WO2020203185A1 - 複合材料 - Google Patents

Abstract

複合材料は、金属相と非金属相とを含む。複合材料は、特定元素をさらに含む。金属相の９０質量％以上は、ＡｇおよびＣｕからなる群より選択される少なくとも一種からなる。非金属相は、被覆コア材を含む。被覆コア材は、コア材と、前記コア材の表面の少なくとも一部を覆う炭化物層とを有する。コア材は、ダイヤモンド、グラファイト、炭素繊維、及び炭化珪素からなる群より選択される一種以上の炭素含有材を含む。炭化物層は、Ｔｉ，Ｃｒ，Ｔａ，及びＶからなる群より選択される一種以上の金属元素の炭化物を含む。特定元素は、Ｙ，Ｍｇ，Ｓｉ，Ｂ，及びＺｒからなる群より選択される一種以上からなる。特定元素の含有量は、合計で０．０００４質量％以上１．３質量％以下である。

Description

複合材料

　本開示は、複合材料に関する。
　本出願は、２０１９年３月２９日出願の日本出願第２０１９－０６５９６９号に基づく優先権を主張する。当該日本出願に記載された全ての記載内容は、参照によって本出願の明細書に援用される。

　特許文献１は、半導体素子の放熱部材の構成材料として、銀とダイヤモンドとを含む複合材料を開示する。

国際公開第２０１６／０３５７９５号

　本開示の複合材料は、
　金属相と非金属相とを含み、
　特定元素をさらに含み、
　前記金属相の９０質量％以上は、Ａｇ及びＣｕからなる群より選択される少なくとも一種からなり、
　前記非金属相は、被覆コア材を含み、
　前記被覆コア材は、コア材と、前記コア材の表面の少なくとも一部を覆う炭化物層とを有し、
　前記コア材は、ダイヤモンド、グラファイト、炭素繊維、及び炭化珪素からなる群より選択される一種以上の炭素含有材を含み、
　前記炭化物層は、Ｔｉ，Ｃｒ，Ｔａ，及びＶからなる群より選択される一種以上の金属元素の炭化物を含み、
　前記特定元素は、Ｙ，Ｍｇ，Ｓｉ，Ｂ，及びＺｒからなる群より選択される一種以上からなり、
　前記特定元素の含有量は、合計で０．０００４質量％以上１．３質量％以下である。

図１は、実施形態の複合材料を模式的に示す部分断面図である。 図２は、実施形態の複合材料の製造過程を説明する図である。

［本開示が解決しようとする課題］
　特許文献１に記載される銀とダイヤモンドとの複合材料からなる放熱部材は、冷熱サイクルが繰り返し行われても高い熱伝導率を有する。更に、冷熱サイクルが繰り返し行われても高い熱伝導率を有しつつ、熱伝導率がばらつかない放熱部材、即ち高い熱伝導率を安定して有する放熱部材が望ましい。

　そこで、本開示は、繰り返しの冷熱サイクルを受けても、高い熱伝導率を安定して有する放熱部材を構築できる複合材料を提供することを目的の一つとする。

［実施形態の概要］
　最初に本開示の実施形態の内容を列記して説明する。
（１）本開示の一態様に係る複合材料は、
　金属相と非金属相とを含み、
　特定元素をさらに含み、
　前記金属相の９０質量％以上は、Ａｇ及びＣｕからなる群より選択される少なくとも一種からなり、
　前記非金属相は、被覆コア材を含み、
　前記被覆コア材は、コア材と、前記コア材の表面の少なくとも一部を覆う炭化物層とを有し、
　前記コア材は、ダイヤモンド、グラファイト、炭素繊維、及び炭化珪素からなる群より選択される一種以上の炭素含有材を含み、
　前記炭化物層は、Ｔｉ，Ｃｒ，Ｔａ，及びＶからなる群より選択される一種以上の金属元素の炭化物を含み、
　前記特定元素は、Ｙ，Ｍｇ，Ｓｉ，Ｂ，及びＺｒからなる群より選択される一種以上からなり、
　前記特定元素の含有量は、合計で０．０００４質量％以上１．３質量％以下である。

　本開示の複合材料は、以下の理由により、高い熱伝導率を有する放熱部材を構築できる。
（ａ）金属相の主体がＡｇ及びＣｕの少なくとも一方という高熱伝導率を有する金属元素である。
（ｂ）本開示の複合材料は、非金属相としてダイヤモンド等といった高熱伝導率を有する炭素含有材を含む。
（ｃ）上記ダイヤモンド等の炭素含有材の表面にＴｉ等の炭化物からなる炭化物層が存在する。この炭化物層によって、金属相と非金属相とが密着する。そのため、本開示の複合材料は、金属相と非金属相との両者間の熱伝導性に優れる。
（ｄ）Ｙ等といった特定元素を含むものの、上記特定元素の含有量は上述の特定の範囲を満たす。そのため、本開示の複合材料は、上記特定元素の含有に起因する熱伝導率の低下を招き難い。

　かつ、本開示の複合材料は、繰り返しの冷熱サイクルを受けても、熱伝導率の低下が少なく、高い熱伝導率を安定して有する。本開示の複合材料は、繰り返しの冷熱サイクルを受けても、上述の炭化物層による金属相と非金属相との密着状態を良好に維持できるからである。上記の密着状態を維持できる理由の一つとして、以下のことが考えられる。

　複合材料の製造過程では、上述の炭化物層の原料に用いるＴｉ等の金属元素の表面に酸化膜が存在し得る。金属相の主体であるＡｇやＣｕ、炭素含有材を構成する炭素はいずれも、上記酸化膜を還元できない。そのため、原料に用いる上記金属元素からなる粉末の粒子等の表面が完全に酸化膜によって覆われていた場合、上記粒子は、上記炭素と反応できず、炭化物層を形成できない。上記金属元素からなる粉末は、このような完全に酸化膜に覆われた粒子（以下、酸化粒子と呼ぶ）を一定の割合で含むと考えられる。また、上記粉末における上記酸化粒子の含有割合には、ばらつきがある。このような原料のばらつきは、複合材料における特性のばらつきの一因となると考えらえる。これに対し、後述するように、Ｙ等の特定元素は上記酸化膜に対して還元剤として機能する。この還元作用によって、上記金属元素と、上記炭素とが反応でき、炭化物層を適切に形成することができる。炭素含有材の表面に炭化物層が形成されることで、炭素含有材と溶融状態の金属（金属相の原料となる金属）とが良好に濡れる。そのため、金属相と非金属相とが密着する。このような密着箇所が多く存在する複合材料は、繰り返しの冷熱サイクルを受けても、密着状態を維持し易いと考えられる。

　本開示の複合材料は、繰り返しの冷熱サイクルを受けても、高い熱伝導率を安定して有する放熱部材を構築できる。また、上述の炭素含有材の線膨張係数はＡｇ及びＣｕよりも十分に小さい。そのため、本開示の複合材料は、半導体素子等の線膨張係数との整合性に優れる。このような本開示の複合材料は、半導体素子の放熱部材の構成材料として好適に利用できる。

（２）本開示の複合材料の一例として、
　前記特定元素の少なくとも一部を酸化物として含む形態が挙げられる。

　上記形態では、上述のＹ等の特定元素が酸化物として存在する。このことから、特定元素は、複合材料の製造過程でＴｉ等の金属元素を還元できて、上記金属元素は炭化物層を適切に形成できたと考えられる。その結果、炭化物層によって金属相と非金属相とがより確実に密着しているといえる。更に、上記酸化物の含有量は、特定元素の含有量に依存する。そのため、上記形態は、上記酸化物を過剰に含有しておらず、上記酸化物の過剰含有に起因する熱伝導率の低下を招き難い。従って、上記形態は、繰り返しの冷熱サイクルを受けても、高い熱伝導率を安定して有する放熱部材をより確実に構築できる。

（３）本開示の複合材料の一例として、
　前記金属元素の含有量が合計で０．１質量％以上７．５質量％以下である形態が挙げられる。

　上記形態は、Ｔｉ等の金属元素の含有量が上記の範囲を満たすため、上記金属元素を炭化物層として適切に含むといえる。また、上記形態は、上記金属元素の過剰な含有に起因する熱伝導率の低下を招き難い。従って、上記形態は、より高い熱伝導率を有する放熱部材を構築し易い。

（４）本開示の複合材料の一例として、
　前記非金属相の含有量が５０体積％以上である形態が挙げられる。

　上記形態は、高熱伝導率を有する炭素含有材を多く含むといえる。従って、上記形態は、より高い熱伝導率を有する放熱部材を構築し易い。

（５）本開示の複合材料の一例として、
　前記非金属相の含有量が５０体積％以上９０体積％以下である形態が挙げられる。

　非金属相の含有量が９０体積％以下であれば、複合材料は金属相をある程度含む（１０体積％以上）。金属相は、非金属相を構成する粒子を結合したり、非金属相を構成する多孔体の空隙を埋めたりできる。また、金属相によって、複合材料の線膨張係数が小さくなり過ぎることを防止できる。更に、非金属相が多過ぎないことで、製造過程では、非金属相の原料のコア材と溶融状態の原料金属とが溶浸し易い。そのため、未溶浸部分の発生が抑制されて、複合材料はより確実に緻密になり易い。

