JP7299183B2 - 焼結体、ヒートシンク、焼結体の製造方法及びヒートシンクの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、焼結体、ヒートシンク、焼結体の製造方法及びヒートシンクの製造方法に関する。

非特許文献１には、引張強度及び熱伝導率を向上させるために、ダイヤモンド粒子を含有させた銅－ダイヤモンド複合体を含む焼結体の製造方法が記載されている。非特許文献１の製造方法では、表面に炭化ホウ素層を形成したダイヤモンド粒子と銅粉末との混合物を加熱焼結することにより、銅－ダイヤモンド複合体を含む焼結体を製造している。

Youhong Sun, Linkai He, Chi Zhang, Qingnan Meng, Baochang Liu, Ke Gao, Mao Wen & Weitao Zheng，"Enhanced tensile strength and thermal conductivity in copper diamond composites with B4C coating"， Scientific Reports volume 7, Article number: 10727 (2017), ［online］，［令和2年2月13日検索］，インターネット ＜URL：https://www.nature.com/articles/s41598-017-11142-y＞

例えば、非特許文献１に記載されたような製造方法では、ダイヤモンド粒子の表面に炭化ホウ素層等の炭化物を含む膜を、拡散を伴う化学反応を利用して形成しているため、原理的に、数ナノオーダーの薄い膜を形成することができない。また、ダイヤモンド粒子の表面に炭化ホウ素層を形成した後に加熱焼結を行っている。このようなことから、炭化物を含む膜が厚くなってしまい熱抵抗となり、複合材の熱伝導率が低下する。また、銅－ダイヤモンド複合体を形成する際の加熱焼結工程において、ダイヤモンド粒子表面の炭化ホウ素等の炭化物の反応が進み、所望の構造及び厚さを持つような炭化物を含む膜が形成されず、熱伝導率の低下及び熱伝導率のばらつきが発生する。

また、そのような銅－ダイヤモンド複合体を含む焼結体をヒートシンクに適用した場合には、所望の熱伝導率を得られず、放熱性を向上させることができない。

本発明は、そのような課題を解決するためになされたものであり、熱伝導率を向上させることができる焼結体、ヒートシンク、焼結体の製造方法及びヒートシンクの製造方法を提供する。

本実施形態の焼結体における特徴の１つは、ダイヤモンド粒子の表面に、自己組織化単分子膜（Ｓｅｌｆ－Ａｓｓｅｍｂｌｅｄ Ｍｏｎｏｌａｙｅｒ、以下、ＳＡＭ膜と呼ぶ。）を形成することである。以下で述べる自己組織化単分子膜とは、有機分子の溶液や蒸気中に材料を置いておくことで、有機分子が材料表面に化学吸着し、例えば、厚さ１～２［ｎｍ］の有機分子の配向性がそろった単分子膜が形成されることを示す。

本実施形態に係る焼結体は、焼結された銅部材と、前記銅部材中に分散した複数のダイヤモンド粒子と、各ダイヤモンド粒子と、前記銅部材との間に形成された自己組織化単分子膜と、を備える。

本実施形態に係る焼結体は、焼結された銅部材と、銅部材中に分散した複数の炭素フィラーと、各炭素フィラーと、前記銅部材との間に形成された自己組織化単分子膜と、を備える。

上記焼結体において、前記自己組織化単分子膜の銅部材側の官能基は、ＣＨ_３を含んでもよい。

上記焼結体において、前記自己組織化単分子膜の銅部材側の官能基は、ＮＨ_２を含んでもよい。

上記焼結体において、前記自己組織化単分子膜の銅部材側の官能基は、ＳＨを含んでもよい。

上記焼結体において、前記複数のダイヤモンド粒子の体積分率は、略５０％でもよい。

上記焼結体において、前記複数の炭素フィラーの体積分率は、略５０％でもよい。

本実施形態に係るヒートシンクは、上記焼結体を含む。

本実施形態に係る焼結体の製造方法は、ダイヤモンド粒子の表面にシランカップリングを用いて自己組織化単分子膜を形成するステップと、前記自己組織化単分子膜が形成された複数の前記ダイヤモンド粒子と銅粉末とを焼結させるステップと、を備える。

本実施形態に係る焼結体の製造方法は、炭素フィラーの表面にシランカップリングを用いて自己組織化単分子膜を形成するステップと、前記自己組織化単分子膜が形成された複数の前記炭素フィラーと銅粉末とを焼結させるステップと、を備える。

