JPH1084061A - 電子電気機器用放熱部材 - Google Patents

電子電気機器用放熱部材

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JPH1084061A
JPH1084061A JP8236463A JP23646396A JPH1084061A JP H1084061 A JPH1084061 A JP H1084061A JP 8236463 A JP8236463 A JP 8236463A JP 23646396 A JP23646396 A JP 23646396A JP H1084061 A JPH1084061 A JP H1084061A
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JP
Japan
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alloy
fiber
metal material
heat dissipating
thermal expansion
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Application number
JP8236463A
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English (en)
Inventor
Masato Asai
真人 浅井
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Furukawa Electric Co Ltd
Original Assignee
Furukawa Electric Co Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】 任意の熱膨張係数が得られ、放熱性に優れ、
加工性に富み、廉価な電子電気機器用放熱部材を提供す
る。 【解決手段】 Fe系金属材を介して結合された良熱伝導
材とC繊維との混合体であり、前記Fe系金属材が Fe-25
〜50wt%Ni 合金又は Fe-25〜50wt%Ni -2〜30wt%Co 合金
である電子電気機器用放熱部材。 【効果】 C繊維とFe系金属材により低熱膨張性が達成
され、良熱伝導材とC繊維とにより高放熱性が達成さ
れ、またFe系金属材により濡れ性の悪いC繊維と良熱伝
導材とが強く結合されて使用時の熱サイクル等で両者が
剥離するのが防止される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子である
SiやGaAsチップ、又は電子電気機器用筐体に用いられる
アルミナ(Al2O3) 等の熱膨張に合せてその熱膨張係数を
任意に制御でき、且つ放熱性、加工性に優れた廉価な電
子電気機器用放熱部材に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、半導体装置のヒートシンク材や基
板等の電子電気機器用放熱部材には、SiやGaAs等の半導
体素子と同等の熱膨張係数を有し、且つ耐熱性に優れる
42アロイ(Fe-Ni系合金) 等が用いられてきた。しかし、
近年、パッケージ内の高密度集積化が進むにつれ、前記
42アロイでは十分な放熱性が得られないという問題が生
じた。そこで、Cu/W 、Cu/Mo等の複合材や、BeO 、Al
N 等のセラミックス材等の耐熱性と放熱性を兼備する材
料が開発された。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】前記の複合材やセラミ
ックス材は、硬質の為基板等の製品に加工するのが困難
で生産性に劣り高価であった。そこで、前記欠点を改善
するものとしてFeNi合金とCu を用いた放熱基板が提案
された(特開平3-173166号公報等)が、熱膨張係数と放
熱性の点で不十分であった。又特開昭52-53720号公報に
は、熱膨張係数を制御したCu/C繊維系材料が開示されて
いる。このものは、炭化物生成元素を添加してCuマトリ
ックスとC繊維との接合性を高めて熱疲労特性を向上さ
せている。しかし、近年の半導体素子の大パワー化に伴
い発熱と冷却の熱サイクル条件は益々苛酷になり、熱疲
労破壊を完全に抑制することは困難になってきている。
又このものは、炭化物生成元素の固溶により熱伝導率
(放熱性)が低下するという欠点を有している。本発明
は、任意の熱膨張係数が得られ、放熱性に優れ、加工性
に富み廉価な電子電気機器用放熱部材の提供を目的とす
る。
【0004】
【課題を解決するための手段】請求項1記載の発明は、
Fe系金属材を介して結合された良熱伝導材とC繊維との
混合体であり、前記Fe系金属材が Fe-25〜50wt%Ni 合金
