JP6331437B2 - 多孔質金属体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、多孔質の金属体の製造方法に関し、特に製造が容易で安価に構成でき、例えば放熱性の高いヒートシンク等を得ることのできる多孔質金属体の製造方法に関するものである。

内部に多数の気孔を有する金属材料は、その比表面積および比剛性の高さを活かして、放熱性、吸着性、吸音性、衝撃吸収性、制振性などの機能性を有する部材として用いられる。

多孔質金属に関する特許文献として、特許文献１〜３等が挙げられる。

特許文献１には、Cu-Sn（青銅）系粉末を焼結して作製される多孔質金属が開示されている。

特許文献２には、青銅粉末の焼結が保護雰囲気中約800℃で行われることが開示されている。

特許文献３には、Cu-6w%、Sn-0.1w%の青銅合金粉末を散布後、還元性を有する焼結炉にて950℃で15分焼結する方法が開示されている。

特開平１０−４１４４４号公報 特開平１０−２０４５０６号公報 特許第４８１１８５８号公報

特許文献１，２，３に開示されている青銅系の粉末を焼結する場合、焼結温度が800℃や950℃程度と高く、また還元性雰囲気で焼成する等、雰囲気制御が必要であり、製造プロセスが複雑であり、製造コストが嵩む。

本発明の目的は、処理温度が低くて、大気中で処理できる多孔質金属体の製造方法を提供することにある。

本発明の多孔質金属体の製造方法は、
SnまたはSn系合金である低融点金属の粉末と当該低融点金属とは融点の異なるCu-Ni合金の粉末とを含む２種以上の金属粉末と、加熱により気化して気泡が生じる活性剤と、を含有する混合物が前記低融点金属の融点以上で加熱されることで液相拡散反応が生じて、前記低融点金属の粉末が前記Cu-Ni合金の粉末に完全に濡れて緻密になる前に、液体になった前記低融点金属の粉末と前記Cu-Ni合金の粉末との間に金属間化合物が生成され、液体となったSnまたはSn系合金の動きが低下して、オープンポアの空隙が多数形成されて、気孔率が２０〜５０％の範囲内となった、ことを特徴とする。

前記多孔質金属体は、例えば、放熱すべき対象に接する吸熱面を備えるヒートシンクとして用いられる。また、例えば流体の入出部を備えるフィルタとして用いられる。

本発明によれば、例えば250℃〜300℃の比較的低温で且つ大気中で加熱することで、低融点金属を１種として含む、融点の異なる２種以上の金属粉末が液相拡散（TLP：Transient Liquid Phase）反応によって急速拡散反応するので、簡単な製造プロセスにより低コストで多孔質金属体が得られる。

図１は多孔質金属体の拡大断面写真である。 図２（Ａ）は半導体素子に本実施例のヒートシンクを取り付けた状態での正面図である。図２（Ｂ）は比較例のヒートシンクを示す図であり、半導体素子にヒートシンクを取り付けた状態での正面図である。

本発明の多孔質金属体の製造方法では、低融点金属を１種として含む、融点の異なる２種以上の金属粉末、ロジンおよび活性剤を含有する混合物を前記低融点金属の融点以上で加熱することで液相拡散反応を生じさせる。

また、低融点金属を１種として含む、融点の異なる２種以上の金属粉末、ロジンおよび活性剤を含有するペーストまたはスラリーを、低融点金属に対する接触角が90°以上の材質で形成される成形型に流し込み、低融点金属の融点以上の温度で加熱することで液相拡散反応を生じさせる。

本発明の実施例１による多孔質金属体の製造方法は、低融点金属としてSn粉末を用い、高融点金属としてCu-Ni合金粉末を用いる。後述するように、これらの金属材料は他の材料に置換することができる。

［混合工程］
まず、混合工程で、SnまたはSn系合金粉末、Cu-Ni合金粉末、ロジン、活性剤、および溶剤を混合して、混合物を得る。

上記Cu-Ni合金粉末に代えてCu-Mn合金粉末を用いてもよい。さらには、Cu-Ni合金粉末とCu-Mn合金粉末の両方を用いてもよい。ここでは、Cu-Ni合金粉末を用いた例を示す。

上記混合物はプラネタリーミキサーや攪拌脱泡機などの混合機を使用して、ペースト状またはスラリー状にする。なお、SnまたはSn系合金粉末、Cu-Ni合金粉末、Cu-Mn合金粉末は、アトマイズ法で製造されたものが好ましい。また、金属線材を細かく切断して柱状に粉体化したものでも代用できる。

上記ロジンの代表例は、通常のガムロジン、トール油ロジン、またはウッドロジンである。また、その誘導体の代表例は、熱処理した樹脂、重合ロジン、水素添加ロジン、ホルミル化ロジン、ロジンエステル、ロジン変性マレイン酸樹脂、ロジン変性フェノール樹脂、アクリル酸付加ロジン、またはロジン変性アルキド樹脂などである。これらのロジン及びその誘導体は、金属に活性剤を均一に塗布するためのバインダーとして使用される。

