JP6498040B2 - アルミニウムと炭素粒子との複合体及び絶縁基板 - Google Patents

Description

本発明は、アルミニウムと炭素粒子との複合体、その製造方法及び絶縁基板に関する。

なお、本明細書及び特許請求の範囲では、「アルミニウム」の語は、特に明示しない限り、純アルミニウムとアルミニウム合金との双方を含む意味で用いられ、また「板」の語は、特に明示しない限り、箔をも含む意味で用いられる。

また、本発明に係る絶縁基板の上下方向は限定されるものではないが、本明細書及び特許請求の範囲では、絶縁基板の構成を理解し易くするため、絶縁基板における発熱素子が搭載される面側を上側、その反対側を下側と定義する。

金属と炭素粒子との複合材として、例えば特許文献１（特許第５１５０９０５号公報）や特許文献２（特許第５１４５５９１号公報）に記載されているように、アルミニウム層等の金属層と炭素粒子層としての炭素繊維層とが交互に複数積層されて接合一体化されたものが知られている。この種の複合材は、高い熱伝導特性が必要な部材用の材料としての利用が期待されている。

特許第５１５０９０５号公報 特許第５１４５５９１号公報

この種の複合材において、熱伝導率を高くするためには、炭素繊維層等の炭素粒子層をなるべく薄くするとともに炭素粒子の含有量をなるべく多くすることが望ましい。こうするためには、金属層と炭素粒子層をともに薄くして交互に複数積層させるのが良い。

ところが、金属層と炭素粒子層をこのように積層すると次のような問題が発生する虞があった。

すなわち、金属層と炭素粒子層を、各層の端部を揃えて交互に積層することが困難であり、また層の端部には層同士を接合するための加圧力が加わりにくいので、各層の端部が接合不足になり、この部分から炭素粒子層中の炭素粒子が脱落するという問題が発生する虞があった。

本発明は、上述した技術背景に鑑みてなされたもので、その目的は、外周側面の機械的強度が高く且つ外周側面からの炭素粒子の脱落が抑制されたアルミニウムと炭素粒子との複合体及びその製造方法を提供することにあり、更に、外周側面の機械的強度が高く且つ外周側面からの炭素粒子の脱落が抑制された絶縁基板構成層を有する絶縁基板を提供することにある。

本発明は以下の手段を提供する。

［１］ アルミニウムと炭素粒子が焼結複合化された複合体本体を備え、
前記複合体本体の厚さ方向の両面のうち少なくとも一方にアルミニウム表面層が設けられるとともに、
前記複合体本体の外周側面に前記アルミニウム表面層の塑性流動層が固着している、アルミニウムと炭素粒子との複合体。

［２］ 前記塑性流動層は、前記複合体本体における前記アルミニウムと前記炭素粒子との焼結時に前記アルミニウム表面層の一部が前記複合体本体の外周側面に塑性流動して形成されたものである前項１記載のアルミニウムと炭素粒子との複合体。

［３］ 前記複合体本体は、アルミニウム層と炭素粒子層が交互に複数積層された状態で焼結複合化されたものである前項１又は２記載のアルミニウムと炭素粒子との複合体。

［４］ 前記アルミニウム表面層は、互いに積層状に配置された複数のアルミニウム板が、前記複合体本体における前記アルミニウムと前記炭素粒子との焼結時に同時に一体に焼結されて形成されたものである前項１〜３のいずれかに記載のアルミニウムと炭素粒子との複合体。

［５］ 互いに積層状に接合一体化された複数の絶縁基板構成層を備え、
前記複数の構成層は、絶縁層と前項１〜４のいずれかに記載のアルミニウムと炭素粒子との複合体で形成された層とを含んでいる絶縁基板。

［６］ アルミニウムと炭素粒子を含むプリフォームを焼結することにより、前記アルミニウムと前記炭素粒子を複合化する焼結工程を備え、
前記プリフォームはその厚さ方向の両面のうち少なくとも一方にアルミニウム表面層が設けられたものであり、
前記焼結工程では、前記アルミニウム表面層の一部が前記プリフォームの外周側面に塑性流動するように前記プリフォームをその厚さ方向に加圧しながら焼結する、アルミニウムと炭素粒子との複合体の製造方法。

［７］ 前記プリフォームを形成するプリフォーム形成工程を備え、
前記プリフォーム形成工程では、アルミニウム層上に炭素粒子層が塗工された塗工アルミニウム層を複数積層することにより積層体を形成するとともに、前記積層体の厚さ方向の両面のうち少なくとも一方に前記アルミニウム表面層を配置することにより、前記プリフォームを形成する前項６記載のアルミニウムと炭素粒子との複合体の製造方法。

［８］ 前記プリフォーム形成工程では、前記積層体の厚さ方向の両面のうち前記少なくとも一方に前記アルミニウム表面層を形成する複数のアルミニウム板を積層状に配置し、
前記焼結工程では、前記複数のアルミニウム板が一体に焼結されて前記アルミニウム表面層が形成されるように前記プリフォームをその厚さ方向に加圧しながら焼結する前項７記載のアルミニウムと炭素粒子との複合体の製造方法。

