JPS61124560A - 複合材をつくる方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 イ、産業上の利用分野 本発明は広い範囲に適用されるが、それは回路盤とチッ
プキャリアに使用するに特に適し、それらについて詳細
に説明する。

口、従来の技術 電子工業は、銅はくの一つ以上の層を、がラス繊維で補
彊されたエポキシ、フェノールｓｉ紙、ポリエステルフ
ィルム、ポリイミドフィルムなどのような有機材料に接
着することによって大部分のプリント回路を生産してい
る。これらの構造物は広く使用されるが、ある欠点を持
っている。第一に、それらの最高作用温度は使用される
有機基板の最高許容温度によって制限される。第二に、
本質釣下つり合いが有機基板の一般に高い熱膨張係数と
それに比べて低い銅はくの熱膨張係数との間に存在し、
はんだ調合品は普通、構成部分をサーキットリーに取り
付けるためと＊＋を部分自体に使用される。この不つり
合いは、できあがった製品が熱サイクルされるときいつ
でもかなりの「熱応力」を生ずる。これらの応力は＃４
はくの引張り破損、サーキットリーへの構成部分のはん
だ取り付けの破損、およびＷＣ部分そのものの引張り破
損のような槙々な破損を生ずる。

熱応力に関連する問題のいくつかを軽減するために、こ
の工業は二つの異なるタイプの金属芯の盤を使用してい
る。一つは金属芯（ｆｊＩ４またはアルミニウム）の上
のエポキシその他の有機物絶縁であり、そしてもう一つ
はほうろう引きの銅である。

最も一般的なのは、金属芯−有機物タイプの盤である。

典型的に、厚さ１．３ミリ（，０５０インチ）のアルミ
ニウムのような金属芯は、過大な穴をあけられる。穴は
芯の上のエポキシ被覆と見合うようにエポキシで満たさ
れる。次いで銅はくが芯の一表面または両表面に接着さ
れ、そして穴は、各穴の中にエポキシ（その他の有機物
）のライナを残してあけ直される。できあがった金属芯
の盤は基準のグラスチック盤に匹敵し、そしてそれとし
て処理される。金属芯の盤は、ガラス繊維で補強された
エポキシタイプの盤のむしろ貧弱な熱伝導率に比べて、
よく熱を散逸させる。

第二のタイプの盤、はうろう引きの銅は、用語によって
金属芯の盤または金属張り合わせ盤のいずれかと考えら
れる。その構造は、最初にほうろう（本質的にガラス質
の材料）を１枚の鋼に引く必要がある。次いで回路の図
形が濃いフィルム用「導電インキ」の一つでほうろ５の
表面にスクリーン印刷される。次に盤は、金属の導電素
子の連続する図形を生ずるためにりファイア（ｒｅｆｉ
ｒｅ　）される。通し穴は短絡の問題のために使用する
ことができず、したがって多層盤はこのように一般に製
作されない。はうろうはむしろ厚く、そしてその熱伝導
率は比較的貧弱である。実際それはプラスチック盤に使
用されるプラスチックの熱伝導率より貧弱でさえあり、
また上記の金属芯の盤の被覆として貧弱である。したが
って、はうろう盤の熱散逸特性は比較的貧弱である。

合わせ板に関する上記の考えの多くは、ダンスとウオレ
スによる「セラミックチップキャリアの直接取り付けの
ための合わせ板の回路盤基板」と題する文書に述べられ
ており、そして１９８１年、オハイオ州クリーブランド
の国際電子実装協会の第一回年次会議に提出された。ま
た、１９８１年３月Ｏｒ！子実装と生産」の９８ページ
から１０３ページまでのラーセンによる「リード線のな
いチップキャリアの相互接続のための金属芯基板の使用
」と顧する記事は、金属芯基板の最新の技術を論じてい
る。

現在鋼はくは、「フラル（ｃｏｒａｌ　）　＃ｔ４　Ｊ
をはくの表面に電着させることによって有機プリント回
路基板に接着される。その結果は、有機基板の板面の層
および／または「固定された」機械的結合をもたらす有
機接着剤を受ける再入空所を有する粗い表面である。表
面の層は有機材料の中に埋められた導電金ＩＩ４構造物
（鋼）であるから、最後のプリント回路の線の間の空所
からいかなるコラル鋼処理の残りかすをも除くためにか
なりの性態が払われねばならない。これは線の間の望ま
れない電流通過、線の間の空所を横切るはんだの橋絡な
どを避ける。原則として、フラル鋼処理の残りかすを地
域から除くことは、基礎のはくそのものケ。

