(57)【要約】【課題】この発明は、厚み方向のせん断応力の発生を防止することができる低膨張板を提供することを課題とする。【解決手段】インバーからなる孔空き板６の貫通孔Ｈ内がＣｕ材７で埋め込まれると共に孔空き材６の両面がＣｕ材７で覆われている。Ｃｕ材７の両面には、孔空き材６の貫通孔Ｈに対応する部分Ａに凹部８が、孔空き材６のインバーが存在する部分Ｂに凸部９がそれぞれ形成されている。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多数の貫通孔が形成された低膨張材料からなる平板状の孔空き材と、
前記孔空き材の貫通孔内を埋めると共に前記孔空き材の両面を覆う金属材と
を備え、前記金属材の両面のうち少なくとも一つの面に前記孔空き材の貫通孔に対応する部分と前記孔空き材の貫通孔ではない所に対応する部分との間で凹凸が形成され、前記凹凸の凸部における板厚方向の熱膨張率がすべて等しいことを特徴とする低膨張板。
【請求項２】
前記金属材の両面にそれぞれ凹凸が形成された請求項１に記載の低膨張板。
【請求項３】
前記金属材はＣｕまたはＡｌからなる請求項１または２に記載の低膨張板。
【請求項４】
多数の貫通孔が形成された低膨張材料からなる平板状の孔空き材の両面上にそれぞれ平板状の金属材を配置し、
双方の金属材の低膨張材料とは反対の面上にそれぞれ保護材を配置し、
保護材の金属材とは反対の面から加圧することにより金属材を孔空き材の貫通孔内に陥没させると共に孔空き材の両面にそれぞれ金属材を接合し、
金属材の外面から保護材を除去する
ことを特徴とする低膨張板の製造方法。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の低膨張板と、
前記低膨張板の金属材の表面に形成された凹凸の上に接合された半導体素子と
を備えたことを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、低膨張板に係り、特に半導体装置のヒートスプレッダ等として利用される低膨張板に関する。
また、この発明は、このような低膨張板の製造方法及び低膨張板を用いた半導体装置にも関している。
【０００２】
【従来の技術】
従来の半導体装置の構成を図６に示す。Ａｌから形成された基板１の表面上に絶縁層２が形成され、この絶縁層２の表面に形成された図示しない配線層の上にはんだ３を介して半導体素子４が接合されている。
基板１は熱伝導率の優れたＡｌから形成されているため、半導体素子４で発生した熱は絶縁層２を経て基板１へ伝わった後、この基板１から効率よく外部へ放散される。
【０００３】
ところが、半導体素子４に使用されているＳｉ等の半導体材料が小さな熱膨張係数を有しているのに対して、基板１を形成するＡｌは熱膨張係数が大きく、このため温度変化に対して基板１と半導体素子４との間に熱応力が発生することが知られている。熱応力が大きくなると、半導体素子４に反りが発生したり、半導体素子４を接合するはんだ３に亀裂を生じる虞がある。
そこで、例えば自動車等、温度差が激しい環境で使用される半導体装置にあっては、図７に示されるように、半導体素子４と絶縁層２との間にヒートスプレッダ５を組み付けることにより熱応力の緩和を図ることが行われている。
【０００４】
ヒートスプレッダ５としては、例えば図８に示されるように、多数の貫通孔Ｈが形成されたインバーからなる孔空き板６の両面をそれぞれＣｕ材７で挟み込んだ複合材が使用されている。孔空き板６を構成するインバーは、熱膨張係数が極めて小さな合金であり、常温付近ではほとんど熱膨張を生じない。このため、ヒートスプレッダ５の上に半導体素子４を搭載することにより熱応力の緩和がなされる。また、孔空き板６の貫通孔Ｈ内にも熱伝導率の優れたＣｕ材７が入り込んでいるため、このＣｕ材７により放熱性が確保されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図８に示されるように、孔空き板６の貫通孔Ｈが存在する部分ＡのＣｕ材７は、孔空き材６のインバーが存在する部分ＢのＣｕ材７よりも孔空き板６の厚さ分だけ厚く形成されている。従って、昇温時にＣｕ材７が熱膨張すると、図９に示されるように、孔空き板６の貫通孔Ｈが存在する部分Ａの厚み方向の熱変形量がその他の部分Ｂにおける厚み方向の熱変形量よりも大きくなる。その結果、厚み方向にせん断応力が発生し、ヒートスプレッダ５の両面を接合しているはんだ３に亀裂発生の虞が生じてしまう。
【０００６】