本発明は以下の効果を奏する。

前項［１］によれば、複合体本体が、アルミニウムと炭素粒子が焼結複合化されたものであることにより、複合体は高い熱伝導率を有する。

さらに、複合体本体の外周側面にアルミニウム表面層の塑性流動層が固着していることにより、複合体の外周側面の機械的強度が向上するし、外周側面からの炭素粒子の脱落を抑制することができる。

前項［２］では、塑性流動層は、焼結時にアルミニウム表面層の一部が複合体本体の外周側面に塑性流動して形成されたものであることにより、塑性流動層の形成を容易に行うことができる。

前項［３］では、複合体本体が、アルミニウム層と炭素粒子層が交互に複数積層された状態で焼結複合化されたものであることにより、複合体を製造する際においてアルミニウム表面層を所定位置に容易に配置することができる。そのため、複合体を容易に製造することができる。

前項［４］では、アルミニウム表面層は、互いに積層状に配置された複数のアルミニウム板が複合体本体におけるアルミニウムと炭素粒子との焼結時に同時に一体に焼結されて形成されたものであることにより、複合体本体の外周側面に塑性流動するアルミニウム表面層の塑性流動量を容易に増加させることができるし、アルミニウム表面層を容易に形成することができる。これにより、複合体の外周側面の機械的強度を確実に且つ容易に向上させることができるし、外周側面からの炭素粒子の脱落を確実に抑制することができる。

前項［５］によれば、複数の構成層は、前項［１］〜［４］のいずれかに記載のアルミニウムと炭素粒子との複合体で形成された層を含んでいるので、前項［１］〜［４］のいずれかに記載の効果と同様の効果を奏する。さらに、複合体で形成された構成層の外周側面からの炭素粒子の脱落が抑制されるので、脱落した炭素粒子による絶縁基板の電気短絡も抑制することができる。

前項［６］〜［８］によれば、前項［１］〜［４］のいずれかに記載の複合体を確実に且つ容易に製造することができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係るアルミニウムと炭素粒子との複合体の概略断面図である。 図２Ａは、同複合体の積層プリフォームの形成途中の概略断面図である。 図２Ｂは、形成後の同積層プリフォームの概略断面図である。 図３は、放電プラズマ焼結装置の概略断面図である。 図４は、同複合体で形成された層を備えた絶縁基板の概略正面図である。 図５は、本発明の第２実施形態に係るアルミニウムと炭素粒子との複合体の概略断面図である。 図６は、本発明の第３実施形態に係るアルミニウムと炭素粒子との複合体の概略断面図である。 図７は、本発明の第４実施形態に係るアルミニウムと炭素粒子との複合体の概略断面図である。 図８は、本発明の第５実施形態に係るアルミニウムと炭素粒子との複合体の概略断面図である。

次に、本発明の幾つかの実施形態について図面を参照して以下に説明する。

図１〜３は、本発明の第１実施形態に係るアルミニウムと炭素粒子との複合体１及びその製造方法を説明するための図である。図４は、本第１実施形態の複合体１で形成された層を備えた絶縁基板２０の一例を説明するための図である。

まず、図４に示した絶縁基板２０について以下に説明する。

絶縁基板２０は、電子モジュール用基板（例：パワーモジュール用基板）等として用いられるものであり、複数の絶縁基板構成層２１、２２、２３、２４が上下方向に積層された状態で接合一体化されて形成されたものである。複数の構成層は、配線層２１、絶縁層２２、緩衝層２３及び冷却層２４を含んでいる。そして、上から下へ順に、配線層２１、絶縁層２２、緩衝層２３及び冷却層２４が水平に且つ積層状に配置されるとともに、これらが所定の接合手段により接合一体化されている。

接合手段は限定されるものではなく、例えばろう付けや拡散接合が用いられる。

発熱素子２５は、半導体素子等の電子素子（例：ＩＧＢＴ素子）を含むものであり、絶縁基板２０の搭載面２０ａにワイヤーボンディング等のはんだ付けにより接合されて搭載されるものである。

配線層２１は、回路層とも呼ばれているものであり、その平坦な上面が絶縁基板２０の搭載面２０ａを構成している。すなわち、搭載面２０ａは配線層２１の上面から形成されている。配線層２１の形状は例えば平面視で略方形状であり、配線層２１の一辺長さは例えば１０〜１００ｍｍである。配線層２１の厚さは例えば０．１〜２ｍｍである。

絶縁層２２は、電気絶縁性を有しており、具体的には、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化ケイ素）、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）等のセラミック製である。絶縁層２２の形状は例えば平面視で略方形状であり、絶縁層２２の一辺長さは配線層２１の一辺長さよりも若干大きく設定されており、具体的には例えば１０．５〜１００．５ｍｍである。絶縁層２２の厚さは例えば０．２〜１．５ｍｍである。

緩衝層２３は、絶縁基板２０に発生する熱応力等の応力を緩和するための層である。緩衝層２３の形状は平面視で略方形状であり、緩衝層の一辺長さは例えば１０〜１００ｍｍである。緩衝層２３の厚さは例えば０．２〜３ｍｍである。

冷却層２４は、発熱素子２５の動作に伴い発熱した発熱素子２５を冷却するものである。本実施形態では、冷却層２４として冷却部材が用いられており、具体的には、発熱素子２５の熱を放散することで発熱素子２５を冷却する放熱部材（例：ヒートシンク）が用いられている。放熱部材はアルミニウム等の金属製であり、複数の放熱フィン２４ａを有している。

