JP5096410B2

JP5096410B2 - 実装構造

Info

Publication number: JP5096410B2
Application number: JP2009116982A
Authority: JP
Inventors: 健二宮本; 千花山本; 俊和南部; 雅資菅沼; 智之佐藤; 友則唐澤
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd; Nissei Plastic Industrial Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd; Nissei Plastic Industrial Co Ltd
Priority date: 2009-05-13
Filing date: 2009-05-13
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2029-05-13
Also published as: JP2010267744A

Description

本発明は、半導体素子などを搭載した実装構造に関し、特に、積層構造体をなし、上下の層の部材の熱応力を緩和しうる実装構造に関する。

従来、半導体素子を基板に搭載する際には、安定した動作のために、素子の発熱が引き起こす影響を低減するように工夫がされている。例えば、半導体素子の発生する熱を効率よく放熱するという観点から、はんだの高い熱伝導率に着目し、炭素焼結体にはんだを含浸させた放熱部材が提案されている（下記特許文献１参照）。このような部材は、半導体素子とパッケージの間に双方に接触させて配置され、半導体素子からの熱を放出する役割を果たす。はんだは熱伝導性に優れ、放熱部材としての使用は物性の点からは適当であるが、環境に有害な鉛を含んでいる。そのため、近年では環境への影響に配慮し、はんだを使用せずにすむよう代替材料が求められている。

一方で、自動車業界では、電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）の導入による二酸化炭素排出量の低減に注目が集まっている。このような電気自動車の制御用等にも半導体素子は使用されているが、半導体素子や周辺デバイスは３００℃程度と従来よりも高温の使用環境となるために、これらもより耐熱性を高めることが求められている。そのため、使用される半導体材料としては、従来のシリコンからより耐熱性に優れるシリコンカーバイド（ＳｉＣ）へと変化してきている。ＳｉＣはシリコンに比べ、耐熱性に優れるだけでなく、高電圧・高電流を流すことができるために、エネルギー効率向上および素子の小型化に対応できるという側面からも好適な材料である。

特開２００７−１２８３０号公報

上記のように、半導体材料としてＳｉＣが使用されるようになり、半導体素子はより高温で過酷な環境で使用されるようになってきている。それゆえ、熱による新たな問題も生じている。対処の必要なそのような問題の一つとして、熱による材料のひずみ、熱応力が挙げられる。高温の環境で使用されるため、またＳｉＣを使用した半導体素子は発熱量が増加するために、周辺部材との間に大きな熱応力が発生することがある。例えば、半導体素子に接している部材が熱による変形の大きい素材であれば、ＳｉＣが熱によって変形しにくいために、熱応力によって半導体素子にクラックが入ってしまう。そのため、半導体素子と周辺の部材との間で生ずる熱応力を緩和させる手段が必要となる。

上記従来技術のはんだを含浸させた炭素焼結体は、熱応力緩和の能力はあるものの、鉛を含むことから環境問題のために使用することが好ましくない。のみならず、はんだは通常２５０℃以上では融点を超えてしまうため、３００℃程度の高温の使用環境では使用することができない。

このような実情に鑑み、本発明では、はんだを使用せずに、より高温の環境においても積層される上下の部材の熱応力を効果的に緩和することのできる実装構造を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の提供する積層構造体（実装構造）は、材料Ａおよび材料Ｂの線膨張係数がα_ａ＜α_ｂの関係を満たす場合に、材料Ａおよび材料Ｂの間に、熱応力緩和のための材料Ｃを挿入する。その際、材料Ｃが導電性を有し、多孔質体であることを特徴とする。

本発明の積層構造体は、材料Ｃが多孔質体なため低弾性であることにより、材料Ｃの上下に配置する、線膨張係数の差が大きい材料Ａおよび材料Ｂの熱応力を緩和することができる。したがって、材料Ｂが熱により変形した場合に、材料Ａがその変形に追随しないことに起因する損傷等を防止できる。

