JPH0738428B2 - 複合構造物 - Google Patents
複合構造物Info
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- JPH0738428B2 JPH0738428B2 JP1879090A JP1879090A JPH0738428B2 JP H0738428 B2 JPH0738428 B2 JP H0738428B2 JP 1879090 A JP1879090 A JP 1879090A JP 1879090 A JP1879090 A JP 1879090A JP H0738428 B2 JPH0738428 B2 JP H0738428B2
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Description
【発明の詳細な説明】 発明の背景 電子デバイスにおける新規の集積回路チップテクノロジ
ーの急成長は、エレクトロニクス工業におけるプリント
回路基板の要件を変化させていた。特に、無鉛セラミッ
クチップキャリヤの使用は、操作部品の記憶密度を３〜
９倍高くし、従って、既存の熱管理問題よりも厳しい熱
管理問題が生じている。無鉛セラミックチップキャリヤ
は、表面装着するように設計されている。デバイスをプ
リント回路ボードに半田接続することは、電気接続と機
械的連結との両方である。これらのチップキャリヤを通
常の回路ボード、例えば、エポキシガラスの複合体製の
ものの上に装着する時には、チップキャリヤおよびボー
ドの熱膨張率の食い違いは、重大である。チップキャリ
ヤは−55℃〜200℃の温度範囲にわたって約6.4ppm/℃の
線熱膨張率（CTE）を有する一方、エポキシガラスは同
じ温度範囲にわたって約16ppm/℃のCTEを有する。この
高い食い違いは、熱サイクリング時に半田継手応力破損
を生じさせる。
ーの急成長は、エレクトロニクス工業におけるプリント
回路基板の要件を変化させていた。特に、無鉛セラミッ
クチップキャリヤの使用は、操作部品の記憶密度を３〜
９倍高くし、従って、既存の熱管理問題よりも厳しい熱
管理問題が生じている。無鉛セラミックチップキャリヤ
は、表面装着するように設計されている。デバイスをプ
リント回路ボードに半田接続することは、電気接続と機
械的連結との両方である。これらのチップキャリヤを通
常の回路ボード、例えば、エポキシガラスの複合体製の
ものの上に装着する時には、チップキャリヤおよびボー
ドの熱膨張率の食い違いは、重大である。チップキャリ
ヤは−55℃〜200℃の温度範囲にわたって約6.4ppm/℃の
線熱膨張率（CTE）を有する一方、エポキシガラスは同
じ温度範囲にわたって約16ppm/℃のCTEを有する。この
高い食い違いは、熱サイクリング時に半田継手応力破損
を生じさせる。
更に、チップキャリヤで達成できるより高い記憶密度
は、プリント回路ボードの単位面積当たり従来遭遇した
ものよりも高い熱を発生させる。この熱は、デバイスに
おける高温破損を防止するために散逸しなければならな
い。通常のエポキシガラスプリント回路ボード材料は、
断熱材である且つ熱散逸用の別個の予防策なしには高い
記憶密度応用には好適ではない。
は、プリント回路ボードの単位面積当たり従来遭遇した
ものよりも高い熱を発生させる。この熱は、デバイスに
おける高温破損を防止するために散逸しなければならな
い。通常のエポキシガラスプリント回路ボード材料は、
断熱材である且つ熱散逸用の別個の予防策なしには高い
記憶密度応用には好適ではない。
前記問題を解決しようとする幾らかの試みがなされてい
る。この技術の研究者は、ナショナル・エレクトロニッ
ク・パッケージング・エンド・プロダクション・コンフ
ェレンスで提示された「インプレメンテーション・オブ
・サーフェス・マウント・テクノロジー・イン・ハイ・
リライアビリティー・プロダクツ（Implementation of
Surface Mount Technology in High ReliabilityProduc
ts）」、G.L.ホートン（ネプコン・ウェスト、1987年２
月、カナダ国アナハイムのアナハイム・コンベンション
・センター）および「ミリタリー・ムーブズ・ヘッドロ
ング・イント・サーフェス・マウンティング（Military
MovesHeadlong Into Surface Mounting）」、ジェリー
・ライマンによるスペシャル・レポート、Electronics,
1986年７月10日に記載のような銅／鉄−ニッケル合金／
銅サンドイッチ構造を使用している。この形状において
は、複合サンドイッチ構造のCTEは、無鉛セラミックチ
ップキャリヤのCTE、即ち、約6.4ppm/℃にマッチさせる
ことができる。サンドイッチの中心における鉄−ニッケ
ル合金〔インコ・アロイズ・インターナショナル・イン
コーポレーテッドによってニロ（NILOTM）36としても販
