JPH077027A - ハイブリッド回路中の熱制御および電流搬送性能を得るための超厚厚膜 - Google Patents

ハイブリッド回路中の熱制御および電流搬送性能を得るための超厚厚膜

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JPH077027A
JPH077027A JP6059212A JP5921294A JPH077027A JP H077027 A JPH077027 A JP H077027A JP 6059212 A JP6059212 A JP 6059212A JP 5921294 A JP5921294 A JP 5921294A JP H077027 A JPH077027 A JP H077027A
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JP
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layer
ultra
thick film
heat
alumina substrate
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JP6059212A
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English (en)
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Bruce A Myers
ブルース・アラン・マイヤーズ
Dwadasi H R Sarma
ドワダシ・ハレ・ラマ・サーマ
Anil K Kollipara
アニル・カマー・コリパラ
Ponnusamy Palanisamy
ポニュサミー・パラニサミー
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Delco Electronics LLC
Original Assignee
Delco Electronics LLC
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  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
  • Parts Printed On Printed Circuit Boards (AREA)
  • Die Bonding (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【構成】 基板(32)に沿って、横方向、すなわちx
およびy方向に熱を拡散させるのに用いられる銅または
銀もしくは他の適当な導体材料の超厚膜(30)を開示
する。半導体チップ(26)のような熱を発生する成分
の下方に、垂直、すなわちz方向に熱を放散させるのに
適当な厚さの基板(32)を選択する。超厚厚膜(3
0)は、約50.8μm(2ミル)から約127μm
(5ミル)に及ぶ厚さを有し、平均粒径が約1マイクロ
メートルから3マイクロメートルに及ぶ金属粉から調製
する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】この発明は熱伝導性フィルムを含有する微
小形電子デバイス、とくにたとえばUS−A−5,12
1,298に開示されているように、請求項1の前文に
明記されている熱拡散性および高度の電流伝導性を得る
ために用いられる熱伝導性フィルムに関する。
【0002】半導体デバイス中の熱を放散させるための
種々の方法が公知となっている。既存の熱放散方法は、
熱伝導率の極めて高い酸化ベリリウム(BeO)基板を
使用する。さらに、BeO基板上の耐火物メタライゼー
ションおよび半田によって、電流を伝導させることもで
きる。該系の欠点には、製作費の比較的高いこと、Be
Oの毒性、および耐火物メタライゼーションの比較的高
い電気抵抗がある。実際問題として、BeOの使用は予
想される環境規制によって近い将来には実用には供され
なくなるであろう。
【0003】熱を発生するデバイスの下方、「z方向」
と呼ぶ垂直方向に、主として熱を放散させるための半導
体用の多くの熱制御法が考案されている。たとえば、熱
を発生する半導体チップの下部にはアルミナ基板が配設
されることが多い。アルミナ基板は熱を発生するチップ
から垂直のz方向に熱を放散させる。このような考案は
熱を、横方向、すなわちxおよびy方向に放散させる可
能性という点で限界がある。これはアルミナ基板の熱伝
導率が金属材料に比べて低く、また横方向の伝導に有効
な基体の断面積(厚さ)が、チップ下部のz方向の熱伝
導に有効な面積よりも小さいからである。横方向、すな
わちxおよびy方向にも熱を放散させることができる系
は、垂直、すなわちz方向のみに熱を放散させることが
できる系よりも有利な利点がある。xおよびy方向に熱
を放散させるのが有利であるのは、熱を発散するデバイ
ス直下のデバイスの熱抵抗の総体的な低下を生じる径路
のほかに熱抵抗の低い径路をもたらすからである。
【0004】多くの半導体の放熱システムは、熱を放散
させるために、主に、大きな基板すなわち金属コアを使
用する。熱を放散させるために厚膜を採用するというこ
とは、これまで真剣に考えられたことはなかった。通常
の厚膜は約12.7μmないし25.4μm(0.5ミ
ルないし1.0ミル)の範囲内の厚さを有している。1
2.7μmないし25.4μm(0.5ミルないし1.
