JPH0347944A - 放熱用基板材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 この発明は半導体素子を搭載するための放熱用基板材料
に関し、より詳しくは、線膨張係数が半導体素子（−船
釣にはシリコンが使われている）のそれに近似すると共
に、良好な熱伝導率１機械加工性等を備えた放熱用基板
材料に関するものである。

〈従来技術とその課題〉 近年、ＩＣ，ＬＳＩ、ＶＬＳＩ等に使われている各種の
基板を如何に冷却するかが重要な課題となっており、こ
れを解決すべく、一般には前記各種基板に金属製熱放散
用基板材料を接合して放熱を行う冷却方法の採用がなさ
れている。

従って、半導体集積回路の放熱用基板材料には良好な熱
放散性（熱伝導性）が要求されているが、これに加えて
「線膨張係数が素子及び他のパソケジ構成材料や回路基
板のそれに近似していること」、更には「軽量で機械加
工性が良く安価であること」等も欠かせない特性とされ
ている。そして、放熱用基板に求められている上記要求
特性を一応は満たす材料として“Ｃｕ、　Ｍｏ、　Ｗ、
　Ｎｉ　−Ｆｅ合金、Ｎ＋−Ｇｏ−Ｆｅ合金、　Ａｆ！
、　Ｓｔ等の単体部材を組立てたもの”や“これら単体
材料の複合体”が知られている。

しかし、このうち“単体の組立材”には次のような問題
があった。即ち、“単体の組立材”では組立てが複雑で
熱抵抗が一定レベルより小さくならないことに加え、各
々の単体は異なる線膨張係数を有するので接合面積を大
きくできない等、パッケージの設計、製造、熱抵抗特性
等の面で大きな制約を受ける。そのため、単体材料の適
用は一般的でなく、現在採用されている半導体集積回路
の放熱用基板材料は殆んどが“複合体”であると言うの
が実情である。

ところが、この“複合体”についても以下のような問題
が指摘されていた。

つまり、上記複合体の製造には主として“仮クラッド法
”と“粉末焼結法“が採用されている。

このうちの“板クラッド法”は、熱伝導率が大きくかつ
線膨張係数の大きな材料（例えばＣｕ等）と熱伝導率が
小さく　かつ線膨張係数の小さな材料（例えばＮｉ−Ｆ
ｅ合金、　Ｎｉ−Ｃｏ、Ｒｅ合金等）との組み合わせに
よる多層の板状素材を積層・圧接する方法であるが、こ
の方法では複合体の工業的な量産が可能で比較的安価に
大面積の基板を得ることができる反面、複合体の特性に
異方性が生じ易く、しかも接合が困難であることから、
適用に当ってはこの点に十分留意する必要があった。即
ち、“板クラッド法”で製造された複合体は、板面方向
の熱伝導率は良好であるものの板厚方向には悪くなる傾
向があり、また線膨張係数も板面方向には低いが板厚方
向には高くなる傾向にある。従って、回路組立ての際に
搭載された素子にクラックや剥離が生じたりリーク不良
が起きたりし、半導体そのものの機能や寿命を落とすと
言った不都合が懸念された。

一方、“粉末焼結法”については“混合焼結法”と“溶
浸法”があるが、このうちの“混合焼結法”は複合化し
ようとする金属の粉末（例えばＣｕとＷ）を単純に混ぜ
合わせ、同時に焼結して固める方法であり、同一のＣｕ
比率であれば溶浸法のものよりも線膨張係数が大きくな
って好ましくない。

これに対し、“溶浸法”はタングステン（Ｗ）粉末をプ
レス成形して焼結することで微細な空孔が均一にかつ開
放して分布した多孔質体を形成した後、この多孔質体に
溶融した銅（Ｃｕ）を含浸させることにより連結体化し
た複合体とする方法であるが（例えば特開昭５９−１４
１２４７号参照）、この方法で得られる複合体ではＷが
Ｃｕの熱膨張を拘束することとなるため好適な線膨張係
数の実現が可能である。このようなことから、放熱基板
として用いられるＣｕ−Ｗ複合体は、低熱膨張・高熱伝
導製品の実現に有利な“溶浸法”で製造されるのが一般
的であったが、それでも高価であることや比重が大きく
て難加工性であること等のために用途面で制約を受ける
のを無視できなかった。