売されているインバール）は、−18℃〜175℃の温度範
囲にわたって1.6ppm/℃のCTEを有する（特に断らない限
り、ここで使用する熱膨張はこの温度範囲にわたっての
ものである）。
る。この技術の研究者は、ナショナル・エレクトロニッ
ク・パッケージング・エンド・プロダクション・コンフ
ェレンスで提示された「インプレメンテーション・オブ
・サーフェス・マウント・テクノロジー・イン・ハイ・
リライアビリティー・プロダクツ（Implementation of
Surface Mount Technology in High ReliabilityProduc
ts）」、G.L.ホートン（ネプコン・ウェスト、1987年２
月、カナダ国アナハイムのアナハイム・コンベンション
・センター）および「ミリタリー・ムーブズ・ヘッドロ
ング・イント・サーフェス・マウンティング（Military
MovesHeadlong Into Surface Mounting）」、ジェリー
・ライマンによるスペシャル・レポート、Electronics,
1986年７月10日に記載のような銅／鉄−ニッケル合金／
銅サンドイッチ構造を使用している。この形状において
は、複合サンドイッチ構造のCTEは、無鉛セラミックチ
ップキャリヤのCTE、即ち、約6.4ppm/℃にマッチさせる
ことができる。サンドイッチの中心における鉄−ニッケ
ル合金〔インコ・アロイズ・インターナショナル・イン
コーポレーテッドによってニロ（NILOTM）36としても販
売されているインバール）は、−18℃〜175℃の温度範
囲にわたって1.6ppm/℃のCTEを有する（特に断らない限
り、ここで使用する熱膨張はこの温度範囲にわたっての
ものである）。
しかしながら、このサンドイッチ構造は、１つの主要な
欠点を有する。銅は約400W/メートル度ケルビン（W/m゜
K）の優秀な熱伝導率を有するが、インバールは約9.6W/
m゜Kのみの熱伝導率を有する。このことは、ストリップ
に沿っての熱伝導率が良好であるが、ストリップを通し
ての伝導率が非常に貧弱であることを意味する。このよ
うに、銅／インバール／銅のサンドイッチ構造は、進歩
した回路ボード設計においては余り有利ではない。
欠点を有する。銅は約400W/メートル度ケルビン（W/m゜
K）の優秀な熱伝導率を有するが、インバールは約9.6W/
m゜Kのみの熱伝導率を有する。このことは、ストリップ
に沿っての熱伝導率が良好であるが、ストリップを通し
ての伝導率が非常に貧弱であることを意味する。このよ
うに、銅／インバール／銅のサンドイッチ構造は、進歩
した回路ボード設計においては余り有利ではない。
制御された膨張性およびシートを通しての改良された熱
伝導率を有する複合体を製造しようとする別のアプロー
チは、米国特許第4,283,464号明細書に記載され且つ請
求されている。この米国特許第4,283,464号明細書は、
高度に熱伝導性である材料、例えば、銅または銀が充填
された孔を有する低いCTEプレートを有することを教示
している。この特許された開発は、２つの主要な問題を
有する。第一に、プレートの表面は高い熱伝導スポット
と低い熱伝導スポットとの両方の混合物を有し、即ち、
除熱速度は低CTEの材料上での約9W/m゜Kから銅上での約3
97W/m゜Kまで変化するであろう。低CTE材料のシートに穿
孔または押抜くことができる孔の最小の実用サイズは、
約1.0〜1.5mmであり、これはその上に装着すべき部品の
大きさと比較して大きい寸法であり、不均質な熱伝達は
これらのデバイスにおいて許容できない熱誘導ひずみま
たは温度勾配を生ずるであろう。第二に、前記米国特許
第4,283,464号明細書は、冷却すべきデバイスのCTEとマ
ッチさせるために約５〜6ppm/℃のCTEを有するコバル
（KOVARTM）（合金42）材料の使用を主張している。し
かしながら、著者は、デバイスを実現していないか組み
立てておらず、最終デバイスのCTEを測定しいないか、
以下で立証されるように孔中の銅の存在は加熱する時に
デバイス上の高い膨張力をかけるであろうし且つデバイ
スの平均CTEはコバル（合金42）プレートのCTEよりも実
質上高いであろうことを見出すであろう。このように、
米国特許第4,283,464号明細書に記載のデバイスは、記
載のような性質を有していないであろう。
伝導率を有する複合体を製造しようとする別のアプロー
チは、米国特許第4,283,464号明細書に記載され且つ請
求されている。この米国特許第4,283,464号明細書は、
高度に熱伝導性である材料、例えば、銅または銀が充填
された孔を有する低いCTEプレートを有することを教示
している。この特許された開発は、２つの主要な問題を
有する。第一に、プレートの表面は高い熱伝導スポット
と低い熱伝導スポットとの両方の混合物を有し、即ち、
除熱速度は低CTEの材料上での約9W/m゜Kから銅上での約3
97W/m゜Kまで変化するであろう。低CTE材料のシートに穿
