JP4633443B2 - Metal composite material, heat dissipation member including the metal composite material, and method for producing metal composite material - Google Patents
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Description
この発明は、金属複合材料、その金属複合材料を含む放熱部材および金属複合材料の製造方法に関し、特に、高熱伝導層と低熱膨張層とを備えた金属複合材料、その金属複合材料を含む放熱部材および金属複合材料の製造方法に関する。 The present invention, metal composite material relates to a manufacturing method of the heat dissipation member and the metal composite material comprising the metal composite material, in particular, metallic composite materials and a high thermal conductivity layer and a low thermal expansion layer, the heat radiation member including the metal composite material And a method for producing a metal composite material .
従来、電子材料やヒートシンク（放熱部材）として用いられる、高熱伝導材と低熱膨張材とを備えた金属複合材料が知られている（たとえば、特許文献１、特許文献２および特許文献３参照）。このような金属複合材料では、高熱伝導材により電子部品などから発生する熱を吸収して外部へ放熱するとともに、低熱膨張材により熱膨張を抑制することが可能である。
Conventionally, a metal composite material including a high thermal conductive material and a low thermal expansion material used as an electronic material or a heat sink (heat radiating member) is known (see, for example, Patent Document 1,
上記特許文献１には、Ａｌ製の板からなる合わせ材（高熱伝導層）と、熱伝導率の小さい３６％Ｎｉ−Ｆｅ製の板からなる基材（低熱膨張層）とを、約１５％〜約３０％の圧下率で圧接接合した、電子材料などに使用されるＡｌ／３６％Ｎｉ−Ｆｅ／Ａｌクラッド材が開示されている。 In Patent Document 1, a laminated material (high thermal conductive layer) made of an Al plate and a base material (low thermal expansion layer) made of a plate made of 36% Ni—Fe having a low thermal conductivity are about 15%. An Al / 36% Ni—Fe / Al clad material used for electronic materials and the like, which is pressure-bonded at a rolling reduction of about 30%, is disclosed.
また、上記特許文献２には、低熱膨張材を焼結することにより形成した気孔部を有する低密度成形体に、金属製の高熱伝導材を含侵させることによって形成された放熱体（放熱部材）が開示されている。
Further, in
また、上記特許文献３には、高熱伝導層と、複数の貫通孔が予め形成された低熱膨張層とを交互に積層するとともに、脱気処理を行いながら、高熱伝導層と低熱膨張層とを高圧で加圧することにより接合した、ヒートシンク（放熱部材）などに使用される電子部品用複合材料が開示されている。
In
上記特許文献１に開示されたＡｌ製の板からなる合わせ材と３６％Ｎｉ−Ｆｅ製の板からなる基材とを約１５％〜約３０％の圧下率で圧接接合した構造では、Ａｌ製の板からなる合わせ材の一方の層と他方の層とは、３６％Ｎｉ−Ｆｅ製の板からなる基材を介して接続されているので、Ａｌ製の板からなる合わせ材の一方の層の熱を他方の層に伝達する場合に、熱伝導率の小さい３６％Ｎｉ−Ｆｅ製の板からなる基材を介して熱が伝達される。このため、Ａｌ／３６％Ｎｉ−Ｆｅ／Ａｌクラッド材の積層方向の熱伝導率が小さくなるという問題点がある。 In the structure in which the laminated material made of an Al plate disclosed in Patent Document 1 and the base material made of a plate made of 36% Ni—Fe are press-welded at a rolling reduction of about 15% to about 30%, Since one layer and the other layer of the laminated material made of one plate are connected via a base material made of a 36% Ni-Fe plate, one layer of the laminated material made of an Al plate When the heat is transferred to the other layer, the heat is transferred through a substrate made of a plate made of 36% Ni—Fe having a low thermal conductivity. For this reason, there exists a problem that the heat conductivity of the lamination direction of Al / 36% Ni-Fe / Al clad material becomes small.
また、上記特許文献２に開示された構造では、低熱膨張材を焼結することにより気孔部を有する低密度成形体を形成するので、低密度成形体の内部に形成される気孔部の中には、外部とつながっていない気孔部が存在すると考えられる。この場合に、低密度形成体に高熱伝導材を含侵させることによって放熱体を形成すると、放熱体の内部に存在する外部とつながっていない気孔部には、高熱伝導材が含侵されないので、その分、放熱体（放熱部材）の熱伝導率が小さくなるという問題点がある。
Further, in the structure disclosed in
また、上記特許文献３に開示された電子部品用複合材料（放熱部材）は、複数の貫通孔が予め形成された低熱膨張層に対して、高熱伝導層を脱気処理を行いながら高圧で加圧することにより、低熱膨張層に形成された貫通孔に、高熱伝導層を流動させて貫通孔の途中で高熱伝導層同士を接合させているので、貫通孔内に、熱を伝達するのに十分な高熱伝導層を充填することは可能であると考えられる。しかしながら、低熱膨張層に予め形成された貫通孔に、高熱伝導層を加圧することにより充填するという方法では、貫通孔を高熱伝導層により隙間なく完全に充填するのは製造プロセス上極めて困難であると考えられるので、上記特許文献３では、貫通孔と高熱伝導層との間に、隙間が発生する場合があると考えられる。この場合には、その隙間に起因して熱伝導率が小さくなるという問題点がある。
In addition, the composite material for electronic parts (heat radiating member) disclosed in
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、熱膨張率を小さくするとともに、熱伝導率を大きくすることが可能な金属複合材料を提供することである。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and one object of the present invention is to provide a metal composite material capable of reducing the thermal expansion coefficient and increasing the thermal conductivity. Is to provide.
この発明の第１の局面による金属複合材料は、各々が積層された複数の低熱膨張層と、低熱膨張層の熱膨張率よりも大きい熱膨張率を有するとともに、低熱膨張層の熱伝導率よりも大きい熱伝導率を有し、低熱膨張層の表面および裏面を挟むように、低熱膨張層に対して交互に積層された複数の高熱伝導層とを備え、複数の低熱膨張層の各々には、複数の低熱膨張層と複数の高熱伝導層とが圧接接合される際に、複数の低熱膨張層の各々が不規則的に分断されて、各々の低熱膨張層の表面から裏面まで貫通するように形成された複数の分断領域が設けられており、複数の分断領域は、各々の低熱膨張層において不規則的に分布しており、圧接接合される際に、複数の低熱膨張層の各々において、複数の分断領域の各々に高熱伝導層が移動されることによって、複数の分断領域を介して、高熱伝導層同士が接続されている。 The metal composite material according to the first aspect of the present invention has a plurality of low thermal expansion layers each laminated, a thermal expansion coefficient larger than the thermal expansion coefficient of the low thermal expansion layer, and the thermal conductivity of the low thermal expansion layer. has also high thermal conductivity, so as to sandwich the front and rear surfaces of the low thermal expansion layer, and a plurality of high thermal conductivity layer laminated alternately to the low thermal expansion layer, to each of a plurality of low thermal expansion layer , when a plurality of low thermal expansion layer and a plurality of high thermal conductivity layer is pressure contact bonding, each of the plurality of low thermal expansion layer is irregularly divided, penetrating from the surface of each of the low thermal expansion layer to the rear surface A plurality of divided regions formed in such a manner are provided, and the plurality of divided regions are irregularly distributed in each low thermal expansion layer, and each of the plurality of low thermal expansion layers is formed by pressure welding. The high thermal conductivity layer is moved to each of the plurality of divided regions. By, via a plurality of partial cross-sectional area, high thermal conductivity layer are connected to each other.
この発明の第１の局面による金属複合材料では、上記のように、高熱伝導層と低熱膨張層とを圧接接合することにより、低熱膨張層を分断するとともに、分断領域を介して、高熱伝導層同士を接続することによって、少なくとも２つの層からなる高熱伝導層の一方の層の熱を高熱伝導層を介して他方の層に伝達することができるので、高熱伝導層の一方の層の熱を他方の層に伝達させやすくすることができる。これにより、金属複合材料の熱伝導率を大きくすることができる。また、高熱伝導層と低熱膨張層とを圧接接合する際に低熱膨張層が分断されて高熱伝導層同士が接続されるので、低熱膨張層に分断領域を形成した後に、高熱伝導層を圧接接合することにより高熱伝導層同士を接続する場合と異なり、高熱伝導層同士の接続部と低熱膨張層の分断領域との間に隙間が発生することがない。これにより、金属複合材料の熱伝導率をより大きくすることができる。また、金属複合材料に低熱膨張層を用いることにより、金属複合材料の熱膨張率を小さくすることができる。また、低熱膨張層が２層以上設けられた場合にも、低熱膨張層を分断領域を介して、高熱伝導層同士を接続することにより、金属複合材料の熱伝導率を大きくすることができる。 The metal composite material according to the first aspect of the present invention, as described above, by pressure contact bonding the high thermal conductivity layer and a low thermal expansion layer, with dividing the low thermal expansion layer, through the partial cross-sectional area, high heat By connecting the conductive layers, the heat of one layer of the high thermal conductive layer composed of at least two layers can be transferred to the other layer via the high thermal conductive layer. Heat can be easily transferred to the other layer. Thereby, the thermal conductivity of the metal composite material can be increased. Further, since the low thermal expansion layer is highly heat conductive layers to each other is divided is connected in pressure contact bonding the high thermal conductivity layer and a low thermal expansion layer, after forming the partial sectional area in the low thermal expansion layer, the high thermal conductive layer Unlike the case of connecting the high thermal conductive layer between by pressure bonding, it does not occur a gap between the partial cross-sectional area of the high thermal conductive layer connections between the low thermal expansion layer. Thereby, the thermal conductivity of the metal composite material can be further increased. Moreover, the thermal expansion coefficient of a metal composite material can be made small by using a low thermal expansion layer for a metal composite material. Further, even when two or more low thermal expansion layers are provided, the thermal conductivity of the metal composite material can be increased by connecting the high thermal conductive layers to each other through the dividing region.
