JPH08186204A - ヒートシンク及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 半導体素子との間で熱膨張差が少なく、熱放
散特性に優れたヒートシンクを得る。 【構成】 半導体素子の熱膨張率に近似した材料ででき
た搭載部材１と、熱伝導及び熱放散特性に優れた材料で
できた放熱部材２とを備え、搭載部材１と放熱部材２が
密に直接結合している。搭載部材１には、Ｗ単体，Ｍｏ
単体，１４〜３５体積％のＣｕを含むＣｕ−Ｗ複合体，
１４〜３５体積％のＣｕを含むＣｕ−Ｍｏ複合体等が使
用される。このヒートシンクは、搭載部材をセットした
容器に放熱部材用材料を充填し、非酸化性雰囲気中で放
熱部材用材料の融点以上に加熱することにより製造され
る。 【効果】 直接結合面を介して搭載部材１と放熱部材２
とが密に直接結合されるため、半導体素子で発生した熱
が搭載部材１から放熱部材２に効率よく伝達され、熱放
散性が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、特に発熱量が大きな半
導体が搭載される基板材料等のヒートシンク及びその製
造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体搭載用の基板材料としては、搭載
される半導体素子との間の熱応力に起因して亀裂や剥離
等の欠陥が接合界面に発生することを抑制するため、半
導体素子に比較的近似した熱膨張係数を持つことが要求
される。また、半導体素子で発生した熱を外部に放散さ
せ、定格温度以下に半導体素子を維持して正常動作を行
わせるため、良好な熱放散性を持つことも要求される。
このような要求から、Ｗ，Ｍｏ，コバール，４２アロイ
等の金属材料やアルミナ，ベリリア等のセラミックス材
料が半導体素子搭載用基板材料として従来から使用され
ている。また、特に高熱伝導性が要求されるものには、
各種銅合金が使用される場合がある。ところで、近年の
半導体集積技術の進歩は著しく、その一環として半導体
素子の大型化や高密度化が急速に進められている。半導
体素子の大型化，高密度化に伴って、半導体素子で発生
する熱量も増加している。そのため、半導体素子を搭載
する基板材料に対しても、半導体素子及びその外周部材
と熱膨張率が近似するだけでなく、半導体素子で発生し
た熱量をより効率よく外部に放散させるため、一層高い
熱伝導性を持つことが要求されるようになってきた。

【０００３】この要求に応えるものとして、たとえばＣ
ｕ，Ａｇ等の熱伝導性に優れた成分及びＷ，Ｍｏ等を含
有する焼結体を電極としてＳｉ素子と銅製端子板との間
に介在さること（特開昭５０−６２７７６号公報），粉
末冶金の１手法である溶浸法によってＷ粉末焼結体中に
Ｃｕを含浸させた材料を半導体素子搭載用基板材料とし
て使用すること（特開昭５９−２１０３２号公報），層
状のＣｕ−Ｗ複合体をホットプレスにより製造すること
（特開平２−１４２６８３号公報）等が提案されてい
る。また、Ｃｕ−Ｗ系傾斜機能材料をヒートシンクとし
て使用することも知られている（平成２年５月１５日発
行の日刊工業新聞第２０面）。これらの焼結材料におい
ては、Ｃｕ，Ａｇ等の含有量を調節することによって、
基板の熱膨張率及び熱伝導性を任意に選ぶことができ
る。そのため、搭載しようとする半導体素子の材質及び
パッケージの形状，大きさに応じて最適のＣｕ，Ａｇ含
有量の焼結体を使用するとき、半導体素子に近似した熱
膨張率を持ち、熱伝導性に優れた半導体素子搭載用基板
が得られることが予想される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】Ｗ，Ｍｏ，Ｃｕ−Ｗ複
合体，Ｃｕ−Ｍｏ複合体等のヒートシンクでは、半導体
素子との熱膨張，熱伝導，端面リーク等を改善すべく材
料の選択が行われている。これらの特性は、何れも搭載
基板としての用途から要求される。しかし、大型化，高
機能化に対応すべく集積密度が高くなるほど半導体素子
に発生する熱量が多くなり、所定の機能を維持する上で
発生したジュール熱を如何にして系外に排出するかが従
来にも増して重要な問題となる。この点、熱伝導及び熱
放散特性が一層向上した基板材料が望まれている。本発
明は、このような要望に応えるべく案出されたものであ
り、半導体素子に近似した熱膨張をもつ搭載部用材料と
熱伝導性に優れた熱放散部用材料とを密に複合すること
により、特に高密度半導体素子の搭載に適したヒートシ
ンクを提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明のヒートシンク
は、その目的を達成するため、半導体素子の熱膨張率に
近似した材料でできた搭載部と、熱伝導及び熱放散特性
に優れた材料でできた放熱部とを備え、搭載部と放熱部
が密に直接結合していることを特徴とする。搭載部に
は、Ｗ単体，１４〜３５体積％のＣｕを含むＣｕ−Ｗ複
合体，Ｍｏ単体，１４〜３５体積％のＣｕを含むＣｕ−
Ｍｏ複合体，８〜２４体積％のＣｕと６〜１１体積％の
Ｎｉと残部ＷからなるＷ系合金等が使用される。Ｗ単体
又はＭｏ単体を搭載部として使用するとき、熱伝導に有
害な空孔の影響を抑制するうえで、理論密度が９７％以
上の材料を使用することが好ましい。放熱部用材料とし
ては、Ｃｕ，Ｃｕ合金，Ａｇ，Ａｇ合金，Ａｌ，Ａｌ合
金等が使用される。

