JPH04348062A - 半導体搭載用放熱基板の製造法と該基板を用いた半導体用パッケージ - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、複数個のＣｕＷまた
はＣｕＭｏ複合合金をＣｕを介して結合したことを特徴
とする半導体搭載用放熱基板の製造法および該基板を用
いた半導体用パッケージに関するものである。

【０００２】

【従来の技術とその課題】近年ＩＣ、トランジスター等
の高速化及び集積度と容量の増加により半導体素子の発
生する熱量が増加し、これら素子を正常に動作させるた
めに発生した熱をいかに取り除き素子を冷却するかが重
要な問題となっている。素子冷却に関しては半導体レー
ザー関係の部品においても同様な問題がある。この問題
を解決するために半導体を収納するパッケージの素子搭
載用の放熱基板としてＣｕとＷ、ＣｕとＭｏの組合わせ
よりなる複合材料が近年使用されるようになった。

【０００３】これら複合材料は、（ａ）　ＷまたはＭｏ
粉末を焼成して得た多孔体に還元雰囲気中で溶融したＣ
ｕを溶浸する方法（特開昭５９−２１０３２号）、（ｂ
）　ＷまたはＭｏ粉末とＣｕ粉末を混合し、これを還元
雰囲気中で焼結する方法（以下、混合粉末焼結法）等の
方法で製造されている。

【０００４】これらの複合材料を放熱基板として使用し
た従来のＩＣ用セラミックパッケージの代表的な構造断
面図を図８及び図９に、トランジスター用パッケージの
構造断面図を図１０及び図１１に示す。

【０００５】図８及び図９において、２１はＣｕＷまた
はＣｕＭｏよりなる基板、２２は例えばＡｌ２Ｏ３　層
よりなる多層積層セラミック基板、２３は基板２１上に
載置したＳｉ半導体素子、２４はコバール（Ｆｅ−２９
％Ｎｉ−１７％Ｃｏ）リード線、２５はボンディングワ
イヤ、２６はコバールあるいはＡｌ２Ｏ３　よりなるパ
ッケージである。

【０００６】図９の構造では、図８の構造に比べて基板
２１のＳｉ半導体素子２３マウント部分２１ａ　を高く
してあるので、多層積層セラミック基板２２の端子取付
部２７とＳｉ半導体素子２３の高さを同一にすることが
でき、素子実装上利点がある。

【０００７】近年ＩＣの容量増加に伴ない、セラミック
基板の積層数が増加しており、この種構造に対する要求
がますます増加している。

【０００８】次に、図１０及び図１１の従来のトランジ
スター用パッケージについて説明すると、図１０はＣｕ
ＷまたはＣｕＭｏ基板２１上の中央部ＢｅＯ回路基板２
８上にＳｉ半導体素子２３を搭載したものであるのに対
し、図１１は主にＧａＡｓトランジスターを素子２９と
して使用したＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ　Ｅｆｆｅｃｔ　Ｔｒ
ａｎｇｉｓｔｅｒ）に用いられるものでＣｕＷまたはＣ
ｕＭｏの熱伝導のよい放熱基板２１上に設けた突起部２
１ｂ　に直接ＧａＡｓトランジスター素子２９をマウン
トし、その近傍の絶縁セラミック基板３０上に設けられ
た回路３１と同一平面上で配線することができるため、
この種構造が好まれている。

【０００９】これらのうち、図８と図１０に示すパッケ
ージに使用される基板２１は単純な平板であり、製造上
あまり困難な問題はないが、図９と図１１に示すように
１部に突起２１ａ　、２１ｂ　を有する段付き基板は製
造上種々の問題点を有している。

【００１０】これら段付き基板は、通常１枚の平板より
突起部を残し、切削または研削にて残部を削除すること
で製造されている。

【００１１】しかしながら、この方法では削除される原
料が無駄になるのは勿論のこと、基板材料が軟質のＣｕ
と硬質難削材であるＷまたはＭｏの組合わせによりなっ
ているため、切削時常に刃具にとり断続切削を余儀なく
させられるため、刃先の摩耗が大きく、高精度を得るた
め或いは加工後加工歪を抑えるためには頻繁に刃具の交
換をする必要があり、切断に要する工具費用が大きな負
担になっている。

