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JP3194118B2 - 半導体装置及びその半導体装置に用いられる半導体部品の製造方法 - Google Patents

半導体装置及びその半導体装置に用いられる半導体部品の製造方法

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Publication number
JP3194118B2
JP3194118B2 JP5730694A JP5730694A JP3194118B2 JP 3194118 B2 JP3194118 B2 JP 3194118B2 JP 5730694 A JP5730694 A JP 5730694A JP 5730694 A JP5730694 A JP 5730694A JP 3194118 B2 JP3194118 B2 JP 3194118B2
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copper
semiconductor component
mounting substrate
weight
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ALMT Corp
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    • H01L2224/49109Connecting at different heights outside the semiconductor or solid-state body

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  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】半導体装置に関し、特に、半導体
装置に用いられる半導体部品であって、IC等の半導体
素子を搭載するための搭載基板に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、IC等の半導体素子を搭載するた
めの搭載基板としてのヒートシンクが次々と提案され、
半導体チップを収容するためのパッケージに実際に使用
されている。現在、提案されている半導体素子の搭載基
板(以下、ヒートシンクと呼ぶ)の大部分は、その熱膨
張係数を、シリコン(Si)やガリウム砒素(GaA
s)等の半導体素子を形成している半導体材料の熱膨張
係数に近づけるようにしている。これは、半導体チップ
とヒートシンクとの間の熱膨張係数の相違による半導体
チップの破壊を避けるためである。この点を考慮して、
熱膨張係数が半導体素子のそれに近いモリブデン(M
o)、タングステン(W)等の高融点金属がヒートシン
クの材料として用いられている。
【0003】このような背景から、特公平2−3186
3号では、半導体チップとヒートシンクとの間の熱膨張
係数を一致させるため、熱膨張係数を9×10-6/K以
下にするようにこだわったものが開示されている。
【0004】一方、近年、半導体チップやヒートシンク
などを軽量化し、大量生産によって半導体装置を安価に
することが熱望されている。ところが、モリブデン、タ
ングステン等の高融点金属は一般に高密度を有してお
り、高融点金属を使用することによって、ヒートシンク
は重くなり、しかも高価である。即ち、高融点金属の使
用は、軽量化及び低価格化の要求には不適当である。特
公平3−36304号公報では、軽量化及び低価格化を
図るため、高融点金属多孔質体に銅を含浸して成る方法
が開示されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、次世代
では、半導体素子を搭載するための搭載基板において、
軽量かつ機能も損わないものが熱望されており、その要
求を満足するような搭載基板の特性としては、少くとも
熱伝導率が200W/m・K、望ましくは230W/m
・K以上で、密度については現在最も有力視されている
