JPWO2013011668A1 - 放熱基板用複合材料の製造方法 - Google Patents

Abstract

高い熱伝導率と低い熱膨張率を両立し、放熱基板として満足できる性能を有する放熱基板用複合材料、及び低コストで上記複合材料を製造することができる上記複合材料の製造方法を提供する。そのために、粉末冶金法によって放熱基板用複合材料を製造する。この製造方法によって作製された放熱基板用複合材料は、アルミニウム合金及び炭化けい素を含有し、上記炭化けい素の粒子同士が接している。

Description

本発明は、放熱基板用複合材料、及びその製造方法に関し、特に、アルミニウムと炭化けい素とを含む放熱基板用複合材料、及びその製造方法に関する。

従来より、半導体素子は、計算機における電磁的信号の制御のみならず、鉄軌道の電気車、電気自動車、工作機械、冷凍機などのような産業機器における、動力源としての電力制御にも利用されている。このような電力制御に利用される半導体素子は、その利用目的が電力の制御であるため、発熱量も多く、そのような半導体素子が実装される基板は、放熱効率が高いことが要求される。

電力制御用の半導体素子に実装され、該半導体素子から発生する熱を放熱する放熱基板の材料としては、従来より、熱伝導率の高い銅及び銅合金が利用されている。
しかし、銅及び銅合金は、半導体素子を構成するけい素、ひ化ガリウムなどと比較して、熱膨張率が大きいため、半導体素子の発熱によって、半導体素子と放熱基板との間に熱膨張率の差に起因してクラックが発生することがある。このようなクラックの発生は、結果として、半導体素子の放熱特性の低下、及び半導体素子の破壊の要因となることがあった。

そのため、半導体素子の信頼性が特に必要な場合、半導体素子と放熱基板との間の熱膨張率の差に起因するクラックの発生を防止する観点から、モリブデン、タングステン、又はそれらの合金が放熱基板の材料に利用されてきている。
しかしながら、これらの放熱基板の材料は、熱伝導率が低いという欠点があり、熱伝導率が低いという欠点を補うために放熱基板の容積を増大させることは、これらの材料の密度が大きいこともあって、質量の増大につながっていた。

そこで、取扱の容易性、並びに鉄軌道用の電気車及び電気自動車のような輸送機器における走行性能の向上を目的として、高い熱伝導率と、より低い熱膨張率を実現し、軽量な電力制御用半導体素子の放熱基板が要望されている。
このような放熱基板への要望に対し、特許文献１及び特許文献２では、それぞれ、銅とダイヤモンドの複合材料及び銅と酸化第一銅の複合材料が提案されている。

しかしながら、特許文献１に開示された複合材料は、６００Ｗ／（ｍ・Ｋ）を超える熱伝導率と５×１０^−６を下回る熱膨張率を両立させているものの、ダイヤモンドを利用しているため、コストが高いうえに、寸法調整等の際の切削加工性に劣るという欠点がある。

一方、特許文献２に開示された複合材料は、２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）を超える熱伝導率と１６×１０^−６を下回る熱膨張率を両立させているほか、製造も容易で、低コストで実現できるものである。しかし、銅及び酸化第一銅の密度は、それぞれ８．９ｋｇ／ｄｍ^３及び６．４ｋｇ／ｄｍ^３であるため、軽量であるという要求に対応できていない。

そこで、軽量化の要求に応える複合材料に関する技術として、特許文献３〜７には、いずれもアルミニウム合金と炭化けい素とを含む複合材料が提案されている。特許文献３〜７に記載の複合材料は、アルミニウム合金及び炭化けい素の密度が、それぞれ２．７ｋｇ／ｄｍ^３程度及び３．２ｋｇ／ｄｍ^３程度であるため、軽量化の要求に対応できている。
特許文献３に開示された技術は、いわゆる含浸法による複合材料の製造方法である。具体的には、炭化けい素の粒子又は繊維を成型することによって炭化けい素の粒子又は繊維の凝集体である多孔質のプリフォームを形成した後、溶融アルミニウムを接触させ、多孔質のプリフォームの空隙に溶融アルミニウム合金を含浸させる方法である。

また、特許文献４に開示された技術は、いわゆる鋳造法による複合材料の製造方法である。具体的には、溶融アルミニウム合金と炭化けい素の粒子を混合した後、鋳造する方法である。
また、特許文献５、特許文献６、及び特許文献７に開示された技術は、いわゆる粉末冶金法によるアルミニウム合金と炭化けい素との複合材料の製造方法である。具体的には、アルミニウム粉末又はアルミニウム合金の粉末と、炭化けい素の粒子とを混合した後、焼結する方法である。

