JP3351778B2 - 炭素基金属複合材料板状成形体および製造方法 - Google Patents
炭素基金属複合材料板状成形体および製造方法Info
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- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、炭素基金属複合材
料板状成形体およびその製造方法に関するものであり、
詳しくは、炭素成形体とアルミニウムまたは銅との複合
材料からなる高熱伝導率、低熱膨張率および低弾性率の
電子機器用基板及びその製造方法に関するものである。
料板状成形体およびその製造方法に関するものであり、
詳しくは、炭素成形体とアルミニウムまたは銅との複合
材料からなる高熱伝導率、低熱膨張率および低弾性率の
電子機器用基板及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】電子装置の高機能化、大容量化に伴い熱
の発生が増加しており、熱除去に有効な高熱伝導率で熱
膨張率の小さい材料が要求されている。半導体素子、抵
抗体、トランス、コンデンサーまたは配線からなる電子
回路から発生する熱の大部分は、回路基板または回路基
板の支持体でもあるベース基板から冷却装置に伝えられ
最終的に大気または冷却液体に放熱される。熱を大量に
発生する電子回路においては、ベース基板材料に通常熱
伝導の良いアルミニウム、銅またはそれらの合金が使用
されている。
の発生が増加しており、熱除去に有効な高熱伝導率で熱
膨張率の小さい材料が要求されている。半導体素子、抵
抗体、トランス、コンデンサーまたは配線からなる電子
回路から発生する熱の大部分は、回路基板または回路基
板の支持体でもあるベース基板から冷却装置に伝えられ
最終的に大気または冷却液体に放熱される。熱を大量に
発生する電子回路においては、ベース基板材料に通常熱
伝導の良いアルミニウム、銅またはそれらの合金が使用
されている。
【０００３】また、近年、炭素繊維またはセラミックス
と金属を複合して、熱膨張率を小さく調整した伝熱材料
が提案されている（例えば、特開平１１−９７５９３号
公報参照。）。
と金属を複合して、熱膨張率を小さく調整した伝熱材料
が提案されている（例えば、特開平１１−９７５９３号
公報参照。）。
【０００４】しかしながら、ベース基板材料に使用され
ているアルミニウム、銅またはそれらの合金は、性質上
熱伝導性は良いが熱膨張率も大きい。一方、ベース基板
上に積層されるシリコン半導体素子またはセラミックス
からなる電子回路は熱膨張率が小さく、従って、両者の
熱膨張差からそりまたは剥がれ等が生じる問題点があ
る。
ているアルミニウム、銅またはそれらの合金は、性質上
熱伝導性は良いが熱膨張率も大きい。一方、ベース基板
上に積層されるシリコン半導体素子またはセラミックス
からなる電子回路は熱膨張率が小さく、従って、両者の
熱膨張差からそりまたは剥がれ等が生じる問題点があ
る。
【０００５】前記問題点を解決する材料として、熱膨張
率の小さなセラミックスである炭化珪素、アルミナ、窒
化珪素または窒化アルミニウムとアルミニウム、銅金属
の複合材料からなる基板が考案されているが、この複合
材料基板は、セラミックスを含むため加工が難しいとい
う難点がある。
率の小さなセラミックスである炭化珪素、アルミナ、窒
化珪素または窒化アルミニウムとアルミニウム、銅金属
の複合材料からなる基板が考案されているが、この複合
材料基板は、セラミックスを含むため加工が難しいとい
う難点がある。
【０００６】また、前記問題点を解決する材料として、
熱膨張率の小さな金属であるタングステン、モリブデン
と銅からなる複合材料基板が考案されているが、この複
合材料基板には、重量が大きいことと加工が難しいとい
う問題点がある。更に、シリコンとアルミニウム合金に
よる基板も提案されているが未だ実用化はされていない
など、従来、提案されてきた材料は熱伝導率と熱膨張率
の両者を充足しても加工性が良い製品は実現されていな
かった。また、従来のいずれの材料も弾性率が高いため
熱膨張率の異なる材料を接合する場合、接合面に大きな
熱応力がかかり、結果としてはがれを生ずる欠点があっ
た。
熱膨張率の小さな金属であるタングステン、モリブデン
と銅からなる複合材料基板が考案されているが、この複
合材料基板には、重量が大きいことと加工が難しいとい
う問題点がある。更に、シリコンとアルミニウム合金に
よる基板も提案されているが未だ実用化はされていない
など、従来、提案されてきた材料は熱伝導率と熱膨張率
の両者を充足しても加工性が良い製品は実現されていな
かった。また、従来のいずれの材料も弾性率が高いため
熱膨張率の異なる材料を接合する場合、接合面に大きな
熱応力がかかり、結果としてはがれを生ずる欠点があっ
た。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の課題
は、前記の如き電子機器用基板の開発状況に鑑み、軽量
で熱伝導率が高く、シリコン素子またはセラミックスか
らなる電子回路の熱膨張率に合致し、かつ面方向の弾性
率が小さい機械加工性の良い電子機器用基板を提供する
ことにある。
は、前記の如き電子機器用基板の開発状況に鑑み、軽量
で熱伝導率が高く、シリコン素子またはセラミックスか
らなる電子回路の熱膨張率に合致し、かつ面方向の弾性
率が小さい機械加工性の良い電子機器用基板を提供する
ことにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】そこで、本発明者らは、
