JPH11121664A - エネルギー伝達用積層体 - Google Patents

エネルギー伝達用積層体

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JPH11121664A
JPH11121664A JP10220353A JP22035398A JPH11121664A JP H11121664 A JPH11121664 A JP H11121664A JP 10220353 A JP10220353 A JP 10220353A JP 22035398 A JP22035398 A JP 22035398A JP H11121664 A JPH11121664 A JP H11121664A
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oxygen
copper
laminate
laminating body
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Joseph P Mennucci
ピー．メヌチ ジョセフ
Charles R Mead
アール．ミード チャールズ
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Materion Brush Inc
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 低コストで高性能なエネルギー伝達用の積層
体を提供する。 【解決手段】 酸素フリーの銅からなる第一の層を酸素
リッチの銅の第二の層にクラッドし、該第二の層にセラ
ミック基盤が直接接着されていることを特徴とするエネ
ルギー伝達用の積層体。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、エネルギー伝達用の積
層体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】比較的高い熱伝導性と電気伝導性を有す
る材料は、微小電子部品のパッケージに望ましいものと
されている。例えば、純銅は導電体として、またその高
い熱伝導性と熱放散能力のゆえに、いずれにも特に適し
ている。
【０００３】それゆえ、銅板は、マイクロチップ用ヒー
トシンク／絶縁体の部品としてしばしば用いられる。典
型的には、その板はセラミック板に直接接着として知ら
れている方法で接着される。この方法は、比較的高い熱
放散能力、強度、信頼性、及び小寸法を有する製品にと
って優れている。また、この直接接着法は比較的コスト
が低いことでも知られている。中間接着層は、しばし
ば、板材料の性質を修飾するために、すなわち、材料強
度を改善したり、熱膨張係数を調整するために使用され
る。
【０００４】直接接着法によれば、銅の接着面が酸化さ
れることが必要である。この結果、熱接着サイクルの間
に、セラミックとの間で共有結合が形成される。典型的
には、銅板の両面を酸化を促進する化学液で塗布する
か、ディップする。これにより、加熱時にセラミック基
盤に接着する銅板の各面に酸化銅の低融点共晶が形成さ
れる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところで、板の一方の
酸化面が直接接着法で基盤に結合される一方で、他の酸
化面が、それの乗るキャリヤーないし支持物に接着する
という不都合が起こる。また、結果される接着は、一体
性、寸法安定性、耐久性、及び信頼性に一定の制限があ
ることが判った。さらに、化学被膜はコスト高であり、
多くの化学的廃棄物を生ずることが判った。
【０００６】従って、本発明の目的は、高性能ヒートシ
ンクに用いるための高い熱伝導特性を備えた積層体を提
供することである。
【０００７】他の目的は、ヒートシンクを最小の手作業
で簡単かつ効率的に製造する方法を提供することであ
る。
