JP4275892B2 - Manufacturing method of semiconductor element mounting substrate material - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体装置を構成するヒートシンク材等に用いられる半導体素子搭載用基板材の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体装置においては半導体素子の高速化や集積度の増加が著しく、半導体素子から発生する熱の影響を無視することができなくなっている。その結果、半導体素子搭載用基板材には、半導体素子から発生する熱を効率よく除去するために高い熱伝導率が要求されるようになってきている。
【０００３】
また、半導体素子搭載用基板材には、半導体素子との間の界面や、その半導体素子が搭載される半導体パッケージを構成する周辺部材との間の界面において熱応力によって発生する歪をできるだけ小さくすることが必要である。これに応じて、半導体素子搭載用基板材の熱膨張係数は、半導体素子や周辺部材の熱膨張係数に対して大きな差がないように整合性が求められる。
【０００４】
たとえば、半導体素子を構成する珪素（Ｓｉ）の熱膨張係数は４．２×１０-6／℃、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）の熱膨張係数は６．５×１０-6／℃である。これに対して、半導体パッケージを構成する周辺部材がセラミックスから形成される場合には、たとえば、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）の熱膨張係数は６．５×１０-6／℃である。周辺部材がプラスチックから形成される場合には、プラスチックの熱膨張係数は１２×１０-6〜１７×１０-6／℃である。このように、半導体素子を構成する材料の熱膨張係数に対して、その半導体素子が搭載される半導体パッケージを構成する周辺部材の材料の熱膨張係数は比較的大きい。また、周辺部材に用いられる材料によっては、その熱膨張係数の大きさはさまざまである。
【０００５】
したがって、半導体素子搭載用基板材の熱膨張係数も、半導体素子や周辺部材に応じて、それらの熱膨張係数に比較的近い熱膨張係数を有する材料が用いられてきた。
【０００６】
半導体素子や周辺部材を構成する材料の熱膨張係数に近い半導体素子搭載用基板材としては、従来から、たとえば、特開昭５２−５９５７２号公報や特開平６−１３４９４号公報に開示されているように、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、銅（Ｃｕ）、または、これらの金属の複合材（銅−タングステン合金、銅−モリブデン合金等）が用いられてきた。しかしながら、半導体パッケージの周辺部材がプラスチックから形成される場合には、プラスチックの剛性が低いために、基板材を形成する銅−タングステン合金や銅−モリブデン合金のような比重が高い材料と組合わせると、変形が生じやすくなる。このため、これらの合金材料を基板材として用いてプラスチック製半導体パッケージに組入れることは制限されてきた。
【０００７】
また、半導体素子とパッケージとの電気的接合にワイヤを用いる代わりにはんだボールを用いる方法（フリップチップ方式）や、マザー基板への接合にピンを用いる代わりにハンダボールを用いる方法（ボールグリッドアレイ方式）が広く採用されるようになってきている。これらの方式を採用する場合、基板材が重いと、はんだボールが必要以上に潰れる危険性が高くなる。このため、上記のような銅−タングステン合金や銅−モリブデン合金を基板材に用いることは困難となる。
【０００８】
さらに、タングステンやモリブデンは比較的高価な金属であるため、製造コストの点においても上記の合金を基板材に用いることには問題がある。
【０００９】
以上のことから、半導体素子搭載用基板材に対しては、軽量であり、周辺部材との間の熱膨張係数の整合性に優れ、かつ安価な材料が望まれている。
【００１０】
一方、最近では、プラスチック製半導体パッケージにおいても、半導体素子の集積度が急速に増大してきたため、従来のパッケージ構造では、その集積度に対応可能な数の端子を設けることが困難になってきている。このため、半導体素子の集積度の増大に対応可能なパッケージ構造が次々と開発されてきている。したがって、パッケージ形状の多様化や複雑化に容易に追随することができるように半導体素子搭載用基板材に種々の形状を付与することが求められてきている。
【００１１】
以上のようなパッケージ構造の変化は、軽量化とともに、今後急速に進行していくものと考えられる。これに伴って、半導体素子搭載用基板材には、周辺部材との間で熱膨張係数の整合性に優れ、かつ高い熱伝導性を有するだけでなく、軽量で、かつ、形状の多様化や複雑化に容易に追随できるように容易に形状を付与することができる材料が要求されてきている。たとえば、基板材のサイズはより一層小さくなりつつあり、その形状は周辺部材との組合わせに応じて、より一層多種多様のものが要求されてきている。すなわち、基板材には、より薄い形状やより複雑な形状が求められている。
【００１２】
従来、基板材の形状は、複数枚の平板状の材料を接続または積層することによって作られることが多かった。しかしながら、今後は、パッケージを構成する他の部品との配置関係に応じて、基板材の主表面の一部に凹凸がさまざまなパターンで形成されて一体化したものが多くなるものと考えられる。このような形状に対する要求は、小型から中型までの汎用電子機器に用いられる半導体装置（半導体デバイス）において特に強まるものと思われる。また、プラスチック製半導体パッケージ以外のパッケージを用いた中型以上の半導体装置においても、上記のような要請は高まりつつある。
【００１３】
軽量で、周辺部材との間で熱膨張係数の整合性に優れ、かつ、高い熱伝導性を有する材料としては、最近では、アルミニウム複合材料がその候補として提案されている。アルミニウム複合材料の中でも、アルミニウム−炭化珪素（Ａｌ−ＳｉＣ）複合材料は、原料のアルミニウムと炭化珪素がともに比較的安価であり、かつ、高い熱伝導性を有する材料である。また、熱膨張係数が小さい炭化珪素（４．２×１０-6／℃）と、熱膨張係数が大きいアルミニウム（２３．５×１０-6／℃）とを組合わせることにより、広い範囲で任意の熱膨張係数を得ることができる。これらの利点のため、アルミニウム−炭化珪素複合材料は半導体素子搭載用基板材として使用され始めている。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
アルミニウム−炭化珪素複合材料からなる半導体素子搭載用基板材とその製造方法は、たとえば、特開平１０−３３５５３８号公報に開示されている。この公報には、アルミニウム炭化珪素原料粉末を圧縮成形してさまざまな形状の成形体を作製し、その成形体を焼結してアルミニウム炭化珪素複合材料を製造する方法が記載されている。しかしながら、この製造方法で得られたアルミニウム炭化珪素複合材料を半導体素子搭載用基板材に用いるためには、薄肉の材料を精度よく形成することが困難であり、製造コストの点においても問題があった。
【００１５】
一方、米国特許第６２５０１２７号公報では、アルミニウム炭化珪素複合材料を製造するための別の方法が提案されている。この米国特許公報によれば、量産方法で得られたアルミニウム炭化珪素複合インゴットを熱間押出法でストリップ形状に加工し、さらに熱間圧延加工によって厚みが１〜２ｍｍのリボン形状に加工し、これを加熱してスタンピングとコイニング加工によってリッド形状の基板材を製造する方法が記載されている。しかしながら、この製造方法では、薄肉の基板材を製造することも可能であるが、たとえば、リッド形状に加工する際に加熱が必要であり、この加熱が製造コストを増大させる要因となるという問題があった。さらに、今後、複雑な形状の基板材が要求されるようになると、その形状加工のために加熱工程が必須になれば、さらに製造コストが上昇するのを回避することができなくなるので、上記の製造方法は製造コストの点で大きな問題がある。
