JP6041117B1 - Heat dissipation substrate, semiconductor package, semiconductor module, and method of manufacturing heat dissipation substrate - Google Patents

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Abstract

【課題】XY面内及びZ方向で高い熱伝導率と電気伝導度を有しボイド等がなく所期の特性が得られる放熱基板とその製造方法を提供する。【解決手段】Mo芯基材１１を貫通するように、Cu挿入体１２を導入して本体を作製し、その表裏面にCu熱伝導部材１３を配置して積層体を作製し、Cuの融点未満に加熱及び加圧してCuを局所的に溶融させて複合合金化する。これにより室温から300℃の温度範囲での線膨張係数が8.0ppm/K以下であり、300℃での熱伝導率が表面に平行な方向において150W/m・K以上かつ厚さ方向において200W/m・K以上であり、電気伝導率が60IACS%以上である放熱基板が得られる。この放熱基板は電極放熱基板として好適に用いることができる。また、こうした放熱基板を備えた半導体パッケージと半導体モジュールが得られる。【選択図】図１Disclosed is a heat dissipation substrate that has high thermal conductivity and electrical conductivity in the XY plane and in the Z direction, has no voids, and provides desired characteristics, and a method of manufacturing the same. A Cu insert 12 is introduced so as to penetrate through the Mo core substrate 11, and a main body is prepared. Cu heat conducting members 13 are arranged on the front and back surfaces of the body to prepare a laminate, and the melting point of Cu The Cu is locally melted by heating and pressurizing below to form a composite alloy. As a result, the linear expansion coefficient in the temperature range from room temperature to 300 ° C is 8.0 ppm / K or less, the thermal conductivity at 300 ° C is 150 W / mK or more in the direction parallel to the surface, and 200 W / in the thickness direction. A heat dissipation substrate having m · K or more and an electric conductivity of 60 IACS% or more can be obtained. This heat dissipation substrate can be suitably used as an electrode heat dissipation substrate. Moreover, a semiconductor package and a semiconductor module provided with such a heat dissipation substrate can be obtained. [Selection] Figure 1

Description

本発明は、半導体デバイスの動作時に発生する熱を放出するために用いられる放熱基板とその製造方法に関する。特に、電極としても好適に用いることができる放熱基板に関する。また、そのような放熱基板を備えた半導体パッケージ及び半導体モジュールに関する。   The present invention relates to a heat dissipation substrate used for releasing heat generated during operation of a semiconductor device and a manufacturing method thereof. In particular, the present invention relates to a heat dissipation substrate that can be suitably used as an electrode. The present invention also relates to a semiconductor package and a semiconductor module provided with such a heat dissipation substrate.

半導体デバイスは、パワー半導体、電波通信・光通信用半導体、レーザ、LED、センサー等、様々な分野で広く用いられている。   Semiconductor devices are widely used in various fields, such as power semiconductors, semiconductors for radio and optical communications, lasers, LEDs, and sensors.

半導体デバイスを搭載した半導体モジュールは、高度な情報処理やエネルギー変換を行う高度な精密機器であり、様々な材料で構成されている。また、半導体デバイスの動作により生じる熱を半導体モジュールの外部に放出するために放熱基板が用いられる。   A semiconductor module equipped with a semiconductor device is an advanced precision instrument that performs advanced information processing and energy conversion, and is composed of various materials. Further, a heat dissipation substrate is used to release heat generated by the operation of the semiconductor device to the outside of the semiconductor module.

適切なコストで半導体モジュールの高性能化を実施するために、該モジュールに実装する半導体デバイスの材料はSiからGaNやSiCに移行しつつある。また、従来、半導体デバイスの動作温度は最高125℃程度であったが、現在では175℃〜225℃で動作させることが多くなっており、将来的には300℃で動作させることが想定されている。そのため、300℃で動作する半導体デバイスに対応可能な放熱基板が求められている。また、新型の半導体モジュールに対応するためには新たな特性も必要になってきている。   In order to improve the performance of a semiconductor module at an appropriate cost, the material of a semiconductor device mounted on the module is shifting from Si to GaN and SiC. Conventionally, the operating temperature of semiconductor devices has been around 125 ° C at maximum, but nowadays it is often operated at 175 ° C to 225 ° C, and it is assumed that it will operate at 300 ° C in the future. Yes. Therefore, there is a demand for a heat dissipation substrate that can be used for semiconductor devices that operate at 300 ° C. In addition, new characteristics are also required to cope with new types of semiconductor modules.

Si、GaN、あるいはSiCの線膨張係数や熱伝導率といった基本的な物理的特性は広く知られているが、それらに配線加工され表面に金属層が形成された半導体デバイスとしての物理的特性には不明な点が多い。配線加工や金属層が形成されることにより線膨張係数が材料本来のものよりも大きくなっていると想定される。また、熱伝導率に関しては材料本来の値よりも低く、また温度が上がるとさらに低下する。Si、GaN、及びSiCに限らず、他の材料においても温度が上がると同様の傾向がある。   Basic physical characteristics such as linear expansion coefficient and thermal conductivity of Si, GaN, or SiC are widely known, but they have physical characteristics as a semiconductor device in which a metal layer is formed on the surface. There are many unclear points. It is assumed that the linear expansion coefficient is larger than that of the original material due to the wiring processing and the formation of the metal layer. Further, the thermal conductivity is lower than the original value of the material, and further decreases as the temperature increases. Not only Si, GaN, and SiC but also other materials have the same tendency as the temperature rises.

こうした状況を踏まえ、半導体モジュール、半導体パッケージ、放熱基板等のメーカーでは、半導体モジュール、半導体パッケージ、放熱基板の作製や実験、シミュレーションなどを繰り返し、設計のノウハウを蓄積して製品の改良や新製品の開発を行っている。   Based on this situation, manufacturers of semiconductor modules, semiconductor packages, heat sinks, etc. repeatedly manufacture, experiment, and simulate semiconductor modules, semiconductor packages, heat sinks, accumulate design know-how, improve products, Developing.

放熱基板には、温度と線膨張係数の異なる半導体デバイスと冷却器（Cu板、Al板、Alフィン、ラジエータ等の冷却器、あるいはそれらの組み合わせ）が上下に取り付けられる。半導体モジュールの動作中には、半導体デバイスや冷却器の取り付け位置で生じる熱応力でのひずみの整合を放熱基板の線膨張係数で取ることが求められる。さらに、半導体デバイスで生じた熱を冷却器に効率よく放出するために、高い熱伝導率を有することも求められる。一般に、線膨張係数及び熱伝導率は温度によって異なり、室温（RT）から半導体デバイスの最高動作温度までの全温度範囲で上記の要件を満たすことが求められる。   A semiconductor device and a cooler (a cooler such as a Cu plate, an Al plate, an Al fin, and a radiator, or a combination thereof) are attached to the heat dissipation board vertically. During the operation of the semiconductor module, it is required to match the strain due to the thermal stress generated at the mounting position of the semiconductor device or the cooler with the linear expansion coefficient of the heat dissipation board. Furthermore, in order to efficiently release the heat generated in the semiconductor device to the cooler, it is also required to have a high thermal conductivity. In general, the coefficient of linear expansion and the thermal conductivity vary depending on the temperature, and it is required to satisfy the above requirements in the entire temperature range from room temperature (RT) to the maximum operating temperature of the semiconductor device.

（線膨張係数）
従来、放熱基板の材料は、パッケージの製造の容易さや熱伝導率の高さを勘案して選択されてきた。例えば、CuとMoを交互に5〜12層積層した多層Cu/Mo/Cuからなり全体としてCuを80〜87wt%含有する放熱基板は、熱伝導率が300W/m・Kと高く、また、パッケージの製造工程で達しうる最高温度（約800℃）における線膨張係数が小さくパッケージの製造工程で取付部材が変形や剥離したりするといった問題がないため良好なパッケージの製作が可能である。しかし、この放熱基板は、室温から半導体デバイスの最高動作温度の範囲内での線膨張係数が12ppm/Kと大きく、ヒートサイクルテストを行うと半導体デバイスが放熱基板から剥離してしまうことが判明した。そのため、最近では、パッケージの製造が容易であり熱伝導率が高いだけでなく、半導体デバイスの動作温度での線膨張係数が小さい放熱基板の検討が進められている。 (Linear expansion coefficient)
Conventionally, the material of the heat dissipation substrate has been selected in consideration of the ease of manufacturing the package and the high thermal conductivity. For example, a heat dissipation substrate composed of multilayer Cu / Mo / Cu in which 5 to 12 layers of Cu and Mo are alternately laminated and containing 80 to 87 wt% of Cu as a whole has a high thermal conductivity of 300 W / mK, Since the coefficient of linear expansion at the maximum temperature (about 800 ° C.) that can be reached in the package manufacturing process is small, there is no problem that the mounting member is deformed or peeled off in the package manufacturing process, so that a good package can be manufactured. However, this heat dissipation substrate has a large coefficient of linear expansion of 12ppm / K from room temperature to the maximum operating temperature of the semiconductor device, and it has been found that the semiconductor device peels from the heat dissipation substrate when the heat cycle test is performed. . Therefore, recently, studies have been made on a heat dissipation board that not only facilitates the manufacture of a package and has high thermal conductivity, but also has a low coefficient of linear expansion at the operating temperature of a semiconductor device.

現在、広く用いられている放熱基板では、室温から800℃の温度範囲での最大線膨張係数が10ppm/K以下である。線膨張係数は1Kあたりの膨張率であり、半導体デバイスの最高動作温度が300℃と高くなると、温度上昇分だけ膨張量が大きくなる。この点を考慮すると、300℃で動作する半導体デバイスに対応するためには放熱基板の線膨張係数が8.0ppm/K以下であることが求められる。   Currently, widely used heat sinks have a maximum coefficient of linear expansion of 10 ppm / K or less in the temperature range from room temperature to 800 ° C. The linear expansion coefficient is a coefficient of expansion per 1K. When the maximum operating temperature of a semiconductor device is as high as 300 ° C., the amount of expansion increases by the temperature increase. Considering this point, in order to cope with a semiconductor device operating at 300 ° C., it is required that the linear expansion coefficient of the heat dissipation substrate is 8.0 ppm / K or less.

（熱伝導率）
各種材料からなる放熱基板の熱伝導率は、Cuの熱伝導率の値である400W/m・K、あるいはその半分の値である200W/m・K以上であることを指標として特性が評価されることが多い。XY面内（表面に平行な面内）とZ軸方向（厚さ方向）の両方の熱伝導率がこの指標を満たすことが望ましいが、300℃で動作する高性能半導体モジュールでは特にZ軸方向の熱伝導率が重要であり、その値が200W/m・K以上であることが望まれる。 (Thermal conductivity)
The thermal conductivity of the heat dissipation board made of various materials is evaluated using the index as an indicator that the thermal conductivity of Cu is 400 W / m · K or more, or 200 W / m · K, which is half that value. Often. It is desirable that the thermal conductivity in both the XY plane (in the plane parallel to the surface) and the Z-axis direction (thickness direction) satisfy this index, but in the high-performance semiconductor module operating at 300 ° C, the Z-axis direction is particularly desirable. The thermal conductivity is important, and its value is desired to be 200 W / m · K or more.

放熱基板の材料の候補の１つにAlSiCがあり、その熱伝導率は室温で200W/m・Kである。しかし、300℃では90W/m・Kにまで低下してしまう。また、熱伝導率が高いCuとダイヤモンドの複合材料も候補として考えられてきたが、Cuとダイヤモンドはほとんど反応しない。このため半導体モジュールに実装してヒートサイクルテストを行うと界面が剥離し、室温でも熱伝導率が1/2〜1/3に低下してしまう。   One candidate material for the heat dissipation substrate is AlSiC, and its thermal conductivity is 200 W / m · K at room temperature. However, it drops to 90 W / m · K at 300 ° C. Also, Cu and diamond composite materials with high thermal conductivity have been considered as candidates, but Cu and diamond hardly react. For this reason, when mounted on a semiconductor module and subjected to a heat cycle test, the interface peels off, and the thermal conductivity decreases to 1/2 to 1/3 even at room temperature.

現在、熱伝導率を高めるために、CuWやCuMoからなる、様々な構造の放熱基板が開発されている。例えば、放熱基板内部にCuとWあるいはCuとMoを均一に分散させたものは均一分散構造と称されるが、CuMoではCuとMoの濡れ性が悪くボイドがあるため圧延してボイドをなくしたものを均一分散型の放熱基板としている。また、Cu/CuMo/CuやCo/Mo/Cuのような積層クラッド型の放熱基板も開発されている。積層クラッド型では線膨張係数が小さくXY面内の熱伝導率が高い放熱基板が得られているが、Z軸方向の熱伝導率が低いという問題がある。   Currently, in order to increase the thermal conductivity, heat dissipation substrates of various structures made of CuW and CuMo have been developed. For example, a structure in which Cu and W or Cu and Mo are uniformly dispersed inside the heat dissipation board is called a uniform dispersion structure. However, CuMo has poor wettability of Cu and Mo and has voids. This is used as a uniformly dispersed heat dissipation substrate. In addition, laminated clad heat dissipation substrates such as Cu / CuMo / Cu and Co / Mo / Cu have been developed. The laminated clad type has a heat dissipation substrate having a low coefficient of linear expansion and a high thermal conductivity in the XY plane, but has a problem that the thermal conductivity in the Z-axis direction is low.

