JPH0852835A - 電子部品またはプリント回路の基板として特にエレクトロニクスにおいて使用可能な熱伝達エレメント及びその製造方法 - Google Patents

電子部品またはプリント回路の基板として特にエレクトロニクスにおいて使用可能な熱伝達エレメント及びその製造方法

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JPH0852835A
JPH0852835A JP33491994A JP33491994A JPH0852835A JP H0852835 A JPH0852835 A JP H0852835A JP 33491994 A JP33491994 A JP 33491994A JP 33491994 A JP33491994 A JP 33491994A JP H0852835 A JPH0852835 A JP H0852835A
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heat transfer
diamond film
heat
substrate
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Ludovic Cornec
ルドビツク・コルネ
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 電子部品の基板またはケースとして使用可能
であり、部品が放出する熱を非常に急速に伝達すること
ができる熱伝達エレメントを提供する。 【構成】 このエレメントは、電子部品（１１）などの
熱源と接触するダイヤモンドフィルム（９）を備えてお
り、このフィルムは、たとえばチタンでできた結合層７
を介して、たとえば黒鉛化炭素またはアルミナの無機繊
維（５）によって補強された、たとえばＭｇまたはＡｌ
でできた金属マトリックス（３）型の複合材料でできた
芯（１）の上に置かれている。このようなエレメント
は、熱シンクに向かって部品（１１）から放出される熱
の急速な伝達を行なうことができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、特に搭載されたエレク
トロニクス用の宇宙航空技術の分野において、電子部
品、ラジエータ、バッテリ、アンテナ等々といったさま
ざまな熱源によって発生する熱を急速に排出するために
使用可能な熱伝達エレメントを対象としている。
【０００２】このエレメントはさまざまな形態をもつこ
とができる。たとえば、パネルやプレートの形をとるこ
もできるし、電子部品の回路基板またはプリント回路の
基板用の熱ドレンとして使用することもできる。また、
たとえば電子部品の密閉ケースあるいはさまざまな装置
を収納するためのものではないケースの形をとることも
できる。このようなエレメントは、高い熱伝導率または
大きな寸法安定性あるいはその両方を必要とするあらゆ
る用途に有効である。
【０００３】このエレメントが電子部品の回路基板とし
て使用される場合、電子部品は集積回路、プリント回
路、パワートランジスタ、レーザダイオード、マイクロ
プロセッサでもよいが、より一般的に、発電機、蓄電
池、または発信器として使用される何らかの電子システ
ムとすることもできる。
【０００４】
【従来の技術】特に宇宙技術及び航空技術の分野用の特
定のエレクトロニクスシステムについては、コンパクト
さと信頼性と軽さの点で一定の制約が存在するが、これ
は両立させることが難しいと思われる。そのうえ、質量
と体積を２分の１ないし４分の１に減らし、さらにシス
テムの寿命を延ばしながら、運転速度及びシステムの能
力は２倍ないし１０倍に高める必要にかられている。
【０００５】多くの場合、性能の改良には、小型化、高
密化、クロックスピードの増大をともなうので、その結
果、発熱量も増大する。たとえば１０6 個までのゲート
を備えた回路の場合には、熱の消費量は部品当たり３０
Ｗとなることもあり、またマイクロプロセッサでは部品
当たりの熱の消費量が１００Ｗ以上となることもある。
こうした熱の発生は、システムの運転温度を高め、その
性能を損なう恐れがある。実際に、システムのレスポン
スタイムは温度とともに増大し、数千の操作が行なわれ
る場合にはこのレスポンスタイムの遅れは許容しがたい
ものとなる。
【０００６】同じように、マイクロ波型パワートランジ
スタやレーザーダイオードにみられる出力は部品の性能
と信頼度が熱を排出する能力によってのみ制限されると
いう程度のものである。
【０００７】また、部品の信頼度を改良し、その寿命を
のばし、運転コストを削減するためには、発生する熱を
急速に排出できるシステムをこれらの電子部品に備える
