JP6396703B2 - 半導体素子用放熱部品の製造方法 - Google Patents

Description

本明細書が開示する技術は、半導体素子に対してはんだ付けされ、半導体素子で生じた熱を放熱する半導体素子用放熱部品及びその製造方法に関する。

特許文献１には、半導体素子用放熱部品が開示されている。この半導体素子用放熱部品は、熱伝導性が高いヒートシンク板と、ヒートシンク板の表面に形成された表面金属層を有している。表面金属層は、はんだ付けに適したＮｉにより構成されている。

特開２００２−２０３９３２号公報

特許文献１の半導体素子用放熱部品では、表面金属層がメッキ処理によって形成されている。この場合、メッキ処理によって形成された表面金属層で水素脆化が生じるのを防止するために、メッキ処理後にベーク処理を実施する必要がある。すると、ベーク処理にて表面金属層が高温となるため、表面金属層にクラックが生じる場合がある。クラックが生じると、はんだ付け時にボイドが発生し、はんだ付け面において熱抵抗が高くなってしまうという問題が生じる。

したがって、本明細書では、メッキ処理以外の方法により表面金属層を形成可能な半導体素子用放熱部品の製造方法を提供する。

本明細書が開示する半導体素子用放熱部品の製造方法は、第１金属シートを、第１金属シートとは異なる金属を含有する第２金属シートに接合することでクラッド材を製造する工程と、減圧雰囲気下において、金属ブロックの表面の表層及びクラッド材の第２金属シートの第１表面の表層を除去し、その後、その減圧雰囲気を維持しながら、金属ブロックの前記表面とクラッド材の第２金属シートの第１表面とを接合する工程を有する。

この方法では、第１金属シートとしてはんだ付けに適した材料を採用することができ、金属ブロックとして放熱性が高い材料を採用することができる。ここで、金属ブロックの表面はそれほど平坦ではなく、また、第１金属シートの材料と金属ブロックの材料が接合に適していない場合が多い。このため、第１金属シートを金属ブロックに直接接合することは難しい。したがって、上記の方法では、第１金属シートを第２金属シートに接合して、クラッド材を製造する。シート同士であれば、互いに密着しやすいことから、接合は容易である。次に、クラッド材を、金属ブロックに接合する。このとき、最初に、減圧雰囲気下において、金属ブロックの表面の表層及びクラッド材の第２金属シートの第１表面の表層を除去する。これによって、金属ブロックの前記表面及び第２金属シートの第１表面の被膜（例えば、酸化被膜等）が除去される。次に、その減圧雰囲気を維持しながら、金属ブロックの前記表面と第２金属シートの第１表面とを接合する。減圧雰囲気が維持されているので、金属ブロックの表面及び第２金属シートの第１表面に再度被膜が形成されることが防止される。被膜が除去された状態の表面同士が接合されるため、クラッド材と金属ブロックを好適に接合することができる。この結果、表面に第１金属シート（表面金属層）が配置されている放熱部品が製造される。このように、この製造方法では、メッキ処理を使わずに表面金属層が形成されるので、表面金属層のメッキ処理に起因する問題が生じない。

上述した製造方法においては、第２金属シートが、Ａｌ、Ｃｕ及びＴｉの少なくとも１つを含有しており、金属ブロックが、Ａｌ、Ｃｕ及びＴｉの少なくとも１つを含有していてもよい。

このような構成によれば、第２金属シートと金属ブロックがより接合され易い。

上述した製造方法においては、クラッド材を製造する工程において、減圧雰囲気下において、第１金属シートの表面の表層及び第２金属シートの第２表面の表層を除去し、その後、その減圧雰囲気を維持しながら、第１金属シートの前記表面と第２金属シートの第２表面とを接合してもよい。

