WO2024029311A1 - 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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molybdenum
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徹 前田
大介 近藤
正幸 伊藤
伸一 山形
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ALMT Corp
Sumitomo Electric Industries Ltd
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Definitions

  • the present disclosure relates to composite materials, heat spreaders, and semiconductor packages.
  • This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2022-124936, which is a Japanese patent application filed on August 4, 2022. All contents described in the Japanese patent application are incorporated herein by reference.
  • Patent Document 1 International Publication No. 2022/030197 (Patent Document 1) describes a plate-shaped composite material.
  • the composite material described in Patent Document 1 has a first surface and a second surface opposite to the first surface.
  • the first surface and the second surface constitute end faces in the thickness direction (hereinafter referred to as "thickness direction") of the composite material described in Patent Document 1.
  • the composite material described in Patent Document 1 has a plurality of first layers and a plurality of second layers.
  • the first layer and the second layer are alternately stacked along the thickness direction so that the first layer is located on the first surface and the second surface.
  • the first layer is a layer of metal material containing copper as a main component.
  • the second layer includes a molybdenum plate and a copper filler.
  • a plurality of openings are formed in the molybdenum plate. The opening passes through the molybdenum plate along the thickness direction.
  • the openings are circular in plan view and arranged in a square lattice shape in plan view.
  • a copper filler is placed inside the opening.
  • 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 includes a plurality of first layers and at least one second layer.
  • the first surface and the second surface constitute end faces in the thickness direction of the composite material.
  • the first layer and the second layer are alternately stacked along the thickness direction so that the first layer is located on the first surface and the second surface.
  • the first layer is a layer of metal material containing copper as a main component.
  • the second layer has a molybdenum plate and a copper filler. A plurality of openings are formed in the molybdenum plate passing through the molybdenum plate along the thickness direction. A copper filler is placed inside the opening.
  • the openings are arranged in a lattice arrangement.
  • the opening has a first width in the row direction of the lattice arrangement and a second width in the column direction of the lattice arrangement orthogonal to the row direction.
  • the first width is greater than 350 ⁇ m.
  • the value obtained by dividing the second width by the first width is 1 or more and 2 or less.
  • the molybdenum plate has a continuous portion along the first direction without interfering with the opening, and a portion interfering with the opening along the second direction different from the first direction. It has a continuous part without any difference.
  • the angle between the first direction and the second direction is 47° or more and 90° or less.
  • FIG. 1 is a perspective view of a composite material 10.
  • FIG. 2 is a sectional view taken along line II-II in FIG.
  • FIG. 3 is a sectional view taken along line III-III in FIG.
  • FIG. 4A is a first explanatory diagram of a procedure for preparing a sample for measuring thermal conductivity in the thickness direction of the composite material 10.
  • FIG. 4B is a second explanatory diagram of the procedure for preparing a sample for measuring thermal conductivity in the thickness direction of the composite material 10.
  • FIG. 4C is a third explanatory diagram of the procedure for preparing a sample for measuring thermal conductivity in the thickness direction of the composite material 10.
  • FIG. 5 is a manufacturing process diagram of the composite material 10.
  • FIG. 6 is an exploded perspective view of the semiconductor package 100.
  • the present disclosure has been made in view of the problems of the prior art as described above. More specifically, the present disclosure provides a composite member that can reduce the anisotropy of the coefficient of linear expansion in a plane perpendicular to the thickness direction.
  • the composite material according to the embodiment is plate-shaped and has a first surface and a second surface that is the opposite surface to the first surface.
  • the composite material includes a plurality of first layers and at least one second layer.
  • the first surface and the second surface constitute end faces in the thickness direction of the composite material.
  • the first layer and the second layer are alternately stacked along the thickness direction so that the first layer is located on the first surface and the second surface.
  • the first layer is a layer of metal material containing copper as a main component.
  • the second layer has molybdenum plates and copper filler. A plurality of openings are formed in the molybdenum plate passing through the molybdenum plate along the thickness direction. A copper filler is placed inside the opening.
  • the openings are arranged in a lattice arrangement.
  • the opening has a first width in the row direction of the lattice arrangement and a second width in the column direction of the lattice arrangement orthogonal to the row direction.
  • the first width is greater than 350 ⁇ m.
  • the value obtained by dividing the second width by the first width is 1 or more and 2 or less.
  • the molybdenum plate has a continuous portion along the first direction without interfering with the opening, and a portion interfering with the opening along the second direction different from the first direction. It has a continuous part without any difference.
  • the angle between the first direction and the second direction is 47° or more and 90° or less.
  • the angle between the first direction and the second direction may be less than 90°.
  • the number of openings per 1 mm 2 may be less than 3 in a cross-sectional view perpendicular to the thickness direction.
  • the number of openings per 1 mm 2 may be less than 2 in a cross-sectional view perpendicular to the thickness direction.
  • the molybdenum plate may have an aperture ratio of 20 percent or more in a cross-sectional view orthogonal to the thickness direction.
  • the volume ratio of molybdenum in the composite material may be 25% or less.
  • the volume ratio of molybdenum in the composite material may be 15% or more. According to the composite material (7) above, the coefficient of linear expansion can be reduced.
  • the volume ratio of molybdenum in the composite material may be less than 15%. According to the composite material (8) above, thermal conductivity can be increased.
  • the total number of first layers and number of second layers may be five.
  • the thickness of the composite material may be 1.5 mm or less.
  • the thickness of the second layer may be 0.3 mm or less.
  • the coefficient of linear expansion in the row direction when the temperature changes from room temperature to 800°C is the linear expansion coefficient in the column direction when the temperature changes from room temperature to 800°C.
  • the value divided by the coefficient may be 1.5 or less.
  • the pitch between adjacent openings in the column direction may be larger than the pitch between adjacent openings in the row direction.
  • the heat spreader according to the embodiment includes the composite materials of (1) to (11) above.
  • the first surface forms a contact surface with the heat generation source.
  • a semiconductor package includes the composite material of (1) to (11) above and a semiconductor element.
  • a semiconductor element is disposed on the first surface.
  • the semiconductor package of (13) above may further include a case member made of a ceramic material.
  • the case member may be placed on the first surface so as to surround the semiconductor element.
  • the composite material according to the embodiment is referred to as a composite material 10.
  • the semiconductor package according to the embodiment is referred to as a semiconductor package 100.
  • FIG. 1 is a perspective view of the composite material 10. As shown in FIG. 1, the composite material 10 has a plate shape. The thickness direction of the composite material 10 is referred to as the "thickness direction.” Composite material 10 has a first surface 10a and a second surface 10b. The first surface 10a and the second surface 10b constitute end surfaces of the composite material 10 in the thickness direction. The second surface 10b is the opposite surface to the first surface 10a.