国際公開ＷＯ２００３／０４０４２０号パンフレット 特開２００４−００３０２３号公報 特開平２−２４３７２９号公報 特表平１−５０１４８９号公報 特開平９−１５７７７３号公報 特開平１０−３３５５３８号公報 特開平１１−１０６８４８号公報

しかしながら、上記含浸法では、多孔質のプリフォームを一旦形成した後に、多孔質のプリフォームの空隙に溶融アルミニウム合金を含浸させるため、多段階の加工が必要である。したがって、放熱基板に用いるのに適した複合材料が得られるものの、コストが著しく高くなるという欠点があった。
一方、鋳造法及び粉末冶金法は、コストを低く抑えることはできるものの、混合可能な炭化けい素の粒子の混合割合に制限があるため、高い熱伝導率と低い熱膨張率を両立することが難しかった。

特に、鋳造法においては、炭化けい素の粒子の割合を高くすると、溶融アルミニウム合金と炭化けい素との混合物の流動性が低くなって鋳造性が悪化するとともに混合物中において炭化けい素が偏析する。その結果、混合物中の炭化けい素の割合を５０％以上にすることができず、満足できる性能の放熱基板を得ることが困難であった。

なお、粉末冶金法においては、鋳造法よりも炭化けい素の粒子の割合を高くすることができる。しかし、特許文献５に記載の技術は、アルミニウム合金ではなく純度９９％以上のアルミニウムを利用しているため、焼結温度を６６０℃以上とする必要がある。すなわち、焼結のための加熱に要する時間とコストが多大であるとともに、加熱成型用型を、高価な黒鉛又はセラミックス等とする必要があり、コストが高くなるという欠点があった。
ここで、本発明者らの研究によれば、上記加熱成型用型を鉄鋼製に変更した場合、加熱成型用型の寿命が短く、コストが高くなるという欠点があることが判明している。

また、特許文献６に記載の技術は、アルミニウム又はアルミニウム合金中に炭化ケイ素が粒子状に分散して存在する半導体基板材料を提供するものである。しかし、このような技術によれば、焼結雰囲気として、９９体積％以上の窒素雰囲気、酸素濃度が２００ｐｐｍ以下の雰囲気、あるいは露点が−２０℃以下の雰囲気、とする必要があってコストが高くなるという欠点があった。

さらに、特許文献７に記載の技術は、平均粒径の異なる複数のセラミックス粒子を利用すると共に、１００℃〜４００℃、３０ＭＰａ〜３００ＭＰａの条件で予備成形することが必要であり、コストが高くなるという欠点があった。
そこで、本発明は上記の問題点に着目してなされたものであり、その目的は、高い熱伝導率と低い熱膨張率を両立し、放熱基板として満足できる性能を有する放熱基板用複合材料、及び低コストで上記複合材料を製造することができる上記複合材料の製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明者らが鋭意検討を重ねた結果、アルミニウム合金と炭化けい素との放熱基板用複合材料の上記炭化けい素の粒子同士が接していれば、高い熱伝導率と低い熱膨張率とを両立できることを知見した。
本発明は、本発明者らによる上記知見に基づくものであり、上記課題を解決するための本発明のある実施形態に係る放熱基板用複合材料の製造方法は、アルミニウム合金の粉末と、炭化けい素の粒子とを混合して混合物を得る混合工程と、
上記混合物をアルミニウム製の枠内に充填して加熱する加熱工程と、
上記アルミニウム合金が溶融状態となった半溶融状態の上記混合物を鍛造する鍛造工程とを含み、
上記炭化けい素の粒子同士が接している。

また、本発明の他の実施形態に係る放熱基板用複合材料の製造方法は、上記アルミニウム合金が、Ａｌ−Ｓｉ合金でもよい。
また、本発明の他の実施形態に係る放熱基板用複合材料の製造方法は、上記Ａｌ−Ｓｉ合金が、Ａｌ−（７〜１１）質量％Ｓｉでもよい。
また、本発明の他の実施形態に係る放熱基板用複合材料の製造方法は、上記加熱工程における加熱温度が、上記アルミニウム合金の液相線温度以上６５０℃以下の温度でもよい。

