JP2010024077A - Aluminum-silicon carbide composite and method for producing the same - Google Patents

Aluminum-silicon carbide composite and method for producing the same Download PDF

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秀樹 廣津留
Hideo Tsukamoto
秀雄 塚本
Tomoshi Hikuma
智志 日隈
Ryota Aono
良太 青野
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an aluminum-silicon carbide composite suitable as a base plate for a power module. <P>SOLUTION: A method for producing the plate-shaped aluminum-silicon carbide composite having 2-6 mm thickness includes the steps of: mixing 20-40 vol.% metal powder containing 77-94.5 mass% aluminum, 5-20 mass% silicon and 0.5-3 mass% magnesium with 60-80 vol.% silicon carbide powder having 50-300 μm average particle size; packing the obtained mixture in a mold which is subjected to mold-release treatment; heating the packed mixture to 600-750°C; and subjecting the heated mixture to hot press molding under ≥10 MPa. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、パワーモジュール用ベース板として好適なアルミニウム−炭化珪素質複合体及びそれを用いた放熱部品に関する。 The present invention relates to an aluminum-silicon carbide composite suitable as a base plate for a power module and a heat dissipation component using the same.

今日、半導体素子の高集積化、小型化に伴い、発熱量は増加の一途をたどっており、いかに効率よく放熱させるかが課題となっている。そして、高絶縁性・高熱伝導性を有する例えば窒化アルミニウム基板、窒化珪素基板等のセラミックス基板の表面に、銅製又はアルミニウム製の金属回路を、また裏面に銅製又はアルミニウム製の金属放熱板が形成されてなる回路基板が、パワーモジュール用回路基板として使用されている。 Today, as the integration and size of semiconductor elements increase, the amount of generated heat continues to increase, and the issue is how to efficiently dissipate heat. A copper or aluminum metal circuit is formed on the surface of a ceramic substrate such as an aluminum nitride substrate or a silicon nitride substrate having high insulation and high thermal conductivity, and a metal heat sink made of copper or aluminum is formed on the back surface. This circuit board is used as a power module circuit board.

従来の回路基板の典型的な放熱構造は、回路基板の裏面(放熱面)の金属板、例えば銅板を介してベース板が半田付けされてなるものであり、ベース板としては銅が一般的であった。しかしながら、この構造においては、半導体装置に熱負荷がかかった場合、ベース板と回路基板の熱膨張係数差に起因するクラックが半田層に発生し、その結果放熱が不十分となって半導体素子を誤作動させたり、破損させたりするという課題があった。 A typical heat dissipation structure of a conventional circuit board is formed by soldering a base plate via a metal plate, for example, a copper plate, on the back surface (heat dissipation surface) of the circuit board, and copper is generally used as the base plate. there were. However, in this structure, when a thermal load is applied to the semiconductor device, a crack caused by a difference in thermal expansion coefficient between the base plate and the circuit board occurs in the solder layer, and as a result, heat radiation becomes insufficient and the semiconductor element is There was a problem of malfunction or damage.

そこで、熱膨張係数を回路基板のそれに近づけたベース板として、アルミニウム−炭化珪素質複合体が提案されている。このベース板用のアルミニウム−炭化珪素質複合体の製法としては、炭化珪素の多孔体にアルミニウム合金の溶湯を加圧含浸する溶湯鍛造法(特許文献1)、炭化珪素の多孔体にアルミニウム合金の溶湯を非加圧で浸透させる非加圧含浸法(特許文献2)が実用化されている。一方、コスト面からは、アルミニウム粉末と炭化珪素粉末を混合して、加熱成形する粉末冶金法が有利であり、同製法によるアルミニウム−炭化珪素質複合体の検討も行われている(特許文献3,4)。しかし、粉末冶金法によるアルミニウム−炭化珪素質複合体は、溶湯鍛造法のものに比べ、熱伝導率等が低いという課題がある。
特許3468358号 特表平5−507030号公報。 特開平9−157773号公報 特開平10−335538号公報
Therefore, an aluminum-silicon carbide composite has been proposed as a base plate having a thermal expansion coefficient close to that of a circuit board. As a method for producing the aluminum-silicon carbide composite for the base plate, a molten forging method (Patent Document 1) in which a silicon carbide porous body is impregnated with a molten aluminum alloy (Patent Document 1), an aluminum alloy porous silicon body is made of aluminum alloy. A non-pressure impregnation method (Patent Document 2) in which molten metal permeates without pressure has been put into practical use. On the other hand, in terms of cost, a powder metallurgy method in which aluminum powder and silicon carbide powder are mixed and heat-molded is advantageous, and an aluminum-silicon carbide composite by the same production method is also being studied (Patent Document 3). 4). However, the aluminum-silicon carbide composite by the powder metallurgy method has a problem that the thermal conductivity and the like are lower than those of the melt forging method.
Japanese Patent No. 3468358 JP-T-5-507030. JP-A-9-157773 JP-A-10-335538

ベース板は、放熱フィンと接合して用いることが多く、その接合部分の形状や反りもまた重要な特性として挙げられる。例えば、ベース板を放熱フィンに接合する場合、一般に高熱伝導性の放熱グリースを塗布してベース板の周縁部に設けられた穴を利用して放熱フィンや放熱ユニット等にねじ固定するが、ベース板に微少な凹凸が多く存在すると、ベース板と放熱フィンとの間に隙間が生じ、高熱伝導性の放熱グリースを塗布しても、熱伝達性が著しく低下し、その結果セラミックス回路基板、ベース板、放熱フィン等で構成されるモジュール全体の放熱性が著しく低下してしまうという課題があった。 The base plate is often used by being joined to a heat radiating fin, and the shape and warpage of the joined part are also important characteristics. For example, when joining the base plate to the heat radiating fins, it is common to apply heat radiating grease with high thermal conductivity and screw it to the heat radiating fins or heat radiating unit using the holes provided in the peripheral edge of the base plate. If there are a lot of minute irregularities on the plate, a gap will be created between the base plate and the heat radiating fins, and even if high heat conductive heat radiating grease is applied, the heat transfer will be significantly reduced. As a result, the ceramic circuit board and base There existed a subject that the heat dissipation of the whole module comprised with a board, a radiation fin, etc. will fall remarkably.

そこで、ベース板と放熱フィンとの間に出来るだけ隙間が出来ないように、予めベース板に凸型の反りを付けたものを用いることが行われている。この反りは通常、所定の形状を有する治具を用い、加熱下、ベース板に圧力を掛けることで反りを付与する技術が提案されている(特許文献5)。この方法によって得られた反りは、ベース板表面にうねりがある場合、形状が一定でなく品質が安定しないという課題があった。また、反り形状のバラツキや表面の凹凸により、放熱フィンとの間に大きな隙間が生じるといった課題があった。
特許3792180号
Therefore, in order to prevent a gap as much as possible between the base plate and the heat radiating fin, a base plate with a convex warp is used in advance. A technique has been proposed in which a warp is imparted by applying a pressure to the base plate under heating, using a jig having a predetermined shape (Patent Document 5). The warp obtained by this method has a problem that when the surface of the base plate has waviness, the shape is not constant and the quality is not stable. In addition, there is a problem in that a large gap is generated between the heat dissipating fins due to variations in the warp shape and surface irregularities.
Patent 3792180

ベース板表面を機械加工により切削することで反りを付ける方法もあるが、アルミニウム−炭化珪素質複合体は非常に硬いため、ダイヤモンド等の工具を用い多くの研削が必要となり、コストが高くなるという課題があった。 There is also a method of warping by cutting the surface of the base plate by machining, but since the aluminum-silicon carbide composite is very hard, it requires a lot of grinding using a tool such as diamond, which increases the cost. There was a problem.

本発明は、上記の状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、パワーモジュール用ベース板として好適なアルミニウム−炭化珪素質複合体を提供することである。 The present invention has been made in view of the above situation, and an object thereof is to provide an aluminum-silicon carbide composite suitable as a base plate for a power module.

本発明者は、上記の目的を達成するために鋭意検討した結果、アルミニウム−炭化珪素質複合体において、炭化珪素粉末の粒度、含有量を適正化し、アルミニウムの融点近傍の温度域にて加圧成形することで、熱伝導率を向上せしめ得るとの知見を得て本発明を完成した。更に、加熱成形時の金型形状の調整、或いは、加熱プレスによるクリープ変形により、板状のアルミニウム−炭化珪素質複合体の反り形状を制御できるとの知見を得て本発明を完成した。   As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventor has optimized the particle size and content of silicon carbide powder in an aluminum-silicon carbide composite, and pressurizes it in a temperature range near the melting point of aluminum. The present invention was completed by obtaining the knowledge that the thermal conductivity can be improved by molding. Furthermore, the present invention has been completed by obtaining the knowledge that the warp shape of the plate-like aluminum-silicon carbide composite can be controlled by adjusting the mold shape at the time of heat forming or creep deformation by a hot press.

即ち、本発明は、アルミニウム77〜94.5質量%、珪素5〜20質量%及びマグネシウム0.5〜3質量%を含有する金属粉末20〜40体積%と、平均粒子径が50〜300μmの炭化珪素粉末60〜80体積%を混合した後、離型処理を施した金型に充填し、温度600〜750℃に加熱して、圧力10MPa以上で加熱プレス成形することを特徴とする、板厚2〜6mmの板状アルミニウム−炭化珪素質複合体の製造方法である。 That is, the present invention has a metal powder content of 20 to 40% by volume containing 77 to 94.5% by mass of aluminum, 5 to 20% by mass of silicon and 0.5 to 3% by mass of magnesium, and an average particle size of 50 to 300 μm. A plate characterized by mixing 60 to 80% by volume of silicon carbide powder, filling a mold subjected to a release treatment, heating to a temperature of 600 to 750 ° C., and performing hot press molding at a pressure of 10 MPa or more. This is a method for producing a plate-like aluminum-silicon carbide composite having a thickness of 2 to 6 mm.

また、本発明は、アルミニウム77〜94.5質量%、珪素5〜20質量%及びマグネシウム0.5〜3質量%を含有する金属粉末20〜40体積%と、平均粒子径が50〜300μmの炭化珪素粉末60〜80体積%を混合した後、離型処理を施した金型に、厚みが0.1〜0.5mmでVfが3〜20体積%のセラミックス繊維を両主面に配置して前記混合粉末を充填し、温度600〜750℃に加熱して、圧力10MPa以上で加熱プレス成形することを特徴とする、両主面に厚み0.1〜0.3mmのアルミニウム−セラミックス繊維複合体層を具備してなる板厚2〜6mmの板状アルミニウム−炭化珪素質複合体の製造方法である。 Moreover, this invention is 20-40 volume% of metal powder containing 77-94.5 mass% of aluminum, 5-20 mass% of silicon, and 0.5-3 mass% of magnesium, and an average particle diameter is 50-300 micrometers. After mixing 60 to 80% by volume of silicon carbide powder, ceramic fibers having a thickness of 0.1 to 0.5 mm and a Vf of 3 to 20% by volume are disposed on both main surfaces in a mold subjected to a release treatment. An aluminum-ceramic fiber composite having a thickness of 0.1 to 0.3 mm on both main surfaces, wherein the mixed powder is filled, heated to a temperature of 600 to 750 ° C., and heated and pressed at a pressure of 10 MPa or more. This is a method for producing a plate-like aluminum-silicon carbide composite having a body thickness of 2 to 6 mm.

更に、本発明は、加熱プレス成形時に、200mmあたり50〜500μmの凹型の反りを具備してなる金型を用い、一主面に200mmあたり50〜500μmの凸型の反りを付与することを特徴とする板状アルミニウム−炭化珪素質複合体の製造方法である。 Furthermore, the present invention uses a mold having a concave warp of 50 to 500 μm per 200 mm at the time of hot press molding, and imparts a convex warp of 50 to 500 μm per 200 mm to one main surface. A method for producing a plate-like aluminum-silicon carbide composite.

