JP2590603B2 - 電子部品塔載用基材 - Google Patents

電子部品塔載用基材

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Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、例えばキャリア、基板およびケースなど
に用いられる電子部品搭載用基材に関するものである。
［従来の技術］ 電子部品搭載用基材には軽量で熱膨張率が電子部品で
ある半導体や半導体パッケージ材料の熱膨張率、６〜8x
10-6/℃に近いことが必要である。従来は、軽量性を重
視する場合、基材として密度2.7g/cm3と軽量なアルミニ
ウム合金が用いられ、また、熱膨張係数を重視する場
合、熱膨張率が約6x10-6/℃と低い値を示すコバールが
用いられるのが一般的であった。さらに、このような目
的のための軽量低熱膨張材料として、刊行物｛ELECTRON
IC PACKAGING ＆ PRODUCION,AUGUST（1987）27−29｝に
示される炭化珪素粒子強化アルミニウム合金もある。
［発明が解決しようとする課題］ 従来のアルミニウムやアルミニウム合金などの金属基
材では、アルミニウム合金の熱膨張係数が約24x10-6/℃
と大きいことから、電子部品である半導体または半導体
パッケージなどと、ケースやキャリヤなどの間に熱応力
が発生し、接合部で亀裂または剥離を生じ、半導体の電
気的接地不良や部品の脱落およびこれに伴う配線の断線
等を生ずる可能性があり、電子機器の信頼性を低下させ
るという課題があった。また、コバールは以上のような
熱応力を緩和するために用いられる低熱膨張材料である
が、コバールの密度は8.0g/cm3と非常に大きいためコバ
ールでは機器の重量が増加するという課題があった。ま
た、炭化珪素粒子により強化したアルミニウム合金で
は、炭化珪素の密度が約2.9g/cm3と大きいことから、ア
ルミニウムまたはアルミニウム合金に比べ重量増加する
という課題があった。さらに、炭化珪素を含むことか
ら、機械加工性が悪く加工コストが極めて高いという課
題があった。
この発明は上記のような課題を解決するためになされ
たもので、加工性に優れ、従来のアルミニウム合金より
も軽量でかつ半導体または半導体パッケージとの熱膨張
係数差を小さくすることにより、半導体またはパッケー
ジ等の電子部品との間に生ずる熱応力を軽減することに
より、電子機器の信頼性を向上することが可能な電子部
品搭載用基材を提供することを目的とする。
［課題を解決するための手段］ この発明の電子部品搭載用基材は、アルミニウムまた
はアルミニウム合金を母相とし、炭素繊維を分散する複
合金属で構成され、電子部品を搭載するものにおいて、
上記炭素繊維の体積含有率が0.15〜0.55で、上記炭素繊
維が電子部品搭載面方向に、二次元的に無秩序に配列
し、電子部品搭載面に垂直な面方向に層状に配列するこ
とを特徴とするものである。
［作用］ この発明において、炭素繊維を体積率0.15〜0.55含有
するアルミニウムまたはアルミニウム合金を用いること
により、半導体または半導体パッケージとの熱膨張係数
差を小さくすることができ、半導体またはパッケージと
ケース材料の接合部に負荷される熱応力を小さく抑える
ことが可能であり、これにより機器の信頼性を向上する
ことができる。また、炭素繊維を含有することから、ア
ルミニウム合金に比べ小さな密度を有し、機器の軽量化
も可能となり、さらに機械加工性に優れることから、製
造コストを低く押さえることが可能となる。
