(57)【要約】【課題】高熱放散性と低熱膨張性を兼ね備えた、ヒートシンク等の放熱材に好適な複合金属材料を提供する。【解決手段】Ｆｅ−３６％Ｎｉ等の低熱膨張性金属からなるロータス型ポーラス金属の気孔内部に、無酸素銅粉末等の高熱伝導性金属粉末を充填し焼結してなる、高熱放散性低熱膨張性複合金属材料である。特に、ロータス型ポーラス金属の気孔率を２０〜６０％にすることにより、極めて優れた熱放散性と低熱膨張性を実現することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
低熱膨張性金属からなるロータス型ポーラス金属の気孔内部に高熱伝導性金属粉末を充填し焼結してなる、高熱放散性低熱膨張性複合金属材料。
【請求項２】
前記低熱膨張性金属は、熱膨張係数が３．０×１０−６以下である、請求項１に記載の複合金属材料。
【請求項３】
前記低熱膨張性金属は、Ｆｅ−３６％Ｎｉ又はＦｅ−３２％Ｎｉ−４％Ｃｏである、請求項１又は２に記載の複合金属材料。
【請求項４】
前記ロータス型ポーラス金属は、気孔率が２０〜６０％である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の複合金属材料。
【請求項５】
前記高熱伝導性金属粉末は、熱伝導度が１４０Ｗ／ｍＫ以上である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の複合金属材料。
【請求項６】
前記高熱伝導性金属粉末は、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｗ、Ｍｏ又はＷ−１０％Ｃｕ粉末である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の複合金属材料。
【請求項７】
前記高熱伝導性金属粉末は、無酸素銅粉末である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の複合金属材料。
【請求項８】
熱伝導度が８０〜１７０Ｗ／ｍＫ、熱膨張係数が４〜７×１０−６である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の複合金属材料。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の高熱放散性低熱膨張性複合金属材料からなる放熱材。
【請求項１０】
機械・電気・電子部品用のヒートシンク又はボイラー・蒸気発生器・復水器・蒸発器・凝縮器・冷却塔・加熱塔・冷凍機・空調機・換気器・車両・船舶用の熱交換器に利用される、請求項９に記載の放熱材。
【請求項１１】
低熱膨張性金属を用いてロータス型ポーラス金属を製造する工程と、
前記ロータス型ポーラス金属の気孔内部に高熱伝導性金属粉末を充填する工程と、
前記高熱伝導性金属粉末を焼結する工程と、
を有する、高熱放散性低熱膨張性複合金属材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高熱放散性と低熱膨張性を兼ね備えた、ヒートシンクや熱交換器等の放熱材として好適な複合金属材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子機器の小型化と高出力化が進む中、デバイス設計上の熱対策は不可欠な基本技術となっている。デバイスの信頼性確保のためには、組み込まれた半導体素子に掛かる熱の影響を最小限に抑えることが必要である。従来、半導体素子の熱放散対策には、ＡｌやＣｕを剣山状や蛇腹状に成形してなるヒートシンクが用いられてきた（例えば、特許文献１参照）。ＡｌやＣｕは、熱伝導度が高く優れた熱放散性を示す半面、熱膨張係数が大きいため、半導体素子表面に装着した場合、熱膨張係数が非常に小さいシリコンとの熱膨張の差から熱応力が生じ、ヒートシンクが剥離したり破損したりしてしまうという問題があった。ＡｌやＣｕ以外にも、Ｗ、Ｗ−１０％Ｃｕ、Ｍｏ等がヒートシンク等の放熱材の材料として利用されているが、何れも熱膨張性が悪いため上記と同様の問題を有しているばかりでなく、高価であり加工性も悪いという欠点をも有していた。
【０００３】
一方、ステンレス鋼の一種であるインバー・アロイ（Ｆｅ−３６％Ｎｉ）やスーパーインバー（Ｆｅ−３２％Ｎｉ−４％Ｃｏ）は、不変鋼とも呼ばれるように極めて低い熱膨張係数を有することが知られているが、熱伝導度が低く熱放散性が非常に悪いため、これまで、ヒートシンク等の放熱材に用いられることはなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０５−３１５４８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は上記従来技術の有する問題点に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、熱放散性が高くかつ熱膨張性が低い放熱材材料を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の上記目的は、下記の手段によって達成される。
【０００７】
（１）即ち、本発明は、低熱膨張性金属からなるロータス型ポーラス金属の気孔内部に高熱伝導性金属粉末を充填し焼結してなる、高熱放散性低熱膨張性複合金属材料である。