前記目的を達成するために、鋭意検討を重ねたところ、
石油コークス、天然黒鉛またはピッチ系炭素繊維などの
熱伝導率の高いフィラーとコールタールピッチなどのバ
インダーの混合物を、成形、焼成し黒鉛化した炭素成形
体の空孔に溶融したアルミニウム、銅またはそれら金属
の溶融合金を熔湯鍛造により高圧で含浸することにより
得られた炭素基金属複合材料からなる板状成形体が前記
課題により解決できることを見い出し、これらの知見に
基づいて本発明の完成に到達した。
前記目的を達成するために、鋭意検討を重ねたところ、
石油コークス、天然黒鉛またはピッチ系炭素繊維などの
熱伝導率の高いフィラーとコールタールピッチなどのバ
インダーの混合物を、成形、焼成し黒鉛化した炭素成形
体の空孔に溶融したアルミニウム、銅またはそれら金属
の溶融合金を熔湯鍛造により高圧で含浸することにより
得られた炭素基金属複合材料からなる板状成形体が前記
課題により解決できることを見い出し、これらの知見に
基づいて本発明の完成に到達した。
【０００９】すなわち、本発明の第一は、黒鉛化した炭
素粒子または炭素繊維を含む炭素成形体にアルミニウ
ム、銅、銀または該金属の合金を熔湯鍛造により加圧含
浸させることより得られた炭素基金属複合材料からなる
ことを特徴とする炭素基金属複合材料板状成形体に関す
るものである。
素粒子または炭素繊維を含む炭素成形体にアルミニウ
ム、銅、銀または該金属の合金を熔湯鍛造により加圧含
浸させることより得られた炭素基金属複合材料からなる
ことを特徴とする炭素基金属複合材料板状成形体に関す
るものである。
【００１０】また、本発明の第二は、炭素成形体を、溶
融アルミニウム、溶融銅、溶融銀またはこれらの溶融金
属の合金と加圧下において接触させることにより、炭素
成形体に溶融金属を含浸させることからなる炭素質金属
複合材料板状成形体の製造方法であって、（１）前記炭
素成形体を不活性雰囲気下において前記溶融金属の融点
以上の温度に加熱する工程、（２）加熱された前記炭素
成形体に熔湯鍛造により前記溶融金属をプレス装置を用
いて押し子単位面積当たり２００ｋｇ／ｃｍ2 以上の圧
力で加圧含浸させる工程、（３）工程（２）の加圧含浸
の終了後、前記溶融金属を冷却し凝固させる工程（４）
工程（３）にて得られた凝固体から前記炭素成形体を取
り出す工程および（５）工程（４）にて得られた金属含
浸炭素成形体を板状に成形する工程を含むことを特徴と
する炭素質金属複合材料板状成形体の製造方法に関する
ものである。
融アルミニウム、溶融銅、溶融銀またはこれらの溶融金
属の合金と加圧下において接触させることにより、炭素
成形体に溶融金属を含浸させることからなる炭素質金属
複合材料板状成形体の製造方法であって、（１）前記炭
素成形体を不活性雰囲気下において前記溶融金属の融点
以上の温度に加熱する工程、（２）加熱された前記炭素
成形体に熔湯鍛造により前記溶融金属をプレス装置を用
いて押し子単位面積当たり２００ｋｇ／ｃｍ2 以上の圧
力で加圧含浸させる工程、（３）工程（２）の加圧含浸
の終了後、前記溶融金属を冷却し凝固させる工程（４）
工程（３）にて得られた凝固体から前記炭素成形体を取
り出す工程および（５）工程（４）にて得られた金属含
浸炭素成形体を板状に成形する工程を含むことを特徴と
する炭素質金属複合材料板状成形体の製造方法に関する
ものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下、本発明についてさらに具体
的に説明する。本発明の炭素基金属複合材料板状成形体
は、炭素質マトリックスおよび炭素質マトリックス中に
分散された金属成分とからなる炭素基金属複合材料を板
状に成形してなるものである。炭素質金属複合材料の板
状への成形方法は、特に限定されるものではなく、加圧
成形法またはドクターブレード法等を採用することがで
きるが炭素基金属複合材料から切り出す方法が好まし
い。成形の際には、所望の用途に適合するように成形体
の厚さを任意に決定すればよいが、電子機器用基板とし
ては０．１ｍｍ〜５０ｍｍ、特に、０．３ｍｍ〜３ｍｍ
が好ましい。
的に説明する。本発明の炭素基金属複合材料板状成形体
は、炭素質マトリックスおよび炭素質マトリックス中に
分散された金属成分とからなる炭素基金属複合材料を板
状に成形してなるものである。炭素質金属複合材料の板
状への成形方法は、特に限定されるものではなく、加圧
成形法またはドクターブレード法等を採用することがで
きるが炭素基金属複合材料から切り出す方法が好まし
い。成形の際には、所望の用途に適合するように成形体
の厚さを任意に決定すればよいが、電子機器用基板とし
ては０．１ｍｍ〜５０ｍｍ、特に、０．３ｍｍ〜３ｍｍ
が好ましい。
【００１２】本発明の炭素基金属複合材料板状成形体の
常温での密度はアルミニウムまたはアルミニウム合金を
含浸させた場合、２．０ｇ／ｍｌ〜２．５ｇ／ｍｌであ
り、また、銅、銀、銅合金または銀合金を含浸させた場
合の常温での密度が２．３ｇ／ｍｌ〜５．０ｇ／ｍｌで
ある。前記炭素基金属複合材料板状成形体の熱伝導率
は、室温における厚さ方向で１５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上
であり、好ましくは２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である。
また、熱膨張率は、４×１０-6／℃〜１２×１０ -6／
℃、好ましくは、５×１０-6〜８×１０-6に制御された
ものである。
常温での密度はアルミニウムまたはアルミニウム合金を
