JPH02119249A - 半導体装置用放熱部材の製造方法 - 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】 ［産業上の利用分野］ この発明は、各種の半導体集積回路装置（ＩＣ）等に用
いられる：１′、導体装置用放熱部材に閃し、特に低熱
膨張性と高放熱性とをＪ！！６ｉえたアルミニウム合金
からなる半導体装置用放熱部材に関するものである。

［従来の技術］ ゛ト導体装置用基板を構成する材料は、熱応力による歪
を発生しないように、その熱膨張係数が十導体素子の熱
膨張係数とあまり変わらないことか要請される。そこで
、従来より、熱膨張係数差の小さい材料として、たとえ
ば、コバール（２９重量％Ｎｉ−１７重量９６Ｃｏ　　
Ｆｅ）もしくは４２７０−（Ｃ４２重量％Ｎ　ｉ　−Ｆ
　ｅ）などのＮｉ合金、またはアルミナもしくはフォル
ステライトなどのセラミック材料が用いられてきている
。

しかしながら、最近の半導体技術の著しい進歩は、素子
の大型化および集積度の増加を招いており、それに伴な
って上述の熱膨張係数差の他に熱ｈ’ｌ散が問題となっ
ている。すなわち、素子の大型化および集積度の増大に
より、熱膨張係数差か小さいことのみならず、熱放散に
優れるものであることも要求されてきている。

このような状況のもとで、上記両特性を満足する材料と
して、ベリリアセラミックスおよびタングステン、ある
いはモリブデン等が従来より提案されている。

ところが、ベリリアセラミックスは毒性が強いため、安
全性および環境汚染の点から事実上使用不可能である。

他方、モリブデンおよびタングステンについては、資源
的に仔少であり、また局在しているものであるため、非
常に高価である。それゆえに、この種の金属材料を用い
ると、半導体装置のコストか高くつくという欠点がある
。それだけでなく、この種の金属は密度が比較的に高い
ため（タングステンでは１９．　３　ｇ／　ｃ　ｍ’　
、モリブデンでは１０．２ｇ／ｃｍ３）　、重く、また
機械加工が比較的困難であるという欠点もあった。

そのため、熱放散性および熱膨張係数差の双方において
要求される特性を満たすことができ、かつ軽量であり、
機械加工性にも優れた甲導体装置用基板材料が望まれて
いる。

そのような十尋体装置用基板材料としては、アルミニウ
ムにシリコンを３０〜５０重二％添加したアルミニウム
合金が特公昭６３−１６４５８号公報に開示されている
。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記Ａ悲−３０〜５０重ｊｉｌｋ　？６
　Ｓ五合金は、半導体素子の熱膨張係数との差が小さい
熱膨張係数を示すが、通常のシリコン含有率の小さいア
ルミニウム合金に比べて熱放散性が低下する。従来は、
この程度の放熱性の低下がもたらされても、半導体装置
の発熱に対して対応することが可能であった。ところが
、近年、半導体素子の高集積化に伴なう高発熱に対して
は、上記Ａσ−８ｉ、Ａ金を用いてｈｋ熱部材を形成す
るだけでは、半導体素子の発熱を十分に放散することは
困難であるという問題点があった。

そこで、この発明の目的は、゛ｒ−導体素子の発熱口の
増加に伴なって要求される熱放散性と熱膨張係数差の双
方の特性を満足することができるとともに、軽量で機械
加工性にも優れた゛ｒ、導体装置用放熱部材を提０−す
ることである。

［課題を解決するための手段］ 上記［１的を達成するために本願発明名らが鋭意検討し
た結果、低熱膨張が要求される部分と高放熱性が要求さ
れる部分とを別々のアルミニウム合金から構成し、それ
ら・のアルミニウム合金を熱間力旧！−によって一体成
形すれば、熱膨張係数差および熱放散性の両特性におい
て満足することが可能な゛１６４体装置用放熱部材をＰ
ｊることかできることを見出した。