現在、用いられている半導体モジュールでは、半導体デバイスで発生する熱を放熱基板から冷却器（Cu板、Al板、Alフィン、ラジエータ等の冷却器、あるいはそれらの組み合わせ）に伝えることにより最終的に放出している。放熱基板の一方の表面から伝わる熱を他方の面に配置された冷却器側に伝達する必要がある。設計上の制約から半導体モジュールの大きさは制限される。そのため放熱基板も熱容量を優先して大きくすることはできない。こうしたことからXY面内での熱伝導率よりもZ軸方向の熱伝導率の重要性が高まっているが、実用化されている放熱基板ではまだ十分に考慮されているとは言えない。   In the semiconductor modules currently used, the heat generated in the semiconductor device is finally transferred from the heat dissipation board to the cooler (cooler such as Cu plate, Al plate, Al fin, radiator, etc., or a combination thereof). Released. It is necessary to transfer the heat transmitted from one surface of the heat dissipation board to the cooler side disposed on the other surface. The size of the semiconductor module is limited due to design constraints. For this reason, the heat dissipation substrate cannot be enlarged with priority on the heat capacity. For this reason, the thermal conductivity in the Z-axis direction is more important than the thermal conductivity in the XY plane, but it cannot be said that it has been sufficiently considered in a heat dissipation board in practical use.

現在、用いられている半導体デバイスの最高動作温度は175〜225℃の範囲内であり、実用化されている均一分散型や積層クラッド型のCuMo放熱基板では、全体もしくはXY面内での熱伝導率が200W/m・K以上のものが実用化されている。しかし、Z軸方向の熱伝導率については明確な値がほとんど示されていない。   Currently, the maximum operating temperature of semiconductor devices used is in the range of 175 to 225 ° C. With the uniform dispersion type and laminated clad type CuMo heat dissipation board in practical use, heat conduction is performed in the whole or in the XY plane. Those with a rate of 200 W / m · K or more have been put into practical use. However, there is almost no clear value for the thermal conductivity in the Z-axis direction.

一般に、放熱基板の熱伝導率は温度上昇に伴って低下する。そのため、300℃で動作する半導体デバイスに対応する放熱基板では、300℃におけるZ軸方向の熱伝導率が200W/m・K以上であり、かつ、過去の知見からXY面内の熱伝導率も150W/m・K以上であることが好ましい。   In general, the thermal conductivity of the heat dissipation substrate decreases with increasing temperature. For this reason, the heat dissipation substrate for semiconductor devices operating at 300 ° C has a thermal conductivity in the Z-axis direction at 300 ° C of 200 W / m · K or higher. It is preferably 150 W / m · K or more.

（電気伝導率）
ところで、半導体モジュールの一態様であるパワー半導体モジュールでは、放熱基板上に載置された半導体デバイスにCuやAlのリード線が接続される。パワー半導体モジュールにおいても小型化が進められており、リード線では通電容量を確保することが困難になっている。そこで、放熱基板と電極の機能を一体化した電極放熱基板の開発が進められているが、現状では十分な電気伝導率が得られておらず実用化には至っていない。また、過去にリード線にCuMoを用いることが検討されたが、複雑な波形の大電流が流れる通電経路に炉の発熱体に使用されるMoが含まれると通電が不安定になり、更に欠陥によって断線しやすいという問題がある。そのため、半導体モジュールのメーカーからは電極内の主要な通電経路（メイン電路）にはWやMoを使用しない事が望まれている。更に、電極放熱基板は放熱基板と電極の両方の特性を併せ持つ必要がある。 (Electrical conductivity)
By the way, in the power semiconductor module which is one aspect | mode of a semiconductor module, the lead wire of Cu or Al is connected to the semiconductor device mounted on the heat sink. Power semiconductor modules are also being miniaturized, and it is difficult to secure current carrying capacity with lead wires. Thus, development of an electrode heat dissipation substrate in which the functions of the heat dissipation substrate and the electrode are integrated is underway, but at present, sufficient electrical conductivity has not been obtained and practical use has not been achieved. In the past, it was considered to use CuMo for the lead wire. However, if Mo used for the heating element of the furnace is included in the energization path through which a large current with a complex waveform flows, the energization becomes unstable and further defects occur. There is a problem that it is easy to break. For this reason, it is desired by semiconductor module manufacturers not to use W or Mo for the main current path (main circuit) in the electrode. Furthermore, the electrode heat dissipation substrate needs to have both characteristics of the heat dissipation substrate and the electrode.

電気部品や半導体部品の形状は、その用途や構成によって都度異なる。そこで、これら部品やその材料の電気伝導率を統一的に評価する国際基準としてIACS(International Annealed Copper Standard)が用いられている。これは焼鈍標準軟銅(体積抵抗率: 1.7241×10-2 μΩm)の電気伝導率を100%IACSとして規定したものであり、例えばAlは59%IACSである。300℃で動作する半導体モジュールの設計では300℃における焼鈍標準軟銅の電気伝導率を100%IACSとした値が用いられる。 The shapes of electrical parts and semiconductor parts vary depending on the application and configuration. Therefore, IACS (International Annealed Copper Standard) is used as an international standard for uniformly evaluating the electrical conductivity of these components and their materials. This is defined by setting the electrical conductivity of annealed standard annealed copper (volume resistivity: 1.7241 × 10 −2 μΩm) as 100% IACS. For example, Al is 59% IACS. In the design of a semiconductor module that operates at 300 ° C, the electrical conductivity of annealed standard annealed copper at 300 ° C is 100% IACS.

（放熱基板と半導体デバイスの接合）
高性能半導体モジュールでは、放熱基板への半導体デバイスの接合には主にハンダが用いられてきた。しかし、必ずしも熱伝導率（20〜70W/m・K）や電気伝導率が高くなく、また耐熱温度も400℃前後であり、半導体デバイスの動作温度として想定されている300℃に近い。これに変わるものとしてナノAg（熱伝導率200W/m・K以上）接合の実用化が進められている。300℃で動作する半導体デバイスに対応した半導体モジュールにもナノAgの使用が望まれている。ナノAgによる接合では、放熱基板と半導体デバイスをナノAgで温度300℃、圧力2.5MPaで焼結接合すると、その後はAgの融点である960℃まで溶けない耐熱性があるが、バインダーの抜け跡による強度不足が起こる。そのため、これを半導体デバイスに悪影響のない温度420℃、圧力5.0MPaで2次焼結することにより強度不足を解決し実用化が進められている。 (Junction of heat dissipation substrate and semiconductor device)
In high-performance semiconductor modules, solder has been mainly used for joining semiconductor devices to a heat dissipation substrate. However, the thermal conductivity (20 to 70 W / m · K) and electrical conductivity are not necessarily high, and the heat-resistant temperature is around 400 ° C., which is close to 300 ° C., which is assumed as the operating temperature of semiconductor devices. As an alternative, nano-Ag (heat conductivity of 200 W / m · K or more) bonding is being put to practical use. The use of nano Ag is also desired for semiconductor modules compatible with semiconductor devices operating at 300 ° C. In joining with nano Ag, if the heat dissipation substrate and the semiconductor device are sintered and joined with nano Ag at a temperature of 300 ° C and a pressure of 2.5MPa, then there is heat resistance that does not melt to 960 ° C, the melting point of Ag, but the trace of the binder Insufficient strength occurs. For this reason, this is secondarily sintered at a temperature of 420 ° C. and a pressure of 5.0 MPa that does not adversely affect the semiconductor device, thereby solving the insufficient strength and being put into practical use.

（従来技術）
ここで、CuMoやCuWからなる放熱基板において、線膨張係数を小さくしつつ熱伝導率を高くするべくなされた従来技術を説明する。 (Conventional technology)
Here, a description will be given of a conventional technique for increasing the thermal conductivity while reducing the linear expansion coefficient in a heat dissipation substrate made of CuMo or CuW.

特許文献１には、Mo又はWからなる多孔質焼結体にCuを含浸させることにより製造された、溶浸後の焼結体の密度比が100%である均一分散型のCuMo放熱基板及びCuW放熱基板が提案されている。   Patent Document 1 discloses a uniformly dispersed CuMo heat dissipation substrate manufactured by impregnating Cu into a porous sintered body made of Mo or W and having a density ratio of the sintered body after infiltration of 100%, and CuW heat dissipation board has been proposed.

特許文献２には、2〜6μmのMo粉末から作製したスケルトンにCuを含浸させ、これを圧延することにより製造された、均一分散型の放熱基板が提案されている。20〜60wt%CuのCuMoを冷間又は温間にて圧延する製造方法が提案されている。Cuの含有比が40wt%であるCuMo放熱基板について、室温から800℃における最大線膨張係数が8.0ppm/Kであり、200℃における熱伝導率が200W/m・Kであることが報告されている。   Patent Document 2 proposes a uniform dispersion type heat dissipation substrate manufactured by impregnating Cu into a skeleton produced from Mo powder of 2 to 6 μm and rolling it. A manufacturing method has been proposed in which 20-60 wt% Cu of CuMo is rolled cold or warm. A CuMo heat dissipation board with a Cu content of 40 wt% has been reported to have a maximum linear expansion coefficient of 8.0 ppm / K from room temperature to 800 ° C and a thermal conductivity of 200 W / m · K at 200 ° C. Yes.

特許文献３は本発明者による発明であり、特許文献２と同様にMoの含有比が大きい放熱基板であって、粒径の大きいMoを用いて溶浸法もしくは焼結法で作製したCuMoの複合材を緻密化後に固相焼結したあと、クロス圧延することにより製造した、均一分散型の放熱基板を提案している。室温から800℃における最大線膨張係数が10ppm/K以下で、200℃における熱伝導率が250W/m・K以上の放熱基板を製造できることを報告している。   Patent Document 3 is an invention by the present inventor, which is a heat dissipation substrate having a large Mo content ratio as in Patent Document 2, and is made of CuMo produced by infiltration or sintering using Mo having a large particle size. A uniform dispersion type heat dissipation substrate manufactured by solid-phase sintering after densification of a composite material and then cross-rolling is proposed. It has been reported that a heat dissipation substrate with a maximum coefficient of linear expansion of 10 ppm / K or less from room temperature to 800 ° C and a thermal conductivity of 250 W / m · K or more at 200 ° C can be produced.

特許文献４には、Cu/Mo/Cu/Mo/Cu・・・・/Cuのように積層され放熱基板全体でのCu含有比が80〜87wt%である多層クラッド型の放熱基板が提案されている。   Patent Document 4 proposes a multilayer clad type heat dissipation substrate which is laminated as Cu / Mo / Cu / Mo / Cu... / Cu and has a Cu content ratio of 80 to 87 wt% in the entire heat dissipation substrate. ing.

特許文献５には、Mo圧粉体の空隙にCuを含浸させ圧延したCuMo複合体の表面にCu層を形成することにより、Cu/Mo/Cu放熱基板よりも優れた熱伝導率を有し、30〜800℃における最大線膨張係数が8.3ppm/K以下である積層クラッド型の放熱基板を製造することが提案されている。   Patent Document 5 describes that a Cu layer is formed on the surface of a CuMo composite that is rolled by impregnating Cu into the voids of a Mo green compact, thereby providing a thermal conductivity superior to that of a Cu / Mo / Cu heat dissipation substrate. It has been proposed to manufacture a laminated clad heat dissipation substrate having a maximum linear expansion coefficient of 8.3 ppm / K or less at 30 to 800 ° C.

特許文献６には、積層クラッド型のCu/Mo/Cu放熱基板やCu/W/Cu放熱基板をホットプレス（HP：Hot Press）法で製造することにより、圧延工程により製造するよりも放熱基板内部の線膨張係数等の均一性を高めることが提案されている。   Patent Document 6 discloses that a laminated clad Cu / Mo / Cu heat dissipation substrate or a Cu / W / Cu heat dissipation substrate is manufactured by a hot press (HP) method, so that the heat dissipation substrate is manufactured rather than a rolling process. It has been proposed to increase the uniformity of the internal linear expansion coefficient.

特許文献７には、WやMoといった低線膨張係数の材料からなる板状部材に貫通孔を形成し、その空間にCuを溶浸させて製造した放熱基板が提案されており、そのXY面内の線膨張係数が8.5ppm/K、Z軸方向の熱伝導率が260W/m・Kであることが報告されている。以下、このように、線膨張係数が小さい板状部材を厚さ方向に貫通するように熱伝導率の高い材料を導入した構造を垂直型の放熱基板と呼ぶ。   Patent Document 7 proposes a heat dissipation board manufactured by forming a through-hole in a plate-like member made of a material having a low linear expansion coefficient such as W or Mo, and infiltrating Cu into the space. The coefficient of linear expansion is 8.5 ppm / K and the thermal conductivity in the Z-axis direction is 260 W / m · K. Hereinafter, such a structure in which a material having a high thermal conductivity is introduced so as to penetrate a plate-like member having a small linear expansion coefficient in the thickness direction is referred to as a vertical heat dissipation substrate.

