JP4999983B2 - ヒートスプレッダおよびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体素子からの熱除去用として使用されるヒートスプレッダと、その製造方法に関するものである。
例えば半導体素子の樹脂封止パッケージは、リードフレームに固定した、半導体素子搭載基板を兼ねる平板状のヒートスプレッダの表面に半導体素子を搭載し、前記半導体素子とリードフレームとの間をワイヤボンディング等によって接続すると共に半導体素子を樹脂で封止した後、リードフレームを切り出して製造される。
前記ヒートスプレッダの裏面の少なくとも一部は、例えば冷却器やヒートシンク等と熱的に接続させて、半導体素子からの熱を前記冷却器やヒートシンク等を介して速やかに除去させるべく、封止樹脂によって封止せずに露出させるのが一般的である。
ヒートスプレッダは、アルミニウムや銅等の金属、またはその合金等で形成するのが一般的である。前記ヒートスプレッダは、例えばその裏面等から突出させて一体に形成したピンを、リードフレームに設けた通孔に挿通したのちかしめ加工すること等により、前記リードフレームに固定される（例えば特許文献１、２参照）。
前記かしめ加工による固定は、固定のための構造や作業工程等が簡単でしかも小型化が可能である上、固定の精度にも優れるため、特に小型の樹脂封止パッケージ等においてリードフレームとヒートスプレッダとの固定に広く採用されている。
また、より大型のヒートスプレッダ等においては、前記ヒートスプレッダに設けたネジ孔にネジを螺合したり、通孔にネジを挿通したりすることでヒートシンク等の他部材が接続される。
近年、ヒートスプレッダとして、前記金属や合金製のものに代えてアルミニウム−セラミック複合材料等からなり、金属や合金と同等程度の熱伝導率を有する上、搭載する半導体素子を形成する半導体材料等と熱膨張係数が近いものを用いることが検討されている。
前記ヒートスプレッダを半導体素子と組み合わせて用いることにより、半導体素子の動作による発熱と停止後の冷却とを繰り返した際に、前記両者間の熱膨張係数の違いに基づいて半導体素子に加わる応力を低減できる。
そのため前記発熱と冷却とを繰り返した際に、半導体素子に過剰な応力が加わって、前記半導体素子が誤動作したり、動作の効率が低下したり、破損したり、あるいは半導体素子とヒートスプレッダとの間のはんだ接合等が破壊されたりするのを防止できる（例えば特許文献３参照）。
特開平６−１７７２６８号公報 特開平８−１３０２７３号公報 特開平８−２２２６６０号公報
ところが、前記ピンを有するヒートスプレッダを先に説明した複合材料にて形成した場合、従来同様のかしめ加工では、前記ヒートスプレッダをリードフレームに良好に固定できないという問題がある。
すなわち、前記ピンを含む全体を複合材料によって一体に形成したヒートスプレッダは、前記複合材料の多くが非常に硬質でしかも金属や合金に比べて脆いため、かしめ加工をすること自体が困難である。それでも無理にピンをかしめ加工した場合には、後述する比較例の結果からも明らかなようにピンそれ自体や、あるいはヒートスプレッダのピンの周囲の部分等に亀裂や割れ等を生じやすい。
そこで、複合材料によって形成したヒートスプレッダの裏面等に、かしめ加工することが容易な金属または合金からなるピンをはんだ接合等によって固定することが考えられる。
しかしはんだ接合等によって固定したピンは、後述する比較例の結果からも明らかなように、かしめ加工時の衝撃等によって脱落しやすい。そのためヒートスプレッダを、前記脱落等を生じることなく、歩留まりよくリードフレームに固定できないという問題がある。
またピンは位置ずれ等も生じやすい。そのためヒートスプレッダを、前記位置ずれ等を生じることなく、精度よくリードフレームに固定できないという問題もある。
なお特許文献３の段落[００４２]には、複合材料からなるヒートスプレッダを、かしめ加工等の機械的結合手段を用いてリードフレームに固定してもよい旨の記載がある。しかしその詳細は不明である。特許文献３には、複合材料からなるヒートスプレッダを、どのようにしてリードフレームにかしめ加工して固定するかについては一切記載されていない。また、前記問題点を解決するための手段についても何ら記載されていない。
特許文献３においてヒートスプレッダとリードフレームとを固定するための主な方法は、あくまでも接着剤による接着であり、かしめ加工による固定は付記的に記載されているにすぎない。このことから前記段落[００４２]の記載は、単なる願望を述べているにすぎないと考えられる。
また特許文献３に記載された接着剤による接着では、接着剤が硬化するまでに一定の時間を要する上、ずれ等も生じやすい。そのためヒートスプレッダを効率よく、また精度よくリードフレームに固定できないという問題がある。
また、ネジ孔や通孔を有するヒートスプレッダを前記複合材料にて一体に形成する場合には、下記の問題がある。
すなわち、先に説明したように複合材料の多くは非常に硬質で加工しにくいものである。そのため、前記複合材料からなるヒートスプレッダにネジ孔や通孔を形成するためには、高価なダイヤモンド工具等の超硬工具を用いなければならない。しかもたとえ超硬工具等を用いたとしても、ネジ孔や通孔を形成するためには金属や合金の加工に比べて手間と時間とがかかってしまう。
さらに複合材料の多くは金属や合金に比べて脆いため、前記加工時や、あるいはネジを締め付けて他部材と接続する際等に、前記ネジ孔や通孔の周囲等に亀裂や割れ等が生じたりもしやすい。
本発明の目的は、複合材料からなり、しかもピンやネジ孔、通孔等を形成するために加工したり、前記ピンやネジ孔、通孔等を利用して他部材と接続したりするのが容易で、様々な問題を生じないヒートスプレッダと、前記ヒートスプレッダを、できるだけ少ない工程で効率よく製造するための製造方法とを提供することにある。
本発明は、
(1) アルミニウム−セラミック複合材料、
(2) 銅−セラミック複合材料、
(3) 銅−タングステン複合材料、
(4) 銅−モリブデン複合材料、
(5) アルミニウム−ケイ素複合材料、および
(6) 銅−ダイヤモンド複合材料
からなる群より選ばれた少なくとも１種からなる基材と、
前記基材が前記アルミニウム系の複合材料であるときアルミニウム、またはアルミニウム合金からなり、前記基材が前記銅系の複合材料であるとき銅または銅合金からなり、前記基材を他部材に接続するための接続部材と、
を含み、
前記接続部材は、前記基材の少なくとも一面から基材内に貫入された状態で、前記基材中の金属または合金と、接続部材を形成する金属または合金とが、前記複合材料を焼成して基材を形成する際に互いに焼結されることで、前記基材と接合されていることを特徴とするヒートスプレッダである。
前記本発明によれば、例えば接続部材の一面側に、前記一面から基材外へ突出させて他部材への接続のためのピンを一体に形成することによって、前記ピンを、はんだ接合等によって単なる面同士で接合して固定する場合と比べて、基材に対してより強固に固定できる。
すなわち、前記のように接続部材をアルミニウムまたはアルミニウム合金によって形成するとともに、基材を、前記接続部材と焼結可能なアルミニウムまたはアルミニウム合金を含む前記(1)または(5)の複合材料によって形成し、前記基材中のアルミニウムまたはアルミニウム合金と、接続部材を形成するアルミニウムまたはアルミニウム合金とを、前記複合材料を焼成して基材を形成する際に互いに焼結させることで、前記基材内に貫入させた接続部材の基部を、その周囲を囲む基材と立体的に接合させることにより、前記接続部材を基材に対して精度よく、しかもできるだけ強固に固定できる。
同様に接続部材を銅または銅合金によって形成するとともに、基材を、前記接続部材と焼結可能な銅または銅合金を含む前記(2)〜(4)、(6)の複合材料によって形成し、前記基材中の銅または銅合金と、接続部材を形成する銅または銅合金とを、前記複合材料を焼成して基材を形成する際に互いに焼結させることで、前記基材内に貫入させた接続部材の基部を、その周囲を囲む基材と立体的に接合させることにより、前記接続部材を基材に対して精度よく、しかもできるだけ強固に固定できる。
そのため、前記接続部材と一体に形成されたピンをかしめ加工してリードフレーム等と接続する際の衝撃等によって、前記ピンやあるいは接続部材の全体が基材から脱落したりするのをより確実に防止できる。
