(57)【要約】【課題】金属複合材料同士が強固に接合した金属複合材料集合体等を提供する。【解決手段】本金属複合材料集合体は、炭素材料及び金属粉末を含む金属複合材料が複数接合した金属複合材料集合体であって、各々の前記金属複合材料の表面はエッチング面とされており、各々の前記金属複合材料は、互いのエッチング面同士が接触した状態で接合されている。【選択図】図２
2014201786.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素材料及び金属粉末を含む金属複合材料が複数接合した金属複合材料集合体であって、
各々の前記金属複合材料の表面はエッチング面とされており、
各々の前記金属複合材料は、互いのエッチング面同士が接触した状態で接合されていることを特徴とする金属複合材料集合体。
【請求項２】
各々の前記金属複合材料は、
破壊されていない前記金属粉末の母結晶組織層と、
前記母結晶組織層の周囲に形成された、前記金属粉末の母結晶が微細化された微細結晶組織層と、を有し、
前記微細結晶組織層の表面が前記エッチング面とされていることを特徴とする請求項１記載の金属複合材料集合体。
【請求項３】
各々の前記金属複合材料のエッチング面に露出した前記金属粉末の微細結晶同士が接合されていることを特徴とする請求項２記載の金属複合材料集合体。
【請求項４】
各々の前記金属複合材料のエッチング面には、前記炭素材料の一部が露出していることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項記載の金属複合材料集合体。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れか一項記載の金属複合材料集合体が、所定の面に形成されたことを特徴とする放熱部品。
【請求項６】
炭素材料と金属粉末とに対して、前記炭素材料が粉砕され得る強度の機械的衝撃力を加えることにより、前記金属粉末の表面に前記炭素材料を凝着させ、内層よりも前記炭素材料を多く含有する凝着層を最表層に形成する凝着工程と、
前記凝着層をエッチングにより除去し、前記内層の表面をエッチング面として露出するエッチング工程と、を有する金属複合材料の製造方法。
【請求項７】
前記凝着工程では、中心部に破壊されていない前記金属粉末の母結晶組織層、前記母結晶組織層の周囲に前記金属粉末の母結晶が微細化された微細結晶組織層、前記微細結晶組織層の周囲に前記凝着層、が形成され、
前記エッチング工程では、前記凝着層が除去されて前記微細結晶組織層が最表層となり、前記微細結晶組織層の表面がエッチング面となる請求項６記載の金属複合材料の製造方法。
【請求項８】
前記エッチング工程では、前記エッチング面に、前記炭素材料の一部が露出する請求項６又は７記載の金属複合材料の製造方法。
【請求項９】
炭素材料と金属粉末とに対して、前記炭素材料が粉砕され得る強度の機械的衝撃力を加えることにより、前記金属粉末の表面に前記炭素材料を凝着させ、内層よりも前記炭素材料を多く含有する凝着層を最表層に形成する凝着工程と、
前記凝着層をエッチングにより除去し、前記内層の表面をエッチング面として露出するエッチング工程と、を含む工程により複数の金属複合材料を作製し、
各々の前記金属複合材料を加熱して、互いのエッチング面同士が接触した状態で接合する金属複合材料集合体の製造方法。
【請求項１０】
前記凝着工程では、中心部に破壊されていない前記金属粉末の母結晶組織層、前記母結晶組織層の周囲に前記金属粉末の母結晶が微細化された微細結晶組織層、前記微細結晶組織層の周囲に前記凝着層、が形成され、
前記エッチング工程では、前記凝着層が除去されて前記微細結晶組織層が最表層となり、前記微細結晶組織層の表面がエッチング面となり、
各々の前記金属複合材料のエッチング面に露出した前記金属粉末の微細結晶同士が接合されることを特徴とする請求項９記載の金属複合材料集合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属複合材料の製造方法、金属複合材料集合体及びその製造方法、放熱部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）等に使用される半導体素子は動作時に高温となるため、その熱を速やかに外部に放熱することは、半導体素子の性能を発揮する上で極めて重要である。
【０００３】
そこで、近年、半導体素子上にヒートスプレッダやヒートパイプ、ベーパチャンバ等を装着して、半導体素子が発する熱を外部に有効に放出する経路を確保することが行われている。又、ヒートスプレッダやヒートパイプ、ベーパチャンバ等の放熱性能（熱放射性）を向上する検討が行われている。
【０００４】
