WO2022030197A1 - 複合材料、ヒートスプレッダ及び半導体パッケージ - Google Patents

複合材料、ヒートスプレッダ及び半導体パッケージ Download PDF

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WO2022030197A1
WO2022030197A1 PCT/JP2021/026256 JP2021026256W WO2022030197A1 WO 2022030197 A1 WO2022030197 A1 WO 2022030197A1 JP 2021026256 W JP2021026256 W JP 2021026256W WO 2022030197 A1 WO2022030197 A1 WO 2022030197A1
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layer
composite material
less
thickness
opening
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PCT/JP2021/026256
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徹 前田
美紀 宮永
大介 近藤
正幸 伊藤
伸一 山形
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住友電気工業株式会社
株式会社アライドマテリアル
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    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
    • H01L23/3735—Laminates or multilayers, e.g. direct bond copper ceramic substrates
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
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    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2255/00—Heat exchanger elements made of materials having special features or resulting from particular manufacturing processes
    • F28F2255/06—Heat exchanger elements made of materials having special features or resulting from particular manufacturing processes composite, e.g. polymers with fillers or fibres

Definitions

  • Patent Document 1 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2018-18976 describes a heat dissipation substrate.
  • the heat dissipation substrate described in Patent Document 1 has a core base material, a first heat conductive member, and a second heat conductive member.
  • the core base material is made of molybdenum (Mo).
  • the first heat conductive member and the second heat conductive member are made of copper (Cu).
  • the core base material has a first surface and a second surface which is an opposite surface of the first surface.
  • the first heat conductive member and the second heat conductive member are arranged on the first surface and the second surface, respectively.
  • the core base material has an opening penetrating the core base material along the direction from the first surface to the second surface.
  • An insert is arranged inside the opening.
  • the insert is made of copper.
  • the composite material of the present disclosure is plate-shaped and has a first surface and a second surface opposite to the first surface.
  • the composite material comprises a plurality of first layers and a plurality of second layers.
  • the total number of the first layer and the number of the second layer is 5 or more.
  • the first layer and the second layer are alternately laminated along the thickness direction of the composite material so that the first layer is located on the first surface and the second surface.
  • the first layer is formed of a metal material containing copper as a main component.
  • the second layer has a molybdenum plate and a copper filler.
  • the molybdenum plate includes a first surface and a second surface which are end faces in the thickness direction, and a plurality of openings penetrating the molybdenum plate from the first surface to the second surface.
  • the copper filler is located inside the opening.
  • the thickness of the first layer located on the first surface is 0.025 mm or more and 30% or less of the thickness of the composite material.
  • the thickness of the second layer in contact with the first layer located on the first surface is 0.05 mm or more and 35% or less of the thickness of the composite material.
  • the number of openings is 2 or more and 12 or less per 1 mm 2 of the area of the first surface.
  • the ratio of the average value of the maximum value of the equivalent circle diameter of the opening to the thickness of the second layer is 0.3 or more and 5.0 or less.
  • FIG. 1 is a perspective view of the composite material 10.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the composite material 10.
  • FIG. 3 is a plan view of the molybdenum plate 13.
  • FIG. 4A is a first explanatory view of a procedure for preparing a measurement sample of thermal conductivity in the thickness direction of the composite material 10.
  • FIG. 4B is a second explanatory view of a procedure for preparing a measurement sample of thermal conductivity in the thickness direction of the composite material 10.
  • FIG. 4C is a third explanatory diagram of a procedure for preparing a measurement sample of thermal conductivity in the thickness direction of the composite material 10.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram of a method for evaluating the heat dissipation performance of the composite material 10.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the composite material 10 according to the first modification.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of the composite material 10 according to the second modification.
  • FIG. 8 is a process diagram showing a method for manufacturing the composite material 10.
  • FIG. 9 is an exploded perspective view of the semiconductor package 100.
  • the heat dissipation substrate described in Patent Document 1 has room for improvement in achieving both a low linear expansion coefficient and high heat dissipation.
  • the present disclosure provides a composite material capable of achieving both a low linear expansion coefficient and a high heat dissipation property.
  • the composite material according to one embodiment is plate-shaped and has a second surface which is an opposite surface of the first surface and the first surface.
  • the composite material comprises a plurality of first layers and a plurality of second layers.
  • the total number of the first layer and the number of the second layer is 5 or more.
  • the first layer and the second layer are alternately laminated along the thickness direction of the composite material so that the first layer is located on the first surface and the second surface.
  • the first layer is formed of a metal material containing copper as a main component.
  • the second layer has a molybdenum plate and a copper filler.
  • the molybdenum plate includes a first surface and a second surface which are end faces in the thickness direction, and a plurality of openings penetrating the molybdenum plate from the first surface to the second surface.
  • the copper filler is located inside the opening.
  • the thickness of the first layer located on the first surface is 0.025 mm or more and 30% or less of the thickness of the composite material.
  • the thickness of the second layer in contact with the first layer located on the first surface is 0.05 mm or more and 35% or less of the thickness of the composite material.
  • the number of openings is 2 or more and 12 or less per 1 mm 2 of the area of the first surface.
  • the ratio of the average value of the maximum value of the equivalent circle diameter of the opening to the thickness of the second layer is 0.3 or more and 5.0 or less.
  • both a low linear expansion coefficient and a high heat dissipation property can be achieved.
  • the ratio of the average value of the maximum value of the equivalent circle diameter of the opening to the thickness of the second layer may be 1.6 or more and less than 5.0.
  • the thermal conductivity in the thickness direction may be 290 W / m ⁇ K or more at room temperature.
  • the linear expansion coefficient in the in-layer direction orthogonal to the thickness direction when the temperature changes from room temperature to 800 ° C. may be 9.0 ppm / K or less.
  • the end temperature difference may be 50 ° C. or less.
  • the thermal conductivity in the thickness direction may be 300 W / m ⁇ K or more at room temperature.
  • the linear expansion coefficient in the in-layer direction orthogonal to the thickness direction when the temperature changes from room temperature to 800 ° C. may be 8.5 ppm / K or less.
  • the end temperature difference may be 40 ° C. or less.
  • the average value of the circle-equivalent diameter of the opening on the first surface and the average value of the circle-equivalent diameter of the opening on the second surface are 0.05 mm or more and 0. It may be .35 mm or less.
  • the average value of the minimum opening area of the opening may be 57% or more and 100% or less of the average value of the maximum opening area of the opening.
  • the total number of the first layer and the number of the second layer may be 9 or less.
  • the heat spreader according to the embodiment includes the composite materials of (1) to (9) above.
  • the first surface of the composite material is a contact surface with a heat generating source.
  • the semiconductor package according to the embodiment includes the composite material of (1) to (9) above and a semiconductor element arranged on the first surface of the composite material.
  • the semiconductor package of (11) above may further include a case member made of a ceramic material.
  • the case member is arranged on the first surface so as to surround the semiconductor element.
  • composite material 10 (Structure of Composite Material According to Embodiment)
  • composite material 10 the configuration of the composite material (hereinafter referred to as “composite material 10”) according to the embodiment will be described.
  • FIG. 1 is a perspective view of the composite material 10. As shown in FIG. 1, the composite material 10 has a plate-like shape. The composite material 10 has a first surface 10a and a second surface 10b. The first surface 10a and the second surface 10b are end faces of the composite material 10 in the thickness direction. That is, the second surface 10b is the opposite surface of the first surface 10a in the thickness direction of the composite material 10.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the composite material 10.
  • the composite material 10 has a plurality of first layers 11 and a plurality of second layers 12.
  • the number of the first layer 11 is 4, the number of the second layer 12 is 3, and the total number of the first layer 11 and the second layer 12 is 7. ..
  • one of the first layers 11 is located on the first surface 10a, and the other one of the first layers 11 is located on the second surface 10b.
  • the composite materials 10 are alternately laminated along the thickness direction.
  • the second layer 12 is sandwiched between the two first layers 11 along the thickness direction of the composite material 10.
  • the thickness of the composite material 10 is defined as the thickness T1.
  • the first layer 11 is formed of a metal material containing copper as a main component.
  • the "metal material containing copper as a main component” means a metal material having a copper content of 50% by mass or more.
  • the metal material containing copper as a main component is preferably a copper alloy containing 70% by mass or more of copper.
  • the first layer 11 is made of, for example, pure copper. Pure copper is a metallic material composed of copper and unavoidable impurities constituting the balance.
  • the first layer 11a the one located on the first surface 10a is referred to as the first layer 11a.
