KR20230122028A - 복합 재료, 반도체 패키지 및 복합 재료의 제조 방법 - Google Patents

복합 재료, 반도체 패키지 및 복합 재료의 제조 방법 Download PDF

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KR20230122028A
KR20230122028A KR1020237021003A KR20237021003A KR20230122028A KR 20230122028 A KR20230122028 A KR 20230122028A KR 1020237021003 A KR1020237021003 A KR 1020237021003A KR 20237021003 A KR20237021003 A KR 20237021003A KR 20230122028 A KR20230122028 A KR 20230122028A
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미키 미야나가
다이스케 곤도
케이 히라이
마사유키 이토
신이치 야마가타
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스미토모덴키고교가부시키가이샤
가부시끼가이샤 아라이도 마테리아루
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Abstract

복합 재료는, 판 형상이고, 제1 표면과, 제2 표면을 갖는다. 제2 표면은, 제1 표면의 반대면이다. 복합 재료는, 복수의 제1층과, 적어도 1개의 제2층을 구비한다. 제1층 및 제2층은, 제1층이 제1 표면 및 제2 표면에 위치하도록, 복합 재료의 두께 방향을 따라 교대로 적층되어 있다. 제1층은, 동을 포함하는 층이다. 제2층은, 동이 함침되어 있는 몰리브덴 압분체의 층이다. 제1 표면에 위치하는 제1층 및 제2 표면에 위치하는 제1층에는, 50㎫ 이하의 압축 잔류 응력이 작용하고 있다.

Description

복합 재료, 반도체 패키지 및 복합 재료의 제조 방법
본 개시는, 복합 재료, 반도체 패키지 및 복합 재료의 제조 방법에 관한 것이다. 본 출원은, 2020년 12월 24일에 출원한 일본특허출원인 일본특원 2020-214612호에 기초하는 우선권을 주장한다. 당해 일본특허출원에 기재된 모든 기재 내용은, 참조에 의해 본 명세서에 원용된다.
특허문헌 1(일본공개특허공보 2019-96654호)에는, 방열판이 기재되어 있다. 특허문헌 1에 기재된 방열판은, 제1 표면과, 제2 표면을 갖고 있다. 제2 표면은, 제1 표면의 반대면이다. 특허문헌 1에 기재된 방열판은, 복수의 동(銅)층과, 복수의 동-몰리브덴층을 갖고 있다. 동층 및 동-몰리브덴층은, 동층이 방열판의 제1 표면 및 제2 표면에 위치하도록, 방열판의 두께 방향을 따라 교대로 적층되어 있다. 특허문헌 1에 기재된 방열판은, 패키지 부재에, 납땜에 의해 접합된다.
일본공개특허공보 2019-96654호
본 개시의 복합 재료는, 판 형상으로, 제1 표면과, 제2 표면을 갖는다. 제2 표면은, 제1 표면의 반대면이다. 복합 재료는, 복수의 제1층과, 적어도 1개의 제2층을 구비하고 있다. 제1층 및 제2층은, 제1층이 제1 표면 및 제2 표면에 위치하도록, 복합 재료의 두께 방향을 따라 교대로 적층되어 있다. 제1층은, 동을 포함하는 층이다. 제2층은, 동이 함침되어 있는 몰리브덴 압분체(壓粉體)의 층이다. 제1 표면에 위치하는 제1층 및 제2 표면에 위치하는 제1층에는, 50㎫ 이하의 압축 잔류 응력이 작용하고 있다.
도 1은, 복합 재료(10)의 사시도이다.
도 2는, 도 1의 Ⅱ-Ⅱ에 있어서의 단면도이다.
도 3a는, 복합 재료(10)의 두께 방향의 열 전도율의 측정 시료의 작성 순서의 제1 설명도이다.
도 3b는, 복합 재료(10)의 두께 방향의 열 전도율의 측정 시료의 작성 순서의 제2 설명도이다.
도 3c는, 복합 재료(10)의 두께 방향의 열 전도율의 측정 시료의 작성 순서의 제3 설명도이다.
도 4는, 복합 재료(10)의 방열 성능의 평가 방법의 설명도이다.
도 5는, 복합 재료(10)의 제조 공정도이다.
도 6은, 일 예로서의 적층체(20)의 단면도이다.
도 7은, 반도체 패키지(100)의 분해 사시도이다.
(발명을 실시하기 위한 형태)
[본 개시가 해결하고자 하는 과제]
본 발명자들이 발견한 인식에 의하면, 특허문헌 1에 기재된 방열판은, 납땜이 행해질 때의 열로 동층과 동-몰리브덴층과의 사이에 크랙이 발생함으로써, 선 팽창 계수가 증대한다.
본 개시는, 납땜을 행하기 위한 열이 가해진 후에 있어서도 낮은 선 팽창 계수를 유지하는 것이 가능한 복합 재료, 그것을 이용한 반도체 패키지 및 복합 재료의 제조 방법을 제공한다.
[본 개시의 효과]
본 개시의 복합 재료에 의하면, 납땜을 행하기 위한 열이 가해진 후에 있어서도 낮은 선 팽창 계수 및 높은 열 전도율을 유지할 수 있다.
[본 개시의 실시 형태의 설명]
우선, 본 개시의 실시 태양을 열기하여 설명한다.
(1) 본 개시의 일 실시 형태에 따른 복합 재료는, 판 형상으로, 제1 표면과, 제2 표면을 갖는다. 제2 표면은, 제1 표면의 반대면이다. 복합 재료는, 복수의 제1층과, 적어도 1개의 제2층을 구비하고 있다. 제1층 및 제2층은, 제1층이 제1 표면 및 제2 표면에 위치하도록, 복합 재료의 두께 방향을 따라 교대로 적층되어 있다. 제1층은, 동을 포함하는 층이다. 제2층은, 동이 함침되어 있는 몰리브덴 압분체의 층이다. 제1 표면에 위치하는 제1층 및 제2 표면에 위치하는 제1층에는, 50㎫ 이하의 압축 잔류 응력이 작용하고 있다.
상기 (1)의 복합 재료에서는, 제1 표면에 위치하는 제1층 및 제2 표면에 위치하는 제1층에 작용하고 있는 압축 잔류 응력이 작기 때문에, 납땜을 행하기 위한 열이 가해질 때에 당해 압축 잔류 응력이 개방되어도, 제1층이 크게 변형하지 않고, 제1층과 제2층과의 계면에 크랙이 발생하기 어렵다. 그 때문에, 상기 (1)의 복합 재료에 의하면, 납땜을 행하기 위한 열이 가해진 후에 있어서도 낮은 선 팽창 계수를 유지할 수 있다.
(2) 상기 (1)의 복합 재료에서는, 800℃에서 15분간 보존 유지한 후에 있어서, 복합 재료의 온도를 실온에서 200℃까지 변화시켰을 때의 제1 표면 및 제2 표면에 평행한 방향에서의 복합 재료의 선 팽창 계수가, 6ppm/K 이상 10ppm/K 이하라도 좋다. 800℃에서 15분간 보존 유지한 후에 있어서, 복합 재료의 두께 방향에서의 열 전도율이, 230W/m·K 이상이라도 좋다.
상기 (2)의 복합 재료에 의하면, 납땜을 행하기 위한 열이 가해진 후에 있어서도 낮은 선 팽창 계수 및 높은 열 전도율을 유지할 수 있다.
(3) 상기 (1) 또는 (2)의 복합 재료에서는, 제1층의 수 및 제2층의 수의 합계가, 5 이상이라도 좋다. 800℃에서 15분간 보존 유지한 후에 있어서, 복합 재료의 두께 방향에서의 열 전도율은, 261W/m·K 이상이라도 좋다.
상기 (3)의 복합 재료에 의하면, 납땜을 행하기 위한 열이 가해진 후에 있어서, 더욱 높은 열 전도율을 유지할 수 있다.
(4) 상기 (1) 내지 (3)의 복합 재료에서는, 800℃에서 15분간 보존 유지하기 전에 있어서, 복합 재료의 온도를 실온에서 800℃까지 변화시켰을 때의 제1 표면 및 제2 표면에 평행한 방향에서의 복합 재료의 선 팽창 계수가, 7.5ppm/K 이상 8.5ppm/K 이하라도 좋다.
상기 (4)의 복합 재료에 의하면, 복합 재료에 케이스 부재의 납땜을 행할 때, 복합 재료의 선 팽창 계수와 케이스 부재의 선 팽창 계수와의 차이에 기인하여 납재에 크랙이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
(5) 상기 (1) 내지 (4)의 복합 재료에서는, 제1 표면에 위치하는 제1층 및 제2 표면에 위치하는 제1층의 두께가, 복합 재료의 두께의 25퍼센트 이하라도 좋다. 제2층의 두께는, 복합 재료의 두께의 10퍼센트를 초과하고 있어도 좋다. 제2층 중에 있어서의 몰리브덴의 체적비는, 55퍼센트 이상이라도 좋다. 복합 재료 중에 있어서의 몰리브덴의 체적비가, 13퍼센트 초과 43퍼센트 미만이라도 좋다.
