JP4350753B2

JP4350753B2 - ヒートシンク部材およびその製造方法

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Publication number: JP4350753B2
Application number: JP2006531412A
Authority: JP
Inventors: 和弘塩見; 雅昭石尾; 剛長谷川
Original assignee: Neomax Materials Co Ltd
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Priority date: 2004-08-10
Filing date: 2005-07-27
Publication date: 2009-10-21
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Description

この発明は、ヒートシンク部材およびその製造方法に関し、特に、Ｍｏ（モリブデン）を用いたヒートシンク部材およびその製造方法に関する。

従来、電子部品等から発生する熱を吸収し、外部へ放熱させるためのヒートシンク部材として、モリブデン（Ｍｏ）を用いたヒートシンク部材が知られている。このモリブデンを用いたヒートシンク部材としては、モリブデンを基材とし、Ｃｕを合わせ材としてクラッドしたＣｕ／Ｍｏ／Ｃｕクラッド材が知られている。従来では、このＣｕ／Ｍｏ／Ｃｕクラッド材は、熱間圧接または冷間圧接（冷間圧延）により製造されている。ここで、基材としてのＭｏは、硬く、かつ、延びが小さいため、熱間圧接時または冷間圧接（冷間圧延）時に、割れやひびが発生しやすい。特に、Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕクラッド材を冷間圧接（冷間圧延）する方法では、Ｍｏからなる基材とＣｕからなる合わせ材とを圧延して接合する際に、Ｍｏからなる基材に割れやひびが発生しやすいという不都合がある。

そこで、従来、熱間圧接または冷間圧接（冷間圧延）に代えて、Ｍｏからなる基材とＣｕからなる合わせ材とをろう材を用いて接合することにより、Ｍｏ（モリブデン）からなる基材に割れやひびが発生するのを抑制したヒートシンク部材が提案されている。このようなヒートシンク部材は、たとえば、特開平１１−２８４１１１号公報に開示されている。

上記特開平１１−２８４１１１号公報には、銅（Ｃｕ）製の板からなる合わせ材とモリブデン（Ｍｏ）製の板からなる基材とを、Ｍｎ−Ｎｉ−Ｃｕ系合金からなるろう材を用いて接合したＣｕ／Ｍｏ／Ｃｕクラッド材からなるヒートシンク部材が開示されている。この特開平１１−２８４１１１号公報に開示されたＭｎ−Ｎｉ−Ｃｕ系合金からなるろう材を用いて接合する方法では、Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕクラッド材からなるヒートシンク部材の製造時に、Ｍｏ（モリブデン）製の板からなる基材を圧接しないので、モリブデン製の板からなる基材に割れやひびが発生するのを抑制することが可能である。

しかしながら、上記特開平１１−２８４１１１号公報に開示されたＭｎ−Ｎｉ−Ｃｕ系合金からなるろう材を用いて、Ｍｏからなる基材とＣｕからなる合わせ材とを接合する方法では、ろう材に起因して、Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕクラッド材の熱膨張係数が大きくなるという不都合がある。このため、Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕクラッド材からなるヒートシンク部材上に熱膨張係数が小さいシリコンなどからなる半導体素子を配置した場合に、ヒートシンク部材と半導体素子との熱膨張係数差が大きくなる。その結果、高温時に、半導体素子とＣｕ／Ｍｏ／Ｃｕクラッド材からなるヒートシンク部材との接合部分に割れやひびが発生しやすくなるという問題点がある。また、上記特開平１１−２８４１１１号公報のように、Ｍｎ−Ｎｉ−Ｃｕ系合金からなるろう材を用いると、Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕクラッド材からなるヒートシンク部材の熱伝導率が大幅に低下するという不都合もある。このため、ヒートシンク部材の放熱性が大幅に低下するという問題点もある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、製造時に割れやひびが発生するのを抑制するとともに、熱膨張係数が大きくなるのを抑制し、かつ、熱伝導率が低下するのを抑制することが可能なヒートシンク部材およびその製造方法を提供することである。

上記目的を達成するために、この発明の第１の局面によるヒートシンク部材は、Ｃｕを主成分とする第１の層と、Ｍｏを主成分とする第２の層と、第１の層と第２の層の一方面との間に配置され、第１の層と第２の層とを接合するための、Ｓｎの含有率が１質量％以上１３質量％以下であるＳｎ−Ｃｕ系合金からなる第１ろう付け層とを備える。