  • the first layer 11b the one located on the second surface 10b is referred to as the first layer 11b.
  • the thickness of the first layer 11 is defined as the thickness T2.
  • the thickness T2 of the first layer 11a (first layer 11b) is 0.025 mm or more and 30% or less of the thickness T1.
  • the second layer 12 has a molybdenum plate 13 and a copper filler 14.
  • the molybdenum plate 13 is made of a metal material containing molybdenum as a main component.
  • the "metal material containing molybdenum as a main component” is a metal material having a molybdenum content of 50% by mass or more.
  • the metal material containing molybdenum as a main component preferably contains 70% by mass or more of molybdenum.
  • the molybdenum plate 13 is made of, for example, pure molybdenum. Pure molybdenum is a metallic material composed of molybdenum and the unavoidable impurities constituting the balance.
  • the copper filler 14 is made of a metal material containing copper as a main component.
  • the copper filler 14 is made of, for example, pure copper.
  • the copper filler 14 is preferably made of the same material as the first layer 11.
  • the molybdenum plate 13 is a plate-like body.
  • the molybdenum plate 13 has a first surface 13a and a second surface 13b.
  • the first surface 13a and the second surface 13b are end faces in the thickness direction of the composite material 10. That is, the second surface 13b is the opposite surface of the first surface 13a in the thickness direction of the composite material 10.
  • the molybdenum plate 13 has a plurality of openings 13c.
  • the opening 13c penetrates the molybdenum plate 13 along the direction from the first surface 13a to the second surface 13b.
  • the number of openings 13c per 1 mm 2 area of the first surface 10a (second surface 10b) (value obtained by dividing the total number of openings 13c by the area of the first surface 10a (second surface 10b)) is 2 or more and 12 It is as follows.
  • the copper filler 14 is arranged inside the opening 13c.
  • the second layer 12 the one in contact with the first layer 11a is referred to as the second layer 12a.
  • the second layer 12b those in contact with the first layer 11b are referred to as the second layer 12b.
  • the thickness of the second layer 12 is defined as the thickness T3.
  • the thickness T3 of the second layer 12a (second layer 12b) is 0.05 mm or more and 35% or less of the thickness T1.
  • FIG. 3 is a plan view of the molybdenum plate 13.
  • the opening 13c has a circular shape in a plan view.
  • the opening 13c may have, for example, an elliptical shape, a polygonal shape, or any other shape in a plan view.
  • the circle-equivalent diameter of the opening 13c in a plan view is defined as the opening diameter D.
  • the opening diameter D is obtained by calculating the square root of the value obtained by dividing the area of the opening 13c in a plan view by ⁇ / 4.
  • the opening diameter D is constant over the first surface 13a and the second surface 13b.
  • the opening diameter D may vary between the first surface 13a and the second surface 13b, and may not be constant between the first surface 13a and the second surface 13b.
  • the opening diameter D is from one of the first surface 13a and the second surface 13b to the first surface 13a and the second surface 13b. It may decrease toward the other side.
  • the maximum value of the opening diameter D in the thickness direction is defined as the opening diameter D max .
  • the average value of the opening diameter D max (the value obtained by summing the opening diameter D max for all the openings 13c and dividing the total value by the total number of the openings 13c) is defined as the average circle equivalent diameter.
  • the value obtained by dividing the average circle equivalent diameter by the thickness T3, that is, the ratio of the average circle equivalent diameter to the thickness T3 is 0.3 or more and 5.0 or less.
  • the ratio of the average circle equivalent diameter to the thickness T3 is preferably 1.6 or more and less than 5.0.
  • the average value of the opening diameter D on the first surface 13a (the value obtained by summing the opening diameter D on the first surface 13a for all the openings 13c and dividing the total value by the total number of the openings 13c) and the second surface 13b.
  • the average value of the opening diameter D (the value obtained by summing the opening diameter D on the second surface 13b for all the openings 13c and dividing the total value by the total number of the openings 13c) is 0.05 mm or more and 0.35 mm, respectively. The following is preferable.
  • the opening area of the opening 13c is measured on a plane parallel to the first plane 13a.
  • the minimum value of the opening area of the opening 13c when measured between the first surface 13a and the second surface 13b along the thickness direction of the molybdenum plate 13 is defined as the minimum opening area of the opening 13c.
  • the maximum value of the opening area of the opening 13c when measured between the first surface 13a and the second surface 13b along the thickness direction of the molybdenum plate 13 is defined as the maximum opening area of the opening 13c.
  • the average value of the minimum opening area of the opening 13c (the value obtained by summing the minimum opening area of the opening 13c for all the openings 13c and dividing the total value by the total number of the openings 13c) is the maximum opening of the opening 13c. It is more preferably 57% or more and 100% or less of the average value of the area (the value obtained by summing the maximum opening area of the openings 13c for all the openings 13c and dividing the total value by the total number of the opening
  • the thermal conductivity of the composite material 10 in the thickness direction is preferably 290 W / m ⁇ K or more at room temperature.
  • the thermal conductivity of the composite material 10 in the thickness direction is preferably 300 W / m ⁇ K or more at room temperature.
  • the "room temperature” means 27 ° C.
  • the thermal conductivity in the thickness direction of the composite material 10 is measured by using the laser flash method.
  • the thermal diffusivity of the composite material 10 is measured using LFA457 MicroFlash (manufactured by NETZSCH), and the composite material is based on the thermal diffusivity and the volume ratio and specific heat of each constituent material of the composite material 10.
  • the thermal conductivity in the thickness direction of 10 is calculated.
  • the specific heat of each constituent material is determined based on "Metal Data Book 4th Edition" (2004, Maruzen Publishing) edited by the Japan Institute of Metals.
  • the thermal conductivity of a pure copper sample having the same shape is measured under the same conditions, and the result is used as a reference to correct the measurement result.
  • FIG. 4A is a first explanatory view of a procedure for preparing a measurement sample of thermal conductivity in the thickness direction of the composite material 10.
  • the flakes 15 are cut out from the composite material 10 to be measured.
  • the thickness, length and width of the flakes 15 are t (mm), B (mm) and C (mm), respectively.
  • X be the number obtained by dividing 2 by t and rounding up to the nearest whole number.
  • the number obtained by dividing 10 by B and rounding up to the nearest whole number is Y1.
  • Y2 be the number obtained by dividing 10 by C and rounding up to the nearest whole number. From the composite material 10 to be measured, a number of flakes 15 equal to the product of X, Y1 and Y2 is cut out.
  • FIG. 4B is a second explanatory view of a procedure for preparing a measurement sample of thermal conductivity in the thickness direction of the composite material 10.
  • the block 16 is made from X slices 15.
  • the thickness, length and width of the block 16 are about 2 (mm), B (mm) and C (mm), respectively.
  • X thin sections 15 are stacked.
  • an amorphous powder formed of sterling silver having an average particle size of 4 ⁇ m is arranged between the adjacent flakes 15.
  • the amount of amorphous powder placed between adjacent flakes 15 is 0.2 g ⁇ 30 percent per 100 mm 2 .
  • a rectangular mold (not shown) having an opening having an inner dimension of B (mm) ⁇ C (mm) was prepared and stacked in the opening.
  • the flakes 15 are arranged.
  • the above mold is made of graphite.
  • the stacked flakes 15 are heat-treated with a load P applied.
  • the load P is 4.9 N or more and 9.8 N or less.
  • the heat treatment is performed in an inert gas atmosphere.
  • the heat treatment is performed at a holding temperature of 900 ° C. and a holding time of 10 minutes. By the heat treatment, the amorphous powder is softened and deformed, and the adjacent flakes 15 are adhered to each other, whereby the block 16 is produced.
  • FIG. 4C is a third explanatory diagram of a procedure for preparing a measurement sample of thermal conductivity in the thickness direction of the composite material 10.
  • a measurement sample 17 having a height of about 10 mm, a width of about 10 mm, and a thickness of about 2 mm is produced.
  • the adjacent blocks 16 are adhered to each other by an adhesive member.
  • an adhesive member a silver wax foil, a ceramic adhesive, or the like that can withstand a temperature of up to about 800 ° C. is used.
  • the block 16 in which one Y in the vertical direction and two Y in the horizontal direction may be fixed by winding a stainless wire or the like around the outer periphery thereof.
  • the linear expansion coefficient of the composite material 10 in the in-layer direction (direction orthogonal to the thickness direction) when the temperature changes from room temperature to 800 ° C. is preferably 9.0 ppm / K or less. It is more preferable that the linear expansion coefficient of the composite material 10 in the in-layer direction when the temperature changes from room temperature to 800 ° C. is 8.5 ppm / K or less.
