JP5908459B2 - 半導体放熱板用Ｍｏ焼結部品およびそれを用いた半導体装置 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体放熱板に用いるＭｏ焼結部品およびそれを用いた半導体装置に関する。
半導体装置は、様々な電子機器に用いられている。半導体装置では、半導体素子に電流を流すことによって機能する。このとき、半導体素子は発熱する。この発熱を効率的に逃がさないと半導体素子自体の破壊または誤作動の原因となる。そのため、半導体素子を放熱板上に配置し、半導体素子の熱を装置の外部に効率的に逃がすことが試みられている。
上記半導体装置に組み込まれている半導体放熱板は、単に熱伝導率が高いことのみではなく、熱膨張差に起因する応力を低減するために、熱膨張率が半導体素子に近似していることや、十分な構造強度などが求められている。このような条件を満たす放熱板の具体例として、例えば、特開平１１−３０７７０１号公報（特許文献１）には、Ｍｏ圧粉体に銅を溶浸したＭｏ―Ｃｕ溶浸基板が開示されている。低熱膨張率材料であるＭｏと高熱伝導率材料であるＣｕを組み合わせることにより、低熱膨張であり、かつ放熱性に優れた放熱板を提供できている。
上記半導体装置に組み込まれている半導体放熱板は、単に熱伝導率が高いことのみではなく、熱膨張差に起因する応力を低減するために、熱膨張率が半導体素子に近似していることや、十分な構造強度などが求められている。このような条件を満たす放熱板の具体例として、例えば、特開平１１−３０７７０１号公報（特許文献１）には、Ｍｏ圧粉体に銅を溶浸したＭｏ―Ｃｕ溶浸基板が開示されている。低熱膨張率材料であるＭｏと高熱伝導率材料であるＣｕを組み合わせることにより、低熱膨張であり、かつ放熱性に優れた放熱板を提供できている。
しかしながら、上記特許文献１に開示されたＭｏ―Ｃｕ溶浸基板は、Ｍｏ圧粉体にＣｕを溶浸させる方法で形成されているために、内部まで均一にＣｕを溶浸することは困難であるという問題点があった。特に内部にポア（空気）が残存すると、その部分は熱抵抗部となり放熱効果を阻害する原因になっていた。特に、部分的にＭｏとＣｕの存在比率が変化することが、放熱効果の悪化だけでなく、強度や熱膨張率のばらつきなどの原因にもなっていた。
本発明は、このような技術課題に鑑みてなされたもので、放熱性が良好であり、かつ構造強度が高い半導体放熱板用Ｍｏ焼結部品およびそれを用いた半導体装置を提供するものである。
本発明は、このような技術課題に鑑みてなされたもので、放熱性が良好であり、かつ構造強度が高い半導体放熱板用Ｍｏ焼結部品およびそれを用いた半導体装置を提供するものである。
本発明の半導体放熱板用Ｍｏ焼結部品は、銅を１０〜５０質量％含有するモリブデン焼結合金材からなる半導体放熱板用Ｍｏ焼結部品において、モリブデン合金材のモリブデン結晶の平均粒径が１０〜１００μｍであり、上記モリブデン結晶の最大結晶粒径が平均粒径の２倍以下であり、単位面積５００μｍ×５００μｍ当りのＭｏ結晶の面積比のばらつきが平均値の±１０％以内であることを特徴とするものである。
また、Ｍｏ焼結部品の表面粗さＲａが５μｍ以下であることが好ましい。また、モリブデン焼結合金材は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅの少なくとも一種以上を金属元素換算で０．１〜３質量％含有していることが好ましい。また、モリブデン焼結合金材が密度９０〜９８％の焼結合金材であることが好ましい。また、銅がモリブデン結晶同士の隙間に充填されていることが好ましい。また、隣り合うモリブデン結晶同士の最も離れた距離が５０μｍ以下であることが好ましい。
また、Ｍｏ焼結部品は、厚さが０．０５〜１ｍｍであり、直径が５〜７０ｍｍである円板状であることが好ましい。また、Ｍｏ焼結部品の熱膨張率が７〜１４×１０−６／℃であることが好ましい。また、Ｍｏ焼結部品の引っ張り強度が０．４４ＧＰａ以上であることが好ましい。また、Ｍｏ焼結部品の比抵抗が５．３×１０−６Ω・ｍ以下であることが好ましい。
また、本発明に係る半導体装置は、上記本発明に係る半導体放熱板用Ｍｏ焼結部品を放熱板として用いて構成されたものである。
また、Ｍｏ焼結部品の表面粗さＲａが５μｍ以下であることが好ましい。また、モリブデン焼結合金材は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅの少なくとも一種以上を金属元素換算で０．１〜３質量％含有していることが好ましい。また、モリブデン焼結合金材が密度９０〜９８％の焼結合金材であることが好ましい。また、銅がモリブデン結晶同士の隙間に充填されていることが好ましい。また、隣り合うモリブデン結晶同士の最も離れた距離が５０μｍ以下であることが好ましい。
また、Ｍｏ焼結部品は、厚さが０．０５〜１ｍｍであり、直径が５〜７０ｍｍである円板状であることが好ましい。また、Ｍｏ焼結部品の熱膨張率が７〜１４×１０−６／℃であることが好ましい。また、Ｍｏ焼結部品の引っ張り強度が０．４４ＧＰａ以上であることが好ましい。また、Ｍｏ焼結部品の比抵抗が５．３×１０−６Ω・ｍ以下であることが好ましい。
また、本発明に係る半導体装置は、上記本発明に係る半導体放熱板用Ｍｏ焼結部品を放熱板として用いて構成されたものである。
本発明に半導体放熱板用Ｍｏ焼結部品およびそれを用いた半導体装置によれば、半導体放熱板用Ｍｏ焼結部品のＭｏ結晶サイズのばらつきが小さいので放熱性や構造強度に優れた放熱板を提供することができる。その結果、半導体装置の信頼性を大幅に向上させることができる。
