(57)【要約】【課題】本発明は、熱伝導率の低下を伴なわずに炭素繊維と銅との濡れ性を改善した銅−炭素繊維複合材を提供することを目的とする。【解決手段】本発明は、銅中に炭素繊維を含有する銅−炭素繊維複合材において、炭素繊維の表面の一部または全部に、銅および炭素の両者に対して親和性を有する金属元素と、有機物を炭化して得られる炭素とを含む組成物が存在し、該炭素繊維および該組成物以外の領域に銅が充填されていることを特徴とする、銅−炭素繊維複合材に関する。【選択図】        図１
2004285372.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅中に炭素繊維を含有する銅−炭素繊維複合材において、炭素繊維の表面の一部または全部に、銅および炭素の両者に対して親和性を有する金属元素と、有機物を炭化して得られる炭素とを含む組成物が存在し、該炭素繊維および該組成物以外の領域に銅が充填されていることを特徴とする、銅−炭素繊維複合材。
【請求項２】
銅および炭素の両者に対して親和性を有する金属元素が、コバルト、クロム、鉄、ハフニウム、モリブデン、ニオブ、シリコン、タンタル、チタン、バナジウム、タングステン、イットリウムおよびジルコニウムからなる群から選ばれる１種または２種以上であることを特徴とする、請求項１記載の銅−炭素繊維複合材。
【請求項３】
組成物が、銅および炭素の両者に対して親和性を有する金属元素を、体積比で５％以上６０％以下含んでいることを特徴とする、請求項１記載の銅−炭素繊維複合材。
【請求項４】
銅中に炭素繊維を含有する銅−炭素繊維複合材の製造方法において、
炭素繊維と、銅および炭素の両者に対して親和性を有する金属元素の粉末と、熱硬化性樹脂とを混合して混合物を得る工程と、
該混合物を加熱して該熱硬化性樹脂を硬化させることにより、成型体を形成する工程と、
該成型体を加熱して該熱硬化性樹脂を炭化させることにより、銅および炭素の両者に対して親和性を有する金属元素と、該炭化して得られる炭素とを含む組成物を炭素繊維上に生成する工程と、
該組成物が炭素繊維上に生成した成型体に、溶解した銅を含浸させる工程と、
を含んだことを特徴とする、銅−炭素繊維複合材の製造方法。
【請求項５】
銅中に炭素繊維を含有する銅−炭素繊維複合材の製造方法において、
炭素繊維を束ねたり織編したりまたは接着したりすることにより、予備的に成型体を形成する工程と、
銅および炭素の両者に対して親和性を有する金属元素の粉末を含んだ液状ピッチまたは熱硬化性樹脂を該成型体に含浸させる工程と、
該成型体を加熱してピッチまたは熱硬化性樹脂を炭化することにより、銅および炭素の両者に対して親和性を有する金属元素と、該炭化して得られる炭素とを含む組成物を炭素繊維上に生成する工程と、
該組成物が炭素繊維上に生成した成型体に、溶解した銅を含浸させる工程と、
を含んだことを特徴とする、銅−炭素繊維複合材の製造方法。
【請求項６】
組成物が炭素繊維上に生成した成型体が、スケルトン構造を呈するスケルトン構造体となることを特徴とする、請求項４または５記載の銅−炭素繊維複合材の製造方法。
【請求項７】
熱硬化性樹脂が、フェノール樹脂またはフラン樹脂であることを特徴とする、請求項４または５記載の銅−炭素繊維複合材の製造方法。
【請求項８】
半導体素子を基板に搭載した半導体デバイスにおいて、該基板が請求項１〜３のいずれかに記載した銅−炭素繊維複合材からなることを特徴とする、半導体デバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、銅−炭素繊維複合材およびその製造方法に関するものである。さらに詳しくは、本発明は、優れた熱伝導率を有することにより特に半導体デバイスの放熱基板等として有用な銅−炭素繊維複合材およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
