JP2000311973A - 複合材料及び半導体装置 - Google Patents
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Abstract
し、塑性加工性に優れた複合材料及びそれを用いた半導
体装置を提供する。 【解決手段】本発明は、銅と第一酸化銅粒子とを有し、
第一酸化銅を5〜20体積%含む銅合金からなり、好ま
しくは室温から300℃における熱膨張係数が13×1
0-6〜17×10-6/℃ ,熱伝導率が270〜375
W/m・K,導電率が60〜85%IACSである複合
材料及びそれを放熱板に用いた樹脂で封止された半導体
装置にある。
Description
伝導性・高電気伝導性を有する銅複合材料及びそれを用
いた樹脂封止型半導体装置に関する。
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。半導体
素子は年々集積度や演算速度が増加し、それに伴い発熱
量も増加しており、発生する熱を効率よく放散させるた
めに搭載される放熱板の性能が重要となっている。放熱
板を構成する放熱材料として高熱伝導性のCuあるいは
軽量性のAl等が使用されているが、半導体素子,リー
ドフレーム,封止樹脂などパッケージ構成材料との熱膨
張係数の大きなミスマッチは、熱応力の蓄積からくる樹
脂あるいは素子のクラックにつながることから、特に熱
膨張係数の点で封止材の樹脂との整合性が良く、熱伝導
率の大きな放熱材料が望まれている。
主流となっており、熱膨張係数が10×10-6〜20×
10-6/℃のものが開発されている。樹脂の熱膨張係数
は溶融シリカに代表される低熱膨張性のフィラーの添加
によって調整されるが、フィラーの使用はコストを上げ
ることや他のパッケージ構成材料との整合性を考慮して
13×10-6〜18×10-6/℃程度の熱膨張係数を有
する樹脂が多用されている。
膨張・高熱伝導性及び易加工性を有し、かつパッケージ
封止樹脂との整合性に優れた銅複合材料及びそれを用い
た半導体装置を提供することにある。
よりも熱膨張係数が小さい無機化合物粒子とを有し、前
記化合物粒子は断面の面積率が前記粒子の全体の50%
以下が互いに連なった複雑形状の塊となって分散してい
ることを特徴とする複合材料にある。
が小さい無機化合物粒子とを有し、前記化合物粒子は互
いに連なった複雑形状の塊が100μm平方内に10個
以下であり、残りの前記化合物粒子は単独で存在して分
散していることを特徴とする複合材料にある。
が小さい5〜20体積%の無機化合物粒子とを有し、前
記化合物粒子はヴィッカース硬さが300以下であるこ
とを特徴とする複合材料にある。
が小さい5〜20体積%の無機化合物粒子とを有し、2
0℃から300℃における熱膨張係数が13×10-6〜
17×10-6/℃、熱伝導率が270〜375W/m・
Kであり、また導電率が60〜85%IACSであるこ
とを特徴とする銅複合材料にある。
が小さい無機化合物粒子とを有し、前記化合物粒子は1
0%以下が互いに連なり塊となって分散しており、前記
塊は塑性加工によって伸ばされた方向に延びていること
を特徴とする複合材料にある。
酸化銅粒子は前記粒子の全体の10%以下が互いに連な
った複雑形状の塊となって分散していることを特徴とす
る複合材料にある。
20体積%含み、残部が銅(Cu)と不可避的不純物か
らなり、前記Cu2O 相及びCu相が分散した組織を有
し、室温から300℃における熱膨張係数が13×10
-6〜17×10-6/℃,熱伝導率が270〜375W/
m・Kであり、また導電率が60〜85%IACSであ
ることを特徴とする。
ことを特徴とする半導体装置用放熱板にある。また、そ
の表面にNi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。
と、前記半導体素子と電気的に接合されるリード電極
と、前記半導体素子、前記電極板及び前記リード電極が
搭載される放熱板と、前記電極板及び前記リード電極と
前記放熱板との間に絶縁層を有する構造体を樹脂封止す
るとともに、前記リード電極の一部及び前記放熱板の少
なくとも前記素子の接合面に対して反対面が開放されて
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。
電気導電性の高いAu,Cu,Alが用いられ、特にC
uは高融点で高強度を有する点で最も優れている。ま
た、複合材を構成する粒子として、ベースの金属に対し
