FR2849804A1 - Materiau composite et procede pour le produire - Google Patents
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Abstract
Le matériau composite est formé en combinant un premier élément et un second élément.Le premier élément est une plaque en métal déployé (12) ayant une pluralité de perforations (12a), et dans lequel le coefficient de dilatation linéaire du métal déployé est égal ou inférieur à 8 x 10-6/°C.Le second élément est une plaque en métal (13) dont la conductivité thermique est égale ou supérieure à 200 W/(m·K).Les perforations (12a) de la plaque en métal déployé (12) sont remplies d'une matière de la plaque en métal (13), et le rapport volumétrique de la plaque en métal déployé (12) au matériau composite se situe dans une plage comprise entre 20 % et 70 %, inclus.
Description
La présente invention concerne un matériau composite et un procédé pour
produire le matériau composite. La présente invention concerne, de manière plus spécifique, un matériau 10 composite qui est adapté pour un substrat à dissipation
thermique sur lequel des composants électroniques, tels que des composants à semi-conducteur, sont montés, et un procédé pour produire le matériau composite.
Puisque les composants électroniques tels que composants à 15 semiconducteur produisent de la chaleur pendant le fonctionnement, de tels composants doivent être refroidis de manière que les performances ne soient pas diminuées. Les composants à semi-conducteur sont, par conséquent, généralement montés sur un élément de base avec une plaque à 20 radiateur thermique (substrat à dissipation thermique) entre eux.
La figure 9 représente une base en aluminium 41, qui constitue un boîtier, et un dissipateur thermique 42, qui est fixé à la base en aluminium 41 par des vis (non 25 représentées) ou par soudage. Un substrat isolé 43 est fixé au dissipateur thermique 42 par soudage. Le substrat isolé 43 a des couches métalliques (Al) 43a de chaque côté. Un composant électronique 44 tel qu'un composant à semiconducteur est mis en oeuvre sur la couche métallique 5 supérieure 43a du substrat isolé 43 par soudage. Le substrat isolé 43 est constitué de nitrure d'aluminium (AlN) . Le dissipateur thermique 42 est constitué d'une matière ayant un faible coefficient de dilatation et une conductivité thermique élevée. Le dissipateur thermique 42 est constitué, 10 de manière spécifique, d'un composite à matrice métallique, qui a de la céramique dispersée dans une couche de matrice métallique. Un composite ayant des particules SIC dispersées dans un matériau à base d'aluminium est, par exemple, utilisé.
Le matériau composite à matrice métallique utilisé pour le dissipateur thermique 42 est coteux et a une faible transformabilité. Un matériau différent pour les substrats à dissipation thermique qui n'est pas coteux et qui a une transformabilité élevée a par conséquent été proposé. Par 20 exemple, la publication de brevet japonaise soumise à l'inspection publique No. 6-77365 décrit un matériau pour des substrats à dissipation thermique, qui est formé en intégrant des plaques en métal et une feuille en toile métallique. Les plaques en métal sont constituées de Cu, de 25 Cu et de W (tungstène), ou de Cu et de Mo (molybdène). La feuille en toile métallique est tissée avec des fils métalliques fins constitués de Mo ou de W. La figure 10(a) représente un exemple du matériau pour des substrats à dissipation thermique suivant la publication. Dans cet exemple, des plaques en métal 46 sont posées les unes sur les autres avec une feuille en toile métallique 45 disposée entre elles. Dans cet état, les plaques en métal 46 et la 5 feuille en toile métallique 45 sont chauffées et laminées.
Cela intègre les plaques en métal 46 et la feuille en toile métallique 45 et forme une plaque stratifiée 47.
La publication de brevet japonaise soumise à l'inspection publique No. 6334074 décrit un substrat pour des composants 10 à semi-conducteur, lequel substrat inclut un élément de base, dans lequel des trous sont formés. L'élément de base est constitué de métal ou d'alliage, dont le coefficient thermique est inférieur ou égal à 8 x 106/ OC. Les trous sont remplis d'un matériau fortement thermo-conducteur tel que 15 métal ou alliage, dont la thermoconductivité est supérieure ou égale à 210 N/(m-K). Le matériau fortement thermoconducteur peut être du Cu, de l'Al, de l'Ag, de l'Au ou un alliage qui est principalement composé de Cu, d'Al, d'Ag, ou d'Au. L'élément de base peut être une plaque d'INVAR (marque 20 déposée), qui contient 30 à 50 % de Ni en poids, le Fe constituant la proportion restante, ou une plaque de super INVAR, qui contient du Co. Les trous de l'élément de base sont formés par poinçonnage après traitement de la matière première en une forme plate. Selon une autre solution, les 25 trous sont formés pendant le coulage par la coulée de précision (coulée à la cire perdue).