溶剤の種類は特に限定されない。しかしながら、沸点150℃以上の溶剤が採用されることは、ペーストの製造中に蒸発しにくい点から好ましい。具体的には、トリエチレングリコールモノメチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル、テトラエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノヘキシルエーテル、エチレングリコールモノフェニルエーテル、ジエチレングリコールモノフェニルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルアセテート、ジプロピレングリコール、ジエチレングリコール−２−エチルヘキシルエーテル、α−テルピネオール、ベンジルアルコール、２−ヘキシルデカノール、安息香酸ブチル、アジピン酸ジエチル、フタル酸ジエチル、ドデカン、テトラデセン、ドデシルベンゼン、エチレングリコール、ジエチレングリコール、ジプロピレングリコール、トリエチレングリコール、ヘキシレングリコール、１，５−ペンタンジオール、メチルカルビトール、ブチルカルビトールが挙げられる。好ましくは、トリエチレングリコールジメチルエーテル、テトラエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルアセテート等が、溶剤の例として挙げられる。

本発明で使用する活性剤としては、とくに限定されず公知のものを用いることができる。具体的には、たとえば、アミンのハロゲン化水素酸塩、有機酸類などを用いることができる。アミンのハロゲン化水素酸塩の具体例としては、ジメチルアミン臭化水素酸塩、ジエチルアミン臭化水素酸塩、シクロヘキシルアミン臭化水素酸塩などをあげることができ、有機酸類の具体例としては、アジピン酸、ステアリン酸、安息香酸などをあげることができる。なお、これらの活性剤は、一種を単独でまたは二種以上混合して用いることができる。

また、必要に応じて、例えばペースト中の金属粉の分散性を維持するために、チキソ剤を加えてもよく、フラックスの製造に用いられるチキソ剤であれば特に限定されず、公知のものを使用することができる。具体的には、例えば、硬化ひまし油、蜜ロウ、カルナバワックス、ステアリン酸アミド、ヒドロキシステアリン酸エチレンビスアミド等を使用することができる。これらは、一種を単独でまたは二種以上混合して用いることができる。

［成形工程］
次に成形工程では、上記ペースト状またはスラリー状の原料を所望の形状を有する型に流し込み充填させる。このとき、成形型に使用する材料はSnまたはSn系合金が濡れない材料（液体のSnまたはSn系合金を前記材料の上に置いた場合の接触角が90°以上である材料）、例えば、Al、SUS、セラミックスなどであることが好ましい。

［熱処理工程］
次に熱処理工程において、ペースト状またはスラリー状の成形材料中の溶剤を150℃で10分間乾燥させた後、250〜300℃で10分間加熱することにより、Sn系合金とCu-Ni合金粉末の液相拡散反応を開始させる。この液相拡散反応により、金属間化合物を生成するとともに多孔質金属を得る。

低融点金属であるSnの融点は232℃、高融点金属であるCu-Ni合金の固相線温度はCuの融点1085℃以上である。加熱温度は低融点金属であるSnの融点は232℃より高いので、高融点金属であるCu-Ni合金の粉末および低融点金属であるSnの粉末が液相拡散反応（TLP反応）して、高融点の反応物Cu-Ni-Sn金属間化合物等が生じる。

液体となったSnまたはSn系合金粉末とCu-Ni合金粉末との反応は急速に進行するため、SnまたはSn系合金粉末がCu-Ni合金粉末に完全に濡れて緻密になる前に、液体になったSnまたはSn系合金粉末とCu-Ni合金粉末との間に金属間化合物が生成し、液体となったSnまたはSn系合金の動きが低下するため、オープンポアの空隙が多数形成され多孔質体が得られる。また、アジピン酸等の活性剤の気化によっても気泡が生じ、これが気孔となる。

上述のとおり、SnまたはSn系合金との接触角が９０°以上となる成形型を用いることで、多孔質体形成後に成形型から多孔質体を取り出すのが容易となる。

具体例として、レーザー回折法による平均粒径50μmのガスアトマイズ法で作製されたSn粉を63w%、レーザー回折法による平均粒径10μmのアトマイズ法で作製されたCu-Ni合金粉末を27w%、活性剤としてセバシン酸を4w%、溶剤としてヘキシルジグリコールを6w%の割合で混合し、ペースト状としたものを、Al製の容器に流し込み、300℃で10分間加熱した。これにより、多孔質金属体（Cu-Ni合金多孔質体）を得た。

図１は上記多孔質金属体の拡大断面写真である。明部は金属（Cu-Ni-Sn合金）、暗部は気孔またはロジンである。この多孔質金属体の気孔率は、２次元で20〜50%である。

