JP2003277853A

JP2003277853A - ヒートスプレッダ用銅合金

Info

Publication number: JP2003277853A
Application number: JP2002086390A
Authority: JP
Inventors: Toshitsugu Maruta; 敏嗣丸田; Hideki Endo; 秀樹遠藤; Kunihiko Tomohara; 邦彦智原
Original assignee: Dowa Mining Co Ltd
Current assignee: Dowa Holdings Co Ltd
Priority date: 2002-03-26
Filing date: 2002-03-26
Publication date: 2003-10-02

Abstract

(57)【要約】【課題】価格が廉価であり、熱伝導性に優れ、且つ半
軟化温度が比較的高温であるために組立工程や使用時に
おける接合部分の信頼性に優れた、ＩＣパッケージなど
に使用されるヒートスプレッダ用Ｃｕ基合金を提供す
る。【解決手段】ヒートスプレッダ用Ｃｕ基合金は、０．
２％耐力が１００〜２００Ｎ／ｍｍ^２、熱伝導率が３５
０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、加工硬化指数が０．１４〜０．１
８、圧延表面板の幅方向の結晶粒径が２５μｍ以下であ
る。また、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏのうち少なくとも１種類以
上とＰを合計で０．０５〜０．３ｗｔ％含有し、残部が
Ｃｕと不可避成分からなる。さらに、断面減少率４０％
以下の冷間鍛造後に６００℃で３０分間熱処理した後の
結晶粒径が２５μｍ以下でり、断面減少率４０％以下の
冷間鍛造後に６００℃で３０分間熱処理した後のビッカ
ース硬さがＨＶ６０〜１７０である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＩＣパッケージ
などにおいて放熱を目的としたヒートスプレッダなどに
使用する銅合金に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、ＰＣ用などの半導体集積回路（Ｉ
Ｃ）のパーソナル化、高機能化および大容量化が要求さ
れており、ＩＣの実装技術も高密度化し、これに伴い、
ＩＣから発生する熱対策が重要な課題となっている。

【０００３】ＩＣの実装技術の高密度化は、１９７０年
代から始まり、その実装技術は、端子挿入実装技術ＤＩ
Ｐ（デュアルインラインパッケージ）から周辺端子実装
技術ＱＦＰ（クワッドインラインパッケージ）へと発展
した。しかし、周辺端子実装技術では、外部端子が周辺
に突き出ているため、実装時の端子周りの取り扱いが困
難であった。その後、１９９０年代に入り、ＢＧＡ（ボ
ールグリッドアレイ）が出現して高密度化に拍車がかか
った。この実装方法では、小型で多ピン化が容易であ
り、ハンダボールを採用しているため、表面実装が容易
になり、廉価で不良率を激減させる高密度実装が可能に
なった。現在では、積層基板構造であるＰＢＧＡや、さ
らに高密度化を実現させたＴＡＢテープとヒートスプレ
ッダを組合せたＴＢＧＡが使用されている。

【０００４】このように高密度化が進む中で、ＩＣを正
常に作動させるためにＩＣから発生する熱を放熱するこ
とが重要な問題となり、ＢＧＡに至り、半導体チップに
直接Ｃｕの放熱板、いわゆるヒートスプレッダをパッケ
ージングすることにより放熱性が向上した。

【０００５】以上のように、ヒートスプレッダは、優れ
た放熱性が必要であるが、組立工程時や実装時に加えら
れる熱処理によって軟化して硬度が減少しないことが必
要であり、半導体チップとの接合部分の信頼性も必要で
ある。さらに、ＰＣの低価格化に伴い、廉価であること
も望まれる。このように、高密度ＩＣの放熱を担うヒー
トスプレッダは、優れた放熱性と耐熱性を有し且つ廉価
なことが必要であるため、ヒートスプレッダには、優れ
た熱伝導性を有する廉価な無酸素銅やＣｕ基合金が用い
られている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ヒートスプレッダは、
冷間鍛造により成型されるため、残留応力が生じ、この
残留応力を取り除くために熱処理が施されることがあ
る。また、ＰＢＧＡやＴＢＧＡの実装時には、ハンダリ
フロー工程があり、この工程でヒートスプレッダが加熱
される。このとき、無酸素銅は、半軟化温度が２００℃
程度のため、結晶粒が不均一に粗大化し、硬度が変化
し、平坦性や強度を保つことが難しくなる。そのため、
半導体チップなどとヒートスプレッダの接合部分におけ
る信頼性が損なわれ、ＰＣの動作信頼性が低下する。

