JP3611402B2 - 半導体基板用放熱材及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＬＳＩパッケージや光半導体パッケージ等に用いられる放熱材の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、放熱材としては、Ｃｕ−Ｗ系のものが一般的であったが、タングステン（Ｗ）は高価であり、かつその比重が大きく製品全体が重量化する問題があった。また、その製造方法としてはＷ粉末をホットプレス法により焼結してからＣｕを含浸させ、所定の形状に研削しており、その工程が多くなることや材料歩留りが低下することにより、生産性が低下し、製造コストが高騰化するという問題もあった。
【０００３】
そこで、原料コストが高く、比重が大きいＷに代えてＣｕ−ＳｉＣ系の複合材やＣｕ−Ｃ系の複合材が注目されているが、これらの材料にあってもＣｕ−Ｗ系のものと同様に放熱材を形成するには主としてホットプレス法が用いられており、この方法はバッチ処理となるため、生産性が劣る（製造コストが高くなる）と云う問題は残る。加えて、ある系ではホットプレスによる加熱時間が長くなると焼結体の特性が低下すると云う問題もある。
【０００４】
図４（ａ）〜図４（ｃ）にＣｕ−ＳｉＣ系のホットプレス焼結体の特性を示す。本材料系では高温、長時間の加熱により熱伝導率が低下する。これは、ＳｉＣ中の遊離ＳｉがＣｕと反応し、界面で抵抗となる化合物を作るためである。また、ホットプレス法の場合、Ｃｕ−ＳｉＣの２元素では焼結密度を向上すると共に熱伝導率を向上させるために、Ａｇ、Ｓｎ、Ｓｉ等の共晶による融点降下元素を添加する必要があり、特にＡｇを含む系では高温、長時間の加熱によりＡｇが析出して膨張し、これによっても熱伝導率が低下する。ここで、図４（ｃ）に示すように圧力を増すほど特性は良くなるものの通常はカーボンを使用する焼結治具の強度の制約によりあまり高圧化することは困難である。
【０００５】
尚、冷間プレスと連続焼結とを組み合わせることも考えられるが、その場合も例えばＣｕ−ＳｉＣ系の場合、ＳｉＣの延性が極めて低いために高密度は得られない。例えばＣｕ−ＳｉＣ−Ａｇ系で冷間プレスにより７８４ＭＰａの高圧をかけたものでも熱処理前の相対密度が７４％、熱処理後が７３％と低密度のものしか得られない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記したような従来技術の問題点に鑑みなされたものであり、その主な目的は、製造コストを低廉化すると共に材質の高性能化を図ることが可能な半導体基板用放熱材及びその製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
そのためには、Ａｇなどの第３元素を添加しないＣｕ−ＳｉＣの２元素系材料を用い、加熱速度を速くし、加熱保持時間を短くして遊離Ｓｉによる化合物を抑制することが必要である。また、加熱状態で少なくとも１００ＭＰａ以上の高圧に加圧することによりＣｕを大きく変形させてＳｉＣ粒との界面に密着させることが必要である。
【０００８】
上記した目的は本発明によれば、Ｃｕ−ＳｉＣの２元素系半導体基板用放熱材であって、シース材中に封入した金属（Ｃｕ）粒子とセラミック（ＳｉＣ）粒子との混合体を冷間加工し、急速加熱後に熱間加工することにより、その焼結密度を９４％以上とし、かつ熱伝導率を１２０Ｗ／ｍＫ以上とし、更に金属粒子が伸展（縦横比で２：３以上）していることを特徴とする半導体基板用放熱材を提供すること及びシース材中に金属粒子とセラミック粒子との混合体を封入し、これを冷間加工し、急速加熱後に熱間加工する過程を有し、前記冷間加工及び熱間加工が、圧延、押し出し及びロータリースウェージングのうちの１つ若しくは２つ以上の組み合わせからなることを特徴とする半導体基板用放熱材の製造方法を提供することにより達成される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の好適な実施形態について添付の図面を参照して詳しく説明する。
【００１０】
図１は、本発明が適用された半導体基板用放熱材の製造工程の要部を示す。
【００１１】
まず、ＳＵＳからなる円形断面の管（シース材）の一方の端部（図の右側）近傍を側面からプレスして端面をＴＩＧ溶接して閉塞する。そして、他方側（図の左側）から銅粉（Ｃｕ）と炭化珪素粉（ＳｉＣ）との混合粉をタップ充填後、真空引きしつつ上記同様に側面からプレスし、切断した後その端面もＴＩＧ溶接して閉塞し、上記銅粉（Ｃｕ）と炭化珪素粉（ＳｉＣ）との混合粉を真空封入する。
以下、粉末シース圧延法での圧下率を次のように定義する。
