JPH06244330A - 電子回路装置で使用される熱管理複合材料とその製造方法 - Google Patents
電子回路装置で使用される熱管理複合材料とその製造方法Info
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- JPH06244330A JPH06244330A JP6002894A JP289494A JPH06244330A JP H06244330 A JPH06244330 A JP H06244330A JP 6002894 A JP6002894 A JP 6002894A JP 289494 A JP289494 A JP 289494A JP H06244330 A JPH06244330 A JP H06244330A
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- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
- B22F3/20—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces by extruding
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
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- B22F1/09—Mixtures of metallic powders
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- C22C—ALLOYS
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- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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- H10W40/20—Arrangements for cooling
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- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 電子回路に半導体デバイスを装着するために
用いられる熱管理複合材料、およびその製造方法。 【構成】 銅１４及びインバー合金１２の不連続粉末粒
子が容器１６内で互いに混合され、粉末金属物品として
充填される。この物品は熱真空脱ガスおよび真空シール
され、銅またはインバー合金の焼結温度よりも十分低い
温度で加熱される。加熱直後に、物品はダイを介して押
出し等の高圧、高歪力プロセスにさらされ、優れた熱膨
張特性と熱伝導度特性の組合せを有する十分緻密で、強
力な複合材料１０が形成される。
用いられる熱管理複合材料、およびその製造方法。 【構成】 銅１４及びインバー合金１２の不連続粉末粒
子が容器１６内で互いに混合され、粉末金属物品として
充填される。この物品は熱真空脱ガスおよび真空シール
され、銅またはインバー合金の焼結温度よりも十分低い
温度で加熱される。加熱直後に、物品はダイを介して押
出し等の高圧、高歪力プロセスにさらされ、優れた熱膨
張特性と熱伝導度特性の組合せを有する十分緻密で、強
力な複合材料１０が形成される。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、熱管理のための複合材
料およびその製造方法に係り、より具体的には同材料並
びに半導体装置（デバイス）を電子回路内に装着するた
めに用いられる複合金属材料を製造するための方法に関
するものである。
料およびその製造方法に係り、より具体的には同材料並
びに半導体装置（デバイス）を電子回路内に装着するた
めに用いられる複合金属材料を製造するための方法に関
するものである。
【０００２】
【従来の技術】慣用の電子装置（システム）では、集積
回路チップおよびその類いの如き半導体装置（デバイ
ス）を装着するための種々の回路基盤およびその類いを
採用している。そのような電子装置（システム）におい
ては、基板材料にはその上に装着されるべき半導体デバ
イスの熱膨張係数に等しい熱膨張係数を備えたものを用
いることが望ましく、それによって、電子システムの反
覆熱変化の間、半導体装置（デバイス）が、基板上に確
実に装着維持され、回路に対して電気的に接続され得る
ことが知られている。更には、基板材料としては、前記
半導体装置（デバイス）の作動中、半導体装置の熱を放
散できるように、実質的熱伝導特性を有するものを用い
ることが望ましく、それによって、前記半導体装置およ
び電子装置の動作特性と信頼性特性が改良されることも
知られている。また、そのような基板において、複合金
属材料を採用し、一方の金属材料の比較的低い熱膨張係
数特性を別の金属材料の比較的高い熱伝導特性と組合せ
ることにより、所望の組合せの熱膨張係数と熱伝導性を
有する複合材料を提供することも知られている。
回路チップおよびその類いの如き半導体装置（デバイ
ス）を装着するための種々の回路基盤およびその類いを
採用している。そのような電子装置（システム）におい
ては、基板材料にはその上に装着されるべき半導体デバ
イスの熱膨張係数に等しい熱膨張係数を備えたものを用
いることが望ましく、それによって、電子システムの反
覆熱変化の間、半導体装置（デバイス）が、基板上に確
実に装着維持され、回路に対して電気的に接続され得る