加えて、本発明は、板状のアルミニウム−炭化珪素質複合体に、一定曲率に撓む様に10kPa以上の応力を掛けた状態で、温度400〜550℃で30秒以上加熱処理することによりクリープ変形させて、200mmあたり50〜500μmの凸型の反りを付与することを特徴とする板状アルミニウム−炭化珪素質複合体の製造方法である。 In addition, the present invention is such that the plate-like aluminum-silicon carbide composite is heat-treated at a temperature of 400 to 550 ° C. for 30 seconds or more in a state where a stress of 10 kPa or more is applied so as to bend to a certain curvature. It is a method for producing a plate-like aluminum-silicon carbide composite material, which is subjected to creep deformation to give a convex warp of 50 to 500 μm per 200 mm.

また、本発明は、気孔率が2〜10体積%であり、温度25℃〜150℃の熱膨張係数が5×10-6〜9×10-6/Kであり、温度25℃の熱伝導率が150〜300W/mKであり、3点曲げ強度が100〜350MPaであることを特徴とする板状アルミニウム−炭化珪素質複合体である。 In the present invention, the porosity is 2 to 10% by volume, the coefficient of thermal expansion at a temperature of 25 ° C. to 150 ° C. is 5 × 10 −6 to 9 × 10 −6 / K, and the heat conduction at a temperature of 25 ° C. A plate-like aluminum-silicon carbide composite having a rate of 150 to 300 W / mK and a three-point bending strength of 100 to 350 MPa.

更に、本発明は、板状アルミニウム−炭化珪素質複合体に、取り付け穴を加工した後、めっき処理を行い、一主面がセラミックス回路基板に半田付け又はロウ付け接合され、他の一主面が放熱面として用いられるパワーモジュール用ベース板である。 Furthermore, in the present invention, a plate-like aluminum-silicon carbide composite is processed with a mounting hole and then plated, and one principal surface is soldered or brazed to a ceramic circuit board, and the other principal surface Is a power module base plate used as a heat dissipation surface.

本発明のアルミニウム−炭化珪素質複合体は、低熱膨張、並びに高熱伝導という特性を有する。本発明は、アルミニウム粉末等の金属粉末と炭化珪素粉末を加熱成形して得られるアルミニウム−炭化珪素質複合体において、炭化珪素粉末の粒度及び含有量を適性化することにより、得られる複合体の熱伝導率等の特性を著しく改善することができ、高信頼性を要求される半導体素子を搭載するパワーモジュールのベース板として好適なアルミニウム−炭化珪素質複合体を安価に供給するものである。   The aluminum-silicon carbide composite of the present invention has characteristics of low thermal expansion and high thermal conductivity. The present invention relates to an aluminum-silicon carbide composite obtained by heat-molding metal powder such as aluminum powder and silicon carbide powder, by optimizing the particle size and content of the silicon carbide powder. Characteristics such as thermal conductivity can be remarkably improved, and an aluminum-silicon carbide composite suitable as a base plate of a power module on which a semiconductor element requiring high reliability is mounted is supplied at low cost.

本発明のアルミニウム−炭化珪素質複合体は、主成分がアルミニウムであるアルミニウム合金からなる第一の成分と、主成分が炭化珪素からなる第二の成分からなる。本発明のような異種の材料を複合化した複合体では、異種の材料の界面が強固に結びつくことでお互いに熱のやり取りが可能となる。このため、界面の密着性が悪い場合は、複合体の熱伝導率はマトリックス材(本発明ではアルミニウム合金)に支配され、強化材(本発明では炭化珪素)自体の熱伝導率が如何に高くても、複合体全体の熱伝導特性はマトリックス材以下となる。本発明の基本的な考え方は、複合体において如何に金属成分と強化材を強固に密着させるかであり、その手法として、金属成分を溶融状態で加圧成形することで両者の界面を強固なものとし、目的とする特性を達成するものである。 The aluminum-silicon carbide composite of the present invention comprises a first component made of an aluminum alloy whose main component is aluminum and a second component whose main component is silicon carbide. In the composite body in which different kinds of materials are combined as in the present invention, heat can be exchanged with each other because the interfaces of the different kinds of materials are firmly connected. For this reason, when the adhesion at the interface is poor, the thermal conductivity of the composite is governed by the matrix material (in the present invention, an aluminum alloy), and how high the thermal conductivity of the reinforcing material (in the present invention, silicon carbide) itself is. Even so, the thermal conductivity characteristics of the entire composite are less than the matrix material. The basic idea of the present invention is how to firmly adhere the metal component and the reinforcing material in the composite, and as a technique thereof, the metal component is pressure-molded in a molten state to strengthen the interface between the two. And achieve the desired properties.

本発明のアルミニウム−炭化珪素質複合体の特に重要な特性は、熱伝導率と熱膨張係数である。このため、用いる強化材としては、素材自体の熱伝導率が高く且つ熱膨張係数が小さいことが必要であり、炭化珪素が好適である。更に、炭化珪素とアルミニウムでは、その熱伝達機構が異なる。このため、両素材の界面での熱伝達ロスが複合体の熱伝導率を大きく左右し、この界面の面積を少なくすること(粒子径の大きい炭化珪素粉末を用いること)が、得られる複合体の熱伝導率の向上に効果的である。   Particularly important characteristics of the aluminum-silicon carbide composite of the present invention are thermal conductivity and coefficient of thermal expansion. For this reason, as a reinforcing material to be used, it is necessary that the raw material itself has a high thermal conductivity and a low thermal expansion coefficient, and silicon carbide is preferable. Furthermore, the heat transfer mechanism differs between silicon carbide and aluminum. For this reason, the heat transfer loss at the interface between the two materials greatly affects the thermal conductivity of the composite, and reducing the area of this interface (using silicon carbide powder having a large particle diameter) results in a composite It is effective in improving the thermal conductivity of

本発明のアルミニウム−炭化珪素質複合体に用いる強化材としては、平均粒子径50〜300μmの炭化珪素粉末60〜80体積%である。炭化珪素粉末の粒度に関しては、アルミニウム−炭化珪素質複合体の熱伝導率の点から、平均粒子径が50μm以上である。一方、平均粒子径が300μmを超えると、アルミニウム−炭化珪素質複合体の表面粗さが低下すると共に、強度特性が低下するため好ましくない。炭化珪素粉末の含有量が60体積%未満では、アルミニウム−炭化珪素質複合体の熱伝導率が低下し、熱膨張係数が大きくなり好ましくない。一方、炭化珪素粉末の含有量が80体積%を超えると、アルミニウム−炭化珪素質複合体の緻密化が不足し、強度、熱伝導率が低下して好ましくない。また、炭化珪素粉末の含有量を上げ、且つ、緻密化を達成するためには、平均粒子径の異なる炭化珪素粉末を粒度配合することが好適である。この場合、炭化珪素粉末の平均粒子径は、個々の炭化珪素粉末の平均粒子径と含有量より算出する。このため、粒度配合を行う場合には、平均粒子径が50μm未満及び/又は300μmを超える粉末も、使用することができる。更に、球形状に近い炭化珪素粉末を使用することは、含有量を上げるために効果的である。 The reinforcing material used for the aluminum-silicon carbide composite of the present invention is 60 to 80% by volume of silicon carbide powder having an average particle diameter of 50 to 300 μm. Regarding the particle size of the silicon carbide powder, the average particle size is 50 μm or more from the viewpoint of the thermal conductivity of the aluminum-silicon carbide composite. On the other hand, an average particle diameter exceeding 300 μm is not preferable because the surface roughness of the aluminum-silicon carbide composite decreases and strength characteristics decrease. If the content of the silicon carbide powder is less than 60% by volume, the thermal conductivity of the aluminum-silicon carbide composite is lowered, and the thermal expansion coefficient is increased, which is not preferable. On the other hand, if the content of the silicon carbide powder exceeds 80% by volume, the aluminum-silicon carbide composite is insufficiently densified, and the strength and thermal conductivity are undesirably lowered. In order to increase the content of silicon carbide powder and achieve densification, it is preferable to mix silicon carbide powders having different average particle sizes. In this case, the average particle diameter of the silicon carbide powder is calculated from the average particle diameter and content of each silicon carbide powder. For this reason, when carrying out particle size blending, a powder having an average particle size of less than 50 μm and / or more than 300 μm can also be used. Furthermore, using a silicon carbide powder close to a spherical shape is effective for increasing the content.

本発明に用いる金属粉末は、アルミニウム77〜94.5質量%、珪素5〜20質量%及びマグネシウム0.5〜3質量%を含有する金属粉末である。この金属粉末としては、(1)金属粉末を混合して用いる、(2)金属粉末と合金粉末を混合して用いる(例えば、アルミニウム粉末、珪素粉末及びアルミニウム−マグネシウム合金粉末を用いる)、(3)3成分を所定量含有する合金粉末を用いることが可能である。珪素成分が5質量%未満又は20質量%を超えると、3成分からなる合金の融点が高くなり、緻密化が進まない場合があり好ましくない。また、珪素成分が5質量%未満では、得られる合金の熱膨張係数が大きくなり、その結果、得られるアルミニウム−炭化珪素質複合体の熱膨張係数が大きくなり好ましくない。一方、珪素成分が20質量%を超えると、得られる合金の熱伝導率が低下し、その結果、得られるアルミニウム−炭化珪素質複合体の熱伝導率が低下し好ましくない。マグネシウム成分は、得られる合金と炭化珪素の濡れ性を向上させる効果があり、0.5質量%未満では、その効果が不足し、熱伝導率、強度等の特性が低下して好ましくない。一方、マグネシウム成分が3質量%を超えると、複合化時に炭化アルミニウム(Al)を生成し易くなり、熱伝導率、強度の面で好ましくない。 The metal powder used in the present invention is a metal powder containing 77 to 94.5% by mass of aluminum, 5 to 20% by mass of silicon, and 0.5 to 3% by mass of magnesium. As this metal powder, (1) a mixed metal powder is used, (2) a mixed metal powder and an alloy powder are used (for example, an aluminum powder, a silicon powder and an aluminum-magnesium alloy powder are used), (3 ) It is possible to use an alloy powder containing a predetermined amount of the three components. If the silicon component is less than 5% by mass or exceeds 20% by mass, the melting point of the alloy composed of the three components is increased, and the densification may not proceed. On the other hand, when the silicon component is less than 5% by mass, the thermal expansion coefficient of the obtained alloy is increased, and as a result, the thermal expansion coefficient of the obtained aluminum-silicon carbide composite is increased. On the other hand, when the silicon component exceeds 20% by mass, the thermal conductivity of the obtained alloy is lowered, and as a result, the thermal conductivity of the obtained aluminum-silicon carbide composite is lowered, which is not preferable. The magnesium component has an effect of improving the wettability of the obtained alloy and silicon carbide. If the content is less than 0.5% by mass, the effect is insufficient, and characteristics such as thermal conductivity and strength are unfavorable. On the other hand, when the magnesium component exceeds 3% by mass, aluminum carbide (Al 4 C 3 ) is likely to be generated at the time of compounding, which is not preferable in terms of thermal conductivity and strength.

これらの金属粉末の含有量は、得られるアルミニウム−炭化珪素質複合体に対して、20〜40体積%である。ここで、金属粉末の含有量(体積%)は、金属粉末の平均密度を2.7g/cmとして含有量(体積%)を規定している。20体積%未満では、加熱プレス成形時の溶融合金量が不足し、アルミニウム−炭化珪素質複合体の緻密化が不足するため好ましくない。一方、40体積%を超えると、緻密なアルミニウム−炭化珪素質複合体を得ることはできるが、アルミニウム−炭化珪素質複合体の熱膨張係数が大きくなり過ぎて好ましくない。これらの金属粉末の粒度に関しては、平均粒子径が10〜200μm程度が好適である。平均粒子径が10μm未満では、金属粒子表面の酸化により緻密化が阻害され好ましくない。また、平均粒子径が200μmを超えると、混合の均一化が阻害され特性が低下することがあり好ましくない。 The content of these metal powders is 20 to 40% by volume with respect to the obtained aluminum-silicon carbide composite. Here, the content (volume%) of the metal powder defines the content (volume%) with the average density of the metal powder being 2.7 g / cm 3 . If it is less than 20% by volume, the amount of molten alloy at the time of hot press molding is insufficient, and the densification of the aluminum-silicon carbide composite is insufficient. On the other hand, if it exceeds 40% by volume, a dense aluminum-silicon carbide based composite can be obtained, but this is not preferable because the thermal expansion coefficient of the aluminum-silicon carbide based composite becomes too large. Regarding the particle size of these metal powders, an average particle size of about 10 to 200 μm is preferable. If the average particle size is less than 10 μm, the densification is inhibited by oxidation of the metal particle surface, which is not preferable. On the other hand, when the average particle size exceeds 200 μm, the homogenization of mixing is hindered and the characteristics may be deteriorated.

