JP2018182088A - Heat dissipating substrate, heat dissipating substrate electrode, semiconductor package, and semiconductor module - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a heat dissipating substrate in which a decrease in the thermal conductivity in the thickness direction is small after a heat cycle test.SOLUTION: A heat dissipating substrate includes a plate-like core substrate made of Mo and having a through hole penetrating therethrough in the thickness direction, an insert made of Cu and filled in the through hole, a joining layer made of Ni and continuously or intermittently formed between the inner wall surface of the through hole and the insert, and a heat conductive layer made of Cu and formed on the front and rear surfaces of the core substrate.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、半導体デバイスの動作時に発生する熱を放出するために用いられる放熱基板
及び放熱基板電極、並びに放熱基板あるいは放熱基板電極を備えた半導体パッケージ及び半導体モジュールに関する。
The present invention relates to a heat dissipation substrate and a heat dissipation substrate electrode used to release heat generated during operation of a semiconductor device, and a semiconductor package and a semiconductor module provided with a heat dissipation substrate or a heat dissipation substrate electrode.

半導体モジュールは、LSI、電波通信・光通信用半導体、パワー半導体、レーザ、LED、センサ等、様々な分野で広く用いられている。   Semiconductor modules are widely used in various fields such as LSIs, semiconductors for radio wave communication and optical communication, power semiconductors, lasers, LEDs, and sensors.

半導体デバイスを搭載した半導体モジュールは、情報処理やエネルギー変換を行う高度な精密機器であり、様々な材料で構成されている。また、半導体デバイスの動作により生じる熱を半導体モジュールの外部に放出するために放熱基板が用いられる。   A semiconductor module on which a semiconductor device is mounted is an advanced precision device that performs information processing and energy conversion, and is made of various materials. Further, a heat dissipation substrate is used to release the heat generated by the operation of the semiconductor device to the outside of the semiconductor module.

半導体モジュールの高性能化に伴い、該半導体モジュールに実装される半導体デバイスはSi半導体から、Siよりもバンドギャップの大きいGaN半導体やSiC半導体に移行しつつある。また、従来の半導体デバイスの最高動作温度は125℃であったが、近年では半導体デバイスの最高動作温度が150℃、175℃、225℃と徐々に高くなっており、最高温度250℃で動作する半導体デバイスも実用化され始めている。   With the advancement of performance of semiconductor modules, semiconductor devices mounted on the semiconductor modules are shifting from Si semiconductors to GaN semiconductors or SiC semiconductors having a larger band gap than Si. In addition, the maximum operating temperature of the conventional semiconductor device was 125 ° C, but in recent years the maximum operating temperature of the semiconductor device has gradually increased to 150 ° C, 175 ° C, 225 ° C, and operates at the maximum temperature 250 ° C. Semiconductor devices are also beginning to be put to practical use.

半導体モジュールに実装する等の都合により放熱基板の大きさが制限されるため、発熱した半導体モジュールを放熱基板のみで完全に冷却することは難しい。そのため、半導体モジュールに実装された放熱基板に冷却器(フィン、冷却板、ラジュエター、ペルチェー素子等)を取り付け、半導体デバイスの熱を冷却器に伝達する構成の冷却システムが用いられている。こうした冷却システムは簡素で経済的であることから広く用いられている。一方、半導体デバイスと放熱基板の間、放熱基板と冷却器の間で熱による歪みの問題を生じさせないために半導体モジュールと放熱基板の線膨張係数を整合させることが重要である。また、半導体デバイスの熱を効率よく冷却器に伝達するためには、当然、放熱基板の熱伝導率が高いことも求められる。   Since the size of the heat dissipation substrate is limited due to the convenience of mounting on a semiconductor module, etc., it is difficult to completely cool the heat-generating semiconductor module with only the heat dissipation substrate. Therefore, a cooling system configured to attach a cooler (a fin, a cooling plate, a radiator, a Perch device or the like) to a heat dissipation substrate mounted on a semiconductor module and transfer the heat of the semiconductor device to the cooler is used. Such cooling systems are widely used because they are simple and economical. On the other hand, it is important to match the linear expansion coefficients of the semiconductor module and the heat dissipation substrate in order to prevent the problem of distortion due to heat between the semiconductor device and the heat dissipation substrate and between the heat dissipation substrate and the cooler. Also, in order to efficiently transfer the heat of the semiconductor device to the cooler, it is naturally also required that the thermal conductivity of the heat dissipation substrate be high.

半導体モジュールには、用途や求められる性能に応じて様々な大きさや構造のものが存在する。従来、放熱基板の線膨張係数は、セラミックの線膨張係数に近い6.5ppm/Kが好ましいとされてきたが、この制限の下で高い熱伝導率の放熱基板を得ることは困難であることから、近年、半導体パッケージ(PKG)や半導体モジュールの技術開発では10ppm/K程度まで許容されている。   Semiconductor modules exist in various sizes and structures depending on applications and required performance. Conventionally, the linear expansion coefficient of the heat dissipation substrate has been preferably 6.5 ppm / K, which is close to the linear expansion coefficient of ceramic, but it is difficult to obtain a heat dissipation substrate with high thermal conductivity under this limitation. In recent years, in the technological development of semiconductor packages (PKGs) and semiconductor modules, up to about 10 ppm / K is permitted.

このような状況から、室温(RT)から800℃における線膨張係数の最大値が10ppm/K以下であり、また表面に平行な面内(X-Y面内)と厚さ方向(Z軸方向)のいずれにおいても室温での熱伝導率が200W/m・K以上である放熱基板が求められている。現在、実用化されている、CuW、CuMo、CuMo系のクラッド構造(積層構造)の放熱基板やAlSiCからなる放熱基板等は、いずれもこれらの要件を満たしている。なお、800℃という温度は半導体パッケージの製造工程で達しうる最高温度である。半導体パッケージの製造工程にこうした高温下での処理工程が含まれる場合には、放熱基板が変形したり他の部材から剥離したりするといった問題を生じさせないために、室温(RT)から800℃における線膨張係数の最大値が10ppm/K以下であることが求められる。   Under these circumstances, the maximum value of the linear expansion coefficient from room temperature (RT) to 800 ° C is 10 ppm / K or less, and in-plane (in the XY plane) parallel to the surface and in the thickness direction (Z-axis direction) In any case, a heat dissipation substrate having a thermal conductivity of 200 W / m · K or more at room temperature is required. A heat dissipation substrate of a clad structure (laminated structure) of CuW, CuMo, and CuMo, a heat dissipation substrate made of AlSiC, and the like, which are currently put into practical use, all satisfy these requirements. The temperature of 800 ° C. is the maximum temperature that can be reached in the manufacturing process of the semiconductor package. In the case where the process of manufacturing the semiconductor package includes such a process at a high temperature, the heat dissipation substrate does not cause a problem such as deformation or peeling from other members, so that it is at room temperature (RT) to 800.degree. It is required that the maximum value of the linear expansion coefficient is 10 ppm / K or less.

こうしたなか、半導体モジュールの一態様であるパワー半導体モジュールでは、放熱基板上に載置された半導体デバイスにリード線が接続される。パワー半導体モジュールでも小型化が進められており、リード線により十分な通電容量を確保することが困難になっている。そこで、放熱基板と電極の機能を一体化した放熱基板電極の開発が進められている。   Under such circumstances, in a power semiconductor module, which is an aspect of a semiconductor module, lead wires are connected to semiconductor devices mounted on a heat dissipation substrate. The miniaturization of power semiconductor modules is also in progress, and it has become difficult to secure a sufficient current-carrying capacity by means of lead wires. Therefore, development of a heat dissipating substrate electrode in which the functions of the heat dissipating substrate and the electrode are integrated has been advanced.

電気伝導率を統一的に評価する国際基準としてIACS(International Annealed Copper Standard)が知られている。これは、焼鈍標準軟銅(体積抵抗率: 1.7241×10-2 μΩm)の電気伝導率を100%IACSとして、各種材料の電気伝導率を焼鈍標準軟銅の電気伝導率に対する相対値として規定したものである。放熱基板を電極としても機能させる場合には、従来リード線として用いられているAl合金の電気伝導率と同等以上、即ち50%IACS以上の電気伝導率を有することが求められる。 IACS (International Annealed Copper Standard) is known as an international standard for evaluating electric conductivity in a unified manner. This is the electrical conductivity of annealed standard soft copper (volume resistivity: 1.7241 × 10 -2 μΩm) as 100% IACS, and the electrical conductivity of various materials is specified as a relative value to the electrical conductivity of annealed standard soft copper. is there. When the heat dissipation substrate also functions as an electrode, it is required to have an electrical conductivity equal to or higher than that of an Al alloy conventionally used as a lead wire, that is, 50% IACS or higher.

また、半導体モジュールに実装される半導体デバイスには、絶縁を必要とするものとそうでないものがある。絶縁が必要な半導体デバイスの場合には、高温動作時でも絶縁を確保できるように、半導体デバイスに、セラミックス基板に回路層として導電性の優れたCuを接合したDBC(Direct Bonded Copper)基板(Cu/セラミック/Cu)やDBA(Direct Bonded Aluminum)基板(Al/セラミック/Al)といった絶縁回路基板をハンダ付けし、これに放熱基板をハンダ付けし、さらに熱伝導率の低い樹脂で冷却器を取り付けて冷却するシステムが採用されている。   Also, semiconductor devices mounted on a semiconductor module may or may not require insulation. In the case of a semiconductor device requiring insulation, a DBC (Direct Bonded Copper) substrate (Cu) in which Cu having excellent conductivity is joined to a ceramic substrate as a circuit layer to a semiconductor device so that insulation can be ensured even at high temperature operation Solder an insulated circuit board such as / Ceramic / Cu) or DBA (Direct Bonded Aluminum) board (Al / Ceramic / Al), solder a heat dissipation board to it, and attach a cooler with a resin with low thermal conductivity. Cooling system is adopted.

しかし、絶縁回路基板は高価であり、また、放熱基板と同様に半導体モジュールに実装する都合や経済性から、大きさも限定される。さらに、絶縁回路基板で用いられるAlNやSi3N4といったセラミックス材料は、250〜300℃では熱伝導率が室温における熱伝導率の半分位にまで低下してしまう。そこで、半導体デバイスの動作時に発生する熱を速やかに放熱基板に伝達するために、強度を維持できる最低限の厚さまで薄くした絶縁回路基板が用いられている。しかし、パワー半導体モジュールに流れる電流量の増大に伴い、Cu層やAl層における通電容量が不足して発熱が生じる等の問題が生じている。また、高性能の半導体デバイスにCu放熱基板をハンダ付けしたものを安価な樹脂シートで絶縁するという方法も検討されたが、Cu放熱基板の線膨張係数が大きく半導体デバイスの線膨張係数と整合させることができない。CuMo系の放熱基板を用いると線膨張係数の整合性は改善されるが電気伝導度が不足する。また、主たる通電経路にMoやWが含まれる放熱基板を電極として用いると高周波の通電が不安定になるという問題もあった。さらに、放熱基板が薄くなるとデバイスからの熱が樹脂シートに伝わり加熱されて絶縁性が低下するという問題もあり、樹脂シートによる絶縁は実現していない。しかし、この構造が実現すると性能向上とコストダウンの効果が大きいことから、半導体デバイスを片面から冷却するだけでなく両面から冷却するなどの様々な方式により本格的な実現化が模索されている。 However, the insulating circuit board is expensive, and the size is also limited due to the convenience and economy of mounting on the semiconductor module as in the case of the heat dissipation board. Furthermore, in the ceramic materials such as AlN and Si 3 N 4 used in the insulating circuit board, the thermal conductivity at 250 to 300 ° C. decreases to about half the thermal conductivity at room temperature. Therefore, in order to rapidly transfer the heat generated at the time of operation of the semiconductor device to the heat dissipation substrate, an insulating circuit substrate thinned to the minimum thickness capable of maintaining the strength is used. However, with an increase in the amount of current flowing through the power semiconductor module, problems occur such as the generation of heat due to the shortage of the current-carrying capacity in the Cu layer and the Al layer. In addition, although a method of insulating a high performance semiconductor device with a Cu heat dissipation board soldered with an inexpensive resin sheet was also studied, the coefficient of linear expansion of the Cu heat dissipation board is large and matched with the linear expansion coefficient of the semiconductor device. I can not do it. When a CuMo-based heat dissipation substrate is used, the matching of the linear expansion coefficient is improved but the electrical conductivity is insufficient. In addition, there is also a problem that high frequency conduction becomes unstable when a heat dissipation substrate including Mo or W in the main conduction path is used as an electrode. Furthermore, when the heat dissipation substrate becomes thin, the heat from the device is transferred to the resin sheet and heated, which results in a decrease in the insulation, and the insulation by the resin sheet is not realized. However, since the effect of performance improvement and cost reduction is great if this structure is realized, full-scale realization is being sought by various methods such as cooling the semiconductor device from both sides as well as from one side.

半導体モジュールに使用する放熱基板は、半導体モジュールの性能や構造に応じた(1)線膨張係数及び熱伝導率、並びに電気伝導率(電極としても機能させる場合)を有すること、(2)信頼性の高いメッキ処理を施すことが可能であること、(3)半導体モジュールへの実装後の動作信頼性を確保できること、等を考慮して選択される。信頼性の高いメッキ処理を施すことが可能であるか否かは、メッキ処理を施した後の放熱基板を半導体デバイスの最高動作温度(例えば250℃)あるいは400℃に保持するヒートテストにより判断される。また、半導体モジュールの各部材の信頼性は、半導体デバイスの最高動作温度(例えば250℃)での保持と-40℃での保持を繰り返し行うヒートサイクルテストにより判断される。放熱基板のヒートサイクルテストは非常に厳しく、各部材やその接合面等に欠陥や弱い箇所があるとその場所が破壊され不合格となる。特に、こうした問題は、半導体デバイスの最高動作温度が高くなるにつれて顕在化している。さらに半導体モジュールを冷却器に装着し、半導体デバイスの最高動作温度で通電をオン/オフして動作させることにより半導体モジュールの実装時の動作寿命が判断される。これらのテストで問題が生じた場合には、放熱基板の材料や構造を見直して新たな放熱基板を製造し、全てのテストにおいて問題が生じない放熱基板を製造して半導体モジュールを完成させる。   The heat dissipation substrate used for the semiconductor module has (1) linear expansion coefficient and thermal conductivity, and electrical conductivity (when it also functions as an electrode) according to the performance and structure of the semiconductor module, (2) reliability It is selected in consideration of, for example, that it is possible to perform a high plating process and (3) that the operation reliability after mounting on a semiconductor module can be secured. Whether or not reliable plating can be performed is determined by a heat test that maintains the heat dissipation substrate after plating at the maximum operating temperature of the semiconductor device (for example, 250 ° C.) or 400 ° C. Ru. Further, the reliability of each member of the semiconductor module is judged by a heat cycle test which repeatedly holds the semiconductor device at the maximum operating temperature (for example, 250 ° C.) and -40 ° C. The heat cycle test of the heat dissipation substrate is very strict, and if there is a defect or a weak place in each member or its bonding surface, the place is broken and it will be rejected. In particular, these problems are manifested as the maximum operating temperature of semiconductor devices increases. Further, the semiconductor module is mounted on a cooler, and the semiconductor device is operated at ON / OFF at the maximum operating temperature of the semiconductor device to determine the operating life of the semiconductor module at the time of mounting. If a problem occurs in these tests, the material and structure of the heat dissipating substrate are reviewed to manufacture a new heat dissipating substrate, and a heat dissipating substrate free from any problems in all the tests is produced to complete the semiconductor module.

従来、放熱基板材料は、室温あるいは800℃における線膨張係数及び室温における熱伝導率の値を基準に選定されてきた。しかし、半導体モジュールのメーカーは、自身で開発した製品の放熱基板材料の特性に関する情報を必ずしも開示しないことが多く、特に半導体デバイスの最高動作温度における線膨張係数の値は開示されないことが多い。そのため、従来、室温における線膨張係数及び熱伝導率の値が選定の基準とされてきた。一方で、セラミックスパッケージのメーカーは製造時に必要とされる、800℃における線膨張係数の値を重視してきた。   Heretofore, the heat dissipation substrate material has been selected based on the coefficient of linear expansion at room temperature or 800 ° C. and the value of thermal conductivity at room temperature. However, manufacturers of semiconductor modules often do not necessarily disclose information on the characteristics of the heat dissipation substrate material of products developed by themselves, and in particular, the value of the coefficient of linear expansion at the maximum operating temperature of semiconductor devices is often not disclosed. Therefore, values of linear expansion coefficient and thermal conductivity at room temperature have conventionally been used as criteria for selection. On the other hand, manufacturers of ceramic packages have emphasized the value of the coefficient of linear expansion at 800 ° C., which is required at the time of manufacture.

半導体モジュールや半導体パッケージの設計者は、半導体モジュール毎に、その性能や構造に応じた放熱基板の材料を探索し、上記テストに合格する放熱基板を開発している。また、そうした放熱基板の開発が困難な場合には、開発可能な放熱基板を実装できるように半導体モジュールの設計を見直すこともある。   Designers of semiconductor modules and semiconductor packages search for materials of a heat dissipation board according to the performance and structure of each semiconductor module, and develop a heat dissipation board that passes the above test. In addition, when it is difficult to develop such a heat dissipation board, the design of the semiconductor module may be reconsidered so that a heat dissipation board that can be developed can be mounted.

このように、半導体モジュール、半導体パッケージ、あるいは放熱基板等のメーカーでは、半導体モジュール、半導体パッケージ、放熱基板の設計、作製、シミュレーションや上述のテストなどを繰り返し、設計のノウハウを蓄積して製品の改良や新製品の開発を行っている。しかし、近年、半導体デバイスの最高動作温度は徐々に高くなっており、そうした動作温度の上昇に対応できる新しい放熱基板が求められている。   As described above, manufacturers of semiconductor modules, semiconductor packages, or heat dissipation substrates repeatedly design, manufacture, simulate, test the above, and the like the semiconductor modules, semiconductor packages, and heat dissipation substrates, and improve their products by accumulating design know-how. And development of new products. However, in recent years, the maximum operating temperature of semiconductor devices has been gradually increased, and a new heat dissipation substrate capable of coping with such an increase in operating temperature is required.

こうした中、AlSiCは温度の上昇に伴い熱伝導率が大きく低下するため、250℃等の高温で動作する高性能な半導体モジュールの放熱基板として使用すると熱伝導率が不十分になることから、放熱基板材料の候補として選択されなくなってきている。これに対し、CuW合金やCuMo合金では温度の上昇に伴う熱伝導率の低下が小さいため、高温で動作する半導体モジュールの放熱基板の材料として期待されている。特に、CuMo系の材料は軽量で安価なため期待が大きい。   Under these circumstances, the thermal conductivity of AlSiC decreases significantly with the rise in temperature, so when it is used as a heat dissipation substrate for high-performance semiconductor modules that operate at high temperatures such as 250 ° C, the thermal conductivity becomes insufficient. It is not selected as a candidate for substrate material. On the other hand, in the case of CuW alloy or CuMo alloy, since the decrease in the thermal conductivity with the rise in temperature is small, it is expected as a material of the heat dissipation substrate of the semiconductor module operating at high temperature. In particular, CuMo-based materials are highly expected because they are lightweight and inexpensive.

しかし、CuMo合金の場合、CuとMoの濡れ性が悪く、Cuを溶解させてMoのスケルトンに含浸させる溶浸法や、CuとMoの粉末を焼結する焼結法により製造すると、表面や内部に巣(微小な空隙)が生じる。そこで、製造した合金を圧延することにより巣をつぶして放熱基板として用いていた。しかし、表面に露出したMoにNi系メッキ処理(NiあるいはNi合金によるメッキ処理)を施すためにその前処理を行うと、表層に存在するCuとMoの界面が浸食され安定したNi系メッキ処理を施すことが難しいという問題が生じていた。熱処理とNi系メッキ処理を繰り返すことによりNi系メッキ処理の安定性を改善することはできるものの、メッキ処理の工程が複雑になりコストが高くなってしまうという問題があった。   However, in the case of a CuMo alloy, the wettability of Cu and Mo is poor, and when it is manufactured by an infiltration method in which Cu is dissolved and impregnated into a skeleton of Mo, or a sintering method in which a powder of Cu and Mo is sintered, A nest (small air gap) is generated inside. Therefore, by rolling the manufactured alloy, the cavity is crushed and used as a heat dissipation substrate. However, if the Mo exposed on the surface is pretreated to carry out Ni-based plating (plating with Ni or Ni alloy), the interface between Cu and Mo present in the surface layer is corroded and stabilized Ni-based plating The problem was that it was difficult to apply Although it is possible to improve the stability of the Ni-based plating process by repeating the heat treatment and the Ni-based plating process, there is a problem that the process of the plating process becomes complicated and the cost becomes high.

