JP2704932B2 - 放熱基板およびその製造方法ならびに半導体装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体を搭載する基板
等として用いられる金属複合部品およびその製造方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】図３は、この種の金属複合部品を放熱基
板として用いた半導体パッケージの要部を示す断面図で
ある。図３において、この半導体パッケージは、放熱基
板１０と、放熱基板１０上に固着されたセラミック枠３
０と、セラミック枠３０に埋設されたピン４０と、放熱
基板１０上のセラミック枠３０間に、ろう剤５０により
搭載および固着された半導体２０とを有している。半導
体２０の固着工程においては、放熱基板１０と半導体２
０との間のろう剤５０は、かなりの高温に加熱される。

【０００３】上記構成において、放熱基板１０として
は、半導体２０の固着工程における加熱作業や半導体集
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所望さ
れている。また、高い放熱効果に加えて、半導体２０に
対する熱膨張係数のマッチングがとれていること、パッ
ケージ材料との熱膨張係数に近似しているかあるいは組
立後のマッチングを考慮して若干熱膨張係数の異なって
いることも所望されている。

【０００４】従来、熱膨張係数に関する要件を満たす放
熱基板に用いる部品として、Ｃｕ−Ｍｏ系あるいはＣｕ
−Ｗ系の金属複合部品が提案され実用化されている。こ
れらの金属複合部品は、Ｃｕ板とＭｏ板（あるいはＷ
板）とを張り合わせてなるクラッド複合材と、ＣｕとＭ
ｏとの（あるいはＣｕとＷとの）複合材料を焼結してな
る焼結体とに二大別される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、この種の金
属複合部品には、熱膨張係数以外にも、パッケージング
に必要な機械加工、特に、半導体２０を搭載する部分を
段付きや凹凸型などの特別な表面形状とすることも要求
されることがあるが、この要求に対して前記二つの金属
複合部品はいずれも適していないことが判明した。

【０００６】即ち、クラッド複合材は、段付きや凹凸型
などの表面形状とした場合に、異種材料の構成比が一様
でなくなることから不適当である。

【０００７】他方、複合材料の焼結体は、異種粉末が均
一に分散および複合されていて諸特性も安定している点
では好ましいものの、複合材料を構成する構成材料間の
変形抵抗や変形能が著しく異なるため、塑性加工性、例
えば、圧延性が低く、生産効率に劣り、また、大きな素
材が製造できないという問題点がある。ここで、複合材
料の焼結体の製造方法には、Ｍｏ（あるいはＷ）の多孔
質焼結体にＣｕを含浸させ（溶浸法と呼ぶ）、この焼結
体を所定の板厚まで圧延加工する方法と、Ｃｕ粉末とＭ
ｏ（あるいはＷ）粉末とを混合し（混合法と呼ぶ）、混
合した粉末をプレス成型し、焼結した後、この焼結体を
圧延加工する方法とがある。

【０００８】しかし、いずれの製造方法によっても、圧
延性が低い。即ち、溶浸法および混合法いずれにおいて
も、焼結体を圧延加工すると圧延方向に対して垂直にク
ラックが生じやすく、例えば、その加工率が３０％〜５
０％程度で圧延が不可能となってしまう。仮に、５０％
以上の加工が進行した段階で主要な部分にクラックが生
じない場合であっても、端辺部分にクラック（いわゆる
耳割れ）が発生し、良好な素材は得られない。

【０００９】さらに、複合材料の焼結体は熱間圧延時に
おいて、表面に突起状のＣｕ−Ｍｏ（Ｗ）酸化物を生じ
る。焼結体の表面に生じたこの酸化物はワークロールに
付着し、被圧延物である焼結体の表面には圧痕が残る。
このため、圧延された焼結体は、仕上がり状態の悪いも
のとなるという問題点がある。

【００１０】本発明の課題は、放熱効果に優れていると
共に、クラックや圧痕が生じることなく所望の表面形状
に加工できる工業的量産性に優れた金属複合部品を提供
することである。

