JP3818102B2 - 放熱基板とその製造方法及び半導体装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置に有用な放熱基板、特に主成分がアルミニウムである第一の成分と、主成分が炭化珪素及び／又は珪素である第二の成分とを含む複合材料で構成された放熱基板、その製造方法、及びそれを用いた半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年における半導体素子の集積度の増大は目を見張るものがあり、それに伴って半導体素子から発生する熱量も急激に増加しつつある。そのため、半導体素子が搭載されている放熱基板には、優れた放熱性と、半導体素子並びに半導体装置用部材との熱膨張係数の整合性が強く求められている。
【０００３】
また、半導体装置自体についても、より一層の軽量化と薄型化・小型化が進み、これに伴って放熱基板に対しても薄型化・小型化が要求されている。同時に、放熱基板の形状も多様化・複雑化する傾向にあり、高い寸法精度に加え、低コスト化が望まれている。
【０００４】
従来、かかる放熱基板の材料としては、タングステン（以下、Ｗとも記述する）、モリブデン（以下、Ｍｏとも記述する）などの低い熱膨張係数と高い熱伝導率を兼ね備えた金属と、高い熱伝導率を有する銅（以下、Ｃｕとも記述する）とを組み合わせた複合材料が用いられてきた。しかしながら、このＷ−Ｃｕ又はＭｏ−Ｃｕの複合材料は、高価であると共に重量が嵩むため、特にプラスチック製のマザーボード上への搭載は同ボードやボールグリッドの変形・損傷を引起こし易い。
【０００５】
そこで、高熱伝導性で軽い窒化アルミニウム（以下、ＡｌＮとも記述する）、炭化珪素（以下、ＳｉＣとも記述する）などのセラミックス材料が、放熱基板材料として開発されてきた。しかし、セラミックスは難加工性であるため、加工コストが高いという問題がある。また、熱伝導率が高く且つ軽量のアルミニウム（以下、Ａｌとも記述する）又はその合金を使うことも考えられるが、柔らか過ぎるため損傷を受け易いという欠点がある。
【０００６】
そこで、Ａｌをベースにした合金や複合材料が検討された結果、例えば珪素（以下、Ｓｉとも記述する）とＡｌの複合材料や、熱伝導率の高いセラミックスとＡｌとの複合材料が、放熱基板として使われるようになってきた。例えば、ＡｌとＳｉとの複合材料（以下、Ａｌ−Ｓｉとも記述する）は、特公昭６３−１６４５８号公報などに開示されている。また、ＡｌとＳｉＣとの複合材料（以下、Ａｌ−ＳｉＣとも記述する）については、特開平１−５０１４８９号、特開平２−２４３７２９号、特開平９−１５７７７３号、特開平１０−２８００８２号及び特開平１０−３３５５３８号の各公報にそれぞれ開示されており、これらの中間組成のＡｌ、Ｓｉ及びＳｉＣを含む複合材料も知られている。
【０００７】
しかしながら、これらいずれの複合材料も硬質のＳｉＣやＳｉの粒子を含むため、通常行われる切削又は研削による仕上げ加工に手間がかかると共に、工具に高い負荷がかかり、その消耗が早い。そのことは同時に、複合材料の表面にも加工後かなりの応力が残り、反り等の変形を起こす原因となっている。特に最近では上述のように薄型化が進でいるため、反り等の変形の影響は益々大きくなっている。また、加工面には軟質のＡｌとＳｉＣ等の硬質の粒子が混在しているため、硬い粒子が工具によって毟り取られて欠落し易く、加工中にその部分を延びたＡｌが目潰しした形態になり易い。更に、工具の磨耗が進むと加工面には肌荒れが生じ易く、高い寸法精度を得ることも難い。
【０００８】
そのため、切削又は研削などの加工を行なわずに所定形状のＡｌ−ＳｉＣ複合材料を得る方法が、例えば上記した特開平１０−２８００８２号公報に提案されている。この方法は、予め焼成前に最終形状と相似形の成形体を作製した後、その各面にＳｉの酸化物などからなる特定の層を形成して、焼成後のＡｌの溶出を抑えるものである。しかし、この方法では、予め成形体の各面に特定の層を形成する必要があるため、作業が非常に面倒である。
【０００９】
尚、ＣｕやＡｌなどの金属の薄いベース基板では、半導体素子搭載用の浅い凹部を形成する場合に、化学腐食（以下、化学エッチングとも記述する）が広く利用されている。例えば、ＷＯ９９／０９５９には、マルチチップモジュール作製のための応用例が載っている。しかしながら、この例のように、化学腐食による加工方法は軟質の金属材料に適用された例が殆どである。
【００１０】
因に、全く異なった分野への適用であるが、Ａｌ−ＳｉやＡｌ−ＳｉＣなどにエッチング加工を施した例が、特開平１０−４２５７９号公報に記載されている。これは摺動材料に関するもので、表面を切削又は研磨にて仕上げ加工した後、Ａｌ部分を浅くエッチングして硬質粒子の頭を２μｍ以下突き出させることによって、耐磨耗性の改善を図ろうとするものである。しかし、この場合もエッチング前の切削や研磨による材料の変形が予想されるが、摺動材料自体が半導体装置とは全く異なる用途であるため、その点全く考慮がなされてない。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
半導体素子のパッケージにも、高性能化・高機能化に伴って各種の形態があるが、入出力端子数の増大に対応するパッケージ構造として、図７及び図８に示すフリップチップ（Ｆｌｉｐ Ｃｈｉｐ）実装型のものがある。図において、１ａ、１ｂは放熱基板、２は放熱基板に搭載された半導体素子、３はマルチチップ状の配線層、４は半田などのボールグリッド（接続端子）である。また、図７は放熱基板１ａが蓋（Ｌｉｄ）型であり、その外周枠部が配線層３と直接接合される。一方、図８は放熱基板１ｂが平板形状であり、放熱基板１ｂと配線層３の間はスティフナー５で気密封止される。
【００１２】
かかるフリップチップ型のパッケージにおいても、高性能化に伴って配線層３が多くなる（厚くなる）一方、パッケージ全体の厚みはＪＥＤＥＣ規格で定められているため、放熱基板１ａ、１ｂを薄くする必要が生じている。しかしながら、上述した高熱伝導率で放熱性に優れたＡｌ−ＳｉＣ又はＡｌ−Ｓｉからなる放熱基板は、切削又は研削による仕上げ加工により薄くするほど反り等の変形がおこり易く、特に図７に示すＬｉｄ型の放熱基板１ａでは、高い寸法精度を維持しながら現在以上の薄型化を図ることは困難な状況にある。
【００１３】
また、放熱基板に要求される特性として、パッケージとなったとき、その製品名や製造番号などを印字するため、これの印字が鮮明に見えるような表面状態が必要である。しかしながら、Ａｌ−ＳｉＣ又はＡｌ−Ｓｉからなる複合材料は、構成する成分の組成割合によっても幾分異なるが、通常は金属光沢のある黒に近い暗い灰色を呈するため、印字が識別し難いという欠点があった。
【００１４】
本発明は、このような従来の事情に鑑み、Ａｌ−ＳｉＣやＡｌ−Ｓｉ等のＡｌをベースにした複合材料からなる放熱基板において、反り等の変形をおこすことなく従来よりも一層の薄型化を可能にすると共に、製品名や製造番号などの印字を鮮明に認識できる表面状態を備えた放熱基板を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明が提供する放熱基板は、主成分がアルミニウムである第一の成分と、主成分が炭化珪素若しくは珪素又はその両方である第二の成分とを含む複合材料で構成された放熱基板であって、その片方の主面に凹部を有し、該凹部を除いた両方の主面の表面に形成された微細な凹凸の深さ方向の最大振幅が、同じ表面に露呈した第一の成分と第二の成分とからなる複合粒子か、又は第二の成分からなる粒子の深さ方向の最大長さよりも小さいことを特徴とする。
【００１６】
上記本発明の放熱基板においては、前記凹部を除いた両方の主面の表面粗さが、ＪＩＳに規定されたＲａで０.２〜２μｍの範囲にあることを特徴とする。また、前記凹部を除いた両方の主面の表面は、金属光沢を有しない灰色ないし淡灰色を呈する。
【００１７】
また、本発明が提供する放熱基板の製造方法は、主成分がアルミニウムである第一の成分と、主成分が炭化珪素若しくは珪素又はその両方である第二の成分とを含む複合材料の素材を準備する工程と、該複合材料素材の片方の主面に化学エッチングにより凹部を形成する第１のエッチング工程と、該凹部を除いた両方の主面に化学エッチングにより、深さ方向の最大振幅が同じ表面に露呈した第一の成分と第二の成分とからなる複合粒子か、又は第二の成分からなる粒子の深さ方向の最大長さよりも小さい微細な凹凸を形成する第２のエッチング工程とを含むことを特徴とするものである。
【００１８】
上記本発明の放熱基板の製造方法においては、腐食剤として、前記第１のエッチング工程では腐食物質濃度が３０〜５０質量％のアルカリ又は酸の水溶液を用い、前記第２のエッチング工程においては腐食物質濃度が３〜３０質量％のアルカリ又は酸の水溶液を用いて化学エッチングすることを特徴とする。前記アルカリ又は酸の水溶液に、別の腐食剤である銅の無機塩又は塩化物を腐食物質の合計濃度３〜５０質量％の範囲で添加することができる。また、前記アルカリ又は酸の水溶液に、弗化水素を添加することもできる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の放熱基板を構成する複合材料は、主成分がＡｌである第一の成分、即ち純Ａｌ又はＡｌ合金と、主成分がＳｉＣ及び／又はＳｉからなる第二の成分（即ち、ＳｉＣを主成分とするもの、Ｓｉを主成分とするもの、及びその両者を主成分とするもの）とを含んでいる。第一の成分に含まれるＡｌの合金元素としては、Ｍｇ、ＳｉなどＪＩＳに規定された通常のものであればよい。
【００２０】
尚、純Ａｌ、ＳｉＣ、及びＳｉの熱伝導率と熱膨張係数を下記表１に示す。第一の成分及び第二の成分のいずれも、熱伝導性を低下させないためには、第一の成分は純Ａｌが、第二の成分は純度の高いＳｉＣ又はＳｉが望ましい。特にＳｉＣについては、熱伝導性に優れた結晶型のものが望ましい。
【００２１】
【表１】
【００２２】
本発明における放熱基板１０は、図１に示すように、片方の主面１０ａに一つ又は複数の種々の形状の凹部１１が設けてある。ここで、主面とは、半導体素子が搭載される面及びその反対側の面を言う。尚、個々の凹部の形状は単純な平底状の底面を有する通常の蓋（Ｌｉｄ）型のほか、起伏のある底面であってもよく、パッケージのデザインに応じて基板の所望の部分に所望の形態の凹部を形成することができる。片方の主面１０ａの凹部１１を除く部分は、配線層その他の部材と接合される接合枠部１２であり、反対側（裏側）の主面１０ｂには製品名や製造番号などが印字される。
