JP2001131795A - アルミニウム−炭素繊維系複合材料及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 溶浸法によらず、炭化アルミニウムの生成を
抑制して、高熱伝導率のアルミニウム−炭素繊維系複合
材料及びその製造方法を提供する。 【解決手段】 アルミニウム粉末１を水溶液中で電気泳
動により炭素繊維織布２に付着させ、この複合シートを
積層して加圧成形した成形体を熱間鍛造する。アルミニ
ウム−炭素繊維複合体は炭素繊維を３０〜９０体積％含
み、炭素繊維織布の配向方向に平行方向の熱伝導率Ｋx
が２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上、その配向方向に垂直方向の熱
伝導率Ｋyが１５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であって、半導体装置
のヒートシンク材等として好適である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置のヒー
トシク材等として好適な、熱伝導率に優れたアルミニウ
ム−炭素繊維系複合材料、及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体装置用のヒートシンク材と
して、高熱伝導率で且つ低熱膨張係数を持つ材料が注目
されている。このような特性を有する材料として、例え
ば炭素繊維と金属との複合材料が、特開昭５６−１３５
０６３号公報及び特公昭６３−９６６５号公報等に記載
されている。

【０００３】特開昭５６−１３５０６３号公報には、ス
ピーカーボイスコイルやスピーカーダンパー、電子部品
等の放熱特性が要求される部位に有用な複合材料がとし
て、繊維シートにアルミニウム粉末を配合した熱硬化性
樹脂を含浸させた複合シートが開示されている。例え
ば、ポリイミド系の樹脂に熱伝導性を付与するために、
鱗片状のアルミニウム金属を配合し、更に高い弾性率を
付与するために炭素繊維の織布を絡ませた形態の複合シ
ートが記載されている。この複合シートの熱伝導率は、
２.５ｋｃａｌ／ｍ・ｈｒ・℃（２.９Ｗ／ｍ・Ｋ）程度で
ある。

【０００４】また、特公昭６３−９６６５号公報には、
半導体装置の放熱基板として銅マトリックス中に炭素繊
維を埋め込んだ複合材料が紹介されている。同公報に
は、ヒートシンクとなる金属製のベースにアルミナセラ
ミックス製の絶縁層を配置し、その上に回路を貼った装
置が開示され、絶縁層と回路の間の熱膨張差を緩和する
ために上記複合材料に用いられている。また、その実施
例によれば、この複合材料は、銅メッキした炭素繊維を
網状に編み、窒素ガス中で１０００℃、２５０ｋｇ／ｃ
ｍ^２の圧力で１時間ホットプレスすることによって製造
されている。

【０００５】このように、高熱伝導率で低熱膨張係数の
複合材料の開発において、炭素繊維は特にその低比重、
低熱膨張係数、高熱伝導率を生かすことができるので、
金属と複合化する素材として有力な候補である。特に炭
素繊維は熱膨張係数が１ｐｐｍ／Ｋ程度と極めて小さい
ために、少量複合するだけで複合材料の熱膨張係数が大
きく低下するという利点がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このような高熱伝導率
で且つ低熱膨張係数を持つ複合材料の一つとして、アル
ミニウム−炭素繊維系複合材料がある。このアルミニウ
ム−炭素繊維系複合材料は、一般的には、炭素繊維でで
きた多孔体中に溶融Ａｌを加圧下で溶浸することにより
作製されている。

【０００７】しかし、アルミニウム（Ａｌ）と炭素
（Ｃ）は非常に反応性が高く、容易に炭化アルミニウム
（Ａｌ_４Ｃ_３）を生成する。特にＡｌが液体状態の場
合、この反応速度が大きいために、炭素繊維の表面に容
易にウィスカー状のＡｌ_４Ｃ_３が生成する。この物質は
熱伝導率が低いため、一旦生成すると複合材料の熱伝導
率が大きく低下してしまう。また、Ａｌ_４Ｃ_３は水に対
して容易に腐食されるため、例えばこの複合材料を湿度
の高い雰囲気中で使用すると、Ａｌ_４Ｃ_３が溶出して複
合材料が崩壊する場合もある。