本発明の一実施形態による積層構造体を示す断面図である。銅ＣＮＴ複合材料の構造を模式的に示した図である。本発明の一実施形態による銅ＣＮＴ複合材料の断面をＳＥＭによる観察像を示す図である。図３の観察像の一部を拡大した像を示す図である。図３の観察像の別の一部を拡大した像を示す図である。

以下、本発明の積層構造体について詳細に説明する。

本発明の積層構造体は、α_ａ＜α_ｂの関係を満たす材料Ａと材料Ｂとの間に、導電性があり多孔質体である材料Ｃを挟んで構成される。ここで、α_ａは材料Ａの線膨張係数を表し、α_ｂは材料Ｂの線膨張係数を表わす。すなわち、発熱などの温度変化が生じたときに、材料Ａは線膨張係数が小さく伸びにくい、すなわち変形しにくく、材料Ｂは線膨張係数が大きく伸びやすい、すなわち変形しやすい素材である。この間に挟まれる材料Ｃは、多孔質体とすることにより、同一の材料で多孔質体ではないものよりも見かけの弾性が低下し、変形しやすい材料である。材料Ｃを間に挿入することにより、材料Ｃの材料Ａに接している側はあまり変形せず、一方の材料Ｂに接している側は、材料Ｂの伸びに合わせて変形する。このことにより、材料Ａと材料Ｂとの間の熱応力を緩和できる。

次に本発明の好ましい実施形態について説明する。図１は、本発明の好ましい実施形態の積層構造体を示した断面図である。図１中、本実施形態の積層構造体１０は、材料ＡとしてＳｉＣを使用した半導体素子１と、材料Ｂとして電子部品の配線に広く使用される銅を使用した配線電極３との間に、材料Ｃを挟んでいる。ＳｉＣの線膨張係数は４．５×１０^−６／Ｋ、銅の線膨張係数は１６．６×１０^−６／Ｋであり、両者の線膨張係数は大きく異なる。材料Ｃは、銅マトリックス中にカーボンナノチューブを含んだ膜（以下、銅ＣＮＴ複合材料と称する）である。銅ＣＮＴ複合材料２は、マトリックス材としての銅の中に微粒子としてカーボンナノチューブを含む多孔質体の膜である。

銅ＣＮＴ複合材料２は、多孔質体であることにより、ヤング率が小さく線膨張係数が大きいという性質を有する。すなわち熱による変形もしやすいが、通常の銅箔よりも見かけの弾性が低下し、外的な力による変形に追随しやすい。したがって、高温の環境において、配線電極３が熱変形した場合にはその変形に追随して変形し、半導体素子１に接する側は半導体素子１と共に形を維持したままとなり、熱応力緩和層としての機能を発揮する。このような銅ＣＮＴ複合材料２を挿入することにより、高温の環境での熱応力に起因する半導体素子１のクラックを防止でき、信頼性の高い半導体デバイスを提供できる。また、マトリックス材が銅であるために、銅ＣＮＴ複合材料２はそれ自身の放熱性や電気伝導性にも優れている。したがって、半導体素子１の発生する熱を吸収することもでき、配線電極３と半導体素子１との間を電気的に接続する役割も果たしている。

銅ＣＮＴ複合材料２が多孔質体であることは、上記のように低弾性という物性に反映され、本発明における効果を発揮するため、ヤング率の測定によって知ることができる。本発明においては、多孔質体は、ヤング率５０〜１２５ＧＰａのものをいい、より好ましくは５０〜１００ＧＰａ、最も好ましくは５０〜９０ＧＰａである。本実施形態においては、半導体素子と配線電極との熱応力を効果的に緩和するために、多孔質体のヤング率は５０〜９０ＧＰａであることが好適である。

銅ＣＮＴ複合材料は、その断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で４０００倍で観察すると、多孔質であることが確認できる。上記のヤング率が実現されれば、空孔の大きさおよび空孔率等は特に制限されない。

また、本実施形態における銅ＣＮＴ複合材料２の好ましい厚さは、熱応力を効果的に緩和するために、１０〜３００μｍであることが好ましく、より好ましくは５０〜２００μｍである。

