JP4256282B2 - ヒートシンク材の製造方法およびヒートシンク付きセラミックパッケージ - Google Patents

Description

本発明は、ヒートシンク材の製造方法およびヒートシンク付きセラミックパッケージに関する。

電子部品用のヒートシンクには、従来からＣｕ−Ｗ複合材やＣｕ−Ｍｏ複合材が使用されてきた。Ｃｕ−Ｗ複合材は、Ｗ粉末の焼結体に溶融Ｃｕを含浸させて圧延したものである。Ｃｕ−Ｍｏ複合材は、Ｍｏ粉末の成形体に溶融Ｃｕを含浸させて圧延したものである。また、Ｍｏ板を一対のＣｕ板で挟んで圧延したクラッド材（いわゆるＣＭＣクラッド材）も使用されている。ＣＭＣクラッド材は、表層部がＣｕなので他部品との熱伝導性には優れるが、Ｍｏで構成された内層部が脆いので加工性が低いという弱点がある。

一方、最近になってＣｕ−Ｍｏ複合体を一対のＣｕ板で挟んで圧延した複合クラッド材（いわゆるＣＰＣクラッド材）が提供され始めた（下記特許文献１）。このＣＰＣクラッド材は、加工性および熱伝導性の両性質に優れるため、需要が拡大中である。
特開２００１−３５８２６６号公報

上記のようなヒートシンク材を用いて半導体チップ実装用のヒートシンク付きセラミックパッケージを製造する場合、所定の大きさに成形（切断）したヒートシンクと、別途作製したセラミックパッケージとをＡｇロウ材等でロウ付けする。また、ヒートシンク付きセラミックパッケージに半導体チップを実装するときにも、図１に示すごとく、半導体チップをヒートシンク上に直接またはＣｕ薄板等を介してＡｕ−Ｓｎロウ材等でロウ付けする。こうしたロウ付け工程を行なう際の熱履歴で、ヒートシンクに反りが発生するという問題がある。

上記特許文献１には、上下のＣｕ板とＣｕ−Ｍｏ複合体との厚さ比率を調整したり、Ｃｕ−Ｍｏ複合体の圧延方法を工夫したりすることで、ヒートシンクに発生する反りを低減する技術が開示されている。ヒートシンクの反りが小さければ、セラミックパッケージとヒートシンクとの接合強度、さらには半導体チップとヒートシンクとの接合強度を確保しやすい。

ところで、ヒートシンクの反りを小さくすることが望まれる一方、反り方向を制御したいという要望を持ったユーザも現れてきた。

そこで本発明は、発生する反りの方向を制御できるヒートシンク材の製造方法を提供することを一つの課題とする。また、そのヒートシンク材を用いて作製したヒートシンク付きセラミックパッケージを提供することを他の一つの課題とする。

課題を解決するための手段および発明の効果

上記課題を解決するために本発明は、一対のＣｕ板の間にＣｕ−Ｍｏ複合体が介挿され相互に接合された構造を有するヒートシンク材において、一方のＣｕ板と他方のＣｕ板との厚さを異ならせたことを前提とする。

上記のヒートシンク材は、表裏で熱容量が相違するので、セラミックパッケージや半導体チップをロウ付けしたとき、反り方向に一定の規則性を有する。すなわち、反りの方向を予め予測できるとともに、反りの方向を積極的に制御できる。また、一方のＣｕ板と他方のＣｕ板との厚さを異ならせるに留めているので、一方の面側での熱伝導性の低下の問題も生じ難い。

本発明のヒートシンク材は、次のようにして製造することができる。すなわち、Ｍｏ粉末の成形体に溶融Ｃｕを含浸して得られるＣｕ−Ｍｏ複合体を一対のＣｕ板で挟んで圧延することにより、Ｃｕ−Ｍｏ複合体とＣｕ板との接合構造を有するヒートシンク材を製造する方法において、一方のＣｕ板を上記圧延後において減厚し、他方のＣｕ板と厚さを異ならせる。Ｃｕ−Ｍｏ複合体とＣｕ板とのクラッド材を作製する際、Ｃｕ−Ｍｏ複合体をＣｕ板で挟んで圧延を行なわないと、品質が不安定になる。したがって、上記本発明のごとく、圧延後に一方のＣｕ板を減厚する方法が好適である。