【００１２】一方、これらの段付き形状の基板を上述し
た（ａ）　の溶浸法において、段付き形状のＷまたはＭ
ｏの焼成体にＣｕを溶浸する方法や（ｂ）　の混合粉末
焼結法において、ＷまたはＭｏとＣｕの混合粉末を段付
き形状に成形し、焼結する方法が考えられるが、これら
の方法では次のような問題点がある。

【００１３】即ち、図９のような形状を呈するパッケー
ジに用いられる基板２１は図１２に示すような形状であ
り、半導体素子２３が搭載される面３２に対してセラミ
ック基板２２にろう付けされる面３３が大きい。また該
面３３は通常０．３　〜０．５ｍｍ　厚の薄いものが要
求されることが多い。

【００１４】従って、この種基板を平面板から突起部を
残すように切削にて削除して製造する場合、削除しなけ
ればならない面積が大きく、また切削工具の刃先が摩耗
すると、切削時の加工歪により搭載面３３が変形してセ
ラミックス基板２２とのろう付け時に支障をきたすこと
が多い。

【００１５】一方、この種の基板を素材の製造時にＷま
たはＭｏ粉末をこの形状に近い段付き形状に型押しにて
成形し、これを焼結して得た多孔体にＣｕを溶浸して製
造する方法（溶浸法）、あるいはＷまたはＭｏ粉末とＣ
ｕ粉末の混合粉末をこの形状に近い段付き形状に型押し
にて成形し、これを焼成して製造する方法（混合粉末焼
結法）もあるが、上記の如く、図１２の形状においては
セラミック基板２２とのろう付け面３３が薄いため、半
導体素子搭載面３２と同一の密度を有する型押体を得る
ことが難しく、また、たとえ同一密度を有する型押体が
得られたとしても型押体の薄肉部であるろう付け面３３
の強度が弱いため、その取扱が難しい。

【００１６】また、欠陥（空孔）のない複合材料を得る
には焼成温度をＣｕの溶融温度以上の高温で処理しなけ
ればならず、空孔を十分Ｃｕで充たすためには、余剰の
Ｃｕを付加して焼成する必要があるため、焼成後の焼成
体は表面がＣｕで覆われた状態となり、従って、何らか
の方法でこのＣｕを取り除かねばならず、平板から切削
にて製造するのと同時の労力を要するのである。

【００１７】次に、図１１に示す断面形状を有するトラ
ンジスター用パッケージに用いられる放熱基板２１は図
１３に示すような形状をしており、ＧａＡｓトランジス
ター素子２９が搭載される突起部２１ｂ　は平面部３４
に対し非常に小さい。このため、突起部をもつ形状を型
押しするための金型の製造および型押時金型への粉末の
充填が難しく製造上問題がある。

【００１８】この種段付き基板の製造方法として、突起
部と平面部を別個に作り、これらにＮｉメッキを施し（
ろう付け時にろう材の濡れを確保するため）、セラミッ
クパッケージの製造時セラミック部とろう付けする際に
一緒にろう付けして図１４のようなパッケージを得る方
法もあるが、この場合半導体素子搭載基板３５のセラミ
ック部３６との間隔を一定にとることが難しく、また基
板３５と３６の接合面のろう材３７内に残存する空孔お
よび介在する熱伝導の低いろう材３７が熱伝導に悪影響
を与えるため、パッケージの品質にバラツキを生じ好ま
しくない。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、この種段
付き基板およびこれを組み付けたパッケージを得るに当
たり、上記した従来の問題点を解消するべく検討の結果
、この発明に至ったものである。

【００２０】即ち、この発明は溶浸法または混合粉焼結
法にて得たＣｕＷまたはＣｕＭｏ複合合金の複数個をＣ
ｕを介して結合したことを特徴とする半導体搭載用放熱
基板の製造法および該基板を用いた半導体用パッケージ
を提供することを目的とするものである。

