JPH10150124A - Heat generating semiconductor device mounting composite substrate and semiconductor device using the substrate - Google Patents
Heat generating semiconductor device mounting composite substrate and semiconductor device using the substrateInfo
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- JPH10150124A JPH10150124A JP30766396A JP30766396A JPH10150124A JP H10150124 A JPH10150124 A JP H10150124A JP 30766396 A JP30766396 A JP 30766396A JP 30766396 A JP30766396 A JP 30766396A JP H10150124 A JPH10150124 A JP H10150124A
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、発熱する半導体デ
バイスを搭載するのに適した放熱性(又は吸熱性)の良
好な複合基板と、それを用いた半導体装置に関するもの
である。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a composite substrate having good heat dissipation (or heat absorption) suitable for mounting a semiconductor device that generates heat, and a semiconductor device using the same.
【0002】[0002]
【従来の技術】最近の半導体デバイスの大型化、集積度
向上にともない、半導体デバイスの発熱量が多くなって
きている。発熱する半導体デバイスを搭載する基板は、
熱歪みが発生しないように熱膨張係数が半導体デバイス
と同程度に小さいこと、放熱性を高めるため熱伝導性に
すぐれていること等が要求される。2. Description of the Related Art With the recent increase in size and integration of semiconductor devices, the amount of heat generated by the semiconductor devices has increased. The board on which the semiconductor device that generates heat is mounted
It is required that the coefficient of thermal expansion be as small as that of a semiconductor device so as not to generate thermal distortion, and that the material has excellent thermal conductivity in order to enhance heat dissipation.
【0003】熱膨張係数が小さい基板材料としては、セ
ラミック材料ではアルミナ、フォルステライト、ムライ
トなどが、金属材料ではFe−Co合金(コバール)、
42アロイ等のNi合金などが知られている。しかしこ
れらの材料は熱伝導性が低いという難点がある。一方、
熱伝導性の高い基板材料としては、銅、銅合金、アルミ
又はアルミ合金などが一般的である。しかしこれらの材
料は熱膨張係数が大きいという難点がある。このため従
来は、熱膨張係数の小さい基板と熱伝導性の良好な基板
を低温はんだなどで接合した複合基板を用い、その複合
基板の熱膨張係数の小さい基板側の面に発熱半導体デバ
イスを搭載するようにしていた。[0003] As a substrate material having a small coefficient of thermal expansion, alumina, forsterite, mullite and the like are used as a ceramic material, and an Fe-Co alloy (Kovar) is used as a metal material.
Ni alloys such as 42 alloy are known. However, these materials have a drawback of low thermal conductivity. on the other hand,
As a substrate material having high thermal conductivity, copper, copper alloy, aluminum or aluminum alloy is generally used. However, these materials have a disadvantage that they have a large thermal expansion coefficient. For this reason, conventionally, a composite substrate was used in which a substrate with a small thermal expansion coefficient and a substrate with good thermal conductivity were joined with low-temperature solder, etc., and a heat-generating semiconductor device was mounted on the substrate side of the composite substrate with a small thermal expansion coefficient. I was trying to do it.
【0004】[0004]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記のよ
うな発熱半導体デバイス搭載用の複合基板は、全く異質
の材料を接合しているため、高い接合強度を得ることが
難しく、半導体デバイスの発熱による熱ストレスを繰り
返し受けると、複合基板の接合面に割れや剥離などが発
生して放熱性能が著しく低下するという問題がある。ま
た発熱半導体デバイスを搭載する側に熱伝導率の低い板
材を使用しているため、放熱性が低いという問題もあ
る。However, since the above-described composite substrate for mounting a heat-generating semiconductor device is formed by bonding completely different materials, it is difficult to obtain a high bonding strength, and the heat generated by the heat generation of the semiconductor device is difficult. When subjected to stress repeatedly, there is a problem that cracks and peeling occur on the joint surface of the composite substrate, and the heat radiation performance is significantly reduced. Further, since a plate material having low thermal conductivity is used on the side on which the heat-generating semiconductor device is mounted, there is a problem that heat dissipation is low.
【0005】本発明の目的は、このような問題点に鑑
み、熱ストレスを受けても割れや剥離などが発生しにく
く、放熱性も良好な発熱半導体デバイス搭載用複合基板
と、それを用いた半導体装置を提供することにある。SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above problems, it is an object of the present invention to provide a composite substrate for mounting a heat-generating semiconductor device, which is less likely to be cracked or peeled even when subjected to thermal stress and has good heat dissipation. It is to provide a semiconductor device.
【0006】[0006]
【課題を解決するための手段】本発明の発熱半導体デバ
イス搭載用複合基板は、厚さ方向に複合層と金属層とを
有し、複合層は高熱伝導性の金属マトリックスに低熱膨
張性の繊維状又は粒子状分散材を分散させたものからな
り、金属層は複合層の金属マトリックスと同じ金属から
なり、金属層の金属と複合層の金属マトリックスとが連
続しており、複合層の外面側が発熱半導体デバイス又は
発熱半導体デバイスを実装した低熱膨張性基板の搭載部
となっていることを特徴とするものである(請求項
1)。A composite substrate for mounting a heat-generating semiconductor device according to the present invention has a composite layer and a metal layer in a thickness direction, and the composite layer is formed of a high thermal conductive metal matrix and a low thermal expansion fiber. The metal layer is made of the same metal as the metal matrix of the composite layer, the metal of the metal layer and the metal matrix of the composite layer are continuous, and the outer surface side of the composite layer is A heat-generating semiconductor device or a mounting portion for a low-thermal-expansion substrate on which the heat-generating semiconductor device is mounted (claim 1).
【0007】本発明の複合基板を構成する複合層は、金
属マトリックスに低熱膨張性の分散材を分散させたもの
であるので、熱膨張係数を半導体デバイスの熱膨張係数
に十分近づけることが可能である。このため発熱半導体
デバイス(又は発熱半導体デバイスを実装した低熱膨張
性基板)との接合部に無理なストレスがかからず、信頼
性を高めることができる。また金属マトリックスと金属
層の金属は高熱伝導性であり、かつこの両者が連続して
いる(間に何も介さずに一体となっている)ので、複合
基板内の熱伝導性がきわめて良好であり、すぐれた放熱
性能を発揮できると共に、複合基板内部で割れや剥離が
発生するおそれが少ない。The composite layer constituting the composite substrate of the present invention is obtained by dispersing a low thermal expansion dispersant in a metal matrix, so that the thermal expansion coefficient can be made sufficiently close to that of a semiconductor device. is there. For this reason, unreasonable stress is not applied to the junction with the heat-generating semiconductor device (or the low-thermal-expansion substrate on which the heat-generating semiconductor device is mounted), and the reliability can be improved. In addition, the metal matrix and the metal of the metal layer have high thermal conductivity and both are continuous (integrally without any intervening therebetween), so that the thermal conductivity in the composite substrate is extremely good. Yes, excellent heat dissipation performance can be exhibited, and there is little possibility of cracking or peeling occurring inside the composite substrate.
【0008】また本発明の発熱半導体デバイス搭載用複
合基板は、厚さ方向に複合層と金属層とを有し、複合層
は高熱伝導性の金属マトリックスに低熱膨張性の繊維状
又は粒子状分散材を分散させたものからなり、金属層は
複合層の金属マトリックスと同じか同系の金属からな
り、金属層と複合層とが接合されており、複合層の外面
側が発熱半導体デバイス又は発熱半導体デバイスを実装
した低熱膨張性基板の搭載部となっている構成とするこ
ともできる(請求項2)。Further, the composite substrate for mounting a heat-generating semiconductor device of the present invention has a composite layer and a metal layer in the thickness direction, and the composite layer is dispersed in a metal matrix having a high thermal conductivity and a low thermal expansion fibrous or particulate dispersion. The metal layer is made of the same or similar metal as the metal matrix of the composite layer, the metal layer and the composite layer are joined, and the outer surface side of the composite layer is a heating semiconductor device or a heating semiconductor device. May be used as the mounting portion of the low thermal expansion substrate on which the substrate is mounted (claim 2).
【0009】これは、金属層と複合層とをはんだ付け、
ろう付け、溶接等の手段で接合するタイプであるが、金
属層が複合層の金属マトリックスと同じ金属か同系の金
属で構成されているため、金属層と複合層の接合強度を
高くすることが容易であり、複合基板内部で割れや剥離
が発生するおそれが少ない。また発熱半導体デバイスと
の接合部に無理なストレスがからず、信頼性を高いこと
は、請求項1の発明と同じである。This involves soldering the metal layer and the composite layer,
It is a type that is joined by brazing, welding, etc., but since the metal layer is composed of the same metal or a similar metal as the metal matrix of the composite layer, it is possible to increase the bonding strength between the metal layer and the composite layer. It is easy, and there is little possibility that cracking or peeling will occur inside the composite substrate. The same as the first aspect of the present invention, the joint part with the heat-generating semiconductor device is not subjected to excessive stress and the reliability is high.
【0010】なお、この場合において、複合層と金属層
を接合する際に、両者の熱膨張係数の違いから発生する
熱応力により複合基板に反り等の変形が発生し、問題と
なることもあるが、このような場合には、金属層を複数
に分割し、複合層が金属層と接合されている領域と接合
されていない領域とを有する構成とすることもできる
(請求項3)。このような構成にすれば、複合層と金属
層を接合する際の反りの発生を避けることができる。こ
の構成の場合、究極的には、多数のピン状の金属層が複
合層に接続された形態とすることも可能である。また複
数に分割された金属層の各々に凹凸を形成することによ
り放熱性を向上させることも可能である。またこのよう
な形態をとる場合には、接合時の熱履歴による複合基板
の反り等の変形の発生が抑制されるので、場合によって
は、Al−Ag系のろう材(例えばBA4343、BA
4045など)を用いてろう付けすることも可能であ
る。In this case, when the composite layer and the metal layer are joined, deformation such as warpage occurs in the composite substrate due to thermal stress generated due to a difference in thermal expansion coefficient between the two, which may cause a problem. However, in such a case, the metal layer may be divided into a plurality of parts, and the composite layer may have a region joined to the metal layer and a region not joined (claim 3). With such a configuration, it is possible to avoid occurrence of warpage when joining the composite layer and the metal layer. In the case of this configuration, ultimately, a configuration in which a number of pin-shaped metal layers are connected to the composite layer is also possible. Further, it is also possible to improve heat dissipation by forming irregularities on each of the plurality of divided metal layers. In addition, in such a case, since the occurrence of deformation such as warpage of the composite substrate due to the heat history at the time of bonding is suppressed, in some cases, an Al-Ag-based brazing material (for example, BA4343, BA4343, or the like) may be used.
4045).
【0011】ところで、上記のような発熱半導体デバイ
ス搭載用複合基板の複合層の上に、発熱半導体デバイス
又は発熱半導体デバイスを実装した低熱膨張性基板をは
んだ付けにより搭載する場合、複合層は、分散材を含ん
でいるため、分散材を含まない金属よりはんだ付け性が
わるい。特にAl系マトリックスに分散材を分散させた
複合層ははんだ付け性がわるい。このため複合基板内部
では割れや剥離が生じなくても、複合層と発熱半導体デ
バイス又は発熱半導体デバイスを実装した低熱膨張性基
板とのはんだ付け部に割れや剥離が発生するおそれがあ
る。When a heat-generating semiconductor device or a low-thermal-expansion substrate on which a heat-generating semiconductor device is mounted is mounted on the composite layer of the heat-generating semiconductor device mounting composite substrate by soldering, the composite layer is dispersed. Since it contains a material, its solderability is worse than that of a metal that does not contain a dispersant. In particular, a composite layer in which a dispersant is dispersed in an Al matrix has poor solderability. For this reason, even if cracking or peeling does not occur inside the composite substrate, cracking or peeling may occur at the soldered portion between the composite layer and the heat generating semiconductor device or the low thermal expansion substrate on which the heat generating semiconductor device is mounted.
