JP6981846B2 - 放熱板及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子などの発熱体から発生する熱を効率的に放散させるために用いる放熱板とその製造方法に関する。

半導体素子から発生する熱を半導体機器から効率的に放散させるために、放熱板（ヒートシンク）が用いられている。この放熱板は、その機能上高い熱伝導率が求められるとともに、半導体やセラミック回路基板、金属パッケージ部材などにはんだ付けやろう付けで接合されるため、接合される部材に近い熱膨張率（低熱膨張率）であることが求められる。

低熱膨張率と高熱伝導率を得ることを狙いとして、特許文献１にはＣｕマトリックスに偏平なＣｒ相が分散したＣｒ−Ｃｕ複合体からなる放熱板が示されており、この放熱板は、多孔質のＣｒ焼結体にＣｕを溶浸させて得られたＣｒ−Ｃｕ複合材を圧延することにより製造される。しかし、この特許文献１の放熱板は、低熱膨張性ではあるが、板面内方向の熱伝導率に較べて板厚方向の熱伝導率が低いという問題がある。
近年、半導体の高出力化により放熱板の放熱性がより重要になっているが、半導体モジュールの小型化へのニーズも高く、放熱板もより小さな面積からの放熱が求められている。そのため、板面内方向での放熱よりも板厚方向での放熱性がより重要となってきている。

このような要請に対して、特許文献２には、ＣｕマトリックスにＣｒ相が分散したＣｒ−Ｃｕ複合体層の両面にＣｕ層を積層させた放熱板（３層クラッド材）、或いはＣｕマトリックスにＣｒ相が分散したＣｒ−Ｃｕ複合体層とＣｕ層を交互に複数積層した積層体であって、この積層体の両面の最外層がＣｕ層からなる放熱板（５層以上クラッド材）が示されており、この放熱板は、低熱膨張性であって、板面内方向だけでなく板厚方向の熱伝導性にも優れている。

特許第４１３８８４４号公報 特許第５６９８９４７号公報

一方、本発明者らが検討したところによれば、特許文献２に記載の放熱板のようにＣｒ−Ｃｕ複合体層とＣｕ層を積層させたクラッド材については、板厚方向の熱伝導率をさらに高めることができる最適なクラッド構造があることが判った。
したがって本発明の目的は、Ｃｒ−Ｃｕ複合体層とＣｕ層を積層させたクラッド材からなる低熱膨張性、高熱伝導性の放熱板であって、特に板厚方向の熱伝導性に優れた放熱板を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、そのような優れた熱特性を有する放熱板を安定して且つ低コストに製造することができる製造方法を提供することにある。

特許文献２に記載の放熱板のクラッド構造は、Ｃｕ／（Ｃｒ−Ｃｕ）／Ｃｕ構造であるが、本発明者らが検討したところによれば、（Ｃｒ−Ｃｕ）／Ｃｕ／（Ｃｒ−Ｃｕ）構造とした方が、同程度の低熱膨張率でありながら、より高い熱伝導率が得られることが判った。具体的には、（Ｃｒ−Ｃｕ）／Ｃｕ／（Ｃｒ−Ｃｕ）構造では、同じ密度で圧下率が同じでも、Ｃｕ／（Ｃｒ−Ｃｕ）／Ｃｕ構造に較べて板厚方向の熱伝導率が２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上高くなり、条件によってはさらに高くなることが判った。

本発明は、以上のような知見に基づきなされたもので、以下を要旨とするものである。
［1］板厚方向において、Ｃｒ−Ｃｕ複合体層、Ｃｕ層、Ｃｒ−Ｃｕ複合体層がこの順に積層した放熱板であって、
Ｃｒ−Ｃｕ複合体層は、Ｃｕマトリクス中に扁平なＣｒ相が分散した板厚断面組織を有することを特徴とする放熱板。
［2］板厚方向において、Ｃｒ−Ｃｕ複合体層とＣｕ層が交互に積層することで３層以上のＣｒ−Ｃｕ複合体層と２層以上のＣｕ層で構成されるとともに、両面の最外層がＣｒ−Ｃｕ複合体層からなる放熱板であって、
Ｃｒ−Ｃｕ複合体層は、Ｃｕマトリクス中に扁平なＣｒ相が分散した板厚断面組織を有することを特徴とする放熱板。

［3］上記［1］又は［2］の放熱板において、Ｃｒ−Ｃｕ複合体層はＣｒ含有量が３０質量％超８０質量％以下であることを特徴とする放熱板。
［4］上記［1］〜［3］のいずれかの放熱板において、板厚方向の熱伝導率が１６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、５０℃から８００℃までの板面内平均熱膨張率が１３ｐｐｍ／Ｋ以下であることを特徴とする放熱板。
［5］上記［1］〜［4］のいずれかの放熱板において、積層したＣｒ−Ｃｕ複合体層とＣｕ層とからなる放熱板本体の片面又は両面に、板厚方向の熱伝導率が放熱板本体よりも１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上低くならないような膜厚のめっき皮膜が形成されたことを特徴とする放熱板。

［6］上記［1］〜［4］のいずれかの放熱板の製造方法であって、
Ｃｕマトリクス中にＣｒ相が分散した板厚断面組織を有するＣｒ−Ｃｕ複合材（ａ）とＣｕ材（ｂ）を積層させ、該積層体を拡散接合した後、温間又は冷間での圧延（ｘ）を施すことにより、Ｃｒ−Ｃｕ複合材（ａ）によるＣｒ−Ｃｕ複合体層とＣｕ材（ｂ）によるＣｕ層が積層した放熱板を得ることを特徴とする放熱板の製造方法。
［7］上記［6］の製造方法において、Ｃｒ−Ｃｕ複合材（ａ）が、Ｃｒ粉末とＣｕ粉末の混合粉末を型に充填して成形する（但し、加圧成形する場合を含む）工程と、前記成形された粉末を還元性雰囲気中又は真空中で焼結して焼結体とする工程と、前記焼結体に温間又は冷間での圧延（ｙ）を施す工程を経て得られたものであり、
圧延（ｘ）と圧延（ｙ）を合わせたＣｒ−Ｃｕ複合材（ａ）の総圧下率が８０％以上であることを特徴とする放熱板の製造方法。