銅は熱伝導が大きく、放熱板やヒートシンクとして広く用いられている。しかしながら、熱膨張率が１７×１０−６／℃と大きいため、シリコンやガリウム砒素との熱膨張差が大きく、半導体デバイス用の基板としては用いることができなかった。そこで、低熱膨張特性と高熱伝導特性の両特性を併有する炭素繊維と複合化させ、低熱膨張で高熱伝導の銅−炭素繊維複合材を製造する試みがなされてきたが、銅と炭素繊維は濡れ性が悪く、炭素繊維の成形体に銅を含浸するだけでは必ずしも高熱伝導とはならず、しかも強度が小さくなるという問題があった。
【０００３】
このため、従来の銅−炭素繊維複合材では、銅と炭素繊維との濡れ性を改善する目的で、たとえば銅中に炭素と反応する金属元素をあらかじめ溶融し、この金属元素を含む銅を炭素繊維の成形体に含浸することで複合材としていた（特許文献１）。あるいは、炭素繊維と金属粒子、銅粒子とを混合し、加熱加圧成形装置により加熱と加圧を同時に加えることにより複合材としていた（特許文献２）。
【０００４】
このように銅と金属元素とを一様に混合・溶融する方法によって得られる銅−炭素繊維複合材は、炭素繊維と銅の濡れ性は改善されるが、銅中への金属元素の拡散・溶融によりマトリクスとなる銅の熱伝導率が著しく低下するため、熱伝導率の減少は避けられないという問題があった。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭４９−２９２１７号公報
【０００６】
【特許文献２】
特開平１１−６１２９２号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述した現状に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、熱伝導率の低下を伴なわずに炭素繊維と銅との濡れ性を改善した銅−炭素繊維複合材およびその製造方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねたところ、銅と炭素繊維との濡れ性を改善する目的で混入される金属元素を、マトリクスとなる銅中に拡散させず銅と炭素繊維との界面近傍に選択的に存在させるためには、該金属元素を任意の媒体中に存在させることが有効であるとの知見を得、この知見に基づきさらに研究を続けたところ、ついに本発明を完成したものである。
【０００９】
すなわち、本発明は、銅中に炭素繊維を含有する銅−炭素繊維複合材において、炭素繊維の表面の一部または全部に、銅および炭素の両者に対して親和性を有する金属元素と、有機物を炭化して得られる炭素とを含む組成物が存在し、該炭素繊維および該組成物以外の領域に銅が充填されていることを特徴とする、銅−炭素繊維複合材に関する。
【００１０】
ここで、銅および炭素の両者に対して親和性を有する上記金属元素は、コバルト、クロム、鉄、ハフニウム、モリブデン、ニオブ、シリコン、タンタル、チタン、バナジウム、タングステン、イットリウムおよびジルコニウムからなる群から選ばれる１種または２種以上のものとすることができる。
【００１１】
また、上記組成物は、銅および炭素の両者に対して親和性を有する金属元素を、体積比で５％以上６０％以下含んだものとすることができる。
【００１２】
また、本発明は、銅中に炭素繊維を含有する銅−炭素繊維複合材の製造方法において、炭素繊維と銅および炭素の両者に対して親和性を有する金属元素の粉末と熱硬化性樹脂とを混合して混合物を得る工程と、該混合物を加熱して該熱硬化性樹脂を硬化させることにより成型体を形成する工程と、該成型体を加熱して該熱硬化性樹脂を炭化させることにより銅および炭素の両者に対して親和性を有する金属元素と該炭化して得られる炭素とを含む組成物を炭素繊維上に生成する工程と、該組成物が炭素繊維上に生成した成型体に溶解した銅を含浸させる工程と、を含んだことを特徴とする銅−炭素繊維複合材の製造方法に関する。