特許文献８には、圧縮成形用型内に、Cuからなる複数の棒状部材を配置し、その隙間にWあるいはMoの粉末を充填したあと、Cuの融点未満の温度で焼結体を製造し、これを棒状部材の長手方向と垂直にスライスすることにより製造された、垂直型構造の放熱基板が提案されている。これにより、例えば線膨張係数が9.2ppm/Kであり熱伝導率が265W/m・Kの放熱基板が得られることが報告されている。   In Patent Document 8, a plurality of rod-shaped members made of Cu are placed in a compression mold, and the gap is filled with W or Mo powder, and then a sintered body is manufactured at a temperature lower than the melting point of Cu. There has been proposed a vertical-type heat dissipation substrate manufactured by slicing this in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the rod-shaped member. Thus, for example, it has been reported that a heat dissipation substrate having a linear expansion coefficient of 9.2 ppm / K and a thermal conductivity of 265 W / m · K can be obtained.

特許文献９には、低熱膨張材であるインバー合金の厚さ方向に貫通するスリット孔を多数形成したスリット多孔板を用い、その上下にCu等の高熱伝導材を配置したあと、冷間または温間のクラッド圧延することによりこれらを接合して製造された、垂直型構造の表裏面に高熱伝導層を有する構造の放熱基板が記載されている。以下、このような構造を有するものをハイブリッド型の放熱基板と呼ぶ。   In Patent Document 9, a slit perforated plate in which a number of slit holes penetrating in the thickness direction of an Invar alloy, which is a low thermal expansion material, is used, and a high thermal conductive material such as Cu is disposed on the upper and lower sides thereof. There is described a heat dissipation substrate having a structure having a high thermal conductive layer on the front and back surfaces of a vertical structure, which are manufactured by bonding them by clad rolling. Hereinafter, what has such a structure is referred to as a hybrid heat dissipation board.

特開平６−１３４９４号公報JP-A-6-13494 特開平１１−３０７７０１号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-307701 特許第５８１８０４５号明細書Japanese Patent No. 5818045 特開２０１０−５６１４８号公報JP 2010-56148 A 特開２００１−３５８２６６号公報JP 2001-358266 A 特開平６−２６８１１５号公報JP-A-6-268115 特開２００３−１７６３７号公報JP 2003-17637 A 特開２０１０−６２３１０号公報JP 2010-62310 A 特開２０１１−３８００号公報JP 2011-3800 A

上述のように、従来、種々の材料や構成からなる放熱基板が提案されており、また線膨張係数や熱伝導率の値が示されているが、線膨張係数についてはどのような温度範囲での値であるかが明示されていないものが多い。また、熱伝導率についても、XY面内あるいはZ軸方向のいずれにおける値であるかや測定温度が不明なものも多い。さらに、電気伝導率についてはほとんど触れられていない。特に、後述する今回の発明と比較するための300℃での熱伝導率や電気伝導率の値がほとんど記載されていない。   As described above, conventionally, heat dissipation boards made of various materials and configurations have been proposed, and values of linear expansion coefficient and thermal conductivity have been shown. What is the temperature range for the linear expansion coefficient? There are many cases where the value of is not specified. In many cases, the thermal conductivity is in the XY plane or in the Z-axis direction, and the measurement temperature is unknown. Furthermore, little mention is made of electrical conductivity. In particular, the values of thermal conductivity and electrical conductivity at 300 ° C. for comparison with the present invention described later are hardly described.

そこで、本発明者は、実用化されている均一分散型のCuMo放熱基板、積層クラッド型のCu/CuMo/Cu放熱基板及びCu/Mo/Cu放熱基板を入手してそれらの特性を測定した。また、放熱基板の構造による特性の違いを確認するため、Cu含有率を50vol%に統一した垂直型及びハイブリッド型の放熱基板を、上記の特許文献等を参考にそれぞれ作製し、それらの特性を測定した。測定した特性は、室温から800℃の温度範囲における最大線膨張係数、XY面内（表面に平行な面内）及びZ軸（厚さ）方向の熱伝導率、並びに電気伝導率である。また、各試料の放熱基板でパッケージを製作し、300℃で1000時間放置して破損や割れが生じていないことを確認する、パッケージとしての評価を行った。さらに、各試料の放熱基板でモジュールを製作し通電したまま300℃で5分維持し、次に-40℃で5分維持するというサイクルを100回繰り返して破損が生じないことを確認する、モジュールとしての評価を行った。それらの結果を、放熱基板用の材料として広く用いられている金属であるCu、Ag、Mo、及びWの特性と共に表１に示す。   Therefore, the present inventor obtained a uniform dispersion type CuMo heat dissipation substrate, a laminated clad type Cu / CuMo / Cu heat dissipation substrate, and a Cu / Mo / Cu heat dissipation substrate that have been put into practical use, and measured their characteristics. In addition, in order to confirm the difference in characteristics depending on the structure of the heat dissipation board, vertical and hybrid heat dissipation boards with a Cu content of 50 vol% were prepared respectively with reference to the above patent documents, etc. It was measured. The measured characteristics are the maximum linear expansion coefficient in the temperature range from room temperature to 800 ° C., the thermal conductivity in the XY plane (in the plane parallel to the surface) and the Z-axis (thickness) direction, and the electrical conductivity. Moreover, the package was manufactured with the heat dissipation board | substrate of each sample, and it was left to stand at 300 degreeC for 1000 hours, and the evaluation as a package was performed to confirm that the breakage and the crack did not occur. In addition, the module is manufactured with the heat dissipation board of each sample, maintained at 300 ° C for 5 minutes while energized, and then maintained at -40 ° C for 5 minutes 100 times to confirm that no damage will occur. As an evaluation. The results are shown in Table 1 together with the characteristics of Cu, Ag, Mo, and W, which are metals widely used as a material for the heat dissipation substrate.

Figure 0006041117
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試料１〜４はCu、Al、Mo、及びWの板材である。試料５〜７はそれぞれ、実際に使用されている均一分散型のCuMo放熱基板、積層クラッド型のCu/CuMo/Cu放熱基板、及びCu/Mo/Cu放熱基板である。   Samples 1 to 4 are Cu, Al, Mo, and W plate materials. Samples 5 to 7 are a uniform dispersion type CuMo heat dissipation substrate, a laminated clad type Cu / CuMo / Cu heat dissipation substrate, and a Cu / Mo / Cu heat dissipation substrate, which are actually used.

試料８は特許文献７に記載の方法を参照して作製した垂直型のCuMo放熱基板、試料９は特許文献８に記載の方法を参照して作製した垂直型構造のCuMo放熱基板、試料１０は特許文献９に記載の方法を参照して作製したハイブリッド型の放熱基板である。具体的には、Mo板に形成した貫通穴（以下、「ビア」とも呼ぶ。）にCuの円柱部材を挿入し、さらにその上下にCu板を置き、HP装置によりCuの融点未満の温度で加熱加圧し複合体を製作した後、さらにCuの融点以下で圧延してCu含有量を50vol%としたハイブリッド型のCuMo放熱基板を作製した。   Sample 8 is a vertical CuMo heat dissipation substrate manufactured by referring to the method described in Patent Document 7, Sample 9 is a vertical structure CuMo heat dissipation substrate manufactured by referring to the method described in Patent Document 8, and Sample 10 is This is a hybrid heat dissipation board manufactured by referring to the method described in Patent Document 9. Specifically, a Cu cylindrical member is inserted into a through hole (hereinafter also referred to as “via”) formed in the Mo plate, and Cu plates are further placed on the upper and lower sides of the Cu cylindrical member. After producing the composite by heating and pressurizing, a hybrid CuMo heat dissipation substrate having a Cu content of 50 vol% was further rolled by rolling below the melting point of Cu.

表１に示す結果、特にCu含有比を50vol%に揃えた試料８〜１０の測定結果から以下の傾向が確認された。均一分散型では線膨張係数が小さく熱伝導率は等方的である。積層クラッド型では線膨張係数が均一分散型よりも小さく、熱伝導率はXY面内で高くZ軸方向で低い。また、垂直型では、線膨張係数が積層クラッド型よりも小さい。熱伝導率に関しては、積層クラッド型と逆にXY面内で低くZ軸方向で高い。ハイブリッド型では、線膨張係数が積層クラッド型と垂直型の中間程度であり、熱伝導率の異方性は積層クラッド型や垂直型よりも小さい。   From the results shown in Table 1, the following tendencies were confirmed, particularly from the measurement results of Samples 8 to 10 having a Cu content ratio of 50 vol%. In the uniform dispersion type, the coefficient of linear expansion is small and the thermal conductivity is isotropic. In the laminated clad type, the linear expansion coefficient is smaller than in the uniform dispersion type, and the thermal conductivity is high in the XY plane and low in the Z-axis direction. In the vertical type, the linear expansion coefficient is smaller than that of the laminated clad type. Contrary to the laminated clad type, the thermal conductivity is low in the XY plane and high in the Z-axis direction. In the hybrid type, the linear expansion coefficient is intermediate between the laminated clad type and the vertical type, and the anisotropy of thermal conductivity is smaller than that of the laminated clad type and the vertical type.

本発明者は当初、積層クラッド型と垂直型では熱伝導率の異方性に違いはあっても値そのものに大きな差はないと考えていたが、上記測定結果を見ると、積層クラッド型に比べ、垂直型の熱伝導率はXY面内及びZ軸方向のいずれにおいても低い。また、ハイブリッド型の放熱基板ではXY面内及びZ軸方向のいずれにおいても熱伝導率が高くなることが期待されたが、実際にはXY面内で198W/m・K、Z軸方向で179W/m・Kと低かった。   The present inventor originally thought that there was no significant difference in the value itself even though there was a difference in the thermal conductivity anisotropy between the laminated clad type and the vertical type. In comparison, the vertical thermal conductivity is low both in the XY plane and in the Z-axis direction. The hybrid heat dissipation board was expected to have high thermal conductivity both in the XY plane and in the Z-axis direction, but in reality it was 198 W / m · K in the XY plane and 179 W in the Z-axis direction. It was as low as / m · K.

このように垂直型やハイブリッド型で所期の熱伝導率の値が得られない要因を特定するため、本発明者は作製した垂直型及びハイブリッド型の放熱基板の内部を調査した。すると、Mo板状部材に形成した貫通孔にCuを溶浸させる方法を用いて作製した垂直型の放熱基板（試料８）では、MoとCuの界面や溶けたCu内部にボイドが多く、また表層でも溶浸残りのCuに大量のボイドがあり、除去が必要である。これは、CuとMoの濡れ性が悪いこととCuの溶融時にCu内部からガスが放出されたことが原因であると考えられる。このようなボイドが熱伝導を妨げるために所期の熱伝導率が得られなかったものと考えられる。   As described above, in order to identify a factor that the desired thermal conductivity value cannot be obtained in the vertical type or the hybrid type, the present inventors investigated the inside of the manufactured vertical type and hybrid type heat dissipation substrates. Then, in the vertical heat dissipation substrate (sample 8) manufactured using the method in which Cu is infiltrated into the through-hole formed in the Mo plate-shaped member, there are many voids at the interface between Mo and Cu and inside the melted Cu. Even the surface layer has a large amount of voids in the infiltrated Cu and needs to be removed. This is thought to be due to the poor wettability of Cu and Mo and the release of gas from the inside of Cu when it melts. It is considered that the desired heat conductivity could not be obtained because such voids hinder heat conduction.

また、容器内に複数のCu棒状部材を立設してその周囲にMo粉末を充填し、これをCuの融点未満の温度で圧縮成形することにより得た垂直型の放熱基板（試料９）でもCuとMoの界面の密着性が悪く、それにより熱伝導が妨げられていると考えられる。また、この方法ではMo粉末の焼結温度以下で加熱圧縮成形しているためMo粉末の間にも空隙ができ、これによっても熱伝導が妨げられていると考えられる。さらに、300℃で動作する半導体デバイスの放熱基板として用いると、Mo部分の空隙に酸素が入り込み、動作時の熱で未焼結の部分のMoが酸化して熱伝導率や電気伝導率が低下する可能性もある。   Also, a vertical heat dissipation substrate (sample 9) obtained by standing a plurality of Cu rod-shaped members in a container and filling them with Mo powder and compressing them at a temperature lower than the melting point of Cu. It is considered that the adhesion between the Cu and Mo interface is poor, which prevents heat conduction. Further, in this method, since the heat compression molding is performed at a temperature lower than the sintering temperature of the Mo powder, voids are formed between the Mo powders, and it is considered that the heat conduction is also hindered by this. Furthermore, when used as a heat dissipation substrate for semiconductor devices operating at 300 ° C, oxygen enters the voids in the Mo part, and Mo in the unsintered part is oxidized by heat during operation, resulting in a decrease in thermal conductivity and electrical conductivity. There is also a possibility to do.

