JPH0714014B2

JPH0714014B2 - 半導体装置用基板材料およびその製造方法

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Publication number: JPH0714014B2
Application number: JP61076933A
Authority: JP
Inventors: 暢也天野; 嘉朗伊藤; 農士黒石
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1986-04-02
Filing date: 1986-04-02
Publication date: 1995-02-15
Anticipated expiration: 2010-02-15
Also published as: JPS62232943A

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

一方、GaAsは常温で5.7×10^-6deg^-1、Siは2.5×10^-6deg
^-1である。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

（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。

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。

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。

Siの化合物としては、SiO₂、Si₃N₄、SiC、SiS、TiSi₂、
VSi₂、V₃Si、WSi₂などがある。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

これはAl−30〜60％Si合金の塊りである。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

このため、Siは30〜60重量％とするのである。

（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。

（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。

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。

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。

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。

（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。

（４）寸法の大きいICチツプの基板として最適である。

（５）密度が比較的低いので、軽量化を図ることができ
る。

（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。

（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。

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。

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。

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。

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。

その内、Al−40重量％Siについての結果を第１表に示
す。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

【図面の簡単な説明】

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

───────────────────────────────────────────────────── 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)

Claims

【特許請求の範囲】

【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。