JP4265247B2 - High heat dissipation alloy, heat dissipation plate, package for semiconductor element, and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低熱膨張係数で高放熱性のタングステン−銅合金またはモリブデン−銅合金からなる高放熱性合金、この高放熱性合金を用いた放熱板、この放熱板を用いた半導体素子用パッケージ、およびこれらの製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、半導体パッケージや高周波トランジスタモジュールや光通信モジュールなどの半導体装置には、ヒートシンクと呼ばれる放熱部材を設けて、半導体パッケージや高周波トランジスタモジュールや光通信モジュール内で発生した熱を効率的に系外に放散させる(排熱する)ようにしている。このようなヒートシンクにおいては、熱伝導率が高くて熱の伝導性が良好であること、およびセラミック基板やガラス基板と接合されるために、熱膨張係数がセラミックやガラスの熱膨張係数(4〜12ppm/K)に近似することが要求されている。このような熱伝導率と熱膨張係数の相反する両特性を有する材料としては、現在のところ、タングステン−銅合金(あるいはモリブデン−銅合金)が用いられている。
【0003】
このようなタングステン−銅合金からなるヒートシンクとしては、図9(なお、図9(a)は焼結体にWを溶浸する前の状態を模式的に示し、図9(b)は溶浸後の状態を模式的に示している)に示されるように、タングステン(W)で構成された焼結体31の空孔部31aに銅(Cu)32を溶浸(含浸)させた溶浸焼結合金からなるヒートシンク30が使用される。ところで、このような溶浸焼結合金から成るヒートシンク30は、例えば、以下のような手順で製造されている。まず、タングステン(W)粉末に、有機バインダーを予備配合して原料混合体とし、この原料混合体を、金型プレスでプレスして薄板状の成形体とする。この成形体を脱脂・焼結して多孔質の焼結体(Wスケルトン)31とした後、この焼結体(Wスケルトン)31の空孔部31aに銅(Cu)32を溶浸(含浸)させるようにして製造される。
【0004】
しかしながら、上述した溶浸焼結合金からなるヒートシンク30においては、Wスケルトン31の空孔31aの制御が難しいために、常に一定量のCu32を溶浸させることが困難であるという問題を生じた。また、仮に、Wスケルトン31の空孔31aの制御が可能であったとしても、Cu32を溶浸させた後、Cu32をWスケルトン31内に保持することが困難で、Cu32がWスケルトン31内から外部に溶出するという問題を生じた。
【0005】
そこで、粉末法により製造されたタングステン−銅合金からなるヒートシンクが特許文献1(特開平10−245603号公報)にて提案されるようになった。この特許文献1にて提案されたヒートシンク40は、図10に示されるように、銅粉末41とタングステン粉末42をメカニカルアロイ法により十分に混合した後、還元雰囲気で、銅42の融点以上の温度で焼結することにより製造されるものである。
【特許文献1】
特開平10−245603号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述した特開平10−245603号公報にて提案されたタングステン−銅合金においては、メカニカルアロイ法により十分に混合されているために焼結密度が向上しないという問題を生じた。これは、原材料のタングステン粒子42の平均粒径が2,3μmと大きいため、銅41の含有量(濃度)が25質量%以上になると、図11(a)に示すように、タングステン42同士が互いに隣り合う確率が低下するため、タングステン42の焼結が始まる前に銅41が先に溶融して焼結するようになる。このため、図11(b)に示すように、焼結時に空孔43が形成されて焼結密度が向上しないという問題を生じた。
【0007】
一方、銅41の含有量(濃度)が25質量%未満になると、図12(a)に示すように、タングステン42同士が互いに隣り合う確率が高まるため、タングステン42の焼結が先に開始されて、その後に銅41が溶融して焼結するようになる。このため、図12(b)に示すように、焼結時に空孔が形成されることが防止できて、焼結密度が向上する。ところが、焼結温度が高くなるために、焼結時にタングステン粒子が成長し、銅によるチャネリング効果が減少して熱伝導性が低下するという問題を生じた。
【0008】
また、焼結密度を上げるために焼結温度を高くすると、銅が系外から流出するという問題を生じた。さらに、原材料のタングステン粒子の平均粒径を小さくし、かつ銅粒子の平均粒径を小さくした場合においては、タングステン同士が互いに隣り合う確率が低下して、銅同士が互いに隣り合う確率が上昇する。このため、タングステン粒子が焼結する前に銅が先に溶融するようになって、焼結密度が上がらないという問題も生じた。
【0009】
そこで、本発明は上記の如き問題点を解消するためになされたものであって、製造が容易で、低熱膨張係数で高放熱性のタングステン−銅合金またはモリブデン−銅合金からなる高放熱性合金、この高放熱性合金を用いた放熱板、この放熱板を用いた半導体素子用パッケージ、およびこれらの製造方法を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の高放熱性合金は、銅を25〜50質量%含有するタングステン−銅合金またはモリブデン−銅合金からなり、かつ、タングステン粒子またはモリブデン粒子が連続して結合した三次元網目状構造の骨格が形成されているとともに、これらの骨格内に銅が充填されおり、タングステン粒子またはモリブデン粒子の原料粉末の平均粒径が0.1μm以上で1.0μm未満で、銅の原料粉末の平均粒径がタングステン粒子またはモリブデン粒子の原料粉末の平均粒径の5倍以上で、5.0μm未満であるとともに、タングステン粒子または前記モリブデン粒子の結合部分の断面の長さがこれらの粒子の粒径の1/2以下になるようにタングステン粒子またはモリブデン粒子が連続して結合した三次元網目状構造の骨格を形成しているとともに、タングステン粒子またはモリブデン粒子の結合部分の断面の長さがこれらの粒子の粒径の1/2以下になるようにタングステン粒子またはモリブデン粒子が連続して結合した三次元網目状構造の骨格が形成されていることを特徴とする。
【0011】
ここで、タングステン−銅合金またはモリブデン−銅合金において、銅の割合が増大するに伴って熱伝導率が増大する反面、熱膨張係数も増大する。これは、銅は熱伝導に優れた金属であることから、銅の割合が増大すればするほど熱膨張係数が増大する。このため、低熱膨張係数のタングステン−銅合金またはモリブデン−銅合金とするためには銅の割合を規制する必要がある。そして、一般的に、熱膨張係数が12ppm/K以下であれば、セラミックやガラスの熱膨張係数に近似するようになる。このため、タングステン−銅合金またはモリブデン−銅合金の銅の含有割合はタングステン−銅合金またはモリブデン−銅合金の質量に対して20質量%以下にするのが望ましいとされている。
【0012】
ところが、本発明においては、タングステン粒子またはモリブデン粒子が連続して結合した三次元網目状構造の骨格となっているため、銅の含有量が25〜50質量%と多くなっても、熱膨張係数を12ppm/K以下に維持できるようになる。そして、平均粒径が1.0μm未満のタングステン粒子同士またはモリブデン粒子同士が結合した三次元網目状構造の骨格を形成し、この骨格がこれらの粒子の平均粒径の5倍以上で、5.0μm未満の銅粉末が溶融したマトリックス内に分布している。これにより、銅のチャネリング効果が発揮できて、熱伝導性に優れたタングステン−銅合金またはモリブデン−銅合金が得られるようになる。
【0013】
この場合、タングステン粒子同士またはモリブデン粒子同士が互いに隣り合う確率を高めるためには、銅粒子の平均粒径をタングステン粒子またはモリブデン粒子の平均粒径の5倍以上の大きさにする必要がある。ところが、銅粒子の平均粒径が5μm以上になると、銅のマトリクス中でタングステンまたはモリブデンの偏析が起こり、組織が不均一となって熱伝導率も減少する。このため、銅粒子の平均粒径はタングステン粒子またはモリブデン粒子の平均粒径の5倍以上で、5μm未満にするのが望ましい。
【0014】
なお、タングステン粒子またはモリブデン粒子の結合部分の断面長さがこれらの粒子の粒径の1/2以下になるようにタングステン粒子またはモリブデン粒子が連続して結合した三次元網目状構造の骨格が形成されているのが望ましい。これは、結合部分の断面長さがこれらの粒子の粒径の1/2を越えるようになると、タングステン粒子またはモリブデン粒子間を伝わる熱の流路が阻害され、銅のチャネリング効果が発揮できず、結果として熱抵抗が大きくなって好ましくないためである。
【0015】
また、本発明の高放熱性合金の製造方法においては、タングステン微粉末とこれより平均粒径が大きい銅微粉末、またはモリブデン微粉末とこれより平均粒径が大きい銅微粉末を混合して、銅微粉末の表面がタングステン微粉末またはモリブデン微粉末で被覆された混合物とする混合工程と、この混合物を銅の融点(1083℃)以下の温度で加熱してタングステン微粉末同士またはモリブデン微粉末同士の焼結を開始させるとともに、タングステン粒子またはモリブデン粒子の結合部分の断面長さがこれらの粒子の粒径の1/2以下になるように焼結温度および焼結時間を調整するスケルトン形成工程(第1焼結工程)と、該スケルトン形成工程後に、銅の融点(1083℃)以上でタングステンおよびモリブデンの融点(1300℃)以下の温度で加熱して銅を溶融させる焼結工程(第2焼結工程)とを備えるようにしている。
