JP6775848B2

JP6775848B2 - 放熱板材

Info

Publication number: JP6775848B2
Application number: JP2019072555A
Authority: JP
Inventors: チョ，ミョン−ファン; キム，イルホ; イ，ソク−ウ; ヨン−ソクキム
Original assignee: ザグッドシステムコーポレーション
Priority date: 2019-03-11
Filing date: 2019-04-05
Publication date: 2020-10-28
Anticipated expiration: 2039-04-05
Also published as: JP2020150244A; WO2020184772A1; KR20200108599A

Description

本発明は、放熱板材に関し、より詳細には、高出力素子のパッケージング用に適切に使用することができる放熱板材であって、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）のようなセラミック素材を含む素子と接合させても、良好な接合が可能となるように、セラミック素材と類似したレベルの熱膨張係数を有し、かつ、高出力素子で発生する多量の熱を迅速に外部に排出できる高い熱伝導度を示す放熱板材に関する。

最近、情報通信および国防分野の核心技術としてＧａＮ系化合物半導体を利用した高出力増幅素子が注目を集めている。

このような高出力電子素子や光素子では、一般素子に比べて多くの熱が発生し、このように発生した多量の熱を効率的に排出できるパッケージング技術が必要である。

現在、ＧａＮ系化合物半導体を活用した高出力半導体素子には、タングステン（Ｗ）／銅（Ｃｕ）の２層複合素材、銅（Ｃｕ）とモリブデン（Ｍｏ）の２相（ｐｈａｓｅ）複合素材、銅（Ｃｕ）／銅−モリブデン（Ｃｕ−Ｍｏ）合金／銅（Ｃｕ）の３層複合素材、銅（Ｃｕ）／モリブデン（Ｍｏ）／銅（Ｃｕ）／モリブデン（Ｍｏ）／銅（Ｃｕ）の多層複合素材のように比較的良好な熱伝導度と低い熱膨張係数を有する金属基複合板材が使用されている。

ところが、これらの複合板材の厚さ方向の熱伝導度は、最大２００〜３００Ｗ／ｍＫ程度であり、実際にそれ以上の高い熱伝導度を具現しないので、数百ワット級のパワートランジスターのような素子に適用するための新しい放熱素材あるいは放熱基板が市場で至急に要求されている。また、銅（Ｃｕ）／モリブデン（Ｍｏ）／銅（Ｃｕ）／モリブデン（Ｍｏ）／銅（Ｃｕ）の多層複合素材の場合、各層間の結合力が低いという問題点もある。

一方、半導体素子を製造する工程には、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）のようなセラミック素材とのブレージング接合工程が必須である。

このようなブレージング接合工程は、約８００℃以上の高温で行われるので、金属複合材基板とセラミック素材間の熱膨張係数の差異によって、ブレージング接合過程で反りや破損が発生し、このような反りや破損は、素子の信頼性に致命的な影響を与えるようになる。

このような要求に対応するために、本発明者らは、下記特許文献２に開示されたように、銅（Ｃｕ）からなるカバー層（第１層、第５層）と、銅（Ｃｕ）とモリブデン（Ｍｏ）の合金からなる中間層（第２層、第４層）と、放熱板材の上下面に平行な方向に沿って銅（Ｃｕ）層とモリブデン（Ｍｏ）層が交互に繰り返される構造を有するコア層からなる放熱板材を提示したが、この構造の放熱板材は、セラミック素材の熱膨張係数と同一または類似しながらも、４００Ｗ／ｍＫ以上の優れた熱伝導度を示すが、複雑な構造によって製造工程数と工程費用が増加する問題点がある。

この故、より簡単な工程で製造できる構造を有し、かつ、厚さ方向に優れた熱伝導性を示すと同時に、厚さ方向に垂直な面方向にセラミック素材と類似したレベル熱膨張係数を具現することができる放熱板材の開発が要求されている。

