JPH06291227A - 金属スタッド付半導体放熱基板の製造方法 - Google Patents
金属スタッド付半導体放熱基板の製造方法Info
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- JPH06291227A JPH06291227A JP10043393A JP10043393A JPH06291227A JP H06291227 A JPH06291227 A JP H06291227A JP 10043393 A JP10043393 A JP 10043393A JP 10043393 A JP10043393 A JP 10043393A JP H06291227 A JPH06291227 A JP H06291227A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 半導体放熱基板に金属スタッドを接合するに
際して、半導体放熱基板に接合時の圧痕や加熱による変
質ないし反りが殆ど発生せず、接合部が高い耐熱性と優
れた強度を有し、低コストで信頼性の高い金属スタッド
付半導体放熱基板の製造方法を提供する。 【構成】 Ｗ又はＭｏ、ＣｕとＷ又はＭｏの複合合金、
Ｗを含む焼結合金、Ｗ又はＭｏの芯材とＣｕ又はＡｌの
表面材とのクラッド合金、若しくはＡｌ−Ｓｉ複合合金
からなる半導体放熱基板１に、当該基板１への接合面５
が１°〜４５°の角度でほぼ円錐状に突き出たテーパー
面で且つ当該テーパー面の先端部に小突起６を有する放
熱フィン取付用の金属スタッド２を、パーカッションス
タッド溶接により接合する金属スタッド付半導体放熱基
板の製造方法。
際して、半導体放熱基板に接合時の圧痕や加熱による変
質ないし反りが殆ど発生せず、接合部が高い耐熱性と優
れた強度を有し、低コストで信頼性の高い金属スタッド
付半導体放熱基板の製造方法を提供する。 【構成】 Ｗ又はＭｏ、ＣｕとＷ又はＭｏの複合合金、
Ｗを含む焼結合金、Ｗ又はＭｏの芯材とＣｕ又はＡｌの
表面材とのクラッド合金、若しくはＡｌ−Ｓｉ複合合金
からなる半導体放熱基板１に、当該基板１への接合面５
が１°〜４５°の角度でほぼ円錐状に突き出たテーパー
面で且つ当該テーパー面の先端部に小突起６を有する放
熱フィン取付用の金属スタッド２を、パーカッションス
タッド溶接により接合する金属スタッド付半導体放熱基
板の製造方法。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、放熱フィンを取り付け
るための金属スタッドを接合した半導体放熱基板の製造
方法に関する。
るための金属スタッドを接合した半導体放熱基板の製造
方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体用基板材料としては、半導体素子
と熱膨張係数が近似したコバールや４２アロイ等のニッ
ケル合金や、アルミナ等のセラミックス材料が使用され
てきたが、近年における半導体素子の大型化や発熱量の
増大に伴って、半導体素子から発生する熱を効率良く放
熱できるように熱伝導性にも優れた基板材料が要求され
るようになっている。
と熱膨張係数が近似したコバールや４２アロイ等のニッ
ケル合金や、アルミナ等のセラミックス材料が使用され
てきたが、近年における半導体素子の大型化や発熱量の
増大に伴って、半導体素子から発生する熱を効率良く放
熱できるように熱伝導性にも優れた基板材料が要求され
るようになっている。
【０００３】そこで最近では、熱膨張係数が半導体素子
と近似すると同時に優れた放熱性を備えた放熱基板材料
として、Ｗ又はＭｏの純金属、Ｃｕ−ＷやＣｕ−Ｍｏの
ようなＣｕとＷ又はＭｏの複合合金、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｗ、
Ｆｅ−Ｎｉ−Ｗ、Ｃｕ−Ｆｅ−Ｎｉ−ＷのようなＷを含
む焼結合金、Ｃｕ−Ｗ−Ｃｕ、Ｃｕ−Ｍｏ−Ｃｕ、Ａｌ
−Ｗ−Ａｌ、Ａｌ−Ｍｏ−ＡｌのようなＷ又はＭｏの芯
材とＣｕ又はＡｌの表面材とのクラッド合金、若しくは
Ａｌ−Ｓｉ複合合金が使用されつつある。
と近似すると同時に優れた放熱性を備えた放熱基板材料
として、Ｗ又はＭｏの純金属、Ｃｕ−ＷやＣｕ−Ｍｏの
ようなＣｕとＷ又はＭｏの複合合金、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｗ、
Ｆｅ−Ｎｉ−Ｗ、Ｃｕ−Ｆｅ−Ｎｉ−ＷのようなＷを含
む焼結合金、Ｃｕ−Ｗ−Ｃｕ、Ｃｕ−Ｍｏ−Ｃｕ、Ａｌ
−Ｗ−Ａｌ、Ａｌ−Ｍｏ−ＡｌのようなＷ又はＭｏの芯
材とＣｕ又はＡｌの表面材とのクラッド合金、若しくは
Ａｌ−Ｓｉ複合合金が使用されつつある。
【０００４】かかる半導体放熱基板には熱を外部に放出
するための放熱フィンが取り付けられるが、上記したＷ
又はＭｏ、ＣｕとＷ又はＭｏの複合合金、Ｗを含む焼結
合金、Ｗ又はＭｏの芯材とＣｕ又はＡｌの表面材とのク
ラッド合金、若しくはＡｌ−Ｓｉ複合合金からなる放熱
基板においては、放熱フィン取付用の金属スタッドを高
い信頼性をもって溶接することが難しかった。
するための放熱フィンが取り付けられるが、上記したＷ
又はＭｏ、ＣｕとＷ又はＭｏの複合合金、Ｗを含む焼結
合金、Ｗ又はＭｏの芯材とＣｕ又はＡｌの表面材とのク
ラッド合金、若しくはＡｌ−Ｓｉ複合合金からなる放熱
