JP5807935B1 - 放熱基板と、それを使用した半導体用モジュール - Google Patents
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Abstract
Description
既に主金属がAg、Cu、Alや合金であれば・添加金属・ダイヤモンドを最適に混合し型押し後に液相焼結を行うことで線膨張係数6.5 ppm/K以上15ppm/K以下の範囲、熱伝導率420W/m・K以上の放熱基板にできるとの報告がある。しかし、添加金属を使用しても焼結が不安定で相対密度が低いため、最終のNi系メッキの品質が確保できない問題があり、熱伝導率のバラツキが大きく、熱伝導率が安定して420W/m・K以上にならない問題等があるため実用化に至っていない。
本発明はメッキにより金属層を形成したのち加熱し加圧する固相焼結を行うことで、表層に欠陥の少ない金属層を形成して熱伝導率の向上と安定を図ったものである。
耐熱性が必要な場合、主金属はAg、Cu、またはこれらの合金が望ましい。大型の放熱基板で軽量化が必要な場合はAlやAl合金が望ましい。
Ag、Cu、とこれらの合金の場合はTi、Cr、Co、Mn、Ni、Fe、Bで複合材全体の1 vol%以上5 vol%以下が望ましく、1vol%未満でも5vol%を超えても熱伝導度率が420W/m・K以上にはならない。Alの場合は複合材全体のSiが5 vol%以上15 vol%以下の値が望ましく、5 vol%未満でも15 vol%を超えても熱伝導度率が420W/m・K以上にはならない。また1.0 vol%Mg添加することで液相焼結が安定する効果がある。
他にダイヤモンドが高価なためダイヤモンドの一部を安価で低線膨張係数のSiC、W、Moで置換しても特性を満たせば問題ない。
型押し後の焼結は真空、減圧、加圧、非酸化、還元ガス、不活性ガス中で主金属の液相出現温度以上が必要である。液相焼結することでダイヤモンド粒子の表層に添加金属とダイヤモンドが反応して炭化物ができる。更に炭化物と添加金属と主金属が反応した合金層ができ金属・添加物・ダイヤモンドからなる複合材が出来る。
金属層は液相焼結後の複合材やその研磨品にメッキを被覆して形成するものでAg、Cu、Ni、それらの合金等を使い、厚みが5μm以上200μm以下であれば、複合材の全面、上下、半導体デバイスを搭載する部分のみでも問題ない。やわらかくて熱伝導度率の大きいAgやCuの金属層が好適であり、Niまたはこれらの合金のメッキはAl系ダイヤモンドの大型で寸法の厚い放熱基板に有効である。また金属層はAg、Cu、Niまたはこれらの合金を多層にメッキしても問題ない。
金属層の厚みは5μm以下では加熱加圧しても放熱基板に必要な欠陥の少ない金属層を全体に設けられない。また200μm以上では金属層が非常に不安定になるとともにメッキ費用が高くなる。
メッキ後の固相焼結は真空、減圧、加圧、非酸化、不活性ガス、難燃性液体、不燃性液等の雰囲気で行うことができるが、水中法で通電焼結を行うことで形状をニアネットシェイプで製作が可能でコスト的にも有利である。温度は液相出現温度以下で加圧50MPa以上500MPa以下の条件で固相焼結を行うことにより、複合材の表面にメッキされた金属層の欠陥を修復し、更に複合材自体の熱伝導率の向上と安定化を図ることができる。その製造はホットプレス(以下HPと略記)、鍛造、通電焼結等により可能である。この固相焼結で金属とダイヤモンドからなる複合材の表にメッキしたAg、Cu、Niや、それらの合金の金属層を、Cuの放熱基板の表層のような欠陥の少ない状態にできる。
圧力は50MPa以上で、それ以下では金属層の十分な修正ができない、また500MPa以上では大型装置を用いなければ加圧できないので経済的でない、また一般的な治具や電極では破壊してしまうことがある。このため複合材と金属層に適した固相焼結の条件温度や圧力や治具や電極を選択することが重要である。
薄いシートやウエハーの複合材の表面粗さは治具や電極の面粗さが転写されるので製品の形状にウォ―タージェット、高出力レーザー、ワイヤカット等で切断して製品化する。しかし、さらに精度が必要な場合には、金属層を研磨紙やバフで研磨し所定の表面粗さに仕上げ、製品の形状にウォ―タージェット、高出力レーザー、ワイヤカット等で切断して製品化することも可能である。またニアネットシェイプで作られる複合材は形状加工が不要でありコスト的に有利である。
