複合材料及び半導体搭載用放熱基板、及びそれを用いたセラミックパッケージ
【課題】 低熱膨張率で且つ従来以上の高熱伝導率を備えると共に、塑性加工（圧延加工）性の向上、プレス打ち抜き時の破断面の平滑性の向上、半導体素子と放熱基板をハンダ付けした際の密着性の向上とハンダ流れの防止、更に放熱基板の軽量化とコスト性に優れる半導体装置用放熱基板を提供すること。
【解決手段】 複合材料は、３０〜７０質量％のＣｕと残部が実質的にＭｏとからなる複合合金を芯材１０とし、前記芯材１０の上下主平面に夫々Ｃｕ板をクラッドしてＣｕ／Ｃｕ−Ｍｏ複合合金／Ｃｕの構造を形成したクラッド材である。前記複合合金は、Ｃｕプール相３とＭｏ−Ｃｕ合金相２で形成されてなる。半導体搭載用放熱基板は、複合材料を用いたもので、この基板は予め１０ｍｍ当たり１５μｍ以下の反りが付与されている。
【解決手段】 複合材料は、３０〜７０質量％のＣｕと残部が実質的にＭｏとからなる複合合金を芯材１０とし、前記芯材１０の上下主平面に夫々Ｃｕ板をクラッドしてＣｕ／Ｃｕ−Ｍｏ複合合金／Ｃｕの構造を形成したクラッド材である。前記複合合金は、Ｃｕプール相３とＭｏ−Ｃｕ合金相２で形成されてなる。半導体搭載用放熱基板は、複合材料を用いたもので、この基板は予め１０ｍｍ当たり１５μｍ以下の反りが付与されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、銅プール相を有する銅−モリブデン複合合金を芯材とし、その塑性加工された上下の主平面（圧延面）に、さらに銅板をクラッド（圧接とも云う）した複合材料に関し、更に、詳しくは、銅プール相を有する複合合金を芯材に用いることによって、特に熱伝導率の向上や塑性加工（圧延）性の向上、さらに打抜き加工性の向上、軽量化、低コスト化を図った複合材料及び半導体搭載用放熱基板、及びそれを用いたセラミックパッケージに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体搭載用放熱基板としては、タングステン−銅系及び、モリブデン−銅系材料が好適に用いられている。その理由は、半導体素子のＳｉやＧａＡｓ並びに各種パッケージ材料、特にアルミナ、ＡＬＮと熱膨張係数を整合させることができ、高集積化、小型化に対応できる特長を持っているためである。
【０００３】
半導体搭載用放熱基板に要求される特性をさらに詳しく述べると、（ア）搭載した半導体素子から発生される熱を効率よく放熱するため、高い熱伝導率を有すること。（イ）熱応力を極力小さくするため、半導体素子や各種パッケージ材料と熱膨張係数が近似していること。（ウ）パッケージの気密性維持や接合部の劣化防止などの信頼性を確保し、且つ、所望の放熱性などを確実にするため、空孔や亀裂などの欠陥が存在しないこと。（エ）当該放熱基板を所望のサイズにプレスで打抜き加工した際に断面が平滑であること。（オ）更に半導体素子に放熱基板をハンダ付けした際の良好な密着性、が挙げられる。
【０００４】
従来より提供されている半導体搭載用放熱基板には、特許文献１に示されるタングステン−銅系、またはモリブデン−銅系などの２相合金がある。
【０００５】
この技術は、１〜５０％の気孔率を有するタングステンまたはモリブデンの強固な中間焼結体（多孔質の焼結体）を得て、当該気孔に銅を溶浸し所望の複合合金を作製するものである。この複合合金の合金組成が、例えば銅４０重量％−タングステン６０重量％の場合、熱膨張係数１１．８×１０−６／℃、熱伝導率０．７３ｃａｌ／ｃｍ．ｓｅｃ．℃（＝３０５Ｗ／ｍ・Ｋ）が得られている。また、銅５０重量％、モリブデン５０重量％の場合、熱膨張係数１１．５×１０−６／℃、熱伝導率０．６６ｃａｌ／ｃｍ．ｓｅｃ．℃（＝２７６Ｗ／ｍ・Ｋ）が得られている。以下の明細書の記載において、タングステンを単に「Ｗ」、モリブデンを「Ｍｏ」、銅を「Ｃｕ」と表記する。
【０００６】
また、特許文献２において、Ｍｏ板の両面にそれぞれＣｕ板を一体に接合（クラッドと同意語）したＣｕ／Ｍｏ／Ｃｕからなる放熱基板（一般にＣＭＣと称す）が提案されている。
【０００７】
この技術によれば、芯材となるＭｏ板および各Ｃｕ板の厚さを０．０３〜０．３ｍｍの範囲内に設定することで、２００〜２６０Ｗ／ｍ・Ｋの熱伝導率が得られ、且つ接合される半導体素子にクラックや反り発生が少なくできる、と記載されている。
【０００８】
また、前述した特許文献１の技術を改良した特許文献３において、ＷまたはＭｏの多孔体にＣｕを溶浸した芯材（Ｗ−Ｃｕまたは、Ｍｏ−Ｃｕ）の両面にＣｕ板を接合したＣｕ／Ｗ−Ｃｕ／Ｃｕ及びＣｕ／Ｍｏ−Ｃｕ／Ｃｕからなる放熱基板が提案されている。
【０００９】
この技術によれば、芯材の合金組成が例えば、Ｍｏ−Ｃｕ１０ｗｔ．％の場合、熱膨張係数１０．５×１０−６／℃、熱伝導率３３０Ｗ／ｍ・Ｋが得られる、と記載されている。
【００１０】
上記の各技術においては、熱膨張係数や熱伝導率は所望の値を得ることができる。しかし、下記の（ｉ）から（ｖｉ）に示される問題点がある。
【００１１】
（ｉ）ＷやＭｏは延性に乏しく、多量に用いると塑性加工（圧延加工）性が悪くなる。
【００１２】
（ｉｉ）また、プレスによる打ち抜き加工時に、破断面（切断面）が平滑にならない。
【００１３】
（ｉｉｉ）また、半導体素子に放熱基板をハンダ付けした際に、反りが生じて良好な密着性が得られない。
【００１４】
（ｉｖ）また、半導体素子に放熱基板をハンダ付けした際に、ハンダが表面傷部に沿って流れ出て例えばＡＬＮの接合が不安定になり接合信頼性を損なうことがある。
【００１５】
（ｖ）近年、例えば電気自動車のインバーターでは、大きな発熱を伴う大容量の半導体素子が用いられるため、低熱膨張率と高熱伝導率を備えることは勿論、特に軽量化された放熱基板が求められているが、ＷやＭｏは密度が高く、これを多量に用いる上記の何れもの従来技術では放熱基板の軽量化には限界がある。
【００１６】
（ｖｉ）一方、放熱基板材料に用いるＷやＭｏは希少金属のため高価であることや、近時は、特にＭｏ原料が高騰傾向にあるため、生産コスト及び供給面での問題が顕在化している状況にある。
【００１７】
そこで、放熱基板としての特性を維持し、且つ、Ｍｏ使用量を減らす技術の提供が強く求められている。
【００１８】
【特許文献１】特公平２−３１８６３号公報
【特許文献２】特開平５−２９５０７号公報
【特許文献３】特開平６−２６８１１７号公報
【特許文献４】国際公開第２００４／０３８０４９号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
従って、本発明の一般的な技術的課題は、低熱膨張率で且つ従来以上の高熱伝導率を備えると共に、塑性加工性、例えば、圧延加工性の向上、プレス打ち抜き時の破断面の平滑性の向上、半導体素子と放熱基板をハンダ付けした際の密着性の向上とハンダ流れの防止、更に近時の要求、即ち、放熱基板の軽量化とコスト性に優れる半導体装置用放熱基板を提供することにある。
【００２０】
本発明の具体的な技術的課題は、上記の課題を満足するＣｕをクラッドしたＣｕ／Ｃｕ−Ｍｏ／Ｃｕなる構造を備えた複合材料及び半導体搭載用放熱基板、及びそれを用いたセラミックパッケージを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明者らは先に、特許文献４にて、Ｍｏ−Ｃｕ複合圧延材料において、Ｍｏ−Ｃｕの合金構造を変えることによりＭｏ含有量が少なくても、熱伝導が高く、且つ、熱膨張が小さい材料を提供する技術を開示した。
【００２２】
この材料の構造は、材料中にＣｕプール相とＣｕ−Ｍｏ複合相とを含むため熱特性が優れている。
【００２３】
しかし、上記材料は、一方向（Ｘ方向）のみの圧延であり、その圧延方向にＣｕプール相とＣｕ−Ｍｏ複合相が繊維状に伸びているため、プレスで所望の形状に打ち抜きを行うと、圧延方向の破断面が歪み、凹凸が激しく平滑な破断面が得られない。ときにはクラック状になる場合がある。この結果、寸法精度あるいは、ニッケルめっき後、当該打抜き破断面にシミなどが発生するため適用が限られている。
【００２４】
