JPH06318655A - 半導体チップ用放熱部材及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】台材におけるチップ接合側の面に形成せる半田
層の溶融時における厚みを均一に保持でき、しかも半田
付け性の良好な放熱部材を提供する。 【構成】水平方向へ並設した左右二本の圧延ロール10,1
1 間に、台材１となる金属テープ1aと、半田層２となる
金属テープ2aを上方から挿通し該両テープ1a,2a を相互
に接合せしめて積層テープ状の放熱部材本体ａ₁ を作製
する。両テープ1a,2a における接合手前箇所を所定角度
に拡開せしめて粉末溜り部20を形成し、半田よりも高融
点の材質からなる粉末３を供給する。圧延ロール10,11
の巻込み力によって半田層２における台材１との境界部
分に前記粉末３が充填される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、パワーデバイス等の放
熱性を向上する目的で使われる半導体チップ用放熱部材
（所謂、ヒートシンク）に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種放熱部材100 は例えば銅か
らなる台材101 の片面に半田層102 を形成してなるもの
で、その半田層102 上面にチップ200 を搭載すると共
に、他面側は半田材300 を介して基板400 上に載承し、
その状態で半田を加熱，溶融せしめることでチップ200
を基板400 上に固着するものであった（図６参照）。

【０００３】ところで、このようにしてチップ200 と基
板400 の間に介在せしめた台材101により所望の放熱特
性を得ようとする場合、台材101 とチップ200 との間を
一定間隔に保つことが重要であり、このことは、チップ
200 と台材101 との間で所定の熱サイクル性を保持して
チップ剥離や導通不良を防ぐ上でも重要であった。

【０００４】ところが、前述のような構成からなる従来
の放熱部材100 においては、半田層102 が半田のみから
なる単層構造のものであることから、溶融時にその形状
が崩れてチップ200 が傾斜した状態で固着される虞れが
あり、この場合、所望の放熱特性が得られなくなるばか
りか、チップ200 と台材101 との間で所定の熱サイクル
性が保持されずチップ200 の剥離や導通不良を引き起こ
す虞れがあった。これを解決するために図７や図８に示
すような手段も考えられるが、これらにおいても後述す
るような問題点があり、前記不具合を解消するには至ら
なかった。

【０００５】即ち、図７に示す手段は台材101 の上面に
半田より高融点の粉末500 を載せその上に半田材600 を
載承したもので、前記粉末500 の各粒子501 によって溶
融半田の厚み（高さ）を一定に保って半田材600 上に載
承したチップ200 と台材101の間を一定間隔に保持せし
めんとするものであるが、この場合、台材101 上面に載
せる粉末500 の各粒子501 を均等に分散させ且つその状
態を維持することが困難で、半田溶融時に粒子501 が移
動してチップ200 が傾いてしまう欠点があった。

【０００６】また図８に示すものは上記粒子501 を半田
材600 中に予め含有せしめたものであり、この手段によ
れば粒子501 の移動は防げるものの、半田表面に存在す
る粒子501 が零れ落ちる虞れがあると共に、粒子501 が
台材101 ，チップ200 に直接接触する箇所700 では半田
量が不足して半田付け性が劣る欠点があった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明はこのような従
来事情に鑑みてなされたものであり、その目的とすると
ころの第１は、台材におけるチップ接合側の面に形成せ
る半田層の溶融時における厚みを均一に保持でき、しか
も半田付け性の良好な放熱部材を提供することにあり、
また本発明第２の目的は、前記放熱部材を製造するに好
適な方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前述の目的を達成するた
めに、本発明に係る半導体チップ用放熱部材は、所定の
厚さを備える台材の片面又は両面に半田層を積層形成す
ると共に、少なくとも一方の半田層における前記台材と
の境界部分に、半田よりも高融点の材質からなる粉末を
充填したことを特徴とする。前記台材は、例えばＣｕ又
はＮｉ又はＭｏ等の金属材料で成形することが好まし
い。また粉末としては、例えばＮｉ，Ｃｕ，Ｍｏ，Ｗ，
セラミック，アルミナ，ガラス，ＢＮ等が挙げられる。

