(57)【要約】【課題】  高熱伝導性を得ることができる網目状複合材及びその製造方法を提供する。【解決手段】  網目状複合材１が、気孔率が５〜６０容積％の網目状の連続気孔を内部に有するとともに、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ＢＮ、カーボン等のセラミックが網目状に連続して形成された第１の連続相からなるセラミック成形体２と、このセラミック成形体２における第１の連続相の連続気孔の１０容積％以上にアルミニウムを含浸させた第２の連続相からなる金属体３と、を含んで形成される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに網目状に連続しかつ浸透し合う少なくとも二つの連続相からなる網目状複合材に於いて、
気孔率が５〜６０容積％の網目状の連続気孔を内部に有するとともに、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ＢＮ、カーボン等のセラミックが編み網目状に連続して形成された第１の連続相からなるセラミック成形体と、
前記連続気孔の１０容積％以上にアルミニウムまたはアルミニウム合金等の金属を含浸させた第２の連続相からなる金属体と、を含み形成されていることを特徴とする網目状複合材。
【請求項２】
互いに網目状に連続しかつ浸透し合う少なくとも二つの連続相からなる網目状複合材に於いて、
気孔率が５〜６０容積％の網目状の連続気孔を内部に有するとともに、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ＢＮ、カーボン等のセラミックが網目状に連続して形成された第１の連続相からなるセラミック成形体と、
前記連続気孔の１０容積％以上にアルミニウムまたはアルミニウム合金等の金属を含浸させた第２の連続相からなる金属体と、を含み形成され
前記セラミック成形体の表面は、当該セラミック成形体の前記セラミックが露出しないようにアルミニウムまたはアルミニウム合金等の金属で覆われていることを特徴とする網目状複合材。
【請求項３】
請求項１に記載の網目状複合材を製造する製造方法であって、
金型を備えた製造装置を用い、前記セラミック成形体を、前記製造装置の金型のキャビティにセットした後、当該キャビティにアルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯を流入して前記連続気孔の１０容積％以上に含浸させ、その後凝固を行い、前記網目状複合材を造ることを特徴とする網目状複合材の製造方法。
【請求項４】
請求項２に記載の網目状複合材を製造する製造方法であって、
金型を備えた製造装置を用いるとともに、前記金型のキャビティの厚さは前記セラミック成形体の厚さより所定寸法厚く形成され、前記金型のキャビティに前記セラミック成形体をセットした後、当該キャビティにアルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯を流入して前記連続気孔の１０容積％以上に含浸させるとともに、前記セラミック成形体と前記キャビティとの隙間に前記アルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯を充填させ、その後凝固を行い、前記網目状複合材を造ることを特徴とする網目状複合材の製造方法。
【請求項５】
前記アルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯含浸時に、前記キャビティ内を真空で吸引することを特徴とする請求項３または請求項４に記載の網目状複合材の製造方法。
【請求項６】
前記アルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯を凝固させる凝固過程においては、圧力をかけたまま凝固を終わらせることを特徴とする請求項３ないし請求項５のいずれかに記載の網目状複合材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、網目状複合材及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
パワー半導体素子は大電流駆動されるため発熱し、素子特性を維持するため放熱性に優れた放熱板が必要とされる。特に、近年高密度集積化や制御回路との混載による小型、軽量化が進められているため、高密度熱流の放散が重要な課題となっている。このために高熱伝導性の放熱基板が求められている。
また、小型パソコンや測定機器等の分野においては、半導体素子の高集積化が進むに従って、半導体素子の発熱量が増大する一方、機器の小型化によって、放熱に困難な構造となる傾向にある。このように、匡体、ヒートシンク材に対しても高熱伝導性の放熱基板が求められている。
