JPH11297908A

JPH11297908A - ヒ―トスプレッダおよびこれを用いた半導体装置ならびにヒ―トスプレッダの製造方法

Info

Publication number: JPH11297908A
Application number: JP11007323A
Authority: JP
Inventors: Shingo Kumamoto; 晋吾熊本; Ichiro Kishigami; 一郎岸上; Hiroki Nakanishi; 寛紀中西; Hideya Yamada; 英矢山田
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1998-02-13
Filing date: 1999-01-14
Publication date: 1999-10-29

Abstract

(57)【要約】【課題】５００℃以上の高温に至るまで熱膨張係数の
増大を低減でき、優れた熱膨張特性と十分な熱伝導特性
を有するヒートスプレッダおよびこれを用いた半導体装
置ならびにヒートスプレッダの製造方法を提供する。【解決手段】Ｃｕ系金属の高熱伝導層と、複数の貫通
孔を有したＦｅ−Ｎｉ系合金の低熱膨張層と、熱膨張係
数α３０−８００℃が７．５×１０マイナス６乗／℃以
下の金属でなる熱膨張抑制層を具備することを特徴とす
るヒートスプレッダである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば半導体装置
を高集積化して発熱量が増大した場合にも対応できるヒ
ートスプレッダ、およびこれを用いた半導体装置、なら
びにヒートスプレッダの製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】コンピュータ、ワークステーション、パ
ーソナルコンピュータ（ＰＣ）等のＣＰＵ（中央演算装
置）には主としてＰＧＡ（ＰｉｎＧｒｉｄＡｒｒａ
ｙ）と呼ばれるセラミックパッケージが適用されてお
り、シリコンチップから発生する熱は、シリコンチップ
とＡｌ製ヒートシンクフィンとの間の伝熱基板（ヒート
スプレッダ）を介して放散されている。一方、最近のＬ
ＳＩは高速化、高消費電力化によりシリコンチップから
発生する熱の放散が極めて重要な問題となってきてお
り、特にマイコンあるいはロジックＡＳＩＣ（Ａｐｐｌ
ｉｃａｔｉｏｎＳｐｅｃｉｆｉｃＩＣ）用のＬＳＩ
等ではシリコンチップにヒートスプレッダを接触させる
ことにより熱の放散を促進させるような工夫がなされて
いる。

【０００３】例えば、図８に示すＰＧＡ（ＰｉｎＧｒ
ｉｄＡｒｒａｙ）パッケージの一例は、ヒートスプレ
ッダ（１１）、シリコンチップ（８）、ボンディングワ
イヤー（９）、セラミック基板（１０）、ピン（１
２）、銀ロウ（１３）、リッド（１４）で構成される。
この構造においてヒートスプレッダ（１１）はシリコン
チップ（８）と接触しており、シリコンチップ（８）か
ら発生する熱を逃がす熱放散性はもちろん、シリコンチ
ップ（８）との熱膨張係数が近似していることが重要で
ある。また、ヒートスプレッダ（１１）はセラミック基
板（１０）と直接銀ロウ付けされるため、セラミック基
板（１０）と熱膨張係数が近似していることが重要であ
る。こうしたタイプのパッケージは今後ますます需要が
増えてくることが予想される。また、こうした用途のヒ
ートスプレッダはシリコンチップと接するために、その
熱膨張がシリコンチップと整合していることが必要であ
り、３０〜１５０℃の平均熱膨張係数として一般に４〜
１１×１０マイナス６乗／℃程度のものが望ましいとさ
れている。

【０００４】こうした特性を満足するものとして、従来
から半導体装置用のヒートスプレッダにＣｕ−Ｗあるい
はＭｏからなる０．５〜１ｍｍ厚さで、３０ｍｍ角程度
の板が使用されてきた。しかしながら、これ等の材料は
高価であるとともに、比重も８９Ｗ−１１Ｃｕで１７．
０×１０^３ｋｇ／ｍ^３、Ｍｏで１０．２×１０^３ｋｇ／
ｍ^３と大きいためパッケージの重量が大きくならざるを
得ず、最近のＬＳＩの動向であるダウンサイジング化、
軽量化の点でも大きな欠点となっている。

【０００５】なお、上述したＰＧＡタイプのＬＳＩでは
なく、従来のリードフレームを使用するタイプのＬＳＩ
のパッケージではリードフレーム自体を熱放散性の良い
銅および銅合金で構成する方法も採用されているが、こ
の場合には熱膨張係数がシリコンチップに比べて大きい
ために、シリコンチップとリードフレーム界面での内部
応力が問題となり、工程中あるいは使用中の応力発生の
ためにシリコンチップにクラックが発生したりする恐れ
がある。この点を解決する素材として本発明者等は低熱
膨張のＦｅ−Ｎｉ系合金薄板の少なくとも一方の面に銅
または銅合金を主体とする粉末の焼結層を形成した電子
部品用複合材料およびその製造方法に関する発明を特開
平８−２３２０４９号として提案している。また、特開
平２−２３１７５１号や、特公平７−８０２７２号など
には貫通孔を有する低膨張材料と高熱伝導材料との組合
せによる提案もなされている。