（６）本開示の複合材料の一例として、
　前記特定元素の少なくとも一部を酸化物として含み、
　前記金属元素の含有量が合計で０．１質量％以上７．５質量％以下であり、
　前記非金属相の含有量が５０体積％以上９０体積％以下である、形態も挙げられる。

［本開示の効果］
　本開示の複合材料は、繰り返しの冷熱サイクルを受けても、高い熱伝導率を安定して有する放熱部材を構築できる。

［実施形態の詳細］
　以下、図面を適宜参照して、本開示の実施形態を具体的に説明する。図中、同一符号は同一名称物を意味する。

［複合材料］
　図１を主に参照して、実施形態の複合材料１を説明する。
（概要）
　実施形態の複合材料１は、図１に示すように金属相３と非金属相２とを含む。金属相３は、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）、又はＡｇとＣｕとの双方を主体とする。非金属相２は被覆コア材２０を含む。被覆コア材２０は、コア材２２と、コア材２２の表面の少なくとも一部を覆う炭化物層２３とを有する。コア材２２の構成材料は、ダイヤモンド等といった炭素含有材（詳細は後述）を含む。炭化物層２３の構成材料は、Ｔｉ等といった金属元素の炭化物（詳細は後述）を含む。複合材料１は、代表的には平板状に成形されて、半導体素子等の放熱部材に利用される。

　実施形態の複合材料１は、特定元素をさらに含む。すなわち、複合材料１は、複合材料１を１００質量％として、Ｙ（イットリウム），Ｍｇ（マグネシウム），Ｓｉ（珪素），Ｂ（硼素），及びＺｒ（ジルコニウム）からなる群より選択される一種以上の元素（特定元素）を合計で４質量ｐｐｍ以上１．３質量％以下含む。上記特定元素は、複合材料１の製造過程で炭化物層２３が適切に形成されることに寄与する。複合材料１は、炭化物層２３を介して非金属相２と金属相３とが密着しており、繰り返しの冷熱サイクルを受けても、上記の密着状態を維持し易い。
　以下、構成要素ごとに詳細に説明する。

（非金属相）
〈主要な構成材料〉
　実施形態の複合材料１は、非金属相２として、ダイヤモンド、グラファイト、炭素繊維、及び炭化珪素からなる群より選択される一種以上の炭素含有材を含む。すなわち、コア材２２は、ダイヤモンド、グラファイト、炭素繊維、及び炭化珪素からなる群より選択される一種以上の炭素含有材を含む。上記炭素含有材はいずれも、高い熱伝導率を有しつつ、線膨張係数がＡｇ及びＣｕよりも十分に小さい。そのため、複合材料１は、半導体素子、絶縁基板、パッケージ等といった半導体装置の構成部品との線膨張係数の整合性に優れる。このような複合材料１は、半導体素子の放熱部材の構成材料に好適に利用できる。また、上記炭素含有材はいずれも、耐熱性に優れる。そのため、複合材料１は耐熱性に優れる放熱部材を構築できる。

　ダイヤモンドは代表的には１０００Ｗ／ｍ・Ｋ以上といった高い熱伝導率を有する。また、ダイヤモンドは熱伝導に関する異方性が実質的に無い。そのため、非金属相２としてダイヤモンドを含むと、複合材料１は熱伝導性に非常に優れる。グラファイトは機械的加工性に優れる。また、グラファイトは、熱伝導に関する異方性を有するものの、ダイヤモンドに比較して安価であり、製造コストを低減できることから、利用し易い。炭素繊維は、グラファイトに類似するが劈開しない。そのため、非金属相２として炭素繊維を含む複合材料１は、グラファイトを含む場合に比較して強度に優れる。繊維の長手方向に２０００Ｗ／ｍＫ程度という非常に高い熱伝導率を有する炭素繊維を含む複合材料１は、熱伝導性により優れる。炭化珪素は、ダイヤモンドよりも熱伝導率が低いものの、熱伝導に関する異方性が無い上に、ダイヤモンドに比較して非常に安価である。これらの点から、炭化珪素は利用し易い。

　実施形態の複合材料１は、非金属相２として、一種の炭素含有材を含んでもよいし、二種以上の炭素含有材を含んでもよい。特に、非金属相２として、ダイヤモンドを含む複合材料１は、高い熱伝導率を有する放熱部材を構築できて好ましい。非金属相２として、ダイヤモンドに加えて、グラファイト、炭素繊維、及び炭化珪素からなる群より選択される一種以上の炭素含有材を含む場合には、高い熱伝導率を有する放熱部材を低コストで構築することができる。

〈存在形態〉
　非金属相２は、図１に示すように粒子を含むことが挙げられる。非金属相２を構成する各粒子は金属相３に分散して存在する。非金属相２の実質的に全てが粒子でもよい。又は、非金属相２は、三次元の網目構造を有する多孔体（図示せず）を含むことが挙げられる。この場合、金属相３は、上記多孔体の気孔中に充填された状態で存在する。例えば多孔体として、炭化珪素等からなる焼結体が挙げられる。

　非金属相２は、被覆コア材２０を含む。被覆コア材２０は、コア材２２と、炭化物層２３とを有する。炭化物層２３は、コア材２２の表面の少なくとも一部、好ましくは実質的に全部を覆う薄膜である。図１は、分かり易いように炭化物層２３を厚く示すが、実際には炭化物層２３は非常に薄い。非金属相２の実質的に全てが被覆コア材２０でもよい。後述するように、非金属相２と金属相３との密着により、複合材料１が熱伝導性に優れるからである。

　被覆コア材２０の一例として、コア材２２が炭素含有材から構成される粒子である被覆粒子が挙げられる。図１は、被覆コア材２０として被覆粒子を例示する。また、図１は、非金属相２が被覆粒子で構成される場合を例示する。被覆粒子の具体例として、コア材２２がダイヤモンドから構成され、炭化物層２３がＴｉＣから構成されるものが挙げられる。その他の被覆コア材２０として、コア材２２が上述の多孔体である被覆多孔体が挙げられる。複合材料１は、被覆コア材２０として、上述の被覆粒子と、被覆多孔体との双方を含んでもよい。

　コア材２２の構成材料は、上述の炭素含有材という非金属無機材料が挙げられる。炭化物層２３の構成材料は、Ｔｉ（チタン），Ｃｒ（クロム），Ｔａ（タンタル），及びＶ（バナジウム）からなる群より選択される一種以上の金属元素を含む炭化物が挙げられる。すなわち、炭化物層２３は、Ｔｉ，Ｃｒ，Ｔａ，及びＶからなる群より選択される一種以上の金属元素の炭化物を含む。

〈炭化物〉
　炭化物層２３は、複合材料１の製造過程で、金属相３の原料に用いられる金属（以下、原料金属３０（図２）と呼ぶことがある）であって溶融状態の金属に対して、コア材２１の濡れ性を高めることに寄与する。濡れ性が高められることで、被覆コア材２０間に溶融状態の金属が溶浸されていない部分（未溶浸部分）の発生を抑制でき、複合材料１は緻密になり易い。また、炭化物層２３によって、非金属相２を構成するコア材２２と金属相３とが密着する。更に、上記炭化物をなすＣ（炭素）は、代表的にはダイヤモンド等の炭素含有材に由来する。そのため、炭素含有材からなるコア材２２と炭化物層２３とが密着する。このように非金属相２と金属相３との密着、コア材２２と炭化物層２３との密着により、緻密な複合材料１は、非金属相２と金属相３との間の熱伝導性に優れて、高い熱伝導率を有する。

　特に、Ｔｉ及びＣｒの少なくとも一方の金属元素を含む炭化物は、以下の点で好ましい。
（１）上記炭化物は、ＡｇやＣｕを主体とする金属相３との濡れ性に優れる。
（２）Ｔｉ及びＣｒは、金属相３を構成するＣｕ等に固溶していても、適切な熱処理（時効）を施すことによってＣｕ等から析出させられる。そのため、複合材料１は、ＴｉやＣｒをある程度多く含有しても、熱伝導率を低下させ難い。
（３）複合材料１がＴｉやＣｒをある程度多く含有すると、複合材料１の機械的強度が高まる傾向がある。
　上記炭化物は、Ｔｉ，Ｃｒ，Ｖ，及びＴａからなる群より選択される２種類以上の金属元素を含んでもよい。

　Ｔｉ等の金属元素の含有量は、例えば、複合材料１を１００質量％として、合計で０．１質量％以上７．５質量％以下であることが挙げられる。

　Ｔｉ等の金属元素の含有量が０．１質量％以上であれば、上記金属元素を構成材料とする炭化物層２３が適切に存在するといえる。また、コア材２２の表面における炭化物層２３に被覆される領域が大きいといえる。好ましくはコア材２２の表面の全体が炭化物層２３に覆われる。このような複合材料１は、上述のように製造過程で溶融状態の原料金属３０と原料のコア材２１（図２）との濡れ性を高められて、良好に緻密化や複合化がなされたと考えられる。そのため、この複合材料１は、繰り返しの冷熱サイクルを受けても、炭化物層２３を介した非金属相２と金属相３との密着状態を維持し易い。炭化物層２３の被覆領域の増大等を望む場合には、上記含有量は０．３質量％以上、更に０．５質量％以上でもよい。