【０００９】また前記放熱部材は、水平方向へ並設した
左右二本の圧延ロール間に、台材となる金属テープと、
半田層となる金属テープを上方から挿通しそれら両テー
プを相互に接合せしめてテープ状の放熱部材本体を作製
すると共に、前記両テープにおける接合手前箇所を所定
角度に拡開せしめて両テープ間に粉末溜り部を形成し、
該粉末溜り部に半田よりも高融点の材質からなる粉末を
供給し圧延ロールの巻込み力によって上記半田層におけ
る台材との境界部分に前記粉末を充填せしめて製造する
ことが好ましい。

【００１０】

【作用】本発明の放熱部材によれば、半田層内の粉末の
各粒子によって半田溶融時の厚み（高さ）を一定に保っ
て、半田層上に載承したチップと台材の間を一定間隔に
保持しつつ両者を相互に接合せしめる。この時、前記粉
末が半田層内に予め充填されているので、半田溶融時に
おける各粒子の移動を防止できる。またその粉末を半田
層における台材との境界部分に充填したことから、各粒
子が零れ落ちることを防止し得ると共に、各粒子とチッ
プとの間に適量の半田が確保されるので所定の半田特性
が得られる。

【００１１】また本発明の製造方法を採用すれば、両金
属テープにおける接合手前箇所、即ち、左右二本の圧延
ロール直上に所定角度で拡開する粉末溜り部が形成さ
れ、その粉末溜り部に粉末を供給するをもって同粉末が
接合前の金属テープ間に一定量溜まり、この粉末が垂直
方向に係る重力と夫々の金属テープの移送に伴って両金
属テープ間に入り、同時に半田層となる金属テープが圧
延されて台材となる金属テープに接合することで、半田
層となる金属テープにおける台材との境界部分に一定量
の粉末を均一に含有した放熱部材が得られる。

【００１２】

【実施例】以下、実施例について図面を参照して説明す
る。図１(a) は台材１の片面に半田層２を積層形成する
と共に、該半田層２における台材１との境界部分に半田
よりも高融点の材質からなる粉末３を充填せしめてなる
本発明一実施例の放熱部材ａを表す。

【００１３】台材１は所望の材料、例えばＣｕ又はＮｉ
又はＭｏからなる所定厚の金属テープ（後述の金属テー
プ1a）を用いてなるもので、その片面側（図１，２にお
いては上面側）には半田層２が積層される。

【００１４】半田層２は、例えば台材１がＣｕ材の場合
はＰｂ−５Ｓｎ又はＰｂ−６０Ｓｎ又はＰｂ−４０Ｓｎ
又はＰｂ−2.5 Ａｇ−５Ｓｎ、また台材１がＮｉ若しく
はＭｏ材の場合はＰｂ−2.5 Ａｇ−５Ｓｎからなる所定
厚の金属テープ（後述の金属テープ2a）を用いてなるも
ので、該金属テープを台材１となる金属テープの片面側
に接合せしめた後に両テープをチップｂとほぼ同寸な平
面矩形状になるよう切断するをもって積層状の放熱部材
ａが形成される。該放熱部材ａにおける半田層２内には
一定量の粉末３が均一に充填される。

【００１５】尚、上記半田層２の形成に用いる金属テー
プは前述のものに限定されず、この種の技術分野におい
て周知な半田材料、例えばPbSn系半田，PbAgSn系半田，
Pb系半田，Sn系半田，In系半田，Au系半田等が挙げられ
る。

【００１６】粉末３は半田よりも高融点の材質、例えば
Ｎｉ又はＣｕ又はＭｏ又はＷ又はセラミック又はアルミ
ナ又はガラス又はＢＮ等の粉体で、半田層２における台
材１との境界部分に均一に分散せしめて一定量充填す
る。

【００１７】また、前記粉末３における各粒子3a,3a …
の表面には予めＡｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｎｉ等の金属膜を形
成したり、或いはフラックスで表面処理するなどして半
田層２との馴染みを良くしておくことが好ましい。

