JP2000012739A

JP2000012739A - 半導体装置の基板用複合材料

Info

Publication number: JP2000012739A
Application number: JP10195021A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Okada; 貴弘岡田; Masato Sakata; 正人坂田
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 1998-06-25
Filing date: 1998-06-25
Publication date: 2000-01-14

Abstract

(57)【要約】【課題】高熱伝導，低熱膨張特性を保持し、熱履歴に
よる変形，破壊と熱特性劣化のない半導体装置の基板用
複合材料を提供する。【解決手段】複合材料（３）は、銅もしくは銅合金に
モリブデン又はタングステンもしくはこれらの混合物
を、金属マトリックスに対する体積率で１５〜５０％添
加した金属マトリックス（２）に、繊維長が１０００μ
ｍ以下、アスペクト比１００以下の炭素及び／又は黒鉛
質の繊維（１）を体積充填率２０〜６０％、２次元面方
向にランダムに配向しているものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、炭素及び／又は黒
鉛質からなる繊維と銅もしくは銅合金を含有する金属マ
トリックスから構成される半導体装置の基板用複合材料
に係り、特に各種半導体素子を搭載するための放熱性の
優れた半導体装置の基板用複合材料に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】今日、パワーＦＥＴ（電界効果型トラン
ジスタ）、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジス
タ）等のパワー素子及び高集積度のＭＰＵ（マイクロプ
ロセッサーユニット）などのＬＳＩ（大規模集積回路）
は、その発熱量が１０〜数１００Ｗにも及ぶもので、こ
れらの動作の安定性を確保するには半導体素子から発生
した熱を適切に外部へ放散させなければならない。それ
故、これら半導体素子を搭載する基板（ヒートシンク，
ヒートスプレッダー）には高い熱伝導を持つことが要求
される。一方で、半導体素子のＯＮ−ＯＦＦによって半
導体素子とそれを搭載する基板との接合部に発生する熱
応力サイクルによって接合部が疲労破壊したり、あるい
は、該基板に、セラミックなどの低熱膨張材料からなる
部材を接合する際に発生する熱応力によって基板に反り
等が生じるといった問題があり、これを回避するため
に、この半導体素子搭載用基板には熱膨張係数がセラミ
ック類に近い低い値を持つことも要求される。

【０００３】このような要求を満たす材料としては銅一
夕ングステン（Ｃｕ−Ｗ）が多用されている。これは重
量比で８０％程度のＷと２０％程度のＣｕからなる材料
である。しかし加工性が著しく悪い欠点があり、そのう
え多量のＷを用いるために原料が高価であるので、これ
に代わる材料が求められている。このような材料として
は、銅と黒鉛（炭素）繊維の複合材が挙げられる。これ
は基本的には銅の高熱伝導と黒鉛（炭素）繊維の低熱膨
張により、要求される高熱伝導，低熱膨張特性を得るも
のである。この材料については、銅めっきした黒鉛（炭
素）繊維を銅より高融点で炭素と反応する物質と混合し
焼結固化したもの、人為的に炭素繊維をうず巻状に配置
し基板面方向に熱膨張係数を低くしたもの（特公昭５９
−１６４０６号公報，特公昭５８−１６６１５号公
報）、炭素繊維のアスベクト比が２００以上のものを混
合し固化したもの（特公昭６１−３００１３号公報）、
また４０μｍ以下の短繊維を用いたもの（特開平９−６
４２５４号公報）が知られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来の材
料では、黒鉛（炭素）繊維が長い場合は、はんだ付け，
銀ろう付け等による熱履歴がかかると黒鉛（炭素）繊維
に局部的に大きな応力がかかるため材料に形状，寸法の
変化が生じ、これが著しい場合は材料の変形を招くとい
う問題があり、また長い黒鉛（炭素）繊維は高価である
という問題もある。はんだ付け，銀ろう付け等の熱履
歴による局部的な応力を回避するために、人為的に炭素
繊維をうず巻状に配置するものもあるが、これは製造コ
ストが高くなるという問題がある。

