JP4190608B2

JP4190608B2 - Aluminum matrix composite with carbon fiber dispersed

Info

Publication number: JP4190608B2
Application number: JP02042498A
Authority: JP
Inventors: 淳司二宮; 晃秀野
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 1998-01-16
Filing date: 1998-01-16
Publication date: 2008-12-03
Anticipated expiration: 2018-01-16
Also published as: JPH11199949A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は炭素繊維を分散したアルミニウム基複合材料に係り、特に低い熱膨張係数と高い熱伝導率を有し、特性劣化の少ない信頼性の高い、炭素繊維を分散したアルミニウム基複合材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近、電子機器その他の産業部材として、熱歪みが発生しない低熱膨張で、放熱性を高めるために熱伝導の優れた、信頼性の高い材料が要求されている。
従来、このような要求に適用する材料には、熱膨張特性の良好な材料としては、Ｆｅ−Ｃｏ合金（コバール）、４２アロイ等のＮｉ合金、Ｃｕ−Ｗ合金等が一般的である。また熱伝導率の高い材料としては、Ｃｕ、Ａｌ等の高伝導性金属がある。
近年では、これらに対して、熱膨張係数の小さい炭素繊維を分散材とし、マトリックスが熱伝導特性の高いアルミニウム等で構成された複合材料について提案されている（例えば、特開平１−３１９６３９号公報、特開平４−１４７６５４号公報）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術の複合材料は、分散材である炭素繊維とマトリックスであるアルミニウムは濡れ性が悪く、複合時に十分な界面特性を得ることができない。
また、炭素繊維の熱膨張係数は−１×１０^−６／℃に対して、アルミニウムの熱膨張係数は２４×１０^−６／℃であるため、その差が大きく、熱ストレスを繰り返し与えると炭素繊維とマトリックスの界面で大きなストレスが発生し、界面剥離などを発生し、これにより熱膨張特性および熱伝導特性が劣化するという問題点があった。
【０００４】
また、上記の従来技術において、所定のアスペクト比の炭素繊維を用いることについての開示はあるが、低い熱膨張係数と高い熱伝導率を有し、特性劣化の少ない信頼性の高いものを得るものではなく、
また複合材料に分散させる炭素繊維成形体作製後、また炭素繊維成形体をアルミニウムで複合化した後のアスペクト比は、所定の体積充填率を得るために繊維の折損などを起こし、出発原料時のアスペクト比を維持することはできないという問題点があった。
本発明の目的は、このような問題点に鑑み、熱ストレスを与えても特性劣化が生じることなく低い熱膨張係数と高い熱伝導率を維持した信頼性の高い、炭素繊維を分散したアルミニウム基複合材料を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するためのもので、炭素繊維をアルミニウムまたはアルミニウム合金のマトリックスに分散したアルミニウム基複合材料において、前記炭素繊維のアスペクト比が平均値３０〜５０であり、かつ体積充填率が２０〜３５％であって、前記複合材料は、その表面に露出した炭素繊維を包含した状態で金属メッキ層が形成されたものであり、前記複合材料の表面に露出した炭素繊維の内の５０％以上の炭素繊維が、繊維長さの１／３〜２／３をメッキ層中に包含されるものであることを特徴とする炭素繊維を分散したアルミニウム基複合材料である。
【０００６】
また、本発明は、上記のアルミニウム基複合材料のマトリックスとしてのアルミニウム合金が、Ｓｉを１２〜２５重量％含むアルミニウム合金であることを特徴とするものである。
【０００７】
また、本発明は、上記のアルミニウム基複合材料のアルミニウムまたはアルミニウム合金のマトリックスに分散している炭素繊維が、複合材料の熱膨張を抑制しようとする方向に配向していることを特徴とするものである。
【０００８】
さらに、本発明は、上記のアルミニウム基複合材料のアルミニウムまたはアルミニウム合金のマトリックスに分散している炭素繊維が、グラファイト質および／またはグラファイト質に近い構造のものであることを特徴とするものである。
【０００９】
【作用】
