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JPH0714014B2 - Substrate material for semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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JPH0714014B2 - Substrate material for semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

Substrate material for semiconductor device and manufacturing method thereof

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JPH0714014B2
JPH0714014B2 JP61076933A JP7693386A JPH0714014B2 JP H0714014 B2 JPH0714014 B2 JP H0714014B2 JP 61076933 A JP61076933 A JP 61076933A JP 7693386 A JP7693386 A JP 7693386A JP H0714014 B2 JPH0714014 B2 JP H0714014B2
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alloy
aln
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嘉朗 伊藤
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Description

【発明の詳細な説明】 (ア)技術分野 この発明は、半導体装置用放熱構造体とその製造方法に
関する。この発明の構造体は、特に、半導体装置用外囲
部材の基板とヒートシンクとを組合わせた各種集積回路
用半導体装置などのパツケージの熱設計において有用な
放熱構造体として用いる事ができる。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a heat dissipation structure for a semiconductor device and a manufacturing method thereof. The structure of the present invention can be used as a heat dissipation structure particularly useful in the thermal design of a package such as a semiconductor device for various integrated circuits in which a substrate of a surrounding member for a semiconductor device and a heat sink are combined.

ここで半導体装置というのは、GaAs、Siのチツプの事で
ある。集積回路であることもあり、トランジスタ、LE
D、CD、ダイオードなどの個別部品である事もある。こ
れらのチツプは、基板となるGaAs、Si単結晶の上に、ウ
エハプロセスによつて、所望の回路を形成したものであ
る。チツプの基板部分を基板と呼ぶこともあるが、本発
明はチツプを載せるために基板に関するので、チツプの
方は基板と呼ばない。そこで、半導体装置又は半導体チ
ツプということにする。
Here, the semiconductor device is a chip of GaAs or Si. Sometimes it is an integrated circuit, transistor, LE
It may be an individual component such as D, CD, or diode. These chips are obtained by forming a desired circuit on a GaAs or Si single crystal as a substrate by a wafer process. Although the substrate portion of the chip is sometimes called a substrate, the chip is not called a substrate because the present invention relates to the substrate for mounting the chip. Therefore, it will be referred to as a semiconductor device or a semiconductor chip.

本発明は、半導体チツプを固定すべき基板であつて、こ
こでは半導体装置用基板、又は放熱という意味を含め
て、半導体装置用放熱基板という事である。単結晶基板
(チツプの)と混同してはならない。
The present invention relates to a substrate to which a semiconductor chip is to be fixed, and here it is a semiconductor device substrate or a semiconductor device heat dissipation substrate including the meaning of heat dissipation. Not to be confused with single crystal substrates (of chips).

(イ)従来技術 半導体チツプを固定するのであるから、半導体装置用基
板には、熱伝導度が高いこと、及び半導体チツプと熱膨
脹率が似かよつている事などの条件が課される。機械的
強度がある事も要求されるが、これは多くの材料に於て
も満足される条件で、あまり問題にはならない。
(B) Prior Art Since the semiconductor chip is fixed, the semiconductor device substrate is required to have a high thermal conductivity and a coefficient of thermal expansion similar to that of the semiconductor chip. It is also required to have mechanical strength, but this is a condition that is satisfied in many materials and is not a serious problem.

第3図〜第4図によつて、従来の半導体装置用基板の構
造を説明する。
The structure of a conventional semiconductor device substrate will be described with reference to FIGS.

第3図の基板は、アルミニウム板30の表面にアルマイト
処理31を施し、さらに樹脂32をコーテイングしたもので
ある。この上に半導体チツプ33を固定する。これは、主
体がアルミニウムであるから、熱膨脹係数が大きい。常
温でアルミニウムの熱膨脹係数は23×10-6deg-1であ
る。
The substrate shown in FIG. 3 is obtained by applying an alumite treatment 31 to the surface of an aluminum plate 30 and then coating a resin 32 thereon. The semiconductor chip 33 is fixed on this. Since this is mainly aluminum, it has a large coefficient of thermal expansion. At room temperature, the coefficient of thermal expansion of aluminum is 23 × 10 -6 deg -1 .

一方、GaAsは常温で5.7×10-6deg-1、Siは2.5×10-6deg
-1である。
On the other hand, GaAs is 5.7 × 10 -6 deg -1 at room temperature and Si is 2.5 × 10 -6 deg at room temperature.
-1 .

