JP2008311632A - 放熱部材及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】金属板の一面に、この金属板を構成する金属よりも液相線温度が低い低融点金属からなる接合層を形成する。この金属板を鋳型に配置し、溶融した金属マトリクスにセラミックス粒子を混合した混合溶湯をこの鋳型に注湯する。そして、混合溶湯を凝固させて複合部材を形成すると共に、混合溶湯により接合層を溶融して複合部材と金属板とを接合して金属層を形成し、複合部材の一面に金属層を具える放熱部材を得る。接合層を形成した金属板を利用することで、鋳型の温度を低くすることができ、放熱部材の生産性を向上することができる。
【選択図】図1
Description
従来、金属板と複合材料からなる基材とを鋳ぐるみにより接合する場合、鋳型を650℃程度に加熱した状態で使用することがある。この場合、鋳型の加熱時間が長くなり、放熱部材の生産性が低下する。また、加熱状態の維持や管理も手間である。更に、鋳型を高温にするためのエネルギーが多量に必要である、加熱状態を維持するために大掛かりな保温設備が必要である、鋳型の熱劣化が著しいため頻繁に交換が必要である、といったことから生産コストも高くなり易い。
1. 金属板の一面に接合層を形成する工程。接合層は、前記金属板を構成する金属よりも液相線温度が低い低融点金属で形成する。
2. 溶融した金属マトリクスにセラミックス粒子を混合した混合溶湯を準備する工程。
3. 上記接合層を有する金属板を鋳型に配置する工程。金属板は、接合層が溶湯に接することができるように鋳型に配置する。
4. 上記金属板を配置した鋳型に上記混合溶湯を注湯し、混合溶湯を凝固させて複合部材を形成すると共に、混合溶湯により接合層を溶融して複合部材と金属板とを接合する工程。
本発明製造方法は、溶製法により複合部材を形成する。即ち、本発明製造方法は、複合部材のうち主として金属マトリクスを構成する金属の溶湯に、複合部材中に分散させるセラミックス粒子を混合して混合溶湯を作製し、この混合溶湯を鋳型に注湯した後、冷却して凝固させることで、複合部材を形成する。複合部材は、放熱部材の本体を形成することから、熱伝導性に優れると共に、半導体素子などの搭載部品と熱膨張係数ができるだけ近いことが望まれる。このような要求を満たすために、上記金属マトリクスを構成する金属は、純アルミニウム(以下、単にアルミニウムと呼ぶ)、アルミニウム合金、純マグネシウム(以下、単にマグネシウムと呼ぶ)、及びマグネシウム合金から選択される一種が好ましい。
1.質量%でSiを5〜40%,Niを1〜20%,Mgを0.01〜5%含有し、残部がAl及び不純物。例えば、Al-20%Si-9%Ni-0.6%Mg(質量%)が挙げられる。
2.質量%で、Siを2〜20%,Mgを0.01〜5%,Tiを0.01〜5%含有し、残部がAl及び不純物。例えば、Al-9%Si-0.6%Mg-0.15%Ti(質量%)が挙げられる。
3.質量%で、Siを10〜30%,Cuを0.5〜10%,Mgを0.01〜5%,Feを0.01〜5%含有し、残部がAl及び不純物。例えば、Al-15%Si-4.2%Cu-0.6%Mg-0.3%Fe(質量%)が挙げられる。
4.質量%で、Siを0超〜0.6%,Feを0超〜0.7%,Cuを0.05〜0.20%,Mnを1.0〜1.5%,Znを0超〜0.1%含有し、残部がAl及び不純物。
例えば、Al-0.6%Si-0.7%Fe-0.1%Cu-1.0%Mn-0.10%Zn(質量%)が挙げられる。このようなアルミニウム合金として、JIS合金番号3003相当のアルミニウム合金が挙げられる。
5.質量%で、Siを9.0〜10.5%,Feを0超〜0.8%,Cuを0超〜0.25%,Mnを0超〜0.10%,Mgを1.0〜2.0%,Znを0超〜0.20%含有し、残部がAl及び不純物。
例えば、Al-10%Si-0.8%Fe-0.25%Cu-0.10%Mn-1.5%Mg-0.20%Zn(質量%)が挙げられる。このようなアルミニウム合金として、JIS合金番号4004相当のアルミニウム合金が挙げられる。
上記金属マトリクスにセラミックス粒子を分散させて、金属マトリクスのみの場合よりも熱膨張係数を小さくする。セラミックス粒子は、金属マトリクスよりも熱膨張係数が小さいものが利用でき、特に、炭化珪素(SiC)からなる粒子は、熱膨張係数が小さく、熱伝導性にも優れるため好ましい。その他のセラミックス粒子は、酸化アルミニウム(Al2O3)、窒化珪素(Si3N4)、硼化チタン(TiB2)、酸化珪素(SiO2)、酸化ベリリウム(BeO)、窒化アルミニウム(AlN)が挙げられる。これらセラミックス粒子は、いずれか1種でもよいし、2種以上を組み合わせてもよい。
