WO2006016479A1

WO2006016479A1 - ヒートシンク部材およびその製造方法

Info

Publication number: WO2006016479A1
Application number: PCT/JP2005/013705
Authority: WO
Inventors: Kazuhiro Shiomi; Masaaki Ishio; Tsuyoshi Hasegawa
Original assignee: Neomax Materials Co., Ltd.
Priority date: 2004-08-10
Filing date: 2005-07-27
Publication date: 2006-02-16
Also published as: US7776452B2; JP4350753B2; JPWO2006016479A1; US20060244125A1

Abstract

　製造時に割れやひびが発生するのを抑制するとともに、熱膨張係数が大きくなるのを抑制し、かつ、熱伝導率が低下するのを抑制することが可能なヒートシンク部材が得られる。このヒートシンク部材は、Ｃｕを主成分とする合わせ材（１）と、Ｍｏを主成分とする基材（２）と、合わせ材と基材との間に配置され、合わせ材と基材とを接合するためのＳｎ－Ｃｕ合金（Ｓｎ：１質量％～１３質量％）からなるろう付け層（４）とを備える。

Description

明細書

ヒートシンク部材およびその製造方法

技術分野

[0001] この発明は、ヒートシンク部材およびその製造方法に関し、特に、 Mo (モリブデン）を用いたヒートシンク部材およびその製造方法に関する。

背景技術

[0002] 従来、電子部品等から発生する熱を吸収し、外部へ放熱させるためのヒートシンク部材として、モリブデン（Mo)を用いたヒートシンク部材が知られている。このモリブデンを用いたヒートシンク部材としては、モリブデンを基材とし、 Cuを合わせ材としてクラッドした CuZMoZCuクラッド材が知られている。従来では、この CuZMoZCuクラッド材は、熱間圧接または冷間圧接 (冷間圧延）により製造されている。ここで、基材としての Moは、硬ぐかつ、延びが小さいため、熱間圧接時または冷間圧接 (冷間圧延）時に、割れやひびが発生しやすい。特に、 CuZMoZCuクラッド材を冷間圧接（冷間圧延)する方法では、 Moからなる基材と Cuからなる合わせ材とを圧延して接合する際に、 Moからなる基材に割れやひびが発生しやすいという不都合がある。

[0003] そこで、従来、熱間圧接または冷間圧接 (冷間圧延）に代えて、 Moからなる基材と Cuからなる合わせ材とをろう材を用いて接合することにより、 Mo (モリブデン)力もなる基材に割れやひびが発生するのを抑制したヒートシンク部材が提案されて、る。このようなヒートシンク部材は、たとえば、特開平 11— 284111号公報に開示されている。

[0004] 上記特開平 11— 284111号公報には、銅 (Cu)製の板力もなる合わせ材とモリブデン (Mo)製の板力もなる基材とを、 Mn— Ni— Cu系合金力もなるろう材を用いて接合した CuZMoZCuクラッド材カもなるヒートシンク部材が開示されて、る。この特開平 11— 284111号公報に開示された Mn—Ni—Cu系合金力もなるろう材を用いて接合する方法では、 CuZMoZCuクラッド材カなるヒートシンク部材の製造時に、 Mo (モリブデン)製の板からなる基材を圧接しな!、ので、モリブデン製の板力もなる基材に割れやひびが発生するのを抑制することが可能である。 [0005] しかしながら、上記特開平 11— 284111号公報に開示された Mn—Ni—Cu系合金力ゝらなるろう材を用いて、 Moからなる基材と Cuからなる合わせ材とを接合する方法では、ろう材に起因して、 CuZMoZCuクラッド材の熱膨張係数が大きくなるという不都合がある。このため、 CuZMoZCuクラッド材カもなるヒートシンク部材上に熱膨張係数が小さ、シリコンなど力もなる半導体素子を配置した場合に、ヒートシンク部材と半導体素子との熱膨張係数差が大きくなる。その結果、高温時に、半導体素子と C uZMoZCuクラッド材カなるヒートシンク部材との接合部分に割れやひびが発生しゃすくなるという問題点がある。また、上記特開平 11— 284111号公報のように、 Mn—Ni—Cu系合金からなるろう材を用いると、 CuZMoZCuクラッド材からなるヒートシンク部材の熱伝導率が大幅に低下するという不都合もある。このため、ヒートシンク部材の放熱性が大幅に低下するという問題点もある。

発明の開示

[0006] この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の 1 つの目的は、製造時に割れやひびが発生するのを抑制するとともに、熱膨張係数が大きくなるのを抑制し、かつ、熱伝導率が低下するのを抑制することが可能なヒートシンク部材およびその製造方法を提供することである。

[0007] 上記目的を達成するために、この発明の第 1の局面によるヒートシンク部材は、 Cu を主成分とする第 1の層と、 Moを主成分とする第 2の層と、第 1の層と第 2の層の一方面との間に配置され、第 1の層と第 2の層とを接合するための Sn—Cu系合金力なる第 1ろう付け層とを備える。

[0008] この発明の第 1の局面によるヒートシンク部材では、上記のように、 Cu (銅）を主成分とする第 1の層と Mo (モリブデン）を主成分とする第 2の層の一方面との間に配置され、第 1の層と第 2の層とを接合するための Sn—Cu系合金力もなる第 1ろう付け層を設けることによって、 Cuを主成分とする第 1の層と Moを主成分とする第 2の層とを接合する際に、第 1の層および第 2の層を圧接する必要がないので、 Moを主成分とする第 2の層に割れやひびが発生するのを抑制することができる。また、 Cuを主成分とする第 1の層と、 Moを主成分とする第 2の層とを接合するためのろう付け層として、 Sn — Cu系合金力もなる第 1ろう付け層を用いることによって、 Mn—Ni—Cu系合金からなるろう材を用いる場合に比べて、ヒートシンク部材の熱膨張係数が大きくなるのを抑制することができる。これにより、ヒートシンク部材上に熱膨張係数の小さいシリコンなど力なる半導体素子を配置した場合に、ヒートシンク部材と半導体素子との熱膨張係数差が大きくなるのを抑制することができるので、高温時に、半導体素子とヒートシンク部材との接合部分に割れやひびが発生するのを抑制することができる。また、 Sn —Cu系合金力もなる第 1ろう付け層を用いることによって、 Mn— Ni— Cu系合金からなるろう材を用いる場合に比べて、第 1ろう付け層の熱伝導率を大きくすることができるので、ヒートシンク部材の熱伝導率が低下するのを抑制することができる。

