JP3336370B2 - 半導体基板材料の製造方法、半導体基板材料および半導体用パッケージ - Google Patents
半導体基板材料の製造方法、半導体基板材料および半導体用パッケージInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、半導体用パッケージ、ヒートシンク等に使
用される半導体基板材料、およびその製造方法に関す
る。
用される半導体基板材料、およびその製造方法に関す
る。
背景技術 半導体用のパッケージ材料やヒートシンク部材とし
て、熱膨張係数が半導体のそれに近く、高熱伝導度を有
する銅・タングステン合金が広く使用されるようになっ
ている。
て、熱膨張係数が半導体のそれに近く、高熱伝導度を有
する銅・タングステン合金が広く使用されるようになっ
ている。
この銅・タングステン合金は、銅とタングステンが相
互に固溶しないため、粉末冶金法で製造される。この粉
末冶金法による製造方法としては、大別して溶浸法と粉
末混合法の２種類の方法がある。溶浸法は、タングステ
ン粉末のみをプレス成形して焼結し、予め多孔質なタン
グステンのスケルトンを作っておき、これに溶融した銅
を含浸させる方法である。また、粉末混合法は、銅粉末
とタングステン粉末とを所定の割合で混合した混合粉末
をプレス成形し、銅の融点以上の温度で焼結する方法で
ある。なお、高融点金属であるタングステンの代わりに
モリブデンまたはタングステンとモリブデンの混合物を
使用しても同様な性能を持つ材料が得られるが、実際に
はタングステンが使用されることが多い。
互に固溶しないため、粉末冶金法で製造される。この粉
末冶金法による製造方法としては、大別して溶浸法と粉
末混合法の２種類の方法がある。溶浸法は、タングステ
ン粉末のみをプレス成形して焼結し、予め多孔質なタン
グステンのスケルトンを作っておき、これに溶融した銅
を含浸させる方法である。また、粉末混合法は、銅粉末
とタングステン粉末とを所定の割合で混合した混合粉末
をプレス成形し、銅の融点以上の温度で焼結する方法で
ある。なお、高融点金属であるタングステンの代わりに
モリブデンまたはタングステンとモリブデンの混合物を
使用しても同様な性能を持つ材料が得られるが、実際に
はタングステンが使用されることが多い。
しかしながら、上記の溶浸法および粉末混合法による
製造方法は、いずれも次のような問題点があった。ま
ず、溶浸法は、燒結工程の後に溶浸工程が必要であるた
め工程が長く、しかも、溶浸後表面に銅が盛り上がり、
全面の機械加工が必要となるので、製造コストが高くな
る。また、粉末混合法は、銅の融点よりも200〜300℃程
度高い温度で燒結するので、液相状態で低粘度の銅が表
面に過剰に滲み出し、面粗度の低下、凹凸の発生、寸法
精度の低下等が生じるという問題がある。さらに、段付
きの製品の場合は、滲み出した銅が段部のコーナー部に
溜り、丸みがついてしまうという問題点もあった。この
ため、粉末混合法でも溶浸法と同程度の機械加工が必要
であった。
製造方法は、いずれも次のような問題点があった。ま
ず、溶浸法は、燒結工程の後に溶浸工程が必要であるた
め工程が長く、しかも、溶浸後表面に銅が盛り上がり、
全面の機械加工が必要となるので、製造コストが高くな
る。また、粉末混合法は、銅の融点よりも200〜300℃程
度高い温度で燒結するので、液相状態で低粘度の銅が表
面に過剰に滲み出し、面粗度の低下、凹凸の発生、寸法
精度の低下等が生じるという問題がある。さらに、段付
きの製品の場合は、滲み出した銅が段部のコーナー部に
溜り、丸みがついてしまうという問題点もあった。この
ため、粉末混合法でも溶浸法と同程度の機械加工が必要
であった。
そこで、本発明は、上記従来の製法における問題点を
解決し、仕上げ加工が少なくてすむ含銅半導体基板材料
の製法を提供することを課題としている。
解決し、仕上げ加工が少なくてすむ含銅半導体基板材料
の製法を提供することを課題としている。
発明の開示 上記課題を解決するために、本発明は以下のような構
成とした。すなわち、本発明にかかる半導体基板材料の
製造方法は、粒度１ミクロ以下のタングステン粉末およ
び／またはモリブデン粉末と、粒度７ミクロン以下の銅
粉と、微量の鉄族金属及びリンもしくはリン化合物とを
混合し、1.0トン/cm2以上の圧力で加圧成形した後、銅
の融点以下の固液共存域の温度で燒結して所望形状の燒
結体を得ることを特徴としている。
