JPH11199949A - 炭素繊維を分散したアルミニウム基複合材料 - Google Patents
炭素繊維を分散したアルミニウム基複合材料Info
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- JPH11199949A JPH11199949A JP2042498A JP2042498A JPH11199949A JP H11199949 A JPH11199949 A JP H11199949A JP 2042498 A JP2042498 A JP 2042498A JP 2042498 A JP2042498 A JP 2042498A JP H11199949 A JPH11199949 A JP H11199949A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 熱ストレスを与えても特性劣化が生じること
なく低い熱膨張係数と高い熱伝導率を維持した信頼性の
高い、炭素繊維を分散したアルミニウム基複合材料を提
供する。 【解決手段】 炭素繊維のアスペクト比が平均値３０〜
５０で、かつ体積充填率が２０〜３５％に、炭素繊維を
アルミニウムまたはアルミニウム合金のマトリックスに
分散したアルミニウム基複合材料であり、またそのアル
ミニウム基複合材料の表面に露出した炭素繊維を包含し
た状態で金属メッキ層を形成するものである。
なく低い熱膨張係数と高い熱伝導率を維持した信頼性の
高い、炭素繊維を分散したアルミニウム基複合材料を提
供する。 【解決手段】 炭素繊維のアスペクト比が平均値３０〜
５０で、かつ体積充填率が２０〜３５％に、炭素繊維を
アルミニウムまたはアルミニウム合金のマトリックスに
分散したアルミニウム基複合材料であり、またそのアル
ミニウム基複合材料の表面に露出した炭素繊維を包含し
た状態で金属メッキ層を形成するものである。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は炭素繊維を分散した
アルミニウム基複合材料に係り、特に低い熱膨張係数と
高い熱伝導率を有し、特性劣化の少ない信頼性の高い、
炭素繊維を分散したアルミニウム基複合材料に関する。
アルミニウム基複合材料に係り、特に低い熱膨張係数と
高い熱伝導率を有し、特性劣化の少ない信頼性の高い、
炭素繊維を分散したアルミニウム基複合材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】最近、電子機器その他の産業部材とし
て、熱歪みが発生しない低熱膨張で、放熱性を高めるた
めに熱伝導の優れた、信頼性の高い材料が要求されてい
る。従来、このような要求に適用する材料には、熱膨張
特性の良好な材料としては、Ｆｅ−Ｃｏ合金（コバー
ル）、４２アロイ等のＮｉ合金、Ｃｕ−Ｗ合金等が一般
的である。また熱伝導率の高い材料としては、Ｃｕ、Ａ
ｌ等の高伝導性金属がある。近年では、これらに対し
て、熱膨張係数の小さい炭素繊維を分散材とし、マトリ
ックスが熱伝導特性の高いアルミニウム等で構成された
複合材料について提案されている（例えば、特開平１−
３１９６３９号公報、特開平４−１４７６５４号公
報）。
て、熱歪みが発生しない低熱膨張で、放熱性を高めるた
めに熱伝導の優れた、信頼性の高い材料が要求されてい
る。従来、このような要求に適用する材料には、熱膨張
特性の良好な材料としては、Ｆｅ−Ｃｏ合金（コバー
ル）、４２アロイ等のＮｉ合金、Ｃｕ−Ｗ合金等が一般
的である。また熱伝導率の高い材料としては、Ｃｕ、Ａ
ｌ等の高伝導性金属がある。近年では、これらに対し
て、熱膨張係数の小さい炭素繊維を分散材とし、マトリ
ックスが熱伝導特性の高いアルミニウム等で構成された
複合材料について提案されている（例えば、特開平１−
３１９６３９号公報、特開平４−１４７６５４号公
報）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
従来技術の複合材料は、分散材である炭素繊維とマトリ
ックスであるアルミニウムは濡れ性が悪く、複合時に十
分な界面特性を得ることができない。また、炭素繊維の
熱膨張係数は−１×１０−６／℃に対して、アルミニウ
ムの熱膨張係数は２４×１０−６／℃であるため、その
差が大きく、熱ストレスを繰り返し与えると炭素繊維と
マトリックスの界面で大きなストレスが発生し、界面剥
離などを発生し、これにより熱膨張特性および熱伝導特
性が劣化するという問題点があった。
従来技術の複合材料は、分散材である炭素繊維とマトリ
ックスであるアルミニウムは濡れ性が悪く、複合時に十
分な界面特性を得ることができない。また、炭素繊維の
熱膨張係数は−１×１０−６／℃に対して、アルミニウ
ムの熱膨張係数は２４×１０−６／℃であるため、その
差が大きく、熱ストレスを繰り返し与えると炭素繊維と
マトリックスの界面で大きなストレスが発生し、界面剥