半導体チツプが小さい場合はあまり問題にならないが、
半導体チツプが大きいと、膨脹係数の相異が問題になつ
てくる。
If the semiconductor chip is small, it does not matter much,
If the semiconductor chip is large, the difference in expansion coefficient becomes a problem.

また、半導体チツプ33とAl板30の間に、絶縁層として樹
脂32を用いている。アルマイト31も絶縁層である。2つ
の絶縁層を用いるのは、これらは単独では十分な絶縁性
が得られないからである。しかし、樹脂32があるので、
実効的な熱伝導度が低下する。このため放熱の障害とな
る。さらに、樹脂が熱に弱いことから、基板の耐熱性も
悪くなる。
Further, a resin 32 is used as an insulating layer between the semiconductor chip 33 and the Al plate 30. Alumite 31 is also an insulating layer. Two insulating layers are used because they cannot provide sufficient insulating properties by themselves. However, since there is resin 32,
The effective thermal conductivity is reduced. Therefore, it becomes an obstacle to heat dissipation. Further, since the resin is weak against heat, the heat resistance of the substrate also deteriorates.

最も致命的な欠点は、さきほど述べたAl板とチツプの熱
膨脹係数の差である。
The most fatal drawback is the difference in the coefficient of thermal expansion between the Al plate and the chip described above.

とくに、近年ICの大規模化が進んでいるので、半導体チ
ツプのサイズが大きくなる傾向にある。このため、半導
体チツプとAl基板の熱膨脹率の差は見逃すことのできな
い深刻な問題となりつつある。
In particular, as the scale of ICs has been increasing in recent years, the size of semiconductor chips tends to increase. Therefore, the difference in thermal expansion coefficient between the semiconductor chip and the Al substrate is becoming a serious problem that cannot be overlooked.

第4図は同じくアルミニウム板30の上にAlNをコーテイ
ングしたものである。AlN35は絶縁のために介在してい
る。第3図のアルマイト31、樹脂32に代わるものであ
る。しかし、Alが主体であることにかわりがない。熱膨
脹率の差がやはり問題になる。
FIG. 4 shows the same aluminum plate 30 coated with AlN. AlN35 is interposed for insulation. It replaces the alumite 31 and the resin 32 shown in FIG. However, there is no change in that Al is the main subject. The difference in the coefficient of thermal expansion still poses a problem.

第4図の基板は、Alとチツプの間の熱膨脹だけでなく、
AlとAlNの熱膨脹係数の差という問題もある。常温でAlN
の線膨脹係数は2.5×10-6deg-1である。このため、チツ
プとAlNの膨脹係数は近似しているが、AlとAlNの膨脹係
数の差が大きい。このため、AlN膜がAl板から剥離しや
すいという欠点があつた。
The substrate of FIG. 4 not only has thermal expansion between Al and the chip,
There is also the problem of a difference in the coefficient of thermal expansion between Al and AlN. AlN at room temperature
Has a linear expansion coefficient of 2.5 × 10 -6 deg -1 . Therefore, the expansion coefficients of the chip and AlN are similar, but the difference in expansion coefficient between Al and AlN is large. Therefore, there is a drawback that the AlN film is easily separated from the Al plate.

主体にAlを選ぶのは、熱伝導率が高く、放熱性が良く、
機械的強度もあつて、化学的にも安定しているからであ
る。しかし、Alには、半導体チツプとの熱膨脹率の差と
いう問題があつて、大規模化してゆく半導体装置用基板
としては問題がある。
The main choice for Al is high thermal conductivity, good heat dissipation,
This is because it has mechanical strength and is chemically stable. However, Al has a problem of a difference in coefficient of thermal expansion from a semiconductor chip, and thus has a problem as a substrate for a semiconductor device which is becoming larger in scale.

(ウ)目的 低い熱膨脹係数を有し、しかも放熱性の優れた半導体装
置用基板と基板の製造方法を提供することが本発明の目
的である。
(C) Purpose It is an object of the present invention to provide a substrate for a semiconductor device having a low coefficient of thermal expansion and excellent heat dissipation and a method for manufacturing the substrate.

(エ)構成 アルミニウムを主体とした化合物として、Al2O3、AlNな
どが知られており、製造も確立している。これらは熱膨
脹係数の点で、半導体チツプと近似している(Al2O35.4
×10-6deg-1)が、Al2O3は熱伝導が悪い。AlNも同様で
ある。したがつて基板とすることはできない。
(D) Constitution Al 2 O 3 , AlN, etc. are known as compounds mainly composed of aluminum, and their production has been established. These are similar to semiconductor chips in terms of coefficient of thermal expansion (Al 2 O 3 5.4
× 10 -6 deg -1 ), but Al 2 O 3 has poor heat conduction. The same applies to AlN. Therefore, it cannot be used as a substrate.

