JP7329370B2 - 放熱板及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子などの発熱体から発生する熱を効率的に放散させるために用いる放熱板とその製造方法に関する。

半導体素子から発生する熱を半導体機器から効率的に放散させるために、放熱板（ヒートシンク）が用いられている。この放熱板は、その機能上高い熱伝導率が求められるとともに、半導体やセラミック回路基板、金属パッケージ部材などにはんだ付けやろう付けで接合されるため、接合される部材に近い熱膨張率（低熱膨張率）であることが求められる。

ＳｉＣやＧａＮは広いバンドギャップを有していることから、近年、これを高耐圧・高周波のパワー半導体素子に応用するための研究開発が進められている。ＳｉＣやＧａＮを用いたパワー半導体素子には、低損失特性や高温作動性、耐環境安定性が期待されており、また、半導体機器の小型化を実現できるとの期待もある。しかし、ＳｉＣやＧａＮを用いた半導体はＳｉ半導体に較べて硬いため、放熱板をはんだ接合した場合、接合部が割れやすいという問題がある。このため、適用する放熱板は、従来の放熱板よりも低熱膨張率、高熱伝導率であることが求められ、具体的には、低温から高温までの幅広い温度域で板面内平均熱膨張率が１１ｐｐｍ／Ｋ未満、好ましくは１０ｐｐｍ／Ｋ以下、板厚方向の熱伝導率が２３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、好ましくは２５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上という熱特性が求められる。

従来、低熱膨張率、高熱伝導率の放熱板を実現すべく、高熱伝導率ではあるが熱膨張率が高いＣｕ材と、低熱膨張率ではあるが熱伝導率が低いＭｏ材を積層させたＣｕ／Ｍｏクラッド材からなる放熱板が知られている。
このようなＣｕ／Ｍｏクラッド材からなる放熱板に関して、特許文献１には、Ｃｕ層とＭｏ層が交互に積層された多層クラッド材であって、Ｃｕ層とＭｏ層の合計の層数が５層以上で最外層がＣｕ層からなり、各Ｍｏ層の厚さが２００μｍ以下、Ｍｏの体積比率が２．７８～１０％のクラッド材からなる放熱板が示されている。また、この放熱板の熱特性として、室温での熱伝導率が２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上、熱膨張係数（３０℃から８５０℃までの平均熱膨張係数）が１４ｐｐｍ／Ｋ以下であるとしている。

また、特許文献２には、Ｍｏ層とＣｕ層が交互に積層されたクラッド材であって、Ｃｕ層とＭｏ層の合計の層数が５層で、最外層がＭｏ層からなり、各Ｍｏ層の厚さが５０μｍ、Ｍｏの体積比率が１５．８％のクラッド材からなる放熱板（実施例８）、同じくＣｕ層とＭｏ層の合計の層数が７層で、最外層がＭｏ層からなり、各Ｍｏ層の厚さが５０μｍ、Ｍｏの体積比率が２０％のクラッド材からなる放熱板（実施例９）、同じくＣｕ層とＭｏ層の合計の層数が１１層で、最外層がＭｏ層からなり、各Ｍｏ層の厚さが５０μｍ、Ｍｏの体積比率が３０％のクラッド材からなる放熱板（実施例１０）が示されている。また、この放熱板の熱特性として、室温での熱伝導率が２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上、熱膨張係数が１４ｐｐｍ／Ｋ以下であるとしている。

また、特許文献３には、Ｍｏ／Ｃｕ／Ｍｏの３層クラッド材からなる放熱板であって、層比率がＭｏ／Ｃｕ／Ｍｏ＝２：１：２（Ｍｏの体積比率約８０％）であり、熱膨張係数が６ｐｐｍ／Ｋ、熱伝導率が１７０Ｗ／ｍ・Ｋの放熱板（実施例１）、同じく層比率がＭｏ／Ｃｕ／Ｍｏ＝５：１：５（Ｍｏの体積比率約９１％）であり、熱膨張係数が５．５ｐｐｍ／Ｋ、熱伝導率が１５５Ｗ／ｍ・Ｋの放熱板（実施例２）、同じく層比率がＭｏ／Ｃｕ／Ｍｏ＝１：１：１（Ｍｏの体積比率約６７％）であり、熱膨張係数が７ｐｐｍ／Ｋ、熱伝導率が１８５Ｗ／ｍ・Ｋの放熱板（実施例３）が示されている。

