JPH09312361A - 電子部品用複合材料およびその製造方法 - Google Patents
電子部品用複合材料およびその製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 積層方向の高い熱伝導性を確保と低熱膨張性
も兼ね備える。 【解決手段】 本発明は、銅または銅合金の高熱伝導層
と、Ｆｅ−Ｎｉ系合金の低熱膨張層が交互に積層され、
１０層以上、好ましくは５０層以上の多層構造をなし、
前記低熱膨張層をはさみ込む高熱伝導層は、低熱膨張層
に形成した複数の貫通孔を介して連続するヒートシンク
あるいはヒートスプレッダに使用される電子部品用複合
材料である。この電子部品用複合材料は、銅または銅合
金の薄板と、複数の貫通孔を形成したＦｅ−Ｎｉ系合金
薄板を交互に積層して、１０マイナス３乗Ｔｏｒｒより
も減圧とし、ついで７００〜１０５０℃の温度範囲にお
いて５０ＭＰａ以上に加圧して接合処理し、次いで圧延
により所定の板厚に仕上げる本発明の製造方法によって
得ることができる。
も兼ね備える。 【解決手段】 本発明は、銅または銅合金の高熱伝導層
と、Ｆｅ−Ｎｉ系合金の低熱膨張層が交互に積層され、
１０層以上、好ましくは５０層以上の多層構造をなし、
前記低熱膨張層をはさみ込む高熱伝導層は、低熱膨張層
に形成した複数の貫通孔を介して連続するヒートシンク
あるいはヒートスプレッダに使用される電子部品用複合
材料である。この電子部品用複合材料は、銅または銅合
金の薄板と、複数の貫通孔を形成したＦｅ−Ｎｉ系合金
薄板を交互に積層して、１０マイナス３乗Ｔｏｒｒより
も減圧とし、ついで７００〜１０５０℃の温度範囲にお
いて５０ＭＰａ以上に加圧して接合処理し、次いで圧延
により所定の板厚に仕上げる本発明の製造方法によって
得ることができる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体素子等のヒー
トスプレッダあるいはヒートシンク等の伝熱基板に関
し、特に板厚方向の熱放散性を改良した電子部品用複合
材料およびその製造方法に関するものである。
トスプレッダあるいはヒートシンク等の伝熱基板に関
し、特に板厚方向の熱放散性を改良した電子部品用複合
材料およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】大型コンピュータ、ワークステーショ
ン、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）等のＣＰＵ（中央
演算装置）には主としてＰＧＡ（Ｐｉｎ Ｇｒｉｄ Ａ
ｒｒａｙ）呼ばれるセラミックパッケージが適用されて
おり、シリコンチップから発生する熱は、シリコンチッ
プとＡｌヒートシンクフィンとの間の伝熱基板（ヒート
スプレッダ）を介して放散されている。一方、最近のＬ
ＳＩは高速化、高消費電力化によりシリコンチップから
発生する熱の放散が極めて重要な問題となってきてお
り、特にマイコンあるいはロジックＡＳＩＣ（Ａｐｐｌ
ｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ ＩＣ）用のＬＳＩ
等ではシリコンチップにヒートスプレッダを接触させる
ことにより熱の放散を促進させるような工夫がなされて
いる。
ン、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）等のＣＰＵ（中央
演算装置）には主としてＰＧＡ（Ｐｉｎ Ｇｒｉｄ Ａ
ｒｒａｙ）呼ばれるセラミックパッケージが適用されて
おり、シリコンチップから発生する熱は、シリコンチッ
プとＡｌヒートシンクフィンとの間の伝熱基板（ヒート
スプレッダ）を介して放散されている。一方、最近のＬ
ＳＩは高速化、高消費電力化によりシリコンチップから
発生する熱の放散が極めて重要な問題となってきてお
り、特にマイコンあるいはロジックＡＳＩＣ（Ａｐｐｌ
ｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ ＩＣ）用のＬＳＩ
等ではシリコンチップにヒートスプレッダを接触させる
ことにより熱の放散を促進させるような工夫がなされて
いる。
【０００３】例えば、図４に示すＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇ
ｒｉｄ Ａｒｒａｙ）パッケージの一例は、ヒートスプ
レッダ１１、シリコンチップ８、Ｃｕ配線９、絶縁のた
めのポリイミドフィルム１０、端子としての半田ボール
１２で構成される。この構造においてヒートスプレッダ
１１はシリコンチップ８と接触しており、シリコンチッ
プ８から発生する熱を逃す熱放散性はもちろん、シリコ
ンチップ８との熱膨張係数が整合していることが重要で
ある。こうした新しいタイプのパッケージは今後ますま
す需要が増えてくることが予想される。こうしたヒート
スプレッダはシリコンチップと接するために、その熱膨
張がシリコンチップと整合していることが必要であり、
熱膨張係数として一般に４〜１１×１０マイナス６乗／
℃程度のものが望ましいとされている。
ｒｉｄ Ａｒｒａｙ）パッケージの一例は、ヒートスプ
レッダ１１、シリコンチップ８、Ｃｕ配線９、絶縁のた
めのポリイミドフィルム１０、端子としての半田ボール
１２で構成される。この構造においてヒートスプレッダ
１１はシリコンチップ８と接触しており、シリコンチッ
プ８から発生する熱を逃す熱放散性はもちろん、シリコ
ンチップ８との熱膨張係数が整合していることが重要で
ある。こうした新しいタイプのパッケージは今後ますま
