JP3662221B2

JP3662221B2 - 放熱部品

Info

Publication number: JP3662221B2
Application number: JP2002003225A
Authority: JP
Inventors: 和幸蛭田; 秀樹廣津留; 浩徳長崎
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 2002-01-10
Filing date: 2002-01-10
Publication date: 2005-06-22
Anticipated expiration: 2022-01-10
Also published as: JP2003204022A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高熱伝導でしかも熱膨張係数が小さいことから、パワーモジュール等に使用されるアルミニウム−炭化けい素質放熱部品に関するものであり、特に高い信頼性を有したアルミニウム−炭化けい素質放熱部品を提供するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電気自動車や電鉄用途におけるパワ−モジュ−ル用放熱板として、従来の銅に替わりアルミニウム−炭化けい素質複合体が使用されている。アルミニウム−炭化けい素質複合体の熱伝導率は銅のそれには及ばないものの、その熱膨張係数は６〜８ｐｐｍ／Ｋと銅の１７ｐｐｍ／Ｋの約半分であるため、モジュ−ルを構成するセラミックス回路基板と放熱板とを接着する半田層部分でのクラック発生が抑制され、高い信頼性が得られるからである。
【０００３】
アルミニウム−炭化けい素質複合体は、通常、炭化けい素粉末に添加物等を混合したのち、乾式プレス法、押し出し法やインジェクション法等により成形体を形成し、これを焼成して、炭化けい素を主成分とした多孔質成形体（プリフォ−ムという）を作製したのち、このプリフォ−ムに、非加圧含浸法や、溶湯鍛造法、ダイキャスト法などの加圧含浸法でアルミニウムまたはその合金を含浸して作製される。また、炭化けい素粉末にアルミニウムまたはその合金粉末を混合、加圧下で焼成する粉末冶金的手法によっても作製できる。
【０００４】
また、前記アルミニウム−炭化けい素質複合体は、表面加工や研磨を施したのち、メッキされ電子・電気部品から発生する熱を放熱するための部品、即ち放熱部品として用いられるが、電子・電気製品の中間工程においては、さらに放熱フィン等の他の放熱用の部品或いは製品外枠等にネジ止めされてモジュールとなる。そのため、アルミニウム−炭化けい素質複合体には、予めその外周或いはその近傍にネジ止め用の孔部が形成されている。
【０００５】
前記孔部の形成方法としては様々な方法が知られているが、プリフォームを作製する際に、予め成形時にピン等を用いて所定位置に孔を形成したプリフォ−ム、或いはプリフォ−ム作製後に所定位置を加工して孔部を設けたプリフォームなどを用いて、アルミニウム若しくはアルミニウム合金を含浸した後、金属部位を機械加工して孔部を形成する方法が行われている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記手法で形成された孔部をもつアルミニウム−炭化けい素質複合体を放熱フィン等の部品にネジ止めしようとすると、従来のものでは前記孔部で割れたり、またたとえ取り付け時には問題がなくとも、熱サイクルのかかる実使用時に、孔部にクラックが入る等の問題が発生するため、より信頼性の高い孔部をもつアルミニウム−炭化けい素質複合体が望まれていた。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記状況に鑑み、孔及びその周辺部でのクラックや割れの発生原因及びその対策につき鋭意検討を重ねた結果、クラックや割れの発生は、孔及びその周辺部に存在する微小クラック等の欠陥が存在していることが原因であること、そして、アルミニウム−炭化けい素質複合体は高強度は有するものの、靭性が不足しているため、破壊につながること等を見出すとともに、その対策として、孔の周囲をアルミニウム−炭化けい素質複合体で取り囲まないようにし、孔から外周に至る少なくとも１方向については、プリフォ−ムに由来する炭化けい素成分を排除し、積極的にアルミニウムまたはその合金で満たす構造を採用することで、孔部並びにその周辺の靱性を高め、クラックや割れが発生することを防止することに有効であることを見出し、本発明を完成するに至ったものである。
