JP2004063898A - Heat radiating material and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子やこの素子を用いた半導体モジュールなどの半導体装置から発生する熱を放熱する放熱材及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体回路(LSI)の高容量化、高速化に伴い、その回路が形成される半導体素子の発熱量はさらに増大する傾向にある。このため、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、放熱材を設け、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。
【0003】
Cu(銅)は、熱伝導率が393W/(m・K)と大きく、かつ低価格であるため、LSIの放熱材として一般に用いられている。一方、各種オン・オフ機能を持つ電力やエネルギーの変換、制御用の半導体素子は、発熱量が特に大きいことから、放熱材として、熱膨張率が、半導体素子の構成材料であるSi(シリコン)の熱膨張率に近い材料、例えばMo(モリブデン)やW(タングステン)が使われている。
【0004】
しかし、このCuは、熱伝導率が大きいものの、熱膨張係数が17×10−6/Kと大きいため、発熱量が多く熱膨張率が小さい半導体素子用の放熱材には熱歪み等の点から直接利用することができない。また、MoやWは、熱膨張率が小さいが、高価格で熱伝導性が低い欠点がある。このため、発熱量が多い半導体素子用の放熱材には、熱伝導率が大きく、かつ価格の安いCuがMo、Wと組み合わされて使用されている。このCu、Mo、Wを組合せて放熱材を生成する場合、高圧でかつ時間を要するプレス成形や熱処理研磨仕上げが必要であることから、製造工程が複雑になり、製造コストが高くなる。
【0005】
そこで、低価格で経済的に有利な銅製放熱材の熱膨張の問題を解決する放熱材として、良伝熱性の金属粉末(例えばCu粉末)と、この金属より低熱膨張率を有する無機材料(例えばCuO:酸化銅)の粉末とを混合して焼結し、これによって得られるCuとCu2Oの複合金属による放熱材が提案開発されている。この放熱材は、半導体装置等の発熱体から発生される熱を吸収する受熱層と、この受熱層と一体化され、受熱層からの熱を外部に放出する放熱層とを有して構成されている。
【0006】
この放熱材において、Cu2Oの割合を多くすると熱膨張率は低くなるが、熱伝導率及び強度も低くなるので、熱膨張率及び熱伝導率がほぼ中間的な単一酸化銅濃度複合材(例:酸化銅濃度が約50%)を使用する場合が多い。また、更なる半導体素子の発熱量増大に対し、上記提案開発中の放熱材の放熱性能を上げるため、放熱側に伝熱効率の良い連続フィンを設け、放熱材の放熱性能を向上させることが図られている。
【0007】
この連続フィンを設けた従来の放熱材の例を、図17及び図18に示す。図17に斜視図で示す放熱材51は、方形の薄板上に断面が三角の細長いフィン(連続フィン)52を複数平行に設けたものである。この放熱材51は、半導体装置の絶縁板21に接合されて用いられる。矢印20で示す半導体装置からの熱は、絶縁板21を介して放熱材51から放射される。この際、矢印23で示す空気などの冷却流体が、矢印22で示すように、連続フィン52を乗り越え、又は冷却流体23が多い場合は、連続フィン52の間に沿って流れることにより、半導体装置の熱で熱くなった放熱材51を冷却する。
【0008】
また、図18に断面図で示す放熱材51aは、方形の薄板上に円柱状のピン(ピン状フィン)52aを多数点在させて作製したものである。この放熱材51aも、半導体装置の絶縁板21に接合されて用いられ、矢印20で示す半導体装置からの熱を、矢印22aで示すように放射する。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の連続フィンを設けた放熱材51においては、熱膨張率が小さい半導体装置の絶縁板21との高温接合後、放熱材51と絶縁板21との熱膨張率の差による反りが発生し、放熱性が低下する。また、冷却流体23が連続フィン52間を通る際の圧損が大きいので、放熱材51の放熱性が低下するという問題がある。さらに、連続フィン52は、フライスや旋盤により加工されるが、この加工方法は、製造コストが高く、量産性が低いという問題がある。
【0010】
また、ピン状フィン52aは、連続フィン52に比べ圧損が小さく伝熱性能が良いなどの利点があるが、フライスや旋盤による製作はほとんど不可能であり、精密鋳造、プレスなどにより製作される為、製造コストが格段に高いという問題がある。
【0011】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、熱伝導性が高くて放熱性が良く、熱歪みが少なく、効率良く製造することができ、製造コストを低減させることができる放熱材及びその製造方法を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の放熱材は、金属粉末とこの金属粉末より低い熱膨張率を有する無機化合物粉末とを混合した焼結体であり、この焼結体に、発熱体から発生された熱を吸収する受熱層と、この受熱層と一体化され、前記受熱層から伝導されてくる熱を外部に放出する放熱層とを備えて成る放熱材において、前記放熱層の表面に、角錐又は円錐型の突起手段を前記放熱層と一体に複数設けたことを特徴としている。
