JP3436702B2

JP3436702B2 - 複合材料

Info

Publication number: JP3436702B2
Application number: JP34744098A
Authority: JP
Inventors: 修平石川; 任三井; 健鈴木; 信亮中山
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1998-12-07
Filing date: 1998-12-07
Publication date: 2003-08-18
Anticipated expiration: 2018-12-07
Also published as: JP2000174183A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、無機物質に金属が
含浸された複合材料に関し、例えば半導体素子から発生
する熱を効率よく放熱させる半導体ヒートシンクを構成
するためのヒートシンク等に用いて好適な複合材料に関
する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、半導体装置にとって熱は大敵で
あり、内部温度が最大許容接合温度を越えないようにし
なければならない。また、パワートランジスタや半導体
整流素子等の半導体装置では、動作面積当たりの消費電
力が大きいため、半導体装置のケース（パッケージ）や
リードから放出される熱量だけでは、発生熱量を放出し
きれず、装置の内部温度が上昇して熱破壊を引き起こす
おそれがある。

【０００３】この現象は、ＣＰＵを搭載した半導体装置
においても同じであり、クロック周波数の向上に伴って
動作時の発熱量が多くなり、放熱を考慮した熱設計が重
要な事項となってきている。

【０００４】前記熱破壊の防止等を考慮した熱設計にお
いては、半導体装置のケース（パッケージ）に放熱面積
の大きいヒートシンクを固着することを加味した素子設
計や実装設計が行われている。

【０００５】前記ヒートシンク用の材料としては、一般
に、熱伝導度の良好な銅やアルミニウム等の金属材料が
使用されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】近時、ＣＰＵやメモリ
等の半導体装置においては、低消費電力を目的とした低
電力駆動を図りながらも、素子の高集積化と素子形成面
積の拡大化に伴って半導体装置自体が大型化する傾向に
ある。半導体装置が大型化すると、半導体基体（シリコ
ン基板やＧａＡｓ基板）とヒートシンクとの熱膨張の差
によって生じる応力が大きくなり、半導体装置の剥離現
象や機械的破壊が生じるおそれがある。

【０００７】これを防止するためには、半導体装置の低
電力駆動の実現とヒートシンク材の改善が挙げられる。
半導体装置の低電力駆動は、現在、電源電圧として、従
来から用いられてきたＴＴＬレベル（５Ｖ）を脱して、
３．３Ｖ以下のレベルが実用化されている。

【０００８】一方、ヒートシンクの構成材料としては、
単に熱伝導度を考えるのみでなく、半導体基体であるシ
リコンやＧａＡｓと熱膨張率がほぼ一致し、しかも、熱
伝導度の高い材料の選定が必要となってきている。

【０００９】ヒートシンク材の改善に関しては、多種多
様の報告があり、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を
使用した例や、Ｃｕ（銅）−Ｗ（タングステン）を用い
た例などがある。ＡｌＮは、熱伝導性と熱膨張性のバラ
ンスに優れており、特にＳｉの熱膨張率とほぼ一致する
ことから、半導体基体としてシリコン基板を用いた半導
体装置のヒートシンク材として好適である。

【００１０】また、Ｃｕ−Ｗは、Ｗの低熱膨張性とＣｕ
の高熱伝導性を兼ね備えた複合材料であり、しかも、機
械加工が容易であることから、複雑な形状を有するヒー
トシンクの構成材料として好適である。

【００１１】また、他の例としては、ＳｉＣを主成分と
するセラミック基材に金属Ｃｕを２０〜４０体積％の割
合で含有させたものや（従来例１：特開平８−２７９５
６９号公報参照）、無機物質からなる粉末焼結多孔質体
にＣｕを５〜３０ｗｔ％含浸させたもの（従来例２：特
開昭５９−２２８７４２号公報参照）などが提案されて
いる。

【００１２】前記従来例１に係るヒートシンク材は、Ｓ
ｉＣと金属Ｃｕの圧粉体を成形してヒートシンクを作製
するという粉体成形であるため、熱膨張率と熱伝導率は
あくまでも理論的な値であり、実際の電子部品等で求め
られる熱膨張率と熱伝導率のバランスを得ることができ
ないという問題がある。

【００１３】従来例２は、無機物質からなる粉末焼結多
孔質体に含浸されるＣｕの比率が低く、熱伝導度を高め
る上で限界が生じるおそれがある。

【００１４】本発明はこのような課題を考慮してなされ
たものであり、実際の電子部品（半導体装置を含む）等
で求められる熱膨張率と熱伝導率とのバランスに適合し
た特性を得ることができる複合材料を提供することを目
的とする。

【００１５】また、本発明の他の目的は、一般に困難と
される多孔質焼結体への金属の含浸処理を容易に行うこ
とができ、しかも、多孔質焼結体への金属の含浸率を向
上させることができ、実際の電子部品（半導体装置を含
む）等で求められる熱膨張率と熱伝導率とのバランスに
適合した特性を有するヒートシンクの生産性を向上させ
ることができる複合材料を提供することにある。

【００１６】また、本発明の他の目的は、潤滑性の向上
を図ることができ、摺動材や軸受材等としても活用する
ことができる複合材料を提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】まず、ヒートシンク材と
して最適な特性について説明すると、必要な熱膨張率と
しては、ＡｌＮ等のセラミック基板やＳｉ及びＧａＡｓ
等の半導体基板の熱膨張率と合わせる必要から、室温か
ら２００℃までの平均熱膨張率として４．０×１０^-6／
℃〜９．０×１０^-6／℃の範囲が好適であり、必要な熱
伝導率としては、現有のＣｕ−Ｗ材と同等以上の要求を
満たす必要から、１６０Ｗ／ｍＫ（室温）以上が好適で
ある。

【００１８】前記特性を得るために、本発明に係る複合
材料は、銅の熱膨張率よりも低い熱膨張率をもつ多孔質
体を予備焼成してネットワーク化することによって得ら
れる多孔質焼結体に銅合金を含浸させて構成し、熱伝導
率が１６０Ｗ／ｍＫ以上の特性を有するように銅と添加
元素とが調製されていることを特徴とする。

【００１９】これにより、多孔質焼結体と該多孔質焼結
体に含浸される銅合金の比率によって決定される熱膨張
（理論値）よりも低い値に膨張を抑えることができ、セ
ラミック基板や半導体基板（シリコン、ＧａＡｓ）等と
熱膨張率がほぼ一致し、熱伝導性のよいヒートシンク材
を得ることができる。

【００２０】具体的には、室温から２００℃までの平均
熱膨張率が４．０×１０^-6／℃〜９．０×１０^-6／℃
で、かつ熱伝導率が１６０Ｗ／ｍＫ（室温）以上、好ま
しくは１８０Ｗ／ｍＫ以上であるヒートシンク材を得る
ことができる。

【００２１】また、この複合材料は、多孔質焼結体に銅
合金が含浸されていることから、高い潤滑性を示すこと
になり、しかも、比抵抗も低くなることから、摺動材や
軸受材等に適用することができる。

【００２２】前記添加元素としては、前記銅に添加する
ことで凝固温度範囲が７０℃以上に広がり、かつ、融点
が低下するものであることが望ましい。

【００２３】ところで、前記多孔質焼結体に含浸させる
金属として、市販の純銅を用いた場合、熱伝導率が高く
良好であるが、多孔質焼結体（特にＳｉＣ）との濡れ性
が悪く銅の含浸しない開気孔が残りやすい。その結果、
多孔質焼結体に純銅を含浸させる際の溶湯温度、加圧時
間、冷却時間などの条件が変化すると、熱伝導率が大き
く変化し、得られる製品の特性が大きくばらつくことに
なる。