【０００６】しかし、リードフレームを使用しないＰＧ
Ａ等のパッケージでは、単純に銅とＦｅ−Ｎｉ系合金と
を複層化した構造では、板厚方向、言い換えれば積層方
向への熱伝導が悪いためにヒートスプレッダとしては適
用できず、こうした点からＣｕ−Ｗ、Ｍｏ板に替わる安
価で且つ小型、薄型、軽量化が可能な新しいヒートスプ
レッダが必要となってきている。なお、リードフレーム
を使用しないタイプのパッケージは、前述のＰＧＡおよ
びＢＧＡ（ＢａｌｌＧｒｉｄＡｒｒａｙ）や、ＣＳ
Ｐ（ＣｈｉｐＳｉｚｅＰａｃｋａｇｅ）が実用化さ
れるようになってきており、今後大きな需要が期待され
るものである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述したヒートスプレ
ッダに対して検討を行ったところ、使用したＦｅ−Ｎｉ
系合金は２３０℃付近のキュリー点を超えると急激に熱
膨張が大きくなり、銀ロウ付け時に行われる５００℃以
上の加熱温度域まで、低熱膨張特性が得られない。その
ため、上述したヒートスプレッダを、今後使用が予想さ
れる１ｍｍ以下の極く薄いセラミックスに銀ロウ接合す
る場合、銀ロウ加熱後の冷却硬化過程で、ヒートスプレ
ッダとセラミックの収縮量の差に起因してセラミックが
破損、あるいは剥離の問題が生じる場合が有り、高温で
の低熱膨張化について、検討が必要となった。また、銀
ロウ接合のように、異種材料を高温加熱状態から冷却し
て接合を行なう場合、前述の問題は避けられない問題で
あり、放熱部材を、半導体パッケージに用いられること
が多いセラミックあるいはコバールといった封着材と呼
ばれる金属と接合する場合には、互いの熱膨張特性を５
００℃以上の高温に至るまで整合させることが必要であ
る。本発明の目的は、５００℃以上の高温に至るまで熱
膨張係数の増大を低減でき、優れた熱膨張特性と十分な
熱伝導特性を有するヒートスプレッダおよびこれを用い
た半導体装置ならびにヒートスプレッダの製造方法を提
供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者は、５００℃以
上の高温にさらされるヒートスプレッダに対して、上述
した問題を解決すべく詳細に検討を行った結果、複数の
貫通孔を形成したＦｅ−Ｎｉ系合金とＣｕ系金属を交互
に、もしくは連続して積層し、多層構造とした後に、そ
の外側もしくは層間に、熱膨張係数α３０−８００℃が
７．５×１０マイナス６乗／℃以下の熱膨張抑制層を形
成させることにより、室温から５００℃以上の高温域ま
で低熱膨張特性を実現出来ることを見出し、本発明に到
達した。

【０００９】すなわち本発明は、Ｃｕ系金属の高熱伝導
層と、複数の貫通孔を有したＦｅ−Ｎｉ系合金の低熱膨
張層と、熱膨張係数α３０−８００℃が７．５×１０マ
イナス６乗／℃以下の金属でなる熱膨張抑制層を具備す
るヒートスプレッダである。

【００１０】また本発明は、Ｃｕ系金属の高熱伝導層
と、複数の貫通孔を有したＦｅ−Ｎｉ系合金の低熱膨張
層と、熱膨張係数α３０−８００℃が７．５×１０マイ
ナス６乗／℃以下の金属でなる熱膨張抑制層を具備する
ことを特徴とするヒートスプレッダであって、前記熱膨
張係数α３０−８００℃が７．５×１０マイナス６乗／
℃以下の金属でなる熱膨張抑制層の体積率が、３〜２５
％に調整されたヒートスプレッダである。

【００１１】さらに本発明は、Ｃｕ系金属の高熱伝導層
と、Ｆｅ−Ｎｉ系合金の低熱膨張層が交互に、もしくは
連続して複数枚積層され、多層構造をなし、前記低熱膨
張層をはさみ込む高熱伝導層は、低熱膨張層に形成した
複数の貫通孔を介して連続したヒートスプレッダであっ
て、前記ヒートスプレッダの層間と放熱対象部品を搭載
する面側と放熱対象部品を搭載する反対の面側のうち少
なくとも一層が、熱膨張係数α３０−８００℃が７．５
×１０マイナス６乗／℃以下の金属でなる熱膨張抑制層
により形成されているヒートスプレッダである。

【００１２】好ましくは、本発明において熱膨張抑制層
はＭｏ系金属、Ｗ系金属のうち少なくとも１種類の金属
層が形成されているヒートスプレッダであり、本発明に
おいてさらに好ましくは、最外層にＣｕ系金属を積層す
る。なお、本発明の好ましい積層枚数は５〜１５層であ
る。また、本発明は上述したヒートスプレッダに半導体
チップを搭載した半導体装置である。

【００１３】上述した本発明のヒートスプレッダは、Ｃ
ｕ系金属の薄板と、複数の貫通孔を形成したＦｅ−Ｎｉ
系合金薄板を交互に、もしくは連続して複数枚積層し、
層間と外側のうち少なくとも一層に熱膨張係数α３０−
８００℃が７．５×１０マイナス６乗／℃以下の金属で
なる熱膨張抑制層を配置し、缶体に充填した後、１０マ
イナス３乗Ｔｏｒｒよりも減圧としてから封止し、次い
で７００〜１０５０℃の温度範囲において５０ＭＰａ以
上に加圧して接合処理を行い、前記貫通孔内にＣｕ系金
属を充填するとともに各層間を接合し、次いで圧延によ
り所定の板厚に仕上げる本発明の製造方法によって得る
ことができる。

