JP2657610B2 - 金属複合材料および電子回路用部品 - Google Patents

金属複合材料および電子回路用部品

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晃 市田
正 有川
典男 平山
泰弘 氏本
忠美 松下
聡 小林
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    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05KPRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00Printed circuits
    • H05K1/02Details
    • H05K1/03Use of materials for the substrate
    • H05K1/05Insulated conductive substrates, e.g. insulated metal substrate

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  • Insulated Metal Substrates For Printed Circuits (AREA)
  • Die Bonding (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体集積回路装置に
用いる金属複合材料に関し、特に、パッケージ内に半導
体素子を搭載すると共に半導体素子の発する熱を放熱す
る素子搭載用基板やパッケージの放熱基板として用いる
のに適した金属複合材料、ならびに、この金属複合材料
とパッケージとが接合されてなる電子回路用部品に関す
る。
【0002】
【従来の技術】素子搭載用基板や放熱基板としては、集
積回路の高密度化および高出力化に伴う発熱量の増加に
対処できるように、高い放熱効果を有するものが要求さ
れている。
【0003】また、素子搭載用基板や放熱基板には、高
い放熱効果に加えて、隣接する構成部品、即ち、半導体
素子やパッケージの材料に対する熱膨張率のマッチング
がとれていることが信頼性を得る上で要求されている。
ここで、半導体素子の材料としては、例えば、シリコン
(Si)やガリウム砒素(GaAs)等が用いられてお
り、パッケージの材料としては、例えば、アルミナ(A
2 3 )や最近ではプラスチックが用いられている。
【0004】実際には、半導体素子の材料とパッケージ
の材料とでは、熱膨張係数が比較的大きく異るために、
その中間の範囲の熱膨張係数が素子搭載用基板や放熱基
板には要求されることが多い。具体的には、Si(3.
5〜4.0×10-6/℃)とAl2 3 (1.0〜9.
0×10-6/℃)との場合では6×10-6/℃前後、G
aAs(5.0〜6.0×10-6/℃)とAl2 3
の場合では7〜8×10-6/℃程度に設定することが要
求される。
【0005】また、SiまたはGaAsとプラスチック
(約24.0×10-6/℃)との場合では、12.0〜
14.0×10-6/℃である。さらに、パッケージがA
23 の場合には、特に、製造工程におけるろう付け
温度での熱膨張係数のマッチングも必要とされ、800
℃〜850℃で9.0〜10.0×10-6/℃程度の熱
膨張係数が要求される。
【0006】一方、銅(Cu)とモリブデン(Mo)と
を積層した金属複合材料が注目を浴びている。例えば、
特許第1576324号(特開昭60−239032号
公報)では、熱間圧延と冷間圧延との組み合わせによっ
て製造された金属複合材料が提案されており、特開平2
−102551号公報では、冷間圧延あるいは蒸着法や
電気めっき法によって製造され、大電力用半導体装置に
使用される金属複合材料が提案されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特許第
1576324号で提案されている金属複合材料は、M
o層に部分的に巨視的せん断帯やコロニーが形成され、
プラスチックから成るパッケージ用の材料としては、特
殊な加工を施さない限り、密着強度の点で不十分であっ
た。また、CuとMoとを圧延した場合、熱間圧延時に
バイメタル効果による著しい変形や、Moの酸化膜が形
成されるため、上記パッケージ用の基板または放熱基板
として十分なものは得られなかった。
【0008】さらに、特開平2−102551号公報で
は、セラミックスとの熱膨張整合性のみが考慮されてお
り、プラスチックのパッケージにも適用できるような金
属複合材料およびその製造法について、何等示唆されて
いない。
【0009】したがって、特開平2−102551号公
報から、プラスチックのパッケージに適した金属複合材
料の熱膨張係数を見い出すことはできない。
【0010】本発明者等の実験によれば、プラスチック
のパッケージに適した放熱基板等の材料としては、熱膨
張係数が10.0〜17.0×10-6/℃の範囲にあれ
ばよいことが判った。
【0011】本発明の課題は、プラスチックのパッケー
ジとの熱膨張整合性を有し、高い熱伝導率を有し、半導
体回路装置に応じて熱膨張係数を調整でき、かつ、密着
強度においても優れている金属複合材料を提供すること
である。
【0012】本発明の他の課題は、種々のパッケージに
適用して熱的整合性を持たせることができる金属複合材
料を有する電子回路用部品を提供することである。
【0013】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、Cu/