銅より著しく大きくならない範囲、言い換えれば10g
/cm3 以下であることが望ましい。ところが、図6に
示すように、剛性や加工性等を考慮に入れると上記した
従来のものではそれらを満足するものはなかった。
【0006】ここで、密度の点においては図6に示すよ
うにアルミニウム(Al)や炭化ケイ素(SiC)が優
れているが、前者は熱膨張が大きすぎる点、後者はもろ
く実用上加工に耐えられないという重大な問題がある。
【0007】又、今後の技術トレンドでは、軽量化及び
低価格化を図ることができ、さらに複数の素子あるいは
複数の機能を有するものを搭載することができる搭載基
板が熱望されている。従って、従来のように例えば搭載
基板の一片が10〜30mm、時として40mmであっ
たものは、今後は、従来の2倍以上の面積となることが
予想される。
【0008】しかしながら、アルミニウムは、熱膨張が
大きいので基板面積が大きくなると高い熱に対する基板
のソリ等の変形が生じてしまうという問題点を生じる。
又、炭化ケイ素はもろく実用上加工に耐えられない。
【0009】一方、銅基板は、熱伝導性が良く、高発熱
のモジュールには特に有効であるが、組立後の取り扱い
が面倒であり、全体として薄層化しにくいため、外部ピ
ンを別に設けなければならず、特にマルチチップモジュ
ールで面積が非常に大きいものである場合(例えば、大
きいもので一片100〜200mmのものがある)、高
い熱に対する基板のソリ等の変形は免れずモジュール自
体の信頼性を損ねることとなる。従って、今後高集積化
が進む中、銅基板では対応は不充分であることが予測さ
れる。
【0010】本発明の課題は、面積が大きく、複数の素
子を搭載する搭載基板に高い熱が与えられてもソリ等の
変形が生じず、しかも軽量化及び低価格化を図ることが
できる半導体装置を提供することである。
【0011】本発明の他の課題は、加工性もよく、IC
パッケージに適した特性を有する半導体装置を提供する
ことである。
【0012】本発明の更に他の課題は、上記特性を有す
る搭載基板としての半導体部品を製造する方法を提供す
ることである。
【0013】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、半導体
素子を搭載するための手段として、モリブデン又はタン
グステンによる第1の金属と銅による第2の金属とから
なる半導体部品を含む半導体装置において、前記第2の
金属が40重量%以上であって、前記半導体部品が、熱
伝導率200W/m・K以上、密度10g/cm3 以
下、ヤング率14,000kg/mm2 以上の特性を有
し、その半導体部品に300℃以上で温間プレス加工を
施すことによって、前記半導体部品が基板部と該基板部
の板面から突出する突出部とからなる段付き形状を呈す
るように形成されていることを特徴とする半導体装置が
得られる。
【0014】又、本発明によれば、銅が40重量%以上
であって、熱伝導率200W/m・K以上、密度10g
/cm3 以下、及びヤング率14,000kg/mm2
以上の特性を有する半導体部品の製造方法であって、モ
リブデン又はタングステンと銅とを混合すると共に有機
バインダーを混練し、押出し成形により前記半導体部品
用の焼結素材を得ることを特徴とする半導体部品の製造
方法が得られる。
【0015】
【実施例】本発明の実施例について図面を参照して詳細
に説明する。図1は、本発明に係る半導体装置の一実施
例を示す断面図である。図1において、搭載基板6上に
複数の半導体素子(以下、ICチップと呼ぶ)1及び複
数のリードフレーム5が搭載される。リード端子3は図
の表裏方向に複数並列に配置されており、各リード端子
3がそれぞれリード線2を介してICチップ1に接続さ
れている。さらに、搭載基板6とリード端子3の間には
絶縁材料4が設けられている。尚、絶縁材料4には、例
えばポリイミドフィルム等が用いられている。
【0016】このような面積の大きい搭載基板の材料と
して銅を用いた場合、銅は可撓性(柔らかくてたわみや
すい性質)であるので、そのままでは所望の特性、即
