JP4314388B2 - アルミニウム合金およびアルミニウム合金部材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、アルミニウム合金およびアルミニウム合金部材の製造方法に関し、特に、アルミニウム−セラミックス接合基板の放熱板などに使用されるアルミニウム合金部材の材料であるアルミニウム合金およびそのアルミニウム合金からなるアルミニウム合金部材の製造方法に関する。

自動車用エンジンやギアのハウジングなどの部材や、産業用・民生用の電気・電子製品の放熱部品などの材料として、高い放熱性を有し且つ他の部材との接続や接合の信頼性の観点から熱膨張係数が小さい材料が求められている。このような材料として、安価且つ軽量のアルミニウムを使用することが検討されているが、アルミニウムは金属の中でも熱膨張係数が高いという欠点がある。

このようなアルミニウムの欠点を克服するために、アルミニウムの高い放熱性を維持したまま熱膨張係数を低下させる方法として、１３〜８０重量％のＳｉを含有するＡｌ−Ｓｉ合金をダイキャスト法によって３００〜８００Ｋ／ｓｅｃの速度で急冷し、成形することにより、Ｓｉ相の結晶粒径が５０μｍ以下、熱膨張係数が１６×１０^−６／Ｋ以下、熱伝導率が１００／ｍ・Ｋ以上の特性を有する放熱材料を得る方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−２８８５２６号公報（段落番号００１７−００２３）

しかし、特許文献１に開示された方法では、ダイキャスト法によって特定の冷却条件で急冷する必要があり、高い放熱性を維持したまま熱膨張係数が低下した所望の特性を有するアルミニウム合金を鋳造法によって製造することができない。

したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、鋳造法によって製造することができ且つ高い放熱性を維持したまま熱膨張係数が低下したアルミニウム合金およびそのアルミニウム合金からなるアルミニウム合金部材の製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、アルミニウムに０．１〜２０重量％のＢを添加することにより、高い放熱性を維持したまま熱膨張係数が低下したアルミニウム合金部材を鋳造法によって製造することができることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明によるアルミニウム合金は、０．１〜２０重量％のＢ、好ましくは０．１〜１５重量％のＢを含有し、残部がＡｌと不可避元素からなることを特徴とする。このアルミニウム合金は、Ｆｅ、ＮｉおよびＣｏからなる群の少なくとも１種の元素を総量で０．１〜４０重量％含有するのが好ましい。また、このアルミニウム合金は、５〜１５重量％のＳｉを含有するのが好ましく、１〜１０重量％のＭｇを含有するのが好ましい。さらに、このアルミニウム合金は、２０℃における熱膨張係数が１０〜２０×１０^−６／Ｋであり且つ２０℃における熱伝導率が１００〜２００W／ｍ・Ｋであるのが好ましい。

また、本発明によるアルミニウム合金部材の製造方法は、０．１〜２０重量％のＢ、好ましくは０．１〜１５重量％のＢを含有し、残部がＡｌと不可避元素からなる組成のアルミニウム合金を、６８０〜７５０℃で溶解した後に凝固させて成形することを特徴とする。このアルミニウム合金部材の製造方法において、アルミニウム合金が、Ｆｅ、ＮｉおよびＣｏからなる群の少なくとも１種の元素を総量で０．１〜４０重量％含有するのが好ましい。また、アルミニウム合金が、５〜１５重量％のＳｉを含有するのが好ましく、１〜１０重量％のＭｇを含有するのが好ましい。また、このアルミニウム合金部材の製造方法では、成形の後に、固相線より低い温度で熱処理を施すのが好ましく、あるいは、成形の後に、固相線より低い温度で均質化処理を施し、その後、５〜５０％の圧延加工を施すのが好ましい。

さらに、本発明によるアルミニウム−セラミックス接合部材は、上記のアルミニウム合金のうち、０．１〜１５重量％のＢを含有するアルミニウム合金からなるアルミニウム合金部材がセラミックス部材に接合していることを特徴とする。