【００１４】本発明において、最外層にＣｕ系金属を積
層する時は、Ｃｕ系金属の薄板と、複数の貫通孔を形成
したＦｅ−Ｎｉ系合金薄板を交互に、もしくは連続して
複数枚積層し、層間と外側のうち少なくとも一層に熱膨
張係数α３０−８００℃が７．５×１０マイナス６乗／
℃以下の金属でなる熱膨張抑制層を配置し、さらにその
最外層にＣｕ系金属を配置し、缶体に充填した後、１０
マイナス３乗Ｔｏｒｒよりも減圧としてから封止し、次
いで７００〜１０５０℃の温度範囲において５０ＭＰａ
以上に加圧して接合処理を行い、前記貫通孔内にＣｕ系
金属を充填するとともに接合し、次いで圧延により所定
の板厚に仕上げる本発明の製造方法によって得ることが
できる。

【００１５】この方法により得られた本発明のヒートス
プレッダは、低熱膨張層に形成した貫通孔の途中で高熱
伝導層同士が接合し、貫通孔を介して連続した高熱伝導
層が形成される。また、好ましい複合材料の積層構造と
しては、熱膨張抑制層の上下面にＣｕ系金属を配置す
る。

【００１６】

【発明の実施の形態】上述したように、本発明の重要な
特徴は多層構造の外側と層間のうちの少なくとも一層に
熱膨張係数α３０−８００℃が７．５×１０マイナス６
乗／℃以下の金属でなる熱膨張抑制層を配置したことで
ある。本発明の５００℃以上の高温域での低熱膨張特性
の実現には、熱膨張係数α３０−８００℃が７．５×１
０マイナス６乗／℃以下の熱膨張抑制層を形成する必要
がある。具体的にはＭｏ系金属、Ｗ系金属、Ｎｂ系金
属、Ｔａ系金属等の金属が有する特性であり、これらの
金属を多層構造の外側と層間のうちの少なくとも一層に
配置することにより、Ｆｅ−Ｎｉ系合金とＣｕ系金属の
みからなる多層構造の複合材料では実現不可能であっ
た、５００℃以上の高温域での低熱膨張特性を得ること
が可能となり、例えば銀ロウ付け工程でのセラミックス
破損や剥離等を防止することが可能となる。

【００１７】本発明の多層構造を構成しているＣｕ系金
属を用いる最大の目的は、高い熱伝導率を確保すること
にあり、本発明の優れた熱伝導特性の確保には、熱伝導
率がおよそ３３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上を有するＣｕ系金属の
使用が有効である。また、多層構造を構成しているＦｅ
−Ｎｉ系合金を用いる最大の目的は、キュリー点以下で
の優れた低熱膨張特性の確保にある。上述したＣｕ系金
属とＦｅ−Ｎｉ系金属で構成される多層構造によって、
優れた熱伝導特性とキュリー点以下の低温域での優れた
低熱膨張特性とをあわせもつヒートスプレッダとしての
基本特性を得ることができる。

【００１８】また、本発明のようにＣｕ系金属とＦｅ−
Ｎｉ系金属と例えばＭｏ系金属等を組み合わせた複合材
とすることにより、例えばＭｏ系金属単体、もしくはＭ
ｏ系金属とＣｕ系金属とを組み合わせた複合材に比べ、
高価なＭｏ系金属元素の使用を最小限に抑えながら、高
温域まで優れた低熱膨張特性を得ることができ、低コス
ト化に有利である。またさらに、本発明のように例えば
比重約８．９５ｇ／ｃｍ^３の純Ｃｕと、例えば比重約
８．１５ｇ／ｃｍ^３のＦｅ−３６Ｎｉ系合金を用いて、
例えば比重１０．２ｇ／ｃｍ^３のＭｏ系金属と組み合わ
せた複合材とすることにより、比重が大きいＭｏ系金属
元素の使用を最小限に抑えながら、高温域まで優れた低
熱膨張特性を得ることができ、ヒートスプレッダの軽量
化を実現できるという利点も有している。

【００１９】本発明の熱膨張抑制層は５００℃以上の高
温域での熱膨張係数α３０−８００℃が７．５×１０マ
イナス６乗／℃以下であることが必要である。具体的に
はＮｂ系金属、Ｔａ系金属と比較して、熱伝導特性に優
れたＭｏ系金属、Ｗ系金属の使用が好ましく、前記Ｍｏ
系金属、Ｗ系金属の熱伝導率は１３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の
高い特性を有しているため、高温での優れた低熱膨張特
性と、特に優れた熱伝導特性が実現できる。また、特に
Ｍｏ系金属は加工性に優れており、本発明の製造方法の
ように接合後に加工を行う場合は特に有効である。

【００２０】また、放熱対象部品からの熱を素早くヒー
トスプレッダの全面に広げるために、ヒートスプレッダ
の最外層にＣｕ系金属層を形成することは有効である。
さらに、ヒートスプレッダ最外層のＣｕ系金属層は、銀
ロウ付け時にセラミックスとヒートスプレッダ間に発生
する熱応力を緩和する緩衝層としての効果も有する。

