アルミニウム−炭化珪素質複合体及び伝熱部材
【課題】熱が伝わった際に安定的に反りが発生するアルミニウム−炭化珪素質複合体、及びこれからなる伝熱部材を提供する。
【解決手段】Ａｌ−ＳｉＣ複合体１は、ＳｉＣ多孔体にアルミニウムを主成分とする金属を含浸したものであり、５０℃〜１５０℃における熱膨張係数が６ｐｐｍ〜９ｐｐｍ／Ｋである第１の層２と５０℃〜１５０℃における熱膨張係数が層２よりも４ｐｐｍ／Ｋ〜８．５ｐｐｍ／Ｋだけ大きい第２の層３とを備える多層構造である。
【解決手段】Ａｌ−ＳｉＣ複合体１は、ＳｉＣ多孔体にアルミニウムを主成分とする金属を含浸したものであり、５０℃〜１５０℃における熱膨張係数が６ｐｐｍ〜９ｐｐｍ／Ｋである第１の層２と５０℃〜１５０℃における熱膨張係数が層２よりも４ｐｐｍ／Ｋ〜８．５ｐｐｍ／Ｋだけ大きい第２の層３とを備える多層構造である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム−炭化珪素質複合体、及びこれからなる伝熱部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ハイブリッド車両、電気自動車、鉄道車両などには、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）などの電力用半導体素子（パワーデバイス）を実装したパワーモジュールが搭載されている。半導体素子が発生する熱を放熱拡散させる放熱部材と、半導体素子が搭載されるセラミックス基板との間には、通常、熱を速やかに放熱部材に伝熱する伝熱部材を介在させている。セラミックス基板と伝熱部材とははんだ付けやろう付けで接合される。
【０００３】
半導体素子の動作に伴う繰り返しの熱サイクルによって接合部でクラックが発生することを防止するために、セラミックス基板との熱膨張率差が小さいアルミニウム−炭化珪素質複合体からなる伝熱部材を用いることが多い。アルミニウム−炭化珪素質複合体は軽量である点も利点である。
【０００４】
ところで、放熱部材と伝熱部材とは、通常、複数のボルトで取り付けられている。しかし、放熱部材と伝熱部材との間に隙間が生じた場合、伝熱効率は著しく低下する。そこで、伝熱部材の放熱部材側の面に予め凸状の反りを付け、その反発力を利用して、隙間が生じることを防止することが提案されている。
【０００５】
この反りは、所定の形状を有する治具を用いて、加熱下、伝熱部材を加圧することによって形成している（例えば、特許文献１参照）。また、伝熱部材の表面をダイヤモンドなどからなる切削工具で切削加工して反りを形成することもある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許３７９２１８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、治具を用いて高温高圧化で反りを形成する場合、反り量を調整することは困難であり、且つ反り形状が一定せず反り面に凹凸が生じるので、放熱部材と伝熱部材との間に隙間が生じるおそれがあるという問題がある。
【０００８】
また、切削加工で反りを形成する場合、アルミニウム−炭化珪素質複合体は非常に硬いため、切削コストが非常に高くなるという問題がある。
【０００９】
本発明は、以上の点に鑑み、熱が伝わった際に安定的に反りが発生するアルミニウム−炭化珪素質複合体、及びこれからなる伝熱部材を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のアルミニウム−炭化珪素質複合体は、炭化珪素多孔体にアルミニウムを主成分とする金属を含浸したアルミニウム−炭化珪素質複合体であって、５０℃〜１５０℃における熱膨張係数が６ｐｐｍ／Ｋ〜９ｐｐｍ／Ｋである第１の層と、５０℃〜１５０℃における熱膨張係数が前記第１の層よりも４ｐｐｍ／Ｋ〜８.５ｐｐｍ／Ｋだけ大きい第２の層とを備える多層構造であることを特徴とする。
【００１１】
本発明のアルミニウム−炭化珪素質複合体によれば、第１の層と第２の層との熱膨張係数との間に所定の差があるので、温度上昇したとき、温度に応じた反りが安定的に発生し、常温では反りが発生しない。
【００１２】
本発明のアルミニウム−炭化珪素質複合体において、前記第１の層の炭化珪素充填率が６５％〜８５％であり、前記第２の層の炭化珪素充填率が前記第１の層よりも１０％〜５０％だけ小さいことが好ましい。この場合、前記熱膨張係数を有する第１の層及び第２の層を確実且つ容易に形成することができる。
【００１３】
また、本発明のアルミニウム−炭化珪素質複合体において、前記第１の層は多粒度配合の炭化珪素粉末を原料粉末とする型成形体を焼成した焼結体からなり、前記第２の層は一粒度配合の炭化珪素粉末及び金属粉末又はカーボン粉末を原料粉末とする型成形体を焼成した焼結体からなることが好ましい。この場合、前記炭化珪素充填率を有する第１の層及び第２の層を容易に形成することができる。
【００１４】
また、本発明のアルミニウム−炭化珪素質複合体において、前記第１の層と前記第２の層との間に、８０重量％を超える金属を含む金属層が介在しないことが好ましい。この場合、金属層によって熱伝導が阻害されないので、伝熱性能が優れたものとなる。
【００１５】
本発明の伝熱部材は、第１の主面がセラミックス基板と接合され、前記第１の主面と反対側に位置する第２の主面が当該伝熱部材に複数の固定部位で固定される固定部材と接触し、本発明のアルミニウム−炭化珪素質複合体からなる伝熱部材であって、前記第１の層の表面に機械加工を施して前記第１の主面とする共に、前記第２の層の表面を表面粗さＲａが３μｍ以下になるように機械加工を施して前記第２の主面とすることを特徴とする。
【００１６】
本発明の伝熱部材によれば、第１の層と第２の層との熱膨張係数の相違によって、伝熱部材に熱が伝わったとき、固定部材側に凸となる反りが温度上昇に応じて安定的に発生する。そして、伝熱部材は複数の固定部位で固定部材と固定されている。そのため、固定部位間で第２の主面と固定部材の密着は高く且つ温度が高くなるにつれて強くなり、伝熱部材と固定部材とが確実に接触する。さらに、第２の主面の表面粗さＲａが３μｍ以下であるので、反りによる伝熱部材と固定部材との密着がより良好となる。
【００１７】
また、本発明の伝熱部材において、前記第１の主面を加熱したとき、前記第２の主面に１００℃−２００ｍｍ当り３μｍ〜８μｍの反りが発生することが好ましい。反りが３μｍ未満では、伝熱部材と固定部材とのと良好な密着が得られない。また、反りが８μｍを超えると、伝熱部材とセラミックス基板との接合部に影響を及ぼし、剥離が生じるおそれがある。
【００１８】
また、本発明の伝熱部材において、前記第１の主面を３００℃に加熱したとき、前記第２の主面の温度が２５０℃以上であることが好ましい。この場合、伝熱部材の伝熱性能が優れていることが確保される。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態に係るＡｌ−ＳｉＣ複合材の概念縦断面図。