  • the linear expansion coefficient of the composite material 10 in the in-layer direction when the temperature changes from room temperature to 800 ° C. is the in-layer direction of the composite material 10 in the temperature range from room temperature to 800 ° C. using TDS5000SA (manufactured by Bruker AXS). It is calculated by measuring the expansion displacement of.
  • TDS5000SA manufactured by Bruker AXS
  • the planar shape of the composite material 10 is a rectangular shape of 3 mm ⁇ 15 mm.
  • the measured value is the average value for the three samples.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram of a method for evaluating the heat dissipation performance of the composite material 10.
  • FIG. 5 schematically shows a state of the composite material 10 as viewed from one side surface.
  • the composite material 10 is cut into a rectangular shape having a length and width of 10 mm when viewed from a direction perpendicular to the first surface 10a.
  • a heating element 70 is brought into contact with the center of the first surface 10a of the cut composite material 10.
  • the heating element 70 has a rectangular shape having a length and width of 10 mm when viewed from a direction perpendicular to the first surface 10a.
  • the heating element of the heating element 70 is 50 W.
  • Aluminum fins 80 are adhered to the second surface 10b of the cut composite material 10 using silicone oil (G-751 manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.). This adhesion is performed by applying a load of 9.8 N with silicone oil placed between the second surface 10b of the cut composite material 10 and the aluminum fins 80.
  • silicone oil G-751 manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.
  • the temperature at the interface between the first surface 10a of the cut composite material 10 and the heating element 70 is defined as the first temperature.
  • the temperature at the end (corner portion) of the first surface 10a of the cut composite material 10 is defined as the second temperature.
  • the temperature at the interface between the second surface 10b of the cut composite material 10 and the aluminum fin 80 is defined as the third temperature.
  • the first temperature, the second temperature and the third temperature are measured by a thermocouple (not shown).
  • the air cooling for the aluminum fin 80 is controlled so that the third temperature is 25 ° C ⁇ 3 ° C.
  • the ambient temperature as the measurement environment is 25 ° C ⁇ 5 ° C.
  • the second temperature is the end temperature difference of the composite material 10. This end temperature difference is measured 10 times, and the average value is adopted. That is, the temperature difference at the end of the composite material 10 is such that the heating element 70 is in contact with the first surface 10a and the heating element 70 is in contact with the second surface 10b in a state where the aluminum fins 80 are adhered to the second surface 10b. It is the difference between the temperature at the portion of the surface 10a and the temperature at the end (corner portion) of the first surface 10a. The smaller the end temperature difference, the better the heat conduction in the layer of the composite material 10.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the composite material 10 according to the first modification.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of the composite material 10 according to the second modification.
  • the total number of the first layer 11 and the second layer 12 may be 5.
  • the total number of the first layer 11 and the second layer 12 may be 9.
  • FIG. 8 is a process diagram showing a manufacturing method of the composite material 10. As shown in FIG. 8, the method for manufacturing the composite material 10 includes a preparation step S1, a drilling step S2, and a joining step S3.
  • the first plate material is a plate material formed of a metal material containing copper as a main component.
  • the second plate material is formed of a metal material containing molybdenum as a main component.
  • drilling is performed on the second plate material.
  • a plurality of openings penetrating the second plate material in the thickness direction are formed in the second plate material.
  • the second plate material becomes a molybdenum plate 13.
  • the drilling process for the second plate material is performed, for example, by etching or laser irradiation.
  • the first plate material and the molybdenum plate 13 are alternately laminated in the mold (in the following, the first plate material and the molybdenum plate 13 are alternately laminated. Laminated body).
  • the mold is made of graphite, for example.
  • the first plate material and the molybdenum plate 13 are laminated so that the first plate material is located on the surface of the laminated body.
  • heating and pressurizing the laminated body are performed.
  • the heating temperature is set to a temperature lower than the melting point of the first plate material and a temperature at which the first plate material is sufficiently softened.
  • the heating temperature is, for example, 1000 ° C.
  • Pressurization is performed along the thickness direction of the laminate. Pressurization is performed at the pressure required to flow the first plate material softened by heating. Pressurization is performed by, for example, a pressure of 50 MPa.
  • the first plate material is filled in the opening 13c of the molybdenum plate 13 to become a copper filler 14. Further, the remaining portion of the first plate material that is not filled in the opening 13c becomes the first layer 11.
  • semiconductor package 100 The configuration of the semiconductor package (hereinafter referred to as “semiconductor package 100”) according to the embodiment will be described below.
  • FIG. 9 is an exploded perspective view of the semiconductor package 100.
  • the semiconductor package 100 includes a composite material 10, a semiconductor element 20, a case member 30, a lid 40, and terminals 50a and 50b.
  • the composite material 10 functions as a heat spreader in the semiconductor package 100.
  • the semiconductor element 20 is arranged on the first surface 10a.
  • a heat transfer member may be interposed between the semiconductor element 20 and the first surface 10a.
  • the semiconductor element 20 becomes a heat generation source during operation.
  • the case member 30 is made of, for example, a ceramic material.
  • the ceramic material is, for example, alumina (Al 2 O 3 ).
  • the case member 30 is arranged on the first surface 10a so as to surround the semiconductor element 20.
  • the lower end of the case member 30 (the end on the first surface 10a side) and the first surface 10a are joined by, for example, brazing.
  • the lid 40 is made of, for example, a ceramic material or a metal material. The lid 40 closes the upper end side of the case member 30.
  • the terminal 50a and the terminal 50b are inserted into the case member 30. As a result, one end of the terminal 50a and the terminal 50b is located in the space defined by the first surface 10a, the case member 30 and the lid 40, and the other end of the terminal 50a and the terminal 50b is located outside the space. is doing.
  • the terminal 50a and the terminal 50a are made of, for example, a metal material.
  • the metallic material is, for example, Kovar.
  • one end side of the terminal 50a and the terminal 50b is electrically connected to the semiconductor element 20.
  • the semiconductor package 100 is electrically connected to a device or circuit different from the semiconductor package 100 on the other end side of the terminals 50a and 50b.
  • a heat radiating member 60 is attached to the second surface 10b.
  • the heat radiating member 60 is, for example, a metal plate in which a flow path through which a refrigerant flows is formed.
  • the heat radiating member 60 is not limited to this.
  • the heat radiating member 60 may be, for example, a cooling fin.
  • a heat transfer member may be interposed between the heat radiating member 60 and the second surface 10b.
  • the heat from the heat generation source is increased by increasing the thermal conductivity on the first surface 10a (second surface 10b) side. It is effective to diffuse along the in-layer direction.
  • the thickness T2 of the first layer 11a (first layer 11b) having a relatively high thermal conductivity is secured to be 0.025 mm or more. Therefore, according to the composite material 10, the heat from the heat generating source can be efficiently dissipated from the first surface 10a (second surface 10b).
  • the composite material 10 is exposed to a high temperature (for example, about 800 ° C.) when the case member 30 is brazed, for example. Therefore, the composite material 10 is required to have a small thermal expansion when exposed to a high temperature.
  • the thickness T3 of the second layer 12a (second layer 12b) having a relatively low linear expansion coefficient is secured to be 0.05 mm or more.
  • the thickness T2 of the first layer 11a (first layer 11b) is set to 30% or less of the thickness T1, so that the first layer 11a (first layer) having a relatively high linear expansion coefficient is used. 11b) is designed not to be excessively thick. Therefore, according to the composite material 10, thermal expansion when exposed to a high temperature is suppressed.
  • the thermal conductivity of the composite material 10 In order to improve the heat dissipation of the composite material 10, it is required to increase not only the thermal conductivity on the first surface 10a (second surface 10b) side but also the thermal conductivity of the composite material 10 as a whole. However, if the ratio of molybdenum in the composite material 10 is increased, the linear expansion coefficient of the composite material 10 as a whole decreases, while the thermal conductivity of the composite material 10 as a whole decreases.
  • the ratio of molybdenum decreases, and the thermal conductivity of the composite material 10 as a whole decreases.
  • the thickness T3 of the second layer 12a (second layer 12b) is increased, the ratio of molybdenum in the composite material 10 increases, and the thermal conductivity of the composite material 10 as a whole decreases.
  • the number of openings 13c is 2 or more and 12 or less per 1 mm 2 of the area of the first surface 10a (second surface 10b), and the average circle equivalent diameter of the openings 13c is divided by the thickness T3.
