JP2765236B2 - Radiation fins with improved thermal conductivity and lifetime - Google Patents
Radiation fins with improved thermal conductivity and lifetimeInfo
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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- F28F3/00—Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
- F28F3/02—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations
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- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】この発明は一般的に放熱フィンに
関するものであり、より特定的には、軽量でかつ熱伝導
度の高められた放熱フィンに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention generally relates to a radiating fin, and more particularly to a radiating fin that is lightweight and has enhanced thermal conductivity.
【0002】[0002]
【従来の技術】図11は、従来の半導体収納装置の斜視
図である。半導体収納装置1は、半導体素子3を搭載す
るための基板4と、基板4を下から支え、かつ、半導体
素子3を収容するための空間部を有するパッケージ5
と、を備える。パッケージ5には、下方から蓋6が取付
けられる。リード線21は、半導体素子3に電気的に接
続されている。2. Description of the Related Art FIG. 11 is a perspective view of a conventional semiconductor storage device. The semiconductor storage device 1 includes a substrate 4 on which the semiconductor element 3 is mounted, and a package 5 which supports the substrate 4 from below and has a space for accommodating the semiconductor element 3.
And. A lid 6 is attached to the package 5 from below. The lead wire 21 is electrically connected to the semiconductor element 3.
【0003】ところで、近年、ICの高速化、大容量化
および高周波化等により、半導体素子3の発生する熱量
が増加しており、図11に示す装置では、この熱を十分
に外部に放散させることができない。それゆえに、発生
する熱を半導体収納装置1の外部へ放散させるための放
熱フィンに対する、各種の要求が増大している。この種
の放熱フィンに要求される特性は、熱伝導がよく、かつ
軽量であることである。In recent years, the amount of heat generated by the semiconductor element 3 has been increasing due to the increase in speed, capacity, and frequency of ICs. In the apparatus shown in FIG. 11, this heat is sufficiently dissipated to the outside. Can not do. Therefore, various demands have been increased for a radiation fin for dissipating generated heat to the outside of the semiconductor storage device 1. The characteristics required for this kind of heat radiation fins are good heat conduction and light weight.
【0004】図12は、放熱フィンを備えた従来の半導
体収納装置の断面図である。第12図に示す半導体収納
装置は、図11に示す半導体収納装置に、放熱フィン2
を取付けたものである。基板4は、Mb−W複合材また
はCu−W複合材で形成される。パッケージ5は、アル
ミナで形成される。蓋6は、コバール(29%Ni−1
7%Co−Fe)で形成される。放熱フィン2は、軽量
性を考慮して、アルミニウム合金で形成される。放熱フ
ィン2は、基板4の裏面に設けられたねじ7によって、
基板4の裏面に取付けられている。FIG. 12 is a cross-sectional view of a conventional semiconductor storage device provided with heat radiation fins. The semiconductor storage device shown in FIG. 12 is different from the semiconductor storage device shown in FIG.
Is attached. The substrate 4 is formed of a Mb-W composite material or a Cu-W composite material. The package 5 is formed of alumina. The lid 6 is made of Kovar (29% Ni-1).
7% Co-Fe). The radiation fins 2 are formed of an aluminum alloy in consideration of lightness. The heat radiation fins 2 are fixed by screws 7 provided on the back surface of the substrate 4.
It is attached to the back surface of the substrate 4.
【0005】図13は、放熱フィンを備えた、従来の小
型半導体収納装置の断面図である。図13に示す従来例
は、以下の点を除いて、図12に示す従来例と同様であ
り、相当する部分には同一参照番号を付し、その説明を
繰り返さない。FIG. 13 is a cross-sectional view of a conventional small semiconductor storage device provided with a radiation fin. The conventional example shown in FIG. 13 is the same as the conventional example shown in FIG. 12 except for the following points. Corresponding portions bear the same reference numbers, and description thereof will not be repeated.
【0006】小型化する必要があるため、放熱フィン2
の羽根2aが上方に突出する構造とされる。放熱フィン
2と基板4とは、熱伝導の良好なフィラーを含む接着剤
8によって接着されている。Since it is necessary to reduce the size, the radiation fins 2
Of the blade 2a project upward. The radiation fins 2 and the substrate 4 are adhered by an adhesive 8 containing a filler having good heat conductivity.
【0007】放熱フィンを備える従来の半導体収納装置
は、以上のように構成されており、以下に述べる問題点
があった。すなわち、図12に示す、ねじ7によって放
熱フィン2と基板4とを接続する方法では、放熱フィン
2と基板4との接触面積を十分に大きくすることができ
ず、放熱性が不十分であった。一方、図13に示す接着
剤8で放熱フィン2と基板4とを接続する方法では、接
着剤8の熱伝導が悪く、放熱性が不十分であった。ま
た、図13に示す半導体収納装置の場合、パッケージ側
(Mb−W複合材またはCu−W複合材で形成される基
板4およびアルミナで形成されるパッケージ5)と放熱
フィン2(アルミニウムで構成される)との熱膨張率が
異なるため、接続後の熱サイクルテスト(通常−50℃
〜150℃,300サイクル)で、接続面で剥離等が起
こり、使用上問題となっていた。[0007] The conventional semiconductor storage device provided with the radiation fin is configured as described above, and has the following problems. That is, in the method of connecting the radiation fins 2 and the substrate 4 with the screws 7 shown in FIG. 12, the contact area between the radiation fins 2 and the substrate 4 cannot be sufficiently increased, resulting in insufficient heat radiation. Was. On the other hand, in the method of connecting the radiation fins 2 and the substrate 4 with the adhesive 8 shown in FIG. 13, the heat conduction of the adhesive 8 was poor, and the heat dissipation was insufficient. In the case of the semiconductor storage device shown in FIG. 13, the package side (the substrate 4 formed of the Mb-W composite material or the Cu-W composite material and the package 5 formed of alumina) and the radiation fins 2 (made of aluminum) The thermal expansion coefficient after connection (normally -50 ° C).
