(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス粒子と結合材のシリカとからなる多孔体の気孔に、金属を浸透させてなる金属−セラミックス複合材料であって、前記金属−セラミックス複合材料の断面において粒径１００μｍ以上のセラミックス粗大粒子の占める面積が３５％以上であり、
断面における前記セラミックス粗大粒子のシリカ被覆率は３０％以下であり、
断面において前記セラミックス粗大粒子を被覆するシリカのうち、セラミックス粗大粒子間の接合に用いられていないシリカ分は、１０％以下であり、
ヤング率が２６０ＧＰａ以上であることを特徴とする金属−セラミックス複合材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートシンク材として用いられる金属−セラミックス複合材料に関する。例えば、パワーモジュールやＬＥＤなどの高熱を発する部所に用いられる放熱材料に使用される。
【背景技術】
【０００２】
近年、ハイブリッド車や電車のパワーモジュール用ＩＧＢＴのヒートシンクとして金属とセラミックスの複合材料が注目されている。従来の金属系ヒートシンクと比較すると軽量で熱膨張率がセラミックス基板とマッチングしているという特徴をもつからである。
【０００３】
例えば、特許文献１では、炭化ケイ素多孔体にアルミニウムを主とする金属を含浸させてなる複合体であり、炭化ケイ素粒子表面に沿ってクラックが存在し、好ましくは、クラックの長さが１〜１０μｍであることを特徴とする複合体であり、２５℃における熱伝導率が１６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、しかも２５〜２５０℃の熱膨張率が７．５×１０−６／Ｋ以下の特徴を有する複合体が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−１７１６７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１の複合体は、クラックを有することから、十分な剛性が得られない。特に車や電車のパワーモジュール用ヒートシンク材では、振動や応力が部材にかかることから、高剛性の材料が求められる。
【０００６】
本発明は、これらの問題に鑑みてなされたものであり、放熱性に優れ、かつ高剛性の金属−セラミックス複合材料を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記の問題を解決するため、以下に示す（１）の発明を提供する。
（１）セラミックス粒子と結合材のシリカとからなる多孔体の気孔に、金属を浸透させてなる金属−セラミックス複合材料であって、前記金属−セラミックス複合材料の断面において粒径１００μｍ以上のセラミックス粗大粒子の占める面積が３５％以上であり、断面における前記セラミックス粗大粒子のシリカ被覆率は３０％以下であり、断面において前記セラミックス粗大粒子を被覆するシリカのうち、セラミックス粗大粒子間の接合に用いられていないシリカ分は、１０％以下であり、ヤング率が２６０ＧＰａ以上である金属−セラミックス複合材料。
【発明の効果】
【０００８】
放熱性に優れ、かつ高剛性の金属−セラミックス複合材料を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の金属−セラミックス複合材料の模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の金属−セラミックス複合材料について、より詳細に説明する。
【００１１】
本発明は、セラミックス粒子と結合材のシリカとからなる多孔体の気孔に、金属を浸透させてなる金属−セラミックス複合材料に係るものである。図１に本発明の金属−セラミックス複合材料の模式断面図を示す。セラミックス粗大粒子１が結合材のシリカ２（２ａ）によって接合されている。図１中の３で示した部分は、金属及びセラミックス微小粒子で占められる。
【００１２】
本発明の金属−セラミックス複合材料は、断面において粒径１００μｍ以上であるセラミックス粗大粒子１が断面に占める面積が３５％以上である。これは粒径の大きいセラミックス粒子を用いることにより充填率が向上し、成形体の強度を高くすることできるからである。また、セラミックス粗大粒子１を上記範囲で含ませることは、金属−セラミックス複合材料の熱伝導率を高めるうえでも好ましい。
