JPH01183139A - 放熱基板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 利用産業分野 この発明は、半導体チップの搭載用基板に係り、チップ
の熱膨張係数との整合性にすぐれ、かつ熱伝導性が良好
であり、半導体チップに発生した熱の放散性にすぐれた
半導体パッケージ用放熱基板に関する。

背景技術 半導体パッケージの集積回路チップ、特に、大型コンピ
ューター用のＬＳＩやＶＬＳＩは、高集積度化、演算速
度の高速化の方向に進んでおり、作動中における消費電
力の増加に伴う発熱量が非常に大きくなっている。

これに伴ない、半導体パッケージの設計も、熱放散性を
考慮したものとなり、チップを搭載する基板にも放熱性
が要求されるようになり、基板材料の熱伝導率が大きい
ことが求められている。

また、チップは大容量化して、発熱量が大きくなってお
り、基板材料の熱膨張係数がチップ材料であるシリコン
やガリウム砒素等と大きな差があると、チップが剥離あ
るいは割れを生ずる問題がある。

従って、基板には、熱伝導率が大きいことと合せて、半
導体チップと熱膨張係数が近いことが要求されている。

従来の半導体パッケージとしては、第６図ａに示す構成
のものが知られている。

すなわち、シリコンチップ（１）の熱膨張係数に近いＭ
ｏ材（２）と、パッケージ基板を構成するアルミナ材（
３）の熱膨張係数に近いコバール合金材（４）をろう付
は積層し、Ｍｏ（２）材にチップを搭載し、コバール材
（４）を介してパッケージ基板に接合し、さらに放熱フ
ィン（５）を付設した構成がある。

かかる構成では放熱性を支配する材料が熱伝導率の低い
コバール合金材（４）であるため、放熱フィン（５）を
付設しても、充分な放熱性が得られない問題があった。

そこで、熱伝導率が大きく、半導体チップの熱膨張係数
との整合性を有するという、相反する要求を満足する材
料として、クラツド板やＣｕ−ＭｏあるいはＣｕ−Ｗ合
金等の放熱基板用複合材料が提案されている。

従来技術の問題点 放熱基板用クラツド板としては、銅板とインバー合金板
を積層した材料が使用されている。

すなわち、前記クラツド板は、銅は熱伝導性が良好であ
るが熱膨張係数が大きいため、これを抑制するためにイ
ンバー合金を積層圧接することにより、板の長手方向の
熱膨張に関して半導体素子との整合性を得るものである
。

また、銅板の両面にインバー合金板を積層圧接したす／
ドイッチ構造を取ることにより、温度上昇によるそりを
防ぐ構造となっている。

このクラツド板は、熱膨張係数に関してはシリコンとほ
ぼ同一にすることができるが、板厚方向゛　への熱伝導
度は、第６図ａの構成と同様に、インバー合金を介在す
るため、必ずしも十分でない。

一方、Ｃｕ−Ｍｏ、　Ｃｕ−Ｗ合金基板は、シリコンの
熱膨張係数とほぼ等しいＭｏ、　Ｗ粉を焼結することに
よって、気孔率の大きい焼結体を作製し、その後、溶融
した銅を含浸させて製造するか、あるいはＭｏ、Ｗの粉
末と銅の粉末を焼結することによって得られたＭｏある
いはＷとＣｕの複合体である。

かかる複合体基板（６）は、パッケージへの装着に際し
、第６図すに示す如く、チップ（１）の搭載面とは反対
側に、パッケージを構成するアルミナ材（３）と接合す
るためのフランジ部（７）を付設し、回部で放熱する構
成からなる。

前記複合体は熱膨張係数、熱伝導度とも実用上満足すべ
き条件にかなっているが、ＭＯｌＷ等が高密度であるた
め重く、また、複合体の構造上、材料の熱伝導度のばら
つきが多くなり、かつ機械的成形性が悪く、製造性に問
題があった。

発明の目的 この発明は、上述した半導体パッケージにおける放熱性
の問題に鑑み、半導体チップ搭載に際し、熱膨張係数の
整合性にすぐれ、カリ高い熱伝導度を有し、さらに実装
に際しての加工性や製造性にすぐれ、安価に提供できる
半導体パッケージ用放熱基板を目的としている。

