JPH09153666A - チップ搭載用基板及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱膨張率が小さく，熱伝導率が大きく，かつ
安価なマルチチップ用基板を提供する。 【解決手段】 搭載するチップよりも熱膨張率が同等又
は小さな非金属無機材料からなる粒子１ａ，１ｂ又は繊
維を，金属マトリックス８中に含有する金属基複合材料
板７から構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は，熱伝導性に優れか
つ熱膨張率が小さなチップ搭載用基板及びその製造方法
に関する。

【０００２】発熱するチップ，例えば半導体チップを固
着して搭載する基板，例えばマルチチップモジュール用
基板では，あるいはかかるチップを固着した副基板を搭
載する基板では，熱膨張の差によりチップが基板から剥
離することを防止するため，基板の熱膨張率とチップの
熱膨張率とを一致させる必要がある。また，チップの放
熱のために，基板は高い熱伝導率が要求される。

【０００３】しかし，半導体チップの熱膨張率は小さい
ため，良熱伝導体であって安価で優れた構造材料である
金属を基板材料として利用することができない。このた
め，安価で強度が高く，小さな熱膨張率を有しかつ熱伝
導率が大きなチップ搭載用基板が希求されている。

【０００４】

【従来の技術】従来，シリコンチップを搭載するチップ
搭載用基板材料には，ＡｌＮ（窒化アルミニウム）が用
いられていた。ＡｌＮは，線膨張率が4ppm/K，熱伝導率
が１７０W/mK，曲げ強度が２００〜３００MPa であり，
熱膨張率，熱伝導率及び強度について基板材料として十
分な特性を有する。しかし，ＡｌＮ基板は高価である。
また，ＡｌＮ基板は，１７００℃程度の高温の焼結によ
り製造されるセラミックスであるから，平坦な大型基板
を製造することが難しく，基板の大型化に伴い急速に価
格が上昇する。

【０００５】しかし，基板の価格の低下を目的として，
初めに大型基板を製造したのち，その大型基板を分割し
て所定寸法のチップ搭載用基板を製造する方法が広く使
用されるにいたった。このため，ＡｌＮに代わる，安価
なかつ大型基板の製作が容易な基板材料が探索されてい
るが，全ての特性を十分に満たす基板は未だ開発されて
いない。

【０００６】例えば，安価な構造材料として知られるＡ
ｌ及びＣｕは，熱伝導，価格，強度，大型基板の製造の
面では優れているが，熱膨張率が大きい。また，Ｃｕ／
インバー合金／Ｃｕからなるクラッド材又はＭo 若しく
はＷは，５〜６ppm/K 程度の小さな熱膨張率を有し, 熱
伝導，強度の面で優れるものの，密度が８以上もあり重
量が大きいという欠点を有する他，高価である。さらに
安価，軽量であって，熱膨張率が小さくかつ熱伝導に優
れるグラファイト基板も検討されたが，基板材料として
の十分な強度を有しない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述したようにＡｌＮ
を用いた従来のチップ搭載用基板は，高価でありかつ大
型基板の製造が難しいという欠点がある。

【０００８】また，熱伝導率が高いＡｌ及び銅は，熱膨
張率が大きくシリコンチップを搭載するに適さない。さ
らにインバー合金のクラッド材，Ｍｏ及びＷは，重量が
大きくかつ高価であるという欠点を有し，グラファイト
基板も強度が不足する。