含浸させた場合、２．０ｇ／ｍｌ〜２．５ｇ／ｍｌであ
り、また、銅、銀、銅合金または銀合金を含浸させた場
合の常温での密度が２．３ｇ／ｍｌ〜５．０ｇ／ｍｌで
ある。前記炭素基金属複合材料板状成形体の熱伝導率
は、室温における厚さ方向で１５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上
であり、好ましくは２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である。
また、熱膨張率は、４×１０-6／℃〜１２×１０ -6／
℃、好ましくは、５×１０-6〜８×１０-6に制御された
ものである。
【００１３】また、本発明の炭素基金属複合材料板状成
形体としては、前記の熱伝導率と熱膨張率と共に特定の
弾性率を具有するものであり、面方向の弾性率が５０Ｇ
Ｐａ以下の範囲にあり、好ましくは３ＧＰａ〜１５ＧＰ
ａに制御されたものである。このような制御された性状
を具備させたことによりシリコン素子またはセラミック
スからなる電子回路とベース基板の接合をはがれのな
い、しかも熱サイクル試験に強いものにすることが可能
である。
形体としては、前記の熱伝導率と熱膨張率と共に特定の
弾性率を具有するものであり、面方向の弾性率が５０Ｇ
Ｐａ以下の範囲にあり、好ましくは３ＧＰａ〜１５ＧＰ
ａに制御されたものである。このような制御された性状
を具備させたことによりシリコン素子またはセラミック
スからなる電子回路とベース基板の接合をはがれのな
い、しかも熱サイクル試験に強いものにすることが可能
である。
【００１４】前記の特性を有する炭素基金属複合材料の
板状成形体を構成する炭素質マトリックスとして用いる
炭素成形体は、非晶質炭素、黒鉛系炭素またはこれらの
混合物であり、特に、黒鉛系結晶を含むものが好まし
い。黒鉛系結晶はＸ線回折により測定され、平均面間隔
ｄが０．３４０ｎｍ以下、特に０．３３８ｎｍ以下のも
のが好ましい。炭素材料としては、（ａ）一般炭素材
料、（ｂ）炭素粉、天然・人造黒鉛および炭素繊維の少
なくとも一種の炭素材料を含む加圧成形体等を挙げるこ
とができる。炭素成形体としては、熱処理され黒鉛化し
た炭素粒子を含有するものが好ましく、特に、最大粒子
径が長軸で０．１ｍｍ〜３ｍｍの石油コークス、天然黒
鉛をフィラーとするものが好適である。最大粒子径が
０．１ｍｍに満たないと成形体の熱伝導率が十分高くな
らず、一方、最大粒子系３ｍｍを超えると基板面の面粗
度が急激に悪化し、基板としての使用が困難となるおそ
れが生ずる。また、炭素成形体中のフィラーとしての黒
鉛粒子は、体積基準で１０％以上であり、ピッチ系炭素
繊維は体積基準で１０％以上であるものが好ましい。
板状成形体を構成する炭素質マトリックスとして用いる
炭素成形体は、非晶質炭素、黒鉛系炭素またはこれらの
混合物であり、特に、黒鉛系結晶を含むものが好まし
い。黒鉛系結晶はＸ線回折により測定され、平均面間隔
ｄが０．３４０ｎｍ以下、特に０．３３８ｎｍ以下のも
のが好ましい。炭素材料としては、（ａ）一般炭素材
料、（ｂ）炭素粉、天然・人造黒鉛および炭素繊維の少
なくとも一種の炭素材料を含む加圧成形体等を挙げるこ
とができる。炭素成形体としては、熱処理され黒鉛化し
た炭素粒子を含有するものが好ましく、特に、最大粒子
径が長軸で０．１ｍｍ〜３ｍｍの石油コークス、天然黒
鉛をフィラーとするものが好適である。最大粒子径が
０．１ｍｍに満たないと成形体の熱伝導率が十分高くな
らず、一方、最大粒子系３ｍｍを超えると基板面の面粗
度が急激に悪化し、基板としての使用が困難となるおそ
れが生ずる。また、炭素成形体中のフィラーとしての黒
鉛粒子は、体積基準で１０％以上であり、ピッチ系炭素
繊維は体積基準で１０％以上であるものが好ましい。
【００１５】次に、本発明の炭素基金属複合材料板状成
形体の製造方法について説明する。本発明の炭素基金属
複合材料板状成形体の製造方法に用いられる炭素成形体
は前記炭素材料を２８００℃以上、特に３０００℃以上
の温度で熱処理したものであり、黒鉛結晶が含有される
ように処理したものが好ましい。
形体の製造方法について説明する。本発明の炭素基金属
複合材料板状成形体の製造方法に用いられる炭素成形体
は前記炭素材料を２８００℃以上、特に３０００℃以上
の温度で熱処理したものであり、黒鉛結晶が含有される
ように処理したものが好ましい。
【００１６】また、炭素成形体として、石油コークス、
ピッチ系の炭素繊維をフィラーとする炭素繊維・炭素複
合材料を２８００℃以上、特に、３０００℃以上で数時
間以上熱処理した成形体を使うことが効果的である。
ピッチ系の炭素繊維をフィラーとする炭素繊維・炭素複
合材料を２８００℃以上、特に、３０００℃以上で数時
間以上熱処理した成形体を使うことが効果的である。
【００１７】本発明によれば、２８００℃以上の温度で
熱処理され、黒鉛化した炭素粒子を含む炭素成形体を溶
融金属と加圧下において接触させることにより、該炭素
成形体に熔湯鍛造により該溶融金属を加圧含浸させ、得
られた複合材料を板状に成形することからなる炭素基金
属複合材料板状成形体の製造方法であって、少なくとも
次の工程（１）、（２）、（３）、（４）および（５）
を含む炭素基金属複合材料板状成形体の製造方法が提供
される。すなわち、（１）前記炭素成形体を不活性雰囲
気下において前記溶融金属の融点以上の温度に加熱する
工程、（２）前記溶融金属を供給し加熱された前記炭素
成形体に熔湯鍛造により該溶融金属をプレス装置を用い
て押し子単位面積当たり２００ｋｇ／ｃｍ2 以上の圧力
で加圧含浸させる工程、（３）工程（２）の加圧含浸の