上記焼結体の製造方法の前記自己組織化単分子膜を形成するステップにおいて、前記自己組織化単分子膜の銅部材側の官能基は、ＣＨ_３を含むようにしてもよい。

上記焼結体の製造方法の前記自己組織化単分子膜を形成するステップにおいて、前記自己組織化単分子膜の銅部材側の官能基は、ＮＨ_２を含むようにしてもよい。

上記焼結体の製造方法の前記自己組織化単分子膜を形成するステップにおいて、前記自己組織化単分子膜の銅部材側の官能基は、ＳＨを含むようにしてもよい。

上記焼結体の製造方法の前記ダイヤモンド粒子と銅粉末とを焼結させるステップにおいて、前記複数のダイヤモンド粒子の体積分率を、略５０％としてもよい。

上記焼結体の製造方法の前記炭素フィラーと銅粉末とを焼結させるステップにおいて、前記複数の炭素フィラーの体積分率を、略５０％としてもよい。

上記焼結体の製造方法において、前記自己組織化単分子膜の銅部材側の官能基がＣＨ_３を含む場合、ＮＨ_２を含む場合及びＳＨを含む場合の界面熱コンダクタンスを測定するステップをさらに備え、前記自己組織化単分子膜を形成するステップにおいて、測定した前記界面熱コンダクタンスに基づいて、前記自己組織化単分子膜の前記銅部材側の官能基を選択してもよい。

上記焼結体の製造方法において、前記ダイヤモンド粒子をピラニア溶液に浸すことにより、前記ダイヤモンド粒子の表面に水酸基を形成するステップをさらに備えてもよい。

本実施形態に係るヒートシンクの製造方法は、上記焼結体の製造方法と、前記焼結体を用いてヒートシンクを形成するステップと、を備える。

本実施形態によれば、熱伝導率を向上させることができる焼結体、ヒートシンク、焼結体の製造方法及びヒートシンクの製造方法を提供することができる。

比較例に係る焼結体の製造方法を例示したフローチャート図である。 比較例に係る焼結体の製造方法において、ダイヤモンド粒子、ホウ素、ホウ酸を混合させた混合物を例示した図である。 比較例に係る焼結体の製造方法において、ダイヤモンド粒子、ホウ素、ホウ酸を含む混合物の攪拌を例示した図である。 比較例に係る焼結体の製造方法において、銅粉末と被覆ダイヤモンド粒子とを混合させた混合物を例示した図である。 比較例に係る焼結体の製造方法において、加熱焼結を例示した図である。 比較例に係る焼結体の製造方法において、製造された焼結体を例示した図である。 実施形態に係る焼結体の製造方法を例示したフローチャートである。 実施形態に係る焼結体の製造方法において、ダイヤモンド粒子の表面を例示した図であり、表面処理前を示す。 実施形態に係る焼結体の製造方法において、ダイヤモンド粒子の表面を例示した図であり、表面処理後を示す。 実施形態に係る焼結体の製造方法において、ＳＡＭ膜の材料を例示した図である。 実施形態に係る焼結体の製造方法において、ダイヤモンド粒子の表面に形成されたＳＡＭ膜を例示した図である。 実施形態に係る焼結体の製造方法において、製造された焼結体を例示した図である。 実施形態に係る焼結体の熱伝導率を例示したグラフであり、横軸は、ダイヤモンド粒子の体積分率を示し、縦軸は、熱伝導率を示す。 実施形態に係る焼結体の熱伝導率を例示したグラフであり、横軸は、ダイヤモンド粒子の粒径を示し、縦軸は、熱伝導率を示す。 実施形態に係る焼結体において、ＳＡＭ膜の構造を例示した図である。 実施形態に係るＳＡＭ膜ＳＨ及びＳＡＭ膜ＣＨ３を含む焼結体の表面の温度減衰曲線を例示したグラフであり、横軸は、遅延時間を示し、縦軸は、規格化した温度を示す。 実施形態に係るＳＡＭ膜ＳＨ及びＳＡＭ膜ＣＨ３を含む焼結体の表面の温度減衰曲線から求めた界面熱コンダクタンスを例示したグラフであり、横軸は、各ＳＡＭ膜の界面を示し、縦軸は、界面熱コンダクタンスを示す。

以下、発明の実施形態を通じて本発明を説明するが、特許請求の範囲に係る発明を以下の実施形態に限定するものではない。また、実施形態で説明する構成の全てが課題を解決するための手段として必須であるとは限らない。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。