Toutefois, lorsque la plaque stratifiée 47 représentée sur la figure 10(a) est étirée en appliquant une pression, des espaces A sont facilement formés à des parties o les fils métalliques fins 45a se chevauchent les uns les autres et au voisinage des parties se chevauchant telles que représentées sur la figure 10(b). L'air dans les espaces A détériore la 5 conductivité thermique. Des craquelures sont également facilement formées dans la feuille en toile métallique 45 aux espaces A par la dilatation thermique et la contraction thermique répétées. Cela réduit la résistance de la plaque stratifiée 47. Pour améliorer la résistance de la feuille en 10 toile métallique 45, les points de contact des fils métalliques fins 45a peuvent être soudés. Il est cependant difficile de souder les points de contact de la feuille en toile métallique 45, puisque la feuille en toile métallique 45 est tissée avec les fils métalliques fins 45a et a des 15 perforations fines.
Le rapport volumétrique du métal ayant un faible coefficient de dilation thermique doit être optimisé pour supprimer le coefficient de dilatation thermique du matériau pour des substrats de dissipation thermique. Dans un matériau 20 utilisant la feuille en toile métallique 45, le métal existe cependant non seulement dans les perforations, qui correspondent à des trous, mais également dans des parties 47a (voir figure 10(a)) qui correspondent à des parties pliées des fils métalliques fins 45a de la feuille de tissu 25 45. Par rapport à une structure o une plaque en métal plate ayant des trous est entourée de métal, il est par conséquent difficile d'augmenter le rapport volumétrique d'un métal ayant un faible coefficient de dilatation thermique.
Le substrat pour composants à semi-conducteur décrits dans la publication de brevet japonaise soumise à l'inspection publique No. 6-334074 n'a pas les inconvénients causés lorsque la feuille en toile métallique 45 est utilisée. Si 5 des trous sont formés par poinçonnage après traitement d'une matière première en une plaque plate, le taux de rendement diminue, ce qui augmente le cot du matériau. La formation de trous par coulée de précision (cire perdue) fait aussi augmenter le cot de fabrication.
En conséquence, un premier objectif de la présente invention est de fournir un matériau composite qui a une résistance améliorée et une conductivité thermique fiable, et qui est adapté pour un substrat à dissipation thermique. Un second objectif de la présente invention est de fournir un procédé 15 pour la fabrication du composite, lequel procédé réduit le cot de fabrication.
Pour atteindre l'objectif mentionné précédemment, la présente invention fournit un matériau composite. Le matériau composite est formé en combinant un premier élément 20 et un second élément. Le premier élément est une plaque en métal déployé ayant une pluralité de perforations. Le coefficient de dilatation linéaire du métal déployé est égal ou inférieur à 8 x 10-6/oC. Le second élément est une plaque en métal. La conductivité thermique de la plaque en métal 25 est égale ou supérieure à 200 W/(m K). Les perforations de la plaque en métal déployé sont remplies d'une matière de la plaque en métal. Le rapport volumétrique de la plaque en métal déployé au matériau composite est dans une plage comprise entre 20 % et 70 %, inclus.
Suivant un autre aspect de l'invention, un procédé pour fabriquer un matériau composite est fourni. Le procédé inclut la superposition d'au moins une plaque d'un métal 5 déployé et d'au moins une plaque en métal l'une sur l'autre.
La plaque en métal déployé a une pluralité de perforations.
Le coefficient de dilatation linéaire du métal déployé est égal ou inférieur à 8 x 10-61/C. La conductivité thermique de la plaque en métal est égale ou supérieure à 200 W/(m K). Le 10 procédé inclut le laminage et l'assemblage de la plaque en métal déployé et de la plaque en métal de telle sorte que la matière de la plaque en métal remplit les perforations de la plaque en métal déployé. Le rapport volumétrique de la plaque en métal déployé au matériau composite se situe dans 15 une plage comprise entre 20 % et 70 %, inclus.
D'autres aspects et avantages de l'invention apparaîtront de la description suivante, donnée conjointement avec les dessins joints, illustrant à titre d'exemple les principes de l'invention.
L'invention, ainsi que les objectifs et avantages de celleci, sera mieux comprise en référence à la description suivante des modes de réalisation actuellement préférés, ainsi qu'aux dessins joints dans lesquels: la figure 1(a) est une vue en coupe schématique représentant 25 un procédé pour fabriquer une plaque constituée d'un matériau composite suivant un mode de réalisation de la présente invention; la figure 1(b) est également une vue en coupe schématique représentant le procédé de la figure 1(a) ; la figure 2 est une vue en perspective schématique représentant des plaques en métal et une plaque en métal déployé formant la plaque du matériau composite; la figure 3 est une vue en perspective schématique représentant un procédé pour la fabrication de la plaque en métal déployé ; la figure 4(a) est une vue en coupe horizontale représentant 10 schématiquement la plaque du matériau composite; la figure 4(b) est une vue en coupe verticale représentant schématiquement la plaque du matériau composite; la figure 4(c) est une vue en coupe partiellement agrandie de la figure 4(b) ; la figure 5(a) est une vue en perspective partielle schématique représentant la plaque en métal déployé ; la figure 5(b) est une vue en coupe prise le long de la ligne 5(b)-5(b) de la figure 5(a) ; la figure 6 est un graphique représentant la relation entre 20 la conductivité thermique du composite et le rapport de surface d'une plaque d'INVAR; la figure 7 est un graphique représentant la relation entre le coefficient de dilation thermique du composite et le rapport volumétrique de la plaque d'INVAR; la figure 8 est une vue en coupe schématique représentant un procédé pour la fabrication d'une plaque d'un matériau composite suivant un autre mode de réalisation; la figure 9 est une vue en coupe schématique représentant un module d'encapsulation utilisant un dissipateur thermique; la figure 10(a) est une vue en coupe schématique représentant un matériau pour des substrats à dissipation thermique suivant un art antérieur; et la figure 10(b) est une vue partiellement agrandie de la 10 figure 10(a).