常温で熱伝導率は、Al2O3が0.11(cal/cm sec℃)、AlN
が0.072であるのに反し、Alは0.56、Siは0。35と高
い。
At room temperature, the thermal conductivity of Al 2 O 3 is 0.11 (cal / cm sec ℃), AlN
Is 0.072, Al is 0.56 and Si is 0.35.

Alの化合物としては、この他にAl4C3、AlB2、AlAsなど
がある。いずれも基板としては問題がある。
Other than this, Al 4 C 3 , AlB 2 , AlAs, and the like are available as Al compounds. Both have problems as substrates.

Siの化合物としては、SiO2、Si3N4、SiC、SiS、TiSi2
VSi2、V3Si、WSi2などがある。
The compounds of Si include SiO 2 , Si 3 N 4 , SiC, SiS, TiSi 2 ,
Examples include VSi 2 , V 3 Si, and WSi 2 .

AlとSiの化合物というものはない。少なくとも現在まで
知られていない。両者は安定な化合物を作らない。
There is no compound of Al and Si. At least unknown until now. Both do not make stable compounds.

しかし、Siは半導体チツプの材質そのもの(Siチツプの
とき)であるし、GaAsがチツプである場合でも、膨脹率
は似たようなものである。
However, Si is the material of the semiconductor chip itself (in the case of Si chip), and the expansion coefficient is similar even when GaAs is the chip.

Alの欠点は高い膨脹係数にある。熱伝導度や機械的性質
では申し分ない材料である。
The disadvantage of Al lies in its high expansion coefficient. It is a material with satisfactory thermal conductivity and mechanical properties.

そこで本発明者は、AlとSiの混合物になる基板を半導体
装置用基板として用いる、という新規な着想を得た。
Therefore, the present inventor has obtained a new idea of using a substrate that is a mixture of Al and Si as a substrate for a semiconductor device.

Si/Alという材料自体が新規なのである。より具体的に
はAlを主体とし、30〜60%のSiを含む材料を基板とす
る。板の製造は後に述べる。
The material itself, Si / Al, is new. More specifically, the substrate is mainly made of Al and contains 30 to 60% of Si. The manufacture of the plate will be described later.

第5図は本発明による半導体装置用基板の断面図であ
る。
FIG. 5 is a sectional view of a semiconductor device substrate according to the present invention.

Siを30〜60%含むAlのことを、簡単にAl−30〜60%Siと
書くことにする。Al−30〜60%Si6を主体とし、この上
に主としてAlN、Si3N4からなる窒化物層7を形成する。
これが本発明の基板である。
Al containing 30-60% Si will be simply written as Al-30-60% Si. The al-30 to 60% Si6 mainly to form a nitride layer 7 mainly composed AlN, the Si 3 N 4 thereon.
This is the substrate of the present invention.

Si/Al板を窒化処理して被膜を作るから、被膜は主とし
てAlNとSi3N4の混合被膜となつている。これは絶縁性を
得るための被膜である。
Since the Si / Al plate is nitrided to form a film, the film is mainly a mixed film of AlN and Si 3 N 4 . This is a film for obtaining insulation.

第8図にAl−30〜60%Siの表面にイオン窒化処理を施す
前に施した後の組織の模式図を示す。このように窒化処
理を施すと、マトリツクスのAlの部分は主としてAlNな
どのAlの窒化物になり、初晶Siの部分は主としてSi3N4
などのSiの窒化物になり、主としてAlN、Si3N4からなる
混合窒化物層が形成される。
FIG. 8 shows a schematic view of the structure after the surface of Al-30 to 60% Si was subjected to the ion nitriding treatment. When the nitriding treatment is performed in this manner, the Al portion of the matrix mainly becomes AlN and other Al nitrides, and the primary Si portion mainly becomes Si 3 N 4
And the like, and a mixed nitride layer mainly composed of AlN and Si 3 N 4 is formed.