又は Fe-25〜50wt%Ni-2〜30wt%Co 合金であることを特
徴とする電子電気機器用放熱部材である。
【0005】請求項2記載の発明は、良熱伝導材が、C
u、Cu合金、Al、又はAl合金であることを特徴とする請
求項1記載の電子電気機器用放熱部材である。
【0006】請求項3記載の発明は、良熱伝導材の体積
Vh と、Fe系金属材の体積Vf とC繊維の体積Vc の和
との比 [Vh / (Vf +Vc)] が 1〜0.05であり、Fe系
金属材の体積Vf とC繊維の体積Vc との比 [Vf/Vc]
が 5〜1 であることを特徴とする請求項1、2のいずれ
かに記載の電子電気機器用放熱部材である。
【0007】
【発明の実施の形態】本発明は、熱膨張係数が要求値よ
り大きくならない範囲で、熱伝導性を高めたことを骨子
とする。本発明部材では、C(カーボン)繊維とFe系金
属材により低熱膨張性を達成し、良熱伝導材とC繊維に
より高放熱性を達成し、更に濡れ性の悪いC繊維と良熱
伝導材とをFe系金属材を介して結合したものである。前
記C繊維と良熱伝導材間にあるFe系金属材はC繊維に固
溶し或いはC繊維と化合物を形成し、また良熱伝導材と
は固溶体を形成して両者(C繊維と良熱伝導材)の結合
性を高める。これにより使用時の熱サイクル等でのC繊
維と良熱伝導材との剥離が防止される。なお、C繊維
は、インバー合金(Fe-Ni系合金) やスーパーインバー合
金(Fe-Ni-Co 系) と同じように熱膨張係数が低く、また
熱伝導性に優れる。この為、従来の [Fe-36wt%Ni合金/C
u]複合材等では不十分になってきた低熱膨張係数と高放
熱性の要求をともに満足し得るものである。
【0008】本発明において、良熱伝導材の体積Vh
と、Fe系金属材の体積Vf とC繊維の体積Vc の和との
比 [Vh / (Vf +Vc)] を 1〜0.05の範囲に規定した
理由は、前記比が1を超えるとFe系金属材とC繊維が少
なくなって熱膨張係数が大きくなり、0.05未満では良熱
伝導材が少なくなり放熱性が低下する為であり、又放熱
性の低下をC繊維を多くして補おうとすると成形が困難
になる為である。又Fe系金属材の体積Vf とC繊維の体
積Vc との比 [Vf/Vc]を 5〜1 の範囲に規定した理由
は、前記比が5を超えるとC繊維が少なくなって熱膨張
係数の抑制と熱伝導性の向上が十分に果たせなくなり、
又前記比が1未満ではFe系金属材が減少して良熱伝導材
とC繊維間の接合性が低下して、熱疲労特性が低下する
為である。
【0009】本発明において、良熱伝導材には、Au、A
g、Cu、Al、Mg、Zn等の任意の良熱伝導性金属及びそれ
らの合金が用いられる。特に、Cu、Cu合金、Al、Al合金
は熱伝導率が高く且つ低コストな為有用である。良熱伝
導材が、その熱伝導体としての役割を十分に果たすため
には、その熱伝導率が 100W/m・K以上であることが
望ましい。
【0010】本発明にて用いるFe系金属材には、熱膨張
係数が小さい Fe-Ni系合金又はFe-Ni-Co系合金を用いる
のが望ましい。 Fe-Ni系合金のNi含有量は 25wt%未満で
も 50wt%を超えても熱膨張係数が大きくなる。従って前
記Ni含有量は25〜50wt% が望ましい。特に望ましいNi含
有量は30〜45wt% である。又Fe-Ni-Co系合金の場合は、
Niが 25wt%未満でも、Coが2wt%未満でも、又Niが50wt%
を超えても、Coが 30wt%を超えても熱膨張係数が大きく
なる。従ってFe-Ni-Co系合金のNiの含有量は25〜50wt%
、Coの含有量は 2〜30wt% が望ましい。特には、Ni25
〜35wt% 、Co 4〜20wt% が望ましい。
【0011】本発明において、C繊維には PAN系、ピッ
チ系等任意のものが使用でき、その熱伝導率は60W/m
・K以上のものが望ましい。
【0012】本発明の放熱部材の製造は、例えば、良熱
伝導材粉体、Fe基金属粉体、及びC繊維を所定比率で混
合し、この混合体に有機又は無機バインダーを添加して
混練し、この混練体を射出成形機にて板、棒等の形状に
成形し、この成形体を仕上げ加工する方法により行われ
る。ここで、Fe基金属材粉体とC繊維とを先に混合して
おき、次に良熱伝導材粉体を混合するようにすると、Fe
基金属材がC繊維の周りに付着してFe基金属材の結合作
用がより効率良く得られる。
【0013】
【実施例】以下に本発明を実施例により詳細に説明す
る。 (実施例1)良熱伝導材粉体、Fe基金属材粉体、及びC
繊維を、種々の比率で配合して混合し、これに有機バイ
ンダー(アクリル−EVA−ワックス系バインダー)を
20vol%添加して混練し、これを金属射出成形機を用いて
50mmφ×20mmの成形体とし、これを窒素雰囲気中で 200
℃に加熱して脱バインダー処理を行い、次いで真空焼結
