(57)【要約】    【課題】  低い密度で且つ高い熱伝導性を有して放熱特性に優れた放熱部品用のＣｕ系焼結合金とその製造方法を提供する。    【解決手段】  主成分としての金属銅粒子と、上記の金属銅粒子の間を結合する金属銅よりも低い密度を有する金属結合層と、所望の気孔と、より成る軽量焼結合金から伝熱用焼結合金となす。上記金属結合層が、５．０ｇ／ｃｍ３以下の密度を有する金属若しくは合金とし、金属Ａｌ又はＡｌ合金を利用する。金属銅粒子と金属結合層とから成る固形成分が、容積比で、金属銅粒子５０〜９５％と上記結合層５〜５０％とする。この伝熱用の焼結合金は、金属銅粉末と低温焼結性で且つ金属銅より低い密度を有する金属結合材とを配合して原料混合粉に混合し、原料混合粉を、所望気孔率を有する所望形状の圧粉体に加圧成形し、圧粉体を非酸化性雰囲気で加熱して焼結合金に焼結する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主成分としての金属銅粒子と、上記の金属銅粒子の間を結合する金属銅よりも低い密度を有する金属結合層と、所望の気孔と、より成る伝熱用合金。
【請求項２】
上記金属結合層が、５．０ｇ／ｃｍ３以下の密度を有する金属若しくは合金である請求項１に記載の伝熱用合金。
【請求項３】
金属銅粒子と金属結合層とから成る固形成分が、容積比で、金属銅粒子５０〜９５％と上記結合層５〜５０％である請求項１又は２に記載の伝熱用合金。
【請求項４】
上記伝熱用合金中に上記気孔を容積率で０〜３５％含む請求項１ないし３いずれかに記載の伝熱用合金。
【請求項５】
半導体レーザ素子からの熱を伝導するための伝熱部材であって、当該部材が請求項１ないし４いずれかに記載の伝熱用合金を含む伝熱部材。
【請求項６】
金属銅粉末と、金属銅の焼結温度より低い温度で焼結可能で且つ金属銅より低い密度を有する金属結合材と、を配合して、原料混合粉を準備する工程と、
原料混合粉を、所望気孔率を有する所望形状の圧粉体に加圧成形する工程と、
圧粉体を非酸化性雰囲気で加熱して主成分としての金属銅粒子と金属銅粒子間を結合する金属結合層と所望の気孔とより成る焼結合金に焼結する工程と、を含む伝熱用の焼結合金の製造方法。
【請求項７】
上記金属結合材が、７００℃以下の融点を有し、且つ５．０ｇ／ｃｍ３以下の密度を有する金属若しくは合金である請求項６に記載の製造方法。
【請求項８】
金属結合材が、金属Ａｌ又はＡｌ合金である請求項６に記載の製造方法。
【請求項９】
金属結合材が、重量比で、Ｍｇが３５〜６５％と、Ａｌが３５〜６５％と、から混合した粉若しくは合金したＡｌ−Ｍｇ合金粉である請求項６又は８に記載の製造方法。
【請求項１０】
上記原料混合粉が、容積比で、金属銅粒子５０〜９５％と上記金属結合材料が５〜５０％である請求項６ないし９いずれかに記載の製造方法。
【請求項１１】
金属銅粉末と、該金属銅粉末の粒子表面に固着されて金属銅の焼結温度より低い温度で焼結可能で且つ金属銅より低い密度を有する金属結合材と、から成る伝熱部材製造用の原料粉末。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低い密度で且つ高い熱伝導性を有して放熱特性に優れた放熱部品用のＣｕ系焼結合金とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
通信情報機器や音響ビデオ機器において、小型軽量化、高性能化、及び低価格化が推進されているが、これらに用いられる大容量のディジタルビデオティスクの記録・再生装置では、レーザ波長が短くされて、半導体レーザ素子からの発熱量も大きくなっている。また、ノート型パーソナルコンピュータの分野においても、中央処理装置（ＣＰＵ）の演算速度の高速化に伴ない、ＣＰＵから周辺環境への放熱量が大きくなっている。