0ミル)というこのフィルムの厚さを意図する用途に対
して最適なものとするのが通常賢明である。過度の厚さ
が、不適切な結合剤の焼切れをもたらし、かつ、はんだ
付け適性および/または付着強度に悪影響を及ぼすこと
のある窒素雰囲気中で焼成可能な銅導体フィルムの場合
には、とくに、厚膜は不利と考えられる。しかし、横方
向(すなわち、xおよびy方向)に熱を拡散させること
ができる厚膜を用いる放熱および電流伝導システムを開
発することは望ましいと思われる。
【0005】この発明による微小形電子デバイスは、請
求項1の権利範囲指定部分に明記されている特質を特徴
とする。
【0006】概して、この発明は、熱を発生する半導体
デバイスの下部で、下層の基板の面に沿って、横方向、
すなわちxおよびy方向に熱を拡散させるために、銅ま
たは銀もしくは他の適当な導電体材料の超厚厚膜(UT
TF)を使用する。基板はz方向、すなわち垂直方向に
熱を放散させるように、適当に選んだ厚さを有してい
る。UTTFは、横方向の熱拡散のために、通常のメタ
ライゼーション被覆よりも大きな断面積を有している。
また、UTTFはセラミック基板上に、最高75アンペ
アの高過渡電流および最高35アンペアの定常電流のた
めに、電気抵抗の低い径路を与える。これは厚膜材料の
場合に達成され、かつ、それ自体、特別な別個の電力母
線、高価な金属コア基板材料、または高価なメタライゼ
ーション技術を不要にする。高熱伝導率と高電気伝導率
との兼備は、高出力用途に用いられるアルミナ系厚膜回
路の性能を実質的に高める。UTTFは、0.0254
mm(0.001”)を上回りさらに0.127(0.
005”)に及ぶ厚さを有する。
【0007】UTTFは単層または多層の印刷フィルム
を用いて調製することができる。多層印刷層の場合に
は、高付着性組成物の第1層および高はんだ付け適性組
成物の最上層を用いるのが好ましい。高付着性組成物は
無機結合剤を含有し、高はんだ付け適性組成物は無機結
合剤を全くといってよいほど含まない。多層UTTFの
場合には、存在する有機物質を完全に除去するために、
各層を別々に焼成するのが好ましい。
【0008】この発明およびその実施方法を、添付図面
を参照しながら、以下に詳細に説明する。
【0009】図1は、従来技術の放熱システムを有する
半導体デバイスを示す。従来技術のデバイスには、熱を
発散する半導体チップのような高出力デバイス10があ
る。高出力デバイスの直下に、重量比がそれぞれ25/
75のスズ/鉛(Sn/Pb)の第1層12がある。ス
ズ/鉛(Sn/Pb)の第1層の下部に、モリブデン/
マンガン(Mo/Mn)の第1メタライゼーション層1
4がある。第1メタライゼーション層の下部にベリリア
(BeO)層16がある。モリブデン/マンガン(Mo
/Mn)の第2メタライゼーション層18がベリリア層
の直下にある。第2メタライゼーション層の下に重量比
がそれぞれ60/40のスズ/鉛(Sn/Pb)の第2
層20がある。スズ/鉛(Sn/Pb)の第2層の下に
銅バッファ22がある。最後に、アルミニウム背板24
が銅バッファの直下にある。このデバイスの特徴は、高
出力電源デバイスの下方で、実質的に垂直、すなわちz
方向のみに熱を放散させることである。このシステム
は、横方向、すなわち、xおよびy方向には、大して熱
を放散させない。この発明は該欠点を克服する。
【0010】この発明の一つの態様を図2に示す。該態
様は、熱を発散する半導体チップのような高出力デバイ
ス26を含んでいる。高出力デバイスの直下に、重量比
がそれぞれ25/75のスズ/鉛(Sn/Pb)層28
がある。この発明によるUTTF30はSn/Pb層の
下部に配設される。UTTFの下部にアルミナ層32が
ある。熱伝導性接着剤34がアルミナ層の下部に配設さ
れる。接着剤の下部にアルミニウム背板36がある。こ
の発明のこの態様において、Sn/Pb層の厚さは、典
型的に約0.0254mm(0.001”)から約0.