(150 ° C., 300 cycles), peeling and the like occurred on the connection surface, which was a problem in use.
【0008】このような問題点を解決するために、本発
明者等は、別途、半導体素子搭載用の基板として開発し
た(特開昭59−21032)Mo−Cu複合材または
W−Cu複合材を、放熱フィンに転用することを考え
た。このMo−Cu複合材またはW−Cu複合材の熱膨
張率は、アルミナ、コバールの熱膨張率に近い。それゆ
え、これらの複合材料を、放熱フィンに使用した場合、
熱サイクルテストを行なっても、上述の剥離の問題は生
じない。また、Mo−Cu複合材およびW−Cu複合材
は、熱特性に関して、放熱フィンとして優れた特性を有
している。その中でも、比較的比重の小さいMo−Cu
複合材(比重:9〜10g/cc)は軽量の放熱フィン
として、現在実用化されている。In order to solve such problems, the present inventors have separately developed a substrate for mounting a semiconductor element (Japanese Patent Laid-Open No. Sho 59-21032), a Mo-Cu composite material or a W-Cu composite material. Was diverted to a radiation fin. The coefficient of thermal expansion of this Mo—Cu composite or W—Cu composite is close to that of alumina or Kovar. Therefore, when these composite materials are used for radiation fins,
Even if a thermal cycle test is performed, the above-described problem of peeling does not occur. In addition, the Mo—Cu composite material and the W—Cu composite material have excellent thermal characteristics as radiation fins. Among them, Mo-Cu having a relatively small specific gravity
The composite material (specific gravity: 9 to 10 g / cc) is currently in practical use as a lightweight heat radiation fin.
【0009】しかしながら、このMo−Cu複合材も、
従来より放熱フィンとして使用されているアルミニウム
(比重:2.7g/cc)に比べて重いので、最近要望
されている大型半導体チップ用の大型形状の放熱フィン
に適用した場合、重すぎるという問題点があった。[0009] However, this Mo-Cu composite material also
Since it is heavier than aluminum (specific gravity: 2.7 g / cc) conventionally used as a heat radiation fin, it is too heavy when applied to a large-sized heat radiation fin for a large semiconductor chip which has been recently demanded. was there.
【0010】そこで、その解決策として、図14を参照
して、アルミニウムで形成された放熱フィン2とアルミ
ナで形成されたパッケージ5とを接続する接続部9に、
Mo−Cu複合材を用い、この接続部9と放熱フィン2
とを半田22(鉛錫,鉛錫合金等)で接着して、使用し
ていた。Therefore, as a solution, referring to FIG. 14, a connecting portion 9 for connecting the radiating fin 2 formed of aluminum and the package 5 formed of alumina is provided.
The connecting portion 9 and the radiation fin 2 are made of a Mo-Cu composite material.
Are bonded with solder 22 (lead-tin, lead-tin alloy, etc.) and used.
【0011】[0011]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図14
を参照して、放熱フィン2を構成する材料であるアルミ
ニウムは酸化されやすく、通常、その表面は薄い酸化膜
で覆われている。したがって、半田の濡れがわるく、半
田にて接合するためには、アルミニウムの表面にめっき
処理(通常、ジンケート処理の後、ニッケルめっきを行
なう)をすることが必要となる。また、接続部9の構成
材料であるMo−Cu複合材の接合面に存在するモリブ
デンが半田材との濡れ性を悪くしている。それゆえ、半
田にて接合するためには、Mo−Cu複合材の接合面を
ニッケルめっき等でめっきする必要があった。さらに、
両者をはんだで接続した場合、はんだ層の内部に一定量
の空孔が生じ、この空孔が熱伝導の妨げになるという問
題点があった。さらに、半田材の熱伝導度は低く、この
半田材もまた、熱伝導の妨げになるという問題点があっ
た。However, FIG.
As shown in FIG. 2, aluminum, which is a material forming the radiation fins 2, is easily oxidized, and its surface is usually covered with a thin oxide film. Therefore, it is necessary to perform plating (usually, nickel plating, then nickel plating) on the surface of the aluminum in order to make the wettability of the solder poor and to join with the solder. In addition, molybdenum present on the joint surface of the Mo—Cu composite material, which is a constituent material of the connection part 9, deteriorates the wettability with the solder material. Therefore, in order to join with solder, it was necessary to plate the joint surface of the Mo—Cu composite material with nickel plating or the like. further,
When both are connected by solder, there is a problem that a certain amount of holes are generated inside the solder layer, and these holes hinder heat conduction. Further, the thermal conductivity of the solder material is low, and this solder material also has a problem that the thermal conductivity is hindered.
【0012】また、図14を参照して、上述の方法でつ
くった、フィン2と接続部9との結合品は、耐蝕性を付
与するために、半田付け後、ニッケルまたはニッケル+
金等のめっきを施す必要があった。しかし、このような
多種類の材料が混在する品物をめっきすることは、各材
料の薬品に対する反応性が異なるため、困難であった。Referring to FIG. 14, the joined product of fin 2 and connecting portion 9 made by the above-described method is made of nickel or nickel + after soldering in order to impart corrosion resistance.