［8］上記［6］の製造方法において、Ｃｒ−Ｃｕ複合材（ａ）が、Ｃｒ粉末又はＣｒ粉末とＣｕ粉末の混合粉末を型に充填して成形する（但し、加圧成形する場合を含む）工程と、前記成形された粉末を還元性雰囲気中又は真空中で焼結して焼結体とする工程と、前記焼結体に非酸化性雰囲気中又は真空中で溶融したＣｕを含浸させる工程を経て得られたものであり、
圧延（ｘ）の圧下率が８０％以上であることを特徴とする放熱板の製造方法。
［9］上記［6］の製造方法において、Ｃｒ−Ｃｕ複合材（ａ）が、Ｃｒ粉末又はＣｒ粉末とＣｕ粉末の混合粉末を型に充填して成形する（但し、加圧成形する場合を含む）工程と、前記成形された粉末を還元性雰囲気中又は真空中で焼結して焼結体とする工程と、前記焼結体に非酸化性雰囲気中又は真空中で溶融したＣｕを含浸させる工程と、前記Ｃｕを含浸させた焼結体に温間又は冷間での圧延（ｙ）を施す工程を経て得られたものであり、
圧延（ｘ）と圧延（ｙ）を合わせたＣｒ−Ｃｕ複合材（ａ）の総圧下率が８０％以上であることを特徴とする放熱板の製造方法。

［10］上記［6］〜［9］のいずれかの製造方法において、積層したＣｒ−Ｃｕ複合体層とＣｕ層とからなる放熱板本体の片面又は両面に、板厚方向での熱伝導率が放熱板本体よりも１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上低くならないような膜厚のめっき皮膜を形成することを特徴とする放熱板の製造方法。
［11］上記［1］〜［5］のいずれかに記載の放熱板を備えたことを特徴とする半導体パッケージ。
［12］上記［11］に記載の半導体パッケージを備えたことを特徴とする半導体モジュール。

本発明の放熱板は、低熱膨張性、高熱伝導性であって、特に板厚方向の熱伝導性に優れた熱特性を有する。また、本発明の製造方法によれば、そのような優れた熱特性を有する放熱板を安定して且つ低コストに製造することができる。

本発明の放熱板の板厚断面を模式的に示す説明図 実施例における発明例と比較例の放熱板の熱特性（板厚方向の熱伝導率、５０℃から１００℃までの板面内平均熱膨張率）を示すグラフ 実施例における発明例と比較例の放熱板の熱特性（板厚方向の熱伝導率、５０℃から２００℃までの板面内平均熱膨張率）を示すグラフ 実施例における発明例と比較例の放熱板の熱特性（板厚方向の熱伝導率、５０℃から４００℃までの板面内平均熱膨張率）を示すグラフ 実施例における発明例と比較例の放熱板の熱特性（板厚方向の熱伝導率、５０℃から８００℃までの板面内平均熱膨張率）を示すグラフ 実施例における発明例の放熱板の熱特性（板厚方向の熱伝導率、５０℃から２００℃までの板面内平均熱膨張率）を示すグラフ 実施例における発明例の放熱板の熱特性（板厚方向の熱伝導率、５０℃から４００℃までの板面内平均熱膨張率）を示すグラフ 実施例における発明例の放熱板の熱特性（板厚方向の熱伝導率、５０℃から８００℃までの板面内平均熱膨張率）を示すグラフ

本発明の放熱板のうち３層クラッド構造のものは、板厚方向において、Ｃｒ−Ｃｕ複合体層、Ｃｕ層、Ｃｒ−Ｃｕ複合体層がこの順に積層した放熱板であって、Ｃｒ−Ｃｕ複合体層は、Ｃｕマトリクス中に扁平なＣｒ相が分散した板厚断面組織を有する。図１（Ａ）は、この３層クラッド構造を有する本発明の放熱板の板厚断面を模式的に示している。また、本発明の放熱板は５層以上のクラッド構造としてもよく、このクラッド構造のものは、板厚方向において、Ｃｒ−Ｃｕ複合体層とＣｕ層が交互に積層することで３層以上のＣｒ−Ｃｕ複合体層と２層以上のＣｕ層で構成されるとともに、両面の最外層がＣｒ−Ｃｕ複合体層からなる放熱板であって、Ｃｒ−Ｃｕ複合体層は、Ｃｕマトリクス中に扁平なＣｒ相が分散した板厚断面組織を有する。図１（Ｂ）は５層クラッド構造を有する本発明の放熱板の板厚断面を、図１（Ｃ）は７層クラッド構造を有する本発明の放熱板の板厚断面を、それぞれ模式的に示している。

本発明の放熱板は、事前に製作されたＣｒ−Ｃｕ複合材とＣｕ材を拡散接合した後、圧延することにより製造され、また、Ｃｒ−Ｃｕ複合材の製造工程でも圧延が行われることがあるので、全体が圧延組織であり、また、Ｃｒ−Ｃｕ複合体層のＣｕマトリクス中に分散するＣｒ相は扁平に延伸された形態を有する。
また、本発明の放熱板のＣｒ−Ｃｕ複合体層とＣｕ層は、積層させたＣｒ−Ｃｕ複合材とＣｕ材を拡散接合させることにより構成されるものであり、両層間には拡散接合部を有するが、両部材のＣｕどうし（Ｃｒ−Ｃｕ複合材のＣｕとＣｕ材）が拡散接合したものであるため、健全な拡散接合部が得られる。