【０００３】
このような電子装置においては、半導体レーザ素子などのマイクロデバイスからの発熱が、デバイス外部に十分に放出されないと、デバイスの昇温により、あるいは、レーザ光学系の熱的歪みにより、装置の動作不安定となるので、放熱性が重要になっている。そこで、発熱性の光デバイスを、伝熱性材料ないし放熱部材を用いて、熱シンクを構成したり、さらに、装置外への放熱のための熱伝導を促したり、熱を広範囲に放散させることがなされている。
【０００４】
従来の放熱性を確保する手段には、特許文献１には、例えば、案内軸に沿って自在に移動可能にした基板と該基板に固定したレーザダイオードを含む光学系から成る光ピックアップ装置においては、基板を熱伝導性金属板と合成樹脂とから一体に形成して、レーザダイオードの熱を基板の金属に放出し、その熱を金属板から軸受を介して金属の案内軸に逃散させるＣＤ用又はＤＶＤ用の読み取りヘッドの構造がある。
【０００５】
また、特許文献２には、可動光ピックアップ装置内でレーザダイオードを支持するレーザ保持部から、この装置外の外筐部に固定した伝熱材料（ヒートパイプ、ヒートプレート）に伝熱して、外筐に移動させるレーザディスク装置が開示されている。
【０００６】
さらに、特許文献３には、光学系中のレーザダイオードを支持するレーザ保持部（ヒートシンク）を、装置の可動基台の壁面に直接接触させて、基台側に効率よく放熱する構造も開示されている。
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−２４２９５３号公報
【特許文献２】特開２００１−３３８４６０号公報
【特許文献３】特開２００２−１５４５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
レーザ光学系自体が記録媒体に対して移動するように配置される構造にされている場合には、これに使用される伝熱用材料ないし放熱部材は、寸法と共に密度を小さくして、移動に伴なう慣性力を小さくし、加速減速を容易にして、駆動制御を正確に容易にすることが要求される。
【０００９】
また、上記ノート型パソコンや、セルラー電話システムに使用する無線電話機などのような可搬型のコンピュータシステムないし通信システムにおいても、システム全体の軽量化の点から、放熱部材は、密度の小さくて軽量であることが要求されている。
【００１０】
このようなレーザ光学系に使用される伝熱用材料には、従来は、金属などの熱伝導性材料の粉末に合成樹脂を混練して成形し合成樹脂を硬化させた複合材料の利用が検討され、また、上記のように合成樹脂本体に金属シートを貼着して伝熱性を付与したり、熱電導度の比較的高い樹脂自体を成形体にすることが考慮されている。
【００１１】
さらに、アルミニウムが比較的熱伝導度が高いことから、アルミニウム板材、その合金若しくはマグネシウム合金のダイカストした鋳造品の利用も検討されている。これらの合金は、軽量であり、複雑な形状でも鋳造法により精密成形可能である利点がある。
【００１２】
然しながら、上記の伝熱性材料においては、金属−樹脂成形体は、密度を小さくできることは利点があるが、このためには、密度を小さくしようとして樹脂成分を増加する必要があり、銅製部材に比較して、かなり熱伝導度が低く、熱伝導性に問題がある。
【００１３】
上述のアルミニウム合金やマグネシウム合金のダイカストに代表される軽金属の鋳造品は、密度が低く、複雑形状の成型性が良好であるが、熱伝導度が１００Ｗ／ｍＫ以下となお低く、熱伝導性に課題を残している。
【００１４】