特許文献９に記載の方法で作製したハイブリッド型の放熱基板（試料１０）でも上記同様の問題があると考えられる。   The hybrid type heat dissipation substrate (sample 10) manufactured by the method described in Patent Document 9 is considered to have the same problem as described above.

本発明が解決しようとする課題は、表面に平行な面内及びその面に垂直な方向のいずれにおいても高い熱伝導率を有するハイブリッド型の放熱基板であって、構成部材の内部や接合部にボイドや空隙がなく熱伝導率等について所期の特性が得られる放熱基板、及びその製造方法を提供することである。また、そのような放熱基板を備えた半導体パッケージ及び半導体モジュールを提供することである。   A problem to be solved by the present invention is a hybrid heat dissipation board having high thermal conductivity both in a plane parallel to the surface and in a direction perpendicular to the surface, and is provided inside the component member or in the joint portion. The object is to provide a heat-radiating substrate having no voids and voids and obtaining desired characteristics of thermal conductivity and the like, and a method for manufacturing the same. Moreover, it is providing the semiconductor package and semiconductor module provided with such a thermal radiation board | substrate.

本発明者は、上記課題を解決し、放熱基板としての特性だけでなく電極としての特性も併せ持つ、積層構造と垂直構造を組み合わせたハイブリッド型の放熱基板を製造する方法を見出した。   The present inventor has found a method of manufacturing a hybrid heat dissipation board that combines the laminated structure and the vertical structure, which solves the above problems and has not only the characteristics as a heat dissipation board but also the characteristics as an electrode.

その一つは、局所溶融接合法を用いた製造方法である。
本発明者は、線膨張係数の小さいMoからなる板状部材（芯基材）の厚さ方向に貫通穴（ビア）を設けてMoよりも熱伝導率の高いCuの円柱部材を挿入し、さらにCu板状部材を芯基材の表面及び裏面に配置した積層体を作製し、それをカーボンの治具にセットしてSPS（SPS：Spark Plasma Sintering）装置であるシンテックス株式会社製の放電プラズマ焼結装置(SPS-1050)に取り付けて通電及び加圧すると、Cuの融点以下で各構成部材の界面にプラズマが発生してCuが局所的に溶融し、放熱基板の内部で移動することを見出した。この放熱基板の内部や接合部にはボイドや空隙がなく、後述の実施例で説明するように線膨張係数が小さく、また熱伝導率及び電気伝導率が高いという特性が得られた。これにより、各構成部材の接合部等においてCuを局所的に溶融し加圧することでCuとMoの濡れ性を高め、これらを良好に接合できることが分かった。また、Cuを局所的に溶融するだけでなく、さらに加圧して複合合金化することにより、MoとCuの界面に存在する空隙やCu内部の気泡を確実が放出され、ボイドや空隙の内放熱基板が得られたものと考えられる。 One of them is a manufacturing method using a local melt bonding method.
The present inventor inserts a Cu cylindrical member having a higher thermal conductivity than Mo by providing a through hole (via) in the thickness direction of a plate-like member (core substrate) made of Mo having a small linear expansion coefficient, Furthermore, a laminated body in which Cu plate-like members are arranged on the front and back surfaces of the core base material is manufactured, and this is set on a carbon jig and discharged by Shintex Co., Ltd., which is an SPS (SPS: Spark Plasma Sintering) device. When energized and pressurized by attaching to a plasma sintering device (SPS-1050), plasma is generated at the interface of each component below the melting point of Cu, Cu is locally melted, and moves inside the heat dissipation substrate I found. There were no voids or voids in the heat radiating substrate or in the joint, and the characteristics that the coefficient of linear expansion was small and the thermal conductivity and electrical conductivity were high were obtained as described in Examples below. Thus, it was found that Cu and Mo wettability can be improved by locally melting and pressurizing Cu at the joints and the like of the constituent members, and these can be favorably joined. In addition to locally melting Cu, it is further pressurized to form a composite alloy, which reliably releases voids at the Mo-Cu interface and bubbles inside the Cu, and releases heat inside the voids and voids. It is considered that a substrate was obtained.

別の一つの方法は、全体溶融接合法を用いた製造方法である。
本発明者は、上記同様に作製した積層体をMo枠部材とともに配置し、それをカーボンの治具にセットしHP装置に取り付けてCuの融点以上に加熱及び加圧して各構成部材を接合させた。この方法ではCuを全溶融させることにより芯基材のビアや表裏面を流動させた。この放熱基板の内部や接合部にもボイドや空隙がなく、後述の実施例で説明するように線膨張係数が小さく、また熱伝導率と電気伝導率が高いという特性が得られた。これにより、各構成部材の接合部等においてCuを全溶融し加圧することでもCuとMoの濡れ性を高め、これらを良好に接合できることが分かった。また、Cuを溶融するだけでなく、さらに加圧して複合合金化することにより、溶融したCu内部の気泡を確実が放出され、ボイドや空隙の内放熱基板が得られたものと考えられる。 Another method is a manufacturing method using a whole melt bonding method.
The inventor arranges the laminate produced in the same manner as described above together with the Mo frame member, sets it on a carbon jig, attaches it to the HP device, and heats and presses it above the melting point of Cu to join the constituent members. It was. In this method, the vias and front and back surfaces of the core substrate were flowed by completely melting Cu. There were no voids or voids in the heat radiating substrate or in the joining portion, and the characteristics that the coefficient of linear expansion was small and the thermal conductivity and electrical conductivity were high as described in Examples below were obtained. Thus, it was found that the Cu and Mo wettability can be improved and the Cu can be satisfactorily bonded even by completely melting and pressurizing Cu at the joints of the constituent members. Moreover, it is considered that not only by melting Cu, but also by pressurizing and forming a composite alloy, bubbles in the melted Cu are surely released, and an internal heat dissipation substrate of voids and voids is obtained.

即ち、上記課題を解決するためになされた本発明に係る放熱基板の製造方法の第１の態様は、
a) Moからなる板状の芯基材を厚さ方向に貫通するように、Cuからなる挿入体を導入して本体を作製し、
b) 前記本体の表面及び裏面にそれぞれCuからなる板状の熱伝導部材を配置して積層体を作製し、
c) 前記積層体をCuの融点未満に加熱及び加圧することにより、前記芯基材と前記挿入体の界面、及び前記芯基材と前記熱伝導部材の界面においてCuを局所的に溶融させて複合合金化する
ことにより、室温から300℃の温度範囲における線膨張係数の最大値が8.0ppm/K以下であり、300℃における熱伝導率が表面に平行な方向において150W/m・K以上かつ厚さ方向において200W/m・K以上であり、電気伝導率が60IACS%以上である放熱基板を製造する
ことを特徴とする。 That is, the first aspect of the manufacturing method of the heat dissipation board according to the present invention made to solve the above problems is as follows.
a) Introducing an insert made of Cu so as to penetrate the plate-shaped core substrate made of Mo in the thickness direction,
b) A laminated body is prepared by arranging plate-like heat conducting members made of Cu on the front and back surfaces of the main body,
c) By heating and pressurizing the laminated body below the melting point of Cu, Cu is locally melted at the interface between the core substrate and the insert, and at the interface between the core substrate and the heat conducting member. By forming a composite alloy, the maximum value of the linear expansion coefficient in the temperature range from room temperature to 300 ° C is 8.0 ppm / K or less, and the thermal conductivity at 300 ° C is 150 W / m · K or more in the direction parallel to the surface. It is characterized by manufacturing a heat dissipation board having a thickness of 200 W / m · K or more and an electric conductivity of 60 IACS% or more.

また、上記課題を解決するためになされた本発明に係る放熱基板の製造方法の第２の態様は、
a) Moからなる板状の芯基材を厚さ方向に貫通するように、Cuからなる挿入体を導入して本体を作製し、
b) 前記本体の表面及び裏面にそれぞれCuからなる板状の熱伝導部材を配置して積層体を作製し、
c) 前記積層体をCuの融点以上に加熱及び加圧することにより複合合金化する
ことにより、室温から300℃の温度範囲における線膨張係数の最大値が8.0ppm/K以下であり、300℃における熱伝導率が表面に平行な方向において150W/m・K以上かつ厚さ方向において200W/m・K以上であり、電気伝導率が60IACS%以上である放熱基板を製造する
ことを特徴とする。 In addition, the second aspect of the method for manufacturing a heat dissipation board according to the present invention, which has been made to solve the above problems,
a) Introducing an insert made of Cu so as to penetrate the plate-shaped core substrate made of Mo in the thickness direction,
b) A laminated body is prepared by arranging plate-like heat conducting members made of Cu on the front and back surfaces of the main body,
c) By heating and pressing the laminate above the melting point of Cu to form a composite alloy, the maximum value of the linear expansion coefficient in the temperature range from room temperature to 300 ° C is 8.0 ppm / K or less, and at 300 ° C A heat dissipation substrate having a thermal conductivity of 150 W / m · K or more in the direction parallel to the surface and 200 W / m · K or more in the thickness direction and an electric conductivity of 60 IACS% or more is manufactured.

さらに、上記課題を解決するためになされた本発明に係る放熱基板は、
a) Moからなる板状の芯基材と、該芯基材を厚さ方向に貫通するように導入された、Cuからなる貫通部とを有する本体と、
b) 前記本体の表裏面に形成された、Cuからなる熱伝導層と、
c) 前記芯基材と前記貫通部の界面に形成された第１溶融部と、
d) 前記芯基材と前記熱伝導層の界面に形成された第２溶融部と、
を有し、
室温から300℃の温度範囲における線膨張係数の最大値が8.0ppm/K以下であり、300℃における熱伝導率が表面に平行な方向において150W/m・K以上かつ厚さ方向において200W/m・K以上であり、電気伝導率が60IACS%以上であることを特徴とする。 Furthermore, the heat dissipation board according to the present invention made to solve the above problems is
a) a main body having a plate-like core base material made of Mo, and a through portion made of Cu introduced so as to penetrate the core base material in the thickness direction;
b) a heat conductive layer made of Cu formed on the front and back surfaces of the main body;
c) a first melting part formed at the interface between the core substrate and the penetrating part;
d) a second melting portion formed at the interface between the core substrate and the heat conductive layer;
Have
The maximum coefficient of linear expansion in the temperature range from room temperature to 300 ° C is 8.0 ppm / K or less, the thermal conductivity at 300 ° C is 150 W / m · K or more in the direction parallel to the surface, and 200 W / m in the thickness direction. -It is more than K and the electrical conductivity is more than 60IACS%.

ここでは、Moからなる芯基材、Cuの円柱部材、及びCuの熱伝導部材を用いたものに特化して記載したが、これは典型的な組み合わせの１つに過ぎない。即ち、線膨張係数が小さい第１金属からなる芯基材と、該第１金属よりも熱伝導率が高い第２金属からなる挿入体、及び第１金属よりも熱伝導率が高い第３金属からなる熱伝導部材を組み合わせることができる。また、各構成部材の表面にメッキ処理等を施したものを用いることもできる。   Here, the description has been specifically made on the use of a core substrate made of Mo, a cylindrical member of Cu, and a heat conductive member of Cu, but this is only one of typical combinations. That is, a core substrate made of a first metal having a small linear expansion coefficient, an insert made of a second metal having a higher thermal conductivity than the first metal, and a third metal having a higher thermal conductivity than the first metal A heat conducting member made of can be combined. Moreover, what performed the plating process etc. on the surface of each structural member can also be used.

さらに、本発明に係る半導体パッケージと半導体モジュールは、それぞれ前記放熱基板を備えることを特徴とする。   Furthermore, the semiconductor package and the semiconductor module according to the present invention each include the heat dissipation substrate.

本発明に係る放熱基板の製造方法では、MoとCuの界面においてCuを局所的に溶融させつつ、あるいは全溶融させつつ加圧する。これにより、構成部材の内部や接合部に空隙やボイドがなく、各構成材料に応じた所期の特性を有する放熱基板を得ることができる。また、本発明に係る放熱基板は電極として好適に用いることができる。さらに、そのような放熱基板を備えた半導体パッケージと半導体モジュールが得られる。   In the method for manufacturing a heat dissipation board according to the present invention, pressure is applied while locally melting or completely melting Cu at the interface between Mo and Cu. Thereby, there is no space | gap and a void in the inside of a structural member, or a junction part, and the thermal radiation board which has the expected characteristic according to each structural material can be obtained. Moreover, the thermal radiation board | substrate which concerns on this invention can be used suitably as an electrode. Furthermore, a semiconductor package and a semiconductor module provided with such a heat dissipation substrate can be obtained.

本発明に係る放熱基板の一実施例の構造を説明する図。The figure explaining the structure of one Example of the thermal radiation board | substrate which concerns on this invention.