【００１３】
さらに、本発明は、銅中に炭素繊維を含有する銅−炭素繊維複合材の製造方法において、炭素繊維を束ねたり織編したりまたは接着したりすることにより予備的に成型体を形成する工程と、銅および炭素の両者に対して親和性を有する金属元素の粉末を含んだ液状ピッチまたは熱硬化性樹脂を該成型体に含浸させる工程と、該成型体を加熱してピッチまたは熱硬化性樹脂を炭化することにより銅および炭素の両者に対して親和性を有する金属元素と該炭化して得られる炭素とを含む組成物を炭素繊維上に生成する工程と、該組成物が炭素繊維上に生成した成型体に溶解した銅を含浸させる工程と、を含んだことを特徴とする銅−炭素繊維複合材の製造方法に関する。
【００１４】
ここで、上記組成物が炭素繊維上に生成した成型体は、スケルトン構造を呈するスケルトン構造体とすることができる。
【００１５】
また、上記熱硬化性樹脂は、フェノール樹脂またはフラン樹脂とすることが好ましい。
【００１６】
また、本発明は、半導体素子を基板に搭載した半導体デバイスにおいて、該基板が上記に記載したいずれかの銅−炭素繊維複合材からなることを特徴とする半導体デバイスに関する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
＜銅−炭素繊維複合材＞
本発明における銅−炭素繊維複合材は、銅中に炭素繊維を含有するものであって、構造的には銅をマトリクスとし、そのマトリクス中に炭素繊維が存在する構造、あるいは別の見方をすれば炭素繊維を主とするスケルトン構造体の空隙部に銅が充填されている構造を有するものである。
【００１８】
ここで、マトリクスとなる銅は、不可避的に含有される極微量の不純物を除きできる限り不純物を含まないものを用いることが好ましい。そのような不純物の存在は、熱伝導率の低下をもたらすからである。なお、熱伝導率に悪影響を及ぼさない範囲であれば他の元素の含有を除外するものではない。
【００１９】
このようなマトリクスとしての銅は、炭素繊維および後述の組成物以外の領域を、気孔ができる限り存在しないような状態で充填されていることが好ましく、通常、体積比で９５％以上充填されていることが好ましい。９５％以上充填することにより、熱伝導率の低下を充分に防止することができるからである。なお、かかる銅の体積比については、たとえば、該複合材を切断してその断面を研磨した後その断面を顕微鏡で観察することにより、炭素繊維、組成物、銅、気孔等の面積比を求め、その面積比から銅／（気孔＋銅）の比率を計算して体積比（充填率）とすることができる。
【００２０】
一方、該複合材に含まれる炭素繊維は、一般に補強材として用いられることが知られている従来公知のものであれば、その組成、繊維径、繊維長、断面形状などは特に限定なくいかなるものも用いることができる。たとえば、このような炭素繊維としては、ピッチ系の炭素繊維を用いることが特に好ましい。強度だけでなく優れた熱伝導率を有しているからである。
【００２１】
＜組成物＞
本発明における組成物は、銅および炭素の両者に対して親和性を有する金属元素と、有機物を炭化して得られる炭素とを含むものであり、上述の炭素繊維の表面の一部または全部に存在するものである。なお、後述のように該金属元素は、有機物を炭化して得られる炭素やマトリクスである銅と反応して炭化物などの化合物（反応生成物）を生成する場合があるが、本発明における組成物はこのような化合物をはじめ他の成分の含有を除外するものではない。
【００２２】
＜銅および炭素に対して親和性を有する金属元素＞
