JPWO2006077755A1 - 半導体装置用部材とその製造方法 - Google Patents

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Abstract

表面に高品質なめっき層を形成することができ、高温（１００℃）における熱伝導率が１８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、ネジ止め等で割れが発生しない程度の靭性があり、かつ、ハンダで他の部材に接合しても熱応力によるハンダ割れが発生しない低価格の半導体装置用部材とその製造方法を提供する。半導体装置用部材（１）は、熱膨張係数が６．５×１０−６／Ｋ以上１５×１０−６／Ｋ以下、温度１００℃における熱伝導率が１８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であって、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、炭化ケイ素の含有量が３０質量％以上８５質量％以下で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る基材（１１）と、基材（１１）の上下面に接合された、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表面層（１２）とを備える。

Description

この発明は、一般的には半導体装置用部材とその製造方法に関し、特定的には半導体装置を構成するヒートスプレッダー材、リッド（蓋）材などの放熱部材としての半導体装置用部材とその製造方法に関するものである。
たとえば、半導体装置として高性能なパワーデバイスでは、半導体集積回路素子（ＩＣ）としてシリコン（Ｓｉ）チップを絶縁するため、表面に銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）を備えた窒化アルミニウム（ＡｌＮ）焼結体基板の上にＳｉチップをハンダ付けし、ＡｌＮ焼結体基板の下に、本発明が対象とする半導体装置用部材をハンダ付けし、さらに、この半導体装置用部材を水で冷却するためにアルミニウム合金からなるラジエーターに半導体装置用部材をネジ止めする構造が採用されている。
現在は、半導体装置用部材として主に銅（Ｃｕ）−モリブデン（Ｍｏ）系複合合金が用いられている。しかしながら、Ｍｏの価格が高い、比重が大きく重いという問題がある。
これに対して、アルミニウム（Ａｌ）−炭化ケイ素（ＳｉＣ）複合材料は、公害問題を生じさせることなく、安価なＡｌとＳｉＣの原料で製造可能であり、搭載されるＳｉチップ、周囲の部材等に合わせて熱膨張係数を広範囲で調整することができるので、軽量で優れた半導体装置用部材である。Ａｌ−ＳｉＣ複合材料をパワーデバイス用部材として用いるにはいくつかの問題があり、一部のデバイスを除き、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料は本格的に採用されていない。
たとえば、半導体装置用部材の一つの適用例であるパワーデバイス用部材としてＡｌ−ＳｉＣ複合材料を用いると、以下の問題点がある。
（１）半導体装置用部材は他の部材にハンダ付けされるため、表面にニッケル（Ｎｉ）等のめっきを施す必要がある。たとえば、このめっきに欠陥があると、ハンダにボイドが発生するため、半導体装置の性能を低下させるとともに寿命を短くする可能性がある。Ａｌ−ＳｉＣ複合材料の表面へのめっきは、焼結法や自発溶浸法によって製造されたＡｌ−ＳｉＣ複合材料では穴状の欠陥が生じ、焼結＋鍛造法によって製造されたＡｌ−ＳｉＣ複合材料ではＳｉＣに亀裂が発生し、また、いずれの方法でもめっき前処理の研磨によってＳｉＣ粒子が脱粒する、という問題がある。したがって、半導体装置用部材の表面に高品質なめっき層を形成することができないという問題がある。
（２）パワーデバイスのさらなる高性能化と小型化に伴い、半導体装置用部材の高温における熱伝導度が低いと装置の性能を低下させるとともに、寿命を短くすることが顕在化してきた。このため、最近では、たとえば、高温（１００℃）における熱伝導率が１８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが必要とされている。したがって、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料の高温における熱伝導率をさらに向上させる必要がある。
（３）パワーデバイスの一種である電力変換用デバイスでは、Ｓｉチップでの発熱を効率よくラジエーターまで伝導することが重要である。半導体装置用部材はＡｌ合金のラジエーターにネジ止めされるが、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料は脆いため割れる可能性があり、特にネジ止めされる箇所で割れが発生し、装置不良になるという問題がある。
（４）パワーデバイスでは、各部品または各部材をハンダで接合することにより熱抵抗を下げ、放熱性の向上が図られている。また、近年、パワーデバイスはハイブリッドＥＶ車やＥＶ車に採用され、軽量、高性能、高信頼性、高寿命が望まれている。一方、環境問題の高まりから、ハンダ材料としては鉛（Ｐｂ）フリー化の傾向にある。ハンダ材料は延性の点で劣るため、ヤング率の高い材料と接合した場合、熱応力がハンダ部に集中し、破壊が起こる可能性があり、装置寿命を短くするという問題がある。特にＰｂフリーハンダ材料はＰｂ含有ハンダ材料より延性に劣るため、この問題はよりクローズアップされる傾向にある。
（５）半導体装置用部材は低価格であることが望まれる。
ところで、搭載されるＳｉチップ、周囲の部材等に合わせて熱膨張係数を広範囲で、特に６．５×１０−６／Ｋ以上１５×１０−６／Ｋ以下の範囲内で調整可能であるとともに、高い放熱性を実現するために高い熱伝導性でかつ軽量である半導体装置用部材を得るために、以下に述べるようにアルミニウムと炭化ケイ素の複合材料を用いたものが種々提案されている。
特開平１１−３１０８４３号公報（特許文献１）には、粉末の混合、成形工程後、非酸化性雰囲気で６００℃以上Ａｌの融点以下の温度で焼結する方法、さらに、７００℃以上の温度（上限９００℃）で加圧加熱処理するステップ、または、焼結体を６００℃以上の温度で予備加熱し、型内に入れて加圧加熱処理するステップを用いて製造される、いわゆる熱間鍛造法（雰囲気は好ましくは非酸化性雰囲気、上限温度は８００℃）で製造される、熱伝導性に優れた半導体装置用部材が開示されている。この半導体装置用部材では、表面にめっきを施した場合、ＳｉＣの脱粒、穴状の欠陥、ＳｉＣの亀裂等に起因するめっき欠陥を防止することができず、ハンダにボイドが発生し、半導体装置の性能を低下させるとともに寿命を短くする可能性がある。また、ネジ止めされる箇所での割れや熱応力の集中によるハンダの割れの問題を解決するには不十分である。さらに、この半導体装置用部材は、液相が生じる温度での加圧処理によって製造されることにより熱伝導性の向上を達成している。
特開２０００−１９２１８２号公報（特許文献２）には、半導体装置の放熱基板に用いられる材料として、成形体を真空下で融点未満の温度で熱処理し、その後、融点以上の温度で焼結する方法で製造され、気孔率が高いにもかかわらず、優れた熱伝導性を有する炭化珪素系複合材料が開示されている。この材料を半導体装置用部材に用いると、気孔率が高いことと、めっき欠陥とにより、ハンダにボイドが発生し、半導体装置の性能を低下させるとともに寿命を短くする可能性がある。また、ネジ止めされる箇所での割れや熱応力の集中によるハンダの割れの問題を解決するには不十分である。さらに、この炭化珪素系複合材料も、液相が生じる温度での鍛造によって製造されることにより熱伝導性の向上を達成している。