【０００９】本発明は，熱伝導率が大きな金属をマトリ
ックスとし，そのマトリックス中に熱膨張率が小さな非
金属無機材料を含有する金属基複合材料をチップ搭載用
基板材料として利用することにより，熱膨張率が小さ
く，熱伝導率が高く，強度があり，かつ大型基板の製造
が容易なチップ搭載用基板を安価に提供することを目的
としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明の第一の構成は，チップ又はチップを固着した
副基板を表面に固着して搭載するチップ搭載用基板にお
いて，金属中に該金属よりも熱膨張率が小さな非金属無
機材料からなる粒子又は繊維を含有する金属基複合材料
からなることを特徴として構成し，及び，第二の構成
は，第一の構成のチップ搭載用基板において，該金属
は，銅若しくはアルミニウム又はこれらの合金であるこ
とを特徴として構成し，及び，第三の構成は，第一又は
第二の構成のチップ搭載用基板において，該粒子は，炭
化珪素，窒化アルミニウム又は窒化硼素からなることを
特徴として構成し，及び，第四の構成は，第一又は第二
の構成のチップ搭載用基板において，該繊維は，ガラス
繊維，炭素繊維又は炭化珪素繊維からなることを特徴と
して構成し，及び，第五の構成は，第一，第二又は第三
の構成のチップ搭載用基板の製造方法において，該繊維
を織布とする工程と，該織布に該金属を含浸させて，該
金属基複合材料板を作製する工程とを有することを特徴
として構成し，及び，第六の構成は，第一乃至第五の構
成の何れかの構成のチップ搭載用基板の製造方法におい
て，該金属基複合材料板の表面に金属層を形成する工程
と，該金属層を平面加工して除去し，該金属基複合材料
板の表面を平坦にする工程とを有することを特徴として
構成する。

【００１１】本発明の第一の構成では，マトリックスと
なる金属よりも熱膨張率が小さな非金属無機材料からな
る粒子を金属中に分散させた金属複合材料をチップ搭載
用基板材料として用いる。或いは，マトリックスとなる
金属よりも熱膨張率が小さな非金属無機材料からなる繊
維を金属中に分散させた金属基複合材料をチップ搭載用
基板材料として用いる。

【００１２】かかる非金属無機材料を金属中に含有する
金属基複合材料の熱膨張率は，金属と非金属無機材料と
の比率により定まり，金属と非金属無機材料との中間値
をとる。本構成では，熱膨張率がマトリックの金属より
も小さい非金属無機材料を金属と複合した金属基複合材
料をチップ搭載用基板材料とするため，熱膨張率の大き
な金属をマトリックスに用いてもチップ搭載用基板の熱
膨張率は小さく，チップの熱膨張率に近いものにするこ
とができる。

【００１３】金属は一般に熱伝導率が大きくかつ強度が
大きい。金属基複合材料は，金属をマトリックスとする
から熱伝導率が大きく，かつ強度も大きい。さらに，弾
性率の高い非金属無機材料を複合することで，曲げ強
度，特に高温における強度を高くすることもできる。ま
た，金属基複合材料は，熱間加工性が優れるから，金属
基複合材料の大型の板状体を成形した後，高温下で矯
正，例えばホットプレスによる平面度の矯正をすること
が容易である。従って，大型基板の製造が容易である。
加えて，非金属無機材料を比重の小さなものとすること
で，母材の金属よりも比重の小さい金属基複合材料とす
ることもできる。

【００１４】さらに，金属基複合材料板は，通常は高温
下の加工，例えば焼結，含浸又は熱間加工を伴う工程を
経て製造されるが，これらの製造工程における最高温度
は高々母材金属の溶融温度程度に過ぎない。従って，Ａ
ｌＮ等のセラミックス又はＭｏ，Ｗ等の高融点金属のよ
うに高温での成形工程を必要としない。このため，大型
の製造装置が製作し易く，大型基板を容易にかつ安価に
製造できる。

【００１５】上述した本構成に用いられる熱膨張率の大
きな金属は，通常の構造材料として多用されており安価
である。また，熱膨張率が小さい非金属無機材料は，容
易にかつ安価に入手することができる。従って，本構成
に係るチップ搭載用基板は，安価な原材料から安価な装
置により大型基板を製造し，これを所要の寸法の基板に
分割することにより製造できるので，安価に製造され
る。勿論，分割せずに所要寸法の基板を直接製造するこ
ともできる。

【００１６】本発明に用いられる金属は，Ｃｕ若しくは
Ａｌ，又はこれらの合金とすることができる。かかる金
属は，熱伝導率が１００W/mKを超えるため，これをマト
リックスとする金属基複合材料は放熱性の良好なチップ
搭載用基板材料となる。

