JPH0261539B2 - - Google Patents

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JPH0261539B2
JPH0261539B2 JP62140734A JP14073487A JPH0261539B2 JP H0261539 B2 JPH0261539 B2 JP H0261539B2 JP 62140734 A JP62140734 A JP 62140734A JP 14073487 A JP14073487 A JP 14073487A JP H0261539 B2 JPH0261539 B2 JP H0261539B2
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cte
heat sink
heat
weight percent
alloy
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Aaru Eraato Maikeru
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Tektronix Inc
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Description

【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕 本発明は、一般的に電子部品から発する熱エネ
ルギを発散させる合金ヒート・シンクに関し、特
に電子部品システムにおける異なつた熱膨張を制
御できる合金ヒート・シンクに関する。 〔従来の技術及び発明が解決しようとする問題
点〕 近代的な電子装置はしばしば多数の発熱体を含
む高電力ハイブリツド回路を用いている。例え
ば、ビデオ表示装置用駆動回路は、しばしばかな
りの数の抵抗器、集積回路、その他の半導体部品
を含んでいる。これらの部品は使用中量的に変化
する熱を発生している。さらに、装置の陰極線管
による画像表示に応じて、部品から部品へと熱負
荷変遷がおこる。 上述の部品からの熱を発散させるためには、部
品が取り付けられている基板にヒートシンクを取
り付ける。ヒートシンクとは熱を発生する部品へ
物理的に接触させて部品からの熱を吸収し発散さ
せる装置である。 高電力ハイブリツド回路に用いられる通常のヒ
ートシンクは、アルミニウムで作られている。ア
ルミニウムは熱伝導率が高いのでヒートシンクに
は好適である。熱伝導率とは単位時間に単位厚み
の材料を貫流する熱量を温度勾配で割つたもので
ある。本明細書での熱伝導率は、含有している材
料の典型的には20℃〜150℃の間である通常使用
温度での値である。上記の温度範囲内でのアルミ
ニウムの熱伝導率は約0.53cal／cm・sec・℃であ
る。 上述したようにヒート・シンクは部品が取り付
けられている基板に通常固定する。しかしながら
複数の熱源を有する高電力の回路においては、基
板の熱膨張係数（coefficient of thermal
expansion；以下CTEと記す）と一致していない
CTEを有するヒート・シンクを用いると、しば
しば問題をひき起こす。所定の材料においては、
CTEは温度変化に応じた大きさの変化を表わす
数値である。固体材料のCTE値は温度によつて
非線形に変化する。これらはその製品が最もよく
使われると考えられる温度範囲における温度と
CTEとの曲線の平均化した比例関係として伝統
的に表現されている。 もしヒート・シンクと基板とのCTEが適切に
一致していなければ、回路中の発熱部品によつて
発生する熱はヒートシンクと基板とが異なつた膨
張をする原因になる。その結果としてかなりの機
械的応力が発生し、基板部品の微小なひび割れ、
部品のはがれその他応力がからんだ問題を含む性
能と信頼性に関する問題をひこ起こす。これらの
問題はアルミニウムのヒート・シンク及び酸化ベ
リリウム（BeO）又はアルミナ（Al2O3）によつ
て作られた基板を用いたシステムにおいて観察さ
れてきた。アルミニウムはBeOやAl2O3と比較し
て表１に示すように相対的に高いCTEを有して
いる。
