JPS633741B2 - - Google Patents
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- JPS633741B2 JPS633741B2 JP55060064A JP6006480A JPS633741B2 JP S633741 B2 JPS633741 B2 JP S633741B2 JP 55060064 A JP55060064 A JP 55060064A JP 6006480 A JP6006480 A JP 6006480A JP S633741 B2 JPS633741 B2 JP S633741B2
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- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
- F28F21/00—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials
- F28F21/08—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of metal
- F28F21/081—Heat exchange elements made from metals or metal alloys
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- F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
- F28F13/14—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by endowing the walls of conduits with zones of different degrees of conduction of heat
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- H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
- H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
- H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
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Description
【発明の詳細な説明】
熱源から熱吸収体へ熱を移動させる場合、熱源
の膨張温度係数にほぼ等しい温度係数を有するが
比較的高い熱伝達性を備えた中間金属部材を用い
ることは、ある応用において望ましく、あるいは
それどころか必要とすることがよくある。このよ
うな熱伝達金属板ユニツトは、単結晶シリコン半
導体装置の取り付けにおいて特に有用である。
の膨張温度係数にほぼ等しい温度係数を有するが
比較的高い熱伝達性を備えた中間金属部材を用い
ることは、ある応用において望ましく、あるいは
それどころか必要とすることがよくある。このよ
うな熱伝達金属板ユニツトは、単結晶シリコン半
導体装置の取り付けにおいて特に有用である。
従来提案された熱伝達金属板ユニツトは、望ま
しい熱膨張係数を有するが、望ましくない低い熱
伝達係数を持つた高引張強度の金属板から構成さ
れ、このユニツトは銅、銀、アルミニウム、金、
あるいはこれら金属の合金のような熱伝達係数の
高い可鍛性金属で、板体の孔を充填させることに
より製造されている。これらの孔は、電気めつき
により、あるいは金属を圧延機に通し可鍛性金属
を孔中に押し込むことにより、あるいは溶融状態
の可鍛性金属を孔内に注ぎ入れることにより、あ
るいは他の手段により充填される。
しい熱膨張係数を有するが、望ましくない低い熱
伝達係数を持つた高引張強度の金属板から構成さ
れ、このユニツトは銅、銀、アルミニウム、金、
あるいはこれら金属の合金のような熱伝達係数の
高い可鍛性金属で、板体の孔を充填させることに
より製造されている。これらの孔は、電気めつき
により、あるいは金属を圧延機に通し可鍛性金属
を孔中に押し込むことにより、あるいは溶融状態
の可鍛性金属を孔内に注ぎ入れることにより、あ
るいは他の手段により充填される。
このような複合構造は、制御された熱膨張係数
および比較的高い熱伝達係数の望ましい特性を有
し、この構造を含む装置が比較的おだやかな、例
えばおよそ400℃の最大温度周期範囲にある場合、
広範囲に応用されていた。しかしながら、より高
い周期温度範囲で作動される時には、可鍛性金属
