DE19720707A1

DE19720707A1 - Verbundmaterial für elektronische Teile, Verfahren zum Herstellen desselben sowie Halbleiterbauteil unter Verwendung desselben

Info

Publication number: DE19720707A1
Application number: DE19720707A
Authority: DE
Inventors: Hironori Nakanishi; Yuji Kawauchi; Akira Kawakami
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1996-05-22
Filing date: 1997-05-16
Publication date: 1997-11-27
Also published as: JPH09312361A; US6045927A

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Trägerplatten zur Wärme übertragung wie Wärmeableitungseinrichtungen und Wärmesenken für Halbleiterbauteile usw., und spezieller betrifft sie ein Verbundmaterial für elektronische Teile, bei dem die Wärme ableitung in der Dickenrichtung der Platte verbessert ist. Die Erfindung betrifft auch ein Halbleiterbauteil und ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Verbundmaterials.

Im allgemeinen wird für CPUs (zentrale Verarbeitungseinheit) großer Computer, Workstations, PCs usw. ein als PGA (Pin Grid Array = Stiftgitteranordnung) bezeichneter Keramikbau stein verwendet, und von einem Siliziumchip erzeugte Wärme wird durch eine Wärme übertragende Trägerplatte (Wärmeablei tungseinrichtung) abgeleitet, die zwischen dem Siliziumchip und Wärmesenkerippen aus Aluminium vorhanden ist. Einherge hend mit dem Design von in letzter Zeit entwickelten LSIs mit hoher Geschwindigkeit und hohem Energieverbrauch wurde es nun ziemlich wichtig, von einem Siliziumchip erzeugte Wärme wirkungsvoll abzuleiten, was speziell für LSIs und dergleichen für Mikrocomputer und Logik-ASICs (Application Specific IC = anwendungsspezifischer IC) gilt, und es wird eine Wärmeableitungseinrichtung in Kontakt mit solchen Sili ziumchips angeordnet, um dadurch die Wärmeableitung zu för dern.

Z. B. umfaßt ein BGA(Ball Grid Array = Kugelgitteranord nung)-Baustein, wie er in Fig. 4 dargestellt ist, eine Wär meableitungseinrichtung 11, einen Siliziumchip 8, eine Cu-Verdrahtung 9, einen Polyimidfilm 10 zu Isolierungszwecken sowie Lötmittelkugeln 12, die als Anschlüsse dienen. Bei dieser Struktur wird die Wärmeableitungseinrichtung 11 in Kontakt mit dem Siliziumchip 8 gehalten, und es ist wichtig, daß die Wärmeableitungseinrichtung 11 ausreichendes Wärme ableitungsvermögen zum Ableiten von durch den Siliziumchip 8 erzeugter Wärme aufweist, und daß ihr Wärmeausdehnungskoef fizient an den des Siliziumchips 8 angepaßt ist. Es wird erwartet, daß für diesen Typ von Baustein zunehmender Be darf existiert.

Da diese Wärmeableitungseinrichtung in Kontakt mit einem Si liziumchip steht, muß der Wärmeausdehnungskoeffizient der selben an den des Siliziumchips angepaßt sein, und im all gemeinen ist es bevorzugt, daß der Wärmeausdehnungskoeffi zient 4-11 × 10^-6/°C beträgt.

Um derartigen Forderungen hinsichtlich der Eigenschaften zu genügen, wurde bisher eine Platte aus Cu-W oder Mo (mit einer Dicke von 0,5 bis 1 mm, einer Breite von 30 mm und einer Länge von 30 mm) dazu verwendet, eine Wärmeableitungs einrichtung zu schaffen. Jedoch sind diese Materialien teu er, und sie weisen auch ein großes spezifisches Gewicht auf, weswegen das Gewicht des Bausteins in unvermeidlicher Weise hoch ist, und aus dem Gesichtspunkt einer Größenverringe rung, was ein aktueller Trend bei LSIs ist, besteht ein gro ßer Nachteil.

Abgesehen vom obengenannten LSI vom BGA-Typ wurde bei LSI- Bausteinen vom herkömmlichen Typ unter Verwendung eines Lei terrahmens ein Verfahren verwendet, bei dem der Leiterrahmen selbst aus Kupfer oder einer Kupferlegierung mit guter Wär meableitung besteht. In diesem Fall hat der Leiterrahmen einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als ein Sili ziumchip, weswegen interne Spannungen, wie sie an der Grenz fläche zwischen dem Siliziumchip und dem Leiterrahmen ent stehen, ein Problem darstellen, wodurch die Möglichkeit be steht, daß im Siliziumchip während des Prozesses oder beim Gebrauch des Bausteins Risse entstehen. Um ein Material zu schaffen, das dieses Problem überwindet, haben die Erfinder und Mitarbeiter in der Anmeldung gemäß der japanischen Pa tentoffenlegungsveröffentlichung Nr. 8-232049 ein Verbund material für elektronische Teile und ein Verfahren zum Her stellen desselben offenbart, bei dem ein hauptsächlich aus Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehendes Pulver gesin tert wird, um auf mindestens einer Fläche einer dünnen Plat te einer Fe-Ni-Legierung mit niedrigem Wärmeausdehnungskoef fizienten eine Sinterschicht auszubilden.