上記第１の局面による金属複合材料において、好ましくは、高熱伝導層は、Ａｌを主成分とするとともに、低熱膨張層は、３６％Ｎｉ−Ｆｅを主成分とする。なお、主成分とするとは、５０体積％以上の含有率を有することを意味する。このように構成すれば、Ａｌを主成分とする高熱伝導層により金属複合材料の熱伝導率を、容易に、大きくすることができる。また、低熱膨張層を、３６％Ｎｉ−Ｆｅを主成分とすることによって、金属複合材料の熱膨張率を、容易に、小さくすることができる。 In the metal composite material according to the first aspect, preferably, the high thermal conductive layer has Al as a main component, and the low thermal expansion layer has 36% Ni—Fe as a main component. The main component means having a content of 50% by volume or more. If comprised in this way, the heat conductivity of a metal composite material can be easily enlarged by the high heat conductive layer which has Al as a main component. Moreover, the thermal expansion coefficient of the metal composite material can be easily reduced by using the low thermal expansion layer containing 36% Ni-Fe as a main component.
上記高熱伝導層はＡｌを主成分とするとともに、低熱膨張層は３６％Ｎｉ−Ｆｅを主成分とする金属複合材料において、好ましくは、高熱伝導層と低熱膨張層との体積比は、５０：５０〜７５：２５である。このように構成すれば、金属複合材料に占める高熱伝導層の体積比率を大きくすることができるので、金属複合材料の熱伝導率を、より容易に、大きくすることができる。 In the metal composite material in which the high thermal conductive layer is mainly composed of Al and the low thermal expansion layer is mainly composed of 36% Ni—Fe, the volume ratio of the high thermal conductive layer and the low thermal expansion layer is preferably 50: 50-75: 25. If comprised in this way, since the volume ratio of the high heat conductive layer which occupies for a metal composite material can be enlarged, the heat conductivity of a metal composite material can be enlarged more easily.
上記第１の局面による金属複合材料において、好ましくは、高熱伝導層は、Ｃｕを主成分とするとともに、低熱膨張層は、３６％Ｎｉ−Ｆｅを主成分とする。なお、主成分とするとは、５０体積％以上の含有率を有することを意味する。このように構成すれば、Ｃｕを主成分とする高熱伝導層により金属複合材料の熱伝導率を、容易に、大きくすることができる。 In the metal composite material according to the first aspect, preferably, the high thermal conductive layer has Cu as a main component, and the low thermal expansion layer has 36% Ni—Fe as a main component. The main component means having a content of 50% by volume or more. If comprised in this way, the heat conductivity of a metal composite material can be easily enlarged by the high heat conductive layer which has Cu as a main component.
上記高熱伝導層はＣｕを主成分とするとともに、低熱膨張層は３６％Ｎｉ−Ｆｅを主成分とする金属複合材料において、好ましくは、高熱伝導層と低熱膨張層との体積比は、７０：３０〜８０：２０である。このように構成すれば、金属複合材料に占める高熱伝導層の体積比率を大きくすることができるので、金属複合材料の熱伝導率を、より容易に、大きくすることができる。 In the metal composite material in which the high thermal conductive layer is mainly composed of Cu and the low thermal expansion layer is mainly composed of 36% Ni—Fe, the volume ratio of the high thermal conductive layer and the low thermal expansion layer is preferably 70: 30-80: 20. If comprised in this way, since the volume ratio of the high heat conductive layer which occupies for a metal composite material can be enlarged, the heat conductivity of a metal composite material can be enlarged more easily.
上記第１の局面による金属複合材料において、好ましくは、高熱伝導層は、積層方向の一方の最外部に配置された一方最外層と、積層方向の他方の最外部に配置された他方最外層とを含み、高熱伝導層の一方最外層と他方最外層とは、複数の低熱膨張層の各々に設けられた分断領域を介して、高熱伝導層により接続されている。このように構成すれば、高熱伝導層の一方最外層の熱を高熱伝導層を介して他方最外層に伝達することができるので、金属複合材料の熱伝導率をより大きくすることができる。 In the metal composite material according to the first aspect, preferably, the high thermal conductive layer includes one outermost layer disposed on one outermost side in the stacking direction and the other outermost layer disposed on the other outermost layer in the stacking direction. hints, and the one outermost layer and the other outermost layer of the high thermal conductive layer, via a partial cross-sectional area provided in each of the plurality of low thermal expansion layer are connected by a high thermal conductive layer. If comprised in this way, since the heat of one outermost layer of a high heat conductive layer can be transmitted to the other outermost layer via a high heat conductive layer, the heat conductivity of a metal composite material can be enlarged more.
上記第１の局面による金属複合材料において、好ましくは、高熱伝導層は、積層方向の一方の最外部に配置された一方最外層と、積層方向の他方の最外部に配置された他方最外層とを含み、高熱伝導層の一方最外層および他方最外層は、一方最外層および他方最外層から低熱膨張層が露出しないように、低熱膨張層を覆っている。このように構成すれば、金属複合材料の一方最外層および他方最外層の熱伝導率を大きくすることができるので、金属複合材料の熱伝導率をより大きくすることができる。 In the metal composite material according to the first aspect, preferably, the high thermal conductive layer includes one outermost layer disposed on one outermost side in the stacking direction and the other outermost layer disposed on the other outermost layer in the stacking direction. And the one outermost layer and the other outermost layer of the high thermal conductive layer cover the low thermal expansion layer so that the low thermal expansion layer is not exposed from the one outermost layer and the other outermost layer. If comprised in this way, since the heat conductivity of the one outermost layer and the other outermost layer of a metal composite material can be enlarged, the heat conductivity of a metal composite material can be enlarged more.
上記第１の局面による金属複合材料において、好ましくは、低熱膨張層は、網状の構造を有するように不規則的に分断されている。このように構成すれば、同一の層からなる低熱膨張層は分断されながらも全体としては網状に接続されているので、その全体として網状に接続された低熱膨張層により、低熱膨張層の表面および裏面に配置される高熱伝導層が熱により膨張するのを有効に抑制することができる。これにより、金属複合材料の熱膨張率を小さくすることができる。 In the metal composite material according to the first aspect, preferably, the low thermal expansion layer is irregularly divided so as to have a network structure. If constituted in this way, since the low thermal expansion layer made of the same layer is divided and connected as a whole as a net, the low thermal expansion layer connected as a whole as a whole is connected to the surface of the low thermal expansion layer and It is possible to effectively suppress the high thermal conductive layer disposed on the back surface from expanding due to heat. Thereby, the thermal expansion coefficient of the metal composite material can be reduced.
上記第１の局面による金属複合材料において、好ましくは、高熱伝導層は、積層方向の一方の最外部に配置された一方最外層と、積層方向の他方の最外部に配置された他方最外層とを含み、高熱伝導層の一方最外層および他方最外層の少なくとも一方は、Ｎｉ層によって覆われている。このように構成すれば、金属複合材料の一方最外層および他方最外層の少なくとも一方をＮｉ層によって保護することができるので、金属複合材料の最外層が酸化されるのを抑制することができる。 In the metal composite material according to the first aspect, preferably, the high thermal conductive layer includes one outermost layer disposed on one outermost side in the stacking direction and the other outermost layer disposed on the other outermost layer in the stacking direction. And at least one of the one outermost layer and the other outermost layer of the high thermal conductive layer is covered with a Ni layer. With this configuration, at least one of the one outermost layer and the other outermost layer of the metal composite material can be protected by the Ni layer, so that the outermost layer of the metal composite material can be prevented from being oxidized.
上記第１の局面による金属複合材料において、好ましくは、高熱伝導層は、積層方向の一方の最外部に配置された一方最外層と、積層方向の他方の最外部に配置された他方最外層とを含み、高熱伝導層の一方最外層および他方最外層の少なくとも一方は、Ｃｕを主成分とする層によって覆われている。このように構成すれば、Ｃｕを主成分とする層により、金属複合材料の一方最外層および他方最外層の少なくとも一方の熱伝導率を、容易に、大きくすることができるので、金属複合材料の熱伝導率を、容易に、大きくすることができる。 In the metal composite material according to the first aspect, preferably, the high thermal conductive layer includes one outermost layer disposed on one outermost side in the stacking direction and the other outermost layer disposed on the other outermost layer in the stacking direction. And at least one of the one outermost layer and the other outermost layer of the high thermal conductive layer is covered with a layer containing Cu as a main component. If comprised in this way, the heat conductivity of at least one of the one outermost layer and the other outermost layer of the metal composite material can be easily increased by the layer containing Cu as a main component. The thermal conductivity can be easily increased.
