JP4711165B2

JP4711165B2 - 高熱伝導・低熱膨脹複合体およびその製造方法

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Publication number: JP4711165B2
Application number: JP2004182256A
Authority: JP
Inventors: 英子福島
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2004-06-21
Filing date: 2004-06-21
Publication date: 2011-06-29
Anticipated expiration: 2024-06-21
Also published as: JP2006001232A

Description

本発明は、高熱伝導・低熱膨脹複合体及びその製造方法に関する。本発明の高熱伝導・低熱膨脹複合体は、電気回路保護用の放熱板、熱交換器やヒートポンプ等の熱的機械の高熱伝導性が要求されるヒートシンク材料として有用である。

従来、熱交換、熱伝達の現象を伴う熱的機械又は放熱用のヒートシンク材料としては、主に銅及び銅合金、アルミニウム及びアルミニウム合金等が使用されている。特に、高熱伝導率が要求される熱交換器等の熱的機械には、常温から高温までの温度範囲にわたって熱伝導率が最も高い銅やアルミニウム等が使用されている。
また、最近では、炭素粒子又は炭素繊維と金属との複合材を放熱基板として使用する試みが数多く提案されている。例えば、特許文献１（特開平10-168502号公報）には、黒鉛、炭素繊維、カーボンブラック、フラーレン又はカーボンナノチューブから選ばれた１種類以上からなる結晶性カーボン材１〜200重量部と、Fe、Cu、Al、Ag、Be、Mg、Ｗ、Ni、Mo、Si、Zn及びこれらの合金からなる群から選ばれた金属の粉末100重量部とを混合し、ホットプレス成形することにより得られた高熱伝導率複合材を開示している。この複合材によれば金属マトリックスに結晶性カーボン材が分散した構造を有した高熱伝導率の複合体が得られている。
また、特許文献２（特開2000-203973号公報）には、炭素質マトリックス中にアルミニウム、マグネシウム、錫、亜鉛、銅、銀、鉄、ニッケル及びこれらの合金からなる群から選ばれた少なくとも１種の金属が含浸されてなる炭素基金属複合材であって、炭素質マトリックスの気孔の90体積％以上に前記金属が含浸し、前記金属の含有量が前記炭素基金属複合材全体の35体積％以下である炭素基金属複合材を開示している。
また、特許文献３（特開2001-58255号公報）には、黒鉛結晶を含む炭素粒子又は炭素繊維を含む炭素成形体にアルミニウム、銅、銀又はこれらの合金を溶湯鍛造法で加圧含浸させることにより製造された炭素基金属複合材であって、室温における厚さ方向の熱伝導率が150 W/mK以上であり、熱膨張率が４×10^-6／K〜12×10^-6／Kである炭素基金属複合材を開示している。これらの炭素基金属複合材は、高剛性で高熱伝導率及び低熱膨張率を有する黒鉛マトリックスを骨格とし、その気孔に金属が含浸した構造を有するので、黒鉛の低熱膨張率と金属の高熱伝導率を兼備する。

特開平１０−１６８５０２号公報特開２０００−２０３９７３号公報特開２００１−５８２５５号公報

ところが、従来のアルミニウムや銅等の金属製のヒートシンクは、熱膨張係数が２×１０^−５／Ｋ程度であり、近年の半導体素子の発熱量の高熱化によって、半導体素子との熱膨張率との違いにより発生する接合部の剥離が新たな問題となりつつある。
また、特許文献１のようにカーボン材と金属の複合体の場合は、単純に混合しただけでは、カーボン材がいかなる金属とも濡れないために、緻密な複合体が得られず、期待通りの特性が得られていなかった。一方、特許文献２、３の溶浸法による場合は、緻密化の問題は改善することができるが、溶浸に絶え得る強固なプリフォームの作製を必要としていた。