Jedoch kann bei Bausteinen (z. B. einem BGA-Baustein), die keinen Leiterrahmen verwenden, wenn Kupfer und eine Fe-Ni- Legierung lediglich miteinander kombiniert werden, um eine Mehrschichtstruktur aufzubauen, keine Anwendung bei einer Wärmeableitungseinrichtung erfolgen, da die Wärmeleitfähig keit in der Dickenrichtung der Platte (d. h. in der Laminat richtung) schlecht ist. Daher wurde es erforderlich, eine Wärmeableitungseinrichtung zu schaffen, die billig, klein, dünn und leicht und anstelle einer Platte aus Cu-W oder Mo verwendet werden kann. Hinsichtlich solcher Bausteine, die keinen Leiterrahmen verwenden, wurden die obengenannten PGA- und BGA-Bausteine sowie ein CSP (Chip Size Package = Bau stein von Chipgröße) in den praktischen Gebrauch überführt, und es wird erwartet, daß hinsichtlich derartiger Bausteine zunehmender Bedarf entsteht.

Das Dokument JP-B-7-80272 offenbart ein fünfschichtiges Ver bundmaterial für eine Wärmeableitungseinrichtung, bei dem eine Metallplatte mit niedriger Wärmeausdehnung mit einer Vielzahl von sich in ihrer Dickenrichtung erstreckenden Durchgangslöcher integral mit jeder Fläche einer Platte aus Kupfer oder einer Kupferlegierung durch Walzen verbunden ist, um dadurch eine Dreischichtstruktur auszubilden, so daß sich das Kupfer oder die Kupferlegierung in die Durch gangslöcher hinein erstreckt, wobei ferner eine Lage aus Kupfer oder einer Kupferlegierung durch Walzen mit jeder Seite der obigen Dreischichtstruktur verbunden ist, so daß ein fünfschichtiges Verbundmaterial ausgebildet ist.

Bei diesem Verfahren kann, da das Kupfer oder die Kupferle gierung in die Durchgangslöcher gefüllt ist, für hohe Wärme leitfähigkeit in Laminatrichtung gesorgt werden, was durch eine einfache Laminatstruktur nicht erzielbar wäre, was für eine Wärmeableitungseinrichtung wirkungsvoll ist.

Jedoch haben sich bei Untersuchungen durch die Erfinder und Mitarbeiter Probleme dahingehend herausgestellt, daß das ebengenannte Verbundmaterial höchstens eine Struktur mit fünf Schichten aufweisen kann und daß die Tendenz besteht, daß sich das Verbundmaterial verwindet, wenn die Endflächen desselben erwärmt werden, da die Schichten verschiedene Wär meausdehnungen aufweisen.

Beim im Dokument JP-B-7-80272 offenbarten Herstellverfahren wird ein Kaltwalzvorgang verwendet, und selbst wenn nach dem Zusammenlaminieren der Schichten ein Diffusionstempervorgang verwendet wird, ist die zwischen den benachbarten Schichten ausgebildete Diffusionsschicht dünn, so daß teilweise Ab schnitte ohne Verbindung ausgebildet werden können, weswegen dieses Verbundmaterial, das mit einem Halbleiterbauteil zu verbinden ist, hinsichtlich der Zuverlässigkeit nicht voll ständig zufriedenstellend ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verbundmate rial für elektronische Teile mit hoher Wärmeleitfähigkeit in Laminatrichtung sowie gleichzeitig mit niedriger Wärmeaus dehnung zu schaffen, das zuverlässig ist.

Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Halbleiterbau teil und ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Ver bundmaterials zu schaffen.

Diese Aufgaben sind hinsichtlich des Verbundmaterials durch die Lehre von Anspruch 1, hinsichtlich des Verfahrens durch die Lehre von Anspruch 6 sowie hinsichtlich des Halbleiter bauteils durch die Lehre von Anspruch 9 gelöst.

Die Erfinder haben umfangreiche Untersuchungen ausgeführt, um die nachteiligen Effekte zu vermeiden, wie sie durch die Differenz der Wärmeausdehnungseigenschaften hervorgerufen werden, wenn ein Verbundmaterial aus Schichten einer Fe-Ni- Legierung mit einer Vielzahl von Durchgangslöchern, wie oben beschrieben, und Schichten aus Kupfer oder einer Kupferle gierung hergestellt wird. Demgemäß haben die Erfinder eine Mehrschichtstruktur mit nicht weniger als 10 Schichten ge schaffen, und sie haben im wesentlichen auch die Nachteile beseitigt, wie sie durch die Differenz der Wärmeausdehnungs eigenschaften zwischen den Schichten hervorgerufen wurden.

Vorzugsweise verfügt das erfindungsgemäße Verbundmaterial über eine Mehrschichtstruktur mit nicht weniger als 50 Schichten.

Beim erfindungsgemäßen Verbundmaterial für elektronische Teile, wie durch das erfindungsgemäße Verfahren erhalten, sind jeweils zwei benachbarte Schichten mit hoher Wärmeleit fähigkeit innerhalb der Durchgangslöcher miteinander verbun den, die durch die dazwischen angeordnete Schicht mit nied riger Wärmeausdehnung hindurch ausgebildet sind, wobei die Verbindungsabschnitte vorzugsweise durch Diffusionsbonden hergestellt wurden.

