JPH10233474A - ヒートスプレッダおよびこれを用いた半導体装置ならびにヒートスプレッダの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱膨張係数の異方性を低減し、優れた熱伝導
特性を有するヒートスプレッダおよびこれを用いた半導
体装置ならびにその製造方法を提供する。 【解決手段】 Ｆｅ−Ｎｉ系合金とＣｕ系金属が積層さ
れた縞状金属板同士に、Ｃｕ系金属にＦｅ−Ｎｉ系合金
線状材を内包配置させた心材を接合されたヒートスプレ
ッダ。縞状金属板の縞と、線状材の長手方向とは交差す
るように配置させる。好ましくは半導体チップの搭載面
にＣｕ系金属板層を配置する。このヒートスプレッダを
半導体チップと接合して半導体装置とする。ヒートスプ
レッダは、縞状金属板同士の間に、Ｆｅ−Ｎｉ系合金線
状材を内包した心材を配置し、縞状金属板の縞の方向を
長手方向として圧延して得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、たとえば半導体装
置を高集積化して発熱量が増大した場合にも対応できる
ヒートスプレッダ、およびこれを用いた半導体装置、な
らびにヒートスプレッダの製造方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】一般に装置あるいは部品に取り付け、熱
を外部に逃がす部材をヒートスプレッダと呼んでいる。
たとえば半導体装置には様々な形式があるが、ＩＣの高
集積化による発熱量の増大に対応して、半導体チップを
ヒートスプレッダに搭載し、放熱しやすい構造とした半
導体装置が知られている。なお、ヒートスプレッダは、
ヒートシンクあるいはヘッダーと呼ばれる場合もある。
ヒートスプレッダとしては、従来放熱性を重視する場合
は純銅が用いられ、半導体チップやパッケージとの熱膨
張差を低減することを重視するためにはＣｕ-Ｗやモリ
ブデン板等が用いられていた。

【０００３】最近、本発明者等は新しいヒートシンクと
して特開平８−１８６２０３号等に、Ｆｅ−Ｎｉ系合金
とＣｕ系金属が交互に積層され、面内で一方向の縞状に
配置された縞状金属板をヒートスプレッダとして用いる
ことを提案し、さらにこの縞状金属板を互いに交差させ
て圧着した構造のヒートスプレッダを提案している。本
発明者等が提案した特開平８−１８６２０３号等に記載
したヒートスプレッダは、低熱膨張特性と高熱伝導性を
確保できるという利点がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述した縞状金属板に
よるヒートスプレッダは、その接合によって半導体チッ
プそのもの、あるい樹脂もしくはセラミックスよりなる
パッケージに対して応力を発生するのを防止できる技術
として注目されるものである。本発明者は、上述したヒ
ートスプレッダに対して、検討を行ったところ、縞状金
属板を互いに交差させて圧延圧着した構造のヒートスプ
レッダは、熱膨張係数の異方性を低減できるという優れ
た効果が期待できるものの、熱伝導能力が十分ではな
く、さらなる改良が必要であることがわかった。そし
て、その原因を追求したところ縞状金属板同士を圧延圧
着する場合、縞状金属板の縞の方向を長手方向として圧
延される縞状金属板は、その縞状形態を保って圧延され
問題ないが、接合する他方の縞状金属板は縞状の方向が
圧延の幅方向となるため、Ｆｅ−Ｎｉ系合金に座屈が起
こっていることを確認した。

【０００５】詳しく言うと、図８に示すように、たとえ
ば縞状金属板を３層として、外側に配置する縞状金属板
の縞状の方向を圧延の長手方向とし、内側の縞状金属板
の縞状の方向を圧延の幅方向とした場合、ロール２２間
で圧延したヒートスプレッダー素材２３の中央に存在す
るＦｅ−Ｎｉ系合金が座屈するのである。すなわち、量
産を目的にした圧延処理を施すと、図９に示すような理
想的な積層状態とはならず、熱伝導特性が劣化するので
ある。本発明の目的は上記問題に鑑み、熱膨張係数の異
方性を低減できるという効果を損ねることなく、優れた
熱伝導特性を有するヒートスプレッダおよびこれを用い
た半導体装置ならびにヒートスプレッダの製造方法を提
供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者は、縞状金属板
は縞の方向が圧延の長手方向に一致しない場合、縞状を
構成するＦｅ−Ｎｉ系合金が座屈することから、これを
防止すべく、座屈が発生しにくい構造を検討した。そし
て、Ｃｕ系金属マトリックスに長手方向をそろえたＦｅ
−Ｎｉ系合金線状材を内包配置させてなる部材を心材と
して用いれば、線状材の長手方向を圧延の幅方向として
も、Ｃｕマトリックスが変形し易いため、線状材自体の
大きな変形をふせぐことができ、熱伝導特性の劣化を防
ぐことができることを見いだし本発明に到達した。

