(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱伝導率および熱膨張係数特性の優れた金属地複合材を製造する方法であって、
（ａ）炭化けい素粒体でアグロメレーションを形成する段階と、
（ｂ）形成された前記アグロメレーションを酸化雰囲気中で６００℃〜１０００℃の温度範囲に加熱する段階と、
（ｃ）該アグロメレーションを不活性雰囲気中で１６５０℃〜２０００℃の温度範囲に加熱して部分燒結を施す段階と、
（ｄ）前記部分燒結されたアグロメレーションを型キャビティ内部に配置する段階と、
（ｅ）該部分燒結されたアグロメレーションに液相金属を溶浸させる段階と、
（ｆ）前記液相金属を凝固させて前記部分燒結されたアグロメレーションの周囲および内部に前記金属地材を形成する段階とを含む金属地複合材の製造方法。
【請求項２】
前記段階（ｃ）で形成されたアグロメレーションが５０〜８０体積％の固体部分を含む請求項１に記載された金属地複合材の製造方法。
【請求項３】
前記段階（ｃ）で形成されたアグロメレーションが８５体積％の固体部分を含む請求項１に記載された金属地複合材の製造方法。
【請求項４】
前記段階（ｅ）における液相金属がアルミニウムである請求項１に記載された金属地複合材の製造方法。
【請求項５】
前記段階（ｅ）における液相金属が、アルミニウム、銅、銀、金、およびそれらの組合せから成る群から選択される請求項１に記載された金属地複合材の製造方法。
【請求項６】
前記段階（ａ）で形成されたアグロメレーションが、ドライプレス、スリップ鋳込、射出モールド成形、圧縮成形、ホットプレス、および熱間等静圧圧縮成形から成る群から選択された成形方法で得られる請求項１に記載された金属地複合材の製造方法。
【請求項７】
前記段階（ｄ）が、温度５００℃〜８５０℃の部分燒結されたアグロメレーションを型キャビティ内部に配置する段階を更に含む請求項１に記載された金属地複合材の製造方法。
【請求項８】
前記部分燒結されたアグロメレーションが前記段階（ｃ）の後に室温まで冷却され、前記段階（ｄ）の前に温度５５０℃〜８５０℃に加熱される請求項１に記載された金属地複合材の製造方法。
【請求項９】
熱伝導率および熱膨張係数特性の優れたアルミニウム地複合材を製造する方法であって、
（ａ）炭化けい素粉末で形成されたアグロメレーションを用意する段階と、
（ｂ）前記アグロメレーションを、酸化雰囲気中で温度６００℃〜１０００℃に加熱する段階と、
（ｃ）前記アグロメレーションを、非酸化雰囲気中で温度１６５０℃〜２０００℃に加熱して部分燒結されたアグロメレーションを形成する段階と、
（ｄ）前記部分燒結されたアグロメレーションを、５５０℃〜８５０℃の温度にする段階と、
（ｅ）前記部分燒結されたアグロメレーションを、温度１５０℃〜５００℃に加熱された型キャビティの内部に配置する段階と、
（ｆ）前記部分燒結されたアグロメレーションに液相アルミニウム合金を溶浸させる段階と、
（ｇ）前記液相アルミニウム合金を凝固させて前記部分燒結されたアグロメレーションの周囲および内部に前記金属地材を形成する段階とを含むアルミニウム地複合材の製造方法。
【請求項１０】
形成された前記アグロメレーションが前記段階（ｃ）の後に室温近くまで冷却され、前記段階（ｄ）において温度約５５０℃〜８５０℃に加熱される請求項９に記載されたアルミニウム地複合材の製造方法。
【請求項１１】
前記非酸化雰囲気が、減圧大気、不活性ガスで形成された雰囲気、および真空圧を含む群から選択される請求項９に記載されたアルミニウム地複合材の製造方法。
【請求項１２】
前記段階（ｅ）が、温度５００℃〜８５０℃の前記部分燒結されたアグロメレーションを型キャビティ内部に配置する段階を更に含む請求項９に記載されたアルミニウム地複合材の製造方法。
【請求項１３】
形成された前記アグロメレーションが５０〜８０体積％の固体部分を含む請求項９に記載されたアルミニウム地複合材の製造方法。
【請求項１４】
前記金属地複合材が１７５Ｗ／ｍＫ（ｋｃａｌ／ｍｈ℃）を超える熱伝導率を有する請求項９に記載されたアルミニウム地複合材の製造方法。
【請求項１５】
前記金属地複合材が１８５Ｗ／ｍＫを超える熱伝導率を有する請求項９に記載されたアルミニウム地複合材の製造方法。
【請求項１６】
前記金属地複合材が１９５Ｗ／ｍＫを超える熱伝導率を有する請求項９に記載されたアルミニウム地複合材の製造方法。
【請求項１７】
前記金属地複合材が１７５Ｗ／ｍＫを超える熱伝導率と、９ｐｐｍ／Ｋ未満の熱膨張係数とを有する請求項９に記載されたアルミニウム地複合材の製造方法。
【請求項１８】
前記金属地複合材が１８５Ｗ／ｍＫを超える熱伝導率と、９ｐｐｍ／Ｋ未満の熱膨張係数とを有する請求項９に記載されたアルミニウム地複合材の製造方法。
【請求項１９】
前記金属地複合材が１９５Ｗ／ｍＫを超える熱伝導率と、９ｐｐｍ／Ｋ未満の熱膨張係数とを有する請求項９に記載されたアルミニウム地複合材の製造方法。
【請求項２０】
前記段階（ｃ）で形成された前記アグロメレーションが減圧された雰囲気中で温度１８００℃まで加熱される請求項９に記載されたアルミニウム地複合材の製造方法。
【請求項２１】