〔問題点を解決するための手段及び作用〕
上述の目的に沿つて本発明は、タングステン、
銅及びニツケルを含む合金によるヒート・シンク
より成る。このヒート・シンクは、１つ以上の発
熱電子部品を含むセラミツク基板に取り付けられ
る。タングステン、銅、ニツケルの比率を調整す
ることによつて、ヒート・シンクのCTEを基板
のCTEと実質的に一致させうる。なぜヒート・
シンクのCTEを基板のCTEに一致させるかとい
えば、熱膨張の違いにより発生する微小なひび割
れとはがれを含む問題を最小限にできるからであ
る。さらに完成されたヒート・シンクは比較的高
い熱伝導率を有し、かなりの量の熱を発散させる
ことができる。 本発明の目的、特徴及び利点は以下に述べる実
施例の詳細な説明と図面とによつて当業者に明ら
かなものとなろう。 〔実施例〕 本発明は望ましいCTEと望ましい熱伝導特性
とを有する改良されたヒート・シンクを提供する
ものである。このヒート・シンクは98重量パーセ
ント以下のタングステンと98重量パーセント以下
の銅と、0.1〜５重量パーセントのニツケルとか
ら成る合金によつてできている。酸化ベリリウム
かアルミナによる基板を商業上適用している物に
対しては、この合金は75〜95重量パーセントのタ
ングステンと３〜23重量パーセントの銅と、約２
重量パーセントのニツケルとを含ませることが望
ましい。 上述の金属要素を選択するにあたつてはさまざ
まな配慮がなされている。一般的傾向として、望
ましい熱伝導率を有するたいていの金属は、望ま
しからぬ程高い熱膨張により特徴づけられてい
る。同様に低いCTEの金属は、たいてい熱伝導
性が悪い。タングステンは熱伝導率が比較的低い
がCTEも低い。これとは対照的に銅は熱伝導率
もCTEも高い。本発明においてこれらの材料を
融合させて合金を作ると、タングステンの低い
CTEと銅の高い熱伝導性が生かせる。 ニツケルは、タングステンと銅との金属結合材
として添加され、以下に述べるように最終製品の
構造的完成度を増し、製造を容易にする。ニツケ
ルの量は製造条件が是認するかぎり上述の範囲内
で変化させてもよい。 タングステン、銅、ニツケルの熱膨張係数及び
熱伝導率は以下の表２に記す。
【表】 タングステン、銅、及びニツケルの比率を調整
することによつて、基板のCTEとヒート・シン
クのCTEとを実質上一致させることは可能であ
る。ここで用いている「一致させる」という言葉
は、必ずしも基板のCTEがヒート・シンクの
CTEと厳密に等しいということではない。CTE
の値は温度に対して非線型に異なつて変化するの
で、CTEの値を正確に一致させることは技術上
不可能である。ある温度でCTEが一致しても別
の温度では不一致となる。表３と第２図とは、96
重量パーセントアルミナの基板の場合と、89重量
パーセントのタングステン、９重量パーセントの
銅、２重量パーセントのニツケルによる合金の場
合との、温度との関係を示した表とグラフであ
る。
【表】 CTEと温度との正比例しない関係の観点に立
つと、包含されている夫々の異なつた基板に合わ
せて適切な合金の混合形態を選定するべく技術研
究がなされなければならない。CTEの選定は、
さまざまな要因を含んでいる。すなわち発熱部品
の使用温度範囲、使用される材料の相対的な厚
み、部品間で伝達される熱負荷の比率、その他の
要因であり、これらのすべては実験室の条件下で
実験的に決定することが可能である。しかしなが
ら、以下に２種類の合金例を示すが、これらはア
ルミナと酸化ベリリウムの基板と共に用いたとき
広い温度範囲にわたつてすぐれた成績を示しうる
ものである。
【合金例】
上述したように、電子工業界で通常用いられて
いる基板用材料は、酸化ベリリウムとアルミナと
から成るセラミツクベースの成分を含むものであ
る。２種類のヒート・シンク用合金は、アルミナ
及び酸化ベリリウムと共に用いるとき高い熱伝導
性と低い熱膨張性とを示すように配合される。 第１の合金は89重量パーセントのタングステ
ン、９重量パーセントの銅、２重量パーセントの
ニツケルを含むものであり「89−９−２」という
形で表わすことにする。第２の合金は、80重量パ
ーセントのタングステンと18重量パーセントの
銅、２重量パーセントのニツケルとを含むもので