本実施形態に係る半導体放熱板用Ｍｏ焼結部品は、銅を１０〜５０質量％含有するモリブデン合金材から成る半導体放熱板用Ｍｏ焼結部品において、上記モリブデン合金材は、モリブデン結晶の平均粒径が１０〜１００μｍであり、単位面積５００μｍ×５００μｍ当りのＭｏ結晶の面積比のばらつきが平均値の±１０％以内であることを特徴とするものである。
上記銅の含有量が１０質量％未満または５０質量％を超えると、熱膨張係数（熱膨張率）が７〜１４×１０−６／℃を外れる可能性が高い。
ここで上記半導体放熱板とは、半導体素子を搭載するための基板またはヒートシンク（放熱板）として使用するためのものである。図１に半導体放熱板を使用した構成部品の一例を示す。図１中、１は半導体放熱板用Ｍｏ焼結部品、２は絶縁膜（絶縁層）、３は半導体素子である。
図１では半導体放熱板用Ｍｏ部品１に絶縁層２を介して半導体素子３を搭載した例を示したが、半導体素子を搭載する基板を他の材料（例えば、セラミックス基板）で形成して、他の材料から成る基板の裏面にヒートシンクとして本発明の半導体放熱板用Ｍｏ部品を適用してもよい。なお、Ｍｏ部品は絶縁体ではないため、半導体素子を搭載する際は絶縁層２を介して接合を行う。
本実施形態に係る半導体放熱板用Ｍｏ焼結部品は、熱伝導率が１６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上と放熱性も良好であるため、半導体素子を搭載した場合においても優れた放熱性を示す。また、半導体素子はＳｉ成分などで形成されている。半導体素子（Ｓｉ系）の熱膨張係数は４〜７×１０−６／℃程度であるので、Ｍｏ部品の熱膨張率は前述のように熱膨張率が７〜１４×１０−６／℃、さらには８〜１１×１０−６／℃であることが好ましい。このように半導体素子との熱膨張率を近似させることにより半導体素子との熱膨張差に起因する剥がれを防止することができる。
上記銅の含有量が１０質量％未満または５０質量％を超えると、熱膨張係数（熱膨張率）が７〜１４×１０−６／℃を外れる可能性が高い。
ここで上記半導体放熱板とは、半導体素子を搭載するための基板またはヒートシンク（放熱板）として使用するためのものである。図１に半導体放熱板を使用した構成部品の一例を示す。図１中、１は半導体放熱板用Ｍｏ焼結部品、２は絶縁膜（絶縁層）、３は半導体素子である。
図１では半導体放熱板用Ｍｏ部品１に絶縁層２を介して半導体素子３を搭載した例を示したが、半導体素子を搭載する基板を他の材料（例えば、セラミックス基板）で形成して、他の材料から成る基板の裏面にヒートシンクとして本発明の半導体放熱板用Ｍｏ部品を適用してもよい。なお、Ｍｏ部品は絶縁体ではないため、半導体素子を搭載する際は絶縁層２を介して接合を行う。
本実施形態に係る半導体放熱板用Ｍｏ焼結部品は、熱伝導率が１６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上と放熱性も良好であるため、半導体素子を搭載した場合においても優れた放熱性を示す。また、半導体素子はＳｉ成分などで形成されている。半導体素子（Ｓｉ系）の熱膨張係数は４〜７×１０−６／℃程度であるので、Ｍｏ部品の熱膨張率は前述のように熱膨張率が７〜１４×１０−６／℃、さらには８〜１１×１０−６／℃であることが好ましい。このように半導体素子との熱膨張率を近似させることにより半導体素子との熱膨張差に起因する剥がれを防止することができる。
また、モリブデン合金材は、モリブデン結晶の平均粒径が１０〜１００μｍであり、単位面積５００μｍ×５００μｍ当りのＭｏ結晶の面積比のばらつきが平均値の±１０％以内であることを特徴とするものである。
ここでモリブデン結晶の平均粒径が１０μｍ未満と過小であると相対的に銅の割合が増加するので合金材の強度が低下する。一方、平均粒径が１００μｍを超えるように過大になると相対的に銅の割合が少なくなるので好ましくない。モリブデン合金材は焼結体であり、モリブデンと銅との存在割合（面積比）のばらつきが平均値の±１０％以内である。モリブデンと銅の面積比のばらつきが少ないと、モリブデン合金材の特性ばらつきを抑制することができる。
ここでモリブデン結晶の平均粒径が１０μｍ未満と過小であると相対的に銅の割合が増加するので合金材の強度が低下する。一方、平均粒径が１００μｍを超えるように過大になると相対的に銅の割合が少なくなるので好ましくない。モリブデン合金材は焼結体であり、モリブデンと銅との存在割合（面積比）のばらつきが平均値の±１０％以内である。モリブデンと銅の面積比のばらつきが少ないと、モリブデン合金材の特性ばらつきを抑制することができる。
半導体放熱板用Ｍｏ焼結部品は、前述のように半導体素子を搭載して使われるものである。例えば、半導体素子を搭載した場合、素子の発熱により半導体放熱板用Ｍｏ焼結部品は熱膨張する。このとき、Ｍｏ結晶と銅との存在割合のばらつきが大きいと部分的に膨張に差が出て半導体素子の剥がれの原因となるおそれがある。そのため、熱膨張率の部分的な差をなくすためにＭｏ結晶と銅との存在割合（面積比）のばらつきを±１０％以内にすることが重要である。
また、Ｍｏ結晶と銅との面積比の測定は単位面積５００μｍ×５００μｍを基準として測定するものとする。単位面積を５００μｍ×５００μｍとしたのは、平均粒径の上限を１００μｍとしているので、その５倍程度の面積であれば測定誤差を低減することが可能であるためである。また、Ｍｏ結晶と銅との面積比の測定は、ＳＥＭ写真またはＥＰＭＡの面分析により測定できる。