孔または押抜くことができる孔の最小の実用サイズは、
約1.0〜1.5mmであり、これはその上に装着すべき部品の
大きさと比較して大きい寸法であり、不均質な熱伝達は
これらのデバイスにおいて許容できない熱誘導ひずみま
たは温度勾配を生ずるであろう。第二に、前記米国特許
第4,283,464号明細書は、冷却すべきデバイスのCTEとマ
ッチさせるために約５〜6ppm/℃のCTEを有するコバル
（KOVARTM）（合金42）材料の使用を主張している。し
かしながら、著者は、デバイスを実現していないか組み
立てておらず、最終デバイスのCTEを測定しいないか、
以下で立証されるように孔中の銅の存在は加熱する時に
デバイス上の高い膨張力をかけるであろうし且つデバイ
スの平均CTEはコバル（合金42）プレートのCTEよりも実
質上高いであろうことを見出すであろう。このように、
米国特許第4,283,464号明細書に記載のデバイスは、記
載のような性質を有していないであろう。
目的 本発明の目的は、前記欠陥のすべてを解消する複合材料
を提供することにある。
を提供することにある。
本発明の更に他の目的は、熱伝導が比較的等方性である
低い熱膨張性を有する高伝導性複合体を提供すること、
および実用的製法を提供することにある。
低い熱膨張性を有する高伝導性複合体を提供すること、
および実用的製法を提供することにある。
発明の具体的な説明 本発明は、中心部材が部材を貫通する複数の実質上均一
に分布された孔を有する約５〜12ppm/℃の範囲内のCTE
を有する金属のプレートまたはストリップからなる複合
サンドイッチを意図する。複合体の外部部材は、銅（熱
伝導率397W/m゜K）などの高伝導性材料からなり且つ中心
部材における孔にも高伝導性材料を充填する。複合体の
全体は、例えば、熱間圧延に付随する冶金結合によって
一緒に一体的に結合する。外部部材および中心部材の厚
さの比率および中心部材における充填孔の容量％は、材
料における熱流の能力がプレートまたはストリップの長
さおよび幅、即ち、x-y軸に沿って且つストリップを通
して、即ち、ｚ軸を通してほぼ同じであるように制御す
る。x-y方向の熱伝導（Kx-y）対ｚ方向の熱伝導（Kz）
の比率は、約0.9〜2.0である。更に、外部部材および中
心部材の厚さの比率および孔の％は、約５〜12ppm/℃の
所要CTEが得られるように維持する。
に分布された孔を有する約５〜12ppm/℃の範囲内のCTE
を有する金属のプレートまたはストリップからなる複合
サンドイッチを意図する。複合体の外部部材は、銅（熱
伝導率397W/m゜K）などの高伝導性材料からなり且つ中心
部材における孔にも高伝導性材料を充填する。複合体の
全体は、例えば、熱間圧延に付随する冶金結合によって
一緒に一体的に結合する。外部部材および中心部材の厚
さの比率および中心部材における充填孔の容量％は、材
料における熱流の能力がプレートまたはストリップの長
さおよび幅、即ち、x-y軸に沿って且つストリップを通
して、即ち、ｚ軸を通してほぼ同じであるように制御す
る。x-y方向の熱伝導（Kx-y）対ｚ方向の熱伝導（Kz）
の比率は、約0.9〜2.0である。更に、外部部材および中
心部材の厚さの比率および孔の％は、約５〜12ppm/℃の
所要CTEが得られるように維持する。
本発明の方法によって調製される複合材料のニッケル−
鉄成分は、有利にはインバール、通常の量の不純物およ
び付随的元素と一緒にニッケル約36％を含有し残部が本
質上鉄である合金である。しかしながら、低膨張合金
は、ニッケル約32〜40重量％（残部は鉄）の範囲にわた
って調製でき、コバルトなどの他の元素はニッケル約５
％までの代わりに使用できる。以前から既知のように、
ニッケル36％（残部は鉄）合金によって示されるCTEの
最小値は、マンガンまたはクロムが合金に存在する時に
はより高いニッケル含量に移行でき、銅または炭素が合
金に存在する時にはより低いニッケル含量に移行でき
る。詳細には、本発明は、M.A.ハンターによりメタルズ
・ハンドブック（Metals Handbook）の低膨張合金に関
する章、ASM、第８版、Vol.1、第816頁〜第819頁に議論
のニッケル−鉄低CTE合金の使用を意図する。
鉄成分は、有利にはインバール、通常の量の不純物およ
び付随的元素と一緒にニッケル約36％を含有し残部が本
質上鉄である合金である。しかしながら、低膨張合金
は、ニッケル約32〜40重量％（残部は鉄）の範囲にわた
って調製でき、コバルトなどの他の元素はニッケル約５
％までの代わりに使用できる。以前から既知のように、
ニッケル36％（残部は鉄）合金によって示されるCTEの
最小値は、マンガンまたはクロムが合金に存在する時に
はより高いニッケル含量に移行でき、銅または炭素が合
金に存在する時にはより低いニッケル含量に移行でき
る。詳細には、本発明は、M.A.ハンターによりメタルズ
・ハンドブック（Metals Handbook）の低膨張合金に関
