JPH06140531A

JPH06140531A - 放熱用基板

Info

Publication number: JPH06140531A
Application number: JP28912792A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Hamada; 糾濱田; Shuji Yamada; 修司山田
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1992-10-27
Filing date: 1992-10-27
Publication date: 1994-05-20

Abstract

(57)【要約】【目的】低熱膨張性と高放熱性とを兼ね備え、しかも
容易に製造することのできる放熱用基板を提供する。【構成】低熱膨張材料の繊維からなる基材に放熱性の
良い金属材料が含浸されていて、前記低熱膨張材料の繊
維の占有率が板厚方向に傾斜的に変化する傾斜組成構造
になっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、放熱用基板に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体装置において、素子の容量
の増大・パワー化、高密度集積化に伴い、素子から発生
する熱をどのようにしてうまく外部へ逃がすかというこ
とが大きな課題となっている。そのために、半導体素子
を放熱用基板に搭載し、この基板と素子表面とを接合す
ることによって、素子内に発生する熱を放熱用基板を通
じてパッケージ外に放出することが行われている。しか
し、この場合、放熱用基板と半導体素子との熱膨張率の
差が問題となる。たとえば、この熱膨張率の差が大きい
と、半導体素子のシリコン基板が過大な応力を受け、同
基板にクラックを生じたり動作の異常を生じたりする。
放熱用基板材として、電極取り出しセラミックパッケー
ジ材と同じアルミナを使用すると、放熱性が極端に悪く
なる。また、放熱用基板材とセラミックパッケージ材と
の熱膨張率の差が大きいと、セラミックパッケージ材
が、ろうづけ時に割れるという問題がある。それゆえ、
低熱膨張性と高放熱性とを兼ね備えた放熱用基板があれ
ば、非常に有用であり、このような放熱用基板に対する
産業上の要求度は大きくなっている。

【０００３】従来、放熱用基板としては、たとえば、下
記〜のものがある。Ｗ粉末、Ｍｏ粉末またはＷ−Ｍｏ粉末を焼結させた
焼結基板にＣｕを含浸させてなる放熱用基板。低熱膨張材料の繊維からなる基材に放熱性の良いＣ
ｕなどの金属材料を含浸させてなる放熱用基板（特開昭
６３−１２０４４８号公報参照）。この放熱用基板は、
熱伝導率は低いが低熱膨張性を示す材料により基板全体
の熱膨張を抑制し、熱膨張率は大きいが高い熱伝導性を
示すＣｕなどの金属材料により高い放熱性を得ようとす
るものである。

【０００４】Ｃｕ板と、Ｆｅ−Ｎｉ合金であるイン
バー合金板とがクラッドした放熱用基板。このクラッド
基板は、Ｃｕ板で放熱をさせ、インバー合金板で膨張を
抑えるという構造になっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、前述の従来
の放熱用基板は、下記の問題があった。前記の放熱用
基板は、製造工程が複雑であり、Ｃｕの充分な含浸も困
難である。Ｗ、ＭｏまたはＷ−Ｍｏの粉末成形体は１つ
１つ成形する必要があり、さらに、それらの焼結体にお
いては、粉末同士が融着し空隙も少なく、Ｃｕとのヌレ
性の割には焼結体内部へＣｕを充分に含浸させることが
できないからである。そのため、Ｃｕによる充分な放熱
性を得ることが難しく、コストも高い。

【０００６】前記の放熱用基板は、基材が繊維状の材
料からなるので、基材にＣｕを含浸しやすく、製造が容
易であるという利点があるが、低熱膨張材料が基板中に
一様均一に分散した構造であり、低熱膨張化を図るため
低熱膨張材料の占有率が決まると、その結果、基板全体
の熱伝導率が決定されるため、基板の放熱性が充分に確
保されず、限界があった。

【０００７】前記の放熱用基板は、Ｃｕ板部の熱膨張
を抑えるためにインバー合金板は一定以上の厚みを有し
ていなければならず、そのため充分な放熱性を得にく
い。そこで、この発明の課題は、低熱膨張性と高放熱性
とを兼ね備え、しかも容易に製造することのできる放熱
用基板を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、発明者らは、種々検討を重ねた結果、以下のことを
実験で確認して、この発明を完成した。熱伝導率は低い
が低熱膨張性を有する材料に、熱膨張率は大きいが放熱
性の良い金属材料を含浸させると、２つの性質の異なる
材料の複合材が得られる。この場合、低熱膨張材料によ
って複合材の熱膨張を抑制することができるが、放熱性
は逆に低熱膨張材料によって低くなる。ここで、低熱膨
張材料の占有率が一様均一ならば、複合材の熱膨張率と
熱伝導率の各値は、複合材のどの部分をとっても一定に
なってしまう。