  • FIG. 2 is a sectional view taken along II-II in FIG. 1.
  • the composite material 10 has a plurality of first layers 11 and at least one second layer 12.
  • the first layer 11 and the second layer 12 are laminated along the thickness direction so that the first layer 11 is located on the first surface 10a and the second surface 10b.
  • Thickness T1 is preferably 1.5 mm or less.
  • Thickness T2 is preferably 0.3 mm or less, more preferably 0.15 mm or less.
  • the total number of first layers 11 and second layers 12 is 3 or more.
  • the number of first layers 11 and the number of second layers 12 are preferably five.
  • the first layer 11 is a layer of a metal material whose main component is copper.
  • Metal material containing copper as a main component means a metal material having a copper content of 50% by mass or more.
  • the first layer 11 is preferably a layer of a metal material having a copper content of 70% by mass or more.
  • the first layer 11 is, for example, a layer of pure copper. Pure copper is a metal material consisting of copper and unavoidable impurities that make up the remainder.
  • the second layer 12 includes a molybdenum plate 13 and a copper filler 14.
  • the molybdenum plate 13 is a plate of a metal material whose main component is molybdenum. "Metal material containing molybdenum as a main component" means a metal material having a molybdenum content of 50% by mass or more.
  • the molybdenum plate 13 is preferably a plate of a metal material having a molybdenum content of 70% by mass or more.
  • the molybdenum plate 13 is, for example, a pure molybdenum plate. Pure molybdenum is a metal material consisting of molybdenum and the remaining unavoidable impurities.
  • the copper filler 14 is made of the same material as the first layer 11, for example.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along III-III in FIG. 2.
  • the molybdenum plate 13 has a plurality of openings 13a formed therein.
  • the opening 13a passes through the molybdenum plate 13 along the thickness direction.
  • the openings 13a are arranged in a lattice arrangement. More specifically, in a cross-sectional view perpendicular to the thickness direction, the openings 13a are arranged in a houndstooth pattern.
  • the openings 13a may be arranged in a square lattice shape or a rectangular lattice shape.
  • the row direction and column direction of the lattice arrangement of the openings 13a are referred to as the "row direction” and the “column direction", respectively.
  • the column direction is, for example, along the rolling direction of the composite material 10.
  • the column direction is orthogonal to the row direction.
  • the pitch between adjacent openings 13a in the row direction is defined as a first pitch.
  • the pitch between adjacent openings 13a in the column direction is defined as a second pitch.
  • the second pitch is larger than the first pitch.
  • the first pitch and the second pitch are measured in a cross section passing through the center of the molybdenum plate 13 in the thickness direction and perpendicular to the thickness direction.
  • a cross section passing through the center of the molybdenum plate 13 in the thickness direction and perpendicular to the thickness direction is exposed as follows.
  • the distance between the first surface 10a and the center of the molybdenum plate 13 in the thickness direction is measured.
  • the composite material 10 is polished from the first surface 10a side using a plane polisher or an automatic rotary polisher.
  • the amount of polishing at this time is set to be equal to the distance between the first surface 10a and the center of the molybdenum plate 13 in the thickness direction, which was measured as described above. As a result, a cross section passing through the center of the molybdenum plate 13 in the thickness direction and perpendicular to the thickness direction is exposed.
  • the first pitch is obtained by measuring the distance between the centers of adjacent openings 13a in the row direction for all openings 13a and dividing the sum of the measured values by the number of openings 13a.
  • the second pitch is determined by measuring the distance between the centers of adjacent openings 13a in the column direction for all openings 13a, and dividing the sum of the measured values by the number of openings 13a. It is obtained by A digital microscope is used to measure the first pitch and the second pitch.
  • the opening 13a has a first width W1, which is the width in the row direction, and a second width W2, which is the width in the column direction.
  • the first width W1 and the second width W2 are measured in a cross section passing through the center of the molybdenum plate 13 in the thickness direction and perpendicular to the thickness direction.
  • the first width W1 is obtained by measuring the width of all the openings 13a in the row direction and dividing the sum of the measured values by the number of openings 13a.
  • the second width W2 is obtained by measuring the width of all the openings 13a in the column direction and dividing the measured value by the number of openings 13a.
  • the first width W1 is greater than 350 ⁇ m.
  • the value obtained by dividing the second width W2 by the first width W1 is greater than or equal to 1 and less than or equal to 2.
  • a digital microscope is used to measure the first width W1 and the second width W2.
  • the opening 13a In a cross-sectional view perpendicular to the thickness direction, the opening 13a has an elliptical shape, for example.
  • the long axis of the ellipse is, for example, along the column direction.
  • the opening 13a In a cross-sectional view perpendicular to the thickness direction, the opening 13a may be circular. However, the cross-sectional shape of the opening 13a is not limited to these.
  • the number of openings 13a per 1 mm 2 is, for example, less than three.
  • the number of openings 13a per 1 mm 2 is preferably less than two.
  • the number of openings 13a per 1 mm 2 is the number of openings 13a in a cross section that passes through the center of the molybdenum plate 13 in the thickness direction and is perpendicular to the thickness direction, expressed as the area of the cross section (unit: mm 2 ). It is obtained by dividing.
  • the aperture ratio of the molybdenum plate 13 is, for example, 20 percent or more.
  • the aperture ratio of the molybdenum plate 13 may be 30% or more or 35% or more.
  • the aperture ratio of the molybdenum plate 13 is, for example, 70% or less.
  • the aperture ratio of the molybdenum plate 13 may be 60% or less.
  • the aperture ratio of the molybdenum plate 13 is determined by measuring the total opening area of the apertures 13a in a cross section passing through the center of the molybdenum plate 13 in the thickness direction and orthogonal to the thickness direction, and calculating the total of the measured values. It is obtained by dividing by the area of the cross section.
  • the opening area of the opening 13a in a cross section passing through the center of the molybdenum plate 13 in the thickness direction and perpendicular to the thickness direction is measured using a digital microscope.
  • the molybdenum plate 13 has a continuous portion along the first direction without interfering with the opening 13a and a continuous portion along the second direction without interfering with the opening 13a. It has a continuous part.
  • the first direction is the direction of straight line L1 in FIG. 3, and the second direction is the direction of straight line L2 in FIG.
  • the first direction and the second direction may be different from the column direction and the row direction.
  • the angle between the first direction and the second direction is defined as angle ⁇ .
  • the angle ⁇ is the intersection angle of the straight line L1 and the straight line L2 that is less than or equal to 90°.
  • the angle ⁇ is 47° or more and 90° or less.