【００１１】本発明の他の課題は、上記金属複合部品を
放熱基板として用い、かつ、プラスチックパッケージさ
れた半導体装置を提供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、高融点
金属および該高融点金属より低融点の金属を含む複合材
料を焼結することによって得られた焼結体と、該焼結体
の表面を覆う前記複合材料中の金属の一種から成る被覆
層とを有することを特徴とする金属複合部品が得られ
る。

【００１３】本発明によればまた、高融点金属および該
高融点金属より低融点の金属を含む複合材料を焼結して
焼結体を得る工程と、得られた前記焼結体の表面を前記
複合材料中の金属の一種から成る板体で包装する工程
と、前記板体と前記焼結体とを一体化する工程と、前記
板体と一体化された前記焼結体を塑性加工する工程とを
有することを特徴とする金属複合部品の製造方法が得ら
れる。

【００１４】即ち、本発明は、複合材料を焼結すること
によって得られた焼結体を、複合材料を構成する金属の
一種（例えばＣｕ−Ｍｏ複合材の場合：ＣｕあるいはＭ
ｏ）から成る板体で包装等により少なくとも圧延面全体
を被覆した後、圧延加工を行うことにより、広範囲に亘
る組成比率を有する圧延板を容易に得るものである。

【００１５】尚、本発明において、板体で焼結体を包装
するとは、焼結体表面のうちの塑性加工の施される面、
例えば圧延加工が施される場合には、少くとも圧延面
（表裏二面）に、あるいは、焼結体の全表面に板体を配
することをいう。

【００１６】また、板体の厚さは、焼結体組成および所
望する圧延板組成によって異なるが、焼結体厚みの０．
０１〜２倍程度がよい。また、金属複合部品の表面の板
体は、圧延後に厚さ５０〜３００μｍの被覆層として残
るが、金属複合部品の全体組成は、予め焼結体の組成を
調製すればよく、熱膨張係数や熱伝導率等の特性は広い
範囲で制御できる。しかも、被覆層は、単一種の金属で
あるため、混合層に比べるとより均一にめっき加工やロ
ー付けができる。さらに、段付き（凹凸）形状に加工を
施す場合には、包装板体として延性の高いＣｕ板を用い
れば、加工時にＣｕが伸びて段付き形状の側面をも被覆
し得るのでその特性は均一で不変である。

【００１７】また、圧延後の金属複合部品の表面に被覆
層が不要である場合には、ラッピング加工等により除去
することも可能である。

【００１８】本発明によればまた、放熱基板を備え、か
つ、プラスチックパッケージされた半導体装置におい
て、前記放熱基板は、高融点金属および該高融点金属よ
り低融点の金属を含む複合材料を焼結することによって
得られた焼結体と、該焼結体の表面を覆う前記複合材料
中の金属の一種から成る被覆層とを有することを特徴と
する半導体装置が得られる。

【００１９】本発明によればさらに、前記放熱基板にお
いて、前記焼結体は、ＭｏおよびＷのうちの一方とＣｕ
とを含む複合材料を焼結することによって得られ、前記
被覆層は、Ｃｕから成ることを特徴とする前記半導体装
置が得られる。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の金属複合部品を、その製造方
法に基づいて説明する。

【００２１】本発明では、溶浸法あるいは混合法によ
り、高融点金属およびこの高融点金属より低融点の金属
を含む複合材料を焼結することによって得られた焼結体
（組成：所望組成の１〜５％減）を、複合材料を構成す
る金属のうちの一種（例えば、Ｃｕ）から成る板体で包
装する。尚、板体での包装は、焼結体の表面のうち、少
くとも圧延面上に板体を隙間無く配することをいう。こ
の包装された焼結体を、８００℃〜１０００℃の範囲で
加熱し、熱間圧延により所望する最終板厚よりも２ｍｍ
程度厚い厚さに仕上げる。尚、加熱温度は８００℃〜１
０００℃の範囲が好ましい。８００℃に満たない場合は
変形能が小さいため容易にクラックが生じ、また１００
０℃を越えるとＣｕが著しく軟化したり、加熱温度のゆ
らぎで一部溶融するためである。得られた金属複合部品
熱間圧延板は、焼鈍、酸化物を除去した後、冷間圧延に
より所望の板厚まで加工し仕上げる。このようにして得
られた金属複合部品の表面は、厚さ５０μｍ〜３００μ
ｍの被服層（Ｃｕ層）で覆われているが、金属複合部品
全体としては、比較的広範囲の組成を有した複合材であ
る。例えば、Ｃｕ−Ｍｏ金属複合部品（厚さ１ｍｍ）の
熱膨張係数および熱伝導率はそれぞれ、図１および図２
に示すように理論値とほぼ同じ値が得られた。