【0013】
また、前記受熱層は、前記放熱層よりも前記無機化合物の濃度が高いことを特徴としている。
【0014】
また、前記焼結体は、銅、アルミニウム、銀、金又はこれらの合金から選択される金属粉末と、室温〜300℃における熱膨張率が5×10−6/K以下の酸化銅、酸化錫、酸化亜鉛、酸化鉛、酸化ニッケル、酸化アルミニウムの何れかによる無機化合物粉末の混合物を焼結して成ることを特徴としている。
【0015】
また、前記焼結体は、前記金属粉末に銅、前記無機化合物粉末に酸化第二銅を用い、前記受熱層の酸化第一銅の濃度が70%以下、前記放熱層の酸化第一銅の濃度が0%以上であることを特徴としている。
【0016】
また、前記受熱層の表面及び内部に、焼結温度より低い融点の低融点金属を、被覆及び含浸したことを特徴としている。
【0017】
また、前記突起手段の先端及び根本に湾曲面を形成したことを特徴としている。
【0018】
また、本発明の放熱材の製造方法は、発熱体に接合され、発熱体ら発生する熱を放熱する放熱材を製造する放熱材の製造方法において、金属粉末とこの金属粉末より低い熱膨張率を有する無機化合物粉末との混合粉末を、逆角錐又は逆円錐型に凹部が独立して複数設けられた金型に充填して焼結し、この焼結体の上面に、前記焼結の温度より低い融点の低融点金属粉末を載せて加圧しながら加熱し、この加熱後に冷却により固化された放熱材を取り出すことを特徴としている。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【0020】
(実施の形態)
図1は、本発明の実施の形態に係る放熱材の構成を示す断面図、図2は、その平面図である。
【0021】
この図1及び図2に示す放熱材1は、方形薄板形状の受熱層2及び放熱層3から成る本体の放熱層3の上面に、三角錐形のピン状フィン4を多数点在させて作製したものである。このピン状フィン4が設けられた面の裏面、即ち半導体装置又は半導体装置の絶縁板に接合される受熱層2の面は、平滑面となっている。また、図3の拡大断面図に示すように、ピン状フィン4の根本11と先端13にはアール12が設けられており、先端13は、僅かな平滑面となっている。更に、放熱層3及びピン状フィン4は、後述の製造方法で説明する無機材料低濃度複合材49から成り、受熱層2は、無機材料高濃度複合材から成り、受熱層2の表面部分には低融点金属47が被膜及び含浸されている。
【0022】
また、放熱材1は、金属と、この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、金属の中に無機化合物粒子が分散している。金属中に分散する無機化合物粒子は、直径が200μm以下で、好ましくは60μm以下とされている。これは、金属中に無機化合物粒子が分散することによって、はじめて低熱膨張性の放熱材が得られるためである。
【0023】
ここで、放熱材1は、例えば金属がCuの場合、無機化合物の1つであるCu2O(酸化第一銅)を0〜70体積%含むCu合金からなり、室温から300℃における熱膨張係数が7〜18×10−6/Kおよび熱伝導率が80〜390W/m・Kである。Cu2O量が0体積%以下では、熱膨張率が18×10−6/K以上となり、また、Cu2O量が70体積%以上では、熱伝導率が80W/m・K以下となるが、平均で見ると熱伝導率が230W/m・Kの低熱膨張性の放熱材1を得ることが可能となる。
【0024】
次に、放熱材1の製造方法を、図4〜図7を参照して説明する。
【0025】
放熱材1の原料粉末として、平均粒径10μmの電解Cu粉末と粒径50μm以下のCuO粉末とを用い、電解Cu粉とCuO粉末を下記表1の測定例1〜10に示す比率で調合した後、さらに粉バインダー31(図4参照)を0〜5重量%調合混入し、スチールボールを入れた乾式ボールミルで10時間混合する。これによって得られる混合粉末29を用いた。
【0026】
従って、この実施の形態では、放熱材1において、ピン状フィン4が設けられた放熱層3の無機材料低濃度複合材49が酸化第一銅低濃度銅複合材となり、受熱層2の無機材料高濃度複合材50が酸化第一銅高濃度銅複合材となっており、また、受熱層2の表面及び内部に低融点金属47が被覆及び含浸されている。
【0027】
図4に示すように、放熱材製造装置において、ダイ27と下パンチ15により構成された粉末充填部44に金型16を挿入し、この金型16に離型剤30を塗布した後、無機材料(酸化銅)低濃度混合粉末45及び無機材料(酸化銅)高濃度混合粉末46から成る混合粉末29を充填する。この充填後、粉末充填上面をスキーパですりきり、圧紛体41(図5参照)を生成するための粉末充填量を一定にする。そして、上パンチ26をプレス押し棒25で矢印24の示す方向に加圧し、所定の厚さまで圧紛する。