【００２４】そこで、本発明では、銅にＢｅ、Ｓｉ、Ｍ
ｇ、Ｔｉ、Ｎｉ等を添加することにより含浸率を向上さ
せるようにしている。この場合、前記添加元素の量が５
％より多いと熱伝導率の低下が大きくなり、添加による
効果を得ることができなくなるため、前記多孔質焼結体
に含浸される銅合金は、銅の成分に５％までの範囲で、
Ｂｅ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｎｉから選択された１種以上
の添加元素を含むことが好ましい。

【００２５】そして、前記多孔質焼結体としては、Ｓｉ
Ｃ、ＡｌＮ、Ｓｉ₃Ｎ₄、Ｂ₄Ｃ、ＢｅＯから選ばれた
１種以上の化合物からなることが望ましい。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る複合材料の実
施の形態例（以下、単に実施の形態に係る複合材料と記
す）を図１〜図２２を参照しながら説明する。

【００２７】まず、図１に示すように、本実施の形態に
係る複合材料にて構成されるヒートシンク１０は、半導
体装置１２におけるパッケージ１４の上面に形成された
開口１６内に埋め込まれ、かつ、その表面が前記半導体
装置１２の上部に固着された冷却フィン１８と接触され
るように設置される。

【００２８】これにより、半導体装置１２内に実装され
ている半導体素子（チップ）から放出された熱はヒート
シンク１０を通じて効率よく冷却フィン１８に伝達する
ことになる。

【００２９】そして、本実施の形態に係る複合材料は、
銅の熱膨張率よりも低い熱膨張率をもつ多孔質体を予備
焼成してネットワーク化することによって得られる多孔
質焼結体に銅合金が含浸されて構成されている。具体的
には、図２に示すように、例えばＳｉＣからなる多孔質
焼結体２０の開気孔部（オープンポア部）に銅合金２２
が含浸されて構成される。以下の説明では、ＳｉＣから
なる多孔質焼結体を単にＳｉＣと記す。

【００３０】この構成によれば、後述するように、Ｓｉ
Ｃと該ＳｉＣに含浸される銅合金２２の比率によって決
定される熱膨張（理論値）よりも低い値に膨張を抑える
ことができ、電子部品等の基体であるセラミック基板や
半導体基板（シリコン、ＧａＡｓ）等と熱膨張率がほぼ
一致し、熱伝導性のよいヒートシンク材を得ることがで
きる。具体的には、室温から２００℃までの平均熱膨張
率が４．０×１０^-6／℃〜９．０×１０^-6／℃で、かつ
熱伝導率が１６０Ｗ／ｍＫ（室温）以上であるヒートシ
ンク材を得ることができる。

【００３１】この場合、ＳｉＣの気孔率（銅合金２２の
含浸率とほぼ同じ）としては、２０ｖｏｌ％〜７０ｖｏ
ｌ％であることが望ましい。気孔率が２０ｖｏｌ％未満
では、１８０Ｗ／ｍＫ（室温）の熱伝導率を得ることが
できず、７０ｖｏｌ％を超えるとＳｉＣの強度が低下
し、熱膨張率を９．０×１０^-6／℃未満に抑えることが
できない。

【００３２】また、前記ＳｉＣの平均開気孔径（気孔
径）の値としては、０．５〜１００μｍが望ましい。前
記気孔径が０．５μｍ未満であると、開気孔内に銅合金
２２を含浸することが困難になり、熱伝導率が低下す
る。一方、前記気孔径が１００μｍを超えると、ＳｉＣ
の強度が低下し、熱膨張率を低く抑えることができな
い。

【００３３】また、前記ＳｉＣの平均開気孔に関する分
布（気孔分布）としては、０．５〜１００μｍに９０％
以上分布することが好ましい。０．５〜１００μｍの気
孔が９０％以上分布していない場合は、銅合金２２が含
浸していない開気孔が増え、熱伝導率が低下する。

【００３４】前記気孔率、気孔径及び気孔分布の測定に
は、株式会社島津製作所製の自動ポロシメータ（商品
名：オートポア９２００）を使用した。

【００３５】なお、ＳｉＣの曲げ強度としては、１０Ｍ
Ｐａ以上、望ましくは２０ＭＰａ以上、更に望ましくは
３０ＭＰａ以上が好ましい。曲げ強度が１０ＭＰａより
低下すると、熱膨張率が増加するという問題があるから
である。

【００３６】一般に、前記銅として、市販の純銅を用い
た場合、熱伝導率が高く良好であるが、多孔質焼結体
（特にＳｉＣ）との濡れ性が悪く銅の含浸しない開気孔
が残りやすいため、Ｂｅ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｎ
ｉ等の添加により含浸率を向上させることが望ましい。
この場合、銅の成分が５％までの範囲で、Ｂｅ、Ａｌ、
Ｓｉ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｎｉを１種類以上含み、かつ、Ａ
ｇ、Ｃｄ、Ｚｎ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｐｔ、Ｃ
ｒ、Ｇｅ、Ｒｈ、Ｓｂ、Ｉｒ、Ｃｏ、Ａｓ、Ｚｒ、Ｆ
ｅ、Ｓｎ、Ｍｎ、Ｐ、Ｐｂ等の不可避の不純物、ガス成
分を含んでいてもよい。但し、前記添加物の量が５％よ
り多くなると、熱伝導率の低下が大きくなり、添加によ
る効果を得ることができなくなる。

【００３７】ここで、１つの実験例を示す。この実験例
は、ＳｉＣの気孔率、気孔径、気孔分布を適宜変えて、
そのときの熱伝導率と熱膨張率の違いをみたものであ
る。その実験結果を図３の表図に示す。

【００３８】この図３において、実施例１〜８は、含浸
材を銅とし、気孔率、気孔径及び気孔分布をそれぞれ所
定範囲内において変化させた場合を示し、実施例９は含
浸材としてＢｅを０．５ｗｔ％、Ｃｕを残部とする銅合
金とし、気孔率、気孔径及び気孔分布をそれぞれ所定範
囲内とした場合を示す。比較例１は含浸材を銅とし、気
孔率を前記所定範囲から逸脱させた場合を示し、比較例
２は含浸材を銅とし、気孔率と気孔分布をそれぞれ前記
所定範囲から逸脱させた場合を示し、比較例３は含浸材
を銅とし、気孔径と気孔分布を前記所定範囲から逸脱さ
せた場合を示す。

【００３９】この実験結果から、実施例１〜９はいずれ
も熱伝導率＝１８０Ｗ／ｍＫ（室温）以上を満足し、熱
膨張率＝４．０×１０^-6／℃〜９．０×１０^-6／℃を満
足している。なお、熱膨張率は室温〜２００℃までの平
均値である。

【００４０】一方、比較例１は、気孔率が前記所定範囲
よりも下回った値となっていることから、銅の含浸率が
低くなり、それに伴って熱伝導率も１６５Ｗ／ｍＫと低
くなっている。また、比較例２は、気孔率が前記所定範
囲よりも上回った値となっていることから、銅の含浸率
が高くなって、熱伝導率も３２５Ｗ／ｍＫと高くなって
いるが、ＳｉＣの強度がその分低くなり、熱膨張率は１
２．４×１０^-6／℃と高くなっている。