【００１８】この様にして構成された本実施例の放熱部
材ａは、半田層２内の粉末３の各粒子3a,3a …によって
半田溶融時の厚み（高さ）を一定に保って、半田層２上
に載承したチップｂと台材１の間を一定間隔に保持しつ
つ両者を相互に接合せしめる（図１(b) ）。この時、前
記粉末３が半田層２内に予め充填されているので、半田
溶融時における各粒子3a,3a …の移動を防止できる。ま
たその粉末３を半田層２における台材１との境界部分に
充填したことから、各粒子3a,3a …が零れ落ちることを
防止し得ると共に、各粒子3a,3a …とチップｂとの間に
適量の半田が確保されるので所定の半田付け特性が得ら
れる。

【００１９】また、前記チップｂと放熱部材ａの接合と
同時に、若しくはそれに前後して、放熱部材ａの他面側
（図１，２においては下面側）を半田材ｃを介して基板
ｄ上に載承し、その半田材ｃを加熱，溶融せしめること
で放熱部材ａを介してチップｂが基板ｄ上に固着され
る。

【００２０】前記半田材ｃは従来周知な半田材料のみか
らなる単層構造のものでも良いが、放熱部材ａと基板ｄ
との間で所定の熱サイクル性を保持して放熱部材ａの剥
離やチップｂとボンディングワイヤｅとの導通不良を防
ぐためには、所定の厚みを有する半田層中に半田よりも
高融点の線材又は粉末等を充填せしめてなる複合半田
（例えば、本出願人による先出願の実願平4-51217 号，
特願平4-285968号等参照）を用いることがより好まし
い。

【００２１】また、上記半田材ｃは前述の半田層２の形
成に用いる金属テープと同質な材料で形成しても良い
が、半田層２と半田材ｃを異質な材料で成形した場合は
両者の溶融温度を異なるものにでき、チップｂと台材
１、台材１と基板ｄの夫々の接合に時間差を持たせたい
場合などに有用である。

【００２２】図３は上述の放熱部材ａの製造方法を示
し、同図において10，11は水平方向へ並設した左右二本
の圧延ロール、1aは台材１となる金属テープ、2aは半田
層２となる金属テープで、これら金属テープ1a，2aを前
記二本の圧延ロール10，11間に上方から挿通する。金属
テープ1a，2aの材質は前述の通りである。

【００２３】圧延ロール10，11は不図示の駆動源に連繋
して所定の駆動力をもって各々回転駆動するもので、上
記両金属テープ1a，2aを所定の圧延力をもって相互に接
合せしめて積層テープ状の放熱部材本体ａ₁ を作製す
る。

【００２４】尚、圧延ロール10，11の回転駆動はモータ
ー等の駆動源に直接連繋するようにしても良いがこれに
限定されず、例えば図示しないが、各々のロール10，11
に対して水平方向に複数の調整ロールを並設し、これら
調整ロールを介して駆動ロールに間接的に連繋せしめて
圧延力を微調節できるようにしても良い。さらに、圧延
ロールの反り防止用ロールを並設する他、周知な範囲内
での変更は任意である。

【００２５】夫々の金属テープ1a，2aの接合手前箇所に
おいては、半田層２となる金属テープ2aをテンションロ
ーラ（不図示）によって所定角度に拡開せしめ、これに
より両金属テープ1a，2a間に粉末溜り部20を形成する。

【００２６】上記粉末溜り部20の上方には例えばフィー
ダー等の周知な粉末供給手段の末端吐出口30を設置し、
該吐出口30により粉末溜り部20に一定量の粉末３を連続
供給する。粉末供給手段における末端吐出口30の開口幅
は、各金属テープ1a，2aの幅寸法とほぼ同一として、吐
出口30から吐出される粉末３が金属テープ1a，2aの幅方
向へ均一に供給されるようにする。

