JP2000313905A

JP2000313905A - 複合材料及び各種用途

Info

Publication number: JP2000313905A
Application number: JP12128599A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Kondo; 保夫近藤; Kazutaka Okamoto; 和孝岡本; Teruyoshi Abe; 輝宜阿部; Junya Kaneda; 潤也金田; Yasuhisa Aono; 泰久青野; Ryuichi Saito; 隆一斉藤; Yoshihiko Koike; 義彦小池
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-04-28
Filing date: 1999-04-28
Publication date: 2000-11-14

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明の目的は高熱伝導率と低熱膨張係数で高
い塑性加工性を有する複合材料及びそれを用いた半導体
装置等の各種用途を提供する。【解決手段】本発明の複合材料は、特に、第一酸化銅粒
子を５〜８０体積％含むＣｕ合金よりなり、等方加圧焼
結体からなるものである。室温から３００℃における熱
膨張係数が５×１０^-6〜１７×１０^-6／℃，熱伝導率が
３０〜３７５Ｗ／ｍ・Ｋであり、また導電率が１０〜８
５％ＩＡＣＳが得られる。半導体装置の放熱板及び静電
吸着装置の電極板等に適用される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、新規な低熱膨張性
と高熱伝導性を有する複合材料及びその製造方法とそれ
を用いた半導体装置等の各種用途に関する。

【０００２】

【従来の技術】電子デバイスによる電力やエネルギーの
変換，制御に関連した技術、特にオン，オフモードで用
いられる電力用電子デバイスとその応用技術としての電
力変換システムがパワーエレクトロニクスである。

【０００３】電力変換のため、各種のオン，オフ機能を
持つ電力用半導体素子が用いられている。この半導体素
子としては、ｐｎ接合体を内蔵し、一方向のみの導電性
をもつ整流ダイオードをはじめ、種々のｐｎ接合の組合
せ構造により、サイリスタ，バイポーラトランジスタ，
ＭＯＳＦＥＴ等が実用化され、更には絶縁ゲート型バイ
ポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）やゲート信号によりタ
ーンオフ機能を併せもつゲートターンオフサイリスタ
（ＧＴＯ）も開発されている。

【０００４】これらの電力用半導体素子は、通電により
発熱し、その高容量化，高速化に伴い発熱量も増大する
傾向にある。発熱に起因する半導体素子の特性劣化，短
寿命化を防止するためには、放熱部を設け、半導体素子
及びその近傍での温度上昇を抑制する必要がある。銅
は、熱伝導率が３９３Ｗ／ｍ・Ｋと大きく、かつ低価格
であるため、放熱部材として一般に用いられている。し
かし、電力用半導体素子を備える半導体装置の放熱部材
は、熱膨張率が４.２×１０^-6／℃ のＳｉと接合される
ため、熱膨張率がこれに近い放熱部材が望まれる。銅は
熱膨張率が１７×１０^-6／℃と大きいため、半導体素子
との半田接合性は好ましくなく、ＭｏやＷといった熱膨
張率がＳｉと近い材料を放熱部材として用いたり、半導
体素子と放熱部材の間に設けたりしている。

【０００５】一方、電子回路を一つの半導体チップ上に
集積させた集積回路（ＩＣ）は、その機能に応じたメモ
リー，ロジック，マイクロプロセッサ等に分類される。
ここでは電力用半導体素子に対し、電子用半導体素子と
呼ぶ。これらの半導体素子は、年々集積度や演算速度が
増加し、それに伴い発熱量も増大している。ところで、
一般に電子用半導体素子は、外気から遮断して故障や劣
化を防止する目的で、パッケージ内に収納されている。
この多くは、半導体素子がセラミックスにダイボンディ
ングされ、密封されているセラミックスパッケージ及び
樹脂で封止されているプラスチックパッケージである。
また、高信頼性，高速化に対応するために、複数個の半
導体装置を一つの基板上に搭載したマルチチップモジュ
ール（ＭＣＭ）も製造されている。

【０００６】プラスチックパッケージは、リードフレー
ムと半導体素子の端子がボンディングワイヤにより接続
され、これを樹脂で封止する構造になっている。近年
は、半導体素子の発熱量の増大に伴い、リードフレーム
に熱放散性を持たせたパッケージや熱放散のための放熱
板を搭載するパッケージも出現している。熱放散のため
には、熱伝導率の大きい銅系のリードフレームや放熱板
が多用されているが、チップあるいは封止樹脂等のパッ
ケージ構成材料との熱膨張差による不具合が懸念されて
いる。

【０００７】一方、セラミックスパッケージは、配線が
プリントされたセラミックス基板上に半導体素子が搭載
され、金属やセラミックスのキャップで密封する構造を
持つ。さらに、セラミックス基板にはＣｕ−ＭｏやＣｕ
−Ｗの複合材料あるいはコバール合金などが接合され、
放熱板として用いられているが、それぞれの材料におい
て低熱膨張化あるいは高熱伝導化と共に加工性の向上，
低コストが要求されている。

【０００８】ＭＣＭはＳｉ，金属、あるいはセラミック
スの基板上に形成された薄膜配線に複数個の半導体素子
をベアチップで搭載し、これをセラミックスパッケージ
に入れ、リッドで封止する構造を持つ。放熱性が要求さ
れる場合には、パッケージに放熱板や放熱フィンを設置
する。金属製の基板材料として、銅やアルミニウムが使
用されており、これらは熱伝導度が高いという長所を持
つが、熱膨張係数が大きく半導体素子との整合性が悪
い。このため、高信頼性ＭＣＭの基板にはＳｉや窒化ア
ルミニウム（ＡｌＮ）が用いられている。また、放熱板
はセラミックスパッケージと接合されるため、熱膨張率
の点でパッケージ材料と整合性が良く、熱伝導率が大き
な材料が望まれている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、半導体
素子を搭載した半導体装置は、いずれもその動作におい
て熱を発生し、蓄熱されると半導体素子の機能を損ねる
恐れがある。このため、発生する熱を外部に放散するた
めの熱伝導性に優れた放熱板が必要となる。放熱板は、
直接あるいは絶縁層を介して半導体素子と接合されるた
め、熱伝導性だけでなく、熱膨張の点でも半導体素子と
の整合性が要求される。

【００１０】現在用いられている半導体素子は、主にＳ
ｉ及びＧａＡｓである。これらの熱膨張係数は、それぞ
れ２.６×１０^-6〜３.６×１０^-6／℃，５.７×１０^-6
〜6.9×１０^-6／℃である。これらに近い熱膨張係数を
もつ放熱板材料には、従来よりＡｌＮ，ＳｉＣ，Ｍｏ，
Ｗ，Ｃｕ−Ｗ等が知られているが、これらは単一材料で
あるため、熱伝達係数と熱伝導率を任意にコントロール
することは困難であるとともに、加工性に乏しくコスト
が高いという問題がある。特開平8−78578号公報にはＣ
ｕ−Ｍｏ焼結合金，特開平9−181220号公報にはＣｕ−
Ｗ−Ｎｉ焼結合金,特開平9−209058号公報にはＣｕ−Ｓ
ｉＣ焼結合金，特開平9−15773号公報にはＡｌ−ＳｉＣ
が提案されている。これらの従来公知の複合材は、両成
分の比率を変えることによって熱伝達係数及び熱伝導率
を広範囲にコントロールできるが、塑性加工性が低く、
薄板の製造が困難であり、更に製造工程が多くなるもの
である。

【００１１】本発明の目的は、低熱膨張・高熱伝導性
で、かつ塑性加工性に優れた複合材料とそれを用いた半
導体装置とその放熱板並びに静電吸着装置とその電極板
を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、等方加圧焼結
体にあり、好ましくは第一酸化銅（Ｃｕ₂Ｏ）を５〜８
０体積％含み、残部が銅(Ｃｕ）と不可避的不純物から
なり、前記Ｃｕ₂Ｏ相及びＣｕ相が分散した組織を有
し、室温から３００℃における熱膨張係数が５×１０^-6
〜１７×１０^-6／℃、熱伝導率が３０〜３７５Ｗ／ｍ・
Ｋであり、また導電率が１０〜８５％ＩＡＣＳであるこ
とを特徴とする銅複合材料にある。

【００１３】また、この複合材料は、第一酸化銅（Ｃｕ
₂Ｏ）を５〜８０体積％含み、粒径が５０μｍ以下、好
ましくは１０μｍ以下、より好ましくはその５０体積％
以下が粒径５０〜２００μｍ、残りが５０μｍ以下であ
り、残部が銅（Ｃｕ）と不可避的不純物からなり、前記
Ｃｕ₂Ｏ相及びＣｕ相が配向した組織を有し、室温から
３００℃における熱膨張係数が５×１０^-6〜１７×１０
^-6／℃，熱伝導率が３０〜３７５Ｗ／ｍ・Ｋであり、ま
た導電率が１０〜８５％ＩＡＣＳで、かつ熱伝導率及び
導電率の異方性を有し、配向方向の熱伝導率及び導電率
が配向方向に対して直角な方向のそれらよりも高いこと
が好ましい。