熱膨脹係数は、常温に於て Si3N4 0.8(×10-6dg-1) AlN 2.5 Si 2.5 GaAs 5.7 Al 23.0 であるから、AlNとSi3N4を主とする混合被膜の熱膨脹は
チツプの熱膨脹と同じ程度である。
The coefficient of thermal expansion is Si 3 N 4 0.8 (× 10 -6 dg -1 ) AlN 2.5 Si 2.5 GaAs 5.7 Al 23.0 at room temperature, so the thermal expansion of the mixed film mainly composed of AlN and Si 3 N 4 is not The same as the thermal expansion of.

さらに、Si/Alの熱膨脹率は、Siの濃度にほぼリニヤな
関係で減少する。従つて例えば、線膨脹係数が18×10-6
deg-1以下のものは容易に得ることができる。
Furthermore, the coefficient of thermal expansion of Si / Al decreases almost linearly with the concentration of Si. Therefore, for example, the coefficient of linear expansion is 18 × 10 -6
Those below deg -1 can be easily obtained.

Si/Al板は機械的強度も十分にある事が確かめられた。
また、Si/Al板は、Al2O3、AlNなどと異なり、高い熱伝
導度を持つている。
It was confirmed that the Si / Al plate has sufficient mechanical strength.
Further, the Si / Al plate has a high thermal conductivity, unlike Al 2 O 3 and AlN.

さらに、AlN、Si3N4の絶縁膜には、半導体チツプが良好
に密着する。Si/Al板とAlN、Si3N4の密着性もよい。
Further, the semiconductor chip adheres well to the insulating film of AlN or Si 3 N 4 . Good adhesion between Si / Al plate and AlN, Si 3 N 4 .

(オ)Al−30〜60%Si合金の製造方法 第7図に製造工程図の1例を示す。(E) Manufacturing method of Al-30 to 60% Si alloy Fig. 7 shows an example of the manufacturing process chart.

ここで、Siの30〜60%というのは、全体に対するSiの重
量%である。Alに対する重量%ではない。
Here, 30 to 60% of Si is the weight% of Si to the whole. It is not the weight% with respect to Al.

Siを30〜60重量%含むSi/Al材料を溶かすだけでは、Si
は均一にAl中に分散しない。
Simply melting the Si / Al material containing 30-60 wt% of Si
Does not disperse uniformly in Al.

そこで、Siは均一に分散させるために、溶液をガスアト
マイズ、回転円板アトマイズ法等を用いて103℃/sec以
上の冷却速度で急速凝固し粉末にする。
Therefore, in order to uniformly disperse Si, the solution is rapidly solidified into a powder at a cooling rate of 10 3 ° C / sec or more using a gas atomizing method, a rotating disk atomizing method or the like.

冷却速度が遅いと、Alの中に粗大な初晶シリコンが生じ
るので、Siが均等に分布した合金が得られない。
If the cooling rate is slow, coarse primary crystal silicon is generated in Al, so that an alloy in which Si is evenly distributed cannot be obtained.

冷却速度が10℃/sec〜100℃/secのオーダーであると、
シリコンの初晶が大きくなり均一に分散しないばかりで
なく、加工も困難となる。このため103℃/sec以上の冷
却速度としなればならない。この条件であると、初晶シ
リコンの大きさは、大きくとも50μm以下である。
If the cooling rate is on the order of 10 ℃ / sec-100 ℃ / sec,
Not only does the primary crystal of silicon grow and it does not disperse uniformly, but processing becomes difficult. Therefore, the cooling rate must be 10 3 ° C / sec or more. Under this condition, the size of the primary crystal silicon is at most 50 μm or less.

合金粉末を回収して、これをCIP処理して粉末を固め
る。Cold Isostatic Pressは、粉末に常温で静水圧をか
けて固める工程をいう。
The alloy powder is collected and CIP-treated to solidify the powder. Cold Isostatic Press refers to the process of applying hydrostatic pressure to powder at room temperature to solidify it.

適当な内部形状を有する。ゴム鋳型に粉末を充填し、水
中に入れて、静水圧を掛ける。
It has a suitable internal shape. Fill a rubber mold with powder, put in water and apply hydrostatic pressure.

三次元的な力が等方的にかかるので、粉体は型どおりの
形状に固まる。
Since the three-dimensional force is applied isotropically, the powder solidifies in the shape of the mold.

これはAl−30〜60%Si合金の塊りである。This is a mass of Al-30-60% Si alloy.