発明の概要 この発明は、 基板厚み方向の一端面に半導体チップと接合し、例えば
、外周部や他端側であるいは他端面側に付設した外縁部
でセラミックス等のパッケージ基板に接合し、かつ他端
面より放熱する半導体パッケージ用放熱基板において、 多数の板状あるいは線状のＣｕ材と低膨張合金材を、板
状あるいは線状のみ、または板状と線状を組み合せて、
放熱基板の厚み方向に配置し、相互に隣接接合して一体
化したことを特徴とする放熱基板である。

発明の構成と効果 この発明による放熱基板は、多数の板状あるいは線状の
Ｃｕ材が、同様形状のインバー材などの低膨張合金材と
放熱基板の厚み方向に配置され、相互に隣接接合して一
体化した構成であるため、熱伝導率は高熱伝導率Ｃｕ材
と低膨張合金の体積比によって変化するが、任意に設定
でき、製造上のその再現性に富む利点があり、また、Ｃ
ｕ材が熱伝導方向に、すなわち、基板厚み方向に存在し
ているため、従来のクラツド板よりも高熱伝導度が得ら
れ、前記複合材と同等程度の熱伝導度が得られる。

また、熱膨張係数はＣｕ材と低膨張合金の体積比により
、銅ないし低膨張合金の間の任意の値を選択することが
可能であり、半導体チップの熱膨張係数との整合を得る
ことができる。

さらに、放熱基板の外周部やチップの搭載面とは反対側
の他端側の外周部、あるいは他端面側に、コバール（Ｎ
ｉ−Ｃｏ−Ｆｅ合金）材、Ｎｉ−Ｆｅ系合金（例えば４
２Ｎｉ−Ｆｅ系合金）等からなり、パッケージ基板を構
成するアルミナセラミックスなどの基板材料の熱膨張係
数（ａ：３〜１０　ｘ　１０−６／”Ｃ）と近似した熱
膨張係数を有する外縁材を付設、複合化することにより
、パッケージ基板との接合時に熱応力の緩和を図ること
ができる。

また、実施例の如きフランジ部材などの外縁材は、放熱
基板の強度を向上させる効果を有する。

この発明による放熱基板は、切削加工性にすぐれ、パッ
ケージ基板やチップに応じて容易に加工できる利点があ
る。

発明の好ましい実施態様 この発明において、基板におけるＣｕ材と低膨張合金材
の体積比は、前述の如く、所要の熱伝導率及び熱膨張係
数によって、適宜選定される。

例えば、既存の半導体チップの熱膨張係数との整合性に
主眼をおいた場合、放熱基板の熱膨張係数は、０〜１０
０℃におイテ、３〜１０ｘｌＯ−６／”Ｃテあることが
必要であり、より好ましくは、 ４〜７ｘｌＯ−６／’Ｃである。

Ｃｕ材とインバー材との組合せの場合、基板におけるＣ
ｕ材の占積率は１２〜５５％、好ましくは、１３〜３５
％である。

高熱伝導率材としてＡＩ材（０，４８７ｃａｌ／ｃｍ−
ｓ・’Ｃ１２４ｘｌＯ−６／”Ｃ）を用いることができ
るが、Ｃｕ材のほうが高熱伝導率材（０，９２３ｃａｌ
／ｃｍ−ｓ・’ｃ）であり、より低熱膨張係数（１７ｘ
ｌＯ−６／”Ｃ）であるため好ましい。

また、基板におけるＣｕ材と低膨張合金材の形状並びに
相互の隣接関係、すなわち板材厚みゃ線径で表されるピ
ッチは、後述する基板の製造方法により各種形態を取り
得るが、細かなほうが製品のばらつきを低減する上で有
利であり、 好ましくは、１ｍｍ以下、より好ましくは５００ｐｍ以
下である。

また、Ｃｕ材と組み合せる低膨張合金材には、インバー
やスーパーインバーとよばれるＮｉ−Ｆｅ系合金が好ま
しく、 ３６Ｎｉ−Ｆｅ合金（ａ：ｏ、２Ｘ１０’／”Ｃ）、３
１Ｎｉ−４Ｃｏ−Ｆｅ合金（α：０．０８ｘｌＯ’／℃
）などの各種組成より、適宜選定できる。