ち、基板のソリ等の変形が少なく、しかもICチップと
搭載基板との間の熱膨張係数を一致させるような特性を
有さず、かつ汎用に供し得る程安価な材料としては満足
することはできない。そのため、本願発明の発明者等
は、ICチップの膨張係数に近い高融点金属であるモリ
ブデン、タングステンとの複合材料をベースとして、上
記特性を有する搭載基板としての半導体部品をいかに製
造するのかをその製造方法から検討した。以下、上記特
性を有する半導体部品の製造方法を説明する。尚、以
下、半導体部品を搭載基板と呼ぶ。
【0017】銅粉末とモリブデン粉末を混合し、焼結後
圧延し高精度な搭載基板を製作し得ることは本発明者等
がすでに公表しており(粉体粉末冶金協会平成5年秋季
大会)、周知の事実である。しかし、ここでは特に熱間
圧延においてが割れ易い等の理由でコスト的に問題とな
っており、耐変形性の一つの指標であるヤング率につい
て解決されていなかった。
【0018】本発明者等は、銅粉末とモリブデン粉末の
混合物を有機バインダーとともに混練し、その混練物を
高密度、高粘度のスラリーにして0.5〜4mm厚、望
ましくは1〜1.5mm厚で押出し、脱バインダーして
焼結した後、2.5mm以下の焼結体では冷間圧延のみ
を施し、2.5mm以上の焼結体では熱間圧延後冷間圧
延を施すことで、搭載基板の表面にクボミ、欠け、シワ
がなく、さらに表面粗さの優れた基板材料を、極めて容
易に、しかも従来より大幅に安価にて製造し得ることを
見出した。この方法によって得られた圧延板即ち搭載基
板は、表2に示すように、ビッカース硬度が80Hv以
上の剛性を有し、極めて緻密で、伸びが15%以上であ
った。さらに、熱発生等の歪により変形が生じようとし
ても、その発生局部が伸びるためその歪を吸収するので
搭載基板に搭載されるICチップに影響を及ぼす程のソ
リ等の変形は生じなかった。
【0019】ここで、銅が40重量%未満の場合には、
焼結が不充分で圧延によっても充分緻密なものが得られ
なかった。又、銅が90重量%以上の場合には、銅その
ものの利用に比べて特性上の効果はあまり期待できず、
したがってモリブデンやタングステンを含む分だけ高価
となるだけで材料上の利点が得られないため意味がな
い。
【0020】以下に、上記方法により製造された搭載基
板の特性について述べる。図4、図5、表1〜表3は、
モリブデンに対する銅の重量%を40重量%、60重量
%、90重量%、100重量%の場合に、後ほど詳細に
説明する搭載基板を製造するための一連の工程、即ち、
混合工程、焼結工程、圧延工程等における条件を統一し
た場合の種々の特性を測定した結果を示している。銅の
重量%が40重量%、60重量%、90重量%の場合に
は、いずれも、図4、図5、表1に示すように、密度に
おいては10g/cm3 以下で、ヤング率においては
4000kg/mm 2 以上で、熱伝導率においては23
0W/m・K以上となる。すなわち、この特性を有すれ
ば、熱発生があっても搭載基板に搭載される素子に影響
を及ぼす程のソリ等の変形が生じないということであ
る。
【0021】
【表1】
【0022】
【表2】
【0023】
【表3】
【0024】搭載基板の硬度については、表2に示すよ
うに、銅とモリブデンの混合物の場合、銅が40重量%
のときはビッカース硬度が182、銅が60重量%のと
きはビッカース硬度が132、銅が90重量%のときは
ビッカース硬度が85、銅が100重量%のときはビッ
カース硬度が50〜70となり、いずれも高い剛性を有
することがわかる。尚、ビッカース硬度とは搭載基板の
剛性の指標となるものである。
【0025】又、搭載基板の伸びについても、表3に示
すように、銅が40重量%のときは16.1%の伸び、
銅が60重量%のときは27.1%の伸び、銅が90重
量%のときは46.5%の伸び、銅が100重量%のと
きは54%の伸びとなり、いずれも伸びが15%以上で
あり、極めて緻密であることがわかる。
【0026】以上の特性を鑑みると、上記銅とモリブデ
ンの複合材料は、モリブデンよりも熱伝導率が高く、銅
よりも剛性があるため、車載用パワー半導体装置、いわ
ゆる熱サイクルの過酷でしかも振動のあるところに用い