Un mode de réalisation suivant la présente invention va maintenant être décrit en référence aux figures 1 à 7.
Les figures 1 (b), 4 (a), et 4 (b) représentent une plaque il en un matériau composite suivant le présent mode de 15 réalisation. La plaque en matériau composite 11 est formée en disposant un premier élément, qui est une plaque 12 en un métal déployé, entre deux seconds éléments, qui sont deux plaques en métal 13, puis en laminant la plaque en métal déployé 12 et les plaques en métal 13 de sorte que la plaque 20 12 et les plaques 13 sont intégrées. Telles que représentées de manière plus spécifique sur les figures 1(a) et 1(b), les plaques en métal 13 et la plaque en métal déployé 12, qui est disposée entre les plaques en métal 13, sont chauffées et étirées par une paire de cylindres 14. Par suite, les 25 plaques en métal 13 et la plaque en métal déployé 12 sont intégrées dans la plaque en matériau composite 11. Un métal déployé désigne une structure comme un tissu métallique formé en déployant une plaque en métal avec des fentes alternées.
Le laminage et l'assemblage ne sont pas réalisés en une 5 seule étape, mais en deux étapes ou plus (dans ce mode de réalisation, en deux étapes).
Dans une première étape, ou étape de remplissage, des perforations 12a de la plaque en métal déployé 12 sont remplies avec une partie des plaques en métal 13 telles que 10 représentées sur la figure 1(a). Dans une seconde étape, la plaque en métal déployé 12 et les plaques en métal 13 sont assemblées par laminage pour avoir une épaisseur prédéterminée telle que représentée sur la figure 1 (b). Le rapport de réduction à la dernière étape (dans ce mode de 15 réalisation, à la seconde étape) est ajusté pour être à la valeur maximale dans une plage admissible de rapport de réduction. Le rapport de réduction est déterminé en tenant compte de l'épaisseur du produit fini, et, de préférence, égal à ou supérieur à 30 %. Un rapport de réduction qui est 20 inférieur à 30 % se traduirait par une résistance d'adhérence insuffisante entre la plaque en métal déployé 12 et les plaques en métal 13. A la fin du laminage à chaud, des espaces existeraient également dans des parties des plaques en métal 13. La conductivité thermique serait par 25 conséquent abaissée.
Lorsque l'épaisseur de la plaque en matériau composite 11 et l'épaisseur de la plaque en métal déployé 12 après laminage et assemblage sont désignées par ti, t2, telles que représentées, respectivement, sur la figure 4(a), l'épaisseur de la plaque en métal déployé 12 et de chaque plaque en métal 13 avant laminage et assemblage, et le 5 rapport de réduction du laminage et de l'assemblage sont déterminés de telle sorte que (t2)/(tl) se situe entre 0,2 et 0,8, inclus. Si (t2)/(tl) est inférieur à 0,2, il sera difficile de déterminer le rapport volumétrique Vf de la plaque en métal déployé 12 à la plaque en matériau composite 10 h1 à 20 % ou plus. Si (t2)/(tl) dépasse 0,8, il sera difficile de déterminer le rapport volumétrique Vf égal à moins de 70 %.
En combinant la plaque en métal déployé 12 et les plaques en métal 13, la plaque en matériau composite il formée avec la 15 plaque en métal déployé 12 et un métal de matrice 15 entourant la plaque en métal déployé 12 tel que représenté sur les f igures 1 (b) , 4 (a) , et 4 (b) est f ormé. La plaque en matériau composite il est utilisée comme matière pour un substrat à dissipation thermique (par exemple, un 20 dissipateur thermique) sur lequel des composants à semiconducteur sont montés.
Les épaisseurs de la plaque en métal déployé 12 et des plaques en métal 13, qui sont combinées, et la dimension des perforations 12a de la plaque en métal déployé 12 sont 25 déterminées de telle sorte que le rapport volumétrique Vf de la plaque en métal déployé 12 à la plaque en matériau composite ll est situé entre 20 % et 70 % inclus. Si le rapport volumétrique Vf est inférieur à 20 % le coefficient de dilatation linéaire du matériau composite sera insuffisant. Si le rapport volumétrique Vf dépasse 70 %, la conductivité thermique du matériau composite sera insuffisante.
