JP4246972B2 - 複合材料及びその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多孔質焼結体に金属が含浸された複合素材の表面に被膜が形成され、接合層によって他の物体に接合される複合材料及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近時、ＣＰＵを搭載したＩＣチップ等に使用される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。
【０００３】
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。
【０００４】
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、焼結成形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。
【０００５】
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２０〜４０ｖｏｌ％の割合で含有させたもの（特開平８−２７９５６９号公報参照）や、無機物質からなる粉末焼結多孔質体（多孔質焼結体）にＣｕを５〜３０ｗｔ％含浸させたもの（特開昭５９−２２８７４２号公報参照）などが提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、多孔質焼結体にＣｕ、Ｓｉ、Ａｇ、Ａｌを含浸させた複合材料をヒートシンクとして用いる場合には、該複合材料を半田付けあるいはろう付け等によって半導体回路や基板に接合するようにしている。
【０００７】
しかしながら、上述の複合材料は半田やろう材に対する濡れ性（半田付け性、ろう付け性）が良好でないという問題がある。そこで、複合材料の濡れ性を良好にするためには、複合材料の表面にメッキ層を形成することが有効であると考えられる。
【０００８】
複合材料にメッキ層を形成した場合には、以下のような新たな問題が生じる。即ち、上述の複合材料には、多少の残留気孔が存在する。このため、この残留気孔にメッキ処理液が浸透、残留し、半田付け時に気化して半田層にボイド（残留気泡）が発生することになる。
【０００９】
具体的にはメッキ層の厚みが薄いと、複合材料の表面に対するメッキの未着部、あるいは該複合材料の粒界隙間等を通じ、半田層等の接合層に気化ガスが浸入し、前記接合層の内部にボイドを形成する。また、前記メッキ層が厚いと、気化ガスがメッキ皮膜を圧迫し膨れを生じさせてしまう。
【００１０】
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、複合材料を半田層等の接合層によって他の物体に接合する場合において、複合材料の残留気孔にメッキ処理液が浸透しないように、気化ガスによるボイドの発生を抑制することができる複合材料及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る複合材料は、多孔質焼結体に金属が含浸された複合素材の表面に被膜が形成され、接合層によって他の物体に接合される複合材料であって、前記被膜が、乾式成膜処理によって形成されていることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係る複合材料の製造方法は、多孔質焼結体に金属が含浸された複合素材の表面に、少なくとも１回の乾式成膜処理によって被膜を形成する工程と、望ましくは１回の熱処理を行う工程とを有することを特徴とする。
【００１３】
本発明においては、湿式のメッキ処理で被膜を形成するのではなく、乾式の成膜法を用いて被膜を形成するようにしている。前記乾式の成膜法としては、真空蒸着、スパッタリング、イオンプレーティング等のＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）、溶射等が好適であるが、特に、イオンプレーティングによる乾式の成膜法が最適である。
【００１４】
上記した成膜法では、成膜時にメッキ処理液等の液体（以下、残留処理液ともいう）を用いることはない。そのため、成膜後に発生する接合層の残留気孔に対し、前記液体が入ることはない。そのため、前記複合材料の被膜の表面に半田層を形成しても、ボイド（残留気泡）の発生を抑制することができる。この場合、前記被膜の表面に対するシンター処理を行わなくても、前記ボイドの発生を抑制することができる。
【００１５】
また、従来の成膜法では、成膜後に複合材料の乾燥を実施しても、メッキ処理液が固体成分として接合層に残留する。この残留した固体成分は、水分に対し易溶であるため、そのまま放置すれば前記固体成分は大気中の水分を吸湿し、接合層の内部に残留するメッキ処理液に再び変化する。そのため、乾燥後に該複合材料を放置すると、接合層の内部においてボイドが多く発生するおそれがあった。