  • the angle ⁇ is preferably 47° or more and less than 90°.
  • the angle ⁇ is measured in a cross section passing through the center of the molybdenum plate 13 in the thickness direction and perpendicular to the thickness direction.
  • the one with the smallest angle ⁇ is selected from the three or more directions. shall be.
  • the thermal conductivity of the composite material 10 in the thickness direction is preferably 270 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.
  • Room temperature means 27°C.
  • the thermal conductivity in the thickness direction of the composite material 10 is measured by using a laser flash method.
  • the thermal diffusivity of the composite material 10 is measured using LFA447 MicroFlash (manufactured by NETZSCH), and the thermal diffusivity of the composite material 10 is measured 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" edited by the Japan Institute of Metals (2004, Maruzen Publishing).
  • the thermal conductivity of a pure copper sample having the same shape is measured under the same conditions, and the measurement results are corrected using the results as a reference.
  • FIG. 4A is a first explanatory diagram of the procedure for preparing a sample for measuring thermal conductivity in the thickness direction of the composite material 10. As shown in FIG. 4A, a thin piece 15 is cut out from the composite material 10 to be measured. The thickness, length and width of the thin piece 15 are t (mm), B (mm) and C (mm), respectively.
  • X be the number obtained by dividing 2 by t and rounding up the decimal places.
  • the value obtained by dividing 10 by B and rounding up the decimal point is set as Y1.
  • Y2 be the number obtained by dividing 10 by C and rounding up the decimal places.
  • a number of thin pieces 15 equal to the product of X, Y1, and Y2 are cut out from the composite material 10 to be measured.
  • FIG. 4B is a second explanatory diagram of the procedure for preparing a sample for measuring thermal conductivity in the thickness direction of the composite material 10.
  • a block 16 is produced from X thin pieces 15.
  • the thickness, length and width of the block 16 are approximately 2 (mm), B (mm) and C (mm), respectively.
  • X pieces of thin pieces 15 are stacked.
  • amorphous powder made of pure silver and having an average particle size of 4 ⁇ m is placed between adjacent thin pieces 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) in which an opening with internal dimensions of B (mm) x C (mm) is formed is prepared, and the molds are stacked in the opening.
  • a thin piece 15 is arranged.
  • the above mold is made of graphite.
  • the stacked flakes 15 are heat treated under a load P.
  • the load P is 4.9N or more and 9.8N 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.
  • the heat treatment softens and deforms the amorphous powder, and the adjacent thin pieces 15 are bonded together, thereby producing the block 16.
  • FIG. 4C is a third explanatory diagram of the procedure for creating a sample for measuring 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 adhesive member used is one that can withstand temperatures up to about 800° C., such as silver solder foil or ceramic adhesive.
  • the blocks 16 arranged vertically in Y1 blocks and horizontally in Y2 blocks may be fixed by wrapping stainless steel wire or the like around the outer periphery thereof.
  • Linear expansion coefficient (first linear expansion coefficient) of the composite material 10 in the row direction when the temperature changes from room temperature to 800°C and linear expansion coefficient of the composite material 10 in the column direction when the temperature changes from room temperature to 800°C is preferably 14 ppm/K or less. It is more preferable that the first linear expansion coefficient and the second linear expansion coefficient are 10 ppm/K or less. The value obtained by dividing the first linear expansion coefficient by the second linear expansion coefficient is 1.5 or less.
  • the first coefficient of linear expansion and the second coefficient of linear expansion are calculated by measuring the displacement of the composite material 10 in the row direction and column direction in the temperature range from room temperature to 800°C using TD5000SA (manufactured by Bruker AXS). Ru.
  • TD5000SA manufactured by Bruker AXS
  • Ru the planar shape of the composite material 10 is a rectangular shape of 3 mm x 15 mm. Measured values are averaged over three samples.
  • the volume ratio of molybdenum in the composite material 10 is, for example, 25% or less. From the viewpoint of increasing the thermal conductivity in the thickness direction of the composite material 10, the volume ratio of molybdenum in the composite material 10 is preferably 15% or more. On the other hand, from the viewpoint of reducing the coefficient of linear expansion of the composite material 10, the volume ratio of molybdenum in the composite material 10 is preferably less than 15%.
  • FIG. 5 is a manufacturing process diagram of the composite material 10.
  • the method for manufacturing the composite material 10 includes a preparation step S1, a hole punching step S2, and a rolling step S3.
  • a first plate material and a second plate material are prepared.
  • the first plate material is a plate material made of a metal material whose main component is copper.
  • the second plate material is a plate material made of a metal material containing molybdenum as a main component.
  • drilling is performed on the second plate material.
  • a plurality of openings are formed in the second plate material in the thickness direction.
  • the second plate material becomes the molybdenum plate 13.
  • the drilling process on the second plate material is performed, for example, by etching or laser irradiation.
  • the laminate 20 is prepared.
  • the laminate 20 is prepared by alternately arranging the first plates and the molybdenum plates 13 along the thickness direction of the laminate 20.
  • the laminate 20 is subjected to heat treatment.
  • the laminate 20 is heated to a predetermined temperature in a hydrogen atmosphere. This predetermined temperature is below the melting point of the first plate material and is a temperature at which the first plate material is sufficiently softened. This predetermined temperature is, for example, 900°C.
  • the laminate 20 is passed through a rolling roller.
  • the first plate material and the molybdenum plate 13 are joined to each other while being rolled.
  • the first plate material fills the opening 13a of the molybdenum plate 13 and becomes the copper filler 14.
  • the remainder of the first plate material that is not filled in the opening 13a becomes the first layer 11.
  • the method for manufacturing the composite material 10 may further include a rolling step S4.
  • the rolling process S4 is performed after the rolling process S3.
  • the thickness T1 is adjusted by cold rolling the composite material 10.
  • FIG. 6 is an exploded perspective view of the semiconductor package 100.
  • the semiconductor package 100 includes a composite material 10, a semiconductor element 30, a case member 40, a lid 41, and terminals 50a and 50b.
  • the composite material 10 functions as a heat spreader in the semiconductor package 100.
  • Semiconductor element 30 is arranged on first surface 10a.
  • a heat transfer member may be interposed between the semiconductor element 30 and the first surface 10a.
  • the semiconductor element 30 becomes a heat source during operation.
  • Case member 40 is made of, for example, a ceramic material.
  • the ceramic material is, for example, alumina (Al 2 O 3 ).
  • Case member 40 is arranged on first surface 10a so as to surround semiconductor element 30.
  • the lower end (end on the first surface 10a side) of the case member 40 and the first surface 10a are joined by, for example, brazing.
