JP2003188324A

JP2003188324A - 放熱基材、放熱基材の製造方法、及び放熱基材を含む半導体装置

Info

Publication number: JP2003188324A
Application number: JP2001387630A
Authority: JP
Inventors: Takefumi Ito; 武文伊藤; Takuo Ozawa; 拓生小澤; Toshio Umemura; 敏夫梅村; Hiroyuki Teramoto; 浩行寺本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2001-12-20
Filing date: 2001-12-20
Publication date: 2003-07-04

Abstract

(57)【要約】【課題】母材材料の特性を超える良好な熱伝導特性を
有する放熱基材を提供する。【解決手段】半導体デバイスを載置して冷却する放熱
基材が、略平行な第１面と第２面とを有し、半導体デバ
イスが第１面上に載置される母材と、第２面の略法線方
向に沿って母材に埋められて固定され、母材より高い熱
伝導率を有するロッドとからなり、母材の第２面からロ
ッドの一部が露出する。上記母材は、銅又は銅合金から
なる。ロッドは、炭素繊維強化炭素複合材料、炭素基金
属複合材料、又は炭素繊維強化金属を含む炭素繊維／金
属複合材料、若しくは高熱伝導性金属材料の少なくとも
一方の材料からなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、放熱基材及びその
製造方法に関し、特に、母材材料の特性を超える良好な
熱伝導特性を有する放熱基材とその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１０は、特開平１０−１５０１２４号
公報に記載された、全体が５００で表された半導体装置
の断面図である。半導体装置５００は、金属層５２０と
複合層５３０とを有する放熱基材５１０を含む。金属層
５２０は、高熱伝導性の金属母材（金属母材）５０１の
みからなる。一方、複合層５３０は、高熱伝導性の金属
母材５０１と、金属母材５０１中に分散させた低熱膨張
性の繊維状又は粒子状の分散材５０２からなる。金属層
５２０と複合層５３０は、ともに金属母材５０１を含
み、両者は連続した構造となっている。

【０００３】複合層５３０の上に金属皮膜５０３が設け
られている。金属皮膜５０３の上には、半田層５０４を
介して、発熱半導体デバイス５０６を載置した低膨張性
基板５０５が固定されている。これにより、半導体デバ
イス５０６で発生した熱は、半田層５０４と金属皮膜５
０３を介して複合層５３０及び金属層５２０に伝えら
れ、外部に放熱される。

【０００４】一方、焼結法を利用した銅と炭素繊維の複
合材の製造方法として、特開昭５７−１４３４５５号公
報には母材金属粉末よりも低い融点の金属粉末を加熱炉
中で圧力を加え仮焼結後、本焼結を行う方法が開示され
ている。また、特開昭５７−１８５９４２号公報では、
銅めっきを施した炭素繊維を焼結する方法が開示されて
いる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、放熱基
材５１０は、金属母材５０１中の一部に、繊維状又は粒
子状の分散材５０２を分散させた構造である。このた
め、分散材５０２として高い熱伝導性を有する繊維を用
いた場合でも、放熱基材５１０全体では、金属母材５０
１の特性が支配的となり、金属母材５０１の特性を超え
る熱伝導特性を得ることができなかった。従って、半導
体デバイス５０６の温度上昇を抑制するには限界があ
り、特に、パワーモジュール等の発熱量の大きい半導体
デバイスを用いる場合に、より高い放熱特性を有する放
熱基材が必要であった。また、放熱フィン５０７の部分
は機械加工により仕上げられるため製造コストが高くな
った。

【０００６】そこで、本発明は、母材材料の特性を超え
る良好な熱伝導特性を有する放熱基材とその製造方法、
及びかかる放熱基材を用いた半導体装置を提供すること
を目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、半導体デバイ
スを載置して冷却する放熱基材であって、略平行な第１
面と第２面とを有し、半導体デバイスが該第１面上に載
置される母材と、該第２面の略法線方向に沿って該母材
に埋められて固定され、該母材より高い熱伝導率を有す
るロッドとからなり、該ロッドの一部が該母材の該第２
面から露出したことを特徴とする放熱基材である。本発
明にかかる放熱基材では、母材に埋め込まれたロッドの
先端が母材から露出した構造を用いることにより、母材
材料の放熱特性を超える良好な放熱特性を有する放熱基
材を提供できる。これにより、放熱基材と、放熱基材に
搭載した半導体デバイスとの接合部に発生する熱歪みを
緩和し、接合部の破損を防止できる。

【０００８】本発明は、上記ロッドの一端が、上記母材
の上記第２面から突出したことを特徴とする放熱基材で
もある。このように、母材より高い熱伝導率を有するロ
ッドの一端を母材から突出させて、冷却媒体に接触させ
ることにより、良好な冷却特性を得ることができる。

【０００９】また、本発明は、上記ロッドの一端が、上
記母材の上記第２面と略同一平面に含まれる、平坦な端
面を有することを特徴とする放熱基材でもある。このよ
うに、母材より高い熱伝導率を有するロッドの一端を母
材の第２面と略同一平面に設けることにより、第２面に
配置した放熱フィンとロッドとを接触させて、良好な放
熱特性を実現できる。

【００１０】上記母材は、銅又は銅合金からなり、上記
ロッドは、炭素繊維強化炭素複合材料、炭素基金属複合
材料、又は炭素繊維強化金属を含む炭素繊維／金属複合
材料、若しくは高熱伝導性金属材料の少なくとも一方の
材料からなる。

