本発明は、マトリックス中に分散材粉末を分散させた状態で複合した複合材料、この複合材料を備える半導体装置、及び複合材料の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a composite material that is composited in a state where a dispersion powder is dispersed in a matrix, a semiconductor device including the composite material, and a method for manufacturing the composite material.
半導体素子の放熱部材の構成材料として、金属で構成されるマトリックス中に、非金属の分散剤粉末を分散させて複合させた基材を備える複合材料が利用されている。半導体素子の放熱部材（複合材料）には、熱伝導性に優れると共に、半導体素子やその周辺の部材の線熱膨張率との整合性に優れることが求められている。 As a constituent material of a heat dissipation member of a semiconductor element, a composite material including a base material in which a nonmetallic dispersant powder is dispersed and combined in a matrix made of metal is used. A heat radiating member (composite material) of a semiconductor element is required to have excellent thermal conductivity and excellent consistency with the linear thermal expansion coefficient of the semiconductor element and its peripheral members.
複合材料の熱伝導率を向上させる手段として、極めて優れた熱伝導性を有するダイヤモンドの分散剤粒子を用いることが挙げられる。しかし、ダイヤモンドの分散剤粒子を用いる場合、ダイヤモンドに対する金属の濡れ性が芳しくないため、ダイヤモンドの分散剤粒子の表面に被覆を形成する必要がある。例えば、特許文献１には、ＳｉＣの被覆を備えるダイヤモンドの分散剤粒子を、Ｍｇ（マグネシウム）またはＭｇ合金のマトリックス中に分散させた複合材料が開示されている。また、特許文献２にはＳｉＣ（炭化ケイ素）の被覆を備えるダイヤモンドの分散剤粒子を、Ａｌ（アルミニウム）合金のマトリックス中に分散させた複合材料が開示されている。 As a means for improving the thermal conductivity of the composite material, it is possible to use diamond dispersant particles having extremely excellent thermal conductivity. However, when diamond dispersant particles are used, the metal wettability to diamond is not good, and therefore it is necessary to form a coating on the surface of the diamond dispersant particles. For example, Patent Document 1 discloses a composite material in which diamond dispersant particles having a SiC coating are dispersed in a matrix of Mg (magnesium) or Mg alloy. Patent Document 2 discloses a composite material in which diamond dispersant particles having a SiC (silicon carbide) coating are dispersed in an Al (aluminum) alloy matrix.
近年、半導体素子の性能の向上が著しく、半導体素子の使用時の発熱量も高まってきている。そのため、半導体素子の放熱部材として利用される複合材料に対して、従来よりも高い放熱性が求められている。ここで、特許文献１，２では、極めて熱伝導性に優れるダイヤモンドの分散剤粒子を用いているが、そのダイヤモンドの熱伝導性を十分に活かしているとは言い難かった。ダイヤモンドの分散剤粒子の表面に、ダイヤモンドよりも熱伝導性に劣るＳｉＣの被覆が形成されているからである。 In recent years, the performance of semiconductor elements has been remarkably improved, and the amount of heat generated during use of the semiconductor elements has also increased. Therefore, higher heat dissipation than before is required for composite materials used as heat dissipation members for semiconductor elements. Here, in Patent Documents 1 and 2, although diamond dispersant particles having extremely excellent thermal conductivity are used, it is difficult to say that the thermal conductivity of the diamond is sufficiently utilized. This is because an SiC coating having a thermal conductivity lower than that of diamond is formed on the surface of the diamond dispersant particles.
また、ダイヤモンドの分散剤粒子を用いた従来の複合材料では、温度変化の繰り返しに伴って熱伝導性が低下する恐れがある。その理由は、温度変化に伴って複合材料が膨張と収縮を繰り返すことで、マトリックスと分散剤粒子との間に隙間が形成されるからではないかと推察される。 In addition, in a conventional composite material using diamond dispersant particles, there is a risk that the thermal conductivity decreases with repeated temperature changes. The reason is presumed that a gap is formed between the matrix and the dispersant particles as the composite material repeatedly expands and contracts as the temperature changes.