  • the lid 41 is made of, for example, a ceramic material or a metal material. The lid 41 closes off the upper end side of the case member 40.
  • the terminal 50a and the terminal 50b are inserted into the case member 40. As a result, one end of the terminal 50a and the terminal 50b is located within the space defined by the first surface 10a, the case member 40, and the lid 41, and the other end of the terminal 50a and the terminal 50b is located outside the space. are doing.
  • the terminal 50a and the terminal 50a are made of, for example, a metal material.
  • the metal material is, for example, Kovar.
  • one end side of the terminal 50a and the terminal 50b is electrically connected to the semiconductor element 30.
  • the semiconductor package 100 is electrically connected to a device or circuit other than the semiconductor package 100 at the other end of the terminals 50a and 50b.
  • a heat dissipation member 60 is attached to the second surface 10b.
  • the heat dissipation 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 radiation member 60 may be, for example, a cooling fin.
  • a heat transfer member may be interposed between the heat radiation member 60 and the second surface 10b.
  • the case member 40 is joined onto the composite material 10 by brazing or the like. Therefore, in order to reduce thermal stress caused by the difference between the coefficient of linear expansion of the composite material 10 and the coefficient of linear expansion of the case member 40, the coefficient of linear expansion of the composite material 10 and the coefficient of linear expansion of the case member 40 are preferably close to each other. preferable.
  • the coefficient of linear expansion of the composite material 10 has anisotropy, even if the coefficient of linear expansion of the composite material 10 in a certain direction (for example, the column direction) is close to the coefficient of linear expansion of the case member 40, in another direction ( For example, the difference between the coefficient of linear expansion of the composite material 10 and the coefficient of linear expansion of the case member 40 in the row direction becomes large.
  • the coefficient of linear expansion of molybdenum is smaller than that of copper, the coefficient of linear expansion of the composite material 10 becomes smaller in the direction in which the portion of the molybdenum plate 13 that is continuous without interfering with the opening 13a extends. Cheap. Therefore, as the angle ⁇ increases, the anisotropy of the linear expansion coefficient of the composite material 10 decreases. On the other hand, as the angle ⁇ becomes smaller, the distance between adjacent openings 13a becomes larger, and the molybdenum plate 13 becomes more likely to break between adjacent openings 13a during rolling.
  • the semiconductor element that is the heat source Since the heat generated at 30 passes through the copper filler 14 more easily when passing through the second layer 12, the thermal resistance of the second layer 12 is reduced.
  • the distance between adjacent openings 13a becomes short, the molybdenum plate 13 tends to break between adjacent openings 13a during rolling.
  • the first width W1 is larger than 350 ⁇ m, and the second width W2 is divided by the first width W1. Even if the value is 1 or more and 2 or less, it is possible to reduce the anisotropy of the linear expansion coefficient of the composite material 10 while suppressing breakage of the molybdenum plate 13 between adjacent openings 13a. Do you get it.
  • Samples 1 to 7 were prepared as composite material samples. As shown in Table 1, in samples 1 to 7, the angle ⁇ , the first width W1, the second width W2, the first pitch, the second pitch, the number of openings 13a per 1 mm 2 , and the molybdenum plate The aperture ratio of 13 was changed. In samples 1 to 7, the first layer 11 is a pure copper layer, and the molybdenum plate 13 is a pure molybdenum plate. In samples 1 to 7, the number of first layers 11 was three, and the number of second layers 12 was two.
  • the thickness of the first plate material and the thickness of the molybdenum plate 13 before rolling were adjusted, and the rolling reduction rate during rolling was adjusted.
  • the volume ratio of T1 and molybdenum was adjusted.
  • the reduction rate during rolling was adjusted appropriately to prevent internal breakage of the material. Note that the thickness of the first plate shown in Table 2 is the thickness of the first plate on the outermost surface of the laminate 20.
  • Condition A is that the angle ⁇ is 47° or more and 90° or less.
  • Condition B is that the first width W1 is 350 ⁇ m or more.
  • Condition C is that the value obtained by dividing the second width W2 by the first width W1 is greater than or equal to 1 and less than or equal to 2. In samples 1 to 4, all of conditions A to C were satisfied. On the other hand, in samples 5 to 7, at least one of conditions A to C was not satisfied.
  • the first linear expansion coefficient, second linear expansion coefficient, and thermal conductivity in the thickness direction were measured. As shown in Table 3, in samples 1 to 4, the value obtained by dividing the first linear expansion coefficient by the second linear expansion coefficient was 1.5 or less. On the other hand, in samples 5 to 7, the value obtained by dividing the first linear expansion coefficient by the second linear expansion coefficient was larger than 1.5.
  • the linear expansion coefficient of the composite material 10 can be reduced by making the volume ratio of molybdenum less than 15%, and the thermal conductivity of the composite material 10 can be reduced by making the volume ratio of molybdenum 15% or more. Experiments have shown that it can be made smaller.

