JP2018075802A - 金属−炭素粒子複合材及びその製造方法 - Google Patents

金属−炭素粒子複合材及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】高熱伝導性と低線膨張性を有する金属−炭素粒子複合材、その製造方法及びパワーモジュール用冷却器を提供すること。【解決手段】金属−炭素粒子複合材30は、金属マトリックス９中に炭素粒子としての鱗片状黒鉛粒子1aが分散した一つ以上の鱗片状黒鉛粒子分散層１と、金属マトリックス９中に炭素粒子としての炭素繊維2aが分散した一つ以上の炭素繊維分散層２と、金属マトリックス９で形成された一つ以上の金属層３と、を積層状に備える。一つ以上の鱗片状黒鉛粒子分散層１と一つ以上の炭素繊維分散層２と一つ以上の金属層３は接合一体化されている。鱗片状黒鉛粒子分散層１及び炭素繊維分散層２のうち一方と金属層３とは複合材30の厚さ方向の略全体に亘って交互に積層された状態に配列している。【選択図】図１

Description

本発明は、金属マトリックスと金属マトリックス中に分散した炭素粒子とを含む金属−炭素粒子複合材、その製造方法及びパワーモジュール用冷却器に関する。
なお、本明細書及び特許請求の範囲では、「アルミニウム」の語は、特に明示する場合を除き、純アルミニウム及びアルミニウム合金の双方を含む意味で用いられ、「銅」の語は、特に明示する場合を除き、純銅及び銅合金の双方を含む意味で用いられる。
また、本発明に係る金属−炭素粒子複合材の上下方向は限定されるものではないが、本明細書及び特許請求の範囲では、複合材の構成を理解し易くするため、複合材の厚さ方向及び積層体の厚さ方向をそれぞれ複合材の上下方向及び積層体の上下方向と定義する。
また、本発明に係るパワーモジュール用冷却器の上下方向は限定されるものではないが、本明細書及び特許請求の範囲では、冷却器の構成を理解し易くするため、発熱性素子（例：パワー半導体チップ）が搭載される冷却器の搭載面側を冷却器の上側、及び、その反対側を冷却器の下側とそれぞれ定義する。
金属−炭素粒子複合材を開示した文献として、例えば、特許第５１５０９０５号公報（特許文献１）、特許第４４４１７６８号公報（特許文献２）及び特開２００６−１２３２（特許文献３）がある。
特許第５１５０９０５号公報は、シート状又はフォイル状の金属支持体上に炭素粒子としての炭素繊維を含有する皮膜が形成されたプリフォームを形成し、これを複数積み重ねて積層体を形成し、積層体を加熱圧接することでプリフォーム同士を一体化させることにより、金属−炭素粒子複合材としての金属基炭素繊維複合材の製造方法を開示している。この方法では、得られる複合材において熱伝導率が高くなるのは炭素繊維が配列した一方向のみである。
特許第４４４１７６８号公報は、鱗状黒鉛粉末と所定の鱗状金属粉末との混合体を用いて焼結前駆体を形成し、焼結前駆体を加圧しながら焼結することにより、金属−炭素粒子複合材としての金属−黒鉛複合材の製造方法を開示している。この方法では、製造時において金属粉末の取り扱いが難しいし、製造コストが高いという問題がある。
特開２００６−１２３２号公報は、結晶性カーボン材層と金属層とが積層され複合化された複合体をホットプレス焼結することにより、金属−炭素粒子複合材としての高熱伝導・低熱膨張複合材の製造方法を開示している。この方法では、複合体の焼結が難しく、そのため、接合が不十分で接合界面のずれが生じ易いと考えられる。
金属−炭素粒子複合材を開示したその他の文献として、特開２０１５−２５１５８号公報（特許文献４）及び特開２０１５−２１７６５５号公報（特許文献５）がある。
特許第５１５０９０５号公報 特許４４４１７６８号公報 特開２００６−１２３２号公報 特開２０１５−２５１５８号公報 特開２０１５−２１７６５５号公報
而して、ＳｉＣ等を用いた次世代半導体チップは高温動作が可能である。そのようなチップを冷却する冷却器の材料は、チップの動作温度が高くなることによる熱応力を低減するために低線膨張性を有していること、及び、冷却性能を高めるために高熱伝導性を有していることが望ましい。
本発明は、上述した技術背景に鑑みてなされたもので、その目的は、高熱伝導性と低線膨張性を有する金属−炭素粒子複合材、その製造方法及びパワーモジュール用冷却器を提供することにある。
本発明は以下の手段を提供する。
［１］ 金属マトリックス中に炭素粒子としての鱗片状黒鉛粒子が分散した一つ以上の鱗片状黒鉛粒子分散層と、前記金属マトリックス中に炭素粒子としての炭素繊維が分散した一つ以上の炭素繊維分散層と、前記金属マトリックスで形成された一つ以上の金属層と、を積層状に備えるとともに、
前記一つ以上の鱗片状黒鉛粒子分散層と前記一つ以上の炭素繊維分散層と前記一つ以上の金属層とが接合一体化されており、
前記鱗片状黒鉛粒子分散層及び前記炭素繊維分散層のうち一方と前記金属層とは複合材の厚さ方向の略全体に亘って交互に積層された状態に配列している金属−炭素粒子複合材。
