JPH11140559A - Composite material and its production - Google Patents

Composite material and its production

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JPH11140559A
JPH11140559A JP31888897A JP31888897A JPH11140559A JP H11140559 A JPH11140559 A JP H11140559A JP 31888897 A JP31888897 A JP 31888897A JP 31888897 A JP31888897 A JP 31888897A JP H11140559 A JPH11140559 A JP H11140559A
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JP
Japan
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carbon
copper
matrix
composite material
fiber
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Application number
JP31888897A
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Japanese (ja)
Inventor
Takahiro Okada
貴弘 岡田
Masato Sakata
正人 坂田
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Furukawa Electric Co Ltd
Original Assignee
Furukawa Electric Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a composite material reinforced by fibers composed of carbon and/or graphite and having low thermal expansion coefficient in facial direction and to provide a method for producing it. SOLUTION: This composite material composed of carbon and/or graphite- series fibers and a matrix of copper or a copper alloy is the one composed of carbon and/or graphite-series fibers and a matrix of copper or a copper alloy, and, as for the carbon and/or graphite-series fibers, the length thereof exceeds 40 μm, the aspect ratio and volume ratio lie in the range surrounded by the points A (4, 75), B (10, 75), C (30, 55), D (30, 25), E (20, 25) and F (4, 45) shown by the fig. 1, and, furthermore, they are oriented in the direction of the two-dimensional face at random. It has a low thermal expansion coefficient in the facial direction and is suitable as the material for a substrate for a semiconductor device.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、炭素及び/又は黒
鉛質の繊維と銅もしくは銅合金のマトリックスよりなる
複合材料並びその製造方法に係り、特に面方向に低熱膨
張係数を持ち半導体装置用基板の材料として好適な炭素
及び/又は黒鉛質の繊維と銅もしくは銅合金のマトリッ
クスよりなる複合材料並びその製造方法に関するもので
ある。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a composite material comprising carbon and / or graphite fibers and a matrix of copper or copper alloy and a method for producing the same, and more particularly to a substrate for a semiconductor device having a low thermal expansion coefficient in the plane direction. The present invention relates to a composite material comprising carbon and / or graphitic fiber and a matrix of copper or copper alloy, and a method for producing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】セラミック等からなる強化材と金属を複
合化し、双方の利点を有する様々な材料が開発され広く
実用化されている。そのうちの一つとして、炭素もしく
は黒鉛質繊維と銅の複合材が挙げられる。この複合材料
は、炭素の持つ潤滑性と銅のもつ高電気伝導性を活かし
た集電ブラシや、炭素もしくは黒鉛質繊維の持つ低熱膨
張の特性と、銅の持つ高熱伝導性を活かした低熱膨張高
熱伝導性の半導体装置用基板などに用いられている。
2. Description of the Related Art Various materials having a combination of a reinforcing material made of ceramic or the like and a metal and having both advantages have been developed and put into practical use. One of them is a composite of carbon or graphitic fiber and copper. This composite material has a low thermal expansion property utilizing the lubricating properties of carbon and the high electrical conductivity of copper, and the low thermal expansion properties of carbon or graphite fibers and the high thermal conductivity of copper. It is used as a substrate for semiconductor devices having high thermal conductivity.

【0003】半導体装置用基板としてこのような複合材
料を使用する際、基板の少なくとも面方向の熱膨張係数
を低くする必要があり、そのために面方向に熱膨張が低
くなるように人為的に炭素繊維を配置したものが知られ
ている(従来例1、特公昭59−16406号公報、特
公昭58−16615号公報)。
When such a composite material is used as a substrate for a semiconductor device, it is necessary to lower the coefficient of thermal expansion at least in the plane direction of the substrate. A fiber in which fibers are arranged is known (conventional example 1, JP-B-59-16406, JP-B-58-16615).

【0004】また、炭素繊維のアスペクト比が200以
上の比較的長い繊維を混合して固化し、等方的に配向さ
せたものが知られている(従来例2、特公昭61−30
013号公報)。また、40μm以下という短い炭素繊
維をマトリックスである銅もしくはAlの粉末と混合し
加圧焼結して得られた半導体装置用放熱部材が提案され
ている(従来例3、特開平9−64254号公報)。ま
た、AlもしくはAl合金の母相に炭素繊維を2次元方
向に無秩序に配向させたものが提案されている(従来例
4、特開平4−147654号公報)。
[0004] Further, there is known a carbon fiber in which a relatively long fiber having an aspect ratio of 200 or more is mixed, solidified, and isotropically oriented (Conventional Example 2, Japanese Patent Publication No. Sho 61-30).
No. 013). Further, a heat radiating member for a semiconductor device obtained by mixing a carbon fiber as short as 40 μm or less with copper or Al powder as a matrix and sintering under pressure has been proposed (Conventional Example 3, JP-A-9-64254). Gazette). Further, there has been proposed one in which carbon fibers are randomly oriented in a two-dimensional direction in a matrix of Al or an Al alloy (Conventional Example 4, Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-147654).

【0005】また、複合材料の製法としては、従来より
粉末冶金法が一般的で、金属粉末と炭素等の複合材料の
製造にホットプレス法やHIP法がしばしば使われ、と
りわけHIP法は、量産性に優れた方法といえる。HI
P法で複合材料を製作する場合、混合物の圧縮成形体を
金属製カプセルに入れ脱気した後密封し、高温高圧処理
することにより複合材料の製作がなされるものである。
このHIP法による複合材料の製作で大きな変形が行わ
れた場合、金属製カプセルの胴体部や蓋の中心部が優先
的に変形し、金属製カプセルの圧縮成形体に不均一な変
形が生ずる。このようなHIP処理時におけるカプセル
の不均一な変形を防止することに関し、Al粉末と強化
材粉末との混合体の成形において、カプセルの側壁部を
蛇腹体とすることが知られている(従来例5、特許第2
535401号公報)。
As a method for producing a composite material, a powder metallurgy method has been generally used, and a hot press method or an HIP method is often used for producing a composite material such as metal powder and carbon. In particular, the HIP method is used for mass production. It can be said that this method has excellent properties. HI
When a composite material is manufactured by the P method, a composite material is manufactured by placing a compression-molded product of the mixture in a metal capsule, degassing, sealing, and subjecting the mixture to high-temperature and high-pressure treatment.
When a large deformation is performed in the production of the composite material by the HIP method, the body of the metal capsule and the center of the lid are preferentially deformed, and the compression molded body of the metal capsule is unevenly deformed. In order to prevent such non-uniform deformation of the capsule during the HIP process, it is known that the side wall of the capsule is formed into a bellows body in forming a mixture of Al powder and reinforcing material powder (conventionally). Example 5, Patent No. 2
No. 535401).

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例1では、長繊維を人為的に配置するのは製作に手間
がかかり経済的とはいい難いものであり、またこの長繊
維を配置したものでは、Ag蝋付けなどによる高温の熱
履歴を加えると局部的に極めて大きな内部応力が発生
し、マトリックスがその内部応力に耐えられず材料が破
損もしくは変形が生じる危険が大きいという問題ががあ
った。
However, in the above-mentioned conventional example 1, it is difficult to arrange the long fibers artificially because it takes time and effort to manufacture, and it is difficult to say that it is economical. However, when a high-temperature heat history such as Ag brazing is applied, an extremely large internal stress is locally generated, and there is a problem that the matrix cannot withstand the internal stress and there is a high risk of material breakage or deformation. .

【0007】上記従来例2では、繊維長がアスペクト比
で200以上と比較的長い繊維を使用しており、ホット
プレス法を用いると繊維を十分に面方向に配向させるこ
とはできず、且つ繊維が曲がったまま固化されやすくな
るため材料中に極めて大きな内部応力が蓄積されること
となり、上記従来例1と同様に熱履歴による材料の破
損、変形の危険が大きく十分な信頼性があるとは言えな
いものである。
In the above conventional example 2, fibers having a relatively long fiber length of 200 or more in aspect ratio are used. If the hot press method is used, the fibers cannot be sufficiently oriented in the plane direction. It is easy to be solidified while being bent, so that an extremely large internal stress is accumulated in the material, and there is a high risk of damage and deformation of the material due to heat history as in the above-mentioned conventional example 1 and there is sufficient reliability. I can't say it.