178mm(0.007”)にわたる。Sn/Pb層を
形成させる適切な組成物は米国のDelco Elec
tronics Corporationで製造され
る。類似の組成物が市販されている。アルミナ層は米国
のCoors CeramicsCompanyから入
手可能な96%酸化アルミニウム(残りの部分(4%)
は結合剤)である。アルミナ層の厚さは約0.254m
m(0.010”)から約0.889mm(0.03
5”)、好ましくは0.381mmから0.889mm
(0.015”から0.035”)にわたることができ
る。アルミナ層の厚さは、良好な熱的性能を保ちなが
ら、機械的および電気的分離を最適にするように選ばれ
る。
【0011】熱伝導性接着剤はシリコーン樹脂を含有す
る。適当な接着剤はぼ米国のDowCorning C
ompanyからDC6843またはDC6325とい
う商品名で入手可能である。接着剤は約0.051mm
(0.002”)から約0.178mm(0.00
7”)にわたる厚さ、好ましくは0.127mm(0.
005”)の厚さに適用することができる。接着剤のこ
の厚さは、接着剤が機械的結合、アルミナ層32とアル
ミニウム背板36との間のTCE応力除去および最小の
伝熱抵抗を満足させるように選ばれる。アルミニウム背
板36の厚さは、典型的に約1.27mm(0.0
5”)から約6.35mm(0.25”)にわたる。
【0012】図2に示すように、UTTF30は銅また
は銀もしくは他の導電材料の金属粉を含む組成物から形
成される。組成物中に存在する金属粉の量は約80重量
パーセントから約90重量パーセントにわたることがで
きる。銅UTTFは、粒径が約1マイクロメートルから
約3マイクロメートル、好ましくは1マイクロメートル
から約2マイクロメートルにわたる銅粉を含む組成物か
ら調製される。組成物は約81%の銅粉、約7%の無機
結合剤を含み、残りはしゃへい剤である。適当な銅粉は
米国、ペンシルベニア州,BerwynのGreze
s,Inc.からCuIIIという商品名で入手可能であ
る。適当な銀インキは米国、デラウェア州、Wilmi
ngtunのDuPont Electonicsから
Dupont 6160という商品名で入手可能であ
る。UTTFフィルムを形成させるのに用いられる組成
物は、約6.0重量パーセントから約7.0重量パーセ
ントに及ぶ量で存在する無機酸化物結合剤を含有するの
が好ましい。適当な酸化物結合剤は酸化ビスマス粉末お
よび酸化銅粉末である。UTTF組成物は当業者にとっ
ては公知の通常の方法を用いて配合される。
【0013】UTTFはUTTF組成物の多層印刷によ
って形成させるのが好ましい。フィルムはスクリーン印
刷を用いて印刷することができる。スクリーン印刷は、
金網スクリーンとともに適当な厚さの真鍮板を用いる方
法である。ステンシルはステンシル上でエマルション塗
料の代りに用いられる。UTTFは、約25.4μm
(1ミル)から約127μm(5ミル)、好ましくは約
50.8μm(2ミル)から約101.6μm(4ミ
ル)にわたる厚さに形成される。
【0014】銅UTTFは窒素雰囲気中で、約900℃
から約925℃にわたる温度、好ましくは最高温度約9
00℃において焼成される。銀UTTFは、空気中で、
約825℃から約875℃にわたる温度、好ましくは最
高温度850℃において焼成される。
【0015】好ましい態様においては、UTTFはアル
ミナ基板上に形成される高付着性組成物の底部層によっ
て作り上げられる。高付着性組成物は81.3重量%の
銅粉、6.8重量%の無機結合剤および約12重量%の
しゃへい剤を含む。高付着性層の厚さは約0.0127
mm(0.0005”)から約0.0762mm(0.