熱放射材料には、さらに、被切削性の良好な黄銅が所定形状に機械加工して利用することが考えられるが、密度が大きく、その熱伝導度が、なお小さい。
【００１５】
さらに、銅の焼結材料の使用も検討されるが、焼結には７００℃以上の焼結温度が必要であり、焼結後には、所要形状にサイジングする必要があり、被切削性が悪い欠点がある。
【００１６】
本発明は、上記の問題に鑑み、銅製部材に比して遜色のない熱伝導度とより低い密度とを有する放熱性部材とその製造方法を提供しようとするものである。
【００１７】
特に、本発明は、これらの低密度と高熱伝導度とともに、切削、サイジングその他の加工精度の高い機械加工性を有する伝熱材料を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の伝熱材料は、主成分としての金属銅粒子と、当該金属銅粒子を接合する金属銅よりも低い密度を有する金属結合層と、所望の気孔と、から構成したＣｕ系合金であることを特徴とするものである。本発明の伝熱用合金は、主成分としての金属銅粒子が、銅の持つ優れた熱伝導性を発現し、金属結合材が、銅粒子を接合すると共に、金属銅より低い密度にして焼結体に軽量性を具備した伝熱材料とするのである。
【００１９】
特に、この伝熱用合金中の金属結合層は、銅粒子を固着して形成するが、それ自体が低密度であり、粒子表面に粘結する金属材料から選ばれる。金属銅粒子は、金属結合層と反応した合金層を実質的に形成しないのが、金属銅粒子の高い熱電導度を保持する点で、好ましい。
【００２０】
さらに、伝熱用合金中の銅は、骨格構造を成し、合金中に連続した銅粒子による熱移動路を形成することができ、これにより、合金は、相対的に高い熱伝導度を確保し、同時に、低密度の金属結合層と任意に含まれる気孔とにより、合金を低密度にするものである。
【００２１】
伝熱用合金は、好ましくは、上記の金属銅粒子と、当該金属銅粒子の間を結合して金属銅よりも低い密度を有する金属結合層と、所望の気孔と、より成る焼結合金が利用される。以下には専ら、焼結合金について説明する。
【００２２】
本発明は、このような伝熱用合金の製造方法を含み、製造方法は、金属銅粉末と、低温焼結性であって（即ち、金属銅自体の焼結温度よりも低い温度で焼結可能であって）且つ金属銅より低い密度を有する結合材料とを配合して原料混合粉に混合する工程と、原料混合粉加圧成形して所望気孔率を有する所望形状の圧粉体にする工程と、圧粉体を非酸化性雰囲気で焼結する工程と、を含み、これにより、主成分としての金属銅粒子と、金属銅粒子間を結合する金属結合層と、気孔と、より成る焼結合金を得るのである。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の伝熱合金は、金属銅粒子と、金属結合層と所望の機構とよりなるので、銅に比して十分に低い密度と、銅に比してそれほど低下しない熱伝導性とを備えて、軽量な熱伝導性部材として利用することができる。
【００２４】
特に、金属結合層がＡｌ−Ｍｇ合金であれば、密度が低く良好な熱電導度と共に、合金の強度が高く、切削可能な材料にすることができる利点がある。
【００２５】
本発明の伝熱部材は、上記の伝熱合金を含むので、半導体レーザ素子を結合しあるいは半導体レーザ素子に熱的に接続する伝熱部材として広く利用することができる。
【００２６】
本発明の伝熱合金の製造方法は、金属銅粉末と金属結合材との原料混合粉末から所望形状に成形した圧粉体を加熱して焼結させるので、低い温度で容易に且つ短時間で焼結させて、相対的に高い熱伝導度と、低い密度を備えた所望形状の焼結体を得ることができ、軽量な熱伝導性部材として利用することができる。
【００２７】