【0008】また、上記従来例3では、40μm以下と
いう短い繊維を用いているが、これでは各繊維の熱膨張
係数低下効果が著しく低くなり所望の熱膨張係数を得る
のに極めて多量のカーボン繊維を必要とし、この場合高
い熱伝導率を得るには黒鉛化度の高い高級な繊維を用い
る必要があり、高コストであるという問題がある。ま
た、上記従来例4では、Alの母相に炭素繊維を2次元
方向に無秩序に配向させたものであるが、半導体装置用
に適用した場合、十分な信頼性があるものとは言えない
ものである。
Further, in the above-mentioned conventional example 3, the fibers having a short length of 40 μm or less are used. However, in this case, the effect of lowering the thermal expansion coefficient of each fiber is remarkably reduced, and a very large amount of carbon fibers is required to obtain a desired thermal expansion coefficient. In this case, in order to obtain high thermal conductivity, it is necessary to use a high-grade fiber having a high degree of graphitization, and there is a problem that the cost is high. Further, in the above-mentioned conventional example 4, although carbon fibers are randomly oriented in the two-dimensional direction in the matrix of Al, when applied to a semiconductor device, they cannot be said to have sufficient reliability. It is.

【0009】また、上記従来例5では、HIP処理のカ
プセル側壁部を蛇腹体することが示されているが、これ
はAl粉末と強化材粉末との混合体の成形についてのも
ので、カプセルの不均一変形を阻止すると同時に、銅も
しくは銅合金からなるマトリックス中の炭素及び/又は
黒鉛質繊維の配向を揃えるという作用については開示さ
れていないものである。
Also, in the above-mentioned conventional example 5, it is shown that the capsule side wall portion of the HIP process is made bellows, but this relates to the molding of a mixture of Al powder and reinforcing material powder. It does not disclose an effect of preventing non-uniform deformation and at the same time aligning the orientation of carbon and / or graphitic fibers in a matrix made of copper or a copper alloy.

【0010】本発明は、炭素及び/又は黒鉛質からなる
繊維によって強化され、面方向に低熱膨張係数を有し、
特に半導体装置用基板の材料として好適な炭素及び/又
は黒鉛質の繊維と銅もしくは銅合金のマトリックスより
なる複合材料並びその製造方法を提供するものである。
[0010] The present invention is reinforced by a fiber made of carbon and / or graphite, has a low coefficient of thermal expansion in the plane direction,
In particular, the present invention provides a composite material composed of carbon and / or graphite fibers and a matrix of copper or a copper alloy, which is suitable as a material for a substrate for a semiconductor device, and a method for producing the same.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】本発明は、炭素及び/又
は黒鉛質の繊維と、銅もしくは銅合金からなるマトリッ
クスにより構成され、前記炭素及び/又は黒鉛質の繊維
は、その長さが40μmを越えるもので、アスペクト比
及び体積率が図1に示すA(4,75)、B(10,7
5)、C(30,55)、D(30,25)、E(2
0,25)、F(4,45)の点に囲まれた範囲内であ
り、かつ2次元面方向にランダムに配向させたことを特
徴とする炭素及び/又は黒鉛質の繊維と銅もしくは銅合
金のマトリックスよりなる複合材料である。
The present invention comprises carbon and / or graphite fibers and a matrix made of copper or a copper alloy, wherein the carbon and / or graphite fibers have a length of 40 μm. A (4,75) and B (10,7) shown in FIG.
5), C (30, 55), D (30, 25), E (2
0, 25), carbon and / or graphitic fibers and copper or copper within a range surrounded by points F (4, 45) and randomly oriented in a two-dimensional plane direction. A composite material consisting of an alloy matrix.

【0012】本発明の炭素及び/又は黒鉛質の繊維と銅
もしくは銅合金のマトリックスよりなる複合材料は、そ
のアスペクト比及び体積率が、好ましくは、図2のH
(5,70)、I(15,60)、J(20,60)、
K(20,40)、L(10,40)、M(5,50)
の点に囲まれた範囲内であることを特徴とするものであ
る。なお、本発明において、体積率とは、(炭素及び/
又は黒鉛質の繊維の体積)/(炭素及び/又は黒鉛質の
繊維の体積+マトリックスの銅もしくは銅合金の体積)
である。
The composite material comprising carbon and / or graphitic fibers and a matrix of copper or a copper alloy according to the present invention preferably has an aspect ratio and a volume ratio of H of FIG.
(5,70), I (15,60), J (20,60),
K (20,40), L (10,40), M (5,50)
Are within the range surrounded by the dots. In the present invention, the volume ratio is defined as (carbon and / or
Or volume of graphitic fiber) / (volume of carbon and / or graphitic fiber + volume of copper or copper alloy of matrix)
It is.

【0013】また本発明の炭素及び/又は黒鉛質の繊維
と銅もしくは銅合金のマトリックスよりなる複合材料
は、マトリックスが銅もしくは、さらにMo,W,C
r、Ag、セラミック粒子の1種又は2種以上を含む銅
合金であることを特徴とするものである。また本発明の
炭素及び/又は黒鉛質の繊維と銅もしくは銅合金のマト
リックスよりなる複合材料は、半導体装置用基板として
用いられることを特徴とするものである。
The composite material comprising carbon and / or graphitic fibers and a matrix of copper or a copper alloy according to the present invention is characterized in that the matrix is copper or further Mo, W, C
It is a copper alloy containing one or more of r, Ag, and ceramic particles. Further, the composite material of the present invention comprising a matrix of carbon and / or graphite fibers and copper or a copper alloy is used as a substrate for a semiconductor device.

【0014】また本発明は、炭素及び/又は黒鉛質から
なる繊維とマトリックスの粉末からなる混合物の圧縮成
型物を蛇腹状側壁の金属製カプセルに装填して脱気後密
封し、熱間静水圧加圧により、前記圧縮成型物を密封し
た金属製カプセルを1軸方向に収縮させることを特徴と
する炭素及び/又は黒鉛質の繊維と銅もしくは銅合金の
マトリックスよりなる複合材料の製造方法である。
Further, according to the present invention, a compression molded product of a mixture of carbon and / or graphite fibers and a matrix powder is charged into a metal capsule having a bellows-like side wall, degassed, sealed, and subjected to hot hydrostatic pressure. A method for producing a composite material comprising carbon and / or graphitic fibers and a matrix of copper or a copper alloy, wherein a metal capsule in which the compression molded product is sealed is contracted in a uniaxial direction by pressurization. .

【0015】また本発明の炭素及び/又は黒鉛質の繊維
と銅もくは銅合金のマトリックスよりなる複合材料の製
造方法は、金属製カプセルの蓋部分の肉厚が、蛇腹状金
属製カプセルの側壁部の肉厚の2倍以上であることを特
徴とするものである。また本発明の炭素及び/又は黒鉛
質の繊維と銅もくは銅合金のマトリックスよりなる複合
材料の製造方法は、圧縮成型物を蛇腹状側壁の金属製カ
プセルに装填し、スペーサーを入れ脱気後密封すること
を特徴とするものである。
Further, according to the method for producing a composite material comprising a carbon and / or graphitic fiber and a matrix of copper or a copper alloy according to the present invention, the thickness of the lid portion of the metal capsule is reduced. The thickness is at least twice the thickness of the side wall. The method for producing a composite material comprising a carbon and / or graphite fiber and a copper or copper alloy matrix according to the present invention comprises the steps of: loading a compression-molded product into a metal capsule having a bellows-like side wall; It is characterized by being sealed afterwards.

【0016】また本発明の炭素及び/又は黒鉛質の繊維
と銅もくは銅合金のマトリックスよりなる複合材料の製
造方法は、炭素及び/又は黒鉛質からなる繊維とマトリ
ックスの粉末からなる混合物の圧縮成型物が、銅の薄板
もしくは箔で包まれていることを特徴とするものであ
る。
The method for producing a composite material comprising carbon and / or graphitic fibers and a matrix of copper or copper alloy according to the present invention comprises the steps of: The compression molded product is characterized by being wrapped with a thin copper plate or foil.

【0017】さらに、本発明の炭素及び/又は黒鉛質の
繊維と銅もくは銅合金のマトリックスよりなる複合材料
の製造方法は、熱間静水圧加圧が、800℃以上で、銅
もしくは銅合金の融点以下の温度で行われることを特徴
とするものである。
Further, the method for producing a composite material comprising carbon and / or graphitic fibers and a matrix of copper or copper alloy according to the present invention is characterized in that hot isostatic pressing is performed at 800 ° C. or more, It is carried out at a temperature lower than the melting point of the alloy.