【0016】
タングステン(またはモリブデン)微粉末と、これより平均粒径が大きい銅微粉末が混合して、銅微粉末の表面がタングステン(またはモリブデン)微粉末で被覆された混合物を得た後、この混合物を銅の融点(1083℃)以下の温度で加熱すると、タングステン(またはモリブデン)微粉末同士の焼結が開始されて、タングステン(またはモリブデン)のスケルトン(タングステン(またはモリブデン)粒子が連続して結合した三次元網目状構造の骨格)が形成される。この後、銅の融点(1083℃)以上でタングステン(またはモリブデン)の融点(1300℃)以下の温度で加熱して銅を溶融させると、三次元網目状構造の空間部に移動して銅が充填されることとなる。
【0017】
これにより、焼結密度が98.5%以上と、理論密度に近い焼結体が得られるようになる。この場合、混合工程において、タングステン(またはモリブデン)微粉末と、これより平均粒径が大きい銅微粉末をメカニカルアロイを伴わないように混合すると、銅微粉末の表面がタングステン(またはモリブデン)微粉末で被覆された混合物が得られる。なお、「メカニカルアロイを伴わない」とは、タングステン(またはモリブデン)微粉末と銅微粉末が互いに独立した粒子状態をさし、塑性変形により一体となるまで、又はからみあう状態に至らないものをさす。
【0018】
この混合時に塑性変形やメカニカルアロイによりタングステン(またはモリブデン)微粉末と銅微粉末が一体となるまで十分に混合すると、焼結過程において、銅の焼結が先に起こり、焼結密度が上がりにくくなるため望ましくない。
【0019】
【発明の実施の形態】
ついで、本発明の高放熱性合金、およびこの高放熱性合金を用いた放熱板、ならびにこの放熱板を用いた半導体素子用パッケージの実施の形態を図1〜図8に基づいて説明する。なお、図1は本発明の高放熱性合金が得られる過程を模式的に示す断面図である。図2は脱バインダ処理工程および焼結工程での昇温パターンを示す図である。図3は得られたWCu合金のCuの含有量(質量%)に対する熱伝導率の関係を示す図である。図4はWCu合金のCuの含有量(質量%)に対する熱膨張係数の関係を示す図である。
【0020】
図5はWCu合金の熱膨張係数に対する熱伝導率の関係を示す図である。図6は得られたWCu合金を用いた放熱板に高周波トランジスタを配置して半導体素子用パッケージを形成した状態を示す斜視図である。図7は図6の半導体素子用パッケージにカバーを装着して放熱試験を行う状態を模式的に示す図であって、図7(a)は図6の半導体素子用パッケージにカバーを装着した状態での図6のA−A断面を示す図であり、図7(b)は図7(a)のパッケージの下部に放熱フィンを装着した状態を示す断面図である。図8は高周波トランジスタの出力(W)と、高周波トランジスタとセラミック基板との接合部温度(Tj)の関係を示す図である。
【0021】
1.放熱板(高放熱性合金板)の作製
まず、平均粒径が0.5μm以上で、5.0μm未満の電解Cu粉末11と、平均粒径が0.1μm以上、1.0μm未満のW粉末(またはMo粉末)12を用意した。そして、Cu粉末11が25〜50質量%となり、W粉末(またはMo粉末)12が75〜50質量%となるように秤量して、ヘンシェルミキサー内に投入した後、これらの粉末を十分に混合した。この場合、粉末に塑性変形を与えるボールミルやアトライター等のメカニカルアロイを伴う混合機を用いないようにする必要がある。このような混合により、図1(a)に示すように、Cu粉末11の表面がW粉末(またはMo粉末)12で被覆された混合粉末体10が形成されることとなる。
【0022】
ついで、混合粉末体10を用いて、乾式圧粉法あるいは射出成型法により所定の形状(例えば、幅が15mmで、長さが35mmで、厚みが2mmの板状体)になるように成形した。ここで、乾式圧粉法を適用する場合は、まず、メチルアルコールにパラフィンワックスを溶解させたワックス液を混合粉末体10に添加してスラリーを得た。この場合、パラフィンワックス含有量は混合粉末体10の質量に対して1質量%になるようにした。この後、得られたスラリーをスプレードライヤーによって球状に造粒した後、乾式粉末プレス機により成形することにより形成することができる。
【0023】
一方、射出成型法を適用する場合は、まず、得られた混合粉末体10に、熱可塑性樹脂と有機バインダーを加えてフィードストックとし、その後、ペレタイザーによりペレット化した。ついで、得られたペレットを射出成型機に投入して、所定の形状になるように成形することにより形成することができる。この場合、熱可塑性樹脂としては、ポリプロピレン(PP)、ポリスチレン(PS)、ポリエチレン(PE)、アクリル、POM系樹脂などを用いた。また、有機バインダーとしては、パラフィンワックス、カルナウパワックス、蜜蝋などを用い、その混合割合は、混合粉末体10の容積に対して48vol%になるように混合した。
【0024】
ついで、上述の乾式圧粉法あるいは射出成型法により得られた成形体を図示しない脱バインダ装置内に配置した後、脱バインダ装置内に1リットル/分の流量の窒素ガスを流入させて、窒素雰囲気にした。そして、昇温速度が1℃/分で加熱(図2の0→t1)し、500℃の温度を2時間保持(図2のt1→t2)した。これにより成形体を脱バインダ処理した。この脱バインダ処理により、上述したパラフィンワックスなどの有機バインダは揮散する(除去される)こととなる。この後、室温まで冷却(図2のt2→t3)した後、脱バインダ装置から取り出した。
【0025】
ついで、脱バインダ処理された成形体を焼結炉に入れ、水素気流(1〜10リットル/分)中で、昇温速度が5℃/分で昇温(図2のt3→t4)し、Cuの融点以下の温度である950℃を1時間保持(図2のt4→t5)した。これにより、図1(b)に示すように、W粉末粒子(またはMo粉末粒子)12同士の結合(焼結)を開始して、これらのW粉末粒子(またはMo粉末粒子)12が連続して三次元網目状構造の骨格を形成したスケルトン10aが形成されることとなる。この場合、図1(d)に示すように、結合部分の断面長さyがこれらの粒子12の直径xの1/2以下(y≦(1/2)x)になるように、加熱温度及び加熱時間を調整する必要がある。これは、結合部分の断面長さyが粒子12の直径xの1/2を越えるようになると、W粉末粒子(またはMo粉末粒子)12間を伝わる熱の流路が阻害され、Cuのチャネリング効果が発揮できず、結果として熱抵抗が大きくなって好ましくないためである。
【0026】
その後、昇温速度が5℃/分で昇温(図2のt5→t6)して、下記の表1に示すような、Cuの融点(1083℃)以上の最高温度になるまで加熱した。この最高温度を2時間維持(図2のt6→t7)した後、降温速度が10℃/分で室温まで冷却(図2のt7→t8)した。これにより、Cu粉末11が溶融して、液体となったCuが三次元網目状構造の骨格を形成したスケルトン10aの空隙に移動することとなる。これにより、図1(c)に示すような、Cuの充填密度が98.5%以上(理論密度に近い)の焼結体(高放熱性合金)10bからなる放熱板が形成されることとなる。なお、最適の焼結最高温度は、下記の表1に示すように、Cuの含有量が減少するに伴って、また、W粉末(Mo粉末)の粒径が大きくなるに伴って高くする必要がある。なお、Cu粉末の平均粒径はW粉末(Mo粉末)の平均粒径の5倍とした。
【0027】
【表1】
【0028】
2.粒径および含有量の検討
ここで、平均粒径が0.1μmのW粉末と平均粒径が0.5μmのCu粉末を用いて、Cu粉末の含有量を10,15,20,25,30,35,40,45,50質量%になるように変化させて、上述と同様にして焼結体(高放熱性合金)10bを用いた放熱板を作製し、これらを放熱板a1,a2,a3,a4,a5,a6,a7,a8,a9とした。
【0029】
同様に、平均粒径が0.5μmのW粉末と平均粒径が2.5μmのCu粉末を用いて、Cu粉末の含有量を10,15,20,25,30,35,40,45,50質量%になるように変化させて、上述と同様にして焼結体(高放熱性合金)10bを用いた放熱板を作製し、これらを放熱板b1,b2,b3,b4,b5,b6,b7,b8,b9とした。また、平均粒径が0.9μmのW粉末と平均粒径が4.5μmのCu粉末を用いて、Cu粉末の含有量を10,15,20,25,30,35,40,45,50質量%になるように変化させて、上述と同様にして焼結体(高放熱性合金)10bを用いた放熱板を作製し、これらを放熱板c1,c2,c3,c4,c5,c6,c7,c8,c9とした。
【0030】
一方、平均粒径が1.5μmのW粉末と平均粒径が1.5μmのCu粉末を用いて、Cu粉末の含有量を10,15,20,25,30,35,40,45,50質量%になるように変化させて、上述と同様にして焼結体(高放熱性合金)10bを用いた放熱板を作製し、これらを放熱板x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7,x8,x9とした。さらに、比較のためにCuの含有量が10,15,20質量%になるように変化させた溶浸材を作製し、これらを放熱板y1,y2,y3とした。なお、溶浸材においては、Cuの含有量は20質量%が限度であった。
