JP5028147B2 - 半導体装置用ヒートスプレッダとその製造方法 - Google Patents

半導体装置用ヒートスプレッダとその製造方法 Download PDF

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Description

この発明は、一般的には半導体装置用ヒートスプレッダとその製造方法に関し、特定的には自動車等に搭載される絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）等のパワーデバイスに用いら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。
電車や電気自動車等のモータ制御に用いられるＩＧＢＴ等のパワーデバイスでは、半導体装置の発熱を効果的に放散させるために、ヒートスプレッダが用いられている。
図６は、従来のヒートスプレッダを用いた半導体装置用熱放散構造を概略的に示す図である。
図６に示すように、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、アルミナ等からなる絶縁基板４の両側表面にアルミニウム層３（または銅層）が形成されている。アルミニウム層３が形成された絶縁基板４の一方表面には、はんだ層２を介在させて、半導体装置５が搭載されている。アルミニウム層３が形成された絶縁基板４の反対側の他方表面には、はんだ層２を介在させて、銅−モリブデン合金板６からなるヒートスプレッダが接合されている。なお、はんだ層の接合性を確保するために、銅−モリブデン合金板６の表面にはニッケルめっきが施されている。絶縁基板４に接合された銅−モリブデン合金板６の一方表面と反対側の他方表面には、熱伝導グリス７を介在させて、冷却ユニット５００が取り付けられている。冷却ユニット５００の内部には、ポンプ５１０によって冷却媒体として水または他の液体を流通させるための冷媒流通経路５３０が形成されている。冷却ユニット５００はラジエータ５２０を備えているので、最終的に熱を大気に放出する。銅−モリブデン合金板６からなるヒートスプレッダは、半導体装置５における局部的な発熱を冷却ユニット５００の冷媒流通経路５３０に伝える役目を果たす。
上記の目的を達成するために、ヒートスプレッダには、高い熱伝導性が要求される。また、搭載される半導体装置の温度変化による熱応力破壊を防ぐために、絶縁基板の材料に近い熱膨張特性もヒートスプレッダには要求される。
これらの要求を満足するヒートスプレッダの材料としては、従来から銅−モリブデン合金板が用いられている。
しかしながら、銅−モリブデン合金板には、いくつかの欠点がある。
第１の課題は、その重量が重いことであり、特に軽量化が要求される輸送機器では大きな課題である。
第２の課題は、銅−モリブデン合金板そのものの欠点ではないが、図６に示すように銅−モリブデン合金板６と冷却ユニット５００との間には熱伝導グリス７を介在させているため、冷却効率を上げられないことが指摘されている。この問題を解決するためには、銅−モリブデン合金板６を液体で直接冷却する等の手段も考えられている。
しかし、銅−モリブデン合金板を液体で直接冷却する場合、冷却ユニットの構成を検討する必要がある。ここで、自動車エンジン用の一般的なラジエータは、アルミニウム合金製であるが、半導体装置用熱放散構造とラジエータを共有することはアルミニウムの腐食の観点から困難である。さらに、半導体装置用熱放散構造専用の銅製のラジエータを構成することも考えられるが、この対策は、重量増を招くと同時に、スペースに余裕がある大型車等を除き、乗用車では採用が困難である。
上記の第１の課題を解決するために、ヒートスプレッダの材料として、銅−モリブデン合金板の代わりに、アルミニウムまたはアルミニウム合金と炭化ケイ素粒子の複合材料を用いることが提案されている。この材料を用いる場合でも、はんだ層の接合性を確保するために、複合材料の表面にはニッケルめっき等が施される。しかし、この材料では、炭化ケイ素粒子とアルミニウムまたはアルミニウム合金との界面が複合材料の表面に露出すること、炭化ケイ素粒子の脱粒等による穴の影響により、めっき層を均一に表面に形成することが困難である。このため、はんだ層を形成した後、めっき層の不完全さが原因と考えられるボイドがはんだ層の内部に多く残留する等の問題を生じるので、この複合材料は広く用いられることはなかった。
これらの問題を解決するための半導体装置用部材が、国際公開第ＷＯ２００６/０７７７５５号パンフレット（特許文献１）で提案されている。この半導体装置用部材は、基材と、基材の両側表面の上に接合された表面層とを備え、基材は、粒子状の炭化ケイ素がアルミニウムまたはアルミニウム合金中に分散した、出発材料が粉末材であるアルミニウム−炭化ケイ素複合材料からなり、表面層は、出発材料が溶製材であるアルミニウムまたはアルミニウム合金を含む。この半導体装置用部材では、めっき層は、溶製材であるアルミニウムまたはアルミニウム合金の表面層の上に形成されるため、高品位なめっき層の形成が可能となり、はんだ層に残留するボイドを大幅に低減することができる。また、この半導体装置用部材は、上記の第２の課題も解決することができ、溶製材であるアルミニウムまたはアルミニウム合金の表面層が存在するため、自動車用エンジンのラジエータと共有することが可能な形式で、ヒートスプレッダを直接水で冷却する半導体装置用熱放散構造が可能になるものと期待される。
ところで、電車や電気自動車等の輸送用機器では、ＩＧＢＴ等のパワーデバイスをさらに小型化して省スペース化を図ることと、パワーデバイスの出力を増大することが求められている。このような要求に対応するためには、ヒートスプレッダの単位面積あたりの放熱性をより高める必要がある。
放熱部材において材質に起因する熱伝導率等の物性値が限定される場合、放熱性を高めるために、放熱面積を拡大することが有効であり、一般にフィンやピンといった形状が放熱面に採用されることはよく知られている。アルミニウムまたはアルミニウム合金と炭化ケイ素粒子の複合材料からなる放熱部材にも、フィンやピンを放熱面に形成することが試みられている。
また、ピン形フィンを備えたヒートシンクや板型ヒートパイプを製造するために複数のピン形フィンをアルミニウム材またはアルミニウム合金材の上にスタッド溶接で接合することは、たとえば、特許第３６９２４３７号公報（特許文献２）、特開２００５−１２１３４５号公報（特許文献３）で提案されている。
国際公開第ＷＯ２００６/０７７７５５号パンフレット 特許第３６９２４３７号公報 特開２００５−１２１３４５号公報
そこで、ヒートスプレッダの材料として、アルミニウム−炭化ケイ素複合材料からなる基材と、基材の両側表面の上に接合されたアルミニウムまたはアルミニウム合金を含む表面層とを備えた部材を用いて、表面層に複数のピン形フィンをスタッド溶接で接合することが考えられる。しかしながら、上記の表面層に複数のピン形フィンをスタッド溶接で接合しようと試みても、ヒートスプレッダの材料として実用的な接合強度を有する構造体を得ることは困難であった。特に、ヒートスプレッダを直接水で冷却する半導体装置用熱放散構造に組み込んでも、多数のピン形フィンが容易に破断することがないように接合することは困難であった。
そこで、この発明の目的は、直接水で冷却する半導体装置用熱放散構造に組み込んでも、多数のピン形フィンが容易に破断することがないように接合することが可能な半導体装置用ヒートスプレッダとその製造方法を提供することである。
この発明に従った半導体装置用ヒートスプレッダは、一方表面と、この一方表面と反対側の他方表面とを有する板状部材と、この板状部材の少なくとも一方表面の上に接合された複数の柱状部材と、板状部材と柱状部材との間に形成された接合層とを備える。板状部材は、基材と、この基材の両側表面の上に接合された表面層とを含む。板状部材の線膨張係数が３×１０−６／Ｋ以上１６×１０−６／Ｋ以下、板状部材の熱伝導率が１２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である。表面層は、アルミニウムまたはアルミニウム合金を含む材料からなり、柱状部材は、アルミニウムまたはアルミニウム合金を含む材料からなる。板状部材の厚みが０．５ｍｍ以上６ｍｍ以下であり、表面層の厚みが０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下である。接合層は、板状部材との境界に接合界面を有する。この接合界面が表面層内に存在する面積割合は、板状部材の一方表面への投影平面に換算して５０％以上１００％以下である。
このように構成された本発明の半導体装置用ヒートスプレッダにおいては、半導体装置の発熱を効果的に放散することができるだけの高い熱伝導性と、搭載される半導体装置の温度変化による熱応力破壊を防ぐために絶縁基板の材料に近い熱膨張特性とを兼ね備えるとともに、アルミニウムまたはアルミニウム合金を含む材料からなる柱状部材が上記の限定された面積割合の接合界面で板状部材に接合されているので、直接水で冷却する半導体装置用熱放散構造に本発明の半導体装置用ヒートスプレッダを組み込んでも、多数のピン形フィンが容易に破断することがないように接合されている。