この発明の第１の局面によるヒートシンク部材では、上記のように、Ｃｕ（銅）を主成分とする第１の層とＭｏ（モリブデン）を主成分とする第２の層の一方面との間に配置され、第１の層と第２の層とを接合するためのＳｎ−Ｃｕ系合金からなる第１ろう付け層を設けることによって、Ｃｕを主成分とする第１の層とＭｏを主成分とする第２の層とを接合する際に、第１の層および第２の層を圧接する必要がないので、Ｍｏを主成分とする第２の層に割れやひびが発生するのを抑制することができる。また、Ｃｕを主成分とする第１の層と、Ｍｏを主成分とする第２の層とを接合するためのろう付け層として、Ｓｎ−Ｃｕ系合金からなる第１ろう付け層を用いることによって、Ｍｎ−Ｎｉ−Ｃｕ系合金からなるろう材を用いる場合に比べて、ヒートシンク部材の熱膨張係数が大きくなるのを抑制することができる。これにより、ヒートシンク部材上に熱膨張係数の小さいシリコンなどからなる半導体素子を配置した場合に、ヒートシンク部材と半導体素子との熱膨張係数差が大きくなるのを抑制することができるので、高温時に、半導体素子とヒートシンク部材との接合部分に割れやひびが発生するのを抑制することができる。また、Ｓｎ−Ｃｕ系合金からなる第１ろう付け層を用いることによって、Ｍｎ−Ｎｉ−Ｃｕ系合金からなるろう材を用いる場合に比べて、第１ろう付け層の熱伝導率を大きくすることができるので、ヒートシンク部材の熱伝導率が低下するのを抑制することができる。また、Ｓｎを１質量％以上含有するＳｎ−Ｃｕ系合金からなる第１ろう付け層を用いれば、Ｓｎ−Ｃｕ系合金からなる第１ろう付け層の融点を、Ｃｕを主成分とする第１の層およびＭｏを主成分とする第２の層よりも低くすることができるので、ろう付けを行う際に、第１の層および第２の層を溶融させることなく、Ｓｎ−Ｃｕ系合金からなる第１ろう付け層のみを溶融させることができる。また、Ｓｎを１３質量％以下含有するＳｎ−Ｃｕ系合金からなる第１ろう付け層を用いれば、Ｓｎ−Ｃｕ系合金からなる第１ろう付け層が脆くなるのを抑制することができるので、第１ろう付け層を所定の厚みに圧延する際に、第１ろう付け層に割れやひびが発生するのを抑制することができる。

上記第１の局面によるヒートシンク部材において、好ましくは、Ｍｏを主成分とする第２の層は、焼結によって形成されている。このように焼結により形成されたＭｏ（モリブデン）は、硬く、かつ、延びが小さいので、本発明のＳｎ−Ｃｕ系合金からなる第１ろう付け層を用いて、圧接することなく、ろう付けを行うようにすれば、容易に、Ｍｏの割れやひびが発生するのを抑制することができる。

上記第１の局面によるヒートシンク部材において、好ましくは、第１の層および第２の層は、０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の厚みを有する。このように構成すれば、ヒートシンク部材の厚みが大きくなりすぎるのを抑制することができる。

上記第１の局面によるヒートシンク部材において、好ましくは、Ｃｕを主成分とする第３の層と、第２の層の他方面と第３の層との間に配置され、第２の層と第３の層とを接合するためのＳｎ−Ｃｕ系合金からなる第２ろう付け層とをさらに備え、第３の層の表面上には、半導体素子が配置される。このように構成すれば、Ｓｎ−Ｃｕ系合金からなる第１および第２のろう付け層により、Ｍｏを主成分とする第２の層を基材としてその両側にＣｕを主成分とする合わせ材（第１の層および第３の層）を配置した熱伝導率の大きいヒートシンク部材を得ることができる。また、Ｃｕを主成分とする第３の層は、半田やエポキシ樹脂などとのぬれ性が良好であるので、第３の層の表面上に半田やエポキシ樹脂などを用いて容易に半導体素子を接合することができる。これにより、半導体素子の熱を、第３の層、第２ろう付け層、第２の層、第１ろう付け層および第１の層を介して良好に放熱させることができる。

上記第３の層と第２ろう付け層とを備えるヒートシンク部材において、好ましくは、第２ろう付け層のＳｎの含有率は、１質量％以上１３質量％以下である。このようにＳｎを１質量％以上含有するＳｎ−Ｃｕ系合金からなる第２ろう付け層を用いれば、Ｓｎ−Ｃｕ系合金からなる第２ろう付け層の融点を、Ｃｕを主成分とする第１の層、第３の層およびＭｏを主成分とする第２の層よりも低くすることができるので、ろう付けを行う際に、第１の層、第２の層および第３の層を溶融させることなく、Ｓｎ−Ｃｕ系合金からなる第２ろう付け層を溶融させることができる。また、Ｓｎを１３質量％以下含有するＳｎ−Ｃｕ系合金からなる第２ろう付け層を用いれば、Ｓｎ−Ｃｕ系合金からなる第２ろう付け層が脆くなるのを抑制することができるので、第２ろう付け層を所定の厚みに圧延する際に、第２ろう付け層に割れやひびが発生するのを抑制することができる。

上記第３の層と第２ろう付け層とを備えるヒートシンク部材において、好ましくは、第２の層は、第１の層の表面上の半導体素子が配置される領域に対応する領域に配置されている。このように構成すれば、Ｍｏを主成分とする第２の層をヒートシンクとして必要な領域のみに配置することができるので、高価なＭｏの使用量を減少させることができる。

上記第３の層と第２ろう付け層とを備えるヒートシンク部材において、好ましくは、第３の層は、０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の厚みを有する。このように構成すれば、ヒートシンク部材の厚みが大きくなりすぎるのを抑制することができる。

この発明の第２の局面によるヒートシンク部材の製造方法は、Ｃｕを主成分とする第１の層とＭｏを主成分とする第２の層の一方面との間に、Ｓｎの含有率が１質量％以上１３質量％以下であるＳｎ−Ｃｕ系合金からなる第１ろう付け層を配置する工程と、第１ろう付け層を溶融することによって、第１の層と第２の層とを接合する工程とを備える。

