JP2003204022A

JP2003204022A - 放熱部品

Info

Publication number: JP2003204022A
Application number: JP2002003225A
Authority: JP
Inventors: Kazuyuki Hiruta; 和幸蛭田; Hideki Hirotsuru; 秀樹廣津留; Hironori Nagasaki; 浩徳長崎
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 2002-01-10
Filing date: 2002-01-10
Publication date: 2003-07-18
Anticipated expiration: 2022-01-10
Also published as: JP3662221B2

Abstract

(57)【要約】【課題】熱サイクルのかかる実使用時に、孔部にクラッ
クが入る等の問題が発生しがたいアルミニウム−炭化珪
素複合体からなる放熱部品を提供する。【解決手段】炭化珪素成形体にアルミニウム又はアルミ
ニウム合金を含浸してなり、その少なくとも一部表面に
前記アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層
を有する平板状の放熱部品であって、他の部品への取り
付け用孔部を前記平板の主面に有しており、しかも前記
孔部が前記炭化珪素成形体に取り囲まれないように設け
られていることを特徴とする放熱部品。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高熱伝導でしかも
熱膨張係数が小さいことから、パワーモジュール等に使
用されるアルミニウム−炭化けい素質放熱部品に関する
ものであり、特に高い信頼性を有したアルミニウム−炭
化けい素質放熱部品を提供するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、電気自動車や電鉄用途におけるパ
ワ−モジュ−ル用放熱板として、従来の銅に替わりアル
ミニウム−炭化けい素質複合体が使用されている。アル
ミニウム−炭化けい素質複合体の熱伝導率は銅のそれに
は及ばないものの、その熱膨張係数は６〜８ｐｐｍ／Ｋ
と銅の１７ｐｐｍ／Ｋの約半分であるため、モジュ−ル
を構成するセラミックス回路基板と放熱板とを接着する
半田層部分でのクラック発生が抑制され、高い信頼性が
得られるからである。

【０００３】アルミニウム−炭化けい素質複合体は、通
常、炭化けい素粉末に添加物等を混合したのち、乾式プ
レス法、押し出し法やインジェクション法等により成形
体を形成し、これを焼成して、炭化けい素を主成分とし
た多孔質成形体（プリフォ−ムという）を作製したの
ち、このプリフォ−ムに、非加圧含浸法や、溶湯鍛造
法、ダイキャスト法などの加圧含浸法でアルミニウムま
たはその合金を含浸して作製される。また、炭化けい素
粉末にアルミニウムまたはその合金粉末を混合、加圧下
で焼成する粉末冶金的手法によっても作製できる。

【０００４】また、前記アルミニウム−炭化けい素質複
合体は、表面加工や研磨を施したのち、メッキされ電子
・電気部品から発生する熱を放熱するための部品、即ち
放熱部品として用いられるが、電子・電気製品の中間工
程においては、さらに放熱フィン等の他の放熱用の部品
或いは製品外枠等にネジ止めされてモジュールとなる。
そのため、アルミニウム−炭化けい素質複合体には、予
めその外周或いはその近傍にネジ止め用の孔部が形成さ
れている。

【０００５】前記孔部の形成方法としては様々な方法が
知られているが、プリフォームを作製する際に、予め成
形時にピン等を用いて所定位置に孔を形成したプリフォ
−ム、或いはプリフォ−ム作製後に所定位置を加工して
孔部を設けたプリフォームなどを用いて、アルミニウム
若しくはアルミニウム合金を含浸した後、金属部位を機
械加工して孔部を形成する方法が行われている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記手
法で形成された孔部をもつアルミニウム−炭化けい素質
複合体を放熱フィン等の部品にネジ止めしようとする
と、従来のものでは前記孔部で割れたり、またたとえ取
り付け時には問題がなくとも、熱サイクルのかかる実使
用時に、孔部にクラックが入る等の問題が発生するた
め、より信頼性の高い孔部をもつアルミニウム−炭化け
い素質複合体が望まれていた。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記状況に
鑑み、孔及びその周辺部でのクラックや割れの発生原因
及びその対策につき鋭意検討を重ねた結果、クラックや
割れの発生は、孔及びその周辺部に存在する微小クラッ
ク等の欠陥が存在していることが原因であること、そし
て、アルミニウム−炭化けい素質複合体は高強度は有す
るものの、靭性が不足しているため、破壊につながるこ
と等を見出すとともに、その対策として、孔の周囲をア
ルミニウム−炭化けい素質複合体で取り囲まないように
し、孔から外周に至る少なくとも１方向については、プ
リフォ−ムに由来する炭化けい素成分を排除し、積極的
にアルミニウムまたはその合金で満たす構造を採用する
ことで、孔部並びにその周辺の靱性を高め、クラックや
割れが発生することを防止することに有効であることを
見出し、本発明を完成するに至ったものである。

