JPH108164A

JPH108164A - 低熱膨張・高熱伝導性アルミニウム複合材料の製造方法及びその複合材料

Info

Publication number: JPH108164A
Application number: JP8118897A
Authority: JP
Inventors: Shigeyuki Hamayoshi; 繁幸濱吉; Satoshi Fukui; 福井　　聡; Kenichiro Shimizu; 健一郎清水; Masahiko Oshima; 昌彦大島
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1996-03-29
Filing date: 1997-03-31
Publication date: 1998-01-13

Abstract

(57)【要約】【課題】炭化珪素の含有量を従来以上に上げることが
でき、製造コストの安い、簡便なアルミニウム複合材料
の製造方法及びそれから得られる低熱膨張・高熱伝導性
アルミニウム複合材料を提供する。【解決手段】アルミニウム金属又はその合金粉末と炭
化珪素粉末の混合粉末を、加圧成形して圧粉体を作製
し、次いでこの圧粉体を型中に装入し、アルミニウム金
属又はその合金粉末の融点以上で加熱して成形する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は低い熱膨張係数と高
い熱伝導率を有するアルミニウム複合材料の製造方法及
びそれから得られるアルミニウム複合材料に関する。本
発明のアルミニウム複合材料は半導体装置に用いられる
放熱板等に好適な材料である。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体技術の分野ではトランジス
タの大容量化、ＬＳＩの高集積・高速・高性能化など半
導体素子の性能向上が著しい。このため、半導体素子か
ら発生した熱エネルギーを放熱板によりいかに効率よく
放散させるかが重要な課題となっている。従来の半導体
装置用放熱板材料としては、基板に銅（Ｃｕ）、大型の
基板にモリブデン（Ｍｏ）、パッケージにプラスチッ
ク、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、大容量化パッケージに窒化
アルミニウム（ＡｌＮ）等が用いられている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の半導体装置用放
熱板材料において、熱伝導率が常温付近にて３９０Ｗ／
（ｍ・Ｋ）と高い銅は放熱性に優れているが、トランジ
スタ、ＬＳＩチップなどの半導体材料に使用されるシリ
コン（Ｓｉ）の熱膨張係数が４．２×１０-⁶／Ｋである
のに対し、銅の熱膨張係数が１７×１０-⁶／Ｋと差が大
きいため、回路の作動中に繰り返し与えられる熱応力に
より放熱板と半導体材料の間にあるＰｂ−Ｓｎ等のハン
ダ接合面が剥離するおそれがあるという問題がある。逆
に、熱膨張係数が５．１×１０-⁶／ＫのＭｏは、半導体
材料の熱膨張係数に近似しているためハンダ接合面での
信頼性に優れているが、熱伝導率が１５０Ｗ／（ｍ・
Ｋ）と低いため放熱性が十分でないという問題がある。
また、熱伝導率が１７０Ｗ／（ｍ・Ｋ）で熱膨張係数が
４．５×１０-⁶／Ｋとバランスに優れたセラミックスで
あるＡｌＮは、コストが高く経済的に不利であるという
問題がある。さらに、これらの従来材料は単一材料で構
成されているため、熱膨張係数と熱伝導率の両特性を任
意にコントロールすることが困難であるという問題があ
る。

【０００４】一方、新しい半導体装置用放熱板材料とし
て、特公平７−２６１７４号にアルミニウム又はアルミ
ニウム合金と緑色炭化珪素とからなる補助電子部品材料
が開示されている。また、特開昭６４−８３６３４号に
窒化アルミニウム、炭化珪素、窒化ホウ素及びグラファ
イトからなる群より選ばれた少なくとも一種とアルミニ
ウムとからなる低熱膨張・高熱放散性アルミニウム複合
合金が開示されている。しかしこれらの放熱板材では熱
伝導率はまだ十分ではない。例えば、特開昭６４−８３
６３４号に記載の炭化珪素を６０体積％を含有するアル
ミニウム複合合金では熱伝導率が１１９Ｗ／（ｍ・Ｋ）
（表３を参照）と放熱性が十分ではない。また、特公平
７−２６１７４号に記載の緑色炭化珪素を５０体積％を
含有する複合材料では熱伝導率が１７０Ｗ／（ｍ・Ｋ）
（表１を参照）であり、１５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱
伝導率を確保するためには、炭化珪素含有量を６０体積
％以上に上げることは不可能である。つまり、従来の放
熱板材では炭化珪素含有量の選択範囲が狭く、半導体材
料の熱膨張係数に合わせるには不十分である。

【０００５】また、炭化珪素を含有するアルミニウム複
合材料を製造する方法として、炭化珪素の多孔質プリフ
ォームに溶融したアルミニウムを強制的に圧力を加えて
加圧含浸せしめる方法がある。しかしながら、この方法
は装置が大規模となり製造コストがかかり、押湯が必要
なため歩留りが悪く、また溶湯のリーク対策に手間がか
かる問題がある。特に小寸法のものを製造する場合、ネ
ットシェイプ成形が困難であり、高い加圧力によってプ
リフォームに割れが発生しやすいという問題がある。

【０００６】したがって、本発明は上記従来の問題を解
決するために、特に炭化珪素の含有量を従来以上に上げ
ることができ、製造コストの安い、簡便なアルミニウム
複合材料の製造方法及びそれから得られる低熱膨張・高
熱伝導性アルミニウム複合材料を提供することを目的と
する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の低熱膨張・高熱
伝導性アルミニウム複合材料の製造方法は、アルミニウ
ム金属又はその合金粉末と炭化珪素粉末の混合粉末を、
加圧成形して圧粉体を作製し、次いでこの圧粉体を型中
に装入し、アルミニウム金属又はその合金粉末の融点以
上で加熱して成形することを特徴とする。また、前記本
発明のアルミニウム複合材料の製造方法において、加熱
して成形するとともに、もしくは加熱して成形後、アル
ミニウム金属又はその合金からなる被覆層を形成するこ
とを特徴とする。