日本国特許公開第２０１６−１２７１９７号公報韓国特許公開第２０１８−００９７０２１号公報

本発明の課題は、厚さ方向に３００Ｗ／ｍＫ以上の優れた熱伝導性と共に、厚さ方向に垂直な面方向に７×１０^−６／Ｋ〜１２×１０^−６／Ｋのレベルの熱膨張係数を具現することができる放熱板材を提供することにある。

前記課題を解決するために、本発明は、銅（Ｃｕ）または銅（Ｃｕ）合金からなる第１層と、前記第１層上に形成され、銅（Ｃｕ）とモリブデン（Ｍｏ）を含む合金からなる第２層と、前記第２層上に形成され、銅（Ｃｕ）または銅（Ｃｕ）合金からなる第３層と、前記第３層上に形成され、銅（Ｃｕ）とモリブデン（Ｍｏ）を含む合金からなる第４層と、前記第４層上に形成され、銅（Ｃｕ）または銅（Ｃｕ）合金からなる第５層とを含む放熱板材であって、前記第１層、第３層および第５層の厚さは、１０〜１，０００μｍであり、前記第２層と第４層の厚さは、１０〜６０μｍであり、前記放熱板材全体に含まれるモリブデン（Ｍｏ）の含量は、３〜１５重量％である、放熱板材を提供する。

本発明による放熱板材は、銅（Ｃｕ）層と銅（Ｃｕ）−モリブデン（Ｍｏ）合金層からなる５層積層構造と、銅（Ｃｕ）層および銅（Ｃｕ）−モリブデン（Ｍｏ）合金層のそれぞれの厚さに対する制御と、放熱板材全体で占めるモリブデン（Ｍｏ）の含量の制御を通じて、従来の５層積層構造で具現しにくい厚さ方向に３００Ｗ／ｍＫ以上（より好ましくは３５０Ｗ／ｍＫ以上）の優れた熱伝導度とともに、７〜１２×１０^−６／Ｋの範囲の面方向の熱膨張係数を具現することができるので、一般素子に比べて多くの熱が発生する高出力電子素子や光素子のパッケージングに適切に使用することができる。

また、本発明による放熱板材は、５個の層を積層する単純な構造からなるので、製造が容易であり、製造費用を節減することができる。

図１は、放熱板材の厚さ方向と面方向とを説明するための図である。図２は、本発明の技術的概念を説明するための図である。図３は、本発明の一実施形態による放熱板材の積層構造を示す図である。

以下、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施例を詳細に説明する。しかしながら、下記に例示する本発明の実施例は、様々な他の形態に変形され得、本発明の範囲が下記に詳述する実施例に限定されるものではない。本発明の実施例は、当業界において平均的な知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。

本発明者らは、格子構造のような複雑な構造でなく、単純な積層構造を有し、かつ、図１に示された面方向（厚さ方向に垂直な方向を意味する）に７〜１２×１０^−６／Ｋの熱膨張係数を示し、厚さ方向に３００Ｗ／ｍＫ以上の優れた熱伝導度を具現し、層間の結合力を良好に維持できる放熱板材について研究した。

その結果、図２に示されたように、銅（Ｃｕ）層と銅（Ｃｕ）−モリブデン（Ｍｏ）の合金層間の境界面の面積が増加するほど（Ｃｕ−Ｍｏ合金層よりもＣｕ／Ｃｕ−Ｍｏ／Ｃｕ層の３層構造の境界面の面積が増加し、Ｃｕ／Ｃｕ−Ｍｏ／Ｃｕ層の３層構造よりもＣｕ／Ｃｕ−Ｍｏ／Ｃｕ層／Ｃｕ−Ｍｏ層／Ｃｕ層の５層構造の境界面の面積が増加する）、少ないモリブデン（Ｍｏ）の含量でも低い熱膨張係数を具現することができる点、銅（Ｃｕ）層と銅（Ｃｕ）−モリブデン（Ｍｏ）の合金層間には、十分な結合力を得ることができる点、銅（Ｃｕ）−モリブデン（Ｍｏ）合金層の厚さを所定の範囲に低く制御する場合、放熱板材の厚さ方向の熱伝導度を高めることができる点などを考慮して、本発明に至るようになった。