【００１３】
セラミックス粗大粒子１の面積は、例えば、次のような方法で求めることができる。切断面を光学顕微鏡で２００倍の倍率で１．０×１．５ｍｍの範囲について観察し、断面に現れたセラミックス粒子のうち、長径が１００μｍ以上のセラミックス粒子をセラミックス粗大粒子として、その面積を求める。面積の求め方は、光学顕微鏡写真を画像ファイルとしてパソコンに取り込む。セラミックス粒子はマトリックスである金属と比較して黒く観察されることから、市販の画像処理ファイルにてセラミックス粗大粒子の範囲を指定し、そこから面積を計算することができる。
【００１４】
また、断面における前記セラミックス粗大粒子１のシリカ被覆率は３０％以下である。シリカ被覆率をこのような範囲とすることにより、金属−セラミックス複合材料のヤング率を高めることができる。
【００１５】
剛性を示すヤング率は金属−セラミックス界面の状態に大きく影響され、この界面に隙間や剛性の低いの物質が介在しているとマトリックス金属やセラミックスの配合から予想される値を大きく下回ることがある。特に、複合材料中のセラミックスの割合を多くする場合、セラミックス粒子間の結合材として用いられるシリカがセラミックス粒子と金属との間に介在し、上記のようにヤング率を低下させる。本発明では添加するシリカの量と熱処理の条件の検討を行い、金属−セラミックス界面に介在するシリカ成分を調整し、高いヤング率をもつ高熱伝導の複合材料を得た。
【００１６】
本発明で用いた結合材のシリカはセラミックスと比較するとヤング率が小さい。例えば、代表的なセラミックスである炭化ケイ素と比較した場合、炭化ケイ素のヤング率が４００ＧＰａ、であるのに対し、シリカは８０ＧＰａ以下である。そのため、このようにヤング率が低い物質が金属とセラミックスの界面に多く介在すると複合化したときにヤング率が低下する。
【００１７】
したがって、ヤング率の低下を防ぐには、シリカの添加量を低減すれば良いと考えられるが、シリカの添加量を低減すると金属−セラミックス複合材料の前駆体である多孔体の強度も低下する。そして、強度が低下した多孔体に金属を浸透させると多孔体に亀裂が生じ、その部分が金属のライン（メタルベイン）となり、部分的に機械的特性の低下を招く。そのため、シリカによるセラミックス粒子間の強固な結合を確保しつつ、金属−セラミックス界面のシリカを低減する必要がある。本発明は、このような相反する問題を一挙に解消し、高いヤング率と高熱伝導性を両立させたものである。
【００１８】
シリカ被覆率は、例えば次のような方法で求めることができる。まず、セラミックス粗大粒子について、走査型顕微鏡（ＳＥＭ）で５０００〜７０００倍の倍率で断面を観察し、粒子の外周部をＥＤＸで分析する。分析は酸素について行い、セラミックス粗大粒子を被覆しているシリカを特定する。シリカの被覆層が０．５μｍ以上の厚さである箇所を被覆部分とし、観察したセラミックス粗大粒子の全周に対して被覆部分の割合を求め、これをシリカ被覆率とすることができる。測定は例えば、２０個のセラミックス粗大粒子について行い、これらの平均値とすることができる。
【００１９】
断面においてセラミックス粗大粒子１を被覆するシリカ２のうち、セラミックス粗大粒子間の接合に用いられていないシリカ、すなわち非接合部のシリカ２ｂによる被覆率は、１０％以下である。粒子間の接合に寄与しない非接合部のシリカは、多孔体の高強度化に何ら貢献しないばかりか、金属−セラミックス複合材料のヤング率を低下させる。また、金属−セラミックス複合材料の熱伝導に対しても好ましくない。上記のように非接合部のシリカを１０％以下とすることで、高いヤング率を持つ高熱伝導の金属−セラミックス複合材料とすることができる。なお、接合部とは、２以上のセラミックス粗大粒子に密接したシリカ２ａの部分をいい、それ以外のシリカは非接合部のシリカ２ｂである。なお、非接合部のシリカ２ｂには、セラミックス粗大粒子１とセラミックス微小粒子との接合に用いられるものがある。セラミックス微小粒子とシリカとの結合は、多孔体の強度を高めることができるものの、金属−セラミックス複合材料の高ヤング率化には寄与しないため、これを所定量に抑えることが好ましい。