本発明者らは、Ｃｕ／Ｃｕ−Ｍｏ／Ｃｕの複合材料の芯材となるＣｕ−Ｍｏ材に、上記の合金構造材を適用することにより、熱膨張が小さく、且つ熱伝導が高くできること。また、Ｘ方向とＹ方向の合金組織を等しく形成することで、プレスの打ち抜き破断面も平滑で寸法精度が向上、また、めっき後のシミなど実使用上も問題がなく、さらに全体としてＭｏ使用量を少なくできることを確認し本発明を完成するに到った。
【００２５】
即ち、本発明の複合材料及び半導体搭載用放熱基板、及びそれを用いたセラミックパッケージは、次の通りの特徴を有している。
【００２６】
また、本発明によれば、３０〜７０質量％の銅（Ｃｕ）と残部が実質的にモリブデン（Ｍｏ）とからなる複合合金を芯材とし、前記芯材の上下主平面に銅板を夫々クラッドして銅／銅−モリブデン複合合金／銅なる構造を形成したクラッド材であって、前記複合合金は、銅プール相とモリブデン−銅合金相で形成されていることを特徴とする複合材料が得られる。
【００２７】
また、本発明によれば、前記複合材料において、前記芯材となる複合合金の銅プール相が５〜３０質量％であることを特徴とする複合材料が得られる。
【００２８】
本発明によれば、前記いずれか一つの複合材料において、前記芯材となる複合合金の中の銅プール相の粒子径が３０〜２００μｍであることを特徴とする複合材料が得られる。
【００２９】
また、本発明によれば、前記いずれか１つの複合材料において、前記複合合金中のモリブデン粒子及び銅プール相は、前記主平面から見ると円板状に略等しく延ばされており且つＸ及びＹ方向から板の端面を見ると扁平に押し潰されて形成されていることを特徴とする複合材料が得られる。
【００３０】
また、本発明によれば、前記いずれか１つの複合材料において、前記芯材及び銅板のクラッド材は塑性加工によって形成されていることを特徴とする複合材料が得られる。
【００３１】
また、本発明によれば、前記いずれか１つの複合材料において、前記銅／銅−モリブデン複合合金／銅のクラッド材の各層厚の比率が１：１：１〜１：５：１からなることを特徴とする複合材料が得られる。
【００３２】
また、本発明によれば、前記いずれか１つの複合材料において、前記銅／銅−モリブデン複合合金／銅のクラッド材の上下銅層の厚みをそれぞれＳ上、Ｓ下としたときに、その比を１．０＜Ｓ上／Ｓ下＜１．５の範囲としたことを特徴とする複合材料が得られる。
【００３３】
また、本発明によれば、前記いずれか１つの複合材料を用いた半導体搭載用放熱基板であって、前記基板は予め１０ｍｍ当たり１５μｍ以下の反りが付与されていることを特徴とする半導体搭載用放熱基板が得られる。
【００３４】
また、本発明によれば、前記半導体搭載用放熱基板において、前記基板の面粗度がＲａ１．０以下であることを特徴とする半導体搭載用放熱基板が得られる。
【００３５】
また、本発明によれば、前記いずれか１つの半導体搭載用放熱基板を用いていることを特徴とするセラミックパッケージが得られる。
【発明の効果】
【００３６】
本発明に係る複合材料及びそれを用いた放熱基板によれば、半導体素子のＳｉやＧａＡｓならびに各種パッケージ材料、特にアルミナあるいはＡＬＮと熱膨張係数を簡単且つ精密に整合させることができる。
【００３７】
本発明の複合材料及びそれを用いた放熱基板によれば、低熱膨張率で且つ従来以上の高熱伝導率を備えると共に、軽量化に優れるため、移動体通信関係のマイクロ波、光関係の放熱基板として、あるいは、大きな発熱を伴う大容量の半導体素子が用いられる電気を駆動力とする自動車のインバーター用放熱基板として好適に使用できる。
【００３８】
本発明の複合材料及びそれを用いた放熱基板によれば、塑性加工性、例えば、圧延加工性やプレス打ち抜き時の寸法精度や破断面の平滑性が向上する。さらに、打抜き破断面の平滑性の向上によってニッケルめっき後のシミの発生が解消されるため、生産性向上に大きく寄与する。
【００３９】
本発明の複合材料及びそれを用いた放熱基板によれば、半導体素子と放熱基板をハンダ付けした際の密着性の向上とハンダ流れが防止できるため、例えばＡＬＮの接合が安定になり接合信頼性が向上する。
【００４０】
本発明の複合材料及びそれを用いた放熱基板によれば、特に、高価なＷやＭｏの使用量、つまり含有量を少なくできるため、低コストの放熱基板を提供できる。さらに、ＷやＭｏの原料高騰下においても安定して提供できるため、工業的意義は極めて高い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
以下に、本発明の複合材料及び半導体搭載用放熱基板の実施の形態について説明する。
【００４２】
図１は本発明の実施の形態による銅／銅−モリブデン複合合金／銅の複合材料を示す斜視図である。図１を参照すると、複合材料２０は、銅−モリブデン複合合金の芯材１０の両面に銅１１を圧延等の塑性加工によって形成してなる。
【００４３】
図２は図１の芯材の塑性加工前の状態を示す概略斜視図である。図２を参照すると、芯材１０は小さなモリブデン粒子１と銅２とによって形成された複合相の空隙に銅が溶浸されて、大きな粒子からなる銅プール相３が形成されている。
【００４４】
図３は、図１の芯材の塑性加工後の状態を示す概略斜視図である。図３を参照すると、芯材１０は、塑性加工を施されて、複合相中のモリブデン粒子１と銅プール相３が押しつぶされて、主平面から見ると円板状に且つＸ方向及びＹ方向の断面から見ると扁平に形成されている。
【００４５】
次に、本発明の半導体搭載用放熱基板の具体的製造工程について順を追って説明する。
【００４６】
Ｉ．粉末の混合：
先ず、芯材となるＭｏ−Ｃｕ合金の製造方法について説明する。
【００４７】
３０〜２００μｍのＣｕ粉末と１〜１０μｍのＭｏ粉末をＣｕ５〜３０質量％で秤量し、次いで、Ｖ型ミキサーで混合する。
【００４８】
混合はＶ型ミキサー等で均一混合する。なお、粉砕混合ではＣｕ粉末が変形し、Ｃｕプール形状も変化するため好ましくない。
【００４９】
ＩＩ．成形体の作製及び空隙量の調整：
次に、上記の混合粉末をプレスで成形する。空隙量は成形時の圧力によって調整する。圧力が設備能力を超える場合には、８００〜１４００℃の還元ガス雰囲気中で中間焼結して空隙量を調整する。
【００５０】
なお、混合粉末の成形は、プレスあるいはＣＩＰ成形いずれでも可能であり、最終形状によって適宜選択できる。
【００５１】
ＩＩＩ．Ｃｕプール相の形成：
上記のプレスによる成形体、あるいは中間焼結による中間焼結体の空隙量に対しＣｕ板を配し、１４００℃までの温度範囲で、好ましくは１１５０〜１３００℃の水素雰囲気中で加熱し、溶融したＣｕを空隙内に溶浸させて各種組成のＣｕ−Ｍｏ複合合金を得る。
【００５２】
上記の空隙にＣｕを３０〜７０質量％溶浸させることによりＣｕ粉末部分がＣｕプール（溜まり）となり、Ｃｕプール相の比率が５〜３０％からなる芯材用素材としての本発明のＭｏ−Ｃｕ合金を得る。
【００５３】
図２に示すように、芯材１０としてのモリブデン粒子１及び銅２からなるＣｕ−Ｍｏ中間焼結体（複合相）の空隙部に溶浸によるＣｕプール相３が形成されている。
【００５４】
ＩＶ．芯材の作製：
上記で得たＣｕ−Ｍｏ複合合金からなる芯材１０の素材に加工率３０〜９８％の冷間圧延ロールあるいは温間圧延ロールにて塑性加工（温間圧延温度は後述）を施し、図３に示す所定の厚みを有するＭｏ−Ｃｕ複合圧延板を得る。
【００５５】
図３を参照すると、上記の塑性加工は、Ｃｕ板をクラッドした後の芯材１０の加工度が等しくなるように圧延方向及び、この圧延方向と直角の方向への加工度、つまり、クロス率を調整する。このクロス率の調整によって、圧延された芯材（板状）１０の面内でのＣｕプール相３及び複合相中のＭｏ粒子１を芯材１０の主平面から見て円板状に略等しく延ばすことができ、且つＸ及びＹ方向から板の端面を見ると扁平に押し潰し形成することができる。この結果、熱膨張係数を等方的にし、且つ、打抜き時の破断面を平滑にすることができる。
【００５６】
なお、上記の加工率とは、加工量／初期形状×１００％（加工量＝初期形状−加工後形状）のことである。
【００５７】
Ｍｏ−Ｃｕ複合圧延板のクロス率（例えばクロス率５０％とは、圧延面の互いの直角方向の加工率が同じことを指す）は２０〜８０％になるように、クラッドの前後で途中クロス圧延する。
【００５８】
