複合材料の製造方法および複合材料
【課題】コストを低減した複合材料の製造方法および複合材料を提供する。
【解決手段】複合材料１０の製造方法は、以下の工程を備えている。開口部を有する表面を含む金属基材１１を準備する。２００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有する熱伝導性粒子を含む粉末と、金属基材１１を構成する材料と異なる金属材料を含む金属粉末とを、金属基材１１の表面１１ａの開口部に供給する。粉末と、金属粉末と、金属基材１１とを摩擦攪拌することにより、複合材料部１２を形成する。複合材料１０は、表面１１ａを有する金属基材１１と、金属基材１１の表面１１ａに配置された複合材料部１２とを備えている。複合材料部１２は、２００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有する熱伝導性粒子を含み、かつ金属基材１１を構成する金属材料を含む合金であり、熱伝導性粒子は、複合材料部において１０ｖｏｌ％以上７０ｖｏｌ％以下の体積含有率を有する。
【解決手段】複合材料１０の製造方法は、以下の工程を備えている。開口部を有する表面を含む金属基材１１を準備する。２００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有する熱伝導性粒子を含む粉末と、金属基材１１を構成する材料と異なる金属材料を含む金属粉末とを、金属基材１１の表面１１ａの開口部に供給する。粉末と、金属粉末と、金属基材１１とを摩擦攪拌することにより、複合材料部１２を形成する。複合材料１０は、表面１１ａを有する金属基材１１と、金属基材１１の表面１１ａに配置された複合材料部１２とを備えている。複合材料部１２は、２００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有する熱伝導性粒子を含み、かつ金属基材１１を構成する金属材料を含む合金であり、熱伝導性粒子は、複合材料部において１０ｖｏｌ％以上７０ｖｏｌ％以下の体積含有率を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合材料の製造方法および複合材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
パーソナルコンピュータやモバイル電子機器の高機能化、高密度実装化に伴い、ＣＰＵ（Central Processing Unit：セントラルプロセッシングユニット）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit：グラフィックスプロセッシングユニット）、チップセット、メモリーチップ等の半導体素子の発熱源の単位面積あたりの発熱量が飛躍的に増大しており、放熱装置の高性能化が求められている。これは、半導体素子には構成する材料固有の作動上限温度が定まっており、その温度以上では半導体素子が破壊してしまうので、放熱が不十分な状態では著しく寿命低下をきたすためである。通常、自然対流や電動送風装置を用いた強制対流を用いて放熱を図る。しかし、原理的に単位面積あたりの放熱量には冷却方式固有の上限がある。したがって、大量の熱を放熱するためには、放熱する面積を拡大するヒートスプレッダと称する放熱装置が一般に用いられている。
【０００３】
具体的には、ヒートスプレッダとして、半導体素子の放熱面に配置され、半導体よりもサイズの大きいＡｌ（アルミニウム）やＣｕ（銅）などの金属をベースとする複合材料、たとえばＳｉＣ（炭化珪素）を添加したＡｌ−ＳｉＣ複合材料やダイヤモンドを添加したＣｕ−ダイヤモンド複合材料などを用いることができる。また、別の複合材料として、特開２００８−２４８３２４号公報（特許文献１）には、所定の厚さの金属を表面に被覆したダイヤモンド粒子を用いて製造される複合材料が開示されている。このような複合材料の熱膨張係数は、半導体素子の熱膨張係数と近い。このような複合材料を半導体素子と接触させることで、熱を吸い上げると共に、その熱をヒートスプレッダとしての複合材料の面内方向にも広げ、さらには、その複合材料の熱をＡｌやＣｕなどの金属製の冷却材、たとえばヒートシンクに伝えて放熱する方法がとられる。
【０００４】
ヒートスプレッダとしての複合材料を半導体素子の熱膨張係数と近い材料にするのは、以下の理由による。すなわち、半導体素子の熱膨張係数と、ヒートシンクとしての金属製の冷却材の熱膨張係数との間には大きな差があるため、金属製の冷却材の上にそのまま半導体素子を積層すると、温度サイクル下で両者の界面に熱応力が発生する。このため、半導体素子に歪みが発生して半導体素子が安定して動作しなかったり、最悪の場合には、界面でのクラックの発生や剥離や、半導体素子の破壊に至る場合もある。このため、金属製の冷却材と半導体素子との熱膨張係数の中間の熱膨張係数を持つヒートスプレッダを介在させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２４８３２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記特許文献１の複合材料を製造するためには、金属を表面に被覆したダイヤモンド粒子に１ｋＰａ〜１．５ＧＰａの圧力を加えた状態で、１００Ｐａ以下の真空雰囲気下で、０．１℃／ｓ〜８．３℃／ｓの昇温速度で昇温して、３４３℃〜１０８３℃の範囲で高温保持するように１０秒〜７２００秒間、所定の電圧および電流の直流パルス電流または直流パルス電流と直流電流の重畳電流を流して焼結している。このように上記特許文献１の複合材料は、複雑なプロセスで製造する必要があるので、製造する複合材料が高価になってしまう。また、半導体素子を搭載するためには、複合材料とヒートシンクとを接合する必要がある。したがって、コストが増加してしまうという課題があった。
【０００７】
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、コストを低減した複合材料の製造方法および複合材料を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の複合材料の製造方法は、以下の工程を備えている。開口部を有する表面を含む金属基材を準備する。２００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有する熱伝導性粒子を含む粉末と、金属基材を構成する材料と異なる金属材料を含む金属粉末とを、金属基材の表面の開口部に供給する。
【０００９】
本発明の複合材料の製造方法によれば、金属基材の開口部に供給した金属基材と異なる金属材料の金属粉末と、金属基材とを摩擦攪拌する。これにより、金属粉末を構成する金属と、金属基材を構成する金属とを含む合金を形成することができる。このため、塑性流動が抑制されにくくなるので、開口部に供給した粉末中の熱伝導性粒子を合金中に容易に分散させることができる。したがって、簡易なプロセスで複合材料部を形成することができるので、コストを低減して複合材料を製造することができる。
【００１０】
上記複合材料の製造方法において好ましくは、金属基材は、銅を含み、金属粉末は、銀（Ａｇ）と銅との合金粉末、または銀粉末を含む。
【００１１】
これにより、銅と銀とを有する合金を含む複合材料部を形成することができる。銅および銀は熱伝導率が高いため、複合材料部の放熱性を向上することができる。
【００１２】
上記複合材料の製造方法において好ましくは、複合材料部を形成する工程では、粉末に棒状の回転部材を当接させつつ回転させる。
【００１３】
これにより、より容易に複合材料を製造することができるので、コストをより低減して複合材料を製造することができる。
【００１４】
上記複合材料の製造方法において好ましくは、回転部材の負荷圧力が３０ＭＰａ以上である。
【００１５】
これにより、加工時に熱伝導性粒子が再配列されやすくなるので、開口部内に気孔が混入した場合でも、複合材料部の緻密化に効果を奏する。
【００１６】
上記複合材料の製造方法において好ましくは、複合材料部を形成する工程は、金属粉末と接触する金属基材と、金属粉末とを摩擦攪拌して、金属基材を構成する金属材料と金属粉末を構成する金属材料とを含む合金に形成する工程と、合金の表面に粉末を供給する工程と、粉末と接触する合金と、粉末とを摩擦攪拌する工程とを含む。
【００１７】
これにより、合金の表面に供給した粉末中の熱伝導性粒子を合金中により容易に分散させることができる。このため、熱伝導性粒子の含有率を向上した複合材料部を形成することができる。
【００１８】
上記複合材料の製造方法において好ましくは、少なくとも被加工部を予備加熱する工程をさらに備える。
【００１９】
これにより、摩擦攪拌するときに、少なくとも一部に液相を生成させやすくなる。このため、熱伝導性粒子を合金中により均一に分散させることができる。
【００２０】
上記複合材料の製造方法において好ましくは、金属粉末は、チタン（Ｔｉ)、ハフニウム（Ｈｆ）、およびジルコニウム（Ｚｒ）からなる群より選ばれた少なくとも一種の添加物質を含む。
【００２１】
これらの添加物質は、ＳｉＣ、窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）、ＡｌＮ、ダイヤモンド、六方晶窒化ホウ素（ｈＢＮ）、立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）、カーボンナノチューブ、炭素繊維などの熱伝導性粒子と反応して、これらの添加物質を炭化物、窒化物などに形成できる。これらの炭化物、窒化物などは、金属基材と金属粉末との合金と、熱伝導性粒子との濡れ性を向上させるため、結果として複合材料部の熱伝導率をより高くすることができる。
【００２２】
上記複合材料の製造方法において好ましくは、添加物質は、複合材料部において０．１ｗｔ％以上含有される。これにより、複合材料部の熱伝導率をより一層高めることができる。
【００２３】
上記複合材料の製造方法において好ましくは、摩擦攪拌する工程では、少なくとも一部に液相を生成させながら摩擦攪拌する。
【００２４】
これにより、摩擦攪拌時に金属の塑性流動がより抑制されにくくなるため、熱伝導性粒子を金属中により均一に分散させることができる。
【００２５】
本発明の複合材料は、表面を有する金属基材と、金属基材の表面に配置された複合材料部とを備える。複合材料部は、２００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有する熱伝導性粒子を含み、かつ金属基材を構成する金属材料を含む合金であり、熱伝導性粒子は、複合材料部において１０ｖｏｌ％以上７０ｖｏｌ％以下の体積含有率を有する。
【００２６】
本発明の複合材料によれば、本発明の複合材料の製造方法により製造することにより、コストを低減して、上記のような熱伝導率を向上した複合材料を実現することができる。
【００２７】
上記複合材料において好ましくは、金属基材はＣｕを含み、複合材料部はＣｕとＡｇとの合金を含む。
【００２８】
銅および銀は熱伝導率が高いため、放熱性を向上した複合材料を実現することができる。
【００２９】
上記複合材料において好ましくは、熱伝導性粒子が、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ダイヤモンド、六方晶窒化ホウ素（ｈＢＮ）、立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）、カーボンナノチューブ、および炭素繊維からなる群より選ばれた少なくとも一種の物質を含む。これにより、複合材料部の熱伝導率をより向上することができる。
【発明の効果】
【００３０】
以上のように、本発明の複合材料の製造方法および複合材料によれば、コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施の形態１における複合材料を概略的に示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１における開口部を有する金属基材を概略的に示す模式図である。
【図３】本発明の実施の形態１における熱伝導性粒子を含む粉末を供給した状態を概略的に示す模式図である。
【図４】本発明の実施の形態１における摩擦攪拌する状態を概略的に示す模式図である。
【図５】図６における線分Ｖ−Ｖ線に沿った断面図である。
【図６】本発明の実施の形態１における摩擦攪拌する状態を概略的に示す模式図である。
【図７】本発明の実施の形態１の変形例１における熱伝導性粒子を含む粉末を供給した状態を概略的に示す平面図である。
【図８】本発明の実施の形態１の変形例１における複合材料を概略的に示す平面図である。
【図９】本発明の実施の形態１の変形例２における熱伝導性粒子を含む粉末を供給した状態を概略的に示す平面図である。
【図１０】本発明の実施の形態１の変形例２における複合材料を概略的に示す平面図である。
【図１１】本発明の実施の形態１の変形例３における熱伝導性粒子を含む粉末を供給した状態を概略的に示す平面図である。
【図１２】本発明の実施の形態１の変形例３における複合材料を概略的に示す平面図である。
【図１３】比較例の複合材料に半導体素子を搭載した状態を概略的に示す断面図である。
【図１４】本発明の実施の形態１における複合材料に半導体素子を搭載した状態を概略的に示す断面図である。
【図１５】本発明の実施の形態２における金属基材に金属粉末を供給した状態を概略的に示す模式図である。
【図１６】本発明の実施の形態２における摩擦攪拌する状態を概略的に示す模式図である。
【図１７】本発明の実施の形態２における金属粉末と金属基材とを摩擦攪拌した状態を概略的に示す模式図である。
【図１８】本発明の実施の形態２における合金に熱伝導性粒子を含む粉末を供給した状態を概略的に示す模式図である。
【図１９】本発明の実施の形態２における合金と熱伝導性粒子を含む粉末とを摩擦攪拌する状態を概略的に示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。
