(57)【要約】【課題】  高熱伝導性と低熱膨張性とを兼ね備え、製造コストも低い複合材料を提供する。【解決手段】  本発明の複合材料は、マトリックス相としてＡｇを、強化相として粒子間がＳｉにより連結されたＳｉＣの骨格構造を備えている。Ａｇの弾性率は低く、かつ、熱伝導率も高く、その上、マトリックス相と強化相との反応も極小であるので、高熱伝導性と低熱膨張性とを兼ね備えた複合材料を、低い製造コストで提供することができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅よりも熱伝導率が高く、かつ、銅よりも弾性率が低い材料からなるマトリックス相と、
粒子間がケイ素によって結合された炭化ケイ素の骨格構造を有する材料からなる強化相とを有する複合材料。
【請求項２】
マトリックス相が、複合材料全体の２５〜７０体積％を占め、
粒子間がケイ素によって結合された炭化ケイ素が、マトリックス相を除く複合材料残部全体の重量に対して、１０〜３０重量％のケイ素を有することを特徴とする請求項１に記載の複合材料。
【請求項３】
マトリックス相を構成する材料が、銀であることを特徴とする請求項１または２に記載の複合材料。
【請求項４】
強化相の表面に、酸化膜が形成されていることを特徴とする請求項１、２または３に記載の複合材料。
【請求項５】
上記酸化膜が、二酸化ケイ素膜であることを特徴とする請求項４に記載の複合材料。
【請求項６】
上記酸化膜の膜厚が、０．１μｍ以下であることを特徴とする請求項４または５に記載の複合材料。
【請求項７】
粒子間がケイ素によって結合された炭化ケイ素が、多孔質炭化ケイ素であり、
マトリックス相が、多孔質炭化ケイ素の空隙に形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の複合材料。
【請求項８】
ＳｉＣとＳｉとを９：１〜７：３の重量割合で焼結し、炭化ケイ素プリフォームを形成する焼結工程と、
上記炭化ケイ素プリフォームに、銅よりも熱伝導率が高く、かつ、銅よりも弾性率が低い材料を溶浸する溶浸工程とを有することを特徴とする複合材料の製造方法。
【請求項９】
上記溶浸工程を行う前に、上記焼結工程で得られた炭化ケイ素プリフォームを酸化し、炭化ケイ素プリフォーム上に酸化膜を形成する酸化工程を行うことを特徴とする請求項８に記載の複合材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子機器、半導体デバイス等のヒートシンク材料およびパッケージ材料として好適な、低熱膨張性、かつ、高熱伝導性を有する複合材料およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子の高集積化、高速化に伴い、素子からの発熱量は、年々増加している。半導体素子の温度上昇は、誤作動や故障の原因ともなる。このため、放熱技術の開発には、多くの努力が費やされており、材料面でも各種の高い熱伝導性を有する材料の開発が進められてきた。しかし、近年の熱放散材に対する要求は益々高まっており、場合によっては、２５０Ｗ／ｍＫを越える高い熱伝導率が要求される。このため、そのような高い熱伝導率を有する、新規熱放散材料の開発が求められている状況にある。
【０００３】
また、熱放散材は、他のデバイスと接合状態で使用されるので、熱伝導率が高いのみならず、熱膨張により接合面で破断しないように、半導体素子やパッケージと同程度の熱膨張係数（熱膨張率）を有する必要がある。特に、半導体素子に使用されるシリコンやＧａＡｓの熱膨張係数は、それぞれ、４．２×１０−６／Ｋ，６．５×１０−６／Ｋであり、また、パッケージ材料としてよく用いられる酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）の熱膨張係数は、６．５×１０−６／Ｋである。従って、新規熱放散材料も、同程度の熱膨張係数も具備していなければならない。
【０００４】
従来、このような高熱伝導性および低熱膨張が要求される半導体素子の部位には、Ｗ−Ｃｕ系複合材料，炭素繊維−Ｃｕ系複合材料，およびＳｉＣ−Ａｌ系複合材料がよく用いられている。
【０００５】
Ｗ−Ｃｕ系複合材料は、各元素が高熱伝導率を有している。また、Ｗは、低熱膨張係数（４．５×１０−６／Ｋ）を有している。しかも、両者の反応、或いは、相互固溶は非常に少ない。このため、Ｗの含有量が多いＷ−Ｃｕ系複合材料は、低熱膨張係数と高熱伝導率とを具備する複合材料となる。しかし、この複合材料の熱伝導率は、高々２００Ｗ／ｍＫであり、前述したような２５０Ｗ／ｍＫ（高熱伝導率）には達しない。
【０００６】