【0031】
ついで、これらの各放熱板a1〜a9,b1〜b9,c1〜c9,x1〜x9,y1〜y3の熱伝導率(W/mK)と熱膨張係数(ppm/K)を測定した。この場合、熱伝導率(W/mK)は熱定数測定装置(アルバック理工(株)製)を用いてレーザーフラッシュ法により求め、Cu含有量(質量%)を横軸にプロットし、熱伝導率(W/mK)を縦軸にプロットすると、図3に示すような曲線a(a1〜a9),b(b1〜b9),c(c1〜c9),x(x1〜x9),y(y1〜y3)が得られた。
【0032】
また、熱膨張係数(ppm/K)を差動トランス法により求め、Cu含有量(質量%)を横軸にプロットし、熱膨張係数(ppm/K)を縦軸にプロットすると、図4に示すような曲線a(a1〜a9),b(b1〜b9),c(c1〜c9),x(x1〜x9),y(y1〜y3)が得られた。ついで、これらの結果から、熱膨張係数(ppm/K)を横軸にプロットし、熱伝導率(W/mK)を縦軸にプロットすると、図5に示すような曲線a(a1〜a9),b(b1〜b9),c(c1〜c9),x(x1〜x9),y(y1〜y3)が得られた。
【0033】
図3において、溶浸材から曲線yは均一なCuのマトリクスが形成されないために、熱伝導率が一番低いことが分かる。そして、曲線xと曲線a,b,cとを比較すると、曲線a,b,cにおいてはCuの含有量が増大するに伴って熱伝導率が向上するが、曲線xにおいてはCuの含有量がある一定以上になると熱伝導率がそれほど向上しないことが確認できた。これは、曲線xにおいてはW粒子の平均粒径が1.5μmと大きいため、焼結密度を上げるために高温での焼結が必要となる。このため、W粒子が成長することによりW粒子同士が固まった状態で接合し、図1(d)に示すような結合状態が形成されなく、したがって、Cuのチャネリング効果が減少して熱伝導率が低下したと考えられる。
【0034】
一方、曲線a,b,cの場合は、W粒子の平均粒径が1.0μm未満と小さく、かつこの非常に微小なW粒子同士が結合して、図1(d)に示すような結合状態となるように熱処理が施されている。これにより、Wスケルトン(Wの三次元網目状構造の骨格)が形成されて、これがCuのマトリクス中に独立して分布している。このため、Cuのチャネリング効果で熱伝導率が大きくなったと考えられる。この場合、図3において、曲線cよりも曲線bの方が上方に位置し、曲線bよりも曲線aの方が上方に位置することから、W粒子の平均粒径(Cu粒子はその5倍)が小さくなるほど熱伝導率が向上ということができる。
【0035】
なお、平均粒径が0.1μm未満のW粒子を作製するのは困難なため、W粒子の平均粒径は0.1μm以上で、1.0μm未満にするのが望ましいということができる。この場合、Cu粒子の平均粒径はW粒子の平均粒径の5倍以上の大きさにする必要があるが、Cu粒子の平均粒径が5μm以上になると、Cuのマトリクス中でWの偏析が起こり、組織が不均一となって熱伝導率も減少する。このため、Cu粒子の平均粒径はW粒子の平均粒径の5倍以上で、5μm未満にするのが望ましいということができる。また、Cu粒子の含有量を多くすればするほど熱伝導率が向上するが、熱伝導率が250W/mK(K=250W/mK)以上であれば充分に熱伝導性が良好な放熱板ということができるので、Cu粒子の含有量は25質量%以上にするのが望ましい。
【0036】
図4において、曲線xと曲線a,b,cとを比較すると、曲線aが一番下方に位置して、これの上に曲線b、曲線cが位置し、一番上に曲線xが位置していることが分かる。このことは、W粒子の平均粒径(Cu粒子はその5倍)が小さくなるほど熱膨張係数が低下することを意味している。これは、曲線xにおいては、W粒子の平均粒径が1.5μmと大きいために高温での焼結が必要となって、W粒が成長することによりW粒子同士が固まった状態で接合している。このため、Wスケルトン(Wの三次元網目状構造の骨格)が形成されなくて、熱膨張係数が増加したと考えられる。
【0037】
一方、曲線a,b,cにおいては、W粒子の平均粒径が1.0μm未満と小さいために、微小なW粒子同士が結合してWスケルトン(Wの三次元網目状構造の骨格)が形成されている。このため、このWの三次元網目状構造の骨格が熱膨張を規制するように作用して、熱膨張係数が低下したと考えられる。このことからも、W粒子の平均粒径は0.1μm以上で、1.0μm未満で、Cu粒子の平均粒径はW粒子の平均粒径の5倍以上で、5μm未満にするのが望ましいということができる。また、Cu粒子の含有量を多くすればするほど熱膨張係数が増加するが、熱膨張係数が12ppm/K(α=12ppm/K)以下であればガラスやセラミックの熱膨張係数に近似するため、Cu粒子の含有量は50質量%以下にするのが望ましい。
【0038】
図5において、曲線yは一番下に位置し、その上に曲線xが位置し、その上に曲線a,b,cが位置していることが分かる。また、曲線xにおいては、熱膨張係数が大きくなっても、それに伴って熱伝導率が大きくはならず、Cuの添加量を増大させて熱伝導率を向上させるという目的が達成できないことが分かる。
一方、曲線a,b,cにおいては、熱膨張係数が大きくなるに伴って熱伝導率も大きくなり、Cuの添加量を増大させて熱伝導率を向上させるという目的が達成できることが分かる。
【0039】
この場合、曲線aが一番上方に位置して、これの下に曲線bが位置し、その下に曲線cが位置していることから、W粒子の平均粒径(Cu粒子はその5倍)が小さくなるほど、Cuの添加量を増大させて熱伝導率を向上させるという目的が達成できることが分かる。このことからも、W粒子の平均粒径は0.1μm以上で、1.0μm未満で、Cu粒子の平均粒径はW粒子の平均粒径の5倍以上で、5μm未満にするのが望ましいということができる。そして、Cu粒子の含有量においては、熱伝導率が250W/mK以上になる25質量%以上で、熱膨張係数が12ppm/K以下になる50質量%以下にするのが望ましい。
【0040】
3.ハイパワー高周波トランジスタの実装評価
ついで、上述のようにして作製された放熱板に発熱量が大きいハイパワー高周波トランジスタ(出力が150W以上のもの)を実装して、この放熱板の放熱性の評価を行った。そこで、図6および図7に示すように、まず、上述のようにして作製された放熱板10bを用いて半導体素子用パッケージ21を用意し、このパッケージ21の上にアルミナ回路基板22をPbSn半田27により接合した。ついで、アルミナ回路基板22の所定の位置にハイパワー高周波トランジスタ23を配設するとともに、アルミナ回路基板22の両側に一対のリード24,24を接続した。そして、アルミナ回路基板22の接続部とハイパワー高周波トランジスタ23の接続部との間をワイヤーボンディング25により接続した。この後、これらの上にカバー26を接合して高周波トランジスタモジュール20を作製した。
【0041】
この場合、平均粒径が0.9μmのW粉末と平均粒径が4.5μmのCu粉末を用い、Cu粉末の含有量が25質量%になるような半導体素子用パッケージ21を用いた高周波トランジスタモジュール20を試料Aとし、Cu粉末の含有量が50質量%になるような半導体素子用パッケージ21を用いた高周波トランジスタモジュール20を試料Bとした。同様に、平均粒径が0.5μmのW粉末と平均粒径が2.5μmのCu粉末を用い、Cu粉末の含有量が25質量%になるような半導体素子用パッケージ21を用いた高周波トランジスタモジュール20を試料Cとし、Cu粉末の含有量が50質量%になるような半導体素子用パッケージ21を用いた高周波トランジスタモジュール20を試料Dとした。
【0042】
同様に、平均粒径が0.1μmのW粉末と平均粒径が0.5μmのCu粉末を用い、Cu粉末の含有量が25質量%になるような半導体素子用パッケージ21を用いた高周波トランジスタモジュール20を試料Eとし、Cu粉末の含有量が50質量%になるような半導体素子用パッケージ21を用いた高周波トランジスタモジュール20を試料Fとした。同様に、平均粒径が1.5μmのW粉末と平均粒径が1.5μmのCu粉末を用い、Cu粉末の含有量が25質量%になるような半導体素子用パッケージ21を用いた高周波トランジスタモジュール20を試料Xとし、Cu粉末の含有量が50質量%になるような半導体素子用パッケージ21を用いた高周波トランジスタモジュール20を試料Yとした。
【0043】
この後、これらの試料A,B,C,D,E,F,X,Yをそれぞれヒートシート28を介してアルミニウム製放熱フィン29の上に配置した。ついで、これらを外部温度(Ta)が25℃の温度雰囲気中に配置した後、ハイパワー高周波トランジスタ23の出力を100W〜300Wまで変化させながら、MIL−STD−883Cに準拠して、アルミナ回路基板22とハイパワー高周波トランジスタ23との接合部の温度(Tj)求めた。その結果、図8に示すような結果が得られた。なお、この種のハイパワー高周波トランジスタ23においては、接合部温度(Tj)が150℃を超えた状態で使用を続けると、この素子23が破壊したり、素子23の寿命が著しく低下するため、接合部温度(Tj)は130℃以下になるように放熱するのが望ましい。
【0044】
