JP3814924B2 - 半導体装置用基板 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置を構成するヒートシンク、放熱基板、ハウジング等に用いられる基板材料に関するもので、特に良好な樹脂接合が可能な半導体装置用基板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置用の基板を構成する材料には、他の装置用部材を組み合わせた場合に、組み合わせ界面において熱応力による歪みを発生しないことが求められる。そのため、基板材料の熱膨張率は、半導体素子あるいはパッケージ等の材料と大きな差がないことが要求される。特に、最近の半導体装置の小型軽量化に伴い、放熱基板としては熱伝導率が高く、同時に熱膨張率が半導体素子やパッケージ等と大差なく、しかも軽量な基板材料が要求されている。
【０００３】
これらの要求を満たす有望な基板材料として、Ｗ及び／又はＭｏとＣｕとを主成分とする合金、即ちＣｕ−Ｗ又はＣｕ−Ｍｏ合金が知られている。しかし、放熱基板を含めた半導体用部材には高度な耐食性が要求されるが、Ｃｕ−Ｗ及びＣｕ−Ｍｏ合金は裸材では耐食性が得られないため、従来からＮｉやＡｕ等のめっきが施されてきた。これらのめっき層は、従来から行われているＣｕ−Ｗ又はＣｕ−Ｍｏ基板材料とパッケージ等の材料との半田付けの際に、濡れ性や接合強度を保つためにも必要である。
【０００４】
しかし、近年においては、放熱基板とパッケージ等の接合方法として、半田付けよりも低コストであり、低い温度で接合が可能な樹脂を用いる接合が主流になりつつある。従来の樹脂を用いたパッケージ等においては、めっき前の放熱基板とリードフレーム等の半導体装置用部材とをトランスファーモールド等の方法で接合した後、めっきを施していた。しかし近年では、放熱基板等に予めめっきを施した後、エポキシ系、ポリイミド系等の液状樹脂、シート状樹脂等を用いてパッケージ基板等に接合する方法が用いられるようになってきた。
【０００５】
かかる樹脂接合法の場合、従来からめっき層として通常使用されているＮｉやＡｕは一般的に樹脂との接合性が悪く、必要な接合強度を得ることができないという問題が生じている。樹脂の接合メカニズムとしては、樹脂表面の−ＯＨ基と金属表面の−Ｏ基との水素結合が主要因であるが、ＮｉやＡｕは表面の−Ｏ基が少ないため、充分な水素結合ができないからである。特に、−６５℃と＋１５０℃の温度に交互にさらす温度サイクル試験や、温度１２１℃、相対湿度（ＲＨ）１００％、２気圧の状態にさらすＰＣＴ試験、あるいは温度１２５℃、８５％ＲＨ、２気圧の状態にさらすＨＡＳＴ試験等の各種信頼性試験後に、樹脂接合強度の劣化が激しい。
【０００６】
樹脂接合性の高い金属材料としては、自然酸化膜が形成されやすいＡｌ及びＣｕがある。しかし、ＡｌやＣｕにおいても、バルク材の自然酸化膜と樹脂との接合強度は、特に前記信頼性試験後の接合強度が充分でない。また、Ｃｕ−Ｗ及びＣｕ−Ｍｏ等のＷ及び／又はＭｏとＣｕとを主成分とする合金は、部分的にＣｕの自然酸化膜生成面が存在するが、これだけでは樹脂との接合強度が低いため、単独では満足な樹脂接合強度を得ることができなかった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、ＡｌやＣｕ等の金属材料の樹脂接合性を改良することが試みられ、各種の方法が提案されている。例えば、特開昭６１−２９５６９２号公報及び特開昭６１−２９５６９３号公報には、インバー板又は銅クラッドインバー板の基材の一面に厚みが５００μｍ程度までのＡｌ等を蒸着又はめっきし、エポキシ樹脂等の絶縁層を介して配線回路を形成することにより、基材と樹脂絶縁層との接合強度を改善する方法が開示されている。
【０００８】
しかし、この方法では、Ａｌは耐食性がないので、後に樹脂で覆われるため耐食性を必要としない樹脂接合面にのみＡｌを形成する必要がある。樹脂接合面にＡｌ等を形成する手法としては、めっきも挙げられているが、Ａｌめっきは水溶性のめっき液が無いため、有機溶媒を用いる必要がある。有機溶媒は水に比べ揮発性が高くなるため、めっき液の濃度管理が困難であり、且つ爆発の危険性があるため高価な防爆設備が必要になるなど、実現が困難である。このため、蒸着法によるＡｌ形成が望ましいが、Ａｌ蒸着時の真空度等の条件により樹脂接合性に適したものと適さないものがあるという問題があり、樹脂接合強度のばらつきが大きいという欠点があった。
【０００９】
また、特開昭５８−１８３７３３号公報には、プラスチック成形物の表面に１０００Å程度までの厚みのＡｌやアルミナ等を蒸着し、同面に変性ポリオレフィンを加熱融着する方法が開示されている。しかし、Ａｌの蒸着には上記した欠点があり、また蒸着材としてアルミナを用いた場合にはＡｌに比べ母材との接合強度が低くなり、またアルミナが絶縁性材料であるため放熱板の導電性を保つことができないという問題がある。即ち、放熱板を通してＩＣ素子の電気的な接地を保つ構造が現在多く用いられているため、アルミナ層により母材の導電性が失われることは、その応用範囲を極端に狭める結果となる。
【００１０】
特開平４−３２５７７号公報には、Ａｌ又はＡｌ合金材に、真の表面積が平滑と見なしたときの見かけの表面積に比較して３倍以上となるように粗面化もしくは多孔質化され、表層側に２０〜６０重量％の酸素を含有する厚み１０００Å以上の皮膜を形成し、この皮膜上に水素結合により樹脂塗膜を形成して、母材表面の粗面化によるアンカー効果によって接着性を改良する方法が開示されている。しかし、皮膜形成法として開示しているアルマイト処理においては、母材の導電性がなくなるという問題がある。
【００１１】
特開昭５７−１６０６３１号公報にも、上記と同様の考え方により、Ｒａが２μｍ以上のＡｌに多孔質アルマイトを形成する方法が開示されている。また、特開昭６０−６５５５０号公報には、ＳｉＣ等の非酸化物基材上にスパッタ法等によりアルミナ層を形成する方法が開示されている。しかし、これらの方法についても、上述のように母材の導電性がなくなるという欠点がある。
【００１２】
更に、特開平２−１０１７５２号公報には、樹脂封止型半導体装置のＳｉチップ上のＡｌ電極とリードフレームとの間の接続に用いるＡｌボンディングワイヤの接合性改良に関連して、大気炉加熱等により９９.９９％以上の高純度Ａｌワイヤの表面に、厚み５００〜２５００Åのアルミナ層を形成する方法が開示されている。この方法では、アルミナにより母材の導電性がなくなるという問題の他に、大気炉等で酸化した酸化膜は脆く、母材との接合強度を充分確保することが困難であるという問題がある。
【００１３】
本発明は、かかる従来の事情に鑑み、Ｃｕ−Ｗ又はＣｕ−Ｍｏ等の合金からなる基板材料について、樹脂との接合における接合強度を改善し、温度サイクル試験等の信頼性試験後においても十分な樹脂接合強度を保持し得るように、優れた樹脂接合性を有する半導体装置用基板を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明が提供する樹脂接合性に優れた半導体装置用基板は、Ｗ及び／又はＭｏとＣｕとを主成分とする合金からなる基材と、該基材の少なくとも一面に形成された、Ａｌを主成分とし、粒径が０.１〜１０μｍのＡｌを含む結晶粒子からなる被覆層と、該被覆層の表面の厚さ１０〜８００Åの酸化層とを有することを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明においては、基板の母材としてＷ及び／又はＭｏとＣｕとを主成分とする合金を使用する。これらの合金、即ちＣｕ−Ｗ、Ｃｕ−Ｍｏ、Ｃｕ−Ｗ−Ｍｏ合金は、半導体素子やパッケージ等の材料と近似した熱膨張率と優れた熱伝導率とを兼ね備えている。本発明では、これらの合金の基板を樹脂で接合する際の接合強度を改善するために、この合金からなる母材の樹脂と接合すべき面にＡｌを主成分とする被覆層を設け、この被覆層の結晶粒子の粒径を０.１〜１０μｍに制御する。また、この被覆層の表面には、自然酸化による酸化層が１０〜８００Åの厚みに形成されている。
【００１６】
前述したように、樹脂接合強度は樹脂の−ＯＨ基と金属表面の−Ｏ基の水素結合、及び材料同士のアンカー効果により発生している。温度サイクル試験、ＰＣＴ試験、ＨＡＳＴ試験といった信頼性試験を経た後にも、充分な樹脂接合強度を保持するためには、中でも特にアンカー効果が重要であることが判った。このアンカー効果を得るためには、従来から表面粗さ等のマクロ的指標が用いられてきたが、本発明者らは表面状態を検討した結果、むしろ結晶粒径等のミクロ的指標がアンカー効果と深く関係することを突き止めた。
【００１７】
即ち、蒸着等により母材上にＡｌ又はＡｌ合金の被覆層を形成すると、多角形型のＡｌを含む結晶粒子が生成される。これらの結晶粒間には１μｍ以下の微小な段差が存在するが、この段差は表面粗さ測定時には検出できないものである。しかし、この結晶粒子と、その結晶間の微小な段差が、充分なアンカー効果を生み出し、優れた樹脂接合強度が達成されるのである。
【００１８】
具体的には、結晶粒径を０.１〜１０μｍの範囲に制御することにより、充分なアンカー効果を生み出すことができる。結晶粒径が０.１μｍより小さくなると、接合に用いる樹脂が結晶間に充分に入り込むことができないために空孔が生じやすくなり、この空孔が起点となって接合部の破壊が生じやすい。また、結晶粒径が１０μｍより大きくなると、樹脂は結晶間に入り込むことができるが、単位面積当たりでアンカー効果に寄与する粒子が少なくなるため、充分な樹脂接合強度を得ることができない。
【００１９】
上述のように充分なアンカー効果が得られる本発明の基板においても、表面に酸化層がない状態であると、樹脂との間に水素結合が生じないために充分な接合強度を保つことができない。しかし、積極的に酸化層を形成する必要はなく、Ａｌを主成分とする被覆層の表面に自然酸化により形成される膜厚１０〜８００Å程度の酸化層が望ましい。尚、厚さ８００Å以上の酸化層を形成すると、樹脂と酸化層との間の接合強度は問題ないが、金属の酸化層は脆いため酸化層と母材金属との間の接合強度を保つことができない。また、Ａｌ被覆層上に自然酸化によって形成された１０〜８００Åの酸化層は、母材の導電性を損なうことがない。即ち、積極的に酸化層を形成しないことにより、母材であるＣｕ−Ｗ及び／又は−Ｍｏ合金の導電性は保証される。
