2Ｏ相からなる複合材料、両者の特性をＣｕ相及びＣu2Ｏ相の含有量を調整することにより、熱膨張係数及び熱伝導率が制御可能であるため、半導体装置等に搭載される放熱板として広範囲にわたって適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１に係る試料のミクロ組織を示す光学顕微鏡写真。
【図２】本発明の実施例２に係る試料のミクロ組織を示す光学顕微鏡写真。
【図３】本発明の実施例２に係る試料のミクロ組織を示す光学顕微鏡写真。
【図４】本発明の実施例３に係る試料のミクロ組織を示す光学顕微鏡写真。
【図５】本発明の実施例４に係る試料のミクロ組織を示す光学顕微鏡写真。
【図６】本発明の実施例６に係るＩＧＢＴモジュールの平面図。
【図７】本発明の実施例６に係るＩＧＢＴモジュールの断面図。
【図８】本発明の実施例６に係るＩＧＢＴモジュールの製造工程の模式図。
【図９】本発明の実施例６に係るＩＧＢＴモジュールの各製造工程でのベース反り量を示すグラフ。
【図１０】本発明の実施例６に係るＩＧＢＴモジュールを実装した電力変換装置の平面図及び断面図。
【図１１】本発明の実施例６に係るＩＧＢＴモジュールを実装した電力変換装置のモジュールの実装前における反り量を示すグラフ。
【図１２】本発明の実施例６に係るＩＧＢＴモジュールを実装した電力変換装置のモジュールの実装後における反り量を示すグラフ。
【図１３】本発明の実施例７に係る放熱板内蔵型プラスチックパッケージの断面図。
【図１４】本発明の実施例７に係る放熱板露出型プラスチックパッケージの断面図。
【図１５】本発明の実施例８に係るセラミックパッケージの断面図。
【図１６】本発明の実施例８に係る放熱フィン付きセラミックパッケージの断面図。
【図１７】本発明の実施例９に係る半導体装置の断面図。
【図１８】本発明の実施例９に係る半導体装置の断面図。
【図１９】本発明の実施例１０に係るＭＣＭの断面図。
【図２０】本発明の実施例１１に係る静電吸着装置の断面図。
【符号の説明】
２１…ＩＧＢＴ素子、２２…ダイオード、２３…コレクタ電極、２４…ゲート電極、２５…エミッタ電極、２６…ＡｌＮ製絶縁板、２７，３３，４２，５３，６７，７０…放熱板、３１，５７…リードフレーム、３２…絶縁性ポリイミドテープ、３４，４１，５１，６５，８１…ＩＣ、３５，８２…Ａｕワイヤ、３６…モールド樹脂、４３，８５…パッケージ、４４…ピン、４５…Ａｌワイヤ、４６…ウエルドリング、４７…リッド、４８…放熱フィン、５２，６８…熱伝導性樹脂、５４，７１…Ａｕバンプ、５５，７２…ＴＡＢ、５６…薄膜配線、５８…Ｓｉゴム、５９…セラミック基板、６０…フレーム、６１…シーリングガラス、６６…Ａｕ−Ｓｉ合金、６９…銅接地板、７３…樹脂、７４…エポキシ系Ａｇペースト、８３…放熱基板、８４…薄膜配線、８６…外部端子、８７…リッド、８８…プリフォーム、９０…加工物、９１…直流電源装置、９２…誘電体板、９３…高周波電源、９４…電極、９５…真空処理室、９６…ガス導入口、９７…ガス排気口、９８…マッチングボックス、１０１…ＩＧＢＴ素子、１０２…ダイオード素子、１０３…ＡｌＮ基板、１０４…エミッタ配線、１０５…コレクタ配線、１０６…ゲート配線、１０７…金属ワイヤ、１０８…抵抗素子、１０９…ベース材、１１０…エミッタ端子接続位置、１１１…エミッタセンス端子接続位置、１１２…コレクタ端子接続位置、１１３…ゲート端子接続位置、２０１，205,２０９…半田、２０２…半導体素子側銅箔、２０３…ベース側銅箔、２０４…ＡｌＮ板、２０６…端子、２０７…ケース、２０８…ケースブロック、２１０…シリコンゴム系接着剤、２１１…ケース蓋、２１２…シリコンゲル、２１３…熱硬化型エポキシ樹脂、３０１…半導体素子からベース材まで接続した複合体、５０１…モジュール、５０２…コレクタ側配線、５０３…中間点配線、５０４…エミッタ側配線、５０５…ゲート配線、５０６…エミッタ補助配線、５０７…コレクタ補助配線、５０８…負荷（モーター）、５０９…電源、５１０…放熱性グリース、５１１…ヒートシンク、５１２…モジュール締め付けボルト。
【発明の属する技術分野】
本発明は、新規な複合材料に係り、特に低熱膨張性と高熱伝導性を有する銅複合材料とその製造方法及びそれを用いた半導体装置等の各種用途に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子デバイスによる電力やエネルギーの変換，制御に関連した技術、特にオン，オフモードで用いられる電力用電子デバイスとその応用技術としての電力変換システムがパワーエレクトロニクスである。
【０００３】
電力変換のため、各種のオン，オフ機能を持つ電力用半導体素子が用いられている。この半導体素子としては、ｐｎ接合体を内蔵し、一方向のみの導電性をもつ整流ダイオードをはじめ、種々のｐｎ接合の組合せ構造により、サイリスタ，バイボーラトランジスタ，MOSFET等が実用化され、更には絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）やゲート信号によりターンオフ機能を併せもつゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）も開発されている。
【０００４】
これらの電力用半導体素子は、通電により発熱し、その高容量化，高速化に伴い発熱量も増大する傾向にある。発熱に起因する半導体素子の特性劣化，短寿命化を防止するためには、放熱部を設け、半導体素子及びその近傍での温度上昇を抑制する必要がある。銅は、熱伝導率が３９３Ｗ／ｍ・ｋと大きく、かつ低価格であるため、放熱部材として一般に用いられている。しかし、電力用半導体素子を備える半導体装置の放熱部材は、熱膨張率が４.２×１０-6／℃ のＳｉと接合されるため、熱膨張率がこれに近い放熱部材が望まれる。銅は熱膨張率が１７×１０-6／℃と大きいため、半導体素子との半田接合性は好ましくなく、ＭｏやＷといった熱膨張率がＳｉと近い材料を放熱部材として用いたり、半導体素子と放熱部材の間に設けたりしている。
【０００５】
