JPH1180858A

JPH1180858A - 複合材料及びその製造方法

Info

Publication number: JPH1180858A
Application number: JP25427697A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Okada; 貴弘岡田
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 1997-09-03
Filing date: 1997-09-03
Publication date: 1999-03-26

Abstract

(57)【要約】【課題】適切な熱膨張係数、高い熱伝導率を有する銅
もしくは銅合金のマトリックスよりなる複合材料を提供
する。【解決手段】炭素及び／又は黒鉛からなる分散材にク
ロム、鉄、またはモリブデンの被覆層を形成し、この分
散材と銅もしくは銅合金からなる金属マトリックスとを
複合化した複合材料である。この分散材（１）には炭化
物の反応層（４）を介し金属の被覆層（２）が接合され
ているので、分散材とマトリックスが密着したものであ
り、また熱伝導性を有し、低熱膨張率を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、炭素及び／又は黒
鉛からなる分散材と銅もしくは銅合金のマトリックスよ
りなる複合材料及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より炭素、黒鉛の分散材と金属マト
リックスよりなる複合材料は知られており、例えば特公
昭６０−３７７６号公報、特公昭５８−１６６１５号公
報には炭素繊維の分散材と銅マトリックスの複合材料が
提案されている。一方、半導体装置用基板については、
近年の半導体素子の集積度の向上により、そこから発せ
られる熱量も増大し、その放散は、半導体素子の機能を
維持する上できわめて重要な問題である。また半導体装
置組立時や半導体素子発熱時に、チップもしくは半導体
装置の外囲器との間に発生する熱応力を低減させるため
に熱膨張係数が、これらに近い半導体装置用基板が要求
されている。。従来半導体装置用基板として、このよう
な要求を満たす材料として、Ｃｕ−Ｗのような材料が用
いられてきた。また上述のような炭素繊維と金属マトリ
ックスの複合材料についても検討されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記の従来技術の炭素
繊維の分散材と銅マトリックスの複合材料は、高熱伝
導、低熱膨張でありかつ分散材の炭素繊維の界面に有害
な化合物を作る可能性がないなどの利点がある。しかし
マトリックス金属の銅は、分散材の炭素繊維に対して濡
れ性が悪いので、マトリックスと分散材との界面の密着
が悪く十分な信頼性を維持できないという問題があっ
た。

【０００４】上記濡れ性の問題に対応して、分散材の炭
素繊維にタングステンを被覆し、マトリックス金属の銅
との濡れ性を改善した複合材料の製造が提案されてい
る。しかしタングステンを被覆した分散材を用いた複合
体は、加工性が悪く切削加工をしにくいという問題があ
った。

【０００５】本発明の目的はこのような状況に鑑みて、
炭素及び／又は黒鉛質からなる分散材と銅もしくは銅合
金のマトリックスよりなる複合材料において、炭素及び
／又は黒鉛質からなる分散材に、適切な炭化物反応層が
形成される金属被覆層を形成し、該被覆層を介在させる
ことにより分散材とマトリックスの間に十分な濡れ性お
よび密着性を持った複合材料を提供するものであり、ま
たこの複合材料は、適切な熱膨張係数を持ち且つ高い熱
伝導率を有し、さらに信頼性等にも優れた半導体装置用
放熱基板を提供するものである。それに加え、適切な被
覆層を介在させることにより分散材とマトリックスの
銅、銅合金の間に十分な濡れ性を有するので、より高密
度の複合材料を提供することができるものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、炭素及び／又
は黒鉛からなる分散材と銅もしくは銅合金からなるマト
リックスよりなる複合材料において、炭素及び／又は黒
鉛からなる分散材にクロム、鉄、モリブデンもしくはこ
れからなる合金から選ばれた１種又は２種以上の金属の
被覆層を形成し、前記分散材と銅もしくは銅合金からな
る金属マトリックスとを複合化したことを特徴とする炭
素及び／又は黒鉛の分散材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。

【０００７】また本発明は、炭素及び／又は黒鉛からな
る分散材と銅もしくは銅合金からなるマトリックスより
なる複合材料において、炭素及び／又は黒鉛からなる分
散材に炭化反応抑制金属層を形成し、さらにクロム、
鉄、モリブデンもしくはこれからなる合金から選ばれた
１種又は２種以上の金属の被覆層を形成し、前記分散材
と銅もしくは銅合金からなる金属マトリックスとを複合
化したことを特徴とする炭素及び／又は黒鉛の分散材と
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。また本発明は、複合材料が、半導体装置用基板に用
いられるものであることを特徴とするものである。