以上のような両面の最外層がＣｒ−Ｃｕ複合体層からなる本発明の放熱板（例えば（Ｃｒ−Ｃｕ）／Ｃｕ／（Ｃｒ−Ｃｕ）構造の放熱板）は、特許文献２に示されるＣｕ／（Ｃｒ−Ｃｕ）／Ｃｕ構造の放熱板に較べて高い熱伝導率（板厚方向の熱伝導率）を有するが、これは、以下のような作用効果の違いによるものと考えられる。すなわち、特許文献２に示されるＣｕ／（Ｃｒ−Ｃｕ）／Ｃｕ構造の場合には、熱伝導率が外層（Ｃｕ層）＞内層（Ｃｒ−Ｃｕ複合体層）であるため外層・内層間の界面の熱抵抗が高く、外層（Ｃｕ層）に入った熱が外層・内層間の界面で反射・散乱して熱流が乱れるため、熱が内層（Ｃｒ−Ｃｕ複合体層）側にうまく伝わらず、その分、板厚方向の熱伝導率は低くなるものと考えられる。これに対して本発明の（Ｃｒ−Ｃｕ）／Ｃｕ／（Ｃｒ−Ｃｕ）構造の場合には、熱伝導率が外層（Ｃｒ−Ｃｕ複合体層）＜内層（Ｃｕ層）であるため、外層・内層間の界面の熱抵抗がほとんどなく、外層（Ｃｒ−Ｃｕ複合体層）に入った熱がそのまま内層（Ｃｕ層）側に伝わるので、板厚方向での高い熱伝導率が得られるものと考えられる。

クラッド構造における積層数は特に制限はなく、積層数が多い方が熱膨張率が低くなり、また、プレス加工性も良くなるのでプレス加工には有利になる。但し、積層数が増えると厚さ方向の熱伝導率が若干低下傾向になることから、全積層数で１１層程度が事実上の上限となる。
Ｃｒ−Ｃｕ複合体層のＣｒ含有量は特に制限はないが、Ｃｒ−Ｃｕ複合体単体として考えた場合には、Ｃｒ含有量が少なすぎると低熱膨張性が得られにくくなり、逆にＣｒ含有量が多すぎると高熱伝導率性得られにくくなる。また、特に本発明では、Ｃｒ−Ｃｕ複合体層によるＣｕ層の熱膨張を拘束する効果（Ｃｕ層を両側から挟んで物理的に拘束する効果）を高めることで熱膨張率の低減化を図るためには、Ｃｒ含有量は多いほうが好ましい。一方、Ｃｒ含有量が多すぎるとＣｒ粒子中へのＣｕの溶浸性や圧延性（特に冷間圧延性）に問題を生じるおそれもある。このためＣｒ−Ｃｕ複合体層のＣｒ含有量は、３０質量％超８０質量％程度が好ましい。この点は、特許文献１、２に記載のものと同様である。

図２〜図５は、後述する実施例（発明例、比較例）の放熱板について、それらの熱特性を整理して示したものであり、図２は板厚方向の熱伝導率（室温での熱伝導率）と５０℃から１００℃までの板面内平均熱膨張率を、図３は板厚方向の熱伝導率（室温での熱伝導率）と５０℃から２００℃までの板面内平均熱膨張率を、図４は板厚方向の熱伝導率（室温での熱伝導率）と５０℃から４００℃までの板面内平均熱膨張率を、図５は板厚方向の熱伝導率（室温での熱伝導率）と５０℃から８００℃までの板面内平均熱膨張率を、それぞれ示している。また、図６〜図８も、後述する実施例（発明例）の放熱板について、それらの熱特性を整理して示したものであり、図６は板厚方向の熱伝導率（室温での熱伝導率）と５０℃から２００℃までの板面内平均熱膨張率を、図７は板厚方向の熱伝導率（室温での熱伝導率）と５０℃から４００℃までの板面内平均熱膨張率を、図８は板厚方向の熱伝導率（室温での熱伝導率）と５０℃から８００℃までの板面内平均熱膨張率を、それぞれ示している。

ここで、板面内熱膨張率は押棒式変位検出法で測定されたものであり、例えば、「５０℃から１００℃までの板面内平均熱膨張率」は、５０℃と１００℃での伸び量の差を求め、その値を温度差５０℃（＝１００℃−５０℃）で割り算して求めた。同様にして、５０℃から２００℃までの板面内平均熱膨張率、５０℃から４００℃までの板面内平均熱膨張率、５０℃から８００℃までの板面内平均熱膨張率をそれぞれ求めた。また、板厚方向の熱伝導率（室温での熱伝導率）はフラッシュ法で測定した。

図２〜図５において、発明例１、２は（Ｃｒ−Ｃｕ）／Ｃｕ／（Ｃｒ−Ｃｕ）構造の３層クラッド材の放熱板、比較例１、２はＣｕ／（Ｃｒ−Ｃｕ）／Ｃｕ構造の３層クラッド材の放熱板、比較例３〜１０と比較例１１〜１３はＣｕ／（Ｃｒ−Ｃｕ）／Ｃｕ／（Ｃｒ−Ｃｕ）／Ｃｕ構造の５層クラッド材の放熱板である。
これらのうち、発明例１、比較例１、３、５、７、９はほぼ同等の密度（８．５０〜８．５１）を有するものであるが、発明例１は、比較例１、３、５、７、９に較べて板面内熱膨張率は若干高いものの、板厚方向の熱伝導率が大幅に高く（この例では約４５Ｗ／ｍ・Ｋ以上高い）なっている。特に、同じ３層クラッド材の放熱板である発明例１と比較例１について板厚方向の熱伝導率を較べると、発明例１は比較例１よりも約７５Ｗ／ｍ・Ｋも高くなっている。