離などを発生し、これにより熱膨張特性および熱伝導特
性が劣化するという問題点があった。
【０００４】また、上記の従来技術において、所定のア
スペクト比の炭素繊維を用いることについての開示はあ
るが、低い熱膨張係数と高い熱伝導率を有し、特性劣化
の少ない信頼性の高いものを得るものではなく、また複
合材料に分散させる炭素繊維成形体作製後、また炭素繊
維成形体をアルミニウムで複合化した後のアスペクト比
は、所定の体積充填率を得るために繊維の折損などを起
こし、出発原料時のアスペクト比を維持することはでき
ないという問題点があった。本発明の目的は、このよう
な問題点に鑑み、熱ストレスを与えても特性劣化が生じ
ることなく低い熱膨張係数と高い熱伝導率を維持した信
頼性の高い、炭素繊維を分散したアルミニウム基複合材
料を提供するものである。
スペクト比の炭素繊維を用いることについての開示はあ
るが、低い熱膨張係数と高い熱伝導率を有し、特性劣化
の少ない信頼性の高いものを得るものではなく、また複
合材料に分散させる炭素繊維成形体作製後、また炭素繊
維成形体をアルミニウムで複合化した後のアスペクト比
は、所定の体積充填率を得るために繊維の折損などを起
こし、出発原料時のアスペクト比を維持することはでき
ないという問題点があった。本発明の目的は、このよう
な問題点に鑑み、熱ストレスを与えても特性劣化が生じ
ることなく低い熱膨張係数と高い熱伝導率を維持した信
頼性の高い、炭素繊維を分散したアルミニウム基複合材
料を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するためのもので、炭素繊維をアルミニウムまたはア
ルミニウム合金のマトリックスに分散したアルミニウム
基複合材料において、前記炭素繊維のアスペクト比が平
均値３０〜５０であり、かつ体積充填率が２０〜３５％
であることを特徴とする炭素繊維を分散したアルミニウ
ム基複合材料である。
決するためのもので、炭素繊維をアルミニウムまたはア
ルミニウム合金のマトリックスに分散したアルミニウム
基複合材料において、前記炭素繊維のアスペクト比が平
均値３０〜５０であり、かつ体積充填率が２０〜３５％
であることを特徴とする炭素繊維を分散したアルミニウ
ム基複合材料である。
【０００６】また、本発明は、上記のアルミニウム基複
合材料のマトリックスとしてのアルミニウム合金が、Ｓ
ｉを１２〜２５重量％含むアルミニウム合金であること
を特徴とするものである。また、本発明は、上記のアル
ミニウム基複合材料のアルミニウムまたはアルミニウム
合金のマトリックスに分散している炭素繊維が、複合材
料の熱膨張を抑制しようとする方向に配向していること
を特徴とするものである。
合材料のマトリックスとしてのアルミニウム合金が、Ｓ
ｉを１２〜２５重量％含むアルミニウム合金であること
を特徴とするものである。また、本発明は、上記のアル
ミニウム基複合材料のアルミニウムまたはアルミニウム
合金のマトリックスに分散している炭素繊維が、複合材
料の熱膨張を抑制しようとする方向に配向していること
を特徴とするものである。
【０００７】また、本発明は、上記のアルミニウム基複
合材料のアルミニウムまたはアルミニウム合金のマトリ
ックスに分散している炭素繊維が、グラファイト質およ
び／またはグラファイト質に近い構造のものであること
を特徴とするものである。
合材料のアルミニウムまたはアルミニウム合金のマトリ
ックスに分散している炭素繊維が、グラファイト質およ
び／またはグラファイト質に近い構造のものであること
を特徴とするものである。
【０００８】さらに、本発明は、上記のアルミニウム基
複合材料は、その表面に露出した炭素繊維を包含した状
態で金属メッキ層が形成されたものであり、前記複合材
料の表面に露出した炭素繊維の内の５０％以上の炭素繊
維が、繊維長さの１／３〜２／３をメッキ層中に包含さ
れるものであることを特徴とするものである。
複合材料は、その表面に露出した炭素繊維を包含した状
態で金属メッキ層が形成されたものであり、前記複合材
料の表面に露出した炭素繊維の内の５０％以上の炭素繊
維が、繊維長さの１／３〜２／３をメッキ層中に包含さ
れるものであることを特徴とするものである。
【０００９】
【作用】本発明の複合材料は、金属マトリックスとして
高熱伝導性のアルミニウムまたはアルミニウム合金を用
い、繊維として低熱膨張の炭素繊維を分散させ、炭素繊
維のアスペクト比が平均値３０〜５０であり、かつ炭素
繊維の体積充填率が２０〜３５％であるので、炭素繊維
とアルミニウムまたはアルミニウム合金マトリックスの
間でアンカー効果が生じ、熱ストレスを与えても特性の
劣化が生じることなく熱膨張特性、熱伝導特性を維持で
きるものであり、また同時に靭性も向上したものを得る
ことができる。
高熱伝導性のアルミニウムまたはアルミニウム合金を用
い、繊維として低熱膨張の炭素繊維を分散させ、炭素繊
維のアスペクト比が平均値３０〜５０であり、かつ炭素