【0028】
次に、図5に示すように、プレス押し棒25を上昇させ、図4に示したダイサポート28を取りはずし、ダイ27面にガイド35をセットする。次いでプレス押し棒25を矢印33で示す方向に下降させ、ダイ27を金型16の低部が見える位置まで矢印34で示す方向に押し下げる。次にプレス押し棒25を上昇させ、ガイド35を取り外す。次に、上パンチ26を圧紛体41から取り上げ、次いで圧紛体41を金型16から取り外す。この工程における焼結温度はCuO含有量に応じて850〜1000℃の間で変化させ、焼結温度を3時間保持する。その後、焼結体を充分に冷却する。なお、放熱材1のCu2O濃度を、放熱層3で低く、受熱層2で高くする場合は、先ず、粒径の小さい電解Cu粉を金型16に一定量充填し、次いでCuO高濃度の混合粉を粉末充填部44迄一杯に充填し、その後すりきりし、加振によって、受熱層2側(上パンチ側)に混合粉末29のCuO濃度を高め、粉末成形する。
【0029】
また、低融点金属47を焼結体42の表面及び内部に、被覆及び含浸する場合は、圧粉体41を焼結した後、図6に示すように、粉末成形時と同様に金型16の中に焼結体42をセットする。次いで、低融点金属47の粉末を焼結体42上面に一定量充填し、加熱しながら、上パンチ26により矢印24で示す方向に加圧し、低融点金属47を、焼結体42の表面及び内部に、被覆及び含浸する。
【0030】
次に、図7に示すように、プレス押し棒25を上昇させ、ダイ27面にガイド35をセットし、矢印43で示すように加熱しながら、プレス押し棒25を矢印33で示す方向に下降させ、ダイ27を金型16の低部が見える位置まで矢印34で示す方向に押し下げる。これによって、無機材料高濃度複合材50に低融点金属層36が形成される。
【0031】
【表1】
ここで、上記表1に、単体複合材の室温〜300℃の温度範囲でTMA(Thermal Mechanical Analysis)装置を用いて測定した銅複合材の熱膨張率及びレーザーフラッシュ法により求めた熱伝導率の参考データを示す。また、本実施の形態の放熱材1は、実際には連続的にCu2O(無機材料)濃度が変化するので境界は見られないが、放熱材1のCu2O(無機材料)量が少ない箇所の無機材料低濃度複合材49と、多い箇所の無機材料高濃度複合材50との境界を概略的に破線で示した。
【0032】
このように作製された図8に示す放熱材1を、図9に示すように、空冷式冷却材として半導体装置の絶縁板21に取り付けた場合、放熱層3に多数のピン状フィン4が設けられているので、平滑面に比べ、放熱伝熱面積は増大する。さらに図8に示したように、冷部流体40の流れ22がピン状フィン4により撹拌されるので、図17に示した従来の連続フィン52を設けた放熱材51に比べ、伝熱性能(放熱)は増大する。
【0033】
この他、図10に示すように、放熱材1において、ピン状フィン4のフィンピッチ8を小さくた放熱材1aや、図11に示すように、形状の異なるピン状フィン4,4aを、千鳥状に交互に配置した放熱材1bも、上記製造方法により容易に作製することができ、冷却流体40の種類及び冷却方法に合わせて製作することが可能である。なお、図11に示したピン状フィン頂角5は、フィン両側面の傾向線の交点での角度とし、通常、円柱フィンと考えられる場合のフィン頂角5は、ほぼ0度近くになる。
【0034】
従来の問題点で指摘した通り、ピン状フィン4は、フライスや旋盤などによる機械加工は困難であり、プレス或いは精密鋳造などにより製造される。この際、ピン状フィンの製造コストは大幅に増大する。従って、製造コストを下げるためには、本実施の形態のように粉末成形し、焼結によりピン状フィン4を製作するのが望ましい。ピン状フィン4は、連続フィン52に比べ根元から先端になるほどフィン横断面の減歩率が大きく、フィンの金型16による拘束力は小さくなり、ピン状フィン4は連続フィン52より、粉末成形後の金型16からの離型はし易い。
【0035】
しかし、ピン状フィン4は、連続フィン52より、根元11から先端13になるほどフィン横断面の減少率が大きくなるので、逆にフィン強度は小さくなると考えられる。その結果、粉末成形後の金型16からの離型時に連続フィン52が根元11から剥離するのに対し、ピン状フィン4はフィンの欠けが生じやすいと考えられる。その為、フィン先端13にアール12を設けフィン先端の脱落を防止した。又、フィン根元11にアール12を設け粉末成形離型時のフィン剥離を防止した。さらに混合粉末29充填前に金型16に離型剤30を塗布し、金型16と圧紛体41との接着度を軽減し、圧紛体41の金型16からの離型時のフィンに対する金型16の拘束力を小さくした。即ち、図12の混合粉末29充填前の塗布処理に応じた引き抜き力(MPa)の比較図に示すように、圧紛体41の金型19への接着力は離型剤30が塗布されない場合に比べ、連続フィン52の場合、約30%に低減した。
【0036】