前記段階（ａ）が、前記アグロメレーションを温度３００℃〜５００℃に加熱する段階を含む請求項９に記載されたアルミニウム地複合材の製造方法。
【請求項２２】
前記液相アルミニウム合金が０．１質量％〜２５質量％のけい素を含む請求項９に記載されたアルミニウム地複合材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
本発明は真空ダイキャスト法による金属地複合材（ＭＭＣｓ）の製造に関する。さらに詳しくは、この製造方法は、セラミック材料および半導体材料の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有するとともに高い熱伝導率を有する金属地複合材の製作に関する。
金属地複合材は主として粉末冶金の技術によって１９６０年代以降に製作されてきた。しかしながら最近は、製造費用を著しく節約できるので鋳造法が一層頻繁に使用されている。鋳造法によって成形済みの金属地複合材製品を製造する最も一般的なやり方は、パックされた凝集地すなわちプリフォームの開放空間（孔）に溶融した地材（matrix）を溶浸させる方法である。
これまでは、金属地複合材の製作に使用される方法には、真空／低圧溶浸法、高圧圧搾鋳造法、および無圧鋳造法が含まれていた。これらの方法は以下に記載する特徴を有している。
・低圧／真空溶浸法
この方法は、真空と、低圧（１０６ｋｇ／ｃｍ2（１５００ｐｓｉ）未満）のガスとを組合わせて金属を溶浸させるのに使用する。この方法は、少数の研究開発試材（R&D sample）を製作するのに主として使用されている。研究所規模の方法とするのが望ましく、商業規模の低コスト高生産量の製造には適していない。
・無圧溶浸法
この方法は、毛細管原理による作用力で溶浸させる方法である。毛細管原理による作用力を発生させるために、凝集地と地材との間の濡れ（wetting）を化学反応によって得ている。この方法は、地合金化元素（１重量％以上のＭｇを含むアルミニウム）、加熱したセラミックス凝集地（７００℃以上）、およびガス雰囲気（１０〜１００体積％の窒素）の特別な組合せを使用しなければならない。したがってこの方法は地材の選定を例えばＡｌ−Ｍｇ合金とするように制限し、また反応時間が長いために高い製造費を負担することになる。さらにこの方法は表面状態および自然発生的な濡れ性に敏感であるために、プロセス制御の点で難しい。
・高圧圧搾鋳造法
溶浸するのにこの方法は、大型の流体圧プレスまたは機械式プレスを使用して高圧力（７０３〜２１０９ｋｇ／ｃｍ2（１００００〜３００００ｐｓｉ））を使用するだけである。この方法は凝集地と地材との広範な組合せの溶浸を実施できるが、高圧力にすることが必要なために与えられる型設計上の制約により、製造される製品の複雑性および寸法公差に関して絶対的な制限がある。製品の製造コストもまた高くなる。何故なら、必要とされる大型プレスの投資が大きいからである。
米国特許第４９２０８６４号は、繊維プリフォームの隙間に地材を溶浸させるための閉鎖型加圧鋳造法を一般的に開示している。米国特許第４７７７９９８号はセラミックス材の繊維を含むであろう金属部品のダイキャスト法を示しているが、真空ダイキャスト法の原理を使用する試みは全くなされていない。
本発明は、これを背景として発明された。
本発明の目的は、品質、再現性および従来法より優れた融通性の組合せを有し、特に凝集地の大きな体積率を有する金属地複合材を製作するための金属地複合材の製造方法を提供することである。
本発明の他の目的は、電気的特性、熱膨張係数および熱伝導率の独特な組合わせを有するアルミニウムまたはアルミニウム合金および炭化けい素の金属地複合材を提供することである。
これらの目的および以下の説明から明白となるであろう他の目的は、金属地複合材の製品を製作するのに真空ダイキャスト法を使用する本出願人の発明した装置によって達成される。この方法は、様々な凝集地および地材の組合わせを使用して、高品質なネット形状またはネットに近い形状の薄肉部分付きで複雑な形状をした金属地複合材を製造することができる。この方法は各種の装置系、すなわち機械装置、凝集地、熱処理、真空圧、および金属取入れ、を必要とする。
本発明によれば、典型的にはエレクトロニックパッケージング即ち電子部品の実装に使用されるセラミック材料および半導体材料の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有するとともに高い熱伝導率を有する金属地複合材を製作する方法が提供される。
この方法は、（ａ）炭化けい素粒体でアグロメレーション（プリフォーム）を形成する段階と、（ｂ）形成された前記アグロメレーションを酸化雰囲気中で６００℃〜１０００℃の温度範囲に加熱する段階と、（ｃ）該アグロメレーションを実質的に不活性雰囲気中で約１６５０℃〜２０００℃の温度範囲に加熱して部分燒結を施す段階と、（ｄ）前記部分燒結されたアグロメレーションを型キャビティ内部に配置する段階と、（ｅ）該部分燒結されたアグロメレーションに液相金属を溶浸させる段階と、（ｆ）前記液相金属を凝固させて前記部分燒結されたアグロメレーションの周囲および内部に前記金属地材を形成する段階とを含む。