特開２０００−１６０２６７号公報（特許文献３）には、半導体装置の放熱基板に用いられる材料として、成形体を融点以上の温度に加熱後、加圧下で鍛造し鍛造体とする方法で製造された、熱伝導性に優れた炭化珪素系複合材料が開示されている。この材料では、めっきを行った場合、ＳｉＣの脱粒、穴状の欠陥、ＳｉＣの亀裂等に起因するめっき欠陥を防止することができず、ハンダにボイドが発生し、半導体装置の性能を低下させるとともに寿命を短くする可能性がある。また、ネジ止めされる箇所での割れや熱応力の集中によるハンダの割れの問題を解決するには不十分である。さらに、この炭化珪素系複合材料も、液相が生じる温度での鍛造によって製造されることにより熱伝導性の向上を達成している。
特開２００４−２８８９１２号公報（特許文献４）には、成形体を融点以下の温度で焼結後、大気中で６５０〜８００℃の温度で鍛造加工することにより、半導体放熱基板として寸法精度の高いリッド型半導体装置用部材が提案されている。この半導体装置用部材では、めっきを行った場合、ＳｉＣの脱粒、穴状の欠陥、ＳｉＣの亀裂等に起因するめっき欠陥を防止することができず、ハンダにボイドが発生し、半導体装置の性能を低下させるとともに寿命を短くする可能性がある。また、ネジ止めされる箇所での割れや熱応力の集中によるハンダの割れの問題を解決するには不十分である。さらに、液相が生じる温度での鍛造によって製造されることにより、寸法精度の優れたリッド型半導体装置用部材が得られる。
したがって、上記の公報のいずれかに開示されたアルミニウムと炭化ケイ素の複合材料を用いて半導体装置用部材を構成すると、仮に上記の問題点（２）と（５）を解決することができたとしても、問題点（２）と（５）を解決するとともに、問題点（１）、（３）および（４）を解決することが可能な半導体装置用部材を得ることはできない。
ところで、アルミニウムと炭化ケイ素の複合材料を用いて以下に示すような半導体装置用部材も提案されている。
特開平１０−３３５５３８号公報（特許文献５）には、焼結法により製造された、熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上（または１８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上）で、熱膨張率が２０×１０−６／Ｋ以下のアルミニウムと炭化ケイ素の複合材料の表面にアルミニウムを主成分とする被覆層を設けることにより樹脂との接合強度を改善した半導体装置用部材が開示されている。樹脂との接合強度を改善する方法としては、具体的には、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料を製造後、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料の表面を粗面化して、めっき法、蒸着法、スクリーン印刷法で厚みが１〜１００μｍのＡｌ層を後付する方法が示されている。
しかし、上記の公報で開示されたようにＡｌ−ＳｉＣ複合材料の表面にＡｌ層を後付で形成することによって上記の問題（１）、（３）および（４）を解決しようとしても、以下の理由により困難である。半導体装置用部材としてパワーデバイス用部材に適用する場合は、熱抵抗をより小さくする必要があるので、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料とＡｌ層のより強固な接合が必要である。めっき法、蒸着法、スクリーン印刷法によって後付で形成されたＡｌ層とＡｌ−ＳｉＣ複合材料との間の接合強度では不十分である。また、めっき法、蒸着法、スクリーン印刷法で形成されたＡｌ層が薄膜の場合、Ａｌ層内に欠陥が存在する可能性があるので、Ａｌ層の表面上に他の部材をハンダ付けした場合にはハンダにボイドが発生し、半導体装置の性能低下、短寿命化のような問題が発生する可能性がある。Ａｌ層を厚膜化すれば、前述のような可能性が少なくなるが、製造コストのアップにつながる。また、ネジ止めされる箇所での割れや熱応力の集中によるハンダの割れの問題を解決するには不十分である。
また、上記の問題（１）、（３）および（４）を解決するために、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料の出発材料としての成形体の表面層に予めＡｌ層を形成した状態で焼結または鍛造することが考えられる。しかし、上記の特開平１１−３１０８４３号公報（特許文献１）、特開２０００−１９２１８２号公報（特許文献２）、特開２０００−１６０２６７号公報（特許文献３）、特開２００４−２８８９１２号公報（特許文献４）で開示された製造方法は、いずれも液相が生じる温度での焼結または鍛造により製造する方法であるので、厚いＡｌ層が表面に強固に接合されたＡｌ−ＳｉＣ複合材料を得ることは困難である。
特開平１１−３１０８４３号公報 特開２０００−１９２１８２号公報 特開２０００−１６０２６７号公報 特開２００４−２８８９１２号公報 特開平１０−３３５５３８号公報
以上のように、半導体装置用部材として、次の要求特性をすべて満足する材料は従来の技術では提案されていない。
ｉ）半導体装置用部材は他の部材にハンダ付けされるため、表面にめっきが施されるが、たとえば、このめっきに欠陥があるとハンダにボイドが発生し、半導体装置の性能を低下させるとともに寿命を短くする可能性がある。したがって、半導体装置用部材の表面に、欠陥がなく、高品質なめっき層を形成することが可能であること。
ｉｉ）パワーデバイスのさらなる高性能化と小型化に伴い、半導体装置用部材の高温における熱伝導性が良好であることが必要である。したがって、たとえば、高温（１００℃）における半導体装置用部材の熱伝導率が１８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であること。
ｉｉｉ）電力変換用デバイスでは、Ｓｉチップでの発熱を効率よくラジエーターまで伝導することが重要であるので、半導体装置用部材がＡｌ合金のラジエーターにネジ止めされる。したがって、半導体装置用部材には、ネジ止め等で割れが発生しない程度の靭性があること。
ｉｖ）パワーデバイスでは各部品をハンダで接合することにより、熱抵抗を下げ、放熱性の向上が図られている。したがって、半導体装置用部材をハンダで他の部材に接合しても、熱応力によるハンダ割れが発生しないこと。
ｖ）半導体装置用部材の原材料コストだけでなく、製造コストも低く、低価格であること。
そこで、この発明の目的は、上記の要求特性をすべて満足することが可能な半導体装置用部材、すなわち、表面に高品質なめっき層を形成することができ、高温（１００℃）における熱伝導率が１８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、ネジ止め等で割れが発生しない程度の靭性があり、かつ、ハンダで他の部材に接合しても熱応力によるハンダ割れが発生しない、低価格の半導体装置用部材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部材は、熱膨張係数が６．５×１０−６／Ｋ以上１５×１０−６／Ｋ以下、温度１００℃における熱伝導率が１８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である半導体装置用部材であって、基材と表面層とを備える。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、炭化ケイ素の含有量が３０質量％以上８５質量％以下であって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、かつ、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。表面層は、基材の一方表面と他方表面の上に接合された、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。ここで、粉末材とは、粉末状態または粒子形状の材料をいう。また、溶製材とは、溶融状態から固化されたバルク状の材料をいい、固化された後に圧延加工等の塑性加工が施された材料を含む。