最終のメッキは放熱基板に各種の部材、絶縁板、半導体デバイス等を銀ろう付やハンダ付等で接合することを目的として行われるが、放熱基板に欠陥があると、その影響で最終のNi系メッキに欠陥が発生し、良好な銀ろう付やハンダ付が出来ない問題が発生する。Ni系メッキが多層になっても次々と欠陥が転写されていくので問題は解決しない。
(腺膨張係数の測定)
固相焼結後の25*25*2~2.5mm試料からWEDMやパワーレーザーで10mm*5mm*厚み2~2.5mm切り出し熱膨張係数計(セイコー電子工業社製)でRT(25℃)の腺膨張係数の測定を行う。
固相焼結後の25*25*2~2.5mmの試料からWEDMやパワーレーザーでφ10mm*厚み2~2.5mmを切り出しレーザーフラッシュ法の熱伝導度計(アルバック理工製 TC-7000)でRT(25℃)の熱伝導率の測定を行う。
固相焼結後の25*25*2~2.5mmの試料を大気中に450℃に30分保持し、外観を顕微鏡の10倍の倍率で目視観察し、金属層のメッキのフクレがない場合はOKであり、大小にかかわらずフクレが見つかった場合にはNGと判断した。
固相焼結後の25*25mmの複合合金をバリ取りしバフ研磨後に3μmNi-Bメッキの放熱基板に10*10mm*0.7mmのSiデバイスの金属電極付を高温SnAgCu(218℃)ハンダで接合し超音波でボイドの面積を調べ5%以下なら合格(OK)、以上を不合格(NG)とした。なお、この評価は非常に厳しいので測定でボイド率5%以下を合格すれば銀ろう付、他のハンダ付け、樹脂付等で問題が起こらない知見がある
69vol%Ag、1vol%Ti、30vol%・30μmダイヤモンドの粉末の混合し25*25mmの金型を使用し圧力500MPaでプレス型押し後に真空中・温度1100℃・60分で液相焼結を行い、その複合材に金属層5μmのAgメッキ後、HPで温度400度、圧力50MPa、30分保持で固相焼結を行い、バリ取り後、フクレテストを行い、その後3μmNi・Bメッキを行い、ハンダ付のボイド品質の評価を行った。
結果を表1に示す。
35vol%Ag、5vol%Cr、60vol%・100μmダイヤモンドの粉末の混合し25*25mmの金型を用いて圧力500MPaでプレス型押し後に水素中・温度1200℃・60分で液相焼結を行い、その複合材に金属層の50μmのCuメッキを施した後、セラミック治具に複合材を入れ通電焼結機で圧力300MPaがかかるように上下電極で加圧し、通電加熱で600℃、5分保持で固相焼結を行い、バリ取り後、フクレテストを行い、その後3μmNi・Bメッキを行い、ハンダ付のボイド品質の評価を行った。
結果を表1に示す。
10vol%Ag、37vol%Cu、3vol%Ti、30vol%・100μmと20vol%・30μmダイヤモンド粉末を混合し25*25mmの金型を用いて圧力500MPaでプレス型押し後に、真空1000℃60分保持する液相焼結後、その複合材に金属層の100μmのCuメッキを施した後、その素材1を図1のセラミック治具4に入れ抵抗溶接機を用いて水中6で上下電極2、3による100MPa加圧しながら通電し温度500℃2秒保持し、それを加圧したままで500℃になる通電を3回繰り返す固相焼結を行い、バリ取り後、フクレテストし、その後3μmNi・Bメッキを行い、ハンダ付のボイド品質の評価を行った。
結果を表1に示す。
29vol%Al、10vol%Si、1 vol%Mg 、60vol%・50mμダイヤモンド粉末を混合し、25*25mm金型を用いて圧力500MPaでプレス型押し後に窒素・温度600℃・60分で一液相焼結を行い、その複合材の表層を研削しTiとNiを併せて0.3μm蒸着し更に金属層の10μmのNiメッキを施した後、HPで真空、温度450度、圧力100MPa、10分保持で固相焼結を行い、バリ取り後、フクレテストを行い、その後3μmNi・Bメッキを行い、ハンダ付のボイド品質の評価を行った。
結果を表2に示す。
実施例-3の熱膨張係数8.3ppm/Kで熱伝導度555W/m/Kの放熱基板にセラミックとコバール等の部材をH2中750℃で銀ろう付け後に剥離や割れのない確認したPKGを作り、それに10*10*0.7mmのSiデバイスの金属電極を高温AuSn(280℃)ハンダを300℃で接合し超音波でボイド面積が3%以下であることを確認した半導体モジュールを製作しヒートサイクルテスト(-40~125℃3000回)を行った。併せて、比較のため同寸法の実施例-3と同じ熱膨張係数8.3ppm/Kで熱伝導度200W/m/Kの20wt%CuWの放熱基板で同じPKGを作りデバイスを搭載してヒートサイクルテスト(-40~125℃3000回)を行った。