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Abstract

複合材料は、第１表面及び第１表面の反対面である第２表面を有する板状である。複合材料は、複数の第１層と、少なくとも１つの第２層とを備えている。第１表面及び第２表面は、複合材料の厚さ方向における端面をなしている。第１層及び第２層は、厚さ方向に沿って、第１層が第１表面及び第２表面に位置するように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の層である。第２層は、モリブデン板と銅フィラーとを有する。モリブデン板には、厚さ方向に沿ってモリブデン板を貫通している複数の開口部が形成されている。銅フィラーは、開口部の内部に配置されている。厚さ方向に直交する断面視において、開口部は、格子配列をなすように並んでいる。

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、２０２２年８月４日に出願した日本特許出願である特願２０２２－１２４９３６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。
　例えば国際公開第２０２２／０３０１９７号（特許文献１）には、板状の複合材料が記載されている。特許文献１に記載の複合材料は、第１表面と、第１表面の反対面である第２表面とを有している。第１表面及び第２表面は、特許文献１に記載の複合材料の厚さ方向（以下「厚さ方向」とする）における端面をなしている。
　特許文献１に記載の複合材料は、複数の第１層と、複数の第２層とを有している。第１層及び第２層は、厚さ方向に沿って、第１層が第１表面及び第２表面に位置するように、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の層である。第２層は、モリブデン板と、銅フィラーとを有している。モリブデン板には、複数の開口部が形成されている。開口部は、モリブデン板を厚さ方向に沿って貫通している。開口部は、平面視において円形であり、平面視において正方格子状に配列されている。銅フィラーは、開口部の内部に配置されている。
国際公開第２０２２／０３０１９７号
　本開示の複合材料は、第１表面及び第１表面の反対面である第２表面を有する板状である。複合材料は、複数の第１層と少なくとも１つの第２層とを備える。第１表面及び第２表面は、複合材料の厚さ方向における端面をなしている。第１層及び第２層は、厚さ方向に沿って、第１層が第１表面及び第２表面に位置するように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の層である。第２層は、モリブデン板と、銅フィラーとを有する。モリブデン板には、厚さ方向に沿ってモリブデン板を貫通している複数の開口部が形成されている。銅フィラーは、開口部の内部に配置されている。厚さ方向に直交する断面視において、開口部は、格子配列をなすように並んでいる。厚さ方向に直交する断面視において、開口部は、格子配列の行方向において第１幅を有するとともに、行方向に直交している格子配列の列方向において第２幅を有する。第１幅は、３５０μｍよりも大きい。第２幅を第１幅で除した値は、１以上２以下である。厚さ方向に直交する断面視において、モリブデン板は、第１方向に沿って開口部と干渉することなく連続している部分と、第１方向とは異なる第２方向に沿って開口部と干渉することなく連続している部分とを有する。第１方向と第２方向とのなす角度は、４７°以上９０°以下である。
図１は、複合材料１０の斜視図である。 図２は、図１中のＩＩ－ＩＩにおける断面図である。 図３は、図２中のＩＩＩ－ＩＩＩにおける断面図である。 図４Ａは、複合材料１０の厚さ方向における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の厚さ方向における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の厚さ方向における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の製造工程図である。 図６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に記載の複合材料では、開口部の開口径が小さいため、第２層の厚さ方向における熱伝導率に改善の余地がある。特許文献１に記載の複合材料において第２層の厚さ方向における熱伝導率を改善するために開口部の開口径を大きくすると、隣り合う２つの開口部の間の距離が小さくなり、隣り合う２つの開口部の間でモリブデン板に破損が生じることがある。このような破損を避けるために、開口部を例えば千鳥格子状に配置することが考えられる。しかしながら、開口部を千鳥格子状に配置すると、厚さ方向に直交する面内における線膨張係数の異方性が大きくなってしまうことがある。
　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、厚さ方向に直交する面内における線膨張係数の異方性を小さくすることが可能な複合部材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、厚さ方向に直交する面内における線膨張係数の異方性を小さくすることが可能である。
　［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）実施形態に係る複合材料は、第１表面及び第１表面の反対面である第２表面を有する板状である。複合材料は、複数の第１層と、少なくとも１つの第２層とを備える。第１表面及び第２表面は、複合材料の厚さ方向における端面をなしている。第１層及び第２層は、厚さ方向に沿って、第１層が第１表面及び第２表面に位置するように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の層である。第２層は、モリブデン板と銅フィラーとを有する。モリブデン板には、厚さ方向に沿ってモリブデン板を貫通している複数の開口部が形成されている。銅フィラーは、開口部の内部に配置されている。厚さ方向に直交する断面視において、開口部は、格子配列をなすように並んでいる。厚さ方向に直交する断面視において、開口部は、格子配列の行方向において第１幅を有するとともに、行方向に直交している格子配列の列方向において第２幅を有する。第１幅は、３５０μｍよりも大きい。第２幅を第１幅で除した値は、１以上２以下である。厚さ方向に直交する断面視において、モリブデン板は、第１方向に沿って開口部と干渉することなく連続している部分と、第１方向とは異なる第２方向に沿って開口部と干渉することなく連続している部分とを有する。第１方向と第２方向とのなす角度は、４７°以上９０°以下である。
　上記（１）の複合材料によると、厚さ方向に直交する面内における線膨張係数の異方性を小さくすることが可能である。
　（２）上記（１）の複合材料では、第１方向と第２方向とのなす角度が９０°未満であってもよい。
　（３）上記（１）又は（２）の複合材料では、厚さ方向に直交する断面視において、１ｍｍ２あたりの開口部の数が３個未満であってもよい。
　（４）上記（１）又は（２）の複合材料では、厚さ方向に直交する断面視において、１ｍｍ２あたりの開口部の数が２個未満であってもよい。
　（５）上記（１）から（４）の複合材料では、厚さ方向に直交する断面視において、モリブデン板の開口率が２０パーセント以上であってもよい。
　（６）上記（１）から（５）の複合材料では、複合材料中におけるモリブデンの体積比が２５パーセント以下であってもよい。
　（７）上記（１）から（５）の複合材料では、複合材料中におけるモリブデンの体積比が１５パーセント以上であってもよい。上記（７）の複合材料によると、線膨張係数を小さくすることができる。
　（８）上記（１）から（５）の複合材料では、複合材料中におけるモリブデンの体積比が１５パーセント未満であってもよい。上記（８）の複合材料によると、熱伝導率を大きくすることができる。
　（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、５であってもよい。複合材料の厚さは、１．５ｍｍ以下であってもよい。第２層の厚さは、０．３ｍｍ以下であってもよい。
　（１０）上記（１）から（９）の複合材料では、室温から８００℃まで温度が変化した際の行方向における線膨張係数を室温から８００℃まで温度が変化した際の列方向における線膨張係数で除した値が、１．５以下であってもよい。