本発明の原料粉末の混合方法に関しては、個々の原料が均一に混合される方法であれば特に制約はない。ボールミル混合、ミキサーによる混合等が可能である。混合時間に関しては、原料粉末の酸化及び粉砕が進まない程度の時間が好ましく、混合方法及び充填量にもよるが、15分〜5時間程度が一般的である。混合時間が短いと、アルミニウム-炭化珪素質複合体の緻密化不足が発生したり、複合体組織の不均一が発生し好ましくない。一方、混合時間が長すぎると原料粉末の酸化及び粉砕による微粉化が起こり、その結果、アルミニウム−炭化珪素質複合体の熱伝導率が低下する場合があり好ましくない。また、加熱プレス成形時の加熱段階で除去可能なものであれば、必要に応じて保形用バインダー等の使用が可能である。 The mixing method of the raw material powder of the present invention is not particularly limited as long as the individual raw materials are uniformly mixed. Ball mill mixing, mixing with a mixer, and the like are possible. Regarding the mixing time, a time that does not allow oxidation and pulverization of the raw material powder is preferable, and depending on the mixing method and the filling amount, it is generally about 15 minutes to 5 hours. If the mixing time is short, insufficient densification of the aluminum-silicon carbide composite or non-uniformity of the composite structure will occur. On the other hand, if the mixing time is too long, the raw material powder is pulverized by oxidation and pulverization, and as a result, the thermal conductivity of the aluminum-silicon carbide composite may be lowered. Moreover, if it can be removed at the heating stage at the time of hot press molding, a shape-retaining binder or the like can be used as necessary.

本発明の加熱プレス成形で用いる金型は、強度の点から、鋳鉄、ステンレス等の鉄製の材料が適しており、高価ではあるが窒化珪素等のセラミックスも用いることができる。更に、黒鉛製の金型も用いることができる。金型は、加熱プレス成形で得られる複合体との離型性の面より、表面に離型剤を塗布して用いる。この離型剤としては、黒鉛、アルミナ、窒化硼素等の離型剤が適している。また、金型にアルミナ等の薄膜を形成した後、離型剤を塗布することにより、優れた離型性を得ることが出来ると共に、金型の寿命を延ばすことができる。また、必要に応じて金型と製品の間に、黒鉛シート等の離型板を用いることもできる。 The mold used in the hot press molding of the present invention is suitably made of an iron material such as cast iron or stainless steel from the viewpoint of strength, and although expensive, ceramics such as silicon nitride can also be used. Furthermore, a graphite mold can also be used. The mold is used by applying a release agent on the surface from the surface of the mold release property with the composite obtained by hot press molding. As the mold release agent, a mold release agent such as graphite, alumina, boron nitride or the like is suitable. In addition, by forming a thin film such as alumina on the mold and then applying a release agent, it is possible to obtain excellent mold release properties and extend the life of the mold. In addition, a release plate such as a graphite sheet can be used between the mold and the product as necessary.

本発明では、金属粉末と炭化珪素粉末の混合粉末を金型内に充填し、加熱プレス成形することにより、緻密化した板厚2〜6mmの板状アルミニウム−炭化珪素質複合体とする。この場合、得られる板状アルミニウム−炭化珪素質複合体の板厚は、金型に充填する混合粉末量により調整する。板厚2mm未満では、パワーモジュール用のベース板として用いる場合、面方向の熱伝達が不足し、パワーモジュール全体の放熱特性が低下し好ましくない。一方、板厚が6mmを超えると、板厚の増加によりベース板自体の熱抵抗が大きくなり、その結果、半導体素子の温度が上がり過ぎてしまい好ましくない。更に好ましい板状アルミニウム−炭化珪素質複合体の板厚は、3〜5mmである。 In the present invention, a mixed powder of metal powder and silicon carbide powder is filled in a mold and heated and press-molded to obtain a dense plate-like aluminum-silicon carbide composite having a thickness of 2 to 6 mm. In this case, the plate thickness of the obtained plate-like aluminum-silicon carbide composite is adjusted by the amount of mixed powder filled in the mold. When the plate thickness is less than 2 mm, when used as a base plate for a power module, heat transfer in the surface direction is insufficient, and the heat dissipation characteristics of the entire power module are deteriorated. On the other hand, if the plate thickness exceeds 6 mm, the thermal resistance of the base plate itself increases due to the increase in the plate thickness, and as a result, the temperature of the semiconductor element increases excessively, which is not preferable. A more preferable plate thickness of the plate-like aluminum-silicon carbide composite is 3 to 5 mm.

本発明では、混合粉末を離型処理を施した金型に充填し、温度600〜750℃に加熱する。この加熱温度は、用いる金属粉末の融点以上であることが好ましい。温度600℃未満では、用いる合金組成によっては、未溶融となり、アルミニウム−炭化珪素質複合体の緻密化が不足して好ましくない。一方、加熱温度が、750℃を超えると、アルミニウムと炭化珪素が反応して、炭化アルミニウム(Al)を生成し易くなり、熱伝導率、強度の面で好ましくない。 In the present invention, the mixed powder is filled in a mold subjected to a release treatment and heated to a temperature of 600 to 750 ° C. This heating temperature is preferably equal to or higher than the melting point of the metal powder used. If the temperature is less than 600 ° C., depending on the alloy composition to be used, it becomes unmelted, and the densification of the aluminum-silicon carbide composite is insufficient. On the other hand, when the heating temperature exceeds 750 ° C., aluminum and silicon carbide react to easily produce aluminum carbide (Al 4 C 3 ), which is not preferable in terms of thermal conductivity and strength.

加熱プレス成形時の成形圧力は、10MPa以上である。加熱プレス成型時の圧力が、10MPa未満では、緻密化が不足すると共に、加熱プレス成形時に金属成分と強化材を強固に密着させることが出来ず、熱伝導率、強度等の特性が低下するため好ましくない。また、プレス圧の上限については、特性面からの制約はないが、金型の強度、装置の力量より、300MPa以下が適当である。アルミニウム−炭化珪素質複合体は、融点以下の温度で減圧した後、室温まで冷却する。なお、複合化時の歪み除去の目的で、アルミニウム−炭化珪素質複合体のアニール処理を行うこともある。 The molding pressure at the time of hot press molding is 10 MPa or more. When the pressure at the time of hot press molding is less than 10 MPa, densification is insufficient, and the metal component and the reinforcing material cannot be firmly adhered at the time of hot press molding, and characteristics such as thermal conductivity and strength are reduced. It is not preferable. Further, the upper limit of the press pressure is not limited in terms of characteristics, but 300 MPa or less is appropriate from the strength of the mold and the strength of the apparatus. The aluminum-silicon carbide composite is depressurized at a temperature below the melting point and then cooled to room temperature. For the purpose of removing the strain at the time of compounding, annealing treatment of the aluminum-silicon carbide composite may be performed.

複合化時の歪み除去の目的で行うアニール処理は、400℃〜550℃の温度で10分以上行うことが好ましい。アニール温度が400℃未満であると、複合体内部の歪みが十分に開放されずに機械加工後の熱処理で形状が変化してしまう場合がある。一方、アニール温度が550℃を越えると、複合体中のアルミニウム合金が溶融する場合がある。アニール時間が10分未満であると、アニール温度が400℃〜550℃であっても複合体内部の歪みが十分に開放されず、機械加工後の熱処理で形状が変化してしまう場合がある。 The annealing treatment performed for the purpose of removing strain at the time of compounding is preferably performed at a temperature of 400 ° C. to 550 ° C. for 10 minutes or more. If the annealing temperature is less than 400 ° C., the distortion inside the composite may not be sufficiently released, and the shape may change due to heat treatment after machining. On the other hand, when the annealing temperature exceeds 550 ° C., the aluminum alloy in the composite may be melted. When the annealing time is less than 10 minutes, even if the annealing temperature is 400 ° C. to 550 ° C., the distortion inside the composite is not sufficiently released, and the shape may be changed by the heat treatment after machining.

本発明のアルミニウム−炭化珪素質複合体は、表面がアルミニウムを主成分とする金属層で覆われており、このアルミニウム−炭化珪素質複合体をめっき処理するのに好適である。更に、この表面層は、積層時に離型処理を施した金型に、厚みが0.1〜0.5mmでVf(セラミックスの含有量)が3〜20体積%のセラミックス繊維を両主面に配置して、金属粉末と炭化珪素粉末の混合粉末を充填し、加熱プレス成形することで、調製することができる。上記製造方法により得られたアルミニウム−炭化珪素質複合体は、両主面に厚み0.1〜0.3mmのアルミニウム−セラミックス繊維複合体からなる表面層が形成される。   The aluminum-silicon carbide based composite of the present invention has a surface covered with a metal layer mainly composed of aluminum, and is suitable for plating the aluminum-silicon carbide based composite. Furthermore, this surface layer is formed on a mold that has been subjected to a mold release treatment at the time of lamination, and ceramic fibers having a thickness of 0.1 to 0.5 mm and a Vf (ceramic content) of 3 to 20% by volume on both main surfaces. It can be prepared by placing, filling a mixed powder of metal powder and silicon carbide powder, and hot pressing. In the aluminum-silicon carbide composite obtained by the above production method, a surface layer made of an aluminum-ceramic fiber composite having a thickness of 0.1 to 0.3 mm is formed on both main surfaces.

このアルミニウム−セラミックス繊維複合体層は、めっき性の関係より、アルミニウム合金以外の含有量は、30体積%未満であることが好ましい。このため、金型内に配置するセラミックス繊維として、厚みが0.1〜0.5mmでVfが3〜20体積%とする。セラミックス繊維の厚みが、0.5mmを超えると、加熱プレス成形によって、十分に緻密化したアルミニウム−セラミックス繊維複合体層が得られず好ましくない。セラミックス繊維の厚みの下限については、特性状の制約はないが、ハンドリング性の点より0.1mm以上であることが好ましい。また、セラミックス繊維のVfが、20体積%を超えると、得られるアルミニウム−セラミックス繊維複合体層のアルミニウム合金以外の含有量が30体積%を超え、めっき性が低下し好ましくない。Vfの下限については、特性状の制約はないが、ハンドリング性の点より3体積%以上であることが好ましい。セラミックス繊維としては、特に限定されないが、耐熱性の面より、アルミナ繊維、シリカ繊維、ムライト繊維等のセラミックス繊維が好ましく使用できる。   In the aluminum-ceramic fiber composite layer, the content other than the aluminum alloy is preferably less than 30% by volume because of the plating property. For this reason, as ceramic fiber arrange | positioned in a metal mold | die, thickness is 0.1-0.5 mm and Vf shall be 3-20 volume%. When the thickness of the ceramic fiber exceeds 0.5 mm, a sufficiently densified aluminum-ceramic fiber composite layer cannot be obtained by hot press molding, which is not preferable. The lower limit of the thickness of the ceramic fiber is not limited by characteristics, but is preferably 0.1 mm or more from the viewpoint of handling properties. Moreover, when Vf of ceramic fiber exceeds 20 volume%, content other than the aluminum alloy of the aluminum-ceramic fiber composite layer obtained exceeds 30 volume%, and plating property falls and it is not preferable. The lower limit of Vf is not limited by characteristics, but is preferably 3% by volume or more from the viewpoint of handling properties. Although it does not specifically limit as a ceramic fiber, Ceramic fibers, such as an alumina fiber, a silica fiber, and a mullite fiber, can use preferably from a heat resistant surface.