圧下率＝（（圧延前厚さ−圧延後厚さ）／圧延前厚さ）×１００％
特に、シース材を冷間圧延する場合は、圧延前厚さはシース材外径とする。
【００１２】
次に、冷間圧延して内部の密度を高くした後、例えば８００℃〜８５０℃で熱間圧延して平板状として更に密度を高くし、少なくとも焼結密度９４％以上とする。そして、シース材を除去して所望の形状に加工することにより半導体基板用放熱材として使用することとなる。このように冷間圧延後、熱間圧延して焼結密度を９４％以上とすることで、熱伝導率が１２０Ｗ／ｍＫ以上の放熱材が得られる。
【００１３】
尚、この例では圧延で板材を製造する手順を示したが、用途、形状に応じて棒・線材を製造する場合、押し出し、ロータリースウェージング或いは孔型圧延により冷間加工後、熱間加工しても良い。また、上記したシース圧延法に類似する方法としてＨＩＰ法が考えられるが、加熱速度が遅く、加熱時間が長くなるためホットプレス法と同様に放熱材の特性が低下する。
【００１４】
【実施例】
図２にホットプレス法で得られた放熱材の特性と本発明による粉末シース圧延法で得られた放熱材の特性とを比較する。
【００１５】
体積比率で、ＳｉＣ／Ｃｕ＝６５／３５のＣｕ−ＳｉＣ系ではホットプレス法では相対密度が８３％、熱伝導率が２２Ｗ／ｍＫであるが、本発明による粉末シース圧延法では相対密度が９８％、熱伝導率が７５Ｗ／ｍＫに向上した。また、体積比率でＳｉＣ／Ｃｕ＝５０／５０のＣｕ−ＳｉＣ系ではホットプレス法で相対密度が９５％、熱伝導率が６０Ｗ／ｍＫであるが、本発明による粉末シース圧延法では条件にもよるが、相対密度が９８％、熱伝導率が１５７Ｗ／ｍＫに向上した。ここで、粉末シース圧延材の密度は、圧延温度、圧下率、ロール径、圧延速度、シース材の強度などの影響を受け、一般的にはこれらの値が大きいほど、密度は向上する。図２は外径１２ｍｍ、板厚１ｍｍのシース材を用いてロール径１２５ｍｍ、圧延速度２２ｍ／ｍｉｎ、冷延率＝熱延率＝５０％、総圧下率７５％の結果を示したものである。ここでは、シース材の強度の影響が大きく現れており、熱間強度の大きなＫＯＶＡＲ（商標：ウェスティングハウス社の開発によるＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金）を用いた場合に優れた特性を示した。圧延加重から平均圧延圧力を求めると、ＫＯＶＡＲで約２００ＭＰａになる。また、９４％と密度の低かったＣｕで約１００ＭＰａであった。しかし、この値はホットプレス法に比べ２．５倍以上の高圧力であり、これによりＣｕ粒子を伸展させ、ＳｉＣ粒子との密着性を向上させたと考えられる。
【００１６】
図３に、本発明の粉末シース圧延法による放熱材（図３（ａ））と従来のホットプレス法による放熱材（図３（ｂ））との組織を比較して示す。共に体積比率でＳｉＣ／Ｃｕ＝５０／５０のＣｕ−ＳｉＣ系を用い、本発明の粉末シース圧延法ではＳＵＳパイプをシース材に用いて圧下率５０％の冷間圧延後に８５０℃で１０分間加熱後、直ちに圧下率４４％の熱間圧延を行った（総圧下率７２％、シース材外径１２ｍｍから圧延後厚さ３．３６ｍｍへ圧延）。一方、ホットプレス法では８６０℃で２時間加圧（３９．２ＭＰａ）した。
【００１７】
図３（ｂ）の従来のホットプレス法による放熱材に比較して図３（ａ）の本発明の粉末シース圧延法による放熱材の方がＣｕ粒子が伸展し大きく変形している（縦横比で２：３以上）ことがわかる。
【００１８】
尚、表１に示すように、粉末シース圧延法を用いた場合でも、熱延を２段行うのは、１段目で充分全体の密度が向上しないまま部分的に固化する、あるいは加熱時間が長くなるため、所望の特性が得られず、冷間圧延後、単なる熱処理（８５０℃、１０分）のみ行ったものは膨張し明らかに密度不良であった。従って、冷間圧延によって或る程度高密度化を図った後、熱間圧延により更に高密度化する方法が最も優れていることがわかる。
【００１９】
【表１】
前提条件
１）ＳＵＳシース材使用
２）熱間圧延前、あるいは熱処理時の加熱条件は８５０℃、１０分
３）体積比率でＳｉＣ／Ｃｕ＝５０／５０の混合粉を使用
【００２０】
【発明の効果】
上記した説明により明らかなように、本発明による半導体基板用放熱材及びその製造方法によれば、Ａｇなどの第３元素を添加することなくシース材中に金属粒子とセラミック粒子との２元素系混合体を真空封入し、これを冷間加工し、急速加熱後に熱間加工することにより、遊離ＳｉによるＣｕとの化合物を抑制することができ焼結密度が向上して熱伝導率が向上する。また、加熱状態で高圧に加圧することにより金属粒子を大きく変形させてセラミック粒子との界面に密着させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）〜（ｇ）は、本発明が適用された半導体基板用放熱材の製造工程の要部を示す図。
