JP3505704B2 - 放熱基板およびその製造方法 - Google Patents

放熱基板およびその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、放熱基板に関し、
詳しくは、半導体パッケージに用いられ、素子又は部品
を搭載する放熱基板と、その製造方法と、それを搭載し
た半導体パッケージとに関する。
【0002】
【従来の技術】半導体分野において、ICチップの高性
能化、高密度化、高速化が進んでおりエレクトロニクス
への応用技術の進歩はめざましい。
【0003】半導体素子の基板材料としては、CuやC
u系複合材等が多く用いられているが、Cuの場合、素
子あるいはその周辺材料との熱膨張率の差が大きいた
め、基板あるいは素子そのものの亀裂や破壊等の原因と
なる。
【0004】MPU用には、インバー/銅/インバーの
積層型の基板が多く使われている。インバーの熱膨張係
数は室温付近では2×10-6/K以下と小さいが、温度
の上昇とともに熱膨張係数は急上昇し100℃で15×
10-6/Kと非常に大きくなる。また、インバーは、熱
伝導率も12W/(m・K)程度と非常に小さいという
欠点がある。さらに,インバーは、磁気的に特異な現象
が見られる特有な物質であり、取り扱いが容易ではな
い。そこで,インバーとの間にCuを挟むことは、熱伝
導率を高くするための有効な方法ではある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかし,前述したイン
バー/Cu/インバーの3層構造の基板材料では、熱膨
張率の観点から鑑みると、熱膨張係数がl7×10-6
Kと大きいため有効な手段とは言い難い。
【0006】また、その基板材料をチップの形、例え
ば、正方形や長方形などの矩形状に加工する場合、打ち
抜きプレス法が多く用いられるが、インバー/Cu/イ
ンバーの3層構造の積層基板では、中間のCuが軟らか
いため加工の際、展伸されインバーに被ってしまう。
【0007】また、インバーは、機械加工性が悪く表面
にクラックや割れ等が入り易いという加工上困難な点が
ある。
【0008】一方、Cu−Mo系の一つのCu/Mo/
Cu三層積層型複合材料(以下、CMCと言う)の場
合、表層がCuから成っているため初期の熱逃げや横へ
の熱放散性は優れており、従来から基板材料としてよく
使われている。
【0009】しかし、CMCは、表層にCuがあるた
め、素子直下の熱膨張率の差により基板あるいは素子な
どの亀裂や破壊の恐れがあったり、全体的に反りが発生
し易いという欠点がある。
【0010】そこで、本発明の第1の技術的課題は、半
導体素子の基板材料として放熱性の優れた材料であっ
て,素子直下に配置されても、素子や基板などにクラッ
クや反りが発生しない信頼性が向上した放熱基板とその
製造方法とを提供することにある。
【0011】また、本発明の第2の技術的課題は、製造
及び後加工の容易な放熱基板とその製造方法とを提供す
ることにある。
【0012】さらに、本発明の第3の技術的課題は、前
記放熱基板を用いた半導体パッケージを提供することに
ある。
【0013】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、半導体
パッケージの素子あるいは部品を搭載する金属基板にお
いて、モリブデン(Mo)と銅(Cu)とモリブデン
(Mo)をこの順で三層に積層した材料からなり、前記
材料は、熱膨張係数が5〜8×10-6/Kで且つ熱伝導
率が150W/(m・K)以上の特性を有し、素子直下
に熱膨張係数の近似したMoを配することで信頼性に優
れたパッケージを構成できる低熱膨張・高熱伝導性放熱
基板からなることを特徴とする放熱基板が得られる。
【0014】また、本発明によれば、前記放熱基板にお
いて、圧延加工により平坦でかつ平滑に積層され、半導
体素子搭載上支障のない平面精度を有する低熱膨張・高
熱伝導性放熱基板からなることを特徴とする放熱基板が
得られる。
【0015】また、本発明によれば、前記放熱基板にお
いて、前記放熱基板の中間層であるCuの不均一変形の
最大と最小の差が10%以内であることを特徴とする放
熱基板が得られる。
【0016】また、本発明によれば、前記いずれかの放
熱基板において、更に,Niめっき及びAuめっきの内
の少なくとも一種が施されていることを特徴とする放熱
基板が得られる。
【0017】また、本発明によれば、前記いずれかの放
熱基板を搭載していることを特徴とする半導体パッケー
ジが得られる。
【0018】また、本発明によれば、前記半導体パッケ
ージにおいて、前記放熱基板に素子又は電子部品を搭載
していることを特徴とする半導体パッケージが得られ
る。
【0019】さらに、本発明によれば,前記放熱基板を
製造する方法であって、前記モリブデン(Mo)と銅
(Cu)とモリブデン(Mo)をこの順で三層に積層し
た積層体をこの積層体の三層のトータルの厚みの20%
以上の加工率で第1の圧延を施し、第1の圧延後の以降
の圧延を10%以下の加工率で施すことを特徴とする放
熱基板の製造方法が得られる。
【0020】
【発明の実施の形態】まず、本発明の実施の形態を説明
