JP2020123639A - 放熱部材およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】湾曲した放熱部材の片面に部品を接続しパワーモジュール等を製造する際の製造安定性（歩留まり等）を改善する。【解決手段】Ａｌ又はＭｇを含む金属−炭化珪素複合体を備えた実質的に矩形で板状の放熱部材。放熱部材の一方の主面は放熱部材の外側方向に、他方の主面は放熱部材の内側方向に凸に湾曲している。この放熱部材を、放熱部材に略垂直で、かつ、他方の主面の２つの短辺の中点の両方を通る断面で断面視したときの、他方の主面が成す曲線Ｃにおいて、曲線Ｃの両端点Ｐ１およびＰ２を通る直線をｌ１、曲線Ｃ上でのｌ１との距離が最大となる点をＰｍａｘ、Ｐｍａｘからｌ１に下ろした垂線とｌ１との交点をＰ３、線分Ｐ１Ｐ３の中点をＰ４、Ｐ４を通りｌ１に垂直である直線と曲線Ｃとの交点をＰｍｉｄ、線分Ｐ１Ｐ３の長さをＬ、線分Ｐ３Ｐｍａｘの長さをＨ、線分Ｐ４Ｐｍｉｄの長さをｈとしたとき、（２ｈ／Ｌ）／（Ｈ／Ｌ）は１．１以上である。【選択図】図１

Description

本発明は、放熱部材およびその製造方法に関する。より具体的には、アルミニウムまたはマグネシウムを含む金属−炭化珪素複合体を備えた板状の放熱部材およびその製造方法に関する。

近年、電気自動車や電鉄用途におけるパワーモジュール用放熱部品として、従来の銅に替わり、金属−炭化珪素複合体で構成された放熱部材が使用されるようになってきている。
金属−炭化珪素複合体の金属としては、アルミニウムやその合金がしばしば用いられる。

放熱部材は、他の部品（例えば放熱フィンや放熱ユニット）と接合されて用いることが多く、その接合部分の性状が重要である。
例えば、放熱部材を他の部品に接合する場合、一般的には放熱部材の周縁部に設けられた孔を利用して、放熱部材を他の部品にネジ固定する。しかし、放熱部材の他の部品に接する面が凹面であったり、微少な凹凸が多く存在していたりすると、放熱部材と他の部品との間に隙間が生じ、熱伝導性が低下してしまうという問題があった。

上記問題を鑑み、放熱部材と他の部品との間にできるだけ隙間ができないよう、他の部品と接合する面が凸型に湾曲した放熱部材がいくつか提案されている。
これは、上述のように、放熱部材は、他の部品と、ネジ等の固定部材で固定して用いられることが通常であるところ、他の部品との接合面が凸型に湾曲していることで、固定部材で固定された際にその接合面が「適度に平ら」になり、他の部品との接合性（密着性）が高まるためである。

例えば、特許文献１には、多孔質炭化珪素成形体にアルミニウムを主成分とする金属を含浸してなる板状複合体であって、板状複合体の面内に他の放熱部品に当該板状複合体の凸面を向けてネジ止めするための４個以上の穴部を有し、穴間方向（Ｘ方向）の長さ１０ｃｍに対する反り量（Ｃｘ；μｍ）と、それに垂直な方向（Ｙ方向）の長さ１０ｃｍに対する反り量（Ｃｙ；μｍ）の関係が、５０≦Ｃｘ≦２５０、且つ−５０≦Ｃｙ≦２００である（Ｃｙ＝０を除く）ことを特徴とする炭化珪素複合体が記載されている。

また、特許文献２には、多孔質炭化珪素成形体にアルミニウムを主成分とする金属を含浸してなる板状複合体であって、複合体の主面の長さ１０ｃｍに対しての反り量が２５０μｍ以下の反りを有する炭化珪素複合体が記載されている。

特許第３４６８３５８号公報 国際公開第２０１５／１１５６４９号

上述のように、（１）まず、湾曲した放熱部材を製造し、（２）それを他の部品と接合する際に、ネジ等の固定用部材の力により湾曲を「平らに」することで、放熱部材と他の部品との接合性を高め、ひいては放熱性を高めることが知られている。

しかし、放熱部材の、放熱フィン等と接する面とは反対側の面には、通常、パワー素子等の部品が接続されるところ、特に量産段階において、湾曲した放熱部材に対して部品を接続することは、位置合わせが難しかったり、部品の接続自体が難しかったりする場合がある。
すなわち、湾曲した放熱部材の片面に部品を接続してパワーモジュール等を製造するに当たっては、その製造安定性（歩留まりなど）の点で改善の余地がある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものである。本発明の目的の１つは、湾曲した放熱部材の片面に部品を接続してパワーモジュール等を製造に当たって、その製造安定性（歩留まりなど）を改善することである。

本発明者らは、鋭意検討の結果、以下に提供される発明を完成させ、上記課題を解決した。

本発明によれば、
アルミニウムまたはマグネシウムを含む金属−炭化珪素複合体を備えた板状の放熱部材であって、
当該放熱部材は実質的に矩形であり、
当該放熱部材の２つの主面のうち一方の主面は当該放熱部材の外側方向に凸に湾曲し、他方の主面は当該放熱部材の内側方向に凸に湾曲しており、
当該放熱部材を、当該放熱部材に略垂直で、かつ、前記他方の主面の２つの短辺の中点の両方を通る断面で断面視したときの、前記他方の主面が成す曲線Ｃにおいて、
曲線Ｃの両端点Ｐ_１およびＰ_２を通る直線をｌ_１とし、
曲線Ｃ上でのｌ_１との距離が最大となる点をＰ_ｍａｘとし、
Ｐ_ｍａｘからｌ_１に下ろした垂線とｌ_１との交点をＰ_３とし、
線分Ｐ_１Ｐ_３の中点をＰ_４とし、
Ｐ_４を通り、ｌ_１に垂直である直線と、曲線Ｃとの交点をＰ_ｍｉｄとし、
線分Ｐ_１Ｐ_３の長さをＬ、線分Ｐ_３Ｐ_ｍａｘの長さをＨ、線分Ｐ_４Ｐ_ｍｉｄの長さをｈとしたとき、
（２ｈ／Ｌ）／（Ｈ／Ｌ）が１．１以上である放熱部材
が提供される。