【０００８】また本発明は、クロム、鉄、モリブデンも
しくはこれからなる合金から選ばれた１種又は２種以上
の金属の被覆層を形成した炭素及び／又は黒鉛からなる
分散材と、銅もしくは銅合金の粉末を混合、成型し焼結
することを特徴とする炭素及び／又は黒鉛の分散材と銅
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。

【０００９】また本発明は、クロム、鉄、モリブデンも
しくはこれからなる合金から選ばれた１種又は２種以上
の金属の被覆層を形成した炭素及び／又は黒鉛からなる
分散材で予備成形体を成形し、前記予備成形体に銅もし
くは銅合金の金属マトリックスを溶浸法により浸透させ
ることを特徴とする炭素及び／又は黒鉛の分散材と銅も
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。

【００１０】また本発明は、炭化反応抑制金属層を形成
し、さらにクロム、鉄、モリブデンもしくはこれからな
る合金から選ばれた１種又は２種以上の金属の被覆層を
形成した炭素及び／又は黒鉛からなる分散材と、銅もし
くは銅合金の粉末を混合、成型し焼結することを特徴と
する炭素及び／又は黒鉛の分散材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。さら
に本発明は、炭化反応抑制金属層を形成し、さらにクロ
ム、鉄、モリブデンもしくはこれからなる合金から選ば
れた１種又は２種以上の金属の被覆層を形成した炭素及
び／又は黒鉛からなる分散材で予備成形体を成形し、前
記予備成形体に銅もしくは銅合金の金属マトリックスを
溶浸法により浸透させることを特徴とする炭素及び／又
は黒鉛の分散材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。

【００１１】

【作用】本発明においては、炭素及び／又は黒鉛からな
る分散材にクロム、鉄、モリブデンもしくはこれからな
る合金から選ばれた１種又は２種以上の金属の被覆層を
形成し、これを予め加熱処理し、あるいは金属マトリッ
クスと複合化する際の加熱処理により、前記金属の被覆
層が分散材の炭素と反応し、炭化物の適切な厚さの反応
層が形成される。炭素及び／又は黒鉛からなる分散材は
適切な反応層を介し被覆層と接続し、分散材と被覆層が
強固に接合する。図１を参照して、炭素及び／又は黒鉛
からなる分散材に反応層を介し被覆層が形成されている
状態を示すと、炭素及び／又は黒鉛からなる分散材
（１）に炭化物の反応層（４）を介し金属の被覆層
（２）が接合されている。

【００１２】また、クロム、鉄、モリブデンもしくはこ
れからなる合金から選ばれた１種又は２種以上の金属の
被覆層は、溶融した銅に対して極めて良好な濡れ性を示
すので、銅もしくは銅合金のマトリックスとその界面に
おいて、良好な接合を得ることができる。よって、分散
材とマトリックスの密着性が向上し、高密度の複合材料
を得ることができ、高熱伝導性を有し、低熱膨張率を有
するものでものである。そして金属の被覆層と銅又は銅
合金マトリックスとの親和性の高さが重なり優れた複合
材料を得ることができたものである。

【００１３】また、本発明においては、炭素及び／又は
黒鉛からなる分散材に炭化反応抑制金属層を形成し、さ
らにクロム、鉄、モリブデンもしくはこれからなる合金
から選ばれた１種又は２種以上の金属の被覆層を形成
し、これを予め加熱処理し、あるいは金属マトリックス
と複合化する際の加熱処理により、前記金属との炭化物
反応層、炭化反応抑制金属の中間層、前記金属の被覆層
の三層が形成される。これは、分散材に形成された炭化
反応抑制金属層を通り拡散することにより分散材との界
面において炭化物反応層を形成するものである。なお、
分散材にを形成する炭化反応抑制金属層は、必ずしも分
散材を完全に被覆するように形成する必要はない。

【００１４】図２を参照して、炭素及び／又は黒鉛から
なる分散材に金属との炭化物反応層、炭化反応抑制金属
の中間層、金属の被覆層の三層の状態を示すと、炭素及
び／又は黒鉛からなる分散材（１）に炭化物の反応層
（４）、炭化反応抑制金属の中間層（５）を介し金属の
被覆層（２）が接合されているものである。