このような製造方法は、半導体レーザ素子を結合しあるいは半導体レーザ素子に熱的に接続する伝熱部材を製造して広く利用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本発明の伝熱用焼結合金は、上述の如く、金属銅粉末と、金属結合層と、所要の気孔とから構成した焼結体であるが、金属結合層ないしこの層を形成するための金属結合材は、好ましくは、金属銅に比較してより密度の小さい金属で、特に、好ましくは、５．０ｇ／ｃｍ３以下の密度の金属が利用される。特に好ましくは、銅の密度より十分に低く、特に、３ｇ／ｃｍ３以下であることが好ましい。これは、このような金属結合層の含有により焼結体の密度を低下させるためである。
【００２９】
また、金属結合層ないしその金属結合材は、それ自体の熱伝導率が、１００Ｗ／ｍＫ以上、特に、１５０Ｗ／ｍＫ以上を有する金属ないし合金が好ましい。これは、結合材を増量しても、焼結体の熱伝導度を顕著には低下させないためである。これにより、伝熱用焼結合金の熱伝導度を１５０Ｗ／ｍＫ以上にすることができる。
【００３０】
さらに、結合層を形成するための結合材は、溶融温度が７００℃以下、好ましくは、６００℃以下、特に、５００℃以下であるのがよい。これは、焼結温度を低くして、焼結を容易にすると共に、銅粒子を合金化させないためである。これに関連して、金属結合材は、銅粒子への固溶化、合金化ないし反応性の少ないものが好ましい。
【００３１】
このような金属結合層ないし金属結合材としては、例えば、アルミニウム、マグネシウム、亜鉛が利用でき、又はこれらの合金が利用できる。好ましくは、アルミニウム又はマグネシウムやその合金系が、低融点で、低密度で、且つ熱伝導度が比較的高いので、好適に利用できる。Ｓｎは、低融点であるが密度が大きいので、好ましくは、アルミニウムなどの軽金属との合金化により使用することができる。特に、金属アルミニウムより低い融点を有するアルミニウム合金又はマグネシウム合金が利用される。アルミニウム合金には、Ａｌ−Ｍｇ系合金、Ａｌ−Ｓｎ系、Ａｌ−Ｚｎ系、Ａｌ−Ｓｉ系が利用でき、また、マグネシウム合金には、Ｍｇ−Ｓｎ系、Ｍｇ−Ａｕ系などが利用できる。
【００３２】
このような金属結合材は、低温での焼結により、金属銅粒子を殆ど合金化させないで焼結体にし、金属銅による高い熱伝導度を維持することができ、密度が低いので、低密度化を図ることができる。
【００３３】
他方、焼結体中に、骨格構造を形成している銅粒子が、粒子の極く表面層を除いて、固溶体ないし合金化もしないで、結合材料により、接合されているのが好ましい。特に、多数の金属銅粒子が、連続相としてのマトリックスを形成しているのが好ましい。
【００３４】
焼結体中の金属銅と金属結合層との割合は、好ましくは、固形成分中に、容積比で、金属銅粒子５０〜９５％と上記金属結合材層が５〜５０％の範囲が採用される。金属結合層の容積率が５％未満では、十分な結合強度と軽量性が得られない。他方、金属結合材の容積率５０％を越えると、熱伝導度が低下する。
【００３５】
さらに、伝熱用焼結合金ないし放熱材料には、必ずしも、緻密化をする必要がなく、機械的強度と熱伝導度とをさほど低下させない範囲で、適度の気孔を残留させて、密度の低下を図ることができる。気孔率（体積率）は、０〜３５％とするのが好ましい。
【００３６】
より好ましくは、金属結合材層には、Ａｌ−Ｍｇ合金が利用され、この合金は、重量比でＭｇ３５〜６５％とＡｌ３５〜６５％とを含有するものが好ましい。この範囲の組成の合金は、液相線が４５０℃程度の低い温度にあり、低温焼結体が簡便に得られ、焼結体の機械的強度と被切削性の良好な焼結体とすることができる。
【００３７】