このような構成によれば、第１金属シートと第２金属シートを好適に接合することができる。

上述した製造方法においては、金属ブロックの前記表面とクラッド材の第２金属シートの第１表面とを接合する工程においてクラッド材を金属ブロックに対して押し付けるプレス型を使用してもよい。この場合、プレス型が、周辺部が中央部よりも突出しているプレス面を有する型体と、プレス面上に固定されているクッション板を有していてもよい。クッション板の少なくとも周辺部が、プレス方向に配置されている２つの板材と、２つの板材に挟まれており、２つの板材よりもヤング率が低いクッション材を有していてもよい。

金属ブロックの表面は、中央部がやや突出する緩やかな凸形状である場合が多い。したがって、上記のようなプレス型を用いてクラッド材を金属ブロックに押し付けることで、これらをより密着させることが可能であり、これらをより確実に接合することができる。

また、本明細書は、新たな半導体素子用放熱部品を提供する。この半導体素子用放熱部品は、第１金属シートと、第１金属シートに接合されており、第１金属シートとは異なる金属を含有する第２金属シートと、第２金属シートの第１金属シートと反対側の表面に接合されている金属ブロックを有している。第２金属シートと金属ブロックは、表面活性化接合によって接合されている。

この半導体素子用放熱部品は、上述したいずれかの製造方法により製造することができる。したがって、この半導体素子用放熱部品は、放熱性能に優れる。

放熱部品１０の縦断面図。 積層体３０の縦断面図。 クラッド材３２の縦断面図。 クラッド材３２と積層体３０を接合する工程の説明図。 クラッド材３２と積層体３０を接合する工程の説明図。 積層体３４の縦断面図。 変形例のプレス型５０の縦断面図。

図１に、実施例の方法により製造される放熱部品１０を示す。放熱部品１０は、表面金属シート１２と、中間金属シート１４と、金属ブロック１６と、絶縁基板１８と、金属ブロック２０と、パンチングメタル２２と、冷却器２４が積層された構造を有している。冷却器２４は、内部で液体が循環する液循環式の冷却器である。パンチングメタル２２は、多数の貫通孔が形成された金属板である。パンチングメタル２２は、冷却器２４上に接合されている。金属ブロック２０は、Ａｌにより形成されたブロックであり、パンチングメタル２２上に接合されている。絶縁基板１８は、ＡｌＮにより形成された板であり、金属ブロック２０上に接合されている。金属ブロック１６は、Ａｌにより形成されたブロックであり、絶縁基板１８上に接合されている。中間金属シート１４は、Ａｌにより形成されたシートであり、金属ブロック１６上に接合されている。表面金属シート１２は、Ｎｉにより形成されたシートであり、中間金属シート１４上に接合されている。放熱部品１０は、半導体素子に対してはんだ付けにより接合される。より詳細には、表面金属シート１２が、半導体素子の表面電極に対してはんだ付けされる。すなわち、表面金属シート１２は、はんだ付けにより半導体素子に接続される表面金属層である。動作時に半導体素子で生じる熱は、半導体素子と冷却器２４の間の部材１２〜２２を介して冷却器２４に伝えられる。冷却器２４は熱を放熱する。これによって、半導体素子の温度上昇が抑制される。

次に、放熱部品１０の製造方法について説明する。なお、実施例の方法は、表面金属シート１２、中間金属シート１４及び金属ブロック１６の接合工程に特徴を有する。したがって、ここでは、これらの接合工程について詳細に説明し、他の部材の接合工程については説明を簡略化する。

まず、絶縁基板１８に対して金属ブロック１６を接合する。ここでは、種々の接合方法を採用することができる。これによって、図２に示す積層体３０を製造する。絶縁基板１８の表面は、フラットではなく、凸状に湾曲している。このため、図２に示すように、絶縁基板１８に接合された金属ブロック１６も、表面が凸状に湾曲した形状となる。

