JP4154861B2

JP4154861B2 - 複合材料の製造方法

Info

Publication number: JP4154861B2
Application number: JP2001029856A
Authority: JP
Inventors: 勝章田中; 知平杉山; 恭一木下; 栄次河野
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2001-02-06
Filing date: 2001-02-06
Publication date: 2008-09-24
Anticipated expiration: 2021-02-06
Also published as: JP2002235126A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は複合材料の製造方法に係り、例えば放熱板として好適な、金属をマトリックス相とし該マトリックス相の金属より熱膨張率が小さいセラミックス製の強化材を分散相とした複合材料の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の放熱板（ヒートシンク）を金属製とした場合は、金属と半導体装置の熱膨張率の差が大きく、半導体装置が破損する虞があるため、従来、放熱板として金属マトリックス相にセラミックス粉末（セラミックス微粒子）を分散させたもの、例えばＳｉＣ粉末をアルミニウム基材に分散させた複合材料が知られている。前記複合材料製の放熱板を使用する場合、半導体装置等は直接放熱板上に搭載されるのではなく、放熱板上に絶縁基板を介して搭載される。前記放熱板はＮｉメッキ処理等の表面処理が施された後、絶縁基板と半田により接合される。しかし、前記複合材料は高硬度であるため、機械加工が困難であるばかりでなく、ＳｉＣに対するメッキの接着性が悪いという問題がある。
【０００３】
特開平９−１７４２２２号公報には、セラミックスを強化材とした複合材料の表面を金属マトリックス材と同種の金属で被覆する方法として、二段階で複合材料を製造する方法が開示されている。即ち、先ず、セラミックス粉末等を所定の形状に加圧・焼結して成形したプリフォームに溶湯鍛造処理（加圧鋳造）でマトリックス材を充填（含浸）させた強化材を製造する。次にその強化材を金属層で包んだ形状とした後、熱間静圧プレス（ＨＩＰ）法により接合処理する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、特開平９−１７４２２２号公報に開示された方法では、複合材の表面にマトリックス金属と同種の金属層を形成するのに、加圧鋳造と熱間静圧プレスの２種類の工程が必要となり、製造コストが高くなる。また、熱間静圧プレス工程を必要とするため、量産化が困難であるばかりでなく、製造コストがより高くなる。
【０００５】
本発明は前記の従来の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、例えば半導体装置等の放熱部材として好適で、表面にマトリックス金属と同種の金属層を有する複合材料を簡単にかつ低コストで製造することができる複合材料の製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するため請求項１に記載の発明では、金属をマトリックス相とし、セラミックス製の強化材を分散相とした複合材料の製造方法であって、成形型内壁面の少なくとも一部に前記金属と同種の金属壁を設けた状態で前記成形型内に前記強化材を充填した後、前記金属と同種の金属を溶融したものを加圧状態で鋳込むことにより、複合材料の表面に金属層を形成する。
【０００７】
この発明の製造方法では、成形型内に製品となる複合材料のマトリックス相と同種の金属壁が成形型の壁面に沿って設けられ、成形型内にセラミックス製の強化材（例えば、粉末）が充填された状態では、強化材は金属壁に押圧された状態となる。その状態で、マトリックス相となる金属が溶融状態で成形型に供給され、加圧状態で充填物間に含浸される。また、金属壁の少なくとも強化材と対応する側の面が溶融してマトリックス相の金属と一体になる。その後、冷却されて成形型内に少なくとも一部にマトリックス相の金属と同種の金属層が露出した複合材料が得られる。即ち、一回の鋳造で表面に金属層が存在する複合材料を製造することができる。