成とした。すなわち、本発明にかかる半導体基板材料の
製造方法は、粒度１ミクロ以下のタングステン粉末およ
び／またはモリブデン粉末と、粒度７ミクロン以下の銅
粉と、微量の鉄族金属及びリンもしくはリン化合物とを
混合し、1.0トン/cm2以上の圧力で加圧成形した後、銅
の融点以下の固液共存域の温度で燒結して所望形状の燒
結体を得ることを特徴としている。
また、本発明にかかる半導体基板材料は、重量比で銅
を５〜30％、燐を0.002〜0.07％、コバルト、ニッケ
ル、鉄のうちの１種または２種以上を0.1〜0.5％含有
し、残部が実質的にタングステンおよび／またはモリブ
デンであることを特徴としている。
を５〜30％、燐を0.002〜0.07％、コバルト、ニッケ
ル、鉄のうちの１種または２種以上を0.1〜0.5％含有
し、残部が実質的にタングステンおよび／またはモリブ
デンであることを特徴としている。
さらに、本発明の半導体用パッケージは、上記本発明
の半導体基板材料を半導体搭載部材または放熱板として
使用していることを特徴としている。
の半導体基板材料を半導体搭載部材または放熱板として
使用していることを特徴としている。
以下、具体例を挙げつつ本発明についてより詳細に説
明する。
明する。
本発明では、純銅の場合存在しない固液共存状態を生
成させ、この温度域において燒結を行う点に特徴があ
る。このためには、銅に微量の鉄族金属および燐を添加
するのがよい。例えば、銅10％、コバルト0.2％、リン
0.028％を含有する合金（Ｗ−10Cu−0.2Co−0.028P）の
場合、固液共存領域は1060〜1080℃であり、銅の融点10
83℃よりも低い。なお、固液共存状態では、銅の粘度が
高いため、上記のような銅の大量の滲み出しによる問題
は生じない。
成させ、この温度域において燒結を行う点に特徴があ
る。このためには、銅に微量の鉄族金属および燐を添加
するのがよい。例えば、銅10％、コバルト0.2％、リン
0.028％を含有する合金（Ｗ−10Cu−0.2Co−0.028P）の
場合、固液共存領域は1060〜1080℃であり、銅の融点10
83℃よりも低い。なお、固液共存状態では、銅の粘度が
高いため、上記のような銅の大量の滲み出しによる問題
は生じない。
本発明の製法によれば、上記の如く、銅の固液共存領
域で燒結を行うが、従来の銅とタングステン（モリブデ
ン）のみからなる合金をこのような低温域で燒結しても
緻密な合金を得ることはできない。このため、本発明で
は、以下に述べるような条件を採用するのが好ましい。
域で燒結を行うが、従来の銅とタングステン（モリブデ
ン）のみからなる合金をこのような低温域で燒結しても
緻密な合金を得ることはできない。このため、本発明で
は、以下に述べるような条件を採用するのが好ましい。
まず、原料であるタングステン（高融点金属としてタ
ングステンの代わりにモリブデンを用いる場合もほぼ同
様であるので、以下タングステンを例にとって説明す
る。）粉末としては、低温での燒結を促進させるため、
従来のものよりも微粒の粉末を使用する。この粉末とし
ては平均粒度１ミクロン以下のものが好ましい。タング
ステン粒度が大きいと、粒子同士の隙間も大きくなり、
高粘度の銅の浸透による充填が困難となる。
ングステンの代わりにモリブデンを用いる場合もほぼ同
様であるので、以下タングステンを例にとって説明す
る。）粉末としては、低温での燒結を促進させるため、
従来のものよりも微粒の粉末を使用する。この粉末とし
ては平均粒度１ミクロン以下のものが好ましい。タング
ステン粒度が大きいと、粒子同士の隙間も大きくなり、
高粘度の銅の浸透による充填が困難となる。
同じく原料として使用する銅粉末も、従来のものより
も細かい粉末を用いるのが好ましい。これは、粘度の低
い液相の銅の場合に期待できる空隙の充填およびタング
ステン粒子の再配列が起こらないので、予め均一に微細
分散している必要があるからである。銅の好ましい粒度
は７ミクロン以下である。銅粉末の粒度がこれよりも大
きいと、後述の混合時に銅粉末が凝集し、均一分散の妨
げとなる恐れがある。なお、銅粉末の代わりに酸化銅粉
末を用いる場合は、混合時に破砕されやすいので、粒度
が10ミクロン以下のものを使用することができる。この
酸化銅粉末は、燒結工程で還元される。
も細かい粉末を用いるのが好ましい。これは、粘度の低
い液相の銅の場合に期待できる空隙の充填およびタング
ステン粒子の再配列が起こらないので、予め均一に微細