【0012】このような問題を解決するため本発明は、
前述のような発熱半導体デバイス搭載用複合基板におい
て、複合層の外面にはんだ付け性の良い金属被膜または
金属板を設けたことを特徴とする(請求項5、請求項
8)。このような金属被膜または金属板を設けることに
より、複合層と発熱半導体デバイス又は発熱半導体デバ
イスを実装した低熱膨張性基板とのはんだ付け性が良好
になり、両者のはんだ付け部で割れや剥離が発生するお
それが少なくなる。In order to solve such a problem, the present invention provides:
In the above-described composite substrate for mounting a heat-generating semiconductor device, a metal coating or a metal plate having good solderability is provided on the outer surface of the composite layer (claims 5 and 8). By providing such a metal coating or metal plate, the solderability between the composite layer and the heat-generating semiconductor device or the low-thermal-expansion substrate on which the heat-generating semiconductor device is mounted is improved, and cracking or peeling occurs at the soldered portions of both. The risk of occurrence is reduced.
【0013】[0013]
〔実施形態1〕図1は本発明に係る発熱半導体デバイス
搭載用複合基板と、それを用いた半導体装置の第1の実
施形態を概略的に示している。図において1は発熱半導
体デバイス搭載用複合基板、7は発熱半導体デバイスで
ある。複合基板1は厚さ方向に複合層2と金属層3を有
するものである。つまり厚さ方向に部分的に複合層2を
有する基板である。複合層2は、高熱伝導性の金属マト
リックス5に、低熱膨張性の分散材4を分散させたもの
である。分散材4は図面では大きく描かれているが、き
わめて細い繊維状のものか、きわめて小さい粒子状のも
のである。金属層3は複合層2の金属マトリックス5と
同じ金属5のみで構成されており、金属層3と複合層2
の金属マトリックス5とは間に何も介在させることなく
連続している。Embodiment 1 FIG. 1 schematically shows a first embodiment of a composite substrate for mounting a heat-generating semiconductor device according to the present invention and a semiconductor device using the same. In the figure, 1 is a composite substrate for mounting a heat-generating semiconductor device, and 7 is a heat-generating semiconductor device. The composite substrate 1 has a composite layer 2 and a metal layer 3 in the thickness direction. That is, the substrate has the composite layer 2 partially in the thickness direction. The composite layer 2 is obtained by dispersing a low thermal expansion dispersant 4 in a metal matrix 5 having high thermal conductivity. Although the dispersing material 4 is drawn large in the drawing, it is very thin fibrous or very small particles. The metal layer 3 is composed of only the same metal 5 as the metal matrix 5 of the composite layer 2.
And the metal matrix 5 is continuous without any intervention.
【0014】発熱半導体デバイス7は複合層2の外面に
はんだ6により接合されている。半導体デバイス7で発
生した熱は、複合層2、金属層3を通って放熱される。
複合層2は熱伝導性の良好な金属マトリックス5が分散
材4の隙間を埋めてスポンジのようにつながっているた
め熱伝導性が良好であり、複合層2と金属層3の間も複
合層2の金属マトリックス5と金属層3とが連続してい
るため熱伝導性が良好であり、さらに金属層3も熱伝導
性が良好である。したがってきわめて優れた放熱性能が
得られる。また複合層2は低熱膨張性の分散材4が分散
しているため、熱膨張係数は金属のみの場合より格段に
低く、半導体デバイス7と同程度にできる。したがって
半導体デバイス7の温度変化があっても、半導体デバイ
ス7と複合層2との接合部に無理なストレスが発生しに
くい。The heat-generating semiconductor device 7 is joined to the outer surface of the composite layer 2 by solder 6. The heat generated in the semiconductor device 7 is radiated through the composite layer 2 and the metal layer 3.
The composite layer 2 has good thermal conductivity because the metal matrix 5 having good thermal conductivity fills the gaps of the dispersing material 4 and is connected like a sponge. The composite layer 2 and the metal layer 3 also have a good thermal conductivity. Since the second metal matrix 5 and the metal layer 3 are continuous, the thermal conductivity is good, and the metal layer 3 also has good thermal conductivity. Therefore, extremely excellent heat dissipation performance can be obtained. In addition, since the composite layer 2 has the low thermal expansion dispersing material 4 dispersed therein, the thermal expansion coefficient is much lower than that of the case of using only metal, and can be substantially the same as that of the semiconductor device 7. Therefore, even if there is a change in the temperature of the semiconductor device 7, unreasonable stress does not easily occur at the junction between the semiconductor device 7 and the composite layer 2.
【0015】なお金属層3の外面には図示のように放熱
性を高めるために凹凸を形成しておくことが望ましい。
また金属層3の表面は平坦にすることもできる。It is preferable to form irregularities on the outer surface of the metal layer 3 as shown in FIG.
Further, the surface of the metal layer 3 can be made flat.
【0016】金属層3および複合層2の金属マトリック
ス5を構成する材料としては、銅、銅合金、アルミ又は
アルミ合金を用いることが適当である。As the material constituting the metal layer 3 and the metal matrix 5 of the composite layer 2, it is appropriate to use copper, copper alloy, aluminum or aluminum alloy.
【0017】また複合層2を構成する分散材4として
は、セラミック材料ではAl2 O3 、ムライト、Al
N、SiC、SiO2 、ZrO2 、Si3 N4 、TiB
2 、ZrB2 、9Al2 O3 ・2B2 O3 、K2 Ti6
O13、C等を使用できる。また金属材料ではインバー合
金、形状記憶合金、W、Mo、Si等を使用できる。ま
た金属間化合物ではNi3 Al、Nb3 Al、FeAl
3 等を使用できる。これらの分散材は繊維状又は粒子状
(粉状)の形態で使用する。分散材は、コスト、熱膨張
特性、熱伝導性、電気的特性など、要求される仕様によ
り適宜選択して使用される。分散材は1種だけでなく要
求特性により2種以上分散させることも可能である。ま
た分散材の体積充填率を変えることにより、複合層の熱
伝導性、熱膨張係数を調整することも可能である。As the dispersing material 4 constituting the composite layer 2, ceramic materials such as Al 2 O 3 , mullite, and Al
N, SiC, SiO 2 , ZrO 2 , Si 3 N 4 , TiB
2 , ZrB 2 , 9Al 2 O 3 .2B 2 O 3 , K 2 Ti 6
O 13 and C can be used. As the metal material, an invar alloy, a shape memory alloy, W, Mo, Si, or the like can be used. In the case of intermetallic compounds, Ni 3 Al, Nb 3 Al, FeAl
3 etc. can be used. These dispersants are used in the form of fibers or particles (powder). The dispersing material is appropriately selected and used depending on required specifications such as cost, thermal expansion characteristics, thermal conductivity, and electrical characteristics. Not only one dispersant but also two or more dispersants can be dispersed according to required characteristics. Further, by changing the volume filling ratio of the dispersant, the thermal conductivity and the thermal expansion coefficient of the composite layer can be adjusted.
【0018】なお、図示してないが、発熱半導体デバイ
ス搭載用複合基板は、発熱半導体デバイスを搭載する側
の面に絶縁層を有するものであってもよい。複合基板の
複合層は導電性であるので、半導体デバイスと基板を電
気的に絶縁する必要がある場合には絶縁層を設ける必要
がある。また絶縁層を設けることにより、その表面に回
路パターンを形成することも可能である。Although not shown, the heat generating semiconductor device mounting composite substrate may have an insulating layer on the surface on which the heat generating semiconductor device is mounted. Since the composite layer of the composite substrate is conductive, it is necessary to provide an insulating layer when it is necessary to electrically insulate the semiconductor device and the substrate. By providing an insulating layer, a circuit pattern can be formed on the surface.
【0019】また発熱半導体デバイス搭載用複合基板に
おける複合層は、分散材の充填率が表面側で最も高く、
内部に行くほど低くなるようにすることが好ましい。こ
れにより複合層表面付近の熱膨張係数を半導体デバイス
の熱膨張係数に近づけることが容易になると共に、複合
基板内部の熱伝導性をより高めることが可能となる。The composite layer of the composite substrate for mounting a heat-generating semiconductor device has the highest filling rate of the dispersant on the surface side, and
It is preferable that the lower the inner part, the lower. This makes it easy to bring the coefficient of thermal expansion near the surface of the composite layer close to the coefficient of thermal expansion of the semiconductor device, and further enhances the thermal conductivity inside the composite substrate.
【0020】また複合層に繊維状の分散材を使用する場
合は、繊維状の分散材を複合層の熱膨張を抑制しようと
する方向に配向させておくことが好ましい。これにより
複合層の熱膨張性をより効果的に低下させることができ
る。When a fibrous dispersing material is used for the composite layer, it is preferable to orient the fibrous dispersing material in a direction in which thermal expansion of the composite layer is to be suppressed. Thereby, the thermal expansion property of the composite layer can be more effectively reduced.
【0021】〔実施形態2〕図2は本発明の第2の実施
形態を示す。図1では、複合層2が全面に存在する場合
を示したが、図2の実施形態は、複合層2が発熱半導体
デバイス7を搭載する領域に島状に存在する形態とした
ものである。また複合層2が半導体デバイス7を搭載す
る領域を通って帯状に存在する形態とすることもでき
る。複合層2が島状又は帯状に存在する形態の方が分散
材の使用量が少なくて済み、コスト的に有利であり、か
つ放熱性も良好である。なお図2において図1と同一部
分には同一符号を付してある。上記以外の構成、使用材
料および変形態様等は実施形態1と同じであるので、説
明を省略する。[Embodiment 2] FIG. 2 shows a second embodiment of the present invention. FIG. 1 shows a case where the composite layer 2 is present on the entire surface. However, the embodiment of FIG. 2 has a form in which the composite layer 2 is present in an island shape in a region where the heat-generating semiconductor device 7 is mounted. Alternatively, the composite layer 2 may be formed in a band shape through a region where the semiconductor device 7 is mounted. The form in which the composite layer 2 exists in the shape of an island or a strip requires less use of the dispersing material, is advantageous in cost, and has good heat dissipation. In FIG. 2, the same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals. Configurations, materials used, modified modes, and the like other than those described above are the same as those in the first embodiment, and a description thereof will not be repeated.
【0022】〔実施形態3〕図3は本発明の第3の実施
形態を示す。図1では、複合層2上に発熱半導体デバイ
ス7を直接はんだ付けする場合を示したが、図3の実施
形態は、複合層2上に、発熱半導体デバイス7を実装し
た低熱膨張性基板8をはんだ6により接合したものであ
る。低熱膨張性基板8としては例えばアルミナ板の両面
に銅層を設けたDBC(ダイレクトボンディングカッパ
ー)基板が用いられる。なお図3において図1と同一部
分には同一符号を付してある。また上記以外の構成、使
用材料および変形態様等は実施形態1と同じであるの
で、説明を省略する。また複合基板1は図2のような形
態にすることもできる。[Embodiment 3] FIG. 3 shows a third embodiment of the present invention. FIG. 1 shows a case where the heat-generating semiconductor device 7 is directly soldered on the composite layer 2. However, in the embodiment of FIG. 3, the low thermal expansion substrate 8 on which the heat-generating semiconductor device 7 is mounted is mounted on the composite layer 2. It is joined by solder 6. As the low thermal expansion substrate 8, for example, a DBC (direct bonding copper) substrate having a copper layer provided on both surfaces of an alumina plate is used. In FIG. 3, the same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals. In addition, the configuration other than the above, the materials used, the modified aspects, and the like are the same as those in the first embodiment, and a description thereof will not be repeated. Further, the composite substrate 1 may be formed as shown in FIG.