なお本発明では、冷却層２４は放熱部材であることに限定されるものではなく、その他に例えば、冷却流体（例：冷却液）が流通する流通路を有する冷却器であっても良い。

上記の絶縁基板２０では、発熱素子２５で発生した熱は、発熱素子２５から配線層２１、絶縁層２２、緩衝層２３及び冷却層２４に順次伝導する。その結果、発熱素子２５が冷却されてその温度が低下する。

本１実施形態では、上記の絶縁基板２０の複数の構成層のうち例えば配線層２１が本第１実施形態の複合体１で形成されている。

次に、本第１実施形態の複合体１について以下に説明する。

図１に示すように、複合体１は、アルミニウムと炭素粒子が所定の焼結法により焼結複合化されてなる複合体本体２を備えている。複合体１及び複合体本体２の形状は、略平板状であり、平面視で略方形状である。

図１において、「６ａ」は炭素粒子を示しており、「５ａ」は複合体本体２内のアルミニウム領域（ドットハッチングで示す）を示している。

焼結法は限定されるものではないが、放電プラズマ焼結法、ホットプレス法等の加熱加圧焼結法を用いることが望ましい。本第１実施形態では、焼結法として加熱加圧焼結法が用いられている。

複合体本体２は、アルミニウム層５と炭素粒子層６が交互に複数積層された状態で焼結複合化されたものである。なお、炭素粒子層６は炭素粒子６ａで形成された層である。

複合体本体２の厚さ方向の両面のうち少なくとも一方には、アルミニウム表面層３が形成されている。本第１実施形態では、アルミニウム表面層３は複合体本体２の厚さ方向の両面にそれぞれその全体を覆う状態にして焼結固着されている。

ここで、本発明に係る複合体１（複合体本体２）の上下方向は限定されるものではないが、本第１実施形態では、複合体１（複合体本体２）の構成を理解し易くするため、複合体１（複合体本体２）の厚さ方向を複合体１（複合体本体２）の上下方向と定義する。したがって、アルミニウム表面層３は複合体本体２の上面２ａ及び下面２ａにそれぞれその全体を覆う状態にして形成されている。すなわち、複合体本体２の上面２ａの全体及び下面２ａの全体はそれぞれアルミニウム表面層３で覆われている。

各アルミニウム表面層３の厚さは限定されるものではないが、アルミニウム層５よりも大きく設定されることが望ましく、特に１０〜３００μｍであることが望ましい。その理由は、複合体１の上面及び下面の機械的強度を確実に高めることができるし、複合体本体２中に含まれる炭素粒子６ａが複合体１の上面及び下面から脱落するのを確実に抑制できるからである。

さらに、複合体本体２の外周側面２ｂにはアルミニウム表面層３の塑性流動層４（クロスハッチングで示す）が複合体本体２の外周側面２ｂの全体を覆う状態にして焼結固着されている。すなわち、複合体本体２の外周側面２ｂの全体はアルミニウム表面層３の塑性流動層４で覆われている。

塑性流動層４は、アルミニウムと炭素粒子６ａとの焼結時に加圧及び加熱された各アルミニウム表面層３の一部が複合体本体２の外周側面２ｂに塑性流動（塑性変形を含む。以下同じ）して外周側面２ｂに層状に焼結固着することで形成されたものである。

塑性流動層４の厚さは限定されるものではないが、１０〜１００μｍであることが特に望ましい。その理由は、複合体１の外周側面の機械的強度を確実に高めることができるし、複合体本体２中に含まれる炭素粒子６ａが複合体１の外周側面から脱落するのを確実に抑制できるからである。

さらに、各アルミニウム表面層３は、互いに積層状に配置された複数のアルミニウム板８（図２Ａ参照）がアルミニウムと炭素粒子６ａとの焼結時に同時に互いに一体に焼結されて形成されたものである。

次に、本第１実施形態の複合体１をその望ましい製造方法に基づいて図２Ａ及び２Ｂを参考にして以下に説明する。

複合体１の製造方法は、アルミニウムと炭素粒子６ａを含むプリフォーム９を加熱加圧焼結法によって焼結することにより、アルミニウムと炭素粒子６ａを複合化する焼結工程を備えるとともに、更に、焼結工程の際に又は前にプリフォーム９を形成するプリフォーム形成工程を備えている。

プリフォーム９を形成する方法としては、図２Ａ及び２Ｂに示すように、アルミニウム層５と炭素粒子層６が交互に複数積層された状態のプリフォーム（これを説明の便宜上「積層プリフォーム９Ａ」という）を形成する方法、アルミニウム粉末と炭素粒子（炭素粉末）が混合された状態のプリフォーム（これを説明の便宜上「粉末混合プリフォーム」という）を形成する方法などが用いられる。

以下では、前者の方法を「積層プリフォーム形成方法」、後者の方法を「粉末混合プリフォーム形成方法」という。

積層プリフォーム形成方法は、アルミニウム表面層３を容易に形成できる点で優れている。

粉末混合プリフォーム形成方法では、アルミニウム粉末及び／又は炭素粒子は表面処理が施されたものであっても良い。表面処理として、複合化を良好にするためＮｉめっき処理もしくはＣｕめっき処理を採用することが望ましい。アルミニウム粉末の平均粒子径は限定されるものではないが、５〜１００μｍであることが特に望ましい。