また、発明例２、比較例２、４、６、８、１０はほぼ同等の密度（８．３０〜８．３１）を有するものであるが、発明例２は、比較例２、４、６、８、１０に較べて板面内熱膨張率がほぼ同等若しくは若干高いものの、板厚方向の熱伝導率が大幅に高く（この例では約２５Ｗ／ｍ・Ｋ以上高い）なっている。特に、同じ３層クラッド材の放熱板である発明例２と比較例２について板厚方向の熱伝導率を較べると、発明例２は比較例２よりも約４５Ｗ／ｍ・Ｋも高くなっている。
なお、発明例１と発明例２を較べると、Ｃｒ−Ｃｕ複合体層のＣｒ含有量は同じであるが積層構造中のＣｕ層の層厚比が高いために密度が比較的大きい発明例１は、板厚方向の熱伝導率は発明例２よりも相当程度高いが、Ｃｒ−Ｃｕ複合体層によるＣｕ層の熱膨張を拘束する効果が小さくなるため、発明例２に較べて熱膨張率は高くなっている。

また、図６〜図８において、発明例１、２は（Ｃｒ−Ｃｕ）／Ｃｕ／（Ｃｒ−Ｃｕ）構造の３層クラッド材の放熱板、発明例３、４は（Ｃｒ−Ｃｕ）／Ｃｕ／（Ｃｒ−Ｃｕ）／Ｃｕ／（Ｃｒ−Ｃｕ）構造の５層クラッド材の放熱板、発明例５、６は（Ｃｒ−Ｃｕ）／Ｃｕ／（Ｃｒ−Ｃｕ）／Ｃｕ／（Ｃｒ−Ｃｕ）／Ｃｕ／（Ｃｒ−Ｃｕ）構造の７層クラッド材の放熱板である。これらのうち、発明例１、３、５は同等の密度（８．５１）を有するものであるが、発明例１は、発明例２、３に較べて板面内熱膨張率は若干高いものの、板厚方向の熱伝導率が特に高くなっている。また、発明例２、４、６はほぼ同等の密度（８．３０〜８．３１）を有するものであるが、発明例２は、発明例４、６に較べて板面内熱膨張率がほぼ同等若しくは若干高いものの、板厚方向の熱伝導率が若干高くなっている。

Ｃｒ−Ｃｕ複合体層とＣｕ層の各厚さ、Ｃｒ−Ｃｕ複合体層とＣｕ層の層厚比、放熱板の板厚なども特に制限はないが、５層以上（特に７層以上）の多層のクラッド材の場合には、Ｃｒ−Ｃｕ複合体層によるＣｕ層の拘束力を強くするため、複数のＣｕ層の厚さは同じであることが好ましい。また、５層以上の多層の場合は、熱特性を確保するとともに、圧延時や実用時に反りやゆがみ等が発生しないように、厚さ方向中央のＣｒ−Ｃｕ複合体層を中心として厚さ方向で対称形の構造（Ｃｒ−Ｃｕ複合体層とＣｕ層の厚さが対称形の構造）が好ましい。また、放熱板の板厚は１ｍｍ前後の場合が多いが、特に制限はない。

Ｃｒ−Ｃｕ複合体層とＣｕ層の層厚比については、Ｃｒ−Ｃｕ複合体層に対してＣｕ層の層厚比が大きいと、熱伝導率は高くなるが、Ｃｒ−Ｃｕ複合体層によるＣｕ層の拘束が弱くなるので熱膨張率が高くなり、一方、Ｃｕ層の層厚比が小さいと熱膨張率は低くなるが、熱伝導率が低くなる。したがって、得ようとする熱特性（熱膨張率、熱伝導率）に応じて、Ｃｒ−Ｃｕ複合体層とＣｕ層の層厚比を適宜選択すればよいが、低温（例えば２００℃、４００℃）での熱膨張率を低くするという観点からは、Ｃｒ−Ｃｕ複合体層に対してＣｕ層をあまり厚くしない方がよい。
また、Ｃｒ−Ｃｕ複合体層のＣｒ含有量やＣｒ−Ｃｕ複合体層とＣｕ層の層厚比は放熱板の密度にリンクするので、この密度は８．２〜８．６ｇ/ｃｍ^３程度であることが好ましく、８．３〜８．５ｇ/ｃｍ^３程度であることが特に好ましい。

本発明の放熱板が主に適用される半導体パッケージは、半導体が作動と休止を繰り返すことから、常温（寒冷地の場合には−５０℃程度の場合もある）から半導体作動時の２００℃程度までの昇温を繰り返す。このため放熱板は、熱疲労対応のために熱膨張率が低いことが必要である。また、ロウ付け接合を行う用途では８００℃程度、はんだ付け接合を行う用途では４００℃程度までの熱膨張率が低いことが重要である。一方、放熱板は、高い放熱性を得るために高い熱伝導率、特に板厚方向での高い熱伝導率を有することが必要である。
本発明の放熱板は、高熱伝導率と低熱膨張率を兼ね備えた優れた熱特性を有するものであるが、具体的には、板厚方向での熱伝導率（室温での熱伝導率）が１６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましく、１８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることがより好ましい。また、５０℃から８００℃までの板面内平均熱膨張率が１３ｐｐｍ／Ｋ以下であることが好ましく、１２ｐｐｍ／Ｋ以下であることがより好ましい。

本発明の放熱板は、防食目的や他の部材との接合（ロウ付け接合やはんだ付け接合）のために、その表面にＮｉめっきなどのめっきを施してもよい。この場合、めっき皮膜は放熱板の熱特性に大きく影響しない程度の膜厚で形成される。めっきの種類に特別な制限はなく、例えば、Ｎｉめっき、Ｃｕめっき、Ａｕめっき、Ａｇめっきなどが適用でき、これらの中から選ばれるめっきを単独で或いは２層以上を組み合わせて施すことができる。めっき皮膜は、放熱板の片面（最外層である両Ｃｒ−Ｃｕ複合体層のうちの一方の表面）のみに設けてもよいし、放熱板の両面に設けてもよい。また、放熱板表面にＮｉめっきなどのめっきを施す際のめっき性の改善のために、放熱板表面（最外層であるＣｒ−Ｃｕ複合体層の表面）に、熱特性に影響しない程度の厚さ（例えば数μｍ程度の厚さ）のＣｕ膜（めっき皮膜など）を形成してもよい。