[0009] 上記第 1の局面によるヒートシンク部材において、好ましくは、第 1ろう付け層の Sn の含有率は、 1質量％以上である。このように Snを 1質量％以上含有する Sn— Cu系合金力もなる第 1ろう付け層を用いれば、 Sn— Cu系合金力もなる第 1ろう付け層の融点を、 Cuを主成分とする第 1の層および Moを主成分とする第 2の層よりも低くすることができるので、ろう付けを行う際に、第 1の層および第 2の層を溶融させることなぐ S n—Cu系合金力もなる第 1ろう付け層のみを溶融させることができる。

[0010] 上記第 1の局面によるヒートシンク部材において、好ましくは、第 1ろう付け層の Sn の含有率は、 13質量％以下である。このように Snを 13質量％以下含有する Sn— C u系合金力もなる第 1ろう付け層を用いれば、 Sn— Cu系合金力もなる第 1ろう付け層が脆くなるのを抑制することができるので、第 1ろう付け層を所定の厚みに圧延する際に、第 1ろう付け層に割れやひびが発生するのを抑制することができる。

[0011] 上記第 1の局面によるヒートシンク部材において、好ましくは、 Moを主成分とする第 2の層は、焼結によって形成されている。このように焼結により形成された Mo (モリブデン）は、硬ぐかつ、延びが小さいので、本発明の Sn— Cu系合金力もなる第 1ろう付け層を用いて、圧接することなぐろう付けを行うようにすれば、容易に、 Moの割れやひびが発生するのを抑制することができる。

[0012] 上記第 1の局面によるヒートシンク部材において、好ましくは、第 1の層および第 2の層は、 0. 1mm以上 3. Omm以下の厚みを有する。このように構成すれば、ヒートシンク部材の厚みが大きくなりすぎるのを抑制することができる。

[0013] 上記第 1の局面によるヒートシンク部材において、好ましくは、 Cuを主成分とする第 3の層と、第 2の層の他方面と第 3の層との間に配置され、第 2の層と第 3の層とを接合するための Sn—Cu系合金力もなる第 2ろう付け層とをさらに備え、第 3の層の表面上には、半導体素子が配置される。このように構成すれば、 Sn— Cu系合金力なる第 1および第 2のろう付け層により、 Moを主成分とする第 2の層を基材としてその両側に Cuを主成分とする合わせ材 (第 1の層および第 3の層）を配置した熱伝導率の大きいヒートシンク部材を得ることができる。また、 Cuを主成分とする第 3の層は、半田やエポキシ榭脂などとのぬれ性が良好であるので、第 3の層の表面上に半田ゃェポキシ榭脂などを用いて容易に半導体素子を接合することができる。これにより、半導体素子の熱を、第 3の層、第 2ろう付け層、第 2の層、第 1ろう付け層および第 1の層を介して良好に放熱させることができる。

[0014] 上記第 3の層と第 2ろう付け層とを備えるヒートシンク部材において、好ましくは、第 2 ろう付け層の Snの含有率は、 1質量％以上 13質量％以下である。このように Snを 1 質量％以上含有する Sn—Cu系合金力もなる第 2ろう付け層を用いれば、 Sn— Cu 系合金力もなる第 2ろう付け層の融点を、 Cuを主成分とする第 1の層、第 3の層および Moを主成分とする第 2の層よりも低くすることができるので、ろう付けを行う際に、第 1の層、第 2の層および第 3の層を溶融させることなぐ Sn— Cu系合金力もなる第 2 ろう付け層を溶融させることができる。また、 Snを 13質量％以下含有する Sn— Cu系合金力もなる第 2ろう付け層を用いれば、 Sn—Cu系合金力もなる第 2ろう付け層が脆くなるのを抑制することができるので、第 2ろう付け層を所定の厚みに圧延する際に、第 2ろう付け層に割れやひびが発生するのを抑制することができる。

[0015] 上記第 3の層と第 2ろう付け層とを備えるヒートシンク部材において、好ましくは、第 2 の層は、第 1の層の表面上の半導体素子が配置される領域に対応する領域に配置されている。このように構成すれば、 Moを主成分とする第 2の層をヒートシンクとして必要な領域のみに配置することができるので、高価な Moの使用量を減少させることができる。

[0016] 上記第 3の層と第 2ろう付け層とを備えるヒートシンク部材において、好ましくは、第 3 の層は、 0. 1mm以上 3. Omm以下の厚みを有する。このように構成すれば、ヒートシンク部材の厚みが大きくなりすぎるのを抑制することができる。 [0017] この発明の第 2の局面によるヒートシンク部材の製造方法は、 Cuを主成分とする第 1の層と Moを主成分とする第 2の層の一方面との間に、 Sn— Cu系合金力もなる第 1 ろう付け層を配置する工程と、第 1ろう付け層を溶融することによって、第 1の層と第 2 の層とを接合する工程とを備える。