図8の結果から明らかなように、試料Yのように、Cu粉末の含有量が50質量%であっても、出力が150Wを超えると接合部温度(Tj)は150℃以上になって、素子23とパッケージ21の熱膨張係数差から生じる応力により、素子23やアルミナ回路基板22が損傷した。一方、試料Aにおいては、Cu粉末の含有量が25質量%(0.9μmW,4.5μmCu)であっても、素子23の出力が200Wまでは接合部温度(Tj)を130℃以下に維持できた。また、Cu粉末の含有量が50質量%(0.9μmW,4.5μmCu)の試料B、およびCu粉末の含有量が25質量%(0.5μmW,2.5μmCu)の試料Cにおいては、素子23の出力が300Wまでは接合部温度(Tj)を130℃以下に維持できた。
【0045】
また、Cu粉末の含有量が50質量%(0.5μmW,2.5μmCu)の試料D、およびCu粉末の含有量が25質量%(0.1μmW,0.5μmCu)の試料Eにおいては、素子23の出力が300Wまでは接合部温度(Tj)を120℃以下に維持できた。さらに、Cu粉末の含有量が50質量%(0.1μmW,0.5μmCu)の試料Fにおいては、素子23の出力が300Wまでは接合部温度(Tj)を110℃以下に維持できた。
【0046】
【発明の効果】
上述したように、本発明においては、タングステン粒子12が連続して結合した三次元網目状構造の骨格となっているため、銅11の含有量が25〜50質量%と多くなっても、熱膨張係数を12ppm/K以下に維持できるようになる。そして、平均粒径が1.0μm未満のタングステン粒子12同士が結合した三次元網目状構造の骨格を形成し、この骨格がこれらの粒子の平均粒径の5倍以上で、5.0μm未満の銅粉末11が溶融したマトリックス内に分布している。これにより、銅のチャネリング効果が発揮できて、熱伝導性に優れたタングステン−銅合金が得られるようになる。
【0047】
なお、上述した実施形態においては、主にWCu合金について説明したが、MoCu合金についてもWCu合金の場合と同様である。また、上述した実施形態においては、半導体素子としてハイパワー高周波トランジスタを用いる例について説明したが、半導体素子として、半導体レーザなどの他の半導体素子に適用できることも明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の高放熱性合金が得られる過程を模式的に示す断面図である。
【図2】 脱バインダ処理工程および焼結工程での昇温パターンを示す図である。
【図3】 WCu合金のCuの含有量(Cu濃度)に対する熱伝導率の関係を示す図である。
【図4】 WCu合金のCuの含有量(Cu濃度)に対する熱膨張係数の関係を示す図である。
【図5】 WCu合金の熱膨張係数に対する熱伝導率の関係を示す図である。
【図6】 WCu合金を用いた放熱板に高周波トランジスタが配置されて半導体素子用パッケージが形成された状態を示す斜視図である。
【図7】 図6の半導体素子用パッケージにカバーを装着して放熱試験を行う状態を模式的に示す図であって、図7(a)は図6の半導体素子用パッケージにカバーを装着した状態での図6のA−A断面を示す図であり、図7(b)は図7(a)のパッケージの下部に放熱フィンを装着した状態を示す断面図である。
【図8】 高周波トランジスタの出力(W)と、高周波トランジスタとセラミック基板との接合部温度(Tj)の関係を示す図である。
【図9】 従来例の溶浸材からなるWCu合金を模式的に示す断面図である。
【図10】 従来例の粉末法によるWCu合金を模式的に示す断面図である。
【図11】 銅の含有量が多い場合の従来例の粉末法によるWCu合金の製造過程を模式的に示す断面図である。
【図12】 銅の含有量が少ない場合の従来例の粉末法によるWCu合金の製造過程を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
10…混合粉末体、10a…スケルトン、10b…放熱板、11…銅(Cu)粉末、12…タングステン(W)粉末、20…高周波トランジスタモジュール、21…半導体素子用パッケージ、22…アルミナ回路基板、23…ハイパワー高周波トランジスタ、24…リード、25…ワイヤーボンディング、26…カバー、27…半田、28…ヒートシート、29…アルミニウム製放熱フィン[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a high heat dissipation alloy composed of tungsten-copper alloy or molybdenum-copper alloy having a low thermal expansion coefficient and high heat dissipation, a heat dissipation plate using this high heat dissipation alloy, a package for a semiconductor element using this heat dissipation plate, And a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a semiconductor device such as a semiconductor package, a high-frequency transistor module, or an optical communication module has been provided with a heat radiating member called a heat sink so that the heat generated in the semiconductor package, the high-frequency transistor module, or the optical communication module can be efficiently removed from the system. To dissipate (to exhaust heat). Such a heat sink has high thermal conductivity and good thermal conductivity, and since it is bonded to a ceramic substrate or a glass substrate, the thermal expansion coefficient is the thermal expansion coefficient (4 to 4) of ceramic or glass. It is required to approximate 12 ppm / K). At present, a tungsten-copper alloy (or molybdenum-copper alloy) is used as a material having such characteristics that the thermal conductivity and the thermal expansion coefficient conflict with each other.
[0003]
As a heat sink made of such a tungsten-copper alloy, FIG. 9 (note that FIG. 9 (a) schematically shows a state before infiltrating W into the sintered body, and FIG. 9 (b) shows infiltration. Infiltration in which copper (Cu) 32 is infiltrated (impregnated) into the
[0004]
However, in the
[0005]
Therefore, a heat sink made of a tungsten-copper alloy manufactured by a powder method has been proposed in Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 10-245603). As shown in FIG. 10, the
[Patent Document 1]
JP-A-10-245603
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, the tungsten-copper alloy proposed in the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-245603 has a problem that the sintered density is not improved because it is sufficiently mixed by the mechanical alloy method. This is because the average particle diameter of the
[0007]
On the other hand, when the content (concentration) of
[0008]
