JPH0964254A - 半導体装置用放熱部材 - Google Patents
半導体装置用放熱部材Info
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- JPH0964254A JPH0964254A JP24254495A JP24254495A JPH0964254A JP H0964254 A JPH0964254 A JP H0964254A JP 24254495 A JP24254495 A JP 24254495A JP 24254495 A JP24254495 A JP 24254495A JP H0964254 A JPH0964254 A JP H0964254A
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Landscapes
- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 低コストでＣｕ−Ｗ合金と同等の性能を有す
る半導体装置用放熱部材を提供する。 【解決手段】 銅またはアルミニウムをマトリクスとす
ることで熱伝導率が向上し、長さ４０μｍ以下の炭素繊
維を６５体積％乃至９０体積％配合することで熱膨張率
を目的の範囲内に下げることができ、しかも三次元等方
性の焼結体が得られる。ここで、接合する基板に応じて
炭素繊維の配合比を変えることで熱膨張率を調整するこ
とができる。また、安価な炭素繊維を用いることで原料
コストが低廉化する。
る半導体装置用放熱部材を提供する。 【解決手段】 銅またはアルミニウムをマトリクスとす
ることで熱伝導率が向上し、長さ４０μｍ以下の炭素繊
維を６５体積％乃至９０体積％配合することで熱膨張率
を目的の範囲内に下げることができ、しかも三次元等方
性の焼結体が得られる。ここで、接合する基板に応じて
炭素繊維の配合比を変えることで熱膨張率を調整するこ
とができる。また、安価な炭素繊維を用いることで原料
コストが低廉化する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、各種半導体素子を
搭載する基板に装着するための半導体装置用放熱部材に
関するものである。
搭載する基板に装着するための半導体装置用放熱部材に
関するものである。
【０００２】
【従来の技術】電子機器関連製品の大きな課題の１つ
は、いかに放熱するかという点である。その目的でＬＳ
Ｉパッケージや光半導体パッケージなどの半導体装置に
は、ヒートスプレッダーまたはヒートシンクと呼ばれる
放熱部材が設けられている（図２（ａ）、図２（ｂ）、
図２（ｃ）参照）。この部材に要求される特性は、熱
を放散させるために熱伝導率が高いこと（１００〜２０
０Ｗ／ｍ・ｋ程度）、セラミックスやガラス基板と接
合させるため、熱膨張率が基板と同等であること（５〜
１０×１０-6／ｋ程度）の２点である。現在はこの特性
を満足する材料として、銅とタングステンとの合金（以
下、Ｃｕ−Ｗ合金と略す）が多用されている。参考に、
市販のＣｕ−Ｗ合金の特性例を表１に示す。
は、いかに放熱するかという点である。その目的でＬＳ
Ｉパッケージや光半導体パッケージなどの半導体装置に
は、ヒートスプレッダーまたはヒートシンクと呼ばれる
放熱部材が設けられている（図２（ａ）、図２（ｂ）、
図２（ｃ）参照）。この部材に要求される特性は、熱
を放散させるために熱伝導率が高いこと（１００〜２０
０Ｗ／ｍ・ｋ程度）、セラミックスやガラス基板と接
合させるため、熱膨張率が基板と同等であること（５〜
１０×１０-6／ｋ程度）の２点である。現在はこの特性
を満足する材料として、銅とタングステンとの合金（以
下、Ｃｕ−Ｗ合金と略す）が多用されている。参考に、
市販のＣｕ−Ｗ合金の特性例を表１に示す。