さらに、車両等の制動の分野においても、ブレーキディスクには高い放熱性が要求される。従って、ここでも高熱伝導性の基板が求められている。
【０００３】
以上のように、色々な分野で高熱伝導性の基板が求められており、従来は、金属板やＳｉＣ／Ａl系複合材が提案されているが、金属板は熱膨張係数が大きく問題があり、一方ＳｉＣ／Ａl系複合材は熱伝導率がまだ低いという問題がある。
【０００４】
従来、ＳｉＣ／Ａl系複合材はアルミ溶湯の中にＳｉＣ粉末を分散させる方法、ＳｉＣ粒子とアルミまたはアルミ合金粒子をバインダーとか焼結助剤を加えて成形し、次いで燒結する方法などがある。これらの方法で熱伝導率が悪いのは以下に示す事によると思われる。
（１）ＳｉＣの含有率が２０容積％程度と低いため。
（２）ＳｉＣの粒径が１０μ〜１００μと非常に細かいためアルミとの界面が非常に多くなり熱伝導が悪くなる。
（３）ＳｉＣとアルミの界面にバインダーとか焼結助剤の残留物が異物として残り熱伝導を妨げる。
（４）ＳｉＣとアルミの界面に空気を含んだ空間が存在し、これが熱伝導率を低くしている。  
【０００５】
上記課題を解決するために、セラミック粒子が４０〜８５容積％から成り、前記粒体の粒子間の間隙にアルミニウム又はアルミニウム合金が連続相を形成し、複合体の内部及び表面にあるセラミック粒子とアルミニウム又はアルミニウム合金の界面の隙間を無くした高熱伝導性複合材が提案されている（例えば、特許文献１）。
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−３２２５３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、セラミック粒子が不連続で分散されているために、アルミニウムとセラミック粒子の界面に存在する空隙の影響を受けて、セラミック粒子が複合体の中で本来持っている熱伝導性を発揮できないという問題がある。特に、ＳｉＣの場合では、本来４９０Ｗ／ｍｋの熱伝導率が前記公報の複合体の中では３００Ｗ／ｍｋにも低下することがわかった。
【０００８】
本発明の目的は、前記問題点を解決し、高熱伝導性を得ることができる網目状複合材及びその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の網目状複合材は、互いに網目状に連続しかつ浸透し合う少なくとも二つの連続相からなる網目状複合材に於いて、気孔率が５〜６０容積％の網目状の連続気孔を内部に有するとともに、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ＢＮ、カーボン等のセラミックが編み網目状に連続して形成された第１の連続相からなるセラミック成形体と、前記連続気孔の１０容積％以上にアルミニウムまたはアルミニウム合金等の金属を含浸させた第２の連続相からなる金属体と、を含み形成されていることを特徴とする。
【００１０】
以上のような本発明では、セラミック成形体が、網目状に連続したセラミックからなる第１の連続相で形成され、金属体が、連続気孔の１０容積％以上にアルミニウムまたはアルミニウム合金等の金属を含浸させた第２の連続相で形成されているので、それぞれの材料が本来持っている熱伝導率をそのまま発揮できる。従って、高熱伝導率を有する網目状複合材を得ることができる。
【００１１】
本発明の他の網目状複合材は、互いに網目状に連続しかつ浸透し合う少なくとも二つの連続相からなる網目状複合材に於いて、気孔率が５〜６０容積％の網目状の連続気孔を内部に有するとともに、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ＢＮ、カーボン等のセラミックが網目状に連続して形成された第１の連続相からなるセラミック成形体と、前記連続気孔の１０容積％以上にアルミニウムまたはアルミニウム合金等の金属を含浸させた第２の連続相からなる金属体と、を含み形成され、前記セラミック成形体の表面は、当該セラミック成形体の前記セラミックが露出しないようにアルミニウムまたはアルミニウム合金等の金属で覆われていることを特徴とする。
【００１２】
以上のような本発明では、セラミック成形体の表面がアルミニウムまたはアルミニウム合金等の金属で覆われているので、網目状複合材の表面にある空隙を少なくすることができ、より熱伝導性が向上する。
【００１３】
本発明の網目状複合材の製造方法は、請求項１に記載の網目状複合材を製造する製造方法であって、金型を備えた製造装置を用い、前記セラミック成形体を、前記製造装置の金型のキャビティにセットした後、当該キャビティにアルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯を流入して前記連続気孔の１０容積％以上に含浸させ、その後凝固を行い、前記網目状複合材を造ることを特徴とする。
