WO2010084824A1 - アルミニウム－黒鉛複合体、それを用いた放熱部品及びｌｅｄ発光部材 - Google Patents
アルミニウム－黒鉛複合体、それを用いた放熱部品及びｌｅｄ発光部材 Download PDFInfo
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Definitions
- the present invention relates to an aluminum-graphite composite, a heat dissipation component using the same, and an LED light emitting member.
- LEDs light-emitting diodes
- An LED element is an element that emits light when a forward current flows through a pn junction of a semiconductor, and is manufactured using a III-V group semiconductor crystal such as GaAs or GaN. Due to advances in semiconductor epitaxial growth technology and light emitting device process technology, LEDs with excellent conversion efficiency have been developed and are widely used in various fields.
- the LED element is composed of a p-type layer and an n-type layer obtained by epitaxially growing a group III-V semiconductor crystal on a single crystal growth substrate, and a photoactive layer sandwiched therebetween.
- a group III-V semiconductor crystal such as GaN is epitaxially grown on a growth substrate such as single crystal sapphire, and then an electrode or the like is formed to form an LED light emitting element (Patent Document 1).
- LED element is used by being bonded to a substrate with solder or the like.
- stress is generated in the bonding layer. In the worst case, the LED element may be destroyed and the reliability may be significantly reduced.
- Patent Document 2 As a material with high thermal conductivity and low coefficient of thermal expansion, a metal-based composite material that combines ceramic particles and metal aluminum is known as a material that has a high thermal conductivity and a low coefficient of thermal expansion in order to cope with an increase in the amount of heat generated due to higher output and larger LED.
- Patent Document 3 a metal matrix composite material in which graphite is combined with aluminum satisfies the above-described characteristics in terms of characteristics, but is a difficult-to-work material and has a problem that it is expensive when used as an LED substrate. For this reason, a metal matrix composite material in which graphite is combined with aluminum has been studied as a metal matrix composite material that is relatively excellent in workability (Patent Document 3).
- a metal matrix composite material made of aluminum and graphite was originally developed as a sliding member. In order to improve the characteristics, studies have been made to improve the characteristics by impregnating a graphite material with an aluminum alloy under high temperature and high pressure (Patent Document 4). JP 2005-117006 A Japanese Patent No. 3468358 Japanese Patent No. 3673436 JP-A-5-337630
- coke graphite material having high crystallinity
- coke graphite material has strong material anisotropy
- an aluminum-graphite composite obtained by compounding with aluminum also has anisotropy in characteristics.
- the substrate material of the LED light emitting member is important for uniformity as a member. When an extremely anisotropic material is used, there is a problem that warpage or the like occurs or, in the worst case, destruction of the LED element occurs.
- An aluminum-graphite composite excellent in properties such as thermal conductivity is preferably produced by a molten forging method.
- the material used in the molten metal forging method is expensive, when an aluminum-graphite composite produced as usual using the molten metal forging method is used as a substrate for an LED luminous member, the LED luminous member becomes expensive. There is a problem that it ends up.
- LED light emitting members are extremely important for heat dissipation measures for the entire light emitting member. For this reason, in addition to using a substrate material having excellent heat dissipation characteristics, sufficient characteristics as an LED light-emitting member can be obtained if the insulating material used for the circuit portion on which the LED is mounted is not suitable in shape and thickness. There is a problem that it is not.
- the present invention has been made in view of the above situation, and an object of the present invention is to provide an LED light emitting member excellent in heat dissipation characteristics and reliability and a heat dissipation component constituting the LED light emitting member.
- the present invention after processing an isotropic graphite material into a plate shape, laminating a plurality of sheets through a release plate, and using an aluminum alloy by a molten metal forging method It was found that by forming a composite, a plate-like isotropic aluminum-graphite composite having excellent thermal conductivity, thermal expansion coefficient, and strength characteristics can be efficiently produced. Furthermore, the present invention was completed with the knowledge that an LED light-emitting member excellent in heat dissipation characteristics and reliability can be obtained by optimizing the substrate material, the insulating material, and the circuit configuration.
- the present invention is a method for producing an aluminum-graphite composite characterized by sequentially performing the following steps.
- the thermal conductivity at a temperature of 25 ° C. is 100 to 200 W / mK
- the maximum / minimum value of the thermal conductivity in three orthogonal directions is 1 to 1.3
- the thermal expansion coefficient is 2 at a temperature of 25 ° C. to 150 ° C.
- maximum value / minimum value of thermal expansion coefficient in three orthogonal directions is 1 to 1.3
- porosity is 10 to 20% by volume
- a molten forging method is used to impregnate an aluminum alloy containing 3 to 20% by mass of silicon at a pressure of 20 MPa or more and impregnate 70% or more of the pores of the isotropic graphite material with the aluminum alloy,
- the present invention is also a method for producing an aluminum-graphite composite, wherein the method for producing an aluminum-graphite composite further includes a step of removing the aluminum alloy layer. Furthermore, an isotropic graphite material is an aluminum-graphite composite whose coke graphite is used.
- the surface roughness (Ra) is 0.1 to 3 ⁇ m
- the thermal conductivity at a temperature of 25 ° C. is 150 to 300 W / mK
- the maximum / minimum value of the thermal conductivity in three orthogonal directions is 1 to 1.
- the thermal expansion coefficient at a temperature of 25 ° C. to 150 ° C. is 4 ⁇ 10 ⁇ 6 to 7.5 ⁇ 10 ⁇ 6 / K
- the maximum / minimum value of the thermal expansion coefficient in three orthogonal directions is 1 to 1.
- an aluminum-graphite composite having a three-point bending strength of 50 to 150 MPa.
- the present invention is a heat dissipating part characterized in that a plate-like aluminum-graphite composite is processed into a shape such as a hole. Further, the heat dissipation component is characterized in that a plating layer is formed on the surface of a plate-like aluminum-graphite composite.
- the present invention provides a heat dissipation component comprising a metal circuit formed on one or both main surfaces of an aluminum-graphite composite via an insulating layer, and an aluminum-graphite composite A heat dissipating component, wherein a metal circuit is formed on one main surface or both main surfaces via an active metal bonding material layer.
- the LED light emitting member is characterized in that an LED bare chip and / or an LED package is mounted on the heat dissipation component.
- the aluminum-graphite composite of the present invention has excellent properties such as high thermal conductivity, low thermal expansion, and high strength. Moreover, since an isotropic graphite material is used, anisotropy of various characteristics is small, and it is suitable as an LED light emitting member and a heat dissipation component used therefor. In addition, the present invention provides an LED light-emitting member that is excellent in light emission characteristics and reliability by optimizing the heat dissipation structure of the LED light-emitting member.
- FIG. 1 is a structural diagram of an LED light emitting member showing an embodiment of the present invention.
- FIG. 1 is a structural diagram of an LED light emitting member showing an embodiment of the present invention.
- FIG. 1 is a structural diagram of an LED light emitting member showing an embodiment of the present invention.
- the graphite material constituting the aluminum-graphite composite 1 has a thermal conductivity at a temperature of 25 ° C. of 100 to 200 W / mK and a maximum / minimum value of the thermal conductivity in three orthogonal directions is 1 to 1.3.
- the thermal expansion coefficient at a temperature of 25 ° C. to 150 ° C. is 2 ⁇ 10 ⁇ 6 to 5 ⁇ 10 ⁇ 6 / K, and the maximum / minimum value of the thermal expansion coefficient in three orthogonal directions is 1 to 1.
- Isotropic graphite material having a porosity of 10 to 20% by volume.
- three orthogonal directions are three directions (longitudinal direction, lateral direction, and height direction) perpendicular to the main surfaces of the block-shaped isotropic graphite material.
- the graphite material needs to have the above characteristics.
- plate shape is a general term for a shape having two parallel or substantially parallel principal surfaces, and the principal surface may be a disk shape, an ellipse shape, a triangle shape, or the like. Good.
- a molten metal forging method in which the isotropic graphite material and the aluminum alloy are heated to a temperature equal to or higher than the melting point of the aluminum alloy and then impregnated with pressure is suitable.
- the laminated body is heated to a temperature equal to or higher than the melting point of the aluminum alloy and then impregnated with molten aluminum alloy to obtain the aluminum-graphite composite 1 having characteristics suitable for LED light-emitting members.
- the thermal conductivity of the isotropic graphite material at a temperature of 25 ° C. is 100 to 200 W / mK, and the maximum value / minimum value of the thermal conductivity in three orthogonal directions is 1 to 1.3.
- the thermal conductivity of the isotropic graphite material is less than 100 W / mK, the thermal conductivity of the resulting aluminum-graphite composite 1 is low, and when used as a substrate material for an LED light-emitting member, the heat dissipation characteristics are insufficient, which is preferable. Absent.
- the thermal conductivity exceeds 200 W / mK, the material itself becomes expensive or the anisotropy of characteristics becomes strong, which is not preferable.
- the maximum / minimum value of the thermal conductivity in the three orthogonal directions of the isotropic graphite material exceeds 1.3, the anisotropy of the heat dissipation characteristics becomes too large, and the case is used as a substrate material for an LED light emitting member. Such a problem that the temperature of the LED element rises transiently is not preferable.
- the thermal expansion coefficient of the isotropic graphite material at a temperature of 25 ° C. to 150 ° C. is 2 ⁇ 10 ⁇ 6 to 5 ⁇ 10 ⁇ 6 / K, and the maximum value / minimum value of the thermal expansion coefficient in three orthogonal directions is 1 to 1.3.
- the thermal expansion coefficient of the isotropic graphite material at a temperature of 25 ° C. to 150 ° C. is less than 2 ⁇ 10 ⁇ 6 / K or more than 5 ⁇ 10 ⁇ 6 / K, the resulting aluminum-graphite composite 1 and the heat of the LED element
- the difference in the expansion coefficient becomes too large, which is not preferable because problems such as a reduction in the lifetime of the LED element and destruction of the LED element in some cases occur.
- the thermal expansion coefficient of the resulting aluminum-graphite composite 1 is reduced. Anisotropy becomes too large.
- non-uniform stress is applied to the LED element, which causes problems such as a reduction in the life of the LED element and, in some cases, destruction of the LED element.
- the isotropic graphite material has a porosity of 10 to 20% by volume.
- the porosity is less than 10% by volume, it is preferable that the pore portion is not sufficiently impregnated with the aluminum alloy when the aluminum alloy is pressure-impregnated, and the thermal conductivity characteristics of the resulting aluminum-graphite composite 1 are reduced. Absent.
- the porosity exceeds 20% by volume, the content of the aluminum alloy in the obtained aluminum-graphite composite 1 increases, and as a result, the thermal expansion coefficient of the aluminum-graphite composite 1 increases, which is not preferable.
- an isotropic graphite material obtained by graphitizing a coke-type graphite as a raw material after isostatic pressing is preferable from the viewpoint of thermal conductivity.
- An isotropic graphite material having the above characteristics is processed into a plate having a thickness of 0.5 to 3 mm and used.
- processing of the raw material isotropic graphite and the obtained aluminum-graphite composite 1 is also taken into consideration, and the plate-like aluminum-graphite composite 1 is most efficiently processed. It is necessary to prepare the aluminum-graphite composite 1. In particular, in the pressure impregnation method, it is important how efficiently the aluminum-graphite composite 1 is produced.
- Efficiency can be achieved by sandwiching the isotropic graphite material processed into a plate shape between release plates, and laminating a plurality of these, and pressure impregnating them as a rectangular parallelepiped block (laminate).
- the area of one main surface of the plate-like isotropic graphite material is preferably 100 to 2500 cm 2 .
- the volume of the aluminum-graphite composite 1 obtained by one-time composite is small, and the obtained plate-like aluminum-graphite composite is obtained The cost per unit volume of 1 becomes high.
- the equipment used for the composite becomes very expensive, and the warpage of the aluminum-graphite composite 1 becomes large. It is not preferable because the handling property is lowered and the circuit formation becomes difficult, and the cost per unit volume of the plate-like aluminum-graphite composite 1 is increased.
- the plate-like isotropic graphite material In order to form a uniform aluminum alloy layer having a predetermined thickness on the surface of the aluminum-graphite composite 1, it is preferable to process the plate-like isotropic graphite material so that the surface undulation is 500 ⁇ m or less, preferably 100 ⁇ m or less. . If the surface undulation of the plate-like isotropic graphite material exceeds 500 ⁇ m, the variation in the thickness of the aluminum alloy layer on the surface of the aluminum-graphite composite 1 becomes undesirably large. On the other hand, by removing the aluminum alloy layer on the surface of the aluminum-graphite composite 1, the problem of variation in the thickness of the aluminum alloy layer can be improved. However, when the aluminum alloy layer is thick, the warp of the aluminum-graphite composite 1 is caused.
- the plate thickness of the plate-like isotropic graphite material is approximately the same as the plate thickness of the aluminum-graphite composite 1, and is preferably 0.5 to 3 mm, and more preferably 1 to 2 mm. If the thickness of the plate-like isotropic graphite material is less than 0.5 mm, the heat capacity is insufficient when the aluminum-graphite composite 1 is used as the substrate material for mounting the LED element, and the temperature of the LED element rises instantaneously. Therefore, it is not preferable. On the other hand, if the plate thickness exceeds 3 mm, the thermal resistance in the thickness direction of the aluminum-graphite composite 1 increases, and the temperature of the LED element rises, which is not preferable.
- the plate-like isotropic graphite material is sandwiched between release plates coated with a release agent, and these are laminated to form one block (laminate).
- the length of each side of the laminated body is approximately the same as the number of laminated isotropic graphite materials sandwiched between release plates.
- the laminated thickness is preferably about 1/8 to 1/2 of the outer peripheral length of the plate-like isotropic graphite material.
- the isotropic graphite material is laminated by being sandwiched by release plates so that the tightening torque in the direction perpendicular to the plate surface of the isotropic graphite material is 1 to 50 Nm. .
- the lamination method is not particularly limited. For example, after an isotropic graphite material is sandwiched and laminated between stainless steel release plates coated with a release agent, iron plates are arranged on both sides and connected with bolts to obtain a predetermined one. There is a method of tightening with a tightening torque to form one block. The proper tightening torque varies depending on the strength, thickness, area, and number of isotropic graphite materials to be used.
- the tightening torque is less than 1 Nm, the thickness of the aluminum alloy layer on the surface of the aluminum-graphite composite 1 may increase. The thickness difference may become too large.
- the tightening torque exceeds 50 Nm, there is a problem that the isotropic graphite material is damaged at the time of tightening, which is not preferable.