Moの2層構造、あるいは、CuおよびMoを交互に積
層してCu/Mo/CuおよびMo/Cu/Moのうち
の一方の3層構造を有し、全体の熱膨張係数が10.0
×10-6/℃より大きく17.0×10-6/℃より小さ
い範囲にあり、積層方向での引張りによる破断強度試験
によって密着強度を測定した場合に前記モリブデン層中
で破断することを特徴とする金属複合材料が得られる。
【0014】この金属複合材料では、銅層およびモリブ
デン層の各厚さ偏差は±5%以内であることが好まし
い。
【0015】本発明者等の実験によれば、上述のよう
に、Cu/Mo、Cu/Mo/Cu、Mo/Cu/Mo
いずれかの構成を採用し、適切な密着法を援用すれば、
素子搭載用基板または放熱基板として、十分な密着強度
を有するものが得られることが判明した。例えば、クラ
ッド材の板厚が1.0mm以上であれば、爆発圧着法に
よって必要な密着強度を比較的容易に得ることができ
る。
【0016】また、クラッド材の板厚が1.0mm以下
の場合は、爆発圧着法と冷間圧延法とを組み合わせるこ
とによって、必要な密着強度を得ることが出る。また、
Cu/Moの層厚比が6:1以上、かつクラッド材の板
厚が2.0mm以下を必要とする場合も、爆発圧着法と
冷間圧延法とを組み合わせればよい。
【0017】尚、圧延法のみにより接合する場合には、
CuとMoとの接合境界面での密着強度を保証すること
が困難であり、特に、Cu/Moの層厚比が6:1以上
である場合には、所定の構成比と各層の板厚公差を安定
して得ることが困難である。
【0018】一方、爆発圧着法によれば、Cu/Mo層
厚比が自由に設定でき、組み合わせる板厚も数十μmか
ら数十mmまで広範囲に設定することができる。また、
CuとMoとの接合境界面での密着強度が十分に保証で
き、さらにこの後に圧延加工を施すときにも、密着強度
を低下させることなく、所定の構成比と各層の板厚公差
を安定して得ることができる。例えば、板厚公差を±5
%以内とすることが可能である。
【0019】密着強度の測定については、クラッド材の
積層方向での引張りによる破断強度試験によって行う。
ここで、CuとMoとの接合状態が保持される一方、M
o層中で破断することが好ましい。Cu単体の破断強度
は20〜23Kg/mm2 、Mo単体の破断強度は3〜
8Kg/mm2 であるが、接合境界面での密着強度は、
Mo単体の破断強度に比べ強固に接合し、したがってM
o層中で破断することが好ましい。
【0020】耐蝕性を向上させるためには、クラッド材
の外表面にNiめっきを形成するか、耐蝕性層の厚さを
数〜10μmとするのであれば、爆発圧着法によりチタ
ン(Ti)層を形成することができる。
【0021】
【実施例】以下、本発明の実施例による金属複合材料を
説明する。
【0022】[実施例1]基材用素材として厚さ0.5
mmのMo板を用意し、合せ材用素材に厚さ1.5mm
のCu板を用意した。基材の両面に合せ材を配し、即
ち、Cu/Mo/Cuの3層形態になる様に位置させ、
爆発圧着法により接合させた。
【0023】上記の素材は、特に表面粗度などの調整は
行わず、冷間圧延肌のままのものを脱脂して使用した。
また、爆発圧着は、3層同時爆着の手法を用い、一回の
施行で3層を一度に接合する工法とした。
【0024】次いで、この接合体に冷間圧延を若干施し
た。
【0025】以上のようにして得られた金属複合材料
は、総厚で3.45mm、Cu/Mo/Cuの3層が、
層厚比で3:1:3である複合材であった。この複合材
の表面粗さはRmax.2μmとなった。
【0026】また、図1に示すように、中間に位置付け
られるMo層の厚さの偏差は、0.08mmであった。
図1からも明らかなように、上記した偏差は、金属複合
材料を各層の積層方向に直角な方向に切断して、工具顕
微鏡で30mmの範囲内でMo層の厚さを測定し、その
最大値tmax と最小値tmin との差を算出したものであ
る。
【0027】さらに、本金属複合材料の室温〜854.
5℃での熱膨張係数の変化と長さの変化をデラトメータ
(DLT)を用いて測定した結果、本実施例による金属
複合材料は、100℃以上の広い範囲にわたってほぼ一
定の熱膨張係数を有し、かつ、その長さの変化も室温か
ら850℃までほぼ線形であった。尚、熱膨張係数は1
3.93×10-6/℃、熱伝導率は0.837cal/
cm・sec・℃であった。
【0028】また、この金属複合材料を20mm×20
mmのサイズに切り出し、図2に示す構成により密着強
度を測定した。即ち、図2に示すように、互いに対向す
る、ステンレスから成る治具上片1と治具下片2との間
に金属複合材料aの上下板面をろう材(BAg−8)に
よってろう付けし、金属複合材料の各層の積層方向(図
中上下方向)に引張り、破断時の荷重を測定して破断強
度試験を行った。この結果、Cu/Moの接合境界面で
破断は起こらず、Mo層内にて破断が生じ、そのときの
値は、6.0Kg/mm2 であった。これにより、接合
境界面はMo単体の強度以上に強固に接合していること
が実証された。
【0029】さらに、実施例1による金属複合材料に冷
間圧延を施し、総厚3.45mmから総厚1.70mm
にまで約50%の加工率で加工したところ、層厚比は、
2.8:1:2.8であった。
【0030】以上説明した実施例1による金属複合材料
の各特性を表1に示す。
【0031】
【表1】
【0032】[実施例2〜5] [比較例1および2]次に、材料板の厚さその他の条件
を変えて複合材を製造し、実施例2〜5、ならびに、比
較例1および2とした。表1に各特性を示す。
【0033】表1から明らかなように、全体の熱膨張係
数について、実施例2〜5は、実施例1と同様に10.