【0023】〔実施形態4〕図4は本発明の第4の実施
形態を示す。この実施形態は、複合層2の外面に、はん
だ付け性の良い金属被膜9を設け、その上に、発熱半導
体デバイス7を実装した低熱膨張性基板8をはんだ6に
より接合したものである。はんだ付け性の良い金属被膜
9の材料としてはCu、Ni、Pd、Sn、Au又はA
g等が使用される。複合層2は分散材4を含むため一般
にはんだ付け性がわるいが、上記のように複合層2の外
面に金属被膜9を設けることにより、はんだ付け性を良
くすることができ、熱ストレスを受けたときにはんだ付
け部で割れや剥離が発生するのを抑えることができる。
複合層2の金属マトリックス5がアルミ又はアルミ合金
である場合は特に図4のような構成にすることが好まし
い。[Embodiment 4] FIG. 4 shows a fourth embodiment of the present invention. In this embodiment, a metal film 9 having good solderability is provided on the outer surface of the composite layer 2, and a low thermal expansion substrate 8 on which a heat generating semiconductor device 7 is mounted is bonded thereon by solder 6. The material of the metal film 9 having good solderability is Cu, Ni, Pd, Sn, Au or A
g etc. are used. The composite layer 2 generally has poor solderability because it contains the dispersing material 4, but by providing the metal coating 9 on the outer surface of the composite layer 2 as described above, the solderability can be improved, and the composite layer 2 can be subjected to thermal stress. When cracking or peeling occurs at the soldered portion when the soldering is performed, the occurrence of cracking or peeling can be suppressed.
When the metal matrix 5 of the composite layer 2 is made of aluminum or aluminum alloy, it is particularly preferable to make the structure as shown in FIG.
【0024】金属被膜9は、単一層でもよいが、要求特
性により上記材料を2層以上積層したものとすることも
できる。The metal film 9 may be a single layer, but may be a laminate of two or more of the above materials depending on required characteristics.
【0025】また金属被膜9はメッキ等の手段により形
成されるが、複合層2と金属被膜9の密着性を高めるた
めには、図5に示すように、複合層2の外面に凹凸を形
成して、その上に金属被膜9を形成するとよい。The metal coating 9 is formed by plating or other means. In order to enhance the adhesion between the composite layer 2 and the metal coating 9, as shown in FIG. Then, a metal coating 9 may be formed thereon.
【0026】また複合層2と金属被膜9の密着性を高め
るためには、図6に示すように、複合層2の外面から分
散材4の一部を突出させ、その上に金属被膜9を形成し
て、分散材4の突出部が金属被膜9に食い込む状態にす
ることも有効である。このような構造にするには、複合
層2の表面の金属マトリックス5を5〜50μm の深さ
にエッチングした後、その部分にはんだ付け性の良い金
属被膜9を上記エッチング深さより厚く形成すればよ
い。また図6の構造にする場合は、分散材4として繊維
状のものを用い、その分散材4の50%以上が金属被膜
9の表面に対しθ=30°〜90°の方向に配向してい
る状態にすることが好ましい。In order to enhance the adhesion between the composite layer 2 and the metal coating 9, as shown in FIG. 6, a part of the dispersion material 4 is projected from the outer surface of the composite layer 2, and the metal coating 9 is coated thereon. It is also effective to form them so that the protrusions of the dispersion material 4 bite into the metal coating 9. In order to obtain such a structure, the metal matrix 5 on the surface of the composite layer 2 is etched to a depth of 5 to 50 μm, and then a metal coating 9 having good solderability is formed on that portion to a thickness larger than the above etching depth. Good. In the case of the structure shown in FIG. 6, a fibrous material is used as the dispersing material 4, and 50% or more of the dispersing material 4 is oriented in the direction of θ = 30 ° to 90 ° with respect to the surface of the metal coating 9. It is preferable to be in a state in which
【0027】なお図4において図1と同一部分には同一
符号を付してある。また上記以外の構成、使用材料およ
び変形態様等は実施形態1と同じであるので、説明を省
略する。また複合基板1は図2のような形態にすること
もできる。また発熱半導体デバイス7は金属被膜9の表
面に直接はんだ付けすることもできる。In FIG. 4, the same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals. In addition, the configuration other than the above, the materials used, the modified aspects, and the like are the same as those in the first embodiment, and a description thereof will not be repeated. Further, the composite substrate 1 may be formed as shown in FIG. Further, the heat generating semiconductor device 7 can be directly soldered to the surface of the metal film 9.
【0028】〔実施形態5〕図7は本発明の第5の実施
形態を示す。この実施形態は、複合層2の外面の、発熱
半導体デバイス7を実装した低熱膨張性基板8をはんだ
付けする領域に、島状又は帯状にはんだ付け性の良い金
属被膜9を形成したものである。それ以外は図4〜図6
の実施形態4と同じであるので、同一部分には同一符号
を付して説明を省略する。[Embodiment 5] FIG. 7 shows a fifth embodiment of the present invention. In this embodiment, an island-shaped or band-shaped metal coating 9 having good solderability is formed on the outer surface of the composite layer 2 in a region where the low thermal expansion substrate 8 on which the heat-generating semiconductor device 7 is mounted is soldered. . Otherwise, FIGS. 4 to 6
Since the fourth embodiment is the same as the fourth embodiment, the same portions are denoted by the same reference numerals and description thereof will be omitted.
【0029】〔実施形態6〕図8は本発明の第6の実施
形態を示す。この実施形態は、発熱半導体デバイス搭載
用複合基板1を構成する複合層2と金属層3がはんだ層
10を介して接合されている例である。このような構成
にすると、複合層2の金属マトリックス5と金属層3の
金属とが連続する場合より、複合基板1内の厚さ方向の
熱伝導性は低下するが、それでもはんだ層10の厚さを
薄く(例えば0.1〜0.4mm程度に)すれば、十分
な放熱性能を得ることができる。この複合基板の場合
は、金属層3は複合層2の金属マトリックス5と同じ金
属か同系の金属で構成する。これは、はんだ層10によ
る接合を確実なものとし、熱ストレスを受けたときに接
合面で割れや剥離が生じないようにするためである。例
えば、複合層2の金属マトリックス5がAl又はAl合
金である場合は、金属層3はAl又はAl合金で構成
し、複合層2と金属層3の接合にはアルミ接合用のSn
−Znはんだを使用する。[Embodiment 6] FIG. 8 shows a sixth embodiment of the present invention. This embodiment is an example in which a composite layer 2 and a metal layer 3 constituting a composite substrate 1 for mounting a heat generating semiconductor device are joined via a solder layer 10. With such a configuration, the thermal conductivity in the thickness direction in the composite substrate 1 is lower than in the case where the metal matrix 5 of the composite layer 2 and the metal of the metal layer 3 are continuous, but the thickness of the solder layer 10 is still lower. If the thickness is reduced (for example, to about 0.1 to 0.4 mm), sufficient heat radiation performance can be obtained. In the case of this composite substrate, the metal layer 3 is made of the same metal or a similar metal as the metal matrix 5 of the composite layer 2. This is to ensure the bonding by the solder layer 10 and to prevent cracking or peeling at the bonding surface when subjected to thermal stress. For example, when the metal matrix 5 of the composite layer 2 is Al or an Al alloy, the metal layer 3 is made of Al or an Al alloy.
-Use Zn solder.
【0030】この実施形態では、複合層2の外面にはん
だ付け性の良い金属被膜9を形成し、その上に、発熱半
導体デバイス7を実装した低熱膨張性基板8をはんだ6
により接合しているが、この点は図4〜図6に示した実
施形態4と同じであるので、詳細な説明は省略する。金
属被膜9は図7の実施形態5のように部分的に形成する
こともできる。また発熱半導体デバイス7は金属被膜9
の上に直接、又は金属被膜9を設けずに複合層2の上に
直接、はんだ付けすることも可能である。なお上記以外
の構成、使用材料および変形態様等は実施形態1と同じ
であるので、説明を省略する。In this embodiment, a metal film 9 having good solderability is formed on the outer surface of the composite layer 2 and a low thermal expansion substrate 8 on which a heat-generating semiconductor device 7 is mounted is formed thereon.
However, since this point is the same as that of the fourth embodiment shown in FIGS. 4 to 6, detailed description is omitted. The metal coating 9 can be partially formed as in Embodiment 5 of FIG. The heating semiconductor device 7 has a metal coating 9.
It is also possible to solder directly onto the composite layer 2 without providing the metal coating 9. Note that the configuration, materials used, modified modes, and the like other than those described above are the same as those in the first embodiment, and a description thereof will not be repeated.
【0031】〔実施形態7〕図9は本発明の第7の実施
形態を示す。この実施形態は、実施形態6と同様、複合
層2と金属層3がはんだ層10を介して接合されている
ものであるが、金属層3が複数に分割され、複合層2が
金属層3と接合されている領域と接合されていない領域
とを有している例である。このような構成にすると、金
属層3を複合層2に接合した際の、金属層3と複合層2
の熱膨張係数の違いに起因する熱応力の発生を低減する
ことができ、発熱半導体デバイス搭載用複合基板1に反
り等の変形が発生することをより確実に防止できる。Embodiment 7 FIG. 9 shows a seventh embodiment of the present invention. In this embodiment, as in the sixth embodiment, the composite layer 2 and the metal layer 3 are joined via the solder layer 10. However, the metal layer 3 is divided into a plurality, and the composite layer 2 is This is an example having a region that is joined and a region that is not joined. With such a configuration, when the metal layer 3 is bonded to the composite layer 2, the metal layer 3 and the composite layer 2
Can reduce the occurrence of thermal stress due to the difference in thermal expansion coefficient of the semiconductor substrate, and can more reliably prevent deformation such as warpage of the heat-generating semiconductor device mounting composite substrate 1.
【0032】また、このような形態をとる場合には、複
合層2と金属層3の熱応力の発生が抑制されるため、図
10に示すように複合層2と金属層3を例えばAl−S
i系のろう材13(例えばBA4343、BA4045
など)を用いてはんだの場合より高温で接合することも
可能である。ろう材13で接合すると、複合層2の上に
発熱半導体デバイス7又は発熱半導体デバイス7を実装
した低熱膨張性基板8などを搭載するときに、より高温
のはんだを使用することが可能となり、組立の自由度が
向上する利点がある。In such a form, since the generation of thermal stress in the composite layer 2 and the metal layer 3 is suppressed, as shown in FIG. S
i-type brazing material 13 (eg, BA4343, BA4045)
) Can be joined at a higher temperature than in the case of solder. By joining with the brazing material 13, when mounting the heat-generating semiconductor device 7 or the low thermal expansion substrate 8 on which the heat-generating semiconductor device 7 is mounted on the composite layer 2, it is possible to use a higher temperature solder, and assemble. There is an advantage that the degree of freedom is improved.
【0033】また、複合層2の金属層3を接合する面
(内面)に、予めはんだ又はろう材の層を設け、分割さ
れた金属層3を治具により一括して複合層2に固定した
状態で、はんだ付け又はろう付けを行うようにすれば、
量産性を高めることも可能である。また図9および図1
0には示してないが、この実施形態においても、発熱半
導体デバイス又は発熱半導体デバイスを実装した低熱膨
張性基板との接合性を良くするために、複合層2の外面
に金属皮膜を形成することも可能である。上記以外の構
成、使用材料、変形態様等は実施形態1と同じであるの
で、説明を省略する。Further, a layer of solder or brazing material is provided in advance on the surface (inner surface) of the composite layer 2 where the metal layer 3 is joined, and the divided metal layers 3 are fixed to the composite layer 2 at once by a jig. If you do soldering or brazing in the state,
It is also possible to increase mass productivity. 9 and FIG.
Although not shown at 0, also in this embodiment, a metal film is formed on the outer surface of the composite layer 2 in order to improve the bonding property with the heat-generating semiconductor device or the low thermal expansion substrate on which the heat-generating semiconductor device is mounted. Is also possible. Configurations, materials used, modified modes, and the like other than those described above are the same as those in the first embodiment, and a description thereof will not be repeated.
【0034】〔実施形態8〕図11は第8の実施形態を
示す。この実施形態は、実施形態7と同様にして、複合
層2に分割された金属層3を接合し、各々の金属層3上
にさらに小さく分割された金属層3aを接合することに
より凹凸を形成したものである。このような構成にする
と、金属層3、3aの表面積が増大し、放熱性の向上が
もたらされる。[Embodiment 8] FIG. 11 shows an eighth embodiment. In this embodiment, in the same manner as in the seventh embodiment, the metal layers 3 divided into the composite layers 2 are joined, and the metal layers 3a further divided into smaller pieces are joined on the respective metal layers 3 to form irregularities. It was done. With such a configuration, the surface areas of the metal layers 3 and 3a are increased, and heat dissipation is improved.
