JP6304670B1 - 放熱基板、放熱基板電極、半導体パッケージ、及び半導体モジュール - Google Patents
放熱基板、放熱基板電極、半導体パッケージ、及び半導体モジュール Download PDFInfo
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Abstract
Description
及び放熱基板電極、並びに放熱基板あるいは放熱基板電極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。
以下、上記の各種放熱基板や関連技術について本発明者が調査した先行技術文献における開示の内容を説明する。
比較例1は圧延法で製造されたCu/CuMo/Cuクラッド構造(図1(a))の放熱基板である。比較例2は、蝋付法で作製したCu/Mo/Cuクラッド構造(図1(b))の放熱基板である。比較例3は、固相拡散接合法で作製したCu/Mo/Cuクラッド構造(図1(b))の放熱基板である。比較例4は、固相拡散接合法で作製したCu/ビアMo/Cuハイブリッド構造(図1(c))の放熱基板である。比較例4は局部溶解法で作製したCu/ビアMo/Cuハイブリッド構造(図1(c))の放熱基板である。いずれの放熱基板においてもCuの含有量は66vol%とした。各比較例について5枚の放熱基板を作製してヒートサイクルテスト前後での特性を評価した。また、それらの放熱基板をそれぞれ半導体パッケージに実装したものを準備してヒートサイクルテストを行った。さらに、半導体モジュールに実装したものを、比較例1〜5についてそれぞれ3個ずつ準備してヒートサイクルテストを行った。さらに、半導体モジュールに実装したもののうちの1つについて、動作寿命のテストを行った。
a) Moからなる板状の芯基材を厚さ方向に貫通する貫通孔の内壁面にNiを被覆し、
b) 前記貫通孔に、該貫通孔の容積に対応する量以上Cuを充填し、
c) 前記芯基材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、
d) 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、Cuを軟化させて前記貫通孔の内部に圧入する
ことにより製造することができる。
(1)熱間押し出しや鍛造で製造されるようなCuの柱状体であって、ビアの容積よりも大きな体積を有するものをMoのビア内部に導入することにより、MoとCuの界面を加圧する。
(2)ビアを形成した板状のMo芯基材の表裏に配置するCu板を加熱及び加圧することによりビア内部に軟化したCuを圧入して界面を加圧する。
(3)表裏に配置するCu板の表面に凸部を設け、該凸部をビアに挿入してビア内部の界面を加圧する。
(4)上記(1)から(3)の方法を組み合わせる。
a) 厚さ方向に貫通する貫通孔が形成された、Moからなる板状の芯基材と、
b) 前記貫通孔の内部に充填された、Cuからなる挿入体と、
c) 前記貫通孔の内壁面と前記挿入体の間に連続的又は断続的に形成された、Niからなる接合層と、
d) 前記芯基材の表裏面に形成された、Cuからなる熱伝導層と
を有することを特徴とする。
a) 第1金属からなる板状の芯基材を厚さ方向に貫通する貫通孔の内壁面にインサート金属を被覆し、
b) 前記貫通孔に、前記第1金属よりも熱伝導率が大きい第2金属からなる挿入体を充填し、
c) 前記本体の表面及び裏面にそれぞれ、前記第1金属よりも熱伝導率が大きい第3金属からなる板状の熱伝導部材を配置して積層体を作製し、
d) 前記積層体を前記第1金属、前記第2金属、及び前記第3金属の全ての融点未満の温度に加熱及び加圧する
工程を有する。
a) 厚さ方向に貫通する貫通孔が形成された、第1金属からなる板状の芯基材と、
b) 前記貫通孔の内部に充填された、前記第1金属よりも熱伝導率が大きい第2金属からなる挿入体と、
c) 前記貫通孔の内壁面と前記挿入体の間に連続的又は断続的に形成された、インサート金属からなる接合層と、
d) 前記本体の表裏面に形成された、前記第1金属よりも熱伝導率が大きい第3金属からなる熱伝導層と
を有する。