あり、同様に「80−18−２」という形で表わすこ
とにする。下の表４は、第１、第２の合金の
CTEと熱伝導率値とを酸化ベリリウムとアルミ
ナとの比較において示した表である。第１の合金
と第２の合金は、合金と基板との正確な一致が上
述の要因に依存するとしても酸化ベリリウムとア
ルミナの基板に用いることが可能である。
【表】 第１の合金と第２の合金はそれぞれ125℃と150
℃までの使用温度範囲において、集積回路と抵抗
体とを用いたシステムの中で機械的応力を避ける
うえで効果的であることが証明された。さらにこ
れらの合金は−40℃から150℃で保存されるとき
の条件下においても使用が可能であることがわか
つた。
【合成法】
上述の合金を準備するためには、青いタングス
テン酸化物（W2O5）、黒いニツケル酸化物
（NiO）、黒い銅酸化物（CuO）らを最初に化合さ
せ、次に同時還元する。ここでの「青い」とか
「黒い」という言葉は、使用される酸化物の色特
性をいい表わす標準的な言葉である。同時還元は
水素雰囲気中にて１〜４時間にわたり、400℃〜
900℃の温度範囲で加熱することを含む。その結
果、酸化物は元素たる金属に還元され、水が生成
される。生成した金属粉を実際に用いられる形状
に近い形に形づくるか、その他の望ましい形状に
形づくる。 次にこれらの金属を15分から２時間に亘つて約
1200℃〜1500℃の温度下にて水素雰囲気中にて焼
結する。焼結とは高温で金属粉から塊を作ること
を含む。焼結によつて最終製品の強度、伝導率、
及び密度を増すことができる。ニツケルは焼結工
程において、銅との合金にすることにより金属化
合の母体融点をひき下げ、タングステンが溶融す
ることを促進する。 酸化物の代りに元素たる金属の粉を用いた上述
の合金を準備することも可能である。金属粉を使
用するなら還元工程は不要になる。 最終製品の厚みは通常千分の数インチから１イ
ンチまでの間である。たいていの用途には0.25イ
ンチの厚さにすることが効率的である。しかしな
がら製品の厚さはその最終的用途、包含される発
熱部品、費用の要因、及び機械的強度の要求など
に依存する。
【回路パツケージに本発明を適用する方法】
第１図は本発明に基づいて作られたヒート・シ
ンクを用いた完成回路パツケージ１０の断面図で
ある。回路パツケージ１０は集積回路１２、抵抗
体１４、セラミツク回路基板１６、エポキシ層１
８、ヒート・シンク２０、及び選択的に設けられ
た冷却板２２を含んでいる。 集積回路１２と抵抗体１４は、従来の方法を用
いて基板１６に取り付ける。基板１６はこの分野
で知られているエポキシ樹脂の接着材を用いてヒ
ート・シンク２０に取り付けることが望ましい。
しかしながら、基板１６はヒート・シンク２０に
半田接合又は溶融接合してもよい。もしエポキシ
を用いるなら、接着材の適切なゆ着を可能にする
ため組立温度は100℃〜200℃にする。もし半田付
けをするなら、組立温度は200℃〜600℃の間であ
る。溶融温度は元来約1100℃以下である。 もし望むならば、ヒート・シンク２０に冷却板
２２を選択的に取り付けてもよい。冷却板２２は
熱の発散をさらに助ける。この冷却板は外側に向
けられた複数のフインを有する平らな金属板か、
または冷水を流す導管を中に有する金属構体によ
つて構成してもよい。 ヒート・シンクの構成成分、包含される基板、
これらの部品が使用される機器に応力特性が依存
するので、外気の温度下では基板上で内部応力が
存する状態としておくことにより回路パツケージ
の応力特性をさらに向上させることは可能であ
る。このことを達成するためにヒート・シンクの
CTEは基板のそれよりもやや高めに設定してお
く。そこで基板とヒート・シンクとを双方を加熱
した状態で接合する。ヒート・シンクのCTEが
やや高めなので、接合中に保たれる一定温度の許
ではヒート・シンクは基板よりもよけいに膨張し
ている。結果的に接合後の冷却段階でヒート・シ
ンクは基板よりもよけいに収縮し、基板を圧縮さ
せることになる。 この技術は回路パツケージに熱の下降勾配があ
る場合に有効である。このような場合、温度水準
は発熱体素子からの距離が増すにつれて著しく低
下する。この指向性の温度低下は、第１図の矢印
２４によつて示した。基板が予備圧縮力をかける