また、これとは別に、Ｗ又はＭｏ、　Ｃｕ、　Ｎｉの含
有比率を調整することによって放熱用基板材料の線膨張
係数と素子の線膨張係数とを実質的に一致させるように
した合金材も提案されているが（特開昭６２−２９４１
４７号）、ＭｏやＷ等の高融点材料は高価な上に加工性
にも難があるので、これらを主体とす一 る放熱用基板材料も高価で重量が重く、しかも加工が困
難であるとの不都合を拭えなかった。

そこで、これらの問題点を解消し、しかも熱伝導性の一
層向上した放熱用基板材料を提供すべく、高熱伝導材料
であるＡＩ！、Ｃｕ、八ｇ又はその合金を芯材に用い、
これに高温でも高い抗張力を示すと共に線膨張係数が低
い金属を巻き付けた“二次線材”複数本にて放熱用基板
を構成する提案もなされている（特開昭６１−２０８８
９９号、特開昭６３−１４８２９号）。

しかしながら、この放熱用基板材料では確かにＭ。

等の使用量を減らすことができて幾分安価にはなるが、
その便益は未だ不十分である上、他方では軸線方向と軸
線に対して直角方向との線膨張係数の差が大きいために
製品としての信顧性に劣ると言う問題があった。

上述のように、従来知られていた熱放散用基板材料は何
れも、高価でかつ加工が困難であったり、安価ではあっ
ても線膨張係数や熱伝導率に異方性があること、比重が
大きいこと、回路組立て時の素子及びセラミックス等の
整合性が良くないことへ ６− 等の問題があるため、必ずしも適正な熱放散用基板材料
とは言えなかった。

このようなことから、本発明の目的は、半導体素子との
線膨張係数の差が非常に小さく、かつ素子の熱放散を十
分に促し、更には軽量で機械加工性の良い安価な基板材
料（熱放散用基板材料）を提供することに置かれた。

く課題を解決するための手段〉 そこで、本発明者等は、上記目的を達成すべく数多くの
実験を繰り返しながら研究を重ねたところ、次に示すよ
うな新しい事実を見出すに至った。

即ち、一般に熱放散を行う上で好適な高い熱伝導率を示
す殆んどの金属（例えばＣｕ）は半導体素子の基板材料
としては好ましくない高い線膨張係数を有している。一
方、Ｆｅ、　Ｎｉ、　Ｃｏ等は熱伝導率の低い金属とし
て知られているが、Ｃｕはどではないものの線膨張係数
が比較的高く、半導体素子の放熱基板材料としては最も
望ましくない特性を有する材料である。ところが、これ
らＦｅ、　Ｎｉ又はＣｏをそれぞれ特定の割合で配合し
た旧−Ｆｅ合金又はＮｉＣｏ　−Ｆｅ合金（３６％Ｎｉ
−６４％Ｆｅ合金、４２％Ｎ＋−５８％Ｆｅ合金或いは
２９％Ｎｉ−１６％Ｃｏ−５５％Ｆｅ合金：以降、成分
割合を表わす％は重量％とする）になると、線膨張係数
も熱伝導率も低い材料が得られる。

その上、これらＦｅ＋　Ｎｉ、　Ｃｏに加えて調整され
た量のＣｕをも含有させると、Ｇｏを主とする合金相と
Ｆｅを主とする合金相とが混在した高い熱伝導率と低い
線膨張係数を兼備する合金が得られ、十分な熱放散性と
集積回路パッケージ構成材料（セラミックス等）に近い
線膨張係数を示ず熱放散用基板材料が実現される。