また、Ｍｏ結晶と銅との面積比の測定は単位面積５００μｍ×５００μｍを基準として測定するものとする。単位面積を５００μｍ×５００μｍとしたのは、平均粒径の上限を１００μｍとしているので、その５倍程度の面積であれば測定誤差を低減することが可能であるためである。また、Ｍｏ結晶と銅との面積比の測定は、ＳＥＭ写真またはＥＰＭＡの面分析により測定できる。
また、半導体放熱板用Ｍｏ焼結部品は、表面粗さＲａが５μｍ以下であることが好ましい。前述のようにヒートシンクとしてモジュールにはめ込んだりするとき、表面粗さＲａが大きいと絶縁層との間に隙間ができて、この隙間が熱抵抗体となり放熱性を低下させる原因となるおそれがある。絶縁層は一般的に絶縁樹脂、金属酸化物が用いられる。絶縁樹脂や金属酸化物は、熱伝導率がせいぜい３０Ｗ／ｍ・Ｋ以下と放熱性が悪い。そのため、絶縁層があまり厚いと、さらに放熱性が低下する。そのため、絶縁層は１００μｍ以下、さらには５０μｍ以下であることが好ましい。Ｍｏ焼結部品の表面粗さＲａは５μｍ以下、さらには２μｍ以下であることが好ましい。
また、モリブデン合金材組成は、ＭｏとＣｕの２元系を基本とするが、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅの少なくとも一種以上を金属元素換算で０．１〜３質量％含有していてもよい。Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅを所定量含有することにより、モリブデン合金材の強度や硬度を上げることができる。モリブデン合金の強度は、ＭｏとＣｕの２元系の場合には引っ張り強度が０．４４ＧＰａ以上であるものが、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅの添加により引っ張り強度を０．５０ＧＰａ以上に増加させることができる。
また、モリブデン合金材は、密度が９０％以上、さらには９０〜９８％であることが好ましい。密度は、（アルキメデス法による実測値／理論密度）×１００％で示すものとする。理論密度は、モリブデンの理論密度：１０．２２ｇ／ｃｍ３、銅の理論密度：８．９６ｇ／ｃｍ３、鉄の理論密度：７．８７ｇ／ｃｍ３、コバルトの理論密度：８．９ｇ／ｃｍ３、ニッケルの理論密度：８．９ｇ／ｃｍ３を用いて重量比を掛け算して求める。例えば、Ｍｏを７０ｗｔ％、銅を３０ｗｔ％のモリブデン合金材の場合、７０ｗｔ％×１０．２２＋３０ｗｔ％×８．９６＝９．８４２ｇ／ｃｍ３がＭｏ（７０ｗｔ％）−Ｃｕ（３０ｗｔ％）のモリブデン合金材の理論密度となる。
上記密度が９０％未満の場合は、モリブデン合金材の強度が低下するおそれがある。一方、密度が９８％を超えて高いと強度は十分であるが、製造コストの増大を招くおそれがある。そのため、密度は９０〜９８％が好ましい。さらに、密度は９４〜９７％の範囲が好ましい。
図２に本実施形態に係る半導体放熱板用Ｍｏ焼結部品の組織の一例を示す。図中、４はモリブデン結晶粒子、５は銅である。また、銅がモリブデン結晶同士の隙間に充填されていることが好ましい。また、モリブデン結晶の最大結晶粒径が平均粒径の２倍以下であることが好ましい。
上記密度が９０％未満の場合は、モリブデン合金材の強度が低下するおそれがある。一方、密度が９８％を超えて高いと強度は十分であるが、製造コストの増大を招くおそれがある。そのため、密度は９０〜９８％が好ましい。さらに、密度は９４〜９７％の範囲が好ましい。
図２に本実施形態に係る半導体放熱板用Ｍｏ焼結部品の組織の一例を示す。図中、４はモリブデン結晶粒子、５は銅である。また、銅がモリブデン結晶同士の隙間に充填されていることが好ましい。また、モリブデン結晶の最大結晶粒径が平均粒径の２倍以下であることが好ましい。
Ｍｏ焼結部品は、Ｍｏ粉末と銅粉末とを混合した成形体を焼結して製造される焼結体である。モリブデンの融点は２６２０℃であり、銅の融点は１０８３℃であるので１２００℃以上の高温で焼結するとモリブデン結晶粒子はそのままあるいは一部粒成長して結晶粒子として存在し、銅は溶けてモリブデン結晶粒子同士の隙間に充填されるようになる。
また、モリブデン結晶の最大結晶粒径が平均粒径の２倍以下であることが好ましい。モリブデン結晶に平均粒径の２倍を超える粗大粒子があると、モリブデン結晶と銅の存在割合のばらつきが発生し易い。
なお、上記モリブデン結晶の平均粒径の測定方法は、拡大写真（ＳＥＭ写真）を用い、そこに写る個々のモリブデン結晶の長径と短径とを求め、（長径＋短径）／２により、その結晶粒子の粒径を求める。この作業を任意の１００粒子に関する最大径を求め、その平均値を「平均粒径」とし、最も大きな「最大径」を「最大結晶粒径」とする。
また、隣り合うモリブデン結晶同士間の距離の中で最も離れた距離が５０μｍ以下であることが好ましい。図５に本発明の半導体放熱板用Ｍｏ焼結部品の組織の他の一例を示した。図中、４ａおよび４ｂは隣り合うモリブデン結晶粒子であり、５は銅である。
図５において、モリブデン結晶粒子４ａの周囲にあるモリブデン結晶粒子の中で最も離れた距離にあるのはモリブデン結晶粒子４ｂである。モリブデン結晶粒子４ａから最も離れたモリブデン結晶粒子４ｂに関し、その最短距離Ｄを「隣り合うモリブデン結晶同士の最も離れた距離」とする。本発明では、隣り合うモリブデン結晶同士の最も離れた距離が５０μｍ以下とすることにより、部分的な熱膨張率のバラツキを低減し、強度を向上させ、部分的な比抵抗のバラツキを低減することができる。また、隣り合うモリブデン結晶同士の最も離れた距離は５〜２０μｍであることがより好ましい。