特許第３８６２７３７号公報 特開２０１０－５６１４８号公報 特開２０００－３２３６３２号公報

本発明者らの検討によると、放熱板は、低温領域での熱膨張率（例えば５０℃から１００℃までの板面内平均熱膨張率）と高温領域での熱膨張率（例えば５０℃から８００℃までの板面内平均熱膨張率）の差が大きいと、次のような実用上の問題が生じることが判った。すなわち、放熱板が主に適用される半導体パッケージは、半導体が作動と休止を繰り返すことから、常温（寒冷地の場合には－５０℃程度の場合もある）から半導体作動時の２００℃程度までの昇温・降温を繰り返す。このため、放熱板を半導体素子やパッケージ部材に接合した場合、はんだやろう付による健全な接合部が得られたとしても、低温領域と高温領域での熱膨張率差が大きいと、上記のような昇温・降温の繰り返しにより接合部に熱膨張率差に起因した歪が生じ、この歪により接合部に疲労亀裂が発生し、半導体機器の信頼性に問題が生じるおそれがある。
さらに、クラッド材からなる放熱板の他の問題として、層間（Ｃｕ層・Ｍｏ層間）の界面熱抵抗などによる板厚方向での熱流損失が多いと、所望の高熱伝導率が安定して得られなくなる問題があることが判った。また、そのような熱流損失の程度は、板厚方向の熱伝導率の実測値と計算値の差（比率）で評価できることが判った。

そして、本発明者が検討したところによれば、特許文献１や特許文献２に記載された多層（５層以上）クラッド材からなる放熱板は、高温領域での熱膨張率は低いものの、低温領域での熱膨張率が高いため低温領域と高温領域での熱膨張率差が大きく、上記のような問題を生じやすいことが判った。また、Ｍｏ層とＣｕ層の合計の層数が多いクラッド材については、板厚方向の熱伝導率の実測値と計算値の差が大きいことから、層間の界面熱抵抗などによる板厚方向での熱流損失が多いために、所望の高熱伝導率が安定して得られないおそれがあることが判った。
また、特許文献３に記載されたＭｏ／Ｃｕ／Ｍｏの３層クラッド材からなる放熱板は、板厚方向の熱伝導率が低いという問題がある。

したがって本発明の目的は、以上のような従来技術の課題を解決し、Ｍｏ層とＣｕ層を交互に積層させたクラッド構造を有する放熱板において、高熱伝導率で且つ低温から高温までの幅広い温度領域において低熱膨張率であり、低温領域と高温領域での熱膨張率差が小さく、しかも層間の界面熱抵抗などによる板厚方向での熱流損失が少なく、所望の高熱伝導率が安定して得られる放熱板を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、そのような優れた熱特性を有する放熱板を安定して且つ低コストに製造することができる製造方法を提供することにある。

本発明者が上記課題を解決すべく検討を重ねた結果、Ｍｏ層とＣｕ層が交互に積層されたクラッド構造を有する放熱板において、Ｍｏ層を最外層とする３層～７層のクラッド構造とするとともに、Ｍｏの体積比率を最適化することにより、高熱伝導率で且つ低温から高温までの幅広い温度領域において低熱膨張率であり、低温領域と高温領域での熱膨張率差が小さく、しかも、層間の界面熱抵抗などによる板厚方向での熱流損失が少なく、所望の高熱伝導率が安定して得られる（すなわち板厚方向の熱伝導率の実測値と計算値の差が小さい）放熱板が得られることを見出した。

本発明は、以上のような知見に基づきなされたもので、以下を要旨とするものである。
［1］Ｍｏ層とＣｕ層が交互に積層されたクラッド構造を有する放熱板において、Ｍｏ層とＣｕ層の合計の層数が３層～７層であって、両面の最外層がＭｏ層であり、Ｍｏの体積比率が２１～６０％であることを特徴とする放熱板。
［2］上記［1］の放熱板において、［５０℃から１００℃までの板面内平均熱膨張率］／［５０℃から８００℃までの板面内平均熱膨張率］＜１．５であることを特徴とする放熱板。
［3］上記［1］の放熱板において、［５０℃から１００℃までの板面内平均熱膨張率］／［５０℃から８００℃までの板面内平均熱膨張率］≦１．３であることを特徴とする放熱板。

［4］上記［1］～［3］のいずれかの放熱板において、５０℃から１００℃までの板面内平均熱膨張率、５０℃から２００℃までの板面内平均熱膨張率、５０℃から４００℃までの板面内平均熱膨張率、５０℃から８００℃までの板面内平均熱膨張率がいずれも１１．０ｐｐｍ／Ｋ未満、板厚方向の熱伝導率λ_ｍが２３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることを特徴とする放熱板。
［5］上記［1］～［4］のいずれかの放熱板において、板厚方向の熱伝導率λ_ｍと単純複合則による板厚方向の計算熱伝導率λ_ｃの比率λ_ｍ／λ_ｃが０．８８以上であることを特徴とする放熱板。
［6］上記［1］～［4］のいずれかの放熱板において、板厚方向の熱伝導率λ_ｍと単純複合則による板厚方向の計算熱伝導率λ_ｃの比率λ_ｍ／λ_ｃが０．９０以上であることを特徴とする放熱板。