上記組成物に含まれる金属元素は、上述のマトリクスとしての銅および炭素の両者に対して親和性を有するものであって、このような性質を有していることにより銅と炭素繊維の濡れ性を向上させる作用を有するものである。なお、該金属元素が親和性を示す炭素には、炭素繊維を構成する炭素と後述の有機物を炭化して得られる炭素との両者が含まれる。
【００２３】
ここで、銅および炭素に対して親和性を有するとは、銅と炭素との両者に対して大きな親和力を呈し銅−炭素間の界面張力を低下させるような特性を有していることをいう。このような金属元素としては、たとえば銅および炭素の両者に対して良好な混和性を示したり、これら両者との間で固溶体を形成するものや、またあるいはこれら両者と反応して銅合金や炭化物などの化合物を生成するようなものなどが含まれる。したがって、銅および炭素に対して親和性を有するとは、これら両者に対して反応性を有するものも含む概念である。
【００２４】
このような金属元素としては、コバルト、クロム、鉄、ハフニウム、モリブデン、ニオブ、シリコン、タンタル、チタン、バナジウム、タングステン、イットリウムおよびジルコニウムからなる群から選ばれる１種または２種以上のものを使用することが好ましい。これらの金属元素は、銅の融点よりも高い融点を有しているため、銅を溶融して炭素繊維に含浸させて本複合材を製造する際においても、溶融した銅中への混入（拡散）を防止することができ、該複合材の熱伝導性の低下を抑えることができる。
【００２５】
このような金属元素の上記組成物中における含有量は、体積比で５％以上６０％以下とすることが好ましい。該体積比が５％未満の場合には、銅−炭素繊維間の濡れ性を向上させる効果が十分に発揮されない場合があり、また該体積比が６０％を超えると銅中へ拡散することがあり、いずれにしても強度を低下したり熱伝導率を低下させることとなる場合があるからである。
【００２６】
＜有機物を炭化して得られる炭素＞
上記組成物に含まれる炭素は、有機物を炭化して得られるものであって、上記の金属元素を担持する担体としての作用を示すものである。このような炭素の作用により、該金属元素はマトリクスである銅中への拡散が防止され、銅の熱伝導率が低下するという問題を一掃することに成功したものである。このような炭素としては、たとえば無定形炭素や黒鉛構造を有する炭素を挙げることができ、特に黒鉛構造を有する炭素を採用することが好ましい。黒鉛構造の炭素は、炭素繊維に対する密着性に優れているとともに、上記金属元素の担持力にも優れ、また高い熱伝導率を有しているからである。
【００２７】
ここで、上記有機物としては、加熱等により容易に炭化して炭素を生成するものであれば、特に限定されるものではない。たとえば、熱硬化性樹脂やコールタールから得られるピッチ等を挙げることができる。熱硬化性樹脂は、熱処理により容易に炭化することから、炭素繊維に対する加熱によるダメージを最小のものとすることができるため好ましい。特に、このような熱硬化性樹脂としては、フェノール樹脂またはフラン樹脂が好適であり、炭素繊維に対するダメージを最小のものとすることができる。また、ピッチは、炭化した場合の構造が炭素繊維、特にピッチ系の炭素繊維の構造と類似しており、炭素繊維に強固に密着することができるため好ましい。なお、このような炭素においては、炭化に伴なう不可避的な不純物を含んでいても差し支えない。
【００２８】
＜スケルトン構造体＞
本発明におけるスケルトン構造体とは、炭素繊維とその表面の一部または全部に存在する上記組成物とから構成されるものであり、いわゆるスケルトン構造（骨組み構造）を呈するものである。通常、本発明の銅−炭素繊維複合材の製造工程において前駆体として生成するものであり、そのような前駆体を経て製造される該複合材中においても引続きその形状をある程度保持するものである。
【００２９】