クロス率が２０％未満、あるいは８０％を超えるとプレスによる打ち抜き時の破断面が２次剪断を伴なったり、層状クラックが発生する。従って、クロス率の望ましい範囲は２０以上、８０％以下である。
【００５９】
芯材の表面の酸化物はブラシなどを用いて除去し、且つ、還元性雰囲気中７００〜８５０℃でアニールして表面の清浄化を行う。
【００６０】
Ｖ．銅板のクラッド（圧接）加工：
次に、上記で得た芯材の上下の各主平面にＣｕ板を配置し、還元雰囲気中７００〜９５０℃にて、加熱し、加工率１０〜５０％の塑性加工（圧延加工）を施して、図１に示す所定の厚みのＣｕクラッド板を得る。
【００６１】
加熱温度が７００℃以下では圧接後に剥がれが生じやすく、また、９５０℃以上ではＣｕクラッド後のＣＰＣの層比が場所によって変化が起こり特性が安定しないためである。
【００６２】
加工率１０％未満ではＣｕクラッド後剥がれが生じやすく、また、５０％を超えるとＣｕクラッド後のＣＰＣの層比が場所によって変化し、安定しないためである。
【００６３】
トータルの加工率を選択することによってＣｕクラッド板の熱膨張係数を概ねＡＬＮやＧａＡｓの熱膨張係数と合致させることができる。得られたＣｕクラッド板は、ＡＬＮやＧａＡｓ等の半導体素子とロー付けあるいはハンダ接合され、外囲材とビス止めを行う。
【００６４】
この外囲材とのビス止めで放熱性を損なう空間をなくするために、クラッドする上下Ｃｕ板の板厚比を１．０＜Ｓ上／Ｓ下＜１．５の範囲で変化させる（Ｓ上、Ｓ下は上下銅板の各々の厚みを示す）。
【００６５】
あるいは、Ｃｕクラッド板を後述の打抜き加工した後、予め反りを長さ１０ｍｍ当たり１５μｍ以下に付与せしめてロー付けあるいはハンダ付け後の反りを調整する。
【００６６】
ＶＩ．冷間圧延及びプレス打抜き
Ｃｕクラッド板の表面スケールを除去した後、冷間圧延にて所定の厚みにし、打ち抜きプレスして最終形状に打ち抜きする。
【００６７】
ＶＩＩ．めっき前の面粗度仕上げ：
上記の打ち抜き後、砥粒入りブラシ（商品名：デュポン社 タイネックスＴＸ−Ｃ）にて研磨を行い所定の面粗度に仕上げる。
【００６８】
めっき前のＣｕ板面の面粗度はＲａ１．０以下にする必要がある。その理由はＣｕ板面の面粗度がＲａ１．０を超えるとロー材あるいはハンダ流れが調整できず、ロー材あるいはハンダが表面傷部に沿って流れ出てＡＬＮの接合が不安定になり接合信頼性を損なうことがあるためである。ロー材あるいはハンダを調整できる好ましい面粗度は、実験によりＲａ１．０以下が好ましいことが判明した。
【００６９】
この面粗度はブラシ研磨後の粗さが製品の粗さを支配するため、前述のとおりＲａ１．０以下にすることが必要である。
【００７０】
ＶＩＩＩ．めっき：
次に、Ｃｕ／Ｃｕ−Ｍｏ／Ｃｕをプレスによって打ち抜いて得られた板の平面部にニッケルめっきを施し放熱基板を得る。ニッケルめっきを行う理由は、Ｃｕの酸化による経時変化の防止およびハンダの流れを良くするためである。ニッケルめっき厚は２〜８．５μｍが好ましい。２μｍ未満ではロー材あるいはハンダの濡れが安定しないためである。
【００７１】
通常、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの場合には、この面にＡＬＮとのハンダ付けを行う。
【００７２】
次に、本発明の複合材料が有する特性等について説明する。
【００７３】
Ｍｏ−Ｃｕ複合合金の合金構造をＣｕプール相とＭｏ−Ｃｕ複合相の２相の構成にすることで、Ｍｏの含有量を少なくでき、且つ熱伝導率を維持しながら、熱膨張係数が大幅に低下させることができる。
【００７４】
例えば、下記表１の試料１に示すとおり、Ｍｏ粒子が均一に分散した７０％Ｍｏ−３０％Ｃｕ合金（以下、均一分散Ｍｏ−Ｃｕ合金をＰＣＭと称し、その中で３０％Ｃｕを含むものをＰＣＭ３０と称する）を９０％圧延加工した複合圧延板の熱膨張係数は７×１０−６／℃で熱伝導率は２００Ｗ／ｍ・Ｋである。
【００７５】
なお、このＰＣＭの作製方法は、Ｍｏ圧粉体にＣｕを含浸して放熱基板材料を得る技術であり、本出願人の特許文献４に開示した実施例に準じて作製した。
【００７６】
また、下記表１の試料３に示すとおり、Ｃｕプール相を１０％有する７０％Ｍｏ−３０％Ｃｕ合金（以下、Ｃｕプール相を有するＭｏ−Ｃｕ合金をＬＣＭと称し、３０％ＣｕでＣｕプール相を１０％有するものをその数値を採って、ＬＣＭ３０−１０と称する）を９０％圧延加工した圧延板の熱膨張係数は６．２×１０−６／℃と低下し、熱伝導率は２００Ｗ／ｍ・Ｋとなる。
【００７７】
Ｃｕプール相の量は、研磨加工を施した試料断面を５０倍の光学顕微鏡写真を撮り、同視野中のＣｕの部分を画像処理してその中のＣｕプール相に該当する視野の面積比率を出し、これを分析された全Ｃｕ量値との結果より算定した値である。
【００７８】
また、下記表１の試料１と試料４の比較から分かるとおり、Ｍｏ粒子が均一に分散した７０％Ｍｏ−３０％Ｃｕと同一の熱膨張係数となるＣｕプール相を有するＬＣＭの組成はＣｕプール相が１０％のＬＣＭ４０−１０でよく、Ｃｕ含有量が多いことから熱伝導率が２２２Ｗ／ｍ・Ｋと約一割高い。
【００７９】
このＬＣＭ４０を芯材として上下に銅を被せ層比を２：３：２にてクラッドする（以下、Ｃｕ／Ｃｕ−Ｍｏ／Ｃｕクラッド材をその数値を採って、ＣＰＣと称し、層比を３桁で示し、芯材のＣｕ％が４０％でＣｕプール相が１０％のクラッドをＣＰＣ２３２（４０−１０）と称する）ことにより、熱膨張係数は７．５×１０−６／℃、熱伝導率３１０Ｗ／ｍ・Ｋとなり、パッケージ材料として汎用されているアルミナとの組み合わせで許容できる熱膨張の範囲を確保できる。
【００８０】
一方、Ｍｏが均一に分散したＰＣＭの場合、ＣＰＣ２３２（４０−１０）と同じ熱膨張係数を得るためには、ＰＣＭ３０を芯材とするＣＰＣ２３２（３０）となる。
【００８１】
従って、熱膨張係数をアルミナと整合させるため、例えば、７．５×１０−６／℃に定める場合、従来のＭｏ−Ｃｕ焼結合金では芯材は７０Ｍｏ−３０Ｃｕ合金が必要で、必然的にコスト高で熱伝導率も２５５Ｗ／ｍ・Ｋと低くなる。
【００８２】
しかし、本発明のＬＣＭを芯材に用いることによって、６０％Ｍｏ−４０％Ｃｕの少ないＭｏ含有量でよく、しかもＣｕ含有量の増加によって熱伝導率は３１０Ｗ／ｍ・Ｋと増加した放熱基板を得ることができる。
【００８３】
このようにＬＣＭを芯材に用いた本発明のＣＰＣ放熱基板は、Ｍｏが均一に分散したＭｏ−Ｃｕ合金つまり、ＰＣＭを芯材とする試料番号６及び１５のＣＰＣに比べ、熱膨張率が同一でありながら熱伝導率を増加させることができ、且つＭｏ含有量を減らしＣｕ含有量を増加させることが出来るため、より低コストの放熱基板を提供することが可能となる。
【００８４】
また、本発明の放熱基板では、Ｍｏ含有量の低減によりＭｏ−Ｃｕ複合合金の密度が低くなり、同程度の熱膨張を持つＷ−Ｃｕ合金あるいはＭｏ−Ｃｕ合金に比べ密度が低くなるので半導体装置の軽量化が可能となる。
【００８５】
さらに、同一の熱膨張率を持つＭｏ−Ｃｕ合金に比べ熱伝導率が高いため、合金体積を減少できるので半導体装置の軽量化が可能となる。
【００８６】
本発明に関わる芯材のＭｏ−Ｃｕ複合合金のＣｕ含有量は、放熱基板としてＭｏ基板に比べて利用価値のある３０質量％以上であり、且つ、熱膨張係数の点で放熱基板として通常利用できる範囲を考慮して７０質量％以下とする。
【００８７】
特に、パッケージ材料として最も広く使用されているアルミナと組み合わせる場合には、熱膨張係数の整合を得るためＣｕ含有量を４０〜６０質量％とすることが好ましい。
【００８８】
また、前述のとおり、Ｃｕ−Ｍｏ複合合金中のＣｕプールの大きさは３０〜２００μｍが好ましい。３０μｍ以下では熱伝導向上効果が少なく、２００μｍ以上ではＣｕプール分散がまばらになるため場所による熱伝導、熱膨張のバラツキが大きくなるためである。
【００８９】
同じく、Ｃｕプール相の量は、ＣｕプールとＭｏ−Ｃｕ複合相の合計に対し５〜３０質量％が好ましい。５質量％以下では熱伝導向上効果が少なく、Ｍｏ−Ｃｕ複合相中のＭｏ量が多く熱膨張が低くなるが、３０質量％以上ではＭｏ−Ｃｕ複合相の絶対量が少なくなり、結果として熱膨張が大きくなるためである。
【００９０】
これらＣｕプール相を持つ焼結合金の熱膨張係数は、Ｃｕプール量の大きさと塑性加工の加工率で精密に調整することができる。但し、全加工率については９９％以下、いずれでも特性上問題はない。