【０００８】他の目的は、積層体からなる材料のエネル
ギー伝達特性を最大にすることである。
【０００９】他の目的は、許容可能な防音性、冷却速度
及び圧力低下を持つ高性能ヒートシンクの低コスト製造
を確実にすることである。
【００１０】さらに他の目的は、微小電子部品用パッケ
ージからの熱の急速な放散を確実にすることである。
【００１１】他の目的は、微小電気部品同志を熱的かつ
電気的に絶縁することである。
【００１２】さらに他の目的は、金属接着の際の化学的
廃棄物を実質的に減少することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明は、酸素フリーの
銅からなる第一の層を酸素リッチの銅の第二の層にクラ
ッドし、該第二の層にセラミック基盤が直接接着されて
いることを特徴とするエネルギー伝達用の積層体であ
る。
【００１４】
【実施例】通常の単一チップモジュールに比較して、マ
ルチチップモジュールのような微小電気部品パッケージ
は、信号遅延やパッケージ容積が少なく比較的高出力が
得られる利点があることが知られている。それらの実質
的な熱流が与えられているとすると、効果的な熱放散の
ためのヒートシンク寸法を得るために、並列チャンネル
の積層したヒートシンクが必要であることが判った。
【００１５】積層型のヒートシンクは、典型的には、一
連の積み重ねられた板状のフィンを備えたベースを有し
ている。各フィンは、フィンの対間に溝が形成されるよ
うな形状を有している。熱は、まず、ベースからフィン
に伝達され、そこから溝を通過する冷媒例えば空気に熱
伝達によって放散される。この一般的なヒートシンク
は、図４に示される。
【００１６】装置及びモジュールパワーが増加すると、
高性能の流体により冷却されるヒートシンクが必要とな
る。フィンからの放散の増加は、一般に冷媒流速を増加
することによって達成されるが、最適冷却のための流速
によって、近傍の敏感な微小電子部品に影響するよう
な、振動や、圧力低下、音響が誘導される。
【００１７】積層型ヒートシンクを形成するために、典
型的には、一面に沿って幅広で浅い開いた溝を有する複
数の銅板が前後に接合される。その積層体において、溝
は一連の閉じた並列の冷媒通路となる。板の厚みと、各
板上の溝の幅と深さを調整することによって、ヒートシ
ンク寸法と熱流が制御される。
【００１８】他の状況においては、ヒートシンクは、マ
イクロチップ同志を熱的及び電気的に互いに絶縁するた
めに用いられる。例えば、マイクロチップは平な積層体
からなるヒートシンクに半田付けされ、この積層体が微
小電子モジュール上に搭載される。各マイクロチップで
発生する熱的及び電気的エネルギーのレベルの差により
モジュールの他のチップの動作に悪影響を与えることを
防止することが重要である。
【００１９】上の記載は、単なる例示であって、本発明
の意図した状況や用途を制限するものではない。微小電
子部品パッケージのその他の構造的および機能的な態様
は当業者には既に知られており、その説明は本発明の開
示のためには不要であると信ずる。
【００２０】本発明の一つの態様によれば、酸素含有量
を制御された銅をクラッドした積層体及びその製造方法
が得られる。その積層体は、酸素フリーの銅の第一の層
を酸素リッチの銅の第二の層に結合したもので、次の工
程によって結合される。すなわち、（ｉ）比較的低スピ
ードで第一の層を第二の層にクラッドし、（ii）その積
層体を、その厚み公差を改善するために、仕上げ圧延
し、(iii）その積層体を、その幅公差を改善するため
に、スリットし、(iv)その積層体の選択された位置に溝
を形成し、（ｖ）その積層体から、複数のリボンを最終
的に切り出し、(vi)その積層体を、その形状を直線化及
び平坦化するために、引っぱり矯正加工し（ｔｅｎｓｉ
ｏｎ ｌｅｖｅｌｉｎｇ）、(vii) 該積層体を選択され
た形状を有する部分に型打ち加工し、(viii)該積層体を