また、本発明によれば、
上記の放熱部材の製造方法であって、
アルミニウムまたはマグネシウムを含む金属−炭化珪素複合体を準備する準備工程と、
前記金属−炭化珪素複合体を凹凸型で挟み加熱プレスする加熱プレス工程と
を含む放熱部材の製造方法
が提供される。

本発明によれば、湾曲した放熱部材の片面に部品を接続してパワーモジュール等を製造に当たって、その製造安定性（歩留まりなど）を改善することができる。

本実施形態の放熱部材を説明するための模式的な図である。図１（ａ）は、本実施形態の放熱部材の俯瞰図であり、図１（ｂ）は、放熱部材を図１（ａ）の面αで切断したときの断面図である。 本実施形態の放熱部材の他方の主面について説明するための図である。 図２の断面βにて、本実施形態の放熱部材の他方の主面を切断したときの断面図である。 図２の断面γにて、本実施形態の放熱部材の他方の主面を切断したときの断面図である。 本実施形態の放熱部材の製造工程における「加熱プレス」について説明するための図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ、詳細に説明する。
すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
煩雑さを避けるため、（ｉ）同一図面内に同一の構成要素が複数ある場合には、その１つのみに符号を付し、全てには符号を付さない場合や、（ｉｉ）特に図２以降において、図１と同様の構成要素に改めては符号を付さない場合がある。
すべての図面はあくまで説明用のものである。図面中の各部材の形状や寸法比などは、必ずしも現実の物品と対応するものではない。特に、説明上のわかりやすさのため、形状や寸法比は誇張して描かれている場合がある。とりわけ、各図において「湾曲」の大きさは実際の物品よりも誇張されている。

本明細書中、「略」という用語は、特に明示的な説明の無い限りは、製造上の公差や組立て上のばらつき等を考慮した範囲を含むことを表す。

＜放熱部材＞
図１（ａ）は、本実施形態の放熱部材（放熱部材１）の俯瞰図である。
放熱部材１は、板状である。
放熱部材１の主たる材質は、アルミニウムまたはマグネシウムを含む金属−炭化珪素複合体である（材質の詳細は、放熱部材１の製造方法とあわせて、追って説明する）。

放熱部材１は、実質的に矩形状である。つまり、放熱部材１の一方の主面または他方の主面を上面として放熱部材１を上面視したとき、放熱部材１の形状は実質的に矩形である。
ここで「実質的に矩形である」とは、放熱部材１の四隅の少なくとも１つが、直角形状ではなく、丸みを帯びた形状に加工されていてもよいことを意味する（もちろん、四隅は直角形状であってもよい）。
なお、放熱部材１の四隅の少なくとも１つが丸みを帯びた形状に加工されている場合、矩形の「頂点」は、放熱部材１の一方の主面を上面として放熱部材１を上面視したときの、短辺の直線部分と長辺の直線部分を延長したときに交差する点と定義される。また、このとき、放熱部材１の「短辺の長さ」や「長辺の長さ」は、上記「頂点」を始点または終点として定義される。

放熱部材１の縦横の長さは、一例として、４０ｍｍ×９０ｍｍから１４０ｍｍ×２５０ｍｍ程度である。
放熱部材１の厚みは、一例として２ｍｍ以上６ｍｍ以下、好ましくは３ｍｍ以上５ｍｍ以下である。なお、放熱部材１の厚みが一様ではない場合には、少なくとも放熱部材１の重心部分における厚みが上記範囲にあることが好ましい。または、放熱部材１の厚みが一様ではない場合には、孔以外の各部分での厚みが上記範囲内に収まっていることが好ましい。

図１（ｂ）は、放熱部材１を、図１（ａ）の面αで切断したときの断面図である。
板状の放熱部材１は、２つの主面を備える（一方の主面を主面２Ａ、他方の主面を主面２Ｂとする）。典型的には、主面２Ａのほうが放熱フィン等の他の部品と接合される面、主面２Ｂのほうがパワー素子等と接続される面である。
放熱部材１においては、主面２Ａが、放熱部材１の内側方向ではなく外側方向に凸に湾曲している。また、主面２Ｂは、放熱部材１の外側方向ではなく内側方向に凸に湾曲している（放熱部材１の外側方向に向かっては凹型形状となっている）。

図２は、放熱部材１の主面２Ｂのみを示した図である。
また、図３は、その主面２Ｂを、放熱部材１に略垂直で、かつ、主面２Ｂの２本の短辺の中点の両方を通る面βで断面視したとき（面βで切断したとき）の、主面２Ｂが成す曲線Ｃを表す。
曲線Ｃは、好ましくは、略左右対称である。すなわち、曲線Ｃの「湾曲の度合い」は、左右で略同様である。

図３に示された曲線Ｃにおいて、
・曲線Ｃの両端点Ｐ_１およびＰ_２を通る直線をｌ_１（破線で示している）、
・曲線Ｃ上でのｌ_１との距離が最大となる点をＰ_ｍａｘ、
・Ｐ_ｍａｘからｌ_１に下ろした垂線とｌ_１との交点をＰ_３、
・線分Ｐ_１Ｐ_３の中点をＰ_４、
・Ｐ_４を通り、ｌ_１に垂直である直線と、曲線Ｃとの交点をＰ_ｍｉｄ、
・線分Ｐ_１Ｐ_３の長さをＬ、
・線分Ｐ_３Ｐ_ｍａｘの長さをＨ、
・線分Ｐ_４Ｐ_ｍｉｄの長さをｈ
とする。
なお、曲線Ｃが略左右対称である場合、Ｐ_３は、線分Ｐ_１Ｐ_２の略中点となる。