【００２３】
本発明の放熱基板１０では、後述するように化学エッチングにより凹部１１を形成すると共に、凹部１１を除いた両方の主面１０ａ、１０ｂの表面は、別の化学エッチングにより特定形状の微細な凹凸が形成されている。その微細な凹凸を有する表面を図３に模式的な断面図で示す。図３において、１５は放熱基板の主面、１６は主面１５の表面に露呈した硬質の粒子、即ち第一の成分と第二の成分とからなる複合粒子又は第二の成分からなる粒子、１７は第一の成分からなる部分である。尚、微視的には、この第一の成分からなる部分１７の表面及び粒子１６の上端にも微細な凹凸１７ａ及び１６ａがあり、第一の成分からなる部分１７と粒子１６との界面にも微細な凹部が存在する。
【００２４】
そして、放熱基板の主面１５に直角な方向の任意の断面を採って観察した場合、図１に示す凹部１１を除いた両方の主面１０ａ、１０ｂの表面の微視的な凹凸を描いた断面曲線は図４のようになる。この図４の断面曲線において、本発明の放熱基板では、その視野内における深さ方向の凹凸の最大振幅Ａｍａｘは、図３に示す同じ深さ方向の粒子１６の最大長さＤｍａｘよりも小さくなっている。
【００２５】
このような表面状態を有することによって、本発明の放熱基板１０の凹部１１を除いた両方の主面１０ａ、１０ｂの表面は、金属光沢が無く灰色ないし淡い灰色を呈する。また同時に、放熱基板１０に隣接配置される他の部材との接合面である接合枠部１２も、凹部１１を除いた片方の主面１０ａの一部であるから上記の表面状態を有し、そのため接合強度の向上が得られ、接続の信頼性においても優れている。
【００２６】
尚、凹部１１を除いた両方の主面１０ａ、１０ｂの表面粗さは、ＪＩＳに規定された表面粗さＲａで０.２〜２μｍの範囲内に収めるのが望ましい。Ｒａが０.２μｍ未満では金属光沢が残り、印字の鮮明さに欠けると共に、他の部材との接続強度が下がる傾向にある。また、Ｒａが２μｍを超えると、表面の凹凸が大きくなり過ぎて生地が黒色を増す傾向にあり、やはり印字の鮮明さが得られないからである。より好ましいＲａの範囲は０.５〜１.２μｍである。
【００２７】
また、本発明の放熱基板を構成する複合材料の組成範囲は、第一の成分が５５〜９６質量％、残部が第二の成分及び不可避的不純物であることが望ましい。第一の成分が５５質量％より少ないと、エッチング速度が低下して凹部形成の効率が低下する傾向にあり、９６質量％を越えると実用上第一の成分であるＡｌ又はＡｌ合金との性能の違いが無くなり、工業上の利用価値が低くなるからである。尚、同じ理由で、第二の成分がＳｉＣのみの場合には、第一の成分は６０〜９５質量％の範囲が好ましく、第二の成分がＳｉのみの場合には、第一の成分は５５〜８８質量％の範囲が好ましい。
【００２８】
更に、第一の成分と第二成分とからなる複合粒子又は第二の成分からなる粒子の平均粒径は、５〜４０μｍの範囲内が好ましく、１０〜２０μｍの範囲が更に好ましい。その平均粒径が５μｍ未満では、第二の成分を多く含む粒子の表面積が大きくなるため、エッチング速度が低下して凹部形成の効率が低下し易い。逆に平均粒径が４０μｍを越えると、上記した凹部を除く両方の主面の表面に形成される凹凸の振幅が大きくなり、その結果所望の表面色を得ることが難くなるからである。
【００２９】
本発明の放熱基板は、以上の構成を有すると同時に、比較的高い寸法精度を維持すると同時に、従来に比べて更なる薄型化が可能である。例えば、主面（片方）の面積Ａ（ｍｍ２）に対する両方の主面間の最大厚みｔ（ｍｍ）の比ｔ／Ａが０.００２（ｍｍ−１）以下のものでも、反りの発生を抑えることができるため、主面方向の反り量を０.０８ｍｍ以下にでき、更に特定仕上げ条件を選べば反り量を０.０５ｍｍ以下に抑えることも可能である。
【００３０】
なお、本発明の放熱基板は、高い放熱性と寸法精度に加え、剛性にも優れているため、図８に示した平板状のものは言うまでもなく、図７に示した接合枠部が一体化された蓋（Ｌｉｄ）型のもの、更には薄型でより複雑な形状のものにも適用することができる。
【００３１】
次に、本発明の放熱基板の製造方法について説明する。本発明の放熱基板の製造方法では、まず、放熱基板の素材となる複合材料を公知の方法により作製して準備する。即ち、Ａｌ−ＳｉＣ又はＡｌ−Ｓｉ等からなる複合材料の素材は、溶浸法、焼結法及び鋳造法を基本とし、それぞれの方法か又はこれらの方法を組み合わせた方法によって作製することができる。得られた複合材料は、その表面の汚れや酸化皮膜などをバレル研磨やショットブラストなどの手段で除去して、放熱基板用の素材とする。
【００３２】
上記複合材料の製造方法のうち、溶浸法の場合には、第二の成分の粉末を、必要により有機質バインダーを添加し、更にこれを顆粒状に造粒した後、所望の形状に成形して成形体とする。その後、第一の成分の含浸量に見合う体積の空孔量を確保するために、必要に応じて、非酸化性雰囲気中にて焼成を行なうなどして成形体の空孔量を調整することができる。その後、この多孔体を第一の成分と接触させた状態で、非酸化性雰囲気中にて第一の成分を加熱溶融し、多孔体の空孔内に含浸充填させて複合材料を得る。
【００３３】
焼結法の場合には、第一の成分と第二の成分の粉末を最終組成割合に混合し、必要に応じて有機質バインダーを添加し、更にこれを顆粒状に造粒してもよい。この原料粉末を所望の形状に成形し、成形体を非酸化性雰囲気中にて、第一の成分の融点以上の温度で加熱することにより、液相焼結されて複合材料が得られる。
【００３４】
尚、上記の溶浸法及び燒結法とも、第一の成分が外周面に溶出するのを未然に防ぐため、多孔体又は成形体の表面に溶出防止のための層を形成しておけば、複合化後に簡単な仕上げ工程のみでネットシェイブな放熱基板を得ることができる。
【００３５】
また、鋳造法の場合には、第一の成分を非酸化性雰囲気中で容器内にて溶融させ、これに予め用意された第二の成分の粉末を所望量だけ投入し、均一に混合分散した後、所定の形状に鋳込み成形し、冷却して複合材料を得る。尚、上記した溶浸法では、第二の成分の多孔体の空孔量が大きくなると、その形状維持が難しくなるため、第一の成分の量が５０質量％以下の組成のものが通常である。従って、本発明における複合材料の作製方法としては、組成に制約のない焼結法及び鋳造法を基本とすることが有利である。
【００３６】
また、複合材料がＡｌ−Ｓｉの場合には、所望の組成物の溶湯から噴霧急冷凝固した粉末を製造した後、これを熱間押出しする方法もある。この他にも基板素材の組成や形状によっては、焼結をホットプレス、熱間鋳造、熱間静水圧成形によって行なう方法、及び上記の手順を経た後更に熱間で塑性加工する方法、等々種々の手法が考えられる。
【００３７】
第一の成分の原料は、焼結法の場合は粉末状であるが、溶浸法及び鋳造法ではそれ以外の形態、例えば塊状でもよい。尚、最終的な熱伝導性を考慮すれば、第一の成分として純Ａｌ又は合金元素の少ないＡｌ合金を用いることが望ましい。第二の成分の原料は粉末状とし、ＳｉＣ、Ｓｉとも優れた熱伝導性を得るため可能な限り高純度なものを用いる。特にＳｉＣは６Ｈ型のような基本的に高い熱伝導性の結晶型のものを用いた方がよい。
【００３８】
これら第二の成分の原料粉末の平均粒径は、５〜４０μｍの範囲、望ましくは１０〜２０μｍの範囲に制御することが望ましい。既に述べたように、この平均粒径が５μｍ未満になると、複合材料素材のエッチング工程での腐食速度が低下し、凹部形成の効率が低下し易くなるからである。また、平均粒径が４０μｍを越えると、最終的に基板の凹部を除く両方の主面の表面に形成される凹凸の振幅が大きくなり、所望の生地色を得ることが難しくなるからである。
【００３９】
次いで、得られた複合材料素材に２度の化学エッチングを施し、凹部の形成と、凹部を除く両方の主面の表面状態を制御する。即ち、第１のエッチング工程では、片方の主面の一部に所望のパターンの凹部を形成するための化学エッチングを行なう。また、第２のエッチング工程においては、凹部を除く両方の主面に、その表面状態を制御して生地の外観色を改善するための化学エッチングを行なう。これら第１及び第２のエッチング工程は、どちらを先に行なってもよい。また、化学エッチングの際のマスキングは、通常行われるフォトリソグラフィ法などにより、所望のパターンに応じて施すことができる。
【００４０】
Ａｌ−ＳｉＣやＡｌ−Ｓｉなどからなる複合材料の化学エッチングにおいては、最初にＡｌ成分が選択的に腐食除去され、更にＡｌ成分の除去が進むと、Ａｌによる結合を解かれたＳｉＣ等の粒子が除去され、このような過程を繰返し経ることによりエッチングが進行する。Ａｌは両性金属であり、酸及びアルカリのいずれでも腐食作用を受ける。従って、化学エッチングに用いる腐食剤としては、基本的に、硫酸、硝酸、塩酸などの酸、若しくは水酸化ナトリウムなどのアルカリを使用する。腐食剤は、工程管理や取り扱いの点で水溶液が好ましいが、塩化水素ガスのようなガス状であってもよい。
【００４１】
腐食剤が酸やアルカリの水溶液の場合、エッチング処理が行ないやすい時間（例えば１０〜１０００秒）に制御するため、一般的には腐食物質の濃度を３〜５０質量％の範囲内に調整することが好ましい。また、通常は常温で処理するが、腐食剤中の腐食物質の濃度が低い場合や腐食性が低い場合には昇温下で行なうことができ、特に気体状態の腐食剤を用いるときは素材表面を昇温してエッチングすることもできる。
【００４２】
具体的には、本発明方法の第１のエッチング工程では、Ａｌの腐食と共に粒子の除去により凹部を形成するため、腐食速度を速めて効率よく腐食する必要がある。そのため、酸やアルカリの腐食剤水溶液中における腐食物質濃度を３０〜５０質量％とする。一方、第２のエッチング工程は、主にＡｌの腐食により表面状態を整えるものであり、粒子の除去は必ずしも必要としないので、腐食剤水溶液中の腐食物質濃度を３〜３０質量％、好ましくは３〜１０質量％の範囲として、Ａｌが徐々に除去されるようにする。
【００４３】