終了後、前記溶融金属を冷却し凝固させる工程（４）工
程（３）にて得られた凝固体から前記炭素成形体を取り
出す工程および（５）工程（４）にて得られた金属含浸
炭素成形体を板状に成形する工程を挙げることができ
る。
熱処理され、黒鉛化した炭素粒子を含む炭素成形体を溶
融金属と加圧下において接触させることにより、該炭素
成形体に熔湯鍛造により該溶融金属を加圧含浸させ、得
られた複合材料を板状に成形することからなる炭素基金
属複合材料板状成形体の製造方法であって、少なくとも
次の工程（１）、（２）、（３）、（４）および（５）
を含む炭素基金属複合材料板状成形体の製造方法が提供
される。すなわち、（１）前記炭素成形体を不活性雰囲
気下において前記溶融金属の融点以上の温度に加熱する
工程、（２）前記溶融金属を供給し加熱された前記炭素
成形体に熔湯鍛造により該溶融金属をプレス装置を用い
て押し子単位面積当たり２００ｋｇ／ｃｍ2 以上の圧力
で加圧含浸させる工程、（３）工程（２）の加圧含浸の
終了後、前記溶融金属を冷却し凝固させる工程（４）工
程（３）にて得られた凝固体から前記炭素成形体を取り
出す工程および（５）工程（４）にて得られた金属含浸
炭素成形体を板状に成形する工程を挙げることができ
る。
【００１８】炭素成形体としては、前記の炭素質マトリ
ックスとして適する炭素材料のいずれのものも用いるこ
とができる。具体的には好ましい炭素成形体として密度
が１．４ｇ／ｃｍ3 〜２ｇ／ｃｍ3 であり、気孔率が５
０％以下、好ましくは３５％以下、さらに好ましくは５
％〜２５％のものを使用することができる。
ックスとして適する炭素材料のいずれのものも用いるこ
とができる。具体的には好ましい炭素成形体として密度
が１．４ｇ／ｃｍ3 〜２ｇ／ｃｍ3 であり、気孔率が５
０％以下、好ましくは３５％以下、さらに好ましくは５
％〜２５％のものを使用することができる。
【００１９】次に各工程について具体的に説明する。前
記工程（１）において、炭素成形体は金型内に設置さ
れ、不活性雰囲気下において予備加熱される。不活性雰
囲気としてはアルゴンガス、窒素ガス等、好ましくはア
ルゴンガスを用いることができる。また、予備加熱は金
属成分の融点または融点以上、特に１００℃以上、好ま
しくは１００℃〜２５０℃に保持することにより行なわ
れる。この工程（１）を経ることで炭素と金属との界面
での反応を抑制しながら炭素材料の気孔に金属を充分含
浸することができるように考案したものである。
記工程（１）において、炭素成形体は金型内に設置さ
れ、不活性雰囲気下において予備加熱される。不活性雰
囲気としてはアルゴンガス、窒素ガス等、好ましくはア
ルゴンガスを用いることができる。また、予備加熱は金
属成分の融点または融点以上、特に１００℃以上、好ま
しくは１００℃〜２５０℃に保持することにより行なわ
れる。この工程（１）を経ることで炭素と金属との界面
での反応を抑制しながら炭素材料の気孔に金属を充分含
浸することができるように考案したものである。
【００２０】次に、工程（２）において、金属成分の融
点より５０℃〜２５０℃高い温度で金属成分を溶融し、
溶融金属を金型に供給し、前記の予備加熱した炭素成形
体と接触させ、溶融金属にプレス装置を用いて押し子に
より該押し子面積当たり２００ｋｇ／ｃｍ2 以上の圧力
をかけ熔湯鍛造により溶融金属を前記炭素成形体に加圧
含浸させる。工程（２）においてアルミニウムの場合に
は溶融金属の温度が融点より１５０℃を超えると潮解性
のある炭化アルミニウムを生成しやすくなり、実用的な
複合材料が得られない。また、圧力２００ｋｇ／ｃｍ2
に達しないと効率よく金属成分の含浸が行なわれず、金
属充填率が低下するおそれがある。
点より５０℃〜２５０℃高い温度で金属成分を溶融し、
溶融金属を金型に供給し、前記の予備加熱した炭素成形
体と接触させ、溶融金属にプレス装置を用いて押し子に
より該押し子面積当たり２００ｋｇ／ｃｍ2 以上の圧力
をかけ熔湯鍛造により溶融金属を前記炭素成形体に加圧
含浸させる。工程（２）においてアルミニウムの場合に
は溶融金属の温度が融点より１５０℃を超えると潮解性
のある炭化アルミニウムを生成しやすくなり、実用的な
複合材料が得られない。また、圧力２００ｋｇ／ｃｍ2
に達しないと効率よく金属成分の含浸が行なわれず、金
属充填率が低下するおそれがある。
【００２１】本発明の炭素基金属複合材料の熔湯鍛造に
よる製造方法によれば、溶融金属を金型に入れ、金型内
に置かれた炭素成形体と接触させ高い圧力を加えて凝固
させる際に炭素成形体に熔融金属を含浸させる。熔湯鍛
造に用いられる装置は、内部に空間を有する主型と押し
子（パンチ）とからなり、該主型の開口部内壁面に該押
し子が密接し、内外部方向へ移動自由とし、加圧により
内部方向へ移動可能としたものである。熔湯鍛造方式と
しては図２に示すオープン−モールド方式、すなわち直
接加圧方式および図３に示すクローズド−モールド方式
（間接加圧方式）が挙げられるが、本発明の炭素基金属
複合材料板状成形体の製造にはオープン−モールド方式
を利用することが好ましい。本発明の炭素基金属複合材
料の製造方法における金属含浸方法の特徴は、溶融金属
を短時間で凝固させるため金属組織が緻密であると共
に、従来のガス加圧方式による金属含浸方法では困難な
大型複合材料を容易に製造できる点にある。
よる製造方法によれば、溶融金属を金型に入れ、金型内
に置かれた炭素成形体と接触させ高い圧力を加えて凝固
させる際に炭素成形体に熔融金属を含浸させる。熔湯鍛
造に用いられる装置は、内部に空間を有する主型と押し
子（パンチ）とからなり、該主型の開口部内壁面に該押
