JP2007109700A - ウィスカー形成放熱体及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な工程で得られ、放熱性が高くかさばらないウィスカー形成放熱体及びその製造方法を提供する。
【解決手段】金属基体の表面にウィスカーを形成し、ウィスカー形成部分の表面積は基体のみの表面積に対して５〜１０００倍であるウィスカー形成放熱体である。半導体パッケージに用いる。ウィスカー形成部位の放射率が０．７以上である。
【選択図】なし

Description

本発明は、ウィスカー形成放熱体及びその製造方法に係り、更に詳細には、小型でも放熱性に優れるウィスカー形成放熱体及びその製造方法に関する。

近年、半導体技術の進歩による超微細化に伴い、急速に高集積化が進んでおり、電子部品の小型化への要求が高まっている。
しかし、部品の発熱量が増える一方で、機器の小型化による放熱が困難となっている。

このため、半導体部品の放熱効率の向上が必要とされている。
例えば、図１に示すように、アルミなどの放熱フィン（ヒートシンク５）をパッケージに取り付けることが提案されている（例えば、特許文献１参照。）
また、基体やパッケージに高熱伝導性セラミックスを使用したり、封止用樹脂に高熱伝導電性セラミックスを分散させることが提案されている（例えば特許文献２参照。）
更に、金属パッケージ表面に酸化膜やセラミックス被膜を形成することが提案されている（例えば、特許文献３参照。）
特開平９−３２１１９２号公報 特開２００４−３６３３０９号公報 特許第３１５７５４１号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、金属なので熱伝導は充分に高いが、表面積が小さいので放熱量には上限がある。また、半導体チップのサイズが小さくなるほど放熱量が小さくなる。更に、部品全体がかさばる、重くなる。

また、特許文献２に記載の技術では、製造工程が複雑である。また、セラミックスの粒子化、分散などを行うため高コストである。更に、半導体パッケージを水溶液に浸さなければならないので、腐食などの不安がある。更にまた、特許文献１の技術と同様に表面積に上限があり、パッケージのサイズが小さくなるほど放熱量が小さくなる。

更に、特許文献３に記載の技術では、放熱効果はあるが、放熱部の表面積がパッケージの表面積と同じで放熱に限界がある。また、ヒートシンクの放熱で非常に高い放熱効果が得られるが、半導体チップに対して非常に大きくかさばるものを別の工程で作製し、取り付けなければならない。

このような背景から、本発明者らは、放熱効率を向上させるには、（１）放射率の高い材料を表面に出すこと、（２）熱伝導率の高い材料を使用すること、（３）大気に触れる部分の表面積を増やすこと、（４）熱対流を妨げない表面構造にすること、を満たせばよいことを知見した。

本発明は、このような従来技術の有する課題及び新たな知見に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、簡単な工程で得られ、放熱性が高くかさばらないウィスカー形成放熱体及びその製造方法を提供することにある。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、放射率の高いウィスカーを表面に形成させることにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明のウィスカー形成放熱体は、金属基体の表面の一部又は全部にウィスカーを形成したウィスカー形成放熱体であって、
ウィスカー形成部分の表面積は、当該基体のみの表面積に対して５〜１０００倍であることを特徴とする。
また、本発明のウィスカー形成放熱体の好適形態は、上記ウィスカーは、金属基体に含まれる元素を主成分とすることを特徴とする。

また、本発明のウィスカー形成放熱体の好適形態は、上記金属基体の表面に、上記ウィスカーの主成分である元素を含む層が形成されていることを特徴とする。
更に、本発明のウィスカー形成放熱体の好適形態は、上記ウィスカーが酸化物で構成されていることを特徴とする。

更に、本発明のウィスカー形成放熱体の他の好適形態は、半導体パッケージに用いたことを特徴とする。

更にまた、本発明のウィスカー形成放熱体の製造方法は、上記ウィスカー形成放熱体を製造するに当たり、金属基体乃至その前駆体を、微量酸素の存在中で加熱処理し、酸化物を含むウィスカーを形成させることを特徴とする。

本発明によれば、放射率の高いウィスカーを表面に形成させることとし、簡単な工程で得られ、その表面積の大きさから放熱性が高くかさばらないウィスカー形成放熱体及びその製造方法を提供することができる。

以下、本発明のウィスカー形成放熱体について説明する。なお、本明細書において、「％」は特記しない限り、質量百分率を表わすものとする。

上述の如く、本発明のウィスカー形成放熱体は、金属基体の表面の一部又は全部にウィスカーを形成して成る。
また、ウィスカー形成部分の表面積は、当該基体のみ（ウィスカー形成前）の表面積に対して５〜１０００倍とする。