It had to be plated with gold or the like. However, it is difficult to plate a product in which such various materials are mixed, because the reactivities of the materials to chemicals are different.
【0013】この発明の目的は、フィンと接続部が強固
に結合した放熱フィンを提供することにある。An object of the present invention is to provide a radiation fin in which a fin and a connecting portion are firmly connected.
【0014】[0014]
【課題を解決するための手段】この発明は、半導体素子
を収容するための半導体収納装置に取付けられ、該半導
体素子から発生する熱を外部に放散させる放熱フィンに
係るものである。当該放熱フィンは、アルミニウム合金
で形成されたフィンと、Mo−Cu、Cu−WおよびA
l−Siからなる群より選ばれた複合材で形成され、上
記フィンと上記半導体収納装置とを接続するための接続
部と、を備えている。上記フィンと上記接続部は、それ
らの界面において、摩擦圧接されて密着している。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention relates to a radiating fin which is attached to a semiconductor storage device for storing a semiconductor element and radiates heat generated from the semiconductor element to the outside. The heat radiation fins include a fin formed of an aluminum alloy, Mo-Cu, Cu-W, and A.
It is formed of a composite material selected from the group consisting of l-Si, and includes a connection portion for connecting the fin and the semiconductor storage device. The fin and the connection portion are in close contact with each other by friction pressure welding at their interface.
【0015】[0015]
【作用】この発明に係る放熱フィンは、フィンにアルミ
ニウム合金を用いているので、軽量である。また、Mo
−Cu、Cu−WおよびAl−Siからなる群より選ば
れた複合材で形成された接続部と、上記フィンとは、そ
れらの界面において、摩擦圧接されて密着しているの
で、両者は金属結合で強固に結合される。The radiation fin according to the present invention is lightweight because the fin uses an aluminum alloy. Also, Mo
Since the connection portion formed of a composite material selected from the group consisting of -Cu, Cu-W and Al-Si and the fin are friction-welded at their interface and are in close contact with each other, they are made of metal. It is firmly connected by bonding.
【0016】Mo−Cu、Cu−WおよびAl−Siは
いずれも熱伝導性が良好であり、かつフィンと接続との
界面に、はんだのような熱伝導度を低下させるような部
材が介在していないので、得られた放熱フィンは熱伝導
性の良好なものとなる。Mo--Cu, Cu--W and Al--Si all have good thermal conductivity, and at the interface between the fin and the connection, there is a member such as solder that reduces the thermal conductivity. As a result, the obtained radiating fins have good thermal conductivity.
【0017】また、Mo−Cu、Cu−WおよびAl−
Siからなる群より選ばれた複合材料で形成される接続
部と、パッケージを構成する材料との熱膨張率の差が小
さいので、パッケージと接続部との界面において、熱歪
は生じない。すなわち、当該放熱フィンとパッケージと
は強固に接続され、その寿命は延びる。Further, Mo-Cu, Cu-W and Al-
Since the difference in the coefficient of thermal expansion between the connection portion formed of the composite material selected from the group consisting of Si and the material constituting the package is small, no thermal strain occurs at the interface between the package and the connection portion. That is, the radiation fin and the package are firmly connected, and the life thereof is extended.
【0018】[0018]
【実施例】以下、この発明の実施例を図について説明す
る。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG.
【0019】図1は、この発明の一実施例に係る放熱フ
ィンの斜視図である。放熱フィン13は、半導体素子を
搭載するための基板に取付けられ、該半導体素子から発
生する熱を外部に放散させものである。放熱フィン13
は、アルミニウム合金で形成されたフィン2と、接続部
9と、を備える。接続部9は、Mo−Cu、Cu−Wま
たはAl−Siから形成された複合材で形成される。フ
ィン2と接続部9は、それらの界面において、摩擦圧接
されて密着している。摩擦圧接されて密着したフィン2
と接続部9は、それらの界面において、金属結合により
結合されている。FIG. 1 is a perspective view of a radiation fin according to an embodiment of the present invention. The radiation fins 13 are attached to a substrate on which the semiconductor element is mounted, and dissipate heat generated from the semiconductor element to the outside. Heat radiation fins 13
Includes a fin 2 formed of an aluminum alloy and a connecting portion 9. The connection portion 9 is formed of a composite material formed of Mo-Cu, Cu-W, or Al-Si. The fin 2 and the connecting portion 9 are in close contact with each other by friction pressure welding at their interface. Fins 2 that are in close contact with each other by friction welding
And the connecting portion 9 are connected to each other at their interface by metal bonding.
【0020】図2は、実施例に係る放熱フィンが取付け
られた半導体収納装置の断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of the semiconductor storage device to which the heat radiation fins according to the embodiment are attached.
【0021】半導体収納装置1は、半導体素子3を搭載
するための基板4と、基板4を下から支え、かつ、半導
体素子3を収容するための空間部を有するパッケージ5
と、を備える。パッケージ5には、下方から蓋6が取付
けられる。リード線21は、半導体素子3に電気的に結
合される。The semiconductor storage device 1 includes a substrate 4 on which the semiconductor element 3 is mounted, and a package 5 which supports the substrate 4 from below and has a space for accommodating the semiconductor element 3.
And. A lid 6 is attached to the package 5 from below. Lead 21 is electrically coupled to semiconductor element 3.