以上のような本発明では、金型のキャビティにセラミック成形体をセットした後、アルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯を流入させればよいので、網目状複合材の製造が容易である。
【００１４】
本発明における他の網目状複合材の製造方法は、請求項２に記載の網目状複合材を製造する製造方法であって、金型を備えた製造装置を用いるとともに、前記金型のキャビティの厚さは前記セラミック成形体の厚さより所定寸法厚く形成され、前記金型のキャビティに前記セラミック成形体をセットした後、当該キャビティにアルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯を流入して前記連続気孔の１０容積％以上に含浸させるとともに、前記セラミック成形体と前記キャビティとの隙間に前記アルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯を充填させ、その後凝固を行い、前記網目状複合材を造ることを特徴とする。
【００１５】
以上のような本発明では、金型のキャビティにセラミック成形体をセットした後、アルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯を流入させればよいので、網目状複合材の製造が容易であるとともに、セラミック成形体の表面がアルミニウムまたはアルミニウム合金等の金属で覆われているので、網目状複合材の表面にある空隙を少なくすることができ、より熱伝導性が向上する。
【００１６】
本発明の網目状複合材の製造方法において、前記アルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯含浸時に、前記キャビティ内を真空で吸引することが好ましい。
以上のような本発明では、キャビティ内を真空で吸引することにより、アルミニウムの溶湯がスムーズ、かつスピーディに含浸される。
【００１７】
本発明の網目状複合材の製造方法において、前記アルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯を凝固させる凝固過程においては、圧力をかけたまま凝固を終わらせることが好ましい。
以上のような本発明では、含浸させたアルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯に圧力をかけたまま凝固を終わらせるので、アルミニウムまたはアルミニウム合金を完全に含浸させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、この発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１に示すように、この発明における第１実施形態の網目状複合材１は、互いに網目状に連続しかつ浸透し合うセラミック成形体２と金属体３とで形成され、厚さ寸法が、例えば３〜５ｍｍとなっている。ただし、厚さ寸法は上記寸法に限定されず、３ｍｍ以下でも良く、５ｍｍ以上でも良い。
セラミック成形体２は、セラミックが網目状に連続した第１の連続相より成るとともに、内部に連続気孔を有している。このセラミック成形体２を構成するセラミックとしては、ＳｉＣのほか、ＡlＮ、ＢＮ、カーボン等を用いることができる。
また、セラミック成形体２は少なくとも１次元で連続相を形成することが必要である。
【００１９】
セラミック成形体２の内部には、第１の連続相と互いに浸透し合う網目状の前記連続気孔が形成され、この連続気孔により第２の連続相が構成されている。
連続気孔の中には、所定量のアルミニウム又はアルミニウム合金（以下、実施形態に於いては単にアルミニウムと言う）などの金属が含浸され、これにより、アルミニウムが網目状に連続する金属体３が形成されている。
なお、金属体３を形成する金属として、アルミニウムのほか、銅、銅合金、鉄、鉄合金、マグネシュウム、マグネシュウム合金を用いることもできる。
【００２０】
以上のような第２の連続相を形成する連続気孔の気孔率は、第１の連続相に対して５〜６０容積％となっている。ここで、気孔率が５容積％未満であれば、含浸されるアルミニウムの量が少なくなり、網目状複合材１の強度が不十分で脆くなりすぎる。これに対して、気孔率が６０容積％を超えるとセラミック成形体２の熱伝導率を活かせなくなる。
【００２１】
連続気孔の中に含浸されるアルミニウムの量は、気孔率に対応して５〜６０容積％となるが、出来るだけ隙間のないように含浸させる必要があり、連続気孔の容積の１０％以上を含浸させると好適である。