- this laminate is heated at a temperature of 600 to 750 ° C. in an air atmosphere or a nitrogen atmosphere, and then placed in a high-pressure vessel.
- a molten aluminum alloy heated to the melting point or higher is supplied as quickly as possible, and pressurized at a pressure of 20 MPa or higher to be impregnated in the voids of the graphite molded body.
- the impregnated product may be annealed.
- the release plate used at the time of lamination may be used by applying a release agent such as graphite, boron nitride or alumina from the viewpoint of releasability.
- a release plate in which a release plate made of stainless steel is coated with alumina or the like and then coated with a graphite release agent is preferable because of its excellent release properties.
- a metal material not coated with a graphite sheet or a release agent is used in addition to the release plate described above as the release plate. You can also.
- the heating temperature of the laminated body is less than 600 ° C.
- the aluminum alloy is not sufficiently complexed and the characteristics such as the thermal conductivity of the aluminum-graphite composite 1 are deteriorated.
- the heating temperature exceeds 750 ° C.
- aluminum carbide having low thermal conductivity is generated when it is combined with the aluminum alloy, and the thermal conductivity of the aluminum-graphite composite 1 is lowered, which is not preferable.
- the pressure during impregnation is less than 20 MPa, the aluminum alloy is not sufficiently combined, and the thermal conductivity of the aluminum-graphite composite 1 is lowered, which is not preferable.
- a more preferable impregnation pressure is 50 MPa or more.
- the aluminum alloy in the aluminum-graphite composite 1 preferably contains 3 to 20% by mass of silicon.
- the silicon content exceeds 20% by mass, the thermal conductivity of the aluminum alloy is lowered, which is not preferable.
- the silicon content is less than 3% by mass, the molten aluminum alloy has a poor hot water flow, and the aluminum alloy cannot sufficiently permeate into the voids of the isotropic graphite material during impregnation.
- the metal components other than aluminum and silicon in the aluminum alloy are not particularly limited as long as the characteristics do not change extremely, and magnesium can be contained up to about 3% by mass.
- An aluminum alloy layer is formed on the surface of the aluminum-graphite composite 1, but a preferable average thickness is 10 to 300 ⁇ m, more preferably 10 to 100 ⁇ m.
- the aluminum alloy layer can be adjusted to a predetermined thickness by grinding the surface of the aluminum-graphite composite 1.
- the aluminum alloy layer is suitable for performing plating treatment on the surface. If the average thickness is less than 10 ⁇ m, the aluminum-graphite composite 1 may be partially exposed and plating may not be deposited, or plating adhesion may be deteriorated. On the other hand, if the average thickness exceeds 300 ⁇ m, the thermal expansion coefficient of the aluminum-graphite composite 1 becomes too large, which is not preferable.
- the average thickness of the aluminum alloy layer exceeds 300 ⁇ m or the average thickness difference between the aluminum alloy layers on both main surfaces becomes extremely large, the warp of the aluminum-graphite composite 1 becomes large and the handling property is deteriorated. At the same time, circuit formation or the like thereafter becomes difficult, which is not preferable.
- the aluminum alloy layer on the surface of the aluminum-graphite composite 1 may be removed and the aluminum-graphite composite 1 may be exposed.
- the method for removing the aluminum alloy layer is not particularly limited, and examples thereof include machining with a milling machine and the like, removal with a buffing machine, a belt grinder, and a blast machine. It is also possible to remove the aluminum alloy layer by etching the aluminum alloy layer on the surface of the aluminum-graphite composite 1 with an alkali solution, an acid solution or the like. Furthermore, the flatness of the plate-like aluminum-graphite composite 1 can be improved by partially removing the aluminum alloy layer on the surface of the aluminum-graphite composite 1.
- the aluminum-graphite composite 1 70% or more of the pores of the isotropic graphite material are impregnated with an aluminum alloy. If the pores not impregnated with the aluminum alloy exceeds 30%, the thermal conductivity of the aluminum-graphite composite 1 is undesirably lowered.
- the aluminum-graphite composite 1 has a thermal conductivity at a temperature of 25 ° C. of 150 to 300 W / mK and a maximum / minimum value of the thermal conductivity in three orthogonal directions is 1 to 1.3.
- the thermal conductivity at a temperature of 25 ° C. is less than 150 W / mK, when used as the substrate material of the LED light emitting member, the heat dissipation characteristics are insufficient, which is not preferable.
- the upper limit is not limited in characteristics, but is not preferable because the material itself becomes expensive and the anisotropy of characteristics becomes strong.
- the aluminum-graphite composite 1 has a thermal expansion coefficient of 4 ⁇ 10 ⁇ 6 to 7.5 ⁇ 10 ⁇ 6 / K at a temperature of 25 ° C. to 150 ° C., and the maximum value of the thermal expansion coefficients in three orthogonal directions / The minimum value is 1 to 1.3.
- the thermal expansion coefficient at a temperature of 25 ° C. to 150 ° C. is less than 4 ⁇ 10 ⁇ 6 / K, or exceeds 7.5 ⁇ 10 ⁇ 6 / K, the difference between the thermal expansion coefficients of the aluminum-graphite composite 1 and the LED element is This is not preferable because it becomes too large, causing problems such as a decrease in the lifetime of the LED element and, in some cases, destruction of the LED element.
- the maximum value / minimum value of the thermal expansion coefficient in three directions orthogonal to each other at a temperature of 25 ° C. to 150 ° C. exceeds 1.3, the anisotropy of the thermal expansion coefficient of the aluminum-graphite composite 1 becomes too large, When the LED element emits light, non-uniform stress is applied to the LED element, which causes problems such as a reduction in the life of the LED element and, in some cases, destruction of the LED element.
- the three-point bending strength of the aluminum-graphite composite 1 is 50 to 150 MPa. If the three-point bending strength is less than 50 MPa, chipping or the like may occur during handling. In this case, since the aluminum-graphite composite 1 is a conductive material, it causes an insulation failure and is not preferable. Moreover, when using it by screwing to a heat sink or a housing
- the upper limit of the three-point bending strength there is no restriction on the upper limit of the three-point bending strength, but in order to achieve a high strength at which the three-point bending strength of the aluminum-graphite composite 1 exceeds 150 MPa, the addition of other ceramic particles and the heat conduction characteristics It is necessary to add bad mosaic graphite.
- the thermal conductivity of the aluminum-graphite composite 1 may decrease, which is not preferable.
- the LED light-emitting member is used for lighting applications for mobile devices such as automobiles, if the strength is not sufficient, chipping or cracking occurs due to vibration or the like, which is not preferable.
- the surface roughness (Ra) of the plate-like aluminum-graphite composite 1 is preferably 0.1 to 3 ⁇ m, and more preferably 0.1 to 2 ⁇ m.
- the surface roughness (Ra) exceeds 3 ⁇ m, when used as a substrate material for an LED light-emitting member, the adhesion strength when bonded to the insulating layer 4 or the LED element cannot be obtained, and furthermore, the insulating layer has a low thermal conductivity. This is not preferable because the thickness of 4 becomes thick and the heat dissipation characteristics deteriorate.
- the lower limit of the surface roughness (Ra) is not limited in terms of characteristics, but in order to reduce Ra to less than 0.1 ⁇ m, the surface of the plate-like aluminum-graphite composite 1 needs to be processed, and the cost is low. It becomes high and is not preferable.
- a substrate on which an LED element is mounted When using a substrate on which an LED element is mounted as an LED light emitting member, it is often used by joining to a metal heat sink or housing via a heat radiation grease or a heat radiation sheet from the viewpoint of heat dissipation.
- a method of screwing the substrate on which the LED element is mounted to a metal heat sink, housing, or the like is employed.
- the aluminum-graphite composite 1 is excellent in workability, it can be drilled with a normal drill or the like.
- a hole can be formed also by laser processing, water jet processing, and also press processing.
- the shape of the hole may be a shape that can be screwed, and may be a U-shape or the like.
- the LED light emitting member is obtained by bonding an LED element to a substrate made of a plate-like aluminum-graphite composite 1.
- a joining method generally a high thermal conductive adhesive or soldering is used. From the viewpoint of thermal conductivity, it is preferable to solder directly to the substrate material without using the insulating layer 4 having low thermal conductivity.
- a plating layer is formed on the surface of the aluminum-graphite composite material 1.
- the formation method of a plating layer is not specifically limited, It can form by electroplating or electroless plating. Nickel, copper, gold, tin or the like can be used as the plating material, and these composite platings can also be used.
- the plating thickness is within a range in which the adhesion and solder wettability between the aluminum-graphite composite 1 as the base material and the plating layer can be ensured, it is preferably as thin as possible from the viewpoint of heat conduction. ⁇ 5 ⁇ m.
- the LED element of the LED light emitting member may be a bear chip or a packaged structure.
- a portion where the LED element is in contact with the heat dissipating component in which the metal circuit 3 is formed on one main surface or both main surfaces of the aluminum-graphite composite 1 may or may not be electrically insulated.
- the term “heat dissipating component” is a general term for members that dissipate heat generated from LED elements. For example, any main surface or both main surfaces of a substrate made of the aluminum-graphite composite 1 may be used. In this case, the metal circuit 3 is formed.
- FIG. 1 and FIG. 3 show an embodiment in which the portion where the LED element and the heat dissipating part are in contact is not electrically insulated.
- a metal circuit 3 is formed on one main surface or both main surfaces of the plate-like aluminum-graphite composite 1 via an insulating layer 4 or an active metal bonding material layer 7, and the surface of the metal circuit 3 or the aluminum-graphite composite 1 is formed.
- the LED element (LED chip 2) is arranged by a direct brazing method or the like.
- the insulating layer 4 formed on one main surface or both main surfaces of the aluminum-graphite composite 1 is a curable resin composition mainly composed of a heat-resistant resin and an inorganic filler, and has a heat conductivity after curing. It is preferable that it is 1 W / mK or more.
- the heat resistant resin for example, an epoxy resin, a silicone resin, a polyamide resin, an acrylic resin, or the like can be used.
- the use ratio of the heat-resistant resin is 10 to 40% by volume, and if it is less than 10% by volume, the viscosity of the insulating layer composition is increased and workability is reduced, whereas if it exceeds 40% by volume, the heat conduction of the insulating layer 4 is reduced. It is not preferable because the properties are lowered.
- the storage elastic modulus of the cured resin composition is 15000 MPa at 300K in order to alleviate fatigue of the bonded portion due to thermal cycling.
- the curable resin composition comprises (1) a resin mainly composed of an epoxy resin, (2) a curing agent having a polyether skeleton and having a primary amine group at the terminal of the main chain, and (3) inorganic By combining the filler, a cured product excellent in stress relaxation, electrical insulation, heat dissipation, heat resistance, and moisture resistance can be provided.
- an epoxy resin a general-purpose epoxy resin such as a bisphenol F-type epoxy resin or a bisphenol A-type epoxy resin can be used.
- a general-purpose epoxy resin such as a bisphenol F-type epoxy resin or a bisphenol A-type epoxy resin
- an epoxy resin having a dicyclopentadiene skeleton, an epoxy resin having a naphthalene skeleton, an epoxy resin having a biphenyl skeleton, and an epoxy resin having a novolak skeleton are contained in an amount of 10% by mass or more in the total epoxy resin, The balance between stress relaxation and moisture resistance is further improved.
- Typical epoxy resins having a novolak skeleton include a phenol novolak-type epoxy resin and a cresol novolak-type epoxy resin, but an epoxy resin having a dicyclopentadiene skeleton, a naphthalene skeleton, or a biphenyl skeleton and a novolak skeleton can also be used.
- an epoxy resin having the above skeleton may be used alone.
- a thermosetting resin such as a phenol resin or a polyimide resin, or a high molecular weight resin such as a phenoxy resin, an acrylic rubber, or an acrylonitrile-butadiene rubber may be blended as the other resin mainly composed of an epoxy resin.
- the amount of the high molecular weight resin is preferably 30% by mass or less based on the total amount with the epoxy resin.
- the curing agent has a polyether skeleton, and a curing agent having a primary amine group at the end of the main chain is used to lower the storage elastic modulus of the resin composition after curing. It can be used in combination with other curing agents. When an aromatic amine curing agent is used in combination, the balance of stress relaxation, electrical insulation, moisture resistance and the like can be further improved.
- the aromatic amine curing agent diaminodiphenylmethane, diaminodiphenylsulfone, metaphenylenediamine and the like can be used.
- a curing agent such as a phenol novolac resin can be further used in combination.
- the inorganic filler examples include oxide ceramics such as aluminum oxide (alumina), silicon oxide, and magnesium oxide, nitride ceramics such as aluminum nitride, silicon nitride, and boron nitride, and carbide ceramics.
- the ratio of the inorganic filler in the curable resin composition is 18 to 27% by volume of the inorganic filler. Outside this range, the resin composition viscosity is increased and the thermal conductivity is decreased, which is not preferable.
- the inorganic filler is preferably spherical particles having a maximum particle size of 100 ⁇ m or less and a minimum particle size of 0.05 ⁇ m or more. Further, it is more preferable to contain 50 to 75% by mass of particles having a particle size of 5 to 50 ⁇ m and 25 to 50% by mass of particles having a particle size of 0.2 to 1.5 ⁇ m.
- a silane coupling agent, a titanate coupling agent, a stabilizer, a curing accelerator, and the like can be used as necessary.
- the material of the metal circuit 3 include copper foil, aluminum foil, copper-aluminum clad foil, copper-nickel-aluminum clad foil, and the like.
- Examples of the method for forming the metal circuit 3 on the plate-like aluminum-graphite composite 1 via the insulating layer 4 include the following.
- the curable resin composition slurry, which is the insulating layer 4 is pattern printed on the aluminum-graphite composite 1 by a method such as screen printing and heated to a semi-cured state, and then the metal foil is laminated and further heated. This is a method of completely curing or a method of processing the insulating layer 4 into a semi-cured sheet in advance and integrating it with the metal foil by a hot press device.
- a resist ink is applied in advance to a predetermined location on the metal foil, heated or UV cured, and then cupric chloride, a mixture of hydrogen peroxide and sulfuric acid, etc. It is desirable to form by etching using an etchant.
- FIG. 2 shows an embodiment in which the portion where the LED element and the heat dissipating part are in contact with each other is electrically insulated.
- FIG. 2 shows a metal circuit 3 formed on one main surface or both main surfaces of a plate-like aluminum-graphite composite 1 with an insulating layer 4 interposed therebetween, and an interlayer connection protrusion 6 formed below the LED element (LED chip 2). The structure connected between the layers is shown.