本発明の他の特徴は、好適実施例に関する以下の説明にさらに記載されており、この実施例は同じ符号が同じ部品を示す添付図面を見ながら理解すべきである。
添付図面は以下の通りである。
図１は、本発明を実施するのに使用するダイキャスト機の部分的に断面とした側面図を示す。
図１ａは、図１の一部に相当し、別の金属取入れ装置を示す。
図２ａは、「マイクロ波ボックス」電子パッケージの蓋を取外した平面図である。
図２ｂは、切断面２ｂ−２ｂにより得られる図２ａのパッケージの横断面図である。図２ｂでは蓋は所定位置にある。
図３および図４は、電子パッケージを装備した熱交換器の横断面図である。
図５は、タッキングされたプリフォームのＳｉＣ凝集地体積率に対する全境界面積および熱伝導率のプロット図である。
図６は、タッキングされたプリフォームのＳｉＣ凝集地体積率に対する熱膨張係数のプロット図である。
図７は、プリフォームの部分燒結温度に対する熱伝導率のプロット図である。
図８は、プリフォームの部分燒結温度に対する熱膨張係数のプロット図である。
定  義
「大きい体積率」という用語は、本明細書では５０体積％〜８０体積％またはそれ以上の体積率を意味する。
「液相金属」および「溶融金属」という用語は、金属が完全に凝固してはいない全液体相または準液体相を説明するために本明細書では互換性を有して使用されている。これらの用語は、金属スラリー相および準固体相、および未分解セラミックス粒子を含有する液体金属を含む。
「金属地複合材」、「複合材」または頭文字「ＭＭＣ」という用語は、本明細書では二次元的または三次元的に相互結合され、内部に強化材を埋込まれた合金または金属地材を含んで構成された材料を意味するように使用されている。金属地材は、強化材料を含有する溶融金属をプリフォームすなわち凝集地の質量体の内部に溶浸させて形成されることもできる。
「部分燒結」という用語は、本明細書では実質的に密閉気孔を生じることのない燒結工程を開始するのに十分な温度にまで粉末で形成されたアグロメレーションを加熱することを意味するように使用されている。形成されたアグロメレーションを部分燒結させるのに使用される温度は、凝集地材の組成によって決まる。
「プリフォーム」または「多孔質プリフォーム」という用語は、本明細書では溶浸される液相金属に対する境界を本質的に定める少なくとも一つの境界面を有して製造される、強化材で形成されたアグロメレーションすなわち凝集地を意味するように使用されている。プリフォームは十分な形状の一体性と強度とを有して、液相金属を溶浸される前に寸法的な完全性が与えられるようになされる。プリフォームは液相金属を溶浸されるために十分に多孔質でなければならない。プリフォームは単独で、または２以上の別個の部品の組合わせとして存在できる。分離可能のプリフォームが使用される場合、それらは機械的または他の方法で相互結合されねばならないことはない。
「強化材」または「凝集地」という用語は、本明細書では繊維、ウィスカー、フィラメント、粒体、リボン、ワイヤー・フレーク、結晶および小片（プレートレット）の形状をしたセラミックス、金属サーメットおよび重合体を表すのに使用されている。この他に、強化材は強化用の材料で形成された多孔質プリフォームとされることができる。強化材用の材料の例は本発明のＳｉＣに加えて、炭素、黒鉛、窒化けい素、炭化ほう素、タングステン、モリブデン、窒化ほう素、ベリリウム、溶融シリカ、ムライト、ガラス、窒化アルミニウム、ボロシリケート、ほうけい酸塩、およびジルコニア、ボロン・カーバイド、アルミナおよびアルミニウム・シリケート（ムライト）のような酸化物、窒化物、カーバイドおよびほう化物、そしてそれらの組合せおよび類似材料を含み得る。
「薄肉部分付き」という用語は、本明細書では壁、ウェブまたはフィン（プレート・フィンまたはピン・フィンとされ得る）のような部分を有する箇所を説明するのに使用されており、その最小肉厚は粒径の関数とされ、一般に２．５４ｍｍ（１インチ）未満、好ましくは１．２７ｍｍ（０．５インチ）未満とされ、０．７６２ｍｍ（０．０３インチ）未満とされることすらある。
「タッキング」という用語は、本明細書では粉末で形成された凝集地の粒体を酸化して薄いガラス状面を形成し、この面が凝集地の粒体を相互に接着するようにさせるため、凝集地を加熱することを意味するように使用されている。
「一回鋳造品」および「単一鋳造品」という用語は、本明細書では一体構造（モノリシック）の地材本体を形成する一回の金属溶浸作業によって形成された金属地複合材を表すために使用されている。一体構造とは、熱流に支障を及ぼすことになる結合部が構造体に存在しないことを意味する。
液相形成法が金属地複合材の製造に特に好適である。液相金属は多孔質のプリフォームの周囲および内部に溶浸される。金属はその後冷却を行われ、または冷却するようにされて、連続した金属による強化質量体を形成するようになされる。
本発明で使用するダイキャスト機は、米国特許第５２５９４３６号およびそれに記載されている引用例に示されているようなダイキャスト機自体、型および真空装置を含む。
