JP2009270149A - アルミニウム多孔質体及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱伝導率を必要とする熱部位部材同士の緩衝材として有用な熱応力緩和機能を有する、高熱伝導率及び低ヤング率が得られるアルミニウム多孔質体及びその製造方法を提供する。
【解決手段】純度９９．０％以上で、平均粒径が１０〜４０μｍであるアルミニウム粉末を室温で加圧成形し、加圧成形された成形体を１００〜４５０℃にて真空脱ガス処理し、更に、焼結が進行する５００〜６００℃の高温でアルミニウム多孔質体を作製する。作製された多孔質体は、熱伝導率が、相対密度で７０〜９８％の範囲の場合５０〜２３０Ｗ／（ｍ・Ｋ），ヤング率が、相対密度で７０〜９８％の範囲の場合１５〜７３ＧＰａである。
【選択図】図１

Description

この発明は、アルミニウム多孔質体及びその製造方法に関するものである。

従来、アルミニウム（アルミニウム合金を含む）粉末に熱硬化性樹脂系接着剤を配合してアルミニウム多孔質体を得ることが試みられている（例えば、特許文献１）。

この種のアルミニウム多孔質体を得るには、平均比表面積が０．１０〜０．５０ｍ2／ｇのアルミニウム粉末に対して、１．６〜１９．２重量％（質量％）の熱硬化性樹脂系接着剤を配合して混合した混合物を圧力５０〜３００ｋｇ／ｃｍ2、１〜１０分間プレス成形し、その後に予備加圧し、更に１２０℃〜２００℃、１〜５時間熱処理して前記接着剤を硬化させる。

上記のようにして作製されたアルミニウム多孔質体は、例えば気体，液体等のフィルタや吸音板等に利用されている。
特開平９−１９９６６号公報（特許請求の範囲、段落０００５，０００８、図１，図５，図６）

しかしながら、特許文献１に記載のアルミニウム多孔質体は、気体，液体等のフィルタや吸音板等に利用されるため、熱の影響を受ける部品や装置等例えば各種電子モジュール部品において考慮される熱伝導率やヤング率等については言及されていない。

また、特許文献１記載の製造方法においては、アルミニウム粉末に熱硬化性樹脂系接着剤を配合した混合物をプレス成形し、予備加熱した後、熱処理して接着剤を硬化させるため、製造工程が多くなるという問題があった。

この発明は、上記事情に鑑みてなされたのもので、熱伝導率を必要とする熱部位部材同士の緩衝材として有用な熱応力緩和機能を有する、高熱伝導率及び低ヤング率が得られるアルミニウム多孔質体及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、純度９９．０％以上のアルミニウム粉末の固化助剤を含まない固化成形材であって、室温での熱伝導率が、相対密度で７０％から７５％の範囲の場合５０〜６９Ｗ／（ｍ・Ｋ）、相対密度７６％から８０％の範囲の場合６２〜８４Ｗ／（ｍ・Ｋ）、相対密度８１％から８５％の範囲の場合７５〜９３Ｗ／（ｍ・Ｋ）、相対密度で８６％〜９０％の範囲の場合８９〜１ ３ ５Ｗ／ （ｍ・Ｋ）、相対密度で９１％〜９５％の範囲の場合１３０〜１７８Ｗ／（ｍ・Ｋ）、相対密度で９６％〜９８％の範囲の場合１７０〜２３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、であることを特徴とする。

ここで、アルミニウムとはアルミニウム合金を含む意味である。また、ここで、アルミニウム粉末の純度を９９．０％以上としたのは、この範囲の下限を外れると、熱伝導率が著しく低下するからである。

また、請求項２記載の発明は、請求項１記載のアルミニウム多孔質体において、純度９９．０％以上のアルミニウム粉末の固化助剤を含まない固化成形材であって、室温でのヤング率が、相対密度で７０％から７５％の範囲の場合１５〜２８ＧＰａ、相対密度７６％から８０％の範囲の場合２５〜３４ＧＰａ、相対密度８１％から８５％の範囲の場合３０〜３９ＧＰａ、相対密度で８６％〜９０％の範囲の場合３５〜４５ＧＰａ、相対密度で９１％〜９５％の範囲の場合４２〜５９ＧＰａ、相対密度で９６％〜９８％の範囲の場合５４〜７３ＧＰａ、であることを特徴とする。