したがって、ピンを含む接続部材の全体を、かしめ加工することが容易な前記アルミニウム、アルミニウム合金、銅、または銅合金によって形成することにより、ヒートスプレッダを、前記ピンのかしめ加工によって精度よくかつ歩留まりよく、リードフレーム等に対して良好に固定できる。
また、接続部材の前記一面側から基材の内部へ向けて孔あけ、タッピング等の加工をしてネジ孔または通孔を形成してもよい。その場合には、接続部材を孔あけやタッピング等の加工をすることが容易な前記アルミニウム、アルミニウム合金、銅、または銅合金によって形成することにより、超硬工具等を用いることなく簡単に、しかも短時間で前記ネジ孔や通孔を形成できる。
また前記アルミニウム、アルミニウム合金、銅、または銅合金からなる接続部材は、複合材料からなる基材のように脆くないため、前記加工時や、あるいはネジを締め付ける際等に前記ネジ孔や通孔の周囲等に亀裂や割れ等が生じたりするのも防止できる。
前記本発明のヒートスプレッダにおいては、基材が平板状に形成され、接続部材は、前記基材の裏面から表面に達するように基材の厚み方向に貫通された状態で、周囲を囲む前記基材と接合されていると共に、前記接続部材の裏面側には、前記裏面から基材外へ突出させて他部材への接続のためのピンが一体に形成されているのが好ましい。
前記構造を有するヒートスプレッダによれば、ピンのかしめ加工時に基材の厚み方向に加わる荷重の大部分を、接続部材それ自体を介して基材の裏面側から表面側に逃がすことで、前記基材に直接に加わる荷重を大幅に低減できる。そのため基材に亀裂や割れ等が生じるのを確実に防止して、かしめ加工時の歩留まりをさらに向上できる。
また本発明のヒートスプレッダにおいては、基材が平板状に形成され、接続部材は、前記基材の裏面から表面に達するように基材の厚み方向に貫通された状態で、周囲を囲む前記基材と接合されていると共に、前記接続部材には、前記裏面側から表面側へ向けて、他部材との接続のためのネジが螺合されるネジ孔、またはネジが挿通される通孔が形成されているのが好ましい。
前記構造を有するヒートスプレッダによれば、孔あけやタッピング等の加工時に基材の厚み方向に加わる荷重の大部分を、接続部材それ自体を介して基材の裏面側から表面側に逃がすことで、前記基材に直接に加わる荷重を大幅に低減できる。そのため前記加工時に、基材に亀裂や割れ等が生じるのを確実に防止して、孔あけやタッピングの加工時の歩留まりをさらに向上できる。
また、他部材との接続のため前記ネジ孔に螺合したり通孔に挿通したりしたネジを締め付けた際に基材の厚み方向に加わる応力を、前記接続部材によって受けることができる。そのため他部材との接続時に、基材に亀裂や割れ等が生じたりするのをさらに確実に防止できる。
基材としては、熱膨張係数が１５×１０-6／Ｋ以下で、かつ熱伝導率が１５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である種々の複合材料からなるものが使用可能である。かかる条件を満足する複合材料にて基材を形成することにより、半導体素子等との熱膨張係数の違いに基づく種々の問題が生じるのを防止しつつ、前記半導体素子等からの熱をできるだけ速やかに除去できる。
接続部材を形成するアルミニウム、アルミニウム合金、銅、または銅合金としては、ピンやネジ孔、通孔等を形成するために加工する際の加工性や、前記ピンをかしめ加工して他部材と接続する際の加工性等に優れる上、複合材料からなる基材のように脆くないため亀裂や割れ等が生じにくい、試験力４９．０３Ｎ（試験荷重５ｋｇｆ）でのビッカース硬さＨｖ＝２００以下のアルミニウム、アルミニウム合金、銅、または銅合金が好ましい。
本発明は、基材がアルミニウム−セラミック複合材料、またはアルミニウム−ケイ素複合材料からなる平板状で、かつ接続部材がアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる、前記本発明のヒートスプレッダを製造するための製造方法であって、前記基材の裏面の平面形状と一致する平面形状とされた底面を有する下パンチと、前記底面を囲む、基材の側面の形状と一致する形状とされた内周面を有するダイとを含むプレス型の、前記底面の所定の位置に接続部材をセットする工程と、前記プレス型の底面と内周面とで囲まれた領域に、アルミニウムまたはアルミニウム合金の粉末とセラミック粉末との混合物、またはアルミニウムまたはアルミニウム合金の粉末とケイ素粉末との混合物を充填する工程と、前記充填された混合物を底面の方向に圧縮成形して圧縮成形体を得る工程と、前記圧縮成形体を、アルミニウムまたはアルミニウム合金の融点以下の温度で焼成する工程とを含むことを特徴とする。
前記本発明の製造方法によれば、焼成工程において前記混合物の粉末同士を焼結させることにより、接続部材が基材内に貫入された形状を有する基材を形成し、かつ前記基材中のアルミニウムまたはアルミニウム合金を、前記接続部材を形成するアルミニウムまたはアルミニウム合金と焼結させることにより、前記基材と接続部材とを強固に接合できる。
また前記製造方法では、接続部材を下パンチの所定の位置にセットして位置ずれを防止していること、焼成の温度をアルミニウムまたはアルミニウム合金が溶融して大きく流動しない融点以下の温度に設定していること、および前記焼成によって基材と接続部材とが強固に焼結されることが相まって、前記接続部材を、基材の所定の位置に精度よく接合させることができる。そのため本発明の製造方法によれば、本発明のヒートスプレッダをできるだけ少ない工程で効率よく製造できる。
前記製造方法においては、圧縮成形体をプレス型から取り出した後に焼成するのが好ましい。
すなわちプレス型から取り出した圧縮成形体をそのままで、あるいは型崩れを防止するための簡単な（熱容量の小さい）型枠にはめ込む等した状態で焼成できるため、前記焼成に要するエネルギーと時間とを削減できる。
前記本発明の製造方法によって、平板状の基材の裏面から基材外へピンが突出されたヒートスプレッダを製造するためには、前記下パンチの底面に、接続部材と一体に形成されたピンが挿入される凹部を設け、前記凹部に前記ピンを挿入して接続部材を前記底面にセットした状態で、プレス型の前記底面と内周面とで囲まれた領域に基材のもとになる混合物を充填し、圧縮成形したのち焼成すればよい。
また本発明の製造方法によって、接続部材がネジ孔または通孔を有するヒートスプレッダを製造する場合は、圧縮成形体を焼成した後の接続部材にネジ孔または通孔を形成するのが好ましい。
すなわち圧縮成形、および焼成の工程を経て基材と接合された接続部材に、あとからネジ孔または通孔を形成することにより、前記ネジ孔や通孔の精度を高めることができる。またネジ孔や通孔を形成する前の中実状の接続部材を複合材料と圧縮成形して基材を形成すると共に前記基材と接続部材とを接合することにより、前記接合の強度を高めることもできる。
本発明によれば、複合材料からなり、しかもピンやネジ孔、通孔等を形成するために加工したり、前記ピンやネジ孔、通孔等を利用して他部材と接続したりするのが容易で、様々な問題を生じないヒートスプレッダと、前記ヒートスプレッダを、できるだけ少ない工程で効率よく製造するための製造方法とを提供することができる。
本発明のヒートスプレッダの、実施の形態の一例の外観を示す斜視図である。 図１の例のヒートスプレッダの要部である、ピンを有する接続部材と基材との接合部分を拡大して示す拡大断面図である。 前記接合部分の変形例を示す拡大断面図である。 本発明のヒートスプレッダの、実施の形態の他の例の外観を示す斜視図である。 図４の例のヒートスプレッダの要部である、ネジ孔を有する接続部材と基材との接合部分を拡大して示す拡大断面図である。 前記接続部材の変形例を示す拡大断面図である。 前記接続部材の他の変形例を示す拡大断面図である。 前記接続部材のさらに他の変形例を示す拡大断面図である。 図１ないし図３のヒートスプレッダを製造するための、本発明のヒートスプレッダの製造方法の一例の、一工程を示す断面図である。 前記製造方法の次工程を示す断面図である。 前記製造方法の次工程を示す断面図である。 前記製造方法の次工程を示す断面図である。 前記製造方法の次工程を示す断面図である。 前記各工程を経て形成される圧縮成形体をさらに焼成して得られる、ヒートスプレッダの前駆体を示す断面図である。 図４ないし図７のヒートスプレッダを製造するための、本発明のヒートスプレッダの製造方法の他の例の、一工程を示す断面図である。 前記製造方法の次工程を示す断面図である。 前記製造方法の次工程を示す断面図である。 前記製造方法の次工程を示す断面図である。 前記各工程を経て形成される圧縮成形体をさらに焼成して得られる、ヒートスプレッダの前駆体を示す断面図である。 実施例１で製造したヒートスプレッダの、ピンを有する接続部材と基材との接合部分の切断面を示す光学顕微鏡写真である。