【０００６】本発明のヒートシンクは、半導体素子の熱
膨張率に近似した材料でできた搭載部材と、熱伝導及び
熱放散特性に優れた放熱部材用材料とを濡れ性の低い容
器に収容し、非酸化性雰囲気中で放熱部材の融点以上に
加熱することにより製造される。この加熱により、搭載
部材と放熱部材との界面に溶浸接合層又は直接結合面が
形成される。放熱部材用材料としては、粉末状，顆粒状
及び／又は小片状で熱伝導性に優れたＣｕ，Ｃｕ合金，
Ａｇ，Ａｇ合金等が使用される。放熱部材用材料は、た
とえば搭載部材をセットした黒鉛製又はセラミックス製
の容器の空間部に充填された後、必要に応じて全体を加
圧成形し、放熱部材用材料の融点以上に加熱することに
より搭載部材に直接結合される。Ｗ多孔質体又はＭｏ多
孔質体を用いて放熱部材と接合するときに溶浸又は浸透
によりＣｕを含ませ、搭載部材用材料として使用すると
き、放熱部材に接合される前の空隙率を１４〜３５体積
％の範囲に維持することが好ましい。また、搭載部材が
接合された放熱部材は、必要に応じ鍛造加工によって所
定形状に成形される。或いは、周面等にネジ切り加工を
施し、周辺機器に対する取付けを容易にすることもでき
る。

【０００７】Ｃｕ−Ｗ複合体又はＣｕ−Ｍｏ複合体を搭
載部材用材料として使用するとき、１４〜３５体積％の
Ｃｕを含むＣｕ−Ｗ複合体，１４〜３５体積％のＣｕを
含むＣｕ−Ｍｏ複合体又は８〜２４体積％のＣｕと６〜
１１体積％のＮｉと残部ＷからなるＷ系合金等が好まし
い。多孔質体を使用する場合、Ｃｕ含有量が１４体積％
未満では、Ｗ又はＭｏスケルトン内の空間が閉空間にな
りＣｕが浸透できなくなるので、均質な複合体が得られ
ない。逆に、３５体積％を超えるＣｕ含有量では、熱膨
張率が大きくなり、搭載用基板として好ましくない。搭
載部材に予めＮｉ，Ｆｅ，Ｃｏ等のコーティングを施す
とき、搭載部材と放熱部材との相互拡散が促進され、一
層強固な結合が形成される。鉄系金属のコーティングに
は、めっき，溶射，蒸着，ＣＶＤ，ＰＶＤ等の適宜の方
法が採用される。