繊維の体積充填率が２０〜３５％であるので、炭素繊維
とアルミニウムまたはアルミニウム合金マトリックスの
間でアンカー効果が生じ、熱ストレスを与えても特性の
劣化が生じることなく熱膨張特性、熱伝導特性を維持で
きるものであり、また同時に靭性も向上したものを得る
ことができる。
【００１０】本発明において、炭素繊維のアスペクト比
を平均値３０〜５０に、かつ体積充填率を２０〜３５％
に限定した理由を説明する。炭素繊維のアスペクト比が
平均値３０よりも小さい場合は、熱ストレスを与える
と、充分なアンカー効果が得られず、充分な熱膨張特性
が得られない。また十分な炭素繊維が存在しないため、
熱ストレス負荷時に破壊クラックの伝播を阻止する破壊
クラックの伝播抵抗が得られず、十分な靭性を得ること
ができないものである。
を平均値３０〜５０に、かつ体積充填率を２０〜３５％
に限定した理由を説明する。炭素繊維のアスペクト比が
平均値３０よりも小さい場合は、熱ストレスを与える
と、充分なアンカー効果が得られず、充分な熱膨張特性
が得られない。また十分な炭素繊維が存在しないため、
熱ストレス負荷時に破壊クラックの伝播を阻止する破壊
クラックの伝播抵抗が得られず、十分な靭性を得ること
ができないものである。
【００１１】炭素繊維のアスペクト比が平均値５０より
大きい場合は、熱ストレスを与えた際、炭素繊維とマト
リックスであるアルミニウムまたはアルミニウム合金の
間で熱ストレスによる界面剥離などが生じ、アンカー効
果が得られなくなるものである。熱ストレスがかからな
い状態ではアスペクト比が平均値５０より大きくてもア
ンカー効果はあるが、熱ストレスを与えると、マトリッ
クスであるアルミニウムまたはアルミニウム合金との間
で熱ストレスによる界面剥離が生じてアンカー効果が得
られなくなるものである。
大きい場合は、熱ストレスを与えた際、炭素繊維とマト
リックスであるアルミニウムまたはアルミニウム合金の
間で熱ストレスによる界面剥離などが生じ、アンカー効
果が得られなくなるものである。熱ストレスがかからな
い状態ではアスペクト比が平均値５０より大きくてもア
ンカー効果はあるが、熱ストレスを与えると、マトリッ
クスであるアルミニウムまたはアルミニウム合金との間
で熱ストレスによる界面剥離が生じてアンカー効果が得
られなくなるものである。
【００１２】これは、炭素繊維の熱膨張係数は−１×１
０−６／℃であるのに対して、アルミニウムの熱膨張係
数は２４×１０−６／℃であり、その差が大きくので、
熱ストレスを繰り返し与えると炭素繊維とマトリックス
の界面で大きなストレスが発生する。炭素繊維のアスペ
クト比が平均値５０より大きいと、一本の炭素繊維に対
するアルミニウムまたはアルミニウム合金との界面が長
いので、熱ストレスによる界面剥離が生じてアンカー効
果が得られなくなるものである。また、アスペクト比が
平均値５０以下の複合体を得ようとする場合は、炭素繊
維は余り折損しない。複合化後のアスペクト比を平均値
５０より大きくしようとすると、複合時に炭素繊維の折
損が著しく、所定のアスペクト比で体積充填率を得るこ
とができない。好ましくは、炭素繊維のアスペクト比は
平均値で４０〜４５である。
０−６／℃であるのに対して、アルミニウムの熱膨張係
数は２４×１０−６／℃であり、その差が大きくので、
熱ストレスを繰り返し与えると炭素繊維とマトリックス
の界面で大きなストレスが発生する。炭素繊維のアスペ
クト比が平均値５０より大きいと、一本の炭素繊維に対
するアルミニウムまたはアルミニウム合金との界面が長
いので、熱ストレスによる界面剥離が生じてアンカー効
果が得られなくなるものである。また、アスペクト比が
平均値５０以下の複合体を得ようとする場合は、炭素繊
維は余り折損しない。複合化後のアスペクト比を平均値
５０より大きくしようとすると、複合時に炭素繊維の折
損が著しく、所定のアスペクト比で体積充填率を得るこ
とができない。好ましくは、炭素繊維のアスペクト比は
平均値で４０〜４５である。
【００１３】体積充填率を２０〜３５％に限定した理由
は、体積充填率が２０未満では充分なアンカー効果がな
く充分な熱膨張特性が得られない。また体積充填率が３
５％を越えると複合時に炭素繊維の折損量が多くなる。
また繊維成形体を得ることも困難になる。
は、体積充填率が２０未満では充分なアンカー効果がな
く充分な熱膨張特性が得られない。また体積充填率が３
５％を越えると複合時に炭素繊維の折損量が多くなる。
また繊維成形体を得ることも困難になる。
【００１４】マトリックスのアルミニウム合金として、
Ｓｉを１２〜２５重量％含むアルミニウム合金が適当で
ある。このアルミニウム合金では、Ｓｉが１２重量％よ
り少なければ、マトリックスの熱膨張係数と炭素繊維の
熱膨張係数の差が大きく、炭素繊維とマトリックスとの
界面でのストレスが大きくなり十分なアンカー効果を得
ることができない。またＳｉが２５％重量％を越える
と、初晶Ｓｉが増大し加工性が悪くなり、また複合時に