除くニ必要なエツチングより以上に追加エツチングを必
要とする。この過東１のエラつ一ングは、回路図形の追
加アンダーカッティングと部分的破壊に導く。こうして
、在来の銅はく一有機物の回路盤の製作者は、コラル銅
処理の残りかすを信頼できるように除くに十分なエツチ
ングと、回路図形の一ゝ。

プリント回路盤の上に取り付けられる種々な装置を相互
に接続するためにサーキットリーの複雑さが増すので、
しばしば盤の両面に導電図形を含むことが必要になる。

相互接続のあるものは盤の表面（＃ＩＩ成部分が取り付
けられる表面）で回路図形によって行なわれる一方、他
の相互接続は盤の裏側で行なわれる。盤の表側と裏側の
間の相互接続は、はんだで満たされた通し穴によって行
なわれる。この一般的な形状の在来の二つの側を有する
銅はく一有機物の盤は広く使用されている。

集積回路が大きくなり（一つのケイ素チップの上のそれ
ぞれの機能が増加し）、そしてそれに対応して相互接続
のためのリード線の数が増加するので、集積回路の相互
接続のおもな装置、二重インライン（Ｄ工Ｐ）パッケー
ジは実行できなくなる。幾何学に関する理由で、ぎンの
数が増えてパッケージが長くなるにつれて、それらは広
くなる。

典型的に、完成したパッケージの幅はその長さの約ＩＡ
である。機械的と電子的の両方の理由で、６４本より以
上のり一ケ線を有するＤ工Ｐパッケージは製作不可能と
考えられる。しかし、大規模集積回路は、Ｄ工Ｐパッケ
ージによって与えられるよりも多くの相互接続をしばし
ば必要とする。

より小さい集積回路でさえ、回路はできるだけ密接して
プリント回路盤の上にいっしょに隔置される。明らかに
、パッケージの大きさは間隔の接近を制限する。したが
って、半導体工業は「チップキャリア」に関心を深めて
いる。

チップキャリアは、Ｄ工Ｐパッケージによって与えられ
るよりも多くの相互接続を必要とする大規模回路、なら
びにプリント回路盤の上の構成部分の密度を増すために
中間の大きさの集積回路のパッケージの大きさを減らす
ことの問題な取り扱う。用語チップキャリアは、その最
も広い意味で、セラミックとプラスチック両方のパッケ
ージに関係がある。チップキャリアの形状は本質的に正
方形であり、そしてリード線は四辺のすべてでパッケー
ジの中から出ている。

チップキャリアに関する最新技術の記述は、１９８１年
１２月２９日の「電子工学」の６７ページから７５ペー
ジまでに、シェリー・ライマンによる「チップキャリア
、ピンと格子の列はＰＣ盤の眺めな変える」と題する記
事に書かれていへ１９８１年３月の「電子実装と生産」
の６４ページから８０ページまでの、エリクソンによる
［チップキャリア：実装の新傾向］と題するもう一つの
記事は、チップキャリアに関するｔａ造と他の細部を論
じている。

米国特許第５５４６．３６３号、第５６１＆２０３号、
第３．６７６．２９２号、第６．７２６．９８７号、第
３，８２６．６２７号、第３，８２６．６２９号、第３
．８３７．８９５号、第３，８５２．１４８号、および
第４１４９．９１０号は、ガラスまたはセラミックが、
酸化耐熱物の薄いフィルムを表面に有する基礎合金に結
合される、金属複合材またはシールに対するがう夫また
はセラミックを開示している。

８、Ｈバットへの、そして本発明の譲受人に譲渡される
ＫＰＯ出廖第８３１１０４３７．７号と第８３１００４
９２．４号は、かなりな熱サイクリングｖｃ順応し、そ
して熱散逸を改善することのできる改良されたプリント
回路盤とチップキャリアを開示している。

ハ１本発明が解決しようとする問題点 本発明の基礎となる一つの問題は、チップキャリアと回
路盤のような装置に使用することのできる１に気構成部
分をつくる方法を得ることである。