【００１６】
しかしながら、本発明に係る複合材料の製造方法では、メッキ処理液そのものを使用しないので、水分の吸湿によるボイドの悪化はなく、該複合材料を長期間保管した場合でも、ボイドの発生を抑制することができる。
【００１７】
このように、ボイドの発生要因となる残留処理液が存在しないため、接合層へのボイドの発生は大幅に低減し、例えば、接合層に対するボイドの発生率を３．０％以下まで低減させることができる。
【００１８】
即ち、本発明においては、複合材料を半田層等の接合層によって他の物体に接合する場合において、複合材料に形成された被膜の膨れ・剥離の発生並びに接合層へのボイドの発生等が抑制された複合材料を得ることができる。なお、前記複合素材は、気孔及び残留気孔が５０％以下存在することが好ましい。
【００１９】
この場合、前記被膜の膜厚が大きいと、該複合材料を構成する複合素材と接合層と他の物体との間に熱応力が発生した際に、熱膨張率の差によって、前記複合材料における剥離が発生する。このような剥離を回避するために、前記被膜の膜厚は、０．００１μｍ以上、５０μｍ以下であることが好ましい。より望ましくは、０．００１μｍ以上、１０μｍ以下であり、更に望ましくは、０．００１μｍ以上、５．０μｍ以下であることが好ましい。
【００２０】
そして、本発明に係る複合材料において、前記被膜を、異種金属及び／又は合金からなる複数の層で形成してもよい。前記被膜は、前記複合素材に対し密着性が良好で、且つ、前記接合層に対し接合性が良好であることが好ましい。そのためには、前記被膜を複数の層から構成し、前記各層について、所定の目的に適した金属及び／又は合金を選択するようにすることが望ましい。
【００２１】
例えば、前記被膜が、前記複合素材に対する少なくとも２回の成膜処理と、その後の少なくとも１回の熱処理にて形成される場合に、１回目の被膜の厚みを０．００１μｍ以上、２．０μｍ以下とし、２回目以降の被膜の厚みを５．０μｍ以下としてもよい。この場合、前記１回目の被膜が、融点の高い金属材料を含むようにすれば、上述したように、複合素材に対する密着性を向上させることができる。
【００２２】
また、前記被膜と前記複合素材との密着力を向上させるためには、前記被膜は、融点の高い金属材料を含むことが好ましい。これにより、前記被膜を構成する粒が緻密になり、複合素材の細かい気孔内の奥まで被膜が形成され、いわゆるアンカー効果により、複合素材に対する被膜の密着性が向上する。具体的には、前記被膜は、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖ、Ｃｒ、Ｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｐｄから選ばれる１種以上の成分を含むようにしてもよい。
【００２３】
特に、前記複合素材が炭素基複合材料であるとき、前記被膜が前記複合素材を構成する元素との反応性が高い金属又は合金を含むようにすれば、前記被膜と前記複合素材との密着力をより一層向上することができる。具体的には、前記被膜は、炭素と反応してカーバイドを形成しやすいＷ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｖ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｂ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｎ、Ｃｏから選ばれる１種以上の成分を含むようにしてもよい。この場合、成膜時の温度又はその後の熱処理によって、前記炭素と上記した成分とがカーバイドを形成するので、前記被膜と前記複合素材との密着力を化学的に向上させることができる。
【００２４】
また、前記被膜は、成膜後の熱負荷時に複合素材から剥離しないように、前記複合素材の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有する金属及び／又は合金から選択されることも好ましい。また、前記被膜は、前記熱負荷時に発生する熱応力に対し、変形しやすく、且つ、延性の高い金属及び／又は合金から選択されることが好ましい。
【００２５】
また、前記被膜と前記接合層との接合性を向上するためには、前記被膜は、前記接合層と濡れ性のよい金属及び／又は合金からなることが好ましい。
【００２６】
例えば、前記接合層がＰｂとＳｎとの合金から構成されているとき、前記被膜は、Ｐｂ又はＳｎとの間で合金を形成しやすいＡｇ、Ａｕ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｐｂ、Ｓｎから選ばれる１種以上の成分を含むようにすればよい。
【００２７】