また、金型16として、図13に示すように、下パンチ15に取り付けられたダイ27に嵌合される孔付き金型16にコネクテングロッド17を一体化することにより、金型16セットの時間短縮或いは確実性の向上を図ることが可能となる。このような金型16においては、図1に示したフィン高さ6が低く、フィン頂角5(図11参照)が大きいピン状フィン4を容易に得ることができる。なお、比較のため図14に従来の金型18を示す。従来の金型18は、孔付き下パンチ19にダイ27が取り付けられている。
【0037】
しかし、フィン高さ6がさらに高くなり、フイン頂角5が小さいシャープなピン状フィン4になると、圧紛体41を孔付き金型16から取り出す時、連続フィン52の場合と同様、フィン4が孔付き金型16に拘束され、フィン4とフィン底肉部39が分離、あるいは孔付き金型16によりフィン4が損傷し、シャープなピン状フィン4を取り出すのは困難になる。その為、混合粉末29に粉バインダーを添加し、ピン状フィン4の強度を向上させることにより、フィン頂角5が0〜45度及び、フィン高さ6と底肉厚7(図1参照)の比が1〜6であるシャープな高伝熱性能のピン状フィン4を得ることができる。
【0038】
なお、粉バインダーの濃度は、0.5〜4%で、ピン状フィン4のフィン強度は増大し、シャープなピン状フィンを形成することができるが、粉バインダーの濃度が高くなると、焼結体42のボイドが多くなり、繊密度低下、腐食促進などの欠陥が生ずる。しかし、本実施の形態では、放熱材1の表面及び内部に、低融点金属47が、焼結時の粉バインダー欠落後のボイドに含浸及び被覆されるので、流体40からの防食及び熱伝導性の低下が防止できる。
【0039】
また、流体40の流れが連続フィン52より円滑に流れる。さらにフィン先端13及び根元11にアール12が設けられている為、流体40の澱みなどによる流体側の熱抵抗増加あるいは腐食などが回避できる。
【0040】
更に、上記の他の実施の形態として、高さの異なる金型16を交互に幅方向に並列に配列し、図15に示すように、放熱フィンをフィン高さ6の異なるピンフィン4a及びピンフィン4bからなる放熱材1cとし、流体40の圧損をさらに軽減しながら、流体40の流れをさらに複雑に変化させ、撹拌効果を高め、放熱性能の更なる向上を図ることも可能である。また、図16に示すように、上記製造方法により、ピン状フィン4の周りに冷却器との取り付け面37を設けた放熱材1dを作製してもよい。但し、取り付け面37は平滑にし、取り付け穴38を設ける。
【0041】
上記の放熱材1,1a,1b,1c,1dは、金属としてCu以外に電気伝導性の高いAu、Ag、Alも使用可能である。また、無機化合物として室温〜300℃の温度範囲における熱膨張係数が5×10−6/K以下の酸化錫、酸化亜鉛、酸化鉛、酸化ニッケル、酸化アルミニウム(Al2O3)等も使用可能である。
【0042】
以上説明した実施の形態の放熱材によれば、受熱層2に金属と無機材料からなる低熱膨張性金属複合材、放熱層3にピン状フィン4を金型16で形成することによって次の▲1▼〜▲6▼に記載するような効果が得られる。
【0043】
▲1▼受熱層2が低熱膨張率、放熱層3がピン状フィン4により伝熱効率が高くなる為、高熱伝導性の放熱材1を提供することができる。
【0044】
▲2▼放熱材1の放熱側3にピンフィン4を千鳥状に設けることにより、流体40の流れが良くなり、放熱材1の放熱性能を向上させることができる。
【0045】
▲3▼受熱層2の表面及び内部に、低融点金属(錫あるいは鉛、ビスマス)47が被覆及び含浸されていることにより、放熱材1の密度を向上させ、熱伝導性及び耐腐食性を向上させることができる。
【0046】
▲4▼フィンが粉末成形時に生成される為、焼結後のフィン成形機械加工の省路が可能となり、大幅な製造コストの低減を図ることができる。
【0047】
▲5▼受熱層2を低熱膨張率、放熱層3を高熱伝導性のピン状フィン4にすることにより、はんだ等を利用した半導体用絶縁材20との接合後の放熱材1の反りの減少を図ることができる。この理由は、絶縁板21の接合面である受熱層2は熱膨張率が低く、対向側の放熱層3は熱膨張率が高いので、絶縁板21と接合面には直接熱が伝わるが、この接合面の受熱層2では熱の伝導速度は遅い。また、受熱層2から伝達されてきた熱は、放熱層3は速く伝導される。このことから、放熱材における接合面側と放熱側との温度差が小さくなる。また、接合面側が放熱側よりも熱膨張率が低いので、双方の側では熱膨張量の差が小さくなる。この結果、放熱材の反りは軽減する。
【0048】
▲6▼ピンフィン成形時、種々の孔付き金型16により、種々のピンフィン形状の放熱材1を容易に生成することができる。
【0049】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、金属粉末とこの金属粉末より低い熱膨張率を有する無機化合物粉末とを混合した焼結体であり、この焼結体に、発熱体から発生された熱を吸収する受熱層と、この受熱層と一体化され、受熱層から伝導されてくる熱を外部に放出する放熱層とを備えて成る放熱材において、放熱層の表面に、角錐又は円錐型の突起手段を放熱層と一体に複数設けた。また、受熱層の無機化合物の濃度を、放熱層よりも高くしたので、発熱体の接合面である受熱層は熱膨張率が低く、対向側の放熱層は熱膨張率が高くなり、これによって熱膨張量の差を小さくすることができるので、放熱材の反りを軽減させることができる。また、熱伝導率の高い突起手段により放熱効果が向上する。また、突起手段は放熱層の形成時に同時に形成されるので、効率良く製造することができ、製造コストを低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態に係る放熱材の構成を示す断面図である。