以下に、この発明による放熱基板の各種形態を図面に基
づいて詳述する。

第１図から第５図はこの発明による放熱基板の斜視説明
図である。

第１図ａに示す放熱基板（１ｏ）は、例えば、Ｃｕ線と
低膨張合金線のクラッド線、すなわち、後述の第３図に
示す線材を芯材にして、所要の厚み比率となったＣｕと
低膨張合金板とのクラツド板（１１）を渦巻状に巻き、 熱処理による拡散接合により複合一体化、ろう材にて接
合一体化、 熱間加工、例えば、圧延、押出し、鍛造等の熱間加工と
熱処理により、複合一体化、冷間加工、例えば、圧延、
線引き等の冷間加工と熱処理により、複合一体化、 等の各手段により、軸方向に各板が配置され、直径方向
には、板厚み毎に交互に各材料が隣接した構成からなる
丸や角の棒材を得る。

この棒材を所要厚みにスライスして、この発明による放
熱基板（１ｏ）を得る。

また、ｂ図に示す例は、ａ図と同様に製造した渦巻状素
材を、接合予定のセラミックスの熱膨張係数と整合性を
有する材料、例えば、コバール材からなる管内に挿入し
、例えば、押出し、鍛造等の熱間加工と熱処理により、
複合一体化して丸や角（図示せず）の棒材を得たのち、
所要厚みにスライスして、放熱基・板（１ｏ）に外縁材
（１２）を周設した構成となしたものである。これによ
り、第６図に示す如く、外縁材（１２）を介してパッケ
ージのセラミックス基板に容易に装着できる。

第１図Ｃに示す放熱基板（１０）は、Ｃｕ管（１３）と
低膨張合金管（１４）とを交互に同心状に挿入配置し、
前述の複合化方法にて一体化し、所要直径の棒材となし
、所要厚みにスライスしたものである。

第２図に示す放熱基板（１０）は、所要直径のＣｕ線（
１５）と低膨張合金線（１６）、あるいはさらに前記線
材にろう材を被覆した多数の線材を相互に隣接するよう
、任意にあるいは所要パターンで束ね、図示しないが例
えば、前記の外縁拐となるコバール合金管内に挿入し、 線引きなどの冷間加工、鍛造、押し出しなどの熱間加工
と熱処理、 ろう付けあるいは熱処理により複合一体化し、 軸方向に各線材が配置され、直径方向には、線径毎に交
互に各材料が隣接した構成からなる所要直径の棒材とな
し、所要厚みにスライスしたものである。

第３図ａに示す放熱基板は、例えば、低膨張合金管内に
Ｃｕ線材を挿入して、伸線加工を施して直径数１画とな
ったＣｕ芯の低膨張合金線（１７）、または低膨張合金
芯のＣｕ線を、あるいはさらに前記線材にろう材を被覆
した多数の線材を相互に隣接するよう、任意にあるいは
所要パターンで束ね、図示しないが例えば、前記の外縁
材となるコバール合金管内に挿入し、 線引きなどの冷間加工、鍛造、押し出しなどの熱間加工
と熱処理、 ろう付けあるいは熱処理により複合一体化し、 軸方向に各線材が配置され、直径方向には、線径毎に交
互に各材料が隣接した構成からなる所要直径の棒材とな
し、所要厚みにスライスしたものである。

前記の伸線加工において、六角状のダイスを用いて成形
し、束ねて管内に挿入する際の充填率を高めるのもよい
。

第３図すは、各線材が複数のＣｕ芯の低膨張合金線（１
８）、または複数の低膨張合金芯のＣｕ線からなる場合
であり、さらには、単数あるいは複数のＣｕ芯の低膨張
合金線にＣｕを被覆した線材を用いることができる。

第４図に示す放熱基板（１０）は、所要の厚み比率とな
ったＣｕと低膨張合金板とのクラツド板（１９）を積層
して所要厚みの板材となし、 線引きなどの冷間加工、鍛造、押し出しなどの熱間加工
と熱処理 ろう付けあるいは熱処理により複合一体化して棒材とな
し 図示しないが例えば、前記の外縁材となるコバール合金
管内に挿入し、鍛造、押し出しなどの熱間加工と熱処理
して一体化し、 これを所要厚みにスライスすることにより、軸方向に各
板が配置され、直径方向に板厚み毎に交互に各材料が隣
接した構成からなる。

上記の各種構成からなる放熱基板（１０）は、チップの
搭載、パッケージ基板への装着に際して、Ａｕ、　Ａｇ
、　Ｎｉ、　Ｃｕ等の各種金属のめっき層を、両面ある
いは片面、所要外周部に設けたり、第５図の如く、Ａｕ
めっき層（２０）をチップ搭載位置に設けることができ
る。

