JP3552623B2

JP3552623B2 - Composite material and heat sink for semiconductor device using the same

Info

Publication number: JP3552623B2
Application number: JP37268399A
Authority: JP
Inventors: 和孝岡本; 保夫近藤; 典行渡部; 清光鈴木; 輝宜阿部; 泰久青野; 潤也金田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-12-28
Filing date: 1999-12-28
Publication date: 2004-08-11
Anticipated expiration: 2019-12-28
Also published as: JP2001189408A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低熱膨張性と高熱伝導性を有する銅複合材料及びそれを用いた放熱板と半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子デバイスによる電力やエネルギーの変換，制御に関連した技術、特にオン，オフモードで用いられる電力用電子デバイスとその応用技術としての電力変換システムがパワーエレクトロニクスである。
【０００３】
電力変換のため、各種のオン，オフ機能を持つ電力用半導体素子が用いられている。この半導体素子としては、ｐｎ接合体を内蔵し、一方向のみの導電性をもつ整流ダイオードをはじめ、種々のｐｎ接合の組合せ構造により、サイリスタ，バイボーラトランジスタ，ＭＯＳＦＥＴ等が実用化され、更には絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）やゲート信号によりターンオフ機能を併せもつゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）も開発されている。
【０００４】
これらの電力用半導体素子は、通電により発熱し、その高容量化，高速化に伴い発熱量も増大する傾向にある。発熱に起因する半導体素子の特性劣化，短寿命化を防止するためには、放熱部を設け、半導体素子及びその近傍での温度上昇を抑制する必要がある。銅は、熱伝導率が３９３Ｗ／ｍ・ｋと大きく、かつ低価格であるため、放熱部材として一般に用いられている。しかし、電力用半導体素子を備える半導体装置の放熱部材は、熱膨張率が４．２×１０^−６／℃ のＳｉと接合されるため、熱膨張率がこれに近い放熱部材が望まれる。銅は熱膨張率が１７×１０^−６／℃と大きいため、半導体素子との半田接合性は好ましくなく、ＭｏやＷといった熱膨張率がＳｉと近い材料を放熱部材として用いたり、半導体素子と放熱部材の間に設けたりしている。
【０００５】
一方、電子回路を一つの半導体チップ上に集積させた集積回路（ＩＣ）は、その機能に応じてメモリー，ロジック，マイクロプロセッサ等に分類される。これらは電力用半導体素子に対し、電子用半導体素子と呼ばれる。これらの半導体素子の集積度や演算速度は年々増加し、それに伴い発熱量も増大している。ところで、一般に電子用半導体素子は、外気から遮断して故障や劣化を防止する目的で、パッケージ内に収納されている。この多くは、半導体素子がセラミックスにダイボンディングされ、密封されているセラミックスパッケージ及び樹脂で封止されているプラスチックパッケージである。また、高信頼性，高速化に対応するために、複数個の半導体装置を一つの基板上に搭載したマルチチップモジュール（ＭＣＭ）も製造されている。
【０００６】
プラスチックパッケージは、リードフレームと半導体素子の端子がボンディングワイヤにより接続され、これを樹脂で封止する構造になっている。近年は、半導体素子の発熱量の増大に伴い、リードフレームに熱放散性を持たせたパッケージや熱放散のための放熱板を搭載するパッケージも出現している。熱放散のためには、熱伝導率の大きい銅系のリードフレームや放熱板が多用されているが、
Ｓｉとの熱膨張差による不具合が懸念されている。
【０００７】
一方、セラミックスパッケージは、配線がプリントされたセラミック基板上に半導体素子が搭載され、金属やセラミックスのキャップで密封する構造を持つ。さらに、セラミック基板にはＣｕ−ＭｏやＣｕ−Ｗの複合材料あるいはコバール合金などが接合され、放熱板としてして用いられているが、それぞれの材料において低熱膨張化あるいは高熱伝導化とともに加工性の向上，低コストが要求されている。
【０００８】
ＭＣＭはＳｉ，金属、あるいはセラミックスの基板上に形成された薄膜配線に複数個の半導体素子をベアチップで搭載し、これをセラミックスパッケージに入れ、リッドで封止する構造を持つ。放熱性が要求される場合には、パッケージに放熱板や放熱フィンを設置する。金属製の基板材料として、銅やアルミニウムが使用されており、これらは熱伝導度が高いという長所を持つが、熱膨張係数が大きく半導体素子との整合性が悪い。このため、低信頼性ＭＣＭの基板にはＳｉや窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が用いられている。また、放熱板はセラミックスパッケージと接合されるため、熱膨張率の点でパッケージ材料と整合性が良く、熱伝導率が大きな材料が望まれている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、半導体素子を搭載した半導体装置は、いずれもその動作において熱を発生し、蓄熱されると半導体素子の機能を損ねる恐れがある。このため、発生する熱を外部に放散するための熱伝導性に優れた放熱板が必要となる。放熱板は、直接あるいは絶縁層を介して半導体素子と接合されるため、熱伝導性だけでなく、熱膨張の点でも半導体素子との整合性が要求される。
【００１０】
現在用いられている半導体素子は、主にＳｉ及びＧａＡｓである。これらの熱膨張係数は、それぞれ２．６×１０^−６〜３．６×１０^−６／℃，５．７×１０^−６〜６．９×１０^−６／℃である。これらに近い熱膨張係数をもつ放熱板材料には、従来よりＡｌＮ，ＳｉＣ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｕ−Ｗ等が知られているが、これらは単一材料であるため、熱伝達係数と熱伝導率を任意にコントロールする事は困難であるとともに、加工性に乏しくコストが高いという問題がある。
【００１１】
最近になって、放熱板材料としてＡｌ−ＳｉＣが提案されている。これはＡｌとＳｉＣの複合材であり、両成分の比率を変えることによって熱伝達係数及び熱伝導率を広範囲にコントロールできるが、加工性が非常に悪く、コストが高いという問題がある。特開平８−７８５７８号公報にはＣｕ−Ｍｏ焼結合金、特開平９− １８１２２０号公報にはＣｕ−Ｗ−Ｎｉ凝結合金、特開平９−２０９０５８号公報にはＣｕ−ＳｉＣ焼結合金、特開平９−１５７７３号公報にはＡｌ−ＳｉＣが提案されている。これらの従来公知の粉末冶金法による複合材は、両成分の比率を変えることによって熱膨張率及び熱伝導率を広範囲にコントロールできるが、強度や塑性加工性が低く、薄板の製造が困難であり、さらに粉末製造に関わるコスト高，製造工程の増加等の問題がある。
【００１２】
本発明は、低熱膨張・高熱伝導性で、かつ塑性加工性に優れた複合材料及びそれを用いた半導体装置とその放熱板を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、種々検討を重ねた結果、高熱伝導性のＣｕと低熱膨張性のＣｕ_２Ｏを複合化して、かつＣｕ_２Ｏを棒状として一方向に配向させて分散させることにより、上記問題点を解決できることを見いだした。
【００１４】
本発明は、銅と酸化銅を有する複合材料であって、前記酸化銅は好ましくはアイランド状に分散し、かつ該アイランドの５０％以上がアスペクト比が３以上で、その長手方向が一方向に配向することを特徴とする複合材料にある。
【００１５】
本発明は、銅と酸化銅を有する複合材料において、前記酸化銅は１０〜５５体積％でアイランド状に分散し、該アイランドの５０％以上がアスペクト比が３〜２０で、かつ６０％以上のアイランドの長手方向が一方向に配向することを特徴とする複合材料にある。
【００１６】
本発明は、銅と酸化銅を有する複合材料において、前記酸化銅は１０〜５５体積％でアイランド状に分散し、該アイランドの５０％以上がアスペクト比が３〜２０で、かつ６０％以上のアイランドの長手方向が一方向に配向し、さらに室温から３００℃の線膨張係数が５×１０^−６〜１７×１０^−６／℃で熱伝導率が１００〜３８０Ｗ／ｍ・Ｋであることを特徴とする複合材料にある。
【００１７】
本発明は、銅と酸化銅を有する複合材料において、前記酸化銅は１０〜５５体積％でアイランド状に分散し、該アイランドの５０％以上がアスペクト比が３〜２０で、かつ６０％以上のアイランドの長手方向が一方向に配向し、さらに室温から３００℃の線膨張係数が好ましくは５×１０^−６〜１７×１０^−６／℃及び熱伝導率が１００〜３８０Ｗ／ｍ・Ｋであり、また配向方向の熱伝導率が配向方向に直角方向の熱伝導率より高く、その比が１．０５〜２．５倍で、その差が好ましくは５〜１２０Ｗ／ｍ・Ｋでかつ配向方向の室温から３００℃における線膨張係数が配向方向に直角方向の線膨張係数よりも大で、好ましくは１．１〜２．０倍であることを特徴とする複合材料にある。
【００１８】
本発明は、前記複合材料において、銅中に共晶酸化銅が分散することを特徴とする複合材料にある。また前記複合材料において、その表面に厚さ５０μｍ以下の銅層を有することを特徴とする複合材料にある。
【００１９】
本発明は、前記複合材料よりなることを特徴とする半導体装置用放熱板にある。また前記半導体装置用放熱板において、表面にＡｕ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ｃｒ，Ａｌ，Ｓｎ，Ｓｎ−Ｐｂのうち少なくとも一つのめっき層を有することを特徴とする半導体装置用放熱板にある。
【００２０】
本発明は、放熱板上に搭載された絶縁基板及び該絶縁基板上に搭載された半導体素子を有する半導体装置において、前記放熱板は前述に記載の放熱板よりなることを特徴とする。
【００２１】
本発明は、放熱板上に搭載された半導体素子と、前記放熱板に接続されたリードフレームと、該リードフレームと半導体素子とを電気的に接続する金属ワイヤとを備え、前記半導体素子を樹脂封止した半導体装置において、前記放熱板は前述に記載の放熱板よりなることを特徴とする。
【００２２】
本発明は、放熱板上に搭載された半導体素子と、前記放熱板に接続されたリードフレームと、該リードフレームと半導体素子とを電気的に接続する金属ワイヤとを備え、前記半導体素子を樹脂封止するとともに、前記放熱板の少なくとも前記素子の接合面に対して反対の面側かが開放されている半導体装置において、前記放熱板は前述に記載の放熱板よりなることを特徴とする。
【００２３】
本発明は、放熱板上に搭載された半導体素子と、外部配線接続用ピンを有し、中央部に前記素子を収納する開放空間を有するセラミックス多層配線基板と、前記素子と基板の端子とを電気的に接続する金属ワイヤとを備え、前記素子を前記空間に設置するように前記放熱板と前記基板とを接合するとともに前記基板をリッドによって接合し前記素子を大気より遮断する半導体装置において、前記放熱板は前述に記載の放熱板よりなることを特徴とする。
【００２４】
本発明は、放熱板上に搭載された半導体素子と、外部配線接続用端子を有し、中央部に前記素子を収納する凹部を有するセラミックス多層配線基板と、前記素子と基板の端子とを電気的に接続する金属ワイヤとを備え、前記素子を前記凹部に設置するように前記放熱板と前記基板の凹部とを接合するとともに前記基板をリッドによって接合し前記素子を大気より遮断する半導体装置において、前記放熱板は前述に記載の放熱板よりなることを特徴とする。
【００２５】
本発明は、放熱板上に熱伝導性樹脂によって接合された半導体素子と、セラミックス絶縁基板に接合されたリードフレームと、前記素子とリードフレームとを電気的に接続するＴＡＢとを備え、前記放熱板と絶縁基板とを接合し前記素子を大気より遮断するとともに前記素子と絶縁基板との間に熱伝導性樹脂弾性体を介在させた半導体装置において、前記放熱板は前述に記載の放熱板よりなることを特徴とする。
【００２６】
本発明は、第１の放熱板上に金属によって接合された半導体素子と、接地板が接合された第２の放熱板の前記接地板上に前記第１の放熱板を搭載し、前記素子の端子に電気的に接続したＴＡＢとを備え、前記素子を樹脂封止した半導体装置において、前記放熱板は前述に記載の放熱板よりなることを特徴とする。
【００２７】
第一酸化銅の体積分率は１０〜５５体積％の間で目的とする熱伝導率と線膨張係数にあわせて選択すればよい。また第一酸化銅の形状は一つ一つが独立して存在し、かつ棒状アイランドであり、そのアスペクト比は５以上であればよい。望ましくは、アスペクト比は５〜２０程度がよい。さらに８０％以上のアイランドの長手方向は一方向に配向していることが望ましく、その配向性のばらつきは
１０°以内であることがよい。このように銅中に単純に第一酸化銅を分散させるのではなく、その分布形態を制御することにより、熱伝導率と線膨張係数のバランスに優れた複合材料を提供できる。室温から３００℃の線膨張係数及び熱伝導率を含有量と加工率によって制御可能であり、また分布形態の制御により配向方向の熱伝導率と配向方向に直角方向の熱伝導率との違いを目的に応じて酸化銅の配向方向の配置を定めることができる。さらに本発明に係わる複合材料は、前記に加えて銅中に共晶酸化銅が分散してもよく、またその表面に厚さ５０μｍ以下の銅層を有してもよい。
【００２８】
本発明に係る複合材料は、銅及び酸化銅からなる原料を粉末冶金法もしくは鋳造法で作製した後、熱間で塑性加工し、最後に焼鈍することにより作製される。塑性加工は押出し，圧延，鍛造，スエージング等の方法で断面減少率で５０％以上の塑性加工を施すのが好ましい。相対密度は１００％とするものである。
【００２９】
また本発明に係わる放熱板は、前記複合材料から板厚方向が第一酸化銅の配向方向に平行となるように切出せばよい。これにより放熱板の板厚方向の熱伝導率はそれに直角な方向よりも大きく、かつ放熱板の面内の線膨張係数はそれに直角な方向よりも小さくなる。したがって放熱板は熱放散性が向上し、かつ絶縁基板もしくはチップとの線膨張係数の整合性が向上し、モジュールの高信頼性化が図れる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
Ｃｕインゴットを大気中にて溶解した後、３０体積％の酸化銅（Ｃｕ_２Ｏ）を添加し溶解した。これを金型鋳造した後、温度９００℃で押出しを行った。加工度は断面減少率で５０〜９０％まで行った。１パス毎の断面減少率は５％とし、割れを防止した。断面減少率が大きくなるに連れて、表１に示す様に線膨張係数及び熱伝導率には異方性が生じる。表１に記したＬ方向とは、延伸方向であり、Ｃ方向とは、Ｌ方向と垂直な方向を示し、以下同様の表現を用いる。図１にＬ方向に平行な断面のミクロ組織と断面減少率の関係を示す。また図２にＣ方向に平行な断面のミクロ組織と断面減少率の関係を示す。５０％が１００倍，９０％が５０倍である。断面減少率が大きくなるに連れて、個々の酸化銅は微細になるとともに、アスペクト比はほとんどが３以上で、大きくなり、またその配向方向は延伸方向に近づいていく。図１に示す９０％のものの棒径は２０μｍ以下で、１〜１０μｍがほとんどである。長さは１００μｍ以上のものが１５個であった。この視野は７１０×４８０μｍである。断面減少率が高くなるにつれて、配向はより顕著となり、Ｌ方向の熱伝導率が高くなるが、逆にＣ方向のそれが低くなり、Ｌ方向の線膨張係数が大きくなり、逆にＣ方向のそれは小さくなる。その結果、Ｌ方向の熱伝導率は３５１Ｗ／ｍ・Ｋまで上昇し、Ｃ方向との比率が１．０５以上で、最大１．７７であった。一方、線膨張係数はＣ方向で１０．４×１０^−６／℃となった。
【００３１】
【表１】