ここで、１０％未満では、熱伝導率が低くなり、セラミックの高い熱伝導率を活かすことが出来ない。
また、連続気孔の気孔径は２０μ以上が好ましい。気孔径が２０μ未満であると、空隙が小さくなり過ぎて、アルミニウムの溶湯が入り込まなくなり、含浸不良を起こす。
【００２２】
上記のように、セラミックおよびアルミニウムがそれぞれ連続相を形成しているので材料本来の熱伝導率を発揮でき、網目状複合材の熱伝導率はそれぞれの材料の体積分率に応じた熱伝導率を加算したものとなる。
前記網目状複合材の熱伝導率を式で表すと次の様になる。
【００２３】
λ＝λc*Vc+λm*Vm  （式）
ここで、λは複合材の熱伝導率、
λcはセラミック連続相の熱伝導率、
Vcは複合材中のセラミック連続相の体積分率、
λmは金属連続相の熱伝導率、
Vmは複合材中の金属連続相の体積分率である。
【００２４】
セラミック連続相の場合のλcは、セラミック粒子が分散している場合のλcよりもかなり大きい。したがって、本発明の網目状複合材はセラミックおよび金属の熱伝導率を最高に活かした高熱伝導性の複合材となる。
【００２５】
前記網目状複合材１は、図２に示す複合材製造装置５０で製造することができる。
すなわち、複合材製造装置５０は、金型１０と、注湯部２０と、吸引部３０を備えて構成されている。
金型１０は、一対の板状体１１,１２、および一対の側板１３により形成されたキャビティ１０ａを有し、板状体１１,１２には、金型１０を所定温度に温めるヒーター１５が形成されている。
注湯部２０は、前記キャビティ１０ａの上端に連通する湯道２１を有しており、また、キャビティ１０ａの下端は、真空ポンプによって吸引される真空ボックス３１に連通している。
【００２６】
網目状複合材１を製造するには、まず、セラミック成形体２を金型１０のキャビティ１０ａの中にセットし、その後、キャビティ１０ａ内を真空ポンプPによって真空引きし、セラミック成形体２の連続気孔中にある空気を排除し、そこに湯道２１からアルミニウムの溶湯を流し込み、セラミック成形体２の連続気孔中に含浸させる。
次いで、アルミニウム溶湯を凝固させる。この凝固過程で溶湯が半凝固状態にあるときに十分な圧力をかけて凝固させて、完全な含浸を目指す。
また別の方法として、アルミニウム溶湯を注入している時に、同時にアルミニウム溶湯を加圧しても良い。
【００２７】
通常の凝固を行いセラミック成形体の気孔中に空隙ができすぎてしまった場合には以下に示す方法で処理することが有効である。
(1) 該複合材料をアルミニウムが半溶融状態になる温度まで加熱し、圧力をかけてアルミニウムで空隙を埋めてしまう方法。
(2) 当該複合体をアルミニウムが軟化する温度で熱間圧延する方法。
(3) 当該複合体をアルミニウムが軟化する温度で熱間鍛造する方法。
ここで、網目状複合材の加熱には、ヒーター加熱、高周波誘導加熱等の方法を利用することができる。
【００２８】
上記の方法において使用されるアルミニウム溶湯について、セラミックの粒子を溶融したアルミニウムのなかに混入して攪拌したものを使用することにより、セラミック微粒子の含有量をさらに多くすることができる。その結果熱伝導率の向上につながる。また、セラミック成形体とアルミニウムの濡れをよくするために、ニッケル等のメッキをセラミック表面に施しても良い。
【００２９】
以上のような実施形態によれば、次の効果がある。
（１）セラミック成形体２が、網目状に連続したセラミックからなる第１の連続相で形成され、金属体３が、連続気孔の１０容積％以上にアルミニウムを含浸させた第２の連続相で形成されているので、それぞれの材料が本来持っている熱伝導率をそのまま発揮できる。従って、高熱伝導率を有する網目状複合材１を得ることができる。
【００３０】
（２）網目状複合材１の製造は、金型１０のキャビティ１０ａにセラミック成形体２をセットした後、アルミニウムの溶湯を流入させればよいので、網目状複合材１の製造が容易である。
【００３１】
（３）網目状複合材１の製造は、アルミニウムの溶湯含浸時に、キャビティ１０ａ内を真空で吸引することにより行われるので、アルミニウムの溶湯がスムーズ、かつスピーディに含浸される。従って、生産性が向上する。
【００３２】
次に、図３に基づいて本発明の第２実施形態を説明する。
この実施形態では、前記セラミック成形体２を、網目状複合材１Ａの表面に露出しないようにしたものである。
すなわち、前記セラミック成形体２の厚さ方向の両表面が、アルミニウムからなる所定厚さのアルミニウム単体層４となっている。
そして、このような網目状複合材１Ａの製造は、セラミック成形体２を、前記複合材製造装置５０における金型１０のキャビティ１０ａの厚さより少し薄く形成しておいて、このようなセラミック成形体を金型１０のキャビティ１０ａにセットし、セラミック成形体２の表面にアルミニウムの溶湯だけが流入するようにすれば良い。
