JPH029155A - 複合金属材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野〕 本発明は半導体回路システムに関するものであって、更
に詳細には半導体回路システムにおいて半導体装とを搭
載するために用いられる複合金属材料に関するものであ
る。

（従来の技術〕 従来の電子システムでは、集積回路チップや同等品等の
半導体装置を搭載するために、多様な回路板基板や同等
品を採用して゛いる。そのようなシステムでは、そこに
搭載されるべき・半導体装置の熱膨張係数に対応する熱
膨張係数を有する基板材料を用いて、それによってその
システムの熱サイクルの間にその半導体装置が阜板上に
しつかり固定され、電気的に接続されて留まるようにす
ることが望ましいことは知られている。更に、装置の動
作量に半導体装置からの熱を放散させるのに十分な熱伝
導特性を有する基板材料を用いて、それによって、装置
とシステムの動作特性と信頼性を改善することが望まし
いことは知られている。更にまた、そのような基板のた
めに、１つの金属材料の比較的小さい熱膨張係数と別の
金属材料の比較的大きい熱伝導度特性とを組合ｔＩＣ１
熱膨張係数と熱伝導度特性の望ましい組合せを持つ複合
金属材料を提供することが望ましいことは知られている
。

例えば、米国特許用３．３９９．３３２号は、比較的小
さい熱膨張係数の金属材料格子を用い、格子の開口部に
比較的大きい熱伝導度の銅材料または他の材料を埋込み
、それによって、熱膨張と熱伝導特性の望ましい組合せ
を有する、半導体装置用搭載基板を１１？ている。別の
実施例では、前記特許は、選ばれた熱膨張と熱伝導特性
を有する別の材料を得るために、銅材料中へ鉄台金粒子
を混入させることを提案している。米国特許用４，２８
３．４６４号は銅材料の内部層をはさんで両側へ比較的
小さい熱膨張係数を有する金属材料の格子を設けて、熱
膨張と熱伝導特性の望ましい組合せを有する複合ＩＪ板
の別の提案を行っている１、米国特許用４．４７２，６
７２号は、比較的小さい熱膨張特性を有する鉄金属材料
と、比較的大きい熱伝導度を有する層材料とを層状に組
合せて、層厚みを調節して搭載すべき半導体装置の熱膨
張係数と本質的に対応する熱膨張係数を有する複合金属
材料を与えるような範囲に膜厚を制御する方法を開示し
ている。米国特許用３，０９７，３２９号と米国特許用
４，１５８，７１９号は粉末冶金法または同等技術によ
って作成した複合金属材料について述べている。それら
は、比較的小さい熱膨張係数の金属粉末と比較的大きい
熱伝導度の材料の金属粉末とを圧縮間合させ、次にその
ｊコニ綿粉を加熱して粒子を互に拡散結合させるか、あ
るいは、一方の金属粉末を圧縮し焼結することぐ多孔？
１の焼結圧縮体を形成し、次に焼結圧縮体の孔へ他の金
属材料の溶融したものを充満ざμることによって作製さ
れる。

〔発明が解決しようとする課題） しかしながら、これら上述の既知の複合金属材料の各々
については何らかの問題点が存在する。

すなわら、米国特許用３．３９９．３３２珂と第４．２
８３，４６４号に示された複合金属材料は製造が困難で
あって、特定の回路システム応用に限定される。米国特
許用４，４７２，７６２号に示された複合金属４１利は
ずべての方向での望ましい高い熱伝導度を与えられない
。米国特許用３゜０９７．３２９号と第４．１５８，７
１９号に示された複合金属材料は、それの作成工程が原
因で、熱膨張と伝導特性の望ましい組合Ｕ°を与えない
ことが明らかとなった。

もし半導体回路システム内で基板として用いるための複
合金属材料が１ｑられ、もしその複合金属材料が容易に
かつ安価に製造できて、しかも熱膨張と熱伝導特性のす
ぐれた組合じを有しており、他方その材料を半導体回路
システムまたは他の分野におｔノる材料として応用する
ことを容易に許容するような材料としてのすぐれた展性
を有しているなら、それは非常に望ましいことである。