そこで、本発明は、従来のアルミニウムや銅等の金属製のヒートシンクと同等以上の放熱性を有するとともに、半導体素子の発熱により半導体素子と熱膨張率の違いによる剥離の問題のないヒートシンクで、かつ緻密化が容易で、プリフォームの作製の必要のない複合体を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明者らは高い放熱性を有するとともに、半導体素子の発熱により半導体素子と熱膨張率の違いによる剥離の問題のないヒートシンクを得るべく、種々検討を行い、半導体素子と同等の熱膨張率を有するとともに、一方向の熱伝導率を大きくした結晶性カーボンと金属を微細に積層させた複合体を得ることにより本発明を想到した。
すなわち、本発明の高熱伝導・低熱膨脹複合体は、黒鉛、炭素繊維、カーボンブラック、フラーレン又はカーボンナノチューブから選ばれた少なくとも１種からなるテープ状、シート状、フィルム状、マット状の結晶性カーボン材層と、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｌから選ばれた金属又はこれらの金属を含む合金の粉末あるいは箔の少なくとも１種からなるテープ状、シート状、フィルム状、マット状の金属層とを層状に交互に積層してなる複合体であって、前記結晶性カーボン材層は、あらかじめ、めっき法にてＡｇ層、Ｃｕ層、Ｚｎ層で被覆し、またはＣＶＤ法、ＰＶＤ法にてＣｕ、Ａｇ、Ｍｇ、Ｗ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｚｎを１種以上含む金属層が被覆してあり、前記複合体の積層方向の熱伝導率が１２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であり、前記積層方向の熱伝導率がそれと直交する方向の熱伝導率に対して０．７以下の比率であることが望ましい。また、前記複合体の積層方向の熱膨張係数が８〜３０×１０^−６／Kで、それと直交する方向の熱膨張係数が８×１０^−６／Ｋ以下であることが望ましい。さらに、前記金属層と結晶性カーボン材層との割合が、体積割合で１：１〜１．２：８．８であることは望ましい態様である。

また、前記積層方向に積層される結晶性カーボン材層の材料は、面内においてランダムか、または、繊維状の場合は一軸方向にあるいは平織り状に配向されているのが好ましい。本発明で使用する結晶性カーボン材料は、ピッチ系炭素繊維あるいは気相成長法炭素繊維等、あるいは膨張黒鉛をシート状にしてなるカーボンペーパー、デープ状やシート状のカーボンナノチューブ等いずれの種類でもよいが、特に繊維軸方向の熱伝導率が高い黒鉛化したピッチ系炭素繊維や黒鉛化した気相成長炭素繊維やアーク放電法にて作製されたカーボンナノチューブが好適である。

また、本発明は、上記した複合体をホットプレス焼結することにより製造する高熱伝導・低熱膨脹複合体の製造方法である。
また、本発明は、上記した複合体をパルス通電加圧焼結することにより製造する高熱伝導・低熱膨脹複合体の製造方法である。
また、本発明は、上記した複合体をHIP焼結することにより製造する高熱伝導・低熱膨脹複合体の製造方法である。

本発明によれば、単なる混合粉の焼結より高い熱伝導率が得られ積層方向と直交する方向では低い熱膨張係数が得られる。本発明の高熱伝導・低熱膨張複合体は、高熱伝導率と低熱膨張率を有し、しかも、様々な形状に加工することができるので、電気回路保護用の放熱板、熱交換器やヒートポンプ等の熱的機械の高熱伝導性が要求されるヒートシンク材料として有用である。

以下、本発明を実施例により説明する。
先ず、本発明で用いる金属としては、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ｍｇ、Ｗ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｚｎ等の金属単体又はこれらの金属を１種類以上含む合金の粉末や箔を使用することができる。金属粉末の場合は、あらかじめシート状に成形するかあるいは焼結して使用することができる。熱伝導率の高い金属、例えば、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｌ等を使用することにより、より熱伝導率の高い複合体を得ることができる。

結晶性カーボン材としては、天然黒鉛、人工合成黒鉛、炭素繊維、カーボンナノチューブ、その他の結晶性を有するカーボン材を使用することができる。結晶性カーボン材は粉末又は繊維状として使用することができる。さらに、それらの結晶性カーボン材はテープ状、シート状、フィルム状、マット状で使用することができる。また、テープ状、シート状、フィルム状、マット状結晶性カーボン材は、めっき法、CVD法、PVD法により、あらかじめ金属層を被覆させておくと、より緻密な複合体を得ることができ好ましい。形成させる金属層としては、めっき法にて、Ni層、Ag層、Cu層、Zn層、Al層を、PVD法、CVD法では、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ｍｇ、Ｗ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｚｎを１種以上含む層を形成させればよい。特に、Ｃｕ層、Ａｌ層、Ａｇ層を形成させておくと、より熱伝導率の高い複合体を得ることができる。結晶性のよいカーボン材としては、例えば、天然黒鉛、人工合成黒鉛、黒鉛化されたピッチ系炭素繊維や気相成長法炭素繊維、アーク放電法にて作製された炭素繊維等を使用することにより、より熱伝導率の高い複合体を得ることができる。