【０００９】一例として、図１に、低熱膨張材料として
のインバー繊維に高放熱材料としてのＣｕを含浸させ、
その時、インバー繊維体積率（低熱膨張材料の占有率）
を変えて作った４種類の含浸材（ただし、各含浸材中に
おいては、インバー繊維体積率は一定である）を圧延に
より１mm厚さにして得られた従来の放熱用基板につい
て、その板厚方向の熱伝導率と、圧延途中で板厚が５mm
の時の板面内方向の熱膨張率とを２５℃で測定した結果
を示す。なお、図１中、熱伝導率は「×」で、熱膨張率
は「○」でプロットして示した。また、この図には、イ
ンバー繊維体積率が０％および１００％の場合の各測定
値も併せて示した。試料中のインバー繊維は、その長さ
方向がほぼ板面内方向に揃って存在している。図１にみ
るように、インバー繊維体積率が定まると、板厚方向の
熱伝導率および板面内方向の熱膨張率はいずれも一律に
決まってしまう。

【００１０】そこで、低熱膨張材料の占有率を基板の厚
さ方向に傾斜的に変化させた傾斜組成構造にすると、基
板の一方の側の表面から反対側の表面に向かって熱膨張
率が増加していくとともに熱伝導率も大きくなっていく
連続体となり、その結果、半導体素子が搭載され接合さ
れる一方の側の表面は半導体素子基板と同程度の低熱膨
張であり、また、電極取り出しパッケージと接する部分
はアルミナなどのセラミック並の熱膨張率を示し、基板
の反対側表面は、放熱性金属材料が多くなるなど、基板
全体としては放熱用金属の占める体積が多く、高放熱性
を有する放熱用基板とすることが可能になるということ
である。

【００１１】したがって、この発明にかかる放熱用基板
は、低熱膨張材料の繊維からなる基材に放熱性の良い金
属材料を含浸させてなる放熱用基板において、前記低熱
膨張材料の繊維の占有率が基板の厚さ方向に傾斜的に変
化する傾斜組成構造になっていることを特徴とするもの
である。ここで、占有率とは、材料の占める体積の割合
（体積％）を意味する。また、低熱膨張材料の繊維の占
有率が基板の厚さ方向に傾斜的に変化するとは、低熱膨
張材料の繊維の占有率が基板の一方の側の表面から反対
側の表面に向かって減少もしくは増加していくことを意
味する。上記占有率の、このような減少もしくは増加の
し方は、連続的かつ一様なものに限らない。たとえば、
この発明の目的を損わない範囲内で、上記占有率が不連
続的（たとえば、階段状）に減少もしくは増加していく
ものであってもよい。

【００１２】この発明で用いられる基材の構成原料であ
る低熱膨張材料（熱膨張率の低い材料）としては、特に
限定はされないが、たとえば、インバー合金、Ｗ、Ｍ
ｏ、Ｃ、ＳｉＣ等が挙げられる。それらの繊維の態様と
しては、特に限定はされないが、ウィスカーのようなも
の、長繊維や短繊維のようなもの、あるいは、単繊維や
撚線のカーボン繊維を用いて織った織布状のようなもの
等がある。たとえば、インバーをビビリ切削することに
より、径が５０μｍ、長さが１mm程度の繊維を得ること
ができる。低熱膨張材料の繊維は、１種のみを用いても
よいし２種以上を併用してもよい。

【００１３】基材に含浸される放熱性の良い金属材料と
しては、特に限定はされないが、たとえば、Ｃｕ等が挙
げられる。この放熱性の良い金属材料も、前記低熱膨張
材料と同様に繊維にすることができる。放熱用基板中の
低熱膨張材料の繊維の占有率は、その値が最大となる側
の基板表面において８０体積％以下であることが好まし
い。上記占有率が８０体積％を超えると、充分な放熱効
果を得ることが難しいだけでなく、後で述べる製造過程
において放熱性の良い金属材料を含浸させた基材の圧延
時に割れが生じ、好ましくないからである。また、上記
占有率は、その値が最小となる側の基板表面において
は、０体積％（放熱性の良い金属材料が１００体積％）
でもよいし、０体積％でなくてもよい。