[0018] この発明の第 2の局面によるヒートシンク部材の製造方法では、上記のように、 Cu( 銅）を主成分とする第 1の層と Mo (モリブデン)を主成分とする第 2の層の一方面との間に、 Sn—Cu系合金力もなる第 1ろう付け層を配置するとともに、第 1ろう付け層を溶融することにより、第 1の層と第 2の層とを接合することによって、 Cuを主成分とする第 1の層と Moを主成分とする第 2の層とを接合する際に、第 1の層および第 2の層を圧接する必要がな、ので、 Moを主成分とする第 2の層に割れやひびが発生するのを抑制することができる。また、 Cuを主成分とする第 1の層と Moを主成分とする第 2 の層の一方面との間に、 Sn—Cu系合金力なる第 1ろう付け層を配置するとともに、第 1ろう付け層を溶融することにより、第 1の層と第 2の層とを接合することによって、 M n— Ni— Cu系合金力もなるろう材を用いる場合に比べて、ヒートシンク部材の熱膨張係数が大きくなるのを抑制することができる。これにより、ヒートシンク部材上に熱膨張係数の小さ、シリコンなど力もなる半導体素子を配置した場合に、ヒートシンク部材と半導体素子との熱膨張係数差が大きくなるのを抑制することができるので、高温時に、半導体素子とヒートシンク部材との接合部分に割れやひびが発生するのを抑制することができる。また、 Sn—Cu系合金力もなる第 1ろう付け層を用いることによって、 Mn—Ni—Cu系合金力もなるろう材を用いる場合に比べて、第 1ろう付け層の熱伝導率を大きくすることができるので、ヒートシンク部材の熱伝導率が低下するのを抑制することができる。

[0019] 上記第 2の局面によるヒートシンク部材の製造方法において、好ましくは、第 1ろう付け層の Snの含有率は、 1質量％以上である。このように Snを 1質量％以上含有する S n—Cu系合金力もなる第 1ろう付け層を用いれば、 Sn— Cu系合金力もなる第 1ろう付け層の融点を、 Cuを主成分とする第 1の層および Moを主成分とする第 2の層よりも低くすることができるので、ろう付けを行う際に、第 1の層および第 2の層を溶融させることなぐ Sn—Cu系合金力もなる第 1ろう付け層のみを溶融させることができる。 [0020] 上記第 2の局面によるヒートシンク部材の製造方法において、好ましくは、第 1ろう付け層の Snの含有率は、 13質量％以下である。このように Snを 13質量％以下含有する Sn—Cu系合金力もなる第 1ろう付け層を用いれば、 Sn— Cu系合金力もなる第 1ろう付け層が脆くなるのを抑制することができるので、第 1ろう付け層を所定の厚みに圧延する際に、第 1ろう付け層に割れやひびが発生するのを抑制することができる。

[0021] 上記第 2の局面によるヒートシンク部材の製造方法において、好ましくは、 Moを主成分とする第 2の層を焼結によって形成する工程をさらに備える。このように焼結により形成された Mo (モリブデン）は、硬ぐかつ、延びが小さいので、本発明の Sn— Cu 系合金力もなる第 1ろう付け層を用いて、圧接することなぐろう付けを行うようにすれば、容易に、 Moの割れやひびが発生するのを抑制することができる。

[0022] 上記第 2の局面によるヒートシンク部材の製造方法において、好ましくは、第 1の層および第 2の層は、 0. 1mm以上 3. Omm以下の厚みを有する。このように構成すれば、ヒートシンク部材の厚みが大きくなりすぎるのを抑制することができる。

[0023] 上記第 2の局面によるヒートシンク部材の製造方法において、好ましくは、第 1の層と第 2の層との間に第 1ろう付け層を配置する工程に先立って、第 1の層と第 1ろう付け層とを予め接合する工程をさらに備える。このように構成すれば、変形しやすい第 1 ろう付け層を第 1の層と予め接合することができるので、第 1の層と第 2の層との間に第 1ろう付け層を配置する際に、第 1ろう付け層が変形するのを抑制することができる。これにより、円滑にろう付けを行うことができる。

[0024] 上記第 2の局面によるヒートシンク部材の製造方法において、好ましくは、第 1の層と第 2の層との間に第 1ろう付け層を配置する工程は、第 1の層と第 2の層の一方面との間に第 1ろう付け層を配置するとともに、第 2の層の他方面と Cuを主成分とする第 3 の層との間に Sn—Cu系合金力もなる第 2ろう付け層を配置する工程を含み、第 1の層と第 2の層とを接合する工程は、第 1ろう付け層および第 2ろう付け層を溶融することによって、第 1の層および第 2の層を接合するとともに、第 2の層および第 3の層を接合する工程を含む。このように構成すれば、 Sn— Cu系合金力もなる第 1および第 2のろう付け層により、 Moを主成分とする第 2の層を基材としてその両側に Cuを主成分とする合わせ材 (第 1の層および第 3の層）を配置した熱伝導率の大きいヒートシンク部材を得ることができる。また、 Cuを主成分とする第 3の層は、半田やエポキシ榭脂などとのぬれ性が良好であるので、第 3の層の表面上に半田やエポキシ榭脂などを用いて容易に半導体素子を接合することができる。これらにより、半導体素子の熱を、第 3の層、第 2ろう付け層、第 2の層、第 1ろう付け層および第 1の層を介して良好に放熱させることができる。また、第 1の層と第 2の層とを接合する工程は、第 1ろう付け層および第 2ろう付け層を溶融することにより、第 1の層および第 2の層を接合するとともに、第 2の層および第 3の層を接合する工程を含むことによって、第 2の層の一方面および他方面を 1つの工程においてそれぞれ第 1の層および第 3の層に接合させることができる。

