JP2003152144A - 複合材及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
率を有し、強度的にも優れ、半導体装置等の電子部品を
搭載するための放熱用基板材として好適な複合材の製造
コストを低減する。 【解決手段】 複合材11はエキスパンドメタル12と、エ
キスパンドメタル12を囲繞するマトリックス金属13とで
構成されている。エキスパンドメタル12は線膨張率が8
×10−6/℃以下の金属板から形成されている。エキ
スパンドメタル12はインバー(36重量%のNiを含有す
るFe−Ni系合金)で形成されている。マトリックス
金属13には熱伝導率が200W/(m・K)以上の金属
としてCuが使用されている。
Description
造方法に係り、詳しくは半導体装置等の電子部品を搭載
するための放熱用基板材として好適な複合材、あるいは
半導体装置の配線材として好適な複合材及びその製造方
法に関するものである。
するため、使用中の発熱による昇温で性能が劣化しない
ように、冷却する必要がある。そして、従来、半導体装
置の実装方法として、放熱板(放熱用基板材)を介して
実装する方法が実施されている。
示すように、ケースを構成するアルミニウムベース41
の上にヒートシンク42が図示しないネジ、あるいは半
田により固定され、ヒートシンク42上には両面に金属
(Al)層43aが形成された絶縁基板43が半田を介
して固定されている。そして、絶縁基板43の金属層4
3a上に半田を介して半導体装置等の電子部品44が実
装されている。絶縁基板43は窒化アルミニウム(Al
N)で形成されている。ヒートシンク42には、低膨張
率で高熱伝導率の材料として、金属マトリックス相にセ
ラミックスを分散させた金属基複合材料、例えばSiC
粒子をアルミニウム基材に分散させたものが使用されて
いる。
属基複合材料は高価で、加工性が悪いため、低コストで
加工性の良い放熱用基板材料が提案されている。例え
ば、特開平6−77365号公報には、銅、銅−タング
ステン又は銅−モリブデンでつくられた金属板と、モリ
ブデン又はタングステンの金属細線を編んだ金属網とを
重ね合わせて一体化してなる放熱用基板材料が提案され
ている。図17(a),(b)に示すように、この放熱
用基板材料47は金網45を金属板46で挟むように重
ね合わせた状態で加熱、圧延して、金属板46と金網4
5とを一体化した積層体とすることで形成される。
は、モリブデン又はタングステンの金属細線を編んだ金
属網に銅、銅−タングステン又は銅−モリブデンからな
る含浸材を含浸させて一体化した放熱用基板材料が提案
されている。
は、図18に示すように、熱膨張率が8×10−6/℃
以下の金属又は合金からなり、多数の孔48aが形成さ
れた基材48の孔48aに、熱伝導率が210W/(m
・K)以上の金属又は合金でなる高熱伝導材料を充填し
た半導体装置用基板が提案されている。高熱伝導材料と
しては、Cu、Al、Ag、Au及びこれらを主体とす
る合金が使用され、基材48の材質として30〜50重
量%のNi及び残部が実質的にFeよりなるインバー合
金や、Coを含むスーパーインバー合金などが使用され
る。また、基材48に形成される孔48aは、素材を平
板状に加工した後、打ち抜き加工する方法や、精密鋳造
法(ロストワックス法)により鋳造時点で孔48aを形
成する方法により形成される。
ップ(シリコン素子)に直接あるいはシリコンチップに
設けられたパッドと、他の電極とを配線で接続する必要
がある。配線としてアルミニウムワイヤ等の線状材を使
用するのが一般的である。しかし、線状材を使用する
と、ワイヤボンディングの時に素子の損傷が発生した
り、半導体装置の動作中の発熱に伴う温度上昇により、
ワイヤとシリコン素子との熱膨張の差に基づく熱応力に
より接合部が劣化あるいは断線する場合がある。
216305号には、半導体素子の活性領域となる半導
体層の上に、素子の外部の電極と電気的に接続される複
数のボンディングパッドを有する半導体装置において、
複数のボンディングパッド同士を板状の導電性部材で接
続することが開示されている。
金属板46とを重ねて加熱、圧延して一体化された積層
体は、圧延したときに金網45を構成する金属細線45
aの重なった部分及びその近傍に金属が入り込まず、図
19に示すように、金属細線45aの重なった部分及び
その近傍に空間Δが生じ易い。その結果、空気が存在す
る分、熱伝導性が悪くなるとともに、熱膨張及び熱収縮
の繰り返しにより空隙部からクラックが発生し易くな
り、強度的にも弱くなる。金網45の強度を高めるた
め、金属細線45aの接点を溶接で接合することが考え
られる。しかし、電子部品を搭載するための放熱用基板