＜製造方法＞
本発明の銅−炭素繊維複合材の製造方法は、好ましくは以下の実施の形態１〜４に詳述するがこれらのみに限られるものではない。
【００３０】
＜用途＞
本発明の銅−炭素繊維複合材は、強度に優れるとともに極めて優れた熱伝導性を有していることから、半導体デバイス用放熱基板やヒートシンク等として用いることができる。特に、このように本発明の銅−炭素繊維複合材を基板に用いた半導体デバイスは、極めて放熱性に優れたものとなり好ましい。なお、上記半導体デバイスには、光デバイスも含まれる。
【００３１】
以下、より具体的な実施の形態を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。なお、以下では、図面を用いて説明しているが、本願の図面において同一の参照符号を付したものは、同一部分または相当部分を示している。
【００３２】
＜実施の形態１＞
本実施の形態は、本発明に係る銅−炭素繊維複合材の製造方法に関するものである。
【００３３】
まず、炭素繊維として平均長さ３ｍｍ、直径１０μｍのピッチ系炭素繊維を用い、これにメチルセルロースと純水とを加えて攪拌し混合物とした。この混合物を濾過して水を除去し、プレス成形して形を整え乾燥させることにより炭素繊維の体積比率がおおよそ３０％の炭素繊維を束ねた予備的な成形体を得た。なお、このような成型体は、炭素繊維を束ねたものに限らず、炭素繊維を織編したもの（すなわち炭素繊維の織物や編物など）や接着したもの（すなわち不織布など）であっても差し支えなく、また炭素繊維の密度も自由に調節することができる。
【００３４】
続いて、炭化して炭素を得るための有機物として１００〜２００℃に加熱して軟化させた液状ピッチ１００ｇに対して、銅および炭素の両者に対して親和性を有する金属元素として平均粒径５μｍのタングステン（Ｗ）粉末５００ｇを加えて混合した後、この混合物を上記で得られた成形体に含浸させた。
【００３５】
このように液状ピッチを含浸させた成形体は、液状ピッチを炭化させるため、Ａｒ中、温度７００〜１０００℃で加熱した。これにより炭素繊維は、液状ピッチが炭化した炭素と結合し、スケルトン構造体を形成した。この状態を模式的に表わしたものが図２である。
【００３６】
図２に示したように、炭素繊維１は粗にからみあってスケルトン構造を呈し、その炭素繊維１の表面の一部または全部には、銅および炭素の両者に対して親和性を有する金属元素３であるタングステン（Ｗ）と、有機物である液状ピッチを炭化して得られる炭素とを含む組成物２が生成している。該組成物２は、単一の炭素繊維１に対してだけではなく、複数の炭素繊維１にまたがって存在するものもあり、また該組成物２の表面には、タングステン（Ｗ）粉末が露出した部分もある。なお、このように銅を充填する前に一旦スケルトン構造体を形成することにより、金属元素３は炭素繊維１の表面もしくは組成物２中に担持され、銅が充填された後においても銅中にほとんど拡散せず、銅と炭素繊維の界面近傍に選択的に存在することによりこれら両者の濡れ性の向上と熱伝導性の低下防止という両効果を達成することが容易となる。
【００３７】
上記組成物２において、液状ピッチの比重が１．２、タングステン（Ｗ）粉末の比重が１９．３、および液状ピッチの炭化による残炭率（炭化により得られる炭素の質量比）がおおよそ９０％であることを考慮すると、組成物２に含まれる金属元素３であるタングステン（Ｗ）粉末の体積比は約２５％となる。
【００３８】
なお、本実施の形態における組成物２に含まれる金属元素３の体積比は２５％としたが、後述の銅と炭素繊維との間でさらに高い濡れ性を付与させたいときは、金属元素３であるタングステン（Ｗ）粉末の体積比を高くすればよく、またそのような銅へのタングステン（Ｗ）の拡散をさらに抑制させたいときには体積比を低くするのがよい。このように金属元素３の拡散による銅の熱伝導率の低下と濡れ性との両者を考慮した場合、該組成物２中における金属元素３の体積比は、おおよそ５〜６０％、望ましくは１０〜４０％とするのがよい。