【００９１】
しかし、９９％を超えると塑性加工の幅方向端での割れが生じやすくなるので９９％以下が好ましい。
【００９２】
Ｃｕ層とＭｏ−Ｃｕ複合合金基材の比率は１：１：１〜１：５：１が実用範囲である。Ｃｕ層比率が１：１：１以下になると熱膨張係数が大きくなりすぎアルミナとのマッチングが悪くセラミックの破壊が起きる。また、１：５：１を超えるとＣｕをクラッドして熱伝導率を向上させる効果が少なくなるためである。
【００９３】
クラッドする上下Ｃｕ板の板厚比は１．０＜Ｓ上／Ｓ下＜１．５の範囲である。上下Ｃｕ板の板厚比が１．５を超えるとロー材あるいはハンダ接合後の反りが多くなりすぎビス止めなどで、アルミナ、ＡＬＮが破壊するため１．５を超えないことが好ましい。
【００９４】
反りの付与について、ロールレベラー（例えば、理工社製 上４本、下５本ローラータイプ）にて、長手方向、短手方向に反りを長さ１０ｍｍ当たり１５μｍ以下付与せしめる。１５μｍを超えると接合後の反りが大きくなり同様にＡＬＮが破損しやすくなるためである。
【実施例】
【００９５】
以下、本発明の実施例について説明する。
【００９６】
（実施例１）
平均粒径１００μｍのＣｕ粉末と平均粒径３μｍのＭｏ粉末を２０〜６０％Ｃｕ−残部Ｍｏの割合でＶ型ミキサーにて３０分混合した。混合粉末を３９．２〜２４５ＭＰａ（０．４〜２．５ｔｏｎ／ｃｍ２）でプレス成形し、型押密度が４．６〜８×１０３ｋｇ／ｍ３（ｇ／ｃｍ３）からなる５０×１００×１０ｍｍの成形体を作製した。この成形体に空隙量に対し１．１倍のＣｕ板を配し１３００℃、水素雰囲気中で加熱し、溶融したＣｕを成形体の空隙内に溶浸させて各種組成のＣｕ−Ｍｏ合金（ＬＣＭ３０−１０、ＬＣＭ４０−１０と２０、ＬＣＭ５０−１０と２０、ＬＣＭ６０−２０、ＬＣＭ７０−２０）を得た。
【００９７】
この合金の表面の余剰Ｃｕや汚れを除去するためホーニングした後、２５０℃で温間圧延加工により加工率６０％の塑性加工をそれぞれ施した。ＬＣＭ３０−１０、ＬＣＭ４０−１０と２０に塑性加工後の圧延体から試料片を切り出し、熱伝導率及び熱膨張係数を測定した。その結果を下記表１に示す。尚、熱伝導率は塑性加工の前後で変化はなかった。
【００９８】
【表１】
【００９９】
上記の熱伝導率の測定は、真空理工製熱定数測定装置ＴＣ−３０００型を用い、レーザーフラッシュ法によって板状試片にてその厚み方向で計量した値である。
【０１００】
熱膨張係数の測定は、圧延方向に切り出した板状試片の平面で計量された値で、ブルカー・エイエックス（株）横型熱膨張測定装置ＴＤ５０００Ｓを用い測定した。
【０１０１】
この圧延板の上下に銅板をリベットで固定し、９００℃、水素雰囲気中で３０分加熱し、その後、２５％圧下率でクラッドした。芯材の圧延板とＣｕ板の比率を１：４：１及び２：３：２の２種に変化させた。
【０１０２】
Ｃｕをクラッドした板の表面の酸化皮膜をブラシで研磨除去した後、厚み３ｍｍまで冷間圧延を行った。その後、打ち抜き加工を施し砥粒入りブラシにて研磨を行い表面粗度をＲａ０．５とし、放熱基板を作製した。この打ち抜き体の端面は平滑であり、Ｎｉめっき後もシミがなく良好であった。また、この３ｍｍの圧延体から試料片を切り出し、熱伝導率とＸ方向及びＹ方向の熱膨張係数を測定した。この結果を上記表１に示す。
【０１０３】
尚、比較のため、銅を予配合せずに、その他は上記実施例と同一の方法、条件にて製作した均一分散の３０％．４０％Ｃｕ−Ｍｏ合金（ＰＣＭ３０、ＰＣＭ４０）を用いＣｕクラッド材を作製し、実施例１と同様に熱伝導率と熱膨張係数を測定した。
【０１０４】
上記表１の試料６と７の比較及び１５と１６の比較から分かるとおり、最終組成のＣｕ量が同一でも本発明材に用いられる合金構成にすることにより、熱膨張係数は０．８×１０−６／℃程度低くなる。
【０１０５】
また、アルミナの熱膨張係数に近い７．５×１０−６／℃の特性はＣＰＣ２３２（４０−１０）で達成でき、従来の均一分散タイプのＣＰＣ２３２（ＰＣＭ３０）に比べ熱膨張係数は同一でも熱伝導率が５５ｗａｔｔ高く、密度も５０ｋｇ／ｍ３（×１０−３ｇ／ｃｍ３）と低く、且つ、全体のＭｏ含有量も４．３％少なくできるため軽量化、低コスト化も可能であることが分かる。
【０１０６】
（実施例２）
実施例１と同様の方法で、銅板の上下厚みのみを変化させたＣＰＣ２３２（ＬＣＭ４０−１０）を作製した。
【０１０７】
この圧延板から１０×４０ｍｍサイズの試験片を切り出し、ニッケルめっきを施して、９９．５％以上のアルミナを含むセラミックス枠（一方の面をタングステンでメタライズした後、ニッケルめっきしたもの）とを銀−銅の共晶組成の銀ローにて８５０℃に加熱ロー付けし、ＣＰＣ板の反りを測定した値を表２に示す。
【０１０８】
また、上下銅層が等しいＣＰＣ２３２（ＬＣＭ４０−１０）圧延板に対し前述のロールレベラーにて、長手方向に反りを付与した。
【０１０９】
この圧延板から１０×４０ｍｍサイズの試験片を切り出し、ニッケルめっきを施し、上記と同様にロー付けして、反りを測定した値を合せて下記表２に示す。
【０１１０】
【表２】
【０１１１】
本例によって、接合する上下銅板の板厚比が１．５以下であれば実用的に問題が無いことが確認できた。
【０１１２】
また、長手方向に反りを１０ｍｍ当たり１５μｍ付与することで、ハンダ接合後の反り及び、ＡＬＮに破損が発生しないことが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【０１１３】
本発明に係る複合材料は、セラミックパッケージ等の半導体パッケージにおける半導体搭載用放熱基板に適用される。
【図面の簡単な説明】
【０１１４】
【図１】本発明の実施の形態による銅／銅−モリブデン複合合金／銅の複合材料を示す斜視図である。
【図２】図１の芯材の塑性加工前の状態を示す概略斜視図である。
【図３】図１の芯材の塑性加工後の状態を示す概略斜視図である。
【符号の説明】
【０１１５】
１ モリブデン粒子
２ 銅
３ 銅プール相
１０ 芯材
１１ 銅
２０ 複合材料
【技術分野】
【０００１】
本発明は、銅プール相を有する銅−モリブデン複合合金を芯材とし、その塑性加工された上下の主平面（圧延面）に、さらに銅板をクラッド（圧接とも云う）した複合材料に関し、更に、詳しくは、銅プール相を有する複合合金を芯材に用いることによって、特に熱伝導率の向上や塑性加工（圧延）性の向上、さらに打抜き加工性の向上、軽量化、低コスト化を図った複合材料及び半導体搭載用放熱基板、及びそれを用いたセラミックパッケージに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体搭載用放熱基板としては、タングステン−銅系及び、モリブデン−銅系材料が好適に用いられている。その理由は、半導体素子のＳｉやＧａＡｓ並びに各種パッケージ材料、特にアルミナ、ＡＬＮと熱膨張係数を整合させることができ、高集積化、小型化に対応できる特長を持っているためである。
【０００３】
半導体搭載用放熱基板に要求される特性をさらに詳しく述べると、（ア）搭載した半導体素子から発生される熱を効率よく放熱するため、高い熱伝導率を有すること。（イ）熱応力を極力小さくするため、半導体素子や各種パッケージ材料と熱膨張係数が近似していること。（ウ）パッケージの気密性維持や接合部の劣化防止などの信頼性を確保し、且つ、所望の放熱性などを確実にするため、空孔や亀裂などの欠陥が存在しないこと。（エ）当該放熱基板を所望のサイズにプレスで打抜き加工した際に断面が平滑であること。（オ）更に半導体素子に放熱基板をハンダ付けした際の良好な密着性、が挙げられる。
【０００４】
従来より提供されている半導体搭載用放熱基板には、特許文献１に示されるタングステン−銅系、またはモリブデン−銅系などの２相合金がある。
【０００５】
この技術は、１〜５０％の気孔率を有するタングステンまたはモリブデンの強固な中間焼結体（多孔質の焼結体）を得て、当該気孔に銅を溶浸し所望の複合合金を作製するものである。この複合合金の合金組成が、例えば銅４０重量％−タングステン６０重量％の場合、熱膨張係数１１．８×１０−６／℃、熱伝導率０．７３ｃａｌ／ｃｍ．ｓｅｃ．℃（＝３０５Ｗ／ｍ・Ｋ）が得られている。また、銅５０重量％、モリブデン５０重量％の場合、熱膨張係数１１．５×１０−６／℃、熱伝導率０．６６ｃａｌ／ｃｍ．ｓｅｃ．℃（＝２７６Ｗ／ｍ・Ｋ）が得られている。以下の明細書の記載において、タングステンを単に「Ｗ」、モリブデンを「Ｍｏ」、銅を「Ｃｕ」と表記する。