【００２０】
かかる本発明の基板を接合するための樹脂としては、例えば、銀フィラーやシリカ等のセラミックフィラーが添加されたエポキシ樹脂、ヤング率を低下させるためにシリコーン樹脂を添加したエポキシ樹脂、これらの添加を行っていないエポキシ樹脂、前述のような添加を行ったポリイミド樹脂、添加を行っていないポリイミド樹脂、前述のような添加を行ったフェノール樹脂、添加を行っていないフェノール樹脂、前述のような添加を行ったポリエステル樹脂、添加を行っていないポリエステル樹脂、前述のような添加を行ったシリコーン樹脂、添加を行っていないシリコーン樹脂等が挙げられる。
【００２１】
Ｃｕ−Ｗ及び／又は−Ｍｏ合金の母材表面に形成する被覆層としては、Ａｌ又はＡｌ合金のいずれでもよい。ただし、Ａｌ合金の被覆層は膜形成時に組成の制御が困難であるうえ、母材との密着性にばらつきが生じやすいので、純度９９.９重量％以上が好ましく、更に９９.９９重量％以上のＡｌが母材との密着度のばらつきが生じないこと等から特に好ましい。また、被覆層の膜厚は１〜１００μｍが好ましく、１〜２０μｍが更に好ましい。この被覆層の膜厚が１μｍより薄いと、アンカー効果を生み出すのに充分な構造を形成できないことがあり、逆に１００μｍより厚ければ層内での破壊が生じやすくなるからである。尚、膜厚が２０μｍより厚くなると膜形成に手間がかかるので、通常は１〜２０μｍとする。
【００２２】
次に、Ａｌを主成分とする被覆層の形成方法について述べる。被覆層の形成方法としては、真空蒸着法が代表的な方法である。まず、母材を蒸着用真空チャンバーに入れ、蒸着前にチャンバー内を真空排気する。この時の真空度は、形成されるＡｌ被覆層の性状に影響を与える。即ち、真空排気時の真空度は１０-5Ｔｏｒｒ以下が好ましく、これ以上の真空度であると蒸着中に母材から付着ガスが放出され、形成されるＡｌの結晶粒径が０.１μｍ未満にまで小さくなる傾向にある。
【００２３】
真空排気後Ａｌの蒸着を行うが、蒸着源としては純度９９.９重量％以上のＡｌを用いるのが好ましい。純度が９９重量％程度のＡｌ又はＡｌ合金では、組成の制御が困難であり、且つ母材との密着性のばらつきが生じやすい。また、蒸着中の真空度は１０-3Ｔｏｒｒ以下にするのが好ましい。これ以上の真空度であると、形成されるＡｌ粒径が０.１μｍよりも小さくなるからである。母材は蒸着中特に加熱してもしなくてもよいが、加熱しない場合でも蒸着中に表面温度が１００〜２００℃程度になるのが普通である。
【００２４】
また、被覆層の形成方法として、有機溶媒中に分散させたＡｌ粉末を、母材にスクリーン印刷法により印刷するか又は浸漬により塗布した後、真空もしくは不活性又は還元性雰囲気中で焼結することによっても得ることができる。更には、不活性もしくは還元性ガスを用いた溶射によりＡｌ膜を形成し、真空もしくは不活性又は還元性雰囲気中で焼結することも可能である。これらの方法においても、所望の結晶粒径のＡｌ被覆層を得るためには、焼結中の雰囲気が非常に重要にである。即ち、真空の場合には上記蒸着法と同様であるが、不活性雰囲気及び還元性雰囲気の場合にも母材から放出される酸素等の付着ガスにより、形成されるＡｌの粒径が０.１μｍ未満にまで小さくなるからである。従って、これらの原因となる不純物ガスは、一般的に５００ｐｐｍ以下に制御する必要がある。
【００２５】
上記被覆層を形成する母材の表面性状としては、表面粗さをＪＩＳ規定のＲｍａｘで０.１〜２０μｍの範囲にコントロールするのが好ましい。表面粗さがＲｍａｘで０.１μｍより小さいと、上述のような被覆層構造を形成しても充分なアンカー効果を得ることが困難である。また、Ｒｍａｘが２０μｍより粗いと、吸着ガスが多くなり、被覆層形成時に酸素を放出する量が多くなるため、上記の１０-3Ｔｏｒｒ以下の真空度を得ることが困難になり、被覆層の結晶粒径が０.１μｍより小さくなったり、母材との密着が低くなったりする。しかしながら、通常はＲｍａｘが８μｍより粗くなると、樹脂接合を施したときに樹脂と接合表面との間に空隙が生じやすくなり、接合強度のばらつきが大きくなるため、最大でもＲｍａｘを８μｍとすることが更に好ましい。
【００２６】
また、母材の表面粗さの条件を満たすために、母材表面に生じた孔の深さを１００μｍ以下にすることが望ましい。孔の深さが１００μｍより深くなると、前述の吸着ガスが多くなるとともに、母材上に被覆層を均一な厚みで形成することが困難になり、表面にピットが生じやすい。また、接合のための樹脂が充分に回り込みにくくなり、充分な接合強度を保つことができないからである。
【００２７】
上述した被覆層を形成する母材は、従来から基板材料として使用されているＷ及び／又はＭｏとＣｕとを主成分とする合金あり、例えば特開昭５９−２１０３２号公報や特開昭５９−４６０５０号公報等に記載されている。このＷ及び／又はＭｏとＣｕを主成分とする合金は、半導体素子やパッケージ等の材料と近似した熱膨張率と優れた熱伝導率とを兼ね備え、特にＣｕの含有量が５〜４０重量％の範囲が好ましい。例えば、上記合金はＣｕ含有量が５〜４０重量％の範囲で、熱膨張率が通常５〜１２×１０-6／℃となる。一方、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ等の現在汎用の半導体素子の熱膨張率は３〜４×１０-6／℃程度、また基板に接合して用いられるパッケージ部材の熱膨張率は現在汎用のセラミックパッケージで４〜１０×１０-6／℃程度である。これらの関係から、Ｗ及び／又はＭｏとＣｕを主成分とする合金のＣｕの含有量は上記５〜４０重量％の範囲が好ましい。
【００２８】
また、これらのＷ及び／又はＭｏとＣｕを主成分とする合金は、Ｗ粉末及び／又はＭｏ粉末にＣｕ粉末を加えて焼結し、得られたスケルトンにＣｕを溶浸する溶浸法によるか、又はＷ粉末及び／又はＭｏ粉末とＣｕ粉末の成形体を焼結する焼結法によって製造することができる。
【００２９】
【実施例】
実施例１
溶浸法により密度が実質的に１００％となるように、各種銅組成にて、銅−タングステン合金、銅−モリブデン合金を製造した。得られた銅−タングステン合金は、試料１が１０重量％Ｃｕ−Ｗ、試料２が１５重量％Ｃｕ−Ｗ、試料３が２０重量％Ｃｕ−Ｗである。また、銅−モリブデン合金は、試料４として１０重量％Ｃｕ−Ｍｏ、試料５として１５重量％Ｃｕ−Ｍｏ、及び試料６として２０重量％Ｃｕ−Ｍｏである。
【００３０】
これらの各合金を、縦１００ｍｍ×横２５ｍｍ×厚み２ｍｍの板状に加工した後、表面に研削加工またはブラスト加工を施して、全ての試料について表面粗さがＲｍａｘで１μｍとなるように加工した。得られた各基材の断面をＳＥＭ観察することにより、表面に形成されている孔の深さを測定したところ、表１に示すように全ての基材において１μｍ以下であった。
【００３１】
得られた各基材の一面をに、蒸着法によりＡｌの被覆層を形成した。即ち、基材を蒸着用真空チャンバーに投入し、１０-5Ｔｏｒｒ以下の真空度になるまで真空排気した後、蒸着源として純度９９.９重量％以上のＡｌを用いて、全ての試料についてＡｌ被覆層を２μｍの膜厚に蒸着した。蒸着中の真空度は１０-3Ｔｏｒｒ〜１０-5Ｔｏｒｒの範囲に制御し、このときの基材表面の温度は１００〜２００℃あった。
【００３２】
各基材上に形成されたＡｌ被覆層の厚み、及び結晶粒径は下記表１に示す通りであった。また、Ａｌ被覆層上に自然酸化により形成された酸化層の膜厚をマイクロオージェ電子分光法で測定し、その結果を表１に併せて示した。
【００３３】
【表１】
【００３４】
このように作成した各試料の樹脂接合強度を測定するために、ＪＩＳ Ｋ ６８５０に基づいて評価を行った。使用した樹脂は銀フィラーを７０重量％含有している液状のエポキシ樹脂であり、図１に示すように、２つの試料基板Ａの各一端に樹脂Ｂを厚さ２５μｍとなるように塗布し、２つの試料基板Ａ同士を接合して、１８０℃で１時間硬化させた。この硬化後、１５０℃で２４時間の乾燥を施して試験片とした。
【００３５】
得られたＪＩＳ Ｋ ６８５０の各試験片について、その初期接合強度と共に、温度サイクル試験後、ＰＣＴ試験（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｏｏｋｅｒ Ｔｅｓｔ）後、及びＨＡＳＴ試験（Ｈｉｇｈｌｙ Ａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄ Ｓｔｒｅｓｓ Ｔｅｓｔ）後、それぞれ接合強度を測定し、結果を表２に示した。尚、温度サイクル試験は、１５０℃の雰囲気中に３０分及び−６５℃に３０分さらすサイクルを、１００サイクル行った。ＰＣＴ試験は、１２１℃×１００％ＲＨ×２ａｔｍの不飽和型のＰＣＴ試験とした。また、ＨＡＳＴ試験は、１２５℃×８５％ＲＨ×２ａｔｍの試験条件とした。
【００３６】
接合強度の測定は、精密万能試験機（オートグラフ）を用いて行った。即ち、図１に示すごとく、２つの試料基板Ａを接合した試験片の両端に設けたつかみ部Ｃを試験機のつかみ具で把持し、試験片の長軸とつかみ具の中心線が一直線上になるように注意しながら、５０ｍｍ／ｍｉｎの速度で試験片を長軸方向に引っ張った。試験片が破壊するときの最大荷重を記録し、この値を試験片の樹脂接着部分の面積で割り、接合強度とした。尚、試験片の破壊モードは樹脂接着部が破壊するものであった。
【００３７】
【表２】
【００３８】
上記の結果から分かるように、各試料とも初期接合強度、信頼性試験後の接合強度ともに、０.５ｋｇｆ／ｍｍ2以上の良好な接合強度を発揮し得る。参考のために、接合に用いた樹脂単体の引張強度を測定した。即ち、液状樹脂をシート状に成形して１８０℃で１時間硬化し、硬化後１５０℃で２４時間乾燥した。乾燥後の樹脂の強度は２ｋｇｆ／ｍｍ2、１００サイクルの温度サイクル後は１.６ｋｇｆ／ｍｍ2、１００時間のＰＣＴ試験後は１.２ｋｇｆ／ｍｍ2、１００時間のＨＡＳＴ試験後は１.３ｋｇｆ／ｍｍ2であった。また、１０００サイクルの温度サイクル後は１.０ｋｇｆ／ｍｍ2、３００時間のＰＣＴ試験後は０.７ｋｇｆ／ｍｍ2、３００時間のＨＡＳＴ試験後は０.９ｋｇｆ／ｍｍ2であった。