【0018】[0018]

【作用】本発明の炭素及び/又は黒鉛質の繊維と銅もし
くは銅合金のマトリックスよりなる複合材料によれば、
炭素及び/又は黒鉛質からなる繊維によって強化され、
面方向に低熱膨張係数を有し、また焼結固化による内部
応力が小さく、熱履歴による変形、破損の危険がないも
のである。また、本発明は、炭素及び/又は黒鉛質の繊
維が2次元面方向にランダムに配向しているので、収縮
軸に垂直な面方向の熱膨張係数は低い値をとることがで
き、高熱伝導性の黒鉛化率の高い黒鉛質繊維を用いるこ
とにより、この方向に高熱伝導とすることができるの
で、この面に対し平行な向きに材料を切り出せば半導体
装置用基板として好適な製品を得ることができる。
According to the composite material of the present invention comprising a carbon and / or graphitic fiber and a matrix of copper or a copper alloy,
Reinforced by carbon and / or graphitic fibers,
It has a low coefficient of thermal expansion in the plane direction, has small internal stress due to sintering and solidification, and has no danger of deformation or breakage due to thermal history. Further, according to the present invention, since the carbon and / or graphitic fibers are randomly oriented in the two-dimensional plane direction, the coefficient of thermal expansion in the plane direction perpendicular to the shrinkage axis can have a low value, and high thermal conductivity can be obtained. By using a graphitic fiber having a high graphitization rate, high heat conduction can be achieved in this direction, and if a material is cut out in a direction parallel to this surface, a product suitable as a substrate for a semiconductor device can be obtained. Can be.

【0019】また、本発明の炭素及び/又は黒鉛質の繊
維と銅もしくは銅合金のマトリックスよりなる複合材料
の製造は、熱間静水圧加圧(HIP法)で蛇腹状側壁の
金属製カプセルを用い、1軸方向に収縮させるので、炭
素及び/又は黒鉛質からなる繊維を収縮方向に対して垂
直な方向に配向させることができるものである。
Further, the production of the composite material comprising the carbon and / or graphitic fibers and the matrix of copper or copper alloy of the present invention is performed by hot isostatic pressing (HIP method). Since it is used and contracted in one axis direction, the fiber made of carbon and / or graphite can be oriented in a direction perpendicular to the contraction direction.

【0020】本発明の複合材料は、マトリックスとして
銅もしくは銅合金を用いるので、熱伝導性が良好であ
る。またマトリックスがAlの複合材料の場合は、炭
素、黒鉛の繊維とAlとの界面に、Al等の有害
な炭化物が形成され、温度サイクル時に界面で剥離しや
すく、炭素、黒鉛繊維による熱膨脹低下効果が充分に得
られず、信頼性の点で問題があるが、銅もしくは銅合金
のマトリックスではかかる問題がない。さらに、パッケ
ージと放熱基板とのAgろう付けが可能な耐熱性を有
し、セラミックスパッケージに対する放熱基板としても
有用なものである。
Since the composite material of the present invention uses copper or copper alloy as the matrix, it has good thermal conductivity. When the matrix is an Al composite material, harmful carbides such as Al 4 C 3 are formed at the interface between carbon and graphite fibers and Al, and are easily separated at the interface during a temperature cycle. The effect of reducing the thermal expansion cannot be sufficiently obtained, and there is a problem in reliability. However, there is no such problem in the matrix of copper or copper alloy. Further, it has heat resistance that enables Ag brazing between the package and the heat radiating substrate, and is also useful as a heat radiating substrate for a ceramic package.

【0021】本発明の炭素及び/又は黒鉛質繊維のアス
ペクト比及び体積率の限定理由を説明する。図1は、横
軸にアスペクト比、縦軸に炭素及び/又は黒鉛質からな
る繊維の体積率を示し、炭素及び/又は黒鉛質の繊維と
銅もしくは銅合金のマトリックスよりなる複合材料のア
スペクト比と体積率の関係を示す図である。本発明の炭
素及び/又は黒鉛質からなる繊維のアスペクト比及び体
積率は、図1に示すA(4,75)、B(10,7
5)、C(30,55)、D(30,25)、E(2
0,25)、F(4,45)の点に囲まれた範囲内であ
る。
The reasons for limiting the aspect ratio and volume ratio of the carbon and / or graphitic fibers of the present invention will be described. FIG. 1 shows the aspect ratio on the horizontal axis and the volume ratio of carbon and / or graphitic fibers on the vertical axis, and shows the aspect ratio of the composite material composed of carbon and / or graphite fibers and a matrix of copper or copper alloy. It is a figure which shows the relationship between a volume ratio. The aspect ratio and volume ratio of the carbon and / or graphitic fiber of the present invention are shown by A (4,75) and B (10,7) shown in FIG.
5), C (30, 55), D (30, 25), E (2
0, 25) and F (4, 45).

【0022】アスペクト比とは、繊維長/繊維径であ
る。本発明のアスペクト比の限定理由は、アスペクト比
が4より小さい炭素及び/又は黒鉛質からなる繊維は、
作製が困難でありコスト高になるのでアスペクト比4以
上のものを用いた。またアスペクト比が30を越えると
複合材料を焼結固化した際に蓄積される内部応力が大き
くなりすぎ、熱履歴による変形、破損の危険が大きいの
で30以下に限定した。
The aspect ratio is fiber length / fiber diameter. The reason for limiting the aspect ratio of the present invention is that the fiber made of carbon and / or graphite having an aspect ratio of less than 4
Since the fabrication is difficult and the cost is high, one having an aspect ratio of 4 or more was used. When the aspect ratio exceeds 30, the internal stress accumulated when the composite material is sintered and solidified is too large, and the risk of deformation and breakage due to heat history is large.

【0023】体積率の限定理由は、炭素及び/又は黒鉛
質繊維の体積率が、75%を越えると焼結固化が困難と
なり、たとえ焼結できても脆くなり、複合材料としての
特性が得られず、特に半導体装置用基板として要求され
る特性を満たすことはできない。また体積率が、25%
より小さいと熱膨張係数が大きくなりすぎて適当ではな
いので体積率は25%以上75%以下に限定される。
The reason for limiting the volume ratio is that if the volume ratio of carbon and / or graphitic fibers exceeds 75%, sintering and solidification becomes difficult, and even if sintering can be performed, the material becomes brittle, and characteristics as a composite material are obtained. Therefore, the characteristics required as a substrate for a semiconductor device cannot be satisfied. The volume ratio is 25%
If it is smaller, the coefficient of thermal expansion becomes too large, which is not appropriate. Therefore, the volume ratio is limited to 25% or more and 75% or less.

【0024】さらに、これらの条件を満たしていても、
図1における線L1(一点鎖線)より上部の領域では、
焼結固化した際の内部応力が大きくなるため、熱履歴に
より変形、破壊を生じるため適当でない。また線L2
(一点鎖線)よりより下部の領域では熱膨張係数を小さ
くすることはできない。特に半導体装置用基板として適
当な熱膨張係数の値まで下げることはできない。このよ
うな理由により図1に示すA(4,75)、B(10,
75)、C(30,55)、D(30,25)、E(2
0,25)、F(4,45)の点に囲まれた領域に炭素
及び/又は黒鉛質繊維のアスペクト比及び繊維の体積率
を特定した。特に好ましいのは、アスペクト比と体積率
の関係を示す図2のH(5,70)、I(15,6
0)、J(20,60)、K(20,40)、L(1
0,40)、M(5,50)の点に囲まれた領域であ
る。
Furthermore, even if these conditions are satisfied,
In the region above the line L1 (dashed line) in FIG.
It is not suitable because the internal stress at the time of sintering and solidification becomes large, causing deformation and destruction due to heat history. Line L2
The thermal expansion coefficient cannot be reduced in the region below (dashed line). In particular, the thermal expansion coefficient cannot be reduced to a value suitable for a semiconductor device substrate. For these reasons, A (4,75), B (10,
75), C (30, 55), D (30, 25), E (2
(0,25), the aspect ratio of carbon and / or graphitic fibers and the volume ratio of the fibers in the region surrounded by the points of F (4,45). Particularly preferred are H (5,70) and I (15,6) in FIG. 2 showing the relationship between the aspect ratio and the volume ratio.
0), J (20, 60), K (20, 40), L (1
0,40) and M (5,50).

【0025】また、2次元面方向に繊維を無秩序に配向
させるのは、それにより内部応力の集中が問題になるよ
うな長い繊維を用いなくても、アスペクト比と体積率で
規定される最小の繊維量で所定の低熱膨張が得られるか
らである。図3は、本発明の複合材料の概要を示す図
で、複合材料(2)は、銅もしくは銅合金からなるマト
リックス(3)に、炭素及び/又は黒鉛質繊維(1)が
2次元面方向にランダムに配向されているものである。
Further, the fibers are randomly oriented in the two-dimensional plane direction because the minimum fiber defined by the aspect ratio and the volume ratio can be used without using a long fiber that causes a problem of concentration of internal stress. This is because a predetermined low thermal expansion can be obtained with the fiber amount. FIG. 3 is a view showing an outline of the composite material of the present invention. In the composite material (2), carbon and / or graphitic fibers (1) are two-dimensionally oriented in a matrix (3) made of copper or a copper alloy. Are randomly oriented.

