JP2021072385A - 炭素−銅焼結複合部材、及び、炭素−銅焼結複合部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】比強度に優れ、熱伝導部材として特に適した炭素−銅焼結複合部材、及び、この炭素−銅焼結複合部材の製造方法を提供する。【解決手段】炭素質相２１と、この炭素質相２１からなるマトリックス内に分散された銅又は銅合金からなる銅相２２と、を有する炭素−銅焼結複合部材２０であって、焼結時の加圧方向に沿った断面において、銅相２２の最大長Ｌｍａｘとその対角幅ＬＷとの比Ｌｍａｘ／ＬＷで定義される針状比の平均が２．０以上５．０以下の範囲内とされ、銅相２２の面積率が５％以上３５％以下の範囲内であることを特徴とする。【選択図】図１

Description

この発明は、例えば、比強度及び熱伝導性に優れた炭素−銅焼結複合部材、及び、この炭素−銅焼結複合部材の製造方法に関するものである。

例えば、パワーモジュール及びＬＥＤモジュール等のように、発熱体（パワー半導体素子及びＬＥＤ素子）を搭載する各種装置においては、発熱体から発生した熱を効率良く放熱するためにヒートスプレッダやヒートシンク、及びそれらを利用した放熱システムを備えており、これらの発熱体（素子、及び、素子を搭載した基板等）とヒートスプレッダやヒートシンク、及びそれらを利用した放熱システムとの間に、熱伝導板が配設されることがある。

従来、上述の熱伝導板としては、銅やアルミニウム等の熱伝導性に優れた金属部材が用いられていたが、近年では、より熱拡散性に優れた炭素質部材が注目されている。
例えば、特許文献１には、黒鉛／グラフェン複合材が開示されている。しかしながら、この黒鉛／グラフェン複合材等の炭素質部材においては、熱伝導性に優れているものの機械的強度が低く、従来の金属部材の代替として適用することが困難であった。

そこで、特許文献２には、金属と黒鉛の複合材料が提案されている。この特許文献２においては、２０〜８０体積％の鱗状黒鉛粉末と、銅、アルミニウムまたはそれらの合金からなる群から選択されるマトリックスと、を含むものとされている。また、炭素繊維またはカーボンナノファイバーを含有することでさらなる強度向上を図っている。

再公表ＷＯ２０１８／０７４４９３号公報 再公表ＷＯ２００９／０５１０９４号公報

ところで、上述の特許文献２に記載された金属と黒鉛の複合材料においては、金属のマトリックスに黒鉛粉末が分散した組織となっており、金属の割合が多く、複合材としての比重が大きくなり、重量が増加してしまう。上述のヒートスプレッダやヒートシンク、及びそれらを利用した放熱システム等においては、軽量化が要求されており、これらに搭載する熱伝導板等に適用することが困難であった。一方、金属の割合を減少させた場合には、強度を確保できなくなるおそれがあった。

この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、比強度に優れ、熱伝導部材として特に適した炭素−銅焼結複合部材、及び、この炭素−銅焼結複合部材の製造方法を提供することを目的とする。

このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明の炭素−銅焼結複合部材は、炭素質相と、この炭素質相からなるマトリックス内に分散された銅又は銅合金からなる銅相と、を有する炭素−銅焼結複合部材であって、焼結時の加圧方向に沿った断面において、前記銅相の最大長Ｌ_ｍａｘとその対角幅Ｌ_Ｗとの比Ｌ_ｍａｘ／Ｌ_Ｗで定義される針状比の平均が２．０以上５．０以下の範囲内とされ、前記銅相の面積率が５％以上３５％以下の範囲内であることを特徴としている。

この構成の炭素−銅焼結複合部材においては、炭素質相からなるマトリックス内に分散された前記銅相の面積率が５％以上３５％以下の範囲内とされているので、比重が必要以上に大きくなることなく強度を十分に向上させることができ、比強度の向上を図ることが可能となる。
そして、前記銅相の最大長Ｌ_ｍａｘとその対角幅Ｌ_Ｗとの比Ｌ_ｍａｘ／Ｌ_Ｗで定義される針状比の平均が２．０以上５．０以下の範囲内とされているので、銅相によって強度を十分に向上させることができるとともに、成形時のクラックの発生を抑制できる。

ここで、本発明の炭素−銅焼結複合部材においては、前記炭素質相は、グラフェンを含有することが好ましい。
この場合、炭素質相がグラフェンを含有しているので、特定の面方向における熱伝導性をさらに向上させることが可能となり、熱伝導性にさらに優れた炭素−銅焼結複合部材を得ることができる。