- the metal circuit 3 is formed on one main surface and / or both main surfaces of the plate-like aluminum-graphite composite 1 via an active metal bonding material layer 7.
- a heat dissipation structure is preferable.
- the material of the metal circuit 3 and the material of the insulating layer 4 may be the same as those shown in FIG.
- the method of forming the interlayer connection protrusions 6 on the plate-like aluminum-graphite composite 1 includes the metal circuit 3 and the interlayer connection protrusions 6. Any method can be used as long as it can be conductively connected. Examples thereof include a method of forming by metal plating and a method of forming by conductive paste.
- a slurry of the composition of the insulating layer 4 is filled around and above the interlayer connection protrusions 6 by a method such as screen printing. After heating to a semi-cured state, a metal foil is bonded to this to make it almost completely cured by further heating, and then the metal circuit above the interlayer connection protrusion 6 is removed by etching or the like, and the insulating layer composition A method of removing the object by laser processing or the like, or processing the insulating layer composition into a semi-cured sheet in advance, integrating it with the metal foil by a hot press device, and projecting to a position corresponding to the interlayer connection protrusion 6 For example, there is a method in which a laminated body having a portion and a metal layer formed on the surface is formed, and a convex portion of the laminated body is removed to expose the interlayer connection protrusion 6.
- the material of the metal circuit 3 is made of a simple Al or a simple Al alloy such as Al—Si alloy, Al—Si—Mg alloy, Al—Mg—Mn.
- a material constituting the active metal bonding material layer 7 an Al—Si based or Al—Ge based alloy or an Al—Cu—Mg based alloy is used, and an Al—Cu—Mg based alloy is particularly preferable.
- the Al—Cu—Mg alloy has an allowable range of bonding conditions with a ceramic material as compared with Al—Si, Al—Ge, Al—Si—Ge, or a system in which Mg is added to these.
- the Al—Cu—Mg alloy used may contain other components in addition to the ternary alloy of Al, Cu, and Mg.
- components such as Zn, In, Mn, Cr, Ti, Bi, B, and Fe may be included in a total of about 5% by weight or less.
- the ratio of Cu in the Al—Cu—Mg alloy is preferably 2 to 6% by weight. If it is less than 2% by weight, the bonding temperature becomes high and close to the melting point of Al, and if it exceeds 6% by weight, the diffusion part of the bonding material after bonding becomes particularly hard and the reliability of the circuit board may be lowered. There is. Preferably, it is 1.5 to 5% by weight. On the other hand, when Mg is added in a small amount, the bonding state is improved. This is presumably due to the effect of removing the oxide layer on the Al surface and the effect of improving the wettability between the surface of the aluminum nitride substrate and the bonding material.
- the proportion of Mg is preferably 0.1 to 2% by weight. If the amount is less than 0.1% by weight, the effect of addition becomes inconspicuous, and if it exceeds 2% by weight, the hardness of Al or Al alloy is adversely affected. Particularly preferred is 0.3 to 1.5% by weight.
- An example of a commercial product of the bonding material used is a 2018 alloy containing about 4% by weight of Cu and 0.5% by weight of Mg in Al, and further contains about 0.5% by weight of Mn. 2017 alloy, 2001, 2005, 2007, 2014, 2024, 2030, 2034, 2036, 2048, 2090, 2117, 2124, 2214, 2218, 2224, 2324, 7050 and the like.
- the bonding temperature can be applied in a fairly wide range of 560 to 630 ° C., but the appropriate range varies depending on the composition of the bonding material. When a low melting point component such as Zn or In is added, or when the content of Cu or Mg is relatively large, sufficient bonding can be achieved even at 600 ° C. or lower. When the bonding temperature is higher than 630 ° C., it is not preferable because a soldering defect (a worm-eating phenomenon generated in a circuit) is likely to occur during bonding.
- a pressurizing method it can be carried out by placing a weight and mechanically pressurizing using a jig. The pressurization is maintained at this temperature up to 580 ° C. at least when the bonding starts at 610 ° C. using a 95.7% Al-4% Cu-0.3% Mg alloy foil. It is desirable that
- a metal circuit 3 for example, an Al-based circuit, is formed on one main surface and / or both main surfaces of the plate-like aluminum-graphite composite 1.
- the bonding material of Al—Cu—Mg alloy is laminated and interposed between the plate-like aluminum-graphite composite 1 and the Al circuit pattern constituting the metal circuit 3 and the Al circuit forming metal plate.
- the heat dissipation component can be remarkably improved in productivity.
- bonding is not limited to a vacuum furnace. Vacuum furnaces are inherently expensive, difficult to continue, and batch furnaces have poor volumetric efficiency. When a large furnace is used, temperature distribution tends to occur, and high yield production cannot be expected.
- an Al—Cu—Mg alloy is used instead of the conventional Al—Si or Al—Ge alloy bonding material, N 2 , H 2 , inert gas and Since these mixed gases can be joined in a low oxygen atmosphere, the furnace structure is simplified and the continuation is facilitated. By the continuation, product variation factors such as temperature distribution can be reduced, and a product with high yield and stable quality can be manufactured.
- the Al-based circuit forming metal plate and the plate-like aluminum-graphite composite 1 are laminated so as to be adjacent to each other. It is preferable to heat. This is because the Al-based circuit-forming metal plate has a larger coefficient of thermal expansion than the plate-like aluminum-graphite composite 1, so that the plate-like aluminum-graphite composite 1 side has a convex shape by cooling after joining. This is to reduce the deformation. This utilizes the point that Al is a material that can be easily plastically deformed, and a spacer material may be interposed as required in order to avoid adhesion between Al materials.
- Example 1 is an isotropic graphite material having a bulk density of 1.83 g / cm 3 (manufactured by Tokai Carbon Co., Ltd .: G347)
- Example 2 is an isotropic graphite material having a bulk density of 1.89 g / cm 3 (Tokai Carbon).
- Company: G458 was processed into a plate shape of 200 mm ⁇ 200 mm ⁇ 1.5 mm.
- alumina sol Nisan Chemical Co., Ltd .: alumina sol 200
- the molten aluminum alloy was poured and pressurized at a pressure of 100 MPa for 20 minutes to impregnate the isotropic graphite material with the aluminum alloy.
- the boundary part of the aluminum alloy and the release plate and the iron plate part were cut with a wet band saw, the sandwiched release plate was peeled off, and an aluminum-graphite composite of 200 mm ⁇ 200 mm ⁇ 1.6 mm Got.
- the obtained composite was annealed at a temperature of 500 ° C. for 2 hours in order to remove strain during impregnation.
- a specimen for measuring thermal expansion coefficient in three directions orthogonal to each other by grinding (3 ⁇ 3 ⁇ 20 mm), a specimen for measuring thermal conductivity (25 mm ⁇ 25 mm ⁇ 1 mm) And strength test specimens (3 mm ⁇ 4 mm ⁇ 40 mm) were prepared, and the thermal expansion coefficient at a temperature of 25 ° C. to 150 ° C. was measured using a thermal dilatometer (Seiko Denshi Kogyo Co., Ltd .; TMA300) at 25 ° C.
- the laser flash method manufactured by Rigaku Corporation; LF / TCM-8510B
- three-point bending strength (based on JIS-R1601) were measured.
- the bulk density of the test body was measured by the Archimedes method, and the pore impregnation rate of the isotropic graphite material was calculated.
- the plate thickness was measured with a caliper, the surface roughness (Ra) of the cut surface was measured with a surface roughness meter, and each sample was then machined. Cut along the diagonal line, measure the thickness of the aluminum alloy layer on one main surface exposed by cutting at 10 points at equal intervals, and calculate the average thickness in the direction perpendicular to the plate surface based on the measured values. Calculated. The results are shown in Table 3.
- the plate-like aluminum-graphite composite of Example 2 was obtained by removing the aluminum alloy layers on both principal surfaces with a wet belt sander using a polishing belt coated with # 120 SiC abrasive grains, The surface roughness (Ra) was measured. The results are shown in Table 3.
- a white solder resist (PSR4000-LEW1: manufactured by Taiyo Ink Co., Ltd.) was applied on a specific circuit on a screen and then UV cured. Furthermore, the LED chip (1 mm ⁇ 2 >) which is not insulated on the electrolytic copper foil exposed part was adhere
- PSR4000-LEW1 manufactured by Taiyo Ink Co., Ltd.
- Example 3 Example of LED light emitting member production
- Example 3 Example of LED light emitting member production
- a copper layer having a thickness of 35 ⁇ m was formed on the entire surface of the composite by electrolytic plating.
- an aluminum-graphite composite with a copper bump was prepared.
- FIG. 2 shows the structure.
- Example 5 (Examples 5 and 6) (Example of LED light emitting member production)
- the Al circuit was stacked in this order to form one set, and 10 sets were stacked through a spacer.
- a vacuum of 4 ⁇ 10 ⁇ 3 Pa while being pressurized from outside the furnace with a hydraulic uniaxial pressurizing device through a carbon push rod in a direction perpendicular to the substrate surface made of the aluminum-graphite composite at a pressure of 500 MPa.
- Examples 7 to 13, Comparative Example 1 Various isotropic graphite materials (Examples 7 to 13) and extruded graphite material (Comparative Example 1) shown in Table 4 were processed into a shape of 200 mm ⁇ 150 mm ⁇ 1.5 mm, and the shape of the release plate was 200 mm ⁇ 150 mm ⁇
- An aluminum-graphite composite was produced in the same manner as in Example 1 except that the thickness was changed to 0.6 mm.
- the obtained aluminum-graphite composite was evaluated for characteristics in the same manner as in Example 1. The results are shown in Tables 5 and 6.
- Example 14 After processing the isotropic graphite material of Example 1 into an outer shape of 200 mm ⁇ 200 mm, the plate thicknesses were 0.5 mm (Example 14), 1.0 mm (Example 15), 2.0 mm (Example 16). ) After processing to 2.9 mm (Example 17), an aluminum-graphite composite was produced in the same manner as in Example 1. The obtained aluminum-graphite composite was evaluated for characteristics in the same manner as in Example 1. The results are shown in Tables 7 and 8.
- Example 18 to 24, Comparative Examples 2 to 6 A laminate was produced in the same manner as in Example 1, and then an isotropic graphite material was impregnated with an aluminum alloy in the same manner as in Example 1 except for the conditions shown in Table 9 to produce an aluminum-graphite composite.
- the obtained composite was subjected to annealing treatment at a temperature of 500 ° C. for 2 hours to remove strain at the time of impregnation, and then evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 10.
- Comparative Example 5 the thickness unevenness of the aluminum alloy layer on the surface of the plate-like aluminum-graphite composite after release was increased, and the aluminum-graphite composite was greatly warped.
- Comparative Example 6 a crack containing an aluminum alloy was confirmed in the plate-like aluminum-graphite composite after release.
- Example 25 is an iron plate on which a release material is not applied as a release plate
- Example 26 is a release plate obtained by applying a graphite release material to a stainless steel plate
- Example 27 is a release plate obtained by applying boron nitride to a stainless steel plate.
- an isotropic graphite material was impregnated with an aluminum alloy in the same manner as in Example 1 except that a 0.2 mm-thick graphite sheet was used as a release plate to prepare an aluminum-graphite composite. .
- the obtained composite was subjected to annealing treatment at a temperature of 500 ° C. for 2 hours to remove strain at the time of impregnation, and then evaluated in the same manner as in Example 1.
- Example 25 it was difficult to release the plate-like aluminum-graphite composite after compositing, and the surface roughness after release was remarkable.
- Example 28 the plate-like aluminum-graphite composite after complexing was released, but the thickness unevenness of the aluminum alloy layer on the surface after releasing was large. For this reason, in Example 25 and Example 28, the surface aluminum alloy layer was removed by the same method as in Example 2.
- Note 1 The average value of thermal conductivity and thermal expansion coefficient is the average value of three orthogonal directions
- Note 2 The maximum / minimum of thermal conductivity and thermal expansion coefficient is the maximum and minimum values of three orthogonal directions Ratio of
- Example 29 The plate-like aluminum-graphite composite (200 mm ⁇ 200 mm ⁇ 1.6 mm) of Example 1 was subjected to ultrasonic cleaning with water and then subjected to electroless Ni—P plating treatment with a film thickness of 3 ⁇ m.
- Example 29 performs electroless Ni—B plating with a film thickness of 1 ⁇ m after electroless Ni—P plating
- Example 30 performs electroless Au plating with a film thickness of 1 ⁇ m after electroless Ni—P plating.
- the plating layer was formed on the surface of the aluminum graphite composite.
- the obtained plated product was good with no pinholes confirmed with the naked eye.
- after flux was applied to the plated surface, it was immersed in a lead / tin eutectic solder. More than 99% of the plated surface was wet with solder.
