JP3670381B2 - 熱伝導複合材料とその製造方法 - Google Patents
熱伝導複合材料とその製造方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP3670381B2 JP3670381B2 JP2983396A JP2983396A JP3670381B2 JP 3670381 B2 JP3670381 B2 JP 3670381B2 JP 2983396 A JP2983396 A JP 2983396A JP 2983396 A JP2983396 A JP 2983396A JP 3670381 B2 JP3670381 B2 JP 3670381B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- metal plate
- thermal expansion
- alloy
- low thermal
- high thermal
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
- H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
- H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00
Landscapes
- Laminated Bodies (AREA)
- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、パワー半導体チップ搭載用放熱基板の如く、半導体チップによる発熱を効率良く外部に放熱するための熱伝導複合材料の改良とその製造方法に係り、セラミックス等の被着相手材との熱膨張係数の整合性と良好な熱伝導性を両立できるように、熱膨張係数及び熱伝導率を任意に変化させるため、高熱伝導金属板に厚み方向に所要の貫通孔を有する低熱膨張金属板を圧接し、前記貫通孔から高熱伝導金属を低熱膨張金属板表面に露出させた３層材からなり、高熱伝導金属板と低熱膨張金属板との間にろう材を介在させて一体化した後に焼鈍してろう材を両金属材料へ拡散させて接合強度を著しく向上させ、複雑なプレス打ち抜き加工や切断、曲げ加工を施しても剥離がない熱伝導複合材料とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
大型コンピューター用のＬＳＩやＵＬＳＩは、高集積度化、演算速度の高速化が著しく、作動中における消費電力の増加に伴う発熱量が非常に大きく、また、電力用半導体パッケージも同様に発熱量が非常に大きいことが知られている。
これに伴ない半導体パッケージの設計も、熱放散性を考慮したものとなり、チップを搭載する基板にも放熱性が要求されるようになり、基板材料の熱伝導率が大きいことが求められ、基板にはチップと熱膨張係数が近く、かつ熱伝導率が大きいことが要求されている。
【０００３】
従来の半導体パッケージとしては種々の構成が提案されており、例えば基板に放熱フィンを付設した構成があり、放熱性を確保するためにクラッド板やＣｕ−ＭｏあるいはＣｕ−Ｗ合金等の放熱基板用複合材料（特開昭５９−１４１２４７号公報、特開昭６２−２９４１４７号公報）が提案されている。
前記複合体は熱膨張係数、熱伝導度とも実用上満足すべき条件にかなっているが、Ｍｏ、Ｗ等が高密度であるため重くかつ脆いため、所定の寸法を得るには研削等の非塑性加工により成形加工しなければならず、加工費が高く、歩留りが悪くなっていた。
【０００４】
樹脂封止の半導体パッケージにおいて多用されているリードフレーム用銅合金は、熱伝導性は優れているが機械的強度が低く、チップとの熱膨張係数の整合性が悪く、また、チップとの熱膨張係数の整合性を図った４２％Ｎｉ−Ｆｅ合金等の低熱膨張係数を有するＮｉ−Ｆｅ系合金は、熱伝導率が悪いため、現在の要求を満すだけの熱の放散性が得られていない。
【０００５】
そこで、出願人は半導体パッケージにおける上述の熱膨張係数および／または熱伝導率の整合性の問題を解決するため、高熱伝導金属板に厚み方向に所要の貫通孔を有する低熱膨張金属板を一体化し、前記貫通孔から高熱伝導金属を低熱膨張金属板表面に露出させた芯材の両面に高熱伝導金属箔を圧接し、これら金属板の厚さ比や貫通孔面積比を適宜選定することにより、熱膨張係数、熱伝導率を可変となし、受熱の均一化、熱拡散効果の向上をはかり、表面微細孔がなくめっきやろう材など後付け薄膜の被着性にすぐれた特徴を有する熱伝導複合材料を提案（特開平３−２２７６２１号）した。
【０００６】
上記の熱伝導複合材料を得るには、まずプレスによる打ち抜き加工を行い小さな孔を多数個穿孔して網目状となし、焼鈍後に巻き取ったコバール板等の低熱膨張金属板コイルを、銅板などの高熱伝導金属板コイルを巻き戻し時にその上方及び下方より巻き戻して、冷間または温間で大径ロールにより圧延接合し拡散焼鈍して芯材を得た後、さらにこの芯材の上方及び下方より巻き戻したＣｕ、Ａｌ等の高熱伝導金属箔を重ねて、冷間または温間で圧延ロールにより圧接接合し拡散焼鈍して製造する。
【０００７】
かかる製造に際して、上記の芯材にＣｕ、Ａｌ等の高熱伝導金属箔を重ねて冷間圧接するが、接合強度を高めるために圧下力を大きくすると、芯材表面のＣｕ、Ａｌ等の高熱伝導金属の露出面の形状が円形あるいは楕円から長い楕円形状となり、貫通孔と高熱伝導金属との間に空隙が生じて充填性が悪化する上、選定した高熱伝導金属と低熱膨張金属との表面積比が変わって熱膨張係数および／または熱伝導率が変動し、また熱膨張係数に異方性が生じる問題がある。
【０００８】
そこで、出願人はこの熱伝導材料の圧接による製造に際し、圧下力を大きくして低熱膨張金属板に設けた貫通孔形状を大きく変化させることなく、接合強度を向上させる製造方法として、加熱した高熱伝導金属板に厚み方向に所要の貫通孔を有する低熱膨張金属板を圧接し、前記貫通孔から高熱伝導金属を低熱膨張金属板表面に露出させた３層材の両面に加熱した高熱伝導金属箔を圧接することにより製造する方法を提案（特開平５−７５００８号）した。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
先に提案した熱伝導材料は、熱膨張係数及び熱伝導率を任意に変化させることができ、かつ相手材との接合性並びに表面性状のすぐれた特性を有するが、半導体パッケージに要求される段付き形状やキャップ形状など種々の形状に成形するため、複雑な絞り加工、プレス打ち抜き加工や切断、曲げ加工を行うと、積層した複合材に部分的な剥離の発生が懸念される問題があった。
【００１０】
また、得られた３層芯材表面にＣｕ、Ａｌ等の高熱伝導金属箔を被覆するのに、上記の圧接法に代えてめっき法にて行うことが考えられるが、めっき浴に浸漬した際に芯材表面の高熱伝導金属と低熱膨張金属との境界にめっき液が残存し、これが後の拡散焼鈍時に気化してめっき膨れや剥がれを発生させる恐れがある。めっき法では低熱膨張金属の大きな剥がれは覆いきれず、熱伝導率の低下にもつながる。
【００１１】
この発明は、先に提案した熱伝導複合材料が有する熱膨張係数及び熱伝導率を任意に変化させることができる機能、相手材との接合性並びに表面性状のすぐれた特性を損なうことなく、接合強度を著しく向上させ、複雑なプレス打ち抜き加工や切断、曲げ加工を施しても剥離がなく、又、めっき処理時にめっき液の残存がない熱伝導複合材料とその製造方法の提供を目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
発明者は、低熱膨張金属板の貫通孔に高熱伝導金属板を圧入させて圧接積層した後の両者の接合強度を著しく高める方法を目的に種々検討した結果、例えば、高熱伝導金属板の両面にＡｇろう膜を設けておき、多数の貫通孔を設けた低熱膨張金属板と冷間圧接して、前記貫通孔から高熱伝導金属を低熱膨張金属板表面に露出させて一体化したのち、焼鈍して両金属にろう材の拡散層を形成すると、接合強度を著しく向上させることができ、複雑なプレス打ち抜き加工や切断、曲げ加工を施しても剥離がない熱伝導複合材料が得られることを知見し、この発明を完成した。
【００１３】
すなわち、この発明は、