この発明の半導体装置用部材においては、アルミニウム‐炭化ケイ素複合材料からなる基材の外表面である一方表面と他方表面の上に、アルミニウムまたはアルミニウム合金を含む靭性に優れた表面層を厚くかつ欠陥のない状態で接合することができる。
この発明の半導体装置用部材においては、基材と表面層との接合強度が２×９．８ＭＰａ以上であるのが好ましい。
また、この発明の半導体装置用部材においては、基材と表面層とは、その界面の少なくとも一部において金属結合によって接合されているのが好ましい。
さらに、この発明の半導体装置用部材においては、表面層の平均厚みが、半導体装置用部材の平均厚みの２％以上３０％以下であるのが好ましい。
この発明の半導体装置用部材においては、表面層の厚みのバラツキが、表面層の平均厚みの±３０％以内であるのが好ましい。
この発明の半導体装置用部材においては、表面層は、アルミニウムまたはアルミニウム合金の再結晶組織を含むのが好ましい。
この発明の半導体装置用部材においては、表面層のアルミニウム合金は、マグネシウム（Ｍｇ）、ケイ素（Ｓｉ）、チタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）、マンガン（Ｍｎ）、クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）およびニッケル（Ｎｉ）からなる群より選ばれた少なくとも１種の元素を含み、元素の合計の含有量が０．００５質量％以上１５質量％以下であるのが好ましい。
この発明の半導体装置用部材においては、表面層のアルミニウムの純度が９９％以上でもよい。
この発明の半導体装置用部材においては、表面層の硬さがビッカース硬さで２５以上１８５以下であるのが好ましい。
この発明の半導体装置用部材においては、炭化ケイ素の粒子の平均粒径は１０μｍ以上１５０μm以下であるのが好ましい。
この発明の半導体装置用部材は、外表面に形成されためっき層をさらに備えるのが好ましい。
この場合、めっき層は、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）および金（Ａｕ）からなる群より選ばれた少なくとも１種の元素を含み、厚みが０．１μｍ以上１０μｍ以下であるのが好ましい。
また、めっき層の表面粗さは、Ｒａで２μｍ以下であるのが好ましい。
この発明の半導体装置用部材においては、半導体装置用部材の長辺をＸｍｍ、そり量をＹｍｍとした場合、（Ｙ／Ｘ）の値が０．２％以下であるのが好ましい。
この発明の一つの局面に従った半導体装置用部材の製造方法は、以下の工程を備える。
ａ）アルミニウムまたはアルミニウム合金の粉末と炭化ケイ素の粉末とを、炭化ケイ素の含有量が３０質量％以上８５質量％以下になるように混合して混合粉末を準備する工程。
ｂ）アルミニウムまたはアルミニウム合金の第１と第２の溶製材の間に混合粉末を配置して成形することにより成形体を得る工程。
ｃ）溶製材の融点または固相線温度をＴｍ℃とした場合、（Ｔｍ−１００）℃以上Ｔｍ℃未満の温度に成形体を加熱して圧縮する工程。
この発明の一つの局面に従った半導体装置用部材の製造方法によれば、アルミニウム‐炭化ケイ素複合材料の一方表面と他方表面の上に、アルミニウムまたはアルミニウム合金を含む靭性に優れた表面層を厚くかつ欠陥のない状態で接合することができる。
この発明の半導体装置用部材の製造方法においては、第１と第２の溶製材の平均厚みが０．１ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であるのが好ましい。
また、この発明の半導体装置用部材の製造方法においては、成形体を得る工程において成形圧力が（２×９８）ＭＰａ以上であるのが好ましい。
さらに、この発明の半導体装置用部材の製造方法は、成形体を得る工程と加熱圧縮工程との間で、アルミニウムまたはアルミニウム合金の融点または固相線温度をＴｍ℃とした場合、（Ｔｍ−３００）℃以上Ｔｍ℃未満の温度で非酸化性雰囲気中において成形体を加熱処理することにより加熱処理体を得る工程をさらに備えるのが好ましい。Ｔｍの値は、アルミニウムの場合では６６０℃、アルミニウム合金の一例としてアルミニウム‐９質量％シリコン合金の場合では５７７℃である。
この発明の半導体装置用部材の製造方法においては、加熱圧縮工程が非酸化性雰囲気中で行われるのが好ましい。
この発明の別の局面に従った半導体装置用部材の製造方法は、以下の工程を備える。
ａ）アルミニウムまたはアルミニウム合金の粉末と炭化ケイ素の粉末とを、炭化ケイ素の含有量が３０質量％以上８５質量％以下になるように混合して混合粉末を準備する工程。
ｂ）アルミニウムまたはアルミニウム合金の第１と第２の溶製材の間に前記混合粉末を配置して成形することにより成形体を得る工程。
ｄ）溶製材の融点または固相線温度をＴｍ℃とした場合、（Ｔｍ−３００）℃以上Ｔｍ℃未満の温度に成形体を加熱して圧延する工程。
この発明の別の局面に従った半導体装置用部材の製造方法によれば、アルミニウム‐炭化ケイ素複合材料の一方表面と他方表面の上に、アルミニウムまたはアルミニウム合金を含む靭性に優れた表面層を厚くかつ欠陥のない状態で接合することができる。
この発明の別の局面に従った半導体装置用部材の製造方法においては、第１と第２の溶製材の平均厚みが０．１ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であるのが好ましい。
また、この発明の別の局面に従った半導体装置用部材の製造方法においては、成形体を得る工程において成形圧力が（２×９８）ＭＰａ以上であるのが好ましい。
さらに、この発明の別の局面に従った半導体装置用部材の製造方法は、成形体を得る工程と加熱圧延工程との間で、アルミニウムまたはアルミニウム合金の融点または固相線温度をＴｍ℃とした場合、（Ｔｍ−３００）℃以上Ｔｍ℃未満の温度で非酸化性雰囲気中において成形体を加熱処理することにより加熱処理体を得る工程をさらに備えるのが好ましい。
この発明の別の局面に従った半導体装置用部材の製造方法においては、加熱圧延工程が非酸化性雰囲気中で行われるのが好ましい。
以上のようにこの発明によれば、アルミニウム‐炭化ケイ素複合材料からなる基材の外表面である一方表面と他方表面の上に、アルミニウムまたはアルミニウム合金を含む靭性に優れた表面層を厚くかつ欠陥のない状態で接合することができるので、表面に高品質なめっき層を形成することができ、高温（１００℃）における熱伝導率が１８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、ネジ止め等で割れが発生しない程度の靭性があり、かつ、ハンダで他の部材に接合しても熱応力によるハンダ割れが発生しない、低価格の半導体装置用部材を得ることができる。
この発明の一つの実施の形態として半導体装置用部材の概略的な断面を示す断面図である。 図１に示された半導体装置用部材が適用される半導体装置の一つの実施の形態であるパワーデバイスの一例として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）ユニットを示す概略的な断面図である。 図１に示された半導体装置用部材が適用される半導体装置のもう一つの実施の形態の一例としてコンピュータ、サーバー等の中央処理装置（ＣＰＵ）ユニットまたはマイクロプロセッサユニット（ＭＰＵ）の半導体集積回路素子チップが搭載される半導体装置を示す概略的な断面図である。 表面層としてのＡｌ層の剥離強度を測定するための試験方法を示す概略的な断面図である。 加熱処理工程の加熱温度が熱膨張係数と温度１００℃における熱伝導率とに与える影響を示す図である。