この発明はこのような問題点を解消するためになされたもので、厚み方向のせん断応力の発生を防止することができる低膨張板を提供することを目的とする。また、この発明は、このような低膨張板を得ることができる低膨張板の製造方法並びにこのような低膨張板を用いた半導体装置を提供することも目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る低膨張板は、多数の貫通孔が形成された低膨張材料からなる平板状の孔空き材と、孔空き材の貫通孔内を埋めると共に孔空き材の両面を覆う金属材とを備え、金属材の両面のうち少なくとも一つの面に孔空き材の貫通孔に対応する部分と孔空き材の貫通孔ではない所に対応する部分との間で凹凸が形成され、凹凸の凸部における板厚方向の熱膨張率がすべて等しいものである。
なお、金属材の両面にそれぞれ凹凸を形成することができる。また、金属材はＣｕまたはＡｌから構成することが好ましい。
【０００８】
この発明に係る低膨張板の製造方法は、多数の貫通孔が形成された低膨張材料からなる平板状の孔空き材の両面上にそれぞれ平板状の金属材を配置し、双方の金属材の低膨張材料とは反対の面上にそれぞれ保護材を配置し、保護材の金属材とは反対の面から加圧することにより金属材を孔空き材の貫通孔内に陥没させると共に孔空き材の両面にそれぞれ金属材を接合し、金属材の外面から保護材を除去する方法である。
また、この発明に係る半導体装置は、上記の低膨張板と、低膨張板の金属材の表面に形成された凹凸の上に接合された半導体素子とを備えたものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１に実施の形態１に係る低膨張板１０の断面を示す。多数の貫通孔Ｈが形成されたインバーからなる平板状の孔空き板６がＣｕ材７で包み込まれている。Ｃｕ材７は、孔空き板６の貫通孔Ｈ内を埋めると共に孔空き材６の両面を覆っている。Ｃｕ材７の両面には、孔空き材６の貫通孔Ｈに対応する部分Ａに凹部８が、孔空き材６のインバーが存在する部分Ｂに凸部９がそれぞれ形成されている。
【００１０】
このような構造の低膨張板１０をヒートスプレッダとして使用した半導体装置の構成を図２に示す。Ａｌから形成された基板１の表面上に絶縁層２が形成され、この絶縁層２の表面に形成された図示しない配線層の上にはんだ３を介して低膨張板１０のＣｕ材７の下面側が接合されている。さらに、低膨張板１０のＣｕ材７の上面側にはんだ３を介して半導体素子４が接合されている。
【００１１】
ここで、低膨張板１０のＣｕ材７の両面には凹部８と凸部９とが形成されているため、凸部９のみがはんだ３と接し、凹部８ははんだ３の表面により閉じられて空隙部１１を形成している。すなわち、はんだ３と接合されている箇所はすべて孔空き材６のインバーが存在する部分Ｂであり、その厚み方向の熱膨張係数が互いに等しい値を有している。
このため、昇温時に低膨張板１０のＣｕ材７が熱膨張しても、はんだ３と接合されている部分の厚み方向の熱変形量は互いに等しく、厚み方向のせん断応力が発生しない。従って、低膨張板１０の両面を接合しているはんだ３の亀裂の発生が防止される。
【００１２】
また、低膨張板１０のＣｕ材７は優れた熱伝導率を有しているので、半導体素子４で発生した熱は、はんだ３を介して半導体素子４に接合されている部分ＢのＣｕ材７に伝わった後、隣接する部分ＡのＣｕ材７を経て再び部分ＢのＣｕ材７に伝導し、さらにこの部分ＢのＣｕ材７にはんだ３を介して接合されている絶縁層２を通って基板１へと伝わる。基板１も熱伝導率の優れたＡｌから形成されているため、この基板１から効率よく外部へ放熱される。
【００１３】
このような低膨張板１０の製造方法について説明する。図３（ａ）に示されるように、多数の貫通孔Ｈが形成された孔空き材６の両面上にそれぞれＣｕ板１２を配置すると共に、これらＣｕ板１２の外面上すなわち孔空き材６とは反対の面上にそれぞれ板状の保護材１３を配置する。ここで、保護材１３の材質としては、孔空き材６を構成するインバー及びＣｕ板１２の材料であるＣｕよりもヤング率の低い、例えば純ＦｅやＡｌが望ましい。
次に、これら保護材１３のＣｕ板１２とは反対の面から加圧することによりＣｕ板１２が変形し、図３（ｂ）に示されるように、孔空き材６の貫通孔Ｈ内にまで陥没すると共に孔空き材６の両面にそれぞれ接合したＣｕ材７を形成する。その後、Ｃｕ材７の外面から保護材１３を剥離して除去する。これにより、図１に示したように、表面に凹部８と凸部９とを有する低膨張板１０が製造される。この低膨張板１０の板厚は、０．１〜５ｍｍが好ましい。
【００１４】
実施の形態２．
図４に実施の形態２に係る低膨張板１４の断面を示す。この低膨張板１４は、図１に示した実施の形態１の低膨張板１０と同様に、多数の貫通孔Ｈが形成されたインバーからなる孔空き材６と、孔空き材６の貫通孔Ｈ内を埋めると共に孔空き材６の両面を覆うＣｕ材７とを備えている。ただし、実施の形態１の低膨張板１０が、孔空き材６の貫通孔Ｈに対応する部分Ａに凹部８を、孔空き材６のインバーが存在する部分Ｂに凸部９をそれぞれ有していたのに対して、この実施の形態２に係る低膨張板１４では、逆に、孔空き材６の貫通孔Ｈに対応する部分Ａに凸部９が、孔空き材６のインバーが存在する部分Ｂに凹部８がそれぞれ形成されている。