この発明の半導体装置用ヒートスプレッダにおいて、表面層の材料は、柱状部材の材料よりも電気的に貴である。このようにすることにより、柱状部材は、表面層よりも優先的に腐食を生じさせるので、腐食に対して長期的な信頼性を向上させることができる。
この場合、表面層を形成するアルミニウムまたはアルミニウム合金を含む材料におけるアルミニウムの含有量は、柱状部材を形成するアルミニウムまたはアルミニウム合金を含む材料におけるアルミニウムの含有量よりも高いことが好ましい。このようにすることにより、柱状部材は、表面層よりも優先的に腐食を生じさせるので、腐食に対して長期的な信頼性を向上させることができる。
また、この場合、表面層を形成するアルミニウムまたはアルミニウム合金の結晶粒径は、柱状部材を形成するアルミニウムまたはアルミニウム合金の結晶粒径よりも大きいことが好ましい。このようにすることにより、柱状部材は、表面層よりも優先的に腐食を生じさせるので、表面層が後述の定義より柱状部材より電気的に貴となり腐食に対して長期的な信頼性を向上させることができる。
この発明の半導体装置用ヒートスプレッダにおいて、基材の出発材料は、粉末材であることが好ましい。
この発明に従った半導体装置用部材は、上記のいずれかの特徴を少なくとも有する半導体装置用ヒートスプレッダを備える。
この発明に従った半導体装置用ヒートスプレッダの製造方法では、接合界面が表面層内に存在する面積割合は、板状部材の一方表面への投影平面に換算して５０％以上１００％以下になるように、スタッド溶接法により、板状部材の少なくとも一方表面の上に柱状部材を接合する。
この発明の半導体装置用ヒートスプレッダの製造方法において、スタッド溶接法により、板状部材の少なくとも一方表面の上に柱状部材を接合する前に、少なくとも表面層を加熱することによって、表面層を形成するアルミニウムまたはアルミニウム合金の結晶粒径を大きくすることが好ましい。
また、この発明の半導体装置用ヒートスプレッダの製造方法において、スタッド溶接法により、板状部材の少なくとも一方表面の上に柱状部材を接合した後に、少なくとも表面層を加熱することによって、表面層を形成するアルミニウムまたはアルミニウム合金の結晶粒径を大きくすることが好ましい。
以上のようにこの発明によれば、直接水で冷却する半導体装置用熱放散構造に組み込んでも、多数のピン形フィンが容易に破断することがないように接合された半導体装置用ヒートスプレッダを得ることができる。
直接水で冷却する半導体装置用熱放散構造に組み込んでも、多数のピン形フィンが容易に破断することがないように接合することが可能な半導体装置用ヒートスプレッダとその製造方法について、発明者は鋭意検討した結果、ピン形フィンである柱状部材と表面層との接合界面の面積割合が柱状部材の接合強度に影響を及ぼすことがわかった。このような知見に基づいて本発明はなされたものである。
まず、本発明の半導体装置用ヒートスプレッダの前提となる構成について説明する。
図１は、この発明の一つの実施の形態としてのヒートスプレッダの概略的な断面を示す図である。
図１に示すように、半導体装置用ヒートスプレッダ１は、一方表面と、この一方表面と反対側の他方表面とを有する板状部材と、この板状部材の少なくとも一方表面の上に接合された、たとえば、多数本のピン形フィンである、複数の柱状部材１３と、板状部材と柱状部材１３との間に形成された接合層とを備える。板状部材は、基材１１と、この基材１１の両側表面の上に接合された表面層１２とを含む。板状部材の線膨張係数が３×１０−６／Ｋ以上１６×１０−６／Ｋ以下、板状部材の熱伝導率が１２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である。表面層１２は、アルミニウムまたはアルミニウム合金を含む材料からなり、柱状部材１３は、アルミニウムまたはアルミニウム合金を含む材料からなる。板状部材の厚みが０．５ｍｍ以上６ｍｍ以下であり、表面層１２の厚みが０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下である。接合層は、板状部材との境界に接合界面を有する。この接合界面が表面層内に存在する面積割合は、板状部材の一方表面への投影平面に換算して５０％以上１００％以下である。接合層については後述する。
上述のように構成されたヒートスプレッダ１では、板状部材の表面層１２がアルミニウムまたはアルミニウム合金を含むので、所望の表面にニッケルめっき層を高品位で形成することができ、かつ、柱状部材１３が接合された側の表面層１２の表面を水で冷却する場合、乗用車の既存のラジエータと半導体装置用熱放散構造のためのラジエータとを共有することが可能になる。また、柱状部材１３が接合された側の表面層１２の表面をめっきした場合にも、めっきが高品位に実施でき、乗用車の既存のラジエータと半導体装置用熱放散構造のためのラジエータとを共有するための信頼性を向上させることができる。
ヒートスプレッダの上に搭載されるＩＧＢＴ等の半導体装置の基板の材質はシリコンであるので、板状部材の線熱膨張係数の下限値は、シリコンと同等の３×１０−６／Ｋとする。一般に、最大の熱応力は、はんだ付け時に生じ、現在の主流である鉛フリーはんだの融点と室温の差は、約２００〜２５０℃である。板状部材の線膨張係数が３×１０−６／Ｋより小さい場合、はんだ付け後、ＩＧＢＴ等の半導体装置の基板を構成する脆性材料であるシリコンに引張残留応力が残ることとなり、信頼性の点から好ましくない。板状部材の線熱膨張係数の上限値は、ヒートスプレッダの上に搭載される半導体装置の種類によって異なる。高い放熱性能を要求されるＩＧＢＴ等をヒートスプレッダの上に搭載する場合、基板を構成するシリコンに破壊を起こさせないためには、寸法、構成にもよるが、１２×１０−６／Ｋ以下であることが必要である。しかし、その他の一般的な半導体装置の発熱を放散する程度であれば、銅と同等の線膨張係数である１６×１０−６／Ｋ以下でもよい。
板状部材の熱伝導率については、１２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上は最低限必要で、これ以下の熱伝導特性では、ヒートスプレッダの材料として採用することが難しい。板状部材の熱伝導率は１５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上が好ましく、１８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることがさらに望ましい。板状部材の熱伝導率の上限値は、特に定める必要はないが、現在の最高熱伝導率を有する材料は、ダイヤモンドであり、その熱伝導率は１０００Ｗ／ｍ・Ｋ以上とされている。アルミニウムまたはアルミニウム合金を含む表面層１２に挟まれた基材１１を、コストを考慮せずにダイヤモンドを用いて作製すれば、１０００Ｗ／ｍ・Ｋに近い熱伝導率を得ることができると考えられる。
しかし、現実的なコストを考慮すれば、基材１１は、アルミニウムまたはアルミニウム合金をマトリクスとしてそのマトリクスに炭化ケイ素粒子が分散している複合材料を用いることが望ましい。炭化ケイ素粒子は、研削剤等に使用されるため、アチソン法等で大量に生産され、製造コストが他の複合材料用添加剤に比較して低い。また、この材料は、炭化ケイ素粒子の添加量に応じて線熱膨張係数を調整して設計することができる。すなわち、アルミニウムをマトリクスとする場合、炭化ケイ素粒子の添加量が２０質量％であれば、線膨張係数は約１６×１０−６／Ｋ、４０質量％であれば約１４×１０−６／Ｋ、６０質量％であれば約９×１０−６／Ｋ、８０質量％であれば約６×１０−６／Ｋである。ただし、この材料では、６×１０−６／Ｋより小さい線膨張係数を得ることは、炭化ケイ素粒子の含有率が８０質量％以上となることから難しい。このため、アルミニウムまたはアルミニウム合金をマトリクスとしてそのマトリクスに炭化ケイ素粒子が分散している複合材料からなる基材１１と、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる表面層１２とからなる板状部材の線膨張係数の下限値は、６×１０−６／Ｋとなる。一方、上限値は、上述したように、ヒートスプレッダの上に搭載される半導体装置の種類によって異なる。特に高い放熱性能を要求されるＩＧＢＴをヒートスプレッダの上に搭載する場合、１２×１０−６／Ｋ以下にする必要がある。
なお、炭化ケイ素粒子に加えて、例えば炭素繊維等の添加剤を加えることによって、上述の板状部材の線膨張係数を調整することができるが、これらの改良も本質的に本発明の範囲に含まれる。