また、アルミニウム−炭化珪素質複合体の両主面の形成されるアルミニウム−炭化珪素質複合体層の厚みは、0.1〜0.3mmであることが好ましい。アルミニウム−炭化珪素質複合体層の厚みが0.1mm以上であれば、めっき性を確保することができる。一方、アルミニウム−炭化珪素質複合体層の厚みが0.3mmを超えると、熱伝導率が低下すると共に熱膨張係数が増加し好ましくない。   Moreover, it is preferable that the thickness of the aluminum-silicon carbide based composite layer formed on both main surfaces of the aluminum-silicon carbide based composite is 0.1 to 0.3 mm. If the thickness of the aluminum-silicon carbide composite layer is 0.1 mm or more, the plating property can be ensured. On the other hand, when the thickness of the aluminum-silicon carbide composite layer exceeds 0.3 mm, the thermal conductivity is lowered and the thermal expansion coefficient is increased, which is not preferable.

本発明では、加熱プレス成形時に、200mmあたり50〜500μmの凹型の反りを具備してなる金型を用いて、加熱プレス成形することで、一主面に200mmあたり50〜500μmの凸型の反りを付与することができる。この場合、金型表面を機械加工により、反り量が50〜500μmの凹型形状とすることにより、得られる板状アルミニウム−炭化珪素質複合体は、理想的な球面形状の放熱面を得ることが可能であり、良好な放熱特性を得ることができる。本発明の板状アルミニウム−炭化珪素質複合体を、パワーモジュール用ベース板として用いる場合、その反り量が、長さ200mmあたり50μm未満では、その後のモジュール組み立て工程でベース板と放熱フィンとの間に隙間が生じ、たとえ高熱伝導性の放熱グリースを塗布しても、熱伝達性が著しく低下し、その結果セラミックス回路基板、ベース板、放熱フィン等で構成されるモジュールの放熱性が著しく低下してしまう場合がある。一方、反り量が500μmを超えると、放熱フィンとの接合の際のネジ止め時に、ベース板、又はセラミックス回路基板にクラックが発生してしまう場合があり好ましくない。 In the present invention, at the time of hot press molding, a convex warp of 50 to 500 μm per 200 mm is formed on one main surface by hot press molding using a mold having a concave warp of 50 to 500 μm per 200 mm. Can be granted. In this case, the plate-like aluminum-silicon carbide composite can be obtained with an ideal spherical heat dissipation surface by machining the die surface into a concave shape with a warpage of 50 to 500 μm. This is possible and good heat dissipation characteristics can be obtained. When the plate-like aluminum-silicon carbide composite of the present invention is used as a base plate for a power module, if the amount of warpage is less than 50 μm per 200 mm in length, it is between the base plate and the heat radiating fin in the subsequent module assembly process. Even if high thermal conductivity heat dissipation grease is applied, the heat transfer performance is significantly reduced, resulting in a significant decrease in the heat dissipation performance of the module composed of ceramic circuit board, base plate, heat dissipation fins, etc. May end up. On the other hand, if the amount of warpage exceeds 500 μm, a crack may occur in the base plate or the ceramic circuit board at the time of screwing at the time of joining to the heat radiating fin, which is not preferable.

本発明の板状アルミニウム−炭化珪素質複合体の反りを形成する方法として、板状アルミニウム−炭化珪素質複合体を、200mmあたり100〜1000μmの反りとなる曲率に撓む様に10kPa以上の応力を掛けた状態で、温度400〜550℃で30秒以上加熱処理することによりクリープ変形させて、200mmあたり50〜500μmの凸型の反りを付与することもできる。加熱処理時に加える応力が10kPa未満では、撓み量が不足し目的とする反り量を得ることができない。また、処理温度が400℃未満又は処理温度が400〜550℃でも処理時間が30秒未満では、十分なクリープ変形を起こすことが出来ず、目的とする反り量を得ることができない。処理温度が550℃を超えると、複合体中の金属成分の移動に伴う密度低下等の問題が発生して好ましくない。   As a method of forming the warp of the plate-like aluminum-silicon carbide composite of the present invention, the stress of 10 kPa or more is applied so that the plate-like aluminum-silicon carbide composite is bent to a curvature of 100 to 1000 μm per 200 mm. In this state, the film can be creep-deformed by heat treatment at a temperature of 400 to 550 ° C. for 30 seconds or more to give a convex warp of 50 to 500 μm per 200 mm. When the stress applied during the heat treatment is less than 10 kPa, the amount of warpage is insufficient and the desired amount of warpage cannot be obtained. Further, even if the processing temperature is less than 400 ° C. or the processing temperature is 400 to 550 ° C., if the processing time is less than 30 seconds, sufficient creep deformation cannot be caused, and the desired amount of warpage cannot be obtained. When the treatment temperature exceeds 550 ° C., problems such as a decrease in density due to the movement of the metal component in the composite occur, which is not preferable.

次に、本発明のアルミニウム−炭化珪素質複合体の加工方法の例を説明する。アルミニウム−炭化珪素質複合体は非常に硬い難加工性材料であるが、ウォータージェット加工機により、外周部及び/又は穴部を加工することができる。その結果、得られたアルミニウム−炭化珪素質複合体は、外周部及び/又は穴部にアルミニウム−炭化珪素質複合体が露出する構造となる。ここで、上記穴部は、他の放熱部品にネジ止めできるよう、上下面を貫くように設けられていればよい。また、外周部と連結したU字形状のような形状に加工することで、加工コストを削減することもできる。 Next, the example of the processing method of the aluminum-silicon carbide composite of this invention is demonstrated. Although the aluminum-silicon carbide composite is a very hard and difficult-to-work material, the outer peripheral portion and / or the hole portion can be processed by a water jet processing machine. As a result, the obtained aluminum-silicon carbide composite has a structure in which the aluminum-silicon carbide composite is exposed at the outer peripheral portion and / or the hole. Here, the said hole part should just be provided so that an up-and-down surface may be penetrated so that it can be screwed to another heat radiating component. In addition, the processing cost can be reduced by processing into a shape like a U-shape connected to the outer peripheral portion.

本発明のアルミニウム−炭化珪素質複合体は導電性材料であるので、放電加工機を用いても、外周部及び/又は穴部の加工を行うことができる。得られたアルミニウム−炭化珪素質複合体は、外周部及び/又は穴部にアルミニウム−炭化珪素質複合体が露出する構造となる。なお、本発明のアルミニウム−炭化珪素質複合体は、通常のダイヤモンド工具等を用いた加工も可能ではあるが、非常に硬い難加工性材料であるため、工具の耐久性や加工コストの面から、ウォータージェット加工機又は放電加工機による加工が好ましい。更に、本発明のアルミニウム−炭化珪素質複合体は、必要に応じて主面を研磨又は研削加工することもできる。   Since the aluminum-silicon carbide composite of the present invention is a conductive material, the outer peripheral portion and / or the hole portion can be processed using an electric discharge machine. The obtained aluminum-silicon carbide composite has a structure in which the aluminum-silicon carbide composite is exposed at the outer peripheral portion and / or the hole. Although the aluminum-silicon carbide composite of the present invention can be processed using a normal diamond tool or the like, it is a very hard and difficult-to-process material, so from the viewpoint of tool durability and processing cost. Processing by a water jet machine or an electric discharge machine is preferable. Furthermore, the main surface of the aluminum-silicon carbide based composite of the present invention can be polished or ground as necessary.

本発明のアルミニウム−炭化珪素質複合体をパワーモジュール用のベース板として用いる場合、特に重要な特性は、熱伝導率と熱膨張係数である。このため、用いる強化材としては、素材自体の熱伝導率が高く且つ熱膨張係数が小さい炭化珪素を選択し、更に、炭化珪素とアルミニウムでは、その熱伝達機構が異なるため、両素材の界面での熱伝達ロスを抑えるべく、この界面の面積を少なくすること(粒子径の大きい炭化珪素粉末を用いること)及びその配合比を適性化することで、熱伝導率を向上させ、熱膨張係数を制御している。本発明では、用いる金属粉末の融点以上の温度で、10MPa以上の成形圧力で加熱プレス成形することで、強化材である炭化珪素粉末とアルミニウム合金をその界面で強固に密着させ、アルミニウム−炭化珪素質複合体の気孔率を制御すると共に強度特性を改善している。 When the aluminum-silicon carbide composite of the present invention is used as a base plate for a power module, particularly important characteristics are thermal conductivity and thermal expansion coefficient. For this reason, as the reinforcing material to be used, silicon carbide having a high thermal conductivity and a low thermal expansion coefficient is selected. Further, since the heat transfer mechanism is different between silicon carbide and aluminum, at the interface between the two materials. In order to suppress heat transfer loss, the area of this interface is reduced (use of silicon carbide powder having a large particle diameter) and the mixing ratio is optimized, thereby improving the thermal conductivity and reducing the thermal expansion coefficient. I have control. In the present invention, the silicon carbide powder, which is a reinforcing material, and an aluminum alloy are firmly adhered at the interface by hot press molding at a molding pressure of 10 MPa or more at a temperature equal to or higher than the melting point of the metal powder to be used. It controls the porosity of the porous composite and improves the strength characteristics.

本発明のアルミニウム−炭化珪素質複合体の温度25℃での板厚方向の熱伝導率は、150〜300W/mKである。熱伝導率が、150W/mK未満では、パワーモジュール用のベース板等の放熱部品として用いる場合に十分な放熱特性が得られず好ましくない。熱伝導率の上限に関しては、特性面からの制約はないが、炭化珪素自体の特性より300W/mK以下となる。   The thermal conductivity in the thickness direction of the aluminum-silicon carbide composite of the present invention at a temperature of 25 ° C. is 150 to 300 W / mK. A thermal conductivity of less than 150 W / mK is not preferable because sufficient heat dissipation characteristics cannot be obtained when used as a heat dissipation component such as a base plate for a power module. The upper limit of the thermal conductivity is not limited in terms of characteristics, but is 300 W / mK or less due to the characteristics of silicon carbide itself.

本発明では、アルミニウム−炭化珪素質複合体を、加熱プレス成形して作製するため、得られるアルミニウム−炭化珪素質複合体には、原料粉末の配向により不可避的に特性の異方性が発生する。本発明の複合体は、熱伝導率の高い炭化珪素の配向により、主面方向の熱伝導率が板厚方向の熱伝導率より大きく、板厚方向の熱伝導率が主面方向の熱伝導率の80%以上であることが好ましい。 In the present invention, since the aluminum-silicon carbide composite is produced by hot press molding, the resulting aluminum-silicon carbide composite inevitably has anisotropy in characteristics due to the orientation of the raw material powder. . In the composite of the present invention, due to the orientation of silicon carbide having a high thermal conductivity, the thermal conductivity in the main surface direction is larger than the thermal conductivity in the plate thickness direction, and the thermal conductivity in the plate thickness direction is higher than that in the main surface direction. It is preferable that it is 80% or more of the rate.

本発明のアルミニウム−炭化珪素質複合体の温度25℃から150℃の熱膨張係数は、5×10-6〜9×10-6/Kである。パワーモジュール用のベース板等の放熱部品として用いる場合、接合されるセラミックス回路基板との熱膨張係数のマッチングが非常に重要である。熱膨張係数が、5×10-6/K未満又は9×10-6/Kを超えると、半導体素子作動時の熱負荷により、接合層(半田層等)やセラミックスの破壊が起こり、放熱特性が低下する場合があり好ましくない。 The thermal expansion coefficient of the aluminum-silicon carbide composite of the present invention at a temperature of 25 ° C. to 150 ° C. is 5 × 10 −6 to 9 × 10 −6 / K. When used as a heat dissipation component such as a base plate for a power module, matching of the thermal expansion coefficient with the ceramic circuit board to be joined is very important. If the coefficient of thermal expansion is less than 5 × 10 −6 / K or more than 9 × 10 −6 / K, the thermal load during operation of the semiconductor element causes destruction of the bonding layer (solder layer, etc.) and ceramics. May decrease, which is not preferable.