基板においては、放熱フィン取付用の金属スタッドを高
い信頼性をもって溶接することが難しかった。
【０００５】例えば、抵抗溶接を行う場合には、図２に
示すように半導体放熱基板１と金属スタッド２の両方に
電極３を取り付け、半導体放熱基板１と金属スタッド２
に圧力を加えて接触させながら電極３に電流を通じ、半
導体放熱基板１と金属スタッド２の接触部を抵抗発熱に
より溶融させ、加えた圧力により溶接する。従って、抵
抗溶接では、半導体放熱基板１の電極３を圧接した箇所
に圧痕が残ってしまうという問題があった。
示すように半導体放熱基板１と金属スタッド２の両方に
電極３を取り付け、半導体放熱基板１と金属スタッド２
に圧力を加えて接触させながら電極３に電流を通じ、半
導体放熱基板１と金属スタッド２の接触部を抵抗発熱に
より溶融させ、加えた圧力により溶接する。従って、抵
抗溶接では、半導体放熱基板１の電極３を圧接した箇所
に圧痕が残ってしまうという問題があった。
【０００６】又、図３に示すように、アーク放電による
スタッド溶接を行う場合、接触させた半導体放熱基板１
と金属スタッド２の間に電流を通すと同時に金属スタッ
ド２を僅かに引き上げ、半導体放熱基板１と金属スタッ
ド２の間に生じるアーク放電４により接合すべき部分を
溶融し、再び金属スタッド２を半導体放熱基板１に圧接
して溶接する。ところが、半導体放熱基板１は一般的に
厚さが約１ｍｍと薄いため、アーク放電４の熱量により
溶接後に半導体放熱基板１に変質や残留応力による反り
が発生してしまうという欠点があった。
スタッド溶接を行う場合、接触させた半導体放熱基板１
と金属スタッド２の間に電流を通すと同時に金属スタッ
ド２を僅かに引き上げ、半導体放熱基板１と金属スタッ
ド２の間に生じるアーク放電４により接合すべき部分を
溶融し、再び金属スタッド２を半導体放熱基板１に圧接
して溶接する。ところが、半導体放熱基板１は一般的に
厚さが約１ｍｍと薄いため、アーク放電４の熱量により
溶接後に半導体放熱基板１に変質や残留応力による反り
が発生してしまうという欠点があった。
【０００７】このため、従来は溶接による接合を避け、
ロウ付け接合により金属スタッドを半導体放熱基板に接
合していた。しかしながら、ロウ付け接合により製造し
た金属スタッド付半導体放熱基板の耐熱温度は、放熱基
板や金属スタッドよりも融点が低いロウ材により決定さ
れるため、銀ロウを用いた場合でも高々８００℃程度の
耐熱性しか得られない。従って、後に半導体放熱基板を
セラミックパッケージ等と銀ロウ付けする場合のよう
に、約８００℃前後の高温で処理する工程で接合部の品
質が劣化してしまう欠点があった。
ロウ付け接合により金属スタッドを半導体放熱基板に接
合していた。しかしながら、ロウ付け接合により製造し
た金属スタッド付半導体放熱基板の耐熱温度は、放熱基
板や金属スタッドよりも融点が低いロウ材により決定さ
れるため、銀ロウを用いた場合でも高々８００℃程度の
耐熱性しか得られない。従って、後に半導体放熱基板を
セラミックパッケージ等と銀ロウ付けする場合のよう
に、約８００℃前後の高温で処理する工程で接合部の品
質が劣化してしまう欠点があった。
【０００８】又、金属スタッド半導体放熱基板に金属ス
タッドをロウ付けするためには、厚さ５０μｍ程度の極
めて薄く且つ小さいロウ材を半導体放熱基板との接合部
に正確にセットする必要があるため、自動化が困難であ
り、又ロウ材のコストがかさむためコスト高になるとい
う問題点があった。
タッドをロウ付けするためには、厚さ５０μｍ程度の極
めて薄く且つ小さいロウ材を半導体放熱基板との接合部
に正確にセットする必要があるため、自動化が困難であ
り、又ロウ材のコストがかさむためコスト高になるとい
う問題点があった。
【０００９】更に、半導体放熱基板が軽量化に有利なＷ
又はＭｏの芯材とＡｌの表面材とのクラッド合金か若し
くはＡｌ−Ｓｉ複合合金の場合、金属スタッドをＡｌ又
はその合金とすることが軽量化及び接合部の信頼性確保
の点から適切であるが、Ａｌの融点は６６０℃及びＡｌ
−Ｓｉ複合合金の融点は５７８℃と低いため、適当なロ
ウ材が存在せず接合ができなかったので、信頼性のある
接合技術の提供が望まれていた。
又はＭｏの芯材とＡｌの表面材とのクラッド合金か若し
くはＡｌ−Ｓｉ複合合金の場合、金属スタッドをＡｌ又
はその合金とすることが軽量化及び接合部の信頼性確保
の点から適切であるが、Ａｌの融点は６６０℃及びＡｌ
−Ｓｉ複合合金の融点は５７８℃と低いため、適当なロ
ウ材が存在せず接合ができなかったので、信頼性のある
接合技術の提供が望まれていた。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、かかる従来
の事情に鑑み、Ｗ又はＭｏ、ＣｕとＷ又はＭｏの複合合
金、Ｗを含む焼結合金、Ｗ又はＭｏの芯材とＣｕ又はＡ
ｌの表面材とのクラッド合金、若しくはＡｌ−Ｓｉ複合
合金からなる半導体放熱基板に金属スタッドを接合する
に際して、半導体放熱基板に接合時の圧痕や加熱による
変質ないし反りが殆ど発生せず、接合部が高い耐熱性と
優れた強度を有し、低コストで信頼性の高い金属スタッ
ド付半導体放熱基板の製造方法を提供することを目的と
する。
の事情に鑑み、Ｗ又はＭｏ、ＣｕとＷ又はＭｏの複合合
金、Ｗを含む焼結合金、Ｗ又はＭｏの芯材とＣｕ又はＡ