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的の一つは、放熱性に優れる複合材料とその製造方法、ならびに複合材料を用いた半導体装置を提供することにある。また、本発明の別の目的は、温度変化によって熱伝導率が低下し難い複合材料とその製造方法、ならびに複合材料を用いた半導体装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and one of the objects of the present invention is to provide a composite material excellent in heat dissipation, a manufacturing method thereof, and a semiconductor device using the composite material. Another object of the present invention is to provide a composite material in which the thermal conductivity is hardly lowered by a temperature change, a manufacturing method thereof, and a semiconductor device using the composite material.
本発明の複合材料は、マトリックス中に分散剤粉末を分散させた状態で両者を複合した基材を備える複合材料であって、前記分散剤粉末を構成する分散剤粒子がダイヤモンドで、前記マトリックスがＭｇ、Ｍｇ合金、またはＭｇを０．５質量％以上含有するＡｌ合金である。この本発明の複合材料では、前記マトリックス中に、Ｍｇ酸化物が含まれ、かつ前記マトリックスと前記分散剤粒子との界面の５０％以上の部分で、前記マトリックスと前記分散剤粒子とが直接結合している。 The composite material of the present invention is a composite material comprising a base material in which a dispersion powder is dispersed in a matrix, and the dispersion particles constituting the dispersion powder are diamond, and the matrix is Mg, Mg alloy, or Al alloy containing 0.5% by mass or more of Mg. In this composite material of the present invention, the matrix contains Mg oxide, and the matrix and the dispersant particles are directly bonded to each other at 50% or more of the interface between the matrix and the dispersant particles. doing.
本発明の複合材料の製造方法は、マトリックス中に分散剤粉末を分散させた状態で両者を複合した基材を備える複合材料を製造する複合材料の製造方法であって、以下に示す配置工程と複合工程と冷却工程とを備える。
［配置工程］…ダイヤモンドの分散剤粒子で構成される分散剤粉末と、酸化物の溶浸剤と、を含む集合体を鋳型内に配置する。
［複合工程］…前記鋳型内に収納された前記集合体に、Ｍｇ、Ｍｇ合金、またはＭｇを０．５質量％以上含有するＡｌ合金の溶湯を溶浸させ、溶浸部材を得る。但し、溶浸温度は、７００℃以上１０００℃以下である。
［冷却工程］…前記溶浸部材を冷却して、前記基材を得る。The method for producing a composite material according to the present invention is a method for producing a composite material comprising a base material in which both are dispersed in a matrix and the composite material is dispersed in a matrix. A composite process and a cooling process are provided.
[Arrangement step] An assembly containing a dispersant powder composed of diamond dispersant particles and an oxide infiltrant is placed in a mold.
[Composite Step] ... Infiltrate the aggregate housed in the mold with Mg, Mg alloy, or Al alloy containing 0.5% by mass or more of Mg to obtain an infiltrated member. However, the infiltration temperature is 700 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower.
[Cooling step]: The infiltrating member is cooled to obtain the substrate.
本発明の複合材料は、熱伝導性に優れる。また、本発明の複合材料は、冷熱サイクル耐性に優れる。 The composite material of the present invention is excellent in thermal conductivity. Moreover, the composite material of the present invention is excellent in resistance to cooling and cycling.
本発明の複合材料の製造方法によれば、本発明の複合材料を作製することができる。 According to the method for producing a composite material of the present invention, the composite material of the present invention can be produced.
・本発明の実施形態の説明
最初に本発明の実施形態の内容を列記して説明する。-Description of embodiment of this invention First, the content of embodiment of this invention is listed and demonstrated.
＜１＞実施形態に係る複合材料は、マトリックス中に分散剤粉末を分散させた状態で両者を複合した基材を備える複合材料である。この実施形態の複合材料の前記分散剤粉末を構成する分散剤粒子がダイヤモンドで、前記マトリックスがＭｇ、Ｍｇ合金、またはＭｇを０．５質量％以上含有するＡｌ合金である。そして、この実施形態の複合材料では、前記マトリックス中に、Ｍｇ酸化物が含まれ、かつ前記マトリックスと前記分散剤粒子との界面の５０％以上の部分で、前記マトリックスと前記分散剤粒子とが直接結合している。The composite material which concerns on <1> embodiment is a composite material provided with the base material which compounded both in the state which disperse | distributed the dispersing agent powder in the matrix. The dispersant particles constituting the dispersant powder of the composite material of this embodiment are diamond, and the matrix is Mg, a Mg alloy, or an Al alloy containing 0.5% by mass or more of Mg. In the composite material according to this embodiment, Mg oxide is contained in the matrix, and the matrix and the dispersant particles are included in 50% or more of the interface between the matrix and the dispersant particles. Directly coupled.
