JPH03231445A - 複合構造物 - 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】 発明の背景 電子デバイスにおける新規の集積回路チップテクノロジ
ーの急成長は、エレクトロニクス工業におけるプリント
回路基板の要件を変化させている。

特に、無鉛セラミックチップキャリヤの使用は、操作部
品の記憶密度を３〜９倍高くし、従って、既存の熱管理
問題よりも厳しい熱管理問題が生じている。無鉛セラミ
ックチップキャリヤは、表面装着するように設計されて
いる。デバイスをプリント回路ボードに半田接続するこ
とは、電気接続と機械的連結との両方である。これらの
チップキャリヤを通常の回路ボード、例えば、エポキシ
ガラス複合体製のものの上に装着する時には、チップキ
ャリヤおよびボードの熱膨張率の食い違いは、重大であ
る。チップキャリヤは一５５℃〜２００℃の温度範囲に
わたって約６．４ｐｐｍ／℃の線熱膨張率（ＣＴ　Ｅ）
を有する一方、エポキシガラスは同じ温度範囲にわたっ
て約１６ｐｐｍ／℃のＣＴＥを有する。この高い食い違
いは、熱サイクリング時に半田継手応力破損を生じさせ
る。

更に、チップキャリヤで達成できるより高い記憶密度は
、プリント回路ボードの単位面積当たり従来遭遇したも
のよりも高い熱を発生させる。この熱は、デバイスにお
ける高温破損を防止するために散逸しなければならない
。通常のエポキシガラスプリント回路ボード材料は、断
熱材であり且つ熱散逸用の別個の予防策なしには高い記
憶密度応用には好適ではない。

前記問題を解決しようとする幾らかの試みがなされてい
る。この技術の研究者は、ナショナル・エレクトロニッ
ク・パッケージングψエンド・プロダクション・フンフ
ェレンスで提示された［インプレメンテ−ジョン・オブ
・サーフェス・マウント・テクノロジー・イン・ハイ・
リライアビリテイー・プロダクツ（ＩｍｐｌｅＩ！１ｅ
ｎｔａｔｉｏｎ　ｏｒＳｕｒｒａｃｅ　Ｍｏｕｎｔ　Ｔ
ｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ旧ｇｈ　Ｒｅ１ｉａｂｉｌｉ
ｔｙＰｒｏｄｕｃｔｓ）　Ｊ　、Ｇ、　Ｌ、ホートン（
ネブコン・ウェスト、１９８７年２月、カナダ国アナハ
イムのアナハイム・コンベンション・センター）および
「ミリタリ−・ムーブズ・ヘッドロング・インド・サー
フェス・マウンティング（Ｍｉｌｉｔａｒｙ　Ｍｏｖｅ
ｓＨｅａｄｌｏｎｇ　Ｉｎｔｏ　５ｕｒｒａｅｅ　Ｍｏ
ｕｎｔｉｎｇ）　Ｊ　、シェリー・ライマンによるスペ
シャル・レポート、Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　、　　１
９８６年７月１０日に記載のような銅／鉄−ニッケル合
金／銅サンドイッチ構造を使用している。この形状にお
いては、複合サンドイッチ構造のＣＴＥは、無鉛セラミ
ックチップキャリヤ（７）ＣＴＥ、即ち、約６．４ｐｐ
ｍ／℃にマツチさせることかできる。サンドイッチの中
心における鉄−ニッケル合金〔インコ・アロイズ・イン
ターナショナル・インコーホレーテッドによって二口（
ＮＩＬＯＴＭ）　３６としても販売されているインバー
ル）は、−１８℃〜１７５℃の温度範囲にわたって１．
６ｐｐｍ／℃のＣＴＥを有する（特に断らない限り、こ
こで使用する熱膨張はこの温度範囲にわたってのもので
ある）。

