1.本公开涉及复合材料以及散热构件。本技术主张基于作为在2020年3月24日申请的日本专利申请的日本特愿2020-053219号的优先权。该日本专利申请所记载的全部记载内容通过参照而被援引在本说明书中。
背景技术：2.作为半导体元件的散热构件，可列举为散热器以及散热片等。作为适于该散热构件的材料，已知有金刚石等碳系材料与金属的复合材料。复合材料具备金属相和分散于该金属相的多个颗粒。该多个颗粒中的每个颗粒(各个颗粒)由导热性优异的金刚石等碳系材料构成。在各个颗粒的表面具备由碳化物构成的包覆层。包覆层改善颗粒与金属相的润湿性，抑制在复合材料中形成空隙。
3.作为上述复合材料的金属相，例如可列举为专利文献1至专利文献3中记载的金属相。专利文献1的复合材料中的金属相由银(ag)与铜(cu)的共晶合金构成。共晶合金包含约72质量％的ag，因此可以说是以ag为主成分的合金。专利文献2的复合材料中的金属相以ag为主成分。专利文献3的复合材料中的金属相以cu为主成分。
4.现有技术文献
5.专利文献
6.专利文献1：日本特开2004-197153号公报
7.专利文献2：国际公开第2016/035795号
8.专利文献3：国际公开第2019/163721号
技术实现要素：9.本公开的复合材料具备金属相和分散于所述金属相的多个颗粒，
10.所述多个颗粒中的每个颗粒(各个颗粒)具有将所述每个颗粒(所述各个颗粒)的表面覆盖的包覆层，其中，
11.所述多个颗粒为碳系材料，
12.所述金属相包含主元素、第一元素和第二元素，
13.所述包覆层为所述第二元素的碳化物，
14.所述主元素为铜，
15.所述第一元素为具有比铜低的表面张力的金属元素，
16.所述第二元素为选自由铍、硅、钛、铬、锆、铌、铪以及钽组成的群组中的至少一种，
17.所述第一元素在所述主元素、所述第一元素和所述第二元素的合计中所占的含量为0.25原子％以上且10.0原子％以下，
18.所述第二元素在所述主元素、所述第一元素和所述第二元素的合计中所占的含量为1.5原子％以上且14.0原子％以下。
19.本公开的散热构件具备：
20.基材，其由本公开的复合材料构成；以及
21.铜层，其将所述基材的表面的至少一部分覆盖。
附图说明
22.图1是某一实施方式所涉及的复合材料的截面的示意图。
23.图2是图1所示的复合材料中包含的颗粒的表面的示意图。
24.图3是另一实施方式所涉及的散热构件的概要结构图。
具体实施方式
25.[本公开所要解决的问题]
[0026]
cu的线膨胀系数比ag的线膨胀系数低，因此从降低复合材料的线膨胀系数的观点出发，与ag相比，复合材料的金属相的主成分优选为cu。另外，cu具有比ag轻量的优点以及比ag廉价的优点。因而，期望一种具备以cu为主成分的金属相的复合材料。
[0027]
在此，对于用于散热构件的复合材料，除了要求导热性优异以外，有时还要求高温下的耐热性。例如，在由复合材料构成的基板上钎焊由陶瓷制成的框状构件等的情况下，使用ag-cu合金的钎料。要求在使该钎料熔融的温度下复合材料不变形。从该观点出发，具有以ag-cu合金为主成分的金属相的专利文献1的复合材料在耐热性方面存在改善的余地。这是因为构成金属相的ag-cu合金的熔点与钎料的熔点接近。
[0028]
另一方面，cu的熔点比ag-cu合金高，因此具有以cu为主成分的金属相的复合材料的耐热性优异。但是，即使是具有改善颗粒与金属相的润湿性的包覆层的碳系材料的颗粒，碳系材料的颗粒与cu的润湿性也不好。因此，在由碳系材料构成的多个颗粒与cu复合时，在复合材料中容易形成多个空隙。存在上述空隙使复合材料的导热性降低的隐患。
[0029]
因此，本公开的目的之一在于提供一种导热性以及耐热性优异的复合材料。另外，本公开的另一目的之一在于提供一种散热性以及耐热性优异的散热构件。
[0030]
[本公开的效果]
[0031]
本公开的复合材料的导热性以及耐热性优异。本公开的散热构件的散热性以及耐热性优异。
[0032]
[本公开的实施方式的说明]
[0033]
复合材料通过使碳系材料的多个颗粒与作为金属相的原料的熔液复合化而得到。本发明的发明人对在具备以cu为主成分的金属相的复合材料中改善碳系材料的颗粒与金属相的润湿性的构成进行了深入研究。其结果是，本发明的发明人发现，通过使金属相的熔液中含有表面张力比cu小的元素，能够改善碳系材料的颗粒与金属相的润湿性。在包含表面张力比cu小的第一元素的熔液中，第一元素容易在与颗粒接触的熔液的表面富集。据认为该第一元素改善碳系材料的颗粒与熔液的润湿性。基于该见解，本发明的发明人完成了本实施方式所涉及的复合材料。首先，列举本公开的实施方式进行说明。在此，在本说明书中，将碳系材料的多个颗粒的集合体称为“碳系粉末”。
[0034]
《1》本实施方式所涉及的复合材料具备金属相和分散于所述金属相的多个颗粒，
[0035]
所述多个颗粒中的每个颗粒具有将所述每个颗粒的表面覆盖的包覆层，其中，
[0036]
所述多个颗粒为碳系材料，
[0037]
所述金属相包含主元素、第一元素和第二元素，
[0038]
所述包覆层为所述第二元素的碳化物，
[0039]
所述主元素为铜，
[0040]