　（１１）上記（１）から（１０）の複合材料では、列方向において隣り合う開口部の間のピッチが、行方向において隣り合う開口部の間のピッチよりも大きくてもよい。
　（１２）実施形態に係るヒートスプレッダは、上記（１）から（１１）の複合材料を備える。第１表面は、発熱源との接触面をなしている。
　（１３）実施形態に係る半導体パッケージは、上記（１）から（１１）の複合材料と、半導体素子とを備える。半導体素子は、第１表面上に配置されている。
　（１４）上記（１３）の半導体パッケージは、セラミックス材料製の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てもよい。
　［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。以下の図面では、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を、複合材料１０とする。実施形態に係る半導体パッケージを、半導体パッケージ１００とする。
　（複合材料１０の構成）
　以下に、複合材料１０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、板状である。複合材料１０の厚さ方向を、「厚さ方向」とする。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、厚さ方向における複合材料１０の端面をなしている。第２表面１０ｂは、第１表面１０ａの反対面である。
　図２は、図１中のＩＩ－ＩＩにおける断面図である。図２に示されるように、複合材料１０は、複数の第１層１１と、少なくとも１つの第２層１２とを有している。第１層１１及び第２層１２は、第１層１１が第１表面１０ａ及び第２表面１０ｂに位置するように、厚さ方向に沿って積層されている。複合材料１０の厚さを厚さＴ１とし、第２層１２の厚さをＴ２とする。厚さＴ１は、好ましくは、１．５ｍｍ以下である。厚さＴ２は、好ましくは０．３ｍｍ以下であり、さらに好ましくは０．１５ｍｍ以下である。第１層１１の数及び第２層１２の数の合計は、３以上である。第１層１１の数及び第２層１２の数は、５であることが好ましい。
　第１層１１は、銅を主成分とする金属材料の層である。「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意味する。第１層１１は、銅の含有量が７０質量パーセント以上の金属材料の層であることが好ましい。第１層１１は、例えば、純銅の層である。純銅は、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の板である。「モリブデンを主成分とする金属材料」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を意味する。モリブデン板１３は、モリブデンの含有量が７０質量パーセント以上の金属材料の板であることが好ましい。モリブデン板１３は、例えば、純モリブデンの板である。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からなる金属材料である。銅フィラー１４は、例えば、第１層１１と同一材料からなる。
　図３は、図２中のＩＩＩ－ＩＩＩにおける断面図である。図２及び図３に示されるように、モリブデン板１３には、複数の開口部１３ａが形成されている。開口部１３ａは、モリブデン板１３を厚さ方向に沿って貫通している。厚さ方向に直交する断面視において、開口部１３ａは、格子配列をなすように並んでいる。より具体的には、厚さ方向に直交する断面視において、開口部１３ａは、千鳥格子状に並んでいる。厚さ方向に直交する断面視において、開口部１３ａは、正方格子状又は長方格子状に並んでいてもよい。
　開口部１３ａの格子配列の行方向及び列方向を、それぞれ「行方向」及び「列方向」とする。列方向は、例えば、複合材料１０の圧延方向に沿っている。列方向は、例えば、行方向に直交している。行方向において隣り合う開口部１３ａの間のピッチを、第１ピッチとする。列方向において隣り合う開口部１３ａの間のピッチを、第２ピッチとする。第２ピッチは、第１ピッチよりも大きいことが好ましい。
　第１ピッチ及び第２ピッチは、モリブデン板１３の厚さ方向における中央を通り、かつ厚さ方向に直交する断面において測定される。モリブデン板１３の厚さ方向における中央を通り、かつ厚さ方向に直交する断面は、以下のようにして露出される。
　第１に、複合材料１０を側面からデジタルマイクロスコープを用いて観察することにより、第１表面１０ａとモリブデン板１３の厚さ方向における中央との間の距離が測定される。第２に、平面研磨機又は自動回転研磨機を用いて、第１表面１０ａ側から複合材料１０の研磨が行われる。この際の研磨量は、上記のようにして測定された第１表面１０ａとモリブデン板１３の厚さ方向における中央との間の距離と等しくなるように設定される。以上により、モリブデン板１３の厚さ方向における中央を通り、かつ厚さ方向に直交する断面が露出される。
　第１ピッチは、全ての開口部１３ａについて行方向において隣り合う開口部１３ａの中心同士の間の距離を測定するとともに測定された値の合計を開口部１３ａの数で除することにより得られる。同様に、第２ピッチは、全ての開口部１３ａについて列方向において隣り合う開口部１３ａの中心同士の間の距離を測定するとともに、測定された値の合計を開口部１３ａの数で除することにより得られる。第１ピッチ及び第２ピッチの測定には、デジタルマイクロスコープが用いられる。
　厚さ方向に直交する断面視において、開口部１３ａは、行方向における幅である第１幅Ｗ１と、列方向における幅である第２幅Ｗ２とを有している。第１幅Ｗ１及び第２幅Ｗ２は、モリブデン板１３の厚さ方向における中央を通り、かつ厚さ方向に直交する断面において測定される。第１幅Ｗ１は、全ての開口部１３ａについて行方向における幅を測定するとともに、測定された値の合計を開口部１３ａの数で除することにより得られる。同様に、第２幅Ｗ２は、全ての開口部１３ａについて列方向における幅を測定するとともに、測定された値を開口部１３ａの数で除することにより得られる。第１幅Ｗ１は、３５０μｍよりも大きい。第２幅Ｗ２を第１幅Ｗ１で除した値は、１以上２以下である。第１幅Ｗ１及び第２幅Ｗ２の測定には、デジタルマイクロスコープが用いられる。
　厚さ方向に直交する断面視において、開口部１３ａは、例えば楕円形である。厚さ方向に直交する断面視において開口部１３ａが楕円形である場合、楕円形の長軸は、例えば列方向に沿っている。厚さ方向に直交する断面視において、開口部１３ａは、円形であってもよい。但し、開口部１３ａの断面形状は、これらに限られるものではない。
　１ｍｍ２あたりの開口部１３ａの数は、例えば、３個未満である。１ｍｍ２あたりの開口部１３ａの数は、２個未満であることが好ましい。１ｍｍ２あたりの開口部１３ａの数は、モリブデン板１３の厚さ方向における中央を通り、かつ厚さ方向に直交する断面にある開口部１３ａの数を当該断面の面積（単位：ｍｍ２）で除することにより得られる。
　モリブデン板１３の開口率は、例えば、２０パーセント以上である。モリブデン板１３の開口率は、３０パーセント以上又は３５パーセント以上であってもよい。モリブデン板１３の開口率は、例えば７０パーセント以下である。モリブデン板１３の開口率は６０パーセント以下であってもよい。モリブデン板１３の開口率は、モリブデン板１３の厚さ方向における中央を通り、かつ厚さ方向に直交する断面において開口部１３ａの開口面積の合計を測定するとともに、測定された値の合計を当該断面の面積で除することにより得られる。モリブデン板１３の厚さ方向における中央を通り、かつ厚さ方向に直交する断面における開口部１３ａの開口面積は、デジタルマイクロスコープを用いて測定される。
　厚さ方向に直交する断面視において、モリブデン板１３は、第１方向に沿って開口部１３ａに干渉することなく連続している部分と、第２方向に沿って開口部１３ａに干渉することなく連続している部分とを有している。第１方向は図３中の直線Ｌ１の方向であり、第２方向は図３中の直線Ｌ２の方向である。第１方向及び第２方向は、列方向及び行方向と異なる方向であってもよい。第１方向と第２方向とがなす角度を、角度θとする。角度θは、直線Ｌ１及び直線Ｌ２の交差角のうちの９０°以下となる方の角度である。角度θは、４７°以上９０°以下である。角度θは、４７°以上９０°未満であることが好ましい。角度θは、モリブデン板１３の厚さ方向における中央を通り、かつ厚さ方向に直交する断面において測定される。
　なお、開口部１３ａに干渉することなく連続しているモリブデン板１３の部分の方向が３つ以上存在する場合、それら３つ以上の方向のうちから角度θが最小となるものが選択されるものとする。