すなわち、この発明に従った戸１′導体装置用放））部
材は、第１のアルミニウム合金からなる部分と、第２の
アルミニウム合金からなる部分とが一体的に成形された
アルミニウム合金からなる。第１のアルミニウム合金は
、その平均熱膨張係数が１７ＸＩＯ−’／”Ｃ以下であ
る。第２のアルミニウム合金は、その熱伝導度が第１の
アルミニウム合金の熱伝導度よりも大きな値を示す。

好ましくは、第１のアルミニウム台金は、Ｓｉを３０〜
６０重二％含み、その残部がアルミニウムと不可避的不
純物とからなるものであればい。

Ｓｉの含有量を電量？６で３０〜６０％と限定したのは
、Ｓ１含自゛量が３０重量％未満では所望の熱膨張係数
１直より大きくなるからであり、また６０重量９６を超
えると熱伝導性、粉末成形性および熱間加工性がと１し
く劣化するからである。

［作用］ この発明においては、低熱膨張性を呈する第１のアルミ
ニウム合金と、高放熱性を呈する第２のアルミニウム合
金とが一体的に成形された部材であるため、従来のアル
ミニウム合金からなるｈ’ｌ熱部材に比べて優れた高放
熱性と低熱膨張性とを兼備えることができる。

［実施例１ 以下、この発明の一実施例について図を用いて説明する
。

第１Ａ図、第１Ｂ図は、この発明に従った放熱部材の製
造方法の一例を示す部分断面図である。

まず、第１Ａ図を参照して、発熱体３によって温度４０
０℃に加熱されたダイ２と下パンチ５とから形成される
空隙に、たとえば、ＪＩＳ呼称１１００のアルミニウム
合金からなる高放熱アルミニウム合金１２を押し入れる
。さらに、高放熱アルミニウム合金１２の上に低熱膨張
アルミニウム合金１１を構成する、たとえば、Ａｍ−４
０重量％Ｓｉの組成を有する急冷凝固粉末を投入する。

その後、第１Ｂ図に示されるように、矢印で示される方
向に上パンチ４と下パンチ５とによって加圧されると、
下パンチ５の上表面に形成されたスリット状の溝に高放
熱アルミニウム合金１２が流れ込み、フィン状に成形さ
れる。それと同時に、低熱膨張アルミニウム合金１１を
構成するＡη〜４０重量９１）　Ｓ　１の組成を有する
粉末は固化されながら、高放熱アルミニウム合金１２と
の界面で拡散接合し、低熱膨張アルミニウム合金１１と
高放熱アルミニウム合金１２とは一体化する。

このようにして得られた低熱膨張アルミニウム合金１１
と高放熱アルミニウノ、合金１２とが一体化された放熱
部材１０は第２図に示される。また、この放熱部材１０
が用いられるＩＣパッケージの一例は第９図に示されて
いる。第９図は、この発明に従った放熱部材１０が組込
まれたＩＣパッケージの一例を示す断面図である。第９
図を参照して、半導体素子１３が、はんだ１４を介して
銅−タングステン合金基板１６に接合されている。この
タングステン合金基板１６に一体的に放熱部材１０か接
合されている。また、放熱部材１０は、アルミナ等のセ
ラミックスからなる外囲材１７の上面に装着されている
。なお、１５は引出端子としてのコバールワイヤを示す
。

第３Ａ図、第３Ｂ図、第３Ｃ図は、この発明に従った放
熱部材の製造方法のもう１つの例を示す部分断面図であ
る。第１Ａ図、第１Ｂ図で示された製造方法と同＋、１
に、発熱体′うによって加熱されたダイ２と、下パンチ
５、上バンチ４ａ、４ｂとから形成される空隙に、高Ｊ
Ｉｋ熱アルミニウム合金１２および低熱膨張アルミニウ
ム合金１１ａが入れられる。その後、第３Ａ図から第３
Ｂ図、第３Ｃ図までに示されるように、矢印で示される
方向に加圧成形されると、低熱膨張アルミニウム合金１
１ａと高放熱アルミニウム合金１２とが一体化した放熱
部材が得られる。