て極端に硬さの違う従来のSiC,Al2O3等の化合物では
なく、比較的軟かい粒子で焼結後に安定で、20〜150
℃の範囲での平均熱膨張係数が好ましくは5.0×10
-6/℃ 以下、より好ましくは3.5×10-6/℃ 以下
で、ヴィッカース硬さが300以下のものが好ましい。
このように粒子として軟かいものを用いることによって
焼結後の熱間,冷間による高い塑性加工性が得られ、特
にこれらの圧延が可能になることから高い生産性が得ら
れるとともに純銅と同様の薄板を得ることができる。複
合化粒子として第一酸化銅(Cu2O ),酸化錫,酸化
鉛,酸化ニッケル等が考えられる。しかし、特に熱膨張
係数が最も小さく軟らかい第一酸化銅(Cu2O)が好ま
しい。更に、本発明の複合材料はSiC、Al2O3,S
iO2 等のヴィッカース硬さが1000以上の硬い平均
粒径3μm以下の微細なセラミックス粒子を5体積%以
下含有させてより強化させるのが好ましい。
後の圧延等による加工後に型プレスによる塑性加工によ
って最終形状に形成することができる。
の複合化合粒子の一例として第一酸化銅(Cu2O ),
金属の一例として銅(Cu)粉とを有する混合粉末をプ
レス成形する工程と、800℃〜1050℃で焼結する
工程と、冷間もしくは熱間の少なくともいずれか一方で
塑性加工する工程と、を含むことを特徴とする。
造方法は、第二酸化銅(CuO)を2.7〜10.8体積
%含み、残部が銅(Cu)と不可避的不純物からなる混
合粉末をプレス成形する工程と、800℃〜1050℃
で成形固化とともにCuOをCuと反応させCu2O に
変態させる焼結工程と、冷間もしくは熱間の少なくとも
いずれか一方で塑性加工する工程と、その後の焼鈍工程
を含むことが好ましい。
しくは熱間での圧延,鍛造,プレス,押出し等による板
材加工あるいは型を用いることによる所望形状への成形
加工が可能である。
0-6/℃ の熱膨張係数と391W/m・Kの高い熱伝
導率を有するCuと12W/m・Kの熱伝導率と2.7
×10-6/℃の低熱膨張率を有するCu2O を複合化させ
た材料であり、樹脂封止型半導体パッケージの放熱板に
適用される焼結体組成として、Cu−5〜20体積%C
u2O の組成範囲で選択され、室温から300℃におけ
る熱膨張係数が13×10-6〜17×10-6/℃であ
り、また熱伝導率が270〜375W/m・Kを有する
ことができる。Cu2O 含有量は、5%以上で放熱板に
要求される熱膨張係数が得られ、20体積%以下で十分
な熱伝導性や構造体としての強度が得られるためであ
る。
冶金法によって得られるが、銅複合材料においては、C
u粉末とCu2O 粉末もしくはCuO粉末を原料粉とし
て所定比率で混合し、金型で冷間プレスした後、焼結し
て作製する。そして、必要に応じて冷間あるいは熱間の
少なくともいずれか一方で塑性加工が施される。
あるいはメカニカルアロイング等によって行われるが、
原料粉末の粒径は、プレス成形性や焼結後のCu2O の
分散性に影響を及ぼすのでCu粉末は100μm以下、
Cu2O 及びCuO粉末の粒径は10μm以下、特に1
〜2μmが好ましい。
000kg/cm2 の圧力で冷間プレス成形されるが、Cu
2O 含有量の増加につれて圧力を高めることが望まし
い。
囲気中で常圧焼結,HIPあるいはホットプレスにより
加圧焼結されるが、800℃〜1050℃で3時間程度
が好ましく、Cu2O 含有量の増加につれて温度が高め
られる。焼結温度はベース金属によって異なるが、特に
Cuにおいては800℃以下では、密度の高い焼結体が
得られず、1050℃以上ではCuとCu2O の共晶反
応により部分溶解する危険性があるために好ましくな
く、900℃〜1000℃が好適である。
Cu2O の硬さが低く、延性に富むため、圧延,鍛造押
出しなどの冷間あるいは熱間加工が可能であり、焼結後
に必要に応じて施される。加工を付与することによっ
て、材料に熱伝導の異方性が発現するが、強度向上や一
定方向への伝熱が必要な用途に対して有効である。
い、Cu粉末と混合・プレス成形した後に焼結過程でC
uを内部酸化させて、最終的にCu相とCu2O 相が分
散した組織を有する焼結体とすることができる。すなわ
ち、CuOはCuと共存する場合、高温においては
(1)式によりCu2O に変態する方が熱的に安定であ
ることを利用している。
が、例えば焼結温度が900℃の場合には、3時間程度
で十分である。
いは塑性加工性に影響するので微細であることが好まし
