CN115461480B

CN115461480B - 复合材料、散热器及半导体装置

Info

Publication number: CN115461480B
Application number: CN202180026819.3A
Authority: CN
Inventors: 真岛正利; 丰岛刚平; 高岛浩一
Original assignee: ALMT Corp; Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: ALMT Corp; Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2020-04-09
Filing date: 2021-03-03
Publication date: 2023-10-24
Anticipated expiration: 2041-03-03
Also published as: EP4134457A1; CN115461480A; US20230167528A1; JP6980161B1; EP4134457B1; JPWO2021205782A1; WO2021205782A1

Abstract

本发明的复合材料包含多个金刚石颗粒、铜以及选自硅、铬、钴、镍、钼、钛、钒、铌、钽、钨及铝中的至少一种的第一元素，上述第一元素相对于上述铜和上述第一元素的合计质量的含有率为50ppm以上且2000ppm以下。

Description

复合材料、散热器及半导体装置

技术领域

本发明涉及复合材料、散热器及半导体装置。本申请要求基于在2020年4月9日提交的日本特愿2020-070227号的日本专利申请的优先权。该日本专利申请中记载的全部记载内容通过参考被本说明书引用。

背景技术

近年来，随着半导体装置的大功率化、高集成化，需要散热器具有更高的导热率。作为散热器的材料之一迄今使用具有高导热率的铜(Cu)。但是，铜虽然具有高导热率，但是与作为代表性的半导体的Si、InP、GaAs相比，热膨胀系数的值大。因此，在将铜与半导体元件接合的情况下，在从接合时的加热温度冷却至室温的过程中，或者随着使用时的热循环，在接合界面附近会产生大的热应力，因此存在无法使用的情况。

因此，迄今使用CuW、CuMo等材料，该材料通过将铜与钨、钼等热膨胀系数低的材料合金化而使热膨胀系数接近半导体。但是，由于除了铜以外的材料为低导热率，所以它们的合金的导热率也降低。

作为能够成为高导热率的散热器的材料，可举出金刚石。金刚石具有1000W/mK以上的高导热率。但是，与半导体元件相比，金刚石的热膨胀系数过小，无法匹配像GaAs这样的热膨胀系数较大的半导体元件。此外，由于金刚石的杨氏模量非常大，达到1050GPa，所以在与半导体元件硬焊时的冷却过程中、或者在使用时的热循环中，在散热器与半导体元件的界面附近产生大的热应力，因此存在无法使用的情况。

因此，作为散热器的材料，正在开发将金刚石与金属复合化的材料(以下也记作“复合材料”)。作为将金刚石与金属复合化的方法，可举出熔浸法、高温超高压烧结法。

熔浸法是指将金刚石颗粒与金属粉末的混合粉末一边加压一边使其熔融凝固来使金刚石颗粒与金属复合化的方法。

在日本特开2004-197153公报(专利文献1)中，作为通过熔浸法得到的复合材料，公开了一种金刚石-金属复合材料，其由金刚石颗粒、在金刚石颗粒的表面形成的反应层以及金属1构成，上述反应层将由选自4a、5a和6a族元素中的一种以上构成的金属2的碳化物作为主成分，上述金属1由选自Ag、Cu、Au、Al、Mg、Zn中的一种以上构成，在通过金属1形成的基质中，具有反应层的各金刚石颗粒被金属1隔开而分散。

高温超高压烧结法是指在高温超高压条件下将金刚石颗粒与金属粉末的混合粉末烧结来使金刚石颗粒与金属复合化的方法。

在日本特开2003-309316号公报(专利文献2)中，作为通过高温超高压烧结法得到的复合材料，公开了将金刚石颗粒作为主成分、剩余部分实质上由铜构成的烧结体。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2004-197153公报；

