JPH08186203A - 半導体装置用ヒートスプレッダーおよびそれを使用した半導体装置ならびに該ヒートスプレッダーの製造法 - Google Patents

半導体装置用ヒートスプレッダーおよびそれを使用した半導体装置ならびに該ヒートスプレッダーの製造法

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JPH08186203A
JPH08186203A JP7025740A JP2574095A JPH08186203A JP H08186203 A JPH08186203 A JP H08186203A JP 7025740 A JP7025740 A JP 7025740A JP 2574095 A JP2574095 A JP 2574095A JP H08186203 A JPH08186203 A JP H08186203A
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進 沖川
Saburo Kitaguchi
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 熱放散性に優れ、Ｓｉチップとの熱膨張差が
小さく、樹脂やセラミックとの間の熱応力の問題も解決
でき、高集積化して発熱量が増大した場合にも対応でき
る半導体装置用ヒートスプレッダー、それを使用した半
導体装置、ヒートスプレッダーの製造法を提供する。 【構成】 Ｆｅ−Ｎｉ系合金とＣｕ系金属が交互に積層
され、チップ搭載面内で一方向の縞状に配置された縞状
金属体からなる。周縁が縞と交差して切出されたもの、
縞の方向を互いに直角にして２枚以上重ね接合されたも
の、少なくともチップ搭載面がＣｕ系金属で被覆された
もの、コーナー部が金属Ｔｉで構成されているものが好
ましい。また、チップ搭載面の中央部がＦｅ−Ｎｉ系、
周辺部がＣｕ系で構成されたもの。ＨＩＰ、圧延あるい
は熱押で製造する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、熱放散性に優れ、かつ
Ｓｉチップとの熱膨張差が小さく、樹脂やセラミックと
の間の問題も解決でき、より高集積化して発熱量が増大
した場合にも対応できる半導体装置用ヒートスプレッダ
ー、およびそれを使用した半導体装置、ならびに該ヒー
トスプレッダーの製造法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】ＩＣの高集積化による発熱量の増大に対
応して、Ｓｉチップをヒートスプレッダーに搭載し、放
熱しやすい構造とした半導体装置が知られている。その
代表例を図１７〜２１に示す。図１７は、チップ１をヒ
ートスプレッダー２に接合材６で接合して搭載し、樹脂
８に埋込んだ構造のプラスチックパッケージを、回路基
板１０に、半田９で接合した状態の断面を示している。
チップ１の熱はＡｇペースト等の接合材６を経てヒート
スプレッダー２に吸収され、インナリード３およびアウ
タリード４を経て回路基板１０に放熱される。なお、ヒ
ートスプレッダー２は、ヒートシンクあるいはヘッダー
と呼ばれる場合もあるが、本明細書では、統一してヒー
トスプレッダーという。
【０００３】図１８は、ヒートスプレッダー２を樹脂８
から露出させた構造のプラスチックパッケージであり、
ヒートスプレッダー２の露出面からも放熱される。図１
９は、さらにヒートスプレッダー２に放熱フィン１２を
設けて放熱効果を高めたものである。以上の構造におい
て、チップ１の回路は、ボンディングワイヤ５、インナ
リード３、アウタリード４を経て外部の回路基板１０に
接続される。
【０００４】図２０は、ＢＧＡ（Ball Grid Array)タイ
プのプラスチックパッケージの例である。樹脂で形成さ
れた配線基板１３とチップ１をボンディングワイヤ５で
接続し、ボールバンプ１４で外部と接続され、ボンディ
ングワイヤ５は樹脂８で封止されている。チップ１の熱
は、ヒートスプレッダー２から放熱フィン１２により放
熱される。図２１は、セラミックパッケージの例であ
る。セラミック基板１５とチップ１をボンディングワイ
ヤ５で接続し、ピン１７で外部と接続され、ボンディン
グワイヤ５はキャップ１６で保護される。チップ１の熱
は、ヒートスプレッダー２から放熱フィン１２により放
熱される。
【０００５】上記のような各種タイプの半導体装置にお
いて、ヒートスプレッダー２としては、熱伝導性の良い
材料が望まれる。しかし、実装工程における半田リフロ
ー処理時や、耐用試験としてのＴサイクル熱履歴テスト
（−５５〜＋１５０℃）での熱歪みの問題から、Ｓｉに
近い低熱膨張率を有する金属や焼結体が、樹脂やセラミ
ックとの間の問題を考慮し、タイプに応じて採用されて
いる。プラスチックパッケージには、樹脂とのなじみが
よい４２％Ｎｉ−Ｆｅ合金（４２合金）が多く採用さ
れ、セラミックパッケージには、熱膨張率がセラミック
とも近い、Ｃｕ−Ｍｏ、Ｃｕ−Ｗ、Ｍｏ等の焼結体が採
用されている。これら材料は、機械加工性、メッキ加工
性が悪いこと、コストおよび重量も高い点で難点があ
る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、熱放散性に
優れ、かつＳｉチップとの熱膨張差が小さく、樹脂やセ
ラミックとの間の問題も解決でき、より高集積化して発