【００２２】以下、本発明をさらに具体的に説明する。

【００２３】［実施例１］混合法により、３９重量％Ｃ
ｕ−６１重量％Ｍｏに調製した粉末状の複合材料を、３
トン／ｃｍ² の圧力で成形したプレス体を還元性雰囲気
中で焼結する。焼結体の厚さは８ｍｍ、相対密度は９０
〜９８％である。そして、この焼結体を厚さ２ｍｍの無
酸素銅板で包装する。この包装された焼結体を、水素雰
囲気中にて８００〜１０００℃の温度で１５分間加熱保
持する。この後、圧下率２０％以下で熱間圧延加工（１
パス目）する。尚、前記圧延工程の後、従来ならば必要
であったワークロールに付着した突起状の酸化物を除去
する作業は不要である。

【００２４】続いて、同雰囲気、同温度で数分間加熱保
持した後、同圧下率で熱間圧延加工（２パス目）する。
この後の突起物除去工程も省くことが出来る。また、こ
の工程を繰り返し行ううちに、従来ならばクラックや耳
割れが多発していたが、今回は全く発生しなかった。

【００２５】このようにして目的板厚よりも２ｍｍ程度
厚い厚さで熱間加工を終了し、最終的に、冷間圧延加工
にて所望する板厚１ｍｍに仕上げた。

【００２６】以上のようにして、本実施例による金属複
合部品が得られた。この時のＣｕ層厚は１００μｍ、Ｃ
ｕ含有量は４０重量％であった。表面状態も平滑であり
Ｒａ＝０．１μｍ程度であった。

【００２７】［実施例２］混合法により６８重量％Ｃｕ
−３２重量％Ｍｏに調製した粉末状の複合材料を、実施
例１と同圧力でプレス成形した後同雰囲気中で焼結し
た。焼結体の厚さは１２ｍｍ、相対密度９０〜９８％を
有する。この焼結体を厚さ２ｍｍの無酸素銅板で包装し
た。

【００２８】この包装された焼結体を、実施例１と同条
件で加熱し、同圧延条件で加工を行ったところ、同様な
結果が得られ、板厚１ｍｍの金属複合部品が得られた。
Ｃｕ層の厚さは１５０μｍ、Ｃｕ含有量は７０重量％で
あった。Ｒａは実施例１と同様であった。

【００２９】［実施例３］混合法により４１重量％Ｃｕ
−５９重量％Ｍｏに調製した粉末状の複合材料を、実施
例１と同圧力でプレス成形した後同雰囲気中で焼結し
た。焼結体の厚さは８ｍｍ、相対密度９０〜９８％を有
する。この焼結体を厚さ０．３ｍｍのＭｏ板で包装し
た。

【００３０】この包装された焼結体を、実施例１と同条
件で加熱し、同圧延条件で加工を行ったところ、同様な
結果が得られ、板厚１ｍｍの金属複合部品が得られた。
Ｍｏ層厚は５０μｍ、Ｃｕ含有量は４０重量％であっ
た。Ｒａは実施例１と同様であった。

【００３１】［実施例４］混合法により８４重量％Ｃｕ
−１６重量％Ｗに調製した粉末状の複合材料を、、実施
例１と同圧力でプレス成形した後同雰囲気中で焼結し
た。焼結体の厚さは４ｍｍ、相対密度９０〜９８％を有
する。この焼結体を厚さ０．３ｍｍのＣｕ板で包装し
た。