ことが知られている。更には、基板材料としては、前記
半導体装置（デバイス）の作動中、半導体装置の熱を放
散できるように、実質的熱伝導特性を有するものを用い
ることが望ましく、それによって、前記半導体装置およ
び電子装置の動作特性と信頼性特性が改良されることも
知られている。また、そのような基板において、複合金
属材料を採用し、一方の金属材料の比較的低い熱膨張係
数特性を別の金属材料の比較的高い熱伝導特性と組合せ
ることにより、所望の組合せの熱膨張係数と熱伝導性を
有する複合材料を提供することも知られている。
【０００３】例えば、米国特許第４８９４２９３号は比
較的低い熱膨張係数を有する複数の不連続鉄合金粒子を
採用し、これに比較的高い熱伝導性を有する銅材料をも
って被覆を施すことを開示している。次に、これらの被
覆粒子が純銅の粒子と混合され、互いに押圧され、加熱
され、もって各粒子が共に拡散結合され、不連続鉄粒子
を内部に含む連続銅マトリックスが形成される。
較的低い熱膨張係数を有する複数の不連続鉄合金粒子を
採用し、これに比較的高い熱伝導性を有する銅材料をも
って被覆を施すことを開示している。次に、これらの被
覆粒子が純銅の粒子と混合され、互いに押圧され、加熱
され、もって各粒子が共に拡散結合され、不連続鉄粒子
を内部に含む連続銅マトリックスが形成される。
【０００４】米国特許第３３９９３３２号は、比較的低
い熱膨張係数の金属材料グリッドであって、比較的高い
熱伝導性の銅材料またはその類いで満たされた開口を有
するグリッドを準備することにより、所望の組合せの熱
膨張特性と伝導特性を有する半導体デバイス用装着手段
を提供することを開示している。別の実施例において、
前記特許は、鉄合金粒子が銅材料に浸漬され、もって選
択された熱膨張特性と伝導度特性を有する代替材料が提
供され得ることを示唆している。米国特許第４２８３４
６４号は、銅金属製内層の両側に比較的低い熱膨張係数
を有する金属材料で形成された２つのグリッドを用いる
ことにより、別の組合せの熱膨張特性と伝導度特性を有
する複合基板材料を提供することを開示している。米国
特許第４４７２６７２号は、比較的低い熱膨張特性を有
する鉄系金属材料を比較的高い熱伝導度を有する材料層
と層状に組合せることを開示しており、この場合、層厚
は、装着されるべき半導体装置の熱膨張係数と実質的に
等しい熱膨張係数を有する複合金属材料を提供するべく
選択された範囲内に規定される。米国特許第３０９７３
２９号および第４１５８７１９号は、比較的低い熱膨張
係数を有する金属粉末と相対的に高い熱伝導度材料の金
属粉末の混合物を圧粉し、次に圧粉された粉末を加熱し
て粒子相互を拡散結合するか、または金属粉末の一方を
圧粉、焼結して多孔性焼結体を成形し、次いで焼結体の
孔内に他方の金属材料の融液を充分に満たすという、粉
末冶金技術またはその類いによって形成された複合金属
材料を開示している。
い熱膨張係数の金属材料グリッドであって、比較的高い
熱伝導性の銅材料またはその類いで満たされた開口を有
するグリッドを準備することにより、所望の組合せの熱
膨張特性と伝導特性を有する半導体デバイス用装着手段
を提供することを開示している。別の実施例において、
前記特許は、鉄合金粒子が銅材料に浸漬され、もって選
択された熱膨張特性と伝導度特性を有する代替材料が提
供され得ることを示唆している。米国特許第４２８３４
６４号は、銅金属製内層の両側に比較的低い熱膨張係数
を有する金属材料で形成された２つのグリッドを用いる
ことにより、別の組合せの熱膨張特性と伝導度特性を有
する複合基板材料を提供することを開示している。米国
特許第４４７２６７２号は、比較的低い熱膨張特性を有
する鉄系金属材料を比較的高い熱伝導度を有する材料層
と層状に組合せることを開示しており、この場合、層厚
は、装着されるべき半導体装置の熱膨張係数と実質的に
等しい熱膨張係数を有する複合金属材料を提供するべく
選択された範囲内に規定される。米国特許第３０９７３
２９号および第４１５８７１９号は、比較的低い熱膨張
係数を有する金属粉末と相対的に高い熱伝導度材料の金
属粉末の混合物を圧粉し、次に圧粉された粉末を加熱し
て粒子相互を拡散結合するか、または金属粉末の一方を
圧粉、焼結して多孔性焼結体を成形し、次いで焼結体の
孔内に他方の金属材料の融液を充分に満たすという、粉
末冶金技術またはその類いによって形成された複合金属
材料を開示している。
【０００５】
【発明が解決すべき課題】しかしながら、そのような既
知の複合金属基板材料には、それぞれ何らかの不具合が
ある。したがって、米国特許第４８９４２９３号、第３
０９７３２９号、第４１５８７１９号に示された複合金
属材料は、それらが製造される態様の故に所望組合せの
熱膨張特性と伝導度特性を安定的かつ経済的に提供でき
ないことが判明している。米国特許第３３９９３３２号
および第４２８３４６４号に示された複合金属材料は、
これを製造し、特定の回路装置（システム）に適用する
のが困難である。米国特許第４４７２７６２号に示され
た複合金属材料では、所望の熱伝導度を全方向に付与す
ることはない。
知の複合金属基板材料には、それぞれ何らかの不具合が
ある。したがって、米国特許第４８９４２９３号、第３
０９７３２９号、第４１５８７１９号に示された複合金
属材料は、それらが製造される態様の故に所望組合せの
熱膨張特性と伝導度特性を安定的かつ経済的に提供でき
ないことが判明している。米国特許第３３９９３３２号
および第４２８３４６４号に示された複合金属材料は、
これを製造し、特定の回路装置（システム）に適用する
のが困難である。米国特許第４４７２７６２号に示され
た複合金属材料では、所望の熱伝導度を全方向に付与す