【０００８】
すなわち、本発明は炭化珪素成形体にアルミニウム又はアルミニウム合金を含浸してなり、その少なくと一部表面に前記アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層を有する平板状の放熱部品であって、放熱フィン等への取り付け用孔部を前記平板の主面に有しており、しかも前記孔部が前記炭化珪素成形体に取り囲まれないように設けられていることを特徴とする放熱部品であり、好ましくは、前記孔部を形成している金属層が、前記炭化珪素成形体とは異なる無機物質を含有することを特徴とする前記の放熱部品である。
【０００９】
また、本発明は、アルミニウム合金が０．１〜１．５質量％のマグネシウムと０．１〜１８質量％のシリコンを含むことを特徴とし、表面全体がアルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層を有することを特徴とする前記の放熱部品であり、さらに炭化珪素成形体の相対密度が５５〜７５％であることを特徴とする前記の放熱部品である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の最大の特徴は、アルミニウム−炭化けい素質からなる平板状放熱部品を放熱フィン等の他の放熱部品や製品外枠等の他の部品にネジ止めする際やネジ止め後の実使用時において発生する孔やその周辺部のクラック、割れ等の破損を抑制する新規な構造を見出した点にある。
【００１１】
以下、従来構造と本発明を図に基づいて説明する。
図１は従来公知のアルミニウム−炭化けい素質複合体からなる平板状放熱部品を示したものであり、また、Ａ−Ａ’部分の断面図も示した。上方から眺めたときに、前記平板状放熱部品は長方形をしていて、その４隅に他の部品にネジ止め固定するための貫通孔１が設けられている。また、前記平板状放熱部品は、アルミニウム−炭化珪素質複合材部分２と、アルミニウム又はその合金からなる金属部分３とからなるが、従来の平板状放熱部品においては、前記貫通孔１よりも外周部に存在する部分には、アルミニウム−炭化珪素質複合材部分２が存在している。然るに、従来の平板状放熱部品は、通常、予め孔を形成しておいた炭化けい素を主成分とする成形体（以下、プリフォ−ムと呼ぶ）を用いて、これに公知の方法でアルミニウムまたはその合金を含浸して形成されるものであるからである。尚、図１においては、前記平板状放熱部品の主平面の表面にアルミニウム又はその合金からなる金属部分３が存在しているが、機械加工等により取り去って、直接表面を複合部としてもかまわない。
【００１２】
一方、図２は本発明の平板状放熱部品の一例を示したものであり、外観的には図１の従来の平板状放熱部品と同じ外観を有し、上方から眺めたときに長方形をしていて、その４隅に他の部品にネジ止め固定するための貫通孔１が設けられ、また、アルミニウム−炭化珪素質複合材部分２と、アルミニウム又はその合金からなる金属部分３とからなるが、その構造、特に貫通孔１よりも外周部に存在する部分には、アルミニウム又はその合金からなる金属部分３が存在するのみで、従来のものと異なり、この部分にアルミニウム−炭化珪素質複合材部分２を存在させていない特徴がある。
【００１３】
本発明の放熱部品は、前述の構造を有しているので、この部分の靱性が向上し、その結果として、従来構造のもので発生しやすかったクラックや割れの発生を防止することができるという特徴を有している。尚、従来の放熱部品の場合と同じく、主平面にアルミニウム又はその合金からなる金属部分３が存在しても、或いは存在していなくても構わない。
【００１４】
