JP6996008B2 - 放熱部材 - Google Patents

Description

本発明は、放熱部材に関する。より具体的には、実質的に矩形平板状である放熱部材に関する。

近年、電気自動車や電鉄用途におけるパワーモジュール用放熱部品として、従来の銅に替わり金属－炭化珪素複合体が使用されるようになってきている。
金属－炭化珪素複合体の熱伝導率は、銅のそれには及ばない。しかし、その熱膨張係数は６から１０ｐｐｍ／Ｋと、銅の１７ｐｐｍ／Ｋの約半分である。よって、モジュールを構成するセラミックス回路基板と放熱板を接着する半田層部分でのクラック発生を抑制しやすく、高い信頼性が得られる傾向にある。

金属－炭化珪素複合体の金属としては、アルミニウムがしばしば用いられる。
例えば、特許文献１に記載のように、アルミニウム－炭化珪素複合体は、（１）炭化珪素粉末に添加物等を混合する、（２）乾式プレス法、押し出し法やインジェクション法等により成形体を形成する、（３）その成形体を焼成して、炭化珪素を主成分とした多孔質の成形体（プリフォーム）を作製する、（４）このプリフォームに、非加圧含浸法や、溶湯鍛造法、ダイキャスト法などの加圧含浸法でアルミニウムを含有する金属を含浸させる、といった工程により作製することができる。

金属－炭化珪素複合体には、しばしば、表面加工や研磨が施された後にメッキ加工が施される。そして、電子・電気部品から発生する熱を放熱するための部品、即ち放熱部品として用いられる。この放熱部品は、さらに放熱フィン等の他の放熱用の部品或いは製品外枠等にネジ止めされてモジュールとなる。そのため、金属－炭化珪素複合体には、予めその外周或いはその近傍にネジ止め用の孔部が形成されている場合がある。

孔部の形成方法としては様々な方法が知られている。例えば特許文献１及び２に記載のように、成形体を作製する際に、予め成形時にピン等を用いて所定位置に孔を形成した成形体、或いは、成形体の作製後に所定位置を加工して孔部を設けた成形体などを用いて、金属を含浸させ、その後、金属部位を機械加工して孔部を形成する方法が知られている。

特許第３４６８３５８号公報 特許第３６６２２２１号公報

金属－炭化珪素複合体は、上述のように放熱部品として高い信頼性が得られる傾向にある。しかしながら、市場ニーズに伴い、信頼性に対する要求性能はますます高まっている。
例えば、最近、従来よりも厳しいヒートサイクル条件の下でもクラック発生が抑えられることが求められている。しかし、従来技術では、熱サイクルで生じる金属部と金属－炭化珪素複合体との熱膨張係数差によって生じる熱応力が大きくなり、クラックが発生しやすいという問題があった。
すなわち、従来よりも高い耐クラック性を持ち、最近の厳しい信頼性要求を満たす金属－炭化珪素複合体ないし放熱部品が求められている。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものである。本発明は、従来よりも高い耐クラック性を持ち、厳しい信頼性要求を満たしうる放熱部材を提供することを目的とする。

本発明者らは、鋭意検討の結果、以下に提供される発明をなし、上記課題を解決した。

本発明によれば、
実質的に矩形平板状である放熱部材であって、
当該放熱部材は、空隙を有する炭化珪素に金属が含浸された複合体部と、前記複合体部とは異なる金属部とを備え、
当該放熱部材の全体の体積に対する、前記金属部の体積の割合は２．９％以上１２％以下であり、
当該放熱部材の対角線の長さをＬとし、当該放熱部材を一方の主面を上面として上面視したとき、前記金属部の全体積のうち４０％以上が、当該放熱部材の四隅のいずれかの頂点から距離Ｌ／６の領域Ｄ内に存在し、
前記領域Ｄの前記金属部を貫通する孔を有する、放熱部材、
が提供される。

本発明によれば、従来よりも高い耐クラック性を持ち、厳しい信頼性要求を満たしうる放熱部材が提供される。

上述した目的、およびその他の目的、特徴および利点は、以下に述べる好適な実施の形態、およびそれに付随する以下の図面によってさらに明らかになる。

第１実施形態の放熱部材を説明するための模式的な図である。図１（ａ）は放熱部材を一方の主面を上面として上面視したときを表し、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ－Ａ'断面図である。 第１実施形態の放熱部材を説明するための模式的な図である。説明のために補助線等を加筆している。 図１（ａ）のαで示した部分を拡大した図である。説明のために補助線等を加筆している。 図１（ａ）のαで示した部分を拡大した図である。説明のために補助線等を加筆している。 第１実施形態の放熱部材を説明するための模式的な図である。説明のために補助線等を加筆している。 第１実施形態の放熱部材を説明するための模式的な図である。説明のために補助線等を加筆している。 第２実施形態の放熱部材を説明するための模式的な図である。図７（ａ）は放熱部材を一方の主面を上面として上面視したときを表し、図７（ｂ）は図７（ａ）のＢ－Ｂ'断面図である。 第２実施形態の放熱部材の一部を拡大して示した模式的な図である。説明のために補助線等を加筆している。 第３実施形態の放熱部材を説明するための模式的な図である。図９（ａ）は放熱部材を一方の主面を上面として上面視したときを表し、図９（ｂ）は図９（ａ）のＣ－Ｃ'断面図である。 第４実施形態の放熱部材を説明するための模式的な図である。放熱部材を一方の主面を上面として上面視したときを表す。 放熱部材の体積を求めるための測定位置について説明するための図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ、詳細に説明する。
すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
煩雑さを避けるため、（ｉ）同一図面内に同一の構成要素が複数ある場合には、その１つのみに符号を付し、全てには符号を付さない場合や、（ｉｉ）特に図２以降において、図１と同様の構成要素に改めては符号を付さない場合がある。
すべての図面はあくまで説明用のものである。図面中の各部材の形状や寸法比などは、必ずしも現実の物品と対応するものではない。また特に、図２から図６は、図１（ａ）の一部の拡大図ではあるが、説明のわかりやすさ等のため、各部位の相対的な大きさ等が必ずしも図１（ａ）のそれと一致しないことがある。