符号の説明
１ ヒートスプレッダ
２ 基材
３ 接続部材
４ 裏面
５ 表面
６ 基部
７ ピン
８ 肉厚部
９ 上面
１０ ネジ孔
１１、１２ 被覆層
１３ 通孔
１４ 圧縮成形体
１５ 前駆体
１６ 底面
１７ 下パンチ
１８ 内周面
１９ ダイ
２０ プレス型
２１ 凹部
２２ 凹部
２３ 混合物
２４ 当接面
２５ 上パンチ
２６、２８ 薄板
２７、２９ 通孔
３０ 通孔
〈ヒートスプレッダ〉
図１は、本発明のヒートスプレッダの、実施の形態の一例の外観を示す斜視図である。図２は、図１の例のヒートスプレッダの要部である、ピンを有する接続部材と基材との接合部分を拡大して示す拡大断面図である。
図１および図２を参照して、この例のヒートスプレッダ１は、例えばアルミニウム−セラミック複合材料等によって全体を矩形平板状に形成した基材２と、前記基材２の矩形の四隅に対応する位置に設けた４つの接続部材３とを備えている。
各接続部材３は、それぞれ基材２の裏面４（図示しないリードフレーム等の他部材が接続される面、両図において上面）から表面５（図示しない半導体素子等が搭載される面、両図において下面）へ達するように厚み方向に貫通させた状態で、その周囲の全周を囲む前記基材２と立体的に接合させた基部６と、前記裏面４から上方へ突出させた、他部材への接続のためのピン７とを有している。前記基部６とピン７とを、この例では金属または合金によって外径の等しい円柱状に一体に形成している。
前記接続部材３を有するこの例のヒートスプレッダ１によれば、従来の、基材の裏面等にピンをはんだ接合等によって単なる面同士で接合して固定する場合等に比べて、ピン７を基材２に対してより強固に接合できる。すなわち前記ピン７と一体に形成した円柱状の基部６を、その外周の全周を囲む基材２と立体的に接合させることによって、前記接続部材３を、すなわちピン７を基材２に対してより強固に接合できる。
そのためピン７をかしめ加工してリードフレーム等と接続する際の衝撃等によって、前記ピン７を有する接続部材３が基材２から脱落したりするのをより確実に防止できる。
しかもこの例のヒートスプレッダ１では、前記のように基部６を基材２の表面５に達するように厚み方向に貫通させているため、ピン７のかしめ加工時に基材２の厚み方向に加わる荷重の大部分を、接続部材３それ自体を介して基材２の裏面４側から表面５側に逃がすことができる。そのため、基材２に直接に加わる荷重を大幅に低減でき、前記基材２に亀裂や割れ等が生じるのを確実に防止して、かしめ加工時の歩留まりをさらに向上できる。
したがってこの例のヒートスプレッダ１によれば、ピン７を含む接続部材３の全体をかしめ加工することが容易な金属または合金によって形成することにより、前記ヒートスプレッダ１を、前記ピン７のかしめ加工によって精度よくかつ歩留まりよく、リードフレーム等に対して良好に固定できる。
基材２は、裏面４の中央部に、前記裏面４から上方へ突出させた矩形状の肉厚部８を有している。肉厚部８は、前記複合材料等によって基材２と一体に形成されている。前記肉厚部８の、図において上面９は、先に説明したように封止樹脂によって封止させずに露出させて、冷却のための露出面として機能させることができる。
図３は、前記接合部分の変形例を示す拡大断面図である。
図３を参照して、この例では接続部材３を、基部６を基材２の表面５まで達するように厚み方向に貫通させずに、前記基材２の裏面４から厚み方向の途中の位置まで貫入させた状態で前記基材２と接合している。この場合も、従来の基材の裏面等にピンをはんだ接合等によって単なる面同士で接合して固定する場合等に比べて、ピン７を基材２に対してより強固に接合できる。
すなわち前記円柱状の基部６を、その外周の全周を囲み、かつ図３において下側の端面と接する基材２と立体的に接合させることによって、前記接続部材３を、すなわちピン７を基材２に対してより強固に接合できる。
接続部材３としては、ヒートスプレッダ１やリードフレームのサイズやかしめ位置、搭載する半導体素子の形状やサイズ、あるいは樹脂封止パッケージ等の形状やサイズ等に応じて種々の寸法を有するものが使用できる。
例えば、前記のように基部６とピン７とを外径の等しい円柱状に一体に形成した接続部材３においては、前記ピン７の、裏面４からの突出高さが０．５ｍｍ以上、２．０ｍｍ以下、特に１．０ｍｍ前後となるように接続部材３の全体の長さを設定し、かつ前記接続部材３の直径を０．５ｍｍ以上、５．０ｍｍ以下、特に１．０ｍｍ程度とするのが好ましい。
ピン７の突出高さが０．５ｍｍ未満では、かしめによる充分なつぶし代を確保できないおそれがある。また２．０ｍｍを超える場合には、前記ピン７が裏面４から鉛直方向にまっすぐに突出されない場合を生じ、その場合にはリードフレームを嵌め込むのが難しくなるという問題を生じる。
また接続部材３の直径が０．５ｍｍ未満では、特に後述する本発明の製造方法によってヒートスプレッダ１を製造するに際し、下パンチ１７の凹部２２にピン７を挿入して接続部材３をセットするのが難しくなるおそれがあり、５．０ｍｍを超える場合には、大きさが限られた樹脂封止パッケージ用のヒートスプレッダ１の基材２に前記接続部材３を配置するスペース、およびリードフレームに通孔を形成するスペースを確保するのが難しくなるおそれがある。
基部６を基材２に貫入させる深さは、先に説明したように基材２の厚みまで、つまり図２に示すように基部６を基材２の表面５まで貫通させた状態までであり、この状態が最も好ましい。
また、図３に示すように基部６を基材２の厚み方向の途中まで貫入させる場合には、その貫入させる深さを０．２ｍｍ以上とするのが好ましい。貫入させる深さが０．２ｍｍ未満では、先に説明した基部６をその外周の全周を囲み、かつ下側の端面と接する基材２と立体的に接合させることで、前記接続部材３を基材２に対してより強固に接合する効果が充分に得られないおそれがある。
基部６を貫入させる位置は、基材２の面方向の周縁から０．２ｍｍ以上、内側に入った位置であるのが好ましい。前記範囲より周縁に近い位置に基部６を貫入させた場合には、かしめ加工時の衝撃によって、基材２の前記基部６より周縁側に亀裂を生じて、ヒートスプレッダ１がリードフレームから脱落するおそれがある。
下パンチ１７の凹部２２とピン７との間のクリアランスは０．０２ｍｍ以上、０．１ｍｍ以下に設定するのが好ましい。クリアランスが０．０２ｍｍ未満では、特に後述する本発明の製造方法によってヒートスプレッダ１を製造するに際し、凹部２２にピン７を挿入して接続部材３をセットするのが難しくなるおそれがあり、０．１ｍｍを超える場合には、圧縮成形時に、基材２を構成する複合材料中の金属または合金が前記クリアランス内に浸入する等して、成形後の圧縮成形体をプレス型２０から取り出すのが難しくなるおそれがある。
図４は、本発明のヒートスプレッダの、実施の形態の他の例の外観を示す斜視図である。図５は、図４の例のヒートスプレッダの要部である、ネジ孔を有する接続部材と基材との接合部分を拡大して示す拡大断面図である。
図４および図５を参照して、この例のヒートスプレッダ１は、全体を矩形平板状に形成した基材２と、前記基材２の矩形の四隅に対応する位置に設けた４つの接続部材３とを備えている。
各接続部材３は、それぞれ基材２の裏面４（図示しない冷却器やヒートシンク等の他部材が接続される面、両図において上面）から表面５（半導体素子等が搭載される面、両図において下面）へ達するように厚み方向に貫通させた状態で、周囲の全周を囲む前記基材２と接合させている。
また接続部材３には、前記裏面４から表面５へ向けて、他部材との接続のためのネジが螺合されるネジ孔１０を、前記両面４、５間を貫通させて形成している。またこの例では前記接続部材３を、金属または合金によって外径の等しい円柱状に一体に形成し、その中心軸と略同軸となるようにネジ孔１０を設けている。
