JP7440944B2 - 複合材料および放熱部品 - Google Patents

Description

本発明は、金属と非金属の複合材料と、この複合材料で構成された放熱部品に関する。より詳細には、金属基地内にダイヤモンドや炭化シリコン（ＳｉＣ）のように熱伝導性に優れた物質からなる粒子を均一に分散させたものであり、特に加熱と冷却による熱サイクルが繰り返し加えられても、熱伝導度の低下を防止できる複合材料と、この複合材料からなる放熱部品に関する。

電子機器の高出力化に伴い、電子機器に備える半導体素子の作動時の発熱量が次第に増加する傾向にある。これによって、半導体素子に放熱部品を設置し、半導体素子から発生する熱を外部に放出している。このような放熱部品は、高い熱伝導度とともに、熱膨張係数において半導体素子との差異が小さいことが要求される。

熱伝導度を高め、半導体素子との熱膨張係数を低く維持するために、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、マグネシウム（Ｍｇ）のような金属基地にダイヤモンドや炭化シリコン（ＳｉＣ）のような熱伝導性に優れた粒子を分散させて複合化した複合材料で製作された放熱部品が広く用いられている。このような複合材料としては、Ｃｕ－ダイヤモンド複合材料、Ａｇ－ダイヤモンド複合材料、Ａｌ－ダイヤモンド複合材料、Ｍｇ－ＳｉＣ複合材料、Ａｌ－ＳｉＣ複合材料など多様な組み合わせが知られている。

一方、放熱部品に要求される熱伝導度と熱膨張係数は、適用される製品によって多様であるから、前記複合材料を構成する金属と熱伝導性粒子の組み合わせまたは熱伝導性粒子の体積比の調節が必要である。

ところが、前記複合材料の場合、高い温度で加熱した後には、加熱する前に比べて熱伝導度の劣化が生じるため、実際使用時に最初設計したままの熱伝導度が具現されない問題点がある。

これと関連して、下記特許文献には、複合材料に含まれる酸素含有量を少なくし、緻密化することによって、８００℃で加熱した後の熱伝導度の劣化を５％以内に抑制する方法が開示されている。しかしながら、特許文献１の技術を適用しても、２回、３回以上熱サイクルが繰り返される場合には、熱伝導度の急激な劣化が発生することがある。

日本国特許公開第２０１８－１１１８８３号公報

本発明の一目的は、熱サイクルが加えられても、熱伝導度の劣化が急激に起こることなく、半導体素子に要求される優れた熱伝導度と制御された熱膨張係数を有する複合材料を提供することにある。

本発明の他の目的は、上記した複合材料を用いた放熱部品を提供することにある。

本発明の一目的を達成するための本発明の一態様は、金属基地と、前記金属基地の内部に熱伝導性粒子が分散した組織を有する複合材料であって、前記金属基地は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｍｇまたはこれらの合金からなり、前記熱伝導性粒子は、ダイヤモンドまたはＳｉＣを含み、前記熱伝導性粒子を体積比で１５％～８０％含み、前記複合材料の微細組織において、いずれか一つの熱伝導性粒子の中心とこの熱伝導性粒子に最も隣接する熱伝導性粒子の中心間の距離が２００μｍ以上であり、前記複合材料を前記金属基地の融点より２０～３０％低い温度で加熱した後に測定した熱伝導度が、加熱する前の熱伝導度に対する低下率が５％以下である、複合材料を提供する。

本発明の一目的を達成するための本発明の他の態様は、金属基地と、前記金属基地の内部に熱伝導性粒子が分散した組織を有する複合材料であって、前記金属基地は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｍｇまたはこれらの合金からなり、前記熱伝導性粒子は、ダイヤモンドまたはＳｉＣを含み、前記熱伝導性粒子を体積比で１５％～８０％含み、前記複合材料の微細組織において、前記熱伝導性粒子は、粒子サイズの差異が１５０μｍ以上である大粒子と小粒子を含み、前記大粒子を第１粒子といい、相対的に小粒子を第２粒子というとき、前記第１粒子の中心とこの第１粒子に最も隣接する第１粒子または第２粒子の中心間の距離が２００μｍ以上であり、前記複合材料を前記金属基地の融点より２０～３０％低い温度で加熱した後に測定した熱伝導度が、加熱する前の熱伝導度に対する低下率が５％以下である、複合材料を提供する。

本発明の他の目的を達成するために、本発明は、前記本発明の一態様または他の態様による複合材料で構成された放熱部品を提供する。

本発明による複合材料は、多様な熱伝導度とともに、半導体素子など使用目的に合う熱膨張係数の具現が可能であり、特に加熱と冷却による熱サイクルが繰り返し加えられても、熱伝導度の低下を抑制することができ、信頼性が高い放熱特性を提供する。

本発明の第１実施形態による複合材料の断面において、いずれか一つの熱伝導性粒子の中心とこの熱伝導性粒子に最も隣接する熱伝導性粒子の中心間の距離を求める過程を概略的に示す図である。 本発明の第２実施形態による複合材料の断面において、第１粒子の中心とこの第１粒子に最も隣接する第１粒子または第２粒子の中心間の距離を求める過程を概略的に示す図である。 本発明の第２実施形態による板形状からなる複合材料の厚さ方向の断面組織を説明するための概略図である。 本発明の第３実施形態による複合材料の平面図と断面図である。 本発明の第３実施形態による複合材料において放熱部品におけるセラミック接合部分とチップ実装部分を示す図である。 本発明の第４実施形態による複合材料の断面構造と、この構造によって製造された複合材料からなる板材の断面を示す顕微鏡写真である。 本発明の第５実施形態による複合材料板材の平面を示す顕微鏡写真である。 本発明の実施例の範囲に属する３個の例（実施例１－１～１－３）と、実施例の範囲に属しない１個の例（比較例１）の断面組織を示す図である。 実施例１－１～１－３と比較例１によって製造された複合材料に対して８５０℃まで加熱する熱サイクルを加えた後、加熱する前の熱伝導度と加熱後の熱伝導度を比較した図である。 実施例１－４および比較例２によって製造された複合材料を平断面から観察したイメージである。 実施例１－４および比較例２によって製造された複合材料を平断面から観察したダイヤモンド粒子の中心間の距離の分布を測定した結果を示す図である。 実施例１－４および比較例２によって製造された複合材料に対して常温から８５０℃まで加熱する熱を加えた後、加熱する前の熱伝導度と加熱後の熱伝導度を比較した図である。 本発明の実施例２によって製造された複合板材の厚さ方向の断面を示す写真である。 同じサイズのダイヤモンド粒子を規則的に配列したものと、実施例２によってダイヤモンド傾斜組織で配列したもののダイヤモンド体積比による熱伝導度の差異を示す図である。 本発明の実施例２によって製造されたダイヤモンド粒子が厚さの中心を基準として対称的に配列された複合板材と、ダイヤモンド粒子が無作為で分散した複合板材の加熱後の反り状態を比較した図である。 本発明の実施例３によって製造されたＣｕ／Ｃｕ－Ｍｏ／Ｃｕ／Ｃｕ－Ｍｏ／Ｃｕ積層板材の内部に銅－ダイヤモンド複合材料が埋め込まれた構造の積層板材の断面を示すイメージである。 本発明の実施例３によって製造された銅－ダイヤモンド複合材料が埋め込まれた積層板材と、Ｃｕ／Ｃｕ－Ｍｏ／Ｃｕ／Ｃｕ－Ｍｏ／Ｃｕ積層板材と、銅－ダイヤモンド複合材料の温度による熱膨張係数を測定した結果を示す図である。 本発明の実施例４～１０によって製造された複合材料板材の断面を示すイメージである。