【００３３】
（実施の形態１）
図１を参照して、本実施の形態における複合材料１０について説明する。複合材料１０は、金属基材１１と、複合材料部１２とを備えている。金属基材１１は、表面１１ａを有している。複合材料部１２は、金属基材１１の表面１１ａに配置されている。言い換えると、複合材料１０の表面の一部に、複合材料部１２は形成されている。本実施の形態では、金属基材１１の表面１１ａと、複合材料部１２の表面１２ａとは同一平面に位置付けられている。
【００３４】
金属基材１１は、ヒートシンクである。金属基材１１は、たとえば開口部を有する平板であり、熱伝導率が高いことが好ましい。この観点から、金属基材１１は、Ｃｕを含むことが好ましく、Ｃｕからなることがより好ましい。
【００３５】
複合材料部１２は、ヒートスプレッダである。この複合材料部１２は、２００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有する熱伝導性粒子を含み、かつ金属基材１１を構成する金属材料を含む合金である。
【００３６】
複合材料部１２は、金属基材１１を構成する金属材料と、この金属材料と異なる金属との合金とを含むことが好ましい。このような合金として、たとえばＣｕとＡｇとの合金などが好適に用いられる。
【００３７】
また、合金は、Ｔｉ、Ｈｆ、およびＺｒからなる群より選らばれた少なくとも一種の添加物質を含むことが好ましい。この場合、複合材料部１２の熱伝導率をより向上することができる。
【００３８】
合金が添加物質を含む場合には、複合材料部１２において０．１ｗｔ％以上含有されることが好ましく、０．３ｗｔ％以上０．５ｗｔ％以下含まれることがより好ましい。この場合、複合材料部１２の熱伝導率をより向上することができる。
【００３９】
熱伝導性粒子は、複合材料部１２において１０ｖｏｌ％以上７０ｖｏｌ％以下の体積含有率を有する。このため、複合材料部１２は半導体素子の熱膨張係数と整合性の高い熱膨張係数を持ち、その他の部位（金属基材１１）は熱伝導率が高い金属材料からなる。熱伝導性粒子の含有量が下限値を下回ると複合材料部１２の熱伝導率が十分でなく、上限を超えると、攪拌時に緻密にすることが困難となる気孔残存により熱伝導率が低下してしまう。
【００４０】
このように、複合材料部１２は、合金により熱伝導率を向上でき、かつ１０ｖｏｌ％以上７０ｖｏｌ％以下の熱伝導性粒子を含むこよにより熱膨張率係数を緩和することができる。さらに、その他の部位である金属基材１１は加工性、ろう付け性、めっき性に優れた金属材料からなるため、放熱性能に優れた複合材料１０を安価で実現することができる。
【００４１】
ここで、上記熱伝導性粒子は、２００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有している。熱伝導性粒子の熱伝導率は、高いほど好ましいが、上限はたとえばダイヤモンドの場合、１０００〜２０００Ｗ／ｍＫである。熱伝導率とは、レーザフラッシュ法により測定される値を意味する。
【００４２】
熱伝導性粒子（分散粒子）は、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、ダイヤモンド、六方晶窒化ホウ素、立方晶窒化ホウ素、カーボンナノチューブ、および炭素繊維からなる群より選ばれた少なくとも一種の物質を含んでいることが好ましく、熱伝導率が特に高いダイヤモンドを含んでいることがより好ましい。これらの熱伝導性粒子は熱伝導率が高いので、複合材料部１２の熱伝導率をより向上することができる。
【００４３】
熱伝導性粒子は、複合材料部１２の表面１２ａに載置する半導体素子の熱膨張係数と、金属基材１１の熱膨張係数との間の熱膨張係数を有することが好ましい。
【００４４】
複合材料部１２の熱伝導率は、１０１Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましい。たとえば、複合材料部１２を構成する合金および熱伝導性粒子として上記材料を用いることにより、複合材料部１２の熱伝導率を１０１Ｗ／ｍＫ以上にすることができる。これにより、複合材料部１２の熱伝導率をより向上することができる。
【００４５】
複合材料部１２の熱膨張係数は、１０．７×１０-6／Ｋ以下であることが好ましい。この場合、複合材料部１２の表面１２ａ上に搭載する半導体素子の熱膨張率と、複合材料部１２の熱膨張率との差を効果的に緩和することができる。このため、半導体素子の使用により、半導体素子が複合材料１０から剥離することを抑制することができる。
【００４６】
ここで、上記「熱膨張係数」は、室温から５００℃の間のレーザ変位読み取り式熱膨張係数測定装置で測定される平均熱膨張係数を意味する。
【００４７】
本実施の形態では、複合材料１０は、放熱性が高く、かつ半導体素子との熱膨張係数差が小さいので、半導体素子を搭載するための放熱材料としている。このため、複合材料部１２の表面１２ａは、半導体素子を搭載する。
【００４８】
半導体素子は、シリコン（Ｓｉ）、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、および窒化アルミニウムからなる群より選ばれた少なくとも一種の物質を含むことが好ましい。たとえば、半導体素子は、シリコン、インジウム、ガリウム砒素、窒化ガリウム、または窒化アルミニウムからなる基板と、この基板上に形成された半導体層とを備えている。本実施の形態の複合材料１０は、これらの材料の半導体素子から発生する熱を放熱する効果をコストを低減して実現できるため、放熱装置として好適に用いられる。
【００４９】
続いて、図１〜図６を参照して、本実施の形態における複合材料１０の製造方法について説明する。
【００５０】
まず、図２に示すように、表面１１ａに開口部１１ｂを有する金属基材１１を準備する。金属基材１１は、Ｃｕであることが好ましい。
【００５１】
この工程では、たとえば、平板状の金属基材を準備し、表面１１ａを加工して、開口部１１ｂを形成する。開口部１１ｂは、わずかな隙間であり、たとえば溝である。
【００５２】
次に、図３に示すように、２００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有する熱伝導性粒子を含む粉末と、金属基材１１を構成する金属材料と異なる金属材料の金属粉末との混合粉末１５を金属基材１１の表面１１ａの開口部１１ｂに供給する。混合粉末１５中の金属粉末は、金属基材１１を構成する金属材料と同じ金属粉末を含んでいてもよい。なお、混合粉末１５中の熱伝導性粒子を含む粉末は、熱伝導性粒子を主成分として含み、残部が不可避的不純物であってもよい。
【００５３】
熱伝導性粒子は、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、ダイヤモンド、六方晶窒化ホウ素、立方晶窒化ホウ素、カーボンナノチューブ、および炭素繊維からなる群より選ばれた少なくとも一種の物質を含んでいることが好ましい。
【００５４】
熱伝導性粒子の平均粒径は２００μｍ以下であることが好ましい。２００μｍ以下の場合、回転部材１６（図４〜図６参照）などの工具の磨耗を低減することができる。平均粒径が小さくなっても攪拌に問題は生じないが、下限はたとえば１μｍである。この場合、熱伝導性粒子と金属基材１１を構成する金属材料との界面の面積が増大することを抑制し、かつ複合材料部１２の熱伝導率が低下することを抑制することができる。なお、後述する攪拌する工程で少なくとも一部に液相を生成させながら攪拌する場合には、熱伝導性粒子の平均粒径が２００μｍを超えていてもよい。
【００５５】
この工程では、開口部１１ｂに混合粉末１５を充填した後に、圧力を加えて充填密度を高めてもよい。このとき、混合粉末１５を構成する熱伝導性粒子の組織が崩れることを抑制できる程度の圧力を加えてもよい。
【００５６】
また、この工程では、金属基材１１の表面１１ａと同じまたはそれ以下の深さになるように、混合粉末１５を開口部１１ｂに供給することが好ましい。この場合、混合粉末１５が開口部１１ｂからあふれることを抑制できるので、複合材料部１２に生成される組織が崩れることを抑制できる。
【００５７】
次に、図４〜図６に示すように、混合粉末１５と接触する金属基材１１と、混合粉末１５とを摩擦攪拌する。本実施の形態では、混合粉末１５に棒状の回転部材１６を当接させつつ回転させることにより、金属基材１１と混合粉末１５とを摩擦攪拌している。
【００５８】
ここで、図４および図５を参照して、回転部材１６について説明する。回転部材１６は、本体１６ａと、プローブ１６ｂとを有している。本体１６ａは、円筒状である。プローブ１６ｂは、回転部材１６の先端に位置し、本体１６ａよりも小径のロッド状である。本体１６ａは、プローブ１６ｂと接続され、かつ金属基材１１の表面１１ａと接するショルダー面１６ａ１とを有する。
【００５９】
なお、プローブ１６ｂは回転部材に必ず必要なものではなく、場合によってはプローブ１６ｂを有しない略円筒状の回転部材を用いても良い。
【００６０】
回転部材１６の材質は、たとえば、ＪＩＳに規格されているＳＫＤ６１鋼等の工具鋼や、タングステンカーバイト（ＷＣ）、コバルト（Ｃｏ）からなる超硬合金、またはＳｉ3Ｎ4等のセラミックス、ｃＢＮからなるものとすることができる。
【００６１】
このような回転部材１６を、図４に示すように、混合粉末１５を充填した開口部１１ｂ上に、回転部材１６のプローブ１６ｂを当接させつつ回転させる。さらに、図６に示すように、開口部１１ｂの長手方向に沿って回転部材１６を移動させる。これにより、開口部１１ｂに充填した混合粉末１５（つまり熱伝導性粒子を含む粉末および金属粉末）を回転部材１６によって攪拌させ、混合粉末１５中の熱伝導性粒子を金属基材１１を構成する金属材料中に混入させ、かつ金属基材１１を構成する金属材料と混合粉末１５中の金属粉末との合金にすることができる。したがって、金属基材１１を構成する金属材料と、金属粉末を構成する金属材料との合金中に、熱伝導性粒子が分散した複合材料部１２を形成することができる。
【００６２】
なお、混合粉末１５を金属材料中に十分に混入させるため、回転部材１６を、混合粉末１５を充填した開口部１１ｂ上で回転させつつ往復動させることもできる。あるいは、回転部材１６を移動させずに同じ場所で回転させ続けることによっても混合粉末１５と金属基材１１とを摩擦攪拌させることができる。このような処理をすることで、攪拌された部位のみが、金属基材１１を構成する金属材料と混合粉末１５中の金属粉末を構成する金属材料とを含む合金であり、かつ熱伝導性粒子を含む複合材料部１２に転化させることができる。たとえば、金属基材１１がＣｕであり、混合粉末１５中の金属粉末がＡｇまたはＡｇ−Ｃｕ合金であり、熱伝導性粒子がＳｉＣである熱伝導性粒子からなる場合には、Ａｌ−Ｃｕ合金中にＳｉＣが分散された複合材料部に転化させることができる。
【００６３】
回転部材１６の形状としては、図５に示すように、先端にロッド状のプローブ１６ｂとショルダー面１６ａ１とを有し、ショルダー面１６ａ１の面積が複合材料部１２が生成する部位（被加工部）の面積よりも大きいことが好ましい。言い換えると、回転部材１６のショルダー面１６ａ１の径Ｄ１６は、被加工部の径Ｄ１２よりも大きい。この場合、被加工部に気孔が混入することを抑制することができる。このため、摩擦攪拌により生成される複合材料部１２の密度を向上することができる。したがって、複合材料部１２の熱伝導率を向上することができる。
【００６４】
なお、回転部材のショルダー面１６ａ１の径Ｄ１６とは、ショルダー面１６ａ１において被加工部を覆っている直径を意味する。被加工部の径Ｄ１２とは、複合材料部１２を生成するべき領域の短手方向の長さ、つまり開口部１１ｂの幅を意味する。
【００６５】
また、加工時におけるショルダー面１６ａ１の面圧（回転部材１６の負荷圧力）が３０ＭＰａ以上であることが好ましい。この場合、加工時に硬質粒子である熱伝導性粒子が再配列されやすく、気孔を含んだ場合でも緻密化に効果がある。このため、複合材料部１２の熱伝導率を向上することができる。熱伝導性粒子の体積含有率が高い場合には、ショルダー面１６ａ１の面圧が高い方が緻密化されやすいので好ましい。たとえば熱伝導性粒子の体積含有率が５０％以上の場合には、ショルダー面１６ａ１の面圧は３００ＭＰａ以上であることが好ましい。
【００６６】
なお、加工時におけるショルダー面１６ａ１の面圧の上限は、たとえば装置上の理由から、７ｔｏｎ／ｃｍ2以下である。
【００６７】
また、この工程では、少なくとも一部に液相を生成させながら摩擦攪拌することが好ましい。言い換えると、この工程では、金属基材１１を構成する金属材料の融点以上であって、かつ金属粉末を構成する金属材料の融点以上の温度に加熱して摩擦攪拌することが好ましい。
【００６８】
本実施の形態では、攪拌部が合金に変化しているので、金属基材よりも融点が低く、液相が出やすい。すなわち、金属基材１１を固体状態のまま攪拌部のみが溶融した状態を生み出しやすくなる。たとえば複合材料部１２の合金が７２ｗｔ％Ａｇ−２８ｗｔ％Ｃｕ合金である場合、７２ｗｔ％Ａｇ−２８ｗｔ％Ｃｕの融点は約７８０℃であり、Ｃｕの融点は１０８３℃であるので、液相が出現しやすい。
【００６９】
本実施の形態では、熱伝導性粒子（硬質分散相）の体積分率が高いので、固相状態のままで攪拌すると、金属の塑性流動が抑制される。このため、少なくとも一部に液相を生成させながら摩擦攪拌することにより、濡れ性を向上し、界面の状態を良好にすることで、熱伝導性粒子を均一に合金中に分散させることができる。したがって、用いる金属基材１１によって攪拌により到達する温度を変化させて液相を出すことが好ましい。熱伝導性粒子の体積含有率が５０％以上では、攪拌時に液相を出現させることで攪拌抵抗を低下させることができるため、特に効果がある。
【００７０】