【００３２】
（実施例２）
表２にＣｕ−４０ｖｏｌ．％Ｃｕ_２Ｏ組成の線膨張係数と熱伝導率の値を示す。まずＣｕ粉と酸化銅粉を混合した後、冷間プレスして、これを９５０℃×３時間焼結した後、温度９５０℃でスエージングを行った。加工度は断面減少率で９０％まで行った。図３にＬ方向に平行な断面の１００倍のミクロ組織を示す。その結果、Ｌ方向の熱伝導率はＣ方向のそれより１．７５倍と高く、２６７Ｗ／ｍ・Ｋまで上昇した。一方、線膨張係数はＬ方向は大きいがＣ方向で７．８×１０^−６／℃と小さくなった。酸化銅の塊となっているものは５０μｍ以下であり、その９５％以上は２０μｍ以下である。
【００３３】
【表２】

【００３４】
（実施例３）
表３にＣｕ−５０ｖｏｌ．％Ｃｕ_２Ｏ組成の線膨張係数と熱伝導率の値を示す。作製方法は実施例２と同様とした。加工度は断面減少率で９０％まで行った。図４にＬ方向に平行な断面の１００倍のミクロ組織を示す。その結果、Ｌ方向の熱伝導率はＣ方向のそれより２．２２倍と高く、２１８Ｗ／ｍ・Ｋまで上昇した。一方、線膨張係数はＣ方向で６．１×１０^−６／℃ となった。酸化銅の塊は１００μｍ以下の大きさであり、塊のほとんどは２０μｍ以下である。
【００３５】
【表３】