〔課題を解決するだめの手段〕

本発明の１つの目的は新規なりぐれた半導体回路システ
ムを得ることで必り；半導体装置をその上に搭載するた
めの基板としてすぐれた複合金属材料を用いてそのよう
なシステムを得ることであり：熱膨張と熱伝導特性のす
ぐれた組合せを有するすぐれた複合金属材料を得ること
であり：またそのような材料を作成するための新規です
ぐれた方法を（ｑることである。

要約すれば、本発明に従えば、比較的小さい熱膨張係数
を有する鉄金属合金の個別要素または個別粒子の複数個
に対して、比較的大きい熱伝導ｊ！ａを有する銅材料が
塗布される。ｆｆ＋ましくは、例えば、約４４ミクロン
ないし４２５ミクロンの範囲内の粒子径を有する鉄合金
の粒子を、従来の方法によって洗浄し、電解あるいはＳ
電解の銅メツ４もしくは他の同笠法によって、任意の従
来の方法で銅材料を塗布する。もし望めば、小さい膨張
率の金属用芯線を銅で被覆し、次にその線から短かい良
さに切出して個別要素を形成することで粒子を（りるこ
とができる。またもし望めば、塗布された個別要素は他
の銅金属粒子と混合させることがでさる。塗イ１された
粒子または要素および／または他の銅粒子は次に従来の
粉末冶金法に従って互に圧縮され、望ましくは孔比率が
４０％稈度以十の圧縮粉に形成され、次に加熱されて銅
被覆または個別要素の鋼塗布された部分が互に拡散結合
され、その中へ分散した形で個別要素を埋込まれた、つ
ながった構造の母材料が形成される。この加熱■稈で温
度と時間を制御して、銅被覆が互に拡散結合するには十
分であるが、個別要素から鉄成分で９が銅材ｖ１中へ拡
散することは木質的に回避するＪ：うな栗件を用いる。

このようにして、複合金属材１：１中に設けられる個別
要素材料のその中の銅材料に対する比率は、メツキ工程
の制御によって、または銅粉末を付加することによって
容易に制御でき、これによって望ましくは、４×１０−
６／℃ないし８Ｘ１０−６／”Ｃの範囲の選ばれた熱膨
張係数を１７づる複合金属材料をｊｔすることができる
。要素上の被覆もまた相ｎに、あるいは銅粉末に対して
信頼性高くしっかりと容易に結合でき、それによって望
みの複合金属材料を形成できる。このとき、複合材料中
では銅材料の大きい熱伝導特性を保持でき、また銅材料
の熱伝導度を木質的に低下させるようなニッケル、鉄、
その他の材料の個別要素から銅材料中へのすべての本質
的な拡散は回避されている。このようにし”Ｃ１４られ
た複合金属材料は本質的な展性を示し、本発明の複合金
属材料でつくられたり板上へ半導体装置が容易に搭載さ
れ、それによってすぐれた半導体回路システムが得られ
る。

本発明の新規でずぐれた回路システム、複合金属材料、
方法のこれ以外の目的、利点、詳細については、以下に
図面を参照しながらの本発明の詳細な説明から明らかに
なるであろう。

〔実施例） 図面を参照すると、第１図の参照符号１０は本発明の新
規ですぐれた回路システムを示してｊ３つ、それは、熱
的及び電気的に伝導性のエポキシ材料またはスズ鉛はん
だ材料１３、あるいは電気的に伝導性または非伝導性の
エポキシまたは同等材料によって基板に対して固定され
た従来の集積回路デツプまたは同等品のような半導体装
置１４を有する基板１２（第２図においては示されてい
ない）を含むように示されている。この基板は典型的な
ＪＪＡ合、電気的に絶縁性材料１６を被着され、任意の
従来の方法で電気的に絶縁性の被覆上に形成された電気
的に導電性の配＄２１８を有しており、この半導体装置
は基板上の選ばれた回路配ＩＱ１８ヘワイヤホンドリー
ド２０や任意の従来の方法で電気的につながれた、それ
の選ばれた端子１４．１を右している。