【００１６】
また、たとえば、特許第３０２３９８５号公報には、金属マトリックス複合材料を鋳造するための装置とその方法が開示されている。この特許公報には、金属マトリックスに補強材粒子を分散させた複合材料を鋳造する方法が開示されている。特に、補強材粒子が均一に分散した固体鋳造複合材料を製造する方法が記載されている。
【００１７】
ところで、半導体素子搭載用基板材に複合材料を用いる場合、通常の構造材料とは異なり、補強材粒子がより均一に分布していることが要求される。複合材料を薄板に加工する工程で、補強材粒子が均一に分布していないと、均一な加工が行なわれないために、薄板に部分的な反りやうねり等が発生する。また、均一な加工を行なうことができないため、薄肉への加工や複雑な形状を付与する加工が困難になり、あるいは不可能になる場合がある。上記の加工を行なうことができたとしても、反りやうねり等が発生するという問題がある。さらに、複合材料において補強材粒子が均一に分布していないと、複合材料の熱膨張係数や熱伝導率等の特性にばらつきが生じるという問題がある。補強材粒子が均一に分布していないと、形状を付与した後の表面の粗さが大きくなり、または補強材粒子が脱落するという問題がある。したがって、複合材料を半導体素子搭載用基板材に用いる場合には、補強材粒子をより均一に分布させることが要求される。
【００１８】
このような要求に対して、上記の特許第３０２３９８５号公報には、金属マトリックス複合材料の鋳造方法において、冷却速度を高くすることにより、補強材粒子としてセラミックス粒子の分布はより均一となり、セラミックス粒子が全くない領域とセラミックス粒子の濃度が高すぎる領域の発生率が減少することが開示されている。しかし、冷却速度を高くするだけでは、半導体素子搭載用基板材に要求される補強材粒子の分布の均一性を得ることができないという問題があった。すなわち、通常の構造材に複合材料を用いる上では問題とはならなかった程度の補強材粒子の分布の不均一性が、半導体素子搭載用基板材においては問題となり、補強材粒子の分布のより一層の均一化が望まれている。
【００１９】
そこで、この発明の目的は、上述のような先行技術の背景の下で、軽量で、周辺部材との間での熱膨張係数の整合性に優れ、高い熱伝導性を有するとともに、補強材粒子が均一に分布し、薄肉の形状や複雑な形状に加工することが容易であり、製造コストの低い半導体素子搭載用基板材を製造することである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本願発明者は、上記の目的を達成するために種々検討した結果、セラミックス粒子または金属粒子をより均一に分散した基板材を得るためには、連続鋳造工程において冷却速度を高めるだけではなく、連続鋳造工程において凝固過程を通じて冷却速度の変化率を低くすることが必要である、という知見を得た。この知見に基づいて、この発明に従った半導体素子搭載用基板材の製造方法は、以下の特徴的な工程を備える。
【００２１】
この発明の半導体素子搭載用基板材の製造方法は、セラミックス粒子および金属粒子の少なくともいずれか１種の粒子を溶融金属中に分散させることによって溶融混合物を得る混合工程と、溶融混合物を連続的に冷却して凝固させることによって鋳造材を得る連続鋳造工程とを備え、連続鋳造工程において凝固過程を通じた冷却速度の変化率が５０％以下であることを特徴とする。
【００２２】
この発明の製造方法では、連続鋳造工程において冷却速度の変化率が２０％以下であるのが好ましい。
【００２３】
また、この発明の製造方法では、連続鋳造工程において冷却速度は５０℃／秒以上であるのが好ましい。
【００２４】
さらに、この発明の製造方法では、連続鋳造工程において得られる鋳造材の厚みが２０ｍｍ以下であるのが好ましい。
【００２５】
この発明の製造方法では、連続鋳造工程において鋳造速度は１０００ｍｍ／分以上であるのが好ましい。
【００２６】
この発明の製造方法は、鋳造材を板状材に加工する工程と、板状材に形状を付与する工程とをさらに備えるのが好ましい。この場合、連続鋳造工程と板状材に加工する工程とを連続して行なうのがより好ましい。
【００２７】
鋳造材を板状材に加工する工程は、圧延加工によって鋳造材を薄板状材に加工する複数パスの圧延工程を含むのが好ましい。この場合、複数パスの圧延工程のうち、少なくとも１回のパスの圧延工程では圧延加工する前に素材を２００℃以上５５０℃以下の温度に加熱するのが好ましい。
【００２８】
板状材に形状を付与する工程は、コイニングおよびスタンピングの少なくともいずれか１種の加工を室温で施すことによって行なわれるのが好ましい。また、板状材に形状を付与する工程は、板状材の一部に腐食防止処理を施した後、板状材を腐食剤に接触させて、腐食防止処理を施した部分以外の少なくとも一部を除去することによって行なわれてもよい。
【００２９】
この発明の製造方法において連続鋳造工程は、双ベルト法、ベルト車輪法、双ロール法および横型鋳造法のいずれかの鋳造法を用いて行なわれるのが好ましい。
【００３０】
上記の連続鋳造工程において凝固過程にある溶融混合物が接触する鋳造工具部材の材料、たとえば、ベルト、車輪、ロールまたは鋳型の材料は、鉄、鉄合金、銅、銅合金および黒鉛のいずれかの材料を含むのが好ましい。
【００３１】
この発明の製造方法において混合工程は、半溶融状態で機械的に攪拌することによって粒子を溶融金属中に均一に分散させることによって行なわれるのが好ましい。
【００３２】
この発明の製造方法において用いられる溶融金属は、アルミニウムおよびマグネシウムのいずれか１種を少なくとも含むのが好ましい。
【００３３】
また、この発明の製造方法において用いられる粒子は、酸化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素、ホウ化チタン、酸化ベリリウム、酸化珪素、モリブデン、ニオブおよびタングステンのいずれか１種を少なくとも含む材料からなるのが好ましい。
【００３４】
この発明の製造方法の混合工程において得られる溶融混合物は、平均粒径が０．１μｍ以上３５μｍ以下の粒子を５体積％以上７０体積％以下、溶融金属中に含有するのが好ましい。
【００３８】
【発明の実施の形態】
本発明の具体的な実施の形態においては、半導体パッケージとしてセラミックパッケージやメタルパッケージに好適であるとともに、特にプラスチックパッケージ、フリップチップ方式やボールグリッドアレイ方式等のパッケージ方式に好適な熱伝導率と熱膨張係数を有し、軽量で、今後ますます複雑化する形状にも対応可能で、かつ、製造コストの低い半導体基板材の製造方法について種々検討がなされた。従来の溶解・複合・鋳造法を用いて、金属または合金中にセラミックス粒子や金属粒子が分散した複合材料を製造した場合、鋳造材の各部位において冷却速度等の鋳造条件が変化し、結晶粒径や、セラミックス粒子または金属粒子の分布状態が均一な鋳造材を得ることができなかった。その結果、熱伝導率や熱膨張係数等の特性にばらつきが発生し、また、鋳造材の後工程での加工性に悪影響を与えていた。そこで、本願発明者は、鋳造方法の種々の条件について検討を重ねた結果、金属または合金中にセラミックス粒子や金属粒子が分散した複合材料の連続鋳造において、結晶粒径が微細でかつ均一で、セラミックス粒子や金属粒子の分散が均一な鋳造材を得ることができ、さらに鋳造材を薄板に加工した後で形状を付与するための加工性を良好にするための最適条件を見出した。すなわち、連続鋳造工程において冷却速度を高くするだけでなく、凝固過程を通じて冷却速度の変化率（同一断面での場所による変化率、長手方向の場所による変化率）を低くすることにより、セラミックス粒子または金属粒子をより均一に分布させることができることを見出した。具体的な条件としては、連続鋳造工程において凝固過程を通じた冷却速度の変化率を５０％以下にすれば、セラミックス粒子や金属粒子をより均一に分散させることができることを見出した。このような冷却速度の変化率の制御は、具体的には鋳型等の鋳造工具部材の材質、鋳造材の厚み、鋳造速度等を最適化することによって達成することができる。