【図2】上記実施の形態に係る放熱材の構成を示す平面図である。
【図3】上記実施の形態に係る放熱材のピン状フィン部位の拡大図である。
【図4】上記実施の形態に係る放熱材の製造装置による放熱材製造方法を説明するための第1の図である。
【図5】上記実施の形態に係る放熱材の製造装置による放熱材製造方法を説明するための第2の図である。
【図6】上記実施の形態に係る放熱材の製造装置による放熱材製造方法を説明するための第3の図である。
【図7】上記実施の形態に係る放熱材の製造装置による放熱材製造方法を説明するための第4の図である。
【図8】上記実施の形態に係る放熱材の斜視図である。
【図9】上記実施の形態に係る放熱材に半導体装置の絶縁板を接合した際の断面図である。
【図10】他の実施の形態に係る放熱材であり、ピン状フィンのピッチを狭めた構造を示す断面図である。
【図11】他の実施の形態に係る放熱材であり、ピン状フィンの先端形状を異なる2種類とした構造を示す断面図である。
【図12】上記実施の形態に係る放熱材の製造方法において、混合粉末充填前の塗布処理に応じた引き抜き力の比較を示す図である。
【図13】上記実施の形態に係る放熱材を作製するための金型の構成を示す断面図である。
【図14】従来の放熱材を作製するための金型の構成を示す断面図である。
【図15】他の実施の形態に係る放熱材であり、ピン状フィンのフィン高さを異ならせた構造を示す断面図である。
【図16】他の実施の形態に係る放熱材であり、ピン状フィンの周りに冷却器との取り付け面を設けた構造を示す断面図である。
【図17】従来の連続フィンを設けた放熱材の構成を示す斜視図である。
【図18】従来のピン状フィンを設けた放熱材の構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
1 本発明の放熱材
2 受熱層
3 放熱層
4 ピン状フィン
5 フィン頂角
6 フィン高さ
7 フィン底肉厚
8 フィンピッチ
9 ワーク幅 10 ワーク長さ
11 フィン底部
12 アール
13 フィン先端
14 本発明の金型
15 下パンチ
16 孔板(金型)
17 コネクテングロット
18 従来の金型
19 孔付き下パンチ
20 熱の流れ
21 半導体(絶縁板)
22 流体の流れ方向
23 流体の流れ
24 プレス方向
25 プレス押し棒
26 上パンチ
27 ダイ
28 ダイサポート
29 混合粉
30 離型剤
32 プレスベース
33 押し出し方向
34 ダイ進行方向
35 ガイド
36 低融点金属層
37 冷却器取り付け面
38 取り付け穴
39 フィン底肉部
40 冷却流体
41 圧紛体
42 焼結体
43 ヒータ加熱方向
44 粉末充填部
45 無機材料(酸化銅)低濃度混合粉末
46 無機材料(酸化銅)高濃度混合粉末
47 低融点金属
48 無機材料(酸化銅)
49 無機材料低濃度複合材(酸化第一銅低濃度銅複合材)
50 無機材料高濃度複合材(酸化第一銅高濃度銅複合材)
51 従来の放熱材
52 連続フィン[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a heat dissipating material that dissipates heat generated from a semiconductor device such as a semiconductor element and a semiconductor module using the element, and a method of manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
As the capacity and speed of a semiconductor circuit (LSI) increase, the amount of heat generated by a semiconductor element on which the circuit is formed tends to further increase. For this reason, in order to prevent deterioration of the characteristics of the semiconductor element due to heat generation and shortening of the service life, it is necessary to provide a heat radiating material to suppress a temperature rise in the semiconductor element and its vicinity.
