複合材料及びその製造方法並びに放熱板

【課題】製造が容易でしかも加工性が良好な複合材料を提供する。
【解決手段】複合材料１はマトリックス相２が金属で構成され、分散相３が高硬度微粒子３ａの周囲にカーボン微粒子３ｂが凝集したもので構成されている。マトリックス相２の金属にはアルミニウム合金が使用され、高硬度微粒子３ａとしてＳｉＣの微粒子が使用されている。高硬度微粒子３ａの粒子径は１０μｍ〜１００μｍ程度で、カーボン微粒子３ｂの粒子径は数十ｎｍのものが使用されている。高硬度微粒子３ａ及びカーボン微粒子３ｂの合計充填率は体積％で５０〜７０％で、そのうちカーボン微粒子３ｂの高硬度微粒子３ａに対する割合が数％以上となっている。

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は金属をマトリックス相とし、高硬度の材質製の微粒子を分散相とした複合材料及びその製造方法並びに放熱板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】半導体装置の放熱板（ヒートシンク）を金属製とした場合は、金属と半導体装置の熱膨張率の差が大きく、半導体装置が破損する虞があるため、従来、放熱板として金属マトリックス相にセラミックスを分散させたもの、例えばＳｉＣ粒子をアルミニウム基材に分散させた複合材料が知られている。前記複合材料を放熱板に使用する場合は、電子部品を搭載する側の面を所定の粗さに加工したり、穴開け加工を行う必要がある。ところが前記複合材料は非常に高硬度の材料であるため、前記加工が困難で加工コストも高くなる。
【０００３】この問題を解消するものとして特開平１１−８７５８１号公報には、図３に示すように、金属マトリックス４２ａ中に分散粒子４２ｂを含有する金属基複合材料４２と、その表面に固着して配設された加工用部材（加工容易材）４３とよりなる複合材料４１が提案されている。加工用部材４３は熱膨張率が金属基複合材料４２の熱膨張率の±６０％以内であるとともに、ビッカース硬さＨｖが１５０以下となっている。この複合材料４１は加工用部材４３と分散粒子４２ｂとをマトリックス用の溶融金属によって高圧条件下で鋳込むことにより製造される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところが、特開平１１−８７５８１号公報に開示された複合材料４１のように加工用部材（加工容易材）４３を金属基複合材料４２の片側に配設した場合は、加工用部材４３と金属基複合材料４２との熱膨張係数の差により、鋳造後に複合材料４１に変形（反り）が発生するという問題がある。
【０００５】本発明は前記従来の問題点に鑑みてなされたものであって、その第１の目的は製造が容易でしかも加工性が良好な複合材料を提供することにあり、第２の目的はその複合材料の製造方法を提供することにある。また、第３の目的は前記複合材料を使用した放熱板を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】前記第１の目的を達成するため請求項１に記載の発明では、金属をマトリックス相とし、高硬度の材質製の微粒子の周囲にカーボン微粒子を凝集させたものを分散相とした。なお、高硬度の材質とは炭化珪素（ＳｉＣ）程度の硬度を有する材質を意味する。
【０００７】従って、この発明の複合材料では高硬度の材質製の微粒子の一部が高硬度微粒子より硬度の低いカーボン微粒子と置換された状態となるため、複合材料の熱伝導率、熱膨張係数及び強度を維持したまま加工性が向上する。また、高硬度微粒子の周囲にカーボン微粒子が凝集した状態のため、凝集し易いカーボン微粒子を使用しても、複合材料全体に高硬度微粒子とカーボン微粒子とが均一化された状態で分散され、複合材料の物性が安定する。
【０００８】請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の発明において、前記金属は高熱伝導率を有する。高熱伝導率とはアルミニウムの熱伝導率と同程度以上の熱伝導率であることを意味する。従って、この発明では、複合材料の熱伝導率が高くなって放熱性が向上する。
【０００９】第２の目的を達成するため請求項３に記載の発明では、高硬度の材質製の微粒子とカーボン微粒子とを混合して、周囲にカーボン微粒子を凝集させた高硬度微粒子を成形型内に充填した後、マトリックス相となる金属を溶融したものを加圧状態で鋳込むようにした。