本明細書中、「略」という用語は、特に明示的な説明の無い限りは、製造上の公差や組立て上のばらつき等を考慮した範囲を含むことを表す。

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態の放熱部材（放熱部材１）を説明するための模式的な図である。
図１（ａ）は、放熱部材１を、一方の主面を上面として上面視したときを表し、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ－Ａ'断面図である。
図１（ａ）に示されるように、放熱部材１は、実質的に矩形平板状である。すなわち、放熱部材１は、その一方の主面を上面として上面視したとき、実質的に矩形の平板状である。

放熱部材１は、典型的には、その四隅に金属部５を備えている。
また、放熱部材１の周縁部に、金属部５の一部が連続的に設けられていてもよい。ここで「周縁部」とは、放熱部材１の一方の主面を上面として上面視したときの短辺の長さをＬ１、長辺の長さをＬ２としたとき、短辺から放熱部材１の内側方向にＬ２／１０以内、または、長辺から放熱部材１の内側方向にＬ１／１０以内の領域をいう。

一方、放熱部材１における、金属部５以外の部分は、通常、空隙を有する炭化珪素に金属が含浸された複合体部２（以下、単に複合体部２とも表記する）で構成されている。そして、放熱部材１の全体の体積に対する、金属部５の体積の割合は、２．９％以上１２％以下である。

図２は、放熱部材１について説明するための追加の図であり、図１（ａ）の放熱部材１にいくつかの補助線や文字を加筆したものである。
図２においては、矩形平板状の放熱部材１の対角線の長さをＬとしている。また、放熱部材１を、その一方の主面を上面として上面視したとき、放熱部材１の四隅のいずれかの頂点から距離Ｌ／６の領域を「領域Ｄ」と表記している。
ここで、放熱部材１は、領域Ｄ内に存在する金属部５を貫通する孔３を有している。孔３は、通常は金属部５のみを貫通し、複合体部２を通らない。また、孔３は通常、放熱部材１の両主面間を貫くように設けられ、好ましくは放熱部材１の主面に略垂直に設けられている。孔３にネジ等の固定部材を挿通させることにより、放熱部材１を他の部品に固定することができる。
また、金属部５の全体積のうち４０％以上が、領域Ｄ内に存在する。

補足しておくと、放熱部材１が「実質的に矩形」であるとは、例えば図１に示されるように、放熱部材１の四隅のうち少なくとも１つが、直角形状ではなく、やや丸みを帯びた形状であってもよいことを意味する（もちろん、四隅は直角形状であってもよい）。

ここで、放熱部材１の四隅のうち少なくとも１つが丸みを帯びた形状である場合、矩形の「頂点」は図３に示されるように定義することができる（図３は、図１（ａ）のαで示した部分を拡大した図である）。すなわち、放熱部材１を上面視したときの短辺と長辺の直線部分を延長したときに交差する点Ｐを「頂点」と定義することができる。また、図３に示されるようにして決めた点Ｐを、図２における長さ「Ｌ」を測定する際の始点または終点とすることができる。

放熱部材１の如き放熱部材が、従来よりも高い耐クラック性を持ち、厳しい信頼性要求を満たしうる理由については、以下のように説明することができる。

放熱部材１について敢えて大雑把に説明すると、放熱部材１は、
（１）放熱部材１の全体の体積に対する金属部５の体積の割合は２．９％以上１２％以下であり、
（２）その金属部５の多くの部分または全部が、放熱部材１の四隅に近い部分に存在し、
（３）そして、その四隅に近い部分の金属部５の部分に貫通孔（孔３）がある
といった特徴を有するものである。

ここで、放熱部材１の全体の体積に対する金属部５の体積の割合が「２．９％以上」で、かつ、その金属部５の大部分または全部が放熱部材１の四隅に近い部分に存在することで、他の部品に取り付けるのに適した（十分大きな）サイズの孔３を金属部５に設けることができる。これにより、放熱部材１をしっかりと他の部品に取り付けることができ、信頼性の向上につながると考えられる。
一方、金属部５と複合体部２は、熱膨張係数が異なるところ、放熱部材１の全体の体積に対する金属部５の体積の割合が「１２％以下」であることで、熱サイクルによって生じる熱応力を十分に小さくすることができる。このことは特にクラックの低減（とりわけ、複合体部２と、領域Ｄ内に存在する金属部５との界面付近におけるクラックの低減）に効果的と考えられる。
そして、複合体部２に比べて「割れにくい」「クラックが入りにくい」金属部５の部分に貫通孔（孔３）があることによっても、貫通孔周辺すなわちネジで締め付けられる部分周辺のクラックが一層低減されると考えられる（金属の展延性により、金属部５の部分にある孔３に、ネジなどからの力がかかっても、クラック発生が抑えられると考えられる）。

加えて、金属部５は、複合体部２に比べて弾性率が低い傾向にある。このことは、孔３を形成する際に割れ等が発生しにくい、または、放熱部材１を他の部品にネジ等で取り付ける際に割れ等が発生しにくい、といったメリットにつながる（弾性率が低いことは、衝撃を吸収しやすいことにつながる）。
このメリットは、放熱部材１を他の部品にネジ等で取り付けやすくなることを意味し、生産性の向上等の点で好ましい。

補足すると、上記で説明したクラックの低減ないし信頼性の向上は、従来技術で達成されていたレベルよりも更に高いものである。
例えば、前述の特許文献２の実施例では、－４０℃で３０分間と、１２５℃で３０分間の熱サイクルを３００回繰り返してクラックや割れの有無が無かったことが示されているが、第１実施形態の放熱部材（および後述の第２、第３実施形態の放熱部材）では、それより過酷な、－４０℃で３０分間と、１５０℃で３０分間（特許文献２の実施例の条件より２５℃高い）の熱サイクルを３００回繰り返しても、クラックや割れを抑えうる。