［7］上記［1］～［4］のいずれかの放熱板において、板厚方向の熱伝導率λ_ｍと単純複合則による板厚方向の計算熱伝導率λ_ｃの比率λ_ｍ／λ_ｃが０．９５以上であることを特徴とする放熱板。
［8］上記［1］～［7］のいずれかの放熱板において、層厚が最も大きいＣｕ層（x）（但し、Ｃｕ層が１層のみの場合には当該Ｃｕ層）の両側にＭｏ層（y1），（y2）が存在し、Ｃｕ層（x）の層厚とＭｏ層（y1），（y2）の合計層厚の比率（x）／（y1）＋（y2）が３．０以下であることを特徴とする放熱板。
［9］上記［1］～［7］のいずれかの放熱板において、層厚が最も大きいＣｕ層（x）（但し、Ｃｕ層が１層のみの場合には当該Ｃｕ層）の両側にＭｏ層（y1），（y2）が存在し、Ｃｕ層（x）の層厚とＭｏ層（y1），（y2）の合計層厚の比率（x）／（y1）＋（y2）が２．６以下であることを特徴とする放熱板。
［10］上記［1］～［9］のいずれかの放熱板において、積層したＭｏ層とＣｕ層とからなる放熱板本体の片面又は両面に、膜厚が２０μｍ以下のめっき皮膜が形成されたことを特徴とする放熱板。

［11］上記［1］～［9］のいずれかに記載の放熱板の製造方法であって、Ｍｏ材とＣｕ材を積層させ、該積層体を熱間で加圧接合することにより、前記Ｍｏ材によるＭｏ層と前記Ｃｕ材によるＣｕ層が積層した放熱板を得ることを特徴とする放熱板の製造方法。
［12］上記［11］の製造方法において、積層したＭｏ層とＣｕ層とからなる放熱板本体の片面又は両面に、膜厚が２０μｍ以下のめっき皮膜を形成することを特徴とする放熱板の製造方法。
［13］上記［1］～［10］のいずれかに記載の放熱板を備えたことを特徴とする半導体パッケージ。
［14］上記［13］に記載の半導体パッケージを備えたことを特徴とする半導体モジュール。

本発明の放熱板は、高熱伝導率で且つ低温から高温までの幅広い温度領域において低熱膨張率であり、低温領域と高温領域での熱膨張率差が小さく、しかも、層間の界面熱抵抗などによる板厚方向での熱流損失が少なく、所望の高熱伝導率が安定して得られる（すなわち板厚方向の熱伝導率の実測値と計算値の差が小さい）という優れた熱特性を有する。
この放熱板は、はんだ付けやろう付けで半導体素子やパッケージ部材と健全に接合が可能であるが、上述したように低温領域と高温領域での熱膨張率差が小さいため、その接合部に半導体の作動・停止の繰り返しによる大きな温度変化が生じても、放熱板の低温領域と高温領域での熱膨張率差に起因した歪が生じにくく、疲労亀裂などが生じにくい耐久性が高い接合部を得ることができる。
また、本発明の製造方法によれば、そのような優れた熱特性を有する放熱板を安定して且つ低コストに製造することができる。

実施例の放熱板の熱特性を、板厚方向の熱伝導率（室温での熱伝導率）と５０℃から８００℃までの板面内平均熱膨張率で整理して示したグラフ 実施例の放熱板の熱特性を、板厚方向の熱伝導率（室温での熱伝導率）と５０℃から１００℃までの板面内平均熱膨張率で整理して示したグラフ 実施例の放熱板について、５０℃から１００℃～８００℃（１００℃、２００℃、４００℃、８００℃）までの板面内平均熱膨張率をまとめて示したグラフ 実施例（発明例）の放熱板の熱特性を、Ｍｏの体積比率と板厚方向の熱伝導率（室温での熱伝導率）との関係で整理して示したグラフ

本発明の放熱板は、Ｍｏ層とＣｕ層が交互に積層されたクラッド構造を有し、Ｍｏ層とＣｕ層の合計の層数が３層～７層であって、両面の最外層がＭｏ層であり、Ｍｏの体積比率が２１～６０％であることを特徴とする。したがって、この放熱板は「Ｍｏ／Ｃｕ／Ｍｏ」（３層）、「Ｍｏ／Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕ／Ｍｏ」（５層）又は「Ｍｏ／Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕ／Ｍｏ」（７層）のクラッド構造を有する。