ここで、直接結合の割合は、基材の断面を画像解析し、分散剤粒子の周長におけるマトリックスと分散剤粒子とが直接結合している割合を測定することで求めることができる。 Here, the ratio of the direct bond can be obtained by image analysis of the cross section of the substrate and measuring the ratio of the matrix and the dispersant particle directly bonded in the circumference of the dispersant particle.
実施形態の複合材料は、従来の複合材料に比べて熱伝導率に優れる。それは、複合材料を構成する基材に極めて熱伝導率が高いダイヤモンドからなる複数の分散剤粒子が含有されており、しかもそのダイヤモンドの分散剤粒子の表面の５０％以上の部分が中間層などに覆われることなくマトリックスに直接結合されているからである。 The composite material of the embodiment is excellent in thermal conductivity as compared with the conventional composite material. That is, the base material constituting the composite material contains a plurality of dispersant particles made of diamond having extremely high thermal conductivity, and more than 50% of the surface of the diamond dispersant particles is used as an intermediate layer or the like. This is because it is directly bonded to the matrix without being covered.
＜２＞実施形態の複合材料として、前記マトリックスがＭｇまたはＭｇ合金であり、前記マトリックスと前記分散剤粒子とが直接結合している部分以外の部分には、Ｍｇ化合物の中間層が形成されている形態を挙げることができる。<2> As the composite material of the embodiment, the matrix is Mg or an Mg alloy, and an intermediate layer of an Mg compound is formed in a portion other than the portion where the matrix and the dispersant particles are directly bonded. Can be mentioned.
後述するように、実施形態の複合材料は、溶浸剤粉末にマトリックスとなる溶湯を溶浸させることで作製される。マトリックスがＭｇまたはＭｇ合金である場合、溶浸の際、溶浸剤に由来するＭｇ化合物の中間層がマトリックスとダイヤモンドの分散剤粒子との界面に形成される。このＭｇ化合物の中間層が、ダイヤモンドに対するＭｇの濡れ性を改善していると考えられる。しかし、界面における中間層の形成は限定的で、界面の５０％以上の部分ではマトリックスとダイヤモンドの分散剤粒子とが直接複合されているため、中間層の存在によって複合材料の熱伝導率が大幅に低下することはない。 As will be described later, the composite material of the embodiment is manufactured by infiltrating a molten metal serving as a matrix into an infiltrant powder. When the matrix is Mg or an Mg alloy, an intermediate layer of Mg compound derived from the infiltrant is formed at the interface between the matrix and the diamond dispersant particles during infiltration. This Mg compound intermediate layer is considered to improve the wettability of Mg to diamond. However, the formation of the intermediate layer at the interface is limited, and since the matrix and the diamond dispersant particles are directly combined in the area of 50% or more of the interface, the thermal conductivity of the composite material is greatly increased by the presence of the intermediate layer. It will never drop.
＜３＞実施形態の複合材料として、前記分散剤粒子は、その表面に針状の炭化物を備える形態を挙げることができる。<3> As the composite material of the embodiment, the dispersant particles may include a form having needle-like carbides on the surface thereof.
分散剤粒子の表面に針状の炭化物が形成されていることで、冷熱サイクル耐性（ｃｏｏｌｉｎｇ／ｈｅａｔｉｎｇ ｃｙｃｌｅ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）に優れる複合材料（基材）となる。冷熱サイクル耐性は、複合材料が低温環境と高温環境に交互に曝されたときに、複合材料（基材）の熱伝導率が低下し難いことを示す指標である（後述する＜１１＞を参照）。針状の炭化物の存在によって複合材料（基材）の冷熱サイクル耐性が高くなるのは、針状の炭化物が分散剤粒子とマトリックスとの結合を強固にするため、温度変化に伴って複合材料（基材）の膨張と収縮とが繰り返されても、分散剤粒子とマトリックスとの結合が良好に維持されるからであると推察される。 By forming the acicular carbide on the surface of the dispersant particles, a composite material (base material) having excellent cooling / heating cycle resistance is obtained. The thermal cycle resistance is an index indicating that the thermal conductivity of the composite material (base material) is not easily lowered when the composite material is alternately exposed to a low temperature environment and a high temperature environment (see <11> described later). ). The presence of acicular carbide increases the thermal cycle resistance of the composite material (base material) because the acicular carbide strengthens the bond between the dispersant particles and the matrix, so that the composite material ( Even if the expansion and contraction of the base material are repeated, it is presumed that the bond between the dispersant particles and the matrix is maintained well.