- Example 2 In the same manner as in Example 1, an LED light-emitting member as shown in FIG. 1 was obtained for an LED chip that was not insulated. Moreover, the insulated LED chip (1 mm ⁇ 2 >) was adhere
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Abstract
（１）温度２５℃の熱伝導率が１００～２００Ｗ／ｍＫ、直交する３方向の熱伝導率の最大値／最小値が１～１．３、温度２５℃～１５０℃の熱膨張係数が２×１０－６～５×１０－６／Ｋ、直交する３方向の熱膨張係数の最大値／最小値が１～１．３、並びに、気孔率が１０～２０体積％である等方性黒鉛材料を、板厚０．５～３ｍｍの板状に加工する工程、（２）板状の等方性黒鉛材料を離型板で挟み込んで積層し、等方性黒鉛材料の板面に対して垂直方向の締め付けトルクが１～５０Ｎｍとなるように加圧する工程、（３）溶湯鍛造法により、珪素３～２０質量％を含有するアルミニウム合金を２０ＭＰａ以上の圧力で加圧含浸して、等方性黒鉛材料の気孔の７０％以上をアルミニウム合金で含浸させると共に、平均厚みが１０～３００μｍのアルミニウム合金層を板状等方性黒鉛材料の両主面に設ける工程、を順次含むアルミニウム－黒鉛複合体の製造方法。
Description
本発明は、アルミニウム－黒鉛複合体、それを用いた放熱部品及びＬＥＤ発光部材に関する。
近年、軽量、薄型化及び省電力化が可能な照明、発光手段として、発光ダイオード（以下ＬＥＤと云う）が注目されている。ＬＥＤ素子は、半導体のｐｎ接合に順方向電流を流すと発光する素子であり、ＧａＡｓ、ＧａＮ等のＩＩＩ－Ｖ族半導体結晶を用いて製造される。半導体のエピタキシャル成長技術と発光素子プロセス技術の進歩により、変換効率の優れたＬＥＤが開発され、様々な分野において幅広く使用されている。
ＬＥＤ素子は、単結晶成長基板上にＩＩＩ－Ｖ族半導体結晶をエピタキシャル成長させたｐ型層とｎ型層及び両者に挟まれる光活性層から構成される。一般的には、単結晶サファイア等の成長基板上に、ＧａＮ等のＩＩＩ－Ｖ族半導体結晶をエピタキシャル成長させた後、電極等を形成しＬＥＤ発光素子を形成する（特許文献１）。
近年、ＬＥＤ素子の発光効率の改善が急速に進み、ＬＥＤの高輝度化に伴って発熱量が増加している。そのため、十分な放熱対策を取らないとＬＥＤの信頼性が低下する。具体的には、ＬＥＤ素子温度の上昇に伴い、輝度の低下及び素子寿命の低下という問題が発生する。そこで、ＬＥＤパッケージの放熱性を高めるために、ＬＥＤを実装する基板部分に銅やアルミニウム等の熱伝導率が高い金属材料が用いられている。基板だけでは放熱が不十分である場合には、放熱対策としてさらに金属製のヒートシンクが用いられることがある。
ＬＥＤ素子の照明用途への応用に向け、さらにＬＥＤの高出力化、大型化が進んでいる。一般にＬＥＤ素子は、基板に半田等により接合して用いられる。ＬＥＤ素子と基板材料の熱膨張率が異なると接合層に応力が発生し、最悪の場合、ＬＥＤ素子の破壊等が起こり、信頼性が著しく低下する場合がある。
ＬＥＤの高出力化、大型化に伴う発熱量の増加に対応するため、熱伝導率が高く、熱膨張係数が小さい材料として、セラミックス粒子と金属アルミニウムを複合化した金属基複合材料が知られている（特許文献２）。例えば、アルミニウムに炭化珪素を複合化した金属基複合材料は、特性面では上記した特性を満たすが、難加工性材料であり、ＬＥＤ用基板として用いる場合、高価になると云った課題がある。このため、比較的加工性に優れる金属基複合材料として、アルミニウムに黒鉛を複合化した金属基複合材料が検討されている（特許文献３）。
アルミニウムと黒鉛からなる金属基複合材料は、当初、摺動部材として開発された。特性を向上させるため、高温・高圧下でアルミニウム合金を黒鉛材料に含浸させ、特性を改善する検討がなされている（特許文献４）。
特開２００５－１１７００６号公報
特許第３４６８３５８号
特許第３６７３４３６号
特開平５－３３７６３０号公報
アルミニウムと黒鉛からなる金属基複合材料は、当初、摺動部材として開発された。特性を向上させるため、高温・高圧下でアルミニウム合金を黒鉛材料に含浸させ、特性を改善する検討がなされている（特許文献４）。
アルミニウム－黒鉛複合体の熱伝導特性を向上させるには、黒鉛材料として結晶性が高いコークス系黒鉛材料を使用することが有効である。しかし、コークス系黒鉛材料は材料の異方性が強く、アルミニウムと複合化して得られるアルミニウム－黒鉛複合体も、特性に異方性が生じる。ＬＥＤ発光部材の基板材料は、熱伝導率や熱膨張率といった特性に加え、部材としての均一性が重要である。極端に異方性のある材料を用いた場合、反り等の発生や、最悪の場合、ＬＥＤ素子の破壊が起こると云った課題がある。
熱伝導率等の特性に優れるアルミニウム－黒鉛複合体は、溶湯鍛造法で製造するのが好適である。しかし、溶湯鍛造法において使用する材料が高価であることから、溶湯鍛造法を用いて通常通り製造したアルミニウム－黒鉛複合体をＬＥＤ発光部材用の基板として用いた場合、ＬＥＤ発光部材が高価になってしまうと云った課題がある。
ＬＥＤ発光部材は、使用する基板材料に加えて、発光部材全体での放熱対策が非常に重要である。この為、放熱特性に優れた基板材料を用いることに加えて、ＬＥＤを搭載する回路部分に用いる絶縁材料の特性及び厚み等の形状が適切でなければ、ＬＥＤ発光部材として十分な特性が得られないと云った課題がある。
本発明は、上記の状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、放熱特性及び信頼性に優れたＬＥＤ発光部材及びそれを構成する放熱部品を提供することである。
本発明は、上記の目的を達成するために鋭意検討した結果、等方性黒鉛材料を板状に加工した後、複数枚を離型板を介して積層し、溶湯鍛造法にてアルミニウム合金と複合化することで、熱伝導率、熱膨張率、強度特性に優れた板状の等方性アルミニウム－黒鉛複合体を効率的に作製できるとの知見を得た。更に、基板材料、絶縁材料及び回路構成を適性化することにより、放熱特性及び信頼性に優れるＬＥＤ発光部材を得ることができるとの知見を得て本発明を完成した。
即ち、本発明は、下記の工程を順次経ることを特徴とするアルミニウム－黒鉛複合体の製造方法である。
（１）温度２５℃の熱伝導率が１００～２００Ｗ／ｍＫ、直交する３方向の熱伝導率の最大値／最小値が１～１．３、温度２５℃～１５０℃の熱膨張係数が２×１０－６～５×１０－６／Ｋ、直交する３方向の熱膨張係数の最大値／最小値が１～１．３、並びに、気孔率が１０～２０体積％である等方性黒鉛材料を、板厚０．５～３ｍｍの板状に加工する工程。
（２）板状の等方性黒鉛材料を離型板で挟み込んで積層し、等方性黒鉛材料の板面に対して垂直方向の締め付けトルクが１～５０Ｎｍとなるように加圧する工程。
（３）溶湯鍛造法により、珪素３～２０質量％を含有するアルミニウム合金を２０ＭＰａ以上の圧力で加圧含浸して、等方性黒鉛材料の気孔の７０％以上をアルミニウム合金で含浸させると共に、平均厚みが１０～３００μｍのアルミニウム合金層を板状等方性黒鉛材料の両主面に設ける工程。
（１）温度２５℃の熱伝導率が１００～２００Ｗ／ｍＫ、直交する３方向の熱伝導率の最大値／最小値が１～１．３、温度２５℃～１５０℃の熱膨張係数が２×１０－６～５×１０－６／Ｋ、直交する３方向の熱膨張係数の最大値／最小値が１～１．３、並びに、気孔率が１０～２０体積％である等方性黒鉛材料を、板厚０．５～３ｍｍの板状に加工する工程。
（２）板状の等方性黒鉛材料を離型板で挟み込んで積層し、等方性黒鉛材料の板面に対して垂直方向の締め付けトルクが１～５０Ｎｍとなるように加圧する工程。
（３）溶湯鍛造法により、珪素３～２０質量％を含有するアルミニウム合金を２０ＭＰａ以上の圧力で加圧含浸して、等方性黒鉛材料の気孔の７０％以上をアルミニウム合金で含浸させると共に、平均厚みが１０～３００μｍのアルミニウム合金層を板状等方性黒鉛材料の両主面に設ける工程。
また、本発明は、上記アルミニウム－黒鉛複合体の製造方法において、アルミニウム合金層の除去工程をさらに含むことを特徴とするアルミニウム－黒鉛複合体の製造方法である。さらに、等方性黒鉛材料がコークス系黒鉛であるアルミニウム－黒鉛複合体である。
さらに、本発明は、表面粗さ（Ｒａ）が０．１～３μｍ、温度２５℃の熱伝導率が１５０～３００Ｗ／ｍＫ、直交する３方向の熱伝導率の最大値／最小値が１～１．３、温度２５℃～１５０℃の熱膨張係数が４×１０－６～７．５×１０－６／Ｋ、直交する３方向の熱膨張係数の最大値／最小値が１～１．３、並びに、３点曲げ強度が５０～１５０ＭＰａであることを特徴とするアルミニウム－黒鉛複合体である。
加えて、本発明は、板状のアルミニウム－黒鉛複合体に穴等の形状加工を施してなることを特徴とする放熱部品である。また、板状のアルミニウム－黒鉛複合体の表面にめっき層を形成してなることを特徴とする放熱部品である。
更にまた、本発明は、アルミニウム－黒鉛複合体の一主面又は両主面に、絶縁層を介して金属回路を形成してなることを特徴とする放熱部品、及び、アルミニウム－黒鉛複合体の一主面又は両主面に、活性金属接合材層を介して金属回路を形成してなることを特徴とする放熱部品である。またさらに、当該放熱部品上に、ＬＥＤベアチップ及び／又はＬＥＤパッケージが搭載されたことを特徴とするＬＥＤ発光部材である。
本発明のアルミニウム－黒鉛複合体は、高熱伝導、低熱膨張、高強度と云った優れた特性を有する。また、等方性黒鉛材を使用しているため諸特性の異方性が小さく、ＬＥＤ発光部材及びそれに用いる放熱部品として好適である。加えて、本発明は、ＬＥＤ発光部材の放熱構造を適性化して、発光特性及び信頼性に優れるＬＥＤ発光部材を提供するものである。
１ アルミニウム－黒鉛複合体
２ ＬＥＤチップ
３ 金属回路
４ 絶縁層
５ ソルダーレジスト
６ 層間接続突起
７ 活性金属接合材層
２ ＬＥＤチップ
３ 金属回路
４ 絶縁層
５ ソルダーレジスト
６ 層間接続突起
７ 活性金属接合材層
以下、本発明のＬＥＤ発光部材及びそれに用いるアルミニウム－黒鉛複合体の一実施形態について説明する。
アルミニウム－黒鉛複合体１を構成する黒鉛材料は、温度２５℃の熱伝導率が１００～２００Ｗ／ｍＫであり、且つ直交する３方向の熱伝導率の最大値／最小値が１～１．３であって、温度２５℃～１５０℃の熱膨張係数が２×１０－６～５×１０－６／Ｋであり、且つ直交する３方向の熱膨張係数の最大値／最小値が１～１．３であって、気孔率が１０～２０体積％の等方性黒鉛材料である。本明細書において、「直交する３方向」とは、ブロック状の等方性黒鉛材料の各主面に対して垂直な３方向（縦方向、横方向、高さ方向）である。アルミニウム－黒鉛複合体１がＬＥＤ発光部材の基板材料として要求される特性を満足するために、黒鉛材料は上記特性を有することが必要である。
アルミニウム－黒鉛複合体１を構成する黒鉛材料は、温度２５℃の熱伝導率が１００～２００Ｗ／ｍＫであり、且つ直交する３方向の熱伝導率の最大値／最小値が１～１．３であって、温度２５℃～１５０℃の熱膨張係数が２×１０－６～５×１０－６／Ｋであり、且つ直交する３方向の熱膨張係数の最大値／最小値が１～１．３であって、気孔率が１０～２０体積％の等方性黒鉛材料である。本明細書において、「直交する３方向」とは、ブロック状の等方性黒鉛材料の各主面に対して垂直な３方向（縦方向、横方向、高さ方向）である。アルミニウム－黒鉛複合体１がＬＥＤ発光部材の基板材料として要求される特性を満足するために、黒鉛材料は上記特性を有することが必要である。
等方性黒鉛材料を板厚０．５～３ｍｍの板状に加工した後、複数枚を離型板で挟んで積層し、両側を鉄板等で挟みボルト・ナットにより、等方性黒鉛材料の板面に対して垂直方向の締め付けトルクが１～５０Ｎｍとなるように挟み込んで積層体を作製する。なお、本明細書において「板状」とは、平行又は略平行な２主面を有する形状を総称するものであり、その主面は円板形状、楕円形状、三角形等の形状であってもよい。
等方性黒鉛材料とアルミニウム合金とを複合化する方法は、等方性黒鉛材料とアルミニウム合金とをアルミニウム合金の融点以上に加熱した後、加圧含浸する溶湯鍛造法が好適である。積層体をアルミニウム合金の融点以上の温度に加熱した後、アルミニウム合金溶湯を加圧含浸することにより、ＬＥＤ発光部材に適した特性を有するアルミニウム－黒鉛複合体１が得られる。
等方性黒鉛材料の温度２５℃の熱伝導率は、１００～２００Ｗ／ｍＫであり、且つ直交する３方向の熱伝導率の最大値／最小値が１～１．３である。等方性黒鉛材料の熱伝導率が、１００Ｗ／ｍＫ未満では、得られるアルミニウム－黒鉛複合体１の熱伝導率が低くなり、ＬＥＤ発光部材の基板材料として用いる場合、放熱特性が不足して好ましくない。上限に関しては、特性上の制約はないが、熱伝導率が２００Ｗ／ｍＫを超えると、材料自体が高価になったり、特性の異方性が強くなるため好ましくない。また、等方性黒鉛材料の直交する３方向の熱伝導率の最大値／最小値が１．３を超えると、放熱特性の異方性が大きくなり過ぎ、ＬＥＤ発光部材の基板材料として用いる場合、過渡的にＬＥＤ素子の温度が上昇する等の問題が発生し、好ましくない。