［２］ さらに、前記鱗片状黒鉛粒子分散層と前記炭素繊維分散層と前記金属層は、複合材の厚さ方向の略全体に亘って規則的な積層順序で積層された状態に配列している前項１記載の金属−炭素粒子複合材。
［３］ 積層状に接合一体化された複数の冷却器構成層を備え、
前記複数の構成層のうち少なくとも一つが前項１又は２記載の金属−炭素粒子複合材製であるパワーモジュール用冷却器。
［４］ 炭素粒子としての鱗片状黒鉛粒子と第１バインダとを含有する第１塗工液を第１金属箔上に塗工し乾燥することにより、前記第１金属箔上に鱗片状黒鉛粒子層が形成された鱗片状黒鉛粒子塗工箔を得る工程と、
炭素粒子としての炭素繊維と第２バインダとを含有する第２塗工液を第２金属箔上に塗工し乾燥することにより、前記第２金属箔上に炭素繊維層が形成された炭素繊維塗工箔を得る工程と、
一枚以上の前記鱗片状黒鉛粒子塗工箔と一枚以上の前記炭素繊維塗工箔とが積層された状態の積層体を形成する工程と、
前記積層体を加熱することにより前記一枚以上の前記鱗片状黒鉛粒子塗工箔と前記一枚以上の前記炭素繊維塗工箔を一括して接合一体化する工程と、
を含む金属−炭素粒子複合材の製造方法。
［５］ 前記積層体を形成する工程では、前記積層体を、前記鱗片状黒鉛粒子塗工箔と前記炭素繊維塗工箔が前記積層体の厚さ方向の略全体に亘って規則的な積層順序で積層されるように形成する前項４記載の金属−炭素粒子複合材の製造方法。
本発明は以下の効果を奏する。
前項［１］では、金属マトリックス中に鱗片状黒鉛粒子が分散していることにより、材料の熱伝導性が金属単体よりも向上する。また、金属マトリックス中に炭素繊維が分散していることにより、材料の線膨張性が金属単体よりも低下する。したがって、前項［１］記載の金属−炭素粒子複合材は高熱伝導性（高い熱伝導率）と低線膨張性（低い線膨張率）を有している。
さらに、鱗片状黒鉛粒子分散層及び炭素繊維分散層のうち一方と金属層とが複合材の厚さ方向の略全体に亘って交互に積層された状態に配列しているので、複合材は高い接合強度を有している。
前項［２］では、鱗片状黒鉛粒子分散層と炭素繊維分散層と金属層は複合材の厚さ方向の略全体に亘って規則的な積層順序で積層された状態に配列している。したがって、複合材を製造する前に金属マトリックス中に含有される鱗片状黒鉛粒子と炭素繊維との体積割合を予め設計し、鱗片状黒鉛粒子分散層と炭素繊維分散層と金属層を規則的な積層順序で積層した状態にして複合材を製造することにより、複合材の熱伝導率と線膨張率を設計値に近づけることができる。
前項［３］では、複数の冷却器構成層のうち少なくとも一つが前項［１］又は［２］記載の金属−炭素粒子複合材製であるから、高い放熱性及び高い冷熱信頼性を有するパワーモジュール用冷却器を提供できる。
前項［４］では、本発明に係る金属−炭素粒子複合材を容易に製造できる。さらに、金属マトリックスの金属材料として金属箔が使用されることにより、金属粉末を使用する場合よりも金属材料の取り扱いが容易であるし製造コストが易くなる。さらに、複合材の厚さの制御が容易であり、薄い複合材を製造し易い。
前記［５］では、前項［２］の効果と同様の効果を奏する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る金属−炭素粒子複合材の概略断面図である。 図２は、鱗片状黒鉛粒子塗工箔の概略斜視図（左）とその断面モデル図（右）である。 図３は、炭素繊維塗工箔の概略斜視図（左）とその断面モデル図（右）である。 図４は、同複合材形成用積層体の概略断面図である。 図５は、同複合材の製造工程図である。 図６は、本発明の第２実施形態に係る金属−炭素粒子複合材の概略断面図である。 図７は、同複合材形成用積層体の概略断面図である。 図８は、本発明の第３実施形態に係る金属−炭素粒子複合材の概略断面図である。 図９は、同複合材形成用積層体の概略断面図である。 図１０は、本発明の一実施形態に係るパワーモジュール用冷却器の概略正面図である。
次に、本発明の幾つかの実施形態について図面を参照して以下に説明する。
図１〜５は、本発明の第１実施形態に係る金属−炭素粒子複合材及びその製造方法を説明するための図である。
図１に示すように、本第１実施形態に係る金属−炭素粒子複合材３０は、金属マトリックス（ドットハッチングで示す）９中に炭素粒子としての鱗片状黒鉛粒子１ａが分散した一つ以上の鱗片状黒鉛粒子分散層１と、金属マトリックス９中に炭素粒子としての炭素繊維２ａが分散した一つ以上の炭素繊維分散層２と、金属マトリックス９で形成された一つ以上の金属層３と、を積層状に備えている。
さらに、一つ以上の鱗片状黒鉛粒子分散層１と一つ以上の炭素繊維分散層２と一つ以上の金属層３とが積層状に接合一体化されており、これにより複合材３０が形成されている。複合材３０は金属基炭素粒子複合材の一種である。
各鱗片状黒鉛粒子分散層１中には炭素繊維２ａは実質的に存在していない。各炭素繊維分散層２中には鱗片状黒鉛粒子１ａは実質的に存在していない。各金属層３中には鱗片状黒鉛粒子１ａと炭素繊維２ａは実質的に存在していない。