腐食速度を調整するために、酸やアルカリとは別の腐食物質として、Ａｌよりも貴な金属の塩や塩化物、例えば硫酸銅（以下、ＣｕＳＯ４とも記述する）を、質量比で腐食物質全体の５０％以上加えることができる。かかる金属塩などを腐食剤水溶液に加える場合、腐食物質の合計濃度は３〜５０質量％の範囲内が好ましいが、金属塩などを加えない場合に比べて多めにすることが望ましい。更に、上記の金属塩の代りに、腐食剤水溶液と逆性を呈する物質（腐食剤水溶液が酸性であればアルカリ性物質、アルカリ性であれば酸性物質）を加えることができ、その添加によって直ちに金属塩を生成する物質であってもよい。
【００４４】
尚、特に第２のエッチング工程では、所望の表面状態を得るために、適切な腐食物質濃度や腐食時間などの条件を予め実験的に定めておくことが望ましい。例えば、鋳造法により作製したＡｌ−２０％ＳｉＣの複合材料の場合、腐食剤水溶液としてＮａＯＨ５質量％溶液を用いて液温４０℃で３０〜１２０秒の条件、あるいはＮａＯＨ２０質量％溶液を用いて液温２０℃で４０〜１８０秒の条件でエッチングすることにより、それぞれ所望の表面状態とすることができる。図５は、Ａｌ−２０％ＳｉＣの複合材料を、ＮａＯＨ５質量％溶液を用いて液温４０℃で６０秒エッチングした場合の表面の凹凸曲線である。
【００４５】
原料となるＡｌ、ＳｉＣ、Ｓｉの各粉末表面には必ず酸素が存在するため、これらを高温処理して得られた複合材料にはＡｌやＳｉの酸化物及びＡｌの珪酸塩の極薄い皮膜が形成されている。これらの酸化物皮膜は、放熱基板としたとき他の部材との接合強度を弱め、あるいは表面での熱抵抗を高める結果となるため、除去することが好ましい。そのためには、上記した液体状又は気体状の腐食剤中に弗化水素（以下、ＨＦとも記述する）を微量添加することが好ましい。しかし、特に第２のエッチング工程では、ＨＦの添加量が質量比で１％以上になると、所望の表面状態を安定して得ることが難しくなるため注意を要する。
【００４６】
また、上記の第１及び第２のエッチング工程は、１個の放熱基板に対応する個々の複合材料ごとに行なうこともできるが、シート状の複合材料素材にエッチングを施して、同時に多数固の放熱基板を製造することもできる。例えば、図２に示すように、複合材料の素材を準備する工程で放熱基板１０が多数個取り可能なシート状の複合材料素材を作製し、第１のエッチング工程で凹部１１を形成する際に個々の放熱基板１０となる部分の外周に薄肉の枠状部分１３を残し、凹部１１を除く主面に第２のエッチング工程を施した後、この枠状部分１３を切断することによって、同時に多数の放熱基板１０を製造することができる。
【００４７】
上記した第１のエッチング工程では、Ａｌが選択的に腐食されると共にＳｉＣ、Ｓｉ、又はＳｉＣ−Ｓｉの粒子が除去されてエッチングが進行し、半導体素子搭載のための凹部をはじめ、あらゆる形状の凹部を効率的に高い精度で形成することができる。この第１のエッチング工程で形成される凹部は、黒灰色を呈している。この凹部が黒灰色を呈するのは、多くの粒子が脱落しているため、表面に形成された凹凸の深さ方向における振幅が粒子の深さ方向の最大長よりも大きくなり、表面の凹凸の起伏が大きくなっているためと考えられる。
【００４８】
また、この第１のエッチング工程では、Ａｌを主成分とする第一の成分の質量比とＳｉＣ等の粒子のサイズが、エッチング後の基板全体の形状に影響を与える。即ち、第一の成分が５５質量％以上であって、ＳｉＣなどの粒子の平均粒径が５〜４０μｍ、好ましくは１０〜２０μｍであれば、薄い放熱基板であっても主面方向の反り量を０.０８ｍｍ以下に抑えることができる。第一の成分の質量比や粒子のサイズが上記範囲以外では、エッチング速度が低下して凹部形成に時間がかかり過ぎ、基板の厚みに部分的な差異が生じるため、基板の微小な変形が助長されるものと考えられる。
【００４９】
放熱基板の素材である複合材料は、焼結法、鋳造法、溶浸法などの作製方法に拘わらず、Ａｌによる金属光沢を有すると共に黒い灰色を呈している。ところが、本発明方法の第２のエッチング工程によって、凹部を除いた両方の主面が金属光沢を有しない灰色ないし淡灰色を呈する表面状態となる。これは、その表面に形成された微細な凹凸の深さ方向の最大振幅が、同じ表面に露呈した硬質粒子の深さ方向の最大長さよりも小さくなるように制御されているためである。そのため、この表面部分に製品名や製造番号等を、レーザー照射や黒色系インクでの印字によって、直接且つ鮮明に表示することができる。
【００５０】
また、凹部を設けた主面の凹部の周囲に残る接合枠部も、本発明方法の第２のエッチング工程によって上記の特長を備えた微細な凹凸が形成されている。しかも、前記のごとく主面方向の反り量も小さく維持できるため、この接合枠部に他の部品や部材を接合する場合に高い接合強度が得られ、且つ接合強度のバラツキも小さくなり、実用上高い信頼性のパッケージを作製することができる。
【００５１】
第２のエッチング工程で得られる凹部を除いた両方の主面の表面状態は、ＪＩＳに規定された表面粗さＲａで０.２〜２μｍであることが好ましい。Ｒａが０.２μｍ未満では金属光沢が残り、印字の鮮明さに欠けると共に、他の部材との接続強度が低下しやすくなる。また、Ｒａが２μｍを越えると、表面の凹凸が大きくなり過ぎるため、やはり印字の鮮明さが得られない。
【００５２】
尚、このような表面状態は、第２のエッチング工程だけでなく、これとサンドブラストやバレル研磨等の表面仕上げ加工とを組合わせることにより、又は微細な凹凸を設けたロールを押し付ける加圧又は圧延を組合わせることによっても得ることができる。これらの場合、通常は第２のエッチング工程を後で行なうことが望ましい。しかし、これらの工程を組合わせた方法では、最大厚みが２.０ｍｍ以下の薄い放熱基板の場合、基板全体に反りが発生しやすく、その結果基板の主面方向における反り量が０.０８ｍｍを超えることがあるので注意を要する。
【００５３】
これに対して、本発明の第１及び第２のエッチング工程により製造した放熱基板では、最大厚みが２.０ｍｍ以下の薄い放熱基板でも、基板全体の反りの発生を０.０８ｍｍ以下に抑制することができる。特に、実際の製品に要求される０.０５ｍｍ以下の反り量を、主面（片方）の面積Ａ（ｍｍ２）に対する両方の主面間の最大厚みｔ（ｍｍ）の比ｔ／Ａが０.００２（ｍｍ−１）以下の薄い放熱基板において、実現することが可能である。
【００５４】
更に、本発明は、上記のごとく第１及び第２のエッチング工程を含む方法により製造され、その主面の片方に凹部を有すると共に、その凹部を除いた主面の表面に特定の表面状態を有する微細な凹凸を設けた放熱基板を用いた半導体装置（パッケージを含む）を提供するものである。
【００５５】
【実施例】
実施例１
第一の成分となる粉末として、いずれも純度が９９.４質量％で平均粒径４０μｍの純Ａｌ粉末（Ａｌ粉末▲１▼）、５質量％のＳｉを含む溶湯噴霧（アトマイズ）Ａｌ合金粉末（Ａｌ粉末▲２▼）、５質量％のＭｇを含む溶湯噴霧Ａｌ合金粉末（Ａｌ粉末▲３▼）を準備した。また、第二の成分となる粉末として、純度が９９.８質量％で下記表２に記載した平均粒径を有するＳｉＣ又はＳｉ粉末を準備した。
【００５６】
これらの原料粉末を、下記表２の「原料粉末組成」欄に示す質量割合で混合し、長さ及び幅が５０ｍｍ、厚みが１０ｍｍの平板状に成形した。この成形体を窒素雰囲気のベルト炉にて６６５℃まで昇温し、３０分保持して焼結して複合材料を得た後、熱間圧延機を用いて厚み１.０ｍｍまでシート状に圧延した。
【００５７】
【表２】
【００５８】
得られた各試料の複合材料素材は、いずれも表面が金属光沢を有する黒灰色であり、第一の成分の増加に伴って金属光沢が増す傾向が認められた。これらの各試料の複合材料素材について、素材表面粗さＲａを測定すると共に、素材から試片を切り出して、レーザーフラッシュ法による熱伝導率と、差動トランス法による熱膨張係数を測定し、それらの結果を下記表３の「素材の特性」欄に示した。
【００５９】
次に、各複合材料素材を濃度１０質量％のＮａＯＨ水溶液に、液温３０℃で６０秒間浸漬して化学エッチング（本発明の第２のエッチング工程）を行なった。得られたエッチング後の表面粗さＲａを測定し、得られた結果を表面の色と共に、下記表３の「エッチング後」欄に示した。尚、この時点での表面状態が、請求項１に規定する凹部を除いた両方の主面の表面状態に対応する。
【００６０】
更に、各複合材料素材に図２に点線で示すパターンに沿って化学エッチング（本発明の第１のエッチング工程に相当する）を行ない、各放熱基板１０を切り取ると共に、その中央部に凹部１１を形成した。即ち、まず凹部１１以外の部分をフォトリソグラフィ法によりマスキングした後、濃度３０質量％のＮａＯＨ水溶液を用い、液温３０℃で３０〜６０秒間浸漬してエッチングして、長さ及び幅が１５ｍｍで深さ０.５ｍｍの凹部１１を形成した。次に、枠状部分１３以外の部分を同様にマスキングし、同じＮａＯＨ水溶液を用い液温３０℃で更に３０〜６０秒間エッチングした。
【００６１】
このようにして得られた各試料１２枚の蓋（Ｌｉｄ）型の放熱基板は、いずれも凹部は黒色に近い灰色であるが、それ以外の表面は表３に示すごとく当初の金属光沢が失われると同時に、白さが増して灰色ないし淡い灰色を呈しており、この表面にレーザー照射又は黒色インクで施した印字を鮮明に確認できることが分かった。尚、得られた各放熱基板の外寸は縦横３０ｍｍ、最大厚み１ｍｍ、凹部の厚み０.５ｍｍであった。
【００６２】
また、各試料の放熱基板について、反り量を測定し、その結果を表３の「エッチング後」欄に示した。反り量の測定は、図６に示すように、試料となる放熱基板２０の凹部が形成されている主面を下にして定盤２１上に載せ、上側の主面の２つの対角線方向に光源２２からのレーザービーム２２ａを照射して、その主面の表面からの距離を測る方法によって行なった。対角線方向に測定した光源２から主面までの最少距離をＬ（ｍｍ）及び最大距離をＬ０（ｍｍ）とし、対角線方向の走査距離をＤ（ｍｍ）としたとき、（Ｌ０−Ｌ）／Ｄを求め、２方向での大きい方の値を反り量とした。尚、別途本実施例の厚み１ｍｍの圧延されたシートから縦横３０ｍｍの試片を機械切断と研磨仕上げで外寸（縦横３０ｍｍで厚み１ｍｍ）を確保した後、前記と同じ条件で凹部と主面のエッチングを行なった試料も、表３と同じ分だけ作製した。これらの試料の反り量を上記と同様に測定したところ、全て１.０ｍｍを超えていた。
【００６３】
【表３】
【００６４】
更に、各試料の放熱基板について、−６０℃で３０分保持後、＋１５０℃で３０分保持を１サイクルとし、これを５００サイクル繰り返す冷熱サイクルを施した後、上記と同様にして反り量を測定した。本発明による試料の放熱基板は、この冷熱サイクル前後において反り量に殆ど変化はなかった。