このような本発明の放熱板（ここでは、Ｍｏ／Ｃｕ／Ｍｏのクラッド構造の放熱板を例に説明する）は、例えば特許文献１に比較例として示されるようなＣｕ／Ｍｏ／Ｃｕのクラッド構造の放熱板に較べて高い熱伝導率を有する。これは、次のような作用効果の違いによるものと考えられる。すなわち、特許文献１に示されるようなＣｕ／Ｍｏ／Ｃｕ構造の場合には、熱伝導率が外層（Ｃｕ層）＞内層（Ｍｏ層）であるため、熱伝導率の高い外層（Ｃｕ層）に入熱した熱流が熱伝導率の低い内層（Ｍｏ層）に入熱する際、外層・内層間の界面で反射・散乱して熱流が乱れるため、熱が内層（Ｍｏ層）側にうまく伝わらず、その分、板厚方向の熱伝導率は低くなるものと考えられる。これに対して本発明のＭｏ／Ｃｕ／Ｍｏ構造の場合には、熱伝導率が外層（Ｍｏ層）＜内層（Ｃｕ層）であるため、外層・内層間の界面での熱流の乱れ（界面熱抵抗）がほとんどなく、外層（Ｍｏ層）に入った熱がそのまま内層（Ｃｕ層）側に伝わる。その内層（Ｃｕ層）からもう一方の外層（Ｍｏ層）に熱流が入熱する場合は、層間の界面で熱流の乱れは生じるが、すでにＭｏ層とＣｕ層を熱流が流れる間に各層の材料固有の伝熱抵抗により熱流が絞られているので、層間の界面での界面熱抵抗は、特許文献１の上記比較例のような外層（Ｃｕ層）・内層（Ｍｏ層）間の界面での反射・散乱による界面熱抵抗に較べて格段に少なくなる。それらの結果、板厚方向での高い熱伝導率が得られるものと考えられる。

また、このように最外層がＭｏ層からなるクラッド構造を有する本発明の放熱板において、Ｍｏ層とＣｕ層の合計の層数を３層～７層（好ましくは３層又は５層）とするのは、次のような理由による。すなわち、Ｍｏ層とＣｕ層の合計の層数が多くなると相対的にＭｏ層の層厚が小さくなるため、高温領域での熱膨張率が低い場合でも、低温領域での熱膨張率が低くならないため低温領域と高温領域での熱膨張率差が大きくなり、この熱膨張率差によって上述したような問題、すなわちその熱膨張率差に起因した歪が接合部（半導体パッケージなどとの接合部）に生じ、その接合部に疲労亀裂などが生じるという問題を生じやすい。上記のように高温領域に較べて低温領域での熱膨張率が低くならないのは、高温領域では、Ｃｕの剛性が低くなる一方でＭｏは剛性が高いままであるため、Ｃｕの膨張を薄いＭｏ層でも抑えることができるが、低温領域ではＣｕの剛性が高く、薄いＭｏ層ではＣｕの膨張を抑えきれないためであると考えられる。さらに、Ｍｏ層とＣｕ層の合計の層数が多くなると、界面熱抵抗が高くなるＣｕ層からＭｏ層に熱流が流れる回数が増え、層間の界面熱抵抗などによる板厚方向での熱流損失が多くなるために、所望の高熱伝導率が安定して得られにくくなる。このような熱流損失の程度は、板厚方向の熱伝導率の実測値と計算値の差（両者の比率）で評価することができる。以上のような理由から本発明では、Ｍｏ層とＣｕ層の合計の層数を３層～７層、好ましくは３層又は５層とする。

Ｍｏの体積比率（Ｍｏ層とＣｕ層が交互に積層されたクラッド材におけるＭｏの体積比率）が低いと相対的にＭｏ層の層厚が小さくなるため、上述したのと同様の理由で低温領域と高温領域での熱膨張率差が大きくなり、特にＭｏの体積比率が２１％未満では、その傾向が顕著になる。一方、Ｍｏの体積比率が高くなると熱伝導率が低下し、特にＭｏの体積比率が６０％を超えると所望の高熱伝導率が得られなくなる。以上の理由から、本発明ではＭｏの体積比率を２１～６０％とする。また、より高熱伝導率とし且つ低温領域と高温領域での熱膨張率差をより小さくするという観点からは、Ｍｏの体積比率の下限は２３％が好ましく、２９％がより好ましい。同様にＭｏの体積比率の上限は５５％が好ましく、５０％がより好ましい。

上述した理由から、本発明の放熱板は、高熱伝導率で且つ低温から高温までの幅広い温度領域において低熱膨張率であり、低温領域と高温領域での熱膨張率差が小さく、しかも、層間の界面熱抵抗などによる板厚方向での熱流損失が少なく、所望の高熱伝導率が安定して得られる（すなわち板厚方向の熱伝導率の実測値と計算値の差が小さい）という優れた熱特性を有する。このため、上述したような、（i）低温領域での熱膨張率が高いため低温領域と高温領域での熱膨張率差が大きいと、放熱板を半導体素子やパッケージ部材に接合した場合、半導体の昇温・降温の繰り返しにより接合部に熱膨張率差に起因した歪が生じ、この歪により接合部に疲労亀裂が発生する、（ii）層間の界面熱抵抗などによる板厚方向での熱流損失が多い（板厚方向の熱伝導率の実測値と計算値の差が大きい）と、所望の高熱伝導率が安定して得られない、という実用上の２つの大きな課題を解決することができる。