【0022】接続部9とフィン2とが金属結合により結
合された放熱フィン13は、接続部9と基板4とを熱伝
導性接着剤(エポキシ樹脂+Ag)によって接着するこ
とによって、半導体収納装置1に固定される。The radiating fins 13 in which the connecting portions 9 and the fins 2 are connected by metal bonding are used to bond the connecting portions 9 and the substrate 4 to each other with a heat conductive adhesive (epoxy resin + Ag). Fixed to
【0023】基板4は、Mb−W複合材またはCu−W
複合材で形成される。パッケージ5は、アルミナで形成
される。蓋6は、コバール(29%Ni−17%Co−
Fe)で形成される。The substrate 4 is made of an Mb-W composite material or Cu-W
It is formed of a composite material. The package 5 is formed of alumina. The lid 6 is made of Kovar (29% Ni-17% Co-
Fe).
【0024】表1は、接続部9に用いられたCu−W合
金の、熱膨張係数および熱伝導率の測定結果である。な
お、この表では、Al2 O3 、Si、GaAsなどの熱
膨張係数をも示した。Table 1 shows the measurement results of the thermal expansion coefficient and the thermal conductivity of the Cu-W alloy used for the connecting portion 9. In this table, the thermal expansion coefficients of Al 2 O 3 , Si, GaAs and the like are also shown.
【0025】[0025]
【表1】 [Table 1]
【0026】表1から明らかなように、Cu−W合金に
おいて、Cuを2〜30重量%加えると、Cu−W合金
とAl2 O3 との熱膨張率との差はなくなる。As is apparent from Table 1, when Cu is added in an amount of 2 to 30% by weight in the Cu-W alloy, there is no difference in the thermal expansion coefficient between the Cu-W alloy and Al 2 O 3 .
【0027】表2は、本発明の他の実施例である、接続
部9に用いられたMo−Cu合金の、熱膨張係数および
熱伝導率の測定結果である。Table 2 shows the measurement results of the thermal expansion coefficient and the thermal conductivity of the Mo—Cu alloy used in the connection portion 9 according to another embodiment of the present invention.
【0028】[0028]
【表2】 [Table 2]
【0029】これらの表を参照して、Mo−Cuおよび
Cu−W合金は、熱伝導率が良好である。また、フィン
2と接続部9との界面に、半田のごとき熱伝導度を低下
させるような部材が介在していないので、得られた放熱
フィン13は熱伝導性の良好なものとなる。Referring to these tables, Mo-Cu and Cu-W alloys have good thermal conductivity. Further, since no member such as solder that reduces the thermal conductivity is interposed at the interface between the fin 2 and the connecting portion 9, the obtained heat dissipating fin 13 has good thermal conductivity.
【0030】また、Mo−CuまたはCu−W合金から
なる接続部9と、パッケージ5を構成する材料(Cu−
W,Al2 O3 等)との熱膨張率の差が小さいので、パ
ッケージ1と接続部9との界面において、熱歪は生じな
い。すなわち、放熱フィン13とパッケージ5とは強固
に接続され、半導体収納装置の寿命は延びる。The connecting portion 9 made of Mo-Cu or Cu-W alloy and the material (Cu-
W, Al 2 O 3, etc.), the thermal expansion does not occur at the interface between the package 1 and the connecting portion 9. That is, the radiation fins 13 and the package 5 are firmly connected, and the life of the semiconductor storage device is extended.
【0031】図3は、本発明の他の実施例に係る、放熱
フィンが取付けられた半導体収納装置の断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of a semiconductor storage device to which heat radiation fins are attached according to another embodiment of the present invention.
【0032】図3(a)は、放熱フィンを備えた半導体
収納装置の斜視図であり、図3(b)は、図3(a)に
おける、B−B線に沿う断面図である。FIG. 3A is a perspective view of a semiconductor storage device provided with a radiation fin, and FIG. 3B is a cross-sectional view taken along line BB in FIG. 3A.
【0033】これらの図を参照して、半導体収納装置1
は、半導体素子3を収納するためのパッケージ5(アル
ミナで形成される)を備えている。パッケージ5には、
下方から蓋6(コバールで形成される)が取付けられ
る。リード線21は、半導体素子3に電気的に接続され
る。放熱フィン13は、上方にその羽根2aが延びたフ
ィン2(アルミニウム合金で形成される)と、接続部9
とからなる。接続部9は、Mo−Cu、Cu−Wまたは
Al−Si合金で形成される。接続部9とフィン2と
は、それらの界面において、摩擦圧接されて密着してい
る。両者は、金属結合により結合している。接続部9と
フィン2とが金属結合により結合された放熱フィン13
は、接続部9とパッケージ5とを熱伝導性接着剤(エポ
キシ樹脂+Ag)によって接着することによって、パッ
ケージ5に固定される。接続部9とパッケージ5との熱
膨張率の差は小さいので、パッケージ5と接続部9との
界面において、熱歪は生じない。このような実施例であ
っても、放熱フィン13とパッケージ1とは強固に接続
され、その寿命は延びる。Referring to these figures, semiconductor storage device 1
Has a package 5 (made of alumina) for accommodating the semiconductor element 3. Package 5 includes
A lid 6 (formed of Kovar) is attached from below. Lead wire 21 is electrically connected to semiconductor element 3. The radiating fins 13 are connected to the fins 2 (made of an aluminum alloy) whose wings 2 a extend upward and the connecting portions 9.