【００１５】本発明の炭素及び／又は黒鉛からなる分散
材に炭化反応抑制金属層を形成することにより、分散材
と金属マトリックスとの複合化複合化条件によっては炭
化物からなる反応層の形成が過剰となり熱伝導等に悪影
響を及ぼすことや、分散材の表面状態によっては直接被
覆層を施すことが困難なこともあるので、このような場
合に対処することができるものである。また、本発明の
用途の１つである半導体装置用基板に用いた場合には、
半導体装置組立時の熱履歴の条件によっては炭化物から
なる反応層の形成が過剰となり熱伝導等に悪影響を及ぼ
すことがあるが、この炭化反応抑制金属層を形成するこ
とにより、このような場合に対処することができるもの
である。

【００１６】即ち、炭素及び／又は黒鉛からなる分散材
に炭化反応抑制金属層を形成することにより、炭素及び
／又は黒鉛からなる分散材と、クロム、鉄、モリブデン
もしくはこれからなる合金の金属の被覆層との反応を抑
制して反応層（４）（図２参照）の厚さを適正化するこ
とができるものである。このように、本発明において
は、分散材に炭化物の反応層が形成され分散材と被覆層
を強固に接合し、高密度の複合材料を得るものである
が、炭化物の反応層はあまり厚くなると、複合材料の熱
伝導性が悪くなるので適切な厚さとする。好ましくは、
適切な厚さは数Å〜数μｍである。このような複合材料
は半導体装置用基板としても適切な熱膨張係数を持ち優
れた熱伝導率を有し、信頼性を有するものである。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明において、炭素及び／又は
黒鉛からなる分散材としては、長繊維、短繊維、粒子又
はウィスカを用いる。このような分散材に、クロム、
鉄、モリブデンもしくはこれからなる合金から選ばれた
１種又は２種以上の金属の被覆層、即ち一層又は複数の
層を形成する。炭素及び／又は黒鉛からなる分散材への
クロム、鉄、モリブデンもしくはこれからなる合金から
選ばれた１種又は２種以上の金属の被覆層は、電解めっ
き法、ＰＶＤ、ＣＶＤにより形成する。電解めっきによ
る被覆層の形成は、低い電流密度で可能なため比較的容
易でコストも安い。上記のように金属の被覆層を有する
分散材と銅もしくは銅合金からなる金属マトリックスと
の体積比（体積充填率）は必要とされる熱膨張係数に応
じて変化させることができる。例えば分散材と金属マト
リックスとの体積比は、２５〜７５（ｖｏｌ％）であ
る。なお、ここで分散材の体積充填率とは、炭素及び／
又は黒鉛からなる分散材の被覆層、炭化反応抑制金属層
は含まれないもので、炭素及び／又は黒鉛の分散材のみ
の体積充填率である。

【００１８】本発明においては、図１に示すように、炭
素及び／又は黒鉛からなる分散材（１）に、炭化物の反
応層（４）と金属の被覆層（２）が形成されているもの
であるが、これは金属マトリックスと複合化する際の加
熱処理により、金属の被覆層が分散材の炭素と反応し、
炭化物の適切な厚さの反応層を形成させることができ
る。また炭素及び／又は黒鉛からなる分散材金属の被覆
層を形成し、金属マトリックスと複合化する前に、加熱
処理し分散材（１）に炭化物の反応層（４）と金属の被
覆層（２）を形成しておいてもよい。例えば、金属の被
覆層（２）の厚さは、０．１〜５μｍ、炭化物の反応層
（４）の厚さは、２μｍ以下であり、多くの場合、１０
^-8ｃｍ〜１０^-4ｃｍ、特に１０^-8ｃｍ〜１０^-5ｃｍに制
御されることが多い。

【００１９】また本発明において、炭素及び／又は黒鉛
からなる分散材に、初めに炭化反応抑制金属層を形成
し、さらにクロム、鉄、モリブデンもしくはこれからな
る合金から選ばれた１種又は２種以上の金属の被覆層を
形成し、加熱処理により図２に示すように、分散材
（１）に炭化物の反応層（４）、炭化反応抑制金属の中
間層（５）を介し金属の被覆層（２）が形成されている
ものであるが、これは金属マトリックスと複合化する際
の加熱処理により、金属の被覆層が炭化反応抑制金属層
層を拡散して分散材の炭素と反応し、炭化物の反応層
（４）を形成させることができる。