　Ｔｉ等の金属元素の含有量が７．５質量％以下であれば、上記金属元素を構成材料とする炭化物層２３が多過ぎたり、厚過ぎたりし難い。好ましくは炭化物層２３が非常に薄く、均一的な厚さになり易い（例、厚さが０．５μｍ以下、更に０．３μｍ以下）。そのため、炭化物層２３の過剰含有に起因する熱伝導率の低下を防止でき、複合材料１が高い熱伝導率を有し易い。炭化物層２３の過剰含有の抑制等を望む場合には、上記含有量は５質量％以下、更に３．５質量％以下、２．５質量％以下が好ましい。熱伝導性の向上等を望む場合には、上記含有量は２．０質量％以下、更に１．５質量％以下、１．０質量％以下、更には０．９質量％以下、０．８質量％以下でもよい。

　なお、炭化物層２３の含有量や厚さは、製造過程において、上述のＴｉ等の金属元素の含有量だけでなく、反応時間や反応温度等によっても制御可能である。そのため、上記金属元素の含有量の上限値は絶対的なものではない。例えば、反応時間を短く、又は反応温度を低くすれば、原料として添加した上記金属元素の化学量論から求められる炭化物層２３の厚さよりも薄い炭化物層２３を形成することができる。炭化物層２３の形成に利用されなかった残りの金属元素は、金属相３を構成するＣｕやＡｇに固溶して合金を形成する。この合金中のＴｉやＣｒ等は、上述のように適切な熱処理（時効）を施すことで析出可能である。ＴｉやＣｒ等が析出状態である場合は、固溶状態である場合に比較して、複合材料１の機械的強度や熱伝導性に優れる傾向にある。

　複合材料１に含まれるＴｉ等の金属元素の実質的に全てが炭化物層２３として存在することが好ましい。その他、上記金属元素は、後述する酸化物４として存在したり、金属相３中に析出して存在したりすることを許容する。

〈大きさ〉
　非金属相２が上述の炭素含有材からなる粒子を含む場合、粒子（被覆粒子を含む）の平均粒径は、例えば１μｍ以上３００μｍ以下が挙げられる。

　上記平均粒径が１μｍ以上であれば、複合材料１における非金属相２を構成する粒子による界面を低減できる。上記界面は熱抵抗として作用する。そのため、複合材料１は、上記界面が少ないほど熱伝導性に優れ、高い熱伝導率を有し易い。上記平均粒径が大きいほど、上記界面を低減でき、熱伝導性に優れる。熱伝導性の向上等を望む場合には、上記平均粒径は５μｍ以上、更に１０μｍ以上、１５μｍ以上、２０μｍ以上でもよい。

　上記平均粒径が３００μｍ以下であれば、以下の効果を奏する。
（１）複合材料１からなる成形体（例、板材）の表面の凸凹が小さくなり易く、表面性状に優れる。
（２）製造過程で、複合材料１からなる成形体に研磨や切削等の加工を行うことが容易である。
（３）製造過程で、上記研磨等を行った際に、非金属相２を構成する粒子が脱落しても、脱落に起因する凹部を小さくし易い。そのため、上記研磨後の成形体は、表面性状に優れる。
（４）複合材料１からなる成形体として、薄い成形体を製造することが容易である。表面性状の向上、加工性の向上、薄型化等を望む場合には、上記平均粒径は２５０μｍ以下、更に１５０μｍ以下、１００μｍ以下でもよい。

　上記平均粒径が１μｍ以上３００μｍ以下を満たす範囲で、相対的に微細な粒子と相対的に粗大な粒子とを含んでもよい。この場合、製造過程で、炭素含有材の粉末を成形型に緻密に充填することが容易である。その結果、複合材料１は、熱伝導率を高め易く、かつ線膨張係数を低減し易い。

　上記平均粒径の測定は、例えば、複合材料１から非金属相２を構成する粒子を抽出し、この粒子について市販の分析装置でメジアン径を測定することが挙げられる。非金属相２の抽出は、例えば、金属相３、後述の酸化物４を酸等で選択的に溶解して除去することが挙げられる。

〈含有量〉
　非金属相２（被覆コア材２０を含む）の含有量は、例えば複合材料１を１００体積％として５０体積％以上が挙げられる。上記含有量は、非金属相２が複数種の炭素含有材や複数種の被覆コア材２０を含む場合には合計量とする。非金属相２の含有量は、以下の手順で求めることが挙げられる。まず、複合材料１の断面をＳＥＭで観察し、二次電子像を撮影する。上記観察における倍率は、例えば非金属相２が粒子を含む場合、一つの視野中に、非金属相２をなす粒子が３００個以上４００個以下含まれるように調整する。このような断面像を１０個撮影する（ｎ＝１０）。撮影した像に対してそれぞれ、市販の画像解析ソフトウエアによって画像処理を施す。画像処理像を用いて、断面像中における非金属相２の面積割合を求める。上記面積割合とは、一視野の面積に対する非金属相２の面積の割合である。全視野（ｎ＝１０）の面積割合を求め、更にこれらの面積割合の平均値を算出する。この面積割合の平均値を、複合材料１に含有される非金属相２の含有量（体積割合）と見なすことができる。

　上記含有量が５０体積％以上であれば、複合材料１はダイヤモンド等の炭素含有材を多く含むといえる。そのため、複合材料１は、高い熱伝導率を有し易い。また、複合材料１は、金属相３のみの線膨張係数よりも小さい線膨張係数を有し易い。このような複合材料１は、上述した半導体装置の構成部品等の線膨張係数との整合性に優れる。従って、この複合材料１は、半導体素子の放熱部材の構成材料に好適に利用できる。熱伝導性の向上等を望む場合には、上記含有量は５５体積％以上、６０体積％以上、７０体積％以上でもよい。

　なお、非金属相２が実質的に被覆コア材２０から構成される場合、非金属相２の含有量（体積％）は、炭素含有材の含有量（体積％）と炭化物層２３の含有量（体積％）とを含む。Ｔｉ等の金属元素の合計含有量が７．５質量％以下を満たす範囲であれば、炭化物層２３の含有量（体積％）は被覆コア材２０の含有量に対して十分に少ない。即ち、この場合でも、複合材料１は、炭素含有材を相対的に多く含む。

　非金属相２の含有量は、例えば９０体積％以下が挙げられる。例えば、非金属相２の含有量は、５０体積％以上９０体積％以下であってもよい。上記含有量が９０体積％以下であれば、複合材料１は金属相３をある程度含む（１０体積％以上）。金属相３は、非金属相２を構成する粒子を結合したり、非金属相２を構成する多孔体の空隙を埋めたりできる。また、金属相３によって、複合材料１の線膨張係数が小さくなり過ぎることを防止できる。更に、非金属相２が多過ぎないことで、製造過程では、非金属相２の原料のコア材２１と溶融状態の原料金属３０とが溶浸し易い。そのため、未溶浸部分の発生が抑制されて、複合材料１はより確実に緻密になり易い。金属相３の確保、緻密化、良好な複合化等を望む場合には、上記含有量は８５体積％以下、更に８０体積％以下でもよい。

　非金属相２を構成する炭素含有材の粒子や多孔体の形状、大きさ、含有量等の仕様は適宜選択できる。上記粒子の仕様は、代表的には原料粉末の仕様を実質的に維持する。上記多孔体の仕様は、代表的には原料に用いた焼結体の仕様を実質的に維持する。複合材料１中の非金属相２が所定の仕様となるように、原料の仕様を選択するとよい。

（金属相）
　金属相３の構成材料の一例として、金属相３を１００質量％として、Ａｇ（銀）又はＣｕ（銅）を９０質量％以上含有することが挙げられる。金属相３の構成材料の別例として、金属相３を１００質量％として、ＡｇとＣｕとを合計で９０質量％以上含有することが挙げられる。すなわち、金属相３の９０質量％以上は、Ａｇ及びＣｕからなる群より選択される少なくとも一種からなる。例えば、金属相３の実質的に１００質量％が、Ａｇ及びＣｕからなる群より選択される少なくとも一種からなっていてもよい。例えば、金属相３の９０質量％以上１００質量％以下が、Ａｇ及びＣｕからなる群より選択される少なくとも一種からなっていてもよい。具体的には、金属相３の構成材料は、純銀、銀基合金、純銅、銅基合金、及び銀と銅との二元合金をベースとする合金からなる群より選択される一種の金属が挙げられる。複合材料１は、金属元素のなかでは高い熱伝導率を有するＡｇ及びＣｕの少なくとも一方を金属相３の主体とする。そのため、複合材料１は、高い熱伝導率を有する。

