JPH1041444A - ヒートシンク材及び本ヒートシンク材と半導体との接着方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体用のヒートシンク材において、薄い接
着層でありながら、ボイドなどが入らない確実な接着層
を形成し得るヒートシンク材及びその接着層を形成する
接着方法を提供すること。 【解決手段】 ヒートシンクの材質を多孔質材料からな
るものとする。また、半導体とヒートシンク材とを接着
するに際し、高分子接着剤を上記ヒートシンク材の空孔
に含浸させて、１０μｍ以下の薄い接着層を形成させる
接着方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ヒートシンク材及
び本ヒートシンク材と半導体との接着方法に関するもの
であって、特にコンピュータ等に使用される集積回路
（ＭＰＵ，ＣＰＵ，ＤＲＡＭ等）及びパワートランジス
タ等のパワーデバイスとして使用される半導体素子等の
発熱による温度上昇を防ぐために、それらの面に接着し
て用いられているヒートシンク材及び本ヒートシンク材
と半導体との接着方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、コンピュータの高性能化、特に高
速化が著しい。これらは主に、ＭＰＵと呼ばれる半導体
集積回路の周波数の高周波数化による処理高速の向上に
よるものであるが、これらの高周波数化に伴い、半導体
素子からの発熱が増大し、その放熱が重要な問題となっ
てきている。半導体素子の発熱による温度上昇が問題に
なると、半導体素子をプラスチック等で封止したパッケ
ージの外面にアルミニウム等の放熱フィンを接着した
り、パッケージの外面を冷却ファンで気流を流して冷却
する方法がとれてきた。ただ、この方法では、放熱冷却
は熱伝導率の低いセラミックスあるいはプラスチックス
等のパッケージ封止層を介して行われるので、放熱冷却
の効率が悪く、また放熱フィンあるいは冷却ファン等の
とりつけが必要で、全体の容積、重量が大きくなってし
まうという問題点があった。

【０００３】更に、集積度が大きくなり、あるいは高速
処理、高出力になって、素子の発熱による温度上昇が大
きくなってくると、半導体素子の裏面に、熱伝導率の高
いヒートシンク板（放熱板、放熱窓などと呼ぶ）を接着
し、ヒートシンク板の一面がパッケージの外側に露出す
るように封止して、この面から放熱冷却するような工夫
がなされる。この場合のヒートシンク材付半導体パッケ
ージの断面は例えば図２で示される。図２において、４
はヒートシンク板を、５は半導体（シリコンチップ）
を、６はセラミックス封止体を、７はボンディングワイ
ヤーを、８は（入出力）端子を、それぞれ示す。

【０００４】この場合のヒートシンク板は、厚さ１ｍｍ
前後（０．５〜２ｍｍ）、広さ数ｃｍ角の熱伝導率が十
分大きい薄板であるが、それ自体十分な強度を有し、気
密性があることが必要で、更にそれはシリコン等の半導
体材料と十分熱抵抗の小さい層を介して接着できるこ
と、また接着時あるいは使用時に半導体及びセラミック
ス等の封止材との接着面に温度変化により熱応力が発生
して、剥がれ、素子不良などを生じることが全くないこ
とが重要である。

【０００５】従って、従来から金属、セラミックス、炭
素繊維強化炭素複合材料（Ｃ／Ｃ複合材料）、炭素繊維
強化プラスチック（ＣＦＲＰ）などがヒートシンク材と
して検討されてきた。また、これらの材料と半導体素子
をエポキシなどの樹脂を用いて接合することが行われて
きた。ところが、従来のヒートシンク材と半導体を樹脂
で接合する場合、接着面にボイドなどが入らないよう
に、確実に接合するためには、接着層の厚さを３０〜５
０μｍ程度以上にする必要があった。この結果、熱伝導
率の低い樹脂層（通常１Ｗ／ｍＫ以下）が大きな伝熱抵
抗となり、半導体の発熱をヒートシンク材に伝える阻害
因子となってきた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明は上記
従来技術の実情に鑑みてなされたものであって、薄い接
着層でありながら、ボイドなどが入らない確実な接着層
を形成し得るヒートシンク材及びその接着層を形成する
接着方法を提供することを、その目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、第一
に、半導体用のヒートシンク材において、多孔質材料か
らなることを特徴とするヒートシンク材が提供される。
第二に、半導体とヒートシンク材とを接着するに当た
り、高分子接着剤を上記第一に記載のヒートシンク材の
空孔に含浸させて、１０μｍ以下の薄い接着層を形成さ
せることを特徴とする接着方法が提供される。