所述第一元素为具有比铜低的表面张力的金属元素，
[0041]
所述第二元素为选自由铍、硅、钛、铬、锆、铌、铪以及钽组成的群组中的至少一种，
[0042]
所述第一元素在所述主元素、所述第一元素和所述第二元素的合计中所占的含量为0.25原子％以上且10.0原子％以下，
[0043]
所述第二元素在所述主元素、所述第一元素和所述第二元素的合计中所占的含量为1.5原子％以上且14.0原子％以下。
[0044]
在此，主元素是指作为金属相的主成分的金属元素，即占金属相的过半的金属元素。
[0045]
上述《1》的复合材料包含以下构成。
[0046]“一种复合材料，其具备金属相和分散于所述金属相的多个颗粒，
[0047]
所述多个颗粒中的每个颗粒具有将所述每个颗粒的表面覆盖的包覆层，其中，
[0048]
所述每个颗粒为碳系材料，
[0049]
在除碳以外的成分中，包含0.25原子％以上且10.0原子％以下的第一元素、1.5原子％以上且14.0原子％以下的第二元素，余量为铜以及不可避免的杂质，
[0050]
所述第一元素为具有比铜低的表面张力的金属元素，
[0051]
所述第二元素为选自由铍、硅、钛、铬、锆、铌、铪以及钽组成的群组中的至少一种。”[0052]
本实施方式所涉及的复合材料的导热性优异。
[0053]
以金刚石为代表的碳系材料的颗粒的导热性优异。另外，作为金属相的主成分的cu的导热性优异。因而，本实施方式所涉及的复合材料的导热性优异。
[0054]
进一步地，在本实施方式所涉及的复合材料中的多个颗粒中的每个颗粒(各个颗粒)的表面设置有由第二元素的碳化物构成的包覆层。该包覆层在制作复合材料时改善颗粒与金属相的熔液的润湿性。另外，复合材料中的金属相包含表面张力比cu小的第一元素。该第一元素在制作复合材料时在金属相的熔液的表面富集，改善金属相的熔液与颗粒的润湿性。通过由包覆层带来的润湿性的改善和由第一元素带来的润湿性的改善，在复合材料中不易形成空隙。因而，本实施方式所涉及的复合材料的导热性优异。
[0055]
本实施方式所涉及的复合材料的耐热性优异。
[0056]
本实施方式所涉及的复合材料中的金属相以cu为主成分。cu的熔点比ag合金的熔点高。因此，在对复合材料和陶瓷等进行钎焊时，复合材料不易在钎料的熔点附近的温度下变形。
[0057]
本实施方式所涉及的复合材料的线膨胀系数较小。
[0058]
cu的线膨胀系数比ag的线膨胀系数小。因此，具备以cu为主成分的金属相的本实施方式的复合材料的线膨胀系数容易变得比具备以ag为主成分的金属相的复合材料的线膨胀系数低。具备以cu为主成分的金属相的复合材料的线膨胀系数与半导体元件等发热体的线膨胀系数接近。因此，容易抑制由线膨胀系数的不同引起的复合材料与发热体的剥离。
[0059]
本实施方式所涉及的复合材料廉价且轻量。
[0060]
本实施方式所涉及的复合材料中的金属相包含cu作为主元素。cu与ag相比，轻量且廉价。因此，本公开的复合材料与以ag为主成分的复合材料相比轻量且廉价。
[0061]
《2》作为本实施方式所涉及的复合材料的一个方式，可列举为如下方式：所述碳系材料为金刚石。
[0062]
金刚石的导热性极其优异。因此，若分散于金属相的颗粒为金刚石，则复合材料的导热性提高。另外，市售有具有各种粒径的金刚石粉末，金刚石粉末能够容易地获得。
[0063]
《3》作为本实施方式所涉及的复合材料的一个方式，可列举为如下方式：所述第一元素为选自由银、镁、铝、锡、锌以及锰组成的群组中的至少一种。
[0064]
ag、镁(mg)、铝(al)、锡(sn)、锌(zn)以及锰(mn)的熔液的表面张力比cu的熔液的表面张力小。另外，上述《3》中列举的金属能够容易地获得。
[0065]
《4》作为上述《3》所述的复合材料的一个方式，可列举为如下方式：所述第一元素为银。
[0066]
ag与具有包覆层的颗粒的润湿性优异。因而，作为金属相中包含的第一元素，优选为ag。
[0067]
《5》作为本实施方式所涉及的复合材料的一个方式，可列举为如下方式：所述第二元素为钛。
[0068]
第二元素为选自由铍(be)、硅(si)、钛(ti)、铬(cr)、锆(zr)、铌(nb)、铪(hf)以及钽(ta)组成的群组中的至少一种。在上述第二元素的候选中，ti能够容易地获得。另外，碳化钛容易提高金属相的熔液相对于由碳系材料构成的颗粒的润湿性。
[0069]
《6》作为本实施方式所涉及的复合材料的一个方式，可列举为如下方式：所述多个颗粒的含量为40体积％以上且80体积％以下。
[0070]
若导热性比金属相优异的碳系粉末的含量为上述范围，则可得到导热性优异的复合材料。另外，在制造复合材料时碳系粉末不过多，由此使金属相的熔液容易熔渗于碳系粉末的颗粒之间。因此，可得到空隙较少、导热性优异的复合材料。
[0071]
《7》作为本实施方式所涉及的复合材料的一个方式，可列举为如下方式：
[0072]
所述多个颗粒具备多个微粒和多个粗粒，
[0073]
所述多个微粒各自的粒径小于30μm，
[0074]
所述多个粗粒各自的粒径为30μm以上，
[0075]
所述多个微粒在所述多个颗粒的全部颗粒中所占的体积比例为20体积％以上且50体积％以下。