本発明に従えば、第３図に最もよく示されているように
、基板１２ｆよ接合金属材料を含み、それは、第１の金
属材料でできたつながった構造の母材料２２を含み、そ
の中に分散した形で別の金属材料の個別要素２４を複数
個、望ましくは非常に多数、埋込まれた形で含んでいる
。望ましくは、この個別要素は、上述の母材料の熱膨張
係数にくらべて相対的に小さい熱膨張係数を有する鉄金
属材料を含有して、それによってつながった６４造の母
材料と一体となって複合金属材料１２を構成し、その複
合金ｆｆ１ｌ料はつながった構造の母材料の熱膨張係数
よりも相対的に大幅に小さい選ばれた熱膨張係数を有し
ている。望ましくは、つながった構造の母材料２２は個
別要素２４の材料にくらべて相対的に大きい熱伝導度を
有する鋼材料を含み、また母材料は、銅母材料の熱伝導
度を低下さぼるおそれのある鉄金属や他の合金成分を木
質的に含まない。このような場合、個別要素２４は複合
金属材料全体に分散し、第３図に２６で示されたように
、複合金属材料のプレート表面１２．１と１２．２の間
をつないだ蛇行したおにび／または、まっずぐな複数個
の、比較的大きい熱伝導度をもつ経路を定義している。

望ましくは第３図に示されたように、個別要素の大きさ
は、表面１２，１と１２．２の間の複合金属材料のｊフ
さがこれらの表面間をつなぐ経路に沿って数多くの粒子
または個別要素２４を含むような程度であり、この個数
は第３図に示されたようにおよそ４である。

本発明に従った、複合金属材料１２を作製するための好
適方法において、個別要素２４は望ましくは以Ｆの合金
群から選ばれた鉄金属合金の粒子を含んでいる。その合
金群は、公称ｎｒｊ　ｍ　ｍ比で、約３６％ないし５０
％のニッケルと残り鉄の合金、約３１％のニッケル、８
％のクロム、８％のコバルトと残り鉄の合金、約３２％
のニッケル、１５％のコバルト、１％のモリブデンと残
り鉄の合金、約３８％のニッケル、７％のクロムと残り
鉄の合金、約１７％のクロムと残り鉄の合金、約１６．
５％のクロム、４．５％のアルミニウムと残り鉄の合金
、約５７％のコバルト、９％のクロムと残り鉄の合金、
約２３％ないし３０％のニッケル、約１７％ないし３０
％のコバルト、約０．６％ないし０．８％のマンガンと
残り鉄の合金である。このような個別要素粒子は望まし
くは任意の従来の方法に従って噴′Ｍ法等によって形成
され、望ましい展性を有する複合金属材料１２を得るた
めには４４ミクロンないし４２５ミク【コン粒子径の大
きさに作られる。この粒子は第４図に２７で示されたよ
うに搬送機構上へｍ　ｖ４され、第４図２８に示された
ように任意の従来の方法で粒子の洗浄を行うために運ば
れる。

典型的な場合、この粒子は例えば第４図に３０で示され
た炉を通って運ばれ、３２で示されたように粒子は加熱
されて洗浄され、３４で示されたように水素等の還元雰
囲気で表面酸化物や油分等を除去される。これと別に本
発明に従って任意の池の従来の方法によって粒子を洗浄
することもでさる。

本発明の好適実施例においては、粒子２４は次に一定時
間無電解銅メツキ液３６中へ入れられ、第４図に示され
たように、粒子２４に銅材料２２０等の塗布が行われる
。望ましくは、例えば従来の水溶性無電解銅メツキ液３
６を準備し、金属塩と還元剤を水に溶かし２５℃ないし
７０℃程度の温度に保つ、、濃度は１リットル当り約１
５ｇである。粒子２４は鋼製容器等（図示されていない
）３８へ入れて液中へ入れられ、その中で第４図に矢印
４０で示されたように３０−８０分間撹拌さ゛れ、粒子
２４に被’；Ｑ　２２　ａが全体の体積の３０ないし５
０％を占めるだけ付着させるようにされる。