【0035】なお図11では金属層3の上に金属層3a
を接合することにより凹凸を形成したが、金属層3を機
械加工することにより凹凸を形成することも可能であ
る。また図11には示してないが、この実施形態におい
ても、発熱半導体デバイス又は発熱半導体デバイスを実
装した低熱膨張性基板との接合性を良くするために、複
合層2の外面に金属皮膜を形成することも可能である。
上記以外の構成、使用材料、変形態様等は実施形態7と
同じであるので、説明を省略する。In FIG. 11, the metal layer 3a is formed on the metal layer 3.
Are formed by bonding, but it is also possible to form the unevenness by machining the metal layer 3. Although not shown in FIG. 11, also in this embodiment, a metal film is formed on the outer surface of the composite layer 2 in order to improve the bonding property with the heat-generating semiconductor device or the low thermal expansion substrate on which the heat-generating semiconductor device is mounted. It is also possible.
Configurations, materials used, modifications, and the like other than those described above are the same as those in the seventh embodiment, and a description thereof will not be repeated.
【0036】〔実施形態9〕図12は本発明の第9の実
施形態を示す。この実施形態は、複合層2の外面に、は
んだ付け性の良い金属板11を接合し、その上に、発熱
半導体デバイス7を実装した低熱膨張性基板8をはんだ
6により接合したものである。はんだ付け性の良い金属
板11の材料としてはCu、Ni、Pd、Sn、Au又
はAg等が使用される。複合層2は分散材4を含むため
一般にはんだ付け性がわるいが、上記のように複合層2
の外面に金属板11を接合することにより、はんだ付け
性を良くすることができ、熱ストレスを受けたときには
んだ付け部で割れや剥離が発生するのを抑えることがで
きる。複合層2の金属マトリックス5がアルミ又はアル
ミ合金である場合は特に図12のような構成にすること
が好ましい。Embodiment 9 FIG. 12 shows a ninth embodiment of the present invention. In this embodiment, a metal plate 11 having good solderability is joined to the outer surface of the composite layer 2, and a low thermal expansion substrate 8 on which a heat-generating semiconductor device 7 is mounted is joined by solder 6. As a material of the metal plate 11 having good solderability, Cu, Ni, Pd, Sn, Au, Ag, or the like is used. Although the composite layer 2 generally has poor solderability because it contains the dispersing material 4, as described above, the composite layer 2
By joining the metal plate 11 to the outer surface of the substrate, the solderability can be improved, and the occurrence of cracks and peeling at the soldered portion when subjected to thermal stress can be suppressed. When the metal matrix 5 of the composite layer 2 is made of aluminum or aluminum alloy, it is particularly preferable to make the structure as shown in FIG.
【0037】金属板11は、単一板でもよいが、要求特
性により上記材料を2層以上積層した複合板とすること
もできる。The metal plate 11 may be a single plate, or may be a composite plate in which two or more layers of the above materials are laminated depending on required characteristics.
【0038】複合層2と金属板11との接合は、分散材
4の多孔質成形体と金属板11との積層体を金型内にセ
ットし、複合層用の金属マトリックス溶湯を溶湯鍛造等
の手段で加圧鋳造することにより行うことができる。こ
れにより、複合層の外面にメッキで金属被膜を形成する
よりも、量産性よく、低コストで、接合強度の高い複合
基板を得ることができる。The joining of the composite layer 2 and the metal plate 11 is performed by setting a laminate of the porous molded body of the dispersing material 4 and the metal plate 11 in a mold, and forging a metal matrix melt for the composite layer by forging. Can be carried out by pressure casting. This makes it possible to obtain a composite substrate having good mass productivity, low cost, and high bonding strength as compared with forming a metal film on the outer surface of the composite layer by plating.
【0039】複合層2と金属板11との接合を金属マト
リックスの加圧鋳造により行う場合には、金属板11の
複合層2側の面には微細な凹凸を形成しておくことが好
ましい。このような凹凸を形成しておくと金属板11と
複合層2の界面の接合面積が大きくなり、両者の接合強
度を高めることができる。When the composite layer 2 and the metal plate 11 are joined by pressure casting of a metal matrix, it is preferable to form fine irregularities on the surface of the metal plate 11 on the composite layer 2 side. By forming such irregularities, the bonding area at the interface between the metal plate 11 and the composite layer 2 increases, and the bonding strength between the two can be increased.
【0040】金属板11の厚さは0.5〜2mmである
ことが好ましい。0.5mmより薄いと、溶湯鍛造等の
加圧鋳造で複合層を形成するときに、金属板11の変形
または材料によっては拡散消失が起こりやすいので、好
ましくない。また2mmより厚いと、熱膨張特性に金属
板11の影響が強くなり、低熱膨張性基板8との界面で
熱ストレスの十分なマッチングを得ることができない。The thickness of the metal plate 11 is preferably 0.5 to 2 mm. When the thickness is smaller than 0.5 mm, when forming the composite layer by pressure casting such as melt forging or the like, the metal plate 11 is easily deformed or diffused and lost depending on the material, which is not preferable. On the other hand, if the thickness is more than 2 mm, the effect of the metal plate 11 on the thermal expansion characteristics becomes strong, and sufficient matching of thermal stress cannot be obtained at the interface with the low thermal expansion substrate 8.
【0041】なお図12において図1と同一部分には同
一符号を付してある。また上記以外の構成、使用材料お
よび変形態様等は実施形態1と同じであるので、説明を
省略する。また複合基板1は図2のような形態にするこ
ともできる。また発熱半導体デバイス7は金属板11の
外面に直接はんだ付けすることもできる。In FIG. 12, the same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals. In addition, the configuration other than the above, the materials used, the modified aspects, and the like are the same as those in the first embodiment, and a description thereof will be omitted. Further, the composite substrate 1 may be formed as shown in FIG. Further, the heat generating semiconductor device 7 can be directly soldered to the outer surface of the metal plate 11.
【0042】〔実施形態10〕図13は本発明の第10
の実施形態を示す。この実施形態は、複合層2の外面
の、発熱半導体デバイス7を実装した低熱膨張性基板8
をはんだ付けする領域に、島状又は帯状にはんだ付け性
の良い金属板11を形成したものである。それ以外は図
12の実施形態9と同じであるので、同一部分には同一
符号を付して説明を省略する。[Embodiment 10] FIG. 13 shows a tenth embodiment of the present invention.
An embodiment will be described. In this embodiment, the low thermal expansion substrate 8 on the outer surface of the composite layer 2 on which the heat-generating semiconductor device 7 is mounted is provided.
Is formed in the region where the is soldered, a metal plate 11 having good solderability in an island shape or a band shape. The other parts are the same as those in the ninth embodiment of FIG. 12, and the same parts are denoted by the same reference numerals and description thereof will be omitted.
【0043】〔実施形態11〕図14は本発明の第11
の実施形態を示す。この実施形態は、金属板11の複合
層2側の面に、複合層2との接合強度を高めるための金
属メッキ12を施したものである。複合層2と金属板1
1との接合を、分散材4の多孔質成形体と金属板11と
の積層体を金型内にセットして、複合層用の金属マトリ
ックス溶湯を溶湯鍛造等の手段で加圧鋳造することによ
り行う場合において、金属マトリックスス5がAlまた
はAl合金である場合には、金属板11との接合強度を
高めるためには、上記のような金属メッキ12を設ける
ことが好ましい。それ以外は図12の実施形態9と同じ
であるので、同一部分には同一符号を付して説明を省略
する。[Embodiment 11] FIG. 14 shows an eleventh embodiment of the present invention.
An embodiment will be described. In this embodiment, metal plating 12 is applied to the surface of the metal plate 11 on the side of the composite layer 2 to increase the bonding strength with the composite layer 2. Composite layer 2 and metal plate 1
Bonding with the first metal mold 1 is performed by setting a laminate of the porous molded body of the dispersing material 4 and the metal plate 11 in a mold, and casting a metal matrix melt for the composite layer by means of melt forging or the like. When the metal matrix 5 is made of Al or an Al alloy, it is preferable to provide the metal plating 12 as described above in order to increase the bonding strength with the metal plate 11. The other parts are the same as those in the ninth embodiment of FIG. 12, and the same parts are denoted by the same reference numerals and description thereof will be omitted.
【0044】[0044]
〔実施例1〕分散材としてSiC繊維(平均直径0.3
μm、平均長さ90μm)、9Al 2 O3 ・2B2 O3
繊維(平均直径0.5μm、平均長さ30μm)、Al
N繊維(平均直径1μm、平均長さ30μm)を用い、
それぞれの繊維により体積充填率(Vf)が40%、5
0%、60%の多孔質繊維成形体を製作した。寸法は1
00mm×100mm×5mmである。この多孔質繊維
成形体を加圧鋳造機のキャビティにセットし、マトリッ
クス溶湯としてAl、Cuを用いて加圧鋳造を行った。
これにより厚さ方向に、金属マトリックス中に低熱膨張
性繊維が分散した複合層と、金属マトリックスのみの金
属層とを有する発熱半導体デバイス搭載用複合基板を製
作した。 [Example 1] SiC fibers (average diameter 0.3
μm, average length 90 μm), 9Al TwoOThree・ 2BTwoOThree
Fiber (average diameter 0.5 μm, average length 30 μm), Al
Using N fibers (average diameter 1 μm, average length 30 μm)
The volume filling ratio (Vf) is 40%, 5
0% and 60% porous fiber molded bodies were produced. Dimension is 1
It is 00 mm x 100 mm x 5 mm. This porous fiber
Set the compact in the cavity of the pressure casting machine,
Pressure casting was performed using Al and Cu as the molten metal.
This allows low thermal expansion in the metal matrix in the thickness direction
Composite layer in which conductive fibers are dispersed
A composite substrate for mounting a heat-generating semiconductor device having a metal layer
Made.
【0045】製作した複合基板の複合層部分からサンプ
ルを採取し、50℃/分の昇温条件で加熱し、150℃
までの熱膨張係数と熱伝導率の測定を行った。その結果
を表1に示す。比較のためAl、Cu、99%アルミ
ナ、フォルステライトについての熱膨張係数と熱伝導率
の測定結果を表2に示す。A sample was taken from the composite layer portion of the manufactured composite substrate and heated at a heating condition of 50 ° C./min.
The coefficient of thermal expansion and the thermal conductivity up to were measured. Table 1 shows the results. For comparison, Table 2 shows the measurement results of the thermal expansion coefficient and thermal conductivity of Al, Cu, 99% alumina, and forsterite.
【0046】[0046]
【表1】 [Table 1]
【0047】[0047]
【表2】 [Table 2]
【0048】表1および表2によれば、この複合基板の
複合層は、アルミナと同程度の熱膨張特性と、AlやC
uに近い熱伝導特性を有することが分かる。According to Tables 1 and 2, the composite layer of this composite substrate has a thermal expansion characteristic comparable to that of alumina,
It can be seen that it has a heat conduction characteristic close to u.
【0049】次に上記の複合基板のうちSiC(60V
f%)/Al基板と、9Al2 O3・2B2 O3 (60
Vf%)/Al基板を用いて、複合層側の面にはんだで
半導体デバイスを接合した。このようにして製作した半
導体装置について温度変化による熱ストレス試験を行っ
た。この試験は、半導体デバイスを常温から約180℃
に発熱させたのち常温に戻すのを1回の熱ストレスと
し、各部材の接合部や部材自体に劣化が生じた時点の熱
ストレス回数を評価尺度とした。その結果を表3に示
す。Next, SiC (60 V
f%) / Al substrate and 9Al 2 O 3 .2B 2 O 3 (60
Using a Vf%) / Al substrate, a semiconductor device was joined to the surface on the composite layer side with solder. The semiconductor device manufactured in this manner was subjected to a thermal stress test by a temperature change. In this test, the semiconductor device was heated from room temperature to about 180 ° C
One heat stress was to generate heat and then return to normal temperature, and the number of heat stresses at the time when the joints of the members and the members themselves deteriorated was used as an evaluation scale. Table 3 shows the results.