专利文献2：日本特开2003-309316号公报。

发明内容

本发明的散热器包含上述的复合材料和设置于上述复合材料的表面的至少一部分的金属镀层。

本发明的半导体装置具有上述散热器。

附图说明

图1为示出本发明的复合材料的TEM像的一个例子的图像。

图2为示出对图1的图像进行元素映射分析而得到的元素映射图的图像。

图3为说明实施方式2的散热器的代表性结构例的图。

图4为说明实施方式3的半导体装置的代表性结构例的图。

图5为示出剪切试验装置的图。

具体实施方式

[本发明要解决的问题]

在专利文献1的复合材料中，4族元素、5族元素和6族元素相对于金属基质与4族元素、5族元素和6族元素的合计的含有比例以质量基准计为1％～30％左右，是金刚石与铜隔着4族元素、5族元素和6族元素的碳化物而密合的结构。但是，由于与铜相比，4族元素、5族元素和6族元素的导热率低，所以成为使复合材料的导热率降低的原因之一。因此，希望提高复合材料的导热率。

专利文献2的复合材料由于不包含作为使导热率降低的原因之一的4族元素、5族元素和6族元素，因此不易产生由这些元素引起的导热率的降低。另一方面，在将专利文献2的复合材料与半导体元件接合的情况下，为了提高两者的接合强度，大多会对复合材料进行金属镀处理。作为金属镀处理，当进行例如电镀镍处理时，镀处理后的复合材料有导热率和强度降低的趋势。

因此，本发明的目的在于提供一种特别是在电镀镍处理后也具有高导热率和高强度的复合材料，以及使用了该复合材料的散热器和半导体装置。

[本发明的效果]

本发明的复合材料特别是在电镀镍处理后也能够具有高导热率和高强度。

本发明的散热器能够具有高导热率和高强度。

本发明的半导体装置能够维持优异的性能，并且寿命长。

[本发明的实施方式的说明]

首先列述本发明的实施方式进行说明。

(1)本发明的复合材料包含多个金刚石颗粒、铜以及选自硅、铬、钴、镍、钼、钛、钒、铌、钽、钨及铝中的至少一种的第一元素，

上述第一元素相对于上述铜和上述第一元素的合计质量的含有率为50ppm以上且2000ppm以下。

(2)上述复合材料优选包含60体积％以上且90体积％以下的上述金刚石颗粒、以及10体积％以上且40体积％以下的上述铜。由此，复合材料的导热率进一步提高。此外，能够减小复合材料的热膨胀系数与半导体元件的热膨胀系数的差。

(3)优选上述第一元素相对于上述铜和上述第一元素的合计质量的含有率为200ppm以上且800ppm以下。由此，复合材料的导热率和强度进一步提高。

(4)优选上述第一元素在上述金刚石颗粒与上述铜的界面浓度增加。由此，复合材料的强度进一步提高。

(5)本发明的散热器包含上述记载的复合材料和设置于上述复合材料的表面的至少一部分的金属镀层。

本发明的散热器能够具有高导热率和高强度。

(6)本发明的半导体装置具有上述记载的散热器。

本发明的半导体装置能够维持优异的性能，并且寿命长。

[本发明的实施方式的具体内容]

本发明人研究了在对使用高温超高压烧结法制作的以往的复合材料进行电镀镍处理的情况下电镀镍处理后的复合材料的导热率和强度降低的原因。

首先，对电镀镍处理时间与导热率的关系进行了考察。根据其结果确认了处理时间越长，导热率越降低的趋势。

进而，将电镀镍处理后的复合材料剪切，观察剪切面，观测到外周部变色，在变色部位检测到作为瓦特浴(WATT浴，包含硫酸镍、氯化镍和硼酸)的构成成分的氯(Cl)。

本发明人基于上述见解，对于电镀镍处理时复合材料的导热率和强度降低的原因进行了如下的推测。

在以往的复合材料的电镀镍处理时，电镀镍处理液浸入复合材料中的金刚石颗粒与铜的界面的空隙。界面附近存在的铜的一部分因电镀镍处理液而溶出，铜的腐蚀在界面附近发展。

推测随着铜的腐蚀，金刚石颗粒与铜的界面的空隙扩大，导热率和强度降低。这样的铜的腐蚀不限于电镀镍处理，在其他电解镀处理中也容易发生。

本发明人基于上述推测进行了深入研究，结果新创造了一种特别是在电镀镍处理后也具有高导热率和高强度的复合材料。

以下，一边参考附图，一边对本发明的复合材料、散热器和半导体装置的具体例子进行说明。在本发明的附图中，相同的附图标记表示相同部分或相当部分。此外，为了附图的清晰化和简单化，长度、宽度、厚度、深度等尺寸关系进行了适当变更，并不一定表示实际的尺寸关系。