す需要が増えてくることが予想される。こうしたヒート
スプレッダはシリコンチップと接するために、その熱膨
張がシリコンチップと整合していることが必要であり、
熱膨張係数として一般に４〜１１×１０マイナス６乗／
℃程度のものが望ましいとされている。
【０００４】こうした特性を満足するものとして、従来
からヒートスプレッダにＣｕ−ＷあるいはＭｏよりなる
０．５〜１ｍｍ厚さで、３０ｍｍ角程度の板が使用され
てきた。しかしながら、これらの材料は高価であると共
に、比重が大きいためにパッケージの重量が大きくなら
ざるを得ず、最近のＬＳＩの動向であるダウンサイジン
グ化の点でも大きな欠点となってきている。
からヒートスプレッダにＣｕ−ＷあるいはＭｏよりなる
０．５〜１ｍｍ厚さで、３０ｍｍ角程度の板が使用され
てきた。しかしながら、これらの材料は高価であると共
に、比重が大きいためにパッケージの重量が大きくなら
ざるを得ず、最近のＬＳＩの動向であるダウンサイジン
グ化の点でも大きな欠点となってきている。
【０００５】なお、上述したＢＧＡタイプのＬＳＩでは
なく、従来のリードフレームを使用するタイプのＬＳＩ
のパッケージでは、リードフレーム自体を熱放散性の良
い銅および銅合金で構成する方法も採用されているが、
この場合には熱膨張係数がシリコンチップに比べて大き
いために、シリコンチップとリードフレーム界面での内
部応力が問題となり、工程中あるいは使用中の応力発生
のためにシリコンチップにクラックが発生したりする恐
れがある。この点を解決する素材として本発明者等は低
膨張のＦｅ−Ｎｉ系合金薄板の少なくとも一方の面に銅
または銅合金を主体とする粉末の焼結層を形成した電子
部品用複合材料およびその製造方法に関する発明を特願
平７−５９７０８号として出願している。
なく、従来のリードフレームを使用するタイプのＬＳＩ
のパッケージでは、リードフレーム自体を熱放散性の良
い銅および銅合金で構成する方法も採用されているが、
この場合には熱膨張係数がシリコンチップに比べて大き
いために、シリコンチップとリードフレーム界面での内
部応力が問題となり、工程中あるいは使用中の応力発生
のためにシリコンチップにクラックが発生したりする恐
れがある。この点を解決する素材として本発明者等は低
膨張のＦｅ−Ｎｉ系合金薄板の少なくとも一方の面に銅
または銅合金を主体とする粉末の焼結層を形成した電子
部品用複合材料およびその製造方法に関する発明を特願
平７−５９７０８号として出願している。
【０００６】しかし、リードフレームを使用しないＢＧ
Ａ等のパッケージでは、単純に銅とＦｅ−Ｎｉ系合金と
を復層化した構造では、板厚方向、言いかえれば積層方
向への熱伝導が悪いためにヒートスプレッダとしては適
用できず、こうした点からＣｕ−Ｗ，Ｍｏ板に替わる安
価で且つ小型、薄型、軽量化が可能な新しいヒートスプ
レッダが必要となってきている。なお、リードフレーム
を使用しないタイプのパッケージは、前述のＰＧＡおよ
びＢＧＡや，ＣＳＰ（Ｃｈｉｐ Ｓｉｚｅ Ｐａｃｋａ
ｇｅ）が実用化されるようになってきており、今後大き
な需要が期待されるものである。
Ａ等のパッケージでは、単純に銅とＦｅ−Ｎｉ系合金と
を復層化した構造では、板厚方向、言いかえれば積層方
向への熱伝導が悪いためにヒートスプレッダとしては適
用できず、こうした点からＣｕ−Ｗ，Ｍｏ板に替わる安
価で且つ小型、薄型、軽量化が可能な新しいヒートスプ
レッダが必要となってきている。なお、リードフレーム
を使用しないタイプのパッケージは、前述のＰＧＡおよ
びＢＧＡや，ＣＳＰ（Ｃｈｉｐ Ｓｉｚｅ Ｐａｃｋａ
ｇｅ）が実用化されるようになってきており、今後大き
な需要が期待されるものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】Ｃｕ−Ｗ，Ｍｏ板に替
わる低膨張材料として、特公平７−８０２７２号では厚
み方向に貫通孔を有する低熱膨張金属板の両面に銅また
は銅合金板を圧延一体化し、貫通孔より銅または銅合金
を露出させ、さらにその上に銅または銅合金板を圧延し
た５相構造のヒートスプレッダ用複合材料が提案されて
いる。この方法では、貫通孔部に充填された銅もしくは
銅合金により、単純な積層体では得られない積層方向の
高い熱伝導性を確保することができ、ヒートスプレッダ
として有効である。
わる低膨張材料として、特公平７−８０２７２号では厚
み方向に貫通孔を有する低熱膨張金属板の両面に銅また
は銅合金板を圧延一体化し、貫通孔より銅または銅合金
を露出させ、さらにその上に銅または銅合金板を圧延し
た５相構造のヒートスプレッダ用複合材料が提案されて
いる。この方法では、貫通孔部に充填された銅もしくは
銅合金により、単純な積層体では得られない積層方向の
高い熱伝導性を確保することができ、ヒートスプレッダ
として有効である。
【０００８】しかし、本発明者等の検討によれば、特公
平７−８０２７２号に記載された複合材料は、高々５層
構造であって、各層の熱膨張特性の違いにより、端面の
加熱により、反りを生じやすいという問題がある。ま
た、特公平７−８０２７２号に記載された製造方法は、
冷間圧延によるものであり、積層後に拡散焼鈍を適用し
ても層間に形成される拡散層が薄く、一部未圧着部が発
生する場合があり、半導体との接合部品としては、信頼
性という点で必ずしも優れたものとは言えないものであ
った。本発明の目的は、上述した問題点に鑑み、積層方
向の高い熱伝導性を確保することができるとともに、低
熱膨張性も兼ね備えた信頼性の高いヒートスプレッダと
して利用可能な電子部品用複合材料およびその製造方法
を提供することである。
