JP6263324B2 - アルミニウム合金−セラミックス複合体の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明が対象とする複合体母板は、セラミックス多孔体にアルミニウム合金が含浸されており且つその両主面にアルミニウム合金層が設けられているという複雑な構造を有しており、このような複合体母板の割断は、単純な構成のガラス板やセラミックス板の割断とは違って、上述した種々の条件が充足されたときに限って、適切に行うことができるものであった。
一例では、前記直線状欠陥又は断続的欠陥は、レーザー加工、ウォータージェット加工、研削加工のいずれかによって導入される。
一例では、前記アルミニウム合金は、シリコンの含有量が3〜27質量%である。
一例では、前記アルミニウム合金は、マグネシウムの含有量が0.5〜0.9質量%である。
一例では、前記複合体は、25℃の熱膨張係数が5×10−6/K〜15×10−6/Kであり、熱伝導率が150W/m・K以上である。
一例では、前記割断によって得られた前記複合体の両主面にめっきを施す工程をさらに備える。
一例では、前記割断によって得られた前記複合体の8隅を加工して、R形状又はC面形状にする工程をさらに備える。
さらに、本発明は、上記記載の方法によってアルミニウム合金−セラミックス複合体を製造し、金属ベース板又は金属基複合材料ベース板とセラミックス回路基板の間に前記複合体を配置して、前記ベース板と前記複合体の間と、前記回路基板と前記複合体の間をそれぞれ半田付け又はロウ付けする工程を備える、高放熱性回路基板の製造方法を提供する。
さらに、本発明は、上記記載の方法によってアルミニウム合金−セラミックス複合体を製造し、金属ベース板又は金属基複合材料ベース板とチップ素子の間に前記複合体を配置して、前記ベース板と前記複合体の間と、前記チップ素子と前記複合体の間をそれぞれ半田付け又はロウ付けする工程を備える、高放熱性チップ素子の製造方法を提供する。
さらに、本発明は、上記記載の方法によってアルミニウム合金−セラミックス複合体を製造し、回路基板とチップ素子又はLEDモジュールの間に前記複合体を配置して、前記回路基板と前記複合体の間と、前記チップ素子又はLEDモジュールと前記複合体の間をそれぞれ半田付け又はロウ付けする工程を備える、高放熱性チップ素子又はLEDモジュールの製造方法を提供する。
さらに、本発明は、上記記載の方法によって製造されるアルミニウム合金−セラミックス複合体を提供する。
さらに、本発明は、上記記載の複合体からなる応力緩衝材を提供する。
本発明のアルミニウム合金−セラミックス複合体の製造方法は、平板状のセラミックス多孔体にアルミニウム合金を含浸することにより、両主面にアルミニウム合金層を有する平板状のアルミニウム合金−セラミックス複合体母板を形成する工程と、前記複合体母板の少なくとも一主面に直線状欠陥又は断続的欠陥を導入し、その後、割断することにより、側面において前記セラミックス多孔体及び前記アルミニウム合金層が露出したアルミニウム合金−セラミックス複合体を形成する工程を備え、前記セラミックス多孔体は、炭化珪素と黒鉛の少なくとも一方を含有し、セラミックス充填量が50質量%以上であり、且つ厚さが0.35mm〜3.8mmであり、前記アルミニウム合金は、アルミニウムの含有量が70質量%以上であり、前記複合体母板は、厚さが0.5mm〜4.0mmであり、前記アルミニウム合金層は、厚さが0.01mm〜0.3mmである。
以下、各構成要素について詳細に説明する。
この工程では、平板状のセラミックス多孔体にアルミニウム合金を含浸することにより、両主面にアルミニウム合金層を有する平板状のアルミニウム合金−セラミックス複合体母板を形成する。
セラミックス多孔体へアルミニウム合金を含浸させる方法は、特に限定されず、常圧で行う方法、溶湯鍛造法やダイキャスト法等の高圧鍛造法など公知の方法で製造することができるが、生産性等の点から製造方法として溶湯鍛造法が好適である。以下、溶湯鍛造法による製造方法について記載する。
