JP5755895B2 - アルミニウム−ダイヤモンド系複合体及びその製造方法 - Google Patents
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Description
「両面」とは平板状に形成されたアルミニウム−ダイヤモンド系複合体の上下両方の面を意味し、「側面部」とは、平板状に形成されたアルミニウム−ダイヤモンド系複合体の側面、即ち、上記両面とは略垂直の部分を意味する。
図1に示したように、本実施形態1に係るアルミニウム−ダイヤモンド系複合体は、ダイヤモンド粒子とアルミニウムを主成分とする金属とを含む平板状のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体1であって、アルミニウム−ダイヤモンド系複合体1は複合化部2及び複合化部2の両面に設けられた表面層3a、3bからなり、表面層3a、3bがアルミニウムを主成分とする金属を含む材料からなり、上記ダイヤモンド粒子の含有量が、アルミニウム−ダイヤモンド系複合体1全体の40体積%〜70体積%であることを特徴とする。
原料であるダイヤモンド粉末は、天然ダイヤモンド粉末もしくは人造ダイヤモンド粉末のいずれも使用することができる。また、該ダイヤモンド粉末には、必要に応じて、例えばシリカ等の結合材を添加してもよい。結合材を添加することにより、成形体を形成することができるという効果を得ることができる。
ここで、溶湯鍛造法にてアルミニウム合金が含浸し得る多孔質体からなる型材4a、4bの材料としては、溶湯鍛造法にてアルミニウム合金が含浸できる多孔質体であれば特に制約はない。しかし、多孔質体としては、耐熱性に優れ、安定した溶湯の供給が行える、黒鉛、窒化ホウ素、アルミナ繊維等の多孔質体等が好ましく用いられる。
また、緻密な離型板6a、6bとしては、ステンレス板やセラミックス板を使用することができ、溶湯鍛造法にてアルミニウム合金が含浸されない緻密体であれば特に制限はない。また、離型板6a、6bに塗布する離型剤については、耐熱性に優れる、黒鉛、窒化ホウ素、アルミナ等の離型剤が好ましく使用できる。さらには、離型板6a、6bの表面をアルミナゾル等によりコーティングした後、上記離型剤を塗布することにより、より安定した離型が行える離型板6a、6bを得ることができる。
本実施形態1に係るアルミニウム−ダイヤモンド系複合体1中のアルミニウム合金(アルミニウムを主成分とする金属)は、含浸時にダイヤモンド粉末の空隙中(ダイヤモンド粒子間)に十分に浸透させるために、なるべく融点が低いことが好ましい。このようなアルミニウム合金として、例えばシリコンを5〜25質量%含有したアルミニウム合金が挙げられる。シリコンを5〜25質量%含有したアルミニウム合金を用いることにより、アルミニウム−ダイヤモンド系複合体1の緻密化が促進されるという効果を得ることができる。
なお、上記操作により得られたアルミニウム−ダイヤモンド系複合体1には、アニール処理を行ってもよい。アニール処理を行うことにより、アルミニウム−ダイヤモンド系複合体1内の歪みが除去され、より安定した熱伝導率特性を有するアルミニウム−ダイヤモンド系複合体1を得ることができる。
次に、本実施形態1に係るアルミニウム−ダイヤモンド系複合体1の加工方法の例を説明する。アルミニウム−ダイヤモンド系複合体1は、非常に硬い難加工性材料であり、通常の機械加工やダイヤモンド工具を用いた研削加工が難しく、ウォータージェット加工、レーザー加工、放電加工によって加工する。一方で、アルミニウム−ダイヤモンド系複合体1は、脆性材料であり、複合体表面にレーザー加工、ウォータージェット加工、研削加工等公知の方法により、図3に示したように、直線状または断続的な欠陥8を導入した後、割断することにより、所定形状とすることができる。その結果、得られたアルミニウム−ダイヤモンド系複合体1は、図4のような、割断面10a、10bに複合化部2の未めっき部分が露出する構造となる。
本実施形態1に係るアルミニウム−ダイヤモンド系複合体1では、図1に示したように、複合化部2の両面がアルミニウムを主成分とする金属(アルミニウム合金)を含む材料からなる表面層3a、3bで被覆されていることを特徴とする。
本実施形態1に係るアルミニウム−ダイヤモンド系複合体1は、両面がアルミニウムを主成分とする金属を含む材料からなる表面層3a、3bで被覆された構造を有しているため、表面層3a、3bを加工(研磨)することにより、表面精度(表面粗さ:Ra)を調整することができる。表面層3a、3bの加工は、通常の金属加工で採用される加工方法が採用でき、例えばバフ研磨機等を用いて研磨を行い、表面粗さ(Ra)を1μm以下とすることができる。
本実施形態1に係るアルミニウム−ダイヤモンド系複合体1では、図1に示したように、ダイヤモンド粒子とアルミニウム合金との複合化部2を有する。
本実施形態1に係るアルミニウム−ダイヤモンド系複合体1は、半導体素子のヒートシンクとして用いる場合、半導体素子と半田付け又はロウ付け接合して用いられる。よって、アルミニウム−ダイヤモンド系複合体1の接合表面には、めっきを施すことが好ましい。
次に、実施形態2に係るアルミニウム−ダイヤモンド系複合体1について説明する。実施形態2に係るアルミニウム−ダイヤモンド系複合体1は、図5に示すように、充填されたダイヤモンド粉末7と離型剤を塗布した緻密な離型板6a、6bとの間に、積層部材としてセラミックス繊維11a、11bを配置してアルミニウム合金を複合化することにより得ることができる。
上記アルミニウム−セラミックス複合材料からなる表面層3a、3bは、めっき性及び面精度の関係より、アルミニウム合金以外の含有量は20体積%未満が好ましい。アルミニウム合金以外の含有量が20体積%未満であれば、表面層3a、3bを容易に加工できるという効果を得ることができる。