【０００８】搭載部材を放熱部材に接合した後、電子機
器に組み込まれる際に周辺機器との兼ね合いに適した形
状になるように、ヒートシンクを鍛造加工等で成形して
も良い。たとえば、搭載部材１及びその周辺が突出する
ように放熱部材２の両側を下向き２段に屈曲させた形状
（図６ａ），放熱部材２の両側を下向きに曲げた形状
（図６ｂ），放熱部材２の両側を薄肉化した形状（図６
ｃ）等がある。鍛造加工では、ヒートシンク材を鍛造型
に入れ、プレスすることによって屈曲成形等を行う。こ
のとき、ヒートシンク材又は鍛造型を、室温〜２００℃
の温度範囲に保持しておく必要がある。加工度の大きい
ものは、成形に際しクラック等の欠陥が放熱部材に生じ
る可能性があるため、軟化させた状態で一度に或いは数
度に分けて屈曲成形等を行う。加工度の小さいものは、
室温でも可能であるが、加熱した方が加工性が良好にな
る。放熱部材は、この鍛造加工によって加工硬化され、
鍛造後の変形抵抗が向上し、形状が安定する。更に、切
削加工性も硬質化に伴って向上するため、鍛造加工は後
加工を有利にする。また、放熱部材２の側面等にネジ切
り加工を施し、装着を容易にするネジ部８を形成するこ
とも可能である。この場合にも、放熱部材２の材質がＣ
ｕ，Ｃｕ合金，Ａｇ，Ａｇ合金，Ａｌ，Ａｌ合金等であ
るため、ネジ部８は容易に形成される。

【０００９】本発明に従ったヒートシンクは、搭載部材
と放熱部材とを溶浸接合等の直接結合によって一体化さ
せたものである。搭載部材及び放熱部材は、半導体デバ
イスの構造を考慮し、図１〜４に示すように各種の形態
で組み合わされる。図１は、放熱部材２の表面よりも搭
載部材１の表面が一段高く設定した形態であり、表面部
にのみ搭載部材１を設けたもの（ａ），搭載部材１の下
部を放熱部材２に埋没させたもの（ｂ），放熱部材２を
貫通して搭載部材１を設けたもの（ｃ）等がある。図２
は、搭載部材１及び放熱部材２の表面が同一平面上に位
置させた形態であり、放熱部材２に搭載部材１を埋め込
んだもの（ａ），放熱部材２を貫通して搭載部材１を設
けたもの（ｂ）等がある。図３は、搭載部材１の一部を
突出させた形態であり、搭載部材１の下部を放熱部材２
に埋没させたもの（ａ），放熱部材２を貫通して搭載部
材１を設けたもの（ｂ）等がある。図４は、搭載部材１
の表面を放熱部材２の表面よりも低く維持した形態であ
り、放熱部材２に形成した凹部に搭載部材１を収容した
もの（ａ），放熱部材２を貫通して搭載部材１を設けた
もの（ｂ）等がある。

【００１０】何れの組合せ形態を採用するかは、作成し
ようとする半導体デバイスの構造や製造プロセス等を考
慮して適宜定められる。また、Ｗ単体又はＭｏ単体とＣ
ｕ−Ｗ複合体又はＣｕ−Ｍｏ複合体とを積層したものを
搭載部材として使用することも可能である。何れの組合
せ形態にあっても、搭載部材１と放熱部材２とは、接合
界面に隙間，空隙等がないように直接結合されている。
搭載部材１が放熱部材２に直接結合されているので、接
合界面を介した搭載部材１から放熱部材２への熱伝達が
効率の良いものとなる。強固な直接結合は、半導体デバ
イスの昇温に起因した熱応力によって接合界面に亀裂等
の欠陥が発生することも防止する。また、熱伝導率を低
下させる空孔が接合界面にないので、搭載部材１から放
熱部材２への熱伝達も円滑に行われる。

