JP3847009B2 - 炭化珪素質複合体の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高熱伝導性、低熱膨張性ならびに低比重であること等の優れた特性を有することから、近年、主にパワ−モジュ−ルのヒ−トシンク等に使用されつつある、アルミニウムを主成分とする金属を多孔質炭化珪素成形体に含浸してなる炭化珪素質複合体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
パワ−モジュ−ルにおけるヒ−トシンク材として、従来より、銅が使用されてきた。しかし、銅をヒ−トシンク材として使用した場合、その高い熱膨張係数（１７ｐｐｍ／Ｋ）のため、ヒ−トシンク材の上に搭載されたセラミックス回路基板或いは両者を接合する半田にクラックが発生する等、信頼性に問題があり、低熱膨張、高熱伝導性を有するヒ−トシンク材が要望されている。
【０００３】
上記の状況下において、炭化珪素質複合体は、該複合体中の炭化珪素の含有量を上げることにより、その熱膨張係数を１０ｐｐｍ／Ｋ以下に抑えられること、また、高熱伝導性を発現できること、さらには低比重であること等から、近年、ヒ−トシンク材として注目されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の炭化珪素質複合体の熱伝導率は、いずれも室温下でたかだか１７０Ｗ／ｍＫ程度であり、銅のそれ（４００Ｗ／ｍＫ）には及ばず、さらなる高熱伝導率を有する炭化珪素質複合体が望まれていた。本発明は、前記の要望に答えるべくなされたものであり、これまでにない２００Ｗ／ｍＫ以上の極めて高い熱伝導率を有する炭化珪素質複合体を得ることを目的になされたものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決するため鋭意検討を重ねた結果、炭化珪素質複合体の熱伝導率が、該複合体を構成する炭化珪素粒子の粒径と炭化珪素の含有量に大きく依存していること、また特定範囲の粒径及び炭化珪素含有量を有する複合体が２００Ｗ／ｍＫ以上の高熱伝導率を示すこと、更に粒径の大きな炭化珪素粉末を使用しただけでは複合体中の炭化珪素含有量が増加できず、２００Ｗ／ｍＫ以上の高熱伝導率は達成できないこと、加えて、炭化珪素含有量を増加させる目的で炭化珪素の微粉を添加する際に、２００Ｗ／ｍＫ以上の高熱伝導率を達成するためには、使用される炭化珪素粒子の粒径及びその量を特定するべきことを見出し、本発明に至ったものである。
【０００６】
即ち、本発明は、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炭化珪素質複合体であって、該複合体中の炭化珪素の含有量が５０体積％以上であり、全炭化珪素粒子中の４０μｍ以上の粒径を有する粒子が５５重量％以上で、１５μｍ以下の粒径を有する粒子が４５重量％以下から構成されてなり、室温での熱伝導率が２００Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴とする炭化珪素質複合体である。
【０００７】
また、本発明は、炭化珪素含有量が６０体積％以上であり、かつ室温から１５０℃における熱膨張係数が９ｐｐｍ／Ｋ以下であることを特徴とする前記の炭化珪素質複合体であり、アルミニウムを主成分とする金属が、珪素を０〜１８重量％、マグネシウムを０．５〜２． ５重量％含むことを特徴とする前記の炭化珪素質複合体である。
【０００８】
【発明の実施の態様】
以下、本発明を詳細に説明する。
【０００９】
本発明は、炭化珪素質複合体において、該複合体を構成する炭化珪素粒子の粒径及び炭化珪素の含有量が、熱伝導率を大きく支配する重要な因子であり、炭化珪素粒子が特定範囲の粒径を有し、しかも該複合体中の炭化珪素含有量が特定量以上であるときに、室温での２００Ｗ／ｍＫ以上の高い熱伝導率を有する炭化珪素質複合体が得られるという知見に基づいている。