具体的には、図２に示すように、球状頭部の直径が２０ｎｍ、幹部の直径が１０ｎｍ、長さが１０μｍであるウィスカーが、５０ｎｍ間隔で形成されているときは、表面積が約１３０倍に増大する。

このように、金属基体の表面積が著しく増大するので、放熱体の放熱効率が向上する。また、金属基体の表面に微細なウィスカーを形成した構成であるため、製造が容易であるとともに小型化が実現できる。
ウィスカー形成部分の表面積が、当該基体のみの表面積に対して５〜１０００倍とすることで十分な表面積を得られることで放熱性が向上し、また適度なウィスカー形成部の密生度となって断熱層として機能しないだけの放熱性も得られるものである。

なお、ウィスカーは、一般には、幹部の先端に球状頭部を有する構成や、幹部のみの構成をとるが、その他にも枝分かれ状、モール状、毛玉状などの構成をとる場合がある。
また、ウィスカーが形成されることによって金属基体本来の用途や他の製作工程が阻害されなければ、基本的に金属基体の表面の任意の部位にウィスカーを形成することができる。
更に、金属基体の形状は、特に限定されるものではなく、発熱部位に合わせた形状で利用することができる。例えば、図３に示すように、素子の支持基板やリードフレームなどを金属基体３として利用できウィスカー６を形成することができる。

ここで、上記ウィスカーは、金属基体に含まれる金属元素またはその酸化物を主成分とすることが好適である。更に、酸化物ウィスカーは、幹部の表面が酸化物で構成されていることが好ましい。
このときは、ウィスカーが金属基体から連続的に形成されるので、放熱効率が良好となりうる。また、ウィスカー形成成分が金属基材の表面部の構成材料と同じであるので、ウィスカー形成放熱体全体としての表面組成がほぼ均一となり、金属基体とウィスカーの密着強度が高められ、耐久性も向上しうる。
なお、本明細書において「主成分」とは、５０〜１００％程度含まれることを言う。

上記金属基体に含まれる元素としては、例えば、シリコン（Ｓｉ）、マンガン（Ｍｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）、インジウム（Ｉｎ）、銀（Ａｇ）、ガリウム（Ｇａ）、錫（Ｓｎ）、銅（Ｃｕ）、スカンジウム（Ｓｃ）又はゲルマニウム（Ｇｅ）、亜鉛（Ｚｎ）及びこれらの任意の組合わせに係るものを挙げることができる。
これらは蒸気圧の高い金属であり、これらが蒸発し、金属基体の表面に析出する際にウィスカーが形成されうる。また、析出時の雰囲気に酸素が存在することにより、酸化物ウィスカーとなりうる。
また、特に、絶縁性が要求される場合には、ＳｉＯｘやＡｌＯｘなど絶縁性の高い材料でウィスカーを形成することが望ましい。

更に、上記金属基体の表面に、上記ウィスカーの主成分である元素を含むウィスカー形成層を配設することが好適である。
この場合は、金属基体にウィスカー形成成分が含まれないときであっても、表面に上記元素を含む層を形成することによりウィスカーを形成できる。また、熱伝導性の高い材料で形成した金属基体と、放熱性に優れた材料で形成したウィスカーとを組み合わせた放熱体が得られる。更に、ウィスカー形成成分が金属基材の表面部の構成材料と同じであるので、ウィスカー形成放熱体全体としての表面組成がほぼ均一となり、金属基体とウィスカーの密着強度が高められ、耐久性も向上しうる。

本発明のウィスカー形成放熱体において、ウィスカーの寸法は、上述した所定の表面積が得られれば特に限定されないが、代表的には、太さが１０〜１００００ｎｍ、長さが０．１〜１０００μｍのように微細なものとなる。

また、本発明のウィスカー形成放熱体は、半導体パッケージに使用することが好ましい。
この場合には、ヒートシンクなどの放熱部品を用いなくても、放熱効果の高い小型の半導体パッケージが得られる。

例えば、図４に示すように、半導体パッケージ内の封止樹脂１に、耐熱性の高い金属基体３（リードフレームなど）の表面にウィスカー６を形成した放熱体を埋設することができる。
このときは、半導体パッケージ全体の放熱効率が向上しうる。また、従来から使用されているセラミックス混合樹脂に対して、セラミックス粉末を形成・混合する工程が不要となりうる。また、ウィスカーの方向がそろっているのでより効率よく熱伝導できる。

更に、本発明のウィスカー形成放熱体において、酸化物ウィスカーが形成される場合にはウィスカー形成部位の放射率が０．７以上であることが好適である。
このような放射率と大きな表面積により、熱放射に優れた放熱体となりうる。