  • the value is 0.3 or more and 5.0 or less.
  • the thickness T3 of the second layer 12a (second layer 12b) is 35% or less of the thickness T1
  • the thickness T3 of the second layer 12a (second layer 12b) is excessively thick. It is designed not to be. Therefore, according to the composite material 10, the balance between the thermal conductivity and the linear expansion coefficient is maintained for the composite material 10 as a whole.
  • Samples 1 to 48 were prepared in order to confirm the effect of the composite material 10.
  • the first layer 11 was made of pure copper.
  • the molybdenum plate 13 was made of pure molybdenum, and the copper filler 14 was made of pure copper.
  • Table 1 and Table 3 show the dimensions of the composite material 10 in Samples 1 to 48. Since the thickness T2 other than the first layer 11a and the first layer 11b is determined by the thickness T1 of the composite material 10, the thickness T2 of the first layer 11a and the first layer 11b, and the thickness T3 of the second layer 12. The description is omitted in Tables 1 to 3. Further, in the samples 27 to 48, the thickness T3 of the second layer 12a and the second layer 12b is equal to the thickness T3 of the second layer 12 other than the second layer 12a and the second layer 12b.
  • Condition A is that the thickness T1 of the first layer 11a (first layer 11b) is 0.025 mm or more and 30% or less of the thickness T3.
  • Condition B is that the thickness T2 of the second layer 12a (second layer 12b) is 0.05 mm or more and 30% or less of the thickness T3.
  • Condition C is that the number of openings 13c per 1 mm 2 area of the first surface 10a (second surface 10b) is 2 or more and 12 or less.
  • Condition D is that the value obtained by dividing the average circle-equivalent diameter of the opening 13c by the thickness T3 is 0.3 or more and 5.0 or less.
  • Condition E is that the value obtained by dividing the average circle-equivalent diameter of the opening 13c by the thickness T3 is 1.6 or more and less than 5.0.
  • Tables 4, 5 and 6 show the thermal conductivity in the thickness direction for Samples 1 to 48, the linear expansion coefficient in the in-layer direction when the temperature changes from room temperature to 800 ° C., and the measurement of the end temperature difference. The results are shown.
  • Condition F is that the thermal conductivity in the thickness direction is 290 W / m ⁇ K or more.
  • Condition G is that the linear expansion coefficient in the in-layer direction when the temperature changes from room temperature to 800 ° C. is 9.0 ppm / K or less.
  • Condition H is that the end temperature difference is 50 ° C. or less.
  • Condition I is that the thermal conductivity in the thickness direction is 300 W / m ⁇ K or more.
  • Condition J is that the linear expansion coefficient in the in-layer direction when the temperature changes from room temperature to 800 ° C. is 8.5 ppm / K or less.
  • Condition K is that the end temperature difference is 40 ° C. or less.

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Abstract

複合材料は、複数の第１層と、複数の第２層とを備える。第１層及び第２層の数の合計は、５以上である。第１層及び第２層は、第１層が第１表面及び第２表面に位置するように複合材料の厚さ方向に沿って交互に積層されている。第１層は、銅を主成分とする金属材料で形成されている。第２層は、モリブデン板と、銅フィラーとを有している。モリブデン板は、厚さ方向における端面である第１面及び第２面と、第１面から第２面に向かってモリブデン板を貫通している複数の開口部とを含んでいる。銅フィラーは、開口部の内部に配置されている。第１表面に位置する第１層の厚さは、０．０２５ｍｍ以上かつ複合材料の厚さの３０パーセント以下である。第１表面に位置する第１層に接する第２層の厚さは、０．０５ｍｍ以上かつ複合材料の厚さの３５パーセント以下である。

Description

複合材料、ヒートスプレッダ及び半導体パッケージ
　本開示は、複合材料、ヒートスプレッダ及び半導体パッケージに関する。本出願は、２０２０年８月６日に出願した日本特許出願である特願２０２０－１３３７７６号に基づく優先権を主張する。当該日本特許出願に記載された全ての記載内容は、参照によって本明細書に援用される。
　特許文献１（特開２０１８－１８９７６号公報）には、放熱基板が記載されている。特許文献１に記載の放熱基板は、芯基材と、第１熱伝導部材と、第２熱伝導部材とを有している。芯基材は、モリブデン（Ｍｏ）で形成されている。第１熱伝導部材及び第２熱伝導部材は、銅（Ｃｕ）で形成されている。芯基材は、第１面と、第１面の反対面である第２面とを有している。第１熱伝導部材及び第２熱伝導部材は、それぞれ、第１面及び第２面上に配置されている。
　芯基材は、第１面から第２面に向かう方向に沿って芯基材を貫通している開口部を有している。開口部の内部には、挿入体が配置されている。挿入体は、銅で形成されている。
特開２０１８－１８９７６号公報