一方、CuMo合金等の単一組成の材料に代えて、Cu/CuMo/Cuクラッド構造、Cu/Mo/Cuクラッド構造、あるいはCu/Mo/Cu/…/Cu多層クラッド構造(以下、これらをまとめて「CuMo系クラッド構造」と呼ぶ。)の放熱基板の開発が進められてきた。これらの放熱基板では、その線膨張係数がCuMo合金等からなる放熱基板の線膨張係数と同程度であればCuMo系クラッド構造の熱伝導率の方がCuMo合金等の放熱基板の熱伝導率よりも高いことから、放熱基板の材料としての可能性が高く期待され開発が進められてきた。また、クラッド構造の放熱基板では、表面に熱伝導率が高いCu層が設けられるため、X-Y面内での熱伝導率が高いという利点がある。さらに、放熱基板の表面のCu層には安定したNi系メッキ処理を容易に施すことができるため、上述した熱処理等の工程が不要であり、CuMo合金等よりも安価に製造することができることから期待されている。   On the other hand, instead of a single composition material such as a CuMo alloy, a Cu / CuMo / Cu clad structure, a Cu / Mo / Cu clad structure, or a Cu / Mo / Cu /.../ Cu multilayer clad structure (these will be summarized below) Development of a heat dissipation substrate called “CuMo-based clad structure”. In these heat sinks, if the coefficient of linear expansion is about the same as that of a heat sink made of CuMo alloy or the like, the thermal conductivity of the CuMo clad structure is greater than that of a heat sink such as CuMo alloy. The potential as a material of the heat dissipation substrate is highly expected and development has been advanced. Further, in the case of the heat dissipation substrate of the clad structure, since the Cu layer having high thermal conductivity is provided on the surface, there is an advantage that the thermal conductivity in the XY plane is high. Furthermore, since a stable Ni-based plating process can be easily applied to the Cu layer on the surface of the heat dissipation substrate, the above-described steps such as heat treatment are unnecessary, and it can be manufactured at a lower cost than CuMo alloy etc. It is expected.

しかし、Cu/CuMo/Cuクラッド構造やCu/Mo/Cuクラッド構造の放熱基板において熱伝導率を高くするために表面のCu層を厚くすると、極表層(表層のうち最も外側に位置する部分)のCuの線膨張係数を芯材のCuMoやMoにより抑制する効果が十分に得られなくなり、極表層の線膨張係数が大きくなるという問題や、Z軸方向の熱伝導率が低いという問題がある。また、半導体デバイスの最高動作温度が高くなるにつれ、その温度に対応したヒートサイクルテストにおいて不具合が生じることが多くなっている。また、250℃で動作する半導体デバイスを搭載した半導体モジュールで動作寿命をテストすると、所期の熱伝導率が得られないことも判明した。   However, if the Cu layer on the surface is thickened to increase the thermal conductivity in the heat dissipation substrate of the Cu / CuMo / Cu clad structure or the Cu / Mo / Cu clad structure, the outermost surface layer (the part located on the outermost side of the surface layer) There is a problem that the effect of suppressing the linear expansion coefficient of Cu by CuMo or Mo of the core material can not be sufficiently obtained, the linear expansion coefficient of the surface layer becomes large, and the problem of low thermal conductivity in the Z-axis direction . Also, as the maximum operating temperature of semiconductor devices increases, failures frequently occur in the heat cycle test corresponding to the temperature. Also, when the operating life was tested on a semiconductor module loaded with semiconductor devices operating at 250 ° C., it was also found that the desired thermal conductivity could not be obtained.

CuMo系クラッド構造の放熱基板は、圧延法、蝋付法、固相拡散接合法(HP法、加熱加圧接合法、熱間一軸加工法、熱圧着等)により製造される。これらの放熱基板では、上述のとおり、放熱基板の製造時に所期の熱伝導率が得られていても、250℃で動作する半導体デバイスを備えた半導体モジュールに実装して動作寿命テストを行うと所期の熱伝導率が得られないことがある。これは、半導体モジュールに実装して繰り返し動作させると、放熱基板内部のCuとMoの接合部(界面)における接合強度が低下して剥離が生じたり、もしくは該接合部におけるボイドや欠陥を起点とする亀裂や剥離が生じたりし、これらによって特にZ軸方向の熱伝導率が低下したものと考えられる。クラッド構造の放熱基板の接合部の小さな亀裂や剥離を外観から判断することは難しい。   The heat dissipation substrate of the CuMo clad structure is manufactured by a rolling method, a brazing method, a solid phase diffusion bonding method (HP method, heat pressure bonding method, hot uniaxial processing method, thermocompression bonding, etc.). As described above, these heat dissipation boards are mounted on a semiconductor module equipped with a semiconductor device operating at 250 ° C. to perform an operation life test, even if the desired thermal conductivity is obtained at the time of manufacture of the heat dissipation board. The desired thermal conductivity may not be obtained. This is because if the semiconductor module is mounted and repeatedly operated, the bonding strength at the bonding portion (interface) between Cu and Mo inside the heat dissipation substrate is reduced to cause peeling, or voids or defects in the bonding portion are taken as the starting point It is considered that the thermal conductivity in the Z-axis direction particularly decreases due to cracking and peeling. It is difficult to judge from the appearance a small crack or peeling of the joint of the heat dissipation substrate of the clad structure.

一方、Z軸方向の熱伝導率を高めるという課題を解決する放熱基板として、厚さ方向に貫通する孔(ビア)を形成したMoの板状部材(芯基材。「ビアMo」とも呼ぶ。)のビア内部にCuを導入した、Cu/ビアMo/Cuの3層構造の放熱基板(以下、これを「ハイブリッド構造」と呼ぶ。)が提案されている。こうしたハイブリッド構造の放熱基板は、例えばCuを溶解してビア内に流入させて接合(全溶解接合)したり、あるいはビアMoとその内部に導入したCuの界面を局所的に溶融させて接合(局所溶解接合)したりするという方法で製造される。ハイブリッド構造の放熱基板では、Mo等の線膨張係数が小さい金属からなる芯基材を用いることにより、高温下でもビア内部のCu及び芯基材の表裏面に位置するCu層がビアMo層に拘束され、膨張伸縮が抑制されるため、線膨張係数を低く抑えつつ高い熱伝導率が得られる、と期待された。   On the other hand, a Mo plate member (core base material; also referred to as "via Mo") in which a hole (via) penetrating in the thickness direction is formed as a heat dissipation substrate that solves the problem of increasing the thermal conductivity in the Z axis direction. A Cu / via Mo / Cu three-layer heat dissipation substrate (hereinafter referred to as a “hybrid structure”) is proposed in which Cu is introduced into the inside of the via). The heat dissipation substrate of such a hybrid structure, for example, dissolves Cu and causes it to flow into the via for bonding (total dissolution bonding), or locally melts the interface between the via Mo and the Cu introduced into the inside for bonding ( It is manufactured by the method of carrying out local melt bonding). In the heat dissipation substrate of the hybrid structure, by using a core substrate made of a metal having a small linear expansion coefficient such as Mo, Cu inside the via and Cu layers located on the front and back of the core substrate are formed as via Mo layers even under high temperatures. Since it is restrained and expansion and contraction are suppressed, it is expected that high thermal conductivity can be obtained while keeping the linear expansion coefficient low.

(従来技術)
以下、上記の各種放熱基板や関連技術について本発明者が調査した先行技術文献における開示の内容を説明する。
(Prior art)
Hereinafter, the contents of the disclosure in the prior art documents investigated by the inventor of the above-mentioned various heat dissipation substrates and related techniques will be described.

特許文献1は、クラッド構造の放熱基板に関する文献であり、Mo板の片面又は両面に銅、金、銀あるいはそれらの合金の被覆薄層を形成し、該被覆薄層に銅、ニッケル、金、銀金属板あるいはそれらの合金板を重ねて加熱及び加圧することにより接合することが記載されている。   Patent Document 1 relates to a heat dissipation substrate having a clad structure, and forms a thin coated layer of copper, gold, silver or an alloy thereof on one side or both sides of a Mo plate, and copper, nickel, gold, or the like on the thin coated layer. It is described that silver metal sheets or their alloy sheets are joined by overlapping and heating and pressing.

特許文献2は、クラッド構造の放熱基板、特にCu/Mo/Cuクラッド構造やCu/W/Cuクラッド構造の放熱基板に関する文献であり、従来の圧延法に代えてホットプレス装置や熱間静水圧プレス装置を用いた熱間一軸加工法により各層を加熱加圧接合することが記載されている。具体的には、Cu材とMo材を直接重ね合わせたもの、あるいはMo材の表面にCu又はNiあるいはそれらの組み合わせの材料を用いてメッキ処理を施した後、Cu材とMo材を重ね合わせたものを加熱加圧接合することが記載されている。   Patent Document 2 is a document relating to a heat dissipation substrate of a clad structure, particularly a heat dissipation substrate of a Cu / Mo / Cu clad structure or a Cu / W / Cu clad structure, and a hot press or hot isostatic pressure instead of a conventional rolling method. It is described that heating and pressure bonding of each layer is carried out by a hot uniaxial processing method using a pressing device. Specifically, a Cu material and a Mo material are directly laminated, or a surface of the Mo material is plated using a material of Cu or Ni or a combination thereof, and then the Cu material and the Mo material are superposed. It is described that heating and pressure bonding is carried out.

特許文献3もクラッド構造の放熱基板に関する文献であり、それまで用いられていたCu/Mo/Cuクラッド構造やCu/W/Cuクラッド構造の放熱基板のMoやWに代えてCuMo合金やCuW合金を使用した、Cu/CuMo/Cuクラッド構造やCu/CuW/Cuクラッド構造の放熱基板が記載されている。これらの放熱基板では従来の放熱基板に比べてZ軸方向の熱伝導率が高く、また線膨張係数が低くなる、と記載されている。また、溶浸法又は焼結法により形成されたCuMo合金又はCuW合金にNiメッキを施してCuを重ね合わせ、熱間圧延あるいは熱間一軸加圧するという製造方法が記載されている。   Patent Document 3 also relates to a heat dissipation substrate having a clad structure, and a CuMo alloy or a CuW alloy in place of Mo or W of a Cu / Mo / Cu clad structure or a Cu / W / Cu clad structure, which has been used until then. A heat dissipation substrate using a Cu / CuMo / Cu clad structure or a Cu / CuW / Cu clad structure is described. It is described that, in these heat dissipation substrates, the thermal conductivity in the Z-axis direction is higher and the linear expansion coefficient is lower than that of the conventional heat dissipation substrates. Also, a manufacturing method is described in which a CuMo alloy or a CuW alloy formed by an infiltration method or a sintering method is plated with Ni to overlap Cu and subjected to hot rolling or hot uniaxial pressing.

特許文献4はCuMo複合合金の製造方法に関する文献であり、Cu粉末とMo粉末からなる圧粉体を作成し、これを焼結したあと圧延加工することによりCuMo複合圧延板を製造することが記載されている。   Patent Document 4 is a document relating to a method of producing a CuMo composite alloy, and it is described that a green compact made of Cu powder and Mo powder is prepared, sintered, and then rolled to produce a CuMo composite rolled sheet. It is done.

特許文献5には、Cuやその合金からなる層とMoやWからなる層を交互に積層してなる構造体を熱間一軸加工法により接合することにより製造された、多層クラッド構造の放熱基板が記載されている。多層クラッド構造の放熱基板ではクラッド構造に比べて線膨張係数が低くなる、と記載されている。   Patent Document 5 discloses a heat dissipation substrate having a multilayer clad structure manufactured by joining a structure formed by alternately laminating a layer formed of Cu or an alloy thereof and a layer formed of Mo or W by a hot uniaxial process. Is described. It is described that the thermal expansion substrate of the multilayer clad structure has a lower linear expansion coefficient than that of the clad structure.

特許文献6には、インバーもしくはMoなどの線膨張係数が小さい材料からなる板状部材に、その厚さ方向に貫通する貫通孔(ビア)を形成した芯基材を作製し、その内部に貫通孔の内径よりも小さい外径を有するCuからなる熱伝導部材を挿入するとともに、芯基材の表裏面にもCu層を形成して、各部材を固相拡散接合してなるハイブリッド型の放熱基板が記載されている。この文献には、貫通孔の内壁との間に空隙が形成されているため、貫通孔内部のCuが熱によって伸縮しても芯基材の線膨張係数がそのまま維持される、と記載されている。   In Patent Document 6, a core substrate in which a through hole (via) penetrating in the thickness direction is formed in a plate-like member made of a material having a small linear expansion coefficient such as Invar or Mo is produced, and the core substrate is penetrated While inserting the heat conduction member which consists of Cu which has an outside diameter smaller than the internal diameter of a hole, Cu layer is formed also in front and back of a core base material, and the hybrid type heat dissipation which solid-phase-diffusion joins each member The substrate is described. In this document, it is described that a linear expansion coefficient of the core base material is maintained as it is even if Cu inside the through hole is expanded and contracted by heat because a space is formed between the through hole and the inner wall of the through hole. There is.

特許文献7は本件と本発明者による文献であり、ハイブリッド型の放熱基板が記載されている。この放熱基板は、特許文献6と同様に線膨張係数が小さいMoからなる板状の芯基材に形成された貫通孔にCuからなる伝熱部材を導入したハイブリッド型の放熱基板であるが、特許文献6とは異なり、ビア内部のMoとCuの界面を局所的に溶解させることにより、あるいはビアに溶融したCuを流入させることにより、それらを接合している。   Patent Document 7 is a document according to the present invention and the present inventor, and describes a hybrid heat dissipating substrate. This heat dissipation substrate is a hybrid heat dissipation substrate in which a heat transfer member made of Cu is introduced into a through hole formed in a plate-like core substrate made of Mo having a small linear expansion coefficient as in Patent Document 6, but Unlike Patent Document 6, they are joined by locally melting the interface between Mo and Cu inside the via, or by flowing molten Cu into the via.

特開昭57−221041号公報JP-A-57-221041 特開平6−268115号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-268115 特開平6−268117号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-268117 特開平5−125407号公報Unexamined-Japanese-Patent No. 5-125407 特開2010−56148号公報Unexamined-Japanese-Patent No. 2010-56148 特開2010−245496号公報JP, 2010-245496, A 特許第6041117号明細書Patent No. 6041117 specification

本発明者が特許文献7で提案した方法で製造することにより、X-Y方向だけでなくZ軸方向にも高い熱伝導率を有するハイブリッド構造の放熱基板が得られることが分かった。しかし、複数の放熱基板を製造し、それらを半導体モジュールに実装して動作寿命をテストすると、必ずしも所期の熱伝導率が得られない場合があることが新たに分かった。   It has been found that a heat dissipation substrate having a hybrid structure having high thermal conductivity not only in the XY direction but also in the Z-axis direction can be obtained by manufacturing the method proposed in Patent Document 7 by the inventor of the present invention. However, when manufacturing a plurality of heat dissipation substrates and mounting them on a semiconductor module and testing the operation life, it has been newly found that the desired thermal conductivity may not necessarily be obtained.

多くの場合、まず大型で薄い放熱基板を作製しておき、そこから所定の大きさで切り出すことにより個々の放熱基板が製造される。ハイブリッド構造の放熱基板における上記の問題は、ハイブリッド構造の放熱基板では内部構造が複雑であり、特に大型の放熱基板では、ビア内部で溶解したCuから放出されたガスが放熱基板の内部に残留してボイドになりやすく、これが個々の放熱基板の内部構造にバラツキを生じさせたためであると推測される。   In many cases, a large and thin heat dissipation substrate is first manufactured, and then the individual heat dissipation substrates are manufactured by cutting out the substrate from a predetermined size. The above problem in the heat dissipation substrate of the hybrid structure is that the internal structure is complicated in the heat dissipation substrate of the hybrid structure, and particularly in a large heat dissipation substrate, the gas released from Cu dissolved inside the via remains in the heat dissipation substrate. It is presumed that this tends to result in voids, which causes variations in the internal structure of each heat dissipation substrate.

上述のとおり、放熱基板のテストの1つに半導体モジュールへの実装時の動作寿命テストがあるが、このテストには冷却器に装着して動作させる等の工程が必要であり費用と時間がかかる。そのため、これまでは、まず、複数の放熱基板について、室温で放熱基板単体の線膨張係数や熱伝導率を測定し、それらのうち所期の値が得られたもののみを使い半導体パッケージや半導体モジュールを製作してヒートサイクルテストを行い、さらにそのテストに合格した放熱基板についてのみ動作寿命テストを行ってきた。従って、放熱基板の設計や試作の段階では、まず、放熱基板単体としての特性(線膨張係数、熱伝導率及び電気伝導率など)の要件、及び半導体パッケージや半導体モジュールに装着した状態でのヒートサイクルテストに合格する特性を有することが求められる。また、他の評価方法に比べて費用と時間がかかる半導体モジュールへの実装時の動作寿命テストまでに合否の見極めができる簡易的なテスト方法も求められている。   As described above, one of the tests for a heat dissipation board is an operating life test at the time of mounting on a semiconductor module, but this test requires steps of mounting and operating a cooler, etc., and is expensive and time consuming. . Therefore, until now, the thermal expansion coefficient and thermal conductivity of a single heat dissipation substrate were measured at room temperature for a plurality of heat dissipation substrates, and semiconductor packages and semiconductors were obtained using only those for which desired values were obtained. The module was fabricated, heat cycle test was conducted, and the operation life test was conducted only for the heat dissipation board which passed the test. Therefore, in the stage of design and trial manufacture of the heat dissipation substrate, first, the requirements of the characteristics (linear expansion coefficient, thermal conductivity and electrical conductivity, etc.) of the heat dissipation substrate alone, and heat in a state of being attached to the semiconductor package or semiconductor module It is required to have the property of passing the cycle test. In addition, there is also a demand for a simple test method capable of determining pass / fail by the operation life test at the time of mounting on a semiconductor module, which is more expensive and time-consuming than other evaluation methods.

今回、通常、放熱基板単体では行わない、半導体デバイスの動作温度を250℃に想定したヒートサイクルテスト(250℃への加熱と-40℃への冷却を繰り返し行うテスト)をクラッド構造の放熱基板及びハイブリッド構造の放熱基板のそれぞれについて行い、ヒートサイクルテスト前後の特性の変化を外観の変化と照合した。しかし、CuとMoの接合界面の剥離を外観から判断することは難しく、また端部で接合面がめくれあがっている様子も確認することはできなかった。しかし、ヒートサイクルテストの前後でZ軸方向における熱伝導率の値が大きく低下しており、これはCuとMoの接合界面で剥離が生じていることを強く示唆していた。   This time, a heat cycle substrate (a test that repeatedly performs heating to 250 ° C and cooling to -40 ° C) that assumes the operating temperature of the semiconductor device is 250 ° C, which is not usually performed on a single heat dissipation substrate alone, The change in characteristics before and after the heat cycle test was compared with the change in appearance for each of the heat dissipation substrates of the hybrid structure. However, it was difficult to judge the peeling of the bonding interface between Cu and Mo from the appearance, and it was not possible to confirm that the bonding surface was curled up at the end. However, before and after the heat cycle test, the value of the thermal conductivity in the Z-axis direction was significantly reduced, which strongly suggested that the peeling occurred at the bonding interface of Cu and Mo.

CuとWの濡れ性に比べてCuとMoの濡れ性が悪く、これらの接合が難しいことは従来知られている。それにもかかわらずCuMo系のクラッド構造やバイブリッド構造の放熱基板がCuW系の放熱基板に先行して開発されているのは、MoがWに比べて軽量かつ安価なためである。しかし、上述の溶浸法や焼結法では表面や内部に巣ができるため、良好な放熱基板を製造することが困難であった。そこで、Ni、Cr、Co、Fe、Ti、Ag等金属を添加して濡れ性を向上することが試みられたが、添加した金属がCuに溶解して熱伝導率が大幅に低下するという別の問題が生じ、実用化には至らなかった。特に、0.05〜2wt%のNiを添加すると良好な複合合金を作製することができたが、熱伝導率が大幅に低下したため実用化には至らず、続いて蝋付法によるクラッド構造の放熱基板や、ホットプレス法を用いた固相拡散接合による多層クラッド構造の放熱基板の開発、あるいは圧延法によるCu/CuMo/Cuクラッド構造の放熱基板やCuW放熱基板の開発へとシフトしていった。   It is conventionally known that the wettability between Cu and Mo is worse than the wettability between Cu and W, and that these bonding is difficult. Nevertheless, the reason why a heat dissipation substrate of a CuMo-based clad structure or a hybrid structure is developed prior to a CuW-based heat dissipation substrate is because Mo is lighter and cheaper than W. However, in the above-mentioned infiltration method and sintering method, it is difficult to produce a good heat dissipation substrate because there are cavities on the surface and inside. Therefore, it has been tried to improve wettability by adding metals such as Ni, Cr, Co, Fe, Ti, Ag, etc., but another factor is that the added metal is dissolved in Cu and the thermal conductivity is significantly reduced. Problems have arisen and have not been put to practical use. In particular, when 0.05 to 2 wt% of Ni was added, a good composite alloy could be produced, but the thermal conductivity was significantly reduced, so that it could not be put to practical use, and subsequently a heat dissipation substrate with a clad structure by brazing. Also, we have shifted to the development of heat dissipation substrates of multilayer clad structure by solid phase diffusion bonding using hot press method, or the development of heat dissipation substrates of Cu / CuMo / Cu clad structure by rolling method or CuW heat dissipation substrate.