【０００８】また、本発明のアルミニウム複合材料の製
造方法は、アルミニウム金属又はその合金粉末と炭化珪
素粉末の混合粉末の表面に前記アルミニウム金属又は合
金粉末と同種のアルミニウム金属又はその合金粉末を充
填させて、加圧成形して圧粉体を作製し、次いでこの圧
粉体を型中に装入し、アルミニウム金属又はその合金粉
末の融点以上で加熱して成形するとともに、前記充填さ
せたアルミニウム金属又はその合金からなる被覆層を形
成することを特徴とする。

【０００９】また、本発明のアルミニウム複合材料の製
造方法は、アルミニウム金属又はその合金粉末と炭化珪
素粉末の混合粉末を、加圧成形して圧粉体を作製し、次
いでこの圧粉体の表面に前記アルミニウム金属又は合金
粉末と同種のアルミニウム金属又はその合金を接触させ
て圧粉体を型中に装入し、アルミニウム金属又はその合
金粉末の融点以上で加熱して成形するとともに、前記接
触させたアルミニウム金属又はその合金からなる被覆層
を形成することを特徴とする。この場合、圧粉体の表面
に接触させるアルミニウム金属又はその合金が粉末、
板、棒、塊及び箔からなる群から選択された形状である
ことを特徴とする。

【００１０】これら上記の本発明のアルミニウム複合材
料の製造方法において、圧粉体中に分散した炭化珪素粉
末同士の相互の間隔は、アルミニウム金属又はその合金
粉末を加熱して溶融させた後においても、溶融させる前
の炭化珪素粉末同士の相互の間隔に比べ実質的に変動し
ないことを特徴とする。

【００１１】また、圧粉体を装入する型が、圧粉体がセ
ットされる穴部を設けたダイと、前記ダイの穴部に上方
から嵌入され圧粉体の上面を押圧する上パンチとから構
成されることを特徴とする。また、本発明の他の型は、
圧粉体がセットされる穴部を設けたダイと、前記ダイの
穴部に上方から嵌入され圧粉体の上面を押圧する上パン
チと、前記ダイの穴部に下方から嵌入され圧粉体の下面
を支持する下パンチとから構成されることを特徴とす
る。さらに、これらの型を構成する部材が黒鉛またはセ
ラミックスからなることを特徴とする。

【００１２】また、上パンチの上面に比較的軽い重しを
載せたことを特徴とする。また、この重しの単位面積当
りの重量が５００ｇ／ｃｍ²以下であることを特徴とす
る。

【００１３】また、上パンチまたは重しの押圧力によ
り、圧粉体の表面に接触させたアルミニウム金属又はそ
の合金が圧粉体の表面に密着されることを特徴とする。

【００１４】また、本発明のアルミニウム複合材料の製
造方法において、使用する混合粉末はアルミニウム金属
又はその合金粉末を８０〜１０体積％、炭化珪素粉末を
２０〜９０体積％添加混合したものであることを特徴と
する。

【００１５】また、アルミニウム金属又はその合金粉末
と炭化珪素粉末の混合粉末における炭化珪素粉末の粒径
Ｘと、アルミニウム金属又はその合金粉末の粒径Ｙとの
比（Ｘ／Ｙ）が１より大きいことを特徴とする。

【００１６】また、炭化珪素粉末の形状が球状に近い擬
球状であることを特徴とする。また、炭化珪素粉末のア
スペクト比が１〜５の範囲内であることを特徴とする。

【００１７】また、炭化珪素粉末は粒度の異なる粗粉と
細粉を配合したものからなることを特徴とする。また、
炭化珪素粉末の粗粉の粒径Ｘａと細粉の粒径Ｘｂとの比
（Ｘａ／Ｘｂ）が２以上であることを特徴とする。

【００１８】また、炭化珪素粉末が造粒粉からなること
を特徴とする。また、炭化珪素粉末は造粒粉と単一粉末
（造粒していない粒子を意味する）を配合したものから
なることを特徴とする。また炭化珪素粉末に造粒粉を用
いた場合、その造粒粉の粒径が１０μｍ以上であること
を特徴とする。さらに、炭化珪素粉末の隣接する造粒粉
間の最短距離が造粒粉の粒径の１／２以下であることを
特徴とする。さらに、使用される炭化珪素粉末が予め３
００℃以上に加熱処理されていることを特徴とする。

【００１９】また、加圧成形後の圧粉体の相対密度が５
０％以上であることを特徴とする。また、加圧成形した
圧粉体を型中に装入した後、非酸化性雰囲気で加熱して
成形することを特徴とする。また、加圧成形した圧粉体
を型中に装入した後、ホットプレスまたは静水圧加圧に
より加熱して成形することを特徴とする。また、加熱し
て成形する時の雰囲気の酸素濃度が常温時に０．１ｍｏ
ｌ／ｍ³以下であることを特徴とする。さらに、加熱し
て成形した成形体に熱間加工を施すことを特徴とする。

【００２０】上記の製造方法によって得られた本発明の
低熱膨張・高熱伝導性アルミニウム複合材料は、熱膨張
係数が４×１０-⁶〜２０×１０-⁶／Ｋ、熱伝導率が１５
０〜２８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）であることを特徴とする。ま
た、本発明の低熱膨張・高熱伝導性アルミニウム複合材
料は、気孔率が１０％以下であることを特徴とする。

【００２１】

【発明の実施の形態】アルミニウム金属又はその合金粉
末（以下これらを総称してアルミニウム粉末という場合
あり）は、中心粒径が５〜３００μｍであるのが好まし
く、１０〜１００μｍがより好ましく、特に３０〜５０
μｍが好ましい。原料粉末の全体積に対して、アルミニ
ウム粉末の含有率は８０〜１０体積％である。アルミニ
ウム粉末の含有率が８０体積％を超えると熱膨張係数が
大きくなり、また含有率が１０体積％未満であると熱伝
導率が小さくなるので好ましくない。アルミニウム合金
粉末としてはＡｌ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合
金、Ａｌ−Ｃｕ系合金等が挙げられる。