放熱部材１の全体の体積に対する金属部５の体積の割合は、より一層のクラック低減の観点から、３．０％以上１１．８％以下が好ましく、３．２％以上１１．５％以下がより好ましい。

領域Ｄ内に存在する金属部５の厚みは、複合体部２の厚みと略等しいことが好ましい。孔３周辺の金属部５が、複合体部２と比較して十分に厚いことで、十分な靱性、より良好な耐クラック性などを得ることができる。
ここで、厚みが「略等しい」とは、（金属部５の厚み／複合体部２の厚み）が、例えば０．８以上１．２以下、好ましくは０．９以上１．１以下であることを意味する。
補足すると、ここでの「複合体部２の厚み」は、例えば、後述の図１１で説明する厚み測定で求められる厚みを採用することができる。また、「金属部５の厚み」は、金属部５が図１のように放熱部材１の上面から下面まで連続的に存在している場合には、金属部５をマイクロメータやノギスで測定する等により求めることができる。もちろん、厚みの求め方はこれらに限定されず、ある程度の精度で測定可能な任意の方法を採用することができる。

補足すると、図２では、四隅にある４つの領域Ｄ内に、それぞれ、略同体積（上面視においては略同面積）の金属部５が存在する。放熱部材１全体としての信頼性、特定の箇所のみに過度な応力をかからないようにする等の観点から、４つの領域Ｄ内に、それぞれ、略同体積の金属部５が存在することが好ましい。
より具体的には、四隅にある４つの領域Ｄにおいて、含まれる金属部５の体積が一番大きい領域Ｄ中の金属部５の体積をＶｍａｘとし、含まれる金属部５の体積が一番小さい領域Ｄ中の金属部５の体積をＶｍｉｎとしたとき、Ｖｍａｘ／Ｖｍｉｎの値が１以上１．２以下であることが好ましい。

領域Ｄ内に存在する金属部５の体積をＶ_{ｍｅｔａｌ}とし、孔３の体積をＶ_ｈｏｌｅとしたとき、Ｖ_ｈｏｌｅ／（Ｖ_{ｍｅｔａｌ}＋Ｖ_ｈｏｌｅ）値は、０．６０以下であることが好ましく、０．５５以下であることがより好ましく、０．５０以下であることがさらに好ましい。Ｖ_ｈｏｌｅ／（Ｖ_{ｍｅｔａｌ}＋Ｖ_ｈｏｌｅ）の値の下限は特にないが、製造適性などを鑑みると、例えば０．１以上、好ましくは０．３以上、より好ましくは０．５以上とすることができる。
念のため補足すると、孔３の体積Ｖ_ｈｏｌｅとは、２つの主面間の孔３における孔３が占める体積のことである。例えば、孔３が円柱状であり、放熱部材１の主面に略垂直に設けられている場合には、「放熱部材１の一方の主面を上面として放熱部材１を上面視したときの孔３の面積×孔３近傍の放熱部材１の厚み」の計算によりＶ_ｈｏｌｅを求めることができる。別の言い方として、Ｖ_ｈｏｌｅは、放熱部材１に孔３を設けるに際し、放熱部材１から「くり抜かれた」部分の体積ということもできる。
図４は、図１（ａ）のαで示した部分を拡大した図（放熱部材１の四隅のうちの一つを拡大した図）である。図４において、領域Ｄ内に存在する金属部５の体積をＶ_{ｍｅｔａｌ}とし、孔３の体積をＶ_ｈｏｌｅとしたとき、Ｖ_ｈｏｌｅ／（Ｖ_{ｍｅｔａｌ}＋Ｖ_ｈｏｌｅ）の値が上記の数値範囲にあることが好ましい。

上記事項は、孔３の大きさが、領域Ｄ内に存在する金属部５に対して相対的に小さい（大きすぎない）ことを意味する。これにより、ヒートサイクルによる応力（特に、孔３周辺にかかる応力）を十二分に受け止められる量の金属が領域Ｄ内に存在できる。よって、クラック低減等をより高度に実現することができる。

別観点として、図５に示されるように、放熱部材１の一方の主面を上面として放熱部材１を上面視したときの、孔３の半径をｒとしたとき、孔３の中心からの距離が１．３ｒ以内の領域には複合体部２が存在しないことが好ましい。より好ましくは、孔３の中心からの距離が１．５ｒ以内の領域には複合体部２が存在しないことが好ましい。別の言い方としては、孔３の中心からの距離が１．３ｒ以内の領域には、孔３自体または金属部５のみが存在することが好ましい。

上記事項は、孔３の大きさが、領域Ｄ内に存在する金属部５に対して相対的に小さい（大きすぎない）ことに加え、孔３が、領域Ｄ内に存在する金属部５の「端っこ」ではなくその「中心付近」に存在することを意味する。これにより、放熱部材１をネジで留める際、ネジの「頭」の部分全体が金属部５の領域に収まりやすくなり、取り付け時の割れ等を一層発生しにくくすることができる。また、領域Ｄ内に存在する金属部５全体として、ヒートサイクルによる応力（特に、孔３周辺にかかる応力）をより均一に受け止めることができ、クラック低減等をより高度に実現することができるとも考えられる。

補足すると、もし、孔３を上面視したときの形状が実質的に真円とみなせない場合には、「孔３の中心」としては、孔３の幾何学的な重心を採用し、「孔３の半径」としては、孔３の面積と同じ面積となる円の半径を採用することができる。

さらに別観点として、図６に示されるように、放熱部材１の一方の主面を上面として放熱部材１を上面視したとき、好ましくは、放熱部材１の頂点Ｐからの距離がＬ／４０以内の領域には、孔３が存在しない（Ｌは、前述のように、放熱部材１の対角線の長さである）。より好ましくは、頂点Ｐからの距離がＬ／３５以内の領域には、孔３が存在しない。

上記事項は、孔３が放熱部材１の「ギリギリ端」にあるのではなく、端（頂点）からある程度離れた場所に孔３が設けられていることを意味する。これにより、放熱部材１全体として応力を均一に受け止めやすくなる、孔３周辺のみに過度な応力がかからない、等の技術的効果が考えられる。すなわち、クラック等の一層の低減効果があると考えられる。