低線膨張係数材料である第1金属からなる芯基材の役割は、該芯基材の表裏面に配置される第3金属からなる熱伝導層と、該芯基材に形成されるビアの内部に導入される第2金属からなる挿入体が半導体デバイス動作時に伸縮するのを抑制することである。この役割に適した芯基材として、例えば、線膨張係数が9.0ppm/K以下であるW, Mo, CuW, CuMo、In(インバー)、Kv(コバール)のうちのいずれかからなるものを好適に用いることができる。特に、特性とコストの両面のバランスからMoからなる芯基材を好適に用いることができる。
高熱伝導率材料である第2金属からなる挿入体の役割は、放熱基板の一方の表面(半導体デバイスが搭載される側)に位置する熱伝導層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)に位置する熱伝導層に効率よく伝達することである。この役割に適した挿入体としては、例えば熱伝導率は390W/m・K以上である金属からなるものを好適に用いることができる。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「放熱基板電極」とも呼ぶ。)には、Al合金からなるリード線と同等以上である50%IACS以上の電気伝導率を有する金属からなるものを用いることが好ましい。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、あるいはそれらの合金を用いることができる。
(1)熱間押し出しや鍛造で製造されるようなCuの柱状体であって、ビアの容積よりも大きな体積を有するものをMoのビア内部に導入することにより、MoとCuの界面を加圧する。
(2)ビアを形成した板状のMo芯基材の表裏に配置する第3金属(ここではCuとする。)の板状部材(放熱基板の熱伝導層)を加熱及び加圧することによりビア内部に軟化したCuを圧入して界面を加圧する。
(3)表裏に配置するCu板状部材の表面に凸部を設け、該凸部をビアに挿入してビア内部の界面を加圧する。
(4)上記(1)から(3)の方法を適宜に組み合わせる。
芯基材の表裏面に配置される、高熱伝導率材料である第3金属からなる熱伝導層の役割は、放熱基板の表面に平行な面内(X-Y面内)での熱伝導率を高めることである。また加熱加圧により軟化した状態でビアに圧入されビア内を加圧することである。また、上述のとおり、第3金属からなる熱伝導層の片面に貫通孔の内径よりも小さく高さがビアの深さの1/2より高い外径を有する凸部を形成し、これを上下からカップリングし、加熱により軟化させることによりビアの内部で2つの凸部を挿入体として一体化することもできる。多層ハイブリッド構造の放熱基板を製造する場合には、熱伝導層を構成する板状部材の表裏両面に凸部を形成すればよい。
インサート金属である第4金属からなる接合金属層の役割は、第1金属と第2及び第3金属の間に介在し接合強度を向上させるとともに安定化することである。但し、第1金属と第2金属及び第3金属の接合の完了後には必ずしも介在させたインサート金属のすべてが接合界面に残存していない場合もある。これは、軟化したCuが塑性変形する際にインサート金属を部分的に押し出すことがあるためである。
まず、第1金属であるMoからなる110mm四方、厚さ0.5mm板状部材の、中央近傍の100mm四方の領域において複数の貫通孔(ビア)を形成した芯基材を準備する。そして、ビアの内壁及び板状部材に、インサート金属(第4金属)であるNiのメッキ処理を施す。次に110mm四方で内部に103mm四方の穴があいた厚さ0.5mmのSUSからなる枠状部材であるガイドを2枚準備する。更に、第3金属であるCuからなり、それぞれが100mm四方、厚さ0.51mmの板状部材の片面に、第2金属であるCuからなり、ビアの径より少し小さな径を有し高さが0.27mmである円柱状の凸部を設けた2枚の板状部材を準備する。
次に、積層体を固定したカーボン治具を、加熱加圧装置(ホットプレス(HP)装置、通電焼結装置、熱間等方圧加圧(HIP)装置、加熱加圧炉等)にセットし、非酸化雰囲気(例えば還元性ガス雰囲気、Ar、N2等の不活性ガス雰囲気、あるいは真空雰囲気。還元性ガスと不活性ガスの組み合わせでも良い。)で加熱及び加圧する。加熱及び加圧の条件は放熱基板の大きさや使用する各金属の種類によって異なるが、例えば、30MPa(0.3tf/cm2)から500MPa(5tf/cm2)の範囲の圧力をかけ、600℃からCuの融点(1083℃以下)未満の温度に加熱すればよい。Cuを軟化させ、かつ溶融させないという観点から、加熱温度は600℃から1000℃の範囲内とすることが好ましい。本実施例の積層体は、加熱及び加圧後の厚さが約1.5mmであり、ビアの内部に挿入されたCuとMoがインサート金属(Ni)を介して接合される。積層体の作製時の条件としては、接合後にCu層とビアMo層の接合界面から接合余剰物が出る状態とすることが好ましい。上記のとおり加熱及び加圧装置としては種々のものを用いることができる。ただし、放電プラズマ焼結(SPS)装置のように、局部のCuが溶融してMoとの界面にボイドが形成される可能性がある加熱加圧装置は使用しない、もしくは、局部熔融の起こらない条件に限定して使用する。