ことが非常に重要である。これらのシステムは、多少な
りとも遠くに位置している熱シンクに部品自体の熱を急
速に伝達できなければならない。
【０００８】一般に、電子部品は、部品間の電気的接続
を行なうプリント回路の層上に組み立てられる。部品に
よって放出される熱は、プリント回路のトラックを含む
層を膨張させようとする。この結果、膨張差によって部
品と回路の接点が破断する恐れがある。なぜなら、電子
部品は一般に、プリント回路の層より熱膨張率が低い材
質中にカプセル化されているからである。
【０００９】したがって、熱膨張率が電子部品と同じか
またはそれより低い材質支持体上に回路の層を緊密に組
み立てることは有益である。こうした条件においては、
回路支持体の層全体の膨張率は、回路の層だけの膨張率
よりはるかに低くなる。
【００１０】また、電子部品の支持、環境からの保護、
電荷の排出、さらに電磁放射線からの保護を行なうこと
ができる手段を電子部品に備えることが必要となる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】コバール、アルミナ、
あるいはコラミンＣｕ−Ｍｏ−ＣｕとＣｕ、インバー
ル、Ｃｕでできた基板のように、これらの部品のために
現在使用されている基板の手段は、なかなか同時にこれ
らの機能を果たすことができない。
【００１２】ただし、欧州特許ＥＰ−Ａ−０４５０９６
８号には、回路によって発生した熱を排出できる回路基
板が紹介されているが、そこでは、重合体、金属あるい
はセラミックマトリックスのなかに分散している立方晶
系窒化ホウ素またはダイヤモンドの粒子を含む材料をこ
の目的で使用している。こうした材質は、自ら支持を行
なう堅固で柔軟なシートの形をとることができる。この
ようにこの基板は、その支持を行ないながらも部品によ
って発生した熱を排出できるが、他の機能を果たすこと
はできない。
【００１３】本発明は、電子部品用の基板として使用さ
れる場合には、部品が放出する熱を非常に急速に伝達す
ることができ、熱膨張、基板の質量、堅牢性、エイジン
グへの安定性そして化学的安定性に関してより改良され
た特性をもつ、従来とは異なる構造の熱伝達エレメント
を対象としている。さらに、このエレメントは部品から
放出される熱の伝達以外の機能（たとえばアース）も果
たすことができる。
【００１４】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、熱源に
よって発生する熱の伝達エレメントは、無機繊維によっ
て補強された金属マトリックスを有する複合材料ででき
た芯から形成された少なくともひとつの集合体を備えて
いる。この芯上に、ダイヤモンドフィルムが置かれる
が、このダイヤモンドフィルムは、熱源と接触するエレ
メントの表面に置かれる。
【００１５】ダイヤモンドフィルムの厚さは ０．２５
から１５０μｍであると都合がよく、１から５０μｍで
あることが好ましい。
【００１６】各集合体はさらに、芯とダイヤモンドフィ
ルムとの間に差しはさまれた結合層を有することが好ま
しい。
【００１７】結合層は、ダイヤモンドと金属マトリック
スとの間の結合を容易にする物質でつくられる。この物
質は優先的にダイヤモンドとの原子結合を促すことがで
きる。この物質はまたチタンなどの金属とすることもで
きる。
【００１８】本発明のエレメントにおいては、複合材料
でできた芯をダイヤモンドフィルムに結合させることに
よって、複合材料の選択に基づいて高い安定性と機械的
強度という特性を得ることができると同時に、無機繊維
でできた複合材料とダイヤモンドの高い熱伝導率に基づ
く非常に急速な熱の伝達をおこなうことができる。
【００１９】実際に、この複合材料は、補強繊維の存在
によって、その金属マトリックスを構成する金属よりも
高い熱伝導率を有し、連続フィルムの形でダイヤモンド
を使用すると、電子部品などの熱源によって放出された
熱の非常に急速な伝達を行なうことができる。
【００２０】さらに、この複合材料は膨張率が非常に低
く、化学的に不活性であるとともに高い機械的特性を有
するので寸法が安定している。
【００２１】この複合材料中では、金属マトリックスと
して、純粋な状態の金属または合金や金属間化合物の形
の金属を使用することができる。できれば、アルミニウ
ム、マグネシウム、銅、チタン、それらの合金や金属間
化合物、特にアルミニウムとその合金、マグネシウムと
その合金を使うことが好ましい。使用可能な金属間化合
物は、たとえば、ＡｌＮｉやＴｉＡｌといった化合物で
ある。
【００２２】複合材料の補強材として使用される無機繊
維は、アルミナ繊維または黒鉛を多く含む炭素繊維、特
に高破壊強度（ＨＲ）、高弾性率（ＨＭ）または超高弾
性率（ＴＨＭ）の繊維とすることができる。それらはま