前述のように、放熱部材１の周縁部には、連続的に金属部５が設けられていてもよい。換言すると、放熱部材１は、放熱部材１を外周面方向から見たとき、金属部５の一部が、外周面の一部または全部に形成された構造であってもよい。
金属部５が、孔３の周辺または放熱部材１の四隅近辺のみに存在するのではなく、放熱部材１の外周面にも存在することで、金属部５全体として応力を均一に受け止めやすくなる。これにより、クラック等を一層低減することができる。

第１実施形態では、孔３は放熱部材１の四隅にのみ設けられている。しかし、放熱部材１が取り付けられる他の部品の構成や、放熱部品を構成する各種材料の特性などを考慮して、孔３は放熱部材１の四隅以外の場所に存在してもよい。例えば、放熱部材１の長辺の中点付近などに追加の孔３があってもよい。
また、第１実施形態では、一つの領域Ｄ内に一つの孔３が設けられているが、一つの領域Ｄ内に複数の孔３が設けられていてもよい。

放熱部材１の縦横の長さは、一例として、６０×１００ｍｍから１４０×２００ｍｍ程度である。
放熱部材１の厚みは、一例として２ｍｍ以上６ｍｍ以下、好ましくは３ｍｍ以上５ｍｍ以下である。
孔３の半径ｒは、一例として３ｍｍ以上１２ｍｍ以下である。

金属部５や複合体部２の材質、素材について説明する。
金属部５は、アルミニウム、銅、マグネシウム、銀などのうちの、いずれか１種を主成分（５０質量％以上）とする金属であることができる。このような金属を金属部５の素材とすることで、放熱部材１は、放熱部品として好適な熱伝導率、熱膨張係数などを備えることができる。
金属部５は、アルミニウムまたはマグネシウムを主成分とする金属であることが好ましく、アルミニウムを主成分とする金属であることがより好ましい。

金属部５は、上記の主成分たる金属以外に、他の元素を含んでもよい。例えば、金属部５は、アルミニウムを主成分とし、０．１質量％以上１．５質量％以下のマグネシウムと０．１質量％以上１８質量％以下のシリコンを含有することが好ましい。アルミニウムにシリコンやマグネシウムが合金化することにより、合金の融点低下や高温での溶融金属の粘性低下があり、高温鋳造等で緻密な複合体を得やすくなるという利点がある。

金属部５は、金属のほか、例えば、無機繊維を含むことが好ましい。金属部５が無機繊維を含むことで、放熱部材１の製造時の引け鬆の発生を抑制することができる（例えば、引け鬆の大きさの最大値を１．０ｍｍ^２以下としやすい）。なお、放熱部材１の製造方法については後述する。
また、金属部５が無機繊維を含むことにより、孔３およびその周辺の金属部５の一層の強靭化を図ることができる。
さらに、金属部５が無機繊維を含むことにより、複合体部２との熱膨張係数差を小さくでき、熱サイクルでの熱応力を一層小さくすることもできる。

無機繊維の素材としては、金属、金属酸化物、ガラス、カーボン等が挙げられる。中でも、金属酸化物が好ましく、アルミナまたはシリカ繊維が特に好ましい。
特に、金属部５の主成分たる金属がアルミニウムである場合、アルミニウムとの親和性の観点から、金属部５にアルミナ繊維を含ませることが好ましい。アルミナ繊維としては、アルミナ含有量が７０％以上の結晶質のアルミナ繊維であることが、アルミニウムとの親和性という理由より特に好ましい。
上記の各効果をバランスよく発現させる観点や、孔３の加工の容易性などから、無機繊維の量は、金属部５全体に対して、好ましくは３体積％以上３０体積％以下、より好ましくは５体積％以上２８体積％以下である。

典型的には、複合体部２は、空隙を有する炭化珪素（プリフォームなどとも呼ばれる）に金属が含浸されたものである。
空隙を有する炭化珪素は、例えば、平均粒子径が１μｍ以上３００μｍ以下の炭化珪素粒子を一種又は二種以上準備し、これを圧縮して成形、さらに加熱焼成することで得ることができる。ここでの炭化珪素（金属を含浸する前の、空隙を有する炭化珪素の成形体）の相対密度は５５％以上７５％以下であることが好ましく、５７％以上７３％以下がより好ましく、６０％以上７０％以下がさらに好ましい。
炭化珪素の相対密度を５５％以上７５％以下とすることにより、放熱部材１の熱膨張係数を６ｐｐｍ／Ｋ以上１０ｐｐｍ／Ｋ以下程度に設計しやすい。このような設計により、熱サイクルで発生する熱応力を一層小さくしやすい。
炭化珪素の相対密度は、金属を含浸する前の空隙を有する炭化珪素の成形体の体積中に占める炭化珪素の体積割合で定義される。
成形体の作製時には、炭化珪素の他にもバインダーを混ぜることができる。成形体中に残留するバインダーの割合は、典型的には、炭化珪素の相対密度に対して１０％以下である。

複合体部２に含浸される金属と、金属部５が含む金属は、同一の金属である（合金である場合には、同一の合金組成である）ことが好ましい。
これは、一つには、後述する製造方法に関係する。すなわち、炭化珪素の成形体に金属を含浸させて、複合体部２および金属部５を一括して形成すると、複合体部２に含浸される金属と、金属部５が含む金属は、同一の金属となる。要するに、複合体部２に含浸される金属と、金属部５が含む金属を同一とすることで、製造が容易になるメリットがある。
また、複合体部２に含浸される金属と、金属部５が含む金属が同一であることで、各部の熱膨張係数を揃えやすく、そして熱応力を一層低減しやすいということも言える。

（放熱部材１の製造方法）
放熱部材１の製造方法について説明する。当然ながら、放熱部材１の製造方法は、以下に説明する方法のみに限定されない。公知の各種手法を用いて放熱部材１を製造すればよい。