また、被膜と接合層との密着性を向上するために、前記被膜の表面に形成され、前記被膜と前記接合層との濡れ性を阻害する油分、酸化被膜等を除去する必要がある。そのため、本発明に係る複合材料の製造方法においては、成膜時の雰囲気を真空、不活性ガス、又は還元雰囲気の中で該複合材料を製造する。そのため、前記酸化被膜は０．００１μｍ以下に抑制される。
【００２８】
また、前記被膜の表面をラップ研磨、好ましくはワイヤソー、より好ましくは鏡面研磨により仕上げると、被膜と複合材料の界面及び被膜の面方向の連続性が得られるため、密着性が向上する。
【００２９】
また、本発明に係る複合材料では、被膜が、接合層を介して他の物体との熱伝導性が良好で、且つ、使用環境下で劣化しない金属及び／又は合金からなる複数の層を有することを特徴としている。
【００３０】
また、本発明の製造方法において、前記被膜の形成前に乾燥処理を実施するようにしてもよい。前記乾燥処理は、前記被膜の形成前における前記複合素材に残留する水分が気化可能な温度、例えば６０℃以上、８００℃以下で行うことが好ましい。
【００３１】
通常、大型の複合素材に対して研削加工等を行って所定形状の複合素材を得る場合においては、複合素材に研削液等が残留することになる。一般に、この研削液等は、複合材料を接合層を介して他の物体に接合した際に気化し、ボイドとなるが、前記乾燥処理を行うことにより、複合素材に残留する研削液等が蒸発することから、ボイドの発生を抑制することができる。
【００３２】
また、前記被膜の成膜処理を行う場合は、前記複合素材の温度を３００℃以上に設定することが好ましく、更に好ましくは、前記複合素材の温度を、該複合素材と被膜との反応温度以上に設定するとよい。これにより、複合素材に対する被膜の密着性を向上させることができる。
【００３３】
前記熱処理は、被膜形成後の複合素材に対する乾燥処理を含む場合に、該乾燥処理を、還元雰囲気、不活性ガス雰囲気又は真空雰囲気で行うことが好ましい。これにより、被膜の酸化を防止することができる。
【００３４】
また、前記熱処理は、前記被膜の表面に対するシンター処理を含むようにしてもよい。この場合、前記シンター処理は、前記複合素材と前記被膜との反応温度以上で行うことで、複合素材に対する被膜の密着性を更に向上させることができる。
【００３５】
また、熱負荷時の応力により複合材料と被膜とが剥離することを防止するため、前記被膜と接合層の界面層の構成を接合条件により制御することができる。具体的には、界面層の構成として、複合材料−被膜−拡散反応層−接合層となることが望ましい。このような構成にすることで、熱負荷による応力が発生した際に、前記被膜層が応力緩衝層として働くためである。また、接合時の拡散反応後においても被膜層を残した界面構成とするために、被膜の厚みを厚くすることも望ましい。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る複合材料及びその製造方法の実施の形態例を、図１〜図１１を参照しながら説明する。
【００３７】
本実施の形態に係る複合材料１０は、図１に示すように、カーボン又はその同素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１２に金属１４が含浸された複合素材１６の表面に被膜１８が形成されて構成されている。金属１４は、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｇから選択された少なくとも１種、あるいはこれらの合金が用いられる。
【００３８】
この場合、前記カーボン又はその同素体として、熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上（気孔がない状態での推定値）、望ましくは１５０Ｗ／ｍＫ以上（気孔がない状態での推定値）、更に望ましくは２００Ｗ／ｍＫ以上（気孔がない状態での推定値）のものを使用することが好ましい。
【００３９】
本実施の形態例では、熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上のグラファイトで構成された多孔質焼結体１２の開気孔部に銅を含浸させた複合素材１６を示す。含浸する金属１４としては、銅のほかに、アルミニウムや銀を使用することができる。
【００４０】
また、多孔質焼結体１２と金属１４との体積率は、多孔質焼結体１２が５０ｖｏｌ％〜８０ｖｏｌ％、金属１４が２０ｖｏｌ％〜５０ｖｏｌ％の範囲としている。これにより、複合素材１６は、熱伝導率が１８０Ｗ／ｍＫ〜２２０Ｗ／ｍＫ以上であって、かつ、熱膨張率が４×１０^-6／℃〜７×１０^-6／℃であるヒートシンク材として使用することができる。
【００４１】
複合素材１６をヒートシンク材として使用する場合は、図２に示すように、該複合素材１６上に絶縁基板２０を介して、例えばＩＣチップ２２が実装されることになるが、複合素材１６への絶縁基板２０の接合並びに絶縁基板２０へのＩＣチップ２２の接合は、例えば半田層２４によって行われることになる。そこで、複合素材１６の半田層２４に対する濡れ性を良好とするために、例えば複合素材１６の表面に被膜１８が形成されることになる。