以下、本発明の実施例について添付の図面を参照してその構成および作用を説明することとする。下記において、本発明を説明するに際して、関連した公知機能または構成に関する具体的な説明が本発明の要旨を不明にすることができると判断される場合には、その詳細な説明を省略する。また、任意の部分がどんな構成要素を「含む」というとき、これは、特に反対になる記載がない限り、他の構成要素を除くのではなく、他の構成要素をさらに含んでもよいことを意味する。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態による複合材料は、金属基地と、前記金属基地の内部に熱伝導性粒子が均一に分散した組織を有し、前記金属基地は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｍｇまたはこれらの合金からなり、前記熱伝導性粒子は、ダイヤモンドまたはＳｉＣを含み、前記熱伝導性粒子を体積比で１５％～８０％含み、前記複合材料の微細組織においていずれか一つの熱伝導性粒子の中心とこの熱伝導性粒子に最も隣接する熱伝導性粒子の中心間の距離が２００μｍ以上であり、前記複合材料を前記金属基地の融点より２０～３０％低い温度で加熱した後に測定した熱伝導度が、加熱する前の熱伝導度に対する低下率が５％以下である。

前記「これらの合金」は、Ｃｕ合金、Ａｇ合金、Ａｌ合金、Ｍｇ合金を意味し、それぞれの合金は、主元素であるＣｕ、Ａｇ、ＡｌまたはＭｇを８０重量％以上、好ましくは、９０重量％以上、より好ましくは、９５重量％以上含み、合金成分としては、前記主元素に合金可能な公知のすべての元素を含んでもよく、熱伝導度の低下を最小化できる元素を含むことが好ましい。

前記熱伝導性粒子を体積比で１５％未満で含む場合、熱伝導性が劣り、熱膨張係数をマッチしにくく、８０％超過して含む場合、熱伝導性に優れているが、熱伝導性粒子を結合させることが容易でなく、熱膨張係数が極めて低いため、好ましくない。生産性と特性の観点から、熱伝導性粒子の体積比が１５～６０％であることがさらに好ましく、３０～５０％であることが最も好ましい。

本発明において、前記「熱伝導性粒子の中心」とは、粒子の形状が円形である場合、その中心であり、断面上、不規則な形状を有する粒子の場合、粒子内部に描くことができる最大直径を有する内接円の中心を意味する。また、前記「断面」は、板状でない任意の形状である場合、任意の断面とし、板状からなる複合材料の場合、面に平行な方向の断面または厚さに平行な断面を基準とする。

また、「熱伝導度低下率」は、下記［式１］によって計算する。

［式１］
熱伝導度低下率（％）＝（加熱前の熱伝導度－加熱後の熱伝導度）／（加熱前の熱伝導度）×１００
図１に示されたように、熱伝導性粒子の体積分率が１５％以上であり、同時にいずれか一つの熱伝導性粒子の中心とこの熱伝導性粒子に最も隣接する熱伝導性粒子の中心間の距離Ｄ１が２００μｍ以上を維持することになると、前記複合材料を前記金属基地の融点より２０～３０％低い温度で加熱した後に測定した熱伝導度が、加熱する前の熱伝導度に比べて熱伝導度低下率が５％以下に維持することができる。これによって、本発明による複合材料で構成された放熱部品の製造過程または放熱部品の実装過程または放熱部品の使用時に加えられる熱サイクルによって熱伝導度が急激に低下するのを防止することができる。

いずれか一つの熱伝導性粒子の中心とこの熱伝導性粒子に最も隣接する熱伝導性粒子の中心間の距離Ｄ１は、３００μｍ以上が好ましく、４００μｍ以上がさらに好ましく、５００μｍ以上が最も好ましい。すなわち、粒子の中心間の距離が遠くなるほど熱サイクルに対する熱伝導度の低下に対する抵抗性が大きくなるが、熱伝導性粒子間の距離を大きくする場合、半導体素子などに要求される熱伝導度を具現できないので、熱伝導性粒子の体積分率は、１５％以上にならなければならない。

また、本発明による複合材料は、前記金属基地の融点より２０～３０％低い温度で加熱し、常温に冷却する過程を３回実施した後に測定した熱伝導度が、最初に加熱する前の熱伝導度に比べて熱伝導度低下率が５％以下でありうる。

従来の放熱部品に用いられた複合材料の場合、１回の熱サイクルでは、熱伝導度の低下が多くないが、繰り返される熱サイクルでは、熱伝導度の低下が急激に行われる場合（特に、銅－ダイヤモンド複合材料の場合）が多いが、本発明による複合材料は、このような点を防止することができ、放熱部品の信頼性を大きく向上させることができる。

前記熱伝導性粒子のサイズは、熱伝導性の改善および熱サイクルに対する熱伝導度の劣化に対する抵抗性向上を考慮して、３００μｍ以上であることが好ましく、４００μｍ以上であることがさらに好ましく、５００μｍ以上であることが最も好ましい。

また、前記複合材料は、板（ｐｌａｔｅ）形状からなり、前記熱伝導性粒子は、粒子サイズが３００μｍ以上であり、前記板の平面から見て、いずれか一つの熱伝導性粒子の中心とこの熱伝導性粒子に最も隣接する熱伝導性粒子の中心間の距離は、前記板が平面から観察されるすべての熱伝導性粒子の中心と最も隣接する熱伝導性粒子の中心間の距離の中央値から±２０％以内（さらに好ましくは、±２０％以内）の数値を有していてもよい。上記したサイズのダイヤモンド粒子が単層で配置された場合、前記板の平面から見て、上記のような構造でダイヤモンド粒子が配置されるとき、熱サイクルが繰り返し加えられても、熱伝導度の劣化に対する抵抗性が向上することができるためである。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態による複合材料は、金属基地と、前記金属基地の内部に熱伝導性粒子が分散した組織を有し、前記金属基地は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｍｇまたはこれらの合金からなり、前記熱伝導性粒子は、ダイヤモンドまたはＳｉＣを含み、前記熱伝導性粒子を体積比で１５％～８０％含み、前記複合材料の微細組織において前記熱伝導性粒子は、粒子サイズの差異が１５０μｍ以上である大粒子と小粒子を含み、前記大粒子を第１粒子といい、相対的に小粒子を第２粒子というとき、前記第１粒子の中心とこの第１粒子に最も隣接する第１粒子または第２粒子の中心間の距離が２００μｍ以上であり、前記複合材料を前記金属基地の融点より２０～３０％低い温度で加熱した後に測定した熱伝導度が、加熱する前の熱伝導度に比べて熱伝導度低下率が５％以下である。

また、前記熱伝導性粒子は、多様なサイズのものが混合されて用いられるが、熱伝導性の改善および熱サイクルに対する熱伝導度の劣化に対する抵抗性向上を考慮して、前記第１粒子の好ましいサイズは、３００μｍ以上、４００μｍ以上がさらに好ましく、５００μｍ以上が最も好ましい。また、前記第１粒子が全体熱伝導性粒子に占める体積分率は、３０％以上が好ましく、４０％以上がさらに好ましく、５０％以上であることが最も好ましい。

また、前記第２粒子は、単一の粒度分布からなるものであってもよく、平均粒度が異なるものが混合されたものであってもよい。これによって、前記第２実施形態による複合材料に含まれる熱伝導性粒子のサイズ分布は、双峰分布（ｂｉｍｏｄａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）または多峰分布（ｍｕｌｔｉｍｏｄａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）を成すことができる。

図２に示された前記第１粒子の中心とこの第１粒子に最も隣接する第１粒子または第２粒子の中心間の距離Ｄ１が２００μｍ以上にならない場合、熱サイクルによる熱伝導度の低下を５％以下に低く維持できないので、前記範囲を維持することが好ましい。