【０００５】また、黒鉛（炭素）繊維長を短くした場合
には、局部的に集中する応力が減るため上記の問題は起
きにくいが、黒鉛（炭素）繊維と金属マトリックスの間
に発生する熱応力の全てが、せん断応力という形で黒鉛
（炭素）繊維と金属マトリックスの界面にかかるので、
温度サイクルがかかった場合に黒鉛（炭素）繊維と金属
マトリックスの界面が破壊し熱特性に劣化が生じやすい
という問題がある。特に高温にさらされると銅と黒鉛
（炭素）の親和性の悪さのために、界面に剥がれが生じ
るので、このような温度サイクル時の熱特性の劣化はさ
らに顕著なものとなる。

【０００６】また、金属マトリックス中に炭素と反応す
る元素を添加しこれと黒鉛（炭素）繊維を反応させるこ
とにより、上記問題の解決を図るとしているものもある
（特開昭５２−５３７２０号公報，特公昭６１−３００
１３号公報）。これは生成する炭化物が一般に脆く、結
局、熱サイクル時の黒鉛（炭素）繊維と金属マトリック
スの間に発生する応力により破壊するため、これでは問
題を解決することはできなかった。本発明は、このよう
な従来技術の問題点に鑑みてなされたものである。その
主目的は、高熱伝導，低熱膨張特性を保持し、その上
で、上記の熱履歴による変形，破壊の問題と、温度サイ
クルによる熱特性の劣化といった問題を共に起こさな
い、半導体装置用基板として用いる炭素及び／又は黒鉛
質からなる繊維と銅もしくは銅合金を含有する金属マト
リックスから構成される複合材料を提供するものであ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、炭素及び／又
は黒鉛質からなる繊維と銅もしくは銅合金を含有する金
属マトリックスから構成される複合材料であって、前記
炭素及び／又は黒鉛質からなる繊維は、体積基準で９０
％以上の繊維の繊維長が１０００μｍ以下、アスペクト
比が１００以下で、繊維の体積充填率が２０〜６０％
で、かつ該複合材料の２次元面方向にランダムに配向し
ているものであり、前記銅もしくは銅合金を含有する金
属マトリックスは、モリブデン又はタングステンもしく
はこれらの混合物が金属マトリックス全体に対し体積比
で１５〜５０％含まれていることを特徴とする半導体装
置の基板用複合材料である。

【０００８】

【作用】本発明の複合材料は、体積基準で９０％以上の
繊維の繊維長が１０００μｍ以下、アスペクト比が１０
０以下で、繊維の体積充填率が２０〜６０％である炭素
及び／又は黒鉛質からなる繊維と、これと複合される金
属マトリックスからなり、該金属マトリックスが、銅も
しくは銅合金にモリブデン又はタングステンもしくはこ
れらの混合物を含有し、金属マトリックス全体の熱膨張
係数を下げ、複合材料としての信頼性を高めたものであ
る。即ち、炭素及び／又は黒鉛質からなる繊維の長さが
短い繊維を用いた場合は、熟履歴時の材料の変形，破壊
は抑制できるものの、一方で，熱サイクルにより、繊維
と金属マトリックスの界面が損傷し、熱特性に劣化が生
じる易いという問題があるので、銅もしくは銅合金にモ
リブデン又はタングステンもしくはこれらの混合物を所
定量添加し、これを回避したものである。

【０００９】つまり、モリブデン、タングステンのよう
な元素を添加すると、これらは低熱膨張であるためマト
リックス全体の熱膨張係数が低下し、温度サイクル時に
金属マトリックスと炭素及び／又は黒鉛質の繊維の界面
に発生する熱応力を低減できる。その結果、炭素及び／
又は黒鉛質の繊維と金属マトリックスの界面の破壊を回
避できるため、熱特性の劣化を起こさない．したがっ
て、実装した半導体素子のＯＮ−ＯＦＦあるいは外部環
境の変化によって発生する熱サイクルを受けても材料の
熱特性に劣化が生じることなく、半導体装置用基板とし
て必要な熱特性を維持できるものである。また、これら
は低熱膨張の材料の中では比較的，高熱伝導であり、且
つ銅と殆ど固溶しないため、これらを加えても比較的熱
伝導の低下が少なく、高熱伝導の半導体装置用基板とし
て優れた特性を備えているものである。