この時、到達温度が高すぎると、液相の粘性が大幅に低下して周囲に飛散しやすい。一方、到達温度が液相出現温度の直上の場合は、液相の粘性が大きく、十分に攪拌できない場合がある。このため、好ましい温度Ｔ（℃）は、液相出現温度＋５０（℃）≦Ｔ（℃）≦液相出現温度＋１５０（℃）である。なお、液相出現温度とは、一部に液相が出る温度である固相線以上の温度を言う。もちろん、完全に溶融する温度である液相線を超える温度でも構わない。
【００７１】
液相を出現させて攪拌する際には、原料として用いる金属粉末には、Ｔｉ、Ｈｆ、およびＺｒからなる群より選ばれた少なくとも一種の添加物質を含むことが好ましい。これらの添加物質は、熱伝導性粒子であるＳｉＣ、Ｓｉ3Ｎ4、ＡｌＮ、ダイヤモンド、ｈＢＮ、ｃＢＮ、カーボンナノチューブ、炭素繊維と反応してこれらの元素の炭化物または窒化物を形成する。これらの炭化物または窒化物は溶融した合金中の熱伝導性粒子との濡れ性を向上させるため、結果として複合材料部１２の熱伝導率を高くすることができる。Ｔｉ、Ｈｆ、Ｚｒの元素添加量は、原料として用いる金属粉末中で０．１ｗｔ％以上であることが好ましく、０．３ｗｔ％以上０．５ｗｔ％以下であることがより好ましい。
【００７２】
また、この工程では、少なくとも被加工部（複合材料部となるべき領域）を予備加熱しておくと液相が出現しやすいので効果がある。予備加熱温度は、金属基材１１を構成する金属材料の液相出現温度以上であることが好ましく、具体的には金属基材１１を構成する金属材料の融点以上で被加工部を予備加熱することが好ましい。設備の制約上、予備加熱温度に限界がある場合は、使用する金属材料に応じて、液相出現温度未満の適度な温度にしてもよい。たとえば４００℃程度でも効果がある。このように、予備加熱と攪拌時に発生する熱で少なくとも一部に液相を生成させながら摩擦攪拌することが好ましい。
【００７３】
加熱する方法は特に限定されず、たとえばレーザ等を用いることができる。レーザを用いて加熱する場合には、局所的に加熱できるという利点がある。
【００７４】
また、少なくとも一部に液相を生成させながら摩擦攪拌する場合には、攪拌部に酸化防止用の不活性ガスを供給しながら、摩擦攪拌処理をすることが好ましい。
【００７５】
また、少なくとも一部に液相を生成させながら摩擦攪拌する場合には、ショルダー面１６ａ１の面積が複合材料部１２が生成する部位（被加工部）の面積よりも大きい回転部材１６を用いることが特に好ましい。これは、熱伝導性粒子（硬質粒子）の体積分率が高い場合、液相が出現した状態で攪拌すると、液相の体積膨張のために被加工部が膨張して、被加工部が気孔を含みやすくなるためである。ショルダー面１６ａ１の面積を複合材料部１２の生成部位（被加工部）の面積よりも大きくすることで、気孔の生成を抑制することができる。
【００７６】
少なくとも一部に液相を生成させながら摩擦攪拌した場合には、たとえば自然冷却することにより、攪拌した金属基材１１と、混合粉末１５中の金属粉末と、熱伝導性粒子とが混合した液相が固化される。これにより、攪拌した金属基材１１を構成する金属材料と、混合粉末１５中の金属粉末を構成する金属材料との合金中に、混合粉末１５中の熱伝導性粒子が分散された複合材料部１２を形成することができる。したがって、図１に示す複合材料１０を製造することができる。
【００７７】
なお、本実施の形態では、摩擦攪拌する工程では、棒状の回転部材１６を当接させつつ回転させているが、摩擦攪拌する方法は特にこれに限定されない。たとえば直線運動を往復させる部材により摩擦攪拌してもよい。
【００７８】
（変形例１）
変形例１は、基本的には本実施の形態の複合材料１０およびその製造方法と同様であるが、表面において複合材料部１２がストライプ状に形成されている点において異なる。
【００７９】
具体的には、図７に示すように、金属基材１１の表面１１ａに、ストライプ状の開口部１１ｂを形成する。次に、図７に示すように、この開口部１１ｂに混合粉末１５を供給する。次に、混合粉末と接触する金属基材１１と、混合粉末１５とを摩擦攪拌する。これにより、図８に示すように、ストライプ状に形成された複合材料部１２を備えた変形例１の複合材料を製造することができる。
【００８０】
（変形例２）
変形例２は、基本的には本実施の形態の複合材料１０およびその製造方法と同様であるが、表面において複合材料部１２が格子状に形成されている点において異なる。
【００８１】
具体的には、図９に示すように、金属基材１１の表面１１ａに、格子状の開口部１１ｂを形成する。次に、図９に示すように、この開口部１１ｂに混合粉末１５を供給する。次に、混合粉末１５と接触する金属基材１１と、混合粉末１５とを摩擦攪拌する。これにより、図１０に示すように、格子状に形成された複合材料部１２を備えた変形例２の複合材料を製造することができる。
【００８２】
（変形例３）
変形例３は、基本的には本実施の形態の複合材料１０およびその製造方法と同様であるが、表面において複合材料部１２が島状に形成されている点において異なる。
【００８３】
具体的には、図１１に示すように、金属基材１１の表面１１ａに、内部に島状の開口部１１ｂを形成する。次に、図１１に示すように、この開口部１１ｂに混合粉末１５を供給する。次に、混合粉末１５と接触する金属基材１１と、混合粉末１５とを摩擦攪拌する。これにより、図１２に示すように、島状に形成された複合材料部１２を備えた変形例３の複合材料を製造することができる。
【００８４】
なお、複合材料部１２に転化させる領域は、本実施の形態、変形例１〜３の配置に限定されず、他の配置であってもよい。
【００８５】
続いて、本実施の形態における複合材料１０の効果について、図１３に示す比較例と比較して説明する。
【００８６】
図１３に示す比較例の放熱装置１００は、金属基材１１と、金属基材１１上に形成された複合材料部１１２とを備えている。複合材料部１１２は、たとえば上記特許文献１に開示の複合材料などである。金属基材１１は、ヒートシンクの役割を果たし、複合材料部１１２はヒートスプレッダの役割を果たす。
【００８７】
図１３に示すように、比較例の放熱装置１００に半導体素子２１を載置すると、複合材料部１１２により半導体素子２１と金属基材１１との熱膨張係数差を緩和することができる。しかし、この放熱装置１００を製造するためには、放電プラズマ焼結法を利用して焼結する、熱伝導性粒子を金属と混合した後に焼結するなどの複雑なプロセスで製造する必要がある。さらに、金属基材１１と複合材料部１１２とを、ロウ付けやＡｕ−Ｓｎ（錫）めっきを介して接合する必要がある。このため、放熱装置１００が高価になってしまうという問題がある。
【００８８】
一方、本実施の形態における複合材料１０は、２００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有する熱伝導性粒子を含む粉末と、金属基材１１を構成する金属材料と異なる金属材料を含む金属粉末との混合粉末１５を、金属基材１１の表面の開口部１１ｂに供給する工程と、混合粉末１５と、金属基材１１とを摩擦攪拌することにより、複合材料部１２を形成する工程とを備えている。
【００８９】
本発明の複合材料１０の製造方法によれば、金属基材１１の開口部１１ｂに供給した金属粉末と、この金属粉末を構成する金属材料と異なる金属材料の金属基材１１とを摩擦攪拌する。これにより、金属基材１１を構成する金属材料と、金属粉末を構成する金属材料とを含む合金を形成することができる。このため、塑性流動が抑制されにくくなるので、開口部に供給した粉末中の熱伝導性粒子を合金中に容易に分散させることができる。したがって、簡易なプロセスで複合材料部１２を形成でき、金属基材１１と複合材料部１２とを接合する工程を省略できる。このように簡略なプロセスで複合材料１０を形成することができるので、コストを低減して複合材料１０を製造することができる。
【００９０】
また、本実施の形態では、熱伝導性粒子を含む粉末と金属粉末との混合粉末１５と、金属基材１１の開口部１１ｂに供給して摩擦攪拌することにより、複合材料部を形成している。つまり、熱伝導性粒子を含む粉末と、金属粉末と、金属基材１１とを同時に攪拌している。このため、混合粉末１５と金属基材１１との攪拌が容易である。したがって、より容易に複合材料１０を製造することができる。
【００９１】
この複合材料１０の複合材料部１２の表面１２ａに、図１４に示すように、半導体素子２１を載置すると、複合材料部１２は熱伝導性粒子を含んでいるので、半導体素子２１と金属基材１１との熱膨張係数差を緩和することができる。このため、熱応力の不整合が小さくなり、熱応力破壊が起こることを抑制できる。さらに、複合材料部１２は合金であるので、熱伝導率が高い。このため、複合材料部１２は放熱性に優れている。このように、複合材料１０は、半導体素子２１を搭載する領域が、合金により高い熱伝導率を有し、かつ半導体素子２１の熱膨張係数と整合性の高い熱膨張係数を有する複合材料部１２であり、その他の領域は熱伝導率が高い金属基材１１である。金属基材１１は加工性、ろう付け性、めっき性などに優れた金属を用いることができる。このため、半導体素子２１との熱膨張率を緩和して、かつ放熱性を向上することができる複合材料１０を安価に製造することができる。
【００９２】
さらに、金属基材１１の開口部１１ｂに、所定の量の熱伝導性粒子を含む混合粉末１５を供給することにより、２００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有する熱伝導性粒子を含み、かつ金属基材１１を構成する金属材料を含む合金であり、かつ熱伝導性粒子は、複合材料部１２において１０ｖｏｌ％以上７０ｖｏｌ％以下の体積含有率を有する複合材料部１２を備えた複合材料１０を製造することができる。
【００９３】
複合材料部１２中の熱伝導性粒子の体積含有率が７０ｖｏｌ％以下であるので、複合材料部１２の組織が破壊されることを抑制できる。このため、特性を維持した複合材料１０を実現できる。
【００９４】
複合材料部１２中の熱伝導性粒子の体積含有率が１０ｖｏｌ％以上であるので、半導体素子２１と接する部位（複合材料部１２の表面１２ａ）の熱膨張係数が半導体素子２１との熱膨張係数に近くなる。このため、半導体素子２１の発熱時に発生する熱応力を低減することができ、半導体素子２１の誤作動を抑制でき、あるいは、熱応力破壊等も抑制できる。
【００９５】
特に、摩擦攪拌する工程では、少なくとも一部に液相を生成させながら摩擦攪拌することが好ましい。この場合、金属基材１１を構成する金属材料と金属粉末を構成する金属材料との合金中に熱伝導性粒子を均一に分散することができる。
【００９６】
また、熱伝導性粒子が５０ｖｏｌ％以上の場合には、硬質相量が増大するため、攪拌抵抗が増大するが、金属基材１１を構成する金属材料を溶融させることで攪拌抵抗を低下させることができる。このため、少なくとも一部に液相を生成させながら摩擦攪拌すると、被加工部における合金と熱伝導性粒子との混合物が流動しやすくなり、熱伝導性粒子の体積含有率が５０ｖｏｌ％以上の複合材料部１２を備えた複合材料１０も実現することができる。
【００９７】
以上のように、本実施の形態によれば、複雑なプロセスを用いなくても高熱伝導の複合材料１０を製造することができる。このため、複合材料１０は、半導体素子における放熱構造として最適である。したがって、本実施の形態の複合材料１０は、複合材料１０を組み込んだ自動車用、家電用半導体デバイスなどの広い用途に応用可能である。
【００９８】
（実施の形態２）
本実施の形態における複合材料は、図１に示す実施の形態１の複合材料１０と同様である。本実施の形態における複合材料は、製造方法が異なる。本実施の形態における複合材料の製造方法について、図１５〜図１９を参照して説明する。
【００９９】
まず、図２に示すように開口部１１ｂを有する金属基材１１を準備する。金属基材１１は、たとえばＣｕである。
【０１００】
次に、図１５に示すように、金属基材１１の開口部１１ｂに金属基材１１を構成する金属材料と異なる金属材料を含む金属粉末１７を供給する。金属粉末１７は、たとえばＡｇ粉末またはＡｇ−Ｃｕ合金粉末である。
【０１０１】
次に、図１６に示すように、金属粉末１７と接触する金属基材１１と、金属粉末１７とを摩擦攪拌する。この工程では、たとえば、実施の形態１と同様に回転部材１６を用いて摩擦攪拌する。これにより、図１７に示すように、金属基材１１を構成する金属材料と金属粉末１７を構成する金属材料とを含む合金１８を形成することができる。金属基材１１および金属粉末１７が上記材料の場合、合金１８はたとえばＡｇ−Ｃｕ合金である。
【０１０２】
次に、図１８に示すように、合金１８の表面１８ａに、熱伝導性粒子を含む粉末１９を供給する。粉末１９は、熱伝導性粒子を含んでいれば特に限定されないが、熱伝導性粒子を主成分とし、残部が不可避的不純物であることが好ましい。
【０１０３】
この工程では、たとえば、以下の工程を実施する。すなわち、まず、合金１８の表面１８ａを加工して、開口部を形成する。この合金１８の開口部に、粉末１９を装填する。なお、この工程では、合金１８の開口部に粉末１９のみを装填してもよく、粉末１９と併せて金属粉末を装填してもよい。粉末１９と併せて装填する金属粉末は、金属粉末１７と同一であってもよく、異なっていてもよい。
【０１０４】
次に、図１９に示すように、粉末１９と接触する合金１８と、粉末１９とを摩擦攪拌する。この工程では、たとえば実施の形態１と同様に回転部材１６を用いて摩擦攪拌する。これにより、合金１８中に熱伝導性粒子が分散した複合材料部１２を形成することができる。
【０１０５】
以上の工程を実施することにより、図１に示す複合材料１０を製造することができる。本実施の形態の複合材料の製造方法は、まず、金属粉末と接触する金属基材１１と、金属基材１１と異なる金属材料を含む金属粉末１７とを摩擦攪拌して、金属基材１１を構成する金属材料と金属粉末１７を構成する金属材料とを含む合金１８に形成する工程と、合金１８の表面１８ａに熱伝導性粒子を含む粉末１９を供給する工程と、粉末１９と接触する合金１８と、粉末１９とを摩擦攪拌する工程とを備えている。
【０１０６】