この合金を熱間押出し、圧延加工して、薄板を得る。こ
れが第6図の最下層のAl−30〜60%Si6基板である。板
の幅や厚みは任意に設定できる。熱間押出しの温度はA
l、Siの融点よりずつと低い。
This alloy is hot extruded and rolled to obtain a thin plate. This is the lowermost Al-30-60% Si6 substrate in FIG. The width and thickness of the plate can be set arbitrarily. The temperature of hot extrusion is A
l and melting point of Si are lower than that of Si.

次に、薄板の表面をイオン窒化する。イオン窒化は、窒
素と水素の混合ガスを、加熱された薄板の表面へ流すこ
とによつて行なわれる。この処理により窒素とAl、窒素
とSiが反応し、表面が主としてAlN、Si3N4に変化する。
Next, the surface of the thin plate is ion-nitrided. Ion nitriding is performed by flowing a mixed gas of nitrogen and hydrogen onto the surface of a heated thin plate. By this treatment, nitrogen reacts with Al and nitrogen reacts with Si, and the surface changes mainly to AlN and Si 3 N 4 .

イオン窒化はこれらの絶縁膜を形成する事が目的で行な
われる。膜厚はイオン窒化の時間によつて制御する事が
できる。
Ion nitriding is performed for the purpose of forming these insulating films. The film thickness can be controlled by the time of ion nitriding.

窒化膜が薄すぎると、十分な絶縁性が得られない。絶縁
性の点で、窒化膜の厚みは2。0μm以上でなければな
らない。
If the nitride film is too thin, sufficient insulation cannot be obtained. In terms of insulation, the thickness of the nitride film should be 2.0 μm or more.

窒化膜が反対に厚すぎると、熱伝導性が悪くなるので好
ましくない。ここで熱伝導性というのは、板面に直角な
方向の熱伝導のことである。チツプの熱は板面に直角な
方向に流れて放熱するから、直角方向の熱伝導を考える
のは当然である。
On the contrary, if the nitride film is too thick, the thermal conductivity deteriorates, which is not preferable. Here, the thermal conductivity means the thermal conductivity in the direction perpendicular to the plate surface. Since the heat of the chip flows in the direction perpendicular to the plate surface and radiates the heat, it is natural to consider the heat conduction in the perpendicular direction.

熱伝導という観点から、窒化膜は20μm以下でなければ
ならないという事が分る。結局、窒化膜AlN、Si3N4の厚
みは2〜20μmである。
It can be seen that the nitride film must be 20 μm or less from the viewpoint of heat conduction. After all, the thickness of the nitride film AlN and Si 3 N 4 is 2 to 20 μm.

(カ)Siの重量% Siが30重量%以下では、Alが優勢となり、膨脹率が十分
低下しない。Siが30重量%の時、熱膨脹係数は18×10-6
deg-1になる。この値より低くなければならないので、S
iの比率は30重量%以上となる。Siの比率が高まると、
膨脹係数はほぼリニヤに減少してゆく。
(F) Weight% of Si When Si is 30% by weight or less, Al becomes predominant and the expansion coefficient does not sufficiently decrease. When Si is 30% by weight, the coefficient of thermal expansion is 18 × 10 -6
It becomes deg -1 . Must be lower than this value, so S
The ratio of i is 30% by weight or more. When the ratio of Si increases,
The coefficient of expansion decreases almost linearly.

反対に、Siの比率が60重量%を越えると、Siが偏析し、
初晶シリコンが大きく出現する。こうなると、Si粒界に
於ける、Si/Al合金との熱膨脹の差が発生して、温度変
化に対して弱くなり、機械的強度も低下する。
On the other hand, when the ratio of Si exceeds 60% by weight, Si segregates,
Primary crystal silicon appears largely. If this happens, a difference in thermal expansion between the Si grain boundary and the Si / Al alloy occurs, which weakens the temperature change and reduces the mechanical strength.

このため、Siは30〜60重量%とするのである。Therefore, Si is 30 to 60% by weight.

(キ)効果 (1)半導体チツプと基板との熱膨脹率の差が小さくな
る。このため、熱応力による歪みの発生を低減する事が
できる。このため、素子の寿命が長くなる。
(G) Effect (1) The difference in the coefficient of thermal expansion between the semiconductor chip and the substrate is reduced. Therefore, it is possible to reduce the occurrence of strain due to thermal stress. For this reason, the life of the element is extended.

(2)AlとSiの合金であつて、熱伝導係数が高いので、
放熱性に優れる。
(2) Since it is an alloy of Al and Si and has a high thermal conductivity coefficient,
Excellent heat dissipation.