ることはない。
【０００６】最後に、銅タングステン、銅モリブデン、
銀インバーの如き複合粉末金属系は、良好な熱伝導度特
性と熱膨張特性を提供することはできるが、そのような
組合せは製造費が高く、銅タングステンおよび銅モリブ
デンの場合には、機械加工し、電気メッキすることが困
難である。
銀インバーの如き複合粉末金属系は、良好な熱伝導度特
性と熱膨張特性を提供することはできるが、そのような
組合せは製造費が高く、銅タングステンおよび銅モリブ
デンの場合には、機械加工し、電気メッキすることが困
難である。
【０００７】
【課題を解決するための手段】したがって、本発明は、
粉末金属複合材料を提供するとともに、代表的には、半
導体回路装置（システム）における熱管理材料の製造方
法を提供するものである。前記熱管理材料は、各種形状
に成形可能で、すぐれた組合せの熱膨張特性と熱伝導特
性を有する材料である。また、前記粉末金属複合材料
は、製造が容易かつ安価であるばかりでなく、良好な強
度、機械加工性および電気メッキ性を有することを特徴
とする。
粉末金属複合材料を提供するとともに、代表的には、半
導体回路装置（システム）における熱管理材料の製造方
法を提供するものである。前記熱管理材料は、各種形状
に成形可能で、すぐれた組合せの熱膨張特性と熱伝導特
性を有する材料である。また、前記粉末金属複合材料
は、製造が容易かつ安価であるばかりでなく、良好な強
度、機械加工性および電気メッキ性を有することを特徴
とする。
【０００８】簡約するならば、本発明によれば、相対的
ないし比較的低い熱膨張係数を有する複数の不連続鉄合
金粒子が、比較的高い熱伝導度を有する金属から成る複
数の不連続粒子と混合され、在来の粉末冶金技術に従っ
て互いに充填される。この際、好ましくは約４０％未満
の気孔率を有する物品またはその類いが成形される。次
に、これらの充填された物品は、その焼結温度未満の温
度に加熱され、約８対１またはそれ以上の断面減少率を
有する押出しプロセスのように物品に高歪を付与する高
圧に短時間さらされる。このプロセスにより、すぐれた
熱膨張特性と熱伝導特性の組合せ並びに良好な強度を有
する十分緻密な複合材料が得られ、この材料は、各種形
状に経済的に製造可能であるとともに、容易にメッキ可
能かつ機械加工可能である。これらの開始材料の相対比
率により、必要とされる熱膨張特性と熱伝導特性を予想
どおりに有する複合材料が提供される。粒子に与えられ
た高歪により、強固な接合部が粒子間に形成され、十分
緻密な材料が形成される。組合せられた粒子の加熱は、
焼結温度未満で行われるために、低熱膨張係数を有する
成分から鉄、ニッケルまたは他の材料が高伝導材成分へ
拡散して、前記高伝導成分したがって複合材の伝導度を
大幅に減少させてしまうようなことはない。また、この
プロセスは、経済的で、機械加工性が良く、メッキが容
易なＣｕ−Ｎｉ（Ｆｅ）系について首尾よく行われる。
ないし比較的低い熱膨張係数を有する複数の不連続鉄合
金粒子が、比較的高い熱伝導度を有する金属から成る複
数の不連続粒子と混合され、在来の粉末冶金技術に従っ
て互いに充填される。この際、好ましくは約４０％未満
の気孔率を有する物品またはその類いが成形される。次
に、これらの充填された物品は、その焼結温度未満の温
度に加熱され、約８対１またはそれ以上の断面減少率を
有する押出しプロセスのように物品に高歪を付与する高
圧に短時間さらされる。このプロセスにより、すぐれた
熱膨張特性と熱伝導特性の組合せ並びに良好な強度を有
する十分緻密な複合材料が得られ、この材料は、各種形
状に経済的に製造可能であるとともに、容易にメッキ可
能かつ機械加工可能である。これらの開始材料の相対比
率により、必要とされる熱膨張特性と熱伝導特性を予想
どおりに有する複合材料が提供される。粒子に与えられ
た高歪により、強固な接合部が粒子間に形成され、十分
緻密な材料が形成される。組合せられた粒子の加熱は、
焼結温度未満で行われるために、低熱膨張係数を有する
成分から鉄、ニッケルまたは他の材料が高伝導材成分へ
拡散して、前記高伝導成分したがって複合材の伝導度を
大幅に減少させてしまうようなことはない。また、この
プロセスは、経済的で、機械加工性が良く、メッキが容
易なＣｕ−Ｎｉ（Ｆｅ）系について首尾よく行われる。
【０００９】
【実施例】図面を参照すると、本発明に係る複合材料１
０が金属粉末の混合物を含んでおり、第１の金属粉末１
２が低熱膨張係数を有し、第２の金属粉末１４が高熱伝
導性を有する。低膨張係数の金属に何を選ぶかというこ
とと最終複合材料１０内におけるその割合をどうするか
ということは、複合材料において用いられる高伝導度金
属の膨張係数に、一部依存しており、更には最終複合材
製品における所望の膨張係数に依存している。典型的に
は、本発明において好適に用いられる低膨張金属は、室
温において約１０ppm ／℃よりも小さい熱膨張係数を有
するべきである。前記低膨張金属に所望の膨張係数を与
える幾つかの合金には、Ｆｅ−ＮｉおよびＦｅ−Ｎｉ−
Ｃｏ系の膨張制御合金が含まれる。これらの合金の支配
的元素はＦｅとＮｉであり、これら元素は反応してオー
ステナイト組織（マイクロ組織）を形成するが、該組織
では、Ｎｉの一部をＣｏと置換えることができる。この
種の合金の好ましい組成（重量％）は、約４５〜７０％
のＦｅと、約２０〜５５％のＮｉと、最高２５％のＣｏ
と、最高約５％のＣｒを含み、所望の低膨張率を有する
合金を提供するように配合される。代表的な材料として
は、インバー合金が選択され、該合金は、Ｎｉ約３６％
と事実上Ｆｅから成る残部とから成り、その他通常含ま
れる不純物および偶然混入する元素をも含む。