【００４１】横軸に熱伝導率をとり、縦軸に熱膨張率を
とって、実施例１〜８の結果をプロットすると、ＳｉＣ
に銅を含浸させた場合の特性は、図４の曲線ａに示すよ
うな特性になると予想される。図４において、曲線ｂは
ＳｉＣとアルミニウムを粉末成形した場合の理論値を示
し、曲線ｃはＳｉＣと銅を粉末成形した場合の理論値を
示し、曲線ｄはＳｉＣにアルミニウムを含浸させた場合
の実測値を示す。

【００４２】また、図４において一点鎖線の長円で示す
領域Ａは、従来からヒートシンク材として使用されてき
たＣｕ−Ｗの特性領域を示すものであるが、前記実施例
６〜８は、図３に示すように、前記Ｃｕ−Ｗの特性より
も良好な特性を有していることがわかる。それは、実施
例６〜８はいずれも熱膨張率の範囲がＣｕ−Ｗとほぼ同
じで、熱伝導率の範囲がＣｕ−Ｗよりも高いものとなっ
ており、ヒートシンク材として最適な特性範囲（破線の
長方形で示す範囲）Ｂに入っているからである。従っ
て、ＳｉＣの気孔率、気孔径及び気孔分布を最適化する
ことにより、複合材料の特性をヒートシンク材として最
適な特性範囲に集めることができる。

【００４３】次に、第１及び第２の実施の形態に係る製
造方法について図５〜図１５を参照しながら説明する。
この第１及び第２の実施の形態に係る製造方法は共に、
大きく分けて含浸工程と冷却工程とからなる。含浸工程
は、基材となるＳｉＣと銅合金とを、互いに接触させな
い状態で加熱し、所定温度に達した段階で両者を接触さ
せて直ちに高圧力を付与して、前記銅合金を前記ＳｉＣ
中に含浸させる工程であり、冷却工程は、前記銅合金が
含浸された前記ＳｉＣを冷却する工程である。

【００４４】まず、第１の実施の形態に係る製造方法
は、具体的には図５Ａ及び図５Ｂにその一例を示すよう
に、高圧容器３０を使用することによって行われる。こ
の高圧容器３０は、角筒状の筐体３２における両側板３
４及び３６のほぼ中央部分にそれぞれ回転軸３８が設け
られて、該回転軸３８を中心として筐体３２自体が回転
できるようになっている。

【００４５】筐体３２内には、耐火容器４０と該耐火容
器４０を加熱するためのヒータ４２が設けられている。
耐火容器４０は、中空部４４を有する角筒状の形状を有
し、１つの側面における高さ方向中央部分に中空部４４
に連通する開口４６が設けられている。中空部４４のう
ち、開口４６を中心として一方の中空部（以下、第１室
４４ａと記す）には、含浸材料である銅合金２２の塊、
あるいは銅合金２２の溶融金属が収容されるようになっ
ている。他方の中空部（以下、第２室４４ｂと記す）
は、被含浸試料であるＳｉＣ２０が複数取り付けられる
ようになっており、第２室４４ｂが上方に位置しても、
ＳｉＣ２０が落下しないようにＳｉＣ２０の支持機構が
設けられている。なお、ヒータ４２は、１００ｋｇｆ／
ｃｍ²の高圧力下でも破壊されない構造とされている。

【００４６】また、前記高圧容器３０には、真空引きの
ための吸気管４８と、高圧力付与のためのガス及び冷却
用ガスの導入管５０及び導出管５２が設けられている。

【００４７】次に、前記高圧容器３０を用いた含浸工程
と冷却工程について図６を参照しながら説明する。含浸
工程は、以下の工程を踏むことにより行われる。

【００４８】まず、高圧容器３０を初期状態にして、高
圧容器３０内に設けられている耐火容器４０の第１室４
４ａを下方に位置させる（ステップＳ１）。

【００４９】その後、ＳｉＣ２０と銅合金２２の塊を高
圧容器３０の耐火容器４０内に入れ、銅合金２２の塊を
耐火容器４０の第１室４４ａ内に配置し、ＳｉＣ２０を
第２室４４ｂにセットする（ステップＳ２）。その後、
高圧容器３０（及び耐火容器４０）を密封した後、吸気
管４８を通じて高圧容器３０内の真空引きを行って該高
圧容器３０内を負圧状態にする（ステップＳ３）。

【００５０】その後、ヒータ４２に通電して第１室４４
ａの銅合金２２を加熱溶解する（ステップＳ４）。以下
の説明では、加熱溶解された銅合金２２を便宜的に「溶
融銅」と記す。

【００５１】その後、第１室４４ａ内の溶融銅が所定温
度に達した段階で、高圧容器３０を１８０度転回させる
（ステップＳ５）。この転回動作によって、第１室４４
ａが上方に位置することから、第１室４４ａ内の溶融銅
は、自重によって下方に位置する第２室４４ｂ内に落下
し、この段階で、溶融銅にＳｉＣ２０が浸された状態と
なる。

【００５２】その後、ガス導入管５０を通じて高圧容器
３０内に含浸用ガスを導入して、該高圧容器３０内を加
圧する（ステップＳ６）。この加圧処理によって、前記
溶融銅はＳｉＣ２０の開気孔部中に含浸することとな
る。

【００５３】前記含浸工程が終了した時点で直ちに冷却
工程に移行する。この冷却工程は、まず、前記高圧容器
３０を再び１８０度転回させる（ステップＳ７）。この
転回動作によって、第１室４４ａが下方に位置すること
から、第２室４４ｂ内の溶融銅は、再び第１室４４ａ内
に落下することになる。前記ステップＳ６での加圧処理
（含浸処理）によって、溶融銅の一部がＳｉＣ２０の開
気孔中に含浸されていることから、下方に位置する第１
室４４ａに落下する溶融銅はＳｉＣ２０に含浸されなか
った残存溶融銅である。残存溶融銅が第１室４４ａ内に
落下した段階で、第２室４４ｂには溶融銅が含浸された
ＳｉＣ２０が残ることとなる。

【００５４】その後、ガス導出管５２を通じて高圧容器
３０内の含浸用ガスを排気すると同時に、ガス導入管５
０を通じて冷却用ガスを高圧容器３０内に導入する（ス
テップＳ８）。この含浸用ガスの排気と冷却用ガスの導
入によって、冷却用ガスが高圧容器３０内を満遍なく循
環し、高圧容器３０は急速に冷却される。この速やかな
る冷却によって、前記ＳｉＣ２０に含浸された溶融銅
が、急速に銅合金２２の塊に固化して体積膨張すること
から、含浸された銅合金２２はＳｉＣ２０に強固に保持
される。

【００５５】他の冷却工程としては、図６において一点
鎖線の枠内に示すように、前記ステップＳ７での処理が
終了した段階で、高圧容器３０、あるいは溶融銅が含浸
されたＳｉＣ２０を冷やし金に接触させる（ステップＳ
９）。この冷やし金への接触によってＳｉＣ２０は急速
に冷却されることになる。この冷却過程においては、冷
やし金を水冷しながら行うようにしてもよいし、冷やし
金を加熱体から離れた場所に設置して行うようにしても
よい。特に、押湯効果を考えて冷却した方がよい。