一方、炭素繊維−Ｃｕ系複合材料は、近年、非常に高い熱伝導率を有する材料として注目されている。炭素繊維−Ｃｕ系複合材料では、特に黒鉛化した高弾性炭素繊維の繊維方向の熱伝導率が非常に高く、１０００Ｗ／ｍＫを越えるといわれている。また、繊維方向では、熱膨張係数も非常に小さい。しかし、横方向（繊維方向に対して垂直な方向）の熱伝導率は非常に小さいうえ、熱膨張率も非常に大きいという欠点を有している。このように、炭素繊維−Ｃｕ系複合材料には、特性に異方性がある。
【０００７】
ここで、炭素繊維−Ｃｕ系複合材料を、薄板のヒートシンク（放熱板）に適用した場合について考える。ヒートシンクは、通常、厚み方向の高い熱伝導率と横方向の低い熱膨張が要求される。前述のように、炭素繊維−Ｃｕ系複合材料は、繊維方向にのみ、高い熱伝導率と低い熱膨張とを満たす。このため、炭素繊維−Ｃｕ系複合材料では、横方向へもこれらを満たすために、３次元織などの多次元織加工が必要となる。
【０００８】
多次元織した炭素繊維材料は、ポーラスである（空隙がある）ため、Ｃｕを融点以上の温度で加圧溶浸することにより、緻密な炭素繊維−Ｃｕ系複合材料を得ることができる。このようにして、３００Ｗ／ｍＫに近い高い熱伝導率と、７×１０−６／Ｋ程度の低い熱膨張係数とを等方的に兼ね備えた炭素繊維−Ｃｕ系複合材料が製造されている。
【０００９】
しかし、炭素繊維−Ｃｕ系複合材料の製造では、多次元織加工や、銅と炭素の濡れ性が悪いことに起因する緻密化の困難性から、製造工程が複雑となる。このため、製造コストが非常に高くなってしまう。
【００１０】
ＳｉＣ−Ａｌ系複合材料は、近年利用が進んでいる材料である（例えば、特許文献１〜２参照）。この複合材料は、低密度で製造コストも低いという大きな特徴を有している。しかも、この複合材料は、熱伝導率も比較的高く、熱膨張率も低い。しかし、構成要素であるＳｉＣとＡｌ単独の熱伝導率は、高々２５０Ｗ／ｍＫであるため、複合材料とした場合に、２００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を得るのは容易ではない。
【００１１】
このように、現在使用されている複合材料は、種々の問題を有している。また、一部ダイヤモンド焼結体も使用されているものの、経済面での問題がある。
【００１２】
そこで、特性上で、上記のような既存の複合材料よりも優れ、かつ、比較的低コストで製造できる可能性のある複合材料として、ＳｉＣと熱伝導率の高いＣｕを組み合わせたＳｉＣ−Ｃｕ系複合材料が提案されている（例えば特許文献３参照）。
【００１３】
しかし、ＳｉＣ−Ｃｕ系複合材料は、製造時にＳｉＣとＣｕとが反応し、ＣｕにＳｉが固溶することにより、熱伝導率が大幅に減少してしまうという問題がある。
【００１４】
そこで、この問題を解決するために、低温で速やかに複合化を行い、ＳｉＣとＣｕとの反応を抑制する方法が提案されている（例えば、特許文献４参照）。しかし、この方法も、ＳｉＣとＣｕとの反応を、完全になくすことはできない。極微量でもＣｕ中にＳｉが固溶すると、熱伝導率は大幅に減少する。このため、この方法で製造されたＳｉＣ−Ｃｕ系複合材料も、高い熱伝導率を発揮することはできない。
【００１５】
一方、このような製造時のＳｉＣとＣｕとの反応を防止する技術として、両者の界面に、両者と反応しない物質から構成される反応防止層を形成する方法が提案されている（例えば特許文献５参照）。この方法では、反応防止層により、ＳｉＣとＣｕとの反応が効果的に抑制される。これにより、各構成要素の高い熱伝導性と低い熱膨張率が効果的に発揮された、優れたＳｉＣ−Ｃｕ系複合材料が得られている。
【００１６】
しかし、このＳｉＣ−Ｃｕ系複合材料では、高い熱伝導率はＣｕによるものであり、低い熱膨張率はＳｉＣによるものである。すなわち、Ｃｕ含有量が多い組成では極めて高い熱伝導率が得られ、逆にＳｉＣ含有量が多い組成では低い熱膨張率が得られることになる。
【００１７】
このＳｉＣ−Ｃｕ系複合材料は、特定の組成範囲内でのみ、高い熱伝導率と低い熱膨張率との両方の特性を満たすことになる。しかし、最適組成でも、２５０Ｗ／ｍＫ以上の高い熱伝導率と、９×１０−６／Ｋ以下の低い熱膨張率とを兼ね備える複合材料とすることは極めて困難である。
【００１８】
ただし、もともとＳｉＣは、４００Ｗ／ｍＫ以上の非常に高い熱伝導率を有する材料であるため、理論的には、ＳｉＣの高純度化・結晶中の欠陥低減などにより、高性能化（高熱伝導率化）は可能である。しかし、ＳｉＣは、結晶中に容易に構造欠陥を含みやすい特徴のある物質であるため、そのような構造欠陥を低減するのは、現実的には非常に困難な技術である。このため、ＳｉＣの構造欠陥を低減することは今後の課題であり、そのような技術は、未だ開発されていない。また、たとえ、そのような技術が開発されたとしても、ＳｉＣ−Ｃｕ系複合材料を製造するには、この欠陥低減工程のため、製造コストが高くなることは明らかである。従って、このＳｉＣ−Ｃｕ系複合材料でも、抵コストで提供されている既存のＳｉＣ原料をそのまま用い、高熱伝導率・低熱膨張のＳｉＣ−Ｃｕ系複合材料を、低コストで製造することは非常に困難であるという問題がある。