前記第１粒子の中心とこの第１粒子に最も隣接する第１粒子または第２粒子の中心間の距離は、２５０μｍ以上が好ましく、３００μｍ以上がさらに好ましい。

本発明の第２実施形態において、前記複合材料は、板（ｐｌａｔｅ）形状からなり、厚さ方向の断面において、前記第１粒子は、前記板の厚さの中心領域に配置され、前記第２粒子は、前記板の表面領域に近く配置されて、厚さの中心領域から表面に行くほど前記熱伝導性粒子のサイズが小さくなる形状からなり得る。

本発明において、「厚さ方向」とは、複合材料が板形状に作られたとき、板の厚さに平行な方向であり、「面方向」とは、板の面に平行な方向を意味する。

ここで、前記第１粒子は、前記板の厚さの中心領域で厚さに垂直な方向に沿って所定間隔をもって配列された形状であってもよい。

図３に示されたように、サイズが最も大きい第１粒子（Ｄ１）が厚さ方向の断面の中心に沿って図面で水平方向に層を成して配列されており、この第１粒子（Ｄ１）の層を中心として第２粒子（Ｄ２）が配置され、粒子のサイズが最も小さい第３粒子（Ｄ３）が表面に最も近接するように配置される対称構造を成す場合、金属基地内に熱伝導性粒子の体積分率を高めることができ、熱伝導度の向上に有利である。

さらに、上記した対称構造は、熱伝導性粒子が無作為で配列されたり、サイズの差異が１５０μｍ以上となる大粒子が一定の間隔をもって規則的に配列されても、上記した対称構造を成していない場合に比べて板状の厚さ方向の熱伝導性が向上し、板の反りを防止するなどの効果を得ることができる。

一方、前記第１実施形態において説明されたことのうち、第２実施形態において説明されないことは、第１実施形態と同一に解すべきであり、以下の実施形態も同一である。

［第３実施形態］
本発明の第３実施形態による複合材料は、第１実施形態または第２実施形態による複合材料の金属基地がＣｕまたはＣｕ合金からなり、前記複合材料が積層板材の内部に埋め込まれているものであり、前記積層板材は、銅（Ｃｕ）または銅（Ｃｕ）合金からなる第１層と、前記第１層上に形成され、銅（Ｃｕ）とモリブデン（Ｍｏ）を含む合金からなる第２層と、前記第２層上に形成され、銅（Ｃｕ）または銅（Ｃｕ）合金からなる第３層と、前記第３層上に形成され、銅（Ｃｕ）とモリブデン（Ｍｏ）を含む合金からなる第４層と、前記第４層上に形成され、銅（Ｃｕ）または銅（Ｃｕ）合金からなる第５層と、を含む。

前記第１層、第３層および第５層は、銅（Ｃｕ）９９．９重量％以上の純銅（Ｃｕ）はもちろん、多様な合金元素を０．１重量％以上含む銅（Ｃｕ）合金からなってもよく、銅（Ｃｕ）合金の場合、放熱特性を考慮して、銅（Ｃｕ）を８０重量％以上、好ましくは、９０重量％以上、より好ましくは、９５重量％以上含んでもよい。

前記第２層および第４層は、銅（Ｃｕ）とモリブデン（Ｍｏ）を含む合金からなるが、この合金は、銅（Ｃｕ）：５～４０重量％、モリブデン（Ｍｏ）：６０～９５重量％含むことが好ましいが、これは、銅（Ｃｕ）の含有量が５重量％未満なら、銅（Ｃｕ）層との結合力を良好に維持しにくく、厚さ方向への熱伝導度が減少し、４０重量％超過なら、面方向の熱膨張係数を低く維持しにくいためである。

前記第１層、第３層および第５層の厚さは、１０～１０００μｍの範囲を維持する場合、放熱板材の面方向の熱膨張係数をセラミック素材と類似した７～１２×１０^－６／Ｋの範囲に維持し、厚さ方向の熱伝導度を３００Ｗ／ｍＫ以上に具現することができるので、前記範囲に維持することが好ましい。前記第２層および第４層の厚さは、１０μｍ未満の場合、面方向の熱膨張係数を７～１２×１０^－６／Ｋの範囲に維持しにくく、６０μｍ超過の場合、厚さ方向の熱伝導度を３００Ｗ／ｍＫ以上に維持しにくいので、１０～６０μｍの範囲に維持することが好ましい。前記第２層および第４層の厚さは、１０μｍ未満の場合、面方向の熱膨張係数を７～１２×１０^－６／Ｋの範囲に維持しにくく、６０μｍ超過の場合、厚さ方向の熱伝導度を３００Ｗ／ｍＫ以上に維持しにくいので、１０～６０μｍの範囲に維持することが好ましい。

図４に示されたように、第３実施形態による複合材料は、ＣｕまたはＣｕ合金基地にダイヤモンド粒子が複合化された複合材料（中心に斜め線の入った部分）をＣｕ／Ｃｕ－Ｍｏ／Ｃｕ／Ｃｕ－Ｍｏ／Ｃｕからなる積層板材の内部に挿入した構造である。ここで、図４に示されたように、半導体チップが実装される部分は、Ｃｕ－ダイヤモンド複合材料の上・下面にＣｕ層だけが存在し、複合材料を除いた残りの部分は、Ｃｕ／Ｃｕ－Ｍｏ／Ｃｕ／Ｃｕ－Ｍｏ／Ｃｕからなることが好ましい。この構造は、図５に示されたように、セラミックが接合される部分は、Ｃｕ／Ｃｕ－Ｍｏ／Ｃｕ／Ｃｕ－Ｍｏ／Ｃｕの積層構造からなるので、セラミックとの熱膨張係数をマッチすることが容易であり、半導体チップと当接する部分は、熱伝導度を高めることができる構造である。

また、第３実施形態による複合材料は、加熱温度の変化（例えば、０℃から８００℃まで加熱する間）にも、熱膨張係数の差異が殆どないため、温度による熱膨張係数の差異が顕著な素材に比べて多様な工程温度に対応することができるという利点がある。

［第４実施形態］
本発明の第４実施形態による複合材料は、第１実施形態または第２実施形態による複合材料が板（ｐｌａｔｅ）形状からなり、前記金属基地がＣｕまたはＣｕ合金からなり、前記板形状の複合材料の上・下面には、銅（Ｃｕ）とモリブデン（Ｍｏ）を含む合金からなる第１層がそれぞれ形成され、前記第１層の外側には、銅（Ｃｕ）または銅（Ｃｕ）合金からなる第２層がそれぞれ形成されている。

図６に示されたような積層構造を有する第４実施形態による複合材料において、前記第１層は、銅（Ｃｕ）とモリブデン（Ｍｏ）を含む合金からなるが、この合金は、銅（Ｃｕ）：５～４０重量％、モリブデン（Ｍｏ）：６０～９５重量％含むことが好ましい。これは、銅（Ｃｕ）の含有量が５重量％未満なら、銅（Ｃｕ）層との結合力を良好に維持しにくく、厚さ方向への熱伝導度が減少し、４０重量％超過なら、面方向の熱膨張係数を低く維持しにくいためである。

前記第２層は、銅（Ｃｕ）９９．９重量％以上の純銅（Ｃｕ）はもちろん、多様な合金元素を０．１重量％以上含む銅（Ｃｕ）合金からなってもよく、銅（Ｃｕ）合金の場合、放熱特性を考慮して、銅（Ｃｕ）を８０重量％以上、好ましくは、９０重量％以上、より好ましくは、９５重量％以上含んでもよい。

前記第１層の厚さは、１０μｍ未満の場合、面方向の熱膨張係数を７～１２×１０^－６／Ｋの範囲に維持しにくく、６０μｍ超過の場合、厚さ方向の熱伝導度を３００Ｗ／ｍＫ以上に維持しにくいので、１０～６０μｍの範囲に維持することが好ましい。前記第２層および第４層の厚さは、１０μｍ未満の場合、面方向の熱膨張係数を７～１２×１０^－６／Ｋの範囲に維持しにくく、６０μｍ超過の場合、厚さ方向の熱伝導度を３００Ｗ／ｍＫ以上に維持しにくいので、１０～６０μｍの範囲に維持することが好ましい。