炉内で 500℃に加熱して密度比99%の放熱部材を製造し
た。
【0014】得られた放熱部材について、熱膨張係数、
熱伝導率、加工性、熱疲労特性を調査した。比較の為、
金属射出成形法で製造した W-10wt%Cu材、焼結法により
製造したAlN 材、溶解鋳造法により製造したFe-42wt%Ni
合金(42アロイ)、Fe-36wt%Ni合金粉末焼結体に溶Cuを
3:1の重量比で含浸させた複合材(特開平3-173166号公
報参照)についても同様の調査を行った。結果を表1、
2に示す。尚、熱膨張係数は、20〜200 ℃の温度範囲で
TMA(Thermal Mechanical Analysis)装置を用いて測定し
た。熱伝導率は、室温(25℃)でレーザー・フラッシュ
法を用いて測定した。加工性は、超硬刃による供試材の
切削速度を測定して評価した。本発明例品のNo.1の切削
速度を1としたときの比較値で表示した。熱疲労特性
は、JIS-0025に基づき、−40〜125 ℃の範囲での熱サイ
クル試験を行い、試験後の部材の外観を観察して評価し
た。亀裂や割れのあるものを△と表示した。
【0015】 (注)*:例えば、No.1の35.5NiはFe-35.5wt%Ni合金を表す。 #: [Vh /(Vf +Vc)] 、 [Vf/Vc]。♭:単位W/mK。
【0016】 (注)*:No.7は請求項1に対する比較例。例えばNo.6の36.0NiはFe-36.0wt% Ni合金を表す。#:No.6,8は請求項3に対する比較例、 #: [Vh /(Vf +Vc)] 、 [Vf/Vc]。♭:単位W/mK。
【0017】表1、2より明らかなように、本発明例品
(No.1〜5)は、熱膨張係数及び熱伝導率(放熱性)が、
従来品 (No.9〜12) と同等で半導体素子搭載用基板等と
して十分な性能を備えている。又通常の超硬刃を用いた
切削加工では、従来品より格段に速く切削ができ、生産
性に優れ安価である。熱サイクル試験でも亀裂や割れは
発生しなかった。他方、比較例品のNo.6は低熱膨張性を
示すFe系金属材及び炭素繊維の割合が少ない為に熱膨張
係数がやや大きくなった。No.7はFe系金属材のNi量が少
なかった為熱膨張係数が大きくなっている。No.8はC繊
維に対するFe系金属材の量が少ないので、良熱伝導性材
とC繊維との結合力が低下して熱サイクル試験で僅かな
がら亀裂が生じた。この亀裂は実用上特に問題はなかっ
た。
【0018】(実施例2)実施例1で用いた本発明例品
のNo.1と比較例品のNo.8の放熱部材を、ヒーターを内蔵
したSi製筐体にAgろう付けし、前記ヒーターをON/O
FF通電して熱サイクル試験を行った。その結果、比較
例品のNo.8は、早い時期に、筐体からろう付け部にかけ
て亀裂が生じたが、本発明例品のNo.1では長期間、亀裂
等が生じず、半導体素子搭載用基板として高い信頼性が
実証された。
【0019】
【発明の効果】以上に述べたように、本発明の電子電気
機器用放熱部材は、Fe系金属材を介して結合された良熱
伝導材とC繊維との混合体なので、C繊維とFe系金属材
により低熱膨張性が達成され、良熱伝導材とC繊維とに
より高放熱性が達成され、またFe系金属材により濡れ性
の悪いC繊維と良熱伝導材とが強く結合されて使用時の
熱サイクル等で両者が剥離するのが防止される。良熱伝
導材にCu、Cu合金、Al、又はAl合金を用いることで加工
性の向上とコスト低減が図れ、良熱伝導材、Fe系金属
材、C繊維の体積比を適当に規定することにより、低熱
膨張係数と高放熱性とがより安定して得られる。従って
半導体素子搭載用基板等に好適である。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 Fe系金属材を介して結合された良熱伝導
    材とC繊維との混合体であり、前記Fe系金属材が Fe-25
    〜50wt%Ni 合金又は Fe-25〜50wt%Ni -2〜30wt%Co 合金
    であることを特徴とする電子電気機器用放熱部材。
  2. 【請求項2】 良熱伝導材が、Cu、Cu合金、Al、又はAl
    合金であることを特徴とする請求項1記載の電子電気機
    器用放熱部材。
  3. 【請求項3】 良熱伝導材の体積Vh と、Fe系金属材の
    体積Vf とC繊維の体積Vc の和との比 [Vh / (Vf
    +Vc)] が 1〜0.05であり、Fe系金属材の体積Vf とC
    繊維の体積Vc との比 [Vf/Vc]が 5〜1 であることを
    特徴とする請求項1、2のいずれかに記載の電子電気機
    器用放熱部材。
JP8236463A 1996-09-06 1996-09-06 電子電気機器用放熱部材 Pending JPH1084061A (ja)

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