Cu 、 Cu 合金、 Al 、 Al 合金のうちから選択される高熱伝導金属板の両面に、 Mo 、 30 〜 50wt%Ni を含有する Ni ‐ Fe 系合金、 25 〜 35wt%Ni 及び 4 〜 20wt%Co を含有する Ni ‐ Co ‐ Fe 系合金、 W のうちから選択され厚み方向に多数の貫通孔を設けた低熱膨張金属板が圧接されて前記貫通孔から高熱伝導金属を低熱膨張金属板表面に露出させて一体化した3層材からなり、少なくとも低熱膨張金属板と高熱伝導金属板の圧接時の対向面部にろう材の拡散層が形成されたことを特徴とする熱伝導複合材料である。
また、この発明は、上記の構成において、さらに3層材の両面にCu 、 Cu 合金、 Al 、 Al 合金、 Ni 、 Ni 合金のうちから選択される高熱伝導金属膜層を有する熱伝導複合材料を併せて提案する。
【００１４】
また、この発明は、
Cu 、 Cu 合金、 Al 、 Al 合金のうちから選択される高熱伝導金属板の両面に、 Mo 、 30 〜 50wt%Ni を含有する Ni ‐ Fe 系合金、 25 〜 35wt%Ni 及び 4 〜 20wt%Co を含有する Ni ‐ Co ‐ Fe 系合金、 W のうちから選択され厚み方向に多数の貫通孔を設けた低熱膨張金属板を対向させて冷間圧接して前記貫通孔から高熱伝導金属を低熱膨張金属板表面に露出させて一体化するに際し、高熱伝導金属板の両面にろう材膜層をクラッドやめっきで設けるか、低熱膨張金属板の圧接対向面側にろう材膜層をクラッドやめっきで設けるか、または低熱膨張金属板の非圧接面側にろう材膜層をクラッドやめっきで設けるか、あるいは多数の貫通孔を設けた低熱膨張金属板の全面にろう材をめっきで設けて、冷間圧接で一体化した3層材を作製した後、ろう材の溶融温度以上に加熱し、少なくとも低熱膨張金属板と高熱伝導金属板の圧接時の対向面部にろう材の拡散層が形成されたことを特徴とする熱伝導複合材料の製造方法である。
【００１５】
また、この発明は、
Cu 、 Cu 合金、 Al 、 Al 合金のうちから選択される高熱伝導金属板の両面に、 Mo 、 30 〜 50wt%Ni を含有する Ni ‐ Fe 系合金、 25 〜 35wt%Ni 及び 4 〜 20wt%Co を含有する Ni ‐ Co ‐ Fe 系合金、 W のうちから選択され厚み方向に多数の貫通孔を設けた低熱膨張金属板を対向させて冷間圧接して前記貫通孔から高熱伝導金属を低熱膨張金属板表面に露出させて一体化するに際し、高熱伝導金属板の両面と低熱膨張金属板間にろう材箔を介在させて、冷間圧接で一体化した3層材を作製した後、ろう材の溶融温度以上に加熱し、少なくとも低熱膨張金属板と高熱伝導金属板の圧接時の対向面部にろう材の拡散層を形成することを特徴とする熱伝導複合材料の製造方法である。
また、この発明は、上記の各製造方法において、さらに3層材の両面にCu 、 Cu 合金、 Al 、 Al 合金、 Ni 、 Ni 合金のうちから選択される高熱伝導金属膜層を圧接またはめっきにて形成する熱伝導複合材料の製造方法を併せて提案する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
この発明による熱伝導複合材料の製造方法と作用を図に基づいて詳述する。図１Ａは冷間圧接前の各素材の斜視説明図であり、Ｂは冷間圧接、焼鈍後の熱伝導複合材料の縦断説明図である。図２〜図４のＡは低熱膨張金属板の斜視説明図であり、Ｂは冷間圧接前の各素材の斜視説明図であり、Ｃは冷間圧接、焼鈍後の熱伝導複合材料の縦断説明図である。
図１に示す製造方法は、まず、高熱伝導金属板１の両面にクラッドあるいはめっきにてろう材膜層２，３を設け、また、別途、所定厚みにした低熱膨張金属板４，５にプレス打ち抜き等の機械加工で多数の貫通孔６を設け、次いで、両面にろう材膜層２，３を有する高熱伝導金属板１の両面に、低熱膨張金属板４，５を対向させてこれらを所定圧力で冷間圧接して、前記貫通孔６からろう材膜を載せた高熱伝導金属材を低熱膨張金属板４，５表面に露出させて一体化した３層材を作製する。
【００１７】
得られた３層材を、使用したろう材の溶融温度以上で焼鈍処理すると、例えば、ろう材がＡｇろうであると、その優れた濡れ性、流れ性により貫通孔６内の低熱膨張金属板４，５と高熱伝導金属材との間、対向する高熱伝導金属板１と低熱膨張金属板４，５との間にできた隙間などに浸入充填するだけでなく、さらには高熱伝導金属板１と低熱膨張金属板４，５の両方の材料内に拡散して、拡散層７が形成され、この拡散層７により得られた３層材の接合強度が著しく向上し、この複合材料に、複雑な絞り加工、プレス打ち抜き加工や切断、曲げ加工を施しても、高熱伝導金属と低熱膨張金属との間に剥離が発生しない。
【００１８】
図１Ｂに示す３層材の両面に、めっきで高熱伝導金属膜層を形成すると、接合した低熱膨張金属と高熱伝導金属との隙間にはろう材による充填並びに拡散層７が形成されており、めっき浴に浸漬した際に芯材表面の高熱伝導金属と低熱膨張金属との境界にめっき液が残存することがなく、後にめっき膨れや剥がれを発生させることがない。
【００１９】
この発明において、高熱伝導金属板は圧接にて低熱膨張金属板の貫通孔内に圧入充填されることから、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、Ａｌ合金等の展延伸性に富み、かつ高い熱伝導性を有する材料を用いることが好ましい。
また、低熱膨張金属板には、展延性のあるＭｏ、３０〜５０ｗｔ％Ｎｉを含有するＮｉ−Ｆｅ系合金、２５〜３５ｗｔ％Ｎｉ、４〜２０ｗｔ％Ｃｏを含有するＮｉ−Ｃｏ−Ｆｅ系合金、Ｗなどを用いることができる。
さらに、必要に応じて最外層の高熱伝導金属膜層には、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、Ａｌ合金、Ｎｉ、Ｎｉ合金などの材料が選定でき、用途やさらに被着する薄膜層材質を考慮して、芯材の高熱伝導金属板と同材質あるいは異材質を適宜選定するとよい。
【００２０】
また、低熱膨張金属板の板厚み方向の貫通孔は、プレス打ち抜き等の機械加工の他、エッチングなどの化学加工も採用でき、貫通孔の形状も横断面が円、多角形状等、横断面がストレート、テーパーなど種々形状が採用できる。さらに、この発明における好ましい圧延率は２５〜４０％である。
【００２１】
この発明において、ろう材としては、Ａｇろう、りん青銅、Ｐｄろうあるいは、Ａｇ、Ｔｉ、Ｐｄ、Ｚｎなどが利用でき、特に、濡れ性、流れ性にすぐれたＡｇろうや、焼鈍時に液相状態となりＡｇろうと同様効果が得られるりん青銅が最適である。
また、Ａｇろうとしては７２Ａｇ−Ｃｕ、８５Ａｇ−Ｃｕ、Ａｇのみなどが好ましい。
上記の材料からなるろう材の拡散層は、この発明の熱伝導複合材料の熱伝導性を損なうことがなく、また、ろう材の厚みは３〜１０μｍ程度であることが好ましい。
【００２２】
図２に示す製造方法は、まず、所定厚みにした低熱膨張金属板４の片面にクラッドあるいはめっきにてろう材膜層２を設け、さらにプレス打ち抜き等の機械加工で多数の貫通孔６を設けたのち、高熱伝導金属板１の両面にそれぞれ低熱膨張金属板４，５のろう材膜層２，３側を対向させて挟み、これらを所定圧力で冷間圧接して、前記貫通孔６から高熱伝導金属材を低熱膨張金属板４，５表面に露出させて一体化した３層材を作製する。
【００２３】
得られた３層材を、使用したろう材の溶融温度以上で焼鈍処理すると、対向する高熱伝導金属板１と低熱膨張金属板４，５との間で両方の材料内に拡散して、拡散層７が形成されただけでなく、貫通孔６内の低熱膨張金属板４，５と高熱伝導金属材との隙間などに浸入充填するため得られた３層材の接合強度が著しく向上する。
【００２４】
また、図３に示す製造方法は、まず、所定厚みにした低熱膨張金属板４にプレス打ち抜き等の機械加工で多数の貫通孔６を設けたのち、金属板４の全面にめっきにてろう材膜層２を設け、高熱伝導金属板１の両面にそれぞれ全面にろう材膜層２，３を設けた低熱膨張金属板４，５を対向させて挟み、これらを所定圧力で冷間圧接して、前記貫通孔６から高熱伝導金属材を低熱膨張金属板４，５表面に露出させて一体化した３層材を作製する。
【００２５】