熱量が増大した場合にも安価に対応できる半導体装置用
ヒートスプレッダー、およびそれを使用した半導体装
置、ならびに該ヒートスプレッダーの製造法を提供する
ことを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の第１発明は、Ｆｅ−Ｎｉ系合金とＣｕ系金属が交互
に積層され、チップ搭載面内で一方向の縞状に配置され
た縞状金属体からなることを特徴とする半導体装置用ヒ
ートスプレッダーである。そして、ヒートスプレッダー
の周縁が縞と交差して切出されているのが好ましい。ま
た、縞状金属体が、縞の方向を互いに直角にして２枚以
上重ねられ接合された複層縞状金属体であるのが好まし
い。また、２枚の縞状金属体の厚み比を１／１．５〜１
／３としたものであるのが好ましい。また、２枚以上の
縞状金属体が段状に重ねられているのが好ましい。ま
た、少なくともチップ搭載面がＣｕ系金属で被覆されて
いるのが好ましい。さらに、コーナー部が金属Ｔｉで構
成されているのが好ましい。
【０００８】また、上記目的を達成する本発明の第２発
明は、チップ搭載面の中央部が主としてＦｅ−Ｎｉ系合
金で構成され、周辺部が主としてＣｕ系金属で構成さ
れ、かつ、各構成金属が厚さ方向に連続していることを
特徴とする半導体装置用ヒートスプレッダーである。そ
して、端部が金属Ｔｉで構成されているのが好ましい。
また、上記目的を達成する本発明の第３発明は、上記本
発明の第１発明または第２発明のヒートスプレッダーを
使用した半導体装置である。
【０００９】また、上記目的を達成する本発明の第４発
明は、Ｆｅ−Ｎｉ系合金のシートおよびＣｕ系金属のシ
ートを交互に重ね合せ、熱間静水圧プレスにより接合し
てスラブとし、該スラブを、前記各シートの面がロール
の軸と直交するようにして圧延を行い縞状金属板とし、
該縞状金属板から所定形状の縞状金属体に切出すことを
特徴とする半導体装置用ヒートスプレッダーの製造法で
ある。そして、Ｆｅ−Ｎｉ系合金のシートおよびＣｕ系
金属のシートを交互に重ね合せ、内側がＣｕ材、外側が
鋼材からなるカプセルに封入された状態にして、熱間静
水圧プレスにより接合し、該カプセルの外側の鋼材を除
去してスラブとするのが好ましい。また、熱間静水圧プ
レスにより接合したスラブから、各シートの面と直角に
切出して縞状金属材とし、該縞状金属材の縞の方向をた
がいに直角にして２枚以上重ね合せ、再度、熱間静水圧
プレスにより接合して複層スラブとし、該複層スラブを
構成するいずれかの前記縞状金属材の、前記各シートの
面がロールの軸と直交するようにして圧延を行い複層縞
状金属板とし、該複層縞状金属板から所定形状の複層縞
状金属体に切出すことが好ましい。さらに、圧延後の縞
状金属板を、縞の方向を互いに直角にして２枚以上重ね
合せ、ホットプレスまたはろう付けにより接合して複層
縞状金属板とし、該金属板から所定形状の複層縞状金属
体に切出すことが好ましい。
【００１０】また、上記目的を達成する本発明の第５発
明は、Ｃｕ系金属からなる円筒体に、主としてＦｅ−Ｎ
ｉ系合金からなる柱体を嵌合させて、熱間押出加工し、
長さ方向と直交する面で切出すことを特徴とする半導体
装置用ヒートスプレッダーの製造法である。さらに、上
記目的を達成する本発明の第６発明は、直方体状のＦｅ
−Ｎｉ系合金材の平行端面にＣｕ系金属材を重ね合わ
せ、熱間静水圧プレスにより接合してスラブとし、該ス
ラブを、前記接合面がロールの軸と直交するようにして
圧延を行い、所定形状に切出すことを特徴とする半導体
装置用ヒートスプレッダーの製造法である。
【００１１】
【作用】第１発明のヒートスプレッダーの例を図１〜６
の斜視図に示す。図４以外はヒートスプレッダー２にチ
ップ１を搭載した状態を示している。図１に示すよう
に、ヒートスプレッダー２は、Ｆｅ−Ｎｉ系合金２１と
Ｃｕ系金属２２が交互に積層され、チップ搭載面内で一
方向の縞状に配置された縞状金属体２８からなる。Ｆｅ
−Ｎｉ系合金２１としては、４２％Ｎｉ、あるいはアン
バーと呼ばれる３５〜３７％Ｎｉのような熱膨張率の小
さい合金、Ｃｕ系金属２２としては、ＣｕあるいはＣｕ
の熱伝導率３９３Ｗ／ｍＫ±１０％程度の良好な熱伝導
性を有する、Ｃｕ−Ｐ合金やＣｕ−Ｓｎ合金などのＣｕ
合金を採用することができる。
【００１２】第１発明のヒートスプレッダーは、Ｆｅ−
Ｎｉ系合金２１とＣｕ系金属２２が上記のように接合さ
れた複合体からなるので、チップ接合面から反対面への
熱伝導性が優れ、かつ両金属の割合を調整することによ
り、熱伝導率を所要の値以上にするとともに、熱膨張率
をＳｉの値に近付けることができる。したがって、各種
半導体装置において、チップ１上の回路を高集積化し、
発熱量が増しても、優れた放熱性を発揮できるととも
に、熱膨張差によるチップ１の変形や破壊、剥離といっ
たトラブル発生のおそれが解消される。またＦｅ−Ｎｉ
系合金２１と樹脂のなじみがよいので、プラスチックパ
ッケージにおける樹脂との間の剥離や樹脂のクラック発
生のおそれも解消される。さらに、セラミックの熱膨張
率にも近いので、セラミックパッケージにおいても、ろ
う付けやダイボンディングでの熱歪みの問題が解消され
る。
【００１３】Ｆｅ−Ｎｉ系合金２１とＣｕ系金属２２の
割合を変化させることにより、熱伝導率および熱膨張率
が変化するので、対象とするチップ１の発熱量、半導体
装置の種類、形状、使用条件等に応じた、所要の放熱性