おいてもマトリックスの融点が高く、含浸性が劣化し複
合体の割れ、潰れなどの複合欠陥が生じることになる。
Ｓｉを１２〜２５重量％含むアルミニウム合金が適当で
ある。このアルミニウム合金では、Ｓｉが１２重量％よ
り少なければ、マトリックスの熱膨張係数と炭素繊維の
熱膨張係数の差が大きく、炭素繊維とマトリックスとの
界面でのストレスが大きくなり十分なアンカー効果を得
ることができない。またＳｉが２５％重量％を越える
と、初晶Ｓｉが増大し加工性が悪くなり、また複合時に
おいてもマトリックスの融点が高く、含浸性が劣化し複
合体の割れ、潰れなどの複合欠陥が生じることになる。
【００１５】マトリックスに分散している炭素繊維は複
合材料の熱膨張を抑制しようとする方向に配向している
ことが好ましい。炭素繊維が複合材料の熱膨張を抑制し
ようとする方向に配向していることにより、アスペクト
比を平均値３０〜５０にすることによるアンカー効果を
より有効に発現することができる。
合材料の熱膨張を抑制しようとする方向に配向している
ことが好ましい。炭素繊維が複合材料の熱膨張を抑制し
ようとする方向に配向していることにより、アスペクト
比を平均値３０〜５０にすることによるアンカー効果を
より有効に発現することができる。
【００１６】マトリックスに分散している炭素繊維はグ
ラファイト質および／またはグラファイト質に近い構造
のものが好ましい。本発明においては、炭素繊維のアス
ペクト比を平均値３０〜５０に、かつ体積充填率を２０
〜３５％にすることにより、熱ストレスによる界面剥離
が生じることなくアンカー効果が得られ、熱ストレスを
与えても特性の劣化が生じることなく熱膨張特性、熱伝
導特性を維持できるものであるが、炭素繊維として、グ
ラファイト質かグラファイ質に近い構造のものを用いる
ことで、複合化後より充分な界面特性が得られる。これ
はマトリックスであるアルミニウムまたはアルミニウム
合金との間にＡｌ３Ｃ４などの化合物が生じることがな
く、熱ストレスによる界面剥離などが生じないためであ
り、より信頼性の高い複合材料を得ることができる。
ラファイト質および／またはグラファイト質に近い構造
のものが好ましい。本発明においては、炭素繊維のアス
ペクト比を平均値３０〜５０に、かつ体積充填率を２０
〜３５％にすることにより、熱ストレスによる界面剥離
が生じることなくアンカー効果が得られ、熱ストレスを
与えても特性の劣化が生じることなく熱膨張特性、熱伝
導特性を維持できるものであるが、炭素繊維として、グ
ラファイト質かグラファイ質に近い構造のものを用いる
ことで、複合化後より充分な界面特性が得られる。これ
はマトリックスであるアルミニウムまたはアルミニウム
合金との間にＡｌ３Ｃ４などの化合物が生じることがな
く、熱ストレスによる界面剥離などが生じないためであ
り、より信頼性の高い複合材料を得ることができる。
【００１７】また、本発明は、複合材料に金属メッキ層
を形成して用いることができるが、金属メッキを施す際
には、複合材料の表面に露出した炭素繊維を包含した状
態で金属メッキ層を形成する。この複合材料の表面に露
出させた炭素繊維は、その内の５０％以上の炭素繊維
が、繊維長の１／３〜２／３をメッキ層中に包含される
ものであることが好ましい。これにより熱ストレスに対
して複合材料とメッキ部との充分な密着性と信頼性を得
ることができる。メッキ層中に包含される炭素繊維の長
さが２／３より大きい場合は、強い熱ストレスにおいて
複合材中のマトリックスとの密着性とアンカー効果を得
ることができず、充分な密着性と信頼性を得ることがで
きない。１／３より小さい場合は、メッキ部との密着性
とアンカー効果を得ることができず、十分な密着性と信
頼性を得ることができない。
を形成して用いることができるが、金属メッキを施す際
には、複合材料の表面に露出した炭素繊維を包含した状
態で金属メッキ層を形成する。この複合材料の表面に露
出させた炭素繊維は、その内の５０％以上の炭素繊維
が、繊維長の１／３〜２／３をメッキ層中に包含される
ものであることが好ましい。これにより熱ストレスに対
して複合材料とメッキ部との充分な密着性と信頼性を得
ることができる。メッキ層中に包含される炭素繊維の長
さが２／３より大きい場合は、強い熱ストレスにおいて
複合材中のマトリックスとの密着性とアンカー効果を得
ることができず、充分な密着性と信頼性を得ることがで
きない。１／３より小さい場合は、メッキ部との密着性
とアンカー効果を得ることができず、十分な密着性と信
頼性を得ることができない。
【００１８】
【発明の実施の形態】本発明の炭素繊維を分散したアル
ミニウム基複合材の製法の例を示すと、アスペクト比の
平均値が３０〜５０の炭素繊維を用い、バインダー例え
ば無機バインダーを主成分とする水溶液に撹拌してスラ
リー状にし、このスラリーを金型に入れて金型底部より
真空脱水を行い、体積充填率２０〜３５％の炭素繊維成