特に第3図に示す、樹脂層を有するものより、絶縁層の
熱伝導度が良いので、全体としての熱放散が優れてい
る。
In particular, the heat conductivity of the insulating layer is better than that of the resin layer shown in FIG. 3, so that the heat dissipation as a whole is excellent.

また、第4図に示すものは、AlNが絶縁膜となつてい
る。これは、かなりの厚さがなければ絶縁性が十分得ら
れない。
Further, in the structure shown in FIG. 4, AlN serves as an insulating film. It does not have sufficient insulation without a considerable thickness.

本発明では、AlN、Si3N4を主とする窒化物層が絶縁膜と
なつており、これはより薄くても良好な絶縁性を得るこ
とができる。絶縁膜(窒化膜)を薄くできるから、熱伝
導度を高くできる。
In the present invention, the nitride layer mainly consisting of AlN and Si 3 N 4 serves as an insulating film, and even if it is thinner, good insulating properties can be obtained. Since the insulating film (nitride film) can be thinned, the thermal conductivity can be increased.

(3)絶縁膜と基板との熱膨脹係数の差が小さいから、
膜の密着性がよい。基板から容易に剥離しない。
(3) Since the difference in thermal expansion coefficient between the insulating film and the substrate is small,
Good film adhesion. Does not easily peel from the substrate.

(4)寸法の大きいICチツプの基板として最適である。(4) Most suitable as a substrate for IC chips with large dimensions.

(5)密度が比較的低いので、軽量化を図ることができ
る。
(5) Since the density is relatively low, the weight can be reduced.

(6)基板の機械加工性に優れるため、コストを飛躍的
に低減しうる。
(6) Since the substrate has excellent machinability, the cost can be dramatically reduced.

(ク)実施例 Al−40重量%Si合金、Al−50重量%Si合金の粉末をそれ
ぞれ、回転アトマイズ法によつて作製し、この粉末のう
ち、42メッシュ以下の粉末をアルミニウムからなる容器
に充填し、450℃で熱間押出しを施して、厚み20mm、幅4
0mm×長さ1000mmの押出材を得た。
(H) Example Powders of Al-40 wt% Si alloy and Al-50 wt% Si alloy were produced by a rotary atomizing method, and powder of 42 mesh or less was powdered in a container made of aluminum. Filled and hot extruded at 450 ℃, thickness 20mm, width 4
An extruded material having a length of 0 mm and a length of 1000 mm was obtained.

この押出材を圧延加工し、厚み4mm×幅40mm×長さ60mm
の板状材を切り出した。
This extruded material is rolled to a thickness of 4 mm x width 40 mm x length 60 mm.
The plate-shaped material of was cut out.

400℃、2Torrの雰囲気ガス(N2:H2=4:1)の中で、種
々の時間、イオン窒化処理を施し、板状材の表面に、種
々の膜厚のイオン窒化膜を形成させた。
Ion nitriding is performed for various times in an atmosphere gas (N 2 : H 2 = 4: 1) at 400 ° C and 2 Torr to form ion nitride films of various thicknesses on the surface of the plate material. It was

イオン窒化処理を施した後、試験片を切り出し、膜厚、
熱伝導板、絶縁性を測定した。
After performing the ion nitriding treatment, cut out the test piece,
The heat conduction plate and the insulating property were measured.

さらに、ヒートサイクルテスト(−60〜125℃、50サイ
クル)を行なつた。
Further, a heat cycle test (-60 to 125 ° C, 50 cycles) was performed.

その内、Al−40重量%Siについての結果を第1表に示
す。
Table 1 shows the results for Al-40 wt% Si.

比較例として、Alの板材の上にイオン窒化膜AlNを形成
させたもの(第4図)、Alの板材の表面にアルマイト処
理を施した後、エポキシ樹脂をコーティングしたものに
ついても同様の試験を行ない、これらの結果も第1表に
記載した。
As a comparative example, the same test is performed on an aluminum nitride sheet on which an ion nitride film AlN is formed (Fig. 4) and on an aluminum sheet that is anodized and then coated with epoxy resin. The results are also shown in Table 1.

この表から分かるように、窒化膜の膜厚が2.0μm未満
では、良好な絶縁性が得られない。このため膜厚は2.0
μm以上である必要がある。
As can be seen from this table, if the film thickness of the nitride film is less than 2.0 μm, good insulation cannot be obtained. Therefore, the film thickness is 2.0
It must be at least μm.