本発明に係る放熱基板の製造方法の一実施形態は、
a) 第１の金属を芯材とする板状の芯基材を厚さ方向に貫通するように、前記第１の金属よりも熱伝導率が大きい第２の金属を芯材とする挿入体を導入して本体を作製し、
b) 前記本体の表面及び裏面にそれぞれ、前記第１の金属よりも熱伝導率が大きい第３の金属を芯材とする板状の熱伝導部材を配置して積層体を作製し、
c) 前記積層体を前記第１の金属、前記第２の金属、及び前記第３の金属の融点未満の温度で放電プラズマ焼結する
工程を有する。 One embodiment of the manufacturing method of the heat dissipation board according to the present invention is:
a) Insert having a second metal having a higher thermal conductivity than the first metal as a core so as to penetrate a plate-shaped core base material having the first metal as a core in the thickness direction. To make the main body,
b) A laminated body is prepared by disposing a plate-like heat conductive member having a third metal having a higher thermal conductivity than the first metal as a core on the front and back surfaces of the main body,
c) spark plasma sintering the laminated body at a temperature lower than the melting point of the first metal, the second metal, and the third metal.

なお、ここでいう、「第１の金属を芯材とする板状の芯基材」は、第１の金属のみからなる板状部材、及び第１の金属からなる板状部材の表面にメッキ等の処理を施したもののいずれであってもよい。「第２の金属を芯材とする」、及び「第３の金属を芯材とする」という記載も同様である。   Here, the “plate-shaped core base material having the first metal as the core material” means that the plate-shaped member made of only the first metal and the surface of the plate-shaped member made of the first metal are plated. Any of those subjected to processing such as these may be used. The same applies to “the second metal is the core material” and “the third metal is the core material”.

また、本発明に係る放熱基板の製造方法の別の実施形態は、
a) 第１の金属を芯材とする板状の芯基材を厚さ方向に貫通するように、前記第１の金属よりも熱伝導率が大きい第２の金属を芯材とする挿入体を導入して本体を作製し、
b) 前記本体の表面及び裏面にそれぞれ、前記第１の金属よりも熱伝導率が大きい第３の金属を芯材とする板状の熱伝導部材を配置して積層体を作製し、
c) 前記積層体を、前記第１の金属の融点未満であり前記第２の金属及び前記第３の金属の融点以上の温度に加熱して加圧する
工程を有する。 Another embodiment of the method for manufacturing a heat dissipation board according to the present invention is as follows.
a) Insert having a second metal having a higher thermal conductivity than the first metal as a core so as to penetrate a plate-shaped core base material having the first metal as a core in the thickness direction. To make the main body,
b) A laminated body is prepared by disposing a plate-like heat conductive member having a third metal having a higher thermal conductivity than the first metal as a core on the front and back surfaces of the main body,
c) heating and pressurizing the laminate to a temperature lower than the melting point of the first metal and higher than the melting points of the second metal and the third metal.

さらに、本発明に係る放熱基板の一実施形態は、
a) 第１の金属を芯材とする板状の芯基材と、該芯基材を厚さ方向に貫通するように導入された、前記第１の金属よりも熱伝導率が大きい第２の金属を芯材とする貫通部とを有する本体と、
b) 前記本体の表裏面に形成された、前記第１の金属よりも熱伝導率が大きい第３の金属を芯材とする熱伝導層と、
c) 前記芯基材と前記貫通部の界面に形成された第１溶融部と、
d) 前記芯基材と前記熱伝導層の界面に形成された第２溶融部と
を有する。 Furthermore, one embodiment of the heat dissipation board according to the present invention is:
a) a plate-shaped core base material having a first metal as a core material, and a second core having a higher thermal conductivity than that of the first metal introduced so as to penetrate the core base material in the thickness direction. A main body having a penetrating portion with a metal as a core material;
b) a heat conductive layer formed on the front and back surfaces of the main body and having a third metal having a higher thermal conductivity than the first metal as a core;
c) a first melting part formed at the interface between the core substrate and the penetrating part;
d) having a second melting portion formed at the interface between the core substrate and the heat conductive layer.

以下、本発明に係る放熱基板及びその製造方法の実施例について詳しく説明する。   Hereinafter, examples of the heat dissipation substrate and the manufacturing method thereof according to the present invention will be described in detail.

本発明に係る放熱基板及びその製造方法では、ハイブリッド型の放熱基板の構造要件を満たし目標の特性を有する限りにおいて、第１、第２、及び第３金属の含有比率にはこだわらない。第１、第２、及び第３金属の複合合金化については局所溶融接合法と局所溶融接合法を示し、それぞれの一例としてSPS法とHP法を例示したが、これらと同様の原理に基づく別の方法により、同様の特性を有する放熱基板を製造してもよい。以下に本発明に係る放熱基板、及び放熱基板の製造方法の実施例について、図１を参照して説明する。   In the heat dissipation board and the manufacturing method thereof according to the present invention, the content ratios of the first, second, and third metals are not particular as long as they satisfy the structural requirements of the hybrid heat dissipation board and have target characteristics. For the composite alloying of the first, second, and third metals, the local melt bonding method and the local melt bonding method are shown, and the SPS method and the HP method are illustrated as examples. A heat dissipation substrate having similar characteristics may be manufactured by this method. Hereinafter, an embodiment of a heat dissipation substrate and a method for manufacturing the heat dissipation substrate according to the present invention will be described with reference to FIG.

（第１金属の芯基材１１）
第１金属からなる芯基材１１の役割は、該芯基材に形成されるビアに導入される第２の金属を拘束してその熱膨張を抑制すること、及び芯基材１１の表裏面に設けられる第３の金属からなる熱伝導層１３の熱膨張を抑制することである。第２及び第３の金属の熱膨張を抑制するという観点から、第１の金属は剛性が高い金属（単一種の金属あるいは合金）であることが好ましい。また、放熱基板の線膨張係数を小さく抑えるという観点から線膨張係数が8.0ppm/K以下であることが好ましい。これらの要件を満たす材料としては、後述の実施例で使用するMoのほか、W、CuMo合金、CuW合金などが挙げられる。また、Cr、SUS、コバール、インバー、ダイヤモンド複合体、AlSiC複合体を用いることもできる。さらに、これらを組み合わせたものであってもよく、これらに所望の特性を付与するための添加物を含んだ材料であってもよい。その他、WやMoの粉末を使用してスケルトンを作製し、全体溶融接合法を用いて該スケルトンにCuを含浸させて形成したCuWやCuMoを芯基材とすることもできる。 (First metal core substrate 11)
The role of the core base material 11 made of the first metal is to restrain the second metal introduced into the via formed in the core base material and suppress its thermal expansion, and the front and back surfaces of the core base material 11. Is to suppress thermal expansion of the heat conductive layer 13 made of the third metal. From the viewpoint of suppressing the thermal expansion of the second and third metals, the first metal is preferably a highly rigid metal (a single kind of metal or alloy). Moreover, it is preferable that a linear expansion coefficient is 8.0 ppm / K or less from a viewpoint of suppressing the linear expansion coefficient of a thermal radiation board | substrate small. Examples of materials that satisfy these requirements include W, CuMo alloy, CuW alloy, etc., in addition to Mo used in the examples described later. Further, Cr, SUS, Kovar, Invar, diamond composite, and AlSiC composite can also be used. Furthermore, it may be a combination of these, or a material containing an additive for imparting desired properties to them. In addition, it is also possible to make a skeleton using W or Mo powder, and to use CuW or CuMo formed by impregnating Cu into the skeleton using the whole melt bonding method.

（第２金属の柱状部材１２）
本発明に係る放熱基板における第２金属からなる柱状部材１２（例えば円柱部材）の役割は、放熱基板の一方の表面（半導体デバイスが搭載される側）に形成される熱伝導層１３からの熱を他方の表面（金属フィン等の冷却器が設けられる側）に形成された熱伝導層１３に効率よく伝達することである。この観点から、第２の金属の熱伝導率は350W/m・K以上であることが好ましい。また、放熱基板を電極としても使用する場合（以下、この場合の放熱基板を「電極放熱基板」とも呼ぶ。）には、第２の金属の電気伝導率が60%IACS以上である（Alの電気伝導率よりも高い）ことが好ましい。これらの要件を満たす材料として、後述の実施例で使用するCuのほか、Agや、それらの合金を用いることができる。また、第２金属の柱状部材１２は円柱部材に限らず、ビアに挿入することができ、製造後の放熱基板が必要な特性を有するような金属からなるものであれば、粉末やチップ、あるいはメッキ等により形成されるものであってもよい。更に外部から溶けた金属を挿入することにより形成してもよい。なお、第２金属は放熱基板のZ軸方向の熱伝導率に大きく影響するため、熱伝導率が低いWやMoを含まないことが好ましい。電極放熱基板として用いた場合の発熱を避けるという観点でもWやMoを含まないことが好ましい。 (Second metal columnar member 12)
The role of the columnar member 12 (for example, a columnar member) made of the second metal in the heat dissipation board according to the present invention is the heat from the heat conduction layer 13 formed on one surface (side on which the semiconductor device is mounted) of the heat dissipation board. Is efficiently transmitted to the heat conductive layer 13 formed on the other surface (the side on which the cooler such as a metal fin is provided). From this point of view, the thermal conductivity of the second metal is preferably 350 W / m · K or more. When the heat dissipation substrate is also used as an electrode (hereinafter, the heat dissipation substrate in this case is also referred to as “electrode heat dissipation substrate”), the electric conductivity of the second metal is 60% IACS or more (Al It is preferably higher than the electrical conductivity. As a material satisfying these requirements, Ag and alloys thereof can be used in addition to Cu used in the examples described later. In addition, the second metal columnar member 12 is not limited to a cylindrical member, and can be inserted into a via, and if the heat dissipation substrate after manufacture is made of a metal having necessary characteristics, a powder, a chip, or It may be formed by plating or the like. Further, it may be formed by inserting a metal melted from the outside. Since the second metal greatly affects the thermal conductivity in the Z-axis direction of the heat dissipation substrate, it is preferable that the second metal does not contain W or Mo having a low thermal conductivity. From the viewpoint of avoiding heat generation when used as an electrode heat dissipation substrate, it is preferable not to contain W or Mo.

（第３金属の熱伝導層１３）
本発明に係る放熱基板において表面及び裏面に形成される第３金属からなる熱伝導層１３の役割は、半導体デバイスからの熱を効率よくXY面内（表面に平行な面内）に拡散すること、あるいは上記第２金属から伝達された熱を第２金属のXY面内（表面に平行な面内）に拡散することである。第３の金属の熱伝導率は350W/m・K以上であることが好ましい。また、電極放熱基板の場合には、第３の金属の電気伝導率が60%IACS以上である（Alの電気伝導率よりも高い）ことが好ましい。これらの要件を満たす材料としては、後述の実施例で使用するCuのほか、Agや、それらの合金を用いることができる。また、XY面内の熱拡散効率を高くするため、熱伝導層は100μmm以上の厚さで形成されていることが好ましいが、求められる特性に応じて適宜に変更可能である。さらに、芯基材１１の表面と裏面に形成する熱伝導層１３の厚さを同一にすることにより反りを低減することができ、逆に異なる厚さにすることにより特定の方向に反らせることもできる。また、第３金属は、製造後の放熱基板が必要な特性を有するような金属からなるものであれば、粉末やチップ、あるいは溶射、蒸着、メッキ等により形成されるものであってもよい。更に外部から溶けた金属を挿入し、カーボン治具やMo枠で厚みをコントロールして形成して製作してもよい。なお、第３金属は放熱基板のXY面内の熱伝導率に大きく影響するため、熱伝導率が低いWやMoを含まないことが好ましい。電極放熱基板として用いた場合の発熱を避けるという観点でもWやMoを含まないことが好ましい。 (Third metal heat conduction layer 13)
The role of the heat conductive layer 13 made of the third metal formed on the front and back surfaces of the heat dissipation board according to the present invention is to efficiently diffuse the heat from the semiconductor device in the XY plane (in the plane parallel to the surface). Alternatively, the heat transferred from the second metal is diffused in the XY plane of the second metal (in a plane parallel to the surface). The thermal conductivity of the third metal is preferably 350 W / m · K or more. In the case of an electrode heat dissipation substrate, it is preferable that the electrical conductivity of the third metal is 60% IACS or higher (higher than the electrical conductivity of Al). As a material satisfying these requirements, Ag and alloys thereof can be used in addition to Cu used in the examples described later. In order to increase the thermal diffusion efficiency in the XY plane, the heat conductive layer is preferably formed with a thickness of 100 μm or more, but can be changed as appropriate according to the required characteristics. Furthermore, warpage can be reduced by making the thickness of the heat conductive layer 13 formed on the front surface and the back surface of the core substrate 11 the same, and conversely, it can be warped in a specific direction by using different thicknesses. it can. In addition, the third metal may be formed by powder, a chip, or thermal spraying, vapor deposition, plating, or the like as long as it is made of a metal such that the manufactured heat dissipation substrate has necessary characteristics. Furthermore, the metal melted from the outside may be inserted and formed by controlling the thickness with a carbon jig or Mo frame. Since the third metal greatly affects the thermal conductivity in the XY plane of the heat dissipation substrate, it is preferable not to include W or Mo having a low thermal conductivity. From the viewpoint of avoiding heat generation when used as an electrode heat dissipation substrate, it is preferable not to contain W or Mo.

次に、本発明に係る放熱基板の製造方法の一実施例における各工程について説明する。   Next, each process in one Example of the manufacturing method of the thermal radiation board | substrate which concerns on this invention is demonstrated.