Further, when the sintering temperature is increased to increase the sintering density, there arises a problem that copper flows out of the system. Furthermore, when the average particle size of the tungsten particles as the raw material is reduced and the average particle size of the copper particles is reduced, the probability that tungsten is adjacent to each other decreases, and the probability that copper is adjacent to each other increases. . For this reason, before the tungsten particles are sintered, the copper is first melted, and there is a problem that the sintered density does not increase.
[0009]
Accordingly, the present invention has been made to solve the above-described problems, and is easy to manufacture and has a low heat expansion coefficient and a high heat dissipation property, and is a high heat dissipation alloy made of tungsten-copper alloy or molybdenum-copper alloy. An object of the present invention is to provide a heat radiating plate using the high heat radiating alloy, a package for a semiconductor device using the heat radiating plate, and a method of manufacturing the same.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the high heat dissipation alloy of the present invention comprises a tungsten-copper alloy or molybdenum-copper alloy containing 25 to 50% by mass of copper, and tungsten particles or molybdenum particles are continuously bonded. A skeleton having a three-dimensional network structure is formed, copper is filled in these skeletons, and the average particle diameter of the raw material powder of tungsten particles or molybdenum particles is 0.1 μm or more and less than 1.0 μm, and copper The average particle size of the raw material powder is 5 times or more the average particle size of the raw material powder of tungsten particles or molybdenum particles and less than 5.0 μmAnd a skeleton having a three-dimensional network structure in which tungsten particles or molybdenum particles are continuously bonded such that the cross-sectional length of the bonded portion of the tungsten particles or molybdenum particles is ½ or less of the particle size of these particles. A three-dimensional network in which tungsten particles or molybdenum particles are continuously bonded so that the cross-sectional length of the bonded portion of the tungsten particles or molybdenum particles is ½ or less of the particle size of these particles. A skeleton with a structure is formedIt is characterized by that.
[0011]
Here, in the tungsten-copper alloy or molybdenum-copper alloy, the thermal conductivity increases as the proportion of copper increases, but the thermal expansion coefficient also increases. This is because copper is a metal excellent in heat conduction, so that the coefficient of thermal expansion increases as the proportion of copper increases. For this reason, in order to make a tungsten-copper alloy or molybdenum-copper alloy having a low thermal expansion coefficient, it is necessary to regulate the ratio of copper. In general, when the thermal expansion coefficient is 12 ppm / K or less, the thermal expansion coefficient approximates that of ceramic or glass. For this reason, it is desirable that the copper content of the tungsten-copper alloy or molybdenum-copper alloy is 20% by mass or less with respect to the mass of the tungsten-copper alloy or molybdenum-copper alloy.
[0012]
However, in the present invention, since the skeleton has a three-dimensional network structure in which tungsten particles or molybdenum particles are continuously bonded, even if the copper content increases to 25 to 50% by mass, the thermal expansion coefficient Can be maintained at 12 ppm / K or less. Then, a skeleton having a three-dimensional network structure in which tungsten particles having an average particle diameter of less than 1.0 μm or molybdenum particles are bonded to each other is formed, and the skeleton is 5 times or more the average particle diameter of these particles. Copper powder of less than 0 μm is distributed in the molten matrix. Thereby, the channeling effect of copper can be exhibited, and a tungsten-copper alloy or a molybdenum-copper alloy having excellent thermal conductivity can be obtained.
