配線基板冷却機構、その製造方法、接合構造体、およびその製造方法
【課題】本発明は、金属支持板と冷却フィンの接合が高い機械的特性・放熱性が得られる配線基板冷却機構及びその製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、半導体チップや電子部品等の発熱体を搭載する配線基板と、前記配線基板を支持する金属支持板と、前記金属支持板に設けられ、前記発熱体が発生した熱を放熱する冷却フィンを有する冷却装置、ないし冷却ユニットを含む冷却機構が備わる配線基板冷却機構において、前記金属支持板と前記冷却フィンを接合する接合部位に介在する接合材料としての金属焼結体は１０〜１０００ｎｍの結晶粒からなる銀および／または銅を主体とし、かつ金属焼結体の内部粒界が酸化皮膜層を介さずに金属接合していることを特徴とする配線基板冷却機構および配線基板冷却機構の製造方法を提供する。
【解決手段】本発明は、半導体チップや電子部品等の発熱体を搭載する配線基板と、前記配線基板を支持する金属支持板と、前記金属支持板に設けられ、前記発熱体が発生した熱を放熱する冷却フィンを有する冷却装置、ないし冷却ユニットを含む冷却機構が備わる配線基板冷却機構において、前記金属支持板と前記冷却フィンを接合する接合部位に介在する接合材料としての金属焼結体は１０〜１０００ｎｍの結晶粒からなる銀および／または銅を主体とし、かつ金属焼結体の内部粒界が酸化皮膜層を介さずに金属接合していることを特徴とする配線基板冷却機構および配線基板冷却機構の製造方法を提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体チップや電子部品等の発熱体を搭載するための配線基板を冷却する冷却装置ないし冷却ユニットを含む冷却機構が備わる配線基板冷却機構、その製造方法、接合構造体、およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置では、電流が流れることによって半導体チップが発熱する。特に、半導体チップを含め、複数の電子部品が搭載されているパワーモジュールでは、該半導体チップに流れる電流は数アンペア以上であり、安全かつ安定に動作させるために、動作時に発生する熱を該モジュールの外へ効率良く放散させる必要がある。
【０００３】
これらのパワー半導体モジュールでは、半導体チップを搭載する配線板（電極）と、モジュール内部で半導体チップと配線板（電極）を電気的に絶縁するための絶縁基板と、絶縁基板を金属支持板にはんだ付けやすくするためのメタライズが積層されている。以下、配線板（電極）、絶縁基板、メタライズを総称して配線基板と称す。
【０００４】
さらに、パワー半導体モジュールの最終的な冷却は、その金属支持板に取り付けた冷却フィンを介してなされる。以下、金属支持板と冷却フィンを総称して冷却ユニットと称する。また冷却ユニットは冷却装置であっても良い。冷却ユニット、冷却装置を含めて冷却機構と言う。配線基板と冷却機構を併せて配線基板冷却機構と言う。
【０００５】
半導体チップや電子部品と配線基板との実装、配線基板と金属支持板との実装には、低融点な軟ろう（融点：２００〜４００℃）が用いられている。このことから、金属支持板への冷却フィンを実装するための接合材料としては、前記の実装時に再溶融しないために、融点が高い硬ろう（例えば、Ａｇ−Ｃｕろう（融点：７７０℃））が用いられる（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−２２９１４号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】金属学ハンドブック、橋口隆吉編集、株式会社朝倉書店、ｐ． ７４４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記半導体モジュールの金属支持板には、熱伝導率が大きい銅（Ｃｕ）及びＣｕ合金やアルミニウム（Ａｌ）及びＡｌ合金が用いられる。例えば、Ｃｕ及びＣｕ合金製の金属支持板と冷却フィンを接合する温度は６００℃以上であり、高温に曝されることにより軟化が生じるという問題がある。
【０００９】
なぜなら、Ｃｕの完全な焼きなまし温度は６００〜６５０℃であるためである（非特許文献１）。冷却ユニット作製後、配線板、電子部品搭載などの組み立て性を考慮すると、金属支持板の剛性は高い方が好ましく、機械的強度の低下が問題になる場合がある。
【００１０】
一般に、接合温度の低下を目的とする場合、二種類以上の金属を組み合わせて共晶反応を利用し、融点を低下させる手法がとられる。例えば、融点９６０℃の銀（Ａｇ）と融点１０８３℃のＣｕの組み合わせでは、最も融点が降下する組成は共晶組成であるＡｇ−２８Ｃｕであり、その融点を７８０℃に低下させることが出来る。Ａｇ−Ｃｕ合金を銀ろうと呼び、現在広い範囲で接合材として用いられている。
【００１１】
しかし、融点が低下する一方で、合金化により熱伝導率が低下してしまい、冷却装置に必要な特性である冷却効率が低下する問題があった。
【００１２】
本発明はそのような問題点に鑑みてなされたものである。したがって、本発明の目的は、電子部品等の発熱体の放熱構造に対して、より高い機械的特性・放熱性が得られる構造、この構造を有する冷却装置、冷却ユニットを含む冷却機構が備わる配線基板冷却機構及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、上記目的を達成するため、半導体チップや電子部品等の発熱体を搭載する配線基板と、前記配線基板を支持する金属支持板と、前記金属支持板に設けられ、前記発熱体が発生した熱を放熱する冷却フィンを有する冷却装置、ないし冷却ユニットを含む冷却機構が備わる配線基板冷却機構において、前記金属支持板と前記冷却フィンを接合する接合部位に介在する接合材料としての金属焼結体は１０〜１０００ｎｍの結晶粒からなる銀および／または銅を主体とし、かつ金属焼結体の内部粒界が酸化皮膜層を介さずに金属接合していることを特徴とする配線基板冷却機構を提供する。
【００１４】
また、本発明は、上記目的を達成するため、半導体チップや電子部品等の発熱体を搭載するための配線基板と、前記配線基板を支持する金属支持板と、前記金属支持板に設けられ、前記発熱体が発生した熱を放熱する冷却フィンを有する冷却装置、ないし冷却ユニットを含む冷却機構が備わる配線基板冷却機構の製造方法であって、前記金属支持板と前記冷却フィンが接合する接合部位に介在する接合材料としての金属焼結体は、個々の粒子表面が有機物に被覆された金属ナノ粒子及び／または金属酸化物を１００〜５００℃に加熱して形成することを特徴とする配線基板冷却機構の製造方法を提供する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、電子部品の発熱体の冷却ユニット及び冷却装置において、冷却ユニットの軟化が防止でき、その後の半導体装置の組み立て性が容易になる。接合層が熱伝導率の高い銀や銅により構成されるため、接合部が銀ろうに比較してより高い冷却効率を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る一つの例である半導体装置の配線基板と冷却ユニットの構造を示した断面模式図である。
【図２】本発明に係る一つの例である非貫通型冷却ユニットの構造を示した断面模式図である。
【図３】本発明に係る一つの例である貫通型冷却ユニットの構造を示した断面模式図である。
【図４】本発明に係る一つの例である冷却ユニットの冷却フィンの構造を示した断面模式図である。
【図５】本発明と従来材による冷却ユニットの無酸素銅金属板の軟化率を示したグラフである。
【図６】焼結銀層、焼結銅層、焼結銀と焼結銅の複合層の作製温度と規格化熱伝導度の関係を示すグラフである。
【図７】焼結銀層作製時の加圧力を１および２．５ＭＰａとした場合の作製温度と規格化熱伝導度の関係を示すグラフである。
【図８】金属支持板と冷却フィンとの発生応力分布を評価するための有限要素解析モデルである。
【図９】金属支持板と冷却フィンとの接合面に発生した応力分布である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
上述の本発明において、以下のような改良や変更を加えることは好ましい。
（１）．前記金属支持板に凹部を設け、冷却フィンが該凹部に挿入された状態で接合して
いる。
（２）．上記（１）において、冷却フィンの方が金属支持板よりも熱膨張率が高い。
（３）．上記（１）において、冷却フィンの方が金属支持板よりも熱伝導率が高い。
（４）．上記（１）において、前記凹部及び／または冷却フィンにテーパー（傾斜面）が
設けられている。
（５）．上記（１）において、前記凹部及び／または冷却フィンにガス抜けのための穴（
ガス抜き通路）が設けられている。