【００１４】本発明に係る複合材料は金属として電気導
電性の高いＡｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ａｌが用いられ、特にＣ
ｕは高融点で高強度を有する点で最も優れている。ま
た、無機化合物として前述のベースの金属に対して極端
に硬さの違う従来のＳｉＣ，Ａｌ₂Ｏ₃等の化合物ではな
く比較的軟かい粒子で焼結後に安定で、２０〜１５０℃
の範囲での平均熱膨張係数が好ましくは５.０×１０^-6
／℃ 以下、より好ましくは３.５×１０^-6／℃ 以下
で、ヴィッカース硬さが３００以下のものが好ましい。
このように無機化合物粒子として軟らかいものを用いる
ことによって焼結後の熱間，冷間による高い塑性加工性
が得られ、特にこれらの圧延が可能になることから、製
造時間が短縮されるとともに比較的薄い板を得ることが
できる。無機化合物粒子として酸化銅，酸化錫，酸化
鉛，酸化ニッケル等が考えられる。しかし、特に熱膨張
係数が最も小さく軟らかい酸化銅、特に第一酸化銅（Ｃ
ｕ₂Ｏ）が好ましい。得られた焼結体は理論密度の９５
％以上が好ましい。

【００１５】更に、本発明の複合材料はＳｉＣ，Ａｌ₂
Ｏ₃等のよりヴィッカース硬さが1000以上の硬い平均粒
径３μｍ以下の微細なセラミックス粒子を５体積％以下
含有させてより強化させるのが好ましい。

【００１６】本発明に係る複合材料の製造方法は、第一
酸化銅（Ｃｕ₂Ｏ）及び銅（Ｃｕ）を含む混合粉末を金
属容器に充填脱気・密封後、７００℃〜１０５０℃で熱
間静水圧圧縮プレス（ＨＩＰ）による等方加圧焼結工程
を有し、又は更に冷間もしくは熱間の少なくともいずれ
か一方で塑性加工する工程と、その後の焼鈍工程と、を
含むことを特徴とする。

【００１７】また、本発明に係る複合材料の製造方法
は、第二酸化銅(ＣｕＯ）を２.７〜４８.８体積％含
み、残部が銅(Ｃｕ）と不可避的不純物からなる混合粉
末を金属容器に充填脱気・密封後、７００℃〜１０５０
℃で熱間静水圧圧縮プレス(HIP)による焼結工程と、冷
間もしくは熱間の少なくともいずれか一方で塑性加工す
る工程と、その後の焼鈍工程と、を含むことを特徴とす
る。

【００１８】本発明は、前述に記載の複合材料よりなる
ことを特徴とする半導体装置用放熱板にある。また、そ
の表面にＮｉめっき層を有することを特徴とする半導体
装置用放熱板にある。

【００１９】本発明は、放熱板上に搭載した複数個の絶
縁基板と、該絶縁基板の各々に搭載された複数個の半導
体素子とを備え、前記絶縁基板は上下面に導体層が設け
られ、該導体層を介して前記放熱板に直接接合されてい
ることを特徴とする。

【００２０】本発明は、放熱板上に搭載した絶縁基板及
び該絶縁基板上に搭載された半導体素子を有する半導体
装置において、前記放熱板は前述に記載の放熱板よりな
ることを特徴とする。

【００２１】本発明は、放熱板上に搭載した半導体素子
と、前記放熱板に接続されたリードフレームと、該リー
ドフレームと半導体素子とを電気的に接続する金属ワイ
ヤとを備え、前記半導体素子を樹脂封止した半導体装置
において、前記放熱板は前述に記載の放熱板よりなるこ
とを特徴とする。

【００２２】本発明は、放熱板上に搭載された半導体素
子と、前記放熱板に接続されたリードフレームと、該リ
ードフレームと半導体素子とを電気的に接続する金属ワ
イヤとを備え、前記半導体素子を樹脂封止するととも
に、前記放熱板の少なくとも前記素子の接合面に対して
反対の面側が開放されている半導体装置において、前記
放熱板は前述に記載の放熱板よりなることを特徴とす
る。

【００２３】本発明は、放熱板上に搭載した半導体素子
と、外部配線接続用ピンを有し、中央部に前記素子に収
納する開放空間を有するセラミックス多層配線基板と、
前記素子と基板の端子とを電気的に接続する金属ワイヤ
とを備え、前記素子を前記空間に設置するように前記放
熱板と前記基板とを接合するとともに前記基板をリッド
によって接合し前記素子を大気より遮断する半導体装置
において、前記放熱板は前述に記載の放熱板よりなるこ
とを特徴とする。

【００２４】本発明は、放熱板上に搭載された半導体素
子と、外部配線接続用端子を有し、中央部に前記素子を
収納する凹部を有するセラミックス多層配線基板と、前
記素子と基板の端子とを電気的に接続する金属ワイヤと
を備え、前記素子を前記凹部に設置するように前記放熱
板と前記基板の凹部とを接合するとともに前記基板をリ
ッドによって接合し前記素子を大気より遮断する半導体
装置において、前記放熱板は前述に記載の放熱板よりな
ることを特徴とする。

【００２５】本発明は、放熱板上に熱伝導性樹脂によっ
て接合された半導体素子と、セラミックス絶縁基板に接
合されたリードフレームと、前記素子とリードフレーム
とを電気的に接続するＴＡＢとを備え、前記放熱板と絶
縁基板とを接合し前記素子を大気より遮断するとともに
前記素子と絶縁基板との間に熱伝導性樹脂弾性体を介在
させた半導体装置において、前記放熱板は前述に記載の
放熱板よりなることを特徴とする。

【００２６】本発明は、第１の放熱板上に金属によって
接合された半導体素子と、接地板が接合された第２の放
熱板の前記接地板上に前記第１の放熱板を搭載し、前記
素子の端子に電気的に接続したＴＡＢとを備え、前記素
子を樹脂封止した半導体装置において、前記放熱板は前
述に記載の放熱板よりなることを特徴とする。

【００２７】本発明は、前述に記載の複合材料よりなる
ことを特徴とする静電吸着装置用電極板にある。

【００２８】本発明は、電極板に電圧を印加することに
より前記電極板上に接合された誘電体板と物体との間に
静電吸引力を生じさせて前記誘電体板の表面に前記物体
を固定する静電吸着装置において、前記電極板は前述に
記載の銅複合材よりなることを特徴とする。

【００２９】本発明における放熱板，電極板は焼結後又
はその後の圧延等による加工後にプレスによる塑性加工
によって最終形状に形成することができる。

【００３０】本発明に係る銅複合材料は、１７.６×１
０^-6／℃の熱膨張係数と３９１Ｗ／ｍ・Ｋの高い熱伝導
率を有するＣｕと１２Ｗ／ｍ・Ｋの熱伝導率と２.７×１
０^-6／℃の低熱膨張率を有するＣｕ₂Ｏを複合化させた
材料であり、半導体装置の放熱板に適用される焼結体組
成として、Ｃｕ−５〜８０体積％Ｃｕ₂Ｏの組成範囲で
選択され、室温から３００℃における熱膨張係数が５×
１０^-6〜１７×１０^-6／℃，熱伝導率が３０〜３７５Ｗ
／ｍ・Ｋであり、また導電率が１０〜８５％ＩＡＣＳを
有することができる。Ｃｕ₂Ｏ含有量は、５％以上で放
熱板に要求される熱膨張係数が得られ、８０体積％以下
で十分な熱伝導性や構造体としての強度が得られるため
である。

【００３１】本発明において、複合材料は基本的に粉末
冶金法によって得られるが、本発明の銅複合材料におい
ては、Ｃｕ粉末とＣｕ₂Ｏ粉末もしくはＣｕＯ粉末を原
料粉として所定比率で混合し、ＨＩＰ焼結して作製す
る。焼結時の等方加圧力によって、ＣｕとＣｕ₂Ｏの粒
子間に存在する空孔がつぶされ、理論密度の９５％以上
の密度を有する焼結体が得られる。高密度化は熱伝導率
及び導電率の向上，塑性加工性の改善に有効である。

【００３２】構成するＣｕ及びＣｕ₂Ｏの硬さが低く、
延性に富むため、圧延，鍛造などの冷間あるいは熱間加
工が可能であり、必要に応じて少なくとも冷間あるいは
熱間のいずれかで塑性加工が施される。加工を付与する
ことによって、材料に熱伝導及び電気伝導の異方性が発
現するが、強度向上や一定方向への伝熱，導電が必要な
用途に対して有効である。

【００３３】原料粉の混合は、Ｖミキサー，ポットミル
あるいはメカニカルアロイング等によって行われるが、
原料粉末の粒径は混合時やＨＩＰ焼結後のＣｕ₂Ｏの分
散性に影響を及ぼすので、Ｃｕ粉末は１００μｍ以下、
Ｃｕ₂Ｏ及びＣｕＯ粉末の粒径は１０μｍ以下、特に１
〜２μｍが好ましい。