Vorzugsweise beträgt die Dicke der Schichten mit niedriger Wärmeausdehnung nicht mehr als 0,1 mm.

Vorzugsweise ist, was die Gesamtstruktur des Verbundmate rials betrifft, eine durchgehende Schicht (d. h. eine solche ohne ein Loch) mit hoher Wärmeleitfähigkeit aus Kupfer oder einer Kupferlegierung oder eine durchgehende Schicht mit niedriger Wärmeausdehnung aus einer Fe-Ni-Legierung an min destens einer der voneinander abgewandten, Außenseiten der Mehrschichtstruktur vorhanden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von durch Figuren veranschaulichten Ausführungsbeispielen näher beschrieben.

Fig. 1A ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel für den Grundaufbau eines erfindungsgemäßen Verbundmaterials zeigt;

Fig. 1B ist eine Schnittansicht, die einen Abschnitt des Ma terials von Fig. 1 zeigt;

Fig. 2A und 2B sind schematische Ansichten, die ein bevor zugtes Beispiel für die äußersten Schichten des erfindungs gemäßen Verbundmaterials zeigen;

Fig. 3A und 3B sind Ansichten, die für Lagen veranschauli chend sind, die das erfindungsgemäße Verbundmaterial auf bauen;

Fig. 4 ist eine Ansicht, die ein Beispiel eines Halbleiter bauteils mit dem Aufbau eines BGA-Bausteins, worauf die Er findung angewandt ist; und

Fig. 5A und 5B sind vergrößerte Ansichten, die Abschnitte mit Durchgangslöchern zeigen.

Ein Merkmal der Erfindung besteht darin, daß eine Mehr schichtstruktur mit nicht weniger als 10 Schichten und vor zugsweise nicht weniger als 50 Schichten erhalten wird. Die Erfindung versucht, ein Verwinden einer derartigen Mehr schichtstruktur zu unterdrücken, wie es beim Stand der Tech nik aufgrund der Differenz der thermischen Ausdehnungskoef fizienten zwischen Schichten aus Kupfer oder einer Kupferle gierung mit hoher Wärmeausdehnung und hoher Wärmeleitfähig keit und Schichten aus einer Fe-Ni-Legierung mit niedriger Wärmeausdehnung auftrat.

Wenn eine Mehrschichtstruktur mit einem Halbleiterbauteil verbunden wird, besteht die Gefahr einer Ablösung, wenn sich die Struktur verwindet. Wenn eine Ablösung auftritt, kann der Halbleiter keine Wärme abgeben, was nicht nur das Funk tionsvermögen des Halbleiters beeinträchtigt, sondern auch eine Beschädigung desselben hervorruft. Die Erfinder haben herausgefunden, daß es, je mehr die Anzahl der Schichten der Mehrschichtstruktur erhöht wird, um so besser möglich ist, ein Verwinden der Mehrschichtstruktur zu minimieren, wie es aufgrund der Differenz der Wärmeausdehnung zwischen Schichten mit niedriger Wärmeausdehnung und solchen mit ho her Wärmeausdehnung und hoher Wärmeleitfähigkeit auftritt.

Bei der Erfindung hängen die Schichten mit hoher Wärmeleit fähigkeit durch die Durchgangslöcher miteinander in Verbin dung, und ein bevorzugtes Strukturmerkmal der Erfindung be steht darin, daß sich jeweils zwei benachbarte Schichten hoher Wärmeleitfähigkeit (wie z. B. aus Cu oder einer Cu-Legierung bestehen) in jedes der Durchgangslöcher hinein er strecken, die durch die dazwischenliegende Schicht mit nied riger Wärmeausdehnung ausgebildet sind, von entgegengesetz ten Seiten des jeweiligen Durchgangslochs erstrecken und in der Mitte im Durchgangsloch miteinander in Kontakt stehen. Für diesen Kontakt genügt ein Zustand, der es ermöglicht, daß sich Wärme über die Schichten mit hoher Wärmeleitfähig keit verteilt. Es ist bevorzugt, daß die vorstehenden, mit einander in Kontakt stehenden Abschnitte dadurch in engem Kontakt stehen, daß sie in den Durchgangslöchern miteinan der verbunden sind.

In diesen Unterlagen werden derartige Zustände gemeinsam als "Verbindung" bezeichnet.

Wie es in Fig. 5A dargestellt ist, ist es tatsächlich, aus dem Gesichtspunkt der Herstellung, schwierig, die Durch gangslöcher 2, wie sie in jeder der Schichten 1 mit niedri ger Wärmeausdehnung ausgebildet sind, die in der Dickenrich tung aufeinandergestapelt sind, vollständig auszurichten, und die Durchgangslöcher 2 in einer Schicht 1 mit niedriger Wärmeausdehnung stehen in mehr oder weniger guter Ausrich tung mit den Durchgangslöchern 2 in einer anderen Schicht 1 mit niedriger Wärmeausdehnung.