このように、従来、種々の材料や構造からなる放熱基板が提案されているが、半導体モジュールの高性能化に伴う最高動作温度の上昇に確実に対応できる放熱基板は依然として見出されていない。また、従来のCuMo系のクラッド構造やハイブリッド構造の放熱基板における、CuとMoの界面が剥離するという問題を解決した放熱基板も提案されていない。   As described above, conventionally, heat dissipation substrates made of various materials and structures have been proposed, but a heat dissipation substrate that can reliably cope with the increase in the maximum operating temperature accompanying higher performance of semiconductor modules has not been found. In addition, no heat dissipation substrate has been proposed which solves the problem of peeling of the interface between Cu and Mo in a conventional CuMo clad structure or hybrid heat dissipation substrate.

本発明者は、上述した種々の放熱基板のうち、X-Y面内及びZ軸方向の熱伝導率、線膨張係数、及び電気伝導率について最も高い特性が得られることが期待されるハイブリッド構造の放熱基板に着目し、その課題を検証した。   The inventors of the present invention have found that the heat dissipation of the hybrid structure is expected to obtain the highest characteristics of the thermal conductivity in the XY plane and in the Z-axis direction, the linear expansion coefficient, and the electrical conductivity among the various heat dissipation substrates described above. We focused on the substrate and verified its issues.

本発明者による特許文献7に記載の発明では、Cu/ビアMo/Cuハイブリッド構造の放熱基板の製造時に、ビア内部でMoとCuを確実に接合するために上下面から加圧しつつ加熱して固相拡散接合を行った。しかしこの方法ではビア内部のMoとCuの界面を押す方向には圧力がかかりにくく、そのためにMoとCuの界面の接合強度が必ずしも十分でない可能性があると考えた。また、特許文献7において提案したような、ビア内部のCuを局部的に溶解してMoと接合する方法や、Cuを完全に溶解してビア内に流し込んでMoと接合する方法では、Cuの溶解時に発生するガスがビア内部、特にMoとの界面に残存してボイドが生じている可能性があると考えた。   In the invention described in Patent Document 7 by the inventor of the present invention, at the time of manufacturing a heat dissipation substrate of a Cu / via Mo / Cu hybrid structure, heating is performed while pressing from above and below to securely join Mo and Cu inside the via. Solid phase diffusion bonding was performed. However, according to this method, it was considered that pressure is unlikely to be applied in the direction of pushing the interface of Mo and Cu inside the via, and therefore it is considered that the bonding strength of the interface of Mo and Cu may not necessarily be sufficient. In addition, as proposed in Patent Document 7, in the method of locally dissolving Cu inside the via and bonding with Mo, or in the method of completely dissolving Cu and pouring it into the via and bonding with Mo, Cu It was considered that a gas generated at the time of melting may remain inside the via, particularly at the interface with Mo, and a void may be generated.

本発明者は、解決すべき課題を整理し明確にするために、これまでに実用化された、あるいは実用化が検討されたCuMo系クラッド構造あるいはハイブリッド構造の代表的な放熱基板(比較例1〜5)を試作し、ヒートサイクル前後の特性等を評価した。   In order to arrange and clarify the problems to be solved by the present inventor, a representative heat dissipation substrate of a CuMo clad structure or a hybrid structure that has been put into practical use or considered to be put into practical use so far (Comparative Example 1) To 5) were manufactured, and the characteristics before and after the heat cycle were evaluated.

以下、比較例1〜5の特性評価の概要とその考察を述べる。
比較例1は圧延法で製造されたCu/CuMo/Cuクラッド構造(図1(a))の放熱基板である。比較例2は、蝋付法で作製したCu/Mo/Cuクラッド構造(図1(b))の放熱基板である。比較例3は、固相拡散接合法で作製したCu/Mo/Cuクラッド構造(図1(b))の放熱基板である。比較例4は、固相拡散接合法で作製したCu/ビアMo/Cuハイブリッド構造(図1(c))の放熱基板である。比較例4は局部溶解法で作製したCu/ビアMo/Cuハイブリッド構造(図1(c))の放熱基板である。いずれの放熱基板においてもCuの含有量は66vol%とした。各比較例について5枚の放熱基板を作製してヒートサイクルテスト前後での特性を評価した。また、それらの放熱基板をそれぞれ半導体パッケージに実装したものを準備してヒートサイクルテストを行った。さらに、半導体モジュールに実装したものを、比較例1〜5についてそれぞれ3個ずつ準備してヒートサイクルテストを行った。さらに、半導体モジュールに実装したもののうちの1つについて、動作寿命のテストを行った。
Hereinafter, the outline and the consideration of the characteristic evaluation of Comparative Examples 1 to 5 will be described.
Comparative Example 1 is a heat dissipation substrate of a Cu / CuMo / Cu clad structure (FIG. 1A) manufactured by a rolling method. Comparative Example 2 is a heat dissipation substrate of a Cu / Mo / Cu clad structure (FIG. 1 (b)) manufactured by a brazing method. Comparative Example 3 is a heat dissipation substrate of a Cu / Mo / Cu clad structure (FIG. 1 (b)) manufactured by solid phase diffusion bonding. Comparative Example 4 is a heat dissipation substrate of a Cu / via Mo / Cu hybrid structure (FIG. 1 (c)) manufactured by solid phase diffusion bonding. Comparative Example 4 is a heat dissipation substrate of a Cu / via Mo / Cu hybrid structure (FIG. 1 (c)) manufactured by the local melting method. The content of Cu was 66 vol% in any of the heat dissipation substrates. Five heat dissipation boards were produced about each comparative example, and the characteristic before and behind a heat cycle test was evaluated. In addition, heat cycle tests were conducted by preparing those heat radiation substrates mounted on a semiconductor package. Furthermore, three mounted on a semiconductor module were prepared for each of Comparative Examples 1 to 5 to conduct a heat cycle test. In addition, an operating life test was conducted on one of those mounted on a semiconductor module.

比較例1〜5の放熱基板のいずれも、ヒートサイクルテスト前の線膨張係数は10ppm/K以下であった。また、X-Y面内の熱伝導率及びZ軸方向の熱伝導率はいずれも200W/m・K以上であった。しかし、ヒートサイクルテスト後には、いずれの放熱基板でも、Z軸方向において大幅に熱伝導率が低下した。また、ヒートサイクルテスト後の電気伝導率は、比較例1〜5のいずれにおいても50%IACSを下回った。   The linear expansion coefficient before the heat cycle test of each of the heat dissipation substrates of Comparative Examples 1 to 5 was 10 ppm / K or less. Further, the thermal conductivity in the XY plane and the thermal conductivity in the Z-axis direction were both 200 W / m · K or more. However, after the heat cycle test, the thermal conductivity of any of the heat dissipation substrates significantly decreased in the Z-axis direction. Moreover, the electrical conductivity after the heat cycle test was lower than 50% IACS in any of Comparative Examples 1 to 5.

上述のとおり、外観のみではCuとMoの界面の状態を確認することが難しいため、ヒートサイクルテスト後の放熱基板を切断し、内部の様子を観察した。すると、比較例1及び3ではCuとMoの界面が剥離していた。比較例2ではCuとMoの界面に大きなボイドが多数生じており、これを起点としてCuとMoの界面が剥離していた。比較例4ではビアの壁面とCuの間に空隙が存在し、これを起点としてCuがビアの壁面から剥離していた。比較例5ではビアの壁面とCuの間に微小なボイドが存在し、これを起点としてCuがビアの壁面から剥離していた。   As described above, it is difficult to confirm the state of the interface between Cu and Mo only by the appearance, so the heat dissipation substrate after the heat cycle test was cut, and the internal state was observed. Then, in Comparative Examples 1 and 3, the interface between Cu and Mo was exfoliated. In Comparative Example 2, many large voids were generated at the interface of Cu and Mo, and the interface of Cu and Mo was exfoliated from this as a starting point. In Comparative Example 4, a void was present between the wall of the via and Cu, and Cu was separated from the wall of the via starting from this. In Comparative Example 5, micro voids were present between the wall of the via and Cu, and Cu was separated from the wall of the via starting from this.

半導体モジュールと半導体パッケージのヒートサイクルテストでは、比較例1については5個のうち1個で、比較例2〜4については5個のうち4個で放熱基板の剥離及び/又は半導体デバイスの損傷が確認され不合格(NG)となった。一方、比較例5については、5個の全てにおいて放熱基板の剥離や半導体デバイスの損傷は確認されなかった。また、半導体モジュールのヒートサイクルテストでは、比較例1及び5については3個のうち1個で、比較例2については3個のうち2個で、比較例3及び4については3個全てで放熱基板の剥離及び/又は半導体デバイスの損傷が確認され不合格(NG)となった。   In the heat cycle test of the semiconductor module and the semiconductor package, peeling of the heat dissipation substrate and / or damage to the semiconductor device occur in one of five samples in Comparative Example 1 and in four of five samples in Comparative Examples 2 to 4 It was confirmed and rejected (NG). On the other hand, in Comparative Example 5, peeling of the heat dissipation substrate and damage to the semiconductor device were not observed in all five samples. Further, in the heat cycle test of the semiconductor module, one of three in Comparative Examples 1 and 5, 2 of 3 in Comparative Example 2, and all 3 of Comparative Examples 3 and 4 dissipate heat. Peeling of the substrate and / or damage to the semiconductor device was confirmed and failed (NG).

上記の結果から、従来提案されている放熱基板ではいずれもヒートサイクルテスト後にZ軸方向で大幅に熱伝導率が低下し、また電気伝導率も50%IACSに満たないこと、さらに半導体パッケージやモジュールへの実装時の動作信頼性にも問題があることが分かった。比較例1〜5の中では、比較例5の放熱基板(局部溶解法で作製したハイブリッド構造の放熱基板)について比較的良好な結果が得られたものの、半導体モジュールのヒートサイクルテストや動作寿命テストの結果を踏まえると、実用化するためには信頼性をより一層高める必要がある。   From the above results, in any of the conventionally proposed heat dissipation substrates, the thermal conductivity is significantly reduced in the Z-axis direction after the heat cycle test, and the electrical conductivity is also less than 50% IACS, and furthermore, semiconductor packages and modules It turned out that there is a problem also in the operation reliability at the time of the implementation. In Comparative Examples 1 to 5, although relatively good results were obtained for the heat dissipation substrate of Comparative Example 5 (the heat dissipation substrate having a hybrid structure manufactured by the local melting method), the heat cycle test and the operating life test of the semiconductor module In order to put it to practical use, it is necessary to further enhance its reliability.

上記の結果は、従来、CuMo系クラッド構造やハイブリッド構造の放熱基板について提案されている固相拡散接合法や蝋付け法では、250℃のヒートサイクルテストで問題が生じない、十分な接合強度を得ることは難しいことを示唆している。また、ハイブリッド構造の放熱基板については、ビア内部のCuとMoの界面で剥離が生じ、その結果、ビア内部に存在するCuの膨張収縮がMoにより十分に抑制されず、半導体デバイスをハンダ付けしている放熱基板の表面に凹凸が生じて、半導体モジュールのヒートサイクルテストで半導体デバイスの剥離や損傷が起こったものと考えられる。更に、ビア内部のCuの膨張収縮の繰り返し回数が多くなるほど放熱基板の剥離や半導体デバイスの破壊が進行すると思われる。   The above results indicate that the solid phase diffusion bonding method and brazing method that have been proposed for the heat dissipation substrate of CuMo clad structure and hybrid structure conventionally have sufficient bonding strength that causes no problem in the heat cycle test at 250 ° C. It suggests that it is difficult to get. In addition, for the heat dissipation substrate of the hybrid structure, peeling occurs at the interface between Cu and Mo inside the via, and as a result, expansion and contraction of Cu existing inside the via is not sufficiently suppressed by Mo, and the semiconductor device is soldered. It is considered that asperities are generated on the surface of the heat dissipation substrate, and peeling and damage of the semiconductor device occur in the heat cycle test of the semiconductor module. Furthermore, it seems that peeling of the heat dissipation substrate and destruction of the semiconductor device proceed as the number of repetitions of expansion and contraction of Cu inside the via increases.

上述の特許文献6にもハイブリッド構造の放熱基板が記載されている。しかし、特許文献6の放熱基板では、貫通孔(ビア)の内壁との間に積極的に空隙を形成しているためビア内部のCuの膨張収縮が抑制されない。従って、特許文献6と同様に固相拡散接合で作製した比較例4よりも、半導体パッケージ及び半導体モジュールのヒートサイクルテストにおいてその空隙を基点とする亀裂が生じたり、表裏面のCu層に上述の凹凸が生じたりしやすいことは容易に予測できる。   The above-mentioned patent document 6 also describes a heat dissipation substrate of a hybrid structure. However, in the heat dissipation substrate of Patent Document 6, since the air gap is positively formed between the through hole (via) and the inner wall of the through hole (via), expansion and contraction of Cu inside the via is not suppressed. Therefore, compared to Comparative Example 4 produced by solid phase diffusion bonding as in Patent Document 6, cracks originating from the voids occur in the heat cycle test of the semiconductor package and the semiconductor module, or the above-described Cu layer on the front and back surfaces It can be easily predicted that unevenness is likely to occur.

本発明が解決しようとする課題は、ヒートサイクルテスト後の、厚さ方向(Z軸方向)における熱伝導率の低下が小さい放熱基板を提供することである。   The problem to be solved by the present invention is to provide a heat dissipation substrate having a small decrease in thermal conductivity in the thickness direction (Z-axis direction) after a heat cycle test.

上記比較例1〜5の放熱基板のヒートサイクルテスト前後の厚さ方向(Z軸方向)における熱伝導率の差を、半導体パッケージ及び半導体モジュールのヒートサイクルテストの結果と併せて考慮すると、半導体パッケージや半導体モジュールのヒートサイクルテストで放熱基板の接合界面が剥離したり半導体モジュールのヒートサイクルテストでの半導体デバイスが損傷したりするのは、放熱基板のCuとMoの接合強度の不足及びそれに起因して界面の剥離や欠陥が生じることによるものであると考えられる。また、本発明者は、これらの現象を評価するためのベンチマーク(指標)として、放熱基板の厚さ方向(Z軸方向)における熱伝導率の変化(低下)を好適に用いることができると考えた。そこで、本発明者は、放熱基板単体のヒートサイクルテスト前後でZ軸方向の熱伝導率の低下が比較的小さく、またCuとMoの接合界面に欠陥がなく接合強度が高い、安定したハイブリッド構造の放熱基板を作製することを検討した。   Considering the difference in thermal conductivity in the thickness direction (Z-axis direction) of the heat dissipation substrates of Comparative Examples 1 to 5 before and after the heat cycle test in combination with the results of the heat cycle test of the semiconductor package and the semiconductor module, the semiconductor package Or that the bonding interface of the heat dissipation substrate peels off in the heat cycle test of the semiconductor module or the semiconductor device is damaged in the heat cycle test of the semiconductor module because of insufficient bonding strength between Cu and Mo of the heat dissipation substrate It is thought that this is due to the occurrence of surface peeling and defects. In addition, the inventor believes that the change (decrease) in thermal conductivity in the thickness direction (Z-axis direction) of the heat dissipation substrate can be suitably used as a benchmark (index) for evaluating these phenomena. The Therefore, the present inventors have found that the decrease in thermal conductivity in the Z-axis direction is relatively small before and after the heat cycle test of the heat dissipation substrate alone, and that there is no defect in the bonding interface between Cu and Mo, and the bonding strength is high. We studied to make a heat dissipation board.

本発明者は、特許文献7に記載の発明(比較例5の放熱基板に相当)では、Moのビア内部に全溶融したCuを導入する、あるいはCuを導入した後に局所的に溶融させることによりMoとの接合性を高めることを考えた。しかし、その後の検討により、この場合には溶融したCuから発生する気泡によりビア内部にボイドが生じる可能性があることが分かった。   In the invention described in Patent Document 7 (corresponding to the heat dissipating substrate of Comparative Example 5), the present inventor introduces Cu completely melted into the inside of the via of Mo, or locally introduces Cu after introducing Cu. We considered to improve the bonding with Mo. However, it was found from the subsequent examination that in this case, bubbles generated from molten Cu may cause voids inside the vias.

そこで、本発明では、固相拡散接合法等ではあまり使用しない、軟化したCuを塑性変形させることでMoのビア内部に圧力をかけMoとCuを接合するとともに、Mo及びCuに対する濡れ性が良いNiをインサート金属としてMoとCuの界面に介在させることにより接合性を高め安定させることを考えた。ただし、インサート金属を介在させる場合には、熱伝導率の低下を防ぐために、Cuが溶解してNiと合金化することを防ぐ必要がある。そこで、本発明ではCuの融点である1083℃よりも低い温度でこれらを接合する。   Therefore, in the present invention, which is not used in the solid phase diffusion bonding method etc., pressure is applied to the inside of the via of Mo by plastically deforming softened Cu, and Mo and Cu are joined, and the wettability to Mo and Cu is good. We considered that the bondability is enhanced and stabilized by interposing Ni as an insert metal at the interface of Mo and Cu. However, in the case of interposing an insert metal, it is necessary to prevent Cu from melting and alloying with Ni in order to prevent a decrease in thermal conductivity. Therefore, in the present invention, these are joined at a temperature lower than 1083 ° C., which is the melting point of Cu.

即ち、本発明に係る放熱基板は、
a) Moからなる板状の芯基材を厚さ方向に貫通する貫通孔の内壁面にNiを被覆し、
b) 前記貫通孔に、該貫通孔の容積に対応する量以上Cuを充填し、
c) 前記芯基材の表面及び裏面にそれぞれCuからなる板状の熱伝導部材を配置して積層体を作製し、
d) 前記積層体をCuの融点未満に加熱及び加圧することにより、Cuを軟化させて前記貫通孔の内部に圧入する
ことにより製造することができる。
That is, the heat dissipation substrate according to the present invention is
a) coating the inner wall surface of the through-hole penetrating the plate-like core substrate made of Mo in the thickness direction with Ni,
b) filling the through hole with Cu by an amount corresponding to the volume of the through hole,
c) plate-like heat conduction members made of Cu are respectively disposed on the front and back surfaces of the core base material to produce a laminate;
d) The laminate can be manufactured by heating and pressurizing the laminate to a temperature lower than the melting point of Cu to soften Cu and press-fitting the inside of the through hole.

上記の製造方法では、芯基材の貫通孔(ビア)の内部にビアの容積に対応する量以上のCuを充填し、これをCuの融点未満の温度に加熱及び加圧して軟化させ、圧力をかけつつ貫通孔の内部に導入(圧入)する。これによりMoとCuの界面を加圧し、それらを隙間なく強固に接合することができる。あるいは、ビアを形成したMo芯基材の表裏面にCuの板状部材を配し、これを軟化させてビア内部にCuを圧入することもできる。もしくは、ビアの容積よりも大きな体積の柱状体や粉末等をビア内部に入れ、これを軟化することにより、ビア内部にCuを圧入することもできる。また、これらの方法を併用することもできる。   In the above manufacturing method, the inside of the through hole (via) of the core substrate is filled with Cu in an amount corresponding to the volume of the via, and this is softened by heating and pressing to a temperature less than the melting point of Cu; It is introduced into the inside of the through hole (press fit) while Thereby, the interface of Mo and Cu can be pressurized, and they can be joined firmly without a gap. Alternatively, Cu plate members can be disposed on the front and back surfaces of the Mo core substrate on which the vias are formed, and this can be softened to press the Cu into the vias. Alternatively, it is also possible to press-in Cu into the inside of the via by inserting a columnar body, powder or the like having a volume larger than the volume of the via into the inside of the via and softening it. Moreover, these methods can also be used together.

これらの方法でCuをビア内部に圧入すると、製造後の放熱基板の外周において、余剰量のCuや導入したインサート金属の一部が接合時にCuとMoの界面から押し出され、接合余剰物として放出される。即ち、「接合余剰物」は、ビアの容積よりも多くのCuを導入したときに生じる、余剰量のCu及び/又は接合時にCuとMoの界面から押し出されたインサート金属であると定義づけることができる。   When Cu is pressed into the via by these methods, an extra amount of Cu or a part of the introduced insert metal is pushed out from the interface of Cu and Mo at the time of bonding on the outer periphery of the heat dissipation substrate after manufacturing and released as a bonding surplus. Be done. In other words, “joint surplus” is defined as an excess amount of Cu and / or an insert metal extruded from the interface of Cu and Mo at the time of joining, which is generated when introducing more Cu than the volume of the via. Can.