上記高熱伝導層の一方最外層および他方最外層の少なくとも一方はＣｕを主成分とする層によって覆われている金属複合材料において、好ましくは、Ｃｕを主成分とする層は、Ｎｉ層によって覆われている。このように構成すれば、Ｃｕを主成分とする層をＮｉ層によって保護することができるので、Ｃｕを主成分とする層が酸化されるのを抑制することができる。 In the metal composite material in which at least one of the one outermost layer and the other outermost layer of the high thermal conductivity layer is covered with a layer containing Cu as a main component, preferably the layer containing Cu as a main component is covered with a Ni layer. ing. If comprised in this way, since the layer which has Cu as a main component can be protected by Ni layer, it can suppress that the layer which has Cu as a main component is oxidized.
この発明の第２の局面による放熱部材は、上記いずれかの構成を有する金属複合材料を含む。このように構成すれば、熱膨張率を小さくするとともに、熱伝導率を大きくすることが可能な放熱部材を得ることができる。 A heat dissipation member according to a second aspect of the present invention includes a metal composite material having any one of the above-described configurations. If comprised in this way, while reducing a thermal expansion coefficient, the heat radiating member which can enlarge thermal conductivity can be obtained.
この発明の第３の局面による金属複合材料の製造方法は、複数の低熱膨張層の各々と、低熱膨張層の熱膨張率よりも大きい熱膨張率を有するとともに、低熱膨張層の熱伝導率よりも大きい熱伝導率を有する複数の高熱伝導層の各々とを交互に積層した状態で圧接接合して、複数の低熱膨張層の各々を不規則的に分断することによって、複数の低熱膨張層の各々に、不規則的に分布した複数の分断領域を形成する工程と、圧接接合に伴い、複数の低熱膨張層の各々に設けられた複数の分断領域の各々に高熱伝導層を移動させることによって、複数の分断領域を介して、高熱伝導層同士を接続する工程とを備える。 The method for producing a metal composite material according to the third aspect of the present invention has a thermal expansion coefficient larger than the thermal expansion coefficient of each of the plurality of low thermal expansion layers and the thermal expansion coefficient of the low thermal expansion layer. Each of the plurality of low thermal expansion layers is irregularly divided by pressure welding in a state of alternately laminating each of the plurality of high thermal conductivity layers having a large thermal conductivity. A step of forming a plurality of irregularly distributed regions in each of them, and by moving the high thermal conductive layer to each of the plurality of divided regions provided in each of the plurality of low thermal expansion layers in accordance with the pressure welding And a step of connecting the high thermal conductive layers to each other through a plurality of divided regions.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図１は、本発明の一実施形態による放熱部材を示した断面図である。図２は、本発明の一実施形態による放熱部材を構成する３６％Ｎｉ−Ｆｅ層を示した平面図である。図３は、図１に示した一実施形態による放熱部材に半導体素子を搭載した状態を示した断面図である。まず、図１〜図３を参照して、本発明の一実施形態による放熱部材の構造について説明する。 FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a heat dissipation member according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a plan view showing a 36% Ni—Fe layer constituting the heat dissipation member according to the embodiment of the present invention. FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a state in which a semiconductor element is mounted on the heat dissipation member according to the embodiment illustrated in FIG. 1. First, with reference to FIGS. 1-3, the structure of the thermal radiation member by one Embodiment of this invention is demonstrated.
本発明の一実施形態による放熱部材１は、図１に示すように、３６％Ｎｉ−Ｆｅ層からなる低熱膨張層４およびＡｌ層からなる高熱伝導層５を含む金属複合材料層２と、金属複合材料層２の表面および裏面を覆うように形成されたＣｕ層３とを含んでいる。なお、３６％Ｎｉ−Ｆｅ層は、ＦｅとＮｉとの質量の比率がＦｅ：Ｎｉ＝６４：３６の合金である。また、金属複合材料層２は、約１．０ｍｍ〜約２．０ｍｍの厚みを有している。また、金属複合材料層２は、３６％Ｎｉ−Ｆｅ層からなる７層の低熱膨張層４と、各低熱膨張層４の表面および裏面を挟むように低熱膨張層４に対して交互に積層されたＡｌ層からなる８層の高熱伝導層５とを圧接接合することにより形成されている。
As shown in FIG. 1, a heat dissipation member 1 according to an embodiment of the present invention includes a metal
すなわち、本実施形態による金属複合材料層２は、低熱膨張層４と高熱伝導層５とを交互に積層して圧接接合（圧延）することにより、低熱膨張層４と高熱伝導層５との延びの違いを利用して低熱膨張層４を分断するとともに、低熱膨張層４の分断された領域１０を介して高熱伝導層５同士が接続されるように形成されている。なお、圧接接合時に７層であった低熱膨張層４の層数は、圧接接合後には２〜６層に減少されている。また、高熱伝導層５と低熱膨張層４との体積比は、５０：５０〜７５：２５に構成されている。なお、低熱膨張層４を構成する３６％Ｎｉ−Ｆｅ層は、約１．２ｐｐｍ／℃の熱膨張率と、約１３Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導率とを有する。また、高熱伝導層５を構成するＡｌ層は、２３．７ｐｐｍ／℃の熱膨張率と、２３７Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導率とを有する。また、図１に示した金属複合材料層２から高熱伝導層５（図１参照）を除去した低熱膨張層４を上方向から観察すると、図２に示すように、Ａｌ層および３６％Ｎｉ−Ｆｅ層の圧延（圧接接合）時の搬送方向（図２のＡ方向）に対して実質的に垂直な方向（図１および図２のＢ方向）にのみ分断された網状の構造を有している。なお、分断された領域１０は、本発明の「分断領域」の一例である。
That is, the metal
また、本実施形態では、図１に示すように、金属複合材料層２を構成する高熱伝導層５は、積層方向（図１のＣ方向）の上方向の最外部に配置された一方最外層５ａと、積層方向（図１のＣ方向）の下方向の最外部に配置された他方最外層５ｂとを含んでいる。この高熱伝導層５の一方最外層５ａと他方最外層５ｂとは、低熱膨張層４が分断された領域１０を介して各層の高熱伝導層５により接続されている。
Moreover, in this embodiment, as shown in FIG. 1, the high heat
また、本実施形態では、金属複合材料層２を構成する高熱伝導層５の一方最外層５ａおよび他方最外層５ｂは、一方最外層５ａおよび他方最外層５ｂから低熱膨張層４が露出しないように低熱膨張層４を覆っている。また、高熱伝導層５からなる一方最外層５ａおよび他方最外層５ｂは、Ｃｕ層３によって覆われている。このＣｕ層３は、約０．０６ｍｍ〜約０．２３ｍｍの厚みを有している。また、Ｃｕ層３の上面上には、図３に示すように、半導体素子６が半田やエポキシ樹脂などからなる接合層７によって固定されている。
