JPH11228261A - ヒートシンク用材料及びその製造方法 - Google Patents

ヒートシンク用材料及びその製造方法

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JPH11228261A
JPH11228261A JP3537898A JP3537898A JPH11228261A JP H11228261 A JPH11228261 A JP H11228261A JP 3537898 A JP3537898 A JP 3537898A JP 3537898 A JP3537898 A JP 3537898A JP H11228261 A JPH11228261 A JP H11228261A
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heat sink
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average particle
alloy
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JP3537898A
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English (en)
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Hiroyuki Tsuto
宏之 津戸
Hiroyuki Matsuo
裕之 松尾
Yoshibumi Takei
義文 武井
Tatsuya Shiogai
達也 塩貝
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Taiheiyo Cement Corp
Original Assignee
Taiheiyo Cement Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来のヒートシンク用の材料では、それが金
属の場合では熱膨張などに、セラミックスの場合では耐
衝撃性などに問題があった。 【解決手段】 Siの含有量が5〜20重量%で、Mg
の含有量が2重量%以下のアルミニウムまたはその合金
から成るマトリックス中に、粉末充填率が60体積%以
上で、平均粒径が10〜70μmのSiC粉末またはA
lN粉末を分散させた150W/mK以上の熱伝導率を
有する金属−セラミックス複合材料から成ることとした
ヒートシンク用材料。10〜70μmの平均粒径を有す
るSiCまたはAlN粉末に、無機バインダーを加えて
混合し、成形し、焼成してプリフォームを形成した後、
該プリフォームにSiを5〜20重量%、Mgを2重量
%以下含む溶融されたアルミニウムまたはその合金を高
圧で含浸させることとしたヒートシンク用材料の製造方
法。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ヒートシンク用材
料及びその製造方法に関し、特に金属−セラミックス複
合材料を用いたヒートシンク用材料及びその製造方法に
関する。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】従来、
ヒートシンクに用いられる材料としては、Cuあるいは
Cuを主成分とする合金が主流であった。しかしなが
ら、この材料では、ヒートシンクと接合される部材にセ
ラミックスなどの低熱膨張の材料が使用されると、熱膨
張係数の大きなヒートシンクとの間でマッチングが悪く
なり、歪を発生するという問題があった。また、軽量化
を図るためにヒートシンクを薄板形状にすると、剛性が
不足し、たわみが発生することがあった。
【0003】そのため、熱膨張の小さいセラミックスが
ヒートシンクの材料として用いられるようになった。こ
の材料は、熱膨張が小さい上に剛性が高いので、歪は勿
論たわみの問題も発生しない。しかしながら、この材料
は脆性材料であるため衝撃に弱く、振動などが発生する
環境下にあっては破損することすらあった。
【0004】本発明は、上述したヒートシンク用材料が
有する課題に鑑みなされたものであって、その目的は、
歪、たわみは勿論衝撃にも強いヒートシンク用材料を提
供し、その製造方法をも提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明者等は、上記目的
を達成するため鋭意研究した結果、ヒートシンクの材料
として金属−セラミックス複合材料を用いれば、歪、た
わみは勿論衝撃にも強いヒートシンク用材料が得られる
との知見を得て本発明を完成するに至った。
【0006】即ち本発明は、(1)Siの含有量が5〜
20重量%で、Mgの含有量が2重量%以下のアルミニ
ウムまたはその合金から成るマトリックス中に、粉末充