【０００３】
【表１】
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】現在多用されているＣ
ｕ−Ｗ合金は、基板材料のセラミックスと接合するため
に熱膨張率を一致させ、かつ高い熱伝導性を持たせるた
めに選定された合金である。しかしながら、この材料は
タングステンを使用しているために原料コストが高く、
比重が大きいという問題点がある。また、一般に加工性
が悪いと云う問題もあり、代替材料の開発が望まれてい
た。
ｕ−Ｗ合金は、基板材料のセラミックスと接合するため
に熱膨張率を一致させ、かつ高い熱伝導性を持たせるた
めに選定された合金である。しかしながら、この材料は
タングステンを使用しているために原料コストが高く、
比重が大きいという問題点がある。また、一般に加工性
が悪いと云う問題もあり、代替材料の開発が望まれてい
た。
【０００５】また、実開昭５５−１４１９５３号や実開
昭５８−１１２５４号には銅に炭素繊維を含有させた放
熱材料が開示されているが、これらは平面に編んだもの
を重ねているので、三次元的に異方性がある。従って熱
伝導率及び熱膨張率にも方向性が生じ、その取扱いが厄
介であるという問題があった。
昭５８−１１２５４号には銅に炭素繊維を含有させた放
熱材料が開示されているが、これらは平面に編んだもの
を重ねているので、三次元的に異方性がある。従って熱
伝導率及び熱膨張率にも方向性が生じ、その取扱いが厄
介であるという問題があった。
【０００６】本発明では低コストでＣｕ−Ｗ合金と同等
の性能を有する半導体装置用放熱部材を提供することを
目的とする。
の性能を有する半導体装置用放熱部材を提供することを
目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は上記したような
従来技術の問題点に鑑みなされたものであり、その主な
目的は、長さ４０μｍ以下の炭素繊維を６５体積％乃至
９０体積％と、ＣｕまたはＡｌのいずれか一方からなる
金属成分とを含み、かつ熱膨張率が５×１０-6〜１０×
１０-6以下の金属複合材料からなることを特徴とする半
導体装置用放熱部材を提供することにある。特に、前記
金属複合材料に、前記金属成分と前記炭素繊維との反応
性を向上させるべくＴｉ、Ｚｒ、Ｃｒ及びＳｉのうちの
少なくとも１種類以上の金属を０．３重量％乃至５重量
％添加したり、前記金属複合材料に、焼結性を向上させ
るべくＳｉ、Ａｇ、Ｓｎ、Ｐ、Ａｌ及びＣｕのうち前記
金属成分と異なる少なくとも１種類以上の金属を０．３
重量％乃至８重量％添加すると良い。
従来技術の問題点に鑑みなされたものであり、その主な
目的は、長さ４０μｍ以下の炭素繊維を６５体積％乃至
９０体積％と、ＣｕまたはＡｌのいずれか一方からなる
金属成分とを含み、かつ熱膨張率が５×１０-6〜１０×
１０-6以下の金属複合材料からなることを特徴とする半
導体装置用放熱部材を提供することにある。特に、前記
金属複合材料に、前記金属成分と前記炭素繊維との反応
性を向上させるべくＴｉ、Ｚｒ、Ｃｒ及びＳｉのうちの
少なくとも１種類以上の金属を０．３重量％乃至５重量
％添加したり、前記金属複合材料に、焼結性を向上させ
るべくＳｉ、Ａｇ、Ｓｎ、Ｐ、Ａｌ及びＣｕのうち前記
金属成分と異なる少なくとも１種類以上の金属を０．３
重量％乃至８重量％添加すると良い。
【０００８】無機材料としては熱伝導率が高くて熱膨張
率が小さく、更にコストも低い黒鉛粉と炭素繊維とが適
しているが、黒鉛粉と炭素繊維との弾性率は、２０ＧＰ
ａと４００ＧＰａと大きく異なっており、目的とする低
熱膨張化には弾性率の大きい炭素繊維の短繊維若しくは
その粉末の方が効果が大きい。炭素繊維については長繊
維では金属と複合化した際に異方性を生じるため、短繊