平７−８０２７２号に記載された複合材料は、高々５層
構造であって、各層の熱膨張特性の違いにより、端面の
加熱により、反りを生じやすいという問題がある。ま
た、特公平７−８０２７２号に記載された製造方法は、
冷間圧延によるものであり、積層後に拡散焼鈍を適用し
ても層間に形成される拡散層が薄く、一部未圧着部が発
生する場合があり、半導体との接合部品としては、信頼
性という点で必ずしも優れたものとは言えないものであ
った。本発明の目的は、上述した問題点に鑑み、積層方
向の高い熱伝導性を確保することができるとともに、低
熱膨張性も兼ね備えた信頼性の高いヒートスプレッダと
して利用可能な電子部品用複合材料およびその製造方法
を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明者は、上述したよ
うに複数の貫通孔を形成したＦｅ−Ｎｉ系合金と銅また
は銅合金を複合することにより、問題となる熱膨張特性
の違いを防止すべく、検討を行なった。そして、１０層
以上の多層構造として、熱膨張特性の違いを実質的にな
くすことを試み、本発明に到達した。
うに複数の貫通孔を形成したＦｅ−Ｎｉ系合金と銅また
は銅合金を複合することにより、問題となる熱膨張特性
の違いを防止すべく、検討を行なった。そして、１０層
以上の多層構造として、熱膨張特性の違いを実質的にな
くすことを試み、本発明に到達した。
【００１０】すなわち、本発明は、銅または銅合金の高
熱伝導層と、Ｆｅ−Ｎｉ系合金の低熱膨張層が交互に積
層され、１０層以上の多層構造をなし、前記低熱膨張層
をはさみ込む高熱伝導層は、低熱膨張層に形成した複数
の貫通孔を介して連続する電子部品用複合材料である。
好ましくは５０層以上の多層構造を形成する。
熱伝導層と、Ｆｅ−Ｎｉ系合金の低熱膨張層が交互に積
層され、１０層以上の多層構造をなし、前記低熱膨張層
をはさみ込む高熱伝導層は、低熱膨張層に形成した複数
の貫通孔を介して連続する電子部品用複合材料である。
好ましくは５０層以上の多層構造を形成する。
【００１１】上述した本発明の電子部品用複合材料は、
銅または銅合金の薄板と、複数の貫通孔を形成したＦｅ
−Ｎｉ系合金薄板を交互に積層して、缶体に充填した
後、１０マイナス３乗Ｔｏｒｒよりも減圧としてから封
止し、ついで７００〜１０５０℃の温度範囲において５
０ＭＰａ以上に加圧して接合処理を行ない、前記貫通孔
内に銅または銅合金を充填するとともに接合し、次いで
圧延により所定の板厚に仕上げる本発明の製造方法によ
って得ることができる。
銅または銅合金の薄板と、複数の貫通孔を形成したＦｅ
−Ｎｉ系合金薄板を交互に積層して、缶体に充填した
後、１０マイナス３乗Ｔｏｒｒよりも減圧としてから封
止し、ついで７００〜１０５０℃の温度範囲において５
０ＭＰａ以上に加圧して接合処理を行ない、前記貫通孔
内に銅または銅合金を充填するとともに接合し、次いで
圧延により所定の板厚に仕上げる本発明の製造方法によ
って得ることができる。
【００１２】この方法により得た本発明の電子部品用複
合材料は、低熱膨張層に形成した貫通孔の途中で高熱伝
導層同士が接合、望ましい接合としては接合部が拡散接
合した構造を有するものである。本発明において、好ま
しくは、低熱膨張層の厚さは、０．１ｍｍ以下であるこ
とを特徴とする請求項１に記載の電子部品用複合材料と
する。また、好ましい複合材料の全体構造は、最外層に
銅または銅合金の連続した高熱伝導層を積層するか、あ
るいは最外層にＦｅ−Ｎｉ系合金の連続した低熱膨張層
を積層するものである。
合材料は、低熱膨張層に形成した貫通孔の途中で高熱伝
導層同士が接合、望ましい接合としては接合部が拡散接
合した構造を有するものである。本発明において、好ま
しくは、低熱膨張層の厚さは、０．１ｍｍ以下であるこ
とを特徴とする請求項１に記載の電子部品用複合材料と
する。また、好ましい複合材料の全体構造は、最外層に
銅または銅合金の連続した高熱伝導層を積層するか、あ
るいは最外層にＦｅ−Ｎｉ系合金の連続した低熱膨張層
を積層するものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】本発明の特徴の一つは、１０層以
上、好ましくは５０層以上の多層構造体を実現したこと
であり、銅または銅合金の高熱伝導層と、Ｆｅ−Ｎｉ系
合金の低熱膨張層の熱膨張率の違いによる反りなどの変
形を抑えることにある。半導体素子と接合される場合、
反り等が発生すると剥離の危険がある。剥離すると、半
導体素子からの放熱を行うことができなくなり、半導体
素子の性能が劣化するばかりでなく、半導体の破損の原
因となる。多層になればなるほど、低熱膨張層と高熱伝
導層の持つ熱膨張特性の差による変形を防止することが
可能となる。また、本発明は貫通孔で高熱伝導層が連続
するものであり、特に望ましいものとして構造的に特徴
なのは、高熱伝導層（例えばＣｕまたはＣｕ合金）が低
熱膨張層に明けられた貫通孔の両サイドにせり出し、貫
通孔の途中で高熱伝導層同士が接していることである。
この状態は、熱が高熱伝導層を介して逃げる程度に接し
ておれば良いのであるが、当然接し方が十分な接合とな
る程よいことは言うまでもない。本発明では、これらの
状態を包括して「接合」と言っている。
上、好ましくは５０層以上の多層構造体を実現したこと
であり、銅または銅合金の高熱伝導層と、Ｆｅ−Ｎｉ系
合金の低熱膨張層の熱膨張率の違いによる反りなどの変
形を抑えることにある。半導体素子と接合される場合、
反り等が発生すると剥離の危険がある。剥離すると、半
導体素子からの放熱を行うことができなくなり、半導体
素子の性能が劣化するばかりでなく、半導体の破損の原
