專利名稱：散熱板、半導(dǎo)體裝置和散熱板的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及搭載有半導(dǎo)體元件等發(fā)熱體并擴(kuò)散從該發(fā)熱體產(chǎn)生的熱的散熱板、具備該散熱板的半導(dǎo)體裝置和該散熱板的制造方法。
背景技術(shù)：
近年來，隨著電子設(shè)備的高功能化、大容量化和小型化，從電子設(shè)備產(chǎn)生的熱量有増加的趨勢(shì)，因此要求有效地?cái)U(kuò)散這些熱。例如，在搭載有半導(dǎo)體元件作為發(fā)熱體的半導(dǎo)體裝置中，如專利文獻(xiàn)1所公開地， 為了擴(kuò)散從半導(dǎo)體產(chǎn)生的熱，使用熱導(dǎo)性良好的散熱板。并且，由于所搭載的半導(dǎo)體元件例如由Si等構(gòu)成而熱膨脹系數(shù)比較小，因此在上述半導(dǎo)體裝置中所使用的散熱板由金屬板等構(gòu)成，當(dāng)使用熱膨脹系數(shù)相對(duì)大的散熱板的情況下，在冷熱循環(huán)負(fù)荷時(shí)，熱應(yīng)力作用于所搭載的半導(dǎo)體元件上，有可能使半導(dǎo)體元件本身發(fā)生破損。因此，要求熱膨脹系數(shù)小的散熱板。于是，作為熱導(dǎo)率高且熱膨脹系數(shù)小的散熱板，大量提出了碳質(zhì)部件和金屬構(gòu)成的金屬基復(fù)合材料等。具體地，在專利文獻(xiàn)2中，提出了將銅加壓熔滲在碳纖維構(gòu)成的碳纖維氈中的由金屬基復(fù)合材料構(gòu)成的散熱板。并且，在專利文獻(xiàn)3中，提出了通過熔融金屬鍛造將鋁、銅、銀加壓含浸在碳成形體中的由金屬基復(fù)合材料構(gòu)成的散熱板。這樣的金屬基復(fù)合材料中，由于含有熱導(dǎo)率良好的金屬，可以確保高熱導(dǎo)性。并且，由于含有熱膨脹系數(shù)小的石墨部件，可以將熱膨脹系數(shù)抑制在低水平。這樣的散熱板的板面上通過焊料或釬焊料接合半導(dǎo)體元件或搭載有半導(dǎo)體元件的電路基板等發(fā)熱體。其中，由金屬基復(fù)合材料構(gòu)成的散熱板中，由于在板面上露出碳部件和金屬，使用釬焊料或焊料有可能無(wú)法堅(jiān)固地接合發(fā)熱體。因此，考慮在金屬基復(fù)合材料的板面上通過對(duì)含浸在碳質(zhì)部件中的金屬進(jìn)行熔折而形成金屬表層、或者通過電鍍或真空蒸鍍形成金屬表層的方法。專利文獻(xiàn)1 日本特開2004-296493號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)2 日本特開平11-097593號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)3 日本特開2001-058255號(hào)公報(bào)但是，如前所述，在金屬基復(fù)合材料的板面上通過對(duì)含浸在碳質(zhì)部件中的金屬進(jìn)行熔析而形成金屬表層的情況下，不易均勻地形成金屬表層，有可能無(wú)法良好地接合半導(dǎo)體元件等發(fā)熱體。并且，由于通過含浸在碳質(zhì)部件中的金屬來形成金屬表層，存在無(wú)法改變金屬表層的材質(zhì)的問題。另ー方面，在金屬基復(fù)合材料的板面通過電鍍或真空蒸鍍來形成金屬表層的情況下，雖然可以使金屬表層的材質(zhì)不同于含浸在碳質(zhì)部件中的金屬，但有可能降低該金屬表層與金屬基復(fù)合材料的板面之間的接合性，依然有可能無(wú)法良好地接合半導(dǎo)體元件等發(fā)熱體。并且，通過電鍍形成金屬表層的情況下，拉伸應(yīng)力殘存于金屬表層，在金屬表層劣化時(shí)易產(chǎn)生龜裂，有可能對(duì)與半導(dǎo)體元件等發(fā)熱體之間的接合帶來麻煩。進(jìn)而，使用真空蒸鍍的情況下，形成金屬表層需要很多勞力，存在該散熱板的制造成本大幅上升的問題。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的在干，提供散熱特性優(yōu)異且在冷熱循環(huán)負(fù)荷時(shí)能夠抑制熱應(yīng)力作用于半導(dǎo)體元件等發(fā)熱體上的散熱板、使用該散熱板的半導(dǎo)體裝置和該散熱板的制造方法。