洗浄し、(ix)前記第一の材料層が第二の層に焼き付けら
れるように該積層体を基盤材料に接着することを特徴と
する。
【００２１】まず、酸素フリーを保証された銅すなわち
ＯＦＨＣ銅９９．９９％Ｃｕ（ミル規格Ｃ−１０１）の
板条が、選択された初期寸法、すなわち、約０．０６０
インチ ｘ ２．５０インチ（アニールドテンパー）か
らコイル形状に処理される。この板条は、計算されたパ
スで、すなわち、約０．０６０インチ（スプリングテン
パーＵＴＳ ５０ ＫＳＩ最小）から０．０２５インチ
まで、かつ、約２．５００インチから２．１３０インチ
まで冷間にて圧延される。好ましくは、一回のパスでの
圧加率は約２０％に制限される。これは、銅の粒構造に
影響する２００°Ｆを越えることを禁止するためであ
る。この粒構造は、最終積層体の粒子寸法に基本的にも
見掛上でも重要であることが判った。
【００２２】次に、酸素リッチの銅すなわち電解精練さ
れた銅９９．９０％Ｃｕ（ミル規格Ｃ−１１０）の板条
が、選択された初期寸法、すなわち、約０．１２５イン
チｘ ２．５０インチ（アニールドテンパー）から処理
される。この板条は、計算されたパスで、すなわち、約
０．０６０インチ（超スプリングテンパーＵＴＳ５８
ＫＳＩ最小）から０．０２５インチまで、かつ、約２．
５００インチから２．１３０インチまで冷間にて圧延さ
れる。ミル規格Ｃ−１１０の酸素含有量は、１０ｐｐｍ
から２０００ｐｐｍの範囲である。接着の均一性と強度
に最大の結果を得るためには、酸素含有量が選択された
範囲内、すなわち、３００ｐｐｍから５００ｐｐｍの範
囲になるように制御されることが好ましい。本発明の一
例によれば、酸素含有量は、図３に示されるように、約
３８０ｐｐｍである。酸素は、粒界に濃い黒点として現
れる。
【００２３】次に、酸素フリー銅板条と酸素リッチ銅板
条の面が接着のために洗浄される。これは、有機物（す
なわち油とほこり）を除去するために、これら板条を超
音波脱脂機を通過させ、続いて、連続的に水を掛けなが
ら（水ブラシ）、回転する柔らかい研磨輪（ブラシ）を
通過させることによって行われる。これにより、銅の表
面酸化物が除去され、その表面が租面にされて、クラッ
ド性が向上される。
【００２４】次に、酸素フリー銅板条が酸素リッチ銅板
条の上に置かれクラッディング、すなわち、４−ｈｉロ
ーリングミルにて両板状を機械的に押し潰すことによっ
て結合される。この結果、厚みの減少と転がり摩擦によ
って熱が発生する。前記の通り、余分の熱が粒構造に影
響するので、板条はローリングミルの出口で、同時に、
空冷されることが好ましい。加えて、低速処理速度、す
なわち、約１２／毎分の速度が、熱の発生を抑制するた
めに採用される。あるいは、冷間圧延接着による圧加率
は約７６％に制限される。
【００２５】好ましくは、第一の層は、９５ｐｐｍから
２０００ｐｐｍの範囲の酸素含有量の銅板からなる。酸
素含有量が減少すると、接着強度が増加し、最大強度は
約９５ｐｐｍの場合である。また、第二の層は酸素フリ
ーの銅、すなわち、最大酸素含有量が１０ｐｐｍの銅か
らなることが好ましい。
【００２６】次の工程で、その積層体を、その厚み公差
を実質的に改善するために、最終転造される。この最終
転造は、同様に４−ｈｉローリングミルで行われる。こ
の工程は、積層体の厚み公差を実質的に改善する、すな
わち、約０．００１インチから０．００３インチまで改
善する。高度に研磨されたロールが使用され、これによ
り、表面仕上げも改善される。
【００２７】次に、この積層体は、その幅公差を実質的
に改善するために、スリットされる、すなわち、細長く
切断される。そのスリッティングの際、この積層体は、
回転刃を有する２つの回転アーバーの間を通過させられ
る。これにより、積層体の縁が除去され幅方向のトリミ
ングが行われる。これに代わって、あるいは追加的に、
このスリッティング工程の前に予備スリッティングが行
われても良い。この予備スリッティングは、積層体の粗