形体に形成する。次いで、炭素繊維成形体に乾燥、予熱
を行い、所定のキャビティの鋳造金型に設置し、溶湯鍛
造法による加圧鋳造装置で製造するものである。
ミニウム基複合材の製法の例を示すと、アスペクト比の
平均値が３０〜５０の炭素繊維を用い、バインダー例え
ば無機バインダーを主成分とする水溶液に撹拌してスラ
リー状にし、このスラリーを金型に入れて金型底部より
真空脱水を行い、体積充填率２０〜３５％の炭素繊維成
形体に形成する。次いで、炭素繊維成形体に乾燥、予熱
を行い、所定のキャビティの鋳造金型に設置し、溶湯鍛
造法による加圧鋳造装置で製造するものである。
【００１９】また、本発明の複合材料に金属メッキを施
す際の例を示すと、作製した複合材料をアルカリ溶液で
表面の脱脂及び表面改質を行い、複合材料の表面に炭素
繊維を露出させる。露出させる炭素繊維は、その内の５
０％以上の炭素繊維が繊維長の１／３〜２／３を露出さ
せるようにする。そして炭素繊維を露出させた複合材料
の表面にメッキ処理を行い、メッキ層中に繊維長の１／
３〜２／３を包含される。これを図１で示すと、アルミ
ニウムまたはアルミニウム合金のマトリックス（３）に
炭素繊維（４）を分散させたアルミニウム基複合材料
（１）の表面に炭素繊維（５）を露出させ、メッキ層
（２）を施すものである。
す際の例を示すと、作製した複合材料をアルカリ溶液で
表面の脱脂及び表面改質を行い、複合材料の表面に炭素
繊維を露出させる。露出させる炭素繊維は、その内の５
０％以上の炭素繊維が繊維長の１／３〜２／３を露出さ
せるようにする。そして炭素繊維を露出させた複合材料
の表面にメッキ処理を行い、メッキ層中に繊維長の１／
３〜２／３を包含される。これを図１で示すと、アルミ
ニウムまたはアルミニウム合金のマトリックス（３）に
炭素繊維（４）を分散させたアルミニウム基複合材料
（１）の表面に炭素繊維（５）を露出させ、メッキ層
（２）を施すものである。
【００２０】本発明の炭素繊維を分散したアルミニウム
基複合材料は、半導体デバイスを搭載する基板として適
するもので、本発明の複合材料を半導体デバイス等を搭
載する基板とし、その上にハンダ付け性に優れた金属層
をメッキ等により設けることにより、デバイス実装基板
との界面に割れ、剥離が発生するおそれの少ない信頼性
の高い半導体装置を得ることができる。
基複合材料は、半導体デバイスを搭載する基板として適
するもので、本発明の複合材料を半導体デバイス等を搭
載する基板とし、その上にハンダ付け性に優れた金属層
をメッキ等により設けることにより、デバイス実装基板
との界面に割れ、剥離が発生するおそれの少ない信頼性
の高い半導体装置を得ることができる。
【００２１】
【実施例１】本発明の第１の実施例を表１に示し説明す
る。分散材として炭素繊維（繊維径１０μｍ）を用い、
種々のアスペクト比の炭素繊維で炭素繊維成形体を作製
した。作製は上記炭素繊維を無機バインダーを主成分と
する水溶液に撹拌してスラリーとし、次いでこのスラリ
ーを金型に入れて金型底部より真空脱水を行い、体積充
填率２５％として寸法１００ｍｍ×１００ｍｍ×２０ｍ
ｍの繊維成形体を得た。なお、アスペクト比が５０より
大きい炭素繊維を用いた場合は、繊維の折損が著しく、
体積充填率２５％を得ることができなかった。この際
に、炭素繊維は吸引脱水のために脱水時の抵抗から、炭
素繊維長手が面方向に配向しているものである。また、
表の炭素繊維のアスペクト比は、ｎ＝１００以上におけ
る平均値であり、複合材料についての測定値である。即
ち１００以上の炭素繊維のアスペクト比の平均した値が
３０〜５０であるというものである。
る。分散材として炭素繊維（繊維径１０μｍ）を用い、
種々のアスペクト比の炭素繊維で炭素繊維成形体を作製
した。作製は上記炭素繊維を無機バインダーを主成分と
する水溶液に撹拌してスラリーとし、次いでこのスラリ
ーを金型に入れて金型底部より真空脱水を行い、体積充
填率２５％として寸法１００ｍｍ×１００ｍｍ×２０ｍ
ｍの繊維成形体を得た。なお、アスペクト比が５０より
大きい炭素繊維を用いた場合は、繊維の折損が著しく、
体積充填率２５％を得ることができなかった。この際
に、炭素繊維は吸引脱水のために脱水時の抵抗から、炭
素繊維長手が面方向に配向しているものである。また、
表の炭素繊維のアスペクト比は、ｎ＝１００以上におけ
る平均値であり、複合材料についての測定値である。即
ち１００以上の炭素繊維のアスペクト比の平均した値が
３０〜５０であるというものである。
【００２２】次に、この炭素繊維成形体を乾燥後、予熱
炉にて７００℃に加熱し、炉内雰囲気はアルゴン雰囲気
で予熱を行った。次いで炭素繊維成形体と同形状のキャ
ビティを有し、２５０℃に予熱した鋳造金型に、予熱炉
から取り出した炭素繊維成形体を設置した。そして、溶
湯鍛造法による加圧鋳造装置で型締め後、７５０℃のＡ
ｌ−Ｓｉ２０％合金溶湯を射出速度１０ｃｍ／ｓｅｃで
鋳込み、鋳込み後１０００ａｔｍの圧力で１ｍｉｎ加圧