前記接続部材３を有するこの例のヒートスプレッダ１においては、前記接続部材３を、ネジ孔１０を形成するための孔あけやタッピング等の加工をすることが容易な金属または合金によって形成することにより、超硬工具等を用いることなく簡単に、しかも短時間で前記ネジ孔１０を形成できる。また前記金属や合金からなる接続部材３は複合材料のように脆くないため、前記加工時や、あるいはネジを締め付ける際等に前記ネジ孔１０の周囲等に亀裂や割れ等が生じたりするのも防止できる。
しかもこの例のヒートスプレッダ１は、前記のように接続部材３を基材２の表面５に達するように厚み方向に貫通させているため、ネジ孔１０を形成するための孔あけやタッピング等の加工時に基材２の厚み方向に加わる荷重の大部分を、接続部材３それ自体を介して基材２の裏面４側から表面５側に逃がすことができる。そのため基材２に直接に加わる荷重を大幅に低減でき、前記加工時に基材２に亀裂や割れ等が生じるのを確実に防止して、孔あけやタッピングの加工時の歩留まりをさらに向上できる。
また、他部材との接続のために前記ネジ孔１０に螺合したネジを締め付けた際に基材２の厚み方向に加わる応力を、前記接続部材３によって受けることができる。そのため他部材との接続時に基材２に亀裂や割れ等が生じたりするのをさらに確実に防止できる。
またこの例のヒートスプレッダ１では、基材２の裏面および表面を薄板状の被覆層１１、１２で被覆しており、前記被覆層１１の両図において上側の露出面を基材２の裏面４、被覆層１２の下側の露出面を基材２の表面５としている。
前記被覆層１１、１２は、接続部材３を形成するのと同じまたは異なる金属または合金によって形成する。特に基材２と同等またはそれ以上の良好な熱伝導率を有する種々の金属または合金によって形成するのが好ましい。
前記被覆層１２によって構成した基材２の表面５には、半導体素子や、あるいは半導体素子を搭載したセラミック基板等を、熱伝導の妨げになるボイド等を生じることなく良好にはんだ接合できる。
すなわち、前記半導体素子やセラミック基板等を基材２の表面５に良好にはんだ接合するためには、前記表面５をはんだに対する濡れ性、親和性に優れたニッケルめっき膜等で被覆するのが好ましい。
しかし基材２の、複合材料からなる表面においては、前記複合材料を構成する各種の材料間、例えば金属や合金とセラミックとでめっきの条件が大きく異なるため、その表面に直接に、安定で均一なニッケルめっき膜等を形成するのは難しい。
これに対し、基材２の表面５を単一の金属または合金からなる平滑な被覆層１２で構成した場合には、前記被覆層１２上に安定で均一なニッケルめっき膜等を形成できる。そのため前記ニッケルめっき膜等を形成した表面に、前記素子やセラミック基板等を熱伝導の妨げになるボイド等を生じることなく良好にはんだ接合できる。
また、被覆層１２を構成する金属または合金としてはんだに対する濡れ性、親和性に優れたものを用いてニッケルめっき膜等を省略することもできる。
また、基材２の裏面４を被覆層１１によって構成することにより前記裏面４の平滑性を高めて、前記裏面４にネジによって固定される冷却器やヒートシンク等との密着性を高めることができる。
図６ないし図８は、それぞれ接続部材３の変形例を示す拡大断面図である。図６を参照して、ネジ孔１０は基材２の表面５側では開口させずに裏面４側のみで開口させてもよい。また図７を参照して、接続部材３は、基材２の表面５まで達するように厚み方向に貫通させずに、前記基材２の裏面４から厚み方向の途中の位置まで貫入させた状態で前記基材２と接合してもよい。
さらに図８を参照して、接続部材３にはネジ孔１０に代えて通孔１３を形成してもよい。この場合、例えば冷却器やヒートシンクにネジ孔を形成しておき、前記通孔１３に挿通したネジを前記ネジ孔に螺合させることで、基材２の裏面４側に冷却器やヒートシンクが連結される。
接続部材３としては、ヒートスプレッダ１や冷却器、ヒートシンク等のサイズ、搭載する半導体素子の形状やサイズ、あるいはネジ孔に螺合するネジや通孔に挿通するネジの寸法等に応じて種々の寸法を有するものが使用できる。
例えば前記のように円柱状に一体に形成し、その中心軸と略同軸となるようにネジ孔１０や通孔１３を設けた接続部材３においては、その直径を前記ネジ孔１０や通孔１３の内径の１．２倍以上、３．０倍以下、特に１．５倍以上、２．０倍以下となるように設定するのが好ましい。
接続部材３の直径がネジ孔１０や通孔１３の内径の１．２倍未満では、前記接続部材３が細すぎて、その中心軸と略同軸に前記ネジ孔１０や通孔１３を形成する加工が容易でなくなるおそれがある。また加工時の応力が基材２に加えられて、前記基材２に亀裂や割れ等が生じたりしやすくなるおそれもある。またネジ孔１０や通孔１３を形成した後の接続部材３の肉厚が薄くなりすぎて、ネジを締め付けた際に基材２の厚み方向に加わる応力を、前記接続部材３によって十分に受けることができないため、前記基材２に亀裂や割れ等が生じたりしやすくなるおそれもある。
また接続部材３の直径がネジ孔１０や通孔１３の内径の３．０倍を超える場合には、基材２と接続部材３との熱膨張係数の違いによる基材２へのダメージが大きくなりすぎるおそれがある。また、ネジ孔１０や通孔１３をヒートスプレッダ１の外周縁の近傍等に配置できなくなり、前記ヒートスプレッダ１の設計の自由度が低下するおそれもある。
接続部材３を基材２に貫入させる深さは、先に説明したように基材２の厚みまで、つまり図４ないし図６、図８に示すように接続部材３を基材２の表面５まで貫通させた状態までであり、この状態が最も好ましい。
また、図７に示すように接続部材３を基材２の厚み方向の途中まで貫入させる場合には、その貫入させる深さを、ネジ孔１０の内径の１．０倍以上とするのが好ましい。貫入させる深さをネジ孔１０の内径の１．０倍以上とすることで、前記接続部材３に形成するネジ孔１０に十分なネジの締めしろを確保できる。そのためヒートスプレッダ１を、ネジによって、冷却器やヒートシンク等に対して確実に固定できる。
接続部材３を貫入させる位置は、基材２の面方向の周縁から０．２ｍｍ以上、内側に入った位置であるのが好ましい。前記範囲より周縁に近い位置に接続部材３を貫入させた場合には、ネジ孔１０や通孔１３を形成する加工時の応力、あるいはネジを締め付ける際の応力等によって基材２の前記接続部材３より周縁側に亀裂を生じるおそれがある。
図１ないし図７のいずれの例のヒートスプレッダ１においても基材２の熱膨張係数は１５×１０-6／Ｋ以下であるのが好ましい。
これにより、各種の半導体材料からなる半導体素子等との熱膨張係数の差を小さくできる。そのため半導体素子の動作による発熱と停止後の冷却とを繰り返した際に、熱膨張係数の違いに基づいて半導体素子に過剰な応力が加わって前記半導体素子自体が破損したり誤動作したり、半導体素子の動作の効率が低下したり、あるいは半導体素子とヒートスプレッダ１との間のはんだ接合等が破壊されたりするのを抑制できる。
また基材２の熱膨張係数は、例えばアルミニウム−セラミック複合材料、ケイ素−セラミック複合材料等からなる基材２の場合、前記範囲内でも２×１０-6／Ｋ以上であるのが好ましい。
複合材料からなる基材２の熱膨張係数は、セラミックの含有割合を増減させることで調整できる。しかし熱膨張係数を２×１０-6／Ｋ未満とするためにはセラミックの含有割合を過剰に多くしなければならず、相対的に結合材としてのアルミニウム等の含有割合が少なくなりすぎて、実質的に前記複合構造を有する基材２を形成するのが容易でなくなるためである。また基材２を形成できたとしても強度が不足して、十分に実用に供しえなくなるおそれがあるためである。
他の材料からなる基材２についても、それぞれの材料に固有の事情に応じて熱膨張係数の下限を設定すればよい。
基材２の熱伝導率は１５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であるのが好ましい。これにより、素子において発生した熱をできるだけ速やかに冷却部材に伝導して除去できるため、素子自体が過熱して誤動作したり破損したりするのを確実に防止できる。
前記熱膨張係数および熱伝導率の範囲を満足する基材２としては、
(1) アルミニウム−セラミック複合材料、
(2) 銅−セラミック複合材料、
(3) 銅−タングステン複合材料、
(4) 銅−モリブデン複合材料、
(5) アルミニウム−ケイ素複合材料、および
(6) 銅−ダイヤモンド複合材料
からなる群より選ばれた少なくとも一種からなるものが限定的に用いられる。