（６）．前記製造方法において、加熱とともに加圧が付与されている。
（７）．前記製造方法において、冷却フィンの方が金属支持板よりも早く加熱される。
（８）．前記冷却ユニットないし冷却装置にめっきが施されている。
【００１８】
本発明の主な特徴について以下に説明する。
【００１９】
本発明者らは、金属粒子の焼結により形成される焼結金属層は、加熱温度が低い場合は、体拡散よりも表面拡散が主体となり、合金層は焼結金属層全体ではなく、焼結銀層同士の界面に形成されることに注目した。このことから、金属粒子の焼結により形成される接合層内は、合金ではなく純金属個々の熱伝導率の値を反映することが可能である。
【００２０】
また、特に熱伝導率の高いＡｇ及び／又はＣｕを主体とした焼結金属層により構成すれば、ＡｇならびにＣｕの高い放熱性を発揮し、なおかつその内部粒界が酸化皮膜を介さず金属接合していれば、接合体として銀ろうよりも高い放熱性を有する接合層を有する冷却ユニットを作製することが可能である。
【００２１】
また、詳しくは下記で述べるが、接合に用いる金属粒子の粒径の減少と接合面に付与する加圧力の増加により、接合温度を従来の銀ろう材の接合温度よりも降下させることが可能となるため、金属支持板の加熱による軟化を低減できる。
【００２２】
本発明は、放熱フィンと金属支持板との接合部に関するものであり、放熱フィンについては、平板状でもピン状などいかなる形状でもよい。ただし、より高い放熱性が必要である場合は、ピン状が好ましい。また、平板上及びピン状冷却フィンの断面についても、特に規定は無く本発明を用いることが可能である。また、水冷の場合では、金属支持板には冷却フィンの他に、冷却流路のための筐体や必要に応じて水流を制御するための整流板を設けるが、これらを取り付けるための接合材としても用いることが可能である。
【００２３】
次に、発明者らは、冷却フィンの構造から、冷却フィンの方が金属支持板よりも表面積が大きく、熱容量が小さくなることに注目した。よって、均一加熱を想定しても、熱容量の小さい冷却フィンの方が加熱速度は大きくなり、前記冷却フィン外周の加熱による膨張量は、金属支持板に設けた凹部の外周の加熱による膨張量よりも大きくなることがわかる。
【００２４】
これにより、例えば図２や図３の構造とすることで、加熱により接合面（凹部の内側面と冷却フィンの外側面）に自ら加圧が発生する構造とすることが出来る。また、金属支持板に設ける凹部については、非貫通型３０２（図２）であっても貫通型３０３（図３）であっても、冷却フィンが凹部に挿入できる大きさであればよい。
【００２５】
非貫通型３０２（図２）は、金属支持板１０２の貫通しない凹部２０００に冷却フィン２０２を嵌合し、接合面（接合部位）に接合材料が介在する。
【００２６】
貫通型３０３（図３）は、金属支持板１０３の貫通する凹部３０００に冷却フィン２０３を嵌合し、接合面（接合部位）に接合材料が介在する。
【００２７】
金属支持板に設けた凹部と冷却フィンとの間に挿入介在する接合材料の厚さは、大きくなると冷却フィンが傾く原因となるため、１００μｍよりも小さい方が好ましい。また、１０μｍよりも小さいと、接合材料の挿入が困難となるため１０μｍ以上の方が好ましい。
【００２８】
次に、金属支持板に設けた凹部外周の熱膨張量の更なる低下、冷却フィンの熱膨張量の更なる増加を可能とし、これにより接合面に発生する加圧力の大きさを増加させることを可能とすることができる。
【００２９】
また、上記接合面への加圧力発生に対して、さらに加圧力を上昇させることを可能とする金属支持板の凹部と冷却フィンの構造である。すなわち、金属支持板及び／あるいは冷却フィンに先細になるテーパーを設けることにより垂直方向からの加圧が接合面に寄与する。
【００３０】
図４は、本発明に係る冷却フィンの断面を示している。冷却フィンは平板状あるいはピン状である。冷却フィンへのテーパーは、図４の２０４に示すように全体に設けてもよいし、２０５に示すように金属支持板凹部に挿入する箇所に設けてもよい。また、図４の２０６に示すように、フィン先端側よりも金属支持板側の断面を大きくした方が熱伝達率を上昇できるので好ましい。特に、水冷である場合は、断面を大きくとることでフィン間隔が小さくなり、冷却水の流速を高速とすることができる。
【００３１】
次に、接合温度の低下のための手法として、上記の合金化の他に、金属粒子の粒径減少による融点や焼結温度の大幅な低下があることに注目した。
【００３２】
例えば、特許文献１には、有機物に被覆された平均粒径１００ｎｍ以下の金属ナノ粒子を主材とする接合材料を用いて、加熱により有機物を分解するとともに金属ナノ粒子同士を焼結させることで接合を行うことが記載されている。該接合方法では、接合後の金属粒子はその界面が金属結合により接合され、全体としてバルク金属へと変化することから、非常に高い耐熱性と信頼性および高放熱性を有するとされている。
【００３３】
また、有機物で被覆された金属ナノ粒子や酸化金属粒子、それらの混合粒子を用いれば銀ろうよりも低い温度で金属接合が可能となることから、金属支持板の加熱による軟化を低減できる。
【００３４】
粒径１〜１０００ｎｍの金属ナノ粒子を有機物で被覆する方法に特段の制限は無く、個々の粒子表面を一様に被覆できるかぎり既知の方法を利用することができる。また、金属ナノ粒子を被覆する有機物は金属ナノ粒子の凝集を防止し、分散剤中に独立に分散することが可能な有機物であれば、被覆の形態については特に限定されない。
【００３５】
有機物の種類としては、カルボン酸類、アルコール類、アミン類から選ばれる１種以上の有機物が好ましい。なお、「類」のなかには、有機物が金属と化学的に結合した場合などに由来するイオンや錯体等も含めるものとする。ただし、硫黄やハロゲン元素を含有する有機物は、接合後の接合層内に当該元素が残留して腐食の原因となる可能性があるため、避ける方が望ましい。
【００３６】
カルボン酸類の例としては、酢酸、カプロン酸、エナント酸、カプリル酸、ペラルゴン酸、カプリン酸、ウンデカン酸、ラウリン酸、トリデシル酸、ミリスチン酸、ペンタデシル酸、パルミチン酸、マルガリン酸、ステアリン酸、ミリストレイン酸、パルミトレイン酸、オレイン酸、エライジン酸、エルカ酸ネルボン酸、リノール酸、リノレン酸、アラキドン酸、エイコサペンタエン酸、イワシ酸、シュウ酸、マロン酸、マレイン酸、フマル酸、コハク酸、グルタル酸、リンゴ酸、アジピン酸、クエン酸、安息香酸、フタル酸、イソフタル酸、テレフタル酸、サリチル酸、２，４−ヘキサジインカルボン酸、２，４−ヘプタジインカルボン酸、２，４−オクタジインカルボン酸、２，４−デカジインカルボン酸、２，４−ドデカジインカルボン酸、２，４−テトラデカジインカルボン酸、２，４−ペンタデカジインカルボン酸、２，４−ヘキサデカジインカルボン酸、２，４−オクタデカジインカルボン酸、２，４−ノナデカジインカルボン酸、１０，１２−テトラデカジインカルボン酸、１０，１２−ペンタデカジインカルボン酸、１０，１２−ヘキサデカジインカルボン酸、１０，１２−ヘプタデカジインカルボン酸、１０，１２−オクタデカジインカルボン酸、１０，１２−トリコサジインカルボン酸、１０，１２−ペンタコサジインカルボン酸、１０，１２−ヘキサコサジインカルボン酸、１０，１２−ヘプタコサジインカルボン酸、１０，１２−オクタコサジインカルボン酸、１０，１２−ノナコサジインカルボン酸、２，４−ヘキサジインジカルボン酸、３，５−オクタジインジカルボン酸、４，６−デカジインジカルボン酸、８，１０−オクタデカジインジカルボン酸などが挙げられる。
【００３７】
アルコール類の例としては、エチルアルコール、プロピルアルコール、ブチルアルコール、アミルアルコール、ヘキシルアルコール、ヘプチルアルコール、オクチルアルコール、ノニルアルコール、デシルアルコール、ウンデシルアルコール、ドデシルアルコール、ミリスチルアルコール、セチルアルコール、ステアリルアルコール、オエレイルアルコール、リノリルアルコール、エチレングリコール、トリエチレングリコール、グリセリンなどが挙げられる。
【００３８】