為解決上述問題并達(dá)成上述目的，本發(fā)明的散熱板用于擴(kuò)散從所搭載的發(fā)熱體產(chǎn)生的熱，其特征在干，具備在碳質(zhì)部件中填充有金屬材料的金屬基復(fù)合材料構(gòu)成的板主體和形成在該板主體的至少ー側(cè)板面的金屬表層，構(gòu)成所述板主體的金屬基復(fù)合材料通過在碳質(zhì)部件中含浸熔融的金屬材料而形成，所述金屬表層通過使金屬粉末碰撞在所述板主體的所述板面而形成。根據(jù)該構(gòu)成的散熱板，由于具備在碳質(zhì)部件中填充有金屬材料的金屬基復(fù)合材料構(gòu)成的板主體和形成在該板主體的至少ー側(cè)板面的金屬表層，金屬表層通過使金屬粉末碰撞在所述板主體的所述板面而形成，因此即使為露出碳質(zhì)部件和金屬的板面，也可以層壓金屬粉末形成金屬表層，可以形成與板主體堅(jiān)固地接合的金屬表層。并且，能夠由與填充在金屬基復(fù)合材料中的金屬材料不同的金屬材料構(gòu)成金屬表層，可以根據(jù)搭載的發(fā)熱體的接合方法等選擇金屬表層的材質(zhì)。進(jìn)而，由于使金屬粉末碰撞而形成金屬表層，壓縮應(yīng)カ通過噴丸強(qiáng)化效應(yīng)作用于板主體的板面和金屬表層的內(nèi)部。因此，即使在金屬表層劣化的情況下，金屬表層上也不易產(chǎn)生龜裂，可以大幅提高與發(fā)熱體的接合可靠性。其中，所述金屬表層優(yōu)選通過氣浮沉積(Aerosol Deposition)法形成。在氣浮沉積法中，使亞微米級(jí)的微細(xì)粉末高速碰撞而形成金屬表層。在該氣浮沉積法中，碰撞的粉末被塑性變形而層壓，由通過塑性變形形成的活性面堅(jiān)固地結(jié)合粉末之間，從而可以使金屬表層具有非常致密的結(jié)構(gòu)。并且，能夠在常溫低壓條件下形成金屬表層，可以降低該散熱板的制造成本。并且，優(yōu)選地，所述金屬基復(fù)合材料構(gòu)成的板主體從室溫到200°C為止的熱膨脹系數(shù)設(shè)定為10X10_6/°C以下、熱導(dǎo)率設(shè)定為190WバΠ1·Κ)以上、抗折強(qiáng)度設(shè)定為30MPa以上。在該情況下，由于從室溫到200°C為止的熱膨脹系數(shù)被設(shè)定為10X10_6/°C以下， 熱膨脹系數(shù)與半導(dǎo)體元件等近似，在冷熱循環(huán)負(fù)荷時(shí)可以抑制熱應(yīng)力作用于半導(dǎo)體元件等。并且，由于熱導(dǎo)率被設(shè)定為190W/(m*K)以上，熱傳導(dǎo)良好，能夠有效地?cái)U(kuò)散發(fā)熱體產(chǎn)生的熱。進(jìn)而，由于抗折強(qiáng)度被設(shè)定為30MPa以上，能夠確保作為散熱板的剛性，可以構(gòu)成半導(dǎo)體裝置等。并且，構(gòu)成所述板主體的金屬基復(fù)合材料中所填充的金屬材料和構(gòu)成金屬表層的金屬材料可以互不相同。在該情況下，例如能夠使填充在金屬基復(fù)合材料中的金屬材料為熔融金屬的流動(dòng)性優(yōu)異的金屬材料，構(gòu)成金屬表層的金屬材料采用與釬焊料和焊料的接合性高的金屬。其中，優(yōu)選構(gòu)成所述板主體的金屬基復(fù)合材料中所填充的金屬材料為Al-Si合CN 102593080 A
金，構(gòu)成金屬表層的金屬材料為純度99. 0%以上的純鋁。在該情況下，由于金屬基復(fù)合材料中所填充的金屬材料為Al-Si合金，熔融金屬的金屬液流動(dòng)性良好，能夠?qū)μ假|(zhì)部件切實(shí)地含浸Al-Si合金。并且，由于構(gòu)成金屬表層的金屬材料為純度99. 99%以上的純鋁，金屬表層的變形阻力降低，能夠通過該金屬表層緩和吸收冷熱循環(huán)時(shí)作用的熱應(yīng)カ。并且，可以通過焊料在該金屬表層上良好地接合半導(dǎo)體元件等發(fā)熱體?；蛘撸ㄟ^在金屬表層形成鍍鎳，可以通過釬焊料良好地接合半導(dǎo)體元件等發(fā)熱體。并且，優(yōu)選地，構(gòu)成所述板主體的金屬基復(fù)合材料中所填充的金屬材料為鋁或鋁合金，構(gòu)成金屬表層的金屬材料為鎳。在該情況下，由于金屬基復(fù)合材料中所填充的金屬材料為鋁或鋁合金，熔點(diǎn)低，能夠通過較低溫度下的處理，構(gòu)成該金屬基復(fù)合材料形成的板主體。并且，由于構(gòu)成金屬表層的金屬材料為鎳，無(wú)需在金屬表層上形成鍍鎳，可以通過釬焊料良好地接合半導(dǎo)體元件等發(fā)熱體。本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置，其特征在干，具備上述的散熱板和搭載在該散熱板上的半導(dǎo)體元件。