粒子は望ましくは約２５℃の温度の液へ入れられ、この
液へは常時補給を行って、その中で粒子にメツキが行わ
れる間は液の濃度を一定に保つようにし、それによって
各々の粒子全表面上に望みの銅材料が塗布されるように
する。このようにした場合、粒子上に被ηされた銅材料
は、約３．９ｗ／ｃｍ／”Ｃ（９、９ｗ／インヂ／°Ｃ
）程度の熱伝導度を有する本質的に純粋な銅とみなせる
銅材料を含む。粒子に無電解銅メツキを行う方法は従来
のものであるので、ここではこれ以上）ホベることはし
ない。任意の従来のｉ！ｌｃ電解鋼電解キメツキ粒子２
４のメツキは本発明の範囲内に含まれる。

本発明の別の実施例においては、粒子２４へ第４図に３
６で示される液中で付着さＶる銅被覆２２旦は、粒子の
電解メツキまたは任意の他の従来の方法によって行われ
る。

本発明の好適な方法において、被’；Ｍ　２２　ａを有
する個別粒子２４は第５図に４２で示されたように簡便
な加熱等によって乾燥せられ、更に／あるいは第５図に
４４で示されたように送風乾燥させられる。乾燥した被
ｒ１１粒子は次に圧縮手段４５によって互に圧縮される
。これは望ましくは１４０．６に９／ａｓ　　ないし７
　、０２１　、５に９／ｃａｔ２（２，０００ないし１
００．０００ｐｓｉ　）程度の範囲の力で行い、粉末冶
金において共通的に用いられる任意の従来の方法によっ
て第６図に示されたような圧縮体１２ａを形成し、この
圧縮粉を次に第６図に４８で示したように任意の従来の
方法によって加熱して、粒子の銅被ｇＨ２２ａを第３図
に２２回で示したように界面に沿って拡散結合させ、そ
の中に分散した形で個別粒子または要素２４を埋込まれ
たつながった構造の銅母材料２２を形成する。この拡散
結合のための加熱は、銅被温間相互の拡散結合が望まし
い形に完成するのに適正なように制御され、また鋼中へ
混入したとすると銅材料の熱伝導度を純粋銅の約７０％
以下あるいは約２．８Ｗ／ｃｍ／℃（約７Ｗ／インチ／
℃）以下に大幅に劣化させるおそれのある鉄金属成分が
個別粒子材料中から鋼中へ拡散することが木質的にない
ように制御される。望ましくは、銅の熱伝１ｊ度は３　
、１　ｗ　／ｒｓ／　’Ｃ（８Ｗ／インチ／”Ｃ）より
大きい値に保たれる。

本発明の好適実施例に従えば、個別要素２４上に形成さ
れた銅被ｍ２２ａは被覆粒子全体の体積の約３０ないし
５０％を占め、従って複合金属材料中に形成されたつな
がった構造の！８母材２２は複合材料の体積の約３０な
いし５０％を占めることになる。望ましくは、被覆され
た粒子の材料と被覆の厚さは、粒子と被覆の材料とが一
体となって約４Ｘ１０　　／’Ｃないし８×１０−６／
℃の範囲の熱膨張係数を有し、また複合金属材料の表面
１２．１と１２．２の間に約１ｗ／α／’Ｃ（約２．５
Ｗ／インチ／℃）ないし約２　ｗ　／　ａｘ　／　’Ｃ
（約５゜Ｏｗ／インチ／℃）の範囲の等価的熱伝導度を
有するような複合金属材料を促供するような値に選ばれ
る。

本発明の好適実施例において、例えば、個別要素２４は
公称値市吊比で３６％のニッケルと残り鉄の鉄金属合金
を含み、４５ミクロンないし４２５ミクロンの範囲の粒
径に作られる。粒子は水素中の還元に洗浄され、上述の
ようにメツキ液中で無電解銅メツキされ、被覆粒子の全
体体積の４０％を鋼被覆が占めるような鋼被覆粒子が１
！Ｉられる。