前記第２層の厚さは、１０～１０００μｍの範囲を維持する場合、放熱板材の面方向の熱膨張係数を１２×１０^－６／Ｋの範囲に維持し、厚さ方向の熱伝導度を３００Ｗ／ｍＫ以上に具現することができるので、前記範囲に維持することが好ましい。

第４実施形態による複合材料は、第３実施形態と同様に、加熱温度の変化（例えば、０℃から８００℃まで加熱する間）にも、熱膨張係数の差異が殆どないので、温度による熱膨張係数の差異が顕著なものに比べて多様な工程温度に対応することができ、好ましい。

［第５実施形態］
本発明の第５実施形態による複合材料は、第１実施形態～第４実施形態による複合材料において前記複合材料が板（ｐｌａｔｅ）形状からなり、前記板形状の面において前記熱伝導性粒子が所定の間隔をもって規則的に配列された形状を有するものである。

図７に示されたように、板材の面に対して縦横に所定の間隔をもって配列されるようなパターン（図７で灰色粒子がダイヤモンド粒子）を形成することができる場合、複合材料からなる板のうち、選択的な熱膨張係数の調節と熱伝導度の調節が可能になる。また、熱伝導性粒子を規則的に配列する場合、無作為で配列するものに比べて、ダイヤモンドのような高価な熱伝導性粒子の使用量を減らしながらも、無作為で配列したものに比べて同等以上の特性具現が可能になる。

熱伝導性粒子を規則的に配列する組織の場合、熱伝導性粒子のサイズが均一であることが好ましい。例えば、粒子サイズの差異が中心値を基準として±２０％以内であってもよく、±１０％以内であることが好ましい。

［第６実施形態］
本発明の第６実施形態による複合材料は、第１実施形態～第５実施形態による複合材料において、前記熱伝導性粒子は、ダイヤモンド粒子であり、前記金属基地とダイヤモンド粒子との界面には、金属炭化物層が形成されている。

金属とダイヤモンド粒子は、濡れ性が低くて、界面に気孔や亀裂のような欠陥が生じることがあり、このような気孔や亀裂は、熱伝導性を顕著に低下させることができるので、最大限抑制することが好ましい。このために、前記金属基地とダイヤモンド粒子との間に濡れ性を向上させることができる金属炭化物層を形成することが好ましい。金属炭化物層は、例えばダイヤモンドの表面に金属をコーティングした後、熱処理または複合化過程に加えられる熱を通じて金属の一部を炭化させる方法で形成されることができるが、必ずこれに限定されるものではなく、金属炭化物層を形成できる公知の方法があれば、適用することができる。

前記金属炭化物層は、好ましくは、周期律表において４族金属であるＴｉ、ＺｒおよびＨｆの中から選ばれた１種以上の炭化物であってもよく、より好ましくは、ＴｉＣであってもよく、この際、Ｔｉが一部残存して、金属基地／Ｔｉ／ＴｉＣ／ダイヤモンド形態の界面構造を形成することもできる。

［第７実施形態］
本発明の第７実施形態による複合材料は、第１実施形態～第６実施形態による複合材料において、前記複合材料は、板（ｐｌａｔｅ）形状からなり、前記金属基地は、銅または銅合金からなり、前記熱伝導性粒子は、ダイヤモンド粒子であり、前記板形状の厚さ方向への熱伝導度は、４５０Ｗ／ｍＫ以上であり、前記板形状の面方向への熱膨張係数は、２５℃～２００℃において３×１０^－６／Ｋ～１３×１０^－６／Ｋである。

［第８実施形態］
本発明の第８実施形態による複合材料は、第１実施形態～第６実施形態による複合材料において、前記複合材料は、板（ｐｌａｔｅ）形状からなり、前記金属基地は、銀または銀合金からなり、前記熱伝導性粒子は、ダイヤモンド粒子であり、前記板形状の厚さ方向への熱伝導度は、６００Ｗ／ｍＫ以上であり、前記板形状の面方向への熱膨張係数は、２５℃～２００℃において３×１０^－６／Ｋ～１３×１０^－６／Ｋである。

［第９実施形態］
本発明の第９実施形態による複合材料は、第１実施形態～第６実施形態による複合材料において、前記複合材料は、板（ｐｌａｔｅ）形状からなり、前記金属基地は、銅または銅合金からなり、前記熱伝導性粒子は、ＳｉＣ粒子であり、前記板形状の厚さ方向への熱伝導度は、３００Ｗ／ｍＫ以上であり、前記板形状の面方向への熱膨張係数は、２５℃～２００℃において３×１０^－６／Ｋ～１３×１０^－６／Ｋである。

［第１０実施形態］
本発明の第１０実施形態による複合材料は、第１実施形態～第６実施形態による複合材料において、前記複合材料は、板（ｐｌａｔｅ）形状からなり、前記金属基地は、マグネシウムまたはマグネシウム合金からなり、前記熱伝導性粒子は、ダイヤモンド粒子および／またはＳｉＣ粒子であり、前記板形状の厚さ方向への熱伝導度は、２００Ｗ／ｍＫ以上であり、前記板形状の面方向への熱膨張係数は、２５℃～２００℃において５×１０^－６／Ｋ～１５×１０^－６／Ｋである。

［第１１実施形態］
本発明の第１１実施形態による複合材料は、第１実施形態～第６実施形態による複合材料において、前記複合材料は、板（ｐｌａｔｅ）形状からなり、前記金属基地は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、前記熱伝導性粒子は、ダイヤモンド粒子および／またはＳｉＣ粒子であり、前記板形状の厚さ方向への熱伝導度は、１５０Ｗ／ｍＫ以上であり、前記板形状の面方向への熱膨張係数は、２５℃～２００℃において５×１０^－６／Ｋ～１５×１０^－６／Ｋである。

第１実施形態～第１１実施形態による複合材料は、次のような多様な方法で製造することができる。

例えば、熱伝導性粒子の表面に電気化学的方法である無電解メッキや、スパッタリング法またはボールミリングのような物理的な方法などの公知のコーティング法を用いて所定厚さの金属コーティング層を形成することによって、金属－熱伝導性複合粒子を製造する。次いで、製造された複合粒子を粒子最大サイズの１．１～１．３倍の厚さとなるようにプレス成形して、厚さ方向に２個以上の粒子が積もらないように単層で作成した後、ＳＰＳ焼結法を用いて熱伝導性粒子が単層に配列された複合シート（ｓｈｅｅｔ）を製作する。このように熱伝導性粒子が単層に配列された複合シートを多数個積層して焼結することによって、厚さ方向にも熱伝導性粒子が配列された複合構造を形成する。

また、他の方法として、所定のパターンまたは孔（ｈｏｌｅ）が形成された金属シート（ｓｈｅｅｔ）にサンドブラスト、プレス、静電気、真空などの手段を用いてシートのパターンまたは孔を活用して所定位置に熱伝導性粒子を均一に分散配置した後、焼結法を通じて金属シートと熱伝導性粒子を結合させて、熱伝導性粒子が単層からなる複合シートを製作する。ここで、前記金属シートの厚さは、好ましくは、熱伝導性粒子の最大サイズの１．１～１．３倍となるようにする。このように製作された複合シートを積層して、厚さ方向にも粒子が配列された構造を形成する。

＜実施例１＞
実施例１では、銅（Ｃｕ）基地（ｍａｔｒｉｘ）にダイヤモンド粒子が均一に分散して複合化された複合材料を製造した。

まず、粒子のサイズが５０μｍ、１５０μｍ、２００μｍ、７００μｍ、８００μｍであるダイヤモンド粉末を準備した。粉末を構成する粒子のサイズは、前記代表値（平均）の±２０％以内（さらに好ましくは、±１０％以内）のサイズを有する均一なサイズのダイヤモンド粒子を用いた。