後述するように、本発明者が行った検証によれば、例えば平面形状が矩形である場合、加熱及び加圧処理後の放熱基板を平面視したときの外周の一部の辺にあたる側面のみから接合余剰物が放出される程度の量のCuを圧入(即ちビアの容積と同程度、あるいはそれよりもわずか多い量のCuを圧入)するよりも、外周の四辺全てにおいて接合余剰物が放出される量のCuを圧入(即ちビアの容積よりも十分に多い量のCuを圧入)する方が、ヒートサイクルテスト後の熱伝導率の低下が小さくなることが分かった。これまで、放熱基板の製造では、接合面から接合余剰物等が放出される製法は、寸法精度の確保が難しく、また、治具の寿命が短くなる等の理由で敬遠されてきた。一般的に、接合の簡易評価として、摩擦圧接ではバリ、電気溶接ではバリやチリ、蝋付けやハンダ付けではメニスカス等の外観で評価する方法が知られており、本件の接合余剰物も、それらと同様に評価することができる。   As will be described later, according to verification conducted by the present inventor, for example, when the planar shape is rectangular, only from the side surface corresponding to a part of the outer periphery when the heat dissipation substrate after the heating and pressure treatment is viewed in plan. Bonding surplus is released on all four sides of the outer periphery rather than pressing in an amount of Cu that discharges bonding surplus (that is, pressing in an amount equivalent to or slightly larger than the volume of vias) It has been found that the reduction of the thermal conductivity after the heat cycle test is smaller when the amount of Cu is injected (that is, the amount of Cu injected is sufficiently larger than the volume of the vias). Heretofore, in the manufacture of a heat dissipation substrate, a manufacturing method in which a bonding surplus or the like is released from a bonding surface has been avoided because it is difficult to secure dimensional accuracy and the life of a jig is shortened. Generally, as a simple evaluation of bonding, methods of evaluating by appearance such as burrs in friction welding, burrs and dusts in electric welding, and meniscus in brazing and soldering are known, and the welding surplus of this case is also one of them. It can be evaluated in the same way.

上述のとおり、MoとCuの接合強度を高めるために、それら以外の金属をインサート金属として介在させることは従来知られていたが、インサート金属がCu内部に溶解して熱伝導率が低下する等の問題が生じるという知見から、現状、放熱基板の製造には用いられていない。しかし、インサート金属を介在させることにより、Cuの融点以下の温度でMoとCuを良好に接合できるという利点がある。   As described above, in order to increase the bonding strength between Mo and Cu, it has been conventionally known to intervene other metals as insert metals, but the insert metal dissolves in Cu and the thermal conductivity decreases, etc. At present, it has not been used for the manufacture of a heat dissipation substrate because of the knowledge that the problem arises. However, by interposing the insert metal, there is an advantage that Mo and Cu can be joined well at a temperature below the melting point of Cu.

Cuは加熱により軟化し加圧により容易に変形する金属である。そこで、ビアへのCuの挿入は、例えば以下のような方法で行うことができる。
(1)熱間押し出しや鍛造で製造されるようなCuの柱状体であって、ビアの容積よりも大きな体積を有するものをMoのビア内部に導入することにより、MoとCuの界面を加圧する。
(2)ビアを形成した板状のMo芯基材の表裏に配置するCu板を加熱及び加圧することによりビア内部に軟化したCuを圧入して界面を加圧する。
(3)表裏に配置するCu板の表面に凸部を設け、該凸部をビアに挿入してビア内部の界面を加圧する。
(4)上記(1)から(3)の方法を組み合わせる。
Cu is a metal which is softened by heating and easily deformed by pressure. Therefore, the insertion of Cu into the via can be performed, for example, by the following method.
(1) A Cu columnar body manufactured by hot extrusion or forging, which has a volume larger than that of the via is introduced into the inside of the via of Mo to add the interface between Mo and Cu. Press down.
(2) The softened Cu is pressed into the inside of the via by pressing and heating the Cu plate disposed on the front and back of the plate-like Mo core substrate with the via formed, and the interface is pressed.
(3) A protrusion is provided on the surface of the Cu plate disposed on the front and back, and the protrusion is inserted into the via to press the interface inside the via.
(4) The above methods (1) to (3) are combined.

上記製造方法では、Moからなる芯基材のビアの内壁面にNiを被膜しておくことでCuとMoの接合強度を高くし、また安定させる。この方法ではCuを溶融させないため、インサート金属であるNiがCuに溶解することはなく、また製造後の放熱基板のビア内部に空隙やボイドが発生する心配もない。即ち、Mo芯基材のビア内部でCuとMoが直接、あるいはNi層を挟んで隙間なく密着した状態で接合される。   In the above manufacturing method, the bonding strength of Cu and Mo is increased and stabilized by coating Ni on the inner wall surface of the via of the core substrate made of Mo. In this method, since Cu is not melted, Ni, which is the insert metal, does not dissolve in Cu, and there is no concern that voids or voids will occur inside the via of the heat dissipation substrate after manufacture. That is, in the via of the Mo core substrate, Cu and Mo are bonded in a state in which they are in close contact with each other directly or with a Ni layer interposed therebetween without any gap.

また、上記同様の方法を用いて、ハイブリッド構造を拡張した多層のCu/ビアMo/Cu/…/Cu構造(これを、「多層ハイブリッド構造」と呼ぶ。)の放熱基板を製造することも検討した。この場合には、同じ厚さの放熱基板を製造する際に、ビアを形成したMoの芯基材(ビアMo層)を3層のハイブリッド構造の放熱基板のビアMo層よりも薄くすることができるため、ビア内部にCuを容易に圧入することができる。また、各ビアMo層に形成するビアの位置を上下層で重ならないように配置することにより、仮に該ビア内部のCuが膨張収縮した場合でも表層への影響を低減することができる。また、放熱基板の表裏面に位置するCu層を薄くすることができるため、ビアMo層によりCuの熱膨張を抑制する効果を高め、極表層における線膨張係数を低く抑えることができる。   In addition, it is also considered to manufacture a heat dissipation substrate of a multilayer Cu / via Mo / Cu /.../ Cu structure (this is called “multilayer hybrid structure”), which extends the hybrid structure, using the same method as described above. did. In this case, when manufacturing a heat dissipation substrate of the same thickness, the core substrate (Mo Mo layer) of Mo having a via formed may be thinner than the via Mo layer of the heat dissipation substrate of the hybrid structure of three layers. Since it is possible, Cu can be easily pressed into the via. Further, by arranging the positions of the vias formed in each via Mo layer so as not to overlap in the upper and lower layers, the influence on the surface layer can be reduced even if Cu inside the via is expanded and contracted. Further, since the Cu layers located on the front and back surfaces of the heat dissipation substrate can be thinned, the effect of suppressing the thermal expansion of Cu can be enhanced by the via Mo layer, and the linear expansion coefficient in the surface layer can be suppressed low.

放熱基板を構成するCuの線膨張係数は17ppm/Kであり、一方、Moは5.5ppm/Kであるため、半導体デバイスの動作の温度上昇時にCuとMoの膨張の程度が大きく異なり接合界面で大きな応力が生じる。ビア内部で生じるこのような応力は、ビアMo層が厚いほど顕著になる。多層ハイブリッド構造では複数のビアMo層を設けるため、上述のとおり、同一厚さの放熱基板を製造する場合には、1層のビアMo層のみを設けるよりも各ビアMo層が薄くなる。従って、ビア内部の界面で生じる応力が小さく抑えられる。   Since the linear expansion coefficient of Cu constituting the heat dissipation substrate is 17 ppm / K and that of Mo is 5.5 ppm / K, the degree of expansion of Cu and Mo differs greatly when the temperature of the operation of the semiconductor device rises, Large stress occurs. Such stress generated inside the via becomes more remarkable as the via Mo layer becomes thicker. Since a plurality of via Mo layers are provided in the multilayer hybrid structure, as described above, when manufacturing a heat dissipation substrate of the same thickness, each via Mo layer becomes thinner than providing only one via Mo layer. Therefore, the stress generated at the interface inside the via can be reduced.

また、本発明に係る放熱基板は、
a) 厚さ方向に貫通する貫通孔が形成された、Moからなる板状の芯基材と、
b) 前記貫通孔の内部に充填された、Cuからなる挿入体と、
c) 前記貫通孔の内壁面と前記挿入体の間に連続的又は断続的に形成された、Niからなる接合層と、
d) 前記芯基材の表裏面に形成された、Cuからなる熱伝導層と
を有することを特徴とする。
Further, the heat dissipation board according to the present invention is
a) A plate-like core substrate made of Mo, in which a through hole penetrating in the thickness direction is formed;
b) an insert made of Cu, filled in the through hole;
c) a bonding layer made of Ni continuously or intermittently formed between the inner wall surface of the through hole and the insert;
d) It has the heat conduction layer which consists of Cu formed on front and back of the above-mentioned core base material.

上記方法により製造された、本発明に係る放熱基板の特性を測定した結果、線膨張係数が10ppm/K以下であり、ヒートサイクルテスト後の厚さ方向の熱伝導率が200W/m・K以上であった。また、半導体パッケージ及び半導体モジュールに実装したヒートサイクルテストでも放熱基板の剥離や半導体デバイスの破損は見られなかった。   As a result of measuring the characteristics of the heat dissipation substrate according to the present invention manufactured by the above method, the linear expansion coefficient is 10 ppm / K or less, and the thermal conductivity in the thickness direction after the heat cycle test is 200 W / m · K or more Met. Further, peeling of the heat dissipation substrate and breakage of the semiconductor device were not observed in the heat cycle test mounted on the semiconductor package and the semiconductor module.

さらに、本発明に係る放熱基板の電気伝導率を測定すると、Al合金からなるリード線の電気伝導率に相当する、50%IACS以上の電気伝導率が得られることも分かった。従って、本発明に係る放熱基板は放熱基板電極としても好適に用いることができる。   Furthermore, when the electric conductivity of the heat dissipation substrate according to the present invention was measured, it was also found that an electric conductivity of 50% IACS or more corresponding to the electric conductivity of the lead wire made of an Al alloy was obtained. Therefore, the heat dissipation substrate according to the present invention can be suitably used as a heat dissipation substrate electrode.

さらに、本発明に係る半導体パッケージと半導体モジュールは、それぞれ前記放熱基板を備えることを特徴とする。   Furthermore, the semiconductor package and the semiconductor module according to the present invention each include the heat dissipation substrate.

本発明に係る放熱基板の製造方法では、CuMo系のハイブリッド構造の放熱基板を、CuとMoの界面にインサート金属を導入することにより界面の接合性を高めることでヒートサイクルテストに合格する放熱基板の開発に成功した。また、Cuを固相のままで圧入することにより、Cu内部に異種金属が溶解して熱伝導率が低下するという課題も解決した。これらにより、線膨張係数が10ppm/K以下であり、ヒートサイクルテスト後でも厚さ方向において200W/m・K以上の熱伝導率を有する放熱基板が得られた。また、この放熱基板を半導体パッケージや半導体モジュールに実装したヒートサイクルテストにおいても、各部材の剥離や破損、半導体デバイスの破損等が生じないという良好な結果が得られた。   In the method of manufacturing a heat dissipating substrate according to the present invention, the heat dissipating substrate passes the heat cycle test by enhancing the bonding property of the CuMo-based hybrid heat dissipating substrate by introducing an insert metal at the Cu / Mo interface. Succeeded in developing In addition, pressing the Cu in the solid phase solved the problem that the dissimilar metal is dissolved inside the Cu and the thermal conductivity is lowered. Thus, a heat dissipation substrate having a linear expansion coefficient of 10 ppm / K or less and a thermal conductivity of 200 W / m · K or more in the thickness direction even after the heat cycle test was obtained. Also, in the heat cycle test in which the heat dissipation substrate is mounted on a semiconductor package or a semiconductor module, favorable results were obtained such that peeling and breakage of each member and breakage of the semiconductor device did not occur.

また、接合余剰物が生じる量のCuを圧入(即ち、ビアの容積以上の量のCuを圧入)することにより、ヒートサイクルテスト後の熱伝導率の低下を抑えた、信頼性の高い放熱基板を得ることができる。さらに、上記方法では接合余剰物を生じさせることにより、ビアの容積以上の量のCuが圧入されていること、つまりビアの内部に空隙がない状態が形成されていることを確認できるため、ビア内部へのCuの圧入量の過不足を外観から容易に判断することができる。従来、一般的には放熱基板の接合工程を外観の接合余剰物によって管理することはなかったが、例えば、多数の放熱基板を切り出すための大きく薄い放熱基板を製造する際には、適宜の位置に接合余剰物を確認するための窓を設けることで全体の接合品質を管理することができる。   In addition, a highly reliable heat dissipation substrate in which a decrease in thermal conductivity after a heat cycle test is suppressed by pressing in an amount of Cu that generates bonding surplus (that is, pressing in an amount of Cu larger than the via volume). You can get Furthermore, in the above method, it is possible to confirm that Cu in an amount equal to or greater than the volume of the via is pressed in, that is, a state in which there is no void inside the via is formed by generating a bonding surplus. The excess or deficiency of the amount of press-in of Cu into the inside can be easily determined from the appearance. Conventionally, the bonding process of the heat dissipation substrate was not generally managed by the bonding surplus of the appearance, but for example, when manufacturing a large and thin heat dissipation substrate for cutting out a large number of heat dissipation substrates, appropriate positions It is possible to control the overall bonding quality by providing a window for checking the bonding surplus.

比較例及び実施例の放熱基板の断面構造を説明する図。The figure explaining the cross-section of the thermal radiation board | substrate of a comparative example and an Example.

本発明に係る放熱基板の製造方法の一実施形態は、
a) 第1金属からなる板状の芯基材を厚さ方向に貫通する貫通孔の内壁面にインサート金属を被覆し、
b) 前記貫通孔に、前記第1金属よりも熱伝導率が大きい第2金属からなる挿入体を充填し、
c) 前記本体の表面及び裏面にそれぞれ、前記第1金属よりも熱伝導率が大きい第3金属からなる板状の熱伝導部材を配置して積層体を作製し、
d) 前記積層体を前記第1金属、前記第2金属、及び前記第3金属の全ての融点未満の温度に加熱及び加圧する
工程を有する。
One embodiment of a method of manufacturing a heat dissipation board according to the present invention is
a) coating the insert metal on the inner wall surface of the through hole penetrating the plate-like core substrate made of the first metal in the thickness direction,
b) filling the through hole with an insert made of a second metal having a thermal conductivity higher than that of the first metal;
c) plate-like heat conduction members made of a third metal having a thermal conductivity larger than that of the first metal are disposed on the front and back surfaces of the main body, respectively, to produce a laminate;
d) heating and pressing the laminate to a temperature below the melting point of all of the first metal, the second metal, and the third metal.

上記製造方法において、第1金属、第2金属、及び第3金属、並びにインサート金属は、単体金属と合金のいずれであっても良い。また、第2金属と第3金属は同一金属とすることができる。その場合には、例えば貫通孔の位置に対応する箇所に凸部を形成した板状部材を用いて、貫通孔への挿入体の導入と、板状部材の配置を同時に行うことができる。   In the above manufacturing method, the first metal, the second metal, the third metal, and the insert metal may be any of a single metal and an alloy. Further, the second metal and the third metal can be the same metal. In that case, introduction of the insert into the through hole and arrangement of the plate member can be simultaneously performed using, for example, a plate member having a convex portion at a position corresponding to the position of the through hole.

この実施形態の放熱基板の製造方法では、第1金属と第2金属の両方に対して濡れ性が良好なインサート金属を用いて貫通孔の内部を被覆しておく。これにより、貫通孔の内部での第2金属の接合性が向上する。また、前記積層体を第1金属、第2金属、及び第3金属の全ての融点未満の温度に加熱及び加圧する。そのため、インサート金属が第2金属の内部に溶解し、該第2金属の熱伝導率を低下させる心配がない。従って、この実施形態に係る方法を用いることにより、熱伝導率が高く、ヒートサイクル前後での熱伝導率の低下が小さい放熱基板が得られる。   In the method of manufacturing a heat dissipation substrate according to this embodiment, the inside of the through hole is covered with an insert metal having good wettability to both the first metal and the second metal. Thereby, the bondability of the 2nd metal in the inside of a penetration hole improves. Also, the laminate is heated and pressurized to a temperature below the melting point of all of the first, second and third metals. Therefore, there is no concern that the insert metal dissolves inside the second metal and lowers the thermal conductivity of the second metal. Therefore, by using the method according to this embodiment, it is possible to obtain a heat dissipation substrate having a high thermal conductivity and a small decrease in the thermal conductivity before and after the heat cycle.

上記方法で製造された放熱基板では、上述のとおり、貫通孔内部を被覆したインサート金属を第1金属や第2金属に溶解させない。従って、本発明者による先の出願のような、貫通孔内部の界面に第1金属と第2金属が合金化した溶融部は形成されず、貫通孔内部では、第1金属と第2金属の間に、連続的又は断続的にインサート金属の層が形成されることになる。   In the heat dissipation substrate manufactured by the above method, as described above, the insert metal covering the inside of the through hole is not dissolved in the first metal or the second metal. Therefore, as in the earlier application by the present inventor, a fused portion in which the first metal and the second metal are alloyed is not formed at the interface inside the through hole, and the inside of the through hole is formed of the first metal and the second metal. In the meantime, a layer of insert metal will be formed continuously or intermittently.

即ち、本発明に係る放熱基板の一実施形態は、
a) 厚さ方向に貫通する貫通孔が形成された、第1金属からなる板状の芯基材と、
b) 前記貫通孔の内部に充填された、前記第1金属よりも熱伝導率が大きい第2金属からなる挿入体と、
c) 前記貫通孔の内壁面と前記挿入体の間に連続的又は断続的に形成された、インサート金属からなる接合層と、
d) 前記本体の表裏面に形成された、前記第1金属よりも熱伝導率が大きい第3金属からなる熱伝導層と
を有する。
That is, one embodiment of the heat dissipation substrate according to the present invention is
a) A plate-like core substrate made of a first metal, in which a through hole penetrating in the thickness direction is formed;
b) an insert made of a second metal having a thermal conductivity higher than that of the first metal, filled in the through hole;
c) a bonding layer made of insert metal, formed continuously or intermittently between the inner wall surface of the through hole and the insert;
and d) a heat conducting layer formed on the front and back surfaces of the main body and made of a third metal having a thermal conductivity higher than that of the first metal.

また、上記実施形態の放熱基板は、放熱基板電極としても好適に用いることができる。さらに、本発明に係る半導体パッケージと半導体モジュールの一実施形態は、それぞれ前記放熱基板を備える。   Further, the heat dissipation substrate of the above embodiment can be suitably used as a heat dissipation substrate electrode. Furthermore, one embodiment of the semiconductor package and the semiconductor module according to the present invention each includes the heat dissipation substrate.

以下、本発明に係る放熱基板及びその製造方法の一実施例について詳しく説明する。まず、本実施例の放熱基板を構成する主たる構成要素である、芯基材、挿入体、熱伝導層、及び接合金属層について説明する。   Hereinafter, an embodiment of a heat dissipation substrate and a method of manufacturing the same according to the present invention will be described in detail. First, the core base material, the insert, the heat conduction layer, and the bonding metal layer which are the main components constituting the heat dissipation substrate of the present embodiment will be described.

(低線膨張係数材料である第1金属からなる芯基材)
低線膨張係数材料である第1金属からなる芯基材の役割は、該芯基材の表裏面に配置される第3金属からなる熱伝導層と、該芯基材に形成されるビアの内部に導入される第2金属からなる挿入体が半導体デバイス動作時に伸縮するのを抑制することである。この役割に適した芯基材として、例えば、線膨張係数が9.0ppm/K以下であるW, Mo, CuW, CuMo、In(インバー)、Kv(コバール)のうちのいずれかからなるものを好適に用いることができる。特に、特性とコストの両面のバランスからMoからなる芯基材を好適に用いることができる。
(Core base material made of the first metal which is a low linear expansion coefficient material)
The role of the core base made of the first metal which is a low linear expansion coefficient material is the heat conduction layer made of the third metal disposed on the front and back of the core base, and the via formed in the core base. It is to suppress that the insert which consists of a 2nd metal introduced into an inside expand-contracts at the time of semiconductor device operation | movement. As a core base material suitable for this role, for example, one comprising any of W, Mo, CuW, CuMo, In (Invar), Kv (Kovar) having a linear expansion coefficient of 9.0 ppm / K or less is preferable. It can be used for In particular, a core substrate made of Mo can be suitably used in view of the balance between the characteristics and the cost.

芯基材に形成するビアは、該芯基材を厚さ方向に貫通するものであれば良く、その断面形状は製造者が適宜に決めることができる。また、その断面形状が必ずしも厚さ方向で一定である必要はなく、例えばテーパー状等であってもよい。さらに、ビアの個数、大きさ、及び配置は、求められる線膨張係数と熱伝導率の値に応じて適宜に設定すればよい。このビアは、例えばパンチング、エッチング、放電加工、ドリル加工等、適宜の方法で形成することができる。また、これらを適宜に組み合わせてもよい。さらに、必ずしもビアを均等に配置する必要はなく、例えば半導体デバイスが加熱しやすい部位に対応する位置に集中的にビアを配置することもできる。   The vias formed in the core substrate may be those which penetrate the core substrate in the thickness direction, and the cross-sectional shape thereof can be appropriately determined by the manufacturer. Moreover, the cross-sectional shape does not necessarily have to be constant in the thickness direction, and may be, for example, tapered. Furthermore, the number, size, and arrangement of vias may be appropriately set according to the values of the linear expansion coefficient and the thermal conductivity to be obtained. The via can be formed by an appropriate method, such as punching, etching, electrical discharge machining, drilling and the like. Moreover, you may combine these suitably. Furthermore, the vias do not necessarily have to be arranged uniformly, and for example, the vias can be arranged intensively at positions corresponding to the portions where the semiconductor device is likely to be heated.