ヒートスプレッダ１を構成する板状部材の厚みは、０．５ｍｍ以上６ｍｍ以下である。板状部材の厚みが０．５ｍｍより小さい場合、板状部材の面内に熱が伝わらず、ヒートスプレッダとして機能しにくいと同時に、剛性が小さく、局部発熱により板のうねりを生じやすい。板状部材の厚みが６ｍｍよりも大きい場合、板状部材の面内の熱伝達は良好であるが、板厚方向の温度勾配が低下し、発熱する半導体装置の下の温度が下がりにくく、半導体装置の熱暴走等を生じるおそれがある。パワーデバイス用ヒートスプレッダとして最適な板厚は、２ｍｍ以上５ｍｍ以下である。
上記の板状部材の厚み内で板状部材の表面に存在する表面層１２の片側厚みは０．１ｍｍ以上であるのが好ましい。表面層１２の厚みが０．１ｍｍより小さい場合、柱状部材１３の接合強度として実用的な強度を得ることができない。一方、表面層１２の厚みの上限値は、柱状部材１３を接合する上での制約はない。
ところで、上述したように、たとえば、特許第３６９２４３７号公報（特許文献２）、特開２００５−１２１３４５号公報（特許文献３）で提案されているように、スタッド溶接により、アルミニウムまたはアルミニウム合金の平板とアルミニウムまたはアルミニウム合金のピン形フィンとを接合することができることは知られている。本発明のヒートスプレッダ１において、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる表面層１２の割合が板状部材内で大きい場合には、実質的に表面層１２がアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる基材１１の平板と同一と考えられるので、この場合は公知の技術である。
しかしながら、本発明のヒートスプレッダ１において、板状部材の厚みが０．５〜６ｍｍといった限られた寸法内で、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる表面層１２の厚みが大きくなると、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる表面層１２の線膨張係数が約２３×１０−６／Ｋと大きいため、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる表面層１２を含めた板状部材の特性が、線膨張係数の上限値である１６×１０−６／Ｋより大きくなる。アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる表面層１２の厚みの上限値である１ｍｍは、あくまでも板状部材の厚みの上限値である６ｍｍ以内で、かつ、線膨張係数の上限値である１６×１０−６／Ｋを満たした場合の参考となる最大値である。板状部材の線膨張係数を増加させないためには、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる表面層１２の厚みは０．１ｍｍ以上、０．４ｍｍ以下であるのが好ましい。表面層１２の厚みが０．４ｍｍを超えると、柱状部材１３の接合強度は飽和する。
板状部材に接合される柱状部材１３の形状に特に制約はなく、円筒、円錐、多角柱、多角錐、または、これらの任意の組み合わせを採用することができる。しかしながら、柱状部材１３の接合による冷却効果を得るためには、柱状部材の高さは、少なくとも接合部分の面積に等価な直径以上であることが望ましい。ただし、柱状部材の高さを接合部分の面積に等価な直径の４倍より大きくしても柱状部材の接合による効果は飽和する。また、柱状部材１３の直径は、２ｍｍ以上８ｍｍ以下であるのが好ましい。柱状部材１３の直径が２ｍｍより小さい場合、柱状部材の剛性が低く、液体冷却時における流体の圧力に耐えられない。柱状部材１３の直径が８ｍｍより大きい場合、本発明のヒートスプレッダ１の板状部材の厚みが０．５〜６ｍｍであることから、かえってヒートスプレッダ１全体による冷却効率が低下するためである。
柱状部材１３の間隔に関しても考慮が必要であるが、これは使用される条件により異なり、限定することが難しい。これは、ヒートスプレッダ１の板状部材の平面全体に半導体装置を搭載するのではないので、板状部材の平面全体において柱状部材１３の間隔を限定するのは困難であるからである。
次に、接合層は、板状部材との境界に接合界面を有し、この接合界面が表面層１２内に存在する面積割合を、板状部材の一方表面への投影平面に換算して５０％以上１００％以下にする理由について説明する。
本発明のヒートスプレッダ１において柱状部材１２はスタッド溶接によって板状部材に接合される。スタッド溶接の方式は、いくつか提案されているが、基本的にはアーク溶接の一種で、通電による発熱で主としてスタッドの下部の小さな突起部（直径約０．５ｍｍ×長さ約０．７ｍｍ）を溶解させて、スタッドと別の材料を接合する方法である。本発明では、スタッド溶接法のうち、ギャップ方式が採用される。本発明のヒートスプレッダ１においては、スタッドが柱状部材１２に相当し、スタッド溶接法によって柱状部材１２を板状部材に接合する。
発明者は、スタッド溶接法では、溶解部分の体積が小さいこと、また、スタッドとその接合相手の部材とは、ともに所望の雰囲気温度、例えば、室温に保つことができることから、材質の熱膨張係数の差の影響を受けにくいことに着目し、ヒートスプレッダにおける柱状部材の接合にスタッド溶接法を採用することを検討した。
上述したように、スタッド溶接により、アルミニウムまたはアルミニウム合金の平板とアルミニウムまたはアルミニウム合金のスタッドとしてのピン形フィンとを接合することができることは公知である。しかしながら、上述したように、上記の表面層に複数のピン形フィンをスタッド溶接で接合しようと試みても、ヒートスプレッダの材料として実用的な接合強度を有する構造体を得ることは困難である。特に、ヒートスプレッダを直接水で冷却する半導体装置用熱放散構造に組み込んでも、多数のピン形フィンが容易に破断することがないように接合することは困難である。これは、冷却のための液体等による横方向からの力が加えられることにより、柱状部材としてのピン形フィンの接合部直下の板状部材内で容易に割れが発生し、柱状部材が板状部材の内部で引きちぎられたように、あるいは引き抜かれたように、板状部材から分離してしまうためである。このような現象を防止するために、発明者は、スタッド溶接の種々の条件を検討した。
その結果、本発明のヒートスプレッダにおいて、スタッド溶接によって板状部材と柱状部材との間に形成された接合層（溶融部）が板状部材との境界に接合界面を有し、この接合界面が表面層（アルミニウムまたはアルミニウム合金を含む）内に存在する面積割合は
板状部材の一方表面への投影平面に換算して５０％以上１００％以下となる条件であれば、液体冷却において液体によって横方向から力が加えられても、柱状部材が引きちぎられず、あるいは引き抜かれずに、変形するだけで、板状部材に接合された状態を保持することが判明した。
ここで、接合界面が表面層内に存在する面積割合に関して定義する。
図２と図３は、この発明の実施の形態に従ったヒートスプレッダにおいて柱状部材の接合部を示す概略的な部分断面図である。
図２と図３に示すように、柱状部材１３は、板状部材を構成する基材１１（この実施の形態では、一例として、マトリクスとしてのアルミニウムまたはアルミニウム合金と、このアルミニウムまたはアルミニウム合金の中に分散した多数の炭化ケイ素粒子とからなるアルミニウム−炭化ケイ素複合材料）上の表面層１２に接合されている。基材１１と表面層１２とからなる板状部材と、柱状部材１３との間には、アルミニウムの柱状晶からなる接合層１４が形成されている。接合層１４は、スタッド溶接によって柱状部材１３の一部が溶融した後、凝固した部分である。接合層１４は、板状部材との境界に接合界面１５を有する。接合界面１５のうち、接合界面部１５１は表面層１２内に存在する部分であり、接合界面部１５２は基材１１内に存在する部分である。図２では、接合界面１５が表面層１２内に存在する割合が１００％であり、すなわち、接合界面１５が接合界面部１５１のみからなり、板状部材の一方表面への投影平面に換算した領域が図２の上部に示されており、右下がりのハッチングが施された領域である。図３では、接合界面１５は、表面層１２内に存在する接合界面部１５１と、基材１１内に存在する接合界面部１５２とからなる。図３の上部には、接合界面部１５１を板状部材の一方表面への投影平面に換算した領域は右下がりのハッチングが施された領域として示され、接合界面部１５２を板状部材の一方表面への投影平面に換算した領域はクロスハッチングが施された領域として示されている。したがって、接合界面１５が表面層１２内に存在する面積割合として、板状部材の一方表面への投影平面に換算した面積割合は、図３の上部において、クロスハッチングが施された領域と右下がりのハッチングが施された領域の合計面積（最大円の面積）に対する右下がりのハッチングが施された領域の面積の割合である。いいかえれば、接合界面１５が表面層１２内に存在する面積割合は、接合界面１５全体の面積から、接合界面１５が基材１１内に存在する接合界面部１５２の面積を差し引いた面積が接合界面１５全体の面積に占める割合、すなわち、接合界面１５全体の面積から、接合界面１５が基材１１内に存在する接合界面部１５２の面積を差し引いた面積（接合界面部１５１の面積）を接合界面１５全体の面積で除した値（％）である。