本说明书中，“A～B”这种形式的表述指的是范围的上限下限(即A以上且B以下)，在A没有记载单位而仅在B记载了单位的情况下，A的单位与B的单位相同。

[实施方式1：复合材料]

本发明的复合材料包含多个金刚石颗粒、铜以及选自硅、铬、钴、镍、钼、钛、钒、铌、钽、钨及铝中的至少一种的第一元素，第一元素相对于铜和第一元素的合计质量的含有率为50ppm以上且2000ppm以下。

本发明的复合材料在电镀镍处理后也能够具有高导热率和高强度。其原因推测为如下。

本发明的复合材料包含选自硅、铬、钴、镍、钼、钛、钒、铌、钽、钨及铝中的至少一种的第一元素。与铜相比，这些第一元素的耐腐蚀性高。因此，本发明的复合材料在电镀镍处理时可抑制铜的腐蚀。由此，推测本发明的复合材料在电镀镍处理后也能够具有高导热率和高强度。

(金刚石颗粒)

本发明的复合材料包含金刚石颗粒。由此，本发明的复合材料能够具有优异的导热性。

复合材料优选包含60体积％以上且90体积％以下的金刚石颗粒，并且包含10体积％以上且40体积％以下的铜。由此，复合材料的导热率进一步提高。此外，能够减小复合材料的热膨胀系数与半导体元件的热膨胀系数的差。

从提高导热率的观点出发，复合材料中的金刚石颗粒的含有率的下限优选为60体积％以上，更优选为70体积％以上。从减小复合材料的热膨胀系数与半导体元件的热膨胀系数的差的观点出发，复合材料中的金刚石颗粒的含有率的上限优选为90体积％以下。复合材料中的金刚石颗粒的含有率优选为60体积％以上且90体积％以下，更优选为70体积％以上且90体积％以下。

复合材料中的金刚石颗粒的含有率(体积％)通过下述方法测定。通过使用氩的离子束等对超硬合金进行CP(Cross Section Polisher，横截面抛光机)加工，得到具有平滑的剖面的试样。使用扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope：SEM)以200倍对该试样的上述剖面进行拍摄，由此得到上述试样的剖面的电子显微镜图像(SEM像)。

接着，使用图像解析软件，使用能够识别金刚石颗粒的阈值，对上述电子显微镜图像进行二值化处理，得到二值化图像。基于该二值化图像，算出金刚石颗粒的面积的和(总面积)相对于上述二值化图像整体的面积的比率(面积比率)。将该面积比率看作是复合材料中的金刚石颗粒的含有率(体积％)。在本说明书中，“复合材料中的金刚石颗粒的含有率(体积％)”为如下的值：以在上述试样的剖面中不出现重复的拍摄部分的方式准备10张(10个视野)的电子显微镜图像，在该10个视野中算出的各含有率的平均值。

另外，虽然复合材料包含后述的选自硅、铬、钴、镍、钼、钛、钒、铌、钽、钨及铝中的至少一种的第一元素，但是由于第一元素的含量相对于铜为微量，所以能够将复合材料中的第一元素的体积比例视作0。

从减少金刚石颗粒间的晶界、或减少金刚石颗粒与铜之间的晶界，提高导热率的观点出发，金刚石颗粒的平均粒径的下限优选为3μm，更优选为5μm，进一步优选为10μm。从提高复合材料的加工性、以及实现薄型化的观点出发，金刚石颗粒的平均粒径的上限优选为100μm，更优选为80μm，进一步优选为70μm。金刚石颗粒的平均粒径优选为3μm以上且100μm以下，更优选为5μm以上且80μm以下，进一步优选为10μm以上且70μm以下。