【０００７】ヒートスプレッダに用いられる高導電率の
ＣｕまたはＣｕ基合金として、無酸素銅以外に、Ｃｕ−
Ｚｒ系Ｃｕ基合金（Ｃ１５１、Ｃ１５１５０）やＣｕ−
Ｆｅ−Ｚｎ−Ｐ系Ｃｕ基合金（Ｃ１９４００など）など
がある。Ｃｕ−Ｚｒ系合金は、高導電率を有し、放熱性
にも優れ、半軟化温度も４００℃以上であるが、含有成
分により廉価ではない。Ｃｕ−Ｆｅ−Ｚｎ−Ｐ系合金
は、半軟化温度が４００℃以上であるが、熱伝導率の代
用特性である導電率４５％〜６５％ＩＡＣＳ程度であ
り、熱伝導性が不足している。

【０００８】したがって、本発明は、このような従来の
問題点に鑑み、価格が廉価であり、熱伝導性に優れ、且
つ半軟化温度が比較的高温であるために組立工程や使用
時における接合部分の信頼性に優れた、ＩＣパッケージ
などに使用されるヒートスプレッダ用Ｃｕ基合金を提供
することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記課題
を解決するために鋭意研究した結果、ヒートスプレッダ
用銅合金の０．２％耐力を１００〜２００Ｎ／ｍｍ^２と
し、熱伝導率を３５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上とすることによ
り、価格が廉価であり、熱伝導性に優れ、且つ半軟化温
度が比較的高温であるために組立工程や使用時における
接合部分の信頼性に優れた、ＩＣパッケージなどに使用
されるヒートスプレッダ用Ｃｕ基合金を提供することが
できることを見出し、本発明を完成するに至った。

【００１０】すなわち、本発明による放熱性および耐熱
性に優れたヒートスプレッダ用銅合金は、０．２％耐力
が１００〜２００Ｎ／ｍｍ^２であり、熱伝導率が３５０
Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることを特徴とする。このヒートス
プレッダ用銅合金において、加工硬化指数が０．１４〜
０．１８であるのが好ましい。また、圧延表面板の幅方
向の結晶粒径が２５μｍ以下であるのが好ましい。ま
た、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏのうち少なくとも１種類以上とＰ
を合計で０．０５〜０．３ｗｔ％含有し、残部がＣｕと
不可避成分からなるのが好ましい。さらに、断面減少率
４０％以下の冷間鍛造後に６００℃で３０分間熱処理し
た後の結晶粒径が２５μｍ以下であり、断面減少率４０
％以下の冷間鍛造後に６００℃で３０分間熱処理した後
のビッカース硬さがＨＶ６０〜１７０であるのが好まし
い。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明による放熱性および
耐熱性に優れたヒートスプレッダ用銅合金の実施の形態
を説明する。

【００１２】ヒートスプレッダは、半導体チップから熱
を逃がす役割を担っているが、そのためには、半導体チ
ップとヒートスプレッダが確実に接触していなければな
らない。しかし、ヒートスプレッダの強度が十分でない
と、組立工程中などに変形し、半導体チップやパッケー
ジ樹脂との接触面が平坦でなくなり、放熱性を損なうこ
とになる。ここで、ヒートスプレッダに使用されるＣｕ
基合金の変形の指標となるのが０．２％耐力である。ヒ
ートスプレッダが変形することなく半導体チップと接触
することにより放熱性を維持するためには、０．２％耐
力が１００Ｎ／ｍｍ^２以上であればよい。