【００２１】本発明のＣｕ系金属の高熱伝導層と複数の
貫通孔を有するＦｅ−Ｎｉ系合金の低熱膨張層を積層し
た多層構造の基本構成（４）を図１に示す。図１に示す
ように低熱膨張層（１）の両側にある高熱伝導層（３）
は、貫通孔（２）に充填されており、貫通孔（２）を介
して連続している。このようにすることによって、Ｆｅ
−Ｎｉ系合金の低熱膨張層を板厚方向に横切る熱移動が
確保される。また、本発明では図２に示すように、多層
構造の基本構成（４）の外側に熱膨張係数α３０−８０
０℃が７．５×１０マイナス６乗／℃以下の金属でなる
熱膨張抑制層（５）として、たとえばＭｏ系金属、Ｗ系
金属のうちの少なくとも一種類の金属層を配置する。

【００２２】本発明において多層構造の基本構成（４）
は、積層した材料の平面方向に対しては、Ｆｅ−Ｎｉ系
合金が、Ｃｕ系合金の熱膨張を抑えている。しかし、Ｆ
ｅ−Ｎｉ系合金もキュリー点を超える高温では熱膨張係
数が急激に大きくなるため、Ｃｕの熱膨張を抑える効果
が少なくなる。これに対して、本発明はＦｅ−Ｎｉ系合
金に比べて、５００℃以上の高温域においても熱膨張係
数α３０−８００℃が７．５×１０マイナス６乗／℃以
下と小さく、かつさらに等方的な熱膨張係数を有するＭ
ｏ系金属、Ｗ系金属のうちの少なくとも一種類の金属層
を配置させることにより、高温での低熱膨張を実現でき
たものである。

【００２３】本発明において、ヒートスプレッダの放熱
対象部品を搭載する最外層の面に、Ｃｕ系金属層を形成
すれば、半導体チップなどの放熱対象部品からの熱を速
やかに平面方向に拡散することが可能になる。具体的に
は図３に示すように、多層構造の基本構成（４）の外側
に熱膨張係数α３０−８００℃が７．５×１０マイナス
６乗／℃以下の金属でなる熱膨張抑制層（５）として、
たとえばＭｏ系金属、Ｗ系金属のうちの少なくとも一種
類の金属層を配置し、さらに熱膨張抑制層（５）の外側
にＣｕ系金属からなる高熱伝導層（３）を配置すること
になる。

【００２４】このように、ヒートスプレッダ表面に配置
したＣｕ系金属層すなわち高熱伝導層（３）は、放熱対
象部品となる半導体チップ等およびセラミックス等から
なるパッケージ構成材料とヒートスプレッダとのろう付
け時に発生する熱応力を緩衝する層としても作用するた
め有効である。また、図３に示すように、上述した表面
とは反対側にもＣｕ系金属層を設けることは、ヒートス
プレッダを構成する層の対称性を確保し、反りの発生を
低減する上でも有効である。

【００２５】本発明において、図５および図６に示すよ
うに、多層構造の基本構成（４）内部の層間に、熱膨張
抑制層（５）を配置することも可能である。この場合、
図５および図６に示すように、低熱膨張層（１）に設け
られた貫通孔（２）に高熱伝導層（３）が確実に充填さ
れるようにするため、熱膨張抑制層（５）と隣接する層
には高熱伝導層（３）を配置することが好ましい。

【００２６】本発明では、熱膨張係数α３０−８００℃
が７．５×１０マイナス６乗／℃以下の金属でなる熱膨
張抑制層として、例えばＭｏ系金属、Ｗ系金属のうち少
なくとも一種類の金属を使用する。本発明のヒートスプ
レッダ中に占める熱膨張抑制層の体積率は、最大でも３
５％以下とすることが望ましく、熱膨張抑制層の体積率
が多すぎてＣｕ系金属の体積率が減少した場合、優れた
熱伝導特性を維持することが困難となる場合がある。ヒ
ートスプレッダとして実用的な熱伝導率１５０Ｗ／ｍ・
Ｋ以上が得られる熱膨張抑制層の体積率は、３％〜２５
％の範囲である。

【００２７】本発明においては、上述したヒートスプレ
ッダを半導体装置用として使用する形態は問わない。典
型的な例としては、前述した図７で示すＢＧＡ（Ｂａｌ
ｌＧｒｉｄＡｒｒａｙ）パッケージとして、ヒートス
プレッダ（１１）、シリコンチップ（８）、Ｃｕ配線
（９）、絶縁のためのポリイミドフィルム（１０）、端
子としての半田ボール（１２）で構成される構造のもの
とすることができる。

【００２８】本発明において使用するＣｕ系金属層とＦ
ｅ−Ｎｉ系金属層と熱膨張係数α３０−８００℃が７．
５×１０マイナス６乗／℃以下の金属でなる熱膨張抑制
層の各層間を、圧延等の塑性加工、熱衝撃、温度サイク
ル等の環境変化において、各層間に剥離が発生しない十
分な信頼性を持った接合を得るために、７００〜１０５
０℃の温度範囲において５０ＭＰａ以上の圧力を適用し
て接合を行なう。７００〜１０５０℃の温度範囲におい
て、５０ＭＰａ以上という高い圧力を適用すると、Ｃｕ
系金属層とＦｅ−Ｎｉ系金属層との層間には、冷間圧延
による圧着と焼鈍を行なう従来の接合方法に比べて、著
しく容易に拡散層を形成することが可能であり、信頼性
にすぐれた接合が得られる。