０が金属粉末の混合物を含んでおり、第１の金属粉末１
２が低熱膨張係数を有し、第２の金属粉末１４が高熱伝
導性を有する。低膨張係数の金属に何を選ぶかというこ
とと最終複合材料１０内におけるその割合をどうするか
ということは、複合材料において用いられる高伝導度金
属の膨張係数に、一部依存しており、更には最終複合材
製品における所望の膨張係数に依存している。典型的に
は、本発明において好適に用いられる低膨張金属は、室
温において約１０ppm ／℃よりも小さい熱膨張係数を有
するべきである。前記低膨張金属に所望の膨張係数を与
える幾つかの合金には、Ｆｅ−ＮｉおよびＦｅ−Ｎｉ−
Ｃｏ系の膨張制御合金が含まれる。これらの合金の支配
的元素はＦｅとＮｉであり、これら元素は反応してオー
ステナイト組織（マイクロ組織）を形成するが、該組織
では、Ｎｉの一部をＣｏと置換えることができる。この
種の合金の好ましい組成（重量％）は、約４５〜７０％
のＦｅと、約２０〜５５％のＮｉと、最高２５％のＣｏ
と、最高約５％のＣｒを含み、所望の低膨張率を有する
合金を提供するように配合される。代表的な材料として
は、インバー合金が選択され、該合金は、Ｎｉ約３６％
と事実上Ｆｅから成る残部とから成り、その他通常含ま
れる不純物および偶然混入する元素をも含む。
【００１０】本発明において用いられる高熱伝導材料
は、純銅の約６０〜１０５％の電気的／熱的伝導度を有
する（これらの高伝導度金属の熱伝導度値と、電気伝導
度値は互いに比例しており、以降電気伝導度値を用いる
ことにする）。本発明において好適に用いられる高伝導
度金属は、実質的に単体のＣｕまたはＡｌ（純度は少な
くとも９９％）、および高Ｃｕ／Ａｇ合金である。Ａ
ｇ、Ａｕ、Ｐｔのような他の単体金属もまた適当な伝導
度を有するが、一般的用途としては高価過ぎると考え
る。
は、純銅の約６０〜１０５％の電気的／熱的伝導度を有
する（これらの高伝導度金属の熱伝導度値と、電気伝導
度値は互いに比例しており、以降電気伝導度値を用いる
ことにする）。本発明において好適に用いられる高伝導
度金属は、実質的に単体のＣｕまたはＡｌ（純度は少な
くとも９９％）、および高Ｃｕ／Ａｇ合金である。Ａ
ｇ、Ａｕ、Ｐｔのような他の単体金属もまた適当な伝導
度を有するが、一般的用途としては高価過ぎると考え
る。
【００１１】本発明に係る金属粉末１２、１４は、電気
化学的に製造されるＣｕ粉末、およびガスアトマイズさ
れたＦｅ−Ｎｉ合金粉末のような標準的方法によって製
造される。典型的には、サイズ４４〜４２５ミクロンの
（もちろん他の寸法のものも使用可能であるが）これら
の粉末が混合されて均一な混合物が作成された後、該混
合物は固められて約４０％未満の気孔率を有する粉末製
品が形成される。この粉末製品は、その成分１２、１４
の焼結温度未満の温度に加熱され、高圧が加えられ、粒
子の迅速固化により、事実上１００％の緻密な製品とな
る。同製品は、その金属成分間に実質上相互拡散が見ら
れず、しかも事後の緻密化焼結工程を必要としない強力
な製品となる。ここで用いられる焼結温度は、複合材料
中の融点成分の絶対溶融温度の７５％〜８０％に等しい
温度である。粒子間に強固な接合を与え、１００％緻密
な製品を製造できるのは、高圧、迅速固化により高い歪
が粉末材料に付与されるためである。すなわち、個々の
粒子上に発生した高歪が同粒子の引張りと伸びを惹起
し、その結果、新生面が生じ、相互に結合し易くなる。
同様に重要なことは、前記高圧迅速固化の作用により事
後の焼結の必要性を排除して、１００％緻密で強固な製
品を得ることができるということが示されたことであ
る。この事実が重要であるのは、焼結と関連する拡散に
より、得られた複合材製品の伝導度が大幅に低下するか
らである。また、粉末／複合材料の加熱は、可及的迅速
に行う必要がある。
化学的に製造されるＣｕ粉末、およびガスアトマイズさ
れたＦｅ−Ｎｉ合金粉末のような標準的方法によって製
造される。典型的には、サイズ４４〜４２５ミクロンの
（もちろん他の寸法のものも使用可能であるが）これら
の粉末が混合されて均一な混合物が作成された後、該混
合物は固められて約４０％未満の気孔率を有する粉末製
品が形成される。この粉末製品は、その成分１２、１４
の焼結温度未満の温度に加熱され、高圧が加えられ、粒
子の迅速固化により、事実上１００％の緻密な製品とな
る。同製品は、その金属成分間に実質上相互拡散が見ら
れず、しかも事後の緻密化焼結工程を必要としない強力
な製品となる。ここで用いられる焼結温度は、複合材料
中の融点成分の絶対溶融温度の７５％〜８０％に等しい
温度である。粒子間に強固な接合を与え、１００％緻密
な製品を製造できるのは、高圧、迅速固化により高い歪
が粉末材料に付与されるためである。すなわち、個々の
粒子上に発生した高歪が同粒子の引張りと伸びを惹起
し、その結果、新生面が生じ、相互に結合し易くなる。
同様に重要なことは、前記高圧迅速固化の作用により事
後の焼結の必要性を排除して、１００％緻密で強固な製
品を得ることができるということが示されたことであ
る。この事実が重要であるのは、焼結と関連する拡散に
より、得られた複合材製品の伝導度が大幅に低下するか
らである。また、粉末／複合材料の加熱は、可及的迅速
に行う必要がある。
【００１２】本発明の１つの好ましい実施例を参照する
と（図４）、最終複合材料１０は、インバー合金のよう
な低熱膨張性の第１の金属粉末１２（図５では２０）と
事実上純粋な銅のような高熱伝導性の第２の金属粉末１
４（図５では２２）から成っている。要素１０の典型的
な混合比率は、銅４０体積％、インバー合金６０体積％
であり、両粉末の粉末サイズは約３００ミクロンまたは
