JP2004128451A - 低膨張材料の製造方法及び低膨張材料を用いた半導体装置 - Google Patents

低膨張材料の製造方法及び低膨張材料を用いた半導体装置 Download PDF

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Abstract

【課題】この発明は、優れた熱伝導率を有しながらも熱膨張係数の小さな低膨張材料を容易に且つ低コストで得ることができる低膨張材料の製造方法を提供することを課題とする。
【解決手段】金型の内部に未焼結のＳｉＣ粉体を充填し、この金型にＡｌあるいはＳｉを含有するＡｌ合金の溶湯を注入して高圧鋳造する。ＳｉＣ粉末及び鋳造時に析出したＳｉの存在により熱膨張係数の小さな低膨張材料が製造される。ＳｉＣ粉体の間に溶浸したＡｌによって伝熱経路が形成され、高い熱伝導率が得られる。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、低膨張材料の製造方法に係り、特に優れた熱伝導率を有しながらも熱膨張係数の小さな材料を製造する方法に関する。
また、この発明は、このような低膨張材料からなる基板を用いた半導体装置にも関している。
【０００２】
【従来の技術】
従来の半導体装置の構成を図９に示す。Ａｌから形成された基板１の表面上に絶縁層２及び配線層３を順次形成することによりＡｌ回路基板Ａが形成されている。そして、配線層３の上にはんだ４を介して半導体素子５が接合されている。
基板１は熱伝導率の優れたＡｌから形成されているため、半導体素子５で発生した熱は配線層３及び絶縁層２を経て基板１へ伝わった後、この基板１から効率よく外部へ放散される。
【０００３】
ところが、半導体素子５に使用されているＳｉ等の半導体材料と基板１を形成するＡｌとでは、互いの熱膨張係数が大きく異なり、このため温度変化に対してＡｌ回路基板Ａと半導体素子５との間に熱応力が発生することが知られている。熱応力が大きくなると、半導体素子５に反りが発生したり、半導体素子５を接合するはんだ４に亀裂を生じる虞がある。
そこで、例えば自動車等、温度差が激しい環境で使用される半導体装置にあっては、半導体素子５とＡｌ回路基板Ａとの間にヒートスプレッダ等の応力緩和材を組み付けることにより熱応力の緩和を図ることが行われている。
【０００４】
しかしながら、このような応力緩和材の組み付けは、半導体装置の部品点数を増加して複雑化するだけでなく、半導体装置全体の熱抵抗が増加するという問題を引き起こしてしまう。
また、例えば特許文献１には、ＳｉＣ多孔体中にＡｌまたはＡｌ合金を含浸させて低熱膨張の複合材料を製造し、この複合材料からなる基板を用いることにより半導体装置内の熱応力を緩和することが提案されている。ところが、多孔体を形成するためには、ＳｉＣ粉体をバインダーと共に成形して焼結し、その後ＳｉＣ多孔体中に溶融したＡｌまたはＡｌ合金を溶浸させる必要があり、製造工程が複雑化すると共に製造コストが高くなるという問題がある。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−１８１０６６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
この発明はこのような問題点を解消するためになされたもので、優れた熱伝導率を有しながらも熱膨張係数の小さな低膨張材料を容易に且つ低コストで得ることができる低膨張材料の製造方法を提供することを目的とする。
また、この発明は、このような低膨張材料を用いて熱応力を緩和した半導体装置を提供することも目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る低膨張材料の製造方法は、金型内に未焼結のＳｉＣ粉体を充填し、その金型内でＡｌあるいはＳｉ含有Ａｌ合金の溶湯を鋳造する方法である。未焼結のＳｉＣ粉体が充填された金型内でＡｌ材の溶湯を鋳造するだけで、低い熱膨張係数と優れた熱伝導率を有する低膨張材料が容易に製造される。
金型内のＳｉＣ粉体の体積率、溶湯のＳｉ含有率及び溶湯温度を選択することにより１２×１０−６／Ｋ以下の熱膨張係数及び２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する低膨張材料を製造することができる。