た、炭素を含むさまざまな材料、たとえばポリアクリル
ニトリル前駆体やメソフェーズの歴青から得ることがで
きる。
【００２３】黒鉛を最も多く含む繊維、たとえば以下の
特性を有する繊維ＴＯＮＥＮ ＦＴ７００のようなＴＨ
Ｍ繊維を使用することが好ましい。
【００２４】 −繊維の直径：１０μｍ −密度：２．１６ｇ／ｃｍ3 −破壊強度：３３００ＭＰａ −ヤング率：７００ＧＰａ −膨張率：−１．５．１０-6／℃ 以下の特性を有する直径およそ２０μｍのアルミナ繊維
を使用することもできる。
【００２５】 −密度：３．９ｇ／ｃｍ3 −破壊強度：２０６８ＭＰａ −ヤング率：３００ＧＰａ さらに、以下の特性を有するアルミナ−シリカ繊維を使
用することもできる。
【００２６】 −密度：３．５ｇ／ｃｍ3 −破壊強度：１０００ＭＰａ −ヤング率：１００ＧＰａ −膨張率：０．９３．１０-6／℃ 補強材はさまざまな形をとることができる。こうして、
平均直径ｄが５０μｍ未満（一般にはおよそ１０μｍ）
のフィラメント１００ないし１００００本で構成される
少なくとも１つの円筒形の心線をもつこともできる。
【００２７】さらに、補強材は、平均直径ｄが５０μｍ
未満の繊維からできた１本あるいは複数の心線を広げる
または並べて置くことによって得られる１本あるいは複
数の単方向シートで形成することもできる。
【００２８】複数の単方向シートを使用する場合には、
補強材は場合によっては交差させたこれらのシートを積
み重ねてつくることもできる。
【００２９】さらに、補強材は従来の製織技術によって
得られる二次元あるいは三次元のプレフォームで構成す
ることもできる。
【００３０】同様に、補強繊維のプレフォームをつく
り、次に、通常の加圧被覆、中圧浸透あるいは低圧鋳造
技術によってそれに含浸させることができる。
【００３１】一般に、補強材は複合材料の体積の２０か
ら７０％を占める。
【００３２】この割合は、必要とする特性に応じて選択
される。
【００３３】この複合材料においては、無機繊維は、一
般に３０μｍから３ｍｍの平均直径ｄをもつ１００ない
し１００００本の繊維で構成された円筒形心線の形をと
ることが好ましい。
【００３４】また、金属マトリックスとして、アルミニ
ウム、マグネシウムあるいはそれらの合金を使用するこ
とが好ましい。なぜならば、それらの材質は非常に軽
く、特にマグネシウムの密度は１．７４とアルミニウム
（２．７）よりはるかに低いからである。
【００３５】本発明の変形実施例によれば、熱伝達エレ
メントは、さらに、複合材料でできた芯及びダイヤモン
ドフィルムで形成されたひとつあるいは複数の集合体に
結合した金属基板を含むこともできる。この基板は、た
とえば複合材料の芯と同一の金属で作成することができ
る。
【００３６】基板は、１つあるいは複数の集合体の下方
に、または２つの集合体の間に、さらに熱伝達エレメン
トの周辺に置くことができる。
【００３７】本発明はまた、上記の特性を満たす熱伝達
エレメントの製造方法を対象としている。
【００３８】この方法によれば、無機繊維によって補強
された金属マトリックス型の複合材料でできた芯の上に
ダイヤモンドフィルムを化学蒸着させることによって各
集合体が形成される。
【００３９】ダイヤモンドフィルムのこの沈殿法によっ
て、十分な特性、特に高い熱伝導率、非常に大きい電気
抵抗率、さらに非常に低い膨張率を有する、たとえば厚
さが１から５０μｍと薄い連続した薄膜を得ることがで
きる。
【００４０】一般には、ダイヤモンドフィルムの化学蒸
着を行なう前に、複合材料でできた芯の上にたとえばチ
タンでできた結合層をつくる。
【００４１】エレメントが、複合材料でできた芯とダイ
ヤモンドフィルムで形成された複数の集合体を含んでい
る場合には、それらの集合体は、隣接した集合体の芯の
上にひとつの集合体のダイヤモンドフィルムを拡散させ
るはんだ付けあるいはろう付けによって組み立てること
ができる。
【００４２】最初の複合材料による芯は、金属マトリッ
クス型の複合材料をつくるために通常用いられる従来の
方法によって調製することができる。
【００４３】このような方法の例として、以下の段階を
含む方法を挙げることができる。
【００４４】ａ）黒鉛を含む炭素繊維の心線を広げるこ
とによって金属をあらかじめ含浸させた半製品をつく
り、物理的蒸着によってこの心線を金属被覆する。
【００４５】ｂ）予備含浸させた半製品からプレフォー
ムを形成する。
【００４６】ｃ）こうして得られたプレフォームを制御
された雰囲気と圧力の下で熱間圧密する。
【００４７】熱間圧密は、アルゴン雰囲気中で、５ない
し１００ＭＰａの圧力で、４００ないし７００℃の温度
で均術圧縮によって行なうことができる。
【００４８】以下に、添付の図面を参照し、もちろん限