Consists of The connection part 9 is formed of Mo-Cu, Cu-W, or an Al-Si alloy. The connecting portion 9 and the fin 2 are friction-welded at the interface between them and are in close contact with each other. Both are connected by a metal bond. Heat radiating fin 13 in which connecting portion 9 and fin 2 are connected by metal bonding
Is fixed to the package 5 by bonding the connecting portion 9 and the package 5 with a heat conductive adhesive (epoxy resin + Ag). Since the difference in the coefficient of thermal expansion between the connection portion 9 and the package 5 is small, no thermal distortion occurs at the interface between the package 5 and the connection portion 9. Even in such an embodiment, the radiation fins 13 and the package 1 are firmly connected, and the life thereof is extended.
【0034】図4は、図1に示す放熱フィンを製造する
工程を示した模式図である。図4(a)を参照して、1
0は図1に示す放熱フィン13の接続部9となるべきM
o−Cu複合材であり、11はフィン2となるべきアル
ミニウムである。Mo−Cu複合材10とアルミニウム
11との接合は、両者の接続面を合わせ圧力をかけなが
ら、互いに反対方向に回転させるという、摩擦圧接法に
よって行なわれる。FIG. 4 is a schematic view showing a process of manufacturing the heat radiation fin shown in FIG. Referring to FIG.
0 is M which is to be the connection portion 9 of the radiation fin 13 shown in FIG.
An o-Cu composite material, 11 is aluminum to be the fin 2. The Mo-Cu composite material 10 and the aluminum 11 are joined by a friction welding method in which the connecting surfaces of the two are rotated in opposite directions while applying pressure.
【0035】アルミニウム11とMo−Cu複合材10
との摩擦圧接においては、両材料の特性(硬度、靭性
等)が大幅に異なるので、安定な接合強度を得るために
は、適正な接合条件の設定が必要である。Aluminum 11 and Mo-Cu composite 10
In the friction welding, the properties (hardness, toughness, etc.) of both materials are significantly different, so that appropriate joining conditions must be set in order to obtain stable joining strength.
【0036】アルミニウム11とMo−Cu複合材10
との接続面を合わせて、圧力をかけながら、両者を互い
に逆方向に回転させると、図4(b)を参照して、接続
面において、アルミニウム酸化皮膜12が外部に排出さ
れる。これについては、後に図面を用いて、さらに詳細
に説明する。Aluminum 11 and Mo-Cu composite 10
When the two are rotated in opposite directions while applying pressure while aligning the connection surfaces with the aluminum oxide film 12, the aluminum oxide film 12 is discharged to the outside at the connection surface with reference to FIG. This will be described in more detail later with reference to the drawings.
【0037】図4(c)を参照して、Mo−Cu複合材
10とアルミニウム11との切削加工を行なうと、フィ
ン2と接続部9が結合された、放熱フィン13が得られ
る。Referring to FIG. 4C, when the Mo-Cu composite material 10 and the aluminum 11 are cut, a heat radiation fin 13 in which the fin 2 and the connecting portion 9 are joined is obtained.
【0038】この方法によると、接合界面に空孔の存在
しない完全な結合が得られる。またこの方法によると、
接合界面に熱伝導度の低いアルミと銅の固溶層をつくる
ことなく、両者を結合できる。その結果、熱伝導のよい
放熱フィンが得られる。また、こうしてつくられた放熱
フィン13によれば、はんだ等の多種金属が存在しない
ため、連結後のめっき処理も容易となる。According to this method, complete bonding without voids at the bonding interface can be obtained. Also according to this method,
Both can be joined without forming a solid solution layer of aluminum and copper with low thermal conductivity at the joint interface. As a result, a radiation fin having good heat conduction is obtained. Further, according to the radiation fins 13 thus produced, since there are no various metals such as solder, the plating process after the connection is also facilitated.
【0039】なお、十分な接合強度を得るには、アルミ
ニウムの接合面に存在する酸化皮膜を、排除する必要が
あり、この点を考慮に入れ、接合面の形状、回転数およ
び圧力を設定する必要がある。In order to obtain a sufficient bonding strength, it is necessary to eliminate the oxide film present on the aluminum bonding surface. In consideration of this point, the shape, rotation speed and pressure of the bonding surface are set. There is a need.
【0040】次に、種々の条件下で、アルミニウムとM
o−Cu複合材との摩擦圧接を行なった結果について述
べる。 実施例1 図5(a)〜(e)は、接合面が平面である場合の、ア
ルミニウムとMo−Cu複合材との摩擦圧接の様子を示
した図であり、時間の経過とともに、変形している様子
を描写したものである。なお、図中、10はMo−Cu
複合材であり、11はアルミニウムであり、12はアル
ミニウム11の表面に形成されたアルミニウム酸化皮膜
である。これらの図を参照して、接合面が平面の場合、
接合時の変形は、Mo−Cu複合材10の靭性がアルミ
ニウム11よりも高いため、アルミニウム11側におい
て起こる。接合条件としては、アルミニウム酸化皮膜1
2を接合面30から外部に排出するに足る圧接条件を選
択する必要がある。それぞれの状態における、接合強さ
(Kg/mm2 )は、図8(a)に示す形状の試料をつ
くって求められた。結果を表3にまとめる。Next, under various conditions, aluminum and M
The result of performing friction welding with the o-Cu composite material will be described. Example 1 FIGS. 5A to 5E are views showing a state of friction welding between aluminum and a Mo—Cu composite material in a case where a bonding surface is a flat surface. It is a picture of the situation. In the figure, 10 is Mo-Cu.