＜４＞実施形態の複合材料として、前記マトリックスと前記分散剤粒子との界面から１μｍまでの領域に酸素濃度のピークが存在する形態を挙げることができる。<4> The composite material according to the embodiment includes a form in which a peak of oxygen concentration exists in a region from the interface between the matrix and the dispersant particles to 1 μm.
既に述べたように、実施形態の複合材料は、酸化物の溶浸剤を用いて製造される。従って、マトリックスと分散剤粒子との界面近傍における酸素濃度が高いということは、溶浸の際に溶浸剤が分散剤粒子の近傍に存在しており、マトリックスと分散剤粒子とが良好に結合していることを示している。 As already mentioned, the composite material of the embodiment is manufactured using an oxide infiltrant. Therefore, the high oxygen concentration in the vicinity of the interface between the matrix and the dispersant particles means that the infiltrant is present in the vicinity of the dispersant particles during the infiltration, and the matrix and the dispersant particles are well bonded. It shows that.
＜５＞実施形態の複合材料として、前記基材に占める前記分散剤粉末の含有量は４０体積％以上９０体積％以下である形態を挙げることができる。As a composite material of <5> embodiment, the content of the dispersant powder in the base material may be 40% by volume or more and 90% by volume or less.
複合材料に占める分散剤粉末の含有量が上記範囲にあれば、複合材料の特性のバランスが良い。特性としては、例えば、熱伝導率、線熱膨張率などを挙げることができる。 If the content of the dispersant powder in the composite material is within the above range, the balance of the characteristics of the composite material is good. Examples of characteristics include thermal conductivity and linear thermal expansion coefficient.
＜６＞実施形態の複合材料として、前記分散剤粉末の平均粒径は５μｍ以上３００μｍ以下である形態を挙げることができる。<6> Examples of the composite material of the embodiment include an embodiment in which the dispersant powder has an average particle size of 5 μm or more and 300 μm or less.
ここで、分散剤粉末の平均粒径は、以下のようにして求めたものである。まず、複合材料の基材を溶解して分散剤粉末を取り出す。その分散剤粉末をレーザー回折式の粒度分布径で測定し、そのメジアン径を分散剤粉末の平均粒径と見做す。 Here, the average particle diameter of the dispersant powder is determined as follows. First, the base material of the composite material is dissolved and the dispersant powder is taken out. The dispersant powder is measured by a laser diffraction particle size distribution diameter, and the median diameter is regarded as the average particle diameter of the dispersant powder.
分散剤粒子の平均粒径が上記範囲にある複合材料は、優れた熱特性を発揮する。分散剤粒子の平均粒径が上記範囲にあれば、複合材料の基材を作製する際、分散剤粒子を鋳型内に充填し易く、また鋳型内における分散剤粒子同士の隙間の大きさにバラツキが生じ難いからである。 A composite material having an average particle diameter of the dispersant particles in the above range exhibits excellent thermal characteristics. If the average particle diameter of the dispersant particles is within the above range, it is easy to fill the mold with the dispersant particles when preparing the composite material base material, and the size of the gap between the dispersant particles in the mold varies. It is because it is hard to occur.
＜７＞実施形態の複合材料として、前記分散剤粉末は、平均粒径が５μｍ以上３０μｍ以下の微粉末と、平均粒径が４０μｍ以上３００μｍ以下の粗粉末と、で構成される形態を挙げることができる。<7> As the composite material of the embodiment, the dispersant powder may include a fine powder having an average particle size of 5 μm to 30 μm and a coarse powder having an average particle size of 40 μm to 300 μm. Can do.