【０００８】
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の発明において、前記成形型は複数の成形型構成片に分解可能に形成され、前記金属壁は前記成形型構成片により挟持された状態で所定の位置に配置された金属板により構成される。この発明では、成形型を組み立てる際に金属板が成形型構成片に挟持された状態で所定の位置に配置される。従って、成形型内にセラミックス製の強化材が充填された後、溶融金属を成形型に供給するのに先だって成形型を予熱した際に、成形型及び金属板が膨張しても充填物と金属板との間に隙間が発生し難くなる。その結果、溶融金属を供給する際に、充填物が崩れて製品となる複合材料中のセラミックス製の強化材の分布に偏りが生じるのが防止される。
【０００９】
請求項３に記載の発明では、請求項１に記載の発明において、前記成形型は有底四角筒状に形成されるとともに複数の成形型構成片に分解可能に形成され、前記金属壁は少なくとも対向する二カ所で前記成形型の壁面に当接するように配置された金属板により構成される。この発明では、成形型内にセラミックス製の強化材が充填された後、溶融金属を成形型に供給するのに先だって成形型を予熱した際に、成形型及び金属板が膨張する際、金属板は充填物側へ相対的に膨張するようになり、金属板との間に隙間がより発生し難くなる。
【００１０】
請求項４に記載の発明では、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の発明において、前記マトリックス相の金属はアルミニウム又はアルミニウム合金であり、前記セラミックスは炭化ケイ素（ＳｉＣ）である。従って、この発明では、軽量で半導体装置等の電子部品の放熱材として使用するのに必要な熱伝導性を確保でき、熱膨張率も半導体装置の熱膨張率に近づけることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下、本発明を具体化した第１の実施の形態を図１に従って説明する。
【００１２】
図１（ａ）はこの実施の形態の製造方法で製造される複合材料の模式断面図である。複合材料１は、複合材料部２と、複合材料部２の周囲全面に被覆された金属層３とで構成されている。複合材料部２はマトリックス相２ａが金属で構成され、分散相２ｂがマトリックス相２ａの金属より熱膨張率の小さいセラミック製の強化材で構成されている。金属層３の厚さは目的に応じて設定される。
【００１３】
マトリックス相２ａの金属には高熱伝導率を有するもの、即ちアルミニウムの熱伝導率と同程度以上の熱伝導率を有する金属が使用されている。この実施の形態ではマトリックス相２ａの金属にアルミニウム又はアルミニウム合金（以下、単にアルミニウム合金と言う）が使用されている。
【００１４】
この実施の形態では分散相２ｂを構成する強化材としては炭化ケイ素の粉末（ＳｉＣ粉末４）が使用されている。ＳｉＣ粉末４の粒度や充填量は、複合材料に要求される特性（物性）に応じて設定されるが、この実施の形態ではＳｉＣ粉末４として粒子径が１０μｍのものと１００μｍのものとの混合物が使用されている。また、充填率は体積％で６０〜７０％程度となっている。
【００１５】
次に前記のように構成された複合材料１の製造方法を図１（ｂ）〜（ｄ）に基づいて説明する。
成形型としての金型５は有底四角筒状で、複数の成形型構成片５ａ，５ｂに分解可能に構成され、図示しないボルト及びナットにより締付け固定されている。金型５の材質にはアルミニウム合金より剛性の高い金属、例えば鉄が使用されている。金型５内には金属壁を構成する金属板６が配置される。金属板６は図１（ｂ）に示すように、複数の金属板６が連続して有底四角筒状の金属容器７を構成するように形成されている。金属容器７はマトリックス相２ａの金属と同種の金属製、この実施の形態ではアルミニウム合金製の板から、深絞りにより形成されている。
【００１６】
そして、金属容器７内にＳｉＣ粉末４を所定量充填した後、図１（ｃ）に示すように、金型５内に金属容器７を収容する。次に金属容器７内に、図１（ｄ）に示すように、溶融状態のアルミニウム合金８が加圧状態で注入される。ＳｉＣ粉末４の隙間をほぼ満たすとともに、金属容器７の開口側においてＳｉＣ粉末４を覆う所定量のアルミニウム合金が金属容器７内に注入された後、押湯圧としてダイカスト成形と同程度の圧力（例えば、数十ＭＰａ〜百ＭＰａ）が加えられる。即ち、所謂高圧鋳造が行われる。