この発明の第２の局面によるヒートシンク部材の製造方法では、上記のように、Ｃｕ（銅）を主成分とする第１の層とＭｏ（モリブデン）を主成分とする第２の層の一方面との間に、Ｓｎ−Ｃｕ系合金からなる第１ろう付け層を配置するとともに、第１ろう付け層を溶融することにより、第１の層と第２の層とを接合することによって、Ｃｕを主成分とする第１の層とＭｏを主成分とする第２の層とを接合する際に、第１の層および第２の層を圧接する必要がないので、Ｍｏを主成分とする第２の層に割れやひびが発生するのを抑制することができる。また、Ｃｕを主成分とする第１の層とＭｏを主成分とする第２の層の一方面との間に、Ｓｎ−Ｃｕ系合金からなる第１ろう付け層を配置するとともに、第１ろう付け層を溶融することにより、第１の層と第２の層とを接合することによって、Ｍｎ−Ｎｉ−Ｃｕ系合金からなるろう材を用いる場合に比べて、ヒートシンク部材の熱膨張係数が大きくなるのを抑制することができる。これにより、ヒートシンク部材上に熱膨張係数の小さいシリコンなどからなる半導体素子を配置した場合に、ヒートシンク部材と半導体素子との熱膨張係数差が大きくなるのを抑制することができるので、高温時に、半導体素子とヒートシンク部材との接合部分に割れやひびが発生するのを抑制することができる。また、Ｓｎ−Ｃｕ系合金からなる第１ろう付け層を用いることによって、Ｍｎ−Ｎｉ−Ｃｕ系合金からなるろう材を用いる場合に比べて、第１ろう付け層の熱伝導率を大きくすることができるので、ヒートシンク部材の熱伝導率が低下するのを抑制することができる。また、Ｓｎを１質量％以上含有するＳｎ−Ｃｕ系合金からなる第１ろう付け層を用いれば、Ｓｎ−Ｃｕ系合金からなる第１ろう付け層の融点を、Ｃｕを主成分とする第１の層およびＭｏを主成分とする第２の層よりも低くすることができるので、ろう付けを行う際に、第１の層および第２の層を溶融させることなく、Ｓｎ−Ｃｕ系合金からなる第１ろう付け層のみを溶融させることができる。また、Ｓｎを１３質量％以下含有するＳｎ−Ｃｕ系合金からなる第１ろう付け層を用いれば、Ｓｎ−Ｃｕ系合金からなる第１ろう付け層が脆くなるのを抑制することができるので、第１ろう付け層を所定の厚みに圧延する際に、第１ろう付け層に割れやひびが発生するのを抑制することができる。

上記第２の局面によるヒートシンク部材の製造方法において、好ましくは、Ｍｏを主成分とする第２の層を焼結によって形成する工程をさらに備える。このように焼結により形成されたＭｏ（モリブデン）は、硬く、かつ、延びが小さいので、本発明のＳｎ−Ｃｕ系合金からなる第１ろう付け層を用いて、圧接することなく、ろう付けを行うようにすれば、容易に、Ｍｏの割れやひびが発生するのを抑制することができる。

上記第２の局面によるヒートシンク部材の製造方法において、好ましくは、第１の層および第２の層は、０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の厚みを有する。このように構成すれば、ヒートシンク部材の厚みが大きくなりすぎるのを抑制することができる。

上記第２の局面によるヒートシンク部材の製造方法において、好ましくは、第１の層と第２の層との間に第１ろう付け層を配置する工程に先立って、第１の層と第１ろう付け層とを予め接合する工程をさらに備える。このように構成すれば、変形しやすい第１ろう付け層を第１の層と予め接合することができるので、第１の層と第２の層との間に第１ろう付け層を配置する際に、第１ろう付け層が変形するのを抑制することができる。これにより、円滑にろう付けを行うことができる。

上記第２の局面によるヒートシンク部材の製造方法において、好ましくは、第１の層と第２の層との間に第１ろう付け層を配置する工程は、第１の層と第２の層の一方面との間に第１ろう付け層を配置するとともに、第２の層の他方面とＣｕを主成分とする第３の層との間にＳｎ−Ｃｕ系合金からなる第２ろう付け層を配置する工程を含み、第１の層と第２の層とを接合する工程は、第１ろう付け層および第２ろう付け層を溶融することによって、第１の層および第２の層を接合するとともに、第２の層および第３の層を接合する工程を含む。このように構成すれば、Ｓｎ−Ｃｕ系合金からなる第１および第２のろう付け層により、Ｍｏを主成分とする第２の層を基材としてその両側にＣｕを主成分とする合わせ材（第１の層および第３の層）を配置した熱伝導率の大きいヒートシンク部材を得ることができる。また、Ｃｕを主成分とする第３の層は、半田やエポキシ樹脂などとのぬれ性が良好であるので、第３の層の表面上に半田やエポキシ樹脂などを用いて容易に半導体素子を接合することができる。これらにより、半導体素子の熱を、第３の層、第２ろう付け層、第２の層、第１ろう付け層および第１の層を介して良好に放熱させることができる。また、第１の層と第２の層とを接合する工程は、第１ろう付け層および第２ろう付け層を溶融することにより、第１の層および第２の層を接合するとともに、第２の層および第３の層を接合する工程を含むことによって、第２の層の一方面および他方面を１つの工程においてそれぞれ第１の層および第３の層に接合させることができる。

上記第１の層と第２の層との間に第１ろう付け層を配置する工程が、第２の層と第３の層との間に第２ろう付け層を配置する工程を含むヒートシンク部材の製造方法において、好ましくは、第２ろう付け層のＳｎの含有率は、１質量％以上１３質量％以下である。このようにＳｎを１質量％以上含有するＳｎ−Ｃｕ系合金からなる第２ろう付け層を用いれば、Ｓｎ−Ｃｕ系合金からなる第２ろう付け層の融点を、Ｃｕを主成分とする第１の層、第３の層およびＭｏを主成分とする第２の層よりも低くすることができるので、ろう付けを行う際に、第１の層、第２の層および第３の層を溶融させることなく、Ｓｎ−Ｃｕ系合金からなる第２ろう付け層を溶融させることができる。また、Ｓｎを１３質量％以下含有するＳｎ−Ｃｕ系合金からなる第２ろう付け層を用いれば、Ｓｎ−Ｃｕ系合金からなる第２ろう付け層が脆くなるのを抑制することができるので、第２ろう付け層を所定の厚みに圧延する際に、第２ろう付け層に割れやひびが発生するのを抑制することができる。