維（長さ４０μｍ以下）もしくは粉砕して粉末とするこ
とが望ましい。短繊維または粉砕粉では繊維特有の異方
性がなくなり、３次元等方性複合材料が得られる。ま
た、複合材料の熱膨張率は、理想状態では簡便に以下の
式で求められる（参考文献 複合材料の辞典 朝倉書
店）。
率が小さく、更にコストも低い黒鉛粉と炭素繊維とが適
しているが、黒鉛粉と炭素繊維との弾性率は、２０ＧＰ
ａと４００ＧＰａと大きく異なっており、目的とする低
熱膨張化には弾性率の大きい炭素繊維の短繊維若しくは
その粉末の方が効果が大きい。炭素繊維については長繊
維では金属と複合化した際に異方性を生じるため、短繊
維（長さ４０μｍ以下）もしくは粉砕して粉末とするこ
とが望ましい。短繊維または粉砕粉では繊維特有の異方
性がなくなり、３次元等方性複合材料が得られる。ま
た、複合材料の熱膨張率は、理想状態では簡便に以下の
式で求められる（参考文献 複合材料の辞典 朝倉書
店）。
【０００９】 αc＝（α1Ｋ1Ｘ1＋α2Ｋ2Ｘ2）／（Ｋ1Ｘ1＋Ｋ2Ｘ2） αc：複合材料の熱膨張係数 αi：ｉ成分の熱膨張係数 Ｋi：ｉ成分の体積弾性率 Ｘi：ｉ成分の体積分率
【００１０】尚、銅と炭素繊維は反応しないため、焼結
が困難であるが、炭素繊維と銅粉とを粉砕混合（メカニ
カルアロイング）することにより、ホットプレス（以下
Ｈ／Ｐと略記する。）で焼結可能となる。また、炭素繊
維を４０μｍ以下に粉砕することにより焼結性が増加
し、繊維特有の異方性を生じない三次元等方性の焼結体
が得られる。
が困難であるが、炭素繊維と銅粉とを粉砕混合（メカニ
カルアロイング）することにより、ホットプレス（以下
Ｈ／Ｐと略記する。）で焼結可能となる。また、炭素繊
維を４０μｍ以下に粉砕することにより焼結性が増加
し、繊維特有の異方性を生じない三次元等方性の焼結体
が得られる。
【００１１】
【実施例】以下、本発明の好適実施例を添付の図面につ
いて詳しく説明する。
いて詳しく説明する。
【００１２】無機材料と金属材料とからなる複合材料の
各種の組み合わせの結果を表２に示す。
各種の組み合わせの結果を表２に示す。
【００１３】
【表２】
【００１４】焼結性については以下の３段階で表示し
た。 △：H/Pで加圧してある程度焼結可能（焼結密度８５％
〜９０％） ○：H/Pで加圧して完全に焼結可能（焼結密度９０％〜
９９％） ◎：成形後に無加圧焼結可能
た。 △：H/Pで加圧してある程度焼結可能（焼結密度８５％
〜９０％） ○：H/Pで加圧して完全に焼結可能（焼結密度９０％〜
９９％） ◎：成形後に無加圧焼結可能
【００１５】上記複合材料は、鋼球を用いたボールミル
混合法（メカニカルアロイング法）により製造し、Ｈ／
Ｐで焼結した。焼結条件は真空中（金属成分がＣｕの時
１０３０℃、Ａｌの時６００℃）で１０時間保持し、荷
重は４kgf/mm2加えた。
混合法（メカニカルアロイング法）により製造し、Ｈ／
Ｐで焼結した。焼結条件は真空中（金属成分がＣｕの時
１０３０℃、Ａｌの時６００℃）で１０時間保持し、荷
重は４kgf/mm2加えた。
【００１６】表２により、黒鉛粉を使用した場合、目的
とする熱膨張率を得るには９２体積％以上の黒鉛を必要
とするため焼結性が悪い。しかし、炭素繊維を用いた場
合には、炭素繊維の弾性率が高いので少量でも熱膨張率
を下げる効果が大きいことが分かる。
とする熱膨張率を得るには９２体積％以上の黒鉛を必要
とするため焼結性が悪い。しかし、炭素繊維を用いた場
合には、炭素繊維の弾性率が高いので少量でも熱膨張率
を下げる効果が大きいことが分かる。
【００１７】また、金属成分（Ａｌ、Ｃｕ）と炭素繊維
系の金属複合材料では、金属成分と炭素繊維とが実際に
は反応しないため熱伝導率が予測値より低下する傾向が
あり、また炭素繊維の含有量が多くなると焼結性が悪く
なる。反応性と焼結性とを向上するために第３元素を添