In the present embodiment, the one
次に、本発明の一実施形態による金属複合材料層２を含む放熱部材１の製造方法について説明する。まず、約２．０ｍｍの厚みを有するＡｌ層からなる高熱伝導層５を、約３００℃〜約５００℃の温度で１分〜３分間焼鈍する。これにより、後述する圧接接合時に、Ａｌ層からなる高熱伝導層５を延びやすくすることが可能となる。また、Ａｌ層からなる高熱伝導層５と積層する面が同程度の大きさ（長さおよび幅）である約２．０ｍｍの厚みを有する３６％Ｎｉ−Ｆｅ層からなる低熱膨張層４を準備する。そして、約２．０ｍｍの厚みを有するＡｌ層からなる高熱伝導層５の上面に、約２．０ｍｍの厚みを有する３６％Ｎｉ−Ｆｅ層からなる低熱膨張層４と、約２．０ｍｍの厚みを有するＡｌ層からなる高熱伝導層５とをこの順番で重ね合わせた後、約６０％の圧下率で圧接接合することにより、３層材を形成する。このとき、Ａｌ層からなる高熱伝導層５および３６％Ｎｉ−Ｆｅ層からなる低熱膨張層４は、各約０．８ｍｍの厚みに変形するので、圧接接合された３層材は、約２．４ｍｍの厚みを有する。この後、圧接接合された約２．４ｍｍの厚みを有する３層材に対して、水素雰囲気中で、約３００℃〜約５００℃の温度で１分〜３分間拡散焼鈍を行う。これにより、Ａｌ層が焼鈍される一方３６％Ｎｉ−Ｆｅ層が焼鈍されない条件で、拡散させることが可能となるので、Ａｌ層からなる高熱伝導層５のみを延びやすくすることが可能となる。これにより、圧接接合時に、３６％Ｎｉ−Ｆｅ層からなる低熱膨張層４を分断しやすくすることが可能となる。なお、この３層材の状態では、３６％Ｎｉ−Ｆｅ層からなる低熱膨張層４は分断されていない。
Next, the manufacturing method of the heat radiating member 1 containing the metal
そして、上記した３層材と積層する面が同程度の大きさ（長さおよび幅）である各約０．８ｍｍの厚みを有する３６％Ｎｉ−Ｆｅ層からなる低熱膨張層４を準備する。その後、約２．４ｍｍの厚みを有する一方の３層材の上面に、約０．８ｍｍの厚みを有する３６％Ｎｉ−Ｆｅ層からなる低熱膨張層４と、約２．４ｍｍの厚みを有する他方の３層材とをこの順番で重ね合わせた後、約６０％の圧下率で圧接接合することにより７層材を形成する。これにより、Ａｌ層および３６％Ｎｉ−Ｆｅ層の７層材は、約２．２４ｍｍの厚みに形成される。この後、７層材に対して、水素雰囲気中で、約３００℃〜約５００℃の温度で１分〜３分間拡散焼鈍を行う。なお、この７層材の状態では、３６％Ｎｉ−Ｆｅ層からなる低熱膨張層４は分断されていない。
Then, the low
そして、上記した７層材と積層する面が同程度の大きさ（長さおよび幅）である約０．３２ｍｍの厚みを有する３６％Ｎｉ−Ｆｅ層からなる低熱膨張層４を準備する。その後、一方の７層材の上面に、約０．３２ｍｍの厚みを有する３６％Ｎｉ−Ｆｅ層からなる前述の低熱膨張層４と、別に用意した前述の７層材と同一の構成の７層材とをこの順番で重ね合わせた後、約６０％の圧下率で圧接接合することにより１５層材を形成する。このとき、３６％Ｎｉ−Ｆｅ層（低熱膨張層４）は、圧接接合により分断される。また、圧接接合することにより、Ａｌ層からなる８層の高熱伝導層５と３６％Ｎｉ−Ｆｅ層からなる７層の低熱膨張層４とからなる１５層構造の金属複合材料層２が形成される。この金属複合材料層２は、約１．９２ｍｍの厚みに形成される。また、金属複合材料層２を構成する高熱伝導層５と低熱膨張層４との体積比は、５０：５０〜７５：２５になるように形成される。この後、１５層構造の金属複合材料層２に対して、水素雰囲気中で、約３００℃〜約５００℃の温度で１分〜３分間拡散焼鈍を行う。
And the low
そして、金属複合材料層２と積層する面が同程度の大きさ（長さおよび幅）を有するとともに、約０．０９６ｍｍ〜約０．３８４ｍｍの厚みを有する２つのＣｕ層３を準備する。その後、金属複合材料層２の表面および裏面を挟むように、約０．０９６ｍｍ〜約０．３８４ｍｍの厚みを有するＣｕ層３を配置した後、約６０％の圧下率で圧接接合する。これにより、金属複合材料層２の表面および裏面にＣｕ層３が形成された本実施形態による放熱部材１が形成される。この場合、放熱部材１は、約０．８４５ｍｍ〜約１．０７５ｍｍの厚みに形成される。
Then, two
なお、このように形成された本実施形態による放熱部材１を半導体素子６の放熱のために用いる場合には、図３に示すように、放熱部材１の上面に半田やエポキシ樹脂などからなる接合層７を介して半導体素子６を取り付ける。
When the heat radiating member 1 according to the present embodiment formed in this way is used for heat radiating the
本実施形態では、上記のように、高熱伝導層５と低熱膨張層４とを圧接接合することにより、低熱膨張層４を分断するとともに、分断した領域１０を介して、高熱伝導層５の一方最外層５ａと他方最外層５ｂとを高熱伝導層５により接続することによって、高熱伝導層５の一方最外層５ａの熱を高熱伝導層５を介して他方最外層５ｂに伝達することができるので、放熱部材１の熱伝導率を大きくすることができる。また、高熱伝導層５と低熱膨張層４とを圧接接合することにより低熱膨張層４が分断されて高熱伝導層５同士が接続されるので、低熱膨張層４に分断された領域１０を形成した後に、高熱伝導層５を圧接接合することにより高熱伝導層５同士を接続する場合と異なり、高熱伝導層５同士の接続部と低熱膨張層４の分断された領域１０との間に隙間が発生することがない。また、放熱部材１に低熱膨張層４を用いることにより、放熱部材１の熱膨張率を小さくすることができるので、放熱部材１が熱により変形するのを抑制することができる。
In the present embodiment, as described above, the high thermal
また、本実施形態では、低熱膨張層４を７層設けるとともに、高熱伝導層５を、各々の低熱膨張層４の表面および裏面を挟むように、低熱膨張層４に対して交互に積層することによって、低熱膨張層４が７層設けられた場合にも、低熱膨張層４を分断した領域１０を介して、高熱伝導層５同士を接続することにより、放熱部材１の熱伝導率を大きくすることができる。
In the present embodiment, seven low
また、本実施形態では、高熱伝導層５を、Ａｌ層からなるとともに、低熱膨張層４を、３６％Ｎｉ−Ｆｅ層からなることによって、Ａｌ層からなる高熱伝導層５により放熱部材１の熱伝導率を、容易に、大きくすることができる。また、低熱膨張層４を、３６％Ｎｉ−Ｆｅ層からなることによって、放熱部材１の熱膨張率を小さくすることができる。
In the present embodiment, the high thermal
また、本実施形態では、高熱伝導層５と低熱膨張層４との体積比を、５０：５０〜７５：２５に構成することによって、放熱部材１に占める高熱伝導層５の体積比率を大きくすることができるので、放熱部材１の熱伝導率を、より大きくすることができる。
Moreover, in this embodiment, the volume ratio of the high thermal
また、本実施形態では、高熱伝導層５の一方最外層５ａと他方最外層５ｂとを、低熱膨張層４が分断された領域１０を介して、高熱伝導層５により接続することによって、高熱伝導層５の一方最外層５ａの熱を高熱伝導層５を介して他方最外層５ｂに伝達することができるので、放熱部材１の熱伝導率をより大きくすることができる。
Further, in the present embodiment, one of the
また、本実施形態では、高熱伝導層５の一方最外層５ａおよび他方最外層５ｂにより、一方最外層５ａおよび他方最外層５ｂから低熱膨張層４が露出しないように、低熱膨張層４を覆うことによって、放熱部材１の一方最外層５ａおよび他方最外層５ｂの熱伝導率を大きくすることができるので、放熱部材１の熱伝導率をより大きくすることができる。
In the present embodiment, the low
また、本実施形態では、低熱膨張層４を、網状の構造を有するように分断することによって、同一の層からなる低熱膨張層４は分断されながらも全体としては接続されているので、その全体として網状に接続された低熱膨張層４により、低熱膨張層４の表面および裏面に配置される高熱伝導層５が熱により膨張するのを有効に抑制することができる。これにより、放熱部材１の熱膨張率を小さくすることができる。
In the present embodiment, the low
また、本実施形態では、高熱伝導層５の一方最外層５ａおよび他方最外層５ｂを、Ｃｕ層３によって覆うことによって、放熱部材１の一方最外層５ａおよび他方最外層５ｂの熱伝導率を、容易に、大きくすることができるので、放熱部材１の熱伝導率を、容易に、大きくすることができる。
Further, in the present embodiment, the one
（実施例）
次に、上記した一実施形態による放熱部材１の効果を確認するために行った比較実験について説明する。まず、Ａｌ／３６％Ｎｉ−Ｆｅ／Ａｌの３層材による３６％Ｎｉ−Ｆｅの加工（分断）性を調べた比較実験について説明する。この比較実験では、本実施形態に対応する実施例１〜４による試料と、比較例１および２による試料とを作製した。
(Example)
Next, a comparative experiment performed to confirm the effect of the heat dissipation member 1 according to the above-described embodiment will be described. First, a comparative experiment in which the processing (partitioning) property of 36% Ni—Fe using a three-layer material of Al / 36% Ni—Fe / Al will be described. In this comparative experiment, samples according to Examples 1 to 4 corresponding to the present embodiment and samples according to Comparative Examples 1 and 2 were produced.