この発明は、上記知見等に基づいてなされたものであり
、その特徴とするところは 「放熱用基板材料を、主成分として Ｃｕ：３０〜５０％、　　Ｎｉ：１０〜４０％Ｆｅ：２
０〜４５％ を含有するか、或いは更に Ｃｏ：５〜１５％ をも含む成分組成に構成した点」 にある。

７ ここで、本発明に係る放熱用基板材料は、前記主成分の
他に Ｃ：０．旧％以下、　　　Ｓｉ　：　０．１０％以下。

Ｓ　：　２０〜７０ｐｐｍ程度。

０□：２０〜２８ｐｐｍ程度。

Ｎ２：　１０ｐｐｍ前後 等の不可避的不純物を含んでいても差し支え無く、また
微量成分として Ｍｎ　：　Ｏ，１５〜０．２８％程度。

ＡＮ　：　０．０３〜０．３０％程度。

Ｍｏ　：　２．０％以下程度 等を含有していたとしても、主成分の含有割合さえ前記
条件を満たしておれば十分に所要特性を確保することが
できる（ただ、不可避的不純物と微量成分との総量は１
％以下、より好ましくは０，７％以下程度に抑えるのが
望ましい）。

以下、本発明において放熱用基板材料を構成する主成分
の含有割合を前記の如くに限定した理由を、その作用と
共に詳述する。

く作用〉 Ｃｕ 放熱用基板材料として要求される重要な特性の１つたる
“高い熱伝導率”は主としてＣｕの含有量で決まり、Ｃ
ｕ含有量が多くなるほど熱伝導率は高くなる。一方、も
う１つの重要な要求特性である“低い線膨張係数”も主
としてＣｒｕの含有量で決まり、該含有量の少ない方が
線膨張係数は低くなる。

そして、Ｃｕ含有量が３０％を下回ると所望の熱伝導率
が確保できず、またＣｕ含有量が５０％を上回った場合
には線膨張係数を所望値内におさることができなくなる
ことから、Ｃｕ含有量は３０〜５０％と定めた。

このことより、自ずと最適な量がある。後述するように
３０〜５０重量％の含有量が望ましいことが分かった。

…ユバ及Ｕ並 前述したように、Ｆｅ及びＮｉから成るＮｉ−Ｆｅ合金
或いはＦｅ、　Ｎｉ及びＣｏから成るＮｉ　−Ｃｏ−Ｆ
ｅ合金は特定の成分配合割合（（２５〜５５％）Ｎｉ−
（０〜２０％）Ｃｏ−（４５〜７５％）Ｆｅ）になると
低い線膨張率を示すようにな０ る。即ち、ＦｅとＮｉ１或いはＦｅ、　Ｎｉ及びＣＯを
配合した本発明に係る合金材中にはＦｅを主とする合金
相ができて低い線膨張係数を示し、合金全体の線膨張係
数低減に寄与するが、この合金相はＮｉ、　Ｆｅ又はＮ
ｉ、　Ｃｏ、　Ｆｅの含有比率に返信しており、従って
Ｆｅ、　Ｎｉ、　Ｃｏの含有比率は線膨張率に特異性を
発揮する（低い線膨張率を実現する）Ｎｉ　−Ｆｅ合金
又はＮｉ　−Ｇｏ−Ｐｅ合金の比率に近くする必要があ
る。

このように、Ｎｉ含有量が１０％を下回ったり、またＦ
ｅ含有量が２０％を下回ったり、或いは更にＣｏを添加
する場合にはＣｏ含有量が５％未満であった場合、又は
、逆にＮｉ含有量が４０％を、またＦｅ含有量が４５％
を、そしてＣｏ含有量が１５％をそれぞれ超えると所望
の低い線膨張係数が実現できなくなることから、Ｎｉ含
有量は１０〜４０％と、Ｆｅ含有量は２０〜４５％と、
またＣｏ含有量は５〜１５％と限定した。