【００１０】この発明の製造方法では、高硬度微粒子とカーボン微粒子とが予め混合されて、高硬度微粒子の周囲にカーボン微粒子が凝集された状態の混合物（混合粉体）が形成される。そして、その混合物が成形型内に充填されるため、単純に双方の微粒子を成形型内に入れて混合した場合と異なり、高硬度微粒子とカーボン微粒子とが成形型内に均一化された状態で分散される。その状態で、マトリックス相となる溶融金属が加圧状態で成形型内に注入されるため、複合材料は金属マトリックス相に高硬度微粒子とカーボン微粒子とが成形型内に均一化された状態で分散された構造となる。
【００１１】第３の目的を達成するため請求項４に記載の発明の放熱板は、請求項１又は請求項２に記載の複合材料を使用した。従って、この発明では、放熱板の電子部品を搭載する側の面を所定の粗さに加工したり、穴開け加工を行う場合に、高硬度微粒子だけが分散相を構成している複合材料に比較して加工が容易となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下、本発明を具体化した一実施の形態を図１及び図２に従って説明する。図１（ａ）は複合材料の模式断面図である。複合材料１はマトリックス相２が金属で構成されている。分散相３は図１（ｂ）に示すように、高硬度の材質製の微粒子（以下、高硬度微粒子という）３ａの周囲にカーボン微粒子３ｂが凝集したもので構成されている。
【００１３】マトリックス相２の金属には高熱伝導率を有するもの、即ちアルミニウムの熱伝導率と同程度以上の熱伝導率を有する金属が使用されている。この実施の形態ではでマトリックス相２の金属にアルミニウム又はアルミニウム合金（以下、単にアルミニウム合金と言う）が使用されている。
【００１４】高硬度の材質としては炭化珪素（ＳｉＣ）と同程度の熱伝導率及び熱膨張率を有するセラミックスが使用されている。この実施の形態では高硬度微粒子３ａとしてＳｉＣの微粒子が使用されている。高硬度微粒子３ａ及びカーボン微粒子３ｂの粒度や充填量は、複合材料１に要求される特性（物性）に応じて設定されるが、高硬度微粒子３ａの粒子径は例えば数μｍ〜１００μｍ程度で、カーボン微粒子３ｂの粒子径は例えば数ｎｍ〜１００ｎｍ程度である。この実施の形態では高硬度微粒子３ａとして粒子径が１０μｍのものと１００μｍのものとの混合物が使用され、カーボン微粒子３ｂとしては粒子径が０．０３５μｍ即ち、３５ｎｍのものが使用されている。高硬度微粒子３ａ及びカーボン微粒子３ｂの充填率は体積％で５０〜７０％で、そのうちカーボン微粒子３ｂの高硬度微粒子３ａに対する割合が数％以上となっている。
【００１５】次に前記のように構成された複合材料１の製造方法を図２に基づいて説明する。複合材料１は、２段階に分けて製造される。第１段階では分散相を構成する高硬度微粒子３ａ及びカーボン微粒子３ｂの混合物（混合粉体）が調整される。混合物はＳｉＣ粉末（微粒子）とカーボン粉末（微粒子）とをボールミルにて混合することにより調整される。カーボン微粒子３ｂは粒子径が小さい（０．０３５μｍ）ため凝集し易いが、ボールミルで混合することにより、高硬度微粒子３ａ（ＳｉＣ微粒子）の周囲にカーボン微粒子３ｂが凝集したものが比較的容易に得られる。
【００１６】次にこの混合物を図２（ａ）に示すように、成形型４内に充填する。この実施の形態では成形型４に金型が使用されている。高硬度微粒子３ａとカーボン微粒子３ｂとを成形型４内に入れて混合した場合は、高硬度微粒子３ａとカーボン微粒子３ｂとが偏った状態で充填され易い。しかし、高硬度微粒子３ａ（ＳｉＣ粒子）の周囲にカーボン微粒子３ｂが凝集したものが予め調整されて、それが成形型内に充填されるため、高硬度微粒子３ａとカーボン微粒子３ｂとが成形型４内に均一化された状態で分散される。
【００１７】その状態で溶融状態のアルミニウム合金５が成形型４内に加圧状態で注入されて、図２（ｂ）の状態となる。そして、所定時間経過後、成形型４が冷却されてアルミニウム合金が凝固、冷却される。そして、製品としての複合材料１が成形型４から取り出される。
【００１８】前記のようにして製造された複合材料１は、例えば半導体装置用の放熱部材として使用される。その場合、複合材料１は、電子部品を搭載する側の面が所定の粗さに加工されたり、必要に応じて穴開け加工が行われる。このとき、従来の複合材料と異なり、分散相３の一部が高硬度微粒子３ａに代えてカーボン微粒子３ｂで構成されているため、加工が容易になる。
【００１９】この実施の形態では以下の効果を有する。
（１）複合材料１が、金属をマトリックス相２とし、高硬度微粒子３ａの周囲にカーボン微粒子３ｂを凝集させたものを分散相３としている。従って、分散相３全体を高硬度微粒子３ａで構成したものに比較して、表面の切削（研削）加工や穴開け加工等が容易となる。