本発明によれば、アルミニウムに０．１〜２０重量％のＢを添加することにより、高い放熱性を維持したまま熱膨張係数が低下したアルミニウム合金部材を鋳造法によって製造することができる。

本発明によるアルミニウム合金の実施の形態では、アルミニウムに０．１〜２０重量％のＢを添加し、必要に応じてＦｅ、ＮｉおよびＣｏの少なくとも一種の元素を総量で０．１〜４０重量％添加し、さらに必要に応じて５〜１５重量％のＳｉや１〜１０重量％のＭｇを添加することにより、アルミニウム合金の２０℃における熱膨張係数を１０〜２０×１０^−６／Ｋまで小さくし、２０℃における熱伝導率を１００〜２００W／ｍ・Ｋに維持することができる。また、上記のアルミニウム合金中のＢの含有量を０．１〜１５重量％にすることにより、アルミニウム−セラミックス接合部材に適したアルミニウム合金にすることができる。

また、ＪＩＳ４０００番台のＡｌ−Ｓｉ系合金、ＪＩＳ５０００番台のＡｌ−Ｍｇ系合金またはＪＩＳ６０００番台のＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金にＢを添加することによってアルミニウム合金を製造してもよい。なお、Ｍｇの添加量は、１〜１０重量％が好ましく、３〜６重量％がさらに好ましい。このような量のＭｇを添加することによっても上記の熱膨張係数および熱伝導率を達成することができる。

以下、本発明によるアルミニウム合金およびそのアルミニウム合金部材からなるアルミニウム合金部材の製造方法の実施例について詳細に説明する。

［実施例１〜７および比較例１〜３］
表１に示す元素を含むアルミニウム溶湯（溶湯温度６８０℃〜７００℃）を、それぞれ６８０〜７００℃に加熱したカーボン製の鋳型に流し込んで円筒状に鋳造した。この円筒状の鋳造品から試験片を切り出して、ＪＩＳ Ｒ３１０２「ガラス系材料の線膨張係数測定法」に準じた方法により熱膨張係数を測定し、レーザーフラッシュ法により２０℃における熱伝導率を測定した。

表１に示すように、純アルミニウムの例である比較例１と比べて、実施例１〜７では、高い放熱性を維持したまま熱膨張係数を低下させることができることがわかった。

次に、内部の所定の位置にセラミックス板を配置した後にその両面にアルミニウムを流し込んで３９ｍｍ×３９ｍｍ×０．４ｍｍの大きさのアルミニウム板を接合させる形状のカーボン製の鋳型を用意し、その鋳型内の所定の位置に４０ｍｍ×４０ｍｍ×０．６３５ｍｍの大きさのＡｌＮからなるセラミックス板を配置し、酸素濃度１００ｐｐｍ以下の窒素雰囲気の炉内に入れ、７５０℃まで加熱した後、表１に示す元素を含む溶融状態のアルミニウムを、カーボン製シリンダで圧力をかけて酸化被膜を取り除きながら鋳型に流し込んだ。その後、鋳型を冷却してアルミニウムを凝固させることによりアルミニウム板をセラミックス板と接合させた後、室温まで冷却し、接合体を鋳型から取り出した。その後、厚さ０．４ｍｍのアルミニウム板の表面に所定形状のエッチングレジストを印刷し、塩化第二鉄溶液でエッチング処理して一方の面に回路パターンを形成した後、レジストを剥離し、回路パターンをめっきした。

このめっき後のセラミックス板とアルミニウム板の接合界面を超音波探傷装置によって調べたところ、いずれの実施例および比較例の場合も接合界面に欠陥がなかった。また、実体顕微鏡観察によってセラミックス板の反りなどによるクラックの発生を確認したところ、いずれの実施例および比較例の場合もクラックの発生がなかった。