(高熱伝導率材料である第2金属の挿入体)
高熱伝導率材料である第2金属からなる挿入体の役割は、放熱基板の一方の表面(半導体デバイスが搭載される側)に位置する熱伝導層からの熱を他方の表面(金属フィン等の冷却器が設けられる側)に位置する熱伝導層に効率よく伝達することである。この役割に適した挿入体としては、例えば熱伝導率は390W/m・K以上である金属からなるものを好適に用いることができる。また、放熱基板を電極としても使用する場合(以下、この場合の放熱基板を「放熱基板電極」とも呼ぶ。)には、Al合金からなるリード線と同等以上である50%IACS以上の電気伝導率を有する金属からなるものを用いることが好ましい。これらの要件を満たす材料として、後述の実施例で使用するCuのほか、Ag、あるいはそれらの合金を用いることができる。
(Insert of second metal which is high thermal conductivity material)
The role of the second metal insert, which is a high thermal conductivity material, is to heat the heat conduction layer located on one surface of the heat dissipation substrate (the side on which the semiconductor device is mounted) to the other surface (such as metal fins) It is to efficiently transmit to the heat conduction layer located on the side where the cooler is provided. As an insert suitable for this role, for example, one made of a metal having a thermal conductivity of 390 W / m · K or more can be suitably used. In addition, when the heat dissipation substrate is also used as an electrode (hereinafter, the heat dissipation substrate in this case is also referred to as a "heat dissipation substrate electrode"), electrical conduction of 50% IACS or more equivalent to or more than a lead wire made of Al alloy. It is preferable to use what consists of a metal which has a rate. In addition to Cu used in the examples described later, Ag or an alloy thereof can be used as a material that satisfies these requirements.

第2金属からなる挿入体は、後述する加熱及び加圧工程において、芯基材のビアの内壁面(第1金属との界面)を加圧するように芯基材のビアに挿入される。そのため、ビアの容積以上の体積の第2金属を挿入体として用いることが好ましい。ここで「好ましい」としたのは、仮にビアに挿入される第2金属の量がビアの容積よりも若干少ない場合でも、加熱及び加圧処理の際に、芯基材の表裏面に配置される熱伝導層を構成する第3金属(後述)が多少、ビア内部に押し込まれ、ビアの内部が加圧されるためである。挿入体としては、ビアの形状に対応する形状を有し、ビアの深さよりも高く成形したもの、外径が僅かにビアよりも大きいもの(この場合にはCuを加熱し軟化させて圧入)、あるいは粉末状や顆粒状のものを用いることができる。また、後記第3金属からなる熱伝導層の片面に貫通孔の内径よりも小さく高さがビアの深さの1/2より高い外径を有する凸部を形成し、これを上下からカップリングし、加熱により軟化させることにより、ビアの内部で2つの凸部を挿入体として一体化することもできる。あるいは、これらを適宜に組み合わせて併用(例えば粉末状のものと、熱伝導層を構成する板状部材の片面に形成した凸部を併用)することもできる。   The insert made of the second metal is inserted into the via of the core base so as to press the inner wall surface (the interface with the first metal) of the via of the core base in a heating and pressurizing process described later. Therefore, it is preferable to use the second metal having a volume equal to or larger than the volume of the via as the insert. Here, “preferred” means that even if the amount of the second metal inserted into the via is slightly smaller than the volume of the via, it is disposed on the front and back of the core substrate during the heating and pressing process. This is because the third metal (described later) constituting the heat conduction layer is pushed into the via to some extent and the inside of the via is pressurized. The insert has a shape corresponding to the shape of the via, is formed to be higher than the depth of the via, or has a slightly larger outer diameter than the via (in this case, Cu is heated and softened and pressed in) Alternatively, powdery or granular ones can be used. Further, a convex portion having an outer diameter smaller than the inner diameter of the through hole and having a height higher than 1/2 of the depth of the via is formed on one surface of the heat conduction layer made of a third metal described later. The two projections can be integrated as an insert inside the via by softening by heating. Alternatively, these may be appropriately combined and used together (for example, used in combination with a powdery one and a convex portion formed on one surface of a plate-like member constituting the heat conductive layer).

第1金属(ここではMoとする。)の芯基材のビアへの第2金属(ここではCuとする。)の圧入は、例えば、以下のような方法で行うことができる。
(1)熱間押し出しや鍛造で製造されるようなCuの柱状体であって、ビアの容積よりも大きな体積を有するものをMoのビア内部に導入することにより、MoとCuの界面を加圧する。
(2)ビアを形成した板状のMo芯基材の表裏に配置する第3金属(ここではCuとする。)の板状部材(放熱基板の熱伝導層)を加熱及び加圧することによりビア内部に軟化したCuを圧入して界面を加圧する。
(3)表裏に配置するCu板状部材の表面に凸部を設け、該凸部をビアに挿入してビア内部の界面を加圧する。
(4)上記(1)から(3)の方法を適宜に組み合わせる。
The press-in of the second metal (here, Cu) into the via of the core substrate of the first metal (here, Mo) can be performed, for example, by the following method.
(1) A Cu columnar body manufactured by hot extrusion or forging, which has a volume larger than that of the via is introduced into the inside of the via of Mo to add the interface between Mo and Cu. Press down.
(2) Vias are applied by heating and pressing the plate-like member (the heat conduction layer of the heat dissipation substrate) of the third metal (here, Cu) disposed on the front and back of the plate-like Mo core substrate having the vias formed. The softened Cu is pressed into the interior to pressurize the interface.
(3) A convex portion is provided on the surface of the Cu plate-like member disposed on the front and back, and the convex portion is inserted into the via to press the interface inside the via.
(4) The above methods (1) to (3) are appropriately combined.

(高熱伝導材料である第3金属の熱伝導層)
芯基材の表裏面に配置される、高熱伝導率材料である第3金属からなる熱伝導層の役割は、放熱基板の表面に平行な面内(X-Y面内)での熱伝導率を高めることである。また加熱加圧により軟化した状態でビアに圧入されビア内を加圧することである。また、上述のとおり、第3金属からなる熱伝導層の片面に貫通孔の内径よりも小さく高さがビアの深さの1/2より高い外径を有する凸部を形成し、これを上下からカップリングし、加熱により軟化させることによりビアの内部で2つの凸部を挿入体として一体化することもできる。多層ハイブリッド構造の放熱基板を製造する場合には、熱伝導層を構成する板状部材の表裏両面に凸部を形成すればよい。
(Thermally conductive layer of the third metal which is a high thermal conductivity material)
The role of the heat conduction layer made of the third metal, which is a high thermal conductivity material, disposed on the front and back surfaces of the core substrate enhances the thermal conductivity in the plane parallel to the surface of the heat dissipation substrate (in the XY plane) It is. In addition, it is to be pressed into the via in a state of being softened by heating and pressing to press the inside of the via. Further, as described above, a convex portion having an outer diameter smaller than the inner diameter of the through hole and having a height higher than 1⁄2 of the depth of the via is formed on one surface of the heat conduction layer made of the third metal. It is also possible to integrate the two projections as an insert inside the via by coupling and softening by heating. In the case of manufacturing the heat dissipation substrate of the multilayer hybrid structure, the convex portions may be formed on both the front and back sides of the plate-like member constituting the heat conduction layer.

熱伝導層を構成する部材としては、390W/m・K以上の熱伝導率を有するCuあるいはCu合金からなる板状部材を好適に用いることができる。あるいは、粉末状のものを用いたり溶射法により熱伝導層を形成したりすることもできる。また、これらを適宜組み合わせて併用することもできる。この第3金属がビアに圧入されたり、接合余剰物として外部に放出されたりした場合には熱伝導層が薄くなるが、熱伝導層の厚さは、SUS、Fe、Mo、In、Kv等からなるガイドを用いることによりコントロールできる。特に、多層クラッド構造の場合には各熱伝導層の厚さの制御に有効に働くのでこうしたガイドを使用することが望ましい。また、こうしたガイドを放熱基板の外周に配置する場合には、それも含めて放熱基板として取り扱うこともできる。なお、その場合にはガイドの表面にもインサート金属と同様にCu及びガイドを構成する部材の両方と濡れ性が良好な材料を塗布しておくことが望ましい。また、表層の面粗さを小さくする必要がある場合には、軽い圧延や研磨を行えばよい。   As a member which comprises a heat conductive layer, the plate-shaped member which consists of Cu or Cu alloy which has thermal conductivity of 390 W / m * K or more can be used suitably. Alternatively, a heat conductive layer can be formed by using a powder or by a thermal spraying method. Moreover, these can be used in combination as appropriate. When the third metal is pressed into the via or released to the outside as a bonding surplus, the heat conduction layer becomes thin, but the thickness of the heat conduction layer is SUS, Fe, Mo, In, Kv, etc. It can control by using the guide which consists of. In particular, in the case of a multilayer clad structure, it is desirable to use such a guide as it works effectively to control the thickness of each heat conduction layer. When such a guide is disposed on the outer periphery of the heat dissipation substrate, it can also be handled as a heat dissipation substrate including the guide. In that case, it is desirable to apply a material having good wettability to both the Cu and the member constituting the guide as well as the insert metal on the surface of the guide. If it is necessary to reduce the surface roughness of the surface layer, light rolling and polishing may be performed.

(インサート金属である第4金属からなる接合金属層)
インサート金属である第4金属からなる接合金属層の役割は、第1金属と第2及び第3金属の間に介在し接合強度を向上させるとともに安定化することである。但し、第1金属と第2金属及び第3金属の接合の完了後には必ずしも介在させたインサート金属のすべてが接合界面に残存していない場合もある。これは、軟化したCuが塑性変形する際にインサート金属を部分的に押し出すことがあるためである。
(Bonding metal layer consisting of the fourth metal which is insert metal)
The role of the bonding metal layer made of the fourth metal which is the insert metal is to intervene between the first metal and the second and third metals to improve and stabilize the bonding strength. However, after completion of the bonding of the first metal, the second metal and the third metal, not all of the interposed insert metal may be necessarily left at the bonding interface. This is because the softened Cu may partially push out the insert metal during plastic deformation.

インサート金属(第4金属)として、例えば、Ni、Co、Cr、Ti、Zr、Hf、Nb、V、Ag、Cd、Sn、あるいはそれらの合金を好適に用いることができる。また、これらを複数使用し、接合金属層を多層にしてもよい。ただし、多くの場合、金属単体の方が合金よりも熱伝導率や電気伝導率が高いことから、接合金属層は金属単体からなるものとすることが好ましい。中でも純Niが好適である。第2金属よりも融点が低い金属を用いた場合には、第1金属と第2金属及び第3金属の接合時に溶融し、その一部が接合余剰物として外部に放出されるため、第1金属と第2金属及び第3金属の接合界面にはわずかな量しか残らない場合もあるが、第4金属が該接合界面に一部でも存在していれば第1金属と第2金属及び第3金属の接合強度が向上する。   As the insert metal (fourth metal), for example, Ni, Co, Cr, Ti, Zr, Hf, Nb, V, Ag, Cd, Sn, or an alloy thereof can be suitably used. Also, a plurality of these may be used, and the bonding metal layer may be multilayered. However, in many cases, it is preferable that the bonding metal layer be made of a single metal, since the single metal is higher in thermal conductivity and electrical conductivity than the alloy. Among them, pure Ni is preferable. When a metal having a melting point lower than that of the second metal is used, it melts at the time of bonding of the first metal, the second metal and the third metal, and a part thereof is released to the outside as a bonding surplus. Only a small amount may remain at the bonding interface between the metal and the second and third metals, but if the fourth metal is partially present at the bonding interface, the first metal and the second metal and the The bonding strength of the three metals is improved.

上述のとおり、接合金属層は、第1金属と第2金属の接合性を高めるためのものであることから、放熱基板の製造時には第1金属からなる芯基材のビアの内壁面と第2金属からなる挿入体の外壁面のいずれか一方に形成しておけばよい。もちろん両方に形成してもよい。接合金属層は、例えばメッキ、蒸着、金属粉末の塗布、ナノ金属粉末の塗布、溶射等、適宜の方法により形成することができる。また、第1金属からなる芯基材の表裏面と第3金属からなる熱伝導層の表面(芯基材に接合される面)の一方又は両方にも接合金属層14を形成しておくことが好ましい。これにより、芯基材と熱伝導層の接合性も高め、接合界面をより安定させることができる。   As described above, since the bonding metal layer is for enhancing the bonding property between the first metal and the second metal, the inner wall surface of the via and the second metal of the core base made of the first metal are produced when the heat dissipation substrate is manufactured. It may be formed on any one of the outer wall surfaces of the insert made of metal. Of course, it may be formed on both sides. The bonding metal layer can be formed by an appropriate method such as plating, vapor deposition, application of metal powder, application of nano metal powder, thermal spraying, and the like. In addition, the bonding metal layer 14 is formed on one or both of the front and back surfaces of the core base made of the first metal and the surface of the heat conductive layer made of the third metal (the surface to be bonded to the core base). Is preferred. Thereby, the bondability of the core substrate and the heat conduction layer can be enhanced, and the bond interface can be made more stable.

なお、放熱基板の製造時に形成する接合金属層の厚さは0.003〜10μmの範囲内であることが好ましい。これは、接合金属層が0.003μmよりも薄いと第1金属と第2金属(及び第1金属と第3金属)を接合する効果が十分に得られない場合があり、逆に10μmよりも厚くすると、この接合金属層によって放熱基板の熱伝導率や電気伝導率が低下する可能性があるためである。   In addition, it is preferable that the thickness of the joining metal layer formed at the time of manufacture of a thermal radiation board | substrate exists in the range of 0.003-10 micrometers. This is because when the bonding metal layer is thinner than 0.003 μm, the effect of bonding the first metal and the second metal (and the first metal and the third metal) may not be sufficiently obtained, and conversely, it is thicker than 10 μm. Then, the thermal conductivity and the electrical conductivity of the heat dissipation substrate may be reduced by the bonding metal layer.

接合金属層の上記厚さは放熱基板の製造時に形成する厚さであり、後述する加熱及び加圧工程において、その一部は第2金属からなる挿入体の余剰量とともに接合余剰物としてビアから押し出される。また、放熱基板の製造時に均一厚さで接合金属層を形成したとしても、その一部が加熱及び加圧工程において第1金属と第2金属(及び第1金属と第3金属)の界面で移動することもある。従って、製造後の放熱基板では、接合合金層が必ずしも第1金属と第2金属の界面(及び第1金属と第3金属の界面)に連続的に形成されているとは限らず、該界面において接合合金層が断続的に存在する場合もある。   The thickness of the bonding metal layer is the thickness formed at the time of manufacture of the heat dissipation substrate, and in the heating and pressing steps described later, a part thereof is used as a bonding surplus from the via together with the surplus amount of the insert made of the second metal. It is pushed out. In addition, even if the bonding metal layer is formed with a uniform thickness at the time of manufacturing the heat dissipation substrate, a portion thereof is at the interface between the first metal and the second metal (and the first metal and the third metal) in the heating and pressing steps. It may move. Therefore, in the heat dissipation substrate after manufacturing, the bonding alloy layer is not necessarily continuously formed on the interface between the first metal and the second metal (and the interface between the first metal and the third metal), and the interface In some cases, the bonding alloy layer may be present intermittently.

Cuの融点は1083℃であるが、上記製造方法では加圧するため、1083℃未満でもCu(第2金属、第3金属)とNi(第4金属)の一部が固溶体を形成する場合がある。仮にこうした固溶体が第1金属との界面の一部に形成されたとしても、固溶体の層が過度に厚いものでなければ熱伝導率を大幅に低下させる心配はない。とはいえ、第1金属と第2金属及び第3金属の接合界面には固溶体が存在しないことが好ましく、その観点から接合時の加熱温度は1000℃以下であることが望ましい。   The melting point of Cu is 1083 ° C., however, because of pressurization in the above manufacturing method, some of Cu (second metal, third metal) and Ni (fourth metal) may form a solid solution even at less than 1083 ° C. . Even if such a solid solution is formed at a part of the interface with the first metal, there is no concern that the thermal conductivity will be significantly reduced unless the layer of the solid solution is excessively thick. However, it is preferable that no solid solution exists at the bonding interface between the first metal and the second metal and the third metal, and from that viewpoint, the heating temperature at the time of bonding is preferably 1000 ° C. or less.

典型的な一例として、第1金属がMoであり第2金属(及び第3金属)がCuである場合には、接合合金層として3μmm厚さのNi層を好適に用いることができる。これによりCuとMoの接合性を高め、かつ熱伝導率や電気伝導率に影響を与えることなく放熱基板を製造することができる。また、NiやNi合金は、従来、放熱基板に半導体デバイスをハンダ付けするためのNi系メッキ処理にも広く用いられており、400℃に加熱してもフクレや剥離が生じないことが知られている。従って、接合金属層としてNi層(あるいはNi合金層)を用いると、ヒートサイクルテストにおいて問題が生じる心配もない。さらに、純Niは軟らかく線膨張係数が8.3ppm/k(Cuの線膨張係数とMoの線膨張係数の中間値)であることからCuとMoの間に生じる応力を緩和してこれらの剥離を抑制するという効果も得られる。他に、CuとMoの接合面に軟らかいNiを配置することで、仮にCuとMoの界面に亀裂や剥離が生じても、その急激な進行を抑制することができる。   As a typical example, when the first metal is Mo and the second metal (and the third metal) is Cu, a Ni layer of 3 μm thickness can be suitably used as the bonding alloy layer. As a result, the bonding property between Cu and Mo can be enhanced, and the heat dissipation substrate can be manufactured without affecting the thermal conductivity and the electrical conductivity. Also, Ni and Ni alloys are conventionally widely used for Ni-based plating treatment for soldering a semiconductor device to a heat dissipation substrate, and it is known that no swelling or peeling occurs even when heated to 400 ° C. ing. Therefore, using a Ni layer (or a Ni alloy layer) as a bonding metal layer does not cause a problem in the heat cycle test. Furthermore, pure Ni is soft and has a coefficient of linear expansion of 8.3 ppm / k (intermediate value between the coefficient of linear expansion of Cu and the coefficient of linear expansion of Mo), thereby relieving the stress generated between Cu and Mo to separate these particles. The effect of suppressing can also be obtained. In addition, by arranging soft Ni on the bonding surface of Cu and Mo, even if a crack or peeling is generated at the interface of Cu and Mo, it is possible to suppress its rapid progress.

次に、本発明に係る放熱基板の製造方法の一実施例の手順を説明する。ここでは、100mm四方、厚さ1.5mmの3層のCu/Mo/Cuハイブリッド構造の放熱基板を製造する一例を説明する。   Next, the procedure of one embodiment of the method of manufacturing a heat dissipating substrate according to the present invention will be described. Here, an example of manufacturing a heat dissipation substrate of a 100 mm square, 1.5 mm thick three-layer Cu / Mo / Cu hybrid structure will be described.

(積層体)
まず、第1金属であるMoからなる110mm四方、厚さ0.5mm板状部材の、中央近傍の100mm四方の領域において複数の貫通孔(ビア)を形成した芯基材を準備する。そして、ビアの内壁及び板状部材に、インサート金属(第4金属)であるNiのメッキ処理を施す。次に110mm四方で内部に103mm四方の穴があいた厚さ0.5mmのSUSからなる枠状部材であるガイドを2枚準備する。更に、第3金属であるCuからなり、それぞれが100mm四方、厚さ0.51mmの板状部材の片面に、第2金属であるCuからなり、ビアの径より少し小さな径を有し高さが0.27mmである円柱状の凸部を設けた2枚の板状部材を準備する。
(Laminate)
First, a core base material in which a plurality of through holes (vias) are formed in a 100 mm square region near the center of a 110 mm square and 0.5 mm thick plate member made of Mo which is a first metal is prepared. Then, the inner wall of the via and the plate-like member are plated with Ni, which is an insert metal (fourth metal). Next, two guides, which are frame-shaped members made of SUS having a thickness of 0.5 mm and having holes of 103 mm square and 110 mm square, are prepared. Furthermore, it is made of Cu which is the third metal, and is made of Cu which is the second metal on one side of a plate-like member 100 mm square and 0.51 mm thick, each having a diameter slightly smaller than the diameter of the via and height Two plate-like members provided with a cylindrical convex portion having 0.27 mm are prepared.

次に、第3金属からなる板状部材の外周にガイドを置き、第1金属からなる芯基材のビアの位置を凸部の位置と一致させ、各凸部にビアを差し込む。続いて、第1金属からなる芯基材のビアの上方から、第3金属からなる板状部材の片面に形成した凸部を挿入する。そして、芯基材の上部に位置する板状部材の外周にもガイドを置き積層体を作成する。板状部材の外周に配置するガイドとして、製造後の放熱基板の熱伝導層と同じ厚さ(ここでは0.5mm)のものを用いる。   Next, a guide is placed on the outer periphery of the plate-like member made of the third metal, the positions of the vias of the core substrate made of the first metal are made coincident with the positions of the convex portions, and the vias are inserted into the respective convex portions. Then, the convex part formed in the single side | surface of the plate-shaped member which consists of 3rd metal is inserted from the upper direction of the via | veer of the core base material which consists of 1st metal. Then, a guide is placed also on the outer periphery of the plate-like member located on the upper portion of the core base material to make a laminate. As a guide arrange | positioned on the outer periphery of a plate-shaped member, the thing of the same thickness (here 0.5 mm) as the heat conductive layer of the thermal radiation board | substrate after manufacture is used.