【００１３】ヒートスプレッダの主な役割は、半導体チ
ップから発生する熱を吸収して外部に放熱することであ
る。しかし、近年、ＰＣパッケージは、高機能高密度に
なり、発熱量が増加している。そのため、優れた熱伝導
率を有するＣｕ基合金を用いたヒートスプレッダが求め
られており、ヒートスプレッダに使用される材料の熱伝
導率が３５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが必要である。
熱伝導率が３５０Ｗ／ｍ・Ｋ未満である場合は、ＩＣの
使用時に半導体チップから発生した熱を十分にヒートシ
ンクに逃すことができず、ＩＣパッケージの動作信頼性
が損なわれるからである。

【００１４】また、ヒートスプレッダの成型には、コス
ト面から順送冷間鍛造が行われている。この冷間鍛造に
おける材料特性には、成型容易性と成型精度が要求され
る。この成型の容易さを示す指標となるのが０．２％耐
力であり、鍛造後のヒートスプレッダの成型精度を保つ
指標となるのが加工硬化指数である。材料が優れた冷間
鍛造性を有するためには、２つの指標の釣り合いが重要
である。０．２％耐力は、ヒートスプレッダが組立工程
中や冷間鍛造中に変形しないために１００Ｎ／ｍｍ^２以
上である必要があり、ヒートスプレッダの冷間鍛造によ
る成形を容易にし且つ鍛造圧力を抑えるために２００Ｎ
／ｍｍ^２以下であることが望ましい。さらに、加工硬化
指数が０．１４〜０．１８である材料は、冷間鍛造によ
る成型容易性と優れた成型精度を有する。

【００１５】また、ヒートスプレッダはＩＣパッケージ
などに実装され、半導体チップに直接接触して放熱を担
うものであるため、ヒートスプレッダの平坦性、硬度お
よび軟化特性などの特性の製品間のバラツキは、ＩＣパ
ッケージの動作信頼性を損なう。このバラツキの原因と
なる材料特性の１つとして材料の結晶粒径がある。この
結晶粒径のバラツキが大きいと、局所的な機械特性や軟
化特性が異なってしまい、冷間鍛造後の成型性が損なわ
れる。また、組立工程中の熱処理による軟化挙動の差異
のため、平坦性も損なわれる。そのため、ヒートスプレ
ッダの材料として結晶粒径が均一な材料が適している。
また、結晶粒径が均一であっても粗大であると、冷間鍛
造後にヒートスプレッダの表面が肌荒れし、実装時に半
導体チップと十分な接触が得られず、ＩＣパッケージの
動作信頼性が損なわれる。また、プレス抜き打ち性も低
下し、外観上も好ましくない。そのため、ヒートスプレ
ッダ用材料は、結晶粒径が均一且つ微細であることが好
ましく、圧延表面板の幅方向の結晶粒径が２５μｍ以下
であることが必要である。

【００１６】また、ヒートスプレッダは、冷間鍛造によ
り成型され、材料の断面が減少する。このとき、金属組
織が変化し、残留応力が蓄積される。この金属組織の変
化と残留応力の蓄積は、ヒートスプレッダの実装時の熱
処理工程において、ヒートスプレッダの変形の原因とな
り、パッケージの信頼性が低下する可能性がある。一般
に、ヒートスプレッダ用材料として用いられている無酸
素銅は、ヒートスプレッダの実装時の熱処理により、残
留応力が開放され、金属組織が不均一に粗大化して軟化
することにより、ヒートスプレッダが変形する可能性が
ある。また、残留応力を取り除くために実装前にヒート
スプレッダに熱処理を施す場合があるが、同様に結晶粒
が不均一に粗大化してしまい、ヒートスプレッダの強度
がばらついて平坦性を損ないかねない。そのため、熱処
理工程を経てもヒートスプレッダの硬度が均一で平坦性
を保つためにも、結晶粒が不均一に粗大化しないことが
望ましい。