【００３６】
（実施例４）
実施例３の素材の延伸方向に垂直な面で切出した複合材料の表面をＣｕめっきした後、Ｎｉ電解めっきした放熱板を得た。このとき放熱板の板厚方向と前記酸化銅の長手方向の配向方向とは平行である。このとき放熱板の板厚方向の熱伝導率は２６７Ｗ／ｍ・Ｋ、面内の線膨張係数は７．８×１０^−６／℃ である。本放熱板は、表面にＣｕめっきによるＣｕ層があるため、モジュールとしてチップを積層した場合、チップからの熱流は、いったん放熱板の面内でＣｕめっき層全体に広がり、その後板厚方向に拡散する。
【００３７】
以後、本発明の銅複合材料を放熱板とした実施例について述べるが、その組織配向はすべて放熱板の板厚方向がＬ方向のもので、かつＣｕめっき層を有するものである。
【００３８】
（実施例５）
本発明の銅複合材料を、パワー半導体素子の内、ＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ；以下ＩＧＢＴと略す）モジュールの放熱板（ベース板）に適用した実施例を述べる。
【００３９】
図５はモジュール内部の平面図、図６はモジュールの一部の断面図を示す。
【００４０】
ＩＧＢＴ素子１０１４個とダイオード素子１０２２個は半田２０１により銅箔２０２，２０３を図示していない銀ろう材でＡｌＮ板２０４に接合したＡｌＮ基板１０３に接続される。ＡｌＮ基板１０３上にはエミッタ配線１０４とコレクタ配線１０５，ゲート配線１０６の領域が形成されており、ＩＧＢＴ素子１０１とダイオード素子１０２は、コレクタ配線１０５領域に半田付けされる。各素子からは、金属ワイヤ１０７によってエミッタ配線１０４に接続される。また、ゲート配線１０６領域上には抵抗素子１０８が配置され、ＩＧＢＴ素子１０１のゲートパッドから金属ワイヤ１０７によって抵抗素子１０８に接続される。半導体素子を搭載したＡｌＮ基板１０３の６基板は、半田２０６によって本発明の係るＣｕ−Ｃｕ_２Ｏ合金からなるベース材１０９に接続される。各絶縁基板間は、端子２０６と樹脂性のケース２０７が一体になったケースブロック２０８の端子２０６とＡｌＮ基板１０３を半田２０９によって配線する。また、ケース２０７とベース１０９はシリコーンゴム系接着剤２１０によって接続される。ケースブロック２０８からの端子接続は、主端子が各ＡｌＮ基板１０３上でエミッタ端子接続位置１１０，エミッタセンス端子接続位置１１１，コレクタ接続端子位置１１２が各々２箇所、ゲート端子接続位置１１３が１箇所で接続される。次に、樹脂注入口を持ったケース蓋２１１から端子全面が被覆されるようシリコーンゲル２１２を注入し、その後熱硬化型エポキシ樹脂２１３を全面に注入してモジュールを完成させる。ベース材１０９は、酸化銅の長手方向がその平板面と平行に図５の左右に配向しているのが好ましい。
【００４１】
表４に一般的に使用されるベース材と、本発明のＣｕ−Ｃｕ_２Ｏ合金材でＣｕ−４０体積％Ｃｕ_２Ｏの熱膨張係数と熱伝導率を示す。Ｃｕ−Ｃｕ_２Ｏベース材料を用いた半導体素子は、一般的に使用されるＣｕベースのモジュールに比べて熱膨張係数が小さく、ＡｌＮ基板１０３とベース１０９を接続する半田２０９の信頼性を向上させることができる。その一方で、過酷な使用環境下で半田１０６の信頼性を向上させるために使用されるＭｏやＡｌ−ＳｉＣベースは、Ｃｕ−Ｃｕ_２Ｏベースを用いた半導体素子に比べて熱膨張係数は小さいが、熱伝導率も小さく、モジュールの熱抵抗が大きくなる問題が生じる。本実施例のＣｕ−Ｃｕ_２Ｏベースを搭載したモジュールでは、信頼性（熱疲労試験寿命）はＣｕベースに比べ５倍以上、熱抵抗は同じベース厚さのモジュールで、Ｍｏベースに比べて０．８倍以下にすることができる。
【００４２】
【表４】