次に、本発明のウィスカー形成放熱体の製造方法について説明する。
本発明のウィスカー形成放熱体の製造方法は、上述のウィスカー形成放熱体を製造するに当たり、金属基体乃至その前駆体を減圧下もしくは不活性ガス雰囲気中で加熱処理し、ウィスカーを形成させて、当該ウィスカー形成放熱体を得る。または、金属基体乃至その前駆体を微量酸素の存在中で加熱処理し、酸化物ウィスカーを形成させて、当該ウィスカー形成放熱体を得る。
なお、「金属基体乃至その前駆体」と記載したのは、金属基体が加熱処理によって組成変化する場合を考慮したものである。

これにより、ヒートシンクなどの放熱部品を作製する工程や取り付ける工程を行うことなく、表面積の大きい放熱体が得られる。

ここで、上記微量酸素とは、ウィスカー原料となる元素及びその含有率によって異なるが、代表的には１〜１０００ｐｐｍの酸素量を言う。また、上記加熱処理は、代表的には８００〜１１００℃の範囲で行うことができる。

図５に、本製造方法の工程フローを示す。上図（製法１）は金属基体３の表面全部から直接ＡｌＯｘウィスカー６を形成する場合であり、下図（製法２）は金属基体３の表面の一部にＡｌＯｘウィスカー６を形成する場合である。

また、本発明のウィスカー形成放熱体の製造方法においては、金属基体乃至その前駆体の表面に、酸化物ウィスカーの主成分である元素を含むウィスカー形成層を配設し、該ウィスカー形成層の表面に酸化物ウィスカーを形成することが好適である。
このときは、上記金属基体がウィスカー形成材料を含まない場合であっても、表面に当該元素を含むウィスカー形成層を配設することで任意の部位にウィスカーを形成できる。よって、半導体チップとパッケージする金属種を制限することなく放熱体が得られる。
なお、ウィスカー形成材料を含まない金属基体としては、例えば鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）などが挙げられる。

図６に、本製造方法の工程フローを示す。上図（製法３）はウィスカー形成成分を含まない金属基体３の表面全部にウィスカー形成層１０を配設してウィスカー６を形成する場合であり、下図（製法４）はウィスカー形成成分を含まない金属基体３の表面の一部にウィスカー形成層１０を配設してウィスカー６を形成する場合である。

上記酸化物ウィスカーの主成分である元素としては、例えば、シリコン、マンガン、アルミニウム、クロム、インジウム、銀、ガリウム、錫、銅、スカンジウム、亜鉛又はゲルマニウム、及びこれらの任意の組合わせに係るものを挙げることができる。

更に、本発明のウィスカー形成放熱体の製造方法は、代表的には、金属基体乃至その前駆体を、アルゴン（Ａｒ）などの不活性ガス雰囲気中で、該金属基体乃至その前駆体の融点より低い温度で加熱処理をして、該基体の表面上にウィスカーを形成できる。
このように、不活性ガス雰囲気中で、金属基体が融解しない温度で加熱処理するといった簡易な方法により所望のウィスカーを形成できるので、例えばＣＶＤのように外部からウィスカー形成材料を供給することを必要とせずに製造できる。

また、不活性ガス導入量は、反応炉や原料基体のサイズや形状などに応じて決定されることになるが、例えば、反応炉容量が３Ｌの場合には、不活性ガスを毎分０．１〜５Ｌ程度供給することが望ましい。
この場合には、該金属基体乃至その前駆体から成長した幹部を有するウィスカー、又は該金属基体乃至その前駆体から成長した幹部とその先端に位置する頭部を有するウィスカーを得ることができる。

以下、本発明をいくつかの実施例により詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
ＦＣＨＷ２合金（３％Ａｌを含むＦｅ−Ｃｒ系合金）を金属基体として使用した。
この金属基体を半導体チップのサイズにあわせて成型した後、Ａｒ流量１ＬＭフロー中で１０００℃に１時間加熱し、長さ１０μｍ、太さ１０ｎｍのウィスカーが形成された放熱体を得た。
図７に、得られたウィスカー形成放熱体のウィスカー部分のＳＥＭ写真を示す。

（実施例２）
Ｎｉを金属基体として使用し、上面にＳｉ膜をＣＶＤ法（原料：ＳｉＨ４ガス）により成膜した。
この金属基体を半導体チップのサイズにあわせて成型した後、Ａｒ流量１ＬＭフロー中で１０００℃に１時間加熱し、長さ５０μｍ、太さ２０ｎｍのウィスカーが形成された放熱体を得た。
図８に、得られたウィスカー形成放熱体のウィスカー部分のＳＥＭ写真を示す。