【００３９】
また、連続鋳造工程と薄板への加工工程とを連続して行なうことにより、鋳造材を加工するために再度加熱する必要がなくなり、より低い製造コストで基板材を製造することが可能になる。また、上記の工程を連続して行なうことにより、再加熱時に酸化被膜が形成されるのを防止することができ、表面状態が良好な薄板を得ることができる。
【００４０】
上記の鋳造条件において、凝固過程を通じた冷却速度の変化率を５０％以下とする理由は、鋳造材の断面内（たとえば表面と中心部）にわたって、また、長手方向にわたって、結晶粒径と、セラミックス粒子または金属粒子の分散状態とがより均一になるからである。なお、上記の冷却速度の変化率の下限値は、０．１％程度である。
【００４１】
また、溶融混合物から鋳造材を得る連続鋳造工程において冷却速度は５０℃／秒以上であるのが好ましい。冷却速度を５０℃／秒以上にする理由は、冷却速度が５０℃／秒以上になると、鋳造材において結晶粒がより微細になり、セラミックス粒子または金属粒子をより均一に分散させることが可能となるからである。なお、上記の冷却速度の上限値は２０００℃／秒程度である。
【００４２】
さらに、鋳造材の厚みは２０ｍｍ以下、より最適には１０ｍｍ以下であるのが好ましい。鋳造材の厚みが２０ｍｍ以下であれば、セラミックス粒子または金属粒子の分散状態がより均一となり、１０ｍｍ以下になると、さらにセラミックス粒子または金属粒子の分散状態がより均一で結晶粒もより微細となる。なお、鋳造材の厚みの下限値は０．１ｍｍ程度である。
【００４３】
連続鋳造工程において鋳造速度は１０００ｍｍ／分以上であることが好ましい。鋳造速度を１０００ｍｍ／分以上にする理由は、鋳造速度が１０００ｍｍ／分以上になると、リップルマークがより小さく、表面状態が良好な鋳造材を得ることができ、セラミックス粒子または金属粒子の分散状態がより均一で結晶粒もより微細となるためである。なお、鋳造速度の上限値は１００ｍ／分程度である。
【００４４】
連続鋳造工程で用いられるロール鋳造機に与えられる実効圧下率は５０％以下であるのが好ましい。実効圧下率を５０％以下にする理由は、実効圧下率が５０％を超えると鋳造材を得ることができなくなるためである。
【００４５】
連続鋳造工程において得られた鋳造材を薄板に加工する方法としては、鋳造材を圧延加工により薄板状にし、圧延加工を複数パス行ない、その複数パスのうち、少なくとも１パスは圧延加工前に素材を２００℃以上５５０℃以下の温度に加熱するのが好ましい。この場合、素材の加熱温度を２００℃以上５５０℃以下にする理由は、２００℃未満では加工歪が蓄積し、圧延割れが生じ、５５０℃を超えると母相が溶解する可能性があるためである。
【００４６】
薄板に形状を付与する方法としては、室温でコイニングおよびスタンピング加工する方法がある。本発明の連続鋳造工程を経由して得られた薄板は、結晶粒が微細で、セラミックス粒子または金属粒子が均一に分散している。このため、室温で薄板をコイニングおよびスタンピング加工することによって、複雑な形状に容易に加工することができる。
【００４７】
また、薄板に形状を付与する別の加工方法としては、薄板の一部に腐食防止処理を施した後、薄板を腐食剤に接触させて、腐食防止処理された部分以外の少なくとも一部を除去する加工方法を採用してもよい。この場合、本発明の連続鋳造工程を経由して得られた薄板は、結晶粒が微細で、セラミックス粒子または金属粒子が均一に分散しているので、表面が非常に平滑で、かつ複雑な形状の部材を低い製造コストで得ることができる。
【００４８】
金属または合金中にセラミックス粒子または金属粒子を分散させた複合材料の連続鋳造方法としては、双ベルト法、ベルト車輪法、双ロール法、横型鋳造法等を採用するのが好ましい。いずれの方法を採用しても、セラミックス粒子または金属粒子を均一に分散させた複合材料の連続鋳造を行なうことが可能であるが、薄板を寸法精度よく製造するためには横型鋳造法を採用するのが最も適している。また、双ロール法を採用すると、圧下を加えることが可能であり、溶融状態で気泡等の欠陥が存在しても鋳造時において修復することができる。
【００４９】
連続鋳造工程において凝固過程にある溶融混合物が接触する鋳造工具部材の材料、すなわち、ベルト、車輪、ロールの材質や横型鋳造の鋳型の材質が鉄、鉄合金、銅、銅合金または黒鉛であれば、本発明の作用効果を達成するための好ましい連続鋳造工程を実現することができる。上記の材質として銅または銅合金を採用する場合には、連続鋳造工程における冷却速度を最も高めることができ、その結果、鋳造速度を高くすることが可能となる。また、上記の材質として黒鉛を採用する場合には、無潤滑で連続鋳造を行なうことが可能となる。なお、ベルト、車輪、ロールまたは横型鋳造の鋳型は、空冷、水冷等により強制的に温度を一定にするのが好ましい。
【００５０】
母相の溶融金属中にセラミックス粒子または金属粒子を均一に分散させる方法としては、母相が完全に液相状態の溶融金属中に攪拌によってセラミックス粒子または金属粒子を分散させる方法がある。しかし、母相が半溶融状態のときに攪拌した方が、短時間でより均一に粒子を分散させることができる。また、母相が半溶融状態で攪拌した場合、湯流れ性が良好であるため、後工程の連続鋳造を行なうことが容易になる。特に、薄板の連続鋳造材を容易に得ることが可能となる。
【００５１】
軽量で、かつ、周辺部材との間での熱膨張係数の整合性に優れ、高い熱伝導性を有する半導体素子搭載用基板材は、母相がアルミニウム、マグネシウムおよびそれらを主成分とする合金であるのが好ましい。セラミックス粒子または金属粒子は、酸化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素、ホウ化チタン、酸化ベリリウム、酸化珪素、モリブデン、ニオブおよびタングステンの少なくとも１種以上であるのが好ましい。
【００５２】
また、セラミックス粒子または金属粒子を短時間で複合化、たとえば攪拌することができ、母相と粒子との間の反応を少なくし、欠陥の発生を減少させ、均一に分散させるためには、母相を合金化させるのが好ましい。母相としてアルミニウム合金を用いる場合には、たとえば、そのアルミニウム合金は、珪素（Ｓｉ）、チタン（Ｔｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ストロンチウム（Ｓｒ）およびカルシウム（Ｃａ）からなる群より選ばれた少なくとも１種類の元素と不可避不純物を含むものを用いるのが好ましい。また、母相としてマグネシウム合金を用いる場合には、そのマグネシウム合金は、たとえば、アルミニウム（Ａｌ）、亜鉛（Ｚｎ）、珪素（Ｓｉ）、チタン（Ｔｉ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、マンガン（Ｍｎ）、ジルコニウム（Ｚｒ）および希土類元素からなる群より選ばれた少なくとも１種類の元素と不可避不純物を含むものを用いるのが好ましい。
【００５３】