【００１０】
さらに、本発明は、単に粒径が大きな炭化珪素粉末を使用して得られる炭化珪素質複合体は、使用する炭化珪素粒子自体の粒径が大きいがために、原料からの酸素の混入が少ないし、複合体の製造過程を通じて酸化等の影響を受けて酸素を混入し難いことから比較的高い熱伝導率を有するものの、２００Ｗ／ｍＫ以上の高熱伝導率の発現は難しいこと、その理由として、粒径が大きいために複合体中の炭化珪素含有量を向上させることが困難であること、更に、炭化珪素含有量を向上するべく添加される粒径の小さな炭化珪素粉末については、その量を特定範囲に限定しなければ、室温での２００Ｗ／ｍＫ以上の高熱伝導率を発現できないという知見に基づいている。
【００１１】
即ち、本発明者らが検討した結果、多孔質炭化珪素成形体にアルミニウムを含浸してなる炭化珪素質複合体においては、２００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を発現するためには、該複合体を構成する炭化珪素に関して、全炭化珪素粒子に対する４０μｍ以上の粒径を有する粒子の量を５５重量％以上とする必要がある。前記の粒径が４０μｍ未満の場合には、目的とする２００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率が達成し難い。また、５５重量％未満であると、たとえ複合体中の炭化珪素含有量自体を大きくできても、本発明の目的を達成できないからである。
【００１２】
また、本発明において、４０μｍ以上の粒径を有する炭化珪素粒子が、５５重量％以上あれば、その残部は、いずれの粒径の粉末でもよいというわけではない。上述した通り、２００Ｗ／ｍＫ以上の高い熱伝導率を発現するためには、複合体中の炭化珪素含有量自体を多くすること、具体的には５０体積％以上とする必要があるからであり、残部として適正な粒径の炭化珪素粉末を適正量含有させないと、前記５０体積％を達成し得ないからである。
【００１３】
本発明において、前記炭化珪素含有量を５０体積％以上とする目的で、他の粒径の粉末を含有させる。本発明者らの実験的検討によれば、１５μｍ以下の粒径を有する粒子が、全炭化珪素粒子に対して４５重量％以下とすればよい。４５重量％を超えて１５μｍ以下の粒子を含有するばあいには、２００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率の発現が困難である。
【００１４】
本発明の複合体の用途は限定されるものではないが、特に半導体モジュ−ル用放熱板のように一層低熱膨張性を要求される用途においては、該複合体中の炭化珪素含有量が多いことが望ましい。このため、該複合体中の炭化珪素含有量を６０体積％以上にすることが好ましく、この場合、室温から１５０℃における複合体の熱膨張係数を９ｐｐｍ／Ｋ以下の複合体を得ることができる。
【００１５】
本発明の複合体を作製するには、全炭化珪素粒子中の４０μｍ以上の粒径を有する粒子が５５重量％以上で、１５μｍ以下の粒径を有する粒子が４５重量％以下から構成された炭化珪素粉末を用いて、炭化珪素の充填率（或いは相対密度）が５０体積％以上の多孔質成形体を得て、該多孔質成形体にアルミニウムを主成分とする金属を、従来公知の含浸方法を適用して、含浸すればよい。
【００１６】
前記従来公知の含浸方法としては、溶融アルミニウム合金中に炭化珪素粉末を攪拌しながら所定量投入する方法、炭化珪素粉末とアルミニウム合金粉末を混合し焼成する粉末冶金法、及び予め炭化珪素よりなるプリフォ−ムを作製し、これに溶融アルミニウム合金を含浸する溶湯鍛造法やダイカスト法等が知られている。これらのうち、複合体中の炭化珪素含有量を多くできる点、並びに緻密な複合体が得られやすいことから、プリフォ−ムを作製し、これに溶融アルミニウムを含浸する方法が、好ましい方法である。