それ未満である。しかしながら、他の混合比率も利用可
能であり、その場合、銅（高伝導成分）量を１０体積％
から６０体積％まで変化させることが可能であり、残部
はインバー合金（低伝導成分）である。これらの粉末
は、標準型Ｖ混合機または同種の機械によって混合さ
れ、均質な混合物（図５の２４）になされる。この混合
物は、理論密度に比して６０％を超える密度になるよう
に粉末を圧密化するため、タッピングまたは同種の方法
で充填する（図５の２６）ことが好ましいが、より小さ
な密度も利用可能である。粉末製品（充填された粉末を
有する容器）は、好ましくはシールされ、脱気され（図
５の３０）、次に、約３０分間、温度１２１℃〜２６０
℃（２５０°Ｆ〜５００°Ｆ）に加熱され、湿気および
吸収されている揮発性不純物が除去され、１０-4トール
またはそれを超える最終真空度が達成される。次に、典
型的には約６４９℃（１２００°Ｆ）である粉末焼結温
度より十分低い温度において、製品の温度を一様にする
ために十分な時間（典型的には１時間以下）だけ、真空
シールされた容器１６が再加熱され、高荷重直接押出し
プレスのダイを介して押出される（図５の３２）。この
場合、断面減少率は８対１よりも大きく、典型的には約
１６対１であり、押出しラム速度は典型的には０．３〜
３ｍ（１〜１０フィート）／分の範囲内である。この粉
末の押出し工程により、製品（個々の粒子）には１．７
５〜３の範囲の高い真歪が加えられ、強力な粒界強度を
有する十分緻密な複合材料が得られ、そのため事後の焼
結作業は不要になるだろう。所望ならば、被押出し材料
は、温度４２７℃〜５３８℃（８００°Ｆ〜１０００°
Ｆ）で、典型的には１分〜３０分間応力除去されること
も可能である。この応力除去作業は、やはり粉末の焼結
温度よりも十分低い温度で行われ、２種類の粉末成分間
で拡散が生じることはない。最終押出し複合材料は、電
子回路装置（システム）においてヒートシンクまたはそ
の類いとして用いるために、所望形状に切断され、また
は他の方法で成形される（図５の３４）。
と（図４）、最終複合材料１０は、インバー合金のよう
な低熱膨張性の第１の金属粉末１２（図５では２０）と
事実上純粋な銅のような高熱伝導性の第２の金属粉末１
４（図５では２２）から成っている。要素１０の典型的
な混合比率は、銅４０体積％、インバー合金６０体積％
であり、両粉末の粉末サイズは約３００ミクロンまたは
それ未満である。しかしながら、他の混合比率も利用可
能であり、その場合、銅（高伝導成分）量を１０体積％
から６０体積％まで変化させることが可能であり、残部
はインバー合金（低伝導成分）である。これらの粉末
は、標準型Ｖ混合機または同種の機械によって混合さ
れ、均質な混合物（図５の２４）になされる。この混合
物は、理論密度に比して６０％を超える密度になるよう
に粉末を圧密化するため、タッピングまたは同種の方法
で充填する（図５の２６）ことが好ましいが、より小さ
な密度も利用可能である。粉末製品（充填された粉末を
有する容器）は、好ましくはシールされ、脱気され（図
５の３０）、次に、約３０分間、温度１２１℃〜２６０
℃（２５０°Ｆ〜５００°Ｆ）に加熱され、湿気および
吸収されている揮発性不純物が除去され、１０-4トール
またはそれを超える最終真空度が達成される。次に、典
型的には約６４９℃（１２００°Ｆ）である粉末焼結温
度より十分低い温度において、製品の温度を一様にする
ために十分な時間（典型的には１時間以下）だけ、真空
シールされた容器１６が再加熱され、高荷重直接押出し
プレスのダイを介して押出される（図５の３２）。この
場合、断面減少率は８対１よりも大きく、典型的には約
１６対１であり、押出しラム速度は典型的には０．３〜
３ｍ（１〜１０フィート）／分の範囲内である。この粉
末の押出し工程により、製品（個々の粒子）には１．７
５〜３の範囲の高い真歪が加えられ、強力な粒界強度を
有する十分緻密な複合材料が得られ、そのため事後の焼
結作業は不要になるだろう。所望ならば、被押出し材料
は、温度４２７℃〜５３８℃（８００°Ｆ〜１０００°
Ｆ）で、典型的には１分〜３０分間応力除去されること
も可能である。この応力除去作業は、やはり粉末の焼結
温度よりも十分低い温度で行われ、２種類の粉末成分間
で拡散が生じることはない。最終押出し複合材料は、電
子回路装置（システム）においてヒートシンクまたはそ
の類いとして用いるために、所望形状に切断され、また
は他の方法で成形される（図５の３４）。
【００１３】図３に示される本発明の他の実施例におい
ては、選択された熱膨張係数と熱伝導特性を有する十分
緻密な複合材料製品が、銅のような材質の外側コーティ
ング２２を含む最終組合せ製品２０の芯１０′を形成し
ている。そのような材料を作るための１つの便利な方法
によれば、図２に示すような標準容器１６の代りに、銅
のような材料で形成された厚壁の容器１６′（図４参
照）を用いて、最終複合材料押出し製品に容器材から成
る厚い外側コーティングを具備せしめる。粒子を内蔵し
た容器の全体面積に対する容器壁肉厚部面積の比率は、
典型的には２〜３０％にすることができる。芯１０′の
周囲に外側層を設けるために、ロウ付、圧入等の他の方
法を用いることも可能である。この組合せ材料２０は、
芯部分１０′が在来の手段（装置）によって半導体装置
に接合され、外側コーティング２２がプラスチックのよ
うな封止材料２３と接触するような用途（図７参照）に
おいて有用である。前記組合せ材料の各部分は、それら
が接触している材質（すなわち半導体材料およびプラス
チック）と良好に適合する熱膨張係数を有する。
ては、選択された熱膨張係数と熱伝導特性を有する十分