銅ＣＮＴ複合材料が多孔質体となるのは、マトリックス材である銅と微粒子であるカーボンナノチューブの濡れ性が悪いことによる。そのために製造工程においてカーボンナノチューブが銅をはじき、両者の界面に空孔が生じ、全体が多孔質体となる。

図２は、銅ＣＮＴ複合材料中の空孔の様子を模式的に示した図である。図２に示すように、銅ＣＮＴ複合材料において、マトリックス材４中にはカーボンナノチューブ６が含まれている。マトリックス材４とカーボンナノチューブ６との濡れ性の悪さから、両者の界面には、製造工程において生じた空孔５が多数存在している。

図３は、銅ＣＮＴ複合材料２の断面をＳＥＭにて１０００倍で観察した像である。断面に一様に空孔が存在していることが観察される。図４Ａおよび図４Ｂは、いずれも図３の断面観察像の互いに異なる一部を拡大した図であり、１００００倍の観察像である。線状に見えるカーボンナノチューブの周囲に空孔ができている様子が、図４Ａおよび図４Ｂのいずれにも観察される。

本実施形態において、多孔質体を形成するのに好ましい微粒子の例としては、多孔質体を形成するのに適当な銅との濡れ性の関係から、以下のものが挙げられる。すなわち、カーボンナノチューブ、ナノダイヤモンド、フラーレンおよびカーボン繊維の少なくとも一種を使用することができる。しかし、互いの濡れ性の悪さから多孔質体を形成できれば、マトリックス材および微粒子は上記のものに限られない。

銅ＣＮＴ複合材料は、電解めっき方法によって製造することができる。例えば、銅めっき液にカーボンナノチューブ、光沢剤および界面活性剤を混合して、複合めっき液を調製し、この複合めっき液に金属材料を投入して、電解めっきを施す。その後、得られためっき膜を金属材料からはがし、銅ＣＮＴ複合材料を得る。より詳細には、特開２００８−１６３３７６号公報に記載の複合めっき方法を用いることができる。したがって、本実施形態の銅ＣＮＴ複合材料には、電解めっきの際に使用される微量の光沢剤や滑剤が含まれていてもよい。また、カーボンナノチューブはシリコン等で被覆されていてもよい。

本実施形態に好適な多孔質体を得るには、直径０．４〜１５０ｎｍ、より好ましくは１０〜１５０ｎｍ、さらに好ましくは５０〜１５０ｎｍのカーボンナノチューブを使用する。カーボンナノチューブの直径は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）または原子間力電子顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて測定するものとする。カーボンナノチューブの長さとしては、通常数μｍ〜１００μｍである。カーボンナノチューブの添加量としては０．００１〜１０質量％、より好ましくは０．００１〜１質量％、さらに好ましくは０．５〜１質量％である。

銅ＣＮＴ複合材料の線膨張係数については、銅ＣＮＴ複合材料と銅とを比較すると、カーボンナノチューブを含むことによって銅ＣＮＴ複合材料の線膨張係数は大きくなる。すなわち、多孔質体はそれ自身も熱によって変形しやすくなるため、銅ＣＮＴ複合材料自身の熱変形が半導体素子に影響しないように配慮することが好ましい。そのために、従来の機械的強度の補強のためにカーボンナノチューブを添加するような用途に比較して、本実施形態ではカーボンナノチューブの添加量は少量に調整することが好ましい。カーボンナノチューブの添加量は、上記の範囲内に調整することにより、銅ＣＮＴ複合材料の多孔質体は本実施形態に好適な線膨張係数となる。

材料Ｃの好適な線膨張係数としては、１２×１０^−６／Ｋ以上、２２×１０^−６／Ｋ未満の範囲であり、好ましくは、１２×１０^−６／Ｋ〜２０×１０^−６／Ｋ、より好ましくは、１２×１０^−６／Ｋ〜１５×１０^−６／Ｋの低線膨張係数を有することが望ましい。

特に、マトリックス材がＮｉの場合、材料Ｃの好適な線膨張係数としては、１２×１０^−６／Ｋ以上、１５×１０^−６／Ｋ未満の範囲であり、好ましくは１２×１０^−６／Ｋ〜１４×１０^−６／Ｋの範囲である。