【０００８】尚、上記溶浸法の好ましい例として高圧鍛
造法がある。この方法は、炭素繊維を予め加圧成形によ
り多孔体としておき、この多孔体にＡｌ溶湯を加圧力に
より含浸させる方法である。通常、圧力は最高で数１０
０気圧程度であり、炭素繊維からなる多孔体の細孔径は
小さくても高々数μｍと比較的大きいため、Ａｌ溶湯の
含浸は数十秒程度で終了する。しかし、このような短時
間であっても溶浸法ではＡｌ_４Ｃ_３が炭素繊維表面に生
成し、熱伝導率が低下してしまう。

【０００９】炭化アルミニウムＡｌ_４Ｃ_３の生成を防ぐ
ため、炭素繊維の表面にＡｌと反応しないタングステン
（Ｗ）などをコーティングする方法もあるが、炭素繊維
へのコーティングはコストの著しい上昇を招く。更に、
上記の溶浸法を実施するためには、高価な設備が必要で
ある。

【００１０】本発明は、このような従来の事情に鑑み、
炭化アルミニウムＡｌ_４Ｃ_３の生成を抑えて、高熱伝導
率のアルミニウム−炭素繊維系複合材料を提供するこ
と、及びこの高熱伝導率のアルミニウム−炭素繊維系複
合材料を溶浸法によらずに、低コストで製造する方法を
提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明が提供するアルミニウム−炭素繊維系複合材
料は、アルミニウムを主成分とする金属と炭素繊維の織
布とを含むアルミニウム−炭素繊維系複合材料であっ
て、炭素繊維を３０〜９０体積％含み、炭素繊維の織布
の配向方向に平行な方向の熱伝導率Ｋxが２００Ｗ／ｍ・
Ｋ以上、及び該配向方向に垂直な方向の熱伝導率Ｋyが
１５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることを特徴とするものであ
る。

【００１２】本発明が提供する上記アルミニウム−炭素
繊維系複合材料の製造方法は、アルミニウムを主成分と
する金属と炭素繊維の織布を含む成形体を作製する工程
Ａと、該成形体をアルミニウムを主成分とする金属の融
点以上に予備加熱する工程Ｂと、予備加熱された成形体
を熱間鍛造する工程Ｃとを含むことを特徴とする。

【００１３】また、上記アルミニウム−炭素繊維系複合
材料の製造方法では、工程Ａにおいて、炭素繊維の織布
の表面にアルミニウムを主成分とする金属の粉末を付着
させた複合シートを作製し、該複合シートを複数枚積層
し、加圧成形して成形体とする。特に、複合シートの作
製は、アルミニウムを主成分とする金属の粉末を分散さ
せた水溶液中に炭素繊維の織布と炭素電極を浸漬し、前
者を正極及び後者を負極に帯電させ、電気泳動によって
炭素繊維の織布の表面にアルミニウムを主成分とする金
属の粉末を付着させることを特徴とする。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明のＡｌ−炭素繊維系複合材
料は、Ａｌを主成分とする金属の粉末と炭素繊維の織布
を含む成形体を作製し、これをアルミニウムを主成分と
する金属の融点以上に予備加熱し、熱間鍛造する方法に
より製造される。通常、Ａｌを主成分とする金属の粉末
表面は酸化されてＡｌ_２Ｏ_３に転化しているため、炭素
繊維の織布とＡｌ粉末からなる成形体をＡｌの融点以上
まで加熱しても、Ａｌ_２Ｏ_３膜が障壁となって溶融Ａｌ
と炭素繊維の反応速度が極めて小さい。その結果、炭化
アルミニウムＡｌ_４Ｃ_３の生成が抑えられ、高熱伝導率
のＡｌ−炭素繊維系複合材料を得ることができる。

【００１５】本発明方法においては、まず、出発原料と
して、第一成分のＡｌを主成分とする金属の粉末と、第
二成分の炭素繊維の織布とを準備する。炭素繊維の織布
は、一次元織りでもよいが取り扱いにくいため、二次元
織りの織布が好ましい。高熱伝導率のＡｌ−炭素繊維系
複合材料を安定して得るためには、熱伝導率が５００Ｗ
／ｍ・Ｋ以上の炭素繊維の織布を用いることが望まし
い。