(6) 상기 (1) 내지 (5)의 복합 재료에서는, 제1 표면에 위치하는 제1층 중에 있어서의 동의 체적 비율 및 제2 표면에 위치하는 제1층 중에 있어서의 동의 체적비가 90퍼센트 이상이라도 좋다. 제1 표면에 위치하는 제1층의 두께 및 제2 표면에 위치하는 제1층의 두께가, 복합 재료의 두께의 15퍼센트 이상이라도 좋다.
상기 (6)의 복합 재료에서는, 제1 표면(제2 표면)의 중앙부와 제1 표면(제2 표면)의 단부와의 사이의 온도차를 저감할 수 있다.
(7) 상기 (1) 내지 (6)의 복합 재료에서는, 제2층의 두께가, 복합 재료의 두께의 18퍼센트 이상이라도 좋다. 800℃에서 15분간의 보존 유지를 행하는 전후에서의 복합 재료의 온도를 실온에서 200℃까지 변화시켰을 때의 제1 표면 및 제2 표면에 평행한 방향에서의 복합 재료의 선 팽창 계수의 변화는, 0.3ppm/K 이하라도 좋다.
상기 (7)의 복합 재료에 의하면, 납땜을 행하기 위한 열이 가해지는 것에 의한 선 팽창 계수의 열화를 더욱 억제할 수 있다.
(8) 본 개시의 다른 실시 형태에 따른 복합 재료는, 판 형상으로, 제1 표면과, 제2 표면을 갖는다. 제2 표면은, 제1 표면의 반대면이다. 복합 재료는, 복수의 제1층과, 적어도 1개의 제2층을 구비하고 있다. 제1층 및 제2층은, 제1층이 제1 표면 및 제2 표면에 위치하도록, 복합 재료의 두께 방향을 따라 교대로 적층되어 있다. 제1층은, 동을 포함하는 층이다. 제2층은, 동이 함침되어 있는 몰리브덴 압분체의 층이다. 복합 재료에서는, 800℃에서 15분간 보존 유지한 후에 있어서, 복합 재료의 온도를 실온에서 200℃까지 변화시켰을 때의 제1 표면 및 제2 표면에 평행한 방향에서의 복합 재료의 선 팽창 계수가, 6ppm/K 이상 10ppm/K 이하이다. 800℃에서 15분간 보존 유지한 후에 있어서, 복합 재료의 두께 방향에서의 열 전도율이, 230W/m·K 이상이다.
상기 (8)의 복합 재료에 의하면, 납땜을 행하기 위한 열이 가해진 후에 있어서도 낮은 선 팽창 계수 및 높은 열 전도율을 유지할 수 있다.
(9) 상기 (8)의 복합 재료에서는, 800℃에서 15분간 보존 유지하기 전에 있어서, 복합 재료의 온도를 실온에서 800℃까지 변화시켰을 때의 제1 표면 및 제2 표면에 평행한 방향에서의 복합 재료의 선 팽창 계수가, 7.5ppm/K 이상 8.5ppm/K 이하라도 좋다.
상기 (9)의 복합 재료에 의하면, 복합 재료에 케이스 부재의 납땜을 행할 때, 복합 재료의 선 팽창 계수와 케이스 부재의 선 팽창 계수와의 차이에 기인하여 납재에 크랙이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
(10) 상기 (8) 또는 (9)의 복합 재료에서는, 제1층의 수 및 제2층의 수의 합계가, 5 이상이라도 좋다. 800℃에서 15분간 보존 유지한 후에 있어서, 복합 재료의 두께 방향에서의 열 전도율은, 261W/m·K 이상이라도 좋다.
상기 (10)의 복합 재료에 의하면, 납땜을 행하기 위한 열이 가해진 후에 있어서, 더욱 높은 열 전도율을 유지할 수 있다.
(11) 상기 (8) 내지 (10)의 복합 재료에서는, 제1 표면에 위치하는 제1층 및 제2 표면에 위치하는 제1층의 두께가, 복합 재료의 두께의 25퍼센트 이하라도 좋다. 제2층의 두께는, 복합 재료의 두께의 10퍼센트를 초과하고 있어도 좋다. 제2층 중에 있어서의 몰리브덴의 체적비는, 55퍼센트 이상이라도 좋다. 복합 재료 중에 있어서의 몰리브덴의 체적비가, 13퍼센트 초과 43퍼센트 미만이라도 좋다.
(12) 상기 (8) 내지 (11)의 복합 재료에서는, 제1 표면에 위치하는 제1층 중에 있어서의 동의 체적 비율 및 제2 표면에 위치하는 제1층 중에 있어서의 동의 체적비가 90퍼센트 이상이라도 좋다. 제1 표면에 위치하는 제1층의 두께 및 제2 표면에 위치하는 제1층의 두께가, 복합 재료의 두께의 15퍼센트 이상이라도 좋다.
상기 (12)의 복합 재료에서는, 제1 표면(제2 표면)의 중앙부와 제1 표면(제2 표면)의 단부와의 사이의 온도차를 저감할 수 있다.
(13) 상기 (8) 내지 (12)의 복합 재료에서는, 제2층의 두께가, 복합 재료의 두께의 18퍼센트 이상이라도 좋다. 800℃에서 15분간의 보존 유지를 행하는 전후에서의 복합 재료의 온도를 실온에서 200℃까지 변화시켰을 때의 제1 표면 및 제2 표면에 평행한 방향에서의 복합 재료의 선 팽창 계수의 변화는, 0.3ppm/K 이하라도 좋다.
상기 (13)의 복합 재료에 의하면, 납땜을 행하기 위한 열이 가해지는 것에 의한 선 팽창 계수의 열화를 더욱 억제할 수 있다.
(14) 본 개시의 일 실시 형태에 따른 반도체 패키지는, 제1 표면과, 제1 표면의 반대면인 제2 표면을 갖는 판 형상의 복합 재료와, 제1 표면상 및 제2 표면상의 어느 것에 납땜되어 있는 케이스 부재를 구비하고 있다. 복합 재료는, 복수의 제1층과, 적어도 1개의 제2층을 갖는다. 제1층 및 제2층은, 제1층이 제1 표면 및 제2 표면에 위치하도록, 복합 재료의 두께 방향을 따라 교대로 적층되어 있다. 제1층은, 동을 포함하는 층이다. 제2층은, 동이 함침되어 있는 몰리브덴 압분체의 층이다. 복합 재료의 온도를 실온에서 200℃까지 변화시켰을 때의 제1 표면 및 제2 표면에 평행한 방향에서의 복합 재료의 선 팽창 계수는, 6ppm/K 이상 10ppm/K 이하이다. 복합 재료의 두께 방향에서의 열 전도율은, 230W/m·K 이상이다.
상기 (14)의 반도체 패키지에 의하면, 납땜 시에 열이 가해진 후에 있어서도 복합 재료의 낮은 선 팽창 계수 및 높은 열 전도율을 유지할 수 있다.
(15) 상기 (14)의 반도체 패키지에서는, 제1층의 수 및 제2층의 수의 합계가, 5 이상이라도 좋다. 800℃에서 15분간 보존 유지한 후에 있어서, 복합 재료의 두께 방향에서의 열 전도율은, 261W/m·K 이상이라도 좋다.
상기 (15)의 반도체 패키지에 의하면, 납땜을 행하기 위한 열이 가해진 후에 있어서, 더욱 높은 복합 재료의 열 전도율을 유지할 수 있다.
(16) 상기 (14) 또는 (15)의 반도체 패키지에서는, 제1 표면에 위치하는 제1층 및 제2 표면에 위치하는 제1층의 두께는, 복합 재료의 두께의 25퍼센트 이하라도 좋다. 제2층의 두께는, 복합 재료의 두께의 10퍼센트를 초과하고 있어도 좋다. 제2층 중에 있어서의 몰리브덴의 체적비는, 55퍼센트 이상이라도 좋다. 복합 재료 중에 있어서의 몰리브덴의 체적비는, 13퍼센트 초과 43퍼센트 미만이라도 좋다.
(17) 상기 (14) 내지 (16)의 반도체 패키지에서는, 제1 표면에 위치하는 제1층 중에 있어서의 동의 체적 비율 및 제2 표면에 위치하는 제1층 중에 있어서의 동의 체적비가, 90퍼센트 이상이라도 좋다. 제1 표면에 위치하는 제1층의 두께 및 제2 표면에 위치하는 제1층의 두께가, 복합 재료의 두께의 15퍼센트 이상이라도 좋다.