（実施例３）
ニッケルを金属基体として使用し、スパッタ法（ＤＣマグネトロンスパッタ）により、ＮｉとＭｎを２元系ＤＣ（Ｎｉ １４５Ｗ、Ｍｎ ９５Ｗ）、スパッタ圧０．６Ｐａ（Ａｒ）で成膜した。
この金属基体を半導体チップのサイズにあわせて成型した後、Ａｒ流量０．５ＬＭフロー中で８００℃に１時間加熱し、長さ１０μｍ、太さ１００ｎｍのウィスカーが形成された放熱体を得た。
図９に、得られたウィスカー形成放熱体のウィスカー部分のＳＥＭ写真を示す。

（比較例１）
半導体チップのサイズに成型した金属アルミニウム平板を放熱体として用意した。

（評価測定）
（１）放射率の測定
放射温度計（日本電子社製、フーリエ赤外分光光度計（赤外放射測定ユニット付））を用いて、各例で得た放熱体の表面の放射率を測定した。
実施例１で得た放熱体の放射率は、０．７１であった。
実施例２で得た放熱体の放射率は、０．８であった。
実施例３で得た放熱体の放射率は、０．８７であった。
比較例１で得た放熱体の放射率は、０．０５であった。

（２）表面積の測定
実施例１で得た放熱体は、５０ｎｍ間隔でウィスカーが形成されており、見かけ１ｃｍ２あたり１２７ｃｍ２の表面積であった。
実施例２で得た放熱体は、１００ｎｍ間隔でウィスカーが形成されており、見かけ１ｃｍ２あたり３１８ｃｍ２の表面積であった。
実施例３で得た放熱体は、５００ｎｍ間隔でウィスカーが形成されており、見かけ１ｃｍ２あたり１３ｃｍ２の表面積であった。
比較例１で得た放熱体は、半導体チップとほぼ同じ２ｃｍ２の表面積であった。

以上の結果と、熱放射量（放熱効率）は表面材料の放射率、表面積のそれぞれに比例することから、比較例１の放熱体に対して実施例１〜３の放熱体は、計算上は９０〜６０００倍の熱放出量を実現すると考えられる。
なお、一般に、金属の放射率は０．０５〜０．１、酸化物やガラスファイバーなどの放射率は０．７〜０．９５であり、これらを用いた放熱体よりも本発明のウィスカー形成放熱体は優れた熱放熱量を実現すると考えられる。

ヒートシンクを有する従来の放熱体の一例を示す概略図である。 ウィスカー形成による表面積の増大を示す概略図である。 本発明のウィスカー形成放熱体の一実施形態を示す断面概略図である。 本発明のウィスカー形成放熱体の他の実施形態を示す断面概略図である。 ウィスカー形成放熱体の製造方法の一例を示すフローチャートである。 ウィスカー形成放熱体の製造方法の他の例をフローチャートである。実施例３のウィスカー形成放熱体のＳＥＭ写真である。 実施例１のウィスカー形成放熱体のＳＥＭ写真である。 実施例２のウィスカー形成放熱体のＳＥＭ写真である。 実施例３のウィスカー形成放熱体のＳＥＭ写真である。

符号の説明

１ 封止樹脂
２ ボンディング・ワイヤー
３ 金属基体
４ 絶縁シート
５ ヒートシンク
６ ウィスカー
１０ ウィスカー形成層

Claims (9)

1. 金属基体の表面の一部又は全部にウィスカーを形成したウィスカー形成放熱体であって、
   ウィスカー形成部分の表面積は、当該基体のみの表面積に対して５〜１０００倍であることを特徴とするウィスカー形成放熱体。
2. 上記ウィスカーは、金属基体に含まれる元素を主成分とすることを特徴とする請求項１に記載のウィスカー形成放熱体。
3. 上記金属基体の表面に、上記ウィスカーの主成分である元素を含むウィスカー形成層を配設したことを特徴とする請求項１又は２に記載のウィスカー形成放熱体。
4. 上記ウィスカーが酸化物で構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載のウィスカー形成放熱体。
5. 半導体パッケージに用いたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載のウィスカー形成放熱体。
6. 上記金属基体が、シリコン、マンガン、アルミニウム、クロム、インジウム、銀、ガリウム、錫、銅、スカンジウム及びゲルマニウムから成る群より選ばれた少なくとも１種の元素を含有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載のウィスカー形成放熱体。
7. ウィスカー形成部位の放射率が０．７以上であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つの項に記載のウィスカー形成放熱体。
8. 請求項１〜７のいずれか１つの項に記載のウィスカー形成放熱体を製造するに当たり、
   金属基体乃至その前駆体を微量酸素の存在中で加熱処理し、酸化物ウィスカーを形成させることを特徴とするウィスカー形成放熱体の製造方法。
9. 金属基体乃至その前駆体の表面に、酸化物ウィスカーの主成分である元素を含むウィスカー形成層を配設し、該ウィスカー形成層の表面に酸化物ウィスカーを形成することを特徴とする請求項８に記載のウィスカー形成放熱体の製造方法。

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