緻密な複合材料製品が、銅のような材質の外側コーティ
ング２２を含む最終組合せ製品２０の芯１０′を形成し
ている。そのような材料を作るための１つの便利な方法
によれば、図２に示すような標準容器１６の代りに、銅
のような材料で形成された厚壁の容器１６′（図４参
照）を用いて、最終複合材料押出し製品に容器材から成
る厚い外側コーティングを具備せしめる。粒子を内蔵し
た容器の全体面積に対する容器壁肉厚部面積の比率は、
典型的には２〜３０％にすることができる。芯１０′の
周囲に外側層を設けるために、ロウ付、圧入等の他の方
法を用いることも可能である。この組合せ材料２０は、
芯部分１０′が在来の手段（装置）によって半導体装置
に接合され、外側コーティング２２がプラスチックのよ
うな封止材料２３と接触するような用途（図７参照）に
おいて有用である。前記組合せ材料の各部分は、それら
が接触している材質（すなわち半導体材料およびプラス
チック）と良好に適合する熱膨張係数を有する。
【００１４】本発明の利点を良好に理解してもらうため
に以下の例を挙げる。
に以下の例を挙げる。
【００１５】例 Ｉ 単体銅粉末（−１００メッシュ）がインバー合金粉末
（−１００メッシュ）とＶ混合機内で混合された。比率
は、銅４０体積％、インバー合金６０体積％であった。
混合された粉末混合物は壁厚１．６mm（１／１６イン
チ）、直径５０．８mm（２インチ）の銅容器（押出し
缶）内に注入、充填された。混合粉末は、タッピングに
より密度約６０％になされた。次に、容器がシールさ
れ、脱気され、高温真空脱ガスするために約１４９℃
（３００°Ｆ）に加熱された。次いで、１×１０-5トー
ルの真空度をもって、容器が完全に真空シールされた。
シールされた容器は、温度６４９℃（１２００°Ｆ）で
１時間加熱され、次いで直ちに３００トン標準直接押出
しプレスの１２．７mm（１／２インチ）径の円形ダイを
介して直接押出しされた。なお、押出しラム速度は１．
１４３ｍ（４５インチ）／分であり、押出しにより十分
緻密な円形ロッドが得られる。所望ならば、前記ロッド
は適当なエッチングまたは研磨によってその表面層を除
去することができる。
（−１００メッシュ）とＶ混合機内で混合された。比率
は、銅４０体積％、インバー合金６０体積％であった。
混合された粉末混合物は壁厚１．６mm（１／１６イン
チ）、直径５０．８mm（２インチ）の銅容器（押出し
缶）内に注入、充填された。混合粉末は、タッピングに
より密度約６０％になされた。次に、容器がシールさ
れ、脱気され、高温真空脱ガスするために約１４９℃
（３００°Ｆ）に加熱された。次いで、１×１０-5トー
ルの真空度をもって、容器が完全に真空シールされた。
シールされた容器は、温度６４９℃（１２００°Ｆ）で
１時間加熱され、次いで直ちに３００トン標準直接押出
しプレスの１２．７mm（１／２インチ）径の円形ダイを
介して直接押出しされた。なお、押出しラム速度は１．
１４３ｍ（４５インチ）／分であり、押出しにより十分
緻密な円形ロッドが得られる。所望ならば、前記ロッド
は適当なエッチングまたは研磨によってその表面層を除
去することができる。
【００１６】前記複合材料は、以下の特性を有してい
た。 1. 密度 ８．４
gm／cc 2. ＴＣＥ（ppm ／℃） ７．３ 3. 熱伝導度（ワット／Ｍ．Ｋ．） １２６．０ 4. 電気伝導度（ＩＡＣＳ） ３５％
た。 1. 密度 ８．４
gm／cc 2. ＴＣＥ（ppm ／℃） ７．３ 3. 熱伝導度（ワット／Ｍ．Ｋ．） １２６．０ 4. 電気伝導度（ＩＡＣＳ） ３５％
【００１７】例 II 銅粉末が、Ｖ混合機によって、例Ｉと同一比率でインバ
ー合金粉末と混合され、同様に処理された。ただし、直
径１０１．６mm（４インチ）の容器が用いられ、押出し
は１４００トンプレス、ダイ径２５．４インチ（１イン
チ）をもって行なわれた。
ー合金粉末と混合され、同様に処理された。ただし、直
径１０１．６mm（４インチ）の容器が用いられ、押出し
は１４００トンプレス、ダイ径２５．４インチ（１イン
チ）をもって行なわれた。
【００１８】複合材料は以下の特性を有していた。 1. 密度 ８．４
gm／cc 2. ＴＣＥ（ppm ／℃） ６．８ 3. 熱伝導度（ワット／Ｍ．Ｋ．） １２０．０ 4. 電気伝導度（ＩＡＣＳ） ３５％
gm／cc 2. ＴＣＥ（ppm ／℃） ６．８ 3. 熱伝導度（ワット／Ｍ．Ｋ．） １２０．０ 4. 電気伝導度（ＩＡＣＳ） ３５％
【００１９】例 III この例は、前述の例Ｉと同様に実施されたが、異なる点
は円形ロッドを形成した後、該ロッドが更に２０分間８
９９℃（１６５０°Ｆ）で加熱された（焼結された）こ
とである。この加熱後において電気伝導度は１５％（Ｉ
ＡＣＳ）であった。
は円形ロッドを形成した後、該ロッドが更に２０分間８
９９℃（１６５０°Ｆ）で加熱された（焼結された）こ
とである。この加熱後において電気伝導度は１５％（Ｉ
ＡＣＳ）であった。
【００２０】例 IV この例は、前述の例Ｉと同様に実施されたが、異なる点
はロッドを形成後、該ロッドが更に２０分間５１０℃
（９５０°Ｆ）で加熱された（焼結温度未満での応力除
去焼鈍）ことである。この加熱の後、電気伝導度は３５
％（ＩＡＣＳ）であった。
はロッドを形成後、該ロッドが更に２０分間５１０℃
（９５０°Ｆ）で加熱された（焼結温度未満での応力除
去焼鈍）ことである。この加熱の後、電気伝導度は３５
％（ＩＡＣＳ）であった。
【００２１】かくして、例III およびIVの電気伝導度の
結果を比較すると、従来行なわれていたように、２つの
成分の相互拡散を許容して複合材料の所望の強度と密度
を得る場合に問題が生じることが判る。熱間圧延による