本発明の複合材料は、金属マトリックスとして高熱伝導性のアルミニウムまたはアルミニウム合金を用い、繊維として低熱膨張の炭素繊維を分散させ、炭素繊維のアスペクト比が平均値３０〜５０であり、かつ炭素繊維の体積充填率が２０〜３５％であるので、炭素繊維とアルミニウムまたはアルミニウム合金マトリックスの間でアンカー効果が生じ、熱ストレスを与えても特性の劣化が生じることなく熱膨張特性、熱伝導特性を維持できるものであり、また同時に靭性も向上したものを得ることができる。
【００１０】
本発明において、炭素繊維のアスペクト比を平均値３０〜５０に、かつ体積充填率を２０〜３５％に限定した理由を説明する。
炭素繊維のアスペクト比が平均値３０よりも小さい場合は、熱ストレスを与えると、充分なアンカー効果が得られず、充分な熱膨張特性が得られない。また十分な炭素繊維が存在しないため、熱ストレス負荷時に破壊クラックの伝播を阻止する破壊クラックの伝播抵抗が得られず、十分な靭性を得ることができないものである。
【００１１】
炭素繊維のアスペクト比が平均値５０より大きい場合は、熱ストレスを与えた際、炭素繊維とマトリックスであるアルミニウムまたはアルミニウム合金の間で熱ストレスによる界面剥離などが生じ、アンカー効果が得られなくなるものである。熱ストレスがかからない状態ではアスペクト比が平均値５０より大きくてもアンカー効果はあるが、熱ストレスを与えると、マトリックスであるアルミニウムまたはアルミニウム合金との間で熱ストレスによる界面剥離が生じてアンカー効果が得られなくなるものである。
【００１２】
これは、炭素繊維の熱膨張係数は−１×１０^−６／℃であるのに対して、アルミニウムの熱膨張係数は２４×１０^−６／℃であり、その差が大きくので、熱ストレスを繰り返し与えると炭素繊維とマトリックスの界面で大きなストレスが発生する。炭素繊維のアスペクト比が平均値５０より大きいと、一本の炭素繊維に対するアルミニウムまたはアルミニウム合金との界面が長いので、熱ストレスによる界面剥離が生じてアンカー効果が得られなくなるものである。
また、アスペクト比が平均値５０以下の複合体を得ようとする場合は、炭素繊維は余り折損しない。複合化後のアスペクト比を平均値５０より大きくしようとすると、複合時に炭素繊維の折損が著しく、所定のアスペクト比で体積充填率を得ることができない。
好ましくは、炭素繊維のアスペクト比は平均値で４０〜４５である。
【００１３】
体積充填率を２０〜３５％に限定した理由は、体積充填率が２０未満では充分なアンカー効果がなく充分な熱膨張特性が得られない。また体積充填率が３５％を越えると複合時に炭素繊維の折損量が多くなる。また繊維成形体を得ることも困難になる。
【００１４】
マトリックスのアルミニウム合金として、Ｓｉを１２〜２５重量％含むアルミニウム合金が適当である。このアルミニウム合金では、Ｓｉが１２重量％より少なければ、マトリックスの熱膨張係数と炭素繊維の熱膨張係数の差が大きく、炭素繊維とマトリックスとの界面でのストレスが大きくなり十分なアンカー効果を得ることができない。またＳｉが２５％重量％を越えると、初晶Ｓｉが増大し加工性が悪くなり、また複合時においてもマトリックスの融点が高く、含浸性が劣化し複合体の割れ、潰れなどの複合欠陥が生じることになる。
【００１５】
マトリックスに分散している炭素繊維は複合材料の熱膨張を抑制しようとする方向に配向していることが好ましい。炭素繊維が複合材料の熱膨張を抑制しようとする方向に配向していることにより、アスペクト比を平均値３０〜５０にすることによるアンカー効果をより有効に発現することができる。
【００１６】
マトリックスに分散している炭素繊維はグラファイト質および／またはグラファイト質に近い構造のものが好ましい。
本発明においては、炭素繊維のアスペクト比を平均値３０〜５０に、かつ体積充填率を２０〜３５％にすることにより、熱ストレスによる界面剥離が生じることなくアンカー効果が得られ、熱ストレスを与えても特性の劣化が生じることなく熱膨張特性、熱伝導特性を維持できるものであるが、炭素繊維として、グラファイト質かグラファイ質に近い構造のものを用いることで、複合化後より充分な界面特性が得られる。これはマトリックスであるアルミニウムまたはアルミニウム合金との間にＡｌ_３Ｃ_４などの化合物が生じることがなく、熱ストレスによる界面剥離などが生じないためであり、より信頼性の高い複合材料を得ることができる。
【００１７】
また、本発明は、複合材料に金属メッキ層を形成して用いることができるが、金属メッキを施す際には、複合材料の表面に露出した炭素繊維を包含した状態で金属メッキ層を形成する。この複合材料の表面に露出させた炭素繊維は、その内の５０％以上の炭素繊維が、繊維長の１／３〜２／３をメッキ層中に包含されるものであることが好ましい。これにより熱ストレスに対して複合材料とメッキ部との充分な密着性と信頼性を得ることができる。