本発明で用いるセラミックス多孔体については、実使用時に半田付けされるチップやLEDと金属ベース板の熱膨張係数を考慮し材質及びセラミックスの充填量を選定する必要がある。セラミックス多孔体は、炭化珪素と黒鉛の少なくとも一方(以下、「炭化珪素等」と称する)を含有するものである。セラミックス多孔体の質量に対する炭化珪素等の質量%は、例えば70〜99質量%であり、具体的には例えば70,75,80,85,90,95,99質量%であり、ここで例示した何れか2つの数値の間の範囲内であってもよい。炭化珪素及び黒鉛は、熱伝導率が高いので、セラミックス多孔体の放熱特性が良好になる。
セラミックス多孔体のセラミックス充填量については50質量%以上であることが好ましい。セラミックス多孔体のセラミックス充填量が50質量%未満であるとセラミックス多孔体の強度が低くなり取り扱い時や、アルミニウム合金含浸時に割れが発生してしまう可能性がある。また、セラミックス充填量は、85質量%以下が好ましい。セラミックス充填量が85質量%を超えるとセラミックス多孔体中に閉気孔が発生する可能性があり、セラミックス多孔体にアルミニウム合金を含浸する際に空隙が発生し、放熱特性が低下する可能性がある。
上記セラミックス多孔体に含浸させるアルミニウム合金は、含浸時にセラミックス多孔体の空隙内に十分に浸透するために融点がなるべく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3〜27質量%含有したアルミニウム合金が挙げられる。更にマグネシウムを含有させることは、セラミックス粒子と金属部分との結合がより強固になるのでより好ましく、含有量としては0.5〜0.9質量%である。マグネシウムの含有量が0.9質量%を超えるとアルミニウム合金−セラミックス複合体表面に合金組成の差が原因で生じる色むらが発生し、外観上好ましくない。アルミニウム合金中のアルミニウム、シリコン、マグネシウム以外の金属成分に関しては、極端に特性が変化しない範囲であれば特に制限はなく、例えば銅等が含まれていても良い。アルミニウム合金のアルミニウム含有量は70質量%以上であることが好ましい。アルミニウム含有量が70質量%未満であると、アルミニウム以外の金属の種類にもよるが、熱伝導率が大幅に低下しアルミニウム合金−セラミックス複合体の放熱特性が低下するため好ましくない。
次に、セラミックス多孔体へのアルミニウム合金の含浸方法について説明する。セラミックス多孔体へのアルミニウム合金の含浸の方法は、特に限定されないが、一例では、セラミックス多孔体の両主面側に離型板を配置した状態で上記アルミニウム合金の溶湯に浸漬させることによって行うことができる。
離型板の配置方法としては、一枚のセラミックス多孔体の両主面側に一枚ずつの離型板を配置してもよく、セラミックス多孔体と離型板とを一枚ずつ交互に配置し、両端に離型板を配置することによって、セラミックス多孔体と離型板とが交互に並んだ、積層体を形成してもよい。この場合、複数枚のセラミックス多孔体を同時に処理することができ、効率的である。積層体の形成時には、ボルト等を用いて所定のトルクで積層体を締め込むことが好ましい。離型板は、アルミニウム合金の含浸後に剥離可能なものであれば特に限定されず、一例では、カーボンコートしたSUS板である。
浸漬中に両端の離型板の間に加える圧力を調節したり、セラミックス多孔体と離型板との間に板状又は繊維状スペーサーを挿入することによって、セラミックス多孔体の両主面に形成されるアルミニウム合金層の厚さを調節することができる。板状スペーサーは、例えば、アルミニウム合金箔であり、繊維状スペーサーは、例えば、空隙率が50%以上のセラミックス等の繊維である。アルミニウム合金層の厚さを調節する理由は、本発明において、最終製品の熱膨張係数は、セラミックス多孔体のセラミックス充填量と厚さ、最終製品表面に存在するアルミニウム合金層の厚さにより決定されるためである。スペーサーを挿入する場合、セラミックス多孔体の両主面にスペーサーを挿入することが好ましい。セラミックス多孔体の一主面にスペーサーを配置すると、アルミニウム合金をセラミックス多孔体に含浸した際にアルミニウム合金とセラミックス多孔体の熱膨張係数差による製品の反りが大きくなり、実使用時にクラックの発生や半田厚さのバラツキが生じ放熱性が著しく低下するからである。