[0013]
In this case, in order to increase the probability that the tungsten particles or the molybdenum particles are adjacent to each other, the average particle size of the copper particles needs to be 5 times or more the average particle size of the tungsten particles or molybdenum particles. However, when the average particle diameter of the copper particles is 5 μm or more, segregation of tungsten or molybdenum occurs in the copper matrix, the structure becomes non-uniform, and the thermal conductivity decreases. For this reason, it is desirable that the average particle diameter of the copper particles be 5 times or more the average particle diameter of the tungsten particles or molybdenum particles and less than 5 μm.
[0014]
A three-dimensional network structure is formed by continuously bonding tungsten particles or molybdenum particles so that the cross-sectional length of the bonded portion of tungsten particles or molybdenum particles is 1/2 or less of the particle size of these particles. It is desirable that This is because when the cross-sectional length of the bonded portion exceeds 1/2 of the particle size of these particles, the heat flow path between the tungsten particles or molybdenum particles is obstructed, and the channeling effect of copper cannot be exhibited. As a result, the thermal resistance increases, which is not preferable.
[0015]
Further, in the method for producing a high heat dissipation alloy of the present invention, tungsten fine powder and copper fine powder having an average particle size larger than this, or molybdenum fine powder and copper fine powder having an average particle size larger than this are mixed, A mixing step in which the surface of the copper fine powder is coated with tungsten fine powder or molybdenum fine powder, and the mixture is heated at a temperature below the melting point of copper (1083 ° C.) to make the fine tungsten powder or fine molybdenum powder Start sinteringIn addition, the sintering temperature and the sintering time are adjusted so that the cross-sectional length of the bonded portion of the tungsten particles or molybdenum particles is ½ or less of the particle size of these particles.Skeleton forming step (first sintering step) and after the skeleton forming step, a sintering step in which copper is melted by heating at a temperature not lower than the melting point of copper (1083 ° C.) and not higher than the melting points of tungsten and molybdenum (1300 ° C.). (Second sintering step).
[0016]
After mixing the tungsten (or molybdenum) fine powder and the copper fine powder having an average particle size larger than this to obtain a mixture in which the surface of the copper fine powder is coated with the tungsten (or molybdenum) fine powder, When heated at a temperature below the melting point of copper (1083 ° C.), sintering of tungsten (or molybdenum) fine powders started, and tungsten (or molybdenum) skeleton (tungsten (or molybdenum) particles were continuously bonded. A skeleton of a three-dimensional network structure) is formed. Thereafter, when the copper is melted by heating at a temperature not lower than the melting point of copper (1083 ° C.) and not higher than the melting point of tungsten (or molybdenum) (1300 ° C.), the copper moves to the space of the three-dimensional network structure. It will be filled.
[0017]
As a result, a sintered body having a sintered density of 98.5% or more and close to the theoretical density can be obtained. In this case, in the mixing step, when the tungsten (or molybdenum) fine powder and the copper fine powder having a larger average particle size are mixed without mechanical alloying, the surface of the copper fine powder becomes the tungsten (or molybdenum) fine powder. A mixture coated with is obtained. Note that “without mechanical alloy” means that the tungsten (or molybdenum) fine powder and the copper fine powder are in an independent particle state and do not come into an entangled state until they are united by plastic deformation. .
[0018]
When mixing, if tungsten (or molybdenum) fine powder and copper fine powder are sufficiently mixed together by plastic deformation or mechanical alloy, copper sintering occurs first in the sintering process, making it difficult to increase the sintering density. Desirable becauseYes.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, an embodiment of the high heat dissipation alloy of the present invention, a heat dissipation plate using the heat dissipation alloy, and a package for a semiconductor element using the heat dissipation plate will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the process of obtaining the high heat dissipation alloy of the present invention. FIG. 2 is a view showing a temperature rising pattern in the binder removal process and the sintering process. FIG. 3 is a diagram showing the relationship of the thermal conductivity with respect to the Cu content (mass%) of the obtained WCu alloy. FIG. 4 is a diagram showing the relationship of the thermal expansion coefficient with respect to the Cu content (mass%) of the WCu alloy.
[0020]
FIG. 5 is a diagram showing the relationship of the thermal conductivity to the thermal expansion coefficient of the WCu alloy. FIG. 6 is a perspective view showing a state where a package for a semiconductor element is formed by arranging a high-frequency transistor on a heat sink using the obtained WCu alloy. FIG. 7 is a diagram schematically showing a state in which a cover is attached to the semiconductor element package of FIG. 6 and a heat dissipation test is performed. FIG. 7A is a state in which the cover is attached to the semiconductor element package of FIG. FIG. 7B is a cross-sectional view showing a state in which a radiation fin is attached to the lower part of the package of FIG. 7A. FIG. 8 is a graph showing the relationship between the output (W) of the high frequency transistor and the junction temperature (Tj) between the high frequency transistor and the ceramic substrate.
[0021]
1. Production of heat sink (high heat dissipation alloy plate)
First,
[0022]
Next, the
[0023]
On the other hand, when applying the injection molding method, first, a thermoplastic resin and an organic binder were added to the obtained
[0024]
Next, after the molded body obtained by the above-described dry compaction method or injection molding method is placed in a debinder device (not shown), nitrogen gas is introduced into the debinder device at a flow rate of 1 liter / min. It was an atmosphere. And it heated at the temperature increase rate of 1 degree-C / min (0-> t1 of FIG. 2), and hold | maintained the temperature of 500 degreeC for 2 hours (t1-> t2 of FIG. 2). Thus, the molded body was subjected to binder removal processing. By this binder removal treatment, the organic binder such as the paraffin wax described above is volatilized (removed). Then, after cooling to room temperature (t2-> t3 of FIG. 2), it removed from the binder removal apparatus.
[0025]
Next, the binder-treated compact was put into a sintering furnace and heated in a hydrogen stream (1 to 10 liters / minute) at a heating rate of 5 ° C./minute (t3 → t4 in FIG. 2). 950 ° C., which is a temperature below the melting point of Cu, was held for 1 hour (t4 → t5 in FIG. 2). Thereby, as shown in FIG. 1 (b), the W powder particles (or Mo powder particles) 12 are started to bond (sinter) to each other, and these W powder particles (or Mo powder particles) 12 continue. Thus, a
[0026]
Thereafter, the temperature was increased at a rate of temperature increase of 5 ° C./min (t5 → t6 in FIG. 2), and heating was performed until the maximum temperature not lower than the melting point of Cu (1083 ° C.) as shown in Table 1 below. After maintaining this maximum temperature for 2 hours (t6 → t7 in FIG. 2), the temperature was lowered to room temperature at a rate of temperature decrease of 10 ° C./min (t7 → t8 in FIG. 2). As a result, the
[0027]
[Table 1]
[0028]
2. Examination of particle size and content
Here, using a W powder having an average particle size of 0.1 μm and a Cu powder having an average particle size of 0.5 μm, the content of Cu powder is 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, A heat sink using a sintered body (high heat dissipation alloy) 10b was prepared in the same manner as described above by changing to 50% by mass, and these were used as heat sinks a1, a2, a3, a4, a5, a6. , A7, a8, a9.