例えば、放熱部材１は、以下の手順で製造することができる。
（１）切り欠き部を有し、炭化珪素を含む平板状の成形体（空隙を有する）を形成する工程
（２）成形体の切り欠き部に無機繊維を配置する工程
（３）成形体及び無機繊維に金属を含浸させて複合体部２及び金属部５を形成する工程
（４）金属が含浸した成形体を、平板状の放熱部材１の形状に切り出す工程
（（１）や（２）の「切り欠き部」とは、例えば、矩形平板状の成形体において、最終的に得られる放熱部材１の金属部５に対応する部分（四隅の部分等）が欠損していることを意図している。）

上記手順についてより詳しく説明する。
上記（１）の、切り欠き部を有し、炭化珪素を含む平板状の成形体（空隙を有する）を形成する工程において、原料の炭化珪素粉末を成形する方法として、公知の乾式プレス法、湿式プレス法、押出し成型法、インジェクション法、キャスティング法、シート成形後打ち抜く方法等を用いることができる。
このとき、金属の含浸時に割れなどの異常を発生しないような強度を発現させるために、無機質または有機質のバインダーを適宜添加してもよい。高強度の成形体が得やすいため、バインダーとしてはシリカゾルが好ましい。バインダーは、体積比率で、固形分として炭化珪素１００に対し２０以下の添加が、相対密度の向上という理由より好ましい。

例えば湿式プレス法を適用する場合には、多孔質の凹凸型を用意し、凹型内に炭化珪素粉末、バインダー、水等を成分とするスラリーを充填し、凸型で圧縮成形すればよい。湿式プレス法を適用する場合には、例えば図１に示されるように金属部５が放熱部材１の外周面の一部を形成するよう、成形体に切り欠き部が形成されるように付形されていればよい。
切り欠き部は、好ましくは、圧縮成形時に、所望の切り欠き部の形状を有する型枠等を用いることで形成することができる。また、切り欠き部は、板状の成形体を機械加工（切削、切断等）することでも形成できる。

上記のようにして作製された成形体は、製造条件によって異なるものの、通常は乾燥、加熱脱脂処理を経た後、所定の強度を有する成形体を得るため焼成される。
焼成条件としては、不活性雰囲気中や大気中、７００℃以上の温度で行うことが好ましい。ただし、大気中の場合、１１００℃以上の温度で焼成すると、炭化珪素が酸化し得られる複合体の熱伝導率が低下する場合がある。よって、この温度以下で焼成することが好ましい。

前述したように、成形体の相対密度は５５％以上７５％以下とすることが好ましい。成形体の相対密度を５５％以上７５％以下とすることにより、放熱部材１の熱膨張係数を６ｐｐｍ／Ｋ以上１０ｐｐｍ／Ｋ以下程度に設計しやすい。
成形体の相対密度を５５％以上７５％以下とするには、粒度の異なる炭化珪素粉末を配合することが好ましい。炭化珪素の場合、平均粒径が１００μｍの粉末と平均粒径が１０μｍ又はこれより細かい粉末を混合したもの、あるいは平均粒径が６０μｍの粉末と平均粒径が１０μｍ又はこれより細かい粉末を混合した粉末の使用がその一例として挙げられる。
ここで、平均粒径は、走査型電子顕微鏡（例えば日本電子社製「ＪＳＭ－Ｔ２００型」）と画像解析装置（例えば日本アビオニクス社製）を用い、１０００個の粒子について求めた径の平均値を算出することによって求めることができる。

上記（２）の、成形体の切り欠き部に無機繊維を配置する工程では、成形体の切り欠き部、すなわち四隅の金属部５を設ける部分に、無機繊維を配置することが好ましい。これにより、金属の含浸時に発生する引け鬆を抑制できる。また、金属部５の熱膨張係数を複合体部２のそれに近づけやすくなり、熱サイクルによる応力の一層の低減につながる。
用いることができる無機繊維の例は前述のとおりである。よって改めての説明は省略する。

上記（３）の、成形体及び無機繊維に金属を含浸させて複合体部２及び金属部５を形成する工程では、成形体へ金属を含浸させるために、いわゆる溶湯鍛造法やダイカスト法が採用できる。

溶湯鍛造法の場合、製品形状を持つ湯口付きの型内に成形体を充填し、更にこれをプレス凹型内にセットする。その後、金属の溶湯を凹型内に注入し、凸型で密閉し、プレスする。さらにその後、溶湯を冷却固化してブロック状とする。冷却後、成形体に金属が含浸されたもの（金属－炭化珪素複合体）を得ることができる。
湯口付き型の形状を工夫することで、一度に複数の金属－炭化珪素複合体を得ることもできる。

ダイカスト法は、成形体を製品形状のキャビティーを有する金型内にセットし、型締めを行い、その後、金属を高速注入し、複合体を得る方法である。

成形体および無機繊維へ金属の溶湯を含浸させる場合、いずれの方法においても、成形体および無機繊維は含浸前に加熱されていることが好ましい。これは、含浸途中において、成形体内で溶融した金属が含浸不十分のままに固化することを防ぐためである。
例えば、アルミニウムを主成分とする金属を含浸させる場合、使用するアルミニウム合金の組成や成形体の大きさ・形状等により異なるが、５５０℃以上に加熱しておくことが好ましい。
また、含浸させる溶融アルミニウムまたはその合金の溶湯温度は、通常７５０℃以上が好ましい。アルミニウムを含有する金属が、０．１質量％以上１．５質量％以下のマグネシウムと０．１質量％以上１８質量％以下のシリコンを含有する場合、温度条件は９００℃以下が特に好ましい。

上記（４）の、金属が含浸した成形体を、平板状の放熱部材１の形状に切り出す工程では、複合体部２、孔３、金属部５などを所定の形状に切り出して形成する。
より具体的には、金属が含浸した形成体を室温まで冷却し、その後、湿式バンドソー等で切断することで、所望の形態の放熱部材１を得ることができる。