縁取りをし、幅公差を、例えば、０．０１５インチから
０．００１インチに改善する。この幅公差の改善は、次
の溝形成の際に積層体を滑らかにかつ正確に案内するた
めに重要であることが判った。
【００２８】つぎの第四工程において、冷媒流路を与え
るために、積層体の選択された位置に少なくとも一つの
溝を形成する。冷媒（液体またはガス）がその流路を流
れる時、熱の除去が行われる。例えば、本発明の一つの
態様によれば、溝は熱交換器として作用する。この代わ
りに、あるいは追加的に、この溝は、最終使用者による
組み立ての際の余分な半田を捕獲するための溜まりとし
ても機能する。
【００２９】溝形成は、型ロール、研削、あるいはミル
によって行われ得る。例えば、研削の際に、研削工具と
して知られる固定研削刃の下を材料が通過させられる。
これにより、板条の幅を横切る方向の選択された領域に
於いて、積層体の厚みが変化する。あるいは、積層体
は、型ロールされても良い。すなわち、溝の寸法を有す
る連続した突起を備えたロールの下を通過させられる。
【００３０】さらに、第五の工程において、その積層体
から、複数のリボンを最終的に切り出す。この工程は、
前記第三の工程で述べたと同様の技術によって行われる
が、広い処理幅からそれぞれのリボンを切断し、多数の
ストランドを得ることができる。
【００３１】その後、その積層体は、その形状を直線化
及び平坦化するために、引っぱり矯正加工（ｔｅｎｓｉ
ｏｎ ｌｅｖｅｌｉｎｇ）される。引っぱり矯正加工
は、例えば、その積層体を張力下に置くこと、例えば、
その積層体を一連の撓みロール、例えば約０．３８５イ
ンチの小直径の９段のロールを通過させることによって
行われる。この工程で、酸素フリーの銅及び酸素リッチ
の銅の両方とも、図１に示されるように、その粒構造
に、何等の影響も受けない。
【００３２】この工程により、板条の直線性、平坦性及
び形状が最小の変動を有するように、品質改善される。
これにより、積層体とセラミック基盤との密な接触が保
証され、空孔なしの接着が形成される。この空孔なしの
接着は効果的な直接接着には比較的重要である。
【００３３】続いて、板条は、個々の片に打ち抜かれ、
油や直接接着の邪魔になるような物質を除去するために
洗浄され、その後、セラミック基盤に直接接着される。
洗浄は、好ましくは、各片を粗面研磨したり化学的にエ
ッチングすることによって行われる。例えば、打抜き片
が粗セラミック媒体、すなわち、ＸＣ３−８Ｔアングル
カット三角粒と共に、振動容器内にいれられる。次に、
その打抜き片が取り出され、一連の酸浴を使用して化学
的にエッチングされる。一連の酸浴は、まず塩酸または
硫酸で、次が過硫酸アンモニウム、最後に、くえん酸の
浴からなる。
【００３４】直接接着の際、温度と他の条件は、同時
に、積層体を焼き付け（アニール）し、第一の層を第二
のものに機械的に接着する。直接接着の後、微細粒構造
が両銅層に生じる（図２）。セラミックに金属を直接接
着する種々の方法は、例えば、１９７６年１１月３０日
に特許された米国特許第３，９４４，４３０や、１９７
８年１２月１２日に特許された米国特許第４，１２９，
２４３に開示されており、その方法は、ここで利用可能
である。
【００３５】直接接着前に、複数の層はクラッドによっ
て機械的に結合された。これは、これまで一体的と認め
られてきたグリーンボンド（ｇｒｅｅｎ ｂｏｎｄ）を
生成する。典型的な強化が、直接接着前に連続ストリッ
プアニールによって冶金的にわれる。アニールは直接接
着の前よりもその間に行われ、その結果、冷間加工の効
果が維持される、すなわち、直接接着の際に層中に超微
細粒子を生成することを確実にするという点で、本方法
は利点がある。積層体の一方の側が酸素フリーで残るの
で、その積層体と支持板、固定具あるいは他の支持具と
の接着は生じない。その後の直接接着銅成分の焼成の際
に、酸素フリーの側を支持板上に置くことができる。
【００３６】また、酸素含有銅は、化学的に被覆された