本発明において、前記アルミニウム又はその合金からなる金属部分３には、無機成分を含むことが好ましい。これにより、貫通孔１付近を構成する部分の高靱性化が一層達成され易くなり、本発明の目的を一層達成しやすくなるからである。前記無機成分としては、プリフォームを形成している炭化珪素以外のものを選択するとき、貫通孔１並びにその近傍の構造、形状に応じて適切な高靱性化ができ、しかも含浸時のひけ、巣の発生を防止できるので好ましい。この様な無機成分の例として、アルミナ繊維等が挙げられる。
【００１５】
図３は、本発明の放熱部品の他の一例であり、長方形で、長辺の夫々に３個の貫通孔１を有する平板状放熱部品である。
【００１６】
次に、本発明の平板状放熱部品を得る方法について、主として、湿式プレス法で炭化珪素成形体（プリフォーム）を得てこれにアルミニウムを溶湯鍛造法により含浸する方法を例に説明する。
【００１７】
まず、炭化珪素粉末よりプリフォームを得る方法については、得られる放熱部品の特性に応じて炭化珪素粉末や成形条件を適宜選択するが、例えば、放熱部品の熱膨張係数を６〜９ｐｐｍ／Ｋ程度におさめるためには、プリフォームの相対密度を５５〜７５％にするのがよく、前記数値範囲の相対密度を得るには、通常、粒度の異なった粉末の配合が行われる。炭化珪素の場合、＃１５０や＃２２０の粉末と＃１０００及びそれらより細かい粉を配合した粉末の使用がその一例として挙げることができる。
【００１８】
前記炭化珪素粉末を成形する方法としては、従来より公知の乾式プレス法、湿式プレス法、押出し成型法、インジェクション法、キャスティング法、シート成形後打ち抜く方法等を用いることができる。また、含浸時に割れなどの異常を発生しないような強度を発現させるために、無機質或いは有機質のバインダーを前記成形方法に応じて適宜添加することもできる。前記バインダーとしてシリカゾルが、高強度のプリフォームが得やすいので、好ましい。
【００１９】
例えば、湿式プレス法を適用する場合には、多孔質の凹凸型を用意し、凹型内に炭化珪素粉末と無機バインダー及び水を主成分とするスラリーを充填し、凸型で圧縮成形すれば良いが、本発明では、得られるプリフォームが、例えば図２や図３に示した通りに、貫通孔を形成する部分とならないように、付形されていれば良い。
【００２０】
前記した各種製法で作製した成形体は、その製法によって異なるものの、通常は乾燥、加熱脱脂処理を経た後、所定の強度を有する成形体を得るため焼成される。焼成条件としては、不活性雰囲気中や大気中、７００℃以上が好ましいが、大気中の場合、１１００℃以上の温度で焼成した場合、炭化珪素が酸化し得られる複合体の熱伝導率が低下するので、少なくともこの温度以下で焼成することが好ましい。
【００２１】
アルミニウムやアルミニウム合金の前記プリフォームへの含浸は、いわゆる溶湯鍛造法やダイカスト法が採用できる。溶湯鍛造法の場合、製品形状を持つ湯口付きの型内にプリフォームを充填し、更にこれをプレス凹型内にセットし、アルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯を前記凹型内に注入し、凸型で密閉し、プレスした後、前記溶湯を冷却固化してブロック状とする。冷却後、前記ブロックから製品形状のアルミニウム−炭化珪素質複合体を得るものであり、前記湯口付き型の形状を工夫して、多数のアルミニウム−炭化珪素質複合体を得ることもできる。ダイカスト法は、プリフォームを製品形状のキャビティーを有する金型内にセットし、型締めを行ったのち、アルミニウムまたはアルミニウム合金を高速注入し、複合体を得る方法である。
【００２２】
なお、含浸で発生する引けスの発生防止のために、貫通孔を開ける部位に、予め炭化珪素以外の無機物、たとえばアルミナ繊維等を充填した成形体を使用し、含浸することが好適に行われる。この際、使用する無機物はアルミニウムまたはその合金との反応性が低いことが望ましく、また、その充填率は使用する無機物により異なるが、通常３０体積％以下が好ましい。充填率を高くすると、この部分が硬くなるため、後の貫通孔加工時に負担がかかるためである。