【００４２】
ここで、前記多孔質焼結体１２の気孔率としては、１０ｖｏｌ％〜５０ｖｏｌ％であることが望ましい。気孔率が１０ｖｏｌ％以下では、１８０Ｗ／ｍＫ（室温）の熱伝導率を得ることができず、５０ｖｏｌ％を超えると、多孔質焼結体１２の強度が低下してしまい、熱膨張率を１５．０×１０^-6／℃以下に抑えることができないからである。
【００４３】
前記多孔質焼結体１２の平均開気孔径（気孔径）の値としては、０．１〜２００μｍが望ましい。前記気孔径が０．１μｍ未満であると、開気孔内に金属１４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２００μｍを超えると、多孔質焼結体１２の強度が低下し、熱膨張率を低く抑えることができない。
【００４４】
前記多孔質焼結体１２の平均開気孔に関する分布（気孔分布）としては、０．５〜５０μｍに９０ｖｏｌ％以上分布することが好ましい。０．５〜５０μｍの気孔が９０ｖｏｌ％以上分布していない場合は、金属１４が含浸していない開気孔が増え、熱伝導率が低下する可能性がある。
【００４５】
また、多孔質焼結体１２に金属１４を含浸して得た複合素材１６の閉気孔率としては、５ｖｏｌ％以下であることが好ましい。５ｖｏｌ％を超えると、熱伝導率が低下する可能性があるからである。
【００４６】
なお、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。
【００４７】
この実施の形態に係る複合材料１０において、前記グラファイトに、該グラファイトを予備焼成した際に閉気孔率を低減させる添加物を添加させることが好ましい。この添加物としては、ＳｉＣ及び／又はＳｉを挙げることができる。これにより、焼成時の閉気孔（クローズドポア）を減少させることができ、多孔質焼結体１２に対する金属１４の含浸率を向上させることができる。
【００４８】
また、グラファイト中に、該グラファイトと反応する元素を添加するようにしてもよい。この添加元素としては、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏから選択された１種以上を挙げることができる。これにより、グラファイトの焼成時に、該グラファイトの表面（開気孔の表面を含む）に反応層（カーバイド層）が形成され、グラファイトの開気孔に含浸される金属１４との濡れ性が改善し、低圧での含浸が可能になり、しかも、微細開気孔への含浸も可能になる。
【００４９】
一方、多孔質焼結体１２に含浸される金属１４に、Ｔｅ、Ｂｉ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｓｅ、Ｌｉ、Ｓｂ、Ｔｌ、Ｃａ、Ｃｄ、Ｎｉから選択された１種以上を添加することが好ましい。これにより、多孔質焼結体１２と金属１４との界面の濡れ性が改善され、多孔質焼結体１２の開気孔内に金属１４が入りやすくなる。特に、Ｎｉは、カーボンを溶解しやすく、含浸しやすいという効果がある。
【００５０】
また、多孔質焼結体１２に含浸される金属１４に、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｂｅ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｖ、Ｂ、Ｍｎから選択された１種以上を添加することが好ましい。これにより、グラファイトと金属１４との反応性が向上し、開気孔内においてグラファイトと金属１４とが密着しやすくなり、閉気孔の発生を抑制することができる。
【００５１】
また、多孔質焼結体１２に含浸される金属１４に、固相／液相の温度範囲が３０℃以上、望ましくは５０℃以上の元素、例えばＳｎ、Ｐ、Ｓｉ、Ｍｇから選択された１種以上を添加することが好ましい。これにより、含浸の際のばらつきを低減することができる。また、前記金属１４に、融点を低減させるための元素を添加することが好ましい。この添加元素としては、例えばＺｎなどがある。
【００５２】
ところで、上述の複合素材１６には、多少の残留気孔が存在する。このため、複合素材１６の表面に形成される被膜１８をメッキ処理にて形成した場合、前記残留気孔にメッキ処理液が浸透し、通常は、半田付け時に気化して半田層２４にボイド（残留気泡）が発生することになる。
【００５３】
しかし、本実施の形態では、複合素材１６の表面の被膜１８を乾式成膜処理によって形成するようにしている。具体的には、多孔質焼結体１２に金属１４が含浸された複合素材１６の表面に、少なくとも１回の乾式成膜処理によって被膜１８を形成した後、少なくとも１回の熱処理を行うことにより、前記被膜１８を形成するようにしている。
【００５４】
ここで、本実施の形態に係る複合材料１０の製造方法について、図３〜図７を参照しながら説明する。
【００５５】