【００５６】このように、前記含浸工程及び冷却工程を
踏むことにより、一般に困難とされるＳｉＣ２０への銅
合金２２の含浸処理を容易に行うことができ、しかも、
ＳｉＣ２０への銅合金２２の含浸率を向上させることが
でき、実際の電子部品（半導体装置を含む）等で求めら
れる熱膨張率と熱伝導率とのバランスに適合した特性、
即ち、室温から２００℃までの平均熱膨張率が４．０×
１０^-6／℃〜９．０×１０^-6／℃で、かつ熱伝導率が１
６０Ｗ／ｍＫ（室温）以上を有するヒートシンク１０の
生産性を向上させることができる。

【００５７】前記ステップＳ４において、ヒータ４２に
通電して第１室４４ａの銅合金２２を加熱溶解する場合
に、ステップＳ５に移行する所定温度（加熱温度）は、
銅合金２２の融点より３０℃〜２５０℃高い温度がよ
く、好ましくは前記融点より５０℃〜２００℃高い温度
が望ましい。この場合、高圧容器３０内を１×１０^-3Ｔ
ｏｒｒ以下の真空中にしておくことが好ましい。

【００５８】また、前記ステップＳ６において、高圧容
器３０内に含浸用ガスを導入することによって高圧容器
３０に付与する圧力としては、１０ｋｇｆ／ｃｍ²以
上、１０００ｋｇｆ／ｃｍ²以下とする。この場合、５
０ｋｇｆ／ｃｍ²以上、２００ｋｇｆ／ｃｍ²以下が好
ましく、より好ましくは１００ｋｇｆ／ｃｍ²以上、１
５０ｋｇｆ／ｃｍ²以下である。

【００５９】また、高圧容器３０への圧力の付与時間は
１秒以上、６０秒以下がよく、望ましくは１秒以上、３
０秒以下が好ましい。

【００６０】なお、ＳｉＣ２０の気孔としては、上述し
たように、平均直径が５μｍ〜５０μｍのものが９０％
以上存在し、かつ、気孔率が２０ｖｏｌ％〜７０ｖｏｌ
％であることが望ましい。

【００６１】そして、ＳｉＣ２０と銅合金２２との濡れ
性の向上を図って、ＳｉＣ２０に予め１〜１０ｖｏｌ
％、望ましくは３〜５ｖｏｌ％のＮｉめっきを施すこと
が好ましい。この場合、低圧力での含浸を実現させるこ
とができる。ここでいう、Ｎｉめっきとしては、予熱時
に溶融しないめっき処理が望ましく、例えばＮｉ−Ｐ−
ＷのめっきやＮｉ−Ｂ−Ｗのめっき等が含まれる。

【００６２】また、ＳｉＣ２０と銅合金２２との濡れ性
の向上を図って、ＳｉＣ２０に予めＳｉを１〜１０ｖｏ
ｌ％含浸、望ましくは３〜５ｖｏｌ％含浸させることが
好ましい。この場合も低圧力での含浸を実現させること
ができる。

【００６３】そして、前記ＳｉＣ２０に予め１〜１０ｖ
ｏｌ％のＮｉめっきを施す、あるいは、予めＳｉを１〜
１０ｖｏｌ％含浸させることに関連して、ＳｉＣ２０に
予めパラジウムめっきを施すようにしてもよい。この場
合、前記パラジウムめっきに加えて、ＮｉやＳｉとの複
合めっきも可能である。

【００６４】一方、冷却工程における冷却速度は、含浸
時の温度から８００℃までの期間において、−４００℃
／時間以上とすることが好ましく、より好ましくは−８
００℃／時間以上が望ましい。

【００６５】前記ステップＳ６において、高圧容器３０
に付与する圧力は、ＳｉＣ２０の開気孔部に銅合金２２
を完全に含浸させるために必要な圧力である。この場
合、ＳｉＣ２０に銅合金２２が含浸されていない開気孔
が残存すると、熱伝導性を著しく阻害するため、高い圧
力を付与することが必要となる。

【００６６】この圧力はその概略を Washburn の式によ
って推定できるが、気孔径が小さいほど大きな力を必要
とする。例えば、０．１μｍφのとき４００ｋｇｆ／ｃ
ｍ²、１．０μｍφのとき４０ｋｇｆ／ｃｍ²、１０μ
ｍφのとき４ｋｇｆ／ｃｍ²の圧力をそれぞれ必要とす
る。

【００６７】また、ＳｉＣ２０と銅合金２２は高温にお
いて反応が生じ、該ＳｉＣ２０がＳｉとＣに分解されて
本来の機能が発揮されなくなる。このため、ＳｉＣ２０
と銅合金２２とが高温で直接接触する時間を短縮するこ
とが必要である。第１の処理条件（高圧容器３０に付与
する圧力＝１０ｋｇｆ／ｃｍ²以上、１０００ｋｇｆ／
ｃｍ²以下）、第２の処理条件（加熱温度＝銅合金２２
の融点より３０℃〜２５０℃高い温度）又は第３の処理
条件（ＳｉＣ２０に予め１〜１０ｖｏｌ％のＮｉめっき
を施す）を満足させることにより、ＳｉＣ２０と銅合金
２２との接触時間を短くすることができるため、前記の
ようなＳｉＣ２０の分解反応を事前に回避することがで
きる。

【００６８】また、ＳｉＣ２０と銅合金２２とは濡れ性
が悪いことから、銅合金２２を十分に含浸させるには高
圧力をかけることが必要である。第３の処理条件（Ｓｉ
Ｃ２０に予め１〜１０ｖｏｌ％のＮｉめっきを施す）、
又は第４の処理条件（ＳｉＣ２０に予めＳｉを１〜１０
ｖｏｌ％含浸させる）を行うことによりＳｉＣ２０の気
孔表面が改質され、ＳｉＣ２０と銅合金２２との濡れ性
が良好となるため、より低圧力でより細かい気孔にまで
銅合金２２を含浸させることができる。

【００６９】ここで、１つの実験例を示す。この実験例
は、ＳｉＣ２０の気孔率、気孔径、Ｎｉめっきの有無、
Ｓｉ含浸の有無、含浸温度、加圧力、加圧時間、冷却速
度を適宜変えて、そのときのＳｉＣ／Ｃｕの反応状況と
Ｃｕの含浸状況の違いをみたものである。その実験結果
を図７の表図に示す。この図７において、ＳｉＣ／Ｃｕ
の反応状況は、ＳｉＣ２０とＣｕとの間に形成された反
応層の厚み（平均値）によって決定させた。その決定条
件は、以下の通りである。また、この決定条件の根拠
は、ＳｉＣ２０とＣｕとの間に５μｍ以上の反応層が生
じると、ＳｉＣ２０とＣｕ間の熱伝達が悪化し、半導体
ヒートシンク用複合材料とした場合の熱伝導が低下する
からである。

【００７０】・反応層の厚み（平均）が１μｍ以下 → 「反応無し」・反応層の厚み（平均）が１μｍを超え５μｍ以下 →「反応少」・反応層の厚み（平均）が５μｍを超える → 「反応大」この実験結果から、ＳｉＣ２０の気孔率、気孔径、含浸
温度、加圧力、加圧時間及び冷却速度についてそれぞれ
所定範囲を満足するもの（サンプル３、７、８、１１及
び１２）については、いずれもＳｉＣ／Ｃｕの反応状況
が「反応無し」で、かつＣｕの含浸状況が良好となって
おり、良好な結果が得られている。

【００７１】これらサンプルのうち、サンプル３、７、
１１及び１２については、ＮｉめっきあるいはＳｉ含浸
を行っているため、Ｃｕとの濡れ性が良好となり、加圧
時間を短くしても前記のように良好な結果が得られた。
また、サンプル８については、Ｎｉめっき及びＳｉ含浸
を行っていないが、加圧力を高くしたことによって、加
圧時間を短くすることが可能となり、前記のように良好
な結果が得られた。

