JP4148123B2

JP4148123B2 - 放熱体及びパワーモジュール

Info

Publication number: JP4148123B2
Application number: JP2003409194A
Authority: JP
Inventors: 健根岸; 敏之長瀬
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2003-12-08
Filing date: 2003-12-08
Publication date: 2008-09-10
Anticipated expiration: 2023-12-08
Also published as: JP2005175006A

Description

この発明は、発熱体からの熱を放散させる放熱体に係り、特に半導体装置に供され、発熱体としての半導体チップからの熱を放散させるのに好適な放熱体に関するものである。

発熱体からの熱を放散させる構成とされた放熱体として、従来から、Ａｇ，Ｃｕ，Ａｕ，Ａｌ，Ｍｇ，またはＺｎからなる金属製の母材内に、ダイヤモンド粒子が混入された構成が知られている（例えば特許文献１参照）。このように構成された放熱体は、一般に、発熱体としての半導体チップや、ＡｌＮ等からなる絶縁基板等の熱膨張係数が比較的低い材料に接合されたパワーモジュールとして、半導体装置に組み込まれて使用されている。

すなわち、放熱体の母材を、熱伝導率が比較的高く、かつ熱膨張係数が比較的高い前述した材料により形成することにより、発熱体としての半導体チップからの熱を良好に伝導、放散させることができ、また、この母材に、高熱伝導性及び低熱膨張性を有するダイヤモンド粒子を混入することにより、母材の熱伝導率を高い状態に維持しつつ、熱膨張係数を半導体チップ等の低い熱膨張係数に近づけることができる構成となっている。これにより、半導体装置の使用時における温度サイクルにより、放熱体と半導体チップ等との熱膨張係数差に起因して発生する両者の反りを低減し、これらの接合部の破損発生を抑制できるようになっている。
特開平１１−０６７９９１号公報

ところで、前記従来の放熱体では、母材とダイヤモンド粒子との熱膨張係数差に起因して、これらの良好な接合を実現することが困難であるという問題があった。

また、母材の高熱伝導性を保持しつつ、低熱膨張性を実現するには、ダイヤモンド粒子の含有量を母材の体積量を基準に調整決定することになるが、このような構成を実現しようとした場合、ダイヤモンド粒子が母材の表面に露出することがあり、すなわち、この放熱体の表面を平滑面にすることができないことがあり、この表面に半導体チップ等を接合した際に、これらの間に間隙が生じ良好に接合することができない場合があった。従って、前記間隙により、発熱体としての半導体チップからの熱が良好に放熱体に伝導せず、さらには、この間隙に熱が蓄積され半導体チップ及び放熱体の高温化を併発し、これらの破損等が発生するという問題があった。

この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、母材の高熱伝導性を保持しつつ、低熱膨張性を実現することができ、また、このような構成においても、半導体チップ等の発熱体と放熱体との接合、及びダイヤモンド粒子と母材との接合を各々良好に実現することが可能になり、温度サイクル下での使用環境下においても長寿命化を図ることができる放熱体及びパワーモジュールを提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、この発明は以下の手段を提案している。
請求項１に係る発明は、Ｃｕからなる母材内にダイヤモンド粒子が混入されてなり、前記母材の一方の表面側に設けられた発熱体からの熱を他方の表面側へ放散させる構成とされた放熱体であって、前記ダイヤモンド粒子の表面には、前記母材と同一材質のコーティング層とＡｇ材層とをこの順に備えた金属材層が形成されていることを特徴とする。
請求項２に係る発明は、請求項１記載の放熱体において、前記母材は純度９９．９９９％以上のＣｕにより形成されることを特徴とする。

これらの発明に係る放熱体によれば、ダイヤモンド粒子の熱膨張係数と母材の熱膨張係数とが異なるにも拘わらず、これらを良好に接合することが可能になり、この放熱体を製造、使用する際に、ダイヤモンド粒子と母材との間に空隙が生ずることを抑制することができる。
特に、前記母材が純度９９．９９９％以上のＣｕにより形成されると、この放熱体が温度サイクル下で使用された場合でも、この際の熱膨張，収縮挙動により母材が硬化することを抑制することが可能になる。したがって、この放熱体が温度サイクル下で使用された場合でも、ダイヤモンド粒子との接合部における母材は、ダイヤモンド粒子の表面に沿って略流動することになり、ダイヤモンド粒子と母材との熱膨張係数差に起因した両者間に生ずる熱応力を最小限に抑制することが可能になり、これらの間に剥離が発生することを抑制することができ、この放熱体の長寿命化を図ることができる。