等方性黒鉛材料の温度２５℃～１５０℃の熱膨張係数は、２×１０－６～５×１０－６／Ｋであり、且つ直交する３方向の熱膨張係数の最大値／最小値が１～１．３である。等方性黒鉛材料の温度２５℃～１５０℃の熱膨張係数が２×１０－６／Ｋ未満又は５×１０－６／Ｋを超えると、得られるアルミニウム－黒鉛複合体１とＬＥＤ素子の熱膨張係数の差が大きくなりすぎて、ＬＥＤ素子の寿命低下、場合によってはＬＥＤ素子が破壊する等の問題が発生し好ましくない。更に、等方性黒鉛材料の温度２５℃～１５０℃の直交する３方向の熱膨張係数の最大値／最小値が１．３を超えると、得られるアルミニウム－黒鉛複合体１の熱膨張係数の異方性が大きくなり過ぎる。ＬＥＤ素子の発光時にＬＥＤ素子に不均一な応力が加わり、ＬＥＤ素子の寿命低下、場合によってはＬＥＤ素子が破壊する等の問題が発生し好ましくない。
更に、等方性黒鉛材料は、気孔率が１０～２０体積％である。気孔率が１０体積％未満では、アルミニウム合金を加圧含浸する際に、気孔部分にアルミニウム合金が十分に含浸されず、得られるアルミニウム－黒鉛複合体１の熱伝導率特性が低下するため、好ましくない。また、気孔率が２０体積％を超えると、得られるアルミニウム－黒鉛複合体１中のアルミニウム合金の含有量が多くなり、その結果、アルミニウム－黒鉛複合体１の熱膨張係数が大きくなり好ましくない。等方性黒鉛材料の原料としては、熱伝導率の点から、コークス系黒鉛を原料とし、静水圧成形した後、黒鉛化して得られる等方性黒鉛材料が好適である。
上記した特性を有する等方性黒鉛材料を、板厚０．５～３ｍｍの板状に加工して用いる。最終的に得られる板状のアルミニウム－黒鉛複合体１を安価に提供するため、原料の等方性黒鉛及び得られるアルミニウム－黒鉛複合体１の加工も念頭に置き、最も効率的に板状のアルミニウム－黒鉛複合体１を作製する必要がある。特に、加圧含浸法においては、如何に効率的にアルミニウム－黒鉛複合体１を作製するかが重要である。板状に加工した等方性黒鉛材料をそれぞれ離型板で挟み、これを複数積層して直方体形状のブロック（積層体）として加圧含浸することで、効率化を達成できる。実用的には、板状の等方性黒鉛材料の一主面の面積は、１００～２５００ｃｍ２であることが好適である。板状の等方性黒鉛材料の一主面の面積が１００ｃｍ２未満の場合、１回の複合化で得られるアルミニウム－黒鉛複合体１の体積が小さく、得られる板状のアルミニウム－黒鉛複合体１の単位体積当たりのコストが高くなる。一方、板状の等方性黒鉛材料の面積が２５００ｃｍ２を超えると、複合化に使用する設備が非常に高価となり、更に、アルミニウム－黒鉛複合体１の反りが大きくなる。ハンドリング性が低下するとともに回路形成等が難しくなり、板状のアルミニウム－黒鉛複合体１の単位体積当たりのコストが高くなり、好ましくない。
アルミニウム－黒鉛複合体１の表面に所定厚みの均一なアルミニウム合金層を形成させるため、板状の等方性黒鉛材料の表面起伏が５００μｍ以下、好ましくは１００μｍ以下になる様に加工することが好ましい。板状の等方性黒鉛材料の表面起伏が５００μｍを超えると、アルミニウム－黒鉛複合体１表面のアルミニウム合金層の厚みのバラツキが大きくなり好ましくない。一方、アルミニウム－黒鉛複合体１表面のアルミニウム合金層を除去することによりアルミニウム合金層の厚みのバラツキの問題は改善できるが、アルミニウム合金層の厚みが厚い場合やアルミニウム－黒鉛複合体１の反りが大きい場合は、当該アルミニウム合金層の除去に費用が掛かり、更には、加工後のアルミニウム－黒鉛複合体１の厚みが低下し、最終加工後に得られる板状アルミニウム－黒鉛複合体１の単位体積当たりのコストが高くなり好ましくない。
板状の等方性黒鉛材料の板厚は、アルミニウム－黒鉛複合体１の板厚と略同等となるため、０．５～３ｍｍが好ましく、更に好ましくは、１～２ｍｍである。板状の等方性黒鉛材料の板厚が０．５ｍｍ未満では、アルミニウム－黒鉛複合体１をＬＥＤ素子搭載用基板材料として用いる場合に熱容量が不足し、ＬＥＤ素子の温度が瞬間的に上昇するため好ましくない。一方、板厚が３ｍｍを超えると、アルミニウム－黒鉛複合体１の厚み方向の熱抵抗が増加し、ＬＥＤ素子の温度が上昇するため好ましくない。
板状の等方性黒鉛材料は、離型剤を塗布した離型板でそれぞれ挟み、これを積層して一つのブロック（積層体）とする。離型板で挟んだ等方性黒鉛材料の積層枚数は、溶湯鍛造法での含浸の効率の点から、積層体の各辺の長さが同等程度になることが好ましい。積層厚みとしては、板状の等方性黒鉛材料の外周長さの１／８～１／２程度が好適である。この等方性黒鉛材料を積層して一つのブロックとする際に、等方性黒鉛材料の板面に対して垂直方向の締め付けトルクが１～５０Ｎｍとなるように離型板で挟み込んで積層する。積層方法は特に限定されないが、例えば、等方性黒鉛材料を、離型剤を塗布したステンレス製の離型板で挟み積層した後、両側に鉄製の板を配置してボルトで連結して所定締め付けトルクで締め付けて一つのブロックとする方法が挙げられる。適正な締め付けトルクに関しては、使用する等方性黒鉛材料の強度、厚み、面積、枚数により異なるが、締め付けトルクが１Ｎｍ未満では、アルミニウム－黒鉛複合体１表面のアルミニウム合金層の厚みが厚くなったり、厚み差が大きくなり過ぎる場合がある。一方、締め付けトルクが５０Ｎｍを超えると、締め付け時に等方性黒鉛材料が破損する等の問題があり好ましくない。
次に、この積層体を温度６００～７５０℃で大気雰囲気又は窒素雰囲気下で加熱後、高圧容器内に配置する。積層体の温度低下を防ぐために出来るだけ速やかに、融点以上に加熱したアルミニウム合金の溶湯を給湯し、２０ＭＰａ以上の圧力で加圧して黒鉛成形体の空隙中に含浸させる。なお、含浸時の歪み除去の目的で、含浸品のアニール処理を行うこともある。積層時に用いる離型板は、離型性の面から、黒鉛、窒化硼素、アルミナ等の離型剤を塗布して用いることがある。特に、ステンレス製の離型板にアルミナ等をコートした後、黒鉛離型剤を塗布した離型板は離型性に優れ好ましい。一方、板状のアルミニウム－黒鉛複合体１表面のアルミニウム合金層を除去する場合、離型板として上記した離型板の他に、黒鉛シートや離型剤を塗布していない金属材を用いることもできる。
積層体の加熱温度が、温度６００℃未満では、アルミニウム合金の複合化が不十分となり、アルミニウム－黒鉛複合体１の熱伝導率等の特性が低下して好ましくない。一方、加熱温度が７５０℃を超えると、アルミニウム合金との複合化時に、低熱伝導率の炭化アルミニウムが生成し、アルミニウム－黒鉛複合体１の熱伝導率が低下して好ましくない。更に、含浸時の圧力が２０ＭＰａ未満では、アルミニウム合金の複合化が不十分となり、アルミニウム－黒鉛複合体１の熱伝導率が低下してしまい好ましくない。より好ましい含浸圧力は、５０ＭＰａ以上である。
アルミニウム－黒鉛複合体１中のアルミニウム合金は、珪素３～２０質量％を含有することが好ましい。珪素含有量が２０質量％を超えると、アルミニウム合金の熱伝導率が低下し好ましくない。一方、珪素含有量が３質量％未満では、溶解したアルミニウム合金の湯流れが悪くなり、含浸時に等方性黒鉛材料の空隙内にアルミニウム合金が十分に浸透することができないため好ましくない。アルミニウム合金中のアルミニウム、珪素以外の金属成分に関しては、極端に特性が変化しない範囲であれば特に制限はなく、マグネシウムであれば３質量％程度まで含有することができる。
アルミニウム－黒鉛複合体１表面にアルミニウム合金層が形成されるが、好ましい平均厚みは１０～３００μｍであり、より好ましくは１０～１００μｍである。アルミニウム合金層は、アルミニウム－黒鉛複合体１表面を研削加工して所定の厚みに調整することも可能である。アルミニウム合金層は、表面にめっき処理を施すのに好適である。平均厚みが１０μｍ未満では、部分的にアルミニウム－黒鉛複合体１が露出してめっき未着となったり、めっき密着性が低下する等の問題が発生する場合がある。一方、平均厚みが３００μｍを超えると、アルミニウム－黒鉛複合体１の熱膨張係数が大きくなり過ぎて好ましくない。また、アルミニウム合金層の平均厚みが３００μｍを超えたり、両主面のアルミニウム合金層の平均厚み差が極端に大きくなり過ぎると、アルミニウム－黒鉛複合体１の反りが大きくなってハンドリング性が低下するとともに、その後の回路形成等が難しくなり好ましくない。
アルミニウム－黒鉛複合体１表面のアルミニウム合金層を除去して、アルミニウム－黒鉛複合体１が露出した状態で用いる場合もある。アルミニウム合金層を除去する方法は特に限定されるものではなく、例えばフライス盤等による機械加工、バフ研磨機、ベルト式研削機、ブラスト機による除去が挙げられる。また、アルミニウム－黒鉛複合体１表面のアルミニウム合金層をアルカリ液、酸液等でエッチングして、アルミニウム合金層を除去することも可能である。更に、アルミニウム－黒鉛複合体１表面のアルミニウム合金層を部分的に除去して、板状のアルミニウム－黒鉛複合体１の平面度を改善することも可能である。
アルミニウム－黒鉛複合体１は、等方性黒鉛材料の気孔の７０％以上がアルミニウム合金で含浸される。アルミニウム合金で含浸されない気孔が３０％を超えると、アルミニウム－黒鉛複合体１の熱伝導率が低下し好ましくない。
アルミニウム－黒鉛複合体１は、温度２５℃の熱伝導率が１５０～３００Ｗ／ｍＫであり且つ直交する３方向の熱伝導率の最大値／最小値が１～１．３である。温度２５℃の熱伝導率が１５０Ｗ／ｍＫ未満では、ＬＥＤ発光部材の基板材料として用いる場合、放熱特性が不足して好ましくない。上限に関しては、特性上の制約はないが、材料自体が高価になったり、特性の異方性が強くなるため好ましくない。また、直交する３方向の熱伝導率の最大値／最小値が１．３を超えると、放熱特性の異方性が大きくなり過ぎて、ＬＥＤ発光部材の基板材料として用いた場合、過渡的にＬＥＤ素子の温度が上昇する等の問題があり好ましくない。
アルミニウム－黒鉛複合体１は、温度２５℃～１５０℃の熱膨張係数が４×１０－６～７．５×１０－６／Ｋであり、且つ直交する３方向の熱膨張係数の最大値／最小値が１～１．３である。温度２５℃～１５０℃の熱膨張係数が４×１０－６／Ｋ未満、又は７．５×１０－６／Ｋを超えると、アルミニウム－黒鉛複合体１とＬＥＤ素子の熱膨張係数の差が大きくなりすぎて、ＬＥＤ素子の寿命低下、場合によってはＬＥＤ素子が破壊する等の問題が発生し好ましくない。更に、温度２５℃～１５０℃の直交する３方向の熱膨張係数の最大値／最小値が１．３を超えると、アルミニウム－黒鉛複合体１の熱膨張係数の異方性が大きくなり過ぎ、ＬＥＤ素子の発光時にＬＥＤ素子に不均一な応力が加わり、ＬＥＤ素子の寿命低下、場合によってはＬＥＤ素子が破壊する等の問題が発生し好ましくない。
アルミニウム－黒鉛複合体１の３点曲げ強度は、５０～１５０ＭＰａである。３点曲げ強度が５０ＭＰａ未満では、取り扱い時に欠け等が発生する場合がある。この場合、アルミニウム－黒鉛複合体１は導電性材料であるため、絶縁不良等の原因となり好ましくない。又、ヒートシンクや筐体にネジ止めして用いる場合、締め付け時に欠け等が発生することがあり好ましくない。３点曲げ強度の上限に関しては、特性上の制約はないが、アルミニウム－黒鉛複合体１の３点曲げ強度が１５０ＭＰａを超える高強度とするには、他のセラミックス粒子の添加や熱伝導特性の悪いモザイク黒鉛等を添加する必要がある。アルミニウム－黒鉛複合体１の熱伝導率が低下する場合があり好ましくない。更に、ＬＥＤ発光部材を自動車等の移動機器用の照明用途に用いる場合、強度が十分でないと振動等によって欠けや割れ等が発生し、好ましくない。
板状のアルミニウム－黒鉛複合体１の表面粗さ（Ｒａ）は、０．１～３μｍであることが好ましく、更に好ましくは、０．１～２μｍである。表面粗さ（Ｒａ）が、３μｍを超えると、ＬＥＤ発光部材の基板材料として用いる場合に、絶縁層４やＬＥＤ素子と接合する際の密着強度が得られず、更には、低熱伝導の絶縁層４の厚みが厚くなり放熱特性が低下するために好ましくない。一方、表面粗さ（Ｒａ）の下限に関しては特性面での制約はないが、Ｒａを０．１μｍ未満にするには板状のアルミニウム－黒鉛複合体１表面を加工する必要があり、コストが高くなり好ましくない。
ＬＥＤ素子を搭載した基板をＬＥＤ発光部材として用いる場合、放熱性の面より、金属製のヒートシンクや筐体等に放熱グリスや放熱シート等を介して接合して用いることが多い。この様な使用形態では、接合面の密着性を確保するため、ＬＥＤ素子を搭載した基板を金属製のヒートシンクや筐体等にネジ止めする方法が採用される。基板材料に穴を形成し、ＬＥＤ素子を搭載した基板をヒートシンクや筐体等にネジ止めすることで、両者の密着性を向上せしめるとともに接合部分の信頼性を向上させることができる。アルミニウム－黒鉛複合体１は、加工性に優れるため通常のドリル等で穴加工を行うことができる。また、レーザー加工やウォータージェット加工、更には、プレス加工によっても穴を形成することが出来る。穴の形状に関しては、ネジ止めが可能な形状であればよく、Ｕ字形状等でもよい。