[0003]
Since Cu (copper) has a large thermal conductivity of 393 W / (m · K) and is inexpensive, it is generally used as a heat dissipation material for LSIs. On the other hand, a semiconductor element for converting and controlling electric power and energy having various on / off functions generates a particularly large amount of heat, and therefore, as a heat dissipating material, has a thermal expansion coefficient of Si (silicon) which is a constituent material of the semiconductor element. For example, a material having a coefficient of thermal expansion close to that of Mo (molybdenum) or W (tungsten) is used.
[0004]
However, although this Cu has a large thermal conductivity, it has a large thermal expansion coefficient of 17 × 10 −6 / K. Therefore, a heat-dissipating material for a semiconductor element having a large calorific value and a small thermal expansion coefficient has a problem such as thermal distortion. Not available directly from. In addition, Mo and W have a low coefficient of thermal expansion, but have disadvantages of high cost and low thermal conductivity. For this reason, Cu, which has a large thermal conductivity and is inexpensive, is used in combination with Mo and W as a heat radiating material for a semiconductor element that generates a large amount of heat. When a heat radiating material is generated by combining Cu, Mo, and W, press forming and heat treatment polishing that require high pressure and time are required, so that the manufacturing process is complicated and the manufacturing cost is increased.
[0005]
Therefore, as a heat dissipating material that solves the problem of thermal expansion of a copper heat dissipating material that is economically advantageous at low cost, a metal powder having good thermal conductivity (for example, Cu powder) and an inorganic material having a lower coefficient of thermal expansion than this metal (for example, A heat radiator made of a composite metal of Cu and Cu 2 O obtained by mixing and sintering a powder of CuO (copper oxide) has been proposed and developed. The heat dissipating material includes a heat receiving layer that absorbs heat generated from a heating element such as a semiconductor device, and a heat dissipating layer that is integrated with the heat receiving layer and that emits heat from the heat receiving layer to the outside. ing.
[0006]
In this heat dissipating material, when the proportion of Cu 2 O is increased, the coefficient of thermal expansion is reduced, but the thermal conductivity and strength are also reduced. (Eg, copper oxide concentration of about 50%) is often used. In order to further increase the heat dissipation of the semiconductor element, in order to improve the heat dissipation performance of the heat dissipation material under development proposed above, continuous fins with good heat transfer efficiency are provided on the heat dissipation side to improve the heat dissipation performance of the heat dissipation material. Have been.
[0007]
FIGS. 17 and 18 show examples of conventional heat dissipating materials provided with the continuous fins. The
[0008]
The heat dissipating material 51a shown in the cross-sectional view of FIG. 18 is formed by arranging a large number of cylindrical pins (pin-shaped fins) 52a on a rectangular thin plate. The heat dissipating material 51a is also used by being joined to the
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the
[0010]
Further, the pin-shaped fins 52a have advantages such as a small pressure loss and a good heat transfer performance as compared with the
[0011]
The present invention has been made in view of the above points, and has a high heat conductivity, good heat dissipation, little heat distortion, can be manufactured efficiently, and can reduce the manufacturing cost. It is an object of the present invention to provide a manufacturing method thereof.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the heat radiating material of the present invention is a sintered body obtained by mixing a metal powder and an inorganic compound powder having a lower coefficient of thermal expansion than the metal powder. A heat-receiving layer that absorbs generated heat, and a heat-dissipating material that includes a heat-dissipating layer that is integrated with the heat-receiving layer and that emits heat conducted from the heat-receiving layer to the outside; And a plurality of pyramidal or conical projections are provided integrally with the heat dissipation layer.
[0013]
Further, the heat receiving layer is characterized in that the concentration of the inorganic compound is higher than that of the heat radiation layer.
[0014]
Further, the sintered body is made of a metal powder selected from copper, aluminum, silver, gold or an alloy thereof, and copper oxide or tin oxide having a coefficient of thermal expansion at room temperature to 300 ° C. of 5 × 10 −6 / K or less. , And a mixture of inorganic compound powders of any of zinc oxide, lead oxide, nickel oxide, and aluminum oxide.