ｌの表面材とのクラッド合金、若しくはＡｌ−Ｓｉ複合
合金からなる半導体放熱基板に金属スタッドを接合する
に際して、半導体放熱基板に接合時の圧痕や加熱による
変質ないし反りが殆ど発生せず、接合部が高い耐熱性と
優れた強度を有し、低コストで信頼性の高い金属スタッ
ド付半導体放熱基板の製造方法を提供することを目的と
する。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の金属スタッド付半導体放熱基板の製造方法
においては、Ｗ又はＭｏ、ＣｕとＷ又はＭｏの複合合
金、Ｗを含む焼結合金、Ｗ又はＭｏの芯材とＣｕ又はＡ
ｌの表面材とのクラッド合金、若しくはＡｌ−Ｓｉ複合
合金からなる半導体放熱基板に、当該基板への接合面が
１°〜４５°の角度でほぼ円錐状に突き出たテーパー面
で且つ当該テーパー面の先端部に小突起を有する放熱フ
ィン取付用の金属スタッドを、パーカッションスタッド
溶接により接合することを特徴とする。
め、本発明の金属スタッド付半導体放熱基板の製造方法
においては、Ｗ又はＭｏ、ＣｕとＷ又はＭｏの複合合
金、Ｗを含む焼結合金、Ｗ又はＭｏの芯材とＣｕ又はＡ
ｌの表面材とのクラッド合金、若しくはＡｌ−Ｓｉ複合
合金からなる半導体放熱基板に、当該基板への接合面が
１°〜４５°の角度でほぼ円錐状に突き出たテーパー面
で且つ当該テーパー面の先端部に小突起を有する放熱フ
ィン取付用の金属スタッドを、パーカッションスタッド
溶接により接合することを特徴とする。
【００１２】尚、半導体放熱基板を構成するＷ又はＭ
ｏ、ＣｕとＷ又はＭｏの複合合金、Ｗを含む焼結合金、
Ｗ又はＭｏの芯材とＣｕ又はＡｌの表面材とのクラッド
合金、及びＡｌ−Ｓｉ複合合金は、いずれも従来から基
板材料として使用されているもので良い。又、金属スタ
ッドの材質も特に限定されないが、Ｆｅ又はその合金、
Ｃｕ又はその合金、Ａｌ又はその合金、若しくはＴｉが
一般的である。
ｏ、ＣｕとＷ又はＭｏの複合合金、Ｗを含む焼結合金、
Ｗ又はＭｏの芯材とＣｕ又はＡｌの表面材とのクラッド
合金、及びＡｌ−Ｓｉ複合合金は、いずれも従来から基
板材料として使用されているもので良い。又、金属スタ
ッドの材質も特に限定されないが、Ｆｅ又はその合金、
Ｃｕ又はその合金、Ａｌ又はその合金、若しくはＴｉが
一般的である。
【００１３】
【作用】パーカッションスタッド溶接（Percussion stu
d welding）自体は溶接技術として公知であるが、本発
明はこの技術を半導体放熱基板への小さな金属スタッド
の接合に応用し、信頼性の高い接合を得るために金属ス
タッドの接合面の形状を工夫したものである。
d welding）自体は溶接技術として公知であるが、本発
明はこの技術を半導体放熱基板への小さな金属スタッド
の接合に応用し、信頼性の高い接合を得るために金属ス
タッドの接合面の形状を工夫したものである。
【００１４】即ち、金属スタッドの接合面をほぼ円錐状
に突き出たテーパー面とすることにより、溶接時に金属
スタッドの円錐状に突き出た中央部から接合が始まるよ
うにし、加えて金属スタッドのテーパー面の先端部に小
突起を設けて、この小突起から溶融を開始させることに
よって、接合部に放熱性や強度に悪影響を与える内部欠
陥が生じることを防いでいる。尚、特に小突起を設けな
くても、テーパー面の円錐の先端をそのまま小突起とす
ることも可能である。
に突き出たテーパー面とすることにより、溶接時に金属
スタッドの円錐状に突き出た中央部から接合が始まるよ
うにし、加えて金属スタッドのテーパー面の先端部に小
突起を設けて、この小突起から溶融を開始させることに
よって、接合部に放熱性や強度に悪影響を与える内部欠
陥が生じることを防いでいる。尚、特に小突起を設けな
くても、テーパー面の円錐の先端をそのまま小突起とす
ることも可能である。
【００１５】金属スタッドの接合面は、前記のごとくほ
ぼ円錐状に突き出たテーパー面であり、この接合面のテ
ーパーの角度は１°〜４５°、好ましくは５°〜１５°
の範囲とする。この角度が１°未満では接合面に気泡を
巻き込み易くなるため、ブローが残り易くなり、逆に４
５°を越えると円錐状のテーパー部の長さが長すぎるた
め、円錐状のテーパー部全体が十分に溶融せず、所望の
接合強度が得られないからである。
ぼ円錐状に突き出たテーパー面であり、この接合面のテ
ーパーの角度は１°〜４５°、好ましくは５°〜１５°
の範囲とする。この角度が１°未満では接合面に気泡を
巻き込み易くなるため、ブローが残り易くなり、逆に４
５°を越えると円錐状のテーパー部の長さが長すぎるた
め、円錐状のテーパー部全体が十分に溶融せず、所望の
接合強度が得られないからである。
【００１６】パーカッションスタッド溶接にはコンタク
ト方式とギャップ方式がある。本発明方法にコンタクト
方式を適用する場合には、金属スタッドの接合面の小突
起を半導体放熱基板に接触させた状態で加圧と同時に金
属スタッドと半導体放熱基板の間に電流を通して、小突
起によって互いに離された金属スタッドの接合面と半導
体放熱基板との間隙にアーク放電を生じさせる。このア
ーク放電により小突起が溶融し、続いて金属スタッドを
加圧することで金属スタッドの接合面全体を溶融させて
半導体放熱基板の表面に溶接する。
ト方式とギャップ方式がある。本発明方法にコンタクト