分散している必要があるからである。銅の好ましい粒度
は７ミクロン以下である。銅粉末の粒度がこれよりも大
きいと、後述の混合時に銅粉末が凝集し、均一分散の妨
げとなる恐れがある。なお、銅粉末の代わりに酸化銅粉
末を用いる場合は、混合時に破砕されやすいので、粒度
が10ミクロン以下のものを使用することができる。この
酸化銅粉末は、燒結工程で還元される。
本発明の半導体基板材料には、上記以外に、微量成分
として鉄族金属と燐が添加される。鉄族金属としては、
コバルト、鉄、ニッケルのうちの１種または２種以上を
0.1〜0.5重量％含有させるのが好ましい。発明者らの研
究によれば、これら鉄族金属と燐の添加により、固液共
存域が得られるとともに、タングステン粒子表面の活性
度が改善される。銅−鉄族金属−燐相は、低温にもかか
わらずタングステン表面を濡らす性能に優れている。ま
た、燐は銅に溶け込んで脱酸効果を発揮し、熱伝導度を
改善する。
として鉄族金属と燐が添加される。鉄族金属としては、
コバルト、鉄、ニッケルのうちの１種または２種以上を
0.1〜0.5重量％含有させるのが好ましい。発明者らの研
究によれば、これら鉄族金属と燐の添加により、固液共
存域が得られるとともに、タングステン粒子表面の活性
度が改善される。銅−鉄族金属−燐相は、低温にもかか
わらずタングステン表面を濡らす性能に優れている。ま
た、燐は銅に溶け込んで脱酸効果を発揮し、熱伝導度を
改善する。
燐は、通常Cu8P（燐化銅）、燐を８重量％含んだ銅と
の混合粉末（市販品）、Co2P（燐化コバルト）、燐化ニ
ッケルなどの形で添加するのが好ましい。燐酸銅粉末を
上記原料粉末に直接混合する方法でもよい。添加された
燐は焼結工程などで消費されるためか、得られる銅タン
グステン合金中に含有される（残存する）燐の量は添加
量の50〜30重量％になるのが普通である。残存する燐
（Ｐ）の量は0.002〜0.07％であるのが好ましい。
の混合粉末（市販品）、Co2P（燐化コバルト）、燐化ニ
ッケルなどの形で添加するのが好ましい。燐酸銅粉末を
上記原料粉末に直接混合する方法でもよい。添加された
燐は焼結工程などで消費されるためか、得られる銅タン
グステン合金中に含有される（残存する）燐の量は添加
量の50〜30重量％になるのが普通である。残存する燐
（Ｐ）の量は0.002〜0.07％であるのが好ましい。
つぎに、その製法について具体的に説明する。まず銅
粉末とタングステン粉末と燐成分と、鉄族金属粉末、例
えばコバルト粉末を所定の割合で配合し、混合する。鉄
族金属としては、鉄、ニッケル等を用いることができる
が、発明者らの実験ではコバルトを使用するのが好まし
かった。この混合は、超硬合金ボールを用いる強力攪拌
型ボールミル（商品名アトライター）等のミリング装置
を用いて湿式（アルコール等）で行うのが好ましい。こ
の混合中に、超硬合金ボールにより銅粉末とタングステ
ン粉末に大きな歪みが与えられる。この歪みは、燒結を
促進する駆動力の一つとなると考えられる。
粉末とタングステン粉末と燐成分と、鉄族金属粉末、例
えばコバルト粉末を所定の割合で配合し、混合する。鉄
族金属としては、鉄、ニッケル等を用いることができる
が、発明者らの実験ではコバルトを使用するのが好まし
かった。この混合は、超硬合金ボールを用いる強力攪拌
型ボールミル（商品名アトライター）等のミリング装置
を用いて湿式（アルコール等）で行うのが好ましい。こ
の混合中に、超硬合金ボールにより銅粉末とタングステ
ン粉末に大きな歪みが与えられる。この歪みは、燒結を
促進する駆動力の一つとなると考えられる。
得られた混合粉末を従来公知の方法で造粒後加圧成形
して、所定の形状の成形体とする。この時の成形圧力
は、1.0t/cm2以上とするのが好ましい。これよりも低い
圧力では、十分に緻密な成形体が得られない。この成形
体を銅の融点よりも低い固液共存領域の温度で焼結する
ことにより、銅とタングステンとが均一に分散した合金
が得られる。この方法で得られる合金は、燒結時に銅が
滲み出さないので、良好な表面を持つものである。した
がって、仕上げ加工としては、殆どの場合、仕上げラッ
プ、バレル研磨等の処理で十分である。
して、所定の形状の成形体とする。この時の成形圧力
は、1.0t/cm2以上とするのが好ましい。これよりも低い
圧力では、十分に緻密な成形体が得られない。この成形
体を銅の融点よりも低い固液共存領域の温度で焼結する
ことにより、銅とタングステンとが均一に分散した合金