例えば、ヒートパイプやベーパチャンバ等では、細い銅線を編んだウイックや銅粉末の焼結体のウイックを使用することにより、作動流体との接触面積を大きくして放熱効率を向上させている。又、ウイックとして炭素材料と金属粉末とを含む金属複合材料を用いることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−１５３９４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、炭素材料と金属粉末とを含む金属複合材料は、熱伝導度に優れている点では好適であるが、表面に多数の炭素材料が露出すると以下のような問題が生じる場合があった。すなわち、例えば、多数の金属複合材料から焼結体を生成するときに、隣接する金属複合材料間に炭素材料が介在するため、金属同士が強固に接合できずに崩れてしまい、目的とする機能を果たせない場合があった。
【０００７】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、金属複合材料同士が強固に接合した金属複合材料集合体等を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本金属複合材料集合体は、炭素材料及び金属粉末を含む金属複合材料が複数接合した金属複合材料集合体であって、各々の前記金属複合材料の表面はエッチング面とされており、各々の前記金属複合材料は、互いのエッチング面同士が接触した状態で接合されていることを要件とする。
【発明の効果】
【０００９】
開示の技術によれば、金属複合材料同士が強固に接合した金属複合材料集合体等を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１の実施の形態に係る金属複合材料を例示する断面模式図である。
【図２】第１の実施の形態に係る金属複合材料集合体を例示する断面模式図である。
【図３】第１の実施の形態に係る金属複合材料の製造工程を例示するフローチャートである。
【図４】高速衝突装置を例示する模式図である。
【図５】製造過程の金属複合材料を例示する断面模式図である。
【図６】第２の実施の形態に係る放熱部品を例示する断面図である。
【図７】第２の実施の形態に係る放熱部品の製造工程を例示する図である。
【図８】第３の実施の形態に係る放熱部品を例示する断面図である。
【図９】第３の実施の形態に係る放熱部品の製造工程を例示する図である。
【図１０】第４の実施の形態に係る放熱部品を例示する断面図である。
【図１１】第５の実施の形態に係る半導体装置を例示する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。なお、各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
【００１２】
〈第１の実施の形態〉
［第１の実施の形態に係る金属複合材料及び金属複合材料集合体の構造］
第１の実施の形態に係る金属複合材料は、表面が活性化されて親水性が付与された炭素材料が金属粉末の表面に凝着され、凝着された炭素材料が表面の一部に露出されたものである。具体的には、金属複合材料は、金属粉末の表面及び表面直下に、機械的エネルギーによって粉砕された炭素材料及び未粉砕の炭素材料が凝着され、それら炭素材料が表面の一部に露出されたものである。より具体的には、金属複合材料は、その表面が上述した炭素材料と金属粉末の結晶粒とによって凹凸状に形成されたものである。又、第１の実施の形態に係る金属複合材料集合体は、上記金属複合材料が複数接合して集合体を形成したものである。
【００１３】
以下、図面を参照しながら、第１の実施の形態に係る金属複合材料及び金属複合材料集合体の構造について具体的に説明する。
【００１４】
図１は、第１の実施の形態に係る金属複合材料を例示する断面模式図である。図１を参照するに、金属複合材料１０は、母結晶組織層１１と、微細結晶組織層１２と、炭素材料１３とを有する。金属複合材料１０の形状は、例えば、直径が７５〜１５０μｍ程度の球状とすることができる。但し、本願でいう球状とは、おおよそ球のような形状という程度の意味であり、厳密な球の形状を意味するものではない。
【００１５】
金属複合材料１０の略中心部には、破壊されていない金属粉末の母結晶組織層１１が形成されている。母結晶組織層１１の形状は、例えば、直径が７０〜１４０μｍ程度の球状とすることができる。金属粉末としては、例えば銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、鉛（Ｐｂ）、錫（Ｓｎ）、インジウム（Ｉｎ）等の金属の粉末、又はこれらの金属を少なくとも一種以上含む合金（はんだ等）の粉末を用いることができる。なお、金属粉末は、粒径の異なる同一種類の金属粉末を混合して用いてもよい。金属粉末として銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）等の熱伝導度の高い材料を用いることにより、金属複合材料１０の熱伝導度を向上できる。
【００１６】