なお、溶湯温度を、使用するＡｌあるいはＳｉ含有Ａｌ合金の融点より５０度以上高い温度とすることが好ましい。また、好ましくは、互いに粒径の異なる少なくとも２種以上のＳｉＣ粉体が金型内に最密充填される。
【０００８】
また、この発明に係る第１の半導体装置は、上記の方法により製造された低膨張材料から形成された基板と、基板の上に搭載された半導体素子とを備えたものである。基板が低い熱膨張係数と優れた熱伝導率を有するため、応力緩和材を用いなくても半導体装置内の熱応力が緩和されると共に半導体素子からの放熱が効率よくなされる。
なお、基板の表面上に絶縁層及び配線層を順次形成し、半導体素子を配線層の上にはんだを介して接合することができる。
【０００９】
この発明に係る第２の半導体装置は、回路基板と、上記の方法により製造された低膨張材料から形成され且つ回路基板の上に接合されたヒートスプレッダと、ヒートスプレッダの上に搭載された半導体素子とを備えたものである。ヒートスプレッダが低い熱膨張係数と優れた熱伝導率を有するため、回路基板と半導体素子との間に発生する熱応力が緩和されると共に半導体素子からの放熱が効率よくなされる。
なお、回路基板として金属基板の表面上に絶縁層及び配線層が順次形成された構造のものを用い、ヒートスプレッダを配線層の上にはんだを介して接合し、半導体素子をヒートスプレッダの上にはんだを介して接合することができる。
【００１０】
この発明に係る第３の半導体装置は、回路基板と、回路基板の上に搭載された半導体素子と、上記の方法により製造された低膨張材料から形成され且つ回路基板の下に接合された放熱板とを備えたものである。放熱板が低い熱膨張係数と優れた熱伝導率を有するため、回路基板と放熱板との間に発生する熱応力が緩和されると共に半導体素子からの放熱が効率よくなされる。
なお、回路基板としてセラミックスからなる基板の両面にそれぞれＡｌ配線層が形成された構造のものを用い、放熱板を一方のＡｌ配線層の表面上にはんだを介して接合し、半導体素子を他方のＡｌ配線層の表面上にはんだを介して接合することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
実施の形態１に係る低膨張材料の製造方法においては、まず、金型の内部に未焼結のＳｉＣ粉体が充填される。このとき、互いに粒径の異なる少なくとも２種以上のＳｉＣ粉体を用いて金型内に最密充填すると、金型内におけるＳｉＣ粉体の体積率が高くなる。ここで、純Ａｌ（Ａ１０５０）の熱膨張係数２５．０×１０−６／Ｋに対してＳｉＣの熱膨張係数は４．５×１０−６／Ｋであるので、ＳｉＣ粉体の体積率を高めることによって、より小さな熱膨張係数を有する低膨張材料を製造することが可能となる。
【００１２】
このようにＳｉＣ粉体が充填された金型にＡｌあるいはＳｉを含有するＡｌ合金の溶湯を注入して高圧鋳造することにより、低膨張材料が製造される。ＳｉＣ粉体の間にＡｌが溶浸するため、このＡｌによって伝熱経路が形成され、高い熱伝導率が得られる。
ＳｉＣ粉体を焼結することなく金型内に充填してＡｌあるいはＳｉ含有Ａｌ合金の鋳造を行うため、製造工程が簡略化するだけでなく、併せて製造コストの低減もなされることとなる。
【００１３】
実施例１
平均粒径１００μｍのＳｉＣ粉体と平均粒径８μｍのＳｉＣ粉体とを７：３の割合で混合して金型内に充填すると、ＳｉＣ粉体の体積率は７０％となる。この状態で、以下の表１に示されるサンプルＳ１〜Ｓ４のように、Ａｌ材として互いにＳｉ含有率が異なる４種類の材料を使用し、それぞれの金型予熱温度／溶湯温度（以下、金型／溶湯温度とする）により金型内にＡｌ材の溶湯を注入して高圧鋳造することにより低膨張材料を製造した。なお、金型の予熱は鋳造時の熱効率を高めるためのものである。
【００１４】
【表１】
Figure 2004128451
【００１５】