【図２】Ａｌ−ＳｉＣ複合材の作製方法を説明するための概念縦断面図。
【図３】本発明の実施形態に係る伝熱部材の使用状態を説明するための概念縦断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の実施形態に係るアルミニウム−炭化珪素質複合体１（以下、「Ａｌ−ＳｉＣ複合体１」という）について説明する。
【００２１】
図１に示すように、Ａｌ−ＳｉＣ複合体１は、炭化珪素（ＳｉＣ）多孔体にアルミニウム（Ａｌ）を主成分とする金属を含浸した多層構造であり、５０℃〜１５０℃における熱膨張係数が６ｐｐｍ／Ｋ〜９ｐｐｍ／Ｋ、好ましくは６．５ｐｐｍ／Ｋ〜９ｐｐｍ／Ｋ、より好ましくは７．１ｐｐｍ／Ｋ〜８．８ｐｐｍ／Ｋである第１の層２と、５０℃〜１５０℃における熱膨張係数が層２よりも４ｐｐｍ／Ｋ〜８．５ｐｐｍ／Ｋ、好ましくは４．５ｐｐｍ／Ｋ〜８ｐｐｍ／Ｋ、より好ましくは４．９ｐｐｍ／Ｋ〜７．７ｐｐｍ／Ｋだけ大きい第２の層３とを備えている。
【００２２】
アルミニウムを主成分とする金属とは、アルミニウムを８０重量％以上、好ましくは８５重量％以上、より好ましくは９０重量％以上含む金属であって、極端に特性が変化しない範囲であれば含まれる金属成分は特に限定されず、鉄や銅等が含まれていてもよい。
【００２３】
アルミニウムとＳｉＣとの複合材では、ＳｉＣの充填率が１０％増えると複合材の熱膨張係数が２ｐｐｍ／Ｋ〜３ｐｐｍ／Ｋ低下する。そこで、層２のＳｉＣ充填率を６５％〜８５％、好ましくは６７％〜８１％、より好ましくは７０％〜８０％とし、層３のＳｉＣ充填率を層２よりも１０％〜５０％、好ましくは１５％〜４０％、より好ましくは１８％〜３７％だけ小さくすれば、各層２，３の熱膨張係数を上記のようにすることができる。
【００２４】
ＳｉＣの高充填化は、ＳｉＣ成形体（プリフォーム）の成形時に粗い粒子と細かい粒子とを混合した多粒度配合のＳｉＣ粉末を使用することにより調整できる。一方、ＳｉＣの低充填化は、成形時に粒度が単粒のみ、即ち一粒度配合のＳｉＣ粉末を使用して、さらにアルミニウム粉末やカーボン粉末を添加することにより調整できる。
【００２５】
通常、多層構造のＡｌ−ＳｉＣ複合材を作製する場合、ＳｉＣの充填率が異なるＳｉＣ成形体を別個に作製し、これらのＳｉＣ成形体を積み重ねた状態でアルミニウムを主成分とする金属を含浸させることが考えられる。しかし、この方法では、ＳｉＣ成形体の間に金属層が形成され、熱伝導の阻害や、熱膨張係数差により発生した反りによってクラックが発生するおそれがあるなどの問題が生じる。
【００２６】
そこで、Ａｌ−ＳｉＣ複合体１は、振動成形法を用いて、高充填率の層２と低充填率の層３とを一体的に成形して作製することが好ましい。これによれば、ＳｉＣ充填率の異なる層２，３の境界で金属層が形成されず、前記問題が生じない。
【００２７】
具体的には、図２を参照して、高充填率の層２の原料粉末として、二粒度配合したＳｉＣ粉末を用いる。二粒度配合したＳｉＣ粉末は、平均粒径５μｍ〜４０μｍ、好ましくは５μｍ〜３０μｍ、より好ましくは１０μｍ〜２５μｍのＳｉＣ細粉と、平均粒径５０μｍ〜１２０μｍ、好ましくは５０μｍ〜１００μｍ、より好ましくは６０μｍ〜８０μｍのＳｉＣ粗粉とからなり、ＳｉＣ細粉が１０重量％〜５０重量％、好ましくは２０重量％〜４０重量％、より好ましくは２５重量％〜３５重量％を占めるものである。なお、高充填率の層２の原料粉末として、三粒度配合など二粒度配合を超える多粒度配合したＳｉＣ粉末を用いてもよい。
【００２８】
この原料粉末に水とシリカバインダーを添加して混合してスラリー化して型４に流し込み、所定時間、例えば６０分浸透振動成形する。
【００２９】
一方、低充填率の層３の原料粉末として、一粒度配合のＳｉＣ粉末にアルミニウム粉末又はカーボン粉末を混合したものを用いる。一粒度配合したＳｉＣ粉末は、平均粒径１０μｍ〜１５０μｍ、好ましくは２０μｍ〜１００μｍ、より好ましくは３０μｍ〜７０μｍのＳｉＣ粉末からなるものである。そして、原料粉末には、平均粒径１５μｍ〜４５μｍ、好ましくは２０μｍ〜４０μｍ、より好ましくは２５μｍ〜３５μｍのアルミニウム粉末が１重量％〜５重量％、好ましくは１．５重量％〜４重量％、より好ましくは２重量％〜３．５重量％を占めるか、平均粒径０．５μｍ〜５μｍ、好ましくは１μｍ〜３．５μｍ、より好ましくは１μｍ〜２．５μｍのカーボン粉末が０．５重量％〜５重量％、好ましくは１重量％〜３．５重量％、より好ましくは１重量％〜２．５重量％を占めるものである。
【００３０】
この原料粉末に水とシリカバインダーを添加して混合してスラリー化して、前記スラリーの上から型４に流し込み、所定時間、例えば２０分浸透振動成形する。
【００３１】
その後、水分を除去した後、８０℃〜３００℃、好ましくは１００℃〜２５０℃、より好ましくは１５０℃〜２００℃で乾燥し、７００℃〜１３００℃、好ましくは８００℃〜１２５０℃、より好ましくは１０００℃〜１１５０℃で、大気雰囲気下又は窒素雰囲気下で焼成する。なお、焼成時間は、ＳｉＣ成形体の大きさ、焼成炉への投入量、焼成雰囲気等の条件に合わせて、適宜決められる。仮焼する際に、カーボン粉末は焼き飛び、アルミニウムは溶解してもよい。
【００３２】
これにより、ＳｉＣの初期充填率が高い層と、ＳｉＣの初期充填率が低い層とが積層したＳｉＣ成形体が作製される。その後、必要に応じて、ＳｉＣ成形体を所望の形状に生加工する。
【００３３】
次に、５ＭＰａ〜９０ＭＰａ、好ましくは１０ＭＰａ〜５０ＭＰａ、より好ましくは１０ＭＰａ〜３０ＭＰａの浸透圧で、７００℃〜９００℃、好ましくは７００℃〜８５０℃、より好ましくは７５０℃〜８５０℃の温度に溶解したアルミニウムを主成分に含む金属をＳｉＣ成形体に含浸させる。なお、アルミニウムを主成分に含む金属は、前述した金属からなる合金であって、具体的には、純アルミニウム合金である１０００系のアルミニウム合金、例えばＡ１０５０、Ａ１０７０、Ａ１０８０、Ａ１０８５、Ａ１１００であることが最も好ましい。また、２０００系や３０００系のアルミニウム合金であってもよい。
【００３４】
含浸方法は、特に限定されないが、例えば、金型４にＳｉＣ成形体をセットし、その金型４を予熱し、別に溶融した金属を金型４内に注入し、高圧鋳造するものであってもよい。
【００３５】
これにより、ＳｉＣ充填率が高い層２と、ＳｉＣ充填率が低い層３とが積層したＡｌ−ＳｉＣ複合体１が作製される。
【００３６】
以下、本発明の実施形態に係る伝熱部材１１について説明する。
【００３７】
図３を参照して、伝熱部材１１は前述したＡｌ−ＳｉＣ複合体１を素材として用いて、これを加工してなるものである。具体的には、層２の表面に機械加工を施して、２ｍｍ〜６ｍｍ、好ましくは３ｍｍ〜５ｍｍ、より好ましくは３ｍｍ〜４ｍｍの厚さとすると共に層３の表面に機械加工を施して、２ｍｍ〜６ｍｍ、好ましくは３ｍｍ〜５ｍｍ、より好ましくは３ｍｍ〜４ｍｍの厚さとする。
【００３８】