【００４３】
これらの効果により、モジュールの構造や他の部材の選択の幅を拡げることが可能となる。例えば、図５の実施例では、Ｃｕ−Ｃｕ_２Ｏ合金ベース材はＭｏベース材に比べて熱伝導率が大きい、言い換えれば熱拡がり性が向上するため，動作時の半導体素子端部と中央部の温度差を小さく抑えられる効果があり、半導体素子を従来モジュールに比べ約１．２倍に大きくしている。これにより、従来素子では同じ電流量を確保するために、ＩＧＢＴで３０個使用していた構造を２４で設計が可能になり、モジュールサイズを小型化することができた。さらに、ＡｌＮより熱伝導率が約２０％小さいアルミナ基板を絶縁基板に使用することが可能になる。アルミナはＡｌＮに比べ抗折強度が強く、基板サイズを大きくすることができる。また、アルミナ板は熱膨張係数がＡｌＮ板に比べ大きく、ベース材料との熱膨張差を小さくできるので、モジュール自身の反り量も小さくすることができる。アルミナ基板の使用により、基板の許容サイズを大きくできるので、１枚当りの搭載できる半導体素子数を多くすることができる。つまり、各絶縁板毎に必須な絶縁確保用の面積や基板間の面積を減らすことができ、モジュールサイズを小さくすることが可能である。
【００４４】
図７は、本実施例のモジュール製造過程の模式図を示す。（ａ）Ｃｕ−Ｃｕ_２Ｏベース１０９は、表面がＮｉめっきされ、ほぼ平坦な状態で入荷される。（ｂ）半導体素子１０１を半田１０２により接合したＡｌＮ基板１０３を半田２０５により接合する。この時ベース１０９の熱膨張係数が半導体素子とＡｌＮ基板の複合体より大きいので、半田の冷却過程でモジュール裏面が凹の形状で反る。（ｃ）ケースブロック２０８を熱硬化型の接着剤で組立てる工程で、半田接合完了の複合体３０１に比べケースの熱膨張係数が大きいため、接着剤の冷却過程でモジュール裏面がほぼ平坦になる。（ｄ）モジュール内部にシリコーンゲル２１２，熱硬化型エポキシ樹脂２１３を充填すると、樹脂の熱膨張係数が大きいためモジュール裏面が凸の形状で反る。
【００４５】
図８に、各工程での裏面反り量の実測結果を示す。本発明のＣｕ−Ｃｕ_２Ｏベースを使用すると、反り量は従来のＭｏベースを使用したモジュールに比べると、約１／３に抑えることができる。また、Ｃｕベースの結果は図示していないが、ＡｌＮ基板との膨張係数差が大きく（ｂ）の工程で裏面が凹の方向で反り量が大きく、モジュール完成後でも裏面が凹で１００μｍ以上の反りが発生する。本発明のＣｕ−Ｃｕ_２Ｏべースではモジュールの反り量を小さくすることができるのでモジュールの大型化が可能になる。また、組立工程での反り量と同じく、モジュール実働時の温度変化による反りの変化量も小さいので、モジュールと冷却フィンの間に塗布するグリースの流失をおさえることができる。
【００４６】
図９に、本発明のモジュールを適用した電力変換装置の一実施例を示す。パワー半導体装置５０１は、ヒートシンク５１１上に放熱性グリース５１０をはさんで締め付けボルト５１２により実装され、２レベルインバータを構成した例を示す。一般的にモジュール５０１は、中間点（Ｂ点）を一本の中間点配線５０３で配線できるように左右を反転させて実装する。コレクタ側配線５０２とエミッタ側配線５０４は各々ｕ，ｖ，ｗ相を配線して電源電圧５０９を供給する。信号線は各ＩＧＢＴモジュール５０１〜ゲート配線５０５，エミッタ補助配線５０６，コレクタ補助配線５０７によって構成する。５０８は負荷である。
【００４７】
図１０及び図１１に、モジュールを実装した場合の締め付け前及び後のモジュール裏面の反り量（グリース厚さ）を示し、（ａ）が本発明、（ｂ）が従来法のものである。従来知られているＡｌ−ＳｉＣベースのモジュールの場合、裏面の凸量が約１００μｍであるが、モジュールをグリースを塗布して締め付けると、締め付け時にグリースに押されて変形し、逆にモジュールの裏面が凹の状態に変形して中央部でのグリース厚さが厚くなり、接触抵抗が大きくなる。これに対して、本発明のＣｕ−Ｃｕ_２Ｏベースの場合、初期の裏面の反り量が約５０μｍであるが、ベース材の剛性が大きいので、グリースを塗布して締め付けた後のモジュール中央部のグリース厚さを約５０μｍに抑えられ、従来のＡｌ−ＳｉＣベースに比べて半減させることができた。さらにモジュール内でのグリース厚さのばらつきも小さくすることができる。実装時のグリースに押されて変形する問題は、Ｃｕ−Ｃｕ_２Ｏ合金よりも剛性の小さなＣｕベースモジュールの実装時にも当然発生する問題となり、本発明のＣｕ−Ｃｕ_２Ｏ合金で対策できる。
【００４８】
図に示すように、本発明のＣｕ−Ｃｕ_２Ｏ合金ベースは従来の高信頼性モジュールで適用されていたＭｏあるいはＡｌ−ＳｉＣ等のベース材に比べ熱抵抗，接触熱抵抗を小さくすることができることを説明した。それにより、図９に示すようにモジュールを細密の状態で実装できた。さらに、冷却フィンの冷却効率を下げることができるので電力変換装置の実装面積，体積を小さくすることができる。また、グリース厚さを薄くできる事から、冷却フィンの平坦度の許容範囲を大きく設定できるので、大型フィンでの電力変換装置の組立も可能になる。また、強制空冷等の補助冷却機能をなくすこともでき、この点でも小型化，低騒音化を図ることができる。
【００４９】
（実施例６）
実施例１〜４に記載の本発明の銅複合材料を放熱板として図１２及び図１３に示すＩＣを搭載したプラスチックパッケージに適用した。図１２は放熱板内蔵型であり、図１３は放熱板露出型である。
【００５０】
放熱板は、モールド樹脂の熱膨張係数を考慮して、室温から３００℃における熱膨張係数が９×１０^−６〜１４×１０^−６／℃の範囲となるように、Ｃｕ−２０〜５５体積％Ｃｕ_２Ｏの範囲内で組成を変えて作製し、機械加工及びＮｉめっき処理を施して供した。
【００５１】
図１２でパッケージ構造を説明する。リードフレーム３１は、絶縁性ポリイミドテープ３２を介して本発明の銅複合材料からなるＮｉめっきされた放熱板３３と接着されている。ＩＣ３４は放熱板３３とはんだにて接合されている。また、Ａｕワイヤ３５でＩＣ上のＡｌ電極とリードフレームが接続されている。これらは、リードフレームの一部を除き、エポキシ樹脂，粒径０．５〜１００μｍが９０重量％以上である球形シリカ製フィラー全体に対して７０〜９０重量％、および硬化剤を主成分とするモールド樹脂３６で封止されている。この樹脂にシリコーンをエポキシ樹脂に対し１〜１５重量％含むことが好ましい。図１３に示した放熱板露出型のパッケージは、放熱板３３がモールド樹脂の外部に露出している点が図１２と異なる。
【００５２】
上記のようにして実装されたパッケージについて、反りや放熱板とモールド樹脂との接合部分でのクラックの有無を観察した。その結果、モールド樹脂と放熱板との熱膨張差が０．５ ×１０^−６／℃以下であれば問題がなく、組成的にはＣｕ−２０〜３５体積％Ｃｕ_２Ｏが熱伝導率も２００Ｗ／ｍ・ｋと高く、好適であった。放熱板３３及びリードフレーム３１はいずれも加工方向が図の左右に対応しており、酸化銅が図の左右の方向に伸びたものが好ましい。
【００５３】
（実施例７）
図１４及び図１５は、実施例１〜４に記載の本発明の銅複合材料を放熱板として用い、ＩＣを搭載したセラミックスパッケージの断面図を示す。まず、図１４について説明する。ＩＣ４１はポリイミド系樹脂にてＮｉめっきされた放熱板４２に接合されている。さらに、放熱板４２とＡｌ_２Ｏ_３製のパッケージ４３は半田により接合されている。パッケージにはＣｕによる配線がなされ、かつ配線基板との接続用にピン４４が設けられている。ＩＣ上のＡｌ電極とパッケージの配線とは、Ａｌワイヤ４５で接続されている。これらを封止するために、コバール製のウエルドリング４６をパッケージにＡｇろうで接合し、さらにウエルドリングとコバール製のリッド４７をローラー電極を用いて溶接した。図１５は、図１４のセラミックスパッケージに放熱フィン４８を接続したパッケージである。放熱板４２及び放熱フィン４８のいずれも加工方向が図の上下方向であり、酸化銅が上下に伸びたものが好ましい。
【００５４】
（実施例８）
図１６及び図１７は、ＴＡＢ（ＴａｐｅＡｕｔｏｍａｔｅｄＢｏｎｄｉｎｇ）技術を適用し、かつ実施例１〜４に記載の本発明の銅複合材料を放熱板に使用したパッケージについて説明する。
【００５５】
まず、図１６のパッケージについて説明する。ＩＣ５１は熱伝導性樹脂５２を介してＮｉめっきされた本発明に係る放熱板５３を接合されている。ＩＣの端子にはＡｕバンプ５４が形成され、ＴＡＢ５５と接続されており、さらにＴＡＢは薄膜配線５６を経由してリードフレーム５７と接続されている。ＩＣはＳｉゴム５８を挿んで、Ａｌ_２Ｏ_３製のセラミック基板５９，フレーム６０、およびシーリングガラス６１で密封されている。
【００５６】
図１７は、樹脂で封止したパッケージである。ＩＣ６５は、Ａｕ−Ｓｉ合金６６により、Ｎｉめっきされた本発明に係る放熱板６７と接合されており、さらに、熱伝導性樹脂６８により銅接地板６９及びＮｉめっきされた本発明に係る放熱板７０と接続されている。一方、ＩＣの端子は、Ａｕバンプ７１でＴＡＢ７２と接続され、樹脂７３にて封止されている。ここで、リードフレーム及び放熱板の一部は、封止樹脂の外部に露出している。また、ＴＡＢはエポキシ系Ａｇペースト７４で銅接地板に固定されている。放熱板５３，７０はいずれも酸化銅の加工方向が図面の左右，上下及び奥行方向にいずれも対応できるものである。
【００５７】
（実施例９）
図１８は、実施例１〜４に記載の本発明の銅複合材料を放熱板に適用したＭＣＭの実施例を示す。ＩＣ８１はＡｕワイヤ８２を用いて、Ｎｉめっきされた本発明に係る放熱板８３の上に形成された薄膜配線８４に接続され、さらに、ＡｕワイヤでＡｌＮ製のパッケージ８５上に形成されている配線に接続され、外部端子８６として取り出されている。ＩＣ部は、４２合金製のリッド８７とパッケージのＷメタライズ層の間にＡｕ−Ｓｎ製のプリフォーム８８を挿んで接合し、密封されている。
【００５８】
放熱板８３の酸化銅の長手方向は図の上下方向に配向させるのが好ましい。
【００５９】
【発明の効果】
本発明によれば、高熱伝導性を有するＣｕ相と低熱膨張性を有するＣｕ_２Ｏ相からなる複合組織を有しており、塑性加工によって伸ばされたＣｕ_２Ｏ相の方向性を要求する熱膨張係数及び熱伝導率の目的に合わせて制御可能であるため、半導体装置用放熱板として顕著な効果が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１に係る試料Ｎｏ．１のミクロ組織を示す光学顕微鏡写真。
【図２】本発明の実施例１に係る試料Ｎｏ．１のミクロ組織を示す光学顕微鏡写真。
【図３】本発明の実施例２に係る試料Ｎｏ．４のミクロ組織を示す光学顕微鏡写真。
【図４】本発明の実施例３に係る試料Ｎｏ．５のミクロ組織を示す光学顕微鏡写真。
【図５】本発明の実施例５に係るＩＧＢＴモジュールの平面図。
【図６】本発明の実施例５に係るＩＧＢＴモジュールの断面図。
【図７】本発明の実施例５に係るＩＧＢＴモジュールの製造工程の模式図。
【図８】本発明の実施例５に係るＩＧＢＴモジュールの各製造工程でのベース反り量。
【図９】本発明の実施例５に係るＩＧＢＴモジュールを実装した電力変換装置の平面図及び断面図。
【図１０】本発明の実施例５に係るＩＧＢＴモジュールを実装した電力変換装置のモジュールの実装前における反り量。
【図１１】本発明の実施例５に係るＩＧＢＴモジュールを実装した電力変換装置のモジュールの実装後における反り量。
【図１２】本発明の実施例６に係る放熱板内蔵型プラスチックパッケージの断面図。
【図１３】本発明の実施例６に係る放熱板露出型プラスチックパッケージの断面図。
【図１４】本発明の実施例７に係るセラミックパッケージの断面図。
【図１５】本発明の実施例７に係る放熱フィン付きセラミックパッケージの断面図。
【図１６】本発明の実施例８に係る半導体装置の断面図。
【図１７】本発明の実施例８に係る半導体装置の断面図。
【図１８】本発明の実施例９に係るＭＣＭの断面図。
【符号の説明】
２１…ＩＧＢＴ素子、２２…ダイオード、２３…コレクタ電極、２４…ゲート電極、２５…エミッタ電極、２６…ＡｌＮ製絶縁板、２７，３３，４２，５３，６７，７０…放熱板、３１，５７…リードフレーム、３２…絶縁性ポリイミドテープ、３４，４１，５１，６５，８１…ＩＣ、３５，８２…Ａｕワイヤー、３６…モールド樹脂、４３，８５…パッケージ、４４…ピン、４５…Ａｌワイヤ、４６…ウエルドリング、４７，８７…リッド、４８…放熱フィン、５２，６８…熱伝導性樹脂、５４…Ａｕバンプ、５５…ＴＡＢ、５６，８４…薄膜配線、５８…Ｓｉゴム、５９…セラミック基板、６０…フレーム、６１…シーリングガラス、６６…Ａｕ−Ｓｉ合金、６９…銅接地板、７１…Ａｕバンプ、７２…ＴＡＢ、７３…樹脂、７４…エポキシ系Ａｇペースト、８３…放熱基板、８６…外部端子、８８…プリフォーム、１０１…ＩＧＢＴ素子、１０２…ダイオード素子、１０３…ＡｌＮ基板、１０４…エミッタ配線、１０５…コレクタ配線、１０６，５０５…ゲート配線、１０７…金属ワイヤ、１０８…抵抗素子、１０９…底面金属基板、１１０…エミッタ端子接続位置、１１１…エミッタセンス端子接続位置、１１２…コレクタ端子接続位置、１１３…ゲート端子接続位置、２０１，２０５，２０９…半田、２０２…半導体素子側銅箔、２０３…ベース側銅箔、２０４…ＡｌＮ板、２０６…端子、２０７…ケース、２０８…ケースブロック、２１０…シリコンゴム系接着剤、２１１…ケース蓋、２１２…シリコンゲル、２１３…熱硬化型エポキシ樹脂、３０１…半導体素子からベース材まで接続した複合体、５０１…パワー半導体装置、５０２…コレクタ側配線、５０３…中間点配線、５０４…エミッタ側配線、５０６…エミッタ補助配線、５０７…コレクタ補助配線、５０８…負荷（モーター）、５０９…電源、５１０…放熱性グリース、５１１…ヒートシンク、５１２…モジュール締め付けボルト。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a copper composite material having low thermal expansion and high thermal conductivity, and a heat sink and a semiconductor device using the same.
[0002]
[Prior art]
Power electronics is a technology related to conversion and control of power and energy by an electronic device, in particular, a power electronic device used in an on / off mode and a power conversion system as an application technology thereof.
[0003]
For power conversion, various power semiconductor devices having various on / off functions have been used. As this semiconductor device, a rectifier diode having a built-in pn junction and having conductivity in only one direction, and a thyristor, a bipolar transistor, a MOSFET, etc. are put into practical use by various combinations of pn junctions. An insulated gate bipolar transistor (IGBT) and a gate turn-off thyristor (GTO) having a turn-off function by a gate signal have also been developed.
[0004]
These power semiconductor elements generate heat when energized, and the amount of heat generated tends to increase as their capacity and speed increase. In order to prevent the deterioration of the characteristics of the semiconductor element and the shortening of the life of the semiconductor element due to the heat generation, it is necessary to provide a heat radiating section to suppress the temperature rise in the semiconductor element and its vicinity. Copper is generally used as a heat dissipating member because it has a large thermal conductivity of 393 W / m · k and is inexpensive. However, the heat dissipation member of the semiconductor device having the power semiconductor element has a thermal expansion coefficient of 4.2 × 10 ^-6 Therefore, a heat dissipating member having a coefficient of thermal expansion close to this is desired. Copper has a coefficient of thermal expansion of 17 × 10 ^-6 / ° C., the solder bonding property with the semiconductor element is not preferable, and a material such as Mo or W having a thermal expansion coefficient close to that of Si is used as the heat radiating member, or provided between the semiconductor element and the heat radiating member.
[0005]
On the other hand, integrated circuits (ICs) in which electronic circuits are integrated on one semiconductor chip are classified into memories, logics, microprocessors, and the like according to their functions. These are called electronic semiconductor elements as opposed to power semiconductor elements. The degree of integration and the operation speed of these semiconductor elements are increasing year by year, and accordingly, the amount of heat generated is also increasing. By the way, electronic semiconductor elements are generally housed in a package for the purpose of shutting it off from the outside air and preventing failure or deterioration. Many of these are a ceramic package in which a semiconductor element is die-bonded to ceramics and hermetically sealed, and a plastic package which is sealed with resin. In addition, a multi-chip module (MCM) in which a plurality of semiconductor devices are mounted on one substrate has been manufactured in order to support high reliability and high speed.
[0006]
The plastic package has a structure in which a lead frame and a terminal of a semiconductor element are connected by a bonding wire, and this is sealed with a resin. In recent years, with an increase in the amount of heat generated by a semiconductor element, a package in which a lead frame has heat dissipation properties and a package in which a heat radiating plate for heat dissipation is mounted have appeared. For heat dissipation, copper-based lead frames and heat sinks with large thermal conductivity are often used,
There is a concern about a defect due to a difference in thermal expansion from Si.
[0007]
On the other hand, the ceramic package has a structure in which a semiconductor element is mounted on a ceramic substrate on which wiring is printed and sealed with a metal or ceramic cap. Furthermore, a composite material of Cu-Mo or Cu-W or a Kovar alloy is bonded to the ceramic substrate and used as a heat sink, but each material has a low thermal expansion or high thermal conductivity and a workability. Improvement and low cost are required.
[0008]
The MCM has a structure in which a plurality of semiconductor elements are mounted as bare chips on a thin film wiring formed on a substrate made of Si, metal, or ceramics, placed in a ceramics package, and sealed with a lid. If heat dissipation is required, a heatsink or heatsink is installed on the package. Copper or aluminum is used as a metal substrate material, which has the advantage of high thermal conductivity, but has a large coefficient of thermal expansion and poor compatibility with semiconductor elements. For this reason, Si or aluminum nitride (AlN) is used for the substrate of the low-reliability MCM. Further, since the heat radiating plate is bonded to the ceramic package, a material having good compatibility with the package material in terms of thermal expansion coefficient and having high thermal conductivity is desired.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, any semiconductor device on which a semiconductor element is mounted generates heat in its operation, and if the heat is stored, the function of the semiconductor element may be impaired. For this reason, a heat radiating plate having excellent thermal conductivity for dissipating generated heat to the outside is required. Since the heat sink is bonded to the semiconductor element directly or via an insulating layer, the heat sink needs to be consistent with the semiconductor element not only in terms of thermal conductivity but also in terms of thermal expansion.
[0010]
Currently used semiconductor elements are mainly Si and GaAs. Their thermal expansion coefficients are 2.6 × 10 ^-6 ~ 3.6 × 10 ^-6 / ° C, 5.7 × 10 ^-6 ~ 6.9 × 10 ^-6 / ° C. AlN, SiC, Mo, W, Cu-W, and the like are conventionally known as heat dissipating plate materials having a thermal expansion coefficient close to these, but since these are single materials, the heat transfer coefficient and heat conduction It is difficult to arbitrarily control the rate, and there is a problem that workability is poor and cost is high.