得られた３層材を、使用したろう材の溶融温度以上で焼鈍処理すると、ろう材の濡れ性、流れ性により貫通孔６内の低熱膨張金属板４，５と高熱伝導金属材との間、対向する高熱伝導金属板１と低熱膨張金属板４，５との間等の全ての隙間などに浸入充填するだけでなく、さらには高熱伝導金属板１と低熱膨張金属板４，５の両方の材料内に拡散して、拡散層７が形成され、この拡散層７により得られた３層材の接合強度が著しく向上する。
さらに、この熱伝導複合材料に、複雑な絞り加工、プレス打ち抜き加工や切断、曲げ加工を施しても、高熱伝導金属と低熱膨張金属との間に剥離が発生しない。
【００２６】
図４に示す製造方法は、まず、所定厚みにした低熱膨張金属板４の片面にクラッドあるいはめっきにてろう材膜層２を設け、さらにプレス打ち抜き等の機械加工で多数の貫通孔６を設けたのち、高熱伝導金属板１の両面にそれぞれ低熱膨張金属板４，５のろう材膜層２，３側が非圧接面となるように低熱膨張金属板４，５の素材面を対向させて挟み、これらを所定圧力で冷間圧接して、前記貫通孔６から高熱伝導金属材を低熱膨張金属板４，５表面に露出させて一体化した３層材を作製する。
【００２７】
得られた３層材を、使用したろう材の溶融温度以上で焼鈍処理すると、３層材の表面のろう材はその濡れ性、流れ性により貫通孔６内の低熱膨張金属板４，５と高熱伝導金属材との間、対向する高熱伝導金属板１と低熱膨張金属板４，５との間等の全ての隙間などに十二分に浸入充填するだけでなく、さらには高熱伝導金属板１と低熱膨張金属板４，５の両方の材料内に拡散して内部欠陥のない拡散層７が形成され、この拡散層７により得られた３層材の接合強度が著しく向上する。
さらに、この熱伝導複合材料に、複雑な絞り加工、プレス打ち抜き加工や切断、曲げ加工を施しても、高熱伝導金属と低熱膨張金属との間に剥離が発生しない。
【００２８】
図５に示す製造方法は、高熱伝導金属板１の両面にそれぞれろう材箔８，９を挟んで低熱膨張金属板４を対向させ、低熱膨張金属板４にはプレス打ち抜き等の機械加工で多数の貫通孔６を設けてあり、これらを所定圧力で冷間圧接することにより、前記貫通孔６からろう材箔と共に高熱伝導金属材を低熱膨張金属板４，５表面に露出させて一体化した３層材を作製する。
【００２９】
得られた３層材を、使用したろう材の溶融温度以上で焼鈍処理すると、３層材の表面のろう材はその濡れ性、流れ性により貫通孔６内の低熱膨張金属板４，５と高熱伝導金属材との間、対向する高熱伝導金属板１と低熱膨張金属板４，５との間等の全ての隙間などに十二分に浸入充填するだけでなく、さらには高熱伝導金属板１と低熱膨張金属板４，５の両方の材料内に拡散して内部欠陥のない拡散層７が形成され、この拡散層７により得られた３層材の接合強度が著しく向上する。
さらに、この熱伝導複合材料に、複雑な絞り加工、プレス打ち抜き加工や切断、曲げ加工を施しても、高熱伝導金属と低熱膨張金属との間に剥離が発生しない。
【００３０】
この発明による熱伝導複合材料は、高熱伝導金属板の両面の全面に低熱膨張金属板を積層化するに際し、低熱膨張金属板の全面あるいは部分的に厚み方向の貫通孔を所要間隔、パターンで配置し、例えば貫通孔の孔寸法、形状、配置パターン等を種々変えたり、圧延時の変形を考慮して厚み方向に貫通あるいは貫通しない切り目を設けるなど、芯材の金属板の厚さ比および／または低熱膨張金属板表面に露出した高熱伝導金属と低熱膨張金属との表面積比を選定するなどの手段を選定組み合せることにより、材料の全体あるいは部分的に、用途、目的に応じた熱膨張係数及び熱伝導率を設定でき、例えば、所要の金属、セラミックス、Ｓｉ等の半導体、プラスチックス等の相手材の熱膨張係数との整合性を図り、かつ所要の熱伝導性を有する材料が得られる。
【００３１】
【実施例】
実施例１
板厚０．７５ｍｍ、板幅１５０ｍｍのＣｕ板の両面に、クラッドにて膜厚５μｍのＡｇろう（組成７２％Ａｇ−Ｃｕ）膜層を設けた。
板厚０．３５ｍｍ、板幅１５０ｍｍの一対のコバール板（２９Ｎｉ−１６Ｃｏ−Ｆｅ合金）に、各々孔径０．８ｍｍ、孔間隔１．３ｍｍで多数の穿孔を施した。
Ａｇろう膜層を設けたＣｕ板の両面にコバール板を対向させて室温で圧接機により圧接して、コバール板の貫通孔中に銅が侵入し、コバール板表面の所要位置に銅板表面が部分的に露出した板厚１．０ｍｍの３層材を得た。圧延率は３０％であった。
得られた３層材の主面におけるＣｕ露出面は圧延方向に略円形となり、孔間隔は圧延方向に１．６ｍｍあり、コバール板に対するＣｕ露出面の比率は３５％であった。
【００３２】
得られた３層材を水素雰囲気で、８００℃、５分の条件で焼鈍を施した。その後、得られた３層材より内径１５ｍｍ、深さ１．５ｍｍ、鍔外径１７ｍｍ寸法のキャップ状の試料をプレス成形したところ、割れや剥がれのないキャップ材が作製できた。
比較として、Ａｇろうを介在させない以外は同一の素材条件で、３層材を作製して同様のキャップ状の試料をプレス成形したところ、貫通孔付近を絞って引き延ばす部分において割れや剥がれを生じた。
【００３３】
なお、コバール板の３０〜２００°Ｃにおける平均熱膨張係数は ５．２×１０-6／°Ｃであり、Ｃｕ板の３０〜２００°Ｃにおける平均熱膨張係数は１７．２×１０-6／°Ｃであり、得られた３層材の厚み方向の熱伝導率は１４０Ｗ／ｍ・Ｋ、及び各主面における熱膨張係数は８．５×１０-6／℃であった。
【００３４】
実施例２
板厚０．７５ｍｍ、板幅２３５ｍｍのコバール板（２９Ｎｉ−１６Ｃｏ−Ｆｅ合金）の片面に、クラッドにて膜厚１０μｍのりん青銅（組成 ５Ｓｎ−Ｃｕ）膜層を設けた。さらに、各々孔径０．８ｍｍ、孔間隔１．３ｍｍで多数の穿孔を施した。
板厚０．７５ｍｍ、板幅２３５ｍｍのＣｕ板の両面にりん青銅膜層を設けたコバール板を対向させて室温で圧接機により圧接して、コバール板の貫通孔中に銅が侵入し、コバール板表面の所要位置に銅板表面が部分的に露出した板厚１．０ｍｍの３層材を得た。圧延率は３０％であった。
得られた３層材の主面におけるＣｕ露出面は圧延方向に略円形となり、孔間隔は圧延方向に１．５ｍｍあり、コバール板に対するＣｕ露出面の比率は３５％であった。
【００３５】
得られた３層材を水素雰囲気で、１０００℃、５分の条件で焼鈍を施した。その後、得られた３層材より、９０度曲げ、１．０Ｒ、プレス打ち抜き成形したところ、曲げによる割れ、打ち抜きによる剥がれは生じなかった。
比較として、Ａｇろうを介在させない以外は同一の素材条件で、３層材を作製して同様のプレス成形したところ、貫通孔付近を絞って引き延ばす部分において割れや剥がれを生じた。なお、得られた３層材の厚み方向の熱伝導率は１３０Ｗ／ｍ・Ｋ、及び各主面における熱膨張係数は３０〜２００℃において、８．６×１０-6／℃であった。
【００３６】
実施例３
板厚０．３５ｍｍ、板幅１５０ｍｍの一対のコバール板（２９Ｎｉ−１６Ｃｏ−Ｆｅ合金）に、各々孔径０．８ｍｍ、孔間隔１．３ｍｍで多数の穿孔を施した。その後、めっきにてコバール板の全面に厚み１０μｍのＡｇ膜層を設けた。
板厚０．７５ｍｍ、板幅１５０ｍｍのＣｕ板の両面に、Ａｇろう膜層を設けたコバール板を対向させて室温で圧接機により圧接して、コバール板の貫通孔中に銅が侵入し、コバール板表面の所要位置に銅板表面が部分的に露出した板厚１．０ｍｍの３層材を得た。圧延率は３０％であった。
得られた３層材の主面におけるＣｕ露出面は圧延方向に略円形となり、孔間隔は圧延方向に１．５ｍｍあり、コバール板に対するＣｕ露出面の比率は３５％であった。
【００３７】
得られた３層材を水素雰囲気で、８００℃、５分の条件で焼鈍を施した。その後、得られた３層材より内径１５ｍｍ、深さ１．５ｍｍ、鍔外径１７ｍｍ寸法のキャップ状の試料をプレス成形したところ、割れや剥がれのないキャップ材が作製できた。
比較として、Ａｇを介在させない以外は同一の素材条件で、３層材を作製して同様のキャップ状の試料をプレス成形したところ、貫通孔付近を絞って引き延ばす部分において割れや剥がれを生じた。
【００３８】
実施例４
板厚０．７５ｍｍ、板幅２３５ｍｍのコバール板（２９Ｎｉ−１６Ｃｏ−Ｆｅ合金）の片面に、クラッドにて膜厚１０μｍのＡｇろう膜層を設けた。さらに、各々孔径０．８ｍｍ、孔間隔１．３ｍｍで多数の穿孔を施した。
板厚０．７５ｍｍ、板幅２３５ｍｍのＣｕ板の両面にコバール板素材を対向させ、Ａｇろう膜層が外側となるようにして室温で圧接機により圧接して、コバール板の貫通孔中に銅が侵入し、コバール板のＡｇろう膜層表面の所要位置に銅板表面が部分的に露出した板厚１．０ｍｍの３層材を得た。圧延率は３０％であった。