する章、ASM、第８版、Vol.1、第816頁〜第819頁に議論
のニッケル−鉄低CTE合金の使用を意図する。
本発明の複合構造物のデザインは、約５〜12ppm/℃の範
囲内の所定のCTEを有する構造物の要件から始める。図
面の第１図は、本発明の複合サンドイッチを調製するた
めに使用される熱間圧延の温度によって達成されるよう
なインバール−銅複合体におけるCTEと銅の容量％との
間の関係を示す。一般に、本発明に係る複合体における
銅の容量％の範囲は、約35〜70容量％である。一旦この
範囲内の値が選ばれたら、低いCTEを有する金属、例え
ば、インバールおよび銅の相対量が、確立される。次い
で、本発明の複合体を定義するために表面に横たわる銅
対インバールのプレートまたはストリップを通過する銅
の比率を確認することが今後の問題である。第１図の内
容の詳細については、後述する。
囲内の所定のCTEを有する構造物の要件から始める。図
面の第１図は、本発明の複合サンドイッチを調製するた
めに使用される熱間圧延の温度によって達成されるよう
なインバール−銅複合体におけるCTEと銅の容量％との
間の関係を示す。一般に、本発明に係る複合体における
銅の容量％の範囲は、約35〜70容量％である。一旦この
範囲内の値が選ばれたら、低いCTEを有する金属、例え
ば、インバールおよび銅の相対量が、確立される。次い
で、本発明の複合体を定義するために表面に横たわる銅
対インバールのプレートまたはストリップを通過する銅
の比率を確認することが今後の問題である。第１図の内
容の詳細については、後述する。
明瞭さのために、本発明の複合体を、分解形態で部分が
かなり誇張された図面の第２図に図示する。複合体11
は、全体として銅−インバール（または他の低CTE合
金）プレート17をサンドイッチしている銅のトップ層1
3、底部銅層15を具備する。プレート17は、ニッケル−
鉄合金マトリックス19および銅インサート21を包含す
る。当業者は、現実に銅層13および15が銅インサート21
の銅に結合され且つ一体であることを認識するであろ
う。複合体11は、有利にはニッケル−鉄合金の有孔プレ
ートまたはシートを用意し、このシートを銅の２シート
間にサンドイッチし、サンドイッチの温度を約700〜約9
50℃に上げ、サンドイッチを熱間圧延して第２図に示す
ような一体複合体を与えることによって作る。或いは、
本発明の複合体は、低CTEニッケル−鉄合金の有孔プレ
ートまたはシート上に銅を電気メッキまたは無電解メッ
キした後、溶着銅を熱間変形して（例えば、圧延によ
り）有孔プレート中の孔を完全に充填することによって
作ることができる。また、メッキ銅とシート状銅との組
み合わせによって所要量の銅を与えることが可能であ
る。
かなり誇張された図面の第２図に図示する。複合体11
は、全体として銅−インバール（または他の低CTE合
金）プレート17をサンドイッチしている銅のトップ層1
3、底部銅層15を具備する。プレート17は、ニッケル−
鉄合金マトリックス19および銅インサート21を包含す
る。当業者は、現実に銅層13および15が銅インサート21
の銅に結合され且つ一体であることを認識するであろ
う。複合体11は、有利にはニッケル−鉄合金の有孔プレ
ートまたはシートを用意し、このシートを銅の２シート
間にサンドイッチし、サンドイッチの温度を約700〜約9
50℃に上げ、サンドイッチを熱間圧延して第２図に示す
ような一体複合体を与えることによって作る。或いは、
本発明の複合体は、低CTEニッケル−鉄合金の有孔プレ
ートまたはシート上に銅を電気メッキまたは無電解メッ
キした後、溶着銅を熱間変形して（例えば、圧延によ
り）有孔プレート中の孔を完全に充填することによって
作ることができる。また、メッキ銅とシート状銅との組
み合わせによって所要量の銅を与えることが可能であ
る。
例 通常の商業的不純物と一緒にニッケル36％（残部は鉄）
を含有するインバールシートを通常の熱間圧延法によっ
て圧延して厚さ0.89mmおよび1.27mmのストリップとし
た。このストリップの電気抵抗率は、81ミクロオームcm
であると測定された。CTEは30〜400℃で2.0ppm/℃であ
ると測定された。
を含有するインバールシートを通常の熱間圧延法によっ
て圧延して厚さ0.89mmおよび1.27mmのストリップとし
た。このストリップの電気抵抗率は、81ミクロオームcm
であると測定された。CTEは30〜400℃で2.0ppm/℃であ
ると測定された。
市販等級の銅シートを厚さ0.38mm、0.508mmおよび0.635
mmで購入した。このシートの電気抵抗率は1.8ミクロオ
ームcmであると測定され、CTEは18ppm/℃であると測定
された。
mmで購入した。このシートの電気抵抗率は1.8ミクロオ
ームcmであると測定され、CTEは18ppm/℃であると測定
された。
インバールストリップに2.78mmの千鳥センター上の直径