本発明の基板は、膜厚が2.0μm以上で、いずれもリー
ク電流が10-6A以下である。ヒートサイクルテスト後の
リーク電流も10-6A以下である。これは窒化膜が安定で
あつて剥離していないという事である。
The substrate of the present invention has a film thickness of 2.0 μm or more, and each has a leak current of 10 −6 A or less. The leak current after the heat cycle test is also 10 −6 A or less. This means that the nitride film is stable and does not peel off.

また、膜厚が20μm以下であれば、熱伝導度は、0.24ca
l/sec℃cm以上となる。従つて、望ましい膜厚は2.0〜20
μmである。
If the film thickness is 20 μm or less, the thermal conductivity is 0.24 ca.
l / sec ℃ cm or more. Therefore, the desired film thickness is 2.0-20
μm.

比較例として挙げた、Al板にAlNをイオン窒化した基板
は、ヒートサイクルテスト後のリーク電流が10-6A以上
になつている。これはヒートサイクルテストの間に、Al
−AlN間に剥がれが生じて、絶縁性が損なわれたもので
ある。
The substrate obtained by ion-nitriding AlN on an Al plate, which is given as a comparative example, has a leakage current of 10 −6 A or more after a heat cycle test. During the heat cycle test,
-Peeling occurs between AlN and the insulation is impaired.

またAl/アルマイト/樹脂よりなる基板は、樹脂のた
め、熱伝導性が悪いという事が明らかになつた。
Moreover, it was revealed that the substrate composed of Al / alumite / resin has poor thermal conductivity because it is a resin.

(ケ)応用例 第1図、第2図によつて、この発明の半導体装置用基板
材料が用いられるICパツケージの応用例を説明する。
(X) Application Example An application example of an IC package using the semiconductor device substrate material of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2.

第1図に於て、アルミナ等のセラミツクからなる外囲材
1の上面にこの発明の半導体装置用基板材料からなる基
板2が装着されている。該半導体装置用基板材2の下面
には、半導体チツプ3がはんだ4を介して接合されてい
る。下面に突出する引出端子5はコバールワイヤであ
る。
In FIG. 1, a substrate 2 made of the substrate material for a semiconductor device of the present invention is mounted on the upper surface of an enclosure 1 made of ceramic such as alumina. A semiconductor chip 3 is bonded to the lower surface of the semiconductor device substrate material 2 with solder 4 interposed therebetween. The lead terminal 5 protruding to the lower surface is a Kovar wire.

第2図に於ては、半導体チツプ13がはんだ14を介して、
銅−タングステン合金材からなる基板材16に接合されて
いる。本発明の半導体装置用基板材17は多数の冷却フイ
ンを形成した形状になつている。
In FIG. 2, the semiconductor chip 13 is connected via the solder 14,
It is bonded to a substrate material 16 made of a copper-tungsten alloy material. The semiconductor device substrate material 17 of the present invention has a shape in which a large number of cooling fins are formed.

半導体装置用基板材17の下面に前記銅−タングステン合
金基板材16が接合されている。
The copper-tungsten alloy substrate material 16 is bonded to the lower surface of the semiconductor device substrate material 17.

外囲材11はアルミナなどのセラミツクである。コバール
ワイヤの引出端子15を下面に設けている点も第1図のも
のと異ならない。
The envelope 11 is a ceramic such as alumina. The fact that the Kovar wire lead-out terminal 15 is provided on the lower surface is not different from that shown in FIG.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は本発明の半導体装置用基板を用いたICパツケー
ジの応用例を示す断面図。 第2図は本発明の半導体装置用基板を用いたICパツケー
ジの応用例を示す他の断面図。 第3図は従来例に係る半導体装置用基板の断面図。 第4図は他の従来例に係る半導体装置用基板の断面図。 第5図は本発明の半導体装置用基板の断面図。 第6図は本発明の半導体装置用基板の拡大断面図。 第7図は本発明のAl−30〜60重量%Si合金の製造工程
図。 第8図はイオン窒化前後の基板表面断面図。 1……外囲材 2……本発明の基板材 3……半導体チツプ 4……はんだ 5……引出端子 6……Al−30〜60%Si基板 7……窒化膜 13……半導体チツプ 14……はんだ 16……銅−タングステン合金基板材 17……本発明の基板材 30……Al基板 31……アルマイト 32……樹脂 33……半導体チツプ 35……AlN
FIG. 1 is a sectional view showing an application example of an IC package using the substrate for a semiconductor device of the present invention. FIG. 2 is another cross-sectional view showing an application example of an IC package using the semiconductor device substrate of the present invention. FIG. 3 is a cross-sectional view of a semiconductor device substrate according to a conventional example. FIG. 4 is a sectional view of a semiconductor device substrate according to another conventional example. FIG. 5 is a cross-sectional view of the semiconductor device substrate of the present invention. FIG. 6 is an enlarged sectional view of the semiconductor device substrate of the present invention. FIG. 7 is a manufacturing process diagram of the Al-30-60 wt% Si alloy of the present invention. FIG. 8 is a cross-sectional view of the substrate surface before and after ion nitriding. 1 ... Enclosure 2 ... Substrate material of the present invention 3 ... Semiconductor chip 4 ... Solder 5 ... Leading terminal 6 ... Al-30-60% Si substrate 7 ... Nitride film 13 ... Semiconductor chip 14 …… Solder 16 …… Copper-tungsten alloy substrate material 17 …… Invention substrate material 30 …… Al substrate 31 …… Almite 32 …… Resin 33 …… Semiconductor chip 35 …… AlN