複合部材中の含有量が所望の量となるようにセラミックス粒子の量を調整して、溶融した金属マトリクス(以下、金属溶湯と呼ぶ)にセラミックス粒子を添加して撹拌し、混合溶湯を作製する。金属溶湯を完全に液相状態として撹拌してもよいが、半溶融状態で撹拌を行うと、短時間で均一的にセラミックス粒子を溶湯中に分散できる。撹拌は、大気圧雰囲気で行ってもよいが、真空雰囲気で行うと、ボイドが生じ難く、良好な表面性状の複合部材が得られる。撹拌は、撹拌羽根などを利用して、溶湯中にセラミックス粒子が均一的に分散されるように十分に行うことが好ましい。
上記混合溶湯は、接合層(後述)が溶融可能な温度に調整して、鋳型に注湯する。鋳型は、複合部材の形状に応じて適宜選択する。複合部材は、直方体状が代表的な形状である。直方体の少なくとも一面側にフィン部を有する複合部材としてもよい。フィン部を具えた複合部材は、放熱性をより高められる。フィン部は、複数の薄い板状片が間隔をあけて並列された形状が代表的である。その他、複数の棒状片が間隔をあけて、例えば縦横に並列された形状のフィン部とすると、表面積がより増加するため、放熱効率を高められると考えられる。フィン部を具えた複合部材は、所望の形状のフィン部形成箇所を有する鋳型を利用することで形成できる。
上記鋳型には、金属板を配置して、複合部材の表面の少なくとも一部に金属板(金属層)が接合された放熱部材を作製する。金属板は、混合溶湯を鋳型に注湯している際に溶解せずに形状を保持する必要があるため、比較的液相線温度が高い金属からなるものが利用できる。かつ、金属板は、放熱部材の一部を構成することから熱伝導性に優れる金属が利用できる。例えば、アルミニウム、マグネシウム、銅、ニッケル、銀、金、及びこれらの合金から選択される1種が挙げられる。特に、金属板を構成する金属は、複合部材の金属マトリクスを構成する金属と同じ、或いは主成分が同じであると、熱特性が同程度になるため好ましい。例えば、金属マトリクスをアルミニウム又はアルミニウム合金とする場合、金属板もアルミニウム又はアルミニウム合金(添加元素が金属マトリクスと異なるものでも良い)とすることが好ましい。
上記金属板において混合溶湯と接する側の面に、接合層を設ける。接合層の形成材料は、金属板よりも液相線温度が低く、混合溶湯を鋳型に注湯したとき、混合溶湯に接触して十分に溶融する金属が望まれるため、金属板の液相線温度との差が10℃以上、特に50℃以上であるものが好ましい。但し、上記液相線温度の差が大き過ぎると、注湯時に接合層の形成材料が速やかに溶解して、注湯時の圧力(混合溶湯の流れる勢い)により撹拌・散乱されて、接合層として機能することが困難となると考えられる。したがって、上記液相線温度の差は、300℃以内、特に250℃以内、更に100℃以内が好ましい。
金属板に接合層を設けたら、接合層を設けた側が混合溶湯に接触できるように金属板を鋳型に配置し、この状態で混合溶湯を注湯する。本発明製造方法は、金属板に接合層を設けたことで混合溶湯により接合層が溶融するため、鋳型の温度を室温以上650℃未満、特に550℃未満、更には300℃未満といった比較的低温としても、金属板と複合部材とを十分に接合できる。また、溶製法は、後述するように複合部材中に晶析出物を存在させることができることからセラミックス粒子を過剰に添加させなくてもよい。そのため、溶製法は、混合溶湯が流動性に優れることから、比較的低温の鋳型にも混合溶湯を十分に充填できる。従って、本発明製造方法は、従来の鋳ぐるみのように650℃程度に加熱した状態で鋳型を使用することがなく、鋳型の加熱時間を短縮することができ、放熱部材の生産性の向上を図ることができる。また、本発明製造方法は、高温加熱のためのエネルギーの低減、高温加熱による鋳型の損傷の低減も図ることができる。
鋳型に混合溶湯を注湯すると、接合層は、混合溶湯の熱により溶融して、混合溶湯の構成元素と、金属板の構成元素とが接合層に拡散する。同時に混合溶湯は、鋳型や金属板などに接触することで冷却されて凝固していき、複合部材が形成されていく。また、鋳型に混合溶湯を充填したら鋳型を冷却して、混合溶湯を完全に凝固させて複合部材を完成させる。この溶融・拡散と凝固とにより、金属板と複合部材とが接合され、複合部材の表面の一部に金属層を有する放熱部材が形成される。
本発明製造方法は、溶製法とすることで、得られた複合部材中に晶析出物を存在させることができる。この晶析出物は、セラミックス粒子と同様に複合部材の熱膨張係数を小さくする機能を果たす。そのため、本発明製造方法は、セラミックス粒子を過剰に添加しなくても、複合部材の熱膨張係数を小さくできる。また、晶析出物は、溶湯中の元素から生じ、混合溶湯中では、液相として存在する。そのため、本発明製造方法は、セラミックス粒子を大量に添加した場合と比較して、混合溶湯の粘度の上昇を抑制でき、溶湯の撹拌を容易にかつ十分に行えて、製造性がよい。加えて、本発明製造方法は、ボイドの発生やセラミックス粒子の偏在などが生じ難く、高品質の複合部材を具える放熱部材を製造できる。