なお、「隣り合うモリブデン結晶同士の最も離れた距離」の測定方法は、単位面積５００μｍ×５００μｍの拡大写真（ＳＥＭ写真）を使って測定するものとする。
また、モリブデン結晶の最大結晶粒径が平均粒径の２倍以下であることが好ましい。モリブデン結晶に平均粒径の２倍を超える粗大粒子があると、モリブデン結晶と銅の存在割合のばらつきが発生し易い。
なお、上記モリブデン結晶の平均粒径の測定方法は、拡大写真（ＳＥＭ写真）を用い、そこに写る個々のモリブデン結晶の長径と短径とを求め、（長径＋短径）／２により、その結晶粒子の粒径を求める。この作業を任意の１００粒子に関する最大径を求め、その平均値を「平均粒径」とし、最も大きな「最大径」を「最大結晶粒径」とする。
また、隣り合うモリブデン結晶同士間の距離の中で最も離れた距離が５０μｍ以下であることが好ましい。図５に本発明の半導体放熱板用Ｍｏ焼結部品の組織の他の一例を示した。図中、４ａおよび４ｂは隣り合うモリブデン結晶粒子であり、５は銅である。
図５において、モリブデン結晶粒子４ａの周囲にあるモリブデン結晶粒子の中で最も離れた距離にあるのはモリブデン結晶粒子４ｂである。モリブデン結晶粒子４ａから最も離れたモリブデン結晶粒子４ｂに関し、その最短距離Ｄを「隣り合うモリブデン結晶同士の最も離れた距離」とする。本発明では、隣り合うモリブデン結晶同士の最も離れた距離が５０μｍ以下とすることにより、部分的な熱膨張率のバラツキを低減し、強度を向上させ、部分的な比抵抗のバラツキを低減することができる。また、隣り合うモリブデン結晶同士の最も離れた距離は５〜２０μｍであることがより好ましい。
なお、「隣り合うモリブデン結晶同士の最も離れた距離」の測定方法は、単位面積５００μｍ×５００μｍの拡大写真（ＳＥＭ写真）を使って測定するものとする。
図３に半導体放熱板用Ｍｏ焼結部品の一形状例を示す。図３では円柱形状の半導体放熱板用Ｍｏ焼結部品を例示したものであり、その他、四角柱形状などの多角柱形状であってもよい。また、図３中、Ｌは半導体放熱板用Ｍｏ焼結部品１の直径、Ｔは半導体放熱板用Ｍｏ焼結部品１の厚さである。直径Ｌ、厚さＴのサイズは特に限定されるものではないが、厚さが０．０５〜１ｍｍ、直径が５〜７０ｍｍ、さらには厚さが０．５〜１ｍｍであり、直径が５〜１０ｍｍである円板状であることが好ましい。本発明の半導体放熱板用Ｍｏ焼結部品はＭｏとＣｕとの存在比率を均質にしているので、基板厚さや幅方向における放熱効果に異方性が無く均質になっている。そのため、複数の半導体素子を搭載しても放熱効果を各素子について同様にできる。また、本発明の半導体放熱板用Ｍｏ焼結部品を用いた半導体装置の信頼性を向上させることができる。
特に、複数個の半導体放熱板用Ｍｏ焼結部品を搭載した半導体放熱板であるほど信頼性を向上させることができる。半導体装置において、半導体放熱板用Ｍｏ焼結部品の搭載数は特に限定されるものではないが、通常２〜５個である。
次に製造方法について説明する。本発明の半導体放熱板用Ｍｏ焼結部品の製造方法は特に限定されるものではないが、効率よく得るための方法として次の製造方法が挙げられる。
まず、原料粉末としてＭｏ粉末と銅粉末とを用意し混合する。Ｍｏ粉末としては、平均粒径が１〜８μｍであり、さらに好ましくは３〜５μｍである原料粉末を使用する。平均粒径が８μｍを超えると平均粒径の２倍以上の粗大粒子が形成され易い。また、Ｍｏ粉末の純度は９９．９ｗｔ％以上のものであることが好ましい。
また、銅粉末の平均粒径は、１０μｍ以下、さらには０．５〜５μｍであることが好ましい。銅粉末の平均粒径が１０μｍを超えるとＭｏ粒子間に銅粉末が入らない状態ができ易いため、好ましくない。また、銅粉末の純度も９９．９ｗｔ％以上のものであることが好ましい。また、必要に応じ、Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆｅなどの第三成分を添加する場合は、第三成分の平均粒径も平均粒径１０μｍ以下、さらに好ましくは０．５〜５μｍ以下とする。
まず、原料粉末としてＭｏ粉末と銅粉末とを用意し混合する。Ｍｏ粉末としては、平均粒径が１〜８μｍであり、さらに好ましくは３〜５μｍである原料粉末を使用する。平均粒径が８μｍを超えると平均粒径の２倍以上の粗大粒子が形成され易い。また、Ｍｏ粉末の純度は９９．９ｗｔ％以上のものであることが好ましい。
また、銅粉末の平均粒径は、１０μｍ以下、さらには０．５〜５μｍであることが好ましい。銅粉末の平均粒径が１０μｍを超えるとＭｏ粒子間に銅粉末が入らない状態ができ易いため、好ましくない。また、銅粉末の純度も９９．９ｗｔ％以上のものであることが好ましい。また、必要に応じ、Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆｅなどの第三成分を添加する場合は、第三成分の平均粒径も平均粒径１０μｍ以下、さらに好ましくは０．５〜５μｍ以下とする。
各原料粉末を混合した後、樹脂バインダを混合する工程を行う。樹脂バインダは、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）などが好ましい。樹脂バインダ混合工程において、原料混合粉末を造粒する。原料粉末の造粒粉末は、平均粒径が５０〜２００μｍであり、さらに８０〜１４０μｍであることが好ましい。造粒粉末の段階で、Ｍｏ粉末と銅粉末（第三成分を添加した場合は第三成分粉末も含めて）を均一に混合しておくことが好ましい。