このとき、放熱部材１において、（２ｈ／Ｌ）／（Ｈ／Ｌ）は、１．１以上である。

「（２ｈ／Ｌ）／（Ｈ／Ｌ）が１．１以上である」ということの技術的意義については、以下のように説明することができる。

Ｈ／Ｌは、面βにおける（放熱部材１の長辺方向における）、主面２Ｂの「全体的な」湾曲の度合いと意味づけられる。単位長さあたりの湾曲量とも言うことができる。
一方、２ｈ／Ｌは、面βにおける（放熱部材１の長辺方向における）、主面２Ｂの「端に近い部分」の局所的な湾曲の度合いと意味づけられる（２ｈ／Ｌ＝ｈ／（Ｌ／２）であることに留意されたい）。ここで、主面２Ｂの「端に近い部分」とは、具体的には、図３では、点Ｐ_１から点Ｐ_ｍｉｄまでの部分である。
そうすると、（２ｈ／Ｌ）／（Ｈ／Ｌ）が１．１以上であるということは、面βにおいては、主面２Ｂの全体的な湾曲の度合いよりも、主面２Ｂの「端に近い部分」の湾曲の度合いのほうが、十分に大きいことを表している。

換言すると、放熱部材１の少なくとも主面２Ｂにおいては、ネジ等の固定用部材により放熱部材１を他の部品に接合する際に特に力が強くかかる部分（それゆえに特に変形が大きい部分）の湾曲の度合いが比較的大きく、一方、中心付近（パワー素子等の部品が接続される部分）の湾曲の度合いが比較的小さくなっている。

このように放熱部材１を設計することで、放熱部材１の中心付近にパワー素子を接続する際、位置合わせをしやすかったり、部品の接続自体をより容易しやすかったり等の、製造安定性向上のメリットを得ることができる。
その一方で、放熱部材１の端に近い部分、すなわちネジ等の固定用部材により放熱部材１を他の部品（放熱フィン等）に接合する際に特に力が強くかかる部分の湾曲の度合いが比較的大きいことにより、固定用部材により放熱部材１を他の部品に接合した際、放熱部材１を「全体として」一層「平ら」にしやすくなる。これにより、放熱部材１と他の部品（放熱フィン等）との間の「すき間」を少なくすることができ、接合性ひいては放熱性をより高めることができる。

なお、（２ｈ／Ｌ）／（Ｈ／Ｌ）は、１．１以上であればよいが、好ましくは１．３以上２．０以下、より好ましくは１．４以上１．６以下である。（２ｈ／Ｌ）／（Ｈ／Ｌ）を２．０以下にすることで、適度な（強すぎない）力により、放熱部材１を「平らに」しやすい。

放熱部材１についてより具体的な説明を続ける。

［全体的な湾曲の度合い（Ｈ／Ｌ）］
主面２Ｂの「全体的な」湾曲の度合い、または、単位長さあたりの湾曲量と解釈されるＨ／Ｌの値を最適に設計すること、すなわち、放熱部材１全体としての湾曲の程度を適切に設計することで、通常の固定部材（ネジ等）による力で、ちょうどよい具合に主面２Ｂを「平らに」しやすい。すなわち、放熱部材１と他の部品との接合性を一層高めることができる。

具体的には、Ｈ／Ｌは、好ましくは５．０×１０^−４以上６．０×１０^−３以下、より好ましくは１．０×１０^−３以上３．０×１０^−３以下である。

［放熱部材１の「短辺方向」における湾曲の度合いなど］
上記では、図２の「面βの方向」（放熱部材１の長辺方向）における、全体的な湾曲の度合いや局所的な湾曲の度合いなどについて定量的に説明した。
同様に、図２の「面γの方向」（放熱部材１の短辺方向）における、全体的な湾曲の度合いや局所的な湾曲の度合いについても適切に設計することで、パワー素子の接続のしやすさや放熱フィンとの接合性などを一層高めうる。

図４は、図２の放熱部材１の主面２Ｂを、放熱部材１に略垂直で、かつ、主面の２Ｂの２本の短辺の中点の両方を通る面γで断面視したとき（面γで切断したとき）の、主面２Ｂが成す曲線Ｃ'を表す。

図４に示された曲線Ｃ'において、
・曲線Ｃ'の両端点Ｐ_１'およびＰ_２'を通る直線をｌ_１' （破線で示している）、
・曲線Ｃ'上でのｌ_１'との距離が最大となる点をＰ_ｍａｘ'、
・Ｐ_ｍａｘ'からｌ_１'に下ろした垂線とｌ_１'との交点をＰ_３'、
・線分Ｐ_１'Ｐ_３'の中点をＰ_４'、
・Ｐ_４'を通り、ｌ_１'に垂直である直線と、曲線Ｃ'との交点をＰ_ｍｉｄ'、
・線分Ｐ_１'Ｐ_３'の長さをＬ'、
・線分Ｐ_３'Ｐ_ｍａｘ'の長さをＨ'、
・線分Ｐ_４'Ｐ_ｍｉｄ'の長さをｈ'
とする。
なお、曲線Ｃ'が略左右対称である場合、Ｐ_３'は、線分Ｐ_１'Ｐ_２'の略中点となる。

このとき、放熱部材１において、（２ｈ'／Ｌ'）／（Ｈ'／Ｌ'）は、好ましくは１．１以上、より好ましくは１．３以上２．０以下、さらに好ましくは１．４以上１．６以下である。
図２の「面βの方向」（放熱部材１の長辺方向）だけでなく、図２の「面γの方向」（放熱部材１の短辺方向）についても、主面２Ｂの「端に近い部分」の湾曲の度合いを相当に大きく設計することで、パワー素子の接続のしやすさや放熱フィンとの接合性などを一層高めうる。