ダイヤモンド粒子の表面に、ＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いてチタン（Ｔｉ）をコーティングし、ここで、ダイヤモンドとチタン（Ｔｉ）との界面には、ダイヤモンドを構成する炭素（Ｃ）とチタン（Ｔｉ）の一部が反応して、炭化チタン（ＴｉＣ）が形成された。前記チタン（Ｔｉ）層は、一種の結合層（ｂｏｎｄｉｎｇ ｌａｙｅｒ）であり、濡れ性が良くないダイヤモンドと銅（Ｃｕ）間の濡れ性を向上させて、複合化したとき、良好な結合力を有するようにするためのものである。

次に、チタン（Ｔｉ）がコーティングされたダイヤモンド粒子の表面に無電解メッキ法を用いて銅（Ｃｕ）コーティング層を形成した。ここで、銅（Ｃｕ）コーティング層の厚さは、約５０～１００μｍとなるようにした。

次いで、ダイヤモンド粒子がこわれない圧力範囲内でダイヤモンド粒子の最大サイズの１．１～１．３倍の厚さとなるようにプレス成形した。ここで、プレスの成形圧は、２００ＭＰａに設定した。

このようなプレス成形を通じてダイヤモンド粒子が単層を形成した成形体を得た。得られた成形体を放電プラズマ焼結（ｓｐａｒｋ ｐｌａｓｍａ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ）法を用いて１，０００℃で焼結することによって、Ｃｕ－ダイヤモンド複合シートを製作した。このように製作した複合シートを２層、３層、４層、５層など多様な層数で積層した後、さらに焼結して接合させる方法を通じて、所定厚さを有し、ダイヤモンド粒子の体積比を１５％～８０％程度で含み、同時にいずれか一つのダイヤモンド粒子の中心とこのダイヤモンド粒子に最も隣接するダイヤモンド粒子の中心間の距離が、２００μｍ以上で離隔するようにすると同時に、ダイヤモンド粒子と粒子の間には、必ず金属基地である銅（Ｃｕ）が配置された組織を有する複合シート（放熱器板）を製作することができた。

一方、本発明の実施例１では、複合シートを放熱基板に用いる例を提示したが、前記複合シートの間に銅（Ｃｕ）シートや銅－モリブデン（Ｃｕ－Ｍｏ）合金シートを積層し、３層、５層、７層など多様な積層構造を有する放熱基板を製作することもできる。

実施例１によって製作した基板のうち、ダイヤモンド体積比が約３５％であり、厚さ約１，６００μｍで製作された放熱基板の場合、ＸＹ方向（基板の面方向）とＺ方向（厚さ方向）の熱伝導度は、約６００Ｗ／ｍＫであり、２００℃でＸＹ方向（基板の面方向）の熱膨張係数は、１０×１０^－６／Ｋの値を示した。

図８は、実施例１の方法で製造されたものであり、本発明において請求する微細組織の範囲に属する３個の例（実施例１－１～１－３）と、本発明において請求する微細組織の範囲に属しない１個の例（比較例１）の断面組織を示す図である。図８の断面組織において、いずれか一つのダイヤモンド粒子の中心とこのダイヤモンド粒子に最も隣接するダイヤモンド粒子の中心間の距離Ｄ１について測定した結果は、図８に示した数値と同一であった。すなわち、本発明の実施例１－１～１－３の場合、体積比が１７．５％～４０％でダイヤモンド粒子を相当量含むと同時に、いずれか一つのダイヤモンド粒子と最も隣接するダイヤモンド粒子の中心間の距離Ｄ１を２００μｍ以上となるように維持されているのに対し、比較例１の場合、ダイヤモンド粒子の体積比は、４０％であるが、いずれか一つのダイヤモンド粒子の中心とこのダイヤモンド粒子に最も隣接するダイヤモンド粒子の中心間の距離Ｄ１が、約１５０μｍ水準であり、本発明の実施例に比べて近く形成されている。

図９は、実施例１－１～１－３と比較例１によって製造された複合材料に対して８５０℃まで加熱する熱を加えた後、加熱する前の熱伝導度と加熱後の熱伝導度を比較した図である。図９に示されたように、２回～３回の繰り返しの熱サイクルを加えた後にも、実施例１－３の場合、若干の熱伝導度（ＴＣ）の低下があったが、実施例１－１と１－２は、実質的に差異がなかった。

これに対し、比較例１の場合、ダイヤモンドの体積比が４０％相当含まれていて、１回熱サイクルが加えられたときには、熱伝導度が６００Ｗ／ｍＫ程度と高く維持されたが、２回および３回熱サイクルが繰り返された後には、熱伝導度が約３００Ｗ／ｍＫ水準に劣化して、Ｃｕ－ダイヤモンド複合材に要求される高い放熱特性が、熱サイクルが加えられるほど維持されない傾向を示した。

図１０は、実施例１－４および比較例２によって製造された複合材料を平断面から観察したイメージである。

実施例１－４および比較例２は、ダイヤモンド粒子の体積比を同一に７０％にして製造された。図１０に示されたように、実施例１－４は、粒子が平面で互いに当接していない状態で均一に分散した状態を示すが、比較例２は、互いに当接する粒子が存在し、実施例１－４に比べて均一性が劣る組織を有する。

図１１は、実施例１－４および比較例２によって製造された複合材料を平断面から観察したダイヤモンド粒子の中心間の距離の分布を測定した結果を示す図である。

図１１から定量的に確認されるように、実施例１－４の場合、任意のダイヤモンド粒子とこの粒子に最も隣接する粒子の中心間の距離は、中心値９００μｍを基準として±１０％以内に存在するのに対し、比較例２の場合、任意のダイヤモンド粒子とこの粒子に最も隣接する粒子の中心間の距離は、広い分布を示す。

図１２は、実施例１－４および比較例２によって製造された複合材料に対して常温から８５０℃まで加熱する熱を加えた後、加熱する前の熱伝導度と加熱後の熱伝導度を比較した図である。図１２に示されたように、実施例１－４の場合、２回～３回の繰り返しの熱サイクルを加えた後にも、熱伝導度（ＴＣ）の低下が殆どなかったが、比較例２の場合、熱伝導度に顕著な差異が発生した。これから、本発明の実施例１－４による組織からなる複合材料が、複数回の熱サイクルが加えられても、熱伝導度特性の低下を防止するのに有利であることが分かる。

＜実施例２＞
実施例２では、銅（Ｃｕ）基地にサイズの異なる３種のダイヤモンド粒子を複合化した板状複合材料を製造した。

３種のダイヤモンド粒子は、５００μｍ粒子、２００μｍ粒子、１００μｍ粒子をそれぞれ用い、複合材料板材の厚さ方向の断面組織において、中心に沿って５００μｍ粒子が略水平に配列されるようにし、中心から若干外れた領域には、２００μｍ粒子が略水平に配列され、表面の付近には、１００μｍ粒子が略水平に配列されるようにした。

実施例２による板状複合材料は、実施例１と同じ方法を用いてまず５００μｍ粒子の単層からなるＣｕ－ダイヤモンド複合シートと、２００μｍ粒子の単層からなるＣｕ－ダイヤモンド複合シートと、１００μｍ粒子の単層からなるＣｕ－ダイヤモンド複合シートを製造する。

次に、５００μｍ粒子の単層からなるＣｕ－ダイヤモンド複合シートを中間に配置し、その両側に２００μｍ粒子の単層からなるＣｕ－ダイヤモンド複合シート２個を積層配置し、２００μｍ粒子の単層からなるＣｕ－ダイヤモンド複合シートの外側に１００μｍ粒子の単層からなるＣｕ－ダイヤモンド複合シートを積層配置する。