めっき皮膜は、Ｃｒ−Ｃｕ複合体層とＣｕ層とからなる放熱板本体の熱特性に大きな影響を与えないような膜厚で形成する必要がある。具体的には、一般にめっき皮膜が厚くなると板厚方向での熱伝導率が低下するので、めっき皮膜は、板厚方向での熱伝導率が放熱板本体（めっき皮膜を有しない当該放熱板）のそれよりも１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上低くならないような膜厚で形成されることが好ましい。このため、例えば、めっき皮膜がＣｕめっき皮膜の場合、一般には２０μｍ以下の膜厚とすることが好ましい。

次に、以上述べた本発明の放熱板の製造方法について説明する。
本発明の放熱板の製造方法の一実施形態では、Ｃｕマトリクス中にＣｒ相が分散した板厚断面組織を有するＣｒ−Ｃｕ複合材（ａ）とＣｕ材（ｂ）を積層させ、この積層体を拡散接合した後、温間又は冷間での圧延（ｘ）を施すことにより、Ｃｒ−Ｃｕ複合材（ａ）によるＣｒ−Ｃｕ複合体層とＣｕ材（ｂ）によるＣｕ層が積層した放熱板を得る。ここで、Ｃｒ−Ｃｕ複合材（ａ）は予め製作されたものであるが、このＣｒ−Ｃｕ複合材（ａ）は圧延を行わない方法（例えば、後述する（ii）の方法）で製作したものでもよいし、圧延（ｙ）を行う方法（例えば、後述する（i）、（iii）の方法）で製作したものでもよい。

Ｃｒ−Ｃｕ複合材（ａ）とＣｕ材（ｂ）の厚さは、製造しようとする放熱板のＣｒ−Ｃｕ複合体層とＣｕ層の厚さに応じて選択され、したがって、Ｃｕ層の厚さによっては、Ｃｕ材（ｂ）としてＣｕ箔を用いてもよい。
なお、Ｃｒ−Ｃｕ複合材（ａ）を積層した複数枚の薄いＣｒ−Ｃｕ複合材で構成してもよいし、Ｃｕ材（ｂ）を積層した複数枚の薄いＣｕ材で構成してもよい。したがって、その場合には、（1）複数枚のＣｒ−Ｃｕ複合材からなるＣｒ−Ｃｕ複合材（ａ）と単体のＣｕ材（ｂ）を積層させる、（2）単体のＣｒ−Ｃｕ複合材（ａ）と複数枚のＣｕ材からなるＣｕ材（ｂ）を積層させる、（3）複数枚のＣｒ−Ｃｕ複合材からなるＣｒ−Ｃｕ複合材（ａ）と複数枚のＣｕ材からなるＣｕ材（ｂ）を積層させる、のいずれかによる積層体とし、この積層体を拡散接合する。
積層体の拡散接合を行う方法に特に制限はないが、放電プラズマ焼結（ＳＰＳ）、ホットプレスによる拡散接合が好ましい。

Ｃｒ−Ｃｕ複合材（ａ）は事前に製作されるものであるが、Ｃｒ−Ｃｕ複合材（ａ）としては、例えば、下記（i）〜（iii）のいずれかを用いることができる。この点は特許文献１、２に記載のものと同様である。
（i）Ｃｒ粉末とＣｕ粉末の混合粉末を型に充填して成形する（但し、加圧成形する場合を含む）工程と、前記成形された粉末を還元性雰囲気中又は真空中で焼結して焼結体とする工程と、前記焼結体に温間又は冷間での圧延（ｙ）を施す工程を経て得られたＣｒ−Ｃｕ複合材（ａ）
（ii）Ｃｒ粉末又はＣｒ粉末とＣｕ粉末の混合粉末を型に充填して成形する（但し、加圧成形する場合を含む）工程と、前記成形された粉末を還元性雰囲気中又は真空中で焼結して焼結体とする工程と、前記焼結体に非酸化性雰囲気中又は真空中で溶融したＣｕを含浸させる工程を経て得られたＣｒ−Ｃｕ複合材（ａ）
（iii）Ｃｒ粉末又はＣｒ粉末とＣｕ粉末の混合粉末を型に充填して成形する（但し、加圧成形する場合を含む）工程と、前記成形された粉末を還元性雰囲気中又は真空中で焼結して焼結体とする工程と、前記焼結体に非酸化性雰囲気中又は真空中で溶融したＣｕを含浸させる工程と、前記Ｃｕを含浸させた焼結体に温間又は冷間での圧延（ｙ）を施す工程を経て得られたＣｒ−Ｃｕ複合材（ａ）

上記のようにＣｒ−Ｃｕ複合材（ａ）の圧延（ｙ）やクラッド材の圧延（ｘ）は温間圧延（通常８０〜２５０℃程度の温間圧延）又は冷間圧延で行うが、特に熱膨張率の低減化の観点からは、冷間圧延で行ことが好ましい。
これらの圧延は圧下率が大きくなるほど熱膨張率が低下するので、圧延（ｘ）と圧延（ｙ）を合わせたＣｒ−Ｃｕ複合材（ａ）の総圧下率、すなわちＣｒ−Ｃｕ複合材単体での圧下率とクラッド材圧延時のＣｒ−Ｃｕ複合材の圧下率を合わせた総圧下率（但し、圧延（ｙ）を行わない場合は圧延（ｘ）の圧下率）が８０％以上、好ましくは９０％以上、特に好ましくは９５％以上となるような圧下率で圧延することが望ましい。