[0011]
Recently, Al-SiC has been proposed as a heat sink material. This is a composite material of Al and SiC. The heat transfer coefficient and the heat conductivity can be controlled in a wide range by changing the ratio of both components, but there is a problem that the workability is very poor and the cost is high. JP-A-8-78578 discloses a Cu-Mo sintered alloy, JP-A-9-181220 discloses a Cu-W-Ni cohesive gold, JP-A-9-209958 discloses a Cu-SiC sintered alloy. Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-15773 proposes Al-SiC. These conventionally known powder metallurgy composite materials can control the thermal expansion coefficient and the thermal conductivity over a wide range by changing the ratio of both components, but have low strength and plastic workability, and it is difficult to manufacture thin plates. Further, there are problems such as an increase in cost related to powder production and an increase in the number of production steps.
[0012]
An object of the present invention is to provide a composite material having low thermal expansion, high thermal conductivity, and excellent plastic workability, a semiconductor device using the same, and a heat sink for the same.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors have made various studies and found that Cu having high thermal conductivity and Cu having low thermal expansion ₂ Compound O and Cu ₂ It has been found that the above problems can be solved by dispersing O 2 in a bar shape while orienting it in one direction.
[0014]
The present invention is a composite material having copper and copper oxide, wherein the copper oxide is preferably dispersed in an island shape, and 50% or more of the islands have an aspect ratio of 3 or more and the longitudinal direction is one direction. A composite material characterized by being oriented.
[0015]
The present invention provides a composite material having copper and copper oxide, wherein the copper oxide is dispersed in an island form at 10 to 55% by volume, and 50% or more of the island has an aspect ratio of 3 to 20 and 60% or more. The composite material is characterized in that the longitudinal directions of the islands are oriented in one direction.
[0016]
The present invention provides a composite material having copper and copper oxide, wherein the copper oxide is dispersed in an island form at 10 to 55% by volume, and 50% or more of the island has an aspect ratio of 3 to 20 and 60% or more. The longitudinal direction of the island is oriented in one direction, and the linear expansion coefficient from room temperature to 300 ° C. is 5 × 10 ^-6 ~ 17 × 10 ^-6 The composite material is characterized by having a thermal conductivity of 100 to 380 W / m · K at / C.
[0017]
The present invention provides a composite material having copper and copper oxide, wherein the copper oxide is dispersed in an island form at 10 to 55% by volume, and 50% or more of the island has an aspect ratio of 3 to 20 and 60% or more. The longitudinal direction of the island is oriented in one direction, and the linear expansion coefficient from room temperature to 300 ° C. is preferably 5 × 10 ^-6 ~ 17 × 10 ^-6 / ° C and the thermal conductivity is 100 to 380 W / m · K, and the thermal conductivity in the orientation direction is higher than the thermal conductivity in the direction perpendicular to the orientation direction, and the ratio is 1.05 to 2.5 times, The difference is preferably 5 to 120 W / m · K, and the linear expansion coefficient from room temperature to 300 ° C. in the orientation direction is larger than the linear expansion coefficient in the direction perpendicular to the orientation direction, preferably 1.1 to 2.0 times. Wherein the composite material is:
[0018]
The present invention is the composite material, wherein eutectic copper oxide is dispersed in copper in the composite material. Further, the composite material has a copper layer having a thickness of 50 μm or less on a surface thereof.
[0019]
The present invention resides in a heat sink for a semiconductor device, comprising the composite material. Further, in the heat sink for semiconductor device, the heat sink for semiconductor device has at least one plating layer of Au, Ni, Pd, Cr, Al, Sn, and Sn-Pb on a surface.
[0020]
According to the present invention, in a semiconductor device having an insulating substrate mounted on a radiator plate and a semiconductor element mounted on the insulating substrate, the radiator plate includes the radiator plate described above.
[0021]
The present invention includes a semiconductor element mounted on a heat sink, a lead frame connected to the heat sink, and a metal wire for electrically connecting the lead frame and the semiconductor element. In a sealed semiconductor device, the radiator plate is formed of the radiator plate described above.
[0022]
The present invention includes a semiconductor element mounted on a heat sink, a lead frame connected to the heat sink, and a metal wire for electrically connecting the lead frame and the semiconductor element. In a semiconductor device which is sealed and is open at least on the side opposite to the bonding surface of the element of the heat radiating plate, the heat radiating plate comprises the heat radiating plate described above.
[0023]
The present invention provides a ceramic multilayer wiring board having a semiconductor element mounted on a heat sink, an external wiring connection pin, and having an open space for accommodating the element in the center, and a terminal of the element and the substrate. A semiconductor device comprising: a metal wire that is electrically connected; joining the radiator plate and the substrate so as to place the element in the space; and joining the substrate with a lid to block the element from the atmosphere. The radiator plate is formed of the radiator plate described above.
[0024]
The present invention provides a ceramic multilayer wiring board having a semiconductor element mounted on a heat sink, a terminal for external wiring connection, and a concave portion for accommodating the element in the center, and electrically connecting the element and the terminal of the substrate. A semiconductor wire for connecting the heat radiating plate and the recess of the substrate so as to place the element in the recess, and joining the substrate by a lid to shield the element from the atmosphere. The radiator plate comprises the radiator plate described above.
[0025]
The present invention includes a semiconductor element joined on a heat sink by a thermally conductive resin, a lead frame joined to a ceramic insulating substrate, and a TAB for electrically connecting the element and the lead frame. In a semiconductor device in which a board and an insulating substrate are joined and the element is shielded from the atmosphere, and a thermally conductive resin elastic body is interposed between the element and the insulating substrate, the heat radiating plate is formed from the heat radiating plate described above. It is characterized by becoming.
[0026]
According to the present invention, a semiconductor element bonded to a first heat sink with a metal, and the first heat sink is mounted on the ground plate of a second heat sink joined to a ground plate; In a semiconductor device including a TAB electrically connected to a terminal and the element sealed with a resin, the radiator plate includes the radiator plate described above.
[0027]
The volume fraction of cuprous oxide may be selected from 10 to 55% by volume in accordance with the desired thermal conductivity and linear expansion coefficient. In addition, the shape of the cuprous oxide is a rod-like island that exists independently of each other and has an aspect ratio of 5 or more. Desirably, the aspect ratio is about 5 to 20. Furthermore, it is desirable that the longitudinal direction of 80% or more of the islands is oriented in one direction, and the variation in the orientation is
It is preferable that it is within 10 °. As described above, by controlling the distribution form of copper oxide rather than simply dispersing it in copper, a composite material having an excellent balance between thermal conductivity and coefficient of linear expansion can be provided. The coefficient of linear expansion and the thermal conductivity from room temperature to 300 ° C can be controlled by the content and the processing rate, and the difference between the thermal conductivity in the orientation direction and the thermal conductivity in the direction perpendicular to the orientation direction can be controlled by controlling the distribution form. The arrangement of the copper oxide in the orientation direction can be determined according to the purpose. Further, in addition to the above, the composite material according to the present invention may have eutectic copper oxide dispersed in copper, and may have a copper layer having a thickness of 50 μm or less on its surface.
[0028]
The composite material according to the present invention is produced by producing a raw material composed of copper and copper oxide by powder metallurgy or casting, then performing plastic working with heat, and finally annealing. The plastic working is preferably performed by a method such as extrusion, rolling, forging, swaging or the like with a reduction in area of 50% or more. The relative density is set to 100%.
[0029]
Further, the heat radiating plate according to the present invention may be cut out from the composite material so that the plate thickness direction is parallel to the orientation direction of the cuprous oxide. As a result, the heat conductivity of the heat sink in the thickness direction is larger than the direction perpendicular thereto, and the coefficient of linear expansion in the plane of the heat sink is smaller than the direction perpendicular thereto. Therefore, the heat radiating plate has improved heat dissipation, and the matching of the linear expansion coefficient with the insulating substrate or the chip is improved, so that the reliability of the module can be improved.
[0030]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
(Example 1)
After dissolving the Cu ingot in the air, 30% by volume of copper oxide (Cu ₂ O) was added and dissolved. After casting this in a mold, it was extruded at a temperature of 900 ° C. The working degree was reduced to 50 to 90% in terms of a reduction in area. The cross-sectional reduction rate for each pass was 5% to prevent cracking. As shown in Table 1, anisotropy occurs in the linear expansion coefficient and the thermal conductivity as the cross-sectional reduction rate increases. The L direction described in Table 1 is a stretching direction, and the C direction indicates a direction perpendicular to the L direction, and the same expression is used hereinafter. FIG. 1 shows the relationship between the microstructure of the cross section parallel to the L direction and the reduction rate of the cross section. FIG. 2 shows the relationship between the microstructure of the cross section parallel to the C direction and the cross-sectional reduction rate. 50% is 100 times and 90% is 50 times. As the cross-sectional reduction rate increases, the individual copper oxides become finer, the aspect ratio increases to almost 3 or more, and the orientation direction approaches the stretching direction. The rod diameter of the 90% rod shown in FIG. 1 is 20 μm or less, and most is 1 to 10 μm. The length was 15 pieces having a length of 100 μm or more. This field of view is 710 × 480 μm. As the cross-sectional reduction rate increases, the orientation becomes more remarkable, and the thermal conductivity in the L direction increases. However, the thermal conductivity in the C direction decreases, the coefficient of linear expansion in the L direction increases, and It gets smaller. As a result, the thermal conductivity in the L direction increased to 351 W / m · K, and the ratio to the C direction was 1.05 or more, and was a maximum of 1.77. On the other hand, the coefficient of linear expansion is 10.4 × 10 ^-6 / ° C.
[0031]
[Table 1]