【００３９】
尚、樹脂接合強度として基本的に要求されるのは、樹脂接合時の強度であり、これが一般的に剪断強度で０.５ｋｇｆ／ｍｍ2以上であれば問題ない。ただし、これに加えて温度サイクル試験、ＰＣＴ試験、ＨＡＳＴ試験の初期段階での剪断強度が重要となる。例えば、温度サイクル試験の初期１００サイクル後、若しくはＰＣＴ又はＨＡＳＴ試験の初期１００時間後等であり、このときも剪断強度で０.５ｋｇｆ／ｍｍ2以上あれば全く問題がなく、充分実用に供することができる。ただし、まれに温度サイクル試験で１０００サイクル後や、ＰＣＴ又はＨＡＳＴ試験では３００時間後の剪断強度が問われることがある。この領域では接合に用いる樹脂自体の劣化も生じているため、要求される剪断強度は前述ほどは高くなく、通常は０.３ｋｇｆ／ｍｍ2を越えるレベルとされる。
【００４０】
このように、半導体装置用基板に要求されるのは、樹脂との初期接合強度と、温度サイクル試験、ＰＣＴ試験及びＨＡＳＴ試験の初期段階での接合強度である。ただし、上記のように温度サイクル試験の１０００サイクル後や、ＰＣＴ及びＨＡＳＴ試験での３００時間後においても、要求剪断強度を満足することが好ましい。
【００４１】
比較例１
上記実施例１と同様な方法で、上記試料１〜６に相当するＣｕ−Ｗ合金、Ｃｕ−Ｍｏ合金を製造した。これらの各合金上にＡｌ被覆層を蒸着する際に、真空度を１０-2Ｔｏｒｒ〜１０-3Ｔｏｒｒとした以外は、実施例１と同様な方法でＡｌ被覆層を形成した。得られた各試料１’〜６’について、実施例１と同様の樹脂を用いてＪＩＳ Ｋ ６８５０に基づいて樹脂接合強度を測定し、その結果をＡｌ被覆層の結晶粒径と共に下記表３に示した。
【００４２】
【表３】
【００４３】
上記結果から分かるように、各試料とも初期接合強度については問題ないが、信頼性試験後の接合強度の劣化が著しく、特にＰＣＴ及びＨＡＳＴ試験での１００時間後を含めて接合強度はいずれも０.５ｋｇｆ／ｍｍ2以下となり、実用可能な樹脂接合強度を保持することができなかった。
【００４４】
実施例２
上記実施例１と同様な方法で、１０重量％Ｃｕ−Ｗ合金を製造した。次に、この合金上に実施例１と同様にＡｌ被覆層を形成したが、その際に真空度を１０-2Ｔｏｒｒ〜１０-6Ｔｏｒｒとすることにより、Ａｌ被覆層の結晶粒径を下記表４に示すごとく変化させた。尚、全ての試料において、合金表面のＲｍａｘは１μｍ、孔深さは０.９μｍ、及びＡｌ被覆層の膜厚は２μｍであり、その上の自然酸化層の膜厚は５００Åである。
【００４５】
得られた各試料について、実施例１と同様の樹脂を用いてＪＩＳ Ｋ ６８５０に基づいて接合強度を測定し、その結果を表４に併せて示した。表４の結果から分かるように、Ａｌ被覆層の結晶粒径が０.１〜１０μｍの試料は、信頼性試験後も０.５Ｋｇｆ／ｍｍ2以上と充分な樹脂接合性を保っている。しかし、結晶粒径がこの範囲以外の試料は、信頼性試験後の樹脂接合強度の劣化が著しく、特にＰＣＴ及びＨＡＳＴ試験後の接合強度は０.５ｋｇｆ／ｍｍ2以下となり、充分な接合強度を保つことができなかった。
【００４６】
【表４】
【００４７】
実施例３
上記実施例１と同様な方法で、１０重量％Ｃｕ−Ｗ合金を製造した。得られた合金にブラスト処理を施し、その時間を調節することにより表面に存在する孔深さを下記表５に示すごとく変化させた。次に、実施例１と同様な方法でＡｌ被覆層を形成したが、孔深さが２００μｍ以上のものは孔内に吸着されたガスが真空系内に拡散し、成膜中に１０-3Ｔｏｒｒ〜１０-5Ｔｏｒｒの真空度を保つことができず、１０-2Ｔｏｒｒ〜１０-3Ｔｏｒｒとなった。
【００４８】
【表５】
【００４９】
得られた各試料について、実施例１と同様の樹脂を用いてＪＩＳ Ｋ ６８５０に基づいて樹脂接合強度を測定し、その結果を表６に示した。表６の結果より分かるように、孔深さが１００μｍ以下のものは信頼性試験後も０.５ｋｇｆ／ｍｍ2以上と充分な樹脂接合性を保っているが、孔深さが１００μｍを越える試料は３００時間の信頼性試験後の樹脂接合強度の劣化が著しく、特に３００時間のＰＣＴ及びＨＡＳＴ試験後の接合強度は０.５ｋｇｆ／ｍｍ2以下となった。
【００５０】
【表６】
【００５１】
実施例４
上記実施例１と同様な方法で、１０重量％Ｃｕ−Ｗ合金を製造した。その後、各合金に施すブラスト処理の時間を調節することにより、その表面粗さＲｍａｘを下記表７に示すように変化させた。次に、実施例１と同様な方法で、各合金上にＡｌ被覆層を形成し、その表面を自然酸化させた。各試料における合金表面のＲｍａｘと孔深さ、Ａｌ被覆層の厚さと結晶粒径、及び酸化層の厚さを表７に示した。
【００５２】
【表７】
【００５３】
次に、実施例１と同様の樹脂を用いてＪＩＳ Ｋ ６８５０に基づいて樹脂接合強度を測定し、その結果を表８に示した。その結果から分かるように、Ａｌ被覆層の結晶粒径が０.１〜１０μｍの範囲内でも、Ｒｍａｘが０.１μｍより小さいか又は１００μｍより大きい試料は、ＰＣＴ及びＨＡＳＴ試験の初期（１００時間まで）段階では接合強度が実用上支障のない０.５ｋｇｆ／ｍｍ2以上であったが、特に３００時間のＰＣＴ及びＨＡＳＴ試験後の接合強度は０.５ｋｇｆ／ｍｍ2以下となり、充分な接合強度を保つことができなかった。
【００５４】
【表８】
【００５５】
また、上記の実施例でＲｍａｘが８μｍ近傍の試料も確認したが、８μｍを越えると接合強度値のレベルには問題がないものの、そのバラツキが大きくなることが分かった。更に、ＰＣＴ試験及びＨＡＳＴ試験で３００時間を越える長時間の耐久性を確認したところ、これらＲｍａｘが８μｍの試料の中で、接合強度が０.３ｋｇｆ／ｍｍ2以下のものが１０％未満の割合で確認された。
【００５６】
比較例２
上記実施例１と同様な方法で、１０重量％Ｃｕ−Ｗ合金を製造した。この合金上に、実施例１と同様な方法でＡｌ被覆層を形成した。尚、合金表面に形成された孔深さは０.９μｍ、その表面のＲｍａｘは１μｍであり、Ａｌ被覆層の厚さは２μｍ、その結晶粒径は１.０μｍであった。
【００５７】
その後、大気炉中３００℃にて加熱することにより、Ａｌ被覆層上に膜厚１５００Åの酸化膜を形成し、これを試料２２とした。また、同様に製造したＡｌ被覆層の上に、酸化層として厚さ５００Åのアルマイト層を形成し、これを試料２３とした。これらの各試料２２及び２３について、実施例１と同様の樹脂を用いてＪＩＳ Ｋ ６８５０に基づいて樹脂接合強度を測定し、その結果を下記表９に示した。
【００５８】
【表９】
【００５９】
加熱酸化により形成した厚い酸化層を有する試料２２では、信頼性試験後の樹脂接合強度の劣化が著しく、全て接合強度が０.５ｋｇｆ／ｍｍ2以下となり、充分な接合強度を保つことができなかった。尚、試料２２の破壊モードは、他の実施例が全て樹脂とＡｌ被覆層の界面であるのに対して、酸化膜とＡｌ被覆層の界面であった。
【００６０】
一方、酸化層としてアルマイト層を形成した試料２３では、初期接合強度、信頼性試験後の接合強度とも、０.５ｋｇｆ／ｍｍ2以上の良好な接合強度を保持できることが分かるが、表面にアルマイト処理を施したためにＣｕ−Ｗ合金の導電性は失なわれた。
【００６１】
実施例５
上記実施例１と同様な方法で、１０重量％Ｃｕ−Ｗ合金を製造した。この合金表面のＲｍａｘは１μｍ、孔深さは０.９μｍであった。次に、この合金上に、実施例１と同様な方法でＡｌ被覆層を形成し、そのＡｌ被覆層の膜厚を下記表１０に示すように変化させた。尚、各試料とも、Ａｌ被覆層の結晶粒径は１.０μｍであった。また、各Ａｌ被覆層の表面に自然酸化により形成された酸化層の膜厚は、全て５００Åであった。
【００６２】
その後、各試料について、実施例１と同様の樹脂を用いてＪＩＳ Ｋ ６８５０に基づいて樹脂接合強度を測定し、その結果を表１０に併せて示した。
【００６３】
【表１０】
【００６４】
上記の結果から分かるように、Ａｌ被覆層の厚さが０.１μｍより小さい試料及び１００μｍより大きい試料では、信頼性試験後の樹脂接合強度の劣化が著しく、ＰＣＴ及びＨＡＳＴ試験１００時間後の接合強度は０.５ｋｇｆ／ｍｍ2以上で実用上問題はないものの、特に３００時間の同試験後の樹脂接合強度は０.３ｋｇｆ／ｍｍ2以下となり、最も望ましい信頼性レベルは達成できなかった。尚、Ａｌ被覆層の厚さが１００μｍより大きい試料の破壊モードは、全てＡｌ被覆層内の破壊であった。また、膜厚１００μｍのＡｌ被覆層の形成には、１０時間以上の蒸着時間が必要であった。更に、上記実施例において、Ａｌ被覆層の膜厚２０μｍ近傍の試料も別途試行したが、その膜形成時間は１時間程度であり、厚み１００μｍのものと評価値に殆ど差異はなかった。従って、生産性を考慮すると、Ａｌ被覆層の厚みは２０μｍ程度で充分である。
【００６５】
実施例６
上記実施例１と同様な方法で、１０重量％Ｃｕ−Ｗ合金を製造した。その後、各合金の表面に、下記表１１に示すように、試料ごとに異なる組成のＡｌ被覆層を全て厚さ２μｍに形成した。尚、上記合金の表面粗さＲｍａｘは全て１μｍ、孔深さは全て０.９μｍであり、Ａｌ被覆層の結晶粒径は全て１.０μｍ、及びＡｌ被覆層上の自然酸化層の厚さは全て５００Åであった。
【００６６】
【表１１】
試料２９：９９重量％Ａｌ−Ｍｇ合金
試料３０：９９重量％Ａｌ−Ｍｎ合金
試料３１：９９重量％Ａｌ−Ｓｉ合金
試料３２：９９重量％Ａｌ−Ｃｕ合金
試料３３：９９重量％Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ合金
試料３４：９０重量％Ａｌ−Ｍｇ合金
試料３５：９０重量％Ａｌ−Ｍｎ合金
試料３６：９０重量％Ａｌ−Ｓｉ合金
試料３７：９０重量％Ａｌ−Ｃｕ合金
試料３８：ジュラルミン（９４.５重量％Ａｌ−４重量％Ｃｕ−０.５重量％Ｍｇ−０.５重量％Ｍｎ−残部Ｆｅ及びＳｉ）
【００６７】
上記各試料はＡｌ被覆層の組成毎に５０ケずつ用意したが、その組成は５０ケの中でばらついた。この中でも以上の試料組成に近いものを各１０ケずつ選び、実施例１と同様の樹脂を用いてＪＩＳ Ｋ ６８５０に基づいて樹脂接合強度を測定した。その結果を、下記表１２に示した。