アミン類の例としては、メチルアミン、エチルアミン、プロピルアミン、ブチルアミン、ペンチルアミン、ヘキシルアミン、ヘプチルアミン、オクチルアミン、ノニルアミン、デシルアミン、ウンデシルアミン、ドデシルアミン、トリデシルアミン、テトラデシルアミン、ペンタデシルアミン、ヘキサデシルアミン、ヘプタデシルアミン、オクタデシルアミン、オレイルアミン、ジメチルアミン、ジエチルアミン、ジプロピルアミン、ジブチルアミン、ジペンチルアミン、ジヘキシルアミン、ジヘプチルアミン、ジオクチルアミン、ジノニルアミン、ジデシルアミン、イソプロピルアミン、１，５−ジメチルヘキシルアミン、２−エチルヘキシルアミン、ジ（２−エチルヘキシル）アミン、メチレンジアミン、トリメチルアミン、トリエチルアミン、エチレンジアミン、テトラメチルエチレンジアミン、ヘキサメチレンジアミン、Ｎ，Ｎ−ジメチルプロパン−２−アミン、アニリン、Ｎ，Ｎ−ジイソプロピルエチルアミン、２，４−ヘキサジイニルアミン、２，４−ヘプタジイニルアミン、２，４−オクタジイニルアミン、２，４−デカジイニルアミン、２，４−ドデカジイニルアミン、２，４−テトラデカジイニルアミン、２，４−ペンタデカジイニルアミン、２，４−ヘキサデカジイニルアミン、２，４−オクタデカジイニルアミン、２，４−ノナデカジイニルアミン、１０，１２−テトラデカジイニルアミン、１０，１２−ペンタデカジイニルアミン、１０，１２−ヘキサデカジイニルアミン、１０，１２−ヘプタデカジイニルアミン、１０，１２−オクタデカジイニルアミン、１０，１２−トリコサジイニルアミン、１０，１２−ペンタコサジイニルアミン、１０，１２−ヘキサコサジイニルアミン、１０，１２−ヘプタコサジイニルアミン、１０，１２−オクタコサジイニルアミン、１０，１２−ノナコサジイニルアミン、２，４−ヘキサジイニルジアミン、３，５−オクタジイニルジアミン、４，６−デカジイニルジアミン、８，１０−オクタデカジイニルジアミン、ステアリン酸アミド、パルミチン酸アミド、ラウリン酸ラウリルアミド、オレイン酸アミド、オレイン酸ジエタノールアミド、オレイン酸ラウリルアミドなどが挙げられる。
【００３９】
金属ナノ粒子を被覆する有機物は金属表面から脱離した際に、副生成物が低温で分解しやすい分子構造であることが好ましい。
【００４０】
金属ナノ粒子としては、銀ナノ粒子と銅ナノ粒子を用いることが可能である。銀ナノ粒子と銅ナノ粒子の表面に酸化皮膜が存在しても、それらを被覆する有機物に還元能力がある場合は問題ない。また、銀ナノ粒子の方が銅ナノ粒子よりも焼結に必要な特性である表面拡散係数が大きいため銀ナノ粒子の方が好ましい。
【００４１】
２種類以上の有機物に被覆された金属ナノ粒子を混合する場合は、金属ナノ粒子を被覆する有機物を、互いに同程度の極性であるものを用いることが好ましい。極性が同程度の有機物で被覆することにより、それぞれの金属ナノ粒子の有機分散媒への分散性を同程度にすることができるからである。なお、極性の程度は極性の小さいトルエンや極性の大きい水などへ分散させることにより調査できる。
【００４２】
上記と同様に、有機物に被覆された金属ナノ粒子に酸化金属粒子や金属粒子を混合する場合も、疎水化処理、親水化処理を行うことによって極性を有機物に被覆された金属ナノ粒子と同程度とした方が良い。たとえば、銀や酸化銀粒子に対し疎水化処理を行う場合は、第一級アルキルカルボン酸類で表面を被覆すればよい。疎水化処理を行うことによって、極性の小さい有機溶剤への分散性が向上する。
【００４３】
酸化金属としては、酸化銀や酸化銅粒子などを用いることが可能である。酸化銀としてはＡｇ２ＯとＡｇＯ、酸化銅としてはＣｕＯとＣｕ２Ｏを用いることが出来る。
【００４４】
酸化金属単体で用いる場合には、還元剤を添加した方が好ましい。接合粒子材の粒径や各構成材の含有率などについては、本発明の発明者が先に出願した特開２００４−１０７７２８号公報の記載を参照していただきたい。
【００４５】
また、発明者らは有機物で被覆された金属ナノ粒子及び／または酸化金属は、接合が開始するまで（金属のみで構成されるまで）は熱伝達率（熱伝導率）が著しく小さいことを見出した。これは、材料を構成する有機物や酸化金属の熱伝導率が金属よりも小さいこと、さらに、粒子状で用いることにより、接合材料内に空気が存在することを反映する。
【００４６】
このように、熱伝達率が低い有機物で被覆された金属ナノ粒子及び／または酸化金属を接合材料として用いることで、速く加熱される冷却フィンから金属支持板への熱伝達が遅れ温度差を大きくでき、接合面に発生する加圧力を増大することが可能である。
【００４７】
金属の焼結を利用した接合法では、加圧をかけた方が形成される焼結金属層がより緻密になり、接合強度や放熱性が向上するため好ましい。ただし、３０ＭＰａを超えるとピン状冷却フィンのアスペクト比によっては座屈など変形が生じるため３０ＭＰａ以下が好ましい。
【００４８】
また、冷却フィンの加熱速度を速くすればするほど接合面への加圧力が上昇するため、形成される焼結金属層がより緻密になり、接合強度や放熱性が向上するため好ましい。
【００４９】
次に、有機物で被覆された金属ナノ粒子及び／または酸化金属を用いた接合では、接合層から有機物などのガスが発生するため、この抜け道を別途設けた構造にする。有機物を含有する金属粒子の焼結では、焼結層間に有機物が残存する場合それらの焼結を妨げるため、それを除去するためのより高い加熱温度が必要となる。そこで、ガスの抜け道を設けた方が接合温度の低下を可能とし、金属支持板の軟化率の低減が可能となる。
【００５０】
また、パワーモジュールなど電子部品の冷却方法としては、空冷や水冷方式がある。水冷の場合は、金属支持板、放熱フィン、ならびにその接合部が水や有機溶媒中に浸されるため、イオン化傾向が異なる金属が同一溶媒中に浸されると、溶解や腐食がなされる可能性がある。このため、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉなど単一の金属によるめっきを施した方が好ましい。
【００５１】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。ただし、本発明はここで取り上げた実施例に限定されることはなく、適宜組み合わせてもよい。
【００５２】
実施例について説明する前に図１を引用して配線基板冷却機構の概要を述べる。
【００５３】
図１に示すように、半導体チップを搭載する配線板（電極）１１と、モジュール内部で半導体チップと配線板（電極）１１を電気的に絶縁するための絶縁基板１２と、絶縁基板１２を金属支持板１０１にはんだ付けやすくするためのメタライズ１３が積層されている。配線板（電極）１１、絶縁基板１２、メタライズ１３を総称して配線基板１４と言う。
【００５４】
また金属支持板１０１と冷却フィン２０１は接合されている。金属支持板１０１と冷却フィン２０１を総称して冷却ユニット３０１と称する。また冷却ユニット３０１は冷却装置であっても良い。冷却ユニット３０１、冷却装置を含めて冷却機構と言う。配線基板１４と冷却機構を併せて配線基板冷却機構と言う。
【００５５】
金属支持板１０１と冷却フィン２０１は金属焼結体の接合材料４０１で接合される。
【実施例１】
【００５６】
実施例１では、金属支持板である無酸素銅製支持板とピン状の冷却フィンとを接合し、従来材である銀ろうを用いた場合と本発明の場合で得られる金属支持板の軟化率の比較を行った。従来材である銀ろうとしてはＢａｇ８（Ａｇ−２８Ｃｕ）を用い、水素（Ｈ２）と窒素（Ｎ２）の混合ガス（Ｈ２ガス３％、残部Ｎ２ガス）雰囲気下で、接合ピーク温度８００℃で５分保持し接合した。
【００５７】
次に、カルボン酸類により被覆された銀ナノ粒子に対して、酸化銀を１００重量比で混合した接合材料を用いて（Ｈ２ガス３％、残部Ｎ２ガス）雰囲気下で、接合ピーク温度２００℃〜６００℃で５分保持し接合した。接合後の無酸素銅製支持板に対し、ビッカース硬度計を用いて硬度を測定し、熱処理前の無酸素銅製支持板の硬度と比較することで軟化率を求めた。図５に接合温度と軟化率の関係を示す。本発明により接合温度を３５０℃以下に低温化できるため、軟化率を１５％以上低減できることがわかった。
【実施例２】
【００５８】
実施例２では、本発明と銀ろうを用いた従来技術により得られる金属支持板と冷却フィンの接合部の熱伝導率を測定し、放熱性を比較した。本発明で得られる接合層は、焼結銀層、焼結銅層、焼結銀と焼結銅との複合層とした。
【００５９】
熱伝導率を算出するために必要な熱拡散率（ｍ２／ｓ）、密度（ｇ／ｃｍ３）、比熱（Ｊ／ｇ・Ｋ）は、以下の手法ならびに装置を用いて測定した。熱拡散率は、サンプル形状を５ｍｍ×１０ｍｍ×０．１μｍとし、ＵＬＶＡＣ ＳＩＮＫＵ−ＲＩＫＯ製ＰＩＴ１型により測定した。密度は、アルファミラージュ製ＳＤ−２００Ｌにより測定した。比熱は、ＴＡ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ製Ｑ２０００により測定した。
【００６０】
焼結銀層は、カルボン酸類に被覆された粒径が２から３μｍの酸化銀（Ａｇ２Ｏ）粒子を用いて作製した。焼結銅層は、アルデヒド類に被覆された粒径が０．５から３μｍの酸化銅（ＣｕＯ）粒子を用いて作製した。焼結銀と焼結銅との複合層は、個々の粒子がアミン類に被覆された粒径が１から２５ｎｍの銀ナノ粒子と個々の粒子がカルボン類に被覆された粒径が２０から２００ｎｍの銅ナノ粒子の混合材（（銅ナノ粒子の質量比＝２０））を用いて作製した。
【００６１】