本说明书中，金刚石颗粒的平均粒径通过下述方法测定。通过与上述的复合材料中的金刚石颗粒的含有率(体积％)的测定方法同样的方法，基于试样的剖面的电子显微镜图像(SEM像)，制作二值化图像。在二值化图像中，求出各金刚石颗粒的面积，算出具有与其相等的面积的圆的直径(等价圆直径)，将它们的平均作为平均粒径。在本说明书中，“金刚石颗粒的平均粒径”为如下的值：以在上述试样的剖面中不出现重复的拍摄部分的方式准备10张(10个视野)的电子显微镜图像，在该10个视野中算出的各平均粒径的平均值。

(铜)

本发明的复合材料包含铜。由此，本发明的复合材料能够具有优异的导热性。

从减小复合材料的热膨胀系数与半导体元件的热膨胀系数的差的观点出发，复合材料中的铜的含有率的下限优选为10体积％。从提高导热率的观点出发，复合材料中的铜的含有率的上限优选为40体积％，更优选为30体积％。复合材料中的铜的含有率优选为10体积％以上且40体积％以下，更优选为10体积％以上且30体积％以下。

复合材料中的铜的含有率(体积％)从上述的复合材料整体除去金刚石颗粒的含有率来计算。

(第一元素)

复合材料包含选自硅、铬、钴、镍、钼、钛、钒、铌、钽、钨及铝中的至少一种的第一元素，第一元素相对于铜和第一元素的合计质量的含有率(以下也记作“第一元素的含有率”)为50ppm以上且2000ppm以下。由此，复合材料在电镀镍处理后也能够具有高导热率和高强度。

从提高导热率、以及提高强度的观点出发，复合材料中的第一元素相对于铜和第一元素的合计质量的含有率优选为200ppm以上且800ppm以下。

复合材料中的铜的以质量基准计的含量W1和第一元素的以质量基准计的含量W2能够通过使用电感耦合等离子体(ICP)发射光谱分析法(使用设备：岛津制作所制“ICPS-8100”(商品名))进行分析来测定。具体而言，使用在10mL的纯水中加入了5mL的浓盐酸(36％)和5mL的浓硝酸(60％)而得到的酸溶液来溶解0.5g的由复合材料构成的试样，然后用ICP发射光谱分析法测定溶液，算出W1和W2的质量。基于W1和W2的值，能够得到第一元素相对于铜和第一元素的合计质量的含有率。

第一元素优选在金刚石颗粒与铜的界面浓度增加。由此，在金刚石颗粒与铜的界面，容易发挥第一元素的耐腐蚀性的效果。因此可认为在电镀镍处理时，可有效地抑制因电镀处理液导致的在金刚石颗粒与铜的界面附近产生的铜的腐蚀。

关于确认第一元素在金刚石颗粒与铜的界面浓度增加的方法，如下进行说明。

(1-1)从复合材料采取样品，使用日本电子株式会社制的离子切片机“EM-09100IS”(商品名)，将样品切成30～100nm的厚度的薄片，制作切片。

(1-2)使用透射型电子显微镜(TEM、日本电子株式会社制的“JEM-2100F/Cs”(商品名))以10万倍观察上述(1-1)中制作的切片，使用TEM附带的能量色散型X射线光谱仪(EDX、阿美特克公司(AMETEK公司)制的“EDAX”(商品名))，进行元素映射分析，得到元素映射图。在元素映射分析中，分析第一元素、铜、以及碳的分布。

将本发明的复合材料的TEM像的一个例子示于图1，将对图1的图像进行元素映射分析而得到的元素映射图示于图2。在图1中，表示为Dia的暗视野区域表示金刚石颗粒存在的区域(以下也记作“金刚石区域”)，表示为Cu的亮视野区域表示铜存在的区域(以下也记作“铜区域”)。在图2中，用亮视野所示的部分表示第一元素(Cr)。

