(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱反応でセラミックを生成する２種以上の粉末、および発熱調整剤として銅粉を配合した混合粉末を所定形状に圧粉成形し、圧粉成形体に銅片を載置した状態で銅の融点以上に圧粉成形体を加熱し、前記粉末の発熱反応によって多孔質のセラミックを生成させると同時に加熱溶融した銅をセラミックスのポアに浸透させることを特徴とする銅／セラミック複合材料の製造方法。
【請求項２】
セラミックを生成する一方の粉末がＴｉ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ｚｒから選ばれた１種又は２種以上の金属粉末であり、他方の粉末がＢ，Ｃ，Ｂ4Ｃ，ＢＮから選ばれた１種又は２種以上の粉末である請求項１記載の製造方法。
【請求項３】
前記の、圧粉成形体に銅片を載置した状態で銅の融点以上に圧粉成形体を加熱し、前記粉末の発熱反応によって多孔質のセラミックを生成させると同時に加熱溶融した銅をセラミックスのポアに浸透させる工程が、外部からの圧力を加えられることなく行われる工程である、請求項１記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、熱伝導性が高く発熱部品と同程度の熱膨張特性を呈し、電子部品，電気部品等の放熱材に適した銅／セラミック複合材料を製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子部品，電気部品等の発熱部品が組み込まれる装置では、電子部品，電気部品を定格温度以下に保持し故障や誤作動を防止する必要があり、電子部品，電気部品で発生した熱を外部に放散させるため種々の放熱材料が開発されている。
この種の放熱材料には、熱伝導性が高く，発熱部品と同程度の熱膨張特性を呈することが要求される。そこで、熱伝導性の良好な銅に熱膨張率が低いセラミックを複合化することによって高熱伝導率，低熱膨張率を両立させた銅／セラミック複合材料が提案されている。セラミックと銅の複合化に際しては、多孔質焼結セラミックのポアに溶融銅を強制的に浸透させる加圧含浸法が一般的に採用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
セラミックに対する溶融銅の浸透が不十分であると、熱伝導にとって支障となるポアが含浸後の複合材料に残存する。なかでも、相互に濡れ性の低い溶融銅やＴｉＢ2等の組合せでは、含浸後の複合材料に多量のポアが残存しやすい。したがって、溶融銅とセラミック材料とを直接複合化してポアが低減した複合材料を製造するためには、両者の濡れがよく、且つ両者の間で反応の起こり難い材料の組合せやプロセスの工夫が必要である。
【０００４】
この点、高圧力付加で溶融銅を多孔質セラミックに加圧含浸する方法では、溶融銅に高圧力を付加するための加圧装置が必要であり、加圧装置の制約から製造可能な複合材料の大きさや形状に制約が加わり、大型や複雑形状の複合材料を製造できない。しかも、金属銅の加熱溶融と同時に高圧力付加が必要なため、複合材料を製造する際のエネルギー消費量が大きなことも欠点である。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、複数種の粉末が相互に反応してセラミックを生成する際の発熱反応を利用することにより、金属銅の溶融及び溶融銅の浸透を促進させ、高熱伝導率，低熱膨張率を両立させた銅／セラミック複合材料を提供すること目的とする。
【０００６】
本発明の製造方法は、その目的を達成するため、発熱反応でセラミックを生成する２種以上の粉末を配合した混合粉末を所定形状に圧粉成形し、圧粉成形体に銅片を載置した状態で銅の融点以上に圧粉成形体を加熱し、前記粉末の発熱反応によって多孔質のセラミックを生成させると同時に加熱溶融した銅をセラミックスのポアに浸透させることを特徴とする。
【０００７】