そして、カーボン治具の下パンチを上まで上げ、その上に積層体を置く。続いて下パンチと積層体の上から上パンチをセットして積層体を固定する。   Then, the lower punch of the carbon jig is raised to the upper side, and the laminate is placed thereon. Subsequently, the lower punch and the upper punch are set from above the laminate to fix the laminate.

なお、芯基材の表裏面に配置したCu板状部材の厚さ(製造後の放熱基板における熱伝導層の厚さ)については、上記例で用いたSUSガイド板の厚さを適宜に変更することにより調整することができる。特に、5〜11層(Cu層とビアMo層の層数の合計)の多層のハイブリッド構造では内部のCu層(放熱基板の表裏面以外のCu層)の厚さのコントロールにガイドは有効である。また、多層クラッド構造の放熱基板を製造する際には、Cu板状部材の表裏面に凸部を設けることにより、上述した3層のクラッド構造の放熱基板と同じように凸部から挿入体を作製することができる。   The thickness of the SUS guide plate used in the above example is appropriately changed for the thickness of the Cu plate-like member (thickness of the heat conduction layer in the heat dissipation substrate after production) disposed on the front and back surfaces of the core substrate. It can be adjusted by doing. In particular, in the case of a multilayer hybrid structure of 5 to 11 layers (the total number of layers of Cu layer and via Mo layer), the guide is effective for controlling the thickness of the internal Cu layer (Cu layers other than the front and back surfaces of the heat dissipation substrate). is there. In addition, when manufacturing the heat dissipation substrate of the multilayer clad structure, by providing the convex portions on the front and back surfaces of the Cu plate-like member, the insert is inserted from the convex portions in the same manner as the above-described heat dissipation substrate of the clad structure It can be made.

(接合)
次に、積層体を固定したカーボン治具を、加熱加圧装置(ホットプレス(HP)装置、通電焼結装置、熱間等方圧加圧(HIP)装置、加熱加圧炉等)にセットし、非酸化雰囲気(例えば還元性ガス雰囲気、Ar、N2等の不活性ガス雰囲気、あるいは真空雰囲気。還元性ガスと不活性ガスの組み合わせでも良い。)で加熱及び加圧する。加熱及び加圧の条件は放熱基板の大きさや使用する各金属の種類によって異なるが、例えば、30MPa(0.3tf/cm2)から500MPa(5tf/cm2)の範囲の圧力をかけ、600℃からCuの融点(1083℃以下)未満の温度に加熱すればよい。Cuを軟化させ、かつ溶融させないという観点から、加熱温度は600℃から1000℃の範囲内とすることが好ましい。本実施例の積層体は、加熱及び加圧後の厚さが約1.5mmであり、ビアの内部に挿入されたCuとMoがインサート金属(Ni)を介して接合される。積層体の作製時の条件としては、接合後にCu層とビアMo層の接合界面から接合余剰物が出る状態とすることが好ましい。上記のとおり加熱及び加圧装置としては種々のものを用いることができる。ただし、放電プラズマ焼結(SPS)装置のように、局部のCuが溶融してMoとの界面にボイドが形成される可能性がある加熱加圧装置は使用しない、もしくは、局部熔融の起こらない条件に限定して使用する。
(Joining)
Next, the carbon jig to which the laminate is fixed is set in a heating and pressing device (hot press (HP) device, electric sintering device, hot isostatic pressing (HIP) device, heating and pressing furnace, etc.) Heat and pressure are applied in a non-oxidizing atmosphere (for example, a reducing gas atmosphere, an inert gas atmosphere such as Ar, N 2 , or a vacuum atmosphere; a combination of a reducing gas and an inert gas may be used). The conditions of heating and pressing vary depending on the size of the heat dissipation substrate and the type of each metal used, but for example, a pressure in the range of 30 MPa (0.3 tf / cm 2 ) to 500 MPa (5 tf / cm 2 ) is applied. It may be heated to a temperature less than the melting point (1083 ° C. or less) of Cu. The heating temperature is preferably in the range of 600 ° C. to 1000 ° C. from the viewpoint of softening and not melting Cu. The laminate of this embodiment has a thickness of about 1.5 mm after heating and pressing, and Cu and Mo inserted inside the vias are joined via the insert metal (Ni). As a condition at the time of preparation of the laminate, it is preferable to set a state in which a bonding surplus is released from the bonding interface between the Cu layer and the via Mo layer after bonding. As described above, various heating and pressurizing devices can be used. However, heating and pressure equipment where local Cu may be melted and void may be formed at the interface with Mo, such as spark plasma sintering (SPS) equipment is not used or local melting does not occur. Use limited to the conditions.

上記温度の範囲の最低値が従来の固相拡散接合における加熱温度より高いのは、ビアに挿入したCu挿入体、及び芯基材の表裏面に配置したCu板状部材を軟化させてビア内部に圧入するためである。また、上記圧力範囲の最低値を従来の固相拡散接合における圧力より高くしているのも、同様に、ビアに挿入したCu挿入体、及び芯基材の表裏面に配置したCu板状部材を軟化させてビア内部に圧入するためである。加熱加圧処理において、上記実施例の温度範囲外あるいは圧力範囲未満であるとビア内部でのCuとMoの界面の接合強度が安定しない可能性がある。圧力については上記範囲よりも高い圧力としても問題はないが、圧力を高めるには大型の装置を使用する必要があり、製造コストが高くなってしまう。   The lowest value of the above temperature range is higher than the heating temperature in the conventional solid phase diffusion bonding because the Cu insert inserted into the via and the Cu plate-like member disposed on the front and back of the core substrate are softened For press-fitting. In addition, the lower value of the above pressure range is higher than the pressure in the conventional solid phase diffusion bonding, similarly, the Cu insert inserted in the via, and the Cu plate-like member disposed on the front and back of the core substrate To soften and press fit into the via. In the heat and pressure treatment, the bonding strength of the interface between Cu and Mo inside the via may be unstable if the temperature is outside the temperature range or below the pressure range of the above embodiment. The pressure is not a problem even if the pressure is higher than the above-mentioned range, but in order to increase the pressure, it is necessary to use a large apparatus, and the manufacturing cost becomes high.

一般に、加熱及び加圧装置で上記のような積層体を処理する場合、積層体の表面に対しては大きな圧力がかかるが、それに垂直な方向(即ちビア内部のCuとMoの界面を押す方向)には圧力がかかりにくい。本実施例では、ビアの深さよりも高いCu挿入体を使用してビアに圧入したり、芯基材の表裏面に配置した板状部材のCuを圧入したりすることで、ビア内部にCu挿入体を押し込み、これによってビア内部のCuとMoの接合界面を押す方向にも圧力をかけている。   Generally, when processing such a laminate with a heating and pressing device, a large pressure is applied to the surface of the laminate, but in a direction perpendicular to it (that is, a direction to push the Cu-Mo interface inside the via) ) Less pressure. In this embodiment, Cu is inserted into the via by press-fitting the via using a Cu insert higher than the depth of the via, or press-fitting Cu of a plate-like member disposed on the front and back of the core substrate. The insert is pushed in, thereby applying pressure also in the direction of pushing the bonding interface of Cu and Mo inside the via.

積層体が加熱加圧されるとCu同士やCuとMoの接合が開始される。また、これと並行して軟化したCuが塑性変形し界面の空隙がなくなっていく。しかし、積層体作製時にビア内部に導入するCu量が少ないと界面に空隙が残ったままで接合が完了する。この場合にはビア内にかかる圧力が低く不安定になるため十分な接合強度が得られない可能性がある。上記製造方法では、Cu挿入体、あるいはCu挿入体とCu板状部材からビア内に圧入するCuの量をビアの容積よりも多くして、つまり余剰量のCuをビア内部に導入することで該余剰量に相当する接合余剰物を生じさせるため、ビア内部でも高い接合強度で安定した放熱基板が出来る。Cuの厚さはガイド材を使用することで適宜に制御することができる。ガイド材としては、上述したSUS製のもののほか、SUSと同様に加熱加圧しても厚さが変化しにくい、Mo, W, In, Kvからなるものを好適に用いることもできる。接合余剰物を除去することによりCuMo系のハイブリッド構造で欠陥がなく、CuとMoの接合強度が高い、安定した放熱基板が得られる。   When the laminate is heated and pressurized, bonding of Cu to Cu or Cu to Mo is started. Further, in parallel with this, the softened Cu plastically deforms, and the gap of the interface disappears. However, if the amount of Cu introduced into the inside of the via at the time of producing the laminate is small, the bonding is completed with the void remaining in the interface. In this case, since the pressure applied to the via is low and unstable, sufficient bonding strength may not be obtained. In the above manufacturing method, the amount of Cu pressed into the via from the Cu insert or the Cu insert and the Cu plate member is made larger than the volume of the via, that is, an extra amount of Cu is introduced inside the via. Since a bonding surplus corresponding to the surplus amount is generated, a stable heat dissipation substrate can be formed with high bonding strength even inside the via. The thickness of Cu can be appropriately controlled by using a guide material. As the guide material, in addition to the above-mentioned SUS, a guide made of Mo, W, In and Kv whose thickness hardly changes even when heated and pressurized like SUS can be suitably used. By removing the bonding surplus, it is possible to obtain a stable heat dissipation substrate having a CuMo-based hybrid structure without defects and having a high bonding strength between Cu and Mo.

本実施例の製造方法では、CuMo系のハイブリッド構造の放熱基板を、CuとMoの界面にインサート金属であるNiを導入することによりCuとMoの接合性を高めている。また、Cuを軟化し固相の状態で圧入することにより、Cu内部にインサート金属が溶解して熱伝導率が低下することもない。これらにより、後述するように、線膨張係数が10ppm/K以下であり、ヒートサイクルテスト後でも厚さ方向において200W/m・K以上の熱伝導率を有する放熱基板が得られた。また、この放熱基板を半導体パッケージや半導体モジュールに実装したヒートサイクル試験においても、放熱基板の剥離や半導体デバイスの破損等の問題は生じなかった。   In the manufacturing method of the present embodiment, the bonding property of Cu and Mo is enhanced by introducing a Ni, which is an insert metal, into the CuMo-based hybrid structure of the heat dissipation substrate at the interface of Cu and Mo. In addition, by softening Cu and pressing in a solid state, the insert metal is not dissolved in Cu and the thermal conductivity does not decrease. As a result, as described later, a heat dissipation substrate having a linear expansion coefficient of 10 ppm / K or less and a thermal conductivity of 200 W / m · K or more in the thickness direction even after the heat cycle test was obtained. Further, even in the heat cycle test in which the heat dissipation substrate is mounted on a semiconductor package or a semiconductor module, problems such as peeling of the heat dissipation substrate and breakage of the semiconductor device did not occur.

また、接合余剰物が生じる量のCuを圧入(即ちビアの容積以上の量のCuを圧入)することにより、ヒートサイクルテスト後の熱伝導率の低下を抑えた、信頼性の高い放熱基板を得ることができる。接合余剰物を生じさせることにより、ビアの容積以上の量のCuが圧入されていること、つまりビアの内部に空隙がない状態が形成されていることを確認することができるため、ビア112内部へのCuの導入量の過不足を外観から容易に判断することができる。従来、一般的には放熱基板の接合工程を外観の接合余剰物によって管理することはなかったが、例えば、多数の放熱基板を切り出すための大きく薄い放熱基板を製造する際には、接合余剰物を確認するための窓を設けることで全体の接合品質を管理することができる。   In addition, a highly reliable heat dissipation substrate in which the decrease in the thermal conductivity after the heat cycle test is suppressed by pressing in an amount of Cu that generates bonding surplus (that is, pressing in an amount of Cu larger than the via volume). You can get it. By producing a bonding surplus, it can be confirmed that Cu of an amount equal to or greater than the volume of the via is pressed, that is, a state in which no void is formed inside the via is formed. The excess or deficiency of the introduction amount of Cu to the steel can be easily judged from the appearance. Conventionally, the bonding process of the heat dissipation substrate was not generally managed by the bonding surplus of the appearance, but, for example, when manufacturing a large thin heat dissipation substrate for cutting out a large number of heat dissipation substrates, the bonding surplus By providing a window to confirm the overall bonding quality can be managed.

上記製造方法は、例えば5〜11層の多層ハイブリッド構造(Cu/ビアMo/Cu/ビアMo/…/Cu)の放熱基板の製造にも用いることができる。つまり、上記例で作製した積層体に代えて、Cu板状部材と、ビア内部にCu挿入体を充填したMo板状部材(芯基材)を適宜の枚数、交互に配置してカーボン治具にセットすることにより適宜の数の層を有する多層ハイブリッド構造の放熱基板を製造することができる。同一厚さの放熱基板を製造する場合には、積層数を多くするほど芯基材を薄く(つまりビアを浅く)することができるため、ビア内部にCuを圧入させやすくなる。上述したMo等は厚さが変化にくいため、放熱基板の表裏面、及び中間のCu層の厚さは、Mo等からなるガイドを用いることによりコントロールすることができる。製造する放熱基板のCu層の厚さの公差が大きく(許容される誤差の範囲が広く)余裕がある場合にはガイドを必ずしも用いなくてもよい。   The above-described manufacturing method can also be used, for example, for manufacturing a heat dissipation substrate having a multilayer hybrid structure (Cu / via Mo / Cu / via Mo /... / Cu) of 5 to 11 layers. That is, instead of the laminate prepared in the above example, an appropriate number of Cu plate-like members and Mo plate-like members (core base materials) filled with Cu inserts inside the vias are alternately arranged to make a carbon jig By setting them to, it is possible to manufacture a heat dissipation substrate of a multilayer hybrid structure having an appropriate number of layers. In the case of manufacturing a heat dissipating substrate of the same thickness, the core base material can be made thinner (that is, the vias can be made shallower) as the number of stacked layers is increased, and thus Cu can be easily pressed into the vias. Since the thickness of the above-described Mo and the like does not easily change, the thickness of the front and back surfaces of the heat dissipation substrate and the thickness of the intermediate Cu layer can be controlled by using a guide made of Mo and the like. The guide may not necessarily be used if the tolerance of the thickness of the Cu layer of the heat dissipation substrate to be manufactured has a large margin (a wide range of allowable error).

次に、上記のようにして作製した放熱基板の特性やその信頼性の評価方法を説明する。   Next, a method of evaluating the characteristics of the heat dissipation substrate manufactured as described above and the reliability thereof will be described.

従来、実用化される放熱基板の各種特性は、複数の放熱基板の試験品を測定した結果の平均値で示されてきた。しかし、このような特性の提示方法では、ヒートサイクルテスト後の特性が不明であるため、該特性が所定の基準を下回る放熱基板が含まれることになり、半導体パッケージや半導体モジュールに実装したときの信頼性に問題が生じる可能性が高い。この点を考慮し、上記実施例の方法により複数の放熱基板を製造し、それらについて測定した特性の最低値(線膨張係数は最大値、熱伝導率及び電気伝導率は最小値)を評価の対象とした。   Heretofore, various characteristics of a heat dissipating substrate to be put into practical use have been shown as an average value of results of measuring a plurality of test products of the heat dissipating substrate. However, in such a method for presenting the characteristics, since the characteristics after the heat cycle test are unknown, a heat dissipation substrate whose characteristics fall below a predetermined standard is included, and it is mounted on a semiconductor package or a semiconductor module. There is a high possibility of problems with reliability. Taking this point into consideration, a plurality of heat dissipation substrates are manufactured by the method of the above embodiment, and the lowest values of characteristics measured for them (the linear expansion coefficient is the maximum value, and the thermal conductivity and the electrical conductivity are the minimum values) are evaluated. Targeted.

(線膨張係数)
放熱基板の線膨張係数は半導体モジュールの製造や性能を左右する重要な特性であり、半導体モジュールの目的に応じた性能や構造ごとに最適値が存在する。
従来、CuMo系のクラッド構造の放熱基板では、熱伝導率を高めるためにCu層を厚くしてきたが、Cu層が厚くなるとMo層やCuMo層によってCu表層の極表層での熱膨張を抑制することができなくなり、Cu表層(即ち放熱基板の表層)が大きく膨張して半導体デバイスが剥離する等の問題が生じていた。従来、製造後の放熱基板の接合余剰物を除去するために面取りが行われていたため、線膨張係数を正確に測定することも難しかった。
(Linear expansion coefficient)
The linear expansion coefficient of the heat dissipation substrate is an important characteristic that influences the manufacture and performance of the semiconductor module, and there are optimum values for each performance and structure according to the purpose of the semiconductor module.
In the past, in the case of a CuMo-based heat dissipation substrate, the Cu layer has been made thicker in order to increase the thermal conductivity, but when the Cu layer becomes thicker, the Mo layer or CuMo layer suppresses the thermal expansion of the surface layer of the Cu surface layer. However, problems such as exfoliation of the semiconductor device have arisen because the Cu surface layer (that is, the surface layer of the heat dissipation substrate) is largely expanded. Conventionally, since chamfering has been performed to remove the bonding surplus of the heat-radiating substrate after manufacturing, it has also been difficult to accurately measure the linear expansion coefficient.

以下の説明では、室温(RT)から800℃の温度範囲での線膨張係数を評価するが、800℃での線膨張係数が10ppm/K以下であることが求められるのは半導体パッケージの製造時にセラミック基板を放熱基板に蝋付けする場合であり、セラミック基板を放熱基板に蝋付けする処理を行わない場合には、必ずしも800℃という高温において線膨張係数が低いという特性を満たす必要はない。半導体パッケージの製造時に半導体デバイスを放熱基板にハンダ付けする工程が含まれる場合には、該工程が行われる400℃で低い(例えば10ppm/K以下)の線膨張係数を有することが求められる。即ち、放熱基板の線膨張係数の評価では、想定される工程に応じて温度範囲の上限を800℃あるいは400℃とすればよい。一方、半導体デバイスの動作温度において適切な線膨張係数(即ち、放熱基板が取り付けられる各部材と同程度の線膨張係数)を有することは必須の要件である。   In the following description, the linear expansion coefficient is evaluated in a temperature range from room temperature (RT) to 800 ° C. However, the linear expansion coefficient at 800 ° C. is required to be 10 ppm / K or less when the semiconductor package is manufactured. In the case where the ceramic substrate is brazed to the heat dissipation substrate and the process of brazing the ceramic substrate to the heat dissipation substrate is not performed, it is not necessary to satisfy the characteristic that the linear expansion coefficient is low at a high temperature of 800.degree. When the process of manufacturing a semiconductor package includes the process of soldering a semiconductor device to a heat dissipation substrate, it is required to have a low linear expansion coefficient (eg, 10 ppm / K or less) at 400 ° C. at which the process is performed. That is, in the evaluation of the linear expansion coefficient of the heat dissipation substrate, the upper limit of the temperature range may be set to 800 ° C. or 400 ° C. according to the assumed process. On the other hand, it is an essential requirement to have an appropriate coefficient of linear expansion (i.e., the same coefficient of linear expansion as each member to which the heat dissipation substrate is attached) at the operating temperature of the semiconductor device.

線膨張係数の測定は、後述する各条件で製造した放熱基板から、ワイヤー放電加工(WEDM)装置を用いて縦20mm×横10mm×厚さ1.5mmの試験片を切り出して行った。放熱基板の表層の線膨張係数を測定するため、切り出した試験片を接合余剰物の除去のみを行い、面取りはせず、線膨張係数測定装置(セイコーインスツル株式会社製)を用いてRT〜800℃の温度範囲で線膨張係数を測定し、その最大値を求めた。そして、5個の試験片について、表面に平行な一方向(X方向)と、該一方向に直交する方向(Y方向)の線膨張係数を測定し、それらの最大値を評価の対象とした。   The linear expansion coefficient was measured by cutting a test piece of 20 mm long × 10 mm wide × 1.5 mm thick from a heat dissipation substrate manufactured under each condition described later using a wire electrical discharge machining (WEDM) apparatus. In order to measure the linear expansion coefficient of the surface layer of the heat dissipation substrate, the cut-out test pieces are only subjected to removal of bonding surplus, without chamfering, using a linear expansion coefficient measuring device (manufactured by Seiko Instruments Inc.) RT ~ The linear expansion coefficient was measured in a temperature range of 800 ° C., and the maximum value was determined. Then, linear expansion coefficients in one direction (X direction) parallel to the surface and in a direction (Y direction) orthogonal to the one direction were measured for five test pieces, and the maximum value of them was used as an evaluation target. .