一方、電子回路を一つの半導体チップ上に集積させた集積回路（ＩＣ）は、その機能に応じてメモリー，ロジック，マイクロプロセッサ等に分類される。これらは電力用半導体素子に対し、電子用半導体素子と呼ばれる。これらの半導体素子の集積度や演算速度は年々増加し、それに伴い発熱量も増大している。ところで、一般に電子用半導体素子は、外気から遮断して故障や劣化を防止する目的で、パッケージ内に収納されている。この多くは、半導体素子がセラミックスにダイボンディングされ、密封されているセラミックスパッケージ及び樹脂で封止されているプラスチックパッケージである。また、高信頼性，高速化に対応するために、複数個の半導体装置を一つの基板上に搭載したマルチチップモジュール （ＭＣＭ）も製造されている。
【０００６】
プラスチックパッケージは、リードフレームと半導体素子の端子がボンディングワイヤにより接続され、これを樹脂で封止する構造になっている。近年は、半導体素子の発熱量の増大に伴い、リードフレームに熱放散性を持たせたパッケージや熱放散のための放熱板を搭載するパッケージも出現している。熱放散のためには、熱伝導率の大きい銅系のリードフレームや放熱板が多用されているが、
Ｓｉとの熱膨張差による不具合が懸念されている。
【０００７】
一方、セラミックスパッケージは、配線がプリントされたセラミック基板上に半導体素子が搭載され、金属やセラミックスのキャップで密封する構造を持つ。さらに、セラミック基板にはＣｕーＭｏやＣｕーＷの複合材料あるいはコバール合金などが接合され、放熱板としてして用いられているが、それぞれの材料において低熱膨張化あるいは高熱伝導化とともに加工性の向上，低コストが要求されている。
【０００８】
ＭＣＭはＳｉ，金属、あるいはセラミックスの基板上に形成された薄膜配線に複数個の半導体素子をベアチップで搭載し、これをセラミックスパッケージに入れ、リッドで封止する構造を持つ。放熱性が要求される場合には、パッケージに放熱板や放熱フィンを設置する。金属製の基板材料として、銅やアルミニウムが使用されており、これらは熱伝導度が高いという長所を持つが、熱膨張係数が大きく半導体素子との整合性が悪い。このため、低信頼性ＭＣＭの基板にはＳｉや窒化アルミニウム（ＡＩＮ）が用いられている。また、放熱板はセラミックスパッケージと接合されるため、熱膨張率の点でパッケージ材料と整合性が良く、熱伝導率の大きな材料が望まれている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、半導体素子を搭載した半導体装置は、いずれもその動作において熱を発生し、蓄熱されると半導体素子の機能を損ねる恐れがある。このため、発生する熱を外部に放散するための熱伝導性に優れた放熱板が必要となる。放熱板は、直接あるいは絶縁層を介して半導体素子と接合されるため、熱伝導性だけでなく、熱膨張の点でも半導体素子との整合性が要求される。
【００１０】
現在用いられている半導体素子は、主にＳｉ及びＧａＡＳである。これらの熱膨張係数は、それぞれ２.６×１０-6〜３.６×１０-6／℃，５.７×１０-6〜６.９×１０-6／℃ である。これらに近い熱膨張係数をもつ放熱板材料には、従来よりＡｌＮ，ＳｉＣ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｕ−Ｗ等が知られているが、これらは単一材料であるため、熱伝達係数と熱伝導率を任意にコントロールする事は困難であるとともに、加工性に乏しくコストが高いという問題がある。
【００１１】
最近になって、放熱板材料としてＡｌ−ＳｉＣが提案されている。これはＡｌとＳｉＣの複合材であり、両成分の比率を変えることによって熱伝達係数及び熱伝導率を広範囲にコントロールできるが、加工性が非常に悪く、コストが高いという問題がある。特開平8−78578号公報にはＣｕーＭｏ焼結合金、特開平9− 181220号公報にはＣｕ−Ｗ−Ｎｉ凝結合金、特開平9−209058 号公報にはＣｕ−ＳｉＣ焼結合金、特開平9−15773号公報にはＡｌ−ＳｉＣが提案されている。これらの従来公知の粉末冶金法による複合材は、両成分の比率を変えることによって熱膨張率及び熱伝導率を広範囲にコントロールできるが、強度や塑性加工性が低く、薄板の製造が困難であり、さらに粉末製造に関わるコスト高，製造工程の増加等の問題がある。
【００１２】
本発明は、塑性加工性に優れた複合材料及びその製造方法とそれを用いた半導体装置とその放熱板並びに静電吸着装置とその誘電体板を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、種々検討を重ねた結果、高熱伝導性のＣｕとそれより低熱膨張性のＣｕ2Ｏ を溶解法を用いて複合化してそれぞれ分散させることにより、上記問題点を解決できることを見いだした。
【００１４】
本発明は、金属と好ましくは該金属よりも熱膨張係数が小さい無機化合物を有する複合材料において、前記化合物は粒径１００μｍ以上の粒子が１mm四方当り５個以下、好ましくは２個以下、最も好ましくは零及び残りの大部分が好ましくは粒径５０μｍ以下、好ましくは２０μｍ以下の粒状に形成されていることを特徴とする。
【００１５】
本発明は、前記化合物は棒状の幹に粒子状の枝が形成されたデンドライト状に形成されていることを特徴とする。
【００１６】
本発明は、金属と無機化合物とを有する複合材料において、前記化合物は大部分が直径２０μｍ以下の棒状に形成されていることを特徴とする。前述の粒子は粒径５〜５０μｍが好ましく、また全体の１〜１０％が粒径１μｍ以下の微細粒子を形成しているのが好ましい。
【００１７】
本発明は、金属と無機化合物とを有する複合材料において、一方の方向、好ましくは凝固方向の熱膨張係数又は熱伝導率がその方向に対して直角又は垂直の方向よりも大きい値を有し、前者が１.０１〜１.３倍、好ましくは１.１〜１.３倍、後者が１.１〜３.０倍、好ましくは１.２〜２.５倍であることを特徴とする。本発明に係る複合材料は銅と酸化銅とを有する複合材料において特に好ましいものである。
【００１８】
本発明は、金属と直径が５〜３０μｍである棒状の無機化合物とを有する複合材料であり、好ましくは前記無機化合物はその全体に対して、断面の面積率で９０％以上が直径５〜３０μｍである棒状であることを特徴とする。本発明は、銅と酸化銅とを有する鋳造材又は焼結材よりなり、塑性加工されていることを特徴とする。