［主面２Ａについて］
放熱部材１においては、特に主面２Ｂ側の湾曲形状を適切なものとすることで、パワーモジュール製造における製造安定性を高める等の効果を得ることができるが、主面２Ａ側の湾曲形状も適切に設計することが好ましい。
具体的には、主面２Ａは放熱部材１の内側方向ではなく外側方向に凸に湾曲していることを除き、主面２Ａの湾曲形状は、主面２Ｂと同様に「端に近い部分」の湾曲の度合いが比較的大きく、中心付近の湾曲の度合いが比較的小さいことが好ましい。
より定量的には、図２の「主面２Ｂ」を「主面２Ａ」とした図を考え、主面２ＡにおけるＬ、Ｈ、ｈ、Ｌ'、Ｈ'、ｈ'などを定義したとすると、主面２ＡにおけるＬ、Ｈおよびｈの関係については、主面２Ｂと同様であることが好ましい（例えば、（２ｈ／Ｌ）／（Ｈ／Ｌ）が１．１以上あることを満たす等）。Ｌ'、Ｈ'およびｈ'の関係についても同様である（例えば、（２ｈ'／Ｌ'）／（Ｈ'／Ｌ'）が１．１以上である等）。

なお、上記のように主面２Ａを設計することは、放熱部材１の製造しやすさという観点からも好ましい。主面２Ａと主面２Ｂの湾曲の度合いがおおよそ同じである放熱部材１は、後述の加熱プレス等により製造することが比較的容易であるためである。

［貫通孔］
放熱部材１の周縁部には、好ましくは、貫通孔が設けられている。貫通孔を利用して放熱部材１を他の部品（放熱フィン等）に接合することで、放熱性が良好な最終製品（パワーデバイス等）を得ることができる。

ここで、「周縁部」とは、放熱部材１を主面２Ｂの側から上面視したときに、以下（１）（２）の少なくともいずれかに該当する部分と定義することができる。
（１）放熱部材１（主面２Ｂ）の長辺からＬ／３以内の領域（長辺の周縁部）
（２）放熱部材１（主面２Ｂ）の短辺からＬ'／３以内の領域（短辺の周縁部）
要は、貫通孔は、上記（１）または（２）の領域内（もしくは（１）と（２）が重複する領域内）に収まっていることが好ましい。

貫通孔は、特に、放熱部材１の長辺の周縁部（上記（１）の領域、または、上記（１）と（２）の重複領域）に設けられていることが好ましい。
放熱部材１においては、短辺方向（図２における面βの方向）に特定の湾曲を有することが必須である。よって、放熱部材１の長辺の周縁部に貫通孔があり、その貫通孔にネジを通して放熱部材１を他の部品（放熱フィン等）に接合することで、特に短辺方向における主面２Ｂの平面性を一層高めることができる。

貫通孔の数は、放熱部材１を他の部品に安定的に接合するなどの点から、好ましくは４個以上、より好ましくは４個以上８個以下、さらに好ましくは４個以上６個以下である。

特に、放熱部材１は、上記（１）と（２）が重複する領域内（すなわち、放熱部材１の四隅の周縁部）に、少なくとも１個ずつ貫通孔を有することが好ましい。これにより、放熱部材１を他の部品にネジ止めした際、意図せぬ歪みや応力等の発生を極力抑えることができる。

貫通孔の直径は、例えば５ｍｍ以上９ｍｍ以下、好ましくは６ｍｍ以上８ｍｍ以下である。
なお、放熱部材１を他の部品に接合するための手段は、ネジに限定されない。例えば、他の部品への取り付けができる専用冶具などにより接合を行ってもよい。
［製造方法／材質］

本実施形態の放熱部材の製造方法は特に限定されず、公知の方法を適宜応用して製造することができる。
好ましくは、本実施形態の放熱部材は、アルミニウムまたはマグネシウムを含む金属−炭化珪素複合体を準備する準備工程（以下、単に「準備工程」とも表記する）と、その金属−炭化珪素複合体を凹凸型で挟み加熱プレスする加熱プレス工程（以下、単に「加熱プレス工程」とも表記する）により製造することができる。換言すると、本実施形態の放熱部材は、まず、湾曲が無いまたは湾曲が小さい平板状の金属−炭化珪素複合体を準備し、その金属−炭化珪素複合体を、適切な湾曲形状の凹凸型で挟み加熱プレスすることで製造することができる。

以下、準備工程および加熱プレス工程について説明する。

（準備工程）
アルミニウムまたはマグネシウムを含む金属−炭化珪素複合体の製造に好ましく用いられる方法は、高圧下で多孔質体に金属を含浸させる高圧鍛造法である。より具体的には、溶湯鍛造法またはダイキャスト法を採用することができる。高圧鍛造法は、高圧容器内に炭化珪素の多孔体（プリフォーム）を装填し、これにアルミニウムまたはマグネシウムを含む金属の溶湯を高圧で含浸させて複合体を得る方法である。
大量に安定して製造することができるという理由から、金属−炭化珪素複合体の製造には、溶湯鍛造法が特に好ましい。以下、溶湯鍛造法による製造方法を説明する。

・炭化珪素多孔体（ＳｉＣプリフォーム）の製造
金属−炭化珪素複合体の製造においては、まず、平板状の炭化珪素多孔体（ＳｉＣプリフォーム）を形成する。これの製造方法に関して特に制限はなく、公知の方法で製造することが可能である。例えば、原料である炭化珪素（ＳｉＣ）粉末にシリカ若しくはアルミナ等を結合材として添加して混合、成形し、８００℃以上で焼成することによって製造することができる。なお、ここで、原料としてシリカやアルミナ等を用いてよいように、炭化珪素多孔体は、化学成分として炭化珪素のみにより構成されずともよく、例えば全体の５０質量％以上が炭化珪素により構成されていればよい。
成形方法についても特に制限は無く、プレス成形、押し出し成形、鋳込み成形等を用いることができ、必要に応じて保形用バインダーの併用が可能である。

