[发明专利]含有微米尺寸以及纳米尺寸的碳纤维两者的金属基复合材料

说明书

技术领域

本发明涉及金属基碳纤维复合材料。更详细地说涉及含有 微米尺寸和纳米尺寸的碳纤维两者的金属基复合材料及其制造 方法。

背景技术

近年来，以半导体装置为首的电子机器的发热量走向增大 的道路。以PC用CPU为例的话，在过去5年间以2倍的速度增加 了消耗电量(古河电工时报第106号、http: //www.furukawa.co.jp/jiho/fj106/fj106_01.pdf(非专利文献 1))，伴随于此，发热量也增大。

作为这样的电子机器的散热对策，一般有使用散热片等散 热装置的方法。在使用散热装置进行冷却的情况下，该散热装 置用材料的热物性会对冷却性能产生大的影响。

应注意的第一热物性是导热系数，优选导热系数高。若导 热系数高，则可向全体散热装置传导热，并可将热有效地向大 气发散。

接着，应注意的第二热物性是热膨胀系数，其优选与应被 冷却的发热部的材料相同。发热部的热通过接触而传递到散热 装置，两者的热膨胀系数不一致的话，不能保持理想的接触状 态，妨碍正常的热传递。

散热装置的材料需要满足上述条件。

以往使用的散热装置的材料主要是铝和铜。它们的导热系 数分别为约200W/(mK)以及约400W/(mK)，比一般的材料 (铁：84W/(mK)、不锈钢14W/(mK)、玻璃1W/(mK)、 树脂1W/(mK)以下)高，廉价且加工性优异。要求一部分的 绝缘性或更高导热性的部分还使用氮化铝(导热系数250W/ (mK)以下)或金刚石(导热系数800～2000W/(mK))那 样的材料，但由于价格高因而通常不使用。

另外，铝和铜的热膨胀系数高(分别为23ppm/K和17ppm/K (都是室温(RT)～100℃))。另一方面，半导体材料硅的 热膨胀系数低(2.6ppm/K(RT～100℃))。因此，使两者接 触而散热的情况下，两者间的热膨胀系数会产生不一致。因此， 将这些材料用于散热装置的情况下在接触部使用润滑脂等保持 两者的接触，然而，润滑脂的导热系数为1W/(mK)左右、与 树脂相同，因而具有较大热阻。

另外，作为近年来受到瞩目的比较廉价且导热性优异的材 料，有金属基碳纤维复合材料。该材料虽然碳纤维方向的导热 系数高(500W/(mK)以上)，但与碳纤维垂直方向的导热系 数为40W/(mK)以下、较低，热膨胀系数容易产生各向异性 (纤维方向为0ppm/K、纤维垂直方向为14ppm/K)。

碳纤维与金属的复合材料在日本特开2004-165665号公 报、日本特开2004-22828号公报(专利文献1以及2)中公开。 这里公开的金属基碳纤维复合材料的制造方法考虑在预先成型 的碳纤维的空隙中压入熔融金属的方法(熔融金属浸渍法)。 特别是上述文献中任一个都未使基体含有纳米纤维，这些文献 所公开的方法中，难以在金属中使纳米纤维分散(纳米纤维、 熔融铝以及熔融镁反应，熔融铜和纳米纤维的湿润性不良未掺 杂。)。另外，WO2005/059194号小册子(专利文献3)中公开 了金属基碳纤维复合材料的制造方法，其抑制金属碳化物的生 成，同时轻量且具有高导热系数，并且可控制热流的方向。该 制造方法包括：将碳纤维与金属粉末物理混合而得到金属纤维 混合物工序；边使金属纤维混合物排列边填充到夹具中的工序； 将夹具设置在大气中、真空中或惰性气氛中，边加压边直接通 入脉冲电流，通过这样得到的发热进行烧结的工序。该出版物 中金属纤维混合物被排列成一个方向，没有公开热膨胀系数等 热特性。

专利文献1：日本特开2004-165665号公报

专利文献2：日本特开2004-22828号公报

专利文献3：国际公开第2005/059194号小册子

非专利文献1：古河电工时报第106号、http: //www.furukawa.co.jp/jiho/fj106/fj106_01.pdf

发明内容

上述那样的金属基碳纤维复合材料、特别是包含一个方向 的碳纤维(微米尺寸)的高导热材料需要对热膨胀系数以及与 碳纤维垂直方向的导热系数进一步改良。另外，伴随着电子机 器的小型轻量化，还要求散热部件的小型轻量化。

本发明是为了解决这样的问题而进行的。