ＬＥＤ発光部材は、板状のアルミニウム－黒鉛複合体１からなる基板にＬＥＤ素子を接合したものである。接合方法は、一般に高熱伝導性接着剤やはんだ付け等が用いられている。熱伝導性の面からは、熱伝導率の低い絶縁層４を介さずに基板材料に直接はんだ付けすることが好ましい。しかし、アルミニウム－黒鉛複合材料１は、直接はんだ付けができないため、アルミニウム－黒鉛複合体１の表面にめっき層を形成する。めっき層の形成方法は特に限定されず、電気めっきや無電解めっきで形成することができる。めっきの材質は、ニッケル、銅、金、錫等が採用でき、これらの複合めっきも使用可能である。めっき厚に関しては、基材であるアルミニウム－黒鉛複合体１とめっき層の密着性及びはんだ濡れ性が確保できる範囲であれば、熱伝導の面からは極力薄い方が好ましく、一般的には１～５μｍである。
ＬＥＤ発光部材のＬＥＤ素子は、べアチップでもパッケージ化された構造でもよい。又、アルミニウム－黒鉛複合体１の一主面又は両主面に金属回路３を形成した放熱部品とＬＥＤ素子の接触する部分は、電気的絶縁処置がされていてもされていなくてもよい。ここで、本明細書において「放熱部品」とは、ＬＥＤ素子から発生した熱を放熱する部材の総称であり、例えば、アルミニウム－黒鉛複合体１からなる基板の一主面又は両主面に任意に金属回路３を形成したものを指す。
図１及び図３に、ＬＥＤ素子と放熱部品の接触する部分が電気的絶縁処置されていない場合の一実施の形態を示す。板状のアルミニウム－黒鉛複合体１の一主面又は両主面に絶縁層４または活性金属接合材層７を介して金属回路３を形成し、金属回路３表面又はアルミニウム－黒鉛複合体１に直接ろう付け法等により、ＬＥＤ素子（ＬＥＤチップ２）を配置する構造である。
アルミニウム－黒鉛複合体１の一主面又は両主面に形成される絶縁層４は、耐熱性樹脂と無機フィラーを主成分とする硬化性樹脂組成物であり、しかも硬化後の熱伝導率が１Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましい。耐熱樹脂としては、例えばエポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ポリアミド樹脂、アクリル樹脂等が使用できる。耐熱樹脂の使用割合は、１０～４０容量％であり、１０容量％未満では絶縁層組成物の粘度が上昇して作業性が低下し、一方、４０容量％を超えると絶縁層４の熱伝導性が低下して好ましくない。
板状のアルミニウム－黒鉛複合体１とＬＥＤ素子の熱膨張係数の差が大きい場合は、熱サイクルによる接合部分の疲労を緩和するため、硬化後の樹脂組成物の貯蔵弾性率が、３００Ｋで１５０００ＭＰａ以下であることが好ましい。この場合、硬化性樹脂組成物は、（１）エポキシ樹脂を主体とする樹脂、（２）ポリエーテル骨格を有し、主鎖の末端に１級アミン基を有する硬化剤、及び（３）無機充填剤を組み合わせることにより、応力緩和性、電気絶縁性、放熱性、耐熱性、耐湿性に優れた硬化物を提供することができる。エポキシ樹脂は、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂やビスフェノールＡ型エポキシ樹脂等の汎用のエポキシ樹脂を用いることができる。ジシクロペンタジエン骨格を持つエポキシ樹脂、ナフタレン骨格を持つエポキシ樹脂、ビフェニル骨格を持つエポキシ樹脂及びノボラック骨格を持つエポキシ樹脂から選ばれた１種以上を、全エポキシ樹脂中１０質量％以上含有させると、応力緩和性と耐湿性のバランスが更に向上する。ノボラック骨格を持つ代表的なエポキシ樹脂には、フェノールノボラック型エポキシ樹脂やクレゾールノボラック型エポキシ樹脂があるが、ジシクロペンタジエン骨格、ナフタレン骨格またはビフェニル骨格とノボラック骨格を併せ持つエポキシ樹脂を用いることもできる。エポキシ樹脂として、上記の骨格を持つエポキシ樹脂を単独で使用してもかまわない。また、エポキシ樹脂を主体にして、他の樹脂として、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂やフェノキシ樹脂、アクリルゴム、アクリロニトリル－ブタジエンゴム等の高分子量樹脂を配合してもよい。応力緩和性、電気絶縁性、耐熱性、耐湿性のバランスを考慮すると、上記高分子量樹脂の配合量はエポキシ樹脂との合計量に対して３０質量％以下であることが好ましい。
硬化剤は、ポリエーテル骨格を有し、主鎖の末端に１級アミン基を有する硬化剤を硬化後の樹脂組成物の貯蔵弾性率を下げるために使用する。他の硬化剤と併用することができる。芳香族アミン系硬化剤を併用すると、応力緩和性、電気絶縁性、耐湿性等のバランスを更に好適にすることができる。芳香族アミン系硬化剤としては、ジアミノジフェニルメタン、ジアミノジフェニルスルフォン、メタフェニレンジアミン等が使用できる。フェノールノボラック樹脂等の硬化剤を更に併用することもできる。
無機フィラーとしては、例えば酸化アルミニウム（アルミナ）、酸化ケイ素、酸化マグネシウム等の酸化物セラミックス、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化ホウ素等の窒化物セラミックス及び炭化物セラミックス等が挙げられる。硬化性樹脂組成物中の無機フィラーの割合は、無機フィラー１８～２７容量％である。この範囲以外では樹脂組成物粘度の上昇、熱伝導率の低下があり好ましくない。無機フィラーは、最大粒子径１００μｍ以下、最小粒子径０．０５μｍ以上の球状粒子が好ましい。更に、粒子径５～５０μｍの粒子を５０～７５質量％、粒子径０．２～１．５μｍの粒子を２５～５０質量％含むことがより好ましい。
絶縁層４には、必要に応じてシラン系カップリング剤、チタネート系カップリング剤、安定剤、硬化促進剤等も用いることができる。
金属回路３の材料としては、銅箔、アルミニウム箔、銅－アルミニウムクラッド箔、銅－ニッケル－アルミニウムクラッド箔等が挙げられる。
金属回路３の材料としては、銅箔、アルミニウム箔、銅－アルミニウムクラッド箔、銅－ニッケル－アルミニウムクラッド箔等が挙げられる。
板状のアルミニウム－黒鉛複合体１上に絶縁層４を介して金属回路３を形成する手法としては、例えば次のものが挙げられる。絶縁層４である硬化性樹脂組成物スラリーを、アルミニウム－黒鉛複合体１にスクリーン印刷等の方法によりパターン印刷し、加熱して半硬化状態にした後、金属箔を張り合わせ、更に加熱してほぼ完全な硬化状態とする方法や、あらかじめ、絶縁層４を半硬化状態のシート状に加工し、ホットプレス装置により金属箔とともに一体化させる方法である。回路のパターン形成方法については特に制限はないが、あらかじめ、金属箔上の所定箇所にレジストインクを塗布し、加熱あるいはＵＶ硬化させた後、塩化第二銅、過酸化水素水と硫酸の混合物等のエッチャントを利用して、エッチングにより形成することが望ましい。
図２に、ＬＥＤ素子と放熱部品の接触する部分が電気的絶縁処置されている場合の一実施の形態を示す。図２は、板状のアルミニウム－黒鉛複合体１の一主面又は両主面に絶縁層４を介して金属回路３を形成しＬＥＤ素子（ＬＥＤチップ２）の下部に層間接続突起６を介して層間で接続した構造を示す。
もしくは、図３に示したように、板状のアルミニウム－黒鉛複合体１の一主面及び／または両主面に活性金属接合材層７を介して金属回路３を形成してなることを特徴とする放熱構造が好ましい。
もしくは、図３に示したように、板状のアルミニウム－黒鉛複合体１の一主面及び／または両主面に活性金属接合材層７を介して金属回路３を形成してなることを特徴とする放熱構造が好ましい。
図２において、金属回路３の材料、絶縁層４の材料としては、図１に示す場合と同様でかまわない。層間接続突起６を介して層間で接続し層間接続構造とする方法として、板状のアルミニウム－黒鉛複合体１上に層間接続突起６を形成する方法は、金属回路３と層間接続突起６とが導電接続可能な方法であれば何れでもよく、例えば金属のメッキにより形成する方法、導電性ペーストにより形成する方法などが挙げられる。この層間接続突起６を有した状態で絶縁層４を形成させる手法としては、絶縁層４組成物をスラリー状にしたものを層間接続突起６の周囲及び上部にスクリーン印刷等の方法により、充填させ、加熱して半硬化状態にした後、これに金属箔を張り合わせ、さらなる加熱によりほぼ完全な硬化状態とした後、当該層間接続突起６の上部の金属回路をエッチング等により除去し、絶縁層組成物をレーザー加工等により除去する方法や、あらかじめ、絶縁層組成物を半硬化状態のシート状に加工し、ホットプレス装置により、金属箔とともに一体化させ、層間接続突起６に対応する位置に凸部を有し表面に金属層が形成された積層体とし、この積層体の凸部を除去して、層間接続突起６を露出させる等の手法がある。
図３においては、金属回路３の材料としては、単体Ａｌ製、又はＡｌ－Ｓｉ合金、Ａｌ－Ｓｉ－Ｍｇ合金、Ａｌ－Ｍｇ－Ｍｎ等の単体Ａｌ合金製が用いられる。
活性金属接合材層７を構成する材料としては、Ａｌ－Ｓｉ系又はＡｌ－Ｇｅ系の合金やＡｌ－Ｃｕ－Ｍｇ系合金が用いられるが、特にＡｌ－Ｃｕ－Ｍｇ系合金が好ましい。まず、Ａｌ－Ｃｕ－Ｍｇ系合金は、Ａｌ－Ｓｉ系、Ａｌ－Ｇｅ系、Ａｌ－Ｓｉ－Ｇｅ系あるいはこれらにＭｇを加えた系に比べて、セラミック系素材との接合条件の許容幅が広く、真空中でなくとも接合できるので、生産性に優れた接合が可能となるからである。すなわち、Ａｌ－Ｓｉ系やＡｌ－Ｇｅ系では、比較的多量にＳｉやＧｅを添加しないと融点が低下しないが、多量に添加すると硬くて脆くなる問題が生じる。このような問題を起こさせないように、例えばＡｌ－Ｓｉ系合金において、Ｓｉの割合を５％まで下げると融点が６１５℃となり、加圧を行っても６２０℃以下の温度での接合は困難となる。これに対し、Ａｌ－Ｃｕ－Ｍｇ系合金では、Ｃｕの割合を４％程度まで下げても適切に加圧等の手段を講じることによって、６００℃程度での接合も可能となり、接合条件の許容幅が広がる。
活性金属接合材層７を構成する材料としては、Ａｌ－Ｓｉ系又はＡｌ－Ｇｅ系の合金やＡｌ－Ｃｕ－Ｍｇ系合金が用いられるが、特にＡｌ－Ｃｕ－Ｍｇ系合金が好ましい。まず、Ａｌ－Ｃｕ－Ｍｇ系合金は、Ａｌ－Ｓｉ系、Ａｌ－Ｇｅ系、Ａｌ－Ｓｉ－Ｇｅ系あるいはこれらにＭｇを加えた系に比べて、セラミック系素材との接合条件の許容幅が広く、真空中でなくとも接合できるので、生産性に優れた接合が可能となるからである。すなわち、Ａｌ－Ｓｉ系やＡｌ－Ｇｅ系では、比較的多量にＳｉやＧｅを添加しないと融点が低下しないが、多量に添加すると硬くて脆くなる問題が生じる。このような問題を起こさせないように、例えばＡｌ－Ｓｉ系合金において、Ｓｉの割合を５％まで下げると融点が６１５℃となり、加圧を行っても６２０℃以下の温度での接合は困難となる。これに対し、Ａｌ－Ｃｕ－Ｍｇ系合金では、Ｃｕの割合を４％程度まで下げても適切に加圧等の手段を講じることによって、６００℃程度での接合も可能となり、接合条件の許容幅が広がる。
次に、Ａｌ－Ｃｕ－Ｍｇ系合金は、ＳｉやＧｅに比べてＣｕやＭｇがＡｌ中に均一に拡散し易いため、局部的な溶融が生じたり、余分な接合材が押し出されてハミダシが生じ難く、比較的短時間で安定した接合が可能となることによる。
使用されるＡｌ－Ｃｕ－Ｍｇ系合金は、Ａｌ、Ｃｕ、Ｍｇの三成分合金はもとより、それ以外の成分を含んでいてもよい。例えばＡｌ、Ｃｕ、Ｍｇ以外に、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｂｉ、Ｂ、Ｆｅ等の成分を合計で５重量％程度以下を含んでいてもよい。
Ａｌ－Ｃｕ－Ｍｇ系合金中のＣｕの割合は、２～６重量％であることが好ましい。２重量％未満では、接合温度が高くなってＡｌの融点に近くなってしまい、また６重量％超では、接合後の接合材の拡散部が特に硬くなって回路基板の信頼性が低下する恐れがある。好ましくは１．５～５重量％である。一方、Ｍｇについては、少量添加することによって、接合状態が良好になる。これはＡｌ表面の酸化物層の除去効果や窒化アルミニウム基板表面と接合材の濡れ性改善効果によると推察される。Ｍｇの割合は、０．１～２重量％が好ましい。０．１重量％未満では添加効果が顕著でなくなり、２重量％超ではＡｌ又はＡｌ合金の硬度に悪影響を与えるうえ、接合時に多量に揮発して炉操業に支障をきたすことがある。特に好ましくは、０．３～１．５重量％である。
使用される接合材の市販品の一例をあげれば、Ａｌ中に４重量％程度のＣｕと０．５重量％程度のＭｇが含まれる２０１８合金、更に０．５重量％程度のＭｎ等が含まれる２０１７合金を始め、２００１、２００５、２００７、２０１４、２０２４、２０３０、２０３４、２０３６、２０４８、２０９０、２１１７、２１２４、２２１４、２２１８、２２２４、２３２４、７０５０等である。