（第１金属のビア加工）
まず、第１の金属からなる芯基材１１に貫通孔（ビア）を形成する。ビアの加工は適宜の方法（レーザ加工、エッチング、ドリル加工、放電加工（WEDM）、パンチング等）により行うことができる。また、ビアの大きさ、形状、及び数は、放熱基板全体及び／又は本体に占めるCuの割合を考慮して適宜に決めることができる。例えば、１辺10.0mm角の正方形からなる面積100mm2の面積あたり、直径2.8mmのビアを5個形成することにより、第２の金属を30vol%で含む本体（ビアに第２の金属を導入した芯基材）を作製することができる。本実施例では全体に均一にビアを設けているが、搭載される半導体デバイスが特定の位置で発熱する場合には、発熱位置に対応する場所に多くの（あるいは大きな）ビアを形成するようにしてもよい。なお、ビアの断面形状は典型的には円柱状であるが、これに限定されず、多角柱状や、厚さ方向の中央に向かって徐々に狭くなる鼓（つづみ）状など、種々の形状とすることができる。例えば、芯基材の上下からエッチング、ドリル、レーザ等で加工する際に、表面及び裏面にテーパ状の孔が形成されると、自然に鼓状のビアが形成される。また、隣接するビアの離間間隔が小さい場合や製品が小さい場合には、隣接するビアの表面側及び裏面側端部を繋げておくことで、第２からなる柱状部材と第３金属からなる熱伝導層を一体的に形成することができる。また、ビアの配置はいずれも一例であり、第２の金属の含有比に応じて適宜に変更される。また、芯基材に網状のものやスリット材を使用して第２金属を導入するビアを形成してもよい。 (First metal via processing)
First, a through hole (via) is formed in the core substrate 11 made of the first metal. The via can be processed by an appropriate method (laser processing, etching, drill processing, electric discharge processing (WEDM), punching, etc.). The size, shape, and number of vias can be determined as appropriate in consideration of the ratio of Cu in the entire heat dissipation substrate and / or the main body. For example, per area of the area 100 mm 2 consisting of square one side 10.0mm square, by five form vias with a diameter of 2.8 mm, introducing a second metal body (via including a second metal in 30 vol% Core substrate) can be produced. In the present embodiment, the vias are provided uniformly throughout, but when the mounted semiconductor device generates heat at a specific position, many (or large) vias should be formed at a location corresponding to the heat generation position. May be. The cross-sectional shape of the via is typically a cylindrical shape, but is not limited to this, and various shapes such as a polygonal column shape and a drum shape that gradually narrows toward the center in the thickness direction. It can be. For example, when a tapered hole is formed on the front and back surfaces when processing from above and below the core substrate by etching, drilling, laser, or the like, a drum-shaped via is naturally formed. Also, when the spacing between adjacent vias is small or the product is small, the heat of the second columnar member and the third metal can be obtained by connecting the front and back side ends of adjacent vias. The conductive layer can be formed integrally. Further, the arrangement of vias is only an example, and is appropriately changed according to the content ratio of the second metal. Moreover, you may form the via | veer which introduce | transduces a 2nd metal using a net-like thing or a slit material for a core base material.

（積層体の作製）
本実施例では、ビアを形成した芯基材に、該ビアよりもわずかに径が小さい、第２の金属からなる円柱部材を挿入する。そして、芯基材の表面及び裏面に第３の金属からなる板状部材を配置することにより積層体を作製した。 (Production of laminate)
In this embodiment, a cylindrical member made of a second metal having a diameter slightly smaller than that of the via is inserted into the core base material on which the via is formed. And the laminated body was produced by arrange | positioning the plate-shaped member which consists of a 3rd metal in the surface and back surface of a core base material.

（局所溶融接合法又は全体溶融接合法による積層体の複合合金化）
本実施例では、ハイブリッド型の放熱基板を製作する方法には主なもとしては局所溶融接合法と全体溶融接合法の２通りを示す。なお、ここでいう局所、全体とは、第２の金属及び第３の金属の局所あるいは全体を指すものであって、芯基材を構成する第１の金属を溶融させるわけではない。本願明細書に記載の局所溶融接合法あるいは全体溶融接合法の原理を利用してハイブリッド型の放熱基板を製造する限りにおいて、本実施例に記載した具体例以外の方法を採ることもできる。 (Composite alloying of laminates by local melt bonding or whole melt bonding)
In this embodiment, there are two main methods for manufacturing a hybrid heat dissipation substrate: a local fusion bonding method and an overall fusion bonding method. In addition, the local and whole here refer to the local or whole of a 2nd metal and a 3rd metal, and do not melt the 1st metal which comprises a core base material. As long as the hybrid heat dissipation substrate is manufactured by utilizing the principle of the local melt bonding method or the entire melt bonding method described in the specification of the present application, a method other than the specific example described in the present embodiment can also be adopted.

局所溶融接合法、全体溶融接合法のいずれにおいても第１、第２、及び第３金属からなる積層体を複合合金化する。
局所溶融接合法では、積層体の上下をカーボン治具で挟んで放電プラズマ焼結装置(シンテックス株式会社製、SPS-1050)に取り付けて通電し、機械的に圧力を加えつつ第１及び第２並びに第３の金属の融点未満の温度に加熱し接合を行った。放熱基板の大きさにもよるが、例えば第１の金属がMo、第２及び第３の金属がCuである場合には、温度800〜1000℃、2.5MPa以上の圧力で5分程度の処理を行えばよい。SPS法では、加熱及び加圧状態でパルス電圧を印加することにより、被処理物（ハイブリッド型の積層体）の内部に存在する空隙に局所的にプラズマを発生させ、該空隙の近傍に存在する材料を局所的に溶融させる。また、溶融した金属が圧力で移動し欠陥部が消失する。このように2段加圧することで内部構造が安定し、積層体内部の空隙をなくすことができる。これにより、ハイブリッド型の放熱基板が得られる。また、応用として第１金属にメッキ処理を施して局所的に溶融させ界面を接合することも考えられる。また、SPS装置で融点以上に加熱しても特に問題はない。 In any of the local melt bonding method and the overall melt bonding method, the laminate made of the first, second, and third metals is made into a composite alloy.
In the local melt bonding method, the laminate is sandwiched between carbon jigs and attached to a discharge plasma sintering apparatus (SPS-1050, manufactured by Syntex Co., Ltd.). 2 and the third metal were heated to a temperature lower than the melting point for bonding. Depending on the size of the heat dissipation substrate, for example, when the first metal is Mo and the second and third metals are Cu, the treatment is performed at a temperature of 800 to 1000 ° C. and a pressure of 2.5 MPa or more for about 5 minutes. Can be done. In the SPS method, by applying a pulse voltage in a heated and pressurized state, plasma is locally generated in the void existing inside the object to be processed (hybrid laminate) and is present in the vicinity of the void. Melt the material locally. Moreover, the molten metal moves by pressure, and the defect part disappears. Thus, by applying two-stage pressurization, the internal structure is stabilized and voids inside the laminate can be eliminated. Thereby, a hybrid-type heat dissipation substrate is obtained. As an application, it is also conceivable to apply a plating process to the first metal and locally melt it to join the interface. Further, there is no particular problem even if the SPS apparatus is heated to the melting point or higher.

一方、全体溶融接合法では、例えばHP法により積層体を複合合金化する。この場合には、第２及び第３の金属の融点以上に加熱しつつ加圧する。これにより芯基材のビア内部に第２の金属をいきわたらせて空隙をなくし、またビアの内壁面の第１の金属と第２の金属を溶融体で接合する。例えば、第１の金属がMo、第２及び第３の金属がCuである場合には、Cuの融点以上1400℃以下の温度で1.0MPa以上に加圧した状態を10分以上保持することによって複合合金化することができる。なお、カーボン治具や外周枠を工夫して余分なCuとガスを外部に放出することにより、接合部や第１及び第２金属の内部からより確実にボイドを消失させることができる。枠の材質はMoに限らずSUS等でもよい。他の全体溶融接合法として、溶融した第２及び第３の金属をカーボン治具内に注入するようにしても良い。全体溶融接合法としては、HP法のほかに、SPS装置、加熱炉、加圧溶浸鍛造機、あるいはガス加圧機等の熱間等方圧加圧（HIP：Hot Isostatic Pressing）装置を用いる方法等、適宜の方法を用いることもできる。高性能半導体モジュールや高性能LED用の電極放熱基板等では、全体溶融接合法の枠をそのまま用いて経済的にハイブリッド型の放熱基板を製造することもできる。   On the other hand, in the overall melt bonding method, the laminate is made into a composite alloy by, for example, the HP method. In this case, the pressure is applied while heating to the melting point of the second and third metals. As a result, the second metal is dispersed inside the via of the core substrate to eliminate the gap, and the first metal and the second metal on the inner wall surface of the via are joined by the melt. For example, when the first metal is Mo and the second and third metals are Cu, by holding the pressure of 1.0 MPa or more at a temperature not lower than the melting point of Cu and not higher than 1400 ° C. for 10 minutes or more. A composite alloy can be formed. In addition, by devising the carbon jig and the outer peripheral frame and releasing excess Cu and gas to the outside, voids can be more reliably eliminated from the inside of the joint and the first and second metals. The material of the frame is not limited to Mo but may be SUS or the like. As another overall melt bonding method, the melted second and third metals may be injected into the carbon jig. In addition to the HP method, the overall melt bonding method uses a hot isostatic pressing (HIP) device such as an SPS device, a heating furnace, a pressure infiltration forging machine, or a gas pressurizing machine. An appropriate method can also be used. For high-performance semiconductor modules, electrode heat-dissipating substrates for high-performance LEDs, etc., a hybrid heat-dissipating substrate can also be produced economically using the entire fusion bonding method as it is.

LED等において用いられる半導体モジュールは小さく、その製造時に放熱基板に様々な構成部品を取り付ける加工の難度は高い。そのため、加工コストが高くなりやすい。LED用の半導体モジュールに搭載される放熱基板は、例えば縦3.0mm×横3.0mm×高さ1.0mmという大きさである。そこで、半導体モジュールの構成を予め考慮し、上記全体溶融接合法において使用する枠部材をそのまま半導体モジュールの構成部材として使用できるように該枠部材を設計することにより、経済的かつ効率よく半導体モジュールを製造することが可能になる。   A semiconductor module used in an LED or the like is small, and the difficulty of processing to attach various components to a heat dissipation board at the time of manufacture is high. Therefore, the processing cost tends to be high. The heat dissipation board mounted on the LED semiconductor module is, for example, 3.0 mm long × 3.0 mm wide × 1.0 mm high. Therefore, considering the configuration of the semiconductor module in advance, by designing the frame member so that the frame member used in the overall fusion bonding method can be used as it is as a component member of the semiconductor module, the semiconductor module can be economically and efficiently used. It becomes possible to manufacture.

（メッキ処理）
上記のように積層体を複合合金化することにより得た放熱基板の表面にNi系のメッキ処理を施す。Ni系のメッキ処理とは、NiあるいはNi合金によるメッキ処理をいう。これにより、後にパッケージの製造や半導体デバイスを取り付ける際に行われる蝋付けやハンダ付けでボイド等の欠陥が生じる可能性を低減することができる。また、蝋付けやハンダ付けにより放熱基板が侵食されるのを防止することもできる。 (Plating treatment)
As described above, the Ni-based plating treatment is performed on the surface of the heat dissipation substrate obtained by forming the laminate into a composite alloy. Ni-based plating treatment refers to plating treatment with Ni or Ni alloy. Thereby, possibility that defects, such as a void, will arise by brazing and soldering performed when manufacturing a package or attaching a semiconductor device later can be reduced. Further, it is possible to prevent the heat dissipation substrate from being eroded by brazing or soldering.

次に、上記のようにして作製された放熱基板の特性やその評価方法を説明する。   Next, the characteristics of the heat dissipation substrate manufactured as described above and the evaluation method thereof will be described.

（半導体パッケージ）
一般的に、半導体モジュールでは放熱基板にセラミックや他の部材を蝋付けして製作される。このためパッケージの製造工程では室温（RT）〜800℃の温度範囲における最大線膨張係数が8.0ppm/K以下であることが求められる。また、半導体デバイスの動作温度として想定される300℃において1000時間保持しても破損や損傷等の不具合が生じないことも求められる。他にプラスチックパッケージや金属パッケージ等があるがセラミックパッケージの評価を合格すれば問題ないとの知見がある。 (Semiconductor package)
Generally, a semiconductor module is manufactured by brazing ceramic or other members to a heat dissipation board. For this reason, in the package manufacturing process, the maximum linear expansion coefficient in the temperature range from room temperature (RT) to 800 ° C. is required to be 8.0 ppm / K or less. In addition, it is required that defects such as breakage and damage do not occur even if the semiconductor device is held at 300 ° C., which is assumed as the operating temperature of the semiconductor device, for 1000 hours. There are other plastic packages and metal packages, but there is knowledge that there is no problem if the evaluation of the ceramic package is passed.

