JPH104160A - 半導体基板用放熱材及びその製造方法 - Google Patents

半導体基板用放熱材及びその製造方法

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JPH104160A
JPH104160A JP8177463A JP17746396A JPH104160A JP H104160 A JPH104160 A JP H104160A JP 8177463 A JP8177463 A JP 8177463A JP 17746396 A JP17746396 A JP 17746396A JP H104160 A JPH104160 A JP H104160A
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倫彦 綾田
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淳一 宮原
Noriko Hirokawa
典子 廣川
Takashi Kayamoto
隆司 茅本
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    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C22C32/00Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ
    • C22C32/0047Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ with carbides, nitrides, borides or silicides as the main non-metallic constituents
    • C22C32/0052Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ with carbides, nitrides, borides or silicides as the main non-metallic constituents only carbides
    • C22C32/0063Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ with carbides, nitrides, borides or silicides as the main non-metallic constituents only carbides based on SiC

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 製造コストを低廉化すると共に材質の高性能
化を図ることが可能な半導体基板用放熱材及びその製造
方法を提供する。 【解決手段】 Agなどの第3元素を添加することなく
シース材中に金属粒子とセラミック粒子との2元素系混
合体を真空封入し、これを冷間加工し、急速加熱後に熱
間加工することにより、遊離Siによる化合物を抑制す
ることができ焼結密度が向上して熱伝導率が向上する。
また、加熱状態で高圧に加圧することにより金属粒子を
大きく変形させてセラミック粒子との界面に密着させる
ことができ、一層焼結密度が向上し熱伝導率が向上す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、LSIパッケージ
や光半導体パッケージ等に用いられる放熱材の製造方法
に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、放熱材としては、Cu−W系のも
のが一般的であったが、タングステン(W)は高価であ
り、かつその比重が大きく製品全体が重量化する問題が
あった。また、その製造方法としてはW粉末をホットプ
レス法により焼結してからCuを含浸させ、所定の形状
に研削しており、その工程が多くなることや材料歩留り
が低下することにより、生産性が低下し、製造コストが
高騰化するという問題もあった。
【0003】そこで、原料コストが高く、比重が大きい
Wに代えてCu−SiC系の複合材やCu−C系の複合
材が注目されているが、これらの材料にあってもCu−
W系のものと同様に放熱材を形成するには主としてホッ
トプレス法が用いられており、この方法はバッチ処理と
なるため、生産性が劣る(製造コストが高くなる)と云
う問題は残る。加えて、ある系ではホットプレスによる
加熱時間が長くなると焼結体の特性が低下すると云う問
題もある。
【0004】図4(a)〜図4(c)にCu−SiC系
のホットプレス焼結体の特性を示す。本材料系では高
温、長時間の加熱により熱伝導率が低下する。これは、
SiC中の遊離SiがCuと反応し、界面で抵抗となる
化合物を作るためである。また、ホットプレス法の場
合、Cu−SiCの2元素では焼結密度を向上すると共
に熱伝導率を向上させるために、Ag、Sn、Si等の
共晶による融点降下元素を添加する必要があり、特にA
gを含む系では高温、長時間の加熱によりAgが析出し
て膨張し、これによっても熱伝導率が低下する。ここ
で、図4(c)に示すように圧力を増すほど特性は良く
なるものの通常はカーボンを使用する焼結治具の強度の
制約によりあまり高圧化することは困難である。
【0005】尚、冷間プレスと連続焼結とを組み合わせ
ることも考えられるが、その場合も例えばCu−SiC
系の場合、SiCの延性が極めて低いために高密度は得
られない。例えばCu−SiC−Ag系で冷間プレスに
より784MPaの高圧をかけたものでも熱処理前の相
対密度が74%、熱処理後が73%と低密度のものしか
得られない。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】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、製造コストを低廉化すると共に材質の高性能
化を図ることが可能な半導体基板用放熱材及びその製造
方法を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】そのためには、Agなど
の第3元素を添加しないCu−SiCの2元素系材料を
用い、加熱速度を速くし、加熱保持時間を短くして遊離
Siによる化合物を抑制することが必要である。また、
加熱状態で少なくとも100MPa以上の高圧に加圧す
ることによりCuを大きく変形させてSiC粒との界面
に密着させることが必要である。
【0008】上記した目的は本発明によれば、Cu−S
iCの2元素系半導体基板用放熱材であって、シース材
中に封入した金属(Cu)粒子とセラミック(SiC)
粒子との混合体を冷間加工し、急速加熱後に熱間加工す