圧密化作用によっても十分緻密で強力な製品を提供し得
ないということが判明しているが、これはこの工程にお
ける真歪値が十分高くはない（１．５未満）ということ
に起因している。押出し加工のような急速、高真歪の高
圧固化工程を利用した本発明によれば、大幅に改善され
た特性を有する新規な複合材料が提供される。また、複
合材料の個々の粒子間に、真の拡散が生じないため、構
成成分の１つを選択的にエッチングして多孔質表面層を
残すことが可能である。この多孔質表面層は複合材料を
或る種の電子機器用途において用いる場合、封止プロセ
スの一部として他の材質への付着力を改善する上で極め
て有効である。更には、図３の外側コーティング材２２
を用いることはプラスチック封止材２３に対して熱膨張
をより良く適合させる用途において有利であろう。
結果を比較すると、従来行なわれていたように、２つの
成分の相互拡散を許容して複合材料の所望の強度と密度
を得る場合に問題が生じることが判る。熱間圧延による
圧密化作用によっても十分緻密で強力な製品を提供し得
ないということが判明しているが、これはこの工程にお
ける真歪値が十分高くはない（１．５未満）ということ
に起因している。押出し加工のような急速、高真歪の高
圧固化工程を利用した本発明によれば、大幅に改善され
た特性を有する新規な複合材料が提供される。また、複
合材料の個々の粒子間に、真の拡散が生じないため、構
成成分の１つを選択的にエッチングして多孔質表面層を
残すことが可能である。この多孔質表面層は複合材料を
或る種の電子機器用途において用いる場合、封止プロセ
スの一部として他の材質への付着力を改善する上で極め
て有効である。更には、図３の外側コーティング材２２
を用いることはプラスチック封止材２３に対して熱膨張
をより良く適合させる用途において有利であろう。
【００２２】かくして、本発明のプロセスによって提供
される複合材料１０は、熱を回路から引出し、放散させ
るための電子回路用熱搬送複合材料として用いられる。
例えば、複合材料１０ｂには、その一方の側上に薄肉の
絶縁コーティング２８が設けられており、同絶縁コーテ
ィング上には図６の回路通路３２および回路部品３４で
図式的に示される電子回路３０を備えている。基板１０
ｂは、薄肉絶縁コーティング２８を介して熱を回路から
引出し、その熱を矢印２５で示すように基板中に分散
し、該熱を矢印２７で示すように支持体３６またはその
類いに伝達するようになされている。前記複合材料はま
た、リードフレーム、ピングリッド列装置等において用
いるようにもなされている。
される複合材料１０は、熱を回路から引出し、放散させ
るための電子回路用熱搬送複合材料として用いられる。
例えば、複合材料１０ｂには、その一方の側上に薄肉の
絶縁コーティング２８が設けられており、同絶縁コーテ
ィング上には図６の回路通路３２および回路部品３４で
図式的に示される電子回路３０を備えている。基板１０
ｂは、薄肉絶縁コーティング２８を介して熱を回路から
引出し、その熱を矢印２５で示すように基板中に分散
し、該熱を矢印２７で示すように支持体３６またはその
類いに伝達するようになされている。前記複合材料はま
た、リードフレーム、ピングリッド列装置等において用
いるようにもなされている。
【００２３】本発明に係る新規な製品および方法は、複
合材料にして、高強度、改良された組合せの膨張係数、
熱伝導度特性を有する一方、製造が経済的で、容易に機
械加工可能であり、メッキ可能な複合材料を提供する。
本発明は、その特定の実施例と組合せて説明されたが、
前述の説明を読んだ当業者には、多くの代替例、修正
例、変形例が自明であろう。それらには、例えば鍛造に
よる急速圧密化または爆発圧密化により急激に高圧力、
高真歪固化を達成し、十分緻密な材料を得る方法が含ま
れる。
合材料にして、高強度、改良された組合せの膨張係数、
熱伝導度特性を有する一方、製造が経済的で、容易に機
械加工可能であり、メッキ可能な複合材料を提供する。
本発明は、その特定の実施例と組合せて説明されたが、
前述の説明を読んだ当業者には、多くの代替例、修正
例、変形例が自明であろう。それらには、例えば鍛造に
よる急速圧密化または爆発圧密化により急激に高圧力、
高真歪固化を達成し、十分緻密な材料を得る方法が含ま
れる。
【図１】本発明に従って作られた複合材料の横断面図。
【図２】金属粉末を内部に含む容器の横断面図。
【図３】本発明の他の実施例に係る複合材料の横断面
図。
図。
【図４】内部に金属粉末を含む修正容器の横断面図。
【図５】図１の材料を製作するための主要製造工程を示
すフローチャート。
すフローチャート。
【図６】電子回路に適用された図１の複合材料を示す断
面図。
面図。
【図７】電子回路に適用された図３の複合材料を示す断
面図。
面図。
１０ 複合材料 １２ 第１の金属粉末 １４ 第２の金属粉末
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヘンリー エフ．ブレイト アメリカ合衆国マサチューセッツ州アトル ボロ，キングスリィ サークル 30
Claims (12)
- 【請求項１】 電子回路装置で使用される熱管理複合材
料の製造方法であって、 a) 低熱膨張係数を有する第１の粉末金属材料を準備す
る段階と、 b) 高熱伝導性を有する第２の粉末金属材料を準備する
段階と、 c) 前記第１の粉末材料を前記第２の粉末材料と混合す
る段階と、 d) 前記混合物を物品として充填する段階と、 e) 前記物品をして前記第１の粉末金属材料または前記
第２の粉末金属材料の焼結温度未満の温度で十分な時間
加熱して前記物品全体を均一な温度にする段階と、 f) 前記加熱された物品を直ちに高圧、高歪力に短時間