し子が密接し、内外部方向へ移動自由とし、加圧により
内部方向へ移動可能としたものである。熔湯鍛造方式と
しては図２に示すオープン−モールド方式、すなわち直
接加圧方式および図３に示すクローズド−モールド方式
（間接加圧方式）が挙げられるが、本発明の炭素基金属
複合材料板状成形体の製造にはオープン−モールド方式
を利用することが好ましい。本発明の炭素基金属複合材
料の製造方法における金属含浸方法の特徴は、溶融金属
を短時間で凝固させるため金属組織が緻密であると共
に、従来のガス加圧方式による金属含浸方法では困難な
大型複合材料を容易に製造できる点にある。
【００２２】前記工程（２）の終了後、工程（３）にお
いて溶融金属を冷却し凝固させ凝固体を得る。次に工程
（４）において工程（３）にて得られた凝固体を金型か
ら取り出し、金属部分を切削、溶解その他の方法で除き
炭素成形体を取り出し、工程（５）において板状成形体
への成形加工等の工程を経て炭素基金属複合材料板状成
形体を得ることができる。具体的には炭素基金属複合材
料は加工性が良いため、例えば、バンドソーまたはワイ
ヤーソーで切断することにより板状成形体を製造するこ
とができる。
いて溶融金属を冷却し凝固させ凝固体を得る。次に工程
（４）において工程（３）にて得られた凝固体を金型か
ら取り出し、金属部分を切削、溶解その他の方法で除き
炭素成形体を取り出し、工程（５）において板状成形体
への成形加工等の工程を経て炭素基金属複合材料板状成
形体を得ることができる。具体的には炭素基金属複合材
料は加工性が良いため、例えば、バンドソーまたはワイ
ヤーソーで切断することにより板状成形体を製造するこ
とができる。
【００２３】本発明の炭素基金属複合材料の製造方法に
用いられる装置の具体例を第１図〜第３図に示す。第１
図〜第３図において、１は金型、２は押し子であり、３
はプレス機を示す。金型１内に炭素成形体４を入れ、ア
ルゴンガス中で前記工程（１）による予備加熱を行な
い、その後、所定温度に加熱した溶融金属を供給し、押
し子３により金型内部の溶融金属を加圧し、所定時間同
条件にて維持する。所定時間経過後金型から金属凝固体
を金属の塊ごと取り出し金属部分を切削、溶解その他の
方法で除き金属含浸炭素基複合材料板状成形体を得るこ
とができる。
用いられる装置の具体例を第１図〜第３図に示す。第１
図〜第３図において、１は金型、２は押し子であり、３
はプレス機を示す。金型１内に炭素成形体４を入れ、ア
ルゴンガス中で前記工程（１）による予備加熱を行な
い、その後、所定温度に加熱した溶融金属を供給し、押
し子３により金型内部の溶融金属を加圧し、所定時間同
条件にて維持する。所定時間経過後金型から金属凝固体
を金属の塊ごと取り出し金属部分を切削、溶解その他の
方法で除き金属含浸炭素基複合材料板状成形体を得るこ
とができる。
【００２４】（電子機器用基板状成形体）次に、本発明
の炭素基金属複合材料板状成形体の用途としての電子機
器の熱分散体として有用な基板状成形体について説明す
る。半導体素子、抵抗体、トランス、コンデンサーまた
は配線から構成される電子回路の回路支持基板および回
路支持基板の支持体であるベース基板を包む電子機器に
おいては、電子回路から発生する熱の大部分は回路支持
基板およびベース基板から冷却装置に伝熱され最終的に
大気または冷却液体に放熱される。従来、ベース基板材
料としてアルミニウム、銅またはそれらの合金からなる
金属が使用されているが電子回路との間に熱膨張差があ
り、反りまたは剥がれの問題がある。本発明の炭素基金
属複合材料は、熱伝導率１５０Ｗ/(ｍ・ Ｋ) 以上であ
り、熱膨張率４×１０-6／℃〜１２×１０-6／℃を有す
るものであることから、熱伝導は同等で、前記問題点は
解消される。また、板状成形体の面方向の弾性率は、５
０ＧＰａ以下の範囲にあり、熱伝導率の異なる材料を接
合する場合、接合層にかかる熱応力を緩和することがで
きる。これにより剥がれ、または熱サイクルに強い接合
も可能となる。
の炭素基金属複合材料板状成形体の用途としての電子機
器の熱分散体として有用な基板状成形体について説明す
る。半導体素子、抵抗体、トランス、コンデンサーまた
は配線から構成される電子回路の回路支持基板および回
路支持基板の支持体であるベース基板を包む電子機器に
おいては、電子回路から発生する熱の大部分は回路支持
基板およびベース基板から冷却装置に伝熱され最終的に
大気または冷却液体に放熱される。従来、ベース基板材
料としてアルミニウム、銅またはそれらの合金からなる
金属が使用されているが電子回路との間に熱膨張差があ
り、反りまたは剥がれの問題がある。本発明の炭素基金
属複合材料は、熱伝導率１５０Ｗ/(ｍ・ Ｋ) 以上であ
り、熱膨張率４×１０-6／℃〜１２×１０-6／℃を有す
るものであることから、熱伝導は同等で、前記問題点は
解消される。また、板状成形体の面方向の弾性率は、５
０ＧＰａ以下の範囲にあり、熱伝導率の異なる材料を接
合する場合、接合層にかかる熱応力を緩和することがで
きる。これにより剥がれ、または熱サイクルに強い接合
も可能となる。
【００２５】本発明の電子機器用板状炭素成形体は、密
度２ｇ／ｃｍ3 以上のものが好ましい。具体的にはアル
ミニウムまたはアルミニウム合金含浸基板状炭素成形体
は、密度２．０ｇ／ｃｍ3 〜２．４ｇ／ｃｍ3 のもの
が、また、銅または銅合金含浸基板状炭素成形体は、密
度２．３ｇ／ｃｍ3 〜５．０ｇ／ｃｍ3 のものが好適で
ある。
度２ｇ／ｃｍ3 以上のものが好ましい。具体的にはアル
ミニウムまたはアルミニウム合金含浸基板状炭素成形体
