(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素繊維をアルミニウムまたはアルミニウム合金のマトリックスに分散したアルミニウム基複合材料において、
前記炭素繊維のアスペクト比が平均値３０〜５０であり、かつ体積充填率が２０〜３５％であって、
前記複合材料は、その表面に露出した炭素繊維を包含した状態で金属メッキ層が形成されたものであり、前記複合材料の表面に露出した炭素繊維の内の５０％以上の炭素繊維が、繊維長さの１／３〜２／３をメッキ層中に包含されるものである
ことを特徴とする炭素繊維を分散したアルミニウム基複合材料。
【請求項２】
マトリックスとしてのアルミニウム合金が、Ｓｉを１２〜２５重量％含むアルミニウム合金であることを特徴とする請求項１記載の炭素繊維を分散したアルミニウム基複合材料。
【請求項３】
アルミニウムまたはアルミニウム合金のマトリックスに分散している炭素繊維が、複合材料の熱膨張を抑制しようとする方向に配向していることを特徴とする請求項１または２記載の炭素繊維を分散したアルミニウム基複合材料。
【請求項４】
アルミニウムまたはアルミニウム合金のマトリックスに分散している炭素繊維が、グラファイト質および／またはグラファイト質に近い構造のものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の炭素繊維を分散したアルミニウム基複合材料。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は炭素繊維を分散したアルミニウム基複合材料に係り、特に低い熱膨張係数と高い熱伝導率を有し、特性劣化の少ない信頼性の高い、炭素繊維を分散したアルミニウム基複合材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近、電子機器その他の産業部材として、熱歪みが発生しない低熱膨張で、放熱性を高めるために熱伝導の優れた、信頼性の高い材料が要求されている。
従来、このような要求に適用する材料には、熱膨張特性の良好な材料としては、Ｆｅ−Ｃｏ合金（コバール）、４２アロイ等のＮｉ合金、Ｃｕ−Ｗ合金等が一般的である。また熱伝導率の高い材料としては、Ｃｕ、Ａｌ等の高伝導性金属がある。
近年では、これらに対して、熱膨張係数の小さい炭素繊維を分散材とし、マトリックスが熱伝導特性の高いアルミニウム等で構成された複合材料について提案されている（例えば、特開平１−３１９６３９号公報、特開平４−１４７６５４号公報）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術の複合材料は、分散材である炭素繊維とマトリックスであるアルミニウムは濡れ性が悪く、複合時に十分な界面特性を得ることができない。
また、炭素繊維の熱膨張係数は−１×１０−６／℃に対して、アルミニウムの熱膨張係数は２４×１０−６／℃であるため、その差が大きく、熱ストレスを繰り返し与えると炭素繊維とマトリックスの界面で大きなストレスが発生し、界面剥離などを発生し、これにより熱膨張特性および熱伝導特性が劣化するという問題点があった。
【０００４】
また、上記の従来技術において、所定のアスペクト比の炭素繊維を用いることについての開示はあるが、低い熱膨張係数と高い熱伝導率を有し、特性劣化の少ない信頼性の高いものを得るものではなく、
また複合材料に分散させる炭素繊維成形体作製後、また炭素繊維成形体をアルミニウムで複合化した後のアスペクト比は、所定の体積充填率を得るために繊維の折損などを起こし、出発原料時のアスペクト比を維持することはできないという問題点があった。
本発明の目的は、このような問題点に鑑み、熱ストレスを与えても特性劣化が生じることなく低い熱膨張係数と高い熱伝導率を維持した信頼性の高い、炭素繊維を分散したアルミニウム基複合材料を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するためのもので、炭素繊維をアルミニウムまたはアルミニウム合金のマトリックスに分散したアルミニウム基複合材料において、前記炭素繊維のアスペクト比が平均値３０〜５０であり、かつ体積充填率が２０〜３５％であって、前記複合材料は、その表面に露出した炭素繊維を包含した状態で金属メッキ層が形成されたものであり、前記複合材料の表面に露出した炭素繊維の内の５０％以上の炭素繊維が、繊維長さの１／３〜２／３をメッキ層中に包含されるものであることを特徴とする炭素繊維を分散したアルミニウム基複合材料である。
【０００６】
また、本発明は、上記のアルミニウム基複合材料のマトリックスとしてのアルミニウム合金が、Ｓｉを１２〜２５重量％含むアルミニウム合金であることを特徴とするものである。
