JP2004103700A - 低膨張部材及びその製造方法並びに低膨張部材を用いた半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【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は鉄系材からなる板部材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ニッケル層１０がそれぞれ形成されている。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部分に形成された鉄ニッケル層１０が小さい熱膨張係数を有するため、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しており、鉄ニッケル層１０はこの板部材９に対して薄く形成されているので、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
【解決手段】低膨張部材８は鉄系材からなる板部材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ニッケル層１０がそれぞれ形成されている。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部分に形成された鉄ニッケル層１０が小さい熱膨張係数を有するため、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しており、鉄ニッケル層１０はこの板部材９に対して薄く形成されているので、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
Description
【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５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６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及び２参照）。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】
実開昭６３−２０４４８号公報
【特許文献２】
実開昭６３−２０４４９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図６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ニッケル層とを備えるものである。
【０００９】
この発明に係る低膨張部材の第１の製造方法は、鉄系材からなる板部材の表面にニッケル層を形成し、その後熱処理してニッケル層のニッケルを板部材の内部に拡散させることにより板部材の表層部分に鉄ニッケル層を形成する方法であり、この場合、ニッケル層はめっき、溶射、鋳込み及びスパッタリングのいずれかにより形成することができる。
この発明に係る低膨張部材の第２の製造方法は、鉄系材からなる板部材の表面に鉄とニッケルを同時にスパッタリングすることにより板部材の表層部分に鉄ニッケル層を形成する方法である。
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。
図１に実施の形態に係る低膨張部材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の上部及び下部の表層部分には鉄ニッケル層１０がそれぞれ形成されている。
【００１１】
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ニッケル層１０が小さい熱膨張係数を有するため、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、この板部材９に対して鉄ニッケル層１０が薄く形成されているので、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。
【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２（ａ）に示されるように、純鉄からなる板部材９の表面にニッケルめっきを施してニッケル層１１を形成する。
その後、これを熱処理することにより、図２（ｂ）に示されるように、ニッケル層１１のニッケルを板部材９の内部に拡散させ、これにより板部材９の表層部分に鉄ニッケル層を形成する。このようにして、図１に示したように、上部と下部の表層部分に鉄ニッケル層１０を有する低膨張部材８が製造される。
【００１３】
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にニッケルめっきを施して熱処理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。
また、低膨張部材８の表面付近ではニッケルの濃度が高いため、はんだの濡れ性が向上する。また、このように低膨張部材８の表面がニッケルに覆われていることから、板部材９の酸化を防止することができる。
【００１４】
なお、上述のような製造方法において、低膨張部材８のニッケル層１１は、ニッケルめっきにより形成する代わりに、溶射、鋳込み及びスパッタリングのいずれかにより形成することもできる。
さらに、板部材９の表面に鉄とニッケルを同時にスパッタリングして板部材９の表層部分に鉄ニッケル層１０を形成することにより、図１に示したような構造の低膨張部材８を製造することもできる。
【００１５】
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３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の下部の鉄ニッケル層１０が接合されている。さらに、低膨張部材８の上部の鉄ニッケル層１０にはんだ３を介して半導体素子４が接合されている。
【００１６】
ここで、低膨張部材８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８上部の鉄ニッケル層１０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下部の鉄ニッケル層１０へと伝わり、さらにこの低膨張部材８下部の鉄ニッケル層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。
【００１７】
また、本発明の低膨張部材を、上記の実施の形態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。
【００１８】
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。
【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ニッケル層とを備えたので、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た。
このような低膨張部材は、鉄系材からなる板部材の表面にニッケル層を形成し、その後熱処理することによりニッケル層のニッケルを板部材の内部に拡散させて板部材の表層部分に鉄ニッケル層を形成することにより製造することができる。
また、このような低膨張部材は、鉄系材からなる板部材の表面に鉄とニッケルを同時にスパッタリングして板部材の表層部分に鉄ニッケル層を形成することにより製造することもできる。
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３】実施の形態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４】従来の半導体装置の構成を示す断面図である。