本発明のアルミニウム−炭化珪素質複合体の気孔率は2〜10体積%である。気孔率が、10体積%を超えると熱伝導率等の特性が低下すると共に、パワーモジュール用のベース板等の放熱部品として用いる場合に、使用環境からの水分の透過等によるモジュール自体の耐食性に問題が発生し好ましくない。気孔率の下限については、本発明の目的とする高熱伝導且つ低熱膨張のアルミニウム−炭化珪素質複合体を得るため、強化材である炭化珪素粉末の粒度及び配合比の関係より2体積%以上となるが、特性面からは、むしろ2体積%以下であることが好ましい。 The porosity of the aluminum-silicon carbide composite of the present invention is 2 to 10% by volume. When the porosity exceeds 10% by volume, the thermal conductivity and other characteristics deteriorate, and when used as a heat dissipation component such as a base plate for a power module, the corrosion resistance of the module itself due to the permeation of moisture from the usage environment. Problems occur and are not preferred. About the lower limit of the porosity, in order to obtain an aluminum-silicon carbide composite with high thermal conductivity and low thermal expansion that is the object of the present invention, it is 2% by volume or more from the relationship between the particle size and blending ratio of the silicon carbide powder that is a reinforcing material. However, from the viewpoint of characteristics, the content is preferably 2% by volume or less.

本発明のアルミニウム−炭化珪素質複合体の3点曲げ強度は100〜350MPaである。アルミニウム−炭化珪素質複合体を、パワーモジュール用のベース板等の放熱部品として用いる場合、3点曲げ強度が100MPa未満では、ネジ止めする際の割れや、使用時の振動等の影響による欠けの問題があり好ましくない。3点曲げ強度の上限に関しては、特性状の制約はないが、3点曲げ強度を極端に向上させるためには、炭化珪素の添加量の増加及び微粉化が必要となり、その結果、得られるアルミニウム−炭化珪素質複合体の熱伝導率が低下するため、350MPa以下であることが好ましい。 The three-point bending strength of the aluminum-silicon carbide composite of the present invention is 100 to 350 MPa. When the aluminum-silicon carbide composite is used as a heat dissipation part such as a base plate for a power module, if the three-point bending strength is less than 100 MPa, cracking due to screwing, or chipping due to vibration during use, etc. There is a problem and it is not preferable. There is no restriction on the upper limit of the three-point bending strength, but in order to extremely improve the three-point bending strength, it is necessary to increase the amount of silicon carbide added and to pulverize. As a result, the resulting aluminum -It is preferable that it is 350 MPa or less because the thermal conductivity of the silicon carbide composite decreases.

本発明に係るアルミニウム−炭化珪素質複合体は、パワーモジュール用ベース板として用いる場合、取り付け穴等を加工した後、セラミックス回路基板と半田付けにより接合して用いられるのが一般的である。このため、アルミニウム−炭化珪素質複合体表面には、Niめっきを施すことが必要である。めっき処理方法は特に限定されず、無電解めっき処理、電気めっき処理法のいずれでもよい。Niめっきの厚みは1〜20μmであることが好ましい。めっき厚みが1μm未満では、部分的にめっきピンホールが発生し、半田付け時に半田ボイド(空隙)が発生し、回路基板からの放熱特性が低下する場合がある。一方、Niめっきの厚みが20μmを超えると、Niめっき膜と表面アルミニウム合金との熱膨張差によりめっき剥離が発生する場合がある。Niめっき膜の純度に関しては、半田濡れ性に支障をきたさないものであれば特に制約はなく、リン、硼素等を含有することができる。更に、Niめっき表面に金めっきを施すことも可能である。   When the aluminum-silicon carbide composite according to the present invention is used as a base plate for a power module, it is generally used after processing a mounting hole or the like and then joining to a ceramic circuit board by soldering. For this reason, it is necessary to apply Ni plating to the surface of the aluminum-silicon carbide composite. The plating method is not particularly limited, and any of electroless plating and electroplating may be used. The thickness of the Ni plating is preferably 1 to 20 μm. If the plating thickness is less than 1 μm, plating pinholes are partially generated, solder voids (voids) are generated during soldering, and the heat dissipation characteristics from the circuit board may be deteriorated. On the other hand, when the thickness of the Ni plating exceeds 20 μm, plating peeling may occur due to a difference in thermal expansion between the Ni plating film and the surface aluminum alloy. The purity of the Ni plating film is not particularly limited as long as it does not hinder solder wettability, and may contain phosphorus, boron, or the like. Furthermore, it is also possible to apply gold plating to the Ni plating surface.

本発明に係わるアルミニウム−炭化珪素質複合体とセラミックス回路基板との接合は、活性金属ロウ材を介してロウ付けすることもできる。活性金属ロウ材は、ペースト状のものも使用可能であるが、取り扱い上合金箔が好ましい。この場合、活性金属ロウ材は、アルミニウム−炭化珪素質複合体の金属成分としての合金よりも融点の低いものが好ましい。例示すればCu1〜6質量%のAl−Cu合金箔、Cu4質量%とMg0.5%質量を含む2018合金箔、0.5質量%のMnを含む2017合金箔、更にはJIS合金の2001、2003、2005、2007、2011、2014、2024、2025、2030、2034、2036、2048、2090、2117、2124、2218、2224、2324、7050、7075等の合金箔が使用可能である。また、Mg、Zn、In、Mn、Cr、Ti、Bi等の第三成分を、合計で5質量%まで含むものの使用も可能である。 The joining of the aluminum-silicon carbide composite and the ceramic circuit board according to the present invention can be brazed via an active metal brazing material. The active metal brazing material may be a paste, but an alloy foil is preferred for handling. In this case, the active metal brazing material preferably has a lower melting point than the alloy as the metal component of the aluminum-silicon carbide composite. For example, Cu 1-6 mass% Al—Cu alloy foil, 2018 alloy foil containing 4 mass% Cu and 0.5 mass% Mg, 2017 alloy foil containing 0.5 mass% Mn, and JIS alloy 2001, Alloy foils such as 2003, 2005, 2007, 2011, 2014, 2024, 2025, 2030, 2034, 2036, 2048, 2090, 2117, 2124, 2218, 2224, 2324, 7050, and 7075 can be used. Further, it is possible to use a material containing up to 5% by mass of a third component such as Mg, Zn, In, Mn, Cr, Ti, Bi and the like.

(実施例1)
炭化珪素粉末A(大平洋ランダム社製/平均粒子径:150μm、密度:3.2g/cm):102g(35体積%)、炭化珪素粉末B(大平洋ランダム社製/平均粒子径:50μm、密度:2.2g/cm):102g(35体積%)、アルミニウム粉末(アルコア社製/平均粒子径:25μm):64.2g、珪素粉末(エルケム社製/平均粒子径:20μm):8.9g、マグネシウム粉末(平均粒子径:50μm)0.7gを、ボールミルにて1時間混合した。次に、図1に示す鋳鉄製の金型1(外形:200×200×50mm、内径:140×130×50mm)及び金型2(下部:200×200×20mm、上部:139.9×129.9×10mm)に離型剤として黒鉛及び窒化硼素を塗布した後、積層して金型2の上面に黒鉛シートを配置して、前記混合粉末を充填した。更に、混合粉末の上部に黒鉛シートを配置し、同様に離型剤を塗布した金型3(139.9×129.9×60mm)を積層し、油圧プレスにて面圧:10MPaで予備成形を実施した。
Example 1
Silicon carbide powder A (manufactured by Taiyo Random Company / average particle size: 150 μm, density: 3.2 g / cm 3 ): 102 g (35% by volume), silicon carbide powder B (manufactured by Taiyo Random Company / average particle size: 50 μm) , Density: 2.2 g / cm 3 ): 102 g (35% by volume), aluminum powder (manufactured by Alcoa / average particle size: 25 μm): 64.2 g, silicon powder (manufactured by Elchem / average particle size: 20 μm): 8.9 g and magnesium powder (average particle size: 50 μm) 0.7 g were mixed for 1 hour in a ball mill. Next, a cast iron mold 1 (outer shape: 200 × 200 × 50 mm, inner diameter: 140 × 130 × 50 mm) and a mold 2 (lower portion: 200 × 200 × 20 mm, upper portion: 139.9 × 129 shown in FIG. (9 × 10 mm) was coated with graphite and boron nitride as a release agent, laminated, and a graphite sheet was placed on the upper surface of the mold 2 and filled with the mixed powder. Further, a graphite sheet is arranged on the upper part of the mixed powder, and a mold 3 (139.9 × 129.9 × 60 mm) coated with a release agent is laminated in the same manner, and preformed at a surface pressure of 10 MPa with a hydraulic press. Carried out.

次に、この積層体を電気炉にて、大気雰囲気下、温度650℃に加熱して15分間保持して、積層体の温度を650℃とした。加熱した積層体は、厚み5mmの断熱材を介して、油圧プレスにて面圧:50MPaで5分間、加熱プレス成形を行った後、圧力を開放して室温まで冷却した。次に、金型2を外し、油圧プレスにて金型3を押し込み成形体を取り出した後、離型用に配置した黒鉛シートを剥がして、140×130×5mmtのアルミニウム−炭化珪素質複合体を得た。   Next, this laminated body was heated to a temperature of 650 ° C. in an electric furnace in an air atmosphere and held for 15 minutes, so that the temperature of the laminated body was set to 650 ° C. The heated laminate was subjected to hot press molding at a surface pressure of 50 MPa for 5 minutes with a hydraulic press through a 5 mm thick heat insulating material, and then the pressure was released and the laminate was cooled to room temperature. Next, the mold 2 is removed, the mold 3 is pushed in with a hydraulic press, the molded body is taken out, and then the graphite sheet disposed for mold release is peeled off, and a 140 × 130 × 5 mmt aluminum-silicon carbide composite Got.

得られたアルミニウム−炭化珪素質複合体は、ウォータージェット加工機(スギノマシン製アブレッシブ・ジェットカッタNC)により、圧力250MPa、加工速度50mm/minの条件で、研磨砥粒として粒度100μmのガーネットを使用して、縁周部6カ所に直径7mmの貫通穴を加工した後、外周部分を加工して、127mm×137mm×5mmの形状とした。 The obtained aluminum-silicon carbide composite uses a garnet having a particle size of 100 μm as abrasive grains under the conditions of a pressure of 250 MPa and a processing speed of 50 mm / min by a water jet processing machine (Abrasive Jet Cutter NC manufactured by Sugino Machine). Then, after processing through-holes with a diameter of 7 mm at six edge peripheral portions, the outer peripheral portion was processed into a shape of 127 mm × 137 mm × 5 mm.

次に、このアルミニウム−炭化珪素質複合体に反りを付与するため、カーボン製で曲率半径が15mの球面を設けた凹凸型を準備した。この凹凸型を熱プレス機に装着し、加熱して型の表面温度を510℃とした。この凹凸型の間に前記複合体を配置し40KPaでプレスした。この際、当該複合体の側面に熱電対を接触させ測温した。複合体の温度が500℃になった時点から3分間保持後、加圧を解除し、50℃まで自然冷却した。次に、得られた複合体は、反り付け時の残留歪み除去のために、電気炉で350℃の温度で30分間アニール処理を行った。得られたアルミニウム−炭化珪素質複合体の放熱面の形状を接触型二次元輪郭形状測定機(東京精密社製;コンターレコード1600D−22)にて測定し、200mmあたりの反り量を測定した結果、200mmあたりの反り量は、190μmであった。 Next, in order to give a warp to the aluminum-silicon carbide composite, an uneven mold provided with a spherical surface made of carbon and having a curvature radius of 15 m was prepared. This concavo-convex mold was mounted on a hot press and heated to set the mold surface temperature at 510 ° C. The composite was placed between the concave and convex molds and pressed at 40 KPa. At this time, a thermocouple was brought into contact with the side surface of the composite to measure temperature. After maintaining the temperature of the composite at 500 ° C. for 3 minutes, the pressure was released and the product was naturally cooled to 50 ° C. Next, the obtained composite was annealed in an electric furnace at a temperature of 350 ° C. for 30 minutes in order to remove residual strain at the time of warping. Result of measuring the shape of the heat radiating surface of the obtained aluminum-silicon carbide composite with a contact-type two-dimensional contour measuring machine (manufactured by Tokyo Seimitsu Co., Ltd .; contour record 1600D-22) and measuring the amount of warpage per 200 mm. The amount of warpage per 200 mm was 190 μm.