[0076]
若碳系粉末为多个微粒与多个粗粒的混合体，则复合材料中的碳系粉末的含量容易变高。尤其是，若多个微粒在多个颗粒的全部颗粒中所占的体积比例为上述范围，则复合材料中的碳系粉末的含量容易变高。
[0077]
《8》本实施方式所涉及的散热构件具备：
[0078]
基材，其由上述《1》至《7》中任一项所述的复合材料构成；以及
[0079]
铜层，其将所述基材的表面的至少一部分覆盖。
[0080]
本实施方式所涉及的散热构件的散热性优异。
[0081]
本实施方式所涉及的散热构件所具备的基材由上述实施方式所涉及的复合材料构成。复合材料中包含的碳系材料的颗粒和作为金属相的主成分的cu的导热性优异。因而，
具备由上述实施方式所涉及的复合材料构成的基材的本实施方式所涉及的散热构件能够使半导体元件等发热体的热有效地散热。
[0082]
本实施方式所涉及的散热构件适合作为半导体元件的散热构件。
[0083]
本实施方式所涉及的散热构件所具备的复合材料的基板具有处于碳系物质与cu的中间的线膨胀系数。该基板的线膨胀系数接近于半导体元件的线膨胀系数以及半导体元件的绝缘基板等的线膨胀系数。因此，在使用半导体元件时，能够抑制由线膨胀系数的不同引起的半导体元件与散热构件的剥离。
[0084]
本实施方式所涉及的散热构件容易与半导体元件等发热体接合。
[0085]
本实施方式所涉及的散热构件在基材的表面的至少一部分具备铜层。作为铜层的主成分的铜原子容易与作为基材的金属相的主成分的铜原子结合，因此铜层容易与复合材料的基材接合。另外，铜层使基材的表面平滑。该铜层也容易与半导体元件等发热体接合。因此，在散热构件与发热体被焊接时，在散热构件与发热体之间不易形成空隙。因而，通过对发热体配置铜层，能够将发热体良好地焊接于散热构件。
[0086]
[本公开的实施方式的详细内容]
[0087]
以下，基于图1至图3对本公开的实施方式所涉及的复合材料以及散热构件进行说明。此外，本发明并不限定于实施方式的示例，而是由权利要求书示出，意图包含与权利要求书等同的含义以及范围内的全部变更。
[0088]
《实施方式一》
[0089]
《复合材料》
[0090]
本实施方式的复合材料1具备金属相2和分散于金属相2的多个颗粒3。如图2所示，在多个颗粒3的每个颗粒3(各个颗粒3)的表面具备包覆层4。以下，对复合材料1的各构成进行详细说明。
[0091]
(金属相)
[0092]
金属相2包含cu作为主元素。主元素是指作为金属相2的主成分的金属元素，即占金属相2的过半的金属元素。cu的导热系数为约400w/m
·
k。因而，以cu为主成分的金属相2有助于复合材料1的导热系数的提高。
[0093]
金属相2除了cu以外，还包含第一元素和第二元素。第一元素是具有比cu低的表面张力的金属元素。即，第一元素的熔液的表面张力比cu的熔液的表面张力低。金属元素的表面张力是公知的。第一元素的具体例可列举为选自由ag、mg、al、sn、zn以及mn组成的群组中的至少一种。第一元素在制造复合材料1时在金属相2的熔液的表面富集。在熔液的表面富集的第一元素改善同颗粒3接触的熔液与颗粒3的润湿性。
[0094]
第二元素为选自由be、si、ti、cr、zr、nb、hf以及ta组成的群组中的至少一种。第二元素在制作复合材料1时在复合材料1的原料中被包含预定量。原料中的第二元素的大部分在颗粒3的包覆层4的形成中被消耗。因而，金属相2中包含的第二元素为极微量。
[0095]
关于复合材料1整体中的第一元素和第二元素的含量，在后面进行叙述。
[0096]
(颗粒)
[0097]
·
材质
[0098]
颗粒3为碳系材料。作为碳系材料，优选为选自由金刚石、石墨、碳纳米管以及碳纤维组成的群组中的至少一种。金刚石实质上不具有与热传导相关的各向异性，代表性地具
有1000w/m
·
k以上的较高的导热系数。另外，市售有各种粒径的金刚石粉末，金刚石粉末容易获得。在这些方面，包含金刚石的复合材料1容易用作散热构件的原材料，而且制造性也很优异。
[0099]
石墨柔软，加工性优异。因此，包含石墨的复合材料1的加工性优异。碳纳米管的沿着轴向的导热系数有时比金刚石的沿着轴向的导热系数高。因此，可期待包含碳纳米管的复合材料1的导热性更优异。碳纤维的机械强度优异。因此，包含碳纤维的复合材料1的机械强度优异。
[0100]
包含种类不同的多个碳系材料的复合材料1兼具各碳系材料所带来的效果。例如，作为碳系材料而主要包含金刚石且一部分包含石墨的复合材料1可期待导热性优异而且切削等加工也容易进行。
[0101]
·
含量
[0102]
复合材料1中的全部颗粒3的含量、即碳系粉末的含量例如可列举为40体积％以上且85体积％以下。若上述含量为40体积％以上，则复合材料1中大量包含导热性优异的颗粒3。因此，复合材料1的导热系数提高。另外，复合材料1的线膨胀系数容易变得比cu小。若上述含量为85体积％以下，则在制作复合材料1时金属相2容易遍布颗粒3之间的间隙。颗粒3的含量的下限值例如可以为45体积％，进一步可以为50体积％、55体积％、60体积％。另外，上述含量的上限值例如可以为80体积％，进一步可以为75体积％以下。