【００１１】搭載部材１と放熱部材２との直接結合は、
溶融拡散接合法によって得られる。たとえば、図１
（ｂ）に示した構造を持つヒートシンクを製造する場
合、図５（ａ）に示すように、溶融金属に対する濡れ性
が低い黒鉛製又はセラミックス製の容器４が使用され
る。容器４の底面に設けた凹部に搭載部材１をセット
し、容器４内空間部に放熱部材用材料５を充填する。こ
のとき、凹部表面と搭載部材１との間に生じる隙間は、
可能な限り小さくする。放熱部材用材料５としては、Ｃ
ｕ，Ｃｕ合金，Ａｇ，Ａｇ合金等が使用される。搭載部
材１及び放熱部材用材料５を収容した容器４は、窒素ガ
ス又は水素ガス等の非酸化性雰囲気に保持し、放熱部材
用材料５の融点以上に加熱される。ただし、水素ガス
は、加熱時にＣｕ中に吸収されることから、加熱処理後
の吸蔵水素を除去する工程が必要とされる場合がある。
この点から、雰囲気ガスとしては窒素ガス，アルゴンガ
ス等の不活性ガスが好ましい。

【００１２】加熱によって溶融した放熱部材用材料５
は、搭載部材１を鋳ぐるむように取り囲み、搭載部材１
と密に一体化する。このとき、半導体素子が搭載される
搭載部材１の表面は、濡れ性の低い容器１の内面に接触
しているため、溶融した放熱部材用材料５で覆われるこ
とはない。また、予め搭載部材１の搭載面以外の表面に
Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｏ等の鉄系金属のコーティングを施して
おくと、搭載部材１と放熱部材２との相互拡散が促進さ
れ、一層強固で密な結合界面が形成される。容器４の底
面に設けた凹部に搭載部材１をセットする方式では、放
熱部材２を搭載部材１に一体化させた後で、得られたヒ
ートシンクを容器４から取り出しにくいことがある。こ
のような場合には、図５（ｂ）に示すように、放熱部材
２の表面から突出する搭載部材１の突出高さに等しい厚
みをもつ耐熱性スペーサ６を使用することが好ましい。

【００１３】耐熱性スペーサ６には、搭載部材１のサイ
ズに相当する開口部が設けられており、開口部に搭載部
材１を差し込むことによって搭載部材１が位置決めされ
る。耐熱性スペーサ６には、容器４と同様に溶融金属に
対する濡れ性の低い黒鉛，セラミックス等が使用され
る。耐熱性スペーサ６の使用により、加熱接合により放
熱部材２と一体化された搭載部材１の取出しが容易にな
る。また、同様な目的をもって、容器４の側壁内面にも
耐熱性スペーサ７を介在させることができる。耐熱性ス
ペーサ６，７の使用は、容器４として使用可能な材質に
対する制限も緩和する。すなわち、溶融金属に対する濡
れ性の如何を考慮することなく、専ら耐熱性及び高温強
度を重点とした容器材質の選択が可能になる。また、耐
熱性スペーサ６，７の配置形態によって、同じ内部形状
をもつ容器４を使用した場合にあっても、得られるヒー
トシンクの形状を自由に変更できる。更に、最終形状に
近い形状のものが得られるので、機械加工を要する部分
を少なくすることができる。

【００１４】このように本発明に従ったヒートシンク
は、半導体素子が搭載される部分と熱放散部とを別の材
料で作成しているため、半導体素子との接触を良好に維
持しながら、半導体素子で発生した熱を効率よく放散さ
せる。しかも、搭載部及び放熱部が強固に且つ密に接合
しているので、接合界面に存在しがちな空孔等に起因し
た熱伝達率の低下がなく、搭載部から放熱部に効率よく
熱が伝達される。また、放熱部が加工性に優れたＣｕ，
Ａｇ等の材質であるため、最終形状に近いヒートシンク
が容易に製造され、得られたヒートシンクも軽量化され
る。