【特許文献１】特開平２−２３６２４４号（平成２年（１９９０）９月１９日公開）
【特許文献２】特開平１０−２３１１７５号（平成１０年（１９９８）９月２日公開）
【特許文献３】特開平８−２７９５６９号（平成８年（１９９６）１０月２２日公開）
【特許文献４】米国特許第６，１１０，５７７号（平成１４年（２０００）８月２９日公開）
【特許文献５】特開２００３−２１３３５１号（平成１５年（２００３）７月３０日公開）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
このように、従来種々の複合材料が存在するものの、近年の半導体デバイスおよび電子機器等の高速化・大規模化に対応できる、高熱伝導率・低熱膨張率を兼ね備えた複合材料は存在しない。
【００２０】
このため、高熱伝導率・低熱膨張率を兼ね備えた複合材料、および、その複合材料を実用化できる程度の低コストで製造する複合材料の製造方法の開発が強く望まれている。
【００２１】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、高熱伝導率・低熱伝導率を兼ね備えた複合材料を提供するとともに、その複合材料を低コストで製造できる製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明者等は、既存パッケージ材料等に対応した低熱膨張係数（好ましくは４．５〜９×１０−６／Ｋ）と、高熱伝導率（好ましくは２５０Ｗ／ｍＫ以上）を兼ね備えた複合材料およびその複合材料を低コストで製造する方法について鋭意に検討した結果、そのような複合材料を得るには、構成要素の弾性率が決定的に重要であることを見出し、本発明を完成させるに至った。
【００２３】
すなわち、本発明の複合材料（本複合材料）は、上記の課題を解決するために、銅よりも熱伝導率が高く、かつ、銅よりも弾性率が低い材料からなるマトリックス相と、粒子間がケイ素によって結合された炭化ケイ素の骨格構造を有する材料からなる強化相とを有することを特徴としている。
【００２４】
本複合材料では、マトリックス相が、複合材料全体の２５〜７０体積％を占め、粒子間がケイ素によって結合された炭化ケイ素が、マトリックス相を除く複合材料残部全体の重量に対して、１０〜３０重量％のケイ素を有することが好ましい。言い換えれば、本複合材料では、マトリックス相が、複合材料全体の２５〜７０体積％を占め、残部がケイ素によって結合された炭化ケイ素によって構成されるもので、ケイ素については、マトリックス相を除く複合材料残部全体の重量に対して、１０〜３０重量％の範囲内であることが好ましい。
【００２５】
本複合材料では、上記マトリックス相を構成する材料が、銀であることが好ましい。
【００２６】
本複合材料では、上記強化相の表面に、酸化膜が形成されていることが好ましい。
【００２７】
本複合材料では、上記酸化膜が、二酸化ケイ素膜であることが好ましい。
【００２８】
本複合材料では、上記酸化膜の膜厚が、０．１μｍ以下であることが好ましい。
【００２９】
本複合材料では、粒子間がケイ素によって結合された炭化ケイ素が、多孔質炭化ケイ素であり、マトリックス相が、多孔質炭化ケイ素の空隙に形成されていることが好ましい。
【００３０】
本発明の複合材料の製造方法は、上記の課題を解決するために、ＳｉＣとＳｉとを９：１〜７：３の重量割合で焼結し、炭化ケイ素プリフォームを形成する焼結工程と、上記炭化ケイ素プリフォームに、銅よりも熱伝導率が高く、かつ、銅よりも弾性率が低い材料を溶浸する溶浸工程とを有することを特徴としている。
【００３１】
本複合材料の製造方法では、溶浸工程を行う前に、上記焼結工程で得られた炭化ケイ素プリフォームを酸化し、炭化ケイ素プリフォーム上に酸化膜を形成する酸化工程を行うことが好ましい。
【発明の効果】
【００３２】
本発明の複合材料は、以上のように、銅よりも熱伝導率が高く、かつ、銅よりも弾性率が低い材料からなるマトリックス相と、粒子間がケイ素によって結合された炭化ケイ素の骨格構造を有する材料からなる強化相とを有する構成である。
【００３３】
また、本発明の複合材料の製造方法は、以上のように、ＳｉＣとＳｉとを９：１〜７：３の重量割合で焼結し、炭化ケイ素プリフォームを形成する焼結工程と、上記炭化ケイ素プリフォームに、銅よりも熱伝導率が高く、かつ、銅よりも弾性率が低い材料を溶浸する溶浸工程とを有する方法である。
【００３４】