なお、図１〜３では、複合材３０の構成を理解し易くするため鱗片状黒鉛粒子１ａと炭素繊維２ａは大きく図示されている。
本第１実施形態では、図１に示すように、鱗片状黒鉛粒子分散層１、炭素繊維分散層２及び金属層３の数はそれぞれ複数である。そして、鱗片状黒鉛粒子分散層１及び炭素繊維分散層２のうち一方と金属層３とが複合材３０の厚さ方向（即ち複合材３０の上下方向）の全体に亘って交互に積層された状態に配列している。
さらに、鱗片状黒鉛粒子分散層１と炭素繊維分散層２と金属層３は、複合材３０の厚さ方向の全体に亘って規則的な積層順序で積層された状態に配列している。
本第１実施形態の複合材３０では、鱗片状黒鉛粒子分散層１と炭素繊維分散層２と金属層３についての積層順序の単位７は、鱗片状黒鉛粒子分散層１／金属層３／炭素繊維分散層２／金属層３という単位である。そして、鱗片状黒鉛粒子分散層１と炭素繊維分散層２と金属層３は、この積層順序単位７が複合材３０の厚さ方向の全体に亘って繰り返されるという積層規則に従って積層された状態に配列している。
複合材３０において、積層順序単位７中に存在する鱗片状黒鉛粒子分散層１と炭素繊維分散層２との層数比は１：１である。そして、鱗片状黒鉛粒子分散層１と炭素繊維分散層２はこの層数比で複合材３０の厚さ方向の全体に亘って配列している。
したがって、鱗片状黒鉛粒子分散層１と炭素繊維分散層２との層数比は、複合材３０の厚さ方向の部位に依らず一定であり、詳述すると複合材３０の厚さ方向の全体に亘って１：１である。
本第１実施形態の複合材３０は、図１０に示したパワーモジュール用冷却器４０を構成する複数の冷却器構成層４１〜４４のうち少なくとも一つの構成層の材料として好適に使用可能である。
パワーモジュールは、例えば、ハイブリッドカー（ＨＥＶ）、電気自動車（ＥＶ）、電車などの車両に用いられたり、風力発電、太陽光発電などのエネルギー分野に用いられたりするものである。
冷却器４０は、複数の冷却器構成層４１〜４４として、配線層４１、絶縁層４２、緩衝層４３及び冷却層４４を備えている。そして、上から下へ順に、配線層４１、絶縁層４２、緩衝層４３及び冷却層４４が積層された状態でろう付け等の所定の接合手段によりこれらの層４１〜４４が接合一体化されている。
配線層４１の上面からなる搭載面４１ａには、一般に、半導体素子（例：パワー半導体チップ）等の発熱性素子（二点鎖線で示す）４７がはんだ層（二点鎖線で示す）４８を介して接合される。
絶縁層４２は電気絶縁性を有しており、通常、セラミックで形成されている。
緩衝層４３は、冷却器４０に発生した熱応力等の応力を緩和するための層である。
冷却層４４は、発熱性素子４７の熱を放散して発熱性素子４７を冷却するための層であり、例えば、複数の放熱フィンを有するヒートシンクからなる。
図１０に示した冷却器４０では、詳述すると、上述した複数の構成層４１〜４４のうち絶縁層４２を除く構成層（即ち、配線層４１、緩衝層４３及び冷却層４４）からなる群から選択される少なくとも一つが本第１実施形態の複合材３０製である。一般に冷却器４０には高い放熱性と冷熱サイクル負荷に対して高い冷熱信頼性とが要求される。
次に、本第１実施形態の複合材３０の望ましい製造方法を以下に説明する。
図５に示すように、複合材３０の製造方法は、第１金属箔１２上に炭素粒子層としての鱗片状黒鉛粒子層１１が形成された鱗片状黒鉛粒子塗工箔１３を得る工程Ｓ１（図２参照）と、第２金属箔１５上に炭素粒子層としての炭素繊維層１４が形成された炭素繊維塗工箔１６を得る工程Ｓ２（図３参照）と、一枚以上の鱗片状黒鉛粒子塗工箔１３と一枚以上の炭素繊維塗工箔１６とが積層された状態の積層体２０を形成する工程Ｓ３（図４参照）と、積層体２０を加熱することにより一枚以上の鱗片状黒鉛粒子塗工箔１３と一枚以上の炭素繊維塗工箔１６を一括して接合一体化する工程Ｓ４と、を含む。
図２及び３において、第１及び第２金属箔１２、１５の金属材料は複合材３０の金属マトリックス９を形成するものである。第１金属箔１２の金属材料と第２金属箔１５の金属材料は同一材料である。金属材料は限定されるものではないが、アルミニウム又は銅であることが望ましい。その理由は、これらの金属は高い熱伝導性を有しているからである。
第１及び第２金属箔１２、１５の厚さは限定されるものではなく、それぞれ５〜５００μｍであることが望ましく、特にそれぞれ１０〜５０μｍであることが望ましい。
図２に示すように、鱗片状黒鉛粒子１ａとしては例えば鱗片状黒鉛粉末を使用できる。鱗片状黒鉛粒子１ａの粒径及アスペクト比は限定されるものではなく、それぞれなるべく大きい方が望ましい。鱗片状黒鉛粒子１ａの平均粒径は３００μｍ以上であることが特に望ましく、また鱗片状黒鉛粒子１ａの平均アスペクト比は３０以上であることが特に望ましい。平均粒径の上限は限定されるものではなく例えば１０００μｍであり、また平均アスペクト比の上限は限定されるものではなく例えば１００である。