本実施の形態における複合材料の製造方法によれば、まず金属粉末１７を装填し、この状態で摩擦攪拌することによって、金属基材１１の表面１１ａの特定部位を合金１８に転化させた後、合金１８に再度開口部を形成して、熱伝導性粒子を含む粉末１９を装填した後、再度摩擦攪拌するという二段階の攪拌処理をしている。これにより、熱伝導性粒子を攪拌する際に、合金１８により融点が下がるので、塑性流動が抑制されにくくなる。このため、熱伝導性粒子を合金１８中により均一に分散させることができる。
【実施例１】
【０１０７】
本実施例では、熱伝導性粒子と、金属基材と異なる金属材料を含む金属粉末と、金属基材とを摩擦攪拌することにより、複合材料部を形成することの効果について調べた。また、複合材料が、１０ｖｏｌ％以上７０ｖｏｌ％以下の体積含有率を有する熱伝導性粒子を含む合金であることの効果について調べた。
【０１０８】
（試料２〜９）
＜金属基材＞
金属基材として、１００ｍｍ×１００ｍｍで、５ｍｍの厚さを有する純Ｃｕを用いた。次に、準備した金属板材の中心に、幅５ｍｍ、深さ２ｍｍの溝（ギャップ）を加工により形成した。
【０１０９】
＜金属粉末＞
金属粉末として、ＡｇとＣｕとの合金粉末を準備した。また、試料４〜９の金属粉末は、さらに下記の表１に記載の添加物質（添加金属）を含んでいた。それぞれの試料について、合金粉末中のＡｇ量、添加物質の材料、および添加物質の量を下記の表１に記載する。
【０１１０】
＜熱伝導性粒子＞
熱伝導性粒子として、ダイヤモンドを準備した。ダイヤモンドは、２００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有する。金属粉末と、熱伝導性粒子との混合粉末中の熱伝導性粒子の体積含有率、および熱伝導性粒子の粒径を下記の表１に記載する。
【０１１１】
＜供給する工程＞
金属粉末と、熱伝導性粒子とを混合した混合粉末を金属基材の表面の溝に供給した。装填密度は押し込み圧力で調整した。
【０１１２】
＜摩擦攪拌する工程＞
下記の表１に記載の温度で予備加熱した後、以下のようにして、混合粉末と接触する金属基材と、混合粉末とを摩擦攪拌した。
【０１１３】
具体的には、図５に示すような回転部材１６を準備した。回転部材１６は、直径３．８ｍｍ、長さ１．７５ｍｍのプローブ１６ｂと、直径Ｄ１６が２０ｍｍのる本体１６ａとを有し、超硬合金からなっていた。この回転部材１６のショルダー面に下記の表１に記載の圧力（面圧）を印加して、混合粉末と接触する金属基材と、混合粉末とを摩擦攪拌した。回転部材１６の回転速度を調整して、下記の表１に記載の攪拌部（被加工部）の到達温度とした。回転ツールの移動速度は４５ｍｍ／ｍｉｎとした。
【０１１４】
これにより、中心部のみに複合材料部が配置された構造の複合材料を得た。それぞれの複合材料の表面全体を約０．４ｍｍ研磨加工して、表面粗さＲａが０．０５μｍの面を得た。なお、表面粗さＲａは、ＪＩＳ（Japanese Industrial Standards）Ｂ０６０１に準拠して測定した値である。以上より、試料２〜９の複合材料を製造した。
【０１１５】
（試料１および１０）
試料１および１０は、基本的には試料２〜９と同様であったが、主として金属粉末として金属基材と同じ材料である純Ｃｕ粉末を用いた点において異なっていた。その他の条件については、下記の表１に記載する。
【０１１６】
（評価方法）
試料１〜１０の複合材料について、複合材料部に転化した部分の中心部から５ｍｍ×５ｍｍ×１．５ｍｍ厚のサイズで切り出して、熱伝導性粒子の体積含有率、熱伝導率、および熱膨張係数を測定した。熱伝導性粒子の体積含有率は、アルキメデス法で複合材料部の密度を測定し、熱伝導性粒子の真密度値から複合材料部中の熱伝導性粒子の体積含有率を計算した。熱伝導率は、レーザフラッシュ法により測定した。熱膨張係数は、レーザ変位読み取り式熱膨張係数測定装置により測定した。その結果を下記の表１に記載する。
【０１１７】
また、半導体素子として、ＩｎＰ基板を備えた半導体素子を準備した。この半導体素子の表面（半導体基板において半導体層が形成された面と反対側の面）と、試料２〜９については複合材料の複合材料部の表面上とを、試料１および１０については金属基材の表面とを、厚さ２５μmの活性銀鑞箔を挿入して接触させ、真空中、温度８００℃で３０分加熱してろう付けした。これにより、各試料の複合材料に半導体素子を載置した。
【０１１８】
半導体素子の表面の熱膨張係数と、各試料１〜１０において半導体素子の表面と接続される領域の熱膨張係数との差（熱膨張係数差ΔＴ）を求めた。その結果を下記の表１に記載する。
【０１１９】
また、半導体素子を載置した試料１〜１０を炉に投入し、１気圧の窒素中で、昇温速度１０℃／ｍｉｎで７５０℃まで加熱し、その後１分間保持した後、炉内から取り出し水中へ投入した。これを最高２０回繰り返した。各回処理終了後、各試料を各面と垂直方向に切断して界面を実体顕微鏡で観察した。このようにして、各試料について、剥離せずに温度サイクルを実施できた回数（温度サイクル回数）を調べた。その結果を下記の表１に示す。
【０１２０】
【表１】
【０１２１】
（評価結果）
表１に示すように、試料２〜９によれば、熱伝導性粒子と、金属基材と異なる金属材料を含む金属粉末と、金属基材とを摩擦攪拌することにより、簡略化したプロセスで、金属基材を構成する金属材料を含む合金であり、かつ１０ｖｏｌ％以上７０％以下の体積含有率を有する複合材料部を有する複合材料を製造可能なことがわかった。このことから、所望の特性を有する複合材料をコストを低減して製造できることがわかった。
【０１２２】
また、表１に示すように、熱伝導性粒子と、金属基材と異なる金属材料を含む金属粉末と、金属基材とを摩擦攪拌することにより、複合材料部を形成した試料２〜９は、金属基材と異なる金属材料を含まなかった（つまり複合材料部が合金でなかった）試料１および１０と比較して、熱伝導率を向上することができた。これは、攪拌部がＡｇ−Ｃｕ合金であるため、攪拌部の融点がＣｕ単独の試料１および１０よりも低くなり、攪拌部が一部溶融し、ダイヤモンドとの濡れ性が向上したためと推定される。
【０１２３】
また、表１に示すように、複合材料部中のダイヤモンド含有量が増大するほど熱膨張係数が低下し、耐熱衝撃性が向上した。このことから、ダイヤモンド含有量が増大するほど複合材料部の耐衝撃性を向上し、かつ高い放熱性が期待できる。
【０１２４】
また、表１に示すように、金属粉末にＴｉ、Ｈｆ、またはＺｒを含む試料４〜９は、熱伝導率をさらに増大できた。これは、金属とダイヤモンドとの濡れ性が向上したためと推定される。
【０１２５】
以上より、本実施例によれば、熱伝導性粒子と、金属基材と異なる金属材料を含む金属粉末と、金属基材とを摩擦攪拌することにより、簡易なプロセスで、１０ｖｏｌ％以上７０ｖｏｌ％以下の体積含有率を有する熱伝導性粒子を含む合金の複合材料を製造できることがわかった。また、複合材料の複合材料部が１０ｖｏｌ％以上７０ｖｏｌ％以下の体積含有率を有する熱伝導性粒子を含む合金であることにより、コストを低減して放熱効果を高める複合材料を実現できることがわかった。
【実施例２】
【０１２６】
本実施例では、熱伝導性粒子と、金属基材と異なる金属材料を含む金属粉末と、金属基材とを摩擦攪拌することにより、複合材料部を形成することの効果について調べた。また、複合材料が、１０ｖｏｌ％以上７０ｖｏｌ％以下の体積含有率を有する熱伝導性粒子を含む合金であることの効果について調べた。
【０１２７】
（試料１１〜１６）
＜金属基材＞
金属基材として、１００ｍｍ×１００ｍｍで、５ｍｍの厚さを有するＣｕを用いた。次に、準備した金属板材の中心に、幅５ｍｍ、深さ２ｍｍの溝（ギャップ）を加工により形成した。
【０１２８】
＜金属粉末＞
金属粉末として、９８ｗｔ％のＡｇと２ｗｔ％のＴｉとからなる粉末を準備した。
【０１２９】
＜供給する工程＞
まず、準備した金属粉末を金属基材の表面の溝に供給した。装填密度は押し込み圧力で調整した。
【０１３０】
＜摩擦攪拌する工程＞
下記の表１に記載の温度で予備加熱した後、金属粉末と接触する金属基材と、混合粉末とを、実施例１と同様に摩擦攪拌した。これにより、金属基材の表面の一部をＡｇ−Ｃｕ合金に転化させた。
【０１３１】
＜熱伝導性粒子＞
熱伝導性粒子として、下記の表１に記載のＳｉＣ、ダイヤモンド、ＡｌＮのいずれかを用いた。これらの熱伝導性粒子は、２００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有する。それぞれの試料について、用いた熱伝導性粒子の材料およびその粒径を下記の表１に記載する。
【０１３２】
＜供給する工程＞
金属基材においてＣｕ−Ａｇ合金に転化した部分の表面に、幅５ｍｍ、深さ２ｍｍの溝を加工により形成した。その後、準備した熱伝導性粒子を、Ｃｕ−Ａｇ合金の溝に供給した。装填密度は押し込み圧力で調整した。
【０１３３】
＜摩擦攪拌する工程＞
下記の表１に記載の温度で予備加熱した後、合金と、熱伝導性粒子末とを、実施例１と同様に摩擦攪拌した。これにより、Ａｇ−Ｃｕ合金中に熱伝導性粒子を分散させた複合材料部が配置された構造の複合材料を得た。それぞれの複合材料の表面全体を約０．４ｍｍ研磨加工して、表面粗さＲａが０．０５μｍの面を得た。以上より、試料１１〜１６の複合材料を製造した。
【０１３４】
（評価方法）
実施例１と同様に、試料１１〜１６の複合材料の複合材料部について、熱伝導性粒子の体積含有率、熱伝導率、熱膨張係数、熱膨張係数差ΔＴおよび温度サイクル回数を測定した。なお、半導体素子は、下記の表２に示す材料の基板を用いた。
【０１３５】
【表２】
【０１３６】
（評価結果）
表２に示すように、試料１１〜１６によれば、金属基材と異なる金属材料を含む金属粉末と、金属基材とを摩擦攪拌して合金を形成し、合金に熱伝導性粒子を供給し、合金と熱伝導性粒子を摩擦攪拌して複合材料部を形成することにより、簡略化したプロセスで、金属基材を構成する金属材料を含む合金であり、かつ１０ｖｏｌ％以上７０％以下の体積含有率を有する複合材料部を有する複合材料を製造可能なことがわかった。このことから、所望の特性を有する複合材料をコストを低減して製造できることがわかった。
【０１３７】
以上より、本実施例によれば、金属基材と異なる金属材料を含む金属粉末と、金属基材とを摩擦攪拌した後に、熱伝導性粒子をさらに摩擦攪拌することにより、簡易なプロセスで、１０ｖｏｌ％以上７０ｖｏｌ％以下の体積含有率を有する熱伝導性粒子を含む合金の複合材料を製造できることがわかった。また、複合材料の複合材料部が１０ｖｏｌ％以上７０ｖｏｌ％以下の体積含有率を有する熱伝導性粒子を含む合金であることにより、コストを低減して放熱効果を高める複合材料を実現できることがわかった。
【０１３８】
以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、各実施の形態および実施例の特徴を適宜組み合わせることも当初から予定している。また、今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０１３９】
１０ 複合材料、１１ 金属基材、１１ａ，１２ａ，１８ａ 表面、１１ｂ 開口部、１２ 複合材料部、１５ 混合粉末、１６ 回転部材、１６ａ 本体、１６ａ１ ショルダー面、１６ｂ プローブ、１７ 金属粉末、１８ 合金、１９ 粉末、２１ 半導体素子。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合材料の製造方法および複合材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
パーソナルコンピュータやモバイル電子機器の高機能化、高密度実装化に伴い、ＣＰＵ（Central Processing Unit：セントラルプロセッシングユニット）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit：グラフィックスプロセッシングユニット）、チップセット、メモリーチップ等の半導体素子の発熱源の単位面積あたりの発熱量が飛躍的に増大しており、放熱装置の高性能化が求められている。これは、半導体素子には構成する材料固有の作動上限温度が定まっており、その温度以上では半導体素子が破壊してしまうので、放熱が不十分な状態では著しく寿命低下をきたすためである。通常、自然対流や電動送風装置を用いた強制対流を用いて放熱を図る。しかし、原理的に単位面積あたりの放熱量には冷却方式固有の上限がある。したがって、大量の熱を放熱するためには、放熱する面積を拡大するヒートスプレッダと称する放熱装置が一般に用いられている。
【０００３】
具体的には、ヒートスプレッダとして、半導体素子の放熱面に配置され、半導体よりもサイズの大きいＡｌ（アルミニウム）やＣｕ（銅）などの金属をベースとする複合材料、たとえばＳｉＣ（炭化珪素）を添加したＡｌ−ＳｉＣ複合材料やダイヤモンドを添加したＣｕ−ダイヤモンド複合材料などを用いることができる。また、別の複合材料として、特開２００８−２４８３２４号公報（特許文献１）には、所定の厚さの金属を表面に被覆したダイヤモンド粒子を用いて製造される複合材料が開示されている。このような複合材料の熱膨張係数は、半導体素子の熱膨張係数と近い。このような複合材料を半導体素子と接触させることで、熱を吸い上げると共に、その熱をヒートスプレッダとしての複合材料の面内方向にも広げ、さらには、その複合材料の熱をＡｌやＣｕなどの金属製の冷却材、たとえばヒートシンクに伝えて放熱する方法がとられる。
【０００４】