セラミックス粒子または金属粒子の平均粒径は０．１μｍ以上３５μｍ以下であればよく、粒子の含有量は５体積％以上７０体積％以下であればよい。平均粒径が０．１μｍ以上３５μｍ以下の粒子を用いる理由は、０．１μｍ未満では均一に分散させるのが困難であり、３５μｍを超えると溶融状態で静置すると重力偏析しやすくなるためである。粒子の含有量を５体積％以上７０体積％以下にする理由は、５体積％未満では最終的に得られる複合材料としての基板材の熱膨張係数や熱伝導率が母相を構成する金属または合金とほとんど差がなく、セラミックス粒子または金属粒子を母相中に含有させる利点がなくなるためであり、７０体積％を超えると粒子を均一に分散させるのが困難になるためである。
【００５４】
【実施例】
母相としてアルミニウム合金とマグネシウム合金の２種類の組成を用いて、セラミックス粒子または金属粒子が母相中に分散した複合材を作製した。
【００５５】
純度が９９．９５％のアルミニウムのインゴットを大気中で電気炉にて溶解し、珪素（Ｓｉ）を添加して、アルミニウム−８質量％珪素合金を約３０ｋｇ作製した。その後、アルゴン（Ａｒ）ガスを用いて溶湯処理を施した。そして、得られたアルミニウム合金溶湯を、坩堝と攪拌羽根を有する真空引きが可能な複合炉に移した。その後、上記のアルミニウム合金溶湯にストロンチウム（Ｓｒ）を添加して、アルミニウム−８質量％珪素−０．１質量％ストロンチウム合金溶湯を作製した。この溶湯の表面に形成された酸化膜を除去した後、１．３３Ｐａ（１０-2Ｔｏｒｒ）の圧力まで真空引きした。そして、溶湯の温度を５９５℃に保持した状態で、溶湯の攪拌を開始した。攪拌羽根の回転数は６００ｒｐｍであった。溶湯の攪拌が安定した状態を確認した後、炭化珪素（ＳｉＣ）またはホウ化チタン（ＴｉＢ）の粒子を添加することにより、粒子が均一に分散した複合材を各約１０ｋｇ作製した。このようにして得られた複合材の母相組成、添加粒子の種類、平均粒径および添加割合を表１の種類Ａ、ＢおよびＣにそれぞれ示す。
【００５６】
また、純度が９９．９５％のマグネシウムインゴットをアルゴン（Ａｒ）ガス雰囲気中で溶解した。この溶湯にアルミニウム（Ａｌ）とカルシウム（Ｃａ）を添加して、マグネシウム−２質量％Ａｌ−０．５質量％カルシウム合金を作製した。その後、マグネシウム合金溶湯を上記の複合炉に移した。溶湯の温度を６４０℃に保持した状態で溶湯の攪拌を開始した。攪拌羽根の回転数は６００ｒｐｍであった。溶湯の攪拌が安定した状態を確認した後、炭化珪素（ＳｉＣ）またはニオブ（Ｎｂ）の粒子を添加することにより、粒子が均一に分散した複合材を各約１０ｋｇ作製した。このようにして得られた複合材の母相組成、添加粒子の種類、平均粒径および添加割合を表１の種類ＤおよびＥに示す。
【００５７】
【表１】
表１に示す各種類の複合材の溶湯を、双ベルト法、ベルト車輪法、または双ロール法の各種鋳造機、あるいは横型鋳造機の鋳型まで、樋等の湯道を通じて供給することにより、連続鋳造法によって鋳造材を作製した。なお、比較例として、通常の金型に複合材の溶湯を鋳造することにより鋳造材を作製した。複合材の種類、鋳造条件と得られた鋳造材の寸法を表２に示す。
【００５９】
【表２】
連続鋳造工程において、複合炉から鋳造機へ複合材の溶湯を供給する場合に、特に攪拌等を施さなくても、鋳造材に重力偏析は見られなかった。また、得られた鋳造材の断面を観察したところ、試料Ｎｏ．１〜７の鋳造材はいずれも結晶粒が微細で、セラミックス粒子または金属粒子が均一に分散していることが確認された。しかし、比較例の鋳造材では、本発明例の試料Ｎｏ．１〜７と比較すると、結晶粒が大きく、セラミックス粒子としての炭化珪素（ＳｉＣ）粒子の分布が不均一であった。
【００６１】
図１と図２は、表２の試料Ｎｏ．４の鋳造材の断面を観察した顕微鏡写真である。図３は、比較例として作製した鋳造材の断面を観察した顕微鏡写真である。
【００６２】
得られた試料Ｎｏ．１〜７と比較例の鋳造材をそれぞれ圧延加工して厚み１．０ｍｍの薄板を作製した。試料Ｎｏ．３、４、５、７および比較例の鋳造材については、鋳造材を温度４５０℃に加熱して、１パスごとの厚み減少率を２０％にして、厚みが１．０ｍｍになるまで熱間圧延加工を施した。また、試料Ｎｏ．１、２および６の鋳造材については、鋳造材を温度４００℃に加熱して、１パスにおける厚み減少率を２０％にして、厚みが１．０ｍｍになるまで熱間圧延加工を施した。その結果、試料Ｎｏ．１〜７の鋳造材については、いずれも問題なく、厚みが１．０ｍｍになるまで圧延加工することができた。しかし、比較例の鋳造材については、厚みが１．０ｍｍになるまで圧延加工を施すことができたが、得られた圧延材に耳割れが発生していた。
【００６３】
上記で得られた試料Ｎｏ．１〜７と比較例の複合材の熱伝導率と熱膨張係数を測定した。熱伝導率は、円板状試片を用いてレーザーフラッシュ法によって測定した。熱膨張係数は、柱状試片を用いて差動トランス方式によって測定した。その結果を表３に示す。
【００６４】
【表３】
次に、圧延加工によって得られた試料Ｎｏ．１〜７と比較例の各薄板を用いて、幅と長さが３０ｍｍの形状に加工し、中央部に幅と長さが１５ｍｍで深さが０．２ｍｍの凹部を形成した。その結果、試料Ｎｏ．１〜７については、室温でスタンピングとコイニングによって上記の形状を薄板に付与することができた。しかし、比較例の試料については、室温でスタンピングとコイニングによって上記の形状を薄板に付与する加工を行なったところ、割れが発生し、所望の形状を得ることができなかった。そこで、比較例の試料については、温度２５０℃に加熱した状態で薄板にスタンピングとコイニングの加工を施すと、問題なく、上記の形状を薄板に付与することができた。
【００６６】
また、得られた試料Ｎｏ．１〜７と比較例の薄板を用いて、上記と同様の形状を薄板に付与するために、腐食処理を薄板に施した。その結果、試料Ｎｏ．１〜７については、凹部の表面は非常に平滑であった。しかし、比較例の試料については、本発明例の試料と比較すると、表面粗さが大きくなっていた。表面粗さを測定したところ、試料Ｎｏ．１〜７の表面粗さＲａは、それぞれ、３．１、３．２、３．５、３．６、３．２、３．１、３．３μｍであり、比較例の試料の表面粗さＲａは１１．２μｍであった。
【００６７】
以上に開示された実施の形態や実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考慮されるべきである。本発明の範囲は、以上の実施の形態や実施例ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての修正や変形を含むものと解されるべきである。
【００６８】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、軽量で、周辺部材との間の熱膨張係数の整合性に優れ、かつ高い熱伝導性を有する半導体素子搭載用基板材の製造方法において、セラミックス粒子または金属粒子を均一に分布させることができ、かつ、薄肉や複雑な形状に加工することができ、製造コストの低い製造方法を提供することが可能となる。
【００６９】
したがって、種々の半導体装置におけるパッケージの軽量化とその構造の変化に容易に追随することが可能で、軽量でかつ種々の形状の半導体素子搭載用基板を安価で提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施例において得られた鋳造材の断面を示す顕微鏡写真である。
【図２】 この発明の実施例で得られた鋳造材の断面をさらに拡大して示す顕微鏡写真である。
【図３】 この発明の比較例として得られた鋳造材の断面を示す顕微鏡写真である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor element mounting substrate used for a heat sink material or the like constituting a semiconductor device. Material It relates to a manufacturing method.