炭化珪素多孔体にアルミニウムまたはマグネシウムを含む金属を含浸せしめてなる金属−炭化珪素複合体の重要な特性は、熱伝導率と熱膨張係数である。炭化珪素多孔体中のＳｉＣ含有率の高い方が、熱伝導率が高く、熱膨張係数が小さくなるため好ましい。ただし、含有率が高くなりすぎると、金属が十分に含浸しない場合がある。
実用的には、平均粒子径が好ましくは４０μｍ以上の粗いＳｉＣ粒子を４０質量％以上含み、ＳｉＣプリフォームの相対密度が好ましくは５５％以上７５％以下の範囲にあるものが好適である。炭化珪素多孔体（ＳｉＣプリフォーム）の強度は、取り扱い時や含浸中の割れを防ぐため、曲げ強度で３ＭＰａ以上あることが好ましい。平均粒子径は、走査型電子顕微鏡（例えば日本電子社製「ＪＳＭ−Ｔ２００型」）と画像解析装置（例えば日本アビオニクス社製）を用い、１０００個の粒子について求めた径の平均値を算出することによって測定することができる。また、相対密度は、アルキメデス法等によって測定することができる。

炭化珪素多孔体（ＳｉＣプリフォーム）の原料であるＳｉＣ粉については、粗粉と微粉を適宜併用するなどして、粒度調整を行うことが好ましい。こうすることで、炭化珪素多孔体（ＳｉＣプリフォーム）の強度と、最終的に得られる放熱部材の熱伝導率の高さとを両立させやすい。
具体的には、（ｉ）平均粒子径４０μｍ以上１５０μｍ以下のＳｉＣ粗粉と、（ｉｉ）平均粒子径５μｍ以上１５μｍ以下のＳｉＣ微粉を混合した混合粉末が好適である。ここで、混合粉末中の（ｉ）と（ｉｉ）の量比は、好ましくは、（ｉ）が４０質量％以上８０質量％以下、（ｉｉ）が２０質量％以上６０質量％以下である。

炭化珪素多孔体（ＳｉＣプリフォーム）は、ＳｉＣ粉末に結合材を添加した混合物の成形体を、脱脂、焼成などすることにより得られる。焼成温度が８００℃以上であれば、焼成時の雰囲気に関係なく、曲げ強度が３ＭＰａ以上の炭化珪素多孔体（ＳｉＣプリフォーム）を得やすい。
ただし、酸化性雰囲気中では、１１００℃を超える温度で焼成すると、ＳｉＣの酸化が促進され、金属−炭化珪素複合体の熱伝導率が低下してしまう場合がある。よって、酸化性雰囲気中では、１１００℃以下の温度で焼成することが好ましい。
焼成時間は、炭化珪素多孔体（ＳｉＣプリフォーム）の大きさ、焼成炉への投入量、焼成雰囲気等の条件に合わせて適宜決めればよい。

炭化珪素多孔体（ＳｉＣプリフォーム）は、成形時に所定の形状にする場合、１枚ずつ乾燥を行うか、ＳｉＣプリフォーム間にプリフォーム形状と等しい形状のカーボン等のスペーサーを用いて乾燥することで、乾燥による形状の変化（例えば湾曲量の変化）を抑えることができる。また、焼成に関しても乾燥時と同様の処理を行うことにより、内部組織の変化に伴う形状変化を防ぐことが可能である。

・金属の含浸
高圧鍛造法等により、上記のようにして得られた炭化珪素多孔体（ＳｉＣプリフォーム）に、アルミニウムまたはマグネシウムを含む金属を含浸させ、金属−炭化珪素複合体を得ることができる。
アルミニウムまたはマグネシウムを含む金属（合金）を、炭化珪素多孔体（ＳｉＣプリフォーム）に含浸させて、金属−炭化珪素複合体を得る方法としては、例えば、下記方法がある。

まず、炭化珪素多孔体（ＳｉＣプリフォーム）を金型にセットし、その後、金型に、溶融金属（アルミニウムまたはマグネシウムを含む金属）を投入する。そして、溶融金属をプレスすることにより、炭化珪素多孔体（ＳｉＣプリフォーム）の空隙内に金属が含浸される。冷却を経て、金属−炭化珪素複合体が得られる。

ここで、炭化珪素多孔体（ＳｉＣプリフォーム）を金型にセットする際には予熱を行っておくことが好ましい。予熱温度は例えば５００℃以上６５０℃以下である。そして、温度低下を防ぐため、炭化珪素多孔体（ＳｉＣプリフォーム）を金型にセットした後は、できるだけ速やかに溶融金属を投入することが好ましい。

なお、炭化珪素多孔体（ＳｉＣプリフォーム）に金属を含浸させて金属−炭化珪素複合体を得る際、金属−炭化珪素複合体の表面（主面など）に表面金属層を設けてもよい。これにより、表面金属層（具体的には、アルミニウムまたはマグネシウムを含有する表面金属層）を、２つの主面等の表面に備える放熱部材を得ることができる。
一例として、含浸の際の金型として、ＳｉＣプリフォームの寸法よりも若干大きな寸法の金型を準備し、その金型内にＳｉＣプリフォームを配置し、溶融金属を注入することで、表面金属層を設けることができる。
別の例として、アルミナ若しくはシリカからなる、繊維、球状粒子、及び破砕形状の粒子のうち１種以上を、ＳｉＣプリフォームの表面に直接接するように配置したうえで、金属を含浸させることでも、表面金属層を設けることができる。このとき、表面金属層中の、アルミナ若しくはシリカからなる繊維、球状粒子及び破砕形状の粒子のうちの１種以上からなる材料の含有量は、金属−炭化珪素複合体の質量に対して、好ましくは５質量％以上４０質量％以下、さらに好ましくは１０質量％以上２０質量％以下である。
さらに別の例として、金属の薄板または薄膜をＳｉＣプリフォームの表面に配置してから金属を含浸させる、ＳｉＣプリフォームの表面に予め溝などを付加しておくなどの方法によっても、表面金属層を設けることができる。