次に、表面金属シート１２を中間金属シート１４に、表面活性化接合によって接合する。すなわち、まず、表面金属シート１２と中間金属シート１４を共通のチャンバ内に設置する。次に、チャンバ内を減圧する。そして、チャンバ内が十分に減圧された段階で、チャンバ内にＡｒガスを導入するとともに、チャンバ内に電界を加える。これによって、Ａｒ原子を表面金属シート１２と中間金属シート１４に衝突させて、表面金属シート１２と中間金属シート１４の表面をスパッタリングする。これによって、表面金属シート１２及び中間金属シート１４の表面被膜（すなわち、酸化被膜や異物等）を除去する。

スパッタリングが完了したら、引き続きチャンバ内を減圧状態に維持したまま、チャンバ内において、表面金属シート１２のスパッタリングされた表面を、中間金属シート１４のスパッタリングされた表面に接触させる。そして、表面金属シート１２を中間金属シート１４に向けて加圧する。このように、スパッタリングされたクリーンな表面同士を接触させ、加圧することで、表面金属シート１２と中間金属シート１４が接合される。これによって、図３に示すクラッド材３２が製造される。このように、表面活性化接合によれば、表面金属シート１２と中間金属シート１４を加熱することなく、常温でこれらを接合することができる。このため、表面金属シート１２と中間金属シート１４の界面に金属間化合物が生成されることが抑制される。

次に、クラッド材３２を積層体３０に、表面活性化接合によって接合する。すなわち、まず、クラッド材３２と積層体３０を共通のチャンバ内に設置する。次に、チャンバ内を減圧する。そして、チャンバ内が十分に減圧された段階で、チャンバ内にＡｒガスを導入するとともに、チャンバ内に電界を加える。これによって、Ａｒ原子をクラッド材３２と積層体３０に衝突させて、クラッド材３２と積層体３０の表面をスパッタリングする。ここでは、クラッド材３２の中間金属シート１４の表面（図３の下面）と、積層体３０の金属ブロック１６の表面（図２の上面）をスパッタリングする。これによって、中間金属シート１４及び金属ブロック１６の表面被膜（すなわち、酸化被膜や異物等）を除去する。

スパッタリングが完了したら、引き続きチャンバ内を減圧状態に維持したまま、チャンバ内において、図４に示すように、積層体３０上にクラッド材３２を積層する。ここでは、中間金属シート１４のスパッタリングされた表面を、金属ブロック１６のスパッタリングされた表面に接触させる。そして、図４、５に示すように、プレス型５０を用いて、クラッド材３２を積層体３０に向かって加圧する。

図４、５に示すように、プレス型５０は、型体５２と、クッション材５６を有している。型体５２のプレス面５４は、中央部が窪んでおり、中央部よりも外周部が突出した形状を有している。クッション材５６は、プレス面５４に固定されており、プレス面５４の中央部及び外周部を覆っている。クッション材５６は、プレス面５４の中央部には接触しておらず、クッション材５６とプレス面５４の中央部の間には空間が形成されている。クッション材５６は、２つのカーボン板５８、６２と、グラファイト板６０を有している。２つのカーボン板５８、６２は、型体５２の可動方向（プレス方向）に間隔を開けて配置されている。グラファイト板６０は、２つのカーボン板５８、６２の間に配置されており、これらによって挟まれている。グラファイト板６０は、カーボン板５８、６２よりもヤング率が低い。このような構造のため、クッション材５６は、適度な強度を有するとともに、可撓性を有する。

図４に示す状態からプレス型５０を下方に移動させると、図５に示すように、プレス型５０によってクラッド材３２と積層体３０が圧縮される。上述したように、プレス面５４の中央部は窪んでおり、クッション材５６は可撓性を有する。また、金属ブロック１６の表面は、凸状に湾曲している。このため、クッション材５６が金属ブロック１６の表面形状に沿って撓み、クラッド材３２もクッション材５６と同様に撓む。このため、クラッド材３２を金属ブロック１６の表面に密着させることができる。このように、スパッタリングされたクリーンな表面同士を密着させ、加圧することで、中間金属シート１４と金属ブロック１６が接合される。これによって、図６に示す積層体３４が製造される。このように、表面活性化接合によれば、中間金属シート１４と金属ブロック１６を加熱することなく、常温でこれらを接合することができる。このため、各部材の接合面に金属間化合物が生成されることが抑制される。