定的でない例示的なものとして、本発明の別の特性と利
点をより詳しく説明する。
【００４９】
【実施例】図１では、基板は炭素繊維５によって補強さ
れた金属マトリックス型３の複合材料でできた芯１を備
えている。電子部品と接触する芯の表面６には、たとえ
ばチタンでできた結合層７とダイヤモンドフィルム９が
置かれている。
【００５０】この基板は以下の方法でつくられる。
【００５１】まず第一に、上記の特性を備えたＴＯＮＥ
Ｎ繊維で構成された超高弾性率（ＴＨＭ）の炭素繊維を
用いて複合材料でできた芯を調製する。この目的で、繊
維の心線を広げ予備含浸させた半製品を得ることができ
るように、その上にマグネシウムを物理的に蒸着する。
次に、基板の最終的形態に近い形をプレートに与えるこ
とができるように、含浸された繊維を置き、アルゴン雰
囲気中、４５０ないし６５０℃の温度で、５ないし３５
ＭＰａの圧力下での圧縮によって基板を熱間圧密する。
【００５２】次に、チタンでできた結合層でプレートを
被覆する。
【００５３】その後、アセトンと酸素の混合物とマイク
ロ波プラズマを用いて、化学蒸着によって厚さ６０μｍ
のダイヤモンドフィルムをチタン層上に付着させる。こ
うして、以下の特性をもつダイヤモンドフィルムを得る
ことができる。
【００５４】 −熱伝導率：１３Ｗ／ｃｍ．℃ −熱拡散率：７．４ｃｍ2 ／ｓ −熱膨張率：０．８ｐｐｍ／℃ −ＢｅＯに対する熱衝撃：９２６ −誘電率：５．２ −電気抵抗率：１０12−１０14ｏｈｍｓ．ｃｍ −誘電力：３４４５．１０3 Ｖ／ｃｍ（８７５０Ｖ／ｍ
ｉｌ） このフィルムの熱伝導率は、銅などの伝導率がもっとも
高い材質の３倍から４倍であるので、熱伝導特性が非常
にすぐれているといえる。さらに、ダイヤモンドフィル
ムは、非常に大きい電気抵抗率をもっているとともに、
化学的に不活性であり、有毒でなく膨張率も非常に低い
（０．８×１０-6／℃）。
【００５５】基板の芯を形成する金属マトリックス型の
複合材料はまた、非常に興味深い特性をもっている。と
いうのも、マグネシウムでできた金属マトリクッスより
高い熱伝導率と高い寸法安定性をもち、膨張率は−０．
５から２．５．１０-6／℃であり、どんな有機物も発散
せず、湿度にも敏感でない。また電気伝導体であるとと
もに、添付の表に示した高い機械的特性を有している。
【００５６】したがってこのように得られた堅固な基板
は、図面に示されているように、たとえば金や銀ででき
た接続線１３を介して、リソグラフィ・プロセスによっ
て得られた回路１５に接続されたセラミック製の電子部
品１１を支えるための基板として使用することができ
る。
【００５７】このような基板によって、電子部品１１か
ら発散する熱はただちに基板の表面に分配され、１３０
０Ｗ／ｍ．℃の熱伝導率をもつダイヤモンドフィルムに
よって複合材料の芯に伝達される。
【００５８】集合体の膨張率は、電子部品のセラミック
の膨張率との相容性をもち、基板の膨張率は１から３．
１０-6／℃である。
【００５９】基板は、いかなる補強材も必要ないほど十
分な堅牢さと強度をもち、その結果かなりの質量が節減
できる。
【００６０】電子部品と接触する基板の表面は絶縁され
ており、それに対して、芯は導体で、アースとして使用
することができる。
【００６１】集合体は完全に不活性であり、揮発性物質
の脱着によるエイジングの影響もほとんど受けない。
【００６２】集合体の密度はおよそ２．５ｇ／ｃｍ3 で
あるが、これは、ダイヤモンドの密度（３．５ｌｇ／ｃ
ｍ3 ）とＫｏｖａｒの密度（８．４ｇ／ｃｍ3 ）に対し
て非常に低い値である。
【００６３】したがって、本発明の基板は、マイクロエ
レクトロニクスの応用例に非常に有利な単一特性を示し
ている。
【００６４】同様にして、複合材料が、Ｋａｚｅｉから
参照番号Ｋ１３７で市販されている超高弾性率（ＴＨ
Ｍ）炭素繊維で補強されたマグネシウムからできたマト
リックスで構成される、基板が調製された。
【００６５】こうした条件で得られた複合材料の機械的
特性を以下の表に示す。
【００６６】
【表１】 基板は、アルミナ、ケイ素、窒化アルミニウム、コバー
ル、銅などこれまで使用されてきた材質に代わって、マ
ルチチップモジュールの基板として使用することもでき
る。
【００６７】図２は、図１の熱伝達エレメントの変形実
施例を示している。この場合、エレメントはさらに、そ
れぞれ複合材料でできた芯１とチタンでできた結合層６
とダイヤモンドフィルム９で形成される２つの集合体２
０の間に配置されている、補強されていない金属基板２
１を備えている。
【００６８】このようなエレメントはもちろん、基板２
１の上方にただひとつの集合体２０のみを備えることも
できる。
【００６９】図３は、本発明の熱伝達エレメントの別の
実施例を示している。