【００２２】炭化珪素粉末の含有率は原料粉末の全体積
に対して２０〜９０体積％である。炭化珪素粉末の含有
率が９０体積％を超えると密度が上がらず成形困難とな
り、また含有率が２０体積％未満であると熱膨張係数が
大きくなるので好ましくない。

【００２３】アルミニウム粉末と炭化珪素粉末を上記割
合で混合する。混合は各種公知の方法で行うことがで
き、例えばボールミル等を用いて行うことができる。混
合時間は３時間以上であるのが好ましい。ついで混合粉
末を所望形状に加圧成形して圧粉体を作製する。加圧成
形の方法としては、金型プレス法、ＣＩＰ法等が挙げら
れる。

【００２４】得られた圧粉体を型中に装入し、アルミニ
ウム粉末の融点以上で加熱して成形する。アルミニウム
金属の場合、その融点は約６６０℃である。成形方法と
しては非酸化性雰囲気で加熱したり、静水圧加圧、ホッ
トプレスにより行うのが好ましい。

【００２５】特に炭化珪素の含有量が多いものはそうな
りやすいが、圧粉体の成形密度が低いものは、加熱成形
時、溶融したアルミニウムが炭化珪素粉末同士の隙間に
流れ込みながら成形体全体が縮む。このとき、炭化珪素
粉末同士の間隔も縮む必要があるが、炭化珪素の含有量
が多いほど炭化珪素粉末が互いに架橋状態になりやすい
ため間隔が縮みにくい。従って、圧粉体の成形時は、予
めアルミニウム粉末の含有量を少なくして炭化珪素粉末
同士の間隔を狭めて成形し、加熱成形時に不足するアル
ミニウムを流れ込ませて補充させる方法が、炭化珪素の
含有量が多い複合材料を製造する場合、特に有効であ
る。

【００２６】この方法として例えば、加圧成形用の金型
内に、まず混合粉末中のアルミニウムと同種のアルミニ
ウム粉末を供給し、次いでその上層に混合粉末を供給
し、さらにその上層に前記同種のアルミニウム粉末を供
給した状態で加圧成形することにより三層構造の圧粉体
を作製した後、圧粉体を加熱成形用の型に入れ加熱成形
する方法がある。

【００２７】また、混合粉末からなる圧粉体を作製した
後、加熱成形用の型内に、まず混合粉末中のアルミニウ
ムと同種のアルミニウム材を供給し、次いでその上層に
圧粉体を供給し、さらにその上層に前記アルミニウム材
を供給した状態で加熱成形する方法がある。このアルミ
ニウム材は粉末、板、棒、塊、箔などいかなる形態でも
かまわない。

【００２８】これらの方法によれば、アルミニウムを補
充した結果、加熱成形と同時に成形体の表面にアルミニ
ウムのリッチな被覆層が形成される。この被覆層は複合
材料の表面にメッキを施す上でもメッキがしやすくな
り、また加工性もよくなるという面も兼ね備える。

【００２９】本発明の製造方法によれば、炭化珪素粉末
の形状、寸法にもよるが、炭化珪素の含有率が高いもの
は、前述のように炭化珪素粉末が互いに架橋状態になり
やすく、アルミニウムを溶融させた後も圧粉体中に分散
された炭化珪素粉末同士の相互の間隔は実質的に変動し
ない。また、炭化珪素の含有率が低いものについても、
圧粉体の密度が高くできるため、粘性を考慮した加熱温
度を設定することにより、アルミニウムを溶融させた後
も圧粉体中に分散された炭化珪素粉末同士の相互の間隔
は実質的に変動しない。このことは、圧粉体の製造時点
で成形体中の炭化珪素の分散状態を制御しやすく、熱伝
導率、熱膨張係数などアルミニウム複合材料の諸性能を
安定化させやすい利点である。

【００３０】圧粉体を装入する加熱成形用の型は、ダイ
と上パンチから構成される。ダイには凹状の穴部が設け
られ、この穴部にたとえば平板状の圧粉体を入れてセッ
トする。上パンチはダイの穴部に上方から嵌入させ、そ
の先端部をセットされた圧粉体の上面に当て押圧するよ
うにする。また、ダイの穴部を貫通させて穴部の下方つ
まり上パンチの対極側に下パンチを設け、圧粉体の下面
を下パンチで支持させてもよい。これらダイ、上パンチ
および下パンチは、溶融アルミニウムに対して付着しづ
らく、溶損汚染の影響も少ない黒鉛またはセラミックス
から形成するのがよい。

【００３１】圧粉体の上面を上パンチで押さえることに
より、成形体の上面を平滑に成形できる。上パンチで押
さえないと、アルミニウムが凝固した時の収縮および収
縮ムラにより、成形したのち表面に凹凸ができ製造歩留
まりなどが悪くなる。

【００３２】また、上パンチは成形体中の気孔（ポア）
を少なくする効果がある。たとえば、炭化珪素粉末の含
有率が４０体積％の複合材料のように、圧粉体の密度が
十分高い場合でも、アルミニウムを加熱溶融させると、
アルミニウムと炭化珪素の熱膨張差によりアルミニウム
と炭化珪素との間に隙間ができやすくなる。また、圧粉
体の中に閉じこめられた空気の熱膨張によりアルミニウ
ム溶融後気孔が発生しやすくなる。さらに、アルミニウ
ム溶融時に発生するガスによっても気孔が発生しやす
く、特に真空中で加熱して成形する場合はその傾向が顕
著である。そこで、上パンチはその押圧力により気孔の
発生を抑え、気孔を少なくする。