最後に、積層体を放電プラズマ焼結（ｓｐａｒｋ ｐｌａｓｍａ sｉｎｔｅｒｉｎｇ）法を用いて１，０００℃で焼結することによって、実施例２によるＣｕ－ダイヤモンド複合シートを製作した。

実施例２によって製作した基板のうち、ダイヤモンド体積比が約５５％であり、厚さ約１，６００μｍで製作された放熱基板の場合、ＸＹ方向（基板の面方向）とＺ方向（厚さ方向）の熱伝導度は、約７５０Ｗ／ｍＫであり、２００℃でＸＹ方向（基板の面方向）の熱膨張係数は、８×１０^－６／Ｋの値を示した。

図１３は、実施例２による方法で製造した複合板材の厚さ方向の断面写真である。図１３から確認されるように、実施例２によって製造された複合板材は、厚さ方向の断面において中心には最も大粒子が配置され、表面に行くほど粒子のサイズが小さくなる、ダイヤモンド粒子サイズに差異がある傾斜組織を有する。

図１４は、同じサイズのダイヤモンド粒子を規則的に配列したものと、実施例２によってダイヤモンド傾斜組織で配列したもののダイヤモンド体積比による厚さ方向の熱伝導度の差異を示す図である。

図１４から確認されるように、ダイヤモンド粒子の体積比が同一であっても、粒子のサイズが大きいものが、熱伝導度の観点から顕著な差異を示すことが分かる。したがって、熱伝導性粒子に用いられるダイヤモンド粒子の少なくとも５０％以上は、サイズが３００μｍ以上であることが好ましく、４００μｍ以上であることがさらに好ましく、５００μｍ以上であることが最も好ましい。

特に、３００μｍ以上の大粒子と２００μｍ以下の小粒子を実施例２のような傾斜組織で配列ことが、ダイヤモンドの体積比を高めて熱伝導度を向上させることができ、さらに好ましい。また、実施例１と同一に、実施例２による複合素材も、２回～３回の繰り返しの熱サイクルを加えた後にも、熱伝導度（ＴＣ）の低下が殆どなかった。

図１５は、本発明の実施例２によってダイヤモンド粒子が対称的に配列された複合板材と、ダイヤモンド粒子が無作為で分散した複合板材の加熱後の反り状態を比較したものである。図１５から確認されるように、ダイヤモンド粒子が対称的（または規則的）に配列される場合、加熱後に反りがほとんど発生しないが、無作為で分散した複合板材の場合、板材に反りが発生する場合が多かった。

＜実施例３＞
実施例３では、Ｃｕ／Ｃｕ－Ｍｏ／Ｃｕ／Ｃｕ－Ｍｏ／Ｃｕ積層板材の内部に銅－ダイヤモンド複合材料が埋め込まれた構造の複合板材を製造した。

まず、銅（Ｃｕ）板材と銅－モリブデン（Ｃｕ－Ｍｏ）板材をＣｕ／Ｃｕ－Ｍｏ／Ｃｕ／Ｃｕ－Ｍｏ／Ｃｕの順に積層した後、放電プラズマ焼結（ｓｐａｒｋ ｐｌａｓｍａ sｉｎｔｅｒｉｎｇ）法を用いて１，０００℃で焼結することによって、厚さ９００μｍのＣｕ／Ｃｕ－Ｍｏ／Ｃｕ／Ｃｕ－Ｍｏ／Ｃｕ積層板材を製作した。前記積層板材を構成する各層の厚さは、外郭Ｃｕ層２００μｍ、Ｃｕ－Ｍｏ層２００μｍ、中央Ｃｕ層１００μｍにした。

前記積層板材の中心部分を放電ワイヤー加工、ミリング、ウォータージェット、レーザー加工のような公知の加工法を用いて面取りする方式を通じて中心部にウィンドウ（ｗｉｎｄｏｗ）部を形成する。

実施例１の方法を通じてＣｕ－ダイヤモンド複合板材を製作した後、前記ウィンドウ部に挿入されることができるほどの公差を有するようにコイン（ｃｏｉｎ）形状に切断加工する。

コイン（ｃｏｉｎ）形状のＣｕ－ダイヤモンド複合板材を前記積層板材のウィンドウ（ｗｉｎｄｏｗ）部に挿入した後、外郭Ｃｕ層のための厚さ２００μｍのＣｕ板を両側に位置させ、放電プラズマ焼結（ｓｐａｒｋ ｐｌａｓｍａ sｉｎｔｅｒｉｎｇ）法を用いて１，０００℃で焼結することによって、実施例３による複合板材を製作した。

実施例３によって製作されたダイヤモンド体積比３５％Ｃｕ－Ｄｉａｍｏｎｄコイン構造の場合、Ｚ方向（厚さ方向）とＸＹ方向（面方向）の熱伝導度は、約６００Ｗ／ｍｋと高く現れた。また、図１６から確認されるように、２００℃で熱膨張係数は、８．６×１０^－６／Ｋの値を示し、８００℃で熱膨張係数も、セラミックの７．７×１０^－６／Ｋと非常に類似した７．６×１０^－６／Ｋの値を示す。このような特性は、半導体パッケージの製作時に８００℃でセラミックと接合するとき、類似した熱膨張特性で曲がりがなく、接着特性に優れた安定した特性を具現することができるようにする。

このような構造の複合板材は、半導体チップが実装される中心部は、熱伝導度が顕著に優れたＣｕ－ダイヤモンドの複合材料と当接することになり、周辺部は、セラミック素材との熱膨張係数の差異が殆どないＣｕ－Ｍｏ／Ｃｕ／Ｃｕ－Ｍｏ／Ｃｕ積層構造と当接することになって、高価な材料であるダイヤモンドの使用量を減らすことができるだけでなく、セラミック素材との熱膨張係数の差異も顕著に低減できるので、接合時に不良を防止すると同時に、半導体チップから発生する熱を迅速に除去することができるという利点がある。

それだけでなく、図１７に示されたように、この構造の積層板材は、Ｃｕ－Ｍｏ／Ｃｕ／Ｃｕ－Ｍｏ／Ｃｕ積層板材が加熱される温度による熱膨張係数の差異が顕著であることに比べて、０℃から８００℃の範囲まで熱膨張係数の差異が殆どないため、多様な温度領域に適用することもできるという利点がある。

＜実施例４＞
実施例１によって製作したＣｕ／Ｔｉ／ＴｉＣ／ダイヤモンド複合粒子とマグネシウム（Ｍｇ）粒子を撹拌器を用いて混合した。ここで、Ｃｕ／Ｔｉ／ＴｉＣ／ダイヤモンド複合粒子のダイヤモンド粒子のサイズは、５００μｍを用い、マグネシウム（Ｍｇ）粒子は、平均サイズが１００μｍであるものを用いた。前記Ｃｕ／Ｔｉ／ＴｉＣ／ダイヤモンド複合粒子の代わりに、同じ粒子サイズのＴｉ／ＴｉＣ／ダイヤモンド複合粒子を用いることもできる。

実施例１と同一に混合した粒子をダイヤモンド粒子の最大サイズの１．１～１．３倍の厚さとなるようにプレス成形して、ダイヤモンド粒子が単層に配列された成形体を製作した。最後に、実施例１と同じ条件で成形体を焼結して、Ｍｇ－Ｃｕ－ダイヤモンド複合シートを製作した。

Ｍｇ－Ｃｕ－ダイヤモンド複合シートは、このシートを２層、３層、４層など多様な層数で積層して、所定厚さを有する放熱基板を製作することができる。また、マグネシウムシートと積層して、３層、５層、７層など多様な形態の放熱基板を製作することができる。