ここで、本発明の放熱板は、具体的には特に以下のような熱特性を有することが好ましい。
まず、熱膨張率と熱伝導率については、５０℃から１００℃までの板面内平均熱膨張率、５０℃から２００℃までの板面内平均熱膨張率、５０℃から４００℃までの板面内平均熱膨張率、５０℃から８００℃までの板面内平均熱膨張率がいずれも１１．０ｐｐｍ／Ｋ未満、望ましくは１０．０ｐｐｍ／Ｋ以下であり、板厚方向の熱伝導率λ_ｍが２３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、望ましくは２５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましい。

また、低温領域と高温領域での熱膨張率差については、［５０℃から１００℃までの板面内平均熱膨張率］／［５０℃から８００℃までの板面内平均熱膨張率］＜１．５、望ましくは［５０℃から１００℃までの板面内平均熱膨張率］／［５０℃から８００℃までの板面内平均熱膨張率］≦１．３であることが好ましい。このように低温領域と高温領域での熱膨張率差が小さいことにより、放熱板がはんだ付けやろう付けで半導体素子やパッケージ部材と接合された場合、その接合部に半導体の作動・停止の繰り返しによる大きな温度変化が生じても、放熱板の低温領域と高温領域での熱膨張率差に起因した歪が生じにくく、疲労亀裂などが生じにくい耐久性が高い接合部を得ることができる。

さらに、高熱伝導率が安定して得られることについては、板厚方向の熱伝導率λ_ｍ（実測値）と単純複合則による板厚方向の計算熱伝導率λ_ｃ（計算値）の比率λ_ｍ／λ_ｃが０．８８以上、望ましくは０．９０以上、より望ましくは０．９５以上であることが好ましい。ここで、板厚方向の熱伝導率λ_ｍと計算熱伝導率λ_ｃの比率λ_ｍ／λ_ｃは、その値が高いほど層間の界面熱抵抗などによる板厚方向での熱流損失が少なく、所望の高熱伝導率が安定して得られるということであり、比率λ_ｍ／λ_ｃが０．８８以上、望ましくは０．９０以上（より望ましくは０．９５以上）であれば、高熱伝導率が安定して得られると言える。
なお、単純複合則による板厚方向の計算熱伝導率λ_ｃは、次の式で計算される。
計算熱伝導率λ_ｃ＝Ｖ_Ｍｏ×λ_Ｍｏ＋Ｖ_Ｃｕ×λ_Ｃｕ
ここで Ｖ_Ｍｏ：Ｍｏ層の体積率
Ｖ_Ｃｕ：Ｃｕ層の体積率
λ_Ｍｏ：純Ｍｏの熱伝導率（＝１３８Ｗ/ｍ・Ｋ）
λ_Ｃｕ：純Ｃｕの熱伝導率（＝４０５Ｗ/ｍ・Ｋ）

本発明の放熱板が主に適用される半導体パッケージでは、放熱板は半導体やアルミナ基板などのようなセラミックと接合されるが、従来のＳｉ半導体パッケージでは、２２０Ｗ／ｍ・Ｋ程度の放熱板が使用されてきた。これに対して本発明の放熱板は、ＳｉＣ半導体やＧａＮ半導体などの高出力半導体に対応するため、より優れた熱特性として、上述したように、板厚方向での熱伝導率（室温での熱伝導率）が２３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、好ましくは２５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、５０℃から１００℃までの板面内平均熱膨張率、５０℃から２００℃までの板面内平均熱膨張率、５０℃から４００℃までの板面内平均熱膨張率、５０℃から８００℃までの板面内平均熱膨張率がいずれも１１．０ｐｐｍ／Ｋ未満、好ましくは１０．０ｐｐｍ／Ｋ以下の熱特性を有することが特に好ましい。

図１及び図２は、後述する実施例の放熱板について、それらの熱特性を整理して示したものであり、図１は板厚方向の熱伝導率（室温での熱伝導率）と５０℃から８００℃までの板面内平均熱膨張率を、図２は板厚方向の熱伝導率（室温での熱伝導率）と５０℃から１００℃までの板面内平均熱膨張率を、それぞれ示している。ここで、板面内熱膨張率は押棒式変位検出法で測定されたものであり、５０℃－８００℃と５０℃－１００℃における各伸び量の差を温度差で割り算して、５０℃から８００℃までの板面内平均熱膨張率と５０℃から１００℃までの板面内平均熱膨張率を求めた。また、板厚方向の熱伝導率（室温での熱伝導率）はフラッシュ法で測定した。この熱特性の測定・算出方法は、後述する図３、図４の熱特性についても同様である。