また、圧延（ｘ）、圧延（ｙ）は、一方向圧延としてもよいが、板面内で直交する２方向（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向）間の熱膨張率の差を小さくして面内異方性を減ずるために、直交する２方向で圧延を行うクロス圧延を行ってもよい。ここで、直交する２方向での圧延は、異なる圧下率で行ってもよいが、Ｘ軸方向とＹ軸方向で熱膨張率差のない均一な熱特性を有するＣｒ−Ｃｕ複合層を得たい場合には、同じ圧下率で圧延するのが好ましい。また、圧延（ｙ）でＣｒ−Ｃｕ複合材（ａ）を一方向圧延した場合には、圧延（ｘ）では、Ｃｒ−Ｃｕ複合材を圧延（ｙ）の圧延方向と直交する方向に圧延してもよい。
また、Ｃｕ材（ｂ）としては、通常、純Ｃｕ板（純Ｃｕ箔を含む）を用いる。

次に、上記（i）〜（iii）のＣｒ−Ｃｕ複合材（ａ）を得るための工程について説明する。これらの工程は特許文献１、２に記載のものと同様である。
以下の説明において、Ｃｒ粉末又はＣｒ粉末とＣｕ粉末の混合粉末を型に充填して成形する（但し、加圧成形する場合を含む）工程を工程（Ａ）、前記圧粉体を還元性雰囲気中又は真空中で焼結して焼結体とする工程を工程（Ｂ）、前記焼結体に非酸化性雰囲気中又は真空中で溶融したＣｕを含浸させる工程を工程（Ｃ）、前記焼結体又はこれにＣｕを溶浸したＣｒ−Ｃｕ複合材に圧延（ｙ）を施す工程を工程（Ｄ）という。

工程（Ａ）では、常法に従いＣｒ粉末又はＣｒ粉末とＣｕ粉末の混合粉末を型に充填して成形する。この成形では、上記粉末を加圧成形して圧粉体としてもよい。上述したＣｒ−Ｃｕ複合材（ａ）の製造方法では、成形した粉末の焼結後にＣｕの溶浸を行う場合とＣｕの溶浸を行わない場合とがあるが、後者の場合には、Ｃｒ−Ｃｕ複合材（ａ）のＣｕ含有量に見合う量のＣｕ粉末を配合する。
Ｃｒ粉末やＣｕ粉末の純度や粒径は特に限定しないが、通常、Ｃｒ粉末としては、純度が９９質量％以上、粒度が目開き５０〜３２５メッシュ（４５〜３００μｍ）、好ましくは１００〜２００メッシュ（７５〜１５０μｍ）程度の篩の篩下となるものが用いられる。Ｃｒ粉末は、一般に電解法、Ａｌテルミット法、電気炉精錬法等により製造された金属塊または金属フレークを機械粉砕して得られる。
また、Ｃｕ粉末としては、通常、電解銅粉やアトマイズ銅粉末などの純Ｃｕであって、平均粒径Ｄ50が５〜５０μｍ程度のものが用いられる。

工程（Ａ）では、Ｃｒ粉末又はＣｒ粉末とＣｕ粉末の混合粉末を型に充填して成形する。この成形では、使用する混合粉末の充填性や成形密度の目標値に応じて圧力を調整しながら加圧成形し、圧粉体を得るようにしてもよい。
工程（Ｂ）では、工程（Ａ）で成形された粉末を還元性雰囲気（水素雰囲気など）中又は真空中で焼結して焼結体とする。この焼結も通常の条件で行えばよく、１０００〜１６００℃（好ましくは１０５０〜１４５０℃）程度の温度で３０〜３００分程度保持する条件で行うことが好ましい。

工程（Ｃ）では、工程（Ｂ）で得られた焼結体（多孔質体）に非酸化性雰囲気中又は真空中で溶融したＣｕを含浸（Ｃｕの溶浸）させてＣｒ−Ｃｕ複合材（ａ）を得る。この工程（Ｃ）を行う場合には、Ｃｕ溶浸によって所望のＣｕ含有量となる。
Ｃｕの溶浸も通常の条件で行えばよい。例えば、焼結体の上面及び／又は下面にＣｕ板やＣｕ粉末を配置し、１０８３〜１３００℃（好ましくは１１５０〜１２５０℃）程度の温度で２０〜６００分保持する。非酸化性雰囲気は特に限定しないが、水素雰囲気が好ましい。また、溶浸した後の加工性向上の観点からは、真空中で溶浸するのが好ましい。

ここで、工程（Ｂ）と工程（Ｃ）を順次行う場合に、工程（Ａ）で成形された粉末（圧粉体の場合を含む）にＣｕ溶浸用のＣｕ板やＣｕ粉末を配置した状態で、まず焼結温度に加熱して工程（Ｂ）を実施し、しかる後、温度をＣｕ溶浸温度まで上昇させて工程（Ｃ）を実施するようにしてもよい。
なお、この工程（Ｃ）で得られたＣｒ−Ｃｕ複合材（溶浸体）は、表面に残留した余剰の純Ｃｕを除去するために表面研削（例えば、フライス盤や砥石などによる表面研削加工）を施すことが好ましい。
工程（Ｄ）では、Ｃｒ−Ｃｕ複合材（ａ）の熱膨張率を低下させることを目的として、工程（Ｂ）で得られた焼結体又は工程（Ｃ）で得られたＣｒ−Ｃｕ複合材に所定の圧下率で温間又は冷間での圧延（ｙ）を施す。