しかしながら、このサンドイッチ構造は、１つの主要な
欠点を有する。銅は約４００Ｗ／メートル度ケルビン（
Ｗ／ｍ’Ｋ）の優秀な熱伝導率を有するか、インバール
は約９．６Ｗ／ｍχのみの熱伝導率を有する。このこと
は、ストリップに沿っての熱伝導率が良好であるが、ス
トリップを通しての伝導率が非常に貧弱であることを意
味する。

このように、銅／インバール／銅のサンドイッチ構造は
、進歩した回路ボード設計においては余り有利ではない
。

制御された膨張性およびシートを通しての改良された熱
伝導率を何する複合体を製造しようとする別のアプロー
チは、米国特許第４，２８３，４６４号明細書に記載さ
れ且つ請求されている。この米国特許第４．２８３，４
６４号明細書は、高度に熱伝導性である材料、例えば、
銅または銀か充填された孔を有する低いＣＴＥプレート
を有することを教示している。この特許された開発は、
２つの主要な問題を有する。第一に、プレートの表面は
高い熱伝導スポットと低い熱伝導スポットとの両方の混
合物を有し、即ち、除熱速度は低ＣＴＥの材料上での約
９　Ｗ　／　ｍ　’Ｋから鋼上での約３９７Ｗ／ｍ’Ｋ
まて変化するであろう。低ＣＴＥ材料のシートに穿孔ま
たは押抜くことかできる孔の最小の実用サイズは、約１
．０〜１，５關であり、これはその上に装着すべき部品
の大きさと比較して大きい寸法であり、不均質な熱伝達
はこれらのデバイスにおいて許容できない熱誘導ひすみ
または温度勾配を生ずるであろう。第二に、前記米国特
許第４，２８３．４６４号明細書は、冷却すべきデバイ
スのＣＴＥとマツチさせるために約５〜６ｐｐｍ／℃の
ＣＴＥを有するコハル（ＫＯＶＡＲｌＭ）　　（合金４
２）材料の使用を主張している。しかしながら、著者は
、デバイスを実現していないか組み立てておらず、最終
デバイスのＣＴＥを測定していないか、以下で立証され
るように孔中の銅の存在は加熱する時にデバイス上の高
い膨張力をかけるであろうし且つデバイスの平均ＣＴＥ
はコバル（合金４２）プレートのＣＴＥよりも実質上高
いであろうことを見出すてあろう。

このように、米国特許第４．２８３．４６４号明細書に
記載のデバイスは、記載のような性質を有していないで
あろう。

目　　　　的 本発明の目的は、前記欠陥のすべてを解消する複合材料
を提供することにある。

本発明の更に他の目的は、熱伝導が比較的等方性である
低い熱膨張性を有する高伝導性？ｋａ体を提供すること
、および実用的製法を提供することにある。

発明の詳細な説明 本発明は、中心部材が部材を通過する複数の実質上均一
に分布された孔を有する約５〜１２ｐｐｍ／℃の範囲内
のＣＴＥを有する金属のプレートまたはストリップから
なる複合サンドイッチを意図する。複合体の外部部材は
、銅（熱伝導率３９７Ｗ／ｍ’Ｋ）などの高伝導性材料
からなり且つ中心部材における孔にも高伝導性材料を充
填する。複合体の全体は、例えば、熱間圧延に付随する
冶金結合によって一緒に一体的に結合する。外部部材お
よび中心部材の厚さの比率および中心部材における充填
孔の容量％は、材料における熱流の能力がプレートまた
はストリップの長さおよび幅、即ち、ｘ−ｙ軸に沿って
且つストリップを通して、即ち、Ｚ軸を通してほぼ同じ
であるように制御する。ｘ−ｙ方向の熱伝導（Ｋ　　　
　）対２−　ｙ 方向の熱伝導（Ｋ）の比率は、約Ｏ１９〜２．０である
。更に、外部部材および中心部材の厚さの比率および孔
の％は、約５〜１２ｐｐｍ／℃の所要ＣＴＥが得られる
ように維持する。