次いで、圧力0.4MPa、搬送速度1.0m/minの条件でアルミナ砥粒にてブラスト処理を行い清浄化した後、無電解Ni―P及びNi−Bめっきを行い、複合体表面に8μm厚(Ni−P:6μm+Ni−B:2μm)のめっき層を形成した。得られためっき品は、肉眼で確認されるピンホールはなく良好であった。 Next, after blasting with alumina abrasive grains under conditions of a pressure of 0.4 MPa and a conveying speed of 1.0 m / min to clean, electroless Ni—P and Ni—B plating are performed, and the composite surface is 8 μm thick. A plating layer (Ni—P: 6 μm + Ni—B: 2 μm) was formed. The obtained plated product was good with no pinholes confirmed with the naked eye.

加熱プレス成形で得られたアルミニウム−炭化珪素質複合体から、研削加工により板厚方向の熱伝導率測定用試験体(直径11mm厚さ3mm)及び熱膨張係数測定用試験体(3×3×10mm)及びを作製した。それぞれの試験片を用いて、温度25℃〜150℃の熱膨張係数を熱膨張計(セイコー電子工業社製;TMA300)で、25℃での熱伝導率をレーザーフラッシュ法(理学電機社製;LF/TCM−8510B)で測定した。その結果、温度25℃の板厚方向の熱伝導率は230W/mKであり、温度25℃〜150℃の熱膨張係数は、6.5×10−6/Kであった。更に、実施例1の混合粉末量を3倍とし、同様の手法で140×130×15mmtのアルミニウム−炭化珪素質複合体を作製し、研削加工により主面方向の熱伝導率測定用試験体(直径11mm厚さ3mm)を作製し、熱伝導率を測定した結果、温度25℃の主面方向の熱伝導率は250W/mKであった。 From the aluminum-silicon carbide composite obtained by hot press molding, a specimen for measuring thermal conductivity in the plate thickness direction (diameter 11 mm, thickness 3 mm) and a specimen for measuring thermal expansion coefficient (3 × 3 ×) by grinding. 10 mm) and. Using each test piece, the thermal expansion coefficient at a temperature of 25 ° C. to 150 ° C. was measured with a thermal dilatometer (manufactured by Seiko Denshi Kogyo; TMA300), and the thermal conductivity at 25 ° C. was measured with a laser flash method (manufactured by Rigaku Corporation); LF / TCM-8510B). As a result, the thermal conductivity in the plate thickness direction at a temperature of 25 ° C. was 230 W / mK, and the thermal expansion coefficient at a temperature of 25 ° C. to 150 ° C. was 6.5 × 10 −6 / K. Further, the amount of the mixed powder of Example 1 was tripled, and a 140 × 130 × 15 mmt aluminum-silicon carbide composite was produced in the same manner, and a specimen for measuring thermal conductivity in the principal surface direction by grinding ( 11 mm in diameter and 3 mm in thickness) and the thermal conductivity was measured. As a result, the thermal conductivity in the principal surface direction at a temperature of 25 ° C. was 250 W / mK.

アルミニウム−炭化珪素質複合体より、研削加工により3点曲げ強度測定用試験体(3×4×40mm)を作製し、曲げ強度試験機にて3点曲げ強度を測定した結果、240MPaであった。更に、アルミニウム−炭化珪素質複合体の密度をアルキメデス法で測定し、気孔率を算出した結果、気孔率は、3.5体積%であった。 A three-point bending strength measurement specimen (3 × 4 × 40 mm) was produced from the aluminum-silicon carbide composite by grinding, and the three-point bending strength was measured with a bending strength tester. As a result, it was 240 MPa. . Furthermore, the density of the aluminum-silicon carbide composite was measured by the Archimedes method, and the porosity was calculated. As a result, the porosity was 3.5% by volume.

(実施例2)
実施例1と同様にして、炭化珪素粉末A、炭化珪素粉末B、アルミニウム粉末、珪素粉末及びマグネシウム粉末の混合粉末を作製した。次に、図2に示す鋳鉄製の金型1(外形:200×200×50mm、内径:140×130×50mm)及び金型2(下部:200×200×20mm、上部:139.9×129.9×10mm)に離型剤として黒鉛及び窒化硼素を塗布した後、積層して金型2の上面にVfが10体積%で厚み0.2mmのアルミナ繊維のシートを配置して、前記混合粉末を充填し、混合粉末の上部にアルミナ繊維のシートを配置した。更に、その上に混合粉末と接する面を、200mmあたり200μmの凹型の反り量となる様に、一定の曲率で機械加工した金型3(139.9×129.9×60mm)に離型剤を塗布して積層し、油圧プレスにて面圧:10MPaで予備成形を実施した。
(Example 2)
In the same manner as in Example 1, a mixed powder of silicon carbide powder A, silicon carbide powder B, aluminum powder, silicon powder and magnesium powder was produced. Next, a cast iron mold 1 (outer shape: 200 × 200 × 50 mm, inner diameter: 140 × 130 × 50 mm) and a mold 2 (lower portion: 200 × 200 × 20 mm, upper portion: 139.9 × 129 shown in FIG. 9 × 10 mm), graphite and boron nitride as a release agent are applied, laminated, and an alumina fiber sheet having a Vf of 10% by volume and a thickness of 0.2 mm is disposed on the upper surface of the mold 2, and the mixing is performed. The powder was filled and an alumina fiber sheet was placed on top of the mixed powder. Furthermore, a mold release agent is applied to the mold 3 (139.9 × 129.9 × 60 mm) machined with a certain curvature so that the surface in contact with the mixed powder has a concave curvature of 200 μm per 200 mm. Were applied and laminated, and preformed with a hydraulic press at a surface pressure of 10 MPa.

この積層体を実施例1と同様の手法により、加熱プレス成形を行った後、圧力を開放して室温まで冷却し、140×130×5mmtのアルミニウム−炭化珪素質複合体を得た。得られたアルミニウム−炭化珪素質複合体は、温度500℃で1時間保持し、室温まで徐冷するアニール処理を実施した。次に、アルミニウム−炭化珪素質複合体を、放電加工機により、加工速度10mm/minの条件で縁周部6カ所に直径7mmの貫通穴を加工した後、外周部分を加工して127mm×137mm×5mmの形状とした。得られたアルミニウム−炭化珪素質複合体の放熱面の形状を接触型二次元輪郭形状測定機(東京精密社製;コンターレコード1600D−22)にて測定し、200mmあたりの反り量を測定した結果、200mmあたりの反り量は、210μmであった。 The laminated body was hot press-molded by the same method as in Example 1, and then the pressure was released to cool to room temperature to obtain a 140 × 130 × 5 mmt aluminum-silicon carbide composite. The obtained aluminum-silicon carbide composite was subjected to an annealing treatment of holding at a temperature of 500 ° C. for 1 hour and gradually cooling to room temperature. Next, the aluminum-silicon carbide based composite was processed with through holes having a diameter of 7 mm at six edge peripheral portions at a processing speed of 10 mm / min using an electric discharge machine, and then the outer peripheral portion was processed to 127 mm × 137 mm. The shape was × 5 mm. Result of measuring the shape of the heat radiating surface of the obtained aluminum-silicon carbide composite with a contact-type two-dimensional contour measuring machine (manufactured by Tokyo Seimitsu Co., Ltd .; contour record 1600D-22) and measuring the amount of warpage per 200 mm. The amount of warpage per 200 mm was 210 μm.

次いで、圧力0.4MPa、搬送速度1.0m/minの条件でアルミナ砥粒にてブラスト処理を行い清浄化した後、無電解Ni―P及びNi−Bめっきを行い、複合体表面に8μm厚(Ni−P:6μm+Ni−B:2μm)のめっき層を形成した。得られためっき品は、肉眼で確認されるピンホールはなく良好であった。 Next, after blasting with alumina abrasive grains under conditions of a pressure of 0.4 MPa and a conveying speed of 1.0 m / min to clean, electroless Ni—P and Ni—B plating are performed, and the composite surface is 8 μm thick. A plating layer (Ni—P: 6 μm + Ni—B: 2 μm) was formed. The obtained plated product was good with no pinholes confirmed with the naked eye.

加熱プレス成形で得られたアルミニウム−炭化珪素質複合体から、研削加工により板厚方向の熱伝導率測定用試験体(直径11mm厚さ3mm)及び熱膨張係数測定用試験体(3×3×10mm)を作製した。それぞれの試験片を用いて、温度25℃〜150℃の熱膨張係数を熱膨張計(セイコー電子工業社製;TMA300)で、25℃での熱伝導率をレーザーフラッシュ法(理学電機社製;LF/TCM−8510B)で測定した。その結果、温度25℃の板厚方向の熱伝導率は210W/mKであり、温度25℃〜150℃の熱膨張係数は、6.4×10−6/Kであった。 From the aluminum-silicon carbide composite obtained by hot press molding, a specimen for measuring thermal conductivity in the plate thickness direction (diameter 11 mm, thickness 3 mm) and a specimen for measuring thermal expansion coefficient (3 × 3 ×) by grinding. 10 mm). Using each test piece, the thermal expansion coefficient at a temperature of 25 ° C. to 150 ° C. was measured with a thermal dilatometer (manufactured by Seiko Denshi Kogyo; TMA300), and the thermal conductivity at 25 ° C. was measured with a laser flash method (manufactured by Rigaku Corporation); LF / TCM-8510B). As a result, the thermal conductivity in the plate thickness direction at a temperature of 25 ° C. was 210 W / mK, and the thermal expansion coefficient at a temperature of 25 ° C. to 150 ° C. was 6.4 × 10 −6 / K.

さらに、アルミニウム−炭化珪素質複合体から、研削加工により3点曲げ強度測定用試験体(3×4×40mm)を作製した。曲げ強度試験機にて3点曲げ強度を測定した結果、220MPaであった。アルミニウム−炭化珪素質複合体の密度をアルキメデス法で測定し気孔率を算出した結果、気孔率は3.3体積%であった。 Further, a three-point bending strength test specimen (3 × 4 × 40 mm) was prepared from the aluminum-silicon carbide composite by grinding. As a result of measuring the three-point bending strength with a bending strength tester, it was 220 MPa. As a result of measuring the density of the aluminum-silicon carbide composite by Archimedes method and calculating the porosity, the porosity was 3.3% by volume.

(実施例3〜8、比較例1〜3)
炭化珪素粉末A(大平洋ランダム社製/平均粒子径:150μm、密度:3.2g/cm):102g(35体積%)、炭化珪素粉末B(大平洋ランダム社製/平均粒子径:50μm、密度:2.2g/cm):102g(35体積%)及び、アルミニウム粉末(アルコア社製/平均粒子径:25μm)、珪素粉末(エルケム社製/平均粒子径:20μm)、マグネシウム粉末(平均粒子径:50μm)、アルミニウム−マグネシウム合金粉末(平均粒子径:80μm)、マグネシウム−珪素粉末/MgSi(平均粒子径:70μm)、アルミニウム−珪素−マグネシウム合金粉末(平均粒子径:40μm)を、表1に示す配合で、合計73.8gを、ボールミルにて1時間混合した。次に、実施例1と同様の手法にて、鋳鉄製の金型1(外形:200×200×50mm、内径:140×130×50mm)及び金型2(下部:200×200×20mm、上部:139.9×129.9×10mm)に離型剤として黒鉛及び窒化硼素を塗布した後、積層して金型2の上面に黒鉛シートを配置して、前記混合粉末を充填した。更に、混合粉末の上部に黒鉛シートを配置し、同様に離型剤を塗布した金型3(139.9×129.9×60mm)を積層し、油圧プレスにて面圧:10MPaで予備成形を実施した。
(Examples 3-8, Comparative Examples 1-3)
Silicon carbide powder A (manufactured by Taiyo Random Company / average particle size: 150 μm, density: 3.2 g / cm 3 ): 102 g (35% by volume), silicon carbide powder B (manufactured by Taiyo Random Company / average particle size: 50 μm) , Density: 2.2 g / cm 3 ): 102 g (35% by volume), aluminum powder (manufactured by Alcoa / average particle size: 25 μm), silicon powder (manufactured by Elchem / average particle size: 20 μm), magnesium powder ( Average particle size: 50 μm), aluminum-magnesium alloy powder (average particle size: 80 μm), magnesium-silicon powder / Mg 2 Si (average particle size: 70 μm), aluminum-silicon-magnesium alloy powder (average particle size: 40 μm) Were mixed for 1 hour in a ball mill with the formulation shown in Table 1. Next, a cast iron mold 1 (outside: 200 × 200 × 50 mm, inner diameter: 140 × 130 × 50 mm) and a mold 2 (lower part: 200 × 200 × 20 mm, upper part) in the same manner as in Example 1 139.9 × 129.9 × 10 mm) was coated with graphite and boron nitride as a release agent, laminated, and a graphite sheet was placed on the upper surface of the mold 2 and filled with the mixed powder. Further, a graphite sheet is arranged on the upper part of the mixed powder, and a mold 3 (139.9 × 129.9 × 60 mm) coated with a release agent is laminated in the same manner, and preformed at a surface pressure of 10 MPa with a hydraulic press. Carried out.