複合体１の製造に用いられる炭素粒子６ａの種類は限定されるものではないが、なるべく高い熱伝導率を有するもの、即ち高熱伝導性のものであることが望ましい。特に、炭素粒子６ａは、炭素繊維、カーボンナノチューブ、グラフェン、天然黒鉛粒子及び人造黒鉛粒子からなる群より選択される少なくとも一種であることが望ましく、更に、炭素繊維、カーボンナノチューブ、グラフェン及び天然黒鉛粒子からなる群より選択される少なくとも一種であることがより望ましい。その理由は、複合体１の熱伝導率を確実に向上させることができるし、アルミニウムと炭素粒子６ａとの複合化を確実に行えるからである。

炭素繊維としては、ピッチ系炭素繊維、ＰＡＮ系炭素繊維などが用いられる。

カーボンナノチューブとしては、単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、気相成長炭素繊維（ＶＧＣＦ（登録商標））等が用いられる。

天然黒鉛粒子としては、鱗片状黒鉛粒子等が用いられる。

人造黒鉛粒子としては、等方性黒鉛粒子、異方性黒鉛粒子、熱分解黒鉛粒子等が用いられる。

炭素粒子６ａの大きさは限定されるものではない。しかるに、炭素粒子６ａが炭素繊維である場合、平均繊維長が１０μｍ以上２ｍｍ以下の短炭素繊維が特に好適に用いられる。炭素粒子６ａがカーボンナノチューブである場合、平均長さが１μｍ以上１０μｍ以下のカーボンナノチューブが特に好適に用いられる。炭素粒子６ａが天然黒鉛粒子及び人造黒鉛粒子である場合、平均粒子径が１０μｍ以上３ｍｍ以下の天然黒鉛粒子及び人造黒鉛粒子が特に好適に用いられる。

複合体１の製造に用いられるアルミニウムの種類は限定されるものではなく、高純度アルミニウム（例：その純度３Ｎ、４Ｎ、５Ｎ）、ＪＩＳ（日本工業規格）のアルミニウム合金記号Ａ１０００系（純アルミニウム系）、Ａ３０００系、Ａ６０００系等のアルミニウムが用いられる。

ここで、アルミニウム表面層３のアルミニウムの純度は複合体本体２のアルミニウムの純度よりも高いことが特に望ましい。その理由は、焼結時にアルミニウム表面層３の一部が塑性流動し易くなり、これにより塑性流動層４を確実に形成できるからである。

本第１実施形態の複合体１では、プリフォーム９として積層プリフォーム９Ａが用いられるとともに、プリフォーム形成方法として積層プリフォーム形成方法が用いられ、更に、炭素粒子６ａとして炭素繊維（詳述すると短炭素繊維）が用いられている。

この場合において、望ましい積層プリフォーム形成工程は以下のとおりである。

すなわち、図２Ａに示すように、アルミニウム板からなるアルミニウム層５の片面又は両面上に炭素粒子層（詳述すると炭素繊維層）６を塗工し、これにより塗工アルミニウム層７を得る。次いで、塗工アルミニウム層７を複数積層し、これにより図２Ｂに示すように積層プリフォーム本体（プリフォーム本体）としての積層体１０を形成する。塗工アルミニウム層７の積層枚数は限定されるものではないが、５〜５００枚であることが特に望ましい。

さらに、積層体１０の厚さ方向の両面、即ち積層体１０の上面及び下面のうち少なくとも一方に、アルミニウム表面層３を形成する複数のアルミニウム板８を積層状に配置し、これにより積層プリフォーム９Ａを形成する。

本第１実施形態では、図２Ａに示すように、各塗工アルミニウム層７において、炭素粒子層６は、アルミニウム層５の片面（詳述すると上面）上に、炭素粒子層６中の炭素粒子（炭素繊維）６ａの長さ方向が一方向に揃う状態になるように塗工されている。そして、図２Ｂに示すように、互いに重なり合う二つの塗工アルミニウム層７、７において一方の塗工アルミニウム層７の炭素粒子層６中の炭素粒子（炭素繊維）６ａの長さ方向と他方の塗工アルミニウム層７の炭素粒子層６中の炭素粒子（炭素繊維）６ａの長さ方向とが平面視で約９０°の角度をなす態様にして、複数の塗工アルミニウム層７が上下方向に積層されている。

さらに、本第１実施形態では、図２Ｂに示すように、アルミニウム表面層３を形成する複数のアルミニウム板８は、積層体１０の上面及び下面にそれぞれ積層状に配置される。これにより、積層プリフォーム９Ａはその上面及び下面にそれぞれアルミニウム表面層３が設けられる。

アルミニウム層５の厚さは限定されるものではないが、５〜２００μｍであることが特に望ましい。

炭素粒子層６の厚さは限定されるものではないが、１〜１００μｍであることが特に望ましい。

また、炭素粒子層６中に含まれる炭素粒子（詳述すると炭素繊維）６ａの塗工量は限定されるものではないが、１ｇ／ｍ^２以上３０ｇ／ｍ^２以下であることが特に望ましい。塗工量が１ｇ／ｍ^２以上であることにより、複合体１の熱伝導率を確実に向上させることができる。塗工量が３０ｇ／ｍ^２以下であることにより、複合体１内の層間剥離を確実に抑制することができる。