また、請求項３記載の発明は、請求項１又は２に記載のアルミニウム多孔質体において、上記アルミニウム粉末の平均粒径が１０〜４０μｍであることを特徴とする。

ここで、アルミニウム粉末の平均粒径を１０〜４０μｍとしたのは、平均粒径を４０μｍより大きい、例えば４５〜１００μｍとした場合に比べ、多孔質体の密度のバラツキが少ないからである。また、平均粒径が１０μｍ未満では、アルミニウム粉末が高価であり、また酸化皮膜が強固に存在することから焼結性及び熱伝導性を妨げる要因となる。更に、凝集が起こり粉末を均一に充填することが容易ではないからである。

また、請求項４記載の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載のアルミニウム多孔質体の製造方法であって、純度９９．０％以上で、平均粒径が１０〜４０μｍであるアルミニウム粉末を室温で加圧成形し、加圧成形された成形体を１００〜４５０℃にて真空脱ガス処理し、更に、焼結が進行する５００〜６００℃の高温で多孔質体を作製することを特徴とする。

また、請求項５記載の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載のアルミニウム多孔質体の製造方法であって、純度９９．０％以上で、平均粒径が１０〜４０μｍであるアルミニウム粉末を成形型中に充填し、圧力２０ＭＰａ以上で圧縮し、上記成形型を昇温するとともに１００〜４５０℃で真空脱ガス処理と４７０〜５８０℃の高温での処理で多孔質体を作製することを特徴とする。

この発明によれば、熱応力緩和機能を有する高熱伝導率及び低ヤング率のアルミニウム多孔質体を得ることができる。

以下に、この発明の最良の実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。

＜第１の実施形態＞
図１は、この発明に係るアルミニウム多孔質体の製造方法の第１実施形態の工程を示すフローチャートである。

この発明に係るアルミニウム多孔質体を作製するためには、まず、純度９９．０％以上で、平均粒径が１０〜４０μｍであるアルミニウム急冷凝固粉末（原料）を作製する（ステップ１−１）。この場合、急冷凝固粉末は、例えばアトマイズ法，メルトスピニング法，回転円盤法，回転電極法等の公知の製造方法で行えばよく、この発明では、工業生産に適しているという点でアトマイズ法（特に、ガスアトマイズ法）が適している。

次に、上記アルミニウム急冷凝固粉末を冷間静水成形（ＣＩＰ）にて加圧成形（ステップ１−２）し、この加圧成形によって成形された成形体を、１００〜４５０℃にて真空脱ガス処理（ステップ１−３）し、更に、５００〜６００℃の高温で焼結する（ステップ１−４）。

その結果、後述する表１に示すように、室温での熱伝導率が、相対密度で７０〜９８％の範囲の場合４７〜２３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、室温でのヤング率が、相対密度で７０％〜９８％の範囲の場合１９〜７３ＧＰａであるアルミニウム多孔質体を得ることができる。

＜第２の実施形態＞
この発明に係るアルミニウム多孔質体を得る別の製造方法として以下の方法を採用することができる。この別の製造方法は、図２に示すように、まず、第１の実施形態と同様に、純度９９．０％以上で、平均粒径を１０〜４０μｍであるアルミニウム急冷凝固粉末（原料）をガスアトマイズ法にて作製する（ステップ２−１）。

次に、上記アルミニウム急冷凝固粉末を成形金型中に充填し、パンチで圧力２０ＭＰａ以上で圧縮する（ステップ２−２）。次に、真空度１０Ｐａ以下の真空雰囲気下で、１００〜４５０℃にて真空脱ガス処理（ステップ２−３）し、更に、電圧を印加して電流１０００〜５０００アンペア，昇温速度１０〜３００℃／分，焼結温度４７０〜５８０℃，保持時間１分以上の通電加圧焼結する（ステップ２−４）。

その結果、後述する表５に示すように、室温での熱伝導率が、相対密度で７０〜９８％の範囲の場合４７〜２３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、室温でのヤング率が、相対密度で７０％〜９８％の範囲の場合２０〜７３ＧＰａであるアルミニウム多孔質体を得ることができる。

次に、上述したこの発明に係るアルミニウム多孔質体の製造方法によって作製されたアルミニウム多孔質体の特性について詳細に説明する。アルミニウム多孔質体の各物性値の測定方法は以下の通りである。