次に、割断工程を行う。この工程では、上記工程で形成された複合体母板の少なくとも一主面に直線状欠陥又は断続的欠陥を導入し、その後、割断することにより、側面において前記セラミックス多孔体及び前記アルミニウム合金層が露出したアルミニウム合金−セラミックス複合体を形成する。
直線状欠陥又は断続的欠陥を導入する方法は特に限定されず、例えば、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を用いることができる。例えば、レーザー加工機を用いて直線状欠陥又は断続的欠陥を導入する場合、レーザー出力並びに加工速度は、複合体母板の厚さによって適宜決められるが、加工後の割断性、寸法精度を考慮して加工深さを決定する必要がある。加工後のレーザー加工部残部の厚さは、複合体母板の厚さの10%〜70%であることが好ましい。レーザー加工残部の厚さが複合体母板の厚さの10%未満であると、めっき処理前の段階でハンドリング時にレーザー加工溝部分が割断してしまう場合があり、レーザー加工残部の厚さが複合体母板の厚さの70%を超えると割断性が低下し、割断を行っても寸法精度が著しく低下するため好ましくない。
(1)金属ベース板又は金属基複合材料ベース板とセラミックス回路基板の間に上記複合体を配置して、ベース板と複合体の間と、回路基板と複合体の間をそれぞれ半田付け又はロウ付けすることによって、高放熱性回路基板を製造すること。
(2)金属ベース板又は金属基複合材料ベース板とチップ素子の間に上記複合体を配置して、ベース板と複合体の間と、チップ素子と複合体の間をそれぞれ半田付け又はロウ付けすることによって、高放熱性チップ素子を製造すること。
(3)回路基板とチップ素子又はLEDモジュールの間に上記複合体を配置して、回路基板と複合体の間と、チップ素子又はLEDモジュールと複合体の間をそれぞれ半田付け又はロウ付けすることによって、高放熱性チップ素子又はLEDモジュールを製造すること。
炭化珪素粉末A(大平洋ランダム社製:NG、平均粒子径:60μm)240g、炭化珪素粉末B(屋久島電工社製:GC−1000F、平均粒子径:10μm)120g、及びシリカゾル(日産化学社製:スノーテックス)40gを秤取し、攪拌混合機で30分間混合した後、200mm×150mmの平板状の寸法に圧力10MPaでプレス成形した。得られた成形体を、大気中、900℃で2時間焼成して、セラミックス充填量が65質量%のセラミックス多孔体を得た。その後、平面研削盤を用いて200mm×150mm×1.4mmの厚さに加工した。
シリコンを27質量%、マグネシウムを0.5質量%含有するアルミニウムを70質量%含有するアルミニウム合金の溶湯を用いたこと以外は実施例1と同様の方法により、アルミニウム合金−セラミックス複合体を得た。
焼成したセラミックス多孔体を平面研削盤を用いて0.4mmの厚さに加工し、アルミニウム合金含浸後の両主面にアルミニウム合金層を有するアルミニウム合金−セラミックス複合体の一主面にレーザー加工機(ヤマザキマザック製STX-MKIII510)にてレーザー出力2.5kW、加工速度3500mm/minの条件で50mm×50mmに割断できるように断続的欠陥を導入した以外は実施例1と同様の方法により、アルミニウム合金−セラミックス複合体を得た。
焼成したセラミックス多孔体を平面研削盤を用いて3.75mmの厚さに加工し、アルミニウム合金含浸後の両主面にアルミニウム合金層を有するアルミニウム合金−セラミックス複合体の一主面にレーザー加工機(ヤマザキマザック製STX-MKIII510)にてレーザー出力2.5kW、加工速度500mm/minの条件で50mm×50mmに割断できるように断続的欠陥を導入した以外は実施例1と同様の方法により、アルミニウム合金−セラミックス複合体を得た。