さらして、熱膨張特性と熱伝導特性の優れた組合せを有
する十分緻密な複合材料を作成する段階とを含む熱管理
複合材料の製造方法。 - 【請求項２】 請求項１に記載の方法において、低熱膨
張係数を有する前記第１の粉末金属材料がＦｅ−Ｎｉ合
金であることを特徴とする熱管理複合材料の製造方法。 - 【請求項３】 請求項１に記載の方法において、高熱膨
張係数を有する前記第２の粉末金属材料が事実上純粋の
銅、事実上純粋のアルミニウム、および高Ｃｕ−Ａｇ合
金から成る群から選ばれることを特徴とする熱管理複合
材料の製造方法。 - 【請求項４】 請求項１に記載の方法において、前記加
熱された物品が少なくとも８対１の断面減少率を有する
ダイを通じて押出され、前記圧密化された物品に１．７
５よりも大きな真歪が付与されることを特徴とする熱管
理複合材料の製造方法。 - 【請求項５】 請求項１に記載の方法において、前記第
１および第２の粉末材料の充填段階が容器内で行われ、
理論密度の少なくとも５０％の密度を有する物品が作成
されることを特徴とする熱管理複合材料の製造方法。 - 【請求項６】 請求項４に記載の方法において、更に前
記物品をして前記第１の粉末金属材料または前記第２の
粉末金属材料のいづれかの焼結温度未満の温度に加熱す
る前に、少なくとも約１０-4トールの真空度に前記物品
を熱真空脱ガスし、シールを行う段階が含まれることを
特徴とする熱管理複合材料の製造方法。 - 【請求項７】 請求項１に記載の方法において、前記高
圧力、高歪力が１．７５より大きな真歪を前記圧密化さ
れた物品に付与することを特徴とする熱管理複合材料の
製造方法。 - 【請求項８】 熱管理複合材料であって、 a) 低熱膨張係数を有する第１の粉末金属材料を準備す
る段階と、 b) 高熱伝導性を有する第２の粉末金属材料を準備する
段階と、 c) 前記第１の粉末金属を前記第２の粉末金属と混合す
る段階と、 d) 前記混合物を物品として充填する段階と、 e) 前記物品をして、前記第１の粉末金属材料または前
記第２の粉末金属材料のいづれかの焼結温度未満の温度
に十分な時間加熱して物品全体を均一な温度にする段階
と、 f) 前記加熱された物品を直ちに高圧力、高歪力に短時
間さらし、優れた熱膨張特性と熱伝導特性の組合せを有
する十分緻密な複合材料を作成する段階とを含むプロセ
スから得られる熱管理複合材料。 - 【請求項９】 請求項８に記載の複合材料であって、前
記加熱された物品がダイを通じて押出しされることによ
り、１．７５よりも大きな真歪が前記圧密化された物品
に付与されていることを特徴とする熱管理複合材料。 - 【請求項１０】 請求項８に記載の複合材料において、
更に前記物品をして前記第１の粉末金属材料または前記
第２の粉末金属材料のいづれかの焼結温度未満の温度に
加熱する前に、該圧密化された物品を少なくとも約１０
-4トールの真空度に熱真空脱ガスし、シーリングする段
階が含まれることを特徴とする熱管理複合材料。 - 【請求項１１】 請求項９に記載の複合材料において、
前記第１の粉末材料と前記第２の粉末金属とを混合する
段階が高熱伝導材料で形成された容器内で行われ、前記
容器は押出された後、複合材料の少なくとも部分的表面
コーティングを形成していることを特徴とする熱管理複
合材料。 - 【請求項１２】 回路装置であって、選択された熱膨張
係数を有する半導体装置と、選択された熱膨張係数を有
するプラスチック封入部分と、前記半導体装置と熱的に
接触している第１の部分および前記プラスチック封入部
分と熱的に接触した第２の部分を備えた熱管理材料とを
有し、前記熱管理材料の前記第１の部分は、半導体装置
にしっかりと結合するため該半導体装置のために選択さ
れた前記熱膨張係数と事実上一致する熱膨張係数を有し
ており、前記熱管理材料の前記第２の部分は、前記プラ
スチック封入部分と適合するよう選ばれた熱膨張係数を
有しており、前記第１の部分は、前記半導体装置から熱
を放散させて該半導体装置が信頼性良く作動可能ならし
めるために十分な熱伝導性を有するとともに、粉末材料
で形成されている回路装置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US010931 | 1993-01-29 | ||
| US08/010,931 US5310520A (en) | 1993-01-29 | 1993-01-29 | Circuit system, a composite material for use therein, and a method of making the material |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06244330A true JPH06244330A (ja) | 1994-09-02 |
Family
ID=21748085
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6002894A Pending JPH06244330A (ja) | 1993-01-29 | 1994-01-17 | 電子回路装置で使用される熱管理複合材料とその製造方法 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5310520A (ja) |
| EP (1) | EP0608621A1 (ja) |
| JP (1) | JPH06244330A (ja) |
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