【００１７】
金属容器７を構成する金属板６は、少なくとも金型５に圧接されている面と反対側の面が溶融して、マトリックス相２ａの金属と一体になる。そして、所定時間経過後、金型５が冷却されてアルミニウム合金が凝固、冷却された後、金型５が分解されて、複合材料１が取り出される。
【００１８】
前記のようにして製造された複合材料１は、例えば半導体装置用の放熱部材として使用される。その場合、複合材料１は、セラミックス製の絶縁基板に半田又はろう材を介して接合される。このとき、複合材料１の表面が所定の粗さに加工される場合があるが、表面はアルミニウム合金製の金属層３で被覆されているため、ＳｉＣ粉末４に接触せずに加工でき、加工が容易になる。
【００１９】
なお、図１では複合材料１の形状を模式的に四角柱状としたが、放熱部材は一般に扁平なブロック状（板状）のものが多いため、目的とする放熱部材の形状に合わせた形状の金属容器７を使用することにより、所望の形状の複合材料１が形成される。
【００２０】
この実施の形態では以下の効果を有する。
（１）成形型（金型５）にマトリックス相２ａの金属と同種の金属板６を少なくとも一部に配置した状態で金型５内にＳｉＣ粉末４を充填した後、前記金属と同種の金属を溶融したものを加圧状態で鋳込むことにより、表面に金属層３を有する複合材料１を容易に製造できる。従って、熱間静圧プレス法で複合材料１を製造する従来方法に比較して、生産性が向上して量産化が容易になるとともに、製造コストを低減できる。
【００２１】
（２）金属層３を形成するための金属板６が金属容器７として一体に形成されているため、全面が金属層３で被覆された複合材料１を簡単に製造できる。硬い複合材料部２の全面が金属層３で被覆されているため、複合材料の加工性が向上し、半導体装置等の搭載面の加工や、その反対側の面に対するフィンの加工が容易になり放熱板（ヒートシンク）の製造コストを低減できる。また、フィンの加工を施せば、放熱性をより向上させることができる。一方、複合材料２の全面の金属層３によって、ＳｉＣに対するめっきの接着性を向上させることができる。
【００２２】
（３）マトリックス相２ａとしてアルミニウムの熱伝導率と同程度以上の熱伝導率を有する金属が使用されているため、半導体装置等の電子部品の放熱材として使用するのに好適となる。
【００２３】
（４）マトリックス相２ａがアルミニウム合金であるため、軽量で必要な熱伝導性を確保できる。
（５）分散相２ｂを構成するセラミックス製の強化材としてＳｉＣ粉末４が使用されているため、分散相２ｂの充填率を高めて複合材料１の熱膨張率を半導体装置の熱膨張率により近づけた場合でも複合材料１の熱伝導率を高くでき、放熱材として使用したときの放熱効率が向上する。
【００２４】
（６）強化材として繊維ではなくて粉末が使用されているため、繊維に比較して高密度に充填するのが容易になる。また、繊維より入手し易い。
（７）高圧鋳造で溶融金属が含浸されるため、ダイカスト成形に比較して、収縮巣やガス欠陥が少なくなる。
【００２５】
（第２の実施の形態）
次に第２の実施の形態を図２に従って説明する。この実施の形態では複合材料１は、金属層３が複合材料部２の全面を覆うのではなく、図２（ｂ）に示すように、四角柱状の複合材料部２の一組の対向面を除く４面を被覆するように形成されている点が、前記実施の形態の複合材料１と大きく異なっている。
【００２６】
この複合材料１を製造する場合は、図２（ａ）に示すように、金型５は複数の成形型構成片５ａ，５ｂに分解可能に形成され、金属板６は成形型構成片５ａ，５ｂに挟持された状態で所定の位置に配置される。即ち、成形型構成片５ａ，５ｂを図示しないボルト及びナットにより連結して金型５を組み立てる際に、金属板６が成形型構成片５ａ，５ｂに挟持された状態で所定の位置に配置される。その状態で、金型５内にＳｉＣ粉末４が充填された後、前記実施の形態と同様に溶融状態のアルミニウム合金が加圧状態で注入される。そして、所定時間経過後、金型５が冷却されてアルミニウム合金が凝固、冷却された後、金型５が分解されて、複合材料１が取り出される。得られた複合材料１は金属板６の両端が切削加工で除去されて使用される。得られた複合材料１を半導体装置用の放熱部材として使用する際には、金属層３が存在する面がセラミック製の絶縁基板に半田又はろう材を介して接合される。