【００１７】
本発明において、より好ましい含浸方法としては溶湯鍛造法が挙げられる。この方法はプリフォ−ムを金型内に設置し、アルミニウム合金を投入後、機械的圧力で加圧する方法であり、作業が用意で、かつ、例えばプリフォ−ムの余熱処理を空気中で行う場合、その余熱がプリフォ−ムに大きな酸化を起こさせない温度条件で、アルミニウム合金を含浸できるからである。溶湯鍛造法にあっての一般的な条件としては、アルミニウム合金を含浸させる際の溶融アルミニウム合金温度が７００〜８５０℃であり、含浸時の圧力としては３０ＭＰａ以上である。
【００１８】
以下、本発明の複合体を製造する方法として、特にプリフォ−ムにアルミニウム合金を含浸する方法を通して、本発明をより詳細に説明する。なお、本発明が以下の方法に限定されないことはいうまでもない。
【００１９】
プリフォ−ムを作製するに際しては、その成形方法として、プレス成形法、鋳込み成形法、押し出し成形法等の公知の成形法が採用できるとともに、従来公知の乾燥、焼成等の処理を適用できる。また、成形に際してはメチルセルロ−ス、ＰＶＡ等の有機バインダーやコロイダルシリカ、アルミナゾル等の無機バインダー、さらに溶媒として水や有機溶剤等を使用することに何ら問題はない。要は、前記のいろいろな処理を受けても、含浸直前におけるプリフォ−ムが、全炭化珪素粒子中４０μｍ以上の粒径を有する粒子が５５ｗｔ％以上、１５μｍ以下の粒径を有する粒子が４５ｗｔ％以下から構成され、炭化珪素の充填量が５０体積％以上の構成が保たれていれば良い。
【００２０】
プリフォ−ムは、その強度を発現させることを目的に、コロイダルシリカやアルミナゾル等の無機バインダ−添加を行うが、これらのバインダ−は熱伝導率を低下させる方向に作用する。したがって、その添加に際しては、プリフォ−ム作製時に使用する炭化珪素粉末の粒径及びそれから得られるプリフォ−ムの炭化珪素充填度にあわせて、その添加量を適宜調整すべきである。前記無機バインダ−の中でコロイダルシリカは焼成により、シリカとなり炭化珪素粒子を結合し、十分なプリフォ−ム強度を発現させるので好ましいものであるが、これら無機バインダ−の添加により無機バインダ−に由来する酸素増量が発生するので、その添加量を制限するべきである。本発明の複合体を作製するに当たっては、無機バインダーの添加量は、例えば固形分濃度２０重量％のシリカゾルの場合、全炭化珪素粒子１００重量部に対して１０重量部以下、好ましくは６重量部以下が選択される。
【００２１】
プリフォ−ムは、前記した無機バインダ−による強度発現等を目的に焼成されるのが一般的である。この際、通常、空気中など酸素含有雰囲気で焼成することが行われるが、プリフォ−ムを構成する炭化珪素粉末は、この焼成により若干酸化され、複合体において熱伝導率低下原因になることがある。したがって、プリフォ−ムの焼成に際しては、使用した炭化珪素粉末の粒径に応じて、なるべく酸化を受け難い条件を採用すべきである。例えば、空気中での焼成は、その保持時間にもよるが、９５０℃未満の温度で行い、酸化をできるだけ抑えることが好ましい。好ましい温度範囲としては、７５０〜９００℃である。また、非酸化性の雰囲気中での焼成方法としては、アルゴン、ヘリウム、水素、窒素等の非酸化性ガス中或いは真空中で焼成する方法が挙げられる。
【００２２】
又、プリフォ−ムにアルミニウム合金を含浸する方法としては、溶湯鍛造法、ダイカスト法ならびにそれらを改良した方法等、公知の方法が使用できる。なお、含浸時には通常、その予備工程としてアルミニウム合金が浸透しやすいよう、プリフォ−ムの予熱処理が行われるのが一般的である。予熱処理に於いては、プリフォームを構成する炭化珪素粒子が酸化されて、酸素量が１．４重量％を超えないよう留意すべきであり、さらに酸素量を１．１重量％以下に抑制することが好ましい。