符号の説明
１：半導体装置用部材、１１：基材、１２：表面層。
上述の５つの要求特性をすべて満足することが可能な半導体装置用部材とその製造方法について、発明者は鋭意検討し、本発明に至った。半導体装置用部材については、基材として、アルミニウムまたはアルミニウム合金中に３０〜８５質量％の炭化ケイ素が粒子状に分散している、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の上下面に、表面層として出発材料が溶製材のアルミニウムまたはアルミニウム合金の層を形成することにより、アルミニウム‐炭化ケイ素複合材料とアルミニウムまたはアルミニウム合金層との接合強度が２ｋｇｆ／ｍｍ２（２×９．８ＭＰａ）以上で、熱膨張係数が６．５×１０−６／Ｋ以上１５×１０−６／Ｋ以下、１００℃における熱伝導率が１８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である材料を得ることができ、その材料がすべての要求特性を満足することを見出した。
図１は、この発明の一つの実施の形態として半導体装置用部材の概略的な断面を示す断面図である。
図１に示すように、半導体装置用部材１は、アルミニウム‐炭化ケイ素複合材料からなる基材１１と、基材１１の一方表面とこの一方表面と反対側の他方表面、すなわち、上下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１２とから構成される。
図２は、図１に示された半導体装置用部材が適用される半導体装置の一つの実施の形態であるパワーデバイスの一例として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）ユニットを示す概略的な断面図である。
図２に示すように、本発明の半導体装置用部材１は、放熱基板（ヒートスプレッダー材）として、その表面にめっき層が形成された後、ラジエーターを構成するアルミニウムまたはアルミニウム合金基板２の上にネジ３によって固定される。一方、上下表面の上に銅またはアルミニウムの層５が形成された窒化アルミニウム（ＡｌＮ）焼結体からなる絶縁層４が、めっき層が形成された半導体装置用部材１の上表面の上にハンダ層６を介して固着される。上表面の上に銅またはアルミニウムの層５が形成された絶縁層５の上には、ハンダ層６を介してＳｉチップ７、この例では絶縁ゲート型バイポーラトランジスタを含む半導体集積回路素子チップが固着されて搭載される。
このようにパワーデバイスが構成されることにより、Ｓｉチップ７から発生した熱は、それぞれ高い熱伝導性を有する銅またはアルミニウムの層５、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）焼結体からなる絶縁層４、銅またはアルミニウムの層５を通じて、放熱基板としての本発明の半導体装置用部材１に伝導されて放散され、水冷されるラジエーターの構成部材であるアルミニウムまたはアルミニウム合金基板２に吸収される。このとき、この発明の半導体装置用部材１においては、アルミニウムまたはアルミニウム合金を含む靭性に優れた表面層１２（図１）を厚くかつ欠陥のない状態で接合することができるので、高品質なめっき層を表面に形成することができ、高温（１００℃）における熱伝導率が１８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、ネジ３によるネジ止め等で割れが発生しない程度の靭性があり、かつ、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）焼結体からなる絶縁層４にハンダ層６で接合しても熱応力によるハンダ割れが発生しない。
図３は、図１に示された半導体装置用部材が適用される半導体装置のもう一つの実施の形態の一例としてコンピュータ、サーバー等の中央処理装置（ＣＰＵ）ユニットまたはマイクロプロセッサユニット（ＭＰＵ）の半導体集積回路素子チップが搭載される半導体装置を示す概略的な断面図である。
図３に示すように、半導体集積回路素子チップとパッケージの電気的な接合にハンダボール９が用いられている（ボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）方式）。ＣＰＵまたはＭＰＵのＳｉチップ７は、ハンダ層６を介して、配線端子として上下表面を導通するように多数個のハンダボール９が配置されたセラミック基板８に固着される。Ｓｉチップ７の上表面には、ハンダ層６を介して、表面にめっき層が形成されたリッド（蓋）部材としての本発明の半導体装置用部材１が固着される。半導体装置用部材１の周辺部は、Ｓｉチップ７の周囲を囲むように配置され、セラミック基板８の上に樹脂等によって固着される。
このように半導体装置が構成されることにより、Ｓｉチップ７から発生した熱は、放熱基板としての本発明の半導体装置用部材１に伝導されて放散される。このとき、この発明の半導体装置用部材１においては、アルミニウムまたはアルミニウム合金を含む靭性に優れた表面層１２（図１）を厚くかつ欠陥のない状態で接合することができるので、高品質なめっき層を表面に形成することができ、高温（１００℃）における熱伝導率が１８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、かつ、Ｓｉチップ７にハンダ層６で接合しても熱応力によるハンダ割れが発生しない。
この発明の半導体装置用部材を構成する基材としてのアルミニウム‐炭化ケイ素複合材料において、炭化ケイ素粒子の量を３０〜８５質量％としたのは、３０質量％未満では熱膨張係数が大きくなるからであり、また、８５質量％を超えると緻密化が困難になるからである。
アルミニウム‐炭化ケイ素複合材料の上下面にアルミニウムまたはアルミニウム合金層を形成することにより、外側表面に高品質なめっき層を形成することが可能となり、良好なハンダ付け性が得られる。アルミニウム‐炭化ケイ素複合材料とアルミニウムまたはアルミニウム合金層との接合強度を２ｋｇｆ／ｍｍ２（２×９．８ＭＰａ）以上としたのは、２ｋｇｆ／ｍｍ２未満では半導体装置用部材全体として熱伝導率の低下を招くだけでなく、ネジ止め時等に必要な靭性の低下、熱応力によるハンダ割れ防止の効果が少なくなるためである。接合強度は、好ましくは３ｋｇｆ／ｍｍ２（３×９．８ＭＰａ）以上、より好ましくは５ｋｇｆ／ｍｍ２（５×９．８ＭＰａ）以上である。接合強度は、アルミニウムまたはアルミニウム合金層の引張強度よりも低く、たとえば、一般的なアルミニウム軟質材の引張強度である１０ｋｇｆ／ｍｍ２（１０×９．８ＭＰａ）以下であるのがよい。
熱膨張係数を６．５×１０−６／Ｋ以上１５×１０−６／Ｋ以下としたのは、パワーデバイス用部材として、搭載されるＳｉチップ、周囲の部材等に合わせて熱膨張係数を広範囲で調整することができるからである。また、温度１００℃における熱伝導率を１８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上としたのは、１８０Ｗ／ｍ・Ｋ未満では半導体装置用部材の熱伝導度が低く、半導体装置の性能の低下や寿命を短くするからである。
また、発明者は、アルミニウム‐炭化ケイ素複合材料とアルミニウムまたはアルミニウム合金層との界面の一部が金属結合していると、半導体装置用部材の熱伝導性と靭性をより向上させることができ、ハンダへの熱応力の集中の防止を達成できることを見出した。金属結合しているかどうかは、たとえば、透過電子顕微鏡等で界面の格子像を観察することによって確認することができる。