金属と結晶性カーボン材との比率については、体積比率で９：１〜１：９、好ましくは７：３〜３：７とすることにより、熱伝導率が高く且つ複合化が容易な複合体を得ることができる。好ましい実施の形態では、金属と結晶性カーボン層とが加圧・焼結あるいは、加圧溶融焼結されたカーボンと金属が層状に積層された複合体かあるいは、カーボンと金属からなる複合層と金属層が層状に積層された複合体となる。

金属と結晶性カーボン材との積層後の複合化は、いわゆるホットプレス焼結、パルス通電加圧焼結、あるいはHIP焼結することにより実施することができる。ホットプレス焼結、HIP焼結は、型に金属とカーボンを積層した状態で積め、金属の溶融温度より１０℃以上低い温度で焼結する。緻密な複合体を得るためには、金属の溶融温度にできるだけ近い温度で複合化するのが良い。パルス通電加圧焼結の場合、ホットプレス焼結、HIP焼結と同様の条件で複合化しても良いが、さらに好ましくは、金属が溶融したのを確認した後に通電量を減少させる金属の溶融を利用した液相焼結により、より緻密な複合体が得られる。溶融温度での保持時間は、３０分以内とし、より好ましくは１０分以内が良い。複合体の組成が変化しないようにするためには、保持時間を５分以内とするのが良い。それ以上になると、溶融金属が型から溶出し、目的の組成の複合体とするのが困難である。また、積層体の複合化は、不活性ガス雰囲気中、あるいは真空中で実施することが好ましい。複合化時の圧力は、できるだけ高い方が良いが、使用する型の強度に依存する。黒鉛型を使用する場合は、１００MPa以下、C/Cコンポジットからなる方の場合は、６００MPa以下、金属製の型の場合は、２０００MPa以下にするのが好ましい。それ以上になると型が破損し、緻密な複合体が得られない。そして、冷却後、使用した金属の溶融温度より１０℃以上低い温度で、かつ200℃以上の温度において、昇温速度30℃／分以下、冷却速度20℃／分以下の条件で熱処理を行うと複合体の残留応力が緩和され好ましい。より好ましくは昇温速度10℃／分以下、冷却速度10℃／分以下である。

以下に本発明の実施例と比較例を示し、本発明を説明する。
（実施例１）
銅箔上に平均粒径５０μｍの人造黒鉛粒子を銅：黒鉛の体積比率が、１５：８５となるようにシート成形、乾燥した黒鉛粒子層と銅箔からなるシートを厚さ５〜１０ｍｍとなるように黒鉛型に積層して積めた後、パルス通電加圧焼結法にて溶融焼結した。得られた試料を室温でレーザーフラッシュ法による熱伝導率を、熱機械分析装置にて熱膨張係数を測定した。その結果を表１に示す。

（実施例２）
５０ｍｍ以上の繊維長を有するピッチ系炭素繊維の束を並べた層とAl泊とを厚さ５〜１０ｍｍとなるように交互に積層し、パルス通電加圧焼結炉にて溶融焼結した。Alと黒鉛の体積比率は、２０：８０とした。得られた試料を室温でレーザーフラッシュ法による熱伝導率を、熱機械分析装置にて熱膨張係数を測定した。その結果を表１に示す。

（実施例３）
アーク放電法で作製されたテープ状のカーボンナノチューブと銅箔を厚さ５〜１０ｍｍとなるように交互に積層し、パルス通電加圧焼結炉にて溶融焼結した。銅と黒鉛の体積比率は、４０：６０とした。得られた試料を室温でレーザーフラッシュ法による熱伝導率を、熱機械分析装置にて熱膨張係数を測定した。その結果を表１に示す。

（実施例４）
ピッチ系炭素繊維の束を並べた層とAl−12Si％粉末を成形し、シート状にした層を厚さ５〜１０ｍｍとなるように交互に積層し、ホットプレス焼結した。加圧力は６０MPa、、焼結条件は、真空中、550℃×１ｈｒにて行った。Al-12Si％合金と黒鉛の体積比率は、５０：５０とした。得られた試料を室温でレーザーフラッシュ法による熱伝導率を、熱機械分析装置にて熱膨張係数を測定した。その結果を表１に示す。