因となる。多層になればなるほど、低熱膨張層と高熱伝
導層の持つ熱膨張特性の差による変形を防止することが
可能となる。また、本発明は貫通孔で高熱伝導層が連続
するものであり、特に望ましいものとして構造的に特徴
なのは、高熱伝導層（例えばＣｕまたはＣｕ合金）が低
熱膨張層に明けられた貫通孔の両サイドにせり出し、貫
通孔の途中で高熱伝導層同士が接していることである。
この状態は、熱が高熱伝導層を介して逃げる程度に接し
ておれば良いのであるが、当然接し方が十分な接合とな
る程よいことは言うまでもない。本発明では、これらの
状態を包括して「接合」と言っている。
【００１４】図５（ａ）に示すように現実には、低熱膨
張層１に形成した貫通孔２が別の低熱膨張層１と完全に
連通させるのは、製造上難しく、各層の貫通孔の位置は
少なからず、ずれを生じる。本発明においては、高熱伝
導層同士が接合すれば良く、図５（ａ）に示す構成で十
分である。なお、熱伝導性をより高めるためには、図５
（ｂ）で示すように貫通孔が連通していることが望まし
い。また、高熱伝導層同士の接合部は、拡散接合したり
して明瞭でない方が熱伝導性を高めるという点で好まし
い。
張層１に形成した貫通孔２が別の低熱膨張層１と完全に
連通させるのは、製造上難しく、各層の貫通孔の位置は
少なからず、ずれを生じる。本発明においては、高熱伝
導層同士が接合すれば良く、図５（ａ）に示す構成で十
分である。なお、熱伝導性をより高めるためには、図５
（ｂ）で示すように貫通孔が連通していることが望まし
い。また、高熱伝導層同士の接合部は、拡散接合したり
して明瞭でない方が熱伝導性を高めるという点で好まし
い。
【００１５】本発明者は、上述した１０層以上の多層構
造を現実のものとするために検討を行ない、低熱膨張層
をはさみ込む高熱伝導層を低熱膨張層に形成した複数の
貫通孔を介して連続させるため、積層後、缶体に充填
し、１０マイナス３乗Ｔｏｒｒよりも減圧としてから封
止し、ついで７００〜１０５０℃の温度範囲において５
０ＭＰａ以上に加圧して接合処理を行なうものとした。
このように、真空引きしてから、高圧化で加熱接合する
ことにより、従来５層構造が限界であった圧延圧着法を
適用しなくても、高熱伝導層を貫通孔に連続させた複合
材料を一挙に１０層以上とすることができたものであ
る。この方法により得た本発明の電子部品用複合材料
は、低熱膨張層に形成した貫通孔の途中で高熱伝導層同
士が拡散接合した構造が得られる。
造を現実のものとするために検討を行ない、低熱膨張層
をはさみ込む高熱伝導層を低熱膨張層に形成した複数の
貫通孔を介して連続させるため、積層後、缶体に充填
し、１０マイナス３乗Ｔｏｒｒよりも減圧としてから封
止し、ついで７００〜１０５０℃の温度範囲において５
０ＭＰａ以上に加圧して接合処理を行なうものとした。
このように、真空引きしてから、高圧化で加熱接合する
ことにより、従来５層構造が限界であった圧延圧着法を
適用しなくても、高熱伝導層を貫通孔に連続させた複合
材料を一挙に１０層以上とすることができたものであ
る。この方法により得た本発明の電子部品用複合材料
は、低熱膨張層に形成した貫通孔の途中で高熱伝導層同
士が拡散接合した構造が得られる。
【００１６】本発明においては、好ましくは低熱膨張層
の厚さを、０．１ｍｍ以下と薄くする。このように薄い
低熱膨張層を多層化することにより、熱膨張率の違いに
よる反りなどの変形をより確実に抑えることが可能であ
る。好ましくは、最外層のいずれか一方の面あるいは両
面に銅または銅合金の連続した高熱伝導層を積層する
か、あるいは最外層のいずれか一方の面あるいは両面に
Ｆｅ−Ｎｉ系合金の連続した、すなわち貫通孔を有しな
い低熱膨張層を積層する。最外層に貫通孔を有しない銅
または銅合金の連続した高熱伝導層あるいはＦｅ−Ｎｉ
系合金の連続した低熱膨張層を形成することにより、め
っき処理時に表面の不均一性が解消され、良好なめっき
性が得られるようになる。最外層を高熱伝導層とするか
低熱膨張層とするかは、放熱対象となる素子の要求特性
によって任意に選択できる。たとえば、最外層は、接合
面の低熱膨張特性を特に要求される場合は、低熱膨張層
とし、高熱伝導特性を特に要求される場合には、高熱膨
張層とすることができる。
の厚さを、０．１ｍｍ以下と薄くする。このように薄い
低熱膨張層を多層化することにより、熱膨張率の違いに
よる反りなどの変形をより確実に抑えることが可能であ
る。好ましくは、最外層のいずれか一方の面あるいは両
面に銅または銅合金の連続した高熱伝導層を積層する
か、あるいは最外層のいずれか一方の面あるいは両面に
Ｆｅ−Ｎｉ系合金の連続した、すなわち貫通孔を有しな
い低熱膨張層を積層する。最外層に貫通孔を有しない銅
または銅合金の連続した高熱伝導層あるいはＦｅ−Ｎｉ
系合金の連続した低熱膨張層を形成することにより、め
っき処理時に表面の不均一性が解消され、良好なめっき
性が得られるようになる。最外層を高熱伝導層とするか
低熱膨張層とするかは、放熱対象となる素子の要求特性
によって任意に選択できる。たとえば、最外層は、接合
面の低熱膨張特性を特に要求される場合は、低熱膨張層
とし、高熱伝導特性を特に要求される場合には、高熱膨
張層とすることができる。
【００１７】本発明の銅または銅合金の高熱伝導層と複
数の貫通孔を有するＦｅ−Ｎｉ系合金の低熱膨張層を積
層した本発明の複合材料の基本構成を示すと図１に示す
ようになる。図１は多層構造を有する複合材料５の低熱
膨張層１と高熱伝導層３が接合した部分を示すものであ
る。図１に示すように低熱膨張層１の両側にある高熱伝
導層３は、貫通孔２に充填した銅または銅合金により連