材料に使用する金網45のように、金属細線45aを使
用した編み目が小さな金網の場合は、溶接で接点を接合
するのが難しい。
るためには、熱膨張率の小さな金属の占める体積をでき
る限り大きくする必要がある。しかし、金網45を使用
する構成では、孔48aに相当する編み目の部分の他
に、金網45を構成する金属細線45aの湾曲部と対応
する部分47a(図20(a)に示す箇所)にも金属が
存在する構成となる。従って、図20(b)に示す平板
状の金属板49に孔49aを形成したものを金属50で
囲繞する構成に比較して、熱膨張率の小さな金属の占め
る体積の割合を大きくすることが難しい。
示された半導体装置用基板の場合は、金網45を使用し
た場合の不具合は解消できる。しかし、素材を平板状に
加工した後、打ち抜き加工する方法で孔を形成する場合
は、打ち抜き加工する分、素材の歩留まりが低くなり材
料費が高くなる。また、精密鋳造法(ロストワックス
法)により製造する場合は製造コストが高くなる。
た、板状の導電性部材で接続する方法では、半導体素子
の熱膨張率と、板状導電材料の熱膨張率との差が大き
く、半導体装置の動作中の発熱による熱応力で板状導電
材料の配線が断線する虞がある。
たものであって、その第1の目的は、金網を使用した場
合に比較して良好な熱伝導率を有し、強度的にも優れ、
半導体装置等の電子部品を搭載するための放熱用基板材
として好適で、かつ製造コストを低減できる複合材を提
供することにある。第2の目的は、半導体装置の配線材
として好適な複合材を提供することにあり、第3の目的
は、その製造方法を提供することにある。
め請求項1に記載の発明の複合材は、線膨張率が8×1
0−6/℃以下の金属板から形成されたエキスパンドメ
タルにより熱膨張を抑制し、熱伝導率が200W/(m
・K)以上の金属で熱伝導率を確保するように、両者を
板状に複合した。「エキスパンドメタル」とは金属板に
細かい切れ目を交互に入れたものを引っ張り、金網状に
広げたものを意味する。
℃以下の金属板製のエキスパンドメタルと、熱伝導率が
200W/(m・K)以上の金属からなるマトリックス
とで複合材が形成されている。そして、複合材の線膨張
率はエキスパンドメタルにより小さく抑えられ、熱伝導
率はマトリックス金属により確保される。エキスパンド
メタルを使用することにより、金網を使用した場合に比
較して熱伝導性及び強度に優れる。また、平板状の金属
板に精密鋳造法や打ち抜きにより孔を形成したものを使
用する場合に比較して製造コストを低減できる。
載の発明において、前記エキスパンドメタルを、熱伝導
率が200W/(m・K)以上の金属で囲繞して板状と
した。この発明では、エキスパンドメタルが、熱伝導率
が200W/(m・K)以上の金属で囲繞されているた
め、複合材の表面にエキスパンドメタルの一部が露出し
ている構成に比較して厚さ方向の熱伝導率が向上する。
載の発明において、前記エキスパンドメタルを熱伝導率
が200W/(m・K)以上の金属板の間に挟んだ状態
で圧延・接合して形成した。この発明では、マトリック
スとなる金属を溶融状態とするほど高温にせずに複合材
を製造できる。
載の発明において、前記エキスパンドメタルがセットさ
れた成形型内に熱伝導率が200W/(m・K)以上の
金属の溶湯を流し込んで得られた成形体を圧延して所定
の厚さに調整して形成した。この発明では、エキスパン
ドメタルの開口部が小さくても確実に溶融金属が充填さ
れ、所望の厚さの複合材の製造が容易になる。
載の発明において、前記エキスパンドメタルを熱伝導率
が200W/(m・K)以上の金属浴に浸漬して取り出
すことにより形成した。この発明では、前記複合材の製
造が簡単になる。
載の発明において、前記エキスパンドメタルは少なくと
も2枚使用され、エキスパンドメタルが複合材の表裏両
面に配置された状態で、熱伝導率が200W/(m・
K)以上の金属が前記エキスパンドメタルの間及びエキ
スパンドメタルの網目内に存在する。この発明では、エ
キスパンドメタルが、複合材の表裏両面に露出している
ため、エキスパンドメタルの全体が、熱伝導率が200
W/(m・K)以上の金属で囲繞された構成に比較し
て、複合材の表裏両面付近の熱膨張の抑制効果が高くな
る。
載の発明では、板状の導電性部材の端部に、線膨張率が
8×10−6/℃以下の金属板から形成されたエキスパ
ンドメタルにより熱膨張を抑制し、熱伝導率が200W
/(m・K)以上の金属で熱伝導率を確保するように構
成した板状の膨張抑制部を設けた。
して使用し、熱膨張抑制部の有る側において、導電性部
材が半導体素子側となるように接合すれば、導電性部材
が熱膨張する際にその膨張が熱膨張抑制部によって抑制
される。その結果、配線材が半導体装置の動作中の発熱