接合温度は、５６０～６３０℃とかなり広範囲が適用できるが、接合材の組成によって適正範囲は異なる。ＺｎやＩｎ等の低融点成分が添加されていたり、ＣｕやＭｇ等の含有量が比較的多い場合には、６００℃以下でも十分に接合できる。接合温度が６３０℃超では、接合時にろう接欠陥（回路に生じる虫食い現象）が生じやすくなるので好ましくない。
加熱接合時に、アルミニウム－黒鉛複合体１の板面に対して垂直な方向に１０～１００ｋｇｆ／ｃｍ２、特に１５～８０ｋｇｆ／ｃｍ２で加圧することは好ましいことである。加圧方法としては、重しを載せる、治具を用いて機械的に加圧することによって行うことができる。加圧は、少なくとも接合が始まる温度、例えば、９５．７％Ａｌ－４％Ｃｕ－０．３％Ｍｇ合金箔を用いて６１０℃で接合する場合は、５８０℃まではこの圧力内に保たれていることが望ましい。
放熱部品においては、板状のアルミニウム－黒鉛複合体１の一主面及び／または両主面に金属回路３、例えばＡｌ系回路が形成される。Ａｌ－Ｃｕ－Ｍｇ系合金の接合材は、板状のアルミニウム－黒鉛複合体１と金属回路３を構成するＡｌ系回路パターン、Ａｌ系回路形成用金属板との間に積層して介在させるが、あらかじめこれらとクラッド化しておくと使用しやすい。
放熱部品は、活性金属接合材層７を構成する接合材としてＡｌ－Ｃｕ－Ｍｇ系合金を用いることによって、その生産性を著しく高めることができる。その理由の一つは、接合が真空炉に限定されないことである。真空炉は元来高価なうえ、連続化が難しく、またバッチ炉では容積効率が悪い。大型炉にすると温度分布が生じ易く、高収率での生産は望めない。これに対し、従来のＡｌ－Ｓｉ系やＡｌ－Ｇｅ系合金の接合材のかわりに、Ａｌ－Ｃｕ－Ｍｇ系合金を用いると、真空下でなくとも、Ｎ２、Ｈ２、不活性ガス及びこれらの混合ガスの低酸素雰囲気下で接合することができるので、炉構造が簡単になり、連続化も容易となる。連続化によって、温度分布等の製品のバラツキ要因を低減させることができ、歩留まりよく、品質の安定した製品を製造することができる。
金属回路３を構成する部材としてＡｌ系回路形成用金属板を用いて放熱部品を製造する際、Ａｌ系回路形成用金属板と板状のアルミニウム－黒鉛複合体１同士が隣り合うように積層して加熱することが好ましい。何故ならば、Ａｌ系回路形成用金属板は、板状のアルミニウム－黒鉛複合体１よりも熱膨張係数が大きいので、接合後の冷却によって、板状のアルミニウム－黒鉛複合体１側が凸形となる変形を軽減させるためである。これは、Ａｌが塑性変形の容易な材料である点を利用したものであり、Ａｌ材同士の接着を避けるため、必要に応じてスペーサー材を介在させても良い。
（実施例１、２）
実施例１は、嵩密度１．８３ｇ／ｃｍ３の等方性黒鉛材料（東海カーボン社製：Ｇ３４７）、実施例２は、嵩密度１．８９ｇ／ｃｍ３の等方性黒鉛材料（東海カーボン社製：Ｇ４５８）を、２００ｍｍ×２００ｍｍ×１．５ｍｍの板状に加工した。また、離型板として２００×２００×０．６ｍｍのステンレス板にアルミナゾル（日産化学社製：アルミナゾル２００）を塗布した後、温度３５０℃で１時間の加熱処理を行い、更に、黒鉛離型剤を塗布した。次に、板状の等方性黒鉛材料及び特性評価用の２００×２００×２５ｍｍの等方性黒鉛材料を離型板で挟んで、７０枚を積層した後、両側に１２ｍｍ厚みの鉄板を配置して、Ｍ１０のボルト８本で連結して面方向の締め付けトルクが２０Ｎｍとなるようにトルクレンチで締め付けて積層体とした。得られた積層体は、電気炉で窒素雰囲気下、温度６５０℃で１時間予備加熱した後、予め加熱しておいた内径３００ｍｍ×３００ｍｍ×３００ｍｍＨのプレス型内に収め、珪素を１２質量％含有するアルミニウム合金の溶湯を注ぎ、１００ＭＰａの圧力で２０分間加圧して、等方性黒鉛材料にアルミニウム合金を含浸させた。次に、室温まで冷却した後、湿式バンドソーでアルミニウム合金と離型板の境界部分及び鉄板部分を切断し、挟んだ離型板をはがして、２００ｍｍ×２００ｍｍ×１．６ｍｍのアルミニウム－黒鉛複合体を得た。得られた複合体は、含浸時の歪み除去の為、温度５００℃で２時間のアニール処理を行った。
実施例１は、嵩密度１．８３ｇ／ｃｍ３の等方性黒鉛材料（東海カーボン社製：Ｇ３４７）、実施例２は、嵩密度１．８９ｇ／ｃｍ３の等方性黒鉛材料（東海カーボン社製：Ｇ４５８）を、２００ｍｍ×２００ｍｍ×１．５ｍｍの板状に加工した。また、離型板として２００×２００×０．６ｍｍのステンレス板にアルミナゾル（日産化学社製：アルミナゾル２００）を塗布した後、温度３５０℃で１時間の加熱処理を行い、更に、黒鉛離型剤を塗布した。次に、板状の等方性黒鉛材料及び特性評価用の２００×２００×２５ｍｍの等方性黒鉛材料を離型板で挟んで、７０枚を積層した後、両側に１２ｍｍ厚みの鉄板を配置して、Ｍ１０のボルト８本で連結して面方向の締め付けトルクが２０Ｎｍとなるようにトルクレンチで締め付けて積層体とした。得られた積層体は、電気炉で窒素雰囲気下、温度６５０℃で１時間予備加熱した後、予め加熱しておいた内径３００ｍｍ×３００ｍｍ×３００ｍｍＨのプレス型内に収め、珪素を１２質量％含有するアルミニウム合金の溶湯を注ぎ、１００ＭＰａの圧力で２０分間加圧して、等方性黒鉛材料にアルミニウム合金を含浸させた。次に、室温まで冷却した後、湿式バンドソーでアルミニウム合金と離型板の境界部分及び鉄板部分を切断し、挟んだ離型板をはがして、２００ｍｍ×２００ｍｍ×１．６ｍｍのアルミニウム－黒鉛複合体を得た。得られた複合体は、含浸時の歪み除去の為、温度５００℃で２時間のアニール処理を行った。
実施例１及び２で使用した等方性黒鉛材料から、研削加工により直交する３方向の熱膨張係数測定用試験体（３×３×２０ｍｍ）及び熱伝導率測定用試験体（２５ｍｍ×２５ｍｍ×１ｍｍ）を作製した。それぞれの試験体を用いて、温度２５℃～１５０℃の熱膨張係数を熱膨張計（セイコー電子工業社製；ＴＭＡ３００）で、２５℃での熱伝導率をレーザーフラッシュ法（理学電機社製；ＬＦ／ＴＣＭ－８５１０Ｂ）で測定した。その結果を表１に示す。等方性黒鉛材料の気孔率は、黒鉛の理論密度：２．２ｇ／ｃｍ３を用いて、アルキメデス法で測定した嵩密度より算出した。
注２：熱伝導率と熱膨張係数の最大／最小は、直交する３方向の最大値と最小値の比
次に、得られたアルミニウム－黒鉛複合体より、研削加工により直交する３方向の熱膨張係数測定用試験体（３×３×２０ｍｍ）、熱伝導率測定用試験体（２５ｍｍ×２５ｍｍ×１ｍｍ）及び強度試験体（３ｍｍ×４ｍｍ×４０ｍｍ）を作製し、それぞれの試験体を用いて、温度２５℃～１５０℃の熱膨張係数を熱膨張計（セイコー電子工業社製；ＴＭＡ３００）、２５℃での熱伝導率をレーザーフラッシュ法（理学電機社製；ＬＦ／ＴＣＭ－８５１０Ｂ）及び３点曲げ強度（ＪＩＳ－Ｒ１６０１に準拠）を測定した。また、試験体の嵩密度をアルキメデス法で測定し、等方性黒鉛材料の気孔の含浸率を算出した。
注２：熱伝導率と熱膨張係数の最大／最小は、直交する３方向の最大値と最小値の比
実施例１の板状のアルミニウム－黒鉛複合体について、板厚をノギスにて測定し、切断加工面の表面粗さ（Ｒａ）を表面粗さ計にて測定した後、機械加工により各サンプルの対角線に沿って切断を行い、切断により露出した片主面のアルミニウム合金層の対角線方向の厚みを等間隔に１０点測定し、測定値に基づいて板面に対して垂直方向の厚みの平均を算出した。その結果を表３に示す。一方、実施例２の板状のアルミニウム－黒鉛複合体は、＃１２０のＳｉＣ砥粒を塗布した研磨ベルトを用いて、湿式ベルトサンダーにて両主面のアルミニウム合金層を除去した後、板厚及び表面粗さ（Ｒａ）を測定した。結果を表３に示す。
（ＬＥＤ発光部材の製造例）
（１）エポキシ樹脂としてビスフェノールＦ型エポキシ樹脂（エピコート８０７：エポキシ当量＝１７３、油化シェルエポキシ株式会社製）１００質量部、シランカップリング剤、γ－グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン（ＡＺ－６１６５：日本ユニカー株式会社製）５質量部、無機フィラーとして平均粒径５．２μｍのアルミナ（ＡＳ－５０：昭和電工株式会社製）３００質量部、平均粒子径１．２μｍの球状アルミナ（ＡＫＰ－１５：住友化学株式会社製）２００質量部を、万能混合攪拌機で混合し、これに硬化剤としてポリオキシプロピレンアミン（ジェファーミンＤ－４００：テキサコケミカル社製）２５質量部、ポリオキシプロピレンアミン（ジェファーミンＤ２０００：テキサコケミカル社製）２０質量部を配合、混合した。
（２）上記混合物を前記板状のアルミニウム－黒鉛複合体上に硬化後の絶縁接着層の厚みが１００μｍになるように塗布し、Ｂステージ状態に予備硬化させ、ラミネーターで厚さ３５μｍの電解銅箔を張り合わせ、その後８０℃×２ｈｒｓ＋１５０℃×３ｈｒｓアフターキュアを行い絶縁接着層付き銅箔付き複合体を作製した。更に、銅箔をエッチングしてパッド部を有する所望の回路を形成して、アルミニウム－黒鉛複合体回路基板とした。次に、特定の回路上に白色ソルダーレジスト（ＰＳＲ４０００－ＬＥＷ１：太陽インキ社製）をスクリーンにて塗布後、ＵＶ硬化させた。さらに、電解銅箔露出部分上に絶縁されていないＬＥＤチップ（１ｍｍ２）をＡｇペーストにて接着させ、図１に示すようなＬＥＤ発光部材を得た。また、所望の個所の絶縁層露出部分をＣＯ２レーザーにより除去し、その部分上に絶縁されているＬＥＤチップ（１ｍｍ２）をＡｇペーストにて接着させ、図３に示すような構造のＬＥＤ発光部材を得た。
（１）エポキシ樹脂としてビスフェノールＦ型エポキシ樹脂（エピコート８０７：エポキシ当量＝１７３、油化シェルエポキシ株式会社製）１００質量部、シランカップリング剤、γ－グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン（ＡＺ－６１６５：日本ユニカー株式会社製）５質量部、無機フィラーとして平均粒径５．２μｍのアルミナ（ＡＳ－５０：昭和電工株式会社製）３００質量部、平均粒子径１．２μｍの球状アルミナ（ＡＫＰ－１５：住友化学株式会社製）２００質量部を、万能混合攪拌機で混合し、これに硬化剤としてポリオキシプロピレンアミン（ジェファーミンＤ－４００：テキサコケミカル社製）２５質量部、ポリオキシプロピレンアミン（ジェファーミンＤ２０００：テキサコケミカル社製）２０質量部を配合、混合した。
（２）上記混合物を前記板状のアルミニウム－黒鉛複合体上に硬化後の絶縁接着層の厚みが１００μｍになるように塗布し、Ｂステージ状態に予備硬化させ、ラミネーターで厚さ３５μｍの電解銅箔を張り合わせ、その後８０℃×２ｈｒｓ＋１５０℃×３ｈｒｓアフターキュアを行い絶縁接着層付き銅箔付き複合体を作製した。更に、銅箔をエッチングしてパッド部を有する所望の回路を形成して、アルミニウム－黒鉛複合体回路基板とした。次に、特定の回路上に白色ソルダーレジスト（ＰＳＲ４０００－ＬＥＷ１：太陽インキ社製）をスクリーンにて塗布後、ＵＶ硬化させた。さらに、電解銅箔露出部分上に絶縁されていないＬＥＤチップ（１ｍｍ２）をＡｇペーストにて接着させ、図１に示すようなＬＥＤ発光部材を得た。また、所望の個所の絶縁層露出部分をＣＯ２レーザーにより除去し、その部分上に絶縁されているＬＥＤチップ（１ｍｍ２）をＡｇペーストにて接着させ、図３に示すような構造のＬＥＤ発光部材を得た。
（実施例３、４）
（ＬＥＤ発光部材の製造例）
（１）実施例１及び２で得られた板状のアルミニウム－黒鉛複合体上に、電解めっきにより３５μｍ厚の銅層を複合体の片面全体に形成させた。所望の個所以外の銅層をエッチングにて除去することにより、銅バンプ付きアルミニウム－黒鉛複合体を作成した。また一方で、エポキシ樹脂としてビスフェノールＦ型エポキシ樹脂（エピコート８０７：エポキシ当量＝１７３、油化シェルエポキシ株式会社製）１００質量部、シランカップリング剤、γ－グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン（ＡＺ－６１６５：日本ユニカー株式会社製）５質量部、無機フィラーとして平均粒径５μｍのアルミナ（ＡＳ－５０：昭和電工株式会社製）５００質量部を、万能混合攪拌機で混合し、これに硬化剤としてポリオキシプロピレンアミン（ジェファーミンＤ－４００：テキサコケミカル社製）４５質量部を添加混合した。３５μｍ厚の銅層上に厚みが１００μｍになるように塗布し、Ｂステージ状態として樹脂付き銅箔を作成した。
（２）前記の銅バンプ付きアルミニウム－黒鉛複合体と樹脂付き銅箔を積層して、１８０℃にて加熱プレスを行い一体化した。銅バンプ上に凸状態となった個所の銅箔をエッチングにて除去し、さらに絶縁層（Ｂステージシートの硬化部分）をＣＯ２レーザーにより除去して、図２に示すような銅バンプ付きアルミニウム－黒鉛複合体回路基板とした。次に、特定の回路上に白色ソルダーレジスト（ＰＳＲ４０００－ＬＥＷ１：太陽インキ社製）をスクリーンにて塗布後、ＵＶ硬化させた。＃２００の研磨紙にて、上述の銅バンプ上の回路面から絶縁層の残留物を除去し、＃８００の研磨紙にて表面を平滑に仕上げた。この表面上に絶縁されているＬＥＤチップ（１ｍｍ２）をＡｇペーストにて接着させた。図２に構造を示す。
（ＬＥＤ発光部材の製造例）