Le coefficient de dilatation linéaire de la plaque en métal déployé 12 est égal à ou inférieur à 8 x 10-6/OC. Dans ce mode de réalisation, la plaque en métal déployé 12 est constituée d'une plaque d'INVAR (marque déposée), qui est un alliage à base de Fe et de Ni incluant 36 % de Ni en poids. 10 La conductivité thermique des plaques en métal 13, qui sont combinées avec la plaque en métal déployé 12, est supérieure à ou égale à 200 W/(m-K) . Dans ce mode de réalisation, les plaques en métal 13 sont constituées de Cu.
Lors de la fabrication de la plaque en matériau composite il 15 ayant un coefficient de dilatation thermique désiré, la forme de la plaque en métal déployé 12, l'épaisseur de la plaque en métal déployé 12, et l'épaisseur des plaques en métal 13 sont déterminées de la manière suivante. Il a été confirmé, par des expériences, que la conductivité thermique 20 A du matériau composite est approximativement obtenue par l'équation suivante (1), qui est formulée en admettant que la règle des mélanges s'applique. La figure 6 représente des résultats d'expérience par des points, qui représentent la relation entre le rapport de surface (%) de la plaque 25 d'INVAR et la conductivité thermique X (W/(m K)) d'un matériau composite formé en combinant la plaque en métal déployé 12 constituée de la plaque d'INVAR et des deux plaques en métal 13 constituées de Cu. La figure 6 représente également les valeurs théoriques de l'équation (1).
A = cu (Xcu(1 - S) + XivS)/(cu(1 - S + tS) + XIv (1 - t) S) (1) t représente le rapport d'épaisseur de la plaque d'INVAR, S représente le rapport de surface de la plaque d'INVAR.
XCU représente la conductivité thermique de Cu, \IV représente la conductivité thermique de la plaque d'INVAR.
Le rapport de surface S de la plaque d'INVAR représente le rapport de la section transversale de la plaque en métal 10 déployé 12 à la section transversale totale de la plaque en matériau composite 11 représentée sur la figure 4(a). Si la plaque en matériau composite 11 est entièrement constituée de la plaque d'INVAR, S sera égal à un, et si aucune plaque d'INVAR n'est utilisée dans la plaque en matériau composite 15 11, S sera égal à zéro.
Le coefficient de dilatation thermique P de la plaque en matériau composite 11 est obtenu par l'équation suivante (2) en admettant que la règle des mélanges s'applique.
= (1 - S) cu + S ((1 - vIV) OcuEcu (1- t) + (1- Vcu) OivEivt)/ ( (1 - VIv) Ecu (1 - t) + (1 - vcu) Eivt) (2) Ocu représente le coefficient de dilatation thermique de Cu, et Oiv représente le coefficient de dilatation thermique de la plaque d'INVAR. Ecu représente le module d'Young de Cu, 25 et EIV représente le module d'Young de la plaque d'INVAR. Vcu représente le coefficient de Poisson de Cu, et vI, représente le coefficient de Poisson de la plaque d'INVAR.
On a confirmé, par des expériences, que l'équation (2) est approximativement la même que l'équation de Kerner contenant 5 le rapport volumétrique VIv de la plaque d'INVAR, et le coefficient de dilatation thermique f est représenté par l'équation suivante (3). La figure 7 représente des résultats d'expérience par des points, qui montrent la relation entre le rapport volumétrique (%) de la plaque 10 d'INVAR et le coefficient de dilation thermique (x10-6/0C) du matériau composite formé en combinant la plaque en métal déployé 12 constituée de la plaque d'INVAR et les deux plaques en métal 13 constituées de Cu. La figure 7 représente également les valeurs théoriques de l'équation 15 (3).
i = ((1 - v1v)fcuEc0(1 - V1v) + (1 -VC)fiVEIV1I)/ (((1 - vIv) Ec (1 - V1v) + (1 - icu)EvVv) (3) Une valeur du rapport volumétrique VIv de la plaque d' INVAR qui correspond à une valeur cible du coefficient de 20 dilatation thermique f de la plaque en matériau composite il est, par conséquent, d'abord, choisie. Une valeur du rapport de surface S de la plaque d'INVAR qui correspond à une valeur cible de la conductibilité thermique X de la plaque en matériau composite 11 est également choisie. Lorsqu'elle 25 est fabriquée pour remplir ces conditions, la plaque en matériau composite 11 est adaptée pour un substrat à dissipation thermique.
Le rapport volumétrique VIv de la plaque d'INVAR dans la plaque en matériau composite 11 est déterminé suivant l'épaisseur de la plaque en métal déployé 12 et l'épaisseur des plaques en métal 13, qui sont laminées et assemblées. Le 5 rapport volumétrique VIv est représenté par l'équation suivante.
VIv = (épaisseur nette de plaque d'INVAR)/(épaisseur de Cu) (épaisseur d'une partie de Cu retirée par rectification de surface) + (épaisseur nette de plaque d'INVAR)) Si aucune rectification de surface n'est réalisée après laminage et assemblage, le rapport volumétrique VIv de la plaque d'INVAR dans la plaque en matériau composite 11 est représenté par l'équation suivante.