【００１１】上記母材は、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃ、Ｓｉ
Ｃ、及びＡｌＮからなる群から選択される少なくとも１
つの添加成分を、５〜４０体積％含有する銅合金からな
ることが好ましい。このような量の微粉体を混合するこ
とにより、放熱基材の熱伝導率を高く維持しつつ、熱膨
張係数を低くすることができる。

【００１２】上記母材は、粒径が１００μｍ以下の微粉
体として分散させた上記添加成分を含む銅合金からなる
ことが好ましい。微粉体の粒径を１００μｍ以下とする
ことにより、均一な成分の銅合金を得ることができる。

【００１３】上記ロッドは、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｗ、及
びＳｉＣからなる群から選択される成分を主成分とする
被覆層に覆われたものであっても良い。ロッドを被覆す
ることにより、母材とロッドとの接着性が向上するとと
もに、ロッドの吸湿等を防止できる。

【００１４】上記母材と、該母材から露出した上記ロッ
ドが、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｗ、及びＳｉＣからなる群か
ら選択される成分を主成分とする被覆層に覆われたもの
であっても良い。

【００１５】上記ロッドは互いに異なった材料で複数の
ロッドからなるものであっても良い。

【００１６】また、本発明は、母材と該母材から一端が
露出したロッドとを含む放熱基材の製造方法であって、
炭素繊維／金属複合材料、又は高熱伝導性金属材料の少
なくとも一方の材料からなるロッドを準備するロッド準
備工程と、該ロッドを成形型内に配置する配置工程と、
該成形型内に、銅を主成分とする粉体を充填して、該ロ
ッドの一端を埋める工程と、該粉体を、０．１〜５ｔｏ
ｎｆ／ｃｍ^２の圧力で加圧し、ロッドの一端が埋め込ま
れた圧粉体を形成する工程と、該ロッドが固定された該
圧粉体を、非酸化雰囲気中で、７００〜１２００℃の温
度で加熱して該圧粉体を焼結して母材とする工程とを含
むことを特徴とする放熱基材の製造方法でもある。かか
る放熱基材の製造方法を用いることにより、簡単な工程
で放熱特性の高い放熱基材の作製が可能となる。特に、
粉体をかかる圧力で加圧することにより、ロッドに損傷
を与えることにく所定の圧粉体を得ることができる。ま
た、かかる温度で焼結することにより、気孔の残存防止
しつつ、変形の無い母材を得ることができる。

【００１７】上記配置工程は、上記成形型内に支持治具
を設け、複数の上記ロッドが略平行となるように該支持
治具で支持する工程であることが好ましい。複数のロッ
ドを略平行に維持するためである。

【００１８】また、本発明は、母材と該母材から一端が
露出したロッドとを含む放熱基材の製造方法であって、
炭素繊維／金属複合材料、又は高熱伝導性金属材料の少
なくとも一方の材料からなるロッドを準備するロッド準
備工程と、銅を主成分とする粉体を０．１〜８ｔｏｎｆ
／ｃｍ^２の圧力で加圧して、圧粉体を形成する工程と、
該圧粉体に孔部を形成する工程と、該孔部に該ロッドを
挿入して、該圧粉体から該ロッドの一端を露出させる工
程と、該ロッドが挿入された該圧粉体を、非酸化雰囲気
中で、７００〜１２００℃の温度で加熱して該圧粉体を
焼結して母材とする工程とを含むことを特徴とする放熱
基材の製造方法でもある。かかる圧力で加圧して圧粉体
を形成することにより、焼結工程で圧粉体が適度に収縮
し、ロッドと母材とが良好な接合状態となるためであ
る。なお、特開昭５７−１４３４５５号公報や特開昭５
７−１８５９４２号公報には、繊維強化型複合材料の製
造方法が記載されている。しかし、かかる製造方法で
は、短い炭素繊維を用いた複合材のみしか製造すること
ができず、本発明のような放熱基材を得ることができな
い。また、かかる製造方法では、加圧しながら焼結を行
うため、生産性が低く、また、専用の製造装置が必要と
なる。

【００１９】また、本発明は、母材と該母材から一端が
露出したロッドとを含む放熱基材の製造方法であって、
炭素繊維／金属複合材料、又は高熱伝導性金属材料の少
なくとも一方の材料からなるロッドを準備するロッド準
備工程と、銅を主成分とする粉体を０．１〜８ｔｏｎｆ
／ｃｍ^２の圧力で加圧して、圧粉体を形成する工程と、
該圧粉体を、非酸化雰囲気中で、４００〜７００℃の温
度で加熱して該圧粉体を焼結して一次焼結体とする工程
と、該一次焼結体に孔部を形成する工程と、該孔部に該
ロッドを挿入し、該一次焼結体から該ロッドの一端を露
出させる工程と、該ロッドが挿入された該一次焼結体
を、非酸化雰囲気中で、７００〜１２００℃の温度で加
熱して、該一次焼結体を更に焼結して母材とする工程と
を含むことを特徴とする放熱基材の製造方法でもある。

【００２０】上記銅を主成分とする粉材が、Ｃｒ、Ｍ
ｏ、Ｗ、Ｃ、ＳｉＣ、及びＡｌＮからなる群から選択さ
れる少なくとも１つの成分からなる微粉体を、５〜４０
体積％の割合で銅の粉体に混同した粉体からなることが
好ましい。このような量の微粉体を混合することによ
り、放熱基材の熱伝導率を高く維持しつつ、熱膨張係数
を低くすることができる。