［実施例］ 第１図（ａ）および（ｂ）は、各々この発明の一実施
例の電子部品搭載用基材の電子部品搭載面（予備成形体
製造時の加圧軸に垂直な面）および電子部品搭載面に垂
直な面（予備成形体製造時の加圧軸に平行な面）の金属
組織を示す光学顕微鏡写真図である。図より明らかなよ
うに基材中の炭素繊維は予備成形体成形時の加圧力の調
整により、加圧軸と垂直な面（電子部品搭載面）に二次
元ランダムに配向している。炭素繊維の配向は他の材料
についても同一である。
実施例１ 繊維として弾性率55000kgf/cm2、直径10μｍ、繊維長
600μｍ（アスペクト比60）のピッチ系炭素繊維を溶媒
に分散して撹拌して濾過し炭素繊維の体積率調整のため
に加圧して、予め成形された炭素繊維の成形体（予備成
形体）を作製した。なお、炭素繊維体積率は0.15〜0.55
とした。即に、良好な成形体を得るためには、炭素繊維
体積率は0.15〜0.55までが望ましい。繊維体積率0.1以
下の繊維予備成形体は高圧鋳造の段階で予備成形体の破
損を生じ組織的に均質な複合金属を成形することが困難
で、予備成形体成形時の加圧力を増加させても繊維体積
率は0.55の予備成形体以上の体積率を得ることは困難で
あった。次に、この予備成形体に、溶融した工業用純ア
ルミニウム（A1100相当）を高圧にて含浸する高圧鋳造
法により、第１図に示すようなマトリックスがアルミニ
ウムで炭素繊維を含有する構造を持つ複合金属である。
この発明の実施例の電子部品搭載用基材を作製した。さ
らにこれを機械加工によって20x20x5mm厚の基材形状に
機械加工を施した。加工は極めて容易に行うことができ
た。次に、第１図（ａ）に示した面に搭載部品として4x
6x3mm厚のセラミックスによってパッケージされた半導
体を半田により接着し、熱サイクル試験を行った。熱サ
イクル条件としては、−70℃に30分保持後140℃に30分
保持を１サイクルとして、合計で200サイクルの熱サイ
クルを与えた。試験後のサンプルは、ルーペにより接着
面を観察し、亀裂の有無を確認した。その結果、上記基
材を用いたサンプルでは、５個のサンプル共まったく亀
裂が観察されなかった。
比較例１ 実施例１と同様の基材形状のアルミニウム合金（A606
1）に対しても実施例１と同様にパッケージを接合し、
実施例１と同様の熱サイクル試験を行った結果、５個の
サンプルのうち３個のサンプルにおいて大きな亀裂が確
認された。
比較例２ 実施例１における、炭素繊維の繊維体積率が0.15の基
材について、三次元ランダムの繊維配向といて基材を製
造した。この場合三次元配向とした基材の熱膨張係数は
20x10-6/℃と大きく二次元ランダムの基材に比べ大きな
熱膨張係数を示した。従って、三次元ランダム材では二
次元ランダムに比べ大きな熱応力を発生することがわか
る。また、同様の熱膨張係数とするため、炭素繊維の体
積率を多くした場合、0.15の繊維体積率を有する二次元
ランダム材に比較して脆く基材として使用する上で問題
となった。
第２図はこの発明の実施例の電子部品搭載用基材およ
び従来の電子部品搭載用基材の熱膨張係数と密度の関係
を比較する特性図である。図において、（A1）〜（A4）
はこの発明の実施例の電子部品搭載用基材の炭素繊維体
積含有率0.15,0.3,0.4および0.55の上記特性、（Ｂ）は
コバールの上記特性、（Ｃ）はアルミナの上記特性、
（Ｄ）はアルミ合金の上記特性である。図に示すように
従来のアルミニウム合金の密度が2.7g/cm3であるのに対
しこの発明の実施例の電子部品搭載用基材の密度は、2.