【００３３】さらに、上パンチの上面に重しを載せると
気孔を少なくするのにより有効である。重しは、気孔を
少なくするほかに重要な役割がある。すなわち、炭化珪
素粉末の含有率がかなり高い７０体積％以上の複合材料
については、圧粉体の密度が上がらないため、圧粉体の
周辺にアルミニウムを補充、接触させて浸透させること
が必要となるが、この際、重しは浸透の促進をはかる。

【００３４】つまり、圧粉体の周辺に補充、接触させた
アルミニウムが溶融しても、当初はその溶融アルミニウ
ムの最表面に存在するアルミニウム酸化物（Ａｌ₂Ｏ₃）
の薄い酸化膜が浸透の障壁となる。また、この酸化膜が
破れても、アルミニウムの表面張力により依然浸透しに
くい状態にある。そこで、重しを上パンチの上に載せて
加担させることにより、浸透初期の段階で最表面の酸化
膜を破るのを補助すると共に、アルミニウムの表面張力
を打ち消し浸透させやすくする。最初に少し浸透すれ
ば、あとは溶融アルミニウムと炭化珪素の反応、窒素と
の反応などで浸透は順調に進んでいく。

【００３５】上パンチまたは重しの押圧力により、圧粉
体の表面に接触させるアルミニウムを圧粉体の表面にで
きるかぎり密着させることも浸透の初期条件がよくなり
好ましい。

【００３６】重しはある程度の重量がなければならない
が、重すぎると溶融アルミニウムがパンチとダイとのギ
ャップからリークする。ギャップ部の溶融アルミニウム
の表面張力および溶融アルミニウム表面の酸化膜の量
（これは雰囲気中の酸素濃度によっても変化する）と、
ギャップの寸法との関係により、ギャップからリークす
るかしないかが決まるが、重しの単位面積当りの重量は
５００ｇ／ｃｍ²以下であればリークすることなく効果
を発揮する。

【００３７】このようにして得られた複合材料の熱膨張
係数は４×１０-⁶〜２０×１０-⁶／Ｋであり、熱伝導率
は１５０〜２８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。また、この複
合材料の気孔率が１０％を超えると熱伝導率が低下する
ので１０％以下が好ましい。より好ましい気孔率は８％
以下である。

【００３８】本発明においては、特に炭化珪素の含有量
が多いアルミニウム複合材料を製造する上で、炭化珪素
粉末及びアルミニウム粉末の形態、粉末の充填密度、圧
粉体の保形性、濡れ性の向上に着目した。

【００３９】アルミニウム粉末と炭化珪素粉末を混合し
て、金型プレスやＣＩＰ等で加圧成形を行うと、炭化珪
素より軟らかいアルミニウムが塑性変形し、それがバイ
ンダーとして作用し、保形性のよい圧粉体が構成され
る。そこで、アルミニウム粉末の粒径と炭化珪素粉末の
粒径との比により、バインダーとなるアルミニウム粉末
の分散状態が変化する。炭化珪素粉末の粒径をアルミニ
ウム粉末の粒径より大きくすることにより、圧粉体の強
さと密度を向上させることができる。炭化珪素粉末の粒
径Ｘとアルミニウム粉末の粒径Ｙの比（Ｘ／Ｙ）が１よ
り大きいことが好ましい。この比は２〜１０がより好ま
しく、さらには５〜１０が好ましい。

【００４０】前記Ｘ／Ｙが１以下、すなわち炭化珪素粉
末の粒径がアルミニウム粉末の粒径より小さいと、アル
ミニウム粉末同士の隙間に炭化珪素粉末がネットワーク
状に入りこみ架橋状態となり、加圧成形時にアルミニウ
ムが変形しにくく圧粉体の密度を十分上げることができ
ない。逆にＸ／Ｙが１を超えると、すなわち炭化珪素粉
末の粒径がアルミニウム粉末の粒径より大きいと、炭化
珪素同士の隙間にアルミニウム粉末がネットワーク状に
入りこみ、加圧成形時にアルミニウムが十分変形して縮
み、圧粉体の密度を向上させることができる。

【００４１】炭化珪素粉末は球状に近い擬球状で、シャ
ープエッジの少ない形状が好ましい。球状のほうが粉末
を高密度に充填できる。また加熱成形時に炭化珪素粉末
同士の隙間に溶融したアルミニウムが流れ込み易い。す
なわち、アルミニウムとの濡れ性が向上し気孔の発生を
抑えることができる。炭化珪素粉末を球状化するには、
炭化珪素粒子を造粒することにより得たり、また、炭化
珪素の粉砕粉をボールミルあるいは遊星ボールミルで炭
化珪素のボールを用いて角を少しづつ削って丸くするこ
とにより得られる。遊星ボールミルの場合、高価だが短
時間で球状化できる。

【００４２】炭化珪素粉末はアスペクト比が１〜５の範
囲内であるのが好ましい。アスペクト比が５より大きい
と炭化珪素粉末を高体積％にアルミニウム基地中に分散
させるのが困難である。より好ましいアスペクト比は１
〜３の範囲内である。また、炭化珪素粉末は粒度の異な
る粗粉と細粉を配合したものからなることが、粉末を高
密度に充填できるので好ましい。この場合、炭化珪素粉
末の粗粉の粒径Ｘａと細粉の粒径Ｘｂとの比（Ｘａ／Ｘ
ｂ）が２以上であることが好ましい。この比（Ｘａ／Ｘ
ｂ）は５〜１０がより好ましい。