これにより、伝熱部材１１は、５０℃〜１５０℃における熱膨張係数が６ｐｐｍ／Ｋ〜９ｐｐｍ／Ｋである第１の層１２と、５０℃〜１５０℃における熱膨張係数が層２より４ｐｐｍ／Ｋ〜８．５ｐｐｍ／Ｋだけ大きな第２の層１３とを備えた平板状の多層構造となる。なお、層１２が伝熱部材１１の全厚に占める割合は、４０％〜６０％、好ましくは４５％〜５５％であり、より好ましくは４８％〜５２％である。伝熱部材１１の厚さが薄すぎると、衝撃などにより破損するおそれがあり、厚さが厚すぎると、伝熱性能が低下するおそれがある。
【００３９】
層１３の表面１３ａは、表面粗さＲａが１μｍ〜３μｍ、好ましくは１．５μｍ〜３μｍ、より好ましくは１．８μｍ〜２．７μｍとなるように機械加工が施され、セラミックス基板５と接合される第１の主面である上面１３ａとなる。層１２の表面１２ａは、表面粗さＲａが１μｍ〜３μｍ、好ましくは１．５μｍ〜３μｍ、より好ましくは１．８μｍ〜２．７μｍとなるように砥石などの研磨具を用いて機械加工が施され、固定部材６と接触し、第１の主面１３ａと反対側に位置する第２の主面である下面１２ａとなる。なお、上面１３ａ及び下面１２ａは共に、室温で平らとなるように、平面度を４μｍ以下、好ましくは３μｍ以下、より好ましくは２．７μｍ以下とする。
【００４０】
そして、伝熱部材１１の複数の隅部には、伝熱部材１１を固定部材６に固定するために、ボルトなどの締結具７が挿通される貫通穴１１ａが切削加工により形成される。なお、伝熱部材１１は、放熱フィンなどの放熱部材である固定部材６とセラミックス基板５との間に介在する部材であり、熱伝導体ベースや単にベースとも呼称される。
【００４１】
セラミックス基板５は、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素などのセラミックスから形成されている。セラミックス基板５の上面には、図示しないが、回路層が形成されており、回路層上に半導体素子が接合されている。半導体素子は、例えばＩＧＢＴなど発熱量が大きな半導体素子であるが、これに限定されない。
【００４２】
伝熱部材１１の上面１３ａには、図示しないが、メッキ被膜が形成される。このメッキ被膜は、ニッケル（Ｎｉ）を主成分したものからなり、ニッケル合金や純ニッケルを用いて、無電界メッキや電界メッキにより形成される。
【００４３】
セラミックス基板５の下面５ａと伝熱部材１１のメッキ被膜が形成された上面１３ａとの間に、熱伝導性が優れた材料からなるはんだ材やろう材を介在させて、セラミックス基板５と伝熱部材１１とははんだ付けやろう付けにより接合される。
【００４４】
そして、セラミックス基板５が接合された伝熱部材１１は、アルミニウムや鋼等の金属などからなる固定部材６に複数の締結具７を用いて固定される。ここでは、伝熱部材１１の四隅に貫通穴１１ａが形成されており、これら貫通穴１１ａをそれぞれ挿通するボルト７により、伝熱部材１１と固定部材６とが締結される。
【００４５】
伝熱部材１１は、半導体素子が発生した熱を固定部材６に伝熱する。伝熱部材１１は、上面１３ａを３００℃に加熱したとき、下面１２ａの温度が２５０℃以上、好ましくは２８０℃以上、より好ましくは２９５℃以上であり、伝熱性能が優れている。
【００４６】
熱が伝熱部材１１に伝わると、セラミックス基板５及び伝熱部材１１は温度が上昇して、熱膨張をする。一方、半導体素子からの発熱が停止すると、セラミックス基板５及び伝熱部材１１は温度が低下して、熱収縮する。
【００４７】
セラミックス基板５と伝熱部材１１のセラミックス基板５と接合された層１３との熱膨張係数の相違が小さいので、上述した熱膨張及び熱収縮の熱サイクルにおいて、これらの差に起因してセラミックス基板５と層１３との間に発生する熱応力は小さい。よって、これらの間の接合部にクラックなどが発生して破損することが防止される。
【００４８】
また、層１２と層１３との間に熱膨張係数の所定の相違があり、且つ層１２より層１３のほうが熱膨張係数が大きいので、伝熱部材１１に熱が伝わったとき、固定部材６側に、即ち下方に凸となる反り（以下、「下凸の反り」という）が発生する。そして、その反り量は、１００℃−２００ｍｍ当り３μｍ〜８μｍ、好ましくは３．５μｍ〜７．５μｍ、より好ましくは４μｍ〜７μｍとなる。
【００４９】
伝熱部材１１は、室温で下面１２ａが平らであり、且つ四隅がボルト７で固定部材６に固定されているので、下凸の反りにより、下面１２ａと固定部材６の密着は高く温度が高くなるにつれて強くなる。よって、伝熱部材１１と固定部材６とが確実に接触する。さらに、下面１２ａの表面粗さＲａが３μｍ以下であるので、反りによる伝熱部材１１と固定部材６の上面６ａとの密着がより良好となる。
【００５０】
なお、反り量が３μｍ未満では、伝熱部材１１と固定部材６との良好な密着が得られない。また、反り量が８μｍを超えると、伝熱部材１１とセラミックス基板５との接合部に影響を及ぼし、剥離が生じるおそれがある。
【００５１】
なお、以上、本発明の実施形態について図面を参照して説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、Ａｌ−ＳｉＣ複合体１及び伝熱部材１１は、熱膨張係数が異なる２層２，３、１２，１３からなる場合について説明したが、これに限定されない。例えば、これら２層２，３、１２，１３の間に、これらの中間値の熱膨張係数を有する１又は複数の層を備えていてもよい、また、この場合、熱膨張係数は、下面１２ａから上面１３ａに向って実質的に断続的に又は連続的に大きくなっていればよい。
【００５２】
〔実施例及び比較例〕
以下、実施例及び比較例を説明する。表１に実施例１−１０をまとめた。
【００５３】
【表１】
【００５４】
〔実施例１−１０〕
二粒度配合（粒度＃９０番／粒度＃８００番＝７／３（実施例１−４）、粒度＃１８０番／粒度＃１０００番＝７／３（実施例５−８）、粒度＃９０番／粒度＃５００番＝３／７（実施例９，１０））したＳｉＣ粉末（太平洋ランダム株式会社製又は信濃電気製錬株式会社製）からなる原料粉末にイオン交換水とシリカバインダー（日産化学工業株式会社製）を添加して混合したＳｉＣスラリーを型４に流し込み６０分浸透振動成形した。
【００５５】
その後、その上に、単粒（粒度＃２４０番（実施例１，５，９）、粒度＃３２０番（実施例２，６，１０）、粒度＃５００番（実施例３，４，７，８）のＳｉＣ粉末（信濃電気製錬株式会社製）に粒度＃５００番のアルミニウム粉末（ミナルコ株式会社製）（実施例１，２，４−７，９，１０）又は粒径２．５μｍのカーボン粉末（昭和電工株式会社製）（実施例３，８）を混合した原料粉末にイオン交換水とシリカバインダー（日産化学工業株式会社製）を添加したＳｉＣスラリーを型４に流し込み２０分浸透振動成形した。なお、アルミニウム粉末はＳｉＣ粉末に対して３重量％、カーボン粉末はＳｉＣ粉末に対して２重量％添加した。また、共に外割でシリカバインダーを１０重量％、イオン交換水を２５重量％添加してスラリー化した。
【００５６】
