JPH11284112A - ヒートシンク及びその製造方法 - Google Patents

ヒートシンク及びその製造方法

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JPH11284112A
JPH11284112A JP10251587A JP25158798A JPH11284112A JP H11284112 A JPH11284112 A JP H11284112A JP 10251587 A JP10251587 A JP 10251587A JP 25158798 A JP25158798 A JP 25158798A JP H11284112 A JPH11284112 A JP H11284112A
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学 新井
Hiroyuki Miyamoto
洋之 宮本
Takashi Sato
高 佐藤
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 搭載する半導体素子との熱膨張係数差が小さ
く、熱伝導率が高いヒートシンクを実現する。 【解決手段】 多孔質タングステンの孔内に銅を含浸さ
せて、その熱膨張係数が、搭載すべき半導体素子の熱膨
張係数に近づくよう、そのタングステンと含浸銅の割合
を設定する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子に発生
した熱を放散するためのヒートシンク及びその製造方法
に関するものである。
【0002】
【従来の技術】半導体素子(チップ)のマウントは、熱
放出や電気的導出を目的として、搭載する素子の種類に
応じて開発されてきた。特に、パワー素子のマウントで
は損失による発熱がその小さな面積の素子内で生じるた
め、単位面積当りの発熱量が大きな値となるので、半導
体素子温度を許容値内に抑えて当該素子の動作効率や信
頼性を確保しながらできる限り大きな電流が扱えるよう
にするには、この発熱を効果的に放出することが重要と
なる。
【0003】そこで、この熱の放出に、その取り扱いの
容易さから図4に示すようなヒートシンクBを用いたマ
ウントが使用されている。このヒートシンクBは、銅、
鉄又はそれらの合金を鋳造又は機械加工により円柱形状
に形成したものであり、その上面にメッキ等により金の
薄膜51が形成されている。このヒートシンクBは熱伝
導性が良好であり損失熱の放出効率が高い。また薄膜5
1は素子52とヒートシンクBとの接合を熱圧着で可能
にし、熱的・電気的接触抵抗を極めて小さくすることが
できる。
【発明が解決しようとする課題】このようなマウント
は、従来からシリコンやガリウム砒素を基材とする半導
体素子で使用されてきたが、素子とヒートシンクの熱膨
張係数差が大きいことは無視されてきた。これは、シリ
コンやガリウム砒素の半導体素子を搭載したパワーデバ
イスの損失電力が精々十数ワット程度であるところか
ら、熱膨張係数差によって発生する機械的応力が素子や
その素子とヒートシンクとの接合部に永久破壊をもたら
す程度には大きくならないので、問題とならなかったか
らである。
【0004】しかし、シリコンカーバイドを使用した素
子では、シリコンやガリウム砒素を使用した素子と比較
して、かなり大きな電流を扱うことがきるので、そこで
の損失電力もシリコンやガリウム砒素を使用した素子と
比較するとかなり大きく、数百ワット以上になることが
あり、熱膨張係数差が無視できなくなる。
【0005】本発明はこのような点に鑑みてなされたも
のであり、その目的は、熱膨張係数をそこに搭載する半
導体素子のそれに対応させることが容易であり、かつ熱
伝導率も良好で、半導体素子との密着性も良好にするこ
とが容易なヒートシンク及びその製造方法を提供するこ