ここで、鱗片状黒鉛粒子１ａの粒径とは、電子顕微鏡等の観察手段で観察される鱗片状黒鉛粒子１ａの平面方向の円相当直径を意味する。鱗片状黒鉛粒子１ａのアスペクト比は、鱗片状黒鉛粒子１ａの「粒径／厚さ」により算出される。
図３に示すように、炭素繊維２ａとしては繊維状の炭素粒子を使用でき、具体的には例えば、ピッチ系炭素繊維、ＰＡＮ系炭素繊維、気相成長炭素繊維及びカーボンナノチューブからなる群より選択される一種の炭素繊維か又は複数種の混合炭素繊維を使用できる。炭素繊維２ａはピッチ系炭素繊維であることが特に望ましい。その理由は、ピッチ系炭素繊維の熱伝導率がＰＡＮ系炭素繊維のそれよりも大きいからである。
炭素繊維２ａの長さは限定されるものではなく、特に炭素繊維２ａの平均長さが１ｍｍ以下であることが望ましい。炭素繊維２ａの平均長さの下限は限定されるものではなく例えば１０μｍである。
また、鱗片状黒鉛粒子１ａ及び炭素繊維２ａは、不活性雰囲気中にて２０００〜３０００℃の温度で加熱処理されたものであっても良い。
鱗片状黒鉛粒子塗工箔１３を得る工程Ｓ１では、鱗片状黒鉛粒子１ａと第１バインダ（図示せず）と第１バインダ用第１溶剤（図示せず）とを混合状態に含有する第１塗工液（図示せず）を第１金属箔１２上に塗工し乾燥することにより、図２に示した鱗片状黒鉛粒子塗工箔１３が得られる。なお、図２中の左では第１バインダは図示省略されている。
炭素繊維塗工箔１６を得る工程Ｓ２では、炭素繊維２ａと第２バインダ（図示せず）と第２バインダ用第２溶剤（図示せず）とを混合状態に含有する第２塗工液（図示せず）を第２金属箔１５上に塗工し乾燥することにより、図３に示した炭素繊維塗工箔１６が得られる。なお、図３中の左では第２バインダは図示省略されている。
第１バインダは、鱗片状黒鉛粒子１ａに第１金属箔１２への付着力を付与して鱗片状黒鉛粒子１ａが第１金属箔１２上から脱落するのを抑制するためのものである。
第２バインダは、炭素繊維２ａに第２金属箔１５への付着力を付与して炭素繊維２ａが第２金属箔１５上から脱落するのを抑制するためのものである。
第１及び第２バインダは通常、樹脂からなる。具体的には、第１及び第２バインダとして、アクリル系樹脂、ポリエチレングリコール系樹脂、ブチレンゴム樹脂、フェノール樹脂、セルロース系樹脂などが使用できる。これらの樹脂バインダは一般に常温で固形である。
第１溶剤は第１バインダを溶解するものである。第２溶剤は第２バインダを溶解するものである。具体的には、第１及び第２溶剤として、水、アルコール系溶剤、炭化水素系溶剤、エステル系溶剤、エーテル系溶剤などが使用できる。これらの溶剤は一般に常温でバインダを溶解可能である。
第１塗工液は、鱗片状黒鉛粒子１ａと第１バインダと第１溶剤とを混合して得られる。
第１塗工液を第１金属箔１２上に塗工する方法は限定されない。好ましくは、第１塗工液の塗工は、特開２０１５−２５１５８号公報、特開２０１５−２１７６５５号公報等に開示されているようなロールｔｏロール方式により行われる。第１塗工液の塗工方法は、好ましくは、オフセットタイプの３本ロールコート法（即ち、オフセットタイプの３本ロールコーターによる塗工法）、グラビア印刷法、スプレー塗工法、カーテンコート法などから選択される。
鱗片状黒鉛粒子塗工箔１３を得る工程Ｓ１では、第１塗工液は、詳述すると、第１金属箔１２上として、第１金属箔１２の厚さ方向の片側の表面１２ａにその略全体に亘って塗工される。次いで、第１塗工液は所定の乾燥手段（例：乾燥炉）によって乾燥されて第１塗工液中の溶剤が除去される。これにより、図２に示した鱗片状黒鉛粒子塗工箔１３が得られる。
本第１実施形態では、第１塗工液が塗工される第１金属箔１２の表面１２ａは、第１金属箔１２が水平状に配置された状態における第１金属箔１２の上表面である。したがって、鱗片状黒鉛粒子層１１は詳述すると第１金属箔１２の上表面１２ａ上にその略全体に亘って形成されている。
第２塗工液は、炭素繊維２ａと第２バインダと第２溶剤とを混合して得られる。
第２塗工液を第２金属箔１５上に塗工する方法は限定されない。好ましくは、第２塗工液の塗工は、特開２０１５−２５１５８号公報、特開２０１５−２１７６５５号公報等に開示されているようなロールｔｏロール方式により行われる。第２塗工液の塗工方法は、好ましくは、グラビア印刷法、バーコート法、ナイフコート法、ドクターブレード法などから選択される。
炭素繊維塗工箔１６を得る工程Ｓ２では、第２塗工液は、詳述すると、第２金属箔１５上として、第２金属箔１５の厚さ方向の片側の表面１５ａにその略全体に亘って塗工される。そして、第２塗工液は所定の乾燥手段（例：乾燥炉）によって乾燥されて第２塗工液中の溶剤が除去される。これにより、図３に示した炭素繊維塗工箔１６が得られる。
本第１実施形態では、第２塗工液が塗工される第２金属箔１５の表面１５ａは、第２金属箔１５が水平状に配置された状態における第２金属箔１５の上表面である。したがって、炭素繊維層１４は詳述すると第２金属箔１５の上表面１５ａ上にその略全体に亘って形成されている。