003”)にわたり、好ましくは約0.0508mm
(0.002”)の厚さであることができる。高はんだ
付け適性組成物の最上部UTTF層が底部UTTF層の
上方に形成される。高はんだ付け適性組成物は91.8
重量%の銅粉および8.2重量%のしゃへい剤を含み、
酸化物結合剤は含まない。特定のしゃへい剤は約90重
量%の溶剤、典型的にはTEXANOLTM(2,2,4
−トリメチル−1,3−ペンタンジオールモノイソブチ
レートと思われる)と残りの樹脂、典型的にはエチルセ
ルロースグレードのN−50との混合物であって、これ
らはいずれも市販されている。高はんだ付け適性組成物
層の厚さは約0.0127mm(0.0005”)から
約0.0762mm(0.003”)にわたり、好まし
くは約0.0508mm(0.002”)の厚さである
ことができる。銅UTTF組成物には高付着性組成物と
高はんだ付け適性組成物との多層UTTF構造が有利で
ある。
【0016】図3はこの発明の別の態様を示す。この態
様は、次の順序で相互に下方に配設される下記要素を含
む:熱を発生する集積回路チップのような高出力デバイ
ス38;重量比がそれぞれ25/75の第1Sn/Pb
層40;第1UTTF層42;アルミナ層44;第2U
TTF層46;重量比がそれぞれ60/40の第2Sn
/Pb層48;銅バッファ50;およびアルミニウム背
板52。
【0017】図3は図1に示した従来技術のデバイスに
幾分類似した構造を有している。しかし、従来技術のデ
バイスは、すぐれた熱伝導率があるため、酸化ベリリウ
ム層を用いている。通常、この発明で用いられるアルミ
ナ層(図3)は熱伝導率が劣るために敬遠されると思わ
れる。しかし、UTTF層の採用が、熱を横方向に拡散
させ、かつ大面積のアルミナ基板を通して熱を垂直に放
散させることによって、これらの欠点を克服する。
【0018】図3に示すように、横方向、すなわち、x
およびy方向に多大の放熱を可能とするだけのUTTF
層の長さ、幅および厚さが選ばれる。たとえば、長さお
よび幅が、それぞれ約5.08mm(0.200”)お
よび5.08mm(0.200”)の半導体チップのよ
うな高出力デバイスの場合には、UTTFは約0.10
16mm(0.004”)の厚さ約8.382mm
(0.330”)の幅および約12.192mm(0.
480”)の長さを有することができる。
【0019】図4は、図3のデバイスと同様に配列され
た半導体チップ54、はんだ層56、はんだ層の下部の
パラジウム−銀UTTF層58、銀UTTF層80、ア
ルミナ基板60、銀UTTF層62、熱伝導性シリコー
ン接着剤層64、およびアルミニウムハウジング背板6
6を含むこの発明の別の態様を示す。この態様は、さら
に、チップ54および基板60に接合されたアルミニウ
ム線68を含んでいる。銀−パラジウムUTTF層70
は、接合部位において、アルミニウム線68と基板60
との間に介在している。使用した銀−パラジウム組成物
は米国のDuPont CompanyからDuPon
t 7484という商品名で入手可能であり、重量比が
3:1の銀およびパラジウムを含んでいる。銀−パラジ
ウムUTTF層70はアルミニウム線68から熱を放散
させるのに役立ち、かつ信頼性のある付着面を与える。
UTTF層58,80および62は、比較的熱伝導性の
低い基板および接着剤層を通る熱伝導(z方向)よりも
先に横方向に熱伝導させる。UTTF層58,80およ
び70も高回路電流に電気抵抗の低い径路をもたらす。
UTTF層62は、また熱を発散するデバイスの下の部
分の比較的熱伝導性の低い接着剤層を薄くすることによ
って、全体構造的熱伝導率を向上させる。アルミナ基板
60の下部のUTTF層62は、アルミナ基板60と背
板66との間の熱伝導性接着剤64の量を薄くして、そ
の間の熱伝達を向上させるのに役立つ。熱伝導性接着剤
64の残りの部分は、UTTF層62の下の部分よりも
厚くて、基板60と背板66との間の応力除去の向上を
もたらす。
【0020】表1,2および3に示す下記実施例はこの
発明の特徴および利点を示す。
【0021】実施例1−4においては、銅粉を用いてU
TTF配合物を調製した。UTTFは表1に示すよう
に、UTTF組成物の単層または多層印刷によって形成
させた。いずれの場合にも、1層を印刷後、フィルムを