(1-3)基于上述(1-2)得到的TEM像，确定金刚石颗粒与铜的界面。

(1-4)将上述(1-2)中得到的TEM像与元素映射图重叠，沿垂直于金刚石颗粒与铜的界面的方向，从金刚石颗粒到铜，实施元素线分析，测定第一元素的含量。在此，垂直于界面的方向是指沿着如下直线的方向，该直线与界面的延伸方向的切线以90°±5°的角度交叉。元素线分析的束径为0.3nm以下，扫描间隔为0.1～0.7nm。

(1-5)在上述(1-4)的测定结果为距离界面为1nm以上且30nm以下的范围的第一元素的浓度比距离界面为40nm以上且50nm以下的范围的金刚石区域和铜区域的第一元素的浓度高50％以上的情况下，确认第一元素在金刚石颗粒与铜的界面浓度增加。

另外，在上述确认方法中，制作从复合材料任意选择的10处的样品，在1处以上的样品满足上述(1-5)的条件的情况下，判断该复合材料中，第一元素在金刚石颗粒与铜的界面浓度增加。

(复合材料的特性)

复合材料在电镀镍处理后在室温(23℃)下的导热率优选为400W/mK以上，更优选为430W/mK以上，进一步优选为450W/mK以上。复合材料的导热率通过激光闪光法测定。例如可通过市售的测定器(耐驰公司(NETZSCH公司)制“LFA467”)来测定。

本发明的复合材料通过以热膨胀系数小的金刚石颗粒和热膨胀系数比金刚石充分大的铜为主体，热膨胀系数能够取两者的中间值。例如，上述复合材料在30℃～400℃的平均的热膨胀系数优选为3×10^-6/K以上且13×10^-6/K以下，更优选为4×10^-6/K以上且12×10^-6/K以下，进一步优选为4.5×10^-6/K以上且10×10^-6/K以下。

(复合材料的形状和大小)

本发明的复合材料的代表性形状可举出平板状。通过制造时使用的成型模具的形状、切削加工等，能够制成期望的平面形状、三维形状的复合材料。复合材料等的大小(厚度、宽度、长度等)能够适当选择。当厚度薄时(例如5mm以下、3mm以下、进而2.5mm以下)，能够制成轻质、薄型的复合材料。

(复合材料的制造方法)

实施方式1的复合材料的制造方法例如能够包括以下工序：将铜粉末以及选自硅、铬、钴、镍、钼、钛、钒、铌、钽、钨及铝中的至少一种的第一元素的粉末(以下也记作“第一元素粉末”)混合，得到第一混合粉末的工序(以下也记作“第一混合粉末准备工序”)；混合第一混合粉末与金刚石粉末，得到第二混合粉末的工序(以下也记作“第二混合粉末准备工序”)；以及将第二混合粉末在高温超高压条件下烧结，得到复合材料的工序(以下也记作“烧结工序”)。以下对各工序的细节进行说明。

(第一混合粉末准备工序)

首先，将铜粉末、以及选自硅、铬、钴、镍、钼、钛、钒、铌、钽、钨、及铝中的至少一种的第一元素的粉末混合，由此得到第一混合粉末。

铜粉末的大小(平均粒径)能够适当选择，例如可举出1μm以上且150μm以下左右。如果为该范围，则可认为该粉末不会过小，容易操作，也不会过大，因此烧结时容易熔融。

第一元素粉末的大小(平均粒径)能够适当选择，例如可举出1μm以上且150μm以下左右。如果为该范围，则可认为该粉末不会过小，容易操作，也不会过大，因此烧结时容易熔融。

第一混合粉末中的第一元素粉末的含有率(质量基准)以最终制造的复合材料中的第一元素的含有率(质量基准)成为期望的值的方式进行选择。第一混合粉末中的第一元素粉末的含有率例如能够为50ppm以上且2000ppm以下、200ppm以上且800ppm以下。