とである。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の第1の発明は、タングステン、モリブデン等の高融点
の第1の金属と銅、銀、金の少なくとも一つよりなる第
2の金属とよりなる焼結体、混合体、又は溶着体からな
り、前記第1の金属と前記第2の金属との割合を、その
熱膨張係数が搭載すべき半導体素子の熱膨張係数とほぼ
同じになる値に設定して構成した。
【0007】第2の発明は、第1の発明において、前記
第1の金属の含有率を、ほぼ50〜90重量%に設定し
て構成した。
【0008】第3の発明は、第1又は第2の発明におい
て、前記第1の金属を多孔質焼結体として、そこに前記
第2の金属を含浸して構成した。
【0009】第4の発明は、第1乃至第3の発明におい
て、前記第1の金属よりなる多孔質焼結体の少なくも表
面に、炭化層を形成して構成した。
【0010】第5の発明は、第1乃至第4の発明におい
て、表面を、銅、銀、金、ニッケルの少なくとも一つの
メッキ層、スパッタ層、溶着層により被覆して構成し
た。
【0011】第6の発明は、タングステン、モリブデン
等の高融点の第1の金属の多孔質焼結体に炭素を含む樹
脂を含浸させてから高温処理して炭化層を形成し、次に
銅、銀、金のいずれか一つ以上からなる第2の金属を溶
融含浸させて製造するよう構成した。
【0012】第7の発明は、タングステン、モリブデン
等の高融点の第1の金属の多孔質焼結体を炭化雰囲気中
で高温処理して炭化層を形成し、次に銅、銀、金のいず
れか一つ以上からなる第2の金属を溶融含浸させて製造
するよう構成した。
【0013】第8の発明は、第6又は第7の発明におい
て、前記第2の金属の含浸に先だって、無電解メッキに
より前記第2の金属と同じ金属の被膜を前記炭化層上に
形成するよう構成した。
【0014】
【発明の実施の形態】[第1の実施の形態]図1は本発
明の第1の実施の形態のヒートシンクAを示す図であ
る。このヒートシンクAは、タングステン粉末11を焼
結して作成した多孔質タングステン1を基材とし、これ
に銅2を含浸させたものである。この多孔質タングステ
ン1の気孔率は、そこに含浸させる銅2とタングステン
との比率できまる実効的な熱膨張係数が、そこに搭載接
着する半導体素子3の熱膨張係数に近くなるように設定
する。例えば、ヒートシンクAに占めるタングステン含
有率が半導体素子に応じて、50〜90重量%となるよ
うに、その気孔率を設定する。また、このタングステン
含有率は含浸銅2による熱伝導性向上効果も考慮して決
める。
【0015】ヒートシンクAに半導体素子3を搭載する
ときは、その半導体素子3がシリコンの場合は、ヒート
シンクAの上面に被着した金層4の上にAu−Siの共
晶合金を蒸着やスパッタ等により被着し、これを接着材
5として加熱接着する。
【0016】また、半導体素子3がシリコンカーバイド
場合は、上記の共晶合金の接着材5の上面に更にシリコ
ンをスパッタにより被着し、これを炭化してシリコンカ
ーバイド(図示せず)としてから、チタン含有のろう材
(図示せず)を用いて接着することが好ましい。
【0017】また、同様に半導体素子3がシリコンカー
バイドの場合は、多孔質タングステン1の全孔の表面
に、または少なくとも周囲の孔の表面に炭化層(炭化タ
ングステン層)を形成して、シリコンカーバイドとの接
着性を向上させ、これに上記と同様な銅2の含浸を行っ
てから、金層4、あるいは必要に応じて接着材5により
シリコンカーバイドの半導体素子3を接着搭載させる。
【0018】[第2の実施の形態]図2はヒートシンク
Aの製造工程を示す図である。ここでは、多孔質タング
ステン1に樹脂を含浸させた上で高温処理することによ
り炭化層をすべての孔内表面に形成し、この炭化層上に
含浸銅2の濡れ性向上用に無電解銅メッキ層を形成し、
その後に銅を孔内に含浸させて製造する。
【0019】以下、詳しく説明する。まず図2の(a)に
示すようにタングステン粉末11を金型12に入れてヒ
ートシンクの形状に加圧成形する。このとき、タングス