以上述べたＣｒ−Ｃｕ複合材（ａ）を得るための方法は、Ｃｒ−Ｃｕ複合材（ａ）のＣｒ含有量などに応じて工程が適宜選択される。代表的な方法を挙げると、例えば、Ｃｒ含有量が４０質量％未満のＣｒ−Ｃｕ複合材（ａ）を得る場合、Ｃｒ粉末とＣｕ粉末の混合粉末を型に充填して加圧成形し（工程（Ａ））、この圧粉体にＣｕ溶浸用のＣｕ板やＣｕ粉末を配置した状態で、まず焼結温度に加熱して焼結を実施し（工程（Ｂ））、しかる後、温度をＣｕ溶浸温度まで上昇させてＣｕ含浸を実施し（工程（Ｃ））、次いで、温間又は冷間での圧延（ｙ）を施す（工程（Ｄ））。一方、Ｃｒ含有量が４０質量％以上のＣｒ−Ｃｕ複合材（ａ）を得る場合、Ｃｒ粉末を型に充填して成形し（工程（Ａ））、この成形した粉体に焼結を実施して焼結体とした後（工程（Ｂ））、この焼結体にＣｕ溶浸用のＣｕ板やＣｕ粉末を配置した状態で加熱してＣｕの溶浸を実施し（工程（Ｃ））、次いで、温間又は冷間での圧延（ｙ）を施す（工程（Ｄ））。

なお、工程（Ｃ）（Ｃｕの溶浸）で得られたＣｒ−Ｃｕ複合材に対して、必要に応じて３００〜１０５０℃程度の温度で均質化時効熱処理を施してもよい。この均質化時効熱処理は、保持時間３０分以上が好ましく、また雰囲気は真空が好ましい。また、工程（Ｄ）で圧延（ｙ）されたＣｒ−Ｃｕ複合材に対して、必要に応じて３００〜９００℃程度の温度で軟質化時効熱処理を施してもよい。この軟質化時効熱処理も、保持時間３０分以上が好ましく、また雰囲気は真空が好ましい。

本発明の放熱板は、冷間圧延又は温間圧延のままで、或いはさらに熱処理（軟質化時効熱処理）を施すことにより製品とすることができる。また、必要に応じて、半導体の台座としての使用を想定したはんだ付けやろう付けのために、さらには耐食性及び電食に対する性能を向上させる目的で、表面にさらにＮｉめっきなどのめっきを施してもよい。この場合、めっき皮膜は放熱板の熱特性に大きく影響しない程度の膜厚で形成される。めっきの種類に特別な制限はなく、例えば、Ｎｉめっき、Ｃｕめっき、Ａｕめっき、Ａｇめっきなどが適用でき、これらの中から選ばれるめっきを単独で或いは２層以上を組み合わせて施すことができる。めっきは、放熱板の片面（最外層である両Ｃｒ−Ｃｕ複合体層のうちの一方の表面）のみに施してもよいし、放熱板の両面に施してもよい。また、放熱板表面にＮｉめっきなどのめっきを施す際のめっき性の改善のために、放熱板表面（最外層であるＣｒ−Ｃｕ複合体層の表面）に下地としてＣｕめっきを施してもよい。以上のようなめっきにより形成されるめっき皮膜の好ましい膜厚は、さきに述べた通りである。

本発明の放熱板は、各種の半導体モジュールが備えるセラミックパッケージやメタルパッケージなどの半導体パッケージに好適に利用でき、高い放熱性と耐用性が得られる。特に、高熱伝導率でありながら、低い熱膨張率が８００℃を超える高温に曝された後も保持されるので、接合温度が７５０℃以上と高くなるロウ付け接合を行なう用途などについても問題なく適用できる。

（１）Ｃｒ−Ｃｕ複合材の製造条件
Ｃｒ粉末（１００メッシュの篩の篩下）を型（５０ｍｍ×５０ｍｍ）に充填して成形し、後工程の圧延（ｙ）（冷間圧延）での圧下率に応じた厚さの粉末成形体とした。この粉末成形体を水素雰囲気中で焼結（１３００℃、１８０分）して焼結体を得た。次いで、この焼結体の上面に純Ｃｕ板を置き、水素雰囲気中で１２００℃に加熱（保持時間６０分）して純Ｃｕ板を溶解させ、この溶解したＣｕを焼結体に含浸させることでＣｒ−Ｃｕ複合材を得た。このＣｒ−Ｃｕ複合材を、表面に残留するＣｕをフライス盤を用いて除去した後、所定の圧下率で一方向の圧延（ｙ）（冷間圧延）を施し、Ｃｒ含有量が５０質量％のＣｒ−Ｃｕ複合材を製作した。

（２）各供試体の製造条件
（2.1）本発明例
上記のようにして得られた所定の板厚のＣｒ−Ｃｕ複合材（Ｃｒ含有量：５０質量％）と純Ｃｕ板を、（Ｃｒ−Ｃｕ）／Ｃｕ／（Ｃｒ−Ｃｕ）の３層構造、（Ｃｒ−Ｃｕ）／Ｃｕ／（Ｃｒ−Ｃｕ）／Ｃｕ／（Ｃｒ−Ｃｕ）の５層構造、（Ｃｒ−Ｃｕ）／Ｃｕ／（Ｃｒ−Ｃｕ）／Ｃｕ／（Ｃｒ−Ｃｕ）／Ｃｕ／（Ｃｒ−Ｃｕ）の７層構造のいずれかに積層させ、この積層体を放電プラズマ焼結（ＳＰＳ）装置（住友石炭鉱業（株）社製「DR.SINTER SPS-1050」）を用いて、９５０℃、３０分保持、加圧力１５ＭＰａの条件で拡散接合させた。次いで、上記Ｃｒ−Ｃｕ複合材の圧延（ｙ）（冷間圧延）と同じ圧下率で、圧延（ｙ）の圧延方向と直交する方向に圧延（ｘ）（冷間圧延）を施し、さらに８００℃×１ｈｒの熱処理（軟質化時効熱処理）を施し、本発明例の放熱板を製造した。ここで、圧延（ｘ）と圧延（ｙ）を合わせたＣｕ−Ｍｏ複合材の総圧下率は９８％とした。
（2.2）比較例
Ｃｒ−Ｃｕ複合材と純Ｃｕ板をＣｕ／（Ｃｒ−Ｃｕ）／Ｃｕの３層構造又はＣｕ／（Ｃｒ−Ｃｕ）／Ｃｕ／（Ｃｒ−Ｃｕ）／Ｃｕの５層構造とした以外は、本発明例と同一の条件で比較例の放熱板を製造した。