本発明による放熱板材は、銅（Ｃｕ）または銅（Ｃｕ）合金からなる第１層と、前記第１層上に形成され、銅（Ｃｕ）とモリブデン（Ｍｏ）を含む合金からなる第２層と、前記第２層上に形成され、銅（Ｃｕ）または銅（Ｃｕ）合金からなる第３層と、前記第３層上に形成され、銅（Ｃｕ）とモリブデン（Ｍｏ）を含む合金からなる第４層と、前記第４層上に形成され、銅（Ｃｕ）または銅（Ｃｕ）合金からなる第５層とを含み、前記第１層、第３層および第５層の厚さは、１０〜１，０００μｍであり、前記第２層と第４層の厚さは、１０〜６０μｍであり、前記放熱板材全体に含まれるモリブデン（Ｍｏ）の含量は、３〜１５重量％であることを特徴とする。

本発明による放熱板材は、銅（Ｃｕ）層／銅（Ｃｕ）−モリブデン（Ｍｏ）合金層／銅（Ｃｕ）層／銅（Ｃｕ）−モリブデン（Ｍｏ）合金層／銅（Ｃｕ）層の５層構造からなるが、このように少なくとも５層構造を形成することによって、銅（Ｃｕ）層／銅（Ｃｕ）−モリブデン（Ｍｏ）合金層間の境界面の面積を広げることができるので、放熱板材に含まれる銅（Ｃｕ）−モリブデン（Ｍｏ）合金層の厚さを薄く維持しながらも、面方向に７〜１２×１０^−６／Ｋの熱膨張係数を具現することができる。

前記第１層、第３層および第５層は、銅（Ｃｕ）９９重量％以上の銅（Ｃｕ）はもちろん、多様な合金元素を含む銅（Ｃｕ）合金からなり得、銅（Ｃｕ）合金の場合、放熱特性を考慮するとき、銅（Ｃｕ）を８０重量％以上、好ましくは９０重量％以上、より好ましくは９５重量％以上含むことができる。

前記第２層と第４層は、銅（Ｃｕ）とモリブデン（Ｍｏ）を含む合金からなるが、この合金は、銅（Ｃｕ）：５〜４０重量％、モリブデン（Ｍｏ）：６０〜９５重量％を含むことが好ましいが、これは、銅（Ｃｕ）含量が５重量％未満なら、銅（Ｃｕ）層との結合力を良好に維持しにくく、厚さ方向の熱伝導度が減少し、４０重量％超過なら、面方向の熱膨張係数を低く維持しにくいためである。

前記第１層、第３層および第５層の厚さは、１０〜１，０００μｍの範囲を維持する場合、放熱板材の面方向の熱膨張係数を１２×１０^−６／Ｋの範囲に維持し、厚さ方向の熱伝導度を３００Ｗ／ｍＫ以上に具現することができるので、前記範囲に維持することが好ましい。

前記第２層と第４層の厚さは、１０μｍ未満の場合、面方向の熱膨張係数を７〜１２×１０^−６／Ｋの範囲に維持することが難しく、６０μｍ超過の場合、厚さ方向の熱伝導度を３００Ｗ／ｍＫ以上に維持しにくいので、１０〜６０μｍの範囲に維持することが好ましい。

前記放熱板材全体において、モリブデン（Ｍｏ）の含量は、３重量％未満の場合、面方向の熱膨張係数を１２×１０^−６／Ｋの範囲以下に具現しにくく、モリブデン（Ｍｏ）の含量は、１５重量％超過の場合、厚さ方向の熱伝導度を３００Ｗ／ｍＫ以上に具現しにくいので、３〜１５重量％の範囲に維持することが好ましく、５〜１０重量％の範囲に維持することが、面方向の熱膨張係数および熱伝導度の側面からより好ましい。