【００２０】また、炭化反応抑制金属層を形成し、さら
にクロム、鉄、モリブデンもしくはこれからなる合金か
ら選ばれた１種又は２種以上の金属の被覆層を形成した
炭素及び／又は黒鉛の分散材を金属マトリックスと複合
化する前に、加熱処理して分散材（１）に炭化物反応層
（４）、炭化反応抑制金属の中間層（５）、金属の被覆
層（２）としてもよい。例えば、金属の被覆層（２）の
厚さは、０．１〜５μｍ、炭化反応抑制金属の中間層
（５）の厚さは、０．１〜５μｍ、炭化物の反応層
（４）の厚さは、２μｍ以下であり、多くの場合、１０
^-8ｃｍ〜１０^-4ｃｍ、特に１０^-8ｃｍ〜１０^-5ｃｍに制
御されることが多い。また、炭化反応抑制金属は、炭素
及び／又は黒鉛の分散材と金属の被覆層との反応を抑制
して炭化物反応層（４）の厚さを適正化するためのもの
で、炭素と反応せず、マトリックスと同等もしくはそれ
以上の融点を持つ元素が好ましい。

【００２１】具体的にはニッケル、パラジュウム、銅の
いずれかもしくは複数からなる層を形成することが望ま
しい。その中でも銅（Ｃｕ）は熱伝導がよくかつ容易に
層を形成できるという点からも炭化反応抑制金属を構成
する元素として望ましいといえる。また、炭化反応抑制
金属層が存在する場合は、クロム、鉄、モリブデンもし
くはこれからなる合金から選ばれた１種又は２種以上の
金属の元素が、炭化反応抑制金属層が拡散することによ
り分散材との界面において反応層（４）を形成するもの
である。

【００２２】また、上記のような分散材と銅もしくは銅
合金からなる金属マトリックスとを複合化される複合材
料の製造方法は、分散材と金属マトリックスとしての銅
もしくは銅合金粉末を混合、成形して焼結する粉末冶金
法、具体的には分散材とマトリックス粉末の混合物をＨ
ＩＰもしくはホットプレスにより焼結する。固相焼結の
場合、僅かながら空孔が残留しボイドができるため、焼
結温度、圧力等を適当な条件とすることにより、例えば
焼結温度を銅と被覆層の融点の中間の適当な温度とする
ことにより、少量の液相を出して液相焼結することもで
きる。

【００２３】また上記のような分散材で多孔質の予備成
形体を成形し、この多孔質予備成形体に、銅もしくは銅
合金のマトリックス金属の融液を外部から加圧すること
なく浸透させるいわゆる溶浸法によるものである。図３
に示すように、予備形成体（６）に銅もしくは銅合金の
マトリックス（３）を接触させ、銅もしくは銅合金マト
リックス（３）の融点以上の温度で、かつ予備成形体
（６）を成す物質のうち最低の融点を有する物質の融点
以下の温度にて、真空、不活性雰囲気もしくは還元性雰
囲気中にて銅もしくは銅合金マトリックス（３）を予備
形成体（６）に浸透し、複合材料（７）を得るものであ
る。。この際、上述した図１、図２に示す金属の被覆層
（２）を形成するＣｒ，Ｆｅ，Ｍｏ，は溶融したＣｕに
対する濡れ性が極めて良好なため、毛管現象により自発
的に予備成形体（６）中に浸透し、マトリックス（３）
が細かい空隙にも十分行き渡り、複合材料（７）は相対
密度１００％のものを得ることも可能である。

【００２４】また、予備成形体は、炭素及び／又は黒鉛
からなる分散材として長繊維を用い、これに上記したよ
うな金属の被覆層を形成したものを編み込んで予備成形
体とするこができる。また、炭素及び／又は黒鉛からな
る分散材として短繊維もしくは粒子を用いる場合には、
上記したような金属の被覆層を有する分散材をバインダ
ーを含む液体に混濁させたものからフィルターを通じて
液体を吸引することにより、あたかも紙をすくように分
散材を集合させるような方法にて予備成形体を製作する
ことができる。また上記したような金属の被覆層を有す
る分散材を乾式プレス、押し出し、ドクターブレード法
等により成形したものを適切な条件で焼結することによ
り予備成形体を得ることもできる。

【００２５】本発明の炭素及び／又は黒鉛の分散材と銅
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のについて説明する。図
４に示すように、複合材料は所定の形状に加工し、半導
体装置用基板（８）として用いられる。半導体装置用基
板（８）には、必要に応じてＮｉ，Ａｕ，Ｐｄ，などか
らなるめっき層（９）を形成する。この上に半導体素子
（１０）、セラミック製の端子（１２）及びパッケージ
の外囲器（１１）を形成する。