【００１４】この発明にかかる放熱用基板は、特に限定
されるわけではないが、たとえば、以下のようにして製
造することができる。まず、低熱膨張材料からなる繊維
による基材を作る。繊維を充分に混合し、金型に入れて
所望形状に成形する。繊維同士の成形体において、成形
圧力の大きいところは繊維同士の隙間は詰まるようにな
るが、内部にはまだ隙間が残っている。基材における低
熱膨張材料の占有率は、成形時の圧力、繊維の態様など
によって、あるいは、低熱膨張材料の繊維にＣｕの繊維
を所定の割合で混合することなどによって調整すること
ができる。

【００１５】次に、低熱膨張材料を板厚方向に傾斜組成
構造にするための方法について述べる。Ｃｕを含浸後に
半導体素子基板並の低熱膨張率を基板の一方の側の表面
に得るために必要な低熱膨張材料の占有率を有する成形
体から、基板の反対側表面に要求される熱膨張率を得る
のに必要な占有率を有する成形体まで、占有率がおおむ
ね１０〜２０体積％毎に異なる複数の成形体を、低熱膨
張材料の繊維と放熱性の良い金属材料の繊維とを所定の
割合で用いて低熱膨張材料の占有率を調整することによ
り用意する。図２にみるように、これらの複数の成形体
を低熱膨張材料の占有率の大きい順に、ヒーター２で囲
まれた金型５の中に挿入して基材１とし、ヒーター２に
より、放熱性の良い金属材料の融点直下５０℃以内の温
度範囲に加熱し、この状態の基材１に対して、放熱性の
良い金属材料、たとえば、Ｃｕの溶湯３を、金型５の可
動型４で圧力を加えながら注入し含浸させる。基材１は
粉末の焼結体でなく、また、基材１中の放熱性の良い金
属材料も既に融点近くにあるので、Ｃｕの溶湯３の浸入
する道筋ができ、Ｃｕは基材内部へ充分に含浸できる。
ただし、板厚方向に傾斜組成構造にするための方法は上
記のものに限定されない。

【００１６】含浸が済んだ基材は、必要に応じて、圧延
により適宜必要な厚みとしたり、所望の形状に切断ある
いは切削・研削したりすることができ、加工性は良い。
圧延は、圧延前の基板の厚みが、たとえば、５０mmの
時、圧延後の厚みを１〜２mm程度にすることができる。
圧延を行った場合、得られる基板中の低熱膨張材料繊維
は、おおむね、板面内に繊維の長さ方向が揃っており、
その方向は面内２次元的に無秩序となった組織を示し、
これにより、板面内方向の熱膨張がより抑制されるので
好ましい。

【００１７】得られる基板の板厚方向に関する低熱膨張
材料繊維の体積％は、基板の一方の側の表面から反対側
の表面にわたって、その値はなだらかに連続して増加あ
るいは減少していく傾斜組成構造のものとなる。このよ
うにして得られる放熱用基板の基材は、含浸が容易で加
工性に富むため、放熱用基板の製造が簡単となる。ただ
し、織布状の繊維を層状に重ねて用いた基材は伸び難い
ので、圧延しにくい傾向がある。

【００１８】上記のようにして得られる放熱用基板は、
半導体素子を直接取りつけたり、あるいは、その上にセ
ラミックなどで絶縁層を形成してから素子を取りつけた
りする他、絶縁層上に配線パターン形成や部品搭載する
ような使い方もできる。また、半導体素子を直接取りつ
けた面と反対側の面をセラミックパッケージと接合した
り、さらには、基板の厚みを増やして板厚途中で切削さ
れた面で上記セラミックパッケージとの接合を行い、連
続してつながった低熱膨張材繊維の少ない放熱性金属材
料の多い部分で放熱を効率良く行う構造にも使用でき
る。

【００１９】

【作用】低熱膨張材料の繊維からなる基材に放熱性の良
い金属材料を含浸させてなる放熱用基板において、前記
低熱膨張材料の繊維の占有率が基板の厚さ方向に傾斜的
に変化する傾斜組成構造になるようにすると、上記占有
率の変化に伴い、熱膨張率と熱伝導率も傾斜的に変化す
る。そのため、板の途中厚さの部分での熱膨張率を制御
でき、これにより、半導体素子が搭載され接合される一
方の側の表面は半導体素子基板と同程度の低熱膨張であ
り、また、電極取り出しパッケージと接する部分はアル
ミナなどのセラミック並の熱膨張率を示し、さらには接
合のない反対側の表面に至るまで熱膨張率が傾斜的に増
加していく。この放熱用基板は、クラッド基板のように
板厚途中で低熱膨張材料により熱伝導が遮断されること
がなくなり、また、寸断されることがなく連続した放熱
性金属材料の量が板厚方向に増加していくので、低熱膨
張材料が一定体積量の基板より放熱性金属材料の量が総
量として多くなり、その結果、放熱性が向上する。