積層体２０を形成する工程Ｓ３において、図４に示すように、積層体２０は、上述したように、一枚以上の鱗片状黒鉛粒子塗工箔１３と一枚以上の炭素繊維塗工箔１６とが積層された状態のものである。詳述すると、積層体２０は、複数の鱗片状黒鉛粒子塗工箔１３と複数の炭素繊維塗工箔１６とが、各炭素粒子層（鱗片状黒鉛粒子層１１、炭素繊維層１４）間に第１金属箔１２又は第２金属箔１５が必ず介在するように上下方向に積層された状態のものである。したがって、積層体２０の全体において、複数の鱗片状黒鉛粒子塗工箔１３と複数の炭素繊維塗工箔１６は、炭素粒子層同士が重ね合わされないように積層されている。
積層体２０を形成する工程Ｓ３では、積層体２０は、鱗片状黒鉛粒子塗工箔１３と炭素繊維塗工箔１６が積層体２０の厚さ方向（即ち積層体２０の上下方向）の全体に亘って規則的な積層順序で積層されるように形成される。
鱗片状黒鉛粒子塗工箔１３と炭素繊維塗工箔１６についての積層順序の単位１７は、鱗片状黒鉛粒子塗工箔１３／炭素繊維塗工箔１６という単位である。そして、鱗片状黒鉛粒子塗工箔１３と炭素繊維塗工箔１６は、この積層順序単位１７が積層体２０の厚さ方向の全体に亘って繰り返されるという積層規則に従って積層され、これにより、積層体２０が形成される。
積層順序単位１７中に存在する鱗片状黒鉛粒子塗工箔１３と炭素繊維塗工箔１６との枚数比は１：１である。そして、鱗片状黒鉛粒子塗工箔１３と炭素繊維塗工箔１６はこの枚数比で積層体２０の厚さ方向の全体に亘って配列している。
したがって、鱗片状黒鉛粒子塗工箔１３と炭素繊維塗工箔１６との枚数比は、積層体２０の厚さ方向の部位に依らず一定であり、詳述すると積層体２０の厚さ方向の全体に亘って１：１である。
接合一体化する工程Ｓ４では、積層体２０は所定の焼結雰囲気（例：非酸化雰囲気）中にて加熱されることにより焼結され、これにより、積層体２０の全体に存在する複数の鱗片状黒鉛粒子塗工箔１３と複数の炭素繊維塗工箔１６が一括して接合一体化（詳述すると焼結一体化）される。これにより、上述した複合材３０が得られる。
積層体２０の焼結方法は、真空ホットプレス法、パルス通電焼結法（ＳＰＳ法）、熱間静水圧焼結法（ＨＩＰ法）、押出法、圧延法などから選択される。
積層体２０を加熱する際においては、積層体２０をその厚さ方向（即ち、鱗片状黒鉛粒子塗工箔１３及び炭素繊維塗工箔１６の積層方向）に加圧しながら加熱することが望ましい。その理由は積層体２０を強固に焼結できるからである。
積層体２０を焼結するための積層体２０の加熱温度（即ち積層体２０の焼結温度）は限定されるものではなく、通常、第１及び第２金属箔１２、１５の金属材料の融点以下であり、特に、金属材料の融点と当該融点よりも約５０℃低い温度との間の温度に設定されることが望ましい。その理由は積層体２０を確実に焼結できるからである。具体的には、金属材料が例えばアルミニウムである場合、積層体２０の加熱温度（焼結温度）は５５０〜６２０℃の範囲に設定されることが望ましい。
積層体２０中に存在する第１及び第２バインダは、接合一体化する工程Ｓ４において積層体２０の温度が略室温から積層体２０を焼結する温度まで上昇するように積層体２０を加熱する途中で昇華又は分解等により消失して積層体２０から除去される。
接合一体化する工程Ｓ４においては、積層体２０が加熱されることによって、第１及び第２金属箔１２、１５の金属材料の一部が鱗片状黒鉛粒子層１１及び炭素繊維層１４中にそれぞれ浸入して各層１１、１４内に存在する微細な空隙（例：鱗片状黒鉛粒子層１１中の鱗片状黒鉛粒子１ａ間の隙間、炭素繊維層１４中の炭素繊維２ａ間の隙間）に充填されて、当該空隙が略消滅する。これにより、鱗片状黒鉛粒子塗工箔１３と炭素繊維塗工箔１６との接合強度（焼結強度）が向上するとともに複合材３０の密度が上昇する。
また、第１及び第２金属箔１２、１５の金属材料の一部が鱗片状黒鉛粒子層１１中に浸入することによって、鱗片状黒鉛粒子層１１中の鱗片状黒鉛粒子１ａは複合材３０の金属マトリックス９中に分散した状態になり、すなわち鱗片状黒鉛粒子層１１は複合材３０の鱗片状黒鉛粒子分散層１になる。
また、第１及び第２金属箔１２、１５の金属材料の一部が炭素繊維層１４中に浸入することによって、炭素繊維層１４中の炭素繊維２ａは複合材３０の金属マトリックス９中に分散した状態になり、すなわち炭素繊維層１４は複合材３０の炭素繊維分散層２になる。
また、第１及び第２金属箔１２、１５は複合材３０の金属層になる。
したがって、複合材３０においては、図１に示すように、鱗片状黒鉛粒子分散層１及び炭素繊維分散層２のうち一方と金属層３とは交互に積層された状態に配列する。本第１実施形態では、詳述すると、鱗片状黒鉛粒子分散層１と炭素繊維分散層２との間に必ず金属層３が介在されている。
本第１実施形態の複合材３０は、図１に示すように、金属マトリックス９中に鱗片状黒鉛粒子１ａが分散しているので、高い熱伝導率を有しており、また金属マトリックス９中に炭素繊維２ａが分散しているので、低い線膨張率を有している。