【００２０】
本発明の金属−セラミックス複合材料のヤング率は、２６０ＧＰａ以上である。上記のようなセラミックス粗大粒子のシリカ被覆率を低減し、また、被覆するシリカのうち非接合部のシリカを低減することでヤング率を高めることができる。
【００２１】
セラミックス粒子としては、炭化ケイ素、窒化アルミニウム等の高熱伝導性のものが好ましい。例えば、炭化ケイ素としては、純度が９９％以上の工業用の研磨材として用いられているものを適用することができる。
【００２２】
シリカは、有機成分を含むシリカバインダーを加熱して、有機成分を除去することにより形成される。
【００２３】
金属としては、アルミニウムまたはアルミニウム合金が好ましい。具体的には、例えば純度９９．０％以上の純アルミニウムやＡＣ８Ａなどの一般的に用いられている合金を用いることができる。
【００２４】
次に、本発明の金属−セラミックス複合材料の製造方法について説明する。
【００２５】
はじめに、セラミックス粒子とシリカバインダーとを混合する。上記のように、セラミックス粒子には、炭化ケイ素、窒化アルミニウム等が用いられる。セラミックス粒子の粒径は、例えば、平均粒径１００〜２００μｍのセラミックス粒子と、平均粒径１０〜５０μｍの２粒度のセラミックス粒子を配合することができる。２粒度配合することで、セラミックス粒子の充填率が高められるので好ましい。２粒度配合は、例えば平均粒径１００〜２００μｍのセラミックス粒子を６０〜７５質量％、平均粒径１０〜５０μｍのセラミックス粒子を２５〜４０質量％とすることができる。なお、本明細書において平均粒径とは、レーザー回折／散乱式粒度分布測定によるメディアン径Ｄ５０を意味する。
【００２６】
シリカバインダーとしては、金属シリコンにメタノールおよび塩化水素などを混合して反応、精溜したシリコーンレジンを主成分とするものを用いることができる。このシリコーンとはシロキサン結合（Ｓｉ―Ｏ）にメチル基ＣＨ３のような有機基がついたものである。状態として固形のものや溶剤で希釈した液体状のものが存在し、耐熱、電気絶縁用のコーティング材やバインダーとして主に用いられている。固形状のものは１００〜２００℃で溶融し、２５℃付近で再度固化するので好適である。特に１００℃の揮発分が５質量％以下で、２００℃での粘度が２ｍＰａ・ｓ以下のものを用いることが好ましい。さらに８００℃以上まで昇温することによりシリカ成分が結晶化し、バインダーとしての特性をより強く発現する。
【００２７】
シリカバインダーは、セラミックス粒子に対するシリカ量が１質量％以下となるよう添加することが好ましい。これ以上の添加量では後述の熱処理を行っても炭化ケイ素とアルミニウムの間にシリカ成分が多く介在し、複合材料のヤング率低下を起こす。より好ましいシリカ換算の添加量は、０．２〜１．０質量％である。
【００２８】
セラミックス粒子とシリカバインダーとの混合は、ポットミル等の乾式や湿式での混合を採用することができる。
【００２９】
次いでセラミックス粒子とシリカバインダーの混合物を成形型に投入し、プレス成形する。一軸プレス成形や、ＣＩＰ成形等種々のプレス成形を用いることができる。プレス圧力は、１〜１０ＭＰａで調整することができる。
【００３０】
続いてプレス成形により得られた成形体を加熱する。加熱は１００〜２００℃の溶融工程と、８００℃以上の結晶化工程に区分される。
【００３１】
溶融工程では、シリカバインダーが溶融して毛細管現象によりセラミックス粒子同士が接触している箇所に集中する。１００〜２００℃の加熱は、１２時間以上保持することが好ましく、２４時間以上がより好ましい。保持時間が足りないと溶融したシリカバインダーの移動が不十分でセラミックス粒子が接触している箇所に十分集中しないため成形体の強度低下が生じたり、複合化した際にヤング率が低下したりするため好ましくない。
【００３２】
溶融工程に続いて、８００℃に加熱し、シリカを結晶化させる。これによりセラミックス粒子とシリカとからなる多孔体が得られる。上記のようにシリカバインダーはセラミックス粒子が接触している箇所に集中しているので、セラミックス粒子間は結晶化したシリカにより強固に接合される。この多孔体の曲げ強度は３ＭＰａ以上であることが好ましい。多孔体に十分な強度があれば、多孔体に金属を浸透させるときに亀裂が生じ難く、メタルベインに起因する機械的特性の低下を防ぐことができる。また、所定の強度を有していれば、多孔体の取扱いも簡便である。