Figure 2010024077
Figure 2010024077

次に、この積層体を実施例1と同様の手法により、加熱プレス成形を行った後、圧力を開放して室温まで冷却し、140×130×5mmtのアルミニウム−炭化珪素質複合体を得た。得られたアルミニウム−炭化珪素質複合体は、研削加工により板厚方向の熱伝導率測定用試験体(直径11mm厚さ3mm)及び熱膨張係数測定用試験体(3×3×10mm)を作製した。それぞれの試験片を用いて、温度25℃〜150℃の熱膨張係数を熱膨張計(セイコー電子工業社製;TMA300)で、25℃での熱伝導率をレーザーフラッシュ法(理学電機社製;LF/TCM−8510B)で測定した。また、アルミニウム−炭化珪素質複合体より、研削加工により3点曲げ強度測定用試験体(3×4×40mm)を作製し、曲げ強度試験機にて3点曲げ強度を測定した。更に、アルミニウム−炭化珪素質複合体の密度をアルキメデス法で測定し、気孔率を算出した。結果を表2に示す。   Next, this laminate was subjected to hot press molding in the same manner as in Example 1, and then the pressure was released to cool to room temperature to obtain a 140 × 130 × 5 mmt aluminum-silicon carbide composite. . The obtained aluminum-silicon carbide composite was prepared by grinding to produce a specimen for measuring thermal conductivity in the plate thickness direction (diameter 11 mm, thickness 3 mm) and thermal expansion coefficient measuring specimen (3 × 3 × 10 mm). did. Using each test piece, the thermal expansion coefficient at a temperature of 25 ° C. to 150 ° C. was measured with a thermal dilatometer (manufactured by Seiko Denshi Kogyo; TMA300), and the thermal conductivity at 25 ° C. was measured with a laser flash method (manufactured by Rigaku Corporation); LF / TCM-8510B). Further, a three-point bending strength measurement specimen (3 × 4 × 40 mm) was prepared from the aluminum-silicon carbide composite by grinding, and the three-point bending strength was measured with a bending strength tester. Furthermore, the density of the aluminum-silicon carbide composite was measured by the Archimedes method, and the porosity was calculated. The results are shown in Table 2.

Figure 2010024077
Figure 2010024077

実施例3〜8の加熱プレス成形で得られたアルミニウム−炭化珪素質複合体を、ウォータージェット加工機(スギノマシン製アブレッシブ・ジェットカッタNC)により、圧力250MPa、加工速度50mm/minの条件で、研磨砥粒として粒度100μmのガーネットを使用して縁周部6カ所に直径7mmの貫通穴を加工した後、外周部分を加工した。その後、マシニングセンターでダイヤモンド工具を用いて、4カ所にφ10−4mmの皿穴を加工して、127mm×137mm×5mmの形状とした。 The aluminum-silicon carbide composite obtained by the hot press molding in Examples 3 to 8 was subjected to a water jet processing machine (Abrasive Jet Cutter NC manufactured by Sugino Machine) under the conditions of a pressure of 250 MPa and a processing speed of 50 mm / min. Using a garnet having a particle size of 100 μm as abrasive grains, through holes with a diameter of 7 mm were processed at six locations on the peripheral edge, and then the outer peripheral portion was processed. Then, using a diamond tool at a machining center, countersunk holes of φ10-4 mm were processed at four locations to form a 127 mm × 137 mm × 5 mm shape.

次いで、圧力0.4MPa、搬送速度1.0m/minの条件でアルミナ砥粒にてブラスト処理を行い清浄化した後、無電解Ni―Pめっきを行い、複合体表面に6μm厚のめっき層を形成した後、無電解Auめっきを行い、0.2μmのAuめっき層を形成した。得られためっき品は、肉眼で確認されるピンホールはなく良好であった。 Next, after cleaning by blasting with alumina abrasive grains under conditions of pressure 0.4 MPa and transport speed 1.0 m / min, electroless Ni—P plating is performed, and a 6 μm thick plating layer is formed on the composite surface. After the formation, electroless Au plating was performed to form a 0.2 μm Au plating layer. The obtained plated product was good with no pinholes confirmed with the naked eye.

(実施例9〜13、比較例4〜7)
アルミニウム粉末(アルコア社製/平均粒子径:25μm):435g、珪素粉末(エルケム社製/平均粒子径:20μm):60g、マグネシウム粉末(平均粒子径:50μm)5gを、ボールミルにて10分間混合して金属粉末の混合粉末を作製した。この金属粉末と、炭化珪素粉末A(大平洋ランダム社製/平均粒子径:150μm)、炭化珪素粉末B(大平洋ランダム社製/平均粒子径:50μm)、炭化珪素粉末C(大平洋ランダム社製/平均粒子径:1000μm)、炭化珪素粉末D(大平洋ランダム社製/平均粒子径:300μm)、炭化珪素粉末E(屋久島電工社製/平均粒子径:15μm)を、表3に示す配合比で、ボールミルにて1時間混合した。ここで、金属粉末の混合粉末は、平均密度2.7g/cmとして計算した。次に、図1に示す鋳鉄製の金型1(外形:200×200×50mm、内径:140×130×50mm)及び金型2(下部:200×200×20mm、上部:139.9×129.9×10mm)に離型剤として黒鉛及び窒化硼素を塗布した後、積層して金型2の上面に黒鉛シートを配置して、前記混合粉末を充填した。更に、混合粉末の上部に黒鉛シートを配置し、同様に離型剤を塗布した金型3(139.9×129.9×60mm)を積層し、油圧プレスにて面圧:10MPaで予備成形を実施した。
(Examples 9-13, Comparative Examples 4-7)
Aluminum powder (manufactured by Alcoa / average particle size: 25 μm): 435 g, silicon powder (manufactured by Elchem / average particle size: 20 μm): 60 g, 5 g of magnesium powder (average particle size: 50 μm) are mixed in a ball mill for 10 minutes. Thus, a mixed powder of metal powder was produced. This metal powder, silicon carbide powder A (manufactured by Taiyo Random Company / average particle size: 150 μm), silicon carbide powder B (manufactured by Taiyo Random Company / average particle size: 50 μm), silicon carbide powder C (manufactured by Taiyo Random Company) Manufactured / average particle size: 1000 μm), silicon carbide powder D (manufactured by Taiyo Random Corporation / average particle size: 300 μm), silicon carbide powder E (manufactured by Yakushima Electric Works / average particle size: 15 μm) shown in Table 3 The mixture was mixed in a ball mill for 1 hour. Here, the mixed powder of the metal powder was calculated as an average density of 2.7 g / cm 3 . Next, a cast iron mold 1 (outer shape: 200 × 200 × 50 mm, inner diameter: 140 × 130 × 50 mm) and a mold 2 (lower portion: 200 × 200 × 20 mm, upper portion: 139.9 × 129 shown in FIG. (9 × 10 mm) was coated with graphite and boron nitride as a release agent, laminated, and a graphite sheet was placed on the upper surface of the mold 2 and filled with the mixed powder. Further, a graphite sheet is arranged on the upper part of the mixed powder, and a mold 3 (139.9 × 129.9 × 60 mm) coated with a release agent is laminated in the same manner, and preformed at a surface pressure of 10 MPa with a hydraulic press. Carried out.

Figure 2010024077
Figure 2010024077

次に、この積層体を実施例1と同様の手法により、加熱プレス成形を行った後、圧力を開放して室温まで冷却し、140×130×5mmtのアルミニウム−炭化珪素質複合体を得た。得られたアルミニウム−炭化珪素質複合体は、研削加工により板厚方向の熱伝導率測定用試験体(直径11mm厚さ3mm)及び熱膨張係数測定用試験体(3×3×10mm)を作製した。それぞれの試験片を用いて、温度25℃〜150℃の熱膨張係数を熱膨張計(セイコー電子工業社製;TMA300)で、25℃での熱伝導率をレーザーフラッシュ法(理学電機社製;LF/TCM−8510B)で測定した。また、アルミニウム−炭化珪素質複合体より、研削加工により3点曲げ強度測定用試験体(3×4×40mm)を作製し、曲げ強度試験機にて3点曲げ強度を測定した。更に、アルミニウム−炭化珪素質複合体の密度をアルキメデス法で測定し、気孔率を算出した。その結果を表4に示す。   Next, this laminate was subjected to hot press molding in the same manner as in Example 1, and then the pressure was released to cool to room temperature to obtain a 140 × 130 × 5 mmt aluminum-silicon carbide composite. . The obtained aluminum-silicon carbide composite was prepared by grinding to produce a specimen for measuring thermal conductivity in the plate thickness direction (diameter 11 mm, thickness 3 mm) and thermal expansion coefficient measuring specimen (3 × 3 × 10 mm). did. Using each test piece, the thermal expansion coefficient at a temperature of 25 ° C. to 150 ° C. was measured with a thermal dilatometer (manufactured by Seiko Denshi Kogyo; TMA300), and the thermal conductivity at 25 ° C. was measured with a laser flash method (manufactured by Rigaku Corporation); LF / TCM-8510B). Further, a three-point bending strength measurement specimen (3 × 4 × 40 mm) was prepared from the aluminum-silicon carbide composite by grinding, and the three-point bending strength was measured with a bending strength tester. Furthermore, the density of the aluminum-silicon carbide composite was measured by the Archimedes method, and the porosity was calculated. The results are shown in Table 4.

Figure 2010024077
Figure 2010024077

加熱プレス成形で得られたアルミニウム−炭化珪素質複合体は、ウォータージェット加工機(スギノマシン製アブレッシブ・ジェットカッタNC)により、圧力250MPa、加工速度50mm/minの条件で、研磨砥粒として粒度100μmのガーネットを使用して、縁周部6カ所に直径7mmの貫通穴を加工した後、外周部分を加工して、127mm×137mm×5mmの形状とした。 The aluminum-silicon carbide composite obtained by hot press molding was subjected to a pressure of 250 MPa and a processing speed of 50 mm / min by a water jet processing machine (Abrasive Jet Cutter NC manufactured by Sugino Machine), with a particle size of 100 μm as abrasive grains. Using a garnet, through holes with a diameter of 7 mm were processed at six locations on the peripheral edge, and the outer peripheral portion was processed into a 127 mm × 137 mm × 5 mm shape.