本発明の一つの利点は、前記先行装置の制限と欠点の一
つ以上を除く、電気構成部分をつくる方法を得ることで
ある。

本発明のもう一つの利点は、熱サイクリングによる応力
の形成をかなり滅すす、電気構成部分をつくる方法を得
ることである。

本発明のさらに一つの利点は、高熱伝導率特性を与える
電気構成部分をつくる方法を得ることである。

本発明のさらに一つの利点は、すぐれた機械的強さの特
性を有する電気構成部分を得ることである。

本発明のさらに一つの利点は、比較的安価に製作される
電気構成部分をつくる方法を得ろことである。

二、　問題点を解決するための手段 したがってアルミニウム約、５から１２％までと、銅、
鉄、またはニッケルから成る群の材料から選ばれる基質
の合金成分？有する合金から電気構成部分をつくる方法
が得られた。その合金は、材料酸素に富む層な合金の表
面につくるためｉｃ酸素に富む雰囲気の中で加熱される
。合金は次いで、材料酸素に富む層を還元して合金の表
面に酸化アルミニウムの層をつくり、そして酸化アルミ
ニウムの層の上に材料に富む層をつくるためｖｃ還元雰
囲気の中で加熱される。

本発明と本発明のその上の進展は、図面に示す好ましい
実施例によって次に明らかにされる。

ホ。実施例 本発明は、複合材１６をつくる方法にかかわる。

最初に、アルミニウム約、５から１２％までと、銅、鉄
、またはニッケルから成る群の材料から選ばれる基質の
第一の合金成分を含む合金１０が用意される。次いで合
金１０は、その表面１８ｖＣ材料酸化物に富む層１２を
つくるためｒｃｍ素に富む雰囲気の中で加熱される。最
後に、合金１０は材料酸化物に富む層１２を還元するた
めに還元雰囲気の中で加熱され、そして合金の表面に酸
化アルミニウムの層２０と、酸化アルミニウムの層の表
面２４に材料に富む層２２をつくる。

本発明の実施例に使用するために好ましい合金は、アル
ミニウム、５から１２％までと残部鋼を含む、銅を基と
する合金である。好ましくは、合金は、アルミニウム２
から１０％まで、ケイ素０．００１から６％まで、およ
びもし望むならば鉄４．５％まで、クロム１％まで、ジ
ルコニウム０．５％まで、コバルト１％までとこれらの
粒子精練元素の混合物から成る群から選ばれた分散させ
る元素、および残部鋼を含んでいる。特に、アルミニウ
ム２，５から３．１％まで、ケイ素１．５から２．１％
まで、および残部鋼を含むコールその他への米国特許第
３，３４１．３６９号および第３．４７５．２２７号に
述べられたＣＤＡ合金０６３８１は、本発明の基質とし
て有用である。望みの雰囲気の中に、結合を妨げない不
純物は存在するであろう。

本発明は、合金０６３８１の使用に制限されずに、連続
する耐熱性酸化物の層によって分離された導電体の層を
つくる能力を有する金属または合金の広い範囲を含んで
いる。ニッケルな基とする、および鉄を基とする合金の
ような他の金属合金のいくつかの例は、米国特許第６．
６９８，９６４号、第６．７３０．７７９号、および第
３，８１０．７５４号に開示されている。合金Ｃ！６３
８１は、ここに述べるように処理されるとき望みの複合
材なつくる市販用合金であるから、本発明に特ｒｃａす
る。金属または合金の基質はまた、導体の層または金属
または合金の基質のいずれかが、いかなる在来の技術に
よっても他の金属の上に張り合わされる複合金属を含ん
でいる。この他の金属は、嵩特性が特定の使用のために
望まれるもう一つの鋼合金またはいかなる他の金属であ
ってもよい。

ここに開示する方法は、例えばプライアその他への米国
特許第４，６６１．４４５号に述べられた清浄方法のよ
うないかなる望みの方法によっても選ばれた合金をいか
なる不純物からも清浄にすることに始まる。その清浄方
法は、清浄にすべき品物に１０より以上の−を有する水
酸化ナトリウム、カリウム、またはチリウムのようなか
き回された水性アルカリ溶液の中に、約４０℃と沸点の
間の温度で少なくとも２秒間浸すことに始まる。品物か
ら溶液な切り、そしてそれを水ですすいだのち、それは
約０６５から３．ＯＮの濃度を有する硫酸第二鉄または
ｔ′酸の類似の第二鉄塩のかき回された水溶液の中に浸
される。材料は約２５°から９５℃まで、好ましくは６
０°から９０℃までの温度で約５秒から６０秒までのあ
いだ硫酸第二鉄の中に浸される。方法の各段階で、品物
から溶液を切り、またはそれに空気の流れな吹きつけ、
そして水ですすぐことによって残りの溶液を除かねばな
らない。