[0002]
[Prior art]
In recent years, in semiconductor devices, the speed of semiconductor elements and the increase in the degree of integration have remarkably increased, and the influence of heat generated from the semiconductor elements cannot be ignored. As a result, a high thermal conductivity is required for the substrate material for mounting a semiconductor element in order to efficiently remove heat generated from the semiconductor element.
[0003]
In addition, the substrate material for mounting a semiconductor element has as little distortion as possible caused by thermal stress at the interface with the semiconductor element and the interface with the peripheral member constituting the semiconductor package on which the semiconductor element is mounted. It is necessary. Accordingly, the thermal expansion coefficient of the semiconductor element mounting substrate material is required to be consistent so that there is no significant difference from the thermal expansion coefficients of the semiconductor element and the peripheral members.
[0004]
For example, the thermal expansion coefficient of silicon (Si) constituting the semiconductor element is 4.2 × 10 -6 / ° C., the thermal expansion coefficient of gallium arsenide (GaAs) is 6.5 × 10 -6 / ° C. On the other hand, when the peripheral member constituting the semiconductor package is formed of ceramics, for example, alumina (Al 2 O Three ) Has a coefficient of thermal expansion of 6.5 × 10 -6 / ° C. When the peripheral member is made of plastic, the coefficient of thermal expansion of the plastic is 12 × 10 -6 ~ 17 × 10 -6 / ° C. Thus, the thermal expansion coefficient of the material of the peripheral member constituting the semiconductor package on which the semiconductor element is mounted is relatively large with respect to the thermal expansion coefficient of the material constituting the semiconductor element. Moreover, the magnitude | size of the thermal expansion coefficient is various depending on the material used for a peripheral member.
[0005]
Therefore, a material having a thermal expansion coefficient that is relatively close to the thermal expansion coefficient of the semiconductor element mounting substrate material has been used depending on the semiconductor element and peripheral members.
[0006]
Conventionally, as a semiconductor element mounting substrate material having a thermal expansion coefficient close to that of the material constituting the semiconductor element or the peripheral member, it has been disclosed in, for example, JP-A-52-59572 and JP-A-6-13494. As described above, tungsten (W), molybdenum (Mo), copper (Cu), or composite materials of these metals (copper-tungsten alloy, copper-molybdenum alloy, etc.) have been used. However, when the peripheral member of the semiconductor package is made of plastic, since the rigidity of the plastic is low, when combined with a material having a high specific gravity such as a copper-tungsten alloy or a copper-molybdenum alloy that forms the substrate material, , Deformation is likely to occur. For this reason, it has been limited to incorporate these alloy materials into a plastic semiconductor package using the substrate material.
[0007]
Also, a method using a solder ball instead of using a wire for electrical bonding between a semiconductor element and a package (flip chip method), or a method using a solder ball instead of using a pin for bonding to a mother substrate (ball grid array method) ) Has been widely adopted. When these methods are employed, if the board material is heavy, the risk of the solder balls being crushed more than necessary increases. For this reason, it becomes difficult to use the above copper-tungsten alloy or copper-molybdenum alloy as a substrate material.
[0008]
Furthermore, since tungsten and molybdenum are relatively expensive metals, there is a problem in using the above alloy as a substrate material in terms of manufacturing cost.
[0009]
In view of the above, there is a demand for a semiconductor element mounting substrate material that is lightweight, has excellent thermal expansion coefficient matching with peripheral members, and is inexpensive.
[0010]
On the other hand, recently, since the degree of integration of semiconductor elements has also increased rapidly in plastic semiconductor packages, it has become difficult to provide a number of terminals corresponding to the degree of integration in the conventional package structure. . For this reason, package structures that can cope with an increase in the degree of integration of semiconductor elements have been developed one after another. Therefore, it has been required to give various shapes to the semiconductor element mounting substrate material so that the diversification and complexity of the package shape can be easily followed.
[0011]
Changes in the package structure as described above are expected to proceed rapidly in the future as weight is reduced. Along with this, the substrate material for mounting a semiconductor element not only has excellent thermal expansion coefficient consistency with peripheral members and has high thermal conductivity, but also is lightweight and diversified in shape. There has been a demand for a material that can be easily shaped so that it can easily follow the complexity. For example, the size of the substrate material is becoming smaller, and the shape of the substrate material is required to be more various according to the combination with the peripheral members. That is, the substrate material is required to have a thinner shape or a more complicated shape.
[0012]
Conventionally, the shape of a substrate material is often made by connecting or laminating a plurality of flat plate materials. However, in the future, depending on the arrangement relationship with other components constituting the package, it is considered that there are many cases where unevenness is formed in various patterns on a part of the main surface of the substrate material and integrated. It is considered that the demand for such a shape is particularly strong in semiconductor devices (semiconductor devices) used in general-purpose electronic devices ranging from small to medium. In addition, the above-described demand is increasing also for a medium-sized or larger semiconductor device using a package other than a plastic semiconductor package.
[0013]
Recently, an aluminum composite material has been proposed as a candidate for a material that is lightweight, has excellent thermal expansion coefficient consistency with peripheral members, and has high thermal conductivity. Among aluminum composite materials, an aluminum-silicon carbide (Al—SiC) composite material is a material in which both raw material aluminum and silicon carbide are relatively inexpensive and have high thermal conductivity. Further, silicon carbide having a small thermal expansion coefficient (4.2 × 10 -6 / ° C.) and aluminum having a large thermal expansion coefficient (23.5 × 10 -6 / ° C.), an arbitrary thermal expansion coefficient can be obtained in a wide range. Because of these advantages, an aluminum-silicon carbide composite material has begun to be used as a substrate material for mounting a semiconductor element.
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
A semiconductor element mounting substrate material made of an aluminum-silicon carbide composite material and a manufacturing method thereof are disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 10-335538. This publication describes a method in which aluminum silicon carbide raw material powder is compression-molded to form molded bodies having various shapes, and the molded body is sintered to produce an aluminum silicon carbide composite material. However, in order to use the aluminum silicon carbide composite material obtained by this manufacturing method as a substrate material for mounting a semiconductor element, it is difficult to accurately form a thin material, and there is a problem in terms of manufacturing cost. It was.
[0015]
On the other hand, US Pat. No. 6,250,127 proposes another method for producing an aluminum silicon carbide composite material. According to this US patent publication, an aluminum silicon carbide composite ingot obtained by a mass production method is processed into a strip shape by a hot extrusion method, and further processed into a ribbon shape having a thickness of 1 to 2 mm by hot rolling. Is described, and a lid-shaped substrate material is manufactured by stamping and coining. However, with this manufacturing method, it is possible to manufacture a thin-walled substrate material. However, for example, heating is required when processing into a lid shape, and this heating increases the manufacturing cost. there were. Furthermore, when a substrate material having a complicated shape is required in the future, if a heating process becomes indispensable for the shape processing, it becomes impossible to avoid further increase in manufacturing cost. The manufacturing method has a big problem in terms of manufacturing cost.