【0050】比較のため従来のアルミナ/Cu/Al複
合基板、フォルステナイト/Cu/Al複合基板、Si
C/Cu/Al複合基板を用いた半導体装置についても
同じ試験を行ったので、その結果を表3に併記する。な
お従来の複合基板の、セラミック板(アルミナ等)とC
u板の接合ははんだで行い、Cu板とAl板(ヒートシ
ンク用)の接合は熱伝導性グリースで行った。For comparison, a conventional alumina / Cu / Al composite substrate, a forstenite / Cu / Al composite substrate, Si
The same test was performed on a semiconductor device using a C / Cu / Al composite substrate, and the results are also shown in Table 3. In addition, the ceramic plate (alumina etc.) and C
The bonding of the u plate was performed by soldering, and the bonding of the Cu plate and the Al plate (for heat sink) was performed by heat conductive grease.
【0051】[0051]
【表3】 [Table 3]
【0052】このように本実施例の半導体装置は、界面
でのクラック等の劣化が起きにくく、従来の半導体装置
に比べ高い信頼性を確保することができる。As described above, the semiconductor device of the present embodiment hardly causes deterioration such as cracks at the interface, and can secure higher reliability than the conventional semiconductor device.
【0053】〔実施例2〕分散材としてCu−16.7
wt%Zn−7.1wt%Al合金(形状記憶合金)粒
子、Ni−50wt%Ti合金(形状記憶合金)粒子、
Fe−36wt%Ni合金(インバー合金)粒子を用
い、金属マトリックス材として純度99.7%Al粒
子、純度99.99%Cu粒子を用いた。いずれも粒子
の大きさは100メッシュである。Example 2 Cu-16.7 as a dispersant
wt% Zn-7.1 wt% Al alloy (shape memory alloy) particles, Ni-50 wt% Ti alloy (shape memory alloy) particles,
Fe-36 wt% Ni alloy (invar alloy) particles were used, and as the metal matrix material, 99.7% pure Al particles and 99.99% pure Cu particles were used. In each case, the size of the particles is 100 mesh.
【0054】分散材が形状記憶合金粒子の場合は500
℃×1時間の水素焼鈍を施してから、インバー合金粒子
の場合はそのまま、次の工程を実施した。分散材とマト
リックス材を、分散材の体積充填率(Vf)が10%、
20%、30%となるように配合して、ボールミルで2
4時間混合した。次に混合粉を直径88mm、高さ30
mmの円板状に圧粉成形し、この成形体を内径90m
m、外径100mm、長さ1180mmのAA1070
アルミ合金管内に積み重ねるようにして収納し、アルミ
合金管の両端に同一材料の蓋を真空中で電子ビーム溶接
した。When the dispersant is shape memory alloy particles, 500
After hydrogen annealing at 1 ° C. × 1 hour, the next step was carried out as it was in the case of the Invar alloy particles. The dispersing material and the matrix material have a volume filling rate (Vf) of the dispersing material of 10%,
20% and 30% are blended and 2
Mix for 4 hours. Next, the mixed powder was 88 mm in diameter and 30 mm in height.
mm compacted into a disk with a diameter of 90 mm.
m, AA1070 having an outer diameter of 100 mm and a length of 1180 mm
The aluminum alloy tube was housed in a stacked manner, and lids of the same material were electron-beam welded to both ends of the aluminum alloy tube in a vacuum.
【0055】このようにして製作したビレットを350
℃で30分間加熱し、厚さ10mm、幅50mmの板状
に押出成形した。次に外層のAA1070合金を除去し
た後、長さ1200mmに切断し、押出方向に対し垂直
な方向に厚さが1.7mmになるまで圧延した。以上の
ようにして金属マトリックス中に低熱膨張性粒子が分散
した複合板を得た。The billet manufactured in this manner was replaced with 350
It heated at 30 degreeC for 30 minutes, and extruded in the plate shape of thickness 10mm and width 50mm. Next, after removing the AA1070 alloy of the outer layer, it was cut to a length of 1200 mm and rolled in a direction perpendicular to the extrusion direction until the thickness became 1.7 mm. As described above, a composite plate in which the low thermal expansion particles were dispersed in the metal matrix was obtained.
【0056】次に、この複合板を加圧鋳造機のキャビテ
ィにセットし、その片面に、金属マトリックスがAlの
場合はAl溶湯を、Cuの場合はCu溶湯を加圧鋳造し
た。分散材がインバー合金粒子の場合はこれで厚さ方向
に複合層と金属層を有する複合基板を得た。また分散材
が形状記憶合金粒子の場合はこのあと、形状を記憶させ
るための熱処理を施した後、さらに0.08%ほどクロ
ス圧延による冷間加工を施して、複合基板を得た。Next, the composite plate was set in a cavity of a pressure casting machine, and on one surface thereof, a molten aluminum was cast when the metal matrix was Al, and a molten Cu was cast when the metal matrix was Cu. When the dispersion material was Invar alloy particles, a composite substrate having a composite layer and a metal layer in the thickness direction was obtained. When the dispersing material was shape memory alloy particles, a heat treatment for memorizing the shape was performed, and then a cold work by cross rolling was performed by about 0.08% to obtain a composite substrate.
【0057】このようにして得られた複合基板の複合層
部分からサンプルを採取し、実施例1と同じ条件で熱膨
張係数と熱伝導率の測定を行った。その結果を表4に示
す。比較のためW−15wt%Cu合金、Al−30w
t%Si合金、コバールについても熱膨張係数と熱伝導
率の測定をしたので、その結果を表5に示す。A sample was taken from the composite layer portion of the composite substrate thus obtained, and the thermal expansion coefficient and the thermal conductivity were measured under the same conditions as in Example 1. Table 4 shows the results. For comparison, W-15wt% Cu alloy, Al-30w
The thermal expansion coefficient and the thermal conductivity of the t% Si alloy and Kovar were also measured, and the results are shown in Table 5.
【0058】[0058]
【表4】 [Table 4]
【0059】[0059]
【表5】 [Table 5]
【0060】表4および表5によれば、この複合基板の
複合層は、従来の基板材料に比べ、熱膨張係数が小さ
く、熱伝導率が高いことが分かる。Tables 4 and 5 show that the composite layer of this composite substrate has a smaller coefficient of thermal expansion and a higher thermal conductivity than the conventional substrate material.
【0061】次に、以上のようにして得られた複合基板
のうち、Cu−Zn−Al(20Vf%)/Al基板
と、Ni−Ti(20Vf%)/Al基板と、Fe−N
i(20Vf%)/Al基板を用い、その複合層側の面
にはんだで半導体デバイスを接合した。このようにして
得た半導体装置について実施例1と同じ熱ストレス試験
を行った。その結果を表6に示す。Next, of the composite substrates obtained as described above, a Cu—Zn—Al (20 Vf%) / Al substrate, a Ni—Ti (20 Vf%) / Al substrate, and a Fe—N
Using an i (20 Vf%) / Al substrate, a semiconductor device was joined to the surface on the composite layer side with solder. The semiconductor device thus obtained was subjected to the same thermal stress test as in Example 1. Table 6 shows the results.
【0062】[0062]
【表6】 [Table 6]
【0063】このように本実施例の半導体装置は、界面
でのクラック等の劣化が起きにくく、表3に示した従来
の半導体装置より高い信頼性を確保することができる。As described above, in the semiconductor device of this embodiment, deterioration such as cracks at the interface hardly occurs, and higher reliability can be secured than the conventional semiconductor device shown in Table 3.
【0064】〔実施例3〕分散材として、SiC繊維
(平均直径0.3μm、平均長さ90μm)とC繊維
(平均直径40μm、平均長さ400μm)の混合物、
9Al2 O3 ・2B2O3 繊維(平均直径0.5μm、
平均長さ30μm)とAlN粒子(粒径約50μm)の
混合物、AlN繊維(平均直径1μm、平均長さ30μ
m)とZrO2粒子(粒径約50μm)の混合物を用
い、これらの混合物でそれぞれ体積充填率(Vf)が3
0%、40%、50%の多孔質成形体を製作した。寸法
は100mm×100mm×5mmである。Example 3 A mixture of SiC fibers (average diameter 0.3 μm, average length 90 μm) and C fibers (average diameter 40 μm, average length 400 μm) was used as a dispersant.
9Al 2 O 3 · 2B 2 O 3 fibers (average diameter 0.5 [mu] m,
Mixture of AlN particles (average length 30 μm) and AlN particles (particle diameter about 50 μm), AlN fiber (average diameter 1 μm, average length 30 μm)
m) and a mixture of ZrO 2 particles (particle size: about 50 μm), each having a volume filling factor (Vf) of 3
0%, 40% and 50% porous molded bodies were produced. The dimensions are 100 mm × 100 mm × 5 mm.
【0065】この多孔質成形体を加圧鋳造機のキャビテ
ィにセットし、マトリックス溶湯としてAl、Cuを用
いて加圧鋳造を行った。これにより厚さ方向に、金属マ
トリックス中に低熱膨張性繊維及び粒子が分散した複合
層と、金属マトリックスのみの金属層とを有する複合基
板を製作した。製作した複合基板の複合層部分からサン
プルを採取して、実施例1と同じ熱膨張係数と熱伝導率
の測定を行った。その結果を表7に示す。This porous compact was set in a cavity of a pressure casting machine, and pressure casting was performed using Al and Cu as a matrix melt. As a result, a composite substrate having a composite layer in which low thermal expansion fibers and particles were dispersed in a metal matrix in the thickness direction and a metal layer containing only the metal matrix was manufactured. A sample was taken from the composite layer portion of the manufactured composite substrate, and the same thermal expansion coefficient and thermal conductivity as in Example 1 were measured. Table 7 shows the results.
【0066】[0066]
【表7】 [Table 7]
【0067】表7および表2によれば、この複合基板に
おける複合層は、アルミナと同程度の熱膨張特性と、A
lやCuに近い熱伝導特性を有することが分かる。According to Tables 7 and 2, the composite layer of this composite substrate has a thermal expansion characteristic comparable to that of alumina,
It turns out that it has a heat conduction characteristic close to 1 and Cu.
【0068】次に上記の複合基板のうち、SiC(20
Vf%)+C(20Vf%)/Al基板と、9Al2 O
3 ・2B2 O3 (20Vf%)+AlN(20Vf%)
/Al基板を用い、その複合層側の面にはんだで半導体
デバイスを接合して半導体装置を製作した。これらの半
導体装置について、実施例1と同じ熱ストレス試験を行
った。その結果を表8に示す。Next, among the above-mentioned composite substrates, SiC (20
Vf%) + C (20Vf% ) / Al substrate and, 9Al 2 O
3 · 2B 2 O 3 (20Vf %) + AlN (20Vf%)
A semiconductor device was manufactured by using a / Al substrate and bonding a semiconductor device to the surface on the composite layer side with solder. The same heat stress test as in Example 1 was performed on these semiconductor devices. Table 8 shows the results.
【0069】[0069]
【表8】 [Table 8]
【0070】このように本実施例の半導体装置は、界面
でのクラック等の劣化が起きにくく、表3に示した従来
の半導体装置より高い信頼性を確保することができる。As described above, in the semiconductor device of this embodiment, deterioration such as cracks at the interface hardly occurs, and higher reliability than the conventional semiconductor device shown in Table 3 can be secured.
【0071】〔実施例4〕分散材としてSiC繊維(平
均直径0.3μm、平均長さ90μm)、9Al 2 O3
・2B2 O3 繊維(平均直径0.5μm、平均長さ30
μm)、AlN繊維(平均直径1μm、平均長さ30μ
m)を用い、それぞれの繊維により体積充填率(Vf)
が40%、50%、60%の多孔質繊維成形体を製作し
た。寸法は100mm×100mm×5mmである。こ
の多孔質繊維成形体をそれと同じ形状のキャビティを有
する加圧鋳造機にセットし、マトリックス溶湯としてA
l−Si7%とAlを用いてそれぞれ加圧鋳造を行っ
た。これにより金属マトリックス中に低熱膨張性繊維が
分散した複合板を製作した。Example 4 As a dispersant, SiC fiber (flat fiber) was used.