　本開示の複合材料は、板状であり、第１表面と、第１表面の反対面である第２表面とを有する。複合材料は、複数の第１層と、複数の第２層とを備えている。第１層の数及び第２層の数の合計は、５以上である。第１層及び第２層は、第１層が第１表面及び第２表面に位置するように、複合材料の厚さ方向に沿って交互に積層されている。第１層は、銅を主成分とする金属材料で形成されている。第２層は、モリブデン板と、銅フィラーとを有している。モリブデン板は、厚さ方向における端面である第１面及び第２面と、第１面から第２面に向かってモリブデン板を貫通している複数の開口部とを含んでいる。銅フィラーは、開口部の内部に配置されている。第１表面に位置する第１層の厚さは、０．０２５ｍｍ以上かつ複合材料の厚さの３０パーセント以下である。第１表面に位置する第１層に接する第２層の厚さは、０．０５ｍｍ以上かつ複合材料の厚さの３５パーセント以下である。開口部の数は、第１表面の面積１ｍｍ２あたり、２以上１２以下である。開口部の円相当径の最大値の平均値と第２層の厚さとの比は、０．３以上５．０以下である。
図１は、複合材料１０の斜視図である。 図２は、複合材料１０の断面図である。 図３は、モリブデン板１３の平面図である。 図４Ａは、複合材料１０の厚さ方向の熱伝導率の測定試料の作成手順の第１説明図である。 図４Ｂは、複合材料１０の厚さ方向の熱伝導率の測定試料の作成手順の第２説明図である。 図４Ｃは、複合材料１０の厚さ方向の熱伝導率の測定試料の作成手順の第３説明図である。 図５は、複合材料１０の放熱性能の評価方法の説明図である。 図６は、第１変形例に係る複合材料１０の断面図である。 図７は、第２変形例に係る複合材料１０の断面図である。 図８は、複合材料１０の製造方法を示す工程図である。 図９は、半導体パッケージ１００の分解斜視図である。
　［本開示が解決しようとする課題］
　特許文献１に記載の放熱基板は、低い線膨張係数及び高い放熱性の両立に改善の余地がある。
　本開示は、上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされたものである。より具体的には、本開示は、低い線膨張係数及び高い放熱性を両立可能な複合材料を提供するものである。
　［本開示の効果］
　本開示の複合材料によると、低い線膨張係数及び高い放熱性を両立することができる。
　［本開示の実施形態の説明］
　まず、本開示の実施形態を列記して説明する。
　（１）一実施形態に係る複合材料は、板状であり、第１表面と第１表面の反対面である第２表面を有する。複合材料は、複数の第１層と、複数の第２層とを備えている。第１層の数及び第２層の数の合計は、５以上である。第１層及び第２層は、第１層が第１表面及び第２表面に位置するように、複合材料の厚さ方向に沿って交互に積層されている。第１層は、銅を主成分とする金属材料で形成されている。第２層は、モリブデン板と、銅フィラーとを有している。モリブデン板は、厚さ方向における端面である第１面及び第２面と、第１面から第２面に向かってモリブデン板を貫通している複数の開口部とを含んでいる。銅フィラーは、開口部の内部に配置されている。第１表面に位置する第１層の厚さは、０．０２５ｍｍ以上かつ複合材料の厚さの３０パーセント以下である。第１表面に位置する第１層に接する第２層の厚さは、０．０５ｍｍ以上かつ複合材料の厚さの３５パーセント以下である。開口部の数は、第１表面の面積１ｍｍ２あたり、２以上１２以下である。開口部の円相当径の最大値の平均値と第２層の厚さとの比は、０．３以上５．０以下である。
　上記（１）に係る複合材料によると、低い線膨張係数及び高い放熱性を両立することができる。
　（２）上記（１）の複合材料では、開口部の円相当径の最大値の平均値と第２層の厚さとの比が、１．６以上５．０未満であってもよい。
　（３）上記（１）又は（２）の複合材料では、厚さ方向の熱伝導率が、室温において、２９０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であってもよい。室温から８００℃まで温度が変化した際の厚さ方向に直交している層内方向の線膨張係数が、９．０ｐｐｍ／Ｋ以下であってもよい。
　（４）上記（３）の複合材料では、端部温度差が５０℃以下であってもよい。
　（５）上記（１）又は（２）の複合材料では、厚さ方向の熱伝導率が、室温において、３００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であってもよい。室温から８００℃まで温度が変化した際の厚さ方向に直交している層内方向の線膨張係数が、８．５ｐｐｍ／Ｋ以下であってもよい。
　（６）上記（５）の複合材料では、端部温度差が４０℃以下であってもよい。
　（７）上記（１）から（６）の複合材料では、第１面における開口部の円相当径の平均値及び第２面における開口部の円相当径の平均値が、０．０５ｍｍ以上０．３５ｍｍ以下であってもよい。
　（８）上記（１）から（７）の複合材料では、開口部の最小開口面積の平均値は、開口部の最大開口面積の平均値の５７パーセント以上１００パーセント以下であってもよい。
　（９）上記（１）から（８）の複合材料では、第１層の数及び第２層の数の合計は、９以下であってもよい。
　（１０）一実施形態に係るヒートスプレッダは、上記（１）から（９）の複合材料を備える。複合材料の第１表面は、発熱源との接触面となっている。
　（１１）一実施形態に係る半導体パッケージは、上記（１）から（９）の複合材料と、複合材料の第１表面上に配置されている半導体素子とを備える。
　（１２）上記（１１）の半導体パッケージは、セラミックス材料で形成されているケース部材をさらに備えていてもよい。ケース部材は、半導体素子を取り囲むように第１表面上に配置されている。
　［本開示の実施形態の詳細］
　次に、本開示の実施形態の詳細を、図面を参照しながら説明する。以下の図面においては、同一又は相当する部分に同一の参照符号を付し、重複する説明は繰り返さないものとする。
　（実施形態に係る複合材料の構成）
　以下に、実施形態に係る複合材料（以下「複合材料１０」とする）の構成を説明する。
　図１は、複合材料１０の斜視図である。図１に示されるように、複合材料１０は、板状の形状を有している。複合材料１０は、第１表面１０ａと、第２表面１０ｂとを有している。第１表面１０ａ及び第２表面１０ｂは、複合材料１０の厚さ方向における端面である。すなわち、第２表面１０ｂは、複合材料１０の厚さ方向における第１表面１０ａの反対面である。
　図２は、複合材料１０の断面図である。図２に示されるように、複合材料１０は、複数の第１層１１と、複数の第２層１２とを有している。図２に示される例においては、第１層１１の数は４であり、第２層１２の数は３であり、第１層１１の数及び第２層１２の数の合計は７である。
　第１層１１及び第２層１２は、第１層１１のうちの１つが第１表面１０ａに位置するとともに、第１層１１のうちの他の１つが第２表面１０ｂに位置するように、複合材料１０の厚さ方向に沿って交互に積層されている。第２層１２は、複合材料１０の厚さ方向に沿って、２つの第１層１１に挟み込まれている。複合材料１０の厚さを、厚さＴ１とする。
　第１層１１は、銅を主成分とする金属材料で形成されている。ここで、「銅を主成分とする金属材料」とは、銅の含有量が５０質量パーセント以上の金属材料をいう。銅を主成分とする金属材料は、７０質量パーセント以上の銅を含有している銅合金であることが好ましい。第１層１１は、例えば、純銅で形成されている。なお、純銅とは、銅と残部を構成している不可避不純物とからなる金属材料である。
　第１層１１のうち、第１表面１０ａに位置しているものを、第１層１１ａとする。第１層１１のうち、第２表面１０ｂに位置しているものを、第１層１１ｂとする。第１層１１の厚さを、厚さＴ２とする。第１層１１ａ（第１層１１ｂ）の厚さＴ２は、０．０２５ｍｍ以上かつ厚さＴ１の３０パーセント以下である。
　第２層１２は、モリブデン板１３と、銅フィラー１４とを有している。モリブデン板１３は、モリブデンを主成分とする金属材料で形成されている。「モリブデンを主成分とする金属材料」とは、モリブデンの含有量が５０質量パーセント以上の金属材料である。モリブデンを主成分とする金属材料は、７０質量パーセント以上のモリブデンを含有していることが好ましい。モリブデン板１３は、例えば、純モリブデンで形成されている。純モリブデンは、モリブデンと残部を構成している不可避不純物とからなる金属材料である。銅フィラー１４は、銅を主成分とする金属材料で形成されている。銅フィラー１４は、例えば、純銅で形成されている。銅フィラー１４は、好ましくは、第１層１１と同一の材料で形成されている。
　モリブデン板１３は、板状体である。モリブデン板１３は、第１面１３ａと、第２面１３ｂとを有している。第１面１３ａ及び第２面１３ｂは、複合材料１０の厚さ方向における端面である。すなわち、第２面１３ｂは、複合材料１０の厚さ方向における第１面１３ａの反対面である。
　モリブデン板１３は、複数の開口部１３ｃを有している。開口部１３ｃは、第１面１３ａから第２面１３ｂに向かう方向に沿ってモリブデン板１３を貫通している。第１表面１０ａ（第２表面１０ｂ）の面積１ｍｍ２あたりの開口部１３ｃの数（開口部１３ｃの総数を第１表面１０ａ（第２表面１０ｂ）の面積で除した値）は、２以上１２以下である。銅フィラー１４は、開口部１３ｃの内部に配置されている。
　第２層１２のうち、第１層１１ａに接しているものを、第２層１２ａとする。第２層１２のうち、第１層１１ｂに接しているものを、第２層１２ｂとする。第２層１２の厚さを、厚さＴ３とする。第２層１２ａ（第２層１２ｂ）の厚さＴ３は、０．０５ｍｍ以上かつ厚さＴ１の３５パーセント以下である。