まず、Ａｌ／３６％Ｎｉ−Ｆｅ／Ａｌ中の３６％Ｎｉ−Ｆｅ層（低熱膨張層４）の体積比率を、それぞれ、１４体積％（実施例１）、３３体積％（実施例２）、２０体積％（実施例３）、１４体積％（実施例４）、３３体積％（比較例１）および２０体積％（比較例２）にしたＡｌ／３６％Ｎｉ−Ｆｅ／Ａｌの３層材を準備した。なお、３６％Ｎｉ−Ｆｅ層（低熱膨張層４）を積極的に分断するために、Ａｌ層（高熱伝導層５）は、予め約３００℃〜約５００℃の温度で１分〜３分間焼鈍した材料を用いるとともに、３６％Ｎｉ−Ｆｅ層（低熱膨張層４）は、焼鈍を行っていない圧延材を用いた。上記の試料について、実施例１、比較例１および２では、約８０％の圧下率で圧接接合するとともに、実施例２〜４では、約９５％の圧下率で圧接接合した。そして、これらの試料について、３６％Ｎｉ−Ｆｅ層（低熱膨張層４）の分断状態を確認した。 First, the volume ratio of the 36% Ni—Fe layer (low thermal expansion layer 4) in Al / 36% Ni—Fe / Al is 14 volume% (Example 1) and 33 volume% (Example 2), respectively. A three-layer material of Al / 36% Ni—Fe / Al made 20 volume% (Example 3), 14 volume% (Example 4), 33 volume% (Comparative Example 1) and 20 volume% (Comparative Example 2). Prepared. In order to actively divide the 36% Ni—Fe layer (low thermal expansion layer 4), the Al layer (high thermal conductive layer 5) is previously annealed at a temperature of about 300 ° C. to about 500 ° C. for 1 minute to 3 minutes. In addition, the 36% Ni-Fe layer (low thermal expansion layer 4) was a rolled material that was not annealed. About the above samples, in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2, pressure welding was performed at a reduction rate of about 80%, and in Examples 2 to 4, pressure welding was performed at a reduction rate of about 95%. And about these samples, the parting state of the 36% Ni-Fe layer (low thermal expansion layer 4) was confirmed.
８０％の圧下率において、Ａｌ／３６％Ｎｉ−Ｆｅ／Ａｌ中の３６％Ｎｉ−Ｆｅ層（低熱膨張層４）の体積比率が３３％（比較例１）および２０％（比較例２）の場合には、３６％Ｎｉ−Ｆｅ層（低熱膨張層４）が分断されなかった。その一方、８０％の圧下率において、Ａｌ／３６％Ｎｉ−Ｆｅ／Ａｌ中の３６％Ｎｉ−Ｆｅ層（低熱膨張層４）の体積比率が１４％（実施例１）の場合には、３６％Ｎｉ−Ｆｅ層（低熱膨張層４）が分断されることが判明した。この結果から、８０％の圧下率で圧接されたＡｌ／３６％Ｎｉ−Ｆｅ／Ａｌの３層材では、３層材中の３６％Ｎｉ−Ｆｅ層（低熱膨張層４）の体積比率が小さくなるに従い、圧接接合時に、３６％Ｎｉ−Ｆｅ層（低熱膨張層４）にくびれが生じやすくなるとともに、３６％Ｎｉ−Ｆｅ層（低熱膨張層４）が分断されやすくなることが判明した。また、９５％の圧下率で圧接接合された実施例２〜４では、全て、３６％Ｎｉ−Ｆｅ層（低熱膨張層４）が分断された。この結果から、圧下率が大きくなるに従い、圧接接合時に、３６％Ｎｉ−Ｆｅ層（低熱膨張層４）にくびれが生じやすくなるとともに、３６％Ｎｉ−Ｆｅ層（低熱膨張層４）が分断されやすくなることが判明した。 At a rolling reduction of 80%, the volume ratio of the 36% Ni—Fe layer (low thermal expansion layer 4) in Al / 36% Ni—Fe / Al is 33% (Comparative Example 1) and 20% (Comparative Example 2). In some cases, the 36% Ni—Fe layer (low thermal expansion layer 4) was not divided. On the other hand, when the volume ratio of the 36% Ni—Fe layer (low thermal expansion layer 4) in Al / 36% Ni—Fe / Al is 14% (Example 1) at a rolling reduction of 80%, It was found that the% Ni—Fe layer (low thermal expansion layer 4) was divided. From this result, the volume ratio of the 36% Ni—Fe layer (low thermal expansion layer 4) in the three layer material is small in the Al / 36% Ni—Fe / Al three layer material pressed at a reduction rate of 80%. As a result, it has been found that the 36% Ni—Fe layer (low thermal expansion layer 4) is likely to be constricted and the 36% Ni—Fe layer (low thermal expansion layer 4) is easily divided during the pressure welding. Further, in Examples 2 to 4 where the pressure welding was performed at a reduction rate of 95%, all of the 36% Ni—Fe layer (low thermal expansion layer 4) was divided. From this result, as the rolling reduction increases, the 36% Ni—Fe layer (low thermal expansion layer 4) is likely to be constricted during the pressure welding, and the 36% Ni—Fe layer (low thermal expansion layer 4) is divided. It turned out to be easier.
次に、Ａｌと３６％Ｎｉ−Ｆｅとの繰り返し圧接接合による３６％Ｎｉ−Ｆｅ層（低熱膨張層４）の分断状態を調べた実験について説明する。この実験では、実施例５〜７による試料を作製した。 Next, an experiment will be described in which a divided state of a 36% Ni—Fe layer (low thermal expansion layer 4) by repeated pressure welding of Al and 36% Ni—Fe is examined. In this experiment, samples according to Examples 5 to 7 were prepared.
まず、実施例５では、約２．０ｍｍの厚みを有するＡｌ層からなる高熱伝導層５を、約３００℃〜約５００℃の温度で１分〜３分間焼鈍した。また、約２．０ｍｍの厚みを有するＡｌ層からなる高熱伝導層５と積層する面が同程度の大きさ（長さおよび幅）である約２．０ｍｍの厚みを有する３６％Ｎｉ−Ｆｅ層からなる低熱膨張層４を準備した。そして、約２．０ｍｍの厚みを有するＡｌ層からなる高熱伝導層５の上面に、約２．０ｍｍの厚みを有する３６％Ｎｉ−Ｆｅ層からなる低熱膨張層４と、約２．０ｍｍの厚みを有するＡｌ層からなる高熱伝導層５とをこの順番で重ね合わせた後、約６０％の圧下率で圧接接合することにより３層材を作製した。この３層材を２つ作製した。このとき、Ａｌ層からなる高熱伝導層５および３６％Ｎｉ−Ｆｅ層からなる低熱膨張層４は、各約０．８ｍｍの厚みに変形したので、３層材の厚みは、約２．４ｍｍになった。この後、３層材に対して、水素雰囲気中で、約３００℃〜約５００℃の温度で１分〜３分間拡散焼鈍を行った。
First, in Example 5, the high thermal
そして、上記した３層材と積層する面が同程度の大きさ（長さおよび幅）である約０．８ｍｍの厚みを有する３６％Ｎｉ−Ｆｅ層からなる低熱膨張層４を準備した。その後、約２．４ｍｍの厚みを有する３層材の上面に、約０．８ｍｍの厚みを有する３６％Ｎｉ−Ｆｅ層からなる低熱膨張層４と、約２．４ｍｍの厚みを有する３層材とをこの順番で重ね合わせた後、約６０％の圧下率で圧接接合することにより、Ａｌ層および３６％Ｎｉ−Ｆｅ層の７層材は、約２．２４ｍｍの厚みに形成された。そして、この７層材を２つ作製した。この後、７層材に対して、水素雰囲気中で、約３００℃〜約５００℃の温度で１分〜３分間拡散焼鈍を行った。
Then, a low
そして、上記した７層材と積層する面が同程度の大きさ（長さおよび幅）である約０．３２ｍｍの厚みを有する３６％Ｎｉ−Ｆｅ層からなる低熱膨張層４を準備した。その後、７層材の上面に、約０．３２ｍｍの厚みを有する３６％Ｎｉ−Ｆｅ層からなる低熱膨張層４と、７層材とをこの順番で重ね合わせた後、約６０％の圧下率で圧接接合することにより１５層材を作製した。これにより、Ａｌ層および３６％Ｎｉ−Ｆｅ層の１５層材は、約１．９２ｍｍの厚みに形成された。この後、１５層材に対して、水素雰囲気中で、約３００℃〜約５００℃の温度で１分〜３分間拡散焼鈍を行った。このようにして、実施例５による試料を作製した。なお、この実施例５による試料の３６％Ｎｉ−Ｆｅ層の体積比率は約５３％であった。
And the low
また、実施例６では、実施例５と同様の方法で作製した１５層材と、１５層材と積層する面が同程度の大きさ（長さおよび幅）である約０．１３ｍｍの厚みを有する３６％Ｎｉ−Ｆｅ層からなる低熱膨張層４とを準備した。その後、１５層材の上面に、約０．１３ｍｍの厚みを有する３６％Ｎｉ−Ｆｅ層からなる低熱膨張層４と、１５層材とをこの順番で重ね合わせた後、約６０％の圧下率で圧接接合することにより３１層材を作製した。これにより、Ａｌ層および３６％Ｎｉ−Ｆｅ層の３１層材は、約１．５９ｍｍの厚みに形成された。この後、３１層材に対して、水素雰囲気中で、約３００℃〜約５００℃の温度で１分〜３分間拡散焼鈍を行った。このようにして、実施例６による試料を作製した。
In Example 6, the 15-layer material produced by the same method as in Example 5 and a thickness of about 0.13 mm where the surface laminated with the 15-layer material has the same size (length and width). And a low
また、実施例７では、実施例６と同様の方法で作製した３１層材と、３１層材と積層する面が同程度の大きさ（長さおよび幅）である約０．０５ｍｍの厚みを有する３６％Ｎｉ−Ｆｅ層からなる低熱膨張層４とを準備した。その後、３１層材の上面に、約０．０５ｍｍの厚みを有する３６％Ｎｉ−Ｆｅ層からなる低熱膨張層４と、３１層材とをこの順番で重ね合わせた後、約６０％の圧下率で圧接接合することにより６３層材を作製した。これにより、Ａｌ層および３６％Ｎｉ−Ｆｅ層の６３層材は、約１．２９ｍｍの厚みに形成された。この後、６３層材に対して、水素雰囲気中で、約３００℃〜約５００℃の温度で１分〜３分間拡散焼鈍を行った。このようにして、実施例７による試料を作製した。
Further, in Example 7, the 31-layer material produced by the same method as in Example 6 and a thickness of about 0.05 mm where the surface to be laminated with the 31-layer material has the same size (length and width). And a low
上記のように作製した試料について、図１に示した放熱部材１と同様に、圧延（圧接接合）時の搬送方向（図２のＡ方向）に対して実質的に垂直な方向（図１および図２のＢ方向）に切断し、３６％Ｎｉ−Ｆｅ層の分断状態を調べた。その結果を表１に示す。 About the sample produced as described above, similarly to the heat radiating member 1 shown in FIG. 1, a direction (FIG. 1 and FIG. 1) that is substantially perpendicular to the conveying direction (direction A in FIG. 2) during rolling (pressure welding). It was cut in the B direction in FIG. 2 and the fragmented state of the 36% Ni—Fe layer was examined. The results are shown in Table 1.