[0032]
(Example 2)
Table 2 shows Cu-40 vol. % Cu ₂ The values of the linear expansion coefficient and the thermal conductivity of the O 2 composition are shown. First, after mixing Cu powder and copper oxide powder, they were cold pressed, sintered at 950 ° C. for 3 hours, and then swaged at a temperature of 950 ° C. The degree of processing was up to 90% in terms of the area reduction rate. FIG. 3 shows a microstructure 100 times the cross section parallel to the L direction. As a result, the thermal conductivity in the L direction was 1.75 times higher than that in the C direction and increased to 267 W / m · K. On the other hand, the linear expansion coefficient is large in the L direction but 7.8 × 10 in the C direction. ^-6 / ° C. Copper oxide lump is 50 μm or less, and 95% or more of the lump is 20 μm or less.
[0033]
[Table 2]

[0034]
(Example 3)
Table 3 shows Cu-50 vol. % Cu ₂ The values of the linear expansion coefficient and the thermal conductivity of the O 2 composition are shown. The fabrication method was the same as in Example 2. The degree of processing was up to 90% in terms of the area reduction rate. FIG. 4 shows a microstructure 100 times the cross section parallel to the L direction. As a result, the thermal conductivity in the L direction was 2.22 times higher than that in the C direction and increased to 218 W / m · K. On the other hand, the linear expansion coefficient is 6.1 × 10 in the C direction. ^-6 / ° C. The lump of copper oxide has a size of 100 μm or less, and most of the lump is 20 μm or less.
[0035]
[Table 3]

