JP2011089161A - Composite material - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a composite material which is suitable for the heat radiation member of a semiconductor element, to provide a method for producing the same, to provide a heat radiation member, and to provide a semiconductor device. <P>SOLUTION: The composite material is obtained by dispersing diamond into the metal matrix made of magnesium (Mg) or a magnesium alloy (Mg alloy). The composite material is produced by infiltrating melted Mg or melted Mg alloy (molten Mg) into a powder compact produced using diamond powder and Si powder. Before the infiltration, the powder compact is heated to a prescribed holding temperate of the melting point of Si or higher, the surface of the powder compact is converted into SiC, and is further oxidized so as to convert at least the surface side part of the SiC into silicon oxide. When the oxidized compact including the silicon oxide is brought into contact with the molten Mg, by reaction with the silicon oxide, Mg<SB>2</SB>Si is produced. The oxidized compact in which the silicon oxide is formed has excellent wettability with the molten Mg, and from which a composite material having excellent thermal conductivity can be obtained. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、マグネシウム(いわゆる純マグネシウム)又はマグネシウム合金とダイヤモンドとが複合された複合材料、この複合材料から構成される放熱部材、この放熱部材を具える半導体装置、及び上記複合材料の製造方法に関するものである。特に、熱特性に優れ、半導体素子の放熱部材の構成材料に適した複合材料に関するものである。   The present invention relates to a composite material in which magnesium (so-called pure magnesium) or a magnesium alloy and diamond are combined, a heat radiating member composed of the composite material, a semiconductor device including the heat radiating member, and a method for manufacturing the composite material Is. In particular, the present invention relates to a composite material that has excellent thermal characteristics and is suitable as a constituent material of a heat dissipation member of a semiconductor element.

昨今、各種の電子機器の高機能化、高密度実装化が望まれている。そのため、これら電子機器に組み込まれる半導体素子が作動上限温度に達しないように、半導体素子を十分に放熱する必要がある。従来、半導体素子の放熱には、自然対流や強制送風の他、放熱面積を拡大するための放熱部材(ヒートスプレッダ)が利用されている。   In recent years, high functionality and high density mounting of various electronic devices are desired. For this reason, it is necessary to sufficiently dissipate the semiconductor element so that the semiconductor element incorporated in these electronic devices does not reach the operating upper limit temperature. Conventionally, a heat radiating member (heat spreader) for expanding a heat radiating area is used in addition to natural convection and forced air blowing for heat radiation of a semiconductor element.

上記放熱部材の構成材料として、銅やCu-W,Cu-Mnといった金属材料のみからなるものの他、Al-SiCといった、金属と非金属無機材料(代表的にはセラミックス)との複合材料が利用されている。近年、放熱部材の軽量化を主目的として、アルミニウム(Al)よりも軽量であるマグネシウム(Mg)やその合金を金属マトリクスとする複合材料が検討されている(特許文献1参照)。   As a material for the heat dissipation member, a composite material of a metal and a non-metallic inorganic material (typically ceramics) such as Al-SiC is used in addition to a metal material such as copper, Cu-W, or Cu-Mn. Has been. In recent years, a composite material using magnesium (Mg), which is lighter than aluminum (Al) or an alloy thereof, as a metal matrix has been studied mainly for the purpose of reducing the weight of the heat dissipation member (see Patent Document 1).

特開2006-299304号公報JP 2006-299304 A

半導体素子の放熱部材には、熱伝導性に優れると共に、半導体素子やその周辺部品の熱膨張係数(代表的には、4ppm/K(4×10-6/K)〜8ppm/K(8×10-6/K)程度)との整合性に優れることが望まれる。理想的には、放熱部材と半導体素子やその周辺機器とは、熱膨張係数が等しいことが望まれる。 The heat dissipation member of the semiconductor element has excellent thermal conductivity, and the coefficient of thermal expansion of the semiconductor element and its peripheral parts (typically, 4 ppm / K (4 × 10 −6 / K) to 8 ppm / K (8 × It is desirable to have excellent consistency with 10 -6 / K). Ideally, it is desirable that the heat radiating member, the semiconductor element, and its peripheral devices have the same thermal expansion coefficient.

上記銅や銅合金は、熱膨張係数が大きいため、銅などからなる放熱部材に半導体素子を載置すると、ヒートサイクル下で、両者の界面に熱応力が発生し、半導体素子に歪みが生じたり、最悪の場合、半導体素子と放熱部材とが剥離したりする恐れがある。また、上記銅や銅合金は、重く、車載用機器や携帯用機器といった軽量であることが望まれる場合、好ましくない。   Since the above copper and copper alloys have a large coefficient of thermal expansion, when a semiconductor element is placed on a heat dissipation member made of copper or the like, thermal stress is generated at the interface between the two under a heat cycle, and the semiconductor element is distorted. In the worst case, the semiconductor element and the heat dissipation member may be peeled off. Moreover, the said copper and copper alloy are heavy, and when it is desired to be lightweight, such as a vehicle-mounted apparatus and a portable apparatus, it is not preferable.

一方、Al-SiCや特許文献1に記載されるマグネシウム基複合材料は、軽量であるものの、銅よりも熱伝導率が低い。今後ますますの高性能化や高密度実装化を考慮すると、熱伝導率の更なる向上が望まれる。   On the other hand, although Al-SiC and the magnesium-based composite material described in Patent Document 1 are lightweight, they have lower thermal conductivity than copper. Considering further higher performance and higher density mounting in the future, further improvement in thermal conductivity is desired.

熱伝導率を向上するために、物質中で最も熱伝導率が大きいダイヤモンドを利用することが考えられる。しかし、ダイヤモンドは、熱膨張係数が非常に小さく、かつヤング率が大きいため、ダイヤモンドに半導体素子を直接載置すると、両者の界面で非常に大きな熱応力が発生する。従って、ダイヤモンドをそのまま放熱部材の構成材料に用いることは不適切である。   In order to improve the thermal conductivity, it is conceivable to use diamond having the highest thermal conductivity among the substances. However, since diamond has a very low thermal expansion coefficient and a large Young's modulus, when a semiconductor element is placed directly on diamond, a very large thermal stress is generated at the interface between the two. Therefore, it is inappropriate to use diamond as it is as a constituent material of the heat dissipation member.

一方、ダイヤモンドと銅との成形体を銅に液相が生じる温度以上の温度で焼結した焼結体があるが、この焼結体は銅を含むことで上述のように重い。また、銅は、一般にダイヤモンドとの濡れ性が悪い。従って、ダイヤモンドと溶融した銅とを複合しても、気孔が形成され易く、気孔の存在により両者の界面の熱抵抗が大きな複合材料しか得られず、期待されるほど熱伝導率が大きな複合材料とならない。   On the other hand, there is a sintered body obtained by sintering a formed body of diamond and copper at a temperature equal to or higher than a temperature at which a liquid phase is generated in copper. However, this sintered body is heavy as described above because it contains copper. Copper generally has poor wettability with diamond. Therefore, even when diamond and molten copper are combined, pores are easily formed, and only the composite material having a large thermal resistance at the interface between them can be obtained due to the presence of the pores, and the composite material has a high thermal conductivity as expected. Not.

そこで、本発明の目的の一つは、半導体素子の放熱部材に適した熱特性を有する複合材料を提供することにある。また、本発明の他の目的は、上記複合材料の製造に適した複合材料の製造方法を提供することにある。更に、本発明の他の目的は、上記複合材料からなる放熱部材、及びこの放熱部材を具える半導体装置を提供することにある。   Therefore, one of the objects of the present invention is to provide a composite material having thermal characteristics suitable for a heat dissipation member of a semiconductor element. Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a composite material suitable for manufacturing the composite material. Furthermore, the other object of this invention is to provide the heat radiating member which consists of the said composite material, and a semiconductor device provided with this heat radiating member.

本発明者らは、軽量でありながら、熱伝導率が高く、かつ熱膨張係数が半導体素子及びその周辺機器に近い値を取り得る材料として、マグネシウム又はマグネシウム合金(以下、Mg又はMg合金と呼ぶ)と、ダイヤモンドとを複合することが好ましい、と考え、両者の複合方法を検討した。   The inventors of the present invention are magnesium or a magnesium alloy (hereinafter referred to as Mg or Mg alloy) as a material that is lightweight but has a high thermal conductivity and a coefficient of thermal expansion that is close to that of a semiconductor element and its peripheral devices. ) And diamond are preferable, and a method for combining them was studied.