ることにより、その焼結密度を94%以上とし、かつ熱
伝導率を120W/mK以上とし、更に金属粒子が伸展
(縦横比で2:3以上)していることを特徴とする半導
体基板用放熱材を提供すること及びシース材中に金属粒
子とセラミック粒子との混合体を封入し、これを冷間加
工し、急速加熱後に熱間加工する課程を有することを特
徴とする半導体基板用放熱材の製造方法を提供すること
により達成される。
【0009】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の好適な実施形態
について添付の図面を参照して詳しく説明する。
【0010】図1は、本発明が適用された半導体基板用
放熱材の製造工程の要部を示す。
【0011】まず、SUSからなる円形断面の管(シー
ス材)の一方の端部(図の右側)近傍を側面からプレス
して端面をTIG溶接して閉塞する。そして、他方側
(図の左側)から銅粉(Cu)と炭化珪素粉(SiC)
との混合粉をタップ充填後、真空引きしつつ上記同様に
側面からプレスし、切断した後その端面もTIG溶接し
て閉塞し、上記銅粉(Cu)と炭化珪素粉(SiC)と
の混合粉を真空封入する。以下、粉末シース圧延法での
圧下率を次のように定義する。 圧下率=((圧延前厚さ−圧延後厚さ)/圧延前厚さ)
×100% 特に、シース材を冷間圧延する場合は、圧延前厚さはシ
ース材外径とする。
【0012】次に、冷間圧延して内部の密度を高くした
後、例えば800℃〜850℃で熱間圧延して平板状と
して更に密度を高くし、少なくとも焼結密度94%以上
とする。そして、シース材を除去して所望の形状に加工
することにより半導体基板用放熱材として使用すること
となる。このように冷間圧延後、熱間圧延して焼結密度
を94%以上とすることで、熱伝導率が120W/mK
以上の放熱材が得られる。
【0013】尚、この例では圧延で板材を製造する手順
を示したが、用途、形状に応じて棒・線材を製造する場
合、押し出し、ロータリースウェージング或いは孔型圧
延により冷間加工後、熱間加工しても良い。また、上記
したシース圧延法に類似する方法としてHIP法が考え
られるが、加熱速度が遅く、加熱時間が長くなるためホ
ットプレス法と同様に放熱材の特性が低下する。
【0014】
【実施例】図2にホットプレス法で得られた放熱材の特
性と本発明による粉末シース圧延法で得られた放熱材の
特性とを比較する。
【0015】体積比率で、SiC/Cu=65/35の
Cu−SiC系ではホットプレス法では相対密度が83
%、熱伝導率が22W/mKであるが、本発明による粉
末シース圧延法では相対密度が98%、熱伝導率が75
W/mKに向上した。また、体積比率でSiC/Cu=
50/50のCu−SiC系ではホットプレス法で相対
密度が95%、熱伝導率が60W/mKであるが、本発
明による粉末シース圧延法では条件にもよるが、相対密
度が98%、熱伝導率が157W/mKに向上した。こ
こで、粉末シース圧延材の密度は、圧延温度、圧下率、
ロール径、圧延速度、シース材の強度などの影響を受
け、一般的にはこれらの値が大きいほど、密度は向上す
る。図2は外径12mm、板厚1mmのシース材を用い
てロール径125mm、圧延速度22m/min、冷延
率=熱延率=50%、総圧下率75%の結果を示したも
のである。ここでは、シース材の強度の影響が大きく現
れており、熱間強度の大きなKOVAR(商標:ウェス
ティングハウス社の開発によるFe−Ni−Co合金)
を用いた場合に優れた特性を示した。圧延加重から平均
圧延圧力を求めると、KOVARで約200MPaにな
る。また、94%と密度の低かったCuで約100MP
aであった。しかし、この値はホットプレス法に比べ
2.5倍以上の高圧力であり、これによりCu粒子を伸
展させ、SiC粒子との密着性を向上させたと考えられ
る。
【0016】図3に、本発明の粉末シース圧延法による
放熱材(図3(a))と従来のホットプレス法による放
熱材(図3(b))との組織を比較して示す。共に体積
比率でSiC/Cu=50/50のCu−SiC系を用
い、本発明の粉末シース圧延法ではSUSパイプをシー
ス材に用いて圧下率50%の冷間圧延後に850℃で1
0分間加熱後、直ちに圧下率44%の熱間圧延を行った
(総圧下率72%、シース材外径12mmから圧延後厚
さ3.36mmへ圧延)。一方、ホットプレス法では8
60℃で2時間加圧(39.2MPa)した。
【0017】図3(b)の従来のホットプレス法による
放熱材に比較して図3(a)の本発明の粉末シース圧延
法による放熱材の方がCu粒子が伸展し大きく変形して
いる(縦横比で2:3以上)ことがわかる。
【0018】尚、表1に示すように、粉末シース圧延法
を用いた場合でも、熱延を2段行うのは、1段目で充分
全体の密度が向上しないまま部分的に固化する、あるい
は加熱時間が長くなるため、所望の特性が得られず、冷
間圧延後、単なる熱処理(850℃、10分)のみ行っ
たものは膨張し明らかに密度不良であった。従って、冷
間圧延によって或る程度高密度化を図った後、熱間圧延
により更に高密度化する方法が最も優れていることがわ
かる。
【0019】
【表1】 前提条件 1)SUSシース材使用 2)熱間圧延前、あるいは熱処理時の加熱条件は850
℃、10分 3)体積比率でSiC/Cu=50/50の混合粉を使
【0020】
【発明の効果】上記した説明により明らかなように、本
発明による半導体基板用放熱材及びその製造方法によれ
ば、Agなどの第3元素を添加することなくシース材中
に金属粒子とセラミック粒子との2元素系混合体を真空
封入し、これを冷間加工し、急速加熱後に熱間加工する
ことにより、遊離SiによるCuとの化合物を抑制する
ことができ焼結密度が向上して熱伝導率が向上する。ま
た、加熱状態で高圧に加圧することにより金属粒子を大
きく変形させてセラミック粒子との界面に密着させ
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)〜(g)は、本発明が適用された半導体
基板用放熱材の製造工程の要部を示す図。
【図2】従来のホットプレス法で得られた放熱材の特性
と本発明による粉末シース圧延法で得られた放熱材の特
性とを比較するグラフ。
【図3】(a)は、本発明による半導体基板用放熱材の
組織を示す走査電子顕微鏡金属組織写真(反射電子線
像)、(b)は、従来の半導体基板用放熱材の組織を示
す走査電子顕微鏡金属組織写真(反射電子線像)。
【図4】(a)、(b)、(c)は、従来のホットプレ
ス法に於ける焼結温度、焼結時間及び焼結圧力と製品の
特性(熱伝導率)との関係を示すグラフ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 茅本 隆司 神奈川県横浜市金沢区福浦3丁目10番地 日本発条株式会社内