保持後、凝固させた。これにより、面方向において金属
マトリックス中に炭素繊維が配向、分散した複合材料を
作製した。
炉にて７００℃に加熱し、炉内雰囲気はアルゴン雰囲気
で予熱を行った。次いで炭素繊維成形体と同形状のキャ
ビティを有し、２５０℃に予熱した鋳造金型に、予熱炉
から取り出した炭素繊維成形体を設置した。そして、溶
湯鍛造法による加圧鋳造装置で型締め後、７５０℃のＡ
ｌ−Ｓｉ２０％合金溶湯を射出速度１０ｃｍ／ｓｅｃで
鋳込み、鋳込み後１０００ａｔｍの圧力で１ｍｉｎ加圧
保持後、凝固させた。これにより、面方向において金属
マトリックス中に炭素繊維が配向、分散した複合材料を
作製した。
【００２３】これら複合材料に熱ストレスを与える熱衝
撃試験を行った。試験条件は２００℃の加熱雰囲気と−
３０℃の冷却雰囲気を用意して、交互に投げ込む操作を
５００回行なった後熱特性の評価を行った。それを表１
に示す。表１から明らかなように、本発明の実施例の炭
素繊維のアスペクト比が平均値３０〜５０のものは、熱
膨張係数、熱伝導率、シャルピー衝撃値のいずれの値
も、試験前と試験後（熱ストレスを与えた後）で変わら
ず、熱ストレスを与えても特性劣化がなく、低い熱膨張
係数と高い熱伝導率を維持したものであることがわか
る。これに対して、比較例の炭素繊維のアスペクト比が
平均値１０〜２５のものは、試験後（熱ストレスを与え
た後）に熱膨張係数、熱伝導率、シャルピー衝撃値が、
劣化しているものである。以上から本発明のものは、良
好な特性が得られていることが確認された。
撃試験を行った。試験条件は２００℃の加熱雰囲気と−
３０℃の冷却雰囲気を用意して、交互に投げ込む操作を
５００回行なった後熱特性の評価を行った。それを表１
に示す。表１から明らかなように、本発明の実施例の炭
素繊維のアスペクト比が平均値３０〜５０のものは、熱
膨張係数、熱伝導率、シャルピー衝撃値のいずれの値
も、試験前と試験後（熱ストレスを与えた後）で変わら
ず、熱ストレスを与えても特性劣化がなく、低い熱膨張
係数と高い熱伝導率を維持したものであることがわか
る。これに対して、比較例の炭素繊維のアスペクト比が
平均値１０〜２５のものは、試験後（熱ストレスを与え
た後）に熱膨張係数、熱伝導率、シャルピー衝撃値が、
劣化しているものである。以上から本発明のものは、良
好な特性が得られていることが確認された。
【表１】
【００２４】
【実施例２】本発明の第２の実施例を表２に示し説明す
る。上述した実施例１と同様に炭素繊維成形体を作製
し、Ａｌ合金中のＳｉ量をそれぞれ変えて含浸複合化を
行った。複合化条件は実施例１と同様である。このとき
の炭素繊維（φ１０μｍ）のアスペクト比は３５のもの
を使用し、体積充填率は２５％とした。これら複合材料
に熱ストレスを与える熱衝撃試験を行った。試験条件は
２００℃の加熱雰囲気と−３０℃の冷却雰囲気を用意し
て、交互に投げ込む操作を５００回行なった後、熱特性
の評価を行った。それを表２に示す。
る。上述した実施例１と同様に炭素繊維成形体を作製
し、Ａｌ合金中のＳｉ量をそれぞれ変えて含浸複合化を
行った。複合化条件は実施例１と同様である。このとき
の炭素繊維（φ１０μｍ）のアスペクト比は３５のもの
を使用し、体積充填率は２５％とした。これら複合材料
に熱ストレスを与える熱衝撃試験を行った。試験条件は
２００℃の加熱雰囲気と−３０℃の冷却雰囲気を用意し
て、交互に投げ込む操作を５００回行なった後、熱特性
の評価を行った。それを表２に示す。
【００２５】表２から明らかなように、本発明のもの
は、低い熱膨張係数と高い熱伝導率を維持しているもの
であり、良好な特性が得られていることが確認された。
特にＳｉが１２〜２５重量％含まれているアルミニウム
合金のマトリックスのものは、熱膨張係数、熱伝導率、
シャルピー衝撃値のいずれの値も、試験前と試験後で変
わら、熱ストレスを与えても特性劣化がなく、低い熱膨
張係数と高い熱伝導率を維持したものであることがわか
る。
は、低い熱膨張係数と高い熱伝導率を維持しているもの
であり、良好な特性が得られていることが確認された。
特にＳｉが１２〜２５重量％含まれているアルミニウム
合金のマトリックスのものは、熱膨張係数、熱伝導率、
シャルピー衝撃値のいずれの値も、試験前と試験後で変
わら、熱ストレスを与えても特性劣化がなく、低い熱膨
張係数と高い熱伝導率を維持したものであることがわか
る。
【表２】
【００２６】
【実施例３】本発明の第３の実施例を表３に示し説明す
る。上述した実施例１と同様に炭素繊維成形体を作製
し、Ｓｉ２０重量％を含むアルミニウム合金で含浸複合
化を行った。複合化条件は実施例１と同様である。この
ときの炭素繊維（φ＝１０μｍ）のアスペクト比は３０
のものを使用し、体積充填率は２５％とした。
る。上述した実施例１と同様に炭素繊維成形体を作製
し、Ｓｉ２０重量％を含むアルミニウム合金で含浸複合
化を行った。複合化条件は実施例１と同様である。この