【００１６】Ａｌを主成分とする金属の粉末（以下、単
にＡｌ粉末という）は、純Ａｌ粉末のほか、Ａｌ合金粉
末であってよい。このＡｌ粉末の酸素濃度は、多い分に
は特に影響はないが、鍛造前の予備加熱が通常の炉加熱
の場合には０.１重量％以上が好ましい。酸素濃度が０.
１重量％未満だとＡｌ_２Ｏ_３膜が不安定になり、炉加熱
に長時間を要する間に炭素繊維と濡れやすくなるからで
ある。尚、Ａｌ粉末が微粒になると、室温でも表面酸化
が進行して酸化膜が増加するので、Ａｌ粒径を微粒にす
ることで炭素繊維との濡れを防止できる。しかし、Ａｌ
粉末の平均粒径は５μｍ程度までが好ましく、これ未満
だと溶融Ａｌ中の酸素が増え、この酸素自体によって熱
伝導率が低下しやすくなる。

【００１７】Ａｌを主成分とする金属の粉末と炭素繊維
の織布の成形体を作製する工程Ａにおいては、好ましい
方法として、電気泳動法によりＡｌ粉末を炭素繊維織布
に付着させ、これを重ねて加圧成形する方法がある。

【００１８】即ち、Ａｌ粉末と、分極する性質を持つ樹
脂、例えばアクリルアマイド系樹脂を水溶液に分散させ
た後、この分散液に炭素繊維織布と炭素電極を浸漬し、
炭素繊維織布を正極に及び炭素電極を負極に帯電させ
る。このとき電気泳動により上記分極した樹脂が炭素繊
維織布の表面に移動し、これに巻き込まれるようにＡｌ
粉末も炭素繊維織布の表面に電着する。図１に模式的に
示すように、このＡｌ粉末２の付着した炭素繊維織布１
からなる複合体シートは、乾燥した後、複数枚を積層
し、加圧成形することによって、図２に示すように成形
体３とする。

【００１９】上記樹脂とＡｌ粉末との比率は、体積比で
０.１〜０.３５の範囲が好ましい。この比率が０.１未
満では樹脂の量が少なく、電着による炭素繊維織布への
Ａｌ粉末の付着が起こりにくくなる。逆に０.３５を越
えると樹脂の量が多くなるため、後の脱樹脂処理後も成
形体中に樹脂が残存しやすく、複合材料の熱伝導率を低
下させる原因となるからである。また、炭素繊維とＡｌ
粉末の比率は、電着時の電圧又は電着時間を制御するこ
とで調整でき、電圧が高く又は電着時間が長いほどＡｌ
粉末の付着量が増加する。

【００２０】また、工程Ａにおいて、Ａｌを主成分とす
る金属の粉末と炭素繊維の織布の成形体を作製する別の
方法として、Ａｌ粉末又はＡｌ薄板と炭素繊維織布とを
交互に複数積層し、加圧成形することもできる。Ａｌ薄
板（純Ａｌ又はＡｌ合金からなる）を使うと、加熱時に
溶融Ａｌが炭素繊維織布内に入り込みにくいため、溶融
Ａｌと炭素繊維の濡れを防止しやすい。

【００２１】このようにして得られた成形体は、次の工
程Ｂにおいて、アルミニウムを主成分とする金属の融点
以上の温度で予備加熱する。ただし、上記工程Ａにおい
て電気泳動法により作製した複合体シートには樹脂が含
まれるので、工程Ｂの前に、大気中において５００℃以
下で、好ましくは３０分程度加熱する脱樹脂処理を行う
必要がある。この脱樹脂処理により樹脂を消失させ、樹
脂を含まない成形体を得ることができる。

【００２２】工程Ｂの予備加熱は、上記のごとくＡｌを
主成分とする金属（以下、単にＡｌ金属という）の融点
以上の温度とするが、予備加熱温度が７００℃を越える
とＡｌの表面張力が低下して炭素繊維を濡らしやすくな
るため、７００℃以下の温度が好ましい。また、Ａｌ金
属の融点以上での保持時間が長くなるにつれて炭化アル
ミニウムＡｌ_４Ｃ_３の生成が進行するので、予備加熱時
間は１０分以内とすることが好ましい。この炭化アルミ
ニウムＡｌ_４Ｃ_３の生成の程度は、通常のＸ線回析によ
り定量することができる。