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 Cu−SiCの2元素系半導体基板用
    放熱材であって、 シース材中に封入した金属(Cu)粒子とセラミック
    (SiC)粒子とを冷間加工後に熱間加工することによ
    り、その焼結密度を94%以上とし、かつ熱伝導率を1
    20W/mK以上としたことを特徴とする半導体基板用
    放熱材。
  2. 【請求項2】 金属粒子とセラミック粒子とからなる
    2元素系複合材からなる半導体基板用放熱材であって、 金属粒子が縦横比で2:3以上に伸展していることを特
    徴とする半導体基板用放熱材。
  3. 【請求項3】 シース材中に金属粒子とセラミック粒
    子との混合体を封入し、これを冷間加工後に熱間加工す
    る課程を有することを特徴とする半導体基板用放熱材の
    製造方法。
  4. 【請求項4】 前記冷間加工及び熱間加工が、圧延、
    押し出し及びロータリースウェージングのうちの1つ若
    しくは2つ以上の組み合わせからなることを特徴とする
    請求項3に記載の半導体基板用放熱材の製造方法。
  5. 【請求項5】 前記熱間加工時の加圧力を100MP
    a以上としたことを特徴とする請求項3または請求項4
    に記載の半導体基板用放熱材の製造方法。
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JP2022144854A (ja) * 2021-03-19 2022-10-03 北川工業株式会社 熱伝導部材及びその製造方法

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