実施例４によってダイヤモンド単一層が配列された複合シート２個と複合シートの間と複合シートの外側にそれぞれマグネシウムシートを積層配列した後、ＳＰＣ焼結して、最終的にダイヤモンド体積比３５％、厚さ１，５００μｍであり、図１８に示した組織を有する放熱基板を製作した。実施例４による放熱基板の場合、Ｚ方向（厚さ方向）とＸＹ方向（面方向）の熱伝導度は、約５００Ｗ／ｍｋであり、２００℃でＸＹ方向（面方向）の熱膨張係数は、１３×１０^－６／Ｋの値を示した。

実施例４によって製造された複合材料に対して５００℃まで加熱する熱サイクルを加えた後、加熱する前の熱伝導度と加熱後の熱伝導度を比較した結果、３回の繰り返しの熱サイクルを加えた後にも、熱伝導度低下率が５％以下であった。

＜実施例５＞
実施例１によって製作したＣｕ／Ｔｉ／ＴｉＣ／ダイヤモンド複合粒子と銀（Ａｇ）粒子を撹拌器を用いて混合した。ここで、Ｃｕ／Ｔｉ／ＴｉＣ／ダイヤモンド複合粒子のダイヤモンド粒子のサイズは、２００μｍを用い、銀（Ａｇ）粒子は、平均サイズが１００μｍであるものを用いた。前記Ｃｕ／Ｔｉ／ＴｉＣ／ダイヤモンド複合粒子の代わりに、同じ粒子サイズのＴｉ／ＴｉＣ／ダイヤモンド複合粒子を用いることもできる。

実施例１と同一に混合した粒子をダイヤモンド粒子の最大サイズの１．１～１．３倍の厚さとなるようにプレス成形して、ダイヤモンド粒子が単層に配列された成形体を製作した。最後に、実施例１と同じ条件で成形体を焼結して、Ａｇ－Ｃｕ－ダイヤモンド複合シートを製作した。

Ａｇ－Ｃｕ－ダイヤモンド複合シートは、実施例４と同一にこのシートを２層、３層、４層など多様な層数で積層して、所定厚さを有する放熱基板を製作することができる。また、銀（Ａｇ）シートと積層して、３層、５層、７層など多様な形態の放熱基板を製作することができる。

実施例５によってダイヤモンド単一層が配列された複合シート６個を積層配列した後、ＳＰＣ焼結して、最終的にダイヤモンド体積比３５％、厚さ１，５００μｍであり、図１８に示した組織を有する放熱基板を製作した。実施例５による放熱基板の場合、Ｚ方向（厚さ方向）とＸＹ方向（面方向）の熱伝導度は、約６００Ｗ／ｍｋであり、２００℃でＸＹ方向（面方向）の熱膨張係数は、１３×１０^－６／Ｋの値を示した。

実施例５によって製造された複合材料に対して９００℃まで加熱する熱サイクルを加えた後、加熱する前の熱伝導度と加熱後の熱伝導度を比較した結果、３回の繰り返しの熱サイクルを加えた後にも、熱伝導度低下率が５％以下であった。

＜実施例６＞
実施例１によって製作したＣｕ／Ｔｉ／ＴｉＣ／ダイヤモンド複合粒子とアルミニウム（Ａｌ）粒子を撹拌器を用いて混合した。ここで、Ｃｕ／Ｔｉ／ＴｉＣ／ダイヤモンド複合粒子のダイヤモンド粒子のサイズは、２００μｍを用い、アルミニウム（Ａｌ）粒子は、平均サイズが１００μｍであるものを用いた。前記Ｃｕ／Ｔｉ／ＴｉＣ／ダイヤモンド複合粒子の代わりに、同じ粒子サイズのＴｉ／ＴｉＣ／ダイヤモンド複合粒子を用いることもできる。

実施例１と同一に混合した粒子をダイヤモンド粒子の最大サイズの１．１～１．３倍の厚さとなるようにプレス成形して、ダイヤモンド粒子が単層に配列された成形体を製作した。最後に、実施例１と同じ条件で成形体を焼結して、Ａｌ－Ｃｕ－ダイヤモンド複合シートを製作した。

Ａｌ－Ｃｕ－ダイヤモンド複合シートは、実施例４と同一に、このシートを２層、３層、４層など多様な層数で積層して、所定厚さを有する放熱基板を製作することができる。また、アルミニウム（Ａｌ）シートと積層して、３層、５層、７層など多様な形態の放熱基板を製作することができる。

実施例６によってダイヤモンド単一層が配列された複合シート６個を積層配列した後、ＳＰＣ焼結して、最終的にダイヤモンド体積比３５％、厚さ１，６００μｍであり、図１８に示した組織を有する放熱基板を製作した。実施例６による放熱基板の場合、Ｚ方向（厚さ方向）とＸＹ方向（面方向）の熱伝導度は、約５００Ｗ／ｍｋであり、２００℃でＸＹ方向（面方向）の熱膨張係数は、１３×１０^－６／Ｋの値を示した。

実施例６によって製造された複合材料に対して５００℃まで加熱する熱サイクルを加えた後、加熱する前の熱伝導度と加熱後の熱伝導度を比較した結果、３回の繰り返しの熱サイクルを加えた後にも、熱伝導度低下率が５％以下であった。

＜実施例７＞
実施例７では、銅（Ｃｕ）基地（ｍａｔｒｉｘ）にＳｉＣ粒子が均一に分散して複合化された複合材料を製造した。

まず、粒子のサイズが５００μｍであるＳｉＣ粉末を準備した。粉末を構成する粒子のサイズは、前記代表値の±２０％以内（好ましくは、±１０％以内）のサイズを有する均一なサイズのＳｉＣ粒子を用いた。

ボールミル法を用いて、銅粒子とＳｉＣ粒子を強く混合して、ＳｉＣ粒子の表面に銅粒子が付着した状態になるようにした。

次いで、ＳｉＣ粒子がこわれない圧力範囲内でＳｉＣ粒子の最大サイズの１．１～１．３倍の厚さとなるようにプレス成形した。成形圧は、１００ＭＰａに設定した。

このようなプレス成形を通じてＳｉＣ粒子が単層に配列された成形体を得た。得られた成形体を放電プラズマ焼結（ｓｐａｒｋ ｐｌａｓｍａ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ）法を用いて１，０００℃で焼結することによって、Ｃｕ－ＳｉＣ複合シートを製作した。このように製作した複合シートを２層、３層、４層、５層など多様な層数で積層した後、さらに焼結して接合させる方法を通じて、所定厚さを有し、ダイヤモンド粒子の体積比を１５％～８０％程度で含み、同時にいずれか一つのＳｉＣ粒子の中心とこのＳｉＣ粒子に最も隣接するＳｉＣ粒子の中心間の距離が２００μｍ以上で離隔するようにする組織を有する複合シート（放熱基板）を製作した。

また、ＳｉＣ粒子が単層に配列された複合シートと銅（Ｃｕ）シートまたは銅－モリブデン（Ｃｕ－Ｍｏ）シートを積層して、３層、５層、７層など多様な積層構造を有する放熱基板を製作することもできる。

実施例７によってＳｉＣ単一層が配列された複合シート４個を積層配列した後、ＳＰＣ焼結して、最終的に、ＳｉＣ体積比４５％、厚さ２，５００μｍであり、図１８に示した組織を有する放熱基板を製作した。実施例７による放熱基板の場合、Ｚ方向（厚さ方向）とＸＹ方向（面方向）の熱伝導度は、約３５０Ｗ／ｍｋであり、２００℃でＸＹ方向（面方向）の熱膨張係数は、１２×１０^－６／Ｋの値を示した。

実施例７によって製造された複合材料に対して８５０℃まで加熱する熱サイクルを加えた後、加熱する前の熱伝導度と加熱後の熱伝導度を比較した結果、３回の繰り返しの熱サイクルを加えた後にも熱伝導度低下率が５％以下であった。