それゆえ、高熱伝導性と低熱膨張率とを兼ね備えた複合材料を実現できるという効果を奏する。さらに、低コストでの製造も可能であるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
本発明の一実施形態について以下に説明する。
【００３６】
まず、本発明の複合材料（本複合材料）について説明する。本複合材料は、マトリックス相と強化相とを有する複合材料であって、近年需要が高まっている、高熱伝導率（好ましくは２５０Ｗ／ｍＫ以上）と、低熱膨張率（好ましくは９×１０−６／Ｋ以下）とを同時に兼ね備えていることを特徴とするものである。
【００３７】
本複合材料は、マトリックス相と強化相とが、酸化膜を介して接した構造である。
【００３８】
マトリックス相は、本複合材料に、高熱伝導率を与えるものである。マトリックス相は、Ｃｕ（銅）よりも熱伝導率が高い材料から構成されている。Ｃｕは、元々熱伝導率が高い元素である。本複合材料では、Ｃｕよりも高い熱伝導率を有する材料を、マトリックス相として用いる。すなわち、マトリックス相が、本複合材料に、高熱伝導率を付与する構成要素となる。なお、マトリックス相の純度が高いほど、高い熱伝導率が得られる。
【００３９】
マトリックス相は、熱伝導率に加え、Ｃｕよりも弾性率が低い材料から構成される。本複合材料のように、高熱伝導性と低熱膨張性とを得るためには、特に、マトリックス相の弾性率が重要となる。後述の実施例に示すように、弾性率を低くするほど、複合材料に、低熱膨張性を付与することができる。
【００４０】
このように、マトリックス相は、熱伝導率が高く、かつ、弾性率が低いものを構成要素とすることが好ましい。これにより、本複合材料に、高熱伝導性・低熱膨張性を付与することが可能となる。このため、マトリックス相を構成する材料は、熱伝導率と弾性率とを考慮して選択する。熱伝導率が高い材料であっても、弾性率が高い材料であれば、高熱伝導率は達成できても、低熱膨張性は達成できないためである。
【００４１】
マトリックス相を構成する材料は、Ｃｕよりも熱伝導率が高く、かつ、Ｃｕよりも弾性率が低い材料であれば特に限定されるものではない。このような材料としては、Ａｇ（銀）が好ましい。
【００４２】
強化相は、本複合材料に、低熱膨張率を与えるものである。強化相は、粒子間がＳｉ（ケイ素）によって連結されたＳｉＣ（炭化ケイ素）の骨格構造を有する材料から構成されている。
【００４３】
ここで、「粒子間がＳｉによって結合（連結）されたＳｉＣ」とは、Ｓｉによって、ＳｉＣ粒子が連結され、すなわち、ＳｉＣ−Ｓｉ−ＳｉＣ結合を有していることを示している。
【００４４】
また、「粒子間がＳｉによって結合されたＳｉＣの骨格構造を有する」とは、そのようなＳｉＣ粒子が、連続的、かつ、強固に結合していること、言い換えれば、ＳｉＣ−Ｓｉ−ＳｉＣの接合断面積が、ＳｉＣの粒子径と略同程度である（ＳｉＣの粒子径と比べそれほど小さくない）ことを示している。従って、ＳｉＣ粒子とＳｉとが、単に一部で接触しているものや、その接合断面積が小さく強度が小さいものは、骨格構造を形成できないため、ここでいう骨格構造には含まれない。以下、この骨格構造を、「ＳｉＣ骨格構造」とする。
【００４５】
図１は、ＳｉＣ骨格構造（ＳｉＣ−Ｓｉプリフォーム）の電子顕微鏡画像を示す図である。本複合材料では、強化相が、このＳｉＣ骨格構造を有している。図１に示すように、ＳｉＣ骨格構造は、ＳｉＣ粒子が緻密に結合した構造である。このＳｉＣ粒子を緻密に結合しているのが、Ｓｉである。
【００４６】
また、図１に示すように、ＳｉＣ骨格構造は、多孔性であり、空隙を有している。本複合材料では、この空隙に、マトリックス相が形成される。このように、ＳｉＣ骨格構造の空隙を埋めるようにマトリックス相が形成されれば、高熱伝導率と低熱膨張率との実現が可能である。
【００４７】
ところで、マトリックス相と強化相とが直接接していると、互いに反応する場合がある。前述のように、多孔質ＳｉＣ骨格構造の空隙には、マトリックス相が形成される。このため、例えば、マトリックス相としてのＡｇに、強化相のＳｉが一般には固溶する。Ａｇに固溶するＳｉの量が極微量であれば、複合材料としての特性には、ほとんど影響しない。この影響が小さい限界のＳｉの固溶量は、原子割合で0.01%程度である。実際、マトリックス相としてのＡｇに固溶するＳｉ量は、製造温度に依存するが、通常、この限界値以下であるので問題ない。しかし、マトリックス相への強化相の材料の固溶は、一層低いことが好ましい。
【００４８】