表面層としてのアルミニウムまたはアルミニウム合金層の平均厚みは、半導体装置用部材の平均厚みの２％以上３０％以下であることが好ましい。アルミニウムまたはアルミニウム合金層の平均厚みを半導体装置用部材の平均厚みの２％以上３０％以下としたのは、半導体装置用部材の平均厚みの２％未満では靭性やハンダへの熱応力集中の緩和効果が不十分であり、３０％を超えると熱膨張係数が大きくなりすぎるからである。
表面層としてのアルミニウムまたはアルミニウム合金層の厚みのバラツキは、アルミニウムまたはアルミニウム合金層の平均厚みの±３０％以内であると良いことを見出した。厚さのバラツキをアルミニウムおよびアルミニウム合金層の平均厚さの±３０％以内としたのは、±30％を超えると充分な靭性が得られなくなるだけでなく、熱伝導性や熱膨張係数の特性のバラツキが大きくなるためである。
表面層のアルミニウムまたはアルミニウム合金の結晶組織は再結晶組織であることがより好ましい。表面層が再結晶組織を含むと、靭性がより向上し、また、ハンダへの熱応力集中をより緩和することができる。平均結晶粒径は１μｍ以上５００μｍ以下が好ましく、より好ましくは２０μｍ以上２００μｍ以下である。
表面層のアルミニウム合金がＭｇ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｉからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素を含み、元素の合計の含有量が０．００５質量％以上１５質量%以下であるアルミニウム合金であればよい。たとえば、表面層により高い強度が要求される場合、結晶粒径を制御する場合にはアルミニウムを合金化してもよい。その場合、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｉからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素を添加するのがよく、添加量を０．００５質量％以上１５質量％以下としたのは、０．００５質量％未満では添加の効果がなく、１５質量％を超えるとその効果が飽和するからである。
また、半導体装置用部材により高い熱伝導性が要求される場合には、表面層のアルミニウムの純度が９９％以上であるのが好ましい。純度を９９％以上としたのは、９９％未満では熱伝導性を向上させる効果が少なくなるからである。より好ましくはアルミニウムの純度を９９．５％以上にするとよい。
表面層のアルミニウムまたはアルミニウム合金の硬さがビッカース硬さで２５以上１８５以下であることが好ましい。ビッカース硬さで２５以上１８５以下としたのは、ビッカース硬さが２５未満ではネジ止め固定するのが困難になり、１８５を超えると靭性が低下するとともに、熱応力集中の緩和効果が小さくなるからである。表面層のアルミニウムまたはアルミニウム合金のビッカース硬さは、より好ましくは３０以上１２０以下、さらに好ましくは３０以上７０以下である。
本発明の半導体装置用部材において靭性が優れていると、ネジ止め等での割れが発生せず、ハンダ付け部の熱応力集中の緩和効果が大きくなる等のより優れた効果が得られる。その靭性の評価方法としては、たとえば、以下のような方法がある。
（Ａ）半導体装置用部材の表面に直径１２ｍｍの超硬合金製ドリルで、切削油を塗布しながら、貫通穴をあける。この穴にＭ１０のボルトを挿入し、ワッシャを介して、ナットを１０ｋｇｆ・ｍ（９８Ｎ・ｍ）のトルクで締め付けたとき、表面層が剥離しないとともに穴の周囲に亀裂が生じないこと。
（Ｂ）半導体装置用部材に打ち抜きで１００トンプレスを用いて直径１２ｍｍの穴をあける。このとき、表面層が剥離しないとともに穴の周囲に亀裂が生じないこと。
（Ｃ）半導体装置用部材に対して三点曲げ試験を実施する。このとき、表面層が剥離しないとともに曲げの変位量が比較材よりも大きいこと。
（Ｄ）引張試験を実施した際の引張強さのワイブル分布のｍ値が５以上、望ましくは１５以上であること。
本発明の半導体装置用部材においてアルミニウム‐炭化ケイ素複合材料中の炭化ケイ素粒子の平均粒径は１０μｍ以上１５０μｍ以下であるのが好ましい。平均粒径を１０μｍ以上１５０μｍ以下としたのは、１０μｍより小さくても、１５０μｍより大きくても、アルミニウムまたはアルミニウム合金層をアルミニウム‐炭化ケイ素複合材料に密着性良く接合することが困難になるからである。
また、発明者は、以上のようにアルミニウム‐炭化ケイ素複合材料の上下面にアルミニウムまたはアルミニウム合金層を設けた半導体装置用部材のハンダ付け性を良好にするために、外表面にめっき層を備えた半導体装置用部材はパワーデバイス用の半導体装置用部材としてすべての要求特性を満足することができることを見出した。特に、厚みが０．１μｍ以上１０μｍ以下のＮｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕからなる群より選ばれた少なくとも１種以上の元素を含むめっきを表面に施すのが好ましい。この場合、めっき層の厚みを０．１μｍ以上１０μｍ以下としたのは、０．１μｍ未満ではハンダ付け性を良好にするには不十分で、１０μｍを超えると逆にハンダ付け性に悪影響を与えるからである。また、めっき層の表面粗さが大きくなると、はんだ濡れ性が悪くなるので、その表面粗さはＲａで２μｍ以下にするのが好ましい。なお、めっき層の表面粗さの下限値は、特に限定されるものではないが、工業的に達成することが可能な表面粗さを考慮すると、Ｒａで０．０３μｍである。上記の範囲内のめっき層の表面粗さは、めっき層を形成する前に下地に機械研磨、化学研磨等を施すことにより、達成される。
半導体装置用部材の長辺をＸｍｍ、そり量をＹｍｍとした場合、（Ｙ／Ｘ）の値が０．２％以下である半導体装置用部材が好ましい。（Ｙ／Ｘ）の値が０．２％を超えると、他の部材との接合が不十分となり、熱抵抗が大きくなりやすくなる。
また、発明者は、要求特性をすべて満たす半導体装置用部材の製造方法としては、アルミニウム‐炭化ケイ素複合材料の上下面にアルミニウムまたはアルミニウム合金層を形成する半導体装置用部材の製造方法であって、少なくとも、アルミニウムまたはアルミニウム合金と炭化ケイ素を主成分とした原料粉末を、炭化ケイ素量が全体の３０〜８５質量％となるように混合し混合粉末とする工程と、この混合粉末を成形する際、上下にアルミニウムまたはアルミニウム合金板を設置し、その間に混合粉末を設置して成形し成形体とする工程と、この成形体をアルミニウムまたはアルミニウム合金板の融点あるいは固相線温度をＴｍ℃とした場合、（Ｔｍ−１００）℃以上Ｔｍ℃未満の温度で加熱し圧縮する工程を含む半導体装置用部材の製造方法がよいことを見出した。
さらに、発明者は、成形体の作製工程で上下面にアルミニウムまたはアルミニウム合金を設置し、成形体とし、その成形体を、アルミニウムまたはアルミニウム合金板の融点あるいは固相線温度をＴｍ℃とした場合、（Ｔｍ−１００）℃以上Ｔｍ℃未満の温度で加熱し圧縮することにより、密着性に優れ、層の厚みのバラツキも小さく、炭化ケイ素粒子に亀裂等の損傷を与えず、良好な靭性を有した、熱伝導性に優れた、熱応力集中によるハンダ割れが発生しない、そりが大きくない、半導体装置用部材を安価に製造できることを見出した。
本発明の製造方法によれば、２軸の圧縮であるが、静水圧圧縮のような効果も得られるので、上記に示したような特徴が得られる。また、工程数も少ないので、優れた特徴のものを低コストで得ることができる。