【００２１】上記微粉体の粒径は、１００μｍ以下であ
ることが好ましい。微粉体を、銅の粉体中に均一に分散
させるためである。

【００２２】上記ロッド準備工程は、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａ
ｕ、Ｗ、及びＳｉＣからなる群から選択される成分を主
成分とする被覆層で該ロッドの表面を覆う工程を含むも
のであっても良い。ロッドを被覆することにより、母材
とロッドとの接着性が向上するとともに、ロッドの吸湿
等を防止できる。

【００２３】更に、上記母材と該母材から露出した上記
ロッドとの表面を、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｗ、及びＳｉＣ
からなる群から選択される成分を主成分とする被覆層で
覆う工程を含むものであっても良い。

【００２４】また、本発明は、上述の放熱基材と、該放
熱基材の上記第１面に取りつけられた半導体素子とを含
む半導体装置であって、該放熱基材の上記第２面から露
出した上記ロッドが、冷却媒体と接するようにしてなる
ことを特徴とする半導体装置でもある。このように、放
熱基材において、母材より高い熱伝導率を有するロッド
の一端を母材から露出させて、冷却媒体に接触させるこ
とにより、放熱基材上に載置された半導体素子の冷却効
率が高くなり、信頼性の高い半導体装置を得ることがで
きる。

【００２５】上記放熱基材が、放熱容器に取りつけら
れ、該放熱容器中を流れる冷却水が、該放熱基材の上記
第２面から露出した上記ロッドに接するようにしてなる
半導体装置でもある。

【００２６】上記冷却媒体が、上記放熱基材の上記第２
面に取りつけられた放熱フィンであることを特徴とする
半導体装置でもある。

【００２７】

【発明の実施の形態】実施の形態１．図１は、全体が１
００で表される、本実施の形態にかかる放熱基材の斜視
図である。また、図２は、図１のＩ−Ｉ方向の断面図で
あり、４本のロッド２を含む一部の断面のみを示す。放
熱基材１００は、Ｃｕからなる母材１と、母材１に一端
が埋められた炭素繊維強化炭素複合材料（以下、「Ｃ／
Ｃ」という。）からなるロッド２とを含む。ここで、Ｃ
／Ｃは、炭素をマトリックスとし、炭素繊維で強化した
炭素繊維強化炭素複合材料をいう。

【００２８】次に、本実施の形態にかかる放熱基材１０
０の製造方法について説明する。かかる製造方法は、以
下の工程１〜６を含む。

【００２９】工程１：図３（ａ）に示すように、ロッド
２と、ロッド２を支持する支持治具１０とを準備する。
Ｃ／Ｃのロッド２は、例えば、直径１ｍｍ、長さ５ｍｍ
に加工する。支持治具１０には、ロッド２の直径よりや
や大きい複数の孔部１１が、厚み方向に設けられてい
る。ロッド２は、かかる孔部１１に差し込まれる。な
お、支持治具１０の孔部１１の位置、深さ、数、直径を
選択することにより、放熱基材１００のロッド２の位
置、露出長さを任意に調整できる。また、ロッドの組
成、直径、形状（円柱、角柱など）等も任意に選択でき
る。次に、ロッド２が差し込まれた支持治具１０は、金
型（成形型）３０の中に配置される。

【００３０】工程２：図３（ｂ）に示すように、金型３
０中に配置された支持治具１０の上に、Ｃｕ粉体２０が
入れられる。Ｃｕ粉体２０は、以下の工程３でＣｕ粉体
２０を加圧しても、Ｃｕ粉体２０からロッド２が突出し
ない程度まで入れる。Ｃｕ粉体２０の粒径は、４５μｍ
以下が好ましい。

【００３１】工程３：図３（ｃ）に示すように、上方か
らパンチ棒３１を挿入し、Ｃｕ粉体２０を加圧成形す
る。成形圧力には、例えば、０．５ｔｏｎｆ／ｃｍ^２を
用いる。かかる加圧成形により、Ｃｕ粉体２０が圧粉体
３となる。なお、成形圧力は、約０．１〜５ｔｏｎｆ／
ｃｍ^２の範囲から選択される。成形圧力の下限を０．１
ｔｏｎｆ／ｃｍ^２としたのは、支持治具１０から圧粉体
を分離する際に圧粉体の形状を維持するためと、後述の
焼結温度の範囲内で、良好な焼結体を得るためである。
また、成形圧力の上限を５ｔｏｎｆ／ｃｍ^２以下したの
は、支持治具１０から突出したロッド２の端部の損傷
や、ロッド２の亀裂を防止するためである。

【００３２】工程４：図３（ｄ）に示すように、金型３
０から、支持治具１０とともに圧粉体３を取り出す。続
いて、支持治具１０と圧粉体３とを分離する。これによ
り、ロッド２の一部を含み、ロッド２と一体となった圧
粉体３が得られる。

【００３３】工程５：図３（ｅ）に示すように、ロッド
２と一体となった圧粉体３を焼結炉４０に入れて、加熱
する。加熱条件は、例えば、水素雰囲気において、１０
００℃で１時間とする。かかる焼結工程で、圧粉体３が
焼結されて母材１となる。なお、かかる焼結工程におい
て、水素雰囲気に代えて、アルゴン、窒素、アンモニア
分解ガス（窒素と水素の混合ガス）等の雰囲気で焼結を
行っても良い。また、真空中で焼結を行っても良い。