【００３２】包装された焼結体を、実施例１と同条件で
加熱し、同条件で圧延加工したところ同様な結果が得ら
れ、板厚１ｍｍの金属複合部品が得られた。Ｃｕ層厚は
５０μｍ、Ｃｕ含有量は８５重量％であった。Ｒａは実
施例１と同様であった。

【００３３】次に、実施例１〜４で得られた金属複合部
品を、ダイ・フローティング方式により２５ｍｍ×２５
ｍｍの板状に打ち抜きを行ない、Ｎｉめっきを施した。
各金属複合部品いずれにおいても、打ち抜きによって外
周などにクラックは生じず、また、めっきはむらなく形
成できた。さらに、この各金属複合部品を、図３に示す
半導体パッケージの放熱基板１０として用いた。即ち、
各金属複合部品上に半導体２０およびセラミック枠３０
等を固着してパッケージングし、半導体パッケージを製
造した。製造中において、半導体２０を固着するために
ろう剤５０をかなりの高温に加熱したが、各放熱基板１
１０には、クラックや反り等は発生しなかった。続い
て、各半導体パッケージについて、半導体２０を実際の
使用状態を想定した温度に加熱して、放熱基板１１０と
の整合性をみたが、各放熱基板１１０にはクラックや反
りは発生しなかった。

【００３４】本発明者らの実験によれば、本発明に係る
放熱基板は９〜２３×１０^-6／Ｋの熱膨張係数をも実現
できるため、特に、プラスチックパッケージされた半導
体装置に適用した場合に有効であることが判った。以
下、プラスチックパッケージされた半導体装置に使用さ
れる放熱基板およびその製造方法について説明する。

【００３５】図４および図５はそれぞれ、樹脂流入モー
ルド形式のプラスチックパッケージの例を示す断面図で
ある。

【００３６】まず、図４におけるプラスチックパッケー
ジには、放熱基板１１０と、放熱基板１１０上に接合さ
れた半導体チップ１１１と、放熱基板１１０上からパッ
ケージの外側へ延びた複数のピン１１２と、複数のピン
１１２と半導体チップ１１１との間を電気的に接続する
複数の導線１１３と、各部品にわたってモールドされた
合成樹脂１１５とが備えられており、これ等によって半
導体装置が構成されている。

【００３７】このプラスチックパッケージは、放熱基板
１１０、半導体チップ１１１、複数のピン１１２、およ
び複数の導線１１３に、合成樹脂（例えば、エポキシ樹
脂やフェノール樹脂等）１１５を流入モールドすること
によって製造される。ただし、図４に示すプラスチック
パッケージでは、放熱基板１１０の裏面はモールドされ
ておらず、外部に露出している。

【００３８】次に、図５におけるプラスチックパッケー
ジは、放熱基板１１０の厚さが図４に示すものより薄い
点と、この放熱基板１１０の裏面をも合成樹脂１１５に
よりモールドされている点とが、図４におけるプラスチ
ックパッケージと異っている。他の部分は、図４に示す
ものと同様の構成である。

【００３９】また、図４および図５における各放熱基板
１１５はいずれも、その板面が長方形を呈している。

【００４０】本発明は、図４および図５に示す両タイプ
のプラスチックパッケージに用いられる放熱基板に関す
る。

【００４１】上記プラスチックパッケージされた半導体
装置には、種々の構造のものがあるため、これ等に適用
できるように、種々の形状を呈する放熱基板が用意され
ることが望ましい。それ故、放熱基板は、種々の形状に
成形し得ることが必要である。

【００４２】図６〜図８は、放熱基板の形状例を示す図
である。尚、図６において、（ａ）は平面図を示し、
（ｂ）は側面図を示す。

【００４３】図６〜図８における放熱基板１１０ａ、１
１０ｂ、および１１０ｃはいずれも、基板部１２０と、
基板部１２０上に突出する突出部１２１とを有する一体
の段付き形状を呈している。これ等段付き形状は、後述
する方法によって形成される。突出部１２１は、図４あ
るいは図５に示した半導体チップ１１を保持するもので
あるため、支持部ともいえる。