ヒートスプレッダとしての複合材料を半導体素子の熱膨張係数と近い材料にするのは、以下の理由による。すなわち、半導体素子の熱膨張係数と、ヒートシンクとしての金属製の冷却材の熱膨張係数との間には大きな差があるため、金属製の冷却材の上にそのまま半導体素子を積層すると、温度サイクル下で両者の界面に熱応力が発生する。このため、半導体素子に歪みが発生して半導体素子が安定して動作しなかったり、最悪の場合には、界面でのクラックの発生や剥離や、半導体素子の破壊に至る場合もある。このため、金属製の冷却材と半導体素子との熱膨張係数の中間の熱膨張係数を持つヒートスプレッダを介在させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２４８３２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記特許文献１の複合材料を製造するためには、金属を表面に被覆したダイヤモンド粒子に１ｋＰａ〜１．５ＧＰａの圧力を加えた状態で、１００Ｐａ以下の真空雰囲気下で、０．１℃／ｓ〜８．３℃／ｓの昇温速度で昇温して、３４３℃〜１０８３℃の範囲で高温保持するように１０秒〜７２００秒間、所定の電圧および電流の直流パルス電流または直流パルス電流と直流電流の重畳電流を流して焼結している。このように上記特許文献１の複合材料は、複雑なプロセスで製造する必要があるので、製造する複合材料が高価になってしまう。また、半導体素子を搭載するためには、複合材料とヒートシンクとを接合する必要がある。したがって、コストが増加してしまうという課題があった。
【０００７】
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、コストを低減した複合材料の製造方法および複合材料を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の複合材料の製造方法は、以下の工程を備えている。開口部を有する表面を含む金属基材を準備する。２００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有する熱伝導性粒子を含む粉末と、金属基材を構成する材料と異なる金属材料を含む金属粉末とを、金属基材の表面の開口部に供給する。
【０００９】
本発明の複合材料の製造方法によれば、金属基材の開口部に供給した金属基材と異なる金属材料の金属粉末と、金属基材とを摩擦攪拌する。これにより、金属粉末を構成する金属と、金属基材を構成する金属とを含む合金を形成することができる。このため、塑性流動が抑制されにくくなるので、開口部に供給した粉末中の熱伝導性粒子を合金中に容易に分散させることができる。したがって、簡易なプロセスで複合材料部を形成することができるので、コストを低減して複合材料を製造することができる。
【００１０】
上記複合材料の製造方法において好ましくは、金属基材は、銅を含み、金属粉末は、銀（Ａｇ）と銅との合金粉末、または銀粉末を含む。
【００１１】
これにより、銅と銀とを有する合金を含む複合材料部を形成することができる。銅および銀は熱伝導率が高いため、複合材料部の放熱性を向上することができる。
【００１２】
上記複合材料の製造方法において好ましくは、複合材料部を形成する工程では、粉末に棒状の回転部材を当接させつつ回転させる。
【００１３】
これにより、より容易に複合材料を製造することができるので、コストをより低減して複合材料を製造することができる。
【００１４】
上記複合材料の製造方法において好ましくは、回転部材の負荷圧力が３０ＭＰａ以上である。
【００１５】
これにより、加工時に熱伝導性粒子が再配列されやすくなるので、開口部内に気孔が混入した場合でも、複合材料部の緻密化に効果を奏する。
【００１６】
上記複合材料の製造方法において好ましくは、複合材料部を形成する工程は、金属粉末と接触する金属基材と、金属粉末とを摩擦攪拌して、金属基材を構成する金属材料と金属粉末を構成する金属材料とを含む合金に形成する工程と、合金の表面に粉末を供給する工程と、粉末と接触する合金と、粉末とを摩擦攪拌する工程とを含む。
【００１７】
これにより、合金の表面に供給した粉末中の熱伝導性粒子を合金中により容易に分散させることができる。このため、熱伝導性粒子の含有率を向上した複合材料部を形成することができる。
【００１８】
上記複合材料の製造方法において好ましくは、少なくとも被加工部を予備加熱する工程をさらに備える。
【００１９】
これにより、摩擦攪拌するときに、少なくとも一部に液相を生成させやすくなる。このため、熱伝導性粒子を合金中により均一に分散させることができる。
【００２０】
上記複合材料の製造方法において好ましくは、金属粉末は、チタン（Ｔｉ)、ハフニウム（Ｈｆ）、およびジルコニウム（Ｚｒ）からなる群より選ばれた少なくとも一種の添加物質を含む。
【００２１】
これらの添加物質は、ＳｉＣ、窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）、ＡｌＮ、ダイヤモンド、六方晶窒化ホウ素（ｈＢＮ）、立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）、カーボンナノチューブ、炭素繊維などの熱伝導性粒子と反応して、これらの添加物質を炭化物、窒化物などに形成できる。これらの炭化物、窒化物などは、金属基材と金属粉末との合金と、熱伝導性粒子との濡れ性を向上させるため、結果として複合材料部の熱伝導率をより高くすることができる。
【００２２】
上記複合材料の製造方法において好ましくは、添加物質は、複合材料部において０．１ｗｔ％以上含有される。これにより、複合材料部の熱伝導率をより一層高めることができる。
【００２３】
上記複合材料の製造方法において好ましくは、摩擦攪拌する工程では、少なくとも一部に液相を生成させながら摩擦攪拌する。
【００２４】
これにより、摩擦攪拌時に金属の塑性流動がより抑制されにくくなるため、熱伝導性粒子を金属中により均一に分散させることができる。
【００２５】
本発明の複合材料は、表面を有する金属基材と、金属基材の表面に配置された複合材料部とを備える。複合材料部は、２００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有する熱伝導性粒子を含み、かつ金属基材を構成する金属材料を含む合金であり、熱伝導性粒子は、複合材料部において１０ｖｏｌ％以上７０ｖｏｌ％以下の体積含有率を有する。
【００２６】
本発明の複合材料によれば、本発明の複合材料の製造方法により製造することにより、コストを低減して、上記のような熱伝導率を向上した複合材料を実現することができる。
【００２７】
上記複合材料において好ましくは、金属基材はＣｕを含み、複合材料部はＣｕとＡｇとの合金を含む。
【００２８】
銅および銀は熱伝導率が高いため、放熱性を向上した複合材料を実現することができる。
【００２９】
上記複合材料において好ましくは、熱伝導性粒子が、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ダイヤモンド、六方晶窒化ホウ素（ｈＢＮ）、立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）、カーボンナノチューブ、および炭素繊維からなる群より選ばれた少なくとも一種の物質を含む。これにより、複合材料部の熱伝導率をより向上することができる。
【発明の効果】
【００３０】
以上のように、本発明の複合材料の製造方法および複合材料によれば、コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施の形態１における複合材料を概略的に示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１における開口部を有する金属基材を概略的に示す模式図である。
【図３】本発明の実施の形態１における熱伝導性粒子を含む粉末を供給した状態を概略的に示す模式図である。
【図４】本発明の実施の形態１における摩擦攪拌する状態を概略的に示す模式図である。
【図５】図６における線分Ｖ−Ｖ線に沿った断面図である。
【図６】本発明の実施の形態１における摩擦攪拌する状態を概略的に示す模式図である。
【図７】本発明の実施の形態１の変形例１における熱伝導性粒子を含む粉末を供給した状態を概略的に示す平面図である。
【図８】本発明の実施の形態１の変形例１における複合材料を概略的に示す平面図である。
【図９】本発明の実施の形態１の変形例２における熱伝導性粒子を含む粉末を供給した状態を概略的に示す平面図である。
【図１０】本発明の実施の形態１の変形例２における複合材料を概略的に示す平面図である。
【図１１】本発明の実施の形態１の変形例３における熱伝導性粒子を含む粉末を供給した状態を概略的に示す平面図である。
【図１２】本発明の実施の形態１の変形例３における複合材料を概略的に示す平面図である。
【図１３】比較例の複合材料に半導体素子を搭載した状態を概略的に示す断面図である。
【図１４】本発明の実施の形態１における複合材料に半導体素子を搭載した状態を概略的に示す断面図である。
【図１５】本発明の実施の形態２における金属基材に金属粉末を供給した状態を概略的に示す模式図である。
【図１６】本発明の実施の形態２における摩擦攪拌する状態を概略的に示す模式図である。
【図１７】本発明の実施の形態２における金属粉末と金属基材とを摩擦攪拌した状態を概略的に示す模式図である。
【図１８】本発明の実施の形態２における合金に熱伝導性粒子を含む粉末を供給した状態を概略的に示す模式図である。
【図１９】本発明の実施の形態２における合金と熱伝導性粒子を含む粉末とを摩擦攪拌する状態を概略的に示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。
【００３３】
（実施の形態１）
図１を参照して、本実施の形態における複合材料１０について説明する。複合材料１０は、金属基材１１と、複合材料部１２とを備えている。金属基材１１は、表面１１ａを有している。複合材料部１２は、金属基材１１の表面１１ａに配置されている。言い換えると、複合材料１０の表面の一部に、複合材料部１２は形成されている。本実施の形態では、金属基材１１の表面１１ａと、複合材料部１２の表面１２ａとは同一平面に位置付けられている。
【００３４】
金属基材１１は、ヒートシンクである。金属基材１１は、たとえば開口部を有する平板であり、熱伝導率が高いことが好ましい。この観点から、金属基材１１は、Ｃｕを含むことが好ましく、Ｃｕからなることがより好ましい。
【００３５】
複合材料部１２は、ヒートスプレッダである。この複合材料部１２は、２００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有する熱伝導性粒子を含み、かつ金属基材１１を構成する金属材料を含む合金である。
【００３６】
複合材料部１２は、金属基材１１を構成する金属材料と、この金属材料と異なる金属との合金とを含むことが好ましい。このような合金として、たとえばＣｕとＡｇとの合金などが好適に用いられる。
【００３７】
また、合金は、Ｔｉ、Ｈｆ、およびＺｒからなる群より選らばれた少なくとも一種の添加物質を含むことが好ましい。この場合、複合材料部１２の熱伝導率をより向上することができる。
【００３８】
合金が添加物質を含む場合には、複合材料部１２において０．１ｗｔ％以上含有されることが好ましく、０．３ｗｔ％以上０．５ｗｔ％以下含まれることがより好ましい。この場合、複合材料部１２の熱伝導率をより向上することができる。
【００３９】
熱伝導性粒子は、複合材料部１２において１０ｖｏｌ％以上７０ｖｏｌ％以下の体積含有率を有する。このため、複合材料部１２は半導体素子の熱膨張係数と整合性の高い熱膨張係数を持ち、その他の部位（金属基材１１）は熱伝導率が高い金属材料からなる。熱伝導性粒子の含有量が下限値を下回ると複合材料部１２の熱伝導率が十分でなく、上限を超えると、攪拌時に緻密にすることが困難となる気孔残存により熱伝導率が低下してしまう。
【００４０】
このように、複合材料部１２は、合金により熱伝導率を向上でき、かつ１０ｖｏｌ％以上７０ｖｏｌ％以下の熱伝導性粒子を含むこよにより熱膨張率係数を緩和することができる。さらに、その他の部位である金属基材１１は加工性、ろう付け性、めっき性に優れた金属材料からなるため、放熱性能に優れた複合材料１０を安価で実現することができる。
【００４１】
ここで、上記熱伝導性粒子は、２００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有している。熱伝導性粒子の熱伝導率は、高いほど好ましいが、上限はたとえばダイヤモンドの場合、１０００〜２０００Ｗ／ｍＫである。熱伝導率とは、レーザフラッシュ法により測定される値を意味する。
【００４２】
熱伝導性粒子（分散粒子）は、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、ダイヤモンド、六方晶窒化ホウ素、立方晶窒化ホウ素、カーボンナノチューブ、および炭素繊維からなる群より選ばれた少なくとも一種の物質を含んでいることが好ましく、熱伝導率が特に高いダイヤモンドを含んでいることがより好ましい。これらの熱伝導性粒子は熱伝導率が高いので、複合材料部１２の熱伝導率をより向上することができる。
【００４３】
熱伝導性粒子は、複合材料部１２の表面１２ａに載置する半導体素子の熱膨張係数と、金属基材１１の熱膨張係数との間の熱膨張係数を有することが好ましい。
【００４４】
複合材料部１２の熱伝導率は、１０１Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましい。たとえば、複合材料部１２を構成する合金および熱伝導性粒子として上記材料を用いることにより、複合材料部１２の熱伝導率を１０１Ｗ／ｍＫ以上にすることができる。これにより、複合材料部１２の熱伝導率をより向上することができる。
【００４５】
複合材料部１２の熱膨張係数は、１０．７×１０-6／Ｋ以下であることが好ましい。この場合、複合材料部１２の表面１２ａ上に搭載する半導体素子の熱膨張率と、複合材料部１２の熱膨張率との差を効果的に緩和することができる。このため、半導体素子の使用により、半導体素子が複合材料１０から剥離することを抑制することができる。
【００４６】
ここで、上記「熱膨張係数」は、室温から５００℃の間のレーザ変位読み取り式熱膨張係数測定装置で測定される平均熱膨張係数を意味する。