が得られる。この方法で得られる合金は、燒結時に銅が
滲み出さないので、良好な表面を持つものである。した
がって、仕上げ加工としては、殆どの場合、仕上げラッ
プ、バレル研磨等の処理で十分である。
（実施例１） 以下の条件でＷ−10％Cu−0.2Co−0.028P合金を試作
した。使用した原料粉末は、平均粒度0.86ミクロンの市
販のタングステン粉末、平均粒度3.4ミクロンの市販のC
u粉末、平均粒度1.5ミクロンの市販のコバルト粉末およ
び燐が８重量％含まれた銅と燐の混合粉末（以下、8PCu
と呼ぶ）である。8PCuの量は、燒結後の残存Ｐ量が上記
の値となるようにした。これら原料粉末にエチルアルコ
ールを加えてアトライター（超硬合金ボール使用）で４
時間湿式混合した。
した。使用した原料粉末は、平均粒度0.86ミクロンの市
販のタングステン粉末、平均粒度3.4ミクロンの市販のC
u粉末、平均粒度1.5ミクロンの市販のコバルト粉末およ
び燐が８重量％含まれた銅と燐の混合粉末（以下、8PCu
と呼ぶ）である。8PCuの量は、燒結後の残存Ｐ量が上記
の値となるようにした。これら原料粉末にエチルアルコ
ールを加えてアトライター（超硬合金ボール使用）で４
時間湿式混合した。
得られた金属混合粉末に、造粒用バインダとして、PV
Pをエチルアルコールに溶解して添加した。PVPの添加量
は、1.0重量％であった。この粉末を公知の方法で造粒
し、粉末プレス機としてメカニカルプレスを用いて加圧
成形した。成形体の寸法は、32.5×32.5×1.3（mm）で
あり、成形圧力は1.5トン/cm2であった。
Pをエチルアルコールに溶解して添加した。PVPの添加量
は、1.0重量％であった。この粉末を公知の方法で造粒
し、粉末プレス機としてメカニカルプレスを用いて加圧
成形した。成形体の寸法は、32.5×32.5×1.3（mm）で
あり、成形圧力は1.5トン/cm2であった。
得られた成形体を水素雰囲気中で1.5時間焼結した。
焼結温度は、表１に示す通りである。得られた銅とタン
グステンを主成分とする焼結合金（半導体基板材料）の
特性値は表１に示す通りであった。表面に銅の赤色があ
らわれたが、過剰の滲み出しによる凹凸は認められなか
った。なお、表１には、比較例として、本発明の条件以
外のものを併記している。
焼結温度は、表１に示す通りである。得られた銅とタン
グステンを主成分とする焼結合金（半導体基板材料）の
特性値は表１に示す通りであった。表面に銅の赤色があ
らわれたが、過剰の滲み出しによる凹凸は認められなか
った。なお、表１には、比較例として、本発明の条件以
外のものを併記している。
（実施例２） 同様な条件でＷ−20Cu−0.2Co−0.028P合金を試作し
た。使用した原料粉末は、実施例１と同様である。ただ
し、燐成分としては、燐酸銅粉末を使用し、直接原料粉
末に混合した。
た。使用した原料粉末は、実施例１と同様である。ただ
し、燐成分としては、燐酸銅粉末を使用し、直接原料粉
末に混合した。
得られた混合粉末に、造粒用バインダとして、PVPを
エチルアルコールに溶解して添加した。PVPの添加量
は、1.5重量％であった。この粉末を公知の方法で造粒
し、粉末プレス機としてメカニカルプレスを用いて加圧
成形した。成形体の寸法は、45×45×1.6（mm）であ
り、成形圧力は1.5トン/cm2であった。
エチルアルコールに溶解して添加した。PVPの添加量
は、1.5重量％であった。この粉末を公知の方法で造粒
し、粉末プレス機としてメカニカルプレスを用いて加圧
成形した。成形体の寸法は、45×45×1.6（mm）であ
り、成形圧力は1.5トン/cm2であった。
得られた成形体を水素雰囲気中で1.5時間焼結した。
焼結温度は表２に示す通りである。この焼結により、寸
法34×34×1.2（mm）の銅タングステン焼結合金が得ら
れた。この銅とタングステンを主成分とする焼結合金
（半導体基板材料）の特性値は表２に示す通りであっ
た。なお、表２には、比較例として、本発明以外のもの
を併記している。同表から分かる通り、本発明品には、
表面に銅の過剰の滲み出しによる凹凸は認められなかっ
た。
焼結温度は表２に示す通りである。この焼結により、寸
法34×34×1.2（mm）の銅タングステン焼結合金が得ら
れた。この銅とタングステンを主成分とする焼結合金
（半導体基板材料）の特性値は表２に示す通りであっ
た。なお、表２には、比較例として、本発明以外のもの