【００３４】ＨＩＰ焼結は、加圧力は１０００〜２００
０気圧程度で、７００℃〜１０５０℃で３時間程度が好
ましく、Ｃｕ₂Ｏ含有量の増加につれて温度が高められ
る。焼結温度はベース金属によって異なるが、特にＣｕ
においては７００℃以下では、密度の高い焼結体が得ら
れず、１０５０℃以上ではＣｕとＣｕ₂Ｏの共晶反応に
より部分溶解する危険性があるために好ましくなく、８
００℃〜１０００℃が好適である。

【００３５】本発明においては、原料粉にＣｕＯを用
い、Ｃｕ粉末を混合・充填脱気・密封後に焼結過程でＣ
ｕを内部酸化させて、最終的にＣｕ相とＣｕ₂Ｏ相が分
散した組織を有する焼結体とすることができる。すなわ
ち、ＣｕＯはＣｕと共存する場合、高温においては
（１）式によりＣｕ₂Ｏに変態する方が熱的に安定であ
ることを利用している。

【００３６】２Ｃｕ＋ＣｕＯ → Ｃｕ＋Ｃｕ₂Ｏ …（１）（１）式が平衡に到達するためには所定の時間を要する
が、例えば焼結温度が９００℃の場合には、３時間程度
で十分である。

【００３７】焼結体のＣｕ₂Ｏの粒径は密度，強度ある
いは塑性加工性に影響するので微細であることが好まし
い。しかしながら、粒径は粉末の混合方法に強く影響さ
れ、混合エネルギーが大きい方が粉同士の凝集が少な
く、焼結後に微細なＣｕ₂Ｏ相が得られる。

【００３８】本発明において、混合エネルギーの小さい
ＶミキサーではＣｕ₂Ｏ相はＣｕ₂Ｏ相の５０体積％以下
が粒径５０〜２００μｍで、残部が５０μｍ以下とし、
スチールボールを入れたポットミルでは５０μｍ以下、
そして、最も混合エネルギーの大きいメカニカルアロイ
ングでは１０μｍ以下と規定される。粒径が２００μｍ
以上では、気孔率が大きく増加し、塑性加工が困難にな
り、その量がＣu₂Ｏ相の５０体積％以上になると、熱伝
導率の減少と特性のばらつきの増加を招き、半導体装置
の放熱板に不適となる。より好ましい組織は、５０μｍ
以下のＣu₂Ｏ相がＣｕ相と均一に分散した組織である。
焼結後のＣｕ₂Ｏ粒子は不規則な形状であるが、焼結前
の粒子が連なっているので、より高倍率で見ることによ
り、焼結前の粒子径を見ることができる。Ｃｕ₂Ｏ相は
１０μｍ以下が好ましい。

【００３９】本発明は、前述に記載の半導体装置がエポ
キシ樹脂，球形石英粉及びシリコン重合体を含む又はシ
リコン重合体を含まない組成物により封止されたことを
特徴とする面付実装型又は非面実装型樹脂封止半導体装
置にある。球形石英粉は組成物全体の７０重量％以上、
より好ましくは８０〜９５重量％である。特に、本発明
は、ロジック又はメモリ半導体装置として、厚さ１.５m
m 以下の薄形に対して石英粉が８２〜９０重量％を有
し、シリコン重合体を含まず、石英粉の９０％以上が溶
融球形石英粉からなり、３〜１０％が非球形（角形）の
石英粉が用いられる。

【００４０】また、本発明は、ロジック又はメモリ半導
体装置として、厚さ１.５mm 以上のロジックにおいては
普通の面実装型のＱＦＰ，非面実装型のＤＩＬＰ，メモ
リにおいてはＳＯＪ，ＴＳＯＰの面実装型，非面実装型
のＤＩＬＰに対して充填剤、好ましくは石英粉が７５〜
８１％及びシリコンを有するエポキシ樹脂組成物によっ
て封止されるものである。充填剤のうち粒径５μｍ〜１
００μｍのものの６０〜８０％が溶融球形石英粉が用い
られ、残りが粒径５μｍ未満、好ましくは３μｍ以下の
角形石英粉（粉砕石英粉）を用いるのが好ましい。球形
石英粉は６５〜７５％とするのが好ましい。

【００４１】本発明に係る樹脂封止半導体装置として、
ＳＯＰ，ＰＬＣＣ，ＭＳＰ等の構造に対しても用いられ
る。

【００４２】

【発明の実施の形態】（実施例１）原料粉として、７５
μｍ以下の電解Ｃｕ粉末と純度３Ｎ，粒径１〜２μｍの
Ｃｕ₂Ｏ粉末を用いた。Ｃｕ粉末とＣｕ₂Ｏ粉末を表２
に示す比率で１５０ｇ調合した後、スチールボールを入
れた乾式のポットミル中で１０時間以上混合した。混合
粉末を直径３０mm，高さ５０mmの鉄製容器に注入し、４
００℃で真空脱気・溶接密封後に、ＨＩＰ焼結した。な
お、ＨＩＰは加圧力を１０００気圧とし、Ｃｕ₂Ｏ含有
量に応じて８００℃〜１０００℃の間で変化させ、各温
度で３時間保持した。その後、組織観察，密度、熱膨張
係数，熱伝導率、導電率及びヴィッカース硬さの測定に
供した。熱膨張係数は室温から３００℃の温度範囲でＴ
ＭＡ(Thermal Mechanical Analysis）装置を用いて行
い、熱伝導率はレーザーフラッシュ法、導電率はシグマ
テスターを用い測定した。その結果を表１に併記した。
また、得られた試料Ｎo.５ＨＩＰ焼結体のミクロ組織を
図１に示す。

【００４３】熱膨張係数，熱伝導率及び導電率は、表１
より明らかなように、ＣｕとＣu₂Ｏの組成比を調整する
ことによって、広範囲に亘って変化しており、放熱板に
求められる熱的特性にコントロールできることがわかっ
た。

【００４４】一方、ミクロ組織は図１（２００倍）より
明らかなように、Ｃｕ₂Ｏは混合工程において凝集，焼
結工程において肥大成長するが、粒径は５０μｍ以下で
あり、粒子が複数個連なった複雑な形状をしたＣｕ₂Ｏ
相が均一に分散した緻密な組織となっている。なお、写
真中の白い部分がＣｕ相、黒い部分がＣｕ₂Ｏ相であ
る。Ｃｕ₂Ｏ粒子が３０％以上のものは、複数個の粒子
が連なった塊のものが大部分であり、また、２０％以下
のものはその塊が１００μｍ平方当り１０個以下で、残
りは粒子となっていた。

【００４５】硬さ測定の結果、Ｃｕ相はＨｖ７５〜８
０、Ｃｕ₂ＯがＨｖ２１０〜２３０の硬さであった。

【００４６】

【表１】

【００４７】また、密度はいずれの焼結体とも理論密度
の９５％以上であり、常圧焼結の場合に比べて高密度が
得られた。特に、ＨＩＰの効果はＣｕ₂Ｏ量が多いほど
顕著であった。

【００４８】（実施例２）粉末の混合をＶミキサーで行
った以外は、実施例１と同一の条件でＣｕ−５５体積％
Ｃｕ₂Ｏ焼結体を作製した後に９００℃に加熱して２０
０トンプレスで１／２厚さまで鍛造し、５００℃で軟化
焼鈍した後に、実施例１と同様にミクロ組織，熱伝導率
及び導電率の測定に供した。

【００４９】鍛造材は、側面に多少の耳割れが観察され
たが、それ以外の部分は健全であり、本発明の銅複合材
料は、塑性加工性に優れることが判明した。

【００５０】熱伝導率及び導電率を表２に示すが、鍛造
することによって異方性が生じ、Ｃｕ相及びＣｕ₂Ｏ相
の配向方向（鍛伸方向）に対して平行なＬ方向の熱伝導
率及び導電率は、それに直角なＣ方向（鍛造方向）より
も大きな値を示した。

【００５１】

【表２】

【００５２】ミクロ組織は、サイズが大きく異なるＣｕ
₂Ｏが混在した組織となっており、Ｖミキサーによる混
合中にＣｕ₂Ｏ粒子同士が凝集して生成した５０〜２０
０μｍサイズのものと５０μｍ以下のものの混合組織で
あった。

【００５３】（実施例３）原料粉として、７４μｍ以下
の電解Ｃｕ粉末と純度３Ｎ，粒径１〜２μｍのＣｕＯ粉
末を用い、Ｃｕ粉末とＣｕＯ粉末をＣｕ−２２．４体積
％ＣｕＯの組成比で３００ｇ調合した後、直径８mmの鋼
球を入れた直径１２０mmの遊星ボールミル容器中で２５
時間メカニカルアロイング（ＭＡ）した。その後、混合
粉末を直径３０mm，高さ５０mmの鉄製容器に注入し、４
００℃で真空脱気・溶接密封後に、ＨＩＰ焼結した。Ｈ
ＩＰは加圧力を１０００気圧とし、８００℃×３時間で
行った。その後、組織観察，熱膨張係数及び熱伝導率の
測定，酸化物Ｘ線回折に供した。

