(57)【要約】【課題】  相手部材との密着性に係る放熱特性に優れたアルミニウム合金−セラミックス複合材、及びそれからなる放熱基板を提供する。【解決手段】  セラミックス粒子からなるプリフォームに基地となるアルミニウム合金を浸透させてなるアルミニウム合金−セラミックス複合材であって、断面を観察したときに直径０．３ｍｍ以下の気孔を面積率で０．４〜１３％含むことを特徴とするアルミニウム合金−セラミックス複合材、及びそれからなる放熱基板。        【選択図】          図１
2016222988.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス粒子からなるプリフォームに基地となるアルミニウム合金を浸透させてなるアルミニウム合金−セラミックス複合材であって、直径０．３ｍｍ以下の気孔を面積率で０．４〜１３％含むことを特徴とするアルミニウム合金−セラミックス複合材。
【請求項２】
前記セラミックス粒子は炭化ケイ素からなる請求項１に記載のアルミニウム合金−セラミックス複合材。
【請求項３】
前記アルミニウム合金は質量基準で３〜８％のＭｇを含む請求項１又は請求項２に記載のアルミニウム合金−セラミックス複合材。
【請求項４】
前記アルミニウム合金はさらに質量基準で１３％以下のＳｉを含む請求項３に記載のアルミニウム合金−セラミックス複合材。
【請求項５】
密度が２．５〜３．０ｇ／ｃｍ３である請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のアルミニウム合金−セラミックス複合材。
【請求項６】
縦弾性係数が１００〜２１０ＧＰａ、室温における熱伝導率が１５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のアルミニウム合金−セラミックス複合材。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のアルミニウム合金−セラミックス複合材からなる放熱基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム合金−セラミックス複合材およびそれからなる放熱基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、基材となる金属に、セラミックスの繊維や粒子等を強化材とする金属−セラミックス複合材が注目されている。金属−セラミックス複合材は、アルミニウムやアルミニウム合金など基材となる金属が有する強度、延性、靭性、成形性および熱伝導性等と、強化材である炭化ケイ素、窒化アルミ、アルミナなどの繊維や粒子からなるセラミックスが有する剛性、耐摩耗性、低熱膨張性等とを併せもつために、軽量化、高熱伝導、低熱膨張などが要求される輸送用機器部品、電子部品等のさまざまな用途の製品、特に半導体素子の作動熱を放散させるための放熱基板に利用されてきている。
【０００３】
この放熱基板を例としてあげると、半導体素子の高性能化に伴い、放熱基板の放熱性の向上が望まれている。放熱性を向上する方策としては、放熱基板そのものの熱伝導率を向上させる方法があるが、放熱基板を設置する冷却体である設置対象物への密着性を高めることによっても放熱性を向上させることができる。例えば特許文献１には、複合部材を、冷却側面及び素子側面の少なくとも一面が反った形状をなすように構成し、前記複合部材を冷却側面の反りを押し潰すように設置対象に固定することによる押圧力により設置対象物に密着できる、と開示されている。しかしながら、特許文献１に開示の複合材は、固定時の押圧力が既知であってその押圧力に応じた反り量が適正に付与されているものでなければ、その効果が十分に発揮されない虞がある。このような相手部材との密着性に係る放熱特性の問題は、放熱基板に限らず放熱性が要求される各種の部材に共通する問題である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−１９７４９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の課題は、相手部材との密着性の観点で放熱性に優れたアルミニウム合金−セラミックス複合材、特に、当該アルミニウム合金−セラミックス複合材により構成された、放熱性に優れる放熱基板を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、セラミックス粒子からなるプリフォームに基地となるアルミニウム合金を浸透させてなるアルミニウム合金−セラミックス複合材であって、直径０．３ｍｍ以下の気孔を面積率で０．４〜１３％含むアルミニウム合金−セラミックス複合材である。