填率が60体積%以上で、平均粒径が10〜70μmの
SiC粉末またはAlN粉末を分散させた150W/m
K以上の熱伝導率を有する金属−セラミックス複合材料
から成ることを特徴とするヒートシンク用材料(請求項
1)とし、また、(2)10〜70μmの平均粒径を有
するSiCまたはAlN粉末に、無機バインダーを加え
て混合し、その混合物を成形し、得られた成形物を焼成
してプリフォームを形成した後、該プリフォームにSi
を5〜20重量%、Mgを2重量%以下含む溶融された
アルミニウムまたはその合金を高圧で含浸させることを
特徴とするヒートシンク用材料の製造方法(請求項2)
とすることを要旨とする。以下さらに詳細に説明する。
【0007】上記ヒートシンク用材料としては、Siの
含有量が5〜20重量%で、Mgの含有量が2重量%以
下のアルミニウムまたはその合金から成るマトリックス
中に、粉末充填率が60体積%以上で、平均粒径が10
〜70μmのSiC粉末またはAlN粉末を分散させた
150W/mK以上の熱伝導率を有する金属−セラミッ
クス複合材料から成る材料とした(請求項1)。ヒート
シンク用材料が金属−セラミックス複合材料から成ると
したのは、この複合材料が金属に比べて熱膨張が小さい
こと、剛性も高いこと、セラミックスに比べ耐衝撃性に
優れていることなどで金属またはセラミックスの欠点を
是正できることによる。
【0008】その複合材料中の金属をアルミニウムまた
はその合金としたのは、それら金属の熱伝導率が特に高
く、熱膨張係数も従来のCu合金より小さくできること
による。そして、それら金属中のSiの含有量を5〜2
0重量%とし、Mgの含有量を2重量%以下としたの
は、Siの含有量が5重量%より少ないと、複合材料の
熱膨張係数が大きくなり、20重量%より多いと、アル
ミニウム合金の延性が失われて複合材料が脆くなり、ま
た、Mgの含有量が2重量%より多いと、複合材料の熱
伝導率が低下するので、いずれも好ましくないことによ
る。
【0009】一方、セラミックス粉末をSiC粉末また
はAlN粉末としたのは、それら粉末の熱伝導率が特に
高いためである。そして、それらセラミックス粉末の充
填率を60体積%以上としたのは、60体積%より低い
と、複合材料の剛性が低下し、さらに熱膨張係数も高く
なって好ましくないことによる。また、その平均粒径を
10〜70μmとしたのは、10μmより細かいと、形
成するプリフォーム中の粉末粒子間の間隙が狭くなり、
マトリックスであるアルミニウムまたはその合金の含浸
が難しくなり、70μmより粗いと、複合材料の強度が
低下することによる。
【0010】その複合材料の熱伝導率を室温で150W
/mK以上としたのは、実用化されているセラミックス
製のヒートシンクの熱伝導率が、150W/mK程度で
あるので、これ以上の値であれば十分満足できることに
よる。
【0011】このヒートシンク用材料の製造方法として
は、10〜70μmの平均粒径を有するSiC粉末また
はAlN粉末に、無機バインダーを加えて混合し、その
混合物を成形し、得られた成形体を焼成してプリフォー
ムを形成した後、該プリフォームにSiを5〜20重量
%、Mgを2重量%以下含む溶融されたアルミニウムま
たはその合金を高圧で含浸させることとする製造方法と
した(請求項2)。溶融された金属を高圧法で含浸させ
るのは、ヒートシンクとしての特性がマトリックスであ
る金属の組成に大きく影響されるため、どんな組成の金
属でも含浸させることのできる高圧法が好ましいことに
よる。
【0012】
【発明の実施の形態】本発明のヒートシンク用材料の製
造方法をさらに詳細に述べると、先ずセラミックス粉末
として平均粒径が10〜70μmのSiC粉末またはA
lN粉末を用意する。それら粉末に無機バインダーを加
え混合し、得られた混合物はそのまま、あるいは必要に
応じて乾燥し、それを成形用の型に充填し、プレス成形
する方法、あるいは無機バインダー及び溶媒を加え混合
し、得られた懸濁液をフィルターなどでプレスする方法
で成形し、その成形体を焼成してプリフォームを形成す
る。
【0013】次いで、形成したプリフォームにアルミニ
ウムまたはその合金を高圧で含浸させる。その方法は、
例えば、アルミニウム鋳造用の金型内にプリフォームを
セットし、その金型を予熱し、別に700〜850℃の
温度で溶融したアルミニウムまたはその合金を前記した
金型内に注入し、50MPa以上の圧力で高圧鋳造して
セラミックス粒子間に金属を含浸させ、冷却してヒート
シンク用の金属−セラミックス複合材料を作製する。
【0014】以上の方法で金属−セラミックス複合材料
を作製すれば、歪、たわみは勿論衝撃にも強く、しかも
150W/mK以上の熱伝導率を有するヒートシンク用
の材料が得られる。
【0015】
【実施例】以下、本発明の実施例を比較例と共に具体的
に挙げ、本発明をより詳細に説明する。
【0016】(実施例1〜3) (1)プリフォームの形成 SiC粉末(信濃電気精錬社製、平均粒径20μm)ま