なお、本発明に係る放熱用基板材料の製造には、次の“
溶解法”や“粉末冶金法”等の何れを採用しても良い。

Ａ）溶解法 Ｆ　ｅ　＋　Ｃｕ　＋　Ｎ　ｉ＋　Ｃｏの各成分を溶解
して所定割合とでるように混合した後、これを冷却して
鋳塊となし、次いで熱間鍛造、熱間押出、熱間圧延等の
延伸加工を施す方法。

Ｂ）粉末冶金法 粉末冶金法としては、例えば次の２手法が採用できる。

（ａ）　　Ｆｅ、　Ｃｕ、　Ｎｉ、　Ｃｏの各粉末を適
正な割合で混合して金属製のシース管に充填した後、該
シス管内を真空脱気し、熱間押出、熱間静水圧押出、熱
間圧延等の延伸加工或いは熱間静水圧プレス等の加圧加
工を施す方法。

（ｂｌ　　Ｎｉ−Ｆｅ合金或いはＮｉ−Ｃｏ−Ｆｅ合金
とＣｕの金属材をアトマイズ法等で粉末化した後、それ
ぞれを適正な割合で混合して金属製のシース管に充填し
、次いで該シース管内を脱気して熱間押出、熱間静水圧
押出、熱間圧延等の延伸加工或いは熱間静水圧プレス等
の加圧加工を施す方法。

１ 続いて、実施例によって本発明の効果を更に具体的に説
明する。

〈実施例〉 実施例　１ まず、Ｃｕ含有量がｎ％（但し、ｎ＝２０．３０゜４０
．５０及び６０）で、 なる成分組成のＦｅ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｃｏ合金を溶製した
後、これを鍛伸して棒材となし、これから切り出した試
験片の線膨張係数並びに熱伝導率を測定することで、Ｆ
ｅ−Ｃｕ−Ｎｉ　−Ｃｏ合金材の線膨張係数及び熱伝導
率に及ぼすＣｕ含有量の影響を確認した。

第１図は上記“線膨張係数に及ぼすＣｕ含有量の影響”
の測定結果をグラフ化したものであり、また第２図は“
熱伝導率に及ぼすＣｕ含有量の影響”の測定結果をグラ
フ化したものである。なお、比較のため、第１図には“
封着材料であるＡｆ２０３”と“放熱基板材料に良く用
いられているＣｕ含浸焼結材（Ｗ　−２０％Ｃｕ）“の
線膨張係数をも併記し、ま１ま た第２図には上記Ｃｕ含浸焼結材の熱伝導率を併記した
。

さて、半導体素子を搭載するための放熱用基板材料とし
ては、線膨張係数は八１□０３の線膨張係数に一致する
ものが最も良いが、実際にはそのような材料は見付かっ
ていないので、従来、これに近いＣｕ含浸焼結材が一般
的に用いられてきたことは既述の通りである。この場合
、基板材料とＡｆｉ２０３の線膨張係数との差の絶対値
が大きい時には高温からの冷却時に封着材料ＡＩ！　ｚ
　Ｏ３と放熱基板材との線膨張係数の違いにより封着・
材料に割れが生じるが、その差が（１〜１．５）　ｘ　
１０−６／　”ｃ以内であれば実質上割れが生じないと
考えられる。そして、これらを考慮して第１図に示され
る結果を検討すると、前記Ｆｅ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｃｏ合金
材においてＣｕ含有量が５０％を超えると八β２０３と
の線膨張係数の差が大きくなり過ぎるが、Ｃｕ含有量を
５０％以下に調整すると前記線膨張係数の差が（１〜１
．５）　Ｘ　１０−’／”Ｃ以内になって、基板材料の
要求特性が満たされることが分かる。

一方、前記Ｆｅ−Ｃｕ−Ｎｉ　−Ｃｏ合金材の熱伝導率
については、第２図からも確認できるように、Ｃｕの含
有割合が大きくなるにつれて熱伝導率が向上する。そし
て、既述したように第２図には実用化されているＣｕ含
浸焼結材（Ｗ−２０％Ｃｕ）の熱伝導率も示しているが
、最近の要望はこれと同等乃至はそれ以上の熱伝導率を
示す材料である。