Bei der Erfindung reicht ein Zustand aus, bei dem die Schichten 3 mit hohem Wärmeableitvermögen in den Durchgangs löchern miteinander verbunden sind, unabhängig davon, ob diese ausgerichtet sind oder nicht, so daß die in Fig. 5A dargestellte Struktur ausreichend ist.

Um die Wärmeleitfähigkeit zu verbessern, ist es bevorzugt, daß die Durchgangslöcher 2 so ausgerichtet sind, wie es in Fig. 5B dargestellt ist. Vorzugsweise können die Verbin dungsabschnitte der Schichten mit hohem Wärmeableitvermögen durch Diffusionsbonden miteinander verbunden sein, anstatt daß sie auf solche Weise verbunden sind, daß eine deutli che Verbindungsgrenzfläche existiert, da die erstere Verbin dungsart die Wärmeleitfähigkeit verbessert.

Es ist möglich, eine Wärmeableitungseinrichtung unter Ver wendung des erfindungsgemäßen Verbundmaterials herzustellen. Wenn die so hergestellte Wärmeableitungseinrichtung mit einem Halbleiterchip verbunden wird, ist es möglich, ein Halbleiterbauteil mit hoher Zuverlässigkeit zu erhalten.

Die Erfinder haben umfangreiche Untersuchungen ausgeführt, um eine Mehrschichtstruktur mit nicht weniger als 10 Schich ten zu erhalten, und damit jeweils zwei benachbarte Schich ten mit hoher Wärmeleitfähigkeit, zwischen die eine Schicht mit niedriger Wärmeausdehnung eingefügt ist, durch die Viel zahl von Durchgangslöchern, die durch die Schicht mit nie driger Wärmeausdehnung hindurch ausgebildet sind, zusammen hängend sein können, werden die Schichten übereinandergesta pelt, und dann wird dieser Stapel in einen Behälter gepackt, und es wird Luft aus dem Inneren des Behälters auf einen Un terdruck nicht über 10^-3 Torr (1 Torr = 1,33 hPa) evakuiert, und der Behälter wird verschlossen, und dann wird der Schichtstapel bei einer Temperatur von 700 bis 1050°C bei einem Druck von nicht weniger als 50 MPa einer Verbindungs herstellungsbehandlung unterzogen.

Demgemäß kann unter Verwendung eines Prozesses mit den Schritten des Evakuierens von Luft aus dem Inneren des den Schichtstapel aufnehmenden Behälters mit anschließendem Hei zen und Verbinden des Schichtstapels bei hohem Druck ein Verbundmaterial, bei dem Schichten mit hoher Wärmeleitfähig keit durch die Durchgangslöcher hindurch miteinander zusam menhängen, so hergestellt werden, daß es eine Mehrschicht struktur mit nicht weniger als 10 Schichten aufweist, ohne daß ein Walz-/Preßbondverfahren erforderlich ist, wie es bisher zum Herstellen einer Mehrschichtstruktur verwendet wurde, die höchstens 5 Schichten aufwies.

Das durch dieses Verfahren erhaltene Verbundmaterial hat eine Struktur, bei dem die Schichten mit hoher Wärmeleitfä higkeit in der Mitte der Durchgangslöcher, die durch die Schichten mit niedriger Wärmeausdehnung hindurch ausgebildet sind, durch Diffusionsbonden miteinander verbunden sind.

Bei der Erfindung hat die Dicke jeder Schicht mit niedriger Wärmeausdehnung vorzugsweise den kleinen Wert von nicht mehr als 0,1 mm. Durch Herstellen derartiger dünner Schichten mit niedriger Wärmeausdehnung bei einer Mehrschichtanordnung können Verformungen, wie ein Verwinden, wie es bisher auf grund der Differenz zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizien ten auftrat, sicher unterdrückt werden. Eine der voneinander abgewandten äußersten Schichten, oder beide, bestehen auf der gesamten Oberfläche aus der Schicht mit hohem Wärmeleit fähigkeit aus Kupfer oder einer Kupferlegierung (d. h., daß kein Loch oder eine andere Unterbrechung an irgendeiner Stelle vorliegt). Alternativ besteht eine dieser voneinander abgewandten äußersten Schichten, oder beide, aus einer zu sammenhängenden Schicht aus einer Fe-Ni-Legierung mit nie driger Wärmeausdehnung.

Wenn so die äußerste Schicht entweder als solche mit hoher Wärmeleitfähigkeit aus Kupfer oder einer Kupferlegierung ohne Loch oder aus einer Schicht mit niedriger Wärmeausdeh nung aus einer Fe-Ni-Legierung ohne Loch besteht, sind Un ebenheiten an der Oberfläche, wenn eine Plattierungsbehand lung ausgeführt wird, beseitigt, so daß gute Plattierbar keit erzielt werden kann.

Ob die äußerste Schicht als solche mit hoher Wärmeleitfähig keit oder als solche mit niedriger Wärmeausdehnung herge stellt wird, wird abhängig von den erforderlichen Eigen schaften eines Bauteils bestimmt, von dem Wärme abzuleiten ist.

Zum Beispiel kann die äußerste Schicht eine solche mit nied riger Wärmeausdehnung sein, wenn dies für eine Bondfläche besonders erforderlich ist, wohingegen sie eine solche mit hoher Wärmeleitfähigkeit sein kann, wenn dies für die Bond fläche besonders erforderlich ist.