【０００８】即ち、本発明のヒートシンク材は、多孔質
材料からなるものとしたことから、ボイドなどが入らな
い確実な接着層を形成するために、樹脂を厚く接合部に
塗布しても、多孔質材料の空孔に余分な接着剤を染み込
ませることによって、薄い接着層を形成させることがで
き、その結果、厚さ方向の熱伝導率を十分高いものとす
ることが可能となって、半導体の発熱をヒートシンク材
によって十分に放熱させることができるものとなる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明のヒートシンク材及
び該ヒートシンク材と半導体との接着方法について、詳
しく説明する。本発明のヒートシンク材は、多孔質材料
からなることを特徴とするし、また本発明のヒートシン
ク材と半導体との接着方法は、高分子接着剤を上記ヒー
トシンク材の空孔に含浸させて、１０μｍ以下の薄い接
着層を形成させることを特徴とする。

【００１０】即ち、本発明のヒートシンク材と半導体
（素子又はパッケージ）とが接合された構造は、図１に
示されるような積層構造となる。図１において、１はヒ
ートシンク材、２は接着層、３は半導体（素子又はパッ
ケージ、即ちシリコンチップ又はセラミックス封止体）
を、それぞれ示す。

【００１１】本発明において、接着剤樹脂をヒートシン
ク材の多孔質の空孔に含浸するためには、接着剤樹脂が
熱硬化性樹脂である場合、温度を上げてゆき、樹脂の粘
度が低下したときに、接合面に圧力を作用させて、染み
込ませることができる。この場合、温度的には、樹脂の
粘度が下がる温度以上であり、且つ樹脂の硬化が始まる
前の温度である必要がある（一般的なエポキシ樹脂を用
いた場合、５０℃以上で１２０℃以下）。また、圧力は
多孔質の空孔の大きさと樹脂の粘度により決定される
が、一般には１ＭＰａ以上、好ましくは１０ＭＰａ以上
の圧力を作用させることによって良好に樹脂を空孔に均
浸させることができる。温度と圧力の関係は、相互に作
用するものであり、また使用する樹脂、多孔質材の空孔
の大きさ、分布などにより変化するため、特に特定する
ものではない。

【００１２】本発明の多孔質ヒートシンク材としては、
カーボン材、カーボン複合材料、焼結金属などの多孔質
金属材、多孔質のセラミック材などから任意に選ぶこと
ができるが、これらの中でも厚さ方向の熱伝導率及びシ
リコン、アルミナ等との接着性などの点から、カーボン
複合材料や焼結金属が好ましい。

【００１３】特にカーボン複合材料中では、厚さ方向の
熱伝導率が大きいこと、並びにシリコン等の半導体やア
ルミナ等の封止材との接着において、接着性が良好で且
つ温度変化による熱応力の発生が大きいなどの点から、
一方向性炭素繊維強化炭素複合材料（以降、ＵＤ Ｃ／
Ｃ複合材料と記すことがある）が好ましい。このＵＤＣ
／Ｃ複合材料は、例えば、一方向に配列した炭素繊維の
束に、固体のピッチあるいはコークスなどの微粉体を分
散したフェノール樹脂などの熱硬化性樹脂の溶液（溶媒
としてフルフリルアルコールなどを用いる）を含浸した
後、溶媒を乾燥除去しつつ、炭素母材前駆体が含浸さ
れ、且つ一方向に繊維が配列しているシート状物（プリ
プレグ）を形成し、これを一方向に多数枚積層して、加
圧下に加熱して熱硬化性樹脂部分を硬化させて、その後
不活性雰囲気中で高温焼成して、フェノール樹脂とピッ
チあるいはコークスの微粉体を炭素化するという方法に
よって製造されるものである。この方法によれば、再含
浸、再焼成のような緻密化処理なしで、一回の焼成炭化
処理にて、必要十分に緻密な母材組織が得られることが
特徴である。（参照：特開平３−２４７５６３号、特開
平５−５１２５７号各公報）