【００１５】

【実施例】

実施例１：搭載部材として、５ｍｍ×５ｍｍ×２ｍｍの
Ｗ製焼結体を粉末冶金法で作成した。この搭載部材は、
密度が理論値の９９％であった。底面に深さ１ｍｍの凹
部が形成された容器４に、図５（ａ）に示すように搭載
部材１をセットし、容器４の内部空間にＣｕの小片を放
熱部材用材料５として充填した。全体を窒素ガス雰囲気
中に保持し、１３００℃に加熱した。加熱によって溶融
したＣｕの一部は搭載部材１の表層部に原子間距離に近
接した直接結合が形成された。直接結合面を介して搭載
部材１と放熱部材２とが強固に且つ密に結合されてお
り、接合界面に空孔等の欠陥が検出されなかった。この
ようにして得られたヒートシンクの放熱特性を試験し
た。試験は、ヒートシンクを１００℃に加熱した後、空
冷することにより、搭載部の温度低下、すなわち冷却速
度を測定し、冷却速度の如何で放熱特性を判定した。冷
却速度は、全てがＷよりなるヒートシンクを同一条件下
で試験した場合に比較して、２０％も早い値を示した。
この対比から明らかなように、本実施例で得られたヒー
トシンクは、非常に優れた熱放散性をもっていることが
判る。また、搭載部材１は、Ｓｉの熱膨張係数に近似し
ているため、高温になっても接触抵抗等の変動による悪
影響はみられなかった。

【００１６】実施例２：空隙率が２０体積％のＷ圧粉体
及び２０体積％Ｃｕ−８０体積％Ｗの複合体の２種類の
搭載部材を予め製作し、実施例１と同様に加熱して搭載
部材１と放熱部材２が一体化させ、本発明に従った２種
類のヒートシンクを得た。各ヒートシンクの放熱特性
を、実施例１と同様に調査した。また、比較のため、全
体が２０体積％Ｃｕ−８０体積％Ｗであるヒートシンク
を使用した。比較試料の冷却速度は、本発明に従ったヒ
ートシンクに比較して、冷却速度が約５％遅かった。実
施例１及び２においては、各試料に熱容量差があるもの
の、本発明に従ったヒートシンクの方が放熱効果が大き
いことが判る。このように本発明に従ったヒートシンク
は、何れも優れた熱放散特性を呈し、搭載された半導体
素子の昇温が効果的に抑制される。

【００１７】実施例３：空隙率が２０体積％のＷ圧粉体
及び２０体積％Ｃｕ−８０体積％Ｗ複合体の１２種類の
搭載部材を予め作製し、実施例１と同じ条件下で加熱し
て搭載部材１と放熱部材２を一体化させた。次いで、２
００℃に加熱して型鍛造を行い、図６（ａ）に示すよう
な本発明に従った２種類のヒートシンクを得た。この場
合には、型鍛造だけで正確な形状を出すことができ、切
削加工を大幅に軽減又は省略できた。これに対し、全体
を２０体積％Ｃｕ−８０体積％Ｗ複合体で作製し、図６
（ａ）の形状をもつヒートシンクを作製した。この場合
には、切削加工によって形状を出す必要があることか
ら、歩留りが低くなった。また、本発明品に比較して、
重量が３〜４割も重いものであった。

【００１８】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明のヒート
シンクは、半導体素子に熱膨張係数が近似したＷ，Ｍｏ
等を含む搭載部材と熱放散特性に優れた金属からなる放
熱部材とを密に直接結合している。そのため、両者の接
合界面には、熱伝導や熱伝達に開き影響を及ぼす空孔等
がなく、半導体素子から搭載部に伝達された熱は効率よ
く放熱部を介して外部に放散される。したがって、特に
高密度集積した半導体素子であっても、接合部で熱抵抗
の変動を招くことなく、所期の特性を十分に発揮でき
る。また、本発明に従った製造法によるとき、搭載部材
に放熱部材が直接接合するため、ろう付けやホットプレ
ス等の工程が省略され、放熱特性に優れたヒートシンク
が容易に製造される。しかも、高価なＷ，Ｍｏ等の使用
料が少なく、軽量で加工性に優れていることから、発熱
量の大きな高機能素子の搭載基板として適したものとな
る。更に、機械加工を要する部分を少なくすることもで
きるという利点もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 放熱部表面から搭載部表面が突出したヒート
シンクの３例