結果はいずれの試料も剥離や割れ等の問題は起こらなかった。
これにより将来的な高性能半導体モジュールに対応できる高性能放熱基板の要求を満たすことができる。
なお、本発明は現形態に限定されるものではなく本発明の目的を達成できる範囲での形態は本発明に含まれる。本発明を実施する際の具体的な構造や形態等は本発明の目的を達成できる範囲内で他の構造でもよい。例えば他の製法の金属ダイヤモンドの放熱基板のメッキ品質の確保にも本発明は応用できる。
今回開示された実施形態及び実施例はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。上記した説明でなく特許請求範囲によって示される。
2 上下する上電極
3 下電極
4 セラミック治具
5 溶接機電源
6 水
7 ダイヤモンド
8 金属層
9 放熱基板の断面拡大写真
Claims (10)
- 主成分が金属とダイヤモンドからなる複合材の表面にメッキにより金属層を形
成し、前記金属層の形成された前記複合材を固相焼結し、前記固相焼結により前記金属層の表面に残ったピンホールを修復して、ろう付けやハンダ付けが可能なNi系メッキを形成することを特徴とする放熱基板の製造方法。 - 主金属と添加金属およびダイヤモンドの粉末を混合し、その混合粉末を型押しした後に液相焼結をすることでダイヤモンドの表面に添加金属の炭化物と主金属からなる層を形成し、前記液相焼結ののちに複合材の表面にメッキにより金属層を形成し、前記金属層の形成された前記複合材を固相焼結し、前記固相焼結により前記金属層の表面に残ったピンホールを修復して、ろう付けやハンダ付けが可能なNi系メッキを形成することを特徴とする放熱基板の製造方法。
- 前記放熱基板の線膨張係数が6.5ppm/K以上15ppm/K以下の範囲にあり、熱伝導率が420W/m・K以上であることを特徴とする請求項2に記載の放熱基板の製造方法。
- 前記主金属はAg、Cu、Alまたはこれらの合金であり、前記添加金属は複合材全体に対しTi、Cr、Co、Mn、Ni、Fe、B、Si、Mg、Znから選ばれた1種もしくは1種以上の金属であり、その添加割合は複合材全体に対し1vol%以上15vol%以下であって、前記ダイヤモンドの粒径はその95%以上が10μm以上1000μm以下であることを特徴とする請求項2または3に記載の放熱基板の製造方法。
- 前記複合材の表面はAg、Cu、Niまたはこれらの合金から選ばれた金属層からなり、その厚みは5μm以上200μm以下である請求項1から3何れかに記載の放熱基板の製造方法。
- 前記複合材を研削や研磨した後に、Ti、Cr、Au、Ptまたは、これらの合金から選ばれた金属を蒸着して、その表面にAg、Cu、Niまたはこれらの合金から選ばれた金属層を形成し、その合計の厚さが5μm以上200μm以下である請求項1から3何れかに記載の放熱基板の製造方法。
- 前記固相焼結は真空、減圧、非酸化、還元、不活性ガス、難燃性液体、不燃性液体から選ばれた雰囲気において、前記主金属と前記添加金属からなる合金の液相出現温度以下の温度と50MPa以上500MPa以下の圧力で加熱し加圧して得られた請求項2または3に記載の放熱基板の製造方法。
- 前記固相焼結は真空、減圧、非酸化、還元、不活性ガス、難燃性液体、不燃性液体から選ばれた雰囲気において、前記主金属または前記主金属と前記添加金属からなる合金の液相出現温度以下の温度で50MPa以上500MPa以下のホットプレスで加熱し加圧して得られた請求項2または3に記載の放熱基板の製造方法。
- 前記固相焼結は水中において、前記主金属または前記主金属と前記添加金属からなる合金の液相出現温度以下の温度で50MPa以上500MPa以下の通電焼結で加熱し加圧して得られた請求項2または3に記載の放熱基板の製造方法。
- 前記複合材を高温高圧下で緻密化した後に金属層をもうけ、再度、固相焼結を行う請求項2または3に記載の放熱基板の製造方法。
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