メッキ層中に包含される炭素繊維の長さが２／３より大きい場合は、強い熱ストレスにおいて複合材中のマトリックスとの密着性とアンカー効果を得ることができず、充分な密着性と信頼性を得ることができない。１／３より小さい場合は、メッキ部との密着性とアンカー効果を得ることができず、十分な密着性と信頼性を得ることができない。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の炭素繊維を分散したアルミニウム基複合材の製法の例を示すと、アスペクト比の平均値が３０〜５０の炭素繊維を用い、バインダー例えば無機バインダーを主成分とする水溶液に撹拌してスラリー状にし、このスラリーを金型に入れて金型底部より真空脱水を行い、体積充填率２０〜３５％の炭素繊維成形体に形成する。次いで、炭素繊維成形体に乾燥、予熱を行い、所定のキャビティの鋳造金型に設置し、溶湯鍛造法による加圧鋳造装置で製造するものである。
【００１９】
また、本発明の複合材料に金属メッキを施す際の例を示すと、作製した複合材料をアルカリ溶液で表面の脱脂及び表面改質を行い、複合材料の表面に炭素繊維を露出させる。露出させる炭素繊維は、その内の５０％以上の炭素繊維が繊維長の１／３〜２／３を露出させるようにする。そして炭素繊維を露出させた複合材料の表面にメッキ処理を行い、メッキ層中に繊維長の１／３〜２／３を包含される。これを図１で示すと、アルミニウムまたはアルミニウム合金のマトリックス（３）に炭素繊維（４）を分散させたアルミニウム基複合材料（１）の表面に炭素繊維（５）を露出させ、メッキ層（２）を施すものである。
【００２０】
本発明の炭素繊維を分散したアルミニウム基複合材料は、半導体デバイスを搭載する基板として適するもので、本発明の複合材料を半導体デバイス等を搭載する基板とし、その上にハンダ付け性に優れた金属層をメッキ等により設けることにより、デバイス実装基板との界面に割れ、剥離が発生するおそれの少ない信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
【００２１】
【実施例１】
本発明の第１の実施例を表１に示し説明する。
分散材として炭素繊維（繊維径１０μｍ）を用い、種々のアスペクト比の炭素繊維で炭素繊維成形体を作製した。作製は上記炭素繊維を無機バインダーを主成分とする水溶液に撹拌してスラリーとし、次いでこのスラリーを金型に入れて金型底部より真空脱水を行い、体積充填率２５％として寸法１００ｍｍ×１００ｍｍ×２０ｍｍの繊維成形体を得た。なお、アスペクト比が５０より大きい炭素繊維を用いた場合は、繊維の折損が著しく、体積充填率２５％を得ることができなかった。
この際に、炭素繊維は吸引脱水のために脱水時の抵抗から、炭素繊維長手が面方向に配向しているものである。
また、表の炭素繊維のアスペクト比は、ｎ＝１００以上における平均値であり、複合材料についての測定値である。即ち１００以上の炭素繊維のアスペクト比の平均した値が３０〜５０であるというものである。
【００２２】
次に、この炭素繊維成形体を乾燥後、予熱炉にて７００℃に加熱し、炉内雰囲気はアルゴン雰囲気で予熱を行った。次いで炭素繊維成形体と同形状のキャビティを有し、２５０℃に予熱した鋳造金型に、予熱炉から取り出した炭素繊維成形体を設置した。そして、溶湯鍛造法による加圧鋳造装置で型締め後、７５０℃のＡｌ−Ｓｉ２０％合金溶湯を射出速度１０ｃｍ／ｓｅｃで鋳込み、鋳込み後１０００ａｔｍの圧力で１ｍｉｎ加圧保持後、凝固させた。
これにより、面方向において金属マトリックス中に炭素繊維が配向、分散した複合材料を作製した。
【００２３】
これら複合材料に熱ストレスを与える熱衝撃試験を行った。試験条件は２００℃の加熱雰囲気と−３０℃の冷却雰囲気を用意して、交互に投げ込む操作を５００回行なった後熱特性の評価を行った。それを表１に示す。
表１から明らかなように、本発明の実施例の炭素繊維のアスペクト比が平均値３０〜５０のものは、熱膨張係数、熱伝導率、シャルピー衝撃値のいずれの値も、試験前と試験後（熱ストレスを与えた後）で変わらず、熱ストレスを与えても特性劣化がなく、低い熱膨張係数と高い熱伝導率を維持したものであることがわかる。これに対して、比較例の炭素繊維のアスペクト比が平均値１０〜２５のものは、試験後（熱ストレスを与えた後）に熱膨張係数、熱伝導率、シャルピー衝撃値が、劣化しているものである。
以上から本発明のものは、良好な特性が得られていることが確認された。
【表１】

【００２４】
【実施例２】
本発明の第２の実施例を表２に示し説明する。