【００２９】また、７００〜１０５０℃の温度範囲にお
いて、５０ＭＰａ以上という高い圧力を適用すると、Ｃ
ｕ系金属層と熱膨張係数α３０−８００℃が７．５×１
０マイナス６乗／℃以下の金属でなる熱膨張抑制層、も
しくはＦｅ−Ｎｉ系金属層と熱膨張係数α３０−８００
℃が７．５×１０マイナス６乗／℃以下の金属でなる熱
膨張抑制層との各層間に、各層の新生面を露出させ、活
性な状態で接合させることが可能であり、従来の接合方
法である冷間圧延による圧着に比べて信頼性にすぐれた
接合が可能である。

【００３０】上記の接合を行なう温度は、好ましくは７
００〜１０５０℃の温度範囲である。本発明において
は、７００℃よりも低い温度では、特に熱膨張抑制層と
Ｃｕ系金属層、もしくは熱膨張抑制層とＦｅ−Ｎｉ系金
属層との各層間の活性状態が不十分であり、安定した接
合が得られず、部分的な剥離、割れが生じるため、好ま
しくない。また、１０５０℃を超える高温では、Ｃｕ系
金属層とＦｅ−Ｎｉ系金属層との相互拡散が著しく進行
し、Ｃｕ系金属層中に固溶したＦｅ元素またはＮｉ元素
等によりＣｕ系金属層の高熱伝導率特性が損なわれるた
め、好ましくない。さらに、Ｃｕ系金属層が溶融する場
合もあり、危険である。従って本発明においては、接合
を行なう温度を７００℃〜１０５０℃の温度範囲に規定
した。また、圧力はできるだけ高いことが好ましいが、
装置性能上、２００ＭＰａ以下が現実的であり、好まし
くは８０〜１５０ＭＰａの範囲である。

【００３１】また、本発明においては、上述した接合処
理に先だって、Ｃｕ系金属層とＦｅ−Ｎｉ系金属層およ
び熱膨張係数α３０−８００℃が７．５×１０マイナス
６乗／℃以下の金属でなる熱膨張抑制層を缶体に充填し
た後、１０マイナス３乗Ｔｏｒｒよりも減圧としてから
封止する工程を付与している。これは、本発明はＦｅ−
Ｎｉ系合金素材に形成した貫通孔に気体が残留すると、
貫通孔にＣｕ系金属が充分に充填できなくなるため、ま
たは貫通孔の両サイドから充填されたＣｕ系金属が、貫
通孔内の途中で未接合となり熱伝導が妨げられるため、
脱気処理を実施するものである。また、本発明において
は、上述した接合処理の後、熱間圧延あるいは冷間圧延
により所定の板厚に仕上げるものである。

【００３２】本発明においては、上述したように高圧下
で接合処理を行うが、これだけでは、貫通孔に完全にＣ
ｕ系金属を充填することが困難な場合がある。そこで、
本発明は、上述の接合処理の後、熱間圧延あるいは冷間
圧延を付与するものとした。この方法により得た本発明
のヒートスプレッダは、低熱膨張層に形成した貫通孔の
途中で高熱伝導層同士が接合した構造が得られる。すな
わち、高圧の適用により低熱膨張層に形成した貫通孔に
高熱伝導層が貫通孔の両側から流動していき、貫通孔の
途中で高熱伝導層同士が接合した形態となるのである。
なお、冷間圧延を付与すると、電子部品用の複合材料と
して使用できる清浄度および平坦度を容易に得ることが
できる。

【００３３】本発明において、Ｆｅ−Ｎｉ系合金からな
る低熱膨張層は、本発明であるヒートスプレッダの熱膨
張を低下させることを第一の目的として配置させるもの
である。好ましくは、ヒートスプレッダと半導体素子の
熱膨張係数を近似させるために、３０℃〜３００℃にお
ける熱膨張係数が４〜１１×１０マイナス６乗／℃の範
囲で得られるように配置することが望ましい。具体的に
使用するＦｅ−Ｎｉ系合金としてはＦｅ−４２％Ｎｉ合
金、Ｆｅ−３６％Ｎｉ合金のいわゆるインバー合金、Ｆ
ｅ−３１％Ｎｉ−５％Ｃｏ合金のいわゆるスーパーイン
バー合金、Ｆｅ−２９％Ｎｉ−１７％Ｃｏ合金等のＮｉ
３０〜６０％、残部Ｆｅあるいは、Ｎｉの一部をＣｏで
置換したものを基本元素とするものが使用できる。

【００３４】また、他の添加元素を含むことも当然可能
であり、熱膨張特性、機械的強度等様々の要求に合わせ
て４Ａ、５Ａ、６Ａ族の元素を低熱膨張特性を損なわな
いオーステナイト組織を保持できる限り、添加すること
が可能である。例えば、酸化膜形成等のために有効であ
るＣｒは８重量％以下、強度を改善する元素として５重
量％以下のＮｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｕ、熱間加
工性を改善する元素として５重量％以下のＳｉ、Ｍｎあ
るいは０．１重量％以下のＣａ、Ｂ、Ｍｇが使用でき
る。

