JP2003105470A

JP2003105470A - Ａｌ−Ｓｉ系粉末合金材料及びその製造方法

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Publication number: JP2003105470A
Application number: JP2001295769A
Authority: JP
Inventors: Jun Kusui; 潤楠井; Kazuhiko Yokoe; 一彦横江; Shigeru Okaniwa; 茂岡庭
Original assignee: Toyo Aluminum KK; Nippon Light Metal Co Ltd
Current assignee: Toyo Aluminum KK; Nippon Light Metal Co Ltd
Priority date: 2001-09-27
Filing date: 2001-09-27
Publication date: 2003-04-09
Anticipated expiration: 2021-09-27
Also published as: JP4906206B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】半導体装置の放熱板等に好適に使用される、高
い熱伝導率と低い熱膨張係数とを兼ね備え、かつ、より
軽量な材料を提供する。【解決手段】ガスアトマイズ等の公知の方法で製造され
たＳｉ：１５〜５０質量％、Ｍｇ：０〜０．５質量％、
Ｃｕ：０〜０．５質量％、Ｆｅ：０〜０．３質量％であ
り、残部が実質的にＡｌからなる粉末を固化成形して得
られるＡｌ−Ｓｉ系粉末合金材料に係る。特に、該成形
体を冷間成形後、熱間押出により固化させた製品が好ま
しい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、新規なＡｌ−Ｓｉ
系粉末合金材料及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来技術】集積度が年々向上するＩＣにおいて、回路
を含むサブストレート（基材）から発生する熱を放熱し
て冷却するために種々の放熱板がその要求性能に応じて
選択使用されている。この放熱板に要求される特性は、
効率良く発生熱を放散させる高い熱伝導率と、基材と放
熱板との熱膨張差を抑えるために低い熱膨張係数とをも
つことである。例えば、図１に示すようにＩＣパッケー
ジに使用されている放熱板は銅（Ｃｕ）が使用されてい
る。デバイス全体の軽量化の要求に伴い、放熱板の軽量
化も求められている。

【０００３】放熱板の軽量化を図る方法として、比重が
Ｃｕの約１／３のアルミニウムの使用が検討されてい
る。ところが、アルミニウムは、Ｃｕと比べて熱膨張係
数が大きく、そのままＣｕの代替材料として使用するこ
とは困難である。

【０００４】また、アルミニウム粉末とＳｉＣ粉末の混
合粉末の焼結体も提案されている。しかし、かかる焼結
体では、高い寸法精度とサブストレートとの密着性を高
めるための表層平坦性の要求に応えるために、焼結体の
切削等の機械加工が必要となる。すなわち、ＳｉＣ相を
含む焼結体は、機械加工性が極端に悪いため、生産性の
点からみて現実的でない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このように、Ｃｕ材料
の代替材料として高熱伝導率・低熱膨張係数を有する新
しい材料の開発が待たれているのが現状である。

【０００６】従って、本発明の主な目的は、高い熱伝導
率と低い熱膨張係数とを兼ね備え、かつ、より軽量な材
料を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者は、従来技術の
問題点に鑑みて鋭意研究を重ねた結果、特定組成のアル
ミニウム系粉末合金が上記目的を達成できることを見出
し、本発明を完成するに至った。

【０００８】すなわち、本発明は、下記のＡｌ−Ｓｉ系
粉末合金材料及びその製造方法に係るものである。

【０００９】１．Ｓｉ：１５〜５０質量％、Ｍｇ：０〜
０．５質量％、Ｃｕ：０〜０．５質量％、Ｆｅ：０〜
０．３質量％であり、残部が実質的にＡｌからなる粉末
を固化成形して得られるＡｌ−Ｓｉ系粉末合金材料。

【００１０】２．２５〜２００℃における平均熱膨張係
数が１２〜２０ｐｐｍであり、かつ、熱伝導率ｋ（Ｗ／
ｍＫ）が下記式：ｋ≧０．９９３Ｘ²−９．０５８６Ｘ＋３１２．２７（ただし、Ｘは合金材料中のＳｉ含有量（質量％）を示
す。）を満たす前記項１記載のＡｌ−Ｓｉ系粉末合金材
料。