【0026】本発明の複合材料は、面方向で低い熱膨張
係数が得られるものである。半導体装置用基板として適
用するときは、半導体装置の形態にもよるが熱膨張係数
は5〜11ppm/℃が適当であり、その中でも7.0
〜9.0ppm/℃が好ましいものであり、本発明の複
合材料の面方向の低熱膨張係数はかかる要求に対応でき
るものである。
The composite material of the present invention has a low coefficient of thermal expansion in the plane direction. When applied as a substrate for a semiconductor device, the coefficient of thermal expansion is suitably 5 to 11 ppm / ° C., depending on the form of the semiconductor device.
-9.0 ppm / ° C is preferable, and the low thermal expansion coefficient in the plane direction of the composite material of the present invention can meet such a requirement.

【0027】[0027]

【発明の実施の形態】本発明の炭素及び/又は黒鉛質繊
維のアスペクト比及び体積率について上述したが、炭素
及び/又は黒鉛質の繊維の径は、5〜20μmのものが
用いられ、好ましくは8〜12μmのものである。その
長さが40μmを越えるものである。なお、繊維の平均
長さの上限はそのアスペクト比(繊維長/繊維径)で定
まる。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The aspect ratio and volume ratio of the carbon and / or graphitic fibers of the present invention have been described above. The diameter of the carbon and / or graphitic fibers is preferably 5 to 20 μm, and is preferably used. Is 8 to 12 μm. Its length exceeds 40 μm. The upper limit of the average fiber length is determined by its aspect ratio (fiber length / fiber diameter).

【0028】また、本発明のマトリックスは銅もしくは
銅合金である。マトリックスとしては銅のみでもよい
が、銅もしくは銅に、さらにMo,W,Cr、Ag、セ
ラミック粒子の1種又は2種以上を添加した銅合金を用
いてもよい。用途に応じて、例えば強度の上昇を意図し
てMo,W,Cr等の高融点金属の1種又は2種以上を
添加する。またセラミック粒子を添加する。また耐熱性
を向上させるためにAgなどを添加してもよい。
The matrix of the present invention is copper or a copper alloy. As the matrix, only copper may be used, but copper or a copper alloy obtained by further adding one or more of Mo, W, Cr, Ag, and ceramic particles to copper may be used. Depending on the application, for example, one or more of high melting point metals such as Mo, W, and Cr are added for the purpose of increasing the strength. Further, ceramic particles are added. Ag or the like may be added to improve heat resistance.

【0029】本発明の複合材料の製造方法は、炭素もし
くは黒鉛質からなる繊維を、マトリックスをなす銅を主
とする粉末と共にボールミル等の手法で混合する。ま
た、マトリックスとして、CuにMo,W,Cr、Ag
の粉末の1種又は2種以上を、またはセラミック粒子を
添加し、ボールミル等の手法で混合して得た原料混合物
を圧粉型に入れプレスして混合物の圧縮成型物を得る。
In the method for producing a composite material of the present invention, carbon or graphite fibers are mixed with a powder mainly composed of copper as a matrix by a method such as a ball mill. As a matrix, Mo, W, Cr, Ag is added to Cu.
The raw material mixture obtained by adding one or more of the above powders or ceramic particles and mixing by a method such as a ball mill is put into a compacting mold and pressed to obtain a compression molded product of the mixture.

【0030】炭素及び/又は黒鉛質からなる繊維とマト
リックスの粉末からなる混合物の圧縮成型物をHIP
(熱間静水圧加圧)法を用いて焼結固化させる工程につ
いて図面を参照して説明する。図4〜図6は、本発明の
圧縮成型物をHIPで焼結固化させる工程を示すもの
で、まず図4に示すように、炭素及び/又は黒鉛質の繊
維(1)とマトリックスの粉末(7)との圧縮成型物
(8)を側壁を蛇腹体(9)で構成される金属製カプセ
ルに装填し、蓋(11)(12)と蛇腹体(9)を真空
中で電子ビーム溶接するなどして真空密封する。
A compression molding of a mixture of carbon and / or graphitic fibers and a matrix powder is prepared by HIP.
The process of sintering and solidifying using the (hot isostatic pressing) method will be described with reference to the drawings. 4 to 6 show a step of sintering and solidifying the compression molded product of the present invention by HIP. First, as shown in FIG. 4, carbon and / or graphite fibers (1) and matrix powder ( The side wall of the compression molded product (8) with (7) is loaded into a metal capsule composed of a bellows body (9), and the lids (11) and (12) and the bellows body (9) are subjected to electron beam welding in a vacuum. And vacuum sealed.

【0031】側壁を蛇腹体(9)で構成される金属製カ
プセルの材料としては、主に、ステンレス鋼が用いられ
る。ステンレス鋼の中でもSUS304が溶接性の点か
ら望ましい。また蛇腹体(9)と、蓋(11)(12)
は同一の材料で構成することが好ましい。また、側壁を
蛇腹体で構成される金属製カプセルは、円筒状、角筒状
いずれでもよい。加圧の均一性という点では円筒状が好
ましく、ビレットから所定の部材を得る際の歩留まりと
いう点では角筒状が好ましい。また、金属製カプセル側
壁の蛇腹体は、円弧状のものを図示したが、これに限る
ものではなく、三角状の蛇腹でもよい。
Stainless steel is mainly used as the material of the metal capsule whose side wall is formed of the bellows body (9). Among stainless steels, SUS304 is desirable from the viewpoint of weldability. In addition, a bellows body (9), lids (11) and (12)
Are preferably made of the same material. Further, the metal capsule whose side wall is formed of a bellows body may be cylindrical or rectangular cylindrical. A cylindrical shape is preferable in terms of uniformity of pressurization, and a rectangular cylindrical shape is preferable in terms of yield when a predetermined member is obtained from a billet. Further, the bellows body of the side wall of the metal capsule is illustrated as having an arc shape, but is not limited thereto, and may be a triangular bellows.

【0032】また、炭素もしくは黒鉛質からなる繊維の
体積率が大きくなると、圧縮成型物の保形性が失われる
ので、銅薄板もしくは箔で包むことが好ましい。例え
ば、予め圧粉用型の内面に沿って銅箔(13)を敷き詰
め、その中に炭素もしくは黒鉛質からなる繊維(1)と
マトリックス粉体(7)の混合物を充填し圧粉すること
により圧粉体の圧縮成型物(8)が銅箔(13)に包ま
れた形態をとるようにして保形性を与えるようにして、
図5に示すように、側壁を蛇腹体(9)で構成される金
属製カプセルに装填し、蓋(11)(12)をして真空
密封することが好ましい。
When the volume ratio of the carbon or graphite fiber is increased, the shape retention of the compression molded product is lost. Therefore, it is preferable to wrap the material with a thin copper plate or foil. For example, copper foil (13) is laid in advance along the inner surface of the compacting die, and a mixture of carbon or graphite fiber (1) and matrix powder (7) is filled therein and compacted. The compression molded product (8) of the green compact is given a form wrapped in a copper foil (13) so as to give shape retention,
As shown in FIG. 5, it is preferable that the side wall is loaded into a metal capsule constituted by a bellows body (9), and the lids (11) and (12) are closed by vacuum.

【0033】次いで、図6に示すように、側壁が蛇腹体
(9)の金属製カプセルに装填され、蓋(11)(1
2)で真空密封された圧縮成型物(8)をHIP処理す
る。金属製カプセル側壁の蛇腹体(9)は、その胴体の
軸方向に収縮する。収縮が進行すると、金属製カプセル
胴体の軸に垂直な面方向の強度は増すが、さらに軸方向
に収縮が進行する。この結果軸に垂直な面内ではどこで
も同じ加圧収縮が起こるので、この面内では炭素もしく
は黒鉛質からなる繊維(1)の体積比、配向は同じとな
る。このように加圧し1軸方向に収縮させることによ
り、炭素もしくは黒鉛質からなる繊維(1)は収縮軸方
向に垂直な面内に配向し、マトリックス(3)に、炭素
及び/又は黒鉛質繊維(1)が2次元面方向にランダム
に配向されているものとなり、本発明の複合材料が容易
に且つ高い歩留まりで得ることができる。
Next, as shown in FIG. 6, the side wall is loaded into the metal capsule of the bellows body (9), and the lid (11) (1)
The compression molded article (8) vacuum-sealed in 2) is HIPed. The bellows (9) of the side wall of the metal capsule contracts in the axial direction of its body. As the shrinkage proceeds, the strength in the plane direction perpendicular to the axis of the metal capsule body increases, but the shrinkage further proceeds in the axial direction. As a result, the same pressure shrinkage occurs everywhere in the plane perpendicular to the axis, so that the volume ratio and orientation of the fibers (1) made of carbon or graphite are the same in this plane. By pressurizing and contracting in the uniaxial direction as described above, the fiber (1) made of carbon or graphitic material is oriented in a plane perpendicular to the direction of the contraction axis, and carbon and / or graphitic fiber is formed in the matrix (3). (1) is randomly oriented in the two-dimensional plane direction, and the composite material of the present invention can be easily obtained with a high yield.