【００７０】この場合、エレメントは開かれたケースの
形をしている。このケースの底３０は、図１の場合と同
じように、それぞれが複合材料でできた芯１と結合層６
とダイヤモンドフィルム９を含む重ね合わされた複数の
集合体３３で形成されている。
【００７１】ケースの周辺を形成する側面部３４は、も
っぱら金属基板でできている。つまり、各集合体３０の
芯１の金属マトリックスを形成している金属と同一の金
属でできている。
【００７２】この最後の実施例は、特に、より大きなサ
イズの回路に接続するためのマルチコンポーネントモジ
ュールのカプセル化用のケースとして有益である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるパネルの形の熱伝達エレメントで
構成された電子部品用基板の立面図である。
【図２】図１の熱伝達エレメントの変形実施例の概略立
面図である。
【図３】本発明の熱伝達エレメントの別の変形実施例の
概略立面図である。

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 熱源によって発生する熱の伝達エレメン
    トであって、無機繊維によって補強された金属マトリッ
    クス複合材料でできた芯で形成された少なくともひとつ
    の集合体を備えており、芯の上にはダイヤモンドフィル
    ムが備えられ、このダイヤモンドフィルムは熱源と接触
    するエレメントの表面上にあることを特徴とするエレメ
    ント。
  2. 【請求項２】 ダイヤモンドフィルムの厚さが０．２５
    から１５０μｍであり、好ましくは１から５０μｍであ
    ることを特徴とする請求項１に記載のエレメント。
  3. 【請求項３】 各集合体において、結合層が芯とダイヤ
    モンドフィルムの間に挿入されていることを特徴とする
    請求項１または２に記載のエレメント。
  4. 【請求項４】 結合層がチタンでできていることを特徴
    とする請求項３に記載のエレメント。
  5. 【請求項５】 芯の金属マトリックスがＡｌ、Ｍｇ、Ｃ
    ｕ、Ｔｉ、それらの合金のひとつまたはそれらの金属間
    化合物のひとつでできていることを特徴とする請求項１
    に記載のエレメント。
  6. 【請求項６】 補強繊維が超高弾性率の黒鉛を多く含む
    炭素繊維またはアルミナ繊維であることを特徴とする請
    求項１に記載のエレメント。
  7. 【請求項７】 さらに金属基板を備えていることを特徴
    とする請求項１に記載のエレメント。
  8. 【請求項８】 無機繊維によって補強された金属マトリ
    ックス型複合材料の芯の上へのダイヤモンドフィルムの
    化学蒸着によって各集合体が形成されることを特徴とす
    る請求項１に記載の熱伝達エレメントの調製方法。
  9. 【請求項９】 このフィルムを蒸着する前に、この芯の
    上にチタンでできた結合層を形成することを特徴とする
    請求項８に記載の方法。
  10. 【請求項１０】 さらに隣接する集合体の複合材料でで
    きた芯の上にひとつの集合体のダイヤモンドフィルムを
    拡散させるはんだ付けまたはろう付けによって、少なく
    とも２つの集合体を組み立てることを含むことを特徴と
    する請求項８または９のいずれか一項に記載の方法。
  11. 【請求項１１】 請求項１に記載の熱伝達エレメントで
    構成されていることを特徴とする電子部品用の基板。
JP33491994A 1993-12-20 1994-12-20 電子部品またはプリント回路の基板として特にエレクトロニクスにおいて使用可能な熱伝達エレメント及びその製造方法 Pending JPH0852835A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR9315296A FR2714254B1 (fr) 1993-12-20 1993-12-20 Elément de transfert thermique, utilisable notamment en électronique comme support de circuit imprimé ou de composant et son procédé de fabrication.
FR9315296 1993-12-20

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH0852835A true JPH0852835A (ja) 1996-02-27

Family

ID=9454114

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