【００１５】
実施の形態２の低膨張板１４をヒートスプレッダに使用して、図２に示した半導体装置と同様の半導体装置を形成すると、図５に示されるように、凸部９のみがはんだ３と接し、凹部８ははんだ３の表面により閉じられて空隙部１１を形成するため、はんだ３と接合されている箇所はすべて孔空き材６の貫通孔Ｈに対応する部分Ａとなり、その厚み方向の熱膨張係数が互いに等しい値を有することとなる。
このため、昇温時にＣｕ材７が熱膨張しても、厚み方向のせん断応力が発生することはなく。低膨張板１４の両面を接合しているはんだ３の亀裂の発生が防止される。
【００１６】
半導体装置の作動時に半導体素子４で発生した熱は、はんだ３を介して半導体素子４に接合されている部分ＡのＣｕ材７を通った後、絶縁層２を経て基板１へ伝わり、この基板１から効率よく外部へ放散される。
この実施の形態２の低膨張板１４は、例えばインバーからなる孔空き材６の貫通孔Ｈ内にＣｕを押し出し加工することにより製造することができる。
【００１７】
なお、実施の形態１及び２において、Ｃｕ材７の表面の凸部９をはんだ３で半導体装置４等に接合したときに凹部８がはんだ３に接合されなければ、凹部８と凸部９との高低差は僅かでよい。はんだ３の濡れ性を考慮して、高低差は例えば５〜１０μｍ程度以上あればよい。ただし、凹部８とはんだ３とが接合しそうな場合には、凹部８にはんだレジスト等を塗布してはんだ３の接合を防止することが望ましい。
【００１８】
この発明に係る低膨張板を半導体装置の基板として利用することもできる。この場合には、両面に凹部８と凸部９を有する必要はなく、半導体装置が接合される一方の表面にのみ凹部８と凸部９とを形成すればよい。
孔空き材６の材質は、インバーに限るものではなく、ＭｏやＦｅ−Ｎｉ系合金等の低膨張材料を用いることもできる。また、孔空き材６を包み込む金属材は、Ｃｕに限られないが、この低膨張板を半導体装置のヒートスプレッダや基板として利用する場合には、優れた熱伝導率を有する金属材であることが好ましく、例えばＡｌ材を使用することもできる。
【００１９】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明に係る低膨張板は、低膨張材料からなる孔空き材の貫通孔内を埋めると共に孔空き材の両面を覆う金属材の表面に、孔空き材の貫通孔に対応する部分と他の部分との間で凹凸を形成したので、はんだ等で表面を接合した場合でも熱膨張による厚み方向のせん断応力の発生を防止することができる。
このような低膨張板は、低膨張材料からなる平板状の孔空き材の両面上にそれぞれ平板状の金属材を配置すると共に双方の金属材の低膨張材料とは反対の面上にそれぞれ保護材を配置し、保護材の金属材とは反対の面から加圧して金属材を孔空き材の貫通孔内に陥没させながら孔空き材の両面にそれぞれ金属材を接合した後、金属材の外面から保護材を除去することにより製造することができる。
また、この発明に係る半導体装置は、上記の低膨張板の金属材の表面に形成された凹凸の上に半導体素子を接合したものであるため、熱膨張による厚み方向にせん断応力が発生せず、接合のためのはんだ等に亀裂を生じる虞がなくなるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１に係る低膨張板の構成を示す断面図である。
【図２】実施の形態１に係る低膨張板を用いた半導体装置の構成を示す断面図である。
【図３】実施の形態１に係る低膨張板の製造方法を工程順に示す断面図である。
【図４】実施の形態２に係る低膨張板の構成を示す断面図である。
【図５】実施の形態２に係る低膨張板を用いた半導体装置の構成を示す断面図である。
【図６】従来の半導体装置の構成を示す断面図である。
【図７】従来の他の半導体装置の構成を示す断面図である。
【図８】図７の半導体装置におけるヒートスプレッダの構成を示す断面図である。
【図９】図７の半導体装置における昇温時のヒートスプレッダの様子を示す断面図である。
【符号の説明】
１　基板、２　絶縁層、３　はんだ、４　半導体素子、６　孔空き板、７　Ｃｕ材、８　凹部、９　凸部、１０，１４　低膨張板、１１　空隙部、１２　Ｃｕ板、１３　保護材、Ａ　孔空き材の貫通孔に対応する部分、Ｂ　孔空き材のインバーが存在する部分、Ｈ　貫通孔。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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