【0034】本発明の複合材は、加圧し1軸方向に収縮
させることにより、マトリックス(3)に、炭素及び/
又は黒鉛質繊維(1)が2次元面方向にランダムに配向
されているものであるが、これについて図7(a)
(b)で検討した。図7(a)に示すように、金属製カ
プセル(23)に炭素、黒鉛質の繊維(1)とマトリッ
クスの粉末(20)との圧縮成型物を装填し、蓋(2
1)(22)で真空密封する。これにHIP処理を行っ
たところ、図7(b)に示すように、金属製カプセル
(23)、及び蓋(21)(22)の中心部が優先的に
変形し、その変形状況に応じて、繊維(1)の配向が全
体的に大きくばらついた。
The composite material of the present invention is compressed and uniaxially contracted, so that the matrix (3) contains carbon and / or carbon.
Alternatively, the graphitic fibers (1) are randomly oriented in the two-dimensional plane direction.
(B). As shown in FIG. 7 (a), a metal capsule (23) is charged with a compression-molded product of carbon / graphitic fiber (1) and matrix powder (20), and a lid (2) is formed.
1) Vacuum seal in (22). When this was subjected to HIP processing, as shown in FIG. 7B, the center portions of the metal capsule (23) and the lids (21) and (22) were preferentially deformed, and depending on the state of the deformation. In addition, the orientation of the fiber (1) was largely varied as a whole.

【0035】そこで、本発明の複合材料の製造では、蛇
腹状側壁の金属製カプセルを用いて、熱間静水圧加圧
(HIP法)で1軸方向に収縮させ、炭素及び/又は黒
鉛質からなる繊維を収縮方向に対して垂直な方向に配向
させるものである。また、蛇腹状側壁の金属製カプセル
を用いても、カプセル変形の不均一が発生することもあ
る。例えば図8に示すように、圧縮成型物のHIP処理
により、側壁が蛇腹体(9)の金属製カプセルに装填さ
れ、蓋(17)(18)で真空密封された圧縮成型物
は、側壁が蛇腹体(9)からなる胴体の軸方向に収縮す
るが、蓋(17)(18)の中心部が変形し、繊維
(1)の配向が全体的にばらつくことがある。このよう
な、不均一変形の発生に対応するために、金属製カプセ
ルの蓋を、側壁をなす蛇腹体の肉厚の2倍以上とするこ
とにより、蓋よりも側壁をなす蛇腹体を優先的に変形さ
せ、十分に充填密度を上げる。このようにすると、十分
に充填密度が上がるまで蓋に大きな圧力がかかるのが防
止できるので蓋のへこみを抑制できる。
Therefore, in the production of the composite material of the present invention, a metal capsule having a bellows-like side wall is contracted in a uniaxial direction by hot isostatic pressing (HIP method) to remove carbon and / or graphite from the material. The fibers are oriented in a direction perpendicular to the shrinking direction. Even when a metal capsule having a bellows-like side wall is used, nonuniform capsule deformation may occur. For example, as shown in FIG. 8, the side wall of the compression-molded product is loaded into the metal capsule of the bellows body (9) by HIP treatment, and the side wall of the compression-molded product is vacuum-sealed with the lids (17) and (18). Although it contracts in the axial direction of the body composed of the bellows body (9), the central part of the lids (17) and (18) may be deformed, and the orientation of the fiber (1) may vary as a whole. In order to cope with the occurrence of such non-uniform deformation, the lid of the metal capsule is made twice or more the thickness of the bellows forming the side wall, so that the bellows forming the side wall is given priority over the lid. To sufficiently increase the packing density. With this configuration, it is possible to prevent a large pressure from being applied to the lid until the packing density is sufficiently increased, so that the dent of the lid can be suppressed.

【0036】金属製カプセルの蓋を側壁蛇腹体の肉厚の
2倍以上の厚さにする変わりにスペーサーを用いてもよ
い。例えば、図9に示すように、炭素及び/又は黒鉛質
の繊維(1)とマトリックスの粉末(7)との銅箔(1
3)で包まれた圧縮成型物(8)を側壁蛇腹体(9)の
金属製カプセルに装填し、スペーサー(14)を入れ、
蓋(11)(12)をして真空密封する。スペーサーの
材質としては無酸素銅、黒鉛が好ましい。これをHIP
処理すると図10に示すように、金属製カプセルの側壁
蛇腹体(9)は1軸方向に収縮し、マトリックス(3)
に、炭素及び/又は黒鉛質繊維(1)が2次元面方向に
ランダムに配向されたものとなる。また、図9では、金
属製カプセルに挿入されるスペーサーを圧縮成型物の上
に配置しているが、圧縮成型物の上、下に配置してもよ
い。
Instead of making the lid of the metal capsule more than twice the thickness of the side wall bellows, a spacer may be used. For example, as shown in FIG. 9, a copper foil (1) of carbon and / or graphitic fiber (1) and matrix powder (7) is used.
The compression molded product (8) wrapped in 3) is loaded into a metal capsule of the side wall bellows (9), and a spacer (14) is put therein.
Cover with lids (11) and (12) and vacuum seal. Oxygen-free copper and graphite are preferable as the material of the spacer. This is HIP
When processed, as shown in FIG. 10, the side wall bellows (9) of the metal capsule shrinks in one axis direction and the matrix (3)
Then, the carbon and / or graphitic fibers (1) are randomly oriented in the two-dimensional plane direction. Further, in FIG. 9, the spacer to be inserted into the metal capsule is disposed on the compression molded product, but may be disposed above and below the compression molded product.

【0037】本発明の炭素及び/又は黒鉛質の繊維と銅
もしくは銅合金のマトリックスよりなる複合材料を半導
体装置用基板として用いる場合について図11を参照し
て説明する。本発明の複合材料は、炭素及び/又は黒鉛
質の繊維が2次元面方向にランダムに配向されているも
ので、このような複合材料を半導体基板の面方向に繊維
が配向しているようにして半導体装置用に適用する。
The case of using the composite material of the present invention comprising a matrix of carbon and / or graphite fibers and copper or a copper alloy as a substrate for a semiconductor device will be described with reference to FIG. The composite material of the present invention is one in which carbon and / or graphitic fibers are randomly oriented in a two-dimensional plane direction. Such a composite material is made such that the fibers are oriented in the plane direction of the semiconductor substrate. For semiconductor devices.

【0038】具体的には図11に示すように、本発明の
複合材料を基板の面方向に繊維が配向しているように切
り出し所定の形状に加工し、半導体装置用基板(4)と
して用いる。半導体装置用基板(4)には、必要に応じ
てNi,Au,Pd,などからなるめっき層を形成し、
その上に半導体素子(6)を搭載する。また半導体装置
用基板(4)は、アルミナやコバールなどからなるパッ
ケージの外囲器(5)と接合する。
Specifically, as shown in FIG. 11, the composite material of the present invention is cut out so that the fibers are oriented in the plane direction of the substrate, processed into a predetermined shape, and used as a semiconductor device substrate (4). . A plating layer made of Ni, Au, Pd, or the like is formed on the semiconductor device substrate (4) as necessary,
The semiconductor element (6) is mounted thereon. The semiconductor device substrate (4) is bonded to a package envelope (5) made of alumina, Kovar, or the like.

【0039】このように本発明の複合材料を半導体装置
用基板として用いるが、アスペクト比、繊維体積率を制
御することにより、各種半導体パッケージ材料と接合す
るのに好適な熱膨張係数とすることができる。それ故、
該基板とアルミナやコバールなどからなるパッケージの
外囲器と接合する際の熱膨張差に起因する反り等を抑制
でき、またガラスセラミックなどからなる端子と反り等
発生することなく接合できる。また発熱する半導体チッ
プとの間に発生する熱応力も緩和できるため、信頼性の
高い半導体装置が得られる。
As described above, the composite material of the present invention is used as a substrate for a semiconductor device. By controlling the aspect ratio and the fiber volume ratio, it is possible to obtain a thermal expansion coefficient suitable for bonding to various semiconductor package materials. it can. Therefore,
It is possible to suppress warpage or the like caused by a difference in thermal expansion when the substrate is joined to an envelope of a package made of alumina, Kovar, or the like, and it is possible to join a terminal made of glass ceramic without warping. In addition, since a thermal stress generated between the semiconductor chip and the heat-generating semiconductor chip can be reduced, a highly reliable semiconductor device can be obtained.