また、本発明の他の実施形態に係る放熱基板用複合材料の製造方法は、上記鍛造工程における鍛造条件が、１００ＭＰａ〜３００ＭＰａの圧力を１秒間〜２０秒間作用させてもよい。
また、本発明のある実施形態に係る放熱基板用複合材料は、上記放熱基板用複合材料の製造方法により得られる。
また、本発明の他の実施形態に係る放熱基板用複合材料は、粉末冶金法を用いて製造され、アルミニウム合金及び炭化けい素を含有し、上記炭化けい素の粒子同士が接している。

本発明の放熱基板用複合材料の製造方法によれば、粉末冶金法によって放熱基板用の複合材料を作製しているので、低コストである。また、本発明の放熱基板用複合材料は、高い熱伝導率と低い熱膨張率を両立し、軽量で、縦弾性係数が低く半導体素子との密着性を向上させることができるため、電力制御用半導体素子の放熱基板として好適な性能を有する。

本実施形態の放熱基板用複合材料によって作製された放熱基板の構成を示す正面図である。 実施例１の複合材料の断面組織を示す顕微鏡写真である。 比較例１の複合材料の断面組織を示す顕微鏡写真である。 比較例２の複合材料の断面組織を示す顕微鏡写真である。 比較例３の複合材料の断面組織を示す顕微鏡写真である。 図２に示す実施例１の複合材料の断面組織について画像解析により炭化けい素の粒子の部分を黒く、それ以外の部分を白くする画像変換した顕微鏡写真である。 図３に示す比較例１の複合材料の断面組織について画像解析により炭化けい素の粒子の部分を黒く、それ以外の部分を白くする画像変換した顕微鏡写真である。

以下、本発明のある実施形態の放熱基板用複合材料、及びその製造方法について図面を参照して説明する。
（放熱基板用複合材料の製造方法）
本実施形態の放熱基板用複合材料（以下、複合材料ということがある。）の製造方法は、混合工程と、加熱工程と、鍛造工程とを少なくとも含む。なお、上記混合工程と上記加熱工程との間に、予備成形工程を含んでもよい。
＜混合工程＞
上記混合工程は、少なくとも、アルミニウム合金の粉末と、炭化けい素の粒子とを均一に混合して、混合物を得る工程である。

［アルミニウム合金の粉末］
上記アルミニウム合金の粉末としては、Ａｌ−Ｓｉ合金の粉末が好ましく、Ａｌ−（７〜１１）質量％Ｓｉであることがより好ましい。上記Ａｌ−Ｓｉ合金中のＳｉの含有量が７質量％未満であると、Ｓｉを含有することによる溶融状態での流動性の向上の効果が低いため、好ましくない。一方、Ａｌ−Ｓｉ合金中のＳｉの含有量が１１質量％を超えると、Ａｌ−Ｓｉ系の共晶組織が発達し、凝固後の機械加工性が低下するため、好ましくない。

また、上記アルミニウム合金の粉末の粒径は、特に限定されないが、１０μｍ〜１００μｍが好ましく、２５〜６０μｍがより好ましい。上記粒径が１００μｍを超えると、上記混合工程において炭化けい素の粒子と均一に混合することが困難となる。一方、上記粒径が１０μｍより小さいと、空気中に浮遊しやすくなり、取扱が容易でなくなる。また、上記アルミニウム合金の粉末は、Ｓｉ含有量の異なる複数のアルミニウム合金の粉末を混合して、Ａｌ−（７〜１１）質量％Ｓｉ合金となるようにしてもよい。Ｓｉ含有量の異なる複数の上記アルミニウム合金の粉末の粒径は、１０μｍ〜１００μｍが好ましく、２５μｍ〜６０μｍがより好ましい。また、Ｓｉ含有量の異なる複数の上記アルミニウム合金の粉末の粒径は、相互に異なっていてもよい。

なお、上記アルミニウム合金の粉末の粒径は、レーザ回折式粒度分析測定法よる値を示す。また、上記アルミニウム合金の粉末の形状としては、特に限定されないが、例えば、涙滴状，真球状，回転楕円体状，フレーク状又は不定形状等、いずれであってもよい。