まず、第１の製造方法は、図３のステップＳ１において、大型の複合素材を例えば切削加工等によって細かく分離し、例えばヒートシンク材として好適な所定形状の複合素材１６を得る。
【００５６】
その後、ステップＳ２において、複合素材１６に対して鏡面研磨、脱脂、乾燥処理のいずれかの前置処理を行う。
【００５７】
例えば、複合素材１６に対し鏡面研磨を行ってから、該複合素材１６の表面に対しイオンプレーティング法を実施すれば、複合素材１６と該複合素材１６の表面に形成される被膜との界面の密着性を向上させることができる。
【００５８】
また、複合素材１６に対し乾燥処理を行うには、複合素材１６に残留する水分（研削液等）が気化可能な温度、例えば６０℃以上、８００℃以下で行うことが好ましい。このとき、真空雰囲気で行うことにより、研削液等の蒸発を促進させることができ、乾燥処理時間の短縮化を図ることができる。
【００５９】
上記した前置処理は省略することも可能である。これは、イオンプレーティング法で成膜する場合には、成膜中に金属イオンの衝突エネルギーで複合素材１６の温度がある程度上昇するため、成膜中に残留する水分（研削液等）を十分に気化除去できるからである。
【００６０】
その後、ステップＳ３において、イオンプレーティング法によって、図４に示すように、半田層２４（図２参照）に対して濡れ性が良好で、かつ、半田層２４を構成するＰｂ又はＳｎの成分との間に合金を形成しやすい金属元素（例えばＡｇ、Ａｕ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｐｂ、Ｓｎ等）を含む被膜１８を形成する。この被膜１８の膜厚ｔは、複合素材１６に残留する残留液が気化除去しやすい厚みであり、５０μｍ以下が適当であるが、好ましくは０．００１μｍ〜１０μｍ、更に好ましくは０．００１μｍ〜５．０μｍである。
【００６１】
その後、ステップＳ４において、被膜１８の表面に対してシンター処理を行う。即ち、複合素材１６と被膜１８との界面の密着性を向上させるため、あるいは被膜１８の表面に形成される酸化被膜を除去するために、前記シンタ−処理を実施することが望ましいからである。この場合、前記シンター処理は、複合素材１６と被膜１８との反応温度以上の温度、あるいは酸化被膜が還元される温度で実施する。具体的には、水素雰囲気中で、温度２００〜４００℃、時間１０分〜２０分で行うことが好ましい。
【００６２】
前記ステップＳ４のシンター処理が終了した段階で、本実施の形態に係る複合材料１０が完成するが、その後、ステップＳ５において、梱包及び保管がなされるか、あるいは梱包、出荷されて、例えばユーザの元で保管されることになる。
【００６３】
そして、必要に応じて、前記保管されていた複合材料１０の半田接合が行われることになる（ステップＳ６）。
【００６４】
この第１の製造方法においては、複合素材１６に対する被膜１８の形成をイオンプレーティング法によって行うようにしたので、成膜時にボイドの発生要因となるメッキ処理液等の水分は入らず、半田層２４においてボイドの発生は大幅に低減し、例えば半田層２４に対するボイドの発生率を３．０％以下まで低減することができる。
【００６５】
次に、第２の製造方法について図５及び図６を参照しながら説明する。この第２の製造方法は、図５に示すように、まず、ステップＳ１０１及びＳ１０２においては、上述した第１の製造方法におけるステップＳ１及びＳ２と同じ工程を踏む。従って、その重複説明を省略する。
【００６６】
その後、ステップＳ１０３において、イオンプレーティング法によって、図６に示すように、複合素材１６の構成元素である炭素と反応してカーバイドを形成し、複合素材１６との密着力を向上させる金属元素（例えばＷ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｖ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｂ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｎ、Ｃｏ等）を含む１次被膜１８Ａを形成する。この１次被膜１８Ａの膜厚ｔ１は、複合素材１６に残留する残留液が気化除去しやすい厚みであり、５０μｍ以下が適当であるが、好ましくは０．００１〜１０μｍ、更に好ましくは０．００１〜５．０μｍである。
【００６７】
その後、ステップＳ１０４において、イオンプレーティング法によって、図６に示すように、半田層２４（図２参照）に対して濡れ性が良好で、かつ、半田層２４を構成するＰｂ又はＳｎの成分との間に合金を形成しやすい金属元素（例えばＡｇ、Ａｕ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｐｂ、Ｓｎ等）を含む２次被膜１８Ｂを形成する。この２次被膜１８Ｂの膜厚ｔ２は、５０μｍ以下の厚みであり、好ましくは０．００１μｍ〜１０μｍ、更に好ましくは０．００１μｍ〜５．０μｍである。