【００３３】
以上のような第２実施形態によれば、前記第１実施形態の（１）〜（３）と同様の効果の他、次のような効果が得られる。
（４）セラミック成形体２の表面がアルミニウムからなるアルミニウム単体層４となっているので、網目状複合材１Ａの表面にある空隙を少なくすることができ、より熱伝導性が向上する。
【００３４】
なお、本発明は前述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前記第２実施形態では、セラミック成形体２の両表面がアルミニウム単体層４となっているが、これに限らず、片面だけをアルミニウム単体層４としてもよい。
【００３５】
次に、本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００３６】
厚さ３ｍｍのキャビティを有する金型に、下記に示す気孔率を持った厚さ３ｍｍのＳｉＣの成形体をキャビティにセットし、同時に金型の下端から真空ポンプによりキャビティ内を真空に吸引した。吸引を続けながら、金型上部より、鋳物用アルミニウムＡＣ３Ａの６９０〜７００℃の溶湯を注入し、ＳｉＣ成形体の気孔中にアルミニウム溶湯を含浸させた。ここまでは、金型の温度は５５０℃であり、次に凝固させるために金型温度を５３０℃にして、３分間保持した。これで、アルミニウムが流れ出さない程度に冷却されているので金型を開いて、板状成形体を取り出し室温で完全に凝固させた。
得られた複合体について、熱伝導率と密度を測定した。ＳｉＣの密度を３.２とし、アルミニウムＡＣ３Ａの密度を２.６６とし、複合体の密度から気孔に対するアルミニウムの含浸率を計算した。結果は下表の通りである。
【００３７】
【表１】
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【実施例２】
【００３８】
図３に示す前記第２実施形態の網目状複合材１Ａを製造するために、厚さ３ｍｍのキャビティを有する金型に、厚さ２.５ｍｍで、気孔率５０％のカーボンの成形体をキャビティにセットし、同時に金型の下端から真空ポンプによりキャビティ内を真空に吸引した。吸引を続けながら、金型上部より、鋳物用アルミニウムＡＣ３Ａの６９０〜７００℃の溶湯を注入し、カーボンの成形体の連続気孔の中にアルミニウムを含浸させた。
ここまでは、金型温度は５５０℃であり、次に凝固させるために金型温度を５３０℃にして、3分間保持した。これで、アルミニウムが流れ出さない程度に冷却されているので金型を開いて、板状成形体を取り出した。型から取り出してすぐに５５０℃に設定したホットプレスに板を入れ、１０００ｋｇ／ｃｍ２の圧力で押さえた。この圧力をかけたまま冷却凝固を行った。出来上がった板について、評価を行った。
その結果、熱伝導率は、３５０Ｗ/ｍＫであり、板の表面は両側共に０.２５ｍｍ程度の厚さのアルミニウム単体相を有しており、ＳｉＣ粒子が表面に出ていることはなかった。
【００３９】
次に、比較例について説明する。
実施例１と同様に、厚さ３ｍｍのキャビティを有する金型に、厚さ３ｍｍ、気孔率２５％のＳｉＣ成形体をセットした。しかし、金型の下から真空に吸引することなしに、金型上部より、鋳物用アルミニウムＡＣ３Ａの６９０−７００℃の溶湯を注入し、ＳｉＣ成形体の連続気孔の中にアルミニウム溶湯を含浸させようとした。しかし、冷却凝固後、型を開いたところアルミニウムが十分に含浸されていなかった。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明は、本発明は、半導体からの発熱を吸収、放熱する放熱基板として、また車両等のブレーキに放熱性の良いディスクとして利用することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の網目状複合材の第１実施例を示す模式図。
【図２】本発明の網目状複合材を製造する複合材製造装置の一例を示す縦断面図。
【図３】本発明の網目状複合材の第２実施例を示す模式図。
【図４】実施例１によって製造した複合材料を示す断面模式図。
【符号の説明】
【００４２】
１，１Ａ…網目状複合材
２…第１の連続相からなるセラミック成形体
３…第２の連続相からなる金属体
４…アルミニウム単体相
１０…金型
１０a…キャビティ
１５…ヒーター
２０…注湯部
２１…湯道
３０…吸引部
５０…複合材製造装置
Ｐ…真空ポンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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