根據(jù)該構(gòu)成的半導(dǎo)體裝置，可以有效地?cái)U(kuò)散作為發(fā)熱體的半導(dǎo)體元件產(chǎn)生的熱的同吋，在冷熱循環(huán)負(fù)荷吋，抑制熱應(yīng)力作用于半導(dǎo)體元件上，可以防止半導(dǎo)體元件的破損。 因此，可以提供可靠性高的半導(dǎo)體裝置。并且，本發(fā)明的散熱板的制造方法，該制造方法為具有在碳質(zhì)部件中填充金屬材料的金屬基復(fù)合材料構(gòu)成的板主體，并在該板主體的至少ー側(cè)板面形成金屬表層的散熱板的制造方法，其特征在于，該制造方法具備形成由金屬基復(fù)合材料構(gòu)成的板主體的板主體形成エ序，所述金屬基復(fù)合材料通過在碳質(zhì)部件中含浸熔融的金屬材料而形成；和使金屬粉末碰撞在所述板主體的板面而形成金屬表層的金屬表層形成エ序。根據(jù)該構(gòu)成的散熱板的制造方法，可以制造熱傳導(dǎo)良好且熱膨脹系數(shù)低的與構(gòu)成半導(dǎo)體元件的Si近似的散熱板。進(jìn)而，金屬表層形成エ序由于通過碰撞金屬粉末而成膜， 可以在金屬基復(fù)合材料構(gòu)成的板主體的板面上切實(shí)地形成金屬表層。其中，在所述金屬表層形成エ序中還可以通過氣浮沉積法形成所述金屬表層。在該情況下，在金屬基復(fù)合材料構(gòu)成的板主體的板面上可以形成非常致密結(jié)構(gòu)的金屬表層。并且，能夠在常溫低壓條件下形成金屬表層，可以降低該散熱板的制造成本。根據(jù)本發(fā)明，可以提供散熱特性優(yōu)異且在冷熱循環(huán)負(fù)荷時(shí)能夠抑制熱應(yīng)力作用于半導(dǎo)體元件等發(fā)熱體上的散熱板、使用該散熱板的半導(dǎo)體裝置和該散熱板的制造方法。


圖1為使用本發(fā)明第一實(shí)施方式的散熱板的電源模塊(半導(dǎo)體裝置)的簡(jiǎn)要說明圖。圖2為表示本發(fā)明第一實(shí)施方式的散熱板的說明圖。圖3為圖1所示的電源模塊(半導(dǎo)體裝置)的制造方法流程圖。圖4為圖2所示的散熱板的板主體的制造方法的說明圖。圖5為使用本發(fā)明第二實(shí)施方式的散熱板的半導(dǎo)體裝置的簡(jiǎn)要說明圖。
5
圖6為圖5所示的電源模塊(半導(dǎo)體裝置)的制造方法流程圖。符號(hào)說明1 電源模塊(半導(dǎo)體裝置)3 半導(dǎo)體芯片(發(fā)熱體)10 電源模塊用基板30 散熱板31 板主體32、33金屬表層101 半導(dǎo)體裝置102 釬焊層103 半導(dǎo)體芯片(發(fā)熱體)130 散熱板131 板主體132、133 金屬表層
具體實(shí)施例方式以下，參照

本發(fā)明的實(shí)施方式。首先，參照?qǐng)D1至圖4，說明使用本發(fā)明第一實(shí)施方式的散熱板的電源模塊(半導(dǎo)體裝置)。圖1所示的電源模塊1具備電源模塊用基板10、在該電源模塊用基板10的一面?zhèn)?(在圖1中為上側(cè))通過釬焊層2接合的半導(dǎo)體芯片3、配設(shè)在電源模塊用基板10的另ー 面?zhèn)?在圖1中為下側(cè))的散熱板30和配置在該散熱板的另一面?zhèn)鹊睦鋮s器40。電源模塊用基板10具備陶瓷基板11、配設(shè)在該陶瓷基板11的ー側(cè)面(在圖1中為上面)的電路層12和配設(shè)在陶瓷基板11的另ー側(cè)面(在圖1中為下面)的金屬層13。陶瓷基板11為防止電路層12與金屬層13之間的電連接的基板，由絕緣性高的 AlN(氮化鋁)構(gòu)成。并且，陶瓷基板11的厚度設(shè)定在0. 2 1. 5mm的范圍內(nèi)，在本實(shí)施方式中設(shè)定為0. 635mm。電路層12通過在陶瓷基板11的一側(cè)面焊接具有導(dǎo)電性的金屬板而形成。在本實(shí)施方式中，電路層12通過由99. 99%以上純度的鋁(所謂4N鋁)軋制板構(gòu)成的金屬板被焊接在陶瓷基板11而形成。另外，在本實(shí)施方式中使用Al-Si系的焊料接合金屬板。金屬層13通過在陶瓷基板11的另ー側(cè)面焊接金屬板而形成。在本實(shí)施方式中， 金屬層13與電路層12同樣地，通過由99. 99%以上純度的鋁(所謂4N鋁)軋制板構(gòu)成的金屬板被焊接在陶瓷基板11而形成。另外，在本實(shí)施方式中使用Al-Si系的焊料接合金屬板。冷卻器40用于冷卻上述的電源模塊用基板10，形成為設(shè)置有多個(gè)流通冷卻介質(zhì) (例如冷卻水)的通道41的多孔管結(jié)構(gòu)。