【００３４】また、焼結温度は、約７００〜約１２００
℃の範囲内で行われる。特に、Ｃｕのみを母材とした場
合には、Ｃｕの圧粉体を、好適には７００℃以上１０８
３℃未満の温度、より好適には９００℃以上１０７０℃
以下の温度で焼結を行う。焼結温度の下限を７００℃と
したのは、焼結体の内部に気孔を残存させないためであ
り、７００℃未満では焼結が十分に進行せず、焼結体の
内部に気孔が残存してしまうためである。また、焼結温
度の上限を１０８３℃としたのは、母材のＣｕを溶融さ
せずに形状を保持するためである。

【００３５】一方、後述するように、微粉体（微小体）
を分散したＣｕ合金を母材とする場合は、焼結温度は、
好適には７００℃以上１２００℃以下であり、更に好適
には、９００℃以上１０８０℃以下（固相焼結領域）又
は、１０９０℃以上１１５０℃以下（液相焼結領域で）
である。微粉体を分散させた混合体では、微粉体の混合
量や組み合わせにより固相焼結、又は液相焼結のいずれ
かで焼結することが可能となる。

【００３６】焼結温度の下限を７００℃としたのは、焼
結体の内部に気孔を残存させないためである。固相焼結
の上限を１０８０℃としたのは液相を生じさせないため
である。また、液相焼結の下限を１０９０℃としたのは
確実に液相を生じさせるためであり、上限を１２００℃
としたのは、溶融による焼結体の変形や膨張を生じさせ
ないためである。

【００３７】工程６：図３（ｆ）に示すように、ロッド
２と一体となった母材１を、焼結炉４０から取り出す。
これにより、ロッド２の一端が母材１中に固定され、他
端が、母材１の板厚方向に突出した放熱基材１００が得
られる。

【００３８】ここでは、母材１の材料としてＣｕを用い
た場合について説明したが、母材１にはＣｕ合金を用い
ても良い。この場合は、工程２（図３（ｂ））の工程
で、Ｃｕ粉体に、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃ、ＳｉＣ、ＡｌＮ
のいずれか１種以上からなる微粉体（微小体）を５〜４
０体積％で均一に混合した混合粉を予め作製しておき、
これを金型３０に充填することにより、Ｃｕ合金からな
る母材１を有する放熱基材１００を得ることができる。
微粉体（微小体）は、例えば、その形状が、粒子、扁平
粒子、短繊維、又はウイスカーからなる。

【００３９】かかる工程では、例えば、Ｃｕ粉体中に、
Ｃｒの粉体を２０体積％含有させるには、粒径が４５μ
ｍ以下のＣｕ粉体と、同じく粒径が４５μｍ以下のＣｒ
の粉体とを、含有率２０体積％となるように配合し、ボ
ールミルで２時間程度混合して混合粉を得る。続いて、
かかる混合粉を金型３０に充填し、上述の工程２〜６を
行う。これにより、Ｃｕ中にＣｒが均一に分散した母材
１を有する放熱基材１００が得られる。なお、Ｃｒの粉
体の分散性を向上させるために、微量の流動パラフィン
等の分散剤を添加してもよい。

【００４０】ここで、Ｃｕ粉体中に添加するＣｒ、Ｍ
ｏ、Ｗ、Ｃ、ＳｉＣ、ＡｌＮの微粉体の粒径は、１００
μｍ以下とする。これは、粒径１００μｍを超える微粉
体を用いてＣｕ粉体との混合粉を作製した場合、微粉体
の体積含有率やＣｕ粉体の粒径を変えても、Ｃｕ粉体と
微小体とが混合時に分離してしまい、微小体が均一に分
散した母材１が得られないためである。

【００４１】実施の形態２．図４は、本実施の形態にか
かる放熱基材１００の製造工程の断面図である。最終的
に得られる放熱基材１００は、上記実施の形態１と同様
である（図１、２参照）。かかる製造方法は、以下の工
程１〜５を含む。

【００４２】工程１：図４（ａ）に示すように、成形圧
力２ｔｏｎｆ／ｃｍ^２で成形したＣｕの圧粉体４を準備
する。Ｃｕの粒径は、４５μｍ以下とする。また、圧粉
体４の大きさは、長さが２０ｍｍ、幅が２０ｍｍ、高さ
（厚さ）が１０ｍｍである。圧粉体４の成形圧力は、
０．１〜８ｔｏｎｆ／ｃｍ^２の範囲から選択される。こ
れは、圧紛体４が焼結工程で収縮することにより、ロッ
ド２と母材１の結合させるためである。形成圧力が８ｔ
ｏｎｆ／ｃｍ^２を超えた場合、焼結工程における収縮が
小さく、ロッド２と母材１の結合力が小さくなる。

【００４３】工程２：図４（ｂ）に示すように、圧粉体
４に、ロッド２を差し込むために、複数の孔部５を機械
加工により形成する。孔部５の直径は、ロッド２の直径
よりもやや大きくする。また、孔部５は、板厚方向に設
けられる。なお、孔部５は、貫通孔、未貫通孔のどちら
でも良い。

【００４４】工程３：図４（ｃ）に示すように、孔部５
にロッド２を差し込む。ロッド２の直径は１ｍｍ、長さ
は１５ｍｍとする。

【００４５】工程４：図４（ｄ）に示すように、ロッド
２を差し込んだ圧粉体４を、焼結炉４０に入れて焼結す
る。焼結条件は、水素雰囲気中で、１０００℃、１時間
とする。

【００４６】工程５：図４（ｅ）に示すように、ロッド
２と一体となった母材１を、焼結炉４０から取り出す。
これにより、ロッド２の一端が母材１中に固定され、他
端が、母材１の板厚方向に突出した放熱基材１００が得
られる。