例えば、複合方法として、ダイヤモンド粉末とMg又はMg合金の粉末との混合粉末の成形体を作製し、この成形体を高温に保持してMg又はMg合金を溶融した後、凝固させることが考えられる。しかし、Mg又はMg合金の粉末は、取り扱い難い材料である上に、溶融状態のMg又はMg合金(以下、溶融Mgと呼ぶ)は、そのままではダイヤモンドとの濡れ性が悪い。従って、気孔が形成され易く、上述のように気孔の存在により熱特性の劣化を招く。   For example, as a composite method, it is conceivable to produce a mixed powder molded body of diamond powder and Mg or Mg alloy powder, melt the Mg or Mg alloy by holding the molded body at a high temperature, and then solidify it. . However, Mg or Mg alloy powder is a difficult material to handle, and molten Mg or Mg alloy (hereinafter referred to as molten Mg) has poor wettability with diamond as it is. Accordingly, pores are easily formed, and the presence of the pores causes deterioration of thermal characteristics as described above.

そこで、本発明者らは、特許文献1と同様に、ダイヤモンドの成形体に溶融Mgを溶浸させる溶浸法を利用することを検討した。しかし、溶浸法の場合も、上述のように溶融Mgとダイヤモンドとの濡れ性を高める必要がある。   In view of this, the present inventors examined the use of an infiltration method in which molten Mg is infiltrated into a diamond compact in the same manner as in Patent Document 1. However, also in the infiltration method, it is necessary to improve the wettability between molten Mg and diamond as described above.

ここで、溶融Mgは、酸素と非常に反応し易い(結合し易い)性質を有する。従って、ダイヤモンドの表面に酸素を含有する層、例えば、酸化物層を形成しておくことで、溶融Mgとダイヤモンドとの濡れ性を高められる。しかし、ダイヤモンドの表面に酸化物層を直接設けると、高コストになると考えられ、工業生産性を考慮すると好ましくない。   Here, molten Mg has a property of being very easy to react with oxygen (easy to bond). Therefore, by forming a layer containing oxygen, for example, an oxide layer, on the surface of diamond, the wettability between molten Mg and diamond can be improved. However, providing an oxide layer directly on the surface of diamond is considered to be expensive, and this is not preferable in view of industrial productivity.

一方、ダイヤモンドは、炭素の供給源として利用することができる。そこで、ダイヤモンドと溶融Mgとを複合するにあたり、ダイヤモンドの表面に直接酸化物層を形成するのではなく、ダイヤモンドの表面に一旦炭化物を形成し、この炭化物を還元して酸化物層を形成することを提案する。特に、上記炭化物は、複合材料中に残存しても熱特性を大きく劣化させ難いようにSiCとする。   On the other hand, diamond can be used as a carbon source. Therefore, when combining diamond and molten Mg, an oxide layer is not formed directly on the surface of the diamond, but a carbide is once formed on the surface of the diamond, and this carbide is reduced to form an oxide layer. Propose. In particular, the above carbide is made of SiC so that the thermal characteristics are hardly deteriorated even if it remains in the composite material.

本発明の複合材料の製造方法は、ダイヤモンドと、Mg又はMg合金との複合材料を製造する方法に係るものであり、以下の準備工程、酸化工程、及び複合工程を具える。
準備工程:ダイヤモンドからなる粉末成形体の表面がSiCに転化されているSiC被覆成形体を形成する工程。
酸化工程:上記SiC被覆成形体を酸化して、上記SiCの少なくとも表面側部分を珪素酸化物に転化して、珪素酸化物を具える酸化成形体を形成する工程。
複合工程:上記酸化成形体に溶融したMg又はMg合金を溶浸させ、上記珪素酸化物と上記溶融したMg又はMg合金との反応によりMg2Siを生成しながら、当該Mg又はMg合金と上記ダイヤモンドとを複合する工程。
The method for producing a composite material according to the present invention relates to a method for producing a composite material of diamond and Mg or an Mg alloy, and includes the following preparation step, oxidation step, and composite step.
Preparation step: A step of forming a SiC-coated molded body in which the surface of a powder molded body made of diamond is converted to SiC.
Oxidation step: a step of oxidizing the SiC-coated molded body to convert at least the surface side portion of the SiC into silicon oxide to form an oxidized molded body comprising silicon oxide.
Composite step: Infiltrating molten Mg or Mg alloy into the oxidized molded body, while producing Mg 2 Si by reaction of the silicon oxide and the molten Mg or Mg alloy, the Mg or Mg alloy and the above The process of compounding with diamond.

本発明製造方法において、SiC被覆成形体を形成するにあたり、SiCの炭素源をダイヤモンド自体とする。そのため、炭素源を別途用意する必要がない上に、ダイヤモンド粒子とSiCとは密着性に優れ、両者の界面に気孔が実質的に存在しない。かつ、このように密着したSiCの少なくとも一部を酸化物に転化することで、ダイヤモンド粒子の少なくとも最表面部分に酸化物を具えるものを容易に形成できる上に、この酸化物層とSiCとも密着性に優れる。そして、上記酸化物層を具える酸化成形体を用意することで、本発明製造方法では、当該酸化成形体と溶融Mgとの濡れ性に優れる。詳しくは、上記溶融Mgが上記酸化成形体の表面に存在する珪素酸化物の酸素を取り込む能力が高いことから、上記ダイヤモンドと溶融Mgとの複合時、溶融Mgは、珪素酸化物を還元しながら、ダイヤモンドを濡らしていく。このような濡れが原動力となって、溶融Mgは、自発的に上記酸化物成形体に溶浸される。従って、本発明製造方法によれば、複合時に気孔が生じ難く、ダイヤモンドとMg又はMg合金とを十分に複合することができ、気孔が少なく緻密であることで熱特性に優れる複合材料が得られる。   In the production method of the present invention, in forming the SiC coated molded body, the SiC carbon source is diamond itself. Therefore, it is not necessary to prepare a carbon source separately, and diamond particles and SiC are excellent in adhesion, and pores do not substantially exist at the interface between the two. In addition, by converting at least a part of the SiC thus adhered to an oxide, it is possible to easily form a diamond particle having an oxide on at least the outermost surface portion. Excellent adhesion. Then, by preparing an oxidized formed body having the oxide layer, the manufacturing method of the present invention is excellent in wettability between the oxidized formed body and molten Mg. Specifically, since the molten Mg has a high ability to take in oxygen of the silicon oxide present on the surface of the oxidized molded body, the molten Mg reduces the silicon oxide when combined with the diamond and molten Mg. , Wetting the diamond. Such wetting is the driving force, and molten Mg is spontaneously infiltrated into the oxide compact. Therefore, according to the production method of the present invention, pores are hardly generated at the time of compounding, diamond and Mg or Mg alloy can be sufficiently compounded, and a composite material having excellent thermal characteristics can be obtained because the pores are small and dense. .

また、上述のような還元反応により、フリーのSiが生成される。ここで、Siは、溶融Mg中にほとんど固溶しない。そのため、生成されたフリーのSiは、Mgと結合し、Mg2Siが生成される。従って、本発明製造方法により得られた複合材料中には、Mg2Siが存在する。Mg2Siは、熱伝導率が高くないが、微細な粒子として分散して存在することで、複合材料の熱伝導性を大きく劣化させ難い。 Moreover, free Si is produced | generated by the above reduction reactions. Here, Si hardly dissolves in molten Mg. Therefore, the generated free Si is combined with Mg to generate Mg 2 Si. Therefore, Mg 2 Si is present in the composite material obtained by the production method of the present invention. Although Mg 2 Si does not have high thermal conductivity, it is difficult to greatly deteriorate the thermal conductivity of the composite material by being dispersed as fine particles.