充填物が高引張強度のマトリツクス材料からわず
かに分離することが判つた。2つの金属間の接触
不良の結果、熱伝達係数は低下してしまう。
および比較的高い熱伝達係数の望ましい特性を有
し、この構造を含む装置が比較的おだやかな、例
えばおよそ400℃の最大温度周期範囲にある場合、
広範囲に応用されていた。しかしながら、より高
い周期温度範囲で作動される時には、可鍛性金属
充填物が高引張強度のマトリツクス材料からわず
かに分離することが判つた。2つの金属間の接触
不良の結果、熱伝達係数は低下してしまう。
従つて、本発明の目的は、従来提案された金属
板ユニツトの上記温度制限を解決し、より高い周
期温度範囲例えば550℃にわたつて満足に作動す
る新規で、改良された組立複合熱伝達金属板ユニ
ツトを提供することである。
板ユニツトの上記温度制限を解決し、より高い周
期温度範囲例えば550℃にわたつて満足に作動す
る新規で、改良された組立複合熱伝達金属板ユニ
ツトを提供することである。
本発明によれば、熱源から熱吸収媒体へ熱を伝
達させ、比較的高い熱伝達係数を有する組立複合
金属板ユニツトが提供され、このような板ユニツ
トは、熱源の膨張温度係数とほぼ同じ係数を有す
る一対の高引張強度金属板部材と、このような板
部材のそれぞれを貫通している複数の孔と、この
一対の板部材間に介在され、孔を充填し、且つ少
くとも約0.3ca/cm2/cm/sec/℃の熱伝達係数を有
する比較的可鍛性のある金属材料の層とから構成
されている。
達させ、比較的高い熱伝達係数を有する組立複合
金属板ユニツトが提供され、このような板ユニツ
トは、熱源の膨張温度係数とほぼ同じ係数を有す
る一対の高引張強度金属板部材と、このような板
部材のそれぞれを貫通している複数の孔と、この
一対の板部材間に介在され、孔を充填し、且つ少
くとも約0.3ca/cm2/cm/sec/℃の熱伝達係数を有
する比較的可鍛性のある金属材料の層とから構成
されている。
本発明および本発明の他の目的を理解するた
め、添付図面に従つて次の通り説明する。なお、
本発明の範囲は特許請求の範囲に示されている。
め、添付図面に従つて次の通り説明する。なお、
本発明の範囲は特許請求の範囲に示されている。
図面には、一対の高引張強度金属部材10およ
び11から成る、熱源から熱吸収媒体に熱を伝達
する比較的高い熱伝達係数を有する組立複合金属
板ユニツトが例示されている。板部材のそれぞれ
は、熱源の膨張温度係数とほぼ同じ係数を有する
材料から成り、好ましくはコヴアー(KOVAR)
として市販されているコバルト―ニツケル―鉄合
金、あるいはアロイ(Alloy)42として市販の42
%のニツケルおよび58%の鉄から成るニツケル―
鉄合金である。各板部材は単結晶シリコンと共存
可能な膨張温度係数を有し、約30℃から550℃の
温度範囲にわたつてコヴアーは6.2×10-6/℃の
係数を有し、アロイ42は6.9×10-6/℃の係数を
有する。しかしながら、板部材10および11に
選ばれる材料は、どのようなものであつても少く
とも35Kg/mm2の引張強度を有することが必要であ
る。
び11から成る、熱源から熱吸収媒体に熱を伝達
する比較的高い熱伝達係数を有する組立複合金属
板ユニツトが例示されている。板部材のそれぞれ
は、熱源の膨張温度係数とほぼ同じ係数を有する
材料から成り、好ましくはコヴアー(KOVAR)
として市販されているコバルト―ニツケル―鉄合
金、あるいはアロイ(Alloy)42として市販の42
%のニツケルおよび58%の鉄から成るニツケル―
鉄合金である。各板部材は単結晶シリコンと共存
可能な膨張温度係数を有し、約30℃から550℃の
温度範囲にわたつてコヴアーは6.2×10-6/℃の
係数を有し、アロイ42は6.9×10-6/℃の係数を
有する。しかしながら、板部材10および11に
選ばれる材料は、どのようなものであつても少く
とも35Kg/mm2の引張強度を有することが必要であ
る。
板部材10,11はこれら部材を貫通する複数
の孔10a,11aを有し、これら孔の総面積は
板部材の表面積の15%から80%、好ましくは約70
%である。孔10aおよび11aの数は非常に広
い範囲にわたつて変化できるが、ある通常の構造
の場合、孔の数は約310/cm2(約2000/in2)であ
る。孔の形は、例示のように丸形でも、また四角
形、卵形、長方形、ダイヤモンド形、およびこれ
ら形の変形であつてもよい。
の孔10a,11aを有し、これら孔の総面積は
板部材の表面積の15%から80%、好ましくは約70
%である。孔10aおよび11aの数は非常に広
い範囲にわたつて変化できるが、ある通常の構造
の場合、孔の数は約310/cm2(約2000/in2)であ
る。孔の形は、例示のように丸形でも、また四角