【００１７】また，Ａｌは軽量である他，大気中での耐
腐蝕性が高い。さらに，耐アルカリ性を強化するため
に，10atm ％以下のSiを含むＡｌ合金とすることが好ま
しい。Ｃｕは，大気中の耐腐蝕性を高めるため，１atm
％以下のSiを含むＣｕ合金とすることが好ましい。

【００１８】本発明の第三の構成は，炭化珪素，窒化ア
ルミニウム又は窒化硼素からなる粒子を非金属無機材料
として用いる。これらの粒子は，熱膨張率が小さくかつ
熱伝導率が大きい。さらに，比重が小さく，常温から高
温に至るまで強度が高く，さらに安価である。従って，
本構成にかかるチップ搭載用基板は，安価に製造され，
小さな熱膨張率，大きな熱伝導率，軽量，大きな強度を
有し，基板として優れた特性を具備する。なお，これら
の粒子は，金属基複合材料の熱膨張率をシリコンチップ
搭載に適切な大きさにするために，Ａｌ若しくはＡｌ合
金中に６５体積％以上又はＣｕ若しくはＣｕ合金中に５
０体積％以上含有することが好ましく，さらにより熱膨
張率を整合するために７５体積％とすることが望まし
い。

【００１９】本発明の第四の構成では，ガラス繊維，炭
素繊維又は炭化珪素繊維を非金属無機材料として用い
る。これらの繊維は，長繊維又はウイスカーとして安価
に入手でき，かつ金属基複合材料に用いて金属基の強化
に役立つ。

【００２０】さらに，長繊維のガラス繊維及び炭素繊維
を，織布に織り板状の成形体とした後，この織布に金属
を含浸することで金属基複合材料板を製造することがで
きる。本製造方法では，繊維を織り成形体を形成するか
ら，粉体の形成，焼結と比較して，大型板状の成形体の
製造が容易である。

【００２１】本発明の第六の構成では，金属基複合材料
板の表面に，金属基複合材料板の製造と同時に又はその
後の工程により，金属層を形成する。その後，金属層を
平面加工して除去し，金属基複合材料板の表面を平坦に
する。

【００２２】本発明に係る金属基複合材料は，一般に金
属よりも硬度の高い非金属無機材料を含むため，研削性
が悪い。このため，金属基複合材料板の表面を平面加工
して平坦にすることは難しい。しかし，本構成では，金
属基複合材料板の表面に形成された加工性に優れる金属
層を平面加工することで，金属基複合材料板の表面を容
易に平坦にすることができる。

【００２３】

【発明の実施の形態】本発明を実施形態例を参照して説
明する。図１は本発明の第一実施形態例製造工程図であ
り，チップ搭載用基板の製造工程を表している。

【００２４】第一実施形態例では，図１（ａ）を参照し
て，非金属無機材料の粒子として，平均粒径１μｍの粉
砕したＳｉＣ粒子１ｂ及び平均粒径５０μｍの粉砕した
ＳｉＣ粒子１ａを，回転ドラム内２にて混合して用い
た。なお，金属マトリックスとの濡れ性をよくするため
に，ＳｉＣ粒子の表面を金属被膜でコーテングすること
もできる。この金属被膜は，Ａｌマトリックの場合は例
えばＭｇ被膜と，Ｃｕマトリックスの場合は例えばＣｕ
被膜とすることができる。

【００２５】次いで，図１（ｂ）を参照して，バインダ
樹脂，例えばアクリル系樹脂であるＰＭＭＡと，溶剤，
例えばメチルエチルケトンとを混合したＳｉＣ粒子に添
加し，混練した。

【００２６】次いで，図１（ｃ）を参照して，ＳｉＣ粒
子にバインダ樹脂と溶剤とが添加された混練生成物を，
テープ形状に成形し，これを切断して正方形板状のグリ
ーンシートとした。その後，３００℃の温度で大気中で
焼成し，厚さ２mm，３００mm角の板状形成体３を製造し
た。この形成体は，ＳｉＣ粒子の間に多くの隙間を有す
る多孔質の板である。