【００７２】一方、加圧力が前記所定範囲よりも低い８
ｋｇｆ／ｃｍ²であるサンプル１、５及び９について
は、Ｃｕの含浸状況がいずれも不十分となっており、こ
れらサンプルのうち、加圧時間が長いものについては
（サンプル１及び５）、ＳｉＣ／Ｃｕの反応状況が「反
応大」となっている。

【００７３】なお、サンプル６について、ＳｉＣ／Ｃｕ
の反応状況が「反応少」にも拘わらず含浸状況が不十分
となっているのは、気孔率及び気孔径がそれぞれ所定範
囲を満たしていないからと考えられ、サンプル１４につ
いて、含浸状況が良好にも拘わらずＳｉＣ／Ｃｕの反応
状況が「反応大」となっているのは、気孔径が所定範囲
よりも大きく、加圧時間が比較的長いからと考えられ
る。

【００７４】ところで、銅合金２２との濡れ性が良好と
なるＳｉ含浸のＳｉＣ（Ｓｉ−ＳｉＣ焼結体）として
は、例えば２〜２５ｗｔ％のＳｉと７５〜９８ｗｔ％の
ＳｉＣを主相として含有してなるＳｉ−ＳｉＣ焼結体を
用いることができる。このＳｉ−ＳｉＣ焼結体を得るに
は、主相１００重量部に対して、Ａｌ不純物を０．２重
量部以下、ＳｉＯ₂を３．０重量部以下にそれぞれ制御
すると共に、主相１００重量部に対して不純物全体の量
を０．４〜４．２重量部に制御することが好ましい。

【００７５】具体的に、前記Ｓｉ−ＳｉＣ焼結体の作製
方法について簡単に説明すると、まず、成形用原料とし
ては、ＳｉＣ粉末、カーボン粉末、有機質バインダー及
び水分又は有機溶剤を含有した原料を用いる。

【００７６】そして、前記成形用原料を混練し、所定の
形状に成形して成形体を作製する。次いで、この成形体
を金属シリコン雰囲気下で、減圧の不活性ガス雰囲気又
は真空中に置き、成形体中に金属シリコンを含浸させて
Ｓｉ−ＳｉＣ焼結体を製造する。

【００７７】前記成形法としては、プレス成形、流し込
み成形、押し出し成形のいずれも可能であるが、量産性
の観点からプレス成形が好ましい。加圧方式としては油
圧プレスが好ましく、この場合の油圧プレス圧は、通常
５０〜２０００ｋｇ／ｃｍ²である。

【００７８】次に、第１の実施の形態に係る製造方法の
含浸工程について、いくつかの変形例を図８及び図９を
参照しながら説明する。

【００７９】第１の変形例に係る含浸工程は、図８に示
すように、まず、高圧容器３０を初期状態にして、高圧
容器３０内に設けられている耐火容器４０の第１室４４
ａを下方に位置させる（ステップＳ１０１）。

【００８０】その後、ＳｉＣ２０を第２室４４ｂにセッ
トし、予め溶融された銅合金（溶融銅）２２を第１室４
４ａ内に流し込む（ステップＳ１０２）。

【００８１】その後、第１室４４ａ内の溶融銅が所定温
度に達した段階で、高圧容器３０を１８０度転回させる
（ステップＳ１０３）。この転回動作によって、第１室
４４ａ内の溶融銅が下方に位置する第２室４４ｂに落下
し、この段階で、溶融銅にＳｉＣ２０が浸された状態と
なる。

【００８２】その後、ガス導入管５０を通じて高圧容器
３０内に含浸用ガスを導入して、該高圧容器３０内を加
圧する（ステップＳ１０４）。この加圧処理によって、
前記溶融銅はＳｉＣの開気孔部中に含浸することとな
る。

【００８３】次に、第２の変形例に係る含浸工程につい
て説明すると、この第２の変形例に係る含浸工程は、高
圧容器３０内に設置されている耐火容器４０の内部中央
部分に、多孔質セラミック材からなる仕切板（図示せ
ず）が設けられた高圧容器３０を用いる。耐火容器４０
内は、前記仕切板によって第１室４４ａと第２室４４ｂ
とに仕切られることになる。

【００８４】前記仕切板としては、気孔率が４０％〜９
０％で、かつ気孔径が０．５ｍｍ〜３．０ｍｍである多
孔質セラミック材を用いることが望ましく、より好まし
くは気孔率が７０％〜８５％で、かつ気孔径が１．０ｍ
ｍ〜２．０ｍｍである多孔質セラミック材を用いること
が望ましい。

【００８５】そして、この第２の変形例に係る含浸工程
は、図９に示すように、まず、高圧容器を初期状態にし
て、高圧容器内に設けられている耐火容器４０の第１室
４４ａを下方に、第２室４４ｂを上方に位置させる（ス
テップＳ２０１）。

【００８６】その後、ＳｉＣ２０と銅合金２２の塊を高
圧容器３０の耐火容器４０内に入れ、銅合金２２の塊を
上方に位置する第２室４４ｂ内に配置し、ＳｉＣ２０を
下方に位置する第１室４４ａにセットする（ステップＳ
２０２）。

【００８７】その後、高圧容器３０（及び耐火容器４
０）を密封した後、吸気管４８を通じて高圧容器３０内
の真空引きを行って該高圧容器３０内を負圧状態にする
（ステップＳ２０３）。

【００８８】その後、ヒータ４２に通電して第２室４４
ｂの銅合金２２を加熱溶解する（ステップＳ２０４）。
前記溶融銅が所定温度に達した段階で、ガス導入管５０
を通じて高圧容器３０内に含浸用ガスを導入して、該高
圧容器３０内を加圧する（ステップＳ２０５）。この加
圧処理によって、上方に位置する第２室４４ｂ内の溶融
銅は、仕切板を通過し、下方に位置する第１室４４ａ内
のＳｉＣ２０の開気孔部中に含浸されることになる。

【００８９】次に、第２の実施の形態に係る製造方法に
ついて、図１０〜図１５を参照しながら説明する。

【００９０】この第２の実施の形態に係る製造方法は、
具体的には図１０にその一例を示すように、ホットプレ
ス炉６０を使用することによって行われる。このホット
プレス炉６０は、筒状の筐体６２内に、基台を兼ねる下
パンチ６４と、該下パンチ６４上に固定された上面開口
の耐火容器６６と、該耐火容器６６内に上方から進退自
在とされた上パンチ６８と、前記耐火容器６６を加熱す
るためのヒータ７０が設けられている。なお、このホッ
トプレス炉６０には、真空引きのための吸気管７２が設
けられている。

【００９１】前記耐火容器６６は、中空部７４を有する
筒状の形状を有する。上パンチ６８は、その側面に、該
上パンチ６８の行程（ストローク）を決定するフランジ
部７６が設けられ、該フランジ部７６の下面には、前記
耐火容器６６の上周面と接触して耐火容器６６を密閉状
態にするためのパッキン７８が取り付けられている。一
方、下パンチ６４の内部には、耐火容器６６内を加熱す
るための加熱用流体や耐火容器６６内を冷却するための
冷却用流体を流通させるための通路８０が設けられてい
る。