【００４７】実施の形態３．図５は、本実施の形態にか
かる放熱基材１００の製造工程の断面図である。最終的
に得られる放熱基材１００は、上記実施の形態１と同様
である（図１、２参照）。かかる製造方法は、以下の工
程１〜７を含む。

【００４８】工程１：図５（ａ）に示すように、成形圧
力２ｔｏｎｆ／ｃｍ^２で成形したＣｕの圧粉体４を準備
する。Ｃｕの粒径は、４５μｍ以下とする。また、圧粉
体４の大きさは、長さが２０ｍｍ、幅が２０ｍｍ、高さ
（厚さ）が１０ｍｍである。圧粉体４の成形圧力は、実
施の形態２と同様に、０．１〜８ｔｏｎｆ／ｃｍ^２の範
囲から選択される。

【００４９】工程２：図５（ｂ）に示すように、圧粉体
４を、焼結炉４０に入れて焼結する。焼結条件は、水素
雰囲気中で、５００℃、１時間とする。

【００５０】工程３：図５（ｃ）に示すように、焼結工
程（工程２）で、一次焼結体６が得られる。

【００５１】工程４：図５（ｄ）に示すように、一次焼
結体６にロッド２を差し込むために、複数の孔部５を機
械加工により形成する。孔部５の直径は、ロッド２の直
径よりもやや大きくする。また、孔部５は、板厚方向に
設けられる。なお、孔部５は、貫通孔、未貫通孔のどち
らでも良い。

【００５２】工程３：図５（ｅ）に示すように、一次焼
結体６に設けた孔部５にロッド２を差し込む。ロッド２
の直径は１ｍｍ、長さは１５ｍｍとする。

【００５３】工程４：図５（ｆ）に示すように、ロッド
２を差し込んだ一次焼結体６を、再度、焼結炉４０に入
れて焼結する。焼結条件は、水素雰囲気中で、１０００
℃、１時間とする。

【００５４】工程５：図５（ｇ）に示すように、ロッド
２と一体となった母材１を、焼結炉４０から取り出す。
これにより、ロッド２の一端が母材１中に固定され、他
端が、母材１の板厚方向に突出した放熱基材１００が得
られる。

【００５５】実施の形態４．実施の形態１、２、３で
は、炭素繊維強化炭素複合材料（Ｃ／Ｃ）をロッド２の
材料に用いた場合について説明したが、ロッド２の材料
には、Ｃ／Ｃに代えて、Ｃ／Ｃ−ＭやＣＦＲＭ等の複合
材料を用いることもできる。また、ロッド２の材料に
は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕを主体とする高熱伝導性金属材料
や、かかる高熱伝導性金属とＣ／Ｃ、Ｃ／Ｃ−Ｍ、又は
ＣＦＲＭとの複合材料（炭素繊維／金属複合材料）を用
いることもできる。ここで、Ｃ／Ｃ−Ｍは、Ｃ／Ｃの中
に金属等を含浸させた炭素基金属複合材料をいう。ま
た、ＣＦＲＭは、金属と炭素繊維を複合化した炭素繊維
強化金属材料をいう。

【００５６】図６は、全体が２００で表される、本実施
の形態にかかる放熱基材の断面図である。放熱基材２０
０は、母材１と、母材１に一端が埋められたロッド７、
８とを含む。母材１は、Ｃｕ、又はＣｕにＣｒ、Ｍｏ、
Ｗ、Ｃ、ＳｉＣ、ＡｌＮのいずれか１つ以上の元素を加
えたＣｕ合金からなる。一方、ロッド７は、Ｃｕ、Ａ
ｇ、Ａｕを主体とする高熱伝導性金属材料からなり、ロ
ッド８は、ＣＦＲＭ（炭素繊維／金属複合材料）からな
る。

【００５７】図７は、全体が３００で表される、本実施
の形態にかかる他の放熱基材の断面図である。放熱基材
２００は、母材１と、母材１に一端が埋められ、被覆層
９で表面が被覆されたロッド２とを含む。母材１は、Ｃ
ｕ、又はＣｕにＣｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃ、ＳｉＣ、ＡｌＮの
いずれか１つ以上の元素を加えたＣｕ合金からなる。一
方、ロッド２は、Ｃ／Ｃ、Ｃ／Ｃ−Ｍ、又はＣＦＲＭ、
Ｃｕ、Ａｇ又はＡｕを主体とする高熱伝導性金属材料、
若しくはＣ／Ｃ等と高熱伝導性金属との複合材料からな
る。

【００５８】ロッド２上への被覆層９の形成は、電解メ
ッキ法、無電解メッキ法、化学蒸着法、物理蒸着法等を
単独または組み合わせて用いることにより行う。例え
ば、単独の方法としては、化学還元浴中にロッド２を浸
漬し、ＣｕやＮｉを被覆する無電解メッキ法等がある。
また、組み合わせる方法としては、化学蒸着法を用いて
ロッド２にＳｉＣを被覆し、続いて、その上に電解メッ
キ法でＣｕを被覆する方法等がある。

【００５９】また、母材１にロッド２が固定された放熱
基材１０の全体に被覆層９を形成することもできる。例
えば、放熱基材１００の全体に対して、電解メッキ法や
無電解メッキ法を単独又は組み合わせて行い、Ｃｕ、Ｎ
ｉ、Ａｕを被覆する。