Average diameter 0.3μm, average length 90μm), 9Al TwoOThree
・ 2BTwoOThreeFiber (average diameter 0.5 μm, average length 30
μm), AlN fiber (average diameter 1 μm, average length 30 μm)
m) and the volume filling ratio (Vf) of each fiber
Manufactures 40%, 50% and 60% porous fiber moldings
Was. The dimensions are 100 mm × 100 mm × 5 mm. This
With a cavity of the same shape
And set it as a matrix melt
Pressure casting is performed using l-Si 7% and Al, respectively.
Was. This results in low thermal expansion fibers in the metal matrix
A dispersed composite plate was produced.
【0072】製作した複合板について、前処理としてア
ルカリ溶液(水酸化ナトリウム)による50℃×70秒
の表面の脱脂及び表面改質を行い、さらにジンケート処
理にてZnの下地を1〜2μm の厚さに施した。この上
にNiメッキ処理を、常温、電流密度4A/cm2 の条
件で行い、複合板表面に厚さ10μm のNiメッキ層
(金属被膜)を形成した。このNiメッキ複合板の上
に、発熱半導体デバイスを実装したDBC基板(70m
m×70mm×1.2mm)を通常の共晶はんだにより
接合し、半導体装置を製作した。The prepared composite plate was degreased and surface-modified at 50 ° C. for 70 seconds with an alkali solution (sodium hydroxide) as a pretreatment, and further, zinc coating was applied so that the Zn base was 1-2 μm thick. I gave it. Ni plating was performed thereon at room temperature and at a current density of 4 A / cm 2 to form a 10 μm thick Ni plating layer (metal coating) on the surface of the composite plate. On this Ni-plated composite board, a DBC substrate (70 m
(m × 70 mm × 1.2 mm) were joined with a normal eutectic solder to produce a semiconductor device.
【0073】比較のため、Niメッキを施していない複
合板についても同様にして発熱半導体デバイスを実装し
たDBC基板を接合し、半導体装置を製作した。For comparison, a DBC substrate on which a heat-generating semiconductor device was mounted was similarly bonded to a composite plate not subjected to Ni plating, thereby producing a semiconductor device.
【0074】このようにして製作した半導体装置につい
て温度変化による熱ストレス試験を行った。この試験
は、常温から−40℃まで冷却後、+125℃まで発熱
させ、室温まで戻すサイクルを1回の熱ストレスとし、
300回試験を行った時点で各接合部や部材自体に生じ
た劣化状況と、半導体装置の熱抵抗値を調べるものであ
る。この試験結果を表9に示す。なお熱抵抗値は、DB
C基板上面と複合板下面に熱電対をつけ、半導体デバイ
スに一定出力を発生させたときの上記両面の温度差とし
て測定した。The semiconductor device thus manufactured was subjected to a thermal stress test by a change in temperature. In this test, after cooling from room temperature to −40 ° C., heat was generated to + 125 ° C., and a cycle of returning to room temperature was defined as one heat stress.
The purpose of this study is to examine the state of deterioration of each joint and the members themselves at the time of conducting the test 300 times, and the thermal resistance value of the semiconductor device. Table 9 shows the test results. The thermal resistance value is DB
A thermocouple was attached to the upper surface of the C substrate and the lower surface of the composite plate, and the temperature difference was measured as the temperature difference between the two surfaces when a constant output was generated in the semiconductor device.
【0075】[0075]
【表9】 [Table 9]
【0076】表9によれば、Niメッキを有する複合板
(実施例)の方が、発熱半導体デバイス実装DBC基板
とのはんだ接合性がよく、熱ストレスを受けてもはんだ
接合部に剥離やクラックが生じ難いことが分かる。According to Table 9, the composite plate having Ni plating (Example) has better solder jointability with the heat-generating semiconductor device-mounted DBC substrate, and peeling or cracking of the solder joint portion even when subjected to thermal stress. It turns out that it is hard to produce.
【0077】なおこの実施例は、本発明の複合基板の代
わりに金属層を有しない複合板を用いて、複合板と発熱
半導体デバイス実装DBC基板との間の熱抵抗と、剥
離、クラックの有無を調べたものであるが、本発明の複
合基板を用いた場合でも、複合層と発熱半導体デバイス
実装DBC基板との間ではこの実施例と同様な結果が得
られることは明らかである。この点は次の実施例5でも
同じである。In this embodiment, a composite board having no metal layer is used in place of the composite board of the present invention, and the thermal resistance between the composite board and the heat-generating semiconductor device mounting DBC board and the presence or absence of peeling and cracking It is clear that even when the composite substrate of the present invention is used, the same result as in this embodiment can be obtained between the composite layer and the heat-generating semiconductor device mounting DBC substrate. This point is the same in the following fifth embodiment.
【0078】〔実施例5〕分散材としてC繊維(平均直
径10μm 、平均長さ200μm )を用いて、同繊維の
体積充填率が40%、50%、60%の種々の多孔質繊
維成形体を製作した。寸法は100mm×100mm×
5mmである。この多孔質繊維成形体をそれと同じ形状
のキャビティを有する加圧鋳造機にセットし、マトリッ
クス溶湯としてAl−Si7%を用いてそれぞれ加圧鋳
造を行った。これにより金属マトリックス中に低熱膨張
性のC繊維が分散した複合板を製作した。Example 5 Various kinds of porous fiber moldings using C fibers (average diameter 10 μm, average length 200 μm) as the dispersing material and having a volume filling ratio of 40%, 50% and 60% of the fibers. Was made. The dimensions are 100mm x 100mm x
5 mm. This porous fiber molded body was set in a pressure casting machine having a cavity having the same shape as the porous fiber molded body, and pressure casting was performed using Al-Si 7% as a matrix melt. In this way, a composite plate in which C fibers having low thermal expansion were dispersed in a metal matrix was manufactured.
【0079】製作した複合板の表面に電気メッキにてC
u、Ni、Pd、Sn、Au、Agのメッキ層(金属被
膜)を形成した。メッキ層の厚さは5μm とした。これ
らのメッキを施した複合層の上に、発熱半導体デバイス
を実装したDBC基板(70mm×70mm×0.5m
m)を通常の共晶はんだにより接合し、半導体装置を製
作した。The surface of the manufactured composite plate was electroplated with C
A plating layer (metal coating) of u, Ni, Pd, Sn, Au, and Ag was formed. The thickness of the plating layer was 5 μm. A DBC substrate (70 mm × 70 mm × 0.5 m) on which a heat-generating semiconductor device is mounted is placed on these plated composite layers.
m) was joined by a normal eutectic solder to produce a semiconductor device.
【0080】比較のため、メッキを施していない複合板
についても同様にして発熱半導体デバイスを実装したD
BC基板を接合し、半導体装置を製作した。このように
して製作した半導体装置について、熱ストレス試験を行
い、はんだ付け界面に破壊劣化(剥離、クラック)が生
じるまでの回数を調べた。熱ストレス試験は、半導体デ
バイスを常温から−40℃まで冷却後、+180℃まで
発熱させ、常温まで戻すサイクルを1回の熱ストレスと
し、各部材の接合部や部材自体に劣化が生じた時点の熱
ストレス回数を評価尺度とした。その結果を表10に示
す。For comparison, a composite board having no heat-treated semiconductor device was similarly mounted on an unplated composite board.
A semiconductor device was manufactured by bonding the BC substrates. A thermal stress test was performed on the semiconductor device manufactured in this manner, and the number of times until destruction deterioration (peeling, cracking) occurred at the soldering interface was examined. In the thermal stress test, a cycle in which a semiconductor device is cooled from room temperature to −40 ° C., heated to + 180 ° C., and returned to room temperature is defined as one heat stress. The heat stress frequency was used as an evaluation scale. Table 10 shows the results.
【0081】[0081]
【表10】 [Table 10]
【0082】以上の結果によれば、メッキ層を有する複
合層(実施例)の方が、発熱半導体デバイス実装DBC
基板とのはんだ接合性がよく、熱ストレスを受けてもは
んだ接合部に剥離やクラックが生じ難いことが分かる。
なお実施例5における破壊劣化回数が、実施例1(表
3)、実施例2(表6)、実施例3(表8)の場合より
低めになっているのは、試験条件が厳しいためと考えら
れる。According to the above results, the composite layer having the plating layer (embodiment) is better than the heat generating semiconductor device mounting DBC.
It can be seen that the solder joint property with the substrate is good, and peeling and cracking are unlikely to occur at the solder joint part even when subjected to thermal stress.
The reason why the number of times of destruction and deterioration in Example 5 is lower than that in Examples 1 (Table 3), Example 2 (Table 6), and Example 3 (Table 8) is that the test conditions are severe. Conceivable.
【0083】〔実施例6〕この実施例では図8に示す発
熱半導体デバイス搭載用複合基板と、それを用いた半導
体装置の製造方法を説明する。[Embodiment 6] In this embodiment, a composite substrate for mounting a heat generating semiconductor device shown in FIG. 8 and a method of manufacturing a semiconductor device using the same will be described.
【0084】まず、分散材としてSiC繊維(平均直径
0.3μm、平均長さ90μm)、9Al2 O3 ・2B
2 O3 繊維(平均直径0.5μm、平均長さ30μ
m)、AlN繊維(平均直径1μm、平均長さ30μ
m)を用い、これらの繊維でそれぞれ体積充填率(V
f)が40%の多孔質繊維成形体を製作した。寸法は1
00mm×100mm×5mmである。この多孔質繊維
成形体をそれと同じ形状のキャビティを有する加圧鋳造
機にセットし、マトリックス溶湯としてAl−Si7%
を用いてそれぞれ加圧鋳造を行った。これにより金属マ
トリックス中に低熱膨張性繊維が分散した複合板を製作
した。First, SiC fiber (average diameter 0.3 μm, average length 90 μm) as a dispersant, 9Al 2 O 3 .2B
2 O 3 fiber (average diameter 0.5 μm, average length 30 μm
m), AlN fiber (average diameter 1 μm, average length 30 μm)
m), and the volume filling rate (V
f) produced a porous fiber molded body having 40%. Dimension is 1
It is 00 mm x 100 mm x 5 mm. This porous fiber molded body was set in a pressure casting machine having a cavity having the same shape as that of the porous fiber molded body.
Each was press-cast. As a result, a composite plate in which the low thermal expansion fibers were dispersed in the metal matrix was manufactured.
【0085】製作した複合板に対し、前処理としてアル
カリ溶液(水酸化ナトリウム)による50℃×70秒の
表面の脱脂及び表面改質を行い、さらにジンケート処理
にてZnの下地を1〜2μm の厚さに施した。この上に
Niメッキ処理を、常温、電流密度4A/cm2 の条件
で行い、複合板表面に厚さ10μm のNiメッキ層(金
属被膜)を形成した。The prepared composite plate was subjected to degreasing and surface modification at 50 ° C. for 70 seconds with an alkali solution (sodium hydroxide) as a pretreatment, and then a zinc undercoat was applied to a Zn underlayer of 1-2 μm. Applied to thickness. Ni plating was performed thereon at room temperature and at a current density of 4 A / cm 2 to form a 10 μm thick Ni plating layer (metal coating) on the surface of the composite plate.
【0086】このNiメッキ複合板をヒートシンクとな
る金属板(Al−Si7%)と厚さ0.2mmのSn−
Znはんだで接合し複合基板とした。この複合基板のN
iメッキ層上に、発熱半導体デバイス実装DBC基板
(70mm×70mm×1.2mm)を共晶はんだにて
接合し、半導体装置を製作した。This Ni-plated composite plate was formed by using a metal plate (Al-Si 7%) serving as a heat sink and a 0.2 mm thick Sn-
A composite substrate was formed by bonding with Zn solder. N of this composite substrate
A heat-generating semiconductor device-mounted DBC substrate (70 mm × 70 mm × 1.2 mm) was joined on the i-plated layer by eutectic solder to produce a semiconductor device.