本発明の炭素−銅焼結複合部材の製造方法は、上述の炭素−銅焼結部材を製造する炭素−銅焼結複合部材の製造方法であって、炭素質粉と扁平銅粉と混合した混合粉末を得る混合粉末形成工程と、この混合粉末を加圧して成形体を得る成形工程と、得られた前記成形体を非酸化雰囲気で焼結する焼結工程と、を有し、前記混合粉末形成工程では、前記混合粉末中における前記扁平銅粉の割合を５体積％以上２０体積％以下の範囲内とし、前記焼結工程では、前記成形体の焼結温度を５００℃以上１０８０℃以下の範囲内とすることを特徴としている。

この構成の炭素−銅焼結複合部材の製造方法によれば、前記混合粉末形成工程において、前記混合粉末中における前記扁平銅粉の割合を５体積％以上２０体積％以下の範囲内としているので、比重が必要以上に大きくなることなく強度を十分に向上させることができ、比強度の向上を図ることができる。
そして、前記焼結工程において、前記成形体の焼結温度を５００℃以上１０８０℃以下の範囲内としているので、扁平銅粉同士の焼結を促進させて強度を十分に向上させることができるとともに、扁平銅粉の溶融を抑制することができる。

ここで、本発明の炭素−銅焼結複合部材の製造方法においては、前記扁平銅粉のかさ密度が０．５ｇ／ｃｍ^３以上２．０ｇ／ｃｍ^３以下の範囲内であることが好ましい。
この場合、前記扁平銅粉のかさ密度が０．５ｇ／ｃｍ^３以上２．０ｇ／ｃｍ^３以下の範囲内とされているので、炭素部材粉との比重差が比較的小さく、均一に混合することができるとともに、成形体におけるクラックの発生を抑制することができる。

本発明によれば、比強度に優れ、熱伝導部材として特に適した炭素−銅焼結複合部材、及び、この炭素−銅焼結複合部材の製造方法を提供することが可能となる。

本発明の実施形態である炭素−銅焼結複合部材の概略説明図である。 本発明の実施形態である炭素−銅焼結複合部材の製造方法を示すフロー図である。 本発明の実施形態である炭素−銅焼結複合部材の製造方法において使用される炭素質粉（グラフェン粉）の観察写真である。 本発明の実施形態である炭素−銅焼結複合部材の製造方法において使用される扁平銅粉の観察写真である。

以下に、本発明の実施形態について添付した図面を参照して説明する。なお、以下に示す各実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

まず、図１から図４を参照して本発明の実施形態である炭素−銅焼結複合部材について説明する。
本実施形態である炭素−銅焼結複合部材２０は、図１に示すように、炭素質相２１と、この炭素質相２１からなるマトリックス内に分散された銅又は銅合金からなる銅相２２と、を有しており、焼結時の加圧方向に沿った断面において、銅相２２の最大長Ｌ_ｍａｘとその対角幅Ｌ_Ｗとの比Ｌ_ｍａｘ／Ｌ_Ｗで定義される針状比の平均が２．０以上５．０以下の範囲内とされ、銅相２２の面積率が５％以上３５％以下の範囲内とされている。

炭素質相２１は、黒鉛、グラファイト、グラフェン、カーボンファイバー等の各種炭素質材料で構成されたものとされている。
本実施形態においては、炭素質相２１は、単層又は多層のグラフェンが堆積してなるグラフェン集合体もしくは扁平形状の黒鉛粒子からなる炭素質材料とされている。

銅相２２は、銅又は銅合金で構成されており、本実施形態では、純度９９．９ｍａｓｓ％以上の純銅で構成されたものとされている。この銅相２２は、後述するように、扁平銅粉が互いに焼結することによって形成されたものとされている。
そして、銅相２２が炭素質相２１のマトリックス内に分散することにより、炭素−銅焼結複合部材２０の強度向上が図られている。
以下に、焼結時の加圧方向に沿った断面における銅相２２の最大長Ｌ_ｍａｘとその対角幅Ｌ_Ｗとの比Ｌ_ｍａｘ／Ｌ_Ｗで定義される針状比、及び、銅相２２の面積率を上述のように規定した理由について説明する。