【００６０】このように、ロッド２に被覆層９を形成す
ることにより、母材１とロッド２の接合力の向上や、ロ
ッド中への水分の吸湿を防止することができる。

【００６１】実施の形態５．図８は、放熱基材１００を
用いた半導体装置である。母材１とロッド２からなる放
熱基材１００の上には、半田材により半導体デバイス６
０が固定されている。放熱基材１００は、冷却容器５０
に設けられた開口部にろう付けされている。放熱容器５
０は、冷媒流路５１と、その両側に設けられた冷媒入口
５２、冷媒出口５３を有する。冷媒容器５０は、例えば
銅からなる。冷媒入口５２から入った、例えば冷却水等
の冷媒は、冷媒流路５１を通って冷媒出口５３から排出
される。なお、半導体デバイス６０は、半導体チップを
絶縁板上に搭載した構造となっている（図示せず）。

【００６２】このような放熱容器５０を用いることによ
り、放熱基材１００のロッド２が冷却媒体と接して直接
冷却される。放熱基材１００では、母材１よりロッド２
の方が熱伝導性の高い材料からなるため、半導体デバイ
ス６０の冷却効率を従来より高くできる。即ち、放熱基
材１００では、母材１の材料の特性を超える良好な熱伝
導特性を得ることができる。なお、放熱基材１００に代
えて、上述の実施の形態２〜４に示す放熱基材を用いて
も良い。この場合にも、同様に、母材１の材料の特性を
超える良好な熱伝導特性を得ることができる。

【００６３】実施の形態６．図９は、全体が４００で表
される、本実施の形態にかかる放熱基材の用いた半導体
装置である。放熱基材４００は、母材１とロッド２から
なるが、ロッド２の端部は母材１の底面から突出してい
ない。ロッド２の端部は、母材１の底面で露出してい
る。他の構成や材料は、放熱基材１００と同じである。
かかる放熱基材４００の上には、半導体デバイス６０が
半田材で固定されている。また、放熱基材４００の上に
は、半導体デバイス６０を覆うようにキャップ７０が設
けられている。これらにより半導体パッケージ９０が形
成されている。

【００６４】半導体パッケージ９０の放熱基材４００の
底面には、銅等からなる放熱フィン８０が固定されてい
る。放熱基材４００の底面に放熱フィン８０を接触させ
ることにより、放熱基材４００の底面に露出したロッド
２が、放熱フィン８０と接するようになる。これによ
り、半導体デバイス６０で発生した熱は、ロッド２を介
して放熱フィン８０に効率的に伝えられる。

【００６５】このように、本実施の形態にかかる放熱基
板４００は、放熱フィン８０に固定することができ、空
冷方式の半導体パッケージに用いることができる。

【００６６】実施の形態７．表１に、本発明にかかる放
熱基材を用いた場合の放熱特性の評価結果を示す。表１
に示すように、発明例（Ｎｏ．１〜１６）及び比較例
（２１〜２３）について、熱サイクル特性の評価、及び
半導体デバイスの温度評価を行った。評価には、実施の
形態５に示す冷却容器５０が用いた（図８）。放熱基材
の母材１は、長さ２０ｍｍ、幅２０ｍｍ、厚さ５ｍｍと
した。露出したロッド２の長さは、母材端面から５ｍｍ
とし、ロッド２の表面にはＣｕを被覆した。なお、母材
１、ロッド２からなる放熱基材の外観形状は、すべての
発明例、比較例で略同じ形状とした。放熱基材の評価
は、図８の冷却容器５０に放熱基材を組み込み、冷却媒
体として、温度６０℃、流量５ｌ／ｍｉｎの冷却水を用
いた。放熱基材の端面及び露出したロッドと、冷却水は
直接接するようにした。なお、冷媒容器５０の厚みは１
０ｍｍである。

【００６７】半導体デバイスの温度測定は、半導体デバ
イス６０の発熱量３０Ｗとなるように負荷をかけ、この
時の半導体デバイスの温度を計測して行った。また、熱
サイクル特性は、放熱基材の上に半導体デバイスを半田
接合した状態で、−５０℃〜＋１５０℃の熱サイクルを
１５０回かけて、放熱基材と半導体デバイスとの接合状
況を観察して評価した。

【００６８】比較例（Ｎｏ．２１〜２３）では、上述の
母材と同じ形状の放熱板をＣｕ又はＡｌで形成した。Ｎ
ｏ．２１、２３では、機械加工により、放熱板上にピン
状のフィンを形成した。

【００６９】母材１、ロッド２からなる放熱基材の外観
形状は、すべての発明例、比較例で略同じ形状とし（Ｎ
ｏ．２３のみピンフィンなし）、冷却条件も同じとし
た。

【００７０】

【表１】

【００７１】Ｎｏ．１〜３は、母材１が、Ｃｕ又はＣｕ
合金からなり、ロッド２が炭素繊維／金属複合材料（Ｃ
／Ｃ、Ｃ／Ｃ−Ｍ、ＣＦＲＭ）からなる場合である。ロ
ッド２に含まれる炭素繊維は、ロッド２の長さ方向と水
平になるように、１方向に配向している。実施例Ｎｏ．
１〜３は、半導体デバイス温度が９０℃以下となり、比
較例のＮｏ．２１、２２に比べて、半導体デバイス温度
を低く抑えられることがわかる。