このようにして得られた放熱部材１０ａは第４図に示さ
れる。この放熱部材１０ａが用いられるＩＣパッケージ
の一例は第１０図にその断面図が示されている。この図
によれば、第９図に示されたＩＣパッケージと異なり、
半導体素子１３が、直接、Ａｇペースト等の接合材料１
４ａによって、放熱部材１０ａの成熱膨張アルミニウム
合金１１ａ側の而に接合されている。それ以外の点につ
いては、第９図に示されたＩＣパッケージと同様である
。

第５図は、この発明に従った放熱部材の製造方法の別の
一例を示す部分断面図である。第５図を参照して、第１
図に示された製造方法と同様に発熱体３によって加熱さ
れたダイ２と下パンチ５とから形成される空隙に、たと
えば、ＪＩＳ呼称１１００のアルミニウム合金からなる
中孔を有する金属板を高放熱アルミニウム合金２２とし
て押し入れる。その中孔には、ＡＱ　　４０　ｉ　Ｑ　
Ｐａ　Ｓｉの組成をＨするアルミニウム合金からなる急
冷凝固粉末が低熱膨張アルミニウム合金２１として投入
される。その後、上バンチ４と下バンチ５とを用いて矢
印で示される方向に加圧されることによって加圧成形が
行なわれる。このようにして得られたアルミニウム合金
からなる成形物は、機械加工によって、その外周部かフ
、ｆン状に成形される。

得られた放熱部材２０は第６図に示されている。

第６図に示される放熱部材２０についてもＩＣパッケー
ジに組込むことが可能である。

第７図はこの発明に従った放熱部材の製造方法のさらに
別の一例を示す部分断面図である。第７図を参照して、
発熱体３によって加熱されたダイ２と下パンチ５ａ、５
ｂとから形成される空隙に、たとえば、ＪＩＳ呼称１１
００のアルミニウム合金枠を高放熱アルミニウム合金３
２として押し入れる。さらに、下パンチ５ａと上バンチ
４とから形成された空隙に、Ａ１４０重量％Ｓｉの組成
を有する急冷凝固粉末を低熱膨張アルミニウム合金３１
として投入する。その後、矢印で示される方向に、上パ
ンチ４と下バンチ５ａ、５ｂとを用いて加圧成形すると
、低熱膨張アルミニウム合金３１と高放熱アルミニウム
合金３２とが拡散接合によって一体化された箱が形成さ
れる。このようにして形成された箱形の放熱部材３０は
第８図に示されている。このような放熱部材３０は人工
衛星や航空機等の分野に使用されるマイクロ波集積回路
装置用パッケージ、すなイ〕ち、メタルパッケージのケ
ースに使用される。

第１１図は第８図に示された箱形の放熱部材３０を用い
て構成されるメタルパッケージ５０の構成を示す断面図
である。第１１図を参照して、低熱膨張アルミニウム合
金３１と高放熱アルミニウム合金３２とが接合された箱
形の放熱部材３０の内側の底面上には、すなわら、低８
％膨張アルミニウム合金３１からなる部分の表面上には
、マイクロ波集積回路装置用のアルミナ回路ＬＬ阪４１
がＡｕ−９口はんだ４４を介して接合されている。この
放熱部材３０の開口部は、たとえば、ＪＩＳ呼称の高放
熱アルミニウム合金からなる蓋部材３３かレーザ溶接を
用いて放熱部材３０に接合されることによって塞がれて
いる。

上記実施例においては、低熱膨張アルミニウム合金とし
て、Ａ１４（１重量％Ｓｉの組成を自°するアルミニウ
ム合金を用いているが、これに限定されるものではない
。たとえば、低熱膨張アルミニウム合金としてはＴＳ１
表に示されるｔ（１成のＡη−８口合金を挙げることが
できる。また、上記実施例においては、高放熱アルミニ
ウム合金としてＪＩＳ呼弥１１００のアルミニウム合金
を用いているが、これに限定されるものではない。高放
熱アルミニウム合金としては、たとえば、第２表に示さ
れるアルミニウム合金を挙げることができる。