加熱圧縮する温度をアルミニウムまたはアルミニウム合金板の融点あるいは固相線温度をTｍ℃とした場合、（Ｔｍ−１００）℃以上Ｔｍ℃未満としたのは、（Ｔｍ−１００）℃未満では、充分な密着性、靱性、熱伝導性、小さなそり量を達成することができず、Ｔｍ℃以上では金型に焼き付きが発生したり、液相を生じる等の問題があるからである。
アルミニウムまたはアルミニウム合金板の平均板厚は０．１ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であるのが好ましい。アルミニウムまたはアルミニウム合金板の平均板厚を０．１ｍｍ以上２．０ｍｍ以下としたのは、０．１ｍｍ未満では炭化ケイ素粒子に損傷を与える可能性があるためで、２．０ｍｍを超えると表面層としてアルミニウムまたはアルミニウム合金層を形成することによる効果が飽和するためである。
成形工程の成形圧力が２ｔｏｎ／ｃｍ２（２×９８ＭＰａ）以上であると、密着性や熱伝導性がより優れた半導体装置用部材を製造することができる。
また、発明者は、成形工程と加熱圧縮工程の間に、非酸化性雰囲気中において、アルミニウムまたはアルミニウム合金板の融点あるいは固相線温度をＴｍ℃とした場合、（Ｔｍ−３００）℃以上Ｔｍ℃未満の温度で加熱処理し加熱処理体を得る工程を含む方法で製造すると、半導体装置用部材の熱伝導性や靱性がより優れることを見出した。
さらに、加熱圧縮工程を非酸化性雰囲気中で行うと、熱伝導性や靱性をより向上させることが可能であることを見出した。なお、大気中または酸化性雰囲気中で加熱圧縮工程を行ってもよい。
なお、発明者は、この発明の別の製造方法として、上記の製造方法において成形体をアルミニウムまたはアルミニウム合金板の融点あるいは固相線温度をＴｍ℃とした場合、（Ｔｍ−１００）℃以上Ｔｍ℃未満の温度で加熱し圧縮する工程の代わりに、成形体をアルミニウムまたはアルミニウム合金板の融点あるいは固相線温度をＴｍ℃とした場合、（Ｔｍ−３００）℃以上Ｔｍ℃未満の温度で加熱し圧延加工する工程としても、同様の特性、性能を有する半導体装置用部材を低コストで製造可能であることを見出した。
加熱圧延する温度をアルミニウムまたはアルミニウム合金板の融点あるいは固相線温度をＴｍ℃とした場合、（Ｔｍ−３００）℃以上Ｔｍ℃未満としたのは、（Ｔｍ−３００）℃未満では、充分な密着性、靱性、熱伝導性、小さなそり量を達成することができず、Ｔｍ℃以上では圧延ロールに焼き付きが発生したり、液相を生じる等の問題があるためである。
アルミニウムまたはアルミニウム合金板の平均板厚が０．１ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であるのが好ましい。アルミニウムまたはアルミニウム合金板の平均板厚を０．１ｍｍ以上２．０ｍｍ以下としたのは、０．１ｍｍ未満では炭化ケイ素粒子に損傷を与える可能性があり、２．０ｍｍを超えると表面層としてアルミニウムまたはアルミニウム合金層を形成することによる効果が飽和するためである。
成形する工程の成形圧力が２ｔｏｎ／ｃｍ２（２×９８ＭＰａ）以上であると、密着性や熱伝導性がより優れた半導体装置用部材を製造することができる。
また、この発明の別の製造方法においても、発明者は、成形工程と加熱圧延工程の間に、非酸化性雰囲気中において、アルミニウムまたはアルミニウム合金板の融点あるいは固相線温度をＴｍ℃とした場合、（Ｔｍ−３００）℃以上Ｔｍ℃未満の温度で加熱処理し加熱処理体を得る工程を含む方法で製造すると、半導体装置用部材の熱伝導性や靱性がより優れることを見出した。
さらに、この発明の別の製造方法においても、発明者は、加熱圧延工程を非酸化性雰囲気中で行うと、熱伝導性や靱性をより向上させることが可能であることを見出した。なお、大気中または酸化性雰囲気中で加熱圧延工程を行ってもよい。
（実施例１）
平均粒径が１０μｍのアルミニウム（Ａｌ）粉末と平均粒径が１５μｍの炭化ケイ素（ＳｉＣ）粉末を混合比を変えて表１に示すようなＳｉＣの含有量で混合し、ＪＩＳ規格１０５０のアルミニウム板を混合粉末の上下面に配置して、すなわち、表１に示す厚みのアルミニウム板で混合粉末を挟んだ状態で成形することにより、成形体を作製した（成形工程）。混合粉末の成形は１００トンプレス機を用いて、７２トンの荷重を粉末に加えて成形圧力が２ｔｏｎ／ｃｍ２（２×９８ＭＰａ）になるようにして行った。このようにして得られた成形体を温度６００℃に加熱した状態で、成形体を作製した同一のプレス機を用いて、７２トンの荷重を成形体に加えて圧縮圧力が２ｔｏｎ／ｃｍ２（２×９８ＭＰａ）になるようにして成形体を加熱して圧縮した（加熱圧縮工程）。このようにして長さ６０ｍｍ×幅６０ｍｍ×厚み５ｍｍの試料を作製した。各試料について以下の特性を評価した。得られた特性を表１に示す。なお、表１において比較例４〜７は、成形時にアルミニウム板を上下面に混合粉末の上下面に配置しなかった。
（Ｉ）Ａｌ層の厚み［ｍｍ］、Ａｌ層／試料の厚み比率［％］
最終的に得られた表面層としてのＡｌ層の厚み（一方面側における厚み）を測定し、試料の厚みに対するＡｌ層の厚みの割合を算出した。
（ＩＩ）Ａｌ層の厚みのばらつき［％］
最終的に得られた表面層の厚みの平均値に対する厚みのばらつきを測定した。
（ＩＩＩ）熱膨張係数［×１０−６／Ｋ］
ＮＥＴＺＳＣＨ社製ＰＩＬ−４０２ＰＣを用いて、４ｍｍ×４ｍｍ×２０ｍｍの大きさに切り出された試料を加熱し、同時に伸びを差動トランスで検出することにより、熱膨張係数を測定した。
（ＩＶ）温度１００℃における熱伝導率［Ｗ／ｍ・Ｋ］
アルバック理工社製の熱定数測定装置ＴＣ−７００を用い、レーザーフラッシュ法により求めた。具体的には、直径１０ｍｍ×厚み２ｍｍの大きさに切り出された試料の片側表面にレーザー光を短時間照射して、熱エネルギーを与え、このとき、試料の反対側表面における非定常温度変化を熱電対とＩｎＳｂ（インジウムアンチモン）赤外線検出器で測定し、それぞれ、比熱と熱拡散率を得ることにより、熱伝導率を求めた。
（Ｖ）Ａｌ層の剥離強度（接合強度）［×９．８ＭＰａ］
図４は、表面層としてのＡｌ層の剥離強度を測定するための試験方法を示す概略的な断面図である。
図４に示すように、Ａｌ層の剥離試験は、接合面の直径が１０ｍｍ、引張試験の掴み部の直径が８ｍｍの引張試験治具２０を、カットワイヤーによって各試料を予め直径１０ｍｍの円板に切り出した試験材１の上下面に、住友スリーエム株式会社製の商品名スコッチウェルドＤＰ４６０の接着剤３０によって貼り付け、硬化後、矢印で示す方向に引っ張って引張試験を行った。引張試験機としては、引張軸アライメント機構を有するインストロン引張試験機を用いた。この引張試験によって、表面層１２としてのＡｌ層が剥離するまでの強度を測定することにより、表面層１２としてのＡｌ層と基材１１としてのアルミニウム‐炭化ケイ素複合材料との間の接合強度を評価した。
（ＶＩ）そり量の割合 Ｙ／Ｘ［％］
各試料の一辺の長さＸ＝６０［ｍｍ］に対するそり量Ｙ［ｍｍ］を測定し、長さに対するそり量の割合を算出した。
（ＶＩＩ）ボイドの有無
各試料の表面に厚みが２μｍのニッケルめっきを施し、温度２５０℃に加熱した後、ボイドの有無を観察した。本発明例１〜７と比較例１〜２はボイドの発生が認められなかったが、比較例４〜７ではすべてにボイドが発生した。さらに、銅、銀、金のめっきをそれぞれ厚みが０．１μｍ〜１０μｍの範囲で施して同様の試験を行ったところ、同様の結果を得た。
（ＶＩＩＩ）はんだ濡れ性
ニッケルめっきを施した本発明例１〜７のはんだ濡れ性を評価した。評価は、温度２００℃に加熱した共晶鉛錫はんだ浴中に各試料を浸漬した後、引き上げて、はんだの付着度合いを観察した。浸漬後、めっき層の表面において、はんだの未着部分がなく、はんだの付着が良好であった試料は、めっき層の表面粗さがＲａで２μｍ以下であった。めっき層の表面粗さがＲａで２μｍよりも大きい試料では、めっき層の表面において、はんだが付着していない箇所が存在した。ニッケルめっきに替えて、銅、銀、金のめっき層を本発明例１〜７の各試料の表面に施して、はんだ濡れ性を評価したが、上記と同様の結果が得られた。