乾燥させ、さらに、各印刷後焼成した。多層UTTF構
造体は二種類の銅UTTF組成物を用いた。第1の銅組
成物(BC−12)は約81.2重量パーセントの銅
粉、約6.8重量パーセントの無機結合剤および約1
2.0重量%のしゃへい剤を包含した。第2の銅組成物
(PC−2)は約91.8重量パーセントの銅粉、ゼロ
重量パーセントの無機結合剤、および約8.2重量パー
セントのしゃへい剤を包含した。表1は種々のUTTF
ならびにそれぞれそれらの面積抵抗および固有抵抗を示
す。「操作説明」欄中80メッシュという用語は印刷に
使用したスクリーンのメッシュを指す。
【0022】
【表1】 下記の表2および3の実施例は、この発明によるUTT
Fを用いて得られた耐熱性の値を示す。表2中の実施例
A−Gでは、銅粉を用いて銅UTTFを調製した。実施
例A−Gの相互の相違は印刷方法および使用した銅イン
キ組成物であった。これらの相違は表2に記載してあ
り、その中にある「2ミルのステンシル」は50.8μ
m(2ミル)の真鍮製ステンシルを有するスクリーンを
使用したことを意味し、また「4ミルのステンシル」は
101.6μm(4ミル)の真鍮製ステンシルを有する
スクリーンを使用したことを意味する。実施例Fおよび
Gでは、UTTF配合物の2つの層をそれぞれ印刷し、
乾燥し、さらに焼成して、最終の焼成厚さを得た。
【0023】
【表2】 市販のDuPont 6160を用いて、銀UTTFを
調製した。銀フィルムの印刷方法は表3の実施例H−N
に記載してある。
【0024】銀UTTFは、底部に高付着性(はんだ付
け可能またははんだ付け不能)フィルムを、また頂部に
はんだ付け可能な(高付着性または低付着性)フィルム
を用いて作ることができることに注意しなければならな
い。実験室で用いていた系は底部のフィルムとして、D
elco Electronics Corpoati
onで入手可能な銀導体および頂部のフィルムとしてD
uPont 6160導体を含有した。白金−銀のよう
な他の類似の導電性厚膜組成物もUTTFに使用するこ
とができる。
【0025】米国特許出願第038,379号が優先権
を主張する該出願および該出願に付随する要約書の開示
を参考資料として本明細書に収録する。
【0026】
【表3】
【図面の簡単な説明】
【図1】従来技術の半導体デバイスの図である。
【図2】この発明の一つの態様の図であって、UTTF
が高出力デバイスと熱を放散させる基板との間に介在す
る。
【図3】この発明の別の態様の図であって、高出力デバ
イスからの熱を放散させるために、UTTFが系内の種
々の位置に介在する。
【図4】この発明の他の態様の図であって、半導体デバ
イスの下部に結合された線を含む該デバイスを用いる高
出力セラミック回路の種々の位置にUTTFが用いられ
ている。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ドワダシ・ハレ・ラマ・サーマ アメリカ合衆国インディアナ州46902,コ コモ,サウス・ウエブスター 5028,アパ ートメント キュー (72)発明者 アニル・カマー・コリパラ アメリカ合衆国インディアナ州46902,コ コモ,マシュー・ドライブ 3020 (72)発明者 ポニュサミー・パラニサミー アメリカ合衆国ペンシルバニア州19446, ランズデール,クラレモント・ドライブ 133

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 熱発生成分(26;38;54);前記
    成分の下部にあるはんだ層(28;40;56);およ
    び該はんだ層(28;40;56)とアルミナ基板(3
    2;44;60)との間に介在する熱伝導性フィルム
    (30;42;58;80)を含む微小形電子デバイス
    において、前記熱伝導性フィルムが、約50.8μm
    (2ミル)から約127μm(5ミル)にわたる厚さを
    有する超厚厚膜(30;42;58;80)であること
    を特徴とする微小形電子デバイス。
  2. 【請求項2】 該デバイスが、さらに金属背板(36;
    66)および前記背板(36;66)と前記アルミナ基
    板(32;60)との間に介在する熱伝導性接着剤(3
    4;64)を含むことを特徴とする請求項1の微小形電