【図５】従来の他の半導体装置の構成を示す断面図である。
【図６】図５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 低膨張部材、９ 板部材、１０ 鉄ニッケル層、１１ ニッケル層。
【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５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６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及び２参照）。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】
実開昭６３−２０４４８号公報
【特許文献２】
実開昭６３−２０４４９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図６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ニッケル層とを備えるものである。
【０００９】
この発明に係る低膨張部材の第１の製造方法は、鉄系材からなる板部材の表面にニッケル層を形成し、その後熱処理してニッケル層のニッケルを板部材の内部に拡散させることにより板部材の表層部分に鉄ニッケル層を形成する方法であり、この場合、ニッケル層はめっき、溶射、鋳込み及びスパッタリングのいずれかにより形成することができる。
この発明に係る低膨張部材の第２の製造方法は、鉄系材からなる板部材の表面に鉄とニッケルを同時にスパッタリングすることにより板部材の表層部分に鉄ニッケル層を形成する方法である。
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。
図１に実施の形態に係る低膨張部材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の上部及び下部の表層部分には鉄ニッケル層１０がそれぞれ形成されている。
【００１１】
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ニッケル層１０が小さい熱膨張係数を有するため、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、この板部材９に対して鉄ニッケル層１０が薄く形成されているので、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。
【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２（ａ）に示されるように、純鉄からなる板部材９の表面にニッケルめっきを施してニッケル層１１を形成する。
その後、これを熱処理することにより、図２（ｂ）に示されるように、ニッケル層１１のニッケルを板部材９の内部に拡散させ、これにより板部材９の表層部分に鉄ニッケル層を形成する。このようにして、図１に示したように、上部と下部の表層部分に鉄ニッケル層１０を有する低膨張部材８が製造される。
【００１３】
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にニッケルめっきを施して熱処理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。
また、低膨張部材８の表面付近ではニッケルの濃度が高いため、はんだの濡れ性が向上する。また、このように低膨張部材８の表面がニッケルに覆われていることから、板部材９の酸化を防止することができる。
【００１４】
なお、上述のような製造方法において、低膨張部材８のニッケル層１１は、ニッケルめっきにより形成する代わりに、溶射、鋳込み及びスパッタリングのいずれかにより形成することもできる。
さらに、板部材９の表面に鉄とニッケルを同時にスパッタリングして板部材９の表層部分に鉄ニッケル層１０を形成することにより、図１に示したような構造の低膨張部材８を製造することもできる。
【００１５】
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３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の下部の鉄ニッケル層１０が接合されている。さらに、低膨張部材８の上部の鉄ニッケル層１０にはんだ３を介して半導体素子４が接合されている。
【００１６】
ここで、低膨張部材８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８上部の鉄ニッケル層１０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下部の鉄ニッケル層１０へと伝わり、さらにこの低膨張部材８下部の鉄ニッケル層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。
【００１７】
また、本発明の低膨張部材を、上記の実施の形態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。
【００１８】
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。
【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ニッケル層とを備えたので、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た。
このような低膨張部材は、鉄系材からなる板部材の表面にニッケル層を形成し、その後熱処理することによりニッケル層のニッケルを板部材の内部に拡散させて板部材の表層部分に鉄ニッケル層を形成することにより製造することができる。
また、このような低膨張部材は、鉄系材からなる板部材の表面に鉄とニッケルを同時にスパッタリングして板部材の表層部分に鉄ニッケル層を形成することにより製造することもできる。
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３】実施の形態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４】従来の半導体装置の構成を示す断面図である。
【図５】従来の他の半導体装置の構成を示す断面図である。
【図６】図５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 低膨張部材、９ 板部材、１０ 鉄ニッケル層、１１ ニッケル層。
Claims (5)
- 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ニッケル層と
を備えることを特徴とする低膨張部材。 - 鉄系材からなる板部材の表面にニッケル層を形成し、
その後熱処理して前記ニッケル層のニッケルを前記板部材の内部に拡散させることにより前記板部材の表層部分に鉄ニッケル層を形成する
ことを特徴とする低膨張部材の製造方法。 - 前記ニッケル層は、めっき、溶射、鋳込み及びスパッタリングのいずれかにより形成されることを特徴とする請求項２に記載の低膨張部材の製造方法。
- 鉄系材からなる板部材の表面に鉄とニッケルを同時にスパッタリングすることにより前記板部材の表層部分に鉄ニッケル層を形成する
ことを特徴とする低膨張部材の製造方法。 - 請求項１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。
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