を併記している。同表から分かる通り、本発明品には、
表面に銅の過剰の滲み出しによる凹凸は認められなかっ
た。
産業上の利用の可能性 以上の説明から明らかなように、本発明によれば、銅
とタングステン（モリブデン）を主成分とする半導体基
板材料を比較的簡単な工程で製造することができる。ま
た、得られた材料は、銅を含む燒結体でありながら、表
面等に銅の過剰の滲み出しによる凹凸が生じず、簡単な
仕上げ加工で製品とすることができるようになった。
とタングステン（モリブデン）を主成分とする半導体基
板材料を比較的簡単な工程で製造することができる。ま
た、得られた材料は、銅を含む燒結体でありながら、表
面等に銅の過剰の滲み出しによる凹凸が生じず、簡単な
仕上げ加工で製品とすることができるようになった。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平８−199280（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−131334（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−107741（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−111524（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−271702（ＪＰ，Ａ) 特公 昭42−22134（ＪＰ，Ｂ１) 特公 昭49−28828（ＪＰ，Ｂ１) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 23/12 C22C 1/04 C22C 27/04 H01L 23/06 H01L 23/373
Claims (3)
- 【請求項１】粒度１ミクロン以下のタングステン粉末お
よび／またはモリブデン粉末と、粒度７ミクロン以下の
銅粉と、微量の鉄族金属及びリンもしくはリン化合物と
を混合し、1.0トン/cm2以上の圧力で加圧成形した後、
銅の融点以下の固液共存域の温度で燒結して所望形状の
燒結体を得ることを特徴とする半導体基板材料の製造方
法。 - 【請求項２】重量比で銅を５〜30％、燐を0.002〜0.07
％、コバルト、ニッケル、鉄のうちの１種または２種以
上を0.1〜0.5％含有し、残部が実質的にタングステンお
よび／またはモリブデンである半導体基板材料。 - 【請求項３】重量比で銅を５〜30％、燐を0.002〜0.07
％、コバルト、ニッケル、鉄のうちの１種または２種以
上を0.1〜0.5％含有し、残部が実質的にタングステンお
よび／またはモリブデンである半導体基板材料を半導体
搭載部材または放熱板として使用した半導体用パッケー
ジ。
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PCT/JP1995/001266 WO1997001187A1 (en) | 1995-06-23 | 1995-06-23 | Method of manufacture of material for semiconductor substrate, material for semiconductor substrate, and package for semiconductor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP3336370B2 true JP3336370B2 (ja) | 2002-10-21 |
Family
ID=14126035
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP50371397A Expired - Fee Related JP3336370B2 (ja) | 1995-06-23 | 1995-06-23 | 半導体基板材料の製造方法、半導体基板材料および半導体用パッケージ |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5905938A (ja) |
| EP (1) | EP0784341A1 (ja) |
| JP (1) | JP3336370B2 (ja) |
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