　複合材料１０の厚さ方向における熱伝導率は、室温において、２７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましい。複合材料１０の厚さ方向における熱伝導率は、室温において、３００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましい。「室温」とは、２７℃を意味する。
　複合材料１０の厚さ方向における熱伝導率は、レーザフラッシュ法を用いることにより測定される。レーザフラッシュ法においては、ＬＦＡ４４７ＭｉｃｒｏＦｌａｓｈ（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の厚さ方向における熱伝導率が算出される。上記の熱伝導率の算出に際しては、各構成材料の比熱が日本金属学会編「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の厚さ方向における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に示されているように、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の厚さ方向における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の厚さ方向における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行方向における複合材料１０の線膨張係数（第１線膨張係数）及び室温から８００℃まで温度が変化した際の列方向における複合材料１０の線膨張係数（第２線膨張係数）は、１４ｐｐｍ／Ｋ以下であることが好ましい。第１線膨張係数及び第２線膨張係数は、１０ｐｐｍ／Ｋ以下であることがさらに好ましい。第１線膨張係数を第２線膨張係数で除した値は、１．５以下である。
　第１線膨張係数及び第２線膨張係数は、ＴＤ５０００ＳＡ（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の行方向及び列方向の変位を測定することにより算出される。第１線膨張係数及び第２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中におけるモリブデンの体積比は、例えば、２５パーセント以下である。複合材料１０の厚さ方向における熱伝導率を高める観点から、複合材料１０中におけるモリブデンの体積比は、１５パーセント以上であることが好ましい。他方で、複合材料１０の線膨張係数を小さくする観点から、複合材料１０中におけるモリブデンの体積比は、１５パーセント未満であることが好ましい。
　（複合材料１０の製造方法）
　以下に、複合材料１０の製造方法を説明する。
　図５は、複合材料１０の製造工程図である。図５に示されているように、複合材料１０の製造方法は、準備工程Ｓ１と、穴開け工程Ｓ２と、圧延工程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製の板材である。第２板材は、モリブデンを主成分とする金属材料製の板材である。
　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。
　圧延工程Ｓ３においては、第１に、積層体２０が準備される。積層体２０は、第１板材及びモリブデン板１３を積層体２０の厚さ方向に沿って交互に配置することにより準備される。圧延工程Ｓ３においては、第２に、積層体２０に対する熱処理が行われる。この熱処理では、積層体２０が、水素雰囲気中において所定の温度に加熱される。この所定の温度は、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。この所定の温度は、例えば、９００℃である。
　圧延工程Ｓ３においては、第３に、積層体２０が圧延ローラに通される。これにより、第１板材及びモリブデン板１３が圧延されながら相互に接合される。この際、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１３ａに充填されて銅フィラー１４となる。開口部１３ａに充填されなかった第１板材の残部は、第１層１１となる。以上により、図２に示される構造の複合材料１０が製造される。別の観点から言えば、複合材料１０では、第１層１１及び第２層１２が、熱間圧延接合法を用いて接合されている。
　なお、複合材料１０の製造方法は、圧延工程Ｓ４をさらに有していてもよい。圧延工程Ｓ４は、圧延工程Ｓ３の後に行われる。圧延工程Ｓ４においては、複合材料１０に対して冷間圧延が行われることにより、厚さＴ１が調整される。
　（半導体パッケージ１００の構成）
　以下に、半導体パッケージ１００の構成を説明する。
　図６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６に示されているように、複合材料１０と、半導体素子３０と、ケース部材４０と、蓋４１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３０は、第１表面１０ａ上に配置されている。半導体素子３０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３０は、動作時に、発熱源となる。
　ケース部材４０は、例えばセラミックス材料製である。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４０は、半導体素子３０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４０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４１は、例えば、セラミックス材料製又は金属材料製である。蓋４１は、ケース部材４０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４０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４０及び蓋４１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、金属材料製である。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３０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。
　（複合材料１０の効果）
　以下に、複合材料１０の効果を説明する。
　上記のとおり、複合材料１０上には、ケース部材４０がろう付け等により接合される。そのため、複合材料１０の線膨張係数とケース部材４０の線膨張係数との違いに起因した熱応力を低減するため、複合材料１０の線膨張係数とケース部材４０の線膨張係数とが近いことが好ましい。
　また、複合材料１０の線膨張係数に異方性がある場合、ある方向（例えば、列方向）における複合材料１０の線膨張係数がケース部材４０の線膨張係数に近くても、他の方向（例えば、行方向）における複合材料１０の線膨張係数とケース部材４０の線膨張係数との差が大きくなってしまう。
　モリブデンの線膨張係数は銅の線膨張係数よりも小さいため、開口部１３ａに干渉することなく連続しているモリブデン板１３の部分が延びている方向では、複合材料１０の線膨張係数が小さくなりやすい。したがって、角度θが大きくなるほど複合材料１０の線膨張係数の異方性が小さくなる。他方で、角度θが小さくなるほど、隣り合う開口部１３ａの間の距離が大きくなり、圧延時に隣り合う開口部１３ａの間においてモリブデン板１３が破断しやすくなる。
　また、第１幅Ｗ１を大きく（具体的には、３５０μｍ超）とするとともに第２幅Ｗ２を第１幅Ｗ１で除した値が１以上２以下である場合には、発熱源である半導体素子３０において発生した熱が第２層１２を通過する際に銅フィラー１４を通りやすくなるため、第２層１２の熱抵抗が低下する。しかしながら、この場合、隣り合う開口部１３ａの間の距離が短くなるため、圧延時に隣り合う開口部１３ａの間においてモリブデン板１３が破断しやすくなる。
　本発明者らが鋭意検討したところによると、角度θが４７°以上９０°以下である場合には、第１幅Ｗ１が３５０μｍよりも大きく、かつ第２幅Ｗ２を第１幅Ｗ１で除した値が１以上２以下であっても、隣り合う開口部１３ａの間におけるモリブデン板１３の破断を抑制しつつ、複合材料１０の線膨張係数の異方性を低減することが可能であることが分かった。
　（実施例）