粒子は窒素中で送風乾燥され、従来の方法によって１４
０．６　Ｋｇ　／　ｃｔｓ　２ないし７，０２１．５Ｋ
ｇ／ｃｔｘ２　（２，０ＯＯｆｉいＬｌ　００，０ＯＯ
ｐｓｉ　）（１）力で圧縮され、約４０％以下の孔比率
を有する圧縮体が得られ、約８５０’Ｃ以下の温度、望
ましくは６００℃ないし８５０℃の範囲の温度に、１な
いし２０分間加熱され、個別要素からの鉄金属拡散が本
質的にない、つながったＪＩ４造の銅母祠料２２を有す
る木質的に孔のない複合金属材料１２が形成される。こ
の場合、複合金属材料は７×１０−６／’Ｃ程度の熱膨
張係数を示し、１．４Ｗ／ｃｘ／”Ｃ（３，５Ｗ／イン
チ／’Ｃ）程度の熱伝導度を示し、既述のように回路シ
ステム１０用の基板を作製するためにこの複合金属材料
を応用することを容易とするように、望ましくは０．１
２７ないし１．５２４ｍ＋（０，００５ないし０．０６
０インチ）の範囲に複合金属材料の厚さを汁延すること
を許容する本質的な展性を示すであろう。

第７図と第８図に示された本発明の別の実施例において
は、第７図に示されたように丸い新面を有する被覆され
た金属線５ｏであって、−上述の比較的小さい熱膨張係
数を有する鉄金属材料の１つからできた芯線５２と、芯
と被覆の境界面５４にそって芯線に対して任意の従来の
方法で、望ましくは固相において冶金的に接着されたＯ
　Ｆ　ｌ−Ｉ　ＣやＦＴＰ銅のような比較的高純度な銅
金属の被覆５３とを有するような金属線５０が第７図中
に５８で示したような任意の従来の切断手段を用いて、
芯部５６．１と被覆部５６．２を有する被覆された個別
要素５６を形成するように短かい長さに切断される。多
くの点で■に述べた個別要′Ａ２４に対応するこれら複
数個の個別要素は、必要であれば次に洗浄され、他の銅
金属粉末６０の追加の右前によらず互に圧縮され、既述
のように加熱され、個別要＃５６の銅被覆表面と銅粉末
が互に拡散結合して、つながった構造の銅母月料６２を
形成し、その中に分散した形で個別要素芯５６．１を固
定して、複合金属材料６４を形成し、芯と銅母材料とが
一体となって上述のように銅材料の熱ｒｆ、？Ａ係数よ
りも相対的にずっと小さい等１的熱膨張係数を有する複
合金属材料を提供する。この場合、拡散結合のための加
熱は銅被覆を互に、そしてもし使用していれば銅粉末に
対して、第８図に６２ａで示した境界面に沿って拡散結
合さけて木質的に孔のない複合金属材料を形成するのに
１分なだけ高く制御され、他方芯要素５６．１から銅材
料中へのニッケル、鉄、その池の拡散を木′ａ的に回避
し、銅材料自体が望ましくは３　、１　ｗ／　ｃｍ／　
’Ｃ（８Ｗ／インチ／”Ｃ）程度以上あるいは十述の値
に熱伝導度を保つように制御され、他方複合金属材料の
望ましい等１的熱膨張係数を達成するように制′ａされ
る。