に基づいて、熱伝導率の下限を定め、さらにチップ１の
寸法や使用環境、樹脂やセラミックなどを考慮して熱膨
張率の上限を定め、両者を総合して、Ｆｅ−Ｎｉ系合金
２１とＣｕ系金属２２の割合を決めることができる。
【００１４】第１発明のヒートスプレッダーにおいて、
図１に示す縞の間隔ｄが０．１mm〜２．０mm、Ｆｅ−Ｎ
ｉ系合金２１の幅ａが０．０５mm〜１．０mm、Ｃｕ系金
属２２の幅ｂが０．０５mm〜１．０mmであるのが好まし
い。チップ１の熱をヒートスプレッダー２に一様に伝導
するためには、チップ１とＣｕ系金属２２との接触をで
きるだけ一様にするのが望ましく、また熱歪みが局所的
に大きくならないようにするため、ヒートスプレッダー
内の熱膨張率をできるだけ一様にするのが望ましい。そ
のためには、上記間隔ｄ、幅ａおよびｂはともに狭い方
がよい。
【００１５】しかし、上記下限より狭くするのは製造上
困難であり、上記下限以上とすれば、実用的に十分な性
能を発揮することができる。また、上記上限を超える
と、縞状金属板からヒートスプレッダーを切出す際の位
置取りによって、特性にばらつきが生じ、さらに、半導
体装置の実装工程や使用時の熱履歴において、Ｆｅ−Ｎ
ｉ系合金２１とＣｕ系金属２２の熱膨張差により両者の
界面の熱応力が不均一となり、界面破壊のおそれが生じ
たり、チップ１および樹脂やセラミックとの接合が不均
一になったりする問題がある。したがって、縞の間隔
ｄ、Ｆｅ−Ｎｉ系合金２１の幅ａおよびＣｕ系金属２２
の幅ｂを上記下限以上、上限以下とするのが望ましい。
【００１６】第１発明のヒートスプレッダー２は、Ｆｅ
−Ｎｉ系合金２１とＣｕ系金属２２を交互に張合わせ積
層して製造することもできるが、後述の第４発明法のよ
うにして圧延により縞状金属板を得、該板から切出す方
法が工業的に安定供給する上で好ましい。このようにし
て、縞状金属板からヒートスプレッダーを切出すとき、
特にシャー切断の場合、切断部で過大なバリが生じた
り、Ｆｅ−Ｎｉ系合金２１とＣｕ系金属２２が剥離した
りして、所定形状および寸法のヒートスプレッダーが得
られない場合が生じる。
【００１７】そこで、第１発明の好ましい態様は、図２
のようにヒートスプレッダー２の周縁が縞と交差して切
出されている。周縁が縞と交差するように切出すと、シ
ャー切断を行ってもバリや剥離が生じ難い。図２（ａ）
のように周縁が直線の場合は、縞との交差角αを４５°
±２０°とするのが望ましい。αが２５°未満だと、シ
ャー切断部のバリが過大となり、あるいはＦｅ−Ｎｉ系
合金２１とＣｕ系金属２２が剥離するおそれがある。α
が６５°を超えると、該周縁と直交する隣接の周縁にて
交差角が２５°未満となり、過大なバリや剥離発生のお
それが生じる。図２（ｂ）のような円形の場合は、交差
角αが２５°未満あるいは６５°超となる領域が極めて
狭いので、過大なバリ発生のおそれはなく、また剥離が
生じても形状および寸法への影響が小さい。
【００１８】第１発明の別の好ましい態様は、２枚の縞
状金属体２８を、図３（ａ）のように縞の方向を互いに
直角にして重ね、接合した複層縞状金属体２９を、ヒー
トスプレッダー２としている。このように重ねて接合し
たため、熱伝導および熱膨張の方向性が面内で均一化さ
れ、より信頼性の高いものとなる。図３（ａ）の例は２
枚重ねであるが、３枚以上ではより均一化される。２枚
重ねの場合、チップ１側の厚さｔ1 と他側の厚さｔ
2 を、図３（ｂ）のように異にし、両者の比ｔ1 ／ｔ2
を変えることにより熱膨張率の面内異方性を調整するこ
とができる。例えば図３（ｂ）の例において、チップ１
側の厚さｔ1 の縞状金属体が、温度変化により左右に伸
縮しようとした場合、縞の方向がこれと直交する厚さｔ
2 の縞状金属体が該伸縮を抑える作用をし、その効果は
ｔ1 ／ｔ2 の適正範囲で現れる。
【００１９】この場合、ｔ1 ／ｔ2 を１／１．５〜１／
３の範囲とするのが好ましい。ｔ1／ｔ2 が大きすぎる
と、すなわちｔ1 に対してｔ2 が薄すぎるとその作用が
弱まり、１／１．５より大きい場合は、接合材６で強固
にダイボンディングされたチップ１にクラック発生のお
それが生じる。また、ｔ1 ／ｔ2 が小さすぎると、厚さ
ｔ2 の縞状金属体の伸縮がチップ１に影響し、１／３よ
り小さい場合は、チップ１にクラック発生のおそれが生
じる。なお、３枚以上の縞状金属体を重ねた場合でも、
各金属体の厚さを変えることで、より高精度に熱膨張率
の面内異方性を調整することができる。複層縞状金属体
２９を製造するには、縞状金属体２８を重ねてろう付け
するほか、後述の第４発明法を採用することができる。
【００２０】また、図４のように、２枚の縞状金属体を
段状に重ねて複層縞状金属体２９としたものは、従来か
らある段付きヒートスプレッダーの用途に適用できる。
例えば、図２０および図２１に示すようなキャビティダ
ウン型半導体装置のヒートスプレッダー２として使用さ
れる。また、図１８のように底面を樹脂８から露出させ
たヒートスプレッダー２において、樹脂８との引っ掛か
り作用が向上する。従来の段付きヒートスプレッダー
は、一体物を削って製造されていたが、本発明のもの
は、大きさの異なる２枚の縞状金属体をろう付け等で接
合することにより、容易に製造することができる。な
お、３枚以上の縞状金属体を段状に重ね、２段以上の段
付きヒートスプレッダーとすることもできる。