1.59mmの孔を穿孔して、その中に開口面積28％を有する
有孔インバールストリップを与えた。
1.59mmの孔を穿孔して、その中に開口面積28％を有する
有孔インバールストリップを与えた。
銅シートおよび有孔インバールシートの厚さの各種の組
み合わせを積み重ねて銅／インバール／銅サンドイッチ
を作った。これらのサンドイッチを天然ガスの部分燃焼
によって調製され且つ０℃の制御露点を有するCO2％＋H
2を含有するわずかに還元性の雰囲気中で750℃または85
0℃のいずれかで操作するベルト炉に入れた。前記炉内
の滞留時間は、10分であった。次いで、試料を加熱ロー
ル中で所定温度で圧延して、表Ｉに示す厚さのストリッ
プを与えた。次いで、熱間圧延サンドイッチストリップ
を冷間圧延して表示の最終厚さとし、H210％で残部はN2
の雰囲気中で550℃において10分間応力解除した。
み合わせを積み重ねて銅／インバール／銅サンドイッチ
を作った。これらのサンドイッチを天然ガスの部分燃焼
によって調製され且つ０℃の制御露点を有するCO2％＋H
2を含有するわずかに還元性の雰囲気中で750℃または85
0℃のいずれかで操作するベルト炉に入れた。前記炉内
の滞留時間は、10分であった。次いで、試料を加熱ロー
ル中で所定温度で圧延して、表Ｉに示す厚さのストリッ
プを与えた。次いで、熱間圧延サンドイッチストリップ
を冷間圧延して表示の最終厚さとし、H210％で残部はN2
の雰囲気中で550℃において10分間応力解除した。
（１）H210％、残部H2中で550℃において10分間焼鈍 （２）シートを通しての伝導率 （３）シートに沿っての伝導率 サンドイッチの電気抵抗率をストリップに沿って、即
ち、サンドイッチの平面で測定した。結果を表Ｉに示
す。
ち、サンドイッチの平面で測定した。結果を表Ｉに示
す。
ストリップを所定の長さに切断し、金属組織学的方法に
よって観察した。インバールストリップ内の孔のすべて
に銅を完全に充填した。銅は、孔内においてさえインバ
ールと一体的に結合した。全サンドイッチは、平らであ
り且つ表面亀裂を含まなかった。
よって観察した。インバールストリップ内の孔のすべて
に銅を完全に充填した。銅は、孔内においてさえインバ
ールと一体的に結合した。全サンドイッチは、平らであ
り且つ表面亀裂を含まなかった。
単純な計算を製造されたストリップの各々に関して行
い、表Ｉに示す。銅の容量％を示す。
い、表Ｉに示す。銅の容量％を示す。
複合ストリップの縦方向抵抗率は、先ずインバール内の
孔を充填させた後の銅シートの最終厚さを計算し、次い
で、出発銅の場合には予め測定された抵抗率1.8ミクロ
オームcm、出発インバールシートの場合には81ミクロオ
ームcmを使用して既知の単純な標準式を適用することに
よって計算した。
孔を充填させた後の銅シートの最終厚さを計算し、次い
で、出発銅の場合には予め測定された抵抗率1.8ミクロ
オームcm、出発インバールシートの場合には81ミクロオ
ームcmを使用して既知の単純な標準式を適用することに
よって計算した。
表Ｉに示すような測定された電気抵抗率と計算された電
気抵抗率との比較は、複合体が抵抗率の予想値および銅
の性質を有し且つインバールが熱機械的処理によっては
顕著には変化しないことを示す。
気抵抗率との比較は、複合体が抵抗率の予想値および銅
の性質を有し且つインバールが熱機械的処理によっては
顕著には変化しないことを示す。
技術上周知のように、銅合金（および大抵の金属）の熱
伝導率は、電気抵抗率に反比例する。このように、製造
された複合体の幾何学的形状を考慮しながら、熱伝導率
が銅の場合の397W/m゜Kおよびインバールの場合の9.8W/゜
Kの値から計算するのと同じであることを判断すること
がより困難であろうと予想されるであろう。複合体の平
面とシートを通してとの両方で複合体の熱伝導率の計算
値を表Ｉに示す。比較のため、インバールの無孔シート
で調製されたテキサス・インストルメンツ（TI）製のCu
/インバール/CuサンドイッチのCTE値は、銅の全容量％
に基づいて本発明の複合体のCTE値を非常によく追尾す
る（track）。しかしながら、x-y方向のTI複合体の熱伝
導率は、ｚ方向の熱伝導率の大体10倍である。TI複合体
のCTE値を本願の始めに言及した文献から取る。本発明
者等の計算は、米国特許第4,283,464号明細書に記載さ
れ且つ定義された複合体においては、CTEが報告のよう
な7ppm/℃であるよりもむしろ約15ppm/℃であり且つ
「ｚ」方向の熱伝導率が「x-y」方向の熱伝導率の約６
倍であることを示す。
伝導率は、電気抵抗率に反比例する。このように、製造
された複合体の幾何学的形状を考慮しながら、熱伝導率
が銅の場合の397W/m゜Kおよびインバールの場合の9.8W/゜
Kの値から計算するのと同じであることを判断すること
がより困難であろうと予想されるであろう。複合体の平
面とシートを通してとの両方で複合体の熱伝導率の計算