前記放熱板材において、放熱板材の面方向の熱膨張係数は、７×１０^−６／Ｋ〜１２×１０^−６／Ｋであることが好ましいが、この範囲を外れる場合、セラミック素子との接合または使用時に熱膨張係数の差異による不良が発生しやすいためである。

前記放熱板材において、厚さ方向の熱伝導度は、３００Ｗ／ｍＫ以上であり、より好ましくは３５０Ｗ／ｍＫ以上であってもよい。。

前記放熱板材において、全体厚さが０．０５ｍｍ未満であるか、１０ｍｍを超過する場合、本発明の構造を有する放熱板材を用いて面方向の熱膨張係数は、７×１０^−６／Ｋ〜１２×１０^−６／Ｋと、厚さ方向の熱伝導度３００Ｗ／ｍＫ以上を具現しにくいので、全体厚さは、前記範囲に維持することが好ましい。

前記放熱板材において、前記第２層および第４層の厚さの合計が全体放熱板材の厚さの５％未満である場合、面方向の熱膨張係数は、７×１０^−６／Ｋ〜１２×１０^−６／Ｋを具現することが容易でなく、１５％超過の場合、厚さ方向の熱伝導度を具現することが容易でないので、５〜１５％の範囲を維持することが好ましい。

［実施例］
図３は、本発明の一実施形態による放熱板材の積層構造を示す図である。

図３に示されたように、本発明の実施例による放熱板材１は、銅（Ｃｕ）からなる第１層１０と、前記第１層１０の上面に形成され、銅（Ｃｕ）−モリブデン（Ｍｏ）合金からなる第２層２０と、前記第２層２０の上面に形成され、銅（Ｃｕ）からなる第３層３０と、前記第３層３０の上面に形成され、銅（Ｃｕ）−モリブデン（Ｍｏ）合金からなる第４層４０と、前記第４層４０の上面に形成され、銅（Ｃｕ）からなる第５層５０とを含んでなる。

このうち、前記第１層１０と第５層５０は、銅（Ｃｕ）を９９重量％以上含有する銅（Ｃｕ）からなり、その厚さは、それぞれ約２００μｍであり、前記第３層３０は、銅（Ｃｕ）を９９重量％以上含有する銅（Ｃｕ）からなり、その厚さは、約６００μｍであり、前記第２層２０および第４層４０は、それぞれ銅（Ｃｕ）−モリブデン（Ｍｏ）合金（Ｃｕ：３０重量％、Ｍｏ：７０重量％）からなり、その厚さは、約５０μｍである。

以上のような構造を有する放熱板材１は、次のような工程によって製造した。

まず、厚さ約２００μｍ、長さ１００ｍｍ、幅１００ｍｍの銅（Ｃｕ）板材を第１層１０および第５層５０の素材として準備し、厚さ約６００μｍ、長さ１００ｍｍ、幅１００ｍｍの銅（Ｃｕ）板材を第３層３０の素材として準備し、厚さ約５０μｍ、長さ１００ｍｍ、幅１００ｍｍの銅（Ｃｕ）−モリブデン（Ｍｏ）合金板材（Ｃｕ３０重量％−Ｍｏ６０重量％）を第２層２０および第４層４０の素材として用意した。

次に、前記準備した板材を図３の積層構造で積層した後、加圧焼結方式で接合した。この際、焼結温度は、９００℃とし、焼結後には、焼結炉内で冷却させる方式で冷却した。

このように製造された放熱板材には、銅（Ｃｕ）層と銅（Ｃｕ）−モリブデン（Ｍｏ）層間の熱膨張係数の差異によって、銅（Ｃｕ）層に強い引張応力が作用する膨張状態になり、このように引張応力が作用した状態で放熱板材を接合する、例えばブレージング工程で放熱板材の温度が上昇すると、応力が解消されることによって、既にある程度膨張した状態の銅（Ｃｕ）が追加に膨張する比率を減らして、全体的に放熱板材の熱膨張係数を低減するようになる。また、本発明によって製造された放熱板材において熱伝導度に不利な銅（Ｃｕ）−モリブデン（Ｍｏ）層の厚さは、それぞれ約５０μｍに低く維持されているので、厚さ方向の熱伝導度を高めることができるようになる。