Fig. 1A zeigt den Grundaufbau des erfindungsgemäßen Verbund materials, bei dem Schichten mit hoher Wärmeleitfähigkeit aus Kupfer oder einer Kupferlegierung sowie Schichten mit niedriger Wärmeausdehnung aus einer Fe-Ni-Legierung aufein anderlaminiert sind. Fig. 1A zeigt einen Zustand, bei dem die Schichten 1 mit niedriger Wärmeausdehnung und die Schichten 3 mit hoher Wärmeleitfähigkeit des Verbundmate rials 5 der Mehrschichtstruktur miteinander verbunden sind. Wie es in Fig. 1B dargestellt ist, hängen jeweils zwei be nachbarte Schichten 3 mit hoher Wärmeleitfähigkeit, die je weils an den entgegengesetzten Seiten einer Schicht 1 mit niedriger Wärmeausdehnung angeordnet sind, über einen Ab schnitt aus dem Kupfer oder der Kupferlegierung, der sich in ein jeweiliges Durchgangsloch 2 erstreckt, miteinander zu sammen.

Durch diesen Aufbau ist für Wärmeübertragungspfade gesorgt, die sich durch die Schichten aus einer Fe-Ni-Legierung mit niedriger Wärmeausdehnung erstrecken.

Wie es in den Fig. 2A und 2B dargestellt ist, kann bei der Erfindung die eine der voneinander abgewandten äußersten Schichten 4 des Verbundmaterials 5, oder beide, aus einem Material aus Kupfer oder einer Kupferlegierung mit hoher Wärmeleitfähigkeit oder aus einer Schicht aus einem Material mit niedriger Wärmeausdehnung, in Form einer Fe-Ni-Legie rung, bestehen, wobei diese Schichten jeweils durchgängig sind, also kein Loch und keine andere Unterbrechung aufwei sen.

Bei der Erfindung wird, um Diffusionsschichten mit ausrei chender Dicke und ohne Unterbrechung zu erhalten, ein Druck von nicht weniger als 50 MPa im Temperaturbereich von 700 bis 1050°C angewandt.

Wenn ein hoher Druck von nicht weniger als 50 MPa verwendet wird, können Diffusionsschichten, die viel dicker sind als die, die durch ein herkömmliches Kaltwalzverfahren und Tem pern durch Preßbonden hergestellt werden, im Temperaturbe reich von 700 bis 1050°C ausgebildet werden.

Es ist um so bevorzugter, je höher der Druck ist, jedoch ist ein Druck von nicht mehr als 200 MPa aus dem Gesichtspunkt des Funktionsvermögens der Vorrichtung praxisgerecht, und der bevorzugte Druckbereich liegt von 80 bis 150 MPa.

Wenn bei der Erfindung die Temperatur unter 700°C liegt, ist die Diffusion unzureichend, so daß keine ausreichende Ver bindungsfestigkeit erzielt werden kann. Wenn die Temperatur über 1050°C beträgt, wird Oxidation an der Oberfläche des Kupfers oder der Kupferlegierung merklich, so daß keine ausreichende Verbindungsfestigkeit erzielt werden kann, und in manchen Fällen schmilzt das Kupfer oder die Kupferlegie rung, was nicht erwünscht ist.

Daher wird bei der Erfindung die Temperatur im Bereich von 700 bis 1050°C eingestellt.

Bei der Erfindung wird vor der Behandlung zum Herstellen der Erfindung ein Schritt ausgeführt, bei dem der Schichtstapel in einen Behälter gepackt wird und dann die Luft in diesem auf einen Unterdruck nicht über 10^-3 Torr evakuiert wird, woraufhin der Behälter abgedichtet wird.

Der Grund dafür ist der, daß dann, wenn Gas in den durch die Fe-Ni-Legierungsschichten hindurch ausgebildeten Durch gangslöchern verbleibt, das Kupfer oder die Kupferlegierung sich nicht ausreichend in die Durchgangslöcher hinein er streckt und die Abschnitte aus Kupfer oder der Kupferlegie rung, wie sie sich von entgegengesetzten Seiten her in jedes Durchgangsloch erstrecken, nicht in ausreichendem Maß mit einander verbunden werden können, um eine Wärmeableitung zu erzielen. Aus diesen Gründen wird die Entgasungsbehandlung ausgeführt.

Bei der Erfindung wird das Verbundmaterial, nach der obigen Behandlung zum Herstellen der Verbindung, durch Heiß- oder Kaltwalzen zu vorbestimmter Dicke endbearbeitet.

Bei der Erfindung wird die Behandlung zum Herstellen der Verbindung bei hohem Druck ausgeführt, jedoch ist es alleine durch diese Behandlung schwierig, die Durchgangslöcher mit dem Kupfer oder der Kupferlegierung ausreichend zu füllen.

Daher wird bei der Erfindung nach der Behandlung zum Her stellen der Verbindung das Heiß- oder Kaltwalzen ausgeführt.