【００１９】
本発明は、銅，酸化銅と不可避的不純物を有する複合材料において、前記酸化銅は１０〜５５体積％でデンドライトを形成し、かつ室温から３００℃の線膨張係数が５×１０-6〜１７×１０-6／℃及び室温の熱伝導率が１００〜３８０Ｗ／ｍ・ｋであり、異方性を有することを特徴とする。
【００２０】
本発明は、銅，酸化銅好ましくは第一酸化銅（Ｃｕ2Ｏ ）と不可避的不純物を有する複合材料において、前記酸化銅は好ましくは１０〜５５体積％有し、一方向に配向した棒状であり、かつ室温から３００℃の線膨張係数が５×１０-6〜１７×１０-6／℃及び室温の熱伝導率が１００〜３８０Ｗ／ｍ・ｋであり、さらに配向方向の熱伝導率が配向方向に直角方向の熱伝導率より高く、好ましくはその差が５〜１００Ｗ／ｍ・ｋであることを特徴とする。
【００２１】
本発明は、金属と該金属に対して共晶組織を形成する無機化合物とを溶解し凝固する製造方法にあり、特に銅と酸化銅を有する複合材料の製造方法において、銅または銅及び酸化銅を原料とし、酸素分圧が１０-2Ｐａ〜１０3 Ｐａの雰囲気中で溶解後鋳造する工程と、８００℃〜１０５０℃で熱処理する工程及び冷間もしくは熱間で塑性加工する工程を含むことが好ましい。
【００２２】
本発明は、前述に記載の複合材料よりなることを特徴とする半導体装置用放熱板にある。また、その表面にＮｉめっき層を有することを特徴とする半導体装置用放熱板にある。
【００２３】
本発明は、放熱板上に搭載された絶縁基板及び該絶縁基板上に搭載された半導体素子を有する半導体装置において、前記放熱板は前述に記載の放熱板よりなることを特徴とする。
【００２４】
本発明は、放熱板上に搭載された半導体素子と、前記放熱板に接続されたリードフレームと、該リードフレームと半導体素子とを電気的に接続する金属ワイヤとを備え、前記半導体素子を樹脂封止した半導体装置において、前記放熱板は前述に記載の放熱板よりなることを特徴とする。
【００２５】
本発明は、放熱板上に搭載された半導体素子と、前記放熱板に接続されたリードフレームと、該リードフレームと半導体素子とを電気的に接続する金属ワイヤとを備え、前記半導体素子を樹脂封止するとともに、前記放熱板の少なくとも前記素子の接合面に対して反対の面側かが開放されている半導体装置において、前記放熱板は前述に記載の放熱板よりなることを特徴とする。
【００２６】
本発明は、放熱板上に搭載された半導体素子と、外部配線接続用ピンを有し、中央部に前記素子を収納する開放空間を有するセラミックス多層配線基板と、前記素子と基板の端子とを電気的に接続する金属ワイヤとを備え、前記素子を前記空間に設置するように前記放熱板と前記基板とを接合するとともに前記基板をリッドによって接合し前記素子を大気より遮断する半導体装置において、前記放熱板は前述に記載の放熱板よりなることを特徴とする。
【００２７】
本発明は、放熱板上に搭載された半導体素子と、外部配線接続用端子を有し、中央部に前記素子を収納する凹部を有するセラミックス多層配線基板と、前記素子と基板の端子とを電気的に接続する金属ワイヤとを備え、前記素子を前記凹部に設置するように前記放熱板と前記基板の凹部とを接合するとともに前記基板をリッドによって接合し前記素子を大気より遮断する半導体装置において、前記放熱板は前述に記載の放熱板よりなることを特徴とする。
【００２８】
本発明は、放熱板上に熱伝導性樹脂によって接合された半導体素子と、セラミックス絶縁基板に接合されたリードフレームと、前記素子とリードフレームとを電気的に接続するＴＡＢとを備え、前記放熱板と絶縁基板とを接合し前記素子を大気より遮断するとともに前記素子と絶縁基板との間に熱伝導性樹脂弾性体を介在させた半導体装置において、前記放熱板は前述に記載の放熱板よりなることを特徴とする。
【００２９】
本発明は、第１の放熱板上に金属によって接合された半導体素子と、接地板が接合された第２の放熱板の前記接地板上に前記第１の放熱板を搭載し、前記素子の端子に電気的に接続したＴＡＢとを備え、前記素子を樹脂封止した半導体装置において、前記放熱板は前述に記載の放熱板よりなることを特徴とする。
【００３０】
本発明は、前述に記載の複合材料よりなることを特徴とする静電吸着装置用誘電体板にある。
【００３１】
本発明は、電極層に電圧を印加することにより前記電極層上に接合された誘電体板と物体との間に静電吸引力を生じさせて前記誘電体板の表面に前記物体を固定する静電吸着装置において、前記誘電体板は前述に記載の誘電体板よりなることを特徴とする。
【００３２】
即ち、本発明に係る複合材料は金属として電気伝導率の高いＡｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ａｌが用いられ、特にＣｕは高融点で高強度を有する点で最も優れている。また、無機化合物として前述のようにベースの金属に対して極端に硬さの異なる従来のＳｉＣ，Ａｌ2Ｏ3等の化合物ではなく、比較的硬度の低い粒子で、室温から３００℃の範囲での平均線膨張係数が１０×１０-6／℃以下、より好ましくは７×１０-6／℃以下のものがよい。無機化合物としては、酸化銅，酸化錫，酸化鉛，酸化ニッケルが考えられる。特に、延性のある酸化銅が塑性加工性に富むので好ましい。
【００３３】
本発明に係る複合材料の製造方法は、銅及び酸化銅からなる原料を溶解，鋳造する工程と、８００℃〜１０５０℃で熱処理する工程及び冷間もしくは熱間で塑性加工する工程を含むことを特徴とする。
【００３４】
また、本発明に係る複合材料の製造方法は、銅または銅及び酸化銅からなる原料を１０-2Ｐａ〜１０3 Ｐａの酸素分圧下で溶解，鋳造する工程と、８００℃〜１０５０℃で熱処理する工程及び冷間もしくは熱間で塑性加工する工程を含むことを特徴とする。
【００３５】