（比較例）
実施形態に係る焼結体及び焼結体の製造方法を説明する前に、比較例に係る焼結体及び焼結体の製造方法を説明する。比較例と対比させることにより、本実施形態の焼結体及び焼結体の製造方法の特徴を明確にする。まず、比較例の焼結体の製造方法を説明する。その後で、比較例の焼結体とその課題を説明する。

＜比較例の焼結体の製造方法＞
図１は、比較例に係る焼結体の製造方法を例示したフローチャート図である。図２は、比較例に係る焼結体の製造方法において、ダイヤモンド粒子、ホウ素、ホウ酸を混合させた混合物を例示した図である。図３は、比較例に係る焼結体の製造方法において、ダイヤモンド粒子、ホウ素、ホウ酸を含む混合物の攪拌を例示した図である。図４は、比較例に係る焼結体の製造方法において、銅粉末と被覆ダイヤモンド粒子とを混合させた混合物を例示した図である。図５は、比較例に係る焼結体の製造方法において、加熱焼結を例示した図である。図６は、比較例に係る焼結体の製造方法において、製造された焼結体を例示した図である。

図１に示すように、比較例に係る焼結体の製造方法は、ステップＳ１１～Ｓ１５に示すダイヤモンド粒子の表面に炭化ホウ素層の被膜を形成する炭化ホウ素層被膜処理と、ステップＳ１６及びＳ１７に示す銅粉末と被覆ダイヤモンド粒子との混合物を焼結する銅ダイヤモンド粒子焼結処理と、を含んでいる。

まず、図１のステップＳ１１及び図２に示すように、ダイヤモンド粒子１０、ホウ素（Ｂ）２０、ホウ酸（Ｈ_３ＢＯ_３）３０を混合させる。ダイヤモンド粒子１０の粒径は、例えば、数百［μｍ］である。例えば、２５［ｇ］のダイヤモンド粒子１０に対して、３５［ｇ］のホウ素２０と、２３［ｇ］のホウ酸３０と、を混合させる。なお、図２では、図が煩雑にならないように、一部のダイヤモンド粒子１０のみ符号を付している。

次に、ステップＳ１２及び図３に示すように、ダイヤモンド粒子１０、ホウ素２０、ホウ酸３０を含む混合物を攪拌させる。例えば、撹拌機４０のチャンバー内にダイヤモンド粒子１０、ホウ素２０、ホウ酸３０の混合物を入れ、室温で機械的に攪拌させる。

次に、ステップＳ１３に示すように、ダイヤモンド粒子１０、ホウ素２０、ホウ酸３０を含む混合物を加熱反応させる。例えば、アルゴン（Ａｒ）雰囲気中において、１２００［℃］の温度で２～６［ｈ］加熱する。これにより、以下の（１）式のように、ダイヤモンド粒子１０の表面に炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）層の被膜を形成させる。表面に炭化ホウ素層の被膜が形成されたダイヤモンド粒子１０を、本明細書において、便宜上、被覆ダイヤモンド粒子と呼ぶ。

２Ｂ＋２Ｈ_３ＢＯ_３＋７Ｃ → Ｂ_４Ｃ＋６ＣＯ＋３Ｈ_２ （１）

次に、ステップＳ１４に示すように、被膜ダイヤモンド粒子を洗浄する。例えば、被膜ダイヤモンド粒子を希硝酸で洗浄する。これにより、残留したホウ酸（Ｈ_３ＢＯ_３）を取り除く。

次に、ステップＳ１５に示すように、被膜ダイヤモンド粒子を分離する。例えば、被膜ダイヤモンド粒子をふるいにかけて、被膜ダイヤモンド粒子と余剰のホウ素等とを分離する。

次に、ステップＳ１６及び図４に示すように、被覆ダイヤモンド粒子１１と銅粉末５０とを混合させる。例えば、被覆ダイヤモンド粒子１１の体積分率が５０％となるように、銅粉末５０に被覆ダイヤモンド粒子１１を混合させる。銅粉末５０の粒径は、例えば、被覆ダイヤモンド粒子１１の粒径よりも小さい。なお、図４では、図が煩雑にならないように、一部の被覆ダイヤモンド粒子１１及び銅粉末５０のみ符号を付している。

次に、ステップＳ１７及び図５に示すように、加熱焼結させる。例えば、プレス機６０を用いて、真空等の減圧された雰囲気において、９５０［℃］の温度で２０［ｍｉｎ］、圧力６０［ＭＰａ］で加熱焼結させる。このようにして、図６に示すように、比較例に係る銅－ダイヤモンド複合体を含む焼結体ＣＵＤ０を製造することができる。図６には、焼結体ＣＵＤ０に含まれる被覆ダイヤモンド粒子１１と銅部材５１とを模式的に示すとともに、ダイヤモンド粒子１０と銅部材５１との間に形成された炭化ホウ素層１２も示している。なお、図６では、図が煩雑にならないように、一部の被覆ダイヤモンド粒子１１のみ符号を付している。また、被覆ダイヤモンド粒子１１、ダイヤモンド粒子１０、炭化ホウ素層１２の図中の大きさ及び厚さ等は、実際の大きさ及び厚さ等を示したものではない。

＜比較例の焼結体＞
図６に示すように、比較例の焼結体ＣＵＤ０は、焼結された銅部材５１と、銅部材５１中に分散した複数のダイヤモンド粒子１０と、各ダイヤモンド粒子１０と、銅部材５１との間に形成された炭化ホウ素層１２と、を備えている。比較例に係る焼結体ＣＵＤ０は、主な課題として、１．熱伝導率のバラツキ及び２．熱伝導率の低下の２つの課題を有している。

１．熱伝導率のバラツキは、銅部材５１とダイヤモンド粒子１０との間の界面に形成された炭化ホウ素層１２の構造及び厚みのバラツキが一因である。炭化ホウ素層１２の構造及び厚みを制御することが困難であるからである。

ステップＳ１３において、ダイヤモンド粒子１０の表面に炭化ホウ素層１２を形成している。この炭化ホウ素層１２は、後工程におけるステップＳ１７の加熱焼結プロセスによって、反応が進む。よって、炭化ホウ素層１２の構造及び厚みにばらつきが生じる。

また、炭化ホウ素層１２の形成と、加熱焼結ブロセスとが独立でなく、お互いに影響するため、両方に最適な条件を見出すことが困難である。よって、炭化ホウ素層１２の構造及び厚みのばらつきを抑制することが困難である。

２．熱伝導率の低下は、炭化ホウ素層１２の熱伝導率が低いことが一因である。銅部材５１とダイヤモンド粒子１０との間の界面の親和性向上の観点から、炭化ホウ素層１２は、一定以上の厚さが必要とされる。しかしながら、そもそも、炭化ホウ素層１２は銅部材５１及びダイヤモンド粒子１０よりも熱伝導率が低いので、炭化ホウ素層１２が厚く形成されると、焼結体ＣＵＤ０の熱伝導率は低下する。

（実施形態）
次に、実施形態に係る焼結体及び焼結体の製造方法を説明する。本実施形態の焼結体における特徴の１つは、ダイヤモンド粒子１０の表面に、ＳＡＭ膜を形成することである。以下で、ＳＡＭ膜及びその他の特徴を含めて説明する。まず、実施形態の焼結体の製造方法を説明する。その後で、実施形態の焼結体及び効果を説明する。

＜実施形態の焼結体の製造方法＞
図７は、実施形態に係る焼結体の製造方法を例示したフローチャートである。図８は、実施形態に係る焼結体の製造方法において、ダイヤモンド粒子１０の表面を例示した断面図であり、表面処理前を示す。図９は、実施形態に係る焼結体の製造方法において、ダイヤモンド粒子１０の表面を例示した断面図であり、表面処理後を示す。図１０は、実施形態に係る焼結体の製造方法において、ＳＡＭ膜の材料を例示した図である。図１１は、実施形態に係る焼結体の製造方法において、ダイヤモンド粒子１０の表面に形成されたＳＡＭ膜を例示した図である。図１２は、実施形態に係る焼結体の製造方法において、製造された焼結体を例示した図である。

図７に示すように、実施形態に係る焼結体の製造方法は、ステップＳ２１～Ｓ２５に示すダイヤモンド粒子１０の表面にＳＡＭ膜を形成するＳＡＭ膜修飾処理と、ステップＳ１６及びＳ１７に示す銅粉末と修飾ダイヤモンド粒子との混合物を焼結する銅ダイヤモンド粒子焼結処理と、を含んでいる。なお、以下では、ダイヤモンド粒子１０を用いた焼結体の製造方法を説明するが、ダイヤモンド粒子１０の代わりに、炭素フィラーを用いて焼結体を製造してもよい。

図７のステップＳ２１に示すように、ダイヤモンド粒子１０の表面に水酸基（ＯＨ基）を形成する。例えば、ダイヤモンド粒子１０を１［ｇ］、ピラニア溶液に浸す。図８に示すように、ピラニア溶液に浸す表面処理前のダイヤモンド粒子１０の表面には、Ｈ及びＯＨ基が形成されている。そこで、ダイヤモンド粒子１０をピラニア溶液に浸し、６５［℃］で加熱しながら２［ｈ］浸し続ける。そうすると、図９に示すように、表面処理後のダイヤモンド粒子１０の表面にＯＨ基が形成される。ダイヤモンド粒子１０の表面に形成されたＯＨ基は、後の工程において、ＳＡＭ膜の成長を促進させる。表面にＯＨ基が形成されたダイヤモンド粒子１０を、本明細書において、便宜上、ＯＨ修飾ダイヤモンド粒子１３と呼ぶ。

次に、ステップＳ２２に示すように、ＯＨ修飾ダイヤモンド粒子１３の洗浄を行う。例えば、ＯＨ修飾ダイヤモンド粒子１３を蒸留水で３回洗浄する。その後、アセトンで２回洗浄する。１回の洗浄は、５［ｍｉｎ］超音波を用いて行う。このようにして、ＯＨ修飾ダイヤモンド粒子１３の表面のピラニア溶液を除去する。

次に、ステップＳ２３に示すように、ＯＨ修飾ダイヤモンド粒子１３の乾燥を行う。例えば、ＯＨ修飾ダイヤモンド粒子１３を１００［℃］のホットプレート上に３０［ｍｉｎ］配置して乾燥させる。これにより、ＯＨ修飾ダイヤモンド粒子１３の表面の水分子を除去する。

次に、ステップＳ２４に示すように、ダイヤモンド粒子１０の表面にＳＡＭ膜を形成する。具体的には、９９．５［％］の濃度のトルエンを３０［ｍＬ］、トリエチルアミンを４５［μＬ］含む溶液に、ＯＨ修飾ダイヤモンド粒子１３を入れる。その後、図１０に示すように、ＳＡＭ膜の材料として、例えば、オクタデシルトリメトキシシランを３０［μＬ］滴下し、４８［ｈ］かけて反応させる。これにより、図１１に示すように、ダイヤモンド粒子１０の表面にＳＡＭ膜１４を形成する。具体的には、ダイヤモンド粒子１０の表面にシランカップリングを用いてＳＡＭ膜１４を形成する。表面にＳＡＭ膜１４を形成されたダイヤモンド粒子１０を、本明細書において、便宜上、ＳＡＭ修飾ダイヤモンド粒子１５と呼ぶ。なお、銅部材５１側の官能基にＣＨ_３基を含むＳＡＭ膜を形成する際の材料として、オクタデシルトリメトキシシランを用いたが、これに限らない。ＣＨ_３基を含むＳＡＭ膜が形成されるのであれば、他の材料を適宜選択して用いてもよい。また、図中の（ＣＨ_２）_ｎのｎも、ｎ＝１７に限らない。さらに、ＣＨ_３基以外の官能基を含むＳＡＭ膜を形成する場合も材料を適宜選択して用いてもよい。

次に、ステップＳ２５に示すように、ＳＡＭ修飾ダイヤモンド粒子１５を洗浄する。例えば、トルエン中で３回、アセトン中で２回、ＳＡＭ修飾ダイヤモンド粒子１５を、超音波を用いて洗浄する。１回の洗浄は、５［ｍｉｎ］超音波を用いて行う。これにより、物理吸着したＳＡＭ膜１４を構成する分子を除去する。物理吸着されたＳＡＭ膜１４は、界面の熱伝導を低減させるからである。

次に、ステップＳ２６に示すように、銅粉末５０とＳＡＭ修飾ダイヤモンド粒子１５とを混合させる。例えば、ＳＡＭ修飾ダイヤモンド粒子１５の体積分率が５０％となるように銅粉末５０にＳＡＭ修飾ダイヤモンド粒子１５を混合させる。

次に、ステップＳ２７に示すように、加熱焼結させる。例えば、図５に示したプレス機６０を用いて、真空等の減圧された雰囲気において、８００［℃］の温度で８０［ｍｉｎ］、圧力６０［ＭＰａ］の条件で、ＳＡＭ膜１４が形成された複数のダイヤモンド粒子１０と銅粉末５０とを加熱焼結させる。このようにして、図１２に示すように、実施形態に係る銅－ダイヤモンド複合体を含む焼結体ＣＵＤ１を製造することができる。図１２には、焼結体ＣＵＤ１に含まれるＳＡＭ修飾ダイヤモンド粒子１５と銅部材５１とを模式的に示すとともに、ダイヤモンド粒子１０と銅部材５１との間に形成されたＳＡＭ膜１４も示している。なお、図１２では、図が煩雑にならないように、一部のＳＡＭ修飾ダイヤモンド粒子１５のみ符号を付している。また、ＳＡＭ修飾ダイヤモンド粒子１５、ダイヤモンド粒子１０、ＳＡＭ膜１４の図中の大きさ及び厚さ等は、実際の大きさ及び厚さ等を示したものではない。

＜本実施形態の焼結体＞
図１２に示すように、本実施形態の焼結体ＣＵＤ１は、焼結された銅部材５１と、銅部材５１中に分散した複数のダイヤモンド粒子１０と、各ダイヤモンド粒子１０と、銅部材５１との間に形成されたＳＡＭ膜１４と、を備えている。本実施形態のＳＡＭ膜１４は、比較例の炭化ホウ素層１２よりも、ステップＳ２７の加熱焼結工程を経た後の熱伝導率の低下を抑制することができる。その理由は、例えば、以下のとおりである。

本実施形態では、ステップＳ２７の加熱焼結工程での反応が進行しにくいシランカップリング（ＣＨ_３－Ｓｉ）を、ステップＳ２４のＳＡＭ膜１４を形成する工程で成長させている。これにより、後工程のステップＳ２７において、銅－ダイヤモンド粒子界面のシラン結合層の反応が進行しにくいので、界面の構造の変化を抑制することができる。よって、銅－ダイヤモンド粒子界面の熱伝導率が保たれ、高熱伝導率の焼結体ＣＵＤ１を得ることができる。

図１３は、実施形態に係る焼結体ＣＵＤ１の熱伝導率を例示したグラフであり、横軸は、ダイヤモンド粒子１０の体積分率を示し、縦軸は、熱伝導率を示す。図１３には、比較例の焼結体ＣＵＤ０、並びに、実施形態及び比較例以外の銅－ダイヤモンド複合体の熱伝導率も示す。ダイヤモンド粒子１０と銅部材５１とでは、熱伝導率が異なるので、ダイヤモンド粒子１０の体積分率が変わると、それにともなって、銅－ダイヤモンド複合体の熱伝導率も変化する。したがって、銅－ダイヤモンド複合体の熱伝導率を比較するためには、ダイヤモンド粒子１０の体積分率を一定にする必要がある。

図１３に示すように、ダイヤモンド粒子１０の体積分率を５０［％］にした銅－ダイヤモンド複合体に注目した場合には、本実施形態の焼結体ＣＵＤ１の熱伝導率は、比較例の焼結体ＣＵＤ０の熱伝導率よりも大きい。しかも、図１３に示した同じ体積分率（５０［％］）の銅－ダイヤモンド複合体の中で最も熱伝導率が大きい。

図１４は、実施形態に係る焼結体ＣＵＤ１の熱伝導率を例示したグラフであり、横軸は、ダイヤモンド粒子１０の粒径を示し、縦軸は、熱伝導率を示す。図１４には、比較例の焼結体ＣＵＤ０、並びに、実施形態及び比較例以外の銅－ダイヤモンド複合体の熱伝導率も示す。

図１４に示すように、ダイヤモンド粒子１０の体積分率を５０［％］にした銅－ダイヤモンド複合体では、比較例の焼結体ＣＵＤ０も含めて、図１４に示した同じ体積分率（５０［％］）の銅－ダイヤモンド複合体の中で、本実施形態の焼結体ＣＵＤ１が最も熱伝導率が大きい。また、ダイヤモンド粒子１０の粒径が同じ２１０［μｍ］の他の銅－ダイヤモンド複合体と比べても、本実施形態の焼結体ＣＵＤ１の熱伝導率はより大きい。

図１５は、実施形態に係る焼結体ＣＵＤ１において、ＳＡＭ膜１４の構造を例示した図である。上述した焼結体ＣＵＤ１におけるＳＡＭ膜１４は、銅部材５１側の官能基にメチル基（ＣＨ_３基）を含むようにしている。なお、ＳＡＭ膜１４は、銅部材５１側の官能基にＣＨ_３基を含むものに限らない。図１５に示すように、ＳＡＭ膜１４は、銅部材５１側の官能基に、アミノ基（ＮＨ_２）を含んでもよいし、チオール基（ＳＨ）を含んでもよい。銅部材５１側の官能基にＣＨ_３基を含むＳＡＭ膜１４を、本明細書において、便宜上、ＳＡＭ膜ＣＨ３と呼ぶ。銅部材５１側の官能基にＮＨ_２基を含むＳＡＭ膜１４を、本明細書において、便宜上、ＳＡＭ膜ＮＨ２と呼ぶ。銅部材５１側の官能基にＳＨ基を含むＳＡＭ膜１４を、本明細書において、便宜上、ＳＡＭ膜ＳＨと呼ぶ。このように、ＳＡＭ膜１４の銅部材５１側の官能基は可変である。

ＳＡＭ膜ＣＨ３は、銅部材５１とファンデルワールス力によって結合する。一方、ＳＡＭ膜ＮＨ２は、銅部材５１と、水素結合によって結合する。ＳＡＭ膜ＳＨは、銅部材５１と共有結合によって結合する。

また、ＳＡＭ膜１４におけるＣＨ_２のチェーンの長さは可変である。チェーンの長さが小さい場合には、ＳＡＭ膜１４の熱抵抗を無視することができる。

図１６は、実施形態に係るＳＡＭ膜ＳＨ及びＳＡＭ膜ＣＨ３を含む焼結体ＣＵＤ１の表面の温度減衰曲線を例示したグラフであり、横軸は、遅延時間を示し、縦軸は、規格化した温度を示す。図１６には、各ＳＡＭ膜に含まれたチェーン（ＣＨ_２）_ｎのｎ＝３及びｎ＝１１の場合の温度変化を示している。

図１６に示すように、ｎ＝３、すなわち、炭素Ｃが３つの場合のＳＡＭ膜ＳＨ（黒の四角印■）及びＳＡＭ膜ＣＨ３（白の四角印□）における界面の温度変化を比べると、ＳＡＭ膜ＣＨ３の温度が１／２になるのに約２［ｎｓ］かかるのに対して、ＳＡＭ膜ＳＨの温度が１／２になるのに約５［ｎｓ］かかる。よって、ＳＡＭ膜ＣＨ３の界面における温度の減少の割合は、ＳＡＭ膜ＳＨの界面における温度の減少の割合よりも大きい。

一方、炭素Ｃが１１個の場合のＳＡＭ膜ＳＨ（黒の丸印●）及びＳＡＭ膜ＣＨ３（白の丸印○）における界面の温度変化を比べると、両者とも温度が１／２になるのに約４［ｎｓ］かかっており、ＳＡＭ膜ＳＨ及びＳＡＭ膜ＣＨ３の界面における温度の減少の割合は、ほぼ等しくなっている。

図１７は、実施形態に係るＳＡＭ膜ＳＨ及びＳＡＭ膜ＣＨ３を含む焼結体ＣＵＤ１の表面の温度減衰曲線から求めた界面熱コンダクタンスを例示したグラフであり、横軸は、各ＳＡＭ膜１４の界面を示し、縦軸は、界面熱コンダクタンスを示す。図１７には、各ＳＡＭ膜１４に含まれたチェーン（ＣＨ_２）_ｎのｎ＝３（Ｃ＝３、白の四角印）及びｎ＝１１（Ｃ＝１１、黒の四角印）の場合の界面熱コンダクタンスを示している。界面熱コンダクタンスは、ＴＤＴＲ（Ｔｉｍｅ－Ｄｏｍａｉｎ Ｔｈｅｒｍｏｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ）によって測定されている。

図１７に示すように、Ｃ＝３の場合の各ＳＡＭ膜１４の界面熱コンダクタンスを比べると、界面熱コンダクタンスは、以下のようになる。

ＣＨ_３＞ＮＨ_２＞ＳＨ

このように、共有結合のＳＨにおける界面熱コンダクタンスは、ファンデルワールス力による結合のＣＨ_３における界面熱コンダクタンスよりも小さい。よって、ダイヤモンド粒子１０の表面に形成するＳＡＭ膜１４は、ＳＡＭ膜ＣＨ３、ＳＡＭ膜ＮＨ２、ＳＡＭ膜ＳＨの順に熱伝導率を向上させることができる。そして、ＳＡＭ膜１４の銅部材５１側の官能基を変えることにより、所望の熱伝導率の焼結体ＣＵＤ１を製造することができる。

例えば、銅部材５１とダイヤモンド粒子１０との間の界面熱コンダクタンスとして、６０［ＭＷ／Ｋ・ｍ^２］の焼結体ＣＵＤ１を所望する場合には、ダイヤモンド粒子１０の表面にＳＡＭ膜ＣＨ３を形成する。また、銅部材５１とダイヤモンド粒子１０との間の界面熱コンダクタンスとして、４５［ＭＷ／Ｋ・ｍ^２］の焼結体ＣＵＤ１を所望する場合には、ダイヤモンド粒子１０の表面にＳＡＭ膜ＮＨ２を形成する。さらに、銅部材５１とダイヤモンド粒子１０との間の界面熱コンダクタンスとして、３５［ＭＷ／Ｋ・ｍ^２］の焼結体ＣＵＤ１を所望する場合には、ダイヤモンド粒子１０の表面に、ＳＡＭ膜ＳＨを形成する。