【００３９】
また、タングステン（Ｗ）粉末を含む組成物２の炭素繊維成形体に対する体積比率は約３０％であるため、該組成物２の比率をさらに増加させたいときは、液状ピッチの含浸から炭化までの作業を繰り返し行なえばよい。
【００４０】
次いで、液状ピッチの炭化が完了したスケルトン構造を呈する炭素繊維１は、これだけでもスケルトン構造体を形成するには十分であるが、炭化した炭素の熱伝導性や強度をさらに上げるために、Ａｒ中において１４００〜３０００℃、望ましくは２０００〜３０００℃で黒鉛化することもできる。黒鉛化温度が高ければ高いほど炭素の結晶性がよくなり、強度および熱伝導率が向上する。
【００４１】
続いて、図３（ａ）のように、上記で得られた炭素繊維上に組成物が生成したスケルトン構造体５を、保持冶具６を使って高圧鋳造容器７内にセットした。そして、図３（ｂ）のようにＡｒ中で１４００℃に溶解した銅４を高圧鋳造容器７内に注湯し、さらに図３（ｃ）のように高圧鋳造容器７のパンチ棒８で１０００ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力を掛けて加圧した。
【００４２】
このようにして、炭素繊維からなるスケルトン構造体に銅を含浸させることで銅−炭素繊維複合材を製造した。得られた銅−炭素繊維複合材の構造を模式的に示したものが図１である。図１に示されているように炭素繊維１の表面の一部または全部には、銅および炭素の両者に対して親和性を有する金属元素３と、有機物を炭化して得られる炭素とからなる組成物２が存在しており、マトリクスである銅４中には気孔がなく、銅の充填率はほぼ１００％（体積比）となった。この複合材の熱伝導率をレーザーフラッシュ法により評価すると３２５Ｗ／ｍＫであった。したがって、この複合材を半導体デバイスの基板として用いると、その半導体デバイスは極めて優れた放熱性を示すものとなる。
【００４３】
なお、比較のために、上記で用いた液状ピッチを用いることなく、同量のタングステン（Ｗ）粉末を銅とともに充填させることを除き、他は全て上記と同様にして銅−炭素繊維複合材を得、その熱伝導率をレーザーフラッシュ法により評価すると、１５０Ｗ／ｍＫであった。このように熱伝導率が低下しているのは、タングステンが銅中に拡散したためであると考えられる。
【００４４】
＜実施の形態２＞
本実施の形態は、上記実施の形態１において用いた銅および炭素の両者に対して親和性を有する金属元素であるタングステン（Ｗ）に代えて、モリブデン、ニオブ、タンタル、バナジウム、コバルト、クロム、鉄、ハフニウム、シリコン、チタン、イットリウムまたはジルコニウムの各金属元素をそれぞれ液状ピッチに対して、体積比で２０％となるように混合することを除き、他は全て実施の形態１と同様にして銅−炭素繊維複合材を製造した。
【００４５】
ただし、液状ピッチを黒鉛化する温度はピッチと混合したそれぞれの金属元素粉末の融点より１００℃低い温度にとどめた。こうすることにより、黒鉛化中に金属元素の粉末が溶解して炭素から離脱することを防止した。
【００４６】
なお、融点以上であっても該金属元素と炭素（有機物を炭化して得られる炭素または炭素繊維の炭素）との反応が進行し、炭化物化することで炭素表面に十分に該金属元素が留まるならば、融点以上に加熱しても問題はない。
【００４７】
また、液状ピッチの炭化による残炭率はおおよそ９０％であるから、金属元素と該炭素とからなる組成物中における金属元素の含有量は、体積比で１４％となる。
【００４８】