【００１１】３．前記項１又は２に記載の材料からなる
放熱用部材。

【００１２】４．Ｓｉ：１５〜５０質量％、Ｍｇ：０〜
０．５質量％、Ｃｕ：０〜０．５質量％、Ｆｅ：０〜
０．３質量％であり、残部が実質的にＡｌからなる粉末
を冷間予備成形し、得られた予備成形体を熱間押出した
後、冷間鍛造することを特徴とするＡｌ−Ｓｉ系粉末合
金材料の製造方法。

【００１３】５．熱間押出に先立って予備成形体を不活
性ガス雰囲気中又は真空中４５０〜５７５℃で熱処理す
る前記項４記載の製造方法。

【００１４】６．前記項４又は５に記載の方法によって
製造されるＡｌ−Ｓｉ系粉末合金材料。

【００１５】７．前記項１又は２に記載の材料であっ
て、プラスチックスに接触又は接合して使用される放熱
用部材。

【００１６】８．前記項４又は５に記載の方法によって
製造されるＡｌ−Ｓｉ系粉末合金材料であって、プラス
チックスに接触又は接合して使用される放熱用部材。

【００１７】

【発明の実施の形態】１．Ａｌ−Ｓｉ系粉末合金材料本発明のＡｌ−Ｓｉ系粉末合金材料は、Ｓｉ：１５〜５
０質量％、Ｍｇ：０〜０．５質量％、Ｃｕ：０〜０．５
質量％、Ｆｅ：０〜０．３質量％であり、残部が実質的
にＡｌからなる粉末（以下「本発明粉末」ともいう。）
を固化成形して得られるものである。各成分及び特性に
ついて説明する。（１）ＳｉＳｉは、通常１５〜５０質量％程度、好ましくは２０〜
４０質量％とする。Ｓｉが１５質量％未満の場合は、熱
膨張係数が高くなりすぎることがある。また、Ｓｉが５
０質量％を超える場合は、加工性が低下するとともに、
所望の熱伝導性が得られなくなるおそれがある。（２）Ｍｇ、Ｃｕ及びＦｅＭｇ、Ｃｕ及びＦｅは、Ｍｇ：０〜０．５質量％（好ま
しくは０〜０．３質量％）、Ｃｕ：０〜０．５質量％
（好ましくは０〜０．３質量％）、Ｆｅ：０〜０．３質
量％（好ましくは０〜０．２質量％）である。これらの
範囲に設定することによって、優れた熱伝導性及び冷間
鍛造性を付与することができる。また、パッケージとし
ての耐腐食性も向上させることができる。Ｍｇ、Ｃｕ又
はＦｅは、含有量が０質量％の場合も本発明に包含され
るが、一般的に下限値はいずれも１質量ｐｐｍ程度であ
る。（３）Ａｌ前記（１）及び（２）の成分のほか、残部が実質的にＡ
ｌからなる。また、その他の成分として、不可避不純物
が含まれていても良い。（４）熱膨張係数及び熱伝導率本発明材料は、熱膨張係数が２５〜２００℃の間で平均
１２〜２０ｐｐｍ程度、特に１４〜１９ｐｐｍの範囲に
あることが望ましい。この範囲内に設定すれば、熱膨張
が効果的に抑制できる結果、例えばプラスチック製のサ
ブストレートとの接合状態をより効果的に維持すること
ができる。

【００１８】本発明材料は、熱伝導率ｋ（Ｗ／ｍＫ）が
下記式：ｋ≧０．９９３Ｘ²−９．０５８６Ｘ＋３１２．２７（ただし、Ｘは合金材料中のＳｉ含有量（質量％）を示
す。）を満たすことが望ましい。