上記本発明製造方法により、本発明複合材料が得られる。本発明の複合材料は、ダイヤモンドとMg又はMg合金とが複合された複合材料であり、Mg又はMg合金からなる金属マトリクス中にダイヤモンド粒子が分散されている。上記金属マトリクス中にはMg2Siを含有する。また、上記ダイヤモンド粒子のうち、少なくとも一部の粒子は、その表面にSiC層を具える。 The composite material of the present invention is obtained by the production method of the present invention. The composite material of the present invention is a composite material in which diamond and Mg or Mg alloy are combined, and diamond particles are dispersed in a metal matrix made of Mg or Mg alloy. The metal matrix contains Mg 2 Si. In addition, at least some of the diamond particles include a SiC layer on the surface thereof.

本発明複合材料は、金属マトリクスをMg又はMg合金とすることから非常に軽量である上に、ダイヤモンドを含有することで、熱伝導性に優れる。また、ダイヤモンド粒子間に主としてMg又はMg合金が存在することで連続した放熱経路が構築される。このことからも本発明複合材料は熱伝導性に優れる。   The composite material of the present invention is very lightweight because the metal matrix is made of Mg or Mg alloy, and has excellent thermal conductivity by containing diamond. In addition, a continuous heat dissipation path is constructed by the presence of Mg or Mg alloy mainly between diamond particles. Also from this fact, the composite material of the present invention is excellent in thermal conductivity.

かつ、本発明複合材料は、金属とダイヤモンドとが複合されていることで、ダイヤモンド単体の場合と比較して、熱膨張係数が小さくなり過ぎない。具体的には、本発明複合材料は、例えば、熱膨張係数が1.5W/m・K〜4W/m・K程度を有することができる。   In addition, since the composite material of the present invention is a composite of metal and diamond, the thermal expansion coefficient does not become too small as compared to the case of a single diamond. Specifically, the composite material of the present invention can have, for example, a thermal expansion coefficient of about 1.5 W / m · K to 4 W / m · K.

本発明複合材料は、上述のように熱伝導率が高く、半導体素子やその周辺部品との熱膨張係数の整合性に優れることから、放熱部材の構成材料に好適に利用することができる。また、本発明複合材料は、金属とダイヤモンドとが複合されていることで、ダイヤモンド単体の場合と比較して、ヤング率が高くなり過ぎず、切削加工などの後加工時にチッピングなどが生じ難い。   Since the composite material of the present invention has a high thermal conductivity as described above and is excellent in the consistency of the thermal expansion coefficient with the semiconductor element and its peripheral components, it can be suitably used as a constituent material of the heat radiating member. In addition, since the composite material of the present invention is a composite of metal and diamond, the Young's modulus does not become too high compared to the case of diamond alone, and chipping or the like is unlikely to occur during post-processing such as cutting.

以下、本発明をより詳細に説明する。
[複合材料]
<金属マトリクス>
金属マトリクスは、99.8質量%以上のMg及び不純物からなるいわゆる純マグネシウム、又は添加元素と残部がMg及び不純物からなるマグネシウム合金とする。金属マトリクスが純マグネシウムである場合、合金である場合と比較して、複合材料の熱伝導性を高められる、凝固時に晶出物が不均一に析出するなどの不具合が生じ難く均一的な組織を有する複合材料を得易い、といった利点を有する。金属マトリクスがマグネシウム合金である場合、液相線温度が低下するため、溶融時の温度を低下できる、複合材料の耐食性や機械的特性(強度など)を高められる、といった利点を有する。添加元素は、Li,Ag,Ni,Ca,Al,Zn,Mn,Si,Cu,及びZrの少なくとも1種が挙げられる。これらの元素は、含有量が多くなると熱伝導率の低下を招くため、合計で20質量%以下(金属マトリクスを100質量%とする。以下、添加元素の含有量について同様)が好ましい。特に、Alは3質量%以下、Znは5質量%以下、その他の元素はそれぞれ10質量%以下が好ましい。Liを添加すると、複合材料の軽量化、及び加工性の向上の効果がある。公知のマグネシウム合金、例えば、AZ系(AZ31,AZ61,AZ91など),AS系,AM系,ZK系,ZC系,LA系などでもよい。所望の組成となるように金属原料を用意する。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
[Composite material]
<Metal matrix>
The metal matrix is so-called pure magnesium composed of 99.8% by mass or more of Mg and impurities, or a magnesium alloy composed of additive elements and the balance Mg and impurities. When the metal matrix is pure magnesium, compared to the case of an alloy, the thermal conductivity of the composite material can be improved, and a uniform structure is less likely to cause defects such as non-uniform precipitation of crystallized materials during solidification. It has the advantage that it is easy to obtain a composite material having it. When the metal matrix is a magnesium alloy, the liquidus temperature is lowered, so that the temperature at the time of melting can be lowered, and the corrosion resistance and mechanical properties (strength, etc.) of the composite material can be improved. Examples of the additive element include at least one of Li, Ag, Ni, Ca, Al, Zn, Mn, Si, Cu, and Zr. Since these elements cause a decrease in thermal conductivity when the content increases, the total content is preferably 20% by mass or less (the metal matrix is 100% by mass; the same applies to the content of additive elements). In particular, Al is preferably 3% by mass or less, Zn is 5% by mass or less, and other elements are each preferably 10% by mass or less. Addition of Li has the effect of reducing the weight of the composite material and improving the workability. Known magnesium alloys such as AZ (AZ31, AZ61, AZ91, etc.), AS, AM, ZK, ZC, LA, etc. may be used. A metal raw material is prepared so as to have a desired composition.

<ダイヤモンド>
《成分》
上記金属マトリクスに複合されているダイヤモンドは、原料に用いたものがほぼそのままの成分で存在し得る。原料のダイヤモンドは、人工物でも天然物でもよい。特に、窒素といった不純物が少なく、高純度であるほどダイヤモンドの熱伝導率が高い(例えば、室温における熱伝導率が700W/m・K程度)ことから、熱伝導性に優れる複合材料とすることができる。窒素の含有量は、質量割合で200ppm以下、特に150ppm以下が挙げられる。但し、高純度の天然ダイヤモンドは一般に宝飾に用いられて高価であるため、工業用ダイヤモンドの中でも高純度である、窒素の含有量が10ppm以上、特に50ppm以上のダイヤモンドが好適に利用することができる。
<Diamond>
"component"
The diamond composited with the metal matrix can be used as a raw material as it is. The raw material diamond may be artificial or natural. In particular, the lower the impurities such as nitrogen and the higher the purity, the higher the thermal conductivity of diamond (for example, the thermal conductivity at room temperature is about 700 W / m ・ K), so a composite material with excellent thermal conductivity can be obtained. it can. The nitrogen content is 200 ppm or less, particularly 150 ppm or less in terms of mass ratio. However, since high-purity natural diamond is generally used for jewelry and is expensive, diamond having a high purity among industrial diamonds with a nitrogen content of 10 ppm or more, particularly 50 ppm or more can be suitably used. .

《SiC層》
複合材料中に存在するダイヤモンドの粒子のうち、少なくとも一部の粒子は、その表面にSiC層を具える。上述のように本発明複合材料を製造するにあたり、ダイヤモンドの粒子の表面をSiCに転化した後、SiO2といった珪素酸化物に転化する。ここで、SiCは、耐酸化性が高いため、SiCの全体が上記酸化物に転化することはなく、SiCの少なくとも表面側部分が上記酸化物に転化し、残部は転化せずにそのままSiCとして存在し得る。このような酸化成形体を用いることで、製造された複合材料中に存在するダイヤモンド粒子の少なくとも一部の粒子は、その表面にSiC層を有し得る。SiCは、ダイヤモンドに比較すれば熱伝導性に劣るものの、熱膨張係数がダイヤモンドより大きくかつMg又はMg合金よりも小さいことで、複合材料の熱膨張係数が小さくなり過ぎることを抑制する効果がある。
<SiC layer>
At least some of the diamond particles present in the composite material have a SiC layer on the surface thereof. In producing the composite material of the present invention as described above, the surface of the diamond particles is converted into SiC and then converted into a silicon oxide such as SiO 2 . Here, since SiC has high oxidation resistance, the entire SiC is not converted into the above oxide, at least the surface side portion of SiC is converted into the above oxide, and the remainder is not converted as SiC as it is. Can exist. By using such an oxidized compact, at least some of the diamond particles present in the manufactured composite material can have a SiC layer on the surface thereof. Although SiC is inferior in thermal conductivity to diamond, it has the effect of suppressing the thermal expansion coefficient of the composite material from becoming too small because the thermal expansion coefficient is larger than diamond and smaller than Mg or Mg alloy. .