【００１０】また、本発明の複合材は、繊維長が１００
０μｍ以下、アスペクト比１００以下で、繊維の体積充
填率が２０〜６０％である炭素及び／又は黒鉛質からな
る繊維が金属マトリックスに２次元面方向にランダムに
配向していることにより、その配向面と平行に切り出し
て半導体装置用基板を製作すれば、面方向の熱膨張係数
を低くすることができる。半導体装置用基板としては、
その形態にもよるが少なくともその面方向の熱膨張係数
として５．０〜１２．０ｐｐｍ／℃が求められ、その中
でも６．５〜１０．０ｐｐｍ／℃が適当といえるが、本
発明の複合材料はこの要求に対応できるものである。ま
た炭素及び／又は黒鉛質からなる繊維としてハイグレー
ドの黒鉛化度の高いものを用いると面方向に高熱伝導と
することができるものである。

【００１１】次に、本発明の複合材の構成要素について
その限定理由について述べる。炭素及び／又は黒鉛質か
らなる繊維は、繊維長が１０００μｍ以下、アスペクト
比１００以下に限定したのは、これより繊維が長い，あ
るいはアスペクト比が大きいと熱履歴時の材料の変形，
破壊が避けられなくなるためであり、また、繊維の嵩が
大きくなりすぎて製造に際し扱いにくくなるためであ
る。なお、繊維長が余り短かすぎる、或いはアスペクト
比が余り小さすぎると、熱膨張を抑制する効果が小さく
なる可能性があるので、繊維長は、４０μｍ以上、アス
ペクト比は４以上が好ましい。そして、この中でも、
繊維長５００μｍ以下（４０〜５００μｍ）、且つアス
ペクト比５０以下（４〜５０）が好ましい。なお、繊維
長には、どうしてもばらつきが出るので、この範囲に含
まれない繊維が、不可避的に、体積基準で繊維全体の１
０％未満混入することはあり得る。

【００１２】炭素及び／又は黒鉛質からなる繊維の体積
充填率を２０％〜６０％に限定したのは、これを上回る
繊維を含有すると繊維長を短くしたとしても熱履歴時の
材料の変形が避けられなくなるためであり、また、焼
結，固化が困難になるためである。また、これより少な
いと半尊体装置用基板として求められる低熱膨張を得る
ことが困難になるためである。特に繊維の体積充填は３
０％〜５０％が好ましい。

【００１３】銅もしくは銅合金にモリブデン又はタング
ステンもしくはこれらの混合物を添加し、そのモリブデ
ン又はタングステンもしくはこれらの混合物の体積充填
率を金属マトリックスの１５％〜５０％に限定したの
は、添加量が、この範囲より少ないと上述の熱サイクル
に対する耐性が得られなくなるためであり、また、これ
より多いと原料コストが高くなる、熱伝導の低下が大き
くなる、焼結性が悪くなり対理論密度比が低下する、と
いった問題が発生するためである。特に２０％〜４０％
が好ましい。また、モリブデン又はタングステンは炭素
と反応する元素であり、先にも述べたように炭素繊維を
これら元素と積極的に反応させる公知例もあるが、本発
明の場合は、金属マトリックス全体として低熱膨張化す
ることにより、炭素及び／又は黒鉛質の繊維と、銅もし
くは銅合金を含有する金属マトリックス界面に発生する
熱応力を低減させることにより、短繊維を用いた場合に
於いても、信頼牲を保つと言う技術思想に基づいている
ので、本発明に関しては炭化物の形成の有無は問わな
い。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の複合材料の概要
を示す図で、複合材料（３）は、銅もしくは銅合金にモ
リブデン又はタングステンもしくはこれらの混合物を添
加した金属マトリックス（２）に、繊維長が１０００μ
ｍ以下、アスペクト比１００以下の炭素及び／又は黒鉛
質の繊維（１）が体積充填率２０〜６０％、２次元面方
向にランダムに配向しているものである。

【００１５】本発明で用いられる炭素及び／又は黒鉛質
の繊維（１）はその平均径が５〜２０μｍのものが用い
られ、好ましくは８〜１２μｍのものである。本発明の
複合材料の金属マトリックス（２）は、銅もしくは銅合
金にモリブデン又はタングステンもしくはこれらの混合
物を添加した金属マトリックスで、その銅合金として
は、Ｃｕ部強化の目的で、銅粉の代わりにＣｕ−Ｃｒ，
Ｃｕ−Ｚｒ合金の粉体を用いてもよい、またＣｕ部の耐
熱性向上の目的でＣｕ粉に代わりＣｕ−Ａｇ合金の粉体
を用いるか、Ｃｕ粉の一部をＡｇ粉に置き換えてもよ
い。