【００２７】次いで，図１（ｄ）を参照して，形成体３
をグラファイト製鋳型５に入れ，７００℃のＡｌ−Ｓｉ
合金の金属融液を圧入して，形成体３中にＡｌ−Ｓｉ合
金を含浸させた。この鋳型５は，合金鋼製，例えばＡｌ
系の融液にはＣｒ−Ｖ鋼製の，Ｃｕ系の融液には高Ｃｒ
鋼製の鋳型の内面を研磨し，その研磨面に塗布した樹脂
を高温で炭化して形成したアモルファスカーボン膜によ
りコーテングされている。また，鋳型５と形成体３上面
との間に例えば厚さ０．５mmの間隙が設けられる。この
含浸工程により，図１（ｅ）を参照して，表面にＡｌ−
Ｓｉ合金からなる金属層６を有し，金属中にＳｉＣ粒子
が分散する金属基複合材料板７が製造される。

【００２８】次いで，図１（ｆ）を参照して，ホットプ
レスにより６００℃の窒素雰囲気中で金属基複合材料板
７の反り及びうねりを矯正し，平坦な板とする。次い
で，図１（ｇ）を参照して，金属基複合材料板７の表面
に形成された金属層６を平面加工により，たとえば研磨
により平坦に除去し，平坦な表面を有する金属基複合材
料板７を製造する。

【００２９】次いで，金属基複合材料板７を所要の寸法
に分割することで，チップ搭載用基板が製造される。こ
のチップ搭載用基板は，表面に回路配線が形成されて半
導体チップを搭載する基板，例えばマルチチップモジュ
ール用基板に使用される。なお，回路配線は，チップ搭
載用基板表面に厚さ１０μｍのポリイミドを塗布し，５
００℃で熱処理して絶縁層を形成し，その上にＣｒを介
在させさて銅複合体からなる回路を形成した。ここで，
ポリイミドは絶縁層及び回路配線形成工程中にチップ搭
載用基板が酸又はアルカリ溶液に暴露されることを防止
するために設けられ，またＣｒは銅複合体とポリイミド
前駆体樹脂との反応を防止するために設けられる。

【００３０】上述した本発明の第一実施形態例にかかる
チップ搭載用基板は，熱膨張率が５〜６ppm/k ，熱伝導
率が２００W/mkであった。これは，ＡｌＮの熱膨張率が
４．５ppm/k ，熱伝導率が１７０W/mkであることと比較
して，同等かこれを超える特性である。なお，Ａｌ−Ｓ
ｉ合金ではポリイミドのキュアの際に変形を生ずる場合
があるが，本実施形態例に係るチップ搭載用基板は，ポ
リイミドのキュア温度を超える５００℃の熱処理を経て
も変形を生じなかった。

【００３１】さらに，第一実施形態例におけるＡｌ−Ｓ
ｉ合金に代えてＣｕ−Ｓｉ合金を用いたチップ搭載用基
板は，熱伝導率が２３０W/mkと向上した。上述した本発
明の第一実施形態例において，図１（ａ）〜（ｃ）を参
照して，混練及び焼結により形成するＳｉＣ粒子の形成
体３の製作工程に代えて，平均粒径１μｍ及び５０μｍ
のＳｉＣ粒子１ｂ，１ａの圧粉成形により形成体３を製
作してもよい。

【００３２】また，図１（ｄ）及び（ｅ）を参照して，
含浸工程において金属層６を有しない金属基複合材料板
７を形成し，その後に金属基複合材料板７の表面に金
属，例えばＮｉを例えばスパッタ又はメッキにより堆積
して金属層６を形成してもよい。さらには，金属層６を
形成することなく，直接金属基複合材料板７表面を研削
又は研磨して平坦にすることもできる。