このダイキャスト機は、測定された量の溶融金属が集められる充填室と、測定された量の金属を型へ移動させる被駆動ピストンとを含む。ピストンの駆動は、そのピストンによって金属に中間的な溶浸圧力（通常は７０３ｋｇ／ｃｍ2（１００００ｐｓｉ）未満）を加えるようにさせる。型半体は固定プラテンおよび可動プラテンに取付けられる。型は、一度に複数の製品を製造するために複数キャビティ式の型とされ得る。
真空装置は、そのままでは金属地複合材に気孔を発生することになるガスを除去するために型キャビティおよび充填室を真空引きする。空気を除去する結果として生じる酸素存在量の減少は、酸化が特性の劣化をもたらすような成分を地材および（または）凝集地に有する金属地複合材の場合に、特に有利である。ガスの除去は、型キャビティに対する充填および溶浸においても有利である。
鋳造を行う前に、型キャビティ、充填室およびピストンは潤滑剤、離型剤などの処理を行われる。
金属地複合材の凝集地は、型キャビティ内に配置されるいわゆるプリフォームと呼ばれる形態のパックされた強化粒体を型キャビティに装填することで形成される。
プリフォームは、生強度を与えるために小片状の凝集地を適当な結合剤で互いに結合させて構成された多孔質体として形成される。結合剤は有機材とされることができ、この場合は型キャビティ内にプリフォームを配置する前にそのプリフォームを熱処理することが好ましく、この熱処理は、十分に高い温度で行われるならば、プリフォームからその有機材を除去するように揮発させ、小片状の凝集地を互いに結合させることができる。後で金属地材を受入れる気孔を閉塞させないために、部分結合が好ましい。結合剤もけい酸ナトリウムのような有機材とすることができ、この場合には残余が存在しても金属地複合材製品を使用するうえで有害とならない。結合剤の与えられていないプリフォームもまた使用でき、この場合には凝集地は個々の小片状の凝集地を機械的に相互結合することで互いに結合される。米国ペンシルヴァニア州ウォーレンデールに所在するソサイエティー・オブ・オートモーティヴ・エンジニアズ発行のＳＡＥテクニカル・ペーパー第９１０８３２号のティー・ビー・シェーファー氏他の「セラミックを多量に含有するネットシェイプの金属地複合材（Highly Ceramic Loaded Net Shape Metal Matrix Composites）」と題する論文を参照されたい。最後に、プリフォームは燒結処理によって結合することができる。このような結合は、電子部品の実装即ちエレクトロニックパッケージングに典型的に使用されるセラミック材料および半導体材料に近い大きな熱伝導率と熱膨張係数とを有する複合材の形成を可能にする。
金属取入れ装置は、ダイキャスト機の充填室に金属を導入し、その後で充填室内を移動するピストンによってその導入金属を充填室から駆動するための装備および工程を含む。溶融金属は充填室から移動され、型キャビティ内へとゲート制御されてプリフォームすなわち凝集地を溶浸するようになされる。
３つの例示的な金属取入れ装置は、注入装置と、吸入装置と、圧力移送装置である。注入装置においては、充填室の頂部に備えられている開口を通して所望量の溶融金属が注入され、その後ピストンが前進されて開口を閉じ、真空装置が型および充填室の真空引きを行えるようにする。吸入装置では、溶融金属を充填室に吸入するために大気圧未満の圧力が使用される。圧力移送装置では、溶融金属を充填室へ押込めるのに圧力差が使用される。
地材としてアルミニウム合金は好ましい材料であり、このような合金の例は以下の例に含まれる。しかしながら、他の地材も使用できるのであり、その一つの例は本質的に純アルミニウムである。例えば、型および充填室を構成する材料によって、他の金属は銅、銀、金、およびそれらの合金とされ得る。
加熱手段が充填室および型の内部に備えられて、強化凝集地が完全に溶浸し終わるまでは溶融金属が凝固しないことを補償するようになされる。溶浸の完了に続いて、地材の所望の金属学的特性を得るために、また溶融金属が凝集地と反応したり凝集地が溶解する傾向を示す場合にこれを防止するために、急速凝固するのが有利である。凝固収縮を少なくとも可能なレベルで発生させるために、凝固が方向性を有し、先端部から溶融金属の供給源へ向かって進行されることも望ましい。これらの要求は、完全な溶浸を得た後に急速且つ望ましい方向性のある凝固を達成するために、温度状態のバランス取り、または時間制御を必要とする。境界結合を改善して、急速凝固でなければならないことに制限が与えられるようにするために、溶融地材と凝集地との間に何らかの相互作用を可能にすることが有利となる。しかしながら、本発明の真空圧補助による圧力ダイキャスト工程の特定の利点は、溶融金属と凝集地すなわち強化材との間の潜在的な有害反応を最少限にし、または排除する急速な溶浸および凝固の組合せを可能にさせることである。