作製条件については、２．５ＭＰａの加圧力、１００から４００℃の加熱温度、作製雰囲気を水素中として作製した。図６に作製温度と規格化熱伝導度との関係を示す。規格化剪断強度とは、銀ろうの場合の熱伝導率を１として規格化したものである。
【００６２】
図６に示すように、作製温度が増加するほど、規格化熱伝導度は上昇することがわかる。また、焼結銀層は１５０℃以上、焼結銅層は２００℃以上、焼結銀と焼結銅との複合層は１５０℃以上で１を上回る規格化熱伝導度が得られた。
【００６３】
このように、本発明を用いると、条件次第で従来を上回る放熱性を発揮することができることが示された。また、詳細は実施例３で説明するが、同じ作製温度でも作製時の加圧力を大きくすることによって、放熱性は向上するため、作製温度が１００℃でも加圧力を大きくすれば銀ろうの値を上回ると推察できる。
【実施例３】
【００６４】
実施例３では、焼結銀層作製時の加圧力の影響を調べた。カルボン酸類に被覆された粒径が２から３μｍの酸化銀（Ａｇ２Ｏ）粒子を用いて、２００から４００℃で焼結銀層を作製した。作製時の加圧力は、１．０と２．５ＭＰａとした。上記と同様の手法で、熱伝導度を算出した。図７に、それぞれの加圧力での作製温度と規格化熱伝導度との関係を示す。
【００６５】
図７に示されるように、いずれの作製温度についても、加圧力が大きいほど規格化熱伝導度が向上することが示された。このことから、焼結金属層による接合層作製条件として加圧力の増加は、冷却ユニットの放熱性向上に有効であるといえる。
【実施例４】
【００６６】
本発明により提示した手法により凹部を設けた金属支持板と冷却フィンを接合する場合に、加圧力が発生するかどうかを有限要素解析により評価した。解析モデルには、形状の幾何学的な対称性を考慮し１／４モデルを作成した。
【００６７】
作成したモデルを図８に示す。金属支持板と冷却フィンは無酸素銅製である。金属支持板に設けた凹部はφ２．０１ｍｍ、深さ３ｍｍの貫通孔であり、冷却フィンはφ２ｍｍ、高さ８ｍｍの円柱とした。金属支持板と冷却フィン間には、アルコール類を添加した酸化銀粒子層が設置されている。
【００６８】
まず、接合時の温度分布の履歴を求めるために非定常熱伝導解析を実施した。また、熱解析に用いた材料物性値は、実験値と文献値とを適宜用いた。接合条件として、初期温度を２０℃として、環境温度（周辺の空気の温度）を２℃／ｓで４００℃（加熱開始から１９０ｓ後）まで変化させた。１９０ｓ以降は環境温度４００℃で一定として５００ｓまで温度履歴を求めた。
【００６９】
上記の手法により求めた接合時の温度履歴は、応力解析の入力として与え熱応力履歴を求めた。応力解析に用いた材料物性も上記と同様に、実験値と文献値とを適宜用いた。
【００７０】
図８に示す代表面の応力解析結果を図９に示す。図９は加熱温度が１５０℃に達した際に接合面に発生する応力分布を表している。図に示されるように、接合面全体に１ＭＰａの圧縮応力が発生していることがわかった。また、代表面以外の接合面についても、応力分布に大きな違いは認められなかった。
【符号の説明】
【００７１】
１１…配線板、１２…絶縁基板、１３…メタライズ、１４…配線基板、１０１…金属支持板、２０１…冷却フィン、３０１…冷却ユニット、１０２…金属支持板、２０２…冷却フィン、３０２…非貫通型冷却ユニット、１０３…金属支持板、２０３…冷却フィン、３０３…貫通型冷却ユニット、２０４…テーパー付き（全面）冷却フィン、２０５…テーパー付き（挿入部）冷却フィン、２０６…テーパー付き（挿入部）冷却フィン、２０００…貫通しない凹部、３０００…貫通する凹部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体チップや電子部品等の発熱体を搭載するための配線基板を冷却する冷却装置ないし冷却ユニットを含む冷却機構が備わる配線基板冷却機構、その製造方法、接合構造体、およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置では、電流が流れることによって半導体チップが発熱する。特に、半導体チップを含め、複数の電子部品が搭載されているパワーモジュールでは、該半導体チップに流れる電流は数アンペア以上であり、安全かつ安定に動作させるために、動作時に発生する熱を該モジュールの外へ効率良く放散させる必要がある。
【０００３】
これらのパワー半導体モジュールでは、半導体チップを搭載する配線板（電極）と、モジュール内部で半導体チップと配線板（電極）を電気的に絶縁するための絶縁基板と、絶縁基板を金属支持板にはんだ付けやすくするためのメタライズが積層されている。以下、配線板（電極）、絶縁基板、メタライズを総称して配線基板と称す。
【０００４】
さらに、パワー半導体モジュールの最終的な冷却は、その金属支持板に取り付けた冷却フィンを介してなされる。以下、金属支持板と冷却フィンを総称して冷却ユニットと称する。また冷却ユニットは冷却装置であっても良い。冷却ユニット、冷却装置を含めて冷却機構と言う。配線基板と冷却機構を併せて配線基板冷却機構と言う。
【０００５】
半導体チップや電子部品と配線基板との実装、配線基板と金属支持板との実装には、低融点な軟ろう（融点：２００〜４００℃）が用いられている。このことから、金属支持板への冷却フィンを実装するための接合材料としては、前記の実装時に再溶融しないために、融点が高い硬ろう（例えば、Ａｇ−Ｃｕろう（融点：７７０℃））が用いられる（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−２２９１４号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】金属学ハンドブック、橋口隆吉編集、株式会社朝倉書店、ｐ． ７４４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記半導体モジュールの金属支持板には、熱伝導率が大きい銅（Ｃｕ）及びＣｕ合金やアルミニウム（Ａｌ）及びＡｌ合金が用いられる。例えば、Ｃｕ及びＣｕ合金製の金属支持板と冷却フィンを接合する温度は６００℃以上であり、高温に曝されることにより軟化が生じるという問題がある。
【０００９】
なぜなら、Ｃｕの完全な焼きなまし温度は６００〜６５０℃であるためである（非特許文献１）。冷却ユニット作製後、配線板、電子部品搭載などの組み立て性を考慮すると、金属支持板の剛性は高い方が好ましく、機械的強度の低下が問題になる場合がある。
【００１０】
一般に、接合温度の低下を目的とする場合、二種類以上の金属を組み合わせて共晶反応を利用し、融点を低下させる手法がとられる。例えば、融点９６０℃の銀（Ａｇ）と融点１０８３℃のＣｕの組み合わせでは、最も融点が降下する組成は共晶組成であるＡｇ−２８Ｃｕであり、その融点を７８０℃に低下させることが出来る。Ａｇ−Ｃｕ合金を銀ろうと呼び、現在広い範囲で接合材として用いられている。
【００１１】
しかし、融点が低下する一方で、合金化により熱伝導率が低下してしまい、冷却装置に必要な特性である冷却効率が低下する問題があった。
【００１２】
本発明はそのような問題点に鑑みてなされたものである。したがって、本発明の目的は、電子部品等の発熱体の放熱構造に対して、より高い機械的特性・放熱性が得られる構造、この構造を有する冷却装置、冷却ユニットを含む冷却機構が備わる配線基板冷却機構及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、上記目的を達成するため、半導体チップや電子部品等の発熱体を搭載する配線基板と、前記配線基板を支持する金属支持板と、前記金属支持板に設けられ、前記発熱体が発生した熱を放熱する冷却フィンを有する冷却装置、ないし冷却ユニットを含む冷却機構が備わる配線基板冷却機構において、前記金属支持板と前記冷却フィンを接合する接合部位に介在する接合材料としての金属焼結体は１０〜１０００ｎｍの結晶粒からなる銀および／または銅を主体とし、かつ金属焼結体の内部粒界が酸化皮膜層を介さずに金属接合していることを特徴とする配線基板冷却機構を提供する。
【００１４】
また、本発明は、上記目的を達成するため、半導体チップや電子部品等の発熱体を搭載するための配線基板と、前記配線基板を支持する金属支持板と、前記金属支持板に設けられ、前記発熱体が発生した熱を放熱する冷却フィンを有する冷却装置、ないし冷却ユニットを含む冷却機構が備わる配線基板冷却機構の製造方法であって、前記金属支持板と前記冷却フィンが接合する接合部位に介在する接合材料としての金属焼結体は、個々の粒子表面が有機物に被覆された金属ナノ粒子及び／または金属酸化物を１００〜５００℃に加熱して形成することを特徴とする配線基板冷却機構の製造方法を提供する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、電子部品の発熱体の冷却ユニット及び冷却装置において、冷却ユニットの軟化が防止でき、その後の半導体装置の組み立て性が容易になる。接合層が熱伝導率の高い銀や銅により構成されるため、接合部が銀ろうに比較してより高い冷却効率を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る一つの例である半導体装置の配線基板と冷却ユニットの構造を示した断面模式図である。