［炭化けい素の粒子］
上記炭化けい素の粒子としては、緑色炭化けい素の粒子又は黒色炭化けい素の粒子が使用できる。上記炭化けい素の粒子の粒径は、特に限定されないが、１０μｍ〜１００μｍが好ましく、２５μｍ〜６０μｍがより好ましい。上記粒径が１００μｍを超えると、上記混合工程において上記アルミニウム合金の粉末と均一に混合することが困難となる。一方、上記炭化けい素の粒子の粒径が１０μｍより小さいと、空気中に浮遊しやすくなり、取扱が容易でなくなる。
なお、上記炭化けい素の粒子の粒径は、レーザ回折式粒度分析測定法よる値を示す。また、上記炭化けい素の粒子の形状は特に限定されないが、例えば、涙滴状，真球状，回転楕円体状，フレーク状又は不定形状等、いずれであってもよい。

［混合比］
上記アルミニウム合金の粉末と、上記炭化けい素の粒子との混合比は、質量比で３０：７０〜６０：４０が好ましい。
ここで、上記混合比が、３０：７０を超える、すなわち、上記炭化けい素の粒子が多いと、上記「鍛造工程」後において、得られた複合材料内に空隙が残存するため、高い熱伝導率が得られない。その結果、上記複合材料は、電力制御用半導体素子の放熱基板として満足できる性能のものとならない。

また、上記混合比が、６０：４０を超える、すなわち、アルミニウム合金の粉末が多いと、上記「鍛造工程」後において、得られた複合材料を構成する炭化けい素の粒子同士がアルミニウム合金の粉末により分断されるため、低い熱膨張率が得られない。その結果、上記複合材料は、電力制御用半導体素子の放熱基板として満足できる性能のものとならない。
上記アルミニウム合金の粉末と、上記炭化けい素の粒子とを混合する方法としては、公知の方法を採用することができる。例えば、Ｖブレンダー，クロスロータリーミキサー等のミキサー、振動ミル、遊星ミル等を使用し、１時間から６時間程度混合することが好ましい。

＜予備成形工程＞
上記予備成形工程は、上記混合工程で得られた上記混合物を室温、又は室温〜３００℃の温度範囲において、２００ＭＰａ〜１０００ＭＰａの圧力でのプレス、又は圧力での静水圧により圧縮する工程である。この予備成形工程は省略可能であるが、この工程の実施により、後述する加熱工程における、上記混合物のアルミニウム製の枠内への充填が容易になる。なお、本工程において、プレス又は静水圧が２００ＭＰａ未満であると、予備成形の有意の効果がない。他方、静水圧は１０００ＭＰａあれば十分であり、それ以上の圧力をかける必要はない。

＜加熱工程＞
上記加熱工程は、上記混合物を、アルミニウム製の枠内に充填して、加熱する工程である。
［加熱温度］
本工程における加熱温度は、上記アルミニウム合金の粉末の成分組成により異なるが、上記アルミニウム合金が溶融状態となる液相線温度以上、６５０℃以下の温度である。例えば、上記アルミニウム合金の粉末の成分組成がＡｌ−１１質量％Ｓｉであれば、液相線温度は５９０℃であるから、上記加熱温度は５９０〜６５０℃の範囲内となる。上記加熱温度が、上記アルミニウム合金の液相線温度未満であると、上記アルミニウム合金が溶融状態とならないため、上記鍛造工程を行うことができない。一方、上記加熱温度が６５０℃を超えると、加熱に要するコストが増大するほか、溶融状態の上記アルミニウム合金の表面酸化被膜が厚くなって、みかけ上の流動性が低下する。その結果、上記鍛造工程において、所要圧力及び所要時間が増大することとなり、好ましくない。

［加熱雰囲気］
本工程における加熱中の雰囲気は特に限定されず、大気中、窒素ガス中、アルゴンガス中、又は真空中等の雰囲気を設定できるが、大気中とするとコストを低くすることができ、好ましい。

［保持時間］
本工程では、次工程である上記鍛造工程まで保持する保持時間が、上記混合物が、液相線温度以上６５０℃以下の温度に達してから、１０分〜２００分とすることが好ましい。保持時間が１０分未満であると、前述のようにＳｉ含有量の異なる複数の上記アルミニウム合金の粉末を混合した場合に、上記アルミニウム合金の成分組成が均一化しない。一方、保持時間が２００分を超えると、加熱に要するコストが増大するほか、溶融状態のアルミニウム合金の表面酸化被膜が厚くなって、みかけ上の流動性が低下する。その結果、上記鍛造工程において、所要圧力及び所要時間が増大することとなり、好ましくない。