[0016]
Further, for example, Japanese Patent No. 3023985 discloses an apparatus and a method for casting a metal matrix composite material. This patent publication discloses a method of casting a composite material in which reinforcing material particles are dispersed in a metal matrix. In particular, a method for producing a solid cast composite material in which reinforcing material particles are uniformly dispersed is described.
[0017]
By the way, when using a composite material for the substrate material for mounting a semiconductor element, it is required that the reinforcing material particles are more uniformly distributed, unlike a normal structural material. In the process of processing the composite material into a thin plate, if the reinforcing material particles are not uniformly distributed, the uniform processing is not performed, so that the thin plate is partially warped or swelled. In addition, since uniform processing cannot be performed, processing to make a thin wall or processing to give a complicated shape may be difficult or impossible. Even if the above processing can be performed, there is a problem that warpage, undulation, and the like occur. Furthermore, if the reinforcing material particles are not uniformly distributed in the composite material, there is a problem that characteristics such as the thermal expansion coefficient and thermal conductivity of the composite material vary. If the reinforcing material particles are not uniformly distributed, there is a problem that the roughness of the surface after imparting the shape becomes large or the reinforcing material particles fall off. Therefore, when the composite material is used for the semiconductor element mounting substrate material, it is required to distribute the reinforcing material particles more uniformly.
[0018]
In response to such a requirement, the above-mentioned Japanese Patent No. 3023985 discloses that the distribution of ceramic particles as reinforcing material particles becomes more uniform by increasing the cooling rate in the casting method of the metal matrix composite material. It is disclosed that the occurrence rate of a region where no is present and a region where the concentration of ceramic particles is too high is reduced. However, there is a problem that the uniformity of the distribution of the reinforcing material particles required for the semiconductor element mounting substrate material cannot be obtained only by increasing the cooling rate. That is, the nonuniformity of the distribution of reinforcing material particles, which was not a problem when using a composite material for a normal structural material, becomes a problem in the substrate material for mounting a semiconductor element. Further homogenization is desired.
[0019]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a light-weight, excellent consistency of thermal expansion coefficient with peripheral members, high thermal conductivity, and reinforcing material particles under the background of the prior art as described above. Is uniformly distributed, and can be easily processed into a thin shape or a complicated shape, and a semiconductor element mounting substrate material with a low manufacturing cost is manufactured.
[0020]
[Means for Solving the Problems]
As a result of various studies to achieve the above object, the present inventor has not only increased the cooling rate in the continuous casting process, but also continuously obtained a substrate material in which ceramic particles or metal particles are more uniformly dispersed. It was found that it is necessary to reduce the rate of change of the cooling rate through the solidification process in the casting process. Based on this knowledge, the method for manufacturing a semiconductor element mounting substrate material according to the present invention includes the following characteristic steps.
[0021]
The method for producing a semiconductor element mounting substrate material according to the present invention comprises a mixing step of obtaining a molten mixture by dispersing at least one kind of ceramic particles and metal particles in a molten metal, and a continuous mixing of the molten mixture. And a continuous casting step of obtaining a cast material by cooling and solidifying, wherein the rate of change of the cooling rate through the solidification process in the continuous casting step is 50% or less.
[0022]
In the manufacturing method of this invention, it is preferable that the rate of change of the cooling rate in the continuous casting process is 20% or less.
[0023]
Moreover, in the manufacturing method of this invention, it is preferable that a cooling rate is 50 degrees C / sec or more in a continuous casting process.
[0024]
Furthermore, in the manufacturing method of this invention, it is preferable that the thickness of the cast material obtained in a continuous casting process is 20 mm or less.
[0025]
In the manufacturing method of this invention, it is preferable that a casting speed is 1000 mm / min or more in a continuous casting process.
[0026]
The manufacturing method of the present invention preferably further includes a step of processing the cast material into a plate-like material and a step of imparting a shape to the plate-like material. In this case, it is more preferable to continuously perform the continuous casting process and the process of processing the plate-like material.
[0027]
The step of processing the cast material into a plate-like material preferably includes a multi-pass rolling step in which the cast material is processed into a thin plate-like material by rolling. In this case, it is preferable to heat the raw material to a temperature of 200 ° C. or higher and 550 ° C. or lower before rolling in at least one pass of the rolling step.
[0028]
The step of imparting a shape to the plate-like material is preferably performed by performing at least one of coining and stamping at room temperature. In addition, the step of imparting a shape to the plate-shaped material includes at least one portion other than the portion subjected to the corrosion prevention treatment by contacting the plate-shaped material with a corrosive agent after performing a corrosion prevention treatment on a part of the plate-shaped material. This may be done by removing the part.
[0029]
In the production method of the present invention, the continuous casting step is preferably performed using any one of a twin belt method, a belt wheel method, a twin roll method, and a horizontal casting method.
[0030]
The material of the cast tool member that the molten mixture in the solidification process contacts in the continuous casting process, for example, the material of the belt, wheel, roll or mold is any material of iron, iron alloy, copper, copper alloy and graphite Is preferably included.
[0031]
In the production method of the present invention, the mixing step is preferably performed by uniformly dispersing the particles in the molten metal by mechanical stirring in a semi-molten state.
[0032]
The molten metal used in the production method of the present invention preferably contains at least one of aluminum and magnesium.
[0033]
The particles used in the production method of the present invention are made of a material containing at least one of aluminum oxide, silicon nitride, silicon carbide, titanium boride, beryllium oxide, silicon oxide, molybdenum, niobium and tungsten. preferable.
[0034]
The molten mixture obtained in the mixing step of the production method of the present invention preferably contains 5% by volume or more and 70% by volume or less of particles having an average particle size of 0.1 μm or more and 35 μm or less in the molten metal.
[0038]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In a specific embodiment of the present invention, the semiconductor package is suitable for a ceramic package or a metal package, and is particularly suitable for a package method such as a plastic package, a flip chip method or a ball grid array method. Various studies have been made on a method for manufacturing a semiconductor substrate material that has an expansion coefficient, is light in weight, can cope with an increasingly complex shape in the future, and is low in manufacturing cost. When a composite material in which ceramic particles or metal particles are dispersed in a metal or alloy using a conventional melting / compositing / casting method, the casting conditions such as the cooling rate change at each part of the cast material, and crystal grains A cast material having a uniform diameter and a distribution state of ceramic particles or metal particles could not be obtained. As a result, characteristics such as thermal conductivity and coefficient of thermal expansion varied, and the workability in the subsequent process of the cast material was adversely affected. Therefore, the inventors of the present application have studied various conditions of the casting method, and as a result, in continuous casting of a composite material in which ceramic particles or metal particles are dispersed in a metal or alloy, the crystal grain size is fine and uniform, The present inventors have found an optimum condition for obtaining a cast material in which ceramic particles and metal particles are uniformly dispersed, and further improving workability for imparting a shape after the cast material is processed into a thin plate. That is, not only by increasing the cooling rate in the continuous casting process, but also by reducing the rate of change of the cooling rate through the solidification process (the rate of change due to the location in the same cross section, the rate of change due to the location in the longitudinal direction), It has been found that metal particles can be distributed more uniformly. As specific conditions, it has been found that ceramic particles and metal particles can be more uniformly dispersed if the rate of change of the cooling rate through the solidification process in the continuous casting process is 50% or less. Such control of the rate of change of the cooling rate can be achieved by optimizing the material of the casting tool member such as a mold, the thickness of the casting material, the casting speed, and the like.