続されている。このようにすることによって、Ｆｅ−Ｎ
ｉ系合金の低熱膨張層を横切る熱移動を確保するもので
ある。また、図２に示すように、本発明では複合材料５
の最外層４として、貫通孔を有しない銅または銅合金の
連続した高熱伝導材料あるいは貫通孔を有しないＦｅ−
Ｎｉ系合金の連続した低熱膨張材料を片面または両面に
配置することが可能である。
数の貫通孔を有するＦｅ−Ｎｉ系合金の低熱膨張層を積
層した本発明の複合材料の基本構成を示すと図１に示す
ようになる。図１は多層構造を有する複合材料５の低熱
膨張層１と高熱伝導層３が接合した部分を示すものであ
る。図１に示すように低熱膨張層１の両側にある高熱伝
導層３は、貫通孔２に充填した銅または銅合金により連
続されている。このようにすることによって、Ｆｅ−Ｎ
ｉ系合金の低熱膨張層を横切る熱移動を確保するもので
ある。また、図２に示すように、本発明では複合材料５
の最外層４として、貫通孔を有しない銅または銅合金の
連続した高熱伝導材料あるいは貫通孔を有しないＦｅ−
Ｎｉ系合金の連続した低熱膨張材料を片面または両面に
配置することが可能である。
【００１８】本発明においては、充分に厚く、剥離が発
生しない拡散層を得るために、７００〜１０５０℃の温
度範囲において５０ＭＰａ以上の圧力を適用する。５０
ＭＰａ以上という高い圧力を適用すると、７００〜１０
５０℃の温度範囲において、従来の冷間圧延による圧着
と焼鈍によって形成されるよりも著しく厚い拡散層を形
成することが可能となる。圧力はできるだけ高いことが
好ましいが、装置性能上、２００ＭＰａ以下が現実的で
あり、好ましくは８０〜１５０ＭＰａの範囲である。本
発明においては、７００℃以下の温度では、拡散が不十
分となり、十分な接合強度が得られない。また、１０５
０℃以上の温度では銅または銅合金の表面酸化が顕著と
なり、十分な接合強度が得られず、また銅または銅合金
が溶解する場合があり好ましくない。そのため、本発明
においては、７００〜１０５０℃の温度範囲に規定し
た。
生しない拡散層を得るために、７００〜１０５０℃の温
度範囲において５０ＭＰａ以上の圧力を適用する。５０
ＭＰａ以上という高い圧力を適用すると、７００〜１０
５０℃の温度範囲において、従来の冷間圧延による圧着
と焼鈍によって形成されるよりも著しく厚い拡散層を形
成することが可能となる。圧力はできるだけ高いことが
好ましいが、装置性能上、２００ＭＰａ以下が現実的で
あり、好ましくは８０〜１５０ＭＰａの範囲である。本
発明においては、７００℃以下の温度では、拡散が不十
分となり、十分な接合強度が得られない。また、１０５
０℃以上の温度では銅または銅合金の表面酸化が顕著と
なり、十分な接合強度が得られず、また銅または銅合金
が溶解する場合があり好ましくない。そのため、本発明
においては、７００〜１０５０℃の温度範囲に規定し
た。
【００１９】また、本発明において、上述した接合処理
に先だって、缶体に充填した後、１０マイナス３乗Ｔｏ
ｒｒよりも減圧としてから封止する工程を付与してい
る。これは、本発明はＦｅ−Ｎｉ系合金素材に形成した
貫通孔に気体が残留すると、貫通孔に銅または銅合金が
充分に充填できなくなるため、または貫通孔の両サイド
から充填した銅または銅合金が放熱に十分な程接合する
ことができなくなるため、脱気処理を実施するものであ
る。また、本発明においては、上述した接合処理の後、
熱間圧延あるいは冷間圧延により所定の板厚に仕上げる
ものである。
に先だって、缶体に充填した後、１０マイナス３乗Ｔｏ
ｒｒよりも減圧としてから封止する工程を付与してい
る。これは、本発明はＦｅ−Ｎｉ系合金素材に形成した
貫通孔に気体が残留すると、貫通孔に銅または銅合金が
充分に充填できなくなるため、または貫通孔の両サイド
から充填した銅または銅合金が放熱に十分な程接合する
ことができなくなるため、脱気処理を実施するものであ
る。また、本発明においては、上述した接合処理の後、
熱間圧延あるいは冷間圧延により所定の板厚に仕上げる
ものである。
【００２０】本発明においては、高圧下で接合処理を行
うが、これだけでは、貫通孔に充分に銅または銅合金を
充填することは難しい。そこで、本発明は、接合処理の
後、熱間圧延あるいは冷間圧延を付与するものとした。
この方法により得た本発明の電子部品用複合材料は、低
熱膨張層に形成した貫通孔の途中で高熱伝導層同士が接
合した構造が得られる。すなわち、高圧の適用により低
熱膨張層に形成した貫通孔に高熱伝導層が両側から流動
していき、貫通孔の途中で高熱伝導層同士が接合したも
のとなるのである。なお、冷間圧延を付与すると、電子
部品用の複合材料として使用できる清浄度および平坦度
を容易に得ることができる。
うが、これだけでは、貫通孔に充分に銅または銅合金を
充填することは難しい。そこで、本発明は、接合処理の
後、熱間圧延あるいは冷間圧延を付与するものとした。
この方法により得た本発明の電子部品用複合材料は、低
熱膨張層に形成した貫通孔の途中で高熱伝導層同士が接
合した構造が得られる。すなわち、高圧の適用により低
熱膨張層に形成した貫通孔に高熱伝導層が両側から流動
していき、貫通孔の途中で高熱伝導層同士が接合したも
のとなるのである。なお、冷間圧延を付与すると、電子
部品用の複合材料として使用できる清浄度および平坦度
を容易に得ることができる。
【００２１】本発明において、Ｆｅ−Ｎｉ系合金の低熱
膨張層は、本発明の複合材料の熱膨張が低いものとする
ことを第一の目的に配置するものである。好ましくは、
複合材料を半導体素子の熱膨張係数に近似するように、
３０℃〜３００℃における熱膨張係数を４〜１１×１０