【００４４】より具体的に説明すると、まず、図６
（ａ）および（ｂ）の放熱基板１０ａは、その突出部１
２１が四隅が面取りされた長方形を呈している。突出部
１２１はまた、基板部１２０の図中水平方向の中心線Ｃ
１および図中垂直方向の中心線Ｃ２について対称位置に
ある。

【００４５】図７の放熱基板１０ｂは、一隅が面取りさ
れた基板部１２０と、基板部１２０上に形成された長方
形を呈する突出部１２１とを有している。突出部１２１
の基板部１２０に対する位置は、図６と同様である。

【００４６】図８の放熱基板１０ｂは、四隅が円弧状に
面取りされた基板部１２０と、基板部１２０上に形成さ
れた長方形を呈する突出部１２１とを有している。突出
部１２１は、図６あるいは図７と同様に、基板部１２０
の中央に位置している。

【００４７】図９は、さらに他の放熱基板を示す斜視図
である。図９において、放熱基板１０ｄは、長方形の基
板部１２０と、基板部１２０上に形成された突出部１２
１とを有している。放熱基板１０ｄにおいて、突出部１
２１は、図６（ａ）中の中心線Ｃ１、Ｃ２のような水平
および垂直方向の各中心線について、非対称な位置にあ
る。また、突出部１２１は、図中右方向に開口するＵ字
状の凹部１２２を備えている。

【００４８】以上説明した種々の形状を呈する放熱基板
は、プラスチックパッケージされた半導体装置に用いら
れる。

【００４９】以下、本発明による段付き形状を有する放
熱基板の製造方法を説明する。

【００５０】［実施例５］まず、前述の実施例２と同様
にして、混合法により６８重量％Ｃｕ−３２重量％Ｍｏ
に調製した粉末状の複合材料を、実施例１と同圧力でプ
レス成形した後同雰囲気中で焼結した。焼結体の厚さは
１２ｍｍ、相対密度９０〜９８％を有する。この焼結体
を厚さ２ｍｍの無酸素銅板で包装し、実施例１と同様に
加熱保持と熱間圧延加工を繰り返して、総厚が約３ｍｍ
の包装された焼結体を得た。

【００５１】次に、この包装された焼結体を、１００℃
以上に加熱保持し、かつ、温風に曝しつつ、図６（ａ）
および（ｂ）に示した形状に応じた段付き形状を呈する
金型によって、段付け加工（サイジングと呼ばれる）を
施したところ、基板部と突出部とが一体に形成された段
付き形状を呈し、総厚が２．５ｍｍの放熱基板が得られ
た。

【００５２】図１０は、得られた実施例５による放熱基
板を示す概念的な断面図である。図１０を参照すると、
実施例５による放熱基板１３０は、ＣｕおよびＭｏから
成り、段付き形状を呈する焼結体１３１と、Ｃｕから成
り、その全表面にわたって形成された被覆層１３２とを
有している。被覆層１３２は、焼結体１３１のいかなる
部分においても、ほぼ一定の厚さを有している。特に、
本実施例では、包装板体として延性の高いＣｕ板を用い
ているため、サイジングを施しても、加工時にＣｕが伸
びることによって、段付き形状の立上がり部分、即ち、
突出部の側面も被覆されていることが判る。

【００５３】尚、本発明によれば、図６（ａ）および
（ｂ）に示した形状に限らず、前述の図７〜図９に示し
た形状等、いかなる段付き形状に形成しても、その焼結
体の全ての表面に、ほぼ一定の厚さを有するＣｕから成
る被覆層を形成できる。即ち、本発明によれば、プラス
チックパッケージに要求される種々の形状を有する放熱
基板が得られる。

【００５４】

【発明の効果】本発明による金属複合部品は、高融点金
属および該高融点金属より低融点の金属を含む複合材料
を焼結することによって得られた焼結体と、該焼結体の
表面を覆う前記複合材料中の金属の一種から成る被覆層
とを有するため、熱間圧延時に、クラックや耳割れが生
ずることなく、加工性に優れている。また、突起状の酸
化物も発生しないため、表面（圧延面）に酸化物の圧痕
が生じることがなく、工業的量産性に優れている。具体
的には以下に示す項目〜の効果が得られる。