《大きさ》
本発明複合材料中のダイヤモンド粒子は、代表的には、上記金属マトリクス中にばらばらに分散して存在する。ダイヤモンド粒子の平均粒径は10μm以上100μm以下が好ましい。10μm未満では、ダイヤモンド粒子とMg又はMg合金との界面の面積が大きくなることから熱抵抗が増大し、複合材料の熱伝導率が低下する。ダイヤモンド粒子が大きいほど熱伝導性に優れる傾向にあるが、100μm超では、複合材料中のダイヤモンド粒子が大き過ぎて、複合材料の製造後、切断や研磨などの加工の際にチッピングなどが生じ易く、これらの加工が行い難い。より好ましい平均粒径は、20μm以上70μm以下である。原料に用いたダイヤモンド粒子は、複合材料の製造時に実質的に粒成長しない。また、製造時に形成されるSiC層や酸化物層も非常に薄い。従って、複合材料中のダイヤモンド粒子の大きさは、原料に用いたダイヤモンド粒子の大きさに実質的に一致する。
"size"
The diamond particles in the composite material of the present invention are typically dispersed and dispersed in the metal matrix. The average particle diameter of the diamond particles is preferably 10 μm or more and 100 μm or less. If it is less than 10 μm, the area of the interface between diamond particles and Mg or Mg alloy increases, so that the thermal resistance increases and the thermal conductivity of the composite material decreases. Larger diamond particles tend to have better thermal conductivity, but if the particle size exceeds 100 μm, the diamond particles in the composite material are too large, and chipping is likely to occur during processing such as cutting and polishing after the composite material is manufactured. These processes are difficult to perform. A more preferable average particle diameter is 20 μm or more and 70 μm or less. Diamond particles used as a raw material do not substantially grow during production of the composite material. Moreover, the SiC layer and oxide layer formed at the time of manufacture are also very thin. Therefore, the size of the diamond particles in the composite material substantially matches the size of the diamond particles used as the raw material.

《含有量》
上記複合材料中のダイヤモンドが少な過ぎると、複合材料の熱伝導率が低くなる上に、粉末成形体を形成し難かったり、粉末成形体の強度が弱く、崩壊する恐れがある。一方、ダイヤモンドが多いほど、熱伝導性に優れる複合材料となるものの熱膨張係数が小さくなり過ぎる上に、溶融Mgが溶浸するための開気孔を十分に有する粉末成形体を形成し難くなる。従って、複合材料中のダイヤモンドの含有量は、当該複合材料の全体に対して35体積%以上85体積%以下が好ましく、特に、50体積%以上80体積%以下がより好ましい。
"Content"
If there is too little diamond in the composite material, the thermal conductivity of the composite material will be low, and it will be difficult to form a powder molded body, or the strength of the powder molded body will be weak and may collapse. On the other hand, as the amount of diamond increases, the thermal expansion coefficient of the composite material having excellent thermal conductivity becomes too small, and it becomes difficult to form a powder compact having sufficient open pores for infiltrating molten Mg. Therefore, the content of diamond in the composite material is preferably 35% by volume or more and 85% by volume or less, and more preferably 50% by volume or more and 80% by volume or less with respect to the entire composite material.

《Mg2Si》
そして、本発明複合材料は、金属マトリクス中に微細なMg2Siが分散していることを特徴の一つとする。上述のように溶融Mgと、粉末成形体の表面に存在する珪素酸化物とが反応しながら濡れていくことで、Mg2Siが生成される。Mg2Siは、上述のように微細な粒子であり、かつ複合材料中に分散して存在することで、Mg2Siの存在による複合材料の熱伝導性の低下は実質的に問題にならない程度であると考えられる。
《Mg 2 Si》
The composite material of the present invention is characterized in that fine Mg 2 Si is dispersed in the metal matrix. As described above, Mg 2 Si is generated by wet reaction while molten Mg and silicon oxide present on the surface of the powder compact are reacted. As described above, Mg 2 Si is a fine particle and dispersed in the composite material, so that the deterioration of the thermal conductivity of the composite material due to the presence of Mg 2 Si is not substantially problematic. It is thought that.

なお、製造段階で形成したSiO2といった珪素酸化物は、溶浸時に溶融Mgと反応してMg2Siを形成し、複合材料中には実質的に残存しない。また、複合材料中におけるMg2SiのSi、及びSiCのSiの合計含有量は、原料に用いたSiの量に実質的に等しい。複合材料中のSiが多いと、SiCやMg2Siが多く存在することになり、熱伝導率の低下を招くことから、複合材料中のSiの含有量は、10体積%以下が好ましい。 Note that silicon oxide such as SiO 2 formed in the manufacturing stage reacts with molten Mg during infiltration to form Mg 2 Si and does not substantially remain in the composite material. Further, the total content of Si of Mg 2 Si and SiC of SiC in the composite material is substantially equal to the amount of Si used as a raw material. If the Si in the composite material is large, a large amount of SiC or Mg 2 Si will be present, leading to a decrease in thermal conductivity. Therefore, the Si content in the composite material is preferably 10% by volume or less.

<熱特性>
《熱伝導率》
上記範囲でダイヤモンドを含有する複合材料は、熱伝導率κが高く、例えば、室温における熱伝導率κが250W/m・K以上を満たす。ダイヤモンドの含有量や粒子の大きさ、金属マトリクスの組成などにもよるが、室温における熱伝導率κが300W/m・K以上、特に400W/m・K以上である複合材料とすることができる。
<Thermal characteristics>
"Thermal conductivity"
The composite material containing diamond in the above range has a high thermal conductivity κ, for example, the thermal conductivity κ at room temperature satisfies 250 W / m · K or more. Depending on the diamond content, particle size, metal matrix composition, etc., a composite material having a thermal conductivity κ at room temperature of 300 W / m · K or more, particularly 400 W / m · K or more can be obtained. .

《熱膨張係数》
上記範囲でダイヤモンドを含有する複合材料は、熱膨張係数αが比較的小さく、例えば、1.5ppm/K〜4ppm/K程度を満たし、熱膨張係数αが4ppm/K程度の半導体素子やその周辺機器との熱膨張係数の整合性に優れる。
《Coefficient of thermal expansion》
A composite material containing diamond in the above range has a relatively small thermal expansion coefficient α, for example, a semiconductor element having a thermal expansion coefficient α of about 4 ppm / K and its peripheral devices, satisfying about 1.5 ppm / K to 4 ppm / K. Excellent thermal expansion coefficient consistency.

<用途>
上述のように本発明複合材料は、半導体素子及びその周辺機器との熱膨張係数の整合性に優れる上に、熱伝導性が高いため、半導体素子の放熱部材に好適に利用することができる。この放熱部材と、この放熱部材に搭載される半導体素子とを具える半導体装置は、各種の電子機器の部品に好適に利用することができる。
<Application>
As described above, the composite material of the present invention is excellent in the consistency of the thermal expansion coefficient with the semiconductor element and its peripheral devices and has high thermal conductivity, and therefore can be suitably used as a heat dissipation member for the semiconductor element. A semiconductor device including the heat radiating member and a semiconductor element mounted on the heat radiating member can be suitably used for parts of various electronic devices.

[製造方法]
本発明複合材料は、上述のようにダイヤモンドの成形体と溶融Mgとを複合する(溶浸→凝固)ことで製造することができる。特に、上記成形体として、ダイヤモンド粒子の表面にSiC層を形成し、更にこのSiC層を珪素酸化物に転化したものを利用する。
[Production method]
The composite material of the present invention can be produced by combining a diamond compact and molten Mg as described above (infiltration → solidification). In particular, as the molded body, a SiC layer is formed on the surface of diamond particles, and the SiC layer is converted into silicon oxide.

《原料》
上記粉末成形体の主原料は、ダイヤモンド粉末とする。この粉末を構成するダイヤモンド粒子の平均粒径は、上述のように10μm〜100μmが好ましい。Siを含有した粉末成形体を作製する場合、上記ダイヤモンド粉末に加えて、Si粉末を利用する。
"material"
The main raw material of the powder molded body is diamond powder. As described above, the average particle diameter of the diamond particles constituting the powder is preferably 10 μm to 100 μm. When producing a powder compact containing Si, Si powder is used in addition to the diamond powder.