さらに、鱗片状黒鉛粒子分散層１及び炭素繊維分散層２のうち一方と金属層３とが交互に積層された状態に配列しているので、鱗片状黒鉛粒子分散層１と炭素繊維分散層２とが両層１、２の間に金属層３を介在しないで積層された状態に配列している場合に比べて、複合材３０は高い接合強度（高い焼結強度）を有している。
さらに、鱗片状黒鉛粒子分散層１と炭素繊維分散層２と金属層３は複合材３０の厚さ方向の全体に亘って規則的な積層順序で積層された状態に配列している。したがって、複合材３０を製造する前に金属マトリックス９中に含有される鱗片状黒鉛粒子１ａと炭素繊維２ａとの体積割合を予め設計し、これらの層を規則的な積層順序で積層した状態にして複合材３０を製造することにより、設計値に近い熱伝導率と線膨張率を有する複合材３０を容易に得ることができる。
本第１実施形態の複合材３０の製造方法は、次のような利点がある。
すなわち、鱗片状黒鉛粒子１ａと炭素繊維２ａとの混合層を金属箔上に形成することは技術的に困難である。そこで本第１実施形態では、鱗片状黒鉛粒子層１１を第１金属箔１２上に形成し、炭素繊維層１４を第１金属箔１２とは別の金属箔である第２金属箔１５上に形成している。こうすることにより、複合材３０を容易に製造できる。
さらに、金属マトリックス９の金属材料として金属箔が使用されているので、金属粉末を使用する場合よりも取り扱いが容易であるし製造コストが易くなる。さらに、複合材３０の厚さの制御が容易であり、薄い複合材を製造し易い。
また、パワーモジュール用冷却器４０（図１０参照）において、複数の冷却器構成層４１〜４４のうち少なくとも一つが本第１実施形態の複合材３０製であるから、冷却器４０は高い放熱性及び高い冷熱信頼性を有している。
図６及び７は、本発明の第２実施形態に係る金属−炭素粒子複合材１３０及びその製造方法を説明するための図である。これらの図において、上記第１実施形態の複合材３０の要素と同じ作用を奏する要素には、上記第１実施形態の複合材３０の要素に付された符号に１００を加算した符号が付されている。以下、本第２実施形態について上記第１実施形態との相異点を中心に説明する。
図６に示すように、本第２実施形態の複合材１３０では、鱗片状黒鉛粒子分散層１０１と炭素繊維分散層１０２と金属層１０３についての積層順序の単位１０７は、鱗片状黒鉛粒子分散層１０１／金属層１０３／鱗片状黒鉛粒子分散層１０１／金属層１０３／炭素繊維分散層１０２／金属層１０３という単位である。そして、鱗片状黒鉛粒子分散層１０１と炭素繊維分散層１０２と金属層１０３は、この積層順序単位１０７が複合材１３０の厚さ方向の全体に亘って繰り返されるという積層規則に従って積層された状態に配列している。
複合材１３０において、積層順序単位１０７中に存在する鱗片状黒鉛粒子分散層１０１と炭素繊維分散層１０２との層数比は２：１である。そして、鱗片状黒鉛粒子分散層１０１と炭素繊維分散層１０２はこの層数比で複合材１３０の厚さ方向の全体に亘って配列している。
したがって、鱗片状黒鉛粒子分散層１０１と炭素繊維分散層１０２との層数比は、複合材１３０の厚さ方向の部位に依らず一定であり、詳述すると複合材１３０の厚さ方向の全体に亘って２：１である。
図７に示すように、本第２実施形態における積層体１２０を形成する工程Ｓ３（図５参照）では、積層体１２０は、鱗片状黒鉛粒子塗工箔１１３と炭素繊維塗工箔１１６が積層体１２０の厚さ方向の全体に亘って規則的な積層順序で積層されるように形成される。
鱗片状黒鉛粒子塗工箔１１３と炭素繊維塗工箔１１６についての積層順序の単位１１７は、鱗片状黒鉛粒子塗工箔１１３／鱗片状黒鉛粒子塗工箔１１３／炭素繊維塗工箔１１６という単位である。そして、鱗片状黒鉛粒子塗工箔１１３と炭素繊維塗工箔１１６は、この積層順序単位１１７が積層体１２０の厚さ方向の全体に亘って繰り返されるという積層規則に従って積層され、これにより、積層体１２０が形成される。
積層順序単位１１７中に存在する鱗片状黒鉛粒子塗工箔１１３と炭素繊維塗工箔１１６との枚数比は２：１である。そして、鱗片状黒鉛粒子塗工箔１１３と炭素繊維塗工箔１１６はこの枚数比で積層体１２０の厚さ方向の全体に亘って配列している。
したがって、鱗片状黒鉛粒子塗工箔１１３と炭素繊維塗工箔１１６との枚数比は、積層体１２０の厚さ方向の部位に依らず一定であり、詳述すると積層体１２０の厚さ方向の全体に亘って２：１である。
本第２実施形態の複合材１３０は、上記第１実施形態の複合材３０と同様に、図１０に示したパワーモジュール用冷却器４０を構成する複数の冷却器構成層４１〜４４のうち少なくとも一つの構成層の材料として好適に使用可能である。
図８及び９は、本発明の第３実施形態に係る金属−炭素粒子複合材２３０及びその製造方法を説明するための図である。これらの図において、上記第１実施形態の複合材３０の要素と同じ作用を奏する要素には、上記第１実施形態の複合材３０の要素に付された符号に２００を加算した符号が付されている。以下、本第３実施形態について上記第１実施形態との相異点を中心に説明する。