【００２１】図４のように２枚の縞状金属体を段状に重
ねて複層縞状金属体２９としたものにおいても、厚み比
ｔ1 ／ｔ2 を、前記のように１／１．５〜１／３の範囲
とするのが好ましい。図１８のように、ヒートスプレッ
ダーの底面を樹脂８から露出させたプラスチックパッケ
ージに、このような段状のヒートスプレッダーを適用し
た半導体装置の例を図１０に示す。この例では、下側の
縞状金属体の厚さｔ2が、ヒートスプレッダー２を支持
する樹脂の厚さ（これを有効レジン厚ｔr という）とな
る。通常のヒートスプレッダーの厚さは１．５〜２mmで
あるから、厚み比ｔ1 ／ｔ2 を上記範囲とすれば、有効
レジン厚ｔr を十分に保つことができる。また、図１１
のようなセラミックパッケージの場合、ｔ1 ／ｔ2 が上
記範囲であれば、チップ１の表面がキャップ１６から適
正な距離に保たれるので、ボンディングワイヤ５とキャ
ップ１６の接触が回避されるとともに、チップ１および
セラミック基板１５のボンディング位置の高低差が小さ
いので、ワイヤボンディングの際のトラブルが回避され
る。
【００２２】さらに、第１発明の別の好ましい態様は、
図５のようにチップ搭載面をＣｕ系金属２２で被覆した
ものである。このため、縞の間隔が比較的粗い場合で
も、均一な熱伝導が行える。図５（ａ）はチップ１の搭
載面のみに、図５（ｂ）は両面に、Ｃｕ系金属２２を被
覆したものである。被覆は、Ｃｕの薄板をろう付けする
方法、めっき法などのほか、後述の第４発明法を採用す
ることによって行うことができる。またＣｕ系金属２２
の被覆は、図３あるいは図４のような複層縞状金属体２
９に行ってもよい。
【００２３】さらにまた、第１発明の別の好ましい態様
は、図６のように両サイドに金属Ｔｉ２３を接合したも
のである。Ｔｉと樹脂との密着性が優れているので、特
に図１７〜２０のようなプラスチックパッケージに適し
ている。金属Ｔｉは、少なくともコーナー部に接合され
ていればよいが、図６のように接合したものは、長尺の
板材から切出して製造できる点で有利である。金属Ｔｉ
の接合は、図３および図４のような複層縞状金属体、あ
るいは図５のようなＣｕ系金属被覆体について行っても
よい。
【００２４】つぎに、第２発明のヒートスプレッダーの
例を図７および図８に示す。いずれもチップ搭載面から
見た平面図であり、各構成金属は厚さ方向に連続してい
る。図７（ａ）は、チップと接続する中央部がＦｅ−Ｎ
ｉ系合金２１、周辺部がＣｕ系金属２２、端部が金属Ｔ
ｉ２３で構成されている。図７（ｂ）は、中央部がＦｅ
−Ｎｉ系合金２１、周辺部がＣｕ系金属２２、中間部が
Ｆｅ−Ｎｉ系合金とＣｕ系金属をスパイラル状にした積
層体２４、端部が金属Ｔｉ２３で構成されている。
【００２５】図７（ｃ）は、中央部が被覆線２５の集合
体で構成され、被覆線２５はＦｅ−Ｎｉ系合金線の周囲
にＣｕ系金属を被覆したものである。図７（ｄ）は、同
様の被覆線２５を、中央部のＦｅ−Ｎｉ系合金２１と中
間部の積層体２４の間に配したものである。また、図７
（ｅ）および図７（ｆ）は、図７（ａ）および図７
（ｂ）をそれぞれ四角形にしたものであり、同様に図７
（ｃ）および図７（ｄ）を四角形にしたものでもよい。
なお、積層体２４は、図示したスパイラル状のほか、円
筒あるいは角筒を同心円状に重ねたものであってもよ
い。
【００２６】図８（ａ）は、Ｆｅ−Ｎｉ系合金２１の両
サイドにＣｕ系金属２２を接合し、さらに端部に金属Ｔ
ｉ２３を接合したものである。図８（ｂ）は、Ｆｅ−Ｎ
ｉ系合金２１の両サイドに、成分の異なるＦｅ−Ｎｉ系
合金２６、Ｃｕ系金属２２を交互に２層接合し、さらに
端部に金属Ｔｉ２３を接合したものである。この例で
は、中央部のＦｅ−Ｎｉ系合金２１が４２％Ｎｉ、Ｆｅ
−Ｎｉ系合金２６が３６％Ｎｉである。
【００２７】このような第２発明のヒートスプレッダー
は、ダイボンディングをＰｂ／Ｓｎ、Ａｕ−Ｓｉ、Ａｕ
−Ｓｎ等の共晶体で行った場合、特に効果を発揮するも
のである。これら共晶体は熱歪みにより破壊され易い
が、図７および図８のような、チップと接合する中央部
を熱膨張率の低いＦｅ−Ｎｉ系合金を主とする構成に
し、周辺部を熱伝導率の高いＣｕ系金属を主とする構成
にした第２発明のヒートスプレッダーにより、耐熱歪み
性および熱伝導性ともに優れた半導体装置が得られる。
特に両金属をスパイラル状にした積層体２４を中間に配
したものは、熱伝導率および熱膨張率を、中央部から周
辺部に傾斜して変化させることができるので好ましい。
なお、第２発明において、樹脂とヒートスプレッダーの
接着性を別の手段で行う場合と、ヒートスプレッダーが
樹脂に接触しない、ＢＧＡタイプのプラスチックパッケ
ージおよびセラミックパッケージに使用する場合は、端
部の金属Ｔｉ２３は不要である。
【００２８】以上述べた第１発明および第２発明のヒー
トスプレッダーは、パワートランジスタやパワーモジュ
ールに使用される応力緩衝板としての機能も有している
ので、本発明は、このような応力緩衝板を含むものであ
る。図９は、チップ１とヘッダー４９の間に応力緩衝板
２７を入れ、半田付けされた例を示す。（ａ）および
（ｂ）は一部斜視図を示し、（ｃ）および（ｄ）は、そ
れぞれ（ａ）、（ｂ）に対応する断面図である。この場
合も、同様に熱放散性に優れ、かつ熱歪みによる半田疲
労の問題等が解決される。構造としては、図１〜８のよ
うな各種のものを採用することができる。従来は主にＭ