【０００６】
また、特許文献２において、Ｍｏ板の両面にそれぞれＣｕ板を一体に接合（クラッドと同意語）したＣｕ／Ｍｏ／Ｃｕからなる放熱基板（一般にＣＭＣと称す）が提案されている。
【０００７】
この技術によれば、芯材となるＭｏ板および各Ｃｕ板の厚さを０．０３〜０．３ｍｍの範囲内に設定することで、２００〜２６０Ｗ／ｍ・Ｋの熱伝導率が得られ、且つ接合される半導体素子にクラックや反り発生が少なくできる、と記載されている。
【０００８】
また、前述した特許文献１の技術を改良した特許文献３において、ＷまたはＭｏの多孔体にＣｕを溶浸した芯材（Ｗ−Ｃｕまたは、Ｍｏ−Ｃｕ）の両面にＣｕ板を接合したＣｕ／Ｗ−Ｃｕ／Ｃｕ及びＣｕ／Ｍｏ−Ｃｕ／Ｃｕからなる放熱基板が提案されている。
【０００９】
この技術によれば、芯材の合金組成が例えば、Ｍｏ−Ｃｕ１０ｗｔ．％の場合、熱膨張係数１０．５×１０−６／℃、熱伝導率３３０Ｗ／ｍ・Ｋが得られる、と記載されている。
【００１０】
上記の各技術においては、熱膨張係数や熱伝導率は所望の値を得ることができる。しかし、下記の（ｉ）から（ｖｉ）に示される問題点がある。
【００１１】
（ｉ）ＷやＭｏは延性に乏しく、多量に用いると塑性加工（圧延加工）性が悪くなる。
【００１２】
（ｉｉ）また、プレスによる打ち抜き加工時に、破断面（切断面）が平滑にならない。
【００１３】
（ｉｉｉ）また、半導体素子に放熱基板をハンダ付けした際に、反りが生じて良好な密着性が得られない。
【００１４】
（ｉｖ）また、半導体素子に放熱基板をハンダ付けした際に、ハンダが表面傷部に沿って流れ出て例えばＡＬＮの接合が不安定になり接合信頼性を損なうことがある。
【００１５】
（ｖ）近年、例えば電気自動車のインバーターでは、大きな発熱を伴う大容量の半導体素子が用いられるため、低熱膨張率と高熱伝導率を備えることは勿論、特に軽量化された放熱基板が求められているが、ＷやＭｏは密度が高く、これを多量に用いる上記の何れもの従来技術では放熱基板の軽量化には限界がある。
【００１６】
（ｖｉ）一方、放熱基板材料に用いるＷやＭｏは希少金属のため高価であることや、近時は、特にＭｏ原料が高騰傾向にあるため、生産コスト及び供給面での問題が顕在化している状況にある。
【００１７】
そこで、放熱基板としての特性を維持し、且つ、Ｍｏ使用量を減らす技術の提供が強く求められている。
【００１８】
【特許文献１】特公平２−３１８６３号公報
【特許文献２】特開平５−２９５０７号公報
【特許文献３】特開平６−２６８１１７号公報
【特許文献４】国際公開第２００４／０３８０４９号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
従って、本発明の一般的な技術的課題は、低熱膨張率で且つ従来以上の高熱伝導率を備えると共に、塑性加工性、例えば、圧延加工性の向上、プレス打ち抜き時の破断面の平滑性の向上、半導体素子と放熱基板をハンダ付けした際の密着性の向上とハンダ流れの防止、更に近時の要求、即ち、放熱基板の軽量化とコスト性に優れる半導体装置用放熱基板を提供することにある。
【００２０】
本発明の具体的な技術的課題は、上記の課題を満足するＣｕをクラッドしたＣｕ／Ｃｕ−Ｍｏ／Ｃｕなる構造を備えた複合材料及び半導体搭載用放熱基板、及びそれを用いたセラミックパッケージを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明者らは先に、特許文献４にて、Ｍｏ−Ｃｕ複合圧延材料において、Ｍｏ−Ｃｕの合金構造を変えることによりＭｏ含有量が少なくても、熱伝導が高く、且つ、熱膨張が小さい材料を提供する技術を開示した。
【００２２】
この材料の構造は、材料中にＣｕプール相とＣｕ−Ｍｏ複合相とを含むため熱特性が優れている。
【００２３】
しかし、上記材料は、一方向（Ｘ方向）のみの圧延であり、その圧延方向にＣｕプール相とＣｕ−Ｍｏ複合相が繊維状に伸びているため、プレスで所望の形状に打ち抜きを行うと、圧延方向の破断面が歪み、凹凸が激しく平滑な破断面が得られない。ときにはクラック状になる場合がある。この結果、寸法精度あるいは、ニッケルめっき後、当該打抜き破断面にシミなどが発生するため適用が限られている。
【００２４】
本発明者らは、Ｃｕ／Ｃｕ−Ｍｏ／Ｃｕの複合材料の芯材となるＣｕ−Ｍｏ材に、上記の合金構造材を適用することにより、熱膨張が小さく、且つ熱伝導が高くできること。また、Ｘ方向とＹ方向の合金組織を等しく形成することで、プレスの打ち抜き破断面も平滑で寸法精度が向上、また、めっき後のシミなど実使用上も問題がなく、さらに全体としてＭｏ使用量を少なくできることを確認し本発明を完成するに到った。
【００２５】
即ち、本発明の複合材料及び半導体搭載用放熱基板、及びそれを用いたセラミックパッケージは、次の通りの特徴を有している。
【００２６】
また、本発明によれば、３０〜７０質量％の銅（Ｃｕ）と残部が実質的にモリブデン（Ｍｏ）とからなる複合合金を芯材とし、前記芯材の上下主平面に銅板を夫々クラッドして銅／銅−モリブデン複合合金／銅なる構造を形成したクラッド材であって、前記複合合金は、銅プール相とモリブデン−銅合金相で形成されていることを特徴とする複合材料が得られる。
【００２７】
また、本発明によれば、前記複合材料において、前記芯材となる複合合金の銅プール相が５〜３０質量％であることを特徴とする複合材料が得られる。
【００２８】
本発明によれば、前記いずれか一つの複合材料において、前記芯材となる複合合金の中の銅プール相の粒子径が３０〜２００μｍであることを特徴とする複合材料が得られる。
【００２９】
また、本発明によれば、前記いずれか１つの複合材料において、前記複合合金中のモリブデン粒子及び銅プール相は、前記主平面から見ると円板状に略等しく延ばされており且つＸ及びＹ方向から板の端面を見ると扁平に押し潰されて形成されていることを特徴とする複合材料が得られる。
【００３０】
また、本発明によれば、前記いずれか１つの複合材料において、前記芯材及び銅板のクラッド材は塑性加工によって形成されていることを特徴とする複合材料が得られる。
【００３１】
また、本発明によれば、前記いずれか１つの複合材料において、前記銅／銅−モリブデン複合合金／銅のクラッド材の各層厚の比率が１：１：１〜１：５：１からなることを特徴とする複合材料が得られる。
【００３２】
また、本発明によれば、前記いずれか１つの複合材料において、前記銅／銅−モリブデン複合合金／銅のクラッド材の上下銅層の厚みをそれぞれＳ上、Ｓ下としたときに、その比を１．０＜Ｓ上／Ｓ下＜１．５の範囲としたことを特徴とする複合材料が得られる。
【００３３】
また、本発明によれば、前記いずれか１つの複合材料を用いた半導体搭載用放熱基板であって、前記基板は予め１０ｍｍ当たり１５μｍ以下の反りが付与されていることを特徴とする半導体搭載用放熱基板が得られる。
【００３４】
また、本発明によれば、前記半導体搭載用放熱基板において、前記基板の面粗度がＲａ１．０以下であることを特徴とする半導体搭載用放熱基板が得られる。
【００３５】
また、本発明によれば、前記いずれか１つの半導体搭載用放熱基板を用いていることを特徴とするセラミックパッケージが得られる。
【発明の効果】
【００３６】
本発明に係る複合材料及びそれを用いた放熱基板によれば、半導体素子のＳｉやＧａＡｓならびに各種パッケージ材料、特にアルミナあるいはＡＬＮと熱膨張係数を簡単且つ精密に整合させることができる。
【００３７】
本発明の複合材料及びそれを用いた放熱基板によれば、低熱膨張率で且つ従来以上の高熱伝導率を備えると共に、軽量化に優れるため、移動体通信関係のマイクロ波、光関係の放熱基板として、あるいは、大きな発熱を伴う大容量の半導体素子が用いられる電気を駆動力とする自動車のインバーター用放熱基板として好適に使用できる。
【００３８】