（銅相の針状比）
焼結時の加圧方向に沿った断面における銅相２２の針状比が２．０未満である場合には、銅相２２同士が焼結によって結合されておらず、強度向上の効果を十分に得ることができないおそれがある。一方、銅相２２の針状比が５．０を超える場合には、焼結時に用いる扁平銅粉のアスペクト比を大きくする必要があり、炭素−銅の混合粉末の成形工程においてプレス成形時の弾性変形（スプリングバック）が大きくなり、成形体にクラックが生じるおそれがあった。
以上のことから、本実施形態では、焼結時の加圧方向に沿った断面における銅相２２の針状比を２．０以上５．０以下の範囲内とした。
ここで、銅相２２の針状比の下限は２．２以上とすることが好ましく、２．４以上とすることがさらに好ましい。一方、銅相２２の針状比の上限は４．０以下とすることが好ましく、３．０以下とすることがさらに好ましい。

（銅相の面積率）
焼結時の加圧方向に沿った断面における銅相２２の面積率が５％未満である場合には、銅相２２による強度向上の効果を十分に得ることができないおそれがある。一方、銅相２２の面積率が３５％を超える場合には、重量が増加して比強度が低下し、高強度化と軽量化の両立が不十分となるおそれがある。
以上のことから、本実施形態では、焼結時の加圧方向に沿った断面における銅相２２の面積率を５％以上３５％未満の範囲内とした。なお、この面積率を体積％で換算すると、銅相２２は５体積％以上２０体積％未満の範囲内となる。
ここで、銅相２２の面積率の下限は８．０％以上とすることが好ましく、１０．０％以上とすることがさらに好ましい。一方、銅相２２の面積率の上限は２５％以下とすることが好ましく、２０％以下とすることがさらに好ましい。

次に、本実施形態である炭素−銅焼結複合部材の製造方法について、図２に示すフロー図を参照して説明する。

（混合粉末形成工程Ｓ０１）
まず、炭素質粉と扁平銅粉と混合して混合粉末を得る。混合方法に特に制限はなく、各種混合方法を適宜選択して用いることができる。
そして、この混合粉末形成工程Ｓ０１においては、混合粉末中における扁平銅粉の割合を５体積％以上２０体積％以下の範囲内とする。
なお、混合粉末中における扁平銅粉の割合の下限は６．０体積％以上とすることが好ましく、７．５体積％以上とすることがさらに好ましい。一方、混合粉末中における扁平銅粉の割合の上限は１７．５体積％以下とすることが好ましく、１５体積％以下とすることがさらに好ましい。

ここで、図３に、本実施形態で用いるグラフェン粉の観察結果を示す。また、図４に、本実施形態で用いる扁平銅粉の観察結果を示す。
なお、炭素質粉としては、特に限定はなく、黒鉛粉、グラフェン粉、カーボンファイバー等を適宜選択することができる。

扁平銅粉は、銅又は銅合金からなり、図４に示すように、銅粒子が一方向に潰された形状とされている。
ここで、本実施形態においては、扁平銅粉のかさ密度は０．５ｇ／ｃｍ^３以上２．０ｇ／ｃｍ^３以下の範囲内であることが好ましい。扁平銅粉のかさ密度を０．５ｇ／ｃｍ^３以上とすることにより、扁平銅粉を製造するためプレス成形時の弾性変形（スプリングバック）が大きくなることをさらに抑制することができる。一方、扁平銅粉のかさ密度を２．０ｇ／ｃｍ^３以下とすることにより、炭素質粉との比重差を小さくすることができ、炭素質粉と扁平銅粉とをさらに均一に混合することが可能となる。
なお、扁平銅粉のかさ密度の下限は０．６ｇ／ｃｍ^３以上であることがさらに好ましく、０．７ｇ／ｃｍ^３以上であることがより好ましい。一方、扁平銅粉のかさ密度の上限は１．７５ｇ／ｃｍ^３以下であることがさらに好ましく、１．５ｇ／ｃｍ^３以下であることがより好ましい。

（成形工程Ｓ０２）
次に、上述の混合粉末を成形型に充填し、これを一軸加圧して成形体を得る。
なお、成形工程Ｓ０２における加圧荷重の下限は２００ＭＰａ以上とすることが好ましく、２５０ＭＰａ以上とすることがさらに好ましい。一方、成形工程Ｓ０２における加圧荷重の上限は７００ＭＰａ以下とすることが好ましく、６００ＭＰａ以下とすることがさらに好ましい。

（焼結工程Ｓ０３）
次に、得られた成形体を、非酸化雰囲気（真空雰囲気、不活性雰囲気、還元性雰囲気）で焼結する。
ここで、焼結工程Ｓ０３における焼結温度は５００℃以上１０８０℃以下の範囲内とすることが好ましい。焼結温度を５００℃以上とすることにより、扁平銅粉同士の焼結を促進することが可能となる。一方、焼結温度を１０８０℃以下とすることにより、焼結時における扁平銅粉の溶融を抑制することができる。
なお、焼結工程Ｓ０３における焼結温度の下限は５５０℃以上とすることがさらに好ましく、６００℃以上とすることがより好ましい。一方、焼結工程Ｓ０３における焼結温度の上限は１０５０℃以下とすることがさらに好ましく、１０００℃以下とすることがより好ましい。