積層体３４を製造したら、積層体３４に対して、金属ブロック２０、パンチングメタル２２及び冷却器２４を接合する。これらの接合方法としては、種々の方法を採用することができる。これによって、図１に示す放熱部品１０が完成する。なお、金属ブロック２０、パンチングメタル２２及び冷却器２４の全部または一部は、上述したよりも早い段階で、絶縁基板１８に対して接合されてもよい。

以上に説明したように、この製造方法によれば、メッキ処理によらず、表面金属層１２を金属ブロック１６の表面に形成することができる。このため、表面金属層１２にクラック等が生じ難く、表面金属層１２をはんだ付けする際にボイド等が発生することが抑制される。また、メッキ処理に起因して生じるその他の種々の問題を解消することができる。例えば、メッキ処理ではメッキ膜が必要でない箇所にまでメッキ膜が成長するという問題があるが、実施例の製造方法によればこのような問題も解消される。

また、従来の半導体素子用放熱用部品では、ベーク処理にて各部材が高温に曝されるため、各部材間で金属の拡散が生じる。すると、各部材間の界面に金属間化合物が形成される。このような金属間化合物は脆いため、半導体素子用放熱部品の耐久性の低下を招く。金属の拡散を防止するために、一部の界面に拡散抑制部材を配置する技術も存在するが、このような拡散抑制部材は熱伝導率がそれほど高くないため、半導体素子用放熱部品の放熱性能が悪化してしまう。これに対し、上述した実施例の製造方法では、メッキ処理を行わないため、ベーク処理も行わない。また、実施例の製造方法では、表面活性化接合により表面金属シート１２と中間金属シート１４を接合し、表面活性化接合により中間金属シート１４と金属ブロック１６を接合する。表面活性化接合によれば、常温でこれらの各部材を接合することができる。このように、実施例の製造方法では、各部材が高温に曝されることが防止される。このため、各部材の界面に金属間化合物が生成され難い。

また、上述した実施例では、中間金属シート１４と金属ブロック１６を接合する際に、表面活性化処理が施されたクリーンな面同士を接合する。このため、接合界面に金属酸化物がほとんど存在しない。

なお、表面金属シート１２を金属ブロック１６に直接接合することも考え得るが、このような接合は困難である。上述したように、金属ブロック１６の表面は凸状に湾曲している。また、表面金属シート１２（Ｎｉ）と金属ブロック１６（Ａｌ）は、それほど接合に適した材料の組み合わせとは言えない。このため、表面金属シート１２を金属ブロック１６に直接接合することは困難である。上述した実施例では、この点に鑑みて、最初に表面金属シート１２（Ｎｉ）を中間金属シート１４（Ａｌ）に接合する。上述したように、ＮｉとＡｌの組み合わせは、材料としては接合にそれほど適しているわけではない。しかしながら、シート同士であれば、互いに密着することができるため、このような材料の組み合わせでも容易に接合できる。このため、表面金属シート１２を中間金属シート１４に接合することは容易である。また、クラッド材３２の中間金属シート１４（Ａｌ）を金属ブロック１６（Ａｌ）に接合することは、これらが同種の金属であるため、容易である。このように、実施例の製造方法は、表面金属シート１２と中間金属シート１４の接合を実施し、次に、中間金属シート１４と金属ブロック１６の接合を実施することで、放熱部品１０の表面にＮｉからなる表面金属層１２を配置することを実現したものである。