原料的第一元素粉末的纯度越高，则导热性越优异，越优选。第一元素粉末中的各元素粉末的各自的纯度例如能够为99.99％以上。

原料的铜粉末的纯度越高，则导热性越优异，越优选。铜粉末的纯度例如能够为99.99％以上。

(第二混合粉末准备工序)

接着，混合第一混合粉末与金刚石粉末，得到第二混合粉末。

金刚石粉末的大小(平均粒径)以成为最终制造的复合材料中的金刚石颗粒的大小(平均粒径)的方式进行选择。原料金刚石粉末的平均粒径例如优选为1μm以上且300μm以下、1μm以上且100μm以下，20μm以上且60μm以下。

第一混合粉末与金刚石粉末的混合比例以最终制造的复合材料中的金刚石颗粒和铜的体积比例成为期望的值的方式进行选择。另外，第一混合粉末中虽然包含第一元素粉末，但由于是微量，所以可以不考虑在体积比例内。

原料金刚石粉末的纯度越高(例如天然金刚石)、则导热性越优异因此优选。另一方面，工业用金刚石虽然纯度低，但价格较低，容易利用。该复合材料的制造方法中，即使是工业用金刚石，也能够用作原料。

第二混合粉末中的金刚石粉末的含有比例例如能够为60体积％以上且90体积％以下、70体积％以上且90体积％以下。第二混合粉末中的铜粉末的含有比例例如能够为10体积％以上且40体积％以下、10体积％以上且30体积％以下。

(烧结工序)

接着，将第二混合粉末在高温超高压条件下烧结，得到复合材料。例如，首先，将第二混合粉末填充至钼制的容器，以2t/cm²的负荷进行压制，制成厚度2mm的压坯。将装填了该压坯的容器隔着钎料盖上钼制的盖，在真空中加热，由此将容器与盖进行硬焊密封。

将上述容器装填至带型超高压产生装置，以压力3GPa、温度1200℃的条件保持10分钟后，降低温度至500℃，在该状态下保持30分钟，同时将压力缓缓降低至大气压。由此烧结混合粉末，制作复合材料。

[实施方式2：散热器]

关于本发明的散热器，使用图3进行说明。如图3所示，散热器3包含实施方式1的复合材料1和设置于该复合材料1的表面的至少一部分的金属镀层2。该散热器能够具有高导热率和高强度。

(复合材料)

作为散热器3所包含的复合材料1，能够使用实施方式1中记载的复合材料。

(金属镀层)

如图3所示，散热器包含设置于复合材料1的表面的至少一部分的金属镀层2。当复合材料包含金属镀层时，在通过焊料、钎料等将复合材料1与半导体元件等接合的情况下，金属镀层与焊料、钎料等金属充分润湿，能够将复合材料与半导体元件等牢固地接合。

金属镀层的构成金属只要是能够耐受焊料、钎料的使用温度的金属即可，没有特别限定。金属镀层可举出例如镍、铜、金、锌、锡、钯、这些元素的合金等。金属镀层除了单层结构之外，还能够为多层结构。

从抑制复合材料整体的导热性降低的目的出发，优选薄的金属镀层。具体而言，金属镀层的厚度(多层结构的情况下为合计厚度)的上限可举出300μm、200μm、100μm。另一方面，从上述用于接合的基础等目的出发，金属镀层的厚度的下限可举出0.1μm以上、0.2μm以上、0.5μm以上。金属镀层的厚度例如能够为0.1μm以上且300μm以下、0.2μm以上且200μm以下、0.5μm以上且100μm以下。

(散热器的制造方法)

实施方式2的散热器的制造方法例如能够包括以下工序：准备实施方式1的复合材料的工序(以下也记作“复合材料准备工序”)；以及对复合材料进行金属镀处理，在复合材料的表面的至少一部分形成金属镀层，得到散热器的工序(以下也记作“金属镀层形成工序”)。以下对各工序的细节进行说明。

(复合材料准备工序)

在复合材料准备工序中，能够使用与实施方式1中记载的复合材料的制造方法相同的方法制作复合材料。由于具体方法已经记载于实施方式1，所以不再重复其说明。

(金属镀层形成工序)