【０００７】
また、本発明は、上記のアルミニウム基複合材料のアルミニウムまたはアルミニウム合金のマトリックスに分散している炭素繊維が、複合材料の熱膨張を抑制しようとする方向に配向していることを特徴とするものである。
【０００８】
さらに、本発明は、上記のアルミニウム基複合材料のアルミニウムまたはアルミニウム合金のマトリックスに分散している炭素繊維が、グラファイト質および／またはグラファイト質に近い構造のものであることを特徴とするものである。
【０００９】
【作用】
本発明の複合材料は、金属マトリックスとして高熱伝導性のアルミニウムまたはアルミニウム合金を用い、繊維として低熱膨張の炭素繊維を分散させ、炭素繊維のアスペクト比が平均値３０〜５０であり、かつ炭素繊維の体積充填率が２０〜３５％であるので、炭素繊維とアルミニウムまたはアルミニウム合金マトリックスの間でアンカー効果が生じ、熱ストレスを与えても特性の劣化が生じることなく熱膨張特性、熱伝導特性を維持できるものであり、また同時に靭性も向上したものを得ることができる。
【００１０】
本発明において、炭素繊維のアスペクト比を平均値３０〜５０に、かつ体積充填率を２０〜３５％に限定した理由を説明する。
炭素繊維のアスペクト比が平均値３０よりも小さい場合は、熱ストレスを与えると、充分なアンカー効果が得られず、充分な熱膨張特性が得られない。また十分な炭素繊維が存在しないため、熱ストレス負荷時に破壊クラックの伝播を阻止する破壊クラックの伝播抵抗が得られず、十分な靭性を得ることができないものである。
【００１１】
炭素繊維のアスペクト比が平均値５０より大きい場合は、熱ストレスを与えた際、炭素繊維とマトリックスであるアルミニウムまたはアルミニウム合金の間で熱ストレスによる界面剥離などが生じ、アンカー効果が得られなくなるものである。熱ストレスがかからない状態ではアスペクト比が平均値５０より大きくてもアンカー効果はあるが、熱ストレスを与えると、マトリックスであるアルミニウムまたはアルミニウム合金との間で熱ストレスによる界面剥離が生じてアンカー効果が得られなくなるものである。
【００１２】
これは、炭素繊維の熱膨張係数は−１×１０−６／℃であるのに対して、アルミニウムの熱膨張係数は２４×１０−６／℃であり、その差が大きくので、熱ストレスを繰り返し与えると炭素繊維とマトリックスの界面で大きなストレスが発生する。炭素繊維のアスペクト比が平均値５０より大きいと、一本の炭素繊維に対するアルミニウムまたはアルミニウム合金との界面が長いので、熱ストレスによる界面剥離が生じてアンカー効果が得られなくなるものである。
また、アスペクト比が平均値５０以下の複合体を得ようとする場合は、炭素繊維は余り折損しない。複合化後のアスペクト比を平均値５０より大きくしようとすると、複合時に炭素繊維の折損が著しく、所定のアスペクト比で体積充填率を得ることができない。
好ましくは、炭素繊維のアスペクト比は平均値で４０〜４５である。
【００１３】
体積充填率を２０〜３５％に限定した理由は、体積充填率が２０未満では充分なアンカー効果がなく充分な熱膨張特性が得られない。また体積充填率が３５％を越えると複合時に炭素繊維の折損量が多くなる。また繊維成形体を得ることも困難になる。
【００１４】
マトリックスのアルミニウム合金として、Ｓｉを１２〜２５重量％含むアルミニウム合金が適当である。このアルミニウム合金では、Ｓｉが１２重量％より少なければ、マトリックスの熱膨張係数と炭素繊維の熱膨張係数の差が大きく、炭素繊維とマトリックスとの界面でのストレスが大きくなり十分なアンカー効果を得ることができない。またＳｉが２５％重量％を越えると、初晶Ｓｉが増大し加工性が悪くなり、また複合時においてもマトリックスの融点が高く、含浸性が劣化し複合体の割れ、潰れなどの複合欠陥が生じることになる。
【００１５】
マトリックスに分散している炭素繊維は複合材料の熱膨張を抑制しようとする方向に配向していることが好ましい。炭素繊維が複合材料の熱膨張を抑制しようとする方向に配向していることにより、アスペクト比を平均値３０〜５０にすることによるアンカー効果をより有効に発現することができる。
【００１６】
マトリックスに分散している炭素繊維はグラファイト質および／またはグラファイト質に近い構造のものが好ましい。
本発明においては、炭素繊維のアスペクト比を平均値３０〜５０に、かつ体積充填率を２０〜３５％にすることにより、熱ストレスによる界面剥離が生じることなくアンカー効果が得られ、熱ストレスを与えても特性の劣化が生じることなく熱膨張特性、熱伝導特性を維持できるものであるが、炭素繊維として、グラファイト質かグラファイ質に近い構造のものを用いることで、複合化後より充分な界面特性が得られる。これはマトリックスであるアルミニウムまたはアルミニウム合金との間にＡｌ３Ｃ４などの化合物が生じることがなく、熱ストレスによる界面剥離などが生じないためであり、より信頼性の高い複合材料を得ることができる。