具体的には、３％フッ酸水溶液等の適切な食刻液により、図２と図３に相当する断面の組織を見ると、スタッド溶接時に溶融した後凝固した部分が接合層１４として柱状晶の領域が認められ、この柱状晶域と板状部材との間の境界線として接合界面１５がわかる。接合界面１５が表面層１２内に存在する面積割合は、この境界線としての接合界面１５に基づいて算出することができる。したがって、図２に示すように、この境界線としての接合界面１５の全体が表面層１２内に存在する場合は、接合界面１５が表面層１２内に存在する面積割合は１００％となる。
接合界面１５が表面層１２内に存在する面積割合が５０％以上となるためには、厚みが０．１ｍｍ以上のアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる表面層１２が基材１１の表面上に形成される必要がある。また、厚みが０．４ｍｍ以上のアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる表面層１２が基材１１の表面上に形成される場合、接合界面１５が表面層１２内に存在する面積割合が１００％となる。
なお、柱状部材１３の接合に際して、表面層１２に厚みが十数μｍ以下のニッケルめっき等の金属めっきが施されていてもよい。
ところで、基材１１が粉末法によって製造された複合材料、たとえば、マトリクスとしてのアルミニウムまたはアルミニウム合金と、このアルミニウムまたはアルミニウム合金の中に分散した多数の炭化ケイ素粒子とからなるアルミニウム−炭化ケイ素複合材料からなる場合、基材１１の内部にボイド等を有する。スタッド溶接時に、柱状部材１３を構成するアルミニウムまたはアルミニウム合金が溶融する際に余剰の溶融したアルミニウムまたはアルミニウム合金がスパッタとして柱状部材１３の周囲等に形成されるが、この余剰の溶融したアルミニウムまたはアルミニウム合金は毛細管浸透現象により基材１１内のボイドが存在する箇所へ浸透することによって、上記のスパッタの形成を低減する効果がある。このため、基材１１として粉末法による複合材料を用いた場合には、接合界面１５が表面層１２内に存在する面積割合が１００％にならないように、いいかえれば、接合界面１５の一部が基材１１内に存在するように、表面層１２の厚みを０．１〜０．３５ｍｍ程度とした方が、スパッタの少ないヒートスプレッダ１を得ることができる。なお、このようにスパッタの形成量を低減することは、良好な外観を得ることができるだけでなく、スパッタの耐食に関する信頼性の点、すなわち、スパッタの遊離等を低減することによる耐食性の向上の点からも有利である。
次に、本発明のヒートスプレッダの耐食性について説明する。本発明のヒートスプレッダは、腐食に対する信頼性を高めるためには、まず、表面層１２の材料は、柱状部材１３の材料よりも電気的に貴であるのが好ましい。この場合、表面層１２を形成するアルミニウムまたはアルミニウム合金を含む材料におけるアルミニウムの含有量は、柱状部材１３を形成するアルミニウムまたはアルミニウム合金を含む材料におけるアルミニウムの含有量よりも高いことが好ましい。また、この場合、表面層１２を形成するアルミニウムまたはアルミニウム合金の結晶粒径は、柱状部材を形成するアルミニウムまたはアルミニウム合金の結晶粒径よりも大きいことが好ましい。さらに、本発明のヒートスプレッダの製造方法においては、腐食に対する信頼性を高めるためには、スタッド溶接法により、板状部材の少なくとも一方表面の上に柱状部材１３を接合する前に、少なくとも表面層１２を加熱することによって、表面層１２を形成するアルミニウムまたはアルミニウム合金の結晶粒径を大きくすることが好ましい。また、ヒートスプレッダの製造方法において、スタッド溶接法により、板状部材の少なくとも一方表面の上に柱状部材１３を接合した後に、少なくとも表面層１２を加熱することによって、表面層１２を形成するアルミニウムまたはアルミニウム合金の結晶粒径を大きくすることが好ましい。
以下、これらの特徴について説明する。
アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる柱状部材１３の材質を、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる表面層１２よりも電気的に卑とすれば、腐食に対する長期信頼性を向上することができる。ここで電気的に卑に関して定義する。２種類のアルミニウムまたはアルミニウム合金を、狭義には使用環境下の液媒に接触させて浸漬させた際、優先的に腐食が生じる方を他方に対して卑とし、広義には、加速試験等で、適切な腐食液（例えば５％塩化ナトリウム水溶液等)を選択し、腐食液に接触させて浸漬させた際、優先的に腐食が生じる方を他方に対して卑とする。
アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる表面層１２は、板状部材全体の線膨張係数を小さくするためには薄い方が好ましい。しかし、薄い表面層１２では、腐食により表面層１２を貫通する貫通孔が形成されやすい。貫通孔が形成された場合、表面層１２よりも内側の基材１１が腐食環境下にさらされることになり、特に、基材１１の材料が、表面層１２を形成するアルミニウムまたはアルミニウム合金、または、柱状部材１３を形成するアルミニウムまたはアルミニウム合金よりも卑である場合、より腐食が促進され、液漏れ等の問題が生じる。
基材１１が溶製法によって製造された複合材料からなる場合、その複合材料として、たとえば、マトリクスとしてのアルミニウムまたはアルミニウム合金と、このアルミニウムまたはアルミニウム合金の中に分散した多数の炭化ケイ素粒子とからなるアルミニウム−炭化ケイ素複合材料では、鋳造の容易性、炭化ケイ素粒子の反応抑制等のため、シリコン、銅を多く含む、ＪＩＳの合金番号ＡＣ４Ｃ等の添加元素の多い鋳造用アルミニウム合金が使用される。一方、表面層１２を形成するアルミニウムまたはアルミニウム合金としては、一般に展伸用アルミニウムまたはアルミニウム合金を使用する場合が多い。鋳造用アルミニウム合金は、展伸用アルミニウムまたはアルミニウム合金に比較して、添加元素の濃度が高く、アルミニウムの純度が低く、卑である。このような場合、腐食により表面層１２に貫通孔が形成された後、基材１１を形成する複合材料の腐食が著しく進展する。
これに対して、基材１１が粉末法によって製造された複合材料からなる場合、その複合材料として、たとえば、マトリクスとしてのアルミニウムまたはアルミニウム合金と、このアルミニウムまたはアルミニウム合金の中に分散した多数の炭化ケイ素粒子とからなるアルミニウム−炭化ケイ素複合材料では、マトリクスを構成するアルミニウムの純度を、表面層１２のアルミニウム純度と同等、または、表面層１２のアルミニウム純度以上にすることが容易であるため、腐食に対する信頼性を高めることができる。
また、スタッド溶接によって形成された接合層１４は、溶融して凝固した組織からなるので、たとえ、同種のアルミニウムまたはアルミニウム合金を表面層１２と柱状部材１３の材料に用いたとしても、接合層１４を構成する柱状晶域の粒界に溶質元素等が偏析しやすく、接合層１４は腐食しやすい個所といえる。
この対策として、柱状部材１３の材料を表面層１２の材料よりも卑とすることにより、柱状部材１３の犠牲陽極効果によって表面層１２を腐食から保護することができると同時に、接合層１４の組成が柱状部材１３と表面層１２の中間的な組成になるので、接合層１４も腐食から保護することができる。
なお、柱状部材１３の一部の材質を、柱状部材１３の他の部分と表面層１２よりも電気的に卑としても同様の効果が得られる。
ところで、腐食が発生する起点となる箇所は、結晶粒界である。このため、腐食の発生起点を少なくする目的から、本発明のヒートスプレッダ１において表面層１２を形成するアルミニウムまたはアルミニウム合金の結晶粒を粗大化させることも、腐食に対する信頼性を高めるためには有効である。
ここで、結晶粒径に関して定義する。結晶粒径とは、冷却のための液媒等と接触する表面に位置する結晶粒の等価径をいう。実際の測定は、水酸化ナトリウム水溶液等の適切な腐食液でその表面を食刻後、規定面積内の結晶粒を測定することによって実施する。なお、規定面積内に結晶粒が完全に入るものは１とカウントし、規定面積内に結晶粒が完全に入らないものは０．５とカウントする。結晶粒径は、規定面積をカウントの合計数で除して算出される面積を、円と仮定し、直径に換算したものである。
表面層１２を形成するアルミニウムまたはアルミニウム合金の結晶粒径は、６ｍｍ以上であるのが望ましい。結晶粒径を６ｍｍ以上とした場合、結晶粒径が６ｍｍより小さい場合に比べて、表面層１２の腐食が大きく遅延する。一方、結晶粒径の上限値に関しては、結晶粒径は大きければ大きい方がよく、究極的には単結晶が最もよいと思われる。ただし、現実的には結晶粒径が３０ｍｍを超える結晶粒を厚みが０．３ｍｍの表面層１２内で成長させることは困難である。