【００２３】加熱方式としては、高周波などによる誘導
加熱を用いるのが好ましい。Ａｌと炭素繊維は共に良導
体のため、数十秒程度の極めて短い時間でＡｌ金属の融
点以上まで昇温できる。この高周波誘導加熱の場合、予
備加熱に要する時間が極めて短いため、最高温度が８５
０℃程度まで上がっても支障がない。尚、予備加熱は通
常の炉加熱で行うこともできるが、炉加熱では成形体の
内部は加熱されにくいため、予備加熱時間が長くなりや
すいので注意を要する。

【００２４】このように予備加熱された成形体は、工程
Ｃにおいて、通常の金属材料の製法である熱間鍛造によ
り緻密化する。熱間鍛造によって、成形体の炭素繊維の
織布が再配列し、Ａｌ粉末のＡｌ_２Ｏ_３膜が機械的に破
壊された隙間から浸みだしてきた溶融Ａｌが炭素繊維の
隙間に侵入し、炭素繊維を濡らしつつ緻密化して、図３
に示すようにＡｌ金属２ａと炭素繊維織布１の複合材料
４が得られる。尚、鍛造時の成形体は金型に熱を奪われ
て急速に冷却されるため、鍛造時に溶融Ａｌと炭素繊維
が接触する時間は高々数秒に過ぎず、そのため炭化アル
ミニウムＡｌ_４Ｃ_３の生成はほとんど起こらない。

【００２５】このようにして得られたＡｌ−炭素繊維系
複合材料は、炭素繊維を全体の３０〜９０体積％とする
ことで、炭素繊維の織布の配向方向に平行な方向（ｘ方
向）の熱伝導率Ｋxが２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上で、炭素繊維
の織布の配向方向に垂直な方向（ｙ方向）の熱伝導率Ｋ
yが１５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上となる。更に、出発原料として
熱伝導率の高い炭素繊維を用いることにより、上記熱伝
導率Ｋxが３００Ｗ／ｍ・Ｋ以上、好ましくは４００Ｗ／
ｍ・Ｋ以上であり、且つ上記熱伝導率Ｋyが１８０Ｗ／ｍ
・Ｋ以上、好ましくは２１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高熱伝導率
とすることができる。

【００２６】かかる本発明の高熱伝導率のＡｌ−炭素繊
維系複合材料は、ヒートシンクのような放熱基板材料等
として、各種の半導体装置に使用することができる。例
えば図４に示すように、Ａｌ−炭素繊維系複合材料を炭
素繊維織布の配向方向に垂直な方向に切断すると、その
配列方向に平行方向（ｘ方向）、即ちその主面に垂直な
方向に高熱伝導率で且つ垂直方向（ｙ方向）に低熱膨張
係数の放熱基板４ａが得られる。この放熱基板４ａを用
い、通常のごとくＳｉ半導体素子６をボンディングした
ＡｌＮ等のセラミックス製の第一の基板５を搭載するこ
とにより、パワーモジュールその他の半導体装置を構成
することができる。

【００２７】

【実施例】実施例１ 平均粒径５０μｍの純Ａｌ粉末に体積比で０.１のアク
リルアマイド系樹脂を配合し、混練したものを水中に分
散させて原液とした。この原液に熱伝導率が４４０Ｗ／
ｍ・ＫのＰＡＮ系炭素繊維を二次元織りした炭素繊維織
布と炭素電極を浸漬し、炭素繊維を陽極及び炭素電極を
陰極に帯電させ、１０Ｖの電圧を印加することにより、
樹脂と純Ａｌ粉末を炭素繊維織布の表面に電着させた。

【００２８】このとき、電着時間を下記表１に示すよう
に６０〜１２０分の間で変化させ、炭素繊維織布とＡｌ
粉末と樹脂とからなる複合体シートを得た。尚、各複合
体シート中の炭素繊維の比率は、樹脂を含まないＡｌ粉
末に対する炭素繊維の比率として、下記表１に示すよう
に体積比で約３３〜９０％、重量比で約２３〜８４％の
範囲とした。