ｏが使用されており、機械加工性やメッキ性に難点があ
ったが、本発明のヒートスプレッダーを採用することに
より、このような問題が解決される。
【００２９】第３発明は、上記第１発明または第２発明
のヒートスプレッダー２を使用した半導体装置、あるい
は上記第１発明または第２発明のヒートスプレッダー２
を図９のような応力緩衝板２７として使用した半導体装
置である。例としては、図１７〜図２１のような各種タ
イプのものがある。また、図４のような第１発明の段付
きヒートスプレッダーを使用した半導体装置の例を、図
１０および図１１に示す。前述のように、図１０は、底
面を樹脂８から露出させたヒートスプレッダー２を段付
きとしたものであり、有効レジン厚ｔｒにより樹脂８と
の引っ掛かり作用が向上する。図１１は、キャビティダ
ウン型半導体装置の例で、セラミックパッケージのＰＧ
Ａ（Pin Grid Array) に適用したものである。これら半
導体装置は、上記第１発明および第２発明で示したよう
な効果が発揮される。
【００３０】つぎに、第４発明の製造法について図１２
の例により説明する。まず（ａ）のように、Ｆｅ−Ｎｉ
系合金２１およびＣｕ系金属２２のシートを交互に重ね
合せてカプセル４１に入れ、（ｂ）のように蓋をして真
空ポンプ４２でカプセル内を排気し封止する。これを
（ｃ）のように熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）４３により
接合してスラブとする。ＨＩＰの条件としては、Ｃｕ系
金属３の溶融点以下の温度、例えば９００℃で、１２０
０気圧程度の圧力をかけるのがよい。ついで（ｄ）のよ
うに、得られたスラブ３０を、各シートの面がロールの
軸と直交するようにして圧延ロール４４に噛み込ませ、
圧延して縞状金属板３８とする。このとき、スラブ３０
を必要に応じて適宜寸法に切出した後圧延することもで
きる。そして、縞状金属板３８から（ｆ）のように所定
形状の縞状金属体２８に切出してヒートスプレッダーを
製造する。
【００３１】第４発明の好ましい態様を図１３に示す。
（ａ）のように、Ｆｅ−Ｎｉ系合金２１およびＣｕ系金
属２２のシートを交互に重ね合せてカプセル４１に入れ
る。カプセル４１は、外側を鋼材５１、内側をＣｕ材５
２で構成している。この例では、鋼製の角管５０の内側
にＣｕ材５２を張り付け、空洞に上記積層したシートを
充填し、両端に蓋３５を溶接する。蓋３５は、外側が鋼
材５１、内側がＣｕ材５２の二重にしている。３７は溶
接線である。溶接した（ｂ）のようなカプセル４１を熱
間静水圧プレス（ＨＩＰ）にかけ、各シートおよびカプ
セル４１を接合する。ついで、カプセル４１の外側の鋼
材５１を研削あるいは切削等により除去し、（ｃ）のよ
うにＣｕ材５２で覆われたスラブ３０とする。このスラ
ブ３０を圧延して（ｄ）のような縞状金属板３８とす
る。この縞状金属板３８は、Ｆｅ−Ｎｉ系合金２１およ
びＣｕ系金属２２が重ね合せて接合され、厚さ方向およ
び圧延方向の縞を形成し、周囲がＣｕ系金属２２で被覆
されている。これを切断して、図５（ｂ）のよう両面被
覆のヒートスプレッダーを得る。
【００３２】この態様において、上記のほか、Ｆｅ−Ｎ
ｉ系合金２１およびＣｕ系金属２２のシートを交互に重
ね合せ、周囲にＣｕ材５２を巻き付ける等により被覆し
たものを鋼材５１のカプセルに充填してもよい。すなわ
ち、この態様は、積層したシートを、内側がＣｕ材５
２、外側が鋼材５１からなるカプセル４１に封入された
状態にして、ＨＩＰにより接合しすればよい。また、Ｈ
ＩＰの条件は、上記と同様、例えば９００℃、１２００
気圧で行うことができる。ＨＩＰにおいて、カプセル４
１の外側が鋼材５１で覆われているので、内部のＣｕ材
は酸化が防止される。また、外側の鋼材５１を除去した
スラブ３０を圧延するので、Ｃｕ材の圧延ラインにて、
Ｆｅ汚染を生じることなく圧延できる。
【００３３】第４発明の別の好ましい態様を図１４に示
す。ＨＩＰで接合した（ｈ）のようなスラブ３０から、
各シートの面と直交する面で切出した、（ｉ）のような
２枚の縞状金属材３２を、縞の方向をたがいに直角にし
て重ね合せ、再度ＨＩＰにより接合して複層スラブとす
る。スラブ３０は、図１２の方法または図１３の方法で
製造したものを採用できる。ＨＩＰの条件は上記と同様
９００℃、１２００気圧程度でよい。重ね合せる縞状金
属材３２は２枚に限らず、複数枚とすることができる。
そして（ｊ）のように複層スラブ３１を構成するいずれ
かの縞状金属材３２（図では上側）の、各シートの面が
ロール４４の軸と直交するようにして圧延を行い複層縞
状金属板３９とし、該金属板３９から所定形状に切出し
てヒートスプレッダーを製造する。
【００３４】また、第４発明の別の好ましい態様は、図
１２（ｅ）のように、圧延後の縞状金属板３８を、縞の
方向を互いに直角にして２枚重ね合せ、ホットプレスに
より接合して複層縞状金属体２９とし、該金属体２９か
ら（ｇ）のように所定形状に切出す。重合せる縞状金属
板３８は２枚に限らず、複数枚とすることができる。ま
た、図１３（ｄ）の被覆された縞状金属板３８を同様に
重合せ、ホットプレスまたはろう付けにより複層縞状金
属体とすることもできる。ホットプレスの条件として
は、２枚以上の縞状金属板３８が互いに接合し、特にＣ
ｕ系金属２２同士が確実に接合するような条件、例え