【００２１】

【作用】以下、この発明を詳細に説明する。

【００２２】この発明の放熱基板Ａの製造法は図１に示
すように段付きの突起部をなす部分に用いる平板１と平
面部を形成する平板２を別個に製造する。

【００２３】製造方法としては、ＷまたはＭｏの粉末を
成形し、これを焼結して得た多孔体の空孔に溶融Ｃｕを
還元雰囲気中で含浸（溶浸法）して得たＷまたはＭｏと
Ｃｕの複合合金を研削して平板１、２を作る。

【００２４】次いで、これらの平板１、２の間に薄いＣ
ｕ箔を挟み、還元雰囲気中にてＣｕの溶融温度より高い
温度に保持して両者を接合する。

【００２５】この場合、溶融したＣｕ箔は複合合金中の
Ｃｕと溶融し、余剰分は接合面の外に押出されるため、
冷却後の接合面にはごく薄いＣｕ層が残るのみで、接合
基板Ａ全体の熱膨張の均一性に影響を与えることなく、
またＣｕは熱伝導がよく融点（１０８０℃）がパッケー
ジ組立て時セラミックス基板との接合に用いられるろう
材（一般にはＣｕとＡｕの共晶ろう材、ろう付温度７５
０　〜９００　℃）より高いため、一体材より削り出し
た基板に劣らない熱特性を持ち、かつろう付けにより組
立可能な基板を提供することができるのである。

【００２６】なお、懸念される接合面の空孔の残存は、
溶融したＣｕ箔と複合合金中のＣｕが一体化し、余剰分
が接合面全面を覆うため、溶浸法で製造した合金内部と
同様欠陥のないものとなり、問題とならない。

【００２７】又、ＷまたはＭｏ粉末をＣｕ粉末を混合後
成形し、Ｃｕの溶融温度をこえる温度で処理して複合合
金を得る方法（混合粉末焼結法）では欠陥（空孔）の少
ない複合合金を得るには適した方法ではないが、この発
明の放熱基板を得るための素材として使用した場合は接
合時に溶融したＣｕが素材内に残存する空孔を埋めるた
め、接合後の放熱基板内には欠陥（空孔）が少なく十分
素材として使用することができる。

【００２８】この発明の方法は、使用する複合合金の原
料の節減、切削加工取代の減少による切削加工費および
工具費の節減がはかれるだけでなく、簡単な標準金型を
用意することにより、組合わせにより多数の形状を作る
ことができ、多種少量生産への対応が重要なこの種製品
に対し適切な製造法である。

【００２９】この発明の方法は、上記した製造上の利点
に加えて次に述べるような性能上の利点を有する基板を
製造することができる。

【００３０】即ち、この発明の接合法によるならば、組
合わせる材料の組成比率を変えることにより単一素材よ
り切削加工で削り出す方法では作成できない特徴を有す
る基板の作成が可能である。

【００３１】ＣｕＷあるいはＣｕＭｏ複合合金はその組
成により次のような特徴を有している。

【００３２】基本的に複合合金のＣｕ含有率が高いほど
熱伝導がよく、放熱特性はよくなるが、パッケージ基板
として使用する場合、組合わせて使用する絶縁材および
導電材により以下のような組成比の選択ができる。

【００３３】一例として述べると、Ｃｕ：Ｗ＝１０：９
０（重量比）の複合材はアルミナ磁器と熱膨張率が近似
するため、アルミナ磁器とろう付けされる放熱基板とし
て最も適している。

【００３４】Ｃｕ：Ｗ＝１５：８５（重量比）はベリリ
ア磁器と近似した熱膨張率をもち、Ｓｉ素子を収納する
ＦＥＴ用セラミックパッケージとして使用される。

【００３５】ＣｕＭｏ複合合金は熱伝導はＣｕＷ複合材
料のそれに比べて劣るが、比重が小さいため、大型パッ
ケージの基板として適している。

【００３６】このように組成比率により熱特性（熱伝導
度および熱膨張率）が異なるため、単一素材を使用する
と、必ずしもパッケージ用放熱基板として全ての特性を
満足させることができない。ところが、この発明の方法
によると、次のように複数の要求特性を充たすことがで
きる。