値を表Ｉに示す。比較のため、インバールの無孔シート
で調製されたテキサス・インストルメンツ（TI）製のCu
/インバール/CuサンドイッチのCTE値は、銅の全容量％
に基づいて本発明の複合体のCTE値を非常によく追尾す
る（track）。しかしながら、x-y方向のTI複合体の熱伝
導率は、ｚ方向の熱伝導率の大体10倍である。TI複合体
のCTE値を本願の始めに言及した文献から取る。本発明
者等の計算は、米国特許第4,283,464号明細書に記載さ
れ且つ定義された複合体においては、CTEが報告のよう
な7ppm/℃であるよりもむしろ約15ppm/℃であり且つ
「ｚ」方向の熱伝導率が「x-y」方向の熱伝導率の約６
倍であることを示す。
本発明の複合体のCTEデータを第１図に銅の容量％の関
数としてプロットする。第１図中、２つの測定点「×」
および実線は表Ｉにおける熱間圧延温度750℃の場合に
対応する値であり、表Ｉの最初の２つの例の測定値およ
び外挿線を示す。一方、第１図の２つの測定点「□」
は、表Ｉの第３番目と第４番目の測定値を示す。さら
に、第１図中の２つの「○」および破線は、テキサスイ
ンストルメンツ社（TI）製のインバールの無孔シートの
場合の測定値（熱間圧延温度850℃の場合）を比較例と
して示すものである。なお、第１図中のCu容量０％〜10
0％の間に引かれた実線は一定の基準を表す。本発明の
有用範囲内の複合体構造の場合には、複合体のCTEはCu
の容量％および熱間圧延温度のみの関数であることに留
意。テキサス・インストルーメンツ製の複合体のCTEに
関する発表データ点は、850℃で熱間圧延された本発明
の複合体に関するデータ点と同じ線上にある。750℃で
の熱間圧延と850℃での熱間圧延との間のCTEの差は、銅
のより大きい％においてより大きい。その理由は、複合
体をより高い温度で圧延する時は、銅が冷却時にインバ
ール上により高い圧縮力をかけるからである。
数としてプロットする。第１図中、２つの測定点「×」
および実線は表Ｉにおける熱間圧延温度750℃の場合に
対応する値であり、表Ｉの最初の２つの例の測定値およ
び外挿線を示す。一方、第１図の２つの測定点「□」
は、表Ｉの第３番目と第４番目の測定値を示す。さら
に、第１図中の２つの「○」および破線は、テキサスイ
ンストルメンツ社（TI）製のインバールの無孔シートの
場合の測定値（熱間圧延温度850℃の場合）を比較例と
して示すものである。なお、第１図中のCu容量０％〜10
0％の間に引かれた実線は一定の基準を表す。本発明の
有用範囲内の複合体構造の場合には、複合体のCTEはCu
の容量％および熱間圧延温度のみの関数であることに留
意。テキサス・インストルーメンツ製の複合体のCTEに
関する発表データ点は、850℃で熱間圧延された本発明
の複合体に関するデータ点と同じ線上にある。750℃で
の熱間圧延と850℃での熱間圧延との間のCTEの差は、銅
のより大きい％においてより大きい。その理由は、複合
体をより高い温度で圧延する時は、銅が冷却時にインバ
ール上により高い圧縮力をかけるからである。
前記のことから、本発明は、従来組み立てられなかった
有用なCu/インバール/Cu複合体〔インバールシート（Ni
36％、残部はFe）には、インバールシートの容量の約1
5〜40％が孔であるように小孔（直径0.79〜1.59mm）を
穿孔する〕を意図することが認められるべきである。次
いで、インバールシートは、各面で純粋な銅シートによ
って囲む。銅シートおよびインバールシートの厚さは、
銅の容量％20〜60％を与え且つ完成複合体の熱伝導率が
大体等方性であるように選ぶ。次いで、Cu/インバール/
Cuの３シートを約750〜約900℃（好ましくは850℃）で
還元雰囲気中で加熱し、次いで、熱間圧延する。還元雰
囲気中での所定温度での圧延は、銅があらゆる孔を完全
に充填しそれ自体一体的に結合され且つ穿孔された孔の
両面上のインバールにさえ一体的に結合されることを保
証するのに高度に好ましい。その後に、得られた複合体
は、冷間圧延して所望の最終厚さとすることができる。
有用なCu/インバール/Cu複合体〔インバールシート（Ni
36％、残部はFe）には、インバールシートの容量の約1
5〜40％が孔であるように小孔（直径0.79〜1.59mm）を
穿孔する〕を意図することが認められるべきである。次
いで、インバールシートは、各面で純粋な銅シートによ
って囲む。銅シートおよびインバールシートの厚さは、
銅の容量％20〜60％を与え且つ完成複合体の熱伝導率が
大体等方性であるように選ぶ。次いで、Cu/インバール/
Cuの３シートを約750〜約900℃（好ましくは850℃）で
還元雰囲気中で加熱し、次いで、熱間圧延する。還元雰
囲気中での所定温度での圧延は、銅があらゆる孔を完全
に充填しそれ自体一体的に結合され且つ穿孔された孔の
両面上のインバールにさえ一体的に結合されることを保
証するのに高度に好ましい。その後に、得られた複合体