VIV = (épaisseur nette de plaque d'INVAR)/(épaisseur de Cu) + 15 (épaisseur nette de plaque d' INVAR)) L'épaisseur nette de la plaque d'INVAR désigne l'épaisseur de la plaque d'INVAR lorsqu'il n'y a pas d'espace (perforation) . L'épaisseur nette de la plaque d'INVAR est calculée de la manière suivante suivant les conditions de 20 dilatation.
Epaisseur nette de plaque d'INVAR = T/(SW / 2W) Par exemple, lorsque l'équation SW: LW: T: W:F = 2,7:6:1,2:1 est satisfaite et lorsque T est 1 mm, l'épaisseur nette de la plaque d'INVAR sera de 0,89 mm.
SW représente la distance (mm) entre les centres de perforations adjacentes disposées le long d'une direction latérale de la plaque en métal déployé (voir Figure 5(a)).
LW représente la distance (mm) entre les centres de perforations adjacentes disposées le long de la direction 5 longitudinale de la plaque en métal déployé (voir figure 5(b)). W représente une largeur d'alimentation (mm). F représente l'épaisseur (mm) après aplatissement. T représente l'épaisseur (mm) de la plaque avant d'être étirée.
Lors de la fabrication de la plaque en métal déployé 12, un appareil dont une partie est représentée sur la figure 3 est utilisé. L'appareil a une lame supérieure 16 avec plusieurs bords en forme de V et une lame inférieure 17 avec un bord linéaire. Une plaque de matière 18 est acheminée vers une 15 position en dessous de la lame supérieure 16 d'une largeur d'alimentation prédéterminée W à la fois. Chaque fois que la plaque de matière 18 est acheminée, la lame supérieure 16 est déplacée alternativement d'une quantité prédéterminée (LW/2) dans une direction perpendiculaire à la direction 20 d'acheminement de la plaque de matière 18 (le long de la direction longitudinale de la lame supérieure 16). La lame supérieure 16 est déplacée verticalement, dans le même temps, à la position déplacée de sorte que des lignes de fentes alternées sont formées. La plaque de matière 18 est 25 par la suite étirée pour former des perforations 12a.
La figure 5(a) est une vue en perspective partielle schématique représentant une des perforations 12a de la plaque en métal déployé 12. La figure 5(b) est une vue en coupe prise le long de la ligne 5(b)-5(b) de la figure 5(a).
La partie remplie de la plaque en métal déployé 12 inclut des fils 12b et des parties de jonction 12c. La largeur de chaque fil 12b est égale à la largeur d'alimentation W 5 pendant la fabrication de la plaque en métal déployé 12. La distance SW entre les centres d'une paire adjacente des perforations 12a le long de la direction latérale est supposée être égale à la distance entre une paire adjacente des parties de jonction 12c le long de la direction 10 latérale. La distance LW entre les centres d'une paire adjacente des perforations 12a le long de la direction longitudinale est supposée être égale à la distance entre une paire adjacente des parties de jonction 12c le long de la direction longitudinale.
La plaque de matière 18, qui a des lignes de fentes disposées alternativement, est étirée pour former la plaque en métal déployé 12 avec les perforations 12a. La surface de la plaque en métal déployé 12 est irrégulière. La plaque en métal déployé 12 est ensuite laminée avec des cylindres 20 plats de sorte que les fils 12b et les parties de jonction 12c sont dans le même plan. Les côtés de chaque fil 12b, qui se situent le long de la direction d'épaisseur de la plaque en matériau composite il formée de la plaque en métal déployé 12 et des plaques en métal 13, ne sont par donc pas 25 perpendiculaires aux surfaces de la plaque en matériau composite 11, mais sont inclinées telles que représentées sur la figure 4(c). Lorsque la plaque en métal déployé 12 et les plaques en métal 13 sont laminées avec des cylindres 14, les surfaces en contact de la plaque en métal déployé 12 et des plaques en métal 13 sont par conséquent susceptibles de recevoir une force dans une direction perpendiculaire aux surfaces en contact. Cela augmente la résistance d'adhérence 5 entre la plaque en métal déployé 12 et les plaques en métal 13.
La distance SW entre les centres doit être égale à ou supérieure à deux fois l'épaisseur de la plaque d'INVAR.
Dans certaines sections de la plaque en matériau composite 10 11, seule le métal de matrice 15 existe le long de la direction d'épaisseur. Dans d'autres sections, le métal de matrice 15 et la plaque en métal déployé 12 existent le long de la direction d'épaisseur. On a confirmé, par des expériences, que si les perforations 12a sont trop grandes, 15 en raison de la différence de coefficient de dilatation thermique entre ces sections, l'influence de contrainte thermique est augmentée, et que la distance SW entre les centres est de préférence de deux à cinq fois l'épaisseur de la plaque d'INVAR.
Le laminage réalisé dans ce mode de réalisation est le laminage à chaud. La température du laminage à chaud doit être supérieure ou égale à une température à laquelle la jonction par diffusion se produit entre les plaques en métal 13, et entre chaque plaque en métal 13 et la plaque en métal 25 déployé 12. En conséquence, la température du laminage à chaud doit être une température à laquelle une diffusion en réseau de Cu, qui forme les plaques en métal 13, se produit.