《準備工程》
[粉末成形体の形成]
上記粉末成形体は、例えば、原料粉末に適宜なバインダを加えてプレス成形することで形成することができる。プレス成形は、乾式プレスでも、原料粉末に加えて水などの液体を利用する湿式プレスでもよい。形成された粉末成形体は、多孔体であり、SiCへの転化時や酸化物への転化時、溶融Mgとの複合時の熱によりバインダが消失することで、開気孔を十分に具える多孔体となる。これらの開気孔に溶融Mgが溶浸することで、複合材料が得られる。
<< Preparation process >>
[Formation of powder compact]
The powder compact can be formed, for example, by adding an appropriate binder to the raw material powder and press-molding it. The press molding may be a dry press or a wet press using a liquid such as water in addition to the raw material powder. The formed powder molded body is a porous body, and when it is converted into SiC or into an oxide, the binder disappears due to the heat generated when it is combined with molten Mg, so that the porous body has sufficient open pores. Become a body. A composite material is obtained by infiltrating molten Mg into these open pores.

上記粉末成形体は、実質的にダイヤモンド粉末からなるもの、又は実質的にダイヤモンド粉末及びSi粉末からなるものが挙げられる。Si粉末は、SiC層の形成に必要なだけ添加するとよく、成形体を形成する原料粉末全体の体積に対して5%〜10%程度が適切である。なお、これらの粉末成形体を焼結して、焼結体としてもよい。焼結体とすることで、取り扱い易くなり、鋳型などに配置し易い。   Examples of the powder compact include those substantially consisting of diamond powder or those consisting essentially of diamond powder and Si powder. The Si powder may be added as much as necessary for forming the SiC layer, and about 5% to 10% is appropriate for the total volume of the raw material powder forming the compact. Note that these powder compacts may be sintered to form a sintered body. By using a sintered body, it becomes easy to handle and can be easily placed on a mold or the like.

[SiCへの転化]
上記粉末成形体を構成するダイヤモンドを炭素源とし、液相又は気相のSiと反応させて、粉末成形体の表面がSiCに転化されたSiC被覆成形体を形成する。
[Conversion to SiC]
Diamond forming the powder compact is used as a carbon source and reacted with liquid or vapor phase Si to form a SiC-coated compact in which the surface of the powder compact is converted to SiC.

ダイヤモンド粉末とSi粉末とを用いて粉末成形体を形成した場合、Si粉末がSi源となる。この粉末成形体を、例えば、Siの融点以上の所定の保持温度に加熱することにより、この粉末成形体を構成するダイヤモンド粒子の表面をSiCに転化することができる。Siの融点は1400℃程度であることから、上記保持温度は、少なくともSiが液相状態となる温度を選択するとよい。例えば、真空中で1450℃程度が挙げられる。但し、1000℃を超えるとダイヤモンドがグラファイト化し易くなるため、上記保持温度は、Siの融点以上であって、できるだけ低温であることが好ましい。グラファイトは、ダイヤモンドよりも熱伝導性に劣り、脆弱であるため、グラファイト化を抑制することが望まれる。   When a powder compact is formed using diamond powder and Si powder, Si powder becomes the Si source. For example, by heating the powder compact to a predetermined holding temperature equal to or higher than the melting point of Si, the surface of the diamond particles constituting the powder compact can be converted to SiC. Since the melting point of Si is about 1400 ° C., it is preferable to select at least a temperature at which Si is in a liquid phase state as the holding temperature. For example, about 1450 degreeC is mentioned in a vacuum. However, since the diamond is easily graphitized when the temperature exceeds 1000 ° C., the holding temperature is preferably not less than the melting point of Si and as low as possible. Since graphite is inferior in thermal conductivity and weaker than diamond, it is desired to suppress graphitization.

或いは、Si粉末を用いず、実質的にダイヤモンド粉末のみを用いて粉末成形体を形成した場合、Si源を別途用意する。例えば、Siを含有するガス、具体的には、SiH4,SiCl4などが利用できる。この場合、Siを含有するガス中で上記粉末成形体を所定の保持温度に加熱することにより、この粉末成形体を構成するダイヤモンド粒子の表面をSiCに転化することができる。上記保持温度は、ダイヤモンドとSiとが反応可能な温度を適宜選択するとよく、Siを含有するガスを用いる場合、上記Si粉末の場合よりも反応し易いことから低くでき、例えば、800℃程度とすることができる。上記保持温度は、Si粉末を用いる場合のようにSiの融点以上の温度としてもよいが、1000℃以下とするとグラファイト化を抑制することができて好ましい。 Alternatively, when a powder compact is formed using substantially only diamond powder without using Si powder, a Si source is prepared separately. For example, a gas containing Si, specifically, SiH 4 , SiCl 4 or the like can be used. In this case, the surface of the diamond particles constituting the powder compact can be converted to SiC by heating the powder compact to a predetermined holding temperature in a gas containing Si. The holding temperature may be appropriately selected as a temperature at which diamond and Si can react. When a gas containing Si is used, it can be lowered because it reacts more easily than the case of the Si powder, for example, about 800 ° C. can do. The holding temperature may be a temperature equal to or higher than the melting point of Si as in the case where Si powder is used, but is preferably 1000 ° C. or lower because graphitization can be suppressed.

上記SiCへの転化において、所定の保持温度までの昇温速度を制御することが重要である。ダイヤモンドは、真空中でも、凡そ1000℃程度からグラファイトに構造相が転移していく傾向がある。従って、特に、上記保持温度を1000℃超とする場合に上記昇温速度が小さいと、ダイヤモンドがグラファイトに変化してしまう。但し、グラファイト化への構造相転移は、ある程度時間がかかるため、上記昇温速度を大きくすることでグラファイト化を抑制することができる。昇温速度を大きくするには、例えば、上記Si粉末を用いた粉末成形体の場合、放電プラズマ焼結炉やミリ波加熱炉といった急速昇温が可能な炉により加熱を行うことが挙げられる。   In the conversion to SiC, it is important to control the heating rate up to a predetermined holding temperature. Diamond has a tendency for the structural phase to transition from about 1000 ° C. to graphite even in a vacuum. Therefore, in particular, when the holding temperature is higher than 1000 ° C., if the heating rate is low, diamond is changed to graphite. However, since the structural phase transition to graphitization takes a certain amount of time, graphitization can be suppressed by increasing the rate of temperature increase. In order to increase the rate of temperature increase, for example, in the case of a powder compact using the Si powder, heating is performed in a furnace capable of rapid temperature increase, such as a discharge plasma sintering furnace or a millimeter wave heating furnace.

特に、ダイヤモンド粉末として工業用ダイヤモンドを利用し、上記保持温度を1000℃超とする場合、所定の保持温度(例えば、1450℃)までに加熱する時間を10分以下とすることが好ましい。より好ましくは、5分〜10分とする(昇温速度を145℃/分〜290℃/分とする)。なお、宝飾用ダイヤモンドのような高純度のダイヤモンドは、グラファイト化し難いため、上記所定の保持温度までに加熱する時間を10分超としてもよいが、短い方が好ましい。   In particular, when industrial diamond is used as the diamond powder and the holding temperature is higher than 1000 ° C., the heating time to a predetermined holding temperature (for example, 1450 ° C.) is preferably 10 minutes or less. More preferably, it is 5 minutes to 10 minutes (the heating rate is 145 ° C./min to 290 ° C./min). Note that high-purity diamond such as jewelry diamond is difficult to be graphitized, so the heating time to the predetermined holding temperature may be more than 10 minutes, but a shorter one is preferable.

上記保持温度での加熱時間は数十秒程度でよい。このような短時間であっても、ダイヤモンド粒子の表面を簡単にSiCに転化することができる。   The heating time at the holding temperature may be about several tens of seconds. Even in such a short time, the surface of the diamond particles can be easily converted to SiC.