Das durch dieses Verfahren erhaltene erfindungsgemäße Ver bundmaterial für ein elektronisches Teil verfügt über eine Struktur, bei der die Schichten mit hoher Wärmeleitfähigkeit in der Mitte der Durchgangslöcher miteinander verbunden sind, die durch die Schichten mit niedriger Wärmeausdehnung hindurch ausgebildet sind. D. h., daß durch Anwenden des hohen Drucks Abschnitte jeweils zweier benachbarter Schich ten mit hoher Wärmeleitfähigkeit in jedes der Durchgangslö cher einfließen, die durch die dazwischenliegende Schicht mit niedriger Wärmeausdehnung ausgebildet sind, was jeweils von den entgegengesetzten Seiten jedes Durchgangslochs her erfolgt, und sie werden in der Mitte des jeweiligen Durch gangslochs miteinander verbunden.

Übrigens kann, wenn anschließend ein Kaltwalzvorgang ausge führt wird, Sauberheit und Ebenheit, wie für das für ein elektronisches Teil verwendete Verbundmaterial erforderlich, leicht erzielt werden.

Bei der Erfindung sind die Schichten aus einer Fe-Ni-Legie rung mit niedriger Wärmeausdehnung hauptsächlich dazu vor handen, daß das erfindungsgemäße Verbundmaterial niedrige Wärmeausdehnung aufweist. Vorzugsweise sind diese Schichten so ausgebildet, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient des Verbundmaterials dicht bei dem eines Halbleiterbauteils liegt, d. h., daß der Wärmeausdehnungskoeffizient bei Tem peraturen von 30°C bis 300°C im Bereich von 4 bis 11 × 10^-6/°C beträgt. Daher enthält die Fe-Ni-Legierung vorzugs weise 25-60 Gewichts-% Ni, und sie kann auch mindestens eine Hauptkomponente (oder ein Element) enthalten, das aus der aus Fe und Co bestehenden Gruppe ausgewählt ist. Genauer gesagt, kann als Fe-Ni-Legierung eine solche Legierung ver wendet werden, die im wesentlichen aus 30-60 Gewichts-% Ni und Fe als Rest besteht, oder aus einer Legierung mit dieser Zusammensetzung, mit der Ausnahme, daß ein Teil des Ni durch Co ersetzt ist. Zu Beispielen derartiger Fe-Ni-Legie rungen gehören die folgenden: Fe-42% Ni, Fe-36% Ni, Fe-31% Ni-5% Co und Fe-29% Ni-17% Co.

Es können auch andere Zusatzelemente in der Fe-Ni-Legierung enthalten sein, z. B. nicht mehr als 15% Cr, um verschiede nen Erfordernissen zu genügen, die die Wärmeausdehnung, die mechanische Festigkeit usw. betreffen, und es können insbe sondere Elemente der Gruppen 4A, 5A und 6A zugesetzt werden, insoweit die Austenitstruktur beibehalten bleibt, wodurch die Eigenschaft niedriger Wärmeausdehnung nicht nachteilig beeinflußt ist.

Z. B. können nicht mehr als 15 Gew.-% Cr zugegeben werden, was dahingehend wirkungsvoll ist, daß sich ein Oxidfilm ausbildet, und als Elemente, die die Festigkeit verbessern, können nicht mehr als 5 Gew.-% Nb, Ti, Zr, W, Mo oder Cu zu gegeben werden, und als Elemente, die die Heißbearbeitbar keit verbessern, können nicht mehr als 5 Gew.-% Si oder Mn oder nicht als 0,1 Gew.-% Ca, B oder Mg zugegeben werden.

Bei der Erfindung können die Schichten mit hoher Wärmeleit fähigkeit aus Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehen. Kupfer hat hervorragende Wärmeleitfähigkeit und ist als Wär mesenke und Wärmeableitungseinrichtung wirkungsvoll, bei de nen die Wärmeleitfähigkeit als wesentlich angesehen wird, und in manchen Fällen können ein oder mehrere Legierungsele mente zugegeben sein, um die Eigenschaften zu verbessern, die die mechanische Festigkeit, die Lötbarkeit, die Lötbar keit mit Silber sowie die Wärmebeständigkeit, was vom Ver wendungszweck abhängt. Z. B. werden Sn und Ni in Kupfer oder einer Kupferlegierung in einen Zustand fester Lösung ge bracht, wodurch die mechanische Festigkeit verbessert wird. Ti fällt, wenn es in Kombination mit Ni zugesetzt wird, als Verbindung von Ni und Ti in der Kupfermatrix aus, wodurch die mechanische Festigkeit und die Wärmebeständigkeit ver bessert werden. Es ist bekannt, daß Zr die Umgebungsbestän digkeit eines Lötmittels verbessert. Al, Si, Mn und Mg ver bessern den engen Kontakt zu einem Kunststoff.

Schichten aus Kupfer oder einer Kupferlegierung sind bei der Erfindung vorhanden, um das Wärmeableitvermögen zu fördern, und daher beträgt der Gehalt der obigen Zusatzelemente, die das Wärmeableitvermögen verschlechtern, in der Kupferlegie rung nicht mehr als 10 Gew.-%.

Beispiele

Die Erfindung wird nun durch Beispiele veranschaulicht.