冷卻器40優(yōu)選由熱導(dǎo)性良好的材質(zhì)構(gòu)成，在本實(shí)施方式中由A6063 (鋁合金)構(gòu)成。半導(dǎo)體芯片3由Si構(gòu)成，該半導(dǎo)體芯片3通過例如Sn-Ag系、Sn-h系或Sn-Ag-Cu 系的釬焊料形成的釬焊層2搭載在電路層12上。另外，在本實(shí)施方式中，在電路層12與釬焊層2之間設(shè)置有鍍鎳層(未圖示)。而且，散熱板30具備由金屬基復(fù)合材料構(gòu)成的板主體31和在該板主體31的一面?zhèn)燃傲硪幻鎮(zhèn)确謩e形成的金屬表層32、33。在此，散熱板30從室溫到200°C為止的熱膨脹系數(shù)設(shè)定為10X10_7°C以下、熱導(dǎo)率設(shè)定為190Wバm · K)以上、抗折強(qiáng)度設(shè)定為30MPa以上。板主體31由在碳質(zhì)部件中填充有鋁或鋁合金的鋁基復(fù)合材料構(gòu)成。更具體地，板主體31由在碳質(zhì)部件中含浸有熔點(diǎn)高于后述的焊接溫度且為630°C以下的鋁合金(在本實(shí)施方式中為Al-Si合金)的鋁石墨復(fù)合材料構(gòu)成，并且碳質(zhì)部件的90體積％以上氣孔被 Al-Si合金取代，以鋁石墨復(fù)合材料整個(gè)體積為基準(zhǔn)，該Al-Si合金的含量在35%以下。而且，形成在該板主體31的一側(cè)面和另ー側(cè)面的金屬表層32、33由純度99. 0%以上的鋁(所謂純鋁)構(gòu)成。在本實(shí)施方式中，該金屬表層通過所謂的氣浮沉積法形成，S卩、使亞微米級(jí)粒徑的 Al粉末與氣體混合而成氣溶膠狀并通過噴嘴高速碰撞來形成。其中，在氣浮沉積法中，碰撞的Al粉末在塑性變形的狀態(tài)下層壓，由通過塑性變形形成的活性面堅(jiān)固地結(jié)合Al粉末之間，從而形成具有非常致密的結(jié)構(gòu)的金屬表層32、33。另外，金屬表層32、33的厚度ts設(shè)定為0. 05mm ^ ts ^ 0. 5mm，在本實(shí)施方式中， 金屬表層32、33的厚度相同，被設(shè)定為ts = 0. 25mm。接著，參照?qǐng)D3和圖4對(duì)本實(shí)施方式的電源模塊的制造方法進(jìn)行說明。首先，形成由鋁石墨復(fù)合材料構(gòu)成的板主體31 (板主體形成エ序Si)。另外，在該板主體形成エ序中，如圖4所示，準(zhǔn)備由氣孔率10 30體積％的結(jié)晶石墨部件構(gòu)成的石墨板36，在該石墨板36的雙面分別配設(shè)由氣孔率5體積％以下的石墨構(gòu)成的夾持板37、37， 將該夾持板37、37和石墨板36通過不銹鋼制的擠壓板38、38夾持。將這樣得到的板例如以IOOMPa 200MPa加壓的狀態(tài)下在750°C 850°C加熱，并將由Al-Si合金構(gòu)成的熔融鋁含浸在石墨板36中，使其冷卻凝固，得到鋁石墨復(fù)合材料。在此，由結(jié)晶石墨部件構(gòu)成的石墨板36具有以下特性。(1)石墨的(002)面的面間隔為0. 336mm以下(2)六角網(wǎng)平面共格性為2. 9以上(3)碳質(zhì)部的純度(碳含量)為99. 9質(zhì)量％以上且Na的含量為0.02質(zhì)量％以下(4)熱導(dǎo)率為 250W/ (m · K)以上其中，じ)的六角網(wǎng)平面共格性如下求出。將通過X射線衍射求出的碳質(zhì)部的(101)面、(102)面、(103)面和(112)面的衍射峰的峰面積總計(jì)設(shè)為Si，衍射角2 θ為30 40度之間的本底強(qiáng)度積分值設(shè)為S2時(shí)，定義為六角網(wǎng)平面共格性=S1/S2。其中，入射角θ設(shè)為20 100°的范圍。在本實(shí)施方式中，各衍射峰的面積使用美國(guó)MDI公司制的X射線衍射數(shù)據(jù)處理軟件JADE6，在以下條件下執(zhí)行峰值搜索并算出。<峰值搜索條件>過濾器類型拋物線數(shù)據(jù)點(diǎn)19峰值位置定義峰頂