【００２９】これら各試料の複合体シートを３０枚積層
し、圧力７ｔｏｎ／ｃｍ^２で加圧成形して成形体とし
た。各成形体を大気中にて４００℃で１時間加熱して樹
脂を消失させた後、更に高周波誘導加熱炉を用いて大気
中にて１分で６６０℃まで昇温し、６６０℃に達した瞬
間に取り出して、これを予め４５０℃に保持した金型に
装填し、９ｔｏｎ／ｃｍ^２の圧力で熱間鍛造して緻密化
した。

【００３０】比較例として、上記と同様に作製し脱樹脂
処理した後の成形体を、ホットプレス装置を用いて、昇
温速度２０℃／ｍｉｎで６６０℃に昇温し、その温度で
１分間ホットプレスして緻密化した後、炉内で自然冷却
させて複合材料を得た。

【００３１】

【表１】 電着時間 炭素繊維比率(％) 緻密化条件 試料 (分) 体積比 重量比 緻密化方法 温度(℃) 時間(秒) 1 120 89.2 83 鍛造 660 5 2 90 62.8 50 鍛造 660 5 3 60 33.5 23 鍛造 660 5 4＊ 120 89.2 83 ホットフ゜レス 660 60 5＊ 90 62.8 50 ホットフ゜レス 660 60 6＊ 60 33.5 23 ホットフ゜レス 660 60 （注）表中の＊を付した試料は比較例である。

【００３２】上記のごとく製造した各試料の鍛造体（Ａ
ｌ−炭素繊維複合材料）について、相対密度（％）と気
孔率を測定した。また、各試料の鍛造体から直径１０ｍ
ｍ、厚さ２ｍｍのサンプルを切り出し、レーザーフラッ
シュ法により熱伝導率（繊維配向方向に平行方向Ｋx、
垂直方向Ｋy）を測定した。更に、各鍛造体から、直径
５ｍｍ、厚さ１０ｍｍのサンプルを切り出し、差動トラ
ンス式熱膨張係数測定装置を用いて、同様に平行方向と
垂直方向の熱膨張係数αを測定した。これらの結果を下
記表２に示した。また、比較例の複合材料についても、
上記と同様に評価を行い、その結果を表２に併せて示し
た。尚、Ｘ線回折により炭化アルミニウムＡｌ_４Ｃ_３の
有無を確認しところ、本発明の試料１〜３には生成が認
められず、比較例の試料４〜６には生成が認められた。

【００３３】

【表２】 相対密度 気孔率 熱伝導率(W／m・K) 熱膨張係数(ppm) 試料 (％) (％) 平行Ｋx 垂直Ｋy 平行α 垂直α 1 99.0 1.0 288 151 4.2 8.0 2 100.0 0.0 255 172 5.5 12.0 3 99.9 0.1 210 189 7.9 16.5 4＊ 91.9 8.1 75 66 5.6 9.0 5＊ 94.6 5.4 100 85 7.0 13.0 6＊ 97.8 2.2 125 90 10.2 18.0 （注）表中の＊を付した試料は比較例である。

【００３４】上記表１及び表２に示すように、炭化アル
ミニウムの生成が認められない本発明の各試料では、全
てのＡｌ−炭素繊維複合体が緻密で気孔率が小さく、比
較例の試料に比べて熱伝導率が特に優れていた。

【００３５】実施例２ 上記実施例１と同様に、平均粒径５０μｍの純Ａｌ粉末
にアクリルアマイド系樹脂を体積比０.１で配合混練
し、水中に分散させて原液とした。この原液に、下記表
３に示す熱伝導率が７６０〜１２００Ｗ／ｍ・Ｋの各ピ
ッチ系二次元織り炭素繊維織布と炭素電極を浸漬し、炭
素繊維を陽極及び炭素電極を陰極に帯電させて１０Ｖの
電圧を印加し、１００分間保持して電着現象により、樹
脂と純Ａｌ粉末を炭素繊維表面に付着させて、炭素繊維
織布とＡｌ粉末と樹脂とからなる複合体シートを得た。
全て試料において、複合体シート中の炭素繊維の比率は
体積比で７５％及び重量比で６４％であった。