本発明の特別な利点は、凝集地の体積率が大きく、特に５０体積％以上で例えば８０体積％までの、しかし８５体積％以上になることすら可能な体積率で、実質的に気孔の存在しない金属地複合材を達成できることにあることが見出された。これは、本発明によって、真空ダイキャスト機の型キャビティに、例えば大きな体積率とするために必要な隙間充填を達成できるような寸法分布を有する粒体で作られた凝集プリフォームを装填することで達成される。このプリフォームが強度および有機結合剤の除去のために熱処理されるならば、過剰量の閉塞気孔を生じないように注意しなければならない。そうでないと、地材の溶浸が阻止されて、形成される金属地複合材が無気孔とならないからである。しかしながら、結合が過剰とならないように注意するにおいて、基本的に得られるプリフォームはこれ以外のときほど強くない。このことは、溶浸速度がプリフォームを侵食しないように制御しなければならないことを意味する。圧搾鋳造法に使用される圧力に比べてダイキャスト法での圧力が低いことは、真空ダイキャスト法に使用される事前の真空引きおよび金属速度の制御にとともに適当な状態バランスを生み、これにより多量に装填されたプリフォームを損傷させることなく、適当な強度を有する大きな体積率の凝集地による金属地複合材を達成可能にする。
したがって、本発明による金属地複合材製品に特有の特徴は、ほぼネットシェイプ即ちネット形状に多量の凝集地を装填された実質的に無気孔の製品を含む。溶浸圧力を下げる一方で、多量に凝集地が装填された状態でプリフォームに対する完全な滲透能力を有する真空圧を使用することが顕著なこの方法の独特な特徴によって、薄い肉厚（２．５４ｍｍ（０．１インチ）未満で１．２７ｍｍ（０．０５インチ）まで、また０．７６２ｍｍ（０．０３インチ）またはそれ未満までにもなる）の壁および大きな角度を付された組合い面を特徴とする複雑な形状が製造できる。したがって、従来のダイキャスト法または圧搾鋳造法より優れた真空ダイキャスト法の利点は、高品質で実質的に無気孔の、複雑な形状をした、多量な凝集地を充填されてなる金属地複合材を製造できることである。これらの他の従来法は、実質的に無気孔な材料または複雑な形状のいずれかを製造できない欠点を有する。
エレクトロニックパッケージングのための材料に関して、本発明は例えばアルミニウムよりもかなり小さな熱膨張係数とともに大きな熱伝導率を有するアルミニウム地材の金属地複合材の製造を可能にする。複雑な金属地複合材形状を製造するための本発明の能力は、例えばエレクトロニックパッケージングのための一体化された熱管理装置の製造を可能にする。この装置は、例えば一体的に組合わされた熱交換器と電子パッケージ蓋とを含む。
凝集地が存在しない地材表面層は、本発明の金属地複合材製品では処理を容易にするために真空ダイキャスト時に形成される。
図１を参照すれば、同図はコールドチャンバの水平真空ダイキャスト機を示しており、この真空ダイキャスト機はその固定型すなわちモールド型半体２を取付けられた固定クランププレート１すなわちプラテンおよび可動型すなわちモールド型半体５を取付けられた可動クランププレート３すなわちプラテンの部分と、ピストン４と、溶融金属を供給するための吸入チューブ６と、保持炉８と、充填室１０とを基本的に含んでいる。吸入チューブ６はクランプ２２で充填室１０に連結されている。クランプ２２は下側のフック形状をしたフォーク形舌部２４を有しており、フォーク形舌部２４は吸入チューブ６の環状フランジ２５の下側に延在している。上部からねじ２６がクランプ２２を通して螺合される。これは充填室１０の取入れ開口に対して吸入チューブ６の端部を締付け可能にしている。溶融金属地材の凝固後に型半体どうしが開かれたとき、鋳造製品を取出すための手段を与えるために、通路７を通してエジェクター・ピン（図示せず）が備えられ得る。
空気および他のガスを矢印方向へ排除して型キャビティを真空引きするための真空ライン１１が型に連結されており、その連結位置は型が充填される溶融金属で最後に充填される箇所である。真空ライン１１は弁１２を使用して開閉され、これは制御装置（図示せず）により制御ライン１３を経て作動される。
駆動ロッド２１を介してピストンを押し、金属の射出圧力を発生させるために駆動手段（図示せず）が備えられている。圧力は通常は１４１〜７０３ｋｇ／ｃｍ2（２０００〜１００００ｐｓｉ）の範囲であり、高圧力を必要とする部品を取扱えるようにするために１１２５ｋｇ／ｃｍ2（１６０００ｐｓｉ）までの圧力を発生することのできる機械が好ましい。
充填室の帯材ヒーター９ａ、および型半体およびプラテンのヒーターチューブ・カートリッジの形態をした加熱部材９ｂ，９ｃが、凝集地の溶浸が完了するまえの溶融地材の尚早の凝固を防止する。誘導加熱装置および他の装置も尚早凝固を防止するために使用できる。５８５℃の液相温度と、５７５℃の固相温度とを有する１０質量％のけい素を含有するアルミニウム合金の場合には、型キャビティおよび充填室の壁は例えばこの目的のために、充填室への溶融金属の取入れ温度が７００℃であれば２５０℃に制御される。この２５０℃という温度はこの合金の固相温度よりも低いが、凝固がその直後に生じなければ溶浸が完遂できるような、熱損失の十分な遅延を生じる温度例である。溶浸をさらに向上させるためにさらに高い型温度が使用できる。しかしながら、より高い温度は凝固時間を長くする。
ピストンは内部から冷却され、例えば熱膨張により充填室の内面に噛付くのを防止し、またピストンが型キャビティへ向けて駆動されて溶浸が完了された後、ピストンの前進行程の範囲を超えた箇所で充填室に残留する地材合金のビスケットから熱を奪取するようになされる。