　純銀は、代表的にはＡｇを９９．９質量％以上含むものが挙げられる。純銀の熱伝導率は、銀基合金、純銅、銅基合金よりも高い。そのため、金属相３の構成材料が純銀であれば、純銅である場合に比較して、複合材料１は高い熱伝導率を有する。この場合、非金属相２としてダイヤモンドを含むと、複合材料１は更に高い熱伝導率を有する。

　銀基合金は、添加元素を含むと共に、Ａｇを９０質量％以上含むものが挙げられる。銀基合金は、純銀よりも強度等の機械的特性に優れる。そのため、金属相３の構成材料が銀基合金であれば、複合材料１は強度等の機械的特性に優れる。銀基合金の添加元素は適宜選択できる。銀基合金は、スターリングシルバー９２５等、公知の組成の銀基合金でもよい。

　純銅は、代表的にはＣｕを９９．９質量％以上含むものが挙げられる。純銅の熱伝導率は、銅基合金よりも高い。そのため、金属相３の構成材料が純銅であれば、銅基合金である場合に比較して、複合材料１は高い熱伝導率を有する。また、純銅は純銀よりも軽量であるため、軽量な複合材料１にできる。更に、純銅は純銀よりも機械的強度、製造コストの面で優れる。

　銅基合金は、添加元素を含むと共に、Ｃｕを９０質量％以上含むものが挙げられる。銅基合金は、純銅よりも強度等の機械的特性に優れる。そのため、金属相３の構成材料が銅基合金であれば、複合材料１は強度等の機械的特性に優れる。銅基合金の添加元素は適宜選択できる。銅基合金は、公知の組成の銅基合金としてもよい。

　銀と銅との二元合金をベースとする合金は、銀と銅との二元合金（例、共晶合金）でもよいし、添加元素を含むと共に、上記二元合金を９０質量％以上含むものでもよい。銀と銅との二元合金の融点は低い。そのため、製造過程で、溶浸温度を同じとする場合、銀と銅との二元合金は、二元合金以外の合金に比較して流動性に優れる。従って、金属相３の構成材料が上記二元合金であれば、複合材料１は緻密になり易い。また、融点が低い二元系合金の構成元素としては、銀と銅との組み合わせが最も高い熱伝導率を有する。熱伝導性の面からも、上記二元合金は、金属相３の構成材料に適する。

（還元元素）
　実施形態の複合材料１は、上述のようにＹ，Ｍｇ，Ｓｉ，Ｂ，Ｚｒといった特定元素を４質量ｐｐｍ以上１．３質量％以下の範囲で含む。すなわち、複合材料１は、特定元素をさらに含む。特定元素は、Ｙ，Ｍｇ，Ｓｉ，Ｂ，及びＺｒからなる群より選択される一種以上からなる。特定元素の含有量は、合計で０．０００４質量％以上１．３質量％以下である。上記特定元素は、複合材料１を製造する温度域で、水素よりも高い還元力を有する。そのため、上記特定元素は、炭化物層２３の原料に用いるＴｉ等の金属元素の表面に存在する酸化膜を還元できる。この還元作用によって、上記金属元素と炭素含有材を構成する炭素とが反応して、炭化物層２３を適切に形成できる。その結果、複合材料１では、炭化物層２３を介して非金属相２と金属相３とが密着できる。上記特定元素の作用の詳細は、製造方法の溶浸工程の項で説明する。

　特にＹ，Ｍｇは、Ｔｉよりも酸素と結合し易いため、Ｔｉに対する還元剤として極めて良好に機能し易い。とりわけＭｇは、複合材料１を製造する温度域では蒸気となって拡散し易く、極めて良好な還元性を示す。

　Ｙ，Ｓｉ，Ｚｒ，Ｂは、炭素と結合し易い。そのため、これらの元素は、ＴｉやＣｒ等ほどではないが、炭素含有材と溶融状態の原料金属３０との溶浸を促進する効果を有する。従って、これらの元素は、製造過程で還元剤としてある程度多く添加した場合でも、溶浸性に悪影響を及ぼし難い。

　Ｂは、Ｔｉを還元して、Ｂ自身が酸化された際にガラス状の物質を形成する。このガラス状物質は他の酸化物を溶解させる性質を有する。そのため、Ｂは、ＴｉやＣｒ等といった金属元素の酸化膜の破壊を促進する。

　Ｓｉは、微粉末を入手し易い上に取り扱い易く、安全性が高い。そのため、Ｓｉは微粉末で添加し易く、ＴｉやＣｒ等の金属元素に対して万遍なく行き渡り易い。この点で、Ｓｉは、高い還元効果を得易い。

　上述の特定元素の含有量が４質量ｐｐｍ（０．０００４質量％）以上であれば、上記特定元素は製造過程で還元剤として良好に機能したと考えられる。その結果、炭化物層２３が適切に形成されて、良好に緻密化や複合化がなされたと考えられる。上記含有量が多いほど、還元作用がより確実になされて、炭化物層２３がより確実に形成される。その結果、炭化物層２３を介して非金属相２と金属相３とが密着された複合材料１にできる。還元作用の確保、ひいては良好な炭化物層２３の形成等を望む場合には、上記含有量は１０質量ｐｐｍ（０．００１０質量％）以上、更に１２質量ｐｐｍ（０．００１２質量％）以上、２０質量ｐｐｍ（０．００２０質量％）以上でもよい。

　上述の特定元素の含有量が１．３質量％以下であれば、上記特定元素の過剰含有に起因する熱伝導率の低下を抑制し易い。その結果、複合材料１は高い熱伝導率を有することができる。上記含有量が少ないほど、上述の熱伝導率の低下を抑制し易い。熱伝導率の低下の抑制等を望む場合には、上記含有量は１．０質量％以下、更に０．８質量％以下でもよい。更には、上記含有量は、０．６８質量％以下、とりわけ０．６５質量％以下、０．５０質量％以下、０．２０質量％以下でもよい。

　複合材料１は上述の特定元素の少なくとも一部を、代表的には酸化物４として含むことが挙げられる。上記特定元素が酸化物４として存在すれば、製造過程でＴｉ等の金属元素の表面に存在した酸化膜が還元されて、上記金属元素は炭化物層２３を良好に形成できたと考えられる。また、上記酸化膜から分離された酸素が上記特定元素と結合して酸化物４を形成したと考えられる。ひいては、炭化物層２３が適切に形成されて、炭化物層２３によって非金属相２と金属相３とが密着された複合材料１にできる。更に、上記特定元素を含む酸化物４の含有量は、上記特定元素の含有量に依存する。上記特定元素の含有量が上述の範囲であれば、酸化物４の過剰含有に起因する熱伝導率の低下を招き難い。このような複合材料１は高い熱伝導率を有し易い。

　以上のことから、上述の特定元素を酸化物４として含む複合材料１は、繰り返しの冷熱サイクルを受けても高い熱伝導率を安定して有し易い。また、この点から、上記特定元素を酸化物４として含むことが好ましい。

　上述の特定元素を含む酸化物４は、更にＴｉ等の金属元素を含むことを許容する。この場合の酸化物４は、上記特定元素と、上記金属元素との双方を含む複合酸化物でもよい。又は、酸化物４は、上記特定元素を含む酸化物と、上記金属元素を含む酸化物とを含む、といった複数種の酸化物を含む混合物でもよい。

（組成等の測定）
　複合材料１中におけるＴｉ等の金属元素の含有量、複合材料１中におけるＹ等の特定元素の含有量、金属相３中のＡｇやＣｕの含有量は、例えば、以下のように測定することが挙げられる。複合材料１を酸で溶解する。得られた溶液中の金属成分の濃度を誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）によって分析する。Ｔｉ等の金属元素、Ｙ等の特定元素の成分濃度は、複合材料１を１００質量％とした質量割合で求める。ＡｇやＣｕの成分濃度は、金属相３を１００質量％とした質量割合で求める。

　Ｔｉ等の金属元素が炭化物として存在することは、例えば、以下のようにして確認することが挙げられる。複合材料１の断面をとり、ＳＥＭ－ＥＤＸ装置等によって上記断面を成分分析する。分析の結果、上記金属元素が存在する領域と、炭素が存在する領域とが実質的に一致する場合、上記金属元素は炭化物として存在すると見なすことが挙げられる。

　Ｙ等の特定元素が酸化物として存在することは、例えば以下のようにして確認することが挙げられる。複合材料１の断面をとる。上記断面をＳＥＭで観察し、観察像からＡｇ等の金属相３と、被覆コア材２０等の非金属相２とを除く物質（図１では酸化物４）を抽出する。抽出した物質をＥＤＸ等によって成分分析する。分析の結果、抽出物が上記特定元素と酸素とを含む場合、上記特定元素は酸化物として存在すると見なすことが挙げられる。分析の結果、抽出物が更にＴｉ等の金属元素を含む場合、上記特定元素は、上述の複合酸化物として存在する、又は上述の酸化物の混合物として存在すると見なすことが挙げられる。

（熱特性）
　実施形態の複合材料１は、上述のように高い熱伝導率を有する。例えば、非金属相２がダイヤモンドを主体とし、金属相３が純銀である場合、熱伝導率は６００Ｗ／ｍ・Ｋ以上が挙げられる。又は、例えば、非金属相２がダイヤモンドを主体とし、金属相３が純銅である場合、熱伝導率は５００Ｗ／ｍ・Ｋ以上が挙げられる。