《酸化工程》
上述のようにして得られたSiC被覆成形体を酸化して、SiCの少なくとも一部を珪素酸化物に転化する。珪素酸化物は、代表的にはSiO2が挙げられる。この酸化工程を最も簡単に実施するには、大気中で加熱することが挙げられる。加熱するときの保持温度は、800℃以上が好ましく、更に850℃以上、とりわけ875℃以上が好ましい。保持温度が高いほど珪素酸化物に転化し易く、短時間で酸化することができるものの、上述のように1000℃を超えるとグラファイト化し易い上に、酸化物層が過剰に形成されたり、不均一な厚さに形成される恐れがある。従って、グラファイト化の抑制を考慮すると、保持温度は、1000℃以下が好ましい。保持温度を1000℃超とする場合、SiCを形成する場合と同様に、所定の保持温度までに加熱する時間を10分以下とし、加熱時間も短くすることが好ましい。
<Oxidation process>
The SiC-coated molded body obtained as described above is oxidized to convert at least a part of SiC into silicon oxide. A typical example of the silicon oxide is SiO 2 . The easiest way to carry out this oxidation step is to heat in the atmosphere. The holding temperature when heating is preferably 800 ° C. or higher, more preferably 850 ° C. or higher, and particularly preferably 875 ° C. or higher. The higher the holding temperature, the easier it can be converted to silicon oxide and it can be oxidized in a short time. However, as described above, when it exceeds 1000 ° C, it tends to be graphitized, and an oxide layer is excessively formed or non-uniform. There is a risk that it will be formed in a thickness. Therefore, considering the suppression of graphitization, the holding temperature is preferably 1000 ° C. or lower. When the holding temperature is higher than 1000 ° C., it is preferable that the heating time to a predetermined holding temperature is 10 minutes or less and the heating time is shortened, as in the case of forming SiC.

上述のようにSiCは耐酸化性に優れるため、この酸化工程によりSiCの全てが珪素酸化物にならず、SiCが残存する。即ち、酸化成形体を構成する粒子は、ダイヤモンド、SiC層、珪素酸化物層が順に積層された多層構造を有する。   Since SiC is excellent in oxidation resistance as described above, all of SiC does not become silicon oxide by this oxidation step, and SiC remains. That is, the particles constituting the oxidized molded body have a multilayer structure in which diamond, a SiC layer, and a silicon oxide layer are sequentially laminated.

[その他の酸化成形体の製造方法]
その他、ダイヤモンド粉末を用意して、上述のようにSiを含有するガス中で加熱して各粒子の表面をSiCに転化した後、更に、上述のように酸素を含有するガス中で加熱して各粒子の少なくとも最表面を珪素酸化物に転化した酸化粉末を作製する。この酸化粉末を所定の形状の鋳型にタッピングして得られた粉末集合体を酸化成形体とすることができる。この方法は、ダイヤモンドの含有量が比較的少ない複合材料の形成に適している。或いは、上記酸化粉末をプレス成形して酸化成形体とすることができる。また、これらの酸化成形体を焼結して、焼結体としてもよい。酸化粉末を形成して利用するこれらの手法は、複合材料が複雑な形状である場合に好適に利用することができる。また、例えば、融点が900℃以上1500℃以下の種々の材質の部材(例えば、SUS製のパイプなど)を複合材料に埋め込む場合などに好適に利用することができる。複合材料の形状や用途などに応じて、成形体の形成方法を選択するとよい。
[Manufacturing method of other oxidized compacts]
In addition, after preparing diamond powder and heating in a gas containing Si as described above to convert the surface of each particle to SiC, further heating in a gas containing oxygen as described above. An oxide powder is produced by converting at least the outermost surface of each particle into silicon oxide. A powder aggregate obtained by tapping this oxidized powder on a mold having a predetermined shape can be used as an oxidized molded body. This method is suitable for forming a composite material having a relatively low diamond content. Alternatively, the oxidized powder can be press-molded to form an oxidized molded body. Alternatively, these oxidized molded bodies may be sintered to form a sintered body. These methods of forming and using the oxidized powder can be suitably used when the composite material has a complicated shape. Further, for example, it can be suitably used when a member made of various materials having a melting point of 900 ° C. or higher and 1500 ° C. or lower (for example, a SUS pipe) is embedded in a composite material. A method for forming a molded body may be selected in accordance with the shape and application of the composite material.

《複合工程》
上述のようにして得られた酸化成形体を所定の形状の鋳型に収納して、溶融Mgを溶浸させた後、溶融Mgを凝固させることで、複合材料が得られる。この複合工程は、大気圧(概ね0.1MPa(1atm))以下の雰囲気で行うと、雰囲気中のガスを取り込み難く、ガスの取り込みに伴う気孔が生じ難い。但し、Mgは蒸気圧が高いため、高真空状態とすると溶融Mgを取り扱い難くなる。従って、上記複合工程の雰囲気圧力を大気圧未満とする場合、0.1×10-5MPa以上が好ましい。また、上記複合工程は、Arといった不活性雰囲気で行うと、特にMg成分と雰囲気ガスとの反応を防止でき、反応生成物の存在に伴う熱特性の劣化を抑制できる。溶浸温度は、650℃以上が好ましく、溶浸温度が高いほど溶融Mgと珪素酸化物との濡れ性が高まるため、700℃以上、特に800℃以上、更に850℃以上が好ましい。但し、1000℃超とすると、引け巣やガスホールといった欠陥が生じたり、Mgが沸騰する恐れがあるため、溶浸温度は1000℃以下、特に900℃以下が好ましい。
《Composite process》
The oxidized molded body obtained as described above is stored in a mold having a predetermined shape, infiltrated with molten Mg, and then solidified with molten Mg, whereby a composite material is obtained. If this combined process is performed in an atmosphere at atmospheric pressure (generally 0.1 MPa (1 atm)) or less, it is difficult to take in the gas in the atmosphere, and it is difficult to generate pores that accompany the gas. However, since Mg has a high vapor pressure, it becomes difficult to handle molten Mg in a high vacuum state. Therefore, 0.1 × 10 −5 MPa or more is preferable when the atmospheric pressure in the composite process is less than atmospheric pressure. Further, when the composite process is performed in an inert atmosphere such as Ar, the reaction between the Mg component and the atmospheric gas can be prevented, and the deterioration of the thermal characteristics due to the presence of the reaction product can be suppressed. The infiltration temperature is preferably 650 ° C. or higher, and the higher the infiltration temperature, the higher the wettability between molten Mg and silicon oxide. Therefore, 700 ° C. or higher, particularly 800 ° C. or higher, and more preferably 850 ° C. or higher is preferable. However, if the temperature exceeds 1000 ° C., defects such as shrinkage cavities and gas holes may occur or Mg may boil, so the infiltration temperature is preferably 1000 ° C. or less, particularly 900 ° C. or less.

本発明複合材料及びこの複合材料から構成される本発明放熱部材は、半導体素子などとの熱膨張係数の整合性に優れる上に、熱伝導性に優れる。本発明複合材料の製造方法は、上記本発明複合材料を生産性よく製造することができる。本発明半導体装置は、上記放熱部材を具えることで熱特性に優れる。   The composite material of the present invention and the heat dissipating member of the present invention composed of the composite material are excellent in thermal expansion coefficient matching with a semiconductor element and the like, and also in thermal conductivity. The manufacturing method of the composite material of the present invention can manufacture the composite material of the present invention with high productivity. The semiconductor device of the present invention has excellent thermal characteristics by including the heat dissipation member.

[試験例]
純マグネシウムとダイヤモンドとを複合した複合材料を作製し、熱特性を調べた。
[Test example]
A composite material composed of pure magnesium and diamond was fabricated and the thermal characteristics were investigated.

原料として、以下を用意した。
(1) ダイヤモンド:表1に示す平均粒径を有する市販のダイヤモンド。
工業用:黄色みかかったダイヤモンド粉末。
宝石用:宝飾用の透明なダイヤモンド粉末(高純度)。
(2) Si粉末:純度99.9%、平均粒径1μmの粉末。
(3) 純マグネシウム:99.8質量%以上のMg及び不純物からなるインゴット(市販品)。
The following were prepared as raw materials.
(1) Diamond: A commercially available diamond having the average particle size shown in Table 1.
Industrial: Yellowish diamond powder.
For jewelry: Transparent diamond powder for jewelry (high purity).
(2) Si powder: Powder having a purity of 99.9% and an average particle diameter of 1 μm.
(3) Pure magnesium: An ingot (commercially available product) comprising 99.8% by mass or more of Mg and impurities.