そこで、本複合材料では、マトリックス相と強化相との反応を一層効果的に防ぐために、強化相の表面に、酸化膜（酸化相）を形成することが好ましい。これにより、マトリックス相は、酸化膜を介して強化相に接触することになる。従って、マトリックス相に、強化相が固溶しないため、マトリックス相の純度が高まる。このため、マトリックス相による高熱伝導性が損なわれない。このように、酸化膜は、マトリックス相と強化相との反応を防止する反応防止層である。
【００４９】
酸化膜を形成する場合は、ＳｉＣ骨格構造の全表面に形成されている必要がある。特に、図１のように、ＳｉＣ骨格構造は、ポーラスなものであるため、空隙は入り組んだ空間構造となっている。すなわち、空隙の内部にもＳｉＣ粒子が多数存在する。このため、酸化膜は、この空隙の内部（ＳｉＣ粒子間の内部）にも形成されている必要がある。すなわち、ＳｉＣ骨格構造の全表面というのは、図１に示されるようなＳｉＣ粒子の全表面を示しており、酸化膜は、ＳｉＣ粒子の全表面（空隙のあるＳｉＣの内外表面）に形成されている必要がある。
【００５０】
酸化膜がＳｉＣ粒子表面に形成されていれば、マトリックス相と強化相との反応を確実に防ぐことができる。これにより、複合材料の特性が劣化しないため、より高熱伝導率と低熱膨張率とを兼ね備えた複合材料とすることができる。
【００５１】
また、酸化膜は、強化相を構成する材料の酸化物であることが好ましい。本複合材料では、強化相がＳｉＣ骨格構造を有するため、酸化膜は、二酸化ケイ素（二酸化シリコン）であることが好ましい。これにより、ＳｉＣ骨格構造を酸化することによって酸化膜（二酸化ケイ素膜）を形成できる。このため、ＳｉＣ粒子の全表面に、容易に酸化膜を形成できる。なお、酸化膜は、強化相を構成する材料以外の酸化物を、強化相の表面に形成してもよい。
【００５２】
酸化膜の膜厚が厚すぎると、熱抵抗の原因となる可能性があるため、酸化膜の膜厚は薄いことが好ましい。すなわち、酸化膜は、熱抵抗とならない程度の薄膜であることが好ましく、具体的には、酸化膜の膜厚は、０．１μｍ以下であることがより好ましい。
【００５３】
複合材料の特性は、マトリックス相と強化相との組成や各相の構成成分の含有量によっても異なる。
【００５４】
本複合材料を、電子機器や半導体デバイスにおけるヒートシンク材やパッケージ材料として適用する場合、２５０Ｗ／ｍＫ以上の高熱伝導率と、９×１０−６／Ｋ以下の低熱膨張率とが必要となる。
【００５５】
そこで、本複合材料では、マトリックス相（好ましくはＡｇ）が、複合材料全体の２５〜７０体積％（すなわち、強化相は、３０〜７５体積％）を占め、粒子間がＳｉによって結合されたＳｉＣ（ＳｉＣ骨格構造）が、マトリックス相を除く複合材料残部全体の重量に対して、１０〜３０重量％のＳｉを有することが好ましい。
【００５６】
これにより、２５０Ｗ／ｍＫ以上の高熱伝導率と、９×１０−６／Ｋ以下の低熱膨張率とを兼ね備えた複合材料を実現できる。従って、本複合材料を、電子機器や半導体デバイスにおけるヒートシンク材やパッケージ材料として適用できる。
【００５７】
なお、マトリックス相（好ましくはＡｇ）が、複合材料全体の２５体積％未満では、２５０Ｗ／ｍＫ以上の高熱伝導率を得ることができず、７０体積％を越えると、強化相の量が少なくなり、９×１０−６／Ｋ以下の低熱膨張率を得ることができない。
【００５８】
また、Ｓｉの含有量が、１０重量％未満では、十分にＳｉＣ粒子（結晶）間を連結できない。また、Ｓｉは、ＳｉＣよりも、熱伝導率も弾性率も低い。このため、Ｓｉの含有量が、３０％を超えると、複合材料の熱伝導率が低下し、低熱膨張率化に対しても、十分な効果が得られなくなる。このため、Ｓｉの含有量が上記の範囲を越えると、９×１０−６／Ｋ以下の低熱膨張率を得ることができない。
【００５９】
なお、強化相として、ＳｉＣ骨格構造の他にも、ＡｌＮ，炭素，ダイヤモンドなども利用可能である。
【００６０】
次に、本発明の複合材料の製造方法（本製造方法）について説明する。以下では、本複合材料として、マトリックス相としてＡｇを、強化相としてＳｉＣ骨格構造を有し、電子機器、半導体デバイス等のヒートシンク材料およびパッケージ材料として好適な、ＳｉＣ−Ａｇ系複合材料の製造方法について説明する。
【００６１】
本製造方法は、基本的には、（ａ）焼結によって強化相を形成する焼結工程と、（ｂ）強化相にマトリックス相を溶浸する溶浸工程とを有している。
【００６２】
工程（ａ）では、Ｓｉによって粒子間が強固に結合したＳｉＣ骨格構造を有するＳｉＣプリフォームを形成する。工程（ａ）では、複合材料の強化相の組成に合わせて、強化相を形成する。
【００６３】
次いで、工程（ｂ）では、工程（ａ）で形成したＳｉＣプリフォームに、マトリックス相の構成要素の融点以上の温度で、マトリックス相の材料を溶浸する。これにより、複合材料が製造される。
【００６４】
以下、各工程について詳細に説明する。
【００６５】