は、密度２．０ｇ／ｃｍ3 〜２．４ｇ／ｃｍ3 のもの
が、また、銅または銅合金含浸基板状炭素成形体は、密
度２．３ｇ／ｃｍ3 〜５．０ｇ／ｃｍ3 のものが好適で
ある。
【００２６】第４図に電子回路の熱分散体として使用し
た本発明の炭素基金属複合材料からなる基板状炭素成形
体を含む電子機器の具体例を示す。図中、本発明の炭素
基金属複合材料からなる基板６が接着層９を介してセラ
ミック絶縁基板７に接合される。接着層としては、合成
樹脂、ハンダ、金属ロウ材等が使用される。セラミック
絶縁基板７上に回路、回路素子および部品８が設けられ
る。回路、回路素子および部品８からは大量の熱が発散
され、基板６に伝熱され、基板６の下部に接合した冷却
装置（図は省略。）に放熱される。
た本発明の炭素基金属複合材料からなる基板状炭素成形
体を含む電子機器の具体例を示す。図中、本発明の炭素
基金属複合材料からなる基板６が接着層９を介してセラ
ミック絶縁基板７に接合される。接着層としては、合成
樹脂、ハンダ、金属ロウ材等が使用される。セラミック
絶縁基板７上に回路、回路素子および部品８が設けられ
る。回路、回路素子および部品８からは大量の熱が発散
され、基板６に伝熱され、基板６の下部に接合した冷却
装置（図は省略。）に放熱される。
【００２７】
【実施例】以下、実施例および比較例により本発明を具
体的に説明する。もっとも、本発明は実施例等により限
定されるものではない。なお、実施例および比較例によ
り作製した炭素基金属複合材料の品質・性能評価につい
て下記の測定方法を用いた。
体的に説明する。もっとも、本発明は実施例等により限
定されるものではない。なお、実施例および比較例によ
り作製した炭素基金属複合材料の品質・性能評価につい
て下記の測定方法を用いた。
【００２８】１）密度 株式会社島津製作所製電子分析天びんＡＥＬ−２００を
用いてアルキメデス法により測定した。 ２）曲げ強度 株式会社島津製作所製精密万能試験器ＡＧ−５００を用
い、作成した強度試験片について曲げ強度を測定した。
試験片サイズ４ｍｍ×４ｍｍ×８ｍｍ、スパン間距離６
０ｍｍ、クロスヘッド降下速度０．５ｍｍ／分の条件で
測定した。 ３）熱伝導率 熱伝導率は、熱拡散率と比熱および密度の積として求め
た。熱拡散率は、レーザーフラッシュ法により真空理工
（株）製ＴＣ−７０００を用い２５℃で測定した。ま
た、照射光としてルビーレーザー光（励起電圧２．５ｋ
ｖ、均一フィルターおよび滅光フィルター１枚）を使用
した。 ４）熱膨張率 マックスサイエンス社製熱分析装置００１、ＴＤ−５０
２０を用いて室温から３００℃までの熱膨張率を測定し
た。 ５）弾性率 強度試験の応力−歪データから計算で求めた。
用いてアルキメデス法により測定した。 ２）曲げ強度 株式会社島津製作所製精密万能試験器ＡＧ−５００を用
い、作成した強度試験片について曲げ強度を測定した。
試験片サイズ４ｍｍ×４ｍｍ×８ｍｍ、スパン間距離６
０ｍｍ、クロスヘッド降下速度０．５ｍｍ／分の条件で
測定した。 ３）熱伝導率 熱伝導率は、熱拡散率と比熱および密度の積として求め
た。熱拡散率は、レーザーフラッシュ法により真空理工
（株）製ＴＣ−７０００を用い２５℃で測定した。ま
た、照射光としてルビーレーザー光（励起電圧２．５ｋ
ｖ、均一フィルターおよび滅光フィルター１枚）を使用
した。 ４）熱膨張率 マックスサイエンス社製熱分析装置００１、ＴＤ−５０
２０を用いて室温から３００℃までの熱膨張率を測定し
た。 ５）弾性率 強度試験の応力−歪データから計算で求めた。
【００２９】実施例１ 人造黒鉛材Ａ、ＢおよびＣの３種の炭素成形体を使用し
た。同成形体をアルゴンガス中で７６０℃に予熱し、５
００℃に予熱した金型に設置した。８１０℃で溶融した
純アルミニウムを金型内にいれた。熔湯鍛造により押し
子の押し面当り圧力５００ｋｇ／ｃｍ2 になるようプレ
ス機で加圧し、その状態で３０分保持した。冷却後アル
ミニウムの塊ごと取出し切削加工し、炭素基金属複合材
を得た。
た。同成形体をアルゴンガス中で７６０℃に予熱し、５
００℃に予熱した金型に設置した。８１０℃で溶融した
純アルミニウムを金型内にいれた。熔湯鍛造により押し
子の押し面当り圧力５００ｋｇ／ｃｍ2 になるようプレ
ス機で加圧し、その状態で３０分保持した。冷却後アル
ミニウムの塊ごと取出し切削加工し、炭素基金属複合材
を得た。
【００３０】
【表１】
【００３１】また、前記黒鉛材Ａから試作した横３３ｍ
ｍ、縦９０ｍｍ、厚さ３ｍｍの基板に無電解ニッケルメ
ッキを施し、アルミナ基板を高温ハンダで接着し、−５
５℃、１５０℃で温度サイクル試験を２５０回実施した
が異常はなかった。
ｍ、縦９０ｍｍ、厚さ３ｍｍの基板に無電解ニッケルメ
ッキを施し、アルミナ基板を高温ハンダで接着し、−５
５℃、１５０℃で温度サイクル試験を２５０回実施した
が異常はなかった。
【００３２】実施例２ 人造黒鉛材(電極用）２種の炭素成形体を使用した。そ
れぞれの成形体をアルゴンガス中で９６０℃に予熱し、
６００℃に予熱した金型に設置した。９６０℃の溶解し
た七三黄銅を金型内にいれた。押し子の押し面当り１０
００ｋｇ／ｃｍ 2 で加圧し、その状態で３０分保持し、
七三黄銅を含浸・複合化した。冷却後七三黄銅の塊ごと
取出し切削加工し、炭素基金属複合材料板状成形体を得
た。熱伝導率、熱膨張率および弾性率を測定したところ
表２に示す通りで要求性状を満たすものであった。
れぞれの成形体をアルゴンガス中で９６０℃に予熱し、
６００℃に予熱した金型に設置した。９６０℃の溶解し
た七三黄銅を金型内にいれた。押し子の押し面当り１０
００ｋｇ／ｃｍ 2 で加圧し、その状態で３０分保持し、