は、冷間圧延して所望の最終厚さとすることができる。
熱伝導率のより正確な計算を、次の通り例証する： ２つのCuシート（各々は0.51mm厚である）および孔28％
を有する厚さ1.27mmの１つのインバールシートから出発
すると仮定する。熱間圧延が進行すると、Cuは、先ず各
面からインバール内の孔内に圧搾される。孔に銅を充填
する時に、銅の厚さは、インバールの各面上で0.51−
（1.27×0.28/2）＝0.332mmであろう。爾後のより厳し
い圧延は、銅とインバールとの両方を一緒に１片として
伸ばすであろう。銅の容量％は、次の通りである： 標準熱伝達式を使用して、複合体の熱伝導率を２工程で
計算する。先ず、シートを通しての孔内に銅28％を有す
る中心インバールプレートは、下記のものを有する： Kz＝KCu×0.28＋Ｋインバール×0.72 ＝397×0.28＋9.8×0.72 ＝118.2W/m゜K （式中、ｚはプレートを通しての熱伝導率を意味し、x-
yはプレートに沿っての伝導率を意味する）。
を有する厚さ1.27mmの１つのインバールシートから出発
すると仮定する。熱間圧延が進行すると、Cuは、先ず各
面からインバール内の孔内に圧搾される。孔に銅を充填
する時に、銅の厚さは、インバールの各面上で0.51−
（1.27×0.28/2）＝0.332mmであろう。爾後のより厳し
い圧延は、銅とインバールとの両方を一緒に１片として
伸ばすであろう。銅の容量％は、次の通りである： 標準熱伝達式を使用して、複合体の熱伝導率を２工程で
計算する。先ず、シートを通しての孔内に銅28％を有す
る中心インバールプレートは、下記のものを有する： Kz＝KCu×0.28＋Ｋインバール×0.72 ＝397×0.28＋9.8×0.72 ＝118.2W/m゜K （式中、ｚはプレートを通しての熱伝導率を意味し、x-
yはプレートに沿っての伝導率を意味する）。
第二に、次いで、中心インバール−Cuプレートの伝導率
を使用して、複合体の全伝導率を計算する。
を使用して、複合体の全伝導率を計算する。
前記計算は熱伝導率に対する界面バリヤーを考慮してお
らず且つKCuおよびＫインバールの値が合理的である温
度範囲でのみ成立するが、この計算は、本発明の複合体
の熱伝導率を合理的に予測すると信じられる。
らず且つKCuおよびＫインバールの値が合理的である温
度範囲でのみ成立するが、この計算は、本発明の複合体
の熱伝導率を合理的に予測すると信じられる。
当業者は、優秀な熱伝導率と電気伝導率との金属として
銅を使用して本発明を説明したが、用途がより高価な金
属を要求するならば、銅が金または銀に取り替えること
ができることを認識するであろう。金および銀は、熱間
圧延に関して銅と大体同じに挙動する。若干の理由で、
良好な電気伝導率と熱伝導率との金属としてアルミニウ
ムを使用したいならば、熱間圧延は、約625℃未満の温
度で実施しなければならないであろうし且つ酸化皮膜に
よる界面効果は許容しなければならないであろう。
銅を使用して本発明を説明したが、用途がより高価な金
属を要求するならば、銅が金または銀に取り替えること
ができることを認識するであろう。金および銀は、熱間
圧延に関して銅と大体同じに挙動する。若干の理由で、
良好な電気伝導率と熱伝導率との金属としてアルミニウ
ムを使用したいならば、熱間圧延は、約625℃未満の温
度で実施しなければならないであろうし且つ酸化皮膜に
よる界面効果は許容しなければならないであろう。
法令の条項に従って、本発明の特定の態様を例示し且つ
説明したが、当業者は、特許請求の範囲によってカバー
される本発明の形態で変更を施すことができること、お
よび本発明の或る特徴が他の特徴の対応の使用なしに時
々有利に使用できることを理解するであろう。
説明したが、当業者は、特許請求の範囲によってカバー
される本発明の形態で変更を施すことができること、お
よび本発明の或る特徴が他の特徴の対応の使用なしに時
々有利に使用できることを理解するであろう。
第１図は銅とインバールとの複合体の場合の銅の容量％
と熱膨張率とを相互に関係づけるグラフ、第２図は分解
形態の本発明の複合体を示す図である。 11……複合体、13……銅のトップ層、15……底部銅層、
17……銅−インバールプレート、19……ニッケル−鉄合
金マトリックス、21……銅インサート。
と熱膨張率とを相互に関係づけるグラフ、第２図は分解
形態の本発明の複合体を示す図である。 11……複合体、13……銅のトップ層、15……底部銅層、
17……銅−インバールプレート、19……ニッケル−鉄合
金マトリックス、21……銅インサート。
Claims (6)
- 【請求項１】低い熱膨張率の金属の薄い同延性の内層を
サンドイッチしている高い電気伝導率と熱伝導率を有す
る金属の２つの外層からなり、線熱膨張率約５〜12ppm/
℃を有し、且つ、幅または長さの少なくとも一方に延出
された薄い金属体からなる複合構造物であって、前記内
層は該内層を通して延出し且つ前記の高い電気伝導率と