また、上記の各々の実施例および比較例のアルミニウム−セラミックス接合基板について、−４０℃で３０分間保持→２５℃で１０分間保持→１２５℃で３０分間保持→２５℃で１０分間保持を１サイクルとするヒートサイクルを１０００回繰り返した後に、アルミニウム板を塩化鉄溶液で剥離し、実体顕微鏡によってセラミックス板の表面を観察したところ、実施例２の場合にはクラックの発生がなく、実施例１および実施例３〜６の場合には微小クラックが発生しただけであったが、実施例７の場合には貫通クラックが発生した。これは、実施例７の場合にＢの含有量が多過ぎることに起因すると考えられる。したがって、本発明によるアルミニウム合金をアルミニウム−セラミックス接合基板に使用する場合には、Ｂの含有量を実施例７の量より少なくし、１５重量％以下にするのが好ましい。また、比較例１および３の場合にはクラックの発生がなかったが、比較例２の場合には貫通クラックが発生した。

また、１００ｍｍ×６０ｍｍ×３ｍｍの銅ベース板の中央に、３９ｍｍ×３９ｍｍ×０．２ｍｍの大きさになるように、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕの鉛フリー半田を印刷し、その上に上記の各々の実施例および比較例のアルミニウム−セラミックス接合基板を回路面が上になるように載せ、窒素雰囲気中において２８０℃で１０分間保持して半田付けを行った。これらの各々について上記と同じ条件のヒートサイクルを行い、半田の様子を超音波探傷装置によって観察したところ、比較例１の場合（純アルミニウムの場合）には半田クラックが発生したが、その他の実施例および比較例の場合には半田クラックが発生しなかった。

また、セラミックス板の両面に３９ｍｍ×３９ｍｍ×０．４ｍｍの同じ大きさのアルミニウム板を接合した代わりに、セラミックス板の一方の面に３９ｍｍ×３９ｍｍ×０．４ｍｍの大きさのアルミニウム板を接合し、他方の面に１００ｍｍ×６０ｍｍ×４ｍｍの大きさのアルミニウム板を接合した以外は、上述した方法と同様の方法により接合体を作製した。その後、厚さ４ｍｍのアルミニウム板の表面をフライス盤により１ｍｍ研削して、厚さを３ｍｍにするとともに表面のうねりが１００μｍ以下の平らな状態にした。次いで、厚さ０．４ｍｍのアルミニウム板の表面に所定形状のエッチングレジストを印刷し、塩化第二鉄溶液でエッチング処理して回路パターンを形成した後、レジストを剥離した。これらの各々について、上述した条件と同じ条件の窒素雰囲気中において２８０℃で１０分間保持し、通炉後のベース板（研削したアルミニウム板）の裏面の反りをレーザー式の反りうねり測定器で測定したところ、実施例１〜７および比較例２〜３の場合には、反りの変化が１００μｍ／１００ｍｍのスパン以内であったが、比較例１の場合（純アルミニウム板の場合）には、反りの変化が３００μｍ／１００ｍｍのスパンもあった。

Claims (2)

1. １．８〜１５重量％のＢを含有し、残部がＡｌと不可避元素からなり、２０℃における熱膨張係数が１０〜２０×１０^−６／Ｋであり且つ２０℃における熱伝導率が１００〜２００W／ｍ・Ｋであるアルミニウム合金からなるアルミニウム合金部材がセラミックス部材に接合していることを特徴とする、アルミニウム−セラミックス接合部材。
2. １．８〜１５重量％のＢを含有するとともに、Ｆｅ、ＮｉおよびＣｏからなる群の少なくとも１種の元素を総量で２〜２０重量％含有し、残部がＡｌと不可避元素からなり、２０℃における熱膨張係数が１０〜２０×１０ ^−６ ／Ｋであり且つ２０℃における熱伝導率が１００〜２００W／ｍ・Ｋであるアルミニウム合金からなるアルミニウム合金部材がセラミックス部材に接合していることを特徴とする、アルミニウム−セラミックス接合部材。