閾值 σ :1. 0峰值強(qiáng)度％截止值0.3BG確定的范圍1.0BG平均化的點(diǎn)數(shù)7本底強(qiáng)度積分值S2是通過將2 θ為30 40度之間作為本底，對(duì)該范圍內(nèi)的全部測(cè)定點(diǎn)(500點(diǎn))的強(qiáng)度進(jìn)行總計(jì)而求出。并且，(002)面間隔如下算出對(duì)在以下所述的測(cè)定條件下測(cè)定的衍射數(shù)據(jù)，利用 NBS制的硅標(biāo)準(zhǔn)資料修正衍射角，使用上述X射線衍射數(shù)據(jù)處理軟件JADE6算出。峰值搜索條件與上述相同。將結(jié)晶系設(shè)為六方晶(P63/mmc)，晶格常數(shù)初始值設(shè)為a = 2. 4704、c = 6. 7244，將(002)、(100)、(101)、(102)、(004)、(103)、(110)、(112)、(006)、(201)這 10 條峰值包含在計(jì)算之內(nèi)。對(duì)強(qiáng)度加權(quán)使用了 ν (1%)0另外，沒有使用角度加權(quán)。X射線衍射測(cè)定使用了 Bruker AXS公司制(原MacScience公司制)全自動(dòng)X射線衍射裝置MXP18VAHF。測(cè)定條件如下。使用X射線CuK α射線管電壓、管電流40kV、350mA光學(xué)系集中法掃描方法步進(jìn)掃描2 θ掃描范圍20 100度2 θ 步進(jìn)0. 02 度ー步進(jìn)的積分時(shí)間1秒發(fā)散狹縫0.5度散射狹縫0.5度接收狹縫0.15mm計(jì)數(shù)器使用石墨単色器另外，測(cè)定試樣設(shè)置為對(duì)垂直于石墨的擠壓方向的結(jié)晶面進(jìn)行測(cè)定。在這樣得到的鋁石墨復(fù)合材料構(gòu)成的板主體31的一側(cè)面和另ー側(cè)面上形成純度 99. 0%以上的純鋁構(gòu)成的金屬表層32、33 (金屬表層形成エ序S2)。在該金屬表層形成エ序S2中，通過將粒徑1 μ m 10 μ m的Al粉末與氣體混合使其成為氣溶膠狀，通過噴嘴39高速碰撞的氣浮沉積法形成金屬表層32、33。另外，該金屬表層形成エ序S2中的氣浮沉積法的條件為在氣氛溫度為室溫的大氣氣氛中，將流量為1 201/min的氧氣作為載氣使用。這樣，通過在板主體31的一側(cè)面和另ー側(cè)面上形成金屬表層32、33，制造本實(shí)施方式的散熱板30。接著，在該散熱板30的一面?zhèn)冉雍想娫茨K用基板10 (電源模塊用基板接合エ序 S3)。在散熱板30的金屬表層32上，通過焊料放置電源模塊用基板10，并在加熱爐進(jìn)行焊接處理。由此，電源模塊用基板10的金屬層13和散熱板30的金屬表層32接合。在此，焊接溫度設(shè)定在550 610°C。接著，在該散熱板30的另一面?zhèn)冉雍侠鋮s器40 (冷卻器接合エ序S4)。使焊料介于散熱板30的金屬表層33與冷卻器40之間，裝入加熱爐進(jìn)行焊接處理。由此，冷卻器40和散熱板30接合。在此，焊接溫度設(shè)定在550 610°C。另外，電源模塊用基板接合エ序 S3和冷卻器接合エ序S4也可以同時(shí)在同一個(gè)加熱爐內(nèi)進(jìn)行。然后，在電源模塊用基板10的電路層12表面形成鍍鎳的同吋，通過釬焊料放置半導(dǎo)體芯片3，在還原爐內(nèi)進(jìn)行釬焊接合(半導(dǎo)體元件接合エ序S5)。由此，半導(dǎo)體芯片3通過釬焊層2接合在電路層12上，制造本實(shí)施方式的電源模塊1。根據(jù)這樣構(gòu)成的本實(shí)施方式的散熱板30和電源模塊1，散熱板30具備在碳質(zhì)部件中填充了鋁合金的鋁石墨復(fù)合材料構(gòu)成的板主體31和在該板主體31的一側(cè)面及另ー側(cè)面分別形成的金屬表層32、33，該金屬表層32、33通過將亞微米級(jí)粒徑的Al粉末與氣體混合而成氣溶膠狀并通過噴嘴高速碰撞的所謂氣浮沉積法來形成，因此能夠在露出碳質(zhì)部件和鋁的板主體31的一側(cè)面和另ー側(cè)面層壓鋁粉末，可以形成與板主體31堅(jiān)固接合的金屬表広 ο2λ3J ο并且，在上述的氣浮沉積法中，碰撞的鋁粉末塑性變形而層壓，通過由塑性變形形成的活性面，鋁粉末之間被堅(jiān)固地結(jié)合，因此可以使金屬表層32、33成為非常致密的結(jié)構(gòu)。 并且，能夠在常溫、低壓條件下形成金屬表層32、33，可以降低該散熱板30的制造成本。并且，由于板主體31從室溫到200°C為止的熱膨脹系數(shù)被設(shè)定為10X10_6/°C以下，散熱板30的熱膨脹系數(shù)與半導(dǎo)體芯片3和電源模塊用基板10近似，在冷熱循環(huán)負(fù)荷時(shí)能夠抑制熱應(yīng)力作用于半導(dǎo)體芯片3和電源模塊用基板10。并且，由于板主體31的熱導(dǎo)率被設(shè)定為190W/(m*K)以上，熱傳導(dǎo)良好，能夠有效地?cái)U(kuò)散半導(dǎo)體芯片3和電源模塊用基板 10產(chǎn)生的熱。