【0087】〔実施例7〕この実施例では、図10に示
す発熱半導体デバイス搭載用複合基板と、それを用いた
半導体装置の製造方法を説明する。分散材としてSiC
繊維(平均直径0.3μm、平均長さ90μm)および
C繊維(平均直径10μm、平均長さ200μm)を用
い、これらの繊維でそれぞれ体積充填率(Vf)が40
%の多孔質繊維成形体を製作した。寸法は100mm×
100mm×5mmである。この多孔質繊維成形体をそ
れと同じ形状のキャビティを有する加圧鋳造機にセット
し、マトリックス溶湯としてAl−Si22%を用いて
それぞれ加圧鋳造を行った。これにより金属マトリック
ス中に低熱膨張性繊維が分散した複合板を製作した。製
作した複合板に、実施例6と同様にしてNiメッキ処理
を行い、複合板表面に厚さ10μm のNiメッキ層(金
属被膜)を形成した。[Embodiment 7] In this embodiment, a composite substrate for mounting a heating semiconductor device shown in FIG. 10 and a method of manufacturing a semiconductor device using the same will be described. SiC as dispersant
Fiber (average diameter: 0.3 μm, average length: 90 μm) and C fiber (average diameter: 10 μm, average length: 200 μm) were used, and these fibers each had a volume filling factor (Vf) of 40.
% Of a porous fiber molded body was produced. Dimension is 100mm ×
It is 100 mm x 5 mm. This porous fiber molded body was set in a pressure casting machine having a cavity having the same shape as that of the porous fiber molded body, and pressure casting was performed using 22% of Al-Si as a matrix melt. As a result, a composite plate in which the low thermal expansion fibers were dispersed in the metal matrix was manufactured. A Ni plating treatment was performed on the manufactured composite plate in the same manner as in Example 6 to form a Ni plating layer (metal film) having a thickness of 10 μm on the surface of the composite plate.
【0088】このNiメッキ複合板に、金属層として直
径5mm、長さ25mmのAl円柱を100本、ほぼ均
等に分散させて接合した。接合は次の手順で行った。す
なわち、複合板を非メッキ面を上にして水平配置し、そ
の上に、フラックスを塗布した直径約7mmのろう材薄
板(BA4045)を100枚、縦横に配列し、各ろう
材薄板の上に前記Al円柱を立て、その上に重さ約2k
gの重りをのせた。次に、これを595℃に保持された
炉に10分間放置することにより、Al円柱を複合板に
接合した。このようにして製作した複合基板のNiメッ
キ層上に、発熱半導体デバイス実装DBC基板(70m
m×70mm×1.2mm)を共晶はんだにて接合し、
半導体装置を製作した。100 Ni cylinders having a diameter of 5 mm and a length of 25 mm as metal layers were almost uniformly dispersed and joined to this Ni-plated composite plate. Joining was performed in the following procedure. That is, the composite plate is horizontally arranged with the non-plated surface facing upward, and 100 sheets of flux-applied brazing filler metal sheets (BA4045) having a diameter of about 7 mm are arranged vertically and horizontally on each of the brazing filler metal sheets. Stand up the Al cylinder and weigh about 2k on it
g of weight. Next, this was left in a furnace maintained at 595 ° C. for 10 minutes to join the Al cylinder to the composite plate. A heating semiconductor device-mounted DBC substrate (70 m) is formed on the Ni plating layer of the composite substrate thus manufactured.
mx 70mm x 1.2mm) with eutectic solder
A semiconductor device was manufactured.
【0089】〔実施例8〕分散材としてSiC繊維(平
均直径0.3μm、平均長さ90μm)、9Al 2 O3
・2B2 O3 繊維(平均直径0.5μm、平均長さ30
μm)、AlN繊維(平均直径1μm、平均長さ30μ
m)、C繊維(平均直径20μm、平均長さ70μm)
を用いて、それぞれの繊維により繊維の体積充填率(V
f)が40%、50%、60%の種々の多孔質繊維成形
体を製作した。寸法は100mm×100mm×5mm
である。はんだ付け性の良い金属板としてCu板(寸法
100mm×100mm×1mm)を用意した。Example 8 As a dispersing agent, SiC fiber (flat
Average diameter 0.3μm, average length 90μm), 9Al TwoOThree
・ 2BTwoOThreeFiber (average diameter 0.5 μm, average length 30
μm), AlN fiber (average diameter 1 μm, average length 30 μm)
m), C fiber (average diameter 20 μm, average length 70 μm)
, The volume filling rate of the fibers (V
f) 40%, 50%, 60% of various porous fiber moldings
Made a body. The dimensions are 100mm x 100mm x 5mm
It is. Cu plate (dimensions) as a metal plate with good solderability
(100 mm × 100 mm × 1 mm).
【0090】上記の多孔質繊維成形体と金属板を予熱炉
にて700℃に予熱した。炉内は金属板の酸化劣化を考
慮してアルゴン雰囲気に保った。次に図15に示すよう
に、予熱した金属板11と多孔質繊維成形体4Pを積層
した状態で250℃に予熱した鋳造金型13内にセット
した。その後、溶湯鍛造法による加圧鋳造装置で型締め
した後、湯口14から750℃のAl−Si7%合金溶
湯を射出速度10cm/秒で鋳込み、鋳込み後、100
0atmの圧力で1分間加圧保持した後、凝固させた。
これにより、図12に示すような、厚さ方向に金属板1
1と、複合層2と、金属層3(ヒートシンク部)とを有
する発熱半導体デバイス搭載用複合基板1を製作した。The above-mentioned porous fiber molded body and metal plate were preheated to 700 ° C. in a preheating furnace. The inside of the furnace was kept in an argon atmosphere in consideration of oxidation deterioration of the metal plate. Next, as shown in FIG. 15, the preheated metal plate 11 and the porous fiber molded body 4P were set in a casting mold 13 preheated to 250 ° C. in a laminated state. Then, after clamping with a pressure casting apparatus by a molten metal forging method, a 750 ° C. Al-Si 7% alloy molten metal is poured from the gate 14 at an injection speed of 10 cm / sec.
After pressurizing and holding for 1 minute at a pressure of 0 atm, it was coagulated.
As a result, as shown in FIG.
1, a composite substrate 1 for mounting a heat-generating semiconductor device having a composite layer 2 and a metal layer 3 (heat sink portion).
【0091】次に得られた複合基板を切断し、金属板と
複合層との界面を光学顕微鏡で観察した結果、界面の接
合状態は良好であることが確認された。また比較のた
め、複合層の表面に電解Cuメッキを施した複合基板を
製作した。Next, the obtained composite substrate was cut, and the interface between the metal plate and the composite layer was observed with an optical microscope. As a result, it was confirmed that the bonding state of the interface was good. For comparison, a composite substrate in which the surface of the composite layer was subjected to electrolytic Cu plating was manufactured.
【0092】以上のようにして製作した複合基板につき
熱衝撃試験を行った。この試験は、200℃の加熱雰囲
気と−30℃の冷却雰囲気を用意し、これらの雰囲気に
複合基板を交互に投げ込み、加熱と冷却1サイクルを1
回として、複合層と金属板またはCuメッキとの界面に
破壊が生じた回数を調べるものである。破壊検知は電気
抵抗の測定により、初期値に対し20%抵抗値が上がっ
た時点で破壊とみなし、切断して界面の破壊状況を調べ
た。その結果を表11に示す。この結果によればCuメ
ッキよりCu板接合の方が界面の接合性が良くなること
が分かった。A thermal shock test was performed on the composite substrate manufactured as described above. In this test, a heating atmosphere of 200 ° C. and a cooling atmosphere of −30 ° C. were prepared, and the composite substrate was alternately thrown into these atmospheres, and one cycle of heating and cooling was performed for one cycle.
As the number of times, the number of times that the interface between the composite layer and the metal plate or the Cu plating is broken is examined. In the detection of destruction, when the resistance value was increased by 20% with respect to the initial value by measuring the electric resistance, the destruction was regarded as destruction. Table 11 shows the results. According to the result, it was found that the bonding property of the interface is better in the case of joining the Cu plate than in the case of Cu plating.
【0093】[0093]
【表11】 [Table 11]
【0094】〔実施例9〕分散材としてC繊維(平均直
径10μm、平均長さ200μm)を用いて、その繊維
の体積充填率(Vf)が40%の多孔質繊維成形体を製
作した。寸法は100mm×100mm×5mmであ
る。はんだ付け性の良い金属板としてNi板、Pd板、
Au板、Ag板(寸法100mm×100mm×1m
m)を用意し、これらの金属板の片面に複合層との接合
強度を高めるため電解メッキにより厚さ10μm のCu
メッキを施した。Example 9 Using a C fiber (average diameter: 10 μm, average length: 200 μm) as a dispersant, a porous fiber molded body having a volume filling factor (Vf) of 40% was produced. The dimensions are 100 mm × 100 mm × 5 mm. Ni plate, Pd plate, metal plate with good solderability
Au plate, Ag plate (dimensions 100 mm x 100 mm x 1 m
m), and a 10 μm-thick Cu film is formed on one side of these metal plates by electrolytic plating in order to increase the bonding strength with the composite layer.
Plated.
【0095】上記の多孔質繊維成形体と金属板を予熱炉
にて700℃に予熱した。炉内は金属板の酸化劣化を考
慮してアルゴン雰囲気に保った。次に予熱した金属板と
多孔質繊維成形体を、金属板のCuメッキ面を多孔質繊
維成形体側に向けて積層した状態で、250℃に予熱し
た鋳造金型13内にセットした。その後、溶湯鍛造法に
よる加圧鋳造装置で型締めした後、金型内に750℃の
Al−Si7%合金溶湯を射出速度10cm/秒で鋳込
み、鋳込み後、1000atmの圧力で1分間加圧保持
した後、凝固させた。これにより、図14に示すよう
な、厚さ方向に金属板11と、Cuメッキ層12と、複
合層2と、金属層3(ヒートシンク部)とを有する発熱
半導体デバイス搭載用複合基板1を製作した。The above-mentioned porous fiber molded body and the metal plate were preheated to 700 ° C. in a preheating furnace. The inside of the furnace was kept in an argon atmosphere in consideration of oxidation deterioration of the metal plate. Next, the preheated metal plate and the porous fiber molded body were set in a casting mold 13 preheated to 250 ° C. in a state where the Cu plating surface of the metal plate was laminated toward the porous fiber molded body side. Then, after clamping with a pressure casting device by a molten metal forging method, a 750 ° C. Al-Si 7% alloy molten metal is cast into the mold at an injection speed of 10 cm / sec, and after the casting, pressure is maintained at a pressure of 1000 atm for 1 minute. After that, it was solidified. As a result, as shown in FIG. 14, a composite substrate 1 for mounting a heat-generating semiconductor device having the metal plate 11, the Cu plating layer 12, the composite layer 2, and the metal layer 3 (heat sink portion) in the thickness direction is manufactured. did.
【0096】比較のため、Cuメッキが施されていない
金属板を用意し、上記と同様にして複合基板を製作し
た。これらの複合基板について実施例8と同じ熱衝撃試
験を行った。その結果を表12に示す。この結果によれ
ば、金属板の複合層側の面にCuメッキを施した方が界
面の接合性が良くなることが分かった。For comparison, a metal plate not subjected to Cu plating was prepared, and a composite substrate was manufactured in the same manner as described above. The same thermal shock test as in Example 8 was performed on these composite substrates. Table 12 shows the results. According to this result, it was found that the surface of the metal plate on the composite layer side was subjected to Cu plating to improve the bonding property at the interface.
【0097】[0097]
【表12】 [Table 12]
【0098】[0098]
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、発
熱半導体デバイスの放熱性がよく、しかも複合基板内部
や、複合基板と発熱半導体デバイス又は発熱半導体デバ
イス実装低熱膨張性基板との界面に割れや剥離が発生す
るおそれの少ない信頼性の高い発熱半導体デバイス搭載
用複合基板および半導体装置を提供することができる。
したがって半導体デバイスの大型化、大電力化に十分対
応することが可能となる。As described above, according to the present invention, the heat-generating semiconductor device has good heat-radiating properties, and the heat-generating semiconductor device has good heat dissipation inside the composite substrate or at the interface between the composite substrate and the heat-generating semiconductor device or the heat-generating semiconductor device-mounted low thermal expansion substrate. A highly reliable composite substrate for mounting a heat-generating semiconductor device and a semiconductor device which are less likely to be cracked or peeled off can be provided.