上記第１の層と第２の層との間に第１ろう付け層を配置する工程が、第２の層と第３の層との間に第２ろう付け層を配置する工程を含むヒートシンク部材の製造方法において、好ましくは、第３の層の表面上には、半導体素子が配置され、第１の層と第２の層との間に第１ろう付け層を配置する工程に先立って、第１の層の表面上の半導体素子が配置される領域に対応する領域に配置される第２の層を準備する工程をさらに備える。このように構成すれば、Ｍｏを主成分とする第２の層をヒートシンクとして必要な領域のみに配置することができるので、高価なＭｏの使用量を減少させることができる。

上記第１の層と第２の層との間に第１ろう付け層を配置する工程が、第２の層と第３の層との間に第２ろう付け層を配置する工程を含むヒートシンク部材の製造方法において、好ましくは、第３の層は、０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の厚みを有する。このように構成すれば、ヒートシンク部材の厚みが大きくなりすぎるのを抑制することができる。

本発明の第１実施形態によるヒートシンク部材に半導体素子を搭載した状態を示した断面図である。本発明の第１実施形態によるヒートシンク部材を示した断面図である。本発明の第１実施形態によるヒートシンク部材の製造方法を説明するための断面図である。本発明の第２実施形態によるヒートシンク部材の製造方法を説明するための断面図である。本発明の第２実施形態によるヒートシンク部材の製造方法を説明するための断面図である。本発明の第２実施形態によるヒートシンク部材の製造方法を説明するための断面図である。本発明の第１実施形態の第１変形例によるヒートシンク部材に半導体素子を搭載した状態を示した断面図である。本発明の第１実施形態の第２変形例によるヒートシンク部材の構造を説明するための断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態によるヒートシンク部材に半導体素子を搭載した状態を示した断面図である。図２は、本発明の第１実施形態によるヒートシンク部材を示した断面図である。まず、図１および図２を参照して、本発明の第１実施形態によるヒートシンク部材の構造について説明する。

本発明の第１実施形態によるヒートシンク部材は、図２に示すように、Ｃｕ（銅）を主成分とする合わせ材１と、Ｍｏ（モリブデン）を主成分とする基材２と、Ｃｕ（銅）を主成分とする合わせ材３とを含んでいる。なお、合わせ材１および合わせ材３は、それぞれ、本発明の「第１の層」および「第３の層」の一例であり、基材２は、本発明の「第２の層」の一例である。合わせ材１、基材２および合わせ材３は、共に、約０．１ｍｍ〜約３．０ｍｍの厚みを有している。また、基材２および合わせ材３は、合わせ材１の表面の一部上に形成されている。

ここで、第１実施形態では、Ｃｕを主成分とする合わせ材１とＭｏを主成分とする基材２とは、Ｓｎ−Ｃｕ合金（Ｓｎ：１質量％〜１３質量％）からなるろう付け層４によって接合されている。なお、このろう付け層４は、本発明の「第１ろう付け層」の一例である。また、Ｍｏを主成分とする基材２とＣｕを主成分とする合わせ材３とは、Ｓｎ−Ｃｕ合金（Ｓｎ：１質量％〜１３質量％）からなるろう付け層５によって接合されている。なお、このろう付け層５は、本発明の「第２ろう付け層」の一例である。また、Ｓｎ−Ｃｕ合金からなるろう付け層４および５は、共に、約０．０１ｍｍ〜約０．０７ｍｍの厚みを有している。また、Ｃｕを主成分とする合わせ材３の上面上には、図１に示すように、半導体素子６が半田やエポキシ樹脂などからなる接合層７によって固定されている。

図３は、本発明の第１実施形態によるヒートシンク部材の製造方法を説明するための断面図である。次に、図３を参照して、本発明の第１実施形態によるヒートシンク部材の製造方法について説明する。

まず、Ｍｏ（モリブデン）を主成分とする部材を、焼結により約０．１ｍｍ〜約３．０ｍｍの厚みを有するように形成する。そして、この部材の長さが合わせ材１よりも小さくなるように切断することによって基材２を形成する。これにより、Ｍｏを主成分とする部材をヒートシンクとして必要な分だけ用いることができるので、高価なＭｏの使用量を低減することが可能である。また、Ｃｕを主成分とする部材を、約０．１ｍｍ〜約３．０ｍｍの厚みに圧延した後、所定の大きさに切断することによって、合わせ材１および３を形成する。このとき、合わせ材３の長さが基材２の長さと同程度の長さになるように形成する。

また、Ｓｎ−Ｃｕ合金（Ｓｎ：１質量％〜１３質量％）からなる部材を、約６５０℃〜約７５０℃の温度で熱間圧延することによって、約０．１ｍｍ〜約３．０ｍｍの厚みに形成した後、この部材を基材２および合わせ材３と同程度の長さに切断することによって、ろう付け層４および５を形成する。