【００５５】 圧延時のクラックや耳割れを発生させ
ることなく、圧延後の良品率が約９５％以上である。

【００５６】 熱間圧延時に、ワークロールに付着し
ていた突起酸化物が付かなくなり、除去工程が省略でき
生産性が向上する。

【００５７】 複合材料の混合成分と板体を構成する
金属との割合を調整することにより、例えば、Ｃｕ−Ｍ
ｏ系等の中間熱特性の任意設定が容易である。

【００５８】 金属複合部品におけるＣｕとＭｏ等と
の分散は均一であり、打ち抜きや切断等による如何なる
形状のチップにも、熱特性の差はみられない。また、サ
イジングによる段付き（凹凸）形状への加工や、曲げ加
工などを施しても、クラッド材のように異なる材質層が
生じることはなく、部位による熱特性も全く変わらな
い。さらに、打ち抜き加工によるクラックが発生しな
い。

【００５９】 十分に緻密化したＣｕ−Ｍｏ系等の素
材をラッピング加工を施して薄くしようとする場合に、
比較的薄い仕上げ厚さ（例えば、０．５〜０．２ｍｍ）
にできる。

【００６０】さらに、本発明によれば、放熱基板を備
え、かつ、プラスチックパッケージされた半導体装置に
おいて、放熱基板は、高融点金属およびこれより低融点
の金属を含む複合材料を焼結することによって得られた
焼結体と、焼結体の表面を覆う複合材料中の金属の一種
から成る被覆層とを有することを特徴とする半導体装置
が得られる。特に、放熱基板において、被覆層としてＣ
ｕを用いれば、いかなる段付き形状に形成しても、焼結
体の全ての表面に、ほぼ一定の厚さを有するＣｕから成
る被覆層を形成でき、プラスチックパッケージに要求さ
れる種々の形状を有する放熱基板が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるＣｕ−Ｍｏ金属複合部品のＣｕ含
有量に対する熱膨張係数を示す図である。

【図２】本発明によるＣｕ−Ｍｏ金属複合部品のＣｕ含
有量に対する熱伝導率を示す図である。

【図３】本発明の実施例および従来例による金属複合部
品を用いた半導体パッケージの要部を示す断面図であ
る。

【図４】モールドされて成るプラスチックパッケージの
一例を示す断面図である。

【図５】モールドされて成るプラスチックパッケージの
他の例を示す断面図である。

【図６】図４あるいは図５に示した放熱基板の変形例を
示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図であ
る。

【図７】図４あるいは図５に示した放熱基板の変形例を
示す平面図である。

【図８】図４あるいは図５に示した放熱基板の変形例を
示す平面図である。

【図９】図４あるいは図５に示した放熱基板の変形例を
示す斜視図である。

【図１０】本発明の実施例５による放熱基板を示す概念
的な断面図である。

【符号の説明】

１０ 放熱基板 ２０ 半導体 ３０ セラミック枠 ４０ ピン ５０ ろう剤 １１０ 放熱基板 １１１ 半導体チップ １１２ ピン １１３ 電線 １１５ 合成樹脂 １２０ 基板部 １２１ 突出部 １３０ 放熱基板 １３１ 焼結体 １３２ 被覆層

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＭｏおよびＷのうちの一方とＣｕとを含
   む複合材料を焼結することによって得られた焼結体と、
   前記焼結体の表面を覆うＣｕから成る被覆層とを有する
   ことを特徴とする放熱基板。
2. 【請求項２】 ＭｏおよびＷのうちの一方とＣｕとを含
   む複合材料を焼結して焼結体を得る工程と、前記焼結体
   の表面をＣｕから成る板体で包装する工程と、前記板体
   と前記焼結体とを一体化する工程と、前記板体と一体化
   された前記焼結体を塑性加工する工程とを有することを
   特徴とする放熱基板の製造方法。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の放熱基板と、半導体素
   子とを有し、プラスチックパッケージされてなることを
   特徴とする半導体装置。