JPH1017959A - 複合材及びその製造方法 - Google Patents

複合材及びその製造方法

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JPH1017959A
JPH1017959A JP17355496A JP17355496A JPH1017959A JP H1017959 A JPH1017959 A JP H1017959A JP 17355496 A JP17355496 A JP 17355496A JP 17355496 A JP17355496 A JP 17355496A JP H1017959 A JPH1017959 A JP H1017959A
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JP
Japan
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alloy
shape memory
composite material
matrix
memory alloy
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JP17355496A
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English (en)
Inventor
Junji Ninomiya
淳司 二宮
Takuya Suzuki
卓哉 鈴木
Akira Hideno
晃 秀野
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Furukawa Electric Co Ltd
Original Assignee
Furukawa Electric Co Ltd
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  • Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光半導体や半導体を用いた電子機器部品のヒ
ートシンク、基板、パッケージ等に好適な、熱膨張率が
小さく、熱伝達性に優れ、切削加工性に優れ、軽量で、
安価な複合材を提供する。 【解決手段】 アルミニウム、アルミニウム合金、銅、
又は銅合金のマトリックス中に形状記憶合金が分散され
ている複合材。 【効果】 分散材に形状記憶合金を用いるのでその圧縮
残留応力により熱膨張率が小さく抑えられる。又マトリ
ックスにAlやCuを用いるので良好な熱伝達性が得られ
る。しかも従来のW-Cu系の複合材等に比べて切削等の加
工性に優れ、安価、且つ軽量である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、光半導体や半導体
を搭載した電子機器部品のヒートシンク、基板、パッケ
ージ等に好適な、熱膨張率が小さく、熱伝達性と切削加
工性に優れ、軽量で、安価な複合材及びその製造方法に
関する。
【0002】
【従来の技術】光半導体等を搭載した電子機器部品のヒ
ートシンクやパッケージには、使用中の温度上昇で歪み
等が生じないように、熱膨張率が小さく、熱伝達性に優
れるW-Cu系合金や Mo-Cu系合金等が用いられている。こ
の他、前記ヒートシンク等にはFe又はAl製の、メタルベ
ース/メタルコア基板が用いられている。この基板は、
従来の紙フェノール基板やガラスエポキシ基板より放熱
性に優れ、特にAl製のものは約3倍の放熱性を示す為、
その高い放熱性を生かしてハイパワーのハイブリッドI
C用基板への応用が進んでいる。なお、前記ヒートシン
クは、例えば、 Fe-Co系合金(コバール)製パッケージ
にろう付けして用いられている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし、前記W-Cu系合
金には、W が硬質な為切削加工が困難、W が高価等の問
題がある。又前記メタルベース/メタルコア基板には、
パッケージとの熱膨張率差が大きい為、温度上昇の大き
い高出力の電子機器では歪みや反りが生じ採用し難いと
いう問題がある。このようなことから、近年、Alにカー
ボン繊維や SiC繊維等のセラミック繊維を分散させた、
熱膨張率が小さく軽量のAl基複合材が開発された。しか
しこの複合材は、多量のセラミック繊維を用いる為、加
工性に劣り、高価になるという問題がある。本発明は、
光半導体や半導体を構成するシリコンやガラスの熱膨張
率に近い複合材を開発し、電子機器部品のヒートシン
ク、基板、パッケージ等に好適で、しかも熱伝達性に優
れ、切削加工性に優れ、軽量で、安価な複合材を提供す
ることを目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】請求項1記載の発明は、