マトリックス材がＣｕの場合、材料Ｃの好適な線膨張係数としては、１５×１０^−６／Ｋ以上、２２×１０^−６／Ｋ未満の範囲であり、好ましくは１６×１０^−６／Ｋ〜１９×１０^−６／Ｋの範囲である。

更にマトリックス材がＡｌの場合、材料Ｃの好適な線膨張係数としては、１５×１０^−６／Ｋ〜２０×１０^−６／Ｋの範囲が好適である。

材料Ｃの好適な線膨張係数が上記範囲内であれば、材料Ａと材料Ｂとの間に、上記範囲の低線膨張係数の材料Ｃを介在させることにより、熱応力の発生を緩和することができる。その結果、積層構造体の熱応力による損傷等を防止でき、耐久信頼性を向上することができる。

前述のようにマトリックス材がＣｕの場合、材料Ｃの好適なヤング率としては、５０〜１２５ＧＰａ、好ましくは５０〜９０ＧＰａの範囲である。

更にマトリックス材がＡｌの場合、材料Ｃの好適なヤング率としては、７０〜１００ＧＰａ、好ましくは７０〜８０ＧＰａの範囲である。

材料Ｃの好適なヤング率が上記範囲内であれば、材料Ａと材料Ｂとの間に、上記範囲の材料Ｃを介在させることにより、材料Ｃの上下に配置する材料Ａないし材料Ｂに発生する熱応力を緩和することができる。その結果、積層構造体の熱応力による損傷等を防止でき、耐久信頼性を向上することができる。

上記のとおり、本発明の好ましい実施形態を説明してきたが、本発明は上記の実施形態に制限されない。図１では、半導体素子１が銅ＣＮＴ複合材料２と接する面積は、銅ＣＮＴ複合材料２が配線電極３と接する面積より小さく描かれているが、逆であってもよい。また半導体素子１、銅ＣＮＴ複合材料２および配線電極３がすべて同じ大きさであってもよい。要は、半導体素子１と配線電極３との間の熱応力を十分緩和できる程度に、銅ＣＮＴ複合材料２の少なくとも一部が両者に接触していればよい。

材料Ａの半導体素子としては、ＳｉＣを使用したものに限られず、ＧａＡｓ、Ｓｉ等従来公知の素材の素子に本発明は適用できる。また、材料Ａとしては、半導体素子（半導体チップ）以外にも、種々の表面実装素子（チップ部品）、例えば赤外線受光素子、側面発光ダイオード、水晶発振子なども利用可能である。そして、材料Ａの好適な線膨張係数としては、２．６×１０^−６／Ｋ〜８×１０^−６／Ｋ、好ましくは、２．６×１０^−６／Ｋ〜６．８×１０^−６／Ｋ、より好ましくは、２．６×１０^−６／Ｋ〜４．５×１０^−６／Ｋの範囲にあることが望ましい。材料Ａの好適な線膨張係数が上記範囲内であれば、半導体素子（半導体チップ）などの材料Ａと材料Ｂとの間に、後述する材料Ｃを介在させることにより、高温動作される半導体素子の材料Ａにより材料Ｂが変形することで発生する熱応力を、当該材料Ｃにより緩和することができる。その結果、積層構造体の熱応力による損傷等を防止でき、耐久信頼性を向上することができる。材料Ｂの配線電極材料としては、銅に限られず、アルミニウム、銅、銀、金およびモリブデン並びにこれらの合金から選ばれた少なくとも一種に本発明は適用できる。この場合、５．１×１０^−６／Ｋ〜２３．５×１０^−６／Ｋの線膨張係数を有することが望ましい。

材料Ｂの好適な線膨張係数が上記範囲内であれば、相対的に小さい線膨張係数を有する半導体素子（半導体チップ）などの材料Ａと、相対的に大きな線膨張係数を有する配線電極（金属材料）の材料Ｂとの間に、後述する材料Ｃを介在させることによって、材料Ｃの材料Ｂに接している側においても材料Ｂにより材料Ｃの変形が抑えられ、あまり変形せず、材料Ａに加わる熱応力を材料Ｂにより緩和できる。その結果、材料Ａと材料Ｂとの間の熱応力を緩和することができ、積層構造体の熱応力による損傷等を防止でき、耐久信頼性を向上することができる。