【００３５】本発明において、高熱伝導層をＣｕ系金属
と規定した。純銅は熱伝導性の点では非常に優れてお
り、熱伝導性を重視するヒートシンクあるいはヒートス
プレッダ用としては有効であるが、場合によって機械的
強度、ハンダ付性、銀ろう付性、耐熱性等用途に応じた
特性改善のために合金元素を添加することが可能であ
る。例えば、ＳｎやＮｉは銅または銅合金中に固溶して
機械的強度を向上させることができる。また、ＴｉはＮ
ｉと複合で添加すると、銅マトリックス中にＮｉとＴｉ
との化合物として析出し、機械的強度および耐熱性を向
上する。また、Ｚｒはハンダ耐候性を向上する。Ａｌ、
Ｓｉ、Ｍｎ、Ｍｇはレジンとの密着性を改善することが
知られている。なお、本発明の銅または銅合金層は、熱
放散性の付与が目的であるため、熱放散性を低下させる
前記の添加元素は銅合金中で好ましくは１０重量％以下
とする。

【００３６】また、本発明の熱膨張抑制層に使用できる
Ｍｏ系金属とは、純Ｍｏ、Ｍｏを主体とする合金であれ
ば良く、またＷ系金属とは純Ｗ、Ｗを主体とする合金で
あれば良い。さらにＮｂ系金属、Ｔａ系金属も同様に、
純金属、該金属合金であれば良い。もちろん、熱膨張係
数α３０−８００℃が７．５×１０マイナス６乗／℃以
下である必要があることは言うまでもない。

【００３７】

【実施例】以下に、本発明の実施例を説明する。低熱膨
張層用材料として、Ｆｅ−３６％Ｎｉ合金を選び、冷間
圧延および焼鈍を繰り返し、厚さ０．３２ｍｍのＦｅ−
Ｎｉ系合金の薄板を得た。このＦｅ−Ｎｉ系合金に、フ
ォトエッチングにより薄板の全面に直径０．５ｍｍ、
１．０６５ｍｍピッチの貫通孔を形成した。貫通孔が薄
板の平面に占める割合は、面積率で約２０％である。こ
の薄板を幅３００ｍｍにスリットを行い、次に長さ５０
０ｍｍに定尺切断を行い、図４（ｂ）に示す低熱膨張層
用素材（６）とした。

【００３８】また、高熱伝導用材料として純銅（無酸素
銅）を選び、冷間圧延および焼鈍を繰り返し、厚さ０．
２５ｍｍおよび厚さ０．３５ｍｍの薄板を得た。この薄
板を幅３００ｍｍにスリットを行い、次に長さ５００ｍ
ｍに定尺切断を行い、図４（ａ）に示す高熱伝導層用素
材（７）とした。さらに、熱膨張抑制用材料として熱膨
張係数α３０−８００℃が５．８５×１０マイナス６乗
／℃の純Ｍｏを選び、厚さ０．２ｍｍおよび厚さ０．１
ｍｍの板を得た。これ等の板を幅３００ｍｍにスリット
を行い、次に長さ５００ｍｍに定尺切断を行い、熱膨張
抑制層用素材とした。

【００３９】次にこれらの素材を、表1に示す組み合わ
せで積層した。図５の積層構造を積層構造Ａ、図６の積
層構造を積層構造Ｂ、図７の積層構造を積層構造Ｃとす
る。積層構造Ａは、純銅の高熱伝導層でＦｅ−Ｎｉ系合
金の低熱膨張層を挟むように、低熱膨張層を３層、高熱
伝導層を４層を交互に積層して多層構造の基本構成と
し、この基本構成の外側両面に熱膨張抑制層を配置し、
さらにその熱膨張抑制層の外側に純銅の高熱伝導層を配
置した積層構造である。純Ｃｕは厚さ０．２５ｍｍを使
用した。また、熱膨張抑制層としての純Ｍｏは、厚さ
０．２ｍｍおよび０．１ｍｍの２種類を用いることによ
り、ヒートスプレッダ全体に占めるＭｏ体積率が１５．
０％と８．１％の２種類を作製した。

【００４０】積層構造Ｂは、積層構造Ａにおいて、上述
した多層構造の基本構成の中心に位置するＦｅ−Ｎｉ系
合金の低熱膨張層を純Ｍｏの熱膨張抑制層と置換した積
層構造である。すなわち、積層構造Ｂに含まれる熱膨張
抑制層は３層となる。純Ｃｕは厚さ０．２５ｍｍを使用
し、純Ｍｏは厚さ０．２ｍｍを使用することにより、Ｍ
ｏ体積率は２３．０％である。積層構造Ｃは、純銅の高
熱伝導層でＦｅ−Ｎｉ系合金の低熱膨張層を挟むよう
に、低熱膨張層を５層、高熱伝導層を６層を交互に積層
して多層構造の基本構成とし、その中心に位置するＦｅ
−Ｎｉ系合金の低熱膨張層を熱膨張抑制層と置換した積
層構造である。すなわち、積層構造Ｃに含まれる熱膨張
抑制層は１層となる。最表面に位置する純Ｃｕのみ厚さ
０．３５ｍｍを使用し、他の純Ｃｕは厚さ０．２５ｍｍ
を使用した。また、純Ｍｏは、厚さ０．２ｍｍおよび
０．１ｍｍの２種類を用いることにより、Ｍｏ体積率が
６．８％と３．５％の２種類を作製した。

【００４１】なお、特性の比較のために、熱膨張抑制層
を含まない積層構造Ｄも実施した。積層構造Ｄは、積層
構造Ｃの多層構造の基本構成において、熱膨張抑制層と
の置換を行なわず、低熱膨張層を５層、高熱伝導層を６
層を交互に積層した構造である。積層構造Ｃと同様に、
最表面に位置する純Ｃｕのみ厚さ０．３５ｍｍを使用
し、他の純Ｃｕは厚さ０．２５ｍｍを使用した。Ｍｏ体
積率は０％である。