【００２６】この本発明の複合材料からなる半導体装置
用基板（８）は、４〜１３ｐｐｍの熱膨張係数と共に２
００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有するので、ＳｉやＧａ
Ａｓ等からなる半導体素子（１０）やパッケージの外囲
器（１１），及びセラミック製の端子（１２）との間に
発生する熱応力を抑制しかつ、半導体素子（１０）から
発生する熱を外部へ効率よく拡散させることができる。
また、これは耐熱性に優れ外囲器（１１）、セラミック
製の端子（１２）との接合にＡｇ蝋付けが可能であり信
頼性の高い接合が得られる。

【００２７】

【実施例１】本発明の実施例１は、分散材が黒鉛質の短
繊維で、炭化反応抑制金属層としてＣｕ、金属の被覆層
としてＦｅについて、図２、図３、及び図５を参照して
説明する。平均長３８０μｍ，平均径１０μｍである黒
鉛質の短繊維からなる分散材に無電解めっき法にてＣｕ
からなる厚さ０．５μｍの炭化反応抑制金属層形成た
後、バレルを用いた電解めっき法にてＦｅからなる金属
の被覆層を形成した。被覆層の厚みは１μｍとした。こ
の短繊維の分散材を無機バインダーを用い液体成分を吸
引することにより、黒鉛分散材の体積充填率が５０％と
なるように予備成形体を作製した。これを図３に示すよ
うに予備成形体（６）の上にマトリックスとなる無酸素
銅の塊（３）を置き水素雰囲気中１１００℃にて溶浸し
て、複合材料（７）を得た。このとき黒鉛質の短繊維か
らなる分散材は、図２に示すように黒鉛質の短繊維
（１）に炭化物の反応層（４）、炭化反応抑制金属のＣ
ｕ中間層（５）を介しＦｅの被覆層（２）が接合されて
いた。

【００２８】また、比較例は、分散材が黒鉛質の短繊維
で被覆をしないものを用い、この実施例１と同様に黒鉛
分散材の体積充填率が５０％となるように予備成形体を
作製した。この比較例は、分散材に本発明のような金属
の被覆をしないので、マトリックスの銅に対して濡れ性
が悪く溶浸法にては作製不可能であるので溶湯鍛造法に
て複合材料を作製した。このようにして作製した実施例
１の複合材料、及び比較例複合材料の温度サイクル試験
を行った。温度サイクル試験は、−４０℃，０．５ｈ〜
１２５℃，０．５ｈ）１００サイクルごとに熱伝導率及
び熱膨張係数を測定した。その結果を図５（ａ）（ｂ）
に示す。図５（ａ）は、熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）であり、
（ｂ）は熱膨張係数（ｐｐｍ）である。

【００２９】図５（ａ）（ｂ）から明らかなように、熱
伝導率に関しては実施例１、比較例ともにサイクル数に
対して同等の変化をするものの、本発明の実施例のもの
は高い熱伝導率の値を示している。また熱膨張係数に関
しては、実施例は温度サイクルによる変化が皆無であ
り、かつ低い熱膨張係数を持つのに対し、比較例はサイ
クルを重ねるごとに熱膨張の増加が見られる。この結果
から、本発明実施例の黒鉛質の短繊維に炭化反応抑制金
属層としてＣｕ、金属の被覆層としてＦｅの被覆したも
のを用いた複合材料は、低い熱膨張係数を持ち且つ高い
熱伝導率を有しするものであり、また熱疲労に対する信
頼性が向上することが確認された。

【００３０】

【実施例２】本発明の実施例２は、分散材が黒鉛質の短
繊維で、金属の被覆層がＭｏについて、図１、図３及び
表１を参照して説明する。平均長５００μｍ，平均径１
０μｍである黒鉛質の短繊維を分散材とし、ハロゲン化
物を用いたＣＶＤ法により、厚さ１μｍのＭｏからなる
被覆層を形成した。このＭｏ被覆層を有する分散材を無
機バインダーと混合して乾式プレスし、焼結炉にて脱バ
インダー後仮焼結することにより、黒鉛質の体積充填率
が５０％となるように予備成形体とした。図３に示すよ
うに、この予備成形体（６）の上にマトリックスとなる
無酸素銅の塊（３）を置き不活性雰囲気中１０９０℃に
て溶浸して、複合材料（７）を得た。このとき黒鉛質の
短繊維からなる分散材は、図２に示すように黒鉛質の短
繊維（１）に炭化物の反応層（４）を介しＭｏの被覆層
（２）が接合されていた。