（形状、大きさ）
　複合材料１の形状、大きさは、複合材料１の用途に応じて適宜選択するとよい。例えば、複合材料１を半導体素子の放熱部材に用いる場合、複合材料１は、平面形状が長方形状である平板材が挙げられる。この用途では、上記平板材の平面積は、半導体素子等の搭載部品よりも大きい面積を有することが挙げられる。複合材料１を放熱部材に用いる場合、複合材料１からなる放熱部材の厚さが薄いほど、放熱部材の主面（代表的には半導体素子といった発熱体（冷却対象）が載置される面）に直交する方向の熱抵抗が小さくなる。上記放熱部材の厚さが厚いほど、上記放熱部材の剛性が増加する。また、上記放熱部材の厚さが厚いほど、上述の発熱体の熱を上記放熱部材の主面に平行な方向（例、主面に沿った方向）に拡散させ易くなる。複合材料１からなる放熱部材の厚さは、上述の主面に直交する方向の熱抵抗、主面に平行な方向の熱の拡散、剛性等を考慮して適宜選択するとよい。上記厚さは、例えば０．２ｍｍ以上１０ｍｍ以下、更に０．２ｍｍ以上５ｍｍ以下、０．２ｍｍ以上２ｍｍ以下が挙げられる。

（用途）
　実施形態の複合材料１は、半導体素子の放熱部材の構成材料に好適に利用できる。放熱部材を備える半導体装置として、各種の電子機器が挙げられる。具体的には、高周波パワーデバイス（例、ＬＤＭＯＳ）、半導体レーザ装置、発光ダイオード装置等が挙げられる。その他、各種のコンピュータの中央処理装置（ＣＰＵ）、グラフィックスプロセッシングユニット（ＧＰＵ）、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）、チップセット、メモリーチップ等が挙げられる。特に、複合材料１は、ＳｉＣデバイスやＧａＮデバイス等といった発熱が大きい半導体素子の放熱部材の構成材料に適する。

［複合材料の製造方法］
　以下、図２を適宜参照して、複合材料の製造方法を説明する。
　実施形態の複合材料１は、例えば、以下の工程を備える製造方法によって製造できる。
　（準備工程）ダイヤモンド、グラファイト、炭素繊維、及び炭化珪素からなる群より選択される一種以上の炭素含有材からなるコア材２１と、Ａｇ若しくはＣｕを９０質量％以上含有する原料金属３０、又はＡｇとＣｕとを合計で９０質量％以上含有する原料金属３０と、Ｔｉ，Ｃｒ，Ｔａ，及びＶからなる群より選択される一種以上の金属元素を含む溶浸助剤９と、Ｙ，Ｍｇ，Ｓｉ，Ｂ，及びＺｒからなる群より選択される一種以上の元素を含む還元剤８とを準備する。
　（配置工程）コア材２１と溶浸助剤９と還元剤８とを成形型に収納する。
　（溶浸工程）成形型内の収納物に溶融状態の原料金属３０を溶浸する。

　上記の複合材料の製造方法において、溶浸工程では、溶浸助剤９、還元剤８は以下のような作用を有すると考えられる。

　溶浸助剤９を構成するＴｉ等の金属元素は、炭化物層２３の原料に用いられて、コア材２１と溶融状態の原料金属３０との濡れ性を高める。但し、この溶浸助剤９の表面には、通常、酸化膜９０が存在する。酸化膜９０に覆われることで、上記金属元素は、コア材２１を構成する炭素と反応できなかったり、安定して反応し難くなったりする。そのため、炭化物層２３の厚さがばらつき易い。その結果、炭化物層２３が適切に形成されず、コア材２１と溶融状態の原料金属３０とが濡れ難くなることが考えられる。又は、炭化物層２３が過剰に形成され、過剰な炭化物層２３が熱抵抗となり、複合材料１の熱伝導率が低下することが考えられる。これに対し、上述の複合材料の製造方法は、Ｙ等の特定元素を含む還元剤８を利用する。還元剤８は、酸化膜９０を還元する。この還元によって、酸化膜９０に損傷が与えられる。ここで、溶浸助剤９を構成するＴｉ等の金属元素は、酸化膜９０の損傷部分から溶融状態の原料金属３０を介して拡散して、コア材２１を構成する炭素と反応可能である。そのため、還元剤８は、酸化膜９０の一部を損傷させる程度の還元作用を有すれば、コア材２１と上記金属元素とが確実に反応でき、炭化物層２３の形成に対して十分に効果がある。コア材２１の表面のより多くの領域、好ましくは実質的に表面全体が炭化物層２３で覆われる。その結果、炭化物層２３を介して、コア材２１が溶融状態の原料金属３０と濡れて、良好に複合化、緻密化できると考えられる。

　このような複合材料の製造方法によって製造された複合材料１では、炭化物層２３を介して、非金属相２（コア材２２）と金属相３とが密着する。また、この複合材料１は、非金属相２と金属相３とが良好に複合されて、緻密になり易い。更に、この複合材料１では、非金属相２と金属相３との密着状態がコア材２２の表面全体にわたって均一的になり易い。そのため、複合材料１は、繰り返しの冷熱サイクルを受けても、密着状態を維持し易く、高い熱伝導率を安定して有する。特に、上記複合材料の製造方法は、製品（複合材料１）間のばらつきを低減できる（後述の試験例１参照）。即ち、上記複合材料の製造方法は、繰り返しの冷熱サイクルを受けた場合に製品間における熱伝導率の低下量のばらつきが小さく、高い熱伝導率を有し、熱伝導率のばらつきが小さい複合材料１を量産できる。

　以下、工程ごとに説明する。
（準備工程）
　非金属相２の原料に用いるコア材２１は、炭素含有材からなる粒子（粉末）、多孔体が挙げられる。コア材２１の大きさ、含有量等は、上述の非金属相の〈大きさ〉、〈含有量〉の項を参照するとよい。

　金属相３の原料に用いる原料金属３０の具体的な組成は、上述の金属相の項を参照するとよい。原料金属３０は、金属粒子（金属粉末）、小片、線材、板材等が挙げられる。

　溶浸助剤９は、溶浸工程で、コア材２１を構成する炭素と反応して、炭化物層２３の形成に利用される。溶浸助剤９は、上述のＴｉ等の金属元素単体、上記金属元素を含む化合物が挙げられる。上記化合物は、溶浸過程で、上記金属元素が上記化合物の形成元素（例、水素）を分離し易く、炭素と結合し易いものが利用できる。上記化合物の一例として、水素化物、硼化物、窒化物、硫化物等が挙げられる。溶浸助剤９が上記化合物であれば、溶浸工程前において、溶浸助剤９の表面に酸化膜９０が厚く形成されることを防止したり、上記金属元素が酸化されることを防止したりし易い。

　溶浸助剤９は、粒子（粉末）、小片等が挙げられる。特に、溶浸助剤９が粉末であれば、粉末又は多孔体であるコア材２１の周囲に万遍なく配置され易い。コア材２１及び溶浸助剤９の二者が粉末であれば混合し易く、溶浸助剤９をコア材２１に対して更に万遍なく配置し易い。溶浸助剤９が万遍なく配置されることで、溶浸工程では、コア材２１を構成する炭素と、溶浸助剤９を構成するＴｉ等の金属元素とが反応し易い。その結果、炭化物層２３が良好に形成され易い。また、上記二者が粉末であれば、これらの粉末を成形型に充填したり、粉末成形体を作製したりし易い。但し、溶浸助剤９が粉末であると、粉末粒子の表面に酸化膜９０が形成され易い。そこで、上述の複合材料の製造方法は、還元剤８を用いて、酸化膜９０を還元する。

　還元剤８は、溶浸工程で、溶浸助剤９の表面に存在し得る酸化膜９０を還元する機能を有する。還元剤８によって酸化膜９０を損傷できることで、溶浸助剤９を構成するＴｉ等の金属元素と、コア材２１を構成する炭素とが確実に反応できる。そのため、炭化物層２３を形成することができる。いわば、還元剤８は、炭化物層２３の形成助剤として機能する。

　還元剤８は、Ｙ等の特定元素単体、上記特定元素を含む化合物が挙げられる。上記化合物は、上記特定元素の酸化物における生成エネルギー（以下、酸化物生成エネルギーと呼ぶ）が大きいものが好ましい。特に、還元剤８の酸化物生成エネルギーが溶浸助剤９の酸化物生成エネルギーよりも大きければ、還元剤８は、酸化膜９０をより確実に還元できて好ましい。還元剤８の酸化物生成エネルギーが溶浸助剤９の酸化物生成エネルギーよりも小さい場合でも、還元剤８が酸化膜９０に若干の損傷を与えて、溶浸助剤９と、コア材２１を構成する炭素との反応を促進することは十分に可能である。