セラミックを生成する一方の粉末にはＴｉ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ｚｒ等があり、他方の粉末にはＢ，Ｃ，Ｂ4Ｃ，ＢＮ等がある。圧粉成形体には、セラミック生成反応の発熱量を調節するため銅粉末，セラミック粉末の１種又は２種以上を配合してもよい。余分に添加される銅粉末，セラミック粉末によって複合材料中の銅とセラミックスとの割合（体積率）、ひいては熱伝導率や熱膨張率を調整することもできる。この種のセラミック粉末としては、複合粉末と同種又は異種のセラミックを使用でき、具体的にはＴｉＢ2，ＴｉＣ，ＴｉＮ，ＺｒＢ2，ＺｒＣ，ＺｒＮ等がある。
【０００８】
【作用】
セラミックとしてＴｉＢ2を例にとって説明するが、硼化物，炭化物，炭窒化物，窒化物等、発熱反応によってセラミックが合成される他の粉末混合物に対しても同様に適用できる。
Ｔｉ，Ｂのセラミック化反応（Ｔｉ＋２Ｂ→ＴｉＢ2＋３２０ＫＪ）は、粉末混合物の圧粉成形体（プリフォーム）を全体加熱又は一部加熱により反応開始温度まで昇温することによって開始するが、セラミック化反応が一旦開始すると、発熱反応であるため反応は自己伝播する。なお、反応開始温度は、条件に応じて異なった温度になる。生成直後のＴｉＢ2の温度は、融点（２７９０℃）まで到達する。
【０００９】
本発明では、このセラミック化反応で発生する発熱量を熱源とし、金属銅の溶融状態を保持する。セラミック化反応により生成したＴｉＢ2は粒子状又は三次元連結構造状に成長し、短時間で高温の多孔質セラミックが形成される。生成直後のセラミックは、高温で活性度が高く溶融銅に対して十分な濡れ性を呈する。また、圧粉成形体に載置した銅片が溶融して多孔質セラミックに浸透するとき、溶融銅は一方向に多孔質セラミック内を流動する。更には、溶融銅がＴｉ，Ｂと接触することによって、Ｔｉ＋２Ｂ→ＴｉＢ2のセラミック化反応も促進される。そのため、圧粉成形体に載置した銅片が溶融することによって生じた溶融銅は、多孔質セラミックの隅々まで行き渡り、加圧含浸法のように高圧力を加えなくてもポアのない複合材料が得られる。しかも、溶融銅との接触によってＴｉ＋２Ｂ→ＴｉＢ2のセラミック化反応が促進されるため、未反応のＴｉ，Ｂ粉末が残存することもない。
【００１０】
セラミック化反応を利用して銅／セラミック複合材料を製造すること自体は特表平１１−５１５０５４号公報で紹介されているところであるが、この場合には予め金属銅を配合した粉末混合物から圧粉成形体を作製している。粉末混合物に含まれている金属銅で多孔質セラミックのポアを充填する方式であるため、ポアの充填状態が粉末混合物中における金属銅の分散状態に支配されやすい。また、ポアがランダムに溶融銅で充填されるため、クローズドポアが生じやすく、未反応のＴｉ，Ｂ粉末も残存しやすい。そのため、当該方法では、切削工具，摩耗部品，構造部材，アーマープレート等の単に機械的特性が要求される部材を製造できるものの、高い熱伝導率が要求される放熱部材の製造には適さない。
【００１１】
圧粉成形体及び銅片は銅が溶融する温度域（１１００〜１２００℃）まで外部から加熱され、所定温度域に達した時点で外部加熱を中断する。以降は、セラミック化反応で発熱し、圧粉成形体が高温状態に保持されると共に、溶融銅が多孔質セラミック内に浸透する。セラミック化反応によって銅片が加熱され過ぎる場合には、セラミック化反応に寄与しない銅粉やセラミック粉末を予め粉末混合物に配合することにより、発熱量を調整する。
【００１２】
セラミック化反応を有効利用することにより、加圧含浸法のような高圧力付加を必要とすることなく、外部加熱も極めて短時間ですむ。しかも、反応系の一部分で溶融銅と圧粉成形体が接触してセラミック化反応が誘起されると、セラミックの生成→溶融銅の浸透が周囲に伝播するため、圧粉成形体の均一加熱を必要とせず製造条件も容易になる。更には、一方向流となって溶融銅が多孔質セラミックに浸透するので、周囲のポアが溶融銅に充填されることに起因したクローズドポアの生成がなく、高い充填率が得られる。また、製造可能なサイズは加熱装置に依存するため、極めて厚く複雑形状の複合材料も容易に製造できる。
【００１３】
【実施例】