なお、気孔内に残留するロジン等を除去するために、必要に応じてアルコールで洗浄してもよい。

なお、低融点金属粉末としては、上記Sn粉末以外に、Snを主成分とする粉末を用いることができる。また、高融点金属粉末としては、上記Cu-Ni合金粉末以外に、Cu-Ni合金、Cu-Mn合金、Cu-Al合金またはCu-Cr合金からなる群より選ばれる１種または複数種の粉末を用いることができる。これらのTLP合金としてCu-Ni-Sn，Cu-Mn-Sn，Cu-Al-Sn，Cu-Cr-Sn合金が生成される。これらの場合にも、同様の反応で同様の作用効果が得られる。

以上に示したように、融点の異なる２種以上の金属粉末の急速拡散反応によって得られる多孔質金属体は、例えば比表面積が大きく放熱性の高いヒートシンクとして利用できる。

実施例１とは［混合工程］が異なる。実施例２の混合工程では、レーザー回折法による平均粒径50μmのガスアトマイズ法で作製されたSn粉を63w%、レーザー回折法による平均粒径10μmのアトマイズ法で作製されたCu-Ni合金粉末を27w%、活性剤としてセバシン酸を4w%、溶剤としてヘキシルジグリコールを4w%、発泡剤として炭酸水素ナトリウムを2w%の割合で混合し、ペースト状またはスラリー状とした。その他は実施例１と同じである。

［成形工程］
実施例１と同様に、上記ペースト状またはスラリー状の原料を所望の形状を有するAl製の型に流し込み、充填させる。

［熱処理工程］
ペースト状またはスラリー状の成形材料中の溶剤を150℃で10分間乾燥させた後、300℃で10分間加熱することにより、Sn系合金とCu-Ni合金粉末の液相拡散反応を開始させる。これにより、金属間化合物を生成するとともにCu-Ni合金多孔質体を得る。その他は実施例１と同様である。

発泡剤としては、炭酸水素ナトリウム以外に、炭酸アンモニウム、アゾビスイソブチロニトリルまたはアゾジカーボンアミドを用いることができる。

実施例２によれば、発泡材を添加することにより、熱処理によって気孔率のさらに大きな多孔質体を得ることができる。そのため、より放熱性の高いヒートシンクが得られる。

また、これらの発泡剤の選択および量で気孔率を調整することができる。

実施例３では、本発明の多孔質金属体によるヒートシンクの例を示す。図２（Ａ）は半導体素子に本実施例のヒートシンクを取り付けた状態での正面図である。図２（Ｂ）は比較例のヒートシンクを示す図であり、半導体素子にヒートシンクを取り付けた状態での正面図である。

ヒートシンク３は多孔質金属体を成形したものである。このヒートシンク３は、冷却すべき半導体素子１に放熱用グリス２を介して接着されている。ヒートシンク３は多数のフィンを備える本体３ｂと、この本体３ｂの吸熱面に形成されたCuめっき膜３ｃで構成されている。Cuめっき膜３ｃは、本体３ｂの表面を平滑にすることで、放熱用グリス２を介して半導体素子１の放熱面との接触面積を大きくするとともに熱伝導性を高める。

ヒートシンク３は多孔質金属であるので放熱効果が高い。図２（Ｂ）に示す従来構造のヒートシンク５に比べ、同じ放熱効果を得るのに要するヒートシンク３のサイズは小さくてすむ。

なお、本発明の多孔質金属体は、以上に示した例以外に、その比表面積および比剛性の高さを活かして、吸着性、吸音性、衝撃吸収能、制振性などの機能性を有する部材として用いることができる。例えば流体の入出部を備える各種フィルタとして用いることができる。また、砥石等として用いることもできる。

本発明の多孔質金属体およびその製造方法は、多孔質金属体を容易で安価に製造できるだけでなく、従来に比較して低エネルギーで短時間に製造できる。

１…半導体素子
２…放熱用グリス
３，５…ヒートシンク
３ｂ…本体
３ｃ…めっき膜

Claims (3)

1. SnまたはSn系合金である低融点金属の粉末と当該低融点金属とは融点の異なるCu-Ni合金の粉末とを含む２種以上の金属粉末と、加熱により気化して気泡が生じる活性剤と、を含有する混合物が前記低融点金属の融点以上で加熱されることで液相拡散反応が生じて、前記低融点金属の粉末が前記Cu-Ni合金の粉末に完全に濡れて緻密になる前に、液体になった前記低融点金属の粉末と前記Cu-Ni合金の粉末との間に金属間化合物が生成され、液体となったSnまたはSn系合金の動きが低下して、オープンポアの空隙が多数形成されて、気孔率が２０〜５０％の範囲内となった、ことを特徴とする多孔質金属体の製造方法。
2. 前記多孔質金属体は放熱すべき対象に接する吸熱面を備えてヒートシンクとして用いられるように構成された、請求項１に記載の多孔質金属体の製造方法。
3. 前記多孔質金属体は流体の入出部を備えてフィルタとして用いられるように構成された、請求項１に記載の多孔質金属体の製造方法。