【００５４】図２にミクロ組織（２００倍）を示す。写
真から明らかなように、実施例１の図１に比べて、Ｃｕ
₂Ｏは微細であり、粒径１０μｍ以下のＣｕ₂Ｏが均一
分散している。組織の微細化は、焼結体強度の向上や冷
間圧延性の改善に好適である。また、得られた焼結体の
密度は理論密度の９６％であり、同一組成のＭＡ粉を８
００℃×３時間で常圧焼結した場合の８３％に比べて大
きく高密度化された。焼結体について、Ｘ線回折により
酸化物の同定を行った結果、検出された回折ピークはＣ
ｕ₂Ｏのみであり、焼結中にＣｕＯがＣｕ₂Ｏに完全に
変態したことを確認した。また、化学分析の結果、焼結
体組成は、設定通りにＣｕ−４０体積％Ｃｕ₂Ｏであっ
た。

【００５５】一方、熱膨張係数及び熱伝導率は、実施例
１の同一組成のものと同等の値であった。

【００５６】（実施例４）原料粉として、７４μｍ以下
の電解Ｃｕ粉末と純度３Ｎ，粒径１〜２μｍのＣｕＯ粉
末を用い、Ｃｕ−３０体積％Ｃｕ₂Ｏの組成比で１５０
０ｇ調合した後、スチールボールを入れた乾式のポット
ミル中で１０時間以上混合した。そして混合粉末を直径
６０mm，高さ１００mmの鉄製容器に注入し、４００℃で
真空脱気・溶接密封後に、ＨＩＰ焼結した。ＨＩＰは加
圧力を１５００気圧とし、９００℃×３時間で行った。
その後、組織観察，圧延性の検討を行った。圧延は得ら
れた焼結体を９００℃で３mmの厚さに熱間圧延及び酸洗
後、２００μｍの厚さまで冷間圧延した。

【００５７】図３に得られた焼結体のミクロ組織（２０
０倍）を示すが、Ｃｕ₂Ｏ相はＣｕとＣｕＯの酸化反応
により生成したＣｕ₂ＯとＣｕＯが分解して生成したＣ
ｕ₂Ｏからなっており、凝集及び成長肥大化して不規則
な形状を呈しているが、圧延材のミクロ組織は、図４に
示すように、Ｃｕ₂Ｏ相は塑性変形して圧延方向に配向
し、形状も粒状でかつ微細になっている。

【００５８】（実施例５）原料粉として、７４μｍ以下
の電解Ｃｕ粉末と粒径１〜２μｍのＣｕ₂Ｏ粉末を用
い、Ｃｕ−１５体積％Ｃｕ₂Ｏの組成比で１５００ｇ調
合した後、スチールボールを入れた乾式のポットミル中
で１０時間以上混合した。そして混合粉末を直径６０m
m，高さ１００mmの鉄製容器に注入し、４００℃で真空
脱気・溶接密封後に、ＨＩＰ焼結した。ＨＩＰは加圧力
を１５００気圧とし、９００℃×３時間で行った。

【００５９】図５に得られた焼結体のミクロ組織（２０
０倍）を示すが、３０μｍ以下の粒状のＣｕ₂Ｏ相が均
一に分布した組織となっている。

【００６０】次いで、得られた焼結体を４００μｍの厚
さまで冷間圧延して塑性加工性を検討した。Ｃｕ相中に
それよりも硬さの高いＣｕ₂Ｏ相が分散しているため
に、純Ｃｕに比べて変形抵抗が大きくなり、圧延性が劣
る傾向が認められたが、図６に示すように、Ｃｕ₂Ｏ相
は圧延方向に配向する傾向が認められ、またＣｕ相，Ｃ
ｕ₂Ｏ相内及びそれらの境界にはクラック等の欠陥は認
められず、本発明の銅複合材料は、塑性加工性により薄
板化が可能であることが判明した。

【００６１】（実施例６）本発明の銅複合材料を、パワ
ー半導体素子の内、ＩＧＢＴ（Insulated GateBipolar
Transistor；以下ＩＧＢＴと略す）モジュールの放熱板
（ベース板）に適用した実施例を述べる。

【００６２】図７はＩＧＢＴ素子２４個の場合のモジュ
ール内部の平面図、図８はＩＧＢＴ１個の場合のモジュ
ールの断面図を示す。ＩＧＢＴ素子１０１を４個とダイ
オード素子１０２を２個は銅箔２０２，２０３を図示し
ていない銀ろう材でＡｌＮ板２０４に接合したＡｌＮ基
板１０３に半田２０１により接続される。ＡｌＮ基板１
０３上にはエミッタ配線１０４とコレクタ配線１０５，
ゲート配線１０６の領域が形成されており、ＩＧＢＴ素
子１０１とダイオード素子１０２は、コレクタ配線１０
５領域に半田付けされる。各素子からは、金属ワイヤ１
０７によってエミッタ配線１０４に接続される。また、
ゲート配線１０６領域上には抵抗素子１０８が配置さ
れ、半導体素子であるＩＧＢＴ素子１０１のゲートパッ
ドから金属ワイヤ１０７によって抵抗素子１０８に接続
される。半導体素子を搭載した６個のＡｌＮ基板１０３
が半田２０５によって実施例１〜５に記載の本発明に係
る全表面にＮｉめっきされたＣｕ−Ｃｕ₂Ｏ複合材から
なる放熱板１０９に接続される。各絶縁基板間は、端子
２０６と樹脂性のケース２０７が一体になったケースブ
ロック２０８の端子２０６とＡｌＮ基板１０３を半田２
０９によって配線する。また、ケース２０７と放熱板１
０９はシリコンゴム系接着剤２１０によって接続され
る。ケースブロック２０８からの端子は、主端子が各Ａ
ｌＮ基板１０３上でエミッタ端子接続位置１１０，エミ
ッタセンス端子接続位置１１１，コレクタ接続端子位置
１１２が各々２箇所，ゲート端子接続位置１１３が１箇
所で接続される。次に、樹脂注入口を持ったケース蓋２
１１から端子全面が被覆されるようシリコンゲル２１２
を注入し、その後熱硬化型エポキシ樹脂２１３を全面に
注入してモジュールを完成させる。

【００６３】放熱板１０９はＡｌ製支持板にボルトによ
って８ケのボルト穴１１４を通して支持される。ボルト
穴１１４は機械加工によってあけられる。更に、ケース
207は接着剤２１０によって結合される他８ケのボルト
によってボルト穴１１５を通して結合される。

【００６４】表３に一般的に使用されるベース材と、本
発明のＣｕ−Ｃｕ₂Ｏ合金材でＣｕ−３０体積％Ｃｕ₂
Ｏの熱膨張係数と熱伝導率を示す。Ｃｕ−Ｃｕ₂Ｏベ
ース材料を用いた半導体素子は、一般的に使用されるＣ
ｕベースのモジュールに比べて熱膨張係数が小さく、Ａ
ｌＮ基板１０３とベースとなる放熱板１０９を接続する
半田２０９の信頼性を向上させることができる。その一
方で、過酷な使用環境下で半田１０６の信頼性を向上さ
せるために使用されるＭｏやＡｌ−ＳｉＣベースは、Ｃ
ｕ−Ｃｕ₂Ｏベースを用いた半導体素子に比べて熱膨張
係数は小さいが、熱伝導率も小さく、モジュールの熱抵
抗が大きくなる問題が生じる。本実施例のＣｕ−Ｃｕ₂
Ｏベースを搭載したモジュールでは、信頼性（熱疲労
試験寿命）はＣｕベースに比べ５倍以上、熱抵抗は同じ
ベース厚さのモジュールで、Ｍｏベースに比べて０.８
倍以下にすることができる。

【００６５】

【表３】

【００６６】これらの効果により、モジュールの構造や
他の部材の選択の幅を拡げることが可能となる。例え
ば、図７の実施例では、Ｃｕ−Ｃｕ₂Ｏ合金ベース材は
Ｍｏベース材に比べて熱伝導率が大きい、言い換えれば
熱拡がり性が向上するため、動作時の半導体素子端部と
中央部の温度差を小さく抑えられる効果があり、半導体
素子を従来モジュールに比べ約１.２倍に大きくしてい
る。これにより、従来素子では同じ電流量を確保するた
めに、ＩＧＢＴで３０個使用していた構造を２４で設計
が可能になり、モジュールサイズを小型化することがで
きた。さらに、ＡｌＮより熱伝導率が約２０％小さいア
ルミナ基板を絶縁基板に使用することが可能になる。ア
ルミナはＡｌＮに比ベ抗折強度が強く、基板サイズを大
きくすることができる。また、アルミナ板は熱膨張係数
がＡｌＮ板に比べ大きく、ベース材料との熱膨張差を小
さくできるので、モジュール自身の反り量も小さくする
ことができる。アルミナ基板の使用により、基板の許容
サイズを大きくできるので、１枚当りの搭載できる半導
体素子数を多くすることができる。つまり、各絶縁板毎
に必須な絶縁確保用の面積や基板間の面積を減らすこと
ができ、モジュールサイズを小さくすることが可能であ
る。