【００６５】
実施例２
上記実施例１と同じ原料粉末を用い、前記表２と同じ成分・組成で鋳造法により複合材料を製造した。即ち、第一の成分の粉末を窒素雰囲気中にて６８０℃で溶解し、この溶湯中に第二の成分のＳｉＣ又はＳｉ粉末を投入し、均一に分散混合した後、予め用意した寸法２００×１００×２０ｍｍの鋳型に流し込み、冷却して複合材料を製作した。得られた複合材料を、実施例１と同様に厚み２.０ｍｍになるまで圧延してシート状とした。
【００６６】
得られた各試料の複合材料素材は、いずれも表面が金属光沢を有する黒灰色であり、第一の成分の増加に伴って金属光沢が増す傾向が認められた。また、各複合材料素材の密度は全ての試料でほぼ１００％であったが、熱伝導率は前記表２、表３に示した対応する組成の焼結法による試料に比べ全体的に若干低下（８％程度まで）し、熱膨張係数は表２、表３に示した対応する組成の焼結法による試料に比べ全体的に若干大きめ（５％程度まで）となった。
【００６７】
その後、濃度１０質量％のＮａＯＨ水溶液を用い実施例１と同じ条件で化学エッチング（本発明の第２のエッチング工程）を行なったところ、表面の金属光沢が失われ、白さが増して灰色ないし淡い灰色を呈し、印字が鮮明に確認できることが分った。
【００６８】
上記シート状の複合材料素材の大きさは、いずれの試料もほぼ２００×１０００×２ｍｍであり、この素材から縦横３０ｍｍ、厚み２ｍｍの基板１８０個が得られるようにマスキングした。その後、実施例１と同様に化学エッチングして、長さ及び幅が１５ｍｍで深さ１ｍｍの凹部の形成と、シート状の複合材料素材からの蓋型放熱基板の分離を行なった。得られた各試料１８０個の放熱基板は、その一部について実施例１と同様に冷熱サイクル前後の反り量を測定したところ、前記表２、表３に示す焼結法によるものと大差なく、冷熱サイクル前後での変化も殆どなかった。
【００６９】
実施例３
前記実施例１の表２における試料１０と同じ原料・組成で、実施例１と同様の焼結法と圧延法により複合材料素材（縦横３０ｍｍ×厚み１.０ｍｍ）を作製し、その表面状態と化学エッチング条件との関係を確認した。化学エッチング条件については表４に示すように変化させ、エッチング後の表面の呈色を観察すると共に、その表面粗さＲａを測定し、得られた結果を下記表５に示した。尚、エッチング前の試料１０の複合材料素材は、表面が金属光沢を有する黒灰色であった。
【００７０】
【表４】
【００７１】
次に、上記各条件でのエッチング後の複合材料素材（縦横３０ｍｍ×厚み１.０ｍｍ）について、実施例１と同様に化学エッチングにより凹部を形成した後、得られた放熱基板と他の半導体装置用部材との接合性の良否を評価した。
【００７２】
まず、基板の凹部を形成した主面と反対側の主面にＡｕ−Ｓｎ系半田のメタライズ層を形成した試片Ａを用意し、その主面上に５ｍｍ径の半球状のＡｕ−Ｓｎ系半田層を介して直径１ｍｍの銅線を垂直方向に固定した。この試片Ａの５個について、基板を固定した状態で銅線を基板に対して直角方向上方に５ｍｍ／秒で引張り、１５分間保持したとき銅線が基板主面から剥離するか否かを確認した。その結果、いずれの試料についても銅線は剥離しなかったが、試料１０−１５ではメタライズ層に微細な亀裂が生じていた。
【００７３】
また、基板の凹部を形成した主面に、タングステンメタライズ層とニッケルメッキ層を施し、その上に基板と同じ縦横３０ｍｍの積層回路（窒化アルミニウムセラミックスにタングステンパターン回路を形成し、５層に積層したもの）をＡｕ−Ｓｎ系半田で接合して試片Ｂ（パッケージ）とした。この試片Ｂについて、実施例１と同じ冷熱サイクルを負荷し、その前後での反り量を測定した。測定方法は、実施例１及び図６に述べた方法を用いた。得られた結果を表５に併せて示した。
【００７４】
【表５】
【００７５】
以上の結果から分かるように、表面状態を制御するための本発明方法における第２の化学エッチング工程では、鮮明な印字を得るために表面が黒色を帯びないよう、腐食物質の濃度を３０質量％以下とする必要がある。また、腐食物質の濃度を１０質量％以下にすれば、淡い灰色を呈するようになり、より鮮明な印字が得られることが分かる。
【００７６】
尚、腐食剤である酸又はアルカリの水溶液にＡｌより貴な金属の塩を添加すれば、酸又はアルカリの濃度が１０質量％を超えても、淡い灰色の生地色が得られることが分かる。また、腐食剤として硝酸を用いる場合には、０.５質量％程度のＨＦを添加すれば、エッチング時間の短縮を図ることができる。
【００７７】
実施例４
前記実施例１の表２における試料４及び試料９と同じ原料・組成で、実施例１と同様の焼結法と圧延法により厚みを下記表６のごとく変えた複合材料素材を作製した。得られた各複合材料素材について、濃度１０質量％のＮａＯＨ水溶液を用いて実施例１と同じ条件で表面状態を制御するための化学エッチング（本発明の第２のエッチング工程）を行い、続いて濃度３０質量％のＮａＯＨ水溶液を用い実施例１と同様に化学エッチング（本発明の第１のエッチング工程）を行い、凹部の形成と基板ごとの切り離しを行なって、縦横３０ｍｍ（主面の面積（Ａ）９００ｍｍ２）で厚み（ｔ）の異なる放熱基板を作製した。
【００７８】
その後、基板の凹部を形成した主面と反対側の主面に、タングステンメタライズ層とニッケルメッキ層を施し、その上に積層回路（窒化アルミニウムセラミックスにタングステンパターン回路を形成し、５層に積層したもの）をＡｕ−Ｓｎ系半田で接合した。得られた各試料について、実施例１と同様の冷熱サイクルを負荷し、その前後での反り量を実施例１及び図６に述べた方法を用いて測定した。得られた結果を下記表６に示した。尚、表中のｔ／Ａは、主面の面積Ａ（９００ｍｍ２）に対する両方の主面間の最大厚みｔ（ｍｍ）の比である。
【００７９】
【表６】
【００８０】
表６の結果から分かるように、基板の厚みが１.５ｍｍ以下でｔ／Ａが０.００２未満になるとエッチング後の反り量は若干大きくなるが、実用上全く問題にならない程度であり、冷熱サイクルによっても反り量は増加しなかった。更に、上記焼結法の代りに、実施例２と同じ鋳造法で複合材料素材を作製し、上記と同じ試験を行なったところ、上記表６とほぼ同じ結果が得られた。
【００８１】
実施例５
前記実施例１の表２における試料２〜５、試料８〜１１及び試料２４〜２５の１０種類の組成にて、実施例１と同じ焼結法及び実施例２と同じ鋳造法によって複合材料のシートを作製した。これらに実施例１と同じ化学エッチングを行ない、縦横３０ｍｍ及び厚み１ｍｍで、その片方の主面に縦横１５ｍｍ及び深さ０.５ｍｍの凹部を有する放熱基板を作製した。これらの基板の凹部を有する側の主面に、縦横３０ｍｍの窒化アルミニウム積層回路を実施例４で述べた手順に従って接合し、それぞれパッケージを作製した。
【００８２】
得られた各パッケージについて、実施例１の単サイクルプログラムで１０００回の冷熱サイクルを負荷し、その前後における基板側主面（凹部形成側主面の反対側の主面）の反り量、及び凹部形成主面の冷熱サイクル負荷後における積層回路接合部の損傷状況を確認（拡大目視）した。その結果、全ての試料で反り量の変化は殆ど見られず、上記接合部にも損傷は認められなかった。この結果から、本発明の方法で得られた放熱基板を用いた半導体装置は、高い信頼性を有することが分かる。
【００８３】
【発明の効果】
本発明によれば、Ａｌ−ＳｉＣやＡｌ−Ｓｉ等のＡｌをベースにした複合材料からなる放熱基板について、２種の化学エッチングにより、反り等の変形を抑え、高い寸法精度を維持しながら凹部を形成して、従来よりも一層の薄型化を可能にすると共に、パッケージの名称や製造番号などの印字を鮮明に認識できる表面状態を備えた放熱基板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の放熱基板を示す概略の断面図である。
【図２】多数個の放熱基板の製造が可能なシート状の複合材料素材を示す概略の平面図である。
【図３】本発明の放熱基板における凹部を除く主面の微細な凹凸の表面状態を模式的に示す断面図である。
【図４】図３の表面状態における微視的な凹凸を描いた断面曲線である。
【図５】特定組成のＡｌ−ＳｉＣ複合材料において、凹部を除く主面の表面を測定した断面曲線である。
【図６】基板の反り量の測定方法を模式的に示す説明図である。
【図７】蓋（Ｌｉｄ）型の放熱基板を用いたパッケージの具体例を示す概略の断面図である。
【図８】平板形状の放熱基板を用いたパッケージの具体例を示す概略の断面図である。
【符号の説明】
１ａ、１ｂ、１０、２０ 放熱基板
２ 半導体素子
３ 配線層
４ ボールグリッド
５ スティフナー
１０ａ、１０ｂ、１５ 主面
１１ 凹部
１２ 接合枠部
１６ 粒子
１７ 第一の成分からなる部分
２１ 定盤
２２ 光源
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置に有用な放熱基板、特に主成分がアルミニウムである第一の成分と、主成分が炭化珪素及び／又は珪素である第二の成分とを含む複合材料で構成された放熱基板、その製造方法、及びそれを用いた半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年における半導体素子の集積度の増大は目を見張るものがあり、それに伴って半導体素子から発生する熱量も急激に増加しつつある。そのため、半導体素子が搭載されている放熱基板には、優れた放熱性と、半導体素子並びに半導体装置用部材との熱膨張係数の整合性が強く求められている。
【０００３】
また、半導体装置自体についても、より一層の軽量化と薄型化・小型化が進み、これに伴って放熱基板に対しても薄型化・小型化が要求されている。同時に、放熱基板の形状も多様化・複雑化する傾向にあり、高い寸法精度に加え、低コスト化が望まれている。
【０００４】
従来、かかる放熱基板の材料としては、タングステン（以下、Ｗとも記述する）、モリブデン（以下、Ｍｏとも記述する）などの低い熱膨張係数と高い熱伝導率を兼ね備えた金属と、高い熱伝導率を有する銅（以下、Ｃｕとも記述する）とを組み合わせた複合材料が用いられてきた。しかしながら、このＷ−Ｃｕ又はＭｏ−Ｃｕの複合材料は、高価であると共に重量が嵩むため、特にプラスチック製のマザーボード上への搭載は同ボードやボールグリッドの変形・損傷を引起こし易い。
【０００５】