【００１４】上述の方法で得られたＵＤ Ｃ／Ｃ複合材
料は、その母材中に直径が１〜１０μｍのような微細な
気孔を有し、その大部分が表面に連通した開気孔となっ
ているように作ることができるので、この表面にシリコ
ン等の半導体やアルミナ等の封止材を接着する際に、接
着剤の液体がこの気孔に浸入し、薄い接着層を形成し且
つ強く接着されるということが容易に達成され、本発明
の接着方法に、特に好ましい材料である。更に、上述の
ＵＤ Ｃ／Ｃ複合材料は、繊維の配列方向と直角方向の
弾性率が５〜１０ＧＰａと低いため、この方向の伸縮性
があり、金属やセラミックスなどの熱膨張係数の異なる
材料とこの方向で接着した場合、熱応力緩和作用が発現
される。また、このような複合材料は、半導体やセラミ
ックスと接着しても、−４０〜１５０℃のような温度範
囲で、金属の平板と比べて熱応力の発生が小さい。その
理由は、炭素繊維の断面方向の熱膨張係数及び母材の炭
素、シリコンカーバイド、金属シリコン、あるいはガラ
スの熱膨張係数が４〜８×１０^-6／Ｋと、シリコンなど
の半導体やアルミナなどのセラミックスのそれと比較的
近いためである。

【００１５】焼結金属に関しては、タングステン、モリ
ブデンなどの高融点の金属や、金属とセラミックス粉を
混合した複合材料、互いに融け合わない金属の組み合わ
せ等の、各種の材料が開発されている。一般に焼結され
た金属は、超硬合金などの一部を除いては全体に多くの
気孔が分布している。この気孔を積極的に利用している
ものには、Ｃｕ−Ｓｎすなわち青銅系の粉末を原料に用
いて、その気孔に潤滑油を染み込ませた焼結含油軸受
け、及び微細な気孔を利用してフィルターに使用する例
などがある。本発明では、上記と同様に、焼結金属の微
細な気孔を利用することにより、薄く且つ確実な接着層
を成形することを見出した。半導体のヒートシンク材と
して、焼結合金を利用する場合は、タングステン、モリ
ブデンなどの高熱伝導率、低熱膨張の金属や、それらに
銅、銀などの高熱伝導率の金属を含浸したものなどが適
している。

【００１６】本発明において、ヒートシンク材と半導体
（素子又はパッケージ）とを接着するに当たっては、高
分子接着剤を用いる。高分子接着剤としては、一般的な
エポキシ樹脂系、フェノール樹脂系あるいはこれらの混
合系などの有機高分子系接着剤のほか、ポリシラザンな
どの無機高分子系接着剤も使用し得る。

【００１７】接着の実施に当たっては、まず半導体素子
又はパッケージの一面に、上記高分子接着剤を５〜７０
μｍの厚さに均一に塗付し、溶剤を含む場合は乾燥した
後、この塗布面に前記ヒートシンク材の片面を合わせて
重ね、ホットプレスによって加圧下に５０〜１５０℃程
度に加熱する。しばらくすると、高分子接着剤の粘度が
低下し、該接着剤の一部が圧力によりヒートシンク材の
開気孔に含浸される。その後、高分子接着剤は重合硬化
され、接着が完了する。

【００１８】

【作用】本発明は半導体用のヒートシンク材として多孔
質のものを用い、半導体素子又はパッケージとの接着に
際して、高分子接着剤の一部をヒートシンク材の空孔に
含浸させることによって、接着層の厚さが１０μｍ以下
の良好な接着層を形成することができる。この結果、接
着層の熱抵抗を大幅に低減することができる。また、樹
脂がヒートシンク材の空孔に含浸されることにより、ア
ンカー効果が発揮され、接着強度が向上する。

【００１９】

【実施例】以下、実施例により本発明を更に詳細に説明
するが、本発明の技術的範囲がこれらにより限定される
ものではない。

【００２０】実施例１ 多孔質ヒートシンク材として、表１に示す物性を有する
ＵＤ Ｃ／Ｃ複合材料のブロック材料を用い、そのブロ
ックをマルチワイヤーソーを用いて繊維配列方向と直角
方向に切断し、サイズ２５．４×２５．４×１．０ｍｍ
（繊維方向は１ｍｍ）の薄板に切り出した。なお、この
薄板の開気孔率は２０％（水銀ポロシメータで測定実
施）であり、且つ平均気孔サイズは１μｍであって、密
度は１．７５ｇ／ｃｃであった。

【００２１】

【表１】

【００２２】また、下記熱硬化性接着剤を用意した。 主剤 ：エポキシ樹脂Ｅｐ−８２８（油化シェル社
製） 硬化剤 ：Ｄｉａｍｉｎｏ ｄｉｐｈｅｎｙｌ Ｓｕｌ
ｐｈｏｎｅ 硬化時間：２時間 硬化温度：１８０℃ 熱伝導率：０．５Ｗ／ｍＫ 更に、半導体チップ（単結晶シリコン板、２０×２０×
０．５ｍｍ）を用意した。