に伴う熱応力によって断線する事態に至ることが防止さ
れる。
部材の端部に、線膨張率が8×10 −6/℃以下の金属
板から形成されたエキスパンドメタルと、熱伝導率が2
00W/(m・K)以上の金属の板とを前記導電性部材
及び前記金属の板の素材の少なくとも一方が前記エキス
パンドメタルの網目内に充填される状態で積層した膨張
抑制部を設けた。この発明では、膨張抑制部を挟んで導
電性部材と反対側に熱伝導率が200W/(m・K)以
上の金属の板が積層されているため、金属の板がない場
合に比較して放熱性が向上する。
部材の端部に、線膨張率が8×10 −6/℃以下の金属
板から形成されたエキスパンドメタルと、板状の絶縁部
材とを少なくとも前記導電性部材の素材が前記エキスパ
ンドメタルの網目内に充填される状態で積層した膨張抑
制部を設けた。この発明では、膨張抑制部の上に絶縁部
材が積層されているため、複合材を配線材として使用す
る場合、配線材と半導体素子との接合作業の際に、配線
材との絶縁性を保持する手段を特に設ける必要がない。
従って、作業が容易となる。
記載の発明において、前記絶縁部材はゴム製である。こ
の発明では、絶縁部材がゴム製のため、膨張抑制部に衝
撃が加わり難い。
請求項10のいずれか一項に記載の発明において、前記
エキスパンドメタルはインバー又はそれと同程度の線膨
張率を有するFe−Ni系合金で形成されている。この
発明では、複合材の線膨張率を半導体装置等の電子部品
を搭載するための放熱用基板材や、半導体装置の配線材
として好適な値にするのが容易になる。
請求項11のいずれか一項に記載の発明において、前記
熱伝導率が200W/(m・K)以上の金属としてCu
が使用されている。この発明ではマトリックスとなる金
属に熱伝導率が390W/(m・K)と大きなCuが使
用されるため、貴金属に比較して安価に入手でき、しか
も複合材の放熱性が良くなる。
性部材の端部に、線膨張率が8×10−6/℃以下の金
属板から形成されたエキスパンドメタルと、ゴムシート
とを積層配置し、前記ゴムシート側から加圧して前記板
状の導電性部材の素材及びゴムシートを前記エキスパン
ドメタルの網目内に充填させて、板状の導電性部材の端
部にエキスパンドメタルにより熱膨張を抑制し、熱伝導
率が200W/(m・K)以上の金属で熱伝導率を確保
するように構成した。
する際に、配線材に加えられる大きな荷重を利用して導
電性部材とエキスパンドメタルとが接合される。従っ
て、予め複合材を製造したものを配線材として使用する
場合に比較して、複合材の製造に必要なエネルギーを低
減できる。
明を具体化した第1の実施の形態を図1〜図3に従って
説明する。
り、図1(b)は(a)のB−B線断面図である。図1
(a),(b)に示すように、複合材11はエキスパン
ドメタル12と、エキスパンドメタル12を囲繞するマ
トリックス金属13とで構成されている。エキスパンド
メタル12は線膨張率が8×10-6/℃以下の金属板か
ら形成されている。この実施の形態ではエキスパンドメ
タル12はインバー(36重量%のNiを含有するFe
−Ni系合金)で形成されている。マトリックス金属1
3には熱伝導率が200W/(m・K)以上の金属(こ
の実施の形態ではCu)が使用されている。
製造方法を図2及び図3に基づいて説明する。この実施
の形態の製造方法では、図2に示すように、エキスパン
ドメタル12を金属板(銅板)14の間に挟んだ状態で
圧延・接合して複合材11を形成する。即ち、図3に示
すように、金属板14の間にエキスパンドメタル12を
配置した状態で圧延ロール15により、加熱、圧延して
金属板14とエキスパンドメタル12とを一体化するこ
とで複合材11が形成される。加熱は金属板14を溶融
させるほど高温にならないように行われる。
は、エキスパンドメタル12の網目の大きさ、金属板1
4の厚さ等を変更することにより、その線膨張率及び熱
伝導率を設定できる。そして、使用目的により線膨張率
が5〜15×10−6/℃程度となるように、製造され
る。
は、例えば、半導体装置を実装する際の放熱用基板材
(例えば、ヒートシンク)として使用される。この実施
の形態では次の効果を有する。
0−6/℃以下の金属板から形成されたエキスパンドメ
タル12により熱膨張を抑制し、熱伝導率が200W/
(m・K)以上の金属で熱伝導率を確保するように、両
者を板状に複合して形成されている。従って、半導体装
置等の電子部品を搭載するための放熱用基板材として好
適な線膨張率と、熱伝導率を有する複合材11が得られ
る。また、エキスパンドメタル12を使用することによ
り、金網を使用した場合に比較して熱伝導性及び強度に
優れる。また、平板状の金属板に精密鋳造法や打ち抜き
により孔を形成したものを使用する場合に比較して製造