【００６７】図９は、本実施例のモジュール製造過程の
模式図を示す。(ａ）Ｃｕ−Ｃｕ₂Ｏ放熱板１０９は、表
面がＮｉめっきされ、ほぼ平坦な状態で入荷される。
（ｂ）は半導体素子１０１を半田１０２により接合した
ＡｌＮ基板１０３を半田２０５により接合する。この時
放熱板１０９の熱膨張係数が半導体素子とＡｌＮ基板の
複合体より大きいので、半田の冷却過程でモジュール裏
面が凹の形状で反る。（ｃ）ケースブロック２０８を熱
硬化型の接着剤で組立てる工程で、半田接合完了の複合
体３０１に比べケースの熱膨張係数が大きいため、接着
剤の冷却過程でモジュール裏面がほぼ平坦になる。(ｄ)
モジュール内部にシリコンゲル２１２，熱硬化型エポキ
シ樹脂２１３を充填すると、樹脂の熱膨張係数が大きい
ためモジュール裏面が凸の形状で反る。

【００６８】図１０に、各工程での裏面反り量の実測結
果を示す。変形量がプラスは裏面が凹、マイナスは裏面
凸となるものである。本発明のＣｕ−Ｃｕ₂Ｏベースを
使用すると、反り量は従来のＭｏベースを使用したモジ
ュールに比べると、約１／３に抑えることができる。ま
た、Ｃｕベースの結果は図示していないが、ＡｌＮ基板
との膨張係数差が大きく（ｂ）の工程で裏面が凹の方向
で反り量が大きく、モジュール完成後でも裏面が凹で１
００μｍ以上の反りが発生する。本発明のＣｕ−Ｃｕ₂
Ｏベースではモジュールの反り量を小さくすることが
できるのでモジュールの大型化が可能になる。また、組
立工程での反り量と同じく、モジュール実働時の温度変
化による反りの変化量も小さいので、モジュールと冷却
フィンの間に塗布するグリースの流失を抑えることがで
きる。

【００６９】図１１に、本発明のモジュールを適用した
電力変換装置の一実施例を示す。パワー半導体装置５０
１は、Ａｌ製ヒートシンク５１１上に放熱性グリース５
１０をはさんで締め付けボルト５１２により実装され、
２レベルインバータを構成した例を示す。一般的にモジ
ュール５０１は、中間点（Ｂ点）を一本の中間点配線５
０３で配線できるように左右を反転させて実装する。コ
レクタ側配線５０２とエミッタ側配線５０４は各々Ｕ，
Ｖ，Ｗ相を配線して電源電圧５０９を供給する。信号線
は各ＩＧＢＴモジュール５０１〜ゲート配線５０５，エ
ミッタ補助配線５０６，コレクタ補助配線５０７によっ
て構成する。５０８は負荷である。

【００７０】図１２に、モジュールの反り量及び図１３
にモジュールを実装した場合の締め付け前後のモジュー
ル裏面の反り量（グリース厚さ）を示し、（ａ）が本発
明、（ｂ）が従来法のものである。従来知られているＡ
ｌ−ＳｉＣベースのモジュールの場合、裏面の凸量が約
１００μｍであるが、モジュールをグリースを塗布して
締め付けると、締め付け時にグリースに押されて変形
し、逆にモジュールの裏面が凹の状態に変形して中央部
でのグリース厚さが厚くなり、接触抵抗が大きくなる。
これに対して、本発明のＣｕ−Ｃｕ₂Ｏベースの場合、
初期の裏面の反り量が約５０μｍであるが、ベース材の
剛性が大きいので、グリースを塗布して締め付けた後の
モジュール中央部のグリース厚さを約５０μｍに抑えら
れ、従来のＡｌ−ＳｉＣベースに比べて半減させること
ができた。さらにモジュール内でのグリース厚さのばら
つきも小さくすることができる。実装時のグリースに押
されて変形する問題は、Ｃｕ−Ｃｕ₂Ｏ合金よりも剛性
の小さなＣｕベースモジュールの実装時にも当然発生す
る問題となり、本発明のＣｕ−Ｃｕ₂Ｏ合金で対策でき
る。

【００７１】図に示すように、本発明のＣｕ−Ｃｕ₂Ｏ
合金ベースは従来の高信頼性モジュールで適用されてい
たＭｏあるいはＡｌ−ＳｉＣ等のベース材に比べ熱抵
抗，接触熱抵抗を小さくすることができることを説明し
た。それにより、図１１に示すようにモジュールを細密
の状態で実装できた。さらに、冷却フィンの冷却効率を
下げることができるので電力変換装置の実装面積，体積
を小さくすることができる。また、グリース厚さを薄く
できることから、冷却フィンの平坦度の許容範囲を大き
く設定できるので、大型フィンでの電力変換装置の組立
ても可能になる。また、強制空冷等の補助冷却機能をな
くすこともでき、この点でも小型化，低騒音化を図るこ
とができる。

【００７２】（実施例７）実施例１〜５に記載の本発明
の銅複合材料を放熱板３３として図１４及び図１５に示
すＩＣを搭載したプラスチックパッケージに適用した。
図１４は放熱板内蔵型であり、図１５は放熱板露出型で
ある。

【００７３】放熱板は、モールド樹脂の熱膨張係数を考
慮して、室温から３００℃における熱膨張係数が９×１
０^-6〜１４×１０^-6／℃の範囲となるように、Ｃｕ−２
０〜５５体積％Ｃｕ₂Ｏの範囲内で組成を変えて作製
し、機械加工及びＮｉめっき処理を施して供した。

【００７４】図１４でパッケージ構造を説明する。リー
ドフレーム３１は、絶縁性ホリイミドテープ３２を介し
て本発明の銅複合材料からなるＮｉめっきされた放熱板
３３と接着されている。ＩＣ３４は放熱板３３と半田に
て接合されている。また、Ａｕワイヤ３５でＩＣ上のＡ
ｌ電極とリードフレームが接続されている。これらは、
リードフレームの一部を除き、エポキシ樹脂，シリカ製
フィラー、および硬化剤を主成分とするモールド樹脂３
６で封止されている。図１５に示した放熱板露出型のパ
ッケージは、放熱板３３がモールド樹脂の外部に露出し
ている点が図１４と異なる。

【００７５】上記のようにして実装されたパッケージに
ついて、反りや放熱板とモールド樹脂との接合部分での
クラックの有無を観察した。その結果、モールド樹脂と
放熱板との熱膨張差が０.５×１０^-6／℃ 以下であれば
問題がなく、組成的にはＣｕ−２０〜３５体積％Ｃｕ₂
Ｏが熱伝導率も２００Ｗ／ｍ・Ｋと高く、好適であっ
た。

【００７６】（実施例８）図１６及び図１７は、実施例
１〜５に記載の本発明の銅複合材料を放熱板４２，４８
として用い、ＩＣを搭載したセラミックスパッケージの
断面図を示す。まず、図１６について説明する。ＩＣ４
１はポリイミド系樹脂にてＮｉめっきされた放熱板４２
に接合されている。さらに、放熱板４２とＡｌ₂Ｏ₃製の
パッケージ４３は半田により接合されている。パッケー
ジにはＣｕによる配線がなされ、かつ配線基板との接続
用にピン４４が設けられている。ＩＣ上のＡｌ電極とパ
ッケージの配線とは、Ａｌワイヤ４５で接続されてい
る。これらを封止するために、コバール製のウエルドリ
ング４６をパッケージにＡｇろうで接合し、さらにウエ
ルドリングとコバール製のリッド４７をローラー電極を
用いて溶接した。図１７は、図１６のセラミックスパッ
ケージに放熱フィン４８を接続したパッケージである。

【００７７】（実施例９）図１８及び図１９は、ＴＡＢ
（Tape Automated Bonding）技術を適用し、かつ実施例
１〜５に記載の本発明の銅複合材料を放熱板に使用した
パッケージについて説明する。

【００７８】まず、図１８のパッケージについて説明す
る。ＩＣ５１は熱伝導性樹脂５２を介してＮｉめっきさ
れた本発明に係る放熱板５３を接合されている。ＩＣの
端子にはＡｕバンプ５４が形成され、ＴＡＢ５５と接続
されており、さらにＴＡＢは薄膜配線５６を経由してリ
ードフレーム５７と接続されている。ＩＣはシリコンゴ
ム５８を挿んで、Ａｌ₂Ｏ₃製のセラミックス基板５９，
フレーム６０、およびシーリングガラス６１で密封され
ている。