[0036]
(Example 4)
After the surface of the composite material cut in a plane perpendicular to the stretching direction of the material of Example 3 was plated with Cu, a heat sink having Ni electrolytic plating was obtained. At this time, the thickness direction of the heat sink and the orientation direction of the copper oxide in the longitudinal direction are parallel. At this time, the thermal conductivity of the heat sink in the thickness direction is 267 W / m · K, and the in-plane linear expansion coefficient is 7.8 × 10 ^-6 / ° C. Since this heat sink has a Cu layer by Cu plating on the surface, when chips are stacked as a module, the heat flow from the chip once spreads over the entire Cu plating layer in the plane of the heat sink, and then diffuses in the plate thickness direction I do.
[0037]
Hereinafter, an example in which the copper composite material of the present invention is used as a heat radiating plate will be described. The texture orientation of the heat radiating plate is such that the thickness direction of the heat radiating plate is the L direction and a Cu plating layer is provided.
[0038]
(Example 5)
The copper composite material of the present invention is used as an IGBT ( I nsulated G ate B ipolar T An embodiment in which the present invention is applied to a radiator (base plate) of a module will be described.
[0039]
FIG. 5 is a plan view of the inside of the module, and FIG. 6 is a sectional view of a part of the module.
[0040]
The 1014 IGBT elements and 1022 diode elements are connected by solder 201 to an AlN substrate 103 in which copper foils 202 and 203 are joined to an AlN plate 204 with a silver brazing material (not shown). On the AlN substrate 103, areas of an emitter wiring 104, a collector wiring 105, and a gate wiring 106 are formed, and the IGBT element 101 and the diode element 102 are soldered to the area of the collector wiring 105. Each element is connected to the emitter wiring 104 by a metal wire 107. A resistance element 108 is arranged on the gate wiring 106 region, and is connected to the resistance element 108 from the gate pad of the IGBT element 101 by a metal wire 107. Six substrates of the AlN substrate 103 on which the semiconductor element is mounted are connected to the Cu-Cu ₂ It is connected to a base material 109 made of an O 2 alloy. The terminals 206 and the AlN substrate 103 of the case block 208 in which the terminals 206 and the resin case 207 are integrated are wired by solder 209 between the insulating substrates. The case 207 and the base 109 are connected by a silicone rubber adhesive 210. The terminal connection from the case block 208 is such that the main terminal is located on each of the AlN substrates 103 at two positions each of the emitter terminal connection position 110, the emitter sense terminal connection position 111, and the collector connection terminal position 112, and at one gate terminal connection position 113. Connected. Next, a silicone gel 212 is injected from the case lid 211 having a resin injection port so as to cover the entire surface of the terminal, and then a thermosetting epoxy resin 213 is injected over the entire surface to complete the module. In the base material 109, it is preferable that the longitudinal direction of the copper oxide is oriented to the left and right in FIG.
[0041]
Table 4 shows commonly used base materials and Cu-Cu of the present invention. ₂ O-40 alloy with Cu-40% by volume Cu ₂ The thermal expansion coefficient and thermal conductivity of O are shown. Cu-Cu ₂ A semiconductor element using an O-based material has a smaller coefficient of thermal expansion than a generally used Cu-based module, and can improve the reliability of the solder 209 connecting the AlN substrate 103 and the base 109. On the other hand, Mo or Al-SiC base used for improving the reliability of the solder 106 under severe use environment is Cu-Cu ₂ Although the coefficient of thermal expansion is smaller than that of the semiconductor element using the O base, the thermal conductivity is small, and the thermal resistance of the module increases. Cu-Cu of the present embodiment ₂ The reliability (thermal fatigue test life) of a module equipped with an O base is 5 times or more that of a Cu base, and the thermal resistance of a module with the same base thickness is 0.8 times or less of a Mo base. it can.
[0042]
[Table 4]

[0043]
With these effects, it is possible to expand the range of selection of the module structure and other members. For example, in the embodiment of FIG. ₂ Since the O 2 alloy base material has a higher thermal conductivity than the Mo base material, in other words, the heat spreadability is improved, so that there is an effect that the temperature difference between the end and the center of the semiconductor element during operation can be suppressed to be small. Is about 1.2 times larger than the conventional module. As a result, in order to secure the same amount of current in the conventional device, the structure using 30 IGBTs can be designed with 24, and the module size can be reduced. Further, it becomes possible to use an alumina substrate having a thermal conductivity smaller than that of AlN by about 20% as the insulating substrate. Alumina has higher flexural strength than AlN, and can increase the substrate size. Further, since the alumina plate has a larger thermal expansion coefficient than the AlN plate and can reduce the difference in thermal expansion from the base material, the warpage of the module itself can be reduced. By using an alumina substrate, the allowable size of the substrate can be increased, so that the number of semiconductor elements that can be mounted on one substrate can be increased. That is, it is possible to reduce an area for securing insulation and an area between substrates, which are indispensable for each insulating plate, and to reduce a module size.
[0044]
FIG. 7 is a schematic view of a module manufacturing process according to the present embodiment. (A) Cu-Cu ₂ The O base 109 is received with its surface plated with Ni and substantially flat. (B) The AlN substrate 103 to which the semiconductor element 101 is joined by the solder 102 is joined by the solder 205. At this time, since the thermal expansion coefficient of the base 109 is larger than the composite of the semiconductor element and the AlN substrate, the back surface of the module warps in a concave shape during the cooling process of the solder. (C) In the process of assembling the case block 208 with a thermosetting adhesive, the coefficient of thermal expansion of the case is larger than that of the composite body 301 after the completion of the soldering, so that the module back surface becomes almost flat during the cooling of the adhesive. (D) When the inside of the module is filled with the silicone gel 212 and the thermosetting epoxy resin 213, the back surface of the module is warped in a convex shape because the resin has a large thermal expansion coefficient.
[0045]
FIG. 8 shows the measurement results of the back surface warpage amount in each step. Cu-Cu of the present invention ₂ When the O base is used, the amount of warpage can be suppressed to about ３ as compared with the module using the conventional Mo base. Although the results for the Cu base are not shown, the difference in expansion coefficient from the AlN substrate is large, and the amount of warpage is large in the direction in which the back surface is concave in the step (b). Warpage occurs. Cu-Cu of the present invention ₂ With the O base, the amount of warpage of the module can be reduced, so that the module can be made larger. In addition, since the amount of change in the warpage due to the temperature change during the actual operation of the module is small, as in the amount of warpage in the assembly process, the grease applied between the module and the cooling fins can be suppressed from flowing out.
[0046]
FIG. 9 shows an embodiment of a power converter to which the module of the present invention is applied. The power semiconductor device 501 is an example in which a heat dissipation grease 510 is mounted on a heat sink 511 with fastening bolts 512 to constitute a two-level inverter. In general, the module 501 is mounted with its left and right inverted so that the intermediate point (point B) can be wired by one intermediate point wiring 503. The collector-side wiring 502 and the emitter-side wiring 504 supply the power supply voltage 509 by wiring the u, v, and w phases, respectively. The signal line is constituted by each IGBT module 501 to gate wiring 505, auxiliary emitter wiring 506, and auxiliary collector wiring 507. 508 is a load.
[0047]
FIGS. 10 and 11 show the amount of warpage (grease thickness) on the back surface of the module before and after fastening when the module is mounted. FIG. 10A shows the present invention, and FIG. 10B shows the conventional method. In the case of a conventionally known Al-SiC-based module, the convexity of the back surface is about 100 μm. However, when the module is coated with grease and tightened, the module is deformed by being pressed by the grease during tightening, and conversely, the back surface of the module is Is deformed into a concave state, the grease thickness at the central portion is increased, and the contact resistance is increased. In contrast, the Cu-Cu of the present invention ₂ In the case of O-base, the initial back surface warpage is about 50 μm, but the rigidity of the base material is large, so the grease thickness at the center of the module after grease is applied and tightened can be reduced to about 50 μm. Was able to be reduced by half as compared with the Al-SiC base. Further, the variation of the grease thickness in the module can be reduced. The problem of deformation due to being pressed by grease during mounting is Cu-Cu ₂ The problem naturally occurs when a Cu-based module having a lower rigidity than the O 2 alloy is mounted. ₂ Measures can be taken with O 2 alloy.
[0048]
As shown in FIG. ₂ It has been described that the O 2 alloy base can reduce the thermal resistance and the contact thermal resistance as compared with the base material such as Mo or Al—SiC used in the conventional high reliability module. As a result, the module can be mounted in a fine state as shown in FIG. Further, since the cooling efficiency of the cooling fins can be reduced, the mounting area and volume of the power converter can be reduced. In addition, since the grease thickness can be reduced, the allowable range of the flatness of the cooling fins can be set large, so that the power converter can be assembled with large fins. In addition, an auxiliary cooling function such as forced air cooling can be eliminated, and in this regard, the size and noise can be reduced.
[0049]
(Example 6)
The copper composite material of the present invention described in Examples 1 to 4 was applied to a plastic package on which an IC shown in FIGS. 12 and 13 was mounted as a heat sink. FIG. 12 shows a heat sink built-in type, and FIG. 13 shows a heat sink exposed type.
[0050]
The heat sink has a thermal expansion coefficient of 9 × 10 from room temperature to 300 ° C. in consideration of the thermal expansion coefficient of the mold resin. ^-6 ~ 14 × 10 ^-6 / 20 to 55% by volume Cu ₂ It was prepared by changing the composition within the range of O 2 and subjected to machining and Ni plating.
[0051]
FIG. 12 illustrates the package structure. The lead frame 31 is bonded to a Ni-plated heat sink 33 made of the copper composite material of the present invention via an insulating polyimide tape 32. The IC 34 is joined to the heat sink 33 by soldering. Further, an Al electrode on the IC and the lead frame are connected by an Au wire 35. These include, except for a part of the lead frame, an epoxy resin, 70 to 90% by weight of the entire spherical silica filler having a particle size of 0.5 to 100 μm of 90% by weight or more, and a curing agent as a main component. It is sealed with a mold resin 36. This resin preferably contains silicone in an amount of 1 to 15% by weight based on the epoxy resin. The heatsink-exposed type package shown in FIG. 13 differs from FIG. 12 in that the heatsink 33 is exposed outside the mold resin.
[0052]
With respect to the package mounted as described above, the presence or absence of warpage and cracks at the joint between the heat sink and the mold resin was observed. As a result, the difference in thermal expansion between the mold resin and the heat sink is 0.5 × 10 ^-6 / ° C or lower, there is no problem, and the composition is Cu-20 to 35% by volume Cu ₂ O 2 was also suitable because of its high thermal conductivity of 200 W / mk. Each of the heat radiating plate 33 and the lead frame 31 has a processing direction corresponding to the left and right sides of the drawing, and it is preferable that copper oxide extends in the left and right directions of the drawing.
[0053]
(Example 7)
FIGS. 14 and 15 are cross-sectional views of a ceramic package having an IC mounted thereon using the copper composite material of the present invention described in Examples 1 to 4 as a heat sink. First, FIG. 14 will be described. The IC 41 is joined to a radiator plate 42 plated with Ni using a polyimide resin. Further, the heat sink 42 and the Al ₂ O ₃ Package 43 is joined by solder. The package is wired with Cu and provided with pins 44 for connection to a wiring board. The Al electrode on the IC and the wiring of the package are connected by an Al wire 45. In order to seal them, a Kovar weld ring 46 was joined to the package with an Ag solder, and the weld ring and Kovar lid 47 were welded using a roller electrode. FIG. 15 shows a package in which a radiation fin 48 is connected to the ceramic package of FIG. Both the heat radiating plate 42 and the heat radiating fin 48 are preferably processed in the vertical direction in the drawing, and preferably have copper oxide extending vertically.
[0054]
(Example 8)
16 and 17 illustrate a package to which a TAB (Tape Automated Bonding) technique is applied and the copper composite material of the present invention described in Examples 1 to 4 is used for a heat sink.
[0055]
First, the package of FIG. 16 will be described. The IC 51 is joined with a heat-dissipating plate 53 according to the present invention, which is plated with Ni, via a heat conductive resin 52. Au bumps 54 are formed on the terminals of the IC and are connected to the TAB 55. The TAB is connected to the lead frame 57 via the thin film wiring 56. IC inserts Si rubber 58 and ₂ O ₃ , A ceramic substrate 59, a frame 60, and a sealing glass 61.
[0056]
FIG. 17 shows a package sealed with a resin. The IC 65 is bonded to the Ni-plated heat radiating plate 67 of the present invention by an Au-Si alloy 66, and furthermore, the copper ground plate 69 and the Ni-plated heat radiating plate of the present invention are plated with a heat conductive resin 68. 70. On the other hand, the terminals of the IC are connected to the TAB 72 by the Au bumps 71 and are sealed by the resin 73. Here, a part of the lead frame and the heat radiating plate are exposed outside the sealing resin. TAB is fixed to a copper ground plate with an epoxy-based Ag paste 74. The