【００４３】炭化珪素粉末に造粒粉を用いることが望ま
しい。造粒粉を用いると、球体に近いポーラスな炭化珪
素の粒が得られ、これが溶融したアルミニウムと接触す
ると毛細管現象で造粒粉中にアルミニウムを吸い込む。
この力を利用して無加圧で溶融したアルミニウムを炭化
珪素中に溶浸させることができる。加圧成形した時に
は、アルミニウム粉末は塑性変形するが炭化珪素の造粒
粉中には入り込まず、各粉末間に気孔が残る状態とな
る。これを加熱成形すると溶融したアルミニウムは各粉
末間の気孔以外に、炭化珪素の造粒粉中にも流れ込む。
炭化珪素を高体積％に分散させた場合、炭化珪素が造粒
粉でない場合は、アルミニウムの溶融流動とともに炭化
珪素同士の間隔も変わりやすいが、炭化珪素が造粒粉の
場合は炭化珪素同士の間隔は殆ど変わらない。すなわ
ち、造粒粉を分散させたほうが、加熱成形後の炭化珪素
の分散状態を、圧粉体中における炭化珪素の分散状態と
殆ど変わらなくできるので制御しやすい。

【００４４】炭化珪素粉末に造粒粉を用いた場合、その
粒径は１０μｍ以上であることが望ましい。また、造粒
粉が溶融したアルミニウムと接触すると毛細管現象で造
粒粉中にアルミニウムを吸い込むため、隣接する造粒粉
間の距離が大きいと、アルミニウム粉末がもともと存在
した位置に気孔を生じる。この気孔の形成を抑制するた
めに、アルミニウム粉末の充填率向上とともに、造粒粉
間の距離をなるべく小さくする必要がある。このため、
隣接する造粒粉間の最短距離が造粒粉粒径の１／２以下
で分散されていることが好ましい。

【００４５】炭化珪素粉末は予め３００℃以上に加熱処
理されているものを使用することが望ましい。加熱処理
することによって炭化珪素粉末表面の吸着したガス、水
分および遊離炭素（Ｆ.Ｃ）などの不純物が除去され、
健全なアルミニウム複合材料を得ることができる。３０
０℃以上に加熱することにより水分が除去される。より
好ましくは大気中で１０００℃以上に加熱してＦ.Ｃを
除去する。

【００４６】さらに高温の大気中で１３００℃以上に加
熱することにより、炭化珪素粉末の表面を酸化させて、
特性を向上させることができる。炭化珪素粉末の表面を
酸化させる、すなわち炭化珪素粉末の表面にＳｉＯ₂の
皮膜を形成させると、ＳｉＯ₂の方が炭化珪素より溶融
アルミニウムとの反応が活性であるため濡れ性を向上さ
せることができる。さらに、これにより炭化珪素と溶融
アルミニウムの反応量が減少するので、Ａｌ₄Ｃ₃の発生
を抑制できる。Ａｌ₄Ｃ₃は全く存在しないと炭化珪素と
アルミニウムの健全な結合が得られないが、多すぎると
複合材料の強度が低下し、また空気中の水分と反応して
メタンガスとアルミニウム水酸化物に分解するため耐候
性が低下する。

【００４７】加熱成形時の雰囲気の酸素濃度が高すぎる
と、酸化物が多量に発生し、炭化珪素とアルミニウムの
健全な結合が得られない。また、アルミニウムの浸透も
阻害されるので、常温時に０．１ｍｏｌ／ｍ³以下であ
ることが望ましい。さらに望ましい加熱成形時の雰囲気
の酸素濃度は常温時に０．０１ｍｏｌ／ｍ³以下であ
る。

【００４８】また、加圧成形後の圧粉体の相対密度が５
０％未満であると保形性が維持できず成形が困難となる
ため、圧粉体の相対密度は５０％以上必要となる。

【００４９】

【実施例】アルミニウム金属又はその合金粉末はアトマ
イズ粉を用いた。アルミニウム金属粉末として、純度が
９９．９％以上で平均粒径が３０μｍ及び１５０μｍの
ものを準備した。また、後述の表１及び表２に示す実施
例Ｎｏ．９では、アルミニウム合金粉末として、平均粒
径が３０μｍのＡｌ−１２重量％Ｓｉを準備した。

【００５０】炭化珪素粉末は反応焼結品の粉砕粉と、そ
の粉砕粉を遊星ボールミルで６時間回転させて球状化し
た球状粉と、平均粒径３μｍ程度の炭化珪素粒子をパン
造粒した造粒粉を用いた。炭化珪素の粉砕粉として、平
均粒径が６０μｍ及び３００μｍのものを準備した。ま
た、炭化珪素の球状粉として、平均粒径が３０μｍ及び
３００μｍのものを準備した。さらに、炭化珪素の造粒
粉として、平均粒径が３０μｍ、３５μｍ及び３００μ
ｍのものを準備した。なお、これら炭化珪素粉末のアス
ペクト比は１〜５の範囲内にあった。

【００５１】上記のアルミニウム粉末及び炭化珪素粉末
を表１に示す割合（体積％）で配合し、ボールミルで２
４時間、乾式混合して混合粉末を作製した。実施例Ｎ
ｏ．７〜１５では、炭化珪素粉末として粒度の異なる粗
粉と細粉を配合したものを用いた。このとき、粗粉と細
粉は７０体積％：３０体積％の割合で配合した。

【００５２】例えば、実施例Ｎｏ．７の炭化珪素粉末
は、平均粒径が３００μｍの粉砕粉と平均粒径が３０μ
ｍの粉砕粉を配合したものであり、実施例Ｎｏ．１５の
炭化珪素粉末は、平均粒径が３００μｍの球状粉と平均
粒径が３０μｍの造粒粉を配合したものである。

【００５３】次に、アルミニウム粉末と炭化珪素粉末の
混合粉末を、金型に供給して圧力５ｔｏｎ／ｃｍ²の金
型プレスで加圧成形し、直径８０ｍｍ×高さ６ｍｍの圧
粉体を得た。なお、実施例Ｎｏ．５〜１５の炭化珪素粉
末を７５体積％含有させたものは、予めアルミニウム粉
末の含有量を少なくして炭化珪素粉末同士の間隔を狭め
た混合粉末の上層と下層に、混合粉末中のアルミニウム
と同種のアルミニウム粉末を供給した状態で加圧成形し
た。