【００６８】
【表１２】
【００６９】
この結果より、初期接合強度、及び信頼性試験後の接合強度とも、０.５ｋｇｆ／ｍｍ2以上の良好な接合強度が得られることが分かる。尚、Ａｌ含有量の少ない試料３４〜３８では、Ａｌが９９重量％の試料２９〜３３に比べると、長時間での信頼性試験後の接合強度レベルは低いものの、０.５ｋｇｆ／ｍｍ2以上の接合強度が確保できることが分かる。
【００７０】
実施例７
上記実施例１と同様にして、５０重量％Ｃｕ−Ｗ合金を製造し、その後厚さ２μｍのＡｌ被覆層を次の方法で形成した。即ち、試料３９では有機溶媒中に分散させたＡｌ粉末をスクリーン印刷法により５０μｍ塗布し、窒素雰囲気下に６００℃で１時間焼結した。試料４０では有機溶媒中に分散させたＡｌ粉末に焼結体を浸漬して５０μｍ塗布し、同様に焼結した。試料４１ではＡｌ粉末を不活性ガスを用いた溶射により５０μｍ塗布し、同様に焼結した。
【００７１】
その後、各試料について、実施例１と同様の樹脂を用いてＪＩＳ Ｋ ６８５０に基づいて樹脂接合強度を測定し、その結果を下記表１３に示した。尚、各合金のＲｍａｘは全て１μｍ、その表面に形成された孔深さは全て０.９μｍ、Ａｌ被覆層の結晶粒径は全て１.０μｍ、及びＡｌ被覆層上の自然酸化層の厚さは全て５００Åであった。
【００７２】
【表１３】
【００７３】
上記の結果から、上記のいずれの方法によって形成したＡｌ被覆層をもつ試料であっても、初期接合強度及び信頼性試験後の接合強度とも０.５ｋｇｆ／ｍｍ2以上であり、良好な接合強度を保持できることが分かる。
【００７４】
実施例８
上記実施例１と同様にして、Ｃｕ−Ｗ合金又はＣｕ−Ｍｏ合金を製造し、その合金を基材として、その表面にＡｌ被覆層を形成し、更にその上に自然酸化による酸化層が形成された半導体装置用基板を得た。この本発明の基板を用いて、図２〜８に示すＩＣパッケージを作製した。
【００７５】
図２にＩＣパッケージでは、本発明の基板１のＡｌ被覆層（図示せず、以下同じ）のある表面とパッケージ本体２とが、樹脂３により接合されている。パッケージ本体２の中央部には、半導体チップ４が樹脂などの接合材５により接合搭載されるダイアタッチ部６を備え、このダイアタッチ部６に搭載された半導体チップ４と外部回路との電気的接続のために、半導体チップ４のパッドにボンディングワイヤー７の一端が接続され、ボンディングワイヤー７の他端はパッケージ本体２に形成された配線に接続され、この配線を介してパッケージ本体２に取り付けられた外部回路接続用の金属リードピン８に接続されている。尚、半導体チップ４の搭載後、パッケージ本体２には蓋９が被着される。
【００７６】
図３のＩＣパッケージは、図２のパッケージと比較して、半導体チップ４が基板１に樹脂などの接合材５により直接搭載されている点が異なる。即ち、パッケージ本体２はダイアタッチ部６にあたる底面が開口しており、この開口面を覆うように反対側から基板１が接合材５により接合され、基板１に搭載された半導体チップ４がダイアタッチ部６に収納されている。従って、このＩＣパッケージでは、本発明の基板１のＡｌ被覆層を設けた表面が、パッケージ本体１及び半導体チップ４とそれぞれ樹脂接合されている。
【００７７】
このように半導体チップ４を基板１に直接搭載する構造のＩＣパッケージにおいては、半導体チップ４を搭載する側の基板１の形状は特に制限されず、例えば図４に示すように、凸状の段付き形状とすることもできる。尚、図４において、その他の構成は図２及び図３の場合と同様である。
【００７８】
以上の図２〜４におけるパッケージ本体２の材質は、特に制限されるものではなく、例えば現状で一般的に用いられているアルミナ含有率９０％前後のアルミナセラミック多層基板や、信号の高速処理に対応したガラスセラミックを含み且つ焼成温度が１０００℃前後の低温焼成ガラスセラミック多層基板などのセラミック材からなるもの、あるいは安価で汎用性に対応したエポキシ樹脂やポリイミド樹脂、ＢＴレジン等からなるプラスチック多層基板などのプラスチック材からなるものであってよい。
【００７９】
ただし、これらのパッケージ本体２に対して用いる基板１の熱膨張率は、パッケージ本体２及び半導体チップ４の熱膨張率と整合が取れている必要がある。即ち、基板１の熱膨張率をパッケージ本体２の熱膨張率に近づけるか、若しくはパッケージ本体２と半導体チップ４の中間程度の熱膨張率とする必要があるが、この点で本発明の基板はこれらの整合性に優れている。
【００８０】
また、外部回路と接合するためにパッケージ本体２に取り付けられた金属リードピン８の代わりに、図５及び図６に示すように、半田ボール１０をパッケージ本体２に取り付けた構造のものがある。これらのＩＣパッケージにおいても、本発明の基板１を使用して、そのＡｌ被覆層を設けた表面を接合材５を用いて半導体チップ４に接合する。
【００８１】
即ち、図５のパッケージでは、パッケージ本体２はＣｕ箔回路配線１２付きのポリイミドテープ１１を有し、その中央部に半導体チップ４がＴＡＢ（ＴａｐｅＡｕｔｏｍａｔｅｄ Ｂｏｎｄｉｎｇ）実装により接合搭載され、パッケージ本体２を補強するためのサポートリング１３が接合されている。また、図６のパッケージでは、外部回路に接続するための半田ボール１０付きの配線基板１４に、基板１に接合された半導体チップ４がそのパッドに形成された半田ボール１０を介してＦｌｉｐ Ｃｈｉｐ実装され、その側面を半田チップ４を保護するための樹脂１５で固めている。尚、図５及び図６のパッケージへの半導体チップ４の実装法は上記に限定されず、基板１についても平板形状に制限されず、キャップ形状などであっても良い。
【００８２】
図７のＩＣパッケージは樹脂モールドタイプであり、リードフレーム１６に絶縁フィルム１７を介して本発明の基板１が接合してある。この基板１のＡｌ被覆層を備えた表面には、Ａｇペーストなどの接合材５を介して半導体チップ４が接合され、リードフレーム１６と半導体チップ４はトランスファーモールド法によりボンディングワイヤー７を含めてモールド樹脂１８でモールドされている。尚、このＩＣパッケージでは、基板１は一面を除いて全て樹脂接合されるため、これらの樹脂接合される面にはＡｌ被覆層を形成する必要がある。
【００８３】
これら図２〜図７のＩＣパッケージでは、更に放熱性を向上させるために、一般に表面を陽極酸化処理したＡｌフィンを基板１に接合する場合がある。例えば図２のタイプのパッケージを例に説明すると、その基板１に図８に示すようにＡｌフィン１９をシリコーン樹脂２０等を介して接合する。更に、図２〜８のＩＣパッケージにおいては、複数個の半導体チップを搭載するＭＣＭ（Ｍｕｌｔｉ Ｃｈｉｐ Ｍｏｄｕｌｅ）タイプのパッケージにも当然適用可能である。
【００８４】
尚、図２〜８のＩＣパッケージににおいて、基板１との接合材５として使用される樹脂としては、Ａｇフィラーやシリカ等のセラミックフィラーが添加されたエポキシ樹脂、フィラーが添加されていないエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、ポリエステル樹脂、シリコーン樹脂などが挙げられるが、特にこれらに限定されるものではない。
【００８５】
実際に、図２〜８の各ＩＣパッケージに半導体チップ４を搭載して、温度サイクル試験１００サイクル、ＰＣＴ試験１００時間、ＨＡＳＴ試験１００時間を実施した。その結果、Ａｌ被覆層を有するＡｌ−ＳｉＣ焼結体から構成された本発明の基板１を用いたＩＣパッケージでは、異常動作が全く起こらなかった。しかし、Ａｌ被覆層を形成しなかったＡｌ−ＳｉＣ焼結体からなる基板を用いたＩＣパッケージでは、接合用の樹脂にクラックの発生が認められ、このクラックに起因してパッケージの熱抵抗が増加したことにより、ＩＣに異常動作が生じることが認められた。
【００８６】
【発明の効果】
本発明によれば、熱伝導率と熱膨張率に優れたＷ及び／又はＭｏとＣｕを主成分とする合金からなる基板材料について、樹脂を用いて他の部材と接合する際の接合性が改善され、優れた樹脂接合強度を有しており、温度サイクル試験等の信頼性信頼性後においても実用上十分な樹脂接合強度を保持し得る半導体装置用基板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】樹脂接合強度の測定に用いる試験片を示す断面図である。
【図２】本発明の半導体装置用基板を用いたＩＣパッケージの一具体例を示す概略の断面図である。
【図３】本発明の半導体装置用基板を用いたＩＣパッケージの他の具体例を示す概略の断面図である。
【図４】本発明の半導体装置用基板を用いたＩＣパッケージの更に別の具体例を示す概略の断面図である。
【図５】本発明の半導体装置用基板を用いた半田ボールを有するＩＣパッケージの一具体例を示す概略の断面図である。
【図６】本発明の半導体装置用基板を用いた半田ボールを有するＩＣパッケージの他の具体例を示す概略の断面図である。
【図７】本発明の半導体装置用基板を用いたモールドタイプのＩＣパッケージの一具体例を示す概略の断面図である。
【図８】本発明の半導体装置用基板にＡｌフィンを接合したＩＣパッケージの一具体例を示す概略の断面図である。
【符号の説明】
Ａ 試料基板
Ｂ 樹脂
Ｃ つかみ部
１ 基板
２ パッケージ本体
３ 樹脂
４ 半導体チップ
５ 接合材
６ ダイアタッチ部
７ ボンディングワイヤー
８ キンゾクリードピン
９ 蓋
１０ 半田ボール
１１ ポリイミドテープ
１２ Ｃｕ箔回路配線
１３ サポートリング
１４ 配線基板
１５ 樹脂
１６ リードフレーム
１７ 絶縁フィルム
１８ モールド樹脂
１９ Ａｌフィン
２０ シリコーン樹脂
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置を構成するヒートシンク、放熱基板、ハウジング等に用いられる基板材料に関するもので、特に良好な樹脂接合が可能な半導体装置用基板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置用の基板を構成する材料には、他の装置用部材を組み合わせた場合に、組み合わせ界面において熱応力による歪みを発生しないことが求められる。そのため、基板材料の熱膨張率は、半導体素子あるいはパッケージ等の材料と大きな差がないことが要求される。特に、最近の半導体装置の小型軽量化に伴い、放熱基板としては熱伝導率が高く、同時に熱膨張率が半導体素子やパッケージ等と大差なく、しかも軽量な基板材料が要求されている。