11 is aluminum, and 12 is an aluminum oxide film formed on the surface of the aluminum 11. Referring to these figures, when the joining surface is a flat surface,
The deformation at the time of joining occurs on the aluminum 11 side because the toughness of the Mo—Cu composite material 10 is higher than that of the aluminum 11. The bonding conditions were aluminum oxide film 1
It is necessary to select a pressure contact condition sufficient to discharge 2 from the joining surface 30 to the outside. The bonding strength (Kg / mm 2 ) in each state was determined by preparing a sample having the shape shown in FIG. The results are summarized in Table 3.
【0041】[0041]
【表3】 [Table 3]
【0042】実施例2 図6(a)〜(e)は、Mo−Cu複合材の先端角度α
が120°である場合の、アルミニウム11とMo−C
u複合材10との摩擦圧接を示した図であり、時間の経
過とともに変形している様子を描写した図である。それ
ぞれの状態における接合強さ(Kg/mm2 )は、図8
(b)に示す形状の試料をつくって求められた。結果
を、表4にまとめる。Embodiment 2 FIGS. 6A to 6E show the tip angle α of the Mo—Cu composite material.
11 and Mo-C when is 120 °
FIG. 4 is a view showing friction welding with the u-composite material 10 and showing a state of deformation with time. The bonding strength (Kg / mm 2 ) in each state is shown in FIG.
It was determined by preparing a sample having the shape shown in (b). The results are summarized in Table 4.
【0043】[0043]
【表4】 [Table 4]
【0044】この実施例によれば、Mo−Cu複合材1
0の先端が凸型円錐形状になっているため、圧接がアル
ミニウム11の端面の中央部の小面積から始まり、接合
面からのアルミニウム酸化皮膜12の排出が容易に行な
われる。そのため、圧接時のアルミニウム11の変形を
少なくすることができ、かつ、接合強度も改善できる。 実施例3 図7(a)〜(d)は、接合強さに対する接合面の形状
の影響を調べたもので、Mo−Cu複合材の先端角度を
180°(平面)、160°、120°、80°と変え
たときに得られた、接合構造の断面図である。結果を、
表5にまとめる。According to this embodiment, the Mo—Cu composite material 1
Since the leading end of O has a convex conical shape, the pressure welding starts from a small area at the center of the end surface of the aluminum 11 and the aluminum oxide film 12 is easily discharged from the joint surface. Therefore, deformation of the aluminum 11 at the time of pressing can be reduced, and the bonding strength can be improved. Example 3 FIGS. 7A to 7D show the effect of the shape of the bonding surface on the bonding strength. The tip angles of the Mo—Cu composite material were set to 180 ° (plane), 160 °, and 120 °. , 80 °, are cross-sectional views of the joint structure obtained when the angle is changed to 80 °. The result
Table 5 summarizes the results.
【0045】[0045]
【表5】 [Table 5]
【0046】表5より明らかなように、Mo−Cu複合
材の先端に角度をつけることにより、接合強さを改善す
ることができる。なお、接合強さ(Kg/mm2 )は1
0Kgぐらいあれば、十分に使用に耐え得る。 実施例4 実施例1の場合、摩擦圧接時、一方の被圧接体としてA
lを用いる場合、摩擦熱によりAlが軟化し、接合部分
に十分な圧力を加えることが困難となり、接合強度が低
下することがある。本実施例では、硬度が高く、摩擦圧
接時に熱変形が少ないCuW、CuMo材の、Alとの
接合面の、面積をAlに比し小さくとることにより、A
lの変形を防ぎ、圧接時に加わる力を保持することがで
き、圧接後に十分な接合強度を得ることができるように
した。As is clear from Table 5, the bonding strength can be improved by forming an angle at the tip of the Mo—Cu composite material. The bonding strength (Kg / mm 2 ) is 1
If it is about 0 kg, it can sufficiently withstand use. Fourth Embodiment In the case of the first embodiment, at the time of friction welding, A
When l is used, Al is softened by frictional heat, and it becomes difficult to apply a sufficient pressure to the joining portion, and the joining strength may decrease. In this embodiment, the area of the bonding surface of CuW and CuMo, which has high hardness and low thermal deformation at the time of friction welding with Al, is made smaller than that of Al.
1 can be prevented, the force applied at the time of pressing can be maintained, and sufficient bonding strength can be obtained after pressing.
【0047】すなわち、図15に示すごとく、アルミニ
ウム11に接合するCuMo素材10の形状を、接合部
のみ小さくしたものを用い、実施例1と同様の条件で、
Al素材と摩擦圧接した。結果を、表6にまとめる。That is, as shown in FIG. 15, the shape of the CuMo material 10 to be joined to the aluminum 11 is reduced only at the joining portion, and under the same conditions as in the first embodiment,
It was friction-welded with the Al material. The results are summarized in Table 6.
【0048】[0048]
【表6】 [Table 6]
【0049】表6と表3を比較参照して、本実施例の場
合、接合強さが著しく向上していることがわかる。 実施例5 図9に示すMo−Cu複合材10とアルミニウム11と
を摩擦圧接してなる結合物と、図10に示すMo−Cu
複合材10とアルミニウム11とをはんだ22で接続し
てなる結合物(従来技術)との、熱伝導を比較した。サ
ンプルは、それぞれ5個作製し、熱伝導の測定を行なっ
た。熱伝導の測定方法は、レーザフラッシュ法により、
Mo−Cu複合材側10より測定することによって行な
った。結果を表7に示す。By comparing Table 6 and Table 3, it can be seen that in the case of the present embodiment, the bonding strength is significantly improved. Example 5 A combined product obtained by friction-welding the Mo-Cu composite material 10 and aluminum 11 shown in FIG. 9 and the Mo-Cu composite material shown in FIG.