【００４７】
本実施の形態では、複合材料１０は、放熱性が高く、かつ半導体素子との熱膨張係数差が小さいので、半導体素子を搭載するための放熱材料としている。このため、複合材料部１２の表面１２ａは、半導体素子を搭載する。
【００４８】
半導体素子は、シリコン（Ｓｉ）、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、および窒化アルミニウムからなる群より選ばれた少なくとも一種の物質を含むことが好ましい。たとえば、半導体素子は、シリコン、インジウム、ガリウム砒素、窒化ガリウム、または窒化アルミニウムからなる基板と、この基板上に形成された半導体層とを備えている。本実施の形態の複合材料１０は、これらの材料の半導体素子から発生する熱を放熱する効果をコストを低減して実現できるため、放熱装置として好適に用いられる。
【００４９】
続いて、図１〜図６を参照して、本実施の形態における複合材料１０の製造方法について説明する。
【００５０】
まず、図２に示すように、表面１１ａに開口部１１ｂを有する金属基材１１を準備する。金属基材１１は、Ｃｕであることが好ましい。
【００５１】
この工程では、たとえば、平板状の金属基材を準備し、表面１１ａを加工して、開口部１１ｂを形成する。開口部１１ｂは、わずかな隙間であり、たとえば溝である。
【００５２】
次に、図３に示すように、２００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有する熱伝導性粒子を含む粉末と、金属基材１１を構成する金属材料と異なる金属材料の金属粉末との混合粉末１５を金属基材１１の表面１１ａの開口部１１ｂに供給する。混合粉末１５中の金属粉末は、金属基材１１を構成する金属材料と同じ金属粉末を含んでいてもよい。なお、混合粉末１５中の熱伝導性粒子を含む粉末は、熱伝導性粒子を主成分として含み、残部が不可避的不純物であってもよい。
【００５３】
熱伝導性粒子は、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、ダイヤモンド、六方晶窒化ホウ素、立方晶窒化ホウ素、カーボンナノチューブ、および炭素繊維からなる群より選ばれた少なくとも一種の物質を含んでいることが好ましい。
【００５４】
熱伝導性粒子の平均粒径は２００μｍ以下であることが好ましい。２００μｍ以下の場合、回転部材１６（図４〜図６参照）などの工具の磨耗を低減することができる。平均粒径が小さくなっても攪拌に問題は生じないが、下限はたとえば１μｍである。この場合、熱伝導性粒子と金属基材１１を構成する金属材料との界面の面積が増大することを抑制し、かつ複合材料部１２の熱伝導率が低下することを抑制することができる。なお、後述する攪拌する工程で少なくとも一部に液相を生成させながら攪拌する場合には、熱伝導性粒子の平均粒径が２００μｍを超えていてもよい。
【００５５】
この工程では、開口部１１ｂに混合粉末１５を充填した後に、圧力を加えて充填密度を高めてもよい。このとき、混合粉末１５を構成する熱伝導性粒子の組織が崩れることを抑制できる程度の圧力を加えてもよい。
【００５６】
また、この工程では、金属基材１１の表面１１ａと同じまたはそれ以下の深さになるように、混合粉末１５を開口部１１ｂに供給することが好ましい。この場合、混合粉末１５が開口部１１ｂからあふれることを抑制できるので、複合材料部１２に生成される組織が崩れることを抑制できる。
【００５７】
次に、図４〜図６に示すように、混合粉末１５と接触する金属基材１１と、混合粉末１５とを摩擦攪拌する。本実施の形態では、混合粉末１５に棒状の回転部材１６を当接させつつ回転させることにより、金属基材１１と混合粉末１５とを摩擦攪拌している。
【００５８】
ここで、図４および図５を参照して、回転部材１６について説明する。回転部材１６は、本体１６ａと、プローブ１６ｂとを有している。本体１６ａは、円筒状である。プローブ１６ｂは、回転部材１６の先端に位置し、本体１６ａよりも小径のロッド状である。本体１６ａは、プローブ１６ｂと接続され、かつ金属基材１１の表面１１ａと接するショルダー面１６ａ１とを有する。
【００５９】
なお、プローブ１６ｂは回転部材に必ず必要なものではなく、場合によってはプローブ１６ｂを有しない略円筒状の回転部材を用いても良い。
【００６０】
回転部材１６の材質は、たとえば、ＪＩＳに規格されているＳＫＤ６１鋼等の工具鋼や、タングステンカーバイト（ＷＣ）、コバルト（Ｃｏ）からなる超硬合金、またはＳｉ3Ｎ4等のセラミックス、ｃＢＮからなるものとすることができる。
【００６１】
このような回転部材１６を、図４に示すように、混合粉末１５を充填した開口部１１ｂ上に、回転部材１６のプローブ１６ｂを当接させつつ回転させる。さらに、図６に示すように、開口部１１ｂの長手方向に沿って回転部材１６を移動させる。これにより、開口部１１ｂに充填した混合粉末１５（つまり熱伝導性粒子を含む粉末および金属粉末）を回転部材１６によって攪拌させ、混合粉末１５中の熱伝導性粒子を金属基材１１を構成する金属材料中に混入させ、かつ金属基材１１を構成する金属材料と混合粉末１５中の金属粉末との合金にすることができる。したがって、金属基材１１を構成する金属材料と、金属粉末を構成する金属材料との合金中に、熱伝導性粒子が分散した複合材料部１２を形成することができる。
【００６２】
なお、混合粉末１５を金属材料中に十分に混入させるため、回転部材１６を、混合粉末１５を充填した開口部１１ｂ上で回転させつつ往復動させることもできる。あるいは、回転部材１６を移動させずに同じ場所で回転させ続けることによっても混合粉末１５と金属基材１１とを摩擦攪拌させることができる。このような処理をすることで、攪拌された部位のみが、金属基材１１を構成する金属材料と混合粉末１５中の金属粉末を構成する金属材料とを含む合金であり、かつ熱伝導性粒子を含む複合材料部１２に転化させることができる。たとえば、金属基材１１がＣｕであり、混合粉末１５中の金属粉末がＡｇまたはＡｇ−Ｃｕ合金であり、熱伝導性粒子がＳｉＣである熱伝導性粒子からなる場合には、Ａｌ−Ｃｕ合金中にＳｉＣが分散された複合材料部に転化させることができる。
【００６３】
回転部材１６の形状としては、図５に示すように、先端にロッド状のプローブ１６ｂとショルダー面１６ａ１とを有し、ショルダー面１６ａ１の面積が複合材料部１２が生成する部位（被加工部）の面積よりも大きいことが好ましい。言い換えると、回転部材１６のショルダー面１６ａ１の径Ｄ１６は、被加工部の径Ｄ１２よりも大きい。この場合、被加工部に気孔が混入することを抑制することができる。このため、摩擦攪拌により生成される複合材料部１２の密度を向上することができる。したがって、複合材料部１２の熱伝導率を向上することができる。
【００６４】
なお、回転部材のショルダー面１６ａ１の径Ｄ１６とは、ショルダー面１６ａ１において被加工部を覆っている直径を意味する。被加工部の径Ｄ１２とは、複合材料部１２を生成するべき領域の短手方向の長さ、つまり開口部１１ｂの幅を意味する。
【００６５】
また、加工時におけるショルダー面１６ａ１の面圧（回転部材１６の負荷圧力）が３０ＭＰａ以上であることが好ましい。この場合、加工時に硬質粒子である熱伝導性粒子が再配列されやすく、気孔を含んだ場合でも緻密化に効果がある。このため、複合材料部１２の熱伝導率を向上することができる。熱伝導性粒子の体積含有率が高い場合には、ショルダー面１６ａ１の面圧が高い方が緻密化されやすいので好ましい。たとえば熱伝導性粒子の体積含有率が５０％以上の場合には、ショルダー面１６ａ１の面圧は３００ＭＰａ以上であることが好ましい。
【００６６】
なお、加工時におけるショルダー面１６ａ１の面圧の上限は、たとえば装置上の理由から、７ｔｏｎ／ｃｍ2以下である。
【００６７】
また、この工程では、少なくとも一部に液相を生成させながら摩擦攪拌することが好ましい。言い換えると、この工程では、金属基材１１を構成する金属材料の融点以上であって、かつ金属粉末を構成する金属材料の融点以上の温度に加熱して摩擦攪拌することが好ましい。
【００６８】
本実施の形態では、攪拌部が合金に変化しているので、金属基材よりも融点が低く、液相が出やすい。すなわち、金属基材１１を固体状態のまま攪拌部のみが溶融した状態を生み出しやすくなる。たとえば複合材料部１２の合金が７２ｗｔ％Ａｇ−２８ｗｔ％Ｃｕ合金である場合、７２ｗｔ％Ａｇ−２８ｗｔ％Ｃｕの融点は約７８０℃であり、Ｃｕの融点は１０８３℃であるので、液相が出現しやすい。
【００６９】
本実施の形態では、熱伝導性粒子（硬質分散相）の体積分率が高いので、固相状態のままで攪拌すると、金属の塑性流動が抑制される。このため、少なくとも一部に液相を生成させながら摩擦攪拌することにより、濡れ性を向上し、界面の状態を良好にすることで、熱伝導性粒子を均一に合金中に分散させることができる。したがって、用いる金属基材１１によって攪拌により到達する温度を変化させて液相を出すことが好ましい。熱伝導性粒子の体積含有率が５０％以上では、攪拌時に液相を出現させることで攪拌抵抗を低下させることができるため、特に効果がある。
【００７０】
この時、到達温度が高すぎると、液相の粘性が大幅に低下して周囲に飛散しやすい。一方、到達温度が液相出現温度の直上の場合は、液相の粘性が大きく、十分に攪拌できない場合がある。このため、好ましい温度Ｔ（℃）は、液相出現温度＋５０（℃）≦Ｔ（℃）≦液相出現温度＋１５０（℃）である。なお、液相出現温度とは、一部に液相が出る温度である固相線以上の温度を言う。もちろん、完全に溶融する温度である液相線を超える温度でも構わない。
【００７１】
液相を出現させて攪拌する際には、原料として用いる金属粉末には、Ｔｉ、Ｈｆ、およびＺｒからなる群より選ばれた少なくとも一種の添加物質を含むことが好ましい。これらの添加物質は、熱伝導性粒子であるＳｉＣ、Ｓｉ3Ｎ4、ＡｌＮ、ダイヤモンド、ｈＢＮ、ｃＢＮ、カーボンナノチューブ、炭素繊維と反応してこれらの元素の炭化物または窒化物を形成する。これらの炭化物または窒化物は溶融した合金中の熱伝導性粒子との濡れ性を向上させるため、結果として複合材料部１２の熱伝導率を高くすることができる。Ｔｉ、Ｈｆ、Ｚｒの元素添加量は、原料として用いる金属粉末中で０．１ｗｔ％以上であることが好ましく、０．３ｗｔ％以上０．５ｗｔ％以下であることがより好ましい。
【００７２】
また、この工程では、少なくとも被加工部（複合材料部となるべき領域）を予備加熱しておくと液相が出現しやすいので効果がある。予備加熱温度は、金属基材１１を構成する金属材料の液相出現温度以上であることが好ましく、具体的には金属基材１１を構成する金属材料の融点以上で被加工部を予備加熱することが好ましい。設備の制約上、予備加熱温度に限界がある場合は、使用する金属材料に応じて、液相出現温度未満の適度な温度にしてもよい。たとえば４００℃程度でも効果がある。このように、予備加熱と攪拌時に発生する熱で少なくとも一部に液相を生成させながら摩擦攪拌することが好ましい。
【００７３】
加熱する方法は特に限定されず、たとえばレーザ等を用いることができる。レーザを用いて加熱する場合には、局所的に加熱できるという利点がある。
【００７４】
また、少なくとも一部に液相を生成させながら摩擦攪拌する場合には、攪拌部に酸化防止用の不活性ガスを供給しながら、摩擦攪拌処理をすることが好ましい。
【００７５】
また、少なくとも一部に液相を生成させながら摩擦攪拌する場合には、ショルダー面１６ａ１の面積が複合材料部１２が生成する部位（被加工部）の面積よりも大きい回転部材１６を用いることが特に好ましい。これは、熱伝導性粒子（硬質粒子）の体積分率が高い場合、液相が出現した状態で攪拌すると、液相の体積膨張のために被加工部が膨張して、被加工部が気孔を含みやすくなるためである。ショルダー面１６ａ１の面積を複合材料部１２の生成部位（被加工部）の面積よりも大きくすることで、気孔の生成を抑制することができる。
【００７６】
少なくとも一部に液相を生成させながら摩擦攪拌した場合には、たとえば自然冷却することにより、攪拌した金属基材１１と、混合粉末１５中の金属粉末と、熱伝導性粒子とが混合した液相が固化される。これにより、攪拌した金属基材１１を構成する金属材料と、混合粉末１５中の金属粉末を構成する金属材料との合金中に、混合粉末１５中の熱伝導性粒子が分散された複合材料部１２を形成することができる。したがって、図１に示す複合材料１０を製造することができる。
【００７７】
なお、本実施の形態では、摩擦攪拌する工程では、棒状の回転部材１６を当接させつつ回転させているが、摩擦攪拌する方法は特にこれに限定されない。たとえば直線運動を往復させる部材により摩擦攪拌してもよい。
【００７８】
（変形例１）
変形例１は、基本的には本実施の形態の複合材料１０およびその製造方法と同様であるが、表面において複合材料部１２がストライプ状に形成されている点において異なる。
【００７９】
具体的には、図７に示すように、金属基材１１の表面１１ａに、ストライプ状の開口部１１ｂを形成する。次に、図７に示すように、この開口部１１ｂに混合粉末１５を供給する。次に、混合粉末と接触する金属基材１１と、混合粉末１５とを摩擦攪拌する。これにより、図８に示すように、ストライプ状に形成された複合材料部１２を備えた変形例１の複合材料を製造することができる。
【００８０】
（変形例２）
変形例２は、基本的には本実施の形態の複合材料１０およびその製造方法と同様であるが、表面において複合材料部１２が格子状に形成されている点において異なる。
【００８１】
具体的には、図９に示すように、金属基材１１の表面１１ａに、格子状の開口部１１ｂを形成する。次に、図９に示すように、この開口部１１ｂに混合粉末１５を供給する。次に、混合粉末１５と接触する金属基材１１と、混合粉末１５とを摩擦攪拌する。これにより、図１０に示すように、格子状に形成された複合材料部１２を備えた変形例２の複合材料を製造することができる。
【００８２】
（変形例３）