【０００３】
これらの要求を満たす有望な基板材料として、Ｗ及び／又はＭｏとＣｕとを主成分とする合金、即ちＣｕ−Ｗ又はＣｕ−Ｍｏ合金が知られている。しかし、放熱基板を含めた半導体用部材には高度な耐食性が要求されるが、Ｃｕ−Ｗ及びＣｕ−Ｍｏ合金は裸材では耐食性が得られないため、従来からＮｉやＡｕ等のめっきが施されてきた。これらのめっき層は、従来から行われているＣｕ−Ｗ又はＣｕ−Ｍｏ基板材料とパッケージ等の材料との半田付けの際に、濡れ性や接合強度を保つためにも必要である。
【０００４】
しかし、近年においては、放熱基板とパッケージ等の接合方法として、半田付けよりも低コストであり、低い温度で接合が可能な樹脂を用いる接合が主流になりつつある。従来の樹脂を用いたパッケージ等においては、めっき前の放熱基板とリードフレーム等の半導体装置用部材とをトランスファーモールド等の方法で接合した後、めっきを施していた。しかし近年では、放熱基板等に予めめっきを施した後、エポキシ系、ポリイミド系等の液状樹脂、シート状樹脂等を用いてパッケージ基板等に接合する方法が用いられるようになってきた。
【０００５】
かかる樹脂接合法の場合、従来からめっき層として通常使用されているＮｉやＡｕは一般的に樹脂との接合性が悪く、必要な接合強度を得ることができないという問題が生じている。樹脂の接合メカニズムとしては、樹脂表面の−ＯＨ基と金属表面の−Ｏ基との水素結合が主要因であるが、ＮｉやＡｕは表面の−Ｏ基が少ないため、充分な水素結合ができないからである。特に、−６５℃と＋１５０℃の温度に交互にさらす温度サイクル試験や、温度１２１℃、相対湿度（ＲＨ）１００％、２気圧の状態にさらすＰＣＴ試験、あるいは温度１２５℃、８５％ＲＨ、２気圧の状態にさらすＨＡＳＴ試験等の各種信頼性試験後に、樹脂接合強度の劣化が激しい。
【０００６】
樹脂接合性の高い金属材料としては、自然酸化膜が形成されやすいＡｌ及びＣｕがある。しかし、ＡｌやＣｕにおいても、バルク材の自然酸化膜と樹脂との接合強度は、特に前記信頼性試験後の接合強度が充分でない。また、Ｃｕ−Ｗ及びＣｕ−Ｍｏ等のＷ及び／又はＭｏとＣｕとを主成分とする合金は、部分的にＣｕの自然酸化膜生成面が存在するが、これだけでは樹脂との接合強度が低いため、単独では満足な樹脂接合強度を得ることができなかった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、ＡｌやＣｕ等の金属材料の樹脂接合性を改良することが試みられ、各種の方法が提案されている。例えば、特開昭６１−２９５６９２号公報及び特開昭６１−２９５６９３号公報には、インバー板又は銅クラッドインバー板の基材の一面に厚みが５００μｍ程度までのＡｌ等を蒸着又はめっきし、エポキシ樹脂等の絶縁層を介して配線回路を形成することにより、基材と樹脂絶縁層との接合強度を改善する方法が開示されている。
【０００８】
しかし、この方法では、Ａｌは耐食性がないので、後に樹脂で覆われるため耐食性を必要としない樹脂接合面にのみＡｌを形成する必要がある。樹脂接合面にＡｌ等を形成する手法としては、めっきも挙げられているが、Ａｌめっきは水溶性のめっき液が無いため、有機溶媒を用いる必要がある。有機溶媒は水に比べ揮発性が高くなるため、めっき液の濃度管理が困難であり、且つ爆発の危険性があるため高価な防爆設備が必要になるなど、実現が困難である。このため、蒸着法によるＡｌ形成が望ましいが、Ａｌ蒸着時の真空度等の条件により樹脂接合性に適したものと適さないものがあるという問題があり、樹脂接合強度のばらつきが大きいという欠点があった。
【０００９】
また、特開昭５８−１８３７３３号公報には、プラスチック成形物の表面に１０００Å程度までの厚みのＡｌやアルミナ等を蒸着し、同面に変性ポリオレフィンを加熱融着する方法が開示されている。しかし、Ａｌの蒸着には上記した欠点があり、また蒸着材としてアルミナを用いた場合にはＡｌに比べ母材との接合強度が低くなり、またアルミナが絶縁性材料であるため放熱板の導電性を保つことができないという問題がある。即ち、放熱板を通してＩＣ素子の電気的な接地を保つ構造が現在多く用いられているため、アルミナ層により母材の導電性が失われることは、その応用範囲を極端に狭める結果となる。
【００１０】
特開平４−３２５７７号公報には、Ａｌ又はＡｌ合金材に、真の表面積が平滑と見なしたときの見かけの表面積に比較して３倍以上となるように粗面化もしくは多孔質化され、表層側に２０〜６０重量％の酸素を含有する厚み１０００Å以上の皮膜を形成し、この皮膜上に水素結合により樹脂塗膜を形成して、母材表面の粗面化によるアンカー効果によって接着性を改良する方法が開示されている。しかし、皮膜形成法として開示しているアルマイト処理においては、母材の導電性がなくなるという問題がある。
【００１１】
特開昭５７−１６０６３１号公報にも、上記と同様の考え方により、Ｒａが２μｍ以上のＡｌに多孔質アルマイトを形成する方法が開示されている。また、特開昭６０−６５５５０号公報には、ＳｉＣ等の非酸化物基材上にスパッタ法等によりアルミナ層を形成する方法が開示されている。しかし、これらの方法についても、上述のように母材の導電性がなくなるという欠点がある。
【００１２】
更に、特開平２−１０１７５２号公報には、樹脂封止型半導体装置のＳｉチップ上のＡｌ電極とリードフレームとの間の接続に用いるＡｌボンディングワイヤの接合性改良に関連して、大気炉加熱等により９９.９９％以上の高純度Ａｌワイヤの表面に、厚み５００〜２５００Åのアルミナ層を形成する方法が開示されている。この方法では、アルミナにより母材の導電性がなくなるという問題の他に、大気炉等で酸化した酸化膜は脆く、母材との接合強度を充分確保することが困難であるという問題がある。
【００１３】
本発明は、かかる従来の事情に鑑み、Ｃｕ−Ｗ又はＣｕ−Ｍｏ等の合金からなる基板材料について、樹脂との接合における接合強度を改善し、温度サイクル試験等の信頼性試験後においても十分な樹脂接合強度を保持し得るように、優れた樹脂接合性を有する半導体装置用基板を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明が提供する樹脂接合性に優れた半導体装置用基板は、Ｗ及び／又はＭｏとＣｕとを主成分とする合金からなる基材と、該基材の少なくとも一面に形成された、Ａｌを主成分とし、粒径が０.１〜１０μｍのＡｌを含む結晶粒子からなる被覆層と、該被覆層の表面の厚さ１０〜８００Åの酸化層とを有することを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明においては、基板の母材としてＷ及び／又はＭｏとＣｕとを主成分とする合金を使用する。これらの合金、即ちＣｕ−Ｗ、Ｃｕ−Ｍｏ、Ｃｕ−Ｗ−Ｍｏ合金は、半導体素子やパッケージ等の材料と近似した熱膨張率と優れた熱伝導率とを兼ね備えている。本発明では、これらの合金の基板を樹脂で接合する際の接合強度を改善するために、この合金からなる母材の樹脂と接合すべき面にＡｌを主成分とする被覆層を設け、この被覆層の結晶粒子の粒径を０.１〜１０μｍに制御する。また、この被覆層の表面には、自然酸化による酸化層が１０〜８００Åの厚みに形成されている。
【００１６】
前述したように、樹脂接合強度は樹脂の−ＯＨ基と金属表面の−Ｏ基の水素結合、及び材料同士のアンカー効果により発生している。温度サイクル試験、ＰＣＴ試験、ＨＡＳＴ試験といった信頼性試験を経た後にも、充分な樹脂接合強度を保持するためには、中でも特にアンカー効果が重要であることが判った。このアンカー効果を得るためには、従来から表面粗さ等のマクロ的指標が用いられてきたが、本発明者らは表面状態を検討した結果、むしろ結晶粒径等のミクロ的指標がアンカー効果と深く関係することを突き止めた。
【００１７】
即ち、蒸着等により母材上にＡｌ又はＡｌ合金の被覆層を形成すると、多角形型のＡｌを含む結晶粒子が生成される。これらの結晶粒間には１μｍ以下の微小な段差が存在するが、この段差は表面粗さ測定時には検出できないものである。しかし、この結晶粒子と、その結晶間の微小な段差が、充分なアンカー効果を生み出し、優れた樹脂接合強度が達成されるのである。
【００１８】
具体的には、結晶粒径を０.１〜１０μｍの範囲に制御することにより、充分なアンカー効果を生み出すことができる。結晶粒径が０.１μｍより小さくなると、接合に用いる樹脂が結晶間に充分に入り込むことができないために空孔が生じやすくなり、この空孔が起点となって接合部の破壊が生じやすい。また、結晶粒径が１０μｍより大きくなると、樹脂は結晶間に入り込むことができるが、単位面積当たりでアンカー効果に寄与する粒子が少なくなるため、充分な樹脂接合強度を得ることができない。
【００１９】
上述のように充分なアンカー効果が得られる本発明の基板においても、表面に酸化層がない状態であると、樹脂との間に水素結合が生じないために充分な接合強度を保つことができない。しかし、積極的に酸化層を形成する必要はなく、Ａｌを主成分とする被覆層の表面に自然酸化により形成される膜厚１０〜８００Å程度の酸化層が望ましい。尚、厚さ８００Å以上の酸化層を形成すると、樹脂と酸化層との間の接合強度は問題ないが、金属の酸化層は脆いため酸化層と母材金属との間の接合強度を保つことができない。また、Ａｌ被覆層上に自然酸化によって形成された１０〜８００Åの酸化層は、母材の導電性を損なうことがない。即ち、積極的に酸化層を形成しないことにより、母材であるＣｕ−Ｗ及び／又は−Ｍｏ合金の導電性は保証される。
【００２０】
かかる本発明の基板を接合するための樹脂としては、例えば、銀フィラーやシリカ等のセラミックフィラーが添加されたエポキシ樹脂、ヤング率を低下させるためにシリコーン樹脂を添加したエポキシ樹脂、これらの添加を行っていないエポキシ樹脂、前述のような添加を行ったポリイミド樹脂、添加を行っていないポリイミド樹脂、前述のような添加を行ったフェノール樹脂、添加を行っていないフェノール樹脂、前述のような添加を行ったポリエステル樹脂、添加を行っていないポリエステル樹脂、前述のような添加を行ったシリコーン樹脂、添加を行っていないシリコーン樹脂等が挙げられる。