次に、上記した実施例５〜７による試料、および、実施例５の作製途中で作製したＡｌ層および３６％Ｎｉ−Ｆｅ層の７層材からなる比較例３による試料に対して、Ａｌ／３６％Ｎｉ−Ｆｅの繰り返し圧接接合によるＡｌ／と３６％Ｎｉ−Ｆｅとの多層材の熱伝導率および熱膨張率を測定した実験について説明する。なお、実施例５〜７による試料では、上記したように、圧接接合により３６％Ｎｉ−Ｆｅ層は、分断されている一方、比較例３による試料では、圧接接合により３６％Ｎｉ−Ｆｅ層は分断されなかった。 Next, with respect to the sample according to Examples 5 to 7 described above and the sample according to Comparative Example 3 composed of the seven-layer material of the Al layer and 36% Ni—Fe layer produced during the production of Example 5, Al / An experiment in which the thermal conductivity and the thermal expansion coefficient of a multilayer material of Al / and 36% Ni—Fe by repeated pressure welding of 36% Ni—Fe is described. In the samples according to Examples 5 to 7, as described above, the 36% Ni—Fe layer was divided by pressure welding, while in the sample according to Comparative Example 3, the 36% Ni—Fe layer was broken by pressure welding. It was not divided.
上記の実施例５〜７および比較例３による試料について熱伝導率を測定した結果を図４に示す。 The result of having measured the thermal conductivity about the sample by said Examples 5-7 and the comparative example 3 is shown in FIG.
図４に示すように、３６％Ｎｉ−Ｆｅ層（低熱膨張層４）が分断されている実施例５〜７の試料では、３６％Ｎｉ−Ｆｅ層（低熱膨張層４）が分断されていない比較例３の試料と比べて大幅に熱伝導率が大きくなることが判明した。これは、以下の理由によると考えられる。すなわち、３６％Ｎｉ−Ｆｅ層（低熱膨張層４）が分断されている実施例５〜７の試料では、図１に示すように、分断された領域１０を介して、高熱伝導層５同士が接続されることによって、高熱伝導層５の一方最外層５ａの熱を高熱伝導層５を介して他方最外層５ｂに良好に伝達することができるためであると考えられる。また、実施例５および６の試料において、熱伝導率は同程度であることが判明した。また、Ａｌと３６％Ｎｉ−Ｆｅとの積層数が３１層（実施例６）よりも大きくなると、積層数の増加に伴って、熱伝導率が小さくなることが判明した。
As shown in FIG. 4, in the samples of Examples 5 to 7 in which the 36% Ni—Fe layer (low thermal expansion layer 4) is divided, the 36% Ni—Fe layer (low thermal expansion layer 4) is not divided. It was found that the thermal conductivity was significantly increased as compared with the sample of Comparative Example 3. This is considered to be due to the following reason. That is, in the samples of Examples 5 to 7 in which the 36% Ni—Fe layer (low thermal expansion layer 4) is divided, as shown in FIG. 1, the high thermal
また、図５に示すように、３６％Ｎｉ−Ｆｅ層が分断されている実施例５〜７の試料では、３６％Ｎｉ−Ｆｅ層が分断されていない比較例３の試料と比べて大幅に熱膨張率が小さくなることが判明した。また、実施例５〜７の試料において、３６％Ｎｉ−Ｆｅ層の層数（Ａｌ／３６％Ｎｉ−Ｆｅ層の積層数）が大きくなるにしたがって、熱膨張率が大きくなることが判明した。 Further, as shown in FIG. 5, the samples of Examples 5 to 7 in which the 36% Ni—Fe layer is divided are significantly more than the sample of Comparative Example 3 in which the 36% Ni—Fe layer is not divided. It was found that the coefficient of thermal expansion was small. In addition, in the samples of Examples 5 to 7, it was found that the coefficient of thermal expansion increases as the number of layers of the 36% Ni—Fe layer (the number of stacked layers of Al / 36% Ni—Fe layer) increases.
次に、Ａｌと３６％Ｎｉ−Ｆｅとの体積比を変化させてＡｌ／３６％Ｎｉ−Ｆｅの多層材の熱伝導率および熱膨張率を測定した実験について説明する。この測定実験では、上記した実施例５および以下に説明する実施例８および９による試料を作製して測定を行った。なお、上記した実施例５による試料は、上記のように、３６％Ｎｉ−Ｆｅ層の体積比率が約５３％に形成されている。 Next, an experiment in which the thermal conductivity and the thermal expansion coefficient of an Al / 36% Ni—Fe multilayer material were measured by changing the volume ratio of Al to 36% Ni—Fe will be described. In this measurement experiment, the samples according to Example 5 and Examples 8 and 9 described below were prepared and measured. In the sample according to Example 5 described above, the volume ratio of the 36% Ni—Fe layer is formed to be about 53% as described above.
また、実施例８では、約２．０ｍｍの厚みを有するＡｌ層からなる高熱伝導層を、約３００℃〜約５００℃の温度で１分〜３分間焼鈍した。また、約２．０ｍｍの厚みを有するＡｌ層からなる高熱伝導層と積層する面が同程度の大きさ（長さおよび幅）である約１．５ｍｍの厚みを有する３６％Ｎｉ−Ｆｅ層からなる低熱膨張層を準備した。そして、約２．０ｍｍの厚みを有するＡｌ層からなる高熱伝導層の上面に、約１．５ｍｍの厚みを有する３６％Ｎｉ−Ｆｅ層からなる低熱膨張層と、約２．０ｍｍの厚みを有するＡｌ層からなる高熱伝導層とをこの順番で重ね合わせた後、約６０％の圧下率で圧接接合することにより、３層材を作製した。この3層材を２つ作製した。このとき、Ａｌ層からなる高熱伝導層は、約０．８ｍｍの厚みに変形するとともに、３６％Ｎｉ−Ｆｅ層からなる低熱膨張層は、各約０．６ｍｍの厚みに変形するので、圧接接合された３層材は、約２．２ｍｍの厚みに形成された。この後、圧接された約２．２ｍｍの厚みを有する３層材に対して、水素雰囲気中で、約３００℃〜約５００℃の温度で１分〜３分間拡散焼鈍を行った。 In Example 8, the high thermal conductive layer made of an Al layer having a thickness of about 2.0 mm was annealed at a temperature of about 300 ° C. to about 500 ° C. for 1 minute to 3 minutes. Further, from a 36% Ni—Fe layer having a thickness of about 1.5 mm, the surface to be laminated with the high thermal conductive layer made of an Al layer having a thickness of about 2.0 mm is the same size (length and width). A low thermal expansion layer was prepared. And on the upper surface of the high thermal conductive layer made of an Al layer having a thickness of about 2.0 mm, a low thermal expansion layer made of a 36% Ni—Fe layer having a thickness of about 1.5 mm and a thickness of about 2.0 mm After superimposing the high heat conductive layer made of an Al layer in this order, a three-layer material was produced by pressure welding at a rolling reduction of about 60%. Two of these three-layer materials were produced. At this time, the high thermal conductive layer made of the Al layer is deformed to a thickness of about 0.8 mm, and the low thermal expansion layer made of the 36% Ni—Fe layer is deformed to a thickness of about 0.6 mm. The resulting three-layer material was formed to a thickness of about 2.2 mm. After that, diffusion annealing was performed on the three-layer material having a thickness of about 2.2 mm in pressure contact in a hydrogen atmosphere at a temperature of about 300 ° C. to about 500 ° C. for 1 minute to 3 minutes.