【００７９】図１９は、樹脂で封止したパッケージであ
る。ＩＣ６５は、Ａｕ−Ｓｉ合金６６により、Ｎｉめっ
きされた本発明に係る放熱板６７と接合されており、さ
らに、熱伝導性樹脂６８により銅接地板６９及びＮｉめ
っきされた本発明に係る放熱板７０と接続されている。
一方、ＩＣの端子は、Ａｕバンプ７１でＴＡＢ７２と接
続され、樹脂７３にて封止されている。ここで、リード
フレーム５７及び放熱板の一部は、封止樹脂の外部に露
出している。また、ＴＡＢはエポキシ系Ａｇペースト７
４で銅接地板に固定されている。

【００８０】（実施例１０）図２０は、実施例１〜５に
記載の本発明の銅複合材料を放熱板に適用したMCMの実
施例を示す。放熱板８３は焼結体又はそれを圧延した後
に所定の形状にプレス加工したものである。

【００８１】ＩＣ８１はＡｕワイヤ８２を用いて、Ｎｉ
めっきされた本発明に係る放熱板８３の上に形成された
薄膜配線８４に接続され、さらに、ＡｕワイヤでＡｌＮ
製のパッケージ８５上に形成されている配線に接続さ
れ、外部端子８６として取り出されている。ＩＣ部は、
４２合金製のリッド８７とパッケージのＷメタライズ層
の間にＡｕ−Ｓｎ製のプリフォーム８８を挿んで接合
し、密封されている。

【００８２】（実施例１１）実施例１〜５に記載の本発
明の銅複合材料を放熱板として、半導体素子が樹脂封止
される半導体装置に適用した実施例を述べる。

【００８３】一例として、ＩＧＢＴ（Insulated Gate B
ipolar Transistor）などのパワー半導体素子を複数個
搭載し、樹脂封止した半導体装置への適用例を示す。図
２１は本発明による半導体装置の断面構成図を示す。パ
ワー半導体素子１１，１２がはんだ接着層１４を介して
Ｃｕ製のリードフレームの電極板部１３の一方の主面上
に固着され搭載される。電極板部１３の他方の主面すな
わち上記部品が搭載された主面の裏面は、絶縁層２を介
して実施例１〜４に記載の本発明に係る全表面にＮｉめ
っきされたＣｕ−Ｃｕ₂Ｏ複合材からなる放熱板６に接
着される。次いで、パワー半導体素子１１，１２は、ア
ルミニウムのワイヤボンデイング部１５によりリード電
極部４，５と電気的に接続され、リード電極部４，５の
一部が端子として外部に導出され、主回路を構成する。
さらに主回路はエポキシ系樹脂からなる樹脂層１によっ
て被覆され構造体をなし、リード電極部４，５の端子
部、並びに放熱板６の裏面を露出する形で構造体全体が
エポキシ系樹脂からなる樹脂層３により一体モールド封
止される。

【００８４】本実施例では、樹脂層３の材料としてエポ
キシ系樹脂材料を用いたが、例えばポリフェニレン系樹
脂など熱可塑性樹脂であってもよい。また、樹脂層２に
は良好な熱伝導性を得るために、アルミナ，マグネシ
ア，シリカなどの無機材料フィラーが含まれることが望
ましい。

【００８５】放熱板は、モールド樹脂の熱膨張係数を考
慮して、室温から３００℃における熱膨張係数が１４×
１０^-6〜１７×１０^-6／℃の範囲となるように、Ｃｕ−
５〜２０体積％Ｃｕ₂Ｏの範囲内で組成を変えて作製
し、機械加工及びＮｉめっき処理を施して供した。

【００８６】上記のようにして実装された半導体装置に
ついて、反りやモールド樹脂あるいは素子のクラックの
有無を観察した。その結果、モールド樹脂と放熱板との
熱膨張差が０.５ ×１０^-6／℃以下となるように、放熱
板のＣｕ₂Ｏ量を調節することで、問題がなく実装でき
ることがわかった。

【００８７】本実施例ではパワー半導体素子１１とし
て、ＩＧＢＴ素子を用いた半導体装置の例について示し
たが、例えばＭＯＳ系トランジスタ，ダイオードなど他
の種類の半導体素子であってもよい。さらに、これら複
数素子の組み合わせによる特定の回路、例えばインバー
タ用パワーモジュールなどであっても良い。また回路中
に抵抗やコンデンサなどの受動素子が含まれていても良
い。これら、電気素子または電子素子はプリント基板の
ような回路基板上に搭載されていても良い。

【００８８】本実施例では、放熱板がモールド樹脂の外
部に露出したタイプについて述べたが、放熱板内蔵型の
パッケージであっても良い。

【００８９】（実施例１２）図２２は、本発明の複合材
料を電極板に使用した静電吸着装置の断面図である。

【００９０】本静電吸着装置は、図２１に示すように、
真空処理室９５内部の減圧雰囲気中で導体または半導体
からなる加工物９０に加工を施すスパッタリング装置の
チャックとして使用可能である。本静電吸着装置の電極
９４に直流電源装置９１からの電圧（５００Ｖ程度）を
印加すると、誘電体板９２と加工物９０との間に静電吸
引力が発生するため、誘電体板９２の表面に加工物９０
を吸着させることができる。本実施例に用いた誘電体板
は実施例１〜５に記載の複合材料を用いた。

【００９１】さて、実際のスパッタリングに際しては、
本静電吸着装置に加工物９０を装着した後、ガス排気口
９７に連結された排気ポンプを駆動することによって、
真空処理室９５の内部圧力が１×１０^-3Ｐａ程度になる
まで真空排気する。その後、ガス導入口９６に取り付け
られたバルブを開放することによって、真空処理室９５
の内部に反応ガス（アルゴンガス等）を１０ＳＣＣＭ程
度導入する。このときの真空処理室９５の内部圧力は２
×１０^-2Ｐａ程度である。

【００９２】その後、本静電吸着装置の電極９４の高周
波電源１３から、約４ｋＷの高周波電力(１３.５６ＭＨ
ｚ）を供給することによって、本静電吸着装置の電極９
４と他の電極（不図示）との間にプラズマを生成させ
る。この場合の高周波印加電圧のＶＤＣ及びＶＰＰは、
２ｋＶ及び４ｋＶである。尚、本静電吸着装置の電極９
４と高周波電源９３との間に挿入されているマッチング
ボックス９８は、高周波電力がプラズマに効率的に供給
されるように真空処理室９５側とのインピーダンス整合
をとるためのものである。

【００９３】このスパッタリング装置を実際に使用した
結果、加工中に加工物９０の温度は４５０℃程度にまで
達したが、本静電吸着装置の誘電体板９２には、異物発
生の発生原因となる割れ等の発生は認められなかった。
このことは、本静電吸着装置の使用が、加工の信頼性の
向上に有用であることを意味する。

【００９４】尚、スパッタリング装置の他、減圧雰囲気
で導体または半導体（例えば、シリコン基板）からなる
加工物に加工を施す加工装置(いわゆる、減圧中加工装
置)、例えば、化学的気相蒸着装置，物理的蒸着装置，
ミリング装置，エッチング装置，イオン注入装置等のチ
ャックとして本静電吸着装置を使用しても、加工の信頼
性の向上という同様な効果が達成されることはいうまで
もない。

【００９５】本実施例によれば、誘電体板と電極の熱膨
張を調節することが可能であり、その耐熱性を向上させ
ることができる。従って、本発明に係る静電吸着装置を
減圧中加工装置のチャックとして利用すれば、誘電体板
の割れ等に起因する異物の発生率を低減させることでき
る。

【００９６】また、電極板あるいは電極板の下部に加熱
用のヒーターを組み込んだ場合でも、熱膨張率を調節す
ることで加工の信頼性向上という同様な効果が達成され
る。（実施例１３）実施例１〜５によって得られた焼結材を
用いて塑性加工を施した後、所望の厚さまで冷間圧延に
よってリードフレーム用のテープを製造した。更に、引
き続いてプレス加工によって複数の半導体素子搭載分の
リードフレームを得た。本実施例ではリードフレーム１
００はＣｕとＣｕ₂Ｏの複合材から構成されている。

【００９７】ＣｕとＣｕ₂Ｏの複合材は加工性が優れて
いるためこのような形状のリードフレームを薄板の打抜
き法により作成できる。この表面にＮｉめっきを施し
た。

【００９８】本発明の他の実施例のリードフレーム形状
として、リードフレーム１００のチップ搭載部はリード
フレーム１００の他の部分よりＣｕ₂Ｏの含有率が高く
なっている。このため半導体チップとの熱膨張係数差が
小さくなり熱疲労や熱応力がさらに低減できる。また、
他の部分のＣｕ₂Ｏの含有率が低いかあるいはほぼＣｕ
から構成されるため高い導電率であるためパワートラン
ジスタの低オン抵抗化やＩＣ等の高容量化に有効であ
る。

【００９９】（実施例１４）図２３は、実施例１３で得
られたリードフレームにＬＳＩシリコン素子３００を搭
載し、エポキシ樹脂によって樹脂封止した面実装型樹脂
封止半導体装置の斜視図である。エポキシ樹脂３０９は
以下に説明する充填材を有する樹脂を用いたものであ
る。３０５はＡｕ線、３０６はそのダイボンディング、
３０７はアウターリード、３０８はサポートバーであ
る。