【００３７】一般にＳｉ−ＦＥＴ用セラミックパッケー
ジとしては良好な熱特性と絶縁性が要求されるため、図
１０に示すように外壁の多層絶縁セラミック基材２２と
してＡｌ２Ｏ３　が、半導体素子２３を搭載する放熱絶
縁回路基板２８としてＢｅＯを用いた構造のセラミック
パッケージが使用されている。

【００３８】この場合、外壁としての熱膨張率の異なる
Ａｌ２Ｏ３　材２２とＢｅＯ回路基板２８を同時にＣｕ
Ｗ基板２１にろう付けにて接合せねばならず、ろう付け
後冷却時の熱歪による両材料２２、２８の破損およびＣ
ｕＷ基板２１の変形を防ぐため設計形状によりＣｕ：Ｗ
＝１３：８７、Ｃｕ：Ｗ＝１５：８５など組成比を微妙
に調整して対処しているが、必ずしも問題点の解決には
至っていない。

【００３９】しかるに、この発明の方法によれば図１に
示す平板１としてＣｕ：Ｗ＝２０：８０、平板２として
Ｃｕ：Ｗ＝１０：９０のようにＣｕとＷの比率の異なる
材料の組合わせよりなるＣｕＷ複合合金基板の作成が可
能になり、Ａｌ２Ｏ３　とＢｅＯの２種類の材料を同時
にろう付けしても熱歪に起因する破損や変形などの問題
を解決することができるのである。

【００４０】尚、この発明の方法にて作成した組成比の
異なる組合わせ基板は両材料の間に軟質のＣｕの薄い層
が存在するため、この薄層が緩衝層となって両材料の熱
膨張率の相違による接合後の変形が殆んど起こらないの
である。

【００４１】図２に示す放熱性のパッケージにおいて、
パッケージ内にＡｌ２Ｏ３　などのセラミック回路基板
３を平板２と半田付けする場合、熱膨張の観点からはＣ
ｕＷベースメタルの使用が望ましいが、重量が重くなる
ため、ＣｕＭｏベースメタルが使用されてきたが、この
発明の方法によれば図３の如く平板２としてのＣｕＭｏ
材と平板１としてのＣｕＷ材のＣｕ接合４による組合わ
せが可能になり、軽量かつＡｌ２Ｏ３　やＢｅＯのセラ
ミック回路基板３との接合に適したパッケージの作成が
可能となるのである。

【００４２】尚、図２、図３において、５はコバール等
よりなる外枠、６はコバールリード線、７はガラスシー
ルである。

【００４３】次に図１６に示すように異なる材料の組合
わせによる実施例としてＩＣ組立て後に通風冷却のため
にＡｌ製フィン３９をネジ止めして用いるネジ部３８を
有するセラミックパッケージ用の基板４０がある。図１
６の基板４０のように従来の単一素材を用いてフィン取
付部、即ちネジ部３８を切削加工にて形成する場合、ア
ルミナセラミック基板２２とのろう付けに適したＣｕ：
Ｗ＝１０：９０％（重量比）が通常用いられるが、比重
が１７．０ｇ／ｃｃと大きく、従って基板４０としての
重量が大きくなってしまう。

【００４４】しかしながら、この発明のように複数個の
組成の異なるＣｕＷまたはＣｕＭｏ複合合金をＣｕを介
して結合して得る放熱基板の製造法によれば、図１７に
示すようにフィン取付け部、即ちネジ部１１に比重が１
０．０ｇ／ｃｃと軽量のＣｕ：Ｍｏ＝１５：８５％（重
量比）を用い、基板２、即ちＣｕ：Ｗ＝１０：９０％（
重量比）とのＣｕを介しての接合ができ、従ってネジ部
１１を大きくする事が可能となり放熱効果を著しく改善
することができる。