合金の表面の外方フィルムを除くための特殊の清浄方法
は本発明の一部でなく、シたがっていかなる他の望みの
清浄方法も上記の方法の代わりに使用することができる
。

合金は次に、約１０時間より少ない時間、約５００℃よ
り低い温度で空気のような酸化事項で焼なましされる。

酸化雰囲気は、酸素０．１％から１００％までの範囲に
あるが、酸素１％から２５％までの範囲が好ましい。ざ
らに、焼なましに好ましい温度の範囲は、約１時間から
２時間までの好ましい時間で約２００°と５５０　’Ｃ
の間である。

酸化雰囲気の中で合金な加熱する方法は、主として酸化
銅であるがアルミン＃銅のような池の材料を含む銅に富
む層１２をつくる。この酸化＃！は酸化第二銅と酸化第
一銅の組合せであるが、本発明の目的のためにそれらは
いっしょにして酸化銅と考えられる。銅に富む層の叫さ
は、以下に述べる最後の銅に富む導体の層２２の望みの
厚ざによつて決められる。

酸化鋼に富む層な有する銅合金は次に、酸化鋼の層１２
を還元するためと、合金の表面１８の上ニ酸化アルミニ
ウムのＭ２Ｏを、そして酸化アルミニウムの層２０の上
に銅に富む導体の層２２をつくるために還元雰囲気の中
で加熱される。合金は約５００°から８５０℃までの温
度、最適には約６００°から８００℃までの好ましい範
囲で、還元雰囲気にさらされる。合金をこの高い温度に
保つ時間は、実際的目的のためｖｃ２日より以下でなけ
ればならないが、もし望むならばより長（・加熱時間を
使用してもよい。ｉ適の加熱時間は約１時間から１０時
間までである。

焼なましは、好ましくは約９６％Ｎ２＋４％Ｈ２の湿っ
た還元雰囲気の中で行なわれる。温度は約６００°から
８００℃までであるから、酸化鋼は不安定な状態にあり
、そして同じ状態にとどまることができないか、または
より多くの酸化鋼をつくる。したがって酸化鋼は、はぼ
酸化鋼プラス純銅の層に還元し始める。この反応と同時
に、環境からの酸素は酸化鋼と銅の層を通って拡散し、
そして酸化アルミニウムの層２０なつくるために基質と
相互に作用することができる。酸素のポテンシャルすな
わち反応の熱力学は醇化鋼の形成に好ましくないので、
酸素は主としてアルミニウムと相互に作用する。処理が
紗くにつれて、頂層２２はよい導電体になるほど鋼に富
むようになる一方、酸化アルミニウムの層２０は電気絶
縁体になるだけの厚さになる＝の厚さはｔｏｏｋより以
上である°と思われるが、もし望むならばもつと薄くす
ることができる。

基質の表面１８と＠に富む導体の層２２の間に挾まれた
酸化アルミニウムの絶縁体２０を有する銅合金の基質１
０の複合材１６は、電子装置のために多くの可能の用途
を有している。例えば、この品物は、導体の層２２に簡
単に回路を食刻することによって先行技術のプリント回
路盤のすぐれた代用品となる。このｌｌＩ造のプリント
回路盤は非常に耐久性があり、熱サイクリングから応力
を受けず、高い熱伝導率特性を有し、そして製作が比較
的安価にできるという利点を有している。

品物１６はまた、プリント回路について上に述べたよう
な利点を有するチップキャリアとなるようにされている
。ここにあげないこの品物の他の用途は、ここに述べた
品物の直接使用または少しの改変によって適応される。

本発明の方法は、基質１０の一表面に導体と絶縁体の層
をつくることを主として述べてきた。しかし、第２図に
示すように、基質１０の第二の表面２６に同じ導体と絶
縁体の層をつくることも本発明の条件と範囲内にある。