【００２７】而して、上述のような本実施例の製造方法
によれば、両金属テープ1a，2aにおける接合手前箇所、
即ち、左右二本の圧延ロール10，11の直上に所定角度で
拡開する粉末溜り部20が形成され、この粉末溜り部20に
一定量の粉末３を供給すれば、その粉末３が接合前の金
属テープ1a，2aの接合面間に一定量溜まる。さらにこの
粉末３が、同粉末３に垂直方向に係る重力と、両圧延ロ
ール10，11の回転駆動による夫々の金属テープ1a，2aの
移送とによって両金属テープ1a，2a間に巻き込まれ、同
時に半田層２となる金属テープ2aが圧延されて台材１と
なる金属テープ1aに接合されることで、半田層２となる
金属テープ2aにおける台材１との境界部分に一定量の粉
末３を均一に含有した放熱部材ａが得られる。

【００２８】このような手段によらずに上述の放熱部材
ａを製造しようとする場合、前述の圧延ロールを垂直方
向へ上下に並べると共に、上方に半田層２となる金属テ
ープを、下方に台材１となる金属テープを夫々水平方向
へ移送可能に配設して前記圧延ロール間に側方から挿通
し、且つ、接合前の下側の金属テープの上面（即ち、上
側の金属テープとの接合面）に、手撒き若しくはフィー
ダー等を使用して粉末３を撒布する方法が考えられる。
しかし乍ら、このような製造方法においては、金属テー
プ上に粉末３を均一に分散させることが難しいばかり
か、金属テープの移送に伴う振動で供給した粉末３が零
れ落ちてしまい、半田層２中に一定量の粉末３を均一に
含有せしめることが困難である。また、粉末３をアルコ
ール等の液体中に混入せしめてその液体を金属テープ上
に塗布することも考えられるが、この場合、液体が乾燥
する前に両テープを圧延すると、その液体が邪魔になっ
てテープ相互の接合が不確実になり、また液体が乾燥し
た後では前記手段同様、粉末３が零れ落ちてしまう不具
合が生じる。

【００２９】本発明製造方法はこれら不具合を全て解消
し、半田層２における台材１との境界部分に上記粉末３
を充填した本発明の放熱部材ａを極めて容易且つ確実に
作製し得るものである。

【００３０】図４に示す放熱部材ａ’は、台材１の両面
に半田層２を積層形成すると共に、夫々の半田層２にお
ける台材１との境界部分に半田よりも高融点の材質から
なる粉末３を充填せしめてなる他の実施例を表す。尚、
この実施例の放熱部材ａ’における各構成部材、即ち台
材１、夫々の半田層２，２、粉末３の材料等については
前記実施例中の記載と同一のため、図４中に上記と同一
の符号を付し説明は省略する。

【００３１】この実施例の放熱部材ａ’は、一方の半田
層２内の粉末３の各粒子3a,3a …によって半田溶融時の
厚み（高さ）を一定に保って、半田層２上に載承したチ
ップｂと台材１の間を一定間隔に保持しつつ両者を相互
に接合せしめ、且つ前記粉末３が半田層２内に予め充填
されているので、半田溶融時における各粒子3a,3a …の
移動を防止できる。またその粉末３を半田層２における
台材１との境界部分に充填したことから、各粒子3a,3a
…が零れ落ちることを防止し得ると共に、各粒子3a,3a
…とチップｂとの間に適量の半田が確保されるので所定
の半田付け特性が得られる。

【００３２】また、前記チップｂの接合と同時に若しく
はそれに前後して、他方の半田層２を基板ｄ上に載承
し、その半田層２を加熱，溶融せしめることで放熱部材
ａ’を介してチップｂが基板ｄ上に固着される。その
際、前記同様、半田層２内の粉末３の各粒子3a,3a …に
よって半田溶融時の厚み（高さ）を一定に保って、基板
ｄと台材１の間を一定間隔に保持しつつ両者を相互に接
合せしめ、且つ前記粉末３が半田層２内に予め充填され
ているので、半田溶融時における各粒子3a,3a …の移動
を防止できる。またその粉末３を半田層２における台材
１との境界部分に充填したことから、各粒子3a,3a …が
零れ落ちることを防止し得ると共に、各粒子3a,3a …と
基板ｄとの間に適量の半田が確保されるので所定の半田
付け特性が得られる。