（半導体モジュール）
本発明の半導体モジュールの用途はメモリ、IC、LSI、通信用、パワー半導体、センサー、LEDなど多種多様であり、将来的にはさらに広がることが想定されている。特にパワー半導体モジュールでは、電極放熱基板を半導体デバイスの上下もしくは一方に接合して用いると効率的に半導体デバイスを冷却することができ、また通電断面積を大きくして大きな通電容量を確保することができる。電極を水平に配置する垂直型のLED用の電極放熱基板等として使用することにより高性能化を図ることもできる。 (Semiconductor module)
The semiconductor module of the present invention has a wide variety of uses such as memory, IC, LSI, communication, power semiconductor, sensor, LED, etc., and is expected to expand further in the future. In particular, in power semiconductor modules, the electrode heat dissipation substrate can be used to be bonded to the top or bottom or one side of the semiconductor device to efficiently cool the semiconductor device, and a large cross-sectional area can be secured to ensure a large current carrying capacity. it can. Higher performance can be achieved by using it as an electrode heat dissipation substrate for a vertical LED in which electrodes are arranged horizontally.

（線膨張係数）
放熱基板の特性を評価する項目の１つは線膨張係数の値である。各実施例の放熱基板からWEDMにより縦20mm×横10mm×厚さ1.5mmの試料を切り出し、線膨張係数測定装置（セイコーインスツル株式会社製）を用いてRT〜800℃の範囲の最大の値の線膨張係数を測定した。試料の縦方向（X方向）と横方向（Y方向）でそれぞれ線膨張係数を測定し、それらのうちの大きい方の値が8.0ppm/K以下であるか否かにより良否を判定した。 (Linear expansion coefficient)
One of the items for evaluating the characteristics of the heat dissipation board is the value of the linear expansion coefficient. A sample 20 mm long × 10 mm wide × 1.5 mm thick was cut out from the heat dissipation substrate of each example by WEDM, and the maximum value in the range of RT to 800 ° C using a linear expansion coefficient measuring device (manufactured by Seiko Instruments Inc.) The linear expansion coefficient was measured. The linear expansion coefficient was measured in each of the longitudinal direction (X direction) and the lateral direction (Y direction) of the sample, and whether or not the larger value was 8.0 ppm / K or less was judged.

（熱伝導率）
放熱基板の特性を評価する項目の別の１つは熱伝導率であり、より詳しくはXY面内（基板表面に平行な面内）での熱伝導率とZ軸方向（厚さ方向）の熱伝導率である。各実施例の放熱基板から直径10mm×厚さ1.5mmの試料を切り出し、レーザーフラッシュ法の熱伝導率測定装置（アドバンス理工社製 FTC-RT）を用いて真空、300℃においてZ軸方向の熱伝導率を3回測定した。そして、測定結果の平均値が200W/m・K以上であるか否かにより良否を判定した。XY面内の熱伝導率の評価は、各実施例の放熱基板をそのまま（縦25mm×横25mm×厚さ1.5mm）使用し、レーザーフラッシュ法の熱伝導率測定装置（アドバンス理工社製 TC-7000）を用いて真空、300℃においてXY面内の熱伝導率を3回測定した。そして、測定結果の平均値がZ軸方向で200W/m・K以上、XY面内で150 W/m・K以上であるか否かにより良否を判定した。 (Thermal conductivity)
Another item for evaluating the characteristics of the heat dissipation board is the thermal conductivity. More specifically, the thermal conductivity in the XY plane (in the plane parallel to the substrate surface) and the Z-axis direction (thickness direction). Thermal conductivity. A sample 10 mm in diameter and 1.5 mm in thickness was cut out from the heat dissipation substrate of each example, and heat was measured in the Z-axis direction at 300 ° C in vacuum using a laser flash thermal conductivity measuring device (advanced Riko Co., Ltd. FTC-RT) Conductivity was measured three times. And the quality was judged by whether the average value of the measurement result was 200 W / m · K or more. Evaluation of thermal conductivity in the XY plane uses the heat dissipation substrate of each example as it is (25 mm long x 25 mm wide x 1.5 mm thick) and uses a laser flash method thermal conductivity measuring device (TC-made by Advanced Riko Co., Ltd.) 7000), and the thermal conductivity in the XY plane was measured three times at 300 ° C in vacuum. Then, whether the average value of the measurement results was 200 W / m · K or more in the Z-axis direction and 150 W / m · K or more in the XY plane was determined.

（電気伝導率）
評価項目のさらに別の１つは電気伝導率である。各実施例の放熱基板からWEDMにより直径10mm×厚さ1.5mmの試料を切り出し、その上下面に電流・電圧端子を溶接する四端子法の電気伝導率測定装置（(株)ナプソン社製 RT70V）を用いて大気圧、300℃における電気抵抗値を3回測定した。そして、測定結果の平均値が60%IACS以上であるか否か（即ちAlの電気伝導率よりも高いか否か）により良否を判定した。なお、一般的な電気伝導度の測定方法として、渦電流をシグマテスタで測定する方法も知られているが、本実施例の放熱基板のように内部が複数の異なる構造体である場合の測定方法としては適さないと判断し、今回は四端子法を用いた。 (Electrical conductivity)
Yet another evaluation item is electrical conductivity. A four-terminal electrical conductivity measurement device (RT70V manufactured by Napson Co., Ltd.) that cuts a 10mm diameter x 1.5mm thickness sample from the heat dissipation substrate of each example by WEDM and welds current and voltage terminals to the top and bottom surfaces of the sample. Was used to measure the electrical resistance value at atmospheric pressure and 300 ° C. three times. And the quality was judged by whether the average value of a measurement result was 60% IACS or more (namely, it is higher than the electrical conductivity of Al). As a general method for measuring electrical conductivity, a method for measuring eddy current with a sigma tester is also known, but a method for measuring a case where the inside is a plurality of different structures like the heat dissipation substrate of this embodiment. The four terminal method was used this time.

（パッケージ製造評価）
パッケージ製造評価は放熱基板のみのより電極放熱基板の評価の方が厳しい。そこで、今回は電極放熱基板のパッケージとして製造評価を実施した。各実施例の放熱基板（縦25mm×横25mm×厚さ1.5mmの試料）に2μのNi-Bメッキ行い。それに上下に金属層があるセラミック枠とその上に蝋材（AgCu：融点780℃）を挟んで電極端子を同時にカーボン治具にセットし、窒素水素の雰囲気において800℃で蝋付けして評価用のパッケージを作製した。そして、パッケージとしての信頼性を確認するために300℃で1000時間放置し、構成部材の剥離や割れがないかを確認した。 (Package manufacturing evaluation)
In the package manufacturing evaluation, the evaluation of the electrode heat dissipation board is more severe than the heat dissipation board alone. Therefore, this time, manufacturing evaluation was carried out as a package of an electrode heat dissipation substrate. 2μ Ni-B plating was applied to the heat dissipation board (25mm long × 25mm wide × 1.5mm thick sample) of each example. A ceramic frame with metal layers on top and bottom and a brazing material (AgCu: melting point 780 ° C) sandwiched between them and the electrode terminals are simultaneously set on a carbon jig, and brazed at 800 ° C in a nitrogen-hydrogen atmosphere for evaluation. The package of was produced. And in order to confirm the reliability as a package, it was left to stand at 300 degreeC for 1000 hours, and it was confirmed whether there was peeling and a crack of a structural member.

（モジュール評価のヒートサイクル試験）
さらに、半導体モジュールに搭載することを想定し、ヒートサイクル試験を行った。上述のパッケージ製造評価で用いたものと同じパッケージの放熱基板に1μm厚さのAgメッキ処理を施し、その上に、縦10mm×横10mmの大きさで300℃における線膨張係数が5.6ppm/Kであり上下面に1μm厚さのAgメッキ処理を施したヒータチップをナノAgペーストの二次焼結方式で接合するとともに、その上面にリード線を付けてパッケージの電極端子に配線して評価用の半導体モジュールを作製した。こうして作製した評価用の半導体モジュールの底面（ヒータチップの接合面と反対側の面）に100mmｘ100mmｘ5mmの冷却板をナノAgペーストの二次焼結方式で接合して取り付け、さらに樹脂シートを取り付けて絶縁した。これをヒートサイクル試験評価装置に取り付け、ヒータチップと放熱基板の間に30Aの電流を流したまま、ヒータの温度を300℃に加熱して5分保持し、続いて-40℃まで冷却して5分保持するという加熱冷却サイクルを100サイクル繰り返してヒータと放熱基板の間の電圧をモニタリングした。そして、100サイクルの間にヒータチップと放熱基板の接合面電圧値に異常な変動が生じないかを調べ、超音波探傷機で剥離や剥離があった場合には不合格とした。 (Heat cycle test for module evaluation)
Furthermore, a heat cycle test was conducted on the assumption that it would be mounted on a semiconductor module. The heat dissipation board of the same package used in the above-mentioned package manufacturing evaluation is subjected to Ag plating treatment with a thickness of 1μm, and on top of that, the linear expansion coefficient at 300 ° C is 5.6ppm / K with a size of 10mm length × 10mm width For the evaluation, the heater chip with Ag plating treatment of 1μm thickness on the upper and lower surfaces is joined by the secondary sintering method of nano Ag paste, and lead wires are attached to the upper surface and wired to the electrode terminals of the package The semiconductor module was manufactured. A 100 mm x 100 mm x 5 mm cooling plate is attached to the bottom surface of the semiconductor module for evaluation (surface opposite to the heater chip bonding surface) manufactured in this way by using the nano-Ag paste secondary sintering method, and a resin sheet is then attached for insulation. did. Attach this to the heat cycle test evaluation device, and with the 30A current flowing between the heater chip and the heat dissipation board, heat the heater to 300 ° C and hold for 5 minutes, then cool to -40 ° C. The voltage between the heater and the heat dissipation substrate was monitored by repeating the heating / cooling cycle of holding for 5 minutes for 100 cycles. Then, it was examined whether or not an abnormal fluctuation occurred in the voltage value of the bonding surface between the heater chip and the heat radiating substrate during 100 cycles, and when there was peeling or peeling with an ultrasonic flaw detector, it was rejected.

以下、上述の製造方法により作製した実施例Ａ〜Ｅと比較例Ａ及びＢの放熱基板の作製条件と特性の評価結果を説明する。表２はその一覧である。   Hereinafter, the production conditions and the evaluation results of the characteristics of the heat dissipation substrates of Examples A to E and Comparative Examples A and B produced by the above-described manufacturing method will be described. Table 2 is a list.

Figure 0006041117
Figure 0006041117

（実施例Ａ〜Ｃ、比較例Ｘ）
実施例ＡではMoからなる縦25mm×横25mm×厚さ1.0mmのMo板状部材（第１金属の芯基材）にパンチングを行って、半径1.42mmのビアを10mm四方あたり5個形成した。そして、形成した各ビアに半径1.4mm×長さ1.05mmのCu円柱部材（第２金属の柱状部材）を挿入した。その上下に縦25mm×横25mm×高さ0.3mmのCu板状部材（第３金属の板状部材）を置き積層体を作製した。そして、この積層体をカーボン治具によりSPS装置にセットし、真空、温度950℃、圧力10MPa（約100kgf/cm2）で1分間保持して加熱加圧した。さらに、その後、50MPa（約500kgf/cm2）に加圧した。こうして作製した複合合金体の表面を研磨して厚みを1.5mmとし、Cuの含有比が50vol%である放熱基板を作製した。 (Examples A to C, Comparative Example X)
In Example A, punching was performed on a Mo plate-like member (first metal core substrate) 25 mm long × 25 mm wide × 1.0 mm thick made of Mo to form five vias having a radius of 1.42 mm per 10 mm square. . Then, a Cu cylindrical member (second metal columnar member) having a radius of 1.4 mm and a length of 1.05 mm was inserted into each formed via. A Cu plate-like member (third metal plate-like member) having a length of 25 mm × width of 25 mm × height of 0.3 mm was placed above and below to produce a laminate. Then, this laminate was set in an SPS apparatus using a carbon jig, and heated and pressurized while being held for 1 minute in a vacuum at a temperature of 950 ° C. and a pressure of 10 MPa (about 100 kgf / cm 2 ). Thereafter, the pressure was increased to 50 MPa (about 500 kgf / cm 2 ). The surface of the composite alloy body thus fabricated was polished to a thickness of 1.5 mm, and a heat dissipation substrate having a Cu content ratio of 50 vol% was fabricated.

実施例Ｂ及びＣと比較例Ｘは、それぞれビアの大きさもしくは数を変更することによりCuの含有比を60vol%、70vol%、80vol%とした点以外は実施例Ａと同じである。   Examples B and C and Comparative Example X are the same as Example A except that the Cu content ratio was changed to 60 vol%, 70 vol%, and 80 vol% by changing the size or number of vias, respectively.