【図２】従来のホットプレス法で得られた放熱材の特性と本発明による粉末シース圧延法で得られた放熱材の特性とを比較するグラフ。
【図３】（ａ）は、本発明による半導体基板用放熱材の組織を示す走査電子顕微鏡金属組織写真（反射電子線像）、（ｂ）は、従来の半導体基板用放熱材の組織を示す走査電子顕微鏡金属組織写真（反射電子線像）。
【図４】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、従来のホットプレス法に於ける焼結温度、焼結時間及び焼結圧力と製品の特性（熱伝導率）との関係を示すグラフ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＬＳＩパッケージや光半導体パッケージ等に用いられる放熱材の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、放熱材としては、Ｃｕ−Ｗ系のものが一般的であったが、タングステン（Ｗ）は高価であり、かつその比重が大きく製品全体が重量化する問題があった。また、その製造方法としてはＷ粉末をホットプレス法により焼結してからＣｕを含浸させ、所定の形状に研削しており、その工程が多くなることや材料歩留りが低下することにより、生産性が低下し、製造コストが高騰化するという問題もあった。
【０００３】
そこで、原料コストが高く、比重が大きいＷに代えてＣｕ−ＳｉＣ系の複合材やＣｕ−Ｃ系の複合材が注目されているが、これらの材料にあってもＣｕ−Ｗ系のものと同様に放熱材を形成するには主としてホットプレス法が用いられており、この方法はバッチ処理となるため、生産性が劣る（製造コストが高くなる）と云う問題は残る。加えて、ある系ではホットプレスによる加熱時間が長くなると焼結体の特性が低下すると云う問題もある。
【０００４】
図４（ａ）〜図４（ｃ）にＣｕ−ＳｉＣ系のホットプレス焼結体の特性を示す。本材料系では高温、長時間の加熱により熱伝導率が低下する。これは、ＳｉＣ中の遊離ＳｉがＣｕと反応し、界面で抵抗となる化合物を作るためである。また、ホットプレス法の場合、Ｃｕ−ＳｉＣの２元素では焼結密度を向上すると共に熱伝導率を向上させるために、Ａｇ、Ｓｎ、Ｓｉ等の共晶による融点降下元素を添加する必要があり、特にＡｇを含む系では高温、長時間の加熱によりＡｇが析出して膨張し、これによっても熱伝導率が低下する。ここで、図４（ｃ）に示すように圧力を増すほど特性は良くなるものの通常はカーボンを使用する焼結治具の強度の制約によりあまり高圧化することは困難である。
【０００５】
尚、冷間プレスと連続焼結とを組み合わせることも考えられるが、その場合も例えばＣｕ−ＳｉＣ系の場合、ＳｉＣの延性が極めて低いために高密度は得られない。例えばＣｕ−ＳｉＣ−Ａｇ系で冷間プレスにより７８４ＭＰａの高圧をかけたものでも熱処理前の相対密度が７４％、熱処理後が７３％と低密度のものしか得られない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記したような従来技術の問題点に鑑みなされたものであり、その主な目的は、製造コストを低廉化すると共に材質の高性能化を図ることが可能な半導体基板用放熱材及びその製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
そのためには、Ａｇなどの第３元素を添加しないＣｕ−ＳｉＣの２元素系材料を用い、加熱速度を速くし、加熱保持時間を短くして遊離Ｓｉによる化合物を抑制することが必要である。また、加熱状態で少なくとも１００ＭＰａ以上の高圧に加圧することによりＣｕを大きく変形させてＳｉＣ粒との界面に密着させることが必要である。
【０００８】
上記した目的は本発明によれば、Ｃｕ−ＳｉＣの２元素系半導体基板用放熱材であって、シース材中に封入した金属（Ｃｕ）粒子とセラミック（ＳｉＣ）粒子との混合体を冷間加工し、急速加熱後に熱間加工することにより、その焼結密度を９４％以上とし、かつ熱伝導率を１２０Ｗ／ｍＫ以上とし、更に金属粒子が伸展（縦横比で２：３以上）していることを特徴とする半導体基板用放熱材を提供すること及びシース材中に金属粒子とセラミック粒子との混合体を封入し、これを冷間加工し、急速加熱後に熱間加工する過程を有し、前記冷間加工及び熱間加工が、圧延、押し出し及びロータリースウェージングのうちの１つ若しくは２つ以上の組み合わせからなることを特徴とする半導体基板用放熱材の製造方法を提供することにより達成される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の好適な実施形態について添付の図面を参照して詳しく説明する。