【００９２】そして、第２の実施の形態に係る製造方法
は、図１１に示す工程を踏むことにより行われる。

【００９３】まず、耐火容器６６の中空部７４内に、下
からＳｉＣ２０、多孔質セラミック製のフィルタ５４、
銅合金２２の塊の順で投入する（ステップＳ３０１）。
フィルタ５４としては、気孔率が４０％〜９０％で、か
つ気孔径が０．５ｍｍ〜３．０ｍｍである多孔質セラミ
ック材を用いることが望ましく、より好ましくは気孔率
が７０％〜８５％で、かつ気孔径が１．０ｍｍ〜２．０
ｍｍである多孔質セラミック材を用いることが望まし
い。

【００９４】また、前記フィルタ５４は、ＳｉＣ２０と
銅合金２２の塊とを仕切って両者を非接触状態におく仕
切板としての機能を果たし、中空部７４のうち、フィル
タ５４上の銅合金２２の塊がセットされた部分を上室７
４ａ、フィルタ５４下のＳｉＣ２０がセットされた部分
を下室７４ｂとして定義することができる。

【００９５】次に、耐火容器６６を密封した後、吸気管
７２を通じて耐火容器６６内の真空引きを行って該耐火
容器６６の両室７４ａ及び７４ｂ内を負圧状態にする
（ステップＳ３０２）。

【００９６】その後、ヒータ７０に通電して上室７４ａ
内の銅合金２２を加熱溶解する（ステップＳ３０３）。
このとき、前記ヒータ７０への通電と併せて下パンチ６
４の通路８０内に加熱用流体を流して耐火容器６６の内
部を加熱するようにしてもよい。

【００９７】上室７４ａ内の銅合金２２の溶解物（溶融
銅）が所定温度に達した段階で、上パンチ６８を下方に
移動させて上室７４ａ内を所定圧まで加圧する（ステッ
プＳ３０４）。このとき、上パンチ６８のフランジ部７
６に取り付けられたパッキン７８と耐火容器６６の上周
面との接触及び互いの押圧により、耐火容器６６が密封
され、内部の溶融銅が耐火容器６６の外に漏れるという
不都合が有効に防止される。

【００９８】所定圧になった上室７４ａ内の銅合金２２
の溶解物（溶融銅）は上室７４ａ内の圧力によってフィ
ルタ５４を通して下室７４ｂ側に押し出されて該下室７
４ｂ内に導入されると同時に、該下室７４ｂ内に設置さ
れたＳｉＣ２０に含浸される。

【００９９】時間管理によって予め設定されている終点
（ＳｉＣ２０内への溶融銅の含浸が飽和状態とされた時
点）となった段階において、今度は、下パンチ６４内の
通路８０に冷却用流体を流して耐火容器６６を下方から
上方に向かって冷却させることにより（ステップＳ３０
５）、ＳｉＣ２０に含浸された溶融銅を凝固させる。凝
固が完了するまで上パンチ６８と下パンチ６４による耐
火容器６６内の加圧状態は保持される。

【０１００】凝固が完了した時点で、銅合金２２が含浸
されたＳｉＣ２０を耐火容器６６から取り出す（ステッ
プＳ３０６）。

【０１０１】この製造方法においては、ＳｉＣ２０と銅
合金２２とを十分に脱気しつつ加熱し、銅合金２２を溶
融した後、速やかにＳｉＣ２０に接触させ、かつ、これ
らを加圧状態とし、更にその加圧状態を冷却操作完了時
まで保持するようにしたので、ＳｉＣ２０に銅合金２２
を効率的に含浸することができる。前記例では含浸処理
を負圧下で行うようにしたが、常圧下で行ってもよい。

【０１０２】このように、溶融銅とＳｉＣ２０を共に加
圧下においた後に、互いに接触させて、含浸処理を行う
ようにしたので、両者を接触させる際の圧力低下を最小
限にすることができ、含浸処理時における加圧状態を良
好に保持させることができる。

【０１０３】前記例では、溶融銅の漏れを防止するため
に、上パンチ６８におけるフランジ部７６の下面にパッ
キン７８を設けるようにしたが、図１０の二点鎖線で示
すように、耐火容器６６の上周面にパッキン７８を設け
るようにしてもよい。また、図１２Ａに示すように、リ
ング状の割型パッキン１００を２枚重ねにしたパッキン
部材１０２を、図１３に示すように、上パンチ６８の下
部に設けるようにしてもよい。この場合、パッキン部材
１０２の中空部１０４に溶融銅が入り込むことにより各
割型パッキン１００の直径が拡大し、結果的に上室７４
ａが密封されて溶融銅の漏れが防止されることになる。

【０１０４】次に、第２の実施の形態に係る製造方法の
変形例について図１４及び図１５を参照しながら説明す
る。なお、図１０と対応するものについては同符号を付
してその重複説明を省略する。

【０１０５】この変形例に係る製造方法においては、ホ
ットプレス炉６０として、図１４に示すように、耐火容
器６６における中空部７４の高さ方向中央部に多孔質セ
ラミックスにて構成されたフィルタ部材１１０が固着さ
れ、下室７４ｂの側面に扉１１２が開閉自在に取り付け
られたものが使用される。従って、耐火容器６６の中空
部７４のうち、フィルタ部材１１０よりも上の部分が上
室７４ａとなり、フィルタ部材１１０よりも下の部分が
下室７４ｂとなる。特に、下室７４ｂに取り付けられた
扉１１２に関しては、該扉１１２を閉じたときに下室７
４ｂが密封されるような構造が採用される。

【０１０６】そして、この変形例に係る製造方法は、図
１５に示す工程を踏むことにより行われる。

【０１０７】まず、耐火容器６６の上室７４ａ内に銅合
金２２の塊を投入し、下室７４ｂの扉１１２を開いて該
下室７４ｂ内にＳｉＣ２０を投入する（ステップＳ４０
１）。

【０１０８】次に、扉１１２を閉じて下室７４ｂを密封
し、更にホットプレス炉６０を密封した後、吸気管７２
を通じて耐火容器６６内の真空引きを行って該耐火容器
６６の両室７４ａ及び７４ｂ内を負圧状態にする（ステ
ップＳ４０２）。

【０１０９】その後、ヒータ７０に通電して上室７４ａ
内の銅合金２２を加熱溶解する（ステップＳ４０３）。
この場合も前記ヒータ７０への通電と併せて下パンチ６
４の通路８０内に加熱用流体を流して耐火容器６６の内
部を加熱するようにしてもよい。

【０１１０】上室７４ａ内の銅合金２２の溶解物（溶融
銅）が所定温度に達した段階で、上パンチ６８を下方に
移動させて上室７４ａ内を所定圧まで加圧する（ステッ
プＳ４０４）。

【０１１１】所定圧になった上室７４ａ内の銅合金２２
の溶解物（溶融銅）は上室７４ａ内の圧力によってフィ
ルタ部材１１０を通して下室７４ｂ側に押し出されて該
下室７４ｂ内に導入されると同時に、該下室７４ｂ内に
設置されたＳｉＣ２０に含浸される。

【０１１２】時間管理によって予め設定されている終点
となった段階において、今度は、下パンチ６４内の通路
８０に冷却用流体を流して耐火容器６６を下方から上方
に向かって冷却させることにより（ステップＳ４０
５）、ＳｉＣ２０に含浸された溶融銅を凝固させる。