【００３３】
次に多孔体に金属を浸透させる。浸透促進剤を用いた非加圧浸透等種々の方法を用いることができる。特に、金属の溶湯に圧力を加えて浸透させる加圧浸透法を用いることが好ましい。アルミニウムまたはアルミニウム合金を用いて加圧浸透を行う場合には、浸透圧力は１０ＭＰａ〜１００ＭＰａとすることができる。
【００３４】
浸透工程でのアルミニウムまたはアルミニウム合金の加熱温度は、融点以上であって、十分に浸透が進行する温度であれば良い。具体的には、６５０〜８００℃の加熱温度を採用することができる。浸透の際に周囲の治具に熱を奪われるなどして浸透が十分に行われない場合があるため、周囲の治具にヒーターを内蔵したり、外部から加熱したりしながら浸透させても良い。８００℃より高温ではアルミニウムの酸化が著しく、作業工程上問題が生じる場合があるため好ましくない。
【００３５】
以下、本発明の実施例を比較例とともに具体的に挙げる。
【００３６】
［実施例１〜８］
市販されている炭化ケイ素粒子について、平均粒径が１００μｍ以上のものとそれよりも小さいものと２種類のセラミックス粒子に、シリカバインダー（シリコーンレジン；１００℃の揮発分５質量％以下、２００℃での粘度２ｍＰａ・ｓ以下）を添加してポットミルにより乾式混合した。この混合物を３００ｍｍ×３００ｍｍの金型に入れて３ＭＰａでプレス成形した。その後、１５０℃で加熱し、さらに８００℃で結晶化させて、多孔体を作製した。この多孔体にＳｉを１０質量％含むアルミニウム合金を２０ＭＰａの圧力で浸透させ、金属−セラミックス複合材料を作製した。
【００３７】
［比較例１］
シリカバインダーの添加量を２質量％とした以外は実施例１と同様の方法で金属−セラミックス複合材料を作製した。
【００３８】
［比較例２］
２粒度のうち大きい方の炭化ケイ素粒子の平均粒径を７０μｍとした以外は実施例１と同様の方法で金属−セラミックス複合材料を作製した。
【００３９】
［比較例３］
１５０℃での熱処理時間を５ｈｒにした以外は実施例１と同様の方法で金属−セラミックス複合材料を作製した。
【００４０】
［評価］
多孔体の曲げ強度は、ＪＩＳＲ１６０１に準拠して３点曲げにより求めた。金属−セラミックス複合材料のヤング率はＪＩＳＲ１６０２に準拠し共振法により求めた。また、レーザーフラッシュ法での熱伝導率の測定も行った。詳細な作製条件と物性値の測定結果を表１及び２に示す。なお、シリカバインダーの添加量（表中：バインダー量）は炭化ケイ素粒子１００質量％に対するシリカ量を質量％で表したものである。
【００４１】
【表１】
0005714249.tif 000002
【００４２】
実施例の金属−セラミックス複合材料のヤング率は２６０ＧＰａ以上であった。熱伝導率は１６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上と高熱伝導性を有しており、放熱性を要するヒートシンク材に好適な特性を示した。このように実施例では、放熱性に優れ、かつ高剛性の金属−セラミックス複合材料が得られた。なお、実施例の金属−セラミックス複合材料は非接合部のシリカによるシリカ被覆率は、１０％以下であった。
【００４３】
【表２】
0005714249.tif 000003
【００４４】
一方、比較例１では、シリカ被覆率が４５％に増加し、ヤング率も２２８ＧＰａまで低下した。比較例２では、ヤング率は２１９ＧＰａまで低下した。また成形体の曲げ強度も２．１ＭＰａまで低下し、アルミニウムを浸透した後の複合材料にはメタルベインが複数本発生していた。比較例３では、シリカ被覆率が３９％に増加し、ヤング率も２３０ＧＰａまで低下した。なお、比較例１及び３の金属−セラミックス複合材料は非接合部のシリカによるシリカ被覆率は、１０％を超えていた。
【符号の説明】
【００４５】
１  セラミックス粗大粒子
２  シリカ
２ａ  接合部
２ｂ  非接合部
３  金属又はセラミックス微小粒子
【図１】
0005714249.tif 000004