0×10-6/℃より大きく17.0×10-6/℃より小
さい範囲にある一方、比較例1および2は、10.0×
10-6/℃より小さい熱膨張係数を有していた。また、
密着強度試験では、各実施例および比較例とも、Mo層
内にて破断が生じた。尚、表面粗さはRmax.2〜5μm
となった。
【0034】熱膨張係数に関する上記結果から、本発明
による金属複合材料では、熱膨張係数の大きい銅(1
7.1×10-6/℃)と熱膨張係数の小さいモリブデン
(5.2×10-6/℃)との構成比を変えることによっ
て、所望の熱膨張係数を有する金属複合材料が得られる
ことがわかる。
【0035】以上説明したように、本発明よる金属複合
材料はいずれも、高い熱伝導率を有すると共に、半導体
回路装置に応じて熱膨張係数を調整でき、熱的なマッチ
ングをとることが可能であると共に、密着強度に優れて
いる。
【0036】尚、以上説明した金属複合材料は、接合す
るパッケージに応じて熱膨張係数を変化させ、パッケー
ジに熱的に整合させることができるため、この金属複合
材料とパッケージとを接合して得られる電子回路用部品
は、熱的特性に優れると共に密着強度に優れ、かつ、熱
的に破損等が生じることがない。
【0037】
【発明の効果】以上説明したように、本発明による金属
複合材料は、高い熱伝導率を有すると共に、半導体回路
装置に応じて熱膨張係数のマッチングがとれることは勿
論、密着強度に優れているという利点を有している。ま
た、この金属複合材料とパッケージとを接合すれば、熱
的特性に優れると共に密着強度に優れ、かつ、熱的に破
損等が生じることのない電子回路用部品が得られる。即
ち、これら金属複合材料あるいは電子回路用部品を用い
れば、接合境界面に剥離等が生ずることなく、信頼性の
高い半導体回路装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例1による金属複合材料の中央層
の厚さ偏差の算出方法を説明するための図である。
【図2】引張りによる破断強度試験によって密着強度を
測定するための構成を示す図である。
【符号の説明】
1 治具上片 2 治具下片 a 金属複合材料
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 平山 典男 東京都葛飾区青戸六丁目40番1号 東京 タングステン株式会社東京製作所内 (72)発明者 氏本 泰弘 福岡県筑紫野市大字山家5447番地 旭化 成工業株式会社内 (72)発明者 松下 忠美 福岡県筑紫野市大字山家5447番地 旭化 成工業株式会社内 (72)発明者 小林 聡 東京都千代田区内幸町1丁目1番地1号 旭化成工業株式会社内 (56)参考文献 特開 平2−102551(JP,A) 特開 平4−186869(JP,A) 特開 平3−200353(JP,A) 特開 平2−187285(JP,A) 特開 昭59−46050(JP,A) 特開 昭59−21032(JP,A) 特開 平5−291425(JP,A) 特公 平2−852(JP,B2)

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 銅/モリブデンの2層構造を有し、全体
    の熱膨張係数が10.0×10-6/℃より大きく17.
    0×10-6/℃より小さい範囲にあり、積層方向での引
    張りによる破断強度試験によって密着強度を測定した場
    合に前記モリブデン層中で破断することを特徴とする金
    属複合材料。
  2. 【請求項2】 銅およびモリブデンを交互に積層して銅
    /モリブデン/銅およびモリブデン/銅/モリブデンの
    うちのどちらか一方の3層構造を有し、全体の熱膨張係
    数が10.0×10-6/℃より大きく17.0×10-6
    /℃より小さい範囲にあり、積層方向での引張りによる
    破断強度試験によって密着強度を測定した場合に前記モ
    リブデン層中で破断することを特徴とする金属複合材
    料。
  3. 【請求項3】 前記銅層および前記モリブデン層は、各
    厚さ偏差が上下5%以内であることを特徴とする請求項
    1または2記載の金属複合材料。
  4. 【請求項4】 表面にめっき層を有することを特徴とす
    る請求項1乃至3いずれか記載の金属複合材料。
  5. 【請求項5】 パッケージと、該パッケージに対して熱
    的整合性を有する金属複合材料とを備えた電子回路用部
    品において、前記金属複合材料は、銅/モリブデンの少
    なくとも2層構造を有し、全体の熱膨張係数が10.0
    ×10-6/℃より大きく17.0×10-6/℃より小さ
    い範囲にあり、積層方向での引張りによる破断強度試験
    によって密着強度を測定した場合に前記モリブデン層中
    で破断するものである電子回路用部品。
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