【００２３】
本発明におけるアルミニウムを主成分とする金属としては、炭化珪素質複合体を作製する際に通常使用されている珪素含有アルミニウム合金、珪素とマグネシウムを含有するアルミニウム合金並びにマグネシウム含有アルミニウム合金が挙げられる。この中で、溶融金属の融点が低く作業性のよいことから珪素とマグネシウムを含有するアルミニウム合金が好ましく、また得られる複合体の熱伝導率向上の面からはマグネシウム含有アルミニウム合金が好ましく選択される。本発明に於いては、前者にあっては、珪素は熱伝導率を低下させる原因となることから、その量を１８ｗｔ％以下とするのがよい。また、マグネシウム量については、その量が少ないと合金の融点が低下せず作業性が悪化すること、その過量では得られる複合体の熱伝導率が低下する原因となること等を考慮し、０．５〜２．５重量％が好ましい。
【００２４】
以下、本発明を実施例に基づき、さらに詳細に説明する。
【００２５】
【実施例】
[実施例１]
７５μｍ以上の粒径を有する炭化珪素粉末６５重量部、１５μｍ以下の粒径を有する炭化珪素粉末３５重量部及びコロイダルシリカ（固形物を２０重量％含有）を６重量部、水を１２重量部秤量し、これらを混合してスラリ−を調整した。このスラリ−を石膏型に流し込み放置した後、脱型・乾燥し成形体を得た。この成形体を空気中、８５０℃で２時間焼成しプリフォ−ムとした。なお、使用した炭化珪素粉末は、１５μｍ以下の粒径のものが屋久島電工社製、それ以外のものは、すべて大平洋ランダム社製である。また、コロイダルシリカは日産化学社製である。
【００２６】
前記プリフォ−ムの一部について、密度を測定するために、直径２０ｍｍ、厚み３ｍｍに加工した。プリフォ−ムの炭化珪素充填度については、上記加工品の密度を炭化珪素の理論密度３．２１ｇ／ｃｍ³で除し、百分率で定義した。プリフォ−ムの炭化珪素の充填度は６４％であった。
【００２７】
残りのプリフォ−ムについて、空気中６５０℃で１時間焼成することで予熱処理を行った。予熱後、すぐにプリフォ−ムを金型内に設置した後、珪素１２重量％、マグネシム１重量％を含み、８５０℃で溶融しているアルミニウム合金をプリフォ−ムの前面が十分隠れるように、金型内に投入した。その後、速やかにパンチにより７０ＭＰａの圧力で５分間プレスし、冷却後、金型内から炭化珪素質複合体を含むアルミニウム合金塊を取り出した。更に、この塊から炭化珪素質複合体を切り出した。
【００２８】
前記複合体の室温での熱伝導率を測定するため、一部を直径１０ｍｍ、厚み３ｍｍに加工し試料とした。この試料の比重及び熱拡散率、さらに比熱を測定し、熱伝導率を算出した結果、その熱伝導率は２１７Ｗ／ｍＫであった。なお、熱拡散率については、レ−ザ−フラッシュ法で、比熱はＤＳＣで測定した。熱膨張係数測定用試料については、前記複合体から所定形状の試料を切り出し、室温から１５０℃までの熱膨張係数を測定した。各条件と結果を表１、表２にまとめた。
【００２９】
【表１】

【００３０】
【表２】

【００３１】
[参考例２]炭化珪素粉末を１２０μｍのもの７０重量部、２０μｍ以下のもの３０重量部とした以外は、実施例１と同じ方法でプリフォ−ム及び複合体を作製した。条件と結果を表１、表２に示す。
【００３２】
[実施例３]
炭化珪素粉末を４０μｍ以上のもの５５重量部、１５μｍ以下のもの４５重量部とした以外は、実施例１と同じ方法でプリフォ−ム、複合体を作製した。条件と結果を表１、表２に示す。
【００３３】
[実施例４]
炭化珪素粉末を７５μｍ以上のもの６５重量部、４０μｍ以上のもの１５重量部及び１５μｍ以下のもの２０重量部としたこと、成形体の焼成温度を８００℃としたこと以外は、実施例１と同じ方法でプリフォ−ム及び複合体を作製した。条件と結果を表１、表２に示す。