【００３３】尚、上記他方の半田層、即ち基板ｄに接合
する側の半田層２は、粉末３を充填せずに従来周知な半
田材料のみからなる単層構造としても初期の目的を達成
することは可能であるが、基板ｄとの間で所定の熱サイ
クル性を保持して放熱部材ａ’の剥離やチップｂとボン
ディングワイヤｅとの導通不良を防ぐためには、前述の
如くその半田層２における台材１との境界部分に半田よ
りも高融点の材質からなる粉末３を充填せしめることが
有用である。

【００３４】また、上記夫々の半田層２，２の形成に用
いる金属テープは、双方を同質な半田材料で形成しても
良いが、夫々を異質な半田材料で成形した場合は両者の
溶融温度を異なるものにでき、チップｂと台材１、台材
１と基板ｄの夫々の接合に時間差を持たせたい場合など
に有用である。

【００３５】図５はこの実施例の放熱部材ａ’の製造方
法を示し、同図において10，11は水平方向へ並設した左
右二本の圧延ロール、1aは台材１となる金属テープ、2a
は半田層２となる金属テープで、これら金属テープ1a，
2a，2aを前記二本の圧延ロール10，11間に上方から挿通
し同ロール10，11による圧延力によりテープ1aの両面に
テープ2a，2aを接合せしめて積層テープ状の放熱部材本
体ａ₂ を作製する。金属テープ1a，2aの材質や圧延ロー
ル10，11については前記実施例中の記載と同一のため、
図５中に上記と同一の符号を付し説明は省略する。

【００３６】夫々の金属テープ2a，2aの接合手前箇所は
不図示のテンションローラによって所定角度に拡開せし
め、これにより金属テープ1aと2a，2a間に粉末溜り部2
0，20を形成する。

【００３７】夫々の粉末溜り部20の上方には前記実施例
と同様に周知な粉末供給手段の末端吐出口30を設置し、
該吐出口30により粉末溜り部20に一定量の粉末３を連続
供給する。粉末供給手段における末端吐出口30の開口幅
は、各金属テープ1a，2aの幅寸法とほぼ同一として、吐
出口30から吐出される粉末３が金属テープ1a，2aの幅方
向へ均一に供給されるようにする。

【００３８】而して、この実施例の製造方法によれば、
夫々の金属テープ1a，2a，2aにおける接合手前箇所の粉
末溜り部20，20に一定量の粉末３を供給すれば、その粉
末３が接合前の金属テープ1a，2a，2aの接合面間に一定
量溜まる。さらにこの粉末３が、同粉末３に垂直方向に
係る重力と、両圧延ロール10，11の回転駆動による夫々
の金属テープ1a，2a，2aの移送とによって両金属テープ
1a，2a間に巻き込まれ、同時に半田層２となる金属テー
プ2aが圧延されて台材１となる金属テープ1aに接合され
ることで、半田層２，２となる金属テープ2a，2aにおけ
る台材１との境界部分に一定量の粉末３を均一に含有し
た放熱部材ａ’が得られる。

【００３９】このような手段によらずにこの実施例の放
熱部材ａ’を製造しようとする場合、前述の放熱部材ａ
の製造方法に係る記載中に述べたような、半田層となる
金属テープと台材となる金属テープを垂直方向へ上下に
並べた圧延ロール間に側方から挿通し、且つ、金属テー
プの上面に粉末を撒布する方法が考えられる。しかし乍
らこのような製造方法においては上記同様、粉末の均一
な分散，含有が困難であるばかりか、一方の半田層を形
成した後に同様の手段を繰り返して他方の半田層を積層
形成しなければならない。