＜鍛造工程＞
上記鍛造工程は、上記加熱工程により、上記アルミニウム合金が溶融状態であって、半溶融状態の上記混合物を、所定の圧力で所定時間鍛造する工程である。なお、本工程では、上記アルミニウム合金が凝固しないように、上記アルミニウム合金の液相線温度以上６５０℃以下の温度に保持したまま鍛造される。

［鍛造条件］
本工程における鍛造条件は、１００ＭＰａ〜３００ＭＰａの圧力を１秒間〜２０秒間作用させることが好ましい。上記圧力が１００ＭＰａ未満であると、得られた上記複合材料内に空隙が残存するため、高い熱伝導率が得られない。上記圧力は３００ＭＰａあれば十分であり、それ以上の圧力をかける必要はない。

また、上記鍛造時間は、１秒間未満であると、上記複合材料内に空隙が残存するため、高い熱伝導率が得られない。上記鍛造時間は２０秒間あれば十分であり、それ以上の時間をかける必要はない。半溶融鍛造後、アルミニウム製の枠内に充填された上記複合材料は、アルミニウム製の枠内に充填されたまま室温まで冷却される。その後、冷却された上記複合材料は、必要に応じて機械加工によりアルミニウム製の枠を切削して放熱基板として成型される。

（放熱基板）
図１は、本実施形態の複合材料の製造方法によって作製された複合材料からなる放熱基板の構成を示す正面図である。図１に示すように、矩形状をなす放熱基板１は、その表面１ａに電力制御用の半導体素子２が実装されている。半導体素子２は、例えば、シリコンよりなる半導体素子である。また半導体素子２は、熱伝達の目的で、表面１ａに対して半田付け又はロウ付けされている。一方、放熱基板１の裏面１ｂには、多数のフィンを有するヒートシンク３が、図示しない伝熱グリスを介して、ボルト４によって放熱基板１に固定されている。このボルト４も、ヒートシンク３を放熱基板１に固定するだけでなく、熱伝達を補助する目的で設置されるものである。したがって、ボルト４は、熱伝導性が高い材料からなることが好ましい。

このように半導体素子２が実装され、ヒートシンク３が取り付けられた放熱基板１は、半導体素子１から発生する熱をヒートシンク３に効率的に伝導させて放熱させるために設けられる。すなわち、放熱基板１は、効率的な放熱を達成するために、熱伝導率、熱膨張率、及び縦弾性係数に優れている必要がある。

そこで、本実施形態の複合材料の製造方法によって作製された複合材料は、該複合材料を構成する炭化けい素の粒子同士が接しているため、電力制御用半導体素子の放熱基板として満足できる性能を有している。ここで、「炭化けい素の粒子同士が接している」とは、本実施形態の複合材料のある面（例えば、厚さ方向の表面）から、その反対側の面（例えば、厚さ方向の裏面）まで炭化けい素の粒子同士が連続的に接していることを表す。なお、上記「ある面」及び「その反対側の面」は、サンプルとして任意の範囲で切断した複合材料の切片の「一方の面」及び「その反対側の他方の面」でもよい。すなわち、本実施形態の複合材料は、当該複合材料を切断する、しないにかかわらず、ある面から、その反対側の面まで炭化けい素の粒子同士が連続的に接していればよい。

具体的には、本実施形態で使用されるＡｌ−（７〜１１）質量％Ｓｉ合金は、純アルミニウムよりも液相線温度が低いうえに、大気中で溶融しても流動性が高く、なおかつ炭化けい素との濡れ性が高い（界面エネルギーが低い）。したがって、特許文献５に示されるように加熱温度を６６０℃以上とする必要がなく、加熱成型用型を鉄鋼製としても、その寿命を十分長くすることができる。

また、本実施形態の複合材料は、特許文献６に示されるように、９９体積％以上の窒素雰囲気、酸素濃度が２００ｐｐｍ以下の雰囲気、あるいは露点が−２０℃以下の雰囲気、とする必要がない。したがって、大気中での実施においても、複合材料を構成する炭化けい素の粒子同士が接していて、その結果、高い熱伝導率と低い熱膨張率を両立するので、電力制御用半導体素子の放熱基板として満足できる性能を有する複合材料を得ることができる。

さらに、本実施形態の複合材料は、アルミニウム合金の粉末と炭化けい素の粒子の混合物を、アルミニウム製の枠内に充填して加熱、半溶融鍛造するので、特許文献７に示されるような予備成形は省略可能であり、予備成形を実施する場合であっても室温又は室温〜３００℃の温度範囲で実施可能である。