原料として用いる酸化銅は第一酸化銅（Ｃｕ2Ｏ）または第二酸化銅（ＣｕＯ)のいずれでもよい。溶解，鋳造時の酸素分圧は１０-2Ｐａ〜１０3 Ｐａがよく、特に１０-1Ｐａ〜１０2 Ｐａが好ましい。また原料の配合組成，酸素分圧及び凝固時の冷却速度等を変えることにより、複合材料のＣｕ相とＣｕ2Ｏ 相の比率や、Ｃｕ2Ｏ 相の大きさ，形状を制御できる。Ｃｕ2Ｏ 相の比率は、１０〜５５体積％の範囲がよい。特にＣｕ2Ｏ 相が５５体積％以上になると、熱伝導率が低下と特性のバラツキを招くため、半導体装置の放熱板に不適となる。またＣｕ2Ｏ 相の形状は、凝固時に形成されたデンドライト形状が好ましい。これはデンドライトでは樹枝が複雑に入り組んでいるため、熱膨張が大きいＣｕ相の膨張を熱膨張が小さいＣｕ2Ｏ 相がピニングするためである。凝固時に形成されるデンドライト樹枝部は、原料の配合組成または酸素分圧を変えることにより、Ｃｕ相の場合、Ｃｕ2Ｏ 相の場合及びＣｕＯ相の場合に制御できる。また共晶反応によりＣｕ相中に粒状で微細なＣｕ2Ｏ 相を分散させ、強度向上を図ることが可能である。さらに鋳造後、８００℃〜１０５０℃で熱処理することにより、Ｃｕ2Ｏ 相の大きさ及び形状を制御できる。また上述の熱処理により凝固時に形成されたＣｕＯを内部酸化法を用いてＣｕ2Ｏ に変態させることも可能である。すなわちＣｕＯはＣｕと共存する場合、高温においては（１）式によりＣｕ2Ｏ に変態する方が熱的に安定であることを利用している。
【００３６】
２Ｃｕ＋ＣｕＯ→Ｃｕ＋Ｃｕ2Ｏ …（１）
（１）式が平衡に到達するためには所定の時間を要するが、例えば熱処理温度が９００℃の場合には、３時間程度で十分である。また前記熱処理によりＣｕ相中に共晶反応で生成した微細なＣｕ2Ｏ 相の大きさ及び形状を制御できる。
【００３７】
溶解方法は普通鋳造のほか、一方向凝固法や薄板連続鋳造法などいずれの方法でもよい。普通鋳造では、デンドライトが等方的に形成されるため、複合材料は等方化される。また、一方向凝固法では、Ｃｕ相とＣｕ2Ｏ 相が一方向に配向することにより、複合材料に異方性を付与できる。さらに薄板連続鋳造法では、凝固速度が速いため、デンドライトが微細となり、さらにデンドライトは板厚方向に配向し、薄板複合材料に異方性が付与できるとともに、製造コストの削減が可能となる。
【００３８】
さらに本発明の複合材料は、構成するＣｕ相及びＣｕ2Ｏ 相の硬さが低く、延性に富むため、圧延，鍛造などの冷間または熱間加工が可能であり、鋳造または熱処理後に必要に応じて施される。加工を付与することにより、複合材料に異方性が発現するほか、強度向上を図ることが出来る。特に冷間または熱間加工により、Ｃｕ2Ｏ 相は加工方向に伸ばされて配向し、その伸ばされた方向とそれに直角の方向とに熱特性，機械的特性に異方性が出現する。この時、伸ばされた配向方向の熱伝導率は配向方向に直角方向の熱伝導率より高く、その差が５〜１００Ｗ／ｍ・ｋとなる。
【００３９】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
【００４０】
【表１】
銅と純度２ＮのＣｕ2Ｏ 粉末を表１に示す比率で調合した原料を大気溶解後に鋳造した複合材料に関して、線膨張係数，熱伝導率及び硬さを測定した。熱膨張係数は、標準試料をＳｉＯ2 とし、押し棒式測定装置を用いて室温から３００℃の温度範囲で測定した。また熱伝導率はレーザーフラッシュ法により測定した。その結果を表１に併記した。また、得られた試料Ｎo.３のミクロ組織(１００倍)を図１に示す。視野は７２×９５μｍである。図に示す様に酸化銅はデンドライト状に形成されており、更に粒径１０〜５０μｍの粒状のものが大部分で、径１００μｍの塊のものが１個見られる。また、径が３０μｍ以下で長さが５０μｍ以上の棒状とデンドライト状のものが約１０個であり、更に基地に０.２μm以下の粒状のものが前述の棒状及びデンドライト状に形成した部分から０.５μm程度の幅の非形成帯があり、その部分を除いて分散しており、またそれが糸状に連らなったものも形成されている。
【００４２】
熱膨張係数及び熱伝導率は、表１より明らかなように、ＣｕとＣｕ2Ｏ の組成比を調整することによって、広範囲にわたって変化しており、放熱板に求められる熱的特性に制御できることがわかった。
【００４３】
一方、ミクロ組織は図１より明らかなように、Ｃｕ2Ｏ はデンドライトを形成し、Ｃｕ相とＣｕ2Ｏ 相が均一に分散した緻密な組織となっている。なお、写真中の白い部分がＣｕ相、黒い部分がＣｕ2Ｏ 相である。
【００４４】
硬さ測定の結果、Ｃｕ相はＨｖ７５〜８０、Ｃｕ2Ｏ がＨｖ２１０〜２３０の硬さであった。また、機械加工性を旋盤及びドリル加工で評価した結果、加工性は非常に良好であり、形状付与が容易であることがわかった。
【００４５】
（実施例２）
【００４６】
【表２】
一方向凝固法を用いて、銅と純度３ＮのＣｕ2Ｏ 粉末を表２に示す比率で調合した原料を、種々の酸素分圧下で溶解後に鋳造し、複合材料を作製した。酸素分圧１０-2Ｐａの雰囲気下で溶解後に鋳造した試料Ｎo.７のミクロ組織(１００倍)を図２に示す。写真から明らかなように、Ｃｕ2Ｏ 相はデンドライトを形成し、さらに粒径５〜５０μｍの粒状のものが大部分である。また、径が３０μｍ以下で長さ５０μｍ以上の直線状に連らなった棒状及びデンドライト状のものが約１６個形成された組織となっている。粒径１００μｍ以上の塊が１個見られる。基地にはほとんどが粒径０.２μｍ 以下のもの、またそれが糸状になって互いに網目状に連らなったものも形成されている。その基地での微細なＣｕ2Ｏ 粒子の形成は図１と同様に非形成帯がある。
【００４８】
また、酸素分圧１０3 Ｐａの雰囲気下で溶解後に鋳造した試料Ｎo.８のミクロ組織(１００倍)を図３に示す。写真から明らかなように、Ｃｕ2Ｏ 相はデンドライトを形成し、さらに一方向に配向した組織となっており、さらに原料及び酸素分圧を変化させることにより、Ｃｕ2Ｏ 相の形状及び密度を制御できることがわかった。図に示す様に粒径５〜３０μｍの粒状のもの、径が３０μｍ以下，長さ５０μｍ以上の棒状及びデンドライト状のものが約３３個形成されている。最も長いもので約２００μｍである。基地には図１及び図２と同様に粒径 ０.２μｍ以下の微細な粒子は前述の粒状，棒状，デンドライト状の形成周辺には図１と同様の非形成帯があり、本実施例ではこれらが全体に形成されているので、微細粒子の形成は少なくなっている。