上記ヒートシンク材料等に適用するＳｉＣ−Ａｇ系複合材料では、マトリックス相が複合材料全体の２５〜７０体積％（体積割合）である。すなわち、強化相の体積割合は、３０〜７５体積％である。そして、強化相のＳｉＣ骨格構造は、マトリックス相を除く複合材料残部全体の重量に対して、１０〜３０重量％のＳｉを有している。このＳｉの含有量は、プリフォームに骨格構造を与えるために必要となる。Ｓｉの含有量が、１０％未満では、十分にＳｉＣ粒子（結晶）間を連結できない。また、Ｓｉは、ＳｉＣよりも、熱伝導率も弾性率も低い。このため、Ｓｉの含有量が、３０％を超えると、複合材料の熱伝導率が低下し、低熱膨張率化に対しても、十分な効果が得られなくなる。
【００６６】
従って、工程（ａ）では、上記の範囲内で、ＳｉＣと、高純度のＳｉ混合粉末を１４２０℃以上で加熱し、溶融したＳｉによって、ＳｉＣ結晶間を連結する。これにより、プリフォーム全体の重量に対して、重量割合で１０〜３０％のＳｉにより結合されたＳｉＣ骨格構造を有する多孔質ＳｉＣプリフォームが形成される。このＳｉＣプリフォームは、ＳｉＣ粒子間が、連続的、かつ、強固に結合している。
【００６７】
次いで、工程（ｂ）では、工程（ａ）で形成した多孔質ＳｉＣプリフォームに、マトリックス相の構成要素の融点以上の高温で、マトリックス相の材料を溶浸する。具体的には、例えば、１０００℃以上の温度で溶融したＡｇを、一般的に利用されている加圧溶浸する。これにより、ＳｉＣプリフォームの空隙に、Ａｇが溶浸され、高熱伝導率・低熱膨張率の複合材料を製造できる。
【００６８】
本製造方法では、工程（ａ）において、多孔質のＳｉＣ結晶間をＳｉによって強固に結合したＳｉＣプリフォームを形成することによって、複合材料中の強化相に、ＳｉＣ骨格構造を形成することができ、効果的に複合材料の低熱膨張化が可能となる。これにより、既存パッケージ材料等に対応した低熱膨張係数（４．５〜９×１０−６／Ｋ）と、高熱伝導率（２５０Ｗ／ｍＫ以上）とを兼ね備え、電子機器や半導体デバイス用の熱放散材料としての用途に特に好適なＳｉＣ−Ａｇ系複合材料を、低コストで製造できる。
【００６９】
なお、工程（ａ）では、熱処理によって炭素を生成するもの（例えば、フェノール樹脂，ピッチ等）を、同時に成形助剤として用いることが好ましい。これにより、成形性が向上し、密度の高いプリフォームを形成できる。なお、成形助剤から生成する炭素は、溶融したＳｉと容易に反応してＳｉＣとなるため、製造後には複合材料中には残存しない。
【００７０】
また、工程（ａ）で使用するＳｉＣは、高熱伝導性を得るために、できる限り高純度の原料粉末を用いることが好ましい。また、ＳｉＣ粉末の粒子径は、少なくとも１０μｍ以上であることが好ましい。これは、微粒子になるほど、熱抵抗の原因となる界面の割合が上昇するためである。なお、粒子径の上限は、特に限定されるものではないが、製造の容易さを考慮すれば、１００μｍ程度である。
【００７１】
また、工程（ａ）で使用するＳｉは製造過程で溶融するため、Ｓｉの粒子径は特に限定されるものではない。ただし、溶融後に、プリフォーム中のＳｉが存在した部分が空隙となるため、Ｓｉの粒子径は、ＳｉＣ粉末の粒子径の半分以下であることが好ましい。
【００７２】
また、プリフォームの相対密度は、強化相の体積割合を決定するが、特に限定されるものではない。ただし、低熱膨張係数と高熱伝導率とを効果的に得るためには、ＳｉＣプリフォームの相対密度が、体積割合で３０〜７５％であることが好ましく、４０〜７０％であることがより好ましい。この相対密度が、３０％未満である場合、熱膨張係数を９×１０−６／Ｋ以下とすることが困難であり、７５％を越えると、高熱伝導率をえることが困難となる。
【００７３】
また、工程（ｂ）において、１ＭＰａ程度以下での加圧溶浸を行えば、高密度な複合材料が得られる。このため、加圧溶浸を行うことが好ましい。
【００７４】
本製造方法では、工程（ｂ）の前に、工程（ａ）で形成したＳｉＣプリフォームの表面に、酸化膜を形成する工程（工程（ｃ））を行うことが好ましい。例えば、ＳｉＣプリフォームを高温酸化することによって、ＳｉＣプリフォーム全表面（ＳｉＣプリフォームの内外表面）に、酸化膜としてのＳｉＯ２薄膜を形成する。続いて、ＳｉＯ２薄膜を形成したＳｉＣプリフォームに、工程（ｂ）の溶浸を行うことによって、マトリックス相と強化相とがＳｉＯ２薄膜を介して接触した複合材料を製造できる。
【００７５】
このように、工程（ｃ）では、溶浸を行う前に、前もって、多孔質のＳｉＣプリフォームの全表面（ＳｉＣプリフォームの外部および内部表面）に、二酸化シリコン膜を形成することが好ましい。二酸化シリコン膜を形成すれば、マトリックス相であるＡｇ中に、極微量固溶するＳｉの量を大きく低減できる。これにより、高純度のマトリックス相となるため、マトリックス相のそもそもの高熱伝導性を損なわない。従って、より高い熱伝導性を有する複合材料を製造できる。