マイナス６乗／℃の範囲とするように配置することが望
ましい。したがって、Ｆｅ−Ｎｉ系合金とはＮｉの含有
量が重量％で２５〜６０％で、その他の主要元素とし
て、Ｆｅ，Ｃｏの一種または二種からなるものが望まし
い。具体的に使用するＦｅ−Ｎｉ系合金としてはＦｅ−
４２％Ｎｉ合金、Ｆｅ−３６％Ｎｉ合金のいわゆるイン
バー合金、Ｆｅ−３１％Ｎｉ−５％Ｃｏ合金のいわゆる
スーパーインバー合金、Ｆｅ−２９％Ｎｉ−１７％Ｃｏ
合金等のＮｉ３０〜６０％、残部Ｆｅあるいは、Ｎｉの
一部をＣｏで置換したものを基本元素とするものが使用
できる。
膨張層は、本発明の複合材料の熱膨張が低いものとする
ことを第一の目的に配置するものである。好ましくは、
複合材料を半導体素子の熱膨張係数に近似するように、
３０℃〜３００℃における熱膨張係数を４〜１１×１０
マイナス６乗／℃の範囲とするように配置することが望
ましい。したがって、Ｆｅ−Ｎｉ系合金とはＮｉの含有
量が重量％で２５〜６０％で、その他の主要元素とし
て、Ｆｅ，Ｃｏの一種または二種からなるものが望まし
い。具体的に使用するＦｅ−Ｎｉ系合金としてはＦｅ−
４２％Ｎｉ合金、Ｆｅ−３６％Ｎｉ合金のいわゆるイン
バー合金、Ｆｅ−３１％Ｎｉ−５％Ｃｏ合金のいわゆる
スーパーインバー合金、Ｆｅ−２９％Ｎｉ−１７％Ｃｏ
合金等のＮｉ３０〜６０％、残部Ｆｅあるいは、Ｎｉの
一部をＣｏで置換したものを基本元素とするものが使用
できる。
【００２２】また、他の添加元素を含むことも当然可能
であり、Ｃｒであれば１５重量％以下、熱膨張特性、機
械的強度等様々の要求に合わせて４Ａ，５Ａ，６Ａ族の
元素を低熱膨張特性を損なわないオーステナイト組織を
保持できる限り、添加することが可能である。例えば、
酸化膜形成等のために有効であるＣｒは１５重量％以
下、強度を改善する元素として５重量％以下のＮｂ，Ｔ
ｉ，Ｚｒ，Ｗ，Ｍｏ，Ｃｕ、熱間加工性を改善する元素
として５重量％以下のＳｉ，Ｍｎあるいは０．１重量％
以下のＣａ，Ｂ，Ｍｇが使用できる。
であり、Ｃｒであれば１５重量％以下、熱膨張特性、機
械的強度等様々の要求に合わせて４Ａ，５Ａ，６Ａ族の
元素を低熱膨張特性を損なわないオーステナイト組織を
保持できる限り、添加することが可能である。例えば、
酸化膜形成等のために有効であるＣｒは１５重量％以
下、強度を改善する元素として５重量％以下のＮｂ，Ｔ
ｉ，Ｚｒ，Ｗ，Ｍｏ，Ｃｕ、熱間加工性を改善する元素
として５重量％以下のＳｉ，Ｍｎあるいは０．１重量％
以下のＣａ，Ｂ，Ｍｇが使用できる。
【００２３】本発明において、高熱伝導層を銅または銅
合金と規定した。純銅は熱伝導性の点では非常に優れて
おり、熱伝導性を重視するヒートシンクあるいはヒート
スプレッダ用としては有効であるが、場合によって機械
的強度、ハンダ付性、銀ろう付性、耐熱性等用途に応じ
た特性改善のために合金元素を添加することが可能であ
る。例えば、ＳｎやＮｉは銅または銅合金中に固溶して
機械的強度を向上させることができる。また、ＴｉはＮ
ｉと複合で添加すると、銅マトリックス中にＮｉとＴｉ
との化合物として析出し、機械的強度および耐熱性を向
上する。また、Ｚｒはハンダ耐候性を向上する。Ａｌ，
Ｓｉ，Ｍｎ，Ｍｇはレジンとの密着性を改善することが
知られている。なお、本発明の銅または銅合金層は、熱
放散性の付与が目的であるため、熱放散性を低下させる
前記の添加元素は銅合金中で好ましくは１０重量％以下
とする。
合金と規定した。純銅は熱伝導性の点では非常に優れて
おり、熱伝導性を重視するヒートシンクあるいはヒート
スプレッダ用としては有効であるが、場合によって機械
的強度、ハンダ付性、銀ろう付性、耐熱性等用途に応じ
た特性改善のために合金元素を添加することが可能であ
る。例えば、ＳｎやＮｉは銅または銅合金中に固溶して
機械的強度を向上させることができる。また、ＴｉはＮ
ｉと複合で添加すると、銅マトリックス中にＮｉとＴｉ
との化合物として析出し、機械的強度および耐熱性を向
上する。また、Ｚｒはハンダ耐候性を向上する。Ａｌ，
Ｓｉ，Ｍｎ，Ｍｇはレジンとの密着性を改善することが
知られている。なお、本発明の銅または銅合金層は、熱
放散性の付与が目的であるため、熱放散性を低下させる
前記の添加元素は銅合金中で好ましくは１０重量％以下
とする。
【００２４】
【実施例】以下、本発明を実施例により説明する。低熱
膨張層用材料として、Ｆｅ−４２％Ｎｉ合金、Ｆｅ−３
６％Ｎｉ合金、Ｆｅ−３１％Ｎｉ−５％Ｃｏ合金および
Ｆｅ−２９％Ｎｉ−１７％Ｃｏ合金を選び、冷間圧延お
よび焼鈍を繰り返し、厚さ ０．３ｍｍのＦｅ−Ｎｉ系
合金の薄板を得た。このＦｅ−Ｎｉ系合金にフォトエッ
チングにより薄板の全面にφ０．８ｍｍ、１ｍｍピッチ
の貫通孔を形成し、図３（ｂ）に示す低熱膨張層用素材
５した。また、高熱伝導層用材料として純銅（無酸素
銅）、Ｃｕ−２．４％Ｆｅ−０．０７％Ｐ−０．１２％
Ｚｎ合金（Ｃｕ合金Ａ）およびＣｕ−２．０％Ｓｎ−
０．２％Ｎｉ−０．０４％Ｐ−０．１５％Ｚｎ合金（Ｃ
ｕ合金Ｂ）を選び、厚さ０．３ｍｍの薄板を得た。これ
等の薄板をそれぞれ１２０ｍｍ幅にスリットを行ない、
次に定尺切断機により、８００ｍｍ長さに切断し図３
（ａ）に示す高熱伝導層用素材６とした。なお、Ｃｕ合
金の組成は重量％である。
膨張層用材料として、Ｆｅ−４２％Ｎｉ合金、Ｆｅ−３
６％Ｎｉ合金、Ｆｅ−３１％Ｎｉ−５％Ｃｏ合金および
Ｆｅ−２９％Ｎｉ−１７％Ｃｏ合金を選び、冷間圧延お
よび焼鈍を繰り返し、厚さ ０．３ｍｍのＦｅ−Ｎｉ系
合金の薄板を得た。このＦｅ−Ｎｉ系合金にフォトエッ
チングにより薄板の全面にφ０．８ｍｍ、１ｍｍピッチ