得られた３層材の主面におけるＣｕ露出面は圧延方向に略円形となり、孔間隔は圧延方向に１．５ｍｍあり、コバール板に対するＣｕ露出面の比率は３５％であった。
【００３９】
得られた３層材を水素雰囲気で、９００℃、２分の条件で焼鈍を施した。その後、得られた３層材より、９０度曲げ、１．０Ｒ、０．５Ｒ、プレス打ち抜き成形したところ、曲げによる割れ、打ち抜きによる剥がれは生じなかった。
比較として、Ａｇろうを介在させない以外は同一の素材条件で、３層材を作製して同様のプレス成形したところ、貫通孔付近を絞って引き延ばす部分において割れや剥がれを生じた。
【００４０】
実施例５
板厚０．３５ｍｍ、板幅１５０ｍｍの一対のコバール板（２９Ｎｉ−１６Ｃｏ−Ｆｅ合金）に、各々孔径０．８ｍｍ、孔間隔１．３ｍｍで多数の穿孔を施した。
板厚０．７５ｍｍ、板幅１５０ｍｍのＣｕ板の両面に、厚み１０μｍのＡｇろう箔を介在させてコバール板を対向させて室温で圧接機により圧接して、コバール板の貫通孔中に銅が侵入し、コバール板表面の所要位置にＡｇろう箔を載せた銅板面が部分的に露出した板厚１．０ｍｍの３層材を得た。圧延率は３０％であった。
得られた３層材の主面におけるＣｕ露出面は圧延方向に略円形となり、孔間隔は圧延方向に１．５ｍｍあり、コバール板に対するＣｕ露出面の比率は３５％であった。
【００４１】
得られた３層材を水素雰囲気で、８００℃、５分の条件で焼鈍を施した。その後、得られた３層材より内径１５ｍｍ、深さ１．５ｍｍ、鍔外径１７ｍｍ寸法のキャップ状の試料をプレス成形したところ、割れや剥がれのないキャップ材が作製できた。
比較として、Ａｇろう箔を介在させない以外は同一の素材条件で、３層材を作製して同様のキャップ状の試料をプレス成形したところ、貫通孔付近を絞って引き延ばす部分において割れや剥がれを生じた。
【００４２】
【発明の効果】
この発明は、実施例に明らかなように、高熱伝導金属板の両面に銀ろう膜を設けておき、多数の貫通孔を設けた低熱膨張金属板と冷間圧接して、前記貫通孔から高熱伝導金属を低熱膨張金属板表面に露出させて一体化したのち、焼鈍して両金属にろう材の拡散層を形成すると、接合強度を著しく向上させることができ、複雑なプレス打ち抜き加工や切断、曲げ加工を施しても剥離がない熱伝導複合材料が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ａは冷間圧接前の各素材の斜視説明図であり、Ｂは冷間圧接、焼鈍後の熱伝導複合材料の縦断説明図である。
【図２】Ａは低熱膨張金属板の斜視説明図であり、Ｂは冷間圧接前の各素材の斜視説明図であり、Ｃは冷間圧接、焼鈍後の熱伝導複合材料の縦断説明図である。
【図３】Ａは低熱膨張金属板の斜視説明図であり、Ｂは冷間圧接前の各素材の斜視説明図であり、Ｃは冷間圧接、焼鈍後の熱伝導複合材料の縦断説明図である。
【図４】Ａは低熱膨張金属板の斜視説明図であり、Ｂは冷間圧接前の各素材の斜視説明図であり、Ｃは冷間圧接、焼鈍後の熱伝導複合材料の縦断説明図である。
【図５】Ａは冷間圧接前の各素材の斜視説明図であり、Ｂは冷間圧接、焼鈍後の熱伝導複合材料の縦断説明図である。
【符号の説明】
１ 高熱伝導金属板
２，３ ろう材膜層
４，５ 低熱膨張金属板
６ 貫通孔
７ 拡散層
８，９ ろう材箔
【発明の属する技術分野】
この発明は、パワー半導体チップ搭載用放熱基板の如く、半導体チップによる発熱を効率良く外部に放熱するための熱伝導複合材料の改良とその製造方法に係り、セラミックス等の被着相手材との熱膨張係数の整合性と良好な熱伝導性を両立できるように、熱膨張係数及び熱伝導率を任意に変化させるため、高熱伝導金属板に厚み方向に所要の貫通孔を有する低熱膨張金属板を圧接し、前記貫通孔から高熱伝導金属を低熱膨張金属板表面に露出させた３層材からなり、高熱伝導金属板と低熱膨張金属板との間にろう材を介在させて一体化した後に焼鈍してろう材を両金属材料へ拡散させて接合強度を著しく向上させ、複雑なプレス打ち抜き加工や切断、曲げ加工を施しても剥離がない熱伝導複合材料とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
大型コンピューター用のＬＳＩやＵＬＳＩは、高集積度化、演算速度の高速化が著しく、作動中における消費電力の増加に伴う発熱量が非常に大きく、また、電力用半導体パッケージも同様に発熱量が非常に大きいことが知られている。
これに伴ない半導体パッケージの設計も、熱放散性を考慮したものとなり、チップを搭載する基板にも放熱性が要求されるようになり、基板材料の熱伝導率が大きいことが求められ、基板にはチップと熱膨張係数が近く、かつ熱伝導率が大きいことが要求されている。
【０００３】
従来の半導体パッケージとしては種々の構成が提案されており、例えば基板に放熱フィンを付設した構成があり、放熱性を確保するためにクラッド板やＣｕ−ＭｏあるいはＣｕ−Ｗ合金等の放熱基板用複合材料（特開昭５９−１４１２４７号公報、特開昭６２−２９４１４７号公報）が提案されている。
前記複合体は熱膨張係数、熱伝導度とも実用上満足すべき条件にかなっているが、Ｍｏ、Ｗ等が高密度であるため重くかつ脆いため、所定の寸法を得るには研削等の非塑性加工により成形加工しなければならず、加工費が高く、歩留りが悪くなっていた。
【０００４】
樹脂封止の半導体パッケージにおいて多用されているリードフレーム用銅合金は、熱伝導性は優れているが機械的強度が低く、チップとの熱膨張係数の整合性が悪く、また、チップとの熱膨張係数の整合性を図った４２％Ｎｉ−Ｆｅ合金等の低熱膨張係数を有するＮｉ−Ｆｅ系合金は、熱伝導率が悪いため、現在の要求を満すだけの熱の放散性が得られていない。
【０００５】
そこで、出願人は半導体パッケージにおける上述の熱膨張係数および／または熱伝導率の整合性の問題を解決するため、高熱伝導金属板に厚み方向に所要の貫通孔を有する低熱膨張金属板を一体化し、前記貫通孔から高熱伝導金属を低熱膨張金属板表面に露出させた芯材の両面に高熱伝導金属箔を圧接し、これら金属板の厚さ比や貫通孔面積比を適宜選定することにより、熱膨張係数、熱伝導率を可変となし、受熱の均一化、熱拡散効果の向上をはかり、表面微細孔がなくめっきやろう材など後付け薄膜の被着性にすぐれた特徴を有する熱伝導複合材料を提案（特開平３−２２７６２１号）した。
【０００６】
上記の熱伝導複合材料を得るには、まずプレスによる打ち抜き加工を行い小さな孔を多数個穿孔して網目状となし、焼鈍後に巻き取ったコバール板等の低熱膨張金属板コイルを、銅板などの高熱伝導金属板コイルを巻き戻し時にその上方及び下方より巻き戻して、冷間または温間で大径ロールにより圧延接合し拡散焼鈍して芯材を得た後、さらにこの芯材の上方及び下方より巻き戻したＣｕ、Ａｌ等の高熱伝導金属箔を重ねて、冷間または温間で圧延ロールにより圧接接合し拡散焼鈍して製造する。
【０００７】
かかる製造に際して、上記の芯材にＣｕ、Ａｌ等の高熱伝導金属箔を重ねて冷間圧接するが、接合強度を高めるために圧下力を大きくすると、芯材表面のＣｕ、Ａｌ等の高熱伝導金属の露出面の形状が円形あるいは楕円から長い楕円形状となり、貫通孔と高熱伝導金属との間に空隙が生じて充填性が悪化する上、選定した高熱伝導金属と低熱膨張金属との表面積比が変わって熱膨張係数および／または熱伝導率が変動し、また熱膨張係数に異方性が生じる問題がある。
【０００８】
そこで、出願人はこの熱伝導材料の圧接による製造に際し、圧下力を大きくして低熱膨張金属板に設けた貫通孔形状を大きく変化させることなく、接合強度を向上させる製造方法として、加熱した高熱伝導金属板に厚み方向に所要の貫通孔を有する低熱膨張金属板を圧接し、前記貫通孔から高熱伝導金属を低熱膨張金属板表面に露出させた３層材の両面に加熱した高熱伝導金属箔を圧接することにより製造する方法を提案（特開平５−７５００８号）した。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
先に提案した熱伝導材料は、熱膨張係数及び熱伝導率を任意に変化させることができ、かつ相手材との接合性並びに表面性状のすぐれた特性を有するが、半導体パッケージに要求される段付き形状やキャップ形状など種々の形状に成形するため、複雑な絞り加工、プレス打ち抜き加工や切断、曲げ加工を行うと、積層した複合材に部分的な剥離の発生が懸念される問題があった。