ときの炭素繊維（φ＝１０μｍ）のアスペクト比は３０
のものを使用し、体積充填率は２５％とした。
【００２７】作製した複合材料を前処理として、アルカ
リ溶液（水酸化ナトリウム）で５０℃で各時間にて表面
の脱脂及び表面改質を行い、各露出繊維長になるように
併せて行った。更にジンケート処理にてＺｎの下地を１
〜２μｍ施した。この上にＮｉメッキ処理を常温、４Ａ
／ｃｍ２の電流密度の条件で行い、複合材料表面に厚み
２００μｍのＮｉメッキ層を施した（この場合、繊維は
メッキ面に対して完全な垂直方向の配向はなく、メッキ
面から３０゜以下の傾きで配向している。
リ溶液（水酸化ナトリウム）で５０℃で各時間にて表面
の脱脂及び表面改質を行い、各露出繊維長になるように
併せて行った。更にジンケート処理にてＺｎの下地を１
〜２μｍ施した。この上にＮｉメッキ処理を常温、４Ａ
／ｃｍ２の電流密度の条件で行い、複合材料表面に厚み
２００μｍのＮｉメッキ層を施した（この場合、繊維は
メッキ面に対して完全な垂直方向の配向はなく、メッキ
面から３０゜以下の傾きで配向している。
【００２８】これら複合材料に熱ストレスを与える熱衝
撃試験を行った。試験条件は２００℃の加熱雰囲気と−
３０℃の冷却雰囲気を用意して、交互に投げ込み、メッ
キ層と複合材料との剥離が発生するまでの回数で評価を
行った。剥離の確認はメッキ処理した複合板材断面を光
学顕微鏡にて確認した。その結果を表３に示す。表３か
ら明らかなように、本発明の実施例の全繊維長に対する
メッキ部包含繊維の割合が、１／３、１．５／３、１．
７／３、２／３のものは、剥離発生迄の回数が、いずれ
も８００回以上であり、複合材料とメッキ部とが充分に
密着されていることがわかる。これに対して、比較例の
全繊維長に対するメッキ部包含繊維の割合が、０．５／
３、０．７／３、２．５／３のものは、剥離発生迄の回
数が、３６０回以下であり、メッキ部の密着が悪いもの
であった。以上から本発明のものは、良好な特性が得ら
れていることが確認された。
撃試験を行った。試験条件は２００℃の加熱雰囲気と−
３０℃の冷却雰囲気を用意して、交互に投げ込み、メッ
キ層と複合材料との剥離が発生するまでの回数で評価を
行った。剥離の確認はメッキ処理した複合板材断面を光
学顕微鏡にて確認した。その結果を表３に示す。表３か
ら明らかなように、本発明の実施例の全繊維長に対する
メッキ部包含繊維の割合が、１／３、１．５／３、１．
７／３、２／３のものは、剥離発生迄の回数が、いずれ
も８００回以上であり、複合材料とメッキ部とが充分に
密着されていることがわかる。これに対して、比較例の
全繊維長に対するメッキ部包含繊維の割合が、０．５／
３、０．７／３、２．５／３のものは、剥離発生迄の回
数が、３６０回以下であり、メッキ部の密着が悪いもの
であった。以上から本発明のものは、良好な特性が得ら
れていることが確認された。
【表３】
【００２９】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
金属マトリックスとしてアルミニウムまたはアルミニウ
ム合金を用いて炭素繊維を分散させ、炭素繊維のアスペ
クト比が平均値３０〜５０で、かつ炭素繊維の体積充填
率が２０〜３５％であることにより、炭素繊維とアルミ
ニウムまたはアルミニウム合金マトリックスの間でアン
カー効果が生じ、熱ストレスを与えても特性の劣化が生
じることなく熱膨張特性、熱伝導特性を維持でき、また
同時に靭性も向上したものである、という効果を有す
る。これを半導体デバイスを搭載する基板とし、その上
にハンダ付け特性の高い金属層を設けることにより、デ
バイス実装基板との界面に割れ、剥離が発生するおそれ
の少ない信頼性の高い半導体装置を得ることができ、製
造コストの低い装置を提供することができるという効果
を奏するものである。
金属マトリックスとしてアルミニウムまたはアルミニウ
ム合金を用いて炭素繊維を分散させ、炭素繊維のアスペ
クト比が平均値３０〜５０で、かつ炭素繊維の体積充填
率が２０〜３５％であることにより、炭素繊維とアルミ
ニウムまたはアルミニウム合金マトリックスの間でアン
カー効果が生じ、熱ストレスを与えても特性の劣化が生
じることなく熱膨張特性、熱伝導特性を維持でき、また
同時に靭性も向上したものである、という効果を有す
る。これを半導体デバイスを搭載する基板とし、その上
にハンダ付け特性の高い金属層を設けることにより、デ
バイス実装基板との界面に割れ、剥離が発生するおそれ
の少ない信頼性の高い半導体装置を得ることができ、製
造コストの低い装置を提供することができるという効果
を奏するものである。
【図１】本発明の実施例を示す図
【符号の説明】 １．アルミニウム基複合材料 ２．メッキ層 ３．マトリックス ４．５．炭素繊維
Claims (5)
- 【請求項１】 炭素繊維をアルミニウムまたはアルミニ
ウム合金のマトリックスに分散したアルミニウム基複合
材料において、前記炭素繊維のアスペクト比が平均値３