【０００７】
前記セラミックス粒子は炭化ケイ素からなるのが好ましい。
【０００８】
また、前記アルミニウム合金は質量基準で３〜８％のＭｇを含むのが好ましく、さらに質量基準で１３％以下のＳｉを含むのがより好ましい。
【０００９】
さらに、前記アルミニウム合金−セラミックス複合材の密度は２．５〜３．０ｇ／ｃｍ３であるのが好ましい。
【００１０】
また、前記アルミニウム合金−セラミックス複合材は、縦弾性係数が１００〜２１０ＧＰａ、室温における熱伝導率が１５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であるのが好ましい。
【００１１】
そして、本発明の放熱基板は前記アルミニウム合金−セラミックス複合材からなる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明により、相手部材との密着性の観点で放熱性に優れたアルミニウム合金−セラミックス複合材と、それからなる放熱性に優れる放熱基板が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施例に係るアルミニウム合金−セラミックス複合材の切断面の一例を示すミクロ組織写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（浸透法による複合材）
本発明のアルミニウム合金−セラミックス複合材（以下、複合材ともいう。）は、セラミックス粒子からなるプリフォームに基地となるアルミニウム合金を浸透させる方法（以下、浸透法ともいう。）で製造されるのが好ましい。一般に、浸透法による複合材の長所は、セラミックス粒子とアルミニウム合金との間に大きな隙間が生じにくく、セラミックス粒子−アルミニウム合金間の熱伝達ロスが少ないので、複合材全体としての熱伝導率が他の製法によるものに対して比較的高いことである。つまり、浸透法による複合材から放熱基板を作製すると、熱伝導率が比較的大きい放熱基板を得ることができるので好ましい。浸透法には大きく非加圧浸透法と加圧浸透法があり、いずれの方法も適用可能であるが、設備が比較的簡便な、大気雰囲気における非加圧浸透法を適用するのが特に好ましい。
【００１５】
（直径０．３ｍｍ以下の気孔）
浸透法による複合材は他の製法による複合材と比較して、その内部に空隙が少ないことが特徴であるが、縦弾性係数は他の製法による複合材と比べて大きい傾向となる。縦弾性係数が大きいと、放熱基板として設置対象物に設置させる際に、設置対象物の表面に倣うように密着させるための必要な撓みが十分には得られないため、設置対象物との間に隙間を生じやすく、その結果、設置対象物への熱伝達が不十分となる虞がある。そこで本発明は、浸透法で製造する複合材に、直径０．３ｍｍ以下の微小な気孔を適量導入することによって縦弾性係数を適度に調整したものである。本発明の複合材は、その断面を観察したときに、直径０．３ｍｍ以下の気孔を面積率で０．４〜１３％含むものである。面積率で０．４％に満たない場合は、縦弾性係数が過大となって、設置対象物の表面に倣うように密着させるための必要な撓みが十分には得られない虞がある。一方、面積率で１３％を超えると、放熱基板として必要な熱伝導率を確保しにくくなるので好ましくない。また、好ましい面積率の範囲は１〜１３％、より好ましくは１〜８％である。なお、直径０．３ｍｍを超える気孔が多くなると、放熱基板の強度の低下が顕著になるので好ましくない。
【００１６】