【００１０】
また、得られた３層芯材表面にＣｕ、Ａｌ等の高熱伝導金属箔を被覆するのに、上記の圧接法に代えてめっき法にて行うことが考えられるが、めっき浴に浸漬した際に芯材表面の高熱伝導金属と低熱膨張金属との境界にめっき液が残存し、これが後の拡散焼鈍時に気化してめっき膨れや剥がれを発生させる恐れがある。めっき法では低熱膨張金属の大きな剥がれは覆いきれず、熱伝導率の低下にもつながる。
【００１１】
この発明は、先に提案した熱伝導複合材料が有する熱膨張係数及び熱伝導率を任意に変化させることができる機能、相手材との接合性並びに表面性状のすぐれた特性を損なうことなく、接合強度を著しく向上させ、複雑なプレス打ち抜き加工や切断、曲げ加工を施しても剥離がなく、又、めっき処理時にめっき液の残存がない熱伝導複合材料とその製造方法の提供を目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
発明者は、低熱膨張金属板の貫通孔に高熱伝導金属板を圧入させて圧接積層した後の両者の接合強度を著しく高める方法を目的に種々検討した結果、例えば、高熱伝導金属板の両面にＡｇろう膜を設けておき、多数の貫通孔を設けた低熱膨張金属板と冷間圧接して、前記貫通孔から高熱伝導金属を低熱膨張金属板表面に露出させて一体化したのち、焼鈍して両金属にろう材の拡散層を形成すると、接合強度を著しく向上させることができ、複雑なプレス打ち抜き加工や切断、曲げ加工を施しても剥離がない熱伝導複合材料が得られることを知見し、この発明を完成した。
【００１３】
すなわち、この発明は、
Cu 、 Cu 合金、 Al 、 Al 合金のうちから選択される高熱伝導金属板の両面に、 Mo 、 30 〜 50wt%Ni を含有する Ni ‐ Fe 系合金、 25 〜 35wt%Ni 及び 4 〜 20wt%Co を含有する Ni ‐ Co ‐ Fe 系合金、 W のうちから選択され厚み方向に多数の貫通孔を設けた低熱膨張金属板が圧接されて前記貫通孔から高熱伝導金属を低熱膨張金属板表面に露出させて一体化した3層材からなり、少なくとも低熱膨張金属板と高熱伝導金属板の圧接時の対向面部にろう材の拡散層が形成されたことを特徴とする熱伝導複合材料である。
また、この発明は、上記の構成において、さらに3層材の両面にCu 、 Cu 合金、 Al 、 Al 合金、 Ni 、 Ni 合金のうちから選択される高熱伝導金属膜層を有する熱伝導複合材料を併せて提案する。
【００１４】
また、この発明は、
Cu 、 Cu 合金、 Al 、 Al 合金のうちから選択される高熱伝導金属板の両面に、 Mo 、 30 〜 50wt%Ni を含有する Ni ‐ Fe 系合金、 25 〜 35wt%Ni 及び 4 〜 20wt%Co を含有する Ni ‐ Co ‐ Fe 系合金、 W のうちから選択され厚み方向に多数の貫通孔を設けた低熱膨張金属板を対向させて冷間圧接して前記貫通孔から高熱伝導金属を低熱膨張金属板表面に露出させて一体化するに際し、高熱伝導金属板の両面にろう材膜層をクラッドやめっきで設けるか、低熱膨張金属板の圧接対向面側にろう材膜層をクラッドやめっきで設けるか、または低熱膨張金属板の非圧接面側にろう材膜層をクラッドやめっきで設けるか、あるいは多数の貫通孔を設けた低熱膨張金属板の全面にろう材をめっきで設けて、冷間圧接で一体化した3層材を作製した後、ろう材の溶融温度以上に加熱し、少なくとも低熱膨張金属板と高熱伝導金属板の圧接時の対向面部にろう材の拡散層が形成されたことを特徴とする熱伝導複合材料の製造方法である。
【００１５】
また、この発明は、
Cu 、 Cu 合金、 Al 、 Al 合金のうちから選択される高熱伝導金属板の両面に、 Mo 、 30 〜 50wt%Ni を含有する Ni ‐ Fe 系合金、 25 〜 35wt%Ni 及び 4 〜 20wt%Co を含有する Ni ‐ Co ‐ Fe 系合金、 W のうちから選択され厚み方向に多数の貫通孔を設けた低熱膨張金属板を対向させて冷間圧接して前記貫通孔から高熱伝導金属を低熱膨張金属板表面に露出させて一体化するに際し、高熱伝導金属板の両面と低熱膨張金属板間にろう材箔を介在させて、冷間圧接で一体化した3層材を作製した後、ろう材の溶融温度以上に加熱し、少なくとも低熱膨張金属板と高熱伝導金属板の圧接時の対向面部にろう材の拡散層を形成することを特徴とする熱伝導複合材料の製造方法である。
また、この発明は、上記の各製造方法において、さらに3層材の両面にCu 、 Cu 合金、 Al 、 Al 合金、 Ni 、 Ni 合金のうちから選択される高熱伝導金属膜層を圧接またはめっきにて形成する熱伝導複合材料の製造方法を併せて提案する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
この発明による熱伝導複合材料の製造方法と作用を図に基づいて詳述する。図１Ａは冷間圧接前の各素材の斜視説明図であり、Ｂは冷間圧接、焼鈍後の熱伝導複合材料の縦断説明図である。図２〜図４のＡは低熱膨張金属板の斜視説明図であり、Ｂは冷間圧接前の各素材の斜視説明図であり、Ｃは冷間圧接、焼鈍後の熱伝導複合材料の縦断説明図である。
図１に示す製造方法は、まず、高熱伝導金属板１の両面にクラッドあるいはめっきにてろう材膜層２，３を設け、また、別途、所定厚みにした低熱膨張金属板４，５にプレス打ち抜き等の機械加工で多数の貫通孔６を設け、次いで、両面にろう材膜層２，３を有する高熱伝導金属板１の両面に、低熱膨張金属板４，５を対向させてこれらを所定圧力で冷間圧接して、前記貫通孔６からろう材膜を載せた高熱伝導金属材を低熱膨張金属板４，５表面に露出させて一体化した３層材を作製する。
【００１７】
得られた３層材を、使用したろう材の溶融温度以上で焼鈍処理すると、例えば、ろう材がＡｇろうであると、その優れた濡れ性、流れ性により貫通孔６内の低熱膨張金属板４，５と高熱伝導金属材との間、対向する高熱伝導金属板１と低熱膨張金属板４，５との間にできた隙間などに浸入充填するだけでなく、さらには高熱伝導金属板１と低熱膨張金属板４，５の両方の材料内に拡散して、拡散層７が形成され、この拡散層７により得られた３層材の接合強度が著しく向上し、この複合材料に、複雑な絞り加工、プレス打ち抜き加工や切断、曲げ加工を施しても、高熱伝導金属と低熱膨張金属との間に剥離が発生しない。
【００１８】
図１Ｂに示す３層材の両面に、めっきで高熱伝導金属膜層を形成すると、接合した低熱膨張金属と高熱伝導金属との隙間にはろう材による充填並びに拡散層７が形成されており、めっき浴に浸漬した際に芯材表面の高熱伝導金属と低熱膨張金属との境界にめっき液が残存することがなく、後にめっき膨れや剥がれを発生させることがない。
【００１９】
この発明において、高熱伝導金属板は圧接にて低熱膨張金属板の貫通孔内に圧入充填されることから、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、Ａｌ合金等の展延伸性に富み、かつ高い熱伝導性を有する材料を用いることが好ましい。
また、低熱膨張金属板には、展延性のあるＭｏ、３０〜５０ｗｔ％Ｎｉを含有するＮｉ−Ｆｅ系合金、２５〜３５ｗｔ％Ｎｉ、４〜２０ｗｔ％Ｃｏを含有するＮｉ−Ｃｏ−Ｆｅ系合金、Ｗなどを用いることができる。
さらに、必要に応じて最外層の高熱伝導金属膜層には、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、Ａｌ合金、Ｎｉ、Ｎｉ合金などの材料が選定でき、用途やさらに被着する薄膜層材質を考慮して、芯材の高熱伝導金属板と同材質あるいは異材質を適宜選定するとよい。
【００２０】
また、低熱膨張金属板の板厚み方向の貫通孔は、プレス打ち抜き等の機械加工の他、エッチングなどの化学加工も採用でき、貫通孔の形状も横断面が円、多角形状等、横断面がストレート、テーパーなど種々形状が採用できる。さらに、この発明における好ましい圧延率は２５〜４０％である。
【００２１】
この発明において、ろう材としては、Ａｇろう、りん青銅、Ｐｄろうあるいは、Ａｇ、Ｔｉ、Ｐｄ、Ｚｎなどが利用でき、特に、濡れ性、流れ性にすぐれたＡｇろうや、焼鈍時に液相状態となりＡｇろうと同様効果が得られるりん青銅が最適である。