なお、本実施形態の複合材料の製造方法は、粉末冶金法を採用しているので、得られた複合材料を構成する炭化けい素の粒子同士が接していても、ただ接しているだけである。すなわち、含浸法により得られるアルミニウム合金と炭化けい素との複合材料のように、炭化けい素の粒子同士が、多孔質のプリフォームとして、化学結合するように形成されたものではない。特に、本実施形態の複合材料は、炭化けい素の粒子同士が、一方の面からその反対側の他方の面まで連続的に接している。したがって、本実施形態の複合材料の製造方法によって得られる複合材料の縦弾性係数を１９０ＧＰａ以下とすることができる。このことにより、半導体素子との間の熱膨張率の差に起因して発生する応力を緩和することができ、半導体素子との密着性を向上させることができる。

加えて、本実施形態の複合材料の製造方法は、粉末冶金法を採用しているので、上記特許文献１〜７に開示された各技術よりも低いコストで、電力制御用半導体素子に実装される放熱基板として満足できる性能を有する複合材料を提供することができる。
以上説明したように、本実施形態の複合材料の製造方法によれば、電力制御用半導体素子の放熱基板として、少なくとも縦弾性係数が好適なアルミニウム合金と炭化けい素との複合材料を低いコストで作製することができる。

以下、本発明に係る放熱基板用複合材料、及びその製造方法のある実施例について説明する。
（実施例１）
アルミニウム合金の成分組成がＡｌ−８．３質量％Ｓｉとなるように、平均粒径３０μｍの純アルミニウムの粉末と、平均粒径５４μｍのＡｌ−１１質量％Ｓｉ粉末を混合した。このアルミニウム合金の粉末に対してさらに、平均粒径４０μｍの緑色炭化けい素の粒子を質量比で、上記アルミニウム合金の粉末：緑色炭化けい素の粒子＝４６：５４、となるように、Ｖブレンダーにより３時間、混合した（混合工程）。なお、上記アルミニウム合金の粉末と上記緑色炭化けい素の粒子の混合比は、体積比で５０：５０である。また、Ａｌ−８．３質量％Ｓｉの液相線温度は６０７℃である。

得られた上記混合物を室温において３００ＭＰａの圧力でプレスして予備成形し、アルミニウム製の枠内に充填した。アルミニウム製の枠内に充填した上記混合物を、液相線温度以上６５０℃以下の温度である、６２０℃に加熱して上記アルミニウム合金を溶融させた（加熱工程）。
その後、加熱した上記混合物を３０分間保持してから、２２０ＭＰａの圧力を５秒間作用させることによって半溶融鍛造（鍛造工程）して、アルミニウム合金と炭化けい素との複合材料を得た。

（比較例１）
実施例１の加熱工程における加熱温度を、液相線温度未満の温度である５２０℃とした以外は実施例１と同様にして複合材料を得た。
（比較例２）
実施例１の加熱工程における加熱温度を、液相線温度未満の温度である５６０℃とした以外は実施例１と同様にして複合材料を得た。
（比較例３）
平均粒径３０μｍの純アルミニウムの粉末に対して、平均粒径４０μｍの緑色炭化けい素の粒子を質量比で、アルミニウム粉末：緑色炭化けい素の粒子＝４６：５４、となるように、Ｖブレンダーにより３時間、混合した（混合工程）。

次に、得られた混合物を室温において３００ＭＰａの圧力でプレスして予備成形し、アルミニウム製の枠内に充填した（予備成形工程）。
その後、アルミニウム製の枠内に充填した混合物を、純アルミニウムの粉末の液相線温度未満の温度である、６２０℃に加熱した（加熱工程）。この工程によって上記純アルミニウムは溶融しなかった。
その後、加熱した上記混合物を３０分間保持してから、２２０ＭＰａの圧力を５秒間作用させることによって熱間鍛造して、純アルミニウムと炭化けい素との複合材料を得た。

＜複合材料の評価＞
［断面組織の観察］
以上のようにして得られた実施例１、比較例１〜３の複合材料について、光学顕微鏡により断面組織を観察した。観察結果を図２〜図５に示す。
図２〜図５において、白く観察される部分はアルミニウム、又はその合金、灰色に観察される部分は炭化けい素の粒子、黒く観察される部分は空隙である。