気孔は、例えば、プリフォームに浸透させるアルミニウム合金溶湯の溶存水素量を適当な値に調整することにより導入できる。具体的には、浸透させるアルミニウム合金の溶湯に適度な流量のアルゴンガスを吹き込む方法や、フラックス処理で溶存水素量を調整する場合に投入するフラックスの量と処理時間とを適当に選ぶ方法などによって可能である。これらの脱水素処理操作によりアルミニウム合金溶湯中の溶存水素量を調整でき、基地をなすアルミニウム合金が凝固する際に、固体のアルミニウム合金中に溶け込むことができない水素が細かい気泡となって現れるので、複合材中に適量の微小な気孔を形成させることができる。
【００１７】
（セラミックス粒子）
本発明のセラミックス粒子の構成材料は、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、アルミナ、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛、ジルコニア、ジルコン、シリカ、ムライト、コーディエライト、フェライト、ステアタイトなどのファインセラミックスの１種類、または２種類以上の混合物が適用できる。また、これらのセラミックス粒子の形状は真球状、涙滴状、回転楕円状、フレーク状、繊維状、不定形状などの任意の形状うちの１種類、または２種類以上とする。特に、上記のセラミックス粒子の構成材料として炭化ケイ素（以下、ＳｉＣともいう。）を用いた複合材は、熱膨張率と熱伝導特性のバランスに優れるため、放熱基板として好適である。
【００１８】
（アルミニウム合金）
アルミニウム合金は他の金属材料と比較して融点が低く、熱伝導率が大きいために、放熱基板に特に好適である。基地を構成するアルミニウム合金は、質量基準で３〜８％のＭｇを含むことが好ましい。Ｍｇが３％に満たないと非加圧浸透工程においてはプリフォームにアルミニウム合金溶湯が十分に浸透しないことがある。一方、Ｍｇが８％を超えると放熱基板としての熱伝導率を十分に確保できない虞がある。また、基地を構成するアルミニウム合金はさらに質量基準で１３％以下のＳｉを含むのがより好ましい。適量のＳｉをさらに含む組成とすることにより溶湯の融点が低下して流動性が向上し、プリフォームへ溶湯が浸透しやすくなる。Ｓｉ含有量が質量基準で０．２０％を超えると溶湯の流動性が増して好ましいが、１３％を超えると過共晶となって凝固時に初晶Ｓｉが晶出して縦弾性係数が過大になるので好ましくない。このためＳｉを含ませる場合は質量基準で１３％以下が好ましく、より好ましくは１２．５％以下である。なお、Ｓｉを有意に含ませない場合であっても、原材料などに由来するＳｉが不可避的不純物として混入しうるが、この場合のＳｉ量の上限は質量基準で０．２０％とする。
【００１９】
また、上述したＭｇとＳｉ、およびＡｌ以外の元素、例えばＴｉ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｓｒ、Ｓｎ、Ｐ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｚｎなども、溶解原材料等に由来する不可避的な不純物元素として混入する。このため、これらの元素も、基本的にはＪＩＳ規格等に沿った各不純物の許容含有量とすればよいが、本発明の目的を阻害しない含有範囲であれば有意な量を含むことは許容される。また本発明の目的に対してさらに好ましい効果を奏する不純物元素は、これを積極的に付加し含有させることを妨げるものではない。
【００２０】
（密度）
複合材の熱伝導率を確保しつつ適度な縦弾性係数を得るために、複合材の密度は２．５〜３．０ｇ／ｃｍ３であることが好ましく。より好ましくは２．７〜２．９ｇ／ｃｍ３である。２．５ｇ／ｃｍ３未満であると、室温における熱伝導率が１２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）に満たないことがあり、放熱基板として必要な熱伝導率を確保できない虞がある。一方、３．０ｇ／ｃｍ３を超えると縦弾性係数が過大となって、設置対象物表面に倣うように密着させるのに必要な撓みが十分には得られない虞がある。複合材の密度はセラミックス粒子が占める体積分率を変えることによっても調整することができ、セラミックス粒子の構成材料と形状、およびその粒度を適度に組み合わせたプリフォームを作製することによって所望の体積分率を得ることが可能である。複合材に占めるセラミックス粒子の好ましい体積分率は５０％〜７０％、より好ましくは５０〜６０％である。
