JP4062994B2 - 放熱用基板材、複合材及びその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、放熱用基板材、複合材及びその製造方法に係り、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、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。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置等の電子部品は使用中に発熱するため、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。
【０００３】
ヒートシンクを使用する方法は、図１６に示すように、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４３ａ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（ＡｌＮ）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。
【０００４】
前記ヒートシンク４２の材料となる前記金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４５とを一体化した積層体とすることで形成される。
【０００５】
また、特開平７−２４９７１７号公報には、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。
【０００６】
また、特開平６−３３４０７４号公報には、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。
【０００７】
また、半導体装置においては、シリコンチップ（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。
【０００８】
この問題を解決する方法として、特許第３２１６３０５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。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、金網４５と金属板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４５ａ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。
【００１０】
また、放熱用基板材料の熱膨張率を抑制するためには、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。
【００１１】
また、特開平６−３３４０７４号公報に開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。
【００１２】
また、特許第３２１６３０５号に開示された、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。
【００１３】
本発明は前記従来の問題点に鑑みてなされたものであって、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放熱用基板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。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するため請求項１に記載の発明の放熱用基板材は、線膨張率が８×１０^−６／℃以下の金属板に切れ目を交互に入れたものを引っ張り、金網状に広げて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）以上の金属により熱伝導率を確保するように、前記エキスパンドメタルの網目内に前記金属が充填される状態で両者を板状に複合した放熱用基板材であって、前記エキスパンドメタルを前記金属で囲繞した。「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。
【００１５】
この発明では、線膨張率が８×１０^−６／℃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放熱用基板材が形成されている。そして、放熱用基板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。
【００１６】
また、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、放熱用基板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。
【００１７】
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の発明において、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放熱用基板材を製造できる。
【００１８】
請求項３に記載の発明では、請求項１に記載の発明において、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、所望の厚さの放熱用基板材の製造が容易になる。
【００１９】
請求項４に記載の発明では、請求項１に記載の発明において、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、前記放熱用基板材の製造が簡単になる。
【００２０】
請求項５に記載の発明では、請求項１〜請求項４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少なくとも２枚使用される。
請求項６に記載の発明では、請求項１〜請求項５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で形成されている。
請求項７に記載の発明では、請求項１〜請求項６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、しかも放熱用基板材の放熱性が良くなる。
【００２１】
第２の目的を達成するため、請求項８に記載の発明では、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）以上の金属により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、板状の導電性部材の端部に設けた複合材であって、前記導電性部材の端部において該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ており、該充填された導電性部材が前記金属である。
【００２２】
この発明の複合材を半導体装置の配線材として使用し、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。
【００２３】
請求項９に記載の発明では、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の網目内に前記導電性部材及び熱伝導率が２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の金属の板の素材の少なくとも一方が充填された膨張抑制部を設けた複合材であって、前記導電性部材の端部において、前記膨張抑制部を挟んで前記導電性部材と反対側に前記金属の板が積層された。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。
【００２６】
請求項１０に記載の発明では、請求項８又は請求項９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で形成されている。
【００２７】
請求項１１に記載の発明では、請求項８〜請求項１０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。
【００２８】
請求項１２に記載の発明では、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おいてエキスパンドメタルにより熱膨張を抑制し、該エキスパンドメタルの網目内に充填された導電性部材である熱伝導率が２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の金属により熱伝導率を確保するように構成した。
【００２９】
この発明では、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。
【００３０】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下、本発明を具体化した第１の実施の形態を図１〜図３に従って説明する。
【００３１】
図１（ａ）は複合材の模式平断面図であり、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１３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。