【００２３】次に、上記の多孔質ヒートシンク材と半導
体チップを、上記の接着剤で接合した。接着剤を常温
で、シリコンチップの片面に５０μｍの厚さに均一に塗
布し、その上にＵＤ Ｃ／Ｃ複合材をのせた。接合に
は、熱板プレスを使用し、熱板温度を８０℃にし、各材
料が均一の温度になるまで５分間放置した。その後、熱
板プレスをとおして接着層に１０ＭＰａの圧力をかけ、
そのまま１０分放置した。すると、樹脂の粘度が低下し
て、圧力により樹脂がＵＤ Ｃ／Ｃ複合材料の開気孔に
含浸された。１８０℃で２時間加熱し、樹脂が硬化して
から、断面を顕微鏡観察したところ、接着層の厚さは僅
かに１μｍであった。樹脂層とＵＤ Ｃ／Ｃ複合材料層
を合わせた、トータルの熱伝導率は２５０Ｗ／ｍＫと高
い値を示し、シリコンチップの冷却には十分な放熱特性
を示した。

【００２４】実施例２ 多孔質材として、銅の粉末冶金による焼結金属（開気孔
率１０％、平均気孔径１０μｍ、熱伝導率２５０Ｗ／ｍ
Ｋ、サイズ２５．４×２５．４×１．０ｍｍ）を使用
し、接着剤及び半導体チップは実施例１と同様で、接合
も同様に行った。その結果、硬化後の樹脂接着層の厚さ
は０．５μｍであった。樹脂層と焼結金属を合わせた、
トータルの熱伝導率は１６７Ｗ／ｍＫと高い値を示し、
シリコンチップの冷却には十分な放熱特性を示した。

【００２５】比較例１ 実施例１と同様の材料の組み合わせで、樹脂の硬化には
熱板プレスを用いずに、オーブンを使用し、圧力を作用
させないで、硬化を実施した。硬化後の樹脂層の厚さは
４０μｍと、樹脂の塗布直後とほとんど変化しなかっ
た。樹脂層とＵＤ Ｃ／Ｃ複合材料層を合わせた、トー
タルの熱伝導率は１２Ｗ／ｍＫとなり、シリコンチップ
の熱を放散する効果が少なく、シリコンチップの温度上
昇が著しく増加した。

【００２６】比較例２ 実施例２の焼結金属を使用する代わりに、純銅の無垢材
（熱伝導率４００Ｗ／ｍＫ）を用いて実施例２と同様の
方法で、樹脂の接合を行った。その結果、硬化後の樹脂
層の厚さは２０μｍとなったが、接合の端部に押し出さ
れた樹脂が溜り、均一な綺麗な接着層を作ることはでき
なかった。また、樹脂層と銅板を合わせた、トータルの
熱伝導率は２４Ｗ／ｍＫとなり、シリコンチップの熱を
放散する効果が少なく、シリコンチップの温度上昇が著
しく増加した。

【００２７】

【発明の効果】本発明のヒートシンク材は、多孔質材料
からなるものとしたことから、半導体とヒートシンク材
を接着するに当たり、高分子接着剤の一部を本ヒートシ
ンク材の空孔に含浸させることによって、１０μｍ以下
の薄い接着層を形成することができる。その結果、接着
層の熱抵抗を大幅に低減することができ、半導体の冷却
に十分な放熱特性を示すものとなる。また、高分子接着
剤の一部がヒートシンク材の空孔に含浸されることによ
り、アンカー効果が発揮され、接着強度が向上するとい
う効果も生じる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のヒートシンク材と半導体とが接合させ
た構造を示す模式断面図である。

【図２】ヒートシンク板付き半導体パッケージの模式断
面図である。

【符号の説明】

１ ヒートシンク材 ２ 接着層 ３ 半導体（シリコンチップ又はセラミックス封止体） ４ ヒートシンク板 ５ 半導体（シリコンチップ） ６ セラミックス封止体 ７ ボンディングワイヤー ８ 端子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 泉 孝幸 埼玉県入間郡大井町西鶴ケ岡１丁目３番１ 号 東燃株式会社総合研究所内 (72)発明者 川村 憲明 埼玉県入間郡大井町西鶴ケ岡１丁目３番１ 号 東燃株式会社総合研究所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体用のヒートシンク材において、多
   孔質材料からなることを特徴とするヒートシンク材。
2. 【請求項２】 半導体とヒートシンク材とを接着するに
   当たり、高分子接着剤を請求項１記載のヒートシンク材
   の空孔に含浸させて、１０μｍ以下の薄い接着層を形成
   させることを特徴とする接着方法。