また、多孔質体に含まれる微粒子としてカーボンナノチューブ以外の材料、カーボン繊維、フラーレン等の添加量についても、従来の補強材としての用途の場合よりも少量であることが好ましい。添加量としては０．００１〜１０質量％、より好ましくは０．００１〜１質量％、さらに好ましくは０．１〜１質量％である。その理由は、カーボンナノチューブの場合について上述したものと同様である。

また、材料Ａと材料Ｂとがα_ａ＜α_ｂの関係を満たしていれば、本発明の用途は半導体デバイスに限られない。例えば、樹脂製の部品を金属板の上に固定するなど、温度変化が想定される環境で、線膨張係数差が大きい材料同士を接合する場合にも本発明は適用できる。

以上説明してきたように、本発明は、以下のような効果を示す。
（ａ）線膨張係数差のある材料Ａおよび材料Ｂの間に、導電性を有し多孔質体である材料Ｃを挿入することにより、高温の環境においてもその上下の材料の熱応力を効果的に緩和できる。
（ｂ）導電性を有するマトリックス材と微粒子とを含むことにより、導電性を有し熱応力緩和に好適な多孔質体が製造できる。
（ｃ）半導体素子および配線電極に本発明を適用することにより、高温の動作環境や半導体素子からの発熱があっても、素子と電極との間に生じる熱応力により半導体素子が損傷するのを防止し、信頼性の高い半導体デバイスを実現できる。
（ｄ）マトリックス材が銅であると、多孔質体が半導体実装に好適な導電性を有する。
（ｅ）微粒子がカーボンナノチューブ、ナノダイヤモンド、フラーレンおよびカーボン繊維の少なくとも一種であると、半導体素子の実装構造に好適な多孔質体となる。
（ｆ）電解めっきを用いることにより、熱応力緩和に好適な多孔質体を製造できる。

以下、本発明を実施例および比較例を通して説明する。
（実施例１および２）
後掲の表１に示すように、材料ＡとしてＳｉＣ（大きさ：５ｍｍ×５ｍｍ×０．３ｍｍ）、材料ＢとしてＣｕ（大きさ：１３ｍｍ×１３ｍｍ×０．５ｍｍ）を準備した。材料ＢしてのＣｕは圧延材であり、材料を圧延ロール間に挟んで薄く延ばした後、焼鈍することによって材料表面に再結晶集合組織、即ち「特定の優先方位を持った、細かい結晶粒が集まった組織」を形成したものである。材料Ｃとしては、銅マトリックス中にそれぞれ表１に示す添加量のマルチウォールカーボンナノチューブ（ＭＷＣＮＴ；直径１５０ｎｍ）を含む多孔質体（大きさ：７ｍｍ×７ｍｍ×０．０２７ｍｍ）を準備した。

多孔質体は、特開２００８−１６３３７６号公報に記載の電解めっき方法によって製造した。めっき条件は以下の通りとした。

電流密度：１Ａ／ｄｍ^２
めっき時間：６０分
ＰＨ：約７
めっき浴温度：約５０℃
これらの材料の平均線膨張係数α_ａ、α_ｂおよびα_ｃを、熱機械分析装置（ＴｈｅｒｍａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＡｎａｌｙｓｉｓ；ＴＭＡ）による測定で求めた。昇温、降温速度は５℃／分で、２３〜３００℃の平均線膨張係数を求めた。

また、これらの材料のヤング率σ_ａ、σ_ｂおよびσ_ｃをＪＩＳＺ２２８０：１９９３（金属材料の高温ヤング率試験方法）に準じ、但し高精度ビデオ伸び計を用いた引張試験により室温（２５℃）でそれぞれ測定した。この測定は、試験速度１．０ｍｍ／ｍｉｎ、標点間距離２５ｍｍにより行った。