[0103]
复合材料1中的多个颗粒3的含量例如以如下方式求出。首先，通过阿基米德法求得复合材料1的体积。接着，用稀硝酸使复合材料1溶解，将碳系粉末分离。对碳系粉末的质量进行测定，基于构成碳系粉末的碳系材料的理论密度，通过计算求出碳系粉末的体积。然后，将碳系粉末的体积除以复合材料1的体积，由此求出复合材料1中的多个颗粒3的含量。
[0104]
·
大小
[0105]
复合材料1中的颗粒3的平均粒径例如优选为10μm以上且120μm以下。颗粒3的平均粒径可以为15μm以上，进一步可以为20μm以上。另外，上述平均粒径可以为100μm以下，进一步可以为90μm以下、80μm以下、70μm以下、60μm以下。
[0106]
颗粒3的平均粒径由通过对复合材料1的截面进行观察而得到的当量圆直径求出。具体而言，在复合材料1的截面中，针对k个以上的颗粒3求出当量圆直径。这些k个当量圆直径的平均值为颗粒3的平均粒径。k为10以上。k优选为20以上，更优选为50以上。在此，为了求出当量圆直径，首先取得复合材料1的截面的sem(scanning electron microscope：扫描电子显微镜)图像，通过二值化处理求出颗粒3的截面积。具有与该截面积相同的截面积的圆的直径为当量圆直径。二值化处理的阈值被调整为能够明确地确定各个颗粒3。
[0107]
碳系粉末也可以是多个微粒31与多个粗粒32的混合体。通过使用包含微细的颗粒和粗大的颗粒的碳系粉末来制作复合材料1，容易得到相对密度较高的复合材料1。
[0108]
本说明书中的微粒31是通过对复合材料1的截面进行观察而得到的当量圆直径小于30μm的颗粒3。微粒31的平均粒径优选为10μm以上且25μm以下。平均粒径是n个微粒31的当量圆直径的平均值。n为10以上。n优选为20以上，更优选为50以上。
[0109]
另一方面，本说明书中的粗粒32是通过对复合材料1的截面进行观察而得到的当量圆直径为30μm以上的颗粒3。粗粒32的平均粒径优选为80μm以上且120μm以下。平均粒径是m个粗粒32的当量圆直径的平均值。m为10以上。m优选为20以上，更优选为50以上。
[0110]
多个微粒31在多个颗粒3的全部颗粒3中所占的体积比例优选为20体积％以上且50体积％以下。若微粒31与粗粒32的体积比例为上述范围，则容易在接近的粗粒32之间配置足够数量的微粒31。其结果是，颗粒3在复合材料1中所占的体积变大，复合材料1的导热系数容易变高。微粒31在全部颗粒3中所占的体积比例更优选为25体积％以上且40体积％以下。
[0111]
(包覆层)
[0112]
包覆层4将多个颗粒3的各个颗粒3的表面的至少一部分覆盖，代表性的是实质上将表面整体覆盖。该包覆层4是第二元素的碳化物。包覆层4在制作复合材料1时改善颗粒3与金属相2的熔液的润湿性。尤其是由碳化钛构成的包覆层4有助于颗粒3与金属相2的熔液的润湿性的提高。
[0113]
包覆层4的导热性比cu以及碳系材料低。因而，包覆层4优选在能够得到上述润湿性的改善效果的范围内较薄。包覆层4的厚度通过制作复合材料1时的第二元素的添加量等进行调整。存在上述添加量越少则包覆层4的厚度越薄的倾向。
[0114]
(复合材料中的第一元素的含量)
[0115]
复合材料1中的第一元素的含量为0.25原子％以上且10.0原子％以下。若第一元素的含量为0.25原子％以上，则能够充分得到由第一元素带来的润湿性的提高效果。因此，第一元素的含量为0.25原子％以上的复合材料1的导热性优异。若第一元素的含量为10.0原子％以下，则可抑制复合材料1的耐热性的降低。本实施方式的复合材料1中的第一元素的含量更优选为0.5原子％以上且4.5原子％以下。
[0116]
在本说明书中，复合材料1中的第一元素的含量通过以下的式子求出。
[0117]
[(第一元素的原子数)/(主元素的原子数+第一元素的原子数+第二元素的原子数)]
×
100
[0118]
复合材料1中的各元素的原子数按以下方式进行测定。首先，用稀硝酸使复合材料1溶解，对溶液进行过滤，分离为颗粒3和除此以外的物质。稀硝酸的浓度为约70％。接着，通过icp发光分析(inductively coupled plasma atomic emission spectrometry，电感耦合等离子体原子发射光谱法)，对包含颗粒3以外的金属相2和包覆层4的溶解液进行分析。然后，将通过分析而得到的各元素的原子数代入上述式子，求出复合材料1中的第一元素的含量(原子％)。
[0119]
(复合材料中的第二元素的含量)
[0120]
复合材料1中的第二元素的含量为1.5原子％以上且14.0原子％以下。若第二元素的含量为1.5原子％以上，则可以说作为第二元素的碳化物的包覆层4充分地存在于各个颗粒3的表面。由于包覆层4改善金属相2与颗粒3的润湿性，因此第二元素的含量为1.5原子％以上的复合材料1的导热性优异。另一方面，若第二元素的含量为14.0原子％以下，则可以说存在于各个颗粒3的表面的包覆层4不会变得过厚。因而，第二元素的含量为14.0原子％以下的复合材料1的导热性优异。更优选的第二元素的含量为2.5原子％以上且10.0原子％以下。