また、一方のＣｕ板と他方のＣｕ板との厚さを異ならせるための具体的な手法としては、一方のＣｕ板を、研磨、研削またはエッチングにより減厚する方法を示すことができる。これらの方法は、技術的な困難性も低く、コストも低廉である。また、高精度の板厚を管理することにも寄与し得る。なお、一方のＣｕ板を上記圧延後において増厚し、他方のＣｕ板と厚さを異ならせるという方法も同様に採用できる。その場合の具体的な手法としては、一方のＣｕ板の表面にメッキ、蒸着、スパッタ等によりＣｕ膜を形成する方法を示せる。メッキ膜を形成する方法ならば、厚さの異なるメッキ膜（いわゆる差厚メッキ）を形成するようにしてもよい。

また、一対のＣｕ板の間にＣｕ−Ｍｏ複合体が介挿され相互に接合されるとともに、一方のＣｕ板と他方のＣｕ板との厚さが互いに異なるように構成されたヒートシンクと、ヒートシンクを構成する一対のＣｕ板のうち、板厚の厚いＣｕ板の主面上にロウ付けされたセラミックパッケージとを備えたヒートシンク付きセラミックパッケージを提供できる。このヒートシンク付きセラミックパッケージは、反り方向に一定の規則性を有する。すなわち、反りの方向を予め予測できるとともに、反りの方向を積極的に制御できる。また、一方のＣｕ板と他方のＣｕ板との厚さを異ならせるに留めているので、一方の面側での熱伝導性の低下の問題も生じ難い。

好適な態様において、ヒートシンクを構成するＣｕ板のうち、厚く調整されたＣｕ板の主面上にセラミックパッケージをロウ付けすることができる。このようにすると、図３（ａ）に示すごとく、セラミックパッケージ５をロウ付けした側が凹状になる。すると、ヒートシンク３を支持体２０に螺子止めしやすくなる。また、螺子２１の締め具合を調整したりして、ヒートシンク３と支持体２０とを密着させやすい。

なお、セラミックパッケージはアルミナセラミック、窒化アルミニウムセラミックまたはガラスセラミックにて構成することが望ましい。

以下、添付の図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。
図１は、移動体の通信基地局等に使用される高周波回路部品１００の断面模式図である。高周波回路部品１００は、ヒートシンク付きセラミックパッケージ１に、半導体チップ１３，１３を実装したものである。ヒートシンク付きセラミックパッケージ１は、ヒートシンク３と、ヒートシンク３の主表面上にＡｇロウ材でロウ付けされたセラミックパッケージ５とを備える。セラミックパッケージ５は、枠状の形態を有するパッケージ本体１１と、パッケージ本体１１に取り付けられたリード７，９とを備える。

パッケージ本体１１は、たとえばアルミナセラミック、窒化アルミニウムセラミックまたはガラスセラミックで構成される。リード７，９は、コバールや４２アロイ（いずれも商品名）などの金属材料で構成されたものであり、パッケージ本体１１の上面にロウ付けされている。パッケージ本体１１は、下面側においてヒートシンク３にロウ付けされている。こうしたロウ付けには、Ａｇロウ材（金属成分のうちＡｇを最も多く含むロウ材）が用いられる。半導体チップ１３は、セラミックパッケージ５のキャビティ１１ｐ内におけるヒートシンク３上に、直接または厚さ３００μｍ程度の金属薄板（Ｃｕ薄板がよい）を介して実装される。半導体チップ１３の実装には、Ａｕ系ロウ材（たとえばＡｕ−Ｓｎロウ材）が用いられる。また、半導体チップ１３，１３の電極とリード７，９とは、ボンディングワイヤにて接続される。

ヒートシンク３は、Ｃｕ−Ｍｏ複合体３０の上下にＣｕ板３２，３４を配置して圧延し、それらＣｕ−Ｍｏ複合体３０およびＣｕ板３２，３４を相互に接合したクラッド材（ヒートシンク材）から作製されたものである。ヒートシンク３は、表層部がＣｕにて構成されるので熱伝導性が良好である。図２に示すごとく、セラミックパッケージ５をロウ付けする側の第一Ｃｕ板３２の厚さｄ_１（０．３ｍｍ）は、反対側の第二Ｃｕ板３４の厚さｄ_３（０．１ｍｍ）よりも大である。また、Ｃｕ−Ｍｏ複合体３０の厚さｄ_２（１．５ｍｍ）は、第一Ｃｕ板３２の厚さｄ_１と第二Ｃｕ板３４の厚さｄ_３との和よりも大である。