い。しかしながら、粒径は粉末の混合方法に強く影響さ
れ、混合エネルギーが大きい方が粉同士の凝集が少な
く、焼結後に微細なCu2O 相が得られる。
径は混合エネルギーの小さいVミキサーではCu2O 相
の50体積%以下が粒径50〜200μmで、残部が5
0μm以下とし、スチールボールを入れたポットミルで
は50μm以下、そして、最も混合エネルギーの大きい
メカニカルアロイングでは10μm以下と規定される。
粒径が200μm以上では、気孔率が増加し、塑性加工
性が損なわれ、その量がCu2O 相の50体積%以上に
なると、熱伝導特性のばらつきの増加を招き、半導体装
置の放熱板に不適となる。好ましい組織は、50μm以
下のCu2O相がCu相と均一に分散した組織である。
Cu2O 相は10μm以下がより好ましい。
μm以下の電解Cu粉末と粒径1〜2μmのCu2O 粉
末を用いた。Cu粉末とCu2O 粉末を表1に示す比率
で1400g調合した後、スチールボールを入れた乾式
のポットミル中で10時間以上混合した。混合粉末を直
径150mmの金型に注入し、Cu2O 含有量に応じて4
00〜1000kg/cm2 の圧力で冷間プレスして直径1
50mm×高さ15〜17mmの予備成形体を得た。その
後、予備成形体をアルゴンガス雰囲気中で焼結させて化
学分析,組織観察,熱膨張係数,熱伝導率,導電率及び
ヴィッカース硬さの測定に供した。なお、焼結温度はC
u2O 含有量に応じて900℃〜1000℃の間で変化
させ、各温度で3時間保持した。熱膨張係数は室温から
300℃の温度範囲でTMA(Thermal Mechanical Ana
lysis)装置を用いて行い、熱伝導率はレーザーフラッシ
ュ法,導電率はシグマテスターを用い測定した。その結
果を表1に併記した。また、得られた試料No.3焼結成
形体のミクロ組織を図1に示す。
一致していた。また、熱膨張係数,熱伝導率及び導電率
は、表1より明らかなように、CuとCu2O の組成比
を調整することによって、広範囲に亘って変化してお
り、放熱板に求められる熱的特性にコントロールできる
ことがわかった。
明らかなように、Cu2O は混合工程において凝集,焼
結工程において肥大成長するが、粒径は50μm以下で
あり、Cu相とCu2O 相が均一に分散した緻密な組織
となっている。なお、写真中の白い部分がCu相,黒い
部分がCu2O 相である。Cu2O 粒子のほとんどが1
0μm以下の粒径であり、それ以上のものは複数個のC
u2O 粒子が連なり、100μm平方当り10個以下の
15体積%である。硬さ測定の結果、Cu相はHv75
〜80,Cu2O がHv210〜230の硬さであっ
た。また、機械加工性を旋盤及びドリル加工で評価した
結果、加工性は非常に良好であり、形状付与が容易であ
ることがわかった。
さまでプレスし、組織観察した。鍛造材は、側面に多少
の耳割れが観察されたが、それ以外では割れが観察され
ず健全であり、本発明の銅複合材料は、塑性加工性に優
れることが判明した。
クロ組織(200倍)を示す。Cu2O 相は、変形して
鍛伸方向に配向する傾向が認められるが、Cu相、Cu
2O 相及びその境界にはクラック等の欠陥は認められな
い。Cu2O 粒子は95%が20μm以下の粒径であ
る。それ以上の粒径のものは複数個連らなったものであ
る。
った以外は、実施例1と同一の条件でNo.3(Cu−1
5体積%Cu2O )と同一組成の焼結体を作成し、実施
例1と同様に組織観察,熱膨張係数及び熱伝導率の測定
に供した。
ミクロ組織(200倍)を示す。写真から明らかなよう
に、サイズが大きく異なるCu2O が混在した組織とな
っている。大きなサイズのCu2O 粒子は、Vミキサー
による混合中にCu2O 粒子同士が凝集して生成したも
のである。熱膨張係数及び熱伝導率の値は、Cu及びC
u2O がそれぞれ均一に分散した同一組成の焼結体と明
らかな差が認められなかったが、測定場所によるばらつ
きが若干大きくなる傾向が認められた。1つ大きな塊が
あるが、50μm以下がほとんどである。分散が不足し
たものと思われる。他の細かい粒子は10μm以下の粒
径である。
の電解Cu粉末と粒径1〜2μmのCu2O 粉末を用
い、Cu−15体積%Cu2O の組成比で300g調合
した後、直径8mmの鋼球を入れた直径120mmの遊星ボ
ールミル容器中で25時間メカニカルアロイング(M
A)した。その後、混合粉末を直径80mmの金型に注入
し、1000kg/cm2 の圧力で冷間プレスして予備成形