상기 (17)의 반도체 패키지에 의하면, 제1 표면(제2 표면)의 중앙부와 제1 표면(제2 표면)의 단부와의 사이의 온도차를 저감할 수 있다.
(18) 상기 (14) 내지 (17)의 복합 재료에서는, 제2층의 두께가, 복합 재료의 두께의 18퍼센트 이상이라도 좋다. 800℃에서 15분간의 보존 유지를 행하는 전후에서의 복합 재료의 온도를 실온에서 200℃까지 변화시켰을 때의 제1 표면 및 제2 표면에 평행한 방향에서의 복합 재료의 선 팽창 계수의 변화는, 0.3ppm/K 이하라도 좋다.
상기 (18)의 반도체 패키지에 의하면, 납땜을 행하기 위한 열이 가해지는 것에 의한 복합 재료의 선 팽창 계수의 열화를 더욱 억제할 수 있다.
(19) 본 개시의 일 실시 형태에 따른 복합 재료의 제조 방법은, 적층체를 준비하는 공정과, 적층체를 가열하는 공정과, 가열된 상태의 적층체를 압연하는 공정을 구비하고 있다. 적층체는, 제1 표면과, 제1 표면의 반대면인 제2 표면을 갖는다. 적층체는, 복수의 제1 판재와, 적어도 1개의 제2 판재를 갖는다. 제1 판재 및 제2 판재는, 제1 판재가 제1 표면 및 제2 표면에 위치하도록 적층체의 두께 방향을 따라 교대로 배치되어 있다. 제1 판재는, 동을 포함한다. 제2 판재는, 동이 함침되어 있는 몰리브덴 압분체이다.
상기 (19)의 복합 재료의 제조 방법에 의하면, 납땜을 행하기 위한 열이 가해진 후에 있어서도 낮은 선 팽창 계수를 유지하는 것이 가능한 복합 재료가 얻어진다.
[본 개시의 실시 형태의 상세]
본 개시의 실시 형태의 상세를, 도면을 참조하면서 설명한다. 이하의 도면에 있어서는, 동일 또는 상당하는 부분에 동일한 참조 부호를 붙이고, 중복하는 설명은 반복하지 않는다.
(제1 실시 형태)
제1 실시 형태에 따른 복합 재료(이하 「복합 재료(10)」라고 함)를 설명한다.
＜복합 재료(10)의 구성＞
도 1은, 복합 재료(10)의 사시도이다. 도 2는, 도 1의 Ⅱ-Ⅱ에 있어서의 단면도이다. 도 1 및 도 2에 나타나는 바와 같이, 복합 재료(10)는, 판 형상이다. 복합 재료(10)는, 제1 표면(10a)과, 제2 표면(10b)을 갖고 있다. 제2 표면(10b)은, 복합 재료(10)의 두께 방향에 있어서의 제1 표면(10a)의 반대면이다.
복합 재료(10)의 두께를, 두께 T1로 한다. 두께 T1은, 제1 표면(10a)과 제2 표면(10b)과의 사이의 거리이다. 이하에 있어서는, 복합 재료(10)의 두께 방향에 직교하는 방향(제1 표면(10a) 및 제2 표면(10b)에 평행한 방향)을, 층 내 방향이라고 하는 경우가 있다.
복합 재료(10)는, 복수의 제1층(11)과, 적어도 1개의 제2층(12)을 갖고 있다. 제1층(11)의 수 및 제2층(12)의 수의 합계는, 3 이상이다. 제1층(11) 및 제2층(12)은, 복합 재료(10)의 두께 방향을 따라, 교대로 적층되어 있다. 이것을 다른 관점에서 말하면, 제2층(12)은, 2개의 제1층(11)에 끼워넣어져 있다.
제1 표면(10a) 및 제2 표면(10b)에는, 제1층(11)이 위치하고 있다. 제1 표면(10a)에 위치하고 있는 제1층(11)을 제1층(11a)으로 하는 경우가 있고, 제2 표면(10b)에 위치하고 있는 제1층(11)을 제1층(11b)으로 하는 경우가 있다.
제1층(11)의 두께를, 두께 T2로 한다. 제1층(11a)의 두께 T2 및 제1층(11b)의 두께 T2는, 두께 T1의 15퍼센트 이상인 것이 바람직하다. 제1층(11a)의 두께 T2 및 제1층(11b)의 두께 T2는, 예를 들면, 두께 T1의 25퍼센트 이하이다.
제1층(11)은, 동을 포함하는 층이다. 제1층(11)은, 동 외에, 몰리브덴을 포함하고 있어도 좋다. 제1층(11) 중에 있어서의 동의 체적비는, 예를 들면, 80퍼센트 이상이다. 제1층(11) 중에 있어서의 동의 체적비는, 90퍼센트 이상인 것이 바람직하다. 제1층(11)은, 순동(pure copper)이라도 좋다(제1층(11) 중에 있어서의 동의 체적비가 100퍼센트라도 좋음).
제1층(11a)에 작용하고 있는 압축 잔류 응력 및 제1층(11b)에 작용하고 있는 압축 잔류 응력은, 50㎫ 이하이다. 제1층(11a)에 작용하고 있는 압축 잔류 응력 및 제1층(11b)에 작용하고 있는 압축 잔류 응력은, 바람직하게는, 40㎫ 이하이다. 제1층(11a)에 작용하고 있는 압축 잔류 응력 및 제1층(11b)에 작용하고 있는 압축 잔류 응력은, X선 회절법(보다 구체적으로는, sin2φ법)에 의해 측정된다.
제1층(11a)(제1층(11b))에 작용하고 있는 압축 잔류 응력을 측정하는 샘플의 준비에서는, 제1로, 복합 재료(10)로부터, 폭 1㎜ 및 길이 5㎜의 측정용 샘플이, 잘라내진다. 측정용 샘플의 폭 방향 및 길이 방향은, 복합 재료(10)의 두께 방향과 직교하고 있다.
제2로, 20개의 측정 샘플이 서로 접촉하도록 평면 상에 나열된다. 이 때, 측정 샘플은, 복합 재료(10)의 두께 방향에 평행한 단면이 상방을 향하도록 나열된다. 또한, 이 때, 측정 샘플은, 측정 샘플의 길이 방향에 있어서 2열을 이루도록 나열된다.
제3으로, 나열된 측정 샘플의 상면이 연마된다. 이 연마는, 각각의 측정 샘플의 상면의 사이의 단차가 0.1㎜ 이하가 되도록 행해진다. 이와 같이 하여 준비된 측정 샘플의 상면에 대하여 X선(CuKα선)을 조사함으로써, sin2φ법을 이용한 잔류 응력의 측정이 행해진다.
제2층(12)은, 동-몰리브덴 용침재(infiltrant)의 층이다. 동-몰리브덴 용침재는, 몰리브덴 압분체(몰리브덴의 분말을 압축 성형한 것)의 공극에 동을 함침한 후에 압연되어 있는 재료이다. 바람직하게는, 제2층(12) 중에 있어서의 몰리브덴의 체적비는, 55퍼센트 이상이다. 제2층(12) 중에 있어서의 몰리브덴의 체적비는, 예를 들면, 85퍼센트 이하이다.
제2층(12)의 두께를, 두께 T3으로 한다. 두께 T3은, 두께 T1의 10퍼센트를 초과하고 있는 것이 바람직하다. 두께 T3은, 예를 들면, 두께 T1의 35퍼센트 이하이다. 두께 T3 및 제2층(12) 중에 있어서의 몰리브덴의 체적비는, 복합 재료(10) 중에 있어서의 몰리브덴의 체적비가 13퍼센트 초과 43퍼센트 미만이 되도록 설정되는 것이 바람직하다. 두께 T3은, 두께 T1의 18퍼센트 이상 35퍼센트 이하인 것이 바람직하다.
800℃에서 15분간 보존 유지한 후에 있어서, 복합 재료(10)의 온도를 27℃(이하 「실온」이라고 함)에서 200℃까지 변화시켰을 때의 층 내 방향에서의 복합 재료(10)의 선 팽창 계수는, 6ppm/K 이상 10ppm/K 이하인 것이 바람직하다.
복합 재료(10)의 층 내 방향에서의 선 팽창 계수를 실온에서 200℃까지 온도가 변화했을 때의 복합 재료(10)의 층 내 방향에서의 팽창 변위에 기초하여 측정하는 것은, 복합 재료(10)가 이용되는 반도체 패키지의 동작 온도를 고려한 것이다. 또한, 복합 재료(10)의 층 내 방향에서의 선 팽창 계수를 800℃에서 15분간 보존 유지한 후에 측정하는 것은, 복합 재료(10)에 대한 납땜 시의 가열을 고려한 것이다.