【００３２】
次に前記のように構成された複合材１１の製造方法を図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。
【００３３】
前記のようにして製造された複合材１１は、エキスパンドメタル１２の網目の大きさ、金属板１４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。
【００３４】
前記のようにして製造された複合材１１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。
【００３５】
（１） 複合材１１は、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。
【００３６】
（２） エキスパンドメタル１２を、熱伝導率が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。
【００３７】
（３） 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。
【００３８】
（４） エキスパンドメタル１２はインバー（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。
【００３９】
（５） エキスパンドメタル１２を熱伝導率が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。
【００４０】
（６） 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。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。
【００４１】
（第２の実施の形態）
次に第２の実施の形態を図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。
【００４２】
図４（ａ）に示すように、成形型１６内に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。
【００４３】
この実施の形態では、前記実施の形態の（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。
【００４４】
（８） 前記実施の形態と異なり、圧延は成形体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。
【００４５】
（第３の実施の形態）
次に第３の実施の形態を図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。
【００４６】
図５（ａ），（ｂ）に示すように、複合材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。
【００４７】
次に前記のように構成された複合材１１の製造方法を図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。
【００４８】
この実施の形態では、前記実施の形態の（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。
【００４９】
（１０） エキスパンドメタル１２を製造する際、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。
【００５０】
（第４の実施の形態）
次に第４の実施の形態を図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。
【００５１】
図８（ａ）〜（ｃ）に示すように、複合材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。
【００５２】
膨張抑制部２３は、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。
【００５３】
複合材２１は、配線材として使用される形状（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。
【００５４】
複合材２１は、所定の大きさの板状の導電性部材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２４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２１が製造される。
【００５５】
また、板状の導電性部材２２及びエキスパンドメタル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。
【００５６】
前記のように構成された複合材２１は、例えば、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２７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。
【００５７】
また、ダイオード素子２９とエミッタ電極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。
【００５８】
なお、図８（ａ）〜（ｃ）に示す複合材２１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２３の厚さも誇張して描いてある。
【００５９】
この実施の形態では、次の効果を有する。
（１１） 半導体素子のボンディングパッドあるいは半導体素子と、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。
【００６０】
（１２） 熱膨張の小さな半導体素子と対応する配線材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。
【００６１】
（１３） 膨張抑制部２３は、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。
【００６２】
（１４） 複合材２１は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。
【００６３】
（１５） 複合材２１は、導電性部材２２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。
【００６４】
（１６） 複合材２１をコイル状の導電性部材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。
【００６５】
（第５の実施の形態）
次に第５の実施の形態を図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。
【００６６】
図１２に示すように、複合材２１は導電性部材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。
【００６７】
複合材２１は、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１３（ａ）の断面図、図１３（ｄ）は複合材２１の断面図である。
【００６８】
この実施の形態では前記第４の実施の形態の（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。
【００６９】
（１８） 膨張抑制部２３の導電性部材２２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。
【００７０】
（１９） 絶縁部材３５がゴム製のため、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。
【００７１】
（２０） 絶縁部材３５がシリコーンゴム製で網目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。
【００７２】
○ 複合材１１を製造する際、圧延工程は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。
【００７３】
○ エキスパンドメタル１２を成形型１６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。
【００７４】
○ 第３の実施の形態において、エキスパンドメタル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１２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。
【００７５】
○ エキスパンドメタル１２の全体がマトリックス金属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。
【００７６】
○ エキスパンドメタル１２を複数枚使用する構成において、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。
【００７７】