たはシリカコーティングしたAlN粉末(ダウケミカル
社製、平均粒径20μm)100重量部に無機バインダ
ー(アルミナゾル、日産化学社製)を2重量部、水を3
0重量部加え、混合し、混合した懸濁液をフィルタープ
レスした後、成形し、得られた成形体を1000℃で5
時間加熱して縦100×横100×厚さ30mmのプリ
フォームを得た。なお、粉末充填率の増減は、プレス圧
を加減することで調整した。
【0017】(2)金属−セラミックス複合材料の作製 このプリフォームを800℃に加熱し、それを300℃
に予熱した鋳造用金型内にセットし、別に850℃で溶
融した84%Al−15%Si−1%Mg組成のアルミ
ニウム合金を金型内に注入し、窒素雰囲気中で50MP
aの圧力でアルミニウム合金をプリフォームに含浸さ
せ、冷却してヒートシンク用の金属−セラミックス複合
材料を作製した。
【0018】(3)評価 得られたプリフォームの嵩比重をアルキメデス法で測定
し、セラミックス粉末の充填率を求めた。また、得られ
た複合材料から3×4×40mmの試験片を切り出し、
その試験片で曲げ強度をJIS R1601で、ヤング
率をJIS R1602で、熱膨張係数をTMA300
(セイコー電子工業社製)を用いてJIS R1618
で測定し、さらに、レーザーフラッシュ(理学電機社
製)を用いて熱伝導率をJIS R1611で、アイゾ
ットインパクトテスター(東洋精機製作所製)を用いて
衝撃値をJIS K7110で測定した。さらにまた、
複合材料を切断し、その切断面を目視観察し、アルミニ
ウム合金の含浸状態を調べた。それらの結果を表1に示
す。
【0019】(比較例1〜7)比較のために、比較例1
では、セラミックス粉末の種類を本発明の範囲外にした
他は、比較例2では、SiC粉末の充填率を本発明の範
囲外にした他は、比較例3、4では、SiC粉末の平均
粒径を本発明の範囲外にした他は、比較例5、6では、
アルミニウム合金中のSiの含有量を本発明の範囲外に
した他は、比較例7では、アルミニウム合金中のMgの
含有量を本発明の範囲外にした他は実施例1と同様にプ
リフォームを形成し、複合材料を作製し、評価した。そ
れらの結果を表1に示す。
【0020】
【表1】
【0021】表1から明らかなように、実施例1〜3に
おいては、いずれもセラミックス粉末の充填率と平均粒
径が本発明の範囲内にあり、さらにアルミニウム合金中
のSiとMgの含有量も本発明の範囲内にあるので、ア
ルミニウム合金の含浸に不良なものは認められず、ま
た、その材料特性の値がいずれも優れた値を示してい
た。このことは、得られた複合材料が、ヒートシンク用
の材料として十分な特性を有していることを示してい
る。
【0022】これに対して比較例1では、セラミックス
粉末がAl23粉末であるため、熱伝導率が極めて低
く、熱膨張係数も大きかった。また、比較例2では、S
iC粉末の含有率が60体積%より低いため、剛性を示
すヤング率が低下し、熱膨張係数も大きくなった。さら
に、比較例3では、SiC粉末の平均粒径が10μmよ
り細かすぎたので、含浸不良が認められ、比較例4で
は、SiC粉末の平均粒径が粗すぎたので、強度が低下
した。さらにまた、比較例5では、Siの含有量が少な
すぎたので、熱膨張係数が大きくなり、比較例6では、
Siの含有量が多すぎたので、衝撃値が低くなった。そ
してまた、比較例7では、Mgの含有量が多すぎたの
で、熱伝導率が低くなった。
【0023】
【発明の効果】以上の通り、本発明によれば、歪、たわ
みは勿論衝撃にも強いヒートシンク用の材料を得ること
ができるようになった。このことにより、組み合わせ部
品とも問題なく接合できるようになり、電気、通信、自
動車分野などで用いられるヒートシンクに幅広い適用が
可能となった。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 Siの含有量が5〜20重量%で、Mg
    の含有量が2重量%以下のアルミニウムまたはその合金
    から成るマトリックス中に、粉末充填率が60体積%以
    上で、平均粒径が10〜70μmのSiC粉末またはA
    lN粉末を分散させた150W/mK以上の熱伝導率を
    有する金属−セラミックス複合材料から成ることを特徴
    とするヒートシンク用材料。
  2. 【請求項2】 10〜70μmの平均粒径を有するSi
    CまたはAlN粉末に、無機バインダーを加えて混合
    し、その混合物を成形し、得られた成形物を焼成してプ
    リフォームを形成した後、該プリフォームにSiを5〜
    20重量%、Mgを2重量%以下含む溶融されたアルミ
    ニウムまたはその合金を高圧で含浸させることを特徴と
    するヒートシンク用材料の製造方法。
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