800℃에서 15분간 보존 유지하기 전에 있어서, 복합 재료(10)의 온도를 실온에서 800℃까지 변화시켰을 때의 층 내 방향에서의 복합 재료(10)의 선 팽창 계수는, 7.5ppm/K 이상 8.5ppm/K 이하인 것이 바람직하다. 이는, 복합 재료(10)에 납땜되는 케이스 부재가 알루미나로 형성되는 경우가 많고, 온도를 실온에서 800℃까지 변화시켰을 때의 알루미나의 선 팽창 계수가 8ppm/K 정도인 것을 고려한 것이다.
800℃에서 15분간의 보존 유지를 행하는 전후에서, 복합 재료(10)의 온도를 실온에서 200℃까지 변화시켰을 때의 층 내 방향에서의 복합 재료(10)의 선 팽창 계수의 변화량(증가량)은, 0.3ppm/K 이하인 것이 바람직하다.
실온에서 200℃(800℃)까지 온도가 변화했을 때의 복합 재료(10)의 층 내 방향에서의 선 팽창 계수는, TD5000SA(브루커 AXS사 제조)를 이용하여 실온에서 200℃(800℃)까지 온도가 변화했을 때의 복합 재료(10)의 층 내 방향에서의 팽창 변위를 측정함으로써 산출된다. 실온에서 200℃까지 온도가 변화했을 때의 복합 재료(10)의 층 내 방향에서의 선 팽창 계수를 산출할 때, 복합 재료(10)의 평면 형상은, 3㎜×15㎜의 직사각형 형상이 된다. 측정값은, 3개의 시료에 대한 평균값으로 된다.
평가 대상으로 하는 복합 재료(10)의 크기가 3㎜×15㎜보다도 작은 경우에는, X선 회절법을 이용하여 선 팽창 계수를 산출해도 좋다. 복합 재료(10)의 복수의 단편을 방열면이 동일 평면에 나열되도록 모으는 것으로, 방열면의 면적이 100㎟ 이상이 되도록 한다. 모은 방열면은, 한변이 대체로 10㎜ 이상의 직사각형이 되면 좋다. 실온 및 800℃에 있어서 방열면에 X선을 조사하고, Cu(331)에 대응하는 회절 피크로부터 회절각(2θ)을 도출한다. 이 회절각으로부터 하기의 식을 이용함으로써, 격자면 간격의 변화율을 선 팽창 계수로서 이용할 수 있다. 재료의 면 내에 이방성이 존재하는 경우는, 선 팽창 계수의 측정 목적으로 하는 방향이 X선의 입사면에 평행이 되도록 시료를 정렬시킨다. 실온을 25℃로 한 경우의 선 팽창 계수의 산출식을 나타낸다.
(선 팽창 계수)＝(1/sin(θ at 800℃)－1/sin(θ at 25℃))×sin(θ at 25℃)/(800－25)
여기에서, θ at 25℃는 25℃ 측정 시의 회절각 2θ의 1/2배이고, θ at 800℃는 800℃ 측정 시의 회절각 2θ의 1/2배이다.
800℃에서 15분간 보존 유지한 후에 있어서, 복합 재료(10)의 두께 방향에서의 열 전도율은, 230W/m·K 이상인 것이 바람직하다. 800℃에서 15분간 보존 유지한 후에 있어서, 복합 재료(10)의 두께 방향에서의 열 전도율은, 261W/m·K 이상인 것이 더욱 바람직하다. 이 열 전도율의 측정은, 실온에서 행해진다. 또한, 복합 재료(10)의 두께 방향에서의 열 전도율을 800℃에서 15분간 보존 유지한 후에 측정하는 것은, 복합 재료(10)에 대한 납땜 시의 가열을 고려한 것이다.
복합 재료(10)의 두께 방향의 열 전도율은, 레이저 플래시법으로 측정된다. 보다 구체적으로는, LFA457MicroFlash(NETZSCH사 제조)를 이용하여 복합 재료(10)의 열 확산 계수가 측정됨과 함께, 당해 열 확산 계수 그리고 복합 재료(10)의 각 구성 재료의 체적비 및 비열에 기초하여 복합 재료(10)의 두께 방향의 열 전도율이 산출된다.
복합 재료(10)의 두께 방향의 열 전도율을 산출할 때, 복합 재료(10)는, 평면 형상이 직경 10㎜의 원형이 되도록 잘라내진다. 상기의 열 전도율의 산출에 있어서, 각 구성 재료의 비열은, 일본금속학회 편 「금속 데이터북 제4판」(2004년, 마루젠 출판)에 기초하여 결정된다. 또한, 복합 재료(10)의 열 전도율의 측정에 앞서 동일 형상의 순동 시료의 열 전도율을 동일 조건하에서 측정하고, 그 결과를 레퍼런스로서 이용하여 측정 결과의 보정을 행한다.
도 3a는, 복합 재료(10)의 두께 방향의 열 전도율의 측정 시료의 작성 순서의 제1 설명도이다. 도 3a에 나타나는 바와 같이, 측정 대상이 되는 복합 재료(10)로부터, 박편(thin piece)(15)이 잘라내진다. 박편(15)의 두께, 길이 및 폭은, 각각, t(㎜), B(㎜) 및 C(㎜)이다.
2를 t로 나눈 값의 소수점 이하를 절상한 수를, X로 한다. 10을 B로 나눈 값의 소수점 이하를 절상한 수를, Y1로 한다. 10을 C로 나눈 값의 소수점 이하를 절상한 수를, Y2로 한다. 측정 대상이 되는 복합 재료(10)에서는, X, Y1 및 Y2의 곱에 동일한 수의 박편(15)이 잘라내진다.
도 3b는, 복합 재료(10)의 두께 방향의 열 전도율의 측정 시료의 작성 순서의 제2 설명도이다. 도 3b에 나타나는 바와 같이, X매의 박편(15)으로부터, 블록(16)이 제작된다. 블록(16)의 두께, 길이 및 폭은, 각각, 약 2(㎜), B(㎜) 및 C(㎜)이다. 블록(16)의 제작에 있어서는, 제1로, X매의 박편(15)이 겹쳐쌓여진다. 이 때에는, 인접하고 있는 박편(15)의 사이에, 평균 입경이 4㎛의 순은(pure silver)에 의해 형성되어 있는 부정형(amorphous) 분말이 배치된다. 인접하고 있는 박편(15)의 사이에 배치되는 부정형 분말의 양은, 100㎟당 0.2g±30퍼센트이다.
블록(16)의 제작에 있어서는, 제2로, 내측 치수가 B(㎜)×C(㎜)의 개구가 형성되어 있는 직사각 형상의 형태(도시하지 않음)가 준비되고, 당해 개구 내에 겹쳐쌓여진 박편(15)이 배치된다. 상기의 형태는, 흑연제이다. 블록(16)의 제작에 있어서는, 제3으로, 겹쳐쌓여진 박편(15)은, 하중(P)이 가해진 상태에서 열 처리된다. 하중(P)은, 4.9N 이상 9.8N 이하이다. 열 처리는, 불활성 가스 분위기에서 행해진다. 열 처리는, 900℃의 보존 유지 온도, 10분의 보존 유지 시간에서 행해진다. 열 처리에 의해, 부정형 분말이 연화 변형하여 인접하는 박편(15)이 접착됨으로써, 블록(16)이 제작된다.
도 3c는, 복합 재료(10)의 두께 방향의 열 전도율의 측정 시료의 작성 순서의 제3 설명도이다. 도 3c에 나타나는 바와 같이, 블록(16)을, 세로로 Y1개, 가로로 Y2개 나열함으로써, 높이 약 10㎜, 폭 약 10㎜, 두께 약 2㎜의 측정 시료(17)가 제작된다. 블록(16)을 세로로 Y1개, 가로로 Y2개 나열할 때, 서로 이웃하는 블록(16)은, 접착 부재에 의해 서로 접착된다. 접착 부재에는, 은납박(silver brazing foil), 세라믹스 접착제 등의 800℃ 정도까지의 온도에 견딜 수 있는 것이 이용된다. 세로로 Y1개, 가로로 Y2개 나열된 블록(16)은, 그의 외주에 스테인리스 와이어 등을 감는 것에 의해 고정되어도 좋다.
복합 재료(10)의 단부 온도차는, 50℃ 이하인 것이 바람직하다. 도 4는, 복합 재료(10)의 방열 성능의 평가 방법의 설명도이다. 도 4에는, 복합 재료(10)의 1개의 측면으로부터 본 상태가 개략적으로 나타나 있다. 복합 재료(10)는, 제1 표면(10a)에 수직인 방향으로부터 보아, 종횡이 10㎜의 직사각 형상으로 절단된다. 절단된 복합 재료(10)의 제1 표면(10a)의 중앙에는, 발열체(90)가 접촉된다. 발열체(90)는, 제1 표면(10a)에 수직인 방향으로부터 보아, 종횡이 10㎜의 직사각 형상이다. 발열체(90)의 발열량은, 50W이다.