する前に、本発明の放熱基板についてさらに詳しく説明
する。
【0021】本発明の放熱基板は、モリブデン(Mo)
と銅(Cu)とモリブデン(Mo)をこの順で三層に積
層した材料からなる。この積層材料は、熱膨張係数が5
〜8×10-6/Kで且つ熱伝導率が150W/(m・
K)以上の特性を有する。
【0022】ところで、半導体素子の放熱基板材料とし
て、放熱性の優れた材料、特にCMCのように素子直下
の放熱性の優れた材料と同様に有用である。
【0023】しかし、熱膨張率の整合性の点から鑑みる
と、本発明の放熱基板であるMo/Cu/Moの組み合
わせの材料(以下、MCMと呼ぶ)の方が、CMCに比
べて素子直下に半導体素子の熱膨張率に近いMoが配置
されるため、素子や基板などにクラックが発生せず、ま
たCuの両側に剛性率の大きい比でサンドイッチされて
いるため反りが生じ難く、信頼性は向上する。
【0024】一方、熱伝導率は、Mo単体でも140W
/(m・K)あるので、本発明の放熱基板は、Cuを挟
むことにより150W/(m・K)以上は可能であり熱
放散性の問題はない。
【0025】一般に、積層材料は、圧延やダイス、ホッ
トプレスなどによる加圧圧接法のほか摩擦圧接法、爆発
圧接法あるいは超音披溶接法などで作られる。その中で
も、圧延で圧接する方法は、種々の組み合わせの複合材
料を簡単な作業で、高生産性で製造できるのため多く利
用されている。
【0026】本発明の放熱基板であるMCMを圧着によ
って製造する方法には、前述の内どのような方法を用い
ても良いが、一般には工業生産に向いている点から圧延
法が有効である。
【0027】このMCMの圧延板を放熱基板の形状に加
工する方法としては、シャー切断、ワイヤー放電加工、
プレス打ち抜き(パンチング)、エッチング法等がある
が、いずれの加工法においても層間剥がれやクラック発
生等の問題はない。
【0028】但し、シャー切断やプレス打ち抜き時に中
間層のCuが展伸されるという懸念はあるが、表層が比
較的硬いMoであるため大きく伸ばされはみ出すことは
ない。たとえCuがはみ出したとしても、その量は少な
い(薄い)ため、後工程のバレル研磨、めっき前処理
(酸処理)において十分除去することができるので問題
はない。
【0029】また、NiやAu等のめっき性は、表層が
CuであるCMCよりも表層がMoである本発明による
MCMの方が扱い易く良好である。
【0030】それでは、本発明の実施の形態による放熱
基板の製造について説明する。
【0031】(第1の実施の形態)厚み(T)5mmの
無酸素Cu板の上下に、T5mmの純Mo板を配置した
材料を、900℃で15分間加熱した後、初めに上下ロ
ールの隙間を3枚の板のトータル厚みの70%(30%
リダクション)で圧延機に通し圧着した。そして、10
%以下のリダクションで圧延を繰り返し加工し、T0.
5mmの圧延板(層比率は公称2:1:2)に仕上げ
た。この圧延板の熱膨張係数は6×10-6/K、熱伝導
率は170W/(m・K)であった。また、片(上)層
のMoを2としたときの実際の層比率は、2:0.96
〜1.02:2.08であり、Cu層の比率は19.0
〜20.0%となり、最大と最小の厚みの差は5.3%
であった。この圧延板を30トンプレス機で5×10m
mの長方形チップの打ち抜き加工を行なったところ、全
く層間剥離や切断面にクラック等がなく良好であった。
【0032】次に,この打ち抜いたチップをバレル研磨
した後、3μmのニッケル(Ni)めっきを施し、熱処
理を行なったところ、めっきのシミやムラ、また反りも
なく良好であった。更に、このチップに、0.8μmの
Auめっきを施した後、半導体パッケージを組み立てた
ところ、熱膨張的にも外周囲材料とマッチングしたパッ
ケージと成し得、放熱性も良く半導体素子を搭載する低
熱膨張・高放熱基板として実用に供し得るものができ
た。
【0033】(第2の実施の形態)厚み(T)2mmの
無酸素Cu板の上下に,T5mmの純Mo板を配置した
材料を上記第1の実施の形態と同加熱条件において20
%リダクションで圧延機に通し圧着した後、10%以下
のリダクションで圧延を繰り返し加工し、T0.5mm
の圧延板(層比率は、公称5:1:5)に仕上げた。こ
の圧延板の熱膨張係数は5.5×10-6/K、熱伝導率
は155W/(m・K)であつた。
【0034】また、片(上)層のMoを5としたときの
実際の層比率は、5:0.97〜1.04:5.05で
あり、Cu層の比率は8.8〜9.4%となり、最大と
最小の厚みの差は6.8%であった。この圧延板を上記
第1の実施の形態と同様に30卜ンプレス機で5×10
mmの長方形の打ち抜き加工を行なったところ、全く層
間剥離や切断面にクラック等がなく良好であった。
【0035】さらに、この打ち抜いたチップをバレル研
磨した後、3μmのNiめっきを施し、熱処理を行なっ
たところ、めっきのシミやムラ、また反りもなく良好で
あった。
【0036】また上記第1の実施の形態と同様、半導体
パッケージを組み立てたところ、熱膨張的にも外周囲材
料とマッチングしたパッケージと成し得るものができ
た。
【0037】(第3の実施の形態)厚み(T)5mmの