次に、この造粒粉末（樹脂バインダと混合した原料粉末）を金型に詰めてプレス成形することにより、半導体放熱板用Ｍｏ焼結部品形状のＭｏ成形体を得るプレス工程を行う。プレス圧力は３〜１３ｔｏｎ／ｃｍ２（２９４〜１２７４ＭＰａ）が好ましい。プレス圧力が３ｔｏｎ／ｃｍ３未満では成形体の強度が不十分であり、１３ｔｏｎ／ｃｍ２を超えて大きいと成形体の密度が高くなりすぎ金型に負荷が掛かり易い。
次に、この造粒粉末（樹脂バインダと混合した原料粉末）を金型に詰めてプレス成形することにより、半導体放熱板用Ｍｏ焼結部品形状のＭｏ成形体を得るプレス工程を行う。プレス圧力は３〜１３ｔｏｎ／ｃｍ２（２９４〜１２７４ＭＰａ）が好ましい。プレス圧力が３ｔｏｎ／ｃｍ３未満では成形体の強度が不十分であり、１３ｔｏｎ／ｃｍ２を超えて大きいと成形体の密度が高くなりすぎ金型に負荷が掛かり易い。
次に得られたＭｏ成形体を酸化還元雰囲気中で焼成して第一の焼成体を得る第一の焼成工程を行う。第一の焼成工程は、最高到達温度を９００〜１２００℃とし、最高到達温度での保持時間を１〜４時間とすることが好ましい。第一の焼成工程は、後述の第二の焼成工程を本焼結としたときの仮焼結（または本焼結前の中焼結）との位置付けとなる。最高到達温度が９００℃未満では成形体の緻密化が不十分であり、１２００℃を超えると緻密化が過剰になる。緻密化され過ぎると、銅がＭｏ結晶粒子間の隙間に十分入り込まなくなる。また、酸化還元雰囲気としては、ウエット水素ガス雰囲気であることが好ましい。ウエット水素ガスとは、水蒸気を含有した水素ガスのことである。
第一の焼成工程では、最終製品としてＭｏ焼結体（半導体放熱板用Ｍｏ焼結部品）の緻密化を目的としたものではなく、酸化還元雰囲気中で焼成することにより、Ｍｏ焼結体表面の炭素を取り除くとともにＭｏ焼結体が必要以上に酸化されるのを防止することを目的とした工程である。Ｍｏ焼結体が酸化されると銅がＭｏ結晶粒子間に十分に充填されないおそれがある。
第一の焼成工程では、最終製品としてＭｏ焼結体（半導体放熱板用Ｍｏ焼結部品）の緻密化を目的としたものではなく、酸化還元雰囲気中で焼成することにより、Ｍｏ焼結体表面の炭素を取り除くとともにＭｏ焼結体が必要以上に酸化されるのを防止することを目的とした工程である。Ｍｏ焼結体が酸化されると銅がＭｏ結晶粒子間に十分に充填されないおそれがある。
また、ウエット水素（水蒸気を含んだ水素ガス）雰囲気中での処理を行うことにより、Ｍｏ焼結体表面から炭素を除去することが可能である。除去された炭素は二酸化炭素（ＣＯ２）や一酸化炭素（ＣＯ）となり除去される。これは、加熱により温められた水蒸気（Ｈ２Ｏ）は炭素（Ｃ）と反応し易くなり、一酸化炭素（ＣＯ）や二酸化炭素（ＣＯ２）としてＭｏ焼結体から除去され易い。Ｍｏ成形体を作る際に炭素成分が多い樹脂バインダを使っている。
また、第一の焼成工程は、６００℃から最高到達温度までを３〜７時間かけて昇温することが好ましい。第一の焼成工程は、昇温速度があまり早いと成形体中のバインダの消失や緻密化に不均一な個所がでて、密度が不均一な焼結体となるおそれがある。一方で７時間以上かけて昇温すれば不均一性は解消されるが、時間が掛かり過ぎて製造効率が低下する。
また、第一の焼成工程は、６００℃から最高到達温度までを３〜７時間かけて昇温することが好ましい。第一の焼成工程は、昇温速度があまり早いと成形体中のバインダの消失や緻密化に不均一な個所がでて、密度が不均一な焼結体となるおそれがある。一方で７時間以上かけて昇温すれば不均一性は解消されるが、時間が掛かり過ぎて製造効率が低下する。
また、第一の焼成工程において、焼成中にＭｏ成形体が酸化されるのを防止するためにウエット水素含有雰囲気中で焼成するものとする。必要以上に酸化を防ぐ観点から、焼成炉内を窒素ガスで置換した後、ウエット水素ガス流量を０．２ｍ３／Ｈ（時間）以上、さらには０．２〜１７ｍ３／Ｈ（時間）とすることが好ましい。ウエット水素ガスを気流として供給し、Ｍｏ成形体に新鮮なウエット水素ガスが供給されるようにすることが好ましい。
また、所定のガス流量があれば、除去された炭素成分（二酸化炭素、一酸化炭素）を気流と一緒に焼結炉外に排除できる。樹脂バインダは、熱を加えると炭素として残存する。残存した炭素は第一の焼成工程中に炭素成分（二酸化炭素や一酸化炭素）になるが、これら炭素成分は銅と反応し易いことから、気流の制御により新鮮なウエット水素ガスを供給できるようにする必要がある。
特に、焼成ボート（Ｍｏボート）上に複数個のＭｏ成形体を並べて１バッチ２００個以上の成形体を一度に焼成する場合は、ウエット水素ガス流量の調整は必要であり、そのときは焼成炉内のウエット水素ガス流量が２ｍ３／Ｈ以上の箇所があるようにすることが好ましい。
また、所定のガス流量があれば、除去された炭素成分（二酸化炭素、一酸化炭素）を気流と一緒に焼結炉外に排除できる。樹脂バインダは、熱を加えると炭素として残存する。残存した炭素は第一の焼成工程中に炭素成分（二酸化炭素や一酸化炭素）になるが、これら炭素成分は銅と反応し易いことから、気流の制御により新鮮なウエット水素ガスを供給できるようにする必要がある。
特に、焼成ボート（Ｍｏボート）上に複数個のＭｏ成形体を並べて１バッチ２００個以上の成形体を一度に焼成する場合は、ウエット水素ガス流量の調整は必要であり、そのときは焼成炉内のウエット水素ガス流量が２ｍ３／Ｈ以上の箇所があるようにすることが好ましい。