次いで、圧力0.4MPa、搬送速度1.0m/minの条件でアルミナ砥粒にてブラスト処理を行い清浄化した後、無電解Ni―P及びNi−Bめっきを行い、複合体表面に8μm厚(Ni−P:6μm+Ni−B:2μm)のめっき層を形成した。実施例9〜13及び比較例4と6のめっき品は、肉眼で確認されるピンホールはなく良好であった。比較例5は、表面の凹凸が激しく、肉眼で確認できるめっきのピンホールが認められた。また、比較例7は、緻密化不足に起因する薬液のシミが認められた。 Next, after blasting with alumina abrasive grains under conditions of a pressure of 0.4 MPa and a conveying speed of 1.0 m / min to clean, electroless Ni—P and Ni—B plating are performed, and the composite surface is 8 μm thick. A plating layer (Ni—P: 6 μm + Ni—B: 2 μm) was formed. The plated products of Examples 9 to 13 and Comparative Examples 4 and 6 were good with no pinholes confirmed with the naked eye. In Comparative Example 5, the surface irregularities were severe, and plating pinholes that could be confirmed with the naked eye were observed. Further, in Comparative Example 7, a stain of the chemical solution due to insufficient densification was observed.

(実施例17〜20、比較例9〜11)
炭化珪素粉末A(大平洋ランダム社製/平均粒子径:150μm、密度:3.2g/cm):102g(35体積%)、炭化珪素粉末B(大平洋ランダム社製/平均粒子径:50μm、密度:2.2g/cm):102g(35体積%)、アルミニウム粉末(アルコア社製/平均粒子径:25μm):64.2g、珪素粉末(エルケム社製/平均粒子径:20μm):8.9g、マグネシウム粉末(平均粒子径:50μm)0.7gを、ボールミルにて1時間混合した。次に、実施例1と同様の手法にて、鋳鉄製の金型1(外形:200×200×50mm、内径:140×130×50mm)及び金型2(下部:200×200×20mm、上部:139.9×129.9×10mm)に離型剤として黒鉛及び窒化硼素を塗布した後、積層して金型2の上面にVfが5体積%で厚み0.2mmのアルミナ繊維のシートを配置して、前記混合粉末を充填した。更に、混合粉末の上部にアルミナ繊維のシートを配置し、同様に離型剤を塗布した金型3(139.9×129.9×60mm)を積層し、油圧プレスにて面圧:10MPaで予備成形を実施した。
(Examples 17-20, Comparative Examples 9-11)
Silicon carbide powder A (manufactured by Taiyo Random Company / average particle size: 150 μm, density: 3.2 g / cm 3 ): 102 g (35% by volume), silicon carbide powder B (manufactured by Taiyo Random Company / average particle size: 50 μm) , Density: 2.2 g / cm 3 ): 102 g (35% by volume), aluminum powder (manufactured by Alcoa / average particle size: 25 μm): 64.2 g, silicon powder (manufactured by Elchem / average particle size: 20 μm): 8.9 g and magnesium powder (average particle size: 50 μm) 0.7 g were mixed for 1 hour in a ball mill. Next, a cast iron mold 1 (outside: 200 × 200 × 50 mm, inner diameter: 140 × 130 × 50 mm) and a mold 2 (lower part: 200 × 200 × 20 mm, upper part) in the same manner as in Example 1 : 139.9 × 129.9 × 10 mm) and graphite and boron nitride as a release agent, and then laminated to form an alumina fiber sheet having a Vf of 5% by volume and a thickness of 0.2 mm on the upper surface of the mold 2. Placed and filled with the mixed powder. Further, an alumina fiber sheet is placed on top of the mixed powder, and a mold 3 (139.9 × 129.9 × 60 mm) coated with a release agent is laminated in the same manner, and the surface pressure is 10 MPa by a hydraulic press. Pre-forming was performed.

次に、この積層体を電気炉にて、大気雰囲気下、表5に示す温度に加熱して15分間保持して、積層体の温度を表5に示す温度とした。加熱した積層体は、厚み5mmの断熱材を介して、油圧プレスにて表5に示す面圧で5分間、加熱プレス成形を行った後、圧力を開放して室温まで冷却した。次に、金型2を外し、油圧プレスにて金型3を押し込み成形体を取り出した後、離型用に配置した黒鉛シートを剥がして、140×130×21mmtのアルミニウム−炭化珪素質複合体を得た。   Next, this laminate was heated in an electric furnace to the temperature shown in Table 5 in an air atmosphere and held for 15 minutes, so that the temperature of the laminate was set to the temperature shown in Table 5. The heated laminate was subjected to hot press molding for 5 minutes at a surface pressure shown in Table 5 with a hydraulic press through a 5 mm thick heat insulating material, and then the pressure was released and the mixture was cooled to room temperature. Next, the mold 2 is removed, the mold 3 is pushed in with a hydraulic press, the molded product is taken out, and then the graphite sheet disposed for mold release is peeled off to obtain a 140 × 130 × 21 mmt aluminum-silicon carbide composite. Got.

Figure 2010024077
Figure 2010024077

得られたアルミニウム−炭化珪素質複合体から、研削加工により板厚方向の熱伝導率測定用試験体(直径11mm厚さ3mm)及び熱膨張係数測定用試験体(3×3×10mm)を作製した。それぞれの試験片を用いて、温度25℃〜150℃の熱膨張係数を熱膨張計(セイコー電子工業社製;TMA300)で、25℃での熱伝導率をレーザーフラッシュ法(理学電機社製;LF/TCM−8510B)で測定した。また、アルミニウム−炭化珪素質複合体より、研削加工により3点曲げ強度測定用試験体(3×4×40mm)を作製し、曲げ強度試験機にて3点曲げ強度を測定した。更に、アルミニウム−炭化珪素質複合体の密度をアルキメデス法で測定し、気孔率を算出した。結果を表6に示す。 From the obtained aluminum-silicon carbide composite, a specimen for thermal conductivity measurement in the plate thickness direction (diameter 11 mm, thickness 3 mm) and a specimen for thermal expansion coefficient measurement (3 × 3 × 10 mm) are produced by grinding. did. Using each test piece, the thermal expansion coefficient at a temperature of 25 ° C. to 150 ° C. was measured with a thermal dilatometer (manufactured by Seiko Denshi Kogyo; TMA300), and the thermal conductivity at 25 ° C. was measured with a laser flash method (manufactured by Rigaku Corporation); LF / TCM-8510B). Further, a three-point bending strength measurement specimen (3 × 4 × 40 mm) was prepared from the aluminum-silicon carbide composite by grinding, and the three-point bending strength was measured with a bending strength tester. Furthermore, the density of the aluminum-silicon carbide composite was measured by the Archimedes method, and the porosity was calculated. The results are shown in Table 6.

Figure 2010024077
Figure 2010024077

アルミニウム−炭化珪素質複合体の作製方法を示す説明図(実施例1,複合化前の積層状態)Explanatory drawing which shows the preparation methods of an aluminum-silicon carbide composite (Example 1, laminated state before compounding) アルミニウム−炭化珪素質複合体の作製方法を示す説明図(実施例2,複合化前の積層状態)Explanatory drawing which shows the preparation methods of an aluminum-silicon carbide composite (Example 2, lamination state before compounding)

符号の説明Explanation of symbols

1 金型1
2 金型2
3 金型3
4 金属粉末、炭化珪素粉末及び黒鉛粉末の混合粉末
5 黒鉛シート
6 セラミックス繊維
1 Mold 1
2 Mold 2
3 Mold 3
4 Mixed powder of metal powder, silicon carbide powder and graphite powder 5 Graphite sheet 6 Ceramic fiber

Claims (6)

アルミニウム77〜94.5質量%、珪素5〜20質量%及びマグネシウム0.5〜3質量%を含有する金属粉末20〜40体積%と、平均粒子径が50〜300μmの炭化珪素粉末60〜80体積%を混合した後、離型処理を施した金型に充填し、温度600〜750℃に加熱して、圧力10MPa以上で加熱プレス成形することを特徴とする、板厚2〜6mmの板状アルミニウム−炭化珪素質複合体の製造方法。 20 to 40% by volume of metal powder containing 77 to 94.5% by mass of aluminum, 5 to 20% by mass of silicon and 0.5 to 3% by mass of magnesium, and silicon carbide powder 60 to 80 having an average particle size of 50 to 300 μm A plate having a thickness of 2 to 6 mm, which is obtained by mixing volume%, filling a mold subjected to a release treatment, heating to a temperature of 600 to 750 ° C., and hot press molding at a pressure of 10 MPa or more. Method for producing aluminum-silicon carbide composite. アルミニウム77〜94.5質量%、珪素5〜20質量%及びマグネシウム0.5〜3質量%を含有する金属粉末20〜40体積%と、平均粒子径が50〜300μmの炭化珪素粉末60〜80体積%を混合した後、離型処理を施した金型に、厚みが0.1〜0.5mmでVfが3〜20体積%のセラミックス繊維を両主面に配置して前記混合粉末を充填し、温度600〜750℃に加熱して、圧力10MPa以上で加熱プレス成形することを特徴とする、両主面に厚み0.1〜0.3mmのアルミニウム−セラミックス繊維複合体層を具備してなる、板厚2〜6mmの板状アルミニウム−炭化珪素質複合体の製造方法。 20 to 40% by volume of metal powder containing 77 to 94.5% by mass of aluminum, 5 to 20% by mass of silicon and 0.5 to 3% by mass of magnesium, and silicon carbide powder 60 to 80 having an average particle size of 50 to 300 μm After mixing the volume%, the mixed powder is filled with ceramic fibers having a thickness of 0.1 to 0.5 mm and Vf of 3 to 20 volume% on both main surfaces in a mold subjected to a release treatment. And heating and press-molding at a pressure of 10 MPa or higher, and having an aluminum-ceramic fiber composite layer having a thickness of 0.1 to 0.3 mm on both main surfaces. A method for producing a plate-like aluminum-silicon carbide composite having a thickness of 2 to 6 mm. 加熱プレス成形時に、200mmあたり50〜500μmの凹型の反りを具備してなる金型を用い、一主面に200mmあたり50〜500μmの凸型の反りを付与することを特徴とする請求項1又は2記載の板状アルミニウム−炭化珪素質複合体の製造方法。 2. A convex warp of 50 to 500 μm per 200 mm is imparted to one main surface using a mold comprising a concave warp of 50 to 500 μm per 200 mm at the time of hot press molding. 3. A method for producing a plate-like aluminum-silicon carbide composite according to 2. 板状のアルミニウム−炭化珪素質複合体に、一定曲率に撓む様に10kPa以上の応力を掛けた状態で、温度400〜550℃で30秒以上加熱処理することによりクリープ変形させて、200mmあたり50〜500μmの凸型の反りを付与することを特徴とする請求項1又は2記載の板状アルミニウム−炭化珪素質複合体の製造方法。 The plate-like aluminum-silicon carbide composite is creep-deformed by heating at a temperature of 400 to 550 ° C. for 30 seconds or more in a state where a stress of 10 kPa or more is applied so as to bend to a constant curvature, and is about 200 mm. The method for producing a plate-like aluminum-silicon carbide composite according to claim 1 or 2, wherein a convex warp of 50 to 500 µm is imparted. 気孔率が2〜10体積%であり、温度25℃〜150℃の熱膨張係数が5×10−6〜9×10−6/Kであり、温度25℃の熱伝導率が150〜300W/mKであり、3点曲げ強度が100〜350MPaであることを特徴とする請求項1〜4のうちいずれか一項記載の製造方法で得られる板状アルミニウム−炭化珪素質複合体。 The porosity is 2 to 10% by volume, the thermal expansion coefficient at a temperature of 25 ° C. to 150 ° C. is 5 × 10 −6 to 9 × 10 −6 / K, and the thermal conductivity at a temperature of 25 ° C. is 150 to 300 W / 5. The plate-like aluminum-silicon carbide composite obtained by the production method according to claim 1, wherein the plate-like aluminum-silicon carbide composite has a three-point bending strength of 100 to 350 MPa. 請求項5記載の板状アルミニウム−炭化珪素質複合体に、取り付け穴を加工した後、めっき処理を行い、一主面がセラミックス回路基板に半田付け又はロウ付け接合され、他の一主面が放熱面として用いられるパワーモジュール用ベース板。
The plate-like aluminum-silicon carbide composite according to claim 5 is processed with a mounting hole and then plated, and one principal surface is soldered or brazed to the ceramic circuit board, and the other principal surface is Power module base plate used as a heat dissipation surface.
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