変形例３は、基本的には本実施の形態の複合材料１０およびその製造方法と同様であるが、表面において複合材料部１２が島状に形成されている点において異なる。
【００８３】
具体的には、図１１に示すように、金属基材１１の表面１１ａに、内部に島状の開口部１１ｂを形成する。次に、図１１に示すように、この開口部１１ｂに混合粉末１５を供給する。次に、混合粉末１５と接触する金属基材１１と、混合粉末１５とを摩擦攪拌する。これにより、図１２に示すように、島状に形成された複合材料部１２を備えた変形例３の複合材料を製造することができる。
【００８４】
なお、複合材料部１２に転化させる領域は、本実施の形態、変形例１〜３の配置に限定されず、他の配置であってもよい。
【００８５】
続いて、本実施の形態における複合材料１０の効果について、図１３に示す比較例と比較して説明する。
【００８６】
図１３に示す比較例の放熱装置１００は、金属基材１１と、金属基材１１上に形成された複合材料部１１２とを備えている。複合材料部１１２は、たとえば上記特許文献１に開示の複合材料などである。金属基材１１は、ヒートシンクの役割を果たし、複合材料部１１２はヒートスプレッダの役割を果たす。
【００８７】
図１３に示すように、比較例の放熱装置１００に半導体素子２１を載置すると、複合材料部１１２により半導体素子２１と金属基材１１との熱膨張係数差を緩和することができる。しかし、この放熱装置１００を製造するためには、放電プラズマ焼結法を利用して焼結する、熱伝導性粒子を金属と混合した後に焼結するなどの複雑なプロセスで製造する必要がある。さらに、金属基材１１と複合材料部１１２とを、ロウ付けやＡｕ−Ｓｎ（錫）めっきを介して接合する必要がある。このため、放熱装置１００が高価になってしまうという問題がある。
【００８８】
一方、本実施の形態における複合材料１０は、２００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有する熱伝導性粒子を含む粉末と、金属基材１１を構成する金属材料と異なる金属材料を含む金属粉末との混合粉末１５を、金属基材１１の表面の開口部１１ｂに供給する工程と、混合粉末１５と、金属基材１１とを摩擦攪拌することにより、複合材料部１２を形成する工程とを備えている。
【００８９】
本発明の複合材料１０の製造方法によれば、金属基材１１の開口部１１ｂに供給した金属粉末と、この金属粉末を構成する金属材料と異なる金属材料の金属基材１１とを摩擦攪拌する。これにより、金属基材１１を構成する金属材料と、金属粉末を構成する金属材料とを含む合金を形成することができる。このため、塑性流動が抑制されにくくなるので、開口部に供給した粉末中の熱伝導性粒子を合金中に容易に分散させることができる。したがって、簡易なプロセスで複合材料部１２を形成でき、金属基材１１と複合材料部１２とを接合する工程を省略できる。このように簡略なプロセスで複合材料１０を形成することができるので、コストを低減して複合材料１０を製造することができる。
【００９０】
また、本実施の形態では、熱伝導性粒子を含む粉末と金属粉末との混合粉末１５と、金属基材１１の開口部１１ｂに供給して摩擦攪拌することにより、複合材料部を形成している。つまり、熱伝導性粒子を含む粉末と、金属粉末と、金属基材１１とを同時に攪拌している。このため、混合粉末１５と金属基材１１との攪拌が容易である。したがって、より容易に複合材料１０を製造することができる。
【００９１】
この複合材料１０の複合材料部１２の表面１２ａに、図１４に示すように、半導体素子２１を載置すると、複合材料部１２は熱伝導性粒子を含んでいるので、半導体素子２１と金属基材１１との熱膨張係数差を緩和することができる。このため、熱応力の不整合が小さくなり、熱応力破壊が起こることを抑制できる。さらに、複合材料部１２は合金であるので、熱伝導率が高い。このため、複合材料部１２は放熱性に優れている。このように、複合材料１０は、半導体素子２１を搭載する領域が、合金により高い熱伝導率を有し、かつ半導体素子２１の熱膨張係数と整合性の高い熱膨張係数を有する複合材料部１２であり、その他の領域は熱伝導率が高い金属基材１１である。金属基材１１は加工性、ろう付け性、めっき性などに優れた金属を用いることができる。このため、半導体素子２１との熱膨張率を緩和して、かつ放熱性を向上することができる複合材料１０を安価に製造することができる。
【００９２】
さらに、金属基材１１の開口部１１ｂに、所定の量の熱伝導性粒子を含む混合粉末１５を供給することにより、２００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有する熱伝導性粒子を含み、かつ金属基材１１を構成する金属材料を含む合金であり、かつ熱伝導性粒子は、複合材料部１２において１０ｖｏｌ％以上７０ｖｏｌ％以下の体積含有率を有する複合材料部１２を備えた複合材料１０を製造することができる。
【００９３】
複合材料部１２中の熱伝導性粒子の体積含有率が７０ｖｏｌ％以下であるので、複合材料部１２の組織が破壊されることを抑制できる。このため、特性を維持した複合材料１０を実現できる。
【００９４】
複合材料部１２中の熱伝導性粒子の体積含有率が１０ｖｏｌ％以上であるので、半導体素子２１と接する部位（複合材料部１２の表面１２ａ）の熱膨張係数が半導体素子２１との熱膨張係数に近くなる。このため、半導体素子２１の発熱時に発生する熱応力を低減することができ、半導体素子２１の誤作動を抑制でき、あるいは、熱応力破壊等も抑制できる。
【００９５】
特に、摩擦攪拌する工程では、少なくとも一部に液相を生成させながら摩擦攪拌することが好ましい。この場合、金属基材１１を構成する金属材料と金属粉末を構成する金属材料との合金中に熱伝導性粒子を均一に分散することができる。
【００９６】
また、熱伝導性粒子が５０ｖｏｌ％以上の場合には、硬質相量が増大するため、攪拌抵抗が増大するが、金属基材１１を構成する金属材料を溶融させることで攪拌抵抗を低下させることができる。このため、少なくとも一部に液相を生成させながら摩擦攪拌すると、被加工部における合金と熱伝導性粒子との混合物が流動しやすくなり、熱伝導性粒子の体積含有率が５０ｖｏｌ％以上の複合材料部１２を備えた複合材料１０も実現することができる。
【００９７】
以上のように、本実施の形態によれば、複雑なプロセスを用いなくても高熱伝導の複合材料１０を製造することができる。このため、複合材料１０は、半導体素子における放熱構造として最適である。したがって、本実施の形態の複合材料１０は、複合材料１０を組み込んだ自動車用、家電用半導体デバイスなどの広い用途に応用可能である。
【００９８】
（実施の形態２）
本実施の形態における複合材料は、図１に示す実施の形態１の複合材料１０と同様である。本実施の形態における複合材料は、製造方法が異なる。本実施の形態における複合材料の製造方法について、図１５〜図１９を参照して説明する。
【００９９】
まず、図２に示すように開口部１１ｂを有する金属基材１１を準備する。金属基材１１は、たとえばＣｕである。
【０１００】
次に、図１５に示すように、金属基材１１の開口部１１ｂに金属基材１１を構成する金属材料と異なる金属材料を含む金属粉末１７を供給する。金属粉末１７は、たとえばＡｇ粉末またはＡｇ−Ｃｕ合金粉末である。
【０１０１】
次に、図１６に示すように、金属粉末１７と接触する金属基材１１と、金属粉末１７とを摩擦攪拌する。この工程では、たとえば、実施の形態１と同様に回転部材１６を用いて摩擦攪拌する。これにより、図１７に示すように、金属基材１１を構成する金属材料と金属粉末１７を構成する金属材料とを含む合金１８を形成することができる。金属基材１１および金属粉末１７が上記材料の場合、合金１８はたとえばＡｇ−Ｃｕ合金である。
【０１０２】
次に、図１８に示すように、合金１８の表面１８ａに、熱伝導性粒子を含む粉末１９を供給する。粉末１９は、熱伝導性粒子を含んでいれば特に限定されないが、熱伝導性粒子を主成分とし、残部が不可避的不純物であることが好ましい。
【０１０３】
この工程では、たとえば、以下の工程を実施する。すなわち、まず、合金１８の表面１８ａを加工して、開口部を形成する。この合金１８の開口部に、粉末１９を装填する。なお、この工程では、合金１８の開口部に粉末１９のみを装填してもよく、粉末１９と併せて金属粉末を装填してもよい。粉末１９と併せて装填する金属粉末は、金属粉末１７と同一であってもよく、異なっていてもよい。
【０１０４】
次に、図１９に示すように、粉末１９と接触する合金１８と、粉末１９とを摩擦攪拌する。この工程では、たとえば実施の形態１と同様に回転部材１６を用いて摩擦攪拌する。これにより、合金１８中に熱伝導性粒子が分散した複合材料部１２を形成することができる。
【０１０５】
以上の工程を実施することにより、図１に示す複合材料１０を製造することができる。本実施の形態の複合材料の製造方法は、まず、金属粉末と接触する金属基材１１と、金属基材１１と異なる金属材料を含む金属粉末１７とを摩擦攪拌して、金属基材１１を構成する金属材料と金属粉末１７を構成する金属材料とを含む合金１８に形成する工程と、合金１８の表面１８ａに熱伝導性粒子を含む粉末１９を供給する工程と、粉末１９と接触する合金１８と、粉末１９とを摩擦攪拌する工程とを備えている。
【０１０６】
本実施の形態における複合材料の製造方法によれば、まず金属粉末１７を装填し、この状態で摩擦攪拌することによって、金属基材１１の表面１１ａの特定部位を合金１８に転化させた後、合金１８に再度開口部を形成して、熱伝導性粒子を含む粉末１９を装填した後、再度摩擦攪拌するという二段階の攪拌処理をしている。これにより、熱伝導性粒子を攪拌する際に、合金１８により融点が下がるので、塑性流動が抑制されにくくなる。このため、熱伝導性粒子を合金１８中により均一に分散させることができる。
【実施例１】
【０１０７】
本実施例では、熱伝導性粒子と、金属基材と異なる金属材料を含む金属粉末と、金属基材とを摩擦攪拌することにより、複合材料部を形成することの効果について調べた。また、複合材料が、１０ｖｏｌ％以上７０ｖｏｌ％以下の体積含有率を有する熱伝導性粒子を含む合金であることの効果について調べた。
【０１０８】
（試料２〜９）
＜金属基材＞
金属基材として、１００ｍｍ×１００ｍｍで、５ｍｍの厚さを有する純Ｃｕを用いた。次に、準備した金属板材の中心に、幅５ｍｍ、深さ２ｍｍの溝（ギャップ）を加工により形成した。
【０１０９】
＜金属粉末＞
金属粉末として、ＡｇとＣｕとの合金粉末を準備した。また、試料４〜９の金属粉末は、さらに下記の表１に記載の添加物質（添加金属）を含んでいた。それぞれの試料について、合金粉末中のＡｇ量、添加物質の材料、および添加物質の量を下記の表１に記載する。
【０１１０】
＜熱伝導性粒子＞
熱伝導性粒子として、ダイヤモンドを準備した。ダイヤモンドは、２００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有する。金属粉末と、熱伝導性粒子との混合粉末中の熱伝導性粒子の体積含有率、および熱伝導性粒子の粒径を下記の表１に記載する。
【０１１１】
＜供給する工程＞
金属粉末と、熱伝導性粒子とを混合した混合粉末を金属基材の表面の溝に供給した。装填密度は押し込み圧力で調整した。
【０１１２】
＜摩擦攪拌する工程＞
下記の表１に記載の温度で予備加熱した後、以下のようにして、混合粉末と接触する金属基材と、混合粉末とを摩擦攪拌した。
【０１１３】
具体的には、図５に示すような回転部材１６を準備した。回転部材１６は、直径３．８ｍｍ、長さ１．７５ｍｍのプローブ１６ｂと、直径Ｄ１６が２０ｍｍのる本体１６ａとを有し、超硬合金からなっていた。この回転部材１６のショルダー面に下記の表１に記載の圧力（面圧）を印加して、混合粉末と接触する金属基材と、混合粉末とを摩擦攪拌した。回転部材１６の回転速度を調整して、下記の表１に記載の攪拌部（被加工部）の到達温度とした。回転ツールの移動速度は４５ｍｍ／ｍｉｎとした。
【０１１４】
これにより、中心部のみに複合材料部が配置された構造の複合材料を得た。それぞれの複合材料の表面全体を約０．４ｍｍ研磨加工して、表面粗さＲａが０．０５μｍの面を得た。なお、表面粗さＲａは、ＪＩＳ（Japanese Industrial Standards）Ｂ０６０１に準拠して測定した値である。以上より、試料２〜９の複合材料を製造した。
【０１１５】
（試料１および１０）
試料１および１０は、基本的には試料２〜９と同様であったが、主として金属粉末として金属基材と同じ材料である純Ｃｕ粉末を用いた点において異なっていた。その他の条件については、下記の表１に記載する。
【０１１６】
（評価方法）
試料１〜１０の複合材料について、複合材料部に転化した部分の中心部から５ｍｍ×５ｍｍ×１．５ｍｍ厚のサイズで切り出して、熱伝導性粒子の体積含有率、熱伝導率、および熱膨張係数を測定した。熱伝導性粒子の体積含有率は、アルキメデス法で複合材料部の密度を測定し、熱伝導性粒子の真密度値から複合材料部中の熱伝導性粒子の体積含有率を計算した。熱伝導率は、レーザフラッシュ法により測定した。熱膨張係数は、レーザ変位読み取り式熱膨張係数測定装置により測定した。その結果を下記の表１に記載する。
【０１１７】
また、半導体素子として、ＩｎＰ基板を備えた半導体素子を準備した。この半導体素子の表面（半導体基板において半導体層が形成された面と反対側の面）と、試料２〜９については複合材料の複合材料部の表面上とを、試料１および１０については金属基材の表面とを、厚さ２５μmの活性銀鑞箔を挿入して接触させ、真空中、温度８００℃で３０分加熱してろう付けした。これにより、各試料の複合材料に半導体素子を載置した。
【０１１８】
半導体素子の表面の熱膨張係数と、各試料１〜１０において半導体素子の表面と接続される領域の熱膨張係数との差（熱膨張係数差ΔＴ）を求めた。その結果を下記の表１に記載する。
【０１１９】