【００５４】次に、上記圧粉体を黒鉛製の型中に装入し
た。型はダイ、上パンチ、下パンチから構成され、ダイ
は直径１７０ｍｍ×高さ５０ｍｍの円柱体で中心に直径
８０ｍｍの穴を有する。上パンチ、下パンチは各々直径
８０ｍｍのものを用い、さらに上パンチの上に重しを載
せた。次いで、真空雰囲気、窒素雰囲気あるいはアルゴ
ン雰囲気中で約１００℃／時間で昇温し、次いで７００
〜７５０℃で１時間保持後、冷却し、成形を完了した。
成形後、重し、上パンチを取り除き、下パンチを上部に
押し出し、成形体を取り出した。

【００５５】表１混合粉末 Al 粉末 SiC 粉末 SiC 粉末体積％平均粒径平均粒径形態 No Al：SiC (μｍ) (μｍ) ───────────────────────── 1 60：40 30 60 粉砕粉 2 60：40 30 60 粉砕粉 3 60：40 30 60 粉砕粉 4 60：40 150 60 粉砕粉 5 25：75 30 60 粉砕粉 6 25：75 30 300 粉砕粉 7 25：75 30 300、30 粉砕粉、粉砕粉 8 25：75 30 300、30 球状粉、球状粉 9 25：75 30 300、30 球状粉、球状粉 10 25：75 30 300、35 造粒粉、造粒粉 11 25：75 30 300、35 造粒粉、造粒粉 12 25：75 30 300、30 造粒粉、球状粉 13 25：75 30 300、30 造粒粉、球状粉 14 25：75 30 300、30 球状粉、造粒粉 15 25：75 30 300、30 球状粉、造粒粉 16 25：75 30 300、30 粉砕粉 17 25：75 30 300、30 粉砕粉 ─────────────────────────

【００５６】各圧粉体及び成形体（アルミニウム複合材
料）について特性を調べた。圧粉体の密度は、各圧粉体
の重量と寸法を測定し理論重量と比較して測定した。結
果を表２に示す。

【００５７】成形体の密度は、各成形体から角１０ｍｍ
×高さ２ｍｍのテストピースを切り出した後、アルキメ
デス法に従って測定した。結果を表２に示す。

【００５８】成形体の熱伝導率は、各成形体から直径１
０ｍｍ×高さ２ｍｍのテストピースを切り出した後、熱
定数測定装置（LF／TCM−FA8510B、理学電機社製）を用
いて、レーザーフラッシュ法（JIS1606 準拠）に従って
測定した。結果を表２に示す。

【００５９】成形体の熱膨張係数は、各成形体から角３
ｍｍ×長さ１７ｍｍのテストピースを切り出した後、常
温から１００℃の温度範囲でＴＭＡ（サーモメカニカル
アナライザー、セイコー（株）製）を用いて測定した。
結果を表２に示す。

【００６０】表２圧粉体成形時成形体成形体成形体密度雰囲気密度熱伝導率熱膨張係数 No (％) (％) (W／m・K) (×１０-⁶) ─────────────────────────── 1 93 真空 98 205 13.2 2 93 窒素 97 201 13.4 3 93 アルゴン 98 203 13.1 4 75 真空測定不可測定不可測定不可 5 測定不可成形せず − − − 6 70 真空測定不可測定不可測定不可 7 75 真空 75 測定不可測定不可 8 85 真空 90 130 7.3 9 78 真空 82 80 7.5 10 76 真空 93 184 7.1 11 76 窒素 95 189 7.1 12 80 真空 97 192 7.0 13 80 窒素 96 184 7.1 14 85 真空 96 187 7.1 15 85 窒素 97 191 7.0 16 84 窒素 98 220 7.4 17 86 窒素 98 115 7.2 ───────────────────────────

【００６１】表２において、測定不可とは形が崩れる、
または気孔が多すぎて測定できないことを示す。

【００６２】表１および表２の結果から、炭化珪素粉末
の粒径Ｘとアルミニウム粉末の粒径Ｙの比（Ｘ／Ｙ）に
ついて、Ｘ／Ｙの比が２である実施例Ｎｏ．１は、圧粉
体の密度が９３％の良好な成形体が得られた。これに対
し、Ｘ／Ｙの比が０．４である実施例Ｎｏ．４は、Ｘ／
Ｙを除く条件は同じであるのに、圧粉体の密度が７５％
となり、密度が足りず圧粉体の形が崩れた。

【００６３】炭化珪素粉末の形状について、炭化珪素粉
末として粉砕粉を用いた実施例Ｎｏ．７は、圧粉体の密
度が７５％となり成形体の密度が不十分であった。これ
に対し、球状粉を用いた実施例Ｎｏ．８は、炭化珪素粉
末の形状を除く条件は同じであるのに、圧粉体の密度が
８５％となった。つまり、炭化珪素粉末の形状が球状の
ほうが高密度に充填できることが確認できた。

【００６４】炭化珪素粉末の配合形態について、炭化珪
素粉末の含有率を同じにした条件で、圧粉体の密度を調
べた。平均粒径が３００μｍの粉砕粉のみを用いた実施
例Ｎｏ．６は、圧粉体の密度が７０％であった。これに
対し、平均粒径が３００μｍの粉砕粉と平均粒径が３０
μｍの粉砕粉を配合した実施例Ｎｏ．７は、圧粉体の密
度が７５％と向上した。つまり、炭化珪素粉末として粒
度の異なる粗粉と細粉を配合したほうが、粉末を高密度
に充填できることが確認できた。なお、炭化珪素粉末の
粗粉の粒径Ｘａと細粉の粒径Ｘｂとの比（Ｘａ／Ｘｂ）
は、実施例Ｎｏ．７の場合、３００／３０で１０とな
る。