　還元剤８は、粒子（粉末）、小片等が挙げられる。特に、還元剤８が粉末であれば、溶浸助剤９の周囲に万遍なく配置され易い。コア材２１、溶浸助剤９、及び還元剤８の三者が粉末であれば混合し易く、還元剤８を溶浸助剤９に対して万遍無く配置できる上に、溶浸助剤９をコア材２１に対して万遍無く配置できる。還元剤８が万遍無く配置されることで、溶浸工程では、還元剤８は、溶浸助剤９の酸化膜９０を還元してより確実に損傷できる。その結果、炭化物層２３を良好に形成することができる。また、上記三者が粉末であれば、これらの粉末を成形型に充填したり、粉末成形体を作製したりし易い。

〈大きさ〉
　原料金属３０は、溶浸と同時に溶解して原形を失う。そのため、原料金属３０の形状、大きさ等は利用し易い範囲で適宜選択できる。例えば、原料金属３０として、平均粒径が１μｍ以上１５０μｍ以下程度の粉末を用いてもよい。

　溶浸助剤９、還元剤８の大きさは、コア材２１の大きさ等に応じて選択するとよい。例えば、溶浸助剤９として、平均粒径がコア材２１の平均粒径の１／２以下の粉末を用いてもよい。又は、例えば、溶浸助剤９として、平均粒径が０．５μｍ以上２０μｍ以下の粉末を用いてもよい。還元剤８として、例えば、平均粒径が０．１μｍ以上２０μｍ以下程度の粉末を用いてもよい。還元剤８の平均粒径が溶浸助剤９の平均粒径よりも小さいと、還元剤８を溶浸助剤９の周囲に行き渡らせ易い。なお、原料金属３０、溶浸助剤９、還元剤８といった各粉末の平均粒径は上述のメジアン径が挙げられる。

（配置工程）
　コア材２１、溶浸助剤９、還元剤８を所定の形状の成形型に収納する。これらが上述のように粉末であれば、それぞれ別個に成形型に充填してもよいし、予め混合粉末を作製し、混合粉末を成形型に充填してもよい。又は、混合粉末で粉末成形体を作製して、粉末成形体を成形型に収納してもよい。粉末成形体は、例えば、プレス成形等により製造することが挙げられる。その他、コア材２１が多孔体であれば、上記多孔体を成形型に収納した後、溶浸助剤９及び還元剤８の粉末等を充填してもよい。

　溶浸助剤９の添加量、還元剤８の添加量は、複合材料１におけるＴｉ等の金属元素の含有量、複合材料１におけるＹ等の特定元素の含有量がそれぞれ、上述の特定の範囲となるように調整することが挙げられる。この場合、上記金属元素や上記特定元素の過剰含有に起因する熱伝導率の低下を抑制し易く好ましい。特に、還元剤８を用いることで、以下に説明するように複合材料１が高い熱伝導率を有し易い。

　ここで、酸化膜９０による反応阻害を考慮して、溶浸助剤９を十分に多く添加すれば、炭化物層２３が形成され易い。しかし、溶浸助剤９の過剰な添加は、複合材料１中の上記金属元素（酸化膜９０を有することがある）の残存や、炭化物層２３の厚膜化等を招く。ひいては熱伝導率の低下が生じ得る。これに対し、還元剤８を利用すれば、添加した溶浸助剤９において、実際に反応する溶浸助剤９の割合を安定化することができる。そのため、還元剤８を用いると、溶浸助剤９の添加量を過多にする必要が無い。このように還元剤８の使用は、炭化物層２３を過不足なく有しつつ、上述のＴｉ等の金属元素の残存や炭化物層２３の厚膜化等による熱伝導率の低下を招き難い。

（溶浸工程）
　この工程では、主としてコア材２１と原料金属３０とを複合する。具体的には、上述の成形型を所定の温度に加熱して、原料金属３０を溶融状態とする。上述の成形型内の収納物（コア材２１、溶浸助剤９、還元剤８）と溶融状態の原料金属３０とを接触させて、溶融状態の原料金属３０を上記収納物中に浸透させる。そして、コア材２１に溶融状態の原料金属３０を溶浸する。溶浸工程での上記温度は、原料金属３０の組成等に応じて選択するとよい。

　溶浸工程の雰囲気は、真空雰囲気や不活性雰囲気といった低酸化性雰囲気とすることが好ましい。低酸化性雰囲気は、原料、特に溶浸助剤９を構成するＴｉ等の金属元素の酸化を低減することに寄与する。真空雰囲気は、大気圧未満の低圧雰囲気が挙げられる。雰囲気圧力は、例えば１Ｐａ以下が挙げられる。不活性雰囲気は、アルゴン雰囲気、窒素雰囲気等が挙げられる。

［主な作用・効果］
　実施形態の複合材料１は、繰り返しの冷熱サイクルを受けても、熱伝導率の低下が少なく、高い熱伝導率を安定して有する。この効果を、以下の試験例で具体的に説明する。

［試験例１］
　ダイヤモンドと純銀又は純銅とを含む複合材料からなる平板材を作製し、冷熱サイクル前後の熱伝導率を調べる。

（試料の作製）
　ここでは平面形状が長方形状であり、厚さが１．０ｍｍである平板材を作製する。複合材料の原料として、以下を用意する。
　非金属相の原料：ダイヤモンド粉末、平均粒径：２０μｍ以上３０μｍ以下から選択する。
　金属相の原料（原料金属）：純銀粉末（表１ではＡｇと表記）、又は純銅粉末（表１ではＣｕと表記）、純銀粉末の平均粒径及び純銅粉末の平均粒径：１μｍ以上１０μｍ以下から選択する。
　溶浸助剤：表１の種類の欄に示す元素又は化合物の粉末、平均粒径：５μｍ以上１０μｍ以下から選択する。
　還元剤：表１の種類の欄に示す元素の粉末、平均粒径：３μｍ以上５μｍ以下から選択する。

　上述の各粉末の平均粒径は、メジアン径である。メジアン径は、例えば、レーザ回折・散乱式粒子径分布測定装置を用いて測定することが挙げられる。市販のレーザ回折・散乱式粒子径分布測定装置は、例えば、ＭＴ３３００ＥＸ ＩＩ（マイクロトラック製）が挙げられる。

　ダイヤモンド粉末の含有量（体積％）を表１の非金属、「体積率」の欄に示す。表１に示す含有量（体積％）は、複合材料の平板材を１００体積％とした体積割合である。この体積率は、複合材料の平板材における非金属相の体積割合に実質的に等しくなる。

　溶浸助剤の添加量（質量％）、還元剤の添加量（質量％）をそれぞれ表１に示す。表１に示す添加量（質量％）は、ダイヤモンド粉末の質量を１００質量％として、ダイヤモンド粉末の質量に対する質量割合である。還元剤の添加量が０質量％とは、添加していないことを意味する。

　ダイヤモンド粉末と、溶浸助剤の粉末と、還元剤の粉末と、原料金属である純銀粉末又は純銅粉末とを成形型に充填する。この成形型を所定の温度に加熱して、原料金属を溶融状態とする。そして、１気圧のアルゴン雰囲気で、上記収納物に溶融状態の原料金属を溶浸する。この工程により、複合材料の平板材が得られる。

（熱特性）
〈冷熱サイクルを施していない状態での熱伝導率〉
　作製した各試料の複合材料の平板材について、試料ごとに１００個の平板材を用意し、それぞれ熱伝導率（Ｗ／（ｍ・Ｋ））を測定する。各試料の１００個の平板材について、熱伝導率の平均値、及び標準偏差を表２の熱伝導率の欄に示す。なお、この測定では、各試料の１００個の平板材に後述の冷熱サイクル試験を施していない。

　熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ）は、市販の測定装置（ここでは、ＮＥＴＺＳＣＨ ＬＦＡ４４７）を用いてフラッシュ法によって測定する。測定条件は、ＡＳＴＭ Ｅ１４６１－１３「Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｄｉｆｆｕｓｉｖｉｔｙ ｂｙ ｔｈｅ Ｆｌａｓｈ Ｍｅｔｈｏｄ」に準拠した条件である。

〈冷熱サイクル前後の熱伝導率〉
　作製した各試料の複合材料の平板材について、以下の冷熱サイクルを施し、冷熱サイクル前後の熱伝導率の変化を調べる。この測定、及び後述の成分分析は、上述の各試料の１００個の平板材について行う。

《冷熱サイクルの条件》
　各試料の平板材を、－６０℃に保持した試験液に１０分浸した後、１５０℃に保持した試験液に１０分浸す、という操作を１サイクルとする。この冷熱サイクルを１０００サイクル行う。上記試験液には、フッ素系不活性液体（「ガルデン（登録商標）」や「フロリナート（商品名）」等を使用できる。

　上述の冷熱サイクルを１０００サイクル行った後、熱伝導率を測定する。試料ごとに１００個の平板材における熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ）を求める。

　冷熱サイクルを施す前、即ち冷熱サイクルを全く施していない各試料の平板材の熱伝導率に対して、冷熱サイクル後の熱伝導率の維持率（％）を求める。熱伝導率の維持率（％）は、（１０００サイクル後の熱伝導率／冷熱サイクル前の熱伝導率）×１００とする。各試料の平板材における熱伝導率の維持率（％）について平均値及び標準偏差を求める。即ち、試料ごとに、１００個の平板材について熱伝導率の維持率（％）を求め、１００個の平板材の値の平均値及び標準偏差を求める。結果を表２の冷熱サイクル耐性の欄に示す。