【０００７】すなわち本発明は、Ｆｅ−Ｎｉ系合金とＣ
ｕ系金属が交互に積層され、面内で一方向の縞状に配置
されてなる縞状金属板同士が、Ｃｕ系金属マトリックス
に長手方向を実質的にそろえたＦｅ−Ｎｉ系合金線状材
を内包配置させてなる心材を介在させて接合されてお
り、かつ縞状金属板の縞の方向と、心材に内包した線状
材の長手方向とが交差するように配置したヒートスプレ
ッダである。

【０００８】好ましくは、縞状金属板と心材との間にＣ
ｕ系金属層を介在させる。また、ヒートスプレッダの放
熱対象部品を搭載する面あるいはさらに放熱対象部品に
対向する面の反対側の面にＣｕ系金属層が形成すること
が好ましい。そして、上述したヒートスプレッダに半導
体チップを搭載すれば、本発明のた半導体装置となる。

【０００９】上述した本発明のヒートスプレッダは、た
とえばＦｅ−Ｎｉ系合金とＣｕ系金属が交互に積層さ
れ、面内で一方向の縞状に配置されてなる縞状金属板同
士の間に、Ｃｕ系金属マトリックスに長手方向をそろえ
たＦｅ−Ｎｉ系合金線状材を内包配置させてなる心材
を、縞状金属板の縞の方向と心材に内包した線状材の長
手方向とが交差するように配置したのち、縞状金属板の
縞の方向を長手方向として圧延することより得ることが
できる。

【００１０】

【発明の実施の形態】上述したように、本発明の重要な
特徴はＣｕ系金属マトリックスに長手方向をそろえたＦ
ｅ−Ｎｉ系合金線状材を内包配置させてなる部材を心材
として用いたことにある。Ｃｕ系金属マトリックスにＦ
ｅ−Ｎｉ系合金線状材を内包させることは、線状材の長
手方向に対応する方向の熱膨張を抑えることが可能とな
る。そして、たとえば、図１に示す如くこの材料を心材
として、縞状金属板と組み合わせて配置すれば、ヒート
スプレッダとして必要な熱膨張の異方性を低減できるも
のである。

【００１１】また、図２に圧延の概念図を示すように、
図１に示す構成とすれば、線状材の長手方向を圧延の幅
方向として圧延する場合、線状材自身の変形はあるが、
縞状金属板を心材にした場合の座屈は発生せず、大きな
熱伝導特性の劣化が起こらないという利点がある。すな
わち、従来の縞状金属板では、圧延板厚方向に存在する
変形量の分布が座屈形状となって現れるのであるが、本
発明ではＣｕマトリックス内に線状材が分散しているこ
とになるため、圧延の板厚方向に変形量の分布が存在し
ても線状材を大きく変形することがなく、熱伝導特性を
劣化しないのである。

【００１２】本発明においては、縞状金属板との接合面
には、Ｆｅ−Ｎｉ系合金線状材が露出しないようにする
こと、すなわち縞状金属板と心材との間にＣｕ系金属層
が介在させることが望ましい。これは、縞状金属板に直
接Ｆｅ−Ｎｉ系合金線状材が接触する構造では、接合界
面において熱の拡散が妨げられ熱伝導特性が劣化するた
めである。また、本発明において、ヒートスプレッダの
半導体チップに対向する面に、Ｃｕ系金属層を形成すれ
ば、半導体チップからの熱を幅方向に拡散することが可
能になる。これにより、Ｆｅ−Ｎｉ系合金によって遮断
され熱伝導特性にあまり寄与していなかった縞状金属板
のＣｕ系金属部分にも熱が分配されることになり、熱伝
導特性をさらに向上することができる。

【００１３】また、このように表面にＣｕ系金属層１０
を配置することは放熱対象となる半導体チップおよび接
合されるセラミックス等よりなるパッケージとのろう付
けに起因する熱応力を緩衝する層としても作用するため
有効である。また、上述した表面とは反対側にもＣｕ系
金属層を設けることは、ヒートスプレッダを構成する層
の対象性を確保し、そりの発生を低減する上で有効であ
る。