【００４０】本発明製造方法はこれら不具合を全て解消
し、台材１となる金属テープ1aの両面に半田層２，２と
なる金属テープ2a，2aを同時に積層形成でき、且つそれ
ら半田層２，２における台材１との境界部分に上記粉末
３を均一に分散，充填した放熱部材ａ’を、極めて容易
且つ確実に作製し得るものである。

【００４１】尚、図面においては便宜上、粉末の各粒子
を拡大して表したが実際の粒子径は極微小なものである
ことはいうまでもなく、一例を挙げれば、台材１となる
金属テープ1aの厚さ0.2 〜5.0 mm、半田層２となる金属
テープ2aの厚さ0.05〜1.0 mm、作製された放熱部材ａの
厚さ0.1 〜1.5 mmに対し、粉末（Ｎｉ）の粒子3a径0.02
〜0.1 mm程度である。

【００４２】

【発明の効果】本発明の放熱部材は以上説明した如く台
材の片面に半田層を積層すると共に半田よりも高融点の
粉末を半田層における台材との境界部分に充填したの
で、粉末の各粒子によって半田溶融時の厚み（高さ）を
一定に保って、半田層上に載承するチップと台材の間を
一定間隔に保持しつつ両者を接合せしめることができ
る。

【００４３】従って、チップと基板との間に介在せしめ
ることで所定の放熱特性を得ることができ、しかも半田
付け性が極めて良好な信頼性の高い放熱部材を提供でき
た。

【００４４】また本発明に係る製造方法は、二枚若しく
は三枚の金属テープを垂直方向へ移送すると共にその接
合手前箇所を拡開せしめて粉末を供給し、この粉末に垂
直方向に係る重力と各金属テープを接合させる圧延力と
によって粉末を充填することとしたので、例えば水平方
向へ移送する金属テープの上面に手撒きやフィーダー等
で直接粉末を撒布するような手段に比べ、一定量の粉末
を容易且つ確実に半田層内に均一に含有させることがで
きる。従って、所定の放熱特性を得ることができしかも
半田付け性良好な本発明の放熱部材を極めて簡単に作製
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る半導体チップ用放熱部材の一実施
例を示す縦断正面図。

【図２】本発明に係る放熱部材の使用状態を示す縦断正
面図。

【図３】本発明放熱部材の製造方法を示す縦断正面図。

【図４】本発明に係る半導体チップ用放熱部材の他の実
施例を示す縦断正面図。

【図５】図４に示す放熱部材の製造方法を示す縦断正面
図。

【図６】放熱部材の取り付け手順を示す縦断正面図。

【図７】従来の放熱部材の取り付け手順を示す縦断正面
図。

【図８】従来の放熱部材の取り付け手順を示す縦断正面
図。

【符号の説明】

ａ，ａ’：放熱部材 １：台材 ２：半田層
３：粉末 3a：粒子 1a：台材となる金属テープ 2a：半田層となる金属テ
ープ ｂ：チップ ｃ：半田材 ｄ：基板 10，11：圧延テープ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の厚さを備える台材の片面又は両面
   に半田層を積層形成すると共に、少なくとも一方の半田
   層における前記台材との境界部分に、半田よりも高融点
   の材質からなる粉末を充填したことを特徴とする半導体
   チップ用放熱部材。
2. 【請求項２】 上記台材がＣｕ又はＮｉ又はＭｏ等の金
   属材料からなることを特徴とする請求項１記載の半導体
   チップ用放熱部材。
3. 【請求項３】 水平方向へ並設した左右二本の圧延ロー
   ル間に、台材となる金属テープと、半田層となる金属テ
   ープを上方から挿通しそれら両テープを相互に接合せし
   めて積層テープ状の放熱部材本体を作製すると共に、前
   記両テープにおける接合手前箇所を所定角度に拡開せし
   めて両テープ間に粉末溜り部を形成し、該粉末溜り部に
   半田よりも高融点の材質からなる粉末を供給し圧延ロー
   ルの巻込み力によって上記半田層における台材との境界
   部分に前記粉末を充填せしめることを特徴とする請求項
   １記載の半導体チップ用放熱部材の製造方法。