本発明製造方法により得られた放熱部材は、金属マトリクス中にセラミックス粒子が分散された複合部材と、この複合部材の表面の少なくとも一部に設けられた金属層とを具え、複合部材と金属層との間の少なくとも一部に中間層を有する。金属層は、上記金属板により形成される層である。中間層は、基本的には、金属板に形成した接合層が溶融してなる接合層に基づく層であり、接合層と同じ組成からなる領域、即ち、金属層を構成する金属よりも液相線温度が低い材料(金属)からなる低融点領域を有する。但し、金属板に形成した接合層は、溶融時に、金属板からの元素や金属マトリクスからの元素が拡散することで組成が変化する。つまり、放熱部材において金属層と複合部材との間には、接合層の組成と異なる領域(金属中の原子拡散領域)を有し得る。そこで、本発明放熱部材は、接合層と同じ組成を有する低融点領域と拡散領域とを含む中間層を具えることを許容する。究極的には、中間層は、拡散領域のみからなることが好ましい。つまり、中間層は、1.上記接合層と同じ組成を有する部分、つまり、拡散領域が無い、或いは拡散領域が非常に薄く存在を確認できない部分、2.上記1.と拡散領域とからなる部分、3.拡散領域からなる部分の少なくとも一つから構成される。中間層の組成は、例えば、EPMA分析により測定することができる。
アルミニウム合金からなるマトリクス中に炭化珪素粒子が分散された複合部材の一面にアルミニウム層を具える放熱部材を以下の手順で作製し、得られた放熱部材について、複合部材とアルミニウム層との接合状態を調べた。
接合層の組成を上記実施例1と異ならせた放熱部材を作製し、得られた放熱部材について、複合部材とアルミニウム層との接合状態を調べた。
接合層を形成していないアルミニウム板を用いて上記実施例1と同様にして放熱部材を作製し、得られた放熱部材について、複合部材とアルミニウム板との接合状態を調べた。
接合層の形成方法を上記実施例1と異ならせた放熱部材を作製し、得られた放熱部材について、複合部材とアルミニウム合金層との接合状態を調べた。
Claims (9)
- 金属マトリクス中にセラミックス粒子が分散された複合部材と、この複合部材の表面の少なくとも一部に設けられた金属層とを具える放熱部材であって、
前記複合部材と金属層との間の少なくとも一部に中間層を有しており、
前記中間層は、前記金属層を構成する金属よりも液相線温度が低い材料からなる低融点領域を具えることを特徴とする放熱部材。 - 金属マトリクスは、アルミニウム又はアルミニウム合金からなり、
セラミックス粒子は、炭化珪素からなる粒子を含み、
金属層は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなることを特徴とする請求項1に記載の放熱部材。 - 金属層は、アルミニウムからなり、
低融点領域は、アルミニウムシリコン、又はアルミニウム亜鉛からなることを特徴とする請求項1又は2に記載の放熱部材。 - 複合部材は、金属層が設けられていない側にフィン部を具えることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の放熱部材。
- 金属マトリクス中にセラミックス粒子が分散された複合部材の表面の少なくとも一部に金属板を接合して金属層を形成し、複合部材と金属層とを具える放熱部材を製造する放熱部材の製造方法であって、
金属板の一面に、この金属板を構成する金属よりも液相線温度が低い低融点金属からなる接合層を形成する工程と、
溶融した金属マトリクスにセラミックス粒子を混合した混合溶湯を準備する工程と、
前記接合層を有する金属板を、接合層が前記混合溶湯に接することができるように鋳型に配置する工程と、
前記金属板を配置した鋳型に前記混合溶湯を注湯し、混合溶湯を凝固させて複合部材を形成すると共に、混合溶湯により接合層を溶融して複合部材と金属板とを接合する工程とを具えることを特徴とする放熱部材の製造方法。 - 接合層は、溶射により形成することを特徴とする請求項5に記載の放熱部材の製造方法。
- 接合層の形成は、前記低融点金属からなる接合層用板を用意し、この接合層用板と金属板とを圧延することで行うことを特徴とする請求項5に記載の放熱部材の製造方法。
- 混合溶湯の注湯は、鋳型を80℃以上550℃未満に加熱した状態で行うことを特徴とする請求項5〜7のいずれか1項に記載の放熱部材の製造方法。
- 混合溶湯は、加圧状態で鋳型に注湯することを特徴とする請求項5〜8のいずれか1項に記載の放熱部材の製造方法。
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