【００２１】
Ｃｕ−Ｗ及び／又は−Ｍｏ合金の母材表面に形成する被覆層としては、Ａｌ又はＡｌ合金のいずれでもよい。ただし、Ａｌ合金の被覆層は膜形成時に組成の制御が困難であるうえ、母材との密着性にばらつきが生じやすいので、純度９９.９重量％以上が好ましく、更に９９.９９重量％以上のＡｌが母材との密着度のばらつきが生じないこと等から特に好ましい。また、被覆層の膜厚は１〜１００μｍが好ましく、１〜２０μｍが更に好ましい。この被覆層の膜厚が１μｍより薄いと、アンカー効果を生み出すのに充分な構造を形成できないことがあり、逆に１００μｍより厚ければ層内での破壊が生じやすくなるからである。尚、膜厚が２０μｍより厚くなると膜形成に手間がかかるので、通常は１〜２０μｍとする。
【００２２】
次に、Ａｌを主成分とする被覆層の形成方法について述べる。被覆層の形成方法としては、真空蒸着法が代表的な方法である。まず、母材を蒸着用真空チャンバーに入れ、蒸着前にチャンバー内を真空排気する。この時の真空度は、形成されるＡｌ被覆層の性状に影響を与える。即ち、真空排気時の真空度は１０-5Ｔｏｒｒ以下が好ましく、これ以上の真空度であると蒸着中に母材から付着ガスが放出され、形成されるＡｌの結晶粒径が０.１μｍ未満にまで小さくなる傾向にある。
【００２３】
真空排気後Ａｌの蒸着を行うが、蒸着源としては純度９９.９重量％以上のＡｌを用いるのが好ましい。純度が９９重量％程度のＡｌ又はＡｌ合金では、組成の制御が困難であり、且つ母材との密着性のばらつきが生じやすい。また、蒸着中の真空度は１０-3Ｔｏｒｒ以下にするのが好ましい。これ以上の真空度であると、形成されるＡｌ粒径が０.１μｍよりも小さくなるからである。母材は蒸着中特に加熱してもしなくてもよいが、加熱しない場合でも蒸着中に表面温度が１００〜２００℃程度になるのが普通である。
【００２４】
また、被覆層の形成方法として、有機溶媒中に分散させたＡｌ粉末を、母材にスクリーン印刷法により印刷するか又は浸漬により塗布した後、真空もしくは不活性又は還元性雰囲気中で焼結することによっても得ることができる。更には、不活性もしくは還元性ガスを用いた溶射によりＡｌ膜を形成し、真空もしくは不活性又は還元性雰囲気中で焼結することも可能である。これらの方法においても、所望の結晶粒径のＡｌ被覆層を得るためには、焼結中の雰囲気が非常に重要にである。即ち、真空の場合には上記蒸着法と同様であるが、不活性雰囲気及び還元性雰囲気の場合にも母材から放出される酸素等の付着ガスにより、形成されるＡｌの粒径が０.１μｍ未満にまで小さくなるからである。従って、これらの原因となる不純物ガスは、一般的に５００ｐｐｍ以下に制御する必要がある。
【００２５】
上記被覆層を形成する母材の表面性状としては、表面粗さをＪＩＳ規定のＲｍａｘで０.１〜２０μｍの範囲にコントロールするのが好ましい。表面粗さがＲｍａｘで０.１μｍより小さいと、上述のような被覆層構造を形成しても充分なアンカー効果を得ることが困難である。また、Ｒｍａｘが２０μｍより粗いと、吸着ガスが多くなり、被覆層形成時に酸素を放出する量が多くなるため、上記の１０-3Ｔｏｒｒ以下の真空度を得ることが困難になり、被覆層の結晶粒径が０.１μｍより小さくなったり、母材との密着が低くなったりする。しかしながら、通常はＲｍａｘが８μｍより粗くなると、樹脂接合を施したときに樹脂と接合表面との間に空隙が生じやすくなり、接合強度のばらつきが大きくなるため、最大でもＲｍａｘを８μｍとすることが更に好ましい。
【００２６】
また、母材の表面粗さの条件を満たすために、母材表面に生じた孔の深さを１００μｍ以下にすることが望ましい。孔の深さが１００μｍより深くなると、前述の吸着ガスが多くなるとともに、母材上に被覆層を均一な厚みで形成することが困難になり、表面にピットが生じやすい。また、接合のための樹脂が充分に回り込みにくくなり、充分な接合強度を保つことができないからである。
【００２７】
上述した被覆層を形成する母材は、従来から基板材料として使用されているＷ及び／又はＭｏとＣｕとを主成分とする合金あり、例えば特開昭５９−２１０３２号公報や特開昭５９−４６０５０号公報等に記載されている。このＷ及び／又はＭｏとＣｕを主成分とする合金は、半導体素子やパッケージ等の材料と近似した熱膨張率と優れた熱伝導率とを兼ね備え、特にＣｕの含有量が５〜４０重量％の範囲が好ましい。例えば、上記合金はＣｕ含有量が５〜４０重量％の範囲で、熱膨張率が通常５〜１２×１０-6／℃となる。一方、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ等の現在汎用の半導体素子の熱膨張率は３〜４×１０-6／℃程度、また基板に接合して用いられるパッケージ部材の熱膨張率は現在汎用のセラミックパッケージで４〜１０×１０-6／℃程度である。これらの関係から、Ｗ及び／又はＭｏとＣｕを主成分とする合金のＣｕの含有量は上記５〜４０重量％の範囲が好ましい。
【００２８】
また、これらのＷ及び／又はＭｏとＣｕを主成分とする合金は、Ｗ粉末及び／又はＭｏ粉末にＣｕ粉末を加えて焼結し、得られたスケルトンにＣｕを溶浸する溶浸法によるか、又はＷ粉末及び／又はＭｏ粉末とＣｕ粉末の成形体を焼結する焼結法によって製造することができる。
【００２９】
【実施例】
実施例１
溶浸法により密度が実質的に１００％となるように、各種銅組成にて、銅−タングステン合金、銅−モリブデン合金を製造した。得られた銅−タングステン合金は、試料１が１０重量％Ｃｕ−Ｗ、試料２が１５重量％Ｃｕ−Ｗ、試料３が２０重量％Ｃｕ−Ｗである。また、銅−モリブデン合金は、試料４として１０重量％Ｃｕ−Ｍｏ、試料５として１５重量％Ｃｕ−Ｍｏ、及び試料６として２０重量％Ｃｕ−Ｍｏである。
【００３０】
これらの各合金を、縦１００ｍｍ×横２５ｍｍ×厚み２ｍｍの板状に加工した後、表面に研削加工またはブラスト加工を施して、全ての試料について表面粗さがＲｍａｘで１μｍとなるように加工した。得られた各基材の断面をＳＥＭ観察することにより、表面に形成されている孔の深さを測定したところ、表１に示すように全ての基材において１μｍ以下であった。
【００３１】
得られた各基材の一面をに、蒸着法によりＡｌの被覆層を形成した。即ち、基材を蒸着用真空チャンバーに投入し、１０-5Ｔｏｒｒ以下の真空度になるまで真空排気した後、蒸着源として純度９９.９重量％以上のＡｌを用いて、全ての試料についてＡｌ被覆層を２μｍの膜厚に蒸着した。蒸着中の真空度は１０-3Ｔｏｒｒ〜１０-5Ｔｏｒｒの範囲に制御し、このときの基材表面の温度は１００〜２００℃あった。
【００３２】
各基材上に形成されたＡｌ被覆層の厚み、及び結晶粒径は下記表１に示す通りであった。また、Ａｌ被覆層上に自然酸化により形成された酸化層の膜厚をマイクロオージェ電子分光法で測定し、その結果を表１に併せて示した。
【００３３】
【表１】
このように作成した各試料の樹脂接合強度を測定するために、ＪＩＳ Ｋ ６８５０に基づいて評価を行った。使用した樹脂は銀フィラーを７０重量％含有している液状のエポキシ樹脂であり、図１に示すように、２つの試料基板Ａの各一端に樹脂Ｂを厚さ２５μｍとなるように塗布し、２つの試料基板Ａ同士を接合して、１８０℃で１時間硬化させた。この硬化後、１５０℃で２４時間の乾燥を施して試験片とした。
【００３５】
得られたＪＩＳ Ｋ ６８５０の各試験片について、その初期接合強度と共に、温度サイクル試験後、ＰＣＴ試験（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｏｏｋｅｒ Ｔｅｓｔ）後、及びＨＡＳＴ試験（Ｈｉｇｈｌｙ Ａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄ Ｓｔｒｅｓｓ Ｔｅｓｔ）後、それぞれ接合強度を測定し、結果を表２に示した。尚、温度サイクル試験は、１５０℃の雰囲気中に３０分及び−６５℃に３０分さらすサイクルを、１００サイクル行った。ＰＣＴ試験は、１２１℃×１００％ＲＨ×２ａｔｍの不飽和型のＰＣＴ試験とした。また、ＨＡＳＴ試験は、１２５℃×８５％ＲＨ×２ａｔｍの試験条件とした。
【００３６】
接合強度の測定は、精密万能試験機（オートグラフ）を用いて行った。即ち、図１に示すごとく、２つの試料基板Ａを接合した試験片の両端に設けたつかみ部Ｃを試験機のつかみ具で把持し、試験片の長軸とつかみ具の中心線が一直線上になるように注意しながら、５０ｍｍ／ｍｉｎの速度で試験片を長軸方向に引っ張った。試験片が破壊するときの最大荷重を記録し、この値を試験片の樹脂接着部分の面積で割り、接合強度とした。尚、試験片の破壊モードは樹脂接着部が破壊するものであった。
【００３７】
【表２】
上記の結果から分かるように、各試料とも初期接合強度、信頼性試験後の接合強度ともに、０.５ｋｇｆ／ｍｍ2以上の良好な接合強度を発揮し得る。参考のために、接合に用いた樹脂単体の引張強度を測定した。即ち、液状樹脂をシート状に成形して１８０℃で１時間硬化し、硬化後１５０℃で２４時間乾燥した。乾燥後の樹脂の強度は２ｋｇｆ／ｍｍ2、１００サイクルの温度サイクル後は１.６ｋｇｆ／ｍｍ2、１００時間のＰＣＴ試験後は１.２ｋｇｆ／ｍｍ2、１００時間のＨＡＳＴ試験後は１.３ｋｇｆ／ｍｍ2であった。また、１０００サイクルの温度サイクル後は１.０ｋｇｆ／ｍｍ2、３００時間のＰＣＴ試験後は０.７ｋｇｆ／ｍｍ2、３００時間のＨＡＳＴ試験後は０.９ｋｇｆ／ｍｍ2であった。
【００３９】
尚、樹脂接合強度として基本的に要求されるのは、樹脂接合時の強度であり、これが一般的に剪断強度で０.５ｋｇｆ／ｍｍ2以上であれば問題ない。ただし、これに加えて温度サイクル試験、ＰＣＴ試験、ＨＡＳＴ試験の初期段階での剪断強度が重要となる。例えば、温度サイクル試験の初期１００サイクル後、若しくはＰＣＴ又はＨＡＳＴ試験の初期１００時間後等であり、このときも剪断強度で０.５ｋｇｆ／ｍｍ2以上あれば全く問題がなく、充分実用に供することができる。ただし、まれに温度サイクル試験で１０００サイクル後や、ＰＣＴ又はＨＡＳＴ試験では３００時間後の剪断強度が問われることがある。この領域では接合に用いる樹脂自体の劣化も生じているため、要求される剪断強度は前述ほどは高くなく、通常は０.３ｋｇｆ／ｍｍ2を越えるレベルとされる。