【００１０】
図１は、本発明が適用された半導体基板用放熱材の製造工程の要部を示す。
【００１１】
まず、ＳＵＳからなる円形断面の管（シース材）の一方の端部（図の右側）近傍を側面からプレスして端面をＴＩＧ溶接して閉塞する。そして、他方側（図の左側）から銅粉（Ｃｕ）と炭化珪素粉（ＳｉＣ）との混合粉をタップ充填後、真空引きしつつ上記同様に側面からプレスし、切断した後その端面もＴＩＧ溶接して閉塞し、上記銅粉（Ｃｕ）と炭化珪素粉（ＳｉＣ）との混合粉を真空封入する。
以下、粉末シース圧延法での圧下率を次のように定義する。
圧下率＝（（圧延前厚さ−圧延後厚さ）／圧延前厚さ）×１００％
特に、シース材を冷間圧延する場合は、圧延前厚さはシース材外径とする。
【００１２】
次に、冷間圧延して内部の密度を高くした後、例えば８００℃〜８５０℃で熱間圧延して平板状として更に密度を高くし、少なくとも焼結密度９４％以上とする。そして、シース材を除去して所望の形状に加工することにより半導体基板用放熱材として使用することとなる。このように冷間圧延後、熱間圧延して焼結密度を９４％以上とすることで、熱伝導率が１２０Ｗ／ｍＫ以上の放熱材が得られる。
【００１３】
尚、この例では圧延で板材を製造する手順を示したが、用途、形状に応じて棒・線材を製造する場合、押し出し、ロータリースウェージング或いは孔型圧延により冷間加工後、熱間加工しても良い。また、上記したシース圧延法に類似する方法としてＨＩＰ法が考えられるが、加熱速度が遅く、加熱時間が長くなるためホットプレス法と同様に放熱材の特性が低下する。
【００１４】
【実施例】
図２にホットプレス法で得られた放熱材の特性と本発明による粉末シース圧延法で得られた放熱材の特性とを比較する。
【００１５】
体積比率で、ＳｉＣ／Ｃｕ＝６５／３５のＣｕ−ＳｉＣ系ではホットプレス法では相対密度が８３％、熱伝導率が２２Ｗ／ｍＫであるが、本発明による粉末シース圧延法では相対密度が９８％、熱伝導率が７５Ｗ／ｍＫに向上した。また、体積比率でＳｉＣ／Ｃｕ＝５０／５０のＣｕ−ＳｉＣ系ではホットプレス法で相対密度が９５％、熱伝導率が６０Ｗ／ｍＫであるが、本発明による粉末シース圧延法では条件にもよるが、相対密度が９８％、熱伝導率が１５７Ｗ／ｍＫに向上した。ここで、粉末シース圧延材の密度は、圧延温度、圧下率、ロール径、圧延速度、シース材の強度などの影響を受け、一般的にはこれらの値が大きいほど、密度は向上する。図２は外径１２ｍｍ、板厚１ｍｍのシース材を用いてロール径１２５ｍｍ、圧延速度２２ｍ／ｍｉｎ、冷延率＝熱延率＝５０％、総圧下率７５％の結果を示したものである。ここでは、シース材の強度の影響が大きく現れており、熱間強度の大きなＫＯＶＡＲ（商標：ウェスティングハウス社の開発によるＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金）を用いた場合に優れた特性を示した。圧延加重から平均圧延圧力を求めると、ＫＯＶＡＲで約２００ＭＰａになる。また、９４％と密度の低かったＣｕで約１００ＭＰａであった。しかし、この値はホットプレス法に比べ２．５倍以上の高圧力であり、これによりＣｕ粒子を伸展させ、ＳｉＣ粒子との密着性を向上させたと考えられる。
【００１６】
図３に、本発明の粉末シース圧延法による放熱材（図３（ａ））と従来のホットプレス法による放熱材（図３（ｂ））との組織を比較して示す。共に体積比率でＳｉＣ／Ｃｕ＝５０／５０のＣｕ−ＳｉＣ系を用い、本発明の粉末シース圧延法ではＳＵＳパイプをシース材に用いて圧下率５０％の冷間圧延後に８５０℃で１０分間加熱後、直ちに圧下率４４％の熱間圧延を行った（総圧下率７２％、シース材外径１２ｍｍから圧延後厚さ３．３６ｍｍへ圧延）。一方、ホットプレス法では８６０℃で２時間加圧（３９．２ＭＰａ）した。
【００１７】
図３（ｂ）の従来のホットプレス法による放熱材に比較して図３（ａ）の本発明の粉末シース圧延法による放熱材の方がＣｕ粒子が伸展し大きく変形している（縦横比で２：３以上）ことがわかる。
【００１８】
尚、表１に示すように、粉末シース圧延法を用いた場合でも、熱延を２段行うのは、１段目で充分全体の密度が向上しないまま部分的に固化する、あるいは加熱時間が長くなるため、所望の特性が得られず、冷間圧延後、単なる熱処理（８５０℃、１０分）のみ行ったものは膨張し明らかに密度不良であった。従って、冷間圧延によって或る程度高密度化を図った後、熱間圧延により更に高密度化する方法が最も優れていることがわかる。
【００１９】
【表１】
１）ＳＵＳシース材使用
２）熱間圧延前、あるいは熱処理時の加熱条件は８５０℃、１０分
３）体積比率でＳｉＣ／Ｃｕ＝５０／５０の混合粉を使用