本発明の方法によって調製される複合材料のニッケルー
鉄成分は、有利にはインバール、通常の量の不純物およ
び付随的元素と一緒にニッケル約３６％を含有し残部が
本質上鉄である合金である。

しかしながら、低膨張合金は、ニッケル約３２〜４０重
量％（残部は鉄）の範囲にわたって調製でき、コバルト
などの他の元素はニッケル約５％までの代わりに使用で
きる。以前から既知のように、ニッケル３６％（残部は
鉄）合金によって示されるＣＴＥの最小値は、マンガン
またはクロムが合金に存在する時にはより高いニッケル
含量に移行でき、銅または炭素か合金に存在する時には
より低いニッケル含量に移行できる。詳細には、本発明
は、Ｍ、Ａ、ハンターによりメタルズ・ハンドブック（
Ｍｅｔａｌｓ　）ｌａｎｄｂｏｏｋ）の低膨張合金に関
する章、ＡＳＭ、第８版、Ｖｏｌ、１、第８１６頁〜第
８１９頁に議論のニッケルー鉄低ＣＴＥ合金の使用を意
図する。

本発明の複合構造物のデザインは、約５〜１２ｐｐｍ／
’Ｃの範囲内の所定のＣＴＥを有する構造物の要件から
始める。図面の第１図は、本発明の複合サンドイッチを
調製するために使用される熱間圧延の温度によって達成
されるようなインバールー銅複合体におけるＣＴＥと銅
の容量％との間の関係を示す。一般に、本発明に係る複
合体における銅の容量％の範囲は、約３５〜７０容量％
である。−旦この範囲内の値か選ばれたら、低いＣＴＥ
を有する金属、例えば、インバールおよび銅の相対量は
、確立される。次いて、本発明の複合体を定義するため
に表面に横たわる銅対インバールのプレートまたはスト
リップを通過する銅の比率を確認することか今後の問題
である。

明瞭さのために、本発明の複合体を、分解形態で部分か
かなり誇張された図面の第２図に図示する。複合体１１
は、全体として銅−インハール（または他の低ＣＴＥ合
金）プレート１７をサンドイッチしている銅のトップ層
１３、底部銅層１５を具備する。プレート１７は、ニッ
ケルー鉄合金マトリックス］９および銅インサート２１
を包含する。当業者は、現実に銅層１３および１５が銅
インサート２１の銅に結合され且つ一体であることを認
識するであろう。複合体１１は、有利にはニッケルー鉄
合金の有孔プレートまたはシートを用意し、このシート
を銅の２シ一ト間にサンドイッチし、サンドイッチの温
度を約７００〜約９５０℃に上げ、サンドイッチを熱間
圧延して第２図に示すような一体複合体を与えることに
よって作る。或いは、本発明の複合体は、低ＣＴＥニッ
ケルー鉄合金の有孔プレートまたはシート上に銅を電気
メツキまたは無電解メツキした後、溶着鋼を熱間変形し
て（例えば、圧延により）有孔プレート中の孔を完全に
充填することによって作ることかできる。また、メッキ
銅とシート状銅との組み合わせによって所要量の銅を与
えることが可能である。

例 通常の商業的不純物と一緒にニッケル３６９６（残部は
鉄）を含有するインバールシートを通常の熱間圧延法に
よって圧延して厚さ０．８９ｍｍおよび１．２７ｍｍの
ストリップとした。このストリップの電気抵抗率は、８
１ミクロオーム印であると測定された。ＣＴＥは３０〜
４００℃で２．０ｐｐｍ／℃であると測定された。