テン粉末11の粒径、加圧力を適当に選ぶことによっ
て、種々の気孔率が得られる。例えば、約18〜23%の気
孔率を得るには、50〜100μmの粒径で〜1トンの加圧
を行えばよい。
【0020】次に、図2の(b)に示すように、水素炉チ
ャンバー13内に水素ガス14を1.0kgf/cm2、5.0 l/m
in程度流しながら、2400℃で60分間焼結させて、多孔質
タングステン1を得る。
【0021】次に、図2の(c)に示すように、容器15
内でこの多孔質タングステン1に炭素を含む樹脂16を
含浸させてから、固化、乾燥させた後、図2の(d)に示
すように、再度水素炉チャンバー13内に入れて、水素
ガス14を1.0 kgf/cm2、5.0l/min程度流しながら、14
00〜2000℃で15〜60分間高温加熱して、多孔質タングス
テン1の全ての穴内表面に炭化層(炭化タングステン
層)が10〜30μm厚で形成された多孔質タングステン1
を得る。
【0022】更に続いて、図2の(e)に示すように、炭
化層を形成された多孔質タングステン1を容器17内で
無電解メッキ液18に浸し、無電解銅メッキを行う。こ
れにより、炭化層の上面に約5〜50μm厚の無電解銅メ
ッキ層が形成される。この銅メッキ層を形成する理由
は、後の工程で銅を含浸させる際、表面の濡れ性を良好
にし、確実な銅含浸が行われるようにするためである。
【0023】続いて、無電解銅メッキ層が孔表面に形成
された多孔質タングステン1を銅片19と共に、図2の
(f)に示すように、坩堝20に入れてから、これら全部
を水素炉チャンバー13に入れて、水素ガス14を1.0
kgf/cm2、5.0 l/min程度流しながら、1500℃で30分間
高温加熱し、銅片19を溶融させ多孔質タングステン1
の孔内に含浸させる。
【0024】そして、この多孔質タングステン1の表面
を研磨してから、その上面にスパッタやメッキ等により
金層4を被着させて、図1に示したようなヒートシンク
Aを得る。
【0025】[第3の実施の形態]図3はヒートシンク
の別の製造工程を示す図である。ここでは、多孔質タン
グステン1を炭化雰囲気中で高温処理することによって
炭化層(膜厚:約100μm)を外周の表面に形成し、こ
の炭化層上に無電解銅メッキ層を形成し、この後に銅2
を含浸さる。
【0026】まず、図3の(a)〜(b)によって、図2の
(a)〜(b)の場合と同様に、多孔質タングステン1を成形
する。
【0027】続いて、図3の(c)に示すように、この多
孔質タングステン1をカーボン製容器21に入れてか
ら、それら全部を再度水素炉チャンバー13に入れ、水
素ガス14を1.0 kgf/cm2、5.0 l/min程度流しなが
ら、1400〜2000℃で15〜60分間高温加熱することによ
り、外周の表面に膜厚が約100μmの炭化層が形成され
た多孔質タングステン1を得る。
【0028】次に、図3の(d)〜(e)により、図2の(e)
〜(f)と同様に、炭化層の上面に5〜15μm厚の無電解
銅メッキ層を形成すると共に、銅を溶融含浸させる。
【0029】このように、この第3の実施の形態は、炭
化層を形成するために、カーボン製容器21内で加熱さ
せて多孔質タングステン1の外周表面を炭化させる点が
第2の実施の形態と異なり、その他の工程は同じであ
る。
【0030】[その他の実施の形態]なお、以上で述べ
たヒートシンクAの形状は円柱形状であったが、接合す
る素子の形状や用途に応じて種々の形状に成形できるこ
とは勿論であり、後から機械加工により形状を変更する
こともでき、さらにサイズの大きな板形状の多孔質タン
グステンに銅含浸を行った後に、ダイシングして個々の
ヒートシンクを作成することもできる。
【0031】また、ヒートシンクAはその基材として、
タングステンの他に同様の熱膨張係数で高耐熱のモリブ
デンを使用することも可能である。タングステンの熱膨
張係数は4.59×10-6/℃、モリブデンの熱膨張係数は5.