上述した実施例１と同様に炭素繊維成形体を作製し、Ａｌ合金中のＳｉ量をそれぞれ変えて含浸複合化を行った。複合化条件は実施例１と同様である。このときの炭素繊維（φ１０μｍ）のアスペクト比は３５のものを使用し、体積充填率は２５％とした。
これら複合材料に熱ストレスを与える熱衝撃試験を行った。試験条件は２００℃の加熱雰囲気と−３０℃の冷却雰囲気を用意して、交互に投げ込む操作を５００回行なった後、熱特性の評価を行った。それを表２に示す。
【００２５】
表２から明らかなように、本発明のものは、低い熱膨張係数と高い熱伝導率を維持しているものであり、良好な特性が得られていることが確認された。特にＳｉが１２〜２５重量％含まれているアルミニウム合金のマトリックスのものは、熱膨張係数、熱伝導率、シャルピー衝撃値のいずれの値も、試験前と試験後で変わら、熱ストレスを与えても特性劣化がなく、低い熱膨張係数と高い熱伝導率を維持したものであることがわかる。
【表２】

【００２６】
【実施例３】
本発明の第３の実施例を表３に示し説明する。
上述した実施例１と同様に炭素繊維成形体を作製し、
Ｓｉ２０重量％を含むアルミニウム合金で含浸複合化を行った。複合化条件は実施例１と同様である。このときの炭素繊維（φ＝１０μｍ）のアスペクト比は３０のものを使用し、体積充填率は２５％とした。
【００２７】
作製した複合材料を前処理として、アルカリ溶液（水酸化ナトリウム）で５０℃で各時間にて表面の脱脂及び表面改質を行い、各露出繊維長になるように併せて行った。更にジンケート処理にてＺｎの下地を１〜２μｍ施した。この上にＮｉメッキ処理を常温、４Ａ／ｃｍ２の電流密度の条件で行い、複合材料表面に厚み２００μｍのＮｉメッキ層を施した（この場合、繊維はメッキ面に対して完全な垂直方向の配向はなく、メッキ面から３０゜以下の傾きで配向している。
【００２８】
これら複合材料に熱ストレスを与える熱衝撃試験を行った。試験条件は２００℃の加熱雰囲気と−３０℃の冷却雰囲気を用意して、交互に投げ込み、メッキ層と複合材料との剥離が発生するまでの回数で評価を行った。剥離の確認はメッキ処理した複合板材断面を光学顕微鏡にて確認した。その結果を表３に示す。
表３から明らかなように、本発明の実施例の全繊維長に対するメッキ部包含繊維の割合が、１／３、１．５／３、１．７／３、２／３のものは、剥離発生迄の回数が、いずれも８００回以上であり、複合材料とメッキ部とが充分に密着されていることがわかる。
これに対して、比較例の全繊維長に対するメッキ部包含繊維の割合が、０．５／３、０．７／３、２．５／３のものは、剥離発生迄の回数が、３６０回以下であり、メッキ部の密着が悪いものであった。以上から本発明のものは、良好な特性が得られていることが確認された。
【表３】

【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、金属マトリックスとしてアルミニウムまたはアルミニウム合金を用いて炭素繊維を分散させ、炭素繊維のアスペクト比が平均値３０〜５０で、かつ炭素繊維の体積充填率が２０〜３５％であることにより、炭素繊維とアルミニウムまたはアルミニウム合金マトリックスの間でアンカー効果が生じ、熱ストレスを与えても特性の劣化が生じることなく熱膨張特性、熱伝導特性を維持でき、また同時に靭性も向上したものである、という効果を有する。これを半導体デバイスを搭載する基板とし、その上にハンダ付け特性の高い金属層を設けることにより、デバイス実装基板との界面に割れ、剥離が発生するおそれの少ない信頼性の高い半導体装置を得ることができ、製造コストの低い装置を提供することができるという効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す図
【符号の説明】
１．アルミニウム基複合材料
２．メッキ層
３．マトリックス
４．５．炭素繊維[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an aluminum-based composite material in which carbon fibers are dispersed, and particularly to an aluminum-based composite material in which carbon fibers are dispersed, which has a low thermal expansion coefficient and high thermal conductivity, and is highly reliable with little deterioration in properties.