ば、温度８００〜９００℃、圧力２０〜５０kgf/cm2 、
時間０．１〜１hrとするのがよい。ろう付けとしては銀
ろうなど各種のろうを採用できる。
【００３５】このような第４発明の方法によれば、図１
２（ａ）の工程、あるいは図１３（ａ）の工程におい
て、Ｆｅ−Ｎｉ系合金２１のシートおよびＣｕ系金属２
２のシートの厚さまたは枚数を適宜選定することによ
り、両者の割合、縞の間隔ｄ、Ｆｅ−Ｎｉ系合金２１の
幅ａおよびＣｕ系金属２２の幅ｂを所望の値に調整した
ヒートスプレッダーを製造でき、全工程にわたり、工業
的規模で精度よく安定して製造することができる。枚数
による調整は、たとえば０．１５mm厚さのＦｅ−Ｎｉ合
金シート１枚と、０．１mm厚さのＣｕシート２枚とを交
互に重ね合せる等により行うことができる。
【００３６】つぎに、第５発明は図７のようなヒートス
プレッダーの製造法である。図１５（ａ）のようにＣｕ
系金属の円筒体３３にＦｅ−Ｎｉ系合金の柱体３４を嵌
合させ、蓋３５を（ｂ）のように溶接し、（ｃ）のよう
にコンテナー４５に挿入し、ダミーブロック４８を介し
てステム４７でプレスして、ダイ４６の形状の円または
四角に、熱間押出加工する。そして（ｄ）のように、長
さ方向と直交する面で、ダイアモンドソーなどにより切
出し、図７のような形状のヒートスプレッダーを製造す
る。図７のスパイラル状の積層体２４を有するものは、
図１６（ｅ）のように、Ｆｅ−Ｎｉ系合金２１の柱体
に、Ｆｅ−Ｎｉ系合金２１およびＣｕ系金属２２のシー
トを重ねて巻き付け、（ｆ）のように、周囲に積層体２
４を有する柱体３４を、Ｃｕ系金属２２の円筒体３３に
嵌合させ、蓋３５を溶接して、同様に熱間押出加工す
る。また、被覆線２５を円筒体３３に挿入して蓋３５を
溶接し、熱間押出加工することにより、図７（ｃ），
（ｄ）のようなヒートスプレッダーを製造することがで
きる。また、柱体３４の外周に、金属Ｔｉの円筒を嵌合
するか、あるいはシートを被覆し溶接したのち熱間押出
加工することにより、外周を金属Ｔｉとしたヒートスプ
レッダーを製造できる。
【００３７】第６発明は、図８のようなヒートスプレッ
ダーの製造法であり、直方体状のＦｅ−Ｎｉ系合金材の
平行端面にＣｕ系金属材を重ね合わせ、必要に応じて両
端に金属Ｔｉを重ね、図１２（ｂ）（ｃ）のように熱間
静水圧プレスにより接合してスラブとし、該スラブを、
図１２（ｄ）のように接合面がロールの軸と直交するよ
うにして圧延を行い、所定形状に切出す。
【００３８】このような第５および第６発明法によれ
ば、図７および図８のようなヒートスプレッダーを製造
するにあたり、熱膨張率および熱伝導率を所要の値に調
整した、所要形状および寸法のものを、全工程にわた
り、工業的規模で精度よく安定して製造することができ
る。
【００３９】
【実施例】
（実施例１） 図１２に示す本発明法により、板厚０．
１５mmの３６％ＮｉからなるＦｅ−Ｎｉ系合金２１およ
び板厚０．２mmの純ＣｕからなるＣｕ系金属２２のシー
トを交互に重ね、カプセル４１に入れて真空排気した
後、ＨＩＰ４３により９００℃１２００気圧２時間の処
理を行って接合し、切断し厚さ１０mm、幅３００mmのス
ラブ１８とし、（ｄ）に示すように、各シートの面がロ
ールの軸と直交するようにして圧延ロール４４に噛み込
ませ、圧延して板厚１．５mmの縞状金属板３８とした。
縞状金属板３８における、縞の間隔ｄ、３６％Ｎｉ系合
金の幅ａおよびＣｕの幅ｂは、圧延前の状態とほぼ等し
いものであった。
【００４０】この縞状金属板３８から切出したヒートス
プレッダーについて、縞と平行方向および縞と直角方向
の、熱膨張率および熱伝導率を測定した。また、Ｆｅ−
Ｎｉ系合金のＮｉ量、Ｃｕ系金属の成分、Ｃｕ系金属の
割合、縞の間隔ｄ、Ｆｅ−Ｎｉ系合金の幅ａ、Ｃｕ系金
属の幅ｂを変化させて、同様の方法で製造したものにつ
いても、熱伝導率および熱膨張率を測定した。そして、
これらのヒートスプレッダーを、図１８のようなプラス
チックパッケージに適用し、−５５℃〜＋１５０℃のＴ
サイクル熱履歴テストにより半田疲労を評価し、また樹
脂の剥離やクラック等の欠陥状況、および熱抵抗（熱放
散性）を評価した。
【００４１】結果を表１に示す。なお、Ｎｏ．８は複層
縞状金属体からなるヒートスプレッダーの例であり、ｔ
1 ＝ｔ2 、ｔ1 ＋ｔ2 を１．５mmとし、図１２（ｅ），
（ｇ）のように接合したものである。Ｎｏ．５は段付き
の複層縞状金属体からなるヒートスプレッダーの例であ
り、ｔ1 ／ｔ2 を１／１．５、ｔ1 ＋ｔ2 を１．５mmと
し、図１２（ｅ），（ｇ）のように接合したものを、図
１０のようなプラスチックパッケージに適用した。
【００４２】
【表１】
【００４３】本発明例は、いずれも、チップ、樹脂、半
田ともに破壊や損傷が見られず、接合部の剥離も認めら
れなかった。また、本発明例において、ｄが０．１mm〜
２．０mm、ａが０．０５mm〜１．０mm、ｂが０．０５mm
〜１．０mmの範囲をはずれたＮｏ．３は、ピッチｄが大
き過ぎ、半田疲労、レジン剥離、熱抵抗で問題があっ
た。しかし、適用するパッケージによっては採用可能な
程度であった。複層縞状金属体としたＮｏ．５およびＮ
ｏ．８は、熱伝導率および熱膨張率の方向性がなく、非
常に安定した結果が得られた。
【００４４】なお、表１において、半田疲労の欄は、Ｔ
サイクルテストによる結果、◎は半田疲労なし、○は半
田疲労良好、△は半田疲労あり、×は半田疲労大を示