熱伝導率とを有する金属の前記２つの外層に接続され且
つ一体である前記の高い電気伝導率と熱伝導率とを有す
る金属からなる多数の実質的に均一に分布された経路を
有し、前記複合構造物は、 （Ａ）前記内層を通しての前記の高い電気伝導率と熱伝
導率とを有する金属からなる経路は前記内層の約15〜40
容量％を構成し、 （Ｂ）前記の高い電気伝導率と熱伝導率とを有する金属
からなる前記外層の厚さは次式 が成立するように前記複合体の厚さ（ｚ）を横切って前
記伝導率と関連される前記複合体の前記長さおよび幅
（ｘ−ｙ）に沿って熱伝導率および電気伝導率を与える
ように制御され、且つ、 （Ｃ）前記複合体中の前記の高い電気伝導率と熱伝導率
とを有する金属の全容量分率は前記範囲内の線熱膨張率
を与える、 ように組み立てられ且つ配置されていることを特徴とす
る、複合構造物。 - 【請求項２】前記の高い電気伝導率と熱伝導率とを有す
る金属が、銅である、請求項１に記載の複合構造物。 - 【請求項３】前記内層中の銅経路が、前記内層の約30容
量％を構成する、請求項２に記載の複合構造物。 - 【請求項４】低い熱膨張率の金属が、インバールであ
る、請求項１に記載の複合構造物。 - 【請求項５】銅−低い熱膨張の金属−銅のサンドイッチ
（ただし前記の低い熱膨張の金属はその中に通し貫通孔
約15〜40容量％を有する）を、前記銅が前記孔を貫通し
且つ充填し且つ前記銅および前記の低い熱膨張の金属が
治金的に結合されて一体の構造物となるような条件下で
一緒に熱間圧延することを特徴とする、請求項２に記載
の複合構造物の製法。 - 【請求項６】前記の低い熱膨張の金属が、インバールで
ある、請求項５に記載の方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1879090A JPH0738428B2 (ja) | 1990-01-29 | 1990-01-29 | 複合構造物 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1879090A JPH0738428B2 (ja) | 1990-01-29 | 1990-01-29 | 複合構造物 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03231445A JPH03231445A (ja) | 1991-10-15 |
| JPH0738428B2 true JPH0738428B2 (ja) | 1995-04-26 |
Family
ID=11981402
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1879090A Expired - Fee Related JPH0738428B2 (ja) | 1990-01-29 | 1990-01-29 | 複合構造物 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0738428B2 (ja) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001102701A (ja) * | 1999-09-28 | 2001-04-13 | Kyocera Corp | 配線基板 |
| JP3841633B2 (ja) | 2000-10-16 | 2006-11-01 | ヤマハ株式会社 | 半導体レーザモジュール |
| US7416789B2 (en) * | 2004-11-01 | 2008-08-26 | H.C. Starck Inc. | Refractory metal substrate with improved thermal conductivity |
| FR2951020B1 (fr) * | 2009-10-01 | 2012-03-09 | Nat De Metrologie Et D Essais Lab | Materiau composite multicouche utilise pour la fabrication de substrats de modules electroniques et procede de fabrication correspondant |
| TWI411389B (zh) * | 2010-05-18 | 2013-10-01 | Ckm Building Material Corp | 利用微孔板體散熱之方法 |
-
1990
- 1990-01-29 JP JP1879090A patent/JPH0738428B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH03231445A (ja) | 1991-10-15 |
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