[0002]
[Prior art]
Recently, electronic devices and other industrial members are required to have a highly reliable material with low thermal expansion that does not generate thermal distortion and excellent heat conduction in order to improve heat dissipation.
Conventionally, as a material applied to such a requirement, as a material having good thermal expansion characteristics, an Fe-Co alloy (Kovar), a Ni alloy such as 42 alloy, a Cu-W alloy, or the like is generally used. In addition, examples of the material having high thermal conductivity include highly conductive metals such as Cu and Al.
In recent years, a composite material in which carbon fibers having a small thermal expansion coefficient are used as a dispersion material and the matrix is made of aluminum having a high thermal conductivity has been proposed (for example, JP-A-1-319639). JP-A-4-147654).
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described composite material of the prior art, carbon fiber as a dispersion material and aluminum as a matrix have poor wettability, and sufficient interface characteristics cannot be obtained at the time of composite.
Moreover, since the thermal expansion coefficient of carbon fiber is −1 × 10 ⁻⁶ / ° C., and the thermal expansion coefficient of aluminum is 24 × 10 ⁻⁶ / ° C., the difference is large. There is a problem that a large stress is generated at the interface between the fiber and the matrix, and interface peeling occurs, thereby deteriorating thermal expansion characteristics and heat conduction characteristics.
[0004]
In addition, in the above-mentioned prior art, there is disclosure about using carbon fibers having a predetermined aspect ratio, but it has a low thermal expansion coefficient and high thermal conductivity, and obtains a highly reliable one with little deterioration in characteristics. not,
The aspect ratio after the carbon fiber molded body to be dispersed in the composite material and after the carbon fiber molded body is composited with aluminum causes fiber breakage to obtain a predetermined volume filling rate, There was a problem that the aspect ratio could not be maintained.
In view of such problems, the object of the present invention is to provide a highly reliable aluminum base dispersed with carbon fiber that maintains a low thermal expansion coefficient and high thermal conductivity without causing deterioration of characteristics even when thermal stress is applied. A composite material is provided.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is to solve the above-mentioned problems, and in an aluminum-based composite material in which carbon fibers are dispersed in an aluminum or aluminum alloy matrix, the aspect ratio of the carbon fibers is an average value of 30 to 50, and volume filling what rate is 20 to 35% der, the composite material is for metal plating layer is formed in a state that includes carbon fibers exposed on the surface, carbon fibers exposed on the surface of the composite material 50% or more of the carbon fiber is an aluminum-based composite material in which carbon fibers are dispersed, characterized in that 1/3 to 2/3 of the fiber length is included in the plating layer .
[0006]
Further, the present invention is characterized in that the aluminum alloy as a matrix of the aluminum-based composite material is an aluminum alloy containing 12 to 25% by weight of Si .
[0007]
Further, the present invention include those which carbon fibers are dispersed in a matrix of aluminum or an aluminum alloy of the aluminum-based composite material, characterized that you have aligned in a direction to be inhibited thermal expansion of the composite material It is.
[0008]
Furthermore, the present invention is characterized in that the carbon fibers dispersed in the aluminum or aluminum alloy matrix of the aluminum-based composite material have a structure similar to graphite and / or graphite. .
[0009]
[Action]
The composite material of the present invention uses high thermal conductivity aluminum or aluminum alloy as a metal matrix, disperses low thermal expansion carbon fibers as fibers, has an average aspect ratio of carbon fibers of 30 to 50, and contains carbon fibers. Since the volume filling rate is 20 to 35%, an anchor effect occurs between the carbon fiber and the aluminum or aluminum alloy matrix, and the thermal expansion characteristics and the heat conduction characteristics are maintained without deterioration of the characteristics even when thermal stress is applied. Can be obtained, and at the same time, improved toughness can be obtained.
[0010]
In the present invention, the reason why the aspect ratio of the carbon fiber is limited to an average value of 30 to 50 and the volume filling rate is limited to 20 to 35% will be described.
When the aspect ratio of the carbon fiber is smaller than the average value 30, if a thermal stress is applied, a sufficient anchor effect cannot be obtained and a sufficient thermal expansion characteristic cannot be obtained. Further, since sufficient carbon fiber does not exist, the propagation resistance of fracture cracks that prevents the propagation of fracture cracks under a thermal stress load cannot be obtained, and sufficient toughness cannot be obtained.