母結晶組織層１１の周囲には、機械的衝撃力によって金属粉末の母結晶が微細化された微細結晶組織層１２が形成されている。微細結晶組織層１２には、未粉砕又は粉砕された炭素材料１３が埋め込まれている。微細結晶組織層１２の表面（金属複合材料１０の最表面）は、エッチング面１２ｓ（詳しくは後述）とされている。微細結晶組織層１２の層厚は、例えば、５〜１０μｍ程度とすることができる。
【００１７】
炭素材料１３としては、例えば、アモルファス炭素、炭素繊維、ナノカーボン等を用いることができる。ナノカーボンとしては、例えば、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、グラファイト（黒鉛）、グラフェン、フラーレン、ナノダイアモンド等の結晶性を有するカーボン材を用いることができる。なお、これらの炭素材料は、単独で用いてもよいし、複数種を組み合わせて用いてもよい。炭素材料１３として、結晶性の高いナノカーボン（例えば、カーボンナノチューブやグラファイト等）を用いることにより、熱伝導度のより高い金属複合材料１０を得ることができる。
【００１８】
炭素材料１３の含有量は、金属複合材料１０に対して、例えば、０．１質量％〜５質量％程度とすることができる。なお、金属複合材料１０中の炭素材料１３の含有量は、超高分解能ＦＥ−ＳＥＭや透過型電子顕微鏡による形態観察や、元素分析及び「ＪＩＳ Ｚ ２６１５ 金属材料の炭素定量方法通則」にしたがって分析することにより測定できる。
【００１９】
図２は、第１の実施の形態に係る金属複合材料集合体を例示する断面模式図である。図２を参照するに、金属複合材料集合体２０は、炭素材料及び金属粉末を含む複数の金属複合材料１０が、互いのエッチング面１２ｓ同士が接触した状態で接合された構造を有する。図２は模式的に示されているが、実際には極めて多数の金属複合材料１０が接合して金属複合材料集合体２０を構成している。
【００２０】
微細結晶組織層１２の表面であるエッチング面１２ｓの一部の領域には炭素材料１３の一部が露出しているが、エッチング面１２ｓの多くの領域には金属粉末の母結晶が微細化された微細結晶が露出している。そのため、金属粉末の微細結晶同士が接して互いに接合されることによって、隣接する金属複合材料１０間に強固な接合が得られる。
【００２１】
エッチング面１２ｓの表面積における、金属粉末の微細結晶が露出する領域の占める表面積の比率は、５０％以上とすることが好ましい。なお、炭素材料１３はエッチング面１２ｓの一部の領域にしか露出していないが、微細結晶組織層１２の内部には多数埋め込まれているため、各金属複合材料１０は、良好な濡れ性及び良好な熱伝導度を示す。
【００２２】
［第１の実施の形態に係る金属複合材料及び金属複合材料集合体の製造方法］
次に、第１の実施の形態に係る金属複合材料集合体の製造方法について説明する。図３は、第１の実施の形態に係る金属複合材料の製造工程を例示するフローチャートである。なお、ここでは、金属粉末として銅粉末を使用し、炭素材料としてカーボンナノチューブを使用して金属複合材料を作製する方法を説明する。
【００２３】
まず、ステップ１００（Ｓ１００）では、銅粉末とカーボンナノチューブとを混合する（混合工程）。銅粉末とカーボンナノチューブとの混合割合は、特に限定されないが、例えば０．１質量％〜５質量％程度のカーボンナノチューブが混合物中に含まれるようにすることができる。又、銅粉末の粒子形状や粒径は特に限定されないが、例えば４０μｍ〜３ｍｍ程度の粒径の銅粉末を使用することができる。このような混合割合及び粒径とすることにより、次の凝着工程において好適にカーボンナノチューブを銅粉末に凝着させることができる。
【００２４】
なお、カーボンナノチューブは、六角網目状のグラファイトシート（グラフェン）が円筒状をなした構造を有している。カーボンナノチューブとしては、単層カーボンナノチューブを用いてもよいし、多層カーボンナノチューブを用いてもよい。又、フラーレンを内包したカーボンナノチューブを用いてもよい。カーボンナノチューブの製法としては、特に限定されず、例えばアーク放電法、レーザー蒸発法、化学気相成長法等が挙げられる。
【００２５】
次に、ステップ１１０（Ｓ１１０）では、銅粉末とカーボンナノチューブとを凝着させる（凝着工程）。具体的には、銅粉末とカーボンナノチューブとの混合物にカーボンナノチューブが粉砕され得る強度の機械的衝撃力を加えることによって、銅粉末の表面及び表面直下内部にカーボンナノチューブが凝着される。このような機械的衝撃力を与える方法としては、例えば図４に示す高速衝突装置２００を用いる方法が挙げられる。ここで、まず、高速衝突装置２００の構造について説明する。
【００２６】
高速衝突装置２００は、円筒状のステータ２１０とステータ２１０の両端面を塞ぐカバー（図示略）とによって形成される衝撃室２２０内に、回転軸２３０によって衝撃室２２０内を回転可能に軸支された円盤状のロータ２４０を備えている。ロータ２４０の盤上には、放射状に周設された複数のブレード２５０が固着されている。
【００２７】