【００３１】もう１つは、上記と同様にＭｏ被覆した黒
鉛質の短繊維からなる分散材と無酸素銅をアトマイズ法
により作製した銅粉（平均粒径４５μｍ）を上記と同様
の体積充填率になる比率で混合し、１０００℃、還元雰
囲気中にてホットプレスし複合体を作製した。この両者
の密度をアルキメデス法にて測定し相対密度を算出し
た。その結果を表１（密度及び理論密度比）に示す。

【００３２】この表１に示すように、溶浸したものは対
相対密度比が、１００％といえるようなものが得られ
た。これに対し、ホットプレスしたものは９２．２％に
とどまった。事実、ＳＥＭにて両者の組織を観察したと
ころ後者にのみボイドと思われるくぼみが散見された。
この結果より、溶浸による複合材料が、毛管現象により
自発的に予備成形体中に浸透し、銅もしくは銅合金のマ
トリックスが細かい空隙にも十分行き渡りつていること
が判る。なお、ホットプレスによるものも９２．２％と
溶浸によるものより劣ってはいるが、相当に密度の高い
ものであった。

【表１】

【００３３】

【実施例３】本発明の実施例３は、分散材が黒鉛質の長
繊維で、金属の被覆層がＣｒについて、図３、図６、図
７及び図８を参照して説明する。黒鉛質の長繊維にＣｒ
を電解めっきにより厚さ２μｍの被覆層を形成した。こ
の長繊維は、平均繊維径１２μｍで１０００本を１束と
してボビン巻きされたものを、図６に示すように、横糸
（２１）、縦糸（２２）で平織り布（２０）とした。こ
の平織の布（２０）を図７に示すように、１０枚重ねプ
レス機にて互いに圧着して黒鉛質の体積充填率が４５％
の予備成形体とした。図３に示すように、この予備成形
体（６）の上にマトリックスとなる無酸素銅の塊（３）
を置き、不活性雰囲気中１０９０℃にて溶浸して、複合
材料（７）を得た。このとき長繊維の分散材は、長繊維
に炭化物の反応層を介しＣｒの被覆層が接合されてい
た。

【００３４】次に、これを所定の大きさに加工し、図８
に示すように、半導体装置基板（８）とした。これにコ
バールからなる外囲器（１１）を８５０℃、水素雰囲気
中で銀蝋付けし、常温まで冷却したところ、接合部での
剥離は見られず、半導体装置基板（８）の反りも見られ
なかった。

【００３５】

【実施例４】本発明の実施例４は、分散材が黒鉛質の短
繊維で、炭化反応抑制金属層としてＣｕ、金属の被覆層
としてＣｒ，Ｆｅ，Ｍｏの場合について、図２、図３、
図４、及び表２、表３を参照して説明する。平均長２０
０μｍ，平均径１０μｍである黒鉛質の短繊維からなる
分散材に、Ｃｕからなる厚さ１μｍの炭化反応抑制金属
層を無電解めっき法にて形成した。さらに、Ｃｒ，Ｆ
ｅ，Ｍｏからなる厚さ２μｍの金属の被覆層をハロゲン
化物を用いたＣＶＤ法にて形成した。

【００３６】これらの短繊維を実施例１と同様な手法で
予備成形体を作製した。これを図３に示すように予備成
形体（６）の上にマトリックスとなる無酸素銅の塊
（３）を置き水素雰囲気中、１１００℃の条件で溶浸法
にて無酸素銅からなるマトリックス（３）を導入して、
複合材料（７）を得た。このとき黒鉛質の短繊維からな
る分散材は、図２に示すように黒鉛質の短繊維（１）に
炭化物の反応層（４）、炭化反応抑制金属のＣｕ中間層
（５）を介しＣｒ，ＦｅまたはＭｏの被覆層（２）が接
合されていた。

【００３７】また、比較例は、実施例１に記載した比較
例と同様に分散材が黒鉛質の短繊維で被覆をしないもの
を用い、体積充填率が５０％となるように予備成形体を
作製し、溶湯鍛造法にて複合材料を作製した。このよう
にして作製した実施例４の複合材料、及び比較例複合材
料の熱伝導率及び熱膨張係数を測定した。その熱的特性
の結果を表２に示す。表２に示すように、熱伝導率（Ｗ
／ｍＫ）に関しては本発明の実施例の炭化反応抑制金属
層としてＣｕに、さらにＦｅ，Ｃｒ，Ｍｏの被覆層のい
ずれもよい熱伝導率の値を示し、かつ低い熱膨張係数
（ｐｐｍ）を示している。