さらに、上記実施例では、高放熱アルミニウム合金とし
てアルミニウム合金板を用いているが、同組成の粉末か
ら成形してもよい。

なお、この発明の実施例においては低熱膨張アルミニウ
ム合金としてＡ（１−３口合金を挙げているが、アルミ
ニウムにカーボンを添加することによって熱膨張係数を
低下させたアルミニウム合金を低熱膨張アルミニウム合
金として用いてもよい。

高ｈＬ１．熱アルミニウム合金として第２表に挙げられ
るアルミニウム合金を用いることによって、機械加工が
必要な場合においても、これらのアルミニウム合金は波
間性に優れているため、加工コストの低減を図るこ己が
可能になるとともに、放熱部材を複ＨＥな形状に成形す
ることも可能になる。

第 つ 表 部 表 ［発明の効果］ 以上説明したように、この発明によれば低熱膨張性と高
放熱性とを兼備えたアルミニウム合金からなる半導体装
置用放熱部材が提（ｇされｉする。そのため、この放熱
部材を発熱量が高く、信頼性の要求される半導体装置に
用いると効果的である。

さらに、この発明に従った半導体装置用放熱部材はアル
ミニウム合金からなるので、軽量化を容易に図ることが
ｉｉｌ能である。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図、第１Ｂ図はこの発明に従った半導体装置用放
熱部Ｈの製造方法の一例を示す部分断面図である。 第２図は、第１Ａ図および第１Ｂ図に示される製造方法
によって得られる半導体装置用ｈｋ熱部材の１つの実施
例を示す斜視図である。 第３Ａ図、第３Ｂ図、第３Ｃ図はこの発明に従った半導
体装置用放熱部材の製造方法のもう１つの例を示す部分
断面図である。 第４図は、第３Ａ図〜第３Ｃ図に示される製造方法によ
って１１られる半導体装置用放熱部材の１つの実施例を
示す斜視図である。 第５図はこの発明に従った崖導体装置用放熱部材の製造
方法のもう１つの例を示す部分断面図である。 第６図は第５図に示された製造方法を用いて得られる半
導体装置用放熱部Ｈの別の実施例を示す斜視図である。 第７図はこの発明に従った半導体装置用放熱部材の製造
方法のさらにもう１つの例を示す部分断面図である。 第８図は第７図に示された製造方法を用いてｉすられる
半導体装置用放熱部材のさらに別の実施例を示す斜視図
である。 第９図は第２図に示された半導体装置用放熱部材が組込
まれるＩＣパッケージの一例を示す断面図である。 第１０図は第４図に示された半導体装置用放熱部材が組
込まれるＩＣパッケージの一例を示す断面図である。 第１１図は第８図に示された半導体装置用放熱部材が組
込まれるメタルパッケージの一例を示す断面図である。 図において、１０．１０ａ、２０．３０は放熱部材、１
１．ｌｌａ、２１．　３１は「（熱膨張アルミニウム合
金　１２，２２．３２は高ｈｋ熱アルミニウム合金であ
る。 なお、各図中、同一符号は同一または相当部分を示す。 １０：了り四部社 第８図 ３０−賛皇〕υ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）その平均熱膨張係数が１７×１０＾−＾６／℃以
   下である第１のアルミニウム合金からなる部分と、その
   熱伝導度が前記第１のアルミニウム合金の熱伝導度より
   も大きな値を示す第２のアルミニウム合金からなる部分
   とが、接合され、一体的に成形されたアルミニウム合金
   からなる半導体装置用放熱部材。
2. （２）前記第１のアルミニウム合金は、Ｓｉを３０〜６
   ０重量％含み、その残部がアルミニウムと不可避的不純
   物とからなるアルミニウム合金を含む、請求項１に記載
   の半導体装置用放熱部材。