【００４５】

【実施例】以下、実施例によりこの発明を詳細に説明す
る。

【００４６】実施例１

【００４７】Ｗ粉末に有機質バインダーとしてカンファ
ーを２重量％混合した混合粉末を金型に充填し、加圧し
て型押体を得た。この型押体を水素雰囲気中５００　℃
にて加熱してカンファーを蒸発除去した後、１４００℃
で２時間焼結してＷの多孔体を得た。

【００４８】次いで、この多孔体に該多孔体の孔を充填
するに足る重量のＣｕ板を重ね、水素雰囲気中１２００
℃に加熱し、Ｃｕを溶融して多孔体の孔に溶浸させ、１
０ｍｍ×１０ｍｍ×１ｍｍ　と３０ｍｍ×３０ｍｍ×０
．５ｍｍ　の外周面をＣｕで覆われたＣｕ：Ｗ＝１０：
９０（重量比）のＷとＣｕの複合合金を得た。

【００４９】これらの複合合金の両面を研磨し、外周端
面を切削してＣｕを除去し、９ｍｍ　×９ｍｍ　×０．
８ｍｍ　と２９ｍｍ×２９ｍｍ×０．３ｍｍ　の平板１
、２を得た。

【００５０】得られた２枚の平板１、２の間に　９ｍｍ
×　９ｍｍ×０．１ｍｍ　のＣｕ板４をカーボン治具の
中にセットし、水素雰囲気中１２００℃で１０分間加熱
してＣｕを溶融させたのち、冷却し図６の如き段付き放
熱基板を得た。接合部外周に付着したＣｕを切削除去し
た後、これをバレル研磨にて研磨し、外面に付着したＣ
ｕを除去した。

【００５１】この基板の接合部断面組織の微構造を顕微
鏡で調べたところ、図７に示すように接合部には放熱に
悪影響を与えるような空孔は存在しなかった。

【００５２】この表面にＮｉを施し、これを接合面にＷ
メタライズ及びＮｉメッキを施したＡｌ２Ｏ３　基板８
と銀ロウにてろう付け接合して図４のようなＩＣ用セラ
ミックパッケージを得た。

【００５３】実施例２

【００５４】実施例１と同様の方法にて形状７ｍｍ　×
７ｍｍ　×０．５ｍｍ　、組成Ｃｕ：Ｗ＝２０：８０の
平板１と形状３０ｍｍ×１１ｍｍ×１ｍｍ　、組成Ｃｕ
：Ｗ＝１０：９０の平板２を作成した。

【００５５】この両平板１、２の間に７ｍｍ　×７ｍｍ
　×０．１ｍｍ　のＣｕ箔４を挟み、実施例１と同様の
方法にて接合した段付き基板を用い、アルミナ枠８とベ
リリア板９を同時にろう付けし、図５に示すようなＦＥ
Ｔ用パッケージを作成した。

【００５６】得られたパッケージはベリリア板の割れは
なく、またパッケージ底面のソリが０．００２ｍｍ　以
下となり、良好な放熱性を有するパッケージを得ること
ができた。

【００５７】実施例３

【００５８】Ｍｏ粉末に有機質バインダーとしてカンフ
ァーを２重量％混合した混合粉末を金型に充填し、加圧
して型押体を得た。この型押体を水素雰囲気中５００　
℃にて加熱して、カンファーを除去した後、水素雰囲気
中１２００℃で２時間焼結してＭｏの多孔体を得た。

【００５９】次いで、このＭｏ多孔体の孔に実施例１と
同様にしてＣｕを溶浸し、形状３０ｍｍ×６０ｍｍ×１
ｍｍ　、Ｃｕ：Ｍｏ＝１５：８５（　重量比）のＣｕと
Ｍｏの複合合金を得、実施例１と同様に研磨して２９ｍ
ｍ×５９ｍｍ×０．８ｍｍ　の平板２を得た。

【００６０】また、別に実施例１と同様にして組成Ｃｕ
：Ｗ＝１０：９０、２０ｍｍ×２０ｍｍ×０．５ｍｍ　
の平板１を得た。これら両平板１と２の間に２０ｍｍ×
２０ｍｍ×０．１ｍｍ　のＣｕ箔を挟み、実施例１と同
様の方法で接合した。