Therefore, it is possible to sufficiently cope with an increase in size and power of a semiconductor device.
【図1】 本発明に係る発熱半導体デバイス搭載用複合
基板とそれを用いた半導体装置の第1の実施形態を示す
断面図。FIG. 1 is a cross-sectional view showing a first embodiment of a heat generating semiconductor device mounting composite substrate and a semiconductor device using the same according to the present invention.
【図2】 本発明の第2の実施形態を示す断面図。FIG. 2 is a cross-sectional view showing a second embodiment of the present invention.
【図3】 本発明の第3の実施形態を示す断面図。FIG. 3 is a sectional view showing a third embodiment of the present invention.
【図4】 本発明の第4の実施形態を示す断面図。FIG. 4 is a sectional view illustrating a fourth embodiment of the present invention.
【図5】 図4の複合基板における複合層と金属被膜と
の接合部の好ましい例を示す断面図。5 is a cross-sectional view showing a preferred example of a joint between a composite layer and a metal film in the composite substrate of FIG. 4;
【図6】 図4の複合基板における複合層と金属被膜と
の接合部の他の好ましい例を示す断面図。FIG. 6 is a sectional view showing another preferred example of a joint between the composite layer and the metal film in the composite substrate of FIG. 4;
【図7】 本発明の第5の実施形態を示す断面図。FIG. 7 is a sectional view showing a fifth embodiment of the present invention.
【図8】 本発明の第6の実施形態を示す断面図。FIG. 8 is a sectional view showing a sixth embodiment of the present invention.
【図9】 本発明の第7の実施形態を示す断面図。FIG. 9 is a sectional view showing a seventh embodiment of the present invention.
【図10】 第7の実施形態の変形例を示す断面図。FIG. 10 is a sectional view showing a modification of the seventh embodiment.
【図11】 本発明の第8の実施形態を示す断面図。FIG. 11 is a sectional view showing an eighth embodiment of the present invention.
【図12】 本発明の第9の実施形態を示す断面図。FIG. 12 is a sectional view showing a ninth embodiment of the present invention.
【図13】 本発明の第10の実施形態を示す断面図。FIG. 13 is a sectional view showing a tenth embodiment of the present invention.
【図14】 本発明の第11の実施形態を示す断面図。FIG. 14 is a sectional view showing an eleventh embodiment of the present invention.
【図15】 加圧鋳造で金属板と複合層を接合する方法
の一例を示す説明図。FIG. 15 is an explanatory view showing an example of a method for joining a metal plate and a composite layer by pressure casting.
1:複合基板 2:複合層 3:金属層 4:低熱膨張特性を有する繊維状又は粒子状の分散材 5:高熱伝導特性を有する金属マトリックス 6:はんだ 7:発熱半導体デバイス 8:低熱膨張性基板 9:金属被膜 10:はんだ層 11:金属板 12:金属メッキ 13:ろう材 1: Composite substrate 2: Composite layer 3: Metal layer 4: Fibrous or particulate dispersion material having low thermal expansion characteristics 5: Metal matrix having high thermal conductivity characteristics 6: Solder 7: Heat generating semiconductor device 8: Low thermal expansion substrate 9: Metal coating 10: Solder layer 11: Metal plate 12: Metal plating 13: Brazing material
Claims (19)
を有し、複合層(2)は高熱伝導性の金属マトリックス
(5)に低熱膨張性の繊維状又は粒子状分散材(4)を
分散させたものからなり、金属層(3)は複合層(2)
の金属マトリックス(5)と同じ金属からなり、金属層
(3)の金属と複合層(2)の金属マトリックス(5)
とが連続しており、複合層(2)の外面側が発熱半導体
デバイス(7)又は発熱半導体デバイス(7)を実装し
た低熱膨張性基板(8)の搭載部となっていることを特
徴とする発熱半導体デバイス搭載用複合基板。A composite layer (2) and a metal layer (3) are provided in a thickness direction, and the composite layer (2) is formed into a metal matrix (5) having a high thermal conductivity and a fibrous or particulate material having a low thermal expansion. Dispersion material (4) is dispersed, metal layer (3) is composite layer (2)
The same metal as the metal matrix (5), and the metal of the metal layer (3) and the metal matrix (5) of the composite layer (2)
And the outer surface side of the composite layer (2) is a mounting portion of the heat-generating semiconductor device (7) or a low thermal expansion substrate (8) on which the heat-generating semiconductor device (7) is mounted. Composite board for mounting heat-generating semiconductor devices.
を有し、複合層(2)は高熱伝導性の金属マトリックス
(5)に低熱膨張性の繊維状又は粒子状分散材(4)を
分散させたものからなり、金属層(3)は複合層(2)
の金属マトリックス(5)と同じか同系の金属からな
り、複合層(2)と金属層(3)とが接合されており、
複合層(2)の外面側が発熱半導体デバイス(7)又は
発熱半導体デバイス(7)を実装した低熱膨張性基板
(8)の搭載部となっていることを特徴とする発熱半導
体デバイス搭載用複合基板。2. A composite material comprising a composite layer (2) and a metal layer (3) in the thickness direction, wherein the composite layer (2) is formed of a high thermal conductive metal matrix (5) and a low thermal expansion fibrous or particulate material. Dispersion material (4) is dispersed, metal layer (3) is composite layer (2)
The composite layer (2) and the metal layer (3) are joined, and are made of the same or similar metal as the metal matrix (5) of
A composite substrate for mounting a heat-generating semiconductor device, wherein the outer surface side of the composite layer (2) is a mounting portion for a heat-generating semiconductor device (7) or a low thermal expansion substrate (8) on which the heat-generating semiconductor device (7) is mounted. .
(2)が金属層(3)と接合されている領域と接合され
ていない領域とを有することを特徴とする請求項2に記
載の発熱半導体デバイス搭載用複合基板。3. The metal layer (3) is divided into a plurality of parts, and the composite layer (2) has a region joined to the metal layer (3) and a region not joined. 2. The composite substrate for mounting a heat-generating semiconductor device according to item 1.
に、はんだ又はろうとして機能する金属の層(10、1
3)を有する請求項3に記載の発熱半導体デバイス搭載
用複合基板。4. A metal layer (10, 1) which functions as a solder or a solder is provided on the joint surface of the composite layer (2) with the metal layer (3).
The composite substrate for mounting a heat-generating semiconductor device according to claim 3, comprising:
金属被膜(9)が設けられている請求項1〜4のいずれ
かに記載の発熱半導体デバイス搭載用複合基板。5. The composite substrate for mounting a heat-generating semiconductor device according to claim 1, wherein a metal coating having good solderability is provided on an outer surface of the composite layer.
密着性を高めるための凹凸が形成されている請求項5に
記載の発熱半導体デバイス搭載用複合基板。6. The composite substrate for mounting a heat-generating semiconductor device according to claim 5, wherein irregularities are formed on an outer surface of the composite layer (2) to enhance adhesion to the metal coating (9).
部が突出しており、その分散材(4)の突出部が金属被
膜(9)に食い込んでいる請求項5に記載の発熱半導体
デバイス搭載用複合基板。7. A method according to claim 5, wherein a part of the dispersion material projects from the outer surface of the composite layer, and the projection of the dispersion material penetrates the metal coating. Composite board for mounting semiconductor devices.
金属板(11)が接合されている請求項1〜4のいずれ
かに記載の発熱半導体デバイス搭載用複合基板。8. The composite substrate for mounting a heat-generating semiconductor device according to claim 1, wherein a metal plate having good solderability is joined to an outer surface of the composite layer.
が、複合層用分散材(4)の多孔質成形体(4P)と金
属板(11)との積層体に、複合層用金属マトリックス
(5)を加圧鋳造することによりなされている請求項8
に記載の発熱半導体デバイス搭載用複合基板。9. The bonding between the composite layer (2) and the metal plate (11) is performed by forming a laminate of the porous formed body (4P) of the composite layer dispersing material (4) and the metal plate (11). 9. The method according to claim 8, wherein the layer metal matrix is cast by pressure.
2. The composite substrate for mounting a heat-generating semiconductor device according to item 1.
に、複合層(2)との接合強度を高めるための凹凸が形
成されている請求項9に記載の発熱半導体デバイス搭載
用複合基板。10. The heat-generating semiconductor device mounting according to claim 9, wherein irregularities are formed on the surface of the metal plate (11) on the side of the composite layer (2) so as to increase the bonding strength with the composite layer (2). For composite substrates.
に、複合層(2)との接合強度を高めるための金属メッ
キ(12)が施されている請求項9に記載の発熱半導体
デバイス搭載用複合基板。11. The metal plate (11) according to claim 9, wherein a surface of the metal plate (11) on the side of the composite layer (2) is provided with metal plating (12) for increasing the bonding strength with the composite layer (2). Composite board for mounting heat-generating semiconductor devices.
(3)が、アルミ又はアルミ合金である請求項1〜11
のいずれかに記載の発熱半導体デバイス搭載用複合基
板。12. The metal matrix (5) and the metal layer (3) are aluminum or an aluminum alloy.
The composite substrate for mounting a heat-generating semiconductor device according to any one of the above.
(3)が、銅又は銅合金である請求項1又は2に記載の
発熱半導体デバイス搭載用複合基板。13. The composite substrate for mounting a heat-generating semiconductor device according to claim 1, wherein the metal matrix (5) and the metal layer (3) are copper or a copper alloy.
島状又は帯状に存在している請求項1〜13のいずれか
に記載の発熱半導体デバイス搭載用複合基板。14. The composite substrate for mounting a heat-generating semiconductor device according to claim 1, wherein the composite layer (2) exists on one side of the metal layer (3) in an island shape or a band shape.
めの凹凸が形成されている請求項1〜14のいずれかに
記載の発熱半導体デバイス搭載用複合基板。15. The composite substrate for mounting a heat-generating semiconductor device according to claim 1, wherein irregularities are formed on an outer surface of the metal layer (3) to enhance heat dissipation.
率が外面側で最も高く、内部に行くほど低くなっている
請求項1〜15のいずれかに記載の発熱半導体デバイス
搭載用複合基板。16. The heat-generating semiconductor device mounting according to claim 1, wherein the volume filling ratio of the dispersing material (4) of the composite layer (2) is highest on the outer surface side and lower toward the inside. For composite substrates.
含んでおり、その繊維状の分散材(4)が複合層(2)
の熱膨張を抑制する方向に配向している請求項1〜16
のいずれかに記載の発熱半導体デバイス搭載用複合基
板。17. The composite layer (2) includes a fibrous dispersant (4), and the fibrous dispersant (4) is a composite layer (2).
17. The particles are oriented in a direction to suppress thermal expansion of the particles.
The composite substrate for mounting a heat-generating semiconductor device according to any one of the above.
に絶縁層を有している請求項1〜4のいずれかに記載の
発熱半導体デバイス搭載用複合基板。18. The composite substrate for mounting a heat-generating semiconductor device according to claim 1, further comprising an insulating layer on a surface on which the heat-generating semiconductor device (7) is mounted.
発熱半導体デバイス搭載用複合基板(1)の複合層
(2)の外面側に、発熱半導体デバイス(7)又は発熱
半導体デバイス(7)を実装した低熱膨張性基板(8)
を搭載したことを特徴とする半導体装置。19. A heat-generating semiconductor device (7) or a heat-generating semiconductor device (7) on an outer surface side of a composite layer (2) of the heat-generating semiconductor device mounting composite substrate (1) according to any one of claims 1 to 18. ) Mounted low thermal expansion substrate (8)
A semiconductor device characterized by mounting thereon.
Priority Applications (1)
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JP25062996 | 1996-09-20 | ||
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