【００２３】
プリフォームへのアルミニウム又はアルミニウム合金の溶湯を含浸させる場合、前記いずれの方法においても、プリフォームは含浸前に加熱されていることが好ましい。これは、含浸途中において、成形体内で溶融したアルミニウムまたはアルミニウム合金が含浸不十分のままに固化することを防ぐためである。好適な加熱温度は、使用するアルミニウム合金の組成や成形体の大きさ・形状等により実験的に決められるが、本発明者の検討結果に拠れば、５５０℃以上に加熱しておくことが好ましい。また、含浸する溶融アルミニウムまたはその合金の溶湯温度も実験的に決められるが、通常７５０℃以上が好ましい。
【００２４】
【実施例】
〔実施例１〕平均粒径が１００μｍの炭化けい素粉末（大平洋ランダム社製）６５質量部と平均粒径が１３μｍの炭化けい素粉末（大平洋ランダム社製）３５質量部とを混合し、水を９質量部、コロイダルシリカ溶液（日産化学社製、商品名スノーテックスＯ）を１２質量部ならびに減水剤（グレースケミカルズ社製、商品名スーパー２００）を３質量部、さらには増粘剤を０．５質量部（ビックケミー・ジャパン社製商品名ＢＹＫ−Ｐ１０４Ｓ）添加し、十分に攪拌混合し、スラリーを作製した。
【００２５】
前記スラリーを、真空攪拌脱泡機にて脱泡後、長さが１２０ｍｍで幅が７０ｍｍのキャビティー（但し、４隅が１５ｍｍサイズで残っている）を有し、前記キャビティー表面に配置され、しかも外部から真空引きできる構造の吸水スリットを有しいる凹型内に充填し、その後、凸型を載せ、真空引きを行いながら総荷重５０００Ｋｇ重（４．９×１０⁸Ｐａ）下で成形後脱型して、厚み３ｍｍの成形体を得た。前記成形体を１２０℃で乾燥後、８００℃にて２時間、空気中で焼成して、プリフォームを得た。前記プリフォームは、重量及び寸法測定から、相対密度を算出した。
【００２６】
次に、前記プリフォームを、外形が１４０ｍｍ×９０ｍｍ×６ｍｍで、片面に１２０ｍｍ×７０ｍｍ×３ｍｍのキャビティーをもち、さらに前記７０ｍｍの辺から垂直方向に外部に向けて幅１５ｍｍ、深さ２ｍｍの湯口となる溝を有し、かつ前記６ｍｍの厚み部分で、その厚み方向にボルト止め用の穴を４つ有するステンレス製の型内にセットした。この際、型と成形体にできる４隅の空隙部には、アルミニウム質短繊維を充填した。次に、この上に、厚さ３ｍｍで前記のキャビティーを有する型の穴位置に対応する穴を有するステンレス製の板を載せ、ボルトにて固定して、一つのブロックとした。なお、予めキャビティーを有する型及びステンレス製板には、含浸後の成形体の離型性をよくするため、カーボン粉末を塗布した。
【００２７】
前記ブロックを、６００℃で１時間加熱した後、すぐに含浸用の容器内にセットし、８５０℃の溶融アルミニウム合金（シリコンを１２質量％、マグネシウムを０．５質量％含有する）を前記ブロックが隠れるまで注入し、容器をピストン状の凸型にて密閉し、前記ピストンを押圧することで前記溶融アルミニウム合金を加圧した。冷却後、アルミニウム（Ａｌ）合金に包まれたブロックを脱型し、ブロックを覆うアルミニウム合金を除くことで、ブロックを解体し、アルミニウム合金と炭化珪素とからなる１２０ｍｍ×７０ｍｍ×３ｍｍの平板状のアルミニウム−炭化珪素質複合体を取り出した。前記複合体の主面の４隅に、周囲から７．５ｍｍの位置に中心のある、直径７．５ｍｍの貫通孔を機械加工にて形成し、図２に示した形状の複合体とした。
【００２８】
前記の手順により複合体を５枚作製し、各複合体をそれぞれを、４隅に直径７．５ｍｍの穴を設けてある大きさ１２０ｍｍ×７０ｍｍ×１０ｍｍのアルミニウム板に、ボルトとナットを用いて締めて固定した。この際、トルクレンチにて締め付けトルクを、４、８、１０、１２及び１５Ｎｍとした。次に、−４０℃、３０分間と１２５℃、３０分間の熱サイクルに３００回かけたのち、アルミニウム板との固定を解除し、複合体の４隅を超音波探傷機にて測定することで、欠陥の発生有無を調べた。この結果を表１に示す。
【００２９】
【表１】

【００３０】