測定結果は、材料と共に表１に示す。これらの測定結果を基に、材料Ａ、材料Ｃ、材料Ｂを積層した場合の、材料Ｃの熱応力緩和層としての効果について後述するように考察した。
（実施例３および４）
材料Ｃとして銅マトリックス中に表１に示す添加量の炭素繊維を含む多孔質体を用いた以外は、実施例１と同様に材料Ａ、材料Ｂ、材料Ｃを準備し線膨張係数およびヤング率をそれぞれ測定した。測定結果を表１に示す。
（実施例５および６）
材料ＢとしてＡｌ、材料Ｃとして銅マトリックス中に表１に示す添加量のフラーレン（Ｃ６０）を含む多孔質体を用いた以外は、実施例１と同様に材料Ａ、材料Ｂ、材料Ｃを準備し線膨張係数およびヤング率をそれぞれ測定した。測定結果を表１に示す。
（比較例１）
従来技術との比較のため、比較例１では材料ＣとしてＳｎ−３７Ｐｂはんだを用いた。それ以外は、実施例１と同様にして、材料Ａ、材料Ｂ、材料Ｃを準備し線膨張係数およびヤング率をそれぞれ測定した。測定結果を表１に示す。
（比較例２）
比較例２では、材料Ｃとして多孔質体ではない銅箔として銅めっき膜を用いた以外は、実施例１と同様にして、材料Ａ、材料Ｂ、材料Ｃを準備し線膨張係数およびヤング率をそれぞれ測定した。測定結果を表１に示す。なお、銅圧延材の材料Ｂと銅めっき膜の材料Ｃとでヤング率が異なるのは、それぞれの製法の違いにより金属の組織が異なるためと考えられる。

表１に示すように、ＳｉＣとＣｕ、ＳｉＣとＡｌでは、ＳｉＣ４．５×１０^−６／Ｋに対して、Ｃｕ１６．６×１０^−６／Ｋ、Ａｌ２３．５×１０^−６／Ｋと、線膨張係数差が大きい。そのため、ＳｉＣとＣｕまたはＡｌを直接積層すると、温度の上昇によってＳｉＣにクラックが入るおそれがある。一方、実施例１〜６において多孔質体の材料Ｃは、ヤング率が６５〜９０ＧＰａと、例えばＣｕの１２０ＧＰａに比較して低弾性を示すことが分かる。したがって、実施例１〜６の多孔質体を間に挿入することにより、ＳｉＣとＣｕまたはＡｌとの熱応力を緩和できることが分かる。

比較例１では、はんだを使用しているために、ヤング率は小さく最も低弾性である。しかしながら、上述のようにはんだは融点が低いため、３００℃付近の高温の環境で使用することはできない。比較例２では、材料Ｃとしての多孔質体ではない銅めっき膜は、ヤング率が９５ＧＰａと高くなっている。そのため、ＳｉＣと配線電極のＣｕとの間の熱応力を緩和するには弾性は十分ではない。

１半導体素子、
２銅ＣＮＴ複合材料、
３配線電極、
４マトリックス材、
５空孔、
６カーボンナノチューブ、
１０積層構造体。

Claims

半導体素子である材料Ａと、アルミニウム、銅、銀、金およびモリブデン並びにこれらの合金からなる群から選ばれた少なくとも一種の配線電極である材料Ｂと、材料Ａと材料Ｂとの間に挟まれた、Ｃｕ、Ｎｉ、またはＡｌであるマトリックス材とナノダイヤモンド、フラーレン、カーボン繊維およびカーボンナノチューブからなる群から選ばれた少なくとも一種の材料からなる微粒子とからなる材料Ｃとからなり、材料Ａの線膨張係数α _ａおよび材料Ｂの線膨張係数α _ｂが、α_ａ＜α_ｂの関係を満たし、材料Ｃが導電性を有し、ヤング率が５０〜９０ＧＰａである多孔質体であることを特徴とする積層構造体。
前記材料Ｃが、電解めっきによって形成されている請求項１に記載の積層構造体。