又、高速衝突装置２００は、一端がステータ２１０の内壁の一部に開口し、他端が上記カバーの一部に開口して閉回路を形成する循環管２６０を備えている。循環管２６０には、原料を投入するための原料ホッパー２７０が、開閉弁２８０と原料供給用シュート２９０とを通じて連結されている。又、高速衝突装置２００は、ステータ２１０の一部に設けられた排出弁３００によって開閉される排出シュート３１０を備えている。排出シュート３１０には、処理済の粉末を回収する粉末回収器３２０が連結されている。
【００２８】
次に、このように構成された高速衝突装置２００を用いた凝着工程の処理方法を説明する。まず、カーボンナノチューブが酸化燃焼しない雰囲気、例えば不活性ガス（アルゴンガス等）や窒素ガス等を雰囲気として、上記混合工程で混合された銅粉末及びカーボンナノチューブが原料供給用シュート２９０を介して衝撃室２２０に供給される。
【００２９】
このとき、開閉弁２８０及び排出弁３００を閉じた状態で、図示しない駆動手段により回転軸２３０を介してロータ２４０を、周速度５０ｍ／ｓ〜１５０ｍ／ｓ程度で１分〜３分間回転させる。これにより、銅粉末及びカーボンナノチューブは、衝撃室２２０内を高速で回転しながら飛散し、その間にステータ２１０の表面やブレード２５０に回転しながら衝突する。
【００３０】
衝突した銅粉末及びカーボンナノチューブは、ステータ２１０に開口している循環管２６０を循環した後、再び衝撃室２２０に供給される。このようにして、銅粉末及びカーボンナノチューブが、ロータ２４０の回転にしたがって衝撃室２２０と循環管２６０との間を多数回循環される。この間、ステータ２１０やロータ２４０への衝突が繰り返されることにより、カーボンナノチューブの表面に強い機械的エネルギーが発生し、カーボンナノチューブの一部が粉砕される。
【００３１】
このように粉砕されたカーボンナノチューブでは、粉砕等の機械的エネルギーが化学的なエネルギーの形で表面に蓄えられ、その結果、物理化学的性質の変化が誘起され、表面の活性が高められる（メカノケミカル効果）。そして、このメカノケミカル効果によって、粉砕後のカーボンナノチューブでは親水性が高められる。
【００３２】
又、衝撃室２２０と循環管２６０とを循環する間、銅粉末及びカーボンナノチューブには、上述したステータ２１０やブレード２５０への衝突力に加えて、粒子同士の衝突力が与えられる。このような機械的衝撃力によって、銅粉末の表面にカーボンナノチューブが凝着され、更に銅粉末同士の衝突によって、銅粉末の表面に凝着したカーボンナノチューブが叩かれて、カーボンナノチューブが銅粉末の表面直下に埋め込まれる。
【００３３】
すなわち、ロータ２４０の回転により与えられる機械的衝撃力によって、銅粉末の表面及び表面直下にカーボンナノチューブが凝着される。これにより、図５に示すように、最表層に銅粉末の結晶粒と炭素材料１３であるカーボンナノチューブとが凝着された凝着層１４（カーボンリッチ層）を備えた金属複合材料１０Ｘが形成される。
【００３４】
凝着層１４には、未粉砕のカーボンナノチューブと粉砕されたカーボンナノチューブとが埋め込まれている。なお、カーボンナノチューブが埋め込まれる表面直下の領域（凝着層１４）は、例えば金属複合材料１０Ｘの表面から５μｍ〜１２μｍ程度までの範囲である。
【００３５】
なお、金属複合材料１０Ｘは、図１に示した金属複合材料１０の最表面が凝着層１４で覆われたものである。つまり、図５に示すように、凝着層１４よりも中心側には、上述した機械的衝撃力によって銅粉末の母結晶が微細化された微細結晶組織層１２が形成されている。更に、微細結晶組織層１２よりも中心側には、破壊されていない銅粉末の母結晶組織層１１が形成されている。なお、凝着層１４はカーボンリッチ層であり、凝着層１４に含有されるカーボンナノチューブの量は、内層である微細結晶組織層１２に含有されるカーボンナノチューブの量よりも多い。
【００３６】
図４の説明に戻り、所定時間経過後、排出弁３００を開くことにより、金属複合材料１０Ｘを含む処理後の試料が排出シュート３１０を通じて粉末回収器３２０で回収される。このような凝着工程において、銅粉末にカーボンナノチューブが埋め込まれることによって、銅粉末からのカーボンナノチューブの脱離が抑制され、後工程（昇華工程）で均質な複合材料を得ることができる。
【００３７】
次に、ステップ１２０（Ｓ１２０）では、未凝着の粒子を分級除去する（分級工程）。つまり、金属複合材料１０Ｘのみを回収するために、金属複合材料１０Ｘ以外の試料を分級除去する。具体的には、未凝着のカーボンナノチューブ、未凝着の銅粉末、及び銅粉末同士が凝着された銅粉末を分級除去する。なお、分級工程は、例えばエルボージェット型の気流分級装置により行うことができる。
【００３８】
次に、ステップ１３０（Ｓ１３０）では、金属複合材料１０Ｘの表面をエッチングして凝着層１４を除去し、内層である微細結晶組織層１２の表面をエッチング面として露出する（エッチング工程）。具体的には、酸系のエッチング液を用いて、図５に示す金属複合材料１０Ｘの表面にエッチングを施して凝着層１４を除去する。酸系のエッチング液としては、例えば、硝酸や硫酸等を用いることができる。