の貫通孔を形成し、図３（ｂ）に示す低熱膨張層用素材
５した。また、高熱伝導層用材料として純銅（無酸素
銅）、Ｃｕ−２．４％Ｆｅ−０．０７％Ｐ−０．１２％
Ｚｎ合金（Ｃｕ合金Ａ）およびＣｕ−２．０％Ｓｎ−
０．２％Ｎｉ−０．０４％Ｐ−０．１５％Ｚｎ合金（Ｃ
ｕ合金Ｂ）を選び、厚さ０．３ｍｍの薄板を得た。これ
等の薄板をそれぞれ１２０ｍｍ幅にスリットを行ない、
次に定尺切断機により、８００ｍｍ長さに切断し図３
（ａ）に示す高熱伝導層用素材６とした。なお、Ｃｕ合
金の組成は重量％である。
【００２５】次に、これ等のシートを表１に示す組合せ
により、５ｍｍ厚さのＳ１５Ｃ材のケース内に銅または
銅合金の高熱伝導層でＦｅ−Ｎｉ系合金の低熱膨張層を
挟むように交互に積層し、低熱膨張層を４０層、高熱伝
導層を４１層とした最外層が連続した高熱伝導層となる
積層体を得た。（積層構造Ａという）また、別の例とし
て積層構造Ａのさらに外側に、積層体を構成する低熱膨
張層と同じ素材であって、貫通孔を形成しない厚さ０．
３ｍｍの薄板を配置して最外層が貫通孔のない低熱膨張
層となる積層体を得た。（積層構造Ｂという）
により、５ｍｍ厚さのＳ１５Ｃ材のケース内に銅または
銅合金の高熱伝導層でＦｅ−Ｎｉ系合金の低熱膨張層を
挟むように交互に積層し、低熱膨張層を４０層、高熱伝
導層を４１層とした最外層が連続した高熱伝導層となる
積層体を得た。（積層構造Ａという）また、別の例とし
て積層構造Ａのさらに外側に、積層体を構成する低熱膨
張層と同じ素材であって、貫通孔を形成しない厚さ０．
３ｍｍの薄板を配置して最外層が貫通孔のない低熱膨張
層となる積層体を得た。（積層構造Ｂという）
【００２６】次に、Ｓ１５Ｃ材のケースを１０マイナス
３乗Ｔｏｒｒよりも減圧としてから溶接により密封し
た。この脱気後の積層体を有するＳ１５Ｃケース（以下
キャン材と呼ぶ）を表１に示す温度において１００Ｍｐ
ａの条件で熱間静水圧プレスにより、積層体の接合一体
化を行なった。この熱間静水圧プレス後のキャン材の上
下面のＳ１５Ｃケース材を研削により除去し、熱間圧延
前素材とした。この熱間圧延前素材を７００〜９００℃
の温度範囲において、熱間圧延を行ない、厚さ２．５ｍ
ｍの板とした。この板にさらに酸洗により脱スケール処
理を施した後、冷間圧延を施し、最終の厚さ２ｍｍの板
とした。各層の厚さは約２５μｍであった。
３乗Ｔｏｒｒよりも減圧としてから溶接により密封し
た。この脱気後の積層体を有するＳ１５Ｃケース（以下
キャン材と呼ぶ）を表１に示す温度において１００Ｍｐ
ａの条件で熱間静水圧プレスにより、積層体の接合一体
化を行なった。この熱間静水圧プレス後のキャン材の上
下面のＳ１５Ｃケース材を研削により除去し、熱間圧延
前素材とした。この熱間圧延前素材を７００〜９００℃
の温度範囲において、熱間圧延を行ない、厚さ２．５ｍ
ｍの板とした。この板にさらに酸洗により脱スケール処
理を施した後、冷間圧延を施し、最終の厚さ２ｍｍの板
とした。各層の厚さは約２５μｍであった。
【００２７】次にこの板から熱伝導率測定用サンプルな
らびに熱膨張測定用サンプルを製作し、板厚方向の熱伝
導率ならびに板幅方向の熱膨張係数の測定を行なった。
なお、熱伝導率はレーザーフラッシュ法により測定を行
ない、また熱膨張係数は３０〜３００℃の温度範囲の値
α30-300℃を測定した。
らびに熱膨張測定用サンプルを製作し、板厚方向の熱伝
導率ならびに板幅方向の熱膨張係数の測定を行なった。
なお、熱伝導率はレーザーフラッシュ法により測定を行
ない、また熱膨張係数は３０〜３００℃の温度範囲の値
α30-300℃を測定した。
【００２８】
【表１】
【００２９】表１に示すように本発明の電子部品用複合
材料は、８０層を超える多層構造とすることによって、
１００（Ｗ／ｍ・Ｋ程度以上）の高い熱伝導特性と、７
（×１０マイナス６乗／℃）以下の低熱膨張特性を得る
ことができたものである。
材料は、８０層を超える多層構造とすることによって、
１００（Ｗ／ｍ・Ｋ程度以上）の高い熱伝導特性と、７
（×１０マイナス６乗／℃）以下の低熱膨張特性を得る
ことができたものである。
【００３０】
【発明の効果】本発明によれば、１０層以上の多層構造
を有する電子部品用の複合材料を得ることが可能となっ
た。したがって、従来の５層程度の複合材料に比べて、
緻密な複合構造となり、ヒートスプレッダとして使用す
るときの熱膨張差に起因する反り等の変形を防止するこ
とが可能である。また、本発明の複合材料は、従来の冷
間圧着−拡散焼鈍法に比べ、熱間における高圧を適用し
て接合しているため、密着信頼性が顕著に向上してお
り、部品の信頼性が大きく向上するものである。
を有する電子部品用の複合材料を得ることが可能となっ
た。したがって、従来の５層程度の複合材料に比べて、
緻密な複合構造となり、ヒートスプレッダとして使用す
るときの熱膨張差に起因する反り等の変形を防止するこ
とが可能である。また、本発明の複合材料は、従来の冷
間圧着−拡散焼鈍法に比べ、熱間における高圧を適用し
て接合しているため、密着信頼性が顕著に向上してお
り、部品の信頼性が大きく向上するものである。
【図１】本発明の複合材料の基本構成の一例を示す概念
図である。
図である。
【図２】本発明の複合材料の最外層部の好ましい例を示
す概念図である。
す概念図である。
【図３】本発明の複合材料の素材を説明する図である。
【図４】本発明を適用するＢＧＡパッケージの構成例で
ある。
ある。
【図５】本発明の貫通孔部拡大図である。
１ 低熱膨張層、２ 貫通孔、３ 高熱膨張層、４ 最
外層、５ 低熱膨張層用素材、６ 高熱伝導層用素材