A savoir, la température du laminage à chaud doit être supérieure ou égale à 0,8 fois le point de fusion de Cu sur une base Kelvin. La température du laminage à chaud est de préférence supérieure ou égale à 800 0C. Cependant, si la température est excessivement élevée, beaucoup de couches 5 d'alliage Cu-Ni-Fe, dont la conductivité thermique est d'environ 50 W/(m K), sont formées entre les plaques en métal 13 constituées de Cu et la plaque en métal déployé 12 constituée de la plaque d'INVAR. La température du laminage à chaud doit être donc la plus basse possible. Dans le 10 laminage à chaud, il est difficile de maintenir une température constante. Si la température cible est d'environ 800 OC, la température réelle varie dans une plage de +50 OC. Compte tenu de la capacité de l'appareil, la température cible est donc, de préférence, de 850 OC. 15 Ce mode de réalisation offre les avantages suivants.
(1) La plaque en métal déployé 12, dont le coefficient de dilatation linéaire est inférieur ou égal à 8 x 10-6/OC, et les plaques en métal 13, dont la conductivité thermique est égale à ou supérieure à 200 W/(m K), se superposent les unes 20 les autres, et sont laminées pour être assemblées. Le rapport volumétrique de la plaque en métal déployé 12 à la plaque en matériau composite 11 est, par suite, de 20 à 70 %. La plaque en matériau composite il fabriquée est adaptée, par conséquent, pour un substrat à dissipation 25 thermique pour monter des composants électroniques tels que composants à semi-conducteur. La plaque en matériau composite 11 a également une conductivité thermique et une résistance améliorées par rapport à un cas o une feuille en toile métallique est utilisée. Par rapport à des cas o des trous sont formés dans une plaque en métal plat par poinçonnage ou coulée de précision, le mode de réalisation illustré réduit également les cots.
(2) Lorsque l'épaisseur de la plaque en matériau composite il et l'épaisseur de la plaque en métal déployé 12 après laminage et assemblage sont représentées, respectivement, par tl et t2, l'épaisseur de la plaque en métal déployé 12 et de chaque plaque en métal 13 avant laminage et 10 assemblage, et le rapport de réduction du laminage et de l'assemblage sont déterminés de telle sorte que (t2)/(tl) se situe entre 0,2 et 0,8, inclus. Ainsi, il est facile de fabriquer la plaque en matériau composite 11 ayant un coefficient de dilatation linéaire et une conductivité 15 thermique qui sont adaptés pour un substrat à dissipation thermique pour monter descomposants électroniques tels que composants à semi-conducteur.
(3) Le laminage et l'assemblage des matières sont réalisés en deux étapes ou plus (dans ce mode de réalisation, en deux 20 étapes). Une fois que les perforations 12a de la plaque en métal déployé 12 sont remplies avec la matière des plaques en métal 13, la dernière étape est réalisée de telle sorte que le rapport de réduction a la valeur maximale dans la plage admissible de rapport de réduction. Puisqu'aucune 25 force n'a besoin d'être appliquée aux cylindres 14 jusqu'à ce que la matière des plaques en métal 13 remplisse les perforations 12a de la plaque en métal déployé 12, la dimension de l'appareil est réduite comparée à un cas o le laminage et l'assemblage sont réalisés en une seule étape.
(4) La plaque d'INVAR est utilisée pour la plaque en métal déployé 12, et le Cu est utilisé pour les plaques en métal 13. Le coefficient de dilatation linéaire de la plaque en 5 matériau composite 11 peut donc être ajusté de telle sorte que la plaque 11 est adaptée pour un substrat à dissipation thermique pour monter des composants électroniques tels que des composants à semi-conducteur.
(5) La plaque en matériau composite 11 est une plaque dans 10 laquelle la plaque en métal déployé 12 est entourée du métal de matrice 15, qui a une conductivité thermique supérieure ou égale à 200 W/(m K). Par rapport à une structure dans laquelle une partie de la plaque en métal déployé 12 est exposée sur la surface de la plaque en matériau composite 15 11, la conductivité thermique dans la direction horizontale est, par conséquent, améliorée.
(6) Le Cu est utilisé comme métal ayant une conductivité thermique égale à ou supérieure à 200 W/(m-K). Par rapport à un métal précieux, le Cu, qui a une conductivité thermique 20 égale à ou supérieure à 200 W/(m-K), est peu coteux. Le Cu améliore également la propriété de rayonnement thermique de la plaque en matériau composite 11.
(7) Dans ce mode de réalisation, une plaque d'INVAR est utilisée pour la plaque en métal déployé 12, et le Cu est 25 utilisé pour les plaques en métal 13. Le laminage à chaud est réalisé avec une température cible réglée à une température calculée en ajoutant la marge de variation de régulation de température de l'appareil de laminage à chaud à 800 OC. Même si la température du laminage à chaud varie, beaucoup de couches d'alliage Cu-Ni-Fe, dont la conductivité thermique est faible, d'environ 50 W/(m K), sont, par 5 conséquent, empêchées d'être formées entre les plaques en métal 13 constituées de Cu et la plaque en métal déployé 12 constituée de la plaque d'INVAR.