[0121]
在本说明书中，复合材料1中的第二元素的含量通过以下的式子求出。各元素的原子数的求出方法与求出第一元素的含量时的各元素的原子数的求出方法相同。
[0122]
[(第二元素的原子数)/(主元素的原子数+第一元素的原子数+第二元素的原子
数)]
×
100
[0123]
(其他)
[0124]
复合材料1可以在不会使复合材料1的导热性以及耐热性变差的范围内含有第三元素。第三元素是硫(s)、磷(p)、镍(ni)、钴(co)以及铁(fe)等。这些元素是在制作复合材料1时有可能混入的元素。在本说明书中，复合材料1中的第三元素的含量以原子比计通过以下的式子求出。
[0125]
[(第三元素的原子数)/(主元素的原子数+第一元素的原子数+第二元素的原子数+第三元素的原子数)]
×
100
[0126]
第三元素的含量为0原子％以上且2.0原子％以下。若为该含量的第三元素，则不会使复合材料1的导热系数以及耐热性变差。包含第三元素的本实施方式的复合材料也能够按以下方式进行规定。
[0127]“一种复合材料，其具备金属相和分散于所述金属相的多个颗粒，
[0128]
所述多个颗粒中的每个颗粒具有将所述每个颗粒的表面覆盖的包覆层，其中，
[0129]
所述多个颗粒为碳系材料，
[0130]
所述金属相包含主元素、第一元素、第二元素和第三元素，
[0131]
所述包覆层为所述第二元素的碳化物，
[0132]
所述主元素为铜，
[0133]
所述第一元素为具有比铜低的表面张力的金属元素，
[0134]
所述第二元素为选自由铍、硅、钛、铬、锆、铌、铪以及钽组成的群组中的至少一种，
[0135]
所述第三元素为选自由硫、磷、镍、钴以及铁组成的群组中的至少一种，
[0136]
所述第一元素在所述主元素、所述第一元素、所述第二元素和所述第三元素的合计中所占的含量为0.25原子％以上且10.0原子％以下，
[0137]
所述第二元素在所述主元素、所述第一元素、所述第二元素和所述第三元素的合计中所占的含量为1.5原子％以上且14.0原子％以下，
[0138]
所述第三元素在所述主元素、所述第一元素、所述第二元素和所述第三元素的合计中所占的含量为0原子％以上且2.0原子％以下。”[0139]
在此，上述引号内的复合材料包含以下的构成。
[0140]“一种复合材料，其具备金属相和分散于所述金属相的多个颗粒，
[0141]
所述多个颗粒中的每个颗粒具有将所述每个颗粒的表面覆盖的包覆层，其中，
[0142]
所述每个颗粒为碳系材料，
[0143]
在除碳以外的成分中，包含0.25原子％以上且10.0原子％以下的第一元素、1.5原子％以上且14.0原子％以下的第二元素、0原子％以上且2.0原子％以下的第三元素，余量为铜以及不可避免的杂质，
[0144]
所述第一元素为具有比铜低的表面张力的金属元素，
[0145]
所述第二元素为选自由铍、硅、钛、铬、锆、铌、铪以及钽组成的群组中的至少一种，
[0146]
所述第三元素为选自由硫、磷、镍、钴以及铁组成的群组中的至少一种。”[0147]
(复合材料的导热系数)
[0148]
本实施方式的复合材料1的导热系数例如为600w/m
·
k以上。复合材料1的导热系数越高，越优选作为半导体元件等的散热构件的材料。因而，更优选的复合材料1的导热系
数为650w/m
·
k以上、660w/m
·
k以上或者700w/m
·
k以上。
[0149]
(复合材料的线膨胀系数)
[0150]
本实施方式的复合材料1如上所述具有处于碳系物质与cu的中间的线膨胀系数。定量而言，复合材料1的线膨胀系数可列举为4
×
10-6
/k以上且15
×
10-6
/k以下。存在复合材料1中的颗粒3的含量越多则复合材料1的线膨胀系数变得越小的倾向。通过对颗粒3的含量进行调整，能够使复合材料1的线膨胀系数为4.5
×
10-6
/k以上且13
×
10-6
/k以下、或者4.5
×
10-6
/k以上且10
×
10-6
/k以下。若复合材料1的线膨胀系数与发热体的线膨胀系数之差变小，则利用钎料等接合于发热体的复合材料1不易从发热体剥离。
[0151]
(复合材料的相对密度)
[0152]
在本例的复合材料1中，金属相2与颗粒3的润湿性良好。因而，本例的复合材料1中气孔较少，复合材料1的相对密度较高。本例的复合材料1的相对密度例如可列举为90％以上。复合材料1的相对密度越高，越不易产生由气孔引起的复合材料1的导热系数的降低。因此，复合材料1的相对密度优选为95％以上，更优选为96％以上、97％以上、98％以上、99％以上。
[0153]
相对密度是将复合材料1的实际密度除以复合材料1的理论密度而得到的值。复合材料1的实际密度通过将复合材料1的质量除以体积而求出。复合材料1的体积通过阿基米德法等求出。另一方面，在本说明书中，复合材料1的理论密度按照以下的步骤1至步骤5求出。
[0154]
·
步骤1
…
通过阿基米德法求出复合材料1的体积。
[0155]
·
步骤2
…
求出复合材料1中包含的各元素的重量。首先，用稀硝酸使复合材料1溶解，对从复合材料1分离的颗粒3的重量、即碳系粉末的重量进行测定。另外，求出稀硝酸的溶液中包含的各元素的重量。溶液中包含的各元素的重量由通过对溶液进行icp发光分析而得到的各元素的原子数求出。