そこで、高熱伝導性で軽い窒化アルミニウム（以下、ＡｌＮとも記述する）、炭化珪素（以下、ＳｉＣとも記述する）などのセラミックス材料が、放熱基板材料として開発されてきた。しかし、セラミックスは難加工性であるため、加工コストが高いという問題がある。また、熱伝導率が高く且つ軽量のアルミニウム（以下、Ａｌとも記述する）又はその合金を使うことも考えられるが、柔らか過ぎるため損傷を受け易いという欠点がある。
【０００６】
そこで、Ａｌをベースにした合金や複合材料が検討された結果、例えば珪素（以下、Ｓｉとも記述する）とＡｌの複合材料や、熱伝導率の高いセラミックスとＡｌとの複合材料が、放熱基板として使われるようになってきた。例えば、ＡｌとＳｉとの複合材料（以下、Ａｌ−Ｓｉとも記述する）は、特公昭６３−１６４５８号公報などに開示されている。また、ＡｌとＳｉＣとの複合材料（以下、Ａｌ−ＳｉＣとも記述する）については、特開平１−５０１４８９号、特開平２−２４３７２９号、特開平９−１５７７７３号、特開平１０−２８００８２号及び特開平１０−３３５５３８号の各公報にそれぞれ開示されており、これらの中間組成のＡｌ、Ｓｉ及びＳｉＣを含む複合材料も知られている。
【０００７】
しかしながら、これらいずれの複合材料も硬質のＳｉＣやＳｉの粒子を含むため、通常行われる切削又は研削による仕上げ加工に手間がかかると共に、工具に高い負荷がかかり、その消耗が早い。そのことは同時に、複合材料の表面にも加工後かなりの応力が残り、反り等の変形を起こす原因となっている。特に最近では上述のように薄型化が進でいるため、反り等の変形の影響は益々大きくなっている。また、加工面には軟質のＡｌとＳｉＣ等の硬質の粒子が混在しているため、硬い粒子が工具によって毟り取られて欠落し易く、加工中にその部分を延びたＡｌが目潰しした形態になり易い。更に、工具の磨耗が進むと加工面には肌荒れが生じ易く、高い寸法精度を得ることも難い。
【０００８】
そのため、切削又は研削などの加工を行なわずに所定形状のＡｌ−ＳｉＣ複合材料を得る方法が、例えば上記した特開平１０−２８００８２号公報に提案されている。この方法は、予め焼成前に最終形状と相似形の成形体を作製した後、その各面にＳｉの酸化物などからなる特定の層を形成して、焼成後のＡｌの溶出を抑えるものである。しかし、この方法では、予め成形体の各面に特定の層を形成する必要があるため、作業が非常に面倒である。
【０００９】
尚、ＣｕやＡｌなどの金属の薄いベース基板では、半導体素子搭載用の浅い凹部を形成する場合に、化学腐食（以下、化学エッチングとも記述する）が広く利用されている。例えば、ＷＯ９９／０９５９には、マルチチップモジュール作製のための応用例が載っている。しかしながら、この例のように、化学腐食による加工方法は軟質の金属材料に適用された例が殆どである。
【００１０】
因に、全く異なった分野への適用であるが、Ａｌ−ＳｉやＡｌ−ＳｉＣなどにエッチング加工を施した例が、特開平１０−４２５７９号公報に記載されている。これは摺動材料に関するもので、表面を切削又は研磨にて仕上げ加工した後、Ａｌ部分を浅くエッチングして硬質粒子の頭を２μｍ以下突き出させることによって、耐磨耗性の改善を図ろうとするものである。しかし、この場合もエッチング前の切削や研磨による材料の変形が予想されるが、摺動材料自体が半導体装置とは全く異なる用途であるため、その点全く考慮がなされてない。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
半導体素子のパッケージにも、高性能化・高機能化に伴って各種の形態があるが、入出力端子数の増大に対応するパッケージ構造として、図７及び図８に示すフリップチップ（Ｆｌｉｐ Ｃｈｉｐ）実装型のものがある。図において、１ａ、１ｂは放熱基板、２は放熱基板に搭載された半導体素子、３はマルチチップ状の配線層、４は半田などのボールグリッド（接続端子）である。また、図７は放熱基板１ａが蓋（Ｌｉｄ）型であり、その外周枠部が配線層３と直接接合される。一方、図８は放熱基板１ｂが平板形状であり、放熱基板１ｂと配線層３の間はスティフナー５で気密封止される。
【００１２】
かかるフリップチップ型のパッケージにおいても、高性能化に伴って配線層３が多くなる（厚くなる）一方、パッケージ全体の厚みはＪＥＤＥＣ規格で定められているため、放熱基板１ａ、１ｂを薄くする必要が生じている。しかしながら、上述した高熱伝導率で放熱性に優れたＡｌ−ＳｉＣ又はＡｌ−Ｓｉからなる放熱基板は、切削又は研削による仕上げ加工により薄くするほど反り等の変形がおこり易く、特に図７に示すＬｉｄ型の放熱基板１ａでは、高い寸法精度を維持しながら現在以上の薄型化を図ることは困難な状況にある。
【００１３】
また、放熱基板に要求される特性として、パッケージとなったとき、その製品名や製造番号などを印字するため、これの印字が鮮明に見えるような表面状態が必要である。しかしながら、Ａｌ−ＳｉＣ又はＡｌ−Ｓｉからなる複合材料は、構成する成分の組成割合によっても幾分異なるが、通常は金属光沢のある黒に近い暗い灰色を呈するため、印字が識別し難いという欠点があった。
【００１４】
本発明は、このような従来の事情に鑑み、Ａｌ−ＳｉＣやＡｌ−Ｓｉ等のＡｌをベースにした複合材料からなる放熱基板において、反り等の変形をおこすことなく従来よりも一層の薄型化を可能にすると共に、製品名や製造番号などの印字を鮮明に認識できる表面状態を備えた放熱基板を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明が提供する放熱基板は、主成分がアルミニウムである第一の成分と、主成分が炭化珪素若しくは珪素又はその両方である第二の成分とを含む複合材料で構成された放熱基板であって、その片方の主面に凹部を有し、該凹部を除いた両方の主面の表面に形成された微細な凹凸の深さ方向の最大振幅が、同じ表面に露呈した第一の成分と第二の成分とからなる複合粒子か、又は第二の成分からなる粒子の深さ方向の最大長さよりも小さいことを特徴とする。
【００１６】
上記本発明の放熱基板においては、前記凹部を除いた両方の主面の表面粗さが、ＪＩＳに規定されたＲａで０.２〜２μｍの範囲にあることを特徴とする。また、前記凹部を除いた両方の主面の表面は、金属光沢を有しない灰色ないし淡灰色を呈する。
【００１７】
また、本発明が提供する放熱基板の製造方法は、主成分がアルミニウムである第一の成分と、主成分が炭化珪素若しくは珪素又はその両方である第二の成分とを含む複合材料の素材を準備する工程と、該複合材料素材の片方の主面に化学エッチングにより凹部を形成する第１のエッチング工程と、該凹部を除いた両方の主面に化学エッチングにより、深さ方向の最大振幅が同じ表面に露呈した第一の成分と第二の成分とからなる複合粒子か、又は第二の成分からなる粒子の深さ方向の最大長さよりも小さい微細な凹凸を形成する第２のエッチング工程とを含むことを特徴とするものである。
【００１８】
上記本発明の放熱基板の製造方法においては、腐食剤として、前記第１のエッチング工程では腐食物質濃度が３０〜５０質量％のアルカリ又は酸の水溶液を用い、前記第２のエッチング工程においては腐食物質濃度が３〜３０質量％のアルカリ又は酸の水溶液を用いて化学エッチングすることを特徴とする。前記アルカリ又は酸の水溶液に、別の腐食剤である銅の無機塩又は塩化物を腐食物質の合計濃度３〜５０質量％の範囲で添加することができる。また、前記アルカリ又は酸の水溶液に、弗化水素を添加することもできる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の放熱基板を構成する複合材料は、主成分がＡｌである第一の成分、即ち純Ａｌ又はＡｌ合金と、主成分がＳｉＣ及び／又はＳｉからなる第二の成分（即ち、ＳｉＣを主成分とするもの、Ｓｉを主成分とするもの、及びその両者を主成分とするもの）とを含んでいる。第一の成分に含まれるＡｌの合金元素としては、Ｍｇ、ＳｉなどＪＩＳに規定された通常のものであればよい。
【００２０】
尚、純Ａｌ、ＳｉＣ、及びＳｉの熱伝導率と熱膨張係数を下記表１に示す。第一の成分及び第二の成分のいずれも、熱伝導性を低下させないためには、第一の成分は純Ａｌが、第二の成分は純度の高いＳｉＣ又はＳｉが望ましい。特にＳｉＣについては、熱伝導性に優れた結晶型のものが望ましい。
【００２１】
【表１】
本発明における放熱基板１０は、図１に示すように、片方の主面１０ａに一つ又は複数の種々の形状の凹部１１が設けてある。ここで、主面とは、半導体素子が搭載される面及びその反対側の面を言う。尚、個々の凹部の形状は単純な平底状の底面を有する通常の蓋（Ｌｉｄ）型のほか、起伏のある底面であってもよく、パッケージのデザインに応じて基板の所望の部分に所望の形態の凹部を形成することができる。片方の主面１０ａの凹部１１を除く部分は、配線層その他の部材と接合される接合枠部１２であり、反対側（裏側）の主面１０ｂには製品名や製造番号などが印字される。
【００２３】
本発明の放熱基板１０では、後述するように化学エッチングにより凹部１１を形成すると共に、凹部１１を除いた両方の主面１０ａ、１０ｂの表面は、別の化学エッチングにより特定形状の微細な凹凸が形成されている。その微細な凹凸を有する表面を図３に模式的な断面図で示す。図３において、１５は放熱基板の主面、１６は主面１５の表面に露呈した硬質の粒子、即ち第一の成分と第二の成分とからなる複合粒子又は第二の成分からなる粒子、１７は第一の成分からなる部分である。尚、微視的には、この第一の成分からなる部分１７の表面及び粒子１６の上端にも微細な凹凸１７ａ及び１６ａがあり、第一の成分からなる部分１７と粒子１６との界面にも微細な凹部が存在する。
【００２４】
そして、放熱基板の主面１５に直角な方向の任意の断面を採って観察した場合、図１に示す凹部１１を除いた両方の主面１０ａ、１０ｂの表面の微視的な凹凸を描いた断面曲線は図４のようになる。この図４の断面曲線において、本発明の放熱基板では、その視野内における深さ方向の凹凸の最大振幅Ａｍａｘは、図３に示す同じ深さ方向の粒子１６の最大長さＤｍａｘよりも小さくなっている。
【００２５】
このような表面状態を有することによって、本発明の放熱基板１０の凹部１１を除いた両方の主面１０ａ、１０ｂの表面は、金属光沢が無く灰色ないし淡い灰色を呈する。また同時に、放熱基板１０に隣接配置される他の部材との接合面である接合枠部１２も、凹部１１を除いた片方の主面１０ａの一部であるから上記の表面状態を有し、そのため接合強度の向上が得られ、接続の信頼性においても優れている。