図１の真空ダイキャスト機は、図４の図示内容に関連して以下に説明される箱体７２の形成を示している。型キャビティよりも僅かに小さい凝集プリフォームを作ることで、凝集地の存在しない地材領域がシールバンドのはんだ結合のために形成される。
図１の真空ダイキャスト機は、吸入チューブ６を通して充填室１０を充填するのに真空圧を使用する。この形式の作動は、国際出願公報ＷＯ９０／１０５１６にさらに完全に記載されている。図１ａは以下に説明する例で使用された金属注入充填技術を示している。この技術では、取鍋１５が充填室の頂部に備えられている充填開口１６を通して溶融アルミニウムを注入するのに使用される。
図２ａおよび図２ｂを参照すれば、これらの図面はマイクロ波回路パッケージを示している。このパッケージは本発明の金属地複合材製品で構成されており、シールバンド３０および床３２と、および蓋３４の形態をした上部とを有して構成された一体底部を含んでいる。床３２は据え付けタブ３６を形成するように外部へ延長し、据え付けタブ３６は据え付けねじを受入れる凹みを３８の箇所に形成されている。３個の集積回路チップ４０が床から上方へ突出た台座上の所定位置にはんだ付けされている。アルミナ基板４２が台座を取囲んでおり、また床３２の孔を通して突出して絶縁材で壁から間隔を隔てられているピン４４に対してチップの各部を電気的に連結するための導通路を含んでいる。アルミナに含まれる導通路に対するチップ各部の連結は、チップ上のパッドとアルミナ上のパッドとの間のジャンパ線で行われる。代表的なパッドとジャンパ線との組合わせは４６で示されている。
箱体は、蓋をシールバンドにレーザー溶接または低温はんだ付けすることで密閉される。この密閉を達成すること、ならびに台座にチップをはんだ付けする技術の例は、以下の特許に含まれている。すなわち、米国特許第３９０９２０９号、第４２７０９８６号、第４３５２４５０号、第４５９１０８８号（加熱のためのオイル浸漬以外のなにかであり、代替例は炉内加熱、局部レーザー加熱または電気抵抗シーム密封装置である）、第４６１３０６９号、第４７６０２４０号、第４９４６０９０号、および第４９５８７６３号に含まれている。フラックスを生じるこれらのいずれの方法においても、残留フラックスを除去するように警告するのが好ましい。本発明の真空ダイキャスト部分の説明で上述したように、これらの連結法は凝集地の存在しない地材で作られる表面層のダイキャスト時に形成することで容易化され得る。
図３を参照すれば、同図は電子パッケージを示している。このパッケージは、真空ダイキャストされた一体構造のシールバンド／蓋／熱交換器の組合わせ５０とされた本発明の金属地複合材製品を組み入れている。この熱交換器はフィン５１であり、ピン・フィンまたはプレート・フィンとされ得る。この一体構造はさらに蓋下面に台座を有する。代表的な集積回路チップ５２は、サーモグリースまたは他の熱伝導性ブリッジ材料のような熱伝導性を有する介在された柔軟性の層５４によってこの台座に取付けられる。これは単一チップのモジュールを示しているが、この実施例の概念は複数チップのモジュールを与えるように半径方向に拡張できることは明白である。
留意すべきは、本明細書で「一体構造」の使用は、ユニットがろう付け連結のように結合連結部が介在されずに１つの部片として一緒にされることを示すように意図される。したがって、例えば別個の熱交換器と蓋ユニットとをろう付けして熱交換器蓋ユニットを作ることが知られている。
この一体構造的な組合わせは、複数層のアルミナ基板５６に対して低温はんだ付け（集積回路に損傷を与えないように低温とされる）で密封される。チップ５２は、アルミナ基板を経て導通路に接触するはんだビード６０を使用してピン５８に電気的に連結される。
この組合せ５０の金属地複合材は、例えば作動時にチップが発生する熱で熱膨張が生じたとき、金属地複合材−アルミナの結合部におけるシールの応力発生を回避する、または減少させるために、その熱膨張係数をアルミナ基板５６の熱膨張係数に近づける、または合致するようにさせるアルミニウム合金地材と炭化けい素の凝集地との比率を含む。
図４は、金属地複合材の一体構造の蓋／熱交換部片７０と金属地複合材の箱体７２とで構成された電子パッケージを示しており、それらはシールのために共に複数層のアルミナ基板７４にはんだ付けされている。チップ７６ははんだ７７で蓋下面の台座にはんだ付けされており、またワイヤー７８で代表されるワイヤーボンディングまたは他の適当手段によってエッジカード・コネクタ８０に連結されている。
本発明を試験するために、可能な電子パッケージの応用例のための金属地複合材が作られた。これらの応用例の目標は半導体デバイスが発生する熱を除去するために大きな熱伝導率を有し、また電子パッケージに典型的に使用されているアルミナのチップ基板材料の熱膨張係数に近いまたは合致する熱膨張係数を有する材料を製造することである。さらに、電子パッケージは非常に厳しい寸法公差（０．０２５４ｍｍ（０．００１インチ）ほど小さい）、および表面平面度（０．０２５４ｍｍ（０．００１インチ））を有し、また一体化されたヒートシンクを備えて複雑な形状を有する。