このうち(1)のアルミニウム−セラミック複合材料からなる基材２としては、例えば下記のいずれかの形成方法によって形成したもの等が挙げられる。
(1-1) アルミニウムまたはアルミニウム合金の粉末とセラミック粉末との混合物を基材２の形状に圧縮成形したのち、アルミニウムまたはアルミニウム合金の融点以下の温度で焼成する。
(1-2) 前記(1-1)で得た基材２を、再度アルミニウムまたはアルミニウム合金の融点以下の温度に加熱しながら圧縮成形して複合構造の緻密化を図る。
(1-3) 基材２の形状に形成したセラミックからなる多孔質体（プリフォーム）中に、例えば真空炉中で、溶融させたアルミニウムまたはアルミニウム合金を含浸させる。
なお、後述する本発明の製造方法によってヒートスプレッダ１を製造する際に、接続部材３と接合された状態で形成される基材２は(1-1)(1-2)の方法によって形成したものに相当する。
前記(1-1)(1-2)の方法において使用するアルミニウムまたはアルミニウム合金の粉末としては、例えばアトマイズ法等によって作製された純アルミニウム粉末や、ケイ素（Ｓｉ）を１２質量％以下の割合で含有するアルミニウム−ケイ素合金粉末等が挙げられる。
また、日本工業規格ＪＩＳ Ｈ４０００：２００６「アルミニウム及びアルミニウム合金の板及び条」において規定された合金番号Ａ１０５０、Ａ１０７０、Ａ１１００等の純アルミニウム系の展延材、Ａ２０１４、Ａ３００４、Ａ５００５等のアルミニウム−マグネシウム合金系材料、あるいはＡＣ３Ａ、ＡＣ４Ａといった鋳造用アルミニウム系合金等の粉末等も使用可能である。
前記アルミニウムまたはアルミニウム合金の粉末は、平均粒径が３０μｍ以上、６０μｍ以下であるのが好ましい。これにより、基材２中でアルミニウムまたはアルミニウム合金とセラミックとをできるだけ細かくかつ均等に分布させて、両者の分布に偏りがない基材２を形成できる。
セラミック粉末としては、例えば炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）等のセラミックからなる粉末が挙げられる。
前記粒径範囲を有するアルミニウムまたはアルミニウム合金の粉末と組み合わせるセラミック粉末は、平均粒径が３０μｍ以上、６０μｍ以下であるのが好ましい。特に組み合わせるアルミニウムまたはアルミニウム合金の粉末と平均粒径が等しいのがさらに好ましい。これにより、基材２中でアルミニウムまたはアルミニウム合金とセラミックとをできるだけ細かくかつ均等に分布させて、両者の分布に偏りがない基材２を形成できる。
前記アルミニウムまたはアルミニウム合金の粉末とセラミック粉末との配合割合は任意に設定できる。しかし、先に説明したようにアルミニウム−セラミック複合材料からなる基材２の熱膨張係数は、セラミックの含有割合を増減させることで調整可能である。そのため前記基材２の熱膨張係数が１５×１０-6／Ｋ以下の任意の値となるように両粉末の配合割合を調整すればよい。
また前記(1-3)の形成方法において使用するセラミックの多孔質体は、例えば前記セラミック粉末を樹脂等のバインダと混合した混合物を基材２の形状に成形したのち焼成して、バインダを除去すると共にセラミック粉末を焼結させる等して形成できる。
(2)の銅−セラミック複合材料からなる基材２としては、アルミニウムまたはアルミニウム合金に代えて銅または銅合金を用いること以外は(1)のアルミニウム−セラミック複合材料と同様にして、例えば下記の形成方法によって形成したもの等が挙げられる。
(2-1) 銅または銅合金の粉末とセラミック粉末との混合物を基材２の形状に圧縮成形したのち、銅または銅合金の融点以下の温度で焼成する。
(2-2) 前記(2-1)で得た基材２を、再度銅または銅合金の融点以下の温度に加熱しながら圧縮成形して複合構造の緻密化を図る。
(2-3) 基材２の形状に形成したセラミックからなる多孔質体中に、例えば真空炉中で、溶融させた銅または銅合金を含浸させる。
このうち(2-1)(2-2)の形成方法において使用する銅または銅合金の粉末としては、例えばアトマイズ法等によって作製された純銅粉末や、日本工業規格ＪＩＳ Ｈ３１００：２００６「銅及び銅合金の板並びに条」において規定された合金番号Ｃ１０２０「無酸素銅」、Ｃ１１００「タフピッチ銅」等の粉末が挙げられる。
また(2-3)の形成方法において使用するセラミックの多孔質体は、先に説明したようにセラミック粉末を樹脂等のバインダと混合した混合物を基材２の形状に成形したのち焼成してバインダを除去すると共にセラミック粉末を焼結させる等して形成できる。
また(3)の銅−タングステン複合材料からなる基材２としては、例えば下記の形成方法によって形成したもの等が挙げられる。
(3-1) 銅または銅合金の粉末とタングステン粉末との混合物を基材２の形状に圧縮成形したのち、銅または銅合金の融点以上の温度で焼成する。
(3-2) 基材２の形状に形成したタングステンからなる多孔質体中に、例えば真空炉中で、溶融させた銅または銅合金を含浸させる。
前記(3-2)の形成方法において使用するタングステンの多孔質体は、例えばタングステン粉末を樹脂等のバインダと混合した混合物を基材２の形状に成形したのち焼成してバインダを除去すると共にセラミック粉末を焼結させる等して形成できる。(3-2)の形成方法については、例えば特開昭５９−２１０３２号公報に詳しい。
また(4)の銅−モリブデン複合材料からなる基材２としては、タングステンに代えてモリブデンを用いること以外は(3)の銅−タングステン複合材料と同様にして形成したもの等が挙げられる。このうち(3-2)の形成方法と同様にして銅−モリブデン複合材料を形成する形成方法については、前記特開昭５９−２１０３２号公報に詳しい。
(5)のアルミニウム−ケイ素複合材料からなる基材２としては、例えばセラミック粉末に代えてケイ素粉末を用いること以外は(1)のアルミニウム−セラミック複合材料と同様にして形成したもの等が挙げられる。後述する本発明の製造方法によってヒートスプレッダ１を製造する際に、接続部材３と接合された状態で形成される基材２は、前記ケイ素粉末を用いて(1-1)(1-2)の方法と同様にして形成したものに相当する。
さらに(6)の銅−ダイヤモンド複合材料からなる基材２としては、例えば特開２００４−１７５６２６号公報に記載された形成方法によって形成したもの等が挙げられる。
接続部材３は、あらかじめ所定の接続部材３の形状に加工するための加工性や、ピン７をかしめ加工する際の加工性、ネジ孔１０、通孔１３を形成する際の加工性等に優れるアルミニウム、アルミニウム合金、銅、または銅合金によって形成される。中でも試験力４９．０３Ｎ（試験荷重５ｋｇｆ）でのビッカース硬さＨｖが２００以下のアルミニウム、アルミニウム合金、銅、または銅合金が好ましい。
また接続部材３は、基材２を構成する複合材料と焼結可能であることも肝要である。
そのため、基材２が(1)のアルミニウム−セラミック複合材料、または(5)のアルミニウム−ケイ素複合材料からなるとき、接続部材３は、アルミニウムまたはアルミニウム合金によって形成する。中でも、前記各条件を満足する、接続部材３のもとになるアルミニウムまたはアルミニウム合金としては、前出のＪＩＳ Ｈ４０００：２００６において規定された合金番号Ａ１０５０、Ａ２０１４、Ａ３００４、Ａ５００５等のアルミニウムまたはアルミニウム合金等が挙げられる。
また基材２が(2)の銅−セラミック複合材料、(3)の銅−タングステン複合材料、(4)の銅−モリブデン複合材料、または(6)の銅−ダイヤモンド複合材料からなるとき、接続部材３は、銅または銅合金によって形成する。中でも、前記各条件を満足する、接続部材３のもとになる銅または銅合金としては、前出のＪＩＳ Ｈ３１００：２００６において規定された合金番号Ｃ１０２０「無酸素銅」、Ｃ１１００「タフピッチ銅」等の銅または銅合金等が挙げられる。
被覆層１１、１２を形成する金属または合金としては、先に説明した被覆層１１、１２を設けることの効果に優れると共に、前記被覆層１１、１２のもとになる薄板の厚みをできるだけ均一に仕上げたりするための加工性等にも優れた種々の金属または合金がいずれも使用可能である。中でも試験力４９．０３Ｎ（試験荷重５ｋｇｆ）でのビッカース硬さＨｖが２００以下の金属、特にアルミニウム、アルミニウム合金、銅、または銅合金等が挙げられる。
また被覆層１１、１２は、基材２を構成する複合材料や接続部材３と焼結可能な金属または合金によって形成することも肝要である。