なお、柱状部材１３を形成するアルミニウムまたはアルミニウム合金の結晶粒径を、表面層１２を形成するアルミニウムまたはアルミニウム合金の結晶粒径より小さくすれば、擬犠牲陽極のような効果が得られる。また、柱状部材１３の方が表面層１２よりも肉厚が大きいので腐食に強いため、あえて柱状部材１３を先に腐食させた方が全体として耐食性を高めることができる。また、結晶粒界が少なくなった場合には、転位密度も腐食に影響するため、転位密度は低いことが望ましい。
腐食に対する上記の対策は、組み合わせて用いることが可能である。
柱状部材１３の材料が柱状部材１３を接合する側の表面層１２の材料よりも電気的に卑であることの具体例としては、表面層１２を形成するアルミニウムまたはアルミニウム合金におけるアルミニウムの含有量（アルミニウム純度）は、柱状部材１３を形成するアルミニウムまたはアルミニウム合金におけるアルミニウムの含有量よりも高いことが好ましい。表面層１２の材料がＪＩＳの合金番号（国際アルミニウム合金名）Ａ１０７０（アルミニウム純度９９．７０質量％以上）のアルミニウム合金であれば、柱状部材１３の材料には、表面層１２の材料より純度の低いＪＩＳの合金番号Ａ１０５０（アルミニウム純度９９．５０質量％以上）のアルミニウム合金等を使用すればよい。また、表面層１２の材料がＪＩＳの合金番号（国際アルミニウム合金名）Ａ５００５のアルミニウム合金であれば、柱状部材１３の材料には、表面層１２の材料より純度の低いＪＩＳの合金番号Ａ５０５２のアルミニウム合金等を使用すればよい。
さらに、柱状部材１３の一部の材質が、柱状部材１３の他の部分と表面層１２よりも電気的に卑であるようにしてもよい。たとえば、柱状部材１３として、外径が８ｍｍ、内径が６ｍｍのＪＩＳの合金番号Ａ１０５０のアルミニウム合金からなるパイプと、外径が５ｍｍのＪＩＳの合金番号Ａ５００５のアルミニウム合金からなる丸棒を伸線ダイスを用いてパイプ嵌合して作製した複合材料を、外径が４ｍｍになるまで伸線し、その後、旋盤により加工したもの、すなわち、複合柱状部材を用いてもよい。
ヒートスプレッダの製造方法において熱処理を施すことにより、表面層１２を形成するアルミニウムまたはアルミニウム合金の組織を調整することによって、ヒートスプレッダの耐腐食性を向上させることもできる。これは、腐食起点となりやすい結晶粒界を低減させる方法である。
第１の方法としては、スタッド溶接法により、板状部材の少なくとも一方表面の上に柱状部材１３を接合する前に、少なくとも表面層１２を加熱することによって、表面層１２を形成するアルミニウムまたはアルミニウム合金の結晶粒を成長させ、具体的には、その結晶粒径を６ｍｍ以上にすればよい。このときの加熱温度は、通常の熱処理と目的が異なるため、一般的な再結晶温度（工業的に利用される軟化温度、例えば、多くの展伸用アルミニウム合金の軟化温度である３４５〜４１５℃）よりも、高い温度を採用し、結晶粒を成長させることが可能な温度がよい。例えば、表面層１２を形成する材料がＪＩＳの合金番号Ａ１０５０のアルミニウム合金であれば、温度５５０〜６５０℃で熱処理を行えばよい。
第２の方法としては、スタッド溶接法により、板状部材の少なくとも一方表面の上に柱状部材１３を接合した後に、ヒートスプレッダ１を加熱することにより少なくとも表面層１２を加熱することによって、表面層１２を形成するアルミニウムまたはアルミニウム合金の結晶粒を成長させ、具体的には、その結晶粒径を６ｍｍ以上にすればよい。また、上述したように、結晶粒内の転位等も腐食に影響することから、転位を低減するためには第１の方法より、第２の方法を採用するのが好ましい。
なお、ヒートスプレッダの耐腐食性を高めるために第１と第２の方法を両方行ってもよい。
以上で述べた腐食に対する種々の対策は、電気化学的な貴卑や組織制御を組み合わせて用いることができ、その場合、アルミニウムまたはアルミニウム合金への微量元素の添加等による公知の耐食性の向上効果を有効に利用すればよい。
図４は、この発明の一つの実施の形態としてのヒートスプレッダを用いた半導体装置用熱放散構造を概略的に示す図である。
図４に示すように、パワーデバイスユニット１００には、電源２００、モータ３００および制御部４００が電気的に接続されている。パワーデバイスユニット１００においては、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、アルミナ等からなる絶縁基板４の両側表面にアルミニウム層３（または銅層）が形成されている。アルミニウム層３が形成された絶縁基板４の一方表面には、はんだ層２を介在させて、半導体装置（チップ）５が搭載されている。アルミニウム層３が形成された絶縁基板４の反対側の他方表面には、はんだ層２を介在させて、この発明の一つの実施の形態としてのヒートスプレッダ１が接合されている。なお、はんだ層の接合性を確保するために、ヒートスプレッダ１を構成する板状部材の表面層１２の表面で絶縁基板４を接合させる側の表面にはニッケルめっきが施されている。同様に絶縁基板４の表面上のアルミニウム層３にも、はんだ層２を介在させて接合される箇所の表面にはニッケルめっきが施されている。ピン形フィンである多数の柱状部材１３が接合された側のヒートスプレッダ１の表面には、冷却ユニット５００が取り付けられている。冷却ユニット５００の内部には、ポンプ５１０によって冷却媒体として水または他の液体を流通させるための冷媒流通経路５３０が形成されている。冷却媒体流通経路５３０内の液体は、ヒートスプレッダ１に形成された多数の柱状部材１３の表面に直接接触するように配置されている。冷却ユニット５００はラジエータ５２０を備えているので、最終的に熱を大気に放出する。多数の柱状部材１３を有するヒートスプレッダ１は、半導体装置５における局部的な発熱を冷却ユニット５００の冷媒流通経路５３０に伝える役目を果たす。
図５は、この発明のもう一つの実施の形態としてのヒートスプレッダを用いた半導体装置用熱放散構造を概略的に示す図である。
図５に示すように、パワーデバイスユニット１００には、電源２００、モータ３００および制御部４００が電気的に接続されている。このパワーデバイスユニット１００では、ヒートスプレッダ１において表面層１２が形成された基材１１の一方表面には、はんだ層２を介在させて、半導体装置（チップ）５が搭載されている。なお、はんだ層の接合性を確保するために、ヒートスプレッダ１を構成する板状部材の表面層１２の表面で半導体装置（チップ）５を接合させる側の表面にはニッケルめっきが施されている。表面層１２が形成された基材１１の反対側の他方表面には、ピン形フィンである多数の柱状部材１３が接合されている。多数の柱状部材１３が接合された側のヒートスプレッダ１の表面には、冷却ユニット５００が取り付けられている。冷却ユニット５００の内部には、ポンプ５１０によって冷却媒体として水または他の液体を流通させるための冷媒流通経路５３０が形成されている。冷却媒体流通経路５３０内の液体は、ヒートスプレッダ１に形成された多数の柱状部材１３の表面に直接接触するように配置されている。冷却ユニット５００はラジエータ５２０を備えているので、最終的に熱を大気に放出する。多数の柱状部材１３を有するヒートスプレッダ１は、半導体装置５における局部的な発熱を冷却ユニット５００の冷媒流通経路５３０に伝える役目を果たす。
図４に示す実施の形態では、ヒートスプレッダ１を構成する基材１１の材料として、マトリクスとしてのアルミニウムまたはアルミニウム合金と、このアルミニウムまたはアルミニウム合金の中に分散した多数の炭化ケイ素粒子とからなるアルミニウム−炭化ケイ素複合材料を採用することが好ましい。また、図５に示す実施の形態では、ヒートスプレッダ１を構成する基材１１の材料として、窒化アルミニウム焼結体、窒化ケイ素焼結体、酸化アルミニウム焼結体、マトリクスとしてのシリコンと、このシリコンの中に分散した多数の炭化ケイ素粒子とからなるシリコン−炭化ケイ素複合材料等を採用することが好ましい。
図４と図５に示すように、本発明のヒートスプレッダ１を採用することにより、自動車用エンジンのラジエータと共有することが可能な形式で、ヒートスプレッダを直接水で冷却する半導体装置用熱放散構造が可能になる。また、電車や電気自動車等の輸送用機器では、ＩＧＢＴ等のパワーデバイスをさらに小型化して省スペース化を図ることと、パワーデバイスの出力を増大することが求められているが、このような要求に対応するために、ヒートスプレッダ１の単位面積あたりの放熱性をより高めることも可能になる。
さらに、本発明のヒートスプレッダを用いた場合、コンパクトで、高出力な半導体装置の設計が可能になる。なお、上述したように、ヒートスプレッダの上に半導体装置（チップ）等を接合するためには、所望の個所にニッケルめっき、金めっき、レジスト等が施される。また、絶縁基板等との熱膨張差を考慮して、ヒートスプレッダに予め反り等を付与することもある。これらの公知の技術と本発明のヒートスプレッダとを組合せることも可能である。
（実施例１）