【００７６】
なお、本製造方法では、工程（ｃ）による酸化膜の形成は、必要不可欠ではない。しかし、工程（ｃ）を行えば、形成された酸化膜が、Ａｇ中に極微量固溶するＳｉの量を、より一層低減できる。このため、酸化膜を形成しない場合よりも、熱伝導率を向上できる。さらに、酸化膜とマトリックス材料との濡れ性は良好であるため、溶浸が容易になるという効果もある。このため、酸化膜を形成した場合、後続の工程（ｂ）（溶浸する工程）は、圧力を加えない自発溶浸法でも可能となる。
【００７７】
ただし、工程（ｃ）によって酸化膜を形成した場合、酸化膜の膜厚が厚くなりすぎると、熱抵抗となる可能性があるため、膜厚は薄いことが好ましい。このため、工程（ｃ）の酸化処理は、短時間で行うことが好ましい。例えば、酸化処理は、７００℃〜１０００℃程度の大気中で、１０分程度の短時間で行えばよい。このように、工程（ｃ）では、酸化処理を短時間で行い、０．１μｍ以下のＳｉＯ２薄膜（酸化膜）を形成とすることが好ましい。
【００７８】
このように、酸化膜を形成することによって、マトリックス相と強化相との反応を抑制でき、しかも、溶浸工程を簡素化できるというメリットがある。
【実施例】
【００７９】
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではない。以下の表１には、実施例の結果をまとめた。なお、熱膨張率は、室温〜３００℃までの平均値を示している。
【００８０】
【表１】
2005281831.tif 000003
【００８１】
〔実施例１〕
平均粒子径４０μｍのＳｉＣ粉末と、平均粒子径１０μｍのＳｉ粉末とを、７：３の割合（重量割合）で混合したものを、ボールミルを用いてよく混合した。この混合粉末を、金型を用いて成形し、１気圧のアルゴン中、１６００℃において１０分焼結し、５０％程度の相対密度を有するＳｉＣプリフォームを形成した。
【００８２】
このプリフォームを黒鉛型内に設置し、０．２ＭＰａの一軸加圧下で、１２００度で融解したＡｇを加圧溶浸し、複合材料を製造した。
【００８３】
得られた複合材料は、Ｓｉにより連結されたＳｉＣ骨格を５０体積％程度含み、残部がマトリックスとしての５０体積％程度のＡｇにより構成される構造を有していた。なお、プリフォームの相対密度は、プリフォームの重量と体積とから算出し、残りの部分がプリフォームの空隙である。この空隙は、Ａｇによって埋められるため、プリフォームの空隙の割合が、Ａｇの体積割合となる。
【００８４】
この複合材料の熱伝導率を、レーザーフラッシュ法により測定した結果、２６０Ｗ／ｍＫ以上の高い熱伝導率を有することがわかった。また、室温から３００℃までの熱膨張を測定した結果、。８×１０−６／Ｋ程度の低い熱膨張係数を有することがわかった。
【００８５】
〔実施例２〕
平均粒子径４０μのＳｉＣ粉末と、平均粒子径２０μｍのＳｉ粉末とを７：３（重量割合）で混合したものを用い、実施例１と同様な方法で、５０％程度の相対密度を有するＳｉＣプリフォームを形成した。
【００８６】
次に、このプリフォームを、電気炉中に設置し、大気中，９００℃で１０分保持し、プリフォーム表面に、ＳｉＯ２酸化膜を形成した。
【００８７】
このようにして得られたＳｉＣプリフォームを用いて、実施例１と同様な方法で複合材料を得た。
【００８８】
得られた複合材料の熱伝導率をレーザーフラッシュ法により測定した結果、実施例１の複合材料（ＳｉＯ２酸化膜を有さない）よりも、若干高い２７０Ｗ／ｍＫ程度の熱伝導率を有することがわかった。また、室温から３００℃までの熱膨張率を測定した結果、熱膨張率は、実施例１と同じく、８×１０−６／Ｋ程度の低い熱膨張係数を有することがわかった。
【００８９】
このように、マトリックス相の溶浸前に、ＳｉＣプリフォーム表面に、酸化膜を形成することによって、熱伝導率が向上するという効果がある。
【００９０】
〔比較例１〕
実施例１と同様のプリフォームを電気炉中に設置し、大気中で、９００℃において、１０分間保持し、プリフォーム表面に、０．４μｍのＳｉＯ２酸化膜を形成した。次に、実施例１のＡｇの代わりに、１４００℃で溶解したＣｕを加圧溶浸し、複合材料を製造した。
【００９１】
得られた複合材料は、２３０Ｗ／ｍＫ程度の高い熱伝導率を有するものの、熱膨張率は、１１×１０−６／Ｋ程度であることがわかった。すなわち、Ｃｕを構成要素（マトリックス相）とする複合材料は、Ａｇよりも弾性率の高いＣｕであるため、熱膨張率を９×１０−６／Ｋ以下とすることができないと考えられる。
【００９２】
〔比較例２〕