さらに、炭素粒子層６は、複合体１に対する炭素粒子６ａの体積含有率が２体積％以上７０体積％以下になるように塗工されることが望ましい。炭素粒子６ａの体積含有率が２体積％以上であることにより、複合体１の熱伝導率を確実に向上させることができる。炭素粒子６ａの体積含有率が７０体積％以下であることにより、積層状に配置された複数の塗工アルミニウム層７を確実に一体に焼結することができる。炭素粒子６ａの体積含有率の特に望ましい下限値は３体積％であり、その特に望ましい上限値は５０体積％である。

炭素粒子層６の塗工方法は限定されるものではないが、特に、炭素粒子（炭素繊維）６ａとバインダーとバインダー用溶剤とが混合されてなる塗工液をロールコータ等の塗工装置（図示せず）によりアルミニウム層５上に連続的に塗工する方法であることが望ましい。この塗工方法の場合、アルミニウム層５上に塗工された炭素粒子層６を塗工後に乾燥及び加熱処理し、これにより炭素粒子層６中に含まれる溶剤及びバインダーを除去することが望ましい。

各アルミニウム表面層３を形成する複数のアルミニウム板８において、アルミニウム板８として、上述したアルミニウム層５を形成するアルミニウム板と同じものを用いても良い。この場合、複合体１の製造に必要なアルミニウム板の種類（大きさ及び材質）を減らすことができ、これにより複合体１の製造を容易に行うことができる。

さらに、アルミニウム板８の枚数は限定されるものではない。しかるに、アルミニウム板８が上述したアルミニウム層５を形成するアルミニウム板と同じものである場合には、アルミニウム板８の枚数は３〜５枚であることが特に望ましく、即ちアルミニウム板８の合計厚さが１５〜５００μｍになるようにアルミニウム板８の枚数を設定することが特に望ましい。

望ましい焼結工程は以下のとおりである。

焼結工程では、各アルミニウム表面層３を形成する複数のアルミニウム板８が一体に焼結されて各アルミニウム表面層３が形成されるように且つ各アルミニウム表面層３の一部が積層プリフォーム９Ａの外周側面に塑性流動するように密閉金型内で積層プリフォーム９Ａをその厚さ方向に加圧及び加熱しながら、焼結する。これにより、図１に示した本第１実施形態の複合体１が製造される。

すなわち、密閉金型内で積層プリフォーム９Ａをその厚さ方向に加圧及び加熱することにより、積層プリフォーム９Ａの積層体１０が焼結されて複合体本体２が形成され、これと同時に、複数のアルミニウム板８が一体に焼結されてアルミニウム表面層３が形成されるとともにアルミニウム表面層３が複合体本体２の上面２ａ及び下面２ａに焼結固着され、更に、各アルミニウム表面層３の一部が密閉金型の内壁面に沿って積層プリフォーム９Ａの積層体１０（即ち複合体本体２）の外周側面へ塑性流動して外周側面にその全体を覆う状態にして塑性流動層４として焼結固着される。

さらには、焼結時に積層プリフォーム９Ａが加圧及び加熱されることにより、アルミニウム層５の一部が積層プリフォーム９Ａ内に存在する微細な空隙（例：炭素粒子層６中の炭素粒子６ａ間の隙間）に塑性流動して当該空隙（隙間）に充填される。これにより、当該空隙（隙間）が略消滅するとともに複合体本体２内にアルミニウム領域５ａが形成される。

加熱加圧焼結法としては限定されるものではないが、焼結金型として上述したように密閉金型を用いた加熱加圧焼結法であることが望ましい。

そのような加熱加圧焼結法として放電プラズマ焼結法を用いる場合の焼結法について以下に説明する。

図３に示すように、加熱加圧装置として放電プラズマ焼結装置１１を準備する。

放電プラズマ焼結装置１１は、導電性を有する筒状金型（例：黒鉛製筒状金型）１２、導電性を有する一対のパンチ（例：黒鉛製上パンチ及び黒鉛製下パンチ）１３、１３等を密閉金型として備えている。

両パンチ１３、１３は互いに対向状に配置されている。詳述すると、一方のパンチ１３は上側に他方のパンチ１３は下側にそれぞれ配置されている。各パンチ１３の加圧面１３ａは、各パンチ１３の積層プリフォーム９Ａへの加圧方向１４に対して垂直面に形成されている。

そして、筒状金型１２内に積層プリフォーム（図示せず）を配置し、不活性ガス（例：窒素ガス、アルゴンガス）雰囲気等の非酸化性雰囲気又は真空（真空度：例えば０．０１〜１００Ｐａ）中にて上パンチ１３と下パンチ１３とで積層プリフォームをその厚さ方向に加圧しつつ両パンチ１３、１３間にパルス電流を通電することにより、積層プリフォームを加熱焼結する。