上述した各種工程により、本実施形態である炭素−銅焼結複合部材２０が製造されることになる。

以上のような構成とされた本実施形態の炭素−銅焼結複合部材２０においては、炭素質相２１からなるマトリックス内に分散された銅相２２の面積率が５％以上３５％以下の範囲内とされているので、比重が必要以上に大きくなることなく強度を十分に向上させることができ、比強度を高くすることができ、高強度化と軽量化の両立を図ることが可能となる。
そして、銅相２２の最大長Ｌ_ｍａｘとその対角幅Ｌ_Ｗとの比Ｌ_ｍａｘ／Ｌ_Ｗで定義される針状比の平均が２．０以上５．０以下の範囲内とされているので、銅相２２によって強度を十分に向上させることができるとともに、内部でのクラックの発生を抑制できる。

また、本実施形態において、炭素質相２１がグラフェンを含有する場合には、特定の面方向における熱伝導性をさらに向上させることが可能となり、熱伝導性にさらに優れた炭素−銅焼結複合部材２０を構成することが可能となる。

本実施形態の炭素−銅焼結複合部材の製造方法においては、炭素質粉と扁平銅粉と混合した混合粉末を得る混合粉末形成工程Ｓ０１と、この混合粉末を加圧して成形体を得る成形工程Ｓ０２と、得られた成形体を非酸化雰囲気で焼結する焼結工程Ｓ０３と、を有しており、混合粉末形成工程Ｓ０１において、混合粉末中における扁平銅粉の割合を５体積％以上２０体積％以下の範囲内としているので、比重が必要以上に大きくなることなく強度を十分に向上させることができ、比強度を向上させることができる。
また、焼結工程Ｓ０３において、成形体の焼結温度を５００℃以上１０８０℃以下の範囲内としているので、扁平銅粉同士の焼結を促進させて強度を十分に向上させることができるとともに、扁平銅粉の溶融を抑制することができる。

また、本実施形態において、扁平銅粉のかさ密度を０．５ｇ／ｃｍ^３以上２．０ｇ／ｃｍ^３以下の範囲内とした場合には、炭素質粉との比重差が比較的小さくなり、炭素質粉と扁平銅粉とを均一に混合することができるとともに、成形体におけるクラックの発生を抑制することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

本発明の有効性を確認するために行った確認実験について説明する。

炭素質粉としてグラフェン粉（Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｇｅｎｏｍｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｃｏ． ＬＴＤ製、ＣＰ１００２）、及び、鱗片状黒鉛粉（中越黒鉛工業所製ＣＰＳ−６Ｓ）を準備した。また、銅粉として扁平銅粉（福田金属箔粉工業社製ＭＳ−８００もしくはＥ−３）及び電解銅粉を準備した。なお、銅粉は、必要に応じてふるい分けを実施し、狙いのかさ密度となるように調整を行った。かさ密度の測定は、ホソカワミクロン社製パウダテスターＰＴ−Ｘを用いて、原料のゆるみかさ密度を測定した。かさ密度の算出においては３回の測定の単純平均値を用いた。
これらの原料を、銅粉が表１に示す体積比となるように、かつ、合計で５０ｇとなるように秤量し、ターブラシェーカーミキサー（Ｗｉｌｌｙ Ａ. Ｂａｃｈｏｆｅｎ社製 Ｔ２Ｆ）にて、１０分間混合し、混合粉末を得た。

得られた混合粉末を、外径１８ｍｍ、内径８ｍｍのリング状の金型に、成形後高さが５ｍｍ程度となるよう充填し、成形圧力５００ＭＰａにて油圧プレスを用いて単軸圧縮により成形体を作成した。この時、スプリングバックによる割れを防止するため、金型に離型剤を塗布した。
そして、得られた成形体を、表１に示す雰囲気及び焼結温度、焼結時間にて焼結し、炭素−銅焼結複合部材を得た。