その後、水分を除去した後、２００℃で乾燥し、１１００℃で１６時間焼成した。これにより、２００ｍｍ×１００ｍｍ×１５ｍｍのＳｉＣ成形体を作製した。そして、各層の厚さがそれぞれ３．５ｍｍ、総厚さが７ｍｍになるように、ＳｉＣ成形体を生加工した。
【００５７】
その後、８０ＭＰａの浸透圧で８００℃の温度に溶解した純アルミニウム系合金（Ａ１０５０）をＳｉＣ成形体に含浸させて、Ａｌ−ＳｉＣ複合体１を作製した。
【００５８】
その後、Ａｌ−ＳｉＣ複合体１の上下面をそれぞれ１ｍｍずつ切削加工した。伝熱部材１１の下面１２ａは表面粗さＲａが３μｍ以下となるように粒度＃８００番以下の砥石で研磨加工した。そして、伝熱部材１１の四隅にボルト用として直径８ｍｍの貫通穴１１ａを切削加工により形成して、伝熱部材１１を作製した。なお、貫通穴１１ａは端面より１５ｍｍに位置に穴の中心が来るように加工した。
【００５９】
その後、伝熱部材１１の上面１３ａにニッケルの無電界メッキを施し、この上面１３ａと窒化アルミニウムからなるセラミックス基板５の下面５ａとの間に鉛と錫の重量比が３７：６３からなる共晶はんだを介在させて、接合した。その後、伝熱部材１１を厚さ７ｍｍのアルミニウム板からなる固定部材６に４本のボルト７で固定した。
【００６０】
そして、伝熱部材１１にヒーターを載置して上面１３ａを３００℃まで加熱させ、その際の下面１２ａの温度をサーモグラフィカメラで測定して、上下面の温度差を求めた。全実施例１−１０において、上下面の温度差は２１℃〜４６℃であり、伝熱部材１１の伝熱性能は良好であった。これから、伝熱部材１１は熱が伝わったとき、固定部材６に良好に密着していることが分かった。また、伝熱部材１１とセラミックス基板５との接合部にはクラックなどの不具合は生じなかった。
【００６１】
表２に比較例１−５をまとめた。
【００６２】
【表２】
【００６３】
〔比較例１〕
実施例１と同じ粒度配合で高充填率と低充填率のＳｉＣ成形体を別々に成形した。そして、これを積み重ねて実施例１と同じ条件でＡ１００５を含浸させた。Ａｌ−ＳｉＣ複合体のＳｉＣ充填率の異なる境界面に幅約１００μｍのアルミニウム層が形成されていた。上下面の温度差は６１℃であり、伝熱部材の伝熱性能が劣っていることが分かった。これは、伝熱部材の境界面に形成されたアルミニウム層によって熱伝導が阻害されたためであると考えられる。
【００６４】
〔比較例２〕
ＳｉＣ粉末の粒度配合を粒度＃１８０番／粒度＃１０００番の二粒度配合のみとし、各層のＳｉＣ充填率を同じとしたこと以外は、実施例１と同様の方法で伝熱部材を作製した。上下面の温度差は６９℃であり、伝熱部材の伝熱性能が劣っていることが分かった。これは、反りが発生せず、伝熱部材と固定部材との間に隙間が発生したためであると考えられる。
【００６５】
〔比較例３〕
実施例５と同じ粒度配合のＳｉＣ粉末であるが、低充填率側のＳｉＣ粉末に粒度＃２４０番のアルミニウム粉末を実施例１の１．３倍添加して、ＳｉＣ成形体の低充填率層のＳｉＣ充填率２５％とした。そして、これ以外は実施例１と同様の方法で伝熱部材を作製した。伝熱部材の上面を３００℃まで昇温させたところ、セラミックス基板と伝熱部材との接合部のはんだにクラックが生じた。これは、ＳｉＣ充填率の差に起因する層間の熱膨張係数の差によって、大きな反りが発生したためであると考えられる。
【００６６】
〔比較例４〕
高充填率側のＳｉＣ粉末の粒度配合を粒度＃９０番／粒度＃５００番（充填率６７％）に、低充填率側のＳｉＣ粉末の粒度配合を粒度＃９０番／粒度＃３２０番（充填率６３％）として、ＳｉＣ充填率の差を小さくした。これ以外は実施例１と同様の方法で伝熱部材を作製した。上下面の温度差は６８℃であり、伝熱部材の伝熱性能が劣っていることが分かった。これは、伝熱部材の層間での熱膨張係数の差が小さく、十分な量の反りが発生しなかったためであると考えられる。
【００６７】
〔比較例５〕
下面の表面粗さＲａを６．８９μｍとした以外は実施例１と同様の方法で伝熱部材を作製した。上下面の温度差は６４℃であり、伝熱部材の伝熱性能が劣っていることが分かった。これは、伝熱部材の固定部材への接触面である下面が粗かったので、伝熱部材と固定部材とが良好に密着しなかったためであると考えられる。
【符号の説明】
【００６８】
１…アルミニウム−炭化珪素質複合体（Ａｌ−ＳｉＣ複合体）、 ２…第１の層（ＳｉＣ低充填率層）、 ３…第２の層（ＳｉＣ高充填率層）、 ４…型、 ５…セラミックス基板、 ６…固定部材（放熱部材）、 ７…締結具（ボルト）、 １１…伝熱部材、 １２…第１の層（ＳｉＣ低充填率層）、 １２ａ…第２の主面（下面）、 １３…第２の層（ＳｉＣ高充填率層）、 １３ａ…第１の主面（上面）。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム−炭化珪素質複合体、及びこれからなる伝熱部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ハイブリッド車両、電気自動車、鉄道車両などには、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）などの電力用半導体素子（パワーデバイス）を実装したパワーモジュールが搭載されている。半導体素子が発生する熱を放熱拡散させる放熱部材と、半導体素子が搭載されるセラミックス基板との間には、通常、熱を速やかに放熱部材に伝熱する伝熱部材を介在させている。セラミックス基板と伝熱部材とははんだ付けやろう付けで接合される。
【０００３】
半導体素子の動作に伴う繰り返しの熱サイクルによって接合部でクラックが発生することを防止するために、セラミックス基板との熱膨張率差が小さいアルミニウム−炭化珪素質複合体からなる伝熱部材を用いることが多い。アルミニウム−炭化珪素質複合体は軽量である点も利点である。
【０００４】
ところで、放熱部材と伝熱部材とは、通常、複数のボルトで取り付けられている。しかし、放熱部材と伝熱部材との間に隙間が生じた場合、伝熱効率は著しく低下する。そこで、伝熱部材の放熱部材側の面に予め凸状の反りを付け、その反発力を利用して、隙間が生じることを防止することが提案されている。
【０００５】
この反りは、所定の形状を有する治具を用いて、加熱下、伝熱部材を加圧することによって形成している（例えば、特許文献１参照）。また、伝熱部材の表面をダイヤモンドなどからなる切削工具で切削加工して反りを形成することもある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許３７９２１８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、治具を用いて高温高圧化で反りを形成する場合、反り量を調整することは困難であり、且つ反り形状が一定せず反り面に凹凸が生じるので、放熱部材と伝熱部材との間に隙間が生じるおそれがあるという問題がある。
【０００８】
また、切削加工で反りを形成する場合、アルミニウム−炭化珪素質複合体は非常に硬いため、切削コストが非常に高くなるという問題がある。