（実施例Ｅ）
実施例Ｇでは、Moからなる縦30mm×横30mm×厚さ1.0mmのMo板状部材（第１金属の芯基材）にレーザ加工を行って、半径1.42mmのビアを10mm四方あたり5個形成した。そして、形成した各ビアに半径1.4mm×長さ1.05mmのCu円柱部材（第２金属の柱状部材）を挿入した。その上下に、外周が縦30mm×横30mmであり内周が縦25mm×横25mmであって高さが0.25mmである、Mo枠部材（第３金属の厚さ調整用の枠部材）を配置し、該枠部材の内部に縦25mm×横25mm×高さ0.3mmのCu板状部材（第３金属の板状部材）を挿入した積層体を作製した。そして、この積層体をカーボン治具によりHP装置にセットし、真空、温度1300℃、50MPa（約500kgf/cm2）に加圧することによりCuを全溶融させつつ余剰のCuとガスを外部に放出させ複合合金化した。そして、作製した複合合金体の表面を研磨して厚み1.5mmとし、WEDMにより縦25mm×横25mm×厚さ1.5mmの大きさで切り出すことによりCuの含有比が50vol%である放熱基板を作製した。 (Example E)
In Example G, laser processing was performed on a Mo plate member (first metal core substrate) 30 mm long x 30 mm wide x 1.0 mm thick made of Mo, and 5 vias with a radius of 1.42 mm per 10 mm square Formed. Then, a Cu cylindrical member (second metal columnar member) having a radius of 1.4 mm and a length of 1.05 mm was inserted into each formed via. Above and below it is a Mo frame member (frame member for adjusting the thickness of the third metal) whose outer circumference is 30 mm long x 30 mm wide, whose inner circumference is 25 mm long x 25 mm wide and 0.25 mm high. And the laminated body which inserted Cu plate-shaped member (3rd metal plate-shaped member) of length 25mm * width 25mm * height 0.3mm inside this frame member was produced. Then, this laminate is set in the HP device using a carbon jig, and the excess Cu and gas are released to the outside while completely melting Cu by pressurizing to a vacuum of 1300 ° C and 50 MPa (about 500 kgf / cm 2 ). To make a composite alloy. Then, the surface of the prepared composite alloy body was polished to a thickness of 1.5 mm, and cut into a size of 25 mm long × 25 mm wide × 1.5 mm thick by WEDM to produce a heat dissipation substrate with a Cu content ratio of 50 vol% did.

（比較例Ｙと実施例Ｄ）
比較例Ｙと実施例Ｄは、それぞれビアの大きさもしくは数を変更することにより、あるいは芯基材の上下のCu厚みを変更することによりCuの含有比を30vol%、40vol%、とした点以外は実施例Ｅと同じである。 (Comparative Example Y and Example D)
In Comparative Example Y and Example D, the content ratio of Cu was changed to 30 vol% and 40 vol% by changing the size or number of vias or by changing the Cu thickness above and below the core substrate, respectively. Other than that is the same as Example E.

実施例Ａ〜Ｅでは最大線膨張係数（基準値：8.0ppm/K以下）、及び熱伝導率（基準値：Z軸方向で200W/m・K以上、XY面内出150 W/m・K以上）について基準値よりも優れた特性が確認された。一方、比較例Ｘでは線膨張係数が8.5ppm/K、比較例ＹではXY面内の熱伝導率が145W/m・Kであった。電気伝導率については実施例Ａ〜Ｅと比較例Ｘ及びＹの全てがAlの電気伝導率（59IACS%）を超える電気伝導率を有しており、いずれも電極放熱基板として使用できることが確認できた。さらに、パッケージ評価についても問題ないことが確認できた。一方、モジュール評価については、実施例Ａ〜Ｅでは問題がなかったものの比較例Ｘ及びＹではヒータチップと放熱基板の接合面間の電圧の異常変化（急激な上昇）が見られ超音波探傷で調べたところ剥離がみられた。   In Examples A to E, the maximum linear expansion coefficient (reference value: 8.0 ppm / K or less) and thermal conductivity (reference value: 200 W / m · K or more in the Z-axis direction, 150 W / m · K in the XY plane) The characteristics superior to the reference values were confirmed for the above. On the other hand, in Comparative Example X, the linear expansion coefficient was 8.5 ppm / K, and in Comparative Example Y, the thermal conductivity in the XY plane was 145 W / m · K. Regarding the electrical conductivity, all of Examples A to E and Comparative Examples X and Y have an electrical conductivity exceeding that of Al (59IACS%), and it can be confirmed that any of them can be used as an electrode heat dissipation substrate. It was. Furthermore, it was confirmed that there was no problem with package evaluation. On the other hand, for module evaluation, although there was no problem in Examples A to E, in Comparative Examples X and Y, an abnormal change (rapid increase) in the voltage between the joining surface of the heater chip and the heat dissipation substrate was observed, and ultrasonic flaw detection was performed. When examined, peeling was observed.

上記実施例Ａ〜Ｅの放熱基板は、将来的に想定されている300℃で動作する半導体デバイス用の放熱基板として求められる特性の要件（室温〜300℃の温度範囲における線膨張係数が8.0ppm/K以下、かつ熱伝導率がZ軸で200W/m・K以上、XY面内で150W/m・K以上、を満たすことが確認された。これは、本実施例の製造方法を用いることにより放熱基板内部に空隙やボイドの発生が防止され、材料本来の特性を有する放熱基板が得られたことを意味する。   The heat dissipation substrates of the above Examples A to E have requirements for characteristics required as heat dissipation substrates for semiconductor devices operating at 300 ° C. that are assumed in the future (linear expansion coefficient is 8.0 ppm in the temperature range of room temperature to 300 ° C. It was confirmed that the thermal conductivity satisfies 200 W / m · K or more on the Z axis and 150 W / m · K or more on the XY plane using the manufacturing method of this example. This means that voids and voids are prevented from being generated inside the heat dissipation substrate, and a heat dissipation substrate having the original characteristics of the material is obtained.

また、メイン電路にWやMoを含まず電気伝導率が60%IACS以上であるという要件を満たした電極放熱基板を得ることが出来た。電流は、まずは抵抗の低い経路を流れ、その経路における通電量が許容量を超えると他の経路にも流れ出す。本実施例の放熱基板では主に電流が流れる電路（メイン電路）を構成する第２金属と第３金属がCuである。これは、半導体モジュールメーカが求める、WやMoをメイン電路に含まないという要件を満たす構成であり、高い電気伝導率を有し、安定的に通電することができる。   In addition, an electrode heat dissipation board that satisfies the requirement that the main electrical circuit does not contain W or Mo and the electrical conductivity is 60% IACS or higher was obtained. The current first flows through a path with low resistance, and when the energization amount in the path exceeds an allowable amount, it also flows out to other paths. In the heat dissipation board of the present embodiment, the second metal and the third metal constituting the electric circuit (main electric circuit) through which the current mainly flows are Cu. This is a configuration that satisfies the requirement that the semiconductor module manufacturer does not include W or Mo in the main circuit, has high electrical conductivity, and can be stably energized.

半導体モジュールの用途はメモリ、IC、LSI、通信用、パワー半導体、センサー、LEDなど多種多様であり、将来的にはさらに広がることが想定されているが、本発明に係るハイブリッド構造の放熱基板はこれらのいずれの用途の半導体モジュールにも好適に用いることができる。特にパワー半導体モジュールでは。小型化が進められるにつれリード線での通電容量の確保が難しくなっているが、本発明に係る電極放熱基板を半導体デバイスの上下もしくは一方に面接合して用いると、効率的に半導体デバイスを冷却することができるだけでなく、通電断面積を大きくして大きな通電容量を確保することができる。さらに、従来用いられてきた絶縁基板に代えて、安価で薄い樹脂製の絶縁シートを用いることも可能になる。   Semiconductor modules are used in a wide variety of applications such as memory, IC, LSI, communication, power semiconductors, sensors, LEDs, etc., and are expected to expand further in the future. It can be suitably used for a semiconductor module for any of these applications. Especially for power semiconductor modules. As the miniaturization progresses, it is difficult to secure the current carrying capacity of the lead wire. However, when the electrode heat dissipation substrate according to the present invention is used by bonding the upper and lower sides or one side of the semiconductor device, the semiconductor device is efficiently cooled. Not only can this be done, but the energization cross-sectional area can be increased to ensure a large energization capacity. Furthermore, instead of the conventionally used insulating substrate, an inexpensive and thin resin insulating sheet can be used.

上記実施例は一例であって、本発明の趣旨に沿って適宜に変更することができる。   The above-described embodiment is an example, and can be appropriately changed in accordance with the gist of the present invention.

１１…芯基材（第１の金属）
１２…柱状部材（第２の金属）
１３…熱伝導層（第３の金属） 11 ... Core substrate (first metal)
12 ... Columnar member (second metal)
13 ... Heat conduction layer (third metal)

Claims (5)

a) Moからなる板状の芯基材を厚さ方向に貫通するように、Cuからなる挿入体を導入して本体を作製し、
b) 前記本体の表面及び裏面にそれぞれCuからなる板状の熱伝導部材を配置して積層体を作製し、
c) 前記積層体をCuの融点未満に加熱及び加圧することにより、前記芯基材と前記挿入体の界面、及び前記芯基材と前記熱伝導部材の界面においてCuを局所的に溶融させて複合合金化する
ことにより、室温から300℃の温度範囲における線膨張係数の最大値が8.0ppm/K以下であり、300℃における熱伝導率が表面に平行な方向において150W/m・K以上かつ厚さ方向において200W/m・K以上であり、電気伝導率が60IACS%以上である放熱基板を製造する
ことを特徴とする放熱基板の製造方法。 a) Introducing an insert made of Cu so as to penetrate the plate-shaped core substrate made of Mo in the thickness direction,
b) A laminated body is prepared by arranging plate-like heat conducting members made of Cu on the front and back surfaces of the main body,
c) By heating and pressurizing the laminated body below the melting point of Cu, Cu is locally melted at the interface between the core substrate and the insert, and at the interface between the core substrate and the heat conducting member. By forming a composite alloy, the maximum value of the linear expansion coefficient in the temperature range from room temperature to 300 ° C is 8.0 ppm / K or less, and the thermal conductivity at 300 ° C is 150 W / m · K or more in the direction parallel to the surface. A method for manufacturing a heat dissipation board, characterized by manufacturing a heat dissipation board having a thickness of 200 W / m · K or more and an electric conductivity of 60 IACS% or more. a) Moからなる板状の芯基材を厚さ方向に貫通するように、Cuからなる挿入体を導入して本体を作製し、
b) 前記本体の表面及び裏面にそれぞれCuからなる板状の熱伝導部材を配置して積層体を作製し、
c) 前記積層体をCuの融点以上に加熱及び加圧することにより複合合金化する
ことにより、室温から300℃の温度範囲における線膨張係数の最大値が8.0ppm/K以下であり、300℃における熱伝導率が表面に平行な方向において150W/m・K以上かつ厚さ方向において200W/m・K以上であり、電気伝導率が60IACS%以上である放熱基板を製造する
ことを特徴とする放熱基板の製造方法。 a) Introducing an insert made of Cu so as to penetrate the plate-shaped core substrate made of Mo in the thickness direction,
b) A laminated body is prepared by arranging plate-like heat conducting members made of Cu on the front and back surfaces of the main body,
c) By heating and pressing the laminate above the melting point of Cu to form a composite alloy, the maximum value of the linear expansion coefficient in the temperature range from room temperature to 300 ° C is 8.0 ppm / K or less, and at 300 ° C The heat dissipation is characterized by producing a heat dissipation board with a thermal conductivity of 150 W / m ・ K or more in the direction parallel to the surface and 200 W / m ・ K or more in the thickness direction and an electric conductivity of 60 IACS% or more. A method for manufacturing a substrate. a) Moからなる板状の芯基材と、該芯基材を厚さ方向に貫通するように導入された、Cuからなる貫通部とを有する本体と、
b) 前記本体の表裏面に形成された、Cuからなる熱伝導層と、
c) 前記芯基材と前記貫通部の界面に形成された第１溶融部と、
d) 前記芯基材と前記熱伝導層の界面に形成された第２溶融部と、
を有し、
室温から300℃の温度範囲における線膨張係数の最大値が8.0ppm/K以下であり、300℃における熱伝導率が表面に平行な方向において150W/m・K以上かつ厚さ方向において200W/m・K以上であり、電気伝導率が60IACS%以上であることを特徴とする放熱基板。 a) a main body having a plate-like core base material made of Mo, and a through portion made of Cu introduced so as to penetrate the core base material in the thickness direction;
b) a heat conductive layer made of Cu formed on the front and back surfaces of the main body;
c) a first melting part formed at the interface between the core substrate and the penetrating part;
d) a second melting portion formed at the interface between the core substrate and the heat conductive layer;
Have
The maximum coefficient of linear expansion in the temperature range from room temperature to 300 ° C is 8.0 ppm / K or less, the thermal conductivity at 300 ° C is 150 W / m · K or more in the direction parallel to the surface, and 200 W / m in the thickness direction. -A heat dissipation board characterized by being K or higher and having an electric conductivity of 60IACS% or higher. 請求項３に記載の放熱基板を備えることを特徴とする半導体パッケージ。   A semiconductor package comprising the heat dissipation substrate according to claim 3. 請求項３に記載の放熱基板を備えることを特徴とする半導体モジュール。   A semiconductor module comprising the heat dissipation substrate according to claim 3.
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