【０００８】
（２）本発明はまた、前記低熱膨張性金属は、熱膨張係数が３．０×１０−６以下である、（１）に記載の複合金属材料である。
【０００９】
（３）本発明はまた、前記低熱膨張性金属は、Ｆｅ−３６％Ｎｉ又はＦｅ−３２％Ｎｉ−４％Ｃｏである、（１）又は（２）に記載の複合金属材料である。
【００１０】
（４）本発明はまた、前記ロータス型ポーラス金属は、気孔率が２０〜６０％である、（１）〜（３）のいずれか１つに記載の複合金属材料である。
【００１１】
（５）本発明はまた、前記高熱伝導性金属粉末は、熱伝導度が１４０Ｗ／ｍＫ以上である、（１）〜（４）のいずれか１つに記載の複合金属材料である。
【００１２】
（６）本発明はまた、前記高熱伝導性金属粉末は、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｗ、Ｍｏ又はＷ−１０％Ｃｕ粉末である、（１）〜（５）のいずれか１つに記載の複合金属材料である。
【００１３】
（７）本発明はまた、前記高熱伝導性金属粉末は、無酸素銅粉末である、（１）〜（６）のいずれか１つに記載の複合金属材料である。
【００１４】
（８）本発明はまた、熱伝導度が８０〜１７０Ｗ／ｍＫ、熱膨張係数が４〜７×１０−６である、（１）〜（７）のいずれか１つに記載の複合金属材料である。
【００１５】
（９）更に、本発明は、（１）〜（８）のいずれか１つに記載の高熱放散性低熱膨張性複合金属材料からなる放熱材である。
【００１６】
（１０）本発明はまた、機械・電気・電子部品用のヒートシンク又はボイラー・蒸気発生器・復水器・蒸発器・凝縮器・冷却塔・加熱塔・冷凍機・空調機・換気器・車両・船舶用の熱交換器に利用される、（９）に記載の放熱材である。
【００１７】
（１１）更に、本発明は、低熱膨張性金属を用いてロータス型ポーラス金属を製造する工程と、前記ロータス型ポーラス金属の気孔内部に高熱伝導性金属粉末を充填する工程と、前記高熱伝導性金属粉末を焼結する工程と、を有する、高熱放散性低熱膨張性複合金属材料の製造方法である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の高熱放散性低熱膨張性複合金属材料によれば、低熱膨張性金属からなるロータス型ポーラス金属の気孔内部に高熱伝導性金属粉末を充填し焼結してなるので、極めて優れた熱放散性と低熱膨張性を実現することができ、簡便かつ安価に高性能な放熱材を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施例１で得られた試料片の気孔率と熱伝導度と熱膨張係数の測定結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の高熱放散性低熱膨張性複合金属材料は、低熱膨張性金属からなるロータス型ポーラス金属の気孔内部に高熱伝導性金属粉末を充填し焼結してなることを特徴とするものである。
【００２１】
本発明で利用される低熱膨張性金属としては、熱膨張性の低い金属であれば特に限定されるものではないが、好ましくは、熱膨張係数が３．０×１０−６以下の金属がよく、具体的には、Ｆｅ−３６％Ｎｉ（インバー・アロイ）、Ｆｅ−３２％Ｎｉ−４％Ｃｏ（スーパーインバー）等が挙げられ、これらの中では、熱膨張係数が最も低いＦｅ−３６％Ｎｉが特に好適に利用できる。
【００２２】
また、ロータス型ポーラス金属とは、気孔が蓮根（ロータス）様に一方向に伸長されてなる多孔性金属である。本発明で利用されるロータス型ポーラス金属は、上記低熱膨張性金属を用いて既知の製造法により製造することができる。具体的には、連続鋳造装置を用いて加圧水素ガス雰囲気中で溶融金属を垂直下に押し出し、冷却しながらローラにより延伸して製造する連続鋳造法（J. S. Park, S. K. Hyun, S. Suzuki and H. Nakajima, "Effect of transference velocity and hydrogen pressure on porosity and pore morphology of lotus-type porous copper fabricated by a continuous casting technique.", Acta Materialia, Vol. 55, 2007, 5646-5654.）、金属の一部を高周波コイルにより加熱し、溶融帯を一方向に移動させて製造する連続帯溶融法（T. Ikeda, T. Aoki and H. Nakajima, "Fabrication of Lotus-type Porous Stainless Steel by Continuous Zone Melting Technique and Mechanical Property", Metallurgical and Materials Transactions, A, 36A, 2005, 77-86.）、溶融金属中でＴｉＨ２等のガスを含む化合物を熱分解させて製造する化合物熱分解法（H. Nakajima and T. Ide, "Fabrication of Porous Copper with Directional Pores through Thermal Decomposition of Compounds.", Metallurgical and Materials Transactions A, Vol. 39, 2008, 390-394.）等を利用することができる。