本発明の複合材料及びそれを用いた放熱基板によれば、塑性加工性、例えば、圧延加工性やプレス打ち抜き時の寸法精度や破断面の平滑性が向上する。さらに、打抜き破断面の平滑性の向上によってニッケルめっき後のシミの発生が解消されるため、生産性向上に大きく寄与する。
【００３９】
本発明の複合材料及びそれを用いた放熱基板によれば、半導体素子と放熱基板をハンダ付けした際の密着性の向上とハンダ流れが防止できるため、例えばＡＬＮの接合が安定になり接合信頼性が向上する。
【００４０】
本発明の複合材料及びそれを用いた放熱基板によれば、特に、高価なＷやＭｏの使用量、つまり含有量を少なくできるため、低コストの放熱基板を提供できる。さらに、ＷやＭｏの原料高騰下においても安定して提供できるため、工業的意義は極めて高い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
以下に、本発明の複合材料及び半導体搭載用放熱基板の実施の形態について説明する。
【００４２】
図１は本発明の実施の形態による銅／銅−モリブデン複合合金／銅の複合材料を示す斜視図である。図１を参照すると、複合材料２０は、銅−モリブデン複合合金の芯材１０の両面に銅１１を圧延等の塑性加工によって形成してなる。
【００４３】
図２は図１の芯材の塑性加工前の状態を示す概略斜視図である。図２を参照すると、芯材１０は小さなモリブデン粒子１と銅２とによって形成された複合相の空隙に銅が溶浸されて、大きな粒子からなる銅プール相３が形成されている。
【００４４】
図３は、図１の芯材の塑性加工後の状態を示す概略斜視図である。図３を参照すると、芯材１０は、塑性加工を施されて、複合相中のモリブデン粒子１と銅プール相３が押しつぶされて、主平面から見ると円板状に且つＸ方向及びＹ方向の断面から見ると扁平に形成されている。
【００４５】
次に、本発明の半導体搭載用放熱基板の具体的製造工程について順を追って説明する。
【００４６】
Ｉ．粉末の混合：
先ず、芯材となるＭｏ−Ｃｕ合金の製造方法について説明する。
【００４７】
３０〜２００μｍのＣｕ粉末と１〜１０μｍのＭｏ粉末をＣｕ５〜３０質量％で秤量し、次いで、Ｖ型ミキサーで混合する。
【００４８】
混合はＶ型ミキサー等で均一混合する。なお、粉砕混合ではＣｕ粉末が変形し、Ｃｕプール形状も変化するため好ましくない。
【００４９】
ＩＩ．成形体の作製及び空隙量の調整：
次に、上記の混合粉末をプレスで成形する。空隙量は成形時の圧力によって調整する。圧力が設備能力を超える場合には、８００〜１４００℃の還元ガス雰囲気中で中間焼結して空隙量を調整する。
【００５０】
なお、混合粉末の成形は、プレスあるいはＣＩＰ成形いずれでも可能であり、最終形状によって適宜選択できる。
【００５１】
ＩＩＩ．Ｃｕプール相の形成：
上記のプレスによる成形体、あるいは中間焼結による中間焼結体の空隙量に対しＣｕ板を配し、１４００℃までの温度範囲で、好ましくは１１５０〜１３００℃の水素雰囲気中で加熱し、溶融したＣｕを空隙内に溶浸させて各種組成のＣｕ−Ｍｏ複合合金を得る。
【００５２】
上記の空隙にＣｕを３０〜７０質量％溶浸させることによりＣｕ粉末部分がＣｕプール（溜まり）となり、Ｃｕプール相の比率が５〜３０％からなる芯材用素材としての本発明のＭｏ−Ｃｕ合金を得る。
【００５３】
図２に示すように、芯材１０としてのモリブデン粒子１及び銅２からなるＣｕ−Ｍｏ中間焼結体（複合相）の空隙部に溶浸によるＣｕプール相３が形成されている。
【００５４】
ＩＶ．芯材の作製：
上記で得たＣｕ−Ｍｏ複合合金からなる芯材１０の素材に加工率３０〜９８％の冷間圧延ロールあるいは温間圧延ロールにて塑性加工（温間圧延温度は後述）を施し、図３に示す所定の厚みを有するＭｏ−Ｃｕ複合圧延板を得る。
【００５５】
図３を参照すると、上記の塑性加工は、Ｃｕ板をクラッドした後の芯材１０の加工度が等しくなるように圧延方向及び、この圧延方向と直角の方向への加工度、つまり、クロス率を調整する。このクロス率の調整によって、圧延された芯材（板状）１０の面内でのＣｕプール相３及び複合相中のＭｏ粒子１を芯材１０の主平面から見て円板状に略等しく延ばすことができ、且つＸ及びＹ方向から板の端面を見ると扁平に押し潰し形成することができる。この結果、熱膨張係数を等方的にし、且つ、打抜き時の破断面を平滑にすることができる。
【００５６】
なお、上記の加工率とは、加工量／初期形状×１００％（加工量＝初期形状−加工後形状）のことである。
【００５７】
Ｍｏ−Ｃｕ複合圧延板のクロス率（例えばクロス率５０％とは、圧延面の互いの直角方向の加工率が同じことを指す）は２０〜８０％になるように、クラッドの前後で途中クロス圧延する。
【００５８】
クロス率が２０％未満、あるいは８０％を超えるとプレスによる打ち抜き時の破断面が２次剪断を伴なったり、層状クラックが発生する。従って、クロス率の望ましい範囲は２０以上、８０％以下である。
【００５９】
芯材の表面の酸化物はブラシなどを用いて除去し、且つ、還元性雰囲気中７００〜８５０℃でアニールして表面の清浄化を行う。
【００６０】
Ｖ．銅板のクラッド（圧接）加工：
次に、上記で得た芯材の上下の各主平面にＣｕ板を配置し、還元雰囲気中７００〜９５０℃にて、加熱し、加工率１０〜５０％の塑性加工（圧延加工）を施して、図１に示す所定の厚みのＣｕクラッド板を得る。
【００６１】
加熱温度が７００℃以下では圧接後に剥がれが生じやすく、また、９５０℃以上ではＣｕクラッド後のＣＰＣの層比が場所によって変化が起こり特性が安定しないためである。
【００６２】
加工率１０％未満ではＣｕクラッド後剥がれが生じやすく、また、５０％を超えるとＣｕクラッド後のＣＰＣの層比が場所によって変化し、安定しないためである。
【００６３】
トータルの加工率を選択することによってＣｕクラッド板の熱膨張係数を概ねＡＬＮやＧａＡｓの熱膨張係数と合致させることができる。得られたＣｕクラッド板は、ＡＬＮやＧａＡｓ等の半導体素子とロー付けあるいはハンダ接合され、外囲材とビス止めを行う。
【００６４】
この外囲材とのビス止めで放熱性を損なう空間をなくするために、クラッドする上下Ｃｕ板の板厚比を１．０＜Ｓ上／Ｓ下＜１．５の範囲で変化させる（Ｓ上、Ｓ下は上下銅板の各々の厚みを示す）。
【００６５】
あるいは、Ｃｕクラッド板を後述の打抜き加工した後、予め反りを長さ１０ｍｍ当たり１５μｍ以下に付与せしめてロー付けあるいはハンダ付け後の反りを調整する。
【００６６】
ＶＩ．冷間圧延及びプレス打抜き
Ｃｕクラッド板の表面スケールを除去した後、冷間圧延にて所定の厚みにし、打ち抜きプレスして最終形状に打ち抜きする。
【００６７】
ＶＩＩ．めっき前の面粗度仕上げ：
上記の打ち抜き後、砥粒入りブラシ（商品名：デュポン社 タイネックスＴＸ−Ｃ）にて研磨を行い所定の面粗度に仕上げる。
【００６８】
めっき前のＣｕ板面の面粗度はＲａ１．０以下にする必要がある。その理由はＣｕ板面の面粗度がＲａ１．０を超えるとロー材あるいはハンダ流れが調整できず、ロー材あるいはハンダが表面傷部に沿って流れ出てＡＬＮの接合が不安定になり接合信頼性を損なうことがあるためである。ロー材あるいはハンダを調整できる好ましい面粗度は、実験によりＲａ１．０以下が好ましいことが判明した。
【００６９】
この面粗度はブラシ研磨後の粗さが製品の粗さを支配するため、前述のとおりＲａ１．０以下にすることが必要である。
【００７０】
ＶＩＩＩ．めっき：
次に、Ｃｕ／Ｃｕ−Ｍｏ／Ｃｕをプレスによって打ち抜いて得られた板の平面部にニッケルめっきを施し放熱基板を得る。ニッケルめっきを行う理由は、Ｃｕの酸化による経時変化の防止およびハンダの流れを良くするためである。ニッケルめっき厚は２〜８．５μｍが好ましい。２μｍ未満ではロー材あるいはハンダの濡れが安定しないためである。
【００７１】
通常、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの場合には、この面にＡＬＮとのハンダ付けを行う。
【００７２】
次に、本発明の複合材料が有する特性等について説明する。
【００７３】
Ｍｏ−Ｃｕ複合合金の合金構造をＣｕプール相とＭｏ−Ｃｕ複合相の２相の構成にすることで、Ｍｏの含有量を少なくでき、且つ熱伝導率を維持しながら、熱膨張係数が大幅に低下させることができる。
【００７４】