アルミニウム、アルミニウム合金、銅、又は銅合金のマ
トリックス中に形状記憶合金が分散されていることを特
徴とする複合材である。
【0005】請求項2記載の発明は、形状記憶合金がCu
-Al-Mn系合金又は Ni-Ti系合金であることを特徴とする
請求項1記載の複合材である。
【0006】請求項3記載の発明は、マトリックス中に
占める形状記憶合金の体積充填率が5〜30%であること
を特徴とする請求項1又は2記載の複合材である。
【0007】請求項4記載の発明は、アルミニウムマト
リックスの純度が 99.7wt%以上、銅マトリックスの純度
が99.99wt%以上であることを特徴とする請求項1、2、
3のいずれかに記載の複合材である。
【0008】請求項5記載の発明は、形状記憶合金繊維
の多孔質繊維成形体にアルミニウム、アルミニウム合
金、銅、又は銅合金の溶湯を加圧含浸させる溶湯鍛造法
により製造することを特徴とする請求項1、2、3、4
のいずれかに記載の複合材の製造方法である。
【0009】
【発明の実施の形態】本発明は、高熱伝達性金属のAl、
Al合金、Cu、又はCu合金をマトリックスとし、この中に
分散材として粒子状、繊維状等の形状記憶合金が分散さ
れた複合材で、前記マトリックスと分散材との界面はミ
クロな金属結合により結合され、前記形状記憶合金は超
弾性特性が破壊しない程度に予歪みが付与される。この
ものは使用中の昇温で形状記憶合金に圧縮応力が生じて
複合材全体の熱膨張率が低下する。予歪み付与後、必要
に応じ、復元処理が施される。このように本発明の複合
材は熱膨張率が小さい。又本発明の複合材を形成するA
l、Al合金、Cu、Cu合金、及び形状記憶合金はいずれもW
-Cu系合金等の材料と比較して熱伝達性及び加工性に優
れる。更にW-Cu系合金等に較べて、軽量で、材料費が安
い。この為、光半導体や半導体等を搭載した電子機器用
のヒートシンク、基板、パッケージ等に好適である。
【0010】以下に、本発明の複合材を粉末治金法によ
り製造する方法について説明する。マトリックス金属粉
末と形状記憶合金粉末とを所定量配合し、これを混練
し、圧粉成形し、焼結し、必要に応じて熱間押出する。
次いでオーステナイト相温度で熱処理して分散材に形状
記憶処理を施す。その後マルテンサイト相まで冷却し、
数%冷間加工して予歪みを付与する。この状態では、A
l、Cu等のマトリックスは塑性変形するが、分散材は超
弾性を示す。次にオーステナイト相変態完了温度(Af
点)以上の温度に加熱して復元処理を行い、前記形状記
憶合金を元の記憶形状に復元させる。この処理により形
状記憶合金はその周辺がマトリックスにより拘束されて
いる為形状記憶合金に圧縮残留応力が生じる。その結
果、複合材は、形状記憶温度以下の温度では、分散材に
作用する圧縮残留応力により複合材全体の熱膨張が抑え
られる。
【0011】本発明の複合材を溶湯鍛造法により製造す
る場合は、例えば、形状記憶合金の短繊維をランダム配
向させて形成した多孔質の繊維成形体の中にAlやCu等の
溶湯を加圧含浸させて複合体を作製し、その後前記粉末
治金法と同様に、形状記憶処理、冷間加工、予歪み付
与、復元処理を施して熱膨張を抑える処理をする。前記
溶湯鍛造法で製造される複合材は、塑性加工により短繊
維を配向させることにより、熱膨張特性等に異方性を持
たせることができる。
【0012】形状記憶合金分散材の体積充填率は 5〜30
%が望ましい。 5%未満では、ヒートシンクとして十分
に小さい熱膨張率が得られず、30%を超えるとその効果
が飽和し、コスト的に不利になる。マトリックス材の純
度は、Alの場合 99.7wt%以上、Cuの場合99.99wt%以上
が、熱伝達性に優れ望ましい。分散材に用いる形状記憶
合金には、形状記憶特性に優れ、低コストのCu-Al-Mn系
合金、又は Ni-Ti系合金が好適である。
【0013】
【実施例】以下に本発明を実施例により詳細に説明す
る。 (実施例1)Al又はCuマトリックス中に形状記憶合金を
分散させた複合材を粉末治金法により製造した。原料に
は、 500℃で1hr水素焼鈍した、粒径 100メッシュの、
Al粉末(99.7wt%純度) 、Cu粉末(純度99.99wt%)、及び
形状記憶合金(Cu-16.7wt%Al-7.1wt%Mn)粉末を用いた。
前記形状記憶合金粉末と、Al粉末又はCu粉末とを各々所
定量配合し、これをボールミルにて24hr混合し、この混
合粉体を円柱状(高さ30mm、直径88mmφ)に圧粉成形
し、この圧粉成形体を AA-1070製管 (外径 100mm、内径
90mm、長さ118mm)に挿入し、前記管の内部を真空に脱気
しながら、管の両端に管と同じ材質の蓋を電子ビーム溶
接し真空封止して複合ビレットとなし、この複合ビレッ
トを 350℃で30分間加熱後熱間押出により複合板材(厚
さ10mm、幅50mm)に押出し、次いで前記複合板材の外層
(AA-1070被覆材) を除去したのち、内部の熱間押出材を