[0015]
Further, the sintered body uses copper as the metal powder and cupric oxide as the inorganic compound powder, and the concentration of cuprous oxide in the heat receiving layer is 70% or less, and the concentration of cuprous oxide in the heat radiation layer is less than 70%. It is characterized in that the concentration is 0% or more.
[0016]
Further, the invention is characterized in that the surface and the inside of the heat receiving layer are coated and impregnated with a low melting point metal having a melting point lower than a sintering temperature.
[0017]
Further, a curved surface is formed at a tip and a root of the projection means.
[0018]
In addition, the method for manufacturing a heat radiating material of the present invention is a method for manufacturing a heat radiating material that is joined to a heating element and radiates heat generated from the heating element, wherein the metal powder has a lower coefficient of thermal expansion than the metal powder. The mixed powder with the inorganic compound powder having the following formula is filled into a mold provided with a plurality of inverted pyramids or inverted cone-shaped concave parts independently and sintered, and the upper surface of the sintered body is subjected to the sintering temperature. The method is characterized in that a low melting point metal powder having a lower melting point is placed and heated while being pressed, and after this heating, a heat radiation material solidified by cooling is taken out.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0020]
(Embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a heat dissipating material according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a plan view thereof.
[0021]
The
[0022]
The
[0023]
Here, for example, when the metal is Cu, the
[0024]
Next, a method for manufacturing the
[0025]
As raw material powder of the
[0026]
Therefore, in this embodiment, in the
[0027]
As shown in FIG. 4, in the heat radiating material manufacturing apparatus, the
[0028]
Next, as shown in FIG. 5, the
[0029]
When the low-
[0030]
Next, as shown in FIG. 7, the
[0031]
[Table 1]
Here, in Table 1 above, the thermal expansion coefficient of the copper composite material measured using a TMA (Thermal Mechanical Analysis) device in the temperature range of room temperature to 300 ° C. of the simple composite material and the thermal conductivity obtained by the laser flash method are shown. Reference data is shown. Further, in the
[0032]
When the
[0033]
In addition, as shown in FIG. 10, in the
[0034]
As pointed out by the conventional problems, the pin-shaped
[0035]
However, the pin-shaped
[0036]
As shown in FIG. 13, as shown in FIG. 13, the connecting
[0037]
However, when the fin height 6 is further increased and the fin apex angle 5 is reduced to a sharp pin-shaped
[0038]
The concentration of the powder binder is 0.5 to 4%, and the fin strength of the pin-shaped
[0039]
Further, the flow of the fluid 40 flows more smoothly than the
[0040]
Further, as another embodiment described above, the
[0041]
For the above-described
[0042]
According to the heat dissipating material of the embodiment described above, the
[0043]
{Circle around (1)} Since the
[0044]
(2) By providing the
[0045]
{Circle over (3)} The low-melting point metal (tin, lead, bismuth) 47 is coated and impregnated on the surface and inside of the
[0046]
{Circle around (4)} Since the fins are generated during the powder molding, the fin molding machining after sintering can be omitted, and the production cost can be greatly reduced.
[0047]
{Circle around (5)} By forming the
[0048]
{Circle around (6)} When forming the pin fins, the
[0049]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is a sintered body in which a metal powder and an inorganic compound powder having a lower coefficient of thermal expansion than the metal powder are mixed, and the sintered body is generated from a heating element. In a heat dissipating material comprising a heat receiving layer that absorbs heat and a heat dissipating layer that is integrated with the heat receiving layer and emits heat conducted from the heat receiving layer to the outside, a pyramid or cone type heat sink is provided on the surface of the heat dissipating layer. Are provided integrally with the heat radiation layer. In addition, since the concentration of the inorganic compound in the heat-receiving layer is higher than that of the heat-radiating layer, the heat-receiving layer, which is the bonding surface of the heating element, has a low coefficient of thermal expansion, and the heat-radiating layer on the opposite side has a high coefficient of thermal expansion. Since the difference in the amount of thermal expansion can be reduced, the warpage of the heat radiating material can be reduced. Further, the heat radiation effect is improved by the projection means having a high thermal conductivity. Further, since the projection means is formed simultaneously with the formation of the heat radiation layer, it can be manufactured efficiently, and the manufacturing cost can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a heat radiating material according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a plan view showing a configuration of a heat radiating material according to the embodiment.
FIG. 3 is an enlarged view of a pin-like fin portion of the heat radiating material according to the embodiment.
FIG. 4 is a first diagram for explaining a heat radiating material manufacturing method using the heat radiating material manufacturing apparatus according to the embodiment.
FIG. 5 is a second diagram for explaining a heat radiating material manufacturing method by the heat radiating material manufacturing apparatus according to the embodiment.