[0025] 上記第 1の層と第 2の層との間に第 1ろう付け層を配置する工程が、第 2の層と第 3 の層との間に第 2ろう付け層を配置する工程を含むヒートシンク部材の製造方法において、好ましくは、第 2ろう付け層の Snの含有率は、 1質量％以上 13質量％以下である。このように Snを 1質量％以上含有する Sn—Cu系合金力もなる第 2ろう付け層を用いれば、 Sn—Cu系合金カゝらなる第 2ろう付け層の融点を、 Cuを主成分とする第 1 の層、第 3の層および Moを主成分とする第 2の層よりも低くすることができるので、ろう付けを行う際に、第 1の層、第 2の層および第 3の層を溶融させることなぐ Sn-Cu 系合金力もなる第 2ろう付け層を溶融させることができる。また、 Snを 13質量％以下含有する Sn—Cu系合金力なる第 2ろう付け層を用いれば、 Sn—Cu系合金力なる第 2ろう付け層が脆くなるのを抑制することができるので、第 2ろう付け層を所定の厚みに圧延する際に、第 2ろう付け層に割れやひびが発生するのを抑制することができる。

[0026] 上記第 1の層と第 2の層との間に第 1ろう付け層を配置する工程が、第 2の層と第 3 の層との間に第 2ろう付け層を配置する工程を含むヒートシンク部材の製造方法において、好ましくは、第 3の層の表面上には、半導体素子が配置され、第 1の層と第 2の層との間に第 1ろう付け層を配置する工程に先立って、第 1の層の表面上の半導体素子が配置される領域に対応する領域に配置される第 2の層を準備する工程をさらに備える。このように構成すれば、 Moを主成分とする第 2の層をヒートシンクとして必要な領域のみに配置することができるので、高価な Moの使用量を減少させることができる。

[0027] 上記第 1の層と第 2の層との間に第 1ろう付け層を配置する工程が、第 2の層と第 3 の層との間に第 2ろう付け層を配置する工程を含むヒートシンク部材の製造方法において、好ましくは、第 3の層は、 0. 1mm以上 3. Omm以下の厚みを有する。このように構成すれば、ヒートシンク部材の厚みが大きくなりすぎるのを抑制することができる図面の簡単な説明

[0028] [図 1]本発明の第 1実施形態によるヒートシンク部材に半導体素子を搭載した状態を示した断面図である。

[図 2]本発明の第 1実施形態によるヒートシンク部材を示した断面図である。

[図 3]本発明の第 1実施形態によるヒートシンク部材の製造方法を説明するための断面図である。

[図 4]本発明の第 2実施形態によるヒートシンク部材の製造方法を説明するための断面図である。

[図 5]本発明の第 2実施形態によるヒートシンク部材の製造方法を説明するための断面図である。

[図 6]本発明の第 2実施形態によるヒートシンク部材の製造方法を説明するための断面図である。

[図 7]本発明の第 1実施形態の第 1変形例によるヒートシンク部材に半導体素子を搭載した状態を示した断面図である。

[図 8]本発明の第 1実施形態の第 2変形例によるヒートシンク部材の構造を説明するための断面図である。

発明を実施するための最良の形態

[0029] 以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

[0030] (第 1実施形態）

図 1は、本発明の第 1実施形態によるヒートシンク部材に半導体素子を搭載した状態を示した断面図である。図 2は、本発明の第 1実施形態によるヒートシンク部材を示した断面図である。まず、図 1および図 2を参照して、本発明の第 1実施形態によるヒートシンク部材の構造にっ、て説明する。

[0031] 本発明の第 1実施形態によるヒートシンク部材は、図 2に示すように、 Cu (銅）を主成分とする合わせ材 1と、 Mo (モリブデン)を主成分とする基材 2と、 Cu (銅)を主成分とする合わせ材 3とを含んでいる。なお、合わせ材 1および合わせ材 3は、それぞれ、本発明の「第 1の層」および「第 3の層」の一例であり、基材 2は、本発明の「第 2の層」の一例である。合わせ材 1、基材 2および合わせ材 3は、共に、約 0. 1mm〜約 3. 0 mmの厚みを有している。また、基材 2および合わせ材 3は、合わせ材 1の表面の一部上に形成されている。

[0032] ここで、第 1実施形態では、 Cuを主成分とする合わせ材 1と Moを主成分とする基材 2とは、 Sn— Cu合金（Sn: 1質量％〜13質量％)からなるろう付け層 4によって接合されている。なお、このろう付け層 4は、本発明の「第 1ろう付け層」の一例である。また、 Moを主成分とする基材 2と Cuを主成分とする合わせ材 3とは、 Sn—Cu合金（Sn: 1 質量％〜 13質量％)からなるろう付け層 5によって接合されている。なお、このろう付け層 5は、本発明の「第 2ろう付け層」の一例である。また、 Sn—Cu合金力もなるろう付け層 4および 5は、共に、約 0. 01mm〜約 0. 07mmの厚みを有している。また、 C uを主成分とする合わせ材 3の上面上には、図 1に示すように、半導体素子 6が半田やエポキシ榭脂など力もなる接合層 7によって固定されている。

[0033] 図 3は、本発明の第 1実施形態によるヒートシンク部材の製造方法を説明するための断面図である。次に、図 3を参照して、本発明の第 1実施形態によるヒートシンク部材の製造方法にっ、て説明する。

[0034] まず、 Mo (モリブデン）を主成分とする部材を、焼結により約 0. 1mm〜約 3. Omm の厚みを有するように形成する。そして、この部材の長さが合わせ材 1よりも小さくなるように切断することによって基材 2を形成する。これにより、 Moを主成分とする部材をヒートシンクとして必要な分だけ用いることができるので、高価な Moの使用量を低減することが可能である。また、 Cuを主成分とする部材を、約 0. 1mm〜約 3. Ommの厚みに圧延した後、所定の大きさに切断することによって、合わせ材 1および 3を形成する。このとき、合わせ材 3の長さが基材 2の長さと同程度の長さになるように形成する。 [0035] また、 Sn— Cu合金（Sn: 1質量％〜13質量％)からなる部材を、約 650°C〜約 75 0°Cの温度で熱間圧延することによって、約 0. 1mm〜約 3. Ommの厚みに形成した後、この部材を基材 2および合わせ材 3と同程度の長さに切断することによって、ろう付け層 4および 5を形成する。