市販等級の銅シートを厚さ０．３８ｍ＋ｉ。

０．５０８順および０゜６３５ｍｍで購入した。このシ
ートの電気抵抗率は１．８ミクロオーム帥であると測定
され、ＣＴＥは１８ｐｐｍ／℃であると測定された。

インバールストリップに２．７８ｍｍの千鳥センター上
の直径１．５９ｍｍの孔を穿孔して、その中に開口面積
２８％を有する有孔インバールストリップを与えた。

銅シートおよび有孔インバールシートの厚さの各種の組
み合わせを積み重ねて銅／インバール／銅サンドイッチ
を作った。これらのサンドイッチを天然ガスの部分燃焼
によって調製され且つ０℃の制御露点を有するＣｏ　　
２％＋Ｈつを含有するわずかに還元性の雰囲気中で７５
０℃または８５０℃のいずれかで操作するベルト炉に入
れた。

前記炉内の滞留時間は、１０分であった。次いて、試料
を加熱ロール中で所定温度で圧延して、表１に示す厚さ
のストリップを与えた。次いで、熱間圧延サンドイッチ
ストリップを冷間圧延して表示の最終厚さとり、Ｈ１０
％で残部はＮ２の雰囲気中で５５０℃において１０分間
応力解除した。

サンドイッチの電気抵抗率をストリップに沿って、即ち
、サンドイッチの平面で測定した。結果を表Ｉに示す。

ストリップを所定の長さに切断し、金属組織学的方法に
よって観察した。インバールストリップ内の孔のすべて
に銅を完全に充填した。銅は、孔内においてさえインバ
ールと一体的に結合した。

全サンドイッチは、平らであり且つ表面亀裂を含まなか
った。

単純な計算を製造されたストリップの各々に関して行い
、表Ｉに示す。銅の容量％を示す。

複合ストリップの縦方向抵抗率は、先ずインバール内の
孔を充填させた後の銅シートの最終厚さを計算し、次い
で、出発鋼の場合には予め測定された抵抗率１．８ミク
ロオ一ムｃｍ、出発インバールシートの場合には８１ミ
クロオームｃｆｆｌを使用して既知の単純な標準式を適
用することによって計算した。

表１に示すような測定された電気抵抗率と計算された電
気抵抗率との比較は、複合体か抵抗率の予想値および銅
の性質を有し且つインバールか熱機械的処理によっては
顕著には変化しないことを示す。

技術上周知のように、銅合金（および大抵の金属）の熱
伝導率は、電気抵抗率に反比例する。このように、製造
された複合体の幾何学的形状を考慮しながら、熱伝導率
が銅の場合の３９７Ｗ／ｍ’におよびインバールの場合
の９．８Ｗ／ｍ’３の値から計算するのと同じでもある
ことを判断することがより困難であろうと予想されるで
あろう。

複合体の平面とシートを通してとの両方で複合体の熱伝
導率の計算値を表１に示す。比較のため、インバールの
無孔シートで調製されたテキサス・インストルーメンツ
（Ｔ、Ｉ）製のＣｕ／インバール／　Ｃｕサンドイッチ
のＣＴＥ値は、銅の全容量％に基づいて本発明の複合体
のＣＴＥ値を非常によ（追尾する（ｔｒａｃｋ）。しか
しながら、ｘ−ｙ方向のＴＩ複合体の熱伝導率は、２方
向の熱伝導率の大体１０倍である。ＴＩ複合体のＣＴＥ
値を本願の始めに言及した文献から取る。本発明者等の
計算は、米国特許第４，２８３，４６４号明細書に記載
され且つ定義された複合体においては、ＣＴＥが報告の
ような７ｐｐｍ／’Ｃであるよりもむしろ約１５ｐｐｍ
／℃であり且つ「ｚ」方向の熱伝導率かｒｘ−ｙＪ方向
の熱伝導率の約６倍であることを示す。

本発明の複合体のＣＴＥデータを第１図に銅の容量％の
関数としてプロットする。本発明の有用範囲内の複合体
構造の場合には、複合体のＣＴＥはＣｕの容量％および
熱間圧延温度のみの関数であることに留意。テキサス・
インストルーメンツ製の複合体のＣＴＥに関する発表デ
ータ点は、８５０℃で熱間圧延された本発明の複合体に
関するデータ点と同じ線上にある。７５０℃での熱間圧
延と８５０℃での熱間圧延との間のＣＴＥの差は、銅の
より大きい％においてより大きい。その理由は、複合体
をより高い温度で圧延する時には、銅が冷却時にインバ
ール上により高い圧縮力をかけるからである。