【００３６】これら各試料の複合体シートを３０枚積層
し、圧力７ｔｏｎ／ｃｍ^２で成形して成形体とした後、
大気中にて４００℃で１時間加熱して樹脂を消失させ
た。その後、この脱樹脂処理した成形体を、大気中にお
いて高周波誘導加熱炉を用いて１分で昇温加熱し、下記
表３に示す温度６６０〜７２０℃に達した瞬間に取り出
して、予め４５０℃に保持した金型に装填し、９ｔｏｎ
／ｃｍ^２の圧力で熱間鍛造により緻密化した。

【００３７】得られた各試料の鍛造体（Ａｌ−炭素繊維
複合体）は、全て、炭素繊維の比率が６４重量％、相対
密度が１００％（密度１.８７５ｇ／ｃｍ^３）、気孔率
が０％であり、Ｘ線回折による炭化アルミニウムＡｌ_４
Ｃ_３の生成は認められなかった。各試料の鍛造体からそ
れぞれサンプルを切り出し、実施例１と同様に、炭素繊
維の配向方向と平行方向と垂直方向の熱伝導率及び熱膨
張係数を測定した。その結果を下記表３に併せて示し
た。

【００３８】

【表３】 炭素繊維熱伝導率 鍛造温度 熱伝導率(W／m・K) 熱膨張係数(ppm) 試料 (W／m・K) (℃) 平行Ｋx 垂直Ｋy 平行α 垂直α 7 760 720 233 155 4.6 9.5 8 760 695 443 180 4.6 9.5 9 760 660 444 185 4.6 9.5 10 900 660 501 215 4.6 9.5 11 1200 660 660 236 4.6 9.5

【００３９】実施例３ 上記実施例１の試料１及び試料２、実施例２の試料７、
試料１０、及び試料１１と同じ製法で得た複合材料各５
０個ずつを、長さ２００ｍｍ、幅２００ｍｍ、厚み３ｍ
ｍの基材に仕上げ加工した。これらを図４に模式的に示
すようなパワーモジュールに放熱基板４ａとして実装
し、各実装段階を含めてヒートサイクル試験を行った。

【００４０】図４において、４ａは炭素繊維織布１とＡ
ｌ金属２ａを含む本発明の複合材料からなる放熱基板、
５は同基板上に配置され、その上面にＣｕ回路（図示せ
ず）が形成されたセラミックスからなる電気絶縁性の第
一の基板、及び６はＳｉ半導体素子である。本実施例の
モジュールでは、第一の基板５を放熱基板４ａ上に６個
配置し、それぞれの第一の基板５にＳｉ半導体素子６を
１個ずつ搭載した構成とした。また、図４には図示して
いながい、モジュールには放熱基板４ａの下に放熱構造
体を取り付けた。尚、放熱構造体は本実施例では水冷ジ
ャケットとしたが、他に空冷フィン等もある。また、図
４にはＳｉ半導体素子６の周辺の配線等については省略
した。

【００４１】実装に先立ち、複合材料からなる放熱基板
にセラミックス製の第一の基板を直接半田付けできない
ため、各試料の放熱基板の主面に予め平均厚み５μｍの
無電解Ｎｉメッキ層と、平均厚み３μｍの電解Ｎｉメッ
キ層を形成した。このうち各４個の試料には、Ｎｉメッ
キ層上に直径５ｍｍの半球状のＡｇ−Ｓｎ系半田によっ
て直径１ｍｍのＣｕ線をＮｉメッキ面に垂直な方向に取
り付けた。この試料の放熱基板本体を治具に固定してＣ
ｕ線をＮｉメッキ面に垂直な方向に引っ張り、放熱基板
へのＮｉメッキ層の密着強度を確認したところ、いずれ
の基板のメッキ層も１ｋｇ／ｍｍ^２以上の引張力でも剥
がれなかった。