L'invention peut être réalisée sous les formes suivantes.
Le laminage et l'assemblage de la plaque en métal déployé 12 10 et les plaques en métal 13 n'ont pas besoin d'être réalisés en deux étapes, mais peuvent être réalisés en trois étapes ou plus. Le laminage et l'assemblage peuvent être réalisés, alternativement, en une seule étape.
Dans le mode de réalisation illustré précédemment, la plaque 15 en métal déployé unique 12 et les deux plaques en métal 13 sont laminées et assemblées. La présente invention peut être appliquée, cependant, à un cas o le nombre de la plaque en métal déployé 12 et de la plaque en métal 13 est différent du mode de réalisation précédent. Telle que représentée sur 20 la figure 8, par exemple, la présente invention peut être appliquée à un cas o une plaque en métal unique 13 est maintenue entre deux plaques en métal déployé 12. Dans ce cas, les plaques en métal déployé 12 sont exposées aux côtés de la plaque en matériau composite 11. Par rapport à un cas 25 dans lequel l'ensemble de la plaque en métal déployé 12 est entouré du métal ayant une conductivité thermique égale à ou supérieure à 200 W/(m K), la dilatation thermique aux surfaces de la plaque en matériau composite 11 est effectivement empêchée.
Lors de la fabrication de la plaque en métal déployé 12, l'utilisation d'une plaque de matière plus fine 18 rend plus 5 facile de former des perforations 12a plus fines. Ainsi, si le rapport volumétrique de la plaque en métal déployé 12 au métal de matrice 15 est constant, l'utilisation de deux plaques en métal déployé 12 ou plus, tel que représenté sur la figure 8, permet de former plus facilement des 10 perforations 12a plus fines comparé à un cas o seule une plaque en métal déployé 12 est utilisée. Une plaque en matériau composite 11 homogène est donc obtenue. Lors d'une tentative pour former une plaque en matériau composite 11 ayant une valeur désirée de coefficient de dilatation 15 thermique suivant l'équation (3) sur la base du rapport volumétrique VIv de la plaque d'INVAR dans la plaque en matériau composite il, la précision du coefficient de dilatation thermique réel de la plaque en matériau composite fabriquée il est par conséquent améliorée.
La matière de la plaque en métal déployé 12 n'est pas limitée à la plaque d'INVAR. A savoir, un type quelconque de plaque en métal peut être utilisé tant que le coefficient de dilatation linéaire est égal à ou inférieur à 8 x 10-l/OC.
Une plaque d'un autre alliage d'INVAR, tel que super INVAR 25 et INVAR inoxydable, ou fernico (54 % de Fe en poids, 31 % de Ni en poids, 15 % de Co en poids, dont le coefficient de dilatation linéaire est de 5 x 106/OC) peut, par exemple, être utilisée.
Lors de l'utilisation de deux plaques en métal déployé 12 ou plus, la matière des plaques en métal déployé 12 peut être différente. Des parties des plaques en métal déployé qui sont placées à des positions symétriques par rapport à un 5 plan contenant le centre de la plaque en matériau composite Il dans la direction d'épaisseur sont cependant constituées, de préférence, de la même matière. Cette configuration empêche la plaque en matériau composite 11 d'onduler même s'il y a une différence dans le coefficient de dilatation 10 thermique des différentes matières.
Le métal de matrice 15 n'a pas besoin d'être constitué de Cu. A savoir, le métal de matrice 15 peut être un métal quelconque tant que le coefficient de conductivité thermique est supérieur à ou égal à 200 K/(m- K). Un métal à base d'aluminium ou de l'argent peut être, par exemple, utilisé.
Par " métal à base d'aluminium ", on entend l'aluminium ou un alliage d'aluminium. La conductivité thermique du métal à base d'aluminium est faible comparée à celle du Cu. Le point de fusion du métal à base d'aluminium (aluminium) est de 660 20 0C, ce qui est nettement inférieur au point de fusion du cuivre, qui est de 1085 oC. Cela réduit le cot de fabrication comparé au cuivre. Le métal à base d'aluminium est également préférable eu égard à la réduction de poids.
La plaque en matériau composite 11 peut être appliquée à des 25 dissipateurs thermiques autres qu'un substrat à dissipation thermique pour monter des composants à semi-conducteur.
Les présents exemples et modes de réalisation doivent être, par conséquent, considérés comme illustratifs et non restrictifs et l'invention ne doit pas être limitée aux détails donnés dans le présent document, mais peut être modifiée dans le cadre et l'équivalence des revendications jointes.