절단된 복합 재료(10)의 제2 표면(10b)에는, 알루미늄 핀(fin)(80)이, 실리콘 오일(신에츠카가쿠사 제조 G-751)을 이용하여 접착된다. 이 접착은, 절단된 복합 재료(10)의 제2 표면(10b)과 알루미늄 핀(80)과의 사이에 실리콘 오일을 배치한 상태에서 9.8N의 하중을 가함으로써 행해진다.
절단된 복합 재료(10)의 제1 표면(10a)과 발열체(90)와의 계면에 있어서의 온도를, 제1 온도로 한다. 절단된 복합 재료(10)의 제1 표면(10a)의 단부(각부)에 있어서의 온도를, 제2 온도로 한다. 절단된 복합 재료(10)의 제2 표면(10b)과 알루미늄 핀(80)과의 계면에 있어서의 온도를, 제3 온도로 한다. 제1 온도, 제2 온도 및 제3 온도는, 도시하지 않는 열전대(thermocouple)에 의해 측정된다. 알루미늄 핀(80)에 대한 공냉(air cooling)은, 제3 온도가 25℃±3℃가 되도록 제어된다. 측정 환경으로서의 주위 온도는, 25℃±5℃로 된다.
발열체(90)를 절단된 복합 재료(10)의 제1 표면(10a)에 접촉시킨 후에 30초 이상 경과하고, 온도가 정상 상태로 되었을 때의 제1 온도와 제2 온도와의 차(제1 온도－제2 온도)가 복합 재료(10)의 단부 온도차이다. 이 단부 온도차는, 10회의 측정을 행하여, 그의 평균값이 채용된다. 즉, 복합 재료(10)의 단부 온도차는, 제1 표면(10a)에 발열체(90)가 접촉되고, 제2 표면(10b)에 알루미늄 핀(80)이 접착되어 있는 상태에서의 발열체(90)가 접촉하고 있는 제1 표면(10a)의 부분에 있어서의 온도와 제1 표면(10a)의 단부(각부)에 있어서의 온도와의 차이다. 단부 온도차가 작을수록, 복합 재료(10)의 층 내 방향의 열 전도가 양호한 것이 된다.
＜복합 재료(10)의 제조 방법＞
도 5는, 복합 재료(10)의 제조 공정도이다. 도 5에 나타나는 바와 같이, 복합 재료(10)의 제조 방법은, 준비 공정(S1)과, 가열 공정(S2)과, 압연 공정(S3)을 갖고 있다.
준비 공정(S1)에서는, 적층체(20)가 준비된다. 도 6은, 일 예로서의 적층체(20)의 단면도이다. 도 6에 나타나는 바와 같이, 적층체(20)는, 복수의 제1 판재(21)와, 적어도 1개의 제2 판재(22)를 갖고 있다. 제1 판재(21)는 제1층(11)과 동일 재료로 형성되어 있고, 제2 판재(22)는 제2층(12)과 동일 재료로 형성된다. 제1 판재(21) 및 제2 판재(22)는, 적층체(20)의 두께 방향을 따라 교대로 배치되어 있다.
적층체(20)는, 제1 판재(21)와 동일한 재료에 의해 측면을 덮음으로써, 각 층이 두께 방향으로 수직인 면의 방향으로 움직이지 않도록 고정되어 있다. 고정의 방법은 이 방법에 한정되는 것은 아니고, 관통공을 형성하여 리벳(rivet)으로 고정하는 등의 방법을 이용하여 고정해도 좋다. 또한, 추가로 다른 판재의 위에 각 층이 상호 움직이지 않도록 고정되어도 좋다.
가열 공정(S2)에서는, 각 상층(相層)이 고정되어 있는 적층체(20)에 대한 가열이 행해진다. 이 열 처리에서는, 적층체(20)가, 수소 분위기 중에 있어서 소정의 온도로 가열된다. 이 소정의 온도는, 동의 융점 미만의 온도이다. 이 소정의 온도는, 예를 들면, 900℃이다.
압연 공정(S3)은, 가열 공정(S2)의 후에 행해진다. 압연 공정(S3)에서는, 적층체(20)가, 압연 롤러에 통과된다. 이에 따라, 제1 판재(21) 및 제2 판재(22)가 압연되면서 상호 접합되고, 도 1 및 도 2에 나타나는 구조의 복합 재료(10)가 제조된다. 즉, 복합 재료(10)에서는, 제1층(11) 및 제2층(12)이, 열간 압연 접합법을 이용하여 접합되어 있다.
＜복합 재료(10)의 효과＞
동을 포함하는 층(이하 「동층」이라고 함)과 몰리브덴 및 동을 포함하는 층(이하 「동몰리브덴층」이라고 함)이 교대로 적층되어 있는 판 형상의 복합 재료가 반도체 패키지의 히트 스프레더(heat spreader)로서 이용될 때, 당해 복합 재료의 표면에는, 케이스 부재가 납땜에 의해 부착된다. 이 납땜 시에는, 통상, 800℃ 정도에서 15분간 정도의 가열이 행해진다.
상기의 복합 재료에서는, 동층 및 동몰리브덴층이, 통상, 확산 접합법을 이용하여 서로 접합되어 있다. 그 결과, 동층에는, 큰 압축 잔류 응력이 작용하고 있다. 상기의 납땜 시의 가열에 의해, 동층이 연화한다. 동층의 연화에 수반하여 동층에 작용하고 있는 압축 잔류 응력이 개방되는 결과, 동층이 크게 변형하고, 동몰리브덴층과의 사이의 접합 계면에 크랙이 발생한다. 이 크랙은, 상기의 복합 재료의 층 내 방향에서의 선 팽창 계수를 증대시킨다.
복합 재료(10)에서는, 제1층(11) 및 제2층(12)의 접합이 열간 압연 접합법을 이용하여 행해지고 있다. 열간 압연 접합법을 이용한 접합 시에는, 동의 열 전도율이 몰리브덴의 열 전도율보다도 큰 것에 기인하여, 제1층(11)의 온도가 제2층(12)의 온도보다도 높은 상태를 유지하면서 냉각되기 때문에, 제2층(12)과의 계면 부근에 변형이 잔류하기 어렵다.
그 때문에, 복합 재료(10)에서는, 케이스 부재의 납땜이 행해진 후에 있어서, 제1층(11)과 제2층(12)과의 사이의 접합 계면에 크랙이 발생하는 것이 억제되고 있다. 즉, 복합 재료(10)에 의하면, 케이스 부재의 납땜이 행해진 후에 있어서도, 층 내 방향에서의 선 팽창 계수가 낮게 유지되고 있다.
800℃에서 15분간 보존 유지한 후에 있어서, 복합 재료(10)의 온도를 실온에서 200℃까지 변화시켰을 때의 복합 재료(10)의 층 내 방향에서의 선 팽창 계수가 6ppm/K 이상 10ppm/K 이하로 되어 있음과 함께, 복합 재료(10)의 두께 방향에서의 열 전도율이 230W/m·K 이상(바람직하게는, 261W/m·K 이상)인 경우, 케이스 부재의 납땜이 행해진 후에 있어서도, 복합 재료(10)의 두께 방향에서의 열 전도율을 유지하면서, 복합 재료(10)의 층 내 방향에서의 선 팽창 계수가 저감할 수 있다.
제1층(11a)의 두께 T2 및 제1층(11b)의 두께 T2가 두께 T1의 15퍼센트 이상임과 함께, 제1층(11a) 중에 있어서의 동의 체적비 및 제1층(11b) 중에 있어서의 동의 체적비가 90퍼센트 이상인 경우, 제1 표면(10a)측 및 제2 표면(10b)측에 있어서, 열이 층 내 방향을 따라 확산하기 쉽다. 그 때문에, 이 경우에는, 단부 온도차를 저감할 수 있다.
몰리브덴은, 선 팽창 계수가 동보다도 작고, 열 전도율이 동보다도 작다. 그 때문에, 복합 재료(10) 중에 있어서의 몰리브덴의 체적비가 커질수록, 복합 재료(10)의 층 내 방향에서의 선 팽창 계수가 작아지고, 복합 재료(10)의 두께 방향에서의 열 전도율이 작아진다. 두께 T3이 커질수록, 복합 재료(10)의 두께 방향에서의 열 전도율이 작아지고, 복합 재료(10)의 층 내 방향에서의 선 팽창 계수가 작아진다. 제2층(12) 중에 있어서의 몰리브덴의 체적비가 커질수록, 복합 재료(10)의 두께 방향에서의 열 전도율이 작아지고, 복합 재료(10)의 층 내 방향에서의 선 팽창 계수가 작아진다.