七三黄銅を含浸・複合化した。冷却後七三黄銅の塊ごと
取出し切削加工し、炭素基金属複合材料板状成形体を得
た。熱伝導率、熱膨張率および弾性率を測定したところ
表２に示す通りで要求性状を満たすものであった。
【００３３】
【表２】
【００３４】比較例１ 現在電子機器用基板に使用されている市販品の例として
アルミニウム／炭化珪素複合材（Ａｌ／ＳｉＣ）の特性
値（カタログ値）を表１に示す。このなかで弾性率が本
発明の炭素基金属複合材料を用いた電子機器用基板と異
なる。
アルミニウム／炭化珪素複合材（Ａｌ／ＳｉＣ）の特性
値（カタログ値）を表１に示す。このなかで弾性率が本
発明の炭素基金属複合材料を用いた電子機器用基板と異
なる。
【００３５】比較例２ 黒鉛化処理していない炭素成形体を用意し、実施例１の
方法と同様の方法で溶融アルミニウムを含浸させた後、
板状成形体を得た。この板状成形体は８５℃、相対湿度
８５％の雰囲気２４時間でクラックがはいり、実用に耐
え得ないことがわかった。これは、炭素とアルミニウム
が反応し、加水分解し易い炭化アルミニウムが生成した
ため考えられる。
方法と同様の方法で溶融アルミニウムを含浸させた後、
板状成形体を得た。この板状成形体は８５℃、相対湿度
８５％の雰囲気２４時間でクラックがはいり、実用に耐
え得ないことがわかった。これは、炭素とアルミニウム
が反応し、加水分解し易い炭化アルミニウムが生成した
ため考えられる。
【００３６】比較例３ 炭素繊維・炭素複合材の成形体をアルゴンガス中で７６
０℃に予熱し、５００℃に予熱した金型内に設置した。
８１０℃で溶融した純アルミニウムを金型内に導入し
た。熔湯鍛造により押し子の押し面当り圧力５００ｋｇ
／ｃｍ 2 になるようにプレス機で加圧し、その状態で３
０分間保持した。冷却後アルミニウムの塊ごと取出し切
削加工し、炭素基金属複合材を得た。
０℃に予熱し、５００℃に予熱した金型内に設置した。
８１０℃で溶融した純アルミニウムを金型内に導入し
た。熔湯鍛造により押し子の押し面当り圧力５００ｋｇ
／ｃｍ 2 になるようにプレス機で加圧し、その状態で３
０分間保持した。冷却後アルミニウムの塊ごと取出し切
削加工し、炭素基金属複合材を得た。
【００３７】
【発明の効果】本発明の炭素基金属複合材料板状成形体
の熱伝導率は、含浸前の炭素成形体より最大１００Ｗ／
（ｍ・Ｋ）上昇する。また、熱膨張率は、炭素成形体の
種類または金属種を変えることにより、４×１０-6／℃
〜１２×１０-6／℃の範囲において任意の数値のものを
製造することができる。この熱膨張率は、同基板に搭載
されるシリコンの熱膨張率３×１０-6／℃〜４×１０-6
／℃、窒化アルミニウムの４．５×１０-6／℃、または
アルミナの７×１０-6／℃〜８×１０-6／℃に近いもの
である。また、基板の弾性率が小さいため接合層および
同界面にかかる熱応力を小さくすることができる。従っ
て、本発明の基板を使用することにより基板と搭載され
る電子機器の熱膨張差から生じる熱応力が小さくなり、
剥がれ等の不具合の発生を抑制することが可能となる。
の熱伝導率は、含浸前の炭素成形体より最大１００Ｗ／
（ｍ・Ｋ）上昇する。また、熱膨張率は、炭素成形体の
種類または金属種を変えることにより、４×１０-6／℃
〜１２×１０-6／℃の範囲において任意の数値のものを
製造することができる。この熱膨張率は、同基板に搭載
されるシリコンの熱膨張率３×１０-6／℃〜４×１０-6
／℃、窒化アルミニウムの４．５×１０-6／℃、または
アルミナの７×１０-6／℃〜８×１０-6／℃に近いもの
である。また、基板の弾性率が小さいため接合層および
同界面にかかる熱応力を小さくすることができる。従っ
て、本発明の基板を使用することにより基板と搭載され
る電子機器の熱膨張差から生じる熱応力が小さくなり、
剥がれ等の不具合の発生を抑制することが可能となる。
【００３８】また、炭素基金属複合材料板状成形体が前
記の構成をとることにより脆性的な炭素材の性質を改善
でき、強度の優れた電子機器用基板となる。特に、機械
的な加工において、材料の割れ、欠けが生じにくくなり
加工が容易となり、また、加工精度の高いものを得るこ
とができる。
記の構成をとることにより脆性的な炭素材の性質を改善
でき、強度の優れた電子機器用基板となる。特に、機械
的な加工において、材料の割れ、欠けが生じにくくなり
加工が容易となり、また、加工精度の高いものを得るこ
とができる。
【図１】本発明の製造装置の基本構造を示す概略図であ
る。
る。
【図２】本発明の製造装置の他の構造を示す概略図であ
る。
る。
【図３】本発明の製造装置の他の構造を示す概略図であ
る。
る。
【図４】炭素基金属複合材料基板を用いた電子機器の基
本構成図である。
本構成図である。
１ 金型 ２ 押し子 ３ プレス機 ４ 炭素成形体 ５ 溶融金属 ５’凝固体 ６ 炭素基金属複合材基板 ７ セラミック絶縁基板 ８ 回路、回路素子及び部品 ９ 接着層（樹脂、はんだ、金属ロウ材）
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｃ２２Ｃ 47/12 Ｃ２２Ｃ 47/12 Ｈ０１Ｌ 23/14 Ｈ０５Ｋ 1/05 Ｂ 23/373 Ｈ０１Ｌ 23/14 Ｍ Ｈ０５Ｋ 1/05 23/36 Ｍ (56)参考文献 特開 平４−147654（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−15985（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−80858（ＪＰ，Ａ) 特開2000−303155（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B22D 19/14 B22D 18/02 B22D 19/00 B22D 17/09 C22C 1/10 C22C 47/12 H01L 23/14 H01L 23/373 H05K 1/05