Als Materialien für die Schichten mit niedriger Wärmeausdeh nung wurden die folgenden Legierungen ausgewählt: Fe-42% Ni, Fe-36% Ni, Fe-31% Ni-5% Co und Fe-29% Ni-17% Co. Dieses Material wurde wiederholt kaltgewalzt und getempert, um es zu einer dünnen Lage der Fe-Ni-Legierung mit einer Dicke von 0,3 mm auszubilden. Durch Photoätzen wurden durch diese Lage der Fe-Ni-Legierung Durchgangslöcher mit jeweils einem Durchmesser von 0,8 mm mit einer Schrittweite von 1 mm über die gesamte Oberfläche hergestellt.

Als Materialien für Schichten mit hoher Wärmeleitfähigkeit wurden die folgenden ausgewählt: reines Kupfer (Sauerstoff freies Kupfer), die Legierung Cu-2,4% Fe-0,07% P-0,12% Zn (Cu-Legierung A) sowie die Legierung Cu-2,0% Sn-0,2% Ni-0,04% P-0,15% Zn (Cu-Legierung B). Dieses Material wurde zu einer dünnen Lage mit einer Dicke von 0,3 mm verarbeitet. Diese dünne Lage wurde in Abschnitte mit jeweils einer Brei te von 120 mm zerschnitten, und dann wurde die zerschnittene Lage durch eine Schneideinrichtung für vorbestimmte Länge zu Stücken von 800 mm zerschnitten, um dadurch Elemente 6 der Schichten mit hoher Wärmeleitfähigkeit herzustellen, wie in Fig. 3A dargestellt. Die Zusammensetzung der obigen Cu-Le gierungen ist in Gew.-% angegeben.

Dann wurden, gemäß den in der Tabelle 1 angegebenen Kombina tionen, die Schichten hoher Wärmeleitfähigkeit oder der Kup ferlegierung sowie die Schichten mit niedriger Wärmeausdeh nung aus der Fe-Ni-Legierung abwechselnd in einem Behälter (aus einer S15C-Platte mit einer Dicke von 5 mm) auf solche Weise aufgestapelt, daß jede Schicht mit niedriger Wärme ausdehnung zwischen Schichten mit hoher Wärmeleitfähigkeit eingebettet war, wodurch eine Stapelstruktur A aus 40 Schichten mit niedriger Wärmeausdehnung und 41 Schichten mit hoher Wärmeleitfähigkeit hergestellt war, wobei jede der voneinander abgewandten äußersten Schichten dieser Stapel struktur eine durchgehende Schicht mit hoher Wärmeleitfähig keit war.

Um ein anderes Beispiel herzustellen, wurde eine dünne Lage (ohne Loch und mit einer Dicke von 0,3 mm) aus demselben Ma terial wie den Schichten niedriger Wärmeausdehnung der Sta pelstruktur, an jeder der voneinander abgewandten Seiten der Stapelstruktur A angebracht, wodurch eine Stapelstruktur B hergestellt war, deren voneinander abgewandte äußerste Schichten jeweils aus einer Schicht mit niedriger Wärmeaus dehnung ohne Loch bestanden.

Die Luft im Gehäuse aus S15C wurde auf einen Unterdruck nicht über 10^-3 Torr evakuiert, und anschließend wurde die ser Behälter durch Verschweißen abgedichtet.

Nach diesem Entgasungsvorgang wurde jeder der Behälter aus S15C mit der darin vorhandenen Stapelstruktur einem heiß isostatischen Preßvorgang bei einem Druck von 100 MPA bei der in der Tabelle 1 angegebenen Temperatur unterzogen, um dadurch die Schichten der Stapelstruktur miteinander zu ver binden, um eine Laminatstruktur mit integralem Aufbau zu schaffen.

Nach diesem heiß-isostatischen Preßvorgang wurden die obere und die untere Wand des Behälters aus S15C, mit der darin enthaltenen Laminatstruktur, durch Schleifen entfernt, wo durch ein Zwischenprodukt erhalten wurde, das einem Heiß walzvorgang unterworfen wurde. Dieses Zwischenprodukt wurde im Temperaturbereich von 700°C bis 900°C gewalzt, um zu einem Blech mit einer Dicke von 2,5 mm ausgebildet zu wer den. Dieses Blech wurde durch Beizen entzundert und ab schließend zu einem Blech mit einer Dicke von 2 mm kaltge walzt. Die Dicke jeder der Schichten betrug ungefähr 25 µm.

Dann wurden aus diesem Blech Proben zum Messen der Wärme leitfähigkeit und Proben zum Messen der Wärmeausdehnung her gestellt, und es wurden die Wärmeleitfähigkeit in Dicken richtung des Blechs wie auch der Wärmeausdehnungskoeffizient in der Breitenrichtung des Blechs gemessen.

Die Wärmeleitfähigkeit wurde durch ein Verfahren mit Laser strahlblitzen gemessen, und hinsichtlich des Wärmeausdeh nungskoeffizienten wurde der Wert α_30-300°C im Temperatur bereich von 30 bis 300°C gemessen.