【0040】[0040]

【実施例1】本発明の第1の実施例を図5、図6及び表
1、表2を参照して説明する。まず、繊維径10μm、
平均繊維長200μmの黒鉛質繊維、及び平均径20μ
mの銅粉を用い、黒鉛質の繊維の体積率が50%になる
ように、所定重量の繊維、銅粉を秤量して配合し、ボー
ルミルにて混合し、これを予め内壁に沿って厚さ35μ
mの銅箔を敷き詰めた金型に入れ、1t/cmの圧力
で乾式プレスして圧縮成型物を形成した。この圧縮成型
物の充填率(圧縮成型物の体積の内、繊維と銅粉の混合
物が占める割合)は40%程度であった。
Embodiment 1 A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 5, 6 and Tables 1 and 2. FIG. First, fiber diameter 10μm,
Graphite fiber having an average fiber length of 200 μm and an average diameter of 20 μm
A predetermined weight of fiber and copper powder are weighed and mixed using a copper powder having a thickness of 50 m so that the volume ratio of the graphite fiber becomes 50%, and mixed by a ball mill. 35μ
m of copper foil was placed in a metal mold, and pressed under a pressure of 1 t / cm 2 to form a compression molded product. The filling rate of this compression molded product (the ratio of the mixture of fiber and copper powder to the volume of the compression molded product) was about 40%.

【0041】次いで、上述のように形成した圧縮成型物
を図5に示すように金属製カプセルに装填する。銅箔
(13)に包まれた黒鉛質繊維(1)とマトリックスと
なる銅粉(7)の圧縮成型物(8)を、内径65mm、
肉厚0.6mm、蛇腹のピッチ10.0mmで、材質が
SUS304からなる蛇腹状側壁(9)を有する金属製
カプセルの中に入れ、これの端面に厚さ2mmの蓋(1
1)(12)を真空中で電子ビーム溶接することによ
り、真空封入した。
Next, the compression molded product formed as described above is loaded into a metal capsule as shown in FIG. A compression molded product (8) of the graphite fiber (1) wrapped in the copper foil (13) and the copper powder (7) serving as a matrix was prepared with an inner diameter of 65 mm.
A metal capsule having a thickness of 0.6 mm and a bellows pitch of 10.0 mm and having a bellows-like side wall made of SUS304 and having a bellows-like side wall (9) is placed in a metal capsule.
1) (12) was vacuum-sealed by electron beam welding in vacuum.

【0042】次いで、1500気圧、1000℃2hの
条件でHIP処理した。図6に示すように、HIP処理
により金属製カプセルの蛇腹状側壁(9)は、その円筒
の軸方向に沿って一様に潰れて、圧縮成型物は1軸方向
に収縮された。圧縮成型物(8)の高さ約60mmのも
のが、1軸方向に収縮され、高さ約25mmの繊維強化
複合材料が得られた。また、黒鉛質繊維(1)は銅のマ
トリックス(3)に2次元面方向にランダムに配向され
ていた。
Next, HIP treatment was performed under the conditions of 1500 atm and 1000 ° C. for 2 hours. As shown in FIG. 6, the bellows-like side wall (9) of the metal capsule was uniformly crushed along the axial direction of the cylinder by the HIP treatment, and the compression molded product was contracted in one axial direction. The compression molded product (8) having a height of about 60 mm was shrunk in the uniaxial direction to obtain a fiber reinforced composite material having a height of about 25 mm. The graphitic fibers (1) were randomly oriented in a two-dimensional plane direction in the copper matrix (3).

【0043】比較例として、図7(a)(b)に示すよ
うにHIP処理を行ってみた。上記実施例1と同様に、
圧縮成型物を形成し、黒鉛質繊維(1)とマトリックス
となる銅粉(20)の圧縮成型物を、内径65mm、肉
厚0.6mmの円筒状の金属カプセル(23)に入れ、
蓋(21)(22)で同様に真空密封した。これを15
00気圧、1000℃2hの条件でHIP処理した。処
理終了後、これらをHIP装置から取り出したところ、
図7(b)に示すように金属カプセル(23)、及び蓋
(21)(22)の中心部分が大きくへこみいびつな形
となり、その変形状況に応じて、繊維(1)の配向が全
体的に大きくばらついていた。
As a comparative example, HIP processing was performed as shown in FIGS. 7 (a) and 7 (b). As in the first embodiment,
A compression molded product is formed, and the compression molded product of the graphite fiber (1) and the copper powder (20) serving as a matrix is placed in a cylindrical metal capsule (23) having an inner diameter of 65 mm and a thickness of 0.6 mm,
Vacuum sealing was similarly performed with lids (21) and (22). This is 15
HIP treatment was performed under the conditions of 00 atm and 1000 ° C. for 2 hours. After the processing was completed, these were taken out of the HIP device.
As shown in FIG. 7 (b), the central part of the metal capsule (23) and the lids (21) and (22) has a large concave and irregular shape, and the orientation of the fiber (1) is generally changed according to the deformation state. Was widely scattered.

【0044】上記実施例1及び比較例の複合材料につい
て中心から1cmごとに直径9mm厚さ4mmのサンプ
ルを採取した。なお、サンプルは、HIP処理の金属製
カプセルの円筒軸方向と垂直になるように採取したもの
である。表1は、実施例1及び比較例のサンプルの密度
(g/cm)を測定したものであり、表2は、レーザ
ーフラッシュ法にて熱伝導率(W/mK)を測定したも
のである。
With respect to the composite materials of Example 1 and Comparative Example, samples having a diameter of 9 mm and a thickness of 4 mm were taken every 1 cm from the center. The sample was taken so as to be perpendicular to the cylinder axis direction of the HIP-treated metal capsule. Table 1 shows the measured densities (g / cm 3 ) of the samples of Example 1 and Comparative Example, and Table 2 shows the measured thermal conductivity (W / mK) by the laser flash method. .

【表1】 [Table 1]

【表2】 [Table 2]

【0045】表1から明らかなように、実施例1ではサ
ンプル採取位置が、中心からの距離が0cm、1cm、
2cm、3cmのいずれも、密度が5.55(g/cm
)で一定であ。これに対し、比較例では密度にばらつ
きが生じている。また、表2に示す熱伝導率も、実施例
1ではサンプル採取位置によらず、ほぼ一定である。こ
れに対して比較例は、ばらつきが生じている。
As is clear from Table 1, in Example 1, the sampling positions were 0 cm and 1 cm from the center.
Each of 2 cm and 3 cm has a density of 5.55 (g / cm
3 ) It is constant. On the other hand, in the comparative example, the density varies. Further, in Example 1, the thermal conductivity shown in Table 2 is almost constant regardless of the sampling position. On the other hand, in the comparative example, variation occurs.

【0046】これら表1、表2の結果より、実施例1で
はサンプル採取位置によらず、密度が一定であることか
ら繊維とマトリックスの銅の体積比は一定といえる。ま
た、熱伝導率が一定であることから、サンプルの採取位
置によらず、圧縮軸と垂直な向きではどこでも繊維の配
向状態が同じであると言える。それに対し、比較例で
は、密度にもばらつきが生じ、熱伝導率にはさらに多く
のばらつきが生じた。このことから図7(b)に示すよ
うに、カプセルのいびつな変形により繊維の体積比、配
向がサンプル採取位置により大きく異なっていることが
判る。
From the results of Tables 1 and 2, it can be said that the volume ratio of copper in the fiber and the matrix is constant in Example 1 since the density is constant regardless of the sampling position. In addition, since the thermal conductivity is constant, it can be said that the orientation state of the fibers is the same in any direction perpendicular to the compression axis regardless of the sample collection position. On the other hand, in the comparative example, the density also varied, and the thermal conductivity further varied. From this, as shown in FIG. 7 (b), it can be seen that the volume ratio and orientation of the fibers greatly differ depending on the sampling position due to the irregular deformation of the capsule.

【0047】この実施例1のサンプルを酸を用いて溶解
し、平均のアスペクト比を求めたところ、10.2であ
った。なお、原料の黒鉛質繊維は、繊維径10μm、平
均繊維長200μmのものであるが、ボールミルでの混
合、乾式プレスによる圧縮成型、またはHIP等により
得られた複合材料の平均アスペクト比は、10.2のも
のであった。
The sample of Example 1 was dissolved using an acid, and the average aspect ratio was 10.2. The raw material graphite fiber has a fiber diameter of 10 μm and an average fiber length of 200 μm. The average aspect ratio of the composite material obtained by mixing in a ball mill, compression molding by dry press, or HIP is 10%. .2.