Claims (8)
- 【請求項１】 黒鉛化した炭素粒子を含む炭素成形
体であって、密度が１．４ｇ／ｃｍ3〜２ｇ／ｃｍ3、気
孔率が３５％以下の炭素成形体にアルミニウムまたはア
ルミニウム合金を熔湯鍛造により加圧含浸させることに
より製造された炭素基金属複合材料からなり、該炭素基
金属複合材料の板状成形体の常温における密度が２．０
ｇ／ｍｌ〜２．５ｇ／ｍｌ、厚さ方向の熱伝導率が１５
０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、熱膨張率が４×１０-6／℃〜８
×１０-6／℃および面方向の弾性率が５０ＧＰａ以下で
あることを特徴とする炭素基金属複合材料板状成形体。 - 【請求項２】 黒鉛化した炭素粒子を含む炭素成形
体であって、密度が１．４ｇ／ｃｍ 3 〜２ｇ／ｃｍ 3 、気
孔率が３５％以下の炭素成形体に、銅、銀または該金属
の合金を熔湯鍛造により加圧含浸させることにより製造
された炭素基金属複合材料からなり、該炭素基金属複合
材料の板状成形体の常温における密度が２．３ｇ／ｍｌ
〜５．０ｇ／ｍｌ、厚さ方向の熱伝導率が１５０Ｗ／
（ｍ・Ｋ）以上、熱膨張率が４×１０ -6 ／℃〜１２×１
０ -6 ／℃および面方向の弾性率が５０ＧＰａ以下である
ことを特徴とする炭素基金属複合材料板状成形体。 - 【請求項３】 前記炭素成形体の気孔率が５％〜２
５％である請求項１または２に記載の炭素基金属複合材
料板状成形体。 - 【請求項４】 前記炭素基金属複合材料板状成形体
の厚さが０．１ｍｍ〜５０ｍｍである請求項１ないし３
のいずれかの１項に記載の炭素基金属複合材料板状成形
体。 - 【請求項５】 前記炭素成形体が、長径０．１ｍｍ
〜３ｍｍの黒鉛粒子を体積分率で１０％以上含有する板
状成形体である請求項１ないし４のいずれかの１項に記
載の炭素基金属複合材料板状成形体。 - 【請求項６】 前記炭素基金属複合材料板状成形体
が、電子機器用基板である請求項１ないし５のいずれか
の１項に記載の炭素質金属複合材料板状成形体。 - 【請求項７】 黒鉛化した炭素粒子を含む炭素成形
体であって、密度１．４ｇ／ｃｍ3〜２ｇ／ｃｍ3、気孔
率３５％以下の炭素成形体を、溶融アルミニウム、溶融
銅、溶融銀またはこれらの溶融金属の合金と加圧下にお
いて接触させることにより、該炭素成形体に溶融金属を
含浸させることからなる炭素質金属複合材料板状成形体
の製造方法であって、 （１）前記炭素成形体を不活性雰囲気下において前記溶
融金属の融点以上の温度に加熱する工程、 （２）加熱された前記炭素成形体に熔湯鍛造により前記
溶融金属をプレス装置を用いて押し子単位面積当たり２
００ｋｇ／ｃｍ2 以上の圧力で加圧含浸させる工程、 （３）工程（２）の加圧含浸の終了後、前記溶融金属を
冷却し凝固させる工程、 （４）工程（３）にて得られた凝固体から前記炭素成形
体を取り出す工程および （５）工程（４）にて得られた金属含浸炭素成形体を板
状に成形する工程 を含むことを特徴とする炭素質金属複合材料板状成形体
の製造方法。 - 【請求項８】 請求項１もしくは２の炭素基金
属複合材料板状成形体または請求項７の製造方法により
得られた炭素基金属複合材料板状成形体の表面が、メッ
キまたは溶融金属または金属箔の金属で被覆され、また
はその端面が金属で縁どりして被覆された炭素基金属複
合材料板状成形体にセラミック回路、電子素子または部
品が接着層を介して接続されたことを特徴とする電子機
器用部品。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000149848A JP3351778B2 (ja) | 1999-06-11 | 2000-05-17 | 炭素基金属複合材料板状成形体および製造方法 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16549999 | 1999-06-11 | ||
| JP11-165499 | 1999-06-11 | ||
| JP2000149848A JP3351778B2 (ja) | 1999-06-11 | 2000-05-17 | 炭素基金属複合材料板状成形体および製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001058255A JP2001058255A (ja) | 2001-03-06 |
| JP3351778B2 true JP3351778B2 (ja) | 2002-12-03 |
Family
ID=26490213
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000149848A Expired - Lifetime JP3351778B2 (ja) | 1999-06-11 | 2000-05-17 | 炭素基金属複合材料板状成形体および製造方法 |
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|---|---|---|---|---|
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