[0011]
When the aspect ratio of the carbon fiber is larger than the average value of 50, when thermal stress is applied, interfacial peeling occurs due to thermal stress between the carbon fiber and the aluminum or aluminum alloy as a matrix, and the anchor effect cannot be obtained. It is. In the state where no thermal stress is applied, the anchor effect is obtained even if the aspect ratio is larger than the average value 50. However, when the thermal stress is applied, the interface peeling due to the thermal stress occurs between the matrix aluminum or the aluminum alloy and the anchor effect is obtained. It cannot be obtained.
[0012]
This is because the thermal expansion coefficient of carbon fiber is −1 × 10 ⁻⁶ / ° C., whereas the thermal expansion coefficient of aluminum is 24 × 10 ⁻⁶ / ° C., and the difference is large. When applied repeatedly, a large stress is generated at the interface between the carbon fiber and the matrix. If the aspect ratio of the carbon fiber is larger than the average value 50, the interface between the single carbon fiber and the aluminum or the aluminum alloy is long, and interface peeling due to thermal stress occurs and the anchor effect cannot be obtained.
Moreover, when trying to obtain a composite having an average aspect ratio of 50 or less, the carbon fiber is not broken much. If the aspect ratio after compounding is to be made larger than the average value 50, the carbon fiber breaks significantly during compounding, and the volume filling rate cannot be obtained with a predetermined aspect ratio.
Preferably, the carbon fiber has an average aspect ratio of 40 to 45.
[0013]
The reason why the volume filling rate is limited to 20 to 35% is that if the volume filling rate is less than 20, there is no sufficient anchor effect and sufficient thermal expansion characteristics cannot be obtained. On the other hand, if the volume filling rate exceeds 35%, the amount of breakage of the carbon fibers increases at the time of compounding. It also becomes difficult to obtain a fiber molded body.
[0014]
As the matrix aluminum alloy, an aluminum alloy containing 12 to 25% by weight of Si is suitable. In this aluminum alloy, if Si is less than 12% by weight, the difference between the thermal expansion coefficient of the matrix and the thermal expansion coefficient of the carbon fiber is large, the stress at the interface between the carbon fiber and the matrix is increased, and a sufficient anchor effect is obtained. I can't. On the other hand, if Si exceeds 25% by weight, the primary crystal Si increases and the workability deteriorates, and the melting point of the matrix is high even at the time of compounding, impregnation is deteriorated, and complex defects such as cracking and crushing of the complex occur. Will occur.
[0015]
The carbon fibers dispersed in the matrix are preferably oriented in a direction to suppress the thermal expansion of the composite material. When the carbon fibers are oriented in the direction in which the thermal expansion of the composite material is to be suppressed, the anchor effect by setting the aspect ratio to an average value of 30 to 50 can be expressed more effectively.
[0016]
The carbon fibers dispersed in the matrix are preferably graphite and / or have a structure close to graphite.
In the present invention, by setting the aspect ratio of the carbon fiber to an average value of 30 to 50 and a volume filling rate of 20 to 35%, an anchor effect can be obtained without causing interface peeling due to thermal stress, and thermal stress can be reduced. Although it can maintain the thermal expansion characteristics and heat conduction characteristics without causing deterioration of the characteristics even when applied, the carbon fiber having a structure close to that of graphite or graphite is used, which is more sufficient than after composite. Interfacial properties are obtained. This is because a compound such as Al ₃ C ₄ does not occur between the matrix aluminum or aluminum alloy, and interface peeling due to thermal stress does not occur, and a more reliable composite material can be obtained. it can.
[0017]
In addition, the present invention can be used by forming a metal plating layer on the composite material, but when performing metal plating, the metal plating layer is formed in a state including carbon fibers exposed on the surface of the composite material. . The carbon fibers exposed on the surface of the composite material are preferably such that 50% or more of the carbon fibers include 1/3 to 2/3 of the fiber length in the plating layer. Thereby, sufficient adhesion and reliability between the composite material and the plated portion can be obtained against thermal stress.
When the length of the carbon fiber included in the plating layer is larger than 2/3, the adhesiveness with the matrix in the composite material and the anchor effect cannot be obtained under strong heat stress, and sufficient adhesion and reliability are obtained. I can't get sex. If it is smaller than 1/3, the adhesion to the plated portion and the anchor effect cannot be obtained, and sufficient adhesion and reliability cannot be obtained.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
An example of a method for producing an aluminum-based composite material in which carbon fibers of the present invention are dispersed is shown. A carbon fiber having an average aspect ratio of 30 to 50 is stirred into an aqueous solution containing a binder, for example, an inorganic binder as a main component, and slurried. The slurry is put into a mold and vacuum dewatered from the bottom of the mold to form a carbon fiber molded body having a volume filling rate of 20 to 35%. Next, the carbon fiber molded body is dried and preheated, placed in a casting mold having a predetermined cavity, and manufactured by a pressure casting apparatus using a molten metal forging method.