【００２０】この発明では、低熱膨張材料としては、粒
状ではなく繊維状のものを用いるようにしている。繊維
状の低熱膨張材料を用いると、圧延等により、低熱膨張
材料の繊維の長さ方向を板面内方向に揃えることが可能
になる。低熱膨張材料の繊維がその長さ方向が板面内方
向に揃った状態で存在すると、板面内の二次元方向に無
秩序に並んだ繊維のため板面内方向の熱膨張は、粒状の
ものを用いた場合よりも効果的に抑制される。

【００２１】

【実施例】以下に、この発明の実施例と比較例を述べる
が、この発明は下記実施例に限定されない。 −実施例１− 直径約５０μｍ、長さ約１mmのインバーの短繊維と直径
約５０μｍ、長さ約２mmのＣｕの短繊維とを、９０体積
％と１０体積％、７５体積％と２５体積％、６０体積％
と４０体積％、４５体積％と５５体積％、３０体積％と
７０体積％、１５体積％と８５体積％の６通りの割合で
混合した後、各混合物を別個に金型に入れ約１トン／cm
²の圧力で成形して、インバー短繊維体積率の異なる６
種類の成形体（各１０mm厚さ）を作った。これらの成形
体を、金型にインバー短繊維体積率の大きい方から順に
挿入して、基材を得た。次に、金型温度を１０４０〜１
０６０℃に設定し、Ｃｕの溶湯を約０．６トン／cm²の
圧力で含浸させた。この含浸処理は、Ｃｕの酸化を防ぐ
ためにＡｒ雰囲気中で行った。含浸後、Ｃｕ単体部分１
０mmを含めて切り出し、全体で７０mm厚さの基材を冷間
圧延と２回の焼鈍により割れのない厚さ２mmの放熱用基
板を完成した。

【００２２】得られた基板の一方の側の表面におけるイ
ンバー短繊維体積率は６５％であり、反対側の表面にお
けるインバー短繊維体積率は０％であった。この２mm厚
さの放熱用基板の断面組織観察を行うと、インバー短繊
維量は、なだらかに一方側表面から反対側表面に向かっ
て変化していた。また、インバー短繊維の長さ方向は、
概ね、基板面に対して平行に揃っており、同時に、面内
２次元的に無秩序であった。

【００２３】得られた基板の板厚方向の熱伝導率をレー
ザー・フラッシュ法で測定した。また、前記圧延の途中
で厚さが３５mmに達した時に基材の一部を切り出し、イ
ンバー短繊維体積率の最も大きい基材表面から、圧延面
内方向に平行に５mm×５mmで２０mm長さの熱膨張試験片
を切り出し、焼鈍後、熱膨張率を測定した。それらの結
果を表１に示した。

【００２４】−実施例２− 直径約１００μｍ、長さ約２mmのＷ短繊維と直径約５０
μｍ、長さ約２mmのＣｕの短繊維とを、９５体積％と５
体積％、８０体積％と２０体積％、６５体積％と３５体
積％、５０体積％と５０体積％、３５体積％と６５体積
％、２０体積％と８０体積％の６通りの割合で混合した
後、各混合物を別個に金型に入れ約１トン／cm²の圧力
で成形して、Ｗ短繊維体積率の異なる６種類の成形体
（各１０mm厚さ）を作った。これらの成形体を、金型に
Ｗ短繊維体積率の大きい方から順に挿入して、基材を得
た。次に、金型温度を１０４０〜１０６０℃に設定し、
Ｃｕの溶湯を約０．６トン／cm²の圧力で含浸させた。
この含浸処理は、Ｃｕの酸化を防ぐためにＡｒ雰囲気中
で行った。含浸後、Ｃｕ単体部分１０mmを含めて切り出
し、全体で７０mm厚さの基材を冷間圧延と２回の焼鈍に
より割れのない厚さ２mmの放熱用基板を完成した。

【００２５】得られた基板の一方の側の表面におけるＷ
短繊維体積率は６５％であり、反対側の表面におけるＷ
短繊維体積率は０％であった。この２mm厚さの放熱用基
板の断面組織観察を行うと、Ｗ短繊維量は、なだらかに
一方側表面から反対側表面に向かって変化していた。ま
た、Ｗ短繊維の長さ方向は、概ね、基板面に対して平行
に揃っており、同時に、面内２次元的に無秩序であっ
た。