以下の例では、様々な温度にまで部分燒結され、ＳｉＣの様々な体積率を有するプリフォームが溶融金属を溶浸されて、評価のために使用される複合材が作られた。特に、熱伝導率、熱膨張係数および形成された複合材試料の全境界面積が測定された。
約１０質量％のけい素を含有するアルミニウム合金が溶浸金属の基本として選択された。アルミニウムおよびその合金は本願に適した熱伝導率を有している。
例１〜例３
ＳｉＣの装填レベルとして５５体積％、６５体積％および７５体積％が評価された。これらの例に使用されたＳｉＣは米国ニュー・ジャージー州フェアロウンに所在するロンザ・インコーポレーテッド社で製造された。５５体積％、６５体積％および７５体積％のけい素粒体を含有する未焼結プリフォーム即ちグリーンプリフォームは米国ジョージア州アルファレッタに所在するテクニカル・セラミック・ラボラトリー・インコーポレーテッド社から入手された。
５５体積％、６５体積％および７５体積％の炭化けい素粒体を含有するプリフォームは、まず最初に約５００℃（２５０℃／時間）まで加熱され、約１時間にわたって保持されてプリフォームに亀裂を発生することなく有機結合剤を燃焼させた。加熱速度はプリフォームの寸法形状ならびに炉の形式に応じて変化され得ることに留意されたい。プリフォームはその後約７００℃まで空気中で加熱され（すなわちタッキングされ）約１〜８時間ほど保持された。プリフォームは黒鉛モールド型内に配置され、それらが炉温度にまで達するのに十分な時間にわたって別の電気抵抗炉内で約７００℃に保持された。その間、充填される溶融金属が準備された。
地材として充填される溶融金属はＡｌ−１０質量％Ｓｉの組成を有して準備され、約７００℃に保持された。溶融金属の化学組成がチェックされた。型および充填室は浄化され、そして約２５０℃に予熱された。
部分燒結されたプリフォームおよび黒鉛型が型キャビティ内部に配置され、型が閉じられて固定された。その後、固定的な量の溶融金属が充填室に注入された。型キャビティはその後真空引きされて、型およびプリフォームの内部に存在する空気を排除された。真空引きが完了したならば、溶融金属が型キャビティへ導入され、加圧されてモールド型内のＳｉＣの内部に溶浸された。溶融金属が凝固した後、この組立体はモールド型から取出された。
作られた製品が試験され、その製品は応用例における要求条件に合致しているかを判定された。製品は十分に大きな熱伝導率と、電子パッケージの作製または製造に典型的に使用される材料の熱膨張係数に近いまたは合致する熱膨張係数とを示した。製品の全Ａｌ／ＳｉＣ境界面積もまた測定されて、熱伝導率と複合材の境界面の影響との間の関係が査定された。境界面の影響は、ＳｉＣのような凝集地（すなわち強化材）が本来的に大きな熱伝導率を有する場合に特に重要となる。
幾つかの試験結果は表１に示されており、図５にプロットされている。表１は、燒結される前のタッキングプリフォームが熱伝導率、熱膨張係数および表面積の値に及ぼす影響を示している。この結果は、全表面積はＳｉＣの体積％が５５％〜６５％に増大すると増大し、その後のＳｉＣの体積％が６５％〜７５％では減少することを示している。逆に、熱伝導率はＳｉＣの体積％が５５％〜６５％に増大すると減少し、その後のＳｉＣの体積％が６５％〜７５％では増大する。これらの観察は以下のように説明される。すなわち、全表面積が増大すると、熱エネルギーを伝えるために境界面により与えられる抵抗が増大し、したがって全体としての熱伝導率が減少する。同様に、全表面積が減少すると、境界面の抵抗は減少し、全体としての熱伝導率は増大する。
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得られた複合材の熱膨張係数を示す試験結果も表１に示され、図６にプロットされている。この結果は複合材が６．０〜９．０ｐｐｍ／ｋの範囲の値の熱膨張係数を有し、これは６．６ｐｐｍ／ｋであるアルミナの熱膨張係数に近いことを示している。
例４〜例６
６５体積％の炭化けい素粒体を含有するプリフォームが例１〜例３のプリフォームと同様に処理された。例１〜例３に基づいて６５体積％の凝集地が選ばれ、熱伝導率と熱膨張係数の非常に良好な組合せを有する材料が得られた。プリフォームは溶融金属を溶浸される前に、１７００℃、１７５０℃および１８５０℃まで部分燒結され、プリフォームの部分燒結温度が金属地複合材の熱伝導率および熱膨張係数の値に及ぼす影響を測定するようになされた。すべては非常に速い加熱速度で実験され、所望温度に約３０分間ほど保持された。
再び述べるが、結果として得られた製品が試験され、その製品が応用実験に合致するかを査定した。製品は十分に大きな熱伝導率および適当な熱膨張係数を示した。
表２に示し、図７にプロットしたように、この結果は溶浸前のプリフォームの部分燒結が得られた複合体の熱伝導率に及ぼす劇的な影響を示している。驚くべきことに、溶浸前のプリフォームの部分燒結は、例４〜例６に示されるように、例１〜例３に示したようにタッキングしただけのプリフォームよりも格段に大きい熱伝導率を有する金属地複合材を形成した。例２のプリフォームは、ＳｉＣが６５体積％で７００℃まで燒結されたもので、１６３Ｗ／ｍＫ（ｋｃａｌ／ｍｈ℃）の熱伝導率を有する複合材を形成しているのに対し、例４〜例６の部分燒結プリフォームは１１８５Ｗ／ｍＫを超えた熱伝導率を有する複合材を形成しており、これはタッキングしたプリフォームより１８％以上の増大を見せている。