（１）実施例１及び２で得られた板状のアルミニウム－黒鉛複合体上に、電解めっきにより３５μｍ厚の銅層を複合体の片面全体に形成させた。所望の個所以外の銅層をエッチングにて除去することにより、銅バンプ付きアルミニウム－黒鉛複合体を作成した。また一方で、エポキシ樹脂としてビスフェノールＦ型エポキシ樹脂（エピコート８０７：エポキシ当量＝１７３、油化シェルエポキシ株式会社製）１００質量部、シランカップリング剤、γ－グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン（ＡＺ－６１６５：日本ユニカー株式会社製）５質量部、無機フィラーとして平均粒径５μｍのアルミナ（ＡＳ－５０：昭和電工株式会社製）５００質量部を、万能混合攪拌機で混合し、これに硬化剤としてポリオキシプロピレンアミン（ジェファーミンＤ－４００：テキサコケミカル社製）４５質量部を添加混合した。３５μｍ厚の銅層上に厚みが１００μｍになるように塗布し、Ｂステージ状態として樹脂付き銅箔を作成した。
（２）前記の銅バンプ付きアルミニウム－黒鉛複合体と樹脂付き銅箔を積層して、１８０℃にて加熱プレスを行い一体化した。銅バンプ上に凸状態となった個所の銅箔をエッチングにて除去し、さらに絶縁層（Ｂステージシートの硬化部分）をＣＯ２レーザーにより除去して、図２に示すような銅バンプ付きアルミニウム－黒鉛複合体回路基板とした。次に、特定の回路上に白色ソルダーレジスト（ＰＳＲ４０００－ＬＥＷ１：太陽インキ社製）をスクリーンにて塗布後、ＵＶ硬化させた。＃２００の研磨紙にて、上述の銅バンプ上の回路面から絶縁層の残留物を除去し、＃８００の研磨紙にて表面を平滑に仕上げた。この表面上に絶縁されているＬＥＤチップ（１ｍｍ２）をＡｇペーストにて接着させた。図２に構造を示す。
（実施例５、６）
（ＬＥＤ発光部材の製造例）
実施例１、２で得られた板状のアルミニウム－黒鉛複合体と、９５％Ａｌ－４％Ｃｕ－１％Ｍｇの組成、厚み０．３ｍｍの合金からなる接合材と、０．４ｍｍ厚のＡｌ回路とを、この順で積層して１組とし、スペーサーを介して、１０組重ねて積層した。これを炉外から油圧式の一軸加圧装置でカーボン製の押し棒を介してアルミニウム－黒鉛複合体からなる基板面と垂直方向に５００ＭＰａの圧力で加圧しながら４×１０－３Ｐａの真空中（バッチ炉）６１０℃にて１０分間加熱を行い、接合し、アルミニウム－黒鉛複合体回路基板とした。次に、特定の回路上に白色ソルダーレジスト（ＰＳＲ４０００－ＬＥＷ１：太陽インキ社製）をスクリーンにて塗布後、ＵＶ硬化させた。さらに、Ａｌ回路上に絶縁されたＬＥＤチップ（１ｍｍ２）をＡｇペーストにて接着させ、図１に示すようなＬＥＤ発光部材を得た。
（ＬＥＤ発光部材の製造例）
実施例１、２で得られた板状のアルミニウム－黒鉛複合体と、９５％Ａｌ－４％Ｃｕ－１％Ｍｇの組成、厚み０．３ｍｍの合金からなる接合材と、０．４ｍｍ厚のＡｌ回路とを、この順で積層して１組とし、スペーサーを介して、１０組重ねて積層した。これを炉外から油圧式の一軸加圧装置でカーボン製の押し棒を介してアルミニウム－黒鉛複合体からなる基板面と垂直方向に５００ＭＰａの圧力で加圧しながら４×１０－３Ｐａの真空中（バッチ炉）６１０℃にて１０分間加熱を行い、接合し、アルミニウム－黒鉛複合体回路基板とした。次に、特定の回路上に白色ソルダーレジスト（ＰＳＲ４０００－ＬＥＷ１：太陽インキ社製）をスクリーンにて塗布後、ＵＶ硬化させた。さらに、Ａｌ回路上に絶縁されたＬＥＤチップ（１ｍｍ２）をＡｇペーストにて接着させ、図１に示すようなＬＥＤ発光部材を得た。
（実施例７～１３、比較例１）
表４に示す各種等方性黒鉛材料（実施例７～１３）及び押し出し黒鉛材料（比較例１）を２００ｍｍ×１５０ｍｍ×１．５ｍｍの形状に加工し、離型板の形状を２００ｍｍ×１５０ｍｍ×０．６ｍｍに変更した以外は、実施例１と同様にして、アルミニウム－黒鉛複合体を作製した。得られたアルミニウム－黒鉛複合体は、実施例１と同様にして特性評価を実施した。結果を表５、６に示す。
表４に示す各種等方性黒鉛材料（実施例７～１３）及び押し出し黒鉛材料（比較例１）を２００ｍｍ×１５０ｍｍ×１．５ｍｍの形状に加工し、離型板の形状を２００ｍｍ×１５０ｍｍ×０．６ｍｍに変更した以外は、実施例１と同様にして、アルミニウム－黒鉛複合体を作製した。得られたアルミニウム－黒鉛複合体は、実施例１と同様にして特性評価を実施した。結果を表５、６に示す。
注２：熱伝導率と熱膨張係数の最大／最小は、直交する３方向の最大値と最小値の比
注２：熱伝導率と熱膨張係数の最大／最小は、直交する３方向の最大値と最小値の比
（実施例１４～１７）
実施例１の等方性黒鉛材料を、外形形状が２００ｍｍ×２００ｍｍに加工した後、板厚を０．５ｍｍ（実施例１４）、１．０ｍｍ（実施例１５）、２．０ｍｍ（実施例１６）、２．９ｍｍ（実施例１７）に加工した後、実施例１と同様にして、アルミニウム－黒鉛複合体を作製した。得られたアルミニウム－黒鉛複合体は、実施例１と同様にして特性評価を実施した。結果を表７、８に示す。
実施例１の等方性黒鉛材料を、外形形状が２００ｍｍ×２００ｍｍに加工した後、板厚を０．５ｍｍ（実施例１４）、１．０ｍｍ（実施例１５）、２．０ｍｍ（実施例１６）、２．９ｍｍ（実施例１７）に加工した後、実施例１と同様にして、アルミニウム－黒鉛複合体を作製した。得られたアルミニウム－黒鉛複合体は、実施例１と同様にして特性評価を実施した。結果を表７、８に示す。
注２：熱伝導率と熱膨張係数の最大／最小は、直交する３方向の最大値と最小値の比
（実施例１８～２４、比較例２～６）
実施例１と同様にして積層体を作製した後、表９に示す条件以外は実施例１と同様にして、等方性黒鉛材料にアルミニウム合金を含浸させ、アルミニウム－黒鉛複合体を作製した。得られた複合体は、含浸時の歪み除去の為、温度５００℃で２時間のアニール処理を行った後、実施例１と同様の手法にて評価を実施した。結果を表１０に示す。比較例５は離型後の板状のアルミニウム－黒鉛複合体の表面のアルミニウム合金層の厚みむらが大きくなり、アルミニウム－黒鉛複合体が大きく反り返った。比較例６は、離型後の板状のアルミニウム－黒鉛複合体にアルミニウム合金入りのクラックが確認された。
実施例１と同様にして積層体を作製した後、表９に示す条件以外は実施例１と同様にして、等方性黒鉛材料にアルミニウム合金を含浸させ、アルミニウム－黒鉛複合体を作製した。得られた複合体は、含浸時の歪み除去の為、温度５００℃で２時間のアニール処理を行った後、実施例１と同様の手法にて評価を実施した。結果を表１０に示す。比較例５は離型後の板状のアルミニウム－黒鉛複合体の表面のアルミニウム合金層の厚みむらが大きくなり、アルミニウム－黒鉛複合体が大きく反り返った。比較例６は、離型後の板状のアルミニウム－黒鉛複合体にアルミニウム合金入りのクラックが確認された。
注２：熱伝導率と熱膨張係数の最大／最小は、直交する３方向の最大値と最小値の比
（実施例２５～２８）
実施例２５は離型板として離型材を塗布しない鉄板を、実施例２６はステンレス板に黒鉛離型材を塗布した離型板を、実施例２７はステンレス板に窒化硼素を塗布した離型板を、実施例２８は離型板として厚み０．２ｍｍの黒鉛シートを使用した以外は、実施例１と同様にして、等方性黒鉛材料にアルミニウム合金を含浸させ、アルミニウム－黒鉛複合体を作製した。得られた複合体は、含浸時の歪み除去の為、温度５００℃で２時間のアニール処理を行った後、実施例１と同様の手法にて評価を実施した。その結果を表１１および表１２に示す。実施例２５は、複合化後に板状のアルミニウム－黒鉛複合体の離型が難しく、離型後の表面荒れが顕著であった。また、実施例２８は、複合化後の板状のアルミニウム－黒鉛複合体の離型はできたが、離型後の表面のアルミニウム合金層の厚みむらが大きかった。この為、実施例２５及び実施例２８は、実施例２と同様の手法にて表面のアルミニウム合金層の除去を実施した。
注１：熱伝導率と熱膨張係数の平均値は、直交する３方向の値の平均値
注２：熱伝導率と熱膨張係数の最大／最小は、直交する３方向の最大値と最小値の比
実施例２５は離型板として離型材を塗布しない鉄板を、実施例２６はステンレス板に黒鉛離型材を塗布した離型板を、実施例２７はステンレス板に窒化硼素を塗布した離型板を、実施例２８は離型板として厚み０．２ｍｍの黒鉛シートを使用した以外は、実施例１と同様にして、等方性黒鉛材料にアルミニウム合金を含浸させ、アルミニウム－黒鉛複合体を作製した。得られた複合体は、含浸時の歪み除去の為、温度５００℃で２時間のアニール処理を行った後、実施例１と同様の手法にて評価を実施した。その結果を表１１および表１２に示す。実施例２５は、複合化後に板状のアルミニウム－黒鉛複合体の離型が難しく、離型後の表面荒れが顕著であった。また、実施例２８は、複合化後の板状のアルミニウム－黒鉛複合体の離型はできたが、離型後の表面のアルミニウム合金層の厚みむらが大きかった。この為、実施例２５及び実施例２８は、実施例２と同様の手法にて表面のアルミニウム合金層の除去を実施した。
注２：熱伝導率と熱膨張係数の最大／最小は、直交する３方向の最大値と最小値の比
（実施例２９、３０）
実施例１の板状のアルミニウム－黒鉛複合体（２００ｍｍ×２００ｍｍ×１．６ｍｍ）を、水にて超音波洗浄した後、膜厚：３μｍの無電解Ｎｉ―Ｐめっき処理をおこなった。実施例２９は、無電解Ｎｉ－Ｐめっき後に、膜厚：１μｍの無電解Ｎｉ－Ｂめっきを行い、実施例３０は、無電解Ｎｉ－Ｐめっき後に、膜厚：１μｍの無電解Ａｕめっきを行い、アルミニウム黒鉛複合体の表面にめっき層を形成した。得られためっき品は、肉眼で確認されるピンホールはなく良好であった。また、めっき面にフラックスを塗布した後、鉛／錫の共晶はんだに浸漬した。めっき面は、９９％以上がはんだで濡れていた。
実施例１の板状のアルミニウム－黒鉛複合体（２００ｍｍ×２００ｍｍ×１．６ｍｍ）を、水にて超音波洗浄した後、膜厚：３μｍの無電解Ｎｉ―Ｐめっき処理をおこなった。実施例２９は、無電解Ｎｉ－Ｐめっき後に、膜厚：１μｍの無電解Ｎｉ－Ｂめっきを行い、実施例３０は、無電解Ｎｉ－Ｐめっき後に、膜厚：１μｍの無電解Ａｕめっきを行い、アルミニウム黒鉛複合体の表面にめっき層を形成した。得られためっき品は、肉眼で確認されるピンホールはなく良好であった。また、めっき面にフラックスを塗布した後、鉛／錫の共晶はんだに浸漬した。めっき面は、９９％以上がはんだで濡れていた。
実施例１と同様の手法で、絶縁されていないＬＥＤチップに対して、図１に示すようなＬＥＤ発光部材を得た。また、絶縁されているＬＥＤチップ（１ｍｍ２）をＡｇペーストにて接着させ、図３に示すようなＬＥＤ発光部材を得た。更に、実施例５と同様の手法で、絶縁されているＬＥＤチップ（１ｍｍ２）をＡｇペーストにて接着させ、図２に示すようなＬＥＤ発光部材を得た。
Claims (9)
- 下記の工程（１）～（３）：
（１）温度２５℃の熱伝導率が１００～２００Ｗ／ｍＫ、直交する３方向の熱伝導率の最大値／最小値が１～１．３、温度２５℃～１５０℃の熱膨張係数が２×１０－６～５×１０－６／Ｋ、直交する３方向の熱膨張係数の最大値／最小値が１～１．３、並びに、気孔率が１０～２０体積％である等方性黒鉛材料を、板厚０．５～３ｍｍの板状に加工する工程、
（２）板状の等方性黒鉛材料を離型板で挟み込んで積層し、等方性黒鉛材料の板面に対して垂直方向の締め付けトルクが１～５０Ｎｍとなるように加圧する工程、
（３）溶湯鍛造法により、珪素３～２０質量％を含有するアルミニウム合金を２０ＭＰａ以上の圧力で加圧含浸して、等方性黒鉛材料の気孔の７０％以上をアルミニウム合金で含浸させると共に、平均厚みが１０～３００μｍのアルミニウム合金層を板状等方性黒鉛材料の両主面に設ける工程、
を順次含むアルミニウム－黒鉛複合体の製造方法。 - 板状等方性黒鉛材料の両主面に設けられたアルミニウム合金層の除去工程を、さらに含む請求項１記載のアルミニウム－黒鉛複合体の製造方法。
- 等方性黒鉛材料が、コークス系黒鉛を原料とする請求項１又は２記載のアルミニウム－黒鉛複合体の製造方法。
- 表面粗さ（Ｒａ）が０．１～３μｍ、温度２５℃の熱伝導率が１５０～３００Ｗ／ｍＫ、直交する３方向の熱伝導率の最大値／最小値が１～１．３、温度２５℃～１５０℃の熱膨張係数が４×１０－６～７．５×１０－６／Ｋ、直交する３方向の熱膨張係数の最大値／最小値が１～１．３、並びに、３点曲げ強度が５０～１５０ＭＰａであるアルミニウム－黒鉛複合体。
- 穴等の形状加工を施してなる請求項４記載のアルミニウム－黒鉛複合体。
- 表面にめっき層を形成してなる請求項４又は５記載のアルミニウム－黒鉛複合体。
- 請求項４～６のいずれか一項に記載されたアルミニウム－黒鉛複合体の一主面又は両主面に、絶縁層を介して金属回路を形成してなる放熱部品。
- 請求項４～６のいずれか一項に記載されたアルミニウム－黒鉛複合体の一主面又は両主面に、活性金属接合材層を介して金属回路を形成してなる放熱部品。
- 請求項７又は８に記載された放熱部品上に、ＬＥＤベアチップ及び／又はＬＥＤパッケージを搭載してなるＬＥＤ発光部材。
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