【００２６】
尚、凹部１１を除いた両方の主面１０ａ、１０ｂの表面粗さは、ＪＩＳに規定された表面粗さＲａで０.２〜２μｍの範囲内に収めるのが望ましい。Ｒａが０.２μｍ未満では金属光沢が残り、印字の鮮明さに欠けると共に、他の部材との接続強度が下がる傾向にある。また、Ｒａが２μｍを超えると、表面の凹凸が大きくなり過ぎて生地が黒色を増す傾向にあり、やはり印字の鮮明さが得られないからである。より好ましいＲａの範囲は０.５〜１.２μｍである。
【００２７】
また、本発明の放熱基板を構成する複合材料の組成範囲は、第一の成分が５５〜９６質量％、残部が第二の成分及び不可避的不純物であることが望ましい。第一の成分が５５質量％より少ないと、エッチング速度が低下して凹部形成の効率が低下する傾向にあり、９６質量％を越えると実用上第一の成分であるＡｌ又はＡｌ合金との性能の違いが無くなり、工業上の利用価値が低くなるからである。尚、同じ理由で、第二の成分がＳｉＣのみの場合には、第一の成分は６０〜９５質量％の範囲が好ましく、第二の成分がＳｉのみの場合には、第一の成分は５５〜８８質量％の範囲が好ましい。
【００２８】
更に、第一の成分と第二成分とからなる複合粒子又は第二の成分からなる粒子の平均粒径は、５〜４０μｍの範囲内が好ましく、１０〜２０μｍの範囲が更に好ましい。その平均粒径が５μｍ未満では、第二の成分を多く含む粒子の表面積が大きくなるため、エッチング速度が低下して凹部形成の効率が低下し易い。逆に平均粒径が４０μｍを越えると、上記した凹部を除く両方の主面の表面に形成される凹凸の振幅が大きくなり、その結果所望の表面色を得ることが難くなるからである。
【００２９】
本発明の放熱基板は、以上の構成を有すると同時に、比較的高い寸法精度を維持すると同時に、従来に比べて更なる薄型化が可能である。例えば、主面（片方）の面積Ａ（ｍｍ２）に対する両方の主面間の最大厚みｔ（ｍｍ）の比ｔ／Ａが０.００２（ｍｍ−１）以下のものでも、反りの発生を抑えることができるため、主面方向の反り量を０.０８ｍｍ以下にでき、更に特定仕上げ条件を選べば反り量を０.０５ｍｍ以下に抑えることも可能である。
【００３０】
なお、本発明の放熱基板は、高い放熱性と寸法精度に加え、剛性にも優れているため、図８に示した平板状のものは言うまでもなく、図７に示した接合枠部が一体化された蓋（Ｌｉｄ）型のもの、更には薄型でより複雑な形状のものにも適用することができる。
【００３１】
次に、本発明の放熱基板の製造方法について説明する。本発明の放熱基板の製造方法では、まず、放熱基板の素材となる複合材料を公知の方法により作製して準備する。即ち、Ａｌ−ＳｉＣ又はＡｌ−Ｓｉ等からなる複合材料の素材は、溶浸法、焼結法及び鋳造法を基本とし、それぞれの方法か又はこれらの方法を組み合わせた方法によって作製することができる。得られた複合材料は、その表面の汚れや酸化皮膜などをバレル研磨やショットブラストなどの手段で除去して、放熱基板用の素材とする。
【００３２】
上記複合材料の製造方法のうち、溶浸法の場合には、第二の成分の粉末を、必要により有機質バインダーを添加し、更にこれを顆粒状に造粒した後、所望の形状に成形して成形体とする。その後、第一の成分の含浸量に見合う体積の空孔量を確保するために、必要に応じて、非酸化性雰囲気中にて焼成を行なうなどして成形体の空孔量を調整することができる。その後、この多孔体を第一の成分と接触させた状態で、非酸化性雰囲気中にて第一の成分を加熱溶融し、多孔体の空孔内に含浸充填させて複合材料を得る。
【００３３】
焼結法の場合には、第一の成分と第二の成分の粉末を最終組成割合に混合し、必要に応じて有機質バインダーを添加し、更にこれを顆粒状に造粒してもよい。この原料粉末を所望の形状に成形し、成形体を非酸化性雰囲気中にて、第一の成分の融点以上の温度で加熱することにより、液相焼結されて複合材料が得られる。
【００３４】
尚、上記の溶浸法及び燒結法とも、第一の成分が外周面に溶出するのを未然に防ぐため、多孔体又は成形体の表面に溶出防止のための層を形成しておけば、複合化後に簡単な仕上げ工程のみでネットシェイブな放熱基板を得ることができる。
【００３５】
また、鋳造法の場合には、第一の成分を非酸化性雰囲気中で容器内にて溶融させ、これに予め用意された第二の成分の粉末を所望量だけ投入し、均一に混合分散した後、所定の形状に鋳込み成形し、冷却して複合材料を得る。尚、上記した溶浸法では、第二の成分の多孔体の空孔量が大きくなると、その形状維持が難しくなるため、第一の成分の量が５０質量％以下の組成のものが通常である。従って、本発明における複合材料の作製方法としては、組成に制約のない焼結法及び鋳造法を基本とすることが有利である。
【００３６】
また、複合材料がＡｌ−Ｓｉの場合には、所望の組成物の溶湯から噴霧急冷凝固した粉末を製造した後、これを熱間押出しする方法もある。この他にも基板素材の組成や形状によっては、焼結をホットプレス、熱間鋳造、熱間静水圧成形によって行なう方法、及び上記の手順を経た後更に熱間で塑性加工する方法、等々種々の手法が考えられる。
【００３７】
第一の成分の原料は、焼結法の場合は粉末状であるが、溶浸法及び鋳造法ではそれ以外の形態、例えば塊状でもよい。尚、最終的な熱伝導性を考慮すれば、第一の成分として純Ａｌ又は合金元素の少ないＡｌ合金を用いることが望ましい。第二の成分の原料は粉末状とし、ＳｉＣ、Ｓｉとも優れた熱伝導性を得るため可能な限り高純度なものを用いる。特にＳｉＣは６Ｈ型のような基本的に高い熱伝導性の結晶型のものを用いた方がよい。
【００３８】
これら第二の成分の原料粉末の平均粒径は、５〜４０μｍの範囲、望ましくは１０〜２０μｍの範囲に制御することが望ましい。既に述べたように、この平均粒径が５μｍ未満になると、複合材料素材のエッチング工程での腐食速度が低下し、凹部形成の効率が低下し易くなるからである。また、平均粒径が４０μｍを越えると、最終的に基板の凹部を除く両方の主面の表面に形成される凹凸の振幅が大きくなり、所望の生地色を得ることが難しくなるからである。
【００３９】
次いで、得られた複合材料素材に２度の化学エッチングを施し、凹部の形成と、凹部を除く両方の主面の表面状態を制御する。即ち、第１のエッチング工程では、片方の主面の一部に所望のパターンの凹部を形成するための化学エッチングを行なう。また、第２のエッチング工程においては、凹部を除く両方の主面に、その表面状態を制御して生地の外観色を改善するための化学エッチングを行なう。これら第１及び第２のエッチング工程は、どちらを先に行なってもよい。また、化学エッチングの際のマスキングは、通常行われるフォトリソグラフィ法などにより、所望のパターンに応じて施すことができる。
【００４０】
Ａｌ−ＳｉＣやＡｌ−Ｓｉなどからなる複合材料の化学エッチングにおいては、最初にＡｌ成分が選択的に腐食除去され、更にＡｌ成分の除去が進むと、Ａｌによる結合を解かれたＳｉＣ等の粒子が除去され、このような過程を繰返し経ることによりエッチングが進行する。Ａｌは両性金属であり、酸及びアルカリのいずれでも腐食作用を受ける。従って、化学エッチングに用いる腐食剤としては、基本的に、硫酸、硝酸、塩酸などの酸、若しくは水酸化ナトリウムなどのアルカリを使用する。腐食剤は、工程管理や取り扱いの点で水溶液が好ましいが、塩化水素ガスのようなガス状であってもよい。
【００４１】
腐食剤が酸やアルカリの水溶液の場合、エッチング処理が行ないやすい時間（例えば１０〜１０００秒）に制御するため、一般的には腐食物質の濃度を３〜５０質量％の範囲内に調整することが好ましい。また、通常は常温で処理するが、腐食剤中の腐食物質の濃度が低い場合や腐食性が低い場合には昇温下で行なうことができ、特に気体状態の腐食剤を用いるときは素材表面を昇温してエッチングすることもできる。
【００４２】
具体的には、本発明方法の第１のエッチング工程では、Ａｌの腐食と共に粒子の除去により凹部を形成するため、腐食速度を速めて効率よく腐食する必要がある。そのため、酸やアルカリの腐食剤水溶液中における腐食物質濃度を３０〜５０質量％とする。一方、第２のエッチング工程は、主にＡｌの腐食により表面状態を整えるものであり、粒子の除去は必ずしも必要としないので、腐食剤水溶液中の腐食物質濃度を３〜３０質量％、好ましくは３〜１０質量％の範囲として、Ａｌが徐々に除去されるようにする。
【００４３】
腐食速度を調整するために、酸やアルカリとは別の腐食物質として、Ａｌよりも貴な金属の塩や塩化物、例えば硫酸銅（以下、ＣｕＳＯ４とも記述する）を、質量比で腐食物質全体の５０％以上加えることができる。かかる金属塩などを腐食剤水溶液に加える場合、腐食物質の合計濃度は３〜５０質量％の範囲内が好ましいが、金属塩などを加えない場合に比べて多めにすることが望ましい。更に、上記の金属塩の代りに、腐食剤水溶液と逆性を呈する物質（腐食剤水溶液が酸性であればアルカリ性物質、アルカリ性であれば酸性物質）を加えることができ、その添加によって直ちに金属塩を生成する物質であってもよい。
【００４４】
尚、特に第２のエッチング工程では、所望の表面状態を得るために、適切な腐食物質濃度や腐食時間などの条件を予め実験的に定めておくことが望ましい。例えば、鋳造法により作製したＡｌ−２０％ＳｉＣの複合材料の場合、腐食剤水溶液としてＮａＯＨ５質量％溶液を用いて液温４０℃で３０〜１２０秒の条件、あるいはＮａＯＨ２０質量％溶液を用いて液温２０℃で４０〜１８０秒の条件でエッチングすることにより、それぞれ所望の表面状態とすることができる。図５は、Ａｌ−２０％ＳｉＣの複合材料を、ＮａＯＨ５質量％溶液を用いて液温４０℃で６０秒エッチングした場合の表面の凹凸曲線である。
【００４５】
原料となるＡｌ、ＳｉＣ、Ｓｉの各粉末表面には必ず酸素が存在するため、これらを高温処理して得られた複合材料にはＡｌやＳｉの酸化物及びＡｌの珪酸塩の極薄い皮膜が形成されている。これらの酸化物皮膜は、放熱基板としたとき他の部材との接合強度を弱め、あるいは表面での熱抵抗を高める結果となるため、除去することが好ましい。そのためには、上記した液体状又は気体状の腐食剤中に弗化水素（以下、ＨＦとも記述する）を微量添加することが好ましい。しかし、特に第２のエッチング工程では、ＨＦの添加量が質量比で１％以上になると、所望の表面状態を安定して得ることが難しくなるため注意を要する。
【００４６】