ここで、複合材料の分散剤粉末が微粉末と粗粉末とで構成されていること、および微粉末と粗粉末の平均粒径は、次のようにして求める。まず、複合材料の基材を溶解して分散剤粉末を取り出す。その分散剤粉末をレーザー回折式の粒度分布径で測定する。そして、例えば、５μｍ未満の粒子数、５μｍ以上１０μｍ未満の粒子数…といったように、所定範囲の粒径の粒子数をカウントしたヒストグラムを作成し、ヒストグラムのピークを特定する。その際、作成したヒストグラムにピークが二つ以上存在する場合、最も粒径の小さなピークを微粉末のピーク、最も粒径の大きなピークを粗粉末のピークと見做す。そして、ピークを示したヒストグラムに含まれる粒子のメジアン径（５０％粒径）を、微粉末と粗粉末の各平均粒径と見做す。例えば、５μｍ刻みのヒストグラムを作成したとき、５μｍ以上１５μｍ未満のヒストグラムと、１００μｍ以上１０５μｍ未満のヒストグラムがピークであった場合、前者のヒストグラムに含まれる複数の粒子のメジアン径が微粉末の平均粒径、後者のヒストグラムに含まれる複数の粒子のメジアン径が粗粉末の平均粒径である。 Here, the dispersant powder of the composite material is composed of fine powder and coarse powder, and the average particle size of the fine powder and coarse powder is determined as follows. First, the base material of the composite material is dissolved and the dispersant powder is taken out. The dispersant powder is measured with a laser diffraction particle size distribution diameter. Then, for example, a histogram in which the number of particles having a particle diameter in a predetermined range is counted, such as the number of particles less than 5 μm, the number of particles less than 5 μm and less than 10 μm, and the peak of the histogram is specified. At this time, if there are two or more peaks in the created histogram, the peak with the smallest particle size is regarded as the peak for the fine powder, and the peak with the largest particle size is regarded as the peak for the coarse powder. Then, the median diameter (50% particle diameter) of the particles included in the histogram showing the peak is regarded as the average particle diameter of the fine powder and the coarse powder. For example, when creating a histogram in increments of 5 μm, if the histogram of 5 μm or more and less than 15 μm and the histogram of 100 μm or more and less than 105 μm are peaks, the median diameter of a plurality of particles contained in the former histogram is the average particle size of the fine powder The median diameter of the plurality of particles included in the diameter and the latter histogram is the average particle diameter of the coarse powder.
上記平均粒径を有する微粉末と粗粉末とで分散剤粉末を構成することで、マトリックス中における分散剤粒子同士の隙間を均一的にすることができる。また、マトリックス中における分散剤粒子の充填率を高めることができる。複合材料の基材を作製する際、粗粉末を構成する粗粒子の隙間に、微粉末を構成する微粒子が入り込んで、各粒子同士の隙間が均一的になるからである。 By forming the dispersant powder with the fine powder having the average particle size and the coarse powder, the gaps between the dispersant particles in the matrix can be made uniform. Moreover, the filling rate of the dispersing agent particles in the matrix can be increased. This is because, when a composite material base material is produced, the fine particles constituting the fine powder enter the gaps between the coarse particles constituting the coarse powder, and the gaps between the particles become uniform.
＜８＞実施形態の複合材料として、前記基材の表面の少なくとも一部に、Ｍｇ、Ａｌ、Ｃｕ（銅）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔａ（タンタル）、Ｔｉ（チタン）、Ｗ（タングステン）、およびＭｏ（モリブデン）のいずれかを主成分とする平滑層を備える形態を挙げることができる。
ここで、Ｍｇを主成分とする平滑層とは、平滑層に最も多く含まれる元素がＭｇである平滑層のことである（Ａｌ、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗ、およびＭｏについても同様）。<8> As a composite material of an embodiment, Mg, Al, Cu (copper), Nb (niobium), Ta (tantalum), Ti (titanium), W (tungsten), at least part of the surface of the base material, And a mode provided with a smooth layer mainly composed of either Mo (molybdenum).
Here, the smooth layer mainly composed of Mg is a smooth layer in which the element contained most in the smooth layer is Mg (the same applies to Al, Cu, Nb, Ta, Ti, W, and Mo). ).
