(57)【要約】【課題】この発明は、高い熱伝導率を有し且つ安価な低膨張部材を提供することを課題とする。【解決手段】低膨張部材８は板部材９を有しており、板部材９の上部及び下部にはその内部に低膨張材が形成された表層１０がそれぞれ配置されている。表層１０内部には鉄炭化物からなる網目状の低膨張材が形成されており、低膨張材の周りをフェライトが囲んだ状態になっている。板部材９の上部及び下部の表層１０内部に熱膨張係数の小さい鉄炭化物からなる網目状の低膨張材が形成されているので、低膨張部材８全体の熱膨張係数を小さく抑えることができる。また、板部材９は高い熱伝導率を有すると共に、表層１０では網目状の低膨張材１１の周りを高い熱伝導率のフェライト１２が囲んでいることからこの表層１０の熱伝導率が向上し、低膨張部材８はその厚み方向に高い熱伝導率を有している。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄系材からなる板部材と、
前記板部材の表層内部に形成された鉄炭化物からなる網目状の低膨張材と
を備えることを特徴とする低膨張部材。
【請求項２】
鉄系材からなる板部材と、
前記板部材の表層部分に形成された鉄窒化層と
を備えることを特徴とする低膨張部材。
【請求項３】
鉄系材からなる板部材を浸炭処理してその表面に浸炭層を形成し、
その後徐冷することにより浸炭層の結晶粒界に鉄炭化物からなる網目状の低膨張材を形成する
ことを特徴とする低膨張部材の製造方法。
【請求項４】
鉄系材からなる板部材の表面を窒化することにより前記板部材の表層部分に鉄窒化層を形成する
ことを特徴とする低膨張部材の製造方法。
【請求項５】
タフトライド法により板部材の表面を窒化する請求項４に記載の低膨張部材の製造方法。
【請求項６】
イオン窒化法により板部材の表面を窒化する請求項４に記載の低膨張部材の製造方法。
【請求項７】
ガス軟窒化法により板部材の表面を窒化する請求項４に記載の低膨張部材の製造方法。
【請求項８】
請求項１または２に記載の低膨張部材と、
前記低膨張部材の表面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、低膨張部材に係り、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部材に関する。
また、この発明は、このような低膨張部材の製造方法及び低膨張部材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８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９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１０に示されるように、インバーからなる板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（例えば、特許文献１参照）。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。
【０００５】
【特許文献１】
特開平６−３３４０７３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１０に示されるようなヒートスプレッダ５では、板６を構成するインバーが約１０Ｗ／ｍ・Ｋの低い熱伝導率を有することから、この板６を熱伝導率の優れたＣｕ材７で挟み込んで形成したヒートスプレッダ５の厚み方向の熱伝導率が約３０Ｗ／ｍ・Ｋ程度の低い熱伝導率になってしまう。それに起因して、ヒートスプレッダ５の放熱性が低下していた。
また、このヒートスプレッダ５に使用されている複合材は高価であった。
【０００７】
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、高い熱伝導率を有し且つ安価な低膨張部材を提供することを目的とする。
また、この発明は、このような低膨張部材を得ることができる低膨張部材の製造方法並びにこのような低膨張部材を用いた半導体装置を提供することも目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る第１の低膨張部材は、鉄系材からなる板部材と、板部材の表層内部に形成された鉄炭化物からなる網目状の低膨張材とを備えるものである。
また、この発明に係る第２の低膨張部材は、鉄系材からなる板部材と、板部材の表層部分に形成された鉄窒化層とを備えるものである。
【０００９】
この発明に係る第１の低膨張部材の製造方法は、鉄系材からなる板部材を浸炭処理してその表面に浸炭層を形成し、その後徐冷することにより浸炭層の結晶粒界に鉄炭化物からなる網目状の低膨張材を形成する方法である。
また、この発明に係る第２の低膨張部材の製造方法は、鉄系材からなる板部材の表面を窒化することにより板部材の表層部分に鉄窒化層を形成する方法である。この場合、板部材の表面の窒化は、タフトライド法あるいはイオン窒化法、あるいはガス軟窒化法により行うことができる。