コストを低減できる。
導率が200W/(m・K)以上の金属(マトリックス
金属13)で囲繞して板状の複合材11とした。従っ
て、複合材の表面にエキスパンドメタル12の一部が露
出している構成に比較して水平方向の熱伝導率が向上す
る。
ることにより、金網を使用した場合と異なり、エキスパ
ンドメタル12とマトリックス金属13との間に空隙が
生じ難く、金網を使用した場合に比較して熱伝導性及び
強度に優れる。また、平板状の金属板に精密鋳造法や打
ち抜きにより孔を形成したものを使用する場合に比較し
て製造コストを低減できる。
ー(線膨張率:1×10−6/℃程度)で形成されてい
る。従って、複合材11の線膨張率を半導体装置等の電
子部品を搭載するための放熱用基板材として好適な値に
するのが容易になる。
率が200W/(m・K)以上の金属板14の間に挟ん
だ状態で圧延・接合して形成した。従って、マトリック
スとなる金属を溶融状態とするほど高温にせずに複合材
11を製造でき、製造コストを低減できる。
以上の金属としてCuが使用されている。従って、マト
リックスとなる金属に熱伝導率が390W/(m・K)
と大きなCuが使用されるため、貴金属に比較して安価
に入手でき、しかも複合材11の放熱性が良くなる。
態を図4に従って説明する。この実施の形態では、複合
材11の製造方法のうちマトリックス金属を構成する方
法が前記実施の形態と異なる。前記実施の形態と同様な
部分は同一符号を付して詳しい説明を省略する。
エキスパンドメタル12をセットした状態でCuの溶湯
17を流し込む。次に図4(b)に示すように、得られ
た成形体18を圧延ロール15で圧延して所定の厚さに
調整して複合材11が形成される。成形体18の成形型
16からの取り出しは、成形体18が完全に冷却される
前の、かなり高温の状態で行えば、圧延ロール15によ
る圧延の際に加熱が不要となる。
(1)〜(4)及び(6)の効果を有する他に、次の効
果を有する。 (7) 溶湯17をエキスパンドメタル12がセットさ
れた成形型16に流し込んで得た成形体18を圧延する
ため、エキスパンドメタル12の周囲にマトリックスを
密着させるのが容易になる。
成形体18を所定の厚みに調整する作用があればよく、
金属板を接合させる作用は必要ないため、圧延の加圧力
が小さくてすむ。
態を図5〜図7に従って説明する。この実施の形態の複
合材11は、エキスパンドメタル12が複数枚使用され
ている点と、複合材11の表裏両面にエキスパンドメタ
ル12の一部が露出している点とが前記両実施の形態の
複合材11と大きく異なっている。前記実施の形態と同
様な部分は同一符号を付して詳しい説明を省略する。
11は複数枚(この実施の形態では2枚)のエキスパン
ドメタル12と、マトリックス金属13とで構成されて
いる。エキスパンドメタル12が複合材11の表裏両面
に配置された状態で、マトリックス金属13がエキスパ
ンドメタル12の間及びエキスパンドメタル12の網目
12a内に存在するように構成されている。
製造方法を図6及び図7に基づいて説明する。この実施
の形態の製造方法では、図6に示すように、金属板(銅
板)14をエキスパンドメタル12の間に挟んだ状態で
圧延・接合して複合材11を形成する。即ち、図7に示
すように、エキスパンドメタル12の間に金属板14を
配置した状態で圧延ロール15により、加熱、圧延する
ことにより、エキスパンドメタル12の網目12aに金
属板14を構成する金属が入り込む。そして、圧延ロー
ル15を通過後は、2枚のエキスパンドメタル12の間
と、網目12a内にマトリックス金属13が存在する状
態で一体化された複合材11が形成される。加熱は金属
板14を溶融させるほど高温にならないように行われ
る。
(1),(3),(4)及び(6)の効果を有する他
に、次の効果を有する。 (9) エキスパンドメタル12が、複合材11の表裏
両面に露出しているため、エキスパンドメタル12の全
体が、熱伝導率が200W/(m・K)以上の金属で囲
繞された構成に比較して、複合材11の表裏両面付近の
熱膨張の抑制効果が高くなる。
する際、厚さが薄い方が網目12aを細かくするのが容
易となる。従って、エキスパンドメタル12とマトリッ
クス金属13との体積比が同じ場合、エキスパンドメタ
ル12を複数枚使用する構成の方が、1枚のエキスパン
ドメタル12を使用する構成に比較して網目12aを小
さくすることが容易となる。その結果、複合材11とし
て均質なものを得易い。
態を図8〜図11に従って説明する。この実施の形態の
複合材は、半導体装置の配線材として好適に形成されて
いる点が前記各実施の形態と大きく異なっている。
21は、板状の導電性部材22の端部に膨張抑制部23
が設けられている。板状の導電性部材22は銅箔で構成