The thermal conductivity of the composite (prior art) formed by connecting the composite material 10 and the aluminum 11 with the solder 22 was compared. Five samples were prepared for each, and the heat conduction was measured. The method of measuring heat conduction is by the laser flash method.
The measurement was performed from the Mo—Cu composite material side 10. Table 7 shows the results.
【0050】[0050]
【表7】 [Table 7]
【0051】表7から明らかなように、Mo−Cu複合
材10とアルミニウム11とを摩擦圧接してなる結合物
の方が、半田22で結合してなる結合物よりも、熱伝導
が著しく大きい。As is clear from Table 7, the joint formed by friction-welding the Mo-Cu composite material 10 and the aluminum 11 has a significantly higher thermal conductivity than the joint formed by the solder 22. .
【0052】なお、上記実施例では、接続部を、Mo−
Cu合金、Cu−W合金を用いた場合を例示したが、こ
の発明はこれに限られるものでなく、Au−Si合金を
用いても、実施例と同様の効果を奏する。In the above embodiment, the connection portion is made of Mo-
The case where a Cu alloy or a Cu-W alloy is used has been exemplified, but the present invention is not limited to this, and the same effects as those of the embodiment can be obtained even if an Au-Si alloy is used.
【0053】また、上記実施例はフィンのアルミニウム
を用いた場合を例示したが、この発明はこれに限られる
ものでなく、他の元素が添加されたAl合金(たとえば
Al−Si合金)であってもよい。Although the above embodiment has exemplified the case where aluminum is used for the fins, the present invention is not limited to this, and it is an Al alloy (for example, an Al-Si alloy) to which other elements are added. You may.
【0054】さらに、この発明において、WやMoのよ
り強固な骨格をつくるために、20重量%以下の鉄族元
素を加えることは差し支えない。鉄族元素の添加によっ
て、W、Moの焼結性も、また、促進される。Further, in the present invention, in order to form a stronger skeleton of W or Mo, it is permissible to add an iron group element of 20% by weight or less. By the addition of the iron group element, the sinterability of W and Mo is also promoted.
【0055】以上、本発明を要約すると次のとおりであ
る。 (1) 特許請求の範囲第1項に記載の放熱フィンであ
って、前記Mo−Cu複合材中のCu含有量が、2〜3
0重量%である。The present invention has been summarized as follows. (1) The heat radiation fin according to claim 1, wherein the Mo-Cu composite material has a Cu content of 2 to 3.
0% by weight.
【0056】(2) 特許請求の範囲に記載の放熱フィ
ンであって、前記Mo−Cu複合材の比重は9〜10g
/ccである。(2) The heat radiation fin according to the claim, wherein the specific gravity of the Mo—Cu composite material is 9 to 10 g.
/ Cc.
【0057】(3) 特許請求の範囲に記載の放熱フィ
ンであって、前記Mo−Cu複合材またはW−Cu複合
材は、鉄族元素を含む。(3) The heat radiation fin according to the present invention, wherein the Mo—Cu composite material or the W—Cu composite material contains an iron group element.
【0058】(4) 上記(3)記載の放熱フィンであ
って、前記鉄族元素の含有量は20重量%以下である。(4) The heat radiation fin according to the above (3), wherein the content of the iron group element is 20% by weight or less.
【0059】(5) 特許請求の範囲に記載の放熱フィ
ンであって、前記W−Cu複合材中のCu含有量は2〜
30重量%である。(5) The heat-dissipating fin according to the present invention, wherein the W-Cu composite material has a Cu content of 2 to 2.
30% by weight.
【0060】(6) 特許請求の範囲に記載の放熱フィ
ンであって、前記フィンと前記接続部との界面は平面で
ある。(6) The heat radiation fin according to the present invention, wherein the interface between the fin and the connection portion is a plane.
【0061】(7) 特許請求の範囲に記載の放熱フィ
ンであって、前記フィンと前記接続部との界面におい
て、前記接続部の先端は、前記フィンに向かって入り込
んだ円錐形状になっている。(7) The heat-dissipating fin according to the present invention, wherein at the interface between the fin and the connecting portion, the tip of the connecting portion has a conical shape that enters the fin. .
【0062】(8) 上記(7)に記載の放熱フィンで
あって、前記円錐形状の先端角度は、160°以下であ
る。(8) The heat radiation fin according to the above (7), wherein a tip angle of the conical shape is 160 ° or less.
【0063】(9) 特許請求の範囲に記載の放熱フィ
ンであって、前記Al合金は、PureAlを含む。(9) The heat radiation fin according to the present invention, wherein the Al alloy contains PureAl.
【0064】(10) 特許請求の範囲に記載の放熱フ
ィンであって前記Al合金は、Al−Si合金を含む。(10) The heat radiation fin according to the present invention, wherein the Al alloy includes an Al—Si alloy.
【0065】[0065]
【発明の効果】以上説明したとおり、この発明に係る放
熱フィンは、フィンにアルミニウム合金を用いているの
で、軽量である。また、Mo−Cu、Cu−WおよびA
l−Siからなる群より選ばれた複合材で形成された接
続部と、上記フィンとは、それらの界面において、摩擦
圧接されて密着しているので、両者は金属結合で強固に
結合される。As described above, the radiation fin according to the present invention is lightweight because the fin is made of an aluminum alloy. Further, Mo-Cu, Cu-W and A
The connecting portion formed of a composite material selected from the group consisting of l-Si and the fin are friction-welded at their interface and are in close contact with each other, so that both are firmly bonded by metal bonding. .