（１）平均粒径 商品名「マイクロトラック」（日機装（株）製）を使用し、レーザー回折式粒度分布測定法により実施した。平均粒径はメジアン径である。

（２）熱伝導率 レーザーフラッシュ法にて測定した。

（３） 密度 試験片をアルキメデス法にて測定した。

＜実施例１＞
純度９９．２％で、平均粒径を３０μｍであるアルミニウム急冷凝固粉末をガスアトマイズ法にて作製する。次に、上記アルミニウム急冷凝固粉末を冷間静水成形（ＣＩＰ）にて加圧成形し、この加圧成形された成形体を、１００〜４５０℃にて真空脱ガス処理し、更に、５００〜６００℃の高温で焼結して、密度１．８９〜２．６５ｇ／ｃｍ3及び実測相対密度７０〜９８％の範囲内にあるランダムに抽出した１２種類のアルミニウム多孔質体を作製し、それぞれ試験片（試料）を採取し、熱伝導率とヤング率を測定したところ、表１に示す結果が得られた。なお、熱伝導率及びヤング率の測定値は、複数回測定した結果の最低値と最高値である。

＜比較例１＞
次に、上記実施例１で得られたアルミニウム多孔質体の純度又は平均粒径から外れたアルミニウム急冷凝固粉末をガスアトマイズ法にて作製したもの又は上記真空脱ガスを行わなかったものを焼結して代表例として、密度１．８９ｇ／ｃｍ3及び実測相対密度７０％、密度２．４３ｇ／ｃｍ3及び実測相対密度９０％、密度２．６５ｇ／ｃｍ3及び実測相対密度９８％のアルミニウム多孔質体を作製し、それぞれ試験片（試料）を採取し、熱伝導率とヤング率を測定したところ、表２〜表４に示すような結果が得られた。

上記実施例１で得られた試料（実施例１−Ａ，１−H，１−L）と比較例１で得られた試料（比較例１−Ａ〜１−I）とを比較したところ、以下のような結果が得られた。

すなわち、密度１．８９ｇ／ｃｍ3及び実測相対密度７０％（実施例１−A）のものは、純度が９８．７％（比較例１−Ａ）に比べて、熱伝導率が３０〜４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）高く、ヤング率が１５〜９ＧＰａ低いことが判った。また、平均粒径が４５μｍ（比較例１−Ｂ）に比べて、熱伝導率が２５〜３５Ｗ／（ｍ・Ｋ）高く、ヤング率が２０〜１４ＧＰａ低いことが判った。また、真空脱ガスを行わなかったもの（比較例１−Ｃ）に比べて、熱伝導率が２７〜３７Ｗ／（ｍ・Ｋ）高く、ヤング率が１８〜１２ＧＰａ低いことが判った。

また、密度２．４３ｇ／ｃｍ3及び実測相対密度９０％（実施例１−H）のものは、純度が９８．７％（比較例１−D）に比べて、熱伝導率が３５〜４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）高く、ヤング率が１９〜１５ＧＰａ低いことが判った。また、平均粒径が４５μｍ（比較例１−E）に比べて、熱伝導率が２３〜３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）高く、ヤング率が２３〜１９ＧＰａ低いことが判った。また、真空脱ガスを行わなかったもの（比較例１−F）に比べて、熱伝導率が２８〜３５Ｗ／（ｍ・Ｋ）高く、ヤング率が２１〜１７ＧＰａ低いことが判った。

また、また、密度２．６５ｇ／ｃｍ3及び実測相対密度９８％（実施例１−L）のものは、純度が９８．７％（比較例１−G）に比べて、熱伝導率が３０〜４４Ｗ／（ｍ・Ｋ）高く、ヤング率が１９〜１６ＧＰａ低いことが判った。また、平均粒径が４５μｍ（比較例１−H）に比べて、熱伝導率が２４〜３８Ｗ／（ｍ・Ｋ）高く、ヤング率が２２〜１９ＧＰａ低いことが判った。また、真空脱ガスを行わなかったもの（比較例１−I）に比べて、熱伝導率が２６〜４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）高く、ヤング率が２０〜１７ＧＰａ低いことが判った。