されている。銅箔の厚さは、使用条件にもよるが、例え
ば数μm〜300μm、好ましくは数μm〜数十μmに
形成されている。
−6/℃以下の金属板から形成されたエキスパンドメタ
ル24と、その網目に充填された熱伝導率が200W/
(m・K)以上の金属とで構成され、エキスパンドメタ
ル24で熱膨張を抑制し、網目に充填された金属で熱伝
導率を確保するようになっている。熱伝導率が200W
/(m・K)以上の金属としては導電性部材22と同じ
素材である銅(Cu)が使用されている。エキスパンド
メタル24はインバーで形成されている。
状(例えば、図8(c)の形状)に始めから形成しても
よいが、図8(a)に示すように、配線材として使用さ
れる単位が複数一体となった形状に形成され、配線材と
して使用される際に、所定の幅に切断される構成の方
が、生産性や保管、取扱い性の面で好ましい。
性部材22の端部に、所定の大きさの板状のエキスパン
ドメタル24を圧着しながら抵抗溶接することで製造さ
れる。例えば、図9に示すように、一対の加圧通電可能
な円板状の溶接電極25a,25bを回転させながら溶
接を線状に行うシーム溶接が好適に用いられる。図9に
示す方法では、導電性部材22とエキスパンドメタル2
4とが重ね合わされた部分が溶接電極25a,25b間
を通過する間に抵抗溶接が行われる。その結果、導電性
部材22の一部がエキスパンドメタル24の網目24a
内に侵入した状態で充填されて両者が接合され、導電性
部材22の端部に膨張抑制部23が設けられた複合材2
1が製造される。
ンドメタル24を重ねて重合部をシーム溶接する代わり
に、図10に示すように、コイル状に巻かれた導電性部
材22と、同じくコイル状に巻かれたエキスパンドメタ
ル24を用い、溶接電極25a,25b間を通過して溶
接された後の複合材21をコイル状に巻き取ってもよ
い。この場合は、板状の導電性部材22及びエキスパン
ドメタル24を用いて製造する場合に比較して、生産
性、保管性及び取扱い性が良くなる。
えば、図11に示すように、半導体装置の配線材33と
して好適に使用される。図11は半導体装置を構成する
IGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)モジュ
ールの要部模式斜視図である。放熱板26上に絶縁板2
7が固着され、絶縁板27上にIGBT素子28及びダ
イオード素子29が搭載されるとともに、エミッタ電極
30、ゲート電極31及びコレクタ電極32が設けられ
ている。そして、半導体素子としてのIGBT素子28
のエミッタパッドと配線材33の一端とが拡散接合で接
続され、配線材33の他端がエミッタ電極30に接続さ
れている。膨張抑制部23の大きさはIGBT素子28
とほぼ同じに形成されている。配線材33として使用さ
れる複合材21は、膨張抑制部23側の端部がエミッタ
パッドと対応し、かつエミッタパッドに対して導電性部
材22が接合されている。配線材33にはIGBT素子
28のゲートパッドと対応する位置に孔が形成され、ゲ
ートパッドとゲート電極31とは配線34により接続さ
れている。
30とが配線材33を介して接続されている。膨張抑制
部23の大きさはダイオード素子29とほぼ同じに形成
されている。配線材33は複合材21の膨張抑制部23
側の端部がダイオード素子29と対応し、かつダイオー
ド素子29に対して導電性部材22が接合されている。
1と、図11に示す複合材21とは、図示の都合上、導
電性部材22と膨張抑制部23との面積の比率が異なっ
て描いてある。また、導電性部材22及び膨張抑制部2
3の厚さも誇張して描いてある。
導体素子と、電極(エミッタ電極30)とが板状の配線
材33により接続されているため、パッドや半導体素子
に大きな応力がかからない方法によって接合することが
でき、素子の損傷を防止できる。また、配線材33の放
熱性が線材に比較して向上し、接合部にかかる熱応力が
低減し、劣化し難い。
応する配線材33の部分に膨張抑制部23が設けられて
いるため、当該部分の導電性部材22の熱膨張が抑制さ
れ、半導体装置の動作中の熱に起因する配線材33ある
いは半導体素子の破損がより抑制される。
8×10−6/℃以下の金属板から形成されたエキスパ
ンドメタル24の網目24aに熱伝導率が200W/
(m・K)以上の金属が充填されている。従って、膨張
抑制部23の部分でも高い放熱性を確保できる。
される単位が複数一体となった形状に形成され、配線材
として使用される際に、所定の幅に切断されて使用され
る。従って、生産性や保管、取扱い性の面で好ましい。
また、最初から配線材の大きさに合わせて製造する場合
に比較して製造コストを低減できる。
とエキスパンドメタル24とを重合した状態で抵抗溶