【００６１】両平板１、２は図６に示すように欠陥のな
いうすいＣｕ層４を介して接合されており、図５に示す
ようなパッケージに用いるに適した放熱基板を得ること
ができた。

【００６２】かくして得た基板について接合部断面組織
の微構造を顕微鏡で調べたところ、図１５に示すように
接合部には放熱に悪影響を与えるような空孔は存在しな
かった。

【００６３】実施例４

【００６４】実施例１と同様の方法で作成したφ１８ｍ
ｍのＣｕ：Ｗ＝１０：９０％（重量比）複合材と、実施
例３と同様の方法で作成したφ７×５ｍｍのＣｕ：Ｍｏ
＝１５：８５％（重量比）複合材との間にφ７×０．１
ｍｍ　のＣｕ板を挟み、実施例１と同様の方法で接合し
て一体化した複合基板を得、次いでφ７×５ｍｍの複合
材部分を切削加工してネジ部１１を形成した。これにＮ
ｉメッキを施してアルミナセラミック積層板８とコバー
ルピン６を銀ろう付けして図１７に示すＩＣ用セラミッ
クパッケージを得た。

【００６５】かくしてネジ部を基板部と同じＣｕＷ材で
作成した場合に比べてパッケージ重量で１ｇ／　ヶの軽
量化が可能となった。

【００６６】

【発明の効果】以上説明したように、この発明の方法は
溶浸法あるいは混合粉焼結法にて作った複数個の組成の
異なるＣｕＷまたはＣｕＭｏ材をＣｕの板または箔を介
して結合する結果、ＣｕＷ、ＣｕＭｏ材内の残存空孔が
溶融Ｃｕにて充填されることとなって性能のよい放熱基
板を得ることができるのである。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の方法による放熱基板の構成を示す説
明図である。

【図２】この発明の放熱基板を用いた半導体用パッケー
ジの断面図である。

【図３】この発明の放熱基板を用いた半導体用パッケー
ジの断面図である。

【図４】この発明の放熱基板を用いた半導体用パッケー
ジの断面図である。

【図５】この発明の放熱基板を用いた半導体用パッケー
ジの断面図である。

【図６】この発明の方法による放熱基板の構成を示す説
明図である。

【図７】図６の放熱基板における接合部断面の組織構造
を示す顕微鏡写真である。

【図８】従来の放熱基板を用いた半導体用パッケージの
断面図である。

【図９】従来の放熱基板を用いた半導体用パッケージの
断面図である。

【図１０】従来の放熱基板を用いた半導体用パッケージ
の断面図である。

【図１１】従来の放熱基板を用いた半導体用パッケージ
の断面図である。

【図１２】従来の放熱基板の構成を示す説明図である。

【図１３】従来の放熱基板の構成を示す説明図である。

【図１４】従来の放熱基板を用いた半導体用パッケージ
の断面図である。

【図１５】図６の放熱基板における接合部断面の組織構
造を示す顕微鏡写真である。

【図１６】従来の放熱基板のネジ部にＡｌフィンをネジ
止めした半導体用パッケージの断面図である。

【図１７】この発明の方法によりネジ部を形成した半導
体用パッケージの断面図である。

【符号の説明】

１　　放熱基板を構成する平板 ２　　放熱基板を構成する平板 ３　　回路基板 ４　　Ｃｕ接合層

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　溶浸法または混合粉焼結法にて得たＣ
   ｕＷまたはＣｕＭｏ複合合金の複数個をＣｕを介して結
   合したことを特徴とする半導体搭載用放熱基板の製造法
   。
2. 【請求項２】　　ＣｕＷまたはＣｕＭｏ複合合金として
   複数個の組成の異なるＣｕＷまたはＣｕＭｏ複合合金を
   用いる請求項１記載の半導体搭載用放熱基板の製造法。
3. 【請求項３】　　請求項１または２記載の放熱基板を組
   み付けてなる半導体用パッケージ。