例えば基材２が(1)のアルミニウム−セラミック複合材料、または(5)のアルミニウム−ケイ素複合材料からなり、接続部材３がアルミニウムまたはアルミニウム合金からなるとき、前記各条件を満足する金属または合金としては、前出のＪＩＳ Ｈ４０００：２００６において規定された合金番号Ａ１０５０、Ａ１０７０、Ａ１１００等の純アルミニウム系の展延材や、ＡＣ３Ａ、ＡＣ４Ａ等の鋳造用合金が好ましい。
また基材２が(2)の銅−セラミック複合材料、(3)の銅−タングステン複合材料、(4)の銅−モリブデン複合材料、または(6)の銅−ダイヤモンド複合材料からなり、接続部材３が銅または銅合金からなるとき、前記各条件を満足する金属または合金としては、前出のＪＩＳ Ｈ３１００：２００６において規定された合金番号Ｃ１０２０「無酸素銅」、Ｃ１１００「タフピッチ銅」等が好ましい。
〈ヒートスプレッダの製造方法（その１）〉
本発明のヒートスプレッダ１のうち図１ないし図３の構造を有し、基材２が(1)のアルミニウム−セラミック複合材料、または(5)のアルミニウム−ケイ素複合材料からなり、かつ接続部材３がアルミニウムまたはアルミニウム合金からなるものは、本発明の製造方法によって製造できる。
図９ないし図１３は、図１ないし図３の例のヒートスプレッダ１を製造するための、前記製造方法の一例の各工程を示す断面図である。また図１４は、前記各工程を経て形成される圧縮成形体１４をさらに焼成して得られる、ヒートスプレッダ１の前駆体１５の断面図である。
図１ないし図３、図９を参照して、この例の製造方法においては、まず製造するヒートスプレッダ１の基材２の裏面４の平面形状と一致する平面形状とされた底面１６を有する下パンチ１７と、前記底面１６を囲み基材２の側面の形状と一致する形状とされた内周面１８を有するダイ１９とを含むプレス型２０を用意する。なお図の例では下パンチ１７とダイ１９とを別体に形成しているが、簡略化のために両者を一体に形成したり、下パンチ１７に代えてダイ１９の下側の開口をアンビルで塞いだりしても構わない。
底面１６は、具体的には、裏面４の平面形状に対応した矩形状の平面形状を有すると共に、前記矩形の中央部に、肉厚部８に対応した矩形状の凹部２１が形成され、前記凹部２１の周囲で、かつ矩形の四隅に対応する４箇所の位置に、前記位置から突出される接続部材３のピン７が挿入される凹部２２が形成された立体形状とされている。
次に図１０を参照して、底面１６の凹部２２にピン７を挿入すると共に基部６を底面１６から突出させた状態で接続部材３を下パンチ１７にセットする。
次に図１１を参照して、プレス型２０の底面１６と内周面１８とで囲まれた領域内に、基材２のもとになるアルミニウムまたはアルミニウム合金の粉末と、セラミック粉末またはケイ素粉末との混合物２３を充填する。混合物２３の充てん量は、前記混合物２３を構成するセラミック粉末、ケイ素粉末の密度や粒径、アルミニウムまたはアルミニウム合金の粉末の粒径、前記両粉末の配合割合、形成する基材２の密度等に応じて任意に設定できる。
次に図１２、図１３を参照して、混合物２３上に、当接面２４の平面形状が基材２の表面５の平面形状に対応した矩形状とされた上パンチ２５を当接させた状態で、底面１６の方向に押し込んで圧縮成形体１４を得た後、前記圧縮成形体１４を、アルミニウムまたはアルミニウム合金の融点以下の温度で焼成する。
そうすると、圧縮成形体１４を構成するセラミック粉末またはケイ素粉末と、アルミニウムまたはアルミニウム合金の粉末とが焼結されて基材２が形成される。それと共に、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる接続部材３の基部６が前記基材２と接合されて図１４に示すヒートスプレッダ１の前駆体１５が得られる。
圧縮成形体１４は、いわゆるホットプレス成形法により、図１３の圧縮状態を維持しながらプレス型２０ごと図示しない加熱手段によって加熱して焼成してもよい。しかしプレス型２０は、圧縮成形時におよそ９８ＭＰａ以上という過大な圧力が加えられるため全体が大きく、必然的に熱容量も大きい。そのため前記ホットプレス成形法を採用した場合には前記圧縮成形体１４を、熱容量の大きいプレス型２０ごと、焼成に要する時間（通常は０．５時間以上）の間、加熱し続けなければならないので、１つのヒートスプレッダ１を製造するのに要するエネルギーおよび時間が増大する。
そのため本発明では、例えば常温下で圧縮成形した圧縮成形体１４を、図示していないがプレス型２０から取り出した後にそのままで、あるいは型崩れを防止するための簡単な（熱容量の小さい）型枠に嵌め込む等して焼成するのが好ましい。これにより焼成に要するエネルギーと時間とを削減でき、ヒートスプレッダ１の生産性を向上できる。
焼成の温度はアルミニウムまたはアルミニウム合金の融点以下であればよい。しかし基材２を形成するアルミニウムまたはアルミニウム合金の粉末と、セラミック粉末またはケイ素粉末とができるだけ良好に結合され、かつ接続部材３が前記基材２とできるだけ強固に接合されたヒートスプレッダ１を、できるだけ効率よく製造するためには、焼成の温度は５５０℃以上、６５０℃以下であるのが好ましい。また、同様の理由で焼成の時間は０．５時間以上、２時間以下であるのが好ましい。
また圧縮成形時の圧力は９８ＭＰａ以上、６８６ＭＰａ以下であるのが好ましい。圧力が９８ＭＰａ未満では圧縮成形体１４の強度が不足して、特に焼成のためにプレス型２０から取り出す際や、取り出した後の焼成工程等において型崩れしやすくなるおそれがある。また圧力が６８６ＭＰａを超えても、それ以上、圧縮成形体１４の強度を高める効果は得られない上、前記高圧の圧縮成形を行うためのプレス型２０が大掛かりになりすぎるという問題もある。
このあと、前記前駆体１５のうち基材２の表面５を、前記基部６の端面が露出し、かつ表面５と裏面４との間の厚みが基材２の所定の厚みになるまで研磨すると図１、図２に示すヒートスプレッダ１が製造される。
また接続部材３の基部６の突出量を研磨後の基材２の厚み以下に設定して前駆体１５を得、前記前駆体１５のうち基材２の表面５を前記基部６の端面が露出する手前で、かつ基材２の所定の厚みになるまで研磨すると図１、図３に示すヒートスプレッダ１が製造される。
〈ヒートスプレッダの製造方法（その２）〉
本発明のヒートスプレッダ１のうち図４ないし図８の構造を有し、基材２が(1)のアルミニウム−セラミック複合材料、または(5)のアルミニウム−ケイ素複合材料からなり、かつ接続部材３がアルミニウムまたはアルミニウム合金からなるものは、本発明の他の製造方法によって製造できる。
図１５ないし図１８は、図４ないし図８の例のヒートスプレッダ１を製造するための、前記他の製造方法の一例の各工程を示す断面図である。また図１９は、前記各工程を経て形成される圧縮成形体１４をさらに焼成して得られる、ヒートスプレッダ１の前駆体１５の断面図である。
図４ないし図８、図１５を参照して、この例の製造方法においては、まず製造するヒートスプレッダ１の基材２の裏面４の平面形状と一致する平面形状とされた底面１６を有する下パンチ１７と、前記底面１６を囲み基材２の側面の形状と一致する形状とされた内周面１８を有するダイ１９とを含むプレス型２０を用意する。
また底面１６上に、被覆層１１となる薄板２６をセットする。薄板２６は、基材２の裏面４の平面形状と一致する矩形状とされ、かつその四隅に対応する位置に接続部材３の下端部が嵌め合わされる通孔２７が形成されたものである。接続部材３の下端部を前記通孔２７に嵌め合わせることにより、前記接続部材３を下パンチ１７に対して位置決めできる。
なお図の例では下パンチ１７とダイ１９とを別体に形成しているが、簡略化のために両者を一体に形成したり、下パンチ１７に代えてダイ１９の下側の開口をアンビルで塞いだりしても構わない。
次に図１６を参照して、薄板２６の通孔２７に接続部材３の下端部を嵌め合わせて、前記のように接続部材３を下パンチ１７に対して位置決めしてセットした状態で、プレス型２０の底面１６と内周面１８とで囲まれた領域内に、基材２のもとになるアルミニウムまたはアルミニウム合金の粉末と、セラミック粉末またはケイ素粉末との混合物２３を充填する。
混合物２３の充てん量は、前記混合物２３を構成するセラミック粉末、ケイ素粉末の密度や粒径、アルミニウムまたはアルミニウム合金の粉末の粒径、前記両粉末の配合割合、形成する基材２の密度等に応じて任意に設定できる。