【００２７】
この実施の形態では前記実施の形態の（１）、（３）〜（７）と同様な効果の他に次の効果を有する。
（８）溶融金属を金型５に供給するのに先だって金型５を予熱した際に、金型５及び金属板６が膨張しても充填物であるＳｉＣ粉末４と金属板６との間に隙間が発生し難くなる。その結果、溶融金属を供給する際に、ＳｉＣ粉末４が崩れて製品となる複合材料１中のＳｉＣ粉末４の分布に偏りが生じるのが防止される。
【００２８】
（９）金型５を組み立てる際に金属板６が成形型構成片５ａ，５ｂに挟持された状態で所定の位置に配置される。従って、深絞りで形成した金属容器７を使用する場合に比較して、金属板６の製造コストが安くなる。
【００２９】
（第３の実施の形態）
次に第３の実施の形態を図３に従って説明する。この実施の形態では、前記第２の実施の形態と同じ形状の複合材料１を、金属板６の配置状態が異なる状態で製造する点が異なっている。
【００３０】
図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、金型５は一対の平板状の成形型構成片５ａと、ほぼコ字状の成形型構成片５ｂとを図示しないボルト及びナットで連結することにより一体に組み立てられる。各成形型構成片５ａ，５ｂにはボルト挿通孔９が形成されている。図３（ａ）に示すように、４枚の金属板６は下端が金型５の底壁に当接する状態で金型５内に側壁に沿って配置される。なお、図３（ｂ）では２枚の金属板６の図示を省略している。その状態で図３（ｃ）に示すように、所定量のＳｉＣ粉末４が金型５内に充填された後、前記第２の実施の形態と同様にして溶融状態のアルミニウム合金が加圧状態で注入されて複合材料１が製造される。
【００３１】
この実施の形態では、第１の実施の形態の（１）、（３）〜（７）と同様な効果の他に次の効果を有する。
（１０）金属板６は成形型構成片５ａ，５ｂに挟持されずに、金型５の内側に配置されるため、ＳｉＣ粉末４が金型５内に充填された後、溶融金属を金型５に供給するのに先だって金型５を予熱した際に、ＳｉＣ粉末４と金属板６との間に隙間がより発生し難くなる。なぜならば、金属板６の膨張率は金型５の膨張率より大きく、しかも金属板６は成形型構成片５ａ，５ｂに挟持されていないため、金型５の壁面を基準にして相対的にＳｉＣ粉末側に向かって膨張する状態となり、充填物であるＳｉＣ粉末４を押圧するようになるため、ＳｉＣ粉末４と金属板６との間に隙間が発生し難くなる。
【００３２】
実施の形態は前記に限定されるものではなく、例えば次のように構成してもよい。
○ 金属層３を形成するための金属壁を金属板６を金型５内に配置して設ける代わりに、図４に示すように、金型５を組み立てた後、金型５をアルミニウム合金の溶湯にどぶ浸けして、金型５の表面に金属壁としてのＡｌ層１０を形成する。そして、その状態で金型５内にＳｉＣ粉末４を充填した後、前記各実施の形態と同様にして溶融状態のアルミニウム合金を加圧状態で供給して高圧鋳造を行ってもよい。
【００３３】
○ 金型５の表面にＡｌ層１０を形成する場合、金型５の内面のみにＡｌ層１０を形成してもよい。また、各成形型構成片５ａ，５ｂを金型５に組み立てる前に、各成形型構成片５ａ，５ｂをアルミニウム合金の溶湯にどぶ浸けして、その表面にＡｌ層１０を形成してもよい。
【００３４】
○ マトリックス相２ａの金属はアルミニウムと同程度以上の熱伝導率を有するものであればよく、アルミニウム合金に限らず他の金属例えば銅を使用してもよい。この場合、熱伝導率がアルミニウム合金より高いため、複合材料１を放熱材として使用する際に放熱効率が向上する。
【００３５】
○ 分散相２ｂを構成する強化材の形状は粉末に限らず、繊維状であってもよい。しかし、粉末の方が繊維状のものに比較して、金型５内に強化材を高密度で充填するのが容易になる。
【００３６】
○ 強化材の材質であるセラミックスとして炭化ケイ素（ＳｉＣ）以外のセラミックスを使用してもよい。
○ 複合材料１の使用方法としては、半導体装置の放熱部材や電子部品搭載基材に限らない。放熱部材以外の用途に使用する場合は、強化材として熱伝導率を考慮せずに硬度が大きな他の材質、例えば、窒化ホウ素（ＢＮ）、炭化チタン、炭化タングステン等を使用してもよい。
【００３７】