図８に示すように、本第３実施形態の複合材２３０では、鱗片状黒鉛粒子分散層２０１と炭素繊維分散層２０２と金属層２０３についての積層順序の単位２０７は、炭素繊維分散層２０２／金属層２０３／炭素繊維分散層２０２／金属層２０３／鱗片状黒鉛粒子分散層２０１／金属層２０３という単位である。そして、鱗片状黒鉛粒子分散層２０１と炭素繊維分散層２０２と金属層２０３は、この積層順序単位２０７が複合材２３０の厚さ方向の全体に亘って繰り返されるという積層規則に従って積層された状態に配列している。
複合材２３０において、積層順序単位２０７中に存在する鱗片状黒鉛粒子分散層２０１と炭素繊維分散層２０２との層数比は１：２である。そして、鱗片状黒鉛粒子分散層２０１と炭素繊維分散層２０２はこの層数比で複合材２３０の厚さ方向の全体に亘って配列している。
したがって、鱗片状黒鉛粒子分散層２０１と炭素繊維分散層２０２との層数比は、複合材２３０の厚さ方向の部位に依らず一定であり、詳述すると複合材２３０の厚さ方向の全体に亘って１：２である。
図９に示すように、本第３実施形態における積層体２２０を形成する工程Ｓ３（図５参照）では、積層体２２０は、鱗片状黒鉛粒子塗工箔２１３と炭素繊維塗工箔２１６が積層体２２０の厚さ方向の全体に亘って規則的な積層順序で積層されるように形成される。
鱗片状黒鉛粒子塗工箔２１３と炭素繊維塗工箔２１６についての積層順序の単位２１７は、炭素繊維塗工箔２１６／炭素繊維塗工箔２１６／鱗片状黒鉛粒子塗工箔２１３という単位である。そして、鱗片状黒鉛粒子塗工箔２１３と炭素繊維塗工箔２１６は、この積層順序単位２１７が積層体２２０の厚さ方向の全体に亘って繰り返されるという積層規則に従って積層され、これにより、積層体２２０が形成される。
積層順序単位２１７中に存在する鱗片状黒鉛粒子塗工箔２１３と炭素繊維塗工箔２１６との枚数比は１：２である。そして、鱗片状黒鉛粒子塗工箔２１３と炭素繊維塗工箔２１６はこの枚数比で積層体２２０の厚さ方向の全体に亘って配列している。
したがって、鱗片状黒鉛粒子塗工箔２１３と炭素繊維塗工箔２１６との枚数比は、積層体２２０の厚さ方向の部位に依らず一定であり、詳述すると積層体２２０の厚さ方向の全体に亘って１：２である。
本第３実施形態の複合材２３０は、上記第１実施形態の複合材３０と同様に、図１０に示したパワーモジュール用冷却器４０を構成する複数の冷却器構成層４１〜４４のうち少なくとも一つの構成層の材料として好適に使用可能である。
以上で本発明の幾つかの実施形態を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で様々に変更可能である。
本発明では、複合材における積層順序単位中に存在する鱗片状黒鉛粒子分散層と炭素繊維分散層との層数比は、１：１（第１実施形態）、２：１（第２実施形態）、１：２（第３実施形態）に限定されるものではなく、その他の層数比であっても良く、通常、１〜１０：１〜１０の範囲に設定される。
また本発明では、積層体を形成する工程において、積層体は、長尺な鱗片状黒鉛粒子塗工箔（例えば、鱗片状黒鉛粒子塗工箔の条材）と長尺な炭素繊維塗工箔（例えば、炭素繊維塗工箔の条材）が積層された状態でロール状に複数回巻かれることにより、形成されたものであっても良い。
また本発明に係る金属−炭素粒子複合材は、上記第１実施形態（上記第２及び３実施形態を含む）で示した製造方法により製造されたものであることが、複合材の接合強度（焼結強度）を容易に確実に高めることができる点で望ましいが、次のような製造方法により製造されたものであっても良い。
すなわち、鱗片状黒鉛粒子塗工箔を得る工程において、第１塗工液を第１金属箔の厚さ方向の両側の表面にそれぞれ塗工し乾燥することにより、第１金属箔の厚さ方向の両側の表面にそれぞれ鱗片状黒鉛粒子層が形成された鱗片状黒鉛粒子塗工箔（これを便宜上「鱗片状黒鉛粒子両面塗工箔」という）を得る。また、炭素繊維塗工箔を得る工程において、第２塗工液を第２金属箔の厚さ方向の両側の表面にそれぞれ塗工し乾燥することにより、第２金属箔の厚さ方向の両側の表面にそれぞれ炭素繊維層が形成された炭素繊維塗工箔（これを便宜上「炭素繊維両面塗工箔」という）を得る。
また、金属箔の厚さ方向の両側の表面のうち一方の表面に第１塗工液を他方の表面に第２塗工液をそれぞれ塗工し乾燥することにより、金属箔の厚さ方向の両側の表面のうち一方の表面に鱗片状黒鉛粒子層が他方の表面に炭素繊維層がそれぞれ形成された塗工箔（これを便宜上「鱗片状黒鉛粒子／炭素繊維両面塗工箔」という）を得ても良い。