本発明のこのような伝熱用焼結合金の製造方法においては、原料混合粉の準備工程と、圧粉体にするための加圧成形工程と、圧粉体から焼結体にするための焼結工程とを経て、焼結合金にされる。
【００３８】
原料粉は、銅粉と上記の金属結合材料の粉末とを調製して、上記の結合層の配合割合と同様に、上記のように、原料混合粉が、容積比で、金属銅粒子５０〜９５％に対して上記結合材料が５〜５０％であるのが好ましい。
【００３９】
金属銅粒子は、球状ないし丸みを帯びた粒ないし顆粒や、フレーク状、平板状、繊維状などの形状のものを含む。金属銅粉は、特に粉末の形態に制限はないが、電解銅の樹枝状粉末や、アトマイズ処理をした球状に近い粉末を用いることができる。他方の金属結合材の粉末について特に制限はなく、粉砕粉やアトマイズ粉でよいが、例示すれば、上記組成のＡｌ−Ｍｇ合金の場合には、溶製したインゴットを皮剥き切削により薄帯にし、次いで、縦横に細かく切断して、粉状にされた粉末などが利用できる。
【００４０】
もっとも、結合材料としての上記アルミニウム合金は、混合粉調製段階では合金にされている必要は必ずしもなく、金属単体を合金組成に成るように配合しても良く、この場合には、各種の金属の粉末を用いて、上記の銅粉に混合される。ただし、空気中で発火しやすいマグネシウムや亜鉛の粉末などは、取扱いの安全のために、アルミニウムなどで予め合金化しておくのが好ましい。
【００４１】
原料粉の準備は、金属銅粉と上記金属結合材料粉との混合の場合には、両者の密度差が大きいときは、混合粉末に比重分離が生じ、焼結合金に偏析を生じる惧れがあるが、本発明においては、原料粉として、金属銅粉の粒子表面に上記の金属結合材を予め固着させて、一体化した原料粉を利用することもできる。このような固着の方法には、めっき法、機械的結合法（メカニカルアロイング法）熱処理により部分合金にする方法が採用できる。
【００４２】
加圧成形工程では、混合粉末から、プレス型により所定の形状・寸法に圧縮成型されて圧粉体にする。この時の圧粉体の気孔率も適度に調整される。焼結後の成形精度と熱伝導度を特別に低下させなければ、３５％程度までの気孔率を残してもよい。
【００４３】
次の焼結工程は、上記圧粉体を、加熱して、圧粉体中の金属結合材により金属銅粒子を結合させる。この焼結温度は、７００℃以下の低温でするのが好ましい。特に、金属結合材の融点近くで、固相焼結または液相焼結を行なうのが、焼結時間の短縮の点で好ましい。ここでは、銅粒子同士の焼結までは要求されない。
【００４４】
例示すれば、焼結温度は、金属結合材に金属アルミニウムを使用するには、５００〜７００℃の温度で行なうのがよい。結合材に上記の低融点のアルミニウム合金を用いて、その融点温度の近辺で焼結する。上記組成のＡｌ−Ｍｇ合金の例では、融点が４５０〜４６０℃であるので、焼結は、３５０〜５５０℃の範囲、好ましくは、４００℃〜５００℃の範囲が選ばれ、特に、４３０〜４７０℃の範囲で行なうのが良い。
【００４５】
さらに、焼結においては、金属結合材の拡散ないし溶融により生成した結合層が、金属銅粒子と反応して実質的に合金化しない程度の焼結温度と焼結時間により行なうのがよい。金属銅粒子の全部ないしはその表面側が合金化すると、粒子の熱伝導度が低下し、焼結体全体の熱伝導度が低下するからである。また、焼結は、本発明の焼結合金には特別の緻密化は一般に要求されないので、圧粉体の気孔率を維持して機械的強度が達成できる程度の短い焼結時間で行なうことができる。焼結に要する時間は、金属結合材の種類と配合量とこれに対する焼結温度に依存するが、上記組成のＡｌ−Ｍｇ系合金の場合には、１〜６０分程度が選ばれる。
【００４６】