【００４９】
表２に、上記２種類の複合材料の線膨張係数及び熱伝導率の測定結果を示す。その結果、いずれの複合材料においても、線膨張係数と熱伝導率に異方性が認められた。縦方向は鋳物の凝固方向であり、横方向は凝固方向に水平な方向である。熱膨張係数はＣｕ2Ｏの含有量が３０vol％以上になると縦方向が横方向より若干大きくなる。また、熱伝導率は縦方向が横方向よりも１.１ 倍以上大きくなる。
【００５０】
なお、原料溶湯中に酸素ガスをバブリングすることによっても、雰囲気ガスとして酸素を用いた場合と同様の結果が得られた。
【００５１】
（実施例３）
【００５２】
【表３】
前述の試料Ｎo.８を９００℃において９０％の加工度まで熱間加工した結果、加工性は健全であり、本発明の複合材料は、塑性加工性に優れることが判明した。図４は表３に示す試料Ｎo.９のミクロ組織（１００倍）である。鋳造ままのものに比較して配向性が顕著となり、またＣｕ2Ｏ 相は塑性加工方向に伸ばされ一方向に伸長し、かつ１から２０の範囲でアスペクト比を有する組織となった。棒径は２０μｍ以下で、１〜１０μｍがほとんどである。また、長さが１００μｍ以上のものは約１５個である。更に、鋳造時の０.２μｍ 以下の微細粒子は２〜５μｍ程度の粒子に成長して消失している。また表３に併記するように、上記試料Ｎo.９の線膨張係数及び熱伝導率には、いっそう顕著な異方性が認められた。特に、熱伝導率は棒状に沿った縦方向が横方向の１.２２ 倍の値を示した。また、熱膨張係数は縦方向が横方向よりも若干大きくなっている。
【００５４】
（実施例４）
【００５５】
【表４】
上記の試料Ｎo.９を９００℃にて３時間熱処理した表４に示す試料Ｎo.１０のミクロ組織（１００倍）を図５に示す。熱処理によりＣｕ2Ｏ 相は塑性加工方向に伸ばされ、配向性を有したままほとんどが棒径５〜３０μｍに粗大化していた。長さ１００μｍ以上のものが約５０個となり、熱処理前より連らなっている。また、微細粒子は粒径２〜５μｍの粒子となって消失している。また表４に併記するように、その線膨張係数及び熱伝導率は、試料Ｎo.９よりも異方性が小さくなった分、熱伝導率が各方向で上昇し、加工またはその後の熱処理による組織制御により、線膨張係数及び熱伝導率の異方性を制御できた。縦方向の熱伝導率は横方向のそれの１.１１倍であった。
【００５７】
（実施例５）
原料粉として、粒径７５μｍ以下の電解Ｃｕ粉，粒径１〜２μｍのＣｕ2Ｏ 粉末を用い、Ｃｕ粉末とＣｕ2Ｏ粉末をＣｕ−５５体積％Ｃｕ2Ｏの組成比で５５０ｇ調合した後、スチールボールを入れたＶミキサー中で１０時間混合した。混合粉末を直径８０mmの金型に注入し、６００kg／cm2 の圧力で冷間プレスして直径８０mm×２２mmの予備成形体を得た。その後、予備成形体をアルゴンガス雰囲気中で９７５℃×３時間の焼結を行った。次いで、得られた焼結体を８００℃に加熱して２００トンプレスで鍛練比１.８ まで鍛造した後５００℃で軟化焼鈍し、組織観察，熱伝達係数及び熱伝導率の測定に供した。
【００５８】
鍛造材は、側面に多少の耳割れが観察されたが、それ以外の部分は健全であり、本発明の銅複合材料は、塑性加工性に優れることが判明した。
【００５９】
鍛造材の鍛伸方向に平行な面のミクロ組織（３００倍）を観察した結果、Ｃｕ相及びＣｕ2Ｏ 相は、変形して鍛伸方向に配向しているが、クラック等の欠陥は認められない。Ｃｕ2Ｏ 粒子は９５％以上が連らなった塊となり、塑性加工によって伸ばされた方向に延ばされていた。
【００６０】
表５は、レーザーフラッシュ法による熱伝導率の測定結果を示すが、鍛造しない焼結ままの状態では、熱伝導率の異方性は認められない。しかし、鍛造することによって異方性が生じ、Ｃｕ相及びＣｕ2Ｏ 相の配向方向（鍛伸方向）に対して平行なＬ方向の熱伝導率は、それに直角なＣ方向（鍛造方向）の２倍以上の値を示している。また、室温から３００℃までの熱膨張係数を測定した結果、異方性が認められる。
【００６１】
【表５】
（実施例６）
本発明の銅複合材料を、パワー半導体素子の内、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor；以下ＩＧＢＴと略す）モジュールの放熱板（ベース板）に適用した実施例を述べる。
【００６３】
図６はモジュール内部の平面図、図７はモジュールの一部の断面図を示す。
【００６４】
ＩＧＢＴ素子１０１４個とダイオード素子１０２２個は半田２０１により銅箔２０２，２０３を図示していない銀ろう材でＡｌＮ板２０４に接合したＡｌＮ基板１０３に接続される。ＡｌＮ基板１０３上にはエミッタ配線１０４とコレクタ配線１０５，ゲート配線１０６の領域が形成されており、ＩＧＢＴ素子１０１とダイオード素子１０２は、コレクタ配線１０５領域に半田付けされる。各素子からは、金属ワイヤ１０７によってエミッタ配線１０４に接続される。また、ゲート配線１０６領域上には抵抗素子１０８が配置され、ＩＧＢＴ素子１０１のゲートパッドから金属ワイヤ１０７によって抵抗素子１０８に接続される。半導体素子を搭載したＡｌＮ基板１０３の６基板は、半田２０５によって本発明に係るＣｕ−Ｃｕ2Ｏ 合金からなるベース材１０９に接続される。各絶縁基板間は、端子２０６と樹脂性のケース２０７が一体になったケースブロック２０８の端子２０６とＡｌＮ基板１０３を半田２０９によって配線する。また、ケース２０７とベース１０９はシリコンゴム系接着剤２１０によって接続される。ケースブロック２０８の端子接続は、主端子が各ＡｌＮ基板１０３上でエミッタ端子接続位置１１０，エミッタセンス端子接続位置１１１，コレクタ接続端子位置１１２が各々２箇所、ゲート端子接続位置１１３が１箇所で接続される。次に、樹脂注入口を持ったケース蓋２１１から端子全面が被覆されるようシリコンゲル２１２を注入し、その後熱硬化型エポキシ樹脂２１３を全面に注入してモジュールを完成させる。
【００６５】
【表６】