（実施例５）
アーク放電法にて作製されたテープ状のカーボンナノチューブとAl箔を厚さ５〜１０ｍｍとなるように交互に積層し、鉄容器に積め、気密封止をおこなった試料にてHIP焼結した。焼結条件は１０００MPa、５００℃×１ｈｒにて行った。Alと黒鉛の体積比率は、４０：５０とした。得られた試料を室温でレーザーフラッシュ法による熱伝導率を、熱機械分析装置にて熱膨張係数を測定した。その結果を表１に示す。

（比較例１）
銅と平均粒径５０μｍの人造黒鉛粉末の体積比率が１５：８５の混合粉を作製し、パルス通電加圧焼結法にて溶融焼結した。得られた試料を室温でレーザーフラッシュ法による熱伝導率を、熱機械分析装置にて熱膨張係数を測定した。その結果を表１に示す。

（比較例２）
繊維長の平均が２００μｍのピッチ系炭素繊維とAl粉末の体積比率が２０：８０の混合粉を作製し、パルス通電加圧焼結法にて溶融焼結した。得られた試料を室温でレーザーフラッシュ法による熱伝導率を、熱機械分析装置にて熱膨張係数を測定した。その結果を表１に示す。

以上のように、実施例による複合体は、積層方向の熱伝導率が２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であり、この積層方向の熱伝導率はそれと直交する方向の熱伝導率に対して０．７以下の比率に収まっている。同時に複合体の積層方向の熱膨張係数は８〜３０×１０^−６／Kであり、且つそれと直交する方向の熱膨張係数が８×１０^−６／Ｋ以下に収まっている。よって、高熱伝導率と低熱膨張を有する複合体となすことが出来ている。

実施例１の金属顕微鏡写真を示す。白色部が銅、白色部に挟まれている部分が黒鉛である。

Claims

黒鉛、炭素繊維、カーボンブラック、フラーレン又はカーボンナノチューブから選ばれた少なくとも１種からなるテープ状、シート状、フィルム状、マット状の結晶性カーボン材層と、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｌから選ばれた金属又はこれらの金属を含む合金の粉末あるいは箔の少なくとも１種からなるテープ状、シート状、フィルム状、マット状の金属層とを層状に交互に積層してなる複合体であって、前記結晶性カーボン材層は、あらかじめ、めっき法にてＡｇ層、Ｃｕ層、Ｚｎ層で被覆し、またはＣＶＤ法、ＰＶＤ法にてＣｕ、Ａｇ、Ｍｇ、Ｗ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｚｎを１種以上含む金属層が被覆してあり、前記複合体の積層方向の熱伝導率が１２０Ｗ／ｍ・Ｋ以下であり、前記積層方向の熱伝導率がそれと直交する方向の熱伝導率に対して０．７以下の比率であり、かつ前記複合体の積層方向の熱膨張係数が１５〜３０×１０−６／Ｋであり、それと直交する方向の熱膨張係数が８×１０−６／Ｋ以下であり、前記複合体を構成する金属層と結晶性カーボン材層との割合が、体積割合で１：１〜１．２：８．８であることを特徴とする高熱伝導・低熱膨脹複合体。
前記あらかじめ、めっき法にてＡｇ層、Ｃｕ層、Ｚｎ層で被覆し、またはＣＶＤ法、ＰＶＤ法にてＣｕ、Ａｇ、Ｍｇ、Ｗ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｚｎを１種以上含む金属層が被覆してあるテープ状、シート状、フィルム状、マット状の結晶性カーボン材層と前記テープ状、シート状、フィルム状、マット状の金属層を微細に積層させた複合体は、半導体素子と同等の熱膨張率を有するとともに、一方向の熱伝導率を大きくしたものであることを特徴とする請求項１に記載の高熱伝導・低熱膨脹複合体。
前記積層体の複合化は、不活性ガス雰囲気中、あるいは真空中でホットプレス焼結、パルス通電加圧焼結、あるいはHIP焼結により実施するとともに、複合化時の圧力は２０００ＭＰａ以下であり、冷却後、使用した金属の溶融温度より１０℃以上低い温度で、かつ２００℃以上の温度において昇温速度３０℃／分以下、冷却速度２０℃／分以下の条件で熱処理を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の高熱伝導・低熱膨脹複合体。