銅よりも、より均一に、酸素を銅−セラミック界面にも
たらすことができる。これにより、接着の一体性と部品
の信頼性が実質的に改善される。さらに、銅に化学的に
被覆するための３つの酸浴を不要とし、これにより、コ
ストの著しい低減と、化学的廃棄物の減少及びそれに伴
う健康への危険を回避することが可能である。酸素含有
銅は、その寸法安定性と耐久性においても優れている。
【００３７】本発明によって達成される他の利点は、粒
成長の減少である。これにより、従来の化学的に酸化し
た銅ないし直接ＥＴＰと比較して、より滑らかで、空孔
なしの仕上げ面が得られる。このことにより、また、焼
成後の面に共晶酸化物ができることが阻止され、したが
って、半田付け前に同表面を化学的に研磨する必要がな
くなる。
【００３８】一つの実施例においては、積層体の打抜き
片は、順次積み上げられ、その結果、直接接着（アニー
リング）の際に、クラッド層の内部金属金属間界面に拡
散接着が生ずる。同時に、積層片の隣接側面間の金属金
属間界面に拡散接着が存在する。これにより、界面か
ら、空孔が実質的に除かれる。その結果、無空孔で、多
層の銅クラッドからなり、最大の熱伝達能を有する積層
体が得られる。
【００３９】全体的に、この積層体技術は、高性能ヒー
トシンク構造の低コスト大量生産を可能とし、電子部品
の用途における冷却及び絶縁特性を大幅に改善できる。
【００４０】上記実施例は、銅及び同合金の使用につい
て述べたが、本発明は、意図している目的を考慮した他
の材料に同様の方法が実施できることは理解されよう。
例えば、貴金属、それらの合金、アルミニウム、チタ
ン、ニッケル、鋼、カーボン、及びセラミックを含む材
料の同様な処理が、本発明の精神の範囲で、考慮され
る。また、ニッケル、チタン、あるいは銀のような中間
接着層が、積層体の特性を修飾するために、銅の層の間
に設けられることは、予測できることであろう。
【００４１】上記の方法によって、図８および９に示さ
れるように、酸素フリーの銅（ｃ１１０００）の第一の
層１１を酸素リッチの銅（Ｃ１０１００）の第二の層に
クラッドした積層体１０（ないしは予備体）が得られ
る。本発明の一態様によれば、その積層体は、約０．０
１０インチ厚で約０．５００インチ幅とストリップ１３
である。図７から１０に示されるように、そのストリッ
プ中に、深さ０．００３±０．０００６インチで幅０．
０３６インチの溝１４がストリップの中心に沿って形成
される。その溝は、ストリップの一側から約０．２１０
で他側から０．１７４の位置にある。
【００４２】直接接着の際に、積層体は、積層品１８を
作るために、酸化ベリリウムのごときセラミック基盤１
５に接着される。一実施例によれば、その積層体に、エ
ッチングあるいは打ち抜きによって、「犬骨」のような
形状１６が形成される。「犬骨」１６の「首」部分１７
は溝中心線から約０．０１８０インチ延び、ストリップ
中心線から０．０４０インチに始まる。
【００４３】この製品は、電子部品モジュールようのヒ
ートシンク／絶縁体として効果があることが判った。例
えば、このＢｅＯ−ＤＢＣｕメタライズド基盤の高温で
の％強度減少率は、ブラッシュウェルマンＭｏ−Ｍｎあ
るいはＤＵＰＯＮＴ ００２２より実質的に高いことが
判明した。
【００４４】本発明によれば、また、銅厚膜、Ｍｏ−Ｍ
ｎ厚膜あるいはＡｓ−Ｐｄ厚膜よりも実質的に高い熱伝
導率を有しかつ実質的に低い抵抗率を有する純銅の使用
を許すことができる。ＤＢＣｕの使用は純銅の導電率の
約５％以内の伝導率を提供できることを示している。
【００４５】本発明の他の態様によれば、図４に示され
るように、多層ヒートシンク２０のフィン２１として、
ＤＢＣｕが使用できる。各フィンは、中心に沿って幅約
１０３ｍｍの溝２２を有する多層ゲージＤＢＣｕストリ
ップから打ち抜かれる。その結果、図５および６示され
るように、スペーサ２３がフィンの両側に残される。各
フィンは、選択された寸法、すなわち、幅１１５ｍｍと