[粉末成形体の作製]
ダイヤモンド粉末及びSi粉末を表1に示す所定の体積割合となるように用意して、ボールミルで混合して混合粉末を得た。この混合粉末とバインダ(カンファ)とを用いてプレス成形し、直径:φ10mm、厚さ:2mmの円板状の粉末成形体を作製した。得られた粉末成形体の密度を体積と質量とから求め、相対密度(成形体の密度/理論密度)を求めた。その結果も表1に示す。
[Preparation of powder compact]
Diamond powder and Si powder were prepared so as to have a predetermined volume ratio shown in Table 1, and mixed by a ball mill to obtain a mixed powder. This mixed powder and a binder (camphor) were press-molded to produce a disk-shaped powder compact having a diameter of 10 mm and a thickness of 2 mm. The density of the obtained powder compact was determined from the volume and mass, and the relative density (density of the compact / theoretical density) was determined. The results are also shown in Table 1.

[SiCへの転化]
作製した粉末成形体を放電プラズマ焼結炉の分割式黒鉛金型に装填し、真空中で、表1に示す保持温度まで加熱し、この保持温度を表1に示す保持時間だけ保持した。この試験では、上記保持温度までに加熱する時間が表1に示す時間となるように昇温速度を調整して加熱した。加熱終了後、上記黒鉛金型を試料(SiC被覆成形体)から外して自然冷却させた。
[Conversion to SiC]
The produced powder compact was loaded into a split graphite mold of a discharge plasma sintering furnace, heated in vacuum to the holding temperature shown in Table 1, and this holding temperature was held for the holding time shown in Table 1. In this test, heating was performed by adjusting the rate of temperature rise so that the heating time to the holding temperature was the time shown in Table 1. After the heating, the graphite mold was removed from the sample (SiC coated molded body) and allowed to cool naturally.

[珪素酸化物への転化]
作製したSiC被覆成形体を、表1に示す保持温度に予め保持しておいた横型電気炉(大気炉)に装入して、表1に示す保持時間だけ保持した後、当該電気炉から取り出した。得られた試料(酸化成形体)の断面において表面組成をEDX装置により調べたところ、ダイヤモンドの表面にSiC層、SiO2層が順に形成された粒子が存在することが確認できた。また、得られた酸化成形体の相対密度を上記粉末成形体と同様にして求めた。その結果も表1に示す。
[Conversion to silicon oxide]
The manufactured SiC coated molded body was charged into a horizontal electric furnace (atmospheric furnace) that was previously held at the holding temperature shown in Table 1, held for the holding time shown in Table 1, and then removed from the electric furnace. It was. When the surface composition was examined with an EDX apparatus in the cross section of the obtained sample (oxidized compact), it was confirmed that there were particles in which a SiC layer and an SiO 2 layer were formed in this order on the diamond surface. Further, the relative density of the obtained oxidized molded body was determined in the same manner as the above powder molded body. The results are also shown in Table 1.

[複合]
用意したインゴットをSF6ガス雰囲気の鉄るつぼに入れて電気炉で溶解して溶湯を作製し、この溶湯を750℃に保持した。一方、作製した酸化成形体をカーボン製の鋳型に配置し、上記溶湯を接触させて酸化成形体に溶浸させ(溶浸温度:750℃、Ar雰囲気、雰囲気圧力:大気圧)、1〜2時間程度保持した後、純マグネシウムを凝固させることで複合材料を形成した。なお、溶浸する際の保持時間は、複合材料の大きさに応じて適宜変更することができる。また、鋳型において酸化成形体が接触する箇所に市販の離型剤を塗布しておくと、離型性に優れる。その他、鋳型として、インゴットの配置箇所と、複合材料の形成箇所とを具えるものを用意し、作製した酸化成形体を上記形成箇所に配置し、鋳型を加熱して上記配置箇所に載置したインゴットを溶融し、この溶融金属を上記酸化成形体に溶浸させてもよい。
[composite]
The prepared ingot was put into an iron crucible of SF 6 gas atmosphere and melted in an electric furnace to prepare a molten metal, and the molten metal was kept at 750 ° C. On the other hand, the produced oxidized molded body is placed in a carbon mold, and the molten metal is contacted to infiltrate the oxidized molded body (infiltration temperature: 750 ° C., Ar atmosphere, atmospheric pressure: atmospheric pressure), 1-2. After holding for about an hour, a composite material was formed by solidifying pure magnesium. In addition, the holding time at the time of infiltration can be appropriately changed according to the size of the composite material. In addition, when a commercially available release agent is applied to a portion of the mold where the oxidized molded body comes into contact, the mold release property is excellent. In addition, as the casting mold, a mold having an ingot placement location and a composite material formation location was prepared, and the produced oxidized molded body was placed at the formation location, and the mold was heated and placed at the placement location. The ingot may be melted and the molten metal may be infiltrated into the oxidized molded body.

[複合材料の評価]
得られた複合材料について、熱伝導率、熱膨張係数、及び生成相の同定を行った。その結果を表1に示す。また、得られた各複合材料の相対密度を上記粉末成形体と同様にして求めた。その結果も表1に示す。
[Evaluation of composite materials]
About the obtained composite material, thermal conductivity, a thermal expansion coefficient, and the production | generation phase were identified. The results are shown in Table 1. Moreover, the relative density of each obtained composite material was calculated | required similarly to the said powder molded object. The results are also shown in Table 1.

熱伝導率は、レーザーフラッシュ式熱伝導率測定装置により、室温における熱伝導率(W/m・K)を測定した。   For thermal conductivity, the thermal conductivity (W / m · K) at room temperature was measured with a laser flash type thermal conductivity measuring device.

熱膨張係数は、差動トランス式熱膨張係数測定装置により、室温から500℃までの平均熱膨張係数(ppm/K)を測定した。   As for the thermal expansion coefficient, an average thermal expansion coefficient (ppm / K) from room temperature to 500 ° C. was measured with a differential transformer type thermal expansion coefficient measuring apparatus.

生成相の同定は、各試料を電子顕微鏡により観察し、金属マトリクスとダイヤモンド粒子との界面近傍を観察した。そして、X線回折により、当該界面近傍に存在する生成相を同定した。観察倍率は、適宜選択することができる。   For identification of the generated phase, each sample was observed with an electron microscope, and the vicinity of the interface between the metal matrix and the diamond particles was observed. And the production | generation phase which exists in the said interface vicinity was identified by X-ray diffraction. The observation magnification can be selected as appropriate.

更に、Mg2Si相が生成された各試料について、その断面組成をEDX装置により調べたところ、Mg及びダイヤモンド、残部:Mg2Si及び不可避不純物であり、ダイヤモンド粒子の表面にSiC層を有する粒子が確認できた。また、各試料の断面を顕微鏡観察して、ダイヤモンド粒子の平均粒径を調べたところ、原料に用いたダイヤモンド粒子の大きさに概ね一致していた。 Further, the cross-sectional composition of each sample in which the Mg 2 Si phase was generated was examined by an EDX apparatus. As a result, Mg and diamond, the balance: Mg 2 Si and unavoidable impurities, particles having a SiC layer on the surface of the diamond particles Was confirmed. Further, when the average particle diameter of the diamond particles was examined by observing the cross section of each sample under a microscope, the diamond particles generally coincided with the size of the diamond particles used as the raw material.