形、卵形、長方形、ダイヤモンド形、およびこれ
ら形の変形であつてもよい。
サンドイツチ構造を形成する可鍛性金属材料の
層12は、板部材10および11間に介在され
る。この可鍛性材料は銅、アルミニウム、金、
銀、およびこのような金属のいずれかの合金から
成る群のうちの金属であり、金属銅が一般的に用
いられる。金属板ユニツトの製造において、板1
0および11は、可鍛性中央金属層12を高引張
強度外側板の孔に流入させるほどの高圧に付さ
れ、このような圧力は圧延機あるいは高圧プレス
のような機械によつて加えられる。
層12は、板部材10および11間に介在され
る。この可鍛性材料は銅、アルミニウム、金、
銀、およびこのような金属のいずれかの合金から
成る群のうちの金属であり、金属銅が一般的に用
いられる。金属板ユニツトの製造において、板1
0および11は、可鍛性中央金属層12を高引張
強度外側板の孔に流入させるほどの高圧に付さ
れ、このような圧力は圧延機あるいは高圧プレス
のような機械によつて加えられる。
本発明による合成板を製造するのにふさわしい
種々の材料の熱伝達係数は、次の通りである。
種々の材料の熱伝達係数は、次の通りである。
アルミニウム=0.50
銅 =0.94
金 =0.74
銀 =0.99
コヴアー =0.04
アロイ 42=0.03
上記の複合熱伝達板ユニツトの熱伝達係数の測
定値は、理論的に計算された熱伝達係数にほぼ近
似している。均一材料本体の熱伝達係数を定義す
る式は、 K=q/AΔT=ca/cm2/cm/sec/℃ であり、ここで、 K=熱伝達係数 q=毎秒当りの伝達された熱のカロリー A=長さ(cm)に対する面積(cm2)の比 ΔT=2つの面を横切る温度差(℃) 複合体の熱伝達の有効係数の一次近似値は、2
つの材料のそれぞれの面積に比例した2つの材料
の係数の合計である。即ち、コヴアー(Ko)お
よび銅(Cu)の複合体に対する方程式は、 K複合体=(KKp)(%Ko面積) +(KCu)(%Cu面積) であり、%Ko面積+%Cu面積の合計は1と規定
される。
定値は、理論的に計算された熱伝達係数にほぼ近
似している。均一材料本体の熱伝達係数を定義す
る式は、 K=q/AΔT=ca/cm2/cm/sec/℃ であり、ここで、 K=熱伝達係数 q=毎秒当りの伝達された熱のカロリー A=長さ(cm)に対する面積(cm2)の比 ΔT=2つの面を横切る温度差(℃) 複合体の熱伝達の有効係数の一次近似値は、2
つの材料のそれぞれの面積に比例した2つの材料
の係数の合計である。即ち、コヴアー(Ko)お
よび銅(Cu)の複合体に対する方程式は、 K複合体=(KKp)(%Ko面積) +(KCu)(%Cu面積) であり、%Ko面積+%Cu面積の合計は1と規定
される。
複合体の熱伝達係数の例として、金属板がコヴ
アーおよび銅から作られ、1cmの厚さを有し、銅
中央層が非常に薄く、また銅面積が70%で、コヴ
アー面積が30%であると仮定する。一次近似値に
対する複合体の係数は、 K複合体=(0.04)(0.30)+(0.94)(0.70) =0.67ca/cm2/cm/sec/℃ である。理解されるように、このような複合体は
コヴアーの約17倍の熱伝達係数を有する。
アーおよび銅から作られ、1cmの厚さを有し、銅
中央層が非常に薄く、また銅面積が70%で、コヴ
アー面積が30%であると仮定する。一次近似値に
対する複合体の係数は、 K複合体=(0.04)(0.30)+(0.94)(0.70) =0.67ca/cm2/cm/sec/℃ である。理解されるように、このような複合体は
コヴアーの約17倍の熱伝達係数を有する。
図面に例示されている金属板ユニツトの大きさ
は、明確に示すため大ざつぱに誇張されている。
実際、このような大きさは、利用する応用分野に
よるけれども、広い範囲にわたつて変化できる。
通常、板部材10および11は0.0049cm(0.002
インチ)から0.127cm(0.050インチ)の厚さを有
し、また可鍛性金属の層12の厚さは、通常
0.0076cm(0.003インチ)から0.152cm(0.060イン
チ)である。
は、明確に示すため大ざつぱに誇張されている。
実際、このような大きさは、利用する応用分野に
よるけれども、広い範囲にわたつて変化できる。
通常、板部材10および11は0.0049cm(0.002
インチ)から0.127cm(0.050インチ)の厚さを有
し、また可鍛性金属の層12の厚さは、通常
0.0076cm(0.003インチ)から0.152cm(0.060イン
チ)である。
20℃から550℃の温度範囲にわたつて操作する
ように設計された本発明金属板ユニツトの明確な
1例は、次の大きさおよび特徴を有する。
ように設計された本発明金属板ユニツトの明確な
1例は、次の大きさおよび特徴を有する。