この発明に係る半導体装置は、上記の低膨張部材と、低膨張部材の表面上に接合された半導体素子とを備えたものである。
【００１０】
【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に係る低膨張部材８の断面を示す。低膨張部材８は純鉄からなる板部材９を有しており、板部材９の上部及び下部にはその内部に低膨張材が形成された表層１０がそれぞれ配置されている。
【００１１】
表層１０の顕微鏡写真を図２に示す。表層１０内部の結晶粒界にＦｅ３Ｃ等の鉄炭化物からなる網目状の低膨張材１１が形成されており、この低膨張材１１の周りをフェライト１２が囲んだ状態になっている。
ここで、板部材９は大きい熱膨張係数を有するが、板部材９の上部及び下部の表層１０内部には、その結晶粒界に熱膨張係数の小さい鉄炭化物からなる網目状の低膨張材１１が形成されているので、低膨張部材８全体の熱膨張係数を小さく抑えることができる。
また、板部材９を構成する純鉄は約８０Ｗ／ｍ・Ｋの高い熱伝導率を有すると共に、表層１０では網目状の低膨張材１１の周りを高い熱伝導率のフェライト１２が囲んでいることからこの表層１０の熱伝導率が向上し、これにより低膨張部材８はその厚み方向に約６０Ｗ／ｍ・Ｋの高い熱伝導率を有している。
【００１２】
このような低膨張部材８の製造方法について説明する。図３（ａ）に示されるように、純鉄からなる板部材９を炭素雰囲気中において例えば９５０℃の熱で４時間加熱することにより、板部材９に浸炭処理を施してその表面に炭素を拡散させる。
その結果、図３（ｂ）に示されるように、板部材９の表面に炭素が拡散した浸炭層１３が形成され、これを例えば１０時間かけて室温にまで徐冷すると、浸炭層１３の結晶粒界に鉄炭化物からなる網目状の低膨張材が形成されて図２に示したような構造の表層１０になる。これにより、図１に示したように、内部に低膨張材が形成された表層１０を有する低膨張部材８が製造される。
ここで、低膨張部材８の主要原料として使用される純鉄は安価であると共に、低膨張部材８は板部材９を炭素雰囲気中で加熱し徐冷することにより容易に製造されるため、非常に安価な低膨張部材８を実現することができる。
【００１３】
このような構造の低膨張部材８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４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を介して低膨張部材８の下部の表層１０が接合されている。さらに、低膨張部材８の上部の表層１０にはんだ３を介して半導体素子４が接合されている。
【００１４】
ここで、低膨張部材８の表層１０内のフェライト及び純鉄は高い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に接合されている低膨張部材８上部の表層１０内のフェライトに伝導し、その後低膨張部材８中央の板部材９を通って低膨張部材８下部の表層１０内のフェライトへと伝わり、さらにこの低膨張部材８下部の表層１０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。
【００１５】
実施の形態２．
図５に実施の形態２に係る低膨張部材１４の断面を示す。低膨張部材１４は純鉄からなる板部材９を有しており、板部材９の上部及び下部の表層部分には鉄窒化層１５がそれぞれ形成されている。
【００１６】
ここで、板部材９は大きい熱膨張係数を有するが、板部材９の上部及び下部の表層部分に形成された鉄窒化層１５が小さい熱膨張係数を有するため、低膨張部材１４全体の熱膨張係数を小さく抑えることができる。
また、板部材９を構成する純鉄は約８０Ｗ／ｍ・Ｋの高い熱伝導率を有すると共に、この板部材９に対して鉄窒化層１５が薄く形成されているので、低膨張部材１４はその厚み方向に高い熱伝導率を有している。
【００１７】
このような低膨張部材１４の製造方法について説明する。図６に示されるように、純鉄からなる板部材９をＫＣＮとＫＣＮＯを主成分とする塩浴剤で昇温するタフトライド法（軟窒化法）により処理する。これにより、板部材９に窒素と同時に炭素が浸透拡散し、図５に示したように、表層部分に鉄窒化層１５が形成された低膨張部材１４が製造される。
【００１８】
ここで、タフトライド法による処理時間及び処理温度を種々変化させて純鉄からなる板部材を窒化することにより低膨張部材を製造し、これら低膨張部材の鉄窒化層の厚さ、熱伝導率及び熱膨張係数を測定したところ、次の表１のような結果が得られた。この表１から、高い熱伝導率と小さな熱膨張係数を有する低膨張部材の製造が可能であることがわかった。
【００１９】
【表１】
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【００２０】
低膨張部材１４の主要原料として使用される純鉄は安価であると共に、低膨張部材１４は板部材９を塩浴剤で昇温することにより容易に製造されるため、非常に安価な低膨張部材１４を実現することができる。