【００２１】
（縦弾性係数）
複合材の縦弾性係数は１００〜２１０ＧＰａであることが好ましい。より好ましくは１００〜１５０ＧＰａ、さらにより好ましくは１００〜１４０ＧＰａである。１００ＧＰａ未満であると、所望の形状に加工する際に撓み変形が生じてしまい、必要な寸法精度を得られない虞がある。一方、２１０ＧＰａを超えると、設置対象物の表面に倣うように密着させるために必要な撓みが十分には得られない虞がある。
【００２２】
（室温おける熱伝導率）
放熱基板として必要な熱伝導率は、室温においては１２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上とされるものが一般に多いが、実際には高温の環境において使用されるので、室温よりも高い温度における熱伝導率の確保が重要である。高温下では熱伝導率は一般に低下するが、室温での熱伝導率が大きいものほど高温下でも大きい熱伝導率を確保しやすい。このため、複合材の室温における熱伝導率は１５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることが好ましい。なお、ここでいう室温とは２５℃±２℃の雰囲気温度である。
【００２３】
複合材から所望の構造の放熱基板を得る方法としては、予め所望の放熱基板の外形と同等の形状のプリフォームを作製してアルミニウム合金を溶浸する方法や、丸棒や角棒状のプリフォームにアルミニウム合金を溶浸して棒状の複合材を得て、これを切断や研削加工によって所望の寸法の放熱基板に調製する方法などがあるが、本発明はこれらの方法に限定されるものではない。
【００２４】
（実施例および比較例）
次に、本発明の具体的な実施例と比較例を、以下に表と図面を参照しつつ示す。但し本発明はこれらに限定されるものではない。また、特に断りのない製造条件および測定条件は、表に示す各実施例と比較例との両者に共通である。
【００２５】
（プリフォーム）
プリフォームを作製するためのセラミックス粒子は、ＪＩＳ Ｒ ６００１に規定の種々の粒度指数であるＳｉＣ粒子を用い、質量基準で表１の各実施例と比較例に示す粒度指数と配合比で混合したもの（以下、混合粒子ともいう。）を用いた。バインダはケイ酸ソーダ（富士化学製、２号）と水とを体積比で１：２に希釈した水溶液とした。この水溶液を、混合粒子１００ｇあたり、４．５ｍｌの割合で添加し、３分間撹拌し混合してプリフォーム作製用の混合体を得た。次いでキャビティ形状が縦５０ｍｍ、横１５０ｍｍ、深さ５０ｍｍのＭＣナイロン製の成形型に混合体を充填して成形後、炭酸ガスを通気させて製品部プリフォーム用の混合体を硬化させた後に抜型し、加熱炉に挿入して８００℃で２時間保持して焼成してプリフォームを得た。
【００２６】
プリフォームの外形の体積に占める混合粒子の割合、すなわち体積分率（以下、Ｖｆともいう。）は各実施例および比較例について表１に示す値であった。なお、Ｖｆは、作製したプリフォームの質量を、上記成形型のキャビティ体積とＳｉＣの密度との積で除して求めた。
【００２７】
（アルミニウム合金）
溶浸させるアルミニウム合金のＳｉ量とＭｇ量は、各実施例および比較例について質量基準で表１に示す値であった。ＳｉとＭｇ以外の元素については、不可避的不純物および残部のＡｌであったので表１には掲載していない。表１に示したアルミニウム合金からなる溶湯を、黒鉛るつぼからなる保持炉を使用して溶製して、８３０℃に保持した溶湯浴を準備した。
【００２８】
（複合材）
プリフォームへの溶湯の溶浸は、大気雰囲気中における非加圧浸透法で行った。なお、プリフォームを溶湯浴に浸漬する前に予め溶湯の脱水素処理を行った。脱水素処理はアルゴンガスを溶湯に吹き込む方法により行い、各実施例および比較例について表１に示した条件とした。その後プリフォームを溶湯浴に浸漬し、３０分間保持して溶浸させ、次いで溶湯浴から取り出した後、冷却して複合材を得た。