例えば、下記表１の試料１に示すとおり、Ｍｏ粒子が均一に分散した７０％Ｍｏ−３０％Ｃｕ合金（以下、均一分散Ｍｏ−Ｃｕ合金をＰＣＭと称し、その中で３０％Ｃｕを含むものをＰＣＭ３０と称する）を９０％圧延加工した複合圧延板の熱膨張係数は７×１０−６／℃で熱伝導率は２００Ｗ／ｍ・Ｋである。
【００７５】
なお、このＰＣＭの作製方法は、Ｍｏ圧粉体にＣｕを含浸して放熱基板材料を得る技術であり、本出願人の特許文献４に開示した実施例に準じて作製した。
【００７６】
また、下記表１の試料３に示すとおり、Ｃｕプール相を１０％有する７０％Ｍｏ−３０％Ｃｕ合金（以下、Ｃｕプール相を有するＭｏ−Ｃｕ合金をＬＣＭと称し、３０％ＣｕでＣｕプール相を１０％有するものをその数値を採って、ＬＣＭ３０−１０と称する）を９０％圧延加工した圧延板の熱膨張係数は６．２×１０−６／℃と低下し、熱伝導率は２００Ｗ／ｍ・Ｋとなる。
【００７７】
Ｃｕプール相の量は、研磨加工を施した試料断面を５０倍の光学顕微鏡写真を撮り、同視野中のＣｕの部分を画像処理してその中のＣｕプール相に該当する視野の面積比率を出し、これを分析された全Ｃｕ量値との結果より算定した値である。
【００７８】
また、下記表１の試料１と試料４の比較から分かるとおり、Ｍｏ粒子が均一に分散した７０％Ｍｏ−３０％Ｃｕと同一の熱膨張係数となるＣｕプール相を有するＬＣＭの組成はＣｕプール相が１０％のＬＣＭ４０−１０でよく、Ｃｕ含有量が多いことから熱伝導率が２２２Ｗ／ｍ・Ｋと約一割高い。
【００７９】
このＬＣＭ４０を芯材として上下に銅を被せ層比を２：３：２にてクラッドする（以下、Ｃｕ／Ｃｕ−Ｍｏ／Ｃｕクラッド材をその数値を採って、ＣＰＣと称し、層比を３桁で示し、芯材のＣｕ％が４０％でＣｕプール相が１０％のクラッドをＣＰＣ２３２（４０−１０）と称する）ことにより、熱膨張係数は７．５×１０−６／℃、熱伝導率３１０Ｗ／ｍ・Ｋとなり、パッケージ材料として汎用されているアルミナとの組み合わせで許容できる熱膨張の範囲を確保できる。
【００８０】
一方、Ｍｏが均一に分散したＰＣＭの場合、ＣＰＣ２３２（４０−１０）と同じ熱膨張係数を得るためには、ＰＣＭ３０を芯材とするＣＰＣ２３２（３０）となる。
【００８１】
従って、熱膨張係数をアルミナと整合させるため、例えば、７．５×１０−６／℃に定める場合、従来のＭｏ−Ｃｕ焼結合金では芯材は７０Ｍｏ−３０Ｃｕ合金が必要で、必然的にコスト高で熱伝導率も２５５Ｗ／ｍ・Ｋと低くなる。
【００８２】
しかし、本発明のＬＣＭを芯材に用いることによって、６０％Ｍｏ−４０％Ｃｕの少ないＭｏ含有量でよく、しかもＣｕ含有量の増加によって熱伝導率は３１０Ｗ／ｍ・Ｋと増加した放熱基板を得ることができる。
【００８３】
このようにＬＣＭを芯材に用いた本発明のＣＰＣ放熱基板は、Ｍｏが均一に分散したＭｏ−Ｃｕ合金つまり、ＰＣＭを芯材とする試料番号６及び１５のＣＰＣに比べ、熱膨張率が同一でありながら熱伝導率を増加させることができ、且つＭｏ含有量を減らしＣｕ含有量を増加させることが出来るため、より低コストの放熱基板を提供することが可能となる。
【００８４】
また、本発明の放熱基板では、Ｍｏ含有量の低減によりＭｏ−Ｃｕ複合合金の密度が低くなり、同程度の熱膨張を持つＷ−Ｃｕ合金あるいはＭｏ−Ｃｕ合金に比べ密度が低くなるので半導体装置の軽量化が可能となる。
【００８５】
さらに、同一の熱膨張率を持つＭｏ−Ｃｕ合金に比べ熱伝導率が高いため、合金体積を減少できるので半導体装置の軽量化が可能となる。
【００８６】
本発明に関わる芯材のＭｏ−Ｃｕ複合合金のＣｕ含有量は、放熱基板としてＭｏ基板に比べて利用価値のある３０質量％以上であり、且つ、熱膨張係数の点で放熱基板として通常利用できる範囲を考慮して７０質量％以下とする。
【００８７】
特に、パッケージ材料として最も広く使用されているアルミナと組み合わせる場合には、熱膨張係数の整合を得るためＣｕ含有量を４０〜６０質量％とすることが好ましい。
【００８８】
また、前述のとおり、Ｃｕ−Ｍｏ複合合金中のＣｕプールの大きさは３０〜２００μｍが好ましい。３０μｍ以下では熱伝導向上効果が少なく、２００μｍ以上ではＣｕプール分散がまばらになるため場所による熱伝導、熱膨張のバラツキが大きくなるためである。
【００８９】
同じく、Ｃｕプール相の量は、ＣｕプールとＭｏ−Ｃｕ複合相の合計に対し５〜３０質量％が好ましい。５質量％以下では熱伝導向上効果が少なく、Ｍｏ−Ｃｕ複合相中のＭｏ量が多く熱膨張が低くなるが、３０質量％以上ではＭｏ−Ｃｕ複合相の絶対量が少なくなり、結果として熱膨張が大きくなるためである。
【００９０】
これらＣｕプール相を持つ焼結合金の熱膨張係数は、Ｃｕプール量の大きさと塑性加工の加工率で精密に調整することができる。但し、全加工率については９９％以下、いずれでも特性上問題はない。
【００９１】
しかし、９９％を超えると塑性加工の幅方向端での割れが生じやすくなるので９９％以下が好ましい。
【００９２】
Ｃｕ層とＭｏ−Ｃｕ複合合金基材の比率は１：１：１〜１：５：１が実用範囲である。Ｃｕ層比率が１：１：１以下になると熱膨張係数が大きくなりすぎアルミナとのマッチングが悪くセラミックの破壊が起きる。また、１：５：１を超えるとＣｕをクラッドして熱伝導率を向上させる効果が少なくなるためである。
【００９３】
クラッドする上下Ｃｕ板の板厚比は１．０＜Ｓ上／Ｓ下＜１．５の範囲である。上下Ｃｕ板の板厚比が１．５を超えるとロー材あるいはハンダ接合後の反りが多くなりすぎビス止めなどで、アルミナ、ＡＬＮが破壊するため１．５を超えないことが好ましい。
【００９４】
反りの付与について、ロールレベラー（例えば、理工社製 上４本、下５本ローラータイプ）にて、長手方向、短手方向に反りを長さ１０ｍｍ当たり１５μｍ以下付与せしめる。１５μｍを超えると接合後の反りが大きくなり同様にＡＬＮが破損しやすくなるためである。
【実施例】
【００９５】
以下、本発明の実施例について説明する。
【００９６】
（実施例１）
平均粒径１００μｍのＣｕ粉末と平均粒径３μｍのＭｏ粉末を２０〜６０％Ｃｕ−残部Ｍｏの割合でＶ型ミキサーにて３０分混合した。混合粉末を３９．２〜２４５ＭＰａ（０．４〜２．５ｔｏｎ／ｃｍ２）でプレス成形し、型押密度が４．６〜８×１０３ｋｇ／ｍ３（ｇ／ｃｍ３）からなる５０×１００×１０ｍｍの成形体を作製した。この成形体に空隙量に対し１．１倍のＣｕ板を配し１３００℃、水素雰囲気中で加熱し、溶融したＣｕを成形体の空隙内に溶浸させて各種組成のＣｕ−Ｍｏ合金（ＬＣＭ３０−１０、ＬＣＭ４０−１０と２０、ＬＣＭ５０−１０と２０、ＬＣＭ６０−２０、ＬＣＭ７０−２０）を得た。
【００９７】
この合金の表面の余剰Ｃｕや汚れを除去するためホーニングした後、２５０℃で温間圧延加工により加工率６０％の塑性加工をそれぞれ施した。ＬＣＭ３０−１０、ＬＣＭ４０−１０と２０に塑性加工後の圧延体から試料片を切り出し、熱伝導率及び熱膨張係数を測定した。その結果を下記表１に示す。尚、熱伝導率は塑性加工の前後で変化はなかった。
【００９８】
【表１】
【００９９】
上記の熱伝導率の測定は、真空理工製熱定数測定装置ＴＣ−３０００型を用い、レーザーフラッシュ法によって板状試片にてその厚み方向で計量した値である。
【０１００】
熱膨張係数の測定は、圧延方向に切り出した板状試片の平面で計量された値で、ブルカー・エイエックス（株）横型熱膨張測定装置ＴＤ５０００Ｓを用い測定した。
【０１０１】
この圧延板の上下に銅板をリベットで固定し、９００℃、水素雰囲気中で３０分加熱し、その後、２５％圧下率でクラッドした。芯材の圧延板とＣｕ板の比率を１：４：１及び２：３：２の２種に変化させた。
【０１０２】
Ｃｕをクラッドした板の表面の酸化皮膜をブラシで研磨除去した後、厚み３ｍｍまで冷間圧延を行った。その後、打ち抜き加工を施し砥粒入りブラシにて研磨を行い表面粗度をＲａ０．５とし、放熱基板を作製した。この打ち抜き体の端面は平滑であり、Ｎｉめっき後もシミがなく良好であった。また、この３ｍｍの圧延体から試料片を切り出し、熱伝導率とＸ方向及びＹ方向の熱膨張係数を測定した。この結果を上記表１に示す。
【０１０３】
尚、比較のため、銅を予配合せずに、その他は上記実施例と同一の方法、条件にて製作した均一分散の３０％．４０％Ｃｕ−Ｍｏ合金（ＰＣＭ３０、ＰＣＭ４０）を用いＣｕクラッド材を作製し、実施例１と同様に熱伝導率と熱膨張係数を測定した。