【0048】[0048]

【実施例2】第2の実施例を図12(a)(b)及び図
13(c)(d)を参照して説明する。図12(a)
(b)及び図13(c)(d)において、横軸はアスペ
クト比、縦軸は炭素及び/又は黒鉛質からなる繊維体積
率である。炭素質の繊維として繊維径10μm、Cu−
20vol%Mo合金をマトリックスとして実施例1と
同様の製法で、様々のアスペクト比、様々の体積率を持
つ複合材料を作製した。これを還元雰囲気中850℃で
2h熱処理し、その変形挙動を調査した。またその熱膨
張係数を測定し適当な値(5〜11ppm)であるかを
調査した。これらを総合して各複合材料が半導体装置用
基板として適当な特性を備えているか調べた。
Embodiment 2 A second embodiment will be described with reference to FIGS. 12 (a) and 12 (b) and FIGS. 13 (c) and 13 (d). FIG. 12 (a)
13 (b) and FIGS. 13 (c) and 13 (d), the horizontal axis represents the aspect ratio, and the vertical axis represents the volume fraction of carbon and / or graphite. Fiber diameter 10 μm as carbonaceous fiber, Cu-
Composite materials having various aspect ratios and various volume ratios were produced in the same manner as in Example 1 using a 20 vol% Mo alloy as a matrix. This was heat-treated at 850 ° C. for 2 hours in a reducing atmosphere, and its deformation behavior was investigated. Further, the thermal expansion coefficient was measured, and it was examined whether the value was an appropriate value (5 to 11 ppm). Based on these results, it was examined whether each composite material had appropriate characteristics as a substrate for a semiconductor device.

【0049】図12(a)は、作製した複合材料を○印
で示したものである。図12(b)は、熱処理による変
形挙動を示したもので、○印は変形しないもの、もしく
は変形が軽微なものであり、×印は著しく変形したも
の、もしくは破壊したものである。図13(c)は、熱
膨脹による変形挙動を示したもので、○印は適当な値
(5〜11ppm)のもの、×印は高すぎるか、低すぎ
るものである。図13(d)は、総合評価結果を示した
もので、○印は半導体装置用基板として適するもの、×
印は半導体装置用基板として不適なものである。図12
(a)(b)及び図13(c)(d)に示す結果から明
らかなように、本発明で特定されている範囲内のアスペ
クト比及び体積率を持つ場合のみ好適な特性を併せ持つ
ことが判る。
FIG. 12 (a) shows the produced composite material with a circle. FIG. 12 (b) shows the deformation behavior due to the heat treatment. The mark “○” indicates that the deformation is not performed or the deformation is slight, and the mark “X” indicates that the deformation is remarkable or broken. FIG. 13 (c) shows the deformation behavior due to thermal expansion. The mark ○ indicates an appropriate value (5 to 11 ppm), and the mark x indicates too high or too low. FIG. 13 (d) shows the results of the comprehensive evaluation.
The mark is unsuitable as a substrate for a semiconductor device. FIG.
As is clear from the results shown in (a), (b) and FIGS. 13 (c) and (d), it is possible to have suitable characteristics only when the aspect ratio and the volume ratio are within the ranges specified in the present invention. I understand.

【0050】[0050]

【実施例3】第3の実施例を図11を参照して説明す
る。繊維径10μm、平均繊維長200μmの黒鉛質の
繊維と平均径10μmの銅粉を、黒鉛質繊維の体積率が
60%になるように配合し、実施例1と同様に複合材料
を作製した。実施例1と同様にアスペクト比を求めたと
ころ7.5であった。この複合材料を黒鉛質繊維の配向
面が面方向となるように切り出し基板とし、図11に示
すように、半導体装置用基板(4)にアルミナからなる
外囲器(5)をAg蝋付けした。この際、基板(4)に
反り等は見られなかった。さらに、これに半導体素子
(6)を取り付け、−40℃←→125℃の温度サイク
ルを500サイクルかけた。その結果、半導体素子
(6)の基板(4)からの剥離は認められなかった。
Embodiment 3 A third embodiment will be described with reference to FIG. Graphite fibers having a fiber diameter of 10 μm and an average fiber length of 200 μm and copper powder having an average diameter of 10 μm were blended so that the volume ratio of the graphite fibers became 60%, and a composite material was produced in the same manner as in Example 1. When the aspect ratio was determined in the same manner as in Example 1, it was 7.5. This composite material was cut out so that the orientation surface of the graphitic fibers was in the plane direction, and as shown in FIG. 11, an envelope (5) made of alumina was brazed to a semiconductor device substrate (4) by Ag brazing. . At this time, no warpage or the like was observed in the substrate (4). Further, the semiconductor element (6) was attached thereto, and 500 temperature cycles of −40 ° C. → 125 ° C. were performed. As a result, no peeling of the semiconductor element (6) from the substrate (4) was observed.

【0051】[0051]

【実施例4】第4の実施例を、図5〜図10及び表3、
表4を参照して説明する。上述した実施例1と同様に原
料混合物を混合して圧縮成型物を形成し、実施例1と同
様のHIP処理をした。1つは(表3、表4の「蓋厚み
2.0mm」)、図5に示すように、圧縮成型物を側壁
が内径150mm、肉厚1.0mm、ピッチ15mmの
蛇腹体筒(9)からなる金属製カプセルに入れ、厚みが
2.0mmの蓋(11)(12)をして真空封入した。
[Embodiment 4] A fourth embodiment will be described with reference to FIGS.
This will be described with reference to Table 4. The raw material mixture was mixed to form a compression molded product in the same manner as in Example 1 described above, and the same HIP treatment as in Example 1 was performed. As shown in FIG. 5, one of the bellows body cylinders (9) having a side wall having an inner diameter of 150 mm, a wall thickness of 1.0 mm, and a pitch of 15 mm (see FIG. 5). And encapsulated in a vacuum with lids (11) and (12) each having a thickness of 2.0 mm.

【0052】もう1つは(表3、表4の「蓋厚み0.6
mm+スペーサー」)、図9に示すように、圧縮成型物
を側壁が内径150mm、肉厚1.0mm、ピッチ15
mmの蛇腹体筒(9)からなる金属製カプセルに装填
し、無酸素銅からなる厚さ10mmのスペーサー(1
4)を入れ、厚みが0.6mmの蓋(11)(12)を
して真空封入した。さらに(表3、表4の「蓋厚み0.
6mm」)、図8に示すように、圧縮成型物を側壁が内
径150mm、肉厚1.0mm、ピッチ15mmの蛇腹
体筒(9)からなる金属製カプセルに入れ、厚みが0.
6mmの蓋(17)(18)をして真空封入した。な
お、いずれも場合も、蛇腹体の金属製カプセル及び蓋の
材質はSUS304を用いた。
The other is shown in Tables 3 and 4 under “Lid Thickness 0.6”.
mm + spacer ”), as shown in FIG. 9, the side wall of the compression molded product was 150 mm in inner diameter, 1.0 mm in thickness, and 15 mm in pitch.
A 10 mm thick spacer (1) made of oxygen-free copper
4) was put in, and lids (11) and (12) each having a thickness of 0.6 mm were sealed in a vacuum. Further, (see Table 3 and Table 4, “Lid Thickness 0.
As shown in FIG. 8, the compression-molded product was placed in a metal capsule consisting of a bellows-shaped cylinder (9) having an inner diameter of 150 mm, a wall thickness of 1.0 mm, and a pitch of 15 mm.
6 mm lids (17) and (18) were placed and vacuum sealed. In each case, SUS304 was used as the material of the metal capsule and the lid of the bellows body.

【0053】HIP処理を行った結果、図5に示す「蓋
厚み2.0mm」の場合は、図6に示すように蓋(1
1)(12)は互いに平行であり、へこみ等は見られ
ず、圧縮成型物は1軸方向に収縮した。また、図9に示
す「蓋厚み0.6mm+スペーサー」の場合は、蓋の厚
みは0.6mmであるが、厚さ10mmのスペーサーを
入れたので、図10に示すように、へこみ等は発生しな
かった。これに対して、「蓋厚み0.6mm」では、図
8に示すように、蓋(17)(18)の中心部が変形し
た。その変形は蓋(17)(18)の中央部が周辺部に
対し約3mm陥没していた。
As a result of the HIP processing, when the “lid thickness is 2.0 mm” shown in FIG. 5, the lid (1
1) and (12) were parallel to each other, no dents or the like were observed, and the compression molded product shrunk in one axis direction. In the case of “cover thickness 0.6 mm + spacer” shown in FIG. 9, the cover thickness is 0.6 mm. However, since a 10 mm thick spacer is inserted, dents and the like occur as shown in FIG. 10. Did not. On the other hand, in the case of “cover thickness 0.6 mm”, the center portions of the covers (17) and (18) were deformed as shown in FIG. The deformation was such that the central portions of the lids (17) and (18) were depressed by about 3 mm with respect to the peripheral portions.