上述した両面塗工箔（即ち、「鱗片状黒鉛粒子両面塗工箔」、「炭素繊維両面塗工箔」、「鱗片状黒鉛粒子／炭素繊維両面塗工箔」）を用いて複合材を製造する場合、積層体を形成する工程において炭素粒子層（鱗片状黒鉛粒子層、炭素繊維層）同士が重ね合わされた状態で複数の両面塗工箔が積層されると、接合一体化する工程において炭素粒子層同士の重ね合わせ界面にて接合不良（焼結不良）が発生する虞がある。そこで、この接合不良を抑制するため、複数の両面塗工箔を積層する際に各両面塗工箔間に金属箔を介在させることが望ましい。こうすることにより、接合一体化する工程において金属箔の金属材料の一部がその厚さ方向の両側に配置された炭素粒子層にそれぞれ浸入し、そのため、得られる複合材の接合強度（焼結強度）を確実に高めることができる。
しかしながら、上記第１実施形態（上記第２及び第３実施形態を含む）で示したように、第１塗工液を第１金属箔１２の厚さ方向の片側の表面１２ａに塗工し乾燥することにより、第１金属箔１２の厚さ方向の片側の表面１２ａに鱗片状黒鉛粒子層１１が形成された鱗片状黒鉛粒子塗工箔１３（これを便宜上「鱗片状黒鉛粒子片面塗工箔１３」という）を得るとともに、第２塗工液を第２金属箔１５の厚さ方向の片側の表面１５ａに塗工し乾燥することにより、第２金属箔１５の厚さ方向の片側の表面１５ａに炭素繊維層１４が形成された炭素繊維塗工箔１６（これを便宜上「炭素繊維片面塗工箔１６」という）を得ることが望ましい。その理由は次のとおりである。
すなわち、上記第１実施形態（上記第２及び第３実施形態を含む）で示したように、上述した片面塗工箔（即ち、「鱗片状黒鉛粒子片面塗工箔１３」、「炭素繊維片面塗工箔１６」）を用いて複合材３０を製造する場合では、積層体２０を形成する工程Ｓ３において炭素粒子層（鱗片状黒鉛粒子層１１、炭素繊維層１４）同士が重ね合わされないように複数の片面塗工箔１３、１６を積層できるので、複数の片面塗工箔１３、１６を積層する際に各片面塗工箔１３、１６間に金属箔を介在させる必要がない。そのため、得られる複合材３０の接合強度（焼結強度）を容易に確実に高めることができる。
また、本発明に係る金属−炭素粒子複合材は、パワーモジュール用冷却器の材料だけではなくそれ以外の用途の材料としても使用可能である。
本発明は、金属マトリックスと金属マトリックス中に分散した炭素粒子（鱗片状黒鉛粒子及び炭素繊維）とを含む金属−炭素粒子複合材、その製造方法、及び、パワーモジュール用冷却器に利用可能である。
１、１０１、２０１：鱗片状黒鉛粒子分散層
１ａ、１０１ａ、２０１ａ：鱗片状黒鉛粒子
２、１０２、２０２：炭素繊維分散層
２ａ、１０２ａ、２０２ａ：炭素繊維
３、１０３、２０３：金属層
９、１０９、２０９：金属マトリックス
１１：鱗片状黒鉛粒子層
１２：第１金属箔
１３、１１３、２１３：鱗片状黒鉛粒子塗工箔
１４：炭素繊維層
１５：第２金属箔
１６、１１６、２１６：炭素繊維塗工箔
２０、１２０、２２０：積層体
３０、１３０、２３０：金属−炭素粒子複合材
４０：パワーモジュール用冷却器

Claims (5)

  1. 金属マトリックス中に炭素粒子としての鱗片状黒鉛粒子が分散した一つ以上の鱗片状黒鉛粒子分散層と、前記金属マトリックス中に炭素粒子としての炭素繊維が分散した一つ以上の炭素繊維分散層と、前記金属マトリックスで形成された一つ以上の金属層と、を積層状に備えるとともに、
    前記一つ以上の鱗片状黒鉛粒子分散層と前記一つ以上の炭素繊維分散層と前記一つ以上の金属層とが接合一体化されており、
    前記鱗片状黒鉛粒子分散層及び前記炭素繊維分散層のうち一方と前記金属層とは複合材の厚さ方向の略全体に亘って交互に積層された状態に配列している金属−炭素粒子複合材。
  2. さらに、前記鱗片状黒鉛粒子分散層と前記炭素繊維分散層と前記金属層は、複合材の厚さ方向の略全体に亘って規則的な積層順序で積層された状態に配列している請求項１記載の金属−炭素粒子複合材。
  3. 積層状に接合一体化された複数の冷却器構成層を備え、
    前記複数の構成層のうち少なくとも一つが請求項１又は２記載の金属−炭素粒子複合材製であるパワーモジュール用冷却器。
  4. 炭素粒子としての鱗片状黒鉛粒子と第１バインダとを含有する第１塗工液を第１金属箔上に塗工し乾燥することにより、前記第１金属箔上に鱗片状黒鉛粒子層が形成された鱗片状黒鉛粒子塗工箔を得る工程と、
    炭素粒子としての炭素繊維と第２バインダとを含有する第２塗工液を第２金属箔上に塗工し乾燥することにより、前記第２金属箔上に炭素繊維層が形成された炭素繊維塗工箔を得る工程と、
    一枚以上の前記鱗片状黒鉛粒子塗工箔と一枚以上の前記炭素繊維塗工箔とが積層された状態の積層体を形成する工程と、
    前記積層体を加熱することにより前記一枚以上の前記鱗片状黒鉛粒子塗工箔と前記一枚以上の前記炭素繊維塗工箔を一括して接合一体化する工程と、
    を含む金属−炭素粒子複合材の製造方法。
  5. 前記積層体を形成する工程では、前記積層体を、前記鱗片状黒鉛粒子塗工箔と前記炭素繊維塗工箔が前記積層体の厚さ方向の略全体に亘って規則的な積層順序で積層されるように形成する請求項４記載の金属−炭素粒子複合材の製造方法。
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