【0066】さらに、Mo−Cu、Cu−W、Al−S
iは、熱伝導性が良好であり、かつフィンと接続部との
界面に、半田のごとき熱伝導度を低下させるような部材
が介在していないので、得られた放熱フィンは熱伝導性
の良好なものとなる。Further, Mo-Cu, Cu-W, Al-S
i has good thermal conductivity, and since there is no intervening member such as solder at the interface between the fin and the connection portion, the radiation fin obtained has a high thermal conductivity. It will be good.
【0067】さらに、Mo−Cu、Cu−WおよびAl
−Siからなる群より選ばれた複合材料で形成される接
続部と、パッケージを構成する材料との熱膨張率の差が
小さいので、パッケージと接続部との界面において、熱
歪は生じない。その結果、当該放熱フィンとパッケージ
とは強固に接続され、その寿命が延びる。Further, Mo-Cu, Cu-W and Al
Since the difference in the coefficient of thermal expansion between the connection portion formed of the composite material selected from the group consisting of -Si and the material constituting the package is small, no thermal strain occurs at the interface between the package and the connection portion. As a result, the radiation fin and the package are firmly connected, and the life thereof is extended.
【図1】本発明の一実施例に係る、放熱フィンの斜視図
である。FIG. 1 is a perspective view of a radiation fin according to an embodiment of the present invention.
【図2】本発明に係る放熱フィンを備えた半導体収納収
納装置の断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of a semiconductor storage device provided with a radiation fin according to the present invention.
【図3】本発明の他の実施例に係る放熱フィン、を備え
た半導体収納装置の斜視図(a)と断面図(b)であ
る。FIG. 3 is a perspective view (a) and a cross-sectional view (b) of a semiconductor storage device provided with a radiation fin according to another embodiment of the present invention.
【図4】本発明に係る放熱フィンの製造工程を示した模
式図である。FIG. 4 is a schematic view illustrating a manufacturing process of a heat radiation fin according to the present invention.
【図5】本発明の一実施例に係る放熱フィンの製造工程
を示した断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of the radiation fin according to one embodiment of the present invention.
【図6】この発明の他の実施例に係る放熱フィンの製造
工程を示した断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of a radiation fin according to another embodiment of the present invention.
【図7】接合強さに対する接合面の形状の影響を調べた
もので、Mo−Cu複合材料の先端角度を変えたときに
得られる、接合構造の断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view of a joint structure obtained by examining the effect of the shape of the joint surface on the joint strength and obtained when the tip angle of the Mo—Cu composite material is changed.
【図8】本発明に係る放熱フィンの、接合強度を測定す
るための試料の構造を示す図である。FIG. 8 is a view showing a structure of a sample for measuring a bonding strength of the heat radiation fin according to the present invention.
【図9】本発明に係る放熱フィンの熱伝導を測定するた
めの試料の斜視図である。FIG. 9 is a perspective view of a sample for measuring the heat conduction of the radiation fin according to the present invention.
【図10】Mo−Cu−複合材とアルミニウムを半田で
接合した、従来の放熱フィンの熱伝導を測定するための
試料の斜視図である。FIG. 10 is a perspective view of a sample for measuring heat conduction of a conventional radiating fin in which a Mo—Cu composite material and aluminum are joined by solder.
【図11】従来の半導体収納の装置の斜視図である。FIG. 11 is a perspective view of a conventional semiconductor storage device.
【図12】放熱フィンを備えた従来の半導体収納装置の
断面図である。FIG. 12 is a cross-sectional view of a conventional semiconductor storage device provided with a radiation fin.
【図13】放熱フィンを備えた半導体収納装置の、他の
従来例の断面図である。FIG. 13 is a cross-sectional view of another conventional example of a semiconductor storage device provided with a radiation fin.
【図14】放熱フィンを備えた半導体収納装置の、さら
に他の従来例の断面図である。FIG. 14 is a cross-sectional view of still another conventional example of a semiconductor storage device provided with a radiation fin.
【図15】この発明のさらに他の実施例に係る放熱フィ
ンの製造工程を示した断面図である。FIG. 15 is a cross-sectional view showing a step of manufacturing a heat radiation fin according to still another embodiment of the present invention.
2 フィン 9 接続部 13 放熱フィン 2 Fin 9 Connecting part 13 Heat radiation fin
Claims (1)
けられ、該半導体素子から発生する熱を外部に放散させ
る放熱フィンであって、 アルミニウム合金で形成されたフィンと、 Mo−Cu、W−CuおよびAl−Siからなる群より
選ばれた複合材で形成され、前記フィンと前記基板とを
接続するための接続部と、を備え、 前記フィンと前記接続部は、それらの界面において、摩
擦圧接されて密着している、熱伝導性および寿命が改善
された放熱フィン。1. A radiating fin attached to a substrate for mounting a semiconductor element and dissipating heat generated from the semiconductor element to the outside, the fin being made of an aluminum alloy, a Mo-Cu, W- And a connecting portion formed of a composite material selected from the group consisting of Cu and Al-Si, for connecting the fin and the substrate, wherein the fin and the connecting portion have friction at their interface. A heat dissipating fin with improved thermal conductivity and life that is pressed and adhered.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP2409161A JP2765236B2 (en) | 1989-12-29 | 1990-12-28 | Radiation fins with improved thermal conductivity and lifetime |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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Also Published As
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