(熱伝導率)
放熱基板は半導体デバイスの動作時に発生する熱を冷却するものであり、当然、熱伝導率が高いことが求められる。熱伝導率が低い場合は半導体デバイスを冷却することができず、半導体モジュールが破損、焼損する危険性がある。熱伝導率の基準としては、例えば、Cuの熱伝導率の値である400W/m・K、あるいはその半分の値である200W/m・Kが用いられている。
(Thermal conductivity)
The heat dissipation substrate cools the heat generated during the operation of the semiconductor device and, of course, is required to have a high thermal conductivity. If the thermal conductivity is low, the semiconductor device can not be cooled, and there is a risk that the semiconductor module may be damaged or burned. As a standard of thermal conductivity, for example, 400 W / m · K, which is a value of thermal conductivity of Cu, or 200 W / m · K, which is a half value thereof, is used.

放熱基板は、その一方の表面に取り付けられた半導体デバイスの熱を該表面と反対側の面に取り付けられた冷却器に逃がす役割を担うことから、特に厚さ方向(Z軸方向)の熱伝導率が高いことが求められる。   The heat dissipation substrate plays a role of dissipating the heat of the semiconductor device attached to one surface to a cooler attached to the surface opposite to the surface, so that the heat conduction particularly in the thickness direction (Z-axis direction) It is required that the rate is high.

そこで、各実施例の放熱基板から直径20mm×厚さ1.5mmの試験片を切り出し、室温でレーザーフラッシュ法による熱伝導率測定装置(アドバンス理工社製 FTC-RT)を用いZ軸方向の熱伝導率を3回測定した。また、各実施例の放熱基板をそのまま使用し、レーザーフラッシュ法の熱伝導率測定装置(アドバンス理工社製 TC-7000)を用いてX-Y面内の熱伝導率を3回測定した。そして、ヒートサイクルテスト前の最小値がZ軸方向で200W/m・K以上、X-Y面内で200W/m・K以上であり、かつ、ヒートサイクルテスト後のZ軸方向の熱伝導率の最小値が200W/m・K以下であることを評価の基準とした。   Therefore, a test piece of 20 mm in diameter and 1.5 mm in thickness is cut out from the heat dissipation substrate of each example, and heat conduction in the Z axis direction is performed using a thermal conductivity measuring apparatus (FTC-RT made by Advance Riko) at room temperature using a laser flash method The rate was measured three times. Further, the heat dissipation substrate of each example was used as it was, and the thermal conductivity in the XY plane was measured three times using a thermal conductivity measuring apparatus of laser flash method (TC-7000 manufactured by Advance Riko Co., Ltd.). The minimum value before the heat cycle test is 200 W / m · K or more in the Z axis direction and 200 W / m · K or more in the XY plane, and the minimum thermal conductivity in the Z axis direction after the heat cycle test The criterion of evaluation was that the value was 200 W / m · K or less.

(電気伝導率)
放熱基板を電極としても機能させるには電気伝導率が高いことも求められる。上述のとおり、半導体モジュールの小型化に伴い半導体デバイスの寸法が小さくなり、さらに高性能化が進んでいることから、Alのリード線に代えて熱伝導率50%IACS以上であるAl合金が使われるようになっている。従って、放熱基板電極にも電気伝導率が50%IACSであることが求められる。また、主たる電路に発熱体のWやMoがあると通電が不安定になる場合があることから、放熱基板を電極としても機能させる場合には通電路にWやMoが存在しないことが好ましい。本実施例の放熱基板では芯基材としてMoを用いているが、主たる通電路は芯基材のビア内部に存在するCuであるため、通電が不安定になる心配はない。
(Electrical conductivity)
It is also required that the heat dissipation substrate has high electrical conductivity in order to function as an electrode. As described above, since the dimensions of the semiconductor device become smaller along with the miniaturization of the semiconductor module, and the performance is further improved, an Al alloy having a thermal conductivity of 50% IACS or higher is used instead of the Al lead wire. It is supposed to be Therefore, the heat dissipation substrate electrode is also required to have an electrical conductivity of 50% IACS. In addition, if there is W or Mo of the heating element in the main electric path, energization may be unstable. Therefore, when the heat dissipation substrate is also functioned as an electrode, it is preferable that W or Mo does not exist in the current path. Although Mo is used as the core substrate in the heat dissipating substrate of this embodiment, since the main conduction path is Cu present in the via of the core substrate, there is no concern that the current flow will be unstable.

電気伝導率は、各実施例の放熱基板からWEDMにより直径10mm×厚さ1.5mmの試験片を切り出し、その上下面に電流・電圧端子を溶接する四端子法の電気伝導率測定装置((株)ナプソン社製 RT70V)を用いて測定した。RTでの電気抵抗値を3回測定して、測定結果の最小値が、半導体デバイスで使用されるリード材料であるAl合金の電気伝導率(50%IACS)よりも高いことを評価の基準とした。なお、一般的な電気伝導率の測定方法として、渦電流をシグマテスタで測定する方法も知られているが、本実施例の放熱基板のように内部が複数の異なる構造体である場合の測定方法としては適さないと判断し、今回は四端子法を用いた。   The electrical conductivity is a four-terminal method electrical conductivity measuring device (((stock) which is a test piece of 10 mm in diameter × 1.5 mm in thickness cut out by WEDM from the heat dissipation substrate of each example and the current and voltage terminals are welded on the upper and lower surfaces. ) Measured using Napson RT70V). Measure the electrical resistance value at RT three times, and use the evaluation criteria that the minimum value of the measurement result is higher than the electrical conductivity (50% IACS) of the Al alloy that is the lead material used in semiconductor devices. did. In addition, although a method of measuring an eddy current with a sigma tester is also known as a general measurement method of electrical conductivity, a measurement method in the case where the inside is a plurality of different structures as in the heat dissipation substrate of this embodiment. We decided that it was not suitable, and this time we used the four probe method.

(Niメッキ性評価)
CuW単体やCuMo単体の放熱基板自体では蝋付け特性やハンダ付けの特性が悪く、良好なNi系メッキ処理を施すことが難しい。Ni系メッキ処理に問題があると半導体パッケージや半導体モジュールのヒートサイクルテストで放熱基板が各種部材や半導体デバイスから剥離して実装動作テストを行うまでに至らない。一方、本実施例のようなCuMo系のハイブリッド構造の放熱基板ではその表層がCuであり、良好なNi系メッキ処理を施すことができるため、こうした問題は起こらない。
(Ni plating evaluation)
The heat dissipating substrate itself of CuW alone or CuMo alone is poor in brazing characteristics and soldering characteristics, and it is difficult to perform a good Ni-based plating treatment. If there is a problem in the Ni-based plating process, the heat dissipation substrate does not come off from various members or semiconductor devices in the heat cycle test of the semiconductor package or semiconductor module, and the mounting operation test can not be performed. On the other hand, in the heat dissipation substrate of the CuMo-based hybrid structure as in this embodiment, the surface layer is Cu, and a good Ni-based plating process can be performed, so that such a problem does not occur.

Ni系メッキ処理は、400℃に所定時間放置した後に、表面にフクレが生じないことを評価の基準とした。上記方法により製造した放熱基板からプレス機の打ち抜きや切断で試験片を切り出した、各実施例の放熱基板の表面にNi系メッキ処理を施した。これにより、後に半導体デバイスを取り付けて半導体パッケージや半導体モジュールを製造する際に行われる蝋付けやハンダ付けでボイド等の欠陥が生じる可能性を低減することができる。また、蝋付けやハンダ付けにより放熱基板のCuが侵食されるのを防止することもできる。   The Ni-based plating was evaluated based on the fact that no blisters were generated on the surface after being left at 400 ° C. for a predetermined time. A Ni-based plating treatment was applied to the surface of the heat-dissipation substrate of each example, in which test pieces were cut out from the heat-dissipation substrate manufactured by the above method by punching or cutting the press. This can reduce the possibility of defects such as voids in brazing or soldering performed later when a semiconductor device is attached and a semiconductor package or a semiconductor module is manufactured. Moreover, it can also prevent that Cu of a thermal radiation board | substrate is corroded by brazing and soldering.

なお、放熱基板のNi系メッキ処理には、半導体モジュールのメーカーや半導体パッケージのメーカーの製造上のノウハウに基づく様々な手法がある。クラッド構造やハイブリッド構造の放熱基板の表層はCuであり単純なNiメッキ処理が可能である。また、Ni系メッキ処理に加え、その上にNi-PやNi-Bのメッキを行うという手法や熱処理を入れるという手法もある。さらに、ハンダ付の安定性を高めるためにAuメッキ処理を施す場合もある。   In addition, there are various methods based on the know-how in manufacture of a semiconductor module and a maker of a semiconductor package in Ni-based plating treatment of a heat dissipation substrate. The surface layer of the heat dissipation substrate of the clad structure or the hybrid structure is Cu, and a simple Ni plating process is possible. Also, in addition to the Ni-based plating process, there is also a method of plating Ni-P or Ni-B and a method of applying a heat treatment thereon. Furthermore, in order to improve the stability of soldering, Au plating processing may be performed.

(放熱基板単体の接合強度や状態の評価)
本来、CuMo系のクラッド構造やハイブリッド構造の放熱基板では、CuとMoを接合しているため、放熱基板は開発時にヒートサイクルテスト前後の接合強度を測定する必要がある。しかし、ハイブリッド構造の放熱基板は、内部構造が複雑であるため超音波探傷でも内部の状態の合否を判断することができない。よって接合界面の調査はその断面について行うことになるが、これはあくまで一断面の状態の確認に過ぎない。
(Evaluation of bonding strength and condition of heat dissipation substrate)
Essentially, since Cu and Mo are joined in the CuMo-based clad structure or hybrid structure of the heat dissipation board, it is necessary to measure the bonding strength before and after the heat cycle test at the time of development. However, since the heat dissipation substrate of the hybrid structure has a complicated internal structure, the success or failure of the internal state can not be determined even by ultrasonic flaw detection. Therefore, the investigation of the bonding interface is performed on the cross section, but this is only confirmation of the state of one cross section.

一般に、放熱基板は薄いため、ハイブリッド構造やクラッド構造の放熱基板の積層界面の接合強度の測定は困難である。特に、ハイブリッド構造の放熱基板の積層界面の接合強度を測定することは困難である。一般的な引っ張り強度の測定方法では測定治具(シャンク)の取り付け時にCuとMoの接合部を損傷する可能性がある。また、抗折力の測定についても試験片の作製が難しいため断念した。しかし、放熱基板単体のヒートサイクルテスト前後の熱伝導率を測定し、ヒートサイクルテスト後の厚さ方向の熱伝導率の変化(低下)の程度によって積層界面の接合強度を判断することが可能であることを見出した。このように、放熱基板単体のヒートサイクルテストによって、時間と費用が掛かる半導体パッケージや半導体モジュールのヒートサイクルテストを行う前にその合否を予測できる事は有意義である。   Generally, since the heat dissipating substrate is thin, it is difficult to measure the bonding strength of the laminated interface of the heat dissipating substrate having a hybrid structure or a clad structure. In particular, it is difficult to measure the bonding strength of the laminated interface of the heat dissipation substrate of the hybrid structure. In a general measurement method of tensile strength, there is a possibility that the joint of Cu and Mo may be damaged when the measurement jig (shank) is attached. In addition, for the measurement of the bending strength, it was abandoned because the preparation of the test piece was difficult. However, it is possible to measure the thermal conductivity before and after the heat cycle test of the heat dissipation substrate alone, and to judge the bonding strength of the laminated interface based on the degree of change (reduction) in thermal conductivity in the thickness direction after the heat cycle test. I found that. As described above, it is meaningful to be able to predict the success or failure of a heat dissipation substrate alone before conducting a heat cycle test of a semiconductor package or a semiconductor module which is time-consuming and expensive.

(半導体パッケージのヒートサイクル評価)
半導体パッケージは様々な目的で製造され、その構成も多種多様である。ここでは、代表的な半導体モジュールの構成として、20mm四方、厚さ1.5mmの放熱基板に5μmの厚さでNi系メッキ処理を施し、これに、外径が20mm四方、内径が15mm四方、厚さが0.5mmである、セラミックからなる枠状部材及び金属端子等の部材をAg蝋付け処理(Agの融点は780℃。800℃で蝋付け処理)により取り付けた。そして、250℃で動作する半導体デバイスを備えた半導体パッケージを想定して、作製した半導体パッケージを250℃に加熱して5分保持し、続いて-40℃まで冷却して5分保持する加熱冷却サイクルを100サイクル繰り返した後に、半導体パッケージに問題が生じてないかを目視で確認した。なお、半導体パッケージには、各種の部材を放熱基板にハンダ付けするもの、樹脂等からなる枠状部材などをインサートや接着剤で取り付けるものもある。また、プラスチックパッケージや金属パッケージ等も知られているが、セラミックパッケージのヒートサイクルテストが最も厳しく、これに合格する放熱基板であれば他の種類の半導体パッケージにおいても問題を生じないという知見がある。
(Heat cycle evaluation of semiconductor package)
Semiconductor packages are manufactured for various purposes, and their configurations are also various. Here, as a typical configuration of a semiconductor module, a 20 mm square, 1.5 mm thick heat dissipation substrate is subjected to a Ni-based plating treatment with a thickness of 5 μm, and an outer diameter of 20 mm square, an inner diameter of 15 mm square, a thickness A member such as a frame member made of ceramic and a metal terminal having a diameter of 0.5 mm was attached by Ag brazing treatment (the melting point of Ag is 780 ° C., brazing treatment at 800 ° C.). Then, assuming a semiconductor package provided with a semiconductor device operating at 250 ° C., the manufactured semiconductor package is heated to 250 ° C. and held for 5 minutes, followed by cooling to −40 ° C. and holding for 5 minutes. After repeating the cycle for 100 cycles, it was visually confirmed whether the semiconductor package had any problems. There are semiconductor packages in which various members are soldered to a heat dissipation substrate, and frame-like members made of resin or the like are attached by an insert or an adhesive. Also, although plastic packages and metal packages are also known, the heat cycle test of ceramic packages is the most severe, and it is found that no problem occurs in other types of semiconductor packages as long as the heat dissipation board passes this test. .

(半導体モジュールのヒートサイクル評価)
半導体パッケージの放熱基板にAuメッキ処理を行い、さらにAuSiハンダ(融点380℃。400℃でハンダ付)で10mm四方、厚さ1.0mmのGaNのチップを取り付け、さらにリード線を取り付けた後、蓋をして半導体モジュールを作製した。作製した半導体モジュールを、250℃に加熱して5分保持し、続いて-40℃まで冷却して5分保持するという加熱冷却サイクルを100サイクル繰り返し、ヒートサイクルテスト後に蓋をはずし半導体モジュールに問題が生じていないかを目視で確認した。
(Heat cycle evaluation of semiconductor modules)
The heat dissipation substrate of the semiconductor package is plated with Au, and a 10 mm square, 1.0 mm thick chip of GaN is attached with AuSi solder (melting point 380 ° C .; soldered at 400 ° C.), and a lead wire attached The semiconductor module was manufactured. The prepared semiconductor module is heated to 250 ° C. and held for 5 minutes, followed by 100 cycles of heating and cooling cycles of cooling to −40 ° C. and holding for 5 minutes, and the lid is removed after the heat cycle test. Was visually confirmed to see if it had occurred.

(半導体モジュールの実装動作寿命テスト)
半導体モジュールを実用化するために、実装動作寿命テストが行われるが、このテストには費用と時間がかかる。このテストは半導体モジュールの動作の信頼性を担保するためのものであるため、先に行った放熱基板単体のヒートサイクルテストでZ軸方向の熱伝導率が最小値であった放熱基板材料でも、実装動作寿命テストに合格することを確認する必要がある。
(Semiconductor module mounting operation life test)
In order to put a semiconductor module into practical use, a mounting operation life test is performed, but this test is expensive and time consuming. Since this test is intended to ensure the reliability of the operation of the semiconductor module, even the heat dissipation substrate material for which the thermal conductivity in the Z-axis direction was the minimum value in the heat cycle test of the single heat dissipation substrate conducted previously, It is necessary to confirm that the mounting operation life test passes.

半導体モジュールの動作寿命テストにおいても、半導体モジュールのヒートサイクルテストと同様に、半導体パッケージの放熱基板にAuメッキ処理を行い、さらにAuSiハンダ(融点380℃。400℃でハンダ付)で10mm四方、厚さ1.0mmのダミー発熱体であるGaNのチップを取り付け、さらにリード線を取り付けた後、蓋をして半導体モジュールを作製した。半導体モジュールの動作寿命テストでは、さらに、冷却器を取り付けた。そして、GaNのチップに通電し、250℃に加熱して5分保持し、続いて-40℃まで冷却して5分保持するという加熱冷却サイクルを100サイクル繰り返し、ヒートサイクルテスト後に蓋をはずし半導体モジュールに問題が生じていないかを目視で確認した。また、途中で熱破損が起こった場合には中止した。   Also in the operation life test of the semiconductor module, similarly to the heat cycle test of the semiconductor module, the heat dissipation substrate of the semiconductor package is plated with Au, and further 10 mm square with AuSi solder (melting point 380 ° C .; soldered at 400 ° C.) After attaching a chip of GaN which is a dummy heating element of 1.0 mm in size and further attaching a lead wire, a lid was attached to fabricate a semiconductor module. In the operating life test of the semiconductor module, a cooler was further attached. Then, the GaN chip is energized, heated to 250 ° C, held for 5 minutes, subsequently cooled to -40 ° C, held for 5 minutes, repeated 100 cycles, and the lid is removed after the heat cycle test. It visually checked whether there was a problem in the module. In addition, when thermal damage occurred on the way, it was discontinued.

なお、上述した、放熱基板単体、半導体パッケージ、及び半導体モジュールのヒートサイクルテストはいずれも破壊試験であり、テスト毎に別の試験片(放熱基板)を用いた。これらのヒートサイクルテストは放熱基板単体、半導体パッケージ、半導体モジュールの順に行い、先のヒートサイクルテストの結果を踏まえて次のテストで使用する試験片(放熱基板)を決定した。本例では、大判(100mm四方)の放熱基板の異なる位置で切り出した5枚の放熱基板単体を用いてヒートサイクルテストを行い、最も特性が低かった(熱伝導率が低かった)放熱基板の近傍位置で切り出した放熱基板を、次に行う半導体パッケージのヒートサイクルテストに使用した。半導体モジュールのヒートサイクルテストについても同様である。即ち、製造した大判の放熱基板の中で比較的特性が低い領域で切り出したものを用いて次のテストを行った。半導体モジュールの動作寿命テストでも、先に行った3種のヒートサイクルテストの結果を踏まえて、上記同様に使用する試験片(放熱基板)を決定した。このような厳しい条件でテストが行うことにより、テストに合格した放熱基板、及び該放熱基板を実装した半導体パッケージや半導体モジュールの信頼性が担保される。   The heat cycle test of the heat dissipation substrate alone, the semiconductor package and the semiconductor module described above is a destructive test, and another test piece (heat dissipation substrate) was used for each test. These heat cycle tests were conducted in the order of the heat dissipation substrate alone, the semiconductor package, and the semiconductor module, and the test piece (heat radiation substrate) to be used in the next test was determined based on the results of the previous heat cycle test. In this example, a heat cycle test was conducted using five heat dissipation boards alone cut out at different positions of a large (100 mm square) heat dissipation board, and the characteristics were the lowest (the heat conductivity was low). The heat dissipation substrate cut out at the position was used for the heat cycle test of the semiconductor package to be performed next. The same applies to the heat cycle test of the semiconductor module. That is, the following test was performed using what was cut out in the area | region where the characteristic is comparatively low among the manufactured large-sized heat dissipation boards. Also in the operation life test of the semiconductor module, the test piece (heat dissipation substrate) to be used in the same manner as described above was determined based on the results of the three types of heat cycle tests performed previously. By performing the test under such severe conditions, the reliability of the heat dissipation substrate which has passed the test, and the semiconductor package or semiconductor module on which the heat dissipation substrate is mounted is secured.

あるいは、大判の放熱基板を多数作製しておき、放熱基板単体のヒートサイクルテストで最も特性が低かった放熱基板の切り出し位置と同一の箇所で別の大判の放熱基板から切り出した試験片(放熱基板)を、半導体パッケージのヒートサイクルテストと、半導体モジュールのヒートサイクルテスト及び動作寿命テストに用いてもよい。上記の枚数の放熱基板を用いて各テストを行う場合には、放熱基板単体のヒートサイクルテストに使用する5枚の放熱基板を切り出すための大判の放熱基板を1枚、さらに、それ以外のテストに使用する放熱基板を同一位置で切り出すための大判の放熱基板を9(=5+3+1)枚の、計10枚の大判の放熱基板を作製すればよい。   Alternatively, a large number of large-sized heat dissipation substrates are prepared, and a test piece cut out from another large-size heat dissipation substrate at the same location as the heat dissipation substrate cut-out position having the lowest characteristics in the heat cycle test of the single heat dissipation substrate ) May be used for the heat cycle test of the semiconductor package and the heat cycle test and the operating life test of the semiconductor module. When performing each test using the number of heat dissipation boards described above, one large-size heat dissipation board for cutting out the five heat dissipation boards used for the heat cycle test of the heat dissipation board alone, and the other tests A large-sized heat dissipation substrate for cutting out the heat dissipation substrate to be used at the same position may be prepared in a total of 10 large heat dissipation substrates of 9 (= 5 + 3 + 1).