Wie es in der Tabelle 1 angegeben ist, haben die erfindungs gemäßen Verbundmaterialien für elektronische Teile eine Mehrschichtstruktur mit mehr als 80 Schichten, und aufgrund dieser Struktur können die Verbundmaterialien hohe Wärme leitfähigkeit nicht unter 100 W/m.K und einen niedrigen Wär meausdehnungskoeffizient von nicht mehr als 7 × 10^-6/°C auf weisen.

Durch die Erfindung kann ein Verbundmaterial mit Mehr schichtstruktur mit nicht weniger als 10 Schichten erhalten werden.

Daher hat das erfindungsgemäße Verbundmaterial im Vergleich mit dem herkömmlichen Verbundmaterial mit höchstens fünf Schichten eine feinere Verbundstruktur, und wenn dieses Ver bundmaterial als Wärmeableitungseinrichtung verwendet wird, kann eine Verformung aufgrund einer Differenz von Wärmeaus dehnungskoeffizienten, wie ein Verwinden, verhindert werden.

Im Vergleich mit dem herkömmlichen Diffusionsbondverfahren mit Kaltpressen und Tempern werden die Schichten beim erfin dungsgemäßen Verbundmaterial unter hohem Druck und bei hoher Temperatur miteinander verbunden, weswegen die Zuverlässig keit des engen Kontakts merklich verbessert ist und die Zu verlässigkeit des Teils stark erhöht ist.

Claims

1. Verbundmaterial für elektronische Teile, gekennzeichnet durch Schichten (3) aus, vorzugsweise, Kupfer oder einer Kupferlegierung sowie Schichten (1) niedriger Wärmeausdeh nung aus, vorzugsweise, einer Fe-Ni-Legierung, die abwech selnd aufeinanderlaminiert sind, um eine Mehrschichtstruktur mit nicht weniger als 10 Schichten zu bilden, wobei jeweils zwei benachbarte der Schichten mit hoher Leitfähigkeit, zwi schen denen jeweils eine Schicht mit niedriger Wärmeausdeh nung eingefügt ist, durch eine Vielzahl von Durchgangslö chern (2), die durch die Schicht mit niedriger Wärmeausdeh nung hindurch ausgebildet sind, miteinander zusammenhängen.

2. Verbundmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die jeweils zwei benachbarten Schichten (3) mit hoher Wärmeleitfähigkeit, zwischen denen eine jeweilige Schicht (1) mit niedriger Wärmeausdehnung eingefügt ist, dadurch miteinander zusammenhängen, daß sie innerhalb eines jeweiligen Durchgangslochs (2) der Vielzahl von durch die Schicht mit niedriger Wärmeausdehnung hindurch ausgebildeten Durchgangslöchern miteinander verbunden sind.

3. Verbundmaterial nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Schichten (1) mit niedriger Wärmeausdehnung nicht mehr als 0,1 mm beträgt.

4. Verbundmaterial nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der voneinander abgewandten äußersten Schichten der Mehrschichtstruktur aus einer durchgehenden Schicht hoher Wärmeleitfähigkeit aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht.

5. Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, daß mindestens eine der voneinander abgewandten äußersten Schichten eine Mehrschichtstruktur aus einer durchgehenden Schicht (1) mit niedriger Wärmeausdeh nung aus einer Fe-Ni-Legierung besteht.

6. Verfahren zum Herstellen eines Verbundmaterials für elektronische Teile, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

- abwechselndes Aufeinanderstapeln dünner Lagen aus Kupfer oder einer Kupferlegierung sowie dünner Lagen aus einer Fe- Ni-Legierung, um einen Stapel mit nicht weniger als 10 Schichten herzustellen, und Einsetzen dieses Stapels in einen Behälter, wobei jede der dünnen Lage der Fe-Ni-Legie rung eine Vielzahl von Durchgangslöchern aufweist;
- anschließendes Abpumpen von Luft aus dem Inneren des Be hälters auf einen Unterdruck nicht über 10^-3 Torr (1 Torr = 1,33 hPa), und anschließendes Abdichten des Behälters;
- anschließendes Unterziehen des Schichtstapels einer Be handlung zum Herstellen einer Verbindung bei einer Tempera tur von 700 bis 1050°C bei einem Druck nicht unter 50 MPA, und eine Laminatstruktur auszubilden, bei der sich Abschnit te des Kupfers oder der Kupferlegierung von jeweils den ent gegengesetzten Seiten jedes Durchgangslochs in ein jeweili ges Durchgangsloch hinein erstrecken, um dadurch miteinander verbunden zu werden; und
- anschließendes Walzen der Laminatstruktur zu einem Blech mit vorbestimmter Dicke.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusammenhängende Schicht mit hoher Wärmeleitfähigkeit aus Kupfer oder einer Kupferlegierung auf mindestens eine der voneinander abgewandten äußeren Schichten der Laminat struktur auflaminiert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusammenhängende Schicht mit niedriger Wärmeausdehnung aus einer Fe-Ni-Legierung auf mindestens eine der voneinan der abgewandten äußeren Schichten der Laminatstruktur aufla miniert wird.

9. Halbleiterbauteil mit einem Halbleiterchip und einer mit diesem verbundenen Wärmeableitungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeableitungseinrichtung aus dem Verbundmaterial für elektronische Teile gemäß einem der An sprüche 1 bis 5 besteht.