図１及び図２は、Ｍｏ体積比率が低い５層及び７層クラッド材からなる放熱板（比較例）、１１層クラッド材からなる放熱板（比較例）、最外層がＣｕ層である５層クラッド材からなる放熱板（比較例）、本発明の３層～７層クラッド材からなる放熱板（発明例）について、それらの熱特性を示している。
図１及び図２によれば、発明例の放熱板はいずれも所望の高熱伝導率が得られており、また、比較例の放熱板も一部（比較例５）を除き高熱伝導率が得られている。一方、板面内平均熱膨張率については、図１の「５０℃から８００℃までの板面内平均熱膨張率」は、発明例及び比較例ともに１１．０ｐｐｍ／Ｋ未満の低熱膨張率であるが、図２の「５０℃から１００℃までの板面内平均熱膨張率」は、発明例はいずれも１１．０ｐｐｍ／Ｋ未満の低熱膨張率であるのに対し、Ｍｏの体積比率が低い比較例１、２、４は１１．０ｐｐｍ／Ｋ以上である。なお、比較例５は熱伝導率λ_ｍが２３０Ｗ／ｍ・Ｋ未満であり、高熱伝導率が得られていない。

さらに、低温領域と高温領域での熱膨張率差を示す“［５０℃から１００℃までの板面内平均熱膨張率］／［５０℃から８００℃までの板面内平均熱膨張率］”は、Ｍｏの体積比率が少ないほど高くなり、またクラッド材の層数が多くなると高くなる傾向があるが、後述する実施例（表４）によれば、発明例はいずれも１．５未満（特に発明例１～５、９～１６は１．３以下）であるのに対して、比較例１～４、６は１．５以上であり、低温領域と高温領域での熱膨張率差が大きいことが判る。ここで、比較例１、２、４、６はＭｏの体積比率が少ないために、また、比較例３はＭｏの体積比率は発明例１と同等であるが、Ｍｏ層とＣｕ層の合計の層数が１１層という多層クラッド材であるために、それぞれ低温領域と高温領域での熱膨張率差が大きくなっている。また、発明例のなかでも、Ｍｏの体積比率が高い方が、低温領域と高温領域での熱膨張率差は小さくなっている。

また、層間の界面熱抵抗などによる板厚方向での熱流損失が少なく、所望の高熱伝導率が安定して得られるかどうかの指標である“熱伝導率λ_ｍ（実測値）と計算熱伝導率λ_ｃ（計算値）との比率λ_ｍ／λ_ｃ”は、クラッド材の層数が多くなると低くなる傾向があるが、後述する実施例（表４）によれば、発明例ではいずれも０．８８以上（特に発明例１～１１、１３～１６では０．９０以上、発明例１～４、６、７、９～１１、１６では０．９５以上）であるのに対して、１１層クラッド材である比較例３では０．８８未満であり、層間の界面熱抵抗などによる板厚方向での熱流損失が多く、所望の高熱伝導率が安定して得られないことが判る。なお、最外層がＣｕ層である比較例４、５も比率λ_ｍ／λ_ｃが０．８８未満となっている。

図３は、上述した実施例の放熱板について、５０℃から１００℃～８００℃（１００℃、２００℃、４００℃、８００℃）までの板面内平均熱膨張率をまとめて示したものであり、全体として、発明例は比較例に較べて低温から高温までの幅広い温度領域において低熱膨張率であり、低温領域と高温領域での熱膨張率差が小さいことが判る。なお、上述したように比較例１～４、６は、低温領域と高温領域での熱膨張率差を示す“［５０℃から１００℃までの板面内平均熱膨張率］／［５０℃から８００℃までの板面内平均熱膨張率］”が１．５以上であり、低温領域と高温領域での熱膨張率差が大きい。
図４は、上述した実施例（発明例）の放熱板の熱特性を、Ｍｏの体積比率と板厚方向の熱伝導率（室温での熱伝導率）との関係で整理して示したものである。

本発明の放熱板において、Ｍｏ層とＣｕ層の各厚さ、Ｍｏ層とＣｕ層の層厚比、放熱板の板厚なども特に制限はないが、そのなかで特に、層厚が最も大きいＣｕ層（x）（但し、Ｃｕ層が１層のみの場合には当該Ｃｕ層）の両側にＭｏ層（y1），（y2）が存在し、Ｃｕ層（x）の層厚とＭｏ層（y1），（y2）の合計層厚の比率（x）／（y1）＋（y2）を３．０以下とすることが好ましく、２．６以下とすることが特に好ましい。比率（x）／（y1）＋（y2）＞２．６、特に比率（x）／（y1）＋（y2）＞３．０となると、低温領域でのＭｏ層によるＣｕ層の拘束力が低下するため、低温領域と高温領域での熱膨張率差が大きくなりやすい。

また、熱特性を確保するとともに、実用時に反りやゆがみ等が発生しないようにするために、放熱板は厚さ方向中央のＣｕ層又はＭｏ層を中心として厚さ方向で対称形の構造（Ｍｏ層とＣｕ層の厚さが対称形の構造）であることが好ましい。また、放熱板の板厚は１ｍｍ前後の場合が多いが、特に制限はない。また、放熱板の密度はＭｏの体積比率で決まる。