【図２】本発明に係る一つの例である非貫通型冷却ユニットの構造を示した断面模式図である。
【図３】本発明に係る一つの例である貫通型冷却ユニットの構造を示した断面模式図である。
【図４】本発明に係る一つの例である冷却ユニットの冷却フィンの構造を示した断面模式図である。
【図５】本発明と従来材による冷却ユニットの無酸素銅金属板の軟化率を示したグラフである。
【図６】焼結銀層、焼結銅層、焼結銀と焼結銅の複合層の作製温度と規格化熱伝導度の関係を示すグラフである。
【図７】焼結銀層作製時の加圧力を１および２．５ＭＰａとした場合の作製温度と規格化熱伝導度の関係を示すグラフである。
【図８】金属支持板と冷却フィンとの発生応力分布を評価するための有限要素解析モデルである。
【図９】金属支持板と冷却フィンとの接合面に発生した応力分布である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
上述の本発明において、以下のような改良や変更を加えることは好ましい。
（１）．前記金属支持板に凹部を設け、冷却フィンが該凹部に挿入された状態で接合して
いる。
（２）．上記（１）において、冷却フィンの方が金属支持板よりも熱膨張率が高い。
（３）．上記（１）において、冷却フィンの方が金属支持板よりも熱伝導率が高い。
（４）．上記（１）において、前記凹部及び／または冷却フィンにテーパー（傾斜面）が
設けられている。
（５）．上記（１）において、前記凹部及び／または冷却フィンにガス抜けのための穴（
ガス抜き通路）が設けられている。
（６）．前記製造方法において、加熱とともに加圧が付与されている。
（７）．前記製造方法において、冷却フィンの方が金属支持板よりも早く加熱される。
（８）．前記冷却ユニットないし冷却装置にめっきが施されている。
【００１８】
本発明の主な特徴について以下に説明する。
【００１９】
本発明者らは、金属粒子の焼結により形成される焼結金属層は、加熱温度が低い場合は、体拡散よりも表面拡散が主体となり、合金層は焼結金属層全体ではなく、焼結銀層同士の界面に形成されることに注目した。このことから、金属粒子の焼結により形成される接合層内は、合金ではなく純金属個々の熱伝導率の値を反映することが可能である。
【００２０】
また、特に熱伝導率の高いＡｇ及び／又はＣｕを主体とした焼結金属層により構成すれば、ＡｇならびにＣｕの高い放熱性を発揮し、なおかつその内部粒界が酸化皮膜を介さず金属接合していれば、接合体として銀ろうよりも高い放熱性を有する接合層を有する冷却ユニットを作製することが可能である。
【００２１】
また、詳しくは下記で述べるが、接合に用いる金属粒子の粒径の減少と接合面に付与する加圧力の増加により、接合温度を従来の銀ろう材の接合温度よりも降下させることが可能となるため、金属支持板の加熱による軟化を低減できる。
【００２２】
本発明は、放熱フィンと金属支持板との接合部に関するものであり、放熱フィンについては、平板状でもピン状などいかなる形状でもよい。ただし、より高い放熱性が必要である場合は、ピン状が好ましい。また、平板上及びピン状冷却フィンの断面についても、特に規定は無く本発明を用いることが可能である。また、水冷の場合では、金属支持板には冷却フィンの他に、冷却流路のための筐体や必要に応じて水流を制御するための整流板を設けるが、これらを取り付けるための接合材としても用いることが可能である。
【００２３】
次に、発明者らは、冷却フィンの構造から、冷却フィンの方が金属支持板よりも表面積が大きく、熱容量が小さくなることに注目した。よって、均一加熱を想定しても、熱容量の小さい冷却フィンの方が加熱速度は大きくなり、前記冷却フィン外周の加熱による膨張量は、金属支持板に設けた凹部の外周の加熱による膨張量よりも大きくなることがわかる。
【００２４】
これにより、例えば図２や図３の構造とすることで、加熱により接合面（凹部の内側面と冷却フィンの外側面）に自ら加圧が発生する構造とすることが出来る。また、金属支持板に設ける凹部については、非貫通型３０２（図２）であっても貫通型３０３（図３）であっても、冷却フィンが凹部に挿入できる大きさであればよい。
【００２５】
非貫通型３０２（図２）は、金属支持板１０２の貫通しない凹部２０００に冷却フィン２０２を嵌合し、接合面（接合部位）に接合材料が介在する。
【００２６】
貫通型３０３（図３）は、金属支持板１０３の貫通する凹部３０００に冷却フィン２０３を嵌合し、接合面（接合部位）に接合材料が介在する。
【００２７】
金属支持板に設けた凹部と冷却フィンとの間に挿入介在する接合材料の厚さは、大きくなると冷却フィンが傾く原因となるため、１００μｍよりも小さい方が好ましい。また、１０μｍよりも小さいと、接合材料の挿入が困難となるため１０μｍ以上の方が好ましい。
【００２８】
次に、金属支持板に設けた凹部外周の熱膨張量の更なる低下、冷却フィンの熱膨張量の更なる増加を可能とし、これにより接合面に発生する加圧力の大きさを増加させることを可能とすることができる。
【００２９】
また、上記接合面への加圧力発生に対して、さらに加圧力を上昇させることを可能とする金属支持板の凹部と冷却フィンの構造である。すなわち、金属支持板及び／あるいは冷却フィンに先細になるテーパーを設けることにより垂直方向からの加圧が接合面に寄与する。
【００３０】
図４は、本発明に係る冷却フィンの断面を示している。冷却フィンは平板状あるいはピン状である。冷却フィンへのテーパーは、図４の２０４に示すように全体に設けてもよいし、２０５に示すように金属支持板凹部に挿入する箇所に設けてもよい。また、図４の２０６に示すように、フィン先端側よりも金属支持板側の断面を大きくした方が熱伝達率を上昇できるので好ましい。特に、水冷である場合は、断面を大きくとることでフィン間隔が小さくなり、冷却水の流速を高速とすることができる。
【００３１】
次に、接合温度の低下のための手法として、上記の合金化の他に、金属粒子の粒径減少による融点や焼結温度の大幅な低下があることに注目した。
【００３２】
例えば、特許文献１には、有機物に被覆された平均粒径１００ｎｍ以下の金属ナノ粒子を主材とする接合材料を用いて、加熱により有機物を分解するとともに金属ナノ粒子同士を焼結させることで接合を行うことが記載されている。該接合方法では、接合後の金属粒子はその界面が金属結合により接合され、全体としてバルク金属へと変化することから、非常に高い耐熱性と信頼性および高放熱性を有するとされている。
【００３３】
また、有機物で被覆された金属ナノ粒子や酸化金属粒子、それらの混合粒子を用いれば銀ろうよりも低い温度で金属接合が可能となることから、金属支持板の加熱による軟化を低減できる。
【００３４】
粒径１〜１０００ｎｍの金属ナノ粒子を有機物で被覆する方法に特段の制限は無く、個々の粒子表面を一様に被覆できるかぎり既知の方法を利用することができる。また、金属ナノ粒子を被覆する有機物は金属ナノ粒子の凝集を防止し、分散剤中に独立に分散することが可能な有機物であれば、被覆の形態については特に限定されない。
【００３５】
有機物の種類としては、カルボン酸類、アルコール類、アミン類から選ばれる１種以上の有機物が好ましい。なお、「類」のなかには、有機物が金属と化学的に結合した場合などに由来するイオンや錯体等も含めるものとする。ただし、硫黄やハロゲン元素を含有する有機物は、接合後の接合層内に当該元素が残留して腐食の原因となる可能性があるため、避ける方が望ましい。
【００３６】
カルボン酸類の例としては、酢酸、カプロン酸、エナント酸、カプリル酸、ペラルゴン酸、カプリン酸、ウンデカン酸、ラウリン酸、トリデシル酸、ミリスチン酸、ペンタデシル酸、パルミチン酸、マルガリン酸、ステアリン酸、ミリストレイン酸、パルミトレイン酸、オレイン酸、エライジン酸、エルカ酸ネルボン酸、リノール酸、リノレン酸、アラキドン酸、エイコサペンタエン酸、イワシ酸、シュウ酸、マロン酸、マレイン酸、フマル酸、コハク酸、グルタル酸、リンゴ酸、アジピン酸、クエン酸、安息香酸、フタル酸、イソフタル酸、テレフタル酸、サリチル酸、２，４−ヘキサジインカルボン酸、２，４−ヘプタジインカルボン酸、２，４−オクタジインカルボン酸、２，４−デカジインカルボン酸、２，４−ドデカジインカルボン酸、２，４−テトラデカジインカルボン酸、２，４−ペンタデカジインカルボン酸、２，４−ヘキサデカジインカルボン酸、２，４−オクタデカジインカルボン酸、２，４−ノナデカジインカルボン酸、１０，１２−テトラデカジインカルボン酸、１０，１２−ペンタデカジインカルボン酸、１０，１２−ヘキサデカジインカルボン酸、１０，１２−ヘプタデカジインカルボン酸、１０，１２−オクタデカジインカルボン酸、１０，１２−トリコサジインカルボン酸、１０，１２−ペンタコサジインカルボン酸、１０，１２−ヘキサコサジインカルボン酸、１０，１２−ヘプタコサジインカルボン酸、１０，１２−オクタコサジインカルボン酸、１０，１２−ノナコサジインカルボン酸、２，４−ヘキサジインジカルボン酸、３，５−オクタジインジカルボン酸、４，６−デカジインジカルボン酸、８，１０−オクタデカジインジカルボン酸などが挙げられる。