前記のことから、本発明は、従来組み立てられなかった
有用なＣｕ／インバール／Ｃｕ複合体〔インバールシー
）（Ｎｉ　　３６％、残部はＦｅ）には、インバールシ
ートの容量の約１５〜４０％か孔であるように小孔（直
径０１７９〜１．５９ｎｏ＋＋）を穿孔する〕を意図す
ることか認められるべきである。次いで、インバールシ
ートは、各面で純粋な銅シートによって囲む。銅シート
およびインバールシートの厚さは、銅の容量％２０〜６
０％を与え且つ完成複合体の熱伝導率か大体等方性であ
るように選ぶ。次いで、Ｃｕ／インバール／Ｃｕの３シ
ートを約７５０〜約９００℃（好ましくは８５０℃）で
還元雰囲気中で加熱し、次いで、熱間圧延する。還元雰
囲気中での所定温度での圧延は、銅があらゆる孔を完全
に充填しそれ自体−体的に結合され且つ穿孔された孔の
両面上のインバールにさえ一体的に結合されることを保
証するのに高度に好ましい。その後に、得られた複合体
は、冷間圧延して所望の最終厚さとすることかできる。

熱伝導率のより正確な計算を、次の通り例証する ２つのＣｕシート（各々は０．５１ｍｍ厚である）およ
び孔２８％を有する厚さ１．２７ｍｍの１つのインバー
ルシートから出発すると仮定する。熱間圧延が進行する
と、Ｃｕは、先ず各面からインバール内の孔内に圧搾さ
れる。孔に銅を充填する時に、銅の厚さは、インバール
の各面上で０．５１−　（１，２７ＸＯ，２８／２）＝
Ｏ１３３２順であろう。爾後のより厳しい圧延は、銅と
インバールとの両方を一緒に１片として伸ばすであろう
。

銅の８且％は、次の通りである： 標準熱伝達式を使用して、複合体の熱伝導率を２工程で
計算する。先ず、シートを通しての孔内に銅２８％を有
する中心インバールプレートは、下記のものを有する Ｋ　　＝Ｋ　　ｘＯ，２８＋Ｋ　　　、　　　ｘＯ，７
２ｚ　　　Ｃｕ　　　　　　　　　インノ＼−ル＝３９
７ＸＯ１２８＋９．８Ｘ０．７２＝　１１８．２Ｗ／ｍ
’Ｋ （式中、２はプレートを通しての熱伝導率を意味し、ｘ
−ｙはプレートに沿っての伝導率を意味する）。

第二に、次いで、中心インバールーＣｕプレートの伝導
率を使用して、複合体の全伝導率を計算する。

■ 前記計算は熱伝導率に対する界面バリヤーを考慮してお
らず且つＫ　およびＫ　　、　　の値がＣｕ　　　　　
インバール 合理的である温度範囲でのみ成立するが、この計算は、
本発明の複合体の熱伝導率を合理的に予測すると信じら
れる。

これらの計算がデザイン目的でどのように使用できるか
の一例を第３図に示す。この第３図は、３種の異なる銅
−インバール組み合わせの場合のｘ−ｙ（Ｋ）方向と２
方向（Ｋ　　）との両−ｙｚ 方の伝導率に対するインバール穿孔の効果を示す。

他の銅−低膨張合金一銅組み合わせの同様の曲線は、電
気伝導率と熱伝導率との両方の場合にプロットできる。

曲線Ａ、ＢおよびＣは、２方向の熱伝導率と内部銅−イ
ンバールプレート１７内への銅充填通し通路の容量％と
の間の関係を示す。曲線Ａ’　、Ｂ’およびＣ′は、ｘ
−ｙ方向の熱伝導率に関する対応関係を示す。