【００６８】
その後、ステップＳ１０５において、２次被膜１８Ｂが形成された複合素材１６に対して乾燥処理を行う。この乾燥処理は、ステップＳ４あるいはステップＳ１０４と同様に、例えば０ｍｍＨｇ〜７６０ｍｍＨｇ、好ましくは７３０ｍｍＨｇ〜７６０ｍｍＨｇの減圧下において乾燥処理を行う。温度としては、２０℃〜１００℃の範囲が好ましく、５０℃〜６０℃であればより好ましい。時間は、１０分〜２０分の範囲が適している。また、上記した乾燥処理は、被膜１８（１次被膜１８Ａ及び２次被膜１８Ｂ）の表面における酸化被膜又は油分を０．００１μｍ以下に抑制し、被膜１８の表面を清浄に仕上げるような雰囲気、例えば還元雰囲気、不活性ガス雰囲気、真空雰囲気で行うことが好ましい。このように、被膜１８表面を清浄に仕上げると、被膜１８表面は鏡面状となり、その後の脱脂及び酸化被膜の処理工程を省略することができる。従って、ボイドの発生要因である被膜１８への気化物の残留も抑制され、ボイドの発生を回避することができる。
【００６９】
その後、ステップＳ１０６において、被膜１８の表面に対してシンター処理を行う。このシンター処理においても、被膜１８において時効析出が発生しない温度と時間で行う。具体的には、水素雰囲気中で、温度２００〜４００℃、時間１０分〜２０分の範囲で行うことが好ましい。
【００７０】
前記ステップＳ１０６のシンター処理が終了した段階で、本実施の形態に係る複合材料１０が完成するが、その後、ステップＳ１０７において、梱包及び保管がなされるか、あるいは梱包、出荷されて、例えばユーザの元で保管されることになる。
【００７１】
そして、必要な場合に、前記保管されていた複合材料１０の半田接合が行われることになる（ステップＳ１０８）。もちろん、前記保管の際には、アルミホイル等の密閉性の高い材料を使用して梱包し、更には乾燥剤を併用してシンター処理直後の品質を維持するようにしてもよい。
【００７２】
この第２の製造方法においては、１次被膜１８Ａとして、複合素材１６の構成元素である炭素と反応してカーバイドを形成し、複合素材１６との密着力を向上させる金属元素（例えばＷ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖ、Ｃｒ、Ｂ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｍｎ、Ｃｏ等）を含むようにしたので、複合素材１６に対する１次被膜１８Ａの密着性が向上し、結果的に１次被膜１８Ａ及び２次被膜１８Ｂを合わせた被膜１８が複合素材１６から剥離する等のおそれは生じなくなる。
【００７３】
特に、複合素材１６の構成元素である炭素に対して密着性のよい前記金属元素のうち、融点の高い金属元素（例えば、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖ、Ｃｒ、Ｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｐｄ等）を含む被膜ほど、粒が緻密になり、複合素材１６の細かい気孔内の奥まで被膜が形成され、いわゆるアンカー効果により、複合素材１６に対する被膜１８の密着性が更に向上する。
【００７４】
また、被膜１８を構成する金属元素を延性の高い金属元素から選択すると、該被膜１８は熱応力に対応して変形するので、複合素材１６から被膜１８が剥離するという問題を容易に回避することができる。
【００７５】
上述の第１の製造方法又は第２の製造方法においては、ステップＳ２又はステップＳ１０２において、被膜１８又は１次被膜１８Ａの形成前における複合素材１６に対して前記乾燥処理を施すようにしている。
【００７６】
通常、ステップＳ１又はステップＳ１０１のように、大型の複合素材に対して研削加工等を行って所定形状の複合素材１６を得る場合においては、複合素材１６に研削液等が残留することになる。一般に、この研削液等は、複合材料１０（被膜１８が形成された複合素材１６）を接合層である半田層２４を介して他の物体（例えば図２の絶縁基板２０）に接合した際に気化し、ボイドとなるが、上述の第１の製造方法又は第２の製造方法のように、前置乾燥処理を行うことにより、複合素材１６に残留する研削液等が蒸発することから、上述のようなボイドの発生を抑制することができる。
【００７７】
また、ステップＳ３、ステップＳ１０３並びにステップＳ１０４におけるイオンプレーティング法においては、複合素材１６の温度が３００℃以上となることから、複合素材１６に対する被膜１８（被膜１８、１次被膜１８Ａ、２次被膜１８Ｂ）の密着性を向上させることができる。複合素材１６の温度としては、該複合素材１６と被膜１８（被膜１８、１次被膜１８Ａ）との反応温度以上に設定することが更に好ましい。
【００７８】