また、Ａｇろうとしては７２Ａｇ−Ｃｕ、８５Ａｇ−Ｃｕ、Ａｇのみなどが好ましい。
上記の材料からなるろう材の拡散層は、この発明の熱伝導複合材料の熱伝導性を損なうことがなく、また、ろう材の厚みは３〜１０μｍ程度であることが好ましい。
【００２２】
図２に示す製造方法は、まず、所定厚みにした低熱膨張金属板４の片面にクラッドあるいはめっきにてろう材膜層２を設け、さらにプレス打ち抜き等の機械加工で多数の貫通孔６を設けたのち、高熱伝導金属板１の両面にそれぞれ低熱膨張金属板４，５のろう材膜層２，３側を対向させて挟み、これらを所定圧力で冷間圧接して、前記貫通孔６から高熱伝導金属材を低熱膨張金属板４，５表面に露出させて一体化した３層材を作製する。
【００２３】
得られた３層材を、使用したろう材の溶融温度以上で焼鈍処理すると、対向する高熱伝導金属板１と低熱膨張金属板４，５との間で両方の材料内に拡散して、拡散層７が形成されただけでなく、貫通孔６内の低熱膨張金属板４，５と高熱伝導金属材との隙間などに浸入充填するため得られた３層材の接合強度が著しく向上する。
【００２４】
また、図３に示す製造方法は、まず、所定厚みにした低熱膨張金属板４にプレス打ち抜き等の機械加工で多数の貫通孔６を設けたのち、金属板４の全面にめっきにてろう材膜層２を設け、高熱伝導金属板１の両面にそれぞれ全面にろう材膜層２，３を設けた低熱膨張金属板４，５を対向させて挟み、これらを所定圧力で冷間圧接して、前記貫通孔６から高熱伝導金属材を低熱膨張金属板４，５表面に露出させて一体化した３層材を作製する。
【００２５】
得られた３層材を、使用したろう材の溶融温度以上で焼鈍処理すると、ろう材の濡れ性、流れ性により貫通孔６内の低熱膨張金属板４，５と高熱伝導金属材との間、対向する高熱伝導金属板１と低熱膨張金属板４，５との間等の全ての隙間などに浸入充填するだけでなく、さらには高熱伝導金属板１と低熱膨張金属板４，５の両方の材料内に拡散して、拡散層７が形成され、この拡散層７により得られた３層材の接合強度が著しく向上する。
さらに、この熱伝導複合材料に、複雑な絞り加工、プレス打ち抜き加工や切断、曲げ加工を施しても、高熱伝導金属と低熱膨張金属との間に剥離が発生しない。
【００２６】
図４に示す製造方法は、まず、所定厚みにした低熱膨張金属板４の片面にクラッドあるいはめっきにてろう材膜層２を設け、さらにプレス打ち抜き等の機械加工で多数の貫通孔６を設けたのち、高熱伝導金属板１の両面にそれぞれ低熱膨張金属板４，５のろう材膜層２，３側が非圧接面となるように低熱膨張金属板４，５の素材面を対向させて挟み、これらを所定圧力で冷間圧接して、前記貫通孔６から高熱伝導金属材を低熱膨張金属板４，５表面に露出させて一体化した３層材を作製する。
【００２７】
得られた３層材を、使用したろう材の溶融温度以上で焼鈍処理すると、３層材の表面のろう材はその濡れ性、流れ性により貫通孔６内の低熱膨張金属板４，５と高熱伝導金属材との間、対向する高熱伝導金属板１と低熱膨張金属板４，５との間等の全ての隙間などに十二分に浸入充填するだけでなく、さらには高熱伝導金属板１と低熱膨張金属板４，５の両方の材料内に拡散して内部欠陥のない拡散層７が形成され、この拡散層７により得られた３層材の接合強度が著しく向上する。
さらに、この熱伝導複合材料に、複雑な絞り加工、プレス打ち抜き加工や切断、曲げ加工を施しても、高熱伝導金属と低熱膨張金属との間に剥離が発生しない。
【００２８】
図５に示す製造方法は、高熱伝導金属板１の両面にそれぞれろう材箔８，９を挟んで低熱膨張金属板４を対向させ、低熱膨張金属板４にはプレス打ち抜き等の機械加工で多数の貫通孔６を設けてあり、これらを所定圧力で冷間圧接することにより、前記貫通孔６からろう材箔と共に高熱伝導金属材を低熱膨張金属板４，５表面に露出させて一体化した３層材を作製する。
【００２９】
得られた３層材を、使用したろう材の溶融温度以上で焼鈍処理すると、３層材の表面のろう材はその濡れ性、流れ性により貫通孔６内の低熱膨張金属板４，５と高熱伝導金属材との間、対向する高熱伝導金属板１と低熱膨張金属板４，５との間等の全ての隙間などに十二分に浸入充填するだけでなく、さらには高熱伝導金属板１と低熱膨張金属板４，５の両方の材料内に拡散して内部欠陥のない拡散層７が形成され、この拡散層７により得られた３層材の接合強度が著しく向上する。
さらに、この熱伝導複合材料に、複雑な絞り加工、プレス打ち抜き加工や切断、曲げ加工を施しても、高熱伝導金属と低熱膨張金属との間に剥離が発生しない。
【００３０】
この発明による熱伝導複合材料は、高熱伝導金属板の両面の全面に低熱膨張金属板を積層化するに際し、低熱膨張金属板の全面あるいは部分的に厚み方向の貫通孔を所要間隔、パターンで配置し、例えば貫通孔の孔寸法、形状、配置パターン等を種々変えたり、圧延時の変形を考慮して厚み方向に貫通あるいは貫通しない切り目を設けるなど、芯材の金属板の厚さ比および／または低熱膨張金属板表面に露出した高熱伝導金属と低熱膨張金属との表面積比を選定するなどの手段を選定組み合せることにより、材料の全体あるいは部分的に、用途、目的に応じた熱膨張係数及び熱伝導率を設定でき、例えば、所要の金属、セラミックス、Ｓｉ等の半導体、プラスチックス等の相手材の熱膨張係数との整合性を図り、かつ所要の熱伝導性を有する材料が得られる。
【００３１】
【実施例】
実施例１
板厚０．７５ｍｍ、板幅１５０ｍｍのＣｕ板の両面に、クラッドにて膜厚５μｍのＡｇろう（組成７２％Ａｇ−Ｃｕ）膜層を設けた。
板厚０．３５ｍｍ、板幅１５０ｍｍの一対のコバール板（２９Ｎｉ−１６Ｃｏ−Ｆｅ合金）に、各々孔径０．８ｍｍ、孔間隔１．３ｍｍで多数の穿孔を施した。
Ａｇろう膜層を設けたＣｕ板の両面にコバール板を対向させて室温で圧接機により圧接して、コバール板の貫通孔中に銅が侵入し、コバール板表面の所要位置に銅板表面が部分的に露出した板厚１．０ｍｍの３層材を得た。圧延率は３０％であった。
得られた３層材の主面におけるＣｕ露出面は圧延方向に略円形となり、孔間隔は圧延方向に１．６ｍｍあり、コバール板に対するＣｕ露出面の比率は３５％であった。
【００３２】
得られた３層材を水素雰囲気で、８００℃、５分の条件で焼鈍を施した。その後、得られた３層材より内径１５ｍｍ、深さ１．５ｍｍ、鍔外径１７ｍｍ寸法のキャップ状の試料をプレス成形したところ、割れや剥がれのないキャップ材が作製できた。
比較として、Ａｇろうを介在させない以外は同一の素材条件で、３層材を作製して同様のキャップ状の試料をプレス成形したところ、貫通孔付近を絞って引き延ばす部分において割れや剥がれを生じた。
【００３３】
なお、コバール板の３０〜２００°Ｃにおける平均熱膨張係数は ５．２×１０-6／°Ｃであり、Ｃｕ板の３０〜２００°Ｃにおける平均熱膨張係数は１７．２×１０-6／°Ｃであり、得られた３層材の厚み方向の熱伝導率は１４０Ｗ／ｍ・Ｋ、及び各主面における熱膨張係数は８．５×１０-6／℃であった。
【００３４】
実施例２
板厚０．７５ｍｍ、板幅２３５ｍｍのコバール板（２９Ｎｉ−１６Ｃｏ−Ｆｅ合金）の片面に、クラッドにて膜厚１０μｍのりん青銅（組成 ５Ｓｎ−Ｃｕ）膜層を設けた。さらに、各々孔径０．８ｍｍ、孔間隔１．３ｍｍで多数の穿孔を施した。
板厚０．７５ｍｍ、板幅２３５ｍｍのＣｕ板の両面にりん青銅膜層を設けたコバール板を対向させて室温で圧接機により圧接して、コバール板の貫通孔中に銅が侵入し、コバール板表面の所要位置に銅板表面が部分的に露出した板厚１．０ｍｍの３層材を得た。圧延率は３０％であった。
得られた３層材の主面におけるＣｕ露出面は圧延方向に略円形となり、孔間隔は圧延方向に１．５ｍｍあり、コバール板に対するＣｕ露出面の比率は３５％であった。
【００３５】
得られた３層材を水素雰囲気で、１０００℃、５分の条件で焼鈍を施した。その後、得られた３層材より、９０度曲げ、１．０Ｒ、プレス打ち抜き成形したところ、曲げによる割れ、打ち抜きによる剥がれは生じなかった。
比較として、Ａｇろうを介在させない以外は同一の素材条件で、３層材を作製して同様のプレス成形したところ、貫通孔付近を絞って引き延ばす部分において割れや剥がれを生じた。なお、得られた３層材の厚み方向の熱伝導率は１３０Ｗ／ｍ・Ｋ、及び各主面における熱膨張係数は３０〜２００℃において、８．６×１０-6／℃であった。
【００３６】
実施例３