【０１００】表４に示す各種充填剤及びエポキシ樹脂組
成物を８０℃に加熱した二軸ロールで１０分間混練し
た。

【０１０１】得られた球状充填材を用いた組成物は、角
状の充填材を用いた組成物とゲル化時間はほとんど同じ
でも、溶融粘度が極めて低く、また、流動性も大きい。
さらに、ＲＲＳ粒度線図で表示した勾配ｎが小さな値の
充填材を配合した組成物ほど溶融粘度が低く流動性が大
きいものである。ｎ値が０.６以下では、溶融粘度（１
８０℃）がやや上昇するので好ましくない。

【０１０２】

【表４】

【０１０３】また、充填材として球状充填材（球−１）
を用い、その添加量として７０，７５，８０及び８５重
量％の樹脂組成物をそれぞれ作成した。

【０１０４】これらの樹脂組成物を用いてトランスファ
成形し、１８０℃／６時間の後硬化を行って室温の線膨
張係数，曲げ弾性率，熱応力を測定した。

【０１０５】さらにまた、表面にアルミニウムのジグザ
グ配線を形成した半導体素子をトランスファプレス封止
し、−５５℃／３０分⇔＋１５０℃／３０分の２０００
サイクルの冷熱サイクル試験を行い、封止樹脂層の耐ク
ラック性，リード・金ワイヤボンディング，アルミニウ
ム配線の接続信頼性（抵抗値が５０％以上変化した場合
を不良と判定）を評価した。これらの結果を表５に示
す。

【０１０６】表５より、シリコン重合体を含み充填剤が
８０重量％以上の組成物は、線膨張係数が１.３×１０
^-5／℃ 以下と小さく、弾性率の増加も少ない。従って
インサートに生じる熱応力も小さいことが分かる。

【０１０７】本実施例のような樹脂組成物を用いた樹脂
封止型半導体装置は、冷熱サイクル試験のような熱衝撃
が加えられても耐クラック性や配線の接続信頼性が極め
て優れている。

【０１０８】本実施例においては、シロキサンを含まな
い樹脂組成物に対して粒径１００μｍ以下の球形石英粉
を充填剤の９５％とし、残りを粒径１０μｍ以下の角形
石英粉を用い、全体で８５重量％とした。また、シロキ
サンを含む樹脂組成物に対して粒径１００μｍ以下の球
形石英粉を充填剤の７０％とし、残りを粒径５μｍ以下
の角形石英粉を用い、全体で８０.５重量％とした。

【０１０９】

【表５】

【０１１０】ＲＲＳ粒度線図とは、Ｒosin−Ｒammlerの
式に従う粒度分布を表わす粒度線図（日本粉体工業協会
頒布：粉体工学ハンドブック５１〜５３頁）のことであ
る。Ｒ(Ｄｐ)＝１００exp(−ｂ・Ｄｐⁿ) …（１）〔但し、Ｒ(Ｄｐ)：最大粒径から粒径Ｄｐまでの累積重
量％，Ｄｐ：粒径，ｂおよびｎ：定数〕ＲＲＳ粒度線図における勾配とは、ＲＲＳ粒度線図の最
大粒径からの累積重量％が、２５％と７５％の二点を結
んだ直線で代表されるＲosin−Ｒammlerの式のｎの値の
ことを言う。

【０１１１】充填材の原石を微粉砕した場合の粒度分布
は、Ｒosin−Ｒammlerの式と一致し、この式に基づく粒
度分布を表わすＲＲＳ粒度線図では、ほぼ直線を示すと
されている。

【０１１２】本発明者らは、各種充填材の粒度分布を測
定したところ、特別のふるい分けをしない限り、いずれ
の充填材もその９０重量％以上がＲＲＳ粒度線図で、ほ
ぼ、直線性を示し、上式によく適合することを確認して
いる。

【０１１３】本発明で用いる球状の溶融石英粉は、予め
所定の粒度分布に粉砕した溶融石英粉を、プロパン，ブ
タン，アセチレン，水素などの可燃性ガスを燃料とする
溶射装置から発生させた高温火炎中に一定量ずつ供給し
て溶融後冷却した球形のものが最も好ましい。上記の溶
融石英はそれ自身の線膨張係数が比較的小さく、イオン
性不純物も極めて少ないので、半導体素子封止用樹脂組
成物材料として適している。

【０１１４】充填材の９０重量％以上が粒径０.５〜１
００μｍの範囲とするのが好ましい。０.５μｍ未満
の微粒子が多くなると、樹脂組成物のチクサトロピック
性が大きくなり、粘度上昇や流動性が低下する。また、
１００μｍを超える粒子が多くなると封止する際に、半
導体素子のＡｕ線を変形，切断したり、粗い粒子が金型
中で目詰りを起こして、樹脂の充填不良等が発生し易く
なるためである。

【０１１５】次に、ＲＲＳ粒度線図で示す勾配ｎを０.
６〜０.９５とするのが最も好ましく、ｎが０.９５よ
り大きくなると充填材の嵩張り、樹脂組成物の粒度上昇
や流動性の低下が起こる。そこで、ｎはできるだけ小さ
い値が望ましいが、本発明において充填材の９０％以上
が０.５〜１００μｍの粒径範囲にあることが望まし
く、ｎ値０.６と言うのは、この条件内でとり得る最小
の値である。

【０１１６】本発明で用いるシリコン重合体は、アミノ
基，カルボキシル基，エポキシ基，水酸基，ピリミジン
基等の官能基を末端あるいは側鎖に持つポリジメチルシ
ロキサンである。

【０１１７】常温で固体のエポキシ樹脂は、半導体封止
材料としてクレゾールノボラック型エポキシ樹脂，フェ
ノールノボラック型エポキシ樹脂，ビスフェノールＡ型
エポキシ樹脂等を指し、硬化剤としてフェノールノボラ
ックやクレゾールノボラック等のノボラック樹脂，無水
ピロメリット酸や無水ベンゾフェノン等の酸無水物等を
用い、さらに硬化促進剤，可撓化剤，カップリング剤，
着色剤，難燃化剤，離型剤等を必要に応じて配合するこ
とができる。

【０１１８】このエポキシ樹脂組成物は、各素材を７０
〜１００℃に加熱した二軸ロールや押出機で混練し、ト
ランスファプレスで金型温度１６０〜１９０℃，成形圧
力３０〜１００kg／cm²，硬化時間１〜３分で成形する
ことができる。

【０１１９】硬化物の線膨張係数は前述の如く１.３×
１０^-5／℃ 以下と小さくすることにより、弾性率も小
さくできる。従って、封止時の半導体素子のＡｕボンデ
ィングワイヤの変形，断線が少なく、線膨張係数の差に
基づく熱応力が小さいために、耐温度サイクル性，耐熱
性，耐湿性等が良好である。

【０１２０】充填材として石英粉を溶融し球形化するこ
とにより、かさばりが小さくなり高充填化し易い。さら
に、半導体素子の封止の際、充填材の角部が素子を損傷
して素子特性に悪影響を及ぼすのを防ぐことができる。
さらに、シリコン重合体を配合したことにより弾性率を
小さくすることができ、線膨張係数の違いによって生じ
る熱応力をより小さくすることができる。

【０１２１】

【発明の効果】本発明の複合材料は、低熱膨張で高熱伝
導性を有するとともに高い塑性加工性を有することから
製造工程が短縮され多量生産が可能となる顕著な効果を
有する。

【０１２２】また、本発明の複合材料は、特に高熱伝導
性を有するＣｕ相と低熱膨張性のＣｕ₂Ｏ相からなる混
合組織を有するために、両方の特性を兼ね備えている。
また、本発明の複合材料は、Ｃｕ及びＣｕ₂Ｏ両者の含
有量を調整することにより、低熱膨張係数で高熱伝導率
を得ることができる。本発明の用途として、半導体装置
に搭載される放熱板や静電吸着装置の電極板に適用でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１に係る試料Ｎo.５（Ｃｕ−４
０体積％Ｃｕ₂Ｏ）焼結体のミクロ組織を示す光学顕微
鏡写真。