【００４２】上述した熱膨張抑制層の配置およびその体
積率が異なる６種類の積層体は、それぞれ10組ずつ用意
した。また、厚さ０．５ｍｍ、幅３００ｍｍ、長さ５０
０ｍｍに切り出したＳＵＳ３０４板の表面にＢＮ粉を塗
布した物を用意した。これを積層体の各組毎の仕切りと
して用いることにより、上述の積層体を積み重ねて高温
加圧下で一度に接合処理を行なった後でも、各組の分離
が容易に行なえる。

【００４３】次に、肉厚５ｍｍのＳ１５Ｃ製ケースの中
に、積層体とＢＮ粉を塗布したＳＵＳ３０４板を交互に
重ねて入れた。このケースを１０マイナス３乗Ｔｏｒｒ
よりも減圧となるよう脱気を行なった後、溶接により封
止した。この脱気後の積層体を有するＳ１５Ｃ製ケース
（以下キャン材と呼ぶ）を、熱間静水圧プレス装置を用
いて、表１に示す種々の温度において１００ＭＰａの加
圧下で３時間保持し、積層体内の各層の接合一体化を行
った。熱間静水圧プレス後のキャン材上下面のＳ１５Ｃ
製ケース材は、研削により除去し、前述のＢＮ粉を塗布
したＳＵＳ３０４板により積層体を１組ずつ分離し、圧
延前素材とした。この圧延前素材について冷間圧延およ
び焼鈍を行い、厚さ1ｍｍの板とした。

【００４４】次にこれらの板から熱伝導率測定用サンプ
ルならびに熱膨張測定用サンプルを作製し、熱伝導率な
らびに板幅方向の熱膨張係数の測定を行った。なお、熱
伝導率はレーザーフラッシュ法により常温の熱伝導率を
測定した。また、熱膨張係数の測定は３０℃を基準とし
て１５０℃（α３０−１５０℃）、３００℃（α３０−
３００℃）および８００℃（α３０−８００℃）の温度
範囲を測定した。これらの特性測定結果を表１に示す。

【００４５】

【表１】

【００４６】表１に示すように本発明のヒートスプレッ
ダは、熱膨張抑制層の比率を調整することにより、１５
０Ｗ／ｍ・ｋ以上の高い熱伝導特性を有しながら、８０
０℃の高温でも６．５〜１０．５×１０マイナス６乗／
℃程度の低熱膨張特性を得ることが可能である。特に、
本実施例のように熱膨張抑制層として純Ｍｏを使用した
場合、その体積率が１５．０％の場合にα３０−８００
℃＝７．９×１０マイナス６乗／℃が得られ、表１中に
参考値として示すアルミナセラミックのα３０−８００
℃と近い値が得られる。従って、薄くて強度が小さいア
ルミナセラミックを、本発明品であるヒートスプレッダ
と銀ロウ付けする場合、セラミックに亀裂、割れが生じ
ることなく、平坦度の良い接合が可能である。

【００４７】実際に厚さ１．５ｍｍのアルミナセラミッ
クと、本発明品である厚さ１．０ｍｍのヒートスプレッ
ダの銀ロウ接合を行なった。ヒートスプレッダはプレス
により打ち抜き加工で作製した。銀ロウは共晶銀ロウ
（融点約７８０℃）を使用し、８３０℃に加熱後、冷却
し、接合した。熱膨張抑制層を含まないヒートスプレッ
ダの場合、セラミックに割れが生じ、３０ｍｍ×３０ｍ
ｍのヒートスプレッダ面の反り変形量は２５０μｍに達
した。本発明品である、熱膨張抑制層として体積率１
５．０％のＭｏを含むヒートスプレッダの場合、セラミ
ックに割れ、亀裂は皆無であり、ヒートスプレッダ面の
反り変形量は３０μｍと、極めて平坦度の良い接合が実
現できた。

【００４８】また、本実施例のように熱膨張抑制層とし
て純Ｍｏを使用した場合、その体積率が８．１％の場合
にα３０−８００℃＝１０．０×１０マイナス６乗／℃
が得られ、表１中に示すコバール（Ｆｅ−２９％Ｎｉ−
１７％Ｃｏ合金）のα３０−８００℃と近い値が得られ
る。従って、精度が求められる半導体パッケージ用途と
して、コバール材を本発明品であるヒートスプレッダと
銀ロウ接合する場合、反り変形量が小さく、平坦度に優
れたパッケージが得られる。

【００４９】実際に肉厚１．０ｍｍ、幅１２．７ｍｍ×
長さ３０．５ｍｍ×高さ４．５ｍｍのコバール製枠と、
本発明品である厚さ１．３ｍｍのヒートスプレッダの銀
ロウ接合を行なった。ヒートスプレッダはプレスにより
打ち抜き加工で作製した。銀ロウは共晶銀ロウ（融点約
７８０℃）を使用し、８３０℃に加熱後、冷却し、接合
した。銀ロウ接合後、ヒートスプレッダ面の長さ方向の
反り変形量をコバール製枠内側で測定した。熱膨張抑制
層を含まないヒートスプレッダの場合、反り変形量は６
５μｍに達した。本発明品である、熱膨張抑制層として
体積率８．１％のＭｏを含むヒートスプレッダの場合、
反り変形量は１０μｍ以下と、極めて平坦度に優れた接
合が実現できた。