　図３は、モリブデン板１３の平面図である。図３に示されるように、開口部１３ｃは、平面視において、円形形状を有している。但し、平面視における開口部１３ｃの形状は、円形形状に限られない。開口部１３ｃは、平面視において、例えば、楕円形状、多角形形状及びその他の形状のいずれかであってもよい。平面視における開口部１３ｃの円相当径を、開口径Ｄとする。開口径Ｄは、平面視における開口部１３ｃの面積をπ／４で除した値の平方根を計算することにより得られる。
　開口径Ｄは、第１面１３ａと第２面１３ｂとの間にわたって一定である。開口径Ｄは、第１面１３ａと第２面１３ｂとの間において変化していてもよく、第１面１３ａと第２面１３ｂとの間において一定でなくてもよい。開口径Ｄが第１面１３ａと第２面１３ｂとの間において変化している場合、開口径Ｄは、第１面１３ａ及び第２面１３ｂの一方から第１面１３ａ及び第２面１３ｂの他方に向かうにしたがって減少していてもよい。ある１つの開口部において、厚さ方向の開口径Ｄの最大値を、開口径Ｄｍａｘとする。
　開口径Ｄｍａｘの平均値（開口径Ｄｍａｘを全ての開口部１３ｃについて合計するとともに、当該合計値を開口部１３ｃの総数で除した値）を平均円相当径と定義する。１つの第２層１２について、平均円相当径を厚さＴ３で除した値、すなわち平均円相当径と厚さＴ３との比は、０．３以上５．０以下である。平均円相当径と厚さＴ３との比は、１．６以上５．０未満であることが好ましい。
　第１面１３ａにおける開口径Ｄの平均値（第１面１３ａにおける開口径Ｄを全ての開口部１３ｃについて合計するとともに当該合計値を開口部１３ｃの総数で除した値）及び第２面１３ｂにおける開口径Ｄの平均値（第２面１３ｂにおける開口径Ｄを全ての開口部１３ｃについて合計するとともに当該合計値を開口部１３ｃの総数で除した値）は、それぞれ、０．０５ｍｍ以上０．３５ｍｍ以下であることが好ましい。
　開口部１３ｃの開口面積は、第１面１３ａに平行な面で測定される。モリブデン板１３の厚さ方向に沿って第１面１３ａと第２面１３ｂとの間にわたって測定した際の開口部１３ｃの開口面積の最小値を、開口部１３ｃの最小開口面積とする。モリブデン板１３の厚さ方向に沿って第１面１３ａと第２面１３ｂとの間にわたって測定した際の開口部１３ｃの開口面積の最大値を、開口部１３ｃの最大開口面積とする。開口部１３ｃの最小開口面積の平均値（開口部１３ｃの最小開口面積を全ての開口部１３ｃについて合計するとともに当該合計値を開口部１３ｃの総数で除した値）は、開口部１３ｃの最大開口面積の平均値（開口部１３ｃの最大開口面積を全ての開口部１３ｃについて合計するとともに当該合計値を開口部１３ｃの総数で除した値）の５７パーセント以上１００パーセント以下であることがさらに好ましい。
　複合材料１０の厚さ方向の熱伝導率は、室温において、２９０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましい。複合材料１０の厚さ方向の熱伝導率は、室温において、３００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましい。なお、「室温」とは、２７℃をいう。
　複合材料１０の厚さ方向の熱伝導率は、レーザフラッシュ法を用いて測定される。レーザフラッシュ法においては、ＬＦＡ４５７ＭｉｃｒｏＦｌａｓｈ（ＮＥＴＺＳＣＨ社製）を用いて複合材料１０の熱拡散係数が測定されるとともに、当該熱拡散係数並びに複合材料１０の各構成材料の体積比及び比熱に基づいて複合材料１０の厚さ方向の熱伝導率が算出される。上記の熱伝導率の算出に際して、各構成材料の比熱は、日本金属学会編「金属データブック第４版」（２００４年、丸善出版）に基づいて決定される。また、複合材料１０の熱伝導率の測定に先立って、同一形状の純銅試料の熱伝導率を同一条件下で測定し、その結果をリファレンスとして用いて測定結果の補正を行う。
　図４Ａは、複合材料１０の厚さ方向の熱伝導率の測定試料の作成手順の第１説明図である。図４Ａに示されるように、測定対象となる複合材料１０から、薄片１５が切り出される。薄片１５の厚さ、長さ及び幅は、それぞれ、ｔ（ｍｍ）、Ｂ（ｍｍ）及びＣ（ｍｍ）である。
　２をｔで除した値の小数点以下を切り上げた数を、Ｘとする。１０をＢで除した値の小数点以下を切り上げた数を、Ｙ１する。１０をＣで除した値の小数点以下を切り上げた数を、Ｙ２とする。測定対象となる複合材料１０からは、Ｘ、Ｙ１及びＹ２の積に等しい数の薄片１５が切り出される。
　図４Ｂは、複合材料１０の厚さ方向の熱伝導率の測定試料の作成手順の第２説明図である。図４Ｂに示されるように、Ｘ枚の薄片１５から、ブロック１６が作製される。ブロック１６の厚さ、長さ及び幅は、それぞれ、約２（ｍｍ）、Ｂ（ｍｍ）及びＣ（ｍｍ）である。ブロック１６の作製においては、第１に、Ｘ枚の薄片１５が積み重ねられる。この際には、隣接している薄片１５の間に、平均粒径が４μｍの純銀により形成されている不定形粉末が配置される。隣接している薄片１５の間に配置される不定形粉末の量は、１００ｍｍ２あたり０．２ｇ±３０パーセントである。
　ブロック１６の作製においては、第２に、内寸がＢ（ｍｍ）×Ｃ（ｍｍ）の開口が形成されている矩形状の型（図示せず）が準備され、当該開口内に積み重ねられた薄片１５が配置される。上記の型は、黒鉛製である。ブロック１６の作製においては、第３に、積み重ねられた薄片１５は、荷重Ｐが加えられた状態で熱処理される。荷重Ｐは、４．９Ｎ以上９．８Ｎ以下である。熱処理は、不活性ガス雰囲気で行われる。熱処理は、９００℃の保持温度、１０分の保持時間で行われる。熱処理により、不定形粉末が軟化変形して隣接する薄片１５が接着されることにより、ブロック１６が作製される。
　図４Ｃは、複合材料１０の厚さ方向の熱伝導率の測定試料の作成手順の第３説明図である。図４Ｃに示されるように、ブロック１６を、縦にＹ１個、横にＹ２個並べることにより、高さ約１０ｍｍ、幅約１０ｍｍ、厚さ約２ｍｍの測定試料１７が作製される。ブロック１６を縦にＹ１個、横にＹ２個並べる際、隣り合うブロック１６は、接着部材により互いに接着される。接着部材には、銀ろう箔、セラミックス接着剤等の８００℃程度までの温度に耐えることができるものが用いられる。縦にＹ１個、横にＹ２個並べられたブロック１６は、その外周にステンレスワイヤ等を巻くことにより固定されてもよい。
　室温から８００℃まで温度が変化した際の複合材料１０の層内方向（厚さ方向に直交している方向）の線膨張係数は、９．０ｐｐｍ／Ｋ以下であることが好ましい。室温から８００℃まで温度が変化した際の複合材料１０の層内方向の線膨張係数は、８．５ｐｐｍ／Ｋ以下であることがさらに好ましい。
　室温から８００℃まで温度が変化した際の複合材料１０の層内方向の線膨張係数は、ＴＤＳ５０００ＳＡ（ブルカーＡＸＳ社製）を用いて室温から８００℃までの温度範囲における複合材料１０の層内方向の膨張変位を測定することにより算出される。室温から８００℃まで温度が変化した際の複合材料１０の層内方向の線膨張係数を算出する際、複合材料１０の平面形状は、３ｍｍ×１５ｍｍの矩形形状とされる。測定値は、３つの試料についての平均値とされる。
　複合材料１０の端部温度差は、５０℃以下であることが好ましい。複合材料１０の端部温度差は、４０℃以下であることがさらに好ましい。図５は、複合材料１０の放熱性能の評価方法の説明図である。図５には、複合材料１０の１つの側面から見た状態が模式的に示されている。複合材料１０は、第１表面１０ａに垂直な方向から見て、縦横が１０ｍｍの矩形状に切断される。切断された複合材料１０の第１表面１０ａの中央には、発熱体７０が接触される。発熱体７０は、第１表面１０ａに垂直な方向から見て、縦横が１０ｍｍの矩形状である。発熱体７０の発熱量は、５０Ｗである。
　切断された複合材料１０の第２表面１０ｂには、アルミニウムフィン８０が、シリコーンオイル（信越化学社製Ｇ－７５１）を用いて接着される。この接着は、切断された複合材料１０の第２表面１０ｂとアルミニウムフィン８０との間にシリコーンオイルを配置した状態で９．８Ｎの荷重を加えることにより行われる。
　切断された複合材料１０の第１表面１０ａと発熱体７０との界面における温度を、第１温度とする。切断された複合材料１０の第１表面１０ａの端部（角部）における温度を、第２温度とする。切断された複合材料１０の第２表面１０ｂとアルミニウムフィン８０との界面における温度を、第３温度とする。第１温度、第２温度及び第３温度は、図示しない熱電対により測定される。アルミニウムフィン８０に対する空冷は、第３温度が２５℃±３℃になるように制御される。測定環境としての周囲温度は、２５℃±５℃とされる。
　発熱体７０を切断された複合材料１０の第１表面１０ａに接触させた後に３０秒以上経過し、温度が定常状態になった際の第１温度と第２温度との差（第１温度－第２温度）が複合材料１０の端部温度差である。この端部温度差は、１０回の測定を行い、その平均値が採用される。すなわち、複合材料１０の端部温度差は、第１表面１０ａに発熱体７０が接触され、第２表面１０ｂにアルミニウムフィン８０が接着されている状態での発熱体７０が接触している第１表面１０ａの部分における温度と第１表面１０ａの端部（角部）における温度との差である。端部温度差が小さいほど、複合材料１０の層内方向の熱伝導が良好であることになる。