1×10-6/℃である。
【0032】また、孔内への含浸材料としては、銅2と
同様に、タングステンやモリブデンに比べて熱伝導率の
大きな銀や金を用いることができる。これらの銀や金は
銅と同様に熱膨張係数もタングステンやモリブデンに比
べて3倍程度(例えば銅は4.01W/cm℃)大きいので、
タングステンやモリブデンに対する含有率を変化させる
ことによって、銅と同様にヒートシンクとしての実効熱
膨張係数を多様に調整することができる。
【0033】また、ヒートシンクの半導体素子に対する
接着面には、金に限らず、銅、ニッケル等のメッキ層、
スパッタ層、溶着層を被着することによって、半導体素
子との接着に適した表面状態とすることができる。
【0034】また、ヒートシンクは、多孔質焼結体に限
られず、粉末のタングステンやモリブデンと銅、銀、金
の少なくとも一つの金属粉末の焼結体、混合体、又は溶
着体として構成することもできる。
【0035】
【発明の効果】以上から本発明によれば、放熱すべき半
導体素子の熱膨張係数に近い熱膨張係数で、同時に熱抵
抗の少ないヒートシンクを実現することができる。特
に、発熱量の大きなシリコンカーバイドを使用した半導
体素子を搭載するヒートシンクとして好適である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1の実施の形態のヒートシンクの
説明図である。
【図2】 第2の実施の形態のヒートシンクの製造工程
の説明図である。
【図3】 第3の実施の形態のヒートシンクの製造工程
の説明図である。
【図4】 従来のヒートシンクの説明図である。
【符号の説明】
1:多孔質タングステン、2:含浸銅、3:半導体素
子、4:金層、5:接着材、11:タングステン粉末、
12:金型、13:水素炉チャンバー、14:水素ガ
ス、15:容器、16:樹脂、17:容器、18:無電
解メッキ液、19:銅片、20:坩堝、21:カーボン
製容器。

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】タングステン、モリブデン等の高融点の第
    1の金属と銅、銀、金の少なくとも一つよりなる第2の
    金属とよりなる焼結体、混合体、又は溶着体からなり、
    前記第1の金属と前記第2の金属との割合を、その熱膨
    張係数が搭載すべき半導体素子の熱膨張係数とほぼ同じ
    になる値に設定したことを特徴とするヒートシンク。
  2. 【請求項2】前記第1の金属の含有率を、ほぼ50〜9
    0重量%に設定したことを特徴とする請求項1に記載の
    ヒートシンク。
  3. 【請求項3】前記第1の金属を多孔質焼結体として、そ
    こに前記第2の金属を含浸してなることを特徴とする請
    求項1又は2に記載のヒートシンク。
  4. 【請求項4】前記第1の金属よりなる多孔質焼結体の少
    なくも表面に、炭化層を形成したことを特徴とする請求
    項1乃至3に記載のヒートシンク。
  5. 【請求項5】表面を、銅、銀、金、ニッケルの少なくと
    も一つのメッキ層、スパッタ層、溶着層により被覆した
    ことを特徴とする請求項1乃至4に記載のヒートシン
    ク。
  6. 【請求項6】タングステン、モリブデン等の高融点の第
    1の金属の多孔質焼結体に炭素を含む樹脂を含浸させて
    から高温処理して炭化層を形成し、次に銅、銀、金のい
    ずれか一つ以上からなる第2の金属を溶融含浸させて製
    造することを特徴とするヒートシンクの製造方法。
  7. 【請求項7】タングステン、モリブデン等の高融点の第
    1の金属の多孔質焼結体を炭化雰囲気中で高温処理して
    炭化層を形成し、次に銅、銀、金のいずれか一つ以上か
    らなる第2の金属を溶融含浸させて製造することを特徴
    とするヒートシンクの製造方法。
  8. 【請求項8】前記第2の金属の含浸に先だって、無電解
    メッキにより前記第2の金属と同じ金属の被膜を前記炭
    化層上に形成することを特徴とする請求項6又は7に記
    載の製造方法。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2003007891A (ja) * 2001-06-26 2003-01-10 Kyocera Corp 半導体素子収納用パッケージ
JP2003007890A (ja) * 2001-06-26 2003-01-10 Kyocera Corp 半導体素子収納用パッケージ
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US7180178B2 (en) * 2001-08-31 2007-02-20 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Semiconductor heat-dissipating substrate, and manufacturing method and package therefor

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