【０００８】すなわち、本発明は炭化珪素成形体にアル
ミニウム又はアルミニウム合金を含浸してなり、その少
なくと一部表面に前記アルミニウム又はアルミニウム合
金からなる金属層を有する平板状の放熱部品であって、
放熱フィン等への取り付け用孔部を前記平板の主面に有
しており、しかも前記孔部が前記炭化珪素成形体に取り
囲まれないように設けられていることを特徴とする放熱
部品であり、好ましくは、前記孔部を形成している金属
層が、前記炭化珪素成形体とは異なる無機物質を含有す
ることを特徴とする前記の放熱部品である。

【０００９】また、本発明は、アルミニウム合金が０．
１〜１．５質量％のマグネシウムと０．１〜１８質量％
のシリコンを含むことを特徴とし、表面全体がアルミニ
ウム又はアルミニウム合金からなる金属層を有すること
を特徴とする前記の放熱部品であり、さらに炭化珪素成
形体の相対密度が５５〜７５％であることを特徴とする
前記の放熱部品である。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の最大の特徴は、アルミニ
ウム−炭化けい素質からなる平板状放熱部品を放熱フィ
ン等の他の放熱部品や製品外枠等の他の部品にネジ止め
する際やネジ止め後の実使用時において発生する孔やそ
の周辺部のクラック、割れ等の破損を抑制する新規な構
造を見出した点にある。

【００１１】以下、従来構造と本発明を図に基づいて説
明する。図１は従来公知のアルミニウム−炭化けい素質
複合体からなる平板状放熱部品を示したものであり、ま
た、Ａ−Ａ’部分の断面図も示した。上方から眺めたと
きに、前記平板状放熱部品は長方形をしていて、その４
隅に他の部品にネジ止め固定するための貫通孔１が設け
られている。また、前記平板状放熱部品は、アルミニウ
ム−炭化珪素質複合材部分２と、アルミニウム又はその
合金からなる金属部分３とからなるが、従来の平板状放
熱部品においては、前記貫通孔１よりも外周部に存在す
る部分には、アルミニウム−炭化珪素質複合材部分２が
存在している。然るに、従来の平板状放熱部品は、通
常、予め孔を形成しておいた炭化けい素を主成分とする
成形体（以下、プリフォ−ムと呼ぶ）を用いて、これに
公知の方法でアルミニウムまたはその合金を含浸して形
成されるものであるからである。尚、図１においては、
前記平板状放熱部品の主平面の表面にアルミニウム又は
その合金からなる金属部分３が存在しているが、機械加
工等により取り去って、直接表面を複合部としてもかま
わない。

【００１２】一方、図２は本発明の平板状放熱部品の一
例を示したものであり、外観的には図１の従来の平板状
放熱部品と同じ外観を有し、上方から眺めたときに長方
形をしていて、その４隅に他の部品にネジ止め固定する
ための貫通孔１が設けられ、また、アルミニウム−炭化
珪素質複合材部分２と、アルミニウム又はその合金から
なる金属部分３とからなるが、その構造、特に貫通孔１
よりも外周部に存在する部分には、アルミニウム又はそ
の合金からなる金属部分３が存在するのみで、従来のも
のと異なり、この部分にアルミニウム−炭化珪素質複合
材部分２を存在させていない特徴がある。

【００１３】本発明の放熱部品は、前述の構造を有して
いるので、この部分の靱性が向上し、その結果として、
従来構造のもので発生しやすかったクラックや割れの発
生を防止することができるという特徴を有している。
尚、従来の放熱部品の場合と同じく、主平面にアルミニ
ウム又はその合金からなる金属部分３が存在しても、或
いは存在していなくても構わない。

【００１４】本発明において、前記アルミニウム又はそ
の合金からなる金属部分３には、無機成分を含むことが
好ましい。これにより、貫通孔１付近を構成する部分の
高靱性化が一層達成され易くなり、本発明の目的を一層
達成しやすくなるからである。前記無機成分としては、
プリフォームを形成している炭化珪素以外のものを選択
するとき、貫通孔１並びにその近傍の構造、形状に応じ
て適切な高靱性化ができ、しかも含浸時のひけ、巣の発
生を防止できるので好ましい。この様な無機成分の例と
して、アルミナ繊維等が挙げられる。