[0039]
Further, by continuously performing the continuous casting step and the processing step into the thin plate, there is no need to reheat to process the cast material, and the substrate material can be manufactured at a lower manufacturing cost. In addition, by performing the above steps continuously, it is possible to prevent an oxide film from being formed during reheating, and to obtain a thin plate having a good surface state.
[0040]
In the casting conditions described above, the reason why the rate of change of the cooling rate through the solidification process is 50% or less is that the crystal grain size and ceramics extend in the cross section (for example, the surface and the center) of the cast material and in the longitudinal direction. This is because the dispersed state of the particles or metal particles becomes more uniform. The lower limit of the rate of change of the cooling rate is about 0.1%.
[0041]
Moreover, it is preferable that a cooling rate is 50 degree-C / sec or more in the continuous casting process which obtains a casting material from a molten mixture. The reason why the cooling rate is 50 ° C./second or more is that when the cooling rate is 50 ° C./second or more, the crystal grains in the cast material become finer, and ceramic particles or metal particles can be more uniformly dispersed. Because it becomes. The upper limit of the cooling rate is about 2000 ° C./second.
[0042]
Furthermore, the thickness of the cast material is preferably 20 mm or less, more preferably 10 mm or less. If the thickness of the cast material is 20 mm or less, the dispersion state of the ceramic particles or metal particles is more uniform, and if it is 10 mm or less, the dispersion state of the ceramic particles or metal particles is further uniform and the crystal grains become finer. Note that the lower limit of the thickness of the cast material is about 0.1 mm.
[0043]
In the continuous casting process, the casting speed is preferably 1000 mm / min or more. The reason why the casting speed is 1000 mm / min or more is that when the casting speed is 1000 mm / min or more, a cast material with a smaller ripple mark and a good surface state can be obtained, and the dispersion state of ceramic particles or metal particles is This is because the crystal grains are more uniform and finer. The upper limit of the casting speed is about 100 m / min.
[0044]
The effective rolling reduction applied to the roll casting machine used in the continuous casting process is preferably 50% or less. The reason why the effective rolling reduction is 50% or less is that a cast material cannot be obtained when the effective rolling reduction exceeds 50%.
[0045]
As a method of processing the cast material obtained in the continuous casting process into a thin plate, the cast material is formed into a thin plate by rolling, and a plurality of passes of rolling are performed. At least one of the passes is a material before rolling. Is preferably heated to a temperature of 200 ° C. or higher and 550 ° C. or lower. In this case, the reason for setting the heating temperature of the material to 200 ° C. or more and 550 ° C. or less is that processing strain accumulates below 200 ° C., rolling cracks occur, and if it exceeds 550 ° C., the parent phase may be dissolved. is there.
[0046]
As a method of imparting a shape to a thin plate, there is a method of coining and stamping at room temperature. The thin plate obtained through the continuous casting process of the present invention has fine crystal grains and uniformly dispersed ceramic particles or metal particles. For this reason, the thin plate can be easily processed into a complicated shape by coining and stamping at room temperature.
[0047]
As another processing method for imparting a shape to a thin plate, after a portion of the thin plate is subjected to corrosion prevention treatment, the thin plate is brought into contact with a corrosive agent to remove at least a portion other than the portion subjected to the corrosion prevention treatment. You may employ | adopt the processing method to do. In this case, since the thin plate obtained through the continuous casting process of the present invention has fine crystal grains and ceramic particles or metal particles are uniformly dispersed, the surface is very smooth and has a complicated shape. This member can be obtained at a low manufacturing cost.
[0048]
As a continuous casting method of a composite material in which ceramic particles or metal particles are dispersed in a metal or alloy, it is preferable to employ a twin belt method, a belt wheel method, a twin roll method, a horizontal casting method, or the like. Regardless of which method is used, it is possible to continuously cast a composite material in which ceramic particles or metal particles are uniformly dispersed. However, in order to manufacture a thin plate with high dimensional accuracy, a horizontal casting method is employed. Is the most suitable. In addition, when the twin roll method is employed, it is possible to apply a reduction, and even when defects such as bubbles are present in the molten state, they can be repaired at the time of casting.
[0049]
If the material of the casting tool member that is in contact with the molten mixture in the solidification process in the continuous casting process, that is, the material of the belt, wheel, roll or mold of the horizontal casting is iron, iron alloy, copper, copper alloy or graphite The preferable continuous casting process for achieving the effects of the present invention can be realized. When copper or a copper alloy is used as the material, the cooling rate in the continuous casting process can be maximized, and as a result, the casting rate can be increased. Further, when graphite is employed as the material, continuous casting can be performed without lubrication. Note that the temperature of the belt, wheel, roll or horizontal casting mold is preferably made constant by air cooling, water cooling or the like.
[0050]
As a method for uniformly dispersing ceramic particles or metal particles in the molten metal in the matrix phase, there is a method in which the ceramic particles or metal particles are dispersed by stirring in the molten metal in which the matrix phase is completely in the liquid phase. However, when the matrix is in a semi-molten state, the particles can be dispersed more uniformly in a short time by stirring. Further, when the matrix phase is stirred in a semi-molten state, the hot metal flowability is good, so that it is easy to perform continuous casting in the subsequent process. In particular, it is possible to easily obtain a thin continuous casting material.
[0051]
Lightweight, excellent thermal expansion coefficient consistency with peripheral members, and semiconductor device mounting substrate material with high thermal conductivity is composed of aluminum, magnesium and alloys containing them as the main component. Preferably there is. The ceramic particles or metal particles are preferably at least one of aluminum oxide, silicon nitride, silicon carbide, titanium boride, beryllium oxide, silicon oxide, molybdenum, niobium and tungsten.
[0052]
In addition, ceramic particles or metal particles can be compounded, for example, stirred in a short time, and the reaction between the mother phase and the particles can be reduced, the occurrence of defects can be reduced, and the mother particles can be uniformly dispersed. It is preferred to alloy the phases. When an aluminum alloy is used as the parent phase, for example, the aluminum alloy is at least selected from the group consisting of silicon (Si), titanium (Ti), magnesium (Mg), strontium (Sr), and calcium (Ca). It is preferable to use one containing one kind of element and inevitable impurities. When a magnesium alloy is used as the parent phase, the magnesium alloy is, for example, aluminum (Al), zinc (Zn), silicon (Si), titanium (Ti), calcium (Ca), strontium (Sr), It is preferable to use one containing at least one element selected from the group consisting of manganese (Mn), zirconium (Zr) and rare earth elements and inevitable impurities.
[0053]
The average particle size of the ceramic particles or metal particles may be from 0.1 μm to 35 μm, and the content of the particles may be from 5% by volume to 70% by volume. The reason why particles having an average particle diameter of 0.1 μm or more and 35 μm or less are used is that it is difficult to uniformly disperse if the particle diameter is less than 0.1 μm, and if it exceeds 35 μm, gravity segregation tends to occur when left in a molten state. . The reason why the content of the particles is 5% by volume or more and 70% by volume or less is that when the content is less than 5% by volume, the thermal expansion coefficient or the thermal conductivity of the substrate material as a composite material finally obtained is a metal constituting the parent phase or This is because there is almost no difference from the alloy and there is no advantage of containing ceramic particles or metal particles in the matrix, and when it exceeds 70% by volume, it is difficult to uniformly disperse the particles.
[0054]
【Example】
A composite material in which ceramic particles or metal particles were dispersed in a matrix phase was prepared using two types of compositions of an aluminum alloy and a magnesium alloy as a matrix phase.