図４に、製造方法の一例として、１バッチで複数個のＭｏ成形体を焼成する際の成形体を焼成炉に装填する例を示す。図中、６はＭｏ成形体、７は焼成用容器、８は焼成ボート、９はセパレータである。焼成ボート８上にＭｏ成形体６を複数個載置する。このとき、各成形体６の隙間を水素ガスが流通し易くするために各成形体同士の隙間を１ｍｍ以上開けることが好ましい。複数個の成形体６を載せた焼成ボート８を、セパレータ９を介して複数枚、多段に積層する。これを焼成用容器７内に配置する。この焼成用容器ごと、焼成炉内に配置することにより１バッチ２００個以上、さらには４００個以上、さらには２０００個以上の成形体を一度に焼成することができる。なお、焼成ボート、セパレータ、焼成用容器は、耐熱性等の観点からＭｏで構成されていることが好ましい。また、焼結体の融着を防止するために、焼成ボートは必要に応じ酸化物セラミックスのコーティングが施されているものを用いてもよい。
次に、第一の焼成体を水素含有雰囲気中で焼成する第二の焼成体を得る第二の焼成体を得る第二の焼成工程を実施する。第二の焼成工程は、いわゆる本焼結工程に相当する工程である。
第二の焼成工程は、最高到達温度を１２００〜１６００℃とし、最高到達温度での保持時間を１〜５時間とすることが好ましい。最高到達温度が１２００℃未満では緻密化が十分に進行せず密度が９０％未満になり易い。一方、最高到達温度が１６００℃を超えると銅が流れ出し、密度が低下する。好ましくは１３００〜１５００℃の範囲である。
また、最高到達温度での保持時間が１時間未満ではＭｏ焼結体の緻密化が不十分であり、５時間を超えると銅が溶け出るおそれがある。
第二の焼成工程は、最高到達温度を１２００〜１６００℃とし、最高到達温度での保持時間を１〜５時間とすることが好ましい。最高到達温度が１２００℃未満では緻密化が十分に進行せず密度が９０％未満になり易い。一方、最高到達温度が１６００℃を超えると銅が流れ出し、密度が低下する。好ましくは１３００〜１５００℃の範囲である。
また、最高到達温度での保持時間が１時間未満ではＭｏ焼結体の緻密化が不十分であり、５時間を超えると銅が溶け出るおそれがある。
また、第二の焼成工程も第一の焼成工程と同様にＭｏ焼結体の酸化を防ぐために水素含有雰囲気中で実施する必要がある。このため、焼成炉内を窒素ガスで置換した後、水素ガスを供給する方法が好ましい。また、新鮮な水素ガスを供給することが好ましいため、水素ガス気流を第一の焼成工程と同様の条件で調整することが好ましい。特に、１バッチ２００個以上、さらには４００個以上と多数個の焼結体を得るためには、ウエット水素ガスまたは水素ガスの流量の調整は必要である。
また、第一の焼成工程から第二の焼成工程は、図４に示したような焼成容器７を用いることにより第一の焼成工程から第二の焼成工程への移動を連続的に実施することができるので量産性が向上する。
また、上記のように製造したＭｏ焼結体（半導体放熱板用Ｍｏ焼結部品）は、必要に応じて、表面研磨加工を施すものとする。研磨加工は、バレル研磨やダイヤモンド砥石による研磨加工が挙げられる。
また、第一の焼成工程から第二の焼成工程は、図４に示したような焼成容器７を用いることにより第一の焼成工程から第二の焼成工程への移動を連続的に実施することができるので量産性が向上する。
また、上記のように製造したＭｏ焼結体（半導体放熱板用Ｍｏ焼結部品）は、必要に応じて、表面研磨加工を施すものとする。研磨加工は、バレル研磨やダイヤモンド砥石による研磨加工が挙げられる。
［実施例］
（実施例１〜５および比較例１）
平均粒径が３μｍであり、純度が９９．９ｗｔ％であるＭｏ粉末と、平均粒径が５μｍであり、純度が９９．９％である銅粉末とを混合し、さらに樹脂バインダ（ＰＶＡ）と混合して平均粒径が８０〜１２０μｍである造粒粉末を調製した。次に、この造粒粉末を３〜５ｔｏｎ／ｃｍ２のプレス圧力で金型成型してＭｏ成形体を調製した。なお、ＭｏとＣｕの組成比およびＭｏ焼結体のサイズは表１に示した通りである。
次に図4に示すように、調製した４００個のＭｏ成形体６をＭｏ製焼成ボート８上に２ｍｍ間隔で並べた。この焼成ボート８を、スペーサ（セパレータ）９を介して３段重ねて、Ｍｏ焼成容器７内に収容した。これをプッシュ式焼成炉に投入して表１に示す条件にて第一及び第二の焼成工程を実施した。なお、焼成工程は一旦、焼成炉内部に窒素ガスを充満させた後に、ウエット水素ガス気流を流す雰囲気中で実施した。また、６００℃から最高到達温度までは３〜７時間かけて昇温して実施したものである。
その後、表面研磨加工を施して各実施例に係る半導体放熱板用Ｍｏ焼結部品を調製した。得られた半導体放熱板用Ｍｏ焼結部品は直径５０ｍｍ×厚さ０．６ｍｍで統一した。また、表面粗さＲａは３μｍで統一した。
一方、比較例１として、密度が９０％であるＭｏ焼結体を調製した後、Ｃｕを溶浸する溶浸法により製造したＭｏ焼結部品を用意した。
（実施例１〜５および比較例１）
平均粒径が３μｍであり、純度が９９．９ｗｔ％であるＭｏ粉末と、平均粒径が５μｍであり、純度が９９．９％である銅粉末とを混合し、さらに樹脂バインダ（ＰＶＡ）と混合して平均粒径が８０〜１２０μｍである造粒粉末を調製した。次に、この造粒粉末を３〜５ｔｏｎ／ｃｍ２のプレス圧力で金型成型してＭｏ成形体を調製した。なお、ＭｏとＣｕの組成比およびＭｏ焼結体のサイズは表１に示した通りである。