本発明の放熱板は、防食目的や他の部材との接合（ロウ付け接合やはんだ付け接合）のために、表面にＮｉめっきなどのめっきを施してもよい。この場合、めっき皮膜が放熱板の熱特性に大きく影響しないようするため、めっき皮膜の膜厚は２０μｍ以下とすることが好ましい。めっきの種類に特別な制限はなく、例えば、Ｎｉめっき、Ｃｕめっき、Ａｕめっき、Ａｇめっきなどが適用でき、これらの中から選ばれるめっきを単独で或いは２層以上を組み合わせて施すことができる。めっき皮膜は、積層したＭｏ層とＣｕ層とからなる放熱板本体の片面のみに設けてもよいし、放熱板本体の両面に設けてもよい。また、放熱板表面にＮｉめっきなどのめっきを施す際のめっき性の改善のために、放熱板表面（最外層であるＭｏ層の表面）に、熱特性に影響しない程度の厚さ（例えば数μｍ～十数μｍ程度の厚さ）のＣｕ膜（めっき皮膜など）を形成してもよい。

本発明の放熱板の製造方法は特に限定されないが、本発明の放熱板の場合、熱間圧延法よりも熱間での加圧接合法を適用した方が、より優れた熱特性が得られることが判った。このため本発明の放熱板の製造には、熱間での加圧接合法を適用することが好ましい。この方法では、Ｍｏ材（ａ）とＣｕ材（ｂ）を積層させ、この積層体を熱間で加圧接合することにより、前記Ｍｏ材（ａ）によるＭｏ層と前記Ｃｕ材（ｂ）によるＣｕ層が積層した放熱板を得る。積層体の接合を行う方法に特に制限はないが、放電プラズマ焼結（ＳＰＳ）、ホットプレスによる熱間加圧接合が好ましい。この熱間加圧接合の条件は、一般的なものでよい。

Ｍｏ材（ａ）とＣｕ材（ｂ）の厚さは、製造しようとする放熱板のＭｏ層とＣｕ層の厚さに応じて選択される。なお、Ｍｏ材（ａ）を積層した複数枚の薄いＭｏ材で構成してもよいし、Ｃｕ材（ｂ）を積層した複数枚の薄いＣｕ材で構成してもよい。したがって、その場合には、（1）複数枚のＭｏ材からなるＭｏ材（ａ）と単体のＣｕ材（ｂ）を積層させる、（2）単体のＭｏ材（ａ）と複数枚のＣｕ材からなるＣｕ材（ｂ）を積層させる、（3）複数枚のＭｏ材からなるＭｏ材（ａ）と複数枚のＣｕ材からなるＣｕ材（ｂ）を積層させる、のいずれかによる積層体とし、この積層体を熱間加圧接合する。
また、必要に応じて、熱間加圧接合で得られた放熱板本体に対してめっき処理を行い、放熱板本体の片面又は両面に、上述したようなめっき皮膜を形成することができる。

本発明の放熱板は、各種の半導体モジュールが備えるセラミックパッケージやメタルパッケージなどの半導体パッケージに好適に利用でき、高い放熱性と耐用性が得られる。特に、高熱伝導率でありながら、低い熱膨張率が８００℃を超える高温に曝された後も保持されるので、接合温度が７５０℃以上と高くなるロウ付け接合を行なう用途などについても問題なく適用できる。

所定の板厚のＭｏ材とＣｕ材を交互に積層させて３層～１１層の積層体とし、この積層体を放電プラズマ焼結（ＳＰＳ）装置（住友石炭鉱業（株）社製「DR.SINTER SPS-1050」）を用いて、９５０℃、１８分保持、加圧力２０ＭＰａの条件で熱間加圧接合させ、発明例と比較例の放熱板を製造した。なお、発明例１６では、上記のようにして得られた放熱板本体の表面（両面）に、Ｃｕめっき（下層，めっき厚１０μｍ）＋Ｎｉめっき（上層，めっき厚３μｍ）からなるめっき層を形成した。
各供試体について、板面内熱膨張率を押棒式変位検出法で測定し、５０℃－１００℃、５０℃－２００℃、５０℃－４００℃、５０℃－８００℃のそれぞれにおける各伸び量の差を温度差で割り算して、５０℃から１００℃までの板面内平均熱膨張率、５０℃から２００℃までの板面内平均熱膨張率、５０℃から４００℃までの板面内平均熱膨張率、５０℃から８００℃までの板面内平均熱膨張率をそれぞれ求めた。また、板厚方向の熱伝導率（室温での熱伝導率）をフラッシュ法で測定した。