さらに所定量の混合物２３を充填した上に、被覆層１２となる薄板２８をセットする。薄板２８は、基材２の表面５の平面形状と一致する矩形状とされ、かつその四隅に対応する位置に接続部材３の上端部が嵌め合わされる通孔２９が形成されたものである。
前記通孔２９に接続部材３の上端部を嵌めあわせることで、前記接続部材３の倒れこみ等を防止できる。
接続部材３は、所定の厚みを有する基材２を形成するのに必要な量の混合物２３を、薄板２６、２８間に充填した状態で、図に見るように両薄板２６、２８の通孔２７、２９に上下両端部を嵌め合わせることができるように、実際に必要な長さより長めに形成しておく。
次に図１７、図１８を参照して、薄板２８上に、当接面２４の平面形状が基材２の表面５の平面形状に対応した矩形状とされた上パンチ２５を当接させた状態で、底面１６の方向に押し込んで圧縮成形体１４を得る。
上パンチ２５には、前記押し込みの際に接続部材３が挿通される通孔３０が形成されており、前記通孔３０に余剰分の接続部材３を挿通させながら薄板２６、２８とその間の混合物２３とを所定の厚みになるまで圧縮成形することができる。
次いで前記圧縮成形体１４を、アルミニウムまたはアルミニウム合金の融点以下の温度で焼成する。これにより、圧縮成形体１４を構成するセラミック粉末またはケイ素粉末と、アルミニウムまたはアルミニウム合金の粉末とが焼結されて基材２が形成される。それと共に、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる接続部材３が基材２と接合され、また薄板２６、２８が基材２と接合されて被覆層１１、１２とされて、図１９に示すヒートスプレッダ１の前駆体１５が得られる。
焼成は、先に説明したように常温下で圧縮成形した圧縮成形体１４を、図示していないがプレス型２０から取り出した後にそのままで、あるいは型崩れを防止するための簡単な（熱容量の小さい）型枠に嵌め込む等して焼成するのが好ましい。これにより焼成に要するエネルギーと時間とを削減でき、ヒートスプレッダ１の生産性を向上できる。焼成の条件、および圧縮成形の条件は前記と同様であるのが好ましい。
図１９では、破線で示すように被覆層１２から図において下方へ突出していた接続部材３の余剰分をカットしている。このあと接続部材３に穴あけ、およびタッピングの工程を経てネジ孔１０を形成すると図４、図５、または図４、図６に示すヒートスプレッダ１が製造される。
また接続部材に通孔１３を形成すると図４、図８に示すヒートスプレッダ１が製造される。さらに下パンチ１７にセットする接続部材３として、圧縮成形後の基材２の厚みよりも短いものを用いると、図４、図７に示すヒートスプレッダ１が製造される。
本発明の構成は、以上で説明した図の例のものには限定されない。例えば図１〜図３の例のヒートスプレッダ１の基材２は平板状で、その裏面４の中央に肉厚部８を形成し、その周囲の４箇所に接続部材３を設けていたが、基材２の形状や接続部材３の配置、個数等は、組み合わせる半導体素子、およびリードフレームの形状等に合わせて任意に設定することができる。
また図４〜図８の例のヒートスプレッダ１の基材２は平板状で、その裏面４および表面５を被覆層１１、１２で被覆すると共に矩形の四隅の４箇所に接続部材３を設けていたが、基材２の形状や構造、接続部材３の配置や形状、個数等は、組み合わせる半導体素子や冷却器、ヒートシンクの形状等に合わせて任意に設定することができる。
例えば図４〜図８の例のヒートスプレッダ１はいずれも接続部材３の両端部を基材２の裏面４、および表面５の両面と同一平面となるように揃えていたが、いずれか一方の端部を前記裏面４または表面５から突出させて位置決め等として機能させてもよい。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を施すことができる。
〈実施例１〉
図１に示す矩形平板状（横８０ｍｍ×縦５０ｍｍ×厚み２．０ｍｍ）で、その裏面４の中央に横４０ｍｍ×縦２５ｍｍ×高さ０．５ｍｍの肉厚部８を有する基材２と、前記基材２の裏面４の、矩形の四隅に対応する位置から上方へピン７（直径１．０ｍｍ、突出高さ１．０ｍｍ）を突出させた状態で４つの接続部材３を接合したヒートスプレッダ１を、図９ないし図１４の工程を経て製造することとして、下記の各種材料およびプレス型２０を用意した。
（基材２のもとになる混合物２３）
セラミック粉末としての炭化ケイ素粉末（平均粒径５０μｍ）５０質量部と、アルミニウム粉末（平均粒径５０μｍ）５０質量部とを配合して調製した。
（接続部材３）
直径１．０ｍｍ、長さ３．０ｍｍの、アルミニウムからなる円柱状の接続部材３を用意した。
（プレス型２０）
製造するヒートスプレッダ１の裏面４の形状と一致する形状とされた底面１６を備えると共に、前記底面１６の、矩形の四隅に相当する位置に接続部材３のピン７が挿入される、直径約１．０ｍｍ（ピン７とのクリアランス０．０３ｍｍ）深さ１．０ｍｍの凹部２２を設けた下パンチ１７と、前記底面１６を囲む、ヒートスプレッダ１の基材２の側面の形状と一致する形状とされた内周面１８を備えたダイ１９とを、それぞれステンレス鋼によって別体に形成した。また当接面２４の平面形状が、基材２の表面５の平面形状と一致する平面状とされた上パンチ２５をステンレス鋼によって形成した。
（ヒートスプレッダ１の製造）
下パンチ１７の４つの凹部２２に、それぞれ接続部材３をセットすると共に（セットした接続部材３の基部６の突出量は２．０ｍｍ）、底面１６と内周面１８とで囲まれた領域内に２４．０ｇの混合物２３を充填し、前記混合物２３上に上パンチ２５の当接面２４を当接させた状態で、前記上パンチ２５を底面１６の方向に、厚み３．０ｍｍになるまで４９０ＭＰａの圧力で押し込んで圧縮成形体１４を得た後、前記圧縮成形体１４をプレス型２０から取り出し６５０℃で２時間、焼成してヒートスプレッダ１の前駆体１５を形成した。
次に前記前駆体１５を、あらかじめ４００℃に加熱した図９に示すプレス型２０の、底面１６と内周面１８で囲まれた領域内に再びセットし、その上に上パンチ２５の当接面２４を当接させた状態で、前記上パンチ２５を底面１６の方向に押し込んで２９４ＭＰａの圧力で２秒間の加圧処理をして、基材２の変形や、裏面４および表面５の凹凸等を矯正すると共に基材２を高密度化して熱伝導率を向上させた。
そして前記基材２の表面５を、接続部材３の基部６の端面が露出すると共に、前記表面５と裏面４との間の厚み、すなわち基材２の厚みが１．５ｍｍ（肉厚部８の厚みは２．０ｍｍ）となるように研磨してヒートスプレッダ１を製造した。
（外観および切断面の観察）
前記ヒートスプレッダ１の外観を観察すると共に、接続部材３の円柱の軸線を通るようにヒートスプレッダ１を切断して、その切断面を光学顕微鏡写真を撮影して観察したところ、図２０に示すように基材２と接続部材３の基部６とが隙間なく、直接に接合されていることが確認された。
（かしめ加工試験）
前記ヒートスプレッダ１を１００個作製し、そのピン７をリードフレーム〔ＪＩＳ Ｈ３１００：２００６において規定された合金番号Ｃ１５１０「ジルコニウム入り銅」製、厚み０．５ｍｍ〕の通孔に挿入してかしめ加工をしたのち外観を観察する試験を繰り返した際に、ピン割れ、ピン脱落、および基材亀裂の各不良が発生した個数をカウントしたところ、実施例１はいずれの不良も０個であり、全数（１００個）で良好なかしめ加工がされたことが確認された。
〈実施例２〉
接続部材３の長さを１．３ｍｍ、凹部２２にセットした接続部材３の基部６の突出量を０．３ｍｍとすることで、前記基部６を、図３に示すように平板の裏面４から厚み方向の途中の位置まで貫入させた状態で基材２と接合させたこと以外は実施例１と同様にしてヒートスプレッダ１を製造した。
前記ヒートスプレッダを１００個作製し、実施例１と同様にしてかしめ加工試験を繰り返したところ、１００個中の２個で基材２の表面５側の、接続部材３に対応する位置に亀裂が発生しているのが確認されたが、残りの９８個は良好なかしめ加工がされたことが確認された。
〈比較例１〉
下パンチ１７として、凹部２２をその裏面まで貫通させてピン状の可動型を挿入したものを用意し、前記可動型の先端を下パンチ１７の底面１６から下方へ１．０ｍｍ凹入した位置に設定した状態で、前記凹部２２に接続部材３をセットせずに実施例１と同様の圧縮成形を行った。
次いで実施例１と同様の焼成および研磨の工程を経てピンと基材とがアルミニウム−セラミック複合材料によって一体に形成されたヒートスプレッダを製造した。