また、上記の第１及び第２のエッチング工程は、１個の放熱基板に対応する個々の複合材料ごとに行なうこともできるが、シート状の複合材料素材にエッチングを施して、同時に多数固の放熱基板を製造することもできる。例えば、図２に示すように、複合材料の素材を準備する工程で放熱基板１０が多数個取り可能なシート状の複合材料素材を作製し、第１のエッチング工程で凹部１１を形成する際に個々の放熱基板１０となる部分の外周に薄肉の枠状部分１３を残し、凹部１１を除く主面に第２のエッチング工程を施した後、この枠状部分１３を切断することによって、同時に多数の放熱基板１０を製造することができる。
【００４７】
上記した第１のエッチング工程では、Ａｌが選択的に腐食されると共にＳｉＣ、Ｓｉ、又はＳｉＣ−Ｓｉの粒子が除去されてエッチングが進行し、半導体素子搭載のための凹部をはじめ、あらゆる形状の凹部を効率的に高い精度で形成することができる。この第１のエッチング工程で形成される凹部は、黒灰色を呈している。この凹部が黒灰色を呈するのは、多くの粒子が脱落しているため、表面に形成された凹凸の深さ方向における振幅が粒子の深さ方向の最大長よりも大きくなり、表面の凹凸の起伏が大きくなっているためと考えられる。
【００４８】
また、この第１のエッチング工程では、Ａｌを主成分とする第一の成分の質量比とＳｉＣ等の粒子のサイズが、エッチング後の基板全体の形状に影響を与える。即ち、第一の成分が５５質量％以上であって、ＳｉＣなどの粒子の平均粒径が５〜４０μｍ、好ましくは１０〜２０μｍであれば、薄い放熱基板であっても主面方向の反り量を０.０８ｍｍ以下に抑えることができる。第一の成分の質量比や粒子のサイズが上記範囲以外では、エッチング速度が低下して凹部形成に時間がかかり過ぎ、基板の厚みに部分的な差異が生じるため、基板の微小な変形が助長されるものと考えられる。
【００４９】
放熱基板の素材である複合材料は、焼結法、鋳造法、溶浸法などの作製方法に拘わらず、Ａｌによる金属光沢を有すると共に黒い灰色を呈している。ところが、本発明方法の第２のエッチング工程によって、凹部を除いた両方の主面が金属光沢を有しない灰色ないし淡灰色を呈する表面状態となる。これは、その表面に形成された微細な凹凸の深さ方向の最大振幅が、同じ表面に露呈した硬質粒子の深さ方向の最大長さよりも小さくなるように制御されているためである。そのため、この表面部分に製品名や製造番号等を、レーザー照射や黒色系インクでの印字によって、直接且つ鮮明に表示することができる。
【００５０】
また、凹部を設けた主面の凹部の周囲に残る接合枠部も、本発明方法の第２のエッチング工程によって上記の特長を備えた微細な凹凸が形成されている。しかも、前記のごとく主面方向の反り量も小さく維持できるため、この接合枠部に他の部品や部材を接合する場合に高い接合強度が得られ、且つ接合強度のバラツキも小さくなり、実用上高い信頼性のパッケージを作製することができる。
【００５１】
第２のエッチング工程で得られる凹部を除いた両方の主面の表面状態は、ＪＩＳに規定された表面粗さＲａで０.２〜２μｍであることが好ましい。Ｒａが０.２μｍ未満では金属光沢が残り、印字の鮮明さに欠けると共に、他の部材との接続強度が低下しやすくなる。また、Ｒａが２μｍを越えると、表面の凹凸が大きくなり過ぎるため、やはり印字の鮮明さが得られない。
【００５２】
尚、このような表面状態は、第２のエッチング工程だけでなく、これとサンドブラストやバレル研磨等の表面仕上げ加工とを組合わせることにより、又は微細な凹凸を設けたロールを押し付ける加圧又は圧延を組合わせることによっても得ることができる。これらの場合、通常は第２のエッチング工程を後で行なうことが望ましい。しかし、これらの工程を組合わせた方法では、最大厚みが２.０ｍｍ以下の薄い放熱基板の場合、基板全体に反りが発生しやすく、その結果基板の主面方向における反り量が０.０８ｍｍを超えることがあるので注意を要する。
【００５３】
これに対して、本発明の第１及び第２のエッチング工程により製造した放熱基板では、最大厚みが２.０ｍｍ以下の薄い放熱基板でも、基板全体の反りの発生を０.０８ｍｍ以下に抑制することができる。特に、実際の製品に要求される０.０５ｍｍ以下の反り量を、主面（片方）の面積Ａ（ｍｍ２）に対する両方の主面間の最大厚みｔ（ｍｍ）の比ｔ／Ａが０.００２（ｍｍ−１）以下の薄い放熱基板において、実現することが可能である。
【００５４】
更に、本発明は、上記のごとく第１及び第２のエッチング工程を含む方法により製造され、その主面の片方に凹部を有すると共に、その凹部を除いた主面の表面に特定の表面状態を有する微細な凹凸を設けた放熱基板を用いた半導体装置（パッケージを含む）を提供するものである。
【００５５】
【実施例】
実施例１
第一の成分となる粉末として、いずれも純度が９９.４質量％で平均粒径４０μｍの純Ａｌ粉末（Ａｌ粉末▲１▼）、５質量％のＳｉを含む溶湯噴霧（アトマイズ）Ａｌ合金粉末（Ａｌ粉末▲２▼）、５質量％のＭｇを含む溶湯噴霧Ａｌ合金粉末（Ａｌ粉末▲３▼）を準備した。また、第二の成分となる粉末として、純度が９９.８質量％で下記表２に記載した平均粒径を有するＳｉＣ又はＳｉ粉末を準備した。
【００５６】
これらの原料粉末を、下記表２の「原料粉末組成」欄に示す質量割合で混合し、長さ及び幅が５０ｍｍ、厚みが１０ｍｍの平板状に成形した。この成形体を窒素雰囲気のベルト炉にて６６５℃まで昇温し、３０分保持して焼結して複合材料を得た後、熱間圧延機を用いて厚み１.０ｍｍまでシート状に圧延した。
【００５７】
【表２】
得られた各試料の複合材料素材は、いずれも表面が金属光沢を有する黒灰色であり、第一の成分の増加に伴って金属光沢が増す傾向が認められた。これらの各試料の複合材料素材について、素材表面粗さＲａを測定すると共に、素材から試片を切り出して、レーザーフラッシュ法による熱伝導率と、差動トランス法による熱膨張係数を測定し、それらの結果を下記表３の「素材の特性」欄に示した。
【００５９】
次に、各複合材料素材を濃度１０質量％のＮａＯＨ水溶液に、液温３０℃で６０秒間浸漬して化学エッチング（本発明の第２のエッチング工程）を行なった。得られたエッチング後の表面粗さＲａを測定し、得られた結果を表面の色と共に、下記表３の「エッチング後」欄に示した。尚、この時点での表面状態が、請求項１に規定する凹部を除いた両方の主面の表面状態に対応する。
【００６０】
更に、各複合材料素材に図２に点線で示すパターンに沿って化学エッチング（本発明の第１のエッチング工程に相当する）を行ない、各放熱基板１０を切り取ると共に、その中央部に凹部１１を形成した。即ち、まず凹部１１以外の部分をフォトリソグラフィ法によりマスキングした後、濃度３０質量％のＮａＯＨ水溶液を用い、液温３０℃で３０〜６０秒間浸漬してエッチングして、長さ及び幅が１５ｍｍで深さ０.５ｍｍの凹部１１を形成した。次に、枠状部分１３以外の部分を同様にマスキングし、同じＮａＯＨ水溶液を用い液温３０℃で更に３０〜６０秒間エッチングした。
【００６１】
このようにして得られた各試料１２枚の蓋（Ｌｉｄ）型の放熱基板は、いずれも凹部は黒色に近い灰色であるが、それ以外の表面は表３に示すごとく当初の金属光沢が失われると同時に、白さが増して灰色ないし淡い灰色を呈しており、この表面にレーザー照射又は黒色インクで施した印字を鮮明に確認できることが分かった。尚、得られた各放熱基板の外寸は縦横３０ｍｍ、最大厚み１ｍｍ、凹部の厚み０.５ｍｍであった。
【００６２】
また、各試料の放熱基板について、反り量を測定し、その結果を表３の「エッチング後」欄に示した。反り量の測定は、図６に示すように、試料となる放熱基板２０の凹部が形成されている主面を下にして定盤２１上に載せ、上側の主面の２つの対角線方向に光源２２からのレーザービーム２２ａを照射して、その主面の表面からの距離を測る方法によって行なった。対角線方向に測定した光源２から主面までの最少距離をＬ（ｍｍ）及び最大距離をＬ０（ｍｍ）とし、対角線方向の走査距離をＤ（ｍｍ）としたとき、（Ｌ０−Ｌ）／Ｄを求め、２方向での大きい方の値を反り量とした。尚、別途本実施例の厚み１ｍｍの圧延されたシートから縦横３０ｍｍの試片を機械切断と研磨仕上げで外寸（縦横３０ｍｍで厚み１ｍｍ）を確保した後、前記と同じ条件で凹部と主面のエッチングを行なった試料も、表３と同じ分だけ作製した。これらの試料の反り量を上記と同様に測定したところ、全て１.０ｍｍを超えていた。
【００６３】
【表３】
更に、各試料の放熱基板について、−６０℃で３０分保持後、＋１５０℃で３０分保持を１サイクルとし、これを５００サイクル繰り返す冷熱サイクルを施した後、上記と同様にして反り量を測定した。本発明による試料の放熱基板は、この冷熱サイクル前後において反り量に殆ど変化はなかった。
【００６５】
実施例２
上記実施例１と同じ原料粉末を用い、前記表２と同じ成分・組成で鋳造法により複合材料を製造した。即ち、第一の成分の粉末を窒素雰囲気中にて６８０℃で溶解し、この溶湯中に第二の成分のＳｉＣ又はＳｉ粉末を投入し、均一に分散混合した後、予め用意した寸法２００×１００×２０ｍｍの鋳型に流し込み、冷却して複合材料を製作した。得られた複合材料を、実施例１と同様に厚み２.０ｍｍになるまで圧延してシート状とした。
【００６６】
得られた各試料の複合材料素材は、いずれも表面が金属光沢を有する黒灰色であり、第一の成分の増加に伴って金属光沢が増す傾向が認められた。また、各複合材料素材の密度は全ての試料でほぼ１００％であったが、熱伝導率は前記表２、表３に示した対応する組成の焼結法による試料に比べ全体的に若干低下（８％程度まで）し、熱膨張係数は表２、表３に示した対応する組成の焼結法による試料に比べ全体的に若干大きめ（５％程度まで）となった。
【００６７】
その後、濃度１０質量％のＮａＯＨ水溶液を用い実施例１と同じ条件で化学エッチング（本発明の第２のエッチング工程）を行なったところ、表面の金属光沢が失われ、白さが増して灰色ないし淡い灰色を呈し、印字が鮮明に確認できることが分った。
【００６８】
上記シート状の複合材料素材の大きさは、いずれの試料もほぼ２００×１０００×２ｍｍであり、この素材から縦横３０ｍｍ、厚み２ｍｍの基板１８０個が得られるようにマスキングした。その後、実施例１と同様に化学エッチングして、長さ及び幅が１５ｍｍで深さ１ｍｍの凹部の形成と、シート状の複合材料素材からの蓋型放熱基板の分離を行なった。得られた各試料１８０個の放熱基板は、その一部について実施例１と同様に冷熱サイクル前後の反り量を測定したところ、前記表２、表３に示す焼結法によるものと大差なく、冷熱サイクル前後での変化も殆どなかった。