られる半導体装置化すべき電気部品等への利用も期待で
きる。
【0027】ここで、上記特性を得るための製造方法に
おいて特に重要な点は、所望する板厚に近い焼結素材を
高密度、高粘度のスラリーで押出して製造し、焼結後わ
ずかの圧延で仕上げる点にある。さらに、銅とモリブデ
ンの粉末に混練するバインダーには濡れ性の良いものを
選択することが重要である。銅、モリブデン混合粉末に
対して混練するバインダーとしては、種々検討した結
果、ソフトワックスに非イオン性界面活性剤を加えたバ
インダー(有機バインダー)が最適であることが認めら
れた。ソフトワックスに非イオン性界面活性剤を加えた
バインダーを用いて銅モリブデン粉末に混練した結果、
所望の焼結素材(グリーン体)を得ることができた。
【0028】具体的には、パラフィン系のソフトワック
スに非イオン性界面活性剤のHLB(親水性−親油性バ
ランス)の4−12の値を示すものを添加したものであ
る。この場合、パラフィン系のソフトワックスとHLB
が4〜12の値を示す非イオン性界面活性剤の両者の総
量は13wt%以下にする必要がある。このバインダー
を用いた場合、グリーン体においては割れが生じないの
で、割れずにしかも残留炭素量の少ない押出しが可能と
なった。したがって、高密度で高粘度のスラリー押出し
が可能となり、焼結素材に近い板厚の製造を可能にし
た。
【0029】尚、HLBの値が4以下のものはベトベト
してしまい、12を越えると吸湿性が高く管理運用が困
難であることが確認されている。
【0030】又、セラミックの押出しでよく用いられる
メチルセルロース/プロピレングリコール/水の系のバ
インダーでは、工業生産上は機器の安全上有利であり、
押出し可能な条件ではあるものの、前記メチルセルロー
スが溶解しにくいため、乾燥・脱バインダーの安定性が
得られにくい。
【0031】ここで、本発明に係る搭載基板の製造方法
について第1の実施例を説明する。粒径3μmのモリブ
デンMo粉2500gに電解銅粉1670g(銅40重
量%に相当)をボール入りアトライターにてアルコール
湿式混合を20時間実施した。次いでアルコールを脱液
・乾燥した後スクリュー式異回転双・腕型ニーダーにソ
フトワックス(融点120F)を400g、界面活性剤
エマルゲン903(市販品)15gを混ぜ10時間混練
した。その後、全量排出して、再びその混練物をニーダ
ーに装てんし、10時間混練しグリーン体を得た。その
後、前記グリーン体を1.5mmの板厚になるよう押出
し成形した。この成形体を5体積%のH2 −N2 ガス雰
囲気中で400℃で脱バインダーした後、H2 中で12
50℃で1時間焼結した。
【0032】次に、その焼結体を圧下率10%以下で冷
間圧延をし、その後900℃×15分アニールした後再
び圧下率10%以下で冷間圧延を施こし、厚さ1.0m
mの鏡面板を得た。得られた鏡面板を打抜きプレス加工
により一片25mmに切断して加工し、搭載基板を得
た。この搭載基板は、欠けがなく良好であった。この搭
載基板の面の粗さはRa0.3μmであり、密度は9.
6g/cm3 だった。物性を測定したところ、ビッカー
ス硬度178、伸び15.5%、熱膨張係数9.3×1
-6/K、熱伝導率235W/m・K、ヤング率195
00kg/mm2であった。
【0033】次に本発明に係る搭載基板の製造方法につ
いて第2の実施例を説明する。第1の実施例と同様の方
法で、モリブデン粉末1500g、銅粉末3500g
(銅70重量%に相当)、焼結助剤としてのニッケル
(Ni)5gを混合し、その混合物に上記バインダーを
混練し、グリーン体を得た。その後、前記グリーン体を
2.4mmの板厚になるように押出し成形した。その
後、実施例1と同様な方法で脱バインダーをし、H2
で1050℃で1時間焼結した。この焼結体を850℃
で15分間熱間圧延を施し、1.98mmの板厚にした
後、さらに冷間圧延を施し、1.86mmの板厚の鏡面
板を得た。
【0034】次に、温間サイジング機を350℃にセッ
トして0.2mmの溝(四角)加工を施した結果、図2
に示すように、溝の段部に欠け、割れのない板厚が1.