表６に一般的に使用されるベース材と、本発明の実施例１〜５で得られるＣｕ−Ｃｕ2Ｏ 合金材でＣｕー３０体積％Ｃｕ2Ｏ の熱膨張係数と熱伝導率を示す。Ｃｕ−Ｃｕ2Ｏ ベース材料を用いた半導体素子は、一般的に使用されるＣｕベースのモジュールに比べて熱膨張係数が小さく、ＡｌＮ基板１０３とベース１０９を接続する半田２０９の信頼性を向上させることができる。その一方で、過酷な使用環境下で半田の信頼性を向上させるために使用されるＭｏやＡｌ−ＳｉＣベースは、Ｃｕ−Ｃｕ2Ｏ ベースを用いた半導体素子に比べて熱膨張係数は小さいが、熱伝導率も小さく、モジュールの熱抵抗が大きくなる問題が生じる。本実施例のＣｕ−Ｃｕ2Ｏ ベースを搭載したモジュールでは、信頼性(熱疲労試験寿命)はＣｕベースに比べ５倍以上、熱抵抗は同じベース厚さのモジュールで、Ｍｏベースに比べて０.８倍以下にすることができる。
【００６７】
これらの効果により、モジュールの構造や他の部材の選択の幅を拡げることが可能となる。例えば、図６の実施例では、Ｃｕ−Ｃｕ2Ｏ 合金ベース材はＭｏベース材に比べて熱伝導率が大きい、言い換えれば熱拡がり性が向上するため，動作時の半導体素子端部と中央部の温度差を小さく抑えられる効果があり、半導体素子を従来モジュールに比べ約１.２ 倍に大きくしている。これにより、従来素子では同じ電流量を確保するために、ＩＧＢＴで３０個使用していた構造を２４で設計が可能になり、モジュールサイズを小型化することができた。さらに、ＡｌＮより熱伝導率が約２０％小さいアルミナ基板を絶縁基板に使用することが可能になる。アルミナはＡｌＮに比べ抗折強度が強く、基板サイズを大きくすることができる。また、アルミナ板は熱膨張係数がＡｌＮ板に比べ大きく、ベース材料との熱膨張差を小さくできるので、モジュール自身の反り量も小さくすることができる。アルミナ基板の使用により、基板の許容サイズを大きくできるので、１枚当りの搭載できる半導体素子数を多くすることができる。つまり、各絶縁板毎に必須な絶縁確保用の面積や基板間の面積を減らすことができ、モジュールサイズを小さくすることが可能である。
【００６８】
図８は、本実施例のモジュール製造過程の模式図を示す。(ａ)Ｃｕ−Ｃｕ2Ｏ からなるベース材１０９は、表面がＮｉめっきされ、ほぼ平坦な状態で入荷される。（ｂ）半導体素子であるＩＧＢＴ素子１０１を半田により接合したＡｌＮ基板１０３を半田２０５により接合する。この時ベース材１０９の熱膨張係数が半導体素子とＡｌＮ基板の複合体より大きいので、半田の冷却過程でモジュール裏面が凹の形状で反る。（Ｃ）ケースブロック２０８を熱硬化型の接着剤で組立てる工程で、半田接合完了の複合体３０１に比べケースの熱膨張係数が大きいため、接着剤の冷却過程でモジュール裏面がほぼ平坦になる。（ｄ）モジュール内部にシリコンゲル２１２，熱硬化型エポキシ樹脂２１３を充填すると、樹脂の熱膨張係数が大きいためモジュール裏面が凸の形状で反る。
【００６９】
図９に、各工程での裏面反り量の実測結果を示す。本発明のＣｕ−Ｃｕ2Ｏ ベースを使用すると、反り量は従来のＭｏベースを使用したモジュールに比べると、約１／３に抑えることができる。また、Ｃｕベースの結果は図示していないが、ＡｌＮ基板との膨張係数差が大きく（ｂ）の工程で裏面が凹の方向で反り量が大きく、モジュール完成後でも裏面が凹で１００μｍ以上の反りが発生する。本発明のＣｕ−Ｃｕ2Ｏ ベースではモジュールの反り量を小さくすることができるのでモジュールの大型化が可能になる。また、組立工程での反り量と同じく、モジュール実働時の温度変化による反りの変化量も小さいので、モジュールと冷却フィンの間に塗布するグリースの流失をおさえることができる。
【００７０】
図１０に、本発明のモジュールを適用した電力変換装置の一実施例を示す。モジュール５０１は、ヒートシンク５１１上に放熱性グリース５１０をはさんで締め付けボルト５１２により実装され、２レベルインバータを構成した例を示す。一般的にパワー半導体装置のモジュール５０１は、中間点（Ｂ点）を一本の中間点配線５０３で配線できるように左右を反転させて実装する。コレクタ側配線５０２とエミッタ側配線５０４は各々ｕ，ｖ，ｗ相を配線して電源５０９を供給する。信号線は各ＩＧＢＴのモジュール５０１〜ゲート配線５０５，エミッタ補助配線５０６，コレクタ補助配線５０７によって構成する。５０８は負荷である。
【００７１】
図１１及び図１２に、モジュールを実装した場合の締め付け前及び後のモジュール裏面の反り量（グリース厚さ）を示し、（ａ）が本発明の実施例１〜４に示したＣｕ−Ｃｕ2Ｏ 合金を用いたもの、（ｂ）が従来法のものである。従来知られているＡｌ−ＳｉＣベースのモジュールの場合、裏面の凸量が約１００μｍであるが、モジュールをグリースを塗布して締め付けると、締め付け時にグリースに押されて変形し、逆にモジュールの裏面が凹の状態に変形して中央部でのグリース厚さが厚くなり、接触抵抗が大きくなる。これに対して、本発明のＣｕ−３０体積％Ｃｕ2Ｏ ベースの場合、初期の裏面の反り量が約５０μｍであるが、ベース材の剛性が大きいので、グリースを塗布して締め付けた後のモジュール中央部のグリース厚さを約５０μｍに抑えられ、従来のＡｌ−ＳｉＣベースに比べて半減させることができた。さらにモジュール内でのグリース厚さのばらつきも小さくすることができる。実装時のグリースに押されて変形する問題は、Ｃｕ−Ｃｕ2Ｏ 合金よりも剛性の小さなＣｕベースモジュールの実装時にも当然発生する問題となり、本発明のＣｕ−Ｃｕ2Ｏ 合金で対策できる。
【００７２】
図に示すように、本発明のＣｕ−Ｃｕ2Ｏ 合金ベースは従来の高信頼性モジュールで適用されていたＭｏあるいはＡｌ−ＳｉＣ等のベース材に比べ熱抵抗，接触熱抵抗を小さくすることができることを説明した。それにより、図１０に示すようにモジュールを細密の状態で実装できた。さらに、冷却フィンの冷却効率を下げることができるので電力変換装置の実装面積，体積を小さくすることができる。また、グリース厚さを薄くできることから、冷却フィンの平坦度の許容範囲を大きく設定できるので、大型フィンでの電力変換装置の組立も可能になる。また、強制空冷等の補助冷却機能をなくすこともでき、この点でも小型化，低騒音化を図ることができる。
【００７３】
（実施例７）
実施例１〜５に記載の本発明の銅ー酸化銅合金からなる複合材料を放熱板として図１３及び図１４に示すＩＣを搭載したプラスチックパッケージに適用した。図１３は放熱板内蔵型であり、図１４は放熱板露出型である。