＜実施例８＞
実施例７による方法と同じ方法でＳｉＣ粒子とマグネシウム（Ｍｇ）粒子の複合シートを製作した。ここで、用いられたＳｉＣ粒子とマグネシウム（Ｍｇ）粒子のサイズと体積比は、同一にした。ただし、プレス成形圧は、１００ＭＰａにし、ＳＰＣ焼結温度は、５５０℃にした。

実施例８によってＳｉＣ単一層が配列された複合シート４個を積層配列した後、ＳＰＣ焼結して、最終的に、ＳｉＣ体積比４５％、厚さ２，５００μｍであり、図１８に示した組織を有する放熱基板を製作した。実施例８による放熱基板の場合、Ｚ方向（厚さ方向）とＸＹ方向（面方向）の熱伝導度は、約２５０Ｗ／ｍｋであり、２００℃でＸＹ方向（面方向）の熱膨張係数は、１３×１０^－６／Ｋの値を示した。

実施例８によって製造された複合材料に対して５００℃まで加熱する熱サイクルを加えた後、加熱する前の熱伝導度と加熱後の熱伝導度を比較した結果、３回の繰り返しの熱サイクルを加えた後にも、熱伝導度低下率が５％以下であった。

＜実施例９＞
実施例７による方法と同じ方法でＳｉＣ粒子と銀（Ａｇ）粒子の複合シートを製作した。ここで、用いられたＳｉＣ粒子と銀（Ａｇ）粒子のサイズと体積比は、同一にした。ただし、プレス成形圧は、１００ＭＰａにし、ＳＰＣ焼結温度は、９００℃にした。

実施例９によってＳｉＣ単一層が配列された複合シート４個を積層配列した後、ＳＰＣ焼結して、最終的に、ＳｉＣ体積比４５％、厚さ２，５００μｍであり、図１８に示した組織を有する放熱基板を製作した。実施例９による放熱基板の場合、Ｚ方向（厚さ方向）とＸＹ方向（面方向）の熱伝導度は、約３５０Ｗ／ｍｋであり、２００℃でＸＹ方向（面方向）の熱膨張係数は、１３×１０^－６／Ｋの値を示した。

実施例９によって製造された複合材料に対して８５０℃まで加熱する熱サイクルを加えた後、加熱する前の熱伝導度と加熱後の熱伝導度を比較した結果、３回の繰り返しの熱サイクルを加えた後にも、熱伝導度低下率が５％以下であった。

＜実施例１０＞
実施例７による方法と同じ方法でＳｉＣ粒子とアルミニウム（Ａｌ）粒子の複合シートを製作した。ここで、用いられたＳｉＣ粒子とアルミニウム（Ａｌ）粒子のサイズと体積比は、同一にした。ただし、プレス成形圧は、１００ＭＰａにし、ＳＰＣ焼結温度は、５５０℃にした。

実施例１０によってＳｉＣ単一層が配列された複合シート４個を積層配列した後、ＳＰＣ焼結して、最終的に、ＳｉＣ体積比４５％、厚さ２，５００μｍであり、図１８に示した組織を有する放熱基板を製作した。実施例１０による放熱基板の場合、Ｚ方向（厚さ方向）とＸＹ方向（面方向）の熱伝導度は、約２００Ｗ／ｍｋであり、２００℃でＸＹ方向（面方向）の熱膨張係数は、１３×１０^－６／Ｋの値を示した。

実施例１０によって製造された複合材料に対して５００℃まで加熱する熱サイクルを加えた後、加熱する前の熱伝導度と加熱後の熱伝導度を比較した結果、３回の繰り返しの熱サイクルを加えた後にも、熱伝導度低下率が５％以下であった。

Claims (10)

1. 金属基地と、前記金属基地の内部に熱伝導性粒子が分散した組織を有する複合材料であって、
   前記金属基地は、ＣｕまたはＣｕ合金からなり、
   前記熱伝導性粒子は、ダイヤモンドを含み、
   前記熱伝導性粒子は、粒子サイズが３００μｍ以上であり、
   前記熱伝導性粒子を体積比で１５％～８０％含み、
   前記複合材料の微細組織において、いずれか一つの熱伝導性粒子の中心とこの熱伝導性粒子に最も隣接する熱伝導性粒子の中心間の距離が２００μｍ以上であり、
   前記いずれか一つの熱伝導性粒子と最も隣接する熱伝導性粒子は、互いに当接せず、それらの間には、金属基地が介在されており、
   前記複合材料を前記金属基地の融点より２０～３０％低い温度（摂氏温度）で加熱した後に測定した熱伝導度が、加熱する前の熱伝導度に比べて熱伝導度低下率が５％以下であり、
   前記複合材料を前記金属基地の融点より２０～３０％低い温度（摂氏温度）で加熱し、常温に冷却する過程を３回実施した後に測定した熱伝導度が、最初に加熱する前の熱伝導度に比べて熱伝導度低下率が５％以下である、複合材料。
2. 前記複合材料は、板（ｐｌａｔｅ）形状からなり、
   前記板の平面から見るとき、いずれか一つの熱伝導性粒子の中心とこの熱伝導性粒子に最も隣接する熱伝導性粒子の中心間の距離は、前記板が平面から観察されるすべての熱伝導性粒子の中心と最も隣接する熱伝導性粒子の中心間の距離の中央値から±２０％以内の数値を有する、請求項１に記載の複合材料。
3. 前記複合材料は、積層板材の内部に埋め込まれており、
   前記積層板材は、銅（Ｃｕ）または銅（Ｃｕ）合金からなる第１層と、前記第１層上に形成され、銅（Ｃｕ）とモリブデン（Ｍｏ）を含む合金からなる第２層と、前記第２層上に形成され、銅（Ｃｕ）または銅（Ｃｕ）合金からなる第３層と、前記第３層上に形成され、銅（Ｃｕ）とモリブデン（Ｍｏ）を含む合金からなる第４層と、前記第４層上に形成され、銅（Ｃｕ）または銅（Ｃｕ）合金からなる第５層と、を含む、請求項１または２に記載の複合材料。
4. 前記複合材料は、板（ｐｌａｔｅ）形状からなり、
   前記板形状の複合材料の上・下面には、銅（Ｃｕ）とモリブデン（Ｍｏ）を含む合金からなる第１層がそれぞれ形成され、前記第１層の外面には、銅（Ｃｕ）または銅（Ｃｕ）合金からなる第２層がそれぞれ形成される、請求項１または２に記載の複合材料。
5. 前記複合材料は、板（ｐｌａｔｅ）形状からなり、
   前記板形状の面に沿って、前記熱伝導性粒子は、実質的に所定間隔をもって規則的に配列された形状を有する、請求項１または２に記載の複合材料。
6. 前記熱伝導性粒子は、ダイヤモンド粒子であり、
   前記金属基地とダイヤモンド粒子との界面には、金属炭化物層が形成されている、請求項１または２に記載の複合材料。
7. 前記金属炭化物は、ＴｉＣである、請求項６に記載の複合材料。
8. 前記いずれか一つの熱伝導性粒子の中心とこの熱伝導性粒子に最も隣接する熱伝導性粒子の中心間の距離が４００μｍ以上である、請求項１に記載の複合材料。
9. 前記複合材料は、板（ｐｌａｔｅ）形状からなり、
   前記熱伝導性粒子は、ダイヤモンド粒子であり、
   前記板形状の厚さ方向への熱伝導度は、４５０Ｗ／ｍＫ以上であり、
   前記板形状の面方向への熱膨張係数は、２５℃～２００℃において３×１０^－６／Ｋ～１３×１０^－６／Ｋである、請求項１または２に記載の複合材料。
10. 請求項１または２に記載の複合材料を含む放熱部品。