【００１７】
また、本発明は、複合材料に金属メッキ層を形成して用いることができるが、金属メッキを施す際には、複合材料の表面に露出した炭素繊維を包含した状態で金属メッキ層を形成する。この複合材料の表面に露出させた炭素繊維は、その内の５０％以上の炭素繊維が、繊維長の１／３〜２／３をメッキ層中に包含されるものであることが好ましい。これにより熱ストレスに対して複合材料とメッキ部との充分な密着性と信頼性を得ることができる。
メッキ層中に包含される炭素繊維の長さが２／３より大きい場合は、強い熱ストレスにおいて複合材中のマトリックスとの密着性とアンカー効果を得ることができず、充分な密着性と信頼性を得ることができない。１／３より小さい場合は、メッキ部との密着性とアンカー効果を得ることができず、十分な密着性と信頼性を得ることができない。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の炭素繊維を分散したアルミニウム基複合材の製法の例を示すと、アスペクト比の平均値が３０〜５０の炭素繊維を用い、バインダー例えば無機バインダーを主成分とする水溶液に撹拌してスラリー状にし、このスラリーを金型に入れて金型底部より真空脱水を行い、体積充填率２０〜３５％の炭素繊維成形体に形成する。次いで、炭素繊維成形体に乾燥、予熱を行い、所定のキャビティの鋳造金型に設置し、溶湯鍛造法による加圧鋳造装置で製造するものである。
【００１９】
また、本発明の複合材料に金属メッキを施す際の例を示すと、作製した複合材料をアルカリ溶液で表面の脱脂及び表面改質を行い、複合材料の表面に炭素繊維を露出させる。露出させる炭素繊維は、その内の５０％以上の炭素繊維が繊維長の１／３〜２／３を露出させるようにする。そして炭素繊維を露出させた複合材料の表面にメッキ処理を行い、メッキ層中に繊維長の１／３〜２／３を包含される。これを図１で示すと、アルミニウムまたはアルミニウム合金のマトリックス（３）に炭素繊維（４）を分散させたアルミニウム基複合材料（１）の表面に炭素繊維（５）を露出させ、メッキ層（２）を施すものである。
【００２０】
本発明の炭素繊維を分散したアルミニウム基複合材料は、半導体デバイスを搭載する基板として適するもので、本発明の複合材料を半導体デバイス等を搭載する基板とし、その上にハンダ付け性に優れた金属層をメッキ等により設けることにより、デバイス実装基板との界面に割れ、剥離が発生するおそれの少ない信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
【００２１】
【実施例１】
本発明の第１の実施例を表１に示し説明する。
分散材として炭素繊維（繊維径１０μｍ）を用い、種々のアスペクト比の炭素繊維で炭素繊維成形体を作製した。作製は上記炭素繊維を無機バインダーを主成分とする水溶液に撹拌してスラリーとし、次いでこのスラリーを金型に入れて金型底部より真空脱水を行い、体積充填率２５％として寸法１００ｍｍ×１００ｍｍ×２０ｍｍの繊維成形体を得た。なお、アスペクト比が５０より大きい炭素繊維を用いた場合は、繊維の折損が著しく、体積充填率２５％を得ることができなかった。
この際に、炭素繊維は吸引脱水のために脱水時の抵抗から、炭素繊維長手が面方向に配向しているものである。
また、表の炭素繊維のアスペクト比は、ｎ＝１００以上における平均値であり、複合材料についての測定値である。即ち１００以上の炭素繊維のアスペクト比の平均した値が３０〜５０であるというものである。
【００２２】
次に、この炭素繊維成形体を乾燥後、予熱炉にて７００℃に加熱し、炉内雰囲気はアルゴン雰囲気で予熱を行った。次いで炭素繊維成形体と同形状のキャビティを有し、２５０℃に予熱した鋳造金型に、予熱炉から取り出した炭素繊維成形体を設置した。そして、溶湯鍛造法による加圧鋳造装置で型締め後、７５０℃のＡｌ−Ｓｉ２０％合金溶湯を射出速度１０ｃｍ／ｓｅｃで鋳込み、鋳込み後１０００ａｔｍの圧力で１ｍｉｎ加圧保持後、凝固させた。
これにより、面方向において金属マトリックス中に炭素繊維が配向、分散した複合材料を作製した。
【００２３】
これら複合材料に熱ストレスを与える熱衝撃試験を行った。試験条件は２００℃の加熱雰囲気と−３０℃の冷却雰囲気を用意して、交互に投げ込む操作を５００回行なった後熱特性の評価を行った。それを表１に示す。