【００２６】得られた基板の板厚方向の熱伝導率をレー
ザー・フラッシュ法で測定した。また、前記圧延の途中
で厚さが３５mmに達した時に基材の一部を切り出し、Ｗ
短繊維体積率の最も大きい基材表面から、圧延面内方向
に平行に５mm×５mmで２０mm長さの熱膨張試験片を切り
出し、焼鈍後、熱膨張率を測定した。それらの結果を表
１に示した。

【００２７】−実施例３− 直径約１００μｍ、長さ約２mmのＳｉＣ短繊維と直径約
５０μｍ、長さ約２mmのＣｕの短繊維とを、９５体積％
と５体積％、８５体積％と１５体積％、７５体積％と２
５体積％、６５体積％と３５体積％の４通りの割合で混
合した後、各混合物を別個に金型に入れ約１トン／cm²
の圧力で成形して、ＳｉＣ短繊維体積率の異なる４種類
の成形体（各１０mm厚さ）を作った。これらの成形体
を、金型にＳｉＣ短繊維体積率の大きい方から順に挿入
して、基材を得た。次に、金型温度を１０４０〜１０６
０℃に設定し、Ｃｕの溶湯を約０．６トン／cm²の圧力
で含浸させた。この含浸処理は、Ｃｕの酸化を防ぐため
にＡｒ雰囲気中で行った。含浸後、全体で４０mm厚さの
基材を冷間圧延と２回の焼鈍により割れのない厚さ２mm
の放熱用基板を完成した。

【００２８】得られた基板の一方の側の表面におけるＳ
ｉＣ短繊維体積率は６５％であり、反対側の表面におけ
るＳｉＣ短繊維体積率は４５％であった。この２mm厚さ
の放熱用基板の断面組織観察を行うと、ＳｉＣ短繊維量
は、なだらかに一方側表面から反対側表面に向かって変
化していた。また、ＳｉＣ短繊維の長さ方向は、概ね、
基板面に対して平行に揃っており、同時に、面内２次元
的に無秩序であった。

【００２９】得られた基板の板厚方向の熱伝導率をレー
ザー・フラッシュ法で測定した。また、前記圧延の途中
で厚さが３５mmに達した時に基材の一部を切り出し、Ｓ
ｉＣ短繊維体積率の最も大きい基材表面および最も少な
い基材表面から、圧延面内方向に平行に５mm×５mmで２
０mm長さの熱膨張試験片を切り出し、焼鈍後、熱膨張率
を測定した。それらの結果を表１に示した。

【００３０】以上の実施例に併せて、次のような比較例
１〜３の放熱用基板の熱伝導率と熱膨張率の測定を行っ
た。 −比較例１− 実施例１において、基板中のインバー短繊維体積率を基
板全体にわたり均一に６５％とした放熱用基板。

【００３１】−比較例２− 実施例２において、基板中のＷ短繊維体積率を基板全体
にわたり均一に６５％とした放熱用基板。 −比較例３− 実施例３において、基板中のＳｉＣ短繊維体積率を基板
全体にわたり均一に６５％とした放熱用基板。

【００３２】測定結果は、表１の通りである。

【００３３】

【表１】

【００３４】表１にみるように、実施例１〜３で得られ
た放熱用基板の熱膨張率は、シリコンやＧａＡｓのよう
な半導体素子の熱膨張率に合致しているだけでなく、放
熱用基板の他端が電極取り出し用アルミナパッケージの
熱膨張率にも合致していることが確認された。また、実
施例１〜３で得られた放熱用基板は、比較例１〜３で得
られた放熱用基板に比べて、放熱性が著しく向上してい
ることが確認された。

【００３５】

【発明の効果】この発明にかかる放熱用基板は、半導体
素子やセラミック等と同じ程度の低熱膨張率に維持でき
るとともに、優れた放熱性を有する。しかも、その製造
が容易である。

【図面の簡単な説明】

【図１】インバー繊維体積率と熱膨張率、熱伝導率との
相関関係を表すグラフである。

【図２】溶湯を含浸させるための金型を表す側断面図で
ある。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０５Ｋ 1/03 Ｃ 7011−4Ｅ 1/05 Ａ 8727−4Ｅ 7/20 Ｃ 8727−4ＥＨ０１Ｌ 23/36 Ｍ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】低熱膨張材料の繊維からなる基材に放熱
性の良い金属材料を含浸させてなる放熱用基板におい
て、前記低熱膨張材料の繊維の占有率が基板の厚さ方向
に傾斜的に変化する傾斜組成構造になっていることを特
徴とする放熱用基板。
【請求項２】低熱膨張材料の繊維の占有率が、その値
が最大となる側の基板表面において８０体積％以下であ
り、放熱性の良い金属材料の含浸後の基材に圧延が施さ
れている請求項１記載の放熱用基板。