【０１０４】
上記表１の試料６と７の比較及び１５と１６の比較から分かるとおり、最終組成のＣｕ量が同一でも本発明材に用いられる合金構成にすることにより、熱膨張係数は０．８×１０−６／℃程度低くなる。
【０１０５】
また、アルミナの熱膨張係数に近い７．５×１０−６／℃の特性はＣＰＣ２３２（４０−１０）で達成でき、従来の均一分散タイプのＣＰＣ２３２（ＰＣＭ３０）に比べ熱膨張係数は同一でも熱伝導率が５５ｗａｔｔ高く、密度も５０ｋｇ／ｍ３（×１０−３ｇ／ｃｍ３）と低く、且つ、全体のＭｏ含有量も４．３％少なくできるため軽量化、低コスト化も可能であることが分かる。
【０１０６】
（実施例２）
実施例１と同様の方法で、銅板の上下厚みのみを変化させたＣＰＣ２３２（ＬＣＭ４０−１０）を作製した。
【０１０７】
この圧延板から１０×４０ｍｍサイズの試験片を切り出し、ニッケルめっきを施して、９９．５％以上のアルミナを含むセラミックス枠（一方の面をタングステンでメタライズした後、ニッケルめっきしたもの）とを銀−銅の共晶組成の銀ローにて８５０℃に加熱ロー付けし、ＣＰＣ板の反りを測定した値を表２に示す。
【０１０８】
また、上下銅層が等しいＣＰＣ２３２（ＬＣＭ４０−１０）圧延板に対し前述のロールレベラーにて、長手方向に反りを付与した。
【０１０９】
この圧延板から１０×４０ｍｍサイズの試験片を切り出し、ニッケルめっきを施し、上記と同様にロー付けして、反りを測定した値を合せて下記表２に示す。
【０１１０】
【表２】
【０１１１】
本例によって、接合する上下銅板の板厚比が１．５以下であれば実用的に問題が無いことが確認できた。
【０１１２】
また、長手方向に反りを１０ｍｍ当たり１５μｍ付与することで、ハンダ接合後の反り及び、ＡＬＮに破損が発生しないことが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【０１１３】
本発明に係る複合材料は、セラミックパッケージ等の半導体パッケージにおける半導体搭載用放熱基板に適用される。
【図面の簡単な説明】
【０１１４】
【図１】本発明の実施の形態による銅／銅−モリブデン複合合金／銅の複合材料を示す斜視図である。
【図２】図１の芯材の塑性加工前の状態を示す概略斜視図である。
【図３】図１の芯材の塑性加工後の状態を示す概略斜視図である。
【符号の説明】
【０１１５】
１ モリブデン粒子
２ 銅
３ 銅プール相
１０ 芯材
１１ 銅
２０ 複合材料
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３０〜７０質量％の銅（Ｃｕ）と残部が実質的にモリブデン（Ｍｏ）とからなる複合合金を芯材とし、前記芯材の上下主平面に銅板をクラッドして銅／銅−モリブデン複合合金／銅なる構造を形成したクラッド材であって、前記複合合金は、銅プール相とモリブデン−銅合金相で形成されていることを特徴とする複合材料。
【請求項２】
請求項１に記載の複合材料において、前記芯材となる複合合金の銅プール相が５〜３０質量％であることを特徴とする複合材料。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の複合材料において、前記芯材となる複合合金の中の銅プール相の粒子径が３０〜２００μｍであることを特徴とする複合材料。
【請求項４】
請求項１〜３の内のいずれか１つに記載の複合材料において、前記複合合金中のモリブデン粒子及び銅プール相は、前記主平面から見ると円板状に略等しく延ばされており且つＸ及びＹ方向から板の端面を見ると扁平に押し潰されて形成されていることを特徴とする複合材料。
【請求項５】
請求項１〜４の内のいずれか１つに記載の複合材料において、前記芯材及び銅板のクラッド材は塑性加工によって形成されていることを特徴とする複合材料。
【請求項６】
請求項１〜５の内のいずれか１つに記載の複合材料において、前記銅／銅−モリブデン複合合金／銅のクラッド材の各層厚の比率が１：１：１〜１：５：１からなることを特徴とする複合材料。
【請求項７】
請求項１〜６の内のいずれか１つに記載の複合材料において、前記銅／銅−モリブデン複合合金／銅のクラッド材の上下銅層の厚みをそれぞれＳ上、Ｓ下で表したときに、その比を１．０＜Ｓ上／Ｓ下＜１．５の範囲としたことを特徴とする複合材料。
【請求項８】
請求項１〜７の内のいずれか１つに記載の複合材料を用いた半導体搭載用放熱基板であって、前記基板は予め１０ｍｍ当たり１５μｍ以下の反りが付与されていることを特徴とする半導体搭載用放熱基板。
【請求項９】
請求項８に記載の半導体搭載用放熱基板において、前記基板の面粗度がＲａ１．０以下であることを特徴とする半導体搭載用放熱基板。
【請求項１０】
請求項８又は９に記載の半導体搭載用放熱基板を用いていることを特徴とするセラミックパッケージ。
【請求項１】
３０〜７０質量％の銅（Ｃｕ）と残部が実質的にモリブデン（Ｍｏ）とからなる複合合金を芯材とし、前記芯材の上下主平面に銅板をクラッドして銅／銅−モリブデン複合合金／銅なる構造を形成したクラッド材であって、前記複合合金は、銅プール相とモリブデン−銅合金相で形成されていることを特徴とする複合材料。
【請求項２】
請求項１に記載の複合材料において、前記芯材となる複合合金の銅プール相が５〜３０質量％であることを特徴とする複合材料。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の複合材料において、前記芯材となる複合合金の中の銅プール相の粒子径が３０〜２００μｍであることを特徴とする複合材料。
【請求項４】
請求項１〜３の内のいずれか１つに記載の複合材料において、前記複合合金中のモリブデン粒子及び銅プール相は、前記主平面から見ると円板状に略等しく延ばされており且つＸ及びＹ方向から板の端面を見ると扁平に押し潰されて形成されていることを特徴とする複合材料。
【請求項５】
請求項１〜４の内のいずれか１つに記載の複合材料において、前記芯材及び銅板のクラッド材は塑性加工によって形成されていることを特徴とする複合材料。
【請求項６】
請求項１〜５の内のいずれか１つに記載の複合材料において、前記銅／銅−モリブデン複合合金／銅のクラッド材の各層厚の比率が１：１：１〜１：５：１からなることを特徴とする複合材料。
【請求項７】
請求項１〜６の内のいずれか１つに記載の複合材料において、前記銅／銅−モリブデン複合合金／銅のクラッド材の上下銅層の厚みをそれぞれＳ上、Ｓ下で表したときに、その比を１．０＜Ｓ上／Ｓ下＜１．５の範囲としたことを特徴とする複合材料。
【請求項８】
請求項１〜７の内のいずれか１つに記載の複合材料を用いた半導体搭載用放熱基板であって、前記基板は予め１０ｍｍ当たり１５μｍ以下の反りが付与されていることを特徴とする半導体搭載用放熱基板。
【請求項９】
請求項８に記載の半導体搭載用放熱基板において、前記基板の面粗度がＲａ１．０以下であることを特徴とする半導体搭載用放熱基板。
【請求項１０】
請求項８又は９に記載の半導体搭載用放熱基板を用いていることを特徴とするセラミックパッケージ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００７−１４２１２６（Ｐ２００７−１４２１２６Ａ）
【公開日】平成１９年６月７日（２００７．６．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３３３５００（Ｐ２００５−３３３５００）
【出願日】平成１７年１１月１８日（２００５．１１．１８）
【出願人】（０００２２０１０３）株式会社アライドマテリアル (192)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年６月７日（２００７．６．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１１月１８日（２００５．１１．１８）
【出願人】（０００２２０１０３）株式会社アライドマテリアル (192)
【Ｆターム（参考）】
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