接、好ましくはシーム溶接で製造されるため、簡単に製
造できる。
部材22と、コイル状のエキスパンドメタル24とを使
用して、シーム溶接により連続的に製造する場合は、生
産性や保管性がより向上する。
態を図12及び図13に従って説明する。この実施の形
態の複合材21は配線材として好適に使用される点では
前記第4の実施の形態の複合材21と同じであるが、膨
張抑制部23の上に絶縁部材が積層されている点が大き
く異なっている。前記実施の形態と同一部分は同一符号
を付して詳しい説明を省略する。
部材22と、膨張抑制部23と、絶縁部材35とから構
成されている。この実施の形態では絶縁部材35はゴム
製で、ゴムとしてシリコーンゴムが使用されている。こ
の構成の複合材21は、板状の導電性部材22の端部
に、エキスパンドメタル24と絶縁部材35とを積層配
置し、絶縁部材35側から加圧して製造する。絶縁部材
35を加圧することにより、導電性部材22の素材及び
絶縁部材35がエキスパンドメタル24の網目24a内
に充填される。その結果、導電性部材22、膨張抑制部
23及び絶縁部材35が一体化される。
位が複数一体となった形状に形成され、配線材として使
用される際に、所定の幅に切断されて使用される構成に
代えて、配線の時に配線材として複合材21が製造され
る構成も可能である。例えば、図13(a)に示すよう
に、配線材の大きさに形成された導電性部材22の端部
に、所定の大きさに形成されたエキスパンドメタル24
及び絶縁部材35を少量の接着剤で仮止めした状態で積
層する。その配線材のエキスパンドメタル24が設けら
れた側の端部を、図13(b)に示すように、接合すべ
き半導体素子のパッド36上に配置し、その状態で絶縁
部材35側から加圧するとともに超音波を印加する。そ
の結果、導電性部材22がパッド36に接合されるとと
もに、導電性部材22の一部がエキスパンドメタル24
の網目24a内に充填され、絶縁部材35の一部がエキ
スパンドメタル24の網目24a内に充填された状態で
接合される。その結果、導電性部材22の端部に膨張抑
制部23が接合され、その上に絶縁部材35が接合され
た複合材21が製造される。なお、図13(c)は図1
3(a)の断面図、図13(d)は複合材21の断面図
である。
の(11),(12)の効果を有する他に次の効果を有
する。 (17) 配線材を半導体素子と接合する際に配線材に
加えられる大きな荷重を利用して、複合材21が形成さ
れる。従って、予め複合材21を製造したものを配線材
として使用する場合に比較して、複合材21の製造に必
要なエネルギーを低減できる。また、常温にて形成可能
なため、製造コストをより低減できる。
2と反対側の面に絶縁部材35が接合されているため、
配線材と半導体素子との接合作業の際に配線材との絶縁
性を保持する手段を特に設ける必要がない。従って、作
業が容易となる。
膨張抑制部23に衝撃が加わり難い。また、ゴムとして
シリコーンゴムが使用されているため耐熱性に優れ、半
導体装置の動作中の発熱で劣化し難い。
製で網目24aに充填された導電性部材22に圧接され
ているため、膨張抑制部23からの放熱性を確保でき
る。実施の形態は前記に限定されるものではなく、例え
ば次のように構成してもよい。
必ずしも必須ではなく、図14に示すように、製品にお
ける厚さに形成されたエキスパンドメタル12を、製品
としての複合材11の外形と同じキャビティを有する成
形型16内にセットした状態で溶湯17を流し込んで複
合材11を製造してもよい。この場合、圧延工程なしに
複合材11を製造できるため、製造が容易になる。溶融
状態の金属が所定量注入された後、ある程度の圧力を加
えてもよい。この場合、エキスパンドメタル12の開口
部が小さくても、溶湯17が開口部に入り易くなる。
内にセットして溶湯17を成形型16内に注入する代わ
りに、金属浴にエキスパンドメタル12を浸漬(所謂ど
ぶ浸け)して、取り出したものを圧延したり、圧延加工
をせずに、外形加工を施して複合材11を製造してもよ
い。
ンドメタル12を3枚以上使用し、各エキスパンドメタ
ル12の間及び各エキスパンドメタル12の網目12a
内にマトリックス金属13が存在する構成としてもよ
い。エキスパンドメタル12を複数枚使用する構成の方
が、複合材11の全体積に占めるエキスパンドメタル1
2の体積割合を同じとした場合、1枚のエキスパンドメ
タル12を使用する構成に比較して各エキスパンドメタ
ル12の厚さを薄くできる。その結果、網目12aを小
さくすることが容易となり、複合材11として均質なも
のを製造し易くなる。
リックス金属13により囲繞される構成の複合材11に
おいても、エキスパンドメタル12を複数枚使用しても
よい。
する構成において、各エキスパンドメタル12は必ずし