すなわち、サンプルＳ１では純Ａｌ（Ａ１０５０）を用いて７００／８００℃の金型／溶湯温度で鋳造し、サンプルＳ２ではＳｉ含有率７ｗｔ％のＡｌ合金（ＡＣ４Ｃ）を用いて７００／７００℃の金型／溶湯温度で鋳造し、サンプルＳ３ではＳｉ含有率１７ｗｔ％のＡｌ合金（ＡＤＣ１４）を用いて８００／８００℃の金型／溶湯温度で鋳造し、サンプルＳ４ではＳｉ含有率２３ｗｔ％のＡｌ合金（ＡＣ９Ａ）を用いて９５０／９５０℃の金型／溶湯温度で鋳造した。なお、サンプルＳ４は、金型予熱温度及び溶湯温度を高温としてＡｌとＳｉＣとの間の反応を促進させ、低い熱膨張係数を有するＳｉを析出させようとしたものである。
【００１６】
ここで、サンプルＳ１で製造された低膨張材料の顕微鏡写真を図１に示す。大きなＳｉＣ粉体の周りに小さなＳｉＣ粉体が存在し、これらＳｉＣ粉体の間にＡｌが溶浸している様子が示されている。このサンプルＳ１の低膨張材料の物性を測定したところ、熱膨張係数は８．０７×１０−６／Ｋ、熱伝導率は２６１Ｗ／ｍ・Ｋであった。純Ａｌ（Ａ１０５０）の熱膨張係数２５．００×１０−６／Ｋ及び熱伝導率２３４Ｗ／ｍ・Ｋと比較すると、サンプルＳ１で製造された低膨張材料は純Ａｌと同程度の優れた熱伝導率を維持しつつ熱膨張係数を大幅に低下したものであることが分かる。
【００１７】
同様に、サンプルＳ４で製造された低膨張材料の顕微鏡写真を図２に示す。大きなＳｉＣ粉体の周りに小さなＳｉＣ粉体が存在すると共に析出したＳｉの存在が認められる。このサンプルＳ４の低膨張材料の物性を測定したところ、熱膨張係数は６．２６×１０−６／Ｋ、熱伝導率は２０４Ｗ／ｍ・Ｋであった。Ｓｉは２．６×１０−６／Ｋと低い値の熱膨張係数を有するため、鋳造時に析出したＳｉの存在により、極めて低い熱膨張係数を有する低膨張材料を実現することができた。
【００１８】
また、サンプルＳ２及びＳ３で製造された低膨張材料についても、その物性を測定したところ、表１に示すように低い熱膨張係数と優れた熱伝導率を有していた。
サンプルＳ１〜Ｓ４の低膨張材料について、Ａｌ材のＳｉ含有率に対する熱膨張係数の値をグラフに表すと、図３のようになった。Ａｌ材のＳｉ含有率が増加するほど、製造される低膨張材料の熱膨張係数は低下し、Ａｌ材のＳｉ含有率と金型／溶湯温度を調整することにより熱膨張係数を約６×１０−６／Ｋ〜８×１０−６／Ｋの間で変更することができた。
【００１９】
図４にＡｌ−Ｓｉの平衡状態図を示す。Ａｌ材におけるＡｌとＳｉの組成比が共晶組成を超える値となる場合には、ＳｉＣから析出したＳｉが溶湯内に入るためにＡｌ材の融点が上昇する。そこで、このＳｉの析出による融点の上昇を考慮して、溶湯温度はＡｌ材の融点より例えば５０度以上高い温度とすることが好ましい。
【００２０】
実施例２
以下の表２に示されるサンプルＳ５〜Ｓ８のように、平均粒径１００μｍのＳｉＣ粉体と平均粒径８μｍのＳｉＣ粉体を混合体積比がそれぞれ７：３、３：７、９：１、１０：０となるように混合して金型に充填した後、純Ａｌ（Ａ１０５０）の溶湯を金型内に注入して高圧鋳造することにより低膨張材料を製造した。なお、金型／溶湯温度はサンプルＳ５〜Ｓ８のいずれにおいても７００／８００℃とした。
【００２１】
【表２】
Figure 2004128451
【００２２】
サンプルＳ５〜Ｓ８で製造された低膨張材料のそれぞれについて、その物性を測定したところ、表２に示すように低い熱膨張係数と優れた熱伝導率を有していた。
また、表２に示されるように、ＳｉＣ粉体の混合体積比に応じて、金型内のＳｉＣ粉体の体積率が変化した。ここで、サンプルＳ５〜Ｓ８の低膨張材料について、ＳｉＣ粉体の体積率に対する熱膨張係数の値をグラフに表すと、図５のようになった。ＳｉＣ粉体の体積率が増加するほど、製造される低膨張材料の熱膨張係数は低下し、ＳｉＣ粉体の混合体積比を調整することにより熱膨張係数を約８×１０−６／Ｋ〜１２×１０−６／Ｋの間で変更することができた。
【００２３】
上記の実施例１及び２に例示したように、金型内のＳｉＣ粉体の体積率、溶湯のＳｉ含有率すなわち溶湯の種類、及び溶湯温度を選択することにより、熱膨張係数４．５×１０−６／ＫのＳｉＣと熱膨張係数２５．０×１０−６／ＫのＡｌと熱膨張係数２．６×１０−６／Ｋの析出するＳｉとを組み合わせて、使用目的に適応した所望の熱膨張係数、例えば６×１０−６／Ｋ〜１２×１０−６／Ｋの熱膨張係数と２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率とを有する低膨張材料の製造が可能となる。