【００７４】
放熱板は、モールド樹脂の熱膨張係数を考慮して、室温から３００℃における熱膨張係数が９×１０-6〜１４×１０-6／℃の範囲となるように、Ｃｕ−２０〜５５体積％Ｃｕ2Ｏ の範囲内で組成を変えて作製し、機械加工及びＮｉめっき処理を施して供した。
【００７５】
図１３でパッケージ構造を説明する。リードフレーム３１は、絶縁性ポリイミドテープ３２を介して本発明の銅複合材料からなるＮｉめっきされた放熱板３３と接着されている。ＩＣ３４は放熱板３３とはんだにて接合されている。また、Ａｕワイヤ３５でＩＣ上のＡｌ電極とリードフレームが接続されている。これらは、リードフレームの一部を除き、エポキシ樹脂，シリカ製フィラー、および硬化剤を主成分とするモールド樹脂３６で封止されている。図１４に示した放熱板露出型のパッケージは、放熱板３３がモールド樹脂の外部に露出している点が図１３と異なる。
【００７６】
上記のようにして実装されたパッケージについて、反りや放熱板とモールド樹脂との接合部分でのクラックの有無を観察した。その結果、モールド樹脂と放熱板との熱膨張差が０.５×１０-6／℃ 以下であれば問題がなく、組成的にはＣｕ−２０〜３５体積％Ｃｕ2Ｏ が熱伝導率も２００Ｗ／ｍ・ｋと高く、好適であった。
【００７７】
（実施例８）
図１５及び図１６は、実施例１〜５に記載の本発明の銅複合材料を放熱板として用い、ＩＣを搭載したセラミックスパッケージの断面図を示す。まず、図１５について説明する。ＩＣ４１はポリイミド系樹脂にてＮｉめっきされた放熱板４２に接合されている。さらに、放熱板４２とＡｌ2Ｏ3製のパッケージ４３ははんだにより接合されている。パッケージにはＣｕによる配線がなされ、かつ配線基板との接続用にピン４４が設けられている。ＩＣ上のＡｌ電極とパッケージの配線とは、Ａｌワイヤ４５で接続されている。これらを封止するために、コバール製のウエルドリング４６をパッケージにＡｇろうで接合し、さらにウエルドリングとコバール製のリッド４７をローラー電極を用いて溶接した。図１６は、図１５のセラミックスパッケージに放熱フィン４８を接続したパッケージである。
（実施例９）
図１７及び図１８は、ＴＡＢ（Tape Automated Bonding）技術を適用し、かつ実施例１〜４に記載の本発明の銅複合材料を放熱板に使用したパッケージについて説明する。
【００７８】
まず、図１７のパッケージについて説明する。ＩＣ５１は熱伝導性樹脂５２を介してＮｉめっきされた本発明に係る放熱板５３を接合されている。ＩＣの端子にはＡｕバンプ５４が形成され、ＴＡＢ５５と接続されており、さらにＴＡＢは薄膜配線５６を経由してリードフレーム５７と接続されている。ＩＣはＳｉゴム５８を挿んで、Ａｌ2Ｏ3製のセラミック基板５９，フレーム６０、およびシーリングガラス６１で密封されている。
【００７９】
図１８は、樹脂で封止したパッケージである。ＩＣ６５は、Ａｕ−Ｓｉ合金６６により、Ｎｉめっきされた本発明に係る放熱板６７と接合されており、さらに、熱伝導性樹脂６８により銅接地板６９及びＮｉめっきされた本発明に係る放熱板７０と接続されている。一方、ＩＣの端子は、Ａｕバンプ７１でＴＡＢ７２と接続され、樹脂７３にて封止されている。ここで、リードフレーム及び放熱板の一部は、封止樹脂の外部に露出している。また、ＴＡＢはエポキシ系Ａｇペースト７４で銅接地板に固定されている。
【００８０】
（実施例１０）
図１９は、実施例１〜４に記載の本発明の銅複合材料を放熱板に適用したMCMの実施例を示す。ＩＣ８１はＡｕワイヤ８２を用いて、Ｎｉめっきされた本発明に係る放熱板８３の上に形成された薄膜配線８４に接続され、さらに、ＡｕワイヤでＡｌＮ製のパッケージ８５上に形成されている配線に接続され、外部端子８６として取り出されている。ＩＣ部は、４２合金製のリッド８７とパッケージのＷメタライズ層の間にＡｕ−Ｓｎ製のプリフォーム８８を挿んで接合し、密封されている。
【００８１】
（実施例１１）
図２０は、本発明の複合材料を誘電体板に使用した静電吸着装置の断面図である。
【００８２】
本静電吸着装置は、図２０に示すように、真空処理室９５内部の減圧雰囲気中で導体または半導体からなる加工物９０に加工を施すスパッタリング装置のチャックとして使用可能である。本静電吸着装置の電極９４に直流電源装置９１からの電圧（５００Ｖ程度）を印加すると、誘電体板９２の表面に加工物９０を吸着させることができる。本実施例に用いた誘電体板は実施例１〜４に記載の銅−酸化銅合金からなる複合材料を用いた。
【００８３】
さて、実際のスパッタリングに際しては、本静電吸着装置に加工物９０を装着した後、ガス排気口９７に連結された排気ポンプを駆動することによって、真空処理室９５の内部圧力が１×１０-3Ｐａ程度になるまで真空排気する。その後、ガス導入口９６に取り付けられたバルブを開放することによって、真空処理室９５の内部に反応ガス（アルゴンガス等）を１０ＳＣＣＭ程度導入する。このときの真空処理室９５の内部圧力は２×１０-2Ｐａ程度である。
【００８４】
その後、本静電吸着装置の電極９４の高周波電源１３から約４ｋＷの高周波電力(１３.５６ＭＨｚ）を供給することによって、本静電吸着装置の電極９４と他の電極（不図示）との間にプラズマを生成させる。この場合、高周波印加電圧ＶDC及びＶPPは、２ｋＶ及び４ｋＶである。なお、本静電吸着装置の電極９４と高周波電源９３との間に挿入されているマッチングボックス９８は、高周波電力がプラズマに効率的に供給されるように真空処理室９５側とのインピーダンス整合をとるためのものである。
【００８５】
このスパッタリング装置を実際に使用した結果、加工中に加工物９０の温度は４５０℃程度まで達したが、本静電吸着装置の誘電体板９２には、異物発生の原因となる割れ等は認められなかった。このことは、本静電吸着装置の使用が、加工の信頼性向上に有用であることを意味する。
【００８６】
なお、スパッタリング装置のほか、減圧雰囲気で導体または半導体（例えば、シリコン基板）からなる加工物に加工を施す加工装置（いわゆる、減圧中加工装置）、例えば、化学的気相蒸着装置，物理的蒸着装置，ミリング装置，エッチング装置，イオン注入装置等のチャックとして本静電吸着装置を使用しても、加工の信頼性の向上という同様の効果が達成されることは言うまでもない。