こうした比率を採用することにより、セラミックパッケージ５や半導体チップ１３をロウ付けしたときに、ヒートシンク３に発生する反りの方向を制御することができる。具体的には、ヒートシンク３に発生する反りの方向が、セラミックパッケージ５を配置した側（半導体チップ１３の実装側）に凹状となるように制御することができる。反り方向を制御するべき一つの理由は、次のようなものである。

図１の高周波回路部品１００は、図３（ａ）の模式図に示すごとく、螺子やボルト等の締結部材２１で支持体２０（支持基板）に取り付けられて使用される。螺子孔やボルト孔は半導体チップ１３を搭載する中央部を避けて、ヒートシンク３の外周部に設けられる。したがって、締結部材２１は、ヒートシンク３の外周部を支持体２０側に押さえ込む。このとき、図３（ａ）に示すごとく、ヒートシンク３に発生している反りがセラミックパッケージ５の配置側に凹状の場合、反りは自然に矯正される。また、支持体２０とヒートシンク３とがしっかり密着するので、ヒートシンク３から支持体２０への熱伝導性が良好である。

他方、図３（ｂ）に示すごとく、反り方向を制御せずセラミックパッケージ５の配置側が凸状になったヒートシンク３’の場合、締結部材２１をきつく締め込んでもヒートシンク３’と支持体２０との間に、ヒートシンク３’の反りを反映した空隙が生じ、ヒートシンク３’と支持体２０との密着が不十分になる。ヒートシンク３’から支持体２０への熱伝導性は、図３（ａ）の本発明の場合に比して劣る。

ロウ付け工程でヒートシンク３に発生する反りの原因は、主としてセラミックパッケージ５との熱膨張率差によるものである。材料が均質であればあるほど、反りの方向が図３（ａ）の方向になるのか、図３（ｂ）の方向になるのか予測しづらい。上記したように、図３（ａ）の方向に多少の反りが発生していても問題は無いが、図３（ｂ）の方向に反りが発生することは好ましくない。したがって、単に反りが小さいというだけでは不十分であり、本発明のごとく反り方向を制御することが重要性を持ってくる。

次に、ヒートシンク３の製造方法について説明する。まず、Ｃｕ−Ｍｏ複合材を作製する。図４に示すごとく、Ｍｏ粉末をＣＩＰ法等の粉末成形方法により成形して、板状のＭｏ粉末成形体４０を得る。このＭｏ粉末成形体４０に、Ｃｕ板４２を載せるとともに、不活性雰囲気中において両者をＣｕの融点を超える温度（約１３００℃）で加熱し、溶融ＣｕをＭｏ粉末成形体４０に含浸させる。こうして得られた予備複合体３０’をローラで圧延して、圧延体として構成されたＣｕ−Ｍｏ複合体３０を得る。この圧延加工は、互いに直交する二軸方向（ＸＹ方向）について行なう。二軸方向に圧延することで、セラミックに近い低熱膨張率を実現できる。なお、一次圧延加工については、予備複合体３０’を約２００℃に加熱して行なう熱間加工とし、二次圧延加工は室温まで除冷して行なう冷間加工とする。また、Ｃｕ−Ｍｏ複合体３０におけるＣｕ含有率は、たとえば３０質量％以上４０質量％以下とする。

次に、Ｃｕ−Ｍｏ複合体３０の一方の面側に第一Ｃｕ板３２、他方の面側に第二Ｃｕ板３２を配置し、接合熱処理を施した後、圧延加工を行なう。第一Ｃｕ３２と第二Ｃｕ板３２とは、同一（同一の厚さ、材料）のものを使用する。接合熱処理では、Ｃｕ−Ｍｏ複合体３０とＣｕ板３２，３２との積層体４４を、約８００℃の不活性雰囲気中に数１０分間保持する処理とする。接合熱処理後の圧延加工は、積層体４４が室温に達する前に行なう（熱間圧延加工）。