FIG. 6 is a third diagram illustrating a method of manufacturing a heat radiating material by the heat radiating material manufacturing apparatus according to the embodiment.
FIG. 7 is a fourth diagram illustrating a method of manufacturing a heat radiating material by the heat radiating material manufacturing apparatus according to the embodiment.
FIG. 8 is a perspective view of a heat radiating material according to the embodiment.
FIG. 9 is a cross-sectional view when the insulating plate of the semiconductor device is joined to the heat radiating material according to the embodiment.
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a heat radiating material according to another embodiment and showing a structure in which the pitch of pin-shaped fins is narrowed.
FIG. 11 is a cross-sectional view showing a heat dissipating material according to another embodiment, and showing a structure in which two different tip end shapes of pin-shaped fins are used.
FIG. 12 is a diagram showing a comparison of a drawing force according to a coating process before filling a mixed powder in the method of manufacturing a heat dissipation material according to the embodiment.
FIG. 13 is a cross-sectional view showing a configuration of a mold for producing the heat dissipation material according to the embodiment.
FIG. 14 is a cross-sectional view showing a configuration of a mold for producing a conventional heat dissipation material.
FIG. 15 is a cross-sectional view showing a heat dissipating material according to another embodiment, showing a structure in which pin-shaped fins have different fin heights.
FIG. 16 is a cross-sectional view showing a heat dissipating material according to another embodiment, showing a structure in which a mounting surface for a cooler is provided around pin-shaped fins.
FIG. 17 is a perspective view showing a configuration of a heat dissipating material provided with a conventional continuous fin.
FIG. 18 is a perspective view showing a configuration of a heat dissipating member provided with a conventional pin-shaped fin.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
17
22
49 Inorganic low-concentration composite material (cuprous oxide low-concentration copper composite material)
50 High-concentration composite material of inorganic material (high-concentration copper-copper composite material)
51
Claims (7)
前記放熱層の表面に、角錐又は円錐型の突起手段を前記放熱層と一体に複数設けた
ことを特徴とする放熱材。A sintered body obtained by mixing a metal powder and an inorganic compound powder having a lower coefficient of thermal expansion than the metal powder, wherein the sintered body has a heat receiving layer that absorbs heat generated from the heating element, and a heat receiving layer. A heat dissipating material comprising: a heat dissipating layer integrated to release heat conducted from the heat receiving layer to the outside;
A heat dissipating material, wherein a plurality of pyramidal or conical projections are provided integrally with the heat dissipating layer on the surface of the heat dissipating layer.
ことを特徴とする請求項1に記載の放熱材。The heat dissipation material according to claim 1, wherein the heat receiving layer has a higher concentration of the inorganic compound than the heat dissipation layer.
ことを特徴とする請求項1に記載の放熱材。The sintered body includes a metal powder selected from copper, aluminum, silver, gold, or an alloy thereof, and copper oxide, tin oxide, or oxide having a thermal expansion coefficient of 5 × 10 −6 / K or less at room temperature to 300 ° C. The heat radiating material according to claim 1, wherein a mixture of inorganic compound powders of any of zinc, lead oxide, nickel oxide, and aluminum oxide is sintered.
ことを特徴とする請求項1に記載の放熱材。The sintered body uses copper as the metal powder and copper oxide as the inorganic compound powder, and the concentration of cuprous oxide in the heat receiving layer is 70% or less, and the concentration of cuprous oxide in the heat radiation layer is 0%. The heat radiating material according to claim 1, wherein:
ことを特徴とする請求項1に記載の放熱材。The heat radiating material according to claim 1, wherein a low melting point metal having a melting point lower than a sintering temperature is coated and impregnated on the surface and inside of the heat receiving layer.
ことを特徴とする請求項1に記載の放熱材。The heat radiating material according to claim 1, wherein a curved surface is formed at a tip and a root of the projection means.
金属粉末とこの金属粉末より低い熱膨張率を有する無機化合物粉末との混合粉末を、逆角錐又は逆円錐型に凹部が独立して複数設けられた金型に充填して焼結し、この焼結体の上面に、前記焼結の温度より低い融点の低融点金属粉末を載せて加圧しながら加熱し、この加熱後に冷却により固化された放熱材を取り出す
ことを特徴とする放熱材の製造方法。In a method of manufacturing a heat radiating material that is joined to a heating element and radiates heat generated from the heating element,
A mixed powder of a metal powder and an inorganic compound powder having a lower coefficient of thermal expansion than the metal powder is filled in a mold having a plurality of inverted pyramids or inverted cone-shaped recesses independently provided, and sintered. A method for manufacturing a heat dissipating material, comprising: placing a low melting point metal powder having a melting point lower than the sintering temperature on the upper surface of the sintered body; .
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