Claims (12)
1. Matériau composite formé en combinant un premier élément et un second élément, caractérisé en ce que le premier élément est une plaque en métal déployé (12) 5 ayant une pluralité de perforations (12a), et dans lequel le coefficient de dilatation linéaire du métal déployé est égal ou inférieur à 8 x 10-"/ C, dans lequel le second élément est une plaque en métal (13) dont la conductivité thermique est égale ou supérieure à 200 10 WI(m K), dans lequel les perforations (12a) de la plaque en métal déployé (12) sont remplies d'une matière de la plaque en métal (13), et dans lequel le rapport volumétrique de la plaque en métal 15 déployé (12) au matériau composite se situe dans une plage comprise entre 20 % et 70 %, inclus.
2. Procédé de fabrication d'un matériau composite, caractérisé par la superposition d'au moins une plaque en métal déployé (12) 20 et d'au moins une plaque en métal (13) l'une sur l'autre, dans lequel la plaque en métal déployé a une pluralité de perforations (12a), et dans lequel le coefficient de dilatation linéaire du métal déployé est égal à ou inférieur à 8 x 10-6 /OC, et la conductivité thermique de la plaque en 25 métal est égale ou supérieure à 200 W/(m.K) ; et le laminage et l'assemblage de la plaque en métal déployé (12) et de la plaque en métal (13) de telle sorte que la matière de la plaque en métal remplisse les perforations (12a) de la plaque en métal déployé (12), dans lequel le 5 rapport volumétrique de la plaque en métal déployé au matériau composite se situe dans une plage comprise entre 20 % et 70 %, inclus.
3. Procédé de fabrication d'un matériau composite selon la revendication 2, caractérisé par la détermination des 10 épaisseurs de la plaque en métal déployé (12) et de la plaque en métal (13) avant le laminage et l'assemblage et la dimension des perforations (12a) de la plaque en métal déployé avant le laminage et l'assemblage de telle sorte que le rapport volumétrique de la plaque en métal déployé au 15 matériau composite se situe dans une plage comprise entre 20 % et 70 %, inclus.
4. Procédé de fabrication d'un matériau composite selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que les épaisseurs de la plaque en métal déployé (12) et de la plaque en métal 20 (13) avant le laminage et l'assemblage, et le rapport de réduction du laminage et de l'assemblage sont déterminés de telle sorte que, si l'épaisseur du matériau composite et l'épaisseur d'une partie du matériau composite constitué par le métal déployé après le laminage et l'assemblage sont 25 représentées, respectivement, par tl et t2, (t2)/(tl) se situe dans une plage comprise entre 0,2 et 0,8, inclus.
5. Procédé de fabrication d'un matériau composite selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le laminage et l'assemblage incluent: le remplissage des perforations (12a) de la plaque en métal déployé (12) avec la matière de la plaque en métal (13); et le laminage et l'assemblage de la plaque en métal déployé (12) et de la plaque en métal (13), qui sont superposées l'une sur l'autre, à un rapport de réduction prédéterminé après le remplissage des perforations (12a).
6. Procédé de fabrication d'un matériau composite selon la 10 revendication 5, caractérisé en ce que le rapport de réduction est déterminé pour être la valeur maximale dans une plage admissible de rapport de réduction.
7. Procédé de fabrication d'un matériau composite selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce 15 qu'un INVAR est utilisé comme matière du métal déployé, et dans lequel du Cu est utilisé comme matière de la plaque en métal.
8. Procédé de fabrication d'un matériau composite selon la revendication 7, caractérisé en ce que le laminage est un 20 laminage à chaud, et dans lequel la température du laminage à chaud est calculée en ajoutant une marge de variation de régulation de température d'un appareil de laminage à chaud à 800 OC.
9. Procédé de fabrication d'un matériau composite selon la 25 revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que le rapport volumétrique de l'INVAR au matériau composite avec le coefficient de dilatation thermique du matériau composite établi à une valeur désirée est calculé en utilisant une équation prédéterminée qui est formulée sur l'hypothèse que la règle des mélanges s'applique, et en ce que la plaque en 5 métal déployé (12) et la plaque en métal (13) sont laminées et assemblées de telle sorte que le rapport volumétrique de 1'INVAR au matériau composite fabriqué est la valeur calculée en utilisant l'équation.
10. Procédé de fabrication d'un matériau composite selon la 10 revendication 9, caractérisé en ce que l'équation exprime le coefficient de dilatation thermique du matériau composite en utilisant le coefficient de dilatation thermique, le module de Young, et le rapport de Poisson de chacun de l'INVAR et du Cu, et le rapport volumétrique de l'INVAR au matériau 15 composite.
11. Procédé de fabrication d'un matériau composite selon l'une quelconque des revendications 2 à 10, caractérisé en ce que la plaque en métal est l'une d'une pluralité de plaques en métal (13), et dans lequel le laminage et l'assemblage sont réalisés avec la plaque en métal déployé (12) maintenue entre les plaques en métal(13).
12. Procédé de fabrication d'un matériau composite selon l'une quelconque des revendications 2 à 10, caractérisé en 25 ce que la plaque en métal déployé (12) est l'une d'une pluralité de plaques en métal déployé, et 2849804 29 dans lequel le laminage et l'assemblage sont réalisés avec la plaque en métal (13) maintenue entre les plaques en métal déployé (12).
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