【００１９】上記の式は、放熱板として許容できる熱膨
張係数及び熱伝導率との関係を示す。すなわち、本発明
材料では、熱膨張係数を低く抑えるためにはできるだけ
Ｓｉ含有量を多くすれば良いが、それだけ熱伝導率が下
がることになる。このため、放熱板として使用するため
には、Ｓｉ含有量と熱伝導率の関係を求め、放熱板とし
てより好適に使用できる範囲を規定したのが上記式であ
る。これを図示すると図２のような曲線となる。熱膨張
係数はＳｉの含有量でほぼ決まることから、例えば所望
の熱膨張係数を得るためにＳｉ含有量を２５質量％と設
定した場合において、曲線よりも下側の熱伝導率をもつ
材料よりも、曲線よりも上側の熱伝導率をもつ材料が放
熱板としてより有効であることが示される。一定のＳｉ
含有量で熱伝導率を制御する方法としては、例えば製造
条件、Ｍｇ、Ｃｕ又はＦｅの含有量等の調整により適宜
実施することができる。

【００２０】本発明のＡｌ−Ｓｉ系粉末材料は、高い熱
伝導率、低い熱膨張係数等を有し、また比較的軽量であ
ることから、これらの特性が活かされる各用途に使用す
ることができる。特に、放熱用部材（アルミニウム基軽
量放熱板）として有効である。例えば、電子機器放熱用
部材（放熱板）として好適に用いることができる。とり
わけ、プラスチックスに接触又は接合して使用される放
熱用部材として最適である。なお、放熱板として使用す
る場合には、公知の放熱板と同様の方法で使用すること
ができる。２．Ａｌ−Ｓｉ系粉末合金材料の製造方法本発明材料は、原料として本発明粉末を使用するほか
は、公知の粉末合金の製法に従って固化成形して製造す
ることができる。特に、本発明材料は、Ｓｉ：１５〜５
０質量％、Ｍｇ：０〜０．５質量％、Ｃｕ：０〜０．５
質量％、Ｆｅ：０〜０．３質量％であり、残部が実質的
にＡｌからなる粉末を冷間予備成形し、得られた予備成
形体を熱間押出した後、冷間鍛造することを特徴とする
方法によって好適に得ることができる。

【００２１】本発明粉末は、上記の組成を有している限
り、どのような形態をとることもできる。すなわち、各
成分の単体金属の粉末を含むものであっても良いし、あ
るいは各成分のいずれかを含む合金粉末を含むものであ
っても良い。

【００２２】また、本発明粉末は、いずれの調製方法に
得られるものも使用することができる。例えば、空気、
窒素、アルゴン等を噴霧媒とするガスアトマイズ法、回
転円盤法等の公知の方法により製造された粉末を好適に
使用できる。

【００２３】本発明粉末の粒度は限定的でないが、通常
は目開き３５５μｍのスクリーンを通過したもの、好ま
しくは目開き１５０μｍのスクリーンを通過したものが
使用できる。この粒度範囲内に設定すれば、より優れた
冷間鍛造性等を達成することができる。

【００２４】本発明粉末は、予備成形することが好まし
い。予備成形は、公知の合金粉末の冷間での成形法に従
えば良い。例えば、プレス法、ＣＩＰ法等を採用するこ
とができる。予備成形の成形圧は、本発明粉末の組成、
所望の合金特性等に応じて適宜設定すれば良い。

【００２５】上記で得られた予備成形体は、熱処理する
ことが好ましい。熱処理することによって、粉末表面に
吸着した水分を除去し、押出後のブリスターの発生をよ
り効果的に抑制するとともに、押出後の成形体の熱伝導
性をいっそう高めることができる。さらに、押出後の成
形体強度をある程度抑える一方で伸びを高めることがで
きる。熱処理条件は、一般に窒素ガス、アルゴンガス等
の不活性ガス雰囲気中又は真空中（通常１ｔｏｒｒ以下
の真空中）４５０〜５７５℃で３０分〜１０時間程度と
すれば良い。

【００２６】次いで、熱間押出を行う。熱間押出の方法
（操作条件）は、公知の熱間押出方法に従って実施する
ことができる。熱間押出の温度は通常４００〜５００℃
程度に設定すれば良い。