加したところ、以下の効果が得られた。
系の金属複合材料では、金属成分と炭素繊維とが実際に
は反応しないため熱伝導率が予測値より低下する傾向が
あり、また炭素繊維の含有量が多くなると焼結性が悪く
なる。反応性と焼結性とを向上するために第３元素を添
加したところ、以下の効果が得られた。
【００１８】炭素繊維と反応するような元素（Ｔｉ、
Ｚｒ、Ｃｒ、Ｓｉ）を０．３重量％〜５重量％添加する
ことにより、熱伝導率が良くなった。０．３ｗｔ％未満
では効果が殆どなく、５重量％を越えると反応層が厚く
なりすぎて全体が脆くなると共にこの反応層が熱伝導率
を低下させる。 焼結時に金属成分に液層をつくる元素（Ｓｉ、Ａｇ、
Ｓｎ、Ｐ、Ａｌ、Ｃｕ）を０．３重量％〜８重量％添加
することにより、焼結性が向上した。０．３重量％未満
では焼結性向上の効果がなく、８重量％を越えて添加す
ると焼結性向上ために出現させる液相が多くなり過ぎ、
全体を溶かしてしまう恐れがある。
Ｚｒ、Ｃｒ、Ｓｉ）を０．３重量％〜５重量％添加する
ことにより、熱伝導率が良くなった。０．３ｗｔ％未満
では効果が殆どなく、５重量％を越えると反応層が厚く
なりすぎて全体が脆くなると共にこの反応層が熱伝導率
を低下させる。 焼結時に金属成分に液層をつくる元素（Ｓｉ、Ａｇ、
Ｓｎ、Ｐ、Ａｌ、Ｃｕ）を０．３重量％〜８重量％添加
することにより、焼結性が向上した。０．３重量％未満
では焼結性向上の効果がなく、８重量％を越えて添加す
ると焼結性向上ために出現させる液相が多くなり過ぎ、
全体を溶かしてしまう恐れがある。
【００１９】また、目的とする熱膨張率を得るために、
炭素繊維の配合比を変えて検討した結果を表３に示す。
炭素繊維６５体積％以上ではセラミックスと接合可能な
熱膨張率を与え、熱伝導率も要求値を満たしているが、
炭素繊維６５体積％未満では熱伝導率は良好であるが、
熱膨張率はセラミックスと接合不可能な値を与える。
炭素繊維の配合比を変えて検討した結果を表３に示す。
炭素繊維６５体積％以上ではセラミックスと接合可能な
熱膨張率を与え、熱伝導率も要求値を満たしているが、
炭素繊維６５体積％未満では熱伝導率は良好であるが、
熱膨張率はセラミックスと接合不可能な値を与える。
【００２０】
【表３】
【００２１】本実施例の銅−炭素繊維系複合材料の焼結
体の一例の金属組織の顕微鏡写真を図１に示す。この焼
結体は、熱伝導率２０３Ｗ／ｍ・Ｋ（ａｔ Ｒ．
Ｔ．）、熱膨張率１０×１０-6／Ｋ（５０℃〜２００
℃）であり、ヒートスプレッダーに要求される特性を満
たしている。その結果、パッケージ製造時にヒートスプ
レッダーとセラミックス基板とを接合する際、セラミッ
クス基板を破壊せず、また、パッケージ作動時に加熱冷
却サイクルによる熱応力が発生しない。
体の一例の金属組織の顕微鏡写真を図１に示す。この焼
結体は、熱伝導率２０３Ｗ／ｍ・Ｋ（ａｔ Ｒ．
Ｔ．）、熱膨張率１０×１０-6／Ｋ（５０℃〜２００
℃）であり、ヒートスプレッダーに要求される特性を満
たしている。その結果、パッケージ製造時にヒートスプ
レッダーとセラミックス基板とを接合する際、セラミッ
クス基板を破壊せず、また、パッケージ作動時に加熱冷
却サイクルによる熱応力が発生しない。
【００２２】
【発明の効果】本発明の複合材料からなる半導体装置用
放熱部材によれば、銅またはアルミニウムをマトリクス
とすることで熱伝導率が向上し、長さ４０μｍ以下の炭
素繊維を６５体積％乃至９０体積％配合することで熱膨
張率を目的の範囲内に下げることができ、しかも三次元
等方性の焼結体が得られる。ここで、接合する基板に応
じて炭素繊維の配合比を変えることで熱膨張率を調整す
ることができる。また、安価な炭素繊維を用いることで
原料コストが低廉化する。
放熱部材によれば、銅またはアルミニウムをマトリクス