【００３９】
金属複合材料１０Ｘのエッチング量は、エッチング時間等により制御できるが、前述のように、凝着層１４は、金属複合材料１０Ｘの表面から５μｍ〜１２μｍ程度までの範囲である。従って、本工程では、金属複合材料１０Ｘの表面から少なくとも５μｍ〜１２μｍ程度までの範囲を除去できるエッチング量とする。これにより、金属複合材料１０Ｘから凝着層１４が除去され、図１に示す金属複合材料１０が形成される。
【００４０】
すなわち、金属複合材料１０Ｘの表面にはカーボンリッチ層である凝着層１４が形成されていたが、本工程により除去される。そのため、含有されるカーボンナノチューブの量が凝着層１４よりも少ない微細結晶組織層１２が表面に露出した金属複合材料１０が形成される。金属複合材料１０の最表面は、エッチング面１２ｓとなる。なお、エッチング工程において、エッチング面１２ｓには炭素材料であるカーボンナノチューブの一部が露出する。
【００４１】
次に、ステップ１４０（Ｓ１４０）では、金属粉末の一部を昇華させ、多数の金属複合材料１０が接合（焼結）した金属複合材料集合体２０を形成する（昇華工程）。具体的には、エッチング工程で形成された多数の金属複合材料１０を加熱して、微細結晶組織層１２中の銅の一部を昇華させ、多数の金属複合材料１０が接合した金属複合材料集合体２０を形成する。
【００４２】
例えば、カーボンナノチューブが酸化燃焼しない雰囲気（例えば真空、不活性ガスや窒素ガス）下で、銅の昇華条件で金属複合材料１０を加熱して、微細結晶組織層１２中の銅の一部を昇華させる。より具体的には、例えば真空炉中において、真空度１×１０−３Ｐａ〜１×１０−４Ｐａ及び温度８００℃〜１１００℃で金属複合材料１０を加熱して、微細結晶組織層１２中の銅の一部を昇華させる。
【００４３】
これにより、微細結晶組織層１２中のカーボンナノチューブが金属複合材料１０の表面に露出するため、エッチング工程直後よりもエッチング面１２ｓに露出するカーボンナノチューブの量が増加する。エッチング面１２ｓに露出するカーボンナノチューブの量は、例えば、エッチング面１２ｓの表面積の１％〜５０％程度となる。
【００４４】
なお、昇華時間は、特に限定されるものではなく、カーボンナノチューブがエッチング面１２ｓの表面積の１％〜５０％程度に露出されるように設定すればよい。なお、金属複合材料１０中のカーボンナノチューブの露出度合は、例えば超高分解能ＦＥ−ＳＥＭや電子顕微鏡による組織観察等によって測定することができる。
【００４５】
ところで、表面にカーボンリッチ層である凝着層１４が形成されている金属複合材料１０Ｘは、複数の金属複合材料１０Ｘ同士が接合する際の密着性が悪い。これは、複数の金属複合材料１０Ｘ同士が接合する際に、隣接する金属複合材料１０Ｘ間にカーボンナノチューブが介在するため、銅と銅が直接接する部分が少なくなるためである。
【００４６】
換言すれば、銅と銅が直接接する部分では強固な接合が得られるが、カーボンナノチューブが介在する部分では強固な接合が得られずに密着性が悪い状態となる。金属複合材料１０Ｘ同士の密着性が悪いと、例えば、金属複合材料１０Ｘをヒートパイプに用いる際に（後述の説明参照）、焼結銅が崩れてしまい、ヒートパイプとして機能しなくなる等の問題が生じる。
【００４７】
一方、金属複合材料１０では、カーボンリッチ層である凝着層１４が除去され、含有されるカーボンナノチューブの量が凝着層１４よりも少ない微細結晶組織層１２が表面に露出している。なお、本昇華工程により、エッチング工程直後よりもエッチング面１２ｓに露出するカーボンナノチューブの量が増加しているものの、エッチング面１２ｓの多くの領域には依然として銅の母結晶が微細化された微細結晶が露出している。そのため、カーボンナノチューブが介在する部分が少なくなり、銅の微細結晶同士が接する部分が増加することによって、隣接する金属複合材料１０間が強固に接合して金属複合材料集合体２０が形成される。
【００４８】
又、金属複合材料１０では、凝着層１４を除去後も、熱伝導度が銅よりも３倍〜４倍程度高いカーボンナノチューブがある程度は表面に露出される。このため、金属複合材料１０の表面を熱が伝わりやすくなり、金属複合材料１０の熱伝導度を複合前の銅粉末の熱伝導度と比べて飛躍的に向上させることができる。その結果、金属複合材料集合体２０の熱伝導度も飛躍的に向上する。
【００４９】
又、表面に露出されるカーボンナノチューブには、粉砕して表面が活性化したカーボンナノチューブ、つまり親水性の良いカーボンナノチューブが含まれる。このため、金属複合材料１０及び金属複合材料１０が接合された金属複合材料集合体２０の親水性を複合前の銅粉末の親水性と比べて大幅に向上させることができる。これにより、金属複合材料集合体２０を例えばヒートパイプやベーパチャンバのウイックに適用した場合に、作動流体を狭い空隙にも浸透させることができ、大きな受熱放熱面積を得ることができる。その結果、受熱効率及び放熱効率を向上させることができる。
【００５０】