も同じ材質のものでなくてもよい。しかし、複合材11
の厚さ方向の中央を通る面に対して対称な位置に配置さ
れたエキスパンドメタル12同士は同じ材質であるのが
好ましい。このようにすれば、材質の違いにより熱膨張
率が違っても複合材11に反りが発生するのを抑制でき
る。
性部材22の一部がエキスパンドメタル24の網目24
a内に圧入状態で充填されている構成に限らず、予めエ
キスパンドメタル24の網目24a内に熱伝導性の良い
金属を充填した複合材で膨張抑制部23を形成し、その
複合材を導電性部材22の端部に接合してもよい。図1
5(a)に示すように、導電性部材22に膨張抑制部2
3が接合されるとともに、導電性部材22と反対側に熱
伝導率が200W/(m・K)以上の金属の板37を接
合した構成でも、図15(b)に示すように、導電性部
材22に膨張抑制部23のみを接合した構成のいずれで
あってもよい。
金属で形成しても、別の金属で形成してもよい。また、
エキスパンドメタル24の網目24aに充填される金属
も、導電性部材22と同じ金属を使用しても別の金属を
使用してもよい。Cu以外の金属としてはアルミニウム
が好ましい。
3が設けられた複合材21をシーム溶接で製造する場
合、一方の電極を板状とし、その上に導電性部材22及
び膨張抑制部23の重合部を載置し、1個の円板状の溶
接電極を回転させながら移動させて両者を接合させても
よい。
3が設けられた複合材21の製造方法としては、抵抗溶
接に限らず、熱間プレスや冷間プレス等のプレス成形を
採用したり、圧延法を採用してもよい。
樹脂製としてもよい。 〇 第5の実施の形態において、導電性部材22、エキ
スパンドメタル24及び絶縁部材35の三者を接着剤で
仮止めした状態で加圧する代わりに、導電性部材22及
びエキスパンドメタル24を接着剤で仮止めし、その上
に絶縁部材35を載置して加圧してもよい。
は、Cuに限らず、熱伝導率が200W/(m・K)以
上の金属であればよく、例えば、アルミニウム系金属や
銀等を使用してもよい。アルミニウム系金属とはアルミ
ニウム及びアルミニウム合金を意味する。アルミニウム
系金属はCuに比較して熱伝導率が小さいが、融点が6
60℃(アルミニウムの場合)とCuの融点1085℃
に比較して大幅に低いため、金属の溶融温度が低くな
り、製造コストの点ではCuに比較して好ましい。ま
た、アルミニウム系金属は軽量化の点でも好ましい。
バーに限らず、線膨張率が8×10 −6/℃以下の金属
板から形成されたものであればよい。例えば、スーパー
インバーやステンレスインバーなどの他のインバー型合
金を使用したり、あるいはフェルニコ(Fe54重量
%、Ni31重量%、Co15重量%の合金で線膨張率
が5×10−6/℃)を使用してもよい。
必ずしも必須ではなく、冷間圧延後、熱処理を行って複
合材11を製造してもよい。 ○ 複合材11は半導体装置の実装に使用する放熱用基
板材以外の放熱板として使用してもよい。
ず、セラミック製としてもよい。前記実施の形態から把
握される発明(技術的思想)について、以下に記載す
る。
項に記載の発明において、前記エキスパンドメタルが複
数枚使用されている。 (2) 請求項6に記載の発明において、前記エキスパ
ンドメタルが3枚以上使用されている。
明において、前記板状の導電性部材は熱伝導率が200
W/(m・K)以上の金属で形成され、前記エキスパン
ドメの網目内に導電性部材の一部が侵入した状態に形成
されている。
以上の板状の導電性部材の端部に線膨張率が8×10
−6/℃以下の金属板から形成されたエキスパンドメタ
ルを重ね合わせた状態で抵抗溶接により両者を接合する
複合材の製造方法。
使用される前記技術的思想(4)に記載の複合材の製造
方法。 (6) 前記板状の導電性部材及びエキスパンドメタル
はコイル状のものから繰り出され、シーム溶接機の溶接
電極間に供給される前記技術的思想(5)に記載の複合
材の製造方法。
張率が8×10−6/℃以下の金属板から形成されたエ
キスパンドメタルにより熱膨張を抑制し、熱伝導率が2
00W/(m・K)以上の金属で熱伝導率を確保するよ
うに構成した板状の膨張抑制部を設けた配線材。
術的思想(1)〜(7)のいずれか一項に記載の発明に
おいて、前記熱伝導率が200W/(m・K)以上の金
属としてアルミニウム系金属が使用されている。
接続すべき箇所に、板状の導電性部材の端部に線膨張率
が8×10−6/℃以下の金属板から形成されたエキス
パンドメタルを仮止めした状態で導電性部材側を載置
し、前記エキスパンドメタル上にシリコーンゴムシート
を載置した状態で加圧するとともに、超音波を加えて前
記導電性部材と、前記エキスパンドメタルと、前記シリ
コーンゴムシートとを一体化するとともに導電性部材を