厚さ１．５ｍｍを有している。
【００４６】これらフィンはブロックを構成するように
順次積み重ねられ、従来のリベット２４で結合（一体
化）される。リベットはフィンと実質的に同じ材料から
なる。本実施例では、リベットは、酸素リッチの銅（Ｃ
１１０）からなり、選択された寸法、すなわち、０．０
０３インチから０．００６インチの範囲の寸法を有す
る。リベットの必要な形状と寸法は、ブロックの寸法や
必要な構造的要求によって決まることは、当業者には、
容易に理解できるであろう。
【００４７】少なくとも一つのしなやかなリブ２５が、
強化のために、溝の中心に沿って配置される。このリブ
は、溝を二つの部分すなわち約５０ｍｍの部分に分割す
る。
【００４８】本発明によれば、直接接着の際に、フィン
間の金属金属間界面、及びリベットとフィンの間の金属
金属間界面に内部拡散（拡散接着）が存在する。これに
より、固体ヒートシンク構造が形成される。
【００４９】
【発明の効果】本発明によれば、ヒートシンク構造のエ
ネルギー伝達能が最大化される一方で、近傍の敏感な電
子部品に対して許容可能な音響、冷却率、及び圧力低下
を維持し、かつ低コストである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一態様である酸素含有量を制御された
銅クラッド積層体の１２０倍の顕微鏡写真である。
【図２】図１の積層体のを酸化ベリリウム基盤に直接接
着した顕微鏡写真である。
【図３】本発明の他の態様である酸素含有量が３８０ｐ
ｐｍである酸素リッチの銅ストリップの１２０倍の顕微
鏡写真である。
【図４】本発明の一態様であるヒートシンク／絶縁体の
斜視図である。
【図５】銅クラッド積層体ストリップの平面図で、図４
のストリップから打ち抜かれたフィンが点線で示され
る。
【図６】図５のフィンの側面図である。
【図７】本発明の他の態様による銅クラッド積層体スト
リップの平面図である。
【図８】図７における８−８線での断面図である。
【図９】直接接着前における図８の積層体及び基盤を示
す図である。
【図１０】図７のストリップから切り出された片の平面
図である。
【符号の説明】
１０ 積層体 １１ 酸素フリー銅層 １２ 酸素リッチ銅層 １３ ストリップ １４ 溝 １５ 基盤 １６ 犬骨形状 １７ 首 ２０ ヒートシンク ２１ フィン ２２ 溝 ２３ スペーサ ２４ リベット ２５ リブ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 595007105 17876 Ｓｔ．ｃｌａｉｒ Ａｖｅｎｕｅ, Ｃｌｅｖｅｌａｎｄ，Ｏｈｉｏ 44110, Ｕ．Ｓ．Ａ. (72)発明者 チャールズ アール．ミード アメリカ合衆国，マサチューセッツ 01951，ニューベリー，ハノーバー スト リート ８

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 酸素フリーの銅からなる第一の層を酸素
    リッチの銅の第二の層にクラッドし、該第二の層にセラ
    ミック基盤が直接接着されていることを特徴とするエネ
    ルギー伝達用の積層体。
  2. 【請求項２】 前記セラミック基盤が酸化ベリリウムで
    あることを特徴とする請求項１の積層体。
  3. 【請求項３】 第一材料の層を第二の材料層にクラッド
    し、選択された位置に溝を有するフィンの複数枚を順次
    積み上げられており、前記第二の材料と実質的に同じ材
    料組成のリベットがこれら積み上げられたフィンを貫通
    しており、隣接するフィン間、各フィンのクラッド間、
    リベットとフィン間の材料間界面が拡散接合され固体ヒ
    ートシンク構造を形成していることを特徴とする微小電
    子部品のパッケージ用ヒートシンク／絶縁体。
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