【０００９】
本発明は、以上の点に鑑み、熱が伝わった際に安定的に反りが発生するアルミニウム−炭化珪素質複合体、及びこれからなる伝熱部材を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のアルミニウム−炭化珪素質複合体は、炭化珪素多孔体にアルミニウムを主成分とする金属を含浸したアルミニウム−炭化珪素質複合体であって、５０℃〜１５０℃における熱膨張係数が６ｐｐｍ／Ｋ〜９ｐｐｍ／Ｋである第１の層と、５０℃〜１５０℃における熱膨張係数が前記第１の層よりも４ｐｐｍ／Ｋ〜８.５ｐｐｍ／Ｋだけ大きい第２の層とを備える多層構造であることを特徴とする。
【００１１】
本発明のアルミニウム−炭化珪素質複合体によれば、第１の層と第２の層との熱膨張係数との間に所定の差があるので、温度上昇したとき、温度に応じた反りが安定的に発生し、常温では反りが発生しない。
【００１２】
本発明のアルミニウム−炭化珪素質複合体において、前記第１の層の炭化珪素充填率が６５％〜８５％であり、前記第２の層の炭化珪素充填率が前記第１の層よりも１０％〜５０％だけ小さいことが好ましい。この場合、前記熱膨張係数を有する第１の層及び第２の層を確実且つ容易に形成することができる。
【００１３】
また、本発明のアルミニウム−炭化珪素質複合体において、前記第１の層は多粒度配合の炭化珪素粉末を原料粉末とする型成形体を焼成した焼結体からなり、前記第２の層は一粒度配合の炭化珪素粉末及び金属粉末又はカーボン粉末を原料粉末とする型成形体を焼成した焼結体からなることが好ましい。この場合、前記炭化珪素充填率を有する第１の層及び第２の層を容易に形成することができる。
【００１４】
また、本発明のアルミニウム−炭化珪素質複合体において、前記第１の層と前記第２の層との間に、８０重量％を超える金属を含む金属層が介在しないことが好ましい。この場合、金属層によって熱伝導が阻害されないので、伝熱性能が優れたものとなる。
【００１５】
本発明の伝熱部材は、第１の主面がセラミックス基板と接合され、前記第１の主面と反対側に位置する第２の主面が当該伝熱部材に複数の固定部位で固定される固定部材と接触し、本発明のアルミニウム−炭化珪素質複合体からなる伝熱部材であって、前記第１の層の表面に機械加工を施して前記第１の主面とする共に、前記第２の層の表面を表面粗さＲａが３μｍ以下になるように機械加工を施して前記第２の主面とすることを特徴とする。
【００１６】
本発明の伝熱部材によれば、第１の層と第２の層との熱膨張係数の相違によって、伝熱部材に熱が伝わったとき、固定部材側に凸となる反りが温度上昇に応じて安定的に発生する。そして、伝熱部材は複数の固定部位で固定部材と固定されている。そのため、固定部位間で第２の主面と固定部材の密着は高く且つ温度が高くなるにつれて強くなり、伝熱部材と固定部材とが確実に接触する。さらに、第２の主面の表面粗さＲａが３μｍ以下であるので、反りによる伝熱部材と固定部材との密着がより良好となる。
【００１７】
また、本発明の伝熱部材において、前記第１の主面を加熱したとき、前記第２の主面に１００℃−２００ｍｍ当り３μｍ〜８μｍの反りが発生することが好ましい。反りが３μｍ未満では、伝熱部材と固定部材とのと良好な密着が得られない。また、反りが８μｍを超えると、伝熱部材とセラミックス基板との接合部に影響を及ぼし、剥離が生じるおそれがある。
【００１８】
また、本発明の伝熱部材において、前記第１の主面を３００℃に加熱したとき、前記第２の主面の温度が２５０℃以上であることが好ましい。この場合、伝熱部材の伝熱性能が優れていることが確保される。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態に係るＡｌ−ＳｉＣ複合材の概念縦断面図。
【図２】Ａｌ−ＳｉＣ複合材の作製方法を説明するための概念縦断面図。
【図３】本発明の実施形態に係る伝熱部材の使用状態を説明するための概念縦断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の実施形態に係るアルミニウム−炭化珪素質複合体１（以下、「Ａｌ−ＳｉＣ複合体１」という）について説明する。
【００２１】
図１に示すように、Ａｌ−ＳｉＣ複合体１は、炭化珪素（ＳｉＣ）多孔体にアルミニウム（Ａｌ）を主成分とする金属を含浸した多層構造であり、５０℃〜１５０℃における熱膨張係数が６ｐｐｍ／Ｋ〜９ｐｐｍ／Ｋ、好ましくは６．５ｐｐｍ／Ｋ〜９ｐｐｍ／Ｋ、より好ましくは７．１ｐｐｍ／Ｋ〜８．８ｐｐｍ／Ｋである第１の層２と、５０℃〜１５０℃における熱膨張係数が層２よりも４ｐｐｍ／Ｋ〜８．５ｐｐｍ／Ｋ、好ましくは４．５ｐｐｍ／Ｋ〜８ｐｐｍ／Ｋ、より好ましくは４．９ｐｐｍ／Ｋ〜７．７ｐｐｍ／Ｋだけ大きい第２の層３とを備えている。
【００２２】
アルミニウムを主成分とする金属とは、アルミニウムを８０重量％以上、好ましくは８５重量％以上、より好ましくは９０重量％以上含む金属であって、極端に特性が変化しない範囲であれば含まれる金属成分は特に限定されず、鉄や銅等が含まれていてもよい。
【００２３】
アルミニウムとＳｉＣとの複合材では、ＳｉＣの充填率が１０％増えると複合材の熱膨張係数が２ｐｐｍ／Ｋ〜３ｐｐｍ／Ｋ低下する。そこで、層２のＳｉＣ充填率を６５％〜８５％、好ましくは６７％〜８１％、より好ましくは７０％〜８０％とし、層３のＳｉＣ充填率を層２よりも１０％〜５０％、好ましくは１５％〜４０％、より好ましくは１８％〜３７％だけ小さくすれば、各層２，３の熱膨張係数を上記のようにすることができる。
【００２４】
ＳｉＣの高充填化は、ＳｉＣ成形体（プリフォーム）の成形時に粗い粒子と細かい粒子とを混合した多粒度配合のＳｉＣ粉末を使用することにより調整できる。一方、ＳｉＣの低充填化は、成形時に粒度が単粒のみ、即ち一粒度配合のＳｉＣ粉末を使用して、さらにアルミニウム粉末やカーボン粉末を添加することにより調整できる。
【００２５】
通常、多層構造のＡｌ−ＳｉＣ複合材を作製する場合、ＳｉＣの充填率が異なるＳｉＣ成形体を別個に作製し、これらのＳｉＣ成形体を積み重ねた状態でアルミニウムを主成分とする金属を含浸させることが考えられる。しかし、この方法では、ＳｉＣ成形体の間に金属層が形成され、熱伝導の阻害や、熱膨張係数差により発生した反りによってクラックが発生するおそれがあるなどの問題が生じる。
【００２６】
そこで、Ａｌ−ＳｉＣ複合体１は、振動成形法を用いて、高充填率の層２と低充填率の層３とを一体的に成形して作製することが好ましい。これによれば、ＳｉＣ充填率の異なる層２，３の境界で金属層が形成されず、前記問題が生じない。
【００２７】
具体的には、図２を参照して、高充填率の層２の原料粉末として、二粒度配合したＳｉＣ粉末を用いる。二粒度配合したＳｉＣ粉末は、平均粒径５μｍ〜４０μｍ、好ましくは５μｍ〜３０μｍ、より好ましくは１０μｍ〜２５μｍのＳｉＣ細粉と、平均粒径５０μｍ〜１２０μｍ、好ましくは５０μｍ〜１００μｍ、より好ましくは６０μｍ〜８０μｍのＳｉＣ粗粉とからなり、ＳｉＣ細粉が１０重量％〜５０重量％、好ましくは２０重量％〜４０重量％、より好ましくは２５重量％〜３５重量％を占めるものである。なお、高充填率の層２の原料粉末として、三粒度配合など二粒度配合を超える多粒度配合したＳｉＣ粉末を用いてもよい。