ことによつて、基板がヒート・シンクよりもいつ
そう熱を受けるので、このような予備圧縮力は基
板が受け取る余分な熱とそれに伴なう余分な膨張
を補償することになる。その結果、基板とヒー
ト・シンクの熱膨張は、使用温度水準で実質的に
一致する。 実験室では、80重量パーセントのタングステン
と、18重量パーセントの銅と、２重量パーセント
のニツケルを含む合金、すなわち上述した第２の
合金によるヒート・シンクを用いることにより回
路パツケージに予備圧縮力を発生させることがで
きた。完成品のヒート・シンクは、25℃〜125℃
の温度範囲にて8.0ppm／℃のCTEを有し、
6.0ppm／℃（25℃〜125℃にて）のCTEを有する
96％アルミナの基板に接合した。２つの部品を
140℃の許でエポキシ接着材を用いて接合した。
この生成物を冷却すると外気の温度水準において
予備圧縮力を発生させることができた。 本発明に関しては十分に説明してきたので、こ
の分野で通常の知識を有する者にとつては、本発
明の要旨を変更することなくさまざまな変形・変
更を加えうることは明らかである。さまざまな本
発明の実用例、製造、及び成分の特質は、その使
用目的に応じて変形されうる。 例えば本発明に用いられているニツケルにはパ
ラジウム、銀、金、コバルト、鉄又はこれらの混
成物が全体的に又は部分的に代替されうる。パラ
ジウム、銀及び金はすぐれた熱伝導特性を有して
いるが、これらの材料はたいへん高価なものであ
る。さらに上述の合金におけるタングステンはモ
リブデンによつても代替できる。モリブデンは、
タングステンよりも熱伝導率が低いが、重量では
より軽い。重量に対する考慮が重要である場合
は、モリブデンを使用することが望ましい。 基板に非常に高いCTEを有するものが含まれ
ているとき、タングステンを完全に省いてしまつ
てもよい。こうすると、相応して高いCTEを有
するヒート・シンクになる。タングステンの省略
は、使用温度が非常に高いシステムに適用可能で
ある。同様に、回路が使用される温度が非常に低
い場合、又は（シリコン集積回路のように）
CTEの低い半導体にヒート・シンクを直接付け
るような場合には、銅を省略してもよい。 形状にかかわりなく本発明は部品パツケージ技
術を進歩させるものである。ヒート・シンク合
CTEを関連の基板のCTEに一致させうるので、
CTEが固定されているヒート・シンク材料を用
いているシステムに比較してさまざまな利点を有
する。CTEを一致させることは、上述した理由
により高電力回路を用いる電子システムにあつて
は特に重要である。 〔発明の効果〕 本発明によつて高い熱伝導率を有する合金ヒー
ト・シンクが提供される。また本発明によつて、
ヒート・シンクとこのヒート・シンクに取り付く
電子部品の熱膨張係数を実質的に一致させること
ができ、広い温度範囲にわたつて適用可能とな
る。更に熱負荷変遷のある電子部品に対しても好
適であり、電子部品の微小なひび割れ、ヒート・
シンクからのはがれ等が防止できる。また本発明
によつて製造が容易で費用の安い合金ヒート・シ
ンクが提供できる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明に基づいて作られたヒート・シ
ンクを用いた完成回路パツケージの断面図、第２
図は89重量パーセントのタングステン、９重量パ
ーセントの銅、２重量パーセントのニツケルによ
る合金及び96重量パーセントのアルミナを含む基
板の温度と熱膨張係数との関係を示した表とグラ
フである。 これらの図において２０は合金ヒート・シンク
である。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. １ 98重量パーセント以下のタングステン、モリ
    ブデン、又はこの両者の混合物と、98重量パーセ
    ント以下の銅と、0.1〜５重量パーセントの金属
    結合材から成る合金より成る合金ヒート・シン
    ク。
JP62140734A 1986-06-06 1987-06-04 合金ヒ−ト・シンク Granted JPS62294147A (ja)

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