得られた成形体、及び、炭素−銅焼結複合部材について、以下の項目について評価を実施した。

（炭素−銅焼結複合部材における銅相の面積率／針状比）
得られた炭素−銅焼結複合部材から観察試料を採取し、プレス圧縮方向に対して垂直方向の断面をＳＥＭにより撮影し、断面写真を、画像解析ソフトウェアＷｉｎＲＯＯＦを用いて炭素質相内の銅相を特定し、銅相の面積率を算出するとともに、銅相の形状解析を行った。形状は、針状比（分散している銅組織の最大長／対角幅の比率）の５０％累積値を平均値として評価した。評価結果を表２に示す。

（成型体／炭素−銅焼結複合部材の強度）
リング状の成形体及び炭素−銅焼結複合部材について、ＪＩＳ Ｚ ２５０７に準拠し、破壊荷重（Ｎ）及び断面積（ｍｍ^２）から圧環強さ（Ｎ／ｍｍ^２）を測定した。圧環強さの算出においてはサンプル５個の単純平均値を用いた。評価結果を表２に示す。

（成型体／炭素−銅焼結複合部材の密度）
成形体及び炭素−銅焼結複合部材の密度ρ（ｇ／ｃｍ^３）は、重量ｗ（ｇ）、リング内径Ｄｉ（ｃｍ）、リング外径Ｄ（ｃｍ）及びリング高さＨ（ｃｍ）を用いて下記の式から算出した。なおリング内径Ｄｉ、リング外径Ｄ及びリング高さＨはマイクロメータを用いて４カ所測定した値の単純平均値を用いた。
ρ＝ｗ／（（Ｄ−Ｄｉ）^２×π／４×Ｈ）
なお、密度測定に関しては対象となる成形体もしくは炭素−銅焼結複合部材において、寸法測定からの体積算出が困難な場合、ＪＩＳ Ｚ ８８０７に記載の固体の密度及び比重の測定方法を用いて算出することも可能である。

（炭素−銅焼結複合部材の比強度）
上述のようにして測定された炭素−銅焼結複合部材の圧環強さ（Ｎ／ｍｍ^２）を密度で除して、比強度（ｋＮ・ｍ／ｋｇ）を算出した。評価結果を表２に示す。

比較例１においては、電解銅粉を用いていることから、銅相の針状比が１．６となり、焼結後の炭素−銅焼結複合部材の圧環強さ（Ｎ／ｍｍ^２）が低く、比強度も低くなった。
比較例２においては、混合粉末中の扁平銅粉の割合が４体積％とされており、銅相の面積率が４．８％と低く、焼結後の炭素−銅焼結複合部材の圧環強さ（Ｎ／ｍｍ^２）が低く、比強度も低くなった。
比較例３においては、混合粉末中の扁平銅粉の割合が２５体積％とされており、銅相の面積率が３７．９％と高く、重量が増加したため、比強度が低くなった。

以上のことから、本発明によれば、比強度に優れ、熱伝導部材として特に適した炭素−銅焼結複合部材、及び、この炭素−銅焼結複合部材の製造方法を提供可能であることが確認された。

２０ 炭素−銅焼結複合部材
２１ 炭素質相
２２ 銅相

Claims (4)

1. 炭素質相と、この炭素質相からなるマトリックス内に分散された銅又は銅合金からなる銅相と、を有する炭素−銅焼結複合部材であって、
   焼結時の加圧方向に沿った断面において、前記銅相の最大長Ｌ_ｍａｘとその対角幅Ｌ_Ｗとの比Ｌ_ｍａｘ／Ｌ_Ｗで定義される針状比の平均が２．０以上５．０以下の範囲内とされ、前記銅相の面積率が５％以上３５％以下の範囲内であることを特徴とする炭素−銅焼結複合部材。
2. 前記炭素質相は、グラフェンを含有することを特徴とする請求項１に記載の炭素−銅焼結複合部材。
3. 請求項１又は請求項２の炭素−銅焼結部材を製造する炭素−銅焼結複合部材の製造方法であって、
   炭素質粉と扁平銅粉と混合した混合粉末を得る混合粉末形成工程と、この混合粉末を加圧して成形体を得る成形工程と、得られた前記成形体を非酸化雰囲気で焼結する焼結工程と、を有し、
   前記混合粉末形成工程では、前記混合粉末中における前記扁平銅粉の割合を５体積％以上２０体積％以下の範囲内とし、
   前記焼結工程では、前記成形体の焼結温度を５００℃以上１０８０℃以下の範囲内とすることを特徴とする炭素−銅焼結複合部材の製造方法。
4. 前記扁平銅粉のかさ密度が０．５ｇ／ｃｍ^３以上２．０ｇ／ｃｍ^３以下の範囲内であることを特徴とする請求項３に記載の炭素−銅焼結複合部材の製造方法。

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