得られたセラミックス多孔体の両主面に200mm×150mmで厚さ0.2mm、純度99%以上のアルミニウム合金を配置し、両面をカーボンコートしたSUS板で挟んで一体としたものにアルミニウム合金を含浸した以外は実施例1と同様の方法により、アルミニウム合金−セラミックス複合体を得た。
炭化珪素粉末(大平洋ランダム社製:NG、平均粒子径:15μm)40g、黒鉛粉末(東海カーボン社製:100W−42S、平均粒径350μm)160g、シリカゾル(日産化学社製:スノーテックス)20gを秤取し、攪拌混合機で30分間混合した後、200mm×150mmの平板状の寸法に圧力50MPaでプレス成形した。得られた成形体を、大気中、900℃で2時間焼成して、セラミックス充填量が75質量%のセラミックス多孔体を得たこと以外は実施例1と同様の方法により、アルミニウム合金−セラミックス複合体を得た。
セラミックス多孔体として東洋炭素製IE252Gカーボン(200mm×150mm×1.4mm セラミックス充填量60質量%)を用いたこと以外は実施例1と同様の方法により、アルミニウム合金−セラミックス複合体を得た。
めっき処理後の複合体母板の割断によって得られたアルミニウム合金−セラミックス複合体の8隅に#100のサンドペーパーを用いてC0.5mmの加工を行った以外は実施例7と同様の方法によって、アルミニウム合金−セラミックス複合体を得た。
シリコンを37質量%、マグネシウムを0.5質量%、アルミニウム60質量%含有するアルミニウム合金の溶湯を用いたこと以外は実施例1と同様の方法によって、アルミニウム合金−セラミックス複合体を得た。
焼成したセラミックス多孔体を平面研削盤を用いて0.2mmの厚さに加工した以外は実施例1と同様の方法によって、アルミニウム合金−セラミックス複合体を作製しようと試みたが、平面研削の段階で50%以上の割れが発生しアルミニウム合金含浸時にさらに45%以上の割れが発生し、アルミニウム合金含浸までの収率が5%以下と非常に低かった(実施例1〜8では、収率はほぼ100%であった。)。
焼成したセラミックス多孔体を平面研削盤を用いて4.5mmの厚さに加工し、アルミニウム合金含浸後の両主面にアルミニウム合金層を有するアルミニウム合金−セラミックス複合体母板の一主面にレーザー加工機(ヤマザキマザック製STX-MKIII510)にてレーザー出力2.5kW、加工速度400mm/minの条件で50mm×50mmに割断できるように断続的な欠陥を導入した後、実施例1と同様の方法でめっきを施した後、断続的欠陥部分に沿って割断を試みたところ、ブレイク製が悪く断続的欠陥部分以外に割れが生じた。なお、実施例1〜8では、断続的欠陥部分以外には割れは生じなかった。
セラミックス多孔体の両主面に200mm×150mmで厚さ0.35mm、純度99%以上のアルミニウム合金を配置した以外は実施例1と同様の方法によって、アルミニウム合金−セラミックス複合体を得た。ヒートサイクル評価時に表面アルミニウム合金層が剥離した。なお、実施例1〜8では、ヒートサイクル評価時にアルミニウム合金層の剥離は生じなかった。
炭化珪素粉末(屋久島電工社製:GC−1000F、平均粒子径:10μm)360g、及びシリカゾル(日産化学社製:スノーテックス)40gを秤取し、攪拌混合機で30分間混合した後、内径寸法200mm×150mmの平板状の石膏型に流し込み、水分除去後、大気中、900℃で2時間焼成して、セラミックス充填量が47質量%のセラミックス多孔体を得たこと以外は実施例1と同様に複合体を作製しようと試みたが、平面研削の段階で30%以上の割れが発生しアルミニウム合金含浸時にさらに50%以上の割れが発生し、アルミニウム合金含浸までの収率が20%以下と非常に低かった。