また、半導体素子を載置した試料１〜１０を炉に投入し、１気圧の窒素中で、昇温速度１０℃／ｍｉｎで７５０℃まで加熱し、その後１分間保持した後、炉内から取り出し水中へ投入した。これを最高２０回繰り返した。各回処理終了後、各試料を各面と垂直方向に切断して界面を実体顕微鏡で観察した。このようにして、各試料について、剥離せずに温度サイクルを実施できた回数（温度サイクル回数）を調べた。その結果を下記の表１に示す。
【０１２０】
【表１】
【０１２１】
（評価結果）
表１に示すように、試料２〜９によれば、熱伝導性粒子と、金属基材と異なる金属材料を含む金属粉末と、金属基材とを摩擦攪拌することにより、簡略化したプロセスで、金属基材を構成する金属材料を含む合金であり、かつ１０ｖｏｌ％以上７０％以下の体積含有率を有する複合材料部を有する複合材料を製造可能なことがわかった。このことから、所望の特性を有する複合材料をコストを低減して製造できることがわかった。
【０１２２】
また、表１に示すように、熱伝導性粒子と、金属基材と異なる金属材料を含む金属粉末と、金属基材とを摩擦攪拌することにより、複合材料部を形成した試料２〜９は、金属基材と異なる金属材料を含まなかった（つまり複合材料部が合金でなかった）試料１および１０と比較して、熱伝導率を向上することができた。これは、攪拌部がＡｇ−Ｃｕ合金であるため、攪拌部の融点がＣｕ単独の試料１および１０よりも低くなり、攪拌部が一部溶融し、ダイヤモンドとの濡れ性が向上したためと推定される。
【０１２３】
また、表１に示すように、複合材料部中のダイヤモンド含有量が増大するほど熱膨張係数が低下し、耐熱衝撃性が向上した。このことから、ダイヤモンド含有量が増大するほど複合材料部の耐衝撃性を向上し、かつ高い放熱性が期待できる。
【０１２４】
また、表１に示すように、金属粉末にＴｉ、Ｈｆ、またはＺｒを含む試料４〜９は、熱伝導率をさらに増大できた。これは、金属とダイヤモンドとの濡れ性が向上したためと推定される。
【０１２５】
以上より、本実施例によれば、熱伝導性粒子と、金属基材と異なる金属材料を含む金属粉末と、金属基材とを摩擦攪拌することにより、簡易なプロセスで、１０ｖｏｌ％以上７０ｖｏｌ％以下の体積含有率を有する熱伝導性粒子を含む合金の複合材料を製造できることがわかった。また、複合材料の複合材料部が１０ｖｏｌ％以上７０ｖｏｌ％以下の体積含有率を有する熱伝導性粒子を含む合金であることにより、コストを低減して放熱効果を高める複合材料を実現できることがわかった。
【実施例２】
【０１２６】
本実施例では、熱伝導性粒子と、金属基材と異なる金属材料を含む金属粉末と、金属基材とを摩擦攪拌することにより、複合材料部を形成することの効果について調べた。また、複合材料が、１０ｖｏｌ％以上７０ｖｏｌ％以下の体積含有率を有する熱伝導性粒子を含む合金であることの効果について調べた。
【０１２７】
（試料１１〜１６）
＜金属基材＞
金属基材として、１００ｍｍ×１００ｍｍで、５ｍｍの厚さを有するＣｕを用いた。次に、準備した金属板材の中心に、幅５ｍｍ、深さ２ｍｍの溝（ギャップ）を加工により形成した。
【０１２８】
＜金属粉末＞
金属粉末として、９８ｗｔ％のＡｇと２ｗｔ％のＴｉとからなる粉末を準備した。
【０１２９】
＜供給する工程＞
まず、準備した金属粉末を金属基材の表面の溝に供給した。装填密度は押し込み圧力で調整した。
【０１３０】
＜摩擦攪拌する工程＞
下記の表１に記載の温度で予備加熱した後、金属粉末と接触する金属基材と、混合粉末とを、実施例１と同様に摩擦攪拌した。これにより、金属基材の表面の一部をＡｇ−Ｃｕ合金に転化させた。
【０１３１】
＜熱伝導性粒子＞
熱伝導性粒子として、下記の表１に記載のＳｉＣ、ダイヤモンド、ＡｌＮのいずれかを用いた。これらの熱伝導性粒子は、２００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有する。それぞれの試料について、用いた熱伝導性粒子の材料およびその粒径を下記の表１に記載する。
【０１３２】
＜供給する工程＞
金属基材においてＣｕ−Ａｇ合金に転化した部分の表面に、幅５ｍｍ、深さ２ｍｍの溝を加工により形成した。その後、準備した熱伝導性粒子を、Ｃｕ−Ａｇ合金の溝に供給した。装填密度は押し込み圧力で調整した。
【０１３３】
＜摩擦攪拌する工程＞
下記の表１に記載の温度で予備加熱した後、合金と、熱伝導性粒子末とを、実施例１と同様に摩擦攪拌した。これにより、Ａｇ−Ｃｕ合金中に熱伝導性粒子を分散させた複合材料部が配置された構造の複合材料を得た。それぞれの複合材料の表面全体を約０．４ｍｍ研磨加工して、表面粗さＲａが０．０５μｍの面を得た。以上より、試料１１〜１６の複合材料を製造した。
【０１３４】
（評価方法）
実施例１と同様に、試料１１〜１６の複合材料の複合材料部について、熱伝導性粒子の体積含有率、熱伝導率、熱膨張係数、熱膨張係数差ΔＴおよび温度サイクル回数を測定した。なお、半導体素子は、下記の表２に示す材料の基板を用いた。
【０１３５】
【表２】
【０１３６】
（評価結果）
表２に示すように、試料１１〜１６によれば、金属基材と異なる金属材料を含む金属粉末と、金属基材とを摩擦攪拌して合金を形成し、合金に熱伝導性粒子を供給し、合金と熱伝導性粒子を摩擦攪拌して複合材料部を形成することにより、簡略化したプロセスで、金属基材を構成する金属材料を含む合金であり、かつ１０ｖｏｌ％以上７０％以下の体積含有率を有する複合材料部を有する複合材料を製造可能なことがわかった。このことから、所望の特性を有する複合材料をコストを低減して製造できることがわかった。
【０１３７】
以上より、本実施例によれば、金属基材と異なる金属材料を含む金属粉末と、金属基材とを摩擦攪拌した後に、熱伝導性粒子をさらに摩擦攪拌することにより、簡易なプロセスで、１０ｖｏｌ％以上７０ｖｏｌ％以下の体積含有率を有する熱伝導性粒子を含む合金の複合材料を製造できることがわかった。また、複合材料の複合材料部が１０ｖｏｌ％以上７０ｖｏｌ％以下の体積含有率を有する熱伝導性粒子を含む合金であることにより、コストを低減して放熱効果を高める複合材料を実現できることがわかった。
【０１３８】
以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、各実施の形態および実施例の特徴を適宜組み合わせることも当初から予定している。また、今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０１３９】
１０ 複合材料、１１ 金属基材、１１ａ，１２ａ，１８ａ 表面、１１ｂ 開口部、１２ 複合材料部、１５ 混合粉末、１６ 回転部材、１６ａ 本体、１６ａ１ ショルダー面、１６ｂ プローブ、１７ 金属粉末、１８ 合金、１９ 粉末、２１ 半導体素子。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
開口部を有する表面を含む金属基材を準備する工程と、
２００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有する熱伝導性粒子を含む粉末と、前記金属基材を構成する材料と異なる金属材料を含む金属粉末とを、前記金属基材の前記表面の前記開口部に供給する工程と、
前記粉末と、前記金属粉末と、前記金属基材とを摩擦攪拌することにより、複合材料部を形成する工程とを備えた、複合材料の製造方法。
【請求項２】
前記金属基材は、銅を含み、
前記金属粉末は、銀と銅との合金粉末、または銀粉末を含む、請求項１に記載の複合材料の製造方法。
【請求項３】
前記複合材料部を形成する工程では、前記粉末に棒状の回転部材を当接させつつ回転させる、請求項１または２に記載の複合材料の製造方法。
【請求項４】
前記回転部材の負荷圧力が３０ＭＰａ以上である、請求項３に記載の複合材料の製造方法。
【請求項５】
前記複合材料部を形成する工程は、
前記金属粉末と接触する前記金属基材と、前記金属粉末とを摩擦攪拌して、前記金属基材を構成する金属材料と前記金属粉末を構成する金属材料とを含む合金に形成する工程と、
前記合金の表面に前記粉末を供給する工程と、
前記粉末と接触する前記合金と、前記粉末とを摩擦攪拌する工程とを含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の複合材料の製造方法。
【請求項６】
少なくとも被加工部を予備加熱する工程をさらに備えた、請求項１〜５のいずれか１項に記載の複合材料の製造方法。
【請求項７】
前記金属粉末は、チタン、ハフニウム、およびジルコニウムからなる群より選ばれた少なくとも一種の添加物質を含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載の複合材料の製造方法。
【請求項８】
前記添加物質は、前記複合材料部において０．１ｗｔ％以上含有される、請求項７に記載の複合材料の製造方法。
【請求項９】
前記摩擦攪拌する工程では、少なくとも一部に液相を生成させながら摩擦攪拌する、請求項１〜８のいずれか１項に記載の複合材料の製造方法。
【請求項１０】
表面を有する金属基材と、
前記金属基材の前記表面に配置された複合材料部とを備え、
前記複合材料部は、２００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有する熱伝導性粒子を含み、かつ前記金属基材を構成する金属材料を含む合金であり、
前記熱伝導性粒子は、前記複合材料部において１０ｖｏｌ％以上７０ｖｏｌ％以下の体積含有率を有する、複合材料。
【請求項１１】
前記金属基材は、銅を含み、
前記複合材料部は、銅と銀との合金を含む、請求項１０に記載の複合材料。
【請求項１２】
前記熱伝導性粒子が、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、ダイヤモンド、六方晶窒化ホウ素、立方晶窒化ホウ素、カーボンナノチューブ、および炭素繊維からなる群より選ばれた少なくとも一種の物質を含む、請求項１０または１１に記載の複合材料。
【請求項１】
開口部を有する表面を含む金属基材を準備する工程と、
２００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有する熱伝導性粒子を含む粉末と、前記金属基材を構成する材料と異なる金属材料を含む金属粉末とを、前記金属基材の前記表面の前記開口部に供給する工程と、
前記粉末と、前記金属粉末と、前記金属基材とを摩擦攪拌することにより、複合材料部を形成する工程とを備えた、複合材料の製造方法。
【請求項２】
前記金属基材は、銅を含み、
前記金属粉末は、銀と銅との合金粉末、または銀粉末を含む、請求項１に記載の複合材料の製造方法。
【請求項３】
前記複合材料部を形成する工程では、前記粉末に棒状の回転部材を当接させつつ回転させる、請求項１または２に記載の複合材料の製造方法。
【請求項４】
前記回転部材の負荷圧力が３０ＭＰａ以上である、請求項３に記載の複合材料の製造方法。
【請求項５】
前記複合材料部を形成する工程は、
前記金属粉末と接触する前記金属基材と、前記金属粉末とを摩擦攪拌して、前記金属基材を構成する金属材料と前記金属粉末を構成する金属材料とを含む合金に形成する工程と、
前記合金の表面に前記粉末を供給する工程と、
前記粉末と接触する前記合金と、前記粉末とを摩擦攪拌する工程とを含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の複合材料の製造方法。
【請求項６】
少なくとも被加工部を予備加熱する工程をさらに備えた、請求項１〜５のいずれか１項に記載の複合材料の製造方法。
【請求項７】
前記金属粉末は、チタン、ハフニウム、およびジルコニウムからなる群より選ばれた少なくとも一種の添加物質を含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載の複合材料の製造方法。
【請求項８】
前記添加物質は、前記複合材料部において０．１ｗｔ％以上含有される、請求項７に記載の複合材料の製造方法。
【請求項９】
前記摩擦攪拌する工程では、少なくとも一部に液相を生成させながら摩擦攪拌する、請求項１〜８のいずれか１項に記載の複合材料の製造方法。
【請求項１０】
表面を有する金属基材と、
前記金属基材の前記表面に配置された複合材料部とを備え、
前記複合材料部は、２００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有する熱伝導性粒子を含み、かつ前記金属基材を構成する金属材料を含む合金であり、
前記熱伝導性粒子は、前記複合材料部において１０ｖｏｌ％以上７０ｖｏｌ％以下の体積含有率を有する、複合材料。
【請求項１１】
前記金属基材は、銅を含み、
前記複合材料部は、銅と銀との合金を含む、請求項１０に記載の複合材料。
【請求項１２】
前記熱伝導性粒子が、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、ダイヤモンド、六方晶窒化ホウ素、立方晶窒化ホウ素、カーボンナノチューブ、および炭素繊維からなる群より選ばれた少なくとも一種の物質を含む、請求項１０または１１に記載の複合材料。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【公開番号】特開２０１１−７４４２５（Ｐ２０１１−７４４２５Ａ）
【公開日】平成２３年４月１４日（２０１１．４．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２２４９３７（Ｐ２００９−２２４９３７）
【出願日】平成２１年９月２９日（２００９．９．２９）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年４月１４日（２０１１．４．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月２９日（２００９．９．２９）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
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