表１～表４に、各供試体の熱特性を製造条件とともに示す。これによれば、比較例に較べて発明例は、高熱伝導率で且つ低温から高温までの幅広い温度領域において低熱膨張率であり、低温領域と高温領域での熱膨張率差が小さく、しかも、層間の界面熱抵抗などによる板厚方向での熱流損失が少なく、所望の高熱伝導率が安定して得られる（すなわち板厚方向の熱伝導率の実測値と計算値の差が小さい）という優れた熱特性を有することが判る。具体的には、（i）５０℃から１００℃までの板面内平均熱膨張率、５０℃から２００℃までの板面内平均熱膨張率、５０℃から４００℃までの板面内平均熱膨張率、５０℃から８００℃までの板面内平均熱膨張率がいずれも１１．０ｐｐｍ／Ｋ未満（特に好ましい構成では１０．０ｐｐｍ／Ｋ以下）、（ii）板厚方向の熱伝導率λ_ｍが２３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上（特に好ましい構成では２５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上）、（iii）低温領域と高温領域での熱膨張率差を示す［５０℃から１００℃までの板面内平均熱膨張率］／［５０℃から８００℃までの板面内平均熱膨張率］が１．５未満（特に好ましい構成では１．３以下）、（iv）高熱伝導率が安定して得られることの指標である、板厚方向の熱伝導率λ_ｍ（実測値）と単純複合則による板厚方向の計算熱伝導率λ_ｃ（計算値）の比率λ_ｍ／λ_ｃが０．８８以上（特に好ましい構成では０．９０以上、さらには０．９５以上）、という優れた熱特性が得られることが判る。このため、半導体パッケージなどの放熱板として高い放熱性と耐用性が期待できる。

Claims (14)

1. Ｍｏ層とＣｕ層が交互に積層されたクラッド構造を有する放熱板において、
   Ｍｏ層とＣｕ層の合計の層数が３層～７層であって、両面の最外層がＭｏ層であり、Ｍｏの体積比率が２１～３６％であり、
   層厚が最も大きいＣｕ層（x）（但し、Ｃｕ層が１層のみの場合には当該Ｃｕ層）の両側にＭｏ層（y1），（y2）が存在し、Ｃｕ層（x）の層厚とＭｏ層（y1），（y2）の合計層厚の比率（x）／（y1）＋（y2）が１．７５以上３．０以下であり、
   ［５０℃から１００℃までの板面内平均熱膨張率］／［５０℃から８００℃までの板面内平均熱膨張率］＜１．５であることを特徴とする放熱板。
2. Ｍｏ層とＣｕ層の合計の層数が３層であり、Ｍｏの体積比率が２５～３６％であることを特徴とする請求項１に記載の放熱板。
3. ［５０℃から１００℃までの板面内平均熱膨張率］／［５０℃から８００℃までの板面内平均熱膨張率］≦１．３であることを特徴とする請求項１又は２に記載の放熱板。
4. ５０℃から１００℃までの板面内平均熱膨張率、５０℃から２００℃までの板面内平均熱膨張率、５０℃から４００℃までの板面内平均熱膨張率、５０℃から８００℃までの板面内平均熱膨張率がいずれも１１．０ｐｐｍ／Ｋ未満、板厚方向の熱伝導率λ_ｍが２３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の放熱板。
5. 板厚方向の熱伝導率λ_ｍと単純複合則による板厚方向の計算熱伝導率λ_ｃの比率λ_ｍ／λ_ｃが０．８８以上であることを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載の放熱板。
6. 板厚方向の熱伝導率λ_ｍと単純複合則による板厚方向の計算熱伝導率λ_ｃの比率λ_ｍ／λ_ｃが０．９０以上であることを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載の放熱板。
7. 板厚方向の熱伝導率λ_ｍと単純複合則による板厚方向の計算熱伝導率λ_ｃの比率λ_ｍ／λ_ｃが０．９５以上であることを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載の放熱板。
8. 板厚方向の熱伝導率λ _ｍ と単純複合則による板厚方向の計算熱伝導率λ _ｃ の比率λ _ｍ ／λ _ｃ が１．０１以上であることを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載の放熱板。
9. 層厚が最も大きいＣｕ層（x）（但し、Ｃｕ層が１層のみの場合には当該Ｃｕ層）の両側にＭｏ層（y1），（y2）が存在し、Ｃｕ層（x）の層厚とＭｏ層（y1），（y2）の合計層厚の比率（x）／（y1）＋（y2）が２．６以下であることを特徴とする請求項１～８のいずれかに記載の放熱板。
10. 積層したＭｏ層とＣｕ層とからなる放熱板本体の片面又は両面に、膜厚が２０μｍ以下のめっき皮膜が形成されたことを特徴とする請求項１～９のいずれかに記載の放熱板。
11. 請求項１～９のいずれかに記載の放熱板の製造方法であって、
    Ｍｏ材とＣｕ材を積層させ、該積層体を熱間で加圧接合することにより、前記Ｍｏ材によるＭｏ層と前記Ｃｕ材によるＣｕ層が積層した放熱板を得ることを特徴とする放熱板の製造方法。
12. 積層したＭｏ層とＣｕ層とからなる放熱板本体の片面又は両面に、膜厚が２０μｍ以下のめっき皮膜を形成することを特徴とする請求項１１に記載の放熱板の製造方法。
13. 請求項１～１０のいずれかに記載の放熱板を備えたことを特徴とする半導体パッケージ。
14. 請求項１３に記載の半導体パッケージを備えたことを特徴とする半導体モジュール。

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