例えば、複合材料を放熱部材として利用する場合、複合材料を取付対象に隙間なく密着させて、取付対象の温度上昇を効果的に抑制したい。しかし、マトリックス中に分散剤粒子を分散させた基材の表面には分散剤粒子が部分的に露出するなどしており、基材の表面性状は粗い。これに対して、基材の表面に平滑層を形成すれば、表面の滑らかな複合材料とすることができる。その結果、複合材料を取付対象に取り付けるときの複合材料と取付対象との密着性を向上させることができる。 For example, when a composite material is used as a heat radiating member, it is desired that the composite material is brought into close contact with the object to be attached without any gap to effectively suppress the temperature rise of the object to be attached. However, the dispersant particles are partially exposed on the surface of the base material in which the dispersant particles are dispersed in the matrix, and the surface properties of the base material are rough. On the other hand, if a smooth layer is formed on the surface of the substrate, a composite material having a smooth surface can be obtained. As a result, the adhesion between the composite material and the attachment target when the composite material is attached to the attachment target can be improved.
＜９＞実施形態の複合材料として、複合材料の最表面に、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｕ、Ａｕ（金）、Ｓｎ（スズ）のいずれかを主成分とするメッキ層を備える形態を挙げることができる。
ここで、Ｎｉを主成分とするメッキ層とは、メッキ層に最も多く含まれる元素がＮｉであるメッキ層のことである（Ｃｕ、Ａｕ、Ｓｎについても同様）。<9> The composite material according to the embodiment may include a mode in which a plating layer mainly composed of Ni (nickel), Cu, Au (gold), or Sn (tin) is provided on the outermost surface of the composite material. it can.
Here, the plating layer containing Ni as a main component is a plating layer in which the element most contained in the plating layer is Ni (the same applies to Cu, Au, and Sn).
複合材料の最表面にメッキ層を形成することで、複合材料を取付対象に半田で取り付ける際の複合材料と取付対象との接合性を向上させることができる。 By forming the plating layer on the outermost surface of the composite material, it is possible to improve the bondability between the composite material and the attachment target when the composite material is attached to the attachment target with solder.
＜１０＞実施形態の複合材料として、前記基材の熱伝導率が５００Ｗ／ｍＫ以上である形態を挙げることができる。<10> Examples of the composite material of the embodiment include a form in which the base material has a thermal conductivity of 500 W / mK or more.
基材の熱伝導率が５００Ｗ／ｍＫ以上であれば、複合材料を優れた放熱性を備える放熱部材として利用することができる。 When the thermal conductivity of the substrate is 500 W / mK or more, the composite material can be used as a heat dissipation member having excellent heat dissipation.
＜１１＞実施形態の複合材料として、複合材料を、−６０℃に保持した液体に１０分間浸した後、２５０℃に保持した液体に１０分間浸すことを１サイクルとする冷熱サイクルを１０００サイクル行った後の前記基材の熱伝導率の維持率が９５％以上である形態を挙げることができる。
ここで、熱伝導率の維持率は、（１０００サイクル目の熱伝導率／０サイクル目の熱伝導率）×１００であり、冷熱サイクル耐性の指標である。<11> As the composite material according to the embodiment, the composite material is immersed in a liquid kept at −60 ° C. for 10 minutes, and then immersed in a liquid kept at 250 ° C. for 10 minutes for 1 cycle. A form in which the maintenance factor of the thermal conductivity of the base material after heating is 95% or more can be mentioned.
Here, the maintenance factor of the thermal conductivity is (the thermal conductivity at the 1000th cycle / the thermal conductivity at the 0th cycle) × 100, and is an index of the cold cycle resistance.
上記冷熱サイクル耐性を備える複合材料は、温度変化の激しい環境下で使用することができる。また、この複合材料は、温度変化の激しい取付対象の放熱部材として好適に利用することができる。 The composite material provided with the above-described heat cycle resistance can be used in an environment where the temperature changes drastically. In addition, this composite material can be suitably used as a heat radiating member to be attached whose temperature change is severe.
＜１２＞実施形態の複合材料として、前記基材の線熱膨張率が３．０ｐｐｍ／Ｋ以上１０ｐｐｍ／Ｋ以下である形態を挙げることができる。<12> Examples of the composite material of the embodiment include a form in which the linear thermal expansion coefficient of the substrate is 3.0 ppm / K or more and 10 ppm / K or less.