めっき処理を行った純度99%以上のアルミニウム合金板(60mm×60mm×4mm)と市販の窒化アルミニウム回路基板(50mm×50mm、電気化学工業製)の間に、窒化アルミニウム回路基板と同一形状で厚さが200μmのフラックス入り共晶半田を挿入し、250度の温度で半田付けを行ったサンプルを各5枚作製した。
Claims (10)
- 平板状のセラミックス多孔体にアルミニウム合金を含浸することにより、両主面にアルミニウム合金層を有する平板状のアルミニウム合金−セラミックス複合体母板を形成する工程と、
前記複合体母板の少なくとも一主面に直線状欠陥又は断続的欠陥を導入し、その後、割断することにより、側面において前記セラミックス多孔体及び前記アルミニウム合金層が露出したアルミニウム合金−セラミックス複合体を形成する工程を備え、
前記セラミックス多孔体は、炭化珪素と黒鉛の少なくとも一方を含有し、セラミックス充填量が50質量%以上85質量%以下であり、且つ厚さが0.35mm〜3.8mmであり、
前記セラミックス多孔体は、炭化珪素粉末、黒鉛粉末、又は炭化珪素粉末と黒鉛粉末の混合物に、結合材を添加して混合、成形し、焼成することによって得られ、
前記アルミニウム合金は、アルミニウムの含有量が70質量%以上であり、前記複合体母板は、厚さが0.5mm〜4.0mmであり、前記アルミニウム合金層は、厚さが0.01mm〜0.3mmである、アルミニウム合金−セラミックス複合体の製造方法。 - 前記直線状欠陥又は断続的欠陥は、レーザー加工、ウォータージェット加工、研削加工のいずれかによって導入される、請求項1に記載のアルミニウム合金−セラミックス複合体の製造方法。
- 前記アルミニウム合金は、シリコンの含有量が3〜27質量%である、請求項1又は請求項2に記載のアルミニウム合金−セラミックス複合体の製造方法。
- 前記アルミニウム合金は、マグネシウムの含有量が0.5〜0.9質量%である、請求項1〜請求項3の何れか1つに記載のアルミニウム合金−セラミックス複合体の製造方法。
- 前記複合体は、25℃の熱膨張係数が5×10−6/K〜15×10−6/Kであり、熱伝導率が150W/m・K以上である、請求項1〜請求項4の何れか1つに記載のアルミニウム合金−セラミックス複合体の製造方法。
- 前記割断によって得られた前記複合体の両主面にめっきを施す工程をさらに備える、請求項1〜請求項5の何れか1つに記載のアルミニウム合金−セラミックス複合体の製造方法。
- 前記割断は、前記割断によって得られる前記複合体の両主面にそれぞれ4隅が形成されるように行われ、
前記割断によって得られた前記複合体の前記両主面の各4隅を加工して、R形状又はC面形状にする工程をさらに備える、請求項1〜請求項6の何れか1つに記載のアルミニウム合金−セラミックス複合体の製造方法。 - 請求項1〜請求項7の何れか1つに記載の方法によってアルミニウム合金−セラミックス複合体を製造し、
金属ベース板又は金属基複合材料ベース板とセラミックス回路基板の間に前記複合体を配置して、前記ベース板と前記複合体の間と、前記回路基板と前記複合体の間をそれぞれ半田付け又はロウ付けする工程を備える、高放熱性回路基板の製造方法。 - 請求項1〜請求項7の何れか1つに記載の方法によってアルミニウム合金−セラミックス複合体を製造し、
金属ベース板又は金属基複合材料ベース板とチップ素子の間に前記複合体を配置して、前記ベース板と前記複合体の間と、前記チップ素子と前記複合体の間をそれぞれ半田付け又はロウ付けする工程を備える、高放熱性チップ素子の製造方法。 - 請求項1〜請求項7の何れか1つに記載の方法によってアルミニウム合金−セラミックス複合体を製造し、
回路基板とチップ素子又はLEDモジュールの間に前記複合体を配置して、前記回路基板と前記複合体の間と、前記チップ素子又はLEDモジュールと前記複合体の間をそれぞれ半田付け又はロウ付けする工程を備える、高放熱性チップ素子又はLEDモジュールの製造方法。
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