へ　発明の効果 本発明によって、上に述べた目的、装置、および利点を
満たす複合材とそれをつくる方法が得られたことは明ら
かである。本発明をその実施例について説明したが、多
くの代替品、修正、および変更は、前記説明に照らして
当業者に明らかであろう。したがって、前掲特許請求の
範囲の主旨と広い範囲に該当するようなすべての代替品
、修正、および変更を包含するものとする。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明によって処理される複合材の横断面図
、そして 第２図は、本発明による多層複合材の横断面図である。 図面の符合１０は「合金」、１２は「酸化物層」、１６
は「複合材」、１８は「合金の表面」、２０は「酸化ア
ルミニウムの層」、２２は「材料の層」、２４は「酸化
アルミニウムの層の表面」、２６は「合金の第二の表面
」を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）複合材（１６）をつくる方法にして、（ａ）アル
   ミニウム約．５から１２％までと、残部が銅、鉄、およ
   びニッケルから成る群の材料から選ばれる第一の合金成
   分を有することを特徴とする合金（１０）を用意し、 （ｂ）前記合金の表面（１８）に前記材料の酸化物層（
   １２）をつくるために、前記合金を酸素に富む雰囲気の
   中で約３５０℃より低い温度で加熱し、そして （ｃ）前記材料の前記酸化物層（１２）を前記材料の層
   （２２）に還元するためと、同時に前記材料の前記層（
   ２２）と前記合金（１０）の前記表面（１８）の間に酸
   化アルミニウムの層（２０）をつくるために、前記合金
   を還元雰囲気の中で約５００℃より高い温度で加熱する
   、 諸段階を有することを特徴とする複合材をつくる方法。 （２）特許請求の範囲第１項記載の方法において、前記
   合金（１０）にケイ素約０．００１から６％までを含む
   第二の合金成分を与える段階を有する、ことをさらに特
   徴とする複合材をつくる方法。 （３）特許請求の範囲第２項記載の方法において、前記
   材料は銅である、ことを特徴とする複合材をつくる方法
   。 （４）特許請求の範囲第３項記載の方法において、前記
   第一の合金成分はアルミニウム２．５から３．１％まで
   を含み、そして前記第二の合金成分はケイ素１．５から
   ２．１％までを含む、ことを特徴とする複合材をつくる
   方法。 （５）特許請求の範囲第４項記載の方法において、前記
   合金を加熱する前記段階は、約１０時間より以下の時間
   のあいだ酸素に富む雰囲気の中で行なわれる、ことを特
   徴とする複合材をつくる方法。 （６）特許請求の範囲第５項記載の方法において、前記
   還元雰囲気は約９６％Ｎ＿２＋４％Ｈ＿２を含む湿つた
   還元雰囲気である、ことを特徴とする複合材をつくる方
   法。 （７）特許請求の範囲第６項記載の方法において、前記
   合金を酸素に富む雰囲気の中で加熱する前に前記合金を
   清浄にする段階を含む、ことをさらに特徴とする複合材
   をつくる方法。 （８）特許請求の範囲第７項記載の方法において、前記
   合金は、前記酸化アルミニウムが厚さ約１００Åより以
   上になるまで前記湿つた還元雰囲気の中で還元される、
   ことを特徴とする複合材をつくる方法。 （９）特許請求の範囲第１項記載の方法において、前記
   材料は鉄である、ことを特徴とする複合材をつくる方法
   。 （１０）特許請求の範囲第１項記載の方法において、前
   記材料はニッケルである、ことを特徴とする複合材をつ
   くる方法。 （１１）特許請求の範囲第１項記載の方法において、前
   記合金を酸素還元雰囲気の中で加熱する前記段階は、前
   記合金の第二の表面に第二の酸化物層をつくることを含
   み、そして前記合金を還元雰囲気の中で加熱する前記段
   階は、前記材料の前記第二の酸化物層を前記材料の第二
   の層（２２）の上に還元し、そして同時に前記材料の前
   記第二の層（２２）と前記合金（１０）の前記表面（１
   ８）の間に第二の酸化アルミニウムの層（２０）をつく
   ることを含む、ことを特徴とする複合材をつくる方法。 （１２）複合材（１６）にして、 合金（１０）を有し、前記合金はアルミニウム約．５か
   ら１２％までと、銅、鉄、およびニッケルから成る群の
   材料から選ばれる残部の第一の合金成分を有し、 前記複合材は、前記材料の層を含む第二の成分（２２）
   をさらに有し、そして 前記第一の合金成分と前記第二の合金成分 （２２）の間に置かれた酸化アルミニウム層（２０）、 を有することを特徴とする複合材。 （１３）特許請求の範囲第１２項記載の複合材において
   、前記第一の合金成分はケイ素約０．００１から６％ま
   でを含む第二の合金成分をさらに含む、ことを特徴とす
   る複合材。 （１４）特許請求の範囲第１３項記載の複合材において
   、前記材料は銅である、ことを特徴とする複合材。 （１５）特許請求の範囲第１４項記載の複合材において
   、前記第一の合金成分はアルミニウム２．５から３．１
   ％までを含み、そして前記第二の合金成分はケイ素１．
   ５から２．１％までを含む、ことを特徴とする複合材。 （１６）特許請求の範囲第１２項記載の複合材において
   、前記材料は鉄である、ことを特徴とする複合材。 （１７）特許請求の範囲第１２項記載の複合材において
   、前記材料はニッケルである、ことを特徴とする複合材
   。