【００２８】
この原料粉末に水とシリカバインダーを添加して混合してスラリー化して型４に流し込み、所定時間、例えば６０分浸透振動成形する。
【００２９】
一方、低充填率の層３の原料粉末として、一粒度配合のＳｉＣ粉末にアルミニウム粉末又はカーボン粉末を混合したものを用いる。一粒度配合したＳｉＣ粉末は、平均粒径１０μｍ〜１５０μｍ、好ましくは２０μｍ〜１００μｍ、より好ましくは３０μｍ〜７０μｍのＳｉＣ粉末からなるものである。そして、原料粉末には、平均粒径１５μｍ〜４５μｍ、好ましくは２０μｍ〜４０μｍ、より好ましくは２５μｍ〜３５μｍのアルミニウム粉末が１重量％〜５重量％、好ましくは１．５重量％〜４重量％、より好ましくは２重量％〜３．５重量％を占めるか、平均粒径０．５μｍ〜５μｍ、好ましくは１μｍ〜３．５μｍ、より好ましくは１μｍ〜２．５μｍのカーボン粉末が０．５重量％〜５重量％、好ましくは１重量％〜３．５重量％、より好ましくは１重量％〜２．５重量％を占めるものである。
【００３０】
この原料粉末に水とシリカバインダーを添加して混合してスラリー化して、前記スラリーの上から型４に流し込み、所定時間、例えば２０分浸透振動成形する。
【００３１】
その後、水分を除去した後、８０℃〜３００℃、好ましくは１００℃〜２５０℃、より好ましくは１５０℃〜２００℃で乾燥し、７００℃〜１３００℃、好ましくは８００℃〜１２５０℃、より好ましくは１０００℃〜１１５０℃で、大気雰囲気下又は窒素雰囲気下で焼成する。なお、焼成時間は、ＳｉＣ成形体の大きさ、焼成炉への投入量、焼成雰囲気等の条件に合わせて、適宜決められる。仮焼する際に、カーボン粉末は焼き飛び、アルミニウムは溶解してもよい。
【００３２】
これにより、ＳｉＣの初期充填率が高い層と、ＳｉＣの初期充填率が低い層とが積層したＳｉＣ成形体が作製される。その後、必要に応じて、ＳｉＣ成形体を所望の形状に生加工する。
【００３３】
次に、５ＭＰａ〜９０ＭＰａ、好ましくは１０ＭＰａ〜５０ＭＰａ、より好ましくは１０ＭＰａ〜３０ＭＰａの浸透圧で、７００℃〜９００℃、好ましくは７００℃〜８５０℃、より好ましくは７５０℃〜８５０℃の温度に溶解したアルミニウムを主成分に含む金属をＳｉＣ成形体に含浸させる。なお、アルミニウムを主成分に含む金属は、前述した金属からなる合金であって、具体的には、純アルミニウム合金である１０００系のアルミニウム合金、例えばＡ１０５０、Ａ１０７０、Ａ１０８０、Ａ１０８５、Ａ１１００であることが最も好ましい。また、２０００系や３０００系のアルミニウム合金であってもよい。
【００３４】
含浸方法は、特に限定されないが、例えば、金型４にＳｉＣ成形体をセットし、その金型４を予熱し、別に溶融した金属を金型４内に注入し、高圧鋳造するものであってもよい。
【００３５】
これにより、ＳｉＣ充填率が高い層２と、ＳｉＣ充填率が低い層３とが積層したＡｌ−ＳｉＣ複合体１が作製される。
【００３６】
以下、本発明の実施形態に係る伝熱部材１１について説明する。
【００３７】
図３を参照して、伝熱部材１１は前述したＡｌ−ＳｉＣ複合体１を素材として用いて、これを加工してなるものである。具体的には、層２の表面に機械加工を施して、２ｍｍ〜６ｍｍ、好ましくは３ｍｍ〜５ｍｍ、より好ましくは３ｍｍ〜４ｍｍの厚さとすると共に層３の表面に機械加工を施して、２ｍｍ〜６ｍｍ、好ましくは３ｍｍ〜５ｍｍ、より好ましくは３ｍｍ〜４ｍｍの厚さとする。
【００３８】
これにより、伝熱部材１１は、５０℃〜１５０℃における熱膨張係数が６ｐｐｍ／Ｋ〜９ｐｐｍ／Ｋである第１の層１２と、５０℃〜１５０℃における熱膨張係数が層２より４ｐｐｍ／Ｋ〜８．５ｐｐｍ／Ｋだけ大きな第２の層１３とを備えた平板状の多層構造となる。なお、層１２が伝熱部材１１の全厚に占める割合は、４０％〜６０％、好ましくは４５％〜５５％であり、より好ましくは４８％〜５２％である。伝熱部材１１の厚さが薄すぎると、衝撃などにより破損するおそれがあり、厚さが厚すぎると、伝熱性能が低下するおそれがある。
【００３９】
層１３の表面１３ａは、表面粗さＲａが１μｍ〜３μｍ、好ましくは１．５μｍ〜３μｍ、より好ましくは１．８μｍ〜２．７μｍとなるように機械加工が施され、セラミックス基板５と接合される第１の主面である上面１３ａとなる。層１２の表面１２ａは、表面粗さＲａが１μｍ〜３μｍ、好ましくは１．５μｍ〜３μｍ、より好ましくは１．８μｍ〜２．７μｍとなるように砥石などの研磨具を用いて機械加工が施され、固定部材６と接触し、第１の主面１３ａと反対側に位置する第２の主面である下面１２ａとなる。なお、上面１３ａ及び下面１２ａは共に、室温で平らとなるように、平面度を４μｍ以下、好ましくは３μｍ以下、より好ましくは２．７μｍ以下とする。
【００４０】
そして、伝熱部材１１の複数の隅部には、伝熱部材１１を固定部材６に固定するために、ボルトなどの締結具７が挿通される貫通穴１１ａが切削加工により形成される。なお、伝熱部材１１は、放熱フィンなどの放熱部材である固定部材６とセラミックス基板５との間に介在する部材であり、熱伝導体ベースや単にベースとも呼称される。
【００４１】
セラミックス基板５は、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素などのセラミックスから形成されている。セラミックス基板５の上面には、図示しないが、回路層が形成されており、回路層上に半導体素子が接合されている。半導体素子は、例えばＩＧＢＴなど発熱量が大きな半導体素子であるが、これに限定されない。
【００４２】
伝熱部材１１の上面１３ａには、図示しないが、メッキ被膜が形成される。このメッキ被膜は、ニッケル（Ｎｉ）を主成分したものからなり、ニッケル合金や純ニッケルを用いて、無電界メッキや電界メッキにより形成される。
【００４３】
セラミックス基板５の下面５ａと伝熱部材１１のメッキ被膜が形成された上面１３ａとの間に、熱伝導性が優れた材料からなるはんだ材やろう材を介在させて、セラミックス基板５と伝熱部材１１とははんだ付けやろう付けにより接合される。
【００４４】
そして、セラミックス基板５が接合された伝熱部材１１は、アルミニウムや鋼等の金属などからなる固定部材６に複数の締結具７を用いて固定される。ここでは、伝熱部材１１の四隅に貫通穴１１ａが形成されており、これら貫通穴１１ａをそれぞれ挿通するボルト７により、伝熱部材１１と固定部材６とが締結される。
【００４５】
伝熱部材１１は、半導体素子が発生した熱を固定部材６に伝熱する。伝熱部材１１は、上面１３ａを３００℃に加熱したとき、下面１２ａの温度が２５０℃以上、好ましくは２８０℃以上、より好ましくは２９５℃以上であり、伝熱性能が優れている。
【００４６】