○ 複合材料１を放熱部材以外の用途に使用する場合は、マトリックス相２ａを構成する金属も、アルミニウムと同等以上の熱伝導率を有するものに限らず、熱伝導率はアルミニウムより劣るが、マグネシウムやマグネシウム合金等のより軽量の金属を使用してもよい。
【００３８】
○ 複合材料部２の長手方向両端に位置する金属層３を厚く形成し、その部分に複合材料１をケース等に固定するねじの挿通孔を形成してもよい。
○ 有底四角筒状の金属容器７に代えて四角筒状の金属体を成形型（金型５）内にセットした状態で、セラミックス粉末の充填、溶融金属の含浸を行い、複合材料１を製造してもよい。
【００３９】
○ 金属層３は少なくとも複合材料１の取付面となる面に形成されればよく、第２及び第３の実施の形態において、金属板６を１枚だけ使用してもよい。しかし、金属板６を１枚だけ使用した場合は、得られた複合材料１の複合材料部２と金属層３との膨張率の違いにより反りが発生する虞があるため、金属層３が複合材料部２を挟んで対向する状態に位置するように形成するのが好ましい。
【００４０】
○ 金型５を長尺に形成し、得られた複合材料１を切断して最終製品とするようにしてもよい。
○ 成形型は金属製の金型に限らず、セラミックス製としてもよい。セラミックス製の場合は金型５より熱膨張率が小さくなり、溶湯を供給する前の予熱の際に金属板６と充填物との間に隙間がより生じ難くなる。
【００４１】
前記実施の形態から把握される発明（技術的思想）について、以下に記載する。
（１）請求項１〜請求項４のいずれかに記載の発明において、前記強化材は粉体形状のものが使用されている。
【００４２】
（２）請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の発明において、前記成形型はアルミニウムより剛性の高い金属製である。
（３）請求項１に記載の発明において、前記金属板は有底筒状の容器を構成した状態で前記成形型内に収容される。
【００４３】
（４）請求項１に記載の発明において、前記成形型は金属製で、前記金属壁は前記成形型に予め金属層として形成されている。
（５）請求項１〜請求項４のいずれかに記載の発明において、前記成形型はセラミックス製である。
【００４４】
【発明の効果】
以上詳述したように請求項１〜請求項４に記載の発明によれば、半導体装置等の放熱部材として好適で、表面にマトリックス金属と同種の金属層を有する複合材料を簡単にかつ低コストで製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は第１の実施の形態の複合材料の模式断面図、（ｂ）は金属容器の斜視図、（ｃ）はＳｉＣ粉末が充填された状態の模式断面図、（ｄ）は溶融金属が供給された状態の模式断面図。
【図２】（ａ）は第２の実施の形態の金型にＳｉＣ粉末が充填された状態の模式断面図、（ｂ）は複合材料の模式断面図。
【図３】（ａ）は第３の実施の形態の金型に金属板がセットされた状態の模式斜視図、（ｂ）は一部省略分解模式斜視図、（ｃ）はＳｉＣ粉末が充填された状態の模式断面図。
【図４】別の実施の形態の模式断面図。
【符号の説明】
１…複合材料、２ａ…マトリックス相、２ｂ…分散相、３…金属層、４…強化材としてのＳｉＣ粉末、５…成形型としての金型、６…金属壁を構成する金属板、１０…金属壁を構成するＡｌ層。

Claims

金属をマトリックス相とし、セラミックス製の強化材を分散相とした複合材料の製造方法であって、成形型内壁面の少なくとも一部に前記金属と同種の金属壁を設けた状態で前記成形型内に前記強化材を充填した後、前記金属と同種の金属を溶融したものを加圧状態で鋳込むことにより、複合材料の表面に金属層を形成する複合材料の製造方法。
前記成形型は複数の成形型構成片に分解可能に形成され、前記金属壁は前記成形型構成片により挟持された状態で所定の位置に配置された金属板により構成される請求項１に記載の複合材料の製造方法。
前記成形型は有底四角筒状に形成されるとともに複数の成形型構成片に分解可能に形成され、前記金属壁は少なくとも対向する二カ所で前記成形型の壁面に当接するように配置された金属板により構成される請求項１に記載の複合材料の製造方法。
前記マトリックス相の金属はアルミニウム又はアルミニウム合金であり、前記セラミックスは炭化ケイ素（ＳｉＣ）である請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の複合材料の製造方法。