[0156]
·
步骤3
…
将在步骤2中求出的各元素的重量除以各元素的理论密度，求出复合材料1中的各元素的体积。进一步地，基于各元素的体积，计算出复合材料1中的各元素的体积比率。
[0157]
·
步骤4
…
计算使得以在步骤3中求出的体积比率满足在步骤1中求出的复合材料1的体积的各元素的体积。
[0158]
·
步骤5
…
将在步骤4中求出的各元素的体积乘以各元素的理论密度，计算出复合材料1中的各元素的重量。将各元素的重量的合计除以在步骤1中求出的复合材料1的体积而得到的值作为复合材料1的理论密度。
[0159]
(用途)
[0160]
导热性优异的本实施方式的复合材料1适合作为散热构件的原材料。尤其是，与半导体元件及其周边部件的线膨胀系数的匹配性优异的复合材料1适合作为半导体元件的散热构件的原材料。作为具备由本实施方式的复合材料1构成的散热构件的半导体装置，例如可列举为ldmos(laterally diffused metal oxide semiconductor：横向扩散金属氧化物半导体)等高频功率器件。作为其他半导体装置，可列举为半导体激光装置、发光二极管装置、各种计算机的中央处理装置(central processing unit)、图形处理单元(graphics processing unit)、高电子迁移率晶体管(hemt)、芯片组、存储器芯片等。
[0161]
(效果)
[0162]
本实施方式的复合材料1轻量且廉价。
[0163]
复合材料1中的金属相2以cu为主成分。cu与ag相比，轻量且廉价。因此，本实施方式的复合材料1与以ag为主成分的复合材料相比轻量且廉价。
[0164]
本实施方式的复合材料1的导热性以及耐热性优异。关于该效果，在后述的试验例1、2中详细叙述。
[0165]
《复合材料的制造方法》
[0166]
本实施方式的复合材料例如通过以下所示的熔渗法得到。
[0167]
首先，将包含碳系粉末的原料粉末填充到成形模具中。原料粉末例如可以仅是碳系粉末，也可以是碳系粉末与包含作为包覆层4的原料的第二元素的粉末的混合粉末。
[0168]
接着，在原料粉末上配置成为金属相2的铜原材料。铜原材料可以是粉末，也可以是小切片。铜原材料包含cu、第一元素和第二元素。在此，也可以将原料粉末和铜原材料混合并填充到成形模具中。
[0169]
对配置有原料粉末和铜原材料的成形模具进行加热，使铜原材料熔融。其结果是，铜原材料的熔液熔渗于原料粉末，原料粉末与铜原材料的熔液复合。
[0170]
熔渗温度、即原料粉末和铜原材料的加热温度为铜原材料能够熔融的温度即cu的熔点以上。例如熔渗温度为1100℃以上，进一步为1150℃以上。但是，若熔渗温度过高，则在升温过程中铜原材料中包含的cu等容易被氧化。因而，熔渗温度优选为1300℃以下。
[0171]
熔渗温度的保持时间根据复合材料1的大小而变化。例如，熔渗温度的保持时间例如为10分钟以上且120分钟以下左右。
[0172]
熔渗时的气氛为1pa以下的真空气氛、还原气氛、或非活性气氛。通过设为上述真空气氛、还原气氛或非活性气氛，cu等的氧化降低。真空气氛的压力为0.1pa以下，进一步为0.01pa以下。非活性气氛包括氩气或氮气等非活性气体气氛。还原性气氛包括氢气气氛、或氢气与非活性气体的混合气氛等。在任一种气氛中，均优选氧浓度较低。
[0173]
在熔渗时，熔液吸收原料粉末中包含的第二元素并与颗粒3接触，由此在颗粒3的表面形成包覆层4。包覆层4改善颗粒3与熔液的润湿性。另外，第一元素在与颗粒3接触的熔液的表面富集，该富集的第一元素改善颗粒3与熔液的润湿性。其结果是，颗粒3与熔液复合。此时，不易在颗粒3的附近形成空隙。
[0174]
在金属相2熔渗后，成形模具内的原料被冷却。通过使原料冷却，得到在以cu为主成分的金属相2中分散具有包覆层4的多个颗粒3而成的复合材料1。
[0175]
《实施方式二》
[0176]
《散热构件》
[0177]
图3所示的散热构件5是使用了本实施方式所涉及的复合材料1的散热构件的一个例子。图3的散热构件5具备基材6和铜层7。基材6由复合材料1构成。铜层7设置于基材6的至少一部分。在本例中，在基材6的第一面和第二面分别设置有铜层7。
[0178]
作为铜层7的主成分的铜原子容易与作为构成基材6的复合材料1中的金属相2的主成分的铜原子结合，因此铜层7不易从基材6剥离。另外，铜层7使散热构件5的表面平滑，因此在具备铜层7的散热构件5与半导体元件等发热体焊接时，在散热构件5与发热体之间不易产生空隙。因而，热容易从发热体传递到散热构件5，从而抑制发热体的温度上升。
[0179]
铜层7通过利用ag-cu合金等钎料将铜箔接合于基材6的表面而形成。除此以外，铜层7也可以通过蒸镀或镀cu等形成。也可以在铜层7的表面进一步设置镀层。镀层的材质例如是镍(ni)等。
[0180]
《试验例1》
[0181]
在试验例1中，对复合材料中的第一元素和第二元素的含量对复合材料的导热性以及耐热性带来的影响进行了调查。
[0182]
《试样的制作》
[0183]