請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載の放熱体において、前記母材の少なくとも前記一方の表面にはＣｕ材層が形成され、該Ｃｕ材層の表面は平滑面とされていることを特徴とし、前記Ｃｕ材層は純度９９．９９９％以上のＣｕにより形成されるのが好ましい。

この発明に係る放熱体によれば、母材の表面に平滑面とされたＣｕ材層が形成されているので、例えば、この表面に発熱体としての半導体チップ、またはこの放熱体からの熱を外部へ放散させるための冷却シンクを接合する際に、これらの各接合部に間隙が生ずることを抑制することができる。従って、発熱体からの熱をこの放熱体に良好に伝導させることが可能になるとともに、伝導した熱を良好に外部へ放散させることができるようになる。

また、このＣｕ材層を純度９９．９９９％以上のＣｕにより形成すると、この放熱体が温度サイクル下で使用された場合でも、この際の熱膨張，収縮挙動によりＣｕ材層が硬化することを抑制することが可能になる。したがって、Ｃｕ材層表面にこのＣｕ材層より熱膨張係数が小さい半導体チップが搭載されたパワーモジュールが、温度サイクル下で使用された場合でも、Ｃｕ材層表面のうち半導体チップとの接合部は、この半導体チップの表面に沿って略流動することになり、Ｃｕ材層と半導体チップとの熱膨張係数差に起因した両者間に生ずる熱応力を最小限に抑制することが可能になり、これらの間に剥離が発生することを抑制することができる。

請求項４に係る発明は、請求項１から３のいずれかに記載の放熱体において、前記ダイヤモンド粒子は、第１のダイヤモンド粒子と、該第１のダイヤモンド粒子の粒径の１／３０以上１／５以下とされた第２のダイヤモンド粒子とを備え、前記第１のダイヤモンド粒子は、前記母材の体積に対して１０％以上５０％以下の割合で混入され、前記第２のダイヤモンド粒子は、前記母材の体積に対して２０％以上４０％以下の割合で混入されていることを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項４記載の放熱体において、前記ダイヤモンド粒子は、第２のダイヤモンド粒子の粒径の１／３０以上１／５以下とされた第３のダイヤモンド粒子を備え、該第３のダイヤモンド粒子は、前記母材の体積に対して１％以上５％以下の割合で混入されていることを特徴とする。

請求項６に係る発明は、請求項１から３のいずれかに記載の放熱体において、前記母材に、ＳｉＣ粒子、若しくは表面がＣｕにより被覆されたＣＢＮ粒子が含有されていることを特徴とする。
これらの発明に係る放熱体によれば、高熱伝導性及び低熱膨張性の均質化を図ることができる。

請求項７に係る発明は、請求項１から６のいずれかに記載の放熱体の前記一方の表面側に半導体チップが接合されてなることを特徴とする。

本発明に係る放熱体及びパワーモジュールによれば、使用に際し、温度サイクル下に置かれたとしても、ダイヤモンド粒子との接合の長寿命化を図ることができ、高熱伝導性と低熱膨張性とを兼ね備えた放熱体の長寿命化を図ることができる。また、放熱体と、この放熱体に接合される発熱体などとの間に間隙を生じさせることなく接合することが可能になり、この放熱体に良好な放熱特性を具備させることができる。さらに、放熱体と、この放熱体に接合される発熱体などとの接合界面に発生する熱応力を緩和させることができ、この接合部の破損発生を抑制することができる。

以下、図面を参照し、この発明の実施の形態について説明する。
図１はこの発明の一実施形態に係る放熱体を適用したパワーモジュールを示す全体図である。
このパワーモジュール１０は、放熱体１１と、この放熱体１１の一方の表面１１ａにはんだ層１２を介して接合されたＳｉチップ１３と、放熱体１１の他方の表面１１ｂにはんだ層１２を介して接合されたＡＬＮ，Ａｌ_２Ｏ_３，Ｓｉ_３Ｎ_４，ＳｉＣ等からなる絶縁基板１４とを備えている。