放熱基板の線膨張係数は半導体モジュールの製造や性能を左右する重要な特性であり、半導体モジュールの目的に応じた性能や構造ごとに最適値が存在する。
従来、CuMo系のクラッド構造の放熱基板では、熱伝導率を高めるためにCu層を厚くしてきたが、Cu層が厚くなるとMo層やCuMo層によってCu表層の極表層での熱膨張を抑制することができなくなり、Cu表層(即ち放熱基板の表層)が大きく膨張して半導体デバイスが剥離する等の問題が生じていた。従来、製造後の放熱基板の接合余剰物を除去するために面取りが行われていたため、線膨張係数を正確に測定することも難しかった。
放熱基板は半導体デバイスの動作時に発生する熱を冷却するものであり、当然、熱伝導率が高いことが求められる。熱伝導率が低い場合は半導体デバイスを冷却することができず、半導体モジュールが破損、焼損する危険性がある。熱伝導率の基準としては、例えば、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が用いられている。
放熱基板を電極としても機能させるには電気伝導率が高いことも求められる。上述のとおり、半導体モジュールの小型化に伴い半導体デバイスの寸法が小さくなり、さらに高性能化が進んでいることから、Alのリード線に代えて熱伝導率50%IACS以上であるAl合金が使われるようになっている。従って、放熱基板電極にも電気伝導率が50%IACSであることが求められる。また、主たる電路に発熱体のWやMoがあると通電が不安定になる場合があることから、放熱基板を電極としても機能させる場合には通電路にWやMoが存在しないことが好ましい。本実施例の放熱基板では芯基材としてMoを用いているが、主たる通電路は芯基材のビア内部に存在するCuであるため、通電が不安定になる心配はない。
CuW単体やCuMo単体の放熱基板自体では蝋付け特性やハンダ付けの特性が悪く、良好なNi系メッキ処理を施すことが難しい。Ni系メッキ処理に問題があると半導体パッケージや半導体モジュールのヒートサイクルテストで放熱基板が各種部材や半導体デバイスから剥離して実装動作テストを行うまでに至らない。一方、本実施例のようなCuMo系のハイブリッド構造の放熱基板ではその表層がCuであり、良好なNi系メッキ処理を施すことができるため、こうした問題は起こらない。
本来、CuMo系のクラッド構造やハイブリッド構造の放熱基板では、CuとMoを接合しているため、放熱基板は開発時にヒートサイクルテスト前後の接合強度を測定する必要がある。しかし、ハイブリッド構造の放熱基板は、内部構造が複雑であるため超音波探傷でも内部の状態の合否を判断することができない。よって接合界面の調査はその断面について行うことになるが、これはあくまで一断面の状態の確認に過ぎない。
半導体パッケージは様々な目的で製造され、その構成も多種多様である。ここでは、代表的な半導体モジュールの構成として、20mm四方、厚さ1.5mmの放熱基板に5μmの厚さでNi系メッキ処理を施し、これに、外径が20mm四方、内径が15mm四方、厚さが0.5mmである、セラミックからなる枠状部材及び金属端子等の部材をAg蝋付け処理(Agの融点は780℃。800℃で蝋付け処理)により取り付けた。そして、250℃で動作する半導体デバイスを備えた半導体パッケージを想定して、作製した半導体パッケージを250℃に加熱して5分保持し、続いて-40℃まで冷却して5分保持する加熱冷却サイクルを100サイクル繰り返した後に、半導体パッケージに問題が生じてないかを目視で確認した。なお、半導体パッケージには、各種の部材を放熱基板にハンダ付けするもの、樹脂等からなる枠状部材などをインサートや接着剤で取り付けるものもある。また、プラスチックパッケージや金属パッケージ等も知られているが、セラミックパッケージのヒートサイクルテストが最も厳しく、これに合格する放熱基板であれば他の種類の半導体パッケージにおいても問題を生じないという知見がある。