次に、本発明の第１実施形態では、合わせ材１の上面に、ろう付け層４、基材２、ろう付け層５および合わせ材３を、この順番で重ね合わせた後、約９．８×１０^２Ｐａ〜約９．８×１０^４Ｐａの圧下力で押圧する。そして、この押圧した状態で水素雰囲気中で、約８１０℃〜約１０３０℃の温度で約１分〜約３０分間加熱し、ろう付け層４および５を溶融させることによって、合わせ材１および基材２を接合するとともに、基材２および合わせ材３を接合する。これにより、図２に示したような第１実施形態によるヒートシンク部材が形成される。

第１実施形態では、上記のように、Ｃｕ（銅）を主成分とする合わせ材１とＭｏ（モリブデン）を主成分とする基材２の下面とを接合するためのＳｎ−Ｃｕ合金（Ｓｎ：１質量％〜１３質量％）からなるろう付け層４と、Ｃｕを主成分とする合わせ材３とＭｏを主成分とする基材２の上面とを接合するためのＳｎ−Ｃｕ合金（Ｓｎ：１質量％〜１３質量％）からなるろう付け層５とを設けることによって、Ｃｕを主成分とする合わせ材１とＭｏを主成分とする基材２とを接合するとともに、Ｍｏを主成分とする基材２の下面とＣｕを主成分とする合わせ材３とを接合する際に、合わせ材１、基材２および合わせ材３を圧接する必要がないので、Ｍｏを主成分とする基材２に割れやひびが発生するのを抑制することができる。また、Ｓｎ−Ｃｕ合金（Ｓｎ：１質量％〜１３質量％）からなるろう付け層４および５を設けることによって、Ｍｎ−Ｎｉ−Ｃｕ系合金からなるろう材を用いる場合に比べて、ヒートシンク部材の熱膨張係数が大きくなるのを抑制することができる。これにより、ヒートシンク部材上に熱膨張係数の小さいシリコンなどからなる半導体素子６を配置した場合に、ヒートシンク部材と半導体素子６との熱膨張係数差が大きくなるのを抑制することができるので、高温時に、半導体素子６とヒートシンク部材との接合部分に割れやひびが発生するのを抑制することができる。また、Ｓｎ−Ｃｕ合金（Ｓｎ：１質量％〜１３質量％）からなるろう付け層４および５を用いることによって、Ｍｎ−Ｎｉ−Ｃｕ系合金からなるろう材を用いる場合に比べて、ろう付け層４および５の熱伝導率を大きくすることができるので、ヒートシンク部材の熱伝導率が低下するのを抑制することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、Ｓｎを１質量％以上含有するＳｎ−Ｃｕ合金からなるろう付け層４および５を用いることによって、Ｓｎ−Ｃｕ合金からなるろう付け層４および５の融点を、Ｃｕを主成分とする合わせ材１、３およびＭｏを主成分とする基材２よりも低くすることができるので、ろう付けを行う際に、合わせ材１および３と基材２とを溶融させることなく、Ｓｎ−Ｃｕ合金からなるろう付け層４および５のみを溶融させることができる。

また、第１実施形態では、上記のように、Ｓｎを１３質量％以下含有するＳｎ−Ｃｕ合金をろう付け層４および５に用いることによって、Ｓｎ−Ｃｕ合金からなるろう付け層４および５が脆くなるのを抑制することができるので、ろう付け層４および５を約０．１ｍｍ〜約３．０ｍｍの厚みに圧延する際に、ろう付け層４および５に割れやひびが発生するのを抑制することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、Ｓｎ−Ｃｕ合金からなるろう付け層４および５を用いて、圧接することなく、ろう付けを行うことによって、硬く、かつ、延びが小さい焼結により形成されたＭｏからなる基材２を用いる場合にも、容易に、Ｍｏの割れやひびが発生するのを抑制することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、Ｃｕを主成分とする合わせ材３の表面上に、半導体素子６を配置することによって、Ｃｕを主成分とする合わせ材３は、半田やエポキシ樹脂などとのぬれ性が良好であるので、合わせ材３の表面上に半田やエポキシ樹脂などを用いて容易に半導体素子６を接合することができる。これにより、半導体素子６の熱を、合わせ材３、ろう付け層５、基材２、ろう付け層４および合わせ材１を介して良好に放熱させることができる。また、ろう付け層４および５を溶融することにより、合わせ材１および基材２を接合するとともに、基材２および合わせ材３を接合するのを同じ工程で行うことによって、基材２の一方面および他方面を１つの工程においてそれぞれ合わせ材１および３に接合させることができる。

次に、上記した第１実施形態によるヒートシンク部材の効果を確認するために行った実験について説明する。まず、Ｓｎ−Ｃｕ合金の加工（熱間圧延）性の比較実験について説明する。この比較実験では、第１実施形態に対応する実施例１〜７による試料を作製するとともに、比較例１による試料を作製した。

まず、実施例１〜７では、Ｓｎの含有率を、それぞれ、１質量％、２質量％、２．７５質量％、５．２１質量％、７質量％、１０質量％および１３質量％にしたＳｎ−Ｃｕ合金を、約１０ｍｍ角で約５０ｍｍの長さに切断した試料を、それぞれ、３つずつ作製した。また、比較例１では、Ｓｎの含有率を１４質量％としたＳｎ−Ｃｕ合金を約１０ｍｍ角で約５０ｍｍの長さに切断した試料を３つ作製した。上記のように作製した実施例１〜７および比較例１による各３つの試料について、それぞれ、６５０℃、７００℃および７５０℃の温度条件下で圧延し、割れやひびの有無を確認した。その結果を表１に示す。