体を得た。その後、予備成形体をアルゴンガス雰囲気中
で800℃×2時間の焼結を行い、実施例1と同様に組
織観察,熱膨張係数及び熱伝導率の測定,酸化物X線回
折に供した。
て、Cu2O 粒子が微細であり、粒径10μm以下のC
u2O が均一分散していた。組織の微細化は、強度の向
上や冷間圧延性の改善に好適である。
の電解Cu粉末と粒径1〜2μmのCuO粉末を用い
た。Cu粉末とCuO粉末を表2に示す比率で1400
g調合した後、スチールボールを入れた乾式のポットミ
ル中で10時間以上混合した。混合粉末を直径150mm
の金型に注入し、CuO含有量に応じて400〜100
0kg/cm2 の圧力で冷間プレスして予備成形体を得た。
予備成形体をアルゴンガス雰囲気中で焼結させた後、酸
化物X線回折,組織観察,熱膨張係数及び熱伝導率の測
定に供した。なお、焼結温度はCuO含有量に応じて9
00℃〜1000℃の間で変化させ、各温度で3時間保
持した。熱膨張係数は室温から300℃の温度範囲でT
MA(Thermal Mechanical Analysis)装置を用いて行
い、熱伝導率はレーザーフラッシュ法により測定した。
その結果を表2に併記した。
同定を行った結果、検出された銅酸化物の回折ピークは
Cu2O のみであり、焼結中にCuOからCu2O への
変態が完全になされたことを確認した。図4に得られた
試料No.7のミクロ組織(200倍)を示すが、実施例
1の同一組成のものと同様の組織を呈しており、Cu2
O 相はCuとCuOの酸化反応により生成したCu2O
とCuOが分解して生成したCu2O からなってい
る。Cu2O 粒子は5%複数個の粒子が連なったものが
あり、他は20μm以下の粒子からなる。
の厚さに熱間圧延及び酸洗後、30μmの厚さまで冷間
圧延して塑性加工性を検討した。Cu相中にそれよりも
硬さの高いCu2O 相が分散しているために、純Cuに
比べて変形抵抗が大きくなり、圧延性が劣る傾向が認め
られた。組織観察の結果、Cu相,Cu2O 相及びその
境界にはクラック等の欠陥は認められず、本発明の銅複
合材料は、塑性加工性により薄板化が可能であることが
判明した。
の銅複合材料を放熱板として、半導体素子が樹脂封止さ
れる半導体装置に適用した実施例を述べる。
polar Transistor)などのパワー半導体素子を複数個搭
載し、樹脂封止した半導体装置への適用例を示す。図5
は本発明による半導体装置の断面構成図を示す。パワー
半導体素子11,12がはんだ接着層14を介してCu
製のリードフレームの電極板部13の一方の主面上に固
着され搭載される。電極板部13の他方の主面すなわち
上記部品が搭載された主面の裏面は、絶縁層2を介して
実施例1〜4に記載の本発明の係る全表面にNiめっき
されたCu−Cu2O 複合材からなる放熱板6に接着さ
れる。次いで、パワー半導体素子11,12は、アルミ
ニウムのワイヤボンデイング部15によりリード電極部
4,5と電気的に接続され、リード電極部4,5の一部
が端子として外部に導出され、主回路を構成する。さら
に主回路はエポキシ系樹脂からなる樹脂層1によって被
覆され構造体をなし、リード電極部4,5の端子部、並
びに放熱板6の裏面を露出する形で構造体全体がエポキ
シ系樹脂からなる樹脂層3により一体モールド封止され
る。
キシ系樹脂材料を用いたが、例えばポリフェニレン系樹
脂など熱可塑性樹脂であってもよい。また、樹脂層2に
は良好な熱伝導性を得るために、アルミナ,マグネシ
ア,シリカなどの無機材料フィラーが含まれることが望
ましい。
慮して、室温から300℃における熱膨張係数が14×
10-6〜17×10-6/℃の範囲となるように、Cu−
5〜20体積%Cu2O 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。
ついて、反りやモールド樹脂あるいは素子のクラックの
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/℃以下となるように、放熱
板のCu2O量を調節することで、問題がなく実装でき
ることがわかった。
て、IGBT素子を用いた半導体装置の例について示し
たが、例えばMOS系トランジスタ,ダイオードなど他
の種類の半導体素子であってもよい。さらに、これら複
数素子の組み合わせによる特定の回路、例えばインバー
タ用パワーモジュールなどであっても良い。また回路中
に抵抗やコンデンサなどの受動素子が含まれていても良