【００４２】また、上記と同様にＮｉメッキ層を形成し
た別の試料から１０個を抜き取り、−６０℃で３０分保
持した後、１５０℃で３０分保持の昇降温を１０００サ
イクル繰り返すヒートサイクル試験を実施し、試験後上
記と同様に密着強度を確認したところ、いずれの試料も
Ｎｉメッキ層の密着性で上記と同等レベルの満足すべき
結果が得られた。以上の結果より、本発明の複合材料か
らなる基板へのメッキの密着性は、実用上問題のないレ
ベルであることが判明した。

【００４３】次に、放熱基板に搭載するセラミックス製
の第一の基板として、熱伝導率が１５０Ｗ／ｍ・Ｋ、熱
膨張係数が４.５×１０^−６／℃、３点曲げ強度が４５
０ＭＰａのＡｌＮ基板Ａ、及び熱伝導率が１２０Ｗ／ｍ
・Ｋ、熱膨張係数が３.７×１０ ^−６／℃、３点曲げ強度
が１３００ＭＰａのＳｉ_３Ｎ_４基板Ｂに、それぞれＣｕ
回路を形成したものを１８個ずつ準備した。これらの基
板の形状は、いずれも長さ９０ｍｍ、幅６０ｍｍ、厚み
１ｍｍとした。これらの基板を上記のＮｉメッキ層を形
成した放熱基板の２００ｍｍ角の主面上に２行３列で等
間隔に配置し、Ａｇ−Ｓｎ系半田によって固定した。そ
の後、このアッセンブリーの放熱基板の裏面側と水冷ジ
ャケットとを、その接触面にシリコンコンパウンドを塗
布介在させてボルト締め固定した。尚、この場合の第一
の基板に設けるボルトの取付穴は、予め素材段階で各四
隅に穿設した下穴部に炭酸ガスレーザーを照射して、直
径３ｍｍまで拡径する方法により形成した。

【００４４】このように形成した各試料の中から、第一
の基板が基板Ａのものと基板Ｂのものとを各１５個ずつ
選び、上記と同じ単サイクル条件で２０００サイクルの
ヒートサイクル試験を行い、５００サイクル毎のモジュ
ールの出力変化を確認した。その結果、全てのモジュー
ルが、実用上問題がないとされる１０００サイクルまで
出力の低下がなく、更に２０００サイクルまで試験を続
行したが出力の低下は観測されなかった。特に試料１０
及び試料１１に対応する放熱基板を用いたものでは、３
０００サイクルまで全く異常がなかった。以上の結果よ
り、本発明の複合材料からなる放熱基板を用いたパワー
モジュールは、実用上問題のないレベルのものとなるこ
とが分かる。

【００４５】尚、本発明の複合材料を、この種のパワー
モジュールに比べ低出力・低熱（サイクル）負荷で高容
量のパーソナルコンピュータ等の半導体素子搭載装置
に、放熱基板として実装し、評価を行ったが、その信頼
性及び実用性能において何ら問題はなかった。

【００４６】

【発明の効果】本発明によれば、アルミニウムと炭素繊
維の反応が起こりにくく、炭化アルミニウムの生成を抑
えることができるので、炭素繊維が本来持っている高熱
伝導率と低熱膨張係数を生かしたアルミニウム−炭素繊
維系複合材料を提供することができる。また、炭素繊維
とアルミニウムは共にＳｉＣなどのセラミックスと違っ
て硬度が低いので、成形時や鍛造時に金型の摩耗が少な
く、従って低コストで製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ａｌ粉末が付着した炭素繊維織布を複数枚積層
した状態を説明するための模式図である。

【図２】Ａｌ粉末が付着した炭素繊維織布の成形体を説
明するための模式図である。

【図３】本発明のＡｌ−炭素繊維系の複合材料を説明す
るための模式図である。

【図４】Ａｌ−炭素繊維系複合材料を放熱基板として用
いた半導体装置を模式的に示す側面図である。

【符号の説明】

１ 炭素繊維織布 ２ Ａｌ粉末 ２ａ Ａｌ金属 ３ 成形体 ４ 複合材料 ４ａ 放熱基板 ５ 第一の基板 ６ Ｓｉ半導体素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｃ２５Ｄ 13/02 Ｃ２５Ｄ 13/02 Ｚ Ｆターム(参考） 4F100 AB01B AB10B AD11A AK26 AK27 AT00B BA02 BA04 BA05 BA08 DE01B DG01A DG12A EH012 EJ172 EJ422 EJ462 EJ611 GB41 JA02 JJ01 JJ01A JK09 JL02 YY00A