[0036] 次に、本発明の第 1実施形態では、合わせ材 1の上面に、ろう付け層 4、基材 2、ろう付け層 5および合わせ材 3を、この順番で重ね合わせた後、約 9. 8 X 10²Pa〜約 9 . 8 X 10⁴Paの圧下力で押圧する。そして、この押圧した状態で水素雰囲気中で、約 810°C〜約 1030°Cの温度で約 1分〜約 30分間加熱し、ろう付け層 4および 5を溶融させることによって、合わせ材 1および基材 2を接合するとともに、基材 2および合わせ材 3を接合する。これにより、図 2に示したような第 1実施形態によるヒートシンク部材が形成される。

[0037] 第 1実施形態では、上記のように、 Cu (銅）を主成分とする合わせ材 1と Mo (モリブデン）を主成分とする基材 2の下面とを接合するための Sn— Cu合金（Sn: l質量％〜 13質量％)からなるろう付け層 4と、 Cuを主成分とする合わせ材 3と Moを主成分とする基材 2の上面とを接合するための Sn— Cu合金（Sn: 1質量％〜13質量％)からなるろう付け層 5とを設けることによって、 Cuを主成分とする合わせ材 1と Moを主成分とする基材 2とを接合するとともに、 Moを主成分とする基材 2の下面と Cuを主成分とする合わせ材 3とを接合する際に、合わせ材 1、基材 2および合わせ材 3を圧接する必要がないので、 Moを主成分とする基材 2に割れやひびが発生するのを抑制することができる。また、 Sn— Cu合金（Sn: l質量％〜13質量％)からなるろう付け層 4および 5を設けることによって、 Mn— Ni— Cu系合金力もなるろう材を用いる場合に比べて、ヒートシンク部材の熱膨張係数が大きくなるのを抑制することができる。これにより、ヒートシンク部材上に熱膨張係数の小さいシリコンなど力もなる半導体素子 6を配置した場合に、ヒートシンク部材と半導体素子 6との熱膨張係数差が大きくなるのを抑制することができるので、高温時に、半導体素子 6とヒートシンク部材との接合部分に割れやひびが発生するのを抑制することができる。また、 Sn— Cu合金（Sn: l質量％〜 13質量％)からなるろう付け層 4および 5を用いることによって、 Mn— Ni— Cu系合金力もなるろう材を用いる場合に比べて、ろう付け層 4および 5の熱伝導率を大きくすることができるので、ヒートシンク部材の熱伝導率が低下するのを抑制することができる

[0038] また、第 1実施形態では、上記のように、 Snを 1質量％以上含有する Sn— Cu合金力なるろう付け層 4および 5を用いることによって、 Sn— Cu合金力なるろう付け層 4および 5の融点を、 Cuを主成分とする合わせ材 1、 3および Moを主成分とする基材 2よりも低くすることができるので、ろう付けを行う際に、合わせ材 1および 3と基材 2とを溶融させることなぐ Sn—Cu合金力もなるろう付け層 4および 5のみを溶融させることがでさる。

[0039] また、第 1実施形態では、上記のように、 Snを 13質量％以下含有する Sn— Cu合金をろう付け層 4および 5に用いることによって、 Sn— Cu合金力もなるろう付け層 4および 5が脆くなるのを抑制することができるので、ろう付け層 4および 5を約 0. lmn！〜約 3. Ommの厚みに圧延する際に、ろう付け層 4および 5に割れやひびが発生するのを抑制することができる。

[0040] また、第 1実施形態では、上記のように、 Sn—Cu合金力もなるろう付け層 4および 5 を用いて、圧接することなぐろう付けを行うことによって、硬ぐかつ、延びが小さい焼結により形成された Moからなる基材 2を用いる場合にも、容易に、 Moの割れやひびが発生するのを抑制することができる。

[0041] また、第 1実施形態では、上記のように、 Cuを主成分とする合わせ材 3の表面上に、半導体素子 6を配置することによって、 Cuを主成分とする合わせ材 3は、半田ゃェポキシ榭脂などとのぬれ性が良好であるので、合わせ材 3の表面上に半田やェポキシ榭脂などを用いて容易に半導体素子 6を接合することができる。これにより、半導体素子 6の熱を、合わせ材 3、ろう付け層 5、基材 2、ろう付け層 4および合わせ材 1を介して良好に放熱させることができる。また、ろう付け層 4および 5を溶融することにより、合わせ材 1および基材 2を接合するとともに、基材 2および合わせ材 3を接合するのを同じ工程で行うことによって、基材 2の一方面および他方面を 1つの工程においてそれぞれ合わせ材 1および 3に接合させることができる。

[0042] 次に、上記した第 1実施形態によるヒートシンク部材の効果を確認するために行つた実験について説明する。まず、 Sn— Cu合金の加工 (熱間圧延)性の比較実験について説明する。この比較実験では、第 1実施形態に対応する実施例 1〜7による試料を作製するとともに、比較例 1による試料を作製した。

[0043] まず、実施例 1〜7では、 Snの含有率を、それぞれ、 1質量％、 2質量％、 2. 75質量％、 5. 21質量％、 7質量％、 10質量％および 13質量％にした Sn— Cu合金を、約 10mm角で約 50mmの長さに切断した試料を、それぞれ、 3つずつ作製した。また、比較例 1では、 Snの含有率を 14質量％とした Sn—Cu合金を約 10mm角で約 5 Ommの長さに切断した試料を 3つ作製した。上記のように作製した実施例 1〜7および比較例 1による各 3つの試料について、それぞれ、 650°C、 700°Cおよび 750°Cの温度条件下で圧延し、割れやひびの有無を確認した。その結果を表 1に示す。