方式を適用する場合には、金属スタッドの接合面の小突
起を半導体放熱基板に接触させた状態で加圧と同時に金
属スタッドと半導体放熱基板の間に電流を通して、小突
起によって互いに離された金属スタッドの接合面と半導
体放熱基板との間隙にアーク放電を生じさせる。このア
ーク放電により小突起が溶融し、続いて金属スタッドを
加圧することで金属スタッドの接合面全体を溶融させて
半導体放熱基板の表面に溶接する。
【００１７】一方、本発明方法にギャップ方式を用いる
場合には、金属スタッドの接合面の小突起と半導体放熱
基板表面との間を約０.５〜１０ｍｍだけ離しておき、
金属スタッドを上方から半導体放熱基板へ移動させなが
ら金属スタッドと半導体放熱基板の間に電流を通して、
金属スタッドの接合面と半導体放熱基板の間にアーク放
電を生じさせる。このアーク放電によりまず小突起が溶
融し、続いて接合面が半導体放熱基板に接すると共に溶
融されて溶接する。ギャップ方式によれば、基板表面の
スパッタリングが防止できるほか、接触前に発生するア
ーク放電によりＡｌやＴｉの強固な表面酸化被膜を除去
できるので、ＡｌやＴｉの金属スタッドの溶接に特に有
利である。
場合には、金属スタッドの接合面の小突起と半導体放熱
基板表面との間を約０.５〜１０ｍｍだけ離しておき、
金属スタッドを上方から半導体放熱基板へ移動させなが
ら金属スタッドと半導体放熱基板の間に電流を通して、
金属スタッドの接合面と半導体放熱基板の間にアーク放
電を生じさせる。このアーク放電によりまず小突起が溶
融し、続いて接合面が半導体放熱基板に接すると共に溶
融されて溶接する。ギャップ方式によれば、基板表面の
スパッタリングが防止できるほか、接触前に発生するア
ーク放電によりＡｌやＴｉの強固な表面酸化被膜を除去
できるので、ＡｌやＴｉの金属スタッドの溶接に特に有
利である。
【００１８】かかるパーカッションスタッド溶接を用い
る本発明方法によれば、半導体放熱基板と金属スタッド
を内部欠陥が極めて少なく、従って強固に接合すること
ができる。又、溶接時間が３／１０００〜６／１０００
秒と極めて短く、極短時間で溶接が完了するので、厚さ
約１ｍｍ程度の半導体放熱基板であっても、溶接時の機
械的な圧痕や損傷がないばかりか、熱的影響も小さいの
で残留応力が極めて微小となり、反り等の変形を小さく
抑えることができる。
る本発明方法によれば、半導体放熱基板と金属スタッド
を内部欠陥が極めて少なく、従って強固に接合すること
ができる。又、溶接時間が３／１０００〜６／１０００
秒と極めて短く、極短時間で溶接が完了するので、厚さ
約１ｍｍ程度の半導体放熱基板であっても、溶接時の機
械的な圧痕や損傷がないばかりか、熱的影響も小さいの
で残留応力が極めて微小となり、反り等の変形を小さく
抑えることができる。
【００１９】更に、本発明方法では、半導体放熱基板と
金属スタッドをロウ材を使用せずに接合するので、優れ
た耐熱性が得られる。特に、半導体放熱基板がＷ又はＭ
ｏ、ＣｕとＷ又はＭｏの複合合金、若しくはＷを含む焼
結合金からなる場合、この半導体放熱基板にＦｅ又はそ
の合金、Ｃｕ又はその合金、若しくはＴｉからなる金属
スタッドを溶接することにより、接合部の耐熱性は少な
くともＣｕの融点である１０８４℃以上となる。従っ
て、銀ロウ付けの８００℃前後の温度によっても接合部
の品質が劣化することがないので、溶接後の半導体放熱
基板を後にセラミックパッケージ等に銀ロウ付けするこ
とが可能となる。
金属スタッドをロウ材を使用せずに接合するので、優れ
た耐熱性が得られる。特に、半導体放熱基板がＷ又はＭ
ｏ、ＣｕとＷ又はＭｏの複合合金、若しくはＷを含む焼
結合金からなる場合、この半導体放熱基板にＦｅ又はそ
の合金、Ｃｕ又はその合金、若しくはＴｉからなる金属
スタッドを溶接することにより、接合部の耐熱性は少な
くともＣｕの融点である１０８４℃以上となる。従っ
て、銀ロウ付けの８００℃前後の温度によっても接合部
の品質が劣化することがないので、溶接後の半導体放熱
基板を後にセラミックパッケージ等に銀ロウ付けするこ
とが可能となる。
【００２０】又、軽量化が必要とされる用途において
は、半導体放熱基板としてＷ又はＭｏの芯材とＡｌの表
面材とのクラッド合金、若しくはＡｌ−Ｓｉ複合合金が
使用されるが、その場合にはＡｌ又はその合金からなる
金属スタッドを溶接することが軽量化及び信頼性の点で
好ましい。この半導体放熱基板と金属スタッドの材質の
組み合わせについては、基板材料の融点が低いため従来
のロウ付け接合が困難であったが、本発明方法によれば
ロウ材を用いずに両者を直接溶接して、信頼性の高い接
合を得ることができる。
は、半導体放熱基板としてＷ又はＭｏの芯材とＡｌの表
面材とのクラッド合金、若しくはＡｌ−Ｓｉ複合合金が
使用されるが、その場合にはＡｌ又はその合金からなる
金属スタッドを溶接することが軽量化及び信頼性の点で
好ましい。この半導体放熱基板と金属スタッドの材質の
組み合わせについては、基板材料の融点が低いため従来
のロウ付け接合が困難であったが、本発明方法によれば
ロウ材を用いずに両者を直接溶接して、信頼性の高い接
合を得ることができる。
【００２１】尚、パーカッションスタッド溶接は自動化
が容易であり、溶接時間も極めて短く量産性が高いた
め、本発明方法によれば接合のコストを従来のロウ付け
法に比較して約１／１０に低減することが可能であり、