【図２】 搭載部表面及び放熱部表面が同一平面上にあ
るヒートシンクの２例

【図３】 搭載部が部分的に突出したヒートシンクの２
例

【図４】 搭載部が窪んでいるヒートシンクの２例

【図５】 ヒートシンクの製造を説明する図であり、容
器底面に設けた凹部に搭載部材をセットした例（ａ）及
び耐熱性スペーサを使用した例（ｂ）

【図６】 搭載部材が接合された放熱部に鍛造加工（ａ
〜ｃ）及びネジ切り加工（ｄ）を施し、所定の形状に成
形した例

【符号の説明】

１：搭載部材 ２：放熱部材 ４：容器 ５：放
熱部材用材料 ６，７：耐熱性スペーサ ８：ネジ
部

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体素子の熱膨張率に近似した材料で
   できた搭載部と、熱伝導及び熱放散特性に優れた材料で
   できた放熱部とを備え、搭載部と放熱部が密に直接結合
   しているヒートシンク。
2. 【請求項２】 搭載部がＷ単体，１４〜３５体積％のＣ
   ｕを含むＣｕ−Ｗ複合体，Ｍｏ単体又は１４〜３５体積
   ％のＣｕを含むＣｕ−Ｍｏ複合体又は８〜２４体積％の
   Ｃｕと６〜１１体積％のＮｉと残部ＷからなるＷ系合金
   である請求項１記載のヒートシンク。
3. 【請求項３】 搭載部が理論密度９７％以上のＷ又はＭ
   ｏ単体である請求項１又は２記載のヒートシンク。
4. 【請求項４】 放熱部がＣｕ，Ｃｕ合金，Ａｇ，Ａｇ合
   金，Ａｌ又はＡｌ合金である請求項１記載のヒートシン
   ク。
5. 【請求項５】 半導体素子の熱膨張率に近似した材料で
   できた搭載部材と、熱伝導及び熱放散特性に優れた放熱
   部材用材料とを濡れ性の低い容器に収容し、非酸化性雰
   囲気中で放熱部材用材料の融点以上に加熱することによ
   り、搭載部材と放熱部材との間に直接結合面を形成する
   ヒートシンクの製造方法。
6. 【請求項６】 黒鉛製又はセラミックス製の容器に搭載
   部材をセットし、容器の空間部に粉末状，顆粒状及び／
   又は小片状の放熱部材用材料を充填し、放熱部材用材料
   の融点以上に加熱する請求項５記載の製造方法。
7. 【請求項７】 予め形成した搭載部材を容器内にセット
   し、容器の空間部に粉末状の放熱部材用材料を充填した
   後、放熱部材用材料を加圧成形し、搭載部材に放熱部材
   を加熱接合する請求項５記載の製造方法。
8. 【請求項８】 搭載部材として、放熱部材に接合される
   前の空隙率が１４〜３５体積％のＷ単体又はＭｏ単体を
   使用する請求項５〜７の何れかに記載の製造方法。
9. 【請求項９】 搭載部材として、１４〜３５体積％のＣ
   ｕを含むＣｕ−Ｗ複合体又は１４〜３５体積％のＣｕを
   含むＣｕ−Ｍｏ複合体又は８〜２４体積％のＣｕと６〜
   １１体積％のＮｉと残部ＷからなるＷ系合金を使用する
   請求項５〜７の何れかに記載の製造方法。
10. 【請求項１０】 搭載部材として、予めＦｅ系金属のコ
    ーティングを施したＷ単体，Ｍｏ単体，Ｃｕ−Ｗ複合体
    又はＣｕ−Ｍｏ複合体を使用する請求項５〜９の何れか
    に記載の製造方法。
11. 【請求項１１】 請求項５〜１０の何れかに記載の方法
    で搭載部材が接合された放熱部材を所定形状に鍛造加工
    するヒートシンクの製造方法。
12. 【請求項１２】 請求項５〜１０の何れかに記載の方法
    で搭載部材が接合された放熱部材をネジ切り加工するヒ
    ートシンクの製造方法。