在试验例1中，制作颗粒为金刚石、第一元素为ag、第二元素为ti的试样no.1至试样no.28的复合材料。具体的制作步骤如下所述。
[0184]
首先，准备包含作为第二元素的ti的金刚石粉末的原料粉末。另外，准备包含作为第一元素的ag和作为第二元素的ti的铜原材料。在碳制成的铸模中填充原料粉末，在该填充物上填充铜原材料。接着，将原料粉末和铜原材料连同成形模具一起在氩气气氛下进行热处理，使金刚石粉末和熔液复合。热处理温度为1100℃至1200℃之间的任一温度，热处理时间为10分钟至120分钟之间的任一时间。在热处理后使成形模具冷却，得到复合材料。
[0185]
《测定项目》
[0186]
对通过上述制作步骤得到的试样no.1～28的复合材料的构成以及特性进行测定。将其结果示于表1。表1的试样编号之后有“*”或“**”的试样的复合材料满足实施方式一所涉及的复合材料1的要件。试验例1中的测定项目如下所述。
[0187]
(导热系数)
[0188]
对各试样的复合材料的导热系数(w/m
·
k)进行测定。导热系数通过使用了市售的测定器(netzsch lfa467)的闪光法在室温下进行测定。测定条件是依据astm e1461-13“standard test method for thermal diffusivity by the flash method(用闪光法测定导热系数的标准试验方法)”的条件。在此，在试样no.22、23中，熔液未熔渗于金刚石颗粒中，因此没有对试样no.22、23的导热系数进行测定。
[0189]
(耐热性)
[0190]
对各试样的复合材料的耐热性进行了调查。具体而言，将各试样的复合材料在800℃下热处理30分钟，以目视确认复合材料的表面是否产生熔解痕。具有熔解痕的复合材料是耐热性不充分的复合材料。不具有熔解痕的复合材料是耐热性优异的复合材料。在表1中，用“不好”表示耐热性不充分，用“好”表示耐热性优异。没有对熔液未熔渗于金刚石颗粒中的试样no.22、23的耐热性进行调查。
[0191]
(颗粒的平均粒径)
[0192]
对各试样的复合材料的截面进行观察，并对复合材料中包含的金刚石颗粒的平均粒径进行调查。具体而言，取得复合材料的截面的sem照片，通过图像分析来确定各金刚石颗粒，并且求出各金刚石颗粒的当量圆直径。当量圆直径小于30μm的金刚石颗粒为微粒，当量圆直径为30μm以上的金刚石颗粒为粗粒。微粒的平均粒径是被判断为微粒的金刚石颗粒的当量圆直径的平均值。另外，粗粒的平均粒径是被判断为粗粒的金刚石颗粒的当量圆直径的平均值。在此，sem照片中的截面积为3μm2以下的金刚石颗粒不包含在微粒的平均值的计算中。
[0193]
(微粒与粗粒的体积率)
[0194]
微粒与粗粒的体积率(体积％)由sem照片求出。具体而言，求出sem照片中的微粒的合计面积和粗粒的合计面积，将微粒与粗粒的面积比例视为微粒与粗粒的体积比例。例如，若由sem照片得到的微粒的合计面积为3000μm2、粗粒的合计面积为7000μm2，则微粒在全部颗粒中所占的体积率为30体积％，粗粒的体积率为70体积％。
[0195]
(复合材料中的颗粒的含量)
[0196]
复合材料中的颗粒的含量(％)按以下方式求出。首先，通过阿基米德法求出各试样的复合材料的体积。接着，用70％的稀硝酸使复合材料溶解，对其溶解液进行过滤，将金刚石粉末分离。对分离出的金刚石粉末的质量进行测定，基于金刚石的理论密度，通过计算求出金刚石粉末的体积。然后，将金刚石粉末的体积除以复合材料的体积，由此得到复合材料中的颗粒的含量。
[0197]
(复合材料中的ag的含量)
[0198]
对金属相以及包覆层中的ag的含量(原子％)进行测定。作为第一元素的ag的含量通过对用稀硝酸溶解的复合材料的溶解液进行icp发光分析而求出。ag的含量是ag的原子数在溶解液中的cu、ag和ti的总原子数中所占的比例。
[0199]
(复合材料中的ti的含量)
[0200]
对金属相以及包覆层中的ti的含量(原子％)进行测定。作为第二元素的ti的含量通过对用稀硝酸溶解的复合材料的溶解液进行icp发光分析而求出。ti的含量是ti的原子数在溶解液中的cu、ag和ti的总原子数中所占的比例。
[0201]
(复合材料的相对密度)
[0202]
复合材料的相对密度(％)通过上述的“复合材料的相对密度”的项目中所述的方法求出。首先，对各试样的复合材料的质量进行测定，并且通过阿基米德法求出各试样的复合材料的体积。将所测定的质量除以体积，由此求出各试样的复合材料的实际密度。接着，求出各试样的复合材料的理论密度，将复合材料1的实际密度除以复合材料1的理论密度，由此得到复合材料的相对密度。复合材料的理论密度按照“复合材料的相对密度”的项目所示的步骤1至步骤5求出。
[0203][0204]
如表1所示，复合材料中包含的ag的含量为0.25原子％以上且10.0原子％以下、且ti的含量为1.5原子％以上且14.0原子％以下的试样no.1～试样no.19的复合材料具有600w/m
·
k以上的导热系数，具备良好的耐热性。尤其是ag含量为0.5原子％以上且4.5原子％以下、且ti的含量为2.5原子％以上且10.0原子％以下的试样no.1、2、4、10、11、15～19的复合材料具有660w/m