　複合材料のサンプルとして、サンプル１からサンプル７が準備された。表１に示されているように、サンプル１からサンプル７では、角度θ、第１幅Ｗ１、第２幅Ｗ２、第１ピッチ、第２ピッチ、１ｍｍ２あたりの開口部１３ａの数及びモリブデン板１３の開口率が変化された。サンプル１からサンプル７では、第１層１１は純銅の層であり、モリブデン板１３は純モリブデンの板である。サンプル１からサンプル７では、第１層１１の数は３とされ、第２層１２の数は２とされた。
　表２に示されているように、サンプル１からサンプル７では、第１板材の厚さ及び圧延前のモリブデン板１３の厚さを調整するとともに圧延時の圧下率を調整することにより、厚さＴ１及びモリブデンの体積比が調整された。圧延時の圧下率は、材料の内部破断が起こらないように適宜調整された。なお、表２に示されている第１板材の厚さは、積層体２０の最表面にある第１板材の厚さである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　角度θが４７°以上９０°以下であることを、条件Ａとする。第１幅Ｗ１が３５０μｍ以上であることを、条件Ｂとする。第２幅Ｗ２を第１幅Ｗ１で除した値が１以上２以下であることを、条件Ｃとする。サンプル１からサンプル４では、条件Ａから条件Ｃのいずれもが充足されていた。他方で、サンプル５からサンプル７では、条件Ａから条件Ｃのうちの少なくともいずれかが充足されていなかった。
　サンプル１からサンプル７に対して、第１線膨張係数、第２線膨張係数及び厚さ方向における熱伝導率が測定された。表３に示されるように、サンプル１からサンプル４では、第１線膨張係数を第２線膨張係数で除した値が１．５以下になっていた。他方で、サンプル５からサンプル７では、第１線膨張係数を第２線膨張係数で除した値が１．５よりも大きくなっていた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　この比較から、条件Ａから条件Ｃのいずれもが満たされることにより複合材料１０の線膨張係数の異方性を小さくできることが、実験的に明らかになった。なお、サンプル１からサンプル４では第１線膨張係数及び第２線膨張係数の双方が１４ｐｐｍ以下になっていたが、サンプル５からサンプル７では第１線膨張係数が１４ｐｐｍよりも大きくなっていた。
　サンプル１及びサンプル２ではモリブデンの体積比が１５パーセント未満である一方、サンプル３及びサンプル４ではモリブデンの体積比が１５パーセント以上であった。サンプル１及びサンプル２では、第１線膨張係数及び第２線膨張係数の双方が１０ｐｐｍ以下になっていた。サンプル３及びサンプル４では、第１線膨張係数が１０ｐｐｍよりも大きくなっていた。サンプル１及びサンプル２では、厚さ方向における熱伝導率が、２７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上になっているものの、３００Ｗ／ｍ・Ｋよりも小さかった。サンプル３及びサンプル４では、厚さ方向における熱伝導率が、３００Ｗ／ｍ・Ｋ以上になっていた。
　この比較から、モリブデンの体積比を１５パーセント未満とすることにより複合材料１０の線膨張係数を小さくすることができ、モリブデンの体積比を１５パーセント以上とすることにより複合材料１０の熱伝導率を小さくできることが、実験的に明らかになった。
　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。
　１０ａ　第１表面、１０ｂ　第２表面、１１　第１層、１２　第２層、１３　モリブデン板、１３ａ　開口部、１４　銅フィラー、１５　薄片、１６　ブロック、１７　測定試料、２０　積層体、３０　半導体素子、４０　ケース部材、４１　蓋、５０ａ，５０ｂ　端子、６０　放熱部材、１０　複合材料、１００　半導体パッケージ、Ｓ１　準備工程、Ｓ２　穴開け工程、Ｓ３，Ｓ４　圧延工程、Ｔ１，Ｔ２　厚さ、Ｌ１，Ｌ２　直線、Ｐ　荷重、Ｗ１　第１幅、Ｗ２　第２幅。

Claims (14)

  1. 　第１表面及び前記第１表面の反対面である第２表面を有する板状の複合材料であって、
    　前記複合材料は、複数の第１層と、少なくとも１つの第２層とを備え、
    　前記第１表面及び前記第２表面は、前記複合材料の厚さ方向における端面をなしており、
    　前記第１層及び前記第２層は、前記厚さ方向に沿って、前記第１層が前記第１表面及び前記第２表面に位置するように交互に積層されており、
    　前記第１層は、銅を主成分とする金属材料の層であり、
    　前記第２層は、モリブデン板と、銅フィラーとを有し、
    　前記モリブデン板には、前記厚さ方向に沿って前記モリブデン板を貫通している複数の開口部が形成されており、
    　前記銅フィラーは、前記開口部の内部に配置されており、
    　前記厚さ方向に直交する断面視において、前記開口部は、格子配列をなすように並んでおり、
    　前記厚さ方向に直交する断面視において、前記開口部は、前記格子配列の行方向において第１幅を有するとともに、前記行方向に直交している前記格子配列の列方向において第２幅を有し、
    　前記第１幅は、３５０μｍよりも大きく、
    　前記第２幅を前記第１幅で除した値は、１以上２以下であり、
    　前記厚さ方向に直交する断面視において、前記モリブデン板は、第１方向に沿って前記開口部と干渉することなく連続している部分と、前記第１方向とは異なる第２方向に沿って前記開口部と干渉することなく連続している部分とを有し、
    　前記第１方向と前記第２方向とのなす角度は、４７°以上９０°以下である、複合材料。
  2. 　前記第１方向と前記第２方向とのなす角度は、９０°未満である、請求項１に記載の複合材料。
  3. 　前記厚さ方向に直交する断面視において、１ｍｍ２あたりの前記開口部の数が３個未満である、請求項１又は請求項２に記載の複合材料。
  4. 　前記厚さ方向に直交する断面視において、１ｍｍ２あたりの前記開口部の数が２個未満である、請求項１又は請求項２に記載の複合材料。
  5. 　前記厚さ方向に直交する断面視において、前記モリブデン板の開口率が２０パーセント以上である、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の複合材料。
  6. 　前記複合材料中におけるモリブデンの体積比は、２５パーセント以下である、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の複合材料。
  7. 　前記複合材料中におけるモリブデンの体積比は、１５パーセント以上である、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の複合材料。
  8. 　前記複合材料中におけるモリブデンの体積比は、１５パーセント未満である、請求項１から請求項５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、５であり、
    　前記複合材料の厚さは、１．５ｍｍ以下であり、
    　前記第２層の厚さは、０．３ｍｍ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. 　室温から８００℃まで温度が変化した際の前記行方向における線膨張係数を室温から８００℃まで温度が変化した際の前記列方向における線膨張係数で除した値は、１．５以下である、請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の複合材料。
  11. 　前記列方向において隣り合う前記開口部の間のピッチは、前記行方向において隣り合う前記開口部の間のピッチよりも大きい、請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の複合材料。
  12. 　請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の前記複合材料を備え、
    　前記第１表面は、発熱源との接触面をなしている、ヒートスプレッダ。
  13. 　請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の前記複合材料と、
    　半導体素子とを備え、
    　前記半導体素子は、前記第１表面上に配置されている、半導体パッケージ。
  14. 　セラミックス材料製の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１３に記載の半導体パッケージ。
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