そして、上記した３層材と積層する面が同程度の大きさ（長さおよび幅）である約０．６ｍｍの厚みを有する３６％Ｎｉ−Ｆｅ層からなる低熱膨張層を準備した。その後、約２．２ｍｍの厚みを有する３層材の上面に、約０．６ｍｍの厚みを有する３６％Ｎｉ−Ｆｅ層からなる低熱膨張層と、約２．２ｍｍの厚みを有する３層材とをこの順番で重ね合わせた後、約６０％の圧下率で圧接接合することにより７層材を作製した。これにより、Ａｌ層および３６％Ｎｉ−Ｆｅ層の７層材は、約２．０ｍｍの厚みに形成された。また、７層材の３６％Ｎｉ−Ｆｅの体積比率は、約６４％に形成されている。また、この実施例８では、７層材は、３６％Ｎｉ−Ｆｅ層が分断された。これは、前述のように、３６％Ｎｉ−Ｆｅの層の厚みが小さいので、３６％Ｎｉ−Ｆｅ層が分断されやすくなったためであると考えられる。この後、７層材に対して、水素雰囲気中で、約３００℃〜約５００℃の温度で１分〜３分間拡散焼鈍を行った。このようにして、実施例８による試料を作製した。 And the low thermal expansion layer which consists of a 36% Ni-Fe layer which has the thickness of about 0.6mm whose surface laminated | stacked with the above-mentioned 3 layer material is comparable magnitude | size (length and width) was prepared. Then, on the upper surface of the three-layer material having a thickness of about 2.2 mm, a low thermal expansion layer composed of a 36% Ni—Fe layer having a thickness of about 0.6 mm, and a three-layer material having a thickness of about 2.2 mm, Were stacked in this order, and a seven-layer material was produced by pressure welding at a rolling reduction of about 60%. Thereby, the seven-layer material of the Al layer and the 36% Ni—Fe layer was formed to a thickness of about 2.0 mm. Further, the volume ratio of 36% Ni—Fe of the seven-layer material is formed to be about 64%. In Example 8, the 7-layer material was divided into 36% Ni—Fe layers. This is presumably because the 36% Ni—Fe layer was easily divided because the thickness of the 36% Ni—Fe layer was small as described above. Thereafter, diffusion annealing was performed on the seven-layer material in a hydrogen atmosphere at a temperature of about 300 ° C. to about 500 ° C. for 1 minute to 3 minutes. In this way, a sample according to Example 8 was produced.
また、実施例９では、約２．０ｍｍの厚みを有するＡｌ層からなる高熱伝導層を、約３００℃〜約５００℃の温度で１分〜３分間焼鈍した。また、約２．０ｍｍの厚みを有するＡｌ層からなる高熱伝導層と積層する面が同程度の大きさ（長さおよび幅）である約１．０ｍｍの厚みを有する３６％Ｎｉ−Ｆｅ層からなる低熱膨張層を準備した。そして、約２．０ｍｍの厚みを有するＡｌ層からなる高熱伝導層の上面に、約１．０ｍｍの厚みを有する３６％Ｎｉ−Ｆｅ層からなる低熱膨張層と、約２．０ｍｍの厚みを有するＡｌ層からなる高熱伝導層とをこの順番で重ね合わせた後、約６０％の圧下率で圧接接合することにより、３層材を作製した。この３層材を２つ作製した。このとき、Ａｌ層からなる高熱伝導層は、約０．８ｍｍの厚みに変形するとともに、３６％Ｎｉ−Ｆｅ層からなる低熱膨張層は、約０．４ｍｍの厚みに変形するので、圧接接合された３層材は、約２．０ｍｍの厚みに形成された。この後、圧接された約２．０ｍｍの厚みを有する３層材に対して、水素雰囲気中で、約３００℃〜約５００℃の温度で１分〜３分間拡散焼鈍を行った。 In Example 9, the high thermal conductive layer made of an Al layer having a thickness of about 2.0 mm was annealed at a temperature of about 300 ° C. to about 500 ° C. for 1 minute to 3 minutes. Further, from a 36% Ni—Fe layer having a thickness of about 1.0 mm, the surface to be laminated with the high thermal conductive layer made of an Al layer having a thickness of about 2.0 mm is the same size (length and width). A low thermal expansion layer was prepared. And on the upper surface of the high thermal conductive layer made of an Al layer having a thickness of about 2.0 mm, a low thermal expansion layer made of a 36% Ni—Fe layer having a thickness of about 1.0 mm and a thickness of about 2.0 mm After superimposing the high heat conductive layer made of an Al layer in this order, a three-layer material was produced by pressure welding at a rolling reduction of about 60%. Two of these three-layer materials were produced. At this time, the high thermal conductive layer made of the Al layer is deformed to a thickness of about 0.8 mm, and the low thermal expansion layer made of the 36% Ni—Fe layer is deformed to a thickness of about 0.4 mm. The three-layer material was formed to a thickness of about 2.0 mm. After that, diffusion annealing was performed on the three-layer material having a thickness of about 2.0 mm that was welded in a hydrogen atmosphere at a temperature of about 300 ° C. to about 500 ° C. for 1 minute to 3 minutes.
そして、上記した３層材と積層する面が同程度の大きさ（長さおよび幅）である約０．４ｍｍの厚みを有する３６％Ｎｉ−Ｆｅ層からなる低熱膨張層を準備した。その後、約２．０ｍｍの厚みを有する３層材の上面に、約０．４ｍｍの厚みを有する３６％Ｎｉ−Ｆｅ層からなる低熱膨張層と、約２．０ｍｍの厚みを有する３層材とをこの順番で重ね合わせた後、約６０％の圧下率で圧接接合することにより７層材を作製した。これにより、Ａｌ層および３６％Ｎｉ−Ｆｅ層の７層材は、約１．７６ｍｍの厚みに形成された。また、７層材の３６％Ｎｉ−Ｆｅの体積比率は、約７３％に形成されている。また、この実施例９における７層材は、３６％Ｎｉ−Ｆｅ層が分断された。この後、７層材に対して、水素雰囲気中で、約３００℃〜約５００℃の温度で１分〜３分間拡散焼鈍を行った。このようにして、実施例９による試料を作製した。 And the low thermal expansion layer which consists of a 36% Ni-Fe layer which has the thickness of about 0.4 mm whose surface laminated | stacked with said 3 layer material is comparable magnitude | size (length and width) was prepared. Thereafter, on the upper surface of the three-layer material having a thickness of about 2.0 mm, a low thermal expansion layer composed of a 36% Ni—Fe layer having a thickness of about 0.4 mm, and a three-layer material having a thickness of about 2.0 mm; Were stacked in this order, and a seven-layer material was produced by pressure welding at a rolling reduction of about 60%. Thereby, the seven-layer material of the Al layer and the 36% Ni—Fe layer was formed to a thickness of about 1.76 mm. Further, the volume ratio of 36% Ni—Fe of the seven-layer material is formed to be about 73%. Further, in the seven-layer material in Example 9, the 36% Ni—Fe layer was divided. Thereafter, diffusion annealing was performed on the seven-layer material in a hydrogen atmosphere at a temperature of about 300 ° C. to about 500 ° C. for 1 minute to 3 minutes. In this way, a sample according to Example 9 was produced.
上記の実施例５、８および９による試料について熱伝導率を測定した結果を図６に示す。 The results of measuring the thermal conductivity of the samples according to Examples 5, 8 and 9 are shown in FIG.
図６に示すように、実施例５、８および９の試料では、３５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の良好な熱伝導率を得ることができるとともに、Ａｌの体積比率が大きくなるにしたがって、熱伝導率が大きくなることが判明した。これは、放熱部材１（図１参照）における高熱伝導層５（図１参照）の体積比率が大きくなるためであると考えられる。この結果から、Ａｌの体積比率が、５３％（約５０％）〜７３％（約７５％）であれば、良好な熱伝導率を得ることができると言える。 As shown in FIG. 6, in the samples of Examples 5, 8 and 9, good thermal conductivity of 35 W / (m · K) or more can be obtained, and as the volume ratio of Al increases, It has been found that the conductivity increases. This is considered to be because the volume ratio of the high thermal conductive layer 5 (see FIG. 1) in the heat radiating member 1 (see FIG. 1) becomes large. From this result, it can be said that if the Al volume ratio is 53% (about 50%) to 73% (about 75%), good thermal conductivity can be obtained.
また、上記の実施例５、８および９による試料について熱膨張率を測定した結果を図７に示す。 Moreover, the result of having measured the thermal expansion coefficient about the sample by said Example 5, 8, and 9 is shown in FIG.
図７に示すように、実施例５、８および９の試料では、約１３ｐｐｍ／℃以下の熱膨張率を得ることができるとともに、Ａｌの体積比率が大きくなるにしたがって、熱膨張率が大きくなることが判明した。これは、放熱部材１（図１参照）における低熱膨張層４（図１参照）の体積比率が小さくなるためであると考えられる。 As shown in FIG. 7, in the samples of Examples 5, 8 and 9, a thermal expansion coefficient of about 13 ppm / ° C. or less can be obtained, and the thermal expansion coefficient increases as the Al volume ratio increases. It has been found. This is considered to be because the volume ratio of the low thermal expansion layer 4 (see FIG. 1) in the heat radiating member 1 (see FIG. 1) becomes small.