【００２０】（２）高硬度微粒子３ａの周囲にカーボン微粒子３ｂを凝集させたものを分散相３としているため、マトリックス相２に高硬度微粒子３ａ及びカーボン微粒子３ｂを均一化した状態で分散させ易くなり、反り等の熱変形が防止される。
【００２１】（３）マトリックス相２としてアルミニウムの熱伝導率と同程度以上の熱伝導率を有する金属が使用されている。従って、半導体装置等の電子部品の放熱材として使用するのに好適となる。
【００２２】（４）マトリックス相２がアルミニウム又はアルミニウム合金であるため、軽量で必要な熱伝導性を確保できる。
（５）熱伝導率が高いＳｉＣが高硬度微粒子３ａとして使用され、熱伝導率の高いカーボン微粒子３ｂが分散相３に使用されている。従って、分散相３の充填率を高めて複合材料１の熱膨張率を半導体装置の熱膨張率に近づけた場合でも複合材料１の熱伝導率を高くでき、放熱材として使用したときの放熱効率が向上する。
【００２３】（６）高硬度微粒子３ａは粒子径が数μｍ〜１００μｍ程度で、カーボン微粒子３ｂは粒子径が数ｎｍ〜百ｎｍ程度である。従って、高硬度微粒子３ａの周囲にカーボン微粒子３ｂが適度に凝集した状態に調整し易い。
【００２４】（７）高硬度微粒子３ａとカーボン微粒子３ｂとがボールミルで混合される。従って、高硬度微粒子３ａの周囲にカーボン微粒子３ｂが適度に凝集した状態の混合物を調整し易い。
【００２５】実施の形態は前記に限定されるものではなく、例えば次のように構成してもよい。
○ マトリックス相２の金属はケイ素を含むアルミニウムと同程度以上の熱伝導率を有するものであればよく、アルミニウム合金に限らず他の金属例えば銅を使用してもよい。この場合、熱伝導率がアルミニウム合金より高いため、複合材料１を放熱材として使用する際に放熱効率が向上する。
【００２６】○ 分散相３を構成する高硬度微粒子３ａは炭化ケイ素の微粒子に限らず、炭化ケイ素と同程度以上の熱伝導率及び熱膨張率を有する他の材質でもよい。
○ 複合材料１の使用方法としては、半導体装置の放熱部材や電子部品搭載基材に限らない。放熱部材以外の用途に使用する場合は、高硬度微粒子３ａとして熱伝導率を考慮せずに硬度が大きな他の材質、例えば、窒化ホウ素（ＢＮ）、炭化チタン、炭化タングステン等を使用してもよい。
【００２７】前記実施の形態から把握される請求項記載以外の発明（技術思想）について、以下に記載する。
（１）請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記高硬度の材質は炭化珪素と同程度以上の熱伝導率及び熱膨張率を有するセラミックスである。
【００２８】（２）請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記金属はアルミニウム又はアルミニウム合金である。
（３）請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記高硬度の微粒子は粒子径が数μｍ〜１００μｍ程度で、前記カーボン微粒子は粒子径が数ｎｍ〜百ｎｍ程度である。
【００２９】（４）請求項３に記載の発明において、前記高硬度の微粒子とカーボン微粒子とはボールミルで混合される。
【００３０】
【発明の効果】以上詳述したように請求項１及び請求項２に記載の発明によれば、製造が容易でしかも加工性が良好となる。また、請求項３に記載の発明によれば、前記複合材料を生産性良く簡単に製造することができる。また、請求項４に記載の発明によれば、製造が容易でしかも加工性が良好な放熱板が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は一実施の形態の複合材料の模式断面図、（ｂ）は微粒子の状態を示す模式拡大断面図。
【図２】製造工程を示す模式断面図。
【図３】従来技術の複合材料の模式断面図。
【符号の説明】
１…複合材料、２…マトリックス相、３…分散相、３ａ…高硬度微粒子、３ｂ…カーボン微粒子、４…成形型。

【特許請求の範囲】
【請求項１】金属をマトリックス相とし、高硬度の材質製の微粒子の周囲にカーボン微粒子を凝集させたものを分散相とした複合材料。
【請求項２】前記金属は高熱伝導率を有する請求項１に記載の複合材料の製造方法。
【請求項３】高硬度の材質製の微粒子とカーボン微粒子とを混合して、周囲にカーボン微粒子を凝集させた高硬度微粒子を成形型内に充填した後、マトリックス相となる金属を溶融したものを加圧状態で鋳込む複合材料の製造方法。
【請求項４】請求項１又は請求項２に記載の複合材料を使用した放熱板。

【図１】