또한, 동은, 선 팽창 계수가 몰리브덴보다도 크고, 열 전도율이 몰리브덴보다도 크다. 그 때문에, 제1층(11a)의 두께 T2 및 제1층(11b)의 두께 T2가 커질수록, 복합 재료(10)의 층 내 방향에서의 선 팽창 계수가 커지고, 복합 재료(10)의 두께 방향에서의 열 전도율이 커진다.
본 발명자들이 예의 검토한 결과, 몰리브덴의 체적비가 13퍼센트 초과 43퍼센트 미만이고, 두께 T3이 두께 T1의 10퍼센트를 초과하고, 제2층(12) 중에 있어서의 몰리브덴의 체적비가 55퍼센트 이상이고, 또한 제1층(11a)의 두께 T2 및 제1층(11b)의 두께 T2가 두께 T1의 25퍼센트 이하인 경우에는, 케이스 부재의 납땜이 행해진 후에 있어서도, 복합 재료(10)의 두께 방향에서의 열 전도율을 유지하면서, 복합 재료(10)의 층 내 방향에서의 선 팽창 계수가 저감할 수 있다.
＜실시예＞
복합 재료의 샘플로서, 샘플 1 내지 샘플 37이 준비되었다. 샘플 1 내지 샘플 37은, 도 2에 나타나는 구조를 갖는 복합 재료이다. 샘플 1 내지 샘플 30에서는, 제1층(11) 및 제2층(12)이, 열간 압연 접합법을 이용하여 접합되어 있다. 샘플 31 내지 샘플 37에서는, 제1층(11) 및 제2층(12)이, SPS(Spark Plasma Sintering)법을 이용하여 접합되어 있다. SPS법은, 통전에 의한 줄(Joule) 가열과 프레스 기구에 의한 가압을 동시에 가하여 금속 등의 피성형재의 계면을 원자 레벨로 결착시키는 방법으로서, 분말 재료의 소결 치밀화나 이종 재료의 금속 접합(확산 접합)을 시킬 수 있다. 본 실시예에서는 후자의 효과를 이용하고 있다. 또한, SPS법을 이용하는 경우, 적층체(20)가 통 형상의 그래파이트형 내에 배치됨과 함께, 적층체(20)가 펄스 통전되면서 소정의 온도로 가열·가압된다. 이 소정의 온도는, 동의 융점 미만의 온도이다. 이 소정의 온도는, 예를 들면, 900℃이다. 가압력은 그래파이트형의 내구성이 유지되는 범위 내에서 복합재의 상대 밀도가 99체적 퍼센트 이상이 되는 조건이 채용되고, 소정 온도로 달성할 수 없는 경우는 적당히 온도를 상승시킴으로써 조정할 수 있다.
표 1에는, 샘플 1 내지 샘플 37에 있어서의 제1층(11a) 및 제1층(11b)의 두께 T2, 제1층(11a) 및 제1층(11b) 중에 있어서의 동의 체적비, 제2층(12)의 두께 T3, 제2층(12) 중에 있어서의 몰리브덴의 체적비, 층의 수 및 제1층(11a) 및 제1층(11b)에 작용하고 있는 압축 잔류 응력이 나타나 있다.
표 1에는 나타나 있지 않지만, 샘플 1 내지 샘플 37에 있어서, 두께 T1은, 모두 1㎜이다. 또한, 샘플 1 내지 샘플 37에 있어서, 제1층(11a) 및 제1층(11b) 이외의 제1층(11) 중에 있어서의 동의 체적비는, 모두 100퍼센트이다. 또한, 제1층(11a) 및 제1층(11b) 이외의 제1층(11)의 두께 T2는, 제1층(11a) 및 제1층(11b)의 두께 T2, 제2층(12)의 두께 T3, 층의 수 그리고 두께 T1로부터 저절로 정해지기 때문에, 표 1에는 나타나 있지 않다.
제1층(11a) 및 제1층(11b)에 작용하고 있는 압축 잔류 응력이 50㎫ 이하인 것을, 조건 A로 한다. 샘플 1 내지 샘플 30은 조건 A를 충족하고 있었지만, 샘플 31 내지 샘플 37은 조건 A를 충족하고 있지 않았다.
제1층(11a) 및 제1층(11b)의 두께 T2가 두께 T1의 25퍼센트 이하인 것을, 조건 B로 한다. 복합 재료 중에 있어서의 몰리브덴의 체적비가 13퍼센트 초과 43퍼센트 미만인 것을, 조건 C로 한다.
제2층(12)의 두께 T3이 두께 T1의 10퍼센트를 초과하고 있는 것을, 조건 D로 한다. 제2층(12) 중에 있어서의 몰리브덴의 체적비가 55퍼센트 이상인 것을, 조건 E로 한다.
샘플 3 내지 샘플 14, 샘플 18 내지 샘플 24 및 샘플 26 내지 샘플 29는, 추가로, 조건 B, 조건 C, 조건 D 및 조건 E를 충족하고 있었다. 다른 한편으로, 샘플 1 내지 샘플 2, 샘플 15 내지 샘플 17, 샘플 25 및 샘플 30은, 조건 B, 조건 C, 조건 D 및 조건 E 중 적어도 1개를 충족하고 있지 않았다.
제1층(11a) 및 제1층(11b) 중에 있어서의 동의 체적비가 90퍼센트 이상인 것을, 조건 F로 한다. 제1층(11a) 및 제1층(11b)의 두께 T2가 두께 T1의 15퍼센트 이상인 것을, 조건 G로 한다.
샘플 3 내지 샘플 12, 샘플 18 내지 샘플 23 및 샘플 26 내지 샘플 28은, 추가로 조건 F 및 조건 G를 충족하고 있었다. 다른 한편으로, 샘플 13 내지 샘플 14, 샘플 24 및 샘플 29는, 조건 F 및 조건 G 중 적어도 어느 것을 충족하고 있지 않았다.
제1층(11)의 수 및 제2층(12)의 수가 5 이상이고, 또한 두께 T3이 두께 T1의 18퍼센트 이상인 것을, 조건 H로 한다. 샘플 3 내지 샘플 11 및 샘플 18 내지 샘플 19는, 추가로, 조건 H를 충족하고 있었다. 다른 한편으로, 샘플 12, 샘플 20 내지 샘플 23 및 샘플 26 내지 샘플 28은, 조건 H를 충족하고 있지 않았다.
표 2에는, 샘플 1 내지 샘플 37의 층 내 방향에서의 선 팽창 계수, 두께 방향에서의 열 전도율 및 단부 온도차의 측정 결과가 나타나 있다. 선 팽창 계수로서는, 800℃에서 15분간의 보존 유지를 행한 후에 있어서 온도를 실온에서 200℃까지 변화시켰을 때의 층 내 방향에서의 선 팽창 계수(표 2 중의 「제1 선 팽창 계수」), 800℃에서 15분간의 보존 유지를 행하기 전에 있어서 온도를 실온에서 200℃까지 변화시켰을 때의 층 내 방향에서의 선 팽창 계수(표 2 중의 「제2 선 팽창 계수」) 및 800℃에서 15분간의 보존 유지를 행하기 전에 있어서 온도를 실온에서 800℃까지 변화시켰을 때의 층 내 방향에서의 선 팽창 계수(표 2 중의 「제3 선 팽창 계수」)가 측정되었다. 열 전도율은, 800℃에서 15분간의 보존 유지를 행한 후에 측정되었다.
샘플 31 내지 샘플 37의 제1 선 팽창 계수는, 샘플 1 내지 샘플 30의 제1 선 팽창 계수보다도 크게 되어 있었다. 상기와 같이, 샘플 1 내지 샘플 30은 조건 A를 충족하고 있는 한편, 샘플 31 내지 샘플 37은 조건 A를 충족하고 있지 않았다.
이 비교로부터, 제1층(11a) 및 제1층(11b)에 작용하고 있는 압축 잔류 응력이 50㎫ 이하로 됨으로써, 납땜을 행하기 위한 열이 가해졌을 때에, 제1층(11)과 제2층(12)과의 접합 계면에 크랙이 발생하는 것이 억제되는 것(납땜을 행하기 위한 열이 가해진 후에 있어서도 낮은 선 팽창 계수가 유지되는 것)이 명백해졌다.
샘플 3 내지 샘플 14, 샘플 18 내지 샘플 24 및 샘플 26 내지 샘플 29는, 제1 선 팽창 계수가 6ppm/K 이상 10ppm/K 이하인 것 및 층 내 방향에서의 열 전도율이 261W/m·K 이상인 것을 추가로 충족하고 있었다. 상기와 같이, 샘플 3 내지 샘플 14, 샘플 18 내지 샘플 24 및 샘플 26 내지 샘플 29는, 조건 B, 조건 C, 조건 D 및 조건 E를 추가로 충족하고 있었다.