進(jìn)而，由于板主體31的抗折強(qiáng)度被設(shè)定為30MPa以上，能夠確保作為散熱板 30的剛性，可以構(gòu)成電源模塊1。并且，在構(gòu)成板主體31的鋁石墨復(fù)合材料中所含浸的金屬材料為熔點(diǎn)比較低、熔融金屬的流動(dòng)性優(yōu)異的Al-Si合金，可以在碳質(zhì)部件中切實(shí)地含浸Al-Si合金。另ー方面，由于金屬表層32、33由純度99. 0%以上的純鋁構(gòu)成，該金屬表層32、33 的變形阻力降低，能夠由該金屬表層32、33緩和吸收冷熱循環(huán)時(shí)作用的熱應(yīng)力。接著，說明本發(fā)明第二實(shí)施方式的散熱板和使用該散熱板的半導(dǎo)體裝置。如圖5所示，該半導(dǎo)體裝置101具備散熱板130、搭載在該散熱板130的一面?zhèn)?在圖5中為上側(cè))的半導(dǎo)體芯片103、配設(shè)在散熱板130的另一面?zhèn)?在圖5中為下側(cè))的冷卻器140。冷卻器140用于冷卻半導(dǎo)體芯片103，形成設(shè)有多個(gè)用于流通冷卻介質(zhì)(例如冷卻水)的通道141的多孔管結(jié)構(gòu)。冷卻器140優(yōu)選由熱導(dǎo)性良好的材質(zhì)構(gòu)成，在本實(shí)施方式中由A6063(鋁合金)構(gòu)成。半導(dǎo)體芯片103由Si構(gòu)成，該半導(dǎo)體芯片103通過例如Sn-Ag系、Sn-In系或 Sn-Ag-Cu系的釬焊料構(gòu)成的釬焊層102搭載在散熱板130上。散熱板130具備由金屬基復(fù)合材料構(gòu)成的板主體131和在該板主體131的一面?zhèn)燃傲硪幻鎮(zhèn)确謩e形成的金屬表層132、133。在此，散熱板130從室溫到200°C為止的熱膨脹系數(shù)設(shè)定為10X10_6/°C以下、熱導(dǎo)率設(shè)定為190Wバm · K)以上、抗折強(qiáng)度設(shè)定為30MPa以上。板主體131由在SiC構(gòu)成的母材中填充有鋁或鋁合金的AlSiC復(fù)合材料構(gòu)成。
而且，形成在該板主體131的一側(cè)面的金屬表層132由Ni構(gòu)成，形成在另ー側(cè)面的金屬表層133由純度99.0%以上的鋁(所謂純鋁)構(gòu)成。在本實(shí)施方式中，形成在一側(cè)面的金屬表層132通過使Ni粉末在其熔點(diǎn)以下的溫度下碰撞的氣浮沉積法形成。并且，形成在另ー側(cè)面的金屬表層133通過使Al粉末在其熔點(diǎn)以下的溫度下碰撞的冷噴涂法形成。另外，金屬表層132、133的厚度ts設(shè)定為0. 05mm ^ ts ^ 0. 5mm,在本實(shí)施方式中，被設(shè)定為ts = 0. 25mm。接著，參照?qǐng)D6說明本實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置的制造方法。首先，形成由金屬基復(fù)合材料構(gòu)成的板主體31 (板主體形成エ序Sll)。在本實(shí)施方式中，在SiC構(gòu)成的母材中填充鋁或鋁合金，形成AlSiC復(fù)合材料。在這樣得到的AlSiC復(fù)合材料構(gòu)成的板主體131的一側(cè)面和另ー側(cè)面上形成金屬表層(金屬表層形成エ序S 12)。在板主體131的ー側(cè)面，通過使粒徑0. Iym IOym的Ni粉末在其熔點(diǎn)以下的溫度下通過噴嘴碰撞的所謂氣浮沉積法形成金屬表層132。另外，形成該金屬表層132時(shí)的條件為在氣氛溫度為室溫的大氣氣氛中，將流量為1 201/min的氧氣作為載氣使用。進(jìn)而，在板主體131的另ー側(cè)面，通過使粒徑0. Iym IOym的Al粉末在其熔點(diǎn)以下的溫度下通過噴嘴碰撞的所謂氣浮沉積法形成金屬表層133。另外，形成該金屬表層 133時(shí)的條件為在氣氛溫度為室溫的大氣氣氛中，將流量為1 201/min的氧氣作為載氣使用。這樣，制造出了本實(shí)施方式的散熱板130。接著，在該散熱板130的另一面?zhèn)冉雍侠鋮s器40 (冷卻器接合エ序S14)。使焊料介于形成在散熱板130的另ー側(cè)面的金屬表層133與冷卻器40之間，裝入加熱爐進(jìn)行焊接處理。由此，冷卻器140和散熱板130接合。在此，焊接溫度設(shè)定在550 610°C。