【0054】これらの材料について、上記実施例1と同
様にサンプルを採取し、密度及び熱伝導率を測定した。
表3は密度(g/cm)、表4は熱伝導率(W/m
K)を示したものである。
For these materials, samples were taken in the same manner as in Example 1 and the density and the thermal conductivity were measured.
Table 3 shows the density (g / cm 3 ), and Table 4 shows the thermal conductivity (W / m 3 ).
K).

【表3】 [Table 3]

【表4】 [Table 4]

【0055】表3、表4の結果より、「蓋厚み2.0m
m」、「蓋厚み0.6mm+スペーサー」はサンプル採
取位置によらず、密度が一定であることから繊維とマト
リックスの銅の体積比は一定であり、圧縮軸と垂直な向
きではどこでも繊維の配向状態が同じであり、熱伝導率
が一定であると言える。これらに対し、「蓋厚み0.6
mm」のへこみが発生したものでは、密度にもばらつき
が生じ、熱伝導率にもばらつきが生じた。
From the results shown in Tables 3 and 4, it was found that “the lid thickness was 2.0 m.
“m” and “cover thickness 0.6 mm + spacer” are constant regardless of the sampling position, so that the volume ratio of fiber to copper in the matrix is constant, and the fiber orientation in any direction perpendicular to the compression axis It can be said that the state is the same and the thermal conductivity is constant. In contrast, “Lid thickness 0.6
In the case where a dent of “mm” occurred, the density also varied, and the thermal conductivity also varied.

【0056】[0056]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の複合材料
及びその製造方法によれば、炭素及び/又は黒鉛質から
なる繊維によって強化され、面方向に低熱膨張係数を有
し、また焼結固化による内部応力が小さく、熱履歴によ
る変形、破損の危険がないという効果を奏するものであ
る。
As described above, according to the composite material and the method for producing the same of the present invention, the composite material is reinforced by carbon and / or graphite fibers, has a low coefficient of thermal expansion in the plane direction, and has a sintered body. This has the effect that the internal stress due to solidification is small and there is no danger of deformation or breakage due to heat history.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明のアスペクト比及び体積率の関係を示す
FIG. 1 is a diagram showing a relationship between an aspect ratio and a volume ratio of the present invention.

【図2】本発明のアスペクト比及び体積率の関係を示す
FIG. 2 is a diagram showing a relationship between an aspect ratio and a volume ratio according to the present invention.

【図3】本発明の複合材料の概要を示す図FIG. 3 is a diagram showing an outline of the composite material of the present invention.

【図4】本発明の実施態様及び実施例を説明する図FIG. 4 illustrates an embodiment and an example of the present invention.

【図5】本発明の実施態様及び実施例を説明する図FIG. 5 illustrates an embodiment and an example of the present invention.

【図6】本発明の実施態様及び実施例を説明する図FIG. 6 is a diagram illustrating an embodiment and an example of the present invention.

【図7】比較例を示す図FIG. 7 shows a comparative example.

【図8】比較例を示す図FIG. 8 shows a comparative example.

【図9】本発明の実施態様及び実施例を説明する図FIG. 9 illustrates an embodiment and an example of the present invention.

【図10】本発明の実施態様及び実施例を説明する図FIG. 10 illustrates an embodiment and an example of the present invention.

【図11】本発明の実施態様及び実施例を説明する図FIG. 11 illustrates an embodiment and an example of the present invention.

【図12】本発明の実施例のアスペクト比及び体積率の
関係を示す図
FIG. 12 is a diagram illustrating a relationship between an aspect ratio and a volume ratio according to an example of the present invention.

【図13】本発明の実施例のアスペクト比及び体積率の
関係を示す図
FIG. 13 is a diagram illustrating a relationship between an aspect ratio and a volume ratio according to an example of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 炭素もしくは黒鉛質からなる繊維 2 複合材料 3 マトリックス 4 半導体装置用基板 5 半導体装置の外囲器 6 半導体素子 7 マトリックスの粉末 8 圧縮成型物 9 蛇腹体 11、12 蓋 13 銅箔 14 スペーサー REFERENCE SIGNS LIST 1 Carbon or graphite fiber 2 Composite material 3 Matrix 4 Semiconductor device substrate 5 Semiconductor device envelope 6 Semiconductor element 7 Matrix powder 8 Compression molded product 9 Bellows 11, 12 Lid 13 Copper foil 14 Spacer

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 炭素及び/又は黒鉛質の繊維と、銅もし
くは銅合金からなるマトリックスにより構成され、前記
炭素及び/又は黒鉛質の繊維は、その長さが40μmを
越えるもので、アスペクト比及び体積率が図1に示すA
(4,75)、B(10,75)、C(30,55)、
D(30,25)、E(20,25)、F(4,45)
の点に囲まれた範囲内であり、かつ2次元面方向にラン
ダムに配向させたことを特徴とする炭素及び/又は黒鉛
質の繊維と銅もしくは銅合金のマトリックスよりなる複
合材料。
1. A carbon and / or graphite fiber and a matrix made of copper or a copper alloy, wherein the carbon and / or graphite fiber has a length exceeding 40 μm, and has an aspect ratio and The volume ratio A shown in FIG.
(4,75), B (10,75), C (30,55),
D (30, 25), E (20, 25), F (4, 45)
A composite material comprising carbon and / or graphitic fibers and a matrix of copper or a copper alloy, characterized by being randomly oriented in a two-dimensional plane direction within a range surrounded by the above-mentioned points.
【請求項2】 複合材料が、半導体装置用基板として用
いられることを特徴とする請求項1に記載の炭素及び/
又は黒鉛質の繊維と銅もしくは銅合金のマトリックスよ
りなる複合材料。
2. The carbon and / or carbon according to claim 1, wherein the composite material is used as a substrate for a semiconductor device.
Or, a composite material comprising a graphite fiber and a copper or copper alloy matrix.
【請求項3】 炭素及び/又は黒鉛質からなる繊維とマ
トリックスの粉末からなる混合物の圧縮成型物を蛇腹状
側壁の金属製カプセルに装填して脱気後密封し、熱間静
水圧加圧により、前記圧縮成型物を密封した金属製カプ
セルを1軸方向に収縮させることを特徴とする請求項1
又は2に記載の炭素及び/又は黒鉛質の繊維と銅もしく
は銅合金のマトリックスよりなる複合材料の製造方法。
3. A compression-molded product of a mixture of carbon and / or graphite fibers and a matrix powder is loaded into a metal capsule having a bellows-like side wall, degassed, sealed, and hot isostatically pressed. The metal capsule in which the compression molded product is sealed is contracted in one axis direction.
Or a method for producing a composite material comprising a carbon and / or graphite fiber and a matrix of copper or a copper alloy according to 2.
【請求項4】 金属製カプセルの蓋部分の肉厚が、蛇腹
状金属製カプセルの側壁部の肉厚の2倍以上であること
を特徴とする請求項3に記載の炭素及び/又は黒鉛質の
繊維と銅もしくは銅合金のマトリックスよりなる複合材
料の製造方法。
4. The carbon and / or graphite according to claim 3, wherein the thickness of the lid portion of the metal capsule is at least twice the thickness of the side wall portion of the bellows-shaped metal capsule. A method for producing a composite material comprising a fiber and a matrix of copper or a copper alloy.
【請求項5】 圧縮成型物を蛇腹状側壁の金属製カプセ
ルに装填し、スペーサーを入れ脱気後密封することを特
徴とする請求項3に記載の炭素及び/又は黒鉛質の繊維
と銅もしくは銅合金のマトリックスよりなる複合材料の
製造方法。
5. The carbon- and / or graphitic fiber and copper or carbon-containing material according to claim 3, wherein the compression-molded product is charged into a metal capsule having a bellows-like side wall, a spacer is put in, and the container is sealed after deaeration. A method for producing a composite material comprising a matrix of a copper alloy.
【請求項6】 炭素及び/又は黒鉛質からなる繊維とマ
トリックスの粉末からなる混合物の圧縮成型物が、銅の
薄板もしくは箔で包まれていることを特徴とする請求項
3乃至5のいずれかに記載の炭素及び/又は黒鉛質の繊
維と銅もしくは銅合金のマトリックスよりなる複合材料
の製造方法。
6. A compression-molded product of a mixture comprising a powder of carbon and / or graphite and a powder of a matrix, which is wrapped with a thin copper plate or foil. 5. A method for producing a composite material comprising a carbon and / or graphite fiber and a matrix of copper or a copper alloy according to item 1.
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