放電プラズマ焼結法における望ましい焼結条件は以下のとおりである。

焼結温度は４５０〜６４０℃、焼結時間（即ち焼結温度の保持時間）は１０〜３００ｍｉｎ、積層プリフォーム９Ａへの加圧力は５〜４０ＭＰａである。

上述したように、本第１実施形態では、図４に示した絶縁基板２０における配線層２１が本第１実施形態の複合体１で形成されている。なおこの場合、配線層２１の上面からなる絶縁基板２０の搭載面２０ａには、搭載面２０ａにおける発熱素子２５とのはんだ付け性を高めるためニッケル−リンめっき膜等のニッケルめっき膜（図示せず）が形成されることが望ましい。

さらに本第１実施形態では、配線層２１と絶縁層２２はろう付けにより接合されている。この場合、ろう付けに用いるろう材としてブレージングシート（図示せず）やろう材板（図示せず）が好適に用いられる。

さらに、複合体１の下面にろう材板（図示せず）を固着しておき、このろう材板を配線層２１と絶縁層２２とのろう付けに用いるろう材として用いても良い。この場合、ろう材板は、上述の焼結工程における積層プリフォーム９Ａの焼結時に同時に複合体１の下面に焼結固着されたものであることが特に望ましい。

さらに、ろう材はアルミニウム系ろう材であることが望ましく、特にＡｌ−Ｓｉ系ろう材であることが、ろう付け性を確実に向上させ得る点で望ましい。

さらに、ろう材は、Ｍｇ、Ｂｉ及びＳｒからなる群より選択される少なくとも一つの元素が添加されたＡｌ−Ｓｉ系ろう材であることが特に望ましい。その理由は次のとおりである。

すなわち、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材にＭｇが添加されることにより、ろう付けを例えば真空ろう付けで行う場合でも、配線層２１と絶縁層２２を確実に強固に接合することができる。さらに、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材にＢｉやＳｒが添加されることにより、ろう材の流動性が向上し、これにより配線層２１と絶縁層２２を確実に強固に接合することができる。

好ましいＭｇ添加量は０．１質量％〜３質量％である。好ましいＢｉ添加量は０．０１質量％〜２質量％である。好ましいＳｒ添加量は０．０００１質量％〜０．３質量％である。

ここで本発明では、絶縁基板２０を構成する複数の構成層のうち配線層２１が本第１実施形態の複合体１で形成されることに限定されるものではなく、その他に例えば、緩衝層２３が本第１実施形態の複合体１で形成されていても良いし、配線層２１と緩衝層２３がそれぞれ本第１実施形態の複合体１で形成されていても良い。

上記第１実施形態の複合体には次の利点がある。

複合体１の複合体本体２が、アルミニウムと炭素粒子６ａが焼結複合化されたものなので、複合体１は高い熱伝導率を有する。

さらに、複合体本体２の上面２ａ及び下面２ａにそれぞれアルミニウム表面層３が固着しているので、複合体１の上面及び下面の機械的強度を高めることができるし、複合体本体２中に含まれる炭素粒子６ａが複合体１の上面及び下面から脱落するのを抑制することができる。

さらに、複合体本体２の外周側面２ｂにアルミニウム表面層３の塑性流動層４が焼結固着しているので、複合体１の外周側面の機械的強度が向上するし、外周側面からの炭素粒子６ａの脱落を抑制することができる。

さらに、塑性流動層４は、複合体本体２におけるアルミニウムと炭素粒子６ａとの焼結時（即ち積層プリフォーム９Ａの焼結時）にアルミニウム表面層３の一部が複合体本体２（積層プリフォーム９Ａ）の外周側面２ｂに塑性流動して焼結固着することで形成されたものなので、塑性流動層４の形成を容易に行うことができる。

さらに、複合体本体２が、アルミニウム層５と炭素粒子層６が交互に複数積層された状態で焼結複合化されたものなので、複合体１を製造する際においてアルミニウム表面層３を積層プリフォーム９Ａの上面及び下面にそれぞれ容易に配置することができる。そのため、複合体１を容易に製造することができる。

さらに、アルミニウム表面層３は、互いに積層状に配置された複数のアルミニウム板８が複合体本体２におけるアルミニウムと炭素粒子６ａとの焼結時（即ち積層プリフォーム９Ａの焼結時）に同時に一体に焼結されて形成されたものなので、複合体本体２の外周側面２ｂに塑性流動するアルミニウム表面層３の塑性流動量を容易に増加させることができるし、アルミニウム表面層３を容易に形成することができる。これにより、複合体１の外周側面の機械的強度を確実に且つ容易に向上させることができるし、外周側面からの炭素粒子６ａの脱落を確実に抑制することができる。

また、上記の絶縁基板２０によれば、複合体１で形成された構成層（配線層２１等）の外周側面からの炭素粒子６ａの脱落が抑制されるので、脱落した炭素粒子による絶縁基板２０の電気短絡も抑制することができる。

図５は、本発明の第２実施形態に係るアルミニウムと炭素粒子との複合体１０１の概略断面図である。同図では、上記第１実施形態の複合体１の要素と同等の要素にはその符号に１００を加算した符号が付されている。なお、炭素粒子１０６ａとして炭素繊維（詳述すると短炭素繊維）が用いられている。

本第２実施形態の複合体１０１は、その複合体本体１０２の下面１０２ａにその全体を覆う状態にしてアルミニウム表面層１０３が焼結固着されるとともに、アルミニウム表面層１０３の塑性流動層１０４が複合体本体１０２の外周側面１０２ｂにその全体を覆う状態にして焼結固着されたものである。一方、複合体１０１（複合体本体１０２）の上面１０２ａにはアルミニウム表面層１０３は形成されていない。