以下、上記の方法により3種類のCu/Mo/Cuハイブリッド構造又はCu/Mo/Cu/Mo/Cu多層(5層)ハイブリッド構造の放熱基板(実施例1〜3)を作製し、上記の方法により評価した結果を説明する。   Hereinafter, the heat dissipation substrate (Examples 1 to 3) of three types of Cu / Mo / Cu hybrid structure or Cu / Mo / Cu / Mo / Cu multilayer (five-layer) hybrid structure is manufactured by the above method, and the above method Explain the result of evaluation by.

実施例1及び2は3層のハイブリッド構造(図1(c))の放熱基板、実施例3は5層のハイブリッド構造(図1(d))の放熱基板であり、それぞれ5枚ずつ作製して線膨張係数と熱伝導率を測定した。実施例1及び3では、加熱及び加圧処理後に、放熱基板の外周の四辺のいずれにおいても接合余剰物が生じる量のCu挿入体及びCu板状部材を使用し(後掲の表では「全辺」と記載)、実施例3では放熱基板の外周の一部にのみ接合余剰物が生じる量のCu挿入体及びCu板状部材を使用した(後掲の表では「一部」と記載)。また、各実施例について5枚の放熱基板をそれぞれ半導体パッケージに実装して半導体パッケージのヒートサイクルテストを行った。さらに、各実施例について3枚の放熱基板を半導体モジュールに実装してヒートサイクルテストを行った。なお、実施例1〜3のCuの含有比は、上述した比較例と同じ、66vol%とした。   Examples 1 and 2 are heat dissipation substrates of a three-layer hybrid structure (FIG. 1 (c)), and Example 3 is a heat dissipation substrate of a five-layer hybrid structure (FIG. 1 (d)). The coefficient of linear expansion and the thermal conductivity were measured. In Examples 1 and 3, after the heating and pressure treatment, Cu insert and Cu plate-like member are used in such an amount that bonding surplus occurs on any of the four sides of the outer periphery of the heat dissipation substrate (see Table below) In the third embodiment, the Cu insert and the Cu plate-like member are used in an amount such that bonding surplus occurs only in a part of the outer periphery of the heat dissipation substrate in Example 3 (described in the following table as “part”) . In each example, five heat dissipation substrates were mounted on the semiconductor package, and the heat cycle test of the semiconductor package was performed. Furthermore, a heat cycle test was performed by mounting three heat dissipation substrates on the semiconductor module for each example. In addition, the content ratio of Cu of Examples 1-3 was 66 vol% same as the comparative example mentioned above.

実施例1〜3の放熱基板の作製にあたり、まず、ハイブリッド構造体の積層体を準備した。第1金属(Mo)からなる110mm四方、厚さ0.5mm板状部材のうち、中央部の100mm四方の領域において、5mm四方の単位領域毎に3個ずつ、直径2.06mm(半径1.03mm)の貫通孔を形成した。即ち、板状部材の中央部の100mm四方の領域に、合計1,200個の貫通孔を形成した。前記100mm四方の領域において、板状部材の断面に占める貫通孔の割合は約40%である。   In preparation of the thermal radiation board | substrate of Examples 1-3, the laminated body of the hybrid structure was first prepared. In a 100 mm square area of the central portion of a 110 mm square and 0.5 mm thick plate member made of a first metal (Mo), three for every 5 mm square unit area with a diameter of 2.06 mm (radius 1.03 mm) A through hole was formed. That is, a total of 1,200 through holes were formed in a 100 mm square area of the central portion of the plate-like member. In the 100 mm square area, the ratio of the through holes to the cross section of the plate-like member is about 40%.

そして、ビアの内壁面及び板状部材の表裏面に、インサート金属である第4金属(Ni)のメッキ処理を3μm厚さで施した。次に、外径が110mm四方でありその内部に103mm四方の穴が形成された、厚さ0.5mmでSUS製の板状部材であるガイドを2枚準備した。更に、第3金属(Cu)からなる、100mm四方、厚さが0.53mmの2枚の板状部材の片面に、ビアの外径(φ2.06mm)よりも少し小さい、第2金属(Cu)からなる直径2.0mm、高さ0.27mmの凸部をエッチングにより形成した。   Then, a plating process of a fourth metal (Ni), which is an insert metal, was applied to the inner wall surface of the via and the front and back of the plate-like member to a thickness of 3 μm. Next, two guides which are plate-shaped members made of SUS with a thickness of 0.5 mm and having an outer diameter of 110 mm and a hole of 103 mm formed therein were prepared. Furthermore, the second metal (Cu) slightly smaller than the outer diameter (φ 2.06 mm) of the via on one side of two 100 mm square, 0.53 mm thick plate members made of the third metal (Cu) A convex portion having a diameter of 2.0 mm and a height of 0.27 mm was formed by etching.

続いて、凸部を形成した側の面を上方に向けてCuの板状部材を載置し、その外周にガイドを置く。そして、それぞれの凸部の上方からMoの芯基材に形成されているビアを差し込む。さらに、Moの芯基材に形成されたビアに、上方からもう1枚のCu板状部材の片面に形成した凸部を差し込み、その外周にガイドを置いて積層体を作成する。   Subsequently, the Cu plate member is placed with the surface on the side on which the convex portion is formed facing upward, and the guide is placed on the outer periphery thereof. Then, vias formed in the core substrate of Mo are inserted from above the respective convex portions. Furthermore, a convex portion formed on one side of another Cu plate-like member from above is inserted into a via formed in the core substrate of Mo, and a guide is placed on the outer periphery of the via to form a laminate.

そして、各部材を接合するためカーボン治具の下パンチを上まで上げ、その上に積層体をセットし、下パンチを下げ、上パンチを入れた。次に、積層体を固定したカーボン治具を、HPの加熱加圧装置にセットし、真空雰囲気で100MPa(約1.0tf/cm2)の圧力をかけ、900℃に加熱した。その後30分間保持し、徐冷して100℃以下になった時点で取り出した。放熱基板の外周を確認して接合余剰物の状態を確認した。そして、厚さが設計値である1.5mmよりも厚い場合には研磨により1.5mm厚さに調整した。その後、所定の寸法にWEDMで切り出し加工し測定の試料とした。実施例1〜3の放熱基板を各5個ずつ作製して以下の評価を行った。 Then, the lower punch of the carbon jig was raised to the upper side to bond the respective members, the laminate was set thereon, the lower punch was lowered, and the upper punch was inserted. Next, the carbon jig to which the laminate was fixed was set in a heating and pressurizing apparatus of HP, and a pressure of 100 MPa (about 1.0 tf / cm 2 ) was applied in a vacuum atmosphere to heat to 900 ° C. Then, it was held for 30 minutes and gradually cooled to 100 ° C. or less, and then taken out. The outer periphery of the heat dissipation substrate was checked to confirm the condition of the bonding surplus. And when thickness was thicker than 1.5 mm which is a design value, it adjusted to 1.5 mm thickness by grinding. Thereafter, it was cut out to a predetermined size with WEDM and used as a measurement sample. Five heat dissipation substrates of each of Examples 1 to 3 were produced, and the following evaluation was performed.

(評価)
実施例1〜3の放熱基板に関する特性評価の結果を、前述した比較例1〜5の特性評価の結果とともに下表に示す。なお、この表では、上述した本実施例の放熱基板の製造方法を「インサート金属加熱加圧接合法」と記載している。

Figure 2018182088
(Evaluation)
The results of the characteristic evaluation of the heat dissipation substrates of Examples 1 to 3 are shown in the following table together with the results of the characteristic evaluation of Comparative Examples 1 to 5 described above. In this table, the method of manufacturing the heat dissipation substrate of the above-described example is described as “insert metal heat and pressure bonding method”.
Figure 2018182088

以下、実施例1〜3の特性評価の結果を、上述した比較例1〜5の特性評価と比較しつつ考察する。   Hereinafter, the result of the characteristic evaluation of Examples 1 to 3 will be considered in comparison with the characteristic evaluation of Comparative Examples 1 to 5 described above.

比較例1〜5と実施例1〜3の特性を測定した結果から分かるように、実施例1〜3では従来の放熱基板(比較例1〜5)に比べてヒートサイクルテスト後の厚さ方向(Z軸方向)の熱伝導率の低下が大幅に抑制されており、ヒートサイクルテスト後でも200W/m・K以上の熱伝導率を有している。   As can be seen from the measurement results of the characteristics of Comparative Examples 1 to 5 and Examples 1 to 3, in Examples 1 to 3, the thickness direction after the heat cycle test in comparison with the conventional heat dissipation substrate (Comparative Examples 1 to 5) The decrease in the thermal conductivity (in the Z-axis direction) is significantly suppressed, and even after the heat cycle test, the thermal conductivity is 200 W / m · K or more.

放熱基板単体のヒートサイクルテスト前後の熱伝導率の変化(低下の程度)から、接合強度の低下の程度が分かる。実施例1〜3の放熱基板では、ヒートサイクル前後の熱伝導率の低下が小さく、積層構造のCuとMoの界面、及びビア内部でのCuとMoの界面が強固に接合されていることが分かる。また、実施例1及び3のように加熱加圧工程で矩形状の放熱基板の四辺のいずれにおいても接合余剰物が生じるような余剰量を含むCu挿入体を用いると、余剰量が少ない実施例2に比べてヒートサイクルテストの前後での熱伝導率の低下がやや抑制された。   The degree of decrease in bonding strength can be determined from the change in the thermal conductivity (degree of decrease) before and after the heat cycle test of the heat dissipation substrate alone. In the heat dissipation substrates of Examples 1 to 3, the decrease of the thermal conductivity before and after the heat cycle is small, and the interface of Cu and Mo in the laminated structure and the interface of Cu and Mo inside the via are firmly joined. I understand. Also, as in Examples 1 and 3, when using a Cu insert containing an excess amount that causes a bonding excess on any of the four sides of the rectangular heat dissipation substrate in the heating and pressing process, an embodiment with a small excess amount. The decrease in the thermal conductivity before and after the heat cycle test was somewhat suppressed as compared to 2.

また、ヒートサイクルテスト後の放熱基板を切断し、ビア内部の様子を観察したところ、上述のとおり比較例1〜5ではいずれも内部にボイドが生じていたり、CuとMoの界面が剥離したりしていたが、実施例1〜3ではそのようなボイドや剥離は見られなかった。また、Ni系メッキ処理についてもフクレ等は見つからなかった。   In addition, when the heat dissipation substrate after the heat cycle test was cut and the state inside the via was observed, in each of Comparative Examples 1 to 5 as described above, voids were generated inside or the interface between Cu and Mo was peeled off. However, in Examples 1 to 3, no such void or peeling was observed. Also, no blisters were found for the Ni-based plating process.

さらに、半導体モジュールのヒートサイクルテストの結果から、ヒートサイクル中に生じる放熱基板の表面の凹凸による半導体デバイスの接合強度が低下を予測することでき、また、半導体モジュールの実装動作寿命テストの結果を予測することもできる。つまり、全ての試験片で問題が生じなかった実施例1〜3の放熱基板を用いると、半導体デバイスとの接合強度が低下する心配がなく、また高い動作信頼性を有する半導体モジュールを製造することができる。   Furthermore, from the results of the heat cycle test of the semiconductor module, it is possible to predict the decrease in the bonding strength of the semiconductor device due to the unevenness of the surface of the heat dissipation substrate generated during the heat cycle. You can also That is, using the heat dissipation substrates of Examples 1 to 3 in which no problem occurred in all the test pieces, there is no concern that the bonding strength with the semiconductor device is reduced, and a semiconductor module having high operation reliability is manufactured. Can.

上記実施例は一例であって、本発明の趣旨に沿って適宜に変更することができる。
上述の通り、インサート金属を使用し、Cu層の厚さを制御するためのガイドを使用してCuの融点以下の温度に加熱及び加圧し接合余剰物を出す、放熱基板の製造方法は、上記実施例のように第1金属(芯基材)がMo、第3金属(熱伝導層)がCuであるもののほか、第1金属がCuMoであるCu/ビアCuMo/Cuのハイブリッド構造の放熱基板やCu/ビアCuMo/Cu/ビアCuMo/…/Cuである多層クラッド構造の放熱基板等にも用いることができる。また、上記実施例以外の放熱基板についても、放熱基板単体で上述の要件を満たし、電気伝導率が50%IACSであるものについては、放熱基板電極としても使用することができる。
The above-described embodiment is an example, and can be appropriately modified in accordance with the spirit of the present invention.
As described above, a method of manufacturing a heat dissipation substrate using an insert metal and heating and pressurizing to a temperature below the melting point of Cu using a guide for controlling the thickness of the Cu layer to produce a bonding surplus, A heat dissipation substrate having a hybrid structure of Cu / via CuMo / Cu in which the first metal is CuMo in addition to the first metal (core base material) being Mo and the third metal (thermal conductive layer) being Cu as in the example And Cu / via CuMo / Cu / via CuMo /... / Cu. In addition, with regard to the heat dissipating substrate other than the above-described embodiment, the heat dissipating substrate alone can satisfy the above requirements and have an electrical conductivity of 50% IACS, which can also be used as a heat dissipating substrate electrode.

Mo及びCuに対する濡れ性が良いNiをインサート金属としてMoとCuの界面に介在させるという上記の方法は、ビア内部のCuとMoの接合強度を高めるだけでなく、ビアMo層とその表裏面に位置するCu層の接合強度を高めるという点でも有効である。即ち、ハイブリッド構造の放熱基板に限らず、クラッド構造の放熱基板においても有効である。さらに、上記方法を使用して、ハイブリッド構造とクラッド構造を組み合わせた構造を有する放熱基板を製造することもできる。具体的には、表層部をハイブリッド構造として内部をクラッド構造としたり、逆に、表層部クラッド構造として内部をハイブリッド構造としたりすることができる。   The above method of interposing Ni as an insert metal with good wettability to Mo and Cu as an insert metal at the interface between Mo and Cu not only enhances the bonding strength of Cu and Mo inside the via, but also to the via Mo layer and its front and back surfaces. It is also effective in that the bonding strength of the located Cu layer is increased. That is, the present invention is effective not only to the heat dissipating substrate of the hybrid structure but also to the heat dissipating substrate of the clad structure. Furthermore, the above method can be used to manufacture a heat dissipation substrate having a structure in which a hybrid structure and a clad structure are combined. Specifically, it is possible to make the surface layer part a hybrid structure and make the inside a clad structure, or conversely make the inside a layer structure clad structure as a hybrid structure.

また、使用可能な放熱基板の大きさは半導体モジュールの構成や経済的な制約によって制限されるため、絶縁を必要とする半導体デバイスに関しては、Z軸方向の熱伝導率が高い本実施例の放熱基板を半導体デバイスの一面に取り付けて冷却しても、縁樹脂シートの耐熱温度まで冷却することができない場合がある。こうした場合には、本実施例の放熱基板に大型のCu又はAlからなる冷却板をハンダ付けするとともに、これを半導体デバイスの二面(典型的には表裏両面)に取り付けて冷却することにより、半導体デバイスの熱を絶縁樹脂シートの耐熱温度まで冷却し、安価な樹脂シートで絶縁性を担保することができる。またコストダウントすることができる。   In addition, since the size of the heat dissipation substrate that can be used is limited by the configuration of the semiconductor module and economic constraints, the heat dissipation of this embodiment is high for the thermal conductivity in the Z-axis direction for semiconductor devices requiring insulation. Even when the substrate is attached to one surface of the semiconductor device and cooled, the substrate may not be cooled to the heat resistant temperature of the edge resin sheet. In such a case, a large cooling plate made of Cu or Al is soldered to the heat dissipation substrate of the present embodiment, and this is attached to two sides (typically, both front and back sides) of the semiconductor device and cooled. The heat of the semiconductor device can be cooled to the heat resistant temperature of the insulating resin sheet, and the insulating property can be secured by an inexpensive resin sheet. Also, cost can be reduced.

また、LEDでは、電極の構成が水平電極型から垂直電極型に移行しつつあるが、従来のCuWやMoの放熱電極では熱伝導率と電気伝導率が不足するという問題があり、高性能化に対応することができなかった。これに対し、大きな熱伝導率と電気伝導率を有する本実施例の放熱基板を使用することにより、LEDの高性能化に対応し、またコストダウンがすることができる。   In addition, in the LED, the electrode configuration is shifting from the horizontal electrode type to the vertical electrode type, but in the conventional CuW and Mo heat dissipation electrodes, there is a problem that the thermal conductivity and the electrical conductivity are insufficient. Could not respond to. On the other hand, by using the heat dissipation substrate of this embodiment having large thermal conductivity and electrical conductivity, it is possible to cope with the enhancement of the performance of the LED and to reduce the cost.

上記の放熱基板を備えた半導体モジュールの用途はメモリ、IC、LSI、通信用、パワー半導体、センサ、LEDなど多種多様であり、将来的にはさらに広がることが想定されている。特にパワー半導体モジュールでは、放熱基板電極を半導体デバイスの上下もしくは一方に接合して用いると効率的に半導体デバイスを冷却することができ、また、通電断面積を大きくして大きな通電容量を確保することができる。さらに、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)の半導体デバイスを両面冷却する構造の放熱基板電極に適している。   The application of the semiconductor module provided with the above-mentioned heat dissipation substrate is diverse, such as memory, IC, LSI, for communication, power semiconductor, sensor, LED, etc., and is expected to be further expanded in the future. In particular, in the case of a power semiconductor module, it is possible to efficiently cool the semiconductor device by bonding the heat dissipation substrate electrode to the upper and lower sides or one side of the semiconductor device, and to increase the conduction cross section to secure a large conduction capacity. Can. Furthermore, it is suitable for a heat dissipation substrate electrode having a structure in which a semiconductor device of an insulated gate bipolar transistor (IGBT) is cooled on both sides.

Claims (9)

a) 厚さ方向に貫通する貫通孔が形成された、Moからなる板状の芯基材と、
b) 前記貫通孔の内部に充填された、Cuからなる挿入体と、
c) 前記貫通孔の内壁面と前記挿入体の間に連続的又は断続的に形成された、Niからなる接合層と、
d) 前記芯基材の表裏面に形成された、Cuからなる熱伝導層と
を有することを特徴とする放熱基板。
a) A plate-like core substrate made of Mo, in which a through hole penetrating in the thickness direction is formed;
b) an insert made of Cu, filled in the through hole;
c) a bonding layer made of Ni continuously or intermittently formed between the inner wall surface of the through hole and the insert;
d) A heat dissipation substrate comprising: a heat conduction layer of Cu formed on the front and back surfaces of the core base material.
さらに、
d) 前記芯基材と前記熱伝導層の界面に連続的又は断続的に形成された、Niからなる接合層
を有することを特徴とする請求項1に記載の放熱基板。
further,
d) The heat dissipation substrate according to claim 1, further comprising: a bonding layer made of Ni continuously or intermittently formed at the interface between the core base and the heat conduction layer.
Moからなる板状部材の厚さ方向に形成された貫通孔にCuが充填され、前記板状部材の表裏面にCu層が形成され、MoとCuの界面に連続的又は断続的にインサート金属のNiが存在することを特徴とする放熱基板。   The through holes formed in the thickness direction of the plate member made of Mo are filled with Cu, Cu layers are formed on the front and back surfaces of the plate member, and the insert metal is continuously or intermittently inserted into the interface between Mo and Cu. A heat dissipation substrate characterized by the presence of Ni. 前記熱伝導層と、前記挿入体が前記貫通孔の内部に充填された前記芯基材とが交互に積層された放熱基板であって、その全層数が5層から11層である
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の放熱基板。
A heat dissipation substrate in which the thermally conductive layer and the core base material in which the insert is filled in the through hole are alternately stacked, and the total number of layers is five to eleven. The heat dissipation substrate according to claim 1 or 2, characterized in that:
室温から800℃の温度範囲における線膨張係数の最大値が10ppm/K以下であり、
室温における、表面に垂直な方向の熱伝導率が200W/m・K以上である
ことを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の放熱基板。
The maximum value of the linear expansion coefficient in the temperature range from room temperature to 800 ° C is 10 ppm / K or less,
The heat dissipation substrate according to any one of claims 1 to 4, wherein the thermal conductivity in the direction perpendicular to the surface at room temperature is 200 W / m · K or more.
250℃への加熱と-40℃への冷却を100回繰り返し行う、ヒートサイクルテストを行った後の前記表面に垂直な方向の熱伝導率が200W/m・K以上である
ことを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の放熱基板。
It is characterized in that the heat conductivity in the direction perpendicular to the surface after the heat cycle test is 200 W / m · K or more after 100 cycles of heating to 250 ° C. and cooling to −40 ° C. The heat dissipation substrate according to any one of claims 1 to 5.
電気伝導率が50%IACS以上であることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の放熱基板からなる放熱基板電極。   The heat dissipation substrate electrode comprising the heat dissipation substrate according to any one of claims 1 to 3, wherein the electrical conductivity is 50% IACS or more. 請求項1から7のいずれかに記載の放熱基板を備えた半導体パッケージ。   A semiconductor package comprising the heat dissipation substrate according to any one of claims 1 to 7. 請求項1から7のいずれかに記載の放熱基板を備えた半導体モジュール。   A semiconductor module comprising the heat dissipation substrate according to any one of claims 1 to 7.
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