【００８７】
本実施例によれば、静電吸着装置の誘電体板の絶縁破壊強度を低下させることなく、その耐熱性を向上させることができる。従って、本発明に係る静電吸着装置を減圧中加工装置のチャックとして利用すれば、誘電体板の割れ等に起因する異物の発生を低減することができる。
【００８８】
【発明の効果】
本発明の銅複合材料は、塑性加工性に優れ、特に高熱伝導性を有するＣｕ相と低熱膨張性を有するＣu2Ｏ相からなる複合材料、両者の特性をＣｕ相及びＣu2Ｏ相の含有量を調整することにより、熱膨張係数及び熱伝導率が制御可能であるため、半導体装置等に搭載される放熱板として広範囲にわたって適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１に係る試料のミクロ組織を示す光学顕微鏡写真。
【図２】本発明の実施例２に係る試料のミクロ組織を示す光学顕微鏡写真。
【図３】本発明の実施例２に係る試料のミクロ組織を示す光学顕微鏡写真。
【図４】本発明の実施例３に係る試料のミクロ組織を示す光学顕微鏡写真。
【図５】本発明の実施例４に係る試料のミクロ組織を示す光学顕微鏡写真。
【図６】本発明の実施例６に係るＩＧＢＴモジュールの平面図。
【図７】本発明の実施例６に係るＩＧＢＴモジュールの断面図。
【図８】本発明の実施例６に係るＩＧＢＴモジュールの製造工程の模式図。
【図９】本発明の実施例６に係るＩＧＢＴモジュールの各製造工程でのベース反り量を示すグラフ。
【図１０】本発明の実施例６に係るＩＧＢＴモジュールを実装した電力変換装置の平面図及び断面図。
【図１１】本発明の実施例６に係るＩＧＢＴモジュールを実装した電力変換装置のモジュールの実装前における反り量を示すグラフ。
【図１２】本発明の実施例６に係るＩＧＢＴモジュールを実装した電力変換装置のモジュールの実装後における反り量を示すグラフ。
【図１３】本発明の実施例７に係る放熱板内蔵型プラスチックパッケージの断面図。
【図１４】本発明の実施例７に係る放熱板露出型プラスチックパッケージの断面図。
【図１５】本発明の実施例８に係るセラミックパッケージの断面図。
【図１６】本発明の実施例８に係る放熱フィン付きセラミックパッケージの断面図。
【図１７】本発明の実施例９に係る半導体装置の断面図。
【図１８】本発明の実施例９に係る半導体装置の断面図。
【図１９】本発明の実施例１０に係るＭＣＭの断面図。
【図２０】本発明の実施例１１に係る静電吸着装置の断面図。
【符号の説明】
２１…ＩＧＢＴ素子、２２…ダイオード、２３…コレクタ電極、２４…ゲート電極、２５…エミッタ電極、２６…ＡｌＮ製絶縁板、２７，３３，４２，５３，６７，７０…放熱板、３１，５７…リードフレーム、３２…絶縁性ポリイミドテープ、３４，４１，５１，６５，８１…ＩＣ、３５，８２…Ａｕワイヤ、３６…モールド樹脂、４３，８５…パッケージ、４４…ピン、４５…Ａｌワイヤ、４６…ウエルドリング、４７…リッド、４８…放熱フィン、５２，６８…熱伝導性樹脂、５４，７１…Ａｕバンプ、５５，７２…ＴＡＢ、５６…薄膜配線、５８…Ｓｉゴム、５９…セラミック基板、６０…フレーム、６１…シーリングガラス、６６…Ａｕ−Ｓｉ合金、６９…銅接地板、７３…樹脂、７４…エポキシ系Ａｇペースト、８３…放熱基板、８４…薄膜配線、８６…外部端子、８７…リッド、８８…プリフォーム、９０…加工物、９１…直流電源装置、９２…誘電体板、９３…高周波電源、９４…電極、９５…真空処理室、９６…ガス導入口、９７…ガス排気口、９８…マッチングボックス、１０１…ＩＧＢＴ素子、１０２…ダイオード素子、１０３…ＡｌＮ基板、１０４…エミッタ配線、１０５…コレクタ配線、１０６…ゲート配線、１０７…金属ワイヤ、１０８…抵抗素子、１０９…ベース材、１１０…エミッタ端子接続位置、１１１…エミッタセンス端子接続位置、１１２…コレクタ端子接続位置、１１３…ゲート端子接続位置、２０１，205,２０９…半田、２０２…半導体素子側銅箔、２０３…ベース側銅箔、２０４…ＡｌＮ板、２０６…端子、２０７…ケース、２０８…ケースブロック、２１０…シリコンゴム系接着剤、２１１…ケース蓋、２１２…シリコンゲル、２１３…熱硬化型エポキシ樹脂、３０１…半導体素子からベース材まで接続した複合体、５０１…モジュール、５０２…コレクタ側配線、５０３…中間点配線、５０４…エミッタ側配線、５０５…ゲート配線、５０６…エミッタ補助配線、５０７…コレクタ補助配線、５０８…負荷（モーター）、５０９…電源、５１０…放熱性グリース、５１１…ヒートシンク、５１２…モジュール締め付けボルト。
Claims (6)
- 銅と酸化銅とを有する複合材料において、一方の方向の熱膨張係数又は熱伝導率が前記方向に対して直角の方向よりも大きい値を有し、前者が１.０１〜１.３倍、後者が１.１〜３.０倍であることを特徴とする複合材料。
- 銅と酸化銅１０〜５５体積％とを有する複合材料において、室温から３００℃の線膨張係数が５×１０-6〜１７×１０-6／℃及び室温の熱伝導率が１００〜３８０Ｗ／ｍ・ｋであり、線膨張係数及び熱伝導率に異方性を有することを特徴とする複合材料。
- 銅と酸化銅とを有し、該酸化銅は大部分が一方向に配向した棒状であり、室温から300℃の線膨張係数が５×１０-6〜１７×１０-6／℃及び配向方向及び配向方向に直角方向の室温の熱伝導率が１００〜３８０Ｗ／ｍ・ｋであり、さらに配向方向の熱伝導率が配向方向に直角方向の熱伝導率より高く、両者の差が５〜１００Ｗ／ｍ・ｋであることを特徴とする複合材料。
- 請求項１〜３のいずれかに記載の複合材料が、鋳造材又は焼結材からなることを特徴とする複合材料。
- 請求項４において、前記鋳造材又は焼結材が塑性加工されていることを特徴とする複合材料。
- 銅または銅及び酸化銅からなる原料を、酸素分圧が１０-2Ｐａ〜１０3Ｐａ の雰囲気中で溶解後鋳造する工程及び冷間もしくは熱間で塑性加工する工程を含むことを特徴とする複合材料の製造方法。
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