板厚０．３５ｍｍ、板幅１５０ｍｍの一対のコバール板（２９Ｎｉ−１６Ｃｏ−Ｆｅ合金）に、各々孔径０．８ｍｍ、孔間隔１．３ｍｍで多数の穿孔を施した。その後、めっきにてコバール板の全面に厚み１０μｍのＡｇ膜層を設けた。
板厚０．７５ｍｍ、板幅１５０ｍｍのＣｕ板の両面に、Ａｇろう膜層を設けたコバール板を対向させて室温で圧接機により圧接して、コバール板の貫通孔中に銅が侵入し、コバール板表面の所要位置に銅板表面が部分的に露出した板厚１．０ｍｍの３層材を得た。圧延率は３０％であった。
得られた３層材の主面におけるＣｕ露出面は圧延方向に略円形となり、孔間隔は圧延方向に１．５ｍｍあり、コバール板に対するＣｕ露出面の比率は３５％であった。
【００３７】
得られた３層材を水素雰囲気で、８００℃、５分の条件で焼鈍を施した。その後、得られた３層材より内径１５ｍｍ、深さ１．５ｍｍ、鍔外径１７ｍｍ寸法のキャップ状の試料をプレス成形したところ、割れや剥がれのないキャップ材が作製できた。
比較として、Ａｇを介在させない以外は同一の素材条件で、３層材を作製して同様のキャップ状の試料をプレス成形したところ、貫通孔付近を絞って引き延ばす部分において割れや剥がれを生じた。
【００３８】
実施例４
板厚０．７５ｍｍ、板幅２３５ｍｍのコバール板（２９Ｎｉ−１６Ｃｏ−Ｆｅ合金）の片面に、クラッドにて膜厚１０μｍのＡｇろう膜層を設けた。さらに、各々孔径０．８ｍｍ、孔間隔１．３ｍｍで多数の穿孔を施した。
板厚０．７５ｍｍ、板幅２３５ｍｍのＣｕ板の両面にコバール板素材を対向させ、Ａｇろう膜層が外側となるようにして室温で圧接機により圧接して、コバール板の貫通孔中に銅が侵入し、コバール板のＡｇろう膜層表面の所要位置に銅板表面が部分的に露出した板厚１．０ｍｍの３層材を得た。圧延率は３０％であった。
得られた３層材の主面におけるＣｕ露出面は圧延方向に略円形となり、孔間隔は圧延方向に１．５ｍｍあり、コバール板に対するＣｕ露出面の比率は３５％であった。
【００３９】
得られた３層材を水素雰囲気で、９００℃、２分の条件で焼鈍を施した。その後、得られた３層材より、９０度曲げ、１．０Ｒ、０．５Ｒ、プレス打ち抜き成形したところ、曲げによる割れ、打ち抜きによる剥がれは生じなかった。
比較として、Ａｇろうを介在させない以外は同一の素材条件で、３層材を作製して同様のプレス成形したところ、貫通孔付近を絞って引き延ばす部分において割れや剥がれを生じた。
【００４０】
実施例５
板厚０．３５ｍｍ、板幅１５０ｍｍの一対のコバール板（２９Ｎｉ−１６Ｃｏ−Ｆｅ合金）に、各々孔径０．８ｍｍ、孔間隔１．３ｍｍで多数の穿孔を施した。
板厚０．７５ｍｍ、板幅１５０ｍｍのＣｕ板の両面に、厚み１０μｍのＡｇろう箔を介在させてコバール板を対向させて室温で圧接機により圧接して、コバール板の貫通孔中に銅が侵入し、コバール板表面の所要位置にＡｇろう箔を載せた銅板面が部分的に露出した板厚１．０ｍｍの３層材を得た。圧延率は３０％であった。
得られた３層材の主面におけるＣｕ露出面は圧延方向に略円形となり、孔間隔は圧延方向に１．５ｍｍあり、コバール板に対するＣｕ露出面の比率は３５％であった。
【００４１】
得られた３層材を水素雰囲気で、８００℃、５分の条件で焼鈍を施した。その後、得られた３層材より内径１５ｍｍ、深さ１．５ｍｍ、鍔外径１７ｍｍ寸法のキャップ状の試料をプレス成形したところ、割れや剥がれのないキャップ材が作製できた。
比較として、Ａｇろう箔を介在させない以外は同一の素材条件で、３層材を作製して同様のキャップ状の試料をプレス成形したところ、貫通孔付近を絞って引き延ばす部分において割れや剥がれを生じた。
【００４２】
【発明の効果】
この発明は、実施例に明らかなように、高熱伝導金属板の両面に銀ろう膜を設けておき、多数の貫通孔を設けた低熱膨張金属板と冷間圧接して、前記貫通孔から高熱伝導金属を低熱膨張金属板表面に露出させて一体化したのち、焼鈍して両金属にろう材の拡散層を形成すると、接合強度を著しく向上させることができ、複雑なプレス打ち抜き加工や切断、曲げ加工を施しても剥離がない熱伝導複合材料が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ａは冷間圧接前の各素材の斜視説明図であり、Ｂは冷間圧接、焼鈍後の熱伝導複合材料の縦断説明図である。
【図２】Ａは低熱膨張金属板の斜視説明図であり、Ｂは冷間圧接前の各素材の斜視説明図であり、Ｃは冷間圧接、焼鈍後の熱伝導複合材料の縦断説明図である。
【図３】Ａは低熱膨張金属板の斜視説明図であり、Ｂは冷間圧接前の各素材の斜視説明図であり、Ｃは冷間圧接、焼鈍後の熱伝導複合材料の縦断説明図である。
【図４】Ａは低熱膨張金属板の斜視説明図であり、Ｂは冷間圧接前の各素材の斜視説明図であり、Ｃは冷間圧接、焼鈍後の熱伝導複合材料の縦断説明図である。
【図５】Ａは冷間圧接前の各素材の斜視説明図であり、Ｂは冷間圧接、焼鈍後の熱伝導複合材料の縦断説明図である。
【符号の説明】
１ 高熱伝導金属板
２，３ ろう材膜層
４，５ 低熱膨張金属板
６ 貫通孔
７ 拡散層
８，９ ろう材箔
Claims (5)
- Cu 、 Cu 合金、 Al 、 Al 合金のうちから選択される高熱伝導金属板の両面に、 Mo 、 30 〜 50wt%Ni を含有する Ni ‐ Fe 系合金、 25 〜 35wt%Ni 及び 4 〜 20wt%Co を含有する Ni ‐ Co ‐ Fe 系合金、 W のうちから選択され厚み方向に多数の貫通孔を設けた低熱膨張金属板が圧接されて前記貫通孔から高熱伝導金属を低熱膨張金属板表面に露出させて一体化した3層材からなり、少なくとも低熱膨張金属板と高熱伝導金属板の圧接時の対向面部にろう材の拡散層が形成されたことを特徴とする熱伝導複合材料。
- 請求項1において、3層材の両面にCu 、 Cu 合金、 Al 、 Al 合金、 Ni 、 Ni 合金のうちから選択される高熱伝導金属膜層を有することを特徴とする熱伝導複合材料。
- Cu 、 Cu 合金、 Al 、 Al 合金のうちから選択される高熱伝導金属板の両面に、 Mo 、 30 〜 50wt%Ni を含有する Ni ‐ Fe 系合金、 25 〜 35wt%Ni 及び 4 〜 20wt%Co を含有する Ni ‐ Co ‐ Fe 系合金、 W のうちから選択され厚み方向に多数の貫通孔を設けた低熱膨張金属板を対向させて冷間圧接して前記貫通孔から高熱伝導金属を低熱膨張金属板表面に露出させて一体化するに際し、高熱伝導金属板の両面にろう材を設けるか、低熱膨張金属板の圧接対向面側または非圧接面側あるいは貫通孔を含む全面にろう材を設けて、冷間圧接で一体化した3層材を作製した後、ろう材の溶融温度以上に加熱し、少なくとも低熱膨張金属板と高熱伝導金属板の圧接時の対向面部にろう材の拡散層を形成することを特徴とする熱伝導複合材料の製造方法。
- Cu 、 Cu 合金、 Al 、 Al 合金のうちから選択される高熱伝導金属板の両面に、 Mo 、 30 〜 50wt%Ni を含有する Ni ‐ Fe 系合金、 25 〜 35wt%Ni 及び 4 〜 20wt%Co を含有する Ni ‐ Co ‐ Fe 系合金、 W のうちから選択され厚み方向に多数の貫通孔を設けた低熱膨張金属板を対向させて冷間圧接して前記貫通孔から高熱伝導金属を低熱膨張金属板表面に露出させて一体化するに際し、高熱伝導金属板の両面と低熱膨張金属板間にろう材箔を介在させて、冷間圧接で一体化した3層材を作製した後、ろう材の溶融温度以上に加熱し、少なくとも低熱膨張金属板と高熱伝導金属板の圧接時の対向面部にろう材の拡散層を形成することを特徴とする熱伝導複合材料の製造方法。
- 請求項3又は請求項4において、3層材の両面にCu 、 Cu 合金、 Al 、 Al 合金、 Ni 、 Ni 合金のうちから選択される高熱伝導金属膜層を圧接またはめっきにて形成することを特徴とする熱伝導複合材料の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2983396A JP3670381B2 (ja) | 1995-03-10 | 1996-01-23 | 熱伝導複合材料とその製造方法 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7-79567 | 1995-03-10 | ||