市販されている高純度のダイヤモンド粉末A(平均粒子径:190μm)、高純度のダイヤモンド粉末B(平均粒子径:100μm)、高純度のダイヤモンド粉末C(平均粒子径:50μm)及びアルミニウム粉末(平均粒子径:50μm)を表1に示す配合比で混合した。
40×40×2mmtの表3に示す材質の板に、アルミナゾルをコーティングして温度350℃で30分間焼き付け処理を行った後、黒鉛系離型剤を表面に塗布して、図2に示した離型板6a、6bを作製した。そして、60×60mmの外形で、中央部に40×40mmの内径の穴を有する表3に示す、充填治具としての図2に示した型材4a、4bに、ダイヤモンド粉末A(平均粒子径:190μm)が、体積/充填体積=60体積%となるように離型板6a、6bで両面を挟むように充填して積層体とした。
実施例1と同様の方法により、高純度のダイヤモンド粉末A(平均粒子径:190μm)、を用いて積層体を作製し、60×60×1mmtの黒鉛系離型剤を塗布したステンレス板を挟んで複数個を積層し、両面に12mm厚みの鉄板を配置して、M10のボルト6本で連結して面方向の締め付けトルクが10Nmとなるようにトルクレンチで締め付けて一つのブロックとした。
ダイヤモンド粉末A(平均粒子径:190μm)50g、シリカ粉末(平均粒子径:5μm)16g、黒鉛粉末(平均粒子径:1μm):6gを混合した後、炭化珪素製のるつぼに充填し、アルゴン雰囲気下、温度1600℃で3時間加熱処理を行い、ダイヤモンド粉末表面にβ型炭化珪素の層を形成したダイヤモンド粉末を作製した。
40×40×2mmtのステンレス板(SUS430材)に、アルミナゾルをコーティングして温度350℃で30分間焼き付け処理を行った後、黒鉛系離型剤を表面に塗布して離型板6a、6bを作製した。
実施例1にて、レーザー加工にて、断続的な欠陥を導入したアルミニウム−ダイヤモンド系複合体1を、大気中、温度530℃で24時間加熱処理を行い、超音波洗浄した後、表7に示す各種条件で無電解めっき処理を行い、複合体の表面にめっき層を形成した。得られためっき品のめっき厚みを測定した結果を表7に示す。
2 複合化部
3a、3b 表面層
4a、4b 型材
5a、5b 金属板
6a、6b 離型板
7 ダイヤモンド粉末
8 欠陥
9a、9b Ni又はNi+Auめっき
10a、10b 割断面
11a、11b セラミックス繊維
Claims (7)
- 40〜70体積%のダイヤモンド粒子とアルミニウムを含有する金属とを含み、両側表面に厚さ0.01mm〜0.3mmのアルミニウム合金の表面層を有し、少なくとも一方の表面にアルミニウム−ダイヤモンド系複合体全体の厚みの10%〜70%の加工部残部の厚みを有する直線状または断続的な欠陥を導入し、当該アルミニウム合金の表面層の表面に厚さ0.5〜15μmのNiめっき層又はNiめっきとAuめっきの二層のめっき層を有し、前記加工部残部が側面の未めっき部分として露出する構造であることを特徴とする平板状のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体。
- 前記めっき層の表面の表面粗さ(Ra)が、1μm以下であることを特徴とする請求項1に記載のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体。
- 前記平板状のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体の厚みが0.4〜3mmであることを特徴とする請求項1又は2に記載のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体。
- 前記ダイヤモンド粒子が、表面に化学的に結合したβ型炭化珪素の層を有することを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体。
- 前記アルミニウム−ダイヤモンド系複合体の温度が25℃のときの熱伝導率が400W/mK以上であり、前記アルミニウム−ダイヤモンド系複合体の温度が25℃から150℃における熱膨張係数が5×10−6〜10×10−6/Kであることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体。
- 前記アルミニウム−ダイヤモンド系複合体が溶湯鍛造法により製造されることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1項に記載のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体。
- 多孔質体からなる型材に、離型剤を塗布した離型板で挟む構造にてダイヤモンド粒子を充填する工程と、
600〜750℃で加熱する工程と、
アルミニウム合金の融点以上に加熱したアルミニウム合金を圧力20MPa以上で前記充填されたダイヤモンド粒子に含浸させる工程と、
得られた平板状のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体の少なくとも一方の表面にアルミニウム−ダイヤモンド系複合体全体の厚みの10%〜70%の加工部残部の厚みを有する直線状または断続的な欠陥を導入後、該表面に、厚さ0.5〜15μmのNiめっき層又はNiめっきとAuめっきの二層のめっき層を形成する工程と、
前記直線状または断続的な欠陥に沿って割断する工程と、
を順に含むことを特徴とする請求項1ないし6のいずれか1項に記載のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体の製造方法。
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