又、金属複合材料１０の表面が、カーボンナノチューブと銅とによって凹凸状に形成されている。これにより、金属複合材料１０の表面積が大きくなるため、ヒートパイプやベーパチャンバのウイックに金属複合材料１０が接合された金属複合材料集合体２０を適用した場合に、作動流体との接触面積を大幅に大きくすることができる。その結果、受熱効率及び放熱効率を向上させることができる。
【００５１】
又、カーボンナノチューブが表面に露出された金属複合材料１０が接合された金属複合材料集合体２０を大気放熱部に敷き詰めることにより、赤外線の放出度が高まり、大気中に容易に熱を逃がすことが可能となる。
【００５２】
又、金属複合材料１０が接合された金属複合材料集合体２０を各種放熱部品に適用することにより、発熱部品を効率的に放熱することができる。このため、発熱部品の高信頼性化や長寿命化に貢献することができる。更に、放熱部品を小型化することが可能となるため、機器の小型化にも貢献できる。
【００５３】
なお、金属複合材料集合体２０は、熱圧着（ホットプレス）等により金属複合材料１０同士を接合させて形成してもよい。この場合にも、上記と同様の効果が得られる。
【００５４】
〈第２の実施の形態〉
第２の実施の形態では、第１の実施の形態に係る金属複合材料集合体を用いた放熱部品の例を示す。なお、第２の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部品についての説明は省略する。
【００５５】
図６は、第２の実施の形態に係る放熱部品を例示する断面図である。図６を参照するに、第２の実施の形態に係る放熱部品はヒートパイプ３０であり、金属複合材料集合体２０と、コンテナ３１とを有する。金属複合材料集合体２０は、コンテナ３１の内壁面に形成されている。コンテナ３１の材料としては、例えば、銅等を用いることができる。銅等の表面にニッケルめっき等を施してもよい。
【００５６】
ヒートパイプ３０は、密閉したコンテナ３１の内部に、凝縮性の流体（例えば、水やアルコール等）が作動流体として封入された構造を有する。ヒートパイプ３０は、外部からの入熱によって作動流体を蒸発部で蒸発させるとともに、その蒸気を凝縮部に流動させた後、放熱させて凝縮させることにより、作動流体の潜熱として熱を輸送するように構成したものである。
【００５７】
ヒートパイプ３０では、凝縮部に熱が輸送された後、凝縮した液相の作動流体をウイックである金属複合材料集合体２０による毛細管圧力によって、蒸発部に環流させている。ウイックは、一般的に、粉末の焼結体、編組、細線の束やグルーブ等により構成されるが、本実施の形態では、ウイックとして金属複合材料集合体２０を用いている。
【００５８】
次に、コンテナ３１の内壁面に金属複合材料集合体２０を形成する方法について説明する。まず、第１の実施の形態で説明したエッチング工程後の金属複合材料１０を回収し、図７に示すように、一端（例えば、蒸発部側の端部）を封止したコンテナ３１の内部空間３３に配置する。
【００５９】
続いて、金属複合材料１０が配置されたコンテナ３１を、公知の焼結法によって銅の昇華条件で加熱することにより、金属複合材料１０の微細結晶組織層１２（図１参照）中の銅の一部を昇華させるとともに、金属複合材料１０同士を焼結させる（焼結工程）。
【００６０】
これにより、微細結晶組織層１２中のカーボンナノチューブが金属複合材料１０の表面に露出するため、エッチング工程直後よりもエッチング面１２ｓに露出するカーボンナノチューブの量が増加し、表面がカーボンナノチューブと銅とによって凹凸状に形成される。そして、金属複合材料１０のエッチング面に露出した銅粉末の微細結晶同士が接合され、金属複合材料１０の焼結体である金属複合材料集合体２０が形成される。
【００６１】
このとき、コンテナ３１の内壁面が銅で形成されていると、金属複合材料集合体２０の形成と共に、金属複合材料集合体２０をコンテナ３１の内壁面に接着できる。換言すると、金属複合材料集合体２０からなるウイックをコンテナ３１の内壁面に形成できる。
【００６２】
上記焼結工程後、コンテナ３１に作動流体を注入し、コンテナ３１内を真空引きして凝縮部側の端部を封止することにより、ヒートパイプ３０が完成する。
【００６３】
なお、上述した焼結工程は、例えばパルス通電焼結法、ホットプレス法、真空焼結法、ガス圧焼結法や熱間等方加圧焼結法等の公知の焼結法により行うことができる。焼結工程は、真空又は不活性ガスの雰囲気下で行われることが好ましい。又、焼結温度等の焼結条件は、採用する焼結法、使用する金属粉末の種類や使用する金属粉末の昇華条件（真空度及び温度等）に応じて適宜設定することができる。
【００６４】
〈第３の実施の形態〉
第３の実施の形態では、第１の実施の形態に係る金属複合材料集合体を用いた放熱部品の他の例を示す。なお、第３の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部品についての説明は省略する。
【００６５】