なお、上述した実施例では、中間金属シート１４と金属ブロック１６の接合工程において、図４、５に示すクッション材５６を使用した。しかしながら、図７に示すクッション材６４を用いてもよい。クッション材６４は、２つの金属板６６、７０と、金属メッシュ６８を有している。２つの金属板６６、７０は、型体５２の可動方向（プレス方向）に間隔を開けて配置されている。２つの金属板６６、７０は、その中央部７２で繋がっている。金属メッシュ６８は、中央部７２の周囲を囲むように配置されている。金属メッシュ６８は、２つの金属板６６、７０の間に配置されており、これらによって挟まれている。金属メッシュ６８は、金属板６６、７０よりもヤング率が低い。このような構造のため、クッション材６４は、適度な強度を有するとともに、可撓性を有する。したがって、クッション材６４を用いても、クッション材５６と同様に、適切に中間金属シート１４と金属ブロック１６を接合することができる。

また、上述した実施例では、中間金属シート１４と金属ブロック１６が共にＡｌにより構成されていた。このように、中間金属シート１４と金属ブロック１６が同種の金属により構成されていることで、適切に表面活性化接合を行うことができる。しかしながら、以下の組み合わせであれば、中間金属シート１４と金属ブロック１６が同種金属により構成されていてもよい。中間金属シート１４の材料としては、Ａｌ、Ｃｕ及びＴｉの何れか、または、これらの少なくとも１つを含む合金を用いることができる。また、金属ブロック１６の材料としては、Ａｌ、Ｃｕ及びＴｉの何れか、または、これらの少なくとも１つを含む合金を用いることができる。これらの材料であれば、中間金属シート１４と金属ブロック１６が異種金属であっても、これらを表面活性化接合により接合することが可能である。

また、中間金属シート１４と金属ブロック１６が異種金属である場合には、これらの接合面を観察することができる。また、この場合、当該接合面には金属間化合物が存在しない。

また、上述した実施例では、表面金属シート１２がＮｉであったが、Ｃｕ等、はんだ付けに適した他の金属であってもよい。

また、上述した実施例の製造方法は、はんだ付けに用いられる表面金属層１２を表面活性化接合により形成するものであるが、表面金属層１２以外の構成については、必要に応じてメッキ処理により形成してもかまわない。

また、上述した実施例では、冷却器２４が液循環式の冷却器であったが、冷却器２４はヒートシンクであってもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０：放熱部品
１２：表面金属シート
１４：中間金属シート
１６：金属ブロック
１８：絶縁基板
２０：金属ブロック
２２：パンチングメタル
２４：冷却器
３０：積層体
３２：クラッド材
３４：積層体
５０：プレス型

Claims (3)

1. 半導体素子用放熱部品を製造する方法であって、
   第１金属シートを、第１金属シートとは異なる金属を含有する第２金属シートに接合することでクラッド材を製造する工程と、
   減圧雰囲気下において、金属ブロックの表面の表層及びクラッド材の第２金属シートの第１表面の表層を除去し、その後、その減圧雰囲気を維持しながら、金属ブロックの前記表面とクラッド材の第２金属シートの第１表面とを接合する工程、
   を有し、
   金属ブロックの前記表面とクラッド材の第２金属シートの第１表面とを接合する工程において、クラッド材を金属ブロックに対して押し付けるプレス型を使用し、
   プレス型が、周辺部が中央部よりも突出しているプレス面を有する型体と、プレス面上に固定されているクッション板を有しており、
   クッション板の少なくとも周辺部が、プレス方向に配置されている２つの板材と、２つの板材に挟まれており、２つの板材よりもヤング率が低いクッション材を有する、
   方法。
2. 第２金属シートが、Ａｌ、Ｃｕ及びＴｉの少なくとも１つを含有しており、
   金属ブロックが、Ａｌ、Ｃｕ及びＴｉの少なくとも１つを含有している、
   請求項１の方法。
3. クラッド材を製造する工程において、減圧雰囲気下において、第１金属シートの表面の表層及び第２金属シートの第２表面の表層を除去し、その後、その減圧雰囲気を維持しながら、第１金属シートの前記表面と第２金属シートの第２表面とを接合する請求項１または２の方法。

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