上記の製造方法によって製造された放熱部材１は、その一部に金属部５を備える。そして、その金属部５に孔３を設けることができる。

＜第２実施形態＞
図７は、第２実施形態の放熱部材（放熱部材１Ｂ）を説明するための模式的な図である。
図７（ａ）は、放熱部材１Ｂを、一方の主面を上面として上面視したときを表し、図７（ｂ）は図７（ａ）のＢ－Ｂ'断面図である。
図７（ａ）に示されるように、放熱部材１は、実質的に矩形平板状である。すなわち、放熱部材１は、その一方の主面を上面として上面視したとき、実質的に矩形の平板状である。

放熱部材１Ｂにおいては、その周縁部の少なくとも一部を含む第一金属部５Ａと、その周縁部および第一金属部５Ａと接していない第二金属部５Ｂとが存在する。特にこの点において、放熱部材１Ｂは、第１実施形態の放熱部材１と異なっている（第１実施形態の放熱部材１においては、全ての金属部５は「一続き」になっている）。

ここで、第二金属部５Ｂは、好ましくは、図８に示されるように、放熱部材１Ｂ内の最も近い頂点からＬ／５５からＬ／５、より好ましくはＬ／５０からＬ／８の範囲に存在する（Ｌは、放熱部材１Ｂの対角線の長さである）。
また、第二金属部５Ｂには、孔（孔３）が貫通している。孔３は、通常は金属部５Ｂのみを貫通し、複合体部２を通らない。また、孔３は通常、放熱部材１の両主面間を貫くように設けられ、好ましくは放熱部材１の主面に略垂直に設けられている。

第２実施形態においては、金属部が第一金属部５Ａおよび第二金属部５Ｂに分かれ、そしてその第二金属部５Ｂが放熱部材１Ｂの頂点から適度に離れている。これらのことにより、第２実施形態は、放熱部材１Ｂ全体に対する金属部の割合を比較的小さく設計しやすく、それでいて孔３周辺の靱性を十分とすることができる等の技術的意義（第１実施形態にはない追加の技術的意義）を有する。

第２実施形態において、以下の点は、基本的に第１実施形態と同様とすることができる。よって改めての説明は省略する。
・放熱部材１Ｂの周縁部には、連続的に金属部（図７（ａ）および図７（ｂ）においては、第一金属部５Ａ）が設けられていてもよい点
・放熱部材１Ｂにおける、金属部（図７（ａ）および図７（ｂ）においては、第一金属部５Ａおよび第二金属部５Ｂ）以外の部分は、通常、空隙を有する炭化珪素に金属が含浸された複合体部２（複合体部２）で構成される点
・放熱部材１Ｂの全体の体積に対する、金属部（第一金属部５Ａおよび第二金属部５Ｂ）の体積の割合は、２．９％以上１２％以下である点
・金属部（第一金属部５Ａおよび第二金属部５Ｂ）の全体積のうち４０％以上が、放熱部材１Ｂの四隅のいずれかの頂点から距離Ｌ／６の領域Ｄ内に存在する点

上記に明記しなかった特徴や、放熱部材１Ｂの製造方法などについても、基本的には第１実施形態と同様とすることができる。

＜第３実施形態＞
図９は、第３実施形態の放熱部材（放熱部材１Ｃ）を説明するための模式的な図である。
図９（ａ）は、放熱部材１Ｃを、一方の主面を上面として上面視したときを表し、図９（ｂ）は図９（ａ）のＣ－Ｃ'断面図である。
図９（ａ）に示されるように、放熱部材１Ｃは、実質的に矩形平板状である。すなわち、放熱部材１Ｃは、その一方の主面を上面として上面視したとき、実質的に矩形の平板状である。

放熱部材１Ｃの主面には、表面金属層４が存在する。特にこの点において、放熱部材１Ｃは、第１実施形態の放熱部材１や第２実施形態の放熱部材１Ｂとは異なっている。

典型的には、表面金属層４は、金属部５を構成する金属と同じ金属で構成することができる。すなわち、図９において、表面金属層４と金属部５は別のハッチングで示されているが、表面金属層４と金属部５が同じ金属で構成されている場合、通常、表面金属層４と金属部５には「境界」は無い。

補足しておくと、第３実施形態のように放熱部材１Ｃに表面金属層４が存在する場合、表面金属層４の体積も、金属部５の体積に含めるものとする。
すなわち、第３実施形態においては、放熱部材１Ｃの全体に対する、表面金属層４と金属部５を合わせた体積が、２．９％以上１２％以下である。また、表面金属層４と金属部５を合わせた全体積のうち４０％以上が、放熱部材１Ｃの四隅のいずれかの頂点から距離Ｌ／６の領域Ｄ内に存在する。
表面金属層４の体積を金属部５の体積に含める理由は、上述のように、表面金属層４と金属部５に「境界」が無い場合があるためである。

図９（ｂ）において、表面金属層４の厚みは、例えば上下あわせて１００μｍ以上３００μｍ以下程度である。
また、表面金属層４の表面に、さらにメッキ層が存在してもよい（図９には示していない）。メッキ層は、例えばＮｉメッキであることができる。メッキ層の厚みは、一層あたり１０μｍ程度、上下あわせて２０μｍ程度とすることができる。

第３実施形態において、例えば以下の点は、基本的に第１実施形態または第２実施形態と同様とすることができる。よって改めての説明は省略する。
・放熱部材１Ｃの周縁部には、連続的に金属部５が設けられていてもよい点
・放熱部材１Ｃにおける、金属部５以外の部分（および表面金属層４以外の部分）は、空隙を有する炭化珪素に金属が含浸された複合体部２（複合体部２）で構成されている点

また、上記に明記しなかった特徴や、放熱部材１Ｃの製造方法などについても、基本的には第１実施形態等と同様とすることができる。
製造方法について１点補足すると、表面金属層４は、第１実施形態の放熱部材１の製造方法において、前述の（３）の、成形体及び無機繊維に金属を含浸させて複合体部２及び金属部５を形成する工程、を工夫することで形成することができる。例えば、その工程（３）において、凹型および／または凸型の形態を工夫する、より具体的には、型と成形体との間に、表面金属層４に相当する「隙間」を設けるといった工夫により形成することができる。

