JPH07249717A - 放熱基板材料 - Google Patents

放熱基板材料

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JPH07249717A
JPH07249717A JP6065701A JP6570194A JPH07249717A JP H07249717 A JPH07249717 A JP H07249717A JP 6065701 A JP6065701 A JP 6065701A JP 6570194 A JP6570194 A JP 6570194A JP H07249717 A JPH07249717 A JP H07249717A
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JP
Japan
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copper
composite
impregnant
thermal conductivity
heat dissipation
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Application number
JP6065701A
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English (en)
Inventor
Chiyuki Yamauchi
千之 山内
Kazuo Iwakuma
和夫 岩隈
Shuji Kobayashi
修二 小林
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Toho Kinzoku Co Ltd
Original Assignee
Toho Kinzoku Co Ltd
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/04Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating by means of a rolling mill
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/0001Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/0002Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 線膨張係数が半導体素子のそれに近似すると
ともに、良好な熱伝導率、塑性加工性及び機械加工性を
備えた放熱用基板材料を提供する。 【構成】 モリブデンまたはタングステンの金属細線を
編んだ金属網に銅、銅−タングステンまたは銅−モリブ
デンからなる含浸材を含浸させて一体化したことを特徴
とする放熱基板用材料。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体素子を搭載する
ための放熱用基板材料に関し、より詳しくは、線膨張係
数が半導体素子(一般的にはSi、GaAs等が使用さ
れる)のそれに近似するとともに、良好な熱伝導率、塑
性加工性及び機械加工性を備えた放熱用基板材料に関す
るものである。
【0002】
【従来の技術】IC,LSI,VLSI,ダイオード等
に使われる各種の基板は、使用中の発熱によって昇温す
るので、性能を劣化させないよう、これを如何に冷却す
るかが重要な課題となっている。これを解決すべく、一
般には各種基板に金属製放熱基板材料いわゆるヒ−トシ
ンクを接合して放熱を行う冷却方法が採用されている。
この種の半導体搭載用放熱基板材料には良好な熱伝導性
が要求されるが、これに加えて線膨張係数が半導体素子
および他のパッケージ構成材料や回路基板のそれに近似
している事、更に塑性加工性や機械加工性が良く安価に
製造出来る事も欠かせない特性とされる。放熱基板に求
められる上記要求特性を一応は満たす材料として、C
u,Mo,W,Ni−Fe合金,Ni−Co−Fe合
金,Al,Si等の単体部材を組み立てたもの、及びこ
れら単体材料の複合体が知られている。前記単体の組立
材は、各部材間の熱膨張係数差により接触面積を大きく
出来ないため、熱抵抗を一定レベル以下に出来ず、設
計、製造にも制約を受けるという問題点がある。
【0003】このため、単体の複合体が一般に使われて
いるが、複合体にも以下のような問題がある。上記複合
体の製造には、主として「板クラッド法」と「粉末焼結
法」とが採用されており、このうち板クラッド法は、熱
伝導率が大きくかつ熱膨張係数の大きな材料(例えばC
u等)と、熱伝導率が小さくかつ線膨張係数が小さい材
料(例えばNi−Fe合金、Ni−Co−Fe合金等)
との組合わせによる多層の板状素材を積層圧接する方法
であり、複合体の工業的な量産が可能で比較的安価で大
面積の基板を得る事が出来る反面、複合体の特性に異方
性が生じ、しかも接合が困難である等の問題がある。即
ちクラッド板複合体は板面方向の熱伝導性は良好である
が、板厚方向には悪い。又線膨張係数も板面方向には低
いが板厚方向には高くなる。従って回路組立の際に搭載