[0055]
An aluminum ingot having a purity of 99.95% was melted in an electric furnace in the atmosphere, and silicon (Si) was added to produce about 30 kg of an aluminum-8 mass% silicon alloy. Then, the molten metal process was performed using argon (Ar) gas. And the obtained aluminum alloy molten metal was moved to the compound furnace which can be evacuated which has a crucible and a stirring blade. Thereafter, strontium (Sr) was added to the above molten aluminum alloy to prepare a molten aluminum-8 mass% silicon-0.1 mass% strontium alloy. After removing the oxide film formed on the surface of the molten metal, 1.33 Pa (10 -2 A vacuum was drawn to a pressure of Torr). And stirring of molten metal was started in the state which kept the temperature of molten metal at 595 degreeC. The rotation speed of the stirring blade was 600 rpm. After confirming the state of stable stirring of the molten metal, silicon carbide (SiC) or titanium boride (TiB) particles were added to prepare about 10 kg of composite materials in which the particles were uniformly dispersed. The matrix composition, additive particle type, average particle size, and addition ratio of the composite material thus obtained are shown in Tables A, B, and C, respectively.
[0056]
In addition, a magnesium ingot having a purity of 99.95% was dissolved in an argon (Ar) gas atmosphere. Aluminum (Al) and calcium (Ca) were added to the molten metal to prepare a magnesium-2 mass% Al-0.5 mass% calcium alloy. Thereafter, the molten magnesium alloy was transferred to the above composite furnace. Stirring of the molten metal was started while maintaining the molten metal temperature at 640 ° C. The rotation speed of the stirring blade was 600 rpm. After confirming the state of stable stirring of the molten metal, silicon carbide (SiC) or niobium (Nb) particles were added to produce about 10 kg of composite materials in which the particles were uniformly dispersed. The matrix D, the type of additive particles, the average particle size, and the addition ratio of the composite material thus obtained are shown in types D and E in Table 1.
[0057]
[Table 1]
By supplying molten metal of each type of composite material shown in Table 1 to various casting machines of the double belt method, belt wheel method, or twin roll method, or to the mold of the horizontal casting machine, through a runway such as a firewood, continuous A cast material was produced by a casting method. As a comparative example, a cast material was produced by casting a molten composite material in a normal mold. Table 2 shows the types of composite materials, casting conditions, and dimensions of the obtained cast materials.
[0059]
[Table 2]
In the continuous casting process, when the molten metal of the composite material was supplied from the composite furnace to the casting machine, gravity segregation was not observed in the cast material even if stirring was not performed. Moreover, when the cross section of the obtained cast material was observed, sample no. It was confirmed that all of the cast materials 1 to 7 had fine crystal grains, and ceramic particles or metal particles were uniformly dispersed. However, in the casting material of the comparative example, the sample No. Compared with 1 to 7, the crystal grains were large, and the distribution of silicon carbide (SiC) particles as ceramic particles was non-uniform.
[0061]
1 and 2 show the sample numbers of Table 2. 4 is a photomicrograph obtained by observing a cross section of a cast material of No. 4; FIG. 3 is a micrograph observing a cross section of a cast material produced as a comparative example.
[0062]
The obtained sample No. The cast materials of 1 to 7 and the comparative example were each rolled to produce a thin plate having a thickness of 1.0 mm. Sample No. For the cast materials of 3, 4, 5, 7 and the comparative example, the cast material is heated to a temperature of 450 ° C., the thickness reduction rate for each pass is set to 20%, and hot until the thickness reaches 1.0 mm. Rolled. Sample No. For the cast materials 1, 2 and 6, the cast material was heated to a temperature of 400 ° C., the thickness reduction rate in one pass was 20%, and hot rolling was performed until the thickness became 1.0 mm. As a result, sample no. The cast materials 1 to 7 could be rolled without any problem until the thickness became 1.0 mm. However, the cast material of the comparative example could be rolled until the thickness reached 1.0 mm, but the cracks were generated in the obtained rolled material.
[0063]
Sample No. obtained above. The thermal conductivity and thermal expansion coefficient of the composite materials of 1 to 7 and the comparative example were measured. The thermal conductivity was measured by a laser flash method using a disk-shaped specimen. The thermal expansion coefficient was measured by a differential transformer method using a columnar specimen. The results are shown in Table 3.
[0064]
[Table 3]
Next, the sample No. obtained by rolling process. Each thin plate of 1 to 7 and the comparative example was processed into a shape having a width and length of 30 mm, and a recess having a width and length of 15 mm and a depth of 0.2 mm was formed in the center. As a result, sample no. About 1-7, said shape was able to be provided to the thin plate by stamping and coining at room temperature. However, with respect to the sample of the comparative example, when the above shape was applied to the thin plate by stamping and coining at room temperature, cracks occurred and the desired shape could not be obtained. Thus, for the sample of the comparative example, when the stamping and coining processing was performed on the thin plate while being heated to a temperature of 250 ° C., the above shape could be imparted to the thin plate without any problem.
[0066]
In addition, the obtained sample No. In order to give the same shape as the above to the thin plate using 1 to 7 and the thin plate of the comparative example, a corrosion treatment was applied to the thin plate. As a result, sample no. About 1-7, the surface of the recessed part was very smooth. However, the surface roughness of the comparative sample was larger than that of the inventive sample. When the surface roughness was measured, the sample No. The surface roughness Ra of 1 to 7 is 3.1, 3.2, 3.5, 3.6, 3.2, 3.1, 3.3 μm, respectively, and the surface roughness of the sample of the comparative example Ra was 11.2 μm.
[0067]
It should be considered that the embodiments and examples disclosed above are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is shown not by the above embodiments or examples but by the scope of claims, and is understood to include all modifications and variations within the meaning and scope equivalent to the scope of claims. Should.
[0068]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, in a method for manufacturing a semiconductor element mounting substrate material that is lightweight, has excellent thermal expansion coefficient consistency with peripheral members, and has high thermal conductivity, ceramic particles or metal It is possible to provide a manufacturing method in which particles can be uniformly distributed, processed into a thin wall or a complicated shape, and low in manufacturing cost.
[0069]
Therefore, it is possible to easily follow the weight reduction of packages in various semiconductor devices and the change in the structure thereof, and it is possible to provide light-weight and various-shaped semiconductor element mounting substrates at low cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a photomicrograph showing a cross section of a cast material obtained in an example of the present invention.
FIG. 2 is a photomicrograph showing a further enlarged cross section of a cast material obtained in an example of the present invention.
FIG. 3 is a photomicrograph showing a cross section of a cast material obtained as a comparative example of the present invention.
Claims (17)
前記溶融混合物を連続的に冷却して凝固させることによって鋳造材を得る連続鋳造工程とを備え、
前記連続鋳造工程において凝固過程を通じた冷却速度の変化率が５０％以下である、半導体素子搭載用基板材の製造方法。A mixing step of obtaining a molten mixture by dispersing at least one kind of particles selected from the group consisting of ceramic particles and metal particles in the molten metal;
A continuous casting step of obtaining a cast material by continuously cooling and solidifying the molten mixture,
A method for manufacturing a semiconductor element mounting substrate material, wherein a rate of change of a cooling rate through a solidification process in the continuous casting process is 50% or less.
前記板状材に形状を付与する工程とをさらに備える、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の半導体素子搭載用基板材の製造方法。Processing the cast material into a plate-like material;
The method for producing a semiconductor element mounting substrate material according to any one of claims 1 to 5, further comprising a step of imparting a shape to the plate-like material.
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