（成分分析）
　各試料の複合材料の平板材について、溶浸助剤を構成する金属元素の含有量（質量％）と、還元剤を構成する元素の含有量（質量％）とをそれぞれ測定し、測定結果を表２に示す。ここでは溶浸助剤を構成する金属元素として、Ｔｉ，Ｃｒ，Ｔａ，Ｖの含有量をそれぞれ測定する。また、ここでは還元剤を構成する元素として、Ｙ，Ｍｇ，Ｚｒ，Ｓｉ，Ｂの含有量をそれぞれ測定する。測定方法を以下に説明する。

　各試料の複合材料の平板材について、ダイヤモンド砥石を用いて、上記平板材の表面を削り、上記平板材の表面の付着物を除去する。ここでは、上記平板材の裏表面のそれぞれについて、５０μｍずつ削る。次に、硝酸とオートクレーブとを用いて、上記平板材を完全に酸溶解する。得られた溶液を、ＩＣＰ発光分析装置を用いて分析する。各試料の複合材料を１００質量％として、Ｔｉ等の金属元素の質量割合（質量％）、Ｙ等の特定元素の質量割合（質量％）を調べ、結果を表２に示す。

　試料Ｎｏ．１～Ｎｏ．３３は、金属相が純銀である複合材料の試料である。
　試料Ｎｏ．３４～Ｎｏ．４７は、金属相が純銅である複合材料の試料である。
　試料Ｎｏ．２～Ｎｏ．２２，Ｎｏ．２４，Ｎｏ．２６，Ｎｏ．２８，Ｎｏ．３０～Ｎｏ．３３，Ｎｏ．３５～Ｎｏ．４７は、Ｙ，Ｍｇ，Ｚｒ，Ｓｉ，及びＢからなる群より選択される一つの元素を含む試料である。
　試料Ｎｏ．１，Ｎｏ．２３，Ｎｏ．２５，Ｎｏ．２７，Ｎｏ．２９，Ｎｏ．３４はＹ等の特定元素を含まない試料である。

　まず、表２の試料Ｎｏ．１～Ｎｏ．１１に着目する。Ｙを含む試料Ｎｏ．２～Ｎｏ．１１ではいずれも、Ｙを含まない試料Ｎｏ．１に比較して、熱伝導率の標準偏差が小さい。いわば熱伝導率のばらつきが小さい。特に、試料Ｎｏ．２～Ｎｏ．９では、試料Ｎｏ．１及びＮｏ．１０，Ｎｏ．１１に比較して、熱伝導率の平均値が高い（熱伝導率の低下が少ない）。更に、試料Ｎｏ．２～Ｎｏ．９では、試料Ｎｏ．１に比較して冷熱サイクル耐性の平均値が高く、標準偏差が小さい。このような試料Ｎｏ．２～Ｎｏ．９は、繰り返し冷熱サイクルを受けても、一定の大きさの熱伝導率を安定して有するといえる。この理由として、例えば、以下のことが考えられる。

　Ｙが製造過程で溶浸助剤（ここではＴｉ）の表面に存在し得る酸化膜を還元して、酸化膜が損傷される。その結果、ダイヤモンドを構成する炭素とＴｉとが確実に反応し、炭化物層（ここではＴｉＣ層）が安定して形成できるようになる。この炭化物層によって、ダイヤモンドと銀とが良好に濡れて、未溶浸部分の発生を低減できる。上記酸化膜が損傷されないと、局所的な溶浸助剤の欠乏が生じ、炭化物層が十分に形成されない。その結果、熱伝導率を阻害する未溶浸部分（ボイド）が生じ易い。試料Ｎｏ．２～Ｎｏ．１１では、試料Ｎｏ．１に比較して、未溶浸部分の量が低い値で安定していたと考えられる。その結果、試料Ｎｏ．２～Ｎｏ．１１ではいずれも、熱伝導率の標準偏差が試料Ｎｏ．１よりも低くなったと考えられる。

　特に、試料Ｎｏ．２～Ｎｏ．９では、Ｙの添加量が至適であったため、冷熱サイクル耐性のみならず、熱伝導率の平均値も向上したと考えられる。Ｙの添加量が至適であることで、熱伝導の阻害要素となり得るＹの残渣が少なくなり、Ｙの添加による未溶浸部分の低減効果がＹの残渣による熱伝導の阻害よりも優勢となったと考えられる。

　これに対し、試料Ｎｏ．１０では、Ｙの添加量が比較的多かったため、熱伝導率の平均値が改善せず、冷熱サイクル耐性のみが改善したと考えられる。Ｙの添加量が比較的多いことで、Ｙの残渣による熱伝導の阻害と、Ｙの添加による未溶浸部分の低減効果とが拮抗したと考えられる。試料Ｎｏ．１１では、Ｙの添加量が多過ぎたため、冷熱サイクル耐性が改善したものの、熱伝導率の平均値が低下したと考えられる。Ｙの添加量が多過ぎることで、Ｙの残渣による熱伝導の阻害がＹの添加による未溶浸部分の低減効果よりも優勢となったと考えられる。

　製造過程において、Ｙが溶浸助剤（ここではＴｉ）の表面に存在し得る酸化膜を還元し損傷させることで、ダイヤモンドを構成する炭素とＴｉとが確実に反応する。その結果、炭化物層（ここではＴｉＣ層）が安定して形成されるようになる。炭化物層が良好に形成されることによって、各ダイヤモンド粒子と銀とが安定して強固に密着する。この密着によって、冷熱サイクルを繰り返し受けても、炭化物層に覆われたダイヤモンド粒子（非金属相）と銀（金属相）とが密着状態を維持し易い。一方、Ｙを添加していない試料Ｎｏ．１では、上述のように酸化膜に起因する局所的な溶浸助剤の欠乏が生じて、炭化物層が十分に形成されていない場所が生じる。炭化物層が十分に形成されていない場所では、上記非金属相と上記金属相との界面強度が弱くなる。そのため、冷熱サイクルを繰り返し受けると、上記場所では、上記非金属相と上記金属相とが剥がれ易くなる。この剥離によって、冷熱サイクル後の熱伝導率の平均値が低下したと考えられる。また、熱伝導率のばらつきも大きくなったと考えられる。

　Ｍｇ等を含む試料Ｎｏ．１２～Ｎｏ．２２ではいずれも、試料Ｎｏ．１に比較して、熱伝導率の平均値が高く、熱伝導率の標準偏差も小さい上に、冷熱サイクル耐性の平均値が高く、冷熱サイクル耐性の標準偏差も小さい。このことから、Ｙに代えて、Ｍｇ，Ｚｒ，Ｓｉ，ＢでもＹと同様の効果があると考えられる。

　次に、表２の試料Ｎｏ．３４～Ｎｏ．４７に着目する。金属相が純銅であり、かつＹ等の特定元素を含む試料Ｎｏ．３５～Ｎｏ．４７では、特定元素を含まない試料Ｎｏ．３４に比較して、熱伝導率の標準偏差が小さく、冷熱サイクル耐性の平均値が高く、冷熱サイクル耐性の標準偏差も小さい。特に、上記特定元素の含有量が至適である試料Ｎｏ．３５～Ｎｏ．３８，Ｎｏ．４１～Ｎｏ．４７は、試料Ｎｏ．３９，Ｎｏ．４０に比較して、熱伝導率の平均値が高い。このことから、Ｙ等の還元剤を添加することによる特性の向上効果は、金属相が純銅であっても、上述の金属相が純銀である場合と同様に得られるといえる。試料Ｎｏ．３９，Ｎｏ．４０において熱伝導率の平均値が低くなった理由は、上述の試料Ｎｏ．１０，Ｎｏ．１１と同様に考えられる。

　これらのことから、繰り返しの冷熱サイクルを受けても高い熱伝導率を安定して有する複合材料は、Ｙ等の特定元素を含み、その含有量は４質量ｐｐｍ（０．０００４質量％）以上１．３４質量％未満、特に１．３質量％以下が好ましいといえる。特定元素の含有量は１０質量ｐｐｍ以上、更に１２質量ｐｐｍ以上であると、熱伝導率及び冷熱サイクル耐性がより高くて好ましいといえる。また、この場合、熱伝導率の標準偏差及び冷熱サイクル耐性の標準偏差も小さく、ばらつきが少ないことからも好ましいといえる。特定元素の含有量が１５質量ｐｐｍ以上０．５質量％以下であると、熱伝導率が更に高く好ましいといえる。更に、特定元素の含有量は、３０質量ｐｐｍ以上０．２質量％以下、更には０．１質量％以下、０．０８質量％以下がより好ましいといえる。金属相が純銀の場合、特定元素の含有量が０．０１０質量％以上０．０２０質量％以下であると、熱伝導率がより一層高く好ましいといえる。また、金属相が純銀の場合、金属相が純銅の場合よりも熱伝導率が高く、６００Ｗ／ｍ・Ｋ以上という高い熱伝導率を有する複合材料であることが分かる。