熱が伝熱部材１１に伝わると、セラミックス基板５及び伝熱部材１１は温度が上昇して、熱膨張をする。一方、半導体素子からの発熱が停止すると、セラミックス基板５及び伝熱部材１１は温度が低下して、熱収縮する。
【００４７】
セラミックス基板５と伝熱部材１１のセラミックス基板５と接合された層１３との熱膨張係数の相違が小さいので、上述した熱膨張及び熱収縮の熱サイクルにおいて、これらの差に起因してセラミックス基板５と層１３との間に発生する熱応力は小さい。よって、これらの間の接合部にクラックなどが発生して破損することが防止される。
【００４８】
また、層１２と層１３との間に熱膨張係数の所定の相違があり、且つ層１２より層１３のほうが熱膨張係数が大きいので、伝熱部材１１に熱が伝わったとき、固定部材６側に、即ち下方に凸となる反り（以下、「下凸の反り」という）が発生する。そして、その反り量は、１００℃−２００ｍｍ当り３μｍ〜８μｍ、好ましくは３．５μｍ〜７．５μｍ、より好ましくは４μｍ〜７μｍとなる。
【００４９】
伝熱部材１１は、室温で下面１２ａが平らであり、且つ四隅がボルト７で固定部材６に固定されているので、下凸の反りにより、下面１２ａと固定部材６の密着は高く温度が高くなるにつれて強くなる。よって、伝熱部材１１と固定部材６とが確実に接触する。さらに、下面１２ａの表面粗さＲａが３μｍ以下であるので、反りによる伝熱部材１１と固定部材６の上面６ａとの密着がより良好となる。
【００５０】
なお、反り量が３μｍ未満では、伝熱部材１１と固定部材６との良好な密着が得られない。また、反り量が８μｍを超えると、伝熱部材１１とセラミックス基板５との接合部に影響を及ぼし、剥離が生じるおそれがある。
【００５１】
なお、以上、本発明の実施形態について図面を参照して説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、Ａｌ−ＳｉＣ複合体１及び伝熱部材１１は、熱膨張係数が異なる２層２，３、１２，１３からなる場合について説明したが、これに限定されない。例えば、これら２層２，３、１２，１３の間に、これらの中間値の熱膨張係数を有する１又は複数の層を備えていてもよい、また、この場合、熱膨張係数は、下面１２ａから上面１３ａに向って実質的に断続的に又は連続的に大きくなっていればよい。
【００５２】
〔実施例及び比較例〕
以下、実施例及び比較例を説明する。表１に実施例１−１０をまとめた。
【００５３】
【表１】
【００５４】
〔実施例１−１０〕
二粒度配合（粒度＃９０番／粒度＃８００番＝７／３（実施例１−４）、粒度＃１８０番／粒度＃１０００番＝７／３（実施例５−８）、粒度＃９０番／粒度＃５００番＝３／７（実施例９，１０））したＳｉＣ粉末（太平洋ランダム株式会社製又は信濃電気製錬株式会社製）からなる原料粉末にイオン交換水とシリカバインダー（日産化学工業株式会社製）を添加して混合したＳｉＣスラリーを型４に流し込み６０分浸透振動成形した。
【００５５】
その後、その上に、単粒（粒度＃２４０番（実施例１，５，９）、粒度＃３２０番（実施例２，６，１０）、粒度＃５００番（実施例３，４，７，８）のＳｉＣ粉末（信濃電気製錬株式会社製）に粒度＃５００番のアルミニウム粉末（ミナルコ株式会社製）（実施例１，２，４−７，９，１０）又は粒径２．５μｍのカーボン粉末（昭和電工株式会社製）（実施例３，８）を混合した原料粉末にイオン交換水とシリカバインダー（日産化学工業株式会社製）を添加したＳｉＣスラリーを型４に流し込み２０分浸透振動成形した。なお、アルミニウム粉末はＳｉＣ粉末に対して３重量％、カーボン粉末はＳｉＣ粉末に対して２重量％添加した。また、共に外割でシリカバインダーを１０重量％、イオン交換水を２５重量％添加してスラリー化した。
【００５６】
その後、水分を除去した後、２００℃で乾燥し、１１００℃で１６時間焼成した。これにより、２００ｍｍ×１００ｍｍ×１５ｍｍのＳｉＣ成形体を作製した。そして、各層の厚さがそれぞれ３．５ｍｍ、総厚さが７ｍｍになるように、ＳｉＣ成形体を生加工した。
【００５７】
その後、８０ＭＰａの浸透圧で８００℃の温度に溶解した純アルミニウム系合金（Ａ１０５０）をＳｉＣ成形体に含浸させて、Ａｌ−ＳｉＣ複合体１を作製した。
【００５８】
その後、Ａｌ−ＳｉＣ複合体１の上下面をそれぞれ１ｍｍずつ切削加工した。伝熱部材１１の下面１２ａは表面粗さＲａが３μｍ以下となるように粒度＃８００番以下の砥石で研磨加工した。そして、伝熱部材１１の四隅にボルト用として直径８ｍｍの貫通穴１１ａを切削加工により形成して、伝熱部材１１を作製した。なお、貫通穴１１ａは端面より１５ｍｍに位置に穴の中心が来るように加工した。
【００５９】
その後、伝熱部材１１の上面１３ａにニッケルの無電界メッキを施し、この上面１３ａと窒化アルミニウムからなるセラミックス基板５の下面５ａとの間に鉛と錫の重量比が３７：６３からなる共晶はんだを介在させて、接合した。その後、伝熱部材１１を厚さ７ｍｍのアルミニウム板からなる固定部材６に４本のボルト７で固定した。
【００６０】
そして、伝熱部材１１にヒーターを載置して上面１３ａを３００℃まで加熱させ、その際の下面１２ａの温度をサーモグラフィカメラで測定して、上下面の温度差を求めた。全実施例１−１０において、上下面の温度差は２１℃〜４６℃であり、伝熱部材１１の伝熱性能は良好であった。これから、伝熱部材１１は熱が伝わったとき、固定部材６に良好に密着していることが分かった。また、伝熱部材１１とセラミックス基板５との接合部にはクラックなどの不具合は生じなかった。
【００６１】
表２に比較例１−５をまとめた。
【００６２】
【表２】
【００６３】
〔比較例１〕
実施例１と同じ粒度配合で高充填率と低充填率のＳｉＣ成形体を別々に成形した。そして、これを積み重ねて実施例１と同じ条件でＡ１００５を含浸させた。Ａｌ−ＳｉＣ複合体のＳｉＣ充填率の異なる境界面に幅約１００μｍのアルミニウム層が形成されていた。上下面の温度差は６１℃であり、伝熱部材の伝熱性能が劣っていることが分かった。これは、伝熱部材の境界面に形成されたアルミニウム層によって熱伝導が阻害されたためであると考えられる。
【００６４】
〔比較例２〕
ＳｉＣ粉末の粒度配合を粒度＃１８０番／粒度＃１０００番の二粒度配合のみとし、各層のＳｉＣ充填率を同じとしたこと以外は、実施例１と同様の方法で伝熱部材を作製した。上下面の温度差は６９℃であり、伝熱部材の伝熱性能が劣っていることが分かった。これは、反りが発生せず、伝熱部材と固定部材との間に隙間が発生したためであると考えられる。
【００６５】
〔比較例３〕
実施例５と同じ粒度配合のＳｉＣ粉末であるが、低充填率側のＳｉＣ粉末に粒度＃２４０番のアルミニウム粉末を実施例１の１．３倍添加して、ＳｉＣ成形体の低充填率層のＳｉＣ充填率２５％とした。そして、これ以外は実施例１と同様の方法で伝熱部材を作製した。伝熱部材の上面を３００℃まで昇温させたところ、セラミックス基板と伝熱部材との接合部のはんだにクラックが生じた。これは、ＳｉＣ充填率の差に起因する層間の熱膨張係数の差によって、大きな反りが発生したためであると考えられる。