放熱体１１は、ＣｕまたはＡｇ好ましくは純度９９．９９９％以上のＣｕからなる母材１５と、この母材１５の表裏面に形成された純度９９．９９９％以上のＣｕからなるＣｕ材層１６とを備えている。ここで、Ｃｕ材層１６の表面にはんだ層１２との良好な接合性を実現するために予めＮｉめっき層を形成しておいてもよい。

また、放熱体１１の母材１５の内部には、母材１５の厚さが０．７５ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の場合、粒径が３００μｍ以下の第１のダイヤモンド粒子１７が、母材１５の体積に対して１０％以上５０％以下の割合で混入されている。また、母材１５の内部には、第１のダイヤモンド粒子１７の粒径の１／３０以上１／５以下とされた第２のダイヤモンド粒子１８ａと、第２のダイヤモンド粒子１８ａの粒径の１／３０以上１／５以下とされた第３のダイヤモンド粒子１８ｂとを備え、第２のダイヤモンド粒子１８ａは、母材１５の体積に対して２０％以上４０％以下の割合で混入され、第３のダイヤモンド粒子１８ｂは、母材１５の体積に対して１％以上５％以下の割合で混入されている。そして、これらのダイヤモンド粒子１７、１８ａ、１８ｂは、全体の含有量が母材１５の体積に対して５０％以下となるように母材１５の内部に混入されている。

これにより、厚さが約０．７５ｍｍ以上３．０ｍｍ以下とされた母材１５の内部に、粒径が３００μｍ以下のダイヤモンド粒子１７が混入されることにより、結果として、この母材１５の内部に、ダイヤモンド粒子１７がこの放熱体１１の表裏面１１ａ，１１ｂに沿った方向に連続的に配置されてなる層状体を、この放熱体１１の厚さ方向に５〜１０個備えた構成となる。すなわち、放熱体１１の厚さ方向で、ダイヤモンド粒子１７の配合率を略同一にすることができるので、放熱体１１の熱伝導率を厚さ方向で均一にすることができるようになっている。そして、これらのダイヤモンド粒子１７同士の間隙を埋めるように第２，第３のダイヤモンド粒子１８ａ，１８ｂが配設された構成となっている。
また、前記各層のうち、母材１５の表裏面近傍に配設された層は、この層を構成するダイヤモンド粒子１７等がこの表面に露出する場合があるが、母材１５の表裏面に形成されたＣｕ材層１６により、ダイヤモンド粒子１７等の前記露出分が被覆され、放熱体１１の表裏面１１ａ，１１ｂは平滑面とされている。

ここで、第１のダイヤモンド粒子１７および第２，第３のダイヤモンド粒子１８ａ，１８ｂの外表面には、母材１５と同一材質からなるコーティング層３０と、Ａｇ材層３１とがこの順に形成されている。
なお、第２，第３のダイヤモンド粒子１８ａ，１８ｂに代えて、表面がＣｕにより被覆されたＣＢＮ粒子、またはＳｉＣ粒子を母材１５内に混入し、第１のダイヤモンド粒子１７同士の間を埋めるような構成としてもよい。この場合においても、第１のダイヤモンド粒子１７と、ＳｉＣ粒子、または前記ＣＢＮ粒子との全体の含有量は、母材１５の体積に対して５０％以下となるようにされる。
また、特に、母材１５の材質がＣｕまたはＡｇにより形成された構成においては、第１から第３のダイヤモンド粒子１７，１８ａ，１８ｂおよびＣＢＮ粒子表面にコーティング層３０を形成しなくても、第１から第３のダイヤモンド粒子１７，１８ａ，１８ｂおよびＣＢＮ粒子と母材１５との必要最小限の接合強度を確保することはできる。

以上のように構成された放熱体の熱伝導率，熱膨張係数，及び温度サイクル寿命を測定した。結果を図３に示す。なお、この結果に示す温度サイクル寿命とは、放熱体の一方の表面にＳｉチップをはんだ層を介して接合した構成に、−４０℃から１２５℃の温度履歴を１時間で付与したときを１サイクルとして、母材１５とダイヤモンド粒子１７との間に剥離が発生したときのサイクル数を示すものである。また、この図において、母材１５の材質として純Ｃｕとは純度９９．９６％以上のＣｕのことをいう。