複合体１０１の製造方法における積層プリフォーム形成工程では、塗工アルミニウム層１０７を複数積層して形成された積層体の上面ではなく下面だけにアルミニウム表面層１０３を形成する複数のアルミニウム板を積層状に配置する。

そして、焼結工程では、アルミニウム表面層１０３の一部が積層プリフォームの外周側面に塑性流動するように積層プリフォームをその厚さ方向に加圧及び加熱しながら焼結する。これにより、本第２実施形態の複合体１０１が製造されている。

図６は、本発明の第３実施形態に係るアルミニウムと炭素粒子との複合体２０１の概略断面図である。同図では、上記第１実施形態の複合体１の要素と同等の要素にはその符号に２００を加算した符号が付されている。なお、炭素粒子２０６ａとして炭素繊維（詳述すると短炭素繊維）が用いられている。

本第３実施形態の複合体２０１は、その複合体本体２０２の上面２０２ａにその全体を覆う状態にしてアルミニウム表面層２０３が焼結固着されるとともに、アルミニウム表面層２０３の塑性流動層２０４が複合体本体２０２の外周側面２０２ｂにその全体を覆う状態にして焼結固着されたものである。一方、複合体２０１（複合体本体２０２）の上面２０２ａにはアルミニウム表面層２０３ではなくアルミニウム層２０５が形成されている。

複合体２０１の製造方法における積層プリフォーム形成工程では、塗工アルミニウム層２０７を複数積層して形成された積層体の下面ではなく上面だけにアルミニウム表面層２０３を形成する複数のアルミニウム板を積層状に配置する。

そして、焼結工程では、アルミニウム表面層２０３の一部が積層プリフォームの外周側面に塑性流動するように積層プリフォームをその厚さ方向に加圧及び加熱しながら焼結する。これにより、本第３実施形態の複合体２０１が製造されている。

図７は、本発明の第４実施形態に係るアルミニウムと炭素粒子との複合体３０１の概略断面図である。同図では、上記第１実施形態の複合体１の要素と同等の要素にはその符号に３００を加算した符号が付されている。なお、炭素粒子３０６ａとして炭素繊維（詳述すると短炭素繊維）が用いられている。

本第４実施形態の複合体３０１は、プリフォーム形成工程としての粉末混合プリフォーム形成工程を行い、次いで、焼結工程を行って製造されたものである。

すなわち、粉末混合プリフォーム形成工程では、アルミニウム粉末と炭素粒子（炭素粉末）３０６を混合してなる粉末混合プリフォーム本体（プリフォーム本体）としての略板状の粉末混合物（例えば略板状の圧粉体）の上面及び下面にそれぞれアルミニウム表面層３０３を形成する複数のアルミニウム板を積層状に配置し、これにより粉末混合プリフォームを形成する。

なお、粉末混合プリフォームは焼結金型内で形成しても良いし、焼結金型の外に設置された所定のプリフォーム形成場所で形成しても良い。

次いで、焼結工程では、各複数のアルミニウム板が一体に焼結されて各アルミニウム表面層３０３が形成されるように且つ各アルミニウム表面層３０３の一部が粉末混合プリフォームの外周側面に塑性流動するように粉末混合プリフォームをその厚さ方向に加圧及び加熱しながら焼結する。これにより、本第４実施形態の複合体３０１が製造されている。この複合体３０１の複合体本体３０２は、粉末混合プリフォームの粉末混合物が焼結されることで形成されている。

複合体３０１では、各アルミニウム表面層３０３は、複合体本体３０２の上面３０２ａ及び下面３０２ａにそれぞれその全体を覆う状態にして焼結固着されている。さらに、複合体本体３０２の外周側面３０２ｂには各アルミニウム表面層３０３の塑性流動層３０４が複合体本体３０２の外周側面３０２ｂの全体を覆う状態にして焼結固着されている。

図８は、本発明の第５実施形態に係るアルミニウムと炭素粒子との複合体４０１の概略断面図である。同図では、上記第１実施形態の複合体１の要素と同等の要素にはその符号に４００を加算した符号が付されている。なお、炭素粒子４０６ａとして鱗片状黒鉛粒子（鱗片状黒鉛粉末）が用いられている。

本第５実施形態の複合体４０１及びその製造方法は、炭素粒子４０６ａが鱗片状黒鉛粒子であることを除いて、上記第４実施形態の複合体３０１及びその製造方法と同じである。

以上で本発明の幾つかの実施形態を示したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で様々に変更可能である。

上記実施形態では、プリフォームを焼結する焼結法として放電プラズマ焼結法が用いられている。しかるに、本発明は焼結法としてその他に例えば真空焼結法を用いることを排除するものではない。

また上記実施形態では、アルミニウム表面層３を形成するアルミニウム板８の枚数は複数である。しかるに、本発明はアルミニウム板８の枚数が１枚であることを排除するものではない。この場合、アルミニウム板８はアルミニウム層５を形成するアルミニウム板よりも厚いものであることが、アルミニウム表面層３の塑性流動層４を確実に形成できる点等で特に望ましい。

次に、本発明の具体的な実施例及び比較例について以下に示す。ただし、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