す。耐リフロー試験の欄は、コーナー部にＴｉが有る場
合と無い場合について、耐リフロー試験によるヒートス
プレッダーと樹脂の剥離状況を評価し、◎は極めて良
好、○は良好、△はやや不良、×は不良を示す。熱抵抗
の欄は、放熱性を評価し、◎は極めて良好、○は良好、
△はやや不良、×は不良を示す。
【００４５】（実施例２） 図１３に示す本発明法によ
り、Ｃｕ被覆の縞状金属板３８を製造した。（ａ）工程
において、Ｆｅ−Ｎｉ系合金２１としては板厚０．１５
mmの３６％Ｎｉシート、Ｃｕ系金属２２としては、板厚
０．２mmの商用純Ｃｕからなるシートを採用した。鋼製
角管５０は、肉厚１０mm、外径３５０×３５０mm、長さ
１５００mmであり、内側に厚さ１０mmのＣｕ板を張り付
けた空洞に、上記シートを交互に積層したものを充填し
た。両端に図示のような鋼材５１とＣｕ５２の二重蓋３
５を溶接し、得られた（ｂ）のようなカプセル４１の内
部を真空排気した後、ＨＩＰにより９００℃１２００気
圧で２時間の処理を行って接合し、外側の鋼材を研削除
去して（ｃ）のようなスラブ３０とした。このスラブ３
０を、図１２（ｄ）のように、各シートの面がロールの
軸と直交するようにして圧延し、図１３（ｄ）のような
Ｃｕ２２で被覆された各種板厚の縞状金属板３８を製造
した。
【００４６】この縞状金属板３８を２枚、縞の方向を互
いに直交させて重ね、Ａｇろう付けで接合した複層縞状
金属板から、２０×２０mmに切出してヒートスプレッダ
ーとし、全面にＡｇメッキを施し、図３（ｂ）のよう
に、接合材６としてＡｕ−Ｓｉ共晶を採用してＳｉチッ
プ１をダイボンディングした。ｔ1 ＋ｔ2 が１．５mm〜
２mmの範囲でｔ1 ／ｔ2 を変化させたものについて、チ
ップ１のクラック発生状況を観察した。また、樹脂でモ
ールディングして、−５５〜＋１５０℃のＴサイクル熱
履歴テストを行い、チップ１のクラック発生状況を観察
した。結果を表２に示す。表２の数字は、繰り返し数１
０の内のクラック発生個数を示している。ｔ1 ／ｔ2 ＝
１／１．５〜１／３の範囲ではクラック発生がなく、こ
の範囲を外れたものではクラックが認められた。
【００４７】
【表２】
【００４８】
【発明の効果】本発明のヒートスプレッダーは、Ｆｅ−
Ｎｉ系合金とＣｕ系金属の複合体からなり、Ｃｕ系金属
がチップ搭載面から反対面に貫通しているので、チップ
の熱放散性に優れ、しかも、両金属の割合を調整するこ
とにより、熱伝導率を所要の値以上にするとともに、熱
膨張率をＳｉの値に近付けることができる。したがっ
て、各種半導体装置において、チップ上の回路を高集積
化し、発熱量が増しても、優れた放熱性を発揮できると
ともに、熱膨張差によるチップの変形や破壊、剥離とい
ったトラブル発生のおそれが解消される。またＦｅ−Ｎ
ｉ系合金と樹脂のなじみがよいので、プラスチックパッ
ケージにおける樹脂との間の剥離や樹脂のクラック発生
のおそれも解消される。さらに、セラミックの熱膨張率
にも近いので、セラミックパッケージにおいても熱歪み
の問題が解消される。
【００４９】本発明の半導体装置は、上記本発明のヒー
トスプレッダーを使用しているので、熱放散性に優れ、
回路の高集積化が可能で、欠陥発生頻度が低く、信頼性
の高いものである。さらに、本発明法は、熱間静水圧プ
レス、圧延、熱間押出加工といった既存の工程を利用し
て行うので、全工程にわたり、工業的規模で精度よく安
定して品質のヒートスプレッダーを製造することができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明ヒートスプレッダーの例を示す斜視図で
ある。
【図２】本発明ヒートスプレッダーの別の例を示す斜視
図である。
【図３】本発明ヒートスプレッダーの別の例を示す斜視
図である。
【図４】本発明ヒートスプレッダーの別の例を示す斜視
図である。
【図５】本発明ヒートスプレッダーの別の例を示す斜視
図である。
【図６】本発明ヒートスプレッダーの別の例を示す斜視
図である。
【図７】本発明ヒートスプレッダーの別の例を示す斜視
図である。
【図８】本発明ヒートスプレッダーの別の例を示す斜視
図である。
【図９】本発明の対象とする応力緩衝板の例を示す斜視
図および断面図である。
【図１０】本発明半導体装置の例を示す断面図である。
【図１１】本発明半導体装置の別の例を示す断面図であ
る。
【図１２】本発明ヒートスプレッダーの製造法の例を示
す説明図である。
【図１３】本発明ヒートスプレッダーの製造法の別の例
を示す説明図である。
【図１４】本発明ヒートスプレッダーの製造法の別の例
を示す説明図である。
【図１５】本発明ヒートスプレッダーの製造法の別の例
を示す説明図である。
【図１６】本発明ヒートスプレッダーの製造法の別の例
を示す説明図である。
【図１７】従来の半導体装置の例を示す断面図である。
【図１８】従来の半導体装置の別の例を示す断面図であ
る。
【図１９】従来の半導体装置の別の例を示す断面図であ
る。
【図２０】従来の半導体装置の別の例を示す断面図であ
る。
【図２１】従来の半導体装置の別の例を示す断面図であ
る。
【符号の説明】