半導体素子に接合する半導体装置の配線材接続方法。
6、請求項11及び請求項12に記載の発明によれば、
良好な熱伝導率を有し、強度的にも優れ、半導体装置等
の電子部品を搭載するための放熱用基板材として好適
で、かつ平板状の金属板に精密鋳造法や打ち抜きにより
孔を形成したものを使用する場合に比較して製造コスト
を低減できる。また、請求項7〜請求項10、請求項1
1及び請求項12に記載の発明によれば、半導体装置の
配線材として好適に使用できる。請求項13に記載の発
明によれば、半導体装置の配線材として好適に使用でき
る複合材を製造できる。
断面図、(b)は模式縦断面図。
ルの模式斜視図。
の製造方法を示す模式断面図。
断面図、(b)は(a)の模式縦断面図。
ルの模式斜視図。
面図、(b)は模式断面図、(c)は配線材の大きさに
切断した複合材の模式平面図。
模式側面図、(c)は(a)の断面図、(d)は複合材
の模式断面図。
模式断面図。
の模式断面図。
模式断面図。
製造方法を示す模式断面図。
面図。
図、(b)は別の放熱用基板材料の模式断面図。
ル、12a,24a…網目、13…マトリックス金属、
14…金属板、16…成形型、17…溶湯、18…成形
体、22…導電性部材、23…膨張抑制部、35…絶縁
部材、37…金属の板。
Claims (13)
- 【請求項1】 線膨張率が8×10−6/℃以下の金属
板から形成されたエキスパンドメタルにより熱膨張を抑
制し、熱伝導率が200W/(m・K)以上の金属で熱
伝導率を確保するように、両者を板状に複合した複合
材。 - 【請求項2】 前記エキスパンドメタルを、熱伝導率が
200W/(m・K)以上の金属で囲繞して板状とした
請求項1に記載の複合材。 - 【請求項3】 前記エキスパンドメタルを熱伝導率が2
00W/(m・K)以上の金属板の間に挟んだ状態で圧
延・接合して形成した請求項2に記載の複合材。 - 【請求項4】 前記エキスパンドメタルがセットされた
成形型内に熱伝導率が200W/(m・K)以上の金属
の溶湯を流し込んで得られた成形体を圧延して所定の厚
さに調整して形成した請求項2に記載の複合材。 - 【請求項5】 前記エキスパンドメタルを熱伝導率が2
00W/(m・K)以上の金属浴に浸漬して取り出すこ
とにより形成した請求項2に記載の複合材。 - 【請求項6】 前記エキスパンドメタルは少なくとも2
枚使用され、エキスパンドメタルが複合材の表裏両面に
配置された状態で、熱伝導率が200W/(m・K)以
上の金属が前記エキスパンドメタルの間及びエキスパン
ドメタルの網目内に存在する請求項1に記載の複合材。 - 【請求項7】 板状の導電性部材の端部に、線膨張率が
8×10−6/℃以下の金属板から形成されたエキスパ
ンドメタルにより熱膨張を抑制し、熱伝導率が200W
/(m・K)以上の金属で熱伝導率を確保するように構
成した板状の膨張抑制部を設けた複合材。 - 【請求項8】 板状の導電性部材の端部に、線膨張率が
8×10−6/℃以下の金属板から形成されたエキスパ
ンドメタルと、熱伝導率が200W/(m・K)以上の
金属の板とを前記導電性部材及び前記金属の板の素材の
少なくとも一方が前記エキスパンドメタルの網目内に充
填される状態で積層した膨張抑制部を設けた複合材。 - 【請求項9】 板状の導電性部材の端部に、線膨張率が
8×10−6/℃以下の金属板から形成されたエキスパ
ンドメタルと、板状の絶縁部材とを少なくとも前記導電
性部材の素材が前記エキスパンドメタルの網目内に充填
される状態で積層した膨張抑制部を設けた複合材。 - 【請求項10】 前記絶縁部材はゴム製である請求項9
に記載の複合材。 - 【請求項11】 前記エキスパンドメタルはインバー又
はそれと同程度の線膨張率を有するFe−Ni系合金で
形成されている請求項1〜請求項10のいずれか一項に
記載の複合材。 - 【請求項12】 前記熱伝導率が200W/(m・K)
以上の金属としてCuが使用されている請求項1〜請求
項11のいずれか一項に記載の複合材。 - 【請求項13】 板状の導電性部材の端部に、線膨張率
が8×10−6/℃以下の金属板から形成されたエキス
パンドメタルと、ゴムシートとを積層配置し、前記ゴム
シート側から加圧して前記板状の導電性部材の素材及び
ゴムシートを前記エキスパンドメタルの網目内に充填さ
せて、板状の導電性部材の端部にエキスパンドメタルに
より熱膨張を抑制し、熱伝導率が200W/(m・K)
以上の金属で熱伝導率を確保するように構成した複合材
の製造方法。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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