（３）熱特性の測定
各供試体について、板面内熱膨張率を押棒式変位検出法で測定し、５０℃−１００℃、５０℃−２００℃、５０℃−４００℃、５０℃−８００℃における各伸び量の差を温度差で割り算して、５０℃から１００℃までの板面内平均熱膨張率、５０℃から２００℃までの板面内平均熱膨張率、５０℃から４００℃までの板面内平均熱膨張率、５０℃から８００℃までの板面内平均熱膨張率をそれぞれを求めた。また、板厚方向の熱伝導率（室温での熱伝導率）をフラッシュ法で測定した。
（４）熱特性の評価
表１及び表２に、各供試体の熱特性を製造条件とともに示す。これによれば、比較例に較べて発明例は板厚方向の熱伝導率が大幅に増加していることが判る。

Claims (12)

1. 板厚方向において、Ｃｒ−Ｃｕ複合体層、Ｃｕ層、Ｃｒ−Ｃｕ複合体層がこの順に積層することで、２層のＣｒ−Ｃｕ複合体層と１層のＣｕ層で構成され、両面の最外層がＣｒ−Ｃｕ複合体層からなる放熱板であって、
   Ｃｒ−Ｃｕ複合体層は、Ｃｕマトリクス中に扁平なＣｒ相が分散した板厚断面組織を有することを特徴とする放熱板。
2. 板厚方向において、Ｃｒ−Ｃｕ複合体層とＣｕ層が交互に積層することで３層以上のＣｒ−Ｃｕ複合体層と２層以上のＣｕ層で構成されるとともに、両面の最外層がＣｒ−Ｃｕ複合体層からなる放熱板であって、
   Ｃｒ−Ｃｕ複合体層は、Ｃｕマトリクス中に扁平なＣｒ相が分散した板厚断面組織を有することを特徴とする放熱板。
3. Ｃｒ−Ｃｕ複合体層はＣｒ含有量が３０質量％超８０質量％以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の放熱板。
4. 板厚方向の熱伝導率が１６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、５０℃から８００℃までの板面内平均熱膨張率が１３ｐｐｍ／Ｋ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の放熱板。
5. 積層したＣｒ−Ｃｕ複合体層とＣｕ層とからなる放熱板本体の片面又は両面に、板厚方向の熱伝導率が放熱板本体よりも１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上低くならないような膜厚のめっき皮膜が形成されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の放熱板。
6. 請求項１〜４のいずれかに記載の放熱板の製造方法であって、
   Ｃｕマトリクス中にＣｒ相が分散した板厚断面組織を有するＣｒ−Ｃｕ複合材（ａ）とＣｕ材（ｂ）を積層させ、該積層体を拡散接合した後、温間又は冷間での圧延（ｘ）を施すことにより、Ｃｒ−Ｃｕ複合材（ａ）によるＣｒ−Ｃｕ複合体層とＣｕ材（ｂ）によるＣｕ層が積層した放熱板を得ることを特徴とする放熱板の製造方法。
7. Ｃｒ−Ｃｕ複合材（ａ）が、Ｃｒ粉末とＣｕ粉末の混合粉末を型に充填して成形する（但し、加圧成形する場合を含む）工程と、前記成形された粉末を還元性雰囲気中又は真空中で焼結して焼結体とする工程と、前記焼結体に温間又は冷間での圧延（ｙ）を施す工程を経て得られたものであり、
   圧延（ｘ）と圧延（ｙ）を合わせたＣｒ−Ｃｕ複合材（ａ）の総圧下率が８０％以上であることを特徴とする請求項６に記載の放熱板の製造方法。
8. Ｃｒ−Ｃｕ複合材（ａ）が、Ｃｒ粉末又はＣｒ粉末とＣｕ粉末の混合粉末を型に充填して成形する（但し、加圧成形する場合を含む）工程と、前記成形された粉末を還元性雰囲気中又は真空中で焼結して焼結体とする工程と、前記焼結体に非酸化性雰囲気中又は真空中で溶融したＣｕを含浸させる工程を経て得られたものであり、
   圧延（ｘ）の圧下率が８０％以上であることを特徴とする請求項６に記載の放熱板の製造方法。
9. Ｃｒ−Ｃｕ複合材（ａ）が、Ｃｒ粉末又はＣｒ粉末とＣｕ粉末の混合粉末を型に充填して成形する（但し、加圧成形する場合を含む）工程と、前記成形された粉末を還元性雰囲気中又は真空中で焼結して焼結体とする工程と、前記焼結体に非酸化性雰囲気中又は真空中で溶融したＣｕを含浸させる工程と、前記Ｃｕを含浸させた焼結体に温間又は冷間での圧延（ｙ）を施す工程を経て得られたものであり、
   圧延（ｘ）と圧延（ｙ）を合わせたＣｒ−Ｃｕ複合材（ａ）の総圧下率が８０％以上であることを特徴とする請求項６に記載の放熱板の製造方法。
10. 積層したＣｒ−Ｃｕ複合体層とＣｕ層とからなる放熱板本体の片面又は両面に、板厚方向での熱伝導率が放熱板本体よりも１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上低くならないような膜厚のめっき皮膜を形成することを特徴とする請求項６〜９のいずれかに記載の放熱板の製造方法。
11. 請求項１〜５のいずれかに記載の放熱板を備えたことを特徴とする半導体パッケージ。
12. 請求項１１に記載の半導体パッケージを備えたことを特徴とする半導体モジュール。

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