コヴアー板10,11の厚さ
…0.020cm(0.008インチ) 製造後の銅層12の厚さ
…0.010cm(0.010インチ) 銅充填孔10a,11aの面積 …板面積の70% 固体コヴアー板の熱伝達係数 …0.04 複合板ユニツトの熱伝達係数 …0.67 30℃から550℃までの範囲にわたる固体コヴアー
板の熱膨張係数 …6.2×10-6/℃ 30℃から550℃までの範囲にわたる固体アロイ42
の熱膨張係数 …6.9×10-6/℃ 固体銅板の膨張係数 …16.4×10-6/℃ 複合板の熱膨張係数 7.0×10-6/℃ 従つて、このような複合板ユニツトの熱伝達係
数は、固体コヴアー板の約17倍であることが理解
される。
…0.020cm(0.008インチ) 製造後の銅層12の厚さ
…0.010cm(0.010インチ) 銅充填孔10a,11aの面積 …板面積の70% 固体コヴアー板の熱伝達係数 …0.04 複合板ユニツトの熱伝達係数 …0.67 30℃から550℃までの範囲にわたる固体コヴアー
板の熱膨張係数 …6.2×10-6/℃ 30℃から550℃までの範囲にわたる固体アロイ42
の熱膨張係数 …6.9×10-6/℃ 固体銅板の膨張係数 …16.4×10-6/℃ 複合板の熱膨張係数 7.0×10-6/℃ 従つて、このような複合板ユニツトの熱伝達係
数は、固体コヴアー板の約17倍であることが理解
される。
概算では、製造されるすべての集積回路半導体
チツプの90%が横0.76cm(0.300インチ)で縦0.76
cm(0.300インチ)の大きさである。それゆえ、
シリコンチツプと複合板ユニツトとの膨張温度係
数間のわずかな差異は、横0.76cm(0.300イン
チ)、縦0.76cm(0.300インチ)およびそれ以下の
チツプに重大な歪をひき起こす程大きなものでは
ない。
チツプの90%が横0.76cm(0.300インチ)で縦0.76
cm(0.300インチ)の大きさである。それゆえ、
シリコンチツプと複合板ユニツトとの膨張温度係
数間のわずかな差異は、横0.76cm(0.300イン
チ)、縦0.76cm(0.300インチ)およびそれ以下の
チツプに重大な歪をひき起こす程大きなものでは
ない。
第1図は本発明の複合金属板ユニツトの一部切
欠した斜視図である。 10,11…板部材、10a,11a…孔、1
2…層。
欠した斜視図である。 10,11…板部材、10a,11a…孔、1
2…層。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1 熱源から熱吸収媒体へ熱を伝達させる組立複
合金属板ユニツトにおいて 前記熱源の膨張温度係数とほぼ同じ温度係数を
有する一対の高引張強度金属板部材10,11
と; 前記部材のそれぞれを貫通している複数の孔1
0a,11aと; 前記部材間に介在され、上記孔を充填し、且つ
少くとも約0.3ca/cm2/cm/sec/℃の熱伝達係数を
有する可鍛性のある金属材料の層12とから成る
ことを特徴とする熱伝達金属板ユニツト。 2 前記板部材のそれぞれが、30℃から55℃の温
度範囲にわたつて6.2×10-6/℃の膨張温度係数
を有するコバルト―ニツケル―鉄合金であること
を特徴とする特許請求の範囲第1項記載の熱伝達
金属板ユニツト。 3 前記板部材のそれぞれが、42%のニツケルと
58%の鉄とから成り、且つ30℃から550℃の温度
範囲にわたつて6.9×10-6/℃の膨張温度係数を
有する合金であることを特徴とする特許請求の範
囲第1項記載の熱伝達金属板ユニツト。 4 前記板部材のそれぞれが少くとも35Kg/mm2の
引張強度を有することを特徴とする特許請求の範
囲第1項記載の熱伝達金属板ユニツト。 5 板部材を貫通している孔の総面積が、前記板
部材の表面積の15%から80%であることを特徴と
する特許請求の範囲第1項記載の熱伝達金属板ユ
ニツト。 6 板部材を貫通している孔の総面積が、上記板
部材の表面積の70%を有することを特徴とする特
許請求の範囲第1項記載の熱伝達金属板ユニツ
ト。 7 板部材を貫通している孔の数がcm2当り310個
(in2当り2000個)であることを特徴とする特許請
求の範囲第1項記載の熱伝達金属板ユニツト。 8 板部材を貫通している孔の数がcm2当り310個
(in2当り2000個)であることを特徴とする特許請
求の範囲第1項記載の熱伝達金属板ユニツト。 9 前記可鍛性のある金属材料が、銅、アルミニ
ウム、金、銀、およびこのような金属のいずれか
の合金から成る群のうちの金属であることを特徴
とする特許請求の範囲第1項記載の熱伝達金属板
ユニツト。
Applications Claiming Priority (1)
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