本発明のシステム、材料、方法の特定の実施例について
、本発明の説明を行ったが、本発明は特許請求の範囲に
含まれる、既述の実施例と同等なもの及びすべての変更
を含むものと理解されるべきである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の回路システムの平面図である。 第２図は、第１図の回路システムのライン２２に沿って
の断面である。 第３図は、第２図のライン３〜３に沿っての部分断面を
拡大したものであって、本発明の複合金属材料を示して
いる。 第４図は、本発明の方法の工程を示している。 第５図は、本発明の方法の次に続く工程を示している。 第６図は、本発明の方法の別の１工秤を示している。 第７図は、本発明の別の方法の１工程を示している。 第８図は、第３図と同様の拡大断面図であって、本発明
の複合金属材料の別の実施例を示している。 参照符号 １０・・・回路システム、１２・・・基板、１２．１゜
１２．２・・・表面、１２ａ・・・圧縮体、１３・・・
ハンダ材料、１４・・・半導体装置、１４，１・・・端
子、１６・・・絶縁性材料、１８・・・回路配線、２０
・・・リード線、２２・・・母材料（マトリックス）、
２２ａ・・・銅材料、２２ｂ・・・境界面、２４・・・
個別粒子、２６・・・経路、２８・・・搬送機構、３０
・・・炉、３２・・・加熱手段、３４・・・還元雰囲気
、３６・・・メツキ液、３８・・・鋼容器、４２・・・
加熱乾燥手段、４４・・・送Ｊｉｌｉｌ乾燥手段、４５
・・・圧縮手段、４８・・・加熱手段、５０・・・被覆
線、５２・・・芯、５３・・・被覆、５４・・・芯被覆
境界、５６・・・個別要素、５６．１・・・芯、５６．
２・・・被覆、５８・・・切断手段、６０・・・銅金属
粉末、６２川銅母材料、６２旦・・・境界面、６４・・
・複合金属材料。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）複合金属材料であって、その中に分散した形で別
   種の金属材料の複数個の個別要素を埋め込まれた、第１
   の金属材料のつながった構造の母材料（マトリックス）
   を含み、前記個別要素が比較的小さい熱膨張係数を有す
   る鉄を含む金属材料を含んでおり、それによって前記つ
   ながった構造の母材料と一体となってつながった構造の
   母材料の熱膨張係数よりも大幅に小さい選ばれた熱膨張
   係数を有する複合金属材料を提供すること、また前記つ
   ながった構造の母材料が本質的に鉄金属成分を含まない
   、比較的大きい熱伝導度の銅材料を含んでおり、それに
   よって前記複合金属材料の対向する面間においてすぐれ
   た熱伝導度を有する複合金属材料を提供すること、を特
   徴とする、複合金属材料。
2. （２）複合金属材料であって、その中に分散した形で別
   種の金属材料の複数個の個別要素を埋込まれた、第１の
   金属材料のつながった構造の母材料を含み、前記個別要
   素が次の合金群、公称値重量比で、約３６ないし５０％
   のニッケルと残り鉄の合金、約３１％のニッケル、８％
   のクロム、８％のコバルトと残り鉄の合金、約３２％の
   ニッケル、１５％のコバルト、１％のモリブデンと残り
   鉄の合金、約３８％のニッケル、７％のクロムと残り鉄
   の合金、約１７％のクロムと残り鉄の合金、約１６．５
   ％のクロム、４．５％のアルミニウムと残り鉄の合金、
   約５７％のコバルト、９％のクロムと残り鉄の合金、約
   ２３ないし３０％のニッケル、約１７ないし３０％のコ
   バルト、約０．６ないし０．８％のマンガンと残り鉄の
   合金、のうちから選ばれた、比較的小さい熱膨張係数を
   有する鉄金属材料を含み、それによって前記つながった
   構造の母材料と一体となって、前記つながった構造の母
   材料の熱膨張係数よりも大幅に小さい選ばれた熱膨張係
   数を有する複合金属材料を提供すること、また前記つな
   がった構造の母材料が約３．１Ｗ／ｃｍ／℃（約８Ｗ／
   インチ／℃）よりも比較的高い熱伝導度を有する銅材料
   を含み、それによって複合金属材料の対向する面間です
   ぐれた熱伝導度を有する複合金属材料を提供すること、
   を特徴とする、複合金属材料。
3. （３）請求項２の複合金属材料であって、更に、前記個
   別要素が公称値重量比で約３６％のニッケルと残り鉄の
   合金を含み、前記個別要素が複合金属材料の体積の約５
   ０％ないし７０％を占めており、それによって４×１０
   ＾−＾６／℃ないし８×１０＾−＾６／℃の範囲の熱膨
   張係数を有する複合金属材料を提供すること、また前記
   つながった構造の母材料が複合金属材料を通して約２．
   ８Ｗ／ｃｍ／℃（約７Ｗ／インチ／℃）よりも大きい熱
   伝導度を有する銅材料を含むこと、を特徴とする、複合
   金属材料。