次に、第３の製造方法は、図７に示すように、上述した第２の製造方法におけるステップＳ１０４の成膜処理を所定回数だけ繰り返す方法であり、他の工程は第２の製造方法と同様である。この場合、複合素材１６の温度が３００℃以上となる成膜処理（イオンプレーティング）が所定回数だけ繰り返されることから、複合素材１６に残留する水分を完全に除去することができ、ボイドの発生の減少に寄与する。
【００７９】
ここで、１つの実験例について説明する。この実験例では、比較例１及び実施例１について、それぞれ半田付けを行った場合のボイド率（製造直後と保管後）と被膜１８の複合素材１６に対する密着性を測定した。その測定条件を図１０に示す。
【００８０】
比較例１は、複合素材１６の表面に無電解メッキ処理によってメッキ皮膜を形成したものであり、この製造方法については、後述する。実施例１は、複合素材１６の表面にイオンプレーティング法によって被膜１８を形成したものである。
【００８１】
前記ボイド率は、半田層２４へのボイドの発生状態を以下の式により百分率で示したものである。なお、ボイド部総面積や半田接合面積はＸ線透過写真で計測した。
ボイド率（％）＝（ボイド部総面積／半田接合面積）×１００
【００８２】
また、密着性は、図８に示すように、複合素材１６の表面にメッキ皮膜３０又は被膜１８を形成し、その後、メッキ皮膜３０又は被膜１８の平面中央部分に治具３２を接着し、複合素材１６と治具３２を互いに逆方向に引っ張ってメッキ皮膜３０又は被膜１８が剥離した時点の剥離強さを測定した。当然に剥離強さが大きいほど密着性が高いことになる。
【００８３】
次に、比較例１の製造方法を図９を参照しながら簡単に説明する。まず、ステップＳ２０１において、複合素材１６に対して前置処理を行って複合素材１６の表面に金属触媒を付与する。この前置処理は、具体的には、アルカリ脱脂処理、超音波湯洗−純水水洗処理、クリーナーコンディショナー処理、エッチング処理、酸洗処理、超音波純水水洗処理、触媒付与処理の一連の前処理（ＳＴＤ）である。
【００８４】
その後、ステップＳ２０２において、ニッケル−燐の無電解メッキ処理を行って、複合素材１６の表面に厚み０．５μｍの１次メッキ皮膜を形成する（１次メッキ皮膜形成）。
【００８５】
その後、ステップＳ２０３において、１次メッキ皮膜が形成された複合素材１６に対して乾燥処理を経て１次シンター処理を行う。比較例１では、１次シンター処理を温度２６０℃、時間１０分で行った。
【００８６】
その後、ステップＳ２０４において、クリーナーコンディショナー処理を行い、次いで、シアン化ニッケル及びシアン化カリウムで前記１次メッキ皮膜の表面を活性化処理する。
【００８７】
その後、ステップＳ２０５において、活性化された前記１次メッキ皮膜の表面に金属触媒を付与する。
【００８８】
その後、ステップＳ２０６において、ニッケル−燐の無電解メッキ処理を行った後、ニッケル−ボロンの無電解メッキ処理を行って、複合素材１６の表面に厚み２．０μｍの２次メッキ皮膜を形成する（２次メッキ皮膜形成）。
【００８９】
その後、ステップＳ２０７において、２次メッキ皮膜が形成された複合素材１６に対して乾燥処理を経て２次シンター処理を行う。比較例１では、２次シンター処理を温度２６０℃、時間１０分で行った。
【００９０】
その後、直接半田接合を行って、ボイドの発生率を測定した。また、ステップＳ２０７での処理が終了した段階で、２週間だけ保管し、その後、半田接合を行ってボイドの発生率を測定した。半田接合は、温度３００℃、時間１０分で行った。
【００９１】
一方、実施例１では、図５に示す第２の製造方法に基づいて製造し、その際、厚み０．５μｍのＴｉの１次被膜１８Ａ及び厚み２．０μｍのＮｉの２次被膜１８Ｂを形成し、シンター処理を温度２６０℃、時間１０分で行った。
【００９２】
実施例１では、その後、直接半田接合を行って、ボイドの発生率を測定した。また、ステップＳ４又はステップＳ１０６での処理が終了した段階で、所定日数だけ保管し、その後、半田接合を行ってボイドの発生率を測定した。半田接合は、温度３００℃、時間１０分で行った。
【００９３】
上述の実験結果を図１１に示す。まず、密着性についてみると、比較例１では０．８７ｋｇ／ｍｍ²であるのに対し、実施例１では１．３８ｋｇ／ｍｍ²であり、密着性が高くなっている。
【００９４】
ボイド率については、複合材料１０の完成直後においては、比較例１では２％であり、十分に実用性はあるが、２週間保管後のボイド率が１０％以上にまで増加しており、品質が低下していることがわかる。
【００９５】
実施例１では、複合材料１０の完成直後並びに２週間保管後のボイド率は共に１．０％であり、低いボイド率で、かつ、品質が安定していることがわかる。
【００９６】
上述したように、実施例１は、密着性も優れており、しかも、ボイド率からみた品質も優れている。
【００９７】
上記した本発明に係る実施の形態では、イオンプレーティング法によって被膜１８を形成していたが、他の乾式の成膜法であっても該被膜１８を複合素材１６表面に形成することができる。例えば、真空蒸着、スパッタリング等のＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）、溶射等によって被膜１８を形成することができる。