·
k以上的导热系数，具备良好的耐热性。
[0205]
复合材料中的ag的含量超过10.0原子％的试样no.20、21、28的复合材料的耐热性较低。据推测这是由于金属相中包含的ag的含量过多，因此金属相的一部分因800℃的热处理而熔解。
[0206]
在复合材料中的ti的含量小于1.5原子％的试样no.22、23中，熔液未充分地熔渗于金刚石颗粒中，未成为复合材料。另一方面，在试样no.21中，虽然ti的含量较少，但ag的含量较多，因此熔液熔渗于金刚石颗粒中。这表示熔液中的ag的存在对金刚石颗粒与熔液的润湿性的改善起到很大的作用。
[0207]
在试样no.24中，虽然ag的含量小于0.25原子％，但熔液充分地熔渗于金刚石颗粒中。据推测这是因为试样no.24中的ti的含量比较多，在金刚石颗粒的表面形成了较厚的包覆层。较厚的包覆层虽然改善金刚石颗粒与熔液的润湿性，但使复合材料的导热系数降低。实际上，试样no.24的导热系数为400w/m
·
k左右。
[0208]
复合材料中的ti的含量超过14.0原子％的试样no.25～27的复合材料的导热系数为400w/m
·
k左右。ti的含量较多表明包覆层的厚度较厚。因而，据推测试样no.25～27的复合材料的导热系数由于较厚的包覆层的存在而降低。
[0209]
除此以外，由表1中的试样no.5～7、17与试样no.1～4、8～16、18、19的比较结果可知，通过使金刚石粉末为微粒与粗粒的混合粉末，复合材料中的颗粒的含量提高。
[0210]
《试验例2》
[0211]
在试验例2中，制作改变了第一元素和第二元素的试样no.30～39的复合材料，并对各试样的导热系数以及耐热性进行了调查。试验例2的测定项目以及测定方法与试验例1相同。将试样no.30～39的测定结果示于表2。
[0212]
试验例2中的第一元素为ag、mg、al、sn、zn以及mn中的任一种。另外，第二元素为ti、zr、cr、si、ta以及nb中的任一种。在表2中，将第一元素表示为“α”，将第二元素表示为“β”。
[0213][0214]
如表2所示，试样no.30～39的复合材料具备优异的导热性和耐热性。由该结果可明确的是，mg、al、sn、zn以及mn代替ag而作为第一元素有效地发挥功能。另外，明确了zr、
cr、si、ta以及nb代替ti而作为第二元素有效地发挥功能。
[0215]
附图标记说明
[0216]
1：复合材料；2：金属相；3：颗粒；31：微粒；32：粗粒；4：包覆层；5：散热构件；6：基材；7：铜层。
技术特征：1.一种复合材料，其具备金属相和分散于所述金属相的多个颗粒，所述多个颗粒中的每个颗粒具有将所述每个颗粒的表面覆盖的包覆层，其中，所述多个颗粒为碳系材料，所述金属相包含主元素、第一元素和第二元素，所述包覆层为所述第二元素的碳化物，所述主元素为铜，所述第一元素为具有比铜低的表面张力的金属元素，所述第二元素为选自由铍、硅、钛、铬、锆、铌、铪以及钽组成的群组中的至少一种，所述第一元素在所述主元素、所述第一元素和所述第二元素的合计中所占的含量为0.25原子％以上且10.0原子％以下，所述第二元素在所述主元素、所述第一元素和所述第二元素的合计中所占的含量为1.5原子％以上且14.0原子％以下。2.根据权利要求1所述的复合材料，其中，所述碳系材料为金刚石。3.根据权利要求1或2所述的复合材料，其中，所述第一元素为选自由银、镁、铝、锡、锌以及锰组成的群组中的至少一种。4.根据权利要求3所述的复合材料，其中，所述第一元素为银。5.根据权利要求1至4中任一项所述的复合材料，其中，所述第二元素为钛。6.根据权利要求1至5中任一项所述的复合材料，其中，所述多个颗粒的含量为40体积％以上且85体积％以下。7.根据权利要求1至6中任一项所述的复合材料，其中，所述多个颗粒具备多个微粒和多个粗粒，所述多个微粒各自的粒径小于30μm，所述多个粗粒各自的粒径为30μm以上，所述多个微粒在所述多个颗粒的全部颗粒中所占的体积比例为20体积％以上且50体积％以下。8.一种散热构件，其中，所述散热构件具备：基材，其由权利要求1至7中任一项所述的复合材料构成；以及铜层，其将所述基材的表面的至少一部分覆盖。
技术总结一种复合材料，其具备金属相和分散于所述金属相的多个颗粒。所述多个颗粒为碳系材料，所述金属相包含主元素、第一元素和第二元素，所述多个颗粒的每个颗粒的包覆层为所述第二元素的碳化物。所述主元素为铜，所述第一元素为具有比铜低的表面张力的金属元素，所述第二元素为选自由铍、硅、钛、铬、锆、铌、铪以及钽组成的群组中的至少一种。所述第一元素在所述主元素、所述第一元素和所述第二元素的合计中所占的含量为0.25原子％以上且10.0原子％以下，所述第二元素在所述主元素、所述第一元素和所述第二元素的合计中所占的含量为1.5原子％以上且14.0原子％以下。上且14.0原子％以下。上且14.0原子％以下。
技术研发人员：松仪亮太 岩山功 西水贵洋 曾田智惠子
受保护的技术使用者：联合材料公司
技术研发日：2021.03.05
技术公布日：2022/12/2