【００６５】炭化珪素粉末に造粒粉を用いる効果につい
て、炭化珪素粉末の含有率を同じにした条件で、成形体
の良悪を調べた。平均粒径が３００μｍの球状粉と平均
粒径が３０μｍの球状粉を配合した実施例Ｎｏ．９は、
成形体の密度が８２％、熱膨張係数が７．５×１０-⁶／
Ｋ、熱伝導率が８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）となり、熱伝導率が
低いものとなった。これに対し、平均粒径が３００μｍ
の造粒粉と平均粒径が３０μｍの球状粉を配合した実施
例Ｎｏ．１２は、成形体の密度が９７％、熱膨張係数が
７．０×１０-⁶／Ｋ、熱伝導率が１９２Ｗ／（ｍ・Ｋ）
となり、各特性に優れたものが得られた。実施例Ｎｏ．
１２は、炭化珪素の造粒粉中に溶融アルミニウムが十分
吸い込まれ、その結果高い熱伝導率を得ることができた
ものである。

【００６６】実施例Ｎｏ．１６及び実施例Ｎｏ．１７の
炭化珪素粉末は、予め１４００℃で加熱処理したものを
用いた。逆に、実施例Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１５の炭化珪素
粉末は、予めの加熱処理は行なっていないものを用い
た。

【００６７】成形体の３点曲げ強度を（JIS R1601 準
拠）に従って測定した結果、実施例Ｎｏ．１６は３３０
ＭＰａ、実施例Ｎｏ．１７は３３３ＭＰａであり、実施
例Ｎｏ．１１は２３５ＭＰａ、実施例Ｎｏ．１３は２２
７ＭＰａ、実施例Ｎｏ．１５は２３６ＭＰａであり、炭
化珪素粉末を予め加熱処理して不純物などを除去したほ
うが高い曲げ強度が得られた。

【００６８】

【発明の効果】本発明の低熱膨張・高熱伝導性アルミニ
ウム複合材料の製造方法は、炭化珪素の含有量を従来以
上に向上させることができ、アルミニウム粉末がバイン
ダーとして作用し保形性がよく、圧粉体から成形体まで
炭化珪素の分散を制御できる。

【００６９】また、本発明の製造方法から得られるアル
ミニウム複合材料は、以下の効果を有する。基地となる
アルミニウム金属又はその合金粒子及び炭化珪素粒子の
含有量（体積％）を適宜選択することにより、熱膨張係
数及び熱伝導率を所望の特性にコントロールできる。

【００７０】放熱板の上に搭載される半導体材料に近似
する熱膨張係数を得ることができるので、放熱板と半導
体材料とのハンダ接合面が熱応力により剥離などせず、
ハンダ接合面の信頼性が向上する。