[0019]
Moreover, when the example at the time of metal-plating to the composite material of this invention is shown, the surface of the produced composite material is degreased and surface-modified with an alkaline solution, and carbon fiber is exposed on the surface of the composite material. The carbon fibers to be exposed are such that 50% or more of the carbon fibers expose 1/3 to 2/3 of the fiber length. Then, the surface of the composite material from which the carbon fibers are exposed is plated, and 1/3 to 2/3 of the fiber length is included in the plating layer. As shown in FIG. 1, the carbon fiber (5) is exposed on the surface of the aluminum-based composite material (1) in which the carbon fiber (4) is dispersed in the matrix (3) of aluminum or aluminum alloy, and the plating layer (2 ).
[0020]
The aluminum-based composite material in which the carbon fiber of the present invention is dispersed is suitable as a substrate on which a semiconductor device is mounted. The composite material of the present invention is used as a substrate on which a semiconductor device or the like is mounted, and a metal having excellent solderability thereon. By providing the layer by plating or the like, it is possible to obtain a highly reliable semiconductor device that is less likely to crack and peel off at the interface with the device mounting substrate.
[0021]
[Example 1]
A first embodiment of the present invention will be described with reference to Table 1.
Using carbon fibers (fiber diameter: 10 μm) as a dispersion material, carbon fiber molded bodies were produced with carbon fibers having various aspect ratios. The carbon fiber is stirred into an aqueous solution containing an inorganic binder as a main component to make a slurry, and then this slurry is put into a mold and vacuum dewatered from the bottom of the mold, and the volume filling rate is 25% and the dimensions are 100 mm × 100 mm × A 20 mm fiber molded body was obtained. When carbon fibers having an aspect ratio of greater than 50 were used, the fiber breakage was significant and a volume filling rate of 25% could not be obtained.
At this time, the carbon fiber is oriented in the plane direction due to the resistance during dehydration due to suction dehydration.
Moreover, the aspect ratio of the carbon fiber of a table | surface is an average value in n = 100 or more, and is a measured value about a composite material. That is, the average value of the aspect ratio of 100 or more carbon fibers is 30-50.
[0022]
Next, this carbon fiber molded body was dried and then heated to 700 ° C. in a preheating furnace, and the furnace atmosphere was preheated in an argon atmosphere. Next, the carbon fiber molded body taken out from the preheating furnace was placed in a casting mold having a cavity having the same shape as the carbon fiber molded body and preheated to 250 ° C. Then, after clamping with a pressure casting apparatus using a molten metal forging method, an Al—Si 20% alloy molten metal at 750 ° C. was cast at an injection speed of 10 cm / sec.
This produced a composite material in which carbon fibers were oriented and dispersed in the metal matrix in the plane direction.
[0023]
A thermal shock test for applying thermal stress to these composite materials was performed. As test conditions, a heating atmosphere of 200 ° C. and a cooling atmosphere of −30 ° C. were prepared, and the operation of alternately throwing was performed 500 times, and then the thermal characteristics were evaluated. It is shown in Table 1.
As is apparent from Table 1, when the carbon fiber aspect ratio of the examples of the present invention has an average value of 30 to 50, all the values of the thermal expansion coefficient, the thermal conductivity, and the Charpy impact value are measured before and after the test. It can be seen that it does not change later (after applying thermal stress), and that there is no deterioration in characteristics even when thermal stress is applied, and that it maintains a low thermal expansion coefficient and high thermal conductivity. On the other hand, when the carbon fiber aspect ratio of the comparative example has an average value of 10 to 25, the thermal expansion coefficient, the thermal conductivity, and the Charpy impact value deteriorate after the test (after applying thermal stress). It is what.
From the above, it was confirmed that the present invention has good characteristics.
[Table 1]

[0024]
[Example 2]
A second embodiment of the present invention will be described with reference to Table 2.
A carbon fiber molded body was produced in the same manner as in Example 1 described above, and impregnation was performed by changing the amount of Si in the Al alloy. Compounding conditions are the same as in Example 1. At this time, the carbon fiber (φ10 μm) having an aspect ratio of 35 was used, and the volume filling factor was 25%.
A thermal shock test for applying thermal stress to these composite materials was performed. As test conditions, a heating atmosphere of 200 ° C. and a cooling atmosphere of −30 ° C. were prepared, and after alternately throwing 500 times, the thermal characteristics were evaluated. It is shown in Table 2.