【００１７】また、ヒートスプレッダは、加工中の変形
を防ぐために、硬度を確保することも必要であり、結晶
粒径が微細なことが望ましい。

【００１８】実用上最も熱が加わる熱処理条件として考
えられる２００〜６００℃で１０〜３０分間の熱処理を
行った後に、結晶粒が不均一に粗大化せず、結晶粒径も
微細であることが望ましいので、材料の結晶粒径が２５
μｍ以下であり且つ硬度がＨＶ６０〜１２０に確保され
ることが望ましい。

【００１９】ヒートスプレッダが以上のような特性を有
し且つ廉価であるためには、（Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ）−Ｐ
系析出物を利用したＣｕ基合金を使用するのが好まし
い。一般に、Ｃｕ基合金の０．２％耐力および耐熱性を
向上させる手段として、析出強化と固溶強化が利用され
る。析出強化は、固溶強化と比べ、熱伝導率を低下させ
ずにＣｕ基合金の０．２％耐力および耐熱性を向上させ
ることができる。このような析出強化型Ｃｕ基合金のう
ち（Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ）−Ｐ系析出物を利用すること
は、製造上、原料費および設備の面でコスト的に有利で
あるためである。

【００２０】このように、（Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ）−Ｐ系
析出物を利用するためには、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏのうち少
なくとも１種類以上とＰを合計で０．０５〜０・３ｗｔ
％含有することが必要である。０．０５ｗｔ％未満の場
合は、析出物の量が少なく、十分な０．２％耐力や耐熱
性が得られず、０．３ｗｔ％以上の場合は、必要とする
熱伝導率が得られないためである。但し、熱伝導率が３
５０Ｗ／ｍ・Ｋを満足する範囲において、さらにＳｎ、
Ｔｉ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ｓｉを添加することが
可能であり、これらの添加により、強度や耐熱性の向上
が期待されるが、コストアップにつながるので、これら
の添加元素の総量を０．３ｗｔ％以下にすべきである。

【００２１】

【実施例】以下、本発明による放熱性および耐熱性に優
れたヒートスプレッダ用銅合金の実施例について詳細に
説明する。

【００２２】［実施例１〜５、比較例１〜４］表１に示
す各種成分のヒートスプレッダ用Ｃｕ基合金を高周波溶
解炉によって溶製し、４０×４０×１５０（ｍｍ）の鋳
塊を鋳造した。その後、４０×４０×３０（ｍｍ）の試
験片を切りだし、９００℃で６０分間の均質化処理を行
い、板厚８ｍｍまで熱間圧延し、水冷および酸洗を行っ
た。その後、冷間圧延、焼鈍、冷間圧延を繰り返して、
実施例１のＣｕ基合金材として板厚１．８５ｍｍのＣｕ
基合金材を作製した。また、同様の方法により、実施例
２〜５および比較例１〜４のＣｕまたはＣｕ基合金材を
作製した。

【００２３】

【表１】

【００２４】次に、得られた実施例１〜５および比較例
１〜４のＣｕまたはＣｕ基合金材について、熱伝導率、
０．２％耐力、加工硬化指数および結晶粒径を調べた。
その結果を表２に示す。なお、熱伝導率は導電率から算
出し、導電率、０．２％耐力および加工硬化指数はそれ
ぞれＪＩＳＨ０５０５、ＪＩＳＺ２２４４１お
よびＪＩＳＺ２２５３に準拠して測定した。また、
結晶粒径は、材料表面をエメリー紙で研磨し、バフ研磨
およびエッチングを行った後、光学顕微鏡によって測定
した。製造コストについては、実機で製造した場合の原
料コストを考慮するとともに、鋳造した製造量と製品化
された量の割合を不良ロスとして考慮して評価した。

【００２５】

【表２】

【００２６】表２において、○は製造コストが廉価であ
るものであり、△は添加元素のコスト、条の表面状態や
幅の蛇行、ヒートスプレッダとしての要求材料特性の不
備、雰囲気制御が必要とされる鋳造や時効処理などの熱
処理などを製法時に使用することのいずれか１つに該当
するもの、×は２つ以上に該当するものを示す。