平均粒径４４μｍ以下のＴｉ，Ｂ，ＴｉＢ2，Ｃｕ粉末を表１の割合で混合した粉末混合物を加圧力１１０ＭＰａで加圧成形し、直径１５ｍｍ，高さ１０、１５、３０ｍｍ，密度６０，６５，７０％の円柱状圧粉成形体を作製した。直径１５ｍｍの銅片（２０ｇ）を圧粉成形体の上に載置して加熱炉に装入し、全体を１２００℃に高周波加熱した。
圧粉成形体が１２００℃に達した時点で高周波加熱を中断したが、加熱途中において約１０８０℃（Ｃｕの融点）でセラミック化反応が開始し、圧粉成形体の温度が急激に上昇した。このときの温度上昇量は熱電対（Ｒ熱電対）の測定範囲を超えていたため明らかではないが、熱力学計算ではＣｕの沸点（２５７０℃）までの上昇と算出される。セラミック化反応に伴う高温状態は、圧粉成形体の大きさにも依存するがほぼ５分程度持続する。
【００１４】
常温まで冷却した時点で加熱炉から圧粉成形体を取り出し、加熱処理された圧粉成形体の断面組織を調査したところ、ＴｉＢ2系多孔質セラミックに対する溶融銅の浸透が検出され、クローズドポアや未反応のＴｉ，Ｂは検出されなかった（図１）。これに対し、銅を配合した粉末混合物から作製された圧粉成形体を同じ条件下で加熱処理したものでは、金属Ｃｕで充填されていないクローズドポアが散見された。
製造された複合材料の熱伝導率，熱膨張係数を表１に併せ示す。熱伝導率は、レーザフラッシュ法により測定した値で示す。熱膨張係数は、押棒式全膨張計により測定した値で示す。
【００１５】
表１から明らかなように、Ｔｉ＋２Ｂ→ＴｉＢ2のセラミック化反応で生成するＴｉＢ2に対応する割合でＴｉ，Ｂ粉末を配合した粉末混合物から作製された銅／セラミック複合材料は、熱伝導率が１５０Ｗ／ｍ・Ｋであり、熱膨張係数も代表的な発熱部品であるシリコンとほぼ同じ６×１０-6／℃と低い値を示した。熱伝導率は、粉末混合物に配合する銅粉の配合量に応じて上昇したが、過度に銅粉を配合するとクローズドポアの生成に起因して熱伝導率が低下する傾向がみられた。熱膨張係数は、銅含有量が少なくなるほどＴｉＢ2セラミックスの影響が大きく現れて低下したが、過度に少ない銅含有量では熱伝導率が上昇することになる。また、セラミック化反応に寄与しないＴｉＢ2を配合すると、セラミック化反応時に圧粉成形体の過度な昇温がなく、粉末混合物のＴｉ，Ｂ量も減少できるため熱伝導率の向上が図られる。
【００１６】
このようにして、複合材料の熱伝導率，熱膨張係数に及ぼす銅含有量やセラミック粉末の配合量を調節することにより、発熱部品に対応した目標熱伝導率，低熱膨張をもつ複合材料が得られ、高性能の放熱部材として使用される。
比較のため、予め所定量の銅粉末をＴｉ，Ｂ粉末と配合した粉末混合物を同様に加熱することにより、銅／セラミック複合材料を製造した。得られた複合材料の断面組織を観察すると、残存ポアや未反応のＴｉ，Ｂが散見された（図２）。残存ポアは熱流路における抵抗体として働くことから、残存ポアのある部分では熱伝導率が低く、残存ポアのない部分では銅／セラミック複合材料本来の熱伝導率が示される。すなわち、残存ポアの有無に応じて熱伝導率が広範囲でばらつき、品質安定性に欠ける嫌いがあった。
【００１７】
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【００１８】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によるとき、セラミック化反応によって生じる発熱を利用して溶融銅を多孔質セラミックに浸透させることによって、発熱部品の放熱材として要求される高熱伝導率，低熱膨張率を兼ね備えた複合材が製造される。多孔質セラミックスに対して溶融銅は一方向に流動して浸透するため、残留ポアや未反応原料の残存がなく、品質安定性に優れた銅／セラミック複合材料が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に従って製造されたＣｕ／ＴｉＢ2複合材料の断面組織を示す顕微鏡写真
【図２】  従来法に従って製造されたＣｕ／ＴｉＢ2複合材料の断面組織を示す顕微鏡写真
【図１】
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【図２】
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