　次に、試料Ｎｏ．２３，Ｎｏ．２４に着目する。試料Ｎｏ．２３，Ｎｏ．２４は、溶浸助剤として、表１に示すようにＴｉＨ₂を用いた試料である。

　まず、試料Ｎｏ．１と試料Ｎｏ．２３とを比較する。この比較から、溶浸助剤としてＴｉＨ₂を用いた場合は、溶浸助剤としてＴｉを用いた場合に比較して、熱伝導率、熱伝導率の標準偏差、冷熱サイクル耐性、冷熱サイクル耐性の標準偏差の全ての項目について優れるといえる。このような結果となった理由の一つとして、ＴｉＨ₂に含まれるＨ₂による還元効果が考えられる。

　次に、試料Ｎｏ．４と試料Ｎｏ．２３とを比較する。この比較から、溶浸助剤としてＴｉを用いると共に、還元剤としてＹといった特定元素を添加する場合は、溶浸助剤としてＴｉＨ₂を用いると共に上記特定元素を添加しない場合に比較して、熱伝導率、熱伝導率の標準偏差、冷熱サイクル耐性、冷熱サイクル耐性の標準偏差の全ての項目について優れるといえる。このような結果が得られたことは、Ｙによる還元効果がＴｉＨ₂に含まれるＨ₂の還元効果よりも優れることを示唆する。

　更に、試料Ｎｏ．２３と試料Ｎｏ．２４とを比較する。この比較から、溶浸助剤としてＴｉＨ₂を用いると共に、還元剤としてＹといった特定元素を添加する場合は、上記特定元素を添加しない場合に比較して、熱伝導率、熱伝導率の標準偏差、冷熱サイクル耐性、冷熱サイクル耐性の標準偏差の全ての項目について改善されている。このような結果となった理由の一つとして、ＴｉＨ₂に含まれるＨ₂と、還元剤のＹとの双方が、特性を改善する方向に作用したことが考えられる。

　次に、試料Ｎｏ．２５～Ｎｏ．３０に着目する。試料Ｎｏ．２５～Ｎｏ．３０は、溶浸助剤として、Ｃｒ，Ｔａ，及びＶからなる群より選択される一種を用いた試料である。Ｙを含む試料Ｎｏ．２６，Ｎｏ．２８，Ｎｏ．３０は、Ｙを含まない試料Ｎｏ．２５，Ｎｏ．２７，Ｎｏ．２９に比較して、熱伝導率の平均値が高く、熱伝導率の標準偏差も小さい上に、冷熱サイクル耐性の平均値が高く、冷熱サイクル耐性の標準偏差も小さい。このことから、溶浸助剤としてＴｉに代えて、Ｃｒ，Ｔａ，Ｖを用いる場合でも、Ｙ等の特定元素を用いると、Ｔｉの場合と同様に、特定元素による還元及び還元に伴うＣｒ等を含む炭化物層の良好な形成という効果が得られると考えられる。また、Ｃｒ等の場合と上述のＴｉの場合とを合せると、複合材料中におけるＴｉ，Ｃｒ，Ｔａ，Ｖといった金属元素の含有量は、０．１質量％以上７．５質量％以下が好ましいといえる。更に、上記金属元素の含有量は、０．１質量％以上２．５質量％以下、更に０．３質量％以上１．０質量％以下が好ましいといえる。

　次に、試料Ｎｏ．３１～Ｎｏ．３３に着目する。これらの試料は、試料Ｎｏ．４に対して、ダイヤモンドの含有量を異ならせた試料である。試料Ｎｏ．３１，Ｎｏ．４，Ｎｏ．３２，Ｎｏ．３３の順に熱伝導率が高いことが分かる。このことから、Ｙ等の特定元素による還元効果は、ダイヤモンドの含有量にかかわらず発現し、特性が改善される方向に作用するといえる。また、ダイヤモンド等の炭素含有材の含有量を多くすることで、熱伝導率がより高い複合材料にできるといえる。

　なお、各試料の複合材料の平板材について、断面をＳＥＭ－ＥＤＸ装置によって面分析を行い、Ｔｉ，Ｃｒ，Ｔａ，Ｖといった金属元素の存在領域と、Ｃ（炭素）の存在領域とを比較する。両存在領域が重複する箇所がある場合、この重複箇所における上記金属元素は、炭化物層を形成すると見なせる。また、上述の断面ＳＥＭ像において、非金属相（ここではダイヤモンド及び炭化物層）及び金属相（ここでは純銀又は純銅）以外の物質を抽出して、ＳＥＭ－ＥＤＸ装置等によって成分分析を行う。成分分析の結果、Ｙ，Ｍｇ，Ｚｒ，Ｓｉ，Ｂといった元素と、酸素とが検出された場合、Ｙ等の元素は酸化物として存在すると見なせる。上記物質から、Ｔｉ等の金属元素が検出された場合、上記金属元素の一部は製造過程で炭化物層の形成に用いられず、酸化物として存在し得ると考えられる。

　以上のことから、以下の条件を満たす複合材料は、繰り返しの冷熱サイクルを受けても、特性のばらつきが少ないこと、及び高い熱伝導率を安定して有することが示された。
　（条件）金属相がＡｇやＣｕを主体とする。非金属相がダイヤモンド等の炭素含有材を含む。複合材料は、炭素含有材の表面にＴｉ等の金属元素を含む炭化物層を備える。複合材料は、Ｙ等の特定元素を特定の範囲で含む。

［付記］
（付記１）
　金属相と非金属相とを含む複合材料であって、
　前記金属相は、前記金属相を１００質量％として、ＡｇもしくはＣｕを９０質量％以上含有し、又はＡｇとＣｕとを合計で９０質量％以上含有し、
　前記非金属相は、コア材と、前記コア材の表面の少なくとも一部を覆う炭化物層とを有する被覆コア材を含み、
　前記コア材の構成材料は、ダイヤモンド、グラファイト、炭素繊維、及び炭化珪素からなる群より選択される一種以上の炭素含有材を含み、
　前記炭化物層の構成材料は、Ｔｉ，Ｃｒ，Ｔａ，及びＶからなる群より選択される一種以上の金属元素の炭化物を含み、
　前記複合材料を１００質量％として、Ｙ，Ｍｇ，Ｓｉ，Ｂ，及びＺｒからなる群より選択される一種以上の元素を合計で４質量ｐｐｍ以上１．３質量％以下含む、
　複合材料。
（付記２）
　前記元素の少なくとも一部を酸化物として含む付記１に記載の複合材料。
（付記３）
　前記複合材料を１００質量％として、前記金属元素を合計で０．１質量％以上７．５質量％以下含む付記１又は付記２に記載の複合材料。
（付記４）
　前記複合材料を１００体積％として、前記非金属相の含有量が５０体積％以上である付記１から付記３のいずれか１項に記載の複合材料。

　本発明は、これらの例示に限定されるものではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。例えば、試験例１において、複合材料中の金属相の組成、非金属相の組成・大きさ（粒径）・含有量、溶浸助剤の組成・添加量、還元剤の組成・添加量、溶浸条件等を適宜変更できる。

　１　複合材料、２　非金属相、３　金属相、２０　被覆コア材、２１，２２　コア材、２３　炭化物層、３０　原料金属、４　酸化物、８　還元剤、９　溶浸助剤、９０　酸化膜。

Claims (6)

1. 　金属相と非金属相とを含み、
   　特定元素をさらに含み、
   　前記金属相の９０質量％以上は、Ａｇ及びＣｕからなる群より選択される少なくとも一種からなり、
   　前記非金属相は、被覆コア材を含み、
   　前記被覆コア材は、コア材と、前記コア材の表面の少なくとも一部を覆う炭化物層とを有し、
   　前記コア材は、ダイヤモンド、グラファイト、炭素繊維、及び炭化珪素からなる群より選択される一種以上の炭素含有材を含み、
   　前記炭化物層は、Ｔｉ，Ｃｒ，Ｔａ，及びＶからなる群より選択される一種以上の金属元素の炭化物を含み、
   　前記特定元素は、Ｙ，Ｍｇ，Ｓｉ，Ｂ，及びＺｒからなる群より選択される一種以上からなり、
   　前記特定元素の含有量は、合計で０．０００４質量％以上１．３質量％以下である、
   　複合材料。
2. 　前記特定元素の少なくとも一部を酸化物として含む、
   　請求項１に記載の複合材料。
3. 　前記金属元素の含有量が合計で０．１質量％以上７．５質量％以下である、
   　請求項１又は請求項２に記載の複合材料。
4. 　前記非金属相の含有量が５０体積％以上である、
   　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. 　前記非金属相の含有量が５０体積％以上９０体積％以下である、
   　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。
6. 　前記特定元素の少なくとも一部を酸化物として含み、
   　前記金属元素の含有量が合計で０．１質量％以上７．５質量％以下であり、
   　前記非金属相の含有量が５０体積％以上９０体積％以下である、
   　請求項１に記載の複合材料。

Images