〔実施例２〕使用した炭化けい素粉末として平均粒径６０μｍのものを５５質量部とし、１３μｍのものを４５質量部としたこと、アルミニウム合金としてシリコンを０．１質量％、マグネシムを１．５質量％含んでいること、さらに、プリフォームとして、図３に例示したとおりに、長辺部にＵ字状に除いた部分を形成し、この部分に穴を形成したこと、大きさが１３０ｍｍ×８０ｍｍであり、貫通孔の中心位置が長辺より７ｍｍであり、Ｕ字部の深さが１２ｍｍであり、幅が１０ｍｍであり、同じ長辺上の隣り合う貫通孔の中心間距離が４５ｍｍであること以外は、すべて実施例１と同じ方法で複合体を作製し、評価も実施例１と同じ方法で行った。この結果を表１に示す。
【００３１】
〔実施例３〕使用した炭化けい素粉末として平均粒径１００μｍのものを７５質量部とし、１３μｍのものを２５質量部としたこと、アルミニウム合金がシリコンを１８質量％、マグネシムを０．１質量％含んでいること以外は、すべて実施例１と同じ方法で複合体の作製並びに評価を行った。結果を表１に示す。
【００３２】
〔比較例１〕長方形タイプのキャビティーを有する型で成形したこと、焼成後のプリフォームの４隅に機械加工にて直径９ｍｍの貫通孔を形成したこと、さらに形成した孔にはアルミニウム質短繊維を充填し、複合体のこの部分に直径７．５ｍｍの貫通孔を形成したこと以外は、実施例１と同じ方法で複合体を作製し、評価を行った。この結果を表１に示す。
【００３３】
〔比較例２〕長方形タイプのプリフォームを作製したこと、プリフォームの長辺に沿って直径９ｍｍの貫通孔を機械加工にて設けたこと以外は、すべて実施例２と同じ方法にて、図３に示す形状の複合体を作製し、評価を行った。この結果を表１に示す。
【００３４】
〔比較例３〕形状として長方形タイプのキャビティーを有する型で成形したこと、焼成後のプリフォームの４隅に機械加工にて直径９ｍｍの貫通孔を形成したこと、さらに形成した孔にはアルミニウム質短繊維を充填し、複合体のこの部分に直径７．５ｍｍの貫通孔を形成したこと以外は、実施例１と同じ方法で複合体を作製し、評価を行った。この結果を表１に示す。
【００３５】
【発明の効果】
本発明の放熱部品は、他の部品にネジ止め固定するための貫通孔の部分が高靱性化されるように、この部分にアルミニウム−炭化珪素質複合材部分を存在させていない構造を有しているので、放熱フィン等の他の放熱部品や製品外枠等の他の部品にネジ止めする際やネジ止め後の実使用時においてもクラックや割れ等の破損が抑制されている特徴を有しており、パワ−モジュ−ル等に使用されて高い信頼性を示すことができ、産業用非常に有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来公知の放熱部品の平面図と断面図。
【図２】本発明の放熱部品の一例を示す平面図と断面図。
【図３】本発明の放熱部品の他の一例を示す平面図。
【符号の説明】
１貫通孔
２アルミニウム−炭化珪素質複合体
３アルミニウム又はアルミニウム合金

Claims

炭化珪素成形体にアルミニウム又はアルミニウム合金を含浸してなり、その少なくとも一部表面に前記アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層を有する平板状の放熱部品であって、他の部品への取り付け用孔部を前記平板の主面に有しており、前記孔部を形成している金属層が、前記炭化珪素成形体とは異なる無機物質を含有し、しかも前記孔部が前記炭化珪素成形体に取り囲まれないように設けられていることを特徴とする放熱部品。
アルミニウム合金が０．１〜１．５質量％のマグネシウムと０．１〜１８質量％のシリコンを含むことを特徴とする請求項１記載の放熱部品。
表面全体がアルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層を有することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の放熱部品。
炭化珪素成形体の相対密度が５５〜７５％であることを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３記載の放熱部品。