このようにして製造した銅−炭素繊維複合材は、マトリクスである銅中に気孔がなく、銅の充填率はほぼ１００％であり、この複合材の熱伝導率をレーザーフラッシュ法により評価すると以下の表１の通りであった。表１に示すようにこれらの複合材は優れた熱伝導性を示すため、半導体デバイスの基板として用いると、その半導体デバイスは極めて優れた放熱性を示すものとなる。
【００４９】
【表１】
2004285372.tif 000003
【００５０】
＜実施の形態３＞
本実施の形態は、本発明に係る銅−炭素繊維複合材の別の製造方法に関するものである。
【００５１】
まず、炭素繊維として平均長さ３ｍｍ、直径１０μｍのピッチ系炭素繊維１００ｇと、炭化して炭素を得るための有機物として平均粒径２０μｍのフェノール樹脂粉末９５ｇと、銅および炭素の両者に対して親和性を有する金属元素として平均粒径５μｍのクロム（Ｃｒ）粉末３３ｇと、さらに純水を加えて攪拌混合した後、濾過により水を除去することにより前３者からなる混合物を得た。
【００５２】
次いで、この混合物を温度１２０〜１８０℃、望ましくは１５０〜１８０℃に加熱しプレス成形することにより熱硬化性樹脂であるフェノール樹脂を硬化させ炭素繊維の成形体を形成した。このときの炭素繊維の体積比率はおおよそ３０％となった。
【００５３】
この成形体をＡｒ中温度７００〜１０００℃に加熱することによりフェノール樹脂を炭化し、さらにＡｒ中１８００℃で黒鉛化した。黒鉛化温度が高ければ高いほど炭素の結晶性がよくなるが、Ｃｒの融点以下にとどめておくため１８００℃とした。これにより、銅および炭素の両者に対して親和性を有する金属元素（クロム（Ｃｒ））と、フェノール樹脂を炭化しさらに黒鉛化した炭素とを含む組成物を炭素繊維上に生成させることによって、該炭素繊維は該組成物（中のフェノール樹脂を黒鉛化した炭素）と結合して炭素繊維が粗にからみあったスケルトン構造体を形成した。
【００５４】
なお、このスケルトン構造体中の組成物の表面には、クロム（Ｃｒ）が露出したものとなる。クロム（Ｃｒ）の量は、フェノール樹脂の比重が１．３、Ｃｒの比重が７．２、フェノール樹脂の炭化による残炭率が５０％であることを考慮すると、該組成物中におけるクロム（Ｃｒ）元素の含有割合は、体積比にしてほぼ１０％となる。また、クロム（Ｃｒ）は、該組成物中においてフェノール樹脂を炭化した炭素との間で反応により一部炭化物となるため、前述のように組成物表面に露出していてもマトリクスである銅中への拡散を防止することができる。
【００５５】
続いて、このスケルトン構造体に対して上記実施の形態１と同様の方法で銅の含浸を行ない、銅−炭素繊維複合材を製造した。得られた銅−炭素繊維複合材は、マトリクス中に気孔がなく、銅の充填率はほぼ１００％であり、この複合材の熱伝導率をレーザーフラッシュ法により評価すると２９０Ｗ／ｍＫとなった。したがって、この複合材を半導体デバイスの基板として用いると、その半導体デバイスは極めて優れた放熱性を示すものとなる。
【００５６】
＜実施の形態４＞
本実施の形態は、本発明に係る銅−炭素繊維複合材のまた別の製造方法に関するものである。
【００５７】
まず、直径８．８μｍのピッチ系炭素繊維でできた嵩密度０．１ｇ／ｃｍ３のフェルト（炭素繊維の予備的成型体）に、熱硬化性樹脂であるフラン樹脂、銅および炭素の両者に対して親和性を有する金属元素としてクロム（Ｃｒ）粉末、および溶剤を混合したものを噴霧してフェルト中に含浸させた。ここで、フラン樹脂１００ｇに対してクロム（Ｃｒ）粉末５３ｇになるように配合した。
【００５８】
次に、フラン樹脂およびクロム（Ｃｒ）粉末を含浸させたフェルトを温度１５０〜１８０℃でプレス成形することでフラン樹脂を固化し、炭素繊維の体積比がおおよそ４０％となるように炭素繊維の成形体を形成した。
【００５９】