【００２１】
なお、窒化の方法はタフトライド法に限るものではなく、例えばイオン窒化法あるいはガス軟窒化法を用いることもできる。イオン窒化法によれば、窒素イオンのスパッタリング作用により板部材の表面が活性化されるため、短時間で処理することが可能となる。また、ガス軟窒化法によれば、タフトライド法やイオン窒化法のように塩浴槽や真空チャンバを使用しないため、処理対象とする材料のセット方法に自由度が大きく、大量処理がしやすいという利点がある。
【００２２】
実施の形態２の低膨張部材１４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７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を介して低膨張部材１４の下部の鉄窒化層１５が接合されている。さらに、低膨張部材１４の上部の鉄窒化層１５にはんだ３を介して半導体素子４が接合されている。
【００２３】
ここで、低膨張部材１４の板部材９は高い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に接合されている低膨張部材１４上部の鉄窒化層１５に伝導し、その後低膨張部材１４中央の板部材９を通って低膨張部材１４下部の鉄窒化層１５へと伝わり、さらにこの低膨張部材１４下部の鉄窒化層１５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。
【００２４】
なお、本発明の低膨張部材を、上述した実施の形態１及び２のように半導体装置のヒートスプレッダとして利用する代わりに、半導体装置の基板として利用することもできる。
【００２５】
なお、板部材９を構成する純鉄としては、電解鉄や電磁軟鉄などを使用することができ、特にその入手性の良さから電磁軟鉄を使用することが好ましい。
また、板部材９は純鉄製に限るものではなく、キルド鋼や軟鋼等の鉄系材を使用することもできる。ただし、６０〜８０Ｗ／ｍ・Ｋ程度の高い熱伝導率を有する鉄系材が好ましく、特に熱伝導率の点からは８０Ｗ／ｍ・Ｋと高い値を有する純鉄の使用が最も望ましい。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明に係る第１の低膨張部材は、鉄系材からなる板部材と、板部材の表層内部に形成された鉄炭化物からなる網目状の低膨張材とを備えたので、高い熱伝導率を有し且つ安価な低膨張部材を実現することができる。このような第１の低膨張部材は、鉄系材からなる板部材を浸炭処理してその表面に浸炭層を形成し、その後徐冷して浸炭層の結晶粒界に鉄炭化物からなる網目状の低膨張材を形成することにより製造することができる。
また、この発明に係る第２の低膨張部材も、鉄系材からなる板部材と、板部材の表層部分に形成された鉄窒化層とを備えたので、高い熱伝導率を有し且つ安価な低膨張部材を実現することができる。このような第２の低膨張部材は、鉄系材からなる板部材の表面を窒化して板部材の表層部分に鉄窒化層を形成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、上記の低膨張部材と、低膨張部材の表面上に接合された半導体素子とを備えたものであるため、熱伝導率の高い低膨張部材を半導体装置のヒートスプレッダまたは基板として使用することにより、半導体素子で発生した熱を効率よく放熱することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１に係る低膨張部材の構成を示す断面図である。
【図２】実施の形態１に係る低膨張部材の表層の顕微鏡写真である。
【図３】実施の形態１に係る低膨張部材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１に係る低膨張部材を用いた半導体装置の構成を示す断面図である。
【図５】実施の形態２に係る低膨張部材の構成を示す断面図である。
【図６】実施の形態２に係る低膨張部材の製造方法を示す断面図である。
【図７】実施の形態２に係る低膨張部材を用いた半導体装置の構成を示す断面図である。
【図８】従来の半導体装置の構成を示す断面図である。
【図９】従来の他の半導体装置の構成を示す断面図である。
【図１０】図９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。
【符号の説明】
１  基板、２  絶縁層、３  はんだ、４  半導体素子、８，１４  低膨張部材、９  板部材、１０  表層、１１  低膨張材、１２  フェライト、１３  浸炭層、１５  鉄窒化層。
【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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【図１０】
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