　＜変形例＞
　図６は、第１変形例に係る複合材料１０の断面図である。図７は、第２変形例に係る複合材料１０の断面図である。図６に示されるように、第１層１１の数及び第２層１２の数の合計は、５であってもよい。図７に示されるように、第１層１１の数及び第２層１２の数の合計は、９であってもよい。
　（実施形態に係る複合材料の製造方法）
　以下に、複合材料１０の製造方法を説明する。
　図８は、複合材料１０の製造方法を示す工程図である。複合材料１０の製造方法は、図８に示されるように、準備工程Ｓ１と、穴開け工程Ｓ２と、接合工程Ｓ３とを有している。
　準備工程Ｓ１においては、第１板材及び第２板材が準備される。第１板材は、銅を主成分とする金属材料で形成されている板材である。第２板材は、モリブデンを主成分とする金属材料で形成されている。
　穴開け工程Ｓ２においては、第２板材に対する穴開け加工が行われる。穴開け加工により、第２板材には、第２板材を厚さ方向に貫通する開口部が複数形成される。その結果、第２板材は、モリブデン板１３となる。第２板材に対する穴開け加工は、例えば、エッチング又はレーザ照射により行われる。
　接合工程Ｓ３においては、第１に、第１板材とモリブデン板１３とが、型内に交互に積層される（以下においては、第１板材とモリブデン板１３とが交互に積層されたものを、積層体という）。型は、例えば、グラファイトで形成されている。第１板材及びモリブデン板１３の積層は、第１板材が積層体の表面に位置するように行われる。
　接合工程Ｓ３においては、第２に、積層体に対する加熱及び加圧が行われる。加熱温度は、第１板材の融点未満かつ第１板材が十分に軟化する温度とされる。加熱温度は、例えば、１０００℃である。加圧は、積層体の厚さ方向に沿って行われる。加圧は、加熱により軟化した第１板材を流動させるために必要な圧力で行われる。加圧は、例えば、５０ＭＰａの圧力により行われる。
　上記の加熱及び加圧により、第１板材が流動する結果、第１板材がモリブデン板１３の開口部１３ｃに充填されて銅フィラー１４となる。また、開口部１３ｃに充填されなかった第１板材の残部は、第１層１１となる。
　（実施形態に係る半導体パッケージの構成）
　以下に、実施形態に係る半導体パッケージ（以下「半導体パッケージ１００」とする）の構成を説明する。
　図９は、半導体パッケージ１００の分解斜視図である。半導体パッケージ１００は、図９に示されるように、複合材料１０と、半導体素子２０と、ケース部材３０と、蓋４０と、端子５０ａ及び端子５０ｂとを有している。
　複合材料１０は、半導体パッケージ１００において、ヒートスプレッダとして機能している。半導体素子２０は、第１表面１０ａ上に配置されている。半導体素子２０と第１表面１０ａとの間には、伝熱部材が介在されていてもよい。半導体素子２０は、動作時に、発熱源となる。
　ケース部材３０は、例えば、セラミックス材料で形成されている。セラミックス材料は、例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）である。ケース部材３０は、半導体素子２０を取り囲むように第１表面１０ａ上に配置されている。ケース部材３０の下端（第１表面１０ａ側の端）と第１表面１０ａとの間は、例えばろう付けにより接合されている。蓋４０は、例えば、セラミックス材料又は金属材料で形成されている。蓋４０は、ケース部材３０の上端側を閉塞している。
　端子５０ａ及び端子５０ｂは、ケース部材３０に挿入されている。その結果、端子５０ａ及び端子５０ｂの一方端は第１表面１０ａ、ケース部材３０及び蓋４０により画される空間内に位置しており、端子５０ａ及び端子５０ｂの他方端は当該空間の外部に位置している。端子５０ａ及び端子５０ａは、例えば、金属材料で形成されている。金属材料は、例えば、コバールである。
　図示されていないが、端子５０ａ及び端子５０ｂの一方端側は、半導体素子２０に電気的に接続されている。半導体パッケージ１００は、端子５０ａ及び端子５０ｂの他方端側において、半導体パッケージ１００とは別の装置又は回路と電気的に接続される。
　第２表面１０ｂには、放熱部材６０が取り付けられる。放熱部材６０は、例えば、内部に冷媒が流れる流路が形成されている金属板である。但し、放熱部材６０は、これに限られるものではない。放熱部材６０は、例えば、冷却フィンであってもよい。放熱部材６０と第２表面１０ｂとの間には、伝熱部材が介在されていてもよい。
　（実施形態に係る複合材料の効果）
　以下に、複合材料１０の効果を説明する。
　発熱源からの熱を第１表面１０ａ（第２表面１０ｂ）から効率よく放散させるためには、第１表面１０ａ（第２表面１０ｂ）側において熱伝導率を高めることにより発熱源からの熱を層内方向に沿って拡散させることが有効である。
　複合材料１０では、熱伝導率が相対的に高い第１層１１ａ（第１層１１ｂ）の厚さＴ２が、０．０２５ｍｍ以上に確保されている。そのため、複合材料１０によると、発熱源からの熱を第１表面１０ａ（第２表面１０ｂ）から効率よく放散させることができる。
　複合材料１０は、例えばケース部材３０がろう付けされる際に、高温（例えば８００℃程度）に曝される。そのため、複合材料１０には、高温に曝された際の熱膨張が小さいことが求められる。複合材料１０では、線膨張係数が相対的に低い第２層１２ａ（第２層１２ｂ）の厚さＴ３が、０．０５ｍｍ以上に確保されている。また、複合材料１０では、第１層１１ａ（第１層１１ｂ）の厚さＴ２を厚さＴ１の３０パーセント以下とすることにより、線膨張係数が相対的に高い第１層１１ａ（第１層１１ｂ）が過度に厚くならないようになっている。そのため、複合材料１０によると、高温に曝された際の熱膨張が抑制されている。
　複合材料１０の放熱性の改善のためには、第１表面１０ａ（第２表面１０ｂ）側における熱伝導率のみならず、複合材料１０全体としての熱伝導率を高めることも求められる。しかしながら、複合材料１０中におけるモリブデンの比率を大きくすれば、複合材料１０全体としての線膨張係数が低下する一方で、複合材料１０全体としての熱伝導率が低下する。
　第１表面１０ａ（第２表面１０ｂ）の面積１ｍｍ２あたりの開口部１３ｃの数が多くなるほど又は開口部１３ｃの平均円相当径を厚さＴ３で除した値が大きくなるほど、複合材料１０中におけるモリブデンの比率が減少し、複合材料１０全体の熱伝導率が低下する。加えて、第２層１２ａ（第２層１２ｂ）の厚さＴ３を大きくするほど、複合材料１０中におけるモリブデンの比率が増加し、複合材料１０全体としての熱伝導率が低下する。
　複合材料１０では、開口部１３ｃの数が第１表面１０ａ（第２表面１０ｂ）の面積１ｍｍ２あたり２以上１２以下とされているとともに、開口部１３ｃの平均円相当径を厚さＴ３で除した値が０．３以上５．０以下とされている。また、複合材料１０では、第２層１２ａ（第２層１２ｂ）の厚さＴ３が厚さＴ１の３５パーセント以下とされ、第２層１２ａ（第２層１２ｂ）の厚さＴ３が過度に厚くならないようになっている。そのため、複合材料１０によると、複合材料１０全体として熱伝導率と線膨張係数とのバランスが保たれている。
　以上により、複合材料１０によると、低い線膨張係数及び高い放熱性を両立することができる。
　（実験例）
　複合材料１０の効果を確認するため、サンプル１～サンプル４８を準備した。サンプル１～サンプル４８において、第１層１１は、純銅で形成された。サンプル１～サンプル４８において、モリブデン板１３は純モリブデンで形成され、銅フィラー１４は純銅で形成された。
　表１、表２及び表３には、サンプル１～サンプル４８における複合材料１０の寸法が示されている。第１層１１ａ及び第１層１１ｂ以外の厚さＴ２は、複合材料１０の厚さＴ１、第１層１１ａ及び第１層１１ｂの厚さＴ２及び第２層１２の厚さＴ３から定まるため、表１～表３では記載を省略している。また、サンプル２７～４８において、第２層１２ａ及び第２層１２ｂの厚さＴ３は、第２層１２ａ及び第２層１２ｂ以外の第２層１２の厚さＴ３に等しい。
　第１層１１ａ（第１層１１ｂ）の厚さＴ１が０．０２５ｍｍ以上かつ厚さＴ３の３０パーセント以下であることを、条件Ａとする。第２層１２ａ（第２層１２ｂ）の厚さＴ２が０．０５ｍｍ以上かつ厚さＴ３の３０パーセント以下であることを、条件Ｂとする。
　第１表面１０ａ（第２表面１０ｂ）の面積１ｍｍ２あたりの開口部１３ｃの数が２以上１２以下であることを、条件Ｃとする。開口部１３ｃの平均円相当径を厚さＴ３で除した値が０．３以上５．０以下であることを、条件Ｄとする。開口部１３ｃの平均円相当径を厚さＴ３で除した値が１．６以上５．０未満であることを、条件Ｅとする。
　サンプル１～サンプル３、サンプル８、サンプル１２、サンプル１５、サンプル２７、サンプル３２、サンプル３９及びサンプル４３においては、条件Ａ～条件Ｄのうちの少なくとも１つが充足されていなかった。それ以外のサンプルにおいては、条件Ａ～条件Ｄの全てが充足されていた。
　サンプル４～サンプル７、サンプル１３、サンプル１４、サンプル１８～サンプル２２、サンプル２８～サンプル３１、サンプル３４、サンプル３６～サンプル３８、サンプル４０～サンプル４２及びサンプル４４～サンプル４８においては、さらに、条件Ｅが充足されていた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　サンプル１～サンプル４８に対しては、厚さ方向の熱伝導率、室温から８００℃まで温度が変化した際の層内方向の線膨張係数及び端部温度差が測定された。