された素子にクラックや剥離が生じたり、リ−クして半
導体そのものの機能や寿命を落とす懸念がある。
【0004】一方、粉末焼結法には、混合焼結法と溶浸
法があり、前者は複合化しようとする金属粉末(例えば
Cu,W)を混合して、加圧成形した後、焼結して固め
る方法であり、同一のCu含有率であれば溶浸法のもの
より線膨張係数が大きくなるという好ましくない傾向が
ある。
【0005】後者は、W粉末をプレス成形して焼結する
ことにより、微細な空孔が均一にかつ開放して分布した
多孔質体のスケルトンを形成した後、この多孔質体に溶
融Cuを含浸させる方法であり、この方法で得られる複
合体は、WスケルトンがCuの熱膨張を拘束するため、
好適な線膨張係数の実現が可能である。このため、放熱
基板として用いられるCu−W複合体は、好ましい熱膨
張と、高熱伝導性を有する製品の実現に有利な「溶浸
法」で製造されるのが一般的であるが、この方法は、コ
ストが高く、しかも加工性が悪いため用途面で制約を受
ける。
【0006】以上に述べたように、従来知られていた放
熱用基板材料の中、板クラッド材は量産が可能で、安価
に大面積の基板を得る事が出来るが、熱伝導率、熱膨張
率の異方性が大きいという問題があり、粉末焼結材は熱
伝導率及び熱膨張率には異方性がなく、特性的に好適な
ものが得易いが、難加工性で製造コストが高くなるた
め、両者共必ずしも満足できる放熱基板材料とは言えな
かった。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】そこで本発明は、良好
な塑性加工性、機械加工性および熱伝導率を備え、しか
も熱伝導率、熱膨張率の異方性を極力抑えた放熱基板材
料を提供することを課題としている。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明は次のような構成を採用した。すなわち、本
発明にかかる放熱基板材料は、モリブデンまたはタング
ステンの金属細線を編んだ金属網に銅、銅−タングステ
ンまたは銅−モリブデンからなる含浸材を含浸させて一
体化したことを特徴としている。含浸材として用いる銅
の形状は、粉末状、液体状、板状、棒状等いかなる形状
でもよく、材質としては無酸素銅もしくは不純物の少な
い高純度の銅が好ましい。また、含浸材として、銅−タ
ングステン合金(Cu−W)または銅−モリブデン合金
(Cu−Mo)を用いる場合は、銅が溶融した時にタン
グステンまたはモリブデンがブロック状で残留せず、分
散するような組成とするのが好ましく、量的には銅(C
u)を40%(重量%、以下同じ)以上含有するもの
が、冷間又は熱間で良好な塑性加工性を示すので好まし
い。特に、銅−タングステン合金の場合は、銅の含有量
が45%以上であるのが好ましい。なお、これらの複合
材料では、銅の含有量の上限は、99%程度まで可能で
ある。
【0009】金属網はMo線又はW線を網に編んで形成
されるもので、このMo網又はW網と上記CuまたはC
uを好ましい量含有するCu−W又はCu−M0の含浸
材とを重ね合わせて非酸化性雰囲気中で銅の融点以上に
加熱し、含浸材を含浸させる。通常、この含浸によって
得られる複合体に研削等の機械加工を施して製品とする
が、含浸後の複合体を圧延して含浸材と金属網との密着
性を向上させるのが好ましい。
【0010】このようにして得られる複合体の熱膨張率
を所定の値に制御するためには、単位面積当りの網重量
とCu,Cu−W,Cu−MoのCu含有量及び板厚と
の関係を、予め実験的に確認された結果に基づいて調節
すればよい。例えば、含浸材であるCuとMo網の組み
合わせでは、Cu1重量部に対しMo網を2〜4重量部
とするのが適当である。また、Cu−W合金またはCu
−Mo合金とMo網の場合は、Cu−W合金またはCu
−Mo合金1重量部に対しMo網を2〜4重量部とする
のが好ましい。このMo網の代わりにW網を用いる場合
も、上記と同様な比率とするのが好ましい。
【0011】Mo網、W網としては、2から10μmの
Niメッキを施した線を用いて編んだものが好ましい。
線の状態でメッキを施さず、編み上がった金属網に2〜
10ミクロンのメッキを施してもよい。この金属網は、
有機洗浄、酸洗い、電解研摩による表面処理も有効であ
るが、Niメッキが最もよい親和性を示す。また、Ni
メッキの代わりにCuメッキを施したものもよい親和性
を示すので、用途に応じて選択すればよい。なお、金属
網は、1枚だけでもよいが、複数枚を重ねあわせて使用
すれば、厚みと性質を調節するのが容易である。
【0012】複合体に圧延加工を施す場合は、圧延後の
厚さを含浸後の初期断面厚さの3/5以下にすることに
より、未接合部分を完全除去出来るので、この程度の圧
延加工を施しておくのが好ましい。図1乃至図3はこの
製法を模式的に表すもので、含浸(溶浸ともいう)用耐
熱ボ−ト1に金属網2を容れ、その上に含浸材3を載せ
て高温で加熱し、含浸材の銅を溶融させる。すると、含
浸材が金属網中に浸透し、金属網2と含浸材3とが一体
化する。図2は含浸後の複合体4を示すもので、これに
必要な圧延加工を施して、図3に示すような放熱基板材
料(製品)5とする。
【0013】本発明の放熱基板材料は、線材を熱膨張率
制御材としているため、粉末焼結法や含浸法により製造