【００４０】
このように、半導体装置用基板に要求されるのは、樹脂との初期接合強度と、温度サイクル試験、ＰＣＴ試験及びＨＡＳＴ試験の初期段階での接合強度である。ただし、上記のように温度サイクル試験の１０００サイクル後や、ＰＣＴ及びＨＡＳＴ試験での３００時間後においても、要求剪断強度を満足することが好ましい。
【００４１】
比較例１
上記実施例１と同様な方法で、上記試料１〜６に相当するＣｕ−Ｗ合金、Ｃｕ−Ｍｏ合金を製造した。これらの各合金上にＡｌ被覆層を蒸着する際に、真空度を１０-2Ｔｏｒｒ〜１０-3Ｔｏｒｒとした以外は、実施例１と同様な方法でＡｌ被覆層を形成した。得られた各試料１’〜６’について、実施例１と同様の樹脂を用いてＪＩＳ Ｋ ６８５０に基づいて樹脂接合強度を測定し、その結果をＡｌ被覆層の結晶粒径と共に下記表３に示した。
【００４２】
【表３】
上記結果から分かるように、各試料とも初期接合強度については問題ないが、信頼性試験後の接合強度の劣化が著しく、特にＰＣＴ及びＨＡＳＴ試験での１００時間後を含めて接合強度はいずれも０.５ｋｇｆ／ｍｍ2以下となり、実用可能な樹脂接合強度を保持することができなかった。
【００４４】
実施例２
上記実施例１と同様な方法で、１０重量％Ｃｕ−Ｗ合金を製造した。次に、この合金上に実施例１と同様にＡｌ被覆層を形成したが、その際に真空度を１０-2Ｔｏｒｒ〜１０-6Ｔｏｒｒとすることにより、Ａｌ被覆層の結晶粒径を下記表４に示すごとく変化させた。尚、全ての試料において、合金表面のＲｍａｘは１μｍ、孔深さは０.９μｍ、及びＡｌ被覆層の膜厚は２μｍであり、その上の自然酸化層の膜厚は５００Åである。
【００４５】
得られた各試料について、実施例１と同様の樹脂を用いてＪＩＳ Ｋ ６８５０に基づいて接合強度を測定し、その結果を表４に併せて示した。表４の結果から分かるように、Ａｌ被覆層の結晶粒径が０.１〜１０μｍの試料は、信頼性試験後も０.５Ｋｇｆ／ｍｍ2以上と充分な樹脂接合性を保っている。しかし、結晶粒径がこの範囲以外の試料は、信頼性試験後の樹脂接合強度の劣化が著しく、特にＰＣＴ及びＨＡＳＴ試験後の接合強度は０.５ｋｇｆ／ｍｍ2以下となり、充分な接合強度を保つことができなかった。
【００４６】
【表４】
実施例３
上記実施例１と同様な方法で、１０重量％Ｃｕ−Ｗ合金を製造した。得られた合金にブラスト処理を施し、その時間を調節することにより表面に存在する孔深さを下記表５に示すごとく変化させた。次に、実施例１と同様な方法でＡｌ被覆層を形成したが、孔深さが２００μｍ以上のものは孔内に吸着されたガスが真空系内に拡散し、成膜中に１０-3Ｔｏｒｒ〜１０-5Ｔｏｒｒの真空度を保つことができず、１０-2Ｔｏｒｒ〜１０-3Ｔｏｒｒとなった。
【００４８】
【表５】
得られた各試料について、実施例１と同様の樹脂を用いてＪＩＳ Ｋ ６８５０に基づいて樹脂接合強度を測定し、その結果を表６に示した。表６の結果より分かるように、孔深さが１００μｍ以下のものは信頼性試験後も０.５ｋｇｆ／ｍｍ2以上と充分な樹脂接合性を保っているが、孔深さが１００μｍを越える試料は３００時間の信頼性試験後の樹脂接合強度の劣化が著しく、特に３００時間のＰＣＴ及びＨＡＳＴ試験後の接合強度は０.５ｋｇｆ／ｍｍ2以下となった。
【００５０】
【表６】
実施例４
上記実施例１と同様な方法で、１０重量％Ｃｕ−Ｗ合金を製造した。その後、各合金に施すブラスト処理の時間を調節することにより、その表面粗さＲｍａｘを下記表７に示すように変化させた。次に、実施例１と同様な方法で、各合金上にＡｌ被覆層を形成し、その表面を自然酸化させた。各試料における合金表面のＲｍａｘと孔深さ、Ａｌ被覆層の厚さと結晶粒径、及び酸化層の厚さを表７に示した。
【００５２】
【表７】
次に、実施例１と同様の樹脂を用いてＪＩＳ Ｋ ６８５０に基づいて樹脂接合強度を測定し、その結果を表８に示した。その結果から分かるように、Ａｌ被覆層の結晶粒径が０.１〜１０μｍの範囲内でも、Ｒｍａｘが０.１μｍより小さいか又は１００μｍより大きい試料は、ＰＣＴ及びＨＡＳＴ試験の初期（１００時間まで）段階では接合強度が実用上支障のない０.５ｋｇｆ／ｍｍ2以上であったが、特に３００時間のＰＣＴ及びＨＡＳＴ試験後の接合強度は０.５ｋｇｆ／ｍｍ2以下となり、充分な接合強度を保つことができなかった。
【００５４】
【表８】
また、上記の実施例でＲｍａｘが８μｍ近傍の試料も確認したが、８μｍを越えると接合強度値のレベルには問題がないものの、そのバラツキが大きくなることが分かった。更に、ＰＣＴ試験及びＨＡＳＴ試験で３００時間を越える長時間の耐久性を確認したところ、これらＲｍａｘが８μｍの試料の中で、接合強度が０.３ｋｇｆ／ｍｍ2以下のものが１０％未満の割合で確認された。
【００５６】
比較例２
上記実施例１と同様な方法で、１０重量％Ｃｕ−Ｗ合金を製造した。この合金上に、実施例１と同様な方法でＡｌ被覆層を形成した。尚、合金表面に形成された孔深さは０.９μｍ、その表面のＲｍａｘは１μｍであり、Ａｌ被覆層の厚さは２μｍ、その結晶粒径は１.０μｍであった。
【００５７】
その後、大気炉中３００℃にて加熱することにより、Ａｌ被覆層上に膜厚１５００Åの酸化膜を形成し、これを試料２２とした。また、同様に製造したＡｌ被覆層の上に、酸化層として厚さ５００Åのアルマイト層を形成し、これを試料２３とした。これらの各試料２２及び２３について、実施例１と同様の樹脂を用いてＪＩＳ Ｋ ６８５０に基づいて樹脂接合強度を測定し、その結果を下記表９に示した。
【００５８】
【表９】
加熱酸化により形成した厚い酸化層を有する試料２２では、信頼性試験後の樹脂接合強度の劣化が著しく、全て接合強度が０.５ｋｇｆ／ｍｍ2以下となり、充分な接合強度を保つことができなかった。尚、試料２２の破壊モードは、他の実施例が全て樹脂とＡｌ被覆層の界面であるのに対して、酸化膜とＡｌ被覆層の界面であった。
【００６０】
一方、酸化層としてアルマイト層を形成した試料２３では、初期接合強度、信頼性試験後の接合強度とも、０.５ｋｇｆ／ｍｍ2以上の良好な接合強度を保持できることが分かるが、表面にアルマイト処理を施したためにＣｕ−Ｗ合金の導電性は失なわれた。
【００６１】
実施例５
上記実施例１と同様な方法で、１０重量％Ｃｕ−Ｗ合金を製造した。この合金表面のＲｍａｘは１μｍ、孔深さは０.９μｍであった。次に、この合金上に、実施例１と同様な方法でＡｌ被覆層を形成し、そのＡｌ被覆層の膜厚を下記表１０に示すように変化させた。尚、各試料とも、Ａｌ被覆層の結晶粒径は１.０μｍであった。また、各Ａｌ被覆層の表面に自然酸化により形成された酸化層の膜厚は、全て５００Åであった。
【００６２】
その後、各試料について、実施例１と同様の樹脂を用いてＪＩＳ Ｋ ６８５０に基づいて樹脂接合強度を測定し、その結果を表１０に併せて示した。
【００６３】
【表１０】
上記の結果から分かるように、Ａｌ被覆層の厚さが０.１μｍより小さい試料及び１００μｍより大きい試料では、信頼性試験後の樹脂接合強度の劣化が著しく、ＰＣＴ及びＨＡＳＴ試験１００時間後の接合強度は０.５ｋｇｆ／ｍｍ2以上で実用上問題はないものの、特に３００時間の同試験後の樹脂接合強度は０.３ｋｇｆ／ｍｍ2以下となり、最も望ましい信頼性レベルは達成できなかった。尚、Ａｌ被覆層の厚さが１００μｍより大きい試料の破壊モードは、全てＡｌ被覆層内の破壊であった。また、膜厚１００μｍのＡｌ被覆層の形成には、１０時間以上の蒸着時間が必要であった。更に、上記実施例において、Ａｌ被覆層の膜厚２０μｍ近傍の試料も別途試行したが、その膜形成時間は１時間程度であり、厚み１００μｍのものと評価値に殆ど差異はなかった。従って、生産性を考慮すると、Ａｌ被覆層の厚みは２０μｍ程度で充分である。
【００６５】
実施例６
上記実施例１と同様な方法で、１０重量％Ｃｕ−Ｗ合金を製造した。その後、各合金の表面に、下記表１１に示すように、試料ごとに異なる組成のＡｌ被覆層を全て厚さ２μｍに形成した。尚、上記合金の表面粗さＲｍａｘは全て１μｍ、孔深さは全て０.９μｍであり、Ａｌ被覆層の結晶粒径は全て１.０μｍ、及びＡｌ被覆層上の自然酸化層の厚さは全て５００Åであった。
【００６６】
【表１１】
試料２９：９９重量％Ａｌ−Ｍｇ合金
試料３０：９９重量％Ａｌ−Ｍｎ合金
試料３１：９９重量％Ａｌ−Ｓｉ合金
試料３２：９９重量％Ａｌ−Ｃｕ合金
試料３３：９９重量％Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ合金
試料３４：９０重量％Ａｌ−Ｍｇ合金
試料３５：９０重量％Ａｌ−Ｍｎ合金
試料３６：９０重量％Ａｌ−Ｓｉ合金
試料３７：９０重量％Ａｌ−Ｃｕ合金
試料３８：ジュラルミン（９４.５重量％Ａｌ−４重量％Ｃｕ−０.５重量％Ｍｇ−０.５重量％Ｍｎ−残部Ｆｅ及びＳｉ）
【００６７】
上記各試料はＡｌ被覆層の組成毎に５０ケずつ用意したが、その組成は５０ケの中でばらついた。この中でも以上の試料組成に近いものを各１０ケずつ選び、実施例１と同様の樹脂を用いてＪＩＳ Ｋ ６８５０に基づいて樹脂接合強度を測定した。その結果を、下記表１２に示した。
【００６８】
【表１２】
この結果より、初期接合強度、及び信頼性試験後の接合強度とも、０.５ｋｇｆ／ｍｍ2以上の良好な接合強度が得られることが分かる。尚、Ａｌ含有量の少ない試料３４〜３８では、Ａｌが９９重量％の試料２９〜３３に比べると、長時間での信頼性試験後の接合強度レベルは低いものの、０.５ｋｇｆ／ｍｍ2以上の接合強度が確保できることが分かる。
【００７０】
実施例７
上記実施例１と同様にして、５０重量％Ｃｕ−Ｗ合金を製造し、その後厚さ２μｍのＡｌ被覆層を次の方法で形成した。即ち、試料３９では有機溶媒中に分散させたＡｌ粉末をスクリーン印刷法により５０μｍ塗布し、窒素雰囲気下に６００℃で１時間焼結した。試料４０では有機溶媒中に分散させたＡｌ粉末に焼結体を浸漬して５０μｍ塗布し、同様に焼結した。試料４１ではＡｌ粉末を不活性ガスを用いた溶射により５０μｍ塗布し、同様に焼結した。