溶融金属のプレス圧力は、金属が十分に含浸する限り特に限定されないが、例えば３０ＭＰａ以上である。

金属（好ましくはアルミニウムまたはマグネシウムを含む合金）をプリフォームの空隙内に十分に浸透させるため、含浸させる金属の融点は適度に低いことが好ましい。
この点で、例えばシリコンを７質量％以上２５質量％以下含有したアルミニウム合金が好ましく挙げられる。更にマグネシウムを０．２質量％以上５質量％以下含有させることで、炭化珪素粒と金属部分との結合がより強固になり好ましい。アルミニウム合金中のアルミニウム、シリコン、マグネシウム以外の金属成分に関しては、極端に特性が変化しない範囲であれば特に制限はなく、例えば銅等が含まれていてもよい。

アルミニウム合金としては、好ましくは、鋳造用合金である、ＡＣ４Ｃ、ＡＣ４ＣＨ、ＡＤＣ１２なども使用することができる。

ちなみに、含浸時に生じた歪み除去の目的で、金属−炭化珪素複合体に対してアニール処理を行ってもよい。アニール処理は、例えば、４００℃以上５５０℃以下程度の温度で１０分以上の条件で行うことができる。

以上の準備工程により得られた金属−炭化珪素複合体（平板状）は、典型的には、平坦であったり、制御されていない湾曲を有していたりする。しかし、例えば以下の加熱プレス工程により、適切な湾曲が付与された放熱部材とすることができる。

・加熱プレス工程
加熱プレス工程では、例えば、図５（ａ）、図５（ｂ）および図５（ｃ）に示されるように、プレス凸型１０とプレス凹型１１とにより、金属−炭化珪素複合体１Ａを挟み、加熱プレスする（加熱しながら押圧する）。これにより、所定の湾曲が付与された放熱部材１を得ることができる。

プレス凸型１０とプレス凹型１１については、放熱部材１に所定の湾曲が付与されるように形状加工されている。例えば、プレス凸型１０は、中心部の曲率半径が比較的小さく、中心部から離れた部分の曲率半径が比較的大きいものを用いることができる。プレス凹型１１も同様であることができる。
プレス凸型１０の凸部の形態と、プレス凹型１１の凹部の形態は、典型的には略同一である。つまり、典型的には、金属−炭化珪素複合体１Ａを挟まずにプレス凸型１０とプレス凹型１１とを重ねた場合、プレス凸型１０とプレス凹型１１の間にすき間はほとんどできない。

プレス凸型１０およびプレス凹型１１の材質は特に限定されず、後述の温度および圧力条件下で実質上変形しないものであればよい。具体的には、カーボン、窒化ホウ素等のセラミックスや、超硬合金、ステンレス鋼などの金属材料が好ましく使用される。

適切な湾曲が付与された放熱部材１が得られる限り、加熱プレス時の加熱温度は特に限定されない。しかしながら、生産性や、圧力を小さくする観点から、加熱温度は、金属−炭化珪素複合体１Ａ中の金属が溶融しない範囲内でできるだけ高い温度であることが好ましい。本実施形態では、金属−炭化珪素複合体１Ａ中に含まれる金属はアルミニウムやマグネシウム等（合金である場合を含む）であることを踏まえると、好ましくは４５０℃以上５５０℃以下である。

適切な湾曲が付与された放熱部材１が得られる限り、加熱プレス時の圧力は特に限定されず、金属−炭化珪素複合体１Ａの厚みや、加熱温度等に応じて、圧力は適宜調整すればよい。しかしながら、生産性や、金属−炭化珪素複合体１Ａに対して確実に湾曲を付与する等の観点から、圧力は１０ｋＰａ以上が好ましく、３０ｋＰａ以上２５０ｋＰａ以下がより好ましい。
適切な湾曲が付与された放熱部材１が得られる限り、加熱プレスの時間も特に限定されない。しかしながら、金属−炭化珪素複合体１Ａに対して確実に湾曲を付与する等の観点から、例えば、金属−炭化珪素複合体１Ａ自体の温度が４５０℃以上となる時間が、３０秒以上となることが好ましく、３０秒以上３００秒以下となることがより好ましい。

所望の湾曲を得るため、加熱プレス工程を複数回行ってもよい。例えば、第一のプレス凸型１０およびプレス凹型１１を用いて加熱プレス工程を行い、その後、第一のプレス凸型１０およびプレス凹型１１とは湾曲形状が異なる、第二のプレス凸型１０およびプレス凹型１１を用いて、２回目の加熱プレス工程を行ってもよい。

加熱プレス後、金属−炭化珪素複合体１Ａを冷却する。冷却は、例えば急冷であってもよいし、空冷であってもよい。冷却の方法により湾曲が変化する場合があるため、所望の湾曲を得るためには、冷却の条件を適切に設定することが好ましい。
つまり、適切な湾曲が付与された放熱部材１を得るためには、適切な形状のプレス凸型１０とプレス凹型１１を用いることに加え、加熱プレスの温度および時間、加熱プレス後の冷却の具体的方法などを適切に調整・最適化することが重要である。なお、ここでの調整・最適化は、何度かの予備実験により湾曲の傾向を把握するようにすれば、さほど難しいことではない。

本実施形態の放熱部材の製造方法は、上述していない他の工程を含んでもよい。
例えば、ネジ止め用の孔を設ける工程を含んでもよい。具体的には、機械加工などにより、他の部品と接合するためのネジ止め用の孔を設けることができる。ネジ止め用の孔を設ける位置などについては既に述べたため省略する。
ネジ止め用の孔を設ける工程は、例えば、準備工程と加熱プレス工程の間に行うことができる。または、加熱プレス工程の後に行うことができる。