高品質の金属スタッド付半導体放熱基板を極めて安価に
提供することができる。
が容易であり、溶接時間も極めて短く量産性が高いた
め、本発明方法によれば接合のコストを従来のロウ付け
法に比較して約１／１０に低減することが可能であり、
高品質の金属スタッド付半導体放熱基板を極めて安価に
提供することができる。
【００２２】
【実施例】表１に示す１２種類の材質からなる半導体放
熱基板を準備した。各半導体放熱基板の寸法は２５ｍｍ
×２５ｍｍ×厚さ１.０ｍｍであり、そのうちＣｕ−Ｗ
複合合金、Ｃｕ−Ｍｏ複合合金、Ｗ及びＭｏからなる半
導体放熱基板には、濡れ性を改善するために表面に厚さ
約２μｍのＮｉメッキを施した。
熱基板を準備した。各半導体放熱基板の寸法は２５ｍｍ
×２５ｍｍ×厚さ１.０ｍｍであり、そのうちＣｕ−Ｗ
複合合金、Ｃｕ−Ｍｏ複合合金、Ｗ及びＭｏからなる半
導体放熱基板には、濡れ性を改善するために表面に厚さ
約２μｍのＮｉメッキを施した。
【００２３】
【表１】半導体放熱基板の材質 ： (１) １０重量％Ｃｕ−Ｗ複合合金 (２) １５重量％Ｃｕ−Ｍｏ複合合金 (３) ３.５重量％Ｃｕ−６.５重量％Ｎｉ−Ｗ焼結合金 (４) １.６重量％Ｆｅ−３.２重量％Ｎｉ−Ｗ焼結合金 (５) ３.５重量％Ｃｕ−１.６重量％Ｆｅ−３.２重量％
Ｎｉ−Ｗ焼結合金 (６) Ｃｕ−Ｍｏ−Ｃｕクラッド合金（Ｃｕ：Ｍｏ：Ｃ
ｕ＝２：１：２） (７) Ｃｕ−Ｗ−Ｃｕクラッド合金（Ｃｕ：Ｗ：Ｃｕ＝
２：１：２） (８) Ａｌ−Ｍｏ−Ａｌクラッド合金（Ａｌ：Ｍｏ：Ａ
ｌ＝２：１：２） (９) Ａｌ−Ｗ−Ａｌクラッド合金（Ａｌ：Ｗ：Ａｌ＝
２：１：２） (１０) Ｗ純金属（１００％Ｗ） (１１) Ｍｏ純金属（１００％Ｍｏ） (１２)Ａｌ−４０重量％Ｓｉ複合合金
Ｎｉ−Ｗ焼結合金 (６) Ｃｕ−Ｍｏ−Ｃｕクラッド合金（Ｃｕ：Ｍｏ：Ｃ
ｕ＝２：１：２） (７) Ｃｕ−Ｗ−Ｃｕクラッド合金（Ｃｕ：Ｗ：Ｃｕ＝
２：１：２） (８) Ａｌ−Ｍｏ−Ａｌクラッド合金（Ａｌ：Ｍｏ：Ａ
ｌ＝２：１：２） (９) Ａｌ−Ｗ−Ａｌクラッド合金（Ａｌ：Ｗ：Ａｌ＝
２：１：２） (１０) Ｗ純金属（１００％Ｗ） (１１) Ｍｏ純金属（１００％Ｍｏ） (１２)Ａｌ−４０重量％Ｓｉ複合合金
【００２４】一方、放熱フィン取付用の金属スタッドと
して、軟鋼、ステンレス鋼、銅、黄銅、アルミニウム、
及びチタンからなる６種類の金属スタッドを用意した。
各金属スタッドの寸法は直径３ｍｍ×長さ１０ｍｍであ
り、一端側には放熱フィン取付用の雄ネジを形成した。
又、他端の半導体放熱基板に接合する接合面５は、図１
に示すように、１０°の角度でほぼ円錐状に突き出たテ
ーパー面に加工し、このテーパー面の先端部に直径１ｍ
ｍ×高さ０.４ｍｍの小突起６が設けてあり、接合面５
と金属スタッド２の本体との間には直径４ｍｍ×高さ
０.６ｍｍのフランジ７を形成した。
して、軟鋼、ステンレス鋼、銅、黄銅、アルミニウム、
及びチタンからなる６種類の金属スタッドを用意した。
各金属スタッドの寸法は直径３ｍｍ×長さ１０ｍｍであ
り、一端側には放熱フィン取付用の雄ネジを形成した。
又、他端の半導体放熱基板に接合する接合面５は、図１
に示すように、１０°の角度でほぼ円錐状に突き出たテ
ーパー面に加工し、このテーパー面の先端部に直径１ｍ
ｍ×高さ０.４ｍｍの小突起６が設けてあり、接合面５
と金属スタッド２の本体との間には直径４ｍｍ×高さ
０.６ｍｍのフランジ７を形成した。
【００２５】上記の各半導体放熱基板と金属スタッドと
を用いて、溶接時間の短縮と基板表面のスパッタリング
防止のためギャップ方式のパーカッションスタッド溶接
を行った。即ち、図１に示すごとく、金属スタッド２の
接合面５の小突起６と半導体放熱基板１の表面との間を
３ｍｍだけ離して設置し、次に金属スタッド２を上方か
ら半導体放熱基板１へ移動させながら金属スタッド２と
半導体放熱基板１の間に電流を通した。通電により金属
スタッド２の接合面５と半導体放熱基板１の間にアーク
放電が生じ、そのまま接合面５を半導体放熱基板１に接
触させ５ｋｇｗの荷重で加圧することにより溶接した。
溶接した半導体放熱基板と金属スタッドとの各組み合わ
せ毎に、溶接時の２次電圧を表２に示した。
を用いて、溶接時間の短縮と基板表面のスパッタリング
防止のためギャップ方式のパーカッションスタッド溶接
を行った。即ち、図１に示すごとく、金属スタッド２の
接合面５の小突起６と半導体放熱基板１の表面との間を
３ｍｍだけ離して設置し、次に金属スタッド２を上方か
ら半導体放熱基板１へ移動させながら金属スタッド２と
半導体放熱基板１の間に電流を通した。通電により金属
スタッド２の接合面５と半導体放熱基板１の間にアーク
放電が生じ、そのまま接合面５を半導体放熱基板１に接
触させ５ｋｇｗの荷重で加圧することにより溶接した。
溶接した半導体放熱基板と金属スタッドとの各組み合わ
せ毎に、溶接時の２次電圧を表２に示した。
【００２６】