した物よりも熱膨張率制御力が優れる。同一の熱膨張率
を得るにもさらに多くのCuを含有する事が出来、熱伝
導率を更に改善することが出来る。
【0014】また、W線やMo線を網にしてあるため平
面方向の熱膨張係数異方性及び熱伝導率異方性が少な
い。さらにCu−Mo,Cu−W含浸材との組合わせ
は、その含有Mo、W粉末量が多いほど複合体の熱膨張
率及び熱伝導率の異方性が減少する。
【0015】さらに、圧延、打抜きの加工性がよいた
め、量産に適しており、従って製品の種類によっては製
造コストの大幅な削減が図れるのである。
【0016】なお、含浸材としてCu−MoやCu−W
を用いる場合は、含浸部にCuとMoまたはWの比重差
による組成の傾斜を生じさせ、段階的に性質を制御する
傾斜機能材料とすることもできるので、熱膨張係数や熱
伝導率の優れた材料を得ることができる。
【0017】
【実施例】
(実施例1)線径0.5mmのMo線に厚さ3〜5μm
のNiメッキを施し、600℃で焼き締めしたMo線で
眼開き15メッシュに編んだMo網2枚を積層して耐熱
ボ−トに容れ、その上に無酸素銅板を載せてH2 雰囲気
中、14.4ks(4時間)で1573Kまで昇温し、
所定の温度になった時点でH2 雰囲気からN2 雰囲気に
切り替えて、1.8ks(30分間)保持して含浸させ
た。得られた複合体を水素炎バーナで約100度に温
め、鍛造機で厚さを整えたのち、この鍛造板をH2 雰囲
気中、973K、0.9ks間加熱して、クロス圧延
し、2.0mm厚さとした。各圧延率は15%とした。
この熱間圧延板をスケールとりのため、硝酸と硫酸の混
酸(1+1)に浸漬、溶解して厚さを1.8mmとし
た。ワ−クロ−ル及び圧延板を333Kから337Kに
温めて、各圧延率10%で延圧して1.00mmとし
た。この圧延板を所定の形状に打ち抜き、上下面をラッ
プ加工して製品(放熱基板材料)とした。得られた打ち
抜き板の熱膨張係数は、板厚方向に対して垂直方向は
6.12×10-6/℃、平行方向は7.80×10-6
℃であり、熱伝導率は230W/m・Kであった。
【0018】(実施例2)平均粉末粒子サイズ2μmの
W粉末と平均粒子サイズ2.5μmのCu粉末を各々3
0重量%、70重量%配合して、エタノール中でボール
ミル混合した。混合粉末を乾燥、圧粉成形して、H2
囲気中、1273Kで3.6ks焼結した。焼結上がり
板厚を5mmとした。焼結体の圧延には、各パス毎に1
123K、0.6ks間加熱した。各パス毎の圧延率は
15%とし、W粉末の一方向展延を避けるため、クロス
圧延した。板厚0.067mmで硝酸と硫酸の混酸(1
+1)でスケール取り酸洗いして板厚を0.05mmと
した。この圧延Cu−W合金板を含浸材として、上記
(実施例1)と同様なNiメッキMo線網とを重ね合わ
せて含浸させた。以後(実施例1)と同様の工程を通っ
て1.00mmの複合体を得、打ち抜き加工、ラップ処
理して製品とした。得られた打ち抜き板の熱膨張係数は
板厚方向に対して垂直方向は6.05×10-6/℃、平
行方向は7.13×10-6/℃であり、熱伝導率は22
5W/m・Kであった。
【0019】(実施例3)上記(実施例1)と同様なニ
ッケルメッキを施したMo網を耐熱ボ−ト内に積層し、
高純度Cu粉末を充填した。これに(実施例1)と同様
な処理を施して打ち抜き板を得た。この打ち抜き板の熱
膨張係数は、板厚方向に対して垂直方向は6.12×1
-6/℃、平行方向は7.80×10-6/℃であり、熱
伝導率は230W/m・Kであった。
【0020】(実施例4)線径0.1mmのW線に上記
(実施例1)と同様なNiメッキを施したものでW線網
をつくり、これを2枚積層して耐熱ボ−ト内にいれ、そ
の上に無酸素銅板を載せた。これに上記(実施例1)と
同様な処理を施して打ち抜き板を得た。この打ち抜き板
の熱膨張係数は、板厚方向に対して垂直方向は5.70
x10-6/℃、平行方向は7.00x10-6/℃であ
り、熱伝導率は245W/m・Kであった。
【0021】
【発明の効果】以上の説明に説明したごとく、本発明に
かかる放熱基板材料は、熱膨張率の制御も容易で、混合
法や溶浸法により製造されたCu−W,Cu−Mo合金
放熱基板材料よりさらに向上した熱伝導率を持ってい
る。しかも圧延性、打ち抜き加工性に優れ、製造コスト
の低減化も可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】含浸状態を表す断面図である。
【図2】含浸後の複合体の断面図である。
【図3】製品の断面図である。
【符号の説明】
1 耐熱ボ−ト 2 金属網 3 含浸材

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 モリブデンまたはタングステンの金属細
    線を編んだ金属網に銅、銅−タングステンまたは銅−モ
    リブデンからなる含浸材を含浸させて一体化したことを
    特徴とする放熱基板用材料。
JP6065701A 1994-03-08 1994-03-08 放熱基板材料 Pending JPH07249717A (ja)

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