[0044] [表 1]

〇：割れおよびひびが発生せず

X：割れおよびひびが発生

[0045] 上記表 1を参照して、 Snの含有率が 1質量％〜13質量％である実施例 1〜7による Sn—Cu合金では、圧延加工時に、 Sn—Cu合金に割れやひびが発生しにくいことが判明した。その一方、 Snの含有率が 14質量％である比較例 1による Sn—Cu合金では、圧延加工時に、 Sn—Cu合金に割れやひびが発生しやすいことが判明した。これは、 Snの含有量が多くなるにしたがい Sn—Cu合金が脆くなるためであると考えられる。この結果から、 Sn— Cu合金からなるろう材の圧延加工時の割れやひびの発生を防止するためには、 Snの含有率は 1質量％以上 13質量％以下であることが好ましいと考えられる。ここで、表 1の〇は、割れおよびひびが発生しなかったことを表すとともに、 Xは、割れおよびひびが発生したことを表す。

[0046] 次に、上記のように作製した実施例 1〜7および比較例 1による試料について、 DT A (示差熱分析)装置 (RIGAKU製、 DTA8121)を用いて融点を測定した結果について説明する。測定した融点を、以下の表 2に示す。

[表 2]

[0048] 上記表 2を参照して、 Snの含有率が 1質量％〜14質量％の実施例 1〜7および比較例 1による Sn— Cu合金のうち、実施例 1の Sn— Cu合金（Sn： 1質量⁰ /₀)の融点（約 1000°C)が最も高いことが判明した。但し、この実施例 1の融点（1000°C)は、 Cu の融点（1083°C)に対して十分低い。この結果から、 Snの含有率が 1質量％〜14質量％の実施例 1〜7および比較例 1による Sn—Cu合金を用いてろう付けを行う場合には、 Cuを主成分とする合わせ材を溶融させることなぐ Sn—Cu合金のみを溶融させることが可能であると考えられる。

[0049] 次に、上記した第 1実施形態に対応する実施例 8〜13および従来例に対応する比較例 2による試料 (ヒートシンク部材)を作製して熱膨張係数を測定した結果につ!、て説明する。具体的には、実施例 8〜13では、約 0. 63mmの厚みをそれぞれ有する合わせ材 1、基材 2および合わせ材 3を、約 0. 05mmの厚みをそれぞれ有する Sn— Cu合金（Sn: 2質量％〜 13質量％)からなるろう付け層 4および 5によって接合し、約 2mmの厚みを有する部材を作製した。この部材を約 2mm角で約 50mmの長さに切断した試料を作製し、熱膨張係数を測定した。なお、実施例 8〜13では、ろう付け層 4および 5の Snの含有率を、それぞれ、 2質量％、 2. 75質量％、 5. 21質量％、 7質量％、 10質量％および 13質量％とした。また、比較例 2では、ろう付け層として、 15. 2Mn- 10. INi— Cu合金を用い、その他の条件は上記実施例 8〜13と同様の方法で試料を作製し、熱膨張係数を測定した。その結果を以下の表 3に示す。 [0050] [表 3]

[0051] 上記表 3を参照して、 Snの含有率が 2質量％〜13質量％の Sn— Cu合金をろう付け層 4および 5に用いた実施例 8〜13によるヒートシンク部材の熱膨張係数 (8. 2 X 1 0^_6ΖΚ：〜 8. 6 Χ 10^_6ΖΚ)は、 15. 2Mn- 10. INi— Cu合金をろう付け層に用いた比較例 2によるヒートシンク部材の熱膨張係数（10. 4 X 10^_6ZK)よりも小さいことが判明した。また、ろう付け層 4および 5の Snの含有率が減少するにしたがって、ヒートシンク部材の熱膨張係数も減少する傾向があることが判明した。この結果から、ろう付け層 4および 5の Snの含有率が 1質量⁰ /₀の場合にも、ヒートシンク部材の熱膨張係数は、 15. 2Mn- 10. INi— Cu合金をろう付け層に用いた比較例 2によるヒートシンク部材の熱膨張係数よりも小さいと考えられる。

[0052] 次に、上記した第 1実施形態に対応する実施例 14〜19および従来例に対応する比較例 3による試料 (ヒートシンク部材)を作製して熱伝導率を測定した結果について説明する。具体的には、実施例 14〜19では、約 0. 3mmの厚みをそれぞれ有する合わせ材 1、基材 2および合わせ材 3を、約 0. 05mmの厚みをそれぞれ有する Sn— Cu合金（Sn: 2質量％〜 13質量％)からなるろう付け層 4および 5によって接合し、約 lmmの厚みを有する部材を作製した。この部材を約 10mmの直径と約 lmmの厚みとを有する円柱形状に切断した試料を作製した。なお、実施例 14〜19では、ろう付け層 4および 5の Snの含有率を、それぞれ、 2質量％、 2. 75質量％、 5. 21質量⁰ /₀、 7質量％、 10質量％および 13質量％とした。また、比較例 3では、ろう付け層として、 15. 2Mn- 10. INi— Cu合金を用い、その他の条件は上記実施例 14〜19と同様の方法で試料を作製した。そして、上記のように作製した実施例 14〜 19および比較例 3による試料の熱伝導率をレーザーフラッシュ法を用いた熱伝導率測定装置 (アルノック理工製、 TC7000)によって測定した。その結果を以下の表 4に示す。

[0053] [表 4]