放熱基板にめっき層を設けることにより、半導体チップ
との整合性や熱伝導度を高めたり、この発明における異
種金属との接合において、電位差に起因して発生する腐
食を防止する効果を有する。また、かかるめっき層が基
板の空孔を封じ、基板からの半導体チップを劣化させる
ガスの侵入を防止することができる。

さらに、放熱基板に設けた外縁材に各種のめっきを施し
、パッケージ基板とのろう付けを容易にすることもでき
る。

また、以上の例では、放熱に際してＣｕ材長さを最短距
離とするため、チップの接合面に対、、シて、直角方向
にＣｕ材及び低膨張合金材が当接接合する場合を示した
が、必要に応じて該接合面に対して傾斜方向で接合して
もよい。

実施例 大４］。

０．５ｍｍ厚みのＣｕインバークラツド板（厚さ比Ｃｕ
／（Ｃｕ＋インバー）＝２０％）を、インバーＣｕクラ
ッド線を芯材にして渦巻状に巻き、これに拡散焼鈍を施
し、ろう接を施した材料の直径方向表面の熱膨張係数を
測定したところ、０〜１００℃において、４．９　ｘ　
１０−６／℃であり、材料の軸方向の熱伝導度は、０．
２８ｃａｌ／ｃｍ−ｓ・’Ｃであった。

実施例２ 外径７０ｍｍで、内径が各々３８ｍｙｎ、２８ｍｙｎ、
１７ｍｍの３種のインバー合金（３６Ｎｉ−Ｆｅ合金）
管に、各々の内径に合致する外径の無酸素銅棒を挿入し
、さらに熱間圧延を施した。

熱間圧延後の外径は２０ｍｍであり、内径部の胴径はそ
れぞれ１１ｍｍ、　８ｍｍ、５鵬であった。

その後、冷間で線引き加工し、六角ダイスにて、平行面
間３．２ｍｍの六角形に仕上げた。

ついで、各線材を束ねて、コバール合金管内に挿入し、
断面積比が当初の３０％になるまで、角柱状に鍛造した
。

鍛造後、所要厚みにスライスし、その断面を観察したと
ころ、銅の全体に占める面積比は、それぞれ、０．３５
．０．２０．０．ｌＯであった。

得られたこの発明による各種放熱基板の直径方向表面の
熱膨張係数を測定し、その結果を第７図のＣｕ面積比と
熱膨張係数との関係を示すグラフに表す。また、放熱基
板の軸方向の熱伝導度を測定し、その結果を第８図のＣ
ｕ面積比と熱伝導率との関係を示すグラフに表す。

第８図のグラフ中に（〃）で示された熱伝導率は、本発
明の放熱基板のものであり、（土）で示す熱伝導率は、
インバー板とＣｕ板の積層によって製造された従来のク
ラッド放熱基板のものに相当する。

【図面の簡単な説明】

第１図から第５図はこの発明による放熱基板の斜視説明
図である。 第６図は従来の放熱基板を示すパッケージの縦断説明図
である。 第７図はＣｕ面積比と熱膨張係数との関係を示すグラフ
である。 第８図はＣｕ面積比と熱伝導率との関係を示すグラフで
ある。 １・・・チップ、２・・・Ｍｏ材、３・・・アルミナ材
、４・・・コバール材、５・・・放熱フィン、６・・・
複合体基板、７・・・フランジ部、１０・・・放熱基板
、１１．１９・・・クラツド板、１２・・・外縁材、１
３・・・Ｃｕ管、１４・・・低膨張合金管、１５・・・
Ｃｕ線、１６・・・低膨張合金線、１７・・・Ｃｕ芯の
低膨張合金線、１８・・・複数のＣｕ芯の低膨張合金線
、２０・・・Ａｕめっき層。 第１図 （α） （Ｃ） 第３図 第４図 第２図 第６゜ 第５図　　゛ 図 （ｂ） インベー

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 基板厚み方向の一端面に半導体チップと接合し、他端面
   より放熱する半導体パッケージ用放熱基板において、 多数の板状、線状のＣｕ材と低膨張合金材を、放熱基板
   の厚み方向に配置し、相互に隣接接合して一体化したこ
   とを特徴とする放熱基板。