前記ヒートスプレッダを１００個作製し、実施例１と同様にしてかしめ加工試験を繰り返したところ１００個中の１００個でピン割れが発生し、良好なかしめ加工を行えないことが確認された。
〈比較例２〉
下パンチ１７として凹部を有さないものを用意して、実施例１と同様の圧縮成形を行った後、実施例１と同様の焼成および研磨の工程を経て、ピンを有さない基材を形成した。また直径１．０ｍｍ、長さ３．０ｍｍの、アルミニウムからなる円柱状のピンを用意し、前記ピンの全表面、およびに基材の裏面の、ピンを接合する領域に電解ニッケルめっき（厚み５μｍ）を施した。
そして前記基材とピンとの間にスズ−鉛系はんだ（Ｓｎ６３Ｐｂ３７）を挟んでカーボン治具で固定した状態で２５０℃の炉中に入れて加熱することで、基材の裏面にピンをはんだ接合してヒートスプレッダを製造した。
前記ヒートスプレッダを１００個作製し、実施例１と同様にしてかしめ加工試験を繰り返したところ１００個中の４６個でピン脱落、２個で基材２の表面５側の、ピンに対応する位置に亀裂が発生しているのが確認され、前記１００個中の５２個でしか良好なかしめ加工がされなかったことが確認された。以上の結果を表１に示す。
〈実施例３〉
図４に示す矩形平板状（横１８０ｍｍ×縦９０ｍｍ×厚み５ｍｍ）で、その裏面４および表面５が被覆層１１、１２によって被覆された基材２と、前記基材２の矩形の四隅に対応する位置にネジ孔１０を有する４つの接続部材３を接合したヒートスプレッダ１を、図９ないし図１４の工程を経て製造することとして、下記の各種材料およびプレス型２０を用意した。
（基材２のもとになる混合物２３）
セラミック粉末としての炭化ケイ素粉末（平均粒径５０μｍ）７０質量部と、アルミニウム粉末（平均粒径５０μｍ）３０質量部とを配合して調製した。
（接続部材３）
直径７．０ｍｍ、長さ９ｍｍの、アルミニウムからなる円柱状の接続部材３を用意した。
（被覆層１１、１２のもとになる薄板２６、２８）
横１８０ｍｍ×縦９０ｍｍ×厚み０．３ｍｍの、アルミニウムからなる薄板２６、２８を用意した。薄板２６、２８の四隅には、接続部材３の両端部が嵌め合わされる内径約７ｍｍの通孔２７、２９を設けた。通孔２７、２９と接続部材３とのクリアランスは０．０５ｍｍとした。
（プレス型２０）
製造するヒートスプレッダ１の裏面４の形状と一致する形状とされた底面１６を備える下パンチ１７と、前記底面１６を囲む、ヒートスプレッダ１の基材２の側面の形状と一致する形状とされた内周面１８を備えたダイ１９とを、それぞれステンレス鋼によって別体に形成した。また当接面２４の平面形状が、基材２の表面５の平面形状と一致する平面状とされると共に、前記当接面２４の、矩形の四隅に相当する位置に接続部材３が挿通される、直径約７ｍｍの通孔３０を設けた上パンチ２５をステンレス鋼によって形成した。
（ヒートスプレッダ１の製造）
下パンチ１７の底面１６に薄板２６をセットすると共に、前記薄板２６の４つの通孔２７に、それぞれ接続部材３の下端部を嵌め合わせてセットした状態で、底面１６と内周面１８とで囲まれた領域内に２５０ｇの混合物２３を充填し、前記混合物２３上に薄板２８を重ねて、前記薄板２８の４つの通孔２９に、それぞれ接続部材３の上端部を嵌めあわせた。
次いで前記薄板２８上に上パンチ２５の当接面２４を当接させた状態で、前記上パンチ２５を底面１６の方向に、厚み５ｍｍになるまで４９０ＭＰａの圧力で押し込んで圧縮成形体１４を得た後、前記圧縮成形体１４をプレス型２０から取り出し６５０℃で２時間、焼成してヒートスプレッダ１の前駆体１５を形成した。
次いで基材２の表面５側から突出した接続部材３の余剰分をカットした後、接続部材３の円柱の軸線を通るようにヒートスプレッダ１を切断して、その切断面を、光学顕微鏡写真を撮影して観察したところ、基材２と接続部材３と被覆層１１、１２とが隙間なく、直接に接合されていることが確認された。
また同様にして形成した前駆体１５の、基材２の表面５側から突出した接続部材３の余剰分をカットした後、裏面４側から接続部材３の中心軸と略同軸となるように穴あけ、およびタッピングの加工をしてネジ孔１０を形成したところ、超硬工具等を用いることなく簡単に、しかも短時間でネジ孔１０を形成できることが確認された。

Claims (9)

  1. (1) アルミニウム−セラミック複合材料、
    (2) 銅−セラミック複合材料、
    (3) 銅−タングステン複合材料、
    (4) 銅−モリブデン複合材料、
    (5) アルミニウム−ケイ素複合材料、および
    (6) 銅−ダイヤモンド複合材料
    からなる群より選ばれた少なくとも１種からなる基材と、
    前記基材が前記アルミニウム系の複合材料であるときアルミニウム、またはアルミニウム合金からなり、前記基材が前記銅系の複合材料であるとき銅または銅合金からなり、前記基材を他部材に接続するための接続部材と、
    を含み、
    前記接続部材は、前記基材の少なくとも一面から基材内に貫入された状態で、前記基材中の金属または合金と、接続部材を形成する金属または合金とが、前記複合材料を焼成して基材を形成する際に互いに焼結されることで、前記基材と接合されていることを特徴とするヒートスプレッダ。
  2. 基材が平板状に形成され、接続部材は、前記基材の裏面から表面に達するように基材の厚み方向に貫通された状態で、周囲を囲む前記基材と接合されていると共に、前記接続部材の裏面側には、前記裏面から基材外へ突出させて他部材への接続のためのピンが一体に形成されている請求項１に記載のヒートスプレッダ。
  3. 基材が平板状に形成され、接続部材は、前記基材の裏面から表面に達するように基材の厚み方向に貫通された状態で、周囲を囲む前記基材と接合されていると共に、前記接続部材には、前記裏面側から表面側へ向けて、他部材との接続のためのネジが螺合されるネジ孔、またはネジが挿通される通孔が形成されている請求項１に記載のヒートスプレッダ。
  4. 基材の熱膨張係数が１５×１０−６／Ｋ以下で、かつ熱伝導率が１５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である請求項１ないし３のいずれか１項に記載のヒートスプレッダ。
  5. 接続部材が、ビッカース硬さＨｖ＝２００以下の金属または合金からなる請求項１ないし４のいずれか１項に記載のヒートスプレッダ。
  6. 基材がアルミニウム−セラミック複合材料、またはアルミニウム−ケイ素複合材料からなる平板状で、かつ接続部材がアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる請求項１ないし５のいずれか１項に記載のヒートスプレッダを製造するための製造方法であって、
    前記基材の裏面の平面形状と一致する平面形状とされた底面を有する下パンチと、前記底面を囲む、基材の側面の形状と一致する形状とされた内周面を有するダイとを含むプレス型の、前記底面の所定の位置に接続部材をセットする工程と、
    前記プレス型の底面と内周面とで囲まれた領域に、アルミニウムまたはアルミニウム合金の粉末とセラミック粉末との混合物、またはアルミニウムまたはアルミニウム合金の粉末とケイ素粉末との混合物を充填する工程と、
    前記充填された混合物を底面の方向に圧縮成形して圧縮成形体を得る工程と、
    前記圧縮成形体を、アルミニウムまたはアルミニウム合金の融点以下の温度で焼成する工程と、
    を含むことを特徴とするヒートスプレッダの製造方法。
  7. 圧縮成形体を、プレス型から取り出した後に焼成する請求項６に記載のヒートスプレッダの製造方法。
  8. 下パンチの底面に、接続部材と一体に形成されたピンが挿入される凹部を設け、前記凹部に前記ピンを挿入して接続部材を前記底面にセットした状態で、プレス型の前記底面と内周面とで囲まれた領域に基材のもとになる混合物を充填し、圧縮成形したのち焼成することにより、前記下パンチの底面に対応する基材の裏面から基材外にピンが突出されたヒートスプレッダを製造する請求項６または７に記載のヒートスプレッダの製造方法。
  9. 圧縮成形体を焼成した後の接続部材にネジ孔または通孔を形成する請求項６または７に記載のヒートスプレッダの製造方法。
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