【表２】 溶接時の２次電圧： 金 属 ス タ ッ ド の 材 質 半導体放熱基板の材質 軟 鋼 ステンレス鋼 銅 黄 銅 アルミニウム Ｔｉ (1)Cu−W複合合金 85V 130V 80V 60V 45V 110V (2)Cu−Mo複合合金 85V 130V 80V 60V 45V 110V (3)Cu−Ni−W焼結合金 85V 140V 85V 65V 45V 120V (4)Fe−Ni−W焼結合金 90V 140V 85V 65V 50V 120V (5)Cu−Fe−Ni−W焼結合金 90V 140V 85V 65V 50V 120V (6)Cu−Mo−Cuクラット゛合金 75V 120V 75V 55V 45V 110V (7)Cu−W−Cuクラット゛合金 75V 120V 75V 55V 45V 110V (8)Al−Mo−Alクラット゛合金 − − − − 45V − (9)Al−W−Alクラット゛合金 − − − − 45V − (10)Ｗ純金属 85V 130V 80V 60V 45V 110V (11)Ｍｏ純金属 85V 130V 80V 60V 45V 110V (12)Ai−Si複合合金 − − − − 45V −
【００２７】半導体放熱基板と金属スタッドとのいずれ
の組み合わせにおいても、溶接時間は６／１０００秒以
下であった。又、溶接時の圧力や熱による半導体放熱基
板の圧痕、その他の外観の損傷は全く認められなかっ
た。得られた各金属スタッド付半導体放熱基板につい
て、それぞれ５個の試料の基板表面の反りを測定し、平
均値を表３に示した。
の組み合わせにおいても、溶接時間は６／１０００秒以
下であった。又、溶接時の圧力や熱による半導体放熱基
板の圧痕、その他の外観の損傷は全く認められなかっ
た。得られた各金属スタッド付半導体放熱基板につい
て、それぞれ５個の試料の基板表面の反りを測定し、平
均値を表３に示した。
【００２８】
【表３】 半導体放熱基板表面の反り（ｎ＝５の平均値）： 金 属 ス タ ッ ド の 材 質 半導体放熱基板の材質 軟 鋼 ステンレス鋼 銅 黄 銅 アルミニウム Ｔｉ (1)Cu−W複合合金 12μm 17μm 10μm 9μm 7μm 14μm (2)Cu−Mo複合合金 14μm 19μm 11μm 12μm 8μm 16μm (3)Cu−Ni−W焼結合金 15μm 20μm 13μm 10μm 10μm 15μm (4)Fe−Ni−W焼結合金 13μm 21μm 13μm 12μm 11μm 13μm (5)Cu−Fe−Ni−W焼結合金 15μm 20μm 12μm 11μm 10μm 17μm (6)Cu−Mo−Cuクラット゛合金 12μm 17μm 13μm 11μm 10μm 17μm (7)Cu−W−Cuクラット゛合金 11μm 15μm 14μm 16μm 14μm 14μm (8)Al−Mo−Alクラット゛合金 − − − − 18μm − (9)Al−W−Alクラット゛合金 − − − − 17μm − (10)Ｗ純金属 11μm 13μm 10μm 10μm 8μm 16μm (11)Ｍｏ純金属 13μm 19μm 10μm 9μm 7μm 17μm (12)Ai−Si複合合金 − − − − 11μm −
【００２９】次に、各金属スタッド付半導体放熱基板に
ついて、それぞれ５個の試料の金属スタッドと半導体放
熱基板との接合部の剪断強度を測定して平均値を表４に
示すと共に、この剪断強度測定における破断箇所を調べ
て表５に示した。尚、破断箇所は５個の試料のうちで最
も多い破断箇所を表示した。
ついて、それぞれ５個の試料の金属スタッドと半導体放
熱基板との接合部の剪断強度を測定して平均値を表４に
示すと共に、この剪断強度測定における破断箇所を調べ
て表５に示した。尚、破断箇所は５個の試料のうちで最
も多い破断箇所を表示した。
【００３０】
【表４】 接合部の剪断強度（ｎ＝５の平均値）： 金 属 ス タ ッ ド の 材 質 半導体放熱基板の材質 軟 鋼 ステンレス鋼 銅 黄 銅 アルミニウム Ｔｉ (1)Cu−W複合合金 128kg 228kg 76kg 68kg 38kg 78kg (2)Cu−Mo複合合金 119kg 215kg 78kg 65kg 32kg 75kg (3)Cu−Ni−W焼結合金 131kg 230kg 75kg 67kg 36kg 79kg (4)Fe−Ni−W焼結合金 126kg 225kg 73kg 68kg 34kg 78kg (5)Cu−Fe−Ni−W焼結合金 118kg 238kg 77kg 66kg 37kg 79kg (6)Cu−Mo−Cuクラット゛合金 108kg 128kg 76kg 65kg 39kg 74kg (7)Cu−W−Cuクラット゛合金 118kg 138kg 75kg 64kg 35kg 78kg (8)Al−Mo−Alクラット゛合金 − − − − 32kg − (9)Al−W−Alクラット゛合金 − − − − 31kg − (10)Ｗ純金属 128kg 248kg 77kg 69kg 30kg 70kg (11)Ｍｏ純金属 123kg 238k 76kg 62kg 34kg 73kg (12)Ai−Si複合合金 − − − − 33kg −
【００３１】