次に図4に示すように、調製した４００個のＭｏ成形体６をＭｏ製焼成ボート８上に２ｍｍ間隔で並べた。この焼成ボート８を、スペーサ（セパレータ）９を介して３段重ねて、Ｍｏ焼成容器７内に収容した。これをプッシュ式焼成炉に投入して表１に示す条件にて第一及び第二の焼成工程を実施した。なお、焼成工程は一旦、焼成炉内部に窒素ガスを充満させた後に、ウエット水素ガス気流を流す雰囲気中で実施した。また、６００℃から最高到達温度までは３〜７時間かけて昇温して実施したものである。
その後、表面研磨加工を施して各実施例に係る半導体放熱板用Ｍｏ焼結部品を調製した。得られた半導体放熱板用Ｍｏ焼結部品は直径５０ｍｍ×厚さ０．６ｍｍで統一した。また、表面粗さＲａは３μｍで統一した。
一方、比較例１として、密度が９０％であるＭｏ焼結体を調製した後、Ｃｕを溶浸する溶浸法により製造したＭｏ焼結部品を用意した。
実施例および比較例に係る半導体放熱板用Ｍｏ焼結部品に関し、組織表面の単位面積５００μｍ×５００μｍ当りのＭｏ結晶の面積比を求めた。これは任意の断面において単位面積５００μｍ×５００μｍの拡大写真（ＳＥＭ写真）を撮り、そこに写るＭｏ結晶の面積を求めて、単位面積に対するＭｏ結晶の面積比を算出した。また、Ｍｏ結晶と銅の見分け（判別）が付きにくい部品についてはＥＰＭＡ面分析を利用した。この作業を任意の５箇所で行い、その平均値を「Ｍｏ結晶の面積比の平均値」とし、各測定点の平均値からの差を求め、最も大きな差を「ばらつき」とした。
また、Ｍｏ結晶の平均粒径は、前述の拡大写真から求めた。具体的には、（長径＋短径）÷２の計算式で個々のＭｏ結晶粒子の粒径を求め、Ｍｏ結晶粒子の１００個分の平均値を「平均粒径」とした。また、同様の拡大写真を用いてそこに写る最も大きな粒子の粒径と平均粒径の比を求めた。また、隣り合うモリブデン結晶同士の最も離れた距離は、前述の拡大写真から、そこに写るモリブデン結晶の中で隣り合うモリブデン結晶同士の最も離れたモリブデン結晶粒子同士の最短距離を求めた。また、密度は（アルキメデス法／理論密度）×１００（％）により求めた。
さらに、熱膨張率、引っ張り強度、比抵抗、熱伝導率を求めた。ここで、Ｍｏ焼結部品の熱膨張率は２５℃〜４００℃までの体積膨張率で求めた。また、引っ張り強度はＪＩＳ−Ｚ−２２４１に準拠する引張強さ（ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ）測定方法により求めた。さらに比抵抗はＪＩＳ−Ｈ−０５０５に準拠する体積抵抗率の測定方法にて求めた。また、熱伝導率はレーザーフラッシュ法により求めた。その結果を表２に示す。
また、Ｍｏ結晶の平均粒径は、前述の拡大写真から求めた。具体的には、（長径＋短径）÷２の計算式で個々のＭｏ結晶粒子の粒径を求め、Ｍｏ結晶粒子の１００個分の平均値を「平均粒径」とした。また、同様の拡大写真を用いてそこに写る最も大きな粒子の粒径と平均粒径の比を求めた。また、隣り合うモリブデン結晶同士の最も離れた距離は、前述の拡大写真から、そこに写るモリブデン結晶の中で隣り合うモリブデン結晶同士の最も離れたモリブデン結晶粒子同士の最短距離を求めた。また、密度は（アルキメデス法／理論密度）×１００（％）により求めた。
さらに、熱膨張率、引っ張り強度、比抵抗、熱伝導率を求めた。ここで、Ｍｏ焼結部品の熱膨張率は２５℃〜４００℃までの体積膨張率で求めた。また、引っ張り強度はＪＩＳ−Ｚ−２２４１に準拠する引張強さ（ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ）測定方法により求めた。さらに比抵抗はＪＩＳ−Ｈ−０５０５に準拠する体積抵抗率の測定方法にて求めた。また、熱伝導率はレーザーフラッシュ法により求めた。その結果を表２に示す。
表２に示す結果から明らかなように、本実施例にかかる半導体放熱板用Ｍｏ焼結部品は、熱膨張係数が７〜１４×１０−６／℃であり、引っ張り強度が０．４４ＧＰａ以上であり、比抵抗が５．３×１０−６Ω・ｍ以下であり、熱伝導率が１６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であるという優れた特性を示した。また、断面写真を観察すると、Ｍｏ結晶粒子の隙間には銅が十分に充填されていた。
一方、溶浸法で製造した比較例１に係るＭｏ焼結部品は、Ｍｏ焼結体の中心部には銅が充填されていない領域があり、密度は８７％であった。そのため、熱膨張率、強度および熱伝導率は低下し、比抵抗値は大きくなっていた。また、予めＭｏのみで焼結体を構成していることから焼結温度を１７００℃程度と高くしなければならないことから平均粒径の２倍以上の粗大粒子が形成されていた。
一方、溶浸法で製造した比較例１に係るＭｏ焼結部品は、Ｍｏ焼結体の中心部には銅が充填されていない領域があり、密度は８７％であった。そのため、熱膨張率、強度および熱伝導率は低下し、比抵抗値は大きくなっていた。また、予めＭｏのみで焼結体を構成していることから焼結温度を１７００℃程度と高くしなければならないことから平均粒径の２倍以上の粗大粒子が形成されていた。
（実施例６〜１３）
次に組成およびＭｏ焼結体サイズを表３のように設定すると共に、表４の条件にしたがって各Ｍｏ焼結部品を製造した。製造した各実施例に係る半導体放熱板用Ｍｏ焼結部品について実施例１と同様の測定を行った。その結果を表５に示す。また、焼成工程は６００℃から最高到達温度までの昇温を３〜７時間かけて実施したものである。また、得られたＭｏ焼結部品を表面研磨して表面粗さを表３に示す数値にした。