然后，在形成在散熱板130的另一面?zhèn)鹊慕饘俦韺?32的表面，通過釬焊料放置半導(dǎo)體芯片103，在還原爐內(nèi)進(jìn)行釬焊接合(半導(dǎo)體元件接合エ序S15)。由此，半導(dǎo)體芯片103通過釬焊層102接合在散熱板130上，制造出了本實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置101。根據(jù)這樣構(gòu)成的本實(shí)施方式的散熱板130和半導(dǎo)體裝置101，散熱板130具備在 SiC構(gòu)成的母材中填充了鋁或鋁合金的AlSiC復(fù)合材料構(gòu)成的板主體131和在該板主體 131的一側(cè)面及另ー側(cè)面分別形成的金屬表層132、133，該金屬表層132、133通過使金屬粉末在其熔點(diǎn)以下的溫度下碰撞的氣浮沉積法來形成，因此能夠在露出SiC和鋁的板主體 131的一側(cè)面和另ー側(cè)面層壓金屬粉末，可以形成與板主體131堅(jiān)固接合的金屬表層132、 133。并且，在上述的氣浮沉積法中，通過在室溫下使用氧氣作為載氣并使金屬粉末從噴嘴噴出而碰撞，從而使金屬粉末塑性變形的同時(shí)進(jìn)行層壓來成膜，因此可以形成非常致密結(jié)構(gòu)的金屬表層132、133。因此，可以降低該散熱板130的制作成本。進(jìn)而，由于使金屬粉末碰撞而形成金屬表層132、133，壓縮應(yīng)力通過噴丸強(qiáng)化效應(yīng)作用于板主體131的一側(cè)面和另ー側(cè)面以及金屬表層132、133的內(nèi)部。因此，即使在金屬表層132、133劣化的情況下，金屬表層132、133上也不易產(chǎn)生龜裂，可以大幅提高與半導(dǎo)體芯片103的接合可靠性。在本實(shí)施方式中，由于形成在板主體131的另一面?zhèn)鹊慕饘俦韺?33由純度 99.0%以上的純鋁構(gòu)成，可以通過焊料將鋁合金構(gòu)成的冷卻器140良好地接合在散熱板 130的另一面?zhèn)鹊耐瑫r(shí)，該金屬表層133的變形阻力降低，能夠由該金屬表層133緩和吸收冷熱循環(huán)時(shí)作用的熱應(yīng)力。進(jìn)而，由于形成在板主體131的一面?zhèn)鹊慕饘俦韺?32由鎳構(gòu)成，無(wú)需在散熱板 130的一面?zhèn)刃纬慑冩嚹た梢酝ㄟ^釬焊層102接合半導(dǎo)體芯片103。并且，在本實(shí)施方式中，由于形成在板主體131的一面?zhèn)鹊慕饘俦韺?32通過使用 Ni粉末的氣浮沉積法形成，無(wú)需熔融Ni粉末本身而層壓在板主體131的ー側(cè)面上，由此在金屬表層132的表面產(chǎn)生起因于Ni粉末的微細(xì)的凹凸。由此，金屬表層132的表面積增加， 提高釬焊料的潤(rùn)濕性，可以通過釬焊層102切實(shí)地接合半導(dǎo)體芯片103。以上，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行了說明，但本發(fā)明并不限定于此，在不脫離本發(fā)明的技術(shù)思想的范圍內(nèi)可以進(jìn)行適當(dāng)變更。例如，說明了散熱板的板主體由在碳質(zhì)部件中含浸有Al-Si合金的鋁石墨復(fù)合材料或在SiC的母材中含浸有鋁或鋁合金的AlSiC復(fù)合材料構(gòu)成的例子，但并不限定于此，也可以為在碳質(zhì)部件中含浸有Cu的Cu-石墨復(fù)合材料等其他的金屬基復(fù)合材料。并且，說明了將金屬表層由鋁或鎳構(gòu)成的例子，但并不限定于此，也可以由其他金屬構(gòu)成。構(gòu)成金屬表層的材質(zhì)考慮到接合到金屬表層上的部件或接合方法等，優(yōu)選適當(dāng)設(shè)計(jì)變更。進(jìn)而，板主體和金屬表層的厚度等并不限定于本實(shí)施方式，也可以適當(dāng)設(shè)計(jì)變更。并且，說明了發(fā)熱體為半導(dǎo)體芯片的例子，但并不限定于此，也可以為搭載有電子部件等其他發(fā)熱體的散熱板。進(jìn)而，說明了具備冷卻器的半導(dǎo)體裝置的例子，但并不限定于此，也可以不具備冷卻器。并且，說明了通過焊接接合冷卻器的例子，但并不限定于此，也可以使用粘接劑或釬焊料接合。并且，對(duì)于冷卻器的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)并不限定于實(shí)施方式，可以進(jìn)行適當(dāng)設(shè)計(jì)變更。
1權(quán)利要求