【００３７】
アルコール類の例としては、エチルアルコール、プロピルアルコール、ブチルアルコール、アミルアルコール、ヘキシルアルコール、ヘプチルアルコール、オクチルアルコール、ノニルアルコール、デシルアルコール、ウンデシルアルコール、ドデシルアルコール、ミリスチルアルコール、セチルアルコール、ステアリルアルコール、オエレイルアルコール、リノリルアルコール、エチレングリコール、トリエチレングリコール、グリセリンなどが挙げられる。
【００３８】
アミン類の例としては、メチルアミン、エチルアミン、プロピルアミン、ブチルアミン、ペンチルアミン、ヘキシルアミン、ヘプチルアミン、オクチルアミン、ノニルアミン、デシルアミン、ウンデシルアミン、ドデシルアミン、トリデシルアミン、テトラデシルアミン、ペンタデシルアミン、ヘキサデシルアミン、ヘプタデシルアミン、オクタデシルアミン、オレイルアミン、ジメチルアミン、ジエチルアミン、ジプロピルアミン、ジブチルアミン、ジペンチルアミン、ジヘキシルアミン、ジヘプチルアミン、ジオクチルアミン、ジノニルアミン、ジデシルアミン、イソプロピルアミン、１，５−ジメチルヘキシルアミン、２−エチルヘキシルアミン、ジ（２−エチルヘキシル）アミン、メチレンジアミン、トリメチルアミン、トリエチルアミン、エチレンジアミン、テトラメチルエチレンジアミン、ヘキサメチレンジアミン、Ｎ，Ｎ−ジメチルプロパン−２−アミン、アニリン、Ｎ，Ｎ−ジイソプロピルエチルアミン、２，４−ヘキサジイニルアミン、２，４−ヘプタジイニルアミン、２，４−オクタジイニルアミン、２，４−デカジイニルアミン、２，４−ドデカジイニルアミン、２，４−テトラデカジイニルアミン、２，４−ペンタデカジイニルアミン、２，４−ヘキサデカジイニルアミン、２，４−オクタデカジイニルアミン、２，４−ノナデカジイニルアミン、１０，１２−テトラデカジイニルアミン、１０，１２−ペンタデカジイニルアミン、１０，１２−ヘキサデカジイニルアミン、１０，１２−ヘプタデカジイニルアミン、１０，１２−オクタデカジイニルアミン、１０，１２−トリコサジイニルアミン、１０，１２−ペンタコサジイニルアミン、１０，１２−ヘキサコサジイニルアミン、１０，１２−ヘプタコサジイニルアミン、１０，１２−オクタコサジイニルアミン、１０，１２−ノナコサジイニルアミン、２，４−ヘキサジイニルジアミン、３，５−オクタジイニルジアミン、４，６−デカジイニルジアミン、８，１０−オクタデカジイニルジアミン、ステアリン酸アミド、パルミチン酸アミド、ラウリン酸ラウリルアミド、オレイン酸アミド、オレイン酸ジエタノールアミド、オレイン酸ラウリルアミドなどが挙げられる。
【００３９】
金属ナノ粒子を被覆する有機物は金属表面から脱離した際に、副生成物が低温で分解しやすい分子構造であることが好ましい。
【００４０】
金属ナノ粒子としては、銀ナノ粒子と銅ナノ粒子を用いることが可能である。銀ナノ粒子と銅ナノ粒子の表面に酸化皮膜が存在しても、それらを被覆する有機物に還元能力がある場合は問題ない。また、銀ナノ粒子の方が銅ナノ粒子よりも焼結に必要な特性である表面拡散係数が大きいため銀ナノ粒子の方が好ましい。
【００４１】
２種類以上の有機物に被覆された金属ナノ粒子を混合する場合は、金属ナノ粒子を被覆する有機物を、互いに同程度の極性であるものを用いることが好ましい。極性が同程度の有機物で被覆することにより、それぞれの金属ナノ粒子の有機分散媒への分散性を同程度にすることができるからである。なお、極性の程度は極性の小さいトルエンや極性の大きい水などへ分散させることにより調査できる。
【００４２】
上記と同様に、有機物に被覆された金属ナノ粒子に酸化金属粒子や金属粒子を混合する場合も、疎水化処理、親水化処理を行うことによって極性を有機物に被覆された金属ナノ粒子と同程度とした方が良い。たとえば、銀や酸化銀粒子に対し疎水化処理を行う場合は、第一級アルキルカルボン酸類で表面を被覆すればよい。疎水化処理を行うことによって、極性の小さい有機溶剤への分散性が向上する。
【００４３】
酸化金属としては、酸化銀や酸化銅粒子などを用いることが可能である。酸化銀としてはＡｇ２ＯとＡｇＯ、酸化銅としてはＣｕＯとＣｕ２Ｏを用いることが出来る。
【００４４】
酸化金属単体で用いる場合には、還元剤を添加した方が好ましい。接合粒子材の粒径や各構成材の含有率などについては、本発明の発明者が先に出願した特開２００４−１０７７２８号公報の記載を参照していただきたい。
【００４５】
また、発明者らは有機物で被覆された金属ナノ粒子及び／または酸化金属は、接合が開始するまで（金属のみで構成されるまで）は熱伝達率（熱伝導率）が著しく小さいことを見出した。これは、材料を構成する有機物や酸化金属の熱伝導率が金属よりも小さいこと、さらに、粒子状で用いることにより、接合材料内に空気が存在することを反映する。
【００４６】
このように、熱伝達率が低い有機物で被覆された金属ナノ粒子及び／または酸化金属を接合材料として用いることで、速く加熱される冷却フィンから金属支持板への熱伝達が遅れ温度差を大きくでき、接合面に発生する加圧力を増大することが可能である。
【００４７】
金属の焼結を利用した接合法では、加圧をかけた方が形成される焼結金属層がより緻密になり、接合強度や放熱性が向上するため好ましい。ただし、３０ＭＰａを超えるとピン状冷却フィンのアスペクト比によっては座屈など変形が生じるため３０ＭＰａ以下が好ましい。
【００４８】
また、冷却フィンの加熱速度を速くすればするほど接合面への加圧力が上昇するため、形成される焼結金属層がより緻密になり、接合強度や放熱性が向上するため好ましい。
【００４９】
次に、有機物で被覆された金属ナノ粒子及び／または酸化金属を用いた接合では、接合層から有機物などのガスが発生するため、この抜け道を別途設けた構造にする。有機物を含有する金属粒子の焼結では、焼結層間に有機物が残存する場合それらの焼結を妨げるため、それを除去するためのより高い加熱温度が必要となる。そこで、ガスの抜け道を設けた方が接合温度の低下を可能とし、金属支持板の軟化率の低減が可能となる。
【００５０】
また、パワーモジュールなど電子部品の冷却方法としては、空冷や水冷方式がある。水冷の場合は、金属支持板、放熱フィン、ならびにその接合部が水や有機溶媒中に浸されるため、イオン化傾向が異なる金属が同一溶媒中に浸されると、溶解や腐食がなされる可能性がある。このため、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉなど単一の金属によるめっきを施した方が好ましい。
【００５１】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。ただし、本発明はここで取り上げた実施例に限定されることはなく、適宜組み合わせてもよい。
【００５２】
実施例について説明する前に図１を引用して配線基板冷却機構の概要を述べる。
【００５３】
図１に示すように、半導体チップを搭載する配線板（電極）１１と、モジュール内部で半導体チップと配線板（電極）１１を電気的に絶縁するための絶縁基板１２と、絶縁基板１２を金属支持板１０１にはんだ付けやすくするためのメタライズ１３が積層されている。配線板（電極）１１、絶縁基板１２、メタライズ１３を総称して配線基板１４と言う。
【００５４】
また金属支持板１０１と冷却フィン２０１は接合されている。金属支持板１０１と冷却フィン２０１を総称して冷却ユニット３０１と称する。また冷却ユニット３０１は冷却装置であっても良い。冷却ユニット３０１、冷却装置を含めて冷却機構と言う。配線基板１４と冷却機構を併せて配線基板冷却機構と言う。
【００５５】
金属支持板１０１と冷却フィン２０１は金属焼結体の接合材料４０１で接合される。
【実施例１】
【００５６】
実施例１では、金属支持板である無酸素銅製支持板とピン状の冷却フィンとを接合し、従来材である銀ろうを用いた場合と本発明の場合で得られる金属支持板の軟化率の比較を行った。従来材である銀ろうとしてはＢａｇ８（Ａｇ−２８Ｃｕ）を用い、水素（Ｈ２）と窒素（Ｎ２）の混合ガス（Ｈ２ガス３％、残部Ｎ２ガス）雰囲気下で、接合ピーク温度８００℃で５分保持し接合した。
【００５７】