なお、上記比較評価では実測相対密度が７０％（実施例１−Ａ），９０％（実施例１−H），９８％（実施例１−L）について行ったが、上記以外の実測相対密度の場合についても同様に高熱伝導率及び低ヤング率が得られると推測できる。

上記比較実験より明らかなように、上記第１実施形態によって作製されたアルミニウム多孔質体によれば、高熱伝導率及び低ヤング率の熱応力緩和機能を有する。

＜実施例２＞
純度９９，２％以上で、平均粒径を３０μｍであるアルミニウム急冷凝固粉末をガスアトマイズ法にて作製する。次に、上記アルミニウム急冷凝固粉末を成形金型中に充填し、パンチで圧力２０ＭＰａ以上で圧縮し、真空度１０Ｐａ以下の真空雰囲気下で、１００〜４５０℃にて脱ガス処理し、電圧を印加して電流２０００アンペア，昇温速度１０〜３００℃／分，焼結温度４７０〜５８０℃，保持時間１分以上で通電加圧焼結して、密度１．８９〜２．６５ｇ／ｃｍ3及び実測相対密度７０〜９８％の範囲内にあるランダムに抽出した１２種類のアルミニウム多孔質体を作製し、それぞれ試験片（試料）を採取し、熱伝導率とヤング率を測定したところ、表５に示す結果が得られた。なお、熱伝導率及びヤング率の測定値は、複数回測定した結果の最低値と最高値である。

＜比較例２＞
次に、上記実施例２の純度（９９．２％）と平均粒径（３０μｍ）が同じアルミニウム急冷凝固粉末を使用し、上記アルミニウム急冷凝固粉末を成形金型中に充填し、パンチ圧力を１５ＭＰａ及び２０ＭＰａで圧縮する場合と、電圧を印加して電流１０００アンペア，２０００アンペア及び７０００アンペアで焼結して代表例として、密度１．８９ｇ／ｃｍ3及び実測相対密度７０％、密度２．４３ｇ／ｃｍ3及び実測相対密度９０％、密度２．６５ｇ／ｃｍ3及び実測相対密度９８％のアルミニウム多孔質体を作製し、それぞれ試験片（試料）を採取し、熱伝導率とヤング率を測定したところ、表６〜表８に示すような結果が得られた。

上記実施例２で得られた試料（実施例２−Ａ，２−H，２−L）と比較例２で得られた試料（比較例２−Ａ〜２−I）とを比較したところ、以下のような結果が得られた。

すなわち、密度１．８９ｇ／ｃｍ3及び実測相対密度７０％（実施例２−A）のものは、パンチ圧力１５ＭＰａのもの（比較例２−Ａ）に比べて、熱伝導率が３３〜４３Ｗ／（ｍ・Ｋ）高く、ヤング率が２３〜１７ＧＰａ低いことが判った。また、電流１０００アンペアのもの（比較例２−Ｂ）に比べて、熱伝導率が２８〜３８Ｗ／（ｍ・Ｋ）高く、ヤング率が２１〜１５ＧＰａ低いことが判った。また、電流７０００アンペアのもの（比較例２−Ｃ）に比べて、熱伝導率が３１〜４１Ｗ／（ｍ・Ｋ）高く、ヤング率が２６〜２０ＧＰａ低いことが判った。

また、密度２．４３ｇ／ｃｍ3及び実測相対密度９０％（実施例２−H）のものは、パンチ圧力１５ＭＰａのもの（比較例２−D）に比べて、熱伝導率が３０〜３５Ｗ／（ｍ・Ｋ）高く、ヤング率が１９〜１５ＧＰａ低いことが判った。また、電流１０００アンペアのもの（比較例２−E）に比べて、熱伝導率が２９〜３４Ｗ／（ｍ・Ｋ）高く、ヤング率が１７〜１３ＧＰａ低いことが判った。また、電流７０００アンペアのもの（比較例２−F）に比べて、熱伝導率が２８〜３３Ｗ／（ｍ・Ｋ）高く、ヤング率が２３〜１９ＧＰａ低いことが判った。