【００１５】図３は、本発明の放熱部品の他の一例であ
り、長方形で、長辺の夫々に３個の貫通孔１を有する平
板状放熱部品である。

【００１６】次に、本発明の平板状放熱部品を得る方法
について、主として、湿式プレス法で炭化珪素成形体
（プリフォーム）を得てこれにアルミニウムを溶湯鍛造
法により含浸する方法を例に説明する。

【００１７】まず、炭化珪素粉末よりプリフォームを得
る方法については、得られる放熱部品の特性に応じて炭
化珪素粉末や成形条件を適宜選択するが、例えば、放熱
部品の熱膨張係数を６〜９ｐｐｍ／Ｋ程度におさめるた
めには、プリフォームの相対密度を５５〜７５％にする
のがよく、前記数値範囲の相対密度を得るには、通常、
粒度の異なった粉末の配合が行われる。炭化珪素の場
合、＃１５０や＃２２０の粉末と＃１０００及びそれら
より細かい粉を配合した粉末の使用がその一例として挙
げることができる。

【００１８】前記炭化珪素粉末を成形する方法として
は、従来より公知の乾式プレス法、湿式プレス法、押出
し成型法、インジェクション法、キャスティング法、シ
ート成形後打ち抜く方法等を用いることができる。ま
た、含浸時に割れなどの異常を発生しないような強度を
発現させるために、無機質或いは有機質のバインダーを
前記成形方法に応じて適宜添加することもできる。前記
バインダーとしてシリカゾルが、高強度のプリフォーム
が得やすいので、好ましい。

【００１９】例えば、湿式プレス法を適用する場合に
は、多孔質の凹凸型を用意し、凹型内に炭化珪素粉末と
無機バインダー及び水を主成分とするスラリーを充填
し、凸型で圧縮成形すれば良いが、本発明では、得られ
るプリフォームが、例えば図２や図３に示した通りに、
貫通孔を形成する部分とならないように、付形されてい
れば良い。

【００２０】前記した各種製法で作製した成形体は、そ
の製法によって異なるものの、通常は乾燥、加熱脱脂処
理を経た後、所定の強度を有する成形体を得るため焼成
される。焼成条件としては、不活性雰囲気中や大気中、
７００℃以上が好ましいが、大気中の場合、１１００℃
以上の温度で焼成した場合、炭化珪素が酸化し得られる
複合体の熱伝導率が低下するので、少なくともこの温度
以下で焼成することが好ましい。

【００２１】アルミニウムやアルミニウム合金の前記プ
リフォームへの含浸は、いわゆる溶湯鍛造法やダイカス
ト法が採用できる。溶湯鍛造法の場合、製品形状を持つ
湯口付きの型内にプリフォームを充填し、更にこれをプ
レス凹型内にセットし、アルミニウムまたはアルミニウ
ム合金の溶湯を前記凹型内に注入し、凸型で密閉し、プ
レスした後、前記溶湯を冷却固化してブロック状とす
る。冷却後、前記ブロックから製品形状のアルミニウム
−炭化珪素質複合体を得るものであり、前記湯口付き型
の形状を工夫して、多数のアルミニウム−炭化珪素質複
合体を得ることもできる。ダイカスト法は、プリフォー
ムを製品形状のキャビティーを有する金型内にセット
し、型締めを行ったのち、アルミニウムまたはアルミニ
ウム合金を高速注入し、複合体を得る方法である。

【００２２】なお、含浸で発生する引けスの発生防止の
ために、貫通孔を開ける部位に、予め炭化珪素以外の無
機物、たとえばアルミナ繊維等を充填した成形体を使用
し、含浸することが好適に行われる。この際、使用する
無機物はアルミニウムまたはその合金との反応性が低い
ことが望ましく、また、その充填率は使用する無機物に
より異なるが、通常３０体積％以下が好ましい。充填率
を高くすると、この部分が硬くなるため、後の貫通孔加
工時に負担がかかるためである。