図８は、第３の実施の形態に係る放熱部品を例示する断面図である。図８を参照するに、第３の実施の形態に係る放熱部品はベーパチャンバ４０であり、金属複合材料集合体２０と、コンテナ４１とを有する。金属複合材料集合体２０は、コンテナ４１を構成する下コンテナ部品４２及び上コンテナ部品４３の内壁面に形成されている。コンテナ４１を構成する下コンテナ部品４２及び上コンテナ部品４３の材料としては、例えば、銅等を用いることができる。銅等の表面にニッケルめっき等を施してもよい。
【００６６】
ベーパチャンバ４０は、平面型のヒートパイプである。このため、ベーパチャンバ４０は、ヒートパイプ３０と略同様の構造を有し、下コンテナ部品４２及び上コンテナ部品４３から構成されるコンテナ４１内に封入された作動流体の蒸発及び凝縮の相変化により熱を輸送する。ベーパチャンバ４０では、作動流体の環流を促すウイックとして金属複合材料集合体２０を用いている。
【００６７】
次に、コンテナ４１の内壁面に金属複合材料集合体２０を形成する方法について説明する。まず、第１の実施の形態で説明したエッチング工程後の金属複合材料１０を回収し、図９に示すように、下コンテナ部品４２及び上コンテナ部品４３（図９では下コンテナ部品４２のみを図示）の内部空間に配置する。
【００６８】
続いて、金属複合材料１０が配置された下コンテナ部品４２及び上コンテナ部品４３を、公知の焼結法によって銅の昇華条件で加熱する。これにより、第２の実施の形態と同様に、金属複合材料集合体２０の形成と共に、金属複合材料集合体２０を下コンテナ部品４２及び上コンテナ部品４３の内壁面に接着できる。換言すると、金属複合材料集合体２０からなるウイックを下コンテナ部品４２及び上コンテナ部品４３の内壁面に形成できる。
【００６９】
次に、作動流体の投入口（図示略）を除く下コンテナ部品４２の外周と上コンテナ部品４３の外周とを、公知の方法により接合して、内壁面に金属複合材料集合体２０が形成されたコンテナ４１を形成する。続いて、上記投入口を通じてコンテナ４１内に、コンテナ４１内の容積の１０％〜５０％程度の量の作動流体を注入する。その後、コンテナ４１内を真空引きして上記投入口を封止することにより、金属複合材料集合体２０からなるウイックを有するベーパチャンバ４０が完成する。
【００７０】
〈第４の実施の形態〉
第４の実施の形態では、第１の実施の形態に係る金属複合材料集合体を用いた放熱部品の更に他の例を示す。なお、第４の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部品についての説明は省略する。
【００７１】
図１０は、第４の実施の形態に係る放熱部品を例示する断面図である。図１０を参照するに、第４の実施の形態に係る放熱部品はヒートスプレッダ５０であり、金属複合材料集合体２０と、板状部５１と、側壁部５２と、凹部５３と、溝５４とを有する。
【００７２】
ヒートスプレッダ５０は、半導体素子が動作時に発する熱を大気に放出するための熱拡散板である。ヒートスプレッダ５０において、板状に形成された板状部５１と、板状部５１の外縁部に枠状に立設する側壁部５２とが一体的に形成されている。板状部５１と側壁部５２とによって、凹部５３が形成されている。金属複合材料集合体２０は、溝５４内を含む板状部５１の上面（外部側の面）に形成されている。板状部５１及び側壁部５２の材料としては、例えば、銅等を用いることができる。銅等の表面にニッケルめっき等を施してもよい。
【００７３】
次に、溝５４内に金属複合材料集合体２０を形成する方法について説明する。まず、図１０に示すように、板状部５１の上面に所定のピッチで深さ０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度の溝５４を複数個形成する。次に、第１の実施の形態で説明したエッチング工程後の金属複合材料１０を回収し、図１０に示すように、各々の溝５４内に詰め込む。なお、この工程は、コールドスプレー法により、ヒートスプレッダ５０の上面に上記金属複合材料集合体２０を堆積・皮膜させるようにしてもよい。
【００７４】
続いて、摩擦撹拌接合によって溝５４内を含む板状部５１の上面に金属複合材料１０を擦り込み、金属複合材料１０を板状部５１の上面に凝着させる。その後、板状部５１の上面に金属複合材料１０が凝着されたヒートスプレッダ５０を、真空炉内において銅の昇華条件で加熱する。
【００７５】
これにより、微細結晶組織層１２中のカーボンナノチューブが金属複合材料１０の表面に露出するため、エッチング工程直後よりもエッチング面１２ｓに露出するカーボンナノチューブの量が増加し、表面がカーボンナノチューブと銅とによって凹凸状に形成される。そして、金属複合材料１０のエッチング面に露出した銅粉末の微細結晶同士が接合され、金属複合材料１０の焼結体である金属複合材料集合体２０が溝５４内を含む板状部５１の上面に形成される。
【００７６】
なお、板状部５１及び側壁部５２を銅平板に変更し、銅平板の一方の面に溝５４に相当する複数の溝を形成し、金属複合材料１０を各々の溝内に詰め込み、更に、摩擦撹拌接合によって溝内を含む銅平板の上面に金属複合材料１０を擦り込んでもよい。その後、昇華させて銅平板の一方の面に金属複合材料１０の焼結体である金属複合材料集合体２０を形成することにより、大気放熱用の銅平板を形成できる。