７ 複合材料、８ シリコンチップ、９ Ｃｕ配線、
１０ ポリイミドフィルム、１１ヒートスプレッダ、１
２ 半田ボール
外層、５ 低熱膨張層用素材、６ 高熱伝導層用素材
７ 複合材料、８ シリコンチップ、９ Ｃｕ配線、
１０ ポリイミドフィルム、１１ヒートスプレッダ、１
２ 半田ボール
Claims (8)
- 【請求項１】 銅または銅合金の高熱伝導層と、Ｆｅ−
Ｎｉ系合金の低熱膨張層が交互に積層され、１０層以上
の多層構造をなし、前記低熱膨張層をはさみ込む高熱伝
導層は、低熱膨張層に形成した複数の貫通孔を介して連
続することを特徴とする電子部品用複合材料。 - 【請求項２】 銅または銅合金の高熱伝導層と、Ｆｅ−
Ｎｉ系合金の低熱膨張層が交互に積層され、１０層以上
の多層構造をなし、前記低熱膨張層をはさみ込む高熱伝
導層は、低熱膨張層に形成した複数の貫通孔の途中で高
熱伝導層同士が接合されていることを特徴とする電子部
品用複合材料。 - 【請求項３】 低熱膨張層の厚さは、０．１ｍｍ以下で
あることを特徴とする請求項１に記載の電子部品用複合
材料 - 【請求項４】 最外層として銅または銅合金の連続した
高熱伝導層が形成されていることを特徴とする請求項１
ないし３のいずれかに記載の電子部品用複合材料。 - 【請求項５】 最外層としてＦｅ−Ｎｉ系合金の連続し
た低熱膨張層が形成されていることを特徴とする請求項
１ないし３のいずれかに記載の電子部品用複合材料。 - 【請求項６】 銅または銅合金の薄板と、複数の貫通孔
を形成したＦｅ−Ｎｉ系合金薄板を交互に１０層以上積
層して、缶体に充填した後、１０マイナス３乗Ｔｏｒｒ
よりも減圧としてから封止し、次いで７００〜１０５０
℃の温度範囲において５０ＭＰａ以上に加圧して接合処
理を行ない、前記貫通孔内に銅または銅合金を充填する
とともに接合し、次いで圧延により所定の板厚に仕上げ
ることを特徴とする電子部品用複合材料の製造方法。 - 【請求項７】 最外層に銅または銅合金の連続した高熱
伝導層を積層することを特徴とする請求項６に記載の電
子部品用複合材料の製造方法。 - 【請求項８】 最外層にＦｅ−Ｎｉ系合金の連続した低
熱膨張層を積層することを特徴とする請求項６に記載の
電子部品用複合材料の製造方法。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8126680A JPH09312361A (ja) | 1996-05-22 | 1996-05-22 | 電子部品用複合材料およびその製造方法 |
| US08/852,285 US6045927A (en) | 1996-05-22 | 1997-05-07 | Composite material for electronic part and method of producing same |
| DE19720707A DE19720707A1 (de) | 1996-05-22 | 1997-05-16 | Verbundmaterial für elektronische Teile, Verfahren zum Herstellen desselben sowie Halbleiterbauteil unter Verwendung desselben |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8126680A JPH09312361A (ja) | 1996-05-22 | 1996-05-22 | 電子部品用複合材料およびその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09312361A true JPH09312361A (ja) | 1997-12-02 |
Family
ID=14941205
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8126680A Pending JPH09312361A (ja) | 1996-05-22 | 1996-05-22 | 電子部品用複合材料およびその製造方法 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6045927A (ja) |
| JP (1) | JPH09312361A (ja) |
| DE (1) | DE19720707A1 (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JP2006134984A (ja) * | 2004-11-04 | 2006-05-25 | Neomax Material:Kk | 金属複合材料およびその金属複合材料を含む放熱部材 |
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| KR101535438B1 (ko) * | 2014-05-22 | 2015-07-16 | (주)메탈라이프 | 클래드 소재 및 그의 제조방법, 방열 기판 |
Families Citing this family (18)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| KR100371913B1 (ko) * | 1998-09-10 | 2003-02-12 | 히다찌긴조꾸가부시끼가이사 | 반경질 자성 재료, 이의 제조방법 및 이를 이용한 자기 마커 |
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