【００７２】Ｎｏ．４〜９は、母材１が、Ｃｕ中にＣ
ｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃ、ＳｉＣ、ＡｌＮの微粉体を５〜４０
ｖｏｌ％添加した合金からなり、ロッド２が、Ｃ／Ｃか
らなる場合である。比較例と比べ、いずれも半導体デバ
イス温度は９５℃以下と低く、半導体デバイス温度の上
昇を抑えている。また、熱膨張係数は１１〜１６×１０
^−６／℃となり、比較例よりも熱膨張係数が小さい。更
に、熱サイクル試験の結果では、半導体デバイス温度の
上昇を抑えながら半導体デバイスと放熱基材の接合部の
熱歪みが抑制されたため、熱サイクル特性が向上してい
る。

【００７３】Ｎｏ．１０は、母材１が、Ｃｕ中に、Ｃと
ＳｉＣの２種類の微粉体を添加した合金からなり、ロッ
ド２が、Ｃ／Ｃからなる場合である。同様に、半導体デ
バイスの温度上昇を抑制でき、熱膨張係数も小さく、熱
サイクル特性も向上した。

【００７４】Ｎｏ．１１は、母材１がＣｕからなり、ロ
ッド２が、ＡｇとＣ／Ｃを併用した場合である。また、
Ｎｏ．１２は、母材１がＣｕからなり、ロッド２がＣｕ
とＣ／Ｃを併用した場合である。いずれの場合も、良好
な熱サイクル特性を維持しながら、半導体デバイスの温
度を９０℃以下とでき、放熱特性が向上している。

【００７５】Ｎｏ．１３は、母材１、ロッド２ともにＣ
ｕからなる場合である。半導体デバイス温度は、比較例
（Ｎｏ．２１）の機械加工で作製されたものと同等の特
性を示している。このことから、本発明にかかる製造方
法を用いることにより、複雑な機械加工によりピンフィ
ンを形成することなく、同等の効果を有する放熱基材を
得ることができる。なお、ここでは、母材端面からロッ
ド２を５ｍｍ露出した場合について示したが、ロッド２
の露出長が長くなるほど、その長さにほぼ比例して放熱
特性が向上する。

【００７６】Ｎｏ．１４は、実施の形態２にかかる製造
方法で放熱基材を製造した場合である。また、Ｎｏ．１
５は、実施の形態３にかかる製造方法で放熱基材を製造
した場合である。Ｎｏ．１、Ｎｏ．１４、Ｎｏ．１５を
比較した場合、ほぼ同等の放熱性能が得られ、比較例に
比べて熱サイクル特性が向上し、半導体デバイス温度の
上昇が抑えられている。

【００７７】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
にかかる放熱基材では、母材より高い熱伝導率を有する
ロッドの先端が母材から露出しており、母材材料の放熱
特性を超える良好な放熱特性を有する放熱基材を得るこ
とができる。

【００７８】また、放熱基材と、放熱基材に搭載した半
導体デバイスとの接合部に発生する熱歪みを緩和し、接
合部の破損を防止できる。

【００７９】また、本発明にかかる放熱基材の製造方法
を用いることにより、簡単な工程で放熱特性の高い放熱
基材の作製が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１にかかる放熱基材の斜
視図である。

【図２】本発明の実施の形態１にかかる放熱基材の断
面図である。

【図３】本発明の実施の形態１にかかる放熱基材の製
造工程の断面図である。

【図４】本発明の実施の形態２にかかる放熱基材の製
造工程の断面図である。

【図５】本発明の実施の形態３にかかる放熱基材の製
造工程の断面図である。

【図６】本発明の実施の形態４にかかる放熱基材の断
面図である。

【図７】本発明の実施の形態４にかかる他の放熱基材
の断面図である。

【図８】本発明の実施の形態５にかかる半導体装置の
断面図である。

【図９】本発明の実施の形態６にかかる半導体装置の
断面図である。

【図１０】従来の半導体装置の断面図である。

【符号の説明】

１母材、２ロッド、３、４圧粉体、５孔部、１
０支持治具、１１孔部、２０Ｃｕ粉体、３０金
型、３１パンチ棒、４０焼結炉、１００放熱基材。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者梅村敏夫東京都千代田区丸の内二丁目２番３号三菱電機株式会社内 (72)発明者寺本浩行東京都千代田区丸の内二丁目２番３号三菱電機株式会社内Ｆターム(参考） 4K018 AA04 BA02 BA09 BB04 BC08 BD10 CA02 CA12 DA01 DA04 DA21 DA33 FA23 HA10 JA40 KA32 5F036 AA01 BA10 BA23 BB05 BD01 BD11