この結果より、本実施形態においては、熱伝導率が１９２Ｗ／ｍ・Ｋ以上、熱膨張係数が１０×１０^−６／℃以下、温度サイクル寿命が３０００サイクル以上であることが確認できた。すなわち、放熱体に高熱伝導性及び低熱膨張性を具備させることが可能になるとともに、ダイヤモンド粒子と母材との良好な接合状態を温度サイクル下での使用においても実現することが可能になり、従って、高熱伝導性及び低熱膨張性を長期にわたって具備させることができることが確認できた。
特に、第２，第３のダイヤモンド粒子１８ａ，１８ｂまたはＣＢＮ粒子を母材１５内に混入させた構成においては、図４に示すように、放熱体の熱伝導率を大幅に向上させることができる（５１５Ｗ／ｍ・Ｋ以上）ことを確認できた。

次に、この放熱体の製造方法について説明する。
まず、Ｃｕからなる金属粉末にダイヤモンド粒子１７を混合する。この際、ダイヤモンド粒子１７の配合量は、母材１５の体積に対する比率で１０％以上５０％以下となるように設定する。そして、これを型に入れ、非酸化性雰囲気中、例えば真空状態とされた窒素ガス雰囲気中で加圧（約２０ＭＰａ）,加熱して焼結体を形成する。ここで、コーティング層３０がＣｕの場合は７００℃以上９００℃以下で加熱し、Ａｇの場合は６００℃以上８５０℃以下で加熱する。その後、前記焼結体の表裏面に、Ｃｕめっき処理を施しＣｕめっき層を形成する、またはＣｕからなる板状体を接合して、Ｃｕ材層１６を形成し、放熱体１１を形成する。

以上説明したように、本実施形態による放熱体１１によれば、母材１５がＣｕまたはＡｇにより形成され、さらには、ダイヤモンド粒子１７，１８ａ，１８ｂおよびＣＢＮ粒子に母材１５と同一材質のコーティング層３０が形成されているので、ダイヤモンド粒子１７，１８ａ，１８ｂおよびＣＢＮ粒子の熱膨張係数と、母材１５との熱膨張係数とが異なるにも拘わらず、これらを良好に接合することが可能になり、この放熱体１１を製造、使用する際に、ダイヤモンド粒子１７，１８ａ，１８ｂなどと母材１５との間に空隙が生ずることを抑制することができる。

特に、母材１５が純度９９．９９９％以上のＣｕにより形成されると、この放熱体１１が温度サイクル下で使用された場合でも、この際の熱膨張，収縮挙動により母材１５が硬化することを抑制することが可能になる。したがって、この放熱体１１が温度サイクル下で使用された場合でも、ダイヤモンド粒子１７、１８ａ，１８ｂなどとの接合部における母材１５は、前記粒子の表面に沿って略流動することになり、前記粒子と母材１５との熱膨張係数差に起因した両者間に生ずる熱応力を最小限に抑制することが可能になり、これらの間に剥離が発生することを抑制することができ、この放熱体１１の長寿命化を図ることができる。

また、母材１５の表面に平滑面とされたＣｕ材層１６が形成されているので、この表面に発熱体としての半導体チップ１３を接合する際に、これらの各接合部に間隙が生ずることを抑制することができる。従って、半導体チップ１３からの熱をこの放熱体１１に良好に伝導させることが可能になるとともに、伝導した熱を良好に外部へ放散させることができるようになる。

また、このＣｕ材層１６を純度９９．９９９％以上のＣｕにより形成すると、この放熱体１１が温度サイクル下で使用された場合でも、この際の熱膨張，収縮挙動によりＣｕ材層１６が硬化することを抑制することが可能になる。したがって、Ｃｕ材層１６表面にこのＣｕ材層１６より熱膨張係数が小さい半導体チップ１３が搭載されたパワーモジュール１０が、温度サイクル下で使用された場合でも、Ｃｕ材層１６表面のうち半導体チップ１３との接合部は、この半導体チップ１３の表面に沿って略流動することになり、Ｃｕ材層１６と半導体チップ１３との熱膨張係数差に起因した両者間に生ずる熱応力を最小限に抑制することが可能になり、これらの間に剥離が発生することを抑制することができる。