【００２７】［実施例６〜１０、比較例５〜８］実施例
１のＣｕ基合金材をプレス抜き打ちし、冷間鍛造するこ
とにより、実施例６〜１０のＣｕ基合金材を作製し、そ
れらの良否を調査した。同様に、現在ヒートスプレッダ
として一般材となっている比較例１および２のＣｕ材か
ら、それぞれ比較例５、６および比較例７、８のＣｕ材
を作製し、それらの良否を調査した。その結果を表３に
示す。なお、図１示すように、冷間鍛造後のヒートスプ
レッダ１０の形状は、キャビティ１２を有する断面減少
率が大きいキャビティ型ヒートスプレッダの形状とし、
断面減少率は約３０％であった。また、プレス抜き打ち
性については、ダレ部の凹凸およびバリ量によって評価
し、冷間鍛造性については、鍛造後の成型性と肌荒れに
よって評価した。

【００２８】

【表３】

【００２９】実施例６〜１０のＣｕ基合金材は、結晶粒
径が均一微細であるために、プレス打ち抜きにより、ダ
レ部の凹凸およびバリがともに少なかった。また、冷間
鍛造後の成型も、０．２％耐力と加工硬化指数の釣り合
いがよく、鍛造圧力と成型精度のバランスに優れてい
た。比較例５および６のＣｕ材は、実施例６〜１０のＣ
ｕ基合金材より結晶粒径が粗大であるが、プレス打ち抜
きにより、ダレ部の凹凸およびバリがともに実施例６〜
１０のＣｕ基合金材と同等であった。しかし、０．２％
耐力と加工硬化指数の釣り合いが悪く、冷間鍛造成型の
精度に劣っていた。比較例７および８のＣｕ材は、プレ
ス打ち抜きにより、ダレ部の凹凸がひどく、バリ量も多
く、実施例６〜１０のＣｕ基合金材より劣っていた。

【００３０】［実施例１１〜１４、比較例９〜１６］実
施例１のＣｕ基合金材を用いて、冷間鍛造により実施例
１１〜１４のヒートスプレッダを作製し、熱処理による
ヒートスプレッダの硬度や形状の変化を評価した。同様
に、比較例１および２のＣｕ材から、それぞれ比較例
９、１１、１３、１５および比較例１０、１２、１４、
１６のヒートスプレッダを作製し、熱処理によるヒート
スプレッダの変化を評価した。なお、冷間鍛造後のヒー
トスプレッダ１０の形状は、図１に示すような断面減少
率が大きいキャビティ型ヒートスプレッダの形状とし、
断面減少率は約３０％であった。また、実施例１１およ
び比較例９、１０の場合が２５０℃、実施例１２および
比較例１１、１２の場合が３００℃、実施例１３および
比較例１３、１４の場合が５５０℃、実施例１４および
比較例１５、１６の場合が６００℃の焼鈍温度で、それ
ぞれ３０分間焼鈍した後、結晶粒径とビッカース硬さを
測定した。その結果を表４〜７に示す。なお、焼鈍後の
ヒートスプレッダに対する評価は、結晶粒径と均一性、
部位によるビッカース硬さの差異、ビッカース硬さの低
下、ヒートスプレッダの変形によって行った。また、実
施例１のＣｕ基合金材から作製した実施例１１〜１４の
ヒートスプレッダの半軟化温度は５５０〜６００℃であ
り、比較例１および２のＣｕ材から作製した比較例９、
１１、１３、１５および比較例１０、１２、１４、１６
のヒートスプレッダの半軟化温度は２５０〜３００℃で
あった。