【００１４】上述した各構成を示す具体例は、図１に示
す通りである。図１において外側に配置するＣｕ系金属
層１０、Ｃｕ系金属４、Ｃｕ系マトリックス８は、実際
には一体化しているが、図１においては、製造過程で用
いる部材を表現するため便宜状分離しているように表現
している。図１における基本構成は、Ｆｅ−Ｎｉ系合金
５とＣｕ系金属４が交互に積層され、面内で一方向の縞
状に配置されてなる縞状金属板１を両側として、Ｃｕ系
金属マトリックス８に長手方向を実質的にそろえたＦｅ
−Ｎｉ系合金線状材７を内包配置させた心材２を内側と
して接合させた構造である。もちろん、本発明において
は縞状金属板１と心材２を多層に配置するものであって
もよい。そして、熱膨張の異方性を緩和するため、縞状
金属板１の縞状の方向と、心材２に内包したＦｅ−Ｎｉ
系線状材７の長手方向とが交差するように配置したもの
てある。

【００１５】本発明においては、上述したヒートスプレ
ッダ３を半導体装置用として使用することができるが、
その形態は問わない。典型的な例としては、半導体チッ
プ４とヒートスプレッダ３とを主要構成要素として、図
４ないし図６に示す構造のものとすることができる。こ
こで、図４はヒートスプレッダ付きＱＦＰ(Quad Flat P
ackage)の構造を示す図であり、半導体チップ６とリー
ドフレーム１１とをボンディングワイヤ１２にて結合し
たものであり、樹脂１３により封止されているものであ
る。図４において、ヒートシンク３は一方を半導体チッ
プ６に接合し、他方を放熱フィン１４に接合する構成と
したものである。

【００１６】図５はＢＧＡ（Ball Grid Array）のパッ
ケージ、図６はＰＧＡ(Pin Grid Array)のパッケージの
構造例を示す図である。これらの半導体装置は、半導体
チップ６と配線基板１５とをボンディングワイヤ１２で
結合するものである。ヒートスプレッダは、一方を半導
体チップ６および配線基板１５と接合しており他方を放
熱フィン１４に接合する構成としたものである。図５に
示すＢＧＡのパッケージでは、樹脂１３で封止するタイ
プであり、ボールパンブ１６を有するものである。一方
図６ではキャップ１７で封止するタイプであり、ピン１
８を有するものである。

【００１７】上述したヒートスプレッダは、たとえば次
のように製造する。まず、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
プレスにより接合する。熱間静水圧プレス後、そのまま
もしくは積層端面から所定の深さに切断してから圧延す
る。圧延は、図７に記すように前記各シートの端面がロ
ール２２の軸と直交するようにして行う。すなわち積層
したシートの層が見える面側をロールとの対向面とする
のである。これにより、縞状金属板１を得る。

【００１８】また、図３に示すように、Ｆｅ−Ｎｉ系合
金線状材７をＣｕ系金属線状材９の間隙に配置するよう
に充填し、熱間静水圧プレスを行い心材用スラブとす
る。熱間静水圧プレスにより得られた心材用スラブを、
Ｆｅ−Ｎ系合金線状材の幅方向に圧延して心材２を得
る。得られた縞状金属板１と心材２とを、図２に示すよ
うに縞状金属板同士を縞状の方向と心材の線状材の長手
方向とが交差するように配置し、縞状金属板の縞の方向
を長手方向として圧延する。これにより、本発明のヒー
トスプレッダ素材２３ができる。また、このような圧延
に際して、縞状金属板を継ぎ足して、ロングコイルにし
てから圧延する方法は、作業効率を高める手法として有
効である。

【００１９】縞状金属板をＣｕ系金属層を介して積層す
る場合の方法としては、心材の表面にＦｅ−Ｎｉ系線状
材が露出しないようにすればよい。また、Ｆｅ−Ｎｉ系
線状材が露出する場合であっても、縞状金属板と心材の
間にＣｕ系金属板と挿入して圧延する方法などが採用で
きる。なお、本発明においては、圧延工程中にＦｅ−Ｎ
ｉ系合金とＣｕ系金属とで構成される縞状金属板の内部
で各層が座屈すると、熱伝導特性を大きく劣化する。そ
のため、熱間圧延を適用する場合は、鉄皮をかぶせた状
態で圧延することが望ましい。