続いて、この成形体を、上記実施の形態３と同様の方法で、Ａｒ中温度７００〜１０００℃に加熱することにより有機物であるフラン樹脂を炭化し、さらにＡｒ中１８００℃に加熱することにより炭化した炭素をさらに黒鉛化した。これにより、銅および炭素の両者に対して親和性を有する金属元素（クロム（Ｃｒ））と、フラン樹脂を炭化しさらに黒鉛化した炭素とを含む組成物を炭素繊維上に生成させることによって、該炭素繊維は該組成物（中のフェノール樹脂を黒鉛化した炭素）と結合して炭素繊維が粗にからみあったスケルトン構造体を形成した。
【００６０】
なお、このスケルトン構造体中の組成物に含まれるクロム（Ｃｒ）は、フラン樹脂を炭化した炭素との間で反応により一部炭化物を形成するとともに該組成物の表面に一部露出する。クロム（Ｃｒ）の量は、フラン樹脂の比重が１．２、クロム（Ｃｒ）の比重が７．２、フラン樹脂の炭素化による残炭率がおおよそ５０％であることを考慮すると、該組成物中におけるクロム（Ｃｒ）の含有割合は、体積比でほぼ１５％となる。
【００６１】
次いで、このスケルトン構造体に対して、上記実施の形態１と同様の方法で銅の含浸を行なうことにより銅−炭素繊維複合材を製造した。得られた銅−炭素繊維複合材は、マトリクス中に気孔がなく、銅の充填率はほぼ１００％であり、この複合材の熱伝導率をレーザーフラッシュ法により評価すると２７７Ｗ／ｍＫとなった。したがって、この複合材を半導体デバイスの基板として用いると、その半導体デバイスは極めて優れた放熱性を示すものとなる。
【００６２】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００６３】
【発明の効果】
この発明に係る銅−炭素繊維複合材は、炭素繊維の表面の一部または全部に、銅および炭素の両者に対して親和性を有する金属元素と、有機物を炭化して得られる炭素とを含む組成物が存在し、該炭素繊維および該組成物以外の領域に銅が充填された構成となっている。このような構成としたことにより、銅および炭素の両者に対して親和性を有する金属元素は、銅と炭素との界面または界面近傍に選択的に留まり、銅マトリクス中への拡散を最小のものとすることができ、もって銅と炭素繊維との濡れ性が向上することにより両者が強固に密着して強度が高められるとともに、マトリクス中への不純物（上記金属元素）の混入を有効に防止し得、優れた熱伝導性を有する複合材となる。
【００６４】
また、このような銅−炭素繊維複合材は、炭素繊維の表面の一部または全部に、銅および炭素の両者に対して親和性を有する金属元素と、有機物を炭化して得られる炭素とを含む組成物を生成し、この組成物と炭素繊維とからなる成型体に銅を含浸させることによって製造することができる。このような製造方法としたことにより、銅および炭素の両者に対して親和性を有する金属元素は、銅と炭素との界面または界面近傍に選択的に留まるとともに、マトリクス中に高い充填率で銅を充填させることが可能となり、上述の如く、強度と熱伝導性を両立させた複合材が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】銅−炭素繊維複合材の模式図である。
【図２】銅を充填する前のスケルトン構造体の模式図である。
【図３】銅−炭素繊維複合材の製造方法を表わした図であって、（ａ）はスケルトン構造体を高圧鋳造容器にセットした図であり、（ｂ）はスケルトン構造体に銅を注湯している図であり、（ｃ）は銅を注湯後加圧している図である。
【符号の説明】
１  炭素繊維、２  組成物、３  金属元素、４  銅、５  スケルトン構造体、６  保持冶具、７  高圧鋳造容器、８  パンチ棒。
【図１】
2004285372.tif 000004
【図２】
2004285372.tif 000005
【図３】
2004285372.tif 000006