半導体パッケージの放熱基板にAuメッキ処理を行い、さらにAuSiハンダ(融点380℃。400℃でハンダ付)で10mm四方、厚さ1.0mmのGaNのチップを取り付け、さらにリード線を取り付けた後、蓋をして半導体モジュールを作製した。作製した半導体モジュールを、250℃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、ヒートサイクルテスト後に蓋をはずし半導体モジュールに問題が生じていないかを目視で確認した。
半導体モジュールを実用化するために、実装動作寿命テストが行われるが、このテストには費用と時間がかかる。このテストは半導体モジュールの動作の信頼性を担保するためのものであるため、先に行った放熱基板単体のヒートサイクルテストでZ軸方向の熱伝導率が最小値であった放熱基板材料でも、実装動作寿命テストに合格することを確認する必要がある。
実施例1〜3の放熱基板に関する特性評価の結果を、前述した比較例1〜5の特性評価の結果とともに下表に示す。なお、この表では、上述した本実施例の放熱基板の製造方法を「インサート金属加熱加圧接合法」と記載している。
上述の通り、インサート金属を使用し、Cu層の厚さを制御するためのガイドを使用してCuの融点以下の温度に加熱及び加圧し接合余剰物を出す、放熱基板の製造方法は、上記実施例のように第1金属(芯基材)がMo、第3金属(熱伝導層)がCuであるもののほか、第1金属がCuMoであるCu/ビアCuMo/Cuのハイブリッド構造の放熱基板やCu/ビアCuMo/Cu/ビアCuMo/…/Cuである多層クラッド構造の放熱基板等にも用いることができる。また、上記実施例以外の放熱基板についても、放熱基板単体で上述の要件を満たし、電気伝導率が50%IACSであるものについては、放熱基板電極としても使用することができる。
Claims (6)
- a) 厚さ方向に貫通する貫通孔が形成された、Moからなる板状の芯基材と、
b) 前記貫通孔の内部に充填された、Cuのみからなるボイドのない挿入体と、
c) 前記貫通孔の内壁面と前記挿入体の間に連続的又は断続的に形成された、Niからなるボイドのない第1接合層と、
d) 前記芯基材の表裏面に形成された、Cuのみからなるボイドのない熱伝導層と
e) 前記芯基材と前記熱伝導層の界面に連続的又は断続的に形成された、Niからなるボイドのない第2接合層と
を有し、
室温から800℃の温度範囲における線膨張係数の最大値が10ppm/K以下であり、
室温における、表面に垂直な方向の熱伝導率が200W/m・K以上であり、
250℃への加熱と-40℃への冷却を100回繰り返し行うヒートサイクルテストを行った後の前記表面に垂直な方向の熱伝導率が200W/m・K以上である
ことを特徴とする放熱基板。 - Moからなる板状の芯基材の厚さ方向に形成された貫通孔にCuのみからなるボイドのない挿入体が充填され、前記芯基材の表裏面にCuのみからなるボイドのない熱伝導層が形成され、MoとCuの界面に連続的又は断続的にボイドのないインサート金属のNiが存在し、
室温から800℃の温度範囲における線膨張係数の最大値が10ppm/K以下であり、
室温における、表面に垂直な方向の熱伝導率が200W/m・K以上であり、
250℃への加熱と-40℃への冷却を100回繰り返し行うヒートサイクルテストを行った後の前記表面に垂直な方向の熱伝導率が200W/m・K以上である
ことを特徴とする放熱基板。 - 前記熱伝導層と、前記挿入体が前記貫通孔の内部に充填された前記芯基材とが交互に積層された放熱基板であって、その全層数が5層から11層である
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の放熱基板。 - 電気伝導率が50%IACS以上であることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の放熱基板からなる放熱基板電極。
- 請求項1から4のいずれかに記載の放熱基板を備えた半導体パッケージ。
- 請求項1から4のいずれかに記載の放熱基板を備えた半導体モジュール。
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