【０１１３】凝固が完了した時点で、銅合金２２が含浸
されたＳｉＣ２０を耐火容器６６から取り出す（ステッ
プＳ４０６）。

【０１１４】この変形例に係る製造方法においても、第
２の実施の形態に係る製造方法と同様に、ＳｉＣ２０に
銅合金２２を効率的に含浸することができる。また、こ
の変形例でも、溶融銅とＳｉＣ２０を共に加圧下におい
た後に、互いに接触させて、含浸処理を行うようにして
いるため、両者を接触させる際の圧力低下を最小限にす
ることができ、含浸処理時における加圧状態を良好に保
持させることができる。なお、この変形例では、負圧下
で含浸処理を行うようにしたが、常圧下で行ってもよ
い。

【０１１５】次に、第３の実施の形態に係る製造方法に
ついて、図１６及び図１７を参照しながら説明する。な
お、図１０と対応するものについては同符号を記してそ
の重複説明を省略する。

【０１１６】この第３の実施の形態に係る製造方法は、
前記第２の実施の形態に係る製造方法と原理的にはほぼ
同じであるが、含浸工程において、ＳｉＣ２０と銅合金
２２とを負圧下又は常圧下で接触させ、加熱処理して前
記銅合金２２を溶融する点で異なる。

【０１１７】具体的には、図１６に示すように、第２の
実施の形態に係る製造方法にて使用されるホットプレス
炉６０の耐火容器６６内にフィルタ５４を投入せずに、
下からＳｉＣ２０、銅合金２２の順に投入する点で異な
る。

【０１１８】そして、第３の実施の形態に係る製造方法
は、図１７に示す工程を踏むことにより行われる。

【０１１９】まず、耐火容器６６の中空部７４内に、下
からＳｉＣ２０、銅合金２２の塊の順に投入する（ステ
ップＳ５０１）。

【０１２０】次に、ホットプレス炉６０を密封した後、
吸気管７２を通じて耐火容器６６内の真空引きを行って
該耐火容器６６内を負圧状態にする（ステップＳ５０
２）。

【０１２１】その後、ヒータ７０に通電して耐火容器６
６内の銅合金２２を加熱溶解する（ステップＳ５０
３）。このとき、前記ヒータ７０への通電と併せて下パ
ンチ６４の通路８０内に加熱用流体を流して耐火容器６
６の内部を加熱するようにしてもよい。

【０１２２】耐火容器６６内の銅合金２２の溶解物（溶
融銅）が所定温度に達した段階で、上パンチ６８を下方
に移動させて耐火容器６６内を所定圧まで加圧する（ス
テップＳ５０４）。

【０１２３】所定圧になった銅合金２２の溶解物（溶融
銅）は耐火容器６６内の圧力によってＳｉＣ２０に含浸
される。

【０１２４】時間管理によって予め設定されている終点
（ＳｉＣ２０内への溶融銅の含浸が飽和状態とされた時
点）となった段階において、今度は、下パンチ６４内の
通路８０に冷却用流体を流して耐火容器６６を下方から
上方に向かって冷却することにより（ステップＳ５０
５）、ＳｉＣ２０に含浸された溶融銅を凝固させる。凝
固が完了するまで上パンチ６８と下パンチ６４による耐
火容器６６内の加圧状態は保持される。

【０１２５】凝固が完了した時点で、銅合金２２が含浸
されたＳｉＣ２０を耐火容器６６から取り出す（ステッ
プＳ５０６）。

【０１２６】この第３の実施の形態に係る製造方法にお
いても、ＳｉＣ２０と銅合金２２とを十分に脱気しつつ
加熱し、銅合金２２とＳｉＣ２０とを接触させた状態で
銅合金２２を溶融した後、耐火容器６６内を加圧状態と
し、更にその加圧状態を冷却操作完了時まで保持するよ
うにしたので、ＳｉＣ２０に銅合金２２を効率的に含浸
することができる。

【０１２７】ところで、ＳｉＣに含浸させる金属として
市販の純銅を用いた場合、熱伝導率が高く良好である
が、ＳｉＣとの濡れ性が悪く、銅の含浸しない開気孔が
残りやすい。その結果、ＳｉＣに純銅を含浸させる際の
溶湯温度、加圧時間、冷却時間などの条件が変化する
と、熱伝導率が大きく変化し、得られる製品の特性が大
きくばらつくことになる。

【０１２８】そこで、本実施の形態では、銅にＢｅ、Ａ
ｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｎｉ等を添加することにより含
浸率を向上させるようにしている。この場合、前記添加
元素の量が５％より多いと熱伝導率の低下が大きくな
り、添加による効果を得ることができなくなるため、前
記多孔質焼結体に含浸される銅合金は、銅の成分に５％
までの範囲で、Ｂｅ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｎｉか
ら選択された１種以上の添加元素を含むことが好まし
い。

【０１２９】ここで、５つの実験例（第１〜第５の実験
例と記す）を示す。第１の実験例は、多孔質焼結体をＳ
ｉＣとし、このＳｉＣに含浸する金属をそれぞれ変えた
ときの熱伝導率のばらつきをみたものであり、第２の実
験例は、多孔質焼結体をＡｌＮとし、このＡｌＮに含浸
する金属をそれぞれ変えたときの熱伝導率のばらつきを
みたものである。

【０１３０】これら第１及び第２の実験例における含浸
条件は、溶湯温度（溶融金属の温度）＝１２００℃ 浸漬保持時間＝９０秒接触時間（昇圧＋保持）＝１２０秒冷却方法：間接水冷コイル冷却（図１７のステップＳ５
０５参照）である。ここで、浸漬保持時間は、多孔質焼結体を溶湯
（溶融金属）に浸漬した後、昇圧開始までに要した時間
を示し、接触時間は、溶湯（溶融金属）が多孔質焼結体
に直接接触した時間、即ち、昇圧開始から冷却開始まで
の時間を示す。

【０１３１】前記第１及び第２の実験例の実験結果をそ
れぞれ図１８及び図１９に示す。これらの実験結果か
ら、純銅（実施例１１及び２１参照）を含浸させるより
も銅合金を含浸させる方が熱伝導率が高く（好ましい値
である１６０Ｗ／ｍＫよりも高い）、しかも熱伝導率に
関するばらつきが低くなっている（実施例１２〜１４並
びに実施例２２〜２４参照）。

【０１３２】また、添加元素の量を銅に対して１．５％
とした場合（実施例１４及び２４）よりも２．０％とし
た場合の方がばらつきが低くなってることがわかる（実
施例１２及び１３並びに実施例２２及び２３参照）。

【０１３３】第３の実験例は、ＳｉＣに含浸する金属を
純銅（Ｃｕ）とし、それぞれ冷却方法を変えたときの熱
伝導率のばらつきをみたものである。この第３の実験例
における含浸条件は、溶湯温度＝１２００℃ 浸漬保持時間＝９０秒接触時間（昇圧＋保持）＝１２０秒である。

【０１３４】実験結果を図２０に示す。この実験結果か
ら、冷却速度の速いガス冷却（実施例３３：図６のステ
ップＳ８参照）の場合、熱伝導率が向上し、しかも、ば
らつきも小さくなっていることがわかる。

【０１３５】第４の実験例は、上述した第１〜第３の実
験例を行っている過程において、接触時間に対する熱伝
導率の変化をみたものである。実験結果を図２１に示
す。この実験結果から、熱伝導率１６０Ｗ／ｍＫを保持
するには、１２００℃の溶湯で約５５秒以下（曲線ａ参
照）、１１７０℃の溶湯で約６０秒以下（曲線ｂ参
照）、１２４０℃の溶湯で約３５秒以下（曲線ｃ参照）
の接触時間が必要であることがわかる。