【００３４】
[参考例５]炭化珪素粉末を５０μｍ以上のもの５５重量部、４０μｍ以下のもの４５重量部としたこと及びコロイダルシリカ量を３重量部としたこと以外は、実施例１と同じ方法でプリフォ−ム及び複合体を作製した。条件と結果を表１、表２に示す。
【００３５】
[実施例６]炭化珪素粉末を４０μｍ以上のもの５５重量部、１５μｍ以下のもの４５重量部としたこと及びコロイダルシリカ量を３重量部としたこと、さらに成形体の焼成温度を８００℃としたこと以外は、実施例１と同じ方法でプリフォ−ム及び複合体を作製した。条件と結果を表１、表２に示す。
【００３６】
[参考例７]参考例５の炭化珪素粉末及びコロイダルシリカに対し、濃度３０％のＰＶＡ水溶液を１０部添加し十分に混合した。この混合物を適度に乾燥した後、金型に充填し圧力１０００ｋｇ／ｃｍ2でプレス成形した。それ以外は、すべて参考例５と同じ方法でプリフォ−ム及び複合体を作製した。条件と結果を表１、表２に示す。
【００３７】
[実施例８]
実施例６の炭化珪素粉末及びコロイダルシリカに対し、濃度３０％のＰＶＡ水溶液を１０部添加し十分に混合した。この混合物を適度に乾燥した後、金型に充填し圧力１０００ｋｇ／ｃｍ²でプレス成形した。それ以外は、すべて実施例６と同じ方法でプリフォ−ム及び複合体を作製した。条件と結果を表１、表２に示す。
【００３８】
[参考例９]コロイダルシリカの代わりに、アルミナ含有量２０重量％のアルミナゾルを使用した以外は、すべて参考例５と同じ方法でプリフォ−ム及び複合体を作製した。条件と結果を表１、表２に示す。
【００３９】
[比較例１]
炭化珪素粉末を、粒径４０μｍ以上のもの５０重量部、粒径１５μｍのもの５０重量部とした以外は、すべて実施例１と同じ方法でプリフォ−ム及び複合体を作製した。条件と結果を表１、表２に示す。
【００４０】
[比較例２]
炭化珪素粉末を、粒径４０μｍ以上のもの４０重量部、粒径１５μｍのもの６０重量部としたこと、更に成形体の焼成温度を８００℃としたこと以外は、すべて実施例１と同じ方法でプリフォ−ム及び複合体を作製した。条件と結果を表１、表２に示す。
【００４１】
[比較例３]
炭化珪素粉末を、粒径１２０μｍ以上のもの８０重量部、粒径２０μｍのもの２０重量部とした以外は、すべて実施例１と同じ方法でプリフォ−ム及び複合体を作製した。条件と結果を表１、表２に示す。
【００４２】
【発明の効果】
本発明の炭化珪素質複合体は、２００Ｗ／ｍＫ以上の高熱伝導率を有することから、パワ−モジュ−ル用のヒートシンク材として好適である。また、本発明の複合材は、好ましい実施態様として、室温から１５０℃における熱膨張係数が９ｐｐｍ／Ｋ以下であり、半導体モジュ−ル用放熱板として用いることができる。
【００４３】
また、本発明の炭化珪素質複合体は、その比重が約３程度の低比重であり、自動車、電車等の移動装置用の搭載材料としても有用である。

Claims (2)

1. 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炭化珪素質複合体の製造方法であって、該複合体中の炭化珪素の含有量が５０体積％以上であり、全炭化珪素粒子中の４０μｍ以上の粒径を有する粒子が５５重量％以上で、１５μｍ以下の粒径を有する粒子が４５重量％以下から構成され、アルミニウムを主成分とする金属が、珪素を０〜１８重量％、マグネシウムを０．５〜２．５重量％含み、且つ、プリフォーム作製時に無機バインダーとしてシリカゾルを全炭化珪素粒子１００重量部に対して固形分換算で２重量部以下（０を含まない）含有させることを特徴とする、室温での熱伝導率が２００Ｗ／ｍＫ以上である炭化珪素質複合体の製造方法。
2. 炭化珪素含有量が６０体積％以上であることを特徴とする、室温から１５０℃における熱膨張係数が９ｐｐｍ／Ｋ以下である請求項１記載の炭化珪素質複合体の製造方法。