| JP7956795 | 1995-03-10 | ||
| JP2983396A JP3670381B2 (ja) | 1995-03-10 | 1996-01-23 | 熱伝導複合材料とその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08316383A JPH08316383A (ja) | 1996-11-29 |
| JP3670381B2 true JP3670381B2 (ja) | 2005-07-13 |
Family
ID=26368086
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2983396A Expired - Lifetime JP3670381B2 (ja) | 1995-03-10 | 1996-01-23 | 熱伝導複合材料とその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3670381B2 (ja) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004296493A (ja) * | 2003-03-25 | 2004-10-21 | Mitsubishi Materials Corp | 放熱体及びパワーモジュール並びに放熱体の製造方法及びパワーモジュールの製造方法 |
| CN105789155B (zh) * | 2014-12-24 | 2019-02-26 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 一种石墨烯复合金属箔及其制备方法 |
| JP6549502B2 (ja) * | 2016-02-26 | 2019-07-24 | 京セラ株式会社 | 放熱基板およびそれを用いた半導体パッケージならびに半導体モジュール |
| JP6304670B1 (ja) * | 2017-04-14 | 2018-04-04 | 株式会社半導体熱研究所 | 放熱基板、放熱基板電極、半導体パッケージ、及び半導体モジュール |
| JP6544727B2 (ja) * | 2017-11-20 | 2019-07-17 | 株式会社半導体熱研究所 | 放熱基板、放熱基板電極、半導体パッケージ、及び半導体モジュール、並びに放熱基板の製造方法 |
-
1996
- 1996-01-23 JP JP2983396A patent/JP3670381B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH08316383A (ja) | 1996-11-29 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR930009314B1 (ko) | 열전도성 복합재 | |
| US5358795A (en) | Heat-conductive material and method of producing the same | |
| JPH0313331A (ja) | 熱膨張係数及び熱伝導率可変複合材料 | |
| JPH09266280A (ja) | 半導体素子実装用リードフレーム | |
| JP3462308B2 (ja) | 熱伝導複合材料の製造方法 | |
| JP2003152144A (ja) | 複合材及びその製造方法 | |
| US5300809A (en) | Heat-conductive composite material | |
| JP3670381B2 (ja) | 熱伝導複合材料とその製造方法 | |
| JP2001358266A (ja) | 半導体搭載用放熱基板材料、その製造方法、及びそれを用いたセラミックパッケージ | |
| JPH06268117A (ja) | 半導体装置用放熱基板およびその製造方法 | |
| JPH02231751A (ja) | リードフレーム用材料 | |
| JPH05109947A (ja) | 熱伝導材料とその製造方法 | |
| JPH0924500A (ja) | 熱伝導複合材料の製造方法 | |
| JPH03227621A (ja) | 熱伝導複合材料 | |
| JP3037485B2 (ja) | 熱伝導材料とその製造方法 | |
| JP2602161B2 (ja) | 高放熱性集積回路パッケージ | |
| JP4623622B2 (ja) | 半導体パッケージ用クラッド材の製造方法および半導体パッケージの製造方法 | |
| JPH0575008A (ja) | 熱伝導材料とその製造方法 | |
| JPH10193168A (ja) | 銅合金ブレージングシート | |
| JP3562304B2 (ja) | 多層リードフレームの製造方法 | |
| JP4633443B2 (ja) | 金属複合材料、その金属複合材料を含む放熱部材および金属複合材料の製造方法 | |
| CN114745858A (zh) | 通过冲压法提高金属电路板热电分离导热效率生产工艺 | |
| JPH1197841A (ja) | プリント回路基板の製造方法 | |
| JPH03290956A (ja) | プラスチックスパッケージ用リードフレーム材料 | |
| JP2002184926A (ja) | 半導体パッケージ及びその製造方法並びに半導体装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20040324 |
|
| A711 | Notification of change in applicant |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A712 Effective date: 20041116 |
|
| RD02 | Notification of acceptance of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422 Effective date: 20041207 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20050107 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20050225 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20050322 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20050414 |
|
| R150 | Certificate of patent (=grant) or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090422 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090422 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100422 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110422 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120422 Year of fee payment: 7 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130422 Year of fee payment: 8 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130422 Year of fee payment: 8 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140422 Year of fee payment: 9 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |