JP6980161B1 - 複合材料、ヒートシンク及び半導体装置 - Google Patents

Abstract

本開示の複合材料は、複数のダイヤモンド粒子と、銅と、珪素、クロム、コバルト、ニッケル、モリブデン、チタン、バナジウム、ニオブ、タンタル及びタングステンからなる群より選ばれる少なくとも１種の第１元素と、を含み、前記銅及び前記第１元素の合計質量に対する前記第１元素の含有率は５０ｐｐｍ以上２０００ｐｐｍ以下である。

Description

本開示は、複合材料、ヒートシンク及び半導体装置に関する。本出願は、２０２０年４月９日に出願した日本特許出願である特願２０２０−０７０２２７号に基づく優先権を主張する。当該日本特許出願に記載された全ての記載内容は、参照によって本明細書に援用される。

近年、半導体装置の大出力化、高集積化に伴いヒートシンクに対してより高い熱伝導率が求められている。ヒートシンクの材料の一つとして、高い熱伝導率を有する銅（Ｃｕ）が用いられてきた。しかし、銅は高い熱伝導率を有しているものの、熱膨張係数が代表的な半導体であるＳｉ、ＩｎＰ、ＧａＡｓに比べて大きな値であった。このため、銅と半導体素子とを接合した場合、接合時の加熱温度から室温への冷却過程において、あるいは、使用時の熱サイクルに伴って、接合界面近傍に大きな熱応力が発生するため、使用できない場合があった。

そこで、銅と、タングステンやモリブデンといった熱膨張係数の低い材料とを合金化することによって、熱膨張係数を半導体に近づけたＣｕＷ、ＣｕＭｏといった材料が用いられてきた。しかし、銅以外の材料が低熱伝導率であるため、これらの合金の熱伝導率も低下する。

高熱伝導率のヒートシンクと成り得る材料としては、ダイヤモンドが挙げられる。ダイヤモンドは１０００Ｗ／ｍＫ以上の高い熱伝導率を有する。しかしダイヤモンドは熱膨張係数が半導体素子に比べて小さすぎ、ＧａＡｓのような比較的熱膨張係数の大きな半導体素子には対応できない。またダイヤモンドのヤング率は１０５０ＧＰａと非常に大きいため、半導体素子とのロウ付け時の冷却過程において、あるいは、使用時の熱サイクルにおいてヒートシンクと半導体素子との界面近傍に大きな熱応力が発生するため、使用できない場合があった。

そこで、ヒートシンクの材料として、ダイヤモンドと金属とを複合化させた材料（以下、「複合材料」とも記す。）が開発されている。ダイヤモンドと金属とを複合化する方法としては、溶浸法や高温超高圧焼結法が挙げられる。

溶浸法とは、ダイヤモンド粒子と金属粉末の混合粉末を加圧しながら溶融凝固させてダイヤモンド粒子と金属とを複合化させる方法である。

特開２００４−１９７１５３公報（特許文献１）には、溶浸法により得られる複合材料として、ダイヤモンド粒子と、ダイヤモンド粒子の表面に形成された４ａ、５ａ及び６ａ族元素から選ばれた一種以上からなる金属２の炭化物を主成分とする反応層と、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｚｎより選ばれた一種以上からなる金属１とからなり、金属１によって形成されたマトリックス中に反応層を有する各ダイヤモンド粒子が金属１によって隔てられて分散しているダイヤモンド−金属複合材料が開示されている。

高温超高圧焼結法とは、ダイヤモンド粒子と金属粉末の混合粉末を高温超高圧条件下で焼結させてダイヤモンド粒子と金属とを複合化させる方法である。

特開２００３−３０９３１６号公報（特許文献２）には、高温超高圧焼結法により得られる複合材料として、ダイヤモンド粒子を主成分とし、残部が実質的に銅からなる焼結体が開示されている。

特開２００４−１９７１５３公報 特開２００３−３０９３１６号公報

本開示の複合材料は、
複数のダイヤモンド粒子と、
銅と、
珪素、クロム、コバルト、ニッケル、モリブデン、チタン、バナジウム、ニオブ、タンタル及びタングステンからなる群より選ばれる少なくとも１種の第１元素と、を含み、
前記銅及び前記第１元素の合計質量に対する前記第１元素の含有率は５０ｐｐｍ以上２０００ｐｐｍ以下である、複合材料である。

本開示のヒートシンクは、
上記の複合材料と、
前記複合材料の表面の少なくとも一部に設けられた金属めっき層と、を含むヒートシンクである。

本開示の半導体装置は、
上記のヒートシンクを備える半導体装置である。

図１は、本開示の複合材料のＴＥＭ像の一例を示す画像である。 図２は、図１の画像を元素マッピング分析して得られた元素マッピング像を示す画像である。 図３は、実施形態２に係るヒートシンクの代表的な構成例を説明する図である。 図４は、実施形態３に係る半導体装置の代表的な構成例を説明する図である。 図５は、せん断試験装置を示す図である。

[本開示が解決しようとする課題]
特許文献１の複合材料は、金属マトリックスと４族元素、５族元素及び６族元素の合計に対する４族元素、５族元素及び６族元素の含有割合が質量基準で１％〜３０％程度であり、ダイヤモンドと銅とが、４族元素、５族元素及び６族元素の炭化物を介して密着した構造となっている。しかし、４族元素、５族元素及び６族元素は、銅に比べて熱伝導率が低いため、複合材料の熱伝導率を低下させる一因となっている。従って、複合材料の熱伝導率の向上が望まれている。

特許文献２の複合材料は、熱伝導率を低下させる一因である４族元素、５族元素及び６族元素を含まないため、これらの元素に起因する熱伝導率の低下は生じ難い。一方、特許文献２の複合材料を半導体素子と接合する場合、両者の接合強度を高めるために、複合材料に金属めっき処理を行うことが多い。金属めっき処理として例えば、電気ニッケルめっき処理を行うと、めっき処理後の複合材料は熱伝導率及び強度が低下する傾向があった。

そこで、本目的は、特に、電気ニッケルめっき処理後においても、高い熱伝導率、及び、高い強度を有する複合材料、並びに、該複合材料を用いたヒートシンク及び半導体装置を提供することを目的とする。
[本開示の効果]

本開示の複合材料は、特に、電気ニッケルめっき処理後においても、高い熱伝導率、及び、高い強度を有することができる。

本開示のヒートシンクは、高い熱伝導率、及び、高い強度を有することができる。
本開示の半導体装置は、優れた性能を維持したまま、長い寿命を有することができる。

［本開示の実施形態の説明］
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。

（１）本開示の複合材料は、
複数のダイヤモンド粒子と、
銅と、
珪素、クロム、コバルト、ニッケル、モリブデン、チタン、バナジウム、ニオブ、タンタル、タングステンからなる群より選ばれる少なくとも１種の第１元素と、を含み、
前記銅及び前記第１元素の合計質量に対する前記第１元素の含有率は５０ｐｐｍ以上２０００ｐｐｍ以下である、複合材料である。

本開示の複合材料は、特に、電気ニッケルめっき処理後においても、高い熱伝導率、及び、高い強度を有することができる。

（２）前記複合材料は、前記ダイヤモンド粒子を６０体積％以上９０体積％以下、かつ、前記銅を１０体積％以上４０体積％以下含むことが好ましい。これによると、複合材料の熱伝導率が更に高くなる。また、複合材料の熱膨張係数と、半導体素子の熱膨張係数との差を小さくすることができる。

（３）前記銅及び前記第１元素の合計質量に対する前記第１元素の含有率は２００ｐｐｍ以上８００ｐｐｍ以下であることが好ましい。これによると、複合材料の熱伝導率及び強度が更に高くなる。

（４）前記第１元素は、前記ダイヤモンド粒子と前記銅との界面において濃化していることが好ましい。これによると、複合材料の強度が更に高くなる。

（５）本開示のヒートシンクは、
上記に記載の複合材料と、
前記複合材料の表面の少なくとも一部に設けられた金属めっき層と、を含むヒートシンクである。
本開示のヒートシンクは、高い熱伝導率、及び、高い強度を有することができる。

（６）本開示の半導体装置は、上記に記載のヒートシンクを備える半導体装置である。

本開示の半導体装置は、優れた性能を維持したまま、長い寿命を有することができる。
［本開示の実施形態の詳細］
本発明者らは、高温超高圧焼結法で作製された従来の複合材料に電気ニッケルめっき処理を行った場合に、電気ニッケルめっき処理後の複合材料の熱伝導率及び強度が低下する原因について検討した。

はじめに、電気ニッケルめっき処理時間と熱伝導率との関係について調べた。この結果から、処理時間が長いほど、熱伝導率が低下する傾向が確認された。

更に、電気ニッケルめっき処理後の複合材料をせん断し、せん断面を観察したところ、外周部が変色しており、変色箇所に、ＷＡＴＴ浴（硫酸ニッケル、塩化ニッケル及びホウ酸を含む）の構成成分である塩素（Ｃｌ）が検出された。

本発明者らは、上記の知見に基づき、電気ニッケルめっき処理時に、複合材料の熱伝導率及び強度が低下する原因について、下記の通り推察した。

従来の複合材料の電気ニッケルめっき処理時に、複合材料中のダイヤモンド粒子と銅との界面の隙間に電気ニッケルめっき処理液が侵入する。電気ニッケルめっき処理液により界面付近に存在する銅の一部が溶出し、界面付近の銅の腐食が進む。

銅の腐食に伴い、ダイヤモンド粒子と銅との界面の隙間が拡がり、熱伝導率及び強度が低下すると推察される。このような銅の腐食は、電気ニッケルめっき処理に限らず、他の電解めっき処理においても生じやすい。

本発明者らは上記の推察に基づき、鋭意検討の結果、特に、電気ニッケルめっき処理後においても、高い熱伝導率、及び、高い強度を有する複合材料を新たに創作した。

以下、本開示の複合材料、ヒートシンク及び半導体装置の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。本開示の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表すものである。また、長さ、幅、厚さ、深さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜変更されており、必ずしも実際の寸法関係を表すものではない。

本明細書において「Ａ〜Ｂ」という形式の表記は、範囲の上限下限（すなわちＡ以上Ｂ以下）を意味し、Ａにおいて単位の記載がなく、Ｂにおいてのみ単位が記載されている場合、Ａの単位とＢの単位とは同じである。

［実施形態１：複合材料］
本開示の複合材料は、複数のダイヤモンド粒子と、銅と、珪素、クロム、コバルト、ニッケル、モリブデン、チタン、バナジウム、ニオブ、タンタル、タングステン及びアルミニウムからなる群より選ばれる少なくとも１種の第１元素と、を含み、銅及び第１元素の合計質量に対する第１元素の含有率は５０ｐｐｍ以上２０００ｐｐｍ以下である、複合材料である。

本開示の複合材料は、電気ニッケルめっき処理後においても、高い熱伝導率、及び、高い強度を有することができる。この理由は、下記の通りと推察される。

本開示の複合材料は、珪素、クロム、コバルト、ニッケル、モリブデン、チタン、バナジウム、ニオブ、タンタル、タングステン及びアルミニウムからなる群より選ばれる少なくとも１種の第１元素を含む。これらの第１元素は、銅に比べて耐食性が高い。従って、本開示の複合材料は、電気ニッケルめっき処理時に、銅の腐食が抑制される。よって、本開示の複合材料は、電気ニッケルめっき処理後においても、高い熱伝導率、及び、高い強度を有することができると推察される。

（ダイヤモンド粒子）
本開示の複合材料はダイヤモンド粒子を含む。これにより、本開示の複合材料は、優れた熱伝導性を有することができる。

複合材料は、ダイヤモンド粒子を６０体積％以上９０体積％以下、かつ、銅を１０体積％以上４０体積％以下含むことが好ましい。これによると、複合材料の熱伝導率が更に高くなる。また、複合材料の熱膨張係数と、半導体素子の熱膨張係数との差を小さくすることができる。

複合材料中のダイヤモンド粒子の含有率の下限は、熱伝導率向上の観点から、６０体積％以上が好ましく、７０体積％以上がより好ましい。複合材料中のダイヤモンド粒子の含有率の上限は、複合材料の熱膨張係数と、半導体素子の熱膨張係数との差を小さくする観点から、９０体積％以下が好ましい。複合材料中のダイヤモンド粒子の含有率は、６０体積％以上９０体積％以下が好ましく、７０体積％以上９０体積％以下がより好ましい。

複合材料中のダイヤモンド粒子の含有率（体積％）は、下記の方法で測定される。アルゴンのイオンビーム等を用いて超硬合金をＣＰ（Ｃｒｏｓｓ Ｓｅｃｔｉｏｎ Ｐｏｌｉｓｈｅｒ）加工することにより、平滑な断面を有する試料を得る。この試料の上記断面に対し、走査電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＥＭ）を用いて２００倍で撮像することにより、上記試料の断面の電子顕微鏡像（ＳＥＭ像）を得る。

次に、上記の電子顕微鏡増に対して、画像解析ソフトを用いて、ダイヤモンド粒子を認識できる閾値を用いて二値化処理を行い二値化像を得る。該二値化像に基づき、上記二値化像全体の面積に対する、ダイヤモンド粒子の面積の和（総面積）の比率（面積比率）を算出する。この面積比率を複合材料中のダイヤモンド粒子の含有率（体積％）とみなす。本明細書において、「複合材料中のダイヤモンド粒子の含有率（体積％）」は、上記試料の断面において、重複する撮像部分が現れないようにして１０枚（１０視野）の電子顕微鏡像を準備し、この１０視野において算出された各含有率の平均値とする。

なお、複合材料は、後述する珪素、クロム、コバルト、ニッケル、モリブデン、チタン、バナジウム、ニオブ、タンタル、タングステン及びアルミニウムからなる群より選ばれる少なくとも１種の第１元素を含むが、第１元素の含有量は銅に対して微量であるため、複合材料中の第１元素の体積割合は０と見做すことができる。

ダイヤモンド粒子の平均粒径の下限は、ダイヤモンド粒子間の粒界、又は、ダイヤモンド粒子と銅との間の粒界を減少させて、熱伝導率を向上させる観点から、３μｍ以上が好ましく、５μｍ以上がより好ましく、１０μｍ以上が更に好ましい。ダイヤモンド粒子の平均粒径の上限は、複合材料の加工性の向上、及び、薄型化の実現の観点から、１００μｍ以下が好ましく、８０μｍ以下がより好ましく、７０μｍ以下が更に好ましい。ダイヤモンド粒子の平均粒径は、３μｍ以上１００μｍ以下が好ましく、５μｍ以上８０μｍ以下がより好ましく、１０μｍ以上７０μｍ以下が更に好ましい。

本明細書中、ダイヤモンド粒子の平均粒径は、下記の方法で測定される。上記の複合材料中のダイヤモンド粒子の含有率（体積％）の測定方法と同様の方法で、試料の断面の電子顕微鏡像（ＳＥＭ像）に基づき二値化像を作製する。二値化像において、各ダイヤモンド粒子の面積を求めて、それと等しい面積を持つ円の直径（円相当径）を算出し、それらの平均を平均粒径とする。本明細書において、「ダイヤモンド粒子の平均粒径」は、上記試料の断面において、重複する撮像部分が現れないようにして１０枚（１０視野）の電子顕微鏡像を準備し、この１０視野において算出された各平均粒径の平均値とする。

（銅）
本開示の複合材料は銅を含む。これにより、本開示の複合材料は、優れた熱伝導性を有することができる。

複合材料中の銅の含有率の下限は、複合材料の熱膨張係数と、半導体素子の熱膨張係数との差を小さくする観点から、１０体積％以上が好ましい。複合材料中の銅の含有率の上限は、熱伝導率向上の観点から、４０体積％以下が好ましく、３０体積％以下がより好ましい。複合材料中の銅の含有率は、１０体積％以上４０体積％以下が好ましく、１０体積％以上３０体積％以下がより好ましい。

複合材料中の銅の含有率（体積％）は、上記の複合材料全体からダイヤモンド粒子の含有率を除して算出される。

（第１元素）
複合材料は、珪素、クロム、コバルト、ニッケル、モリブデン、チタン、バナジウム、ニオブ、タンタル、タングステン及びアルミニウムからなる群より選ばれる少なくとも１種の第１元素を含み、銅及び第１元素の合計質量に対する第１元素の含有率（以下、「第１元素の含有率」とも記す。）は５０ｐｐｍ以上２０００ｐｐｍ以下である。これによると、複合材料は電気ニッケルめっき処理後においても、高い熱伝導率、及び、高い強度を有することができる。

複合材料中における、銅及び第１元素の合計質量に対する第１元素の含有率の下限は、熱伝導率向上、及び、強度向上の観点から、２００ｐｐｍ以上８００ｐｐｍ以下が好ましい。

複合材料中の銅の質量基準の含有量Ｗ１及び第１元素の質量基準の含有量Ｗ２は、ＩＣＰ発光分光分析法（使用機器：島津製作所製「ＩＣＰＳ−８１００」（商品名））を用いて分析することにより測定することができる。具体的には、複合材料からなる試料０．５ｇを、純水１０ｍＬに濃塩酸（３６％）５ｍＬ及び濃硝酸（６０％）５ｍＬを加えた酸溶液で溶解した後、溶液をＩＣＰ発光分光分析法で測定して、Ｗ１及びＷ２の質量を算出する。Ｗ１及びＷ２の値に基づき、銅及び第１元素の合計質量に対する第１元素の含有率を得ることができる。

第１元素は、ダイヤモンド粒子と銅との界面において濃化していることが好ましい。これによると、ダイヤモンド粒子と銅との界面において、第１元素による耐食性の効果が発揮されやすい。よって、電気ニッケルめっき処理時に、めっき処理液によりダイヤモンド粒子と銅との界面付近における銅の腐食がより効果的に抑制されると考えられる。

第１元素がダイヤモンド粒子と銅との界面において濃化していることの確認方法について、下記に説明する。

（１−１）複合材料からサンプルを採取し、日本電子社製のイオンスライサ「ＥＭ−０９１００ＩＳ」（商品名）を用いて、サンプルを３０〜１００ｎｍの厚みに薄片化して切片を作製する。

（１−２）上記（１−１）で作製された切片を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ、日本電子社製の「ＪＥＭ−２１００Ｆ／Ｃｓ」（商品名））にて１０万倍で観察し、ＴＥＭ付帯のエネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＸ、ＡＭＥＴＥＫ社製の「ＥＤＡＸ」（商品名））を用いて元素マッピング分析を行い、元素マッピング像を得る。元素マッピング分析では、第１元素、銅及び炭素の分布を分析する。

本開示の複合材料のＴＥＭ像の一例を図１に示し、図１の画像を元素マッピング分析して得られた元素マッピング像を図２に示す。図１において、Ｄｉａと示される暗視野領域はダイヤモンド粒子の存在する領域（以下、「ダイヤモンド領域」とも記す。）を示し、Ｃｕと示される明視野領域は銅の存在する領域（以下、「銅領域」とも記す。）を示す。図２において、明視野で示される部分は、第１元素（Ｃｒ）を示す。

（１−３）上記（１−２）で得られたＴＥＭ像に基づき、ダイヤモンド粒子と銅との界面を特定する。

（１−４）上記（１−２）で得られたＴＥＭ像と元素マッピング像とを重ね合わせ、ダイヤモンド粒子と銅との界面に対して垂直な方向に、ダイヤモンド粒子から銅にわたって、元素ライン分析を実施し、第１元素の含有量を測定する。ここで、界面に対して垂直な方向とは、界面の伸長方向の接線に対して９０°±５°の角度で交差する直線に沿う方向を意味する。元素ライン分析のビーム径は０．３ｎｍ以下とし、スキャン間隔は０．１〜０．７ｎｍとする。

（１−５）上記（１−４）の測定の結果、界面からの距離が１ｎｍ以上３０ｎｍ以下の範囲における第１元素の濃度が、界面からの距離が４０ｎｍ以上５０ｎｍ以下の範囲におけるダイヤモンド領域及び銅領域における第１元素の濃度よりも５０％以上大きい場合に、第１元素は、ダイヤモンド粒子と銅との界面において濃化していると確認される。

なお、上記の確認は複合材料から任意に選ばれた１０箇所のサンプルを作製し、１箇所以上のサンプルにおいて上記（１−５）の条件を満たした場合に、該複合材料において、第１元素は、ダイヤモンド粒子と銅との界面において濃化していると判断される。

（複合材料の特性）
複合材料の電気ニッケルめっき処理後の室温（２３℃）における熱伝導率は、４００Ｗ／ｍＫ以上が好ましく、４３０Ｗ／ｍＫ以上がより好ましく、４５０Ｗ／ｍＫ以上が更に好ましい。複合材料の熱伝導率は、レーザーフラッシュ法により測定される。例えば、市販の測定器（ＮＥＴＺＳＣＨ社製「ＬＦＡ４６７」）により測定される。

本開示の複合材料は、熱膨張係数が小さいダイヤモンド粒子と、ダイヤモンドよりも熱膨張係数が十分に大きい銅とを主体とすることで、熱膨張係数が両者の中間値をとり得る。例えば、上記の複合材料の３０℃〜４００℃における平均の熱膨張係数は、３×１０^−６／Ｋ以上１３×１０^−６／Ｋ以下が好ましく、４×１０^−６／Ｋ以上１２×１０^−６／Ｋ以下がより好ましく、４．５×１０^−６／Ｋ以上１０×１０^−６／Ｋ以下が更に好ましい。

（複合材料の形状及び大きさ）
本開示の複合材料の代表的な形状は、平板状が挙げられる。製造時に用いる成形型の形状や、切削加工などによって所望の平面形状、三次元形状の複合材料にすることができる。複合材料などの大きさ（厚さ、幅、長さなど）は適宜選択できる。厚さが薄いと（例えば５ｍｍ以下、３ｍｍ以下、更に２．５ｍｍ以下）、軽量で薄型の複合材料とすることができる。

（複合材料の製造方法）
実施形態１の複合材料の製造方法は、例えば、ダイヤモンド粉末と、銅粉末と、珪素、クロム、コバルト、ニッケル、モリブデン、チタン、バナジウム、ニオブ、タンタル、タングステン及びアルミニウムからなる群より選ばれる少なくとも１種の第１元素の粉末（以下、「第１元素粉末」とも記す。）とを混合して第１混合粉末を得る工程（以下、「第１混合粉末準備工程」とも記す。）と、第１混合粉末とダイヤモンド粉末とを混合して、第２混合粉末を得る工程（以下、「第２混合粉末準備工程」とも記す。）と、第２混合粉末を高温超高圧条件下で焼結させて複合材料を得る工程（以下、「焼結工程」とも記す。）とを備えることができる。下記に各工程の詳細について説明する。

（第１混合粉末準備工程）
まず、銅粉末と、珪素、クロム、コバルト、ニッケル、モリブデン、チタン、バナジウム、ニオブ、タンタル、タングステン及びアルミニウムからなる群より選ばれる少なくとも１種の第１元素の粉末とを混合することにより、第１混合粉末を得る。

銅粉末の大きさ（平均粒径）は、適宜選択でき、例えば、１μｍ以上１５０μｍ以下程度が挙げられる。この範囲であれば、同粉末が小さ過ぎず取り扱い易く、大き過ぎないため焼結時に溶融し易いと考えられる。

第１元素粉末の大きさ（平均粒径）は、適宜選択でき、例えば、１μｍ以上１５０μｍ以下程度が挙げられる。この範囲であれば、同粉末が小さ過ぎず取り扱い易く、大き過ぎないため焼結時に溶融し易いと考えられる。

第１混合粉末中の第１元素粉末の含有率（質量基準）は、最終的に製造する複合材料中の第１元素の含有率（質量基準量）が所望の値となるように選択する。第１混合粉末中の第１元素粉末の含有率は、例えば、５０ｐｐｍ以上２０００ｐｐｍ以下、２００ｐｐｍ以上８００ｐｐｍ以下とすることができる。

原料の第１元素粉末は、純度が高いほど、熱伝導性に優れて好ましい。第１元素粉末中の各元素粉末のそれぞれの純度は、例えば、９９．９９％以上とすることができる。

原料の銅粉末は、純度が高いほど、熱伝導性に優れて好ましい。銅粉末の純度は、例えば、９９．９９％以上とすることができる。

（第２混合粉末準備工程）
次に、第１混合粉末とダイヤモンド粉末とを混合して、第２混合粉末を得る。

ダイヤモンド粉末の大きさ（平均粒径）は、最終的に製造する複合材料中のダイヤモンド粒子の大きさ（平均粒径）となるように選択する。原料のダイヤモンド粉末の平均粒径は、例えば、１μｍ以上３００μｍ以下、１μｍ以上１００μｍ以下、２０μｍ以上６０μｍ以下が好ましい。

第１混合粉末とダイヤモンド粉末との混合割合は、最終的に製造する複合材料中のダイヤモンド粒子及び銅の体積割合が所望の値となるように選択する。なお、第１混合粉末中には第１元素粉末が含まれているが、微量であるため、体積割合としては考慮しないものとすることができる。

原料のダイヤモンド粉末は、純度が高いほど（例えば天然ダイヤモンド）、熱伝導性に優れて好ましい。一方、工業用ダイヤモンドは、純度が低いものの比較的安価であり利用し易い。この複合材料の製造方法では、工業用ダイヤモンドであっても、原料に利用できる。

第２混合粉末中のダイヤモンド粉末の含有割合は、例えば、６０体積％以上９０体積％以下、７０体積％以上９０体積％以下とすることができる。第２混合粉末中の銅粉末の含有割合は、例えば、１０体積％以上４０体積％以下、１０体積％以上３０体積％以下とすることができる。

（焼結工程）
次に、第２混合粉末を高温超高圧条件下で焼結させて複合材料を得る。例えば、まず、第２混合粉末をモリブデン製の容器に充填し、２ｔ／ｃｍ^２の荷重でプレスし、厚さ２ｍｍの圧粉体にする。この圧粉体を装填した容器にろう材を介してモリブデン製の蓋をし、真空中で加熱することにより容器と蓋とをろう付け封止する。

上記の容器をベルト型超高圧発生装置に装填し、圧力３ＧＰａ、温度１２００℃の条件で１０分間保持した後、温度を５００℃まで下げた状態で３０分間保持すると同時に、圧力を徐々に大気圧まで下げる。これにより、混合粉末が焼結され、複合材料が作製される。

［実施形態２：ヒートシンク］
本開示のヒートシンクについて、図３を用いて説明する。図３に示されるように、ヒートシンク３は、実施形態１の複合材料１と、該複合材料１の表面の少なくとも一部に設けられた金属めっき層２とを含む。該ヒートシンクは、高い熱伝導率、及び、高い強度を有することができる。

（複合材料）
ヒートシンク３に含まれる複合材料１としては、実施の形態１に記載の複合材料を用いることができる。

（金属めっき層）
ヒートシンクは、図３に示されるように、複合材料１の表面の少なくとも一部に設けられた金属めっき層２を含む。複合材料が金属めっき層を含むと、複合材料１と半導体素子等とを半田やロウ材などで接合する場合に、金属めっき層と半田やろう材などの金属とが十分に濡れて、複合材料と半導体素子等とを強固に接合することができる。

金属めっき層の構成金属は、半田やロウ材の使用温度に耐え得る金属であればよく、特に限定されない。金属めっき層は、例えば、ニッケル、銅、金、亜鉛、錫、パラジウムこれらの元素の合金などが挙げられる。金属めっき層は、単層構造の他、多層構造とすることができる。

金属めっき層は、複合材料全体の熱伝導性の低下を抑制する目的からは、薄い方が好ましい。具体的には、金属めっき層の厚さ（多層構造の場合には合計厚さ）の上限は、３００μｍ以下、２００μｍ以下、１００μｍ以下が挙げられる。一方、上述の接合用下地などの目的からは、金属めっき層の厚さの下限は、０．１μｍ以上、０．２μｍ以上、０．５μｍ以上が挙げられる。金属めっき層の厚さは、例えば、０．１μｍ以上３００μｍ以下、０．２μｍ以上２００μｍ以下、０．５μｍ以上１００μｍ以下とすることができる。

（ヒートシンクの製造方法）
実施形態２のヒートシンクの製造方法は、例えば、実施形態１の複合材料を準備する工程（以下、「複合材料準備工程」とも記す。）と、複合材料に金属めっき処理を行い、複合材料の表面の少なくとも一部に金属めっき層を形成してヒートシンクを得る工程（以下、「金属めっき層形成工程」とも記す。）とを備えることができる。下記に各工程の詳細について説明する。

（複合材料準備工程）
複合材料準備工程では、実施形態１に記載の複合材料の製造方法と同一の方法を用いて複合材料を作製することができる。具体的な方法は実施形態１に記載されているため、その説明は繰り返さない。

（金属めっき層形成工程）
次に、複合材料に金属めっき処理を行い、複合材料の表面の少なくとも一部に金属めっき層を形成してヒートシンクを得る。金属めっき処理は、公知の金属めっき処理液を用いて、公知の方法で行うことができる。

本開示の複合材料は、珪素、クロム、コバルト、ニッケル、モリブデン、チタン、バナジウム、ニオブ、タンタル、タングステン及びアルミニウムからなる群より選ばれる少なくとも１種の第１元素を含む。これらの第１元素は、銅に比べて耐食性が高い。従って、本開示の複合材料は、金属めっき処理時に、金属めっき処理液による銅の腐食が抑制されると考えられる。よって、本開示の複合材料は、金属めっき処理後においても、高い熱伝導率、及び、高い強度を有することができると推察される。

［実施形態３：半導体装置］
本開示の半導体装置について、図４を用いて説明する。図４に示されるように、半導体装置５は、実施形態２に記載のヒートシンク３を備える。図４では、ヒートシンク３上に半導体素子４が設けられ、半導体装置５を構成している。該半導体装置は、優れた性能を維持したまま、長い寿命を有することができる。

本実施の形態を実施例によりさらに具体的に説明する。ただし、これらの実施例により本実施の形態が限定されるものではない。

［試料１−１〜試料１−８、試料２−１〜試料２−８、試料３−１〜試料３−８、試料４−１〜試料４−１０］
＜複合材料の作製＞
（第１混合粉末準備工程）
銅粉（平均粒径５μｍ、純度９９．９９％）と、表１〜表４の「第１混合粉末」の「第１元素の種類」欄に記載の種類の第１元素粉末（例えば、試料１−１では、Ｓｉ（珪素）粉末）とを混合して第１混合粉末を得た。第１混合粉末中の第１元素粉末の含有率は表１〜表４の「第１混合粉末」の「第１元素の含有率（ｐｐｍ）」欄に記載の量とした（例えば。試料１−１では、５５ｐｐｍ）。

（第２混合粉末準備工程）
次に、第１混合粉末とダイヤモンド粉末とを、第２混合粉末中のそれぞれの含有割合が表１〜表４の「第２混合粉末」の「ダイヤモンド粉末（体積％）」及び「第１混合粉末（銅粉末）（体積％）」欄に記載の割合となるように混合して第２混合粉末を得た（例えば、試料１−１では、ダイヤモンド粉末７２体積％、第１混合粉末２８体積％の割合で混合した。）。なお、第１混合粉末中には第１元素粉末が含まれているが、第１元素粉末は微量であるため、その体積割合は考慮しないものとする。

（焼結工程）
次に、第２混合粉末を内径２５ｍｍ、深さ５ｍｍのモリブデン製容器に充填し、２ｔ／ｃｍ^２の荷重でプレスし、厚さ２ｍｍの圧粉体にした。この圧粉体を装填した容器にろう材を介してモリブデン製の蓋をし、真空中で加熱することにより容器と蓋とをろう付け封止した。

上記の容器をベルト型超高圧発生装置に装填し、圧力３ＧＰａ、温度１２００℃の条件で５分間保持した後、温度を５００℃まで下げた状態で３０分間保持すると同時に、圧力を徐々に大気圧まで下げた。回収したモリブデン容器の上下を平面研削盤で研削して成形体を得た。

成形体をワイヤー放電加工により、サイズφ５０ｍｍ×２ｍｍの板状に切り出し、表面を両面研削機で研削した。更に、ワイヤー放電加工により、サイズ１５ｍｍ×１ｍｍ×２ｍｍの個片に切断した。これにより、各試料の複合材料からなる個片を得た。

＜ヒートシンクの作製＞
（金属めっき層形成工程）
各試料の複合材料からなる個片に、電気ニッケルめっき処理を行い、個片の全面に厚さ３μｍのニッケル層（金属めっき層）を形成して各試料のヒートシンクを得た。めっき処理液は、ＷＡＴＴ浴（組成：硫酸ニッケル２５０ｇ／Ｌ，塩化ニッケル６０ｇ／Ｌ，ホウ酸４０ｍＬ／Ｌ）を用いた。

＜評価＞
（複合材料の組成）
各試料の複合材料からなる個片について、ダイヤモンド粒子の含有率、銅の含有率を測定した。具体的な測定方法は実施形態１に記載されている方法と同一であるため、その説明は繰り返さない。結果を表１〜表４の「複合材料」の「ダイヤモンド粒子（体積％）」及び「銅（体積％）」欄に示す。

（銅及び第１元素の合計質量に対する第１元素の含有率）
各試料の複合材料からなる個片について、銅及び第１元素の合計質量に対する第１元素の含有率を測定した。具体的な測定方法は実施形態１に記載されている方法と同一であるため、その説明は繰り返さない。結果を表１〜表４の「複合材料」の「銅及び第１元素の合計質量に対する第１元素の含有率（ｐｐｍ）」欄に示す。

（第１元素の濃化）
各試料の複合材料からなる個片について、ダイヤモンド粒子と銅との界面において第１元素の濃化の有無を確認した。具体的な確認方法は実施形態１に記載されている方法と同一であるため、その説明は繰り返さない。結果を表１〜表４の「複合材料」の「第１元素の濃化」欄に示す。第１元素の濃化が確認された場合は「あり」、確認されない場合は「なし」と記載される。

（熱膨張係数）
各試料の複合材料からなる個片について、熱膨張係数を熱機械分析（測定装置：島津製作所製「ＴＭＡ−６０Ｄ」（商標））により測定した。結果を表１〜表４の「複合材料」の「熱膨張係数（ｐｐｍ／Ｋ）」欄に示す。

（強度）
各試料のヒートシンクについて、図５に示されるせん断試験装置１０を用いて強度を測定した。せん断試験装置１０の第１の固定台１１ａ及び第２の固定台１１ｂの間に各試料のヒートシンクからなる試験片１４を固定する。試験片は高さ５ｍｍの位置まで第１の固定台１１ａ及び第２の固定台１１ｂで固定される。固定台１１ａからの露出高さが５ｃｍの位置に端子１２を配置し、矢印ａで示される方向に荷重を加え、試験片が破断した時の荷重を荷重センサー１３で測定した。該荷重が強度に該当する。結果を表１〜表４の「ヒートシンク」の「強度（ＭＰａ）」欄に示す。

（熱伝導率）
各試料のヒートシンクについて、レーザーフラッシュ法（測定装置：ＮＥＴＺＳＣＨ社製「ＬＦＡ４６７」（商標））にて熱伝導率を測定した。結果を表１〜表４の「ヒートシンク」の「熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）」欄に示す。

＜考察＞
試料１−１〜試料１−６、試料２−１〜試料２−６、試料３−１〜試料３−６、試料４−１〜試料４−１０は実施例に該当する。

試料１−７及び試料２−７は、銅及び第１元素の合計質量に対する第１元素の含有率が２０００ｐｐｍ超であり、比較例に該当する。

試料１−８及び試料２−８は、銅及び第１元素の合計質量に対する第１元素の含有率が５０ｐｐｍ未満であり、比較例に該当する。

試料１−１〜試料１−６、試料２−１〜試料２−６、試料３−１〜試料３−６、試料４−１〜試料４−１０（実施例）は、試料１−７、試料１−８、試料２−７、試料２−８（比較例）に比べて、同等以上の強度を有し、かつ、高い熱伝導率を有することが確認された。

なお、上記の実施例では、金属めっき処理のうち、特に電気ニッケルめっき処理後においても、高い熱伝導率、及び、高い強度を有することを確認しているが、金属めっき処理の種類は電気ニッケルめっき処理に限定されない。本開示の複合材料は、他の種類の電解めっき処理後においても、高い熱伝導率、及び、高い強度を有することができる。

以上のように本開示の実施の形態および実施例について説明を行なったが、上述の各実施の形態および実施例の構成を適宜組み合わせたり、様々に変形することも当初から予定している。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態および実施例ではなく請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 複合材料、２ 金属めっき層、３ ヒートシンク、４ 半導体素子、５ 半導体装置、１０ せん断試験装置、１１ａ 第１の固定台、１１ｂ 第２の固定台、１２ 端子、１３ 荷重センサー、１４ 試験片、ａ 荷重の方向

Claims (6)

1. 複数のダイヤモンド粒子と、
   銅と、
   珪素、クロム、コバルト、ニッケル、モリブデン、チタン、バナジウム、ニオブ、タンタル及びタングステンからなる群より選ばれる少なくとも１種の第１元素と、を含み、
   前記銅及び前記第１元素の合計質量に対する前記第１元素の含有率は５０ｐｐｍ以上２０００ｐｐｍ以下である、複合材料。
2. 前記複合材料は、前記ダイヤモンド粒子を６０体積％以上９０体積％以下、かつ、前記銅を１０体積％以上４０体積％以下含む、請求項１に記載の複合材料。
3. 前記銅及び前記第１元素の合計質量に対する前記第１元素の含有率は２００ｐｐｍ以上８００ｐｐｍ以下である、請求項１又は請求項２に記載の複合材料。
4. 前記第１元素は、前記ダイヤモンド粒子と前記銅との界面において濃化している、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の複合材料。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の複合材料と、
   前記複合材料の表面の少なくとも一部に設けられた金属めっき層と、を含むヒートシンク。
6. 請求項５に記載のヒートシンクを備える半導体装置。

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