Figure 2011089161
Figure 2011089161

表1に示すようにダイヤモンドと純マグネシウムとを複合することで、熱伝導率が高い上に、熱膨張係数が小さい複合材料が得られること分かる。特に、ダイヤモンド粉末を用いた粉末成形体の表面をSiCに転化した後、更に、珪素酸化物に転化することで、上記複合材料が得られることが分かる。また、SiCの転化時や珪素酸化物への転化時に昇温速度を大きく(保持温度までの加熱時間を短く)したり、平均粒径が大きなダイヤモンド粉末を用いたり、高純度なダイヤモンドを用いたりすることで、熱伝導率が高い複合材料が得られることが分かる。上記昇温速度が小さいと、熱伝導率が小さくなった。この理由は、ダイヤモンドの一部がグラファイト化したためであると考えられる。また、宝飾用のダイヤモンドを用いると、700W/m・K程度といった非常に高い熱伝導率を有する複合材料が得られる。このように熱伝導率が高く、熱膨張係数が4ppm/K程度の半導体素子やその周辺部品との整合性に優れる複合材料は、当該半導体素子の放熱部材の構成材料に好適に利用できると期待される。   As shown in Table 1, it can be seen that by combining diamond and pure magnesium, a composite material having a high thermal conductivity and a low thermal expansion coefficient can be obtained. In particular, it can be seen that the composite material can be obtained by converting the surface of a powder compact using diamond powder into SiC and then converting it into silicon oxide. Also, during the conversion of SiC or conversion to silicon oxide, the heating rate is increased (the heating time to the holding temperature is shortened), diamond powder with a large average particle diameter is used, or high-purity diamond is used. It can be seen that a composite material having high thermal conductivity can be obtained. When the temperature increase rate was small, the thermal conductivity was small. The reason for this is considered to be that a part of the diamond was graphitized. In addition, when jewelry diamond is used, a composite material having a very high thermal conductivity of about 700 W / m · K can be obtained. It is expected that such a composite material with high thermal conductivity and excellent thermal compatibility with a semiconductor element having a thermal expansion coefficient of about 4 ppm / K and its peripheral components can be suitably used as a constituent material of a heat dissipation member of the semiconductor element. Is done.

これに対して、SiCに転化した後、更に珪素酸化物に転化しない場合、溶融Mgが十分に溶浸せず、途中で溶浸が進まなくなった。また、ダイヤモンドの含有量が少ないと、粉末成形体が崩壊した。なお、複合材料中のダイヤモンドの含有量(体積%)は、粉末成形体の相対密度×ダイヤモンドの体積割合に概ね一致する。   On the other hand, when it was not converted to silicon oxide after conversion to SiC, molten Mg was not sufficiently infiltrated, and infiltration did not progress in the middle. Moreover, when the content of diamond was small, the powder compact collapsed. Note that the content (volume%) of diamond in the composite material generally corresponds to the relative density of the powder compact × the volume ratio of the diamond.

本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、複合材料中のダイヤモンドの含有量、金属成分の組成(例えば、マグネシウム合金)、SiCへの転化時の条件(温度や昇温速度など)、珪素酸化物への転化時の条件(温度や昇温速度など)、複合時の条件(温度、雰囲気、圧力など)を適宜変更することができる。   The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be appropriately changed without departing from the gist of the present invention. For example, the content of diamond in the composite material, the composition of the metal component (e.g., magnesium alloy), conditions for conversion to SiC (e.g., temperature and heating rate), conditions for conversion to silicon oxide (e.g., temperature and The rate of temperature increase, etc.) and the conditions during combination (temperature, atmosphere, pressure, etc.) can be changed as appropriate.

本発明複合材料は、パーソナルコンピュータやモバイル電子機器などに具備されるCPU、GPU(Graphics Processing Unit)、チップセット、メモリーチップに利用される半導体素子のヒートスプレッダ(本発明放熱部材)に好適に利用することができる。本発明複合材料の製造方法は、上記複合材料の製造に好適に利用することができる。本発明半導体装置は、上記パーソナルコンピュータやモバイル電子機器などの各種の電子機器の構成部品に好適に利用することができる。   The composite material of the present invention is suitably used for a heat spreader (a heat dissipating member of the present invention) of a semiconductor element used for a CPU, GPU (Graphics Processing Unit), chip set, memory chip provided in a personal computer or a mobile electronic device. be able to. The method for producing a composite material of the present invention can be suitably used for producing the composite material. The semiconductor device of the present invention can be suitably used for the components of various electronic devices such as the personal computer and mobile electronic devices.

Claims (12)

マグネシウム又はマグネシウム合金からなる金属マトリクス中にダイヤモンド粒子が分散されており、
前記金属マトリクス中にMg2Siを含有し、
前記ダイヤモンド粒子のうち、少なくとも一部の粒子は、その表面にSiC層を具えることを特徴とする複合材料。
Diamond particles are dispersed in a metal matrix made of magnesium or a magnesium alloy,
Mg 2 Si is contained in the metal matrix,
A composite material characterized in that at least some of the diamond particles have a SiC layer on the surface thereof.
前記ダイヤモンドの含有量が前記複合材料の全体に対して35体積%以上85体積%以下であることを特徴とする請求項1に記載の複合材料。   2. The composite material according to claim 1, wherein a content of the diamond is 35% by volume or more and 85% by volume or less with respect to the entire composite material. 前記ダイヤモンドの含有量が前記複合材料の全体に対して50体積%以上80体積%以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の複合材料。   3. The composite material according to claim 1, wherein a content of the diamond is 50% by volume or more and 80% by volume or less with respect to the entire composite material. 前記ダイヤモンドの粒子の平均粒径が10μm以上100μm以下であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の複合材料。   4. The composite material according to claim 1, wherein an average particle diameter of the diamond particles is 10 μm or more and 100 μm or less. 前記複合材料の室温における熱伝導率が250W/m・K以上であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の複合材料。   5. The composite material according to claim 1, wherein a thermal conductivity of the composite material at room temperature is 250 W / m · K or more. 請求項1〜5のいずれか1項に記載の複合材料により構成されていることを特徴とする放熱部材。   A heat radiating member comprising the composite material according to any one of claims 1 to 5. 請求項6に記載の放熱部材と、この放熱部材に搭載される半導体素子とを具えることを特徴とする半導体装置。   7. A semiconductor device comprising: the heat dissipating member according to claim 6; and a semiconductor element mounted on the heat dissipating member. ダイヤモンドからなる粉末成形体の表面がSiCに転化されているSiC被覆成形体を用意する準備工程と、
前記SiC被覆成形体を酸化して、前記SiCの少なくとも表面側部分を珪素酸化物に転化して、珪素酸化物を具える酸化成形体を形成する酸化工程と、
前記酸化成形体に溶融したマグネシウム又はマグネシウム合金を溶浸させ、前記珪素酸化物と前記溶融したマグネシウム又はマグネシウム合金との反応によりMg2Siを生成しながら、当該マグネシウム又はマグネシウム合金と前記ダイヤモンドとを複合する複合工程とを具えることを特徴とする複合材料の製造方法。
A preparation step of preparing a SiC-coated molded body in which the surface of a powder molded body made of diamond is converted to SiC;
Oxidizing the SiC coated molded body, converting at least the surface side portion of the SiC into silicon oxide, and forming an oxidized molded body comprising silicon oxide; and
Infiltrating molten magnesium or a magnesium alloy into the oxidized molded body, and producing Mg 2 Si by reaction of the silicon oxide and the molten magnesium or magnesium alloy, the magnesium or magnesium alloy and the diamond A composite material manufacturing method comprising: a composite step of combining.
前記準備工程では、
ダイヤモンド粉末とSi粉末とを用いて粉末成形体を形成した後、この粉末成形体をSiの融点以上の所定の保持温度に加熱することで、この粉末成形体の表面をSiCに転化する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。
In the preparation step,
After forming a powder compact using diamond powder and Si powder, the powder compact is heated to a predetermined holding temperature above the melting point of Si to convert the surface of the powder compact to SiC. 9. The method for producing a composite material according to claim 8, wherein
前記準備工程では、
ダイヤモンド粉末を用いて粉末成形体を形成した後、この粉末成形体を、Siを含有するガス中で所定の保持温度に加熱することで、この粉末成形体の表面をSiCに転化する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。
In the preparation step,
After forming a powder compact using diamond powder, the powder compact is heated to a predetermined holding temperature in a gas containing Si to convert the surface of the powder compact to SiC. 9. A method for producing a composite material according to claim 8.
前記ダイヤモンド粉末は、工業用ダイヤモンドであり、
前記所定の保持温度までに加熱する時間を10分以下とすることを特徴とする請求項9又は10に記載の複合材料の製造方法。
The diamond powder is industrial diamond,
11. The method for producing a composite material according to claim 9, wherein a time for heating to the predetermined holding temperature is 10 minutes or less.
前記酸化工程では、
前記SiC被覆成形体を大気中で所定の保持温度に加熱することで、前記酸化成形体を形成することを特徴とする請求項8〜11のいずれか1項に記載の複合材料の製造方法。
In the oxidation step,
12. The method for producing a composite material according to claim 8, wherein the oxidized molded body is formed by heating the SiC-coated molded body to a predetermined holding temperature in the atmosphere.
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