【０１３６】溶湯温度は低い方が望ましいが、浸漬後の
引き上げ不良等が発生しないようなレベルでの設定が必
要である。

【０１３７】第５の実験例は、上述した第１〜第３の実
験例を行っている過程において、浸漬保持時間に対する
熱伝導率の変化をみたものである。この第５の実験例に
おける含浸条件は、溶湯温度＝１２００℃ 接触時間（昇圧＋保持）＝２０秒冷却方法：チルプレート方式（冷やし金：図６のステッ
プＳ９参照）である。

【０１３８】実験結果を図２２に示す。この実験結果か
ら、熱伝導率をＹ、浸漬保持時間をＸとしたとき、以下
の関係式Ｙ＝−０．３Ｘ＋２１０が成立することがわかる。但し、浸漬保持時間の範囲
は、１秒〜１５０秒である。

【０１３９】上述の例では、ＳｉＣ２０に含浸させる金
属を銅合金２２としたが、銅には不純物として、０．０
０１ｗｔ％〜０．１ｗｔ％のＣａ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｚｎ、
Ａｕ、Ｐｄ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｐｔ、Ｃｒ、Ｇｅ、Ｒｈ、Ｓ
ｂ、Ｉｒ、Ｃｏ、Ａｓ、Ｚｒ、Ｆｅ、Ｓｎ、Ｍｎ、Ｐ、
Ｐｂ等やガス成分を含んでいてもよい。もちろん純銅で
もよい。

【０１４０】また、被含浸材料である多孔質焼結体とし
てＳｉＣ２０を用いたが、曲げ強度が１０ＭＰａ以上の
多孔質焼結体であればＳｉＣに限らず、例えば、Ａｌ
Ｎ、Ｓｉ₃Ｎ₄、Ｂ₄ＣやＢｅＯを用いることができ
る。

【０１４１】なお、この発明に係る複合材料は、上述の
実施の形態に限らず、この発明の要旨を逸脱することな
く、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

【０１４２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る複合
材料によれば、実際の電子部品（半導体装置を含む）等
で求められる熱膨張率と熱伝導率とのバランスに適合し
た特性を得ることができるという効果が達成される。

【０１４３】また、本発明に係る複合材料によれば、一
般に困難とされる多孔質焼結体への金属の含浸処理を容
易に行うことができる。しかも、多孔質焼結体への金属
の含浸率を向上させることができ、実際の電子部品（半
導体装置を含む）等で求められる熱膨張率と熱伝導率と
のバランスに適合した特性を有するヒートシンクの生産
性を向上させることができる。

【０１４４】また、本発明に係る複合材料によれば、潤
滑性の向上を図ることができ、摺動材や軸受材等として
も活用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施の形態に係る複合材料にて構成されるヒ
ートシンクの利用例を示す説明図である。

【図２】本実施の形態に係る複合材料の構成を概念的に
示す斜視図である。

【図３】ＳｉＣの気孔率、気孔径、気孔分布を適宜変え
たときの熱伝導率と熱膨張率の違いを示す表図である。

【図４】各種複合材料の熱伝導率−熱膨張率特性を示す
特性図である。

【図５】図５Ａは高圧容器の正面を一部破断して示す図
であり、図５Ｂは高圧容器の側面を一部破断して示す図
である。

【図６】本実施の形態に係る製造方法を示す工程ブロッ
ク図である。

【図７】ＳｉＣの気孔率、気孔径、Ｎｉめっきの有無、
Ｓｉ含浸の有無、含浸温度、加圧力、加圧時間、冷却速
度を適宜変えたときのＳｉＣ／Ｃｕの反応状況とＣｕの
含浸状況の違いを示す表図である。

【図８】第１の変形例に係る含浸工程を示す工程ブロッ
ク図である。

【図９】第２の変形例に係る含浸工程を示す工程ブロッ
ク図である。

【図１０】第２の実施の形態に係る製造方法に使用され
るホットプレス炉を示す概略構成図である。

【図１１】第２の実施の形態に係る製造方法を示す工程
ブロック図である。

【図１２】図１２Ａはパッキン部材を示す平面図であ
り、図１２Ｂは図１２ＡにおけるＡ−Ａ線上の断面図で
ある。

【図１３】第２の実施の形態に係る製造方法に使用され
るホットプレス炉の他の例を示す概略構成図である。

【図１４】第２の実施の形態に係る製造方法の変形例に
使用されるホットプレス炉を示す構成図である。

【図１５】第２の実施の形態に係る製造方法の変形例を
示す工程ブロック図である。

【図１６】第３の実施の形態に係る製造方法に使用され
るホットプレス炉を示す構成図である。

【図１７】第３の実施の形態に係る製造方法を示す工程
ブロック図である。

【図１８】第１の実験例（ＳｉＣに含浸する金属をそれ
ぞれ変えたときの熱伝導率のばらつきをみた実験）の実
験結果を示す表図である。

【図１９】第２の実験例（ＡｌＮに含浸する金属をそれ
ぞれ変えたときの熱伝導率のばらつきをみた実験）の実
験結果を示す表図である。

【図２０】第３の実験例（ＳｉＣに含浸する金属を純銅
とし、それぞれ冷却方法を変えたときの熱伝導率のばら
つきをみた実験）の実験結果を示す表図である。

【図２１】第４の実験例（接触時間に対する熱伝導率の
変化をみた実験）の実験結果を示す特性図である。

【図２２】第５の実験例（浸漬保持時間に対する熱伝導
率の変化をみた実験）の実験結果を示す特性図である。

【符号の説明】

１０…ヒートシンク２０…Ｓ
ｉＣ２２…銅合金３０…高
圧容器４０、６６…耐火容器４４ａ…
第１室４４ｂ…第２室

フロントページの続き (72)発明者中山信亮愛知県名古屋市瑞穂区須田町２番56号日本碍子株式会社内 (56)参考文献特開平10−223812（ＪＰ，Ａ) 特開平10−154780（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】銅の熱膨張率よりも低い熱膨張率をもつ多
孔質体を予備焼成してネットワーク化することによって
得られる多孔質焼結体に銅合金が含浸されて構成された
複合材料において、熱伝導率が１６０Ｗ／ｍＫ以上の特性を有するように銅
と添加元素とが調製されてなるとともに、前記多孔質焼結体に含浸される前記銅合金は、銅の成分
に５ｗｔ％までの範囲で、Ｂｅ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｎ
ｉから選択された１種以上の添加元素を含み、かつ、不
可避の不純物成分及びガス成分を含むことを特徴とする
複合材料。
【請求項２】請求項１記載の複合材料において、熱伝導率が１８０Ｗ／ｍＫ以上の特性を有するように前
記銅と添加元素とが調製されていることを特徴とする複
合材料。
【請求項３】請求項１又は２記載の複合材料において、前記添加元素は、前記銅に添加することで凝固温度範囲
が７０℃以上に広がり、かつ、融点が低下するものであ
ることを特徴とする複合材料。
【請求項４】請求項１〜３のいずれか１項に記載の複合
材料において、室温から２００℃までの平均熱膨張率が４．０×１０^-6
／℃〜９．０×１０^-6／℃であることを特徴とする複合
材料。
【請求項５】請求項１〜４のいずれか１項に記載の複合
材料において、前記多孔質焼結体は、ＳｉＣ、ＡｌＮ、Ｓｉ₃Ｎ₄、Ｂ₄
Ｃ、ＢｅＯから選ばれた１種以上の化合物からなること
を特徴とする複合材料。