이 비교로부터, 몰리브덴의 체적비가 13퍼센트 초과 43퍼센트 미만이고, 두께 T3이 두께 T1의 10퍼센트 초과이고, 제1층(11a)의 두께 T2 및 제1층(11b)의 두께 T2가 두께 T1의 25퍼센트 이하이고, 또한 제2층(12) 중에 있어서의 몰리브덴의 체적비가 55퍼센트 이상인 것에 의해, 납땜을 행하기 위한 열이 가해진 후에 있어서도, 복합 재료(10)의 두께 방향에서의 열 전도율을 유지하면서, 복합 재료(10)의 층 내 방향에서의 선 팽창 계수를 저감할 수 있는 것이 명백해졌다.
샘플 3 내지 샘플 14, 샘플 18 내지 샘플 24 및 샘플 26 내지 샘플 29의 제3 선 팽창 계수는, 7.5ppm/K 이상 8.5ppm/K 이하였다. 상기와 같이, 샘플 3 내지 샘플 14, 샘플 18 내지 샘플 24 및 샘플 26 내지 샘플 29는, 조건 B, 조건 C, 조건 D 및 조건 E를 추가로 충족하고 있었다.
이 비교로부터, 몰리브덴의 체적비가 13퍼센트 초과 43퍼센트 미만이고, 두께 T3이 두께 T1의 10퍼센트 초과이고, 제1층(11a)의 두께 T2 및 제1층(11b)의 두께 T2가 두께 T1의 25퍼센트 이하이고, 또한 제2층(12) 중에 있어서의 몰리브덴의 체적비가 55퍼센트 이상인 것에 의해, 복합 재료(10)의 선 팽창 계수와 케이스 부재의 선 팽창 계수와의 차이에 기인하여 납재에 크랙이 발생하는 것을 억제할 수 있는 것이 명백해졌다.
샘플 3 내지 샘플 12, 샘플 18 내지 샘플 23 및 샘플 26 내지 샘플 28의 단부 온도차는, 50℃ 미만이었다. 상기와 같이, 샘플 3 내지 샘플 12, 샘플 18 내지 샘플 23 및 샘플 26 내지 샘플 28은, 조건 F 및 조건 G를 추가로 충족하고 있었다.
이 비교로부터, 제1층(11a)의 두께 T2 및 제1층(11b)의 두께 T2가 두께 T1의 15퍼센트 이상임과 함께, 제1층(11a) 중에 있어서의 동의 체적비 및 제1층(11b) 중에 있어서의 동의 체적비가 90퍼센트 이상인 것에 의해, 단부 온도차를 작게 할 수 있는 것이 명백해졌다.
샘플 3 내지 샘플 11 및 샘플 18 내지 샘플 19에 있어서의 제1 선 팽창 계수와 제2 선 팽창 계수와의 차는, 0.3ppm/K 이하였다. 또한, 샘플 3 내지 샘플 11 및 샘플 18 내지 샘플 19에서는, 제1층(11a) 및 제1층(11b)에 작용하고 있는 압축 잔류 응력이 40㎫ 이하였다. 이 비교로부터, 제1층(11)의 수 및 제2층(12)의 수의 합계가 5 이상이고, 또한 두께 T3이 두께 T1의 18퍼센트 이상인 것에 의해, 제1층(11a) 및 제1층(11b)에 작용하고 있는 압축 잔류 응력이 더욱 작아지고, 납땜을 행하기 위한 열이 가해지는 것에 의한 층 내 방향에서의 선 팽창 계수의 증가가 억제되는 것이 명백해졌다.
(제2 실시 형태)
제2 실시 형태에 따른 반도체 패키지(이하 「반도체 패키지(100)」라고 함)를 설명한다.
도 7은, 반도체 패키지(100)의 분해 사시도이다. 반도체 패키지(100)는, 도 7에 나타나 있는 바와 같이, 복합 재료(10)와, 반도체 소자(30)와, 케이스 부재(40)와, 덮개(50)와, 단자(60a) 및 단자(60b)를 갖고 있다.
복합 재료(10)는, 반도체 패키지(100)에 있어서, 히트 스프레더로서 기능하고 있다. 반도체 소자(30)는, 제1 표면(10a) 상에 배치되어 있다. 반도체 소자(30)와 제1 표면(10a)과의 사이에는, 전열 부재가 개재되어 있어도 좋다. 반도체 소자(30)는, 동작 시에, 발열원이 된다.
케이스 부재(40)는, 예를 들면 세라믹스 재료로 형성되어 있다. 세라믹스 재료는, 예를 들면, 알루미나이다. 케이스 부재(40)는, 반도체 소자(30)를 둘러싸도록 제1 표면(10a) 상에 배치되어 있다. 케이스 부재(40)의 하단(제1 표면(10a)측의 단)과 제1 표면(10a)과의 사이는, 예를 들면 납땜에 의해 접합되어 있다. 덮개(50)는, 예를 들면, 세라믹스 재료 또는 금속 재료로 형성되어 있다. 덮개(50)는, 케이스 부재(40)의 상단측을 폐색하고 있다.
단자(60a) 및 단자(60b)는, 케이스 부재(40)에 삽입되어 있다. 그 결과, 단자(60a) 및 단자(60b)의 한쪽단은 제1 표면(10a), 케이스 부재(40) 및 덮개(50)에 의해 구획되는 공간 내에 위치하고 있고, 단자(60a) 및 단자(60b)의 다른 한쪽단은 당해 공간의 외부에 위치하고 있다. 단자(60a) 및 단자(60a)는, 예를 들면, 금속 재료로 형성되어 있다. 금속 재료는, 예를 들면, 코바르(Kovar)이다.
도시되어 있지 않지만, 단자(60a) 및 단자(60b)의 한쪽단측은, 반도체 소자(30)에 전기적으로 접속되어 있다. 반도체 패키지(100)는, 단자(60a) 및 단자(60b)의 다른 한쪽단측에 있어서, 반도체 패키지(100)와는 다른 장치 또는 회로와 전기적으로 접속된다.
제2 표면(10b)에는, 방열 부재(70)가 부착된다. 방열 부재(70)는, 예를 들면, 내부에 냉매가 흐르는 유로가 형성되어 있는 금속판이다. 단, 방열 부재(70)는, 이에 한정되는 것은 아니다. 방열 부재(70)는, 예를 들면, 냉각 핀이라도 좋다. 방열 부재(70)와 제2 표면(10b)과의 사이에는, 전열 부재가 개재되어 있어도 좋다.
금회에 개시된 실시 형태는 모든 점에서 예시로서, 제한적인 것은 아니라고 생각할 수 있어야 한다. 본 발명의 범위는, 상기의 실시 형태가 아니라 청구의 범위에 의해 나타나고, 청구의 범위와 균등의 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.
10 : 복합 재료
10a : 제1 표면
10b : 제2 표면
11, 11a, 11b : 제1층
12 : 제2층
15 : 박편
16 : 블록
20 : 적층체
21 : 제1 판재
22 : 제2 판재
30 : 반도체 소자
40 : 케이스 부재
50 : 덮개
60a : 단자
60b : 단자
70 : 방열 부재
80 : 알루미늄 핀
90 : 발열체
100 : 반도체 패키지
P : 하중
S1 : 준비 공정
S2 : 가열 공정
S3 : 압연 공정
T1, T2, T3 : 두께

Claims (19)

  1. 제1 표면과, 상기 제1 표면의 반대면인 제2 표면을 갖는 판 형상의 복합 재료로서,
    복수의 제1층과,
    적어도 1개의 제2층을 구비하고,
    상기 제1층 및 상기 제2층은, 상기 제1층이 상기 제1 표면 및 상기 제2 표면에 위치하도록, 상기 복합 재료의 두께 방향을 따라 교대로 적층되어 있고,
    상기 제1층은, 동(銅)을 포함하는 층이고,
    상기 제2층은, 동이 함침되어 있는 몰리브덴 압분체(壓粉體)의 층이고,
    상기 제1 표면에 위치하는 상기 제1층 및 상기 제2 표면에 위치하는 상기 제1층에는, 50㎫ 이하의 압축 잔류 응력이 작용하고 있는, 복합 재료.
