JP2004344958A

JP2004344958A - 炭素アルミニウム複合材料または炭化珪素アルミニウム複合材料に金属を接合したハイブリッド材料および該ハイブリッド材料を用いた熱交換器用部品

Info

Publication number: JP2004344958A
Application number: JP2003147043A
Authority: JP
Inventors: Noriaki Kawamura; 憲明川村; Kazuaki Katagiri; 一彰片桐; Takao Hase; 隆雄長谷
Original assignee: Sumitomo Precision Products Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Precision Products Co Ltd
Priority date: 2003-05-23
Filing date: 2003-05-23
Publication date: 2004-12-09

Abstract

【課題】炭素とアルミニウムとの複合材料または炭化珪素とアルミニウムとの複合材料に金属を接合したハイブリッド材料および該ハイブリッド材料を用いた熱交換器部品（ヒートシンク）を提供する。
【解決手段】複合材料２に使用するアルミニウム合金１をアルミニウムろう材またはアルミニウム用ろう付け合金またははんだ合金とすることにより、接合界面を薄くかつ複合材料表面に直接金属構造体を接合することができる。これにより、熱交換性能および放熱性能が高く、熱膨張率が低い部品材料の製造が可能となる。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ハイブリッド材料に関するものであり、さらに詳しくは、炭素アルミニウム複合材料または炭化珪素アルミニウム複合材料の表面に金属を接合してなるハイブリッド材料に関するものであり、特に、半導体素子または電子機器の放熱部品、自動車および航空宇宙機器用等の熱交換器用部品及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、炭素材料とアルミニウムからなる複合材料とアルミニウム等の金属との接合には樹脂製接着剤を使用するかまたは複合材料をメッキ等の方法で金属表面処理し、厚いはんだまたはろう材の接合層を介して接合する方法が採用されている。その理由は、炭素複合材料に表出する炭素が樹脂にはぬれ易いが、金属にぬれないため、炭素面を金属で覆わないと実用に耐える強度のある接合ができないためである。また、接合層を厚くする理由は、複合材料と金属との熱膨張率の差から生じる熱応力を分散し、接合層の破壊または疲労破壊を避けるためである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、熱膨張率が大きく異なる複合材料と、例えばフィン等の金属構造体を接合するためには、従来、熱伝導率の低い樹脂またははんだ、ろう材の接合層を厚くして接合する必要があった。このため、複合材料と金属からなる部品全体の熱伝導率が、低くなるという問題があり、かかる熱伝導率の低下を抑制できる複合材料の開発が切望されてきた。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
従って、本発明者らは、前記問題点の解決のため鋭意検討を重ねたところ、アルミニウムを含む複合材料のアルミニウム合金をろう材に準じた成分とすることにより、複合材料表面の接合層を薄くし、かつ複合材料表面に直接金属構造体を接合することができ、このことにより、界面の熱抵抗を下げ、かつ、全アルミ合金製よりも軽量で熱効率の良い熱交換器部品（ヒートシンクを含む）を製造できることを見い出し、かかる知見に基づいて本発明の完成に到達した。
【０００５】
かくして、本発明によれば、
炭素とアルミニウムの複合材料または炭化珪素とアルミニウムの複合材料の表面に直接金属を接合してなることを特徴とするハイブリッド材料
が提供される。
【０００６】
また、本発明によれば、
前記ハイブリッド材料を用いてなることを特徴とする熱交換器用部品
が提供される。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について具体的にさらに説明する。
本発明のハイブリッド材料において、用いられる複合材料の炭素またはセラミックスの体積比率は、概ね５０％以上、特に５０％から８０％、アルミニウムの比率は、２０％以上、特に２０％から５０％が望ましい。アルミニウムの比率が大きくなると熱膨張率が１５ｐｐｍ／℃を超え、電子部品としては不適切となり、一方、２０％以下の材料は、表出するアルミニウム面が少ないため良好な接合ができないという難点がある。
【０００８】
実施例−１
炭素・アルミ（純アルミニウム）、炭素・アルミ（１２Ｓｉ）、炭素・アルミ（ＪＩＳＺ３２６３、ＢＡＳ２３１Ｐ）、炭化珪素・アルミ（純アルミニウム）炭化珪素・アルミ（ＢＡＳ２３１Ｐ）からなる複合材基板とアルミ合金板（ＪＩＳＨ４０４０、３００３）を、厚み方向に切込みを入れたブレージングシートを介し、真空ブレージング法により接合した。ろう付け温度は５７０℃とした。その結果、炭素・アルミ材料基板、５０×５０×２．５ｔｍｍに３ｔｍｍのアルミ板をロウ付けした製品の対角において０．３ｍｍの反りに抑え、接合することができた。一方、切込みを入れない場合は０．４５ｍｍの反りで、かつ端部に剥がれが生じた。同サイズの炭化珪素・アルミの場合は、それぞれ０．２ｍｍ、０．４４ｍｍの反りで、端部に剥がれが生じた。図１参照。さらに、両面にアルミ合金板を接合した場合には、反りは生じなかった。
【０００９】
実施例−２
炭素・アルミ（純アルミニウム）、炭素・アルミ（１２Ｓｉ）、炭素・アルミ（ＪＩＳＺ３２６３、ＢＡＳ２３１Ｐ）、炭化珪素・アルミ（純アルミニウム）炭化珪素・アルミ（ＢＡＳ２３１Ｐ）からなる複合材基板とアルミ合金板（ＪＩＳＨ４０４０、３００３）を、それぞれブレージングシートを介して接合し、せん断強度試験を実施した（ろう付け温度は５７０℃）。強度試験結果を表１に示す。強度試験機は、今田製作所製ＳＶ−２０１型引張圧縮試験機を用い、変位速度は０．０６ｍｍ／ｍｉｎとした。
【００１０】
【表１】