【００６９】
実施例３
前記実施例１の表２における試料１０と同じ原料・組成で、実施例１と同様の焼結法と圧延法により複合材料素材（縦横３０ｍｍ×厚み１.０ｍｍ）を作製し、その表面状態と化学エッチング条件との関係を確認した。化学エッチング条件については表４に示すように変化させ、エッチング後の表面の呈色を観察すると共に、その表面粗さＲａを測定し、得られた結果を下記表５に示した。尚、エッチング前の試料１０の複合材料素材は、表面が金属光沢を有する黒灰色であった。
【００７０】
【表４】
次に、上記各条件でのエッチング後の複合材料素材（縦横３０ｍｍ×厚み１.０ｍｍ）について、実施例１と同様に化学エッチングにより凹部を形成した後、得られた放熱基板と他の半導体装置用部材との接合性の良否を評価した。
【００７２】
まず、基板の凹部を形成した主面と反対側の主面にＡｕ−Ｓｎ系半田のメタライズ層を形成した試片Ａを用意し、その主面上に５ｍｍ径の半球状のＡｕ−Ｓｎ系半田層を介して直径１ｍｍの銅線を垂直方向に固定した。この試片Ａの５個について、基板を固定した状態で銅線を基板に対して直角方向上方に５ｍｍ／秒で引張り、１５分間保持したとき銅線が基板主面から剥離するか否かを確認した。その結果、いずれの試料についても銅線は剥離しなかったが、試料１０−１５ではメタライズ層に微細な亀裂が生じていた。
【００７３】
また、基板の凹部を形成した主面に、タングステンメタライズ層とニッケルメッキ層を施し、その上に基板と同じ縦横３０ｍｍの積層回路（窒化アルミニウムセラミックスにタングステンパターン回路を形成し、５層に積層したもの）をＡｕ−Ｓｎ系半田で接合して試片Ｂ（パッケージ）とした。この試片Ｂについて、実施例１と同じ冷熱サイクルを負荷し、その前後での反り量を測定した。測定方法は、実施例１及び図６に述べた方法を用いた。得られた結果を表５に併せて示した。
【００７４】
【表５】
以上の結果から分かるように、表面状態を制御するための本発明方法における第２の化学エッチング工程では、鮮明な印字を得るために表面が黒色を帯びないよう、腐食物質の濃度を３０質量％以下とする必要がある。また、腐食物質の濃度を１０質量％以下にすれば、淡い灰色を呈するようになり、より鮮明な印字が得られることが分かる。
【００７６】
尚、腐食剤である酸又はアルカリの水溶液にＡｌより貴な金属の塩を添加すれば、酸又はアルカリの濃度が１０質量％を超えても、淡い灰色の生地色が得られることが分かる。また、腐食剤として硝酸を用いる場合には、０.５質量％程度のＨＦを添加すれば、エッチング時間の短縮を図ることができる。
【００７７】
実施例４
前記実施例１の表２における試料４及び試料９と同じ原料・組成で、実施例１と同様の焼結法と圧延法により厚みを下記表６のごとく変えた複合材料素材を作製した。得られた各複合材料素材について、濃度１０質量％のＮａＯＨ水溶液を用いて実施例１と同じ条件で表面状態を制御するための化学エッチング（本発明の第２のエッチング工程）を行い、続いて濃度３０質量％のＮａＯＨ水溶液を用い実施例１と同様に化学エッチング（本発明の第１のエッチング工程）を行い、凹部の形成と基板ごとの切り離しを行なって、縦横３０ｍｍ（主面の面積（Ａ）９００ｍｍ２）で厚み（ｔ）の異なる放熱基板を作製した。
【００７８】
その後、基板の凹部を形成した主面と反対側の主面に、タングステンメタライズ層とニッケルメッキ層を施し、その上に積層回路（窒化アルミニウムセラミックスにタングステンパターン回路を形成し、５層に積層したもの）をＡｕ−Ｓｎ系半田で接合した。得られた各試料について、実施例１と同様の冷熱サイクルを負荷し、その前後での反り量を実施例１及び図６に述べた方法を用いて測定した。得られた結果を下記表６に示した。尚、表中のｔ／Ａは、主面の面積Ａ（９００ｍｍ２）に対する両方の主面間の最大厚みｔ（ｍｍ）の比である。
【００７９】
【表６】
表６の結果から分かるように、基板の厚みが１.５ｍｍ以下でｔ／Ａが０.００２未満になるとエッチング後の反り量は若干大きくなるが、実用上全く問題にならない程度であり、冷熱サイクルによっても反り量は増加しなかった。更に、上記焼結法の代りに、実施例２と同じ鋳造法で複合材料素材を作製し、上記と同じ試験を行なったところ、上記表６とほぼ同じ結果が得られた。
【００８１】
実施例５
前記実施例１の表２における試料２〜５、試料８〜１１及び試料２４〜２５の１０種類の組成にて、実施例１と同じ焼結法及び実施例２と同じ鋳造法によって複合材料のシートを作製した。これらに実施例１と同じ化学エッチングを行ない、縦横３０ｍｍ及び厚み１ｍｍで、その片方の主面に縦横１５ｍｍ及び深さ０.５ｍｍの凹部を有する放熱基板を作製した。これらの基板の凹部を有する側の主面に、縦横３０ｍｍの窒化アルミニウム積層回路を実施例４で述べた手順に従って接合し、それぞれパッケージを作製した。
【００８２】
得られた各パッケージについて、実施例１の単サイクルプログラムで１０００回の冷熱サイクルを負荷し、その前後における基板側主面（凹部形成側主面の反対側の主面）の反り量、及び凹部形成主面の冷熱サイクル負荷後における積層回路接合部の損傷状況を確認（拡大目視）した。その結果、全ての試料で反り量の変化は殆ど見られず、上記接合部にも損傷は認められなかった。この結果から、本発明の方法で得られた放熱基板を用いた半導体装置は、高い信頼性を有することが分かる。
【００８３】
【発明の効果】
本発明によれば、Ａｌ−ＳｉＣやＡｌ−Ｓｉ等のＡｌをベースにした複合材料からなる放熱基板について、２種の化学エッチングにより、反り等の変形を抑え、高い寸法精度を維持しながら凹部を形成して、従来よりも一層の薄型化を可能にすると共に、パッケージの名称や製造番号などの印字を鮮明に認識できる表面状態を備えた放熱基板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の放熱基板を示す概略の断面図である。
【図２】多数個の放熱基板の製造が可能なシート状の複合材料素材を示す概略の平面図である。
【図３】本発明の放熱基板における凹部を除く主面の微細な凹凸の表面状態を模式的に示す断面図である。
【図４】図３の表面状態における微視的な凹凸を描いた断面曲線である。
【図５】特定組成のＡｌ−ＳｉＣ複合材料において、凹部を除く主面の表面を測定した断面曲線である。
【図６】基板の反り量の測定方法を模式的に示す説明図である。
【図７】蓋（Ｌｉｄ）型の放熱基板を用いたパッケージの具体例を示す概略の断面図である。
【図８】平板形状の放熱基板を用いたパッケージの具体例を示す概略の断面図である。
【符号の説明】
１ａ、１ｂ、１０、２０ 放熱基板
２ 半導体素子
３ 配線層
４ ボールグリッド
５ スティフナー
１０ａ、１０ｂ、１５ 主面
１１ 凹部
１２ 接合枠部
１６ 粒子
１７ 第一の成分からなる部分
２１ 定盤
２２ 光源
Claims (13)
- 主成分がアルミニウムである第一の成分と、主成分が炭化珪素若しくは珪素又はその両方である第二の成分とを含む複合材料で構成された放熱基板であって、その片方の主面に凹部を有し、該凹部を除いた両方の主面の表面に形成された微細な凹凸の深さ方向の最大振幅が、同じ表面に露呈した第一の成分と第二の成分とからなる複合粒子か、又は第二の成分からなる粒子の深さ方向の最大長さよりも小さいことを特徴とする放熱基板。
- 前記凹部を除いた両方の主面の表面が金属光沢を有しない灰色ないし淡灰色を呈することを特徴とする、請求項１に記載の放熱基板。
- 前記第一の成分の含有量が５５〜９６質量％であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の放熱基板。
- 前記第一の成分と第二の成分とからなる複合粒子又は第二の成分からなる粒子の平均粒径が、５〜４０μｍの範囲にあることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の放熱用基板。
- 前記主面の面積Ａ（ｍｍ ２ ）に対する両方の主面間の最大厚みｔ（ｍｍ）の比ｔ／Ａが、０ . ００２以下であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の放熱基板。
- 主面方向の反り量が０ . ０５ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の放熱基板。
- 主成分がアルミニウムである第一の成分と、主成分が炭化珪素若しくは珪素又はその両方である第二の成分とを含む複合材料の素材を準備する工程と、該複合材料素材の片方の主面に化学エッチングにより凹部を形成する第１のエッチング工程と、該凹部を除いた両方の主面に化学エッチングにより、深さ方向の最大振幅が同じ表面に露呈した第一の成分と第二の成分とからなる複合粒子か、又は第二の成分からなる粒子の深さ方向の最大長さよりも小さい微細な凹凸を形成する第２のエッチング工程とを含むことを特徴とする放熱基板の製造方法。
- 前記複合材料の素材を準備する工程において、放熱基板が多数個取り可能なシート状の複合材料素材を準備し、前記第１のエッチング工程において凹部を形成する際に、個々の放熱基板部分の外周に薄肉の枠状部分を残し、その後該枠状部分を切断することを特徴とする、請求項７に記載の放熱基板の製造方法。
- 前記第１のエッチング工程において、腐食剤として、腐食物質濃度が３０〜５０質量％のアルカリ又は酸の水溶液を用いて化学エッチングすることを特徴とする、請求項７又は８に記載の放熱基板の製造方法。
- 前記第２のエッチング工程において、腐食剤として、腐食物質濃度が３〜３０質量％のアルカリ又は酸の水溶液を用いて化学エッチングすることを特徴とする、請求項７又は８に記載の放熱基板の製造方法。
- 前記アルカリ又は酸の水溶液に、別の腐食剤である銅の無機塩又は塩化物を腐食物質の合計濃度が３〜５０質量％の範囲で添加することを特徴とする、請求項９又は１０に記載の放熱基板の製造方法。
- 前記アルカリ又は酸の水溶液に、弗化水素を添加することを特徴とする、請求項９〜１１のいずれか１項に記載の放熱基板の製造方法。
- 請求項１〜６のいずれか１項に記載の放熱基板を用いた半導体装置。
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