【表５】 接合部の破断箇所： 金 属 ス タ ッ ド の 材 質 半導体放熱基板の材質 軟 鋼 ステンレス鋼 銅 黄 銅 アルミニウム Ｔｉ (1)Cu−W複合合金 スタット゛ 基板 スタット゛ スタット゛ スタット゛ スタット゛ (2)Cu−Mo複合合金 スタット゛ 基板 スタット゛ スタット゛ スタット゛ スタット゛ (3)Cu−Ni−W焼結合金 スタット゛ 基板 スタット゛ スタット゛ スタット゛ スタット゛ (4)Fe−Ni−W焼結合金 スタット゛ 基板 スタット゛ スタット゛ スタット゛ スタット゛ (5)Cu−Fe−Ni−W焼結合金 スタット゛ 基板 スタット゛ スタット゛ スタット゛ スタット゛ (6)Cu−Mo−Cuクラット゛合金 基板 基板 スタット゛ スタット゛ スタット゛ スタット゛ (7)Cu−W−Cuクラット゛合金 基板 基板 スタット゛ スタット゛ スタット゛ スタット゛ (8)Al−Mo−Alクラット゛合金 − − − − 基板 − (9)Al−W−Alクラット゛合金 − − − − スタット゛ − (10)Ｗ純金属 スタット゛ スタット゛ スタット゛ スタット゛ スタット゛ スタット゛ (11)Ｍｏ純金属 スタット゛ スタット゛ スタット゛ スタット゛ スタット゛ スタット゛ (12)Ai−Si複合合金 − − − − スタット゛ −
【００３２】以上の表３〜表５から、本発明方法により
得られた金属スタッド付半導体放熱基板においては、基
板の反りが３０μｍ以下と半導体放熱基板と半導体素子
との接合時の密着を確保できる程度に小さく、接合部の
破壊モードは半導体放熱基板又は金属スタッドより破壊
しており、接合部の溶接強度は半導体放熱基板の用途に
おいて充分な信頼性を持つことが判る。又、接合部に欠
陥や空隙がないため、放熱性に悪影響を及ぼさないこと
が判った。
得られた金属スタッド付半導体放熱基板においては、基
板の反りが３０μｍ以下と半導体放熱基板と半導体素子
との接合時の密着を確保できる程度に小さく、接合部の
破壊モードは半導体放熱基板又は金属スタッドより破壊
しており、接合部の溶接強度は半導体放熱基板の用途に
おいて充分な信頼性を持つことが判る。又、接合部に欠
陥や空隙がないため、放熱性に悪影響を及ぼさないこと
が判った。
【００３３】本発明による金属スタッド付半導体放熱基
板をセラミックパッケージあるいはプラスチックパッケ
ージに組み付けた場合、このパッケージ内部の半導体放
熱基板に半導体素子を接合後、金属スタッドに半導体素
子の消費電力に応じた任意形状の放熱フィンをネジ止め
することができる。
板をセラミックパッケージあるいはプラスチックパッケ
ージに組み付けた場合、このパッケージ内部の半導体放
熱基板に半導体素子を接合後、金属スタッドに半導体素
子の消費電力に応じた任意形状の放熱フィンをネジ止め
することができる。
【００３４】このとき金属スタッド付半導体放熱基板の
反りは３０μｍ以内であるため、半導体素子と半導体放
熱基板の接合部及び半導体放熱基板と放熱フィンの接合
部の密着性が確保でき、良好な放熱性を持つパッケージ
の製作が可能となった。又、金属スタッドと半導体放熱
基板の接合部の接合強度が高いので、放熱フィンのネジ
止めトルク荷重を高く設定でき、放熱フィンと半導体放
熱基板の密着性を更に良好なものとすることができる。
反りは３０μｍ以内であるため、半導体素子と半導体放
熱基板の接合部及び半導体放熱基板と放熱フィンの接合
部の密着性が確保でき、良好な放熱性を持つパッケージ
の製作が可能となった。又、金属スタッドと半導体放熱
基板の接合部の接合強度が高いので、放熱フィンのネジ
止めトルク荷重を高く設定でき、放熱フィンと半導体放
熱基板の密着性を更に良好なものとすることができる。
【００３５】
【発明の効果】本発明によれば、Ｗ又はＭｏ、ＣｕとＷ
又はＭｏの複合合金、Ｗを含む焼結合金、Ｗ又はＭｏの
芯材とＣｕ又はＡｌの表面材とのクラッド合金、若しく
はＡｌ−Ｓｉ複合合金からなる半導体放熱基板に金属ス
タッドを接合するに際して、薄い半導体放熱基板に接合
時の圧痕や加熱による変質ないし反りが殆ど発生せず、
接合部が優れた耐熱性と強度を有すると同時に放熱性に
悪影響を与えず、半導体放熱基板の用途に充分耐え得る
信頼性の高い金属スタッド付半導体放熱基板を低コスト
で提供することができる。
又はＭｏの複合合金、Ｗを含む焼結合金、Ｗ又はＭｏの
芯材とＣｕ又はＡｌの表面材とのクラッド合金、若しく
はＡｌ−Ｓｉ複合合金からなる半導体放熱基板に金属ス
タッドを接合するに際して、薄い半導体放熱基板に接合
時の圧痕や加熱による変質ないし反りが殆ど発生せず、
接合部が優れた耐熱性と強度を有すると同時に放熱性に
悪影響を与えず、半導体放熱基板の用途に充分耐え得る
信頼性の高い金属スタッド付半導体放熱基板を低コスト
で提供することができる。
【００３６】特に、Ｗ又はＭｏ、ＣｕとＷ又はＭｏの複
合合金、若しくはＷを含む焼結合金からなる半導体放熱
基板に、Ｆｅ又はその合金、Ｃｕ又はその合金、若しく
はＴｉからなる金属スタッドを溶接することにより、接
合部を含め全体が高い耐熱性を有し、その後のセラミッ
クパッケージ等との銀ロウ付けにも充分耐えることがで
きる。又、Ｗ又はＭｏの芯材とＡｌの表面材とのクラッ
ド合金、若しくはＡｌ−Ｓｉ複合合金からる半導体放熱
基板に対して、Ａｌ又はその合金からなる金属スタッド
を溶接することが可能となり、軽量化に極めて有効であ
る。
合合金、若しくはＷを含む焼結合金からなる半導体放熱
基板に、Ｆｅ又はその合金、Ｃｕ又はその合金、若しく
はＴｉからなる金属スタッドを溶接することにより、接
合部を含め全体が高い耐熱性を有し、その後のセラミッ
クパッケージ等との銀ロウ付けにも充分耐えることがで
きる。又、Ｗ又はＭｏの芯材とＡｌの表面材とのクラッ
ド合金、若しくはＡｌ−Ｓｉ複合合金からる半導体放熱