【００１６】本発明の複合材料の製造方法を説明する
と、金属マトリックスは銅粉末、もしくは銅合金粉末、
モリブデン粉末又はタングステン粉末もしくはこれらの
混合物の粉末を用いる。炭素及び／又は黒鉛質の繊維を
金属マトリックスをなす上記の粉体とともにボールミル
等の公知の方法で混合する。この原料混合物をプレスし
て混合物の圧縮成型物を得る。この際、プレス圧力が低
く圧縮成型物に十分な保形性がない場合には、銅の箔も
しくは薄板でくるみ、保形性を付与することもできる。
これを加圧焼結することにより複合材料を得る。その方
法としては、ＨＩＰ法、ホットプレス法などが挙げら
れ、どれを用いてもよいが、量産性等の理由からＨＩＰ
（熱間静水圧加圧）法がより好ましい。

【００１７】例えば、炭素及び／又は黒鉛質からなる繊
維とマトリックスの粉末からなる混合物の圧縮成型物を
蛇腹状側壁の金属製カプセルに装填して脱気後密封し、
熱間静水圧加圧により、圧縮成型物を密封した金属製カ
プセルを１軸方向に収縮させて複合材料を製造するもの
である。この場合、金属製カプセルの蓋部分の肉厚は、
繊維の配向を乱さないために、蛇腹状金属製カプセルの
側壁部の肉厚の２倍以上であることが好ましい。また、
圧縮成型物を蛇腹状側壁の金属製カプセルに装填すると
き、スペーサーを入れてもよい。熱間静水圧加圧は、例
えば８００℃以上で銅もしくは銅合金の融点以下の温度
で行う。

【００１８】このような方法により圧縮成型物を一軸方
向に圧縮するので、炭素及び／又は黒鉛質からなる繊維
が、金属マトリックスに２次元面方向にランダムに配向
しているものが得られる。このようにして得た複合材料
を所定の向きより切り出して所定の形状に機械加工し、
Ｎｉめっき等の表面処理層を設け、半導体装置の基板と
して用いるものである。このようにして得られた複合材
料の基板を半導体装置に適用すると、信頼性の高い装置
を得ることができる。

【００１９】

【実施例１】本発明の実施例１について図２、表１を参
照して説明する。平均繊維長３００μｍ，平均アスペク
ト比３０の黒鉛質の繊維（１）と平均径２０μｍのＣｕ
粉及び平均径１．５μｍのＭｏ粉を使用し、これらをボ
ールミルにて混合した後、Ｃｕ箔（４）でくるまれた圧
粉体（５）を作製しこれを胴部がベローズ（蛇腹）形状
をした金属製カプセル（６）に詰めた。上下の蓋はＴＩ
Ｇ溶接により胴部に接合し、その一方に脱気用のパイプ
（７）を取り付けた。このカプセルを９００℃で加熱す
ると共に脱気し、内部を真空にした。その後、脱気パイ
プ（７）をつぶし庄接して真空封入した。これを１００
０℃，１５ＯＯ気圧でＨＩＰ処理し、一方向に圧縮して
複合材料（３）を得た。

【００２０】このような工程で表１に示すような組成の
複合材料を作製した。これらを硝酸で溶解し最終製品に
おける平均繊維長及び平均繊維径を調べたところどの材
料も平均繊維長約１００μｍ、平均アスペクト比約１０
であり、また、体積基準で９０％以上の繊維が長さ１０
００μｍ以下、且つアスペクト比１００以下であった。
また、これらの組織を調べたところ圧縮軸に対し垂直な
面に黒鉛質の繊維が配向していることが確認された。こ
れらの板面方向の熱伝導率，熱膨張係数，を評価すると
共に１５０℃⇔６５℃、１０００サイクルの温度サイク
ル試験を行いそれらの結果を表１にまとめた。なお表の
ＣＦは黒鉛質の繊維である。表１から明らかなように、
Ｍｏの含有量が金属マトリックス全体に対し体積率で１
５％未満だと温度サイクル試験後に熱膨張係数の有意な
増大がみられ、信頼性に欠けるが、Ｍｏの含有量が１５
％以上であると、そのような熱膨張係数の変化はみられ
ず、信頼性を維持していることがわかる。一方でＭｏの
含有量が金属マトリックスに対し５０％を越えると、対
理論密度比が９５％を割り込むと同時に、熱伝導率の低
下が目立つ。