【００９８】
また、本発明に係る実施の形態では、炭素以外の例えばＳｉからなる複合素材１６から、上記した製造方法によって、複合材料を形成することが可能であることは勿論である。この場合、複合素材１６と被膜１８との密着性を向上させるために、融点の高い金属元素（例えば、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖ、Ｃｒ、Ｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｐｂ等）を被膜１８を構成する金属元素として選択することが好ましい。
【００９９】
なお、この発明に係る複合材料及びその製造方法は、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。
【０１００】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る複合材料及びその製造方法によれば、複合材料を半田層等の接合層によって他の物体に接合する場合において、複合材料に形成された被膜の膨れ・剥離の発生並びに接合層へのボイドの発生等を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係る複合材料を一部破断して示す斜視図である。
【図２】本実施の形態に係る複合材料における複合素材をヒートシンク材として使用した場合の構成例を示す断面図である。
【図３】第１の製造方法を示す工程ブロック図である。
【図４】複合素材の表面に被膜を形成した状態を示す断面図である。
【図５】第２の製造方法を示す工程ブロック図である。
【図６】複合素材の表面に１次被膜及び２次被膜を形成した状態を示す断面図である。
【図７】第３の製造方法を示す工程ブロック図である。
【図８】密着性の測定方法を示す説明図である。
【図９】比較例１の製造工程を示す工程ブロック図である。
【図１０】比較例１及び実施例１の実験条件を示す表図である。
【図１１】実験結果（密着性及びボイド率）を示す表図である。
【符号の説明】
１０…複合材料 １２…多孔質焼結体
１４…金属 １６…複合素材
１８…被膜 １８Ａ…１次被膜
１８Ｂ…２次被膜 ２０…絶縁基板
２２…ＩＣチップ ２４…半田層
３０…メッキ皮膜 ３２…治具

Claims (2)

1. カーボン又はその同素体の多孔質焼結体に金属が含浸された複合素材の表面に被膜が形成され、接合層によって他の物体に接合される複合材料であって、
   前記被膜は、
   乾式成膜処理によって形成され、０．００１μｍ〜５０μｍの厚みを有し、
   前記カーボン又はその同素体と反応してカーバイドを形成し、該複合素材との密着力を向上させるＷ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｖ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｂ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｎ又はＣｏにより前記複合素材の表面に形成された１次被膜と、
   前記接合層を構成するＰｂ又はＳｎの成分との間に合金を形成しやすいＡｇ、Ａｕ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｐｂ又はＳｎにより前記１次被膜上に形成された２次被膜と、
   から構成され、
   前記接合層に対するボイドの発生率は、３．０％以下であることを特徴とする複合材料。
2. カーボン又はその同素体の多孔質焼結体に金属が含浸された複合素材の表面に、乾式成膜処理によって、前記カーボン又はその同素体と反応してカーバイドを形成し、該複合素材との密着力を向上させるＷ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｖ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｂ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｎ又はＣｏにより１次被膜を形成する工程と、
   乾式成膜処理によって、前記１次被膜上に、Ｐｂ又はＳｎとの間に合金を形成しやすいＡｇ、Ａｕ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｐｂ又はＳｎにより２次被膜を形成する工程と、
   少なくとも１回の熱処理を行う工程とを有することを特徴とする複合材料の製造方法。

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