い。これら、電気素子または電子素子はプリント基板の
ような回路基板上に搭載されていても良い。
部に露出したタイプについて述べたが、放熱板内蔵型の
パッケージであっても良い。
導性を有するとともに高い塑性加工性を有することから
製造工程が短縮され多量生産が可能となる顕著な効果を
有する。
性を有するCu相と低熱膨張性のCu2O 相からなる混
合組織を有するために、両方の特性を兼ね備えている。
また、本発明の複合材料は、Cu及びCu2O 両者の含
有量を調整することにより、低熱膨張係数で高熱伝導率
を得ることができる。本発明の用途として、半導体装置
に搭載される放熱板として広い範囲にわたって適用が可
能である。
体装置分野以外に熱変形の抑制や熱放散が厳しく要求さ
れる精密機械,電子部品などへの適用が可能である。
5体積%Cu2O )焼結体のミクロ組織を示す光学顕微
鏡写真。
2O の鍛造材の鍛伸方向に平行な面のミクロ組織を示す
光学顕微鏡写真。
2O 焼結体のミクロ組織を示す光学顕微鏡写真。
5体積%Cu2O )焼結体のミクロ組織を示す光学顕微
鏡写真。
面構成図。
Claims (9)
- 【請求項1】金属と該金属よりも熱膨張係数が小さい無
機化合物粒子とを有し、前記化合物粒子は断面の面積率
が前記粒子の全体の50%以下が互いに連なった複雑形
状の塊となって分散していることを特徴とする複合材
料。 - 【請求項2】金属と該金属よりも熱膨張係数が小さい無
機化合物粒子とを有し、前記化合物粒子は互いに連なっ
た複雑形状の塊が100μm平方内に10個以下であ
り、残りの前記化合物粒子は単独で存在して分散してい
ることを特徴とする複合材料。 - 【請求項3】金属と該金属よりも熱膨張係数が小さい5
〜20体積%の無機化合物粒子とを有し、前記化合物粒
子はヴィッカース硬さが300以下であることを特徴と
する複合材料。 - 【請求項4】金属と該金属よりも熱膨張係数が小さい5
〜20体積%の無機化合物粒子とを有し、20℃から3
00℃における熱膨張係数が13×10-6〜17×10
-6/℃、熱伝導率が270〜375W/m・Kであり、
また導電率が60〜85%IACSであることを特徴と
する銅複合材料。 - 【請求項5】金属と該金属よりも熱膨張係数が小さい無
機化合物粒子とを有し、前記化合物粒子は10%以下が
互いに連なり塊となって分散しており、前記塊は塑性加
工によって伸ばされた方向に延びていることを特徴とす
る複合材料。 - 【請求項6】銅と酸化銅粒子とを有し、前記酸化銅粒子
は前記粒子の全体の10%以下が互いに連なった複雑形
状の塊となって分散していることを特徴とする複合材
料。 - 【請求項7】請求項1〜6のいずれかに記載の複合材料
よりなることを特徴とする半導体装置用放熱板。 - 【請求項8】請求項7において、表面にNi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。 - 【請求項9】半導体素子が搭載される電極板と、前記半
導体素子と電気的に接合されるリード電極と、前記半導
体素子、前記電極板及び前記リード電極が搭載される放
熱板と、前記電極板及び前記リード電極と前記放熱板と
の間に絶縁層を有する構造体を樹脂封止するとともに、
前記リード電極の一部及び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面が開放されている半導体装
置において、前記放熱板は、請求項7又は8に記載の放
熱板よりなることを特徴とする半導体装置。
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---|---|---|---|
JP12128499A JP3552587B2 (ja) | 1999-04-28 | 1999-04-28 | 複合材料及び半導体装置 |
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JP12128499A JP3552587B2 (ja) | 1999-04-28 | 1999-04-28 | 複合材料及び半導体装置 |
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JP2000311973A true JP2000311973A (ja) | 2000-11-07 |
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