【００２７】また、熱間押出する場合、金型前方に金属
板（例えば、純アルミニウム系、Ａ５０００系Ａｌ−Ｍ
ｇ合金等）を押出材料である上記成形体の前に配置する
ことが好ましい。これにより、押出材表面に金属板組成
の薄い皮膜を形成することができ、Ａｌ−Ｓｉ材料が最
表面にある場合に起こり得るＳｉとＡｌの界面における
経時的な孔食又は全面腐食をより確実に防止することが
できる。

【００２８】熱間押出された成形体は、所望の形状を付
与するために冷間鍛造を行う。本発明では、必要に応じ
て、冷間鍛造に先立って、成形体の熱処理を実施しても
良い。熱処理によって冷間鍛造性をより高めることがで
きる。熱処理条件は、通常２００〜４００℃程度で０．
５〜２時間程度とすれば良い。

【００２９】

【発明の効果】本発明によれば、高い熱伝導率と低い熱
膨張係数とを兼ね備えた軽量な材料を提供することがで
きる。また、冷間鍛造性にも優れており、最終製品の平
坦性、寸法安定性等にも優れた効果を発揮できる。

【００３０】本発明のＡｌ−Ｓｉ系粉末合金材料は、こ
れらの特性が要求される箇所・部位に使用することがで
きる。特に、放熱性に優れており、放熱用部材として好
適に使用できる。例えば、電子機器放熱用部材、電機製
品の放熱用部材、自動車の放熱部材等として好適に用い
ることができる。電子機器放熱用部材として用いる場
合、コンピューターのＣＰＵ、ＭＰＵ等からの発生熱を
効率的に放散することができる。特に、本発明の材料
は、プラスチックス等の有機質材料を材質とするサブス
トレートと接触又は接合して使用される電子機器放熱用
部材として好適である。

【００３１】

【実施例】以下に実施例及び比較例を示し、本発明の特
徴を一層明確にする。但し、本発明の範囲は、実施例の
態様に制限されない。

【００３２】実施例１空気アトマイズ法により、表１に示す成分１〜１０を有
するアルミニウム合金粉末を調製し、３５５μｍの目開
きの篩を通過させた。得られた粉末１００ｇを面圧２ト
ン／ｃｍ²で冷間静水圧形成することにより、丸棒（直
径約３０ｍｍ×長さ約７０ｍｍ）を得た。この丸棒を熱
間押出用ビレットとして使用した。

【００３３】上記ビレットを１０−２ｔｏｒｒの真空中
５７０℃×２時間の熱処理に供した後、真空炉内で２０
０℃まで冷却してから炉外に取り出した。次いで、この
ビレットを空気雰囲気の炉に入れ、４００℃まで昇温
し、その温度で０．５時間保持した。次に、ビレットを
最大荷重１００トンの押出機のコンテナ（内径３２ｍ
ｍ）に挿入し、押出成形によって直径１０ｍｍの丸棒
（熱膨張係数及び熱伝導率測定用試験体）及び２ｍｍ×
２０ｍｍのフラットバー（冷間鍛造試験用試験体）を作
製した。

【００３４】各試験体を用いて、熱膨張係数及び熱伝導
率の測定ならびに冷間鍛造試験を実施した。その結果を
表１に示す。なお、各試験方法はそれぞれ下記の要領で
実施した。（１）熱膨張係数及び熱伝導率熱膨張係数（平均熱膨張係数）は、ＪＩＳ／Ｒ１６１８
−１９９４に規定された方法に従って測定した。熱伝導
率（熱伝導度）は、ＪＩＳ／Ｒ１６１１−１９９１に規
定された方法に従って測定した。（２）冷間鍛造試験冷間鍛造性の評価を文献「塑性と加工ｖｏｌ．２２，
ｎｏ．２４１（１９８１−２）」（塑性加工学会冷間
鍛造分科会）の「金属材料の冷間据込み性試験方法」に
従い、試験体側面にクラックが出始める「限界据込み
率」を求めることによって実施した。鍛造サンプルは、
直径８．５ｍｍ、高さ１０．５ｍｍの円柱状材料を用い
た。鍛造条件は、鍛造速度：２０ｍｍ／秒、温度：室温
とした。鍛造試験後、目視によりクラックの有無を確認
し、クラックがない最大の据込み率を「限界据込み率」
とし、これが４０％以上のものを「○」、３０％以上の
ものを「△」、３０％未満のものを「×」とした。