図２に示すように、実施例１の複合材料の断面組織は、灰色に観察される炭化けい素の粒子同士は接していて、なおかつ黒く観察される空隙は、ほとんどないことがわかる。
一方、図３及び図４に示すように、比較例１及び比較例２の複合材料の断面組織は、加熱温度がアルミニウム合金の液相線温度未満であり、アルミニウム合金が溶融状態とならないため、半溶融鍛造が不十分であって、黒く観察される空隙が多く残存していることがわかる。

他方、図５に示すように、比較例３の複合材料の断面組織は、純アルミニウムを使用したため、流動性が低いうえに、加熱温度もアルミニウムの液相線温度未満であって、アルミニウム合金が溶融状態とならないため、半溶融鍛造が不十分であって、黒く観察される空隙が多く残存していることがわかる。
また、炭化けい素の粒子同士が接していることを明確化するため、実施例１、及び比較例１の複合材料の断面組織の顕微鏡写真について、画像解析により炭化けい素の粒子の部分を黒く、それ以外の部分を白く、２値化する画像変換を試みた。それらの結果を図６及び図７に示す。

実施例１の画像変換結果では、図６に示すように、黒い部分（炭化けい素の粒子）は図６の上辺（一方の面）から下辺（他方の面）まで連続している。これに対して、比較例１の画像変換結果では、図７に示すように、黒い部分（炭化けい素の粒子）は白い部分（炭化けい素以外の成分）によって分断されている。

［熱伝導率の測定］
また、以上のようにして得られた実施例１、比較例１〜３の複合材料について、熱伝導率を測定した。熱伝導率の測定は、アルバック理工株式会社製ＴＣ−７０００レーザフラッシュ法熱定数測定装置を用いて測定した。測定結果を表１に示す。なお、本実施例では、熱伝導率について、１８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）が必要とされる場合が多い（特許文献６の段落〔０００８〕参照）ため、この値以上であることを評価基準とした。

［平均熱膨張率の測定］
また、以上のようにして得られた実施例１、比較例１〜３の複合材料について、２０℃〜１５０℃の平均熱膨張率を測定した。平均熱膨張率の測定は、真空理工株式会社製ＤＬ−７０００熱膨張率計を用いて測定した。測定結果を表１に示す。ここで、一般に、Ｓｉ（けい素）及びＧａＡｓ（ひ化ガリウム）の熱膨張率は、それぞれ４．２×１０^−６／℃及び６．５×１０^−６／℃である（特許文献６の段落〔０００３〕参照）ため、本実施例では、９×１０^−６／℃以下を評価基準とした。

［縦弾性係数の測定］
さらに、以上のようにして得られた実施例１、比較例１〜３の複合材料について、縦弾性係数を測定した。縦弾性係数の測定は、アルミニウム製の枠の部分を切削加工により除去したものについて、３点支持しつつ一定荷重で弾性変形させ、その撓み変形量から縦弾性係数を計算した。測定結果を表１に示す。

表１に示すように、実施例１の複合材料は、熱伝導率が１８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）を超えるとともに、２０℃〜１５０℃の平均熱膨張率が９×１０^−６／℃未満である。
これに対し、比較例１〜３の複合材料の熱伝導率は、いずれも１６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満であると共に、２０℃〜１５０℃の平均熱膨張率がいずれも９×１０^−６／℃を超える値となっていることがわかる。このような値の差は、断面組織観察において観察された空隙量の差により、もたらされたものと考えられる。

なお、実施例１、比較例１〜３の複合材料の縦弾性係数は、それぞれ１８０ＧＰａ、１００ＧＰａ、１２０ＧＰａ、及び１４０ＧＰａであり、いずれも１９０ＧＰａ以下を満たし、好ましい結果を得た。しかし、熱伝導率及び平均熱膨張率が好適な複合材料を作製するために、粉末冶金法ではなく、含浸法を用いた場合、製造コストの上昇が避けられないだけでなく、複合材料の縦弾性係数を１９０ＧＰａ以下とすることは極めて困難と考えられる。
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されずに、種々の変更、改良を行うことができる。