【００３３】さらに，図１（ｄ）を参照して，金属融液
を形成体３に含浸する工程において，形成体３の平面形
状を鋳型５内面よりも小さく形成することで，金属基複
合材料板７の一部を非金属無機材料の粒子１ａ，１ｂを
含まない板状部分とすることができる。かかる板状部分
は金属のみからなり加工が容易であるから研削，穿孔を
必要とする端子形成領域として用いるに便宜である。

【００３４】さらにまた，ＳｉＣ粒子を金属粒子，例え
ばＡｌ粒子と共に，ホットプレスを用いて焼結すること
で直接金属基複合材料板を形成することもできる。本発
明の第二実施形態例は，非金属無機材料として石英ガラ
ス繊維又は炭素繊維を用いる。先ず濡れ性を向上するた
めに，この繊維を金属薄膜，例えばＣｒ薄膜又はＭｇ薄
膜でコーテングする。次いで，この繊維を厚さ１mmの織
布に織り，この織布を切断して，３００mm角の非金属無
機材料繊維からなるシートを形成する。次いで，このシ
ートを酸洗浄又は水素還元して表面酸化膜を除去する。
次いで，図１（ｄ）を参照して，以下このシートを第一
実施形態例の形成体３に代えて第一実施形態例と同様の
工程により，金属基複合材料板からなるチップ搭載用基
板を製造する。

【００３５】本実施形態例では，粒子の製造，混合，混
練及び焼成の工程に代えて，繊維を織ることで非金属無
機材料をシート状に成形することができるので，製造が
簡単である。

【００３６】本実施例に係るチップ搭載用基板は，Ａｌ
−Ｓｉ合金をマトリックスとする場合，熱膨張率が５〜
６ppm/k ，熱伝導率が２００W/mkであった。また，Ｃｕ
−Ｓｉ合金をマトリックスとする場合，熱膨張率が５〜
６ppm/k ，熱伝導率が２５０W/mkであった。

【００３７】

【発明の効果】上述したように，本発明によれば，安価
でかつ小さな熱膨張率及び大きな熱伝導率を有するチッ
プ搭載用基板を提供できる。さらに，軽量かつ強度の高
いチップ搭載用基板を提供できる。従って，電子機器の
性能向上に寄与するところが大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施形態例製造工程図

【符号の説明】

１ａ，１ｂ 粒子 ２ ドラム ３ 形成体 ４ 金属融液 ５ 鋳型 ６ 金属層 ７ 複合材料板 ８ マトリックス

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 チップ又はチップを固着した副基板を表
   面に固着して搭載するチップ搭載用基板において，金属
   中に該金属よりも熱膨張率が小さな非金属無機材料から
   なる粒子又は繊維を含有する金属基複合材料からなるこ
   とを特徴とするチップ搭載用基板。
2. 【請求項２】 請求項１記載のチップ搭載用基板におい
   て，該金属は，銅若しくはアルミニウム又はこれらの合
   金であることを特徴とするチップ搭載用基板。
3. 【請求項３】 請求項１又は請求項２記載のチップ搭載
   用基板において，該粒子は，炭化珪素，窒化アルミニウ
   ム又は窒化硼素からなることを特徴とするチップ搭載用
   基板。
4. 【請求項４】 請求項１又は請求項２記載のチップ搭載
   用基板において，該繊維は，ガラス繊維，炭素繊維又は
   炭化珪素繊維からなることを特徴とするチップ搭載用基
   板。
5. 【請求項５】 請求項１，請求項２又は請求項４記載の
   チップ搭載用基板の製造方法において，該繊維を織布と
   する工程と，該織布に該金属を含浸させて，該金属基複
   合材料板を作製する工程とを有することを特徴とするチ
   ップ搭載用基板の製造方法。
6. 【請求項６】 請求項１乃至請求項５の何れかの請求項
   に記載されたチップ搭載用基板の製造方法において，該
   金属基複合材料板の表面に金属層を形成する工程と，該
   金属層を平面加工して除去し，該金属基複合材料板の表
   面を平坦にする工程とを有することを特徴とするチップ
   搭載用基板の製造方法。