Figure 2006077755
表１に示す結果から、ＳｉＣ含有量が３０〜８５質量％の本発明例１〜７では熱膨張係数が６．５〜１５×１０−6／Ｋで、温度１００℃における熱伝導率が１８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であった。ＳｉＣ含有量が３０質量％未満の比較例１〜２では熱膨張係数が１５×１０−6／Ｋより大きくなった。ＳｉＣ含有量が８５質量％より大きい比較例３は、製造することができなかった。
本発明例１〜７と比較例１〜２では、（Ｙ／Ｘ）の値が０．２％以下であった。
なお、厚みが２μｍのニッケルめっきを表面に施した本発明例１〜７の試料と、比較例４〜７において厚みが３μｍのアルミニウム蒸着を行った後、同様に厚みが２μｍのニッケルめっきを表面に施した試料との冷熱サイクル試験（−４０℃〜１５０℃の温度範囲）を実施した。その結果、比較例４〜７はすべて１００サイクル後にＡｌ蒸着層の剥離を確認することができたが、本発明例１〜７は５０００サイクル後もＡｌ層の剥離はみられなかった。
また、図４に示すように接着剤を使用して、表面層としてのＡｌ層の剥離強度を測定するための試験を上記と同様にして行い、剥離強度を測定したところ、比較例４〜７は０．３〜０．４ｋｇｆ／ｍｍ２（０．３×９．８〜０．４×９．８ＭＰａ）であったが、本発明例１〜７はすべて２ｋｇｆ／ｍｍ２（２×９．８ＭＰａ）を超える剥離強度を有していた。透過電子顕微鏡で接合部を観察してみたところ、本発明例１〜７では、接合部の一部が金属結合していることを確認した。
さらに、厚みが２μｍのニッケルめっきを表面に施した本発明例１〜７の試料と、比較例４〜７において厚みが３μｍのアルミニウム蒸着を行った後、同様に厚みが２μｍのニッケルめっきを表面に施した試料とに、表面に銅またはアルミニウムの層を備えたＡｌＮ焼結体をハンダ材料としてスズ（Ｓｎ）‐３質量％銀（Ａｇ）‐０．５質量％銅（Ｃｕ）合金を用いてハンダ付けした各試料の冷熱サイクル試験（−４０℃〜１５０℃の温度範囲）を実施した。その結果、比較例４〜７はすべて１００サイクル後にハンダ接合部での割れを確認することができたが、本発明例１〜７は１００００サイクル後もハンダ接合部での割れはみられなかった。
（実施例２）
実施例１の各試料に潤滑油を塗布しながらドリルで直径１０．５ｍｍの穴をあけ、Ｍ１０のボルトを挿入し、ナットを１０ｋｇｆ・ｍ（９８Ｎ・ｍ）のトルクで締め付けたところ、比較例５〜７では割れが発生したが、本発明例５〜７では割れず、さらに、トルクを１５ｋｇｆ・ｍ（１５×９．８Ｎ・ｍ）まで高くしても割れは発生しなかった。本発明例５〜７における表面層としてのアルミニウム層の結晶組織を観察したところ、平均結晶粒はそれぞれ、８４μｍ、１５８μｍ、３４μｍであった。
（実施例３）
ＳｉＣの含有量を６０質量％とし、ＳｉＣ粉末の平均粒径を５μｍ，１０μｍ，８０μｍ，１５０μｍ，２００μｍと変化させ、アルミニウム層の厚みを０．０５０ｍｍ、０．１００ｍｍ、０．５００ｍｍ、１．０００ｍｍ、２．０００ｍｍ、２．５００ｍｍと変化させて、実施例１と同様の方法で試料を作製した。各試料の温度１００℃における熱伝導率、Ａｌ層の厚みのばらつき、そり量の割合を実施例１と同様にして測定した。その測定結果を表２、表３および表４に示す。
Figure 2006077755
Figure 2006077755
Figure 2006077755
表２、表３および表４に示す結果から、ＳｉＣ粉末の平均粒径が５μｍの場合、熱膨張係数は同等であるが、温度１００℃における熱伝導率が他の粒径のものと比較して低い値となった。また、ＳｉＣ粉末の平均粒径が２００μｍの場合、アルミニウム層の厚みが０．０５０ｍｍでは、アルミニウム層の厚みが不均一で薄くなる部分が発生した。アルミニウム層の厚みが２．５００ｍｍより大きい場合はそりが大きくなる傾向が認められた。
（実施例４）
表１に示す本発明例１〜７の製造方法において、成形圧力を変化させて試料を作製した。成形圧力が熱膨張係数と温度１００℃における熱伝導率とに与える影響を調査した。熱膨張係数と熱伝導率の測定は、実施例１と同様にして行った。その結果を表５に示す。表５において「α」と「κ」は、それぞれ、熱膨張係数と熱伝導率を意味する。
Figure 2006077755
表５に示す結果から、成形圧力を高くすると、熱膨張係数が小さくなり、温度１００℃における熱伝導率が高くなることがわかる。
また、本発明例５において成形圧力が９８ＭＰａと２×９８ＭＰａの場合に得られた試料の靭性を評価した。靭性は、試料に潤滑油を塗布しながらドリルで直径１０．５ｍｍの穴をあけ、Ｍ１０のボルトを挿入し、ナットを２０ｋｇｆ・ｍ（２×９８Ｎ・ｍ）のトルクで締め付けたときに割れた数の試料の総数に対する割合で評価した。成形圧力が２×９８ＭＰａの場合に割れた試料の数の割合は、成形圧力が９８ＭＰａの場合に対して２０％であった。成形圧力を高くすると靭性が向上することがわかる。
（実施例５）
表１に示す本発明例１〜７の製造方法において、成形工程と加熱・圧縮工程の間で、窒素ガス雰囲気中にて温度６００℃で５時間、成形体を加熱処理し、それ以外の工程は実施例１と同様にして試料を作製した。中間工程としての加熱処理工程が熱膨張係数と温度１００℃における熱伝導率とに与える影響を調査した。熱膨張係数と熱伝導率の測定は、実施例１と同様にして行った。その結果を表６に示す。表６において「α」と「κ」は、それぞれ、熱膨張係数と熱伝導率を意味する。
Figure 2006077755
表６に示す結果から、中間工程として加熱処理工程を行うと、熱伝導率が向上することがわかる。
また、本発明例５において、加熱処理工程ありとなしの試料のそれぞれについて靭性を評価した。靭性は、試料に潤滑油を塗布しながらドリルで直径１０．５ｍｍの穴をあけ、Ｍ１０のボルトを挿入し、ナットを２０ｋｇｆ・ｍ（２×９８Ｎ・ｍ）のトルクで締め付けたときに割れた数の試料の総数に対する割合で評価した。加熱処理工程ありの場合に割れた試料の数の割合は、加熱処理工程なしの場合に対して１０％であった。中間工程として加熱工程を行うと靭性が向上することがわかる。
さらに、表１に示す本発明例３と本発明例５では、成形工程と加熱・圧縮工程の間で行われる窒素ガス雰囲気中の加熱処理工程において加熱温度を変化させることによって、その加熱温度が熱膨張係数と温度１００℃における熱伝導率とに与える影響を調査した。熱膨張係数と熱伝導率の測定は、実施例１と同様にして行った。その結果を図５に示す。図５において、横軸は加熱温度、左の縦軸は熱伝導率κ、右の縦軸は熱膨張係数αを示す。図５に示す結果から、（Ｔｍ−３００）℃以上（上記の本発明例３と本発明例５では約３５０℃以上）の加熱温度で中間工程として加熱処理工程を行うと、熱伝導率が向上することがわかる。
（実施例６）
平均粒径が１０μｍのアルミニウム（Ａｌ）粉末と平均粒径が１５μｍの炭化ケイ素（ＳｉＣ）粉末を混合比を変えて表７に示すようなＳｉＣの含有量で混合し、ＪＩＳ規格１０５０のアルミニウム板を混合粉末の上下面に配置して、すなわち、表７に示す厚みのアルミニウム板で混合粉末を挟んだ状態で成形することにより、成形体を作製した（成形工程）。混合粉末の成形は１００トンプレス機を用いて、７２トンの荷重を粉末に加えて成形圧力が２ｔｏｎ／ｃｍ２（２×９８ＭＰａ）になるようにして行った。このようにして得られた成形体を温度６００℃に加熱した状態で、５％の加工度で５回パスする熱間圧延を施すことにより、成形体を加熱して圧延した（加熱圧延工程）。このようにして長さ６０ｍｍ×幅６０ｍｍ×厚み５ｍｍの試料を作製した。各試料について実施例１と同様にして各特性を評価した。得られた特性を表７に示す。