4〜2.6g/cm3と低いことから、基材として用いた場合さ
らに軽量である。また、熱膨張率の低いコバールの8.0g
/cm3と比較するとはるかに密度が小さいことから、軽量
化の効果が大きい。以上の結果より、この発明の実施例
の電子部品搭載用基材は電子部品搭載用として極めて有
効であることがわかる。
実施例２ 炭素繊維として弾性率80000kgf/cm2、直径10μｍ、繊
維長1000μｍ（アスペクト比100）のピッチ系炭素繊維
を用い、アルミニウム合金（A5052）をマトリックスと
する実施例１と同様の方法でこの発明の実施例の電子部
品搭載用基材を作製した。実施例２においても繊維体積
率は0.15〜0.55とした。熱サイクル試験の結果、いずれ
の体積率においても亀裂は観察されず、上記実施例と同
様に良好な結果を得た。なお、低密度化に伴い機器の軽
量化が達成でき、効果は上記実施例１と同様である。
なお、炭素繊維のアスペクト比は10〜500であるの
が、必要とする熱膨張率が得られる二次元ランダムの予
備成形体を得るため望ましい。平均のアスペクト比が10
未満の成形体および500を越える炭素繊維を用いた場
合、必要とする熱膨張率が得られる二次元ランダムの予
備成形体を得るのが困難であり、得られた基材の熱膨張
係数も三次元ランダムの材料と同様になる。
以上の結果より、この発明の実施例の電子部品搭載用
基材は、半導体またはパッケージとの熱膨張係数差が小
さいため接合部における熱応力が小さく電子機器の信頼
性が向上した。
なお、上記実施例では繊維として炭素繊維を用いた
が、炭素繊維と炭化珪素・窒化珪素などのセラミックス
ウイスカまたは粒子の一つまたは一つ以上との混合材を
用いてもよい。
また、上記実施例ではマトリックスとして、工業用純
アルミニウム（A1100）およびアルミニウム合金（A505
2）を用いたが、他の工業用純アルミニウムまたはA6061
などのAl合金を用いてもよい。
［発明の効果］ 以上のように、この発明は、アルミニウムまたはアル
ミニウム合金を母相とし、炭素繊維を分散する複合金属
で構成され、電子部品を搭載するものにおいて、上記炭
素繊維の体積含有率が0.15〜0.55で、上記炭素繊維が電
子部品搭載面方向に二次元的に無秩序に配列し、電子部
品搭載面に垂直な面方向に層状に配列することを特徴と
するものを用いることにより、加工性に優れ、より軽量
でかつ、半導体またはパッケージ等の電子部品との間に
生ずる熱応力を軽減することにより、電子機器の信頼性
を向上することが可能な電子部品搭載用基材を得ること
ができる。
【図面の簡単な説明】
第１図（ａ）および（ｂ）は、各々この発明の一実施例
の電子部品搭載用基材の電子部品搭載面（予備成形体製
造時の加圧軸に垂直な面）および電子部品搭載面に垂直
な面（予備成形体製造時の加圧軸に平行な面）の金属組
織を示す光学顕微鏡写真図、第２図はこの発明の実施例
の電子部品搭載用基材および従来の電子部品搭載用基材
の熱膨張係数と密度の関係を比較する特性図である。 図において、（A1）〜（A4）は各々この発明の実施例の
電子部品搭載用基材の炭素繊維体積含有率0.15,0.3,0.4
および0.55の熱膨張係数と密度、（Ｂ）はコバールの熱
膨張係数と密度、（Ｃ）はアルミナの熱膨張係数と密
度、（Ｄ）はアルミ合金の熱膨張係数と密度である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉崎 浄 兵庫県尼崎市塚口本町８丁目１番１号 三菱電機株式会社材料研究所内 (72)発明者 藤原 多計治 兵庫県尼崎市塚口本町８丁目１番１号 三菱電機株式会社通信機製作所内 (72)発明者 山下 博文 兵庫県尼崎市塚口本町８丁目１番１号 三菱電機株式会社通信機製作所内 (56)参考文献 特開 昭58−137285（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−41538（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−15985（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】アルミニウムまたはアルミニウム合金を母
    相とし、炭素繊維を分散する複合金属で構成され、電子
    部品を搭載するものにおいて、上記炭素繊維の体積含有
    率が0.15〜0.55で、上記炭素繊維が電子部品搭載面方向
    に二次元的に無秩序に配列し、電子部品搭載面に垂直な
    面方向に層状に配列することを特徴とする電子部品搭載
    用基材。
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