したがって、まず、ＳＡＭ膜ＣＨ３、ＳＡＭ膜ＮＨ２及びＳＡＭ膜ＳＨの界面熱コンダクタンスを測定し、その後、ＳＡＭ膜１４を形成する際に、測定した界面熱コンダクタンスに基づいて、ＳＡＭ膜１４の銅部材５１側の官能基を選択してもよい。これにより、所望の熱伝導率を有する焼結体ＣＵＤ１を製造することができる。

本実施形態の焼結体ＣＵＤ１は、例えば、ヒートシンクに適用することができる。焼結体ＣＵＤ１を備えたヒートシンクは、熱伝導率を向上させることができ、放熱性を向上させることができる。ヒートシンクの製造方法は、焼結体ＣＵＤ１を製造するステップと、焼結体を用いてヒートシンクを形成するステップとを備える。このようにして、ヒートシンクを製造することができる。

次に、本実施形態の効果を説明する。本実施形態の焼結体ＣＵＤ１は、ダイヤモンド粒子１０と、銅部材５１との間にＳＡＭ膜１４を備えている。焼結体ＣＵＤ１のＳＡＭ膜１４は、加熱焼結工程において、構造及び厚さの変化を低減することができ、熱伝導率の低下を抑制することができる。また、熱伝導率のばらつきを抑制することができる。これにより、本実施形態の焼結体ＣＵＤ１は、熱伝導率を向上させることができる。

また、ＳＡＭ膜１４の銅部材５１側の官能基は、ＣＨ_３、ＮＨ_２及びＳＨのいずれかを含むようにすることができる。よって、ダイヤモンド粒子１０と銅部材５１との結合を、ファンデルワールス力による結合、水素結合による結合、及び、共有結合による結合から選択することができる。また、それぞれの結合における界面熱コンダクタンスも異なるので、それに応じて、所望の結合方法及び熱伝導率を選択することができる。

焼結体ＣＵＤ１において、ダイヤモンド粒子１０の体積分率を、略５０％とすることにより、同じ体積分率５０［％］の公知の銅－ダイヤモンド複合体よりも熱伝導率を向上させることができる。

本実施形態の焼結体ＣＵＤ１を含むヒートシンクは、熱伝導率を大きくすることができるので、放熱性を向上させることができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１０ ダイヤモンド粒子
１１ 被覆ダイヤモンド粒子
１２ 炭化ホウ素層
１３ ＯＨ修飾ダイヤモンド粒子
１４ ＳＡＭ膜
１５ ＳＡＭ修飾ダイヤモンド粒子
２０ ホウ素
３０ ホウ酸
４０ 撹拌機
５０ 銅粉末
５１ 銅部材
６０ プレス機
７０、８０ 焼結体

Claims (4)

1. 焼結された銅部材と、
   銅部材中に分散した複数のダイヤモンド粒子と、
   各ダイヤモンド粒子と、前記銅部材との間に形成された自己組織化単分子膜と、
   を備えた焼結体であって、
   前記自己組織化単分子膜の銅部材側の官能基は、ＣＨ _３ を含み、
   前記自己組織化単分子膜は、前記官能基に接続された（ＣＨ _２ ） _ｎ のチェーンにおいて、ｎが３の前記チェーンを含む、焼結体。
2. 請求項１に記載の焼結体を含むヒートシンク。
3. ダイヤモンド粒子の表面にシランカップリングを用いて自己組織化単分子膜を形成するステップと、
   前記自己組織化単分子膜が形成された複数の前記ダイヤモンド粒子と銅粉末とを焼結させるステップと、
   を備えた焼結体の製造方法であって、
   前記自己組織化単分子膜を形成するステップにおいて、
   前記自己組織化単分子膜の銅部材側の官能基は、ＣＨ _３ を含むようにし、
   前記自己組織化単分子膜は、前記官能基に接続された（ＣＨ _２ ） _ｎ のチェーンにおいて、ｎが３の前記チェーンを含む、
   焼結体の製造方法。
4. 請求項３に記載の焼結体の製造方法と、
   前記焼結体を用いてヒートシンクを形成するステップと、
   を備えたヒートシンクの製造方法。

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