１…チップ ２…ヒートスプレッダー ３…インナリード ４…アウタリード ５…ボンディングワイヤ ６，７，１１…接合材 ８…樹脂 ９…半田 １０…回路基板 １２…放熱フィン １３…配線基板 １４…ボールバンプ １５…セラミック基板 １６…キャップ １７…ピン ２１，２６…Ｆｅ−Ｎｉ系合金 ２２…Ｃｕ系金属 ２３…金属Ｔｉ ２４…積層体 ２５…被覆線 ２７…応力緩衝板 ２８…縞状金属体 ２９…複層縞状金属体 ３０…スラブ ３１…複層スラブ ３２…縞状金属材 ３３…円筒体 ３４…柱体 ３５…蓋 ３６…ビレット ３７…溶接線 ３８…縞状金属板 ３９…複層縞状金属板 ４１…カプセル ４２…真空ポンプ ４３…熱間静水圧プレス（ＨＩＰ） ４４…圧延ロール ４５…コンテナー ４６…ダイ ４７…ステム ４８…ダミーブロック ４９…ヘッダー（Ｃｕ） ５０…角管 ５１…鋼材 ５２…Ｃｕ材

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 Ｆｅ−Ｎｉ系合金とＣｕ系金属が交互に
    積層され、チップ搭載面内で一方向の縞状に配置された
    縞状金属体からなることを特徴とする半導体装置用ヒー
    トスプレッダー。
  2. 【請求項２】 ヒートスプレッダーの周縁が縞と交差し
    て切出されていることを特徴とする請求項１記載の半導
    体装置用ヒートスプレッダー。
  3. 【請求項３】 縞状金属体が、縞の方向を互いに直角に
    して２枚以上重ねられ接合された複層縞状金属体である
    ことを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置用
    ヒートスプレッダー。
  4. 【請求項４】 ２枚の縞状金属体の厚み比を１／１．５
    〜１／３としたことを特徴とする請求項３記載の半導体
    装置用ヒートスプレッダー。
  5. 【請求項５】 ２枚以上の縞状金属体が段状に重ねられ
    ていることを特徴とする請求項３または４記載の半導体
    装置用ヒートスプレッダー。
  6. 【請求項６】 少なくともチップ搭載面がＣｕ系金属で
    被覆されていることを特徴とする請求項１ないし５記載
    の半導体装置用ヒートスプレッダー。
  7. 【請求項７】 コーナー部が金属Ｔｉで構成されている
    ことを特徴とする請求項１ないし６記載の半導体装置用
    ヒートスプレッダー。
  8. 【請求項８】 チップ搭載面の中央部が主としてＦｅ−
    Ｎｉ系合金で構成され、周辺部が主としてＣｕ系金属で
    構成され、かつ、各構成金属が厚さ方向に連続している
    ことを特徴とする半導体装置用ヒートスプレッダー。
  9. 【請求項９】 端部が金属Ｔｉで構成されていることを
    特徴とする請求項８記載の半導体装置用ヒートスプレッ
    ダー。
  10. 【請求項１０】 請求項１ないし９記載のヒートスプレ
    ッダーを使用した半導体装置。
  11. 【請求項１１】 Ｆｅ−Ｎｉ系合金のシートおよびＣｕ
    系金属のシートを交互に重ね合せ、熱間静水圧プレスに
    より接合してスラブとし、該スラブを、前記各シートの
    面がロールの軸と直交するようにして圧延を行い縞状金
    属板とし、該縞状金属板から所定形状の縞状金属体に切
    出すことを特徴とする半導体装置用ヒートスプレッダー
    の製造法。
  12. 【請求項１２】 Ｆｅ−Ｎｉ系合金のシートおよびＣｕ
    系金属のシートを交互に重ね合せ、内側がＣｕ材、外側
    が鋼材からなるカプセルに封入された状態にして、熱間
    静水圧プレスにより接合し、該カプセルの外側の鋼材を
    除去してスラブとすることを特徴とする請求項１１記載
    の半導体装置用ヒートスプレッダーの製造法。
  13. 【請求項１３】 熱間静水圧プレスにより接合したスラ
    ブから、各シートの面と直角に切出して縞状金属材と
    し、該縞状金属材の縞の方向をたがいに直角にして２枚
    以上重ね合せ、再度、熱間静水圧プレスにより接合して
    複層スラブとし、該複層スラブを構成するいずれかの前
    記縞状金属材の、前記各シートの面がロールの軸と直交
    するようにして圧延を行い複層縞状金属板とし、該複層
    縞状金属板から所定形状の複層縞状金属体に切出すこと
    を特徴とする請求項１１または１２記載の半導体装置用
    ヒートスプレッダーの製造法。
  14. 【請求項１４】 圧延後の縞状金属板を、縞の方向を互
    いに直角にして２枚以上重ね合せ、ホットプレスまたは
    ろう付けにより接合して複層縞状金属板とし、該金属板
    から所定形状の複層縞状金属体に切出すことを特徴とす
    る請求項１１または１２記載の半導体装置用ヒートスプ
    レッダーの製造法。
  15. 【請求項１５】 Ｃｕ系金属からなる円筒体に、主とし
    てＦｅ−Ｎｉ系合金からなる柱体を嵌合させて、熱間押
    出加工し、長さ方向と直交する面で切出すことを特徴と
    する半導体装置用ヒートスプレッダーの製造法。
  16. 【請求項１６】 直方体状のＦｅ−Ｎｉ系合金材の平行
    端面にＣｕ系金属材を重ね合わせ、熱間静水圧プレスに
    より接合してスラブとし、該スラブを、前記接合面がロ
    ールの軸と直交するようにして圧延を行い、所定形状に
    切出すことを特徴とする半導体装置用ヒートスプレッダ
    ーの製造法。
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