【００７１】
その後、各試料について、実施例１と同様の樹脂を用いてＪＩＳ Ｋ ６８５０に基づいて樹脂接合強度を測定し、その結果を下記表１３に示した。尚、各合金のＲｍａｘは全て１μｍ、その表面に形成された孔深さは全て０.９μｍ、Ａｌ被覆層の結晶粒径は全て１.０μｍ、及びＡｌ被覆層上の自然酸化層の厚さは全て５００Åであった。
【００７２】
【表１３】
上記の結果から、上記のいずれの方法によって形成したＡｌ被覆層をもつ試料であっても、初期接合強度及び信頼性試験後の接合強度とも０.５ｋｇｆ／ｍｍ2以上であり、良好な接合強度を保持できることが分かる。
【００７４】
実施例８
上記実施例１と同様にして、Ｃｕ−Ｗ合金又はＣｕ−Ｍｏ合金を製造し、その合金を基材として、その表面にＡｌ被覆層を形成し、更にその上に自然酸化による酸化層が形成された半導体装置用基板を得た。この本発明の基板を用いて、図２〜８に示すＩＣパッケージを作製した。
【００７５】
図２にＩＣパッケージでは、本発明の基板１のＡｌ被覆層（図示せず、以下同じ）のある表面とパッケージ本体２とが、樹脂３により接合されている。パッケージ本体２の中央部には、半導体チップ４が樹脂などの接合材５により接合搭載されるダイアタッチ部６を備え、このダイアタッチ部６に搭載された半導体チップ４と外部回路との電気的接続のために、半導体チップ４のパッドにボンディングワイヤー７の一端が接続され、ボンディングワイヤー７の他端はパッケージ本体２に形成された配線に接続され、この配線を介してパッケージ本体２に取り付けられた外部回路接続用の金属リードピン８に接続されている。尚、半導体チップ４の搭載後、パッケージ本体２には蓋９が被着される。
【００７６】
図３のＩＣパッケージは、図２のパッケージと比較して、半導体チップ４が基板１に樹脂などの接合材５により直接搭載されている点が異なる。即ち、パッケージ本体２はダイアタッチ部６にあたる底面が開口しており、この開口面を覆うように反対側から基板１が接合材５により接合され、基板１に搭載された半導体チップ４がダイアタッチ部６に収納されている。従って、このＩＣパッケージでは、本発明の基板１のＡｌ被覆層を設けた表面が、パッケージ本体１及び半導体チップ４とそれぞれ樹脂接合されている。
【００７７】
このように半導体チップ４を基板１に直接搭載する構造のＩＣパッケージにおいては、半導体チップ４を搭載する側の基板１の形状は特に制限されず、例えば図４に示すように、凸状の段付き形状とすることもできる。尚、図４において、その他の構成は図２及び図３の場合と同様である。
【００７８】
以上の図２〜４におけるパッケージ本体２の材質は、特に制限されるものではなく、例えば現状で一般的に用いられているアルミナ含有率９０％前後のアルミナセラミック多層基板や、信号の高速処理に対応したガラスセラミックを含み且つ焼成温度が１０００℃前後の低温焼成ガラスセラミック多層基板などのセラミック材からなるもの、あるいは安価で汎用性に対応したエポキシ樹脂やポリイミド樹脂、ＢＴレジン等からなるプラスチック多層基板などのプラスチック材からなるものであってよい。
【００７９】
ただし、これらのパッケージ本体２に対して用いる基板１の熱膨張率は、パッケージ本体２及び半導体チップ４の熱膨張率と整合が取れている必要がある。即ち、基板１の熱膨張率をパッケージ本体２の熱膨張率に近づけるか、若しくはパッケージ本体２と半導体チップ４の中間程度の熱膨張率とする必要があるが、この点で本発明の基板はこれらの整合性に優れている。
【００８０】
また、外部回路と接合するためにパッケージ本体２に取り付けられた金属リードピン８の代わりに、図５及び図６に示すように、半田ボール１０をパッケージ本体２に取り付けた構造のものがある。これらのＩＣパッケージにおいても、本発明の基板１を使用して、そのＡｌ被覆層を設けた表面を接合材５を用いて半導体チップ４に接合する。
【００８１】
即ち、図５のパッケージでは、パッケージ本体２はＣｕ箔回路配線１２付きのポリイミドテープ１１を有し、その中央部に半導体チップ４がＴＡＢ（ＴａｐｅＡｕｔｏｍａｔｅｄ Ｂｏｎｄｉｎｇ）実装により接合搭載され、パッケージ本体２を補強するためのサポートリング１３が接合されている。また、図６のパッケージでは、外部回路に接続するための半田ボール１０付きの配線基板１４に、基板１に接合された半導体チップ４がそのパッドに形成された半田ボール１０を介してＦｌｉｐ Ｃｈｉｐ実装され、その側面を半田チップ４を保護するための樹脂１５で固めている。尚、図５及び図６のパッケージへの半導体チップ４の実装法は上記に限定されず、基板１についても平板形状に制限されず、キャップ形状などであっても良い。
【００８２】
図７のＩＣパッケージは樹脂モールドタイプであり、リードフレーム１６に絶縁フィルム１７を介して本発明の基板１が接合してある。この基板１のＡｌ被覆層を備えた表面には、Ａｇペーストなどの接合材５を介して半導体チップ４が接合され、リードフレーム１６と半導体チップ４はトランスファーモールド法によりボンディングワイヤー７を含めてモールド樹脂１８でモールドされている。尚、このＩＣパッケージでは、基板１は一面を除いて全て樹脂接合されるため、これらの樹脂接合される面にはＡｌ被覆層を形成する必要がある。
【００８３】
これら図２〜図７のＩＣパッケージでは、更に放熱性を向上させるために、一般に表面を陽極酸化処理したＡｌフィンを基板１に接合する場合がある。例えば図２のタイプのパッケージを例に説明すると、その基板１に図８に示すようにＡｌフィン１９をシリコーン樹脂２０等を介して接合する。更に、図２〜８のＩＣパッケージにおいては、複数個の半導体チップを搭載するＭＣＭ（Ｍｕｌｔｉ Ｃｈｉｐ Ｍｏｄｕｌｅ）タイプのパッケージにも当然適用可能である。
【００８４】
尚、図２〜８のＩＣパッケージににおいて、基板１との接合材５として使用される樹脂としては、Ａｇフィラーやシリカ等のセラミックフィラーが添加されたエポキシ樹脂、フィラーが添加されていないエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、ポリエステル樹脂、シリコーン樹脂などが挙げられるが、特にこれらに限定されるものではない。
【００８５】
実際に、図２〜８の各ＩＣパッケージに半導体チップ４を搭載して、温度サイクル試験１００サイクル、ＰＣＴ試験１００時間、ＨＡＳＴ試験１００時間を実施した。その結果、Ａｌ被覆層を有するＡｌ−ＳｉＣ焼結体から構成された本発明の基板１を用いたＩＣパッケージでは、異常動作が全く起こらなかった。しかし、Ａｌ被覆層を形成しなかったＡｌ−ＳｉＣ焼結体からなる基板を用いたＩＣパッケージでは、接合用の樹脂にクラックの発生が認められ、このクラックに起因してパッケージの熱抵抗が増加したことにより、ＩＣに異常動作が生じることが認められた。
【００８６】
【発明の効果】
本発明によれば、熱伝導率と熱膨張率に優れたＷ及び／又はＭｏとＣｕを主成分とする合金からなる基板材料について、樹脂を用いて他の部材と接合する際の接合性が改善され、優れた樹脂接合強度を有しており、温度サイクル試験等の信頼性信頼性後においても実用上十分な樹脂接合強度を保持し得る半導体装置用基板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】樹脂接合強度の測定に用いる試験片を示す断面図である。
【図２】本発明の半導体装置用基板を用いたＩＣパッケージの一具体例を示す概略の断面図である。
【図３】本発明の半導体装置用基板を用いたＩＣパッケージの他の具体例を示す概略の断面図である。
【図４】本発明の半導体装置用基板を用いたＩＣパッケージの更に別の具体例を示す概略の断面図である。
【図５】本発明の半導体装置用基板を用いた半田ボールを有するＩＣパッケージの一具体例を示す概略の断面図である。
【図６】本発明の半導体装置用基板を用いた半田ボールを有するＩＣパッケージの他の具体例を示す概略の断面図である。
【図７】本発明の半導体装置用基板を用いたモールドタイプのＩＣパッケージの一具体例を示す概略の断面図である。
【図８】本発明の半導体装置用基板にＡｌフィンを接合したＩＣパッケージの一具体例を示す概略の断面図である。
【符号の説明】
Ａ 試料基板
Ｂ 樹脂
Ｃ つかみ部
１ 基板
２ パッケージ本体
３ 樹脂
４ 半導体チップ
５ 接合材
６ ダイアタッチ部
７ ボンディングワイヤー
８ キンゾクリードピン
９ 蓋
１０ 半田ボール
１１ ポリイミドテープ
１２ Ｃｕ箔回路配線
１３ サポートリング
１４ 配線基板
１５ 樹脂
１６ リードフレーム
１７ 絶縁フィルム
１８ モールド樹脂
１９ Ａｌフィン
２０ シリコーン樹脂
Claims (7)
- Ｗ及び／又はＭｏとＣｕとを主成分とする合金からなる基材と、該基材の少なくとも一面に形成された、Ａｌを主成分とし、粒径が０.１〜１０μｍのＡｌを含む結晶粒子からなる被覆層と、該被覆層の表面の厚さ１０〜８００Åの酸化層とを有することを特徴とする半導体装置用基板。
- 前記合金はＣｕを５〜４０重量％含有することを特徴とする、請求項１に記載の半導体装置用基板。
- 前記被覆層を形成する基材の表面は、表面粗さがＲｍａｘで０.１〜２０μｍであることを特徴とする、請求項１又は２に記載の半導体装置用基板。
- 前記被覆層を形成する基材表面に存在する孔の深さが１００μｍ以下であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置用基板。
- 前記被覆層は純度９９.９重量％以上のＡｌであることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の半導体装置用基板。
- 前記被覆層は厚みが１〜１００μｍであることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の半導体装置用基板。
- 請求項１〜６のいずれかに記載の半導体装置用基板を用いた半導体装置。
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