[0029]
Similarly, using W powder with an average particle diameter of 0.5 μm and Cu powder with an average particle diameter of 2.5 μm, the content of Cu powder is 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, In the same manner as described above, heat sinks using the sintered body (high heat dissipation alloy) 10b were produced, and these were changed to heat sinks b1, b2, b3, b4, b5, b6. , B7, b8, b9. Also, using W powder with an average particle size of 0.9 μm and Cu powder with an average particle size of 4.5 μm, the content of Cu powder is 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50. In the same manner as described above, heat sinks using the sintered body (high heat dissipation alloy) 10b were prepared, and these heat sinks were c1, c2, c3, c4, c5, c6. It was set as c7, c8, c9.
[0030]
On the other hand, using W powder with an average particle size of 1.5 μm and Cu powder with an average particle size of 1.5 μm, the content of Cu powder is 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50. In the same manner as described above, heat sinks using the sintered body (high heat dissipation alloy) 10b were prepared, and these were changed to heat sinks x1, x2, x3, x4, x5, x6. x7, x8, and x9. Further, for comparison, infiltrates were prepared so that the Cu content was 10, 15, and 20% by mass, and these were used as the heat sinks y1, y2, and y3. In the infiltrated material, the Cu content was limited to 20% by mass.
[0031]
Subsequently, the thermal conductivity (W / mK) and the thermal expansion coefficient (ppm / K) of each of these radiator plates a1 to a9, b1 to b9, c1 to c9, x1 to x9, and y1 to y3 were measured. In this case, the thermal conductivity (W / mK) is obtained by a laser flash method using a thermal constant measuring device (manufactured by ULVAC-RIKO, Inc.), and the Cu content (mass%) is plotted on the horizontal axis. When (W / mK) is plotted on the vertical axis, curves a (a1 to a9), b (b1 to b9), c (c1 to c9), x (x1 to x9), y (y1) as shown in FIG. ~ Y3) was obtained.
[0032]
Further, when the thermal expansion coefficient (ppm / K) is obtained by the differential transformer method, the Cu content (% by mass) is plotted on the horizontal axis, and the thermal expansion coefficient (ppm / K) is plotted on the vertical axis, FIG. Curves a (a1 to a9), b (b1 to b9), c (c1 to c9), x (x1 to x9), and y (y1 to y3) as shown were obtained. Then, from these results, when the thermal expansion coefficient (ppm / K) is plotted on the horizontal axis and the thermal conductivity (W / mK) is plotted on the vertical axis, a curve a (a1 to a9) as shown in FIG. , B (b1 to b9), c (c1 to c9), x (x1 to x9), and y (y1 to y3) were obtained.
[0033]
In FIG. 3, it can be seen from the infiltrant that the curve y has the lowest thermal conductivity because a uniform Cu matrix is not formed. When the curve x is compared with the curves a, b, and c, the thermal conductivity improves as the Cu content increases in the curves a, b, and c, but the Cu content in the curve x. It was confirmed that the thermal conductivity does not improve so much when the value exceeds a certain value. This is because, in the curve x, the average particle size of W particles is as large as 1.5 μm, so that sintering at a high temperature is required to increase the sintering density. For this reason, the W particles grow to join together in a state where the W particles are solidified, and the bonded state as shown in FIG. 1D is not formed. Therefore, the channeling effect of Cu is reduced and the thermal conductivity is reduced. Is thought to have declined.
[0034]
On the other hand, in the case of curves a, b, and c, the average particle size of W particles is as small as less than 1.0 μm, and these very fine W particles are bonded to each other as shown in FIG. Heat treatment is performed so as to be in a state. As a result, a W skeleton (a skeleton of a three-dimensional network structure of W) is formed and distributed independently in the Cu matrix. For this reason, it is considered that the thermal conductivity is increased due to the channeling effect of Cu. In this case, in FIG. 3, the curve b is positioned higher than the curve c, and the curve a is positioned higher than the curve b. It can be said that the smaller the), the better the thermal conductivity.
[0035]
Since it is difficult to produce W particles having an average particle size of less than 0.1 μm, it can be said that the average particle size of W particles is preferably 0.1 μm or more and less than 1.0 μm. In this case, the average particle size of the Cu particles needs to be 5 times or more the average particle size of the W particles. However, when the average particle size of the Cu particles is 5 μm or more, the segregation of W in the Cu matrix. Occurs, the structure becomes non-uniform and the thermal conductivity decreases. For this reason, it can be said that it is desirable that the average particle diameter of Cu particles is 5 times or more the average particle diameter of W particles and less than 5 μm. Further, the heat conductivity is improved as the content of Cu particles is increased. However, if the heat conductivity is 250 W / mK (K = 250 W / mK) or more, the heat dissipation plate is sufficiently good in heat conductivity. Therefore, the content of Cu particles is preferably 25% by mass or more.
[0036]
In FIG. 4, when the curve x is compared with the curves a, b, and c, the curve a is located at the bottom, the curves b and c are located above it, and the curve x is located at the top. You can see that This means that the thermal expansion coefficient decreases as the average particle size of the W particles (Cu particles are five times as large). In the curve x, since the average particle size of W particles is as large as 1.5 μm, sintering at a high temperature is necessary, and the W particles grow and join together in a state where the W particles are solidified. ing. For this reason, it is considered that the W skeleton (skeleton of W three-dimensional network structure) was not formed and the thermal expansion coefficient increased.
[0037]
On the other hand, in the curves a, b, and c, since the average particle diameter of W particles is as small as less than 1.0 μm, fine W particles are bonded to each other to form a W skeleton (skeleton of W three-dimensional network structure). Is formed. For this reason, it is considered that the skeleton of the three-dimensional network structure of W acts to regulate the thermal expansion, and the thermal expansion coefficient is lowered. Therefore, it is desirable that the average particle size of W particles is 0.1 μm or more and less than 1.0 μm, and the average particle size of Cu particles is 5 times or more the average particle size of W particles and less than 5 μm. It can be said. Further, the thermal expansion coefficient increases as the content of Cu particles is increased. However, if the thermal expansion coefficient is 12 ppm / K (α = 12 ppm / K) or less, it approximates the thermal expansion coefficient of glass or ceramic. The Cu particle content is desirably 50% by mass or less.
[0038]
In FIG. 5, it can be seen that the curve y is located at the bottom, the curve x is located thereon, and the curves a, b, and c are located thereon. In addition, in the curve x, it can be seen that even if the thermal expansion coefficient increases, the thermal conductivity does not increase accordingly, and the purpose of increasing the thermal conductivity by increasing the amount of Cu added cannot be achieved. .
On the other hand, in curves a, b, and c, it can be seen that the thermal conductivity increases as the coefficient of thermal expansion increases, and the purpose of increasing the thermal conductivity by increasing the amount of Cu added can be achieved.
[0039]
In this case, the curve a is located at the uppermost position, the curve b is located below it, and the curve c is located below it. It can be seen that the purpose of increasing the thermal conductivity by increasing the amount of Cu added can be achieved as the value of ()) decreases. Therefore, it is desirable that the average particle size of W particles is 0.1 μm or more and less than 1.0 μm, and the average particle size of Cu particles is 5 times or more the average particle size of W particles and less than 5 μm. It can be said. And as for content of Cu particle | grains, it is desirable to set it as 50 mass% or less from which thermal conductivity becomes 25 ppm or more which becomes 250 W / mK or more and thermal expansion coefficient becomes 12 ppm / K or less.