【図２】本発明の実施例３に係るＣｕ−２２.４体積％
ＣｕＯ焼結体のミクロ組織を示す光学顕微鏡写真。

【図３】本発明の実施例４に係るＣｕ−３０体積％Ｃｕ
₂Ｏ焼結体のミクロ組織を示す光学顕微鏡写真。

【図４】本発明の実施例４に係るＣｕ−３０体積％Ｃｕ
₂Ｏの圧延材の鍛伸方向に平行な面のミクロ組織を示す
光学顕微鏡写真。

【図５】本発明の実施例５に係るＣｕ−１５体積％Ｃｕ
₂Ｏ焼結体のミクロ組織を示す光学顕微鏡写真。

【図６】本発明の実施例５に係るＣｕ−１５体積％Ｃｕ
₂Ｏの圧延材の鍛伸方向に平行な面のミクロ組織を示す
光学顕微鏡写真。

【図７】本発明の実施例６に係るＩＧＢＴモジュールの
平面図。

【図８】本発明の実施例６に係るＩＧＢＴモジュールの
断面図。

【図９】本発明の実施例６に係るＩＧＢＴモジュールの
製造工程の模式図。

【図１０】本発明の実施例６に係るＩＧＢＴモジュール
の各工程でのベース反り量を示す線図。

【図１１】本発明の実施例６に係るＩＧＢＴモジュール
を実装した電力変換装置の平面図及びその断面図。

【図１２】本発明の実施例６に係るＩＧＢＴモジュール
を実装した電力変換装置のモジュールの実装前の反り
量。

【図１３】実装後における反り量を示す線図。

【図１４】本発明の実施例７に係る放熱板内蔵型プラス
チックパッケージの断面図。

【図１５】本発明の実施例７に係る放熱板露出型プラス
チックパッケージの断面図。

【図１６】本発明の実施例８に係るセラミックスパッケ
ージの断面図。

【図１７】本発明の実施例８に係る放熱フィン付きセラ
ミックスパッケージの断面図。

【図１８】本発明の実施例９に係る半導体装置の断面
図。

【図１９】本発明の実施例９に係る半導体装置の断面
図。

【図２０】本発明の実施例１０に係るＭＣＭの断面図。

【図２１】本発明の実施例１１に係る放熱板露出型プラ
スチックパッケージの断面図。

【図２２】本発明の実施例１２に係る静電吸着装置の断
面図。

【図２３】樹脂封止型半導体装置の斜視図。

【符号の説明】

３１，１００…リードフレーム、３３，４２，５９，１
０９…放熱板、４８…放熱フィン、３００…ＬＳＩシリ
コン素子。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｌ 23/373 Ｂ２２Ｆ 3/14 Ｈ // Ｃ２２Ｃ 1/04 Ｈ０１Ｌ 23/36 Ｍ (72)発明者阿部輝宜茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者金田潤也茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者青野泰久茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者斉藤隆一茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者小池義彦茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内Ｆターム(参考） 4K018 AA04 AB01 AC01 AD09 EA11 FA05 FA08 JA01 KA33 KA37 4K020 AA22 AB01 AC04 BB09 BC02 5F031 CA02 FA01 FA07 HA02 HA03 HA16 HA37 MA28 MA29 MA31 MA32 NA04 NA05 PA11 5F036 AA01 BB01 BD01 BD11

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属と該金属よりも熱膨張係数が小さい無
機化合物粒子とを有し、前記化合物粒子は該粒子全体の
９５％以上又は５０％以下が互いに連なった複雑形状の
塊となって分散した等方加圧焼結体からなることを特徴
とする複合材料。
【請求項２】金属と該金属よりも熱膨張係数が小さい無
機化合物粒子とを有し、前記化合物粒子は単独で存在す
る粒子の数が断面で１００μｍ平方内に１００個以下で
あり、残りの前記化合物粒子は複数個が互いに連なった
複雑形状の塊となって分散又は前記化合物粒子は複数個
が互いに連なった塊が１００μｍ平方当り１０個以下分
散した等方加圧焼結体よりなることを特徴とする複合材
料。
【請求項３】金属と該金属よりも熱膨張係数が小さい無
機化合物粒子を有し、前記化合物粒子はヴィッカース硬
さが３００以下であり、等方加圧焼結体よりなることを
特徴とする複合材料。
【請求項４】金属と該金属よりも熱膨張係数が小さい無
機化合物粒子とを有し、２０℃での熱伝導率１ｗ／ｍ・
Ｋ当りの２０〜１５０℃の平均熱膨張係数の増加率が0.
025〜０.０３５ppm／℃であり、等方加圧焼結体よりな
ることを特徴とする複合材料。
【請求項５】金属と該金属よりも熱膨張係数が小さい無
機化合物粒子とを有し、前記化合物粒子は互いに連なっ
た塊が塑性加工によって伸ばされた方向に延びて分散し
た等方加圧焼結体よりなることを特徴とする複合材料。
【請求項６】銅と酸化銅粒子とを有し、前記酸化銅粒子
は断面の面積率で前記粒子の全体の９５％以上又は５０
％以下が互いに連なった複雑形状の塊となって分散した
等方加圧焼結体よりなることを特徴とする複合材料。
【請求項７】請求項１〜６のいずれかに記載の複合材料
よりなることを特徴とする半導体装置用放熱板。
【請求項８】請求項７において、表面にＮｉめっき層を
有することを特徴とする半導体装置用放熱板。
【請求項９】放熱板上に搭載された絶縁基板及び該絶縁
基板上に搭載された半導体素子を有する半導体装置にお
いて、前記放熱板は請求項７又は８に記載の放熱板より
なることを特徴とする半導体装置。
【請求項１０】放熱板上に搭載された半導体素子と、前
記放熱板に接続されたリードフレームと、該リードフレ
ームと半導体素子とを電気的に接続する金属ワイヤとを
備え、前記半導体素子を樹脂封止した半導体装置におい
て、前記放熱板は請求項７又は８に記載の放熱板よりな
ることを特徴とする半導体装置。
【請求項１１】放熱板上に搭載された半導体素子と、前
記放熱板に接続されたリードフレームと、該リードフレ
ームと半導体素子とを電気的に接続する金属ワイヤとを
備え、前記半導体素子を樹脂封止するとともに、前記放
熱板の少なくとも前記素子の接合面に対して反対の面側
が開放されている半導体装置において、前記放熱板は請
求項７又は８に記載の放熱板よりなることを特徴とする
半導体装置。
【請求項１２】放熱板上に搭載された半導体素子と、外
部配線接続用ピンを有し、中央部に前記素子を収納する
開放空間を有するセラミックス多層配線基板と、前記素
子と基板の端子とを電気的に接続する金属ワイヤとを備
え、前記素子を前記空間に設置するように前記放熱板と
前記基板とを接合するとともに前記基板をリッドによっ
て接合し前記素子を大気より遮断する半導体装置におい
て、前記放熱板は請求項７又は８に記載の放熱板よりな
ることを特徴とする半導体装置。
【請求項１３】放熱板上に搭載された半導体素子と、外
部配線接続用端子を有し、中央部に前記素子を収納する
凹部を有するセラミックス多層配線基板と、前記素子と
基板の端子とを電気的に接続する金属ワイヤとを備え、
前記素子を前記凹部に設置するように前記放熱板と前記
基板の凹部とを接合するとともに前記基板をリッドによ
って接合し前記素子を大気より遮断する半導体装置にお
いて、前記放熱板は請求項７又は８に記載の放熱板より
なることを特徴とする半導体装置。
【請求項１４】放熱板上に熱伝導性樹脂によって接合さ
れた半導体素子と、セラミックス絶縁基板に接合された
リードフレームと、前記素子とリードフレームとを電気
的に接続するＴＡＢとを備え、前記放熱板と絶縁基板と
を接合し前記素子を大気より遮断するとともに前記素子
と絶縁基板との間に熱伝導性樹脂弾性体を介在させた半
導体装置において、前記放熱板は請求項７又は８に記載
の放熱板よりなることを特徴とする半導体装置。
【請求項１５】第１の放熱板上に金属によって接合され
た半導体素子と、接地板が接合された第２の放熱板の前
記接地板上に前記第１の放熱板を搭載し、前記素子の端
子に電気的に接続したＴＡＢとを備え、前記素子を樹脂
封止した半導体装置において、前記放熱板は請求項７又
は８に記載の放熱板よりなることを特徴とする半導体装
置。
【請求項１６】請求項１〜６のいずれかに記載の複合材
料よりなることを特徴とする静電吸着装置用電極板。
【請求項１７】電極層に電圧を印加することにより前記
電極層上に接合された誘電体板と物体との間に静電吸引
力を生じさせて前記誘電体板の表面に前記物体を固定す
る静電吸着装置において、前記誘電体板は請求項１６に
記載の電極板よりなることを特徴とする静電吸着装置。
【請求項１８】請求項１〜６のいずれかにおいて、表面
にＮｉめっき層を有することを特徴とするリードフレー
ム。
【請求項１９】半導体素子と、該半導体素子を搭載した
リードフレームと、該リードフレームと半導体素子とを
電気的に接続する金属ワイヤとを備え、前記半導体素子
が樹脂組成物によって封止されている半導体装置におい
て、前記リードフレームは請求項１〜６のいずれか又は
１８に記載のリードフレームよりなることを特徴とする
半導体装置。
【請求項２０】前記樹脂組成物はエポキシ樹脂及び無機
充填剤又はエポキシ樹脂，無機充填剤及びシリコン重合
体を含む組成物からなる請求項１９に記載の半導体装
置。
【請求項２１】前記無機充填剤は球形石英粉からなり、
その９０重量％以上が０.５〜１００μｍの粒径を有す
ることを特徴とする請求項２０に記載の半導体装置。
【請求項２２】前記球形石英粉が石英粉を溶融して球形
化した溶融球形石英粉であることを特徴とする請求項２
０又は２１に記載の半導体装置。