Figure 2006077755
なお、各試料の表面に厚みが２μｍのニッケルめっきを施し、温度２５０℃に加熱した後、ボイドの有無を観察したが、ボイドの発生が認められなかった。
また、厚みが２μｍのニッケルめっきを表面に施した各試料の冷熱サイクル試験（−４０℃〜１５０℃の温度範囲）を実施したところ、５０００サイクル後もＡｌ層の剥離はみられなかった。
さらに、厚みが２μｍのニッケルめっきを表面に施した各試料に、表面に銅またはアルミニウムの層を備えたＡｌＮ焼結体をハンダ材料としてスズ（Ｓｎ）‐３質量％銀（Ａｇ）‐０．５質量％銅（Ｃｕ）合金を用いてハンダ付けした各試料の冷熱サイクル試験（−４０℃〜１５０℃の温度範囲）を実施したが、１００００サイクル後もハンダ接合部での割れはみられなかった。
以上に開示された実施の形態や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、以上の実施の形態や実施例ではなく、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や変形を含むものである。
この発明の半導体装置用部材は、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）ユニット等のパワーデバイスと呼ばれる半導体装置、コンピュータ、サーバー等の中央処理装置（ＣＰＵ）ユニットまたはマイクロプロセッサユニット（ＭＰＵ）の半導体集積回路素子チップが搭載される半導体装置などにおいて、ヒートスプレッダー材、リッド（蓋）材などの放熱部材に利用される。

Claims (24)

  1. 熱膨張係数が６．５×１０−６／Ｋ以上１５×１０−６／Ｋ以下、温度１００℃における熱伝導率が１８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である半導体装置用部材（１）であって、
    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、炭化ケイ素の含有量が３０質量％以上８５質量％以下であって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、かつ、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基材（１１）と、
    前記基材（１１）の一方表面と他方表面の上に接合された、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表面層（１２）と、
    を備える、半導体装置用部材（１）。
  2. 前記基材（１１）と前記表面層（１２）との接合強度が（２×９．８）ＭＰａ以上である、請求項１に記載の半導体装置用部材（１）。
  3. 前記基材（１１）と前記表面層（１２）とは、その界面の少なくとも一部において金属結合によって接合されている、請求項１に記載の半導体装置用部材（１）。
  4. 前記表面層（１２）の平均厚みが、当該半導体装置用部材（１）の平均厚みの２％以上３０％以下である、請求項１に記載の半導体装置用部材（１）。
  5. 前記表面層（１２）の厚みのバラツキが、前記表面層（１２）の平均厚みの±３０％以内である、請求項１に記載の半導体装置用部材（１）。
  6. 前記表面層（１２）は、アルミニウムまたはアルミニウム合金の再結晶組織を含む、請求項１に記載の半導体装置用部材（１）。
  7. 前記表面層（１２）のアルミニウム合金は、マグネシウム、ケイ素、チタン、銅、亜鉛、マンガン、クロム、鉄およびニッケルからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素を含み、元素の合計の含有量が０．００５質量％以上１５質量％以下である、請求項１に記載の半導体装置用部材（１）。
  8. 前記表面層（１２）のアルミニウムの純度が９９％以上である、請求項１に記載の半導体装置用部材（１）。
  9. 前記表面層（１２）の硬さがビッカース硬さで２５以上１８５以下である、請求項１に記載の半導体装置用部材（１）。
  10. 前記炭化ケイ素の粒子の平均粒径は１０μｍ以上１５０μｍ以下である、請求項１に記載の半導体装置用部材（１）。
  11. 外表面に形成されためっき層をさらに備える、請求項１に記載の半導体装置用部材（１）。
  12. 前記めっき層は、ニッケル、銅、銀および金からなる群より選ばれた少なくとも１種の元素を含み、厚みが０．１μｍ以上１０μｍ以下である、請求項１１に記載の半導体装置用部材（１）。
  13. 前記めっき層の表面粗さは、Ｒａで２μｍ以下である、請求項１１に記載の半導体装置用部材（１）。
  14. 当該半導体装置用部材（１）の長辺をＸｍｍ、そり量をＹｍｍとした場合、（Ｙ／Ｘ）の値が０．２％以下である、請求項１に記載の半導体装置用部材（１）。
  15. アルミニウムまたはアルミニウム合金の粉末と炭化ケイ素の粉末とを、炭化ケイ素の含有量が３０質量％以上８５質量％以下になるように混合して混合粉末を準備する工程と、
    アルミニウムまたはアルミニウム合金の第１と第２の溶製材の間に前記混合粉末を配置して成形することにより成形体を得る工程と、
    前記溶製材の融点または固相線温度をＴｍ℃とした場合、（Ｔｍ−１００）℃以上Ｔｍ℃未満の温度に前記成形体を加熱して圧縮する工程と、
    を備えた、半導体装置用部材（１）の製造方法。
  16. 前記第１と第２の溶製材の平均厚みが０．１ｍｍ以上２．０ｍｍ以下である、請求項１５に記載の半導体装置用部材（１）の製造方法。
  17. 前記成形体を得る工程において成形圧力が（２×９８）ＭＰａ以上である、請求項１５に記載の半導体装置用部材（１）の製造方法。
  18. 前記成形体を得る工程と前記加熱圧縮工程との間で、アルミニウムまたはアルミニウム合金の融点または固相線温度をＴｍ℃とした場合、（Ｔｍ−３００）℃以上Ｔｍ℃未満の温度で非酸化性雰囲気中において前記成形体を加熱処理することにより加熱処理体を得る工程をさらに備える、請求項１５に記載の半導体装置用部材（１）の製造方法。
  19. 前記加熱圧縮工程が非酸化性雰囲気中で行われる、請求項１５に記載の半導体装置用部材（１）の製造方法。
  20. アルミニウムまたはアルミニウム合金の粉末と炭化ケイ素の粉末とを、炭化ケイ素の含有量が３０質量％以上８５質量％以下になるように混合して混合粉末を準備する工程と、
    アルミニウムまたはアルミニウム合金の第１と第２の溶製材の間に前記混合粉末を配置して成形することにより成形体を得る工程と、
    前記溶製材の融点または固相線温度をＴｍ℃とした場合、（Ｔｍ−３００）℃以上Ｔｍ℃未満の温度に前記成形体を加熱して圧延する工程と、
    を備えた、半導体装置用部材（１）の製造方法。
  21. 前記第１と第２の溶製材の平均厚みが０．１ｍｍ以上２．０ｍｍ以下である、請求項２０に記載の半導体装置用部材（１）の製造方法。
  22. 前記成形体を得る工程において成形圧力が（２×９８）ＭＰａ以上である、請求項２０に記載の半導体装置用部材（１）の製造方法。
  23. 前記成形体を得る工程と前記加熱圧延工程との間で、アルミニウムまたはアルミニウム合金の融点または固相線温度をＴｍ℃とした場合、（Ｔｍ−３００）℃以上Ｔｍ℃未満の温度で非酸化性雰囲気中において前記成形体を加熱処理することにより加熱処理体を得る工程をさらに備える、請求項２０に記載の半導体装置用部材（１）の製造方法。
  24. 前記加熱圧延工程が非酸化性雰囲気中で行われる、請求項２０に記載の半導体装置用部材（１）の製造方法。
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