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体デバイスを載置して冷却する放熱
基材であって、略平行な第１面と第２面とを有し、半導体デバイスが該
第１面上に載置される母材と、該第２面の略法線方向に沿って該母材に埋められて固定
され、該母材より高い熱伝導率を有するロッドとからな
り、該ロッドの一部が該母材の該第２面から露出したことを
特徴とする放熱基材。
【請求項２】上記ロッドの一端が、上記母材の上記第
２面から突出したことを特徴とする請求項１に記載の放
熱基材。
【請求項３】上記ロッドの一端が、上記母材の上記第
２面と略同一平面に含まれる、平坦な端面を有すること
を特徴とする請求項１に記載の放熱基材。
【請求項４】上記母材が、銅又は銅合金からなり、上記ロッドが、炭素繊維強化炭素複合材料、炭素基金属
複合材料、又は炭素繊維強化金属を含む炭素繊維／金属
複合材料、若しくは高熱伝導性金属材料の少なくとも一
方の材料からなることを特徴とする請求項１〜３のいず
れかに記載の放熱基材。
【請求項５】上記母材が、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃ、Ｓｉ
Ｃ、及びＡｌＮからなる群から選択される少なくとも１
つの添加成分を、５〜４０体積％含有する銅合金からな
ることを特徴とする請求項４に記載の放熱基材。
【請求項６】上記母材が、粒径が１００μｍ以下の微
粉体として分散させた上記添加成分を含む銅合金からな
ることを特徴とする請求項５に記載の放熱基材。
【請求項７】上記ロッドが、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｗ、
及びＳｉＣからなる群から選択される成分を主成分とす
る被覆層に覆われたことを特徴とする請求項４に記載の
放熱基材。
【請求項８】上記母材と、該母材から露出した上記ロ
ッドが、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｗ、及びＳｉＣからなる群
から選択される成分を主成分とする被覆層に覆われたこ
とを特徴とする請求項４に記載の放熱基材。
【請求項９】上記ロッドが、互いに異なった材料で、
複数のロッドからなることを特徴とする請求項４に記載
の放熱基材。
【請求項１０】母材と該母材から一端が露出したロッ
ドとを含む放熱基材の製造方法であって、炭素繊維／金属複合材料、又は高熱伝導性金属材料の少
なくとも一方の材料からなるロッドを準備するロッド準
備工程と、該ロッドを成形型内に配置する配置工程と、該成形型内に、銅を主成分とする粉体を充填して、該ロ
ッドの一端を埋める工程と、該粉体を、０．１〜５ｔｏｎｆ／ｃｍ^２の圧力で加圧
し、ロッドの一端が埋め込まれた圧粉体を形成する工程
と、該ロッドが固定された該圧粉体を、非酸化雰囲気中で、
７００〜１２００℃の温度で加熱して該圧粉体を焼結し
て母材とする工程とを含むことを特徴とする放熱基材の
製造方法。
【請求項１１】上記配置工程が、上記成形型内に支持
治具を設け、複数の上記ロッドが略平行となるように該
支持治具で支持する工程であることを特徴とする請求項
１０に記載の製造方法。
【請求項１２】母材と該母材から一端が露出したロッ
ドとを含む放熱基材の製造方法であって、炭素繊維／金属複合材料、又は高熱伝導性金属材料の少
なくとも一方の材料からなるロッドを準備するロッド準
備工程と、銅を主成分とする粉体を０．１〜８ｔｏｎｆ／ｃｍ^２の
圧力で加圧して、圧粉体を形成する工程と、該圧粉体に孔部を形成する工程と、該孔部に該ロッドを挿入して、該圧粉体から該ロッドの
一端を露出させる工程と、該ロッドが挿入された該圧粉体を、非酸化雰囲気中で、
７００〜１２００℃の温度で加熱して該圧粉体を焼結し
て母材とする工程とを含むことを特徴とする放熱基材の
製造方法。
【請求項１３】母材と該母材から一端が露出したロッ
ドとを含む放熱基材の製造方法であって、炭素繊維／金属複合材料、又は高熱伝導性金属材料の少
なくとも一方の材料からなるロッドを準備するロッド準
備工程と、銅を主成分とする粉体を０．１〜８ｔｏｎｆ／ｃｍ^２の
圧力で加圧して、圧粉体を形成する工程と、該圧粉体を、非酸化雰囲気中で、４００〜７００℃の温
度で加熱して該圧粉体を焼結して一次焼結体とする工程
と、該一次焼結体に孔部を形成する工程と、該孔部に該ロッドを挿入し、該一次焼結体から該ロッド
の一端を露出させる工程と、該ロッドが挿入された該一次焼結体を、非酸化雰囲気中
で、７００〜１２００℃の温度で加熱して、該一次焼結
体を更に焼結して母材とする工程とを含むことを特徴と
する放熱基材の製造方法。
【請求項１４】上記銅を主成分とする粉材が、Ｃｒ、
Ｍｏ、Ｗ、Ｃ、ＳｉＣ、及びＡｌＮからなる群から選択
される少なくとも１つの成分からなる微粉体を、５〜４
０体積％の割合で銅の粉体に混同した粉体からなること
を特徴とする請求項１０〜１３のいずれかに記載の製造
方法。
【請求項１５】上記微粉体の粒径が、１００μｍ以下
であることを特徴とする請求項１４に記載の製造方法。
【請求項１６】上記ロッド準備工程が、Ｃｕ、Ｎｉ、
Ａｕ、Ｗ、及びＳｉＣからなる群から選択される成分を
主成分とする被覆層で該ロッドの表面を覆う工程を含む
ことを特徴とする請求項１０〜１３のいずれかに記載の
製造方法。
【請求項１７】更に、上記母材と該母材から露出した
上記ロッドとの表面を、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｗ、及びＳ
ｉＣからなる群から選択される成分を主成分とする被覆
層で覆う工程を含むことを特徴とする請求項１０〜１３
に記載の製造方法。
【請求項１８】請求項１〜９のいずれかに記載の放熱
基材と、該放熱基材の上記第１面に取りつけられた半導
体素子とを含む半導体装置であって、該放熱基材の上記第２面から露出した上記ロッドが、冷
却媒体と接するようにしてなることを特徴とする半導体
装置。
【請求項１９】上記放熱基材が、放熱容器に取りつけ
られ、該放熱容器中を流れる冷却水が、該放熱基材の上
記第２面から露出した上記ロッドに接するようにしてな
ることを特徴とする請求項１８に記載の半導体装置。
【請求項２０】上記冷却媒体が、上記放熱基材の上記
第２面に取りつけられた放熱フィンであることを特徴と
する請求項１８に記載の半導体装置。