平均粒子径４０μｍのＳｉＣ粉末を金型を用いて成形し、１気圧のアルゴン中、１６００℃で、１０分焼結し、５０％程度の相対密度を有するＳｉＣプリフォームを得た。しかし、このプリフォームでは、ＳｉＣの焼結が全く起こっておらず、実施例１・２のようなＳｉＣの強固な骨格構造が形成されていなかった。
【００９３】
このプリフォームを、実施例１と同様の方法で、Ａｇを加圧溶浸し、複合材料を製造した。
【００９４】
得られた複合材料は、ＳｉＣを体積割合で５０％含み、残部がＡｇから構成されていた。また、この複合材料は、２６０Ｗ／ｍＫ程度の高い熱伝導率を有するものの、熱膨張率は１２×１０−６／Ｋ程度と高いものであった。すなわち、低熱膨張性の複合材料を得るには、強固なＳｉＣ骨格構造が必要であることが明らかとなった。
【００９５】
以上のように、本複合材料は、高熱伝導率・低熱膨張率を兼ね備え、しかも製造コストも低い。現在、使用されている複合材料の多くは、Ｗ−Ｃｕ系，およびＳｉＣ−Ａｌ系複合材料である。一部、炭素繊維−Ｃｕ系複合材料，ダイヤモンド焼結体なども使用される。しかし、電子機器や半導体デバイスにおけるヒートシンク材やパッケージ材料として適用できる程度の高熱伝導率・低熱膨張率を、低コストて実現するには至っていない。
【００９６】
高熱伝導率・低熱膨張率を同時に満たす複合材料の構成要素は、以下の要件を満たすことが必要となる。
【００９７】
第１に、高熱伝導率を得るためには、高い熱伝導率を有する構成要素を用い、各構成要素の各相の純度を極力高く保つ必要がある。各相を高純度に保つには、異なる構成要素間での反応が起こるものであってはいけない。
【００９８】
第２に、低熱膨張率を得るためには、十分低い熱膨張率を有する構成要素を用い、その構成要素を、強化相とすることが必要となる。
【００９９】
例えば、ＳｉＣ−Ｃｕ系複合材料では、ＳｉＣが低熱膨張率を有する強化相であり、Ｃｕが高熱伝導性を有するマトリックス相である。そして、ＳｉＣとＣｕとの反応は、両者の界面に形成された反応防止層によって効果的に防止されている。このようなＳｉＣ−Ｃｕ系複合材料の熱膨張率は、各構成要素の熱膨張率，含有量，組成のみならず、各構成要素の弾性率にも大きく影響を受ける。
【０１００】
本発明者等は、このような複合材料の熱膨張率の問題について、鋭意研究を重ねた結果、高熱伝導性・低熱膨張性を同時に満たす複合材料を得るには、特に、構成要素の弾性率が重要であることを見出した。
【０１０１】
すなわち、ＳｉＣ−Ｃｕ系複合材料では、元々Ｃｕの弾性率が比較的高いため、低熱膨張率のＳｉＣを強化相として有していても、高い熱伝導率を有する組成では、Ｃｕの含有量が多くなるため、十分に熱膨張を抑制することができない。このため、高熱伝導率と低熱膨張率とを同時に兼ね備えた複合材料とすることができないことを見出した。
【０１０２】
そこで、Ｃｕよりも低い弾性率を有し、かつ、高い熱伝導率を有するＡｇをマトリックス相とする複合材料を検討した結果、その複合材料が、電子機器や半導体デバイスにおけるヒートシンク材やパッケージ材料として適用可能な、低熱膨張係数（９×１０−６／Ｋ以下と、高熱伝導率（２５０Ｗ／ｍＫ以上）とを同時に具備していることを見出した。
【０１０３】
なお、本複合材料および本製造方法を以下のように表現することもできる。
【０１０４】
〔１〕Ａｇをマトリックスとして体積割合で２５〜７０％有し、残部が、残部全体の重量に対して、重量割合で１０〜３０％のＳｉにより結合された骨格構造を有するＳｉＣにより構成される複合材料であって、熱膨張係数（熱膨張率）が４．５〜９×１０−６／Ｋ以下であり、熱伝導率が２５０Ｗ／ｍＫである高熱伝導性複合材料。
【０１０５】
〔２〕プリオフォーム全体重量に対し、重量割合で１０〜３０％のＳｉにより結合された骨格構造を有するＳｉＣの多孔質プリフォームを形成し、次いで、該プリフォームの空隙にＡｇを溶浸させることを特徴とする上記〔１〕の高熱伝導性複合材料の製造方法。
【０１０６】
〔３〕〔２〕に記載のＳｉＣ基プリフォームを、あらかじめ高温酸化雰囲気中で酸化することにより、該プリフォームの内外表面に、０．１μｍ以下の薄膜状のＳｉＯ２を形成し、次いで、Ａｇを溶浸させることを特徴とする上記〔１〕の高熱伝導性複合材料の製造方法。
【０１０７】
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１０８】
本発明の複合材料は、特に高い熱伝導性と低い熱膨張性とを兼ね備え、かつ、比較的製造コストも低いため、主として、電子機器や半導体デバイスにおけるヒートシンク材やパッケージ材料として好適に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】実施例で使用したＳｉＣプリフォームの電気顕微鏡図である。
【図１】
2005281831.tif 000004