表１から明らかなように、本発明の実施例の炭素繊維のアスペクト比が平均値３０〜５０のものは、熱膨張係数、熱伝導率、シャルピー衝撃値のいずれの値も、試験前と試験後（熱ストレスを与えた後）で変わらず、熱ストレスを与えても特性劣化がなく、低い熱膨張係数と高い熱伝導率を維持したものであることがわかる。これに対して、比較例の炭素繊維のアスペクト比が平均値１０〜２５のものは、試験後（熱ストレスを与えた後）に熱膨張係数、熱伝導率、シャルピー衝撃値が、劣化しているものである。
以上から本発明のものは、良好な特性が得られていることが確認された。
【表１】
0004190608.tif 000002
【００２４】
【実施例２】
本発明の第２の実施例を表２に示し説明する。
上述した実施例１と同様に炭素繊維成形体を作製し、Ａｌ合金中のＳｉ量をそれぞれ変えて含浸複合化を行った。複合化条件は実施例１と同様である。このときの炭素繊維（φ１０μｍ）のアスペクト比は３５のものを使用し、体積充填率は２５％とした。
これら複合材料に熱ストレスを与える熱衝撃試験を行った。試験条件は２００℃の加熱雰囲気と−３０℃の冷却雰囲気を用意して、交互に投げ込む操作を５００回行なった後、熱特性の評価を行った。それを表２に示す。
【００２５】
表２から明らかなように、本発明のものは、低い熱膨張係数と高い熱伝導率を維持しているものであり、良好な特性が得られていることが確認された。特にＳｉが１２〜２５重量％含まれているアルミニウム合金のマトリックスのものは、熱膨張係数、熱伝導率、シャルピー衝撃値のいずれの値も、試験前と試験後で変わら、熱ストレスを与えても特性劣化がなく、低い熱膨張係数と高い熱伝導率を維持したものであることがわかる。
【表２】
0004190608.tif 000003
【００２６】
【実施例３】
本発明の第３の実施例を表３に示し説明する。
上述した実施例１と同様に炭素繊維成形体を作製し、
Ｓｉ２０重量％を含むアルミニウム合金で含浸複合化を行った。複合化条件は実施例１と同様である。このときの炭素繊維（φ＝１０μｍ）のアスペクト比は３０のものを使用し、体積充填率は２５％とした。
【００２７】
作製した複合材料を前処理として、アルカリ溶液（水酸化ナトリウム）で５０℃で各時間にて表面の脱脂及び表面改質を行い、各露出繊維長になるように併せて行った。更にジンケート処理にてＺｎの下地を１〜２μｍ施した。この上にＮｉメッキ処理を常温、４Ａ／ｃｍ２の電流密度の条件で行い、複合材料表面に厚み２００μｍのＮｉメッキ層を施した（この場合、繊維はメッキ面に対して完全な垂直方向の配向はなく、メッキ面から３０゜以下の傾きで配向している。
【００２８】
これら複合材料に熱ストレスを与える熱衝撃試験を行った。試験条件は２００℃の加熱雰囲気と−３０℃の冷却雰囲気を用意して、交互に投げ込み、メッキ層と複合材料との剥離が発生するまでの回数で評価を行った。剥離の確認はメッキ処理した複合板材断面を光学顕微鏡にて確認した。その結果を表３に示す。
表３から明らかなように、本発明の実施例の全繊維長に対するメッキ部包含繊維の割合が、１／３、１．５／３、１．７／３、２／３のものは、剥離発生迄の回数が、いずれも８００回以上であり、複合材料とメッキ部とが充分に密着されていることがわかる。
これに対して、比較例の全繊維長に対するメッキ部包含繊維の割合が、０．５／３、０．７／３、２．５／３のものは、剥離発生迄の回数が、３６０回以下であり、メッキ部の密着が悪いものであった。以上から本発明のものは、良好な特性が得られていることが確認された。
【表３】
0004190608.tif 000004
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、金属マトリックスとしてアルミニウムまたはアルミニウム合金を用いて炭素繊維を分散させ、炭素繊維のアスペクト比が平均値３０〜５０で、かつ炭素繊維の体積充填率が２０〜３５％であることにより、炭素繊維とアルミニウムまたはアルミニウム合金マトリックスの間でアンカー効果が生じ、熱ストレスを与えても特性の劣化が生じることなく熱膨張特性、熱伝導特性を維持でき、また同時に靭性も向上したものである、という効果を有する。これを半導体デバイスを搭載する基板とし、その上にハンダ付け特性の高い金属層を設けることにより、デバイス実装基板との界面に割れ、剥離が発生するおそれの少ない信頼性の高い半導体装置を得ることができ、製造コストの低い装置を提供することができるという効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す図
【符号の説明】
１．アルミニウム基複合材料
２．メッキ層
３．マトリックス
４．５．炭素繊維
【図１】
0004190608.tif 000005