【００３１】

【表４】

【００３２】

【表５】

【００３３】

【表６】

【００３４】

【表７】

【００３５】表１〜７の結果から、実施例１〜１４のＣ
ｕ基合金材およびヒートスプレッダは、製造コストが廉
価で、熱伝導率に優れ、機械的強度が十分であることが
わかる。また、冷間鍛造前の結晶粒も均一且つ微細であ
ることがわかる。また、冷間鍛造後の熱処理後も軟化に
より結晶粒が不均一にならず、均一且つ微細であり、強
度もヒートスプレッダとして十分であることがわかる。
さらに、実施例１〜５のＣｕ基合金材では、ヒートスプ
レッダの実装時の熱処理が２００℃〜３００℃で行われ
るが、その温度範囲における熱処理において軟化しない
ために、実装前に予め焼鈍を施す必要もなく、コスト面
からも有利である。したがって、実施例のＣｕ基合金材
は、ヒートスプレッダなどに使用するＣｕ基合金材とし
て優れている。

【００３６】これに対して、現在ヒートスプレッダ用の
一般材として使用されている比較例１および２のＣｕ材
（比較例９、１１、１３、１５および比較例１０、１
２、１４、１６のヒートスプレッダ）は、熱伝導率に優
れ、コスト的にも有利であるが、熱処理を施すと材料が
軟化し、整粒化度を測定できない程度に結晶粒が不均一
に粗大化してしまうため、部位により硬度が異なり、微
小な変形を伴う場合もあり、ＩＣ動作信頼性を低下させ
る可能性もあり、実施例１〜５のＣｕ基合金材より劣
る。また、比較例３のＣｕ基合金材は、熱伝導性に優
れ、結晶粒径も微細であり、ヒートスプレッダとしての
材料特性を満足しているが、Ｚｒを使用しているため
に、原料コストが高く、鋳造および熱間圧延工程におい
てＺｒ−Ｏ系酸化物が品質面に悪影響を及ぼすので、製
造コストの面でも劣っている。

【００３７】

【発明の効果】上述したように、本発明によれば、熱伝
導性に優れ、組立工程などにおける半導体チップとの接
合信頼性に優れ、且つ安価に製造できるＣｕ基合金を提
供することができ、したがって、ヒートスプレッダに最
適な材料としてＣｕ基合金を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例および比較例において作製したヒートス
プレッダの形状を示す図であり、（ａ）は平面図、
（ｂ）は断面図。

【符号の説明】

１０ヒートスプレッダ１２キャビティ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｃ２２Ｆ 1/00 ６２３Ｃ２２Ｆ 1/00 ６３０Ａ６３０６３０Ｃ６３０Ｚ６５０Ｆ６５０６８１６８１６８２６８２６８３６８３６８５Ｚ６８５６８６Ａ６８６６９１Ｂ６９１６９１ＣＨ０１Ｌ 23/36 Ｍ (72)発明者智原邦彦東京都千代田区丸の内一丁目８番２号同和鉱業株式会社内Ｆターム(参考） 5F036 BD01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】０．２％耐力が１００〜２００Ｎ／ｍｍ
^２であり、熱伝導率が３５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であること
を特徴とする、ヒートスプレッダ用銅合金。
【請求項２】加工硬化指数が０．１４〜０．１８であ
ることを特徴とする、請求項１に記載のヒートスプレッ
ダ用銅合金。
【請求項３】圧延表面板の幅方向の結晶粒径が２５μ
ｍ以下であることを特徴とする、請求項１または２に記
載のヒートスプレッダ用銅合金。
【請求項４】Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏのうち少なくとも１種
類以上とＰを合計で０．０５〜０．３ｗｔ％含有し、残
部がＣｕと不可避成分からなることを特徴とする、請求
項３に記載のヒートスプレッダ用銅合金。
【請求項５】断面減少率４０％以下の冷間鍛造後に６
００℃で３０分間熱処理した後の結晶粒径が２５μｍ以
下であることを特徴とする、請求項３または４に記載の
ヒートスプレッダ用銅合金。
【請求項６】断面減少率４０％以下の冷間鍛造後に６
００℃で３０分間熱処理した後のビッカース硬さがＨＶ
６０〜１７０であることを特徴とする、請求項５に記載
のヒートスプレッダ用銅合金。