【表１】

【００２１】

【実施例２】本発明の実施例２について表２を参照して
説明する。平均繊維径１０μｍの炭素質の繊維で、様々
な平均繊維長をもつものを用い、繊維体積充填率を複合
材全体に対し５０％、Ｗを同じく２０％、含み残部がＣ
ｕからなる複合材料をホットプレス法により製作した。
そして、これらの一部をフッ酸と硝酸の複合水溶液で溶
解し、その繊維長分布を調べた。また、これらを８５０
℃に加熱し、その際の体積変化率を調べた。その結果を
表２にまとめる。表２からわかるように、最終製品にお
いて、１０００μｍを越える繊維が目に見えて多くなる
と（体積基準で１０％以上をこえると）複合材料に破壊
がみられるか、著しい材料の変形が見られた。その一方
で、それ以下の繊維長のものを用いた場合は、材料の破
壊は生じず、変形が生じたとしてもわずかであった。

【表２】

【００２２】

【実施例３】本発明の実施例３について図３を参照して
説明する。平均繊維径１０μｍ、平均繊維長２００μｍ
の黒鉛質繊維（１）を用い、これを体積充填率で４５％
添加し、さらに、Ｍｏを体積充填率で２０％添加し、残
部をＣｕのマトリックス（２）として実施例１と同様に
して複合材料（３）を製作した。これを、圧縮軸方向に
垂直な面に平行になるように切り出し、５０×５０×３
の寸法の板を作った。これにＮｉめっき層（８）を設け
て半導体装置用の基板（９）とした。半導体素子（１
０）の搭載は、基板（９）との接合面にメタライズが施
された絶縁板（１１）をＳｎ−Ｐｂはんだ（１２）で接
合し、これを封止し、端子（１３）、ケース（１４）等
を接続して半導体装置（１５）とした。この装置に１５
０℃⇔−６５℃の温度サイクルを１０００サイクル加え
た。その後、絶縁板（１１）と該基板（９）との接続部
を調査したが剥がれ等は認められず、接合を保っている
ことが確認された。本発明の基板材料が、実際の使用に
耐えることが確認された。

【００２３】

【実施例４】本発明の実施例４について図４を参照して
説明する。上記実施例３と同様の複合材料（３）を製作
し、これより上記実施例３と同様な向きに３０×１２×
１．５の板状部材を切り出し、これにＮｉめっき（８）
をもうけ半導体装置用の基板（９）を作製した。これに
コバールからなるケース（１４）をＡｇろう（１６）を
用いてろう付けしたところ亀裂等が生じることなく接合
できた。また、反りを調査したところ、長手方向で１０
μｍ程度であり、十分規格を満たした。この基板材料
（３）が、Ａｇろう付を要する半導体装置にも十分使え
ることが確認された。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように本発明の半導体装置
の基板に用いる複合材料によれば、炭素及び／又は黒鉛
質からなる繊維によって強化され、面方向にて低熱膨張
特性を持ち、また、熱履歴による変形破損の危険がな
く、且つ、温度サイクルによって熱特性の劣化を起こす
危険がなく、優れた放熱特性を持つという効果を奏する
ものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の複合材料を説明する図

【図２】本発明の実施例１を説明する図

【図３】本発明の実施例３を説明する図

【図４】本発明の実施例４を説明する図

【符号の説明】

１．炭素または黒鉛質からなる繊維２．金属マトリックス３．複合材料４．Ｃｕ箔５．圧粉体６．金属製カプセル７．脱気パイプ８．表面処理層９．半導体装置用基板１０．半導体素子１１．絶縁板１２．はんだ層１３．端子１４．ケース１５．半導体装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】炭素及び／又は黒鉛質からなる繊維と銅
もしくは銅合金を含有する金属マトリックスから構成さ
れる複合材料であって、前記炭素及び／又は黒鉛質から
なる繊維は、体積基準で９０％以上の繊維の繊維長が１
０００μｍ以下、アスペクト比が１００以下で、繊維の
体積充填率が２０〜６０％で、かつ該複合材料の２次元
面方向にランダムに配向しているものであり、前記銅も
しくは銅合金を含有する金属マトリックスは、モリブデ
ン又はタングステンもしくはこれらの混合物が金属マト
リックス全体に対し体積比で１５〜５０％含まれている
ことを特徴とする半導体装置の基板用複合材料。