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１７００℃から１７５０℃への燒結温度の上昇は、熱伝導率にほとんど影響を与えないように見える。しかしながら、このデータは燒結温度が１７５０℃から１８５０℃へ上昇することによる小さいが注目すべき降下を示している。これらの影響は燒結による境界面積の変化に関係して説明し得る。いずれかの理論にしたがって結合されることを望むのではないが、未燒結プリフォームからの１７００℃での大きな最初の増大は、プリフォームにおける微細組織の大きな変化によるもののようである。微粒体が溶着して大きな粒体となるために特定の表面積が大きく減少することが予想される。結果的に生じる全表面積の減少は、熱伝導率の相当する増大をもたらした。より高温度での燒結では、表面積の付加的な減少は熱伝導率に重大な影響を全く及ぼさなかった。
プリフォームを燒結することの複合体の熱膨張係数に対する影響は、表２にも示され、図８にプロットされている。プリフォームが１７００℃で燒結されたときに熱膨張係数は未燒結の値から実質的に増大する。これは減少するまえに、１７５０℃の燒結温度で８．７ｐｐｍ／Ｋにまで増大する。熱膨張係数のこのような変化はＳｉＣの分布に関連した微細組織の変化として理解できる。
１７００℃で燒結した後、微細ＳｉＣ粒体は溶着して大きな粒体となり、局部的にＳｉＣ分布を変化させることが観測された。これはプリフォームの気孔率を増大し、複合材の熱膨張係数の全体的な増大を引き起こす。しかしながら、１８５０℃〜１９５０℃、また２０００℃まですら温度を高めてプリフォームを連続的に燒結すると、プリフォームの気孔率は減少する。したがって、溶浸させるのに金属量を減少でき、複合材の熱膨張係数は減少する。
本発明の好ましい実施例はアルミニウム合金地材を有する金属地複合材を形成するのが特に有利であると上述で説明したが、当業者には本発明が他の金属で金属地複合材を形成するのも有利であることが明白となろう。本発明にて使用されるのが適当な金属はアルミニウムおよびアルミニウム合金に限られない。銅、銀および金、およびそれらの合金のような他の金属で形成された金属地複合材も本発明による利益を得る。
本発明の好ましい実施例は強化相としてＳｉＣを使用した金属地複合材を溶浸するのが特に有利である上述で説明したが、当業者には他の強化材も使用できることが明白となろう。密度を代えずに表面積を減少させる処理を行われる炭化チタン、窒化アルミニウム、ほう化チタン、ほう化ジルコニウム、モリブデン、タングステン、およびそれらの組合せのような大きな熱伝導率を有する他の材料も強化材として使用できることが予想される。
本発明の好ましい実施例が液相金属を凝固させるように説明されたが、当業者には本発明はそれに限定されないことが明白となろう。液相金属の凝固は冷却技術で加速できることが予想され、この技術にはモールド型および／または形成済み製品の表面全体に沿って冷気を循環させることが含まれる。「冷」という言葉は金属を凝固させることに関するように意図される。この点で、冷気は凝固させる金属の温度よりは低い温度である。冷気は常温大気（２０℃（６８°Ｆ））よりもかなり暖かくされ得る。
本発明は黒鉛モールド型に関して説明されたが、鋼材モールド型およびこの分野で周知の他のモールド型のような他のモールド型材も使用できる。
本発明は溶浸を補助するためにモールド型に真空圧を作用させるダイキャスト機を使用して説明したが、本発明はこれに限定されない。金属は型キャビティの一端から溶浸されて、液相の移動前面を形成するようになされ、これがプリフォームの気孔内に存在するガスをモールド型の一端から他端へ向けて掃出して、プリフォームの内部に気泡として巻き込むことがないようにすることも予想される。さらに、例えばＴｉＢ2のような濡れ剤がプリフォームおよび／または断熱材の表面に形成され、多孔質プリフォームに対する溶融金属の濡れ性を増大し、プリフォーム内部のガス捕捉の可能性を減少させるようにすることが予想される。
本発明は別々に加熱される型を使用して説明したが、本発明はこれに限定されない。型はダイキャスト設備に永久的に取付けられ、プリフォームは別個に加熱されるか、その場所で加熱されることができる。
最も良好と思われる本発明の態様が上述された。しかしながら、当業者には記載した形式の様々な改変が本発明の精神から逸脱せずに本発明になし得ることは明白となろう。本発明の範囲は、請求の範囲の欄に記載された用語の広義の一般的な意味によって定義される。
【図１】
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【図１Ａ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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