この焼結においては、銅粒子の酸化と、金属結合材の酸化を防止するために、焼結炉で、非酸化性雰囲気中において行なわれる。特に、水素又は一酸化炭素を含む還元性雰囲気が好ましい。真空中でＭｇなどの蒸発の成分ロスの心配がなければ、真空中での焼結も行なうことができる。
【００４７】
本発明の伝熱用焼結合金は、焼結前の加圧成形にプレス成形を利用することができ、成形の自由度が比較的高く、複雑形状の放熱部材の製造供給に適している。また、焼結合金は、焼結後においても、圧粉体中の銅粉の形態、特に、純銅粉による骨格構造を維持するように焼結条件が設定でき、従って、焼結過程で寸法変化が小さいので、焼結体の寸法精度が高く、焼結体は、そのまま部品に組み込み利用することができる。必要により、サイジング、コイニングなどの仕上げ加工を施し、あるいは、タップ孔のボーリング等の後加工などを行なうことができる。特に、本発明の伝熱用焼結合金は、純銅品に比して被切削性が高いので、圧粉体の加圧成形時に成形の困難なまたは不能な特殊な形状についても、焼結後に機械加工等を行なって、形状や寸法の調整をすることができる。
【００４８】
この製造方法は、低温焼結であるので、製造に要するエネルギー消費量は、小さく、しかも、プレス成形可能な形状範囲においては、切削などをした場合に生じる歩留まり低下を極めて少なくすることができる利点がある。
【００４９】
本発明の伝熱用合金は、上記焼結法以外の製造方法を適用することもできる。例えば、予め金属銅粉末で圧粉体を形成し、次いで、圧粉体を加熱して上記の結合材料を圧粉体中に溶融状態で含浸させる方法が利用できる。このような含浸は、結合材料を予め溶融して、圧粉体を該融液中に浸漬する方法が利用できる。この製造方法は、特に、複雑形状のために、切削加工が必要である場合に好適に適用でき、小ロット生産に利用することができる。
【実施例】
【００５０】
本発明の伝熱用焼結合金を、以下の要領で製造して、試験を行なった。原料には、銅粉末として電解銅の樹枝状結晶の微細粉（粒度４５〜１８０μｍ）と、結合材粉末として、Ａｌ−Ｍｇ合金（５０重量％Ｍｇ−５０重量％Ａｌ含有、融点約４６０℃）のカット粉末（粒度約１００μｍ）とを使用した。
【００５１】
上記の銅粉末９０容積％とＡｌ−Ｍｇ合金粉末１０容積％を混合して、これに潤滑材としてステアリン酸亜鉛を重量で０．３％を加えて、混合粉末に調製した。混合粉末を、プレスにより、圧縮成形し、直径１１．３ｍｍ×高さ１１．３ｍｍの円柱体と、２０ｍｍ角×高さ１０ｍｍの直方体の２種類の圧粉体を成形した。
【００５２】
圧粉体は、大気圧の水素雰囲気中の炉管に装入して、電気炉内の４３０℃温度中に移送して１０分間の均熱をして後、炉管ごと放冷して焼結した。
【００５３】
得られた焼結体は、密度５．７ｇ／ｃｍ３であり、熱伝導率１５０w／ｍＫ以上であった。試料断面を、研磨後に、顕微鏡観察したが、その構造は、図１及び図２に示すように、マトリックスを構成する多数の銅粒子１と、銅粒子１相互間に部分的に、金属結合層として存在するＡｌ−Ｍｇ合金層２と、気孔３と、から成っている。図２において、銅粒子とＡｌ−Ｍｇ合金層２との境界には、Ｃｕ−Ａｌ−Ｍｇ合金層２１が形成されているが、このようなＣｕ合金層２１は、極めて薄く、銅粒子は、圧粉体中の銅粒子の形態を実質的に保持している。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の実施例の焼結合金の金属組織を示す図。
【図２】本発明の実施例に係る焼結合金の金属組織を示す図。
【符号の説明】
【００５５】
１  金属銅粒子
２  Ａｌ−Ｍｇ合金層
３  気孔
【図１】
2005154866.tif 000003
【図２】
2005154866.tif 000004