【００２０】なお、本発明に使用するＣｕ系金属として
は、純ＣｕあるいはＣｕの熱伝導率３９３Ｗ／ｍＫ±１
０％程度の良好な熱伝導性を有する、Ｃｕ−Ｐ合金やＣ
ｕ−Ｓｎ合金などのＣｕ合金を採用することが好まし
い。Ｆｅ−Ｎｉ系合金は、セラミックスに匹敵する低熱
膨張の得られるオーステナイト組織を有する組成範囲が
好ましい。具体的な好ましい組成範囲は、Ｎｉ３０〜５
０％、残部Ｆｅである。もちろん低熱膨張特性を損なわ
ない範囲でその他の元素を添加もしくは置換することが
できる。特にＣｏは低熱膨張特性をさらに向上する元素
として有効である。

【００２１】

【実施例】

（実施例１）板厚０．３２mmの３６％ＮｉからなるＦｅ
−Ｎｉ系合金および板厚０．２５mmの純ＣｕからなるＣ
ｕ系金属２２ートを交互に重ね、熱間静水圧用カプセル
に入れて真空排気した後、９００℃１２００気圧２時間
の熱間静水圧プレスを行って接合し、切断し厚さ2０m
m、幅３００mmのスラブとし、これを鉄皮でくるんで、
図７に示すように、縞状の方向に熱間圧延し、さらに鉄
皮を除去して冷間圧延を行い１mm厚さの縞状金属板１を
得た。

【００２２】得られた縞状金属板１を２ｍ長さに切断し
た２９０mm×２０００mm×１mmｔの素材２つを準備し
た。次に、線径０．５mmφ、長さ３００mmの３６％Ｎｉ
からなるＦｅ−Ｎｉ系合金線材および線径０．５mmφ、
長さ３００mmの純ＣｕからなるＣｕ系金属線状材の方向
をそろえて図３に示すように交互に重ね、熱間静水圧用
カプセルに入れて真空排気した後、９００℃１２００気
圧２時間の熱間静水圧プレスを行って接合し、切断し厚
さ２０mm、幅３００mmのスラブとし、これを鉄皮でくる
んで、図２に示すように、縞状の方向に熱間圧延し、さ
らに鉄皮を除去して冷間圧延を行い１mm厚さの心材を得
た。得られた心材を２ｍ長さに切断した２９０mm×２０
００mm×１mmｔの心材を１つを準備した。

【００２３】次に２９０mm×２０００mm×０．２mmの純
Ｃｕ板を準備し、図１に示す５層構造に積層した。これ
を鉄皮でくるんで熱間圧延を行い、さらに鉄皮を除去し
て冷間圧延を行い、ヒートスプレッダ材を得た。得られ
たヒートスプレッダ材を３１．７５ｍｍ角サイズに打ち
抜きヒートスプレッダを得た。（両面Ｃｕ層形成材）

【００２４】また、同様にして得られた縞状金属板と心
材と純Ｃｕ板準備し、半導体チップ搭載面両側にのみＣ
ｕ系金属層を配置した４層構造に積層し、同様にして熱
間圧延と冷間圧延を施し、ヒートスプレッダを得た。
（片面Ｃｕ層形成材） また、同様にして得られた縞状金属板と心材とを準備
し、両側にＣｕ系金属層を配置しない３層構造に積層
し、同様にして熱間圧延と冷間圧延を施し、ヒートスプ
レッダを得た。（表面Ｃｕ層無材）

【００２５】また比較のために本発明の心材に代えて、
素材として準備した縞状金属板を切断し、縞の方向が幅
方向となるようにして接合し、２９０mm×２０００mm×
１mmｔとしたものを用いて、サンプル作製した。作成し
た各サンプルに対してに厚さ方向の熱伝導率、幅方向の
熱膨張率を測定した。その結果を表１に示す。なお、表
１において半導体チップ搭載面側の縞状金属板の縞状の
方向をＬ方向とし、それに直角な方向をＴ方向とした。

【００２６】また、得られた本発明例および比較例のヒ
ートスプレッダ３を図１０に示すＰＧＡ用の２５ｍｍ角
の開口部を有するセラミックス製の配線基板１５に銀ロ
ウ１９でロウ付けを行ない、ヒートスプレッダに発生す
る反り量を測定した。結果を表２に示す。