長さ200mmに切断し、これを押出方向と直角な方向に熱
間圧延して厚さ1.7mm の板状体を得た。次いでこの板状
体に、分散材(形状記憶合金)の形状記憶温度で熱処理
を施したのち、減面率約 0.08%のクロス圧延(予歪み)
を冷間で施して複合材を得た。
【0014】得られた複合材からサンプルを切出し熱膨
張係数と熱伝達率を測定した。熱膨張係数は前記サンプ
ルを50℃/min. の昇温速度で 150℃まで加熱して測定し
た。又熱伝達率についても同様に測定した。比較の為、
W-Cu系合金、Al-30wt%Si合金、Al-60vol%SiC ウイスカー合金
についても同様の測定を行った。結果を、コストを併記
して表1に示す。
【0015】
【表1】
【0016】表1より明らかなように、本発明例品 (N
o.1〜8)はいずれも熱膨張係数(熱膨張率)が小さく、
熱伝達率が高く、W-Cu系合金等(No.9,11) より安価であ
る。他方、比較例品のNo.10 は熱膨張係数が大きく、N
o.11 は熱伝達率が低く、No.9,11 は加工性が悪かっ
た。
【0017】(実施例2)分散材としてNi-50wt%Ti形状
記憶合金の短繊維(50μmφ× 200μm長さ)を用いて
円柱状の多孔質繊維成形体(100mmφ×100mm 長さ) を作
製し、この成形体を同形状のキャビティを有する加圧鋳
造装置にセットし、この中にAl又はAl-30wt%Si合金溶湯
を加圧含浸させた。このとき多孔質繊維成形体の体積充
填率が5%未満では、溶湯の加圧含浸の際に成形体が潰れ
て良好な複合体が得られず、前記体積充填率が 30%を超
えると溶湯の含浸が困難となり、成形体に割れが生じ
た。得られた加圧含浸材を厚さ2mmに輪切りにし、これ
を分散材である形状記憶合金の形状記憶処理温度で熱処
理し、次いで切断面方向に減面率が約 0.08%のクロス圧
延を冷間で施して複合材を得た。この複合材について熱
膨張係数と熱伝達率を実施例1と同じ方法で測定した。
結果を、コストを併記して表2に示す。
【0018】
【表2】
【0019】表2より明らかなように、本発明例品(No.
12〜19) はいずれも熱膨張係数が低く、熱伝達率が高
く、安価である。
【0020】実施例1、2で得られた本発明の各々の複
合材を、光半導体を搭載した電子機器部品のヒートシン
ク、基板、パッケージ等に適用したが、いずれも反りや
剥離等が生じず長期間良好に使用できた。又切削等の加
工も極めて容易に行えた。又比重もW-Cu系合金等に較べ
て小さく、電子機器の軽量化を阻害するようなことはな
かった。
【0021】以上、純Al又は純Cuのマトリックスに、粉
末又は短繊維の形状記憶合金を複合した複合材について
説明したが、本発明は、マトリックスにAl合金又はCu合
金を用いても、又形状記憶合金に長繊維等を用いても同
様の効果が得られる。
【0022】
【発明の効果】以上に述べたように、本発明の複合材
は、分散材に形状記憶合金を用いるのでその圧縮残留応
力により熱膨張率が小さく抑えられる。又構成材料がAl
系材料、Cu系材料、形状記憶合金なので、良好な熱伝達
性が得られる。しかも従来のW-Cu系の複合材に較べて軽
量で、加工性に優れ、安価であり、 Al-SiC ファバー 複合
材に較べて切削加工性に優れ、安価である。又本発明の
複合材は粉末治金法や溶湯鍛造法により容易に製造でき
る。依って、今後の半導体素子の大型化及び大電力化に
十分対応できるものであり、工業上顕著な効果を奏す
る。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 アルミニウム、アルミニウム合金、銅、
    又は銅合金のマトリックス中に形状記憶合金が分散され
    ていることを特徴とする複合材。
  2. 【請求項2】 形状記憶合金がCu-Al-Mn系合金又は Ni-
    Ti系合金であることを特徴とする請求項1記載の複合
    材。
  3. 【請求項3】 マトリックス中に占める形状記憶合金の
    体積充填率が 5〜30%であることを特徴とする請求項1
    又は2記載の複合材。
  4. 【請求項4】 アルミニウムマトリックスの純度が 99.
    7wt%以上、銅マトリックスの純度が99.99wt%以上である
    ことを特徴とする請求項1、2、3のいずれかに記載の
    複合材。
  5. 【請求項5】 形状記憶合金繊維の多孔質繊維成形体に
    アルミニウム、アルミニウム合金、銅、又は銅合金の溶
    湯を加圧含浸させる溶湯鍛造法により製造することを特
    徴とする請求項1、2、3、4のいずれかに記載の複合
    材の製造方法。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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