大平洋ランダム株式会社製の純度が９９．５％、粒度が＃３２０の炭化ケイ素粉末と、東洋アルミニウム株式会社製のＪＩＳの合金番号Ａ１０７０のアルミニウム合金粉末と、助剤とを混合し、炭化ケイ素粒子の体積含有率が、２０％、４０％、６０％、８０％、８５％の混合粉末をヒートスプレッダ１の基材１１の出発材料として準備した。
ヒートスプレッダ１の表面層１２の出発材料として、平面寸法が１２０ｍｍ×１２０ｍｍ、厚みが０．０５ｍｍ、０．１ｍｍ、０．２ｍｍ、０．４ｍｍ、０．８ｍｍ、１．２ｍｍのＪＩＳの合金番号Ａ１０５０のアルミニウム合金の板を準備した。
２枚のアルミニウム合金の板で、上記で準備した混合粉末を挟み込んで、１２０ｍｍ×１２０ｍｍ×３．１ｍｍの大きさになるように、プレスで約７００トンの負荷を加えて成形し、成形体を作製した。
この成形体を窒素雰囲気中にて温度６５０℃で８時間加熱した後、さらに、成形体にプレスで約１５００トンの負荷を高温下で加えた。得られた成形体を温度６３０℃に加熱した後、板状部材として厚みが３ｍｍになるように圧延加工を施した。このようにして、図１に示すように、ヒートスプレッダ１を構成する基材１１と表面層１２とからなる板状部材を作製した。
圧延加工後、ナイロンブラシにより物理的な洗浄と、水酸化ナトリウム水溶液と硝酸水溶液による化学的な洗浄を板状部材の試料に施した。
日本スタッドウェルディング株式会社製のスタッド溶接機、型番ＮＳＷ ＣＤ９とＸＹステージを組合せて用いて、板状部材の試料の片面中央に柱状部材１３を接合した。具体的には、柱状部材１３としてＪＩＳの合金番号Ａ１０５０のアルミニウム合金製の直径３ｍｍ×長さ１０ｍｍのピンを用いて、６ｍｍ間隔で正方形状に６０ｍｍ×６０ｍｍの平面領域に配置して、スタッド溶接によって１２１本のピンを接合した。スタッド溶接の条件は、電圧５０Ｖ、加圧力５０Ｎ、初期ギャップ２．０ｍｍであった。このようにしてヒートスプレッダ１の試料を作製した。
一方、図４に示すように、両側表面にアルミニウム層３が形成された窒化アルミニウム製の平面領域が５８ｍｍ×５８ｍｍの絶縁基板４を準備した。ヒートスプレッダ１において柱状部材１３が接合された表面層１２の表面がニッケルめっきされないようにマスキングを施した後、反対側の表面にニッケルめっきを施した。マスキングを除去した後、はんだ層２を介在させて、表面にニッケルめっきを施したアルミニウム層３が形成された絶縁基板４の一方表面を接合した。アルミニウム層３が形成された絶縁基板４の他方表面には、はんだ層２を介在させて、出力９０Ｗの三相交流モータ３００を駆動する半導体装置５としてＩＧＢＴを接合した。
その後、図４に示すような半導体装置用熱放散構造の試験装置にてヒートスプレッダ１が直接水冷されるように配置して、負荷テストを実施した。なお、冷媒は、純水を使用し、流量は５リットル／分とした。負荷は、モータ３００に付与する抵抗を低、中、高と定め、それぞれ加速、低速、減速を繰り返し、その際のＩＧＢＴの動作状態から判断した。
また、図２と図３に示すように、上記の実施の形態で述べた方法で、柱状部材１３の接合層１４において、接合界面１５が表面層１２内に存在する面積割合を、板状部材の一方表面への投影平面に換算して算出した。
その結果、試料の材料構成（基材１１を構成する炭化ケイ素（ＳｉＣ）粒子の体積含有割合、表面層１２の厚み、柱状部材１３(ピン)の有無）、作製の可否、上記の面積割合、その特性（熱伝導率、線膨張係数）と負荷テスト（ＩＧＢＴ耐久試験）の結果を表１に示す。
表１には、併せて、ヒートスプレッダの構成として、基材１１の両面に表面層１２を形成しない場合の比較例、柱状部材１３を接合しない場合の従来例も示す。
なお、熱伝導率は、レーザフラッシュ法（アルバック理工株式会社製 ＴＣ−７０００）で測定した温度２３℃における値を示す。線膨張係数は、マックスサイエンス社製 ＤＴＭ５０００で測定した温度３０℃〜１２０℃の間での傾きで示す。
負荷テストの結果としては、○は正常運転、△は復帰可能な熱暴走、×は破壊を示す。
Figure 0005028147
表１において、作製可否の欄において、「Ｔｙｐｅ．３」とは、後述の実施例５で説明するが、１回の曲げで柱状部材１３が破断することを示している。
表１から、柱状部材１３を接合するためには、厚みが０．１ｍｍ以上の平面層１２が必要であることがわかる。また、炭化ケイ素粒子の体積含有割合が８５％を越える試料は作製することができなかった。
また、ピンが接合されていない従来例のヒートスプレッダ（Ｎｏ．１２）より、よい特性を得るためには、線膨張係数が１６×１０−６／Ｋ以下の板状部材を用いる必要があることがわかる。また、よりよい特性を得るためには、線膨張係数が１２×１０−６／Ｋ以下の板状部材を用いる必要があることがわかる。
線膨張係数が１６×１０−６／Ｋ以下という小さい線膨張係数の板状部材を得るためには、表面層１２の厚みを薄くしなければならないことがわかる。
(実施例２)
ヒートスプレッダ１における板状部材の熱伝導率の影響を調査した。
実施例１と同様の方法で、Ｎｏ．６の試料を作製する際に、基材１１の出発材料として東洋アルミニウム株式会社製のＪＩＳの合金番号Ａ１０７０のアルミニウム合金粉末に代えて、合金番号Ａ１０５０のアルミニウム合金粉末にマグネシウムを６質量％加えてアトマイズ処理した粉末を準備した。このマグネシウム添加アルミニウム合金粉末と合金番号Ａ１０５０のアルミニウム合金粉末を、混合割合を変えて調合した粉末を用いて、ヒートスプレッダ１を構成する板状部材の熱伝導率を変えた試料を作製した。
なお、基材１１の出発材料としてマグネシウム添加アルミニウム合金粉末を用いたので、実施例１において窒素雰囲気中の加熱温度、高温下のプレス加工の際の加熱温度、圧延加工の際の加熱温度を最低５２０℃までとし、マグネシウム添加アルミニウム合金粉末の融点に応じて調整した。
このようにして作製した試料の特性を実施例１と同じ方法で評価した。その結果を表２に示す。
Figure 0005028147
表２からわかるように、ヒートスプレッダ１を構成する板状部材の熱伝導率が１５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であれば、実施例１の従来例（Ｎｏ．１２）に比較して、優れた特性を示した。さらには、ヒートスプレッダ１を構成する板状部材の熱伝導率が１８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であれば、より高い性能を示した。
同様に、表面層１２の熱伝導率の影響、柱状部材１３の熱伝導率の影響を調査した。いずれの場合も、表面層１２または柱状部材１３の熱伝導率が１５０Ｗ／ｍ・Ｋより小さい場合、実施例１の従来例に比べて、優れた特性を得られなかった。特に、柱状部材１３の熱伝導率が１５０Ｗ／ｍ・Ｋより小さい場合、従来例に比べて、特性が劣った。
（実施例３）
ヒートスプレッダ１における板状部材の厚みの影響に関して調査した。
実施例１と同様の方法で試料を作製する際に、Ｎｏ．５の試料の特性を基準として、基材１１の出発材料である炭化ケイ素粒子とアルミニウム合金粉末の混合粉末の量を調整し、表面層１２の厚みを０．１ｍｍとし、板状部材全体の厚みが、０．４ｍｍ、０．５ｍｍ、１．０ｍｍ、２．０ｍｍ、４．０ｍｍ、６．０ｍｍ、８．０ｍｍの板状部材を作製して、ヒートスプレッダ１を構成する板状部材の厚みを変えた試料を作製した。実施例１と同じ評価を実施した。
表３にその結果を示す。
Figure 0005028147
表３から、板状部材の厚みが０．４ｍｍ、０．５ｍｍの試料では、負荷試験において中負荷にてうねりを生じ、動作の安定性が基準に比べて低くなった。板状部材の厚みが０．５ｍｍ、１．０ｍｍの試料では、負荷試験において高負荷になるとうねりと考えられる変形により動作が安定しない場合が生じた。板状部材の厚みが２．０ｍｍ〜６．０ｍｍの範囲では、いずれの試料でも高負荷まで問題なく運転できた。ただし、板状部材の厚みが８．０ｍｍの試料では高負荷の運転を安定して行えなかった。
（実施例４）
ヒートスプレッダ１における柱状部材１３としてのピンの形状による影響に関して調査した。
実施例1と同様の方法で試料を作製する際に、ピンの長さ以外の構成を試料Ｎｏ．９と同じにし、ピンの長さの影響に関しては、直径３ｍｍのピンの長さを、１．５ｍｍ、３ｍｍ、６ｍｍ、９ｍｍ、１２ｍｍ、１５ｍｍと変化させたものを作製した。
一方、ピンの直径の影響に関しては、実施例1と同様の方法で試料を作製する際に、ピンの構成以外の構成を試料Ｎｏ．９と同じにし、ピンの間隔を、直径３ｍｍのピンを使用したときのピン間の近接間隔である３ｍｍを維持するようにして、直径１．６ｍｍ×長さ６．４ｍｍ、直径２ｍｍ×長さ８ｍｍ、直径６ｍｍ×長さ２４ｍｍ、直径８ｍｍ×長さ３２ｍｍ、直径１０ｍｍ×長さ４０ｍｍの各ピンを正方形状に配列して形成した試料を作製した。
基本的に実施例１と同じように図４に示すような半導体装置用熱放散構造の試験装置にて負荷テストを実施した。半導体装置(チップ)５上に熱電対を設置し、従来例（試料Ｎｏ．１２）に中負荷を与えた場合の半導体装置５の温度と、同様の負荷で各試料における半導体装置５の温度を比較することによって評価した。