無酸素Cu板の上下にT3mmの純Mo板を配置した材
料を、上記第1の実施の形態と同加熱条件において、2
0%リダクションで圧延機に通し圧着した後、10%以
下のリダクションで圧延を繰り返し加工し、T0.5m
mの圧延板(層比率は、公称1:1:1)に仕上げた。
この圧延板の熱膨張係数は7.0×10-6/K、熱伝導
率は185W/(m・K)であつた。また、片(上)層
のMoを1としたときの実際の層比率は、1:0.98
〜1.03:1.02であり、Cu層の比率は32.7
〜33.8%となり、最大と最小の厚みの差は3.4%
であった。
【0038】この圧延板を上記第1の実施の形態と同様
に、30卜ンプレス機で5×10mmの長方形の打ち抜
き加工を行なったところ、全く層間剥離や切断面にクラ
ック等がなく良好であった。
【0039】さらに、この打ち抜いたチップをバレル研
磨した後、3μmのNiめっきを施し、熱処理を行なっ
たところめっきのシミやムラ、また反りもなく良好であ
った。また、第1の実施の形態と同様、半導体パッケー
ジを組み立てたところ、熱膨張的にも外周囲材料とマッ
チングしたパッケージと成し得るものができた。
【0040】(第4の実施の形態)上記第1乃至第3の
実施の形態で作製した圧延板MCMを50mm□(平
方)に切断した基板にNiめっき3μm,Auめっきを
0.8μm施した後、一般のAg−Cu−Ti系のろう
材を用いそれぞれ窒化アルミニウム(AlN)と接合し
たところ、AlNには全く剥離やクラックが発生しなか
った。
【0041】さらに,それぞれの接合体のMCMの片面
を一般的なエッチング法により良好な回路のパターニン
グを施すことができた。このパターン上に素子を搭載し
−35〜120℃の冷熱サイクルを10,000回繰り
返したが、熱膨張差による基板および素子との間に剥離
がなく、また、両者に亀裂やクラックが全く発生しなか
った。
【0042】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
半導体素子の基板材料として放熱性の優れた材料であっ
て,素子直下に配置されても、素子や基板などにクラッ
クや反りが発生しない信頼性が向上した放熱基板とその
製造方法とを提供することができる。
【0043】また、本発明によれば、製造及び後加工の
容易な放熱基板とその製造方法とを提供することができ
る。
【0044】さらに、本発明によれば、前記放熱基板を
用いた半導体パッケージを提供することができる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平7−16981(JP,A) 特開 平7−38216(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 23/14 H01L 23/373

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体パッケージの素子あるいは部品を
    搭載する金属基板からなるとともにモリブデン(Mo)
    と銅(Cu)とモリブデン(Mo)とをこの順で三層に
    積層した材料からなる放熱基板を製造する方法であっ
    て、前記モリブデン(Mo)と銅(Cu)とモリブデン
    (Mo)をこの順で三層に積層した積層体をこの積層体
    の三層のトータルの厚みの20%以上の加工率で第1の
    圧延を施し、第1の圧延後の以降の圧延を10%以下の
    加工率で施すことを特徴とする放熱基板の製造方法。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の放熱基板の製造方法によ
    って製造された放熱基板であって、熱膨張係数が5〜8
    ×10−6/Kで且つ熱伝導率が150W/(m・K)
    以上の特性を有し、素子直下に熱膨張係数の近似したM
    oを配することで信頼性に優れたパッケージを構成でき
    る低熱膨張・高熱伝導性放熱基板からなることを特徴と
    する放熱基板。
  3. 【請求項3】 請求項記載の放熱基板において、圧延
    加工により平坦でかつ平滑に積層され、半導体素子搭載
    上支障のない平面精度を有する低熱膨張・高熱伝導性放
    熱基板からなることを特徴とする放熱基板。
  4. 【請求項4】 請求項記載の放熱基板において、前記
    放熱基板の中間層であるCuの不均一変形の最大と最小
    の差が10%以内であることを特徴とする放熱基板。
  5. 【請求項5】 請求項2乃至4の内のいずれか一つに記
    載の放熱基板において、更に,Niめっき及びAuめっ
    きの内の少なくとも一種が施されていることを特徴とす
    る放熱基板。
  6. 【請求項6】 請求項2乃至5の内のいずれか一つに
    載の放熱基板を搭載していることを特徴とする半導体パ
    ッケージ。
  7. 【請求項7】 請求項記載の半導体パッケージにおい
    て、前記放熱基板に素子又は電子部品を搭載しているこ
    とを特徴とする半導体パッケージ。
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