【００２３】
本発明で利用されるロータス型ポーラス金属は、気孔率が２０〜６０％であることが好ましい。気孔率が２０％未満では、得られる複合金属材料の熱伝導度が低くなり熱放散性が悪化するので好ましくなく、気孔率が６０％を超えると、得られる複合金属材料の熱膨張係数が高くなり、放熱材とした場合に発熱体との熱応力差により破損等を招きやすくなるので好ましくない。
【００２４】
更に、本発明で利用される高熱伝導性金属粉末としては、熱伝導性の高い金属粉末であれば特に限定されるものではないが、好ましくは、熱伝導度が１４０Ｗ／ｍＫ以上の金属がよく、具体的には、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｗ、Ｍｏ、Ｗ−１０％Ｃｕ等が挙げられ、これらの中では、熱伝導性が高くかつ経済性に優れた無酸素銅（純度９９．９５％以上）が特に好適に利用できる。
【００２５】
次に、本発明の高熱放散性低熱膨張性複合金属材料の製造方法について簡単に説明する。まず、上記低熱膨張性金属を用いて上記製造法によりロータス型ポーラス金属を製造する。その際、得られるロータス型ポーラス金属の気孔率が上記範囲となるよう製造条件を調整する。次いで、得られたロータス型ポーラス金属を気孔の形成方向に対して略垂直な断面となるよう所定の厚さに切断する。これにより、ロータス型ポーラス金属の内部に形成された気孔の大部分が当該断面上で開口し、高熱伝導性金属粉末を気孔内に均一かつ効率的に充填することが可能となる。次に、得られたロータス型ポーラス金属の切断片の上記切断面から上記高熱伝導性金属粉末を塗抹し、ロータス型ポーラス金属の気孔内部に上記高熱伝導性金属粉末を充填する。そして、高熱伝導性金属粉末を充填したロータス型ポーラス金属の切断片を焼成炉に投入して真空又は不活性ガス（Ａｒ、Ｈ２、Ｎ２等）下で所定温度で所定時間加熱して粉末焼結させた後、室温まで冷却して目的の複合金属材料を得る。
【００２６】
本発明の高熱放散性低熱膨張性複合金属材料によれば、低熱膨張性金属をロータス型ポーラス金属に成形してコア材とすることにより、低熱膨張性金属が本来有する低熱膨張性を保持しつつ、コア材の気孔内部に高熱伝導性金属粉末を充填し焼結することにより、高い熱放散性をも付与することができるものである。
【００２７】
このようにして、本発明の複合金属材料は、熱伝導度が８０〜１７０Ｗ／ｍＫ、熱膨張係数が４〜７×１０−６という、極めて優れた熱放散性と低熱膨張性を示すので、例えば、機械・電気・電子部品用、特に半導体・パワー半導体・ＬＥＤ等のヒートシンクや、ボイラー・蒸気発生器・復水器・蒸発器・凝縮器・冷却塔・加熱塔・冷凍機・空調機・換気器・車両・船舶用の熱交換器等の放熱材に好適に利用することができる。
【００２８】
なお、本発明の高熱放散性低熱膨張性複合金属材料をヒートシンク等の放熱材として利用するには、適切なサイズに成形した本発明の複合金属材料を半導体素子等の発熱体の表面にそのまま装着するだけで良い。従来のＡｌやＣｕのように剣山状や蛇腹状に成形する必要がないので安価に製造することができるばかりでなく、ＡｌやＣｕに匹敵する熱放散性を備えつつ、ＡｌやＣｕに比べて極めて優れた低熱膨張性を達成することができる。
【００２９】
次に、本発明の高熱放散性低熱膨張性複合金属材料を、実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【実施例１】
【００３０】
Ｆｅ−３６％Ｎｉ（インバー・アロイ）５ｋｇを真空誘導炉にて溶解し，φ７０ｍｍのインゴッドに鋳造した後、更に１１００℃で熱間鍛造してφ３０ｍｍとした。これを連続鋳造法を用いて、雰囲気ガス圧力及び引き出し速度を調整することにより、気孔率がそれぞれ１０、２０、４５、６０及び７０％のロータス型ポーラス金属を作製し、これらを輪切りにして、φ２５ｍｍ×１０ｍｍの切断片をそれぞれ得た。
【００３１】
無酸素銅粉末５ｋｇを真空誘導炉にて溶解し，φ７０ｍｍのインゴッドに鋳造した後、ガスアトマイズ法によりＣｕ粉末を作製した。
【００３２】
上記で得られたロータス型ポーラス金属の切断片の切断面にＣｕ粉末を塗抹し、ロータス型ポーラス金属の気孔内部にＣｕ粉末を隈なく充填した。これを焼成炉にて真空下１１００℃で粉末焼結させた後、室温まで放置して目的の試料片を得た。
【００３３】
得られた各試料片の気孔率を画像処理により、熱伝導度をレーザフラッシュ法により、熱膨張係数を線膨張率測定装置により、それぞれ測定した。これらの結果を図１に示した。
【００３４】
図１から明らかなとおり、実施例１で得られた気孔率２０〜６０％の試料片において、熱伝導度８０Ｗ／ｍＫ以上でかつ熱膨張係数７×１０−６以下という放熱材として優れた性能が得られた。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
上述したように、本発明の高熱放散性低熱膨張性複合金属材料は、極めて優れた熱放散性と低い熱膨張性を兼ね備えているので、ヒートシンクや熱交換器等の放熱材として利用した場合極めて有用である。
【図１】
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