1.一種散熱板，該散熱板用于擴(kuò)散從所搭載的發(fā)熱體產(chǎn)生的熱，其特征在干， 該散熱板具備在碳質(zhì)部件中填充金屬材料的金屬基復(fù)合材料構(gòu)成的板主體和形成在該板主體的至少ー側(cè)板面的金屬表層，構(gòu)成所述板主體的金屬基復(fù)合材料通過在碳質(zhì)部件中含浸熔融的金屬材料而形成， 所述金屬表層通過使金屬粉末碰撞在所述板主體的所述板面而形成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的散熱板，其特征在干，所述金屬表層通過氣浮沉積法形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的散熱板，其特征在干，所述金屬基復(fù)合材料構(gòu)成的板主體從室溫到200°C為止的熱膨脹系數(shù)設(shè)定為10X10_6/°C以下、熱導(dǎo)率設(shè)定為190Wバπι·Κ)以上、 抗折強(qiáng)度設(shè)定為30MPa以上。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的散熱板，其特征在干，所述金屬基復(fù)合材料構(gòu)成的板主體從室溫到200°C為止的熱膨脹系數(shù)設(shè)定為10X10_6/°C以下、熱導(dǎo)率設(shè)定為190Wバπι·Κ)以上、 抗折強(qiáng)度設(shè)定為30MPa以上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1 4的任意一項(xiàng)所述的散熱板，其特征在干，構(gòu)成所述板主體的金屬基復(fù)合材料中所填充的金屬材料和構(gòu)成金屬表層的金屬材料互不相同。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的散熱板，其特征在干，構(gòu)成所述板主體的金屬基復(fù)合材料中所填充的金屬材料為Al-Si合金，構(gòu)成金屬表層的金屬材料為純度99. 99%以上的純鋁。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的散熱板，其特征在于，構(gòu)成所述板主體的金屬基復(fù)合材料中所填充的金屬材料為鋁或鋁合金，構(gòu)成金屬表層的金屬材料為鎳。
8.一種半導(dǎo)體裝置，其特征在干，具備權(quán)利要求1 7的任意一項(xiàng)所述的散熱板和搭載在該散熱板上的半導(dǎo)體元件。
9.一種散熱板的制造方法，該制造方法為具有在碳質(zhì)部件中填充金屬材料的金屬基復(fù)合材料構(gòu)成的板主體，并在該板主體的至少ー側(cè)板面形成金屬表層的散熱板的制造方法，其特征在干，該制造方法具備形成由金屬基復(fù)合材料構(gòu)成的板主體的板主體形成エ序，所述金屬基復(fù)合材料通過在碳質(zhì)部件中含浸熔融的金屬材料而形成；和使金屬粉末碰撞在所述板主體的板面而形成金屬表層的金屬表層形成エ序。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的散熱板的制造方法，其特征在干，在所述金屬表層形成ェ序中通過氣浮沉積法形成所述金屬表層。
全文摘要
本發(fā)明提供散熱特性優(yōu)異且在冷熱循環(huán)負(fù)荷時(shí)能夠抑制熱應(yīng)力作用于半導(dǎo)體元件等發(fā)熱體上的散熱板、使用該散熱板的半導(dǎo)體裝置和該散熱板的制造方法。本發(fā)明的散熱板(30)用于擴(kuò)散從所搭載的發(fā)熱體(3)產(chǎn)生的熱，其特征在于，具備在碳質(zhì)部件中填充金屬材料的金屬基復(fù)合材料構(gòu)成的板主體(31)和形成在該板主體(31)的至少一側(cè)板面的金屬表層(32，33)，構(gòu)成所述板主體的金屬基復(fù)合材料通過在碳質(zhì)部件中含浸熔融的金屬材料而形成，金屬表層(32，33)通過使金屬粉末碰撞在板主體(31)的所述板面而形成。
文檔編號(hào)C23C24/04GK102593080SQ20111000978
公開日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2011年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月11日
發(fā)明者長(zhǎng)友義幸, 長(zhǎng)瀨敏之, 黑光祥郎 申請(qǐng)人:三菱綜合材料株式會(huì)社