【００５０】

【発明の効果】本発明によれば、高価な材料の使用を最
小限に抑えつつ、高温での熱膨張係数が小さく、かつ通
常の半導体の発熱温度域での熱膨張が小さく、さらに熱
伝導特性の良い材料が得られる。また、本発明の複合材
料は、従来の冷間圧着−拡散焼鈍法に比べ、熱間におけ
る高圧を適用して接合しているため、密着信頼性が顕著
に向上しており、部品の信頼性を大きく向上するもので
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の複合材料の基本構成の一例を示す概念
図である。

【図２】本発明の複合材料の最外層を熱膨張抑制層とし
た例である。

【図３】本発明の複合材料の最外層を高熱伝導層とした
例である。

【図４】本発明の複合材料の素材を説明する図である。

【図５】本発明の複合材料の最外層を高熱伝導層とした
例である。

【図６】本発明の複合材料の層間に熱膨張抑制層を配置
した例である。

【図７】本発明の複合材料の層間に熱膨張抑制層を配置
した例である。

【図８】本発明を適用するＰＧＡパッケージの構成例で
ある。

【符号の説明】

１低熱膨張層、２貫通孔、３高熱伝導層、４多
層構造の基本構成、５熱膨張抑制層、６低熱膨張層
用素材、７高熱伝導層用素材、８シリコンチップ、
９ボンディングワイヤー、１０セラミック基板、１
１ヒートスプレッダ、１２ピン、１３銀ロウ、１４
リッド

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山田英矢島根県安来市安来町2107番地２日立金属株式会社安来工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｃｕ系金属の高熱伝導層と、複数の貫通
孔を有したＦｅ−Ｎｉ系合金の低熱膨張層と、熱膨張係
数α３０−８００℃が７．５×１０マイナス６乗／℃以
下の金属でなる熱膨張抑制層を具備することを特徴とす
るヒートスプレッダ。
【請求項２】Ｃｕ系金属の高熱伝導層と、複数の貫通
孔を有したＦｅ−Ｎｉ系合金の低熱膨張層と、熱膨張係
数α３０−８００℃が７．５×１０マイナス６乗／℃以
下の金属でなる熱膨張抑制層を具備することを特徴とす
るヒートスプレッダであって、前記熱膨張係数α３０−
８００℃が７．５×１０マイナス６乗／℃以下の金属で
なる熱膨張抑制層の体積率が、３〜２５％に調整された
ことを特徴とするヒートスプレッダ。
【請求項３】Ｃｕ系金属の高熱伝導層と、Ｆｅ−Ｎｉ
系合金の低熱膨張層が交互に、もしくは連続して複数枚
積層され、前記低熱膨張層をはさむ高熱伝導層は、低熱
膨張層に形成した複数の貫通孔を介して連続したヒート
スプレッダであって、前記ヒートスプレッダの層間と放
熱対象部品を搭載する面側と放熱対象部品を搭載する反
対の面側のうち少なくとも一層は、熱膨張係数α３０−
８００℃が７．５×１０マイナス６乗／℃以下の金属で
なる熱膨張抑制層により形成されていることを特徴とす
るヒートスプレッダ。
【請求項４】熱膨張抑制層はＭｏ系金属、Ｗ系金属の
うちの少なくとも一種類の金属であることを特徴とする
請求項１乃至３のいずれかに記載のヒートスプレッダ。
【請求項５】最外層にはＣｕ系金属層が形成されてい
ることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の
ヒートスプレッダ。
【請求項６】請求項１乃至５のいずれかに記載のヒー
トスプレッダに半導体チップを搭載した半導体装置。
【請求項７】Ｃｕ系金属の薄板と、複数の貫通孔を形
成したＦｅ−Ｎｉ系合金薄板を交互に、もしくは連続し
て複数枚積層し、層間と外側のうち少なくとも一層に熱
膨張係数α３０−８００℃が７．５×１０マイナス６乗
／℃以下の金属でなる熱膨張抑制層を配置し、缶体に充
填した後、１０マイナス３乗Ｔｏｒｒよりも減圧として
から封止し、次いで７００〜１０５０℃の温度範囲にお
いて５０ＭＰａ以上に加圧して接合処理を行い、前記貫
通孔内にＣｕ系金属を充填するとともに各層間を接合
し、次いで圧延により所定の板厚に仕上げることを特徴
とするヒートスプレッダの製造方法。
【請求項８】Ｃｕ系金属の薄板と、複数の貫通孔を形
成したＦｅ−Ｎｉ系合金薄板を交互に、もしくは連続し
て複数枚積層し、層間と外側のうち少なくとも一層に熱
膨張係数α３０−８００℃が７．５×１０マイナス６乗
／℃以下の金属でなる熱膨張抑制層を配置し、さらにそ
の最外層にＣｕ系金属を配置し、缶体に充填した後、１
０マイナス３乗Ｔｏｒｒよりも減圧としてから封止し、
次いで７００〜１０５０℃の温度範囲において５０ＭＰ
ａ以上に加圧して接合処理を行い、前記貫通孔内にＣｕ
系金属を充填するとともに接合し、次いで圧延により所
定の板厚に仕上げることを特徴とするヒートスプレッダ
の製造方法。