次に、カルボン酸類により被覆された銀ナノ粒子に対して、酸化銀を１００重量比で混合した接合材料を用いて（Ｈ２ガス３％、残部Ｎ２ガス）雰囲気下で、接合ピーク温度２００℃〜６００℃で５分保持し接合した。接合後の無酸素銅製支持板に対し、ビッカース硬度計を用いて硬度を測定し、熱処理前の無酸素銅製支持板の硬度と比較することで軟化率を求めた。図５に接合温度と軟化率の関係を示す。本発明により接合温度を３５０℃以下に低温化できるため、軟化率を１５％以上低減できることがわかった。
【実施例２】
【００５８】
実施例２では、本発明と銀ろうを用いた従来技術により得られる金属支持板と冷却フィンの接合部の熱伝導率を測定し、放熱性を比較した。本発明で得られる接合層は、焼結銀層、焼結銅層、焼結銀と焼結銅との複合層とした。
【００５９】
熱伝導率を算出するために必要な熱拡散率（ｍ２／ｓ）、密度（ｇ／ｃｍ３）、比熱（Ｊ／ｇ・Ｋ）は、以下の手法ならびに装置を用いて測定した。熱拡散率は、サンプル形状を５ｍｍ×１０ｍｍ×０．１μｍとし、ＵＬＶＡＣ ＳＩＮＫＵ−ＲＩＫＯ製ＰＩＴ１型により測定した。密度は、アルファミラージュ製ＳＤ−２００Ｌにより測定した。比熱は、ＴＡ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ製Ｑ２０００により測定した。
【００６０】
焼結銀層は、カルボン酸類に被覆された粒径が２から３μｍの酸化銀（Ａｇ２Ｏ）粒子を用いて作製した。焼結銅層は、アルデヒド類に被覆された粒径が０．５から３μｍの酸化銅（ＣｕＯ）粒子を用いて作製した。焼結銀と焼結銅との複合層は、個々の粒子がアミン類に被覆された粒径が１から２５ｎｍの銀ナノ粒子と個々の粒子がカルボン類に被覆された粒径が２０から２００ｎｍの銅ナノ粒子の混合材（（銅ナノ粒子の質量比＝２０））を用いて作製した。
【００６１】
作製条件については、２．５ＭＰａの加圧力、１００から４００℃の加熱温度、作製雰囲気を水素中として作製した。図６に作製温度と規格化熱伝導度との関係を示す。規格化剪断強度とは、銀ろうの場合の熱伝導率を１として規格化したものである。
【００６２】
図６に示すように、作製温度が増加するほど、規格化熱伝導度は上昇することがわかる。また、焼結銀層は１５０℃以上、焼結銅層は２００℃以上、焼結銀と焼結銅との複合層は１５０℃以上で１を上回る規格化熱伝導度が得られた。
【００６３】
このように、本発明を用いると、条件次第で従来を上回る放熱性を発揮することができることが示された。また、詳細は実施例３で説明するが、同じ作製温度でも作製時の加圧力を大きくすることによって、放熱性は向上するため、作製温度が１００℃でも加圧力を大きくすれば銀ろうの値を上回ると推察できる。
【実施例３】
【００６４】
実施例３では、焼結銀層作製時の加圧力の影響を調べた。カルボン酸類に被覆された粒径が２から３μｍの酸化銀（Ａｇ２Ｏ）粒子を用いて、２００から４００℃で焼結銀層を作製した。作製時の加圧力は、１．０と２．５ＭＰａとした。上記と同様の手法で、熱伝導度を算出した。図７に、それぞれの加圧力での作製温度と規格化熱伝導度との関係を示す。
【００６５】
図７に示されるように、いずれの作製温度についても、加圧力が大きいほど規格化熱伝導度が向上することが示された。このことから、焼結金属層による接合層作製条件として加圧力の増加は、冷却ユニットの放熱性向上に有効であるといえる。
【実施例４】
【００６６】
本発明により提示した手法により凹部を設けた金属支持板と冷却フィンを接合する場合に、加圧力が発生するかどうかを有限要素解析により評価した。解析モデルには、形状の幾何学的な対称性を考慮し１／４モデルを作成した。
【００６７】
作成したモデルを図８に示す。金属支持板と冷却フィンは無酸素銅製である。金属支持板に設けた凹部はφ２．０１ｍｍ、深さ３ｍｍの貫通孔であり、冷却フィンはφ２ｍｍ、高さ８ｍｍの円柱とした。金属支持板と冷却フィン間には、アルコール類を添加した酸化銀粒子層が設置されている。
【００６８】
まず、接合時の温度分布の履歴を求めるために非定常熱伝導解析を実施した。また、熱解析に用いた材料物性値は、実験値と文献値とを適宜用いた。接合条件として、初期温度を２０℃として、環境温度（周辺の空気の温度）を２℃／ｓで４００℃（加熱開始から１９０ｓ後）まで変化させた。１９０ｓ以降は環境温度４００℃で一定として５００ｓまで温度履歴を求めた。
【００６９】
上記の手法により求めた接合時の温度履歴は、応力解析の入力として与え熱応力履歴を求めた。応力解析に用いた材料物性も上記と同様に、実験値と文献値とを適宜用いた。
【００７０】
図８に示す代表面の応力解析結果を図９に示す。図９は加熱温度が１５０℃に達した際に接合面に発生する応力分布を表している。図に示されるように、接合面全体に１ＭＰａの圧縮応力が発生していることがわかった。また、代表面以外の接合面についても、応力分布に大きな違いは認められなかった。
【符号の説明】
【００７１】
１１…配線板、１２…絶縁基板、１３…メタライズ、１４…配線基板、１０１…金属支持板、２０１…冷却フィン、３０１…冷却ユニット、１０２…金属支持板、２０２…冷却フィン、３０２…非貫通型冷却ユニット、１０３…金属支持板、２０３…冷却フィン、３０３…貫通型冷却ユニット、２０４…テーパー付き（全面）冷却フィン、２０５…テーパー付き（挿入部）冷却フィン、２０６…テーパー付き（挿入部）冷却フィン、２０００…貫通しない凹部、３０００…貫通する凹部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップや電子部品等の発熱体を搭載する配線基板と、
前記配線基板を支持する金属支持板と、前記金属支持板に設けられ、前記発熱体が発生した熱を放熱する冷却フィンを有する冷却装置、ないし冷却ユニットを含む冷却機構が備わる配線基板冷却機構において、
前記金属支持板と前記冷却フィンを接合する接合部位に介在する接合材料としての金属焼結体は１０〜１０００ｎｍの結晶粒からなる銀および／または銅を主体とし、
かつ金属焼結体の内部粒界が酸化皮膜層を介さずに金属接合していることを特徴とする配線基板冷却機構。
【請求項２】
半導体チップや電子部品等の発熱体を搭載するための配線基板と、
前記配線基板を支持する金属支持板と、前記金属支持板に設けられ、前記発熱体が発生した熱を放熱する冷却フィンを有する冷却装置、ないし冷却ユニットを含む冷却機構が備わる配線基板冷却機構において、
前記金属支持板は冷却フィンが挿入される凹部に有し、
前記凹部で前記金属支持板と前記冷却フィンを接合する接合部位に介在する接合材としての金属焼結体は１０〜１０００ｎｍの結晶粒からなる銀および／または銅を主体とし、
かつ金属焼結体の内部粒界が酸化皮膜層を介さずに金属接合していることを特徴とする配線基板冷却機構。
【請求項３】
請求項２に記載した配線基板冷却機構であって、
前記金属支持板の熱膨張率よりも前記冷却フィンの熱膨張率が高いことを特徴とする配線基板冷却機構。
【請求項４】
請求項２に記載した配線基板冷却機構であって、
前記金属支持板の熱伝導率よりも前記冷却フィンの熱伝導率が高いことを特徴とする配線基板冷却機構。
【請求項５】
請求項２〜４の何れかに記載の配線基板冷却機構であって、
前記凹部の内側面および／または凹部に挿入される前記冷却フィンの外側面が先細になるように挿入方向に向かって傾斜していることを特徴とする配線基板冷却機構。
【請求項６】
半導体チップや電子部品等の発熱体を搭載するための配線基板と、
前記配線基板を支持する金属支持板と、前記金属支持板に設けられ、前記発熱体が発生した熱を放熱する冷却フィンを有する冷却装置、ないし冷却ユニットを含む冷却機構が備わる配線基板冷却機構の製造方法であって、
前記金属支持板と前記冷却フィンが接合する接合部位に介在する接合材料としての金属焼結体は、個々の粒子表面が有機物に被覆された金属ナノ粒子及び／または金属酸化物を１００〜５００℃に加熱して形成することを特徴とする配線基板冷却機構の製造方法。
【請求項７】
半導体チップや電子部品等の発熱体を搭載するための配線基板と、
前記配線基板を支持する金属支持板と、前記金属支持板に設けられ、前記発熱体が発生した熱を放熱する冷却フィンを有する冷却装置、ないし冷却ユニットを含む冷却機構が備わる配線基板冷却機構の製造方法であって、
前記金属支持板は冷却フィンが挿入される凹部に有し、
前記凹部で前記金属支持板と前記冷却フィンが接合する接合部位に介在する接合材料としての金属焼結体の形成は、個々の粒子表面が有機物に被覆された金属ナノ粒子及び／または金属酸化物を１００〜５００℃に加熱して行なうことを特徴とする配線基板冷却機構の製造方法。
【請求項８】
請求項６または７に記載した配線基板冷却機構の製造方法において、
前記加熱と併せて前記金属焼結体の形成に加圧力１ｋＰａ〜３０ＭＰａが付与されることを特徴とする配線基板冷却機構の製造方法。
【請求項９】