○ 配線材として好適な複合材２１は導電性部材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１５（ａ）に示すように、導電性部材２２に膨張抑制部２３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。
【００７８】
○ 金属の板３７は導電性部材２２と同じ金属で形成しても、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。
【００７９】
〇 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。
【００８０】
○ 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。
【００８１】
〇 絶縁部材３５をゴム製とする代わりに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。
【００８２】
○ マトリックス金属１３を構成する金属は、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６６０℃（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。
【００８３】
○ エキスパンドメタル１２の素材はインバーに限らず、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。
【００８４】
○ 複合材１１を製造する際、接合工程は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。
【００８５】
○ 成形型１６は必ずしも金属製に限らず、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。
【００８６】
（１） 前記エキスパンドメタルが複数枚使用されている。
（２） 前記エキスパンドメタルが３枚以上使用されている。
【００８７】
（３） 前記板状の導電性部材は熱伝導率が２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の金属で形成され、前記エキスパンドメタル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。
【００８８】
（４） 熱伝導率が２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）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。
【００８９】
（５） 前記抵抗溶接としてシーム溶接が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。
【００９０】
（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配線材。
【００９１】
（８） 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。
【００９２】
（９） 半導体装置の半導体素子の配線を接続すべき箇所に、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。
【００９３】
【発明の効果】
以上詳述したように、請求項１〜請求項７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８〜請求項１１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複合材を製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 （ａ）は第１の実施の形態の複合材の模式平断面図、（ｂ）は模式縦断面図。
【図２】 複合材を構成する金属板とエキスパンドメタルの模式斜視図。
【図３】 複合材の製造方法を示す模式断面図。
【図４】 （ａ），（ｂ）は第２の実施の形態の複合材の製造方法を示す模式断面図。
【図５】 （ａ）は第３の実施の形態の複合材の模式平断面図、（ｂ）は（ａ）の模式縦断面図。
【図６】 複合材を構成する金属板とエキスパンドメタルの模式斜視図。
【図７】 複合材の製造方法を示す模式断面図。
【図８】 （ａ）は第４の実施の形態の複合材の模式平面図、（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。
【図９】 同じく複合材の製造方法を示す模式側面図。
【図１０】 複合材の別の製造方法を示す模式側面図。
【図１１】 配線材の使用状態を示す模式斜視図。
【図１２】 第５の実施の形態の配線材の模式断面図。
【図１３】 （ａ），（ｂ）は配線材の製造方法を示す模式側面図、（ｃ）は（ａ）の断面図、（ｄ）は複合材の模式断面図。
【図１４】 別の実施の形態の複合材の製造方法を示す模式断面図。
【図１５】 （ａ），（ｂ）は別の実施の形態の複合材の模式断面図。
【図１６】 ヒートシンクを使用した実装モジュールの模式断面図。
【図１７】 （ａ），（ｂ）は従来の放熱用基板材料の製造方法を示す模式断面図。
【図１８】 別の従来例の半導体装置用基板の基材の平面図。
【図１９】 図１７（ｂ）の部分拡大図。
【図２０】 （ａ）は従来の放熱用基板材料の模式断面図、（ｂ）は別の放熱用基板材料の模式断面図。
【符号の説明】
１１，２１…複合材、１２，２４…エキスパンドメタル、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 (12)

1. 線膨張率が８×１０^−６／℃以下の金属板に切れ目を交互に入れたものを引っ張り、金網状に広げて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）以上の金属により熱伝導率を確保するように、前記エキスパンドメタルの網目内に前記金属が充填される状態で両者を板状に複合した放熱用基板材であって、前記エキスパンドメタルを前記金属で囲繞した放熱用基板材。
2. 前記エキスパンドメタルを熱伝導率が２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の金属板の間に挟んだ状態で圧延・接合して形成した請求項１に記載の放熱用基板材。
3. 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１に記載の放熱用基板材。
4. 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請求項１に記載の放熱用基板材。
5. 前記エキスパンドメタルは少なくとも２枚使用される請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の放熱用基板材。
6. 前記エキスパンドメタルはインバーで形成されている請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の放熱用基板材。
7. 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６のいずれか一項に記載の放熱用基板材。
8. 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）以上の金属により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、板状の導電性部材の端部に設けた複合材であって、前記導電性部材の端部において該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ており、該充填された導電性部材が前記金属である複合材。
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の網目内に前記導電性部材及び熱伝導率が２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の金属の板の素材の少なくとも一方が充填された膨張抑制部を設けた複合材であって、前記導電性部材の端部において、前記膨張抑制部を挟んで前記導電性部材と反対側に前記金属の板が積層された複合材。
10. 前記エキスパンドメタルはインバーで形成されている請求項８又は請求項９に記載の複合材。
11. 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８〜請求項１０のいずれか一項に記載の複合材。
12. 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おいてエキスパンドメタルにより熱膨張を抑制し、該エキスパンドメタルの網目内に充填された導電性部材である熱伝導率が２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の金属により熱伝導率を確保するように構成した複合材の製造方法。

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