    子デバイス。
  3. 【請求項3】 前記超厚厚膜(30;42;58;8
    0)が銅、銀、パラジウム−銀および白金−銀より成る
    群から選ばれる金属材料を含むことを特徴とする請求項
    1の微小形電子デバイス。
  4. 【請求項4】 前記超厚厚膜(30)が前記アルミナ基
    板(32)に付着し、さらに無機結合剤を含む組成物か
    ら調製される第1の高付着性層、および前記第1層に固
    着され、かつ前記はんだ層(28)に隣接する第2の高
    はんだ付け適性層を含み、かつ前記第2層が無機結合剤
    を実質的に含まないことを特徴とする請求項3の微小形
    電子デバイス。
  5. 【請求項5】 前記金属材料が銅より成ることを特徴と
    する請求項4の微小形電子デバイス。
  6. 【請求項6】 前記デバイスが、さらに、前記アルミナ
    基板(44)の下にある厚さが約50.8μm(2ミ
    ル)から約127μm(5ミル)にわたる超厚厚膜(4
    6);第2超厚厚膜(46)の下にあるはんだ層(4
    8);および第2はんだ層(48)の下にあるヒートシ
    ンク(50,52)を含むことを特徴とする請求項1の
    微小形電子デバイス。
  7. 【請求項7】 前記ヒートシンク(50)が前記第2は
    んだ層(48)の下にある銅基板および前記銅基板(5
    0)に付着するアルミニウム背板(52)を含むことを
    特徴とする請求項6の微小形電子デバイス。
  8. 【請求項8】 前記第1超厚厚膜(40)が、前記アル
    ミナ基板(44)に隣接し、無機結合剤をさらに含む組
    成物から調製される第1高付着性層、および前記第1は
    んだ層(40)に隣接して、無機結合剤を実質的に含ま
    ない第2高はんだ付け適性層を含み、かつ前記第2超厚
    厚膜(46)が前記アルミナ基板(44)に隣接し、無
    機結合剤をさらに含む組成物から調製される第1高付着
    性層、および前記第2はんだ層(48)に隣接して、無
    機結合剤を実質的に含まない第2高はんだ付け適性層を
    含むことを特徴とする請求項6の微小形電子デバイス。
  9. 【請求項9】 前記第1および第2超厚厚膜(42,4
    6)がそれぞれ銅を含む材料から調製されることを特徴
    とする請求項6の微小形電子デバイス。
  10. 【請求項10】 該熱発生デバイスが集積回路チップ
    (54)であり;前記アルミナ基板(60)が集積回路
    チップ(54)よりも実質的に大きい長さおよび幅を有
    し;前記アルミナ基板(60)の下部に、厚さが約5
    0.8μm(2ミル)から約127μm(5ミル)にわ
    たり、長さと幅が集積回路チップ(54)よりも若干大
    きい超厚厚膜(62)があり;前記アルミナ基板(6
    0)および前記第2超厚厚膜(62)の下部に熱伝導性
    接着剤層(64)があり;さらに該接着剤層(64)に
    付着する背板(66)があることを特徴とする請求項1
    の微小形電子デバイス。
  11. 【請求項11】 一端で電子部品(54)に接続され、
    他端に、厚さが約12.7μm(0.5ミル)から約7
    6.2μm(3ミル)にわたる超厚厚膜(70)に付着
    された脚部を有する線(68)があり、該超厚厚膜(7
    0)の下部に前記アルミナ基板(60)を有することを
    特徴とする請求項10の微小形電子デバイス。
  12. 【請求項12】 前記アルミナ基板(60)の下部にあ
    る前記熱伝導性接着剤層(64)が集積回路チップ(5
    4)よりも大きな長さおよび幅を有し、さらに集積回路
    チップ(54)下部の部分では、熱伝達をよくするため
    に、熱伝導性接着剤層(64)が比較的薄く、かつ、熱
    伝導性接着剤層(64)の残りの部分が、基板(60)
    と背板(66)との間で応力を除去するように、比較的
    厚いように、超厚厚膜(62)が熱伝導性接着剤層(6
    4)によって包囲されていることを特徴とする請求項1
    0の微小形電子デバイス。
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