ピンの長さに関しては、その長さを上昇させると半導体装置５の温度の低下が認められた。しかし、さらに、ピンの長さをピンの直径の４倍よりも大きくしても、ピンの長さがピンの直径の４倍のときの半導体装置５の温度と差異がなかった。ピンが接合されていない従来例の半導体装置５の温度と、ピンの長さがピンの直径の４倍のときの半導体装置５の温度の中間に相当する半導体装置５の温度は、ピンの長さがピンの直径に相当する際に得られた。
ピンの直径に関しては、総じて、その直径が小さい方が、ピンが接合されていない従来例の半導体装置５の温度よりも低下した。そして、直径が１０ｍｍのピンが接合された試料は従来例よりも半導体装置５の温度が低下しなかった。一方、直径が１．６ｍｍのピンが接合された試料は、負荷テスト後、ピンが冷却のために用いた水流により変形していた。このような変形は直径が２ｍｍのピンが接合された試料では生じなかった。
（実施例５）
ヒートスプレッダ１における柱状部材１３としてのピンの接合強さと、表面層１２の厚み、接合界面１５の面積割合との関係を調査するため、実施例１の試料Ｎｏ．８〜Ｎｏ．１１と同等の試料を作製した。ピンの接合強さを評価するために、ヒートスプレッダ１の各試料において板状部材を固定し、ペンチで任意の２０本のピンを掴んで折り曲げ試験を実施した。このとき、ペンチに与えられた力は、最大２ｋｇｆ・ｍのトルクであった。
折り曲げ試験においてピンがどの位置で破断するかを分類した結果、破断するパターンとしては、（Ｔｙｐｅ．１）完全にピンがその胴部で破断するもの、（Ｔｙｐｅ．２）数回の折り曲げには耐えるが、最終的にピンが板から引き抜かれるように破断するもの、（Ｔｙｐｅ．３）１回の折り曲げで破断するものに分けることができた。実施例１と同様にして、図２と図３に示すように、柱状部材１３の接合層１４において、接合界面１５が表面層１２内に存在する面積割合を、板状部材の一方表面への投影平面に換算して算出した。
表４にその結果を示す。
Figure 0005028147
表４から、接合界面１５が表面層１２内に存在する面積割合が５０％を越えると、（Ｔｙｐｅ．３）の破断態様が認められなくなり、このときの表面層１２の厚みは０．１ｍｍであることがわかる。また、接合界面１５が表面層１２内に存在する面積割合が１００％になると、（Ｔｙｐｅ．１）の破断態様のみが認められるようになり、このときの表面層１２の厚みは０．４ｍｍであることがわかる。
ヒートスプレッダの用途では、ヒートスプレッダが繰り返し塑性変形を受けることはないため、（Ｔｙｐｅ．２）以上の接合強度、すなわち、（Ｔｙｐｅ．３）の破断態様が求められない程度の接合強度があれば十分である。
試料Ｎｏ．８、Ｎｏ．９を作製する際に、スタッド溶接の条件において電圧を５０Ｖから７０Ｖに変化させたところ、試料Ｎｏ．８では（Ｔｙｐｅ．３）の破断態様が認められ、試料Ｎｏ．９では（Ｔｙｐｅ．３）の破断態様が認められなかった。スタッド溶接の条件において電圧を７０Ｖにしたときに得られた、接合界面１５が表面層１２内に存在する面積割合は、試料Ｎｏ．８では２９％、試料Ｎｏ．９では５２％であった。なお、スタッド溶接の条件において電圧を３０Ｖ以下にした場合は、接合に必要な溶融エネルギーを十
分得られなかった。スタッド溶接の条件において加圧力は、溶接を安定して行うために４０〜６０Ｎの範囲内であるのが適正であった。加圧力が上記の範囲よりも低くても、高くても、スタッド溶接においてアークの発生が安定しなかった。スタッド溶接の条件において初期ギャップに関しても、同様に最適な範囲は、０．５〜５ｍｍであった。初期ギャップが低くても、高くても、スタッド溶接においてアークの発生が安定しなかった。このようにスタッド溶接の条件によって、接合状態が変化するが、良好な接合を維持するためには、接合界面１５が表面層１２内に存在する面積割合を少なくとも５０％にする必要がある。
（実施例６）
実施例1と同様の方法で試料を作製する際に、ヒートスプレッダ１の基材１１を形成する複合材料のマトリクス材料、表面層１２の材料、および、柱状部材１３としてのピンの材料以外の構成を試料Ｎｏ．２と同じにし、ＪＩＳの合金番号Ａ１０５０（アルミニウム含有量９９．５０質量％以上）、Ａ１０７０（アルミニウム含有量９９．７０質量％以上）、Ａ１１００（アルミニウム含有量９９．００質量％以上）のそれぞれのアルミニウム合金を用いて、基材１１のマトリクス材料、表面層１２の材料、および、柱状部材１３の材料の組合せを変えることによって、ヒートスプレッダ１の腐食状態を調査した。
調査は、塩素を微量に含む一般の水道水を半導体装置用熱放散構造において冷却媒体として用いる場合を考慮して、加速腐食液として５％の塩化ナトリウム水溶液（温度４０℃）を選択し、１０００時間浸漬した後の腐食状態を観察した。なお、試験領域はピンを接合した板状部材の平面領域６０ｍｍ×６０ｍｍを含む平面領域７０ｍｍ×７０ｍｍとし、その他の平面領域には浸漬前にエナメル塗料で塗布し、防食処理した。
事前に行った腐食液へのアルミニウム板材の接触浸漬調査によれば、合金番号Ａ１１００、Ａ１０５０、Ａ１０７０の順に電気的に卑であった。
腐食状態の観察結果を表５に示す。
Figure 0005028147
表５から、ピンの材質を、表面層１２を形成する材質よりも卑とすることによって、表面層１２を形成するアルミニウム合金に貫通孔食が早期に発生することを抑制することができるといえる。さらに、基材１１のマトリクス材料を、表面層１２を形成する材質よりも電気的に同等または貴にすることによって、表面層１２に孔食が生じた場合にも、基材１１内部の腐食の進行を抑制することができることがわかる。
上記と同様の結果は、実施の形態で述べた複合柱状部材の形態のピンを用いても得られた。
(実施例７)
ヒートスプレッダ１において表面層１２または柱状部材１３を形成するアルミニウムまたはアルミニウム合金の結晶粒が腐食に与える影響を調査した。
表面層１２の出発材料として圧延温度を変化させて、結晶粒径が平均０．１ｍｍ、１ｍｍ、６ｍｍ、１０ｍｍ、１８ｍｍのアルミニウム合金の板を用いた以外は、実施例６の試料Ｎｏ．２ａと同等のヒートスプレッダ１を作製し、実施例６と同様の腐食試験を行った。
この結果、結晶粒径を大きくすると、貫通腐食の基点となる孔食個所の単位面積あたりの密度が低下することがわかった。ただし、表面層１２を形成するアルミニウム合金の結晶粒径を６ｍｍ以上としてもあまり変化しなかった。表面層１２を形成するアルミニウム合金の結晶粒径が６ｍｍより小さい場合、孔食発生個所の多くが結晶粒界と一致していた。一方、表面層１２を形成するアルミニウム合金の結晶粒径が６ｍｍ以上の試料では、結晶粒界だけでなく、結晶粒内でも孔食の発生が認められた。
次に、表面層１２の出発材料として上述の結晶粒径が平均０．１ｍｍ、１ｍｍのアルミニウム合金の板を用いた試料に、さらに高温熱処理(温度６２５℃)を施し、表面層１２を形成するアルミニウム合金の結晶粒径を６ｍｍにした。また、表面層１２の出発材料として上述の結晶粒径が６ｍｍである試料には、歪み取りのために通常の軟化処理（温度３４５℃の熱処理）を施した。このようにして作製されたヒートスプレッダ１の試料に対して、上記と同様に腐食試験を実施した。
表面層１２の出発材料として結晶粒径が６ｍｍである試料に軟化処理を施した試料は、結晶粒内の孔食発生がより減少したため、孔食密度がさらに低下した。一方、高温熱処理により結晶粒径を６ｍｍまで成長させた試料は、高温熱処理前の試料に比べて孔食密度が低減したものの、軟化処理を施した試料よりも大きな孔食が表面層１２に認められた。両者の違いは、ピンを形成するアルミニウム合金の結晶粒径の差にあり、高温熱処理した試料では、表面層１２を形成するアルミニウム合金の結晶粒径よりも、柱状部材１３としてのピンを形成するアルミニウム合金の結晶粒径が大きくなっていたのに対し、軟化処理を施した試料では、柱状部材１３としてのピンを形成するアルミニウム合金の結晶粒径が表面層１２を形成するアルミニウム合金の結晶粒径より小さかった。
検証のため、結晶粒径が１ｍｍ、６ｍｍであるアルミニウム合金からなる表面層１２に、それぞれ結晶粒径が、表面層１２よりも小さいピンと大きいピンを接合し、上記と同様に腐食試験を行った。ピンは、冷間の塑性加工で作製され、その結晶粒径は、通常で０．０２〜０．１ｍｍ程度の範囲にある。用いたピンは熱処理によって結晶粒度を調整し、０．５ｍｍ、３ｍｍ、７ｍｍとしたものである。この検証実験の結果においても、ピンの結晶粒径が、表面層１２の結晶粒径よりも大きくなると、表面層１２の孔食が大きくなる傾向が認められた。
(実施例８)
大平洋ランダム株式会社製の純度が９９．５％、粒度が＃３２０の炭化ケイ素粉末を用いて、空隙率が２０％の炭化ケイ素粒子からなる骨格を形成した後、溶湯鍛造機にて３トン／ｃｍ２の圧力で、炭化ケイ素粒子の骨格中へ温度７５０℃に加熱したＪＩＳの合金番号ＡＣ３Ａの鋳造用アルミニウム合金を浸透させて、凝固させることによって、５ｍｍ×１３０ｍｍ×１３０ｍｍの大きさの一つのアルミニウム合金鋳物をヒートスプレッダ１の基材１１の出発材料として作製した。