[0054] 上記表 4を参照して、 Snの含有率が 2質量％〜13質量％の Sn— Cu合金をろう付け層 4および 5に用、た実施例 14〜 19によるヒートシンク部材の熱伝導率（248WZ (m'K)〜223WZ (m'K) )は、 15. 2Mn— 10. INi— Cu合金をろう付け層に用いた比較例 3によるヒートシンク部材の熱伝導率（206WZ (m-K) )よりも大き!/、ことが判明した。また、ろう付け層 4および 5の Snの含有率が減少するにしたがって、ヒートシンク部材の熱伝導率が増加する傾向が判明した。この結果から、ろう付け層 4および 5の Snの含有率が 1質量％の場合にも、ヒートシンク部材の熱膨張係数は、 15. 2 Mn- 10. INi— Cu合金をろう付け層に用いた比較例 3によるヒートシンク部材の熱伝導率よりも大きいと考えられる。

[0055] (第 2実施形態）

図 4〜図 6は、本発明の第 2実施形態によるヒートシンク部材の製造方法を説明するための断面図である。この第 2実施形態では、上記第 1実施形態とは異なるヒートシンク部材の製造方法にっ、て説明する。

[0056] この第 2実施形態によるヒートシンク部材の製造方法では、まず、 Cuを主成分とする部材を、約 0. 25mm〜約 7. 5mmの厚みに圧延し、所定の大きさに切断することによって、図 4に示した合わせ材 11および 13を形成する。このとき、合わせ材 13の長さ力合わせ材 11よりも小さくなるように形成する。また、 Mo (モリブデン)を主成分とする部材を、焼結により約 0. 1mm〜約 3. Ommの厚みを有するように形成する。そして、この部材を合わせ材 13と同程度の長さに切断することによって、基材 2を形成する。 [0057] また、 Sn— Cu合金（Sn: 1質量％〜13質量％)からなる部材を、約 650°C〜約 75 0°Cの温度で熱間圧延することによって、約 0. 025mm〜約 0. 125mmの厚みに形成した後、この部材を基材 2および合わせ材 13と同程度の長さに切断することによつて、ろう付け層 14および 15を形成する。

[0058] 次に、本発明の第 2実施形態では、図 4に示すように、合わせ材 11およびろう付け層 14を約 60%の圧下率で圧接するとともに、合わせ材 13およびろう付け層 15を約 6 0%の圧下率で圧接する。この後、圧接された合わせ材 11およびろう付け層 14と、合わせ材 13およびろう付け層 15とに対して、水素雰囲気中で、約 700°C〜約 800°Cの温度で 1分〜 3分間拡散焼鈍を行う。これにより、ろう付けを行う前に、変形しやすいろう付け層 14および 15を、合わせ材 11および 13と予め接合することができるので、ろう付けの際にろう付け層 14および 15が変形するのを抑制することが可能となる。これにより、円滑にろう付けを行うことが可能となる。この後、合わせ材 11に圧接されたろう付け層 14の上面上に、基材 2と、ろう付け層 15が圧接された合わせ材 13とを、この順番で重ね合わせた後、約 9. 8 X 10²Pa〜約 9. 8 X 10⁴Paの圧下力で押圧する。そして、この押圧した状態で、水素雰囲気中で、約 900°C〜約 1030°Cの温度で約 1分〜約 30分間加熱し、ろう付け層 14および 15を溶融させることによって、合わせ材 11および基材 2を接合するとともに、基材 2および合わせ材 13を接合する。これにより、図 5に示したような第 2実施形態によるヒートシンク部材が形成される。なお、このように形成された第 2実施形態によるヒートシンク部材を半導体素子 6のヒートシンクとして用いる場合には、図 6に示すように、合わせ材 13の上面上に半田やエポキシ榭脂など力もなる接合層 7を介して半導体素子 6を取り付ける。

[0059] なお、第 2実施形態においても、上記第 1実施形態と同様、合わせ材 11および 13 と基材 2とを接合するための Sn— Cu合金（Sn: 1質量％〜13質量％)からなるろう付け層 14および 15を設けることによって、 Cuを主成分とする合わせ材 11および 13と Moを主成分とする基材 2とを接合する際に、合わせ材 11、基材 2および合わせ材 1 3を圧接する必要がないので、 Moを主成分とする基材 2に割れやひびが発生するのを抑制することができる。また、 Sn— Cu合金（Sn: l質量％〜13質量％)からなるろう付け層 14および 15を設けることによって、 Mn— Ni— Cu系合金力もなるろう材を用 V、る場合に比べて、ヒートシンク部材の熱膨張係数が大きくなるのを抑制することができるとともに、熱伝導率を大きくすることができる。これにより、ヒートシンク部材と半導体素子 6との熱膨張係数差が大きくなることに起因して半導体素子 6とヒートシンク部材との接合部分に割れやひびが発生するのを抑制することができるとともに、ヒートシンク部材の熱伝導率が低下するのを抑制することができる。

[0060] なお、第 2実施形態のその他の効果は、上記第 1実施形態と同様である。

[0061] なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく請求の範囲によって示され、さらに請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

[0062] たとえば、上記第 1実施形態では、 Mo (モリブデン)を主成分とする基材 2の上面上に Cuを主成分とする合わせ材 3を接合し、合わせ材 3の上面上に半導体素子 6を搭載した例を示したが、本発明はこれに限らず、図 7に示した第 1変形例のように、基材 2の上面上に Cuを主成分とする合わせ材を配置せずに、 Niメツキや Auメツキなどの金属メツキ 28を行い、金属メツキ 28の上面上に半導体素子 6を搭載してもよい。この構造においても、半導体素子 6の熱を接合層 7、金属メツキ 28、基材 2、ろう付け層 4 および合わせ材 1を介して放熱することができるので、半導体素子 6が高温になるのを抑制することが可能となる。

[0063] また、上記第 1実施形態では、基材 2および合わせ材 3を、合わせ材 1よりも長さが小さくなるように形成した例を示したが、本発明はこれに限らず、図 8に示した第 2変形例のように、 Moを主成分とする基材 2aおよび Cuを主成分とする合わせ材 3aを合わせ材 1と同じ長さを有するように形成してもよい。この場合、 Sn— Cu合金（Sn: l質量％〜13質量％)からなるろう付け層 4aおよび 5aは、合わせ材 1、基材 2aおよび合わせ材 3aと同じ長さに形成すればよい。