8mmで、良好な外観の搭載基板が得られた。最終的に
はスリッターによって搭載基板の一片が100mmとな
るように切り出して仕上げた。尚、この搭載基板を含ん
だ半導体装置は図3に示すようになる。
【0035】この半導体モジュール用の搭載基板の特性
は密度9.3g/cm3 、ビッカース硬度125、伸び
25.0%、熱膨張係数13.8×10-6/K、熱伝導
率260W/m・K、ヤング率16000kg/mm2
であった。尚、銅とモリブデンのみの組成で板厚を1m
mにしたものについては、ビッカース硬度122、熱伝
導率300W/m・Kであった。
【0036】又、実際に一片100mmの長さに対する
ソリを測ったところ20μmであり、純銅のものと比べ
て小さく良好なものであった。
【0037】次に本発明に係る搭載基板の製造方法につ
いて第3の実施例を説明する。第1の実施例と同様の方
法で、モリブデン粉末3000g、電解銅粉末2000
g(銅40重量%に相当)を混合し、その混合物に上記
バインダーを混練し、グリーン体を得た。その後、前記
グリーン体を2.5mmの板厚になるように押出し成形
した。その後、実施例1と同様な方法で脱バインダーを
し、H2 中で1250℃で1時間焼結した。この焼結素
材を900℃で15分間加熱した後、その焼結体を圧下
率10%以下で熱間圧延を施し、さらに加熱、圧延を繰
り返し、板厚1.0mmに仕上げた。その後、還元性雰
囲気において850℃で20分間アニールした後、冷間
圧延により厚み0.5mmの鏡面体を得た。得られた鏡
面板を打抜きプレス加工により一片25mmに切断して
加工し、搭載基板を得た。この搭載基板は、欠けがなく
良好であった。又、この搭載基板の面の粗さはRa0.
3μmであり、密度は9.6g/cm3 だった。物性を
測定したところ、ビッカース硬度182、伸び15%、
熱膨張係数9.1×10-6/K、熱伝導率230W/m
・K、ヤング率19000kg/mm2 であった。
【0038】次に本発明に係る搭載基板の製造方法につ
いて第4の実施例を説明する。第1の実施例と同様の方
法で、モリブデン粉末1500g、電解銅粉末3500
g(銅70重量%に相当)を混合し、その混合物に上記
バインダーを混練し、グリーン体を得た。その後、前記
グリーン体を2.5mmの板厚になるように押出し成形
した。その後、実施例1と同様な方法で脱バインダーを
し、H2 中で1070℃で1時間焼結した。この焼結素
材を850℃で15分間加熱した後、その焼結体を圧下
率10%以下で熱間圧延を施し、さらに加熱、圧延を繰
り返し、板厚1.0mmに仕上げた。その後、還元性雰
囲気において850℃で20分間アニールした後、冷間
圧延により厚み0.5mmの鏡面体を得た。得られた鏡
面板を打抜きプレス加工により一片6mmに切断して加
工し、搭載基板を得た。この搭載基板は、欠けがなく良
好であった。又、この搭載基板の面の粗さはRa0.3
μmであり、密度は9.3g/cm3 だった。物性を測
定したところ、ビッカース硬度122、伸び28%、熱
膨張係数13.6×10-6/K、熱伝導率298W/m
・K、ヤング率15500kg/mm2 であった。
【0039】尚、上記実施例における焼結温度の範囲
は、1000℃〜1400℃、望ましくは1050℃〜
1300℃である。これは、1000℃以下では完成品
である搭載基板の緻密化が図れず、1400℃を越える
と銅の溶出が急増し、炉内の汚染がひどくなり、上記特
性の搭載基板は得られないからである。
【0040】又、銅とモリブデンの湿式混合する時間は
5〜40時間が望ましく、次の混練時間は1〜10時間
が望ましい。
【0041】又、上記実施例は銅粉末とモリブデン粉末
との混合によるものであるが、銅粉末とタングステン粉
末との混合によるものでも上記特性に近似した特性が得
られる。
【0042】尚、上記実施例により得られたこの材料
は、打抜き加工が可能なため図1に示されるリード端子
3にも用いることが可能である。この場合、上記特性を
有するリード端子3は、剛性を有しているため、従来の
銅によるリード端子と比較して外部からの衝撃に対して
強い。又、搭載基板及びリード線が同質材料であるた