また、密度２．６５ｇ／ｃｍ3及び実測相対密度９８％（実施例２−L）のものは、パンチ圧力１５ＭＰａのもの（比較例２−G）に比べて、熱伝導率が３３〜４６Ｗ／（ｍ・Ｋ）高く、ヤング率が１９〜１６ＧＰａ低いことが判った。また、電流１０００アンペアのもの（比較例２−H）に比べて、熱伝導率が２８〜４１Ｗ／（ｍ・Ｋ）高く、ヤング率が１６〜１３ＧＰａ低いことが判った。また、電流７０００アンペアのもの（比較例２−I）に比べて、熱伝導率が３０〜４３Ｗ／（ｍ・Ｋ）高く、ヤング率が２１〜１８ＧＰａ低いことが判った。

なお、上記比較評価では実測相対密度が７０％（実施例２−Ａ），９０％（実施例２−H），９８％（実施例２−L）について行ったが、上記以外の実測相対密度の場合についても同様に高熱伝導率及び低ヤング率が得られると推測できる。

上記比較実験より明らかなように、上記第２実施形態によって作製されたアルミニウム多孔質体によれば、高熱伝導率及び低ヤング率の熱応力緩和機能を有する。

上記のように構成されるこの発明に係るアルミニウム多孔質体は、高熱伝導率及び低ヤング率の熱応力緩和機能を有するので、例えば各種電子モジュール部品における放熱板等の緩衝材として利用できる。すなわち、例えば半導体デバイスを実装したセラミック板とアルミニウム製放熱板との間にこの発明に係るアルミニウム多孔質体にて形成される緩衝材をはんだやねじ等の固定手段によって固着して、セラミックとアルミニウムの熱膨張差による変形を吸収することができる。

この発明に係るアルミニウム多孔質体の製造方法の第１実施形態の工程を示すフローチャートである。 この発明に係るアルミニウム多孔質体の製造方法の第２実施形態の工程を示すフローチャートである。

Claims (5)

1. 純度９９．０％以上のアルミニウム粉末の固化助剤を含まない固化成形材であって、室温での熱伝導率が、相対密度で７０％から７５％の範囲の場合５０〜６９Ｗ／（ｍ・Ｋ）、相対密度７６％から８０％の範囲の場合６２〜８４Ｗ／（ｍ・Ｋ）、相対密度８１％から８５％の範囲の場合７５〜９３Ｗ／（ｍ・Ｋ）、相対密度で８６％〜９０％の範囲の場合８９〜１３５Ｗ／ （ｍ・Ｋ）、相対密度で９１％〜９５％の範囲の場合１３０〜１７８Ｗ／（ｍ・Ｋ）、相対密度で９６％〜９８％の範囲の場合１７０〜２３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、であることを特徴とするアルミニウム多孔質体。
2. 請求項１記載のアルミニウム多孔質体において、
   純度９９．０％以上のアルミニウム粉末の固化助剤を含まない固化成形材であって、室温でのヤング率が、相対密度で７０％から７５％の範囲の場合１５〜２８ＧＰａ、相対密度７６％から８０％の範囲の場合２５〜３４ＧＰａ、相対密度８１％から８５％の範囲の場合３０〜３９ＧＰａ、相対密度で８６％〜９０％の範囲の場合３５〜４５ＧＰａ、相対密度で９１％〜９５％の範囲の場合４２〜５９ＧＰａ、相対密度で９６％〜９８％の範囲の場合５４〜７３ＧＰａ、であることを特徴とするアルミニウム多孔質体。
3. 請求項１又は２に記載のアルミニウム多孔質体において、
   上記アルミニウム粉末の平均粒径が１０〜４０μｍであることを特徴とするアルミニウム多孔質体。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載のアルミニウム多孔質体の製造方法であって、
   純度９９．０％以上で、平均粒径が１０〜４０μｍであるアルミニウム粉末を室温で加圧成形し、加圧成形された成形体を１００〜４５０℃にて真空脱ガス処理し、更に、焼結が進行する５００〜６００℃の高温で多孔質体を作製することを特徴とするアルミニウム多孔質体の製造方法。
5. 請求項１ないし３のいずれかに記載のアルミニウム多孔質体の製造方法であって、
   純度９９．０％以上で、平均粒径が１０〜４０μｍであるアルミニウム粉末を成形型中に充填し、圧力２０ＭＰａ以上で圧縮し、上記成形型を昇温するとともに１００〜４５０℃で真空脱ガス処理と４７０〜５８０℃の高温での処理で多孔質体を作製することを特徴とするアルミニウム多孔質体の製造方法。

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