また、温度６５０℃で溶融したＪＩＳの合金番号ＡＣ４Ｃの鋳造用アルミニウム合金に、真空雰囲気下で、大平洋ランダム株式会社製の純度が９９．５％、粒度が＃３２０の炭化ケイ素粉末を、その体積割合が４０％となるように加えて、撹拌複合した。複合後、雰囲気を大気に戻すことによって、５ｍｍ×１３０ｍｍ×１３０ｍｍの大きさのもう一つのアルミニウム合金鋳物をヒートスプレッダ１の基材１１の出発材料として作製した。
上記で作製された二つのアルミニウム合金鋳物のそれぞれの表面を研削し、その厚みを２．８ｍｍにした後、表面層１２の出発材料として、厚みが０．１ｍｍのＪＩＳの合金番号Ａ１０５０のアルミニウム合金の板を、二つのアルミニウム合金鋳物のそれぞれの両側表面に拡散接合(温度５５０℃、４時間、圧力２トン／ｃｍ２）した。このようにして得られた材料を１２０ｍｍ×１２０ｍｍの大きさに切り出すことにより、図１に示すように、ヒートスプレッダ１を構成する基材１１と表面層１２とからなる２つの板状部材を作製した。これらの板状部材を用いて、実施例１と同様にして板状部材の洗浄処理、柱状部材１３の接合を行った。このようにしてヒートスプレッダ１の試料を作製した。
これらのヒートスプレッダ１の試料を用いて、実施例１と同様にして、図４に示すような半導体装置用熱放散構造の試験装置にて負荷テスト（ＩＧＢＴ耐久試験）を実施したところ、前者のヒートスプレッダ１の試料は実施例1の試料Ｎｏ．８に比べて、後者のヒートスプレッダ１の試料は試料Ｎｏ．２に比べて、少し劣るが、ほぼ同等の特性を示した。
ただ、スタッド溶接後のスパッタの残留は、粉末法による基材１１を用いた実施例１の試料Ｎｏ．８、Ｎｏ．２の方が、溶製法による基材１１を用いた実施例８の二つの試料よりも少なかった。また、実施例５で示す折り曲げ試験を実施したところ、溶製法による基材１１を用いた実施例８の二つの試料は、粉末法による基材１１を用いた実施例１の試料Ｎｏ．８、Ｎｏ．２に比べて、（Ｔｙｐｅ．１）の破断態様の割合が減少し、（Ｔｙｐｅ．２）の破断態様の割合が増え、接合強度が劣る傾向があった。これらの現象は、粉末法による基材１１を用いた試料では、基材１１の内部に空隙が存在するため、スタッド溶接時に、接合される柱状部材１３としてのピンを形成するアルミニウムまたはアルミニウム合金が溶融し、余剰の溶融したアルミニウムまたはアルミニウム合金が毛細管浸透により基材１１の内部に吸収されることによっても、接合強度が向上するものと推定される。
（実施例９）
厚みが０．７ｍｍの市販の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）焼結体からなる板（平面領域７０ｍｍ×７０ｍｍ）、厚みが０．３ｍｍの市販の窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）焼結体からなる板（平面領域７０ｍｍ×７０ｍｍ）、厚みが０．５ｍｍの市販の酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）焼結体からなる板（平面領域７０ｍｍ×７０ｍｍ）、厚みが３ｍｍの株式会社アライドマテリアル製の複合材料（Ｓｉ−ＳｉＣ：シリコンのマトリクスに炭化ケイ素粒子が分散した複合材料、炭化ケイ素粒子含有量７０質量％）からなる板（平面領域７０ｍｍ×７０ｍｍ）のそれぞれの表面に、拡散接合によって、厚みが０．３ｍｍ、アルミニウム純度が９９．９％のアルミニウムの板を接合した。このようにして、上記の各種材料からなる基材１１とアルミニウム板からなる表面層１２とからなるヒートスプレッダ１の板状部材を作製した。
これらの板状部材を用いて、実施例１と同様にして板状部材の洗浄処理、柱状部材１３の接合を行った。このようにしてヒートスプレッダ１の各試料を作製した。図５に示すように、柱状部材１３が接合されていない表面層１２の上にはんだ層２を介在させて、実施例１と同様の仕様の半導体装置５としてＩＧＢＴを接合した。その後、図５に示すような半導体装置用熱放散構造の試験装置にて、実施例１と同様の方法で、負荷テスト（ＩＧＢＴ耐久試験）を実施した。
試料の特性と負荷テストの結果を表６に示す。
Figure 0005028147
表６から、いずれの試料のヒートスプレッダ１を用いても、半導体装置は高負荷まで問題なく動作した。
今回開示された実施の形態と実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考慮されるべきである。本発明の範囲は以上の実施の形態と実施例ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての修正と変形を含むものであることが意図される。
この発明の一つの実施の形態としてのヒートスプレッダの概略的な断面を示す図である。 この発明の実施の形態に従ったヒートスプレッダにおいて柱状部材の接合部の一つの形態を示す概略的な部分断面図である。 この発明の実施の形態に従ったヒートスプレッダにおいて柱状部材の接合部のもう一つの形態を示す概略的な部分断面図である。 この発明の一つの実施の形態としてのヒートスプレッダを用いた半導体装置用熱放散構造を概略的に示す図である。 この発明のもう一つの実施の形態としてのヒートスプレッダを用いた半導体装置用熱放散構造を概略的に示す図である。 従来のヒートスプレッダを用いた半導体装置用熱放散構造を概略的に示す図である。
符号の説明
１：ヒートスプレッダ、１１：基材、１２：表面層、１３：柱状部材。

Claims (8)

  1. 一方表面と、この一方表面と反対側の他方表面とを有する板状部材と、
    前記板状部材の少なくとも一方表面の上に接合された複数の柱状部材と、
    前記板状部材と前記柱状部材との間に形成された接合層とを備え、
    前記板状部材は、基材と、この基材の両側表面の上に接合された表面層とを含み、
    前記板状部材の線膨張係数が３×１０-6／Ｋ以上１６×１０-6／Ｋ以下、前記板状部材の熱伝導率が１２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、
    前記表面層は、アルミニウムまたはアルミニウム合金を含む材料からなり、
    前記柱状部材は、アルミニウムまたはアルミニウム合金を含む材料からなり、
    前記板状部材の厚みが０．５ｍｍ以上６ｍｍ以下であり、前記表面層の厚みが０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下であり、
    前記接合層は、前記板状部材との境界に接合界面を有し、
    前記接合界面が前記表面層内に存在する面積割合は、前記板状部材の一方表面への投影平面に換算して５０％以上１００％以下であり、
    前記表面層の材料は、前記柱状部材の材料よりも電気的に貴である、半導体装置用ヒートスプレッダ。
  2. 前記表面層を形成するアルミニウムまたはアルミニウム合金を含む材料におけるアルミニウムの含有量は、前記柱状部材を形成するアルミニウムまたはアルミニウム合金を含む材料におけるアルミニウムの含有量よりも高い、請求項１に記載の半導体装置用ヒートスプレッダ。
  3. 前記表面層を形成するアルミニウムまたはアルミニウム合金の結晶粒径は、前記柱状部材を形成するアルミニウムまたはアルミニウム合金の結晶粒径よりも大きい、請求項１に記載の半導体装置用ヒートスプレッダ。
  4. 前記基材の出発材料は、粉末材である、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の半導体装置用ヒートスプレッダ。
  5. 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の半導体装置用ヒートスプレッダを備えた半導体装置用部材。
  6. 前記接合界面が前記表面層内に存在する面積割合は、前記板状部材の一方表面への投影平面に換算して５０％以上１００％以下になるように、スタッド溶接法により、前記板状部材の少なくとも一方表面の上に前記柱状部材を接合する、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の半導体装置用ヒートスプレッダの製造方法。
  7. スタッド溶接法により、前記板状部材の少なくとも一方表面の上に前記柱状部材を接合する前に、少なくとも前記表面層を加熱することによって、前記表面層を形成するアルミニウムまたはアルミニウム合金の結晶粒径を大きくする、請求項６に記載の半導体装置用ヒートスプレッダの製造方法。
  8. スタッド溶接法により、前記板状部材の少なくとも一方表面の上に前記柱状部材を接合した後に、少なくとも前記表面層を加熱することによって、前記表面層を形成するアルミニウムまたはアルミニウム合金の結晶粒径を大きくする、請求項６に記載の半導体装置用ヒートスプレッダの製造方法。
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