め、半導体モジュールの製造において、打ち抜き加工前
まで同一の工程で処理できる利点がある。
【0043】
【発明の効果】本発明によれば、半導体部品としての搭
載基板が、熱伝導率200W/m・K以上、密度10g
/cm3 以下、ヤング率14,000kg/mm2
上、伸びが15%以上、ビッカース硬度が80以上の特
性を有しているので、面積が非常に大きく、複数の素子
を搭載する搭載基板に高い熱が与えられてもソリ等の変
形が生じず、しかも軽量化及び低価格化を図ることがで
き、しかも加工性の向上も図ることができる。
【0044】又、半導体部品としてのリード端子に発明
に係る製造方法によって得られた材料を用いた場合、外
部からの衝撃に対して強い剛性を有し、半導体装置の信
頼性を向上することができ、半導体装置の製造におい
て、打ち抜き加工前まで同一の工程で処理できる利点が
ある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る半導体装置の一実施例を示す断面
図である。
【図2】図2(a)は本発明に係る搭載基板の構造を示
す平面図であり、図2(b)は図2(a)の搭載基板の
断面図である。
【図3】図2に示した搭載基板を含む半導体装置の一実
施例を示す断面図である。
【図4】本発明に係るの搭載基板の原料である銅の重量
%に対するその密度を表すグラフである。
【図5】図5(a)は、本発明に係る搭載基板の銅の重
量%に対するその熱膨脹係数を表すグラフであり、図5
(b)は、本発明に係る搭載基板の銅の重量%に対する
その熱伝導率を表したグラフである。
【図6】図6(a)は、密度及び熱伝導率から見た種々
の放熱材料を示す図であり、図6(b)は、密度及び熱
膨脹係数から見た種々の放熱材料を示す図である。
【符号の説明】
1 ICチップ 2 リード線 3 リード端子 4 絶縁材料 5 リードフレーム 6 搭載基板
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平4−180534(JP,A) 特開 平4−333265(JP,A) 特開 平7−153878(JP,A) 特許2717895(JP,B2) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B22F 3/00 - 3/26 H01L 23/12 - 23/14 H01L 23/373

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体素子を搭載するための手段とし
    て、モリブデン又はタングステンによる第1の金属と銅
    による第2の金属とからなる半導体部品を含む半導体装
    置において、前記第2の金属が40重量%以上であっ
    て、前記半導体部品が、熱伝導率200W/m・K以
    上、密度10g/cm3 以下、ヤング率14,000k
    g/mm2 以上の特性を有し、その半導体部品に300
    ℃以上で温間プレス加工を施すことによって、前記半導
    体部品が基板部と該基板部の板面から突出する突出部と
    からなる段付き形状を呈するように形成されていること
    を特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の半導体装置において、前
    記半導体部品は、ビッカース硬度が80以上の剛性を有
    し、伸びが15%以上を併せ持つことを特徴とする半導
    体装置。
  3. 【請求項3】 前記第1の金属と前記第2の金属とを混
    合すると共に有機バインダーを混練し、押出し成形によ
    り前記半導体部品用の焼結素材を得ることを特徴とする
    請求項1又は2記載の半導体部品の製造方法。
  4. 【請求項4】 請求項3記載の製造方法で焼結素材を製
    造後、該焼結素材を焼結し、その焼結体に冷間圧延を施
    すか又は熱間圧延及び冷間圧延を施すことにより製造さ
    れることを特徴とする半導体部品の製造方法。
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