【００７７】
又、上記の場合、銅平板の表面に金属複合材料１０を敷き詰めて真空ホットプレスによって熱圧着させることにより、銅平板の表面に金属複合材料集合体２０を形成してもよい。又、例えば加圧状態で高電流を流すことによって銅平板等を加熱するようにしてもよい。これにより、製造効率を向上させることが可能となる。
【００７８】
〈第５の実施の形態〉
第５の実施の形態では、第３及び第４の実施の形態に係る放熱部品を用いた半導体装置の例を示す。なお、第５の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部品についての説明は省略する。
【００７９】
図１１は、第５の実施の形態に係る半導体装置を例示する断面図である。図１１を参照するに、第５の実施の形態に係る半導体装置６０は、ベーパチャンバ４０と、ヒートスプレッダ５０と、基板６１と、半導体素子６２と、ヒートシンク６３とを有する。
【００８０】
基板６１上には、はんだ等のバンプを介して、半導体素子６２がフェースダウン状態で実装されている。ヒートスプレッダ５０は、凹部５３の内底面が半導体素子６２の裏面（非デバイス面）に接した状態で、側壁部５２の端面（下面）が基板６１上に固定されている。
【００８１】
ヒートスプレッダ５０の板状部５１の上面には、ベーパチャンバ４０が取り付けられ、更に、ベーパチャンバ４０の上に放熱フィン６３Ａを有するヒートシンク６３が取り付けられている。ヒートシンク６３の材料としては、例えば、銅等を用いることができる。銅等の表面にニッケルめっき等を施してもよい。
【００８２】
なお、半導体装置６０において、例えば、ベーパチャンバ４０を省略して、ヒートスプレッダ５０の上面にヒートシンク６３を直接取り付けてもよい。又、半導体装置６０において、例えば、ベーパチャンバ４０及びヒートシンク６３を省略してもよい。
【００８３】
以上、第２〜第５の実施の形態で示したように、第１の実施の形態に係る金属複合材料集合体２０（金属複合材料１０）は、熱伝導度及び親水性に優れている。そのため、ヒートパイプ、ベーパチャンバ、ヒートスプレッダ、ヒートシンクや熱交換器等のように放熱又は熱伝導機能を有する放熱部品に幅広く適用することができる。この際、良好な放熱特性を実現できる。
【００８４】
以上、好ましい実施の形態について詳説したが、上述した実施の形態に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に種々の変形及び置換を加えることができる。
【００８５】
例えば、金属複合材料集合体２０は、発熱が製品の寿命や信頼性に大きく影響する製品、例えば、ＬＥＤや小型プロジェクタ等に適用すると好適である。金属複合材料集合体２０をＬＥＤ電球が備える放熱部品に適用することにより、ＬＥＤ電球を効率良く放熱・冷却できる。これにより、ＬＥＤ電球の長寿命化を図ることが可能となる。
【００８６】
又、従来の小型プロジェクタでは、その製品寿命に影響する放熱を十分に行うことができないため、明るさを抑えて使用されている。金属複合材料集合体２０を小型プロジェクタが備える放熱部品に適用することにより、放熱を十分に行うことができるため、明るさを抑える必要がなくなることが期待できる。
【００８７】
又、金属複合材料集合体２０を高圧焼結することにより、はんだやインジウム等の金属接合に用いられる接合用金属又は合金においても、熱伝導度や電気伝導度を向上させることができる。そのため、熱伝導度や電気伝導度を向上させた金属間接合部材を製造することが可能となる。
【符号の説明】
【００８８】
１０、１０Ｘ  金属複合材料
１１  母結晶組織層
１２  微細結晶組織層
１２ｓ  エッチング面
１３  炭素材料
１４  凝着層
２０  金属複合材料集合体
３０  ヒートパイプ
３１、４１  コンテナ
３３  内部空間
４０  ベーパチャンバ
４２  下コンテナ部品
４３  上コンテナ部品
５０  ヒートスプレッダ
５１  板状部
５２  側壁部
５３  凹部
５４  溝
６０  半導体装置
６１  基板
６２  半導体素子
６３  ヒートシンク
６３Ａ  放熱フィン
【図１】
2014201786.tif 000003
【図２】
2014201786.tif 000004
【図３】
2014201786.tif 000005
【図４】
2014201786.tif 000006
【図５】
2014201786.tif 000007
【図６】
2014201786.tif 000008
【図７】
2014201786.tif 000009
【図８】
2014201786.tif 000010
【図９】
2014201786.tif 000011
【図１０】
2014201786.tif 000012
【図１１】
2014201786.tif 000013