  2. 제1항에 있어서,
    800℃에서 15분간 보존 유지한 후에 있어서, 상기 복합 재료의 온도를 실온에서 200℃까지 변화시켰을 때의 상기 제1 표면 및 상기 제2 표면에 평행한 방향에서의 상기 복합 재료의 선 팽창 계수는, 6ppm/K 이상 10ppm/K 이하이고,
    800℃에서 15분간 보존 유지한 후에 있어서, 상기 복합 재료의 두께 방향에서의 열 전도율은, 230W/m·K 이상인, 복합 재료.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1층의 수 및 상기 제2층의 수의 합계는, 5 이상이고,
    800℃에서 15분간 보존 유지한 후에 있어서, 상기 복합 재료의 두께 방향에서의 열 전도율은, 261W/m·K 이상인, 복합 재료.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    800℃에서 15분간 보존 유지하기 전에 있어서, 상기 복합 재료의 온도를 실온에서 800℃까지 변화시켰을 때의 상기 제1 표면 및 상기 제2 표면에 평행한 방향에서의 상기 복합 재료의 선 팽창 계수는, 7.5ppm/K 이상 8.5ppm/K 이하인, 복합 재료.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 표면에 위치하는 상기 제1층 및 상기 제2 표면에 위치하는 상기 제1층의 두께는, 상기 복합 재료의 두께의 25퍼센트 이하이고,
    상기 제2층의 두께는, 상기 복합 재료의 두께의 10퍼센트 초과이고,
    상기 제2층 중에 있어서의 몰리브덴의 체적비는, 55퍼센트 이상이고,
    상기 복합 재료 중에 있어서의 몰리브덴의 체적비는 13퍼센트 초과 43퍼센트 미만인, 복합 재료.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 표면에 위치하는 상기 제1층 중 및 상기 제2 표면에 위치하는 상기 제1층 중에 있어서의 동의 체적비는, 90퍼센트 이상이고,
    상기 제1 표면에 위치하는 상기 제1층의 두께 및 상기 제2 표면에 위치하는 상기 제1층의 두께는, 상기 복합 재료의 두께의 15퍼센트 이상인, 복합 재료.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2층의 두께는, 상기 복합 재료의 두께의 18퍼센트 이상이고,
    800℃에서 15분간의 보존 유지를 행하는 전후에서의 상기 복합 재료의 온도를 실온에서 200℃까지 변화시켰을 때의 상기 제1 표면 및 상기 제2 표면에 평행한 방향에서의 상기 복합 재료의 선 팽창 계수의 변화는, 0.3ppm/K 이하인, 복합 재료.
  8. 제1 표면과, 상기 제1 표면의 반대면인 제2 표면을 갖는 판 형상의 복합 재료로서,
    복수의 제1층과,
    적어도 1개의 제2층을 구비하고,
    상기 제1층 및 상기 제2층은, 상기 제1층이 상기 제1 표면 및 상기 제2 표면에 위치하도록, 상기 복합 재료의 두께 방향을 따라 교대로 적층되어 있고,
    상기 제1층은, 동을 포함하는 층이고,
    상기 제2층은, 동이 함침되어 있는 몰리브덴 압분체의 층이고,
    800℃에서 15분간 보존 유지한 후에 있어서, 상기 복합 재료의 온도를 실온에서 200℃까지 변화시켰을 때의 상기 제1 표면 및 상기 제2 표면에 평행한 방향에서의 상기 복합 재료의 선 팽창 계수는, 6ppm/K 이상 10ppm/K 이하이고,
    800℃에서 15분간 보존 유지한 후에 있어서, 상기 복합 재료의 두께 방향에서의 열 전도율은, 230W/m·K 이상인, 복합 재료.
  9. 제8항에 있어서,
    800℃에서 15분간 보존 유지하기 전에 있어서, 상기 복합 재료의 온도를 실온에서 800℃까지 변화시켰을 때의 상기 제1 표면 및 상기 제2 표면에 평행한 방향에서의 상기 복합 재료의 선 팽창 계수는, 7.5ppm/K 이상 8.5ppm/K 이하인, 복합 재료.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 제1층의 수 및 상기 제2층의 수의 합계는, 5 이상이고,
    800℃에서 15분간 보존 유지한 후에 있어서, 상기 복합 재료의 두께 방향에서의 열 전도율은, 261W/m·K 이상인, 복합 재료.
  11. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 표면에 위치하는 상기 제1층 및 상기 제2 표면에 위치하는 상기 제1층의 두께는, 상기 복합 재료의 두께의 25퍼센트 이하이고,
    상기 제2층의 두께는, 상기 복합 재료의 두께의 10퍼센트 초과이고,
    상기 제2층 중에 있어서의 몰리브덴의 체적비는, 55퍼센트 이상이고,
    상기 복합 재료 중에 있어서의 몰리브덴의 체적비는, 13퍼센트 초과 43퍼센트 미만인, 복합 재료.
  12. 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 표면에 위치하는 상기 제1층 중 및 상기 제2 표면에 위치하는 상기 제1층 중에 있어서의 동의 체적비는, 90퍼센트 이상이고,
    상기 제1 표면에 위치하는 상기 제1층의 두께 및 상기 제2 표면에 위치하는 상기 제1층의 두께는, 상기 복합 재료의 두께의 15퍼센트 이상인, 복합 재료.
  13. 제8항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2층의 두께는, 상기 복합 재료의 두께의 18퍼센트 이상이고,
    800℃에서 15분간의 보존 유지를 행하는 전후에서의 상기 복합 재료의 온도를 실온에서 200℃까지 변화시켰을 때의 상기 제1 표면 및 상기 제2 표면에 평행한 방향에서의 상기 복합 재료의 선 팽창 계수의 변화는, 0.3ppm/K 이하인, 복합 재료.
  14. 제1 표면과, 상기 제1 표면의 반대면인 제2 표면을 갖는 판 형상의 복합 재료와,
    상기 제1 표면 상 및 상기 제2 표면 상의 어느 것에 납땜되어 있는 케이스 부재를 구비하고,
    상기 복합 재료는, 복수의 제1층과, 적어도 1개의 제2층을 갖고,
    상기 제1층 및 상기 제2층은, 상기 제1층이 상기 제1 표면 및 상기 제2 표면에 위치하도록, 상기 복합 재료의 두께 방향을 따라 교대로 적층되어 있고,
    상기 제1층은, 동을 포함하는 층이고,
    상기 제2층은, 동이 함침되어 있는 몰리브덴 압분체의 층이고,
    상기 복합 재료의 온도를 실온에서 200℃까지 변화시켰을 때의 상기 제1 표면 및 상기 제2 표면에 평행한 방향에서의 상기 복합 재료의 선 팽창 계수는, 6ppm/K 이상 10ppm/K 이하이고,
    상기 복합 재료의 두께 방향에서의 열 전도율은, 230W/m·K 이상인, 반도체 패키지.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1층의 수 및 상기 제2층의 수의 합계는, 5 이상이고,
    800℃에서 15분간 보존 유지한 후에 있어서, 상기 복합 재료의 두께 방향에서의 열 전도율은, 261W/m·K 이상인, 반도체 패키지.
  16. 제14항 또는 제15항에 있어서,
    상기 제1 표면에 위치하는 상기 제1층 및 상기 제2 표면에 위치하는 상기 제1층의 두께는, 상기 복합 재료의 두께의 25퍼센트 이하이고,
    상기 제2층의 두께는, 상기 복합 재료의 두께의 10퍼센트 초과이고,
    상기 제2층 중에 있어서의 몰리브덴의 체적비는, 55퍼센트 이상이고,
    상기 복합 재료 중에 있어서의 몰리브덴의 체적비는, 13퍼센트 초과 43퍼센트 미만인, 반도체 패키지.
  17. 제14항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 표면에 위치하는 상기 제1층 중 및 상기 제2 표면에 위치하는 상기 제1층 중에 있어서의 동의 체적비는, 90퍼센트 이상이고,
    상기 제1 표면에 위치하는 상기 제1층의 두께 및 상기 제2 표면에 위치하는 상기 제1층의 두께는, 상기 복합 재료의 두께의 15퍼센트 이상인, 반도체 패키지.
  18. 제14항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2층의 두께는, 상기 복합 재료의 두께의 18퍼센트 이상이고,
    800℃에서 15분간의 보존 유지를 행하는 전후에서의 상기 복합 재료의 온도를 실온에서 200℃까지 변화시켰을 때의 상기 제1 표면 및 상기 제2 표면에 평행한 방향에서의 상기 복합 재료의 선 팽창 계수의 변화는, 0.3ppm/K 이하인, 반도체 패키지.
  19. 적층체를 준비하는 공정과,
    상기 적층체를 가열하는 공정과,
    가열된 상태의 상기 적층체를 압연하는 공정을 구비하고,
    상기 적층체는, 제1 표면과, 상기 제1 표면의 반대면인 제2 표면을 갖고,
    상기 적층체는, 복수의 제1 판재와, 적어도 1개의 제2 판재를 갖고,
    상기 제1 판재 및 상기 제2 판재는, 상기 제1 판재가 상기 제1 표면 및 상기 제2 표면에 위치하도록, 상기 적층체의 두께 방향을 따라 교대로 배치되어 있고,
    상기 제1 판재는, 동을 포함하고,
    상기 제2 판재는, 동이 함침되어 있는 몰리브덴 압분체인, 복합 재료의 제조 방법.
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