１ 放熱基板
２ 半導体素子
３ ヒートシンク
４ ボルト

本発明は、放熱基板用複合材料の製造方法に関し、特に、アルミニウムと炭化けい素とを含む放熱基板用複合材料の製造方法に関する。

さらに、特許文献７に記載の技術は、平均粒径の異なる複数のセラミックス粒子を利用すると共に、１００℃〜４００℃、３０ＭＰａ〜３００ＭＰａの条件で予備成形することが必要であり、コストが高くなるという欠点があった。
そこで、本発明は上記の問題点に着目してなされたものであり、その目的は、高い熱伝導率と低い熱膨張率を両立し、放熱基板として満足できる性能を有する放熱基板用複合材料を、低コストで製造することができる上記複合材料の製造方法を提供することにある。

また、本発明の他の実施形態に係る放熱基板用複合材料の製造方法は、上記混合工程は、純アルミニウムの粉末と、上記アルミニウム合金の粉末と、上記炭化けい素の粒子とを混合して混合物を得る工程であってもよい。
また、本発明の他の実施形態に係る放熱基板用複合材料の製造方法は、上記アルミニウム合金が、Ａｌ−Ｓｉ合金でもよい。
また、本発明の他の実施形態に係る放熱基板用複合材料の製造方法は、上記Ａｌ−Ｓｉ合金が、Ａｌ−（７〜１１）質量％Ｓｉでもよい。
また、本発明の他の実施形態に係る放熱基板用複合材料の製造方法は、上記加熱工程における加熱温度が、上記アルミニウム合金の液相線温度以上６５０℃以下の温度でもよい。

また、本発明の他の実施形態に係る放熱基板用複合材料の製造方法は、上記鍛造工程における鍛造条件が、１００ＭＰａ〜３００ＭＰａの圧力を１秒間〜２０秒間作用させてもよい。

本発明の放熱基板用複合材料の製造方法によれば、粉末冶金法によって放熱基板用の複合材料を作製しているので、低コストである。

以下、本発明のある実施形態の放熱基板用複合材料の製造方法について図面を参照して説明する。
（放熱基板用複合材料の製造方法）
本実施形態の放熱基板用複合材料（以下、複合材料ということがある。）の製造方法は、混合工程と、加熱工程と、鍛造工程とを少なくとも含む。なお、上記混合工程と上記加熱工程との間に、予備成形工程を含んでもよい。

以下、本発明に係る放熱基板用複合材料の製造方法のある実施例について説明する。
（実施例１）
アルミニウム合金の成分組成がＡｌ−８．３質量％Ｓｉとなるように、平均粒径３０μｍの純アルミニウムの粉末と、平均粒径５４μｍのＡｌ−１１質量％Ｓｉ粉末を混合した。このアルミニウム合金の粉末に対してさらに、平均粒径４０μｍの緑色炭化けい素の粒子を質量比で、上記アルミニウム合金の粉末：緑色炭化けい素の粒子＝４６：５４、となるように、Ｖブレンダーにより３時間、混合した（混合工程）。なお、上記アルミニウム合金の粉末と上記緑色炭化けい素の粒子の混合比は、体積比で５０：５０である。また、Ａｌ−８．３質量％Ｓｉの液相線温度は６０７℃である。

Claims (7)

1. アルミニウム合金の粉末と、炭化けい素の粒子とを混合して混合物を得る混合工程と、
   前記混合物をアルミニウム製の枠内に充填して加熱する加熱工程と、
   前記アルミニウム合金が溶融状態となった半溶融状態の前記混合物を鍛造する鍛造工程とを含み、
   前記炭化けい素の粒子同士が接していることを特徴とする放熱基板用複合材料の製造方法。
2. 前記アルミニウム合金が、Ａｌ−Ｓｉ合金であることを特徴とする請求項１に記載の放熱基板用複合材料の製造方法。
3. 前記Ａｌ−Ｓｉ合金が、Ａｌ−（７〜１１）質量％Ｓｉであることを特徴とする請求項２に記載の放熱基板用複合材料の製造方法。
4. 前記加熱工程における加熱温度が、前記アルミニウム合金の液相線温度以上６５０℃以下の温度であることを特徴とする請求項１に記載の放熱基板用複合材料の製造方法。
5. 前記鍛造工程における鍛造条件が、１００ＭＰａ〜３００ＭＰａの圧力を１秒間〜２０秒間作用させることを特徴とする請求項１に記載の放熱基板用複合材料の製造方法。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の放熱基板用複合材料の製造方法により得られたことを特徴とする放熱基板用複合材料。
7. 粉末冶金法を用いて製造され、
   アルミニウム合金及び炭化けい素を含有し、前記炭化けい素の粒子同士が接していることを特徴とする放熱基板用複合材料。

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