また、放熱部材１の表面の少なくとも一部に機械的加工を施す工程を行ってもよい。ここでの「機械的加工」には、切削加工、研削加工、研磨加工等を含む。
例えば、機械的加工により放熱部材１の主面２Ａおよび／または主面２Ｂの湾曲形状を微調整し、これにより一層パワー素子と接続をしやすくしたり、放熱フィンとの接合性を一層高めたりすることができる。
また例えば、放熱部材１の表面（主面２Ａ、２Ｂ等）を研磨することで、その表面粗さを適切に調整し、パワー素子の接続性や放熱フィン等との接合性を一層高めることも考えられる。

以上、本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することができる。また、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。

本発明の実施態様を、実施例および比較例に基づき詳細に説明する。なお、本発明は実施例に限定されるものではない。

＜放熱部材の製造＞
［実施例１］
（炭化珪素多孔体の作成）
炭化珪素粉末Ａ（大平洋ランダム株式会社製：ＮＧ−１５０、平均粒径：１００μｍ） ３００ｇ、炭化珪素粉末Ｂ（屋久島電工株式会社製：ＧＣ−１０００Ｆ、平均粒径：１０μｍ）１５０ｇ、および、シリカゾル（日産化学工業株式会社製：スノーテックス）３０ｇを撹拌混合機で３０分混合した。得られた混合物を１７８ｍｍ×１２８ｍｍ×５．５ｍｍの金型へ投入し、１０ＭＰａの圧力でプレス成形した。これを大気中で温度９００℃にて２時間焼成し、炭化珪素多孔体を得た。
なお、以下の工程のために、同様の炭化珪素多孔体を３０枚作製した。

炭化珪素多孔体の両面を、両面に離型剤を塗布した２１０ｍｍ×１６０ｍｍ×０．８ｍｍの寸法のステンレス製（ＳＵＳ３０４）の板で挟み、３０枚を積層した。さらに、両端に厚み６ｍｍの鉄板を配した後、１０ｍｍφのボルト、ナットで固定し、一つのブロックを形成した。

（アルミニウム−炭化珪素複合体の作成）
上記のブロックを、電気炉で温度６００℃に予備加熱した。その後、そのブロックを、あらかじめ加熱しておいた内寸４００ｍｍφ×３００ｍｍの空隙を有するプレス型内に収めた。
その後、珪素を１２％、マグネシウムを１％含有し、残部がアルミニウム及び不可避的不純物からなる組成を有する温度８００℃のアルミニウム合金の溶湯をプレス型内に注ぎ、１００ＭＰａの圧力で２０分間加圧した。これにより、炭化珪素多孔体にアルミニウム合金を含浸させ、アルミニウム−炭化珪素複合体を含む金属塊を得た。
得られた金属塊を、室温まで冷却し、その後、湿式バンドソーにて離型板の側面形状に沿って切断し、そして挟んだステンレス板を剥がした。
以上により、アルミニウム−炭化珪素複合体を得た。

（含浸後の処理）
得られたアルミニウム−炭化珪素複合体の外周をＮＣ旋盤で加工し、縦横の大きさを１８０ｍｍ×１３０ｍｍとした。その後、縁周部８カ所に直径７ｍｍの貫通穴、４カ所にφ１０−４ｍｍの皿穴を加工した。

（湾曲の付与）
アルミニウム−炭化珪素複合体に湾曲を付与するため、プレス凸型とプレス凹型を準備した。具体的には、所望の湾曲形状を得るため、中心部の曲率半径が比較的小さく、中心部から離れた部分の曲率半径が比較的大きいプレス凸型とプレス凹型を準備した。
これらの凹凸型を加熱プレス機に装着し、加熱して型の表面温度を４６０℃とした。この凹凸型の間に上記のアルミニウム−炭化珪素複合体を配置し、そして４０ｋＰａでプレスした。この際、複合体の側面に熱電対を接触させて測温した。複合体の温度が４５０℃になった時点からそのまま３分間保持し、その後、加圧を解除し、室温まで自然冷却した。

その後、その複合体を、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。さらにその後、無電解Ｎｉ―Ｐ及びＮｉ−Ｂめっきを行った。これにより、複合体表面に８μｍ厚（Ｎｉ−Ｐ：６μｍ、Ｎｉ−Ｂ：２μｍ）のめっき層を形成した。

以上により、放熱部材を得た。

（各種パラメータの測定）
以下構成のレーザー三次元形状測定機を用いて、主面２Ａ、主面２Ｂ、それぞれの形状に関するデータを取得し、そのデータを解析することで、Ｌ、Ｈ、ｈ、Ｌ'、Ｈ'およびｈ'を求めた（これらの記号の定義は前述のとおりである）。
装置：レーザー三次元形状測定機（以下４つの装置が一体となったもの）
ＸＹθステージユニット：Ｋ２−３００（神津精機株式会社製）
高精度レーザー変位計：ＬＫ−Ｇ５００（株式会社キーエンス製）
モータコントローラ：ＳＣ−２００Ｋ（神津精機株式会社製）
ＡＤ変換機：ＤＬ−１００（神津精機株式会社製）

［実施例２〜７］
放熱部材の長辺および短辺の長さ、上記（湾曲の付与）におけるプレス凸型とプレス凹型の湾曲形状を変更したこと以外は、実施例１と同様にして放熱部材を作製した。そして、実施例１と同様にして、各種数値を測定した。