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 アルミニウムを主成分とする金属と炭素
   繊維の織布とを含むアルミニウム−炭素繊維系複合材料
   であって、炭素繊維を３０〜９０体積％含み、炭素繊維
   織布の配向方向に平行な方向の熱伝導率Ｋxが２００Ｗ
   ／ｍ・Ｋ以上、及び該配向方向に垂直な方向の熱伝導率
   Ｋyが１５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることを特徴とするアル
   ミニウム−炭素繊維系複合材料。
2. 【請求項２】 前記Ｋxが３００Ｗ／ｍ・Ｋ以上、及び前
   記Ｋyが１８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることを特徴とする、
   請求項１に記載のアルミニウム−炭素繊維系複合材料。
3. 【請求項３】 前記Ｋxが４００Ｗ／ｍ・Ｋ以上、及び前
   記Ｋyが２１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることを特徴とする、
   請求項１又は２に記載のアルミニウム−炭素繊維系複合
   材料。
4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれかに記載のアルミ
   ニウム−炭素繊維系複合材料をヒートシクとして用いた
   半導体装置。
5. 【請求項５】 アルミニウムを主成分とする金属と炭素
   繊維の織布とを含むアルミニウム−炭素繊維系複合材料
   の製造方法であって、アルミニウムを主成分とする金属
   と炭素繊維の織布を含む成形体を作製する工程Ａと、該
   成形体をアルミニウムを主成分とする金属の融点以上に
   予備加熱する工程Ｂと、予備加熱された成形体を熱間鍛
   造する工程Ｃとを含むことを特徴とするアルミニウム−
   炭素繊維系複合材料の製造方法。
6. 【請求項６】 前記工程Ａにおいて、炭素繊維の織布の
   表面にアルミニウムを主成分とする金属の粉末を付着さ
   せた複合シートを作製し、該複合シートを複数枚積層
   し、加圧成形して成形体とすることを特徴とする、請求
   項５に記載のアルミニウム−炭素繊維系複合材料の製造
   方法。
7. 【請求項７】 前記複合シートの作製は、アルミニウム
   を主成分とする金属の粉末を分散させた水溶液中に炭素
   繊維の織布と炭素電極を浸漬し、前者を正極及び後者を
   負極に帯電させ、電気泳動によって炭素繊維の織布の表
   面にアルミニウムを主成分とする金属の粉末を付着させ
   ることを特徴とする、請求項６に記載のアルミニウム−
   炭素繊維系複合材料の製造方法。
8. 【請求項８】 アルミニウムを主成分とする金属の粉末
   と共に、分極する性質を有する樹脂を水溶液中に分散さ
   せることを特徴とする、請求項７に記載のアルミニウム
   −炭素繊維系複合材料の製造方法。
9. 【請求項９】 前記工程Ｂの予備加熱を行う前に、前記
   成形体を大気中にて５００℃以下に加熱して脱樹脂処理
   を行うことを特徴とする、請求項８に記載のアルミニウ
   ム−炭素繊維系複合材料の製造方法。
10. 【請求項１０】 前記工程Ａにおいて、アルミニウムを
    主成分とする金属の粉末又はその薄板と、炭素繊維の織
    布とを交互に複数積層し、加圧成形して成形体とするこ
    とを特徴とする、請求項５に記載のアルミニウム−炭素
    繊維系複合材料の製造方法。
11. 【請求項１１】 前記工程Ｂにおいて、予備加熱を高周
    波誘導加熱により行うことを特徴とする、請求項５〜１
    ０のいずれかに記載のアルミニウム−炭素繊維系複合材
    料の製造方法。
12. 【請求項１２】 出発原料として、熱伝導率が５００Ｗ
    ／ｍ・Ｋ以上の炭素繊維の織布を用いることを特徴とす
    る、請求項５〜１１のいずれかに記載のアルミニウム−
    炭素繊維系複合材料の製造方法。