請求項６〜８の何れかに記載した配線基板冷却機構の製造方法において、
前記金属焼結体による前記金属支持板と前記冷却フィンの接合では、金属支持板よりも冷却フィンの方が速く加熱されることを特徴とする配線基板冷却機構の製造方法。
【請求項１０】
請求項２〜５の何れかに記載した配線基板冷却機構であって、
冷却フィン及び／または金属支持板に設けられた凹部に、前記金属焼結体の形成で発生するガスを抜くガス抜き通路を設けたことを特徴とする配線基板冷却機構。
【請求項１１】
請求項１〜５、および１０の何れかに記載した配線基板冷却機構であって、
金属支持板基板と冷却フィンには、めっきが施こされていることを特徴とする配線基板冷却機構。
【請求項１２】
請求項６〜９の何れかに記載した配線基板冷却機構の製造方法であって、
前記金属焼結体の形成で発生するガスを冷却フィン及び／または金属支持板に設けられた凹部より抜くことを特徴とする配線基板冷却機構の製造方法。
【請求項１３】
請求項６〜９、および１２の何れかに記載した配線基板冷却機構の製造方法であって、
前記金属焼結体による接合が行われる前に前記金属支持板と前記冷却フィンにめっきを施こすことを特徴とする配線基板冷却機構の製造方法。
【請求項１４】
第１の金属部材と第２の金属部材が接合する接合構造体であって、
前記第１の金属部材と前記第２の金属部材を嵌合わせ接合させる凹部を一方に設け、
前記凹部で前記第１の金属部材と前記第２の金属部材が接合する接合部位に介在する接合材料としての金属焼結体は、１０〜１０００ｎｍの結晶粒からなる銀または銅または１０〜１０００ｎｍの結晶粒からなる銀及び銅を主体とし、かつ金属焼結体の内部粒界が酸化皮膜層を介さずに金属接合していることを特徴とする接合構造体。
【請求項１５】
第１の金属部材と第２の金属部材が接合する接合構造体の製造方法であって
前記第１の金属部材と前記第２の金属部材を嵌合わせ接合させる凹部を一方に設け、
前記凹部で前記第１の金属部材と前記第２の金属部材が接合する接合部位に介在する接合材料としての金属焼結体の形成は、個々の粒子表面が有機物に被覆された金属ナノ粒子及び／または金属酸化物を１００〜５００℃に加熱して行なうことを特徴とする接合構造体の製造方法。
【請求項１】
半導体チップや電子部品等の発熱体を搭載する配線基板と、
前記配線基板を支持する金属支持板と、前記金属支持板に設けられ、前記発熱体が発生した熱を放熱する冷却フィンを有する冷却装置、ないし冷却ユニットを含む冷却機構が備わる配線基板冷却機構において、
前記金属支持板と前記冷却フィンを接合する接合部位に介在する接合材料としての金属焼結体は１０〜１０００ｎｍの結晶粒からなる銀および／または銅を主体とし、
かつ金属焼結体の内部粒界が酸化皮膜層を介さずに金属接合していることを特徴とする配線基板冷却機構。
【請求項２】
半導体チップや電子部品等の発熱体を搭載するための配線基板と、
前記配線基板を支持する金属支持板と、前記金属支持板に設けられ、前記発熱体が発生した熱を放熱する冷却フィンを有する冷却装置、ないし冷却ユニットを含む冷却機構が備わる配線基板冷却機構において、
前記金属支持板は冷却フィンが挿入される凹部に有し、
前記凹部で前記金属支持板と前記冷却フィンを接合する接合部位に介在する接合材としての金属焼結体は１０〜１０００ｎｍの結晶粒からなる銀および／または銅を主体とし、
かつ金属焼結体の内部粒界が酸化皮膜層を介さずに金属接合していることを特徴とする配線基板冷却機構。
【請求項３】
請求項２に記載した配線基板冷却機構であって、
前記金属支持板の熱膨張率よりも前記冷却フィンの熱膨張率が高いことを特徴とする配線基板冷却機構。
【請求項４】
請求項２に記載した配線基板冷却機構であって、
前記金属支持板の熱伝導率よりも前記冷却フィンの熱伝導率が高いことを特徴とする配線基板冷却機構。
【請求項５】
請求項２〜４の何れかに記載の配線基板冷却機構であって、
前記凹部の内側面および／または凹部に挿入される前記冷却フィンの外側面が先細になるように挿入方向に向かって傾斜していることを特徴とする配線基板冷却機構。
【請求項６】
半導体チップや電子部品等の発熱体を搭載するための配線基板と、
前記配線基板を支持する金属支持板と、前記金属支持板に設けられ、前記発熱体が発生した熱を放熱する冷却フィンを有する冷却装置、ないし冷却ユニットを含む冷却機構が備わる配線基板冷却機構の製造方法であって、
前記金属支持板と前記冷却フィンが接合する接合部位に介在する接合材料としての金属焼結体は、個々の粒子表面が有機物に被覆された金属ナノ粒子及び／または金属酸化物を１００〜５００℃に加熱して形成することを特徴とする配線基板冷却機構の製造方法。
【請求項７】
半導体チップや電子部品等の発熱体を搭載するための配線基板と、
前記配線基板を支持する金属支持板と、前記金属支持板に設けられ、前記発熱体が発生した熱を放熱する冷却フィンを有する冷却装置、ないし冷却ユニットを含む冷却機構が備わる配線基板冷却機構の製造方法であって、
前記金属支持板は冷却フィンが挿入される凹部に有し、
前記凹部で前記金属支持板と前記冷却フィンが接合する接合部位に介在する接合材料としての金属焼結体の形成は、個々の粒子表面が有機物に被覆された金属ナノ粒子及び／または金属酸化物を１００〜５００℃に加熱して行なうことを特徴とする配線基板冷却機構の製造方法。
【請求項８】
請求項６または７に記載した配線基板冷却機構の製造方法において、
前記加熱と併せて前記金属焼結体の形成に加圧力１ｋＰａ〜３０ＭＰａが付与されることを特徴とする配線基板冷却機構の製造方法。
【請求項９】
請求項６〜８の何れかに記載した配線基板冷却機構の製造方法において、
前記金属焼結体による前記金属支持板と前記冷却フィンの接合では、金属支持板よりも冷却フィンの方が速く加熱されることを特徴とする配線基板冷却機構の製造方法。
【請求項１０】
請求項２〜５の何れかに記載した配線基板冷却機構であって、
冷却フィン及び／または金属支持板に設けられた凹部に、前記金属焼結体の形成で発生するガスを抜くガス抜き通路を設けたことを特徴とする配線基板冷却機構。
【請求項１１】
請求項１〜５、および１０の何れかに記載した配線基板冷却機構であって、
金属支持板基板と冷却フィンには、めっきが施こされていることを特徴とする配線基板冷却機構。
【請求項１２】
請求項６〜９の何れかに記載した配線基板冷却機構の製造方法であって、
前記金属焼結体の形成で発生するガスを冷却フィン及び／または金属支持板に設けられた凹部より抜くことを特徴とする配線基板冷却機構の製造方法。
【請求項１３】
請求項６〜９、および１２の何れかに記載した配線基板冷却機構の製造方法であって、
前記金属焼結体による接合が行われる前に前記金属支持板と前記冷却フィンにめっきを施こすことを特徴とする配線基板冷却機構の製造方法。
【請求項１４】
第１の金属部材と第２の金属部材が接合する接合構造体であって、
前記第１の金属部材と前記第２の金属部材を嵌合わせ接合させる凹部を一方に設け、
前記凹部で前記第１の金属部材と前記第２の金属部材が接合する接合部位に介在する接合材料としての金属焼結体は、１０〜１０００ｎｍの結晶粒からなる銀または銅または１０〜１０００ｎｍの結晶粒からなる銀及び銅を主体とし、かつ金属焼結体の内部粒界が酸化皮膜層を介さずに金属接合していることを特徴とする接合構造体。
【請求項１５】
第１の金属部材と第２の金属部材が接合する接合構造体の製造方法であって
前記第１の金属部材と前記第２の金属部材を嵌合わせ接合させる凹部を一方に設け、
前記凹部で前記第１の金属部材と前記第２の金属部材が接合する接合部位に介在する接合材料としての金属焼結体の形成は、個々の粒子表面が有機物に被覆された金属ナノ粒子及び／または金属酸化物を１００〜５００℃に加熱して行なうことを特徴とする接合構造体の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１０−２８３１０５（Ｐ２０１０−２８３１０５Ａ）
【公開日】平成２２年１２月１６日（２０１０．１２．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１３４７５９（Ｐ２００９−１３４７５９）
【出願日】平成２１年６月４日（２００９．６．４）
【出願人】（０００００５０８３）日立金属株式会社 (2,051)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１２月１６日（２０１０．１２．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月４日（２００９．６．４）
【出願人】（０００００５０８３）日立金属株式会社 (2,051)
【Ｆターム（参考）】
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