上記表１を参照して、Ｓｎの含有率が１質量％〜１３質量％である実施例１〜７によるＳｎ−Ｃｕ合金では、圧延加工時に、Ｓｎ−Ｃｕ合金に割れやひびが発生しにくいことが判明した。その一方、Ｓｎの含有率が１４質量％である比較例１によるＳｎ−Ｃｕ合金では、圧延加工時に、Ｓｎ−Ｃｕ合金に割れやひびが発生しやすいことが判明した。これは、Ｓｎの含有量が多くなるにしたがいＳｎ−Ｃｕ合金が脆くなるためであると考えられる。この結果から、Ｓｎ−Ｃｕ合金からなるろう材の圧延加工時の割れやひびの発生を防止するためには、Ｓｎの含有率は１質量％以上１３質量％以下であることが好ましいと考えられる。ここで、表１の○は、割れおよびひびが発生しなかったことを表すとともに、×は、割れおよびひびが発生したことを表す。

次に、上記のように作製した実施例１〜７および比較例１による試料について、ＤＴＡ（示差熱分析）装置（ＲＩＧＡＫＵ製、ＤＴＡ８１２１）を用いて融点を測定した結果について説明する。測定した融点を、以下の表２に示す。

上記表２を参照して、Ｓｎの含有率が１質量％〜１４質量％の実施例１〜７および比較例１によるＳｎ−Ｃｕ合金のうち、実施例１のＳｎ−Ｃｕ合金（Ｓｎ：１質量％）の融点（約１０００℃）が最も高いことが判明した。但し、この実施例１の融点（１０００℃）は、Ｃｕの融点（１０８３℃）に対して十分低い。この結果から、Ｓｎの含有率が１質量％〜１４質量％の実施例１〜７および比較例１によるＳｎ−Ｃｕ合金を用いてろう付けを行う場合には、Ｃｕを主成分とする合わせ材を溶融させることなく、Ｓｎ−Ｃｕ合金のみを溶融させることが可能であると考えられる。

次に、上記した第１実施形態に対応する実施例８〜１３および従来例に対応する比較例２による試料（ヒートシンク部材）を作製して熱膨張係数を測定した結果について説明する。具体的には、実施例８〜１３では、約０．６３ｍｍの厚みをそれぞれ有する合わせ材１、基材２および合わせ材３を、約０．０５ｍｍの厚みをそれぞれ有するＳｎ−Ｃｕ合金（Ｓｎ：２質量％〜１３質量％）からなるろう付け層４および５によって接合し、約２ｍｍの厚みを有する部材を作製した。この部材を約２ｍｍ角で約５０ｍｍの長さに切断した試料を作製し、熱膨張係数を測定した。なお、実施例８〜１３では、ろう付け層４および５のＳｎの含有率を、それぞれ、２質量％、２．７５質量％、５．２１質量％、７質量％、１０質量％および１３質量％とした。また、比較例２では、ろう付け層として、１５．２Ｍｎ−１０．１Ｎｉ−Ｃｕ合金を用い、その他の条件は上記実施例８〜１３と同様の方法で試料を作製し、熱膨張係数を測定した。その結果を以下の表３に示す。

上記表３を参照して、Ｓｎの含有率が２質量％〜１３質量％のＳｎ−Ｃｕ合金をろう付け層４および５に用いた実施例８〜１３によるヒートシンク部材の熱膨張係数（８．２×１０^−６／Ｋ〜８．６×１０^−６／Ｋ）は、１５．２Ｍｎ−１０．１Ｎｉ−Ｃｕ合金をろう付け層に用いた比較例２によるヒートシンク部材の熱膨張係数（１０．４×１０^−６／Ｋ）よりも小さいことが判明した。また、ろう付け層４および５のＳｎの含有率が減少するにしたがって、ヒートシンク部材の熱膨張係数も減少する傾向があることが判明した。この結果から、ろう付け層４および５のＳｎの含有率が１質量％の場合にも、ヒートシンク部材の熱膨張係数は、１５．２Ｍｎ−１０．１Ｎｉ−Ｃｕ合金をろう付け層に用いた比較例２によるヒートシンク部材の熱膨張係数よりも小さいと考えられる。

次に、上記した第１実施形態に対応する実施例１４〜１９および従来例に対応する比較例３による試料（ヒートシンク部材）を作製して熱伝導率を測定した結果について説明する。具体的には、実施例１４〜１９では、約０．３ｍｍの厚みをそれぞれ有する合わせ材１、基材２および合わせ材３を、約０．０５ｍｍの厚みをそれぞれ有するＳｎ−Ｃｕ合金（Ｓｎ：２質量％〜１３質量％）からなるろう付け層４および５によって接合し、約１ｍｍの厚みを有する部材を作製した。この部材を約１０ｍｍの直径と約１ｍｍの厚みとを有する円柱形状に切断した試料を作製した。なお、実施例１４〜１９では、ろう付け層４および５のＳｎの含有率を、それぞれ、２質量％、２．７５質量％、５．２１質量％、７質量％、１０質量％および１３質量％とした。また、比較例３では、ろう付け層として、１５．２Ｍｎ−１０．１Ｎｉ−Ｃｕ合金を用い、その他の条件は上記実施例１４〜１９と同様の方法で試料を作製した。そして、上記のように作製した実施例１４〜１９および比較例３による試料の熱伝導率をレーザーフラッシュ法を用いた熱伝導率測定装置（アルバック理工製、ＴＣ７０００）によって測定した。その結果を以下の表４に示す。