接着，对复合材料进行金属镀处理，在复合材料的表面的至少一部分形成金属镀层，得到散热器。金属镀处理能够使用公知的金属镀处理液，通过公知的方法进行。

本发明的复合材料包含选自硅、铬、钴、镍、钼、钛、钒、铌、钽、钨及铝中的至少一种的第一元素。与铜相比，这些第一元素的耐腐蚀性高。因此，可认为本发明的复合材料在金属镀处理时可抑制因金属镀处理液导致的铜的腐蚀。因此，推测本发明的复合材料在金属镀处理后也能够具有高导热率和高强度。

[实施方式3：半导体装置]

关于本发明的半导体装置，使用图4进行说明。如图4所示，半导体装置5具有实施方式2所记载的散热器3。图4中，在散热器3上设置半导体元件4，构成半导体装置5。该半导体装置能够维持优异的性能，并且寿命长。

实施例

通过实施例进一步具体地说明本实施方式。但是，本实施方式并不限于这些实施例。

[试样1-1～试样1-8、试样2-1～试样2-8、试样3-1～试样3-8、试样4-1～试样4-10]

＜复合材料的制作＞

(第一混合粉末准备工序)

将铜粉(平均粒径5μm、纯度99.99％)和表1～表4的“第一混合粉末”的“第一元素的种类”栏中记载的种类的第一元素粉末(例如，试样1-1为Si(硅)粉末)混合，得到第一混合粉末。第一混合粉末中的第一元素粉末的含有率为表1～表4的“第一混合粉末”的“第一元素的含有率(ppm)”栏中记载的量(例如，试样1-1为55ppm)。

(第二混合粉末准备工序)

接着，将第一混合粉末与金刚石粉末混合使得第二混合粉末中的各自的含有比例为表1～表4的“第二混合粉末”的“金刚石粉末(体积％)”和“第一混合粉末(铜粉末)(体积％)”栏中记载的比例，得到第二混合粉末(例如，试样1-1中，以金刚石粉末72体积％、第一混合粉末28体积％的比例混合)。另外，第一混合粉末中虽然包含第一元素粉末，但由于第一元素粉末为微量，所以不考虑其体积比例。

(烧结工序)

接着，将第二混合粉末填充至内径25mm、深度5mm的钼制容器中，以2t/cm²的负荷进行压制，制成厚度2mm的压坯。将装填了该压坯的容器隔着钎料盖上钼制的盖，在真空中加热，由此将容器与盖进行硬焊密封。

将上述容器装填至带型超高压产生装置，以压力3GPa、温度1200℃的条件保持5分钟后，降低温度至500℃，在该状态下保持30分钟，同时将压力缓缓降低至大气压。将回收的钼容器的上下用平面研磨盘研磨，得到成型体。

通过线放电加工，将成型体切成尺寸φ50mm×2mm的板状，表面用双面研磨机研磨。进而，通过线放电加工，切割成尺寸15mm×1mm×2mm的单片。由此，得到由各试样的复合材料构成的单片。

＜散热器的制作＞

(金属镀层形成工序)

对由各试样的复合材料构成的单片进行电镀镍处理，在单片的整面形成厚度3μm的镍层(金属镀层)，得到各试样的散热器。电镀处理液使用瓦特浴(组成：硫酸镍250g/L、氯化镍60g/L、硼酸40mL/L)。

[表1]

[表2]

[表3]

[表4]

＜评价＞

(复合材料的组成)

对由各试样的复合材料构成的单片测定金刚石颗粒的含有率、铜的含有率。具体的测定方法由于与实施方式1记载的方法相同，所以不再重复其说明。将结果示于表1～表4的“复合材料”的“金刚石颗粒(体积％)”和“铜(体积％)”栏中。

(第一元素相对于铜和第一元素的合计质量的含有率)

对由各试样的复合材料构成的单片测定第一元素相对于铜和第一元素的合计质量的含有率。具体的测定方法由于与实施方式1记载的方法相同，所以不再重复其说明。将结果示于表1～表4的“复合材料”的“第一元素相对于铜和第一元素的合计质量的含有率(ppm)”栏中。