とすることで熱伝導率が向上し、長さ４０μｍ以下の炭
素繊維を６５体積％乃至９０体積％配合することで熱膨
張率を目的の範囲内に下げることができ、しかも三次元
等方性の焼結体が得られる。ここで、接合する基板に応
じて炭素繊維の配合比を変えることで熱膨張率を調整す
ることができる。また、安価な炭素繊維を用いることで
原料コストが低廉化する。
【図１】本発明が適用された半導体装置用放熱部材とし
ての銅−炭素繊維系金属複合材料の焼結体の金属組織を
示す顕微鏡写真。
ての銅−炭素繊維系金属複合材料の焼結体の金属組織を
示す顕微鏡写真。
【図２】一般的な半導体装置のパッケージ構造を示す斜
視図。
視図。
Claims (3)
- 【請求項１】 長さ４０μｍ以下の炭素繊維を６５体
積％乃至９０体積％と、ＣｕまたはＡｌのいずれか一方
からなる金属成分とを含み、かつ熱膨張率が５×１０-6
〜１０×１０-6以下の金属複合材料からなることを特徴
とする半導体装置用放熱部材。 - 【請求項２】 前記金属複合材料に、前記金属成分と
前記炭素繊維との反応性を向上させるべくＴｉ、Ｚｒ、
Ｃｒ及びＳｉのうちの少なくとも１種類以上の金属が
０．３重量％乃至５重量％添加されていることを特徴と
する請求項１に記載の半導体装置用放熱部材。 - 【請求項３】 前記金属複合材料に、焼結性を向上さ
せるべくＳｉ、Ａｇ、Ｓｎ、Ｐ、Ａｌ及びＣｕのうち前
記金属成分と異なる少なくとも１種類以上の金属が０．
３重量％乃至８重量％添加されていることを特徴とする
請求項１または請求項２に記載の半導体装置用放熱部
材。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24254495A JPH0964254A (ja) | 1995-08-28 | 1995-08-28 | 半導体装置用放熱部材 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24254495A JPH0964254A (ja) | 1995-08-28 | 1995-08-28 | 半導体装置用放熱部材 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0964254A true JPH0964254A (ja) | 1997-03-07 |
Family
ID=17090695
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP24254495A Pending JPH0964254A (ja) | 1995-08-28 | 1995-08-28 | 半導体装置用放熱部材 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0964254A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2013236010A (ja) * | 2012-05-10 | 2013-11-21 | Mitsubishi Electric Corp | 半導体装置 |
| JP2015153900A (ja) * | 2014-02-14 | 2015-08-24 | 島根県 | 積層体およびその製造方法 |
-
1995
- 1995-08-28 JP JP24254495A patent/JPH0964254A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| JP2015153900A (ja) * | 2014-02-14 | 2015-08-24 | 島根県 | 積層体およびその製造方法 |
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