以上のようにして、Ｃｕ−Ｍｏ複合体３０の表面側と裏面側とに等しい厚さのＣｕ板３２，３２が接合された圧延板５０’が作製される。次に、この圧延板５０’について、一方の面側のＣｕ板３２の厚さを減じる減厚工程を行なう。具体的には、一方の面側のＣｕ板３２を、研削（ブラスト処理を含む）、研磨または化学エッチングもしくはそれらの組み合わせによって減厚する。減厚する厚さＤは、たとえばＣｕ板３２の厚さの１／２以上２／３以下とすることができる。このようにして、減厚加工を施した一方の面側のＣｕ板３４と、他方の面側のＣｕ板３２との厚さが相違するヒートシンク材５０を得ることができる。このヒートシンク材５０を一定の大きさに打ち抜くことにより、ヒートシンク３が得られる。

ヒートシンク材５０を打ち抜いて得られるヒートシンク３には、表面研磨処理、バリ取り処理、Ｃｕメッキ処理の各処理が施される。こうして作製されたヒートシンク３のＣｕ板３２側（減厚しない側）にＡｇロウ材を塗工したのち、別途作製したセラミックパッケージ５を載置してリフローすることにより、ヒートシンク付きセラミックパッケージ１が得られる。

ところで、図４で示した製造方法は、一方の面側のＣｕ板３２を減厚する工程を含むものとしたが、この減厚工程の代わりに、該Ｃｕ板３２を増厚する工程を行なうようにしてもよい。この増厚工程は、たとえばメッキ、蒸着またはスパッタにより、Ｃｕ板３２の表面にＣｕ膜を形成する工程とすることができる。たとえば、図４で製造方法を説明した圧延板５０’を、所定の大きさに打ち抜いて得られる打ち抜き品に対し、表面研磨処理、バリ取り処理の各工程を施す。そしてこれら打ち抜き品の各々の片面側に、ドライフィルム（メッキレジスト）を貼着して、電解Ｃｕメッキ工程を行なう。このようにすれば、一方の面側のＣｕ板３２と、他方の面側のＣｕ板３４との厚さが相違するヒートシンク３を容易に作製できる。

なお、厚さが相違する２種類のＣｕ板３２，３４を予め用意し、Ｃｕ−Ｍｏ複合体３０にそれら厚さの相違するＣｕ板３２，３４を接合し圧延することにより、一方の面側のＣｕ板３２と、他方の面側のＣｕ板３４との厚さが相違するヒートシンク３を作製するようにしてもよい。

ヒートシンク付きセラミックパッケージの断面図。 ヒートシンクの断面模式図。 ヒートシンクの反りについて説明する断面模式図。 ヒートシンクの製造工程説明図。

符号の説明

１ ヒートシンク付きセラミックパッケージ
３ ヒートシンク
５ セラミックパッケージ
１１ パッケージ本体
３０ Ｃｕ−Ｍｏ複合体
３２ 第一Ｃｕ板
３４ 第二Ｃｕ板
４０ Ｍｏ粉末成形体
５０ ヒートシンク材

Claims (3)

1. Ｍｏ粉末の成形体に溶融Ｃｕを含浸して得られるＣｕ−Ｍｏ複合体を、厚さが略等しい一対のＣｕ板で挟んで圧延することにより、前記Ｃｕ−Ｍｏ複合体と前記Ｃｕ板との接合構造を有するヒートシンク材を製造する方法において、一方の前記Ｃｕ板を上記圧延後において減厚し、他方の前記Ｃｕ板と厚さを異ならせることを特徴とするヒートシンク材の製造方法。
2. Ｍｏ粉末の成形体に溶融Ｃｕを含浸して得られるＣｕ−Ｍｏ複合体を、厚さが略等しい一対のＣｕ板で挟んで圧延することにより、前記Ｃｕ−Ｍｏ複合体と前記Ｃｕ板との接合構造を有するヒートシンク材を製造する方法において、一方の前記Ｃｕ板を上記圧延後において増厚し、他方の前記Ｃｕ板と厚さを異ならせることを特徴とするヒートシンク材の製造方法。
3. 一対のＣｕ板の間にＣｕ−Ｍｏ複合体が介挿され相互に接合されるとともに、一方の前記Ｃｕ板と他方の前記Ｃｕ板との厚さが互いに異なるように構成されたヒートシンクと、
   前記ヒートシンクを構成する一対のＣｕ板のうち、板厚の厚いＣｕ板の主面上にロウ付けされたセラミックパッケージと、
   を備えることを特徴とするヒートシンク付きセラミックパッケージ。

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