(第一元素的浓度增加)

对由各试样的复合材料构成的单片确认在金刚石颗粒与铜的界面有无第一元素的浓度增加。具体的确认方法由于与实施方式1记载的方法相同，所以不再重复其说明。将结果示于表1～表4的“复合材料”的“第一元素的浓度增加”栏中。确认到第一元素的浓度增加的情况下记为“有”，未确认到的情况下记为“无”。

(热膨胀系数)

对由各试样的复合材料构成的单片通过热机械分析(测定装置：岛津制作所制“TMA-60D”(商标))测定热膨胀系数。将结果示于表1～表4的“复合材料”的“热膨胀系数(ppm/K)”栏中。

(强度)

对各试样的散热器使用图5所示的剪切试验装置10测定强度。在剪切试验装置10的第一固定台11a和第二固定台11b之间固定由各试样的散热器构成的试验片14。试验片用第一固定台11a和第二固定台11b固定在高度5mm的位置。在从固定台11a起的露出高度为5mm的位置配置端子12，沿箭头a所示的方向施加负荷，用负荷传感器13测定试验片断裂时的负荷。该负荷相当于强度。将结果示于表1～表4的“散热器”的“强度(MPa)”栏中。

(导热率)

对各试样的散热器通过激光闪光法(测定装置：NETZSCH公司制“LFA467”(商标))测定导热率。将结果示于表1～表4的“散热器”的“导热率(W/mK)”栏中。

＜考察＞

试样1-1～试样1-6、试样2-1～试样2-6、试样3-1～试样3-6、试样4-1～试样4-10属于实施例。

试样1-7和试样2-7中，第一元素相对于铜和第一元素的合计质量的含有率大于2000ppm，属于比较例。

试样1-8和试样2-8中，第一元素相对于铜和第一元素的合计质量的含有率小于50ppm，属于比较例。

确认到与试样1-7、试样1-8、试样2-7、试样2-8(比较例)相比，试样1-1～试样1-6、试样2-1～试样2-6、试样3-1～试样3-6、试样4-1～试样4-10(实施例)具有同等以上的强度，且具有高导热率。

另外，在上述实施例中，虽然在金属镀处理中、特别是在电镀镍处理后也确认到具有高导热率和高强度，但金属镀处理的种类并不限于电镀镍处理。本发明的复合材料在其它种类的电解镀处理后也能够具有高导热率和高强度。

如上所述地对本发明的实施方式和实施例进行了说明，但是初始也预定了将上述的各实施方式和实施例的构成进行适当组合、进行各种变形。

应当认为本次公开的实施方式和实施例在所有方面均为例示而并非限制性的。本发明的范围并非上述的实施方式和实施例，而是由权利要求的范围所表示、意在包含与权利要求的范围等同的含义和范围内的全部变更。

附图标记说明

1：复合材料；2：金属镀层；3：散热器；4：半导体元件；5：半导体装置；10：剪切试验装置；11a：第一固定台；11b：第二固定台；12：端子；13：负荷传感器；14：试验片；a：负荷的方向

Claims

1.一种复合材料，其包含多个金刚石颗粒、铜、以及选自硅、铬、钴、镍、钼、钛、钒、铌、钽、钨及铝中的至少一种的第一元素，

所述第一元素相对于所述铜和所述第一元素的合计质量的含有率为50ppm以上且2000ppm以下，

所述复合材料包含60体积％以上且90体积％以下的所述金刚石颗粒，并且包含10体积％以上且40体积％以下的所述铜，

所述第一元素在所述金刚石颗粒与所述铜的界面浓度增加。

2.根据权利要求1所述的复合材料，其中，所述第一元素相对于所述铜和所述第一元素的合计质量的含有率为200ppm以上且800ppm以下。

3.一种散热器，其包含权利要求1或权利要求2所述的复合材料和设置于所述复合材料的表面的至少一部分的金属镀层。

4.一种半导体装置，其具有权利要求3所述的散热器。