【００１１】
実施例−３
炭素・アルミ（純アルミニウム）、炭素・アルミ（１２Ｓｉ）、炭素・アルミ（ＪＩＳＺ３２６３、ＢＡＳ２３１Ｐ）からなる複合材基板とアルミ合金（ＪＩＳＨ４０４０、３００３）製フィンを、それぞれブレージングシートを介して接合した。ろう付け温度は５７５℃とした。図２参照。試験片の形状は、正方形基板；６０×６０ｍｍ、厚さ；２．５ｍｍの上に、フィン、高さ；１０．４ｍｍ、フィンピッチ；１．７ｍｍ、板厚；０．２５ｍｍとした。試験片中央；１０×１０ｍｍの範囲に２９Ｗの熱を入力し、熱抵抗値を測定した。測定結果を表２に示す。
【００１２】
【表２】

（注）リファレンスとして、全アルミ製品、炭素・アルミ（１２Ｓｉ）基板表面をニッケルメッキし、鉛・錫共晶はんだ厚み０．０５〜０．１ｍｍでニッケルメッキしたアルミフィンをつけた製品、または従来法の複合材表面をニッケルでメタライズしてはんだ接合した製品の熱抵抗値を測定した。その結果、炭素・アルミ複合材品の熱抵抗値は、それらよりも小さくなり、また、製品重量も軽減できた。
【００１３】
【発明の効果】
（１）従来は、炭素とアルミニウムとの複合材料または炭化珪素とアルミニウムの複合材料に金属を接合する場合、メッキ等でＮｉ等の金属を被覆した後、ろう付けまたははんだ付けをしていたが、複合材料にブレージングシートを介して直接アルミニウムを接合できる方法及び条件を見出した。
（２）アルミニウムとアルミニウムを含む複合材料との接合強度を、複合材料に含浸するアルミニウムとして１２ＳｉまたはＪＩＳＡＣ４ＣＨ材等の低融点アルミニウム合金を用いることによりはんだ接合より接合強度を高くすることができた。
（３）熱膨張率が複合材料６〜８ｐｐｍ／℃に対し、アルミニウム２３ｐｐｍ／℃と異なり、反りが生じるが、アルミニウムに適切な切れ目を入れることにより、反りの小さな接合部品を製造することができた。
（４）複合材料とフィン等のアルミニウム製放熱部品を直接接合することにより、複合材料に金属を被覆しはんだ付け等で放熱部品を取り付けた製品より放熱効率の高い製品製造が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る複合材基板にアルミニウムブレージングシートを接合したハイブリッド材料の一例を示す模式図である。
【図２】本発明に係る複合材基板にアルミニウムブレージングシートを介してフィンを接合したハイブリッド材料の他の例を示す模式図である。
【符号の説明】
１ブレージングシート
２複合材
３フィン

Claims

炭素とアルミニウムの複合材料または炭化珪素とアルミニウムの複合材料の表面に直接金属を接合してなることを特徴とするハイブリッド材料。
前記複合材料の金属比率が、体積で５０％未満である請求項１に記載のハイブリッド材料。
前記複合材料の熱膨張率が、１５ｐｐｍ／℃以下である請求項１または２に記載のハイブリッド材料。
前記複合材料の熱伝導率が、１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上である請求項１ないし３のいずれかの請求項に記載のハイブリッド材料。
前記金属が、アルミニウム、銅もしくは銀またはそれらの合金である請求項１ないし４のいずれかの請求項に記載のハイブリッド材料。
前記金属の熱膨張率による反りの低減手段が、該金属の少なくとも一部分に設けられた薄い部分または切込み部分である請求項１に記載のハイブリッド材料。
請求項１のハイブリッド材料を用いてなることを特徴とする熱交換器用部品。