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭58−103156(JP,A) 特開 昭60−32343(JP,A) 特開 昭61−168941(JP,A) 特開 昭61−189789(JP,A) ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) Reference JP-A-58-103156 (JP, A) JP-A-60-32343 (JP, A) JP-A-61-168941 (JP, A) JP-A-61- 189789 (JP, A)

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】Siを30〜60重量%含み残部が実質的にAlか
らなるAl合金の板の少なくともひとつの主面に主として
AlNおよびSi3N4の窒化物層が形成されている事を特徴と
する半導体装置用基板材料。
1. An Al alloy plate comprising 30 to 60% by weight of Si and the balance substantially consisting of Al.
A substrate material for a semiconductor device, characterized in that a nitride layer of AlN and Si 3 N 4 is formed.
【請求項2】前記Al合金の中の初晶シリコンの大きさが
50μm以下であることを特徴とする特許請求の範囲第
(1)項記載の半導体装置用基板材料。
2. The size of the primary crystal silicon in the Al alloy is
The substrate material for a semiconductor device according to claim (1), which has a thickness of 50 μm or less.
【請求項3】前記Al合金の熱膨脹係数が18×10-6deg-1
以下である事を特徴とする特許請求の範囲第(1)項、
又は第(2)項記載の半導体装置用基板材料。
3. The coefficient of thermal expansion of the Al alloy is 18 × 10 -6 deg -1
Claims (1), characterized in that
Alternatively, the substrate material for a semiconductor device according to the item (2).
【請求項4】前記Al合金の面に形成された窒化物層が2
μm以上20μm以下である事を特徴とする特許請求の範
囲第(1)項〜第(3)項のいずれかに記載の半導体装
置用基板材料。
4. The nitride layer formed on the surface of the Al alloy is 2
The substrate material for a semiconductor device according to any one of claims (1) to (3), wherein the substrate material has a thickness of not less than μm and not more than 20 μm.
【請求項5】前記Al合金の面に形成された窒化物層がイ
オン窒化法で形成されている事を特徴とする特許請求の
範囲第(1)項〜第(4)項のいずれかに記載の半導体
装置用基板材料。
5. The nitride layer formed on the surface of the Al alloy is formed by an ion nitriding method, according to any one of claims (1) to (4). A substrate material for a semiconductor device as described above.
【請求項6】Siが30〜60重量%含まれ残部が実質的にAl
である材料を加熱して融かし、混合融液とし、これを10
3℃/sec以上の冷却速度で急冷凝固して合金の粉末と
し、常温で静水圧をかけて固形物とし、熱間押出しし、
さらに加工を施して薄板とし、表面にイオン窒化処理し
て主としてAlNおよびSi3N4からなる窒化物層を形成し基
板材料を製造する事を特徴とする半導体装置用基板材料
の製造方法。
6. Si is contained in an amount of 30 to 60% by weight, and the balance is substantially Al.
The material is heated and melted to form a mixed melt.
The alloy powder is rapidly solidified at a cooling rate of 3 ° C / sec or more to form an alloy powder, which is hydrostatically pressed at room temperature to form a solid, which is then hot extruded.
A method for producing a substrate material for a semiconductor device, which is characterized in that the substrate material is further processed to form a thin plate, and the surface is ion-nitrided to form a nitride layer mainly composed of AlN and Si 3 N 4 .
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