【００３５】

【表１】

【００３６】表１の結果からも明らかなように、Ｓｉ量
が１５質量％未満では熱膨張係数が高すぎ、また５０質
量％を超えると熱伝導率が低くなるとともに冷間鍛造性
が悪くなる。また、Ｆｅが０．３質量％を超えたり、Ｃ
ｕ又はＭｇが０．５質量％を超えると熱伝導率が大幅に
低下するとともに冷間鍛造性も低くなる。これらに対
し、本発明品（成分３〜６）は、熱膨張係数が１６〜２
０ｐｐｍと低く、熱伝導率が１２０〜２１５Ｗ／ｍＫと
高い水準を維持できることがわかる。これにより、軽量
な放熱用部材として有効であることが明らかである。

【００３７】実施例２表１の成分３〜６を用い、実施例１と同様にして熱間押
出用ビレットを作製した。このビレットを用い、表２に
示す熱処理条件及び押出温度としたほかは、実施例１と
同様にして２種類の試験体（サンプル１〜１３）を作製
した。押出温度での保持時間はいずれも０．５時間とし
た。得られた試験体について、実施例１と同様に熱膨張
係数及び熱伝導率の測定ならびに冷間鍛造試験を実施し
た。その結果を表２に示す。また、Ｓｉ含有量と熱伝導
率との関係を上記式による曲線とともに図２に示す。

【００３８】

【表２】

【００３９】表２及び図２の結果からも明らかなよう
に、Ｓｉ含有量が同じであれば熱処理条件による熱膨張
係数の差はあまり認められなかった。一方、熱伝導率
は、高温・長時間の処理により上昇することが確認され
た。

【図面の簡単な説明】

【図１】放熱板（Ｃｕ）が設置されたＩＣパッケージの
概略断面図である。

【図２】Ｓｉ含有量と熱伝導率との関係を示す曲線であ
る。

───────────────────────────────────────────────────── 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）Ｃ２２Ｃ 1/04 Ｃ２２Ｃ 1/04 Ｃ (72)発明者横江一彦大阪府大阪市中央区久太郎町三丁目６番８号東洋アルミニウム株式会社内 (72)発明者岡庭茂東京都品川区東品川二丁目２番20号日本軽金属株式会社内Ｆターム(参考） 4K018 AA16 BA08 DA01 EA31 EA41 HA02 KA17 KA18 KA32

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｓｉ：１５〜５０質量％、Ｍｇ：０〜０．
５質量％、Ｃｕ：０〜０．５質量％、Ｆｅ：０〜０．３
質量％であり、残部が実質的にＡｌからなる粉末を固化
成形して得られるＡｌ−Ｓｉ系粉末合金材料。
【請求項２】２５〜２００℃における平均熱膨張係数が
１２〜２０ｐｐｍであり、かつ、熱伝導率ｋ（Ｗ／ｍ
Ｋ）が下記式：ｋ≧０．９９３Ｘ²−９．０５８６Ｘ＋３１２．２７（ただし、Ｘは合金材料中のＳｉ含有量（質量％）を示
す。）を満たす請求項１記載のＡｌ−Ｓｉ系粉末合金材
料。
【請求項３】請求項１又は２に記載の材料からなる放熱
用部材。
【請求項４】Ｓｉ：１５〜５０質量％、Ｍｇ：０〜０．
５質量％、Ｃｕ：０〜０．５質量％、Ｆｅ：０〜０．３
質量％であり、残部が実質的にＡｌからなる粉末を冷間
予備成形し、得られた予備成形体を熱間押出した後、冷
間鍛造することを特徴とするＡｌ−Ｓｉ系粉末合金材料
の製造方法。
【請求項５】熱間押出に先立って予備成形体を不活性ガ
ス雰囲気中又は真空中４５０〜５７５℃で熱処理する請
求項４記載の製造方法。
【請求項６】請求項４又は５に記載の方法によって製造
されるＡｌ−Ｓｉ系粉末合金材料。