＜第４実施形態＞
図１０は、第４実施形態の放熱部材（放熱部材１Ｄ）を説明するための模式的な図である。放熱部材１Ｄを、一方の主面を上面として上面視したときを表している。
放熱部材１Ｄは、各隅の金属部５に２つずつ、計８つの孔３（放熱部材１Ｄの厚み方向に設けられた貫通孔）を有している。計８つの孔３を有することで、ネジ等によって一層強固に放熱部材１Ｄを他の部品に固定することができる。また、ネジ４つで放熱部材を他の部品に固定する場合よりもネジ１本あたりにかかる力が分散されるため、孔３周辺のクラックや割れを一層低減できると考えられる。

第４実施形態において、以下の点は、基本的に第１実施形態、第２実施形態または第３実施形態と同様とすることができる。よって改めての説明は省略する。
・放熱部材１Ｄの周縁部には、連続的に金属部５が設けられていてもよい点
・放熱部材１Ｄにおける、金属部５以外の部分（および表面金属層４以外の部分）は、空隙を有する炭化珪素に金属が含浸された複合体部２（複合体部２）で構成されている点
・放熱部材１Ｄの全体の体積に対する、金属部５の体積の割合は、２．９％以上１２％以下である点
・金属部５の全体積のうち４０％以上が、放熱部材１Ｄの四隅のいずれかの頂点から距離Ｌ／６の領域Ｄ内に存在する点

上記に明記しなかった特徴や、放熱部材１Ｄの製造方法などについても、基本的には第１実施形態等と同様とすることができる。

以上、本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することができる。また、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。

本発明の実施態様を、実施例および比較例に基づき詳細に説明する。なお、本発明は実施例に限定されるものではない。

（放熱部材の作成）
市販の高純度炭化珪素粉末Ａ（平均粒径：２００μｍ）、炭化珪素粉末Ｂ（平均粒径：２０μｍ）およびシリカゾル（日産化学社製：スノーテックス）を質量比７０：４０：５で配合し、攪拌混合機で１時間混合して、混合粉末を得た。
この混合粉末に１０ＭＰａの圧力をかけ、大きさ１６０ｍｍ×１２０ｍｍ×７ｍｍで、四隅に後掲の表に示す大きさの切り欠き部を有する平板状に成形した。これを温度１００℃で２時間乾燥させ、その後、大気中、９００℃で２時間加熱して、炭化珪素成形体を作製した。なお、切り欠き部には、アルミニウム質短繊維（ムライト質のセラミックスファイバー、デンカ株式会社製「アルセン（登録商標）」）を、後掲の表に記載の量で充填した。
なお、得られた炭化珪素成形体を、２０ｍｍφ×７ｍｍの形状に加工して、その寸法と質量より相対密度を求めた。相対密度は６５％であった。

次に、得られた炭化珪素成形体を、ダイヤモンド加工治具で４．８ｍｍの厚さに加工し、１０枚の各試料間を、離型剤を塗布したＳＵＳ板で挟み、さらに１２ｍｍ厚の鉄板を、１０ｍｍφのボルト及びナットで固定して一つのブロックを形成した。

上記のブロック４個を１ブロックとして、電気炉で温度６５０℃に予備加熱し、予め加熱しておいた内寸３２０ｍｍ×２６０ｍｍ×４４０ｍｍの空隙を有するプレス型内に載置した。
そして、温度８００℃に加熱したアルミニウム合金（シリコンを１２質量％、マグネシウムを０．５質量％含有する）の溶湯をプレス型内に流し込み、６０ＭＰａの圧力で２０分以上プレスして、炭化珪素成形体にアルミニウム金属を含浸させた。
上記工程により得られた複合体を含む金属塊を、室温まで冷却し、その後、湿式バンドソーにて切断して、アルミニウム合金と炭化珪素とからなる複合体部およびアルミニウム合金の金属部を含む、１７０ｍｍ×１３０ｍｍ×５ｍｍの平板状の、金属－炭化珪素複合体を取り出した。

そして、得られた金属－炭化珪素複合体の外周を１６２ｍｍ×１２２ｍｍに機械加工した（つまり、含浸前の炭化珪素成形体の大きさと比較して、周縁部に＋１ｍｍの金属が形成されるように機械加工を行った）。その後、４つの角部に、それぞれ、直径７．０ｍｍの孔（貫通孔）を機械加工にて形成し、図１に示されるような板状の放熱部材を作製した。より具体的には以下のとおりである。

（ｉ）実施例１から１２および実施例１５から１８、ならびに、比較例１および２においては、孔の位置は、前述の、金属含浸前の炭化珪素成形体における切り欠き部の中心と、孔（貫通孔）の中心とが一致する位置とした。例えば、実施例１であれば、切り欠き部があった場所に対応する１７ｍｍ×１７ｍｍの正方形領域の中心に、直径７．０ｍｍの孔を設けた。
（ｉｉ）実施例１３においては、金属含浸前の炭化珪素成形体における切り欠き部の大きさを鑑み、切り欠き部があった場所に対応する７ｍｍ×７ｍｍの金属部と、周縁部の＋１ｍｍの金属部とをあわせた、８ｍｍ×８ｍｍの正方形領域の中心に、直径７．０ｍｍの孔を設けた。
（ｉｉｉ）実施例１４においては、実施例１３と同様に、切り欠き部があった場所に対応する６．５ｍｍ×６．５ｍｍの金属部と、周縁部の＋１ｍｍの金属部とをあわせた、７．５ｍｍ×７．５ｍｍの正方形領域の中心に、直径７．０ｍｍの孔を設けた。

すなわち、各実施例および比較例において、貫通孔は、金属部が形成された部分に形成された。

得られた放熱部材については、図１１で示した各寸法を、工業顕微鏡を用いて測定した。また、マイクロメータを用いて金属部の厚みを測定し、金属部の体積を算出し、放熱部材全体に対する金属層の体積割合を算出した。また、これらの値や、元々設けた切り欠き部の大きさなどから、各種の数値を求めた。