しかるに、第２図に示される結果からも明らかなように
、Ｆｅ−Ｃｕ−Ｎｉ　−Ｃｏ合金材のＣｕ含有量が２０
％ではＣｕ含浸焼結材と比較してかなり低い熱伝導率と
なるものの、Ｃｕ含有量が３０％になるとＣｕ含浸焼結
材と同等の熱伝導率となり、４０％以上のＣｕ含有量で
は非常に優れた熱伝導率の材料となっている。

従って、前記第１図及び第２図に示される両結果からし
て、Ｃｕ含有量が３０〜５０％に調整され、かつ所定割
合でＮｉ、　Ｃｏを含有量する本発明Ｆｅ−ＣｕＮ１−
Ｃｏ合金材料は、放熱基板材料として十分に満足できる
熱伝導率と線膨張係数とを兼ね備えていることが分かる
。

なお、これら本発明に係る合金材は旋盤による試験片の
削り出しを行っても何ら不都合を生ぜず、機械加工性に
も優れていることが分かった。更に、本発明に係る合金
材の比重は８．０〜８．３とＣｕ含浸焼結材（比重：　
１７．０）の半分であり、かなり軽量化されることも確
認された。

実施例　２ ３５０メツシュ粒径の銅粉、−１５０メフシ１粒径のＮ
ｉ−Ｃｏ−Ｆｅ合金粉或いはＮｉ−Ｆｅ合金粉を第１表
に示す割合で配合して混合し、これを外径＝６７ｍｌ肉
厚：５璽璽の銅のシース管に充填してシース管内を（２
〜４）　Ｘ　１０−’Ｔｏｒｒに真空脱気した後、９５
０℃に加熱して外径：３０寵にまで熱間押出しを行って
棒材となし、これから切り出した試験片の線膨張係数並
びに熱伝導率を測定した。

その結果を第１表に併せて示す。

第１表に示される結果からも明らかなように、本発明に
係る材料では八２□０３のそれにかなり近い線膨張係数
であるにもかかわらすＣｕ含浸焼結材と同等又はそれ以
上の熱伝導率を示し、放熱用基板材料として優れた性能
を備えていることが分かる。

これに対して、本発明の規定範囲を超えてＣＯを含有さ
せた比較材６では線膨張係数はＡＩｌ□０３に近いもの
の熱伝導率がかなり劣っており、またＮｉ含有量が本発
明の規定範囲から外れた比較材７及び８、Ｆｅ含有量が
本発明の規定範囲から外れた比較材９では、熱伝導率は
良好であるが線膨張係数がかなり大きくなることが確認
できる。

く効果の総括〉 以上に説明した如く、本発明によれば、良好な熱伝導率
を示すと共に線膨張係数が封着材料に近い、放熱用基板
材料として優れた性能を備えた合金材料を提供すること
ができ、しかも該材料は単なるＣｕ、　Ｎｉ＋　Ｃｏ＋
　Ｆｅの適正配合のみで実現されるので製造が容易であ
る上、比較的安価かつ軽量で、加工性も良好であるなど
、産業の発達に大きく寄与することが期待される。

線膨張係数に及ぼすＣｕ含有量の影響を示したグラフで
ある。

第２図は、本発明に係るＦｅ−Ｃｕ−Ｎｉ　−Ｃｏ合金
の熱伝導率に及ぼすＣｕ含有量の影響を示したグラフで
ある。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）主成分として、 Ｃｕ：３０〜５０％、Ｎｉ：１０〜４０％ Ｆｅ：２０〜４５％ を含有する成分組成（何れも重量％）に構成されたこと
   を特徴とする放熱用基板材料。
2. （２）主成分として、 Ｃｕ：３０〜５０％、Ｎｉ：１０〜４０％、Ｆｅ：２０
   〜４５％、Ｃｏ：５〜１５％ を含有する成分組成（何れも重量％）に構成されたこと
   を特徴とする放熱用基板材料。