さらに、母材１５の内部に、第１のダイヤモンド粒子１７と、第２，第３のダイヤモンド粒子１８ａ，１８ｂ、またはＳｉＣ粒子、または表面にＣｕが被覆されたＣＢＮ粒子とが混入されているので、第１のダイヤモンド粒子１７同士の間に、第２，第３のダイヤモンド粒子１８ａ，１８ｂ、またはＳｉＣ粒子、または表面にＣｕが被覆されたＣＢＮ粒子を配設することができるので、この放熱体１１の高熱伝導性及び低熱膨張性の均質化を図ることができ、温度サイクル下での使用について、さらなる高寿命化を図ることができるとともに、熱伝導率の向上を図ることができる。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、図１に示したパワーモジュール１０において、絶縁基板１４に替えて、内部に冷媒が配された冷却シンクを配設してもよい。また、図１に示したパワーモジュールにおいて、Ｓｉチップ１３と放熱体１１との間に、はんだ層１２を介して冷却シンク１９を配設した図５に示すパワーモジュール２０であってもよい。
すなわち、放熱体は、発熱体からの熱を受け、この熱を外部へ放散させる構成に供されるものであれば、この形態の如何は不問であることはいうまでもない。

使用に際し、温度サイクル下に置かれたとしても、ダイヤモンド粒子との接合の長寿命化を図ることができ、高熱伝導性と低熱膨張性とを兼ね備えた放熱体の長寿命化を図ることができる。また、放熱体と、この放熱体に接合される発熱体などとの間に間隙を生じさせることなく接合することが可能になり、この放熱体に良好な放熱特性を具備させることができる。さらに、放熱体と、この放熱体に接合される発熱体などとの接合界面に発生する熱応力を緩和させることができ、この接合部の破損発生を抑制することができる。

本発明の一実施形態に係る放熱体を適用したパワーモジュールを示す全体図である。図１に示す放熱体の一部拡大断面図である。本発明の一実施形態に係る放熱体の熱膨張係数と熱伝導率を示す図である。本発明の一実施形態に係る放熱体の熱伝導率を示す図である。本発明の第二実施形態に係るパワーモジュールを示す全体図である。

符号の説明

１０,２０パワーモジュール
１１放熱体
１３半導体チップ（発熱体）
１５母材
１６Ｃｕ材層
１７第１のダイヤモンド粒子
１８ａ第２のダイヤモンド粒子
１８ｂ第３のダイヤモンド粒子
３０コーティング層
３１Ａｇ材層
３２金属材層

Claims

Ｃｕからなる母材内にダイヤモンド粒子が混入されてなり、前記母材の一方の表面側に設けられた発熱体からの熱を他方の表面側へ放散させる構成とされた放熱体であって、
前記ダイヤモンド粒子の表面には、前記母材と同一材質のコーティング層とＡｇ材層とをこの順に備えた金属材層が形成されていることを特徴とする放熱体。
請求項１記載の放熱体において、
前記母材は純度９９．９９９％以上のＣｕにより形成されることを特徴とする放熱体。
請求項１または２に記載の放熱体において、
前記母材の少なくとも前記一方の表面にはＣｕ材層が形成され、該Ｃｕ材層の表面は平滑面とされていることを特徴とする放熱体。
請求項１から３のいずれかに記載の放熱体において、
前記ダイヤモンド粒子は、第１のダイヤモンド粒子と、該第１のダイヤモンド粒子の粒径の１／３０以上１／５以下とされた第２のダイヤモンド粒子とを備え、前記第１のダイヤモンド粒子は、前記母材の体積に対して１０％以上５０％以下の割合で混入され、前記第２のダイヤモンド粒子は、前記母材の体積に対して２０％以上４０％以下の割合で混入されていることを特徴とする放熱体。
請求項４記載の放熱体において、
前記ダイヤモンド粒子は、第２のダイヤモンド粒子の粒径の１／３０以上１／５以下とされた第３のダイヤモンド粒子を備え、
該第３のダイヤモンド粒子は、前記母材の体積に対して１％以上５％以下の割合で混入されていることを特徴とする放熱体。
請求項１から３のいずれかに記載の放熱体において、
前記母材に、ＳｉＣ粒子、若しくは表面がＣｕにより被覆されたＣＢＮ粒子が含有されていることを特徴とする放熱体。
請求項１から６のいずれかに記載の放熱体の前記一方の表面側に半導体チップが接合されてなることを特徴とするパワーモジュール。