【００７１】基地がアルミニウム金属又はその合金であ
るため高い熱伝導率が得られ、半導体材料から発生した
熱エネルギーを効率よく放散させることができ、トラン
ジスタチップ、ＬＳＩチップ等の誤動作及び熱破損を防
止できる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大島昌彦福岡県北九州市若松区北浜一丁目９番１号日立金属株式会社若松工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アルミニウム金属又はその合金粉末と炭
化珪素粉末の混合粉末を、加圧成形して圧粉体を作製
し、次いでこの圧粉体を型中に装入し、アルミニウム金
属又はその合金粉末の融点以上で加熱して成形すること
を特徴とする低熱膨張・高熱伝導性アルミニウム複合材
料の製造方法。
【請求項２】加熱して成形するとともに、もしくは加
熱して成形後、アルミニウム金属又はその合金からなる
被覆層を形成することを特徴とする請求項１に記載の低
熱膨張・高熱伝導性アルミニウム複合材料の製造方法。
【請求項３】アルミニウム金属又はその合金粉末と炭
化珪素粉末の混合粉末の表面に前記アルミニウム金属又
は合金粉末と同種のアルミニウム金属又はその合金粉末
を充填させて、加圧成形して圧粉体を作製し、次いでこ
の圧粉体を型中に装入し、アルミニウム金属又はその合
金粉末の融点以上で加熱して成形するとともに、前記充
填させたアルミニウム金属又はその合金からなる被覆層
を形成することを特徴とする低熱膨張・高熱伝導性アル
ミニウム複合材料の製造方法。
【請求項４】アルミニウム金属又はその合金粉末と炭
化珪素粉末の混合粉末を、加圧成形して圧粉体を作製
し、次いでこの圧粉体の表面に前記アルミニウム金属又
は合金粉末と同種のアルミニウム金属又はその合金を接
触させて圧粉体を型中に装入し、アルミニウム金属又は
その合金粉末の融点以上で加熱して成形するとともに、
前記接触させたアルミニウム金属又はその合金からなる
被覆層を形成することを特徴とする低熱膨張・高熱伝導
性アルミニウム複合材料の製造方法。
【請求項５】圧粉体の表面に接触させるアルミニウム
金属又はその合金が粉末、板、棒、塊及び箔からなる群
から選択された形状であることを特徴とする請求項４に
記載の低熱膨張・高熱伝導性アルミニウム複合材料の製
造方法。
【請求項６】圧粉体中に分散した炭化珪素粉末同士の
相互の間隔は、アルミニウム金属又はその合金粉末を加
熱して溶融させた後においても、実質的に変動しないこ
とを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の低熱膨
張・高熱伝導性アルミニウム複合材料の製造方法。
【請求項７】圧粉体を装入する型は、圧粉体がセット
される穴部を設けたダイと、前記ダイの穴部に上方から
嵌入され圧粉体の上面を押圧する上パンチとから構成さ
れることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の
低熱膨張・高熱伝導性アルミニウム複合材料の製造方
法。
【請求項８】圧粉体を装入する型は、圧粉体がセット
される穴部を設けたダイと、前記ダイの穴部に上方から
嵌入され圧粉体の上面を押圧する上パンチと、前記ダイ
の穴部に下方から嵌入され圧粉体の下面を支持する下パ
ンチとから構成されることを特徴とする請求項１〜６の
いずれかに記載の低熱膨張・高熱伝導性アルミニウム複
合材料の製造方法。
【請求項９】圧粉体を装入する型は、黒鉛またはセラ
ミックスからなることを特徴とする請求項１〜８のいず
れかに記載の低熱膨張・高熱伝導性アルミニウム複合材
料の製造方法。
【請求項１０】上パンチの上面に重しを載せたことを
特徴とする請求項７〜９のいずれかに記載の低熱膨張・
高熱伝導性アルミニウム複合材料の製造方法。
【請求項１１】重しの単位面積当りの重量が５００ｇ
／ｃｍ²以下であることを特徴とする請求項１０に記載
の低熱膨張・高熱伝導性アルミニウム複合材料の製造方
法。
【請求項１２】上パンチまたは重しの押圧力により、
圧粉体の表面に接触させるアルミニウム金属又はその合
金が圧粉体の表面に密着されることを特徴とする請求項
４〜１１のいずれかに記載の低熱膨張・高熱伝導性アル
ミニウム複合材料の製造方法。
【請求項１３】混合粉末がアルミニウム金属又はその
合金粉末を８０〜１０体積％、炭化珪素粉末を２０〜９
０体積％添加混合したものであることを特徴とする請求
項１〜１２のいずれかに記載の低熱膨張・高熱伝導性ア
ルミニウム複合材料の製造方法。
【請求項１４】炭化珪素粉末の粒径Ｘと、アルミニウ
ム金属又はその合金粉末の粒径Ｙとの比（Ｘ／Ｙ）が１
より大きいことを特徴とする請求項１〜１３のいずれか
に記載の低熱膨張・高熱伝導性アルミニウム複合材料の
製造方法。
【請求項１５】炭化珪素粉末の形状が擬球状であるこ
とを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載の低熱
膨張・高熱伝導性アルミニウム複合材料の製造方法。
【請求項１６】炭化珪素粉末のアスペクト比が１〜５
であることを特徴とする請求項１〜１５のいずれかに記
載の低熱膨張・高熱伝導性アルミニウム複合材料の製造
方法。
【請求項１７】炭化珪素粉末は粒度の異なる粗粉と細
粉を配合したものからなることを特徴とする請求項１〜
１６のいずれかに記載の低熱膨張・高熱伝導性アルミニ
ウム複合材料の製造方法。
【請求項１８】炭化珪素粉末の粗粉の粒径Ｘａと細粉
の粒径Ｘｂとの比（Ｘａ／Ｘｂ）が２以上であることを
特徴とする請求項１〜１７のいずれかに記載の低熱膨張
・高熱伝導性アルミニウム複合材料の製造方法。
【請求項１９】炭化珪素粉末が造粒粉からなることを
特徴とする請求項１〜１８のいずれかに記載の低熱膨張
・高熱伝導性アルミニウム複合材料の製造方法。
【請求項２０】炭化珪素粉末は造粒粉と単一粉末を配
合したものからなることを特徴とする請求項１〜１８の
いずれかに記載の低熱膨張・高熱伝導性アルミニウム複
合材料の製造方法。
【請求項２１】炭化珪素粉末の造粒粉の粒径が１０μ
ｍ以上であることを特徴とする請求項１〜２０のいずれ
かに記載の低熱膨張・高熱伝導性アルミニウム複合材料
の製造方法。
【請求項２２】炭化珪素粉末の隣接する造粒粉間の最
短距離が造粒粉粒径の１／２以下であることを特徴とす
る請求項１〜２１のいずれかに記載の低熱膨張・高熱伝
導性アルミニウム複合材料の製造方法。
【請求項２３】炭化珪素粉末が予め３００℃以上に加
熱処理されていることを特徴とする請求項１〜２２のい
ずれかに記載の低熱膨張・高熱伝導性アルミニウム複合
材料の製造方法。
【請求項２４】圧粉体の相対密度が５０％以上である
ことを特徴とする請求項１〜２３のいずれかに記載の低
熱膨張・高熱伝導性アルミニウム複合材料の製造方法。
【請求項２５】非酸化性雰囲気で加熱して成形するこ
とを特徴とする請求項１〜２４のいずれかに記載の低熱
膨張・高熱伝導性アルミニウム複合材料の製造方法。
【請求項２６】ホットプレス、静水圧加圧により加熱
して成形することを特徴とする請求項１〜２４のいずれ
かに記載の低熱膨張・高熱伝導性アルミニウム複合材料
の製造方法。
【請求項２７】加熱して成形する時の雰囲気の酸素濃
度が常温時に０．１ｍｏｌ／ｍ³以下であることを特徴
とする請求項１〜２６のいずれかに記載の低熱膨張・高
熱伝導性アルミニウム複合材料の製造方法。
【請求項２８】加熱して成形した後、得られた成形体
に熱間加工を施すことを特徴とする請求項１〜２７のい
ずれかに記載の低熱膨張・高熱伝導性アルミニウム複合
材料の製造方法。
【請求項２９】請求項１〜２８のいずれかに記載の低
熱膨張・高熱伝導性アルミニウム複合材料の製造方法に
よって得られたことを特徴とする低熱膨張・高熱伝導性
アルミニウム複合材料。
【請求項３０】熱膨張係数が４×１０-⁶〜２０×１０
-⁶／Ｋ、熱伝導率が１５０〜２８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）であ
ることを特徴とする請求項２９に記載の低熱膨張・高熱
伝導性アルミニウム複合材料。
【請求項３１】気孔率が１０％以下であることを特徴
とする請求項２９又は３０に記載の低熱膨張・高熱伝導
性アルミニウム複合材料。