[0025]
As is clear from Table 2, the present invention maintains a low thermal expansion coefficient and a high thermal conductivity, and it was confirmed that good characteristics were obtained. In particular, in the case of an aluminum alloy matrix containing 12 to 25% by weight of Si, the thermal expansion coefficient, the thermal conductivity, and the Charpy impact value are all changed before and after the test and subjected to thermal stress. It can be seen that there is no deterioration in characteristics and that a low thermal expansion coefficient and a high thermal conductivity are maintained.
[Table 2]

[0026]
[Example 3]
A third embodiment of the present invention will be described with reference to Table 3.
A carbon fiber molded body is produced in the same manner as in Example 1 described above,
Impregnation was performed with an aluminum alloy containing 20% by weight of Si. Compounding conditions are the same as in Example 1. At this time, the carbon fiber (φ = 10 μm) having an aspect ratio of 30 was used, and the volume filling rate was 25%.
[0027]
The prepared composite material was pretreated, and the surface was degreased and surface-modified at 50 ° C. for each time with an alkaline solution (sodium hydroxide), and the combined fiber lengths were adjusted accordingly. Further, a Zn base was applied by 1 to 2 μm by a zincate treatment. On this, Ni plating treatment was performed at normal temperature and a current density of 4 A / cm 2, and a Ni plating layer having a thickness of 200 μm was applied on the surface of the composite material (in this case, the fibers were aligned in a completely perpendicular direction with respect to the plating surface). It is oriented with an inclination of 30 ° or less from the plated surface.
[0028]
A thermal shock test for applying thermal stress to these composite materials was performed. As test conditions, a heating atmosphere of 200 ° C. and a cooling atmosphere of −30 ° C. were prepared, cast alternately, and evaluated by the number of times until peeling between the plating layer and the composite material occurred. The peeling was confirmed by checking the cross section of the plated composite plate with an optical microscope. The results are shown in Table 3.
As is apparent from Table 3, the ratio of the plated portion-containing fiber to the total fiber length in the examples of the present invention is 1/3, 1.5 / 3, 1.7 / 3, and 2/3. The number of times until the occurrence is 800 times or more, and it can be seen that the composite material and the plated portion are sufficiently adhered.
On the other hand, when the ratio of the plated portion-containing fibers to the total fiber length of the comparative example is 0.5 / 3, 0.7 / 3, or 2.5 / 3, the number of times until peeling occurs is 360 times. It was as follows and the adhesion of the plating part was bad. From the above, it was confirmed that the present invention has good characteristics.
[Table 3]

[0029]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, carbon fibers are dispersed using aluminum or an aluminum alloy as a metal matrix, the aspect ratio of carbon fibers is an average value of 30 to 50, and the volume filling rate of carbon fibers is 20 When it is ˜35%, an anchor effect is produced between the carbon fiber and the aluminum or aluminum alloy matrix, and thermal expansion characteristics and heat conduction characteristics can be maintained without deterioration of the characteristics even when thermal stress is applied. It has the effect of improving toughness. By using this as a substrate on which a semiconductor device is mounted, and providing a metal layer with high soldering properties thereon, a highly reliable semiconductor device is obtained that is less likely to crack or peel off at the interface with the device mounting substrate. Therefore, it is possible to provide an apparatus with low manufacturing cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of the present invention.
1. 1. Aluminum-based composite material 2. plating layer Matrix 4.5. Carbon fiber

Claims

In an aluminum-based composite material in which carbon fibers are dispersed in an aluminum or aluminum alloy matrix,
The aspect ratio of the carbon fibers is the average value 30-50, and a volume filling rate is I 20 to 35% der,
The composite material has a metal plating layer formed so as to include carbon fibers exposed on the surface, and 50% or more of the carbon fibers exposed on the surface of the composite material are fibers. An aluminum-based composite material in which carbon fibers are dispersed, wherein 1/3 to 2/3 of the length is included in the plating layer .

The aluminum-based composite material in which carbon fibers are dispersed according to claim 1, wherein the aluminum alloy as a matrix is an aluminum alloy containing 12 to 25% by weight of Si.

3. The aluminum group dispersed with carbon fibers according to claim 1, wherein the carbon fibers dispersed in the matrix of aluminum or aluminum alloy are oriented in a direction to suppress thermal expansion of the composite material. Composite material.

The carbon fiber dispersed in the matrix of aluminum or aluminum alloy has a structure close to graphite and / or graphite, and the carbon fiber according to any one of claims 1 to 3 is dispersed. Aluminum matrix composite.