上記表４を参照して、Ｓｎの含有率が２質量％〜１３質量％のＳｎ−Ｃｕ合金をろう付け層４および５に用いた実施例１４〜１９によるヒートシンク部材の熱伝導率（２４８Ｗ／（ｍ・Ｋ）〜２２３Ｗ／（ｍ・Ｋ））は、１５．２Ｍｎ−１０．１Ｎｉ−Ｃｕ合金をろう付け層に用いた比較例３によるヒートシンク部材の熱伝導率（２０６Ｗ／（ｍ・Ｋ））よりも大きいことが判明した。また、ろう付け層４および５のＳｎの含有率が減少するにしたがって、ヒートシンク部材の熱伝導率が増加する傾向が判明した。この結果から、ろう付け層４および５のＳｎの含有率が１質量％の場合にも、ヒートシンク部材の熱膨張係数は、１５．２Ｍｎ−１０．１Ｎｉ−Ｃｕ合金をろう付け層に用いた比較例３によるヒートシンク部材の熱伝導率よりも大きいと考えられる。

（第２実施形態）
図４〜図６は、本発明の第２実施形態によるヒートシンク部材の製造方法を説明するための断面図である。この第２実施形態では、上記第１実施形態とは異なるヒートシンク部材の製造方法について説明する。

この第２実施形態によるヒートシンク部材の製造方法では、まず、Ｃｕを主成分とする部材を、約０．２５ｍｍ〜約７．５ｍｍの厚みに圧延し、所定の大きさに切断することによって、図４に示した合わせ材１１および１３を形成する。このとき、合わせ材１３の長さが、合わせ材１１よりも小さくなるように形成する。また、Ｍｏ（モリブデン）を主成分とする部材を、焼結により約０．１ｍｍ〜約３．０ｍｍの厚みを有するように形成する。そして、この部材を合わせ材１３と同程度の長さに切断することによって、基材２を形成する。

また、Ｓｎ−Ｃｕ合金（Ｓｎ：１質量％〜１３質量％）からなる部材を、約６５０℃〜約７５０℃の温度で熱間圧延することによって、約０．０２５ｍｍ〜約０．１２５ｍｍの厚みに形成した後、この部材を基材２および合わせ材１３と同程度の長さに切断することによって、ろう付け層１４および１５を形成する。

次に、本発明の第２実施形態では、図４に示すように、合わせ材１１およびろう付け層１４を約６０％の圧下率で圧接するとともに、合わせ材１３およびろう付け層１５を約６０％の圧下率で圧接する。この後、圧接された合わせ材１１およびろう付け層１４と、合わせ材１３およびろう付け層１５とに対して、水素雰囲気中で、約７００℃〜約８００℃の温度で１分〜３分間拡散焼鈍を行う。これにより、ろう付けを行う前に、変形しやすいろう付け層１４および１５を、合わせ材１１および１３と予め接合することができるので、ろう付けの際にろう付け層１４および１５が変形するのを抑制することが可能となる。これにより、円滑にろう付けを行うことが可能となる。この後、合わせ材１１に圧接されたろう付け層１４の上面上に、基材２と、ろう付け層１５が圧接された合わせ材１３とを、この順番で重ね合わせた後、約９．８×１０^２Ｐａ〜約９．８×１０^４Ｐａの圧下力で押圧する。そして、この押圧した状態で、水素雰囲気中で、約９００℃〜約１０３０℃の温度で約１分〜約３０分間加熱し、ろう付け層１４および１５を溶融させることによって、合わせ材１１および基材２を接合するとともに、基材２および合わせ材１３を接合する。これにより、図５に示したような第２実施形態によるヒートシンク部材が形成される。なお、このように形成された第２実施形態によるヒートシンク部材を半導体素子６のヒートシンクとして用いる場合には、図６に示すように、合わせ材１３の上面上に半田やエポキシ樹脂などからなる接合層７を介して半導体素子６を取り付ける。

なお、第２実施形態においても、上記第１実施形態と同様、合わせ材１１および１３と基材２とを接合するためのＳｎ−Ｃｕ合金（Ｓｎ：１質量％〜１３質量％）からなるろう付け層１４および１５を設けることによって、Ｃｕを主成分とする合わせ材１１および１３とＭｏを主成分とする基材２とを接合する際に、合わせ材１１、基材２および合わせ材１３を圧接する必要がないので、Ｍｏを主成分とする基材２に割れやひびが発生するのを抑制することができる。また、Ｓｎ−Ｃｕ合金（Ｓｎ：１質量％〜１３質量％）からなるろう付け層１４および１５を設けることによって、Ｍｎ−Ｎｉ−Ｃｕ系合金からなるろう材を用いる場合に比べて、ヒートシンク部材の熱膨張係数が大きくなるのを抑制することができるとともに、熱伝導率を大きくすることができる。これにより、ヒートシンク部材と半導体素子６との熱膨張係数差が大きくなることに起因して半導体素子６とヒートシンク部材との接合部分に割れやひびが発生するのを抑制することができるとともに、ヒートシンク部材の熱伝導率が低下するのを抑制することができる。

なお、第２実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく請求の範囲によって示され、さらに請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

たとえば、上記第１実施形態では、Ｍｏ（モリブデン）を主成分とする基材２の上面上にＣｕを主成分とする合わせ材３を接合し、合わせ材３の上面上に半導体素子６を搭載した例を示したが、本発明はこれに限らず、図７に示した第１変形例のように、基材２の上面上にＣｕを主成分とする合わせ材を配置せずに、ＮｉメッキやＡｕメッキなどの金属メッキ２８を行い、金属メッキ２８の上面上に半導体素子６を搭載してもよい。この構造においても、半導体素子６の熱を接合層７、金属メッキ２８、基材２、ろう付け層４および合わせ材１を介して放熱することができるので、半導体素子６が高温になるのを抑制することが可能となる。