以下の実施例では、実施例を理解し易くするため、実施例の複合体の要素に上記第１実施形態で用いた符号を付して説明する。

＜実施例＞
実施例１では、図１〜３に示した上記第１実施形態の複合体１を以下の製造方法で製造した。

アルミニウム板からなる長尺なアルミニウム層５の片面上に炭素粒子層６を塗工し、これを平面視で正方形状に複数切断することで複数の塗工アルミニウム層７を得た。

アルミニウム層５を形成するアルミニウム板の材質はＡ１１００であり、その厚さは２０μｍであった。塗工アルミニウム層７の寸法は縦２５ｍｍ及び横２５ｍｍであった。

炭素粒子としてはＰＡＮ系炭素繊維（詳述するとＰＡＮ系短炭素繊維）を使用した。炭素粒子層６中に含まれる炭素粒子６ａであるＰＡＮ系炭素繊維の平均繊維長は１５０μｍであり、ＰＡＮ系炭素繊維の塗工量は２１ｇ／ｍ^２であった。

次いで、塗工アルミニウム層７を上下方向に３０枚積層して積層体１０を形成するとともに、積層体１０の上面及び下面にそれぞれアルミニウム表面層３を形成する５枚のアルミニウム板８を積層状に配置し、これにより、プリフォーム９としての積層プリフォーム９Ａを形成した。

アルミニウム表面層３を形成するアルミニウム板８の材質は高純度アルミニウムであり、その純度は３Ｎ（即ち９９．９質量％）であった。したがって、アルミニウム板８のアルミニウムの純度はアルミニウム層５を形成するアルミニウム板のアルミニウムの純度よりも高かった。さらに、アルミニウム板８の寸法はアルミニウム層５を形成するアルミニウム板の寸法と同じであり、即ち縦２５ｍｍ、横２５ｍｍ及び厚さ２０μｍであった。

次いで、図３に示した放電プラズマ焼結装置１１を用いて、各５枚のアルミニウム板８が一体に焼結されて各アルミニウム表面層３が形成されるように且つ各アルミニウム表面層３の一部が積層プリフォーム９Ａの外周側面に塑性流動するように積層プリフォーム９Ａをその厚さ方向に加圧しながら、放電プラズマ焼結法により加熱焼結し、これによりアルミニウムと炭素粒子（炭素繊維）６ａとの複合体１を製造した。

この焼結に適用した焼結条件は以下のとおりであった。

焼結温度は６２０℃、焼結時間は６０ｍｉｎ、積層プリフォーム９Ａへの加圧力は２０ＭＰａ、真空度は１０Ｐａであった。

製造された複合体１では、各アルミニウム表面層３は、複合体本体２の上面２ａ及び下面２ａにそれぞれその全体を覆う状態にして焼結固着されていた。さらに、複合体本体２の外周側面２ｂには各アルミニウム表面層３の塑性流動層４が複合体本体２の外周側面２ｂの全体を覆う状態にして焼結固着されていた。そのため、複合体１の外周側面からの炭素粒子６ａの脱落は見られなかった。

＜比較例＞
比較例では、積層体１０の上面及び下面にそれぞれアルミニウム表面層３を形成する５枚のアルミニウム板８を配置しなかったことを除いて、上記実施例と同じ製造方法でアルミニウムと炭素粒子（炭素繊維）との複合体を製造した。

製造された複合体では、複合体の複合体本体の外周側面にはアルミニウム表面層の塑性流動層は形成されていなかった。そのため、複合体の外周側面からの炭素粒子の脱落が見られた。

本発明は、アルミニウムと炭素粒子との複合体、その製造方法及び絶縁基板に利用可能である。

１：複合体
２：複合体本体
２ｂ：複合体本体の外周側面
３：アルミニウム表面層
４：塑性流動層
５：アルミニウム層
５ａ：アルミニウム領域
６：炭素粒子層
６ａ：炭素粒子
７：塗工アルミニウム層
８：アルミニウム板
９：積層プリフォーム（プリフォーム）
１０：積層体
２０：絶縁基板

Claims (3)

1. アルミニウムと炭素粒子が焼結複合化された複合体本体を備え、
   前記複合体本体は、アルミニウム層と炭素粒子層が交互に複数積層された状態で焼結複合化されたものであり、
   前記複合体本体の厚さ方向の両面のうち少なくとも一方にアルミニウム表面層が設けられるとともに、
   前記複合体本体の外周側面にその全体を覆う状態に前記アルミニウム表面層の塑性流動層が固着しており、
   前記アルミニウム表面層は、互いに積層状に配置された複数のアルミニウム板が、前記複合体本体における前記アルミニウムと前記炭素粒子との焼結時に同時に一体に焼結されて形成されたものであるアルミニウムと炭素粒子との複合体。
2. 前記塑性流動層は、前記複合体本体における前記アルミニウムと前記炭素粒子との焼結時に前記アルミニウム表面層の一部が前記複合体本体の外周側面にその全体を覆う状態に塑性流動して形成されたものである請求項１記載のアルミニウムと炭素粒子との複合体。
3. 互いに積層状に接合一体化された複数の絶縁基板構成層を備え、
   前記複数の構成層は、絶縁層と請求項１又は２記載のアルミニウムと炭素粒子との複合体で形成された層とを含んでいる絶縁基板。
   

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