heat radiating plates

53 and 70 can cope with any of the processing directions of copper oxide in the left, right, up and down and depth directions of the drawing.
[0057]
(Example 9)
FIG. 18 shows an example of an MCM in which the copper composite material of the present invention described in Examples 1 to 4 is applied to a heat sink. The IC 81 is connected to a thin film wiring 84 formed on a Ni-plated heat radiating plate 83 according to the present invention using an Au wire 82, and further, a wiring formed on an AlN package 85 by an Au wire. And is taken out as an external terminal 86. The IC part is sealed by inserting a preform 88 made of Au-Sn between a lid 87 made of 42 alloy and a W metallized layer of the package.
[0058]
It is preferable that the longitudinal direction of the copper oxide of the heat radiating plate 83 is oriented in the vertical direction in the figure.
[0059]
【The invention's effect】
According to the present invention, Cu phase having high thermal conductivity and Cu phase having low thermal expansion ₂ Cu having a composite structure composed of O 2 phase and expanded by plastic working ₂ Since it can be controlled according to the purpose of the thermal expansion coefficient and the thermal conductivity that require the directionality of the O 2 phase, a remarkable effect is achieved as a heat sink for a semiconductor device.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a sample No. 1 according to Example 1 of the present invention. An optical microscope photograph showing the microstructure of Example 1.
FIG. 2 shows a sample No. 1 according to the first embodiment of the present invention. An optical microscope photograph showing the microstructure of Example 1.
FIG. 3 shows a sample No. 2 according to the second embodiment of the present invention. 4 is an optical microscope photograph showing the microstructure of Example 4.
FIG. 4 shows a sample No. 3 according to a third embodiment of the present invention. 5 is an optical micrograph showing the microstructure of FIG.
FIG. 5 is a plan view of an IGBT module according to Embodiment 5 of the present invention.
FIG. 6 is a sectional view of an IGBT module according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a schematic diagram of a manufacturing process of an IGBT module according to Embodiment 5 of the present invention.
FIG. 8 shows the amount of base warpage in each manufacturing process of the IGBT module according to Embodiment 5 of the present invention.
FIG. 9 is a plan view and a cross-sectional view of a power conversion device mounted with an IGBT module according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 10 shows the amount of warpage of a power converter in which an IGBT module according to a fifth embodiment of the present invention is mounted before mounting the module.
FIG. 11 shows the amount of warpage after mounting the module of the power converter in which the IGBT module according to the fifth embodiment of the present invention is mounted.
FIG. 12 is a sectional view of a plastic package with a built-in heat sink according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a cross-sectional view of a heat sink exposed plastic package according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a sectional view of a ceramic package according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a cross-sectional view of a ceramic package with heat radiation fins according to Embodiment 7 of the present invention.
FIG. 16 is a sectional view of a semiconductor device according to an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a sectional view of a semiconductor device according to an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 18 is a sectional view of an MCM according to a ninth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
21 IGBT element, 22 diode, 23 collector electrode, 24 gate electrode, 25 emitter electrode, 26 AlN insulating plate, 27, 33, 42, 53, 67, 70 heat sink, 31, 57 Lead frame, 32: insulating polyimide tape, 34, 41, 51, 65, 81: IC, 35, 82: Au wire, 36: mold resin, 43, 85: package, 44: pin, 45: Al wire, 46 ... weld ring, 47,87 ... lid, 48 ... radiation fin, 52,68 ... thermally conductive resin, 54 ... Au bump, 55 ... TAB, 56,84 ... thin film wiring, 58 ... Si rubber, 59 ... ceramic substrate, Reference numeral 60: frame, 61: sealing glass, 66: Au-Si alloy, 69: copper ground plate, 71: Au bump, 72: TAB, 73: resin, 74: epo Si-based Ag paste, 83: heat dissipation substrate, 86: external terminal, 88: preform, 101: IGBT element, 102: diode element, 103: AlN substrate, 104: emitter wiring, 105: collector wiring, 106, 505: gate Wiring, 107: metal wire, 108: resistance element, 109: bottom metal substrate, 110: emitter terminal connection position, 111: emitter sense terminal connection position, 112: collector terminal connection position, 113: gate terminal connection position, 201, 205 209: solder, 202: semiconductor element side copper foil, 203: base side copper foil, 204: AlN plate, 206: terminal, 207: case, 208: case block, 210: silicone rubber adhesive, 211: case lid , 212: Silicon gel, 213: Thermosetting epoxy resin, 301: From semiconductor element Composite connected to base material, 501: power semiconductor device, 502: collector-side wiring, 503: midpoint wiring, 504: emitter-side wiring, 506: emitter auxiliary wiring, 507: collector auxiliary wiring, 508: load (motor ), 509 power supply, 510 heat radiation grease, 511 heat sink, 512 module bolts.

Claims

A composite material including copper and copper oxide, wherein the copper oxide is dispersed in an island shape, and 50% or more of the islands have an aspect ratio of 3 or more and are unidirectionally oriented. Composite materials.

A composite material comprising copper and copper oxide, wherein the copper oxide is dispersed in the form of an island at 10 to 55% by volume , and 50% or more of the islands have an aspect ratio of 3 to 20, and 60% or more thereof. A composite material characterized by being oriented in one direction.

3. A composite according to claim 1, wherein the average linear expansion coefficient from room temperature to 300 ° C. is 5 × 10 ^{−6 to} 17 × 10 ⁻⁶ / ° C. and the thermal conductivity is 100 to 380 W / m · K. material.

A composite material including copper and copper oxide, wherein the copper oxide is dispersed in an island shape, and 50% or more of the islands have an aspect ratio of 3 or more and the longitudinal direction is unidirectionally oriented. The thermal conductivity in the direction is higher than the thermal conductivity in the direction perpendicular to the orientation direction, or the coefficient of linear expansion in the orientation direction from room temperature to 300 ° C. is larger than the coefficient of linear expansion in the direction perpendicular to the orientation direction. Composite material.

The composite material according to any one of claims 1 to 4, wherein eutectic copper oxide is dispersed.

The composite material according to claim 1, further comprising a copper layer having a thickness of 50 μm or less on a surface.

A heat sink for a semiconductor device, comprising the composite material according to claim 1.

8. The heat sink for a semiconductor device according to claim 7, wherein the surface has at least one plating layer of Au, Ni, Pd, Cr, Al, Sn, and Sn-Pb.