【００２４】
なお、この実施の形態１で製造される低膨張材料の熱膨張係数は、金型内のＳｉＣ粉体の体積率、溶湯のＳｉ含有率及び溶湯温度に依存し、鋳造方法には関わらない。従って、上記の高圧鋳造の他、ダイカスト法、酸素雰囲気ダイカスト法（ＰＦ法）、減圧鋳造法等の各種の方法を用いることができる。
【００２５】
実施の形態２．
図６にこの発明の実施の形態２に係る半導体装置の構成を示す。上述した実施の形態１の方法により、例えば６×１０−６／Ｋ〜１２×１０−６／Ｋの熱膨張係数及び２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する低膨張材料からなる基板６を形成する。この基板６の表面上に絶縁層２及び配線層３を順次形成することによりＡｌ／ＳｉＣ回路基板Ｂが形成されている。そして、配線層３の上にはんだ４を介して半導体素子５が接合されている。
【００２６】
半導体素子５としては各種の素子があるが、例えばチップ抵抗は７×１０−６／Ｋ程度の、チップコンデンサは１０×１０−６／Ｋ程度の、Ｓｉ半導体回路チップは２．６×１０−６／Ｋ程度の熱膨張係数をそれぞれ有している。そこで、搭載される半導体素子５の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有する基板６を製造し、この基板６により形成されたＡｌ／ＳｉＣ回路基板Ｂの上に半導体素子５を搭載する。これにより、半導体素子５とＡｌ／ＳｉＣ回路基板Ｂとの間にヒートスプレッダ等の応力緩和材を組み付けなくても、温度変化に対してＡｌ／ＳｉＣ回路基板Ｂと半導体素子５との間に大きな熱応力が発生することを防止することができる。従って、自動車等の温度差が激しい環境で用いても、半導体素子５に反りが発生したり、はんだ４に亀裂が生じる虞がなく、信頼性の高い半導体装置が実現される。また、ヒートスプレッダを用いないため、部品点数が減少し、半導体装置構造が簡素となり、組み付け工数やコスト低減といった効果ももたらされる。
【００２７】
また、基板６は純Ａｌと同程度の高い熱伝導率を有しているので、放熱性の優れた半導体装置となる。特に、ヒートスプレッダ等の応力緩和材が不要となるので、半導体装置全体の熱抵抗の減少が可能となる。
【００２８】
図７に実施の形態２の変形例に係る半導体装置の構成を示す。この半導体装置は、実施の形態１の方法により低い熱膨張係数と優れた熱伝導率を有する低膨張材料からなるヒートスプレッダ７を製造し、図９に示した基板１、絶縁層２及び配線層３からなるＡｌ回路基板Ａの上に低温はんだ８を介してヒートスプレッダ７を接合し、さらにヒートスプレッダ７の上に高温はんだ９を介して半導体素子５を接合したものである。ヒートスプレッダ７の存在により、半導体素子５からの放熱性が向上すると共にＡｌ回路基板Ａと半導体素子５との間に発生する熱応力が緩和される。
【００２９】
図８に実施の形態２の他の変形例に係る半導体装置の構成を示す。この半導体装置は、実施の形態１の方法により低い熱膨張係数と優れた熱伝導率を有する低膨張材料からなる放熱板１０を製造し、セラミックス回路基板Ｃの下面にはんだ１１を介して放熱板１０を接合すると共にセラミックス回路基板Ｃの上面にはんだ４を介して半導体素子５を接合したものである。なお、セラミックス回路基板Ｃは、ＡｌＮ、アルミナ等のセラミックスからなる基板１２の両面にそれぞれＡｌ配線層１３及び１４が形成された構造を有している。
【００３０】
セラミックス回路基板Ｃの熱膨張係数は５×１０−６／Ｋ程度であるので、金型内のＳｉＣ粉体の体積率、溶湯のＳｉ含有率及び溶湯温度を選択することにより、この値に近い熱膨張係数を有する放熱板１０を製造してセラミックス回路基板Ｃに接合すれば、半導体素子５からの放熱性が向上すると共にセラミックス回路基板Ｃと放熱板１０との間に大きな熱応力が発生することを防止することができる。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、未焼結のＳｉＣ粉体を充填した金型内でＡｌあるいはＳｉ含有Ａｌ合金の溶湯を鋳造するので、優れた熱伝導率を有しながらも熱膨張係数の小さな低膨張材料を容易に且つ低コストで製造することができる。