次に組成およびＭｏ焼結体サイズを表３のように設定すると共に、表４の条件にしたがって各Ｍｏ焼結部品を製造した。製造した各実施例に係る半導体放熱板用Ｍｏ焼結部品について実施例１と同様の測定を行った。その結果を表５に示す。また、焼成工程は６００℃から最高到達温度までの昇温を３〜７時間かけて実施したものである。また、得られたＭｏ焼結部品を表面研磨して表面粗さを表３に示す数値にした。
本実施例に係る半導体放熱板用Ｍｏ焼結部品は、サイズを変更しても優れた特性を示すことが判明した。
（実施例１Ａ〜１３Ａおよび比較例１Ａ）
実施例１〜１３および比較例１に係る半導体放熱板用Ｍｏ焼結部品を使用して図1に示すような半導体装置を作製した。具体的には、半導体放熱板用Ｍｏ焼結部品１の表面に絶縁層２を介して半導体素子３を搭載した。次に、絶縁膜２上に半導体素子３を表６に示す個数配置し、ろう付け接合した。その後、半導体素子の耐熱サイクル試験を行った。すなわち、室温（２５℃）から１２０℃に昇温し、しかる後に室温まで戻し、さらに−２０℃まで冷却する熱サイクルを１サイクルとし、１０００サイクル後に半導体装置の不具合（半導体素子の剥がれや位置ずれ）の有無を確認した。不具合が１個でも発生したものを「×」、全く発生しなかったものを「○」で表示した。その結果を下記表６に併せて示す。
実施例１〜１３および比較例１に係る半導体放熱板用Ｍｏ焼結部品を使用して図1に示すような半導体装置を作製した。具体的には、半導体放熱板用Ｍｏ焼結部品１の表面に絶縁層２を介して半導体素子３を搭載した。次に、絶縁膜２上に半導体素子３を表６に示す個数配置し、ろう付け接合した。その後、半導体素子の耐熱サイクル試験を行った。すなわち、室温（２５℃）から１２０℃に昇温し、しかる後に室温まで戻し、さらに−２０℃まで冷却する熱サイクルを１サイクルとし、１０００サイクル後に半導体装置の不具合（半導体素子の剥がれや位置ずれ）の有無を確認した。不具合が１個でも発生したものを「×」、全く発生しなかったものを「○」で表示した。その結果を下記表６に併せて示す。
上記表６に示す結果から明らかなように、本実施例に係る各半導体放熱板用Ｍｏ焼結部品を用いた半導体装置では、位置ずれが全く発生せず信頼性および耐久性が高いことが判明した。一方、比較例１Ａの半導体装置では熱膨張率が低く、熱伝導率も低いことから一部の素子に不具合が確認された。
１…半導体放熱板用Ｍｏ焼結部品
２…絶縁膜（絶縁層）
３…半導体素子
４，4ａ，４ｂ…モリブデン結晶粒子
５…銅
６…Ｍｏ成形体
７…焼成用容器
８…焼成ボート
９…セパレータ（スペーサ）
２…絶縁膜（絶縁層）
３…半導体素子
４，4ａ，４ｂ…モリブデン結晶粒子
５…銅
６…Ｍｏ成形体
７…焼成用容器
８…焼成ボート
９…セパレータ（スペーサ）
Claims (11)
- 銅を１０〜５０質量％含有するモリブデン合金材から成る半導体放熱板用Ｍｏ焼結部品において、上記モリブデン合金材のモリブデン結晶の平均粒径が１０〜１００μｍであり、上記モリブデン結晶の最大結晶粒径が平均粒径の２倍以下であり、単位面積５００μｍ×５００μｍ当りのＭｏ結晶の面積比のばらつきが平均値の±１０％以内であることを特徴とする半導体放熱板用Ｍｏ焼結部品。
- 半導体放熱板用Ｍｏ焼結部品の表面粗さＲａが５μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の半導体放熱板用Ｍｏ焼結部品。
- 前記モリブデン合金材は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅの少なくとも一種以上を金属元素換算で０．１〜３質量％含有していることを特徴とする請求項１または請求項２記載の半導体放熱板用Ｍｏ焼結部品。
- 前記モリブデン合金材が密度９０〜９８％を有する焼結合金材であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の半導体放熱板用Ｍｏ焼結部品。
- 前記銅がモリブデン結晶同士の隙間に充填されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の半導体放熱板用Ｍｏ焼結部品。
- 隣り合うモリブデン結晶同士の距離のうち、最も離れた距離が５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の半導体放熱板用Ｍｏ焼結部品。
- 半導体放熱板用Ｍｏ焼結部品は、厚さが０．０５〜１ｍｍであり、直径が５〜７０ｍｍである円板状であることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の半導体放熱板用Ｍｏ焼結部品。
- 半導体放熱板用Ｍｏ焼結部品の熱膨張率が７〜１４×１０−６／℃であることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の半導体放熱板用Ｍｏ焼結部品。
- 半導体放熱板用Ｍｏ焼結部品の引っ張り強度が０．４４ＧＰａ以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の半導体放熱板用Ｍｏ焼結部品。
- 半導体放熱板用Ｍｏ焼結部品の比抵抗が５．３×１０−６Ω・ｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の半導体放熱板用Ｍｏ焼結部品。
- 請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の半導体放熱板用Ｍｏ焼結部品を用いたことを特徴とする半導体装置。
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