一方、本発明の実施例では、それぞれの板材を準備した後、加圧焼結方式を使用して接合したが、メッキ、蒸着法のような多様な方法で本発明による積層構造を具現することができることはもちろんである。

このように製造された放熱板材の層間接合力を評価するために、万能材料試験機（ＡＧ−３００ｋＮＸ）を使用して、界面が破断されるまで一定の変形速度（１ｍｍ／ｍｉｎ）でテストした結果、相当な荷重（約２８ｋＮ）に耐えることができることが確認された。すなわち、一定のレベルの結合力を確保することができることが確認された。

下記の表１は、本発明の一実施形態によって製造した放熱板材の面方向の熱膨張係数と、厚さ方向の熱伝導度（放熱板材において任意の１０ヶ所を選定して測定した結果を平均した値）を測定した結果と、純銅板材の熱伝導度と熱膨張係数を測定した結果とを比較したものである。

前記表１から確認されるように、本発明の実施例による放熱板材の熱膨張係数は、面方向において、１０．８×１０^−６／Ｋの熱膨張係数を示すが、このような値は、半導体素子や光素子のような電子素子を構成するセラミック物質の熱膨張係数と類似しているので、これら素子の実装時に発生する反りや剥離の問題を減らすことができる。

また、本発明の実施例による放熱板材の厚さ方向の熱伝導度は、３５０Ｗ／ｍＫを超過するレベルであるが、これは、銅だけからなる板材（比較例）に近接するほど優れているので、発熱量が多い高出力素子の放熱板材用にも適用され得るレベルである。

１放熱板材
１０第１層（Ｃｕ層）
２０第２層（Ｃｕ−Ｍｏ層）
３０第３層（Ｃｕ層）
４０第４層（Ｃｕ−Ｍｏ層）
５０第５層（Ｃｕ層）

Claims

銅（Ｃｕ）または銅（Ｃｕ）合金からなる第１層と、
前記第１層上に形成され、銅（Ｃｕ）とモリブデン（Ｍｏ）を含む合金からなる第２層と、
前記第２層上に形成され、銅（Ｃｕ）または銅（Ｃｕ）合金からなる第３層と、
前記第３層上に形成され、銅（Ｃｕ）とモリブデン（Ｍｏ）を含む合金からなる第４層と、
前記第４層上に形成され、銅（Ｃｕ）または銅（Ｃｕ）合金からなる第５層と、を含む放熱板材であって、
前記第１層、第３層および第５層の厚さは、１０〜１，０００μｍであり、
前記第２層と第４層の厚さは、１０〜６０μｍであり、
前記放熱板材全体に含まれるモリブデン（Ｍｏ）の含量は、３〜１５重量％であり、
前記第１層、第３層および第５層の銅（Ｃｕ）含量は、９９重量％以上である、
放熱板材。
前記放熱板材全体に含まれるモリブデン（Ｍｏ）の含量は、５〜１０重量％である、請求項１に記載の放熱板材。
前記第２層と第４層は、銅（Ｃｕ）５〜４０重量％と、残部がモリブデン（Ｍｏ）と不可避な不純物からなる、請求項１に記載の放熱板材。
前記放熱板材の面方向の熱膨張係数が７〜１２×１０^−６／Ｋである、請求項１に記載の放熱板材。
前記放熱板材の厚さ方向の熱伝導度は、３００Ｗ／ｍＫ以上である、請求項４に記載の放熱板材。
前記放熱板材の厚さ方向の熱伝導度は、３５０Ｗ／ｍＫ以上である、請求項４に記載の放熱板材。
前記放熱板材の全体厚さは、０．０５〜１０ｍｍである、請求項１に記載の放熱板材。
前記第２層および第４層の厚さの合計は、全体放熱板材の厚さの５〜１５％を占める、請求項７に記載の放熱板材。