また、この発明に係る半導体装置は、上記の低膨張材料から形成された基板、ヒートスプレッダあるいは放熱板を有するため、半導体装置内で発生する熱応力が緩和されると共に半導体装置からの放熱性に優れ、信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１における実施例１で製造された低膨張材料の顕微鏡写真である。
【図２】実施の形態１における実施例１で製造された他の低膨張材料の顕微鏡写真である。
【図３】実施例１におけるＡｌ材のＳｉ含有率に対する低膨張材料の熱膨張係数の関係を示すグラフである。
【図４】Ａｌ−Ｓｉの平衡状態図である。
【図５】実施例２におけるＳｉＣ粉体の体積率に対する低膨張材料の熱膨張係数の関係を示すグラフである。
【図６】この発明の実施の形態２に係る半導体装置の構成を示す断面図である。
【図７】実施の形態２の変形例に係る半導体装置の構成を示す断面図である。
【図８】実施の形態２の他の変形例に係る半導体装置の構成を示す断面図である。
【図９】従来の半導体装置の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
２　絶縁層、３　配線層、４，１１　はんだ、５　半導体素子、６，１２　基板、７　ヒートスプレッダ、８　低温はんだ、９　高温はんだ、１０　放熱板、１３，１４　Ａｌ配線層、Ａ　Ａｌ回路基板、Ｂ　Ａｌ／ＳｉＣ回路基板、Ｃ　セラミックス回路基板。

Claims (10)

  1. 金型内に未焼結のＳｉＣ粉体を充填し、
    その金型内でＡｌあるいはＳｉ含有Ａｌ合金の溶湯を鋳造する
    ことを特徴とする低膨張材料の製造方法。
  2. 金型内のＳｉＣ粉体の体積率、溶湯のＳｉ含有率及び溶湯温度を選択することにより１２×１０−６／Ｋ以下の熱膨張係数及び２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する低膨張材料を製造する請求項１に記載の低膨張材料の製造方法。
  3. 溶湯温度を、使用するＡｌあるいはＳｉ含有Ａｌ合金の融点より５０度以上高い温度とする請求項２に記載の低膨張材料の製造方法。
  4. 互いに粒径の異なる少なくとも２種以上のＳｉＣ粉体を金型内に最密充填する請求項１〜３のいずれか一項に記載の低膨張材料の製造方法。
  5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の製造方法により製造された低膨張材料から形成された基板と、
    前記基板の上に搭載された半導体素子と
    を備えたことを特徴とする半導体装置。
  6. 前記基板の表面上に絶縁層及び配線層が順次形成され、前記半導体素子は前記配線層の上にはんだを介して接合されている請求項５に記載の半導体装置。
  7. 回路基板と、
    請求項１〜４のいずれか一項に記載の製造方法により製造された低膨張材料から形成され且つ前記回路基板の上に接合されたヒートスプレッダと、
    前記ヒートスプレッダの上に搭載された半導体素子と
    を備えたことを特徴とする半導体装置。
  8. 前記回路基板は金属基板の表面上に絶縁層及び配線層が順次形成された構造を有し、前記ヒートスプレッダは前記配線層の上にはんだを介して接合され、前記半導体素子は前記ヒートスプレッダの上にはんだを介して接合されている請求項７に記載の半導体装置。
  9. 回路基板と、
    前記回路基板の上に搭載された半導体素子と、
    請求項１〜４のいずれか一項に記載の製造方法により製造された低膨張材料から形成され且つ前記回路基板の下に接合された放熱板と
    を備えたことを特徴とする半導体装置。
  10. 前記回路基板はセラミックスからなる基板の両面にそれぞれＡｌ配線層が形成された構造を有し、前記放熱板は一方のＡｌ配線層の表面上にはんだを介して接合され、前記半導体素子は他方のＡｌ配線層の表面上にはんだを介して接合されている請求項９に記載の半導体装置。
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