上記範囲の線熱膨張率を備える複合材料は、半導体素子の放熱部材として好適に利用することができる。上記範囲の線熱膨張率は、一般的な半導体素子の線熱膨張率に近いため、温度変化に伴う半導体素子と複合材料との膨張・収縮差が小さいからである。 A composite material having a linear thermal expansion coefficient in the above range can be suitably used as a heat dissipation member for a semiconductor element. This is because the linear thermal expansion coefficient in the above range is close to the linear thermal expansion coefficient of a general semiconductor element, so that the difference between expansion and contraction between the semiconductor element and the composite material accompanying a change in temperature is small.
＜１３＞実施形態の半導体装置は、実施形態の複合材料を放熱部材として用いた半導体装置である。The semiconductor device of <13> embodiment is a semiconductor device using the composite material of embodiment as a heat radiating member.
実施形態の半導体装置は、安定して動作する半導体装置となる。それは、熱伝導率に優れる実施形態の複合材料を放熱部材として利用しているため、半導体装置に備わる半導体素子が高温になり過ぎることを回避できるからである。 The semiconductor device of the embodiment is a semiconductor device that operates stably. This is because the composite material of the embodiment having excellent thermal conductivity is used as a heat radiating member, so that it is possible to avoid that the semiconductor element provided in the semiconductor device becomes too high.
＜１４＞実施形態の複合材料の製造方法は、マトリックス中に分散剤粉末を分散させた状態で両者を複合した基材を備える複合材料を製造する複合材料の製造方法であって、下記配置工程と、複合工程と、冷却工程と、を備える
［配置工程］…ダイヤモンドの分散剤粒子で構成される分散剤粉末と、酸化物の溶浸剤と、を含む集合体を鋳型内に配置する。
［複合工程］…前記鋳型内に収納された前記集合体に、Ｍｇ、Ｍｇ合金、またはＭｇを０．５質量％以上含有するＡｌ合金の溶湯を溶浸させ、溶浸部材を得る。但し、溶浸温度は、７００℃以上１０００℃以下である。
［冷却工程］…前記溶浸部材を冷却して、前記基材を得る。<14> The method for producing a composite material according to an embodiment is a method for producing a composite material comprising a base material that is a composite of both in a state in which a dispersant powder is dispersed in a matrix, and the following arrangement step And a composite step and a cooling step. [Disposition step] An assembly including a dispersant powder composed of diamond dispersant particles and an oxide infiltrant is disposed in a mold.
[Composite Step] ... Infiltrate the aggregate housed in the mold with Mg, Mg alloy, or Al alloy containing 0.5% by mass or more of Mg to obtain an infiltrated member. However, the infiltration temperature is 700 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower.
[Cooling step]: The infiltrating member is cooled to obtain the substrate.
上記工程を備える複合材料の製造方法によれば、熱伝導性に優れる実施形態の複合材料を作製することができる。鋳型内の集合体に酸化物の溶浸剤を添加し、かつ溶浸温度を所定範囲に制御しておくことで、ダイヤモンドの分散剤粒子の表面にマトリックスと分散剤粒子との濡れ性を改善させる例えばＳｉＣなどの被覆層が形成されていなくても、ダイヤモンドの分散剤粉末とマトリックスとを複合させることができる。 According to the manufacturing method of the composite material provided with the said process, the composite material of embodiment which is excellent in heat conductivity can be produced. By adding an oxide infiltrant to the aggregate in the mold and controlling the infiltration temperature within a predetermined range, the wettability of the matrix and the dispersant particles on the surface of the diamond dispersant particles is improved. For example, even if a coating layer such as SiC is not formed, a diamond dispersant powder and a matrix can be combined.
＜１５＞実施形態の複合材料の製造方法として、前記複合工程は、０．０１ＭＰａ以上５０ＭＰａ以下の加圧状態で行う形態を挙げることができる。<15> As a method for producing a composite material according to an embodiment, the composite process may be performed in a pressurized state of 0.01 MPa to 50 MPa.
複合工程は無加圧状態で行うことができる。この場合、簡単な構造の生産設備を用いて複合材料を量産することができ、生