（性能評価）
各実施例および比較例の放熱部材を、それぞれ、四隅に直径７．０ｍｍの穴を設けてある大きさ１７０ｍｍ×１３０ｍｍ×１０ｍｍのアルミニウム板に、ボルトとナットを用いて締めて固定した。この際、トルクレンチにて締め付けトルクを１５Ｎ・ｍとした。
次に、それぞれのアルミニウム板を取り付けた放熱部材を、１サイクルが－４０℃で３０分間と１５０℃で３０分間である熱サイクルに３００回かけた。その後、アルミニウム板との固定を解除した。
そして、四隅の締め付け部（孔）周辺と、複合体部と金属部との界面付近とを、超音波探傷機（日立建機社製：ＦＳ－Ｌｉｎｅ）にて測定することで、欠陥の発生有無を調べた。また、１０倍ルーペを用いて表面側からクラックおよび割れの発生有無を確認した。

表１に、放熱部材および金属含浸前の炭化珪素成形体の性状をまとめて示す。
また、表２に、評価結果をまとめて示す。

実施例１から１８の評価では、熱サイクル後に、締め付け部周辺や、複合体部と金属部の界面などにクラックや割れ等は見られなかった。すなわち、－４０℃で３０分間と１５０℃で３０分間の熱サイクル３００回という非常に過酷な評価においても異常が認められず、放熱部材に対する最近の厳しい信頼性要求を満たしうることが示された。
実施例１から１８の放熱部材は、他の部品に固定するための貫通孔の周囲の靱性が向上しており、また、貫通孔を形成した金属層の複合体全体に対する割合が十分に小さいこと等により、熱サイクル時の熱応力の発生が抑制されており、他の部品に固定する際や、固定後の実使用時においてもクラックや割れ等の破損が抑制される。

一方、比較例１および２は、放熱部材全体に対する金属部の割合が１２体積％超であり、熱サイクル後に複合体部および複合体部と金属部の界面にクラックや割れが発生した。

（実施例１９および２０：マグネシウム使用例）
実施例１および２と同様にして作成した、切り欠き部が設けられた炭化珪素成形体のブロック（１０枚の炭化珪素成形体、ボルトとナットで固定したもの）を、電気炉で、温度６００℃に予備加熱した。これを、予め加熱しておいた内寸３２０ｍｍ×２６０ｍｍ×４４０ｍｍの空隙を有するプレス型内に載置した。
その後、温度８００℃に加熱した純マグネシウムの溶湯をプレス型内に流し込み、６０ＭＰａの圧力で２０分間以上プレスして、炭化珪素成形体及びアルミニウム質短繊維にマグネシウムを含浸させた以外は、実施例１および２と同様にして金属の含浸や孔形成などを行い、放熱部材を製造した。そして、上記と同様の評価を行った。

実施例１９および２０においても、締め付け部周辺や、複合化部および複合化部と金属層の界面に、クラック、割れ等は見られなかった。つまり、金属としてアルミニウムではなくマグネシウムを用いた場合にも、放熱部材に対する最近の厳しい信頼性要求を満たしうることが示された。

この出願は、２０１８年１１月２９日に出願された日本出願特願２０１８－２２３８３０号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

Claims (10)

1. 実質的に矩形平板状である放熱部材であって、
   当該放熱部材は、空隙を有する炭化珪素に金属が含浸された複合体部と、前記複合体部とは異なる金属部とを備え、
   当該放熱部材の全体の体積に対する、前記金属部の体積の割合は２．９％以上１２％以下であり、
   当該放熱部材の対角線の長さをＬとし、当該放熱部材を一方の主面を上面として上面視したとき、前記金属部の全体積のうち４０％以上が、当該放熱部材の四隅のいずれかの頂点から距離Ｌ／６の領域Ｄ内に存在し、
   前記領域Ｄの前記金属部を貫通する孔を有する、放熱部材。
2. 請求項１に記載の放熱部材であって、
   前記領域Ｄ内に存在する前記金属部の厚みは、前記複合体部の厚みと略等しい、放熱部材。
3. 請求項１または２に記載の放熱部材であって、
   前記領域Ｄ内に存在する前記金属部の体積をＶ_{ｍｅｔａｌ}とし、前記孔の体積をＶ_ｈｏｌｅとしたとき、Ｖ_ｈｏｌｅ／（Ｖ_{ｍｅｔａｌ}＋Ｖ_ｈｏｌｅ）の値が０．６０以下である、放熱部材。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の放熱部材であって、
   当該放熱部材の一方の主面を上面として当該放熱部材を上面視したときの、前記孔の半径をｒとしたとき、前記孔の中心からの距離が１．３ｒ以内の領域には前記複合体部が存在しない、放熱部材。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の放熱部材であって、
   当該放熱部材の一方の主面を上面として当該放熱部材を上面視したとき、当該放熱部材の四隅の頂点からの距離がＬ／４０以内の領域には前記孔が存在しない、放熱部材。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の放熱部材であって、
   前記金属部の一部は、当該放熱部材の周縁部に連続的に設けられている、放熱部材。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の放熱部材であって、
   当該放熱部材の一方の主面を上面として当該放熱部材を上面視したとき、
   前記金属部は、当該放熱部材の周縁部の少なくとも一部を含む第一金属部と、当該放熱部材の周縁部および前記第一金属部と接していない第二金属部とを含み、
   前記第二金属部は、当該放熱部材内の最も近い頂点からＬ／５５からＬ／５離れて存在し、
   前記第二金属部に前記孔が貫通している、放熱部材。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載の放熱部材であって、
   前記金属部は、アルミナまたはシリカを主成分とする無機繊維を含む、放熱部材。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載の放熱部材であって、
   前記炭化珪素の相対密度が５５％以上７５％以下である、放熱部材。
10. 請求項１から９のいずれか１項に記載の放熱部材であって、
    前記複合体部に含浸された金属と、前記金属部が含む金属は、同一の金属である、放熱部材。

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