基板に対して、Ａｌ又はその合金からなる金属スタッド
を溶接することが可能となり、軽量化に極めて有効であ
る。
【図１】本発明のパーカッションスタッド溶接によるギ
ャップ方式を用いて、金属スタッドを半導体放熱基板に
溶接する方法を説明するための側面図である。
ャップ方式を用いて、金属スタッドを半導体放熱基板に
溶接する方法を説明するための側面図である。
【図２】従来の抵抗溶接により金属スタッドを半導体放
熱基板に溶接する方法を説明するための側面図である。
熱基板に溶接する方法を説明するための側面図である。
【図３】従来のスタッド溶接により金属スタッドを半導
体放熱基板に溶接する方法を説明するための側面図であ
る。
体放熱基板に溶接する方法を説明するための側面図であ
る。
１ 半導体放熱基板 ２ 金属スタッド ３ 電極 ４ アーク放電 ５ 接合面 ６ 小突起 ７ フランジ
Claims (5)
- 【請求項１】 Ｗ又はＭｏ、ＣｕとＷ又はＭｏの複合合
金、Ｗを含む焼結合金、Ｗ又はＭｏの芯材とＣｕ又はＡ
ｌの表面材とのクラッド合金、若しくはＡｌ−Ｓｉ複合
合金からなる半導体放熱基板に、当該基板への接合面が
１°〜４５°の角度でほぼ円錐状に突き出たテーパー面
で且つ当該テーパー面の先端部に小突起を有する放熱フ
ィン取付用の金属スタッドを、パーカッションスタッド
溶接により接合することを特徴とする金属スタッド付半
導体放熱基板の製造方法。 - 【請求項２】 Ｗ又はＭｏ及びＣｕとＷ又はＭｏの複合
合金からなる半導体放熱基板の表面に、厚さ０．５μｍ
以上のＮｉメッキ、Ｎｉ−Ｐメッキ、Ｎｉ−Ｂメッキ、
Ｃｕメッキ、又はＡｇメッキを予め設けておくことを特
徴とする、請求項１に記載の金属スタッド付半導体放熱
基板の製造方法。 - 【請求項３】 半導体放熱基板がＷ又はＭｏ、ＣｕとＷ
又はＭｏの複合合金、若しくはＷを含む焼結合金からな
り、この半導体放熱基板にＦｅ又はその合金、Ｃｕ又は
その合金、若しくはＴｉからなる金属スタッドを溶接す
ることを特徴とする、請求項１又は２に記載の金属スタ
ッド付半導体放熱基板の製造方法。 - 【請求項４】 半導体放熱基板がＷ又はＭｏの芯材とＡ
ｌの表面材とのクラッド合金、若しくはＡｌ−Ｓｉ複合
合金からなり、この半導体放熱基板にＡｌ又はその合金
からなる金属スタッドを溶接することを特徴とする、請
求項１又は２に記載の金属スタッド付半導体放熱基板の
製造方法。 - 【請求項５】 溶接時間が３／１０００〜６／１０００
秒であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに
記載の金属スタッド付半導体放熱基板の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10043393A JPH06291227A (ja) | 1993-04-02 | 1993-04-02 | 金属スタッド付半導体放熱基板の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10043393A JPH06291227A (ja) | 1993-04-02 | 1993-04-02 | 金属スタッド付半導体放熱基板の製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06291227A true JPH06291227A (ja) | 1994-10-18 |
Family
ID=14273824
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10043393A Pending JPH06291227A (ja) | 1993-04-02 | 1993-04-02 | 金属スタッド付半導体放熱基板の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06291227A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011025266A (ja) * | 2009-07-23 | 2011-02-10 | Kyushu Institute Of Technology | キャパシタディスチャージスタッド溶接方法 |
| WO2024262337A1 (ja) * | 2023-06-19 | 2024-12-26 | Ｎｇｋエレクトロデバイス株式会社 | 放熱部材、放熱部材の製造方法、パッケージおよび基板 |
-
1993
- 1993-04-02 JP JP10043393A patent/JPH06291227A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011025266A (ja) * | 2009-07-23 | 2011-02-10 | Kyushu Institute Of Technology | キャパシタディスチャージスタッド溶接方法 |
| WO2024262337A1 (ja) * | 2023-06-19 | 2024-12-26 | Ｎｇｋエレクトロデバイス株式会社 | 放熱部材、放熱部材の製造方法、パッケージおよび基板 |
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