【００２９】
得られた各実施例および比較例の複合材の、直径０．３ｍｍ以下の気孔面積率、密度、縦弾性係数、および室温における熱伝導率は表１に示す値であった。また、各実施例および比較例のいずれも、直径０．３ｍｍを超える気孔は観察されなかった。なお、これらの値の測定は下記の方法で行った。
【００３０】
（気孔面積率）
得られた複合材の断面において、光学顕微鏡で１００倍に拡大した任意の５視野を観察した。それぞれの視野について、円相当径で直径０．３ｍｍ以下の気孔とそれ以外の部分とに２値化し、画像解析装置（旭化成エンジニアリング社製、商品名「Ａ像くん」）で気孔の面積率を測定した。測定した５視野の気孔面積率の平均値を直径０．３ｍｍ以下の気孔面積率とした。
【００３１】
（密度）
得られた複合材から２０ｍｍ×２０ｍｍ×２０ｍｍに切り出した試験片について、室温において質量を測定し、この質量から、上記試験片と同一寸法の体積に相当する量の工業用精製水の室温における質量を除した値を密度とした。
【００３２】
（縦弾性係数）
縦弾性係数は、得られた複合材から５０ｍｍ×１０ｍｍ×１．５ｍｍに切り出した試験片を自由共振式弾性率測定装置（日本テクノプラス社製、型式：ＪＥ２−ＲＴ）により測定した。
【００３３】
（室温における熱伝導率）
得られた複合材から直径１０ｍｍ×厚さ３．０ｍｍに切り出した円板状の試験片を、レーザーフラッシュ法（Ｎｅｃｔｃｈ社製熱拡散率測定装置、型式：ＮＦＬ-４４７型）を用いて２５℃±１℃における熱拡散率と比熱を測定し、この両者の積と上記で求めた密度との積を室温における熱伝導率とした。
【００３４】
（放熱基板）
表１に示した各実施例および比較例の複合材から、ワイヤーカットにより５０ｍｍ×５０ｍｍ×２．０ｍｍの薄板状に切断し、放熱基板を得た。
【００３５】
以上の製造条件で得られた実施例１〜実施例１４と比較例１の各測定値、およびこれらの実施例と比較例から得られた放熱基板の性能は以下の通りであった。
【００３６】
実施例１〜実施例１４は、直径０．３ｍｍ以下の気孔面積率が０．４〜８．０％、縦弾性係数は１１９〜２０３ＧＰａ、室温における熱伝導率は１５２〜２１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。
【００３７】
図１は本発明に係るアルミニウム合金−炭化ケイ素複合材の切断面の一例を示すミクロ組織写真であり、実施例１１の光学顕微鏡によるミクロ組織を示す。濃灰色を呈するＳｉＣ粒子１がアルミニウム合金からなる基地２に分散し、さらに黒色に観察される直径０．３ｍｍ以下の気孔３が分散した形態となっていた。
【００３８】
これに対し、比較例１は、直径０．３ｍｍ以下の気孔面積率が０．２％、縦弾性係数が２２６ＧＰａ、室温における熱伝導率は２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。
【００３９】
実施例１〜実施例１４の複合材から得られた放熱基板は相手部材であるステンレス板（ＳＵＳ３０４材）に対して良好に密着し、相手部材への放熱が良好であった。これに対し、比較例１の複合材から得られた放熱基板は、それ自身の室温における熱伝導率は２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）と高い値であったが、相手部材であるステンレス板に対して十分に密着させることができなかったために相手部材への放熱が不十分で、実施例１〜実施例１４の複合材からなる放熱基板よりも放熱性が劣っていた。
【００４０】
表１
2016222988.tif 000003
１）ＳｉＣの粒度およびその表記はＪＩＳ Ｒ ６００１の規定による。
２）Ｓｉ、Ｍｇ以外の不可避的不純物元素、および残部Ａｌの値は記載していない。
【００４１】
表１（つづき）
2016222988.tif 000004
【符号の説明】
【００４２】
１  ＳｉＣ粒子
２  基地
３  気孔
【図１】
2016222988.tif 000005