【００２０】
【発明の効果】
上記した説明により明らかなように、本発明による半導体基板用放熱材及びその製造方法によれば、Ａｇなどの第３元素を添加することなくシース材中に金属粒子とセラミック粒子との２元素系混合体を真空封入し、これを冷間加工し、急速加熱後に熱間加工することにより、遊離ＳｉによるＣｕとの化合物を抑制することができ焼結密度が向上して熱伝導率が向上する。また、加熱状態で高圧に加圧することにより金属粒子を大きく変形させてセラミック粒子との界面に密着させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）〜（ｇ）は、本発明が適用された半導体基板用放熱材の製造工程の要部を示す図。
【図２】従来のホットプレス法で得られた放熱材の特性と本発明による粉末シース圧延法で得られた放熱材の特性とを比較するグラフ。
【図３】（ａ）は、本発明による半導体基板用放熱材の組織を示す走査電子顕微鏡金属組織写真（反射電子線像）、（ｂ）は、従来の半導体基板用放熱材の組織を示す走査電子顕微鏡金属組織写真（反射電子線像）。
【図４】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、従来のホットプレス法に於ける焼結温度、焼結時間及び焼結圧力と製品の特性（熱伝導率）との関係を示すグラフ。
Claims (4)
- Ｃｕ−ＳｉＣの２元素系半導体基板用放熱材であって、
シース材中に封入した金属（Ｃｕ）粒子とセラミック（ＳｉＣ）粒子とを冷間加工後に熱間加工することにより、その焼結密度を９４％以上とし、かつ熱伝導率を１２０Ｗ／ｍＫ以上としたことを特徴とする半導体基板用放熱材。 - 前記金属粒子が縦横比で２：３以上に伸展していることを特徴とする請求項１に記載の半導体基板用放熱材。
- シース材中に金属粒子とセラミック粒子との混合体を封入し、これを冷間加工後に熱間加工する過程を有し、
前記冷間加工及び熱間加工が、圧延、押し出し及びロータリースウェージングのうちの１つ若しくは２つ以上の組み合わせからなることを特徴とする半導体基板用放熱材の製造方法。 - 前記熱間加工時の加圧力を１００ＭＰａ以上としたことを特徴とする請求項３に記載の半導体基板用放熱材の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP17746396A JP3611402B2 (ja) | 1996-06-17 | 1996-06-17 | 半導体基板用放熱材及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| JP17746396A JP3611402B2 (ja) | 1996-06-17 | 1996-06-17 | 半導体基板用放熱材及びその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH104160A JPH104160A (ja) | 1998-01-06 |
| JP3611402B2 true JP3611402B2 (ja) | 2005-01-19 |
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ID=16031379
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP17746396A Expired - Fee Related JP3611402B2 (ja) | 1996-06-17 | 1996-06-17 | 半導体基板用放熱材及びその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3611402B2 (ja) |
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1996
- 1996-06-17 JP JP17746396A patent/JP3611402B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| JPH104160A (ja) | 1998-01-06 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20040712 |
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| A131 | Notification of reasons for refusal |
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