当業者は、優秀な熱伝導率と電気伝導率との金属として
銅を使用して本発明を説明したか、用途がより高価な金
属を要求するならば、銅が金または銀に取り替えること
かできることを認議するであろう。金および銀は、熱間
圧延に関して銅と大体同じに挙動する。若干の理由で、
良好な電気伝導率と熱伝導率との金属としてアルミニウ
ムを使用したいならば、熱間圧延は、約６２５°Ｃ未満
の温度で実施しなければならないであろうし且つ酸化皮
膜による界面効果は許容しなければならないであろう。

法令の条項に従って、本発明の特定の態様を例示し且つ
説明したか、当業者は、特許請求の範囲によってカバー
される本発明の形態で変更を施すことかできること、お
よび本発明の成る特徴が他の特徴の対応の使用なしに時
々有利に使用できることを理解するであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は銅とインバールとの複合体の場合の銅の容量％
と熱膨張率とを相互に関係づけるグラフ、第２図は分解
形態の本発明の複合体を示す図、第３図は（１）ｘ−ｙ
方向の本発明の複合体の熱伝導率および（２）ｚ方向の
熱伝導率を銅−インバールー銅サンドイッチ構造物の内
部インバールプレートを通しての銅充填通路の容量％と
相互に関係づけるグラフである。 １１・・・複合体、１３・・・銅のトップ層、１５・・
・底部銅層、１７・・・銅−インバールプレート、１９
・・・ニッケルー鉄合金マトリックス、２１・・銅イン
サート。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、低い熱膨張率の金属の薄い同延性の内層をサンドイ
   ッチしている高い電気伝導率と熱伝導率を有する金属の
   ２つの外層からなり線熱膨張率約５〜１２ｐｐｍ／℃を
   有し、且つ幅または長さの少なくとも一方に延出された
   薄い金属体からなる複合構造物であって、前記内層はそ
   れらを通して延出し且つ前記の高い電気伝導率と熱伝導
   率とを有する金属の前記２つの外層に接続され且つ一体
   である前記の高い電気伝導率と熱伝導率とを有する金属
   の多数の実質的に均一に分布された経路を有し、前記複
   合構造物は、 Ａ）前記内層を通しての前記の高い電気伝導率と熱伝導
   率とを有する金属の経路は前記内層の約１５〜４０容量
   ％を構成し、 Ｂ）前記の高い電気伝導率と熱伝導率とを有する金属の
   前記外層の厚さは次式 （Ｋｘ−ｙ）／Ｋｚ＝０．９ないし２．０ が成立するように前記複合体の厚さ（ｚ）を横切って前
   記伝導率と関連される前記複合体の前記長さおよび幅（
   ｘ−ｙ）に沿って熱伝導率および電気伝導率を与えるよ
   うに制御され、且つ Ｃ）前記複合体中の前記の高い電気伝導率と熱伝導率と
   を有する金属の全容量分率は前記範囲内の線熱膨張率を
   与える ように組み立てられ且つ配置されていることを特徴とす
   る複合構造物。 ２、前記の高い電気伝導率と熱伝導率とを有する金属が
   、銅である、請求項１に記載の複合構造物。 ３、前記内層中の銅経路が、前記内層の約 ３０容量％を構成する、請求項２に記載の複合構造物。 ４、低い熱膨張率の金属が、インバールである、請求項
   １に記載の複合構造物。 ５、銅−低い熱膨張の金属−銅のサンドイッチ（前記の
   低い熱膨張の金属はその中に通し貫通孔約１５〜４０容
   量％を有する）を、前記銅が前記孔を貫通し且つ充填し
   且つ前記銅および前記の低い熱膨張の金属が冶金的に結
   合されて一体の構造物となるような条件下で一緒に熱間
   圧延することを特徴とする請求項２に記載の複合構造物
   の製法。 ６、前記の低い熱膨張の金属が、インバールである、請
   求項５に記載の方法。