なお、今回開示された実施形態および実施例は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態および実施例の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等などの意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。 The embodiments and examples disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is shown not by the above description of the embodiments and examples but by the scope of claims for patent, and includes all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of claims for patent.
たとえば、上記実施形態では、低熱膨張層の主成分を３６％Ｎｉ−Ｆｅとした例を示したが、本発明はこれに限らず、低熱膨張層の主成分を３６％Ｎｉ−Ｆｅ以外の金属にしてもよい。この場合、低熱膨張層の主成分は、コバールや４２Ｎｉ−Ｆｅ合金などが好ましい。 For example, in the above embodiment, an example in which the main component of the low thermal expansion layer is 36% Ni—Fe has been shown. However, the present invention is not limited to this, and the main component of the low thermal expansion layer is a metal other than 36% Ni—Fe. It may be. In this case, the main component of the low thermal expansion layer is preferably Kovar or 42Ni—Fe alloy.
また、上記実施形態では、高熱伝導層をＡｌ層により形成した例を示したが、本発明はこれに限らず、高熱伝導層をＡｌを主成分とするＡｌ合金層により形成してもよいし、高熱伝導層をＡｌ層以外のＣｕ層、Ａｇ層およびＡｕ層、または、これらを主成分とする合金層などの金属層により形成してもよい。なお、高熱伝導層をＣｕ層またはＣｕ合金層により形成する場合は、高熱伝導層と低熱膨張層との体積比は、７０：３０〜８０：２０とするのが好ましい。 In the above embodiment, an example in which the high thermal conductive layer is formed of an Al layer is shown. However, the present invention is not limited to this, and the high thermal conductive layer may be formed of an Al alloy layer mainly composed of Al. The high thermal conductive layer may be formed of a metal layer such as a Cu layer other than the Al layer, an Ag layer and an Au layer, or an alloy layer containing these as a main component. In addition, when forming a high heat conductive layer by Cu layer or Cu alloy layer, it is preferable that the volume ratio of a high heat conductive layer and a low thermal expansion layer shall be 70: 30-80: 20.
また、上記実施形態では、圧接接合後に低熱膨張層を２〜６層有する構造について説明したが、本発明はこれに限らず、圧接接合後に低熱膨張層を１層のみ有していてもよいし、７層以上有していてもよい。 Moreover, in the said embodiment, although the structure which has 2-6 low thermal expansion layers after pressure welding was demonstrated, this invention is not restricted to this, You may have only one low thermal expansion layer after pressure welding. 7 or more layers.
また、上記実施形態では、Ｃｕ層の上面上に半導体素子を接合層によって取り付ける例を示したが、本発明はこれに限らず、図８に示した本発明の一実施形態の第１変形例のように、Ｃｕ層３をＮｉ層８によって覆うとともに、Ｎｉ層８の上面上に半導体素子６を接合層７によって取り付けてもよい。
Moreover, in the said embodiment, although the example which attaches a semiconductor element on the upper surface of Cu layer with the joining layer was shown, this invention is not restricted to this, The 1st modification of one Embodiment of this invention shown in FIG. As described above, the
また、上記実施形態では、Ａｌ層および３６％Ｎｉ−Ｆｅ層を含む金属複合材料層を、Ｃｕ層によって覆った例を示したが、本発明はこれに限らず、図９に示した本発明の一実施形態の第２変形例のように、Ａｌ層および３６％Ｎｉ−Ｆｅ層を含む金属複合材料層２をＣｕ層によって覆わなくてもよい。なお、この第２変形例において、Ａｌ層および３６％Ｎｉ−Ｆｅ層を含む金属複合材料層２をＮｉ層によって覆うようにしてもよい。
In the above embodiment, the example in which the metal composite material layer including the Al layer and the 36% Ni—Fe layer is covered with the Cu layer is shown. However, the present invention is not limited to this, and the present invention shown in FIG. As in the second modification of the embodiment, the metal
また、上記実施形態では、金属複合材料層を放熱部材として用いた例を示したが、本発明はこれに限らず、金属複合材料層を放熱部材以外に電子材料などとして用いてもよい。 Moreover, in the said embodiment, although the example which used the metal composite material layer as a heat radiating member was shown, this invention is not restricted to this, You may use a metal composite material layer as an electronic material other than a heat radiating member.
１ 放熱部材
３ Ｃｕ層
４ 低熱膨張層
５ 高熱伝導層
５ａ 一方最外層
５ｂ 他方最外層
１０ 分断された領域（分断領域）
First
Claims (13)
前記低熱膨張層の熱膨張率よりも大きい熱膨張率を有するとともに、前記低熱膨張層の熱伝導率よりも大きい熱伝導率を有し、前記低熱膨張層の表面および裏面を挟むように、前記低熱膨張層に対して交互に積層された複数の高熱伝導層とを備え、
前記複数の低熱膨張層の各々には、前記複数の低熱膨張層と前記複数の高熱伝導層とが圧接接合される際に、前記複数の低熱膨張層の各々が不規則的に分断されて、各々の前記低熱膨張層の前記表面から前記裏面まで貫通するように形成された複数の分断領域が設けられており、
前記複数の分断領域は、各々の前記低熱膨張層において不規則的に分布しており、
前記圧接接合される際に、前記複数の低熱膨張層の各々において、前記複数の分断領域の各々に前記高熱伝導層が移動されることによって、前記複数の分断領域を介して、前記高熱伝導層同士が接続されている、金属複合材料。 A plurality of low thermal expansion layers each laminated ,
Wherein together with a large thermal expansion coefficient than the thermal expansion coefficient of the low thermal expansion layer has a thermal conductivity greater than the thermal conductivity of the low thermal expansion layer, so as to sandwich the front and back surfaces of the low thermal expansion layer, wherein A plurality of high thermal conductive layers alternately laminated with respect to the low thermal expansion layer ,
Wherein the each of the plurality of low thermal expansion layer, when the plurality of low thermal expansion layer as the plurality of high thermal conductivity layer is pressure contact bonding, each of the plurality of low thermal expansion layer is irregularly divided A plurality of divided regions formed so as to penetrate from the front surface to the back surface of each of the low thermal expansion layers ,
The plurality of divided regions are irregularly distributed in each of the low thermal expansion layers,
Wherein when it is pressed against the bonding in each of the plurality of low thermal expansion layer, by the fact that the high thermal conductive layer is moved to each of the plurality of divided regions, through the plurality of minute cross area, the high heat Metal composite material in which conductive layers are connected.
前記高熱伝導層の前記一方最外層と前記他方最外層とは、前記複数の低熱膨張層の各々に設けられた分断領域を介して、前記高熱伝導層により接続されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の金属複合材料。 The high thermal conductive layer includes one outermost layer disposed on one outermost side in the laminating direction and the other outermost layer disposed on the other outermost side in the laminating direction,
Wherein A the other hand the other outermost layer and the outermost layer of the high thermal conductive layer, via a partial cross-sectional area provided in each of the plurality of low thermal expansion layer are connected by the high thermal conductive layer, according to claim 1 The metal composite material according to any one of to 5 .
前記高熱伝導層の前記一方最外層および前記他方最外層は、前記一方最外層および前記他方最外層から前記低熱膨張層が露出しないように、前記低熱膨張層を覆っている、請求項１〜６のいずれか１項に記載の金属複合材料。 The high thermal conductive layer includes one outermost layer disposed on one outermost side in the stacking direction and the other outermost layer disposed on the other outermost side in the stacking direction,
Said one outermost layer and the other outermost layer of the high thermal conductive layer, said from the one outermost layer and the other outermost layer so that the low thermal expansion layer is not exposed, and covers the low thermal expansion layer, claim 1-6 The metal composite material according to any one of the above.
前記高熱伝導層の前記一方最外層および前記他方最外層の少なくとも一方は、Ｎｉ層によって覆われている、請求項１〜８のいずれか１項に記載の金属複合材料。 The high thermal conductive layer includes one outermost layer disposed on one outermost side in the laminating direction and the other outermost layer disposed on the other outermost side in the laminating direction,
The high heat said conductive layer whereas at least one of the outermost layer and the other outermost layer is covered with a Ni layer, a metal composite material according to any one of claims 1-8.
前記高熱伝導層の前記一方最外層および前記他方最外層の少なくとも一方は、Ｃｕを主成分とする層によって覆われている、請求項１〜９のいずれか１項に記載の金属複合材料。 The high thermal conductive layer includes one outermost layer disposed on one outermost side in the laminating direction and the other outermost layer disposed on the other outermost side in the laminating direction,
The high heat said conductive layer whereas at least one of the outermost layer and the other outermost layer is covered by a layer mainly composed of Cu, metallic composite material according to any one of claims 1-9.
前記圧接接合に伴い、前記複数の低熱膨張層の各々に設けられた前記複数の分断領域の各々に前記高熱伝導層を移動させることによって、前記複数の分断領域を介して、前記高熱伝導層同士を接続する工程とを備える、金属複合材料の製造方法。 Along with the pressure welding, by moving the high thermal conductive layer to each of the plurality of divided regions provided in each of the plurality of low thermal expansion layers, the high thermal conductive layers are connected to each other through the plurality of divided regions. A method for manufacturing a metal composite material.
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