【００２３】プリフォームへのアルミニウム又はアルミ
ニウム合金の溶湯を含浸させる場合、前記いずれの方法
においても、プリフォームは含浸前に加熱されているこ
とが好ましい。これは、含浸途中において、成形体内で
溶融したアルミニウムまたはアルミニウム合金が含浸不
十分のままに固化することを防ぐためである。好適な加
熱温度は、使用するアルミニウム合金の組成や成形体の
大きさ・形状等により実験的に決められるが、本発明者
の検討結果に拠れば、５５０℃以上に加熱しておくこと
が好ましい。また、含浸する溶融アルミニウムまたはそ
の合金の溶湯温度も実験的に決められるが、通常７５０
℃以上が好ましい。

【００２４】

【実施例】〔実施例１〕平均粒径が１００μｍの炭化け
い素粉末（大平洋ランダム社製）６５質量部と平均粒径
が１３μｍの炭化けい素粉末（大平洋ランダム社製）３
５質量部とを混合し、水を９質量部、コロイダルシリカ
溶液（日産化学社製、商品名スノーテックスＯ）を１２
質量部ならびに減水剤（グレースケミカルズ社製、商品
名スーパー２００）を３質量部、さらには増粘剤を０．
５質量部（ビックケミー・ジャパン社製商品名ＢＹＫ
−Ｐ１０４Ｓ）添加し、十分に攪拌混合し、スラリーを
作製した。

【００２５】前記スラリーを、真空攪拌脱泡機にて脱泡
後、長さが１２０ｍｍで幅が７０ｍｍのキャビティー
（但し、４隅が１５ｍｍサイズで残っている）を有し、
前記キャビティー表面に配置され、しかも外部から真空
引きできる構造の吸水スリットを有しいる凹型内に充填
し、その後、凸型を載せ、真空引きを行いながら総荷重
５０００Ｋｇ重（４．９×１０⁸Ｐａ）下で成形後脱型
して、厚み３ｍｍの成形体を得た。前記成形体を１２０
℃で乾燥後、８００℃にて２時間、空気中で焼成して、
プリフォームを得た。前記プリフォームは、重量及び寸
法測定から、相対密度を算出した。

【００２６】次に、前記プリフォームを、外形が１４０
ｍｍ×９０ｍｍ×６ｍｍで、片面に１２０ｍｍ×７０ｍ
ｍ×３ｍｍのキャビティーをもち、さらに前記７０ｍｍ
の辺から垂直方向に外部に向けて幅１５ｍｍ、深さ２ｍ
ｍの湯口となる溝を有し、かつ前記６ｍｍの厚み部分
で、その厚み方向にボルト止め用の穴を４つ有するステ
ンレス製の型内にセットした。この際、型と成形体にで
きる４隅の空隙部には、アルミニウム質短繊維を充填し
た。次に、この上に、厚さ３ｍｍで前記のキャビティー
を有する型の穴位置に対応する穴を有するステンレス製
の板を載せ、ボルトにて固定して、一つのブロックとし
た。なお、予めキャビティーを有する型及びステンレス
製板には、含浸後の成形体の離型性をよくするため、カ
ーボン粉末を塗布した。

【００２７】前記ブロックを、６００℃で１時間加熱し
た後、すぐに含浸用の容器内にセットし、８５０℃の溶
融アルミニウム合金（シリコンを１２質量％、マグネシ
ウムを０．５質量％含有する）を前記ブロックが隠れる
まで注入し、容器をピストン状の凸型にて密閉し、前記
ピストンを押圧することで前記溶融アルミニウム合金を
加圧した。冷却後、アルミニウム（Ａｌ）合金に包まれ
たブロックを脱型し、ブロックを覆うアルミニウム合金
を除くことで、ブロックを解体し、アルミニウム合金と
炭化珪素とからなる１２０ｍｍ×７０ｍｍ×３ｍｍの平
板状のアルミニウム−炭化珪素質複合体を取り出した。
前記複合体の主面の４隅に、周囲から７．５ｍｍの位置
に中心のある、直径７．５ｍｍの貫通孔を機械加工にて
形成し、図２に示した形状の複合体とした。

【００２８】前記の手順により複合体を５枚作製し、各
複合体をそれぞれを、４隅に直径７．５ｍｍの穴を設け
てある大きさ１２０ｍｍ×７０ｍｍ×１０ｍｍのアルミ
ニウム板に、ボルトとナットを用いて締めて固定した。
この際、トルクレンチにて締め付けトルクを、４、８、
１０、１２及び１５Ｎｍとした。次に、−４０℃、３０
分間と１２５℃、３０分間の熱サイクルに３００回かけ
たのち、アルミニウム板との固定を解除し、複合体の４
隅を超音波探傷機にて測定することで、欠陥の発生有無
を調べた。この結果を表１に示す。