０〜５０であり、かつ体積充填率が２０〜３５％である
ことを特徴とする炭素繊維を分散したアルミニウム基複
合材料。 - 【請求項２】 マトリックスとしてのアルミニウム合金
が、Ｓｉを１２〜２５重量％含むアルミニウム合金であ
ることを特徴とする請求項１記載の炭素繊維を分散した
アルミニウム基複合材料。 - 【請求項３】 アルミニウムまたはアルミニウム合金の
マトリックスに分散している炭素繊維が、複合材料の熱
膨張を抑制しようとする方向に配向していることを特徴
とする請求項１または２記載の炭素繊維を分散したアル
ミニウム基複合材料。 - 【請求項４】 アルミニウムまたはアルミニウム合金の
マトリックスに分散している炭素繊維が、グラファイト
質および／またはグラファイト質に近い構造のものであ
ることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の炭
素繊維を分散したアルミニウム基複合材料。 - 【請求項５】 複合材料は、その表面に露出した炭素繊
維を包含した状態で金属メッキ層が形成されたものであ
り、前記複合材料の表面に露出した炭素繊維の内の５０
％以上の炭素繊維が、繊維長さの１／３〜２／３をメッ
キ層中に包含されるものであることを特徴とする請求項
１〜４のいずれかに記載の炭素繊維を分散したアルミニ
ウム基複合材料。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP02042498A JP4190608B2 (ja) | 1998-01-16 | 1998-01-16 | 炭素繊維を分散したアルミニウム基複合材料 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP02042498A JP4190608B2 (ja) | 1998-01-16 | 1998-01-16 | 炭素繊維を分散したアルミニウム基複合材料 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11199949A true JPH11199949A (ja) | 1999-07-27 |
| JP4190608B2 JP4190608B2 (ja) | 2008-12-03 |
Family
ID=12026667
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP02042498A Expired - Lifetime JP4190608B2 (ja) | 1998-01-16 | 1998-01-16 | 炭素繊維を分散したアルミニウム基複合材料 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4190608B2 (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7291381B2 (en) | 2002-04-10 | 2007-11-06 | Polymatech Co., Ltd. | Thermally conductive formed article and method of manufacturing the same |
| CN109304452A (zh) * | 2018-11-02 | 2019-02-05 | 罗源县白塔乡企业服务中心 | 一种铜铝双金属复合材料的制备方法 |
| CN109402534A (zh) * | 2018-12-26 | 2019-03-01 | 大连大学 | 利用原子堆积理论和低压加压法制备颗粒与纤维强化Al基合金复合材料的方法 |
-
1998
- 1998-01-16 JP JP02042498A patent/JP4190608B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7291381B2 (en) | 2002-04-10 | 2007-11-06 | Polymatech Co., Ltd. | Thermally conductive formed article and method of manufacturing the same |
| CN109304452A (zh) * | 2018-11-02 | 2019-02-05 | 罗源县白塔乡企业服务中心 | 一种铜铝双金属复合材料的制备方法 |
| CN109402534A (zh) * | 2018-12-26 | 2019-03-01 | 大连大学 | 利用原子堆积理论和低压加压法制备颗粒与纤维强化Al基合金复合材料的方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP4190608B2 (ja) | 2008-12-03 |
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