[0040]
3. Mounting evaluation of high power high frequency transistor
Next, a high-power high-frequency transistor (with an output of 150 W or more) having a large calorific value was mounted on the heat sink manufactured as described above, and the heat dissipation of this heat sink was evaluated. Therefore, as shown in FIGS. 6 and 7, first, a
[0041]
In this case, a high frequency transistor using a
[0042]
Similarly, a high-frequency transistor using a
[0043]
After that, these samples A, B, C, D, E, F, X, and Y were arranged on the
[0044]
As is clear from the results of FIG. 8, even when the content of the Cu powder is 50% by mass as in the sample Y, when the output exceeds 150 W, the junction temperature (Tj) becomes 150 ° C. or higher. The
[0045]
In the sample D having a Cu powder content of 50% by mass (0.5 μmW, 2.5 μmCu) and the sample E having a Cu powder content of 25% by mass (0.1 μmW, 0.5 μmCu), the element The junction temperature (Tj) could be maintained at 120 ° C. or lower until the output of 23 was 300 W. Furthermore, in the sample F having a Cu powder content of 50 mass% (0.1 μmW, 0.5 μmCu), the junction temperature (Tj) could be maintained at 110 ° C. or lower until the output of the
[0046]
【The invention's effect】
As described above, in the present invention, since the
[0047]
In the above-described embodiment, the WCu alloy has been mainly described, but the MoCu alloy is the same as that of the WCu alloy. In the above-described embodiment, an example in which a high-power high-frequency transistor is used as a semiconductor element has been described. However, it is obvious that the semiconductor element can be applied to other semiconductor elements such as a semiconductor laser.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a process of obtaining a high heat dissipation alloy of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a temperature rising pattern in a binder removal processing step and a sintering step.
FIG. 3 is a graph showing the relationship of thermal conductivity with respect to the Cu content (Cu concentration) of a WCu alloy.
FIG. 4 is a diagram showing the relationship of the coefficient of thermal expansion to the Cu content (Cu concentration) of a WCu alloy.
FIG. 5 is a diagram showing the relationship of thermal conductivity to the thermal expansion coefficient of a WCu alloy.
FIG. 6 is a perspective view showing a state in which a high frequency transistor is arranged on a heat sink using a WCu alloy to form a package for a semiconductor device.
7 is a diagram schematically showing a state in which a cover is attached to the semiconductor element package of FIG. 6 and a heat dissipation test is performed, and FIG. 7A is a view showing that the cover is attached to the semiconductor element package of FIG. 6; It is a figure which shows the AA cross section of FIG. 6 in a state, FIG.7 (b) is sectional drawing which shows the state which attached the radiation fin to the lower part of the package of Fig.7 (a).
FIG. 8 is a graph showing the relationship between the output (W) of a high-frequency transistor and the junction temperature (Tj) between the high-frequency transistor and a ceramic substrate.
FIG. 9 is a cross-sectional view schematically showing a WCu alloy made of a conventional infiltrant.
FIG. 10 is a cross-sectional view schematically showing a conventional WCu alloy by a powder method.
FIG. 11 is a cross-sectional view schematically showing a production process of a WCu alloy by a powder method of a conventional example when the content of copper is large.
FIG. 12 is a cross-sectional view schematically showing a production process of a WCu alloy by a powder method of a conventional example when the content of copper is low.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (6)
タングステン粒子またはモリブデン粒子が連続して結合した三次元網目状構造の骨格が形成されているとともに、これらの骨格内に銅が充填されており、
前記タングステン粒子またはモリブデン粒子の原料粉末の平均粒径が0.1μm以上、1.0μm未満で、
前記銅の原料粉末の平均粒径が前記タングステン粒子またはモリブデン粒子の原料粉末の平均粒径の5倍以上で、5.0μm未満であるとともに、
前記タングステン粒子または前記モリブデン粒子の結合部分の断面の長さがこれらの粒子の粒径の1/2以下になるように前記タングステン粒子またはモリブデン粒子が連続して結合した三次元網目状構造の骨格が形成されていることを特徴とする高放熱性合金。A heat-dissipating alloy comprising a tungsten-copper alloy or a molybdenum-copper alloy containing 25 to 50% by mass of copper,
A skeleton of a three-dimensional network structure in which tungsten particles or molybdenum particles are continuously bonded is formed, and copper is filled in these skeletons.
The average particle size of the raw material powder of the tungsten particles or molybdenum particles is 0.1 μm or more and less than 1.0 μm,
The copper raw material powder has an average particle size of not less than 5 times the average particle size of the tungsten particle or molybdenum particle raw material powder and less than 5.0 μm ,
A skeleton having a three-dimensional network structure in which the tungsten particles or the molybdenum particles are continuously bonded so that the cross-sectional length of the bonded portion of the tungsten particles or the molybdenum particles is ½ or less of the particle size of these particles. A heat-dissipating alloy characterized in that is formed .
前記金属材料は請求項1に記載の高放熱性合金であることを特徴とする放熱板。A heat sink made of a metal material,
The heat dissipation plate according to claim 1 , wherein the metal material is the high heat dissipation alloy according to claim 1 .
前記放熱板は請求項2に記載の放熱板であって、該放熱板の上に出力が150W以上の高周波トランジスタが配置されていることを特徴とする半導体素子用パッケージ。A package for a semiconductor device using a heat sink,
3. The semiconductor device package according to claim 2 , wherein the heat radiating plate is a heat radiating plate according to claim 2 , wherein a high frequency transistor having an output of 150 W or more is disposed on the heat radiating plate.
タングステン微粉末とこれより平均粒径が大きい銅微粉末、またはモリブデン微粉末とこれより平均粒径が大きい銅微粉末を混合して、銅微粉末の表面がタングステン微粉末またはモリブデン微粉末で被覆された混合物とする混合工程と、
前記混合物を銅の融点以下の温度で加熱してタングステン微粉末同士またはモリブデン微粉末同士の焼結を開始させるとともに、タングステン粒子またはモリブデン粒子の結合部分の断面長さがこれらの粒子の粒径の1/2以下になるように焼結温度および焼結時間を調整するスケルトン形成工程と、
前記スケルトン形成工程後に、銅の融点以上でタングステンおよびモリブデンの融点以下の温度で加熱して銅を溶融させる焼結工程とを備えたことを特徴とする高放熱性合金の製造方法。A method for producing a high heat dissipation alloy comprising a tungsten-copper alloy or a molybdenum-copper alloy containing 25 to 50% by mass of copper,
Mix tungsten fine powder with copper fine powder with a larger average particle diameter, or molybdenum fine powder with copper fine powder with a larger average particle diameter, and cover the surface of the copper fine powder with tungsten fine powder or molybdenum fine powder. A mixing step to obtain a mixed mixture;
The mixture is heated at a temperature equal to or lower than the melting point of copper to start sintering of the tungsten fine powders or the molybdenum fine powders , and the cross-sectional length of the bonded portion of the tungsten particles or molybdenum particles is equal to the particle size of these particles. A skeleton forming step of adjusting the sintering temperature and the sintering time to be ½ or less ,
A method for producing a highly heat-dissipating alloy, comprising: a sintering step of melting copper by heating at a temperature not lower than the melting point of copper and not higher than the melting points of tungsten and molybdenum after the skeleton forming step.
請求項4または請求項5に記載の高放熱性合金の製造方法により前記金属材料を形成するようにしたことを特徴とする放熱板の製造方法。A method for producing a heat dissipation plate made of a metal material comprising a step of sintering after filling a mixed powder into a plate-shaped mold and forming into a flat plate shape by compaction press molding,
A method for manufacturing a heat sink, wherein the metal material is formed by the method for manufacturing a high heat dissipation alloy according to claim 4 or 5 .
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