【００３８】次に、上記実施例４の複合材料、及び比較
例複合材料を加工して、図４に示すように、表面にＮｉ
からなるめっき層（９）を形成して半導体装置用基板
（８）とし、これにＳｉからなる半導体素子（１０）を
Ａｕ−Ｓｎ蝋を用いて接合した。これに、温度サイクル
試験（−７０℃、１ｈ・・・２５０℃，１ｈ）を行っ
た。剥離等が生じてるまでのサイクル数を調査し、その
温度サイクル試験結果を表３に示す。表３に示すよう
に、本発明の実施例の炭化反応抑制金属層としてのＣｕ
に、さらにＦｅ，Ｃｒ，Ｍｏの被覆層のものは、剥離等
が生じてるまでのサイクル数が７００〜１２００で、比
較例の１００より、高い信頼性を持つことが明らかであ
る。そして、本発明の実施例４が、比較例より半導体チ
ップ（１０）との接合面において、圧倒的に高い信頼性
を持つことが確認された。

【表２】

【表３】

【００３９】

【実施例５】本発明の実施例５は、分散材が黒鉛質の短
繊維で、金属の被覆層がＦｅでその厚さについて、図
１、図３及び表４を参照して説明する。平均長１００μ
ｍ，平均径７μｍの黒鉛質の短繊維からなる分散材に電
解メッキ法にてＦｅからなる厚さ１．０，２．０，３．
０μｍの被覆層を形成した。厚さ１．０，２．０，３．
０μｍのＦｅ被覆層を形成した黒鉛質分散材の体積充填
率が５０％になるようにＣｕ粉末と混合した。これを鉄
製のカプセルに真空密封し、１０００℃，１０００気圧
でＨＩＰ処理することにより複合材料とした。また、比
較例として同様の方法で被覆層のない分散材を用い複合
材料体を作製した。

【００４０】このようにして作製した実施例５の複合材
料、及び比較例複合材料の温度サイクル試験（−７０℃
〜２５０℃）×１ｈを行なった。１００サイクルごとに
熱膨張係数を測定し、初期値に対し、２０％の変動が見
られた時点でその材料は劣化したとして、そのサイクル
数を記録した。なお、２０００サイクルを経ても劣化し
ない場合は、そこで調査を打ち切った。その温度サイク
ル試験の結果、表４に示すように、比較例は２００サイ
クルで劣化したのに対して、本発明実施例の黒鉛質の短
繊維にＦｅの被覆した分散材を用いた複合材料は、劣化
するまでのサイクル数が、被覆層の厚さが、１．０μｍ
で１９００であり、また被覆層の厚さが、２．０μｍ，
３．０μｍでは．２０００サイクルを経ても劣化が見ら
れなかった。これは本発明実施例の複合材料の信頼性が
大きく向上することが確認されたといえるものである。

【表４】

【００４１】

【実施例６】本発明の実施例６は、複合材料の加工性に
ついて表５を参照して説明する。本発明実施例の複合材
料は、分散材が黒鉛質の短繊維、金属の被覆層がＦｅ、
Ｃｒ、Ｍｏのものである。比較例の複合材料は黒鉛質の
短繊維にＷ被覆層のものである。これら本発明実施例の
複合材料、及び比較例の複合材料の製造は、上記実施例
２と同様に、平均長５００μｍ，平均径１０μｍの黒鉛
質短繊維の分散材にＣＶＤ法により、厚さ１μｍの被覆
層を形成し、この分散材をバインダーと混合して乾式プ
レスし、脱バインダー後仮焼結し、黒鉛質の体積充填率
が５０％となるように予備成形体とした。この予備成形
体の上にマトリックスとなる無酸素銅を不活性雰囲気中
１０９０℃にて溶浸して複合材料を得た。

【００４２】これら本発明実施例の複合材料、及び比較
例の複合材料を断面が、１０×１．５ｍｍになるように
加工し、この断面と平行な面で、ダイヤモンド製の円板
状切断砥石を用いて、同一の条件（刃の回転速度、荷
重）で切断した。この切断に要した時間をそれぞれ測定
した。本発明実施例のＦｅを被覆した黒鉛質短繊維の分
散材の複合材料を切断した場合に要した時間との比を表
５に示した。表５に示すように、比較例のＷを被覆した
分散材のものに比して、本発明実施例のＦｅ、Ｃｒ、Ｍ
ｏを被覆した分散材の複合材料は、短い時間で切断する
ことができ、実施例は切削加工性が格段に優れているも
のである。