【００２７】

【表１】

【００２８】

【表２】

【００２９】表１に示すように、本発明のヒートスプレ
ッダは、縞状金属板を心材として用いた比較例 場合に
比べて、熱膨張率の異方性を抑える効果を保ちつつ、優
れた熱伝導率を得ることができることがわかる。また、
銀ロウによる接合処理後の反り量においても、本発明の
ヒートスプレッダ材は、比較例に比べて、ヒートスプレ
ッダの変形を抑えることができる。これより本発明のヒ
ートスプレッダは、半導体チップとの接合に要求される
高い平坦度を満足できるがわかる。また、本発明のう
ち、両側にＣｕ層を配置したサンプルが熱伝導特性、熱
膨張特性、変形特性ともに優れた値ものとなり、表面に
Ｃｕ系金属層を配置することが好ましいことがわかる。

【００３０】

【発明の効果】本発明は、縞状金属板同士を接合した構
造のヒートスプレッダ材に問題であった熱伝導特性を大
きく改良することができたものである。したがって、本
発明は高熱伝導特性と低熱膨張特性を併せ持つ、安価な
ヒートスプレッダ材として利用することができ、半導体
装置等の低コスト化に大きく貢献できるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のヒートスプレッダの構造の一例を示す
図である。

【図２】本発明のヒートスプレッダの圧延工程の一例を
示す図である。

【図３】心材の製造方法の説明図である。

【図４】本発明のヒートスプレッダを用いる半導体装置
の構造の例を示す図である。

【図５】本発明のヒートスプレッダを用いる半導体装置
の構造の別の例を示す図である。

【図６】本発明のヒートスプレッダを用いる半導体装置
の構造の別の例を示す図である。

【図７】本発明に用いる縞状金属板の製造過程の一例を
説明する図である。

【図８】比較例のヒートスプレッダの圧延工程の一例を
示す図である。

【図９】従来のヒートスプレッダの理想構造を示す図で
ある。

【図１０】ヒートスプレッダの反りの概念図である。

【符号の説明】

１ 縞状金属板、２ 心材、３ ヒートスプレッダ、４
Ｃｕ系金属、５ Ｆｅ−Ｎｉ系合金、６ 半導体チッ
プ、７ Ｆｅ−Ｎｉ系合金線状材、８ Ｃｕ系金属マト
リックス、９ Ｃｕ系線状材、１０Ｃｕ系金属層、１１
リードフレーム、１２ ボンディングワイヤ、１３
樹脂、１４ 放熱フィン、１５ 配線基板、１６ ボー
ルバンプ、１７ キャップ、１８ ピン、１９ Ａｇロ
ウ、２２ ロール、２３ ヒートスプレッダー素材

Claims (6)

【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、面内で一方向の縞状に配置されてなる縞状金
   属板同士が、Ｃｕ系金属マトリックスに長手方向を実質
   的にそろえたＦｅ−Ｎｉ系合金線状材を内包配置させて
   なる心材を介在させて接合されており、かつ縞状金属板
   の縞の方向と、心材に内包した線状材の長手方向とが交
   差するように配置したことを特徴とするヒートスプレッ
   ダ
2. 【請求項２】 縞状金属板と心材との間にはＣｕ系金属
   層が介在することを特徴とする請求項１に記載のヒート
   スプレッダ。
3. 【請求項３】 ヒートスプレッダの放熱対象部品を搭載
   する面には、Ｃｕ系金属層が形成されていることを特徴
   とする請求項１または２に記載のヒートスプレッダ。
4. 【請求項４】 ヒートスプレッダの放熱対象部品に対向
   する面の反対側は、Ｃｕ系金属層が形成されていること
   を特徴とする請求項３に記載のヒートシンク。
5. 【請求項５】 請求項１ないし３記載のヒートスプレッ
   ダに半導体チップを搭載した半導体装置。
6. 【請求項６】 Ｆｅ−Ｎｉ系合金とＣｕ系金属が交互に
   積層され、面内で一方向の縞状に配置されてなる縞状金
   属板同士の間に、Ｃｕ系金属マトリックスに長手方向を
   そろえたＦｅ−Ｎｉ系合金線状材を内包配置させてなる
   心材を、縞状金属板の縞の方向と心材に内包した線状材
   の長手方向とが交差するように配置したのち、縞状金属
   板の縞の方向を長手方向として圧延することを特徴とす
   るヒートスプレッダの製造方法。