［比較例１］
比較例１では、凹凸型の湾曲形状を変更したこと以外は、実施例１と同様の工程により放熱部材を作製した。

各種数値を表１にまとめて示す。
念のため述べておくと、表１に記載のＬ、Ｈ、ｈなどの値は、放熱部材の内側方向に凸に湾曲している方の主面（他方の主面、図１の（ｂ）の主面２Ｂ）についての値である。
放熱部材の外側方向に凸に湾曲している方の主面（一方の主面、図１の（ｂ）の主面２Ａ）の湾曲度合に関する数値自体は表１には記載していないが、湾曲の方向が逆であること以外は、おおよそ同様の湾曲形状を有していた。具体的には、図２の「主面２Ｂ」を「主面２Ａ」とした図を考え、ｈを測定したところ、（主面２Ｂにおけるｈ）／（主面２Ａにおけるｈ）の値はほぼ１．０であった。

（パワーモジュールの製造安定性などの評価）
各実施例または比較例の放熱部材を１０個ずつ準備し、それらに模擬的なパワー素子を接続することで、模擬パワーモジュール用基板を製造した。
製造の具体的な手順としては、パワーモジュールの製造に通常用いられている装置を利用して、各実施例または比較例の放熱部材の２つの主面のうち、主面２Ｂ上の特定の６箇所に、セラミックス基板（セラミックス板の両面に銅、アルミニウム等の金属層が設けられた基板）をはんだ付けした。これにより模擬パワーモジュール用基板を得た。
その後、模擬パワーモジュールとするため、模擬パワーモジュール用基板に対し、ケース付、樹脂封止、蓋付を行い、模擬パワーモジュールを得た。

得られた模擬パワーモジュールについて、量産上問題となりうる不具合が無いかを検査した。
各実施例の放熱部材を用いて製造した模擬パワーモジュール全てにおいて、量産上問題となりうる不具合は存在しなかった。

また、実施例１〜７の放熱部材を、放熱フィンにネジにより接合し、放熱部材と放熱フィンとの密着性、放熱性等を評価したところ、密着性および放熱性は良好であった。

一方、比較例１においては、セラミックス基板の位置合わせ用の治具がうまく嵌らず、また、部品の接続自体が行いにくかった。

以上より、実施例１〜７のような、「端に近い部分」の湾曲が比較的大きい放熱部材を用いることで、パワーモジュール製造の際の生産性向上を図ることができ、また、放熱性を良好とすることができることが示された。

１ 放熱部材
２Ａ 主面（一方の主面）
２Ｂ 主面（他方の主面）
１Ａ 金属−炭化珪素複合体
１０ プレス凸型
１１ プレス凹型

Claims (8)

1. アルミニウムまたはマグネシウムを含む金属−炭化珪素複合体を備えた板状の放熱部材であって、
   当該放熱部材は実質的に矩形であり、
   当該放熱部材の２つの主面のうち一方の主面は当該放熱部材の外側方向に凸に湾曲し、他方の主面は当該放熱部材の内側方向に凸に湾曲しており、
   当該放熱部材を、当該放熱部材に略垂直で、かつ、前記他方の主面の２つの短辺の中点の両方を通る断面で断面視したときの、前記他方の主面が成す曲線Ｃにおいて、
   曲線Ｃの両端点Ｐ_１およびＰ_２を通る直線をｌ_１とし、
   曲線Ｃ上でのｌ_１との距離が最大となる点をＰ_ｍａｘとし、
   Ｐ_ｍａｘからｌ_１に下ろした垂線とｌ_１との交点をＰ_３とし、
   線分Ｐ_１Ｐ_３の中点をＰ_４とし、
   Ｐ_４を通り、ｌ_１に垂直である直線と、曲線Ｃとの交点をＰ_ｍｉｄとし、
   線分Ｐ_１Ｐ_３の長さをＬ、線分Ｐ_３Ｐ_ｍａｘの長さをＨ、線分Ｐ_４Ｐ_ｍｉｄの長さをｈとしたとき、
   （２ｈ／Ｌ）／（Ｈ／Ｌ）が１．１以上である放熱部材。
2. 請求項１に記載の放熱部材であって、
   前記一方の主面および前記他方の主面は、アルミニウムまたはマグネシウムを含有する表面金属層を備える放熱部材。
3. 請求項１または２に記載の放熱部材であって、
   当該放熱部材を、当該放熱部材に略垂直で、かつ、前記他方の主面の２つの長辺の中点の両方を通る断面で断面視したときの、前記他方の主面が成す曲線Ｃ'において、
   曲線Ｃ'の両端点Ｐ_１'およびＰ_２'を通る直線をｌ_１'とし、
   曲線Ｃ'上でのｌ_１'との距離が最大となる点をＰ_ｍａｘ'とし、
   Ｐ_ｍａｘ'からｌ_１'に下ろした垂線とｌ_１'との交点をＰ_３'とし、
   線分Ｐ_１'Ｐ_３'の中点をＰ_４'とし、
   Ｐ_４'を通り、ｌ_１'に垂直である直線と、曲線Ｃ'との交点をＰ_ｍｉｄ'とし、
   線分Ｐ_１'Ｐ_３'の長さをＬ'、線分Ｐ_３'Ｐ_ｍａｘ'の長さをＨ'、線分Ｐ_４'Ｐ_ｍｉｄ'の長さをｈ'としたとき、
   （２ｈ'／Ｌ'）／（Ｈ'／Ｌ'）が１．１以上である放熱部材。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の放熱部材であって、
   前記Ｈ／Ｌの値が５．０×１０^−４以上６．０×１０^−３以下である放熱部材。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の放熱部材であって、
   周縁部に貫通孔が設けられている放熱部材。
6. 請求項５に記載の放熱部材であって、
   前記貫通孔は、当該放熱部材の長辺の周縁部に設けられている放熱部材。
7. 請求項６に記載の放熱部材であって、
   ４個以上の貫通孔が、当該放熱部材の長辺の周縁部に設けられている放熱部材。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載の放熱部材の製造方法であって、
   アルミニウムまたはマグネシウムを含む金属−炭化珪素複合体を準備する準備工程と、
   前記金属−炭化珪素複合体を凹凸型で挟み加熱プレスする加熱プレス工程と
   を含む放熱部材の製造方法。

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