[0064] また、上記実施形態では、ろう付け層として、 Snおよび Cuのみ力なる Sn—Cu合金を用いた例を示した力本発明はこれに限らず、 Sn— Cu合金に Pb、 Fe、 Zn、 Pなどを添カロした Sn—Cu系合金力もなるろう付け層を用いてもよい。この場合、 Pb、 Fe、 Zn、 Pなどの添カ卩量は、約 0. 05質量％〜約 0. 35質量％であるのが好ましい。また、上記実施形態では、 Sn— Cu合金（Sn: l質量％〜13質量％)からなる部材を熱間圧延することによってろう付け層を形成した例を示したが、本発明はこれに限らず、 Sn— Cu合金（Sn: 1質量％〜13質量％)からなる部材を冷間圧延することによってろう付け層を形成してもよい。

Claims

請求の範囲

[1] Cuを主成分とする第 1の層（1、 11)と、

Moを主成分とする第 2の層（2、 2a)と、

前記第 1の層と前記第 2の層の一方面との間に配置され、前記第 1の層と前記第 2 の層とを接合するための Sn—Cu系合金力もなる第 1ろう付け層（4、 4a、 14)とを備える、ヒートシンク部材。

[2] 前記第 1ろう付け層の Snの含有率は、 1質量％以上である、請求項 1に記載のヒートシンク部材。

[3] 前記第 1ろう付け層の Snの含有率は、 13質量％以下である、請求項 1または 2に記載のヒートシンク部材。

[4] 前記 Moを主成分とする第 2の層は、焼結によって形成されている、請求項 1〜3のいずれか 1項に記載のヒートシンク部材。

[5] 前記第 1の層および前記第 2の層は、 0. 1mm以上 3. Omm以下の厚みを有する、請求項 1〜4のいずれか 1項に記載のヒートシンク部材。

[6] Cuを主成分とする第 3の層（3、 3a、 13)と、

前記第 2の層の他方面と前記第 3の層との間に配置され、前記第 2の層と前記第 3 の層とを接合するための Sn—Cu系合金力もなる第 2ろう付け層（5、 5a、 15)とをさらに備え、

前記第 3の層の表面上には、半導体素子（6)が配置される、請求項 1〜5のいずれ力 1項に記載のヒートシンク部材。

[7] 前記第 2ろう付け層の Snの含有率は、 1質量％以上 13質量％以下である、請求項

6に記載のヒートシンク部材。

[8] 前記第 2の層は、前記第 1の層の表面上の前記半導体素子が配置される領域に対応する領域に配置されている、請求項 6または 7に記載のヒートシンク部材。

[9] 前記第 3の層は、 0. 1mm以上 3. Omm以下の厚みを有する、請求項 6〜8のいずれカ 1項に記載のヒートシンク部材。

[10] Cuを主成分とする第 1の層（1、 11)と Moを主成分とする第 2の層（2、 2a)の一方面との間に、 Sn—Cu系合金力なる第 1ろう付け層（4、 4a、 14)を配置する工程と、前記第 1ろう付け層を溶融することによって、前記第 1の層と前記第 2の層とを接合する工程とを備える、ヒートシンク部材の製造方法。

[11] 前記第 1ろう付け層の Snの含有率は、 1質量％以上である、請求項 10に記載のヒートシンク部材の製造方法。

[12] 前記第 1ろう付け層の Snの含有率は、 13質量％以下である、請求項 10または 11 に記載のヒートシンク部材の製造方法。

[13] 前記 Moを主成分とする第 2の層を焼結によって形成する工程をさらに備える、請求項 10〜 12のいずれか 1項に記載のヒートシンク部材の製造方法。

[14] 前記第 1の層および前記第 2の層は、 0. 1mm以上 3. Omm以下の厚みを有する、請求項 10〜 13のいずれか 1項に記載のヒートシンク部材の製造方法。

[15] 前記第 1の層と前記第 2の層との間に前記第 1ろう付け層を配置する工程に先立つて、前記第 1の層（11)と前記第 1ろう付け層（14)とを予め接合する工程をさらに備える、請求項 10〜14のいずれか 1項に記載のヒートシンク部材の製造方法。

[16] 前記第 1の層と前記第 2の層との間に前記第 1ろう付け層を配置する工程は、前記第 1の層と前記第 2の層の一方面との間に第 1ろう付け層を配置するとともに、前記第

2の層の他方面と Cuを主成分とする第 3の層（3、 3a、 13)との間に Sn—Cu系合金力らなる第 2ろう付け層（5、 5a、 15)を配置する工程を含み、

前記第 1の層と前記第 2の層とを接合する工程は、前記第 1ろう付け層および前記第 2ろう付け層を溶融することによって、前記第 1の層および前記第 2の層を接合するとともに、前記第 2の層および前記第 3の層を接合する工程を含む、請求項 10〜15 のいずれか 1項に記載のヒートシンク部材の製造方法。

[17] 前記第 2ろう付け層の Snの含有率は、 1質量％以上 13質量％以下である、請求項

16に記載のヒートシンク部材の製造方法。

[18] 前記第 3の層の表面上には、半導体素子 (6)が配置され、

前記第 1の層と前記第 2の層との間に前記第 1ろう付け層を配置する工程に先立つて、前記第 1の層の表面上の前記半導体素子が配置される領域に対応する領域に配置される前記第 2の層を準備する工程をさらに備える、請求項 16または 17に記載のヒートシンク部材の製造方法。前記第 3の層は、 0. 1mm以上 3. Omm以下の厚みを有する、ずれ力 1項に記載のヒートシンク部材の製造方法。