【００６６】
〔比較例４〕
高充填率側のＳｉＣ粉末の粒度配合を粒度＃９０番／粒度＃５００番（充填率６７％）に、低充填率側のＳｉＣ粉末の粒度配合を粒度＃９０番／粒度＃３２０番（充填率６３％）として、ＳｉＣ充填率の差を小さくした。これ以外は実施例１と同様の方法で伝熱部材を作製した。上下面の温度差は６８℃であり、伝熱部材の伝熱性能が劣っていることが分かった。これは、伝熱部材の層間での熱膨張係数の差が小さく、十分な量の反りが発生しなかったためであると考えられる。
【００６７】
〔比較例５〕
下面の表面粗さＲａを６．８９μｍとした以外は実施例１と同様の方法で伝熱部材を作製した。上下面の温度差は６４℃であり、伝熱部材の伝熱性能が劣っていることが分かった。これは、伝熱部材の固定部材への接触面である下面が粗かったので、伝熱部材と固定部材とが良好に密着しなかったためであると考えられる。
【符号の説明】
【００６８】
１…アルミニウム−炭化珪素質複合体（Ａｌ−ＳｉＣ複合体）、 ２…第１の層（ＳｉＣ低充填率層）、 ３…第２の層（ＳｉＣ高充填率層）、 ４…型、 ５…セラミックス基板、 ６…固定部材（放熱部材）、 ７…締結具（ボルト）、 １１…伝熱部材、 １２…第１の層（ＳｉＣ低充填率層）、 １２ａ…第２の主面（下面）、 １３…第２の層（ＳｉＣ高充填率層）、 １３ａ…第１の主面（上面）。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化珪素多孔体にアルミニウムを主成分とする金属を含浸したアルミニウム−炭化珪素質複合体であって、
５０℃〜１５０℃における熱膨張係数が６ｐｐｍ／Ｋ〜９ｐｐｍ／Ｋである第１の層と、５０℃〜１５０℃における熱膨張係数が前記第１の層よりも４ｐｐｍ／Ｋ〜８．５ｐｐｍ／Ｋだけ大きい第２の層とを備える多層構造であることを特徴とするアルミニウム−炭化珪素質複合体。
【請求項２】
前記第１の層の炭化珪素充填率が６５％〜８５％であり、前記第２の層の炭化珪素充填率が前記第１の層よりも１０％〜５０％だけ小さいことを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム−炭化珪素質複合体。
【請求項３】
前記第１の層は多粒度配合の炭化珪素粉末を原料粉末とする型成形体を焼成した焼結体からなり、前記第２の層は一粒度配合の炭化珪素粉末及び金属粉末又はカーボン粉末を原料粉末とする型成形体を焼成した焼結体からなることを特徴とする請求項１又は２に記載のアルミニウム−炭化珪素質複合体。
【請求項４】
前記第１の層と前記第２の層との間に、８０重量％を超える金属を含む金属層が介在しないことを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載のアルミニウム−炭化珪素質複合体。
【請求項５】
第１の主面がセラミックス基板と接合され、前記第１の主面と反対側に位置する第２の主面が当該伝熱部材に複数の固定部位で固定される固定部材と接触し、請求項１から４の何れか１項に記載のアルミニウム−炭化珪素質複合体からなる伝熱部材であって、
前記第１の層の表面に機械加工を施して前記第１の主面とする共に、前記第２の層の表面を表面粗さＲａが３μｍ以下になるように機械加工を施して前記第２の主面とすることを特徴とする伝熱部材。
【請求項６】
前記第１の主面を加熱したとき、前記第２の主面に１００℃−２００ｍｍ当り３μｍ〜８μｍの反りが発生することを特徴とする請求項５に記載の伝熱部材。
【請求項７】
前記第１の主面を３００℃に加熱したとき、前記第２の主面の温度が２５０℃以上であることを特徴とする請求項５又は６に記載の伝熱部材。
【請求項１】
炭化珪素多孔体にアルミニウムを主成分とする金属を含浸したアルミニウム−炭化珪素質複合体であって、
５０℃〜１５０℃における熱膨張係数が６ｐｐｍ／Ｋ〜９ｐｐｍ／Ｋである第１の層と、５０℃〜１５０℃における熱膨張係数が前記第１の層よりも４ｐｐｍ／Ｋ〜８．５ｐｐｍ／Ｋだけ大きい第２の層とを備える多層構造であることを特徴とするアルミニウム−炭化珪素質複合体。
【請求項２】
前記第１の層の炭化珪素充填率が６５％〜８５％であり、前記第２の層の炭化珪素充填率が前記第１の層よりも１０％〜５０％だけ小さいことを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム−炭化珪素質複合体。
【請求項３】
前記第１の層は多粒度配合の炭化珪素粉末を原料粉末とする型成形体を焼成した焼結体からなり、前記第２の層は一粒度配合の炭化珪素粉末及び金属粉末又はカーボン粉末を原料粉末とする型成形体を焼成した焼結体からなることを特徴とする請求項１又は２に記載のアルミニウム−炭化珪素質複合体。
【請求項４】
前記第１の層と前記第２の層との間に、８０重量％を超える金属を含む金属層が介在しないことを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載のアルミニウム−炭化珪素質複合体。
【請求項５】
第１の主面がセラミックス基板と接合され、前記第１の主面と反対側に位置する第２の主面が当該伝熱部材に複数の固定部位で固定される固定部材と接触し、請求項１から４の何れか１項に記載のアルミニウム−炭化珪素質複合体からなる伝熱部材であって、
前記第１の層の表面に機械加工を施して前記第１の主面とする共に、前記第２の層の表面を表面粗さＲａが３μｍ以下になるように機械加工を施して前記第２の主面とすることを特徴とする伝熱部材。
【請求項６】
前記第１の主面を加熱したとき、前記第２の主面に１００℃−２００ｍｍ当り３μｍ〜８μｍの反りが発生することを特徴とする請求項５に記載の伝熱部材。
【請求項７】
前記第１の主面を３００℃に加熱したとき、前記第２の主面の温度が２５０℃以上であることを特徴とする請求項５又は６に記載の伝熱部材。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−７７３２３（Ｐ２０１２−７７３２３Ａ）
【公開日】平成２４年４月１９日（２０１２．４．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２２１４３５（Ｐ２０１０−２２１４３５）
【出願日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【出願人】（００００００２４０）太平洋セメント株式会社 (1,449)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月１９日（２０１２．４．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【出願人】（００００００２４０）太平洋セメント株式会社 (1,449)
【Ｆターム（参考）】
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