【表５】

【００４３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
炭素及び／又は黒鉛質からなる分散材に、適切な炭化物
反応層になるような金属被覆層を形成し、また金属被覆
層によりマトリックスの間に十分な濡れ性および密着性
を有するので、優れた熱膨張係数と高い熱伝導率を備
え、かつより高密度の複合材料が得られるという効果を
奏する。また半導体装置用放熱基板として用いた場合、
半導体素子から生じる熱を効率よく放散し、且つ半導体
素子の組立時もしくは動作時に、半導体装置の他の構成
要素との接合面、もしくは他の構成要素や半導体装置用
基板内部に割れや剥離の発生するおそれの少なく信頼性
の高いという効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における分散材の被覆の形態を示す図

【図２】本発明における分散材の被覆のもう１つの形態
を示す図

【図３】本発明の実施例の溶浸法を示す図

【図４】本発明の実施例の半導体装置用基板を示す図

【図５】本発明の実施例１における特性を示す図

【図６】本発明の実施例３を説明する図

【図７】本発明の実施例３を説明する図

【図８】本発明の実施例３を説明する図

【符号の説明】

１：分散材２：被覆層３：マトリックス４：反応層５：中間層６：分散材予備形成体７：Ｃｕ−Ｃ複合体８：半導体装置用基板９：めっき層１０：半導体素子１１：外囲器１２：セラミック端子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】炭素及び／又は黒鉛からなる分散材と銅
もしくは銅合金からなるマトリックスよりなる複合材料
において、炭素及び／又は黒鉛からなる分散材にクロ
ム、鉄、モリブデンもしくはこれからなる合金から選ば
れた１種又は２種以上の金属の被覆層を形成し、前記分
散材と銅もしくは銅合金からなる金属マトリックスとを
複合化したことを特徴とする炭素及び／又は黒鉛の分散
材と銅もしくは銅合金のマトリックスよりなる複合材
料。
【請求項２】炭素及び／又は黒鉛からなる分散材と銅
もしくは銅合金からなるマトリックスよりなる複合材料
において、炭素及び／又は黒鉛からなる分散材に炭化反
応抑制金属層を形成し、さらにクロム、鉄、モリブデン
もしくはこれからなる合金から選ばれた１種又は２種以
上の金属の被覆層を形成し、前記分散材と銅もしくは銅
合金からなる金属マトリックスとを複合化したことを特
徴とする炭素及び／又は黒鉛の分散材と銅もしくは銅合
金のマトリックスよりなる複合材料。
【請求項３】炭化反応抑制金属層が、ニッケル、パラ
ジュウム、銅から選ばれた１種又は２種以上の金属層で
あることを特徴とする請求項２に記載の炭素及び／又は
黒鉛の分散材と銅もしくは銅合金のマトリックスよりな
る複合材料。
【請求項４】複合材料が、半導体装置用基板に用いら
れるものであることを特徴とする請求項１乃至３のいず
れかに記載の炭素及び／又は黒鉛の分散材と銅もしくは
銅合金のマトリックスよりなる複合材料。
【請求項５】クロム、鉄、モリブデンもしくはこれか
らなる合金から選ばれた１種又は２種以上の金属の被覆
層を形成した炭素及び／又は黒鉛からなる分散材と、銅
もしくは銅合金の粉末を混合、成型し焼結することを特
徴とする請求項１又は４に記載の炭素及び／又は黒鉛の
分散材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。
【請求項６】クロム、鉄、モリブデンもしくはこれか
らなる合金から選ばれた１種又は２種以上の金属の被覆
層を形成した炭素及び／又は黒鉛からなる分散材で予備
成形体を成形し、前記予備成形体に銅もしくは銅合金の
金属マトリックスを溶浸法により浸透させることを特徴
とする請求項１又は４に記載の炭素及び／又は黒鉛の分
散材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。
【請求項７】炭化反応抑制金属層を形成し、さらにク
ロム、鉄、モリブデンもしくはこれからなる合金から選
ばれた１種又は２種以上の金属の被覆層を形成した炭素
及び／又は黒鉛からなる分散材と、銅もしくは銅合金の
粉末を混合、成型し焼結することを特徴とする請求項
２、３、４のいずれかに記載の炭素及び／又は黒鉛の分
散材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。
【請求項８】炭化反応抑制金属層を形成し、さらにク
ロム、鉄、モリブデンもしくはこれからなる合金から選
ばれた１種又は２種以上の金属の被覆層を形成した炭素
及び／又は黒鉛からなる分散材で予備成形体を成形し、
前記予備成形体に銅もしくは銅合金の金属マトリックス
を溶浸法により浸透させることを特徴とする請求項２、
３、４のいずれかに記載の炭素及び／又は黒鉛の分散材
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。