　表４、表５及び表６には、サンプル１～サンプル４８に対する厚さ方向の熱伝導率、室温から８００℃まで温度が変化した際の層内方向の線膨張係数及び端部温度差の測定結果が示されている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
　厚さ方向の熱伝導率が２９０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることを、条件Ｆとする。室温から８００℃まで温度が変化した際の層内方向の線膨張係数が９．０ｐｐｍ／Ｋ以下であることを、条件Ｇとする。端部温度差が５０℃以下であることを、条件Ｈとする。
　サンプル１～サンプル３、サンプル８、サンプル１２、サンプル１５、サンプル２７、サンプル３２、サンプル３９及びサンプル４３においては、条件Ｆ～条件Ｈのうちの少なくとも１つが充足されていなかった。他方で、それ以外のサンプルにおいては、条件Ｆ～条件Ｈの全てが充足されていた。この比較から、条件Ａ～条件Ｄの全てが充足されることにより、複合材料１０の低い線膨張係数及び高い放熱性が両立されることが、実験的にも示された。
　厚さ方向の熱伝導率が３００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることを、条件Ｉとする。室温から８００℃まで温度が変化した際の層内方向の線膨張係数が８．５ｐｐｍ／Ｋ以下であることを、条件Ｊとする。端部温度差が４０℃以下であることを、条件Ｋとする。
　サンプル４～サンプル７、サンプル１３、サンプル１４、サンプル１８～サンプル２２、サンプル２８～サンプル３１、サンプル３４、サンプル３６～サンプル３８、サンプル４０～サンプル４２及びサンプル４４～サンプル４８においては、条件Ｉ～条件Ｋがさらに充足されていた。この比較から、条件Ｅがさらに充足されることにより複合材料１０の低い線膨張係数及び高い放熱性がさらに高い水準で両立されることが、実験的にも示された。
　今回開示された実施形態は全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記の実施形態ではなく請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
　１０　複合材料、１０ａ　第１表面、１０ｂ　第２表面、１１，１１ａ，１１ｂ　第１層、１２，１２ａ，１２ｂ　第２層、１３　モリブデン板、１３ａ　第１面、１３ｂ　第２面、１３ｃ　開口部、１４　銅フィラー、１５　薄片、１６　ブロック、１７　測定試料、２０　半導体素子、３０　ケース部材、４０　蓋、５０ａ，５０ｂ　端子、６０　放熱部材、７０　発熱体、８０　アルミニウムフィン、１００　半導体パッケージ、Ｄ　開口径、Ｓ１　準備工程、Ｓ２　工程、Ｓ３　接合工程、Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３　厚さ。

Claims (13)

  1. 　第１表面と前記第１表面の反対面である第２表面とを有する板状の複合材料であって、
    　複数の第１層と、複数の第２層とを備え、
    　前記第１層の数及び前記第２層の数の合計は、５以上であり、
    　前記第１層及び前記第２層は、前記複合材料の厚さ方向に沿って交互に積層されており、
    　前記第１表面及び前記第２表面を構成する層は、前記第１層であり、
    　前記第１層は、銅を主成分とする金属材料で形成されており、
    　前記第２層は、モリブデン板と、銅フィラーとを有しており、
    　前記モリブデン板は、前記モリブデン板を前記厚さ方向に貫通している複数の開口部を有し、
    　前記銅フィラーは、前記開口部の内部を満たすように配置されており、
    　前記第１表面を構成する前記第１層の厚さは、０．０２５ｍｍ以上かつ前記複合材料の厚さの３０パーセント以下であり、
    　前記第１表面を構成する前記第１層に接する前記第２層の厚さは、０．０５ｍｍ以上かつ前記複合材料の厚さの３５パーセント以下であり、
    　いずれか１つの前記第２層において、
    　前記開口部の数は、前記第１表面の面積１ｍｍ２あたり、２以上１２以下であり、
    　前記開口部の平均円相当径を前記第２層の厚さで除した値は、０．３以上５．０以下である、複合材料。
  2. 　前記開口部の平均円相当径を前記第２層の厚さで除した値は、１．６以上５．０未満である、請求項１に記載の複合材料。
  3. 　前記厚さ方向の熱伝導率は、室温において、２９０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、
    　室温から８００℃まで温度が変化した際の前記厚さ方向に直交している層内方向の線膨張係数は、９．０ｐｐｍ／Ｋ以下である、請求項１又は請求項２に記載の複合材料。
  4. 　端部温度差は、５０℃以下である、請求項３に記載の複合材料。
  5. 　前記厚さ方向の熱伝導率は、室温において、３００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、
    　室温から８００℃まで温度が変化した際の前記厚さ方向に直交している層内方向の線膨張係数は、８．５ｐｐｍ／Ｋ以下である、請求項１又は請求項２に記載の複合材料。
  6. 　端部温度差は、４０℃以下である、請求項５に記載の複合材料。
  7. 　前記モリブデン板は、前記厚さ方向における端面である第１面及び第２面を有し、
    　前記第１面における前記開口部の円相当径の平均値及び前記第２面における前記開口部の円相当径の平均値は、０．０５ｍｍ以上０．３５ｍｍ以下である、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の複合材料。
  8. 　前記開口部の最小開口面積の平均値は、前記開口部の最大開口面積の平均値の５７パーセント以上１００パーセント以下である、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の複合材料。
  9. 　前記第１層の数及び前記第２層の数の合計は、９以下である、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の複合材料。
  10. 　請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の前記複合材料を備え、
    　前記第１表面が発熱源との接触面となる、ヒートスプレッダ。
  11. 　請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の前記複合材料と、
    　前記第１表面上に配置されている半導体素子とを備える、半導体パッケージ。
  12. 　セラミックス材料で形成されているケース部材をさらに備え、
    　前記ケース部材は、前記半導体素子を取り囲むように前記第１表面上に配置されている、請求項１１に記載の半導体パッケージ。
  13. 　第１表面と前記第１表面の反対面である第２表面とを有する板状の複合材料であって、
    　複数の第１層と、複数の第２層とを備え、
    　前記第１層の数及び前記第２層の数の合計は、５以上９以下であり、
    　前記第１層及び前記第２層は、前記複合材料の厚さ方向に沿って交互に積層されており、
    　前記第１表面及び前記第２表面を構成する層は、前記第１層であり、
    　前記第１層は、銅を主成分とする金属材料で形成されており、
    　前記第２層は、モリブデン板と、銅フィラーとを有しており、
    　前記モリブデン板は、前記モリブデン板を前記厚さ方向に貫通している複数の開口部を有し、
    　前記銅フィラーは、前記開口部の内部を満たすように配置されており、
    　前記第１表面を構成する前記第１層の厚さは、０．０２５ｍｍ以上かつ前記複合材料の厚さの３０パーセント以下であり、
    　前記第１表面を構成する前記第１層に接する前記第２層の厚さは、０．０５ｍｍ以上かつ前記複合材料の厚さの３５パーセント以下であり、
    　いずれか１つの前記第２層において、
    　前記開口部の数は、前記第１表面の面積１ｍｍ２あたり、２以上１２以下であり、
    　前記開口部の平均円相当径を前記第２層の厚さで除した値は、０．３以上５．０以下であり、
    　前記厚さ方向の熱伝導率は、室温において、２９０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、
    　室温から８００℃まで温度が変化した際の前記厚さ方向に直交している層内方向の線膨張係数は、９．０ｐｐｍ／Ｋ以下であり、
    　前記モリブデン板は、前記厚さ方向における端面である第１面及び第２面を有し、
    　前記第１面における前記開口部の円相当径の平均値及び前記第２面における前記開口部の円相当径の平均値は、０．０５ｍｍ以上０．３５ｍｍ以下であり、
    　前記開口部の最小開口面積の平均値は、前記開口部の最大開口面積の平均値の５７パーセント以上１００パーセント以下である、複合材料。
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