また、上記第１実施形態では、基材２および合わせ材３を、合わせ材１よりも長さが小さくなるように形成した例を示したが、本発明はこれに限らず、図８に示した第２変形例のように、Ｍｏを主成分とする基材２ａおよびＣｕを主成分とする合わせ材３ａを合わせ材１と同じ長さを有するように形成してもよい。この場合、Ｓｎ−Ｃｕ合金（Ｓｎ：１質量％〜１３質量％）からなるろう付け層４ａおよび５ａは、合わせ材１、基材２ａおよび合わせ材３ａと同じ長さに形成すればよい。

また、上記実施形態では、ろう付け層として、ＳｎおよびＣｕのみからなるＳｎ−Ｃｕ合金を用いた例を示したが、本発明はこれに限らず、Ｓｎ−Ｃｕ合金にＰｂ、Ｆｅ、Ｚｎ、Ｐなどを添加したＳｎ−Ｃｕ系合金からなるろう付け層を用いてもよい。この場合、Ｐｂ、Ｆｅ、Ｚｎ、Ｐなどの添加量は、約０．０５質量％〜約０．３５質量％であるのが好ましい。

また、上記実施形態では、Ｓｎ−Ｃｕ合金（Ｓｎ：１質量％〜１３質量％）からなる部材を熱間圧延することによってろう付け層を形成した例を示したが、本発明はこれに限らず、Ｓｎ−Ｃｕ合金（Ｓｎ：１質量％〜１３質量％）からなる部材を冷間圧延することによってろう付け層を形成してもよい。

Claims

Ｃｕを主成分とする第１の層（１、１１）と、
Ｍｏを主成分とする第２の層（２、２ａ）と、
前記第１の層と前記第２の層の一方面との間に配置され、前記第１の層と前記第２の層とを接合するための、Ｓｎの含有率が１質量％以上１３質量％以下であるＳｎ−Ｃｕ系合金からなる第１ろう付け層（４、４ａ、１４）とを備える、ヒートシンク部材。
前記Ｍｏを主成分とする第２の層は、焼結によって形成されている、請求項１に記載のヒートシンク部材。
前記第１の層および前記第２の層は、０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の厚みを有する、請求項１または２に記載のヒートシンク部材。
Ｃｕを主成分とする第３の層（３、３ａ、１３）と、
前記第２の層の他方面と前記第３の層との間に配置され、前記第２の層と前記第３の層とを接合するためのＳｎ−Ｃｕ系合金からなる第２ろう付け層（５、５ａ、１５）とをさらに備え、
前記第３の層の表面上には、半導体素子（６）が配置される、請求項１〜３のいずれか１項に記載のヒートシンク部材。
前記第２ろう付け層のＳｎの含有率は、１質量％以上１３質量％以下である、請求項４に記載のヒートシンク部材。
前記第２の層は、前記第１の層の表面上の前記半導体素子が配置される領域に対応する領域に配置されている、請求項４または５に記載のヒートシンク部材。
前記第３の層は、０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の厚みを有する、請求項４〜６のいずれか１項に記載のヒートシンク部材。
Ｃｕを主成分とする第１の層（１、１１）とＭｏを主成分とする第２の層（２、２ａ）の一方面との間に、Ｓｎの含有率が１質量％以上１３質量％以下であるＳｎ−Ｃｕ系合金からなる第１ろう付け層（４、４ａ、１４）を配置する工程と、
前記第１ろう付け層を溶融することによって、前記第１の層と前記第２の層とを接合する工程とを備える、ヒートシンク部材の製造方法。
前記Ｍｏを主成分とする第２の層を焼結によって形成する工程をさらに備える、請求項８に記載のヒートシンク部材の製造方法。
前記第１の層および前記第２の層は、０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の厚みを有する、請求項８または９に記載のヒートシンク部材の製造方法。
前記第１の層と前記第２の層との間に前記第１ろう付け層を配置する工程に先立って、前記第１の層（１１）と前記第１ろう付け層（１４）とを予め接合する工程をさらに備える、請求項８〜１０のいずれか１項に記載のヒートシンク部材の製造方法。
前記第１の層と前記第２の層との間に前記第１ろう付け層を配置する工程は、前記第１の層と前記第２の層の一方面との間に第１ろう付け層を配置するとともに、前記第２の層の他方面とＣｕを主成分とする第３の層（３、３ａ、１３）との間にＳｎ−Ｃｕ系合金からなる第２ろう付け層（５、５ａ、１５）を配置する工程を含み、
前記第１の層と前記第２の層とを接合する工程は、前記第１ろう付け層および前記第２ろう付け層を溶融することによって、前記第１の層および前記第２の層を接合するとともに、前記第２の層および前記第３の層を接合する工程を含む、請求項８〜１１のいずれか１項に記載のヒートシンク部材の製造方法。
前記第２ろう付け層のＳｎの含有率は、１質量％以上１３質量％以下である、請求項１２に記載のヒートシンク部材の製造方法。
前記第３の層の表面上には、半導体素子（６）が配置され、
前記第１の層と前記第２の層との間に前記第１ろう付け層を配置する工程に先立って、前記第１の層の表面上の前記半導体素子が配置される領域に対応する領域に配置される前記第２の層を準備する工程をさらに備える、請求項１２または１３に記載のヒートシンク部材の製造方法。
前記第３の層は、０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の厚みを有する、請求項１２〜１４のいずれか１項に記載のヒートシンク部材の製造方法。