【００２９】

【表１】

【００３０】〔実施例２〕使用した炭化けい素粉末とし
て平均粒径６０μｍのものを５５質量部とし、１３μｍ
のものを４５質量部としたこと、アルミニウム合金とし
てシリコンを０．１質量％、マグネシムを１．５質量％
含んでいること、さらに、プリフォームとして、図３に
例示したとおりに、長辺部にＵ字状に除いた部分を形成
し、この部分に穴を形成したこと、大きさが１３０ｍｍ
×８０ｍｍであり、貫通孔の中心位置が長辺より７ｍｍ
であり、Ｕ字部の深さが１２ｍｍであり、幅が１０ｍｍ
であり、同じ長辺上の隣り合う貫通孔の中心間距離が４
５ｍｍであること以外は、すべて実施例１と同じ方法で
複合体を作製し、評価も実施例１と同じ方法で行った。
この結果を表１に示す。

【００３１】〔実施例３〕使用した炭化けい素粉末とし
て平均粒径１００μｍのものを７５質量部とし、１３μ
ｍのものを２５質量部としたこと、アルミニウム合金が
シリコンを１８質量％、マグネシムを０．１質量％含ん
でいること以外は、すべて実施例１と同じ方法で複合体
の作製並びに評価を行った。結果を表１に示す。

【００３２】〔比較例１〕長方形タイプのキャビティー
を有する型で成形したこと、焼成後のプリフォームの４
隅に機械加工にて直径９ｍｍの貫通孔を形成したこと、
さらに形成した孔にはアルミニウム質短繊維を充填し、
複合体のこの部分に直径７．５ｍｍの貫通孔を形成した
こと以外は、実施例１と同じ方法で複合体を作製し、評
価を行った。この結果を表１に示す。

【００３３】〔比較例２〕長方形タイプのプリフォーム
を作製したこと、プリフォームの長辺に沿って直径９ｍ
ｍの貫通孔を機械加工にて設けたこと以外は、すべて実
施例２と同じ方法にて、図３に示す形状の複合体を作製
し、評価を行った。この結果を表１に示す。

【００３４】〔比較例３〕形状として長方形タイプのキ
ャビティーを有する型で成形したこと、焼成後のプリフ
ォームの４隅に機械加工にて直径９ｍｍの貫通孔を形成
したこと、さらに形成した孔にはアルミニウム質短繊維
を充填し、複合体のこの部分に直径７．５ｍｍの貫通孔
を形成したこと以外は、実施例１と同じ方法で複合体を
作製し、評価を行った。この結果を表１に示す。

【００３５】

【発明の効果】本発明の放熱部品は、他の部品にネジ止
め固定するための貫通孔の部分が高靱性化されるよう
に、この部分にアルミニウム−炭化珪素質複合材部分を
存在させていない構造を有しているので、放熱フィン等
の他の放熱部品や製品外枠等の他の部品にネジ止めする
際やネジ止め後の実使用時においてもクラックや割れ等
の破損が抑制されている特徴を有しており、パワ−モジ
ュ−ル等に使用されて高い信頼性を示すことができ、産
業用非常に有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来公知の放熱部品の平面図と断面図。

【図２】本発明の放熱部品の一例を示す平面図と断面
図。

【図３】本発明の放熱部品の他の一例を示す平面図。

【符号の説明】

１貫通孔２アルミニウム−炭化珪素質複合体３アルミニウム又はアルミニウム合金

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】炭化珪素成形体にアルミニウム又はアルミ
ニウム合金を含浸してなり、その少なくとも一部表面に
前記アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層
を有する平板状の放熱部品であって、他の部品への取り
付け用孔部を前記平板の主面に有しており、しかも前記
孔部が前記炭化珪素成形体に取り囲まれないように設け
られていることを特徴とする放熱部品。
【請求項２】前記孔部を形成している金属層が、前記炭
化珪素成形体とは異なる無機物質を含有することを特徴
とする請求項１記載の放熱部品。
【請求項３】アルミニウム合金が０．１〜１．５質量％
のマグネシウムと０．１〜１８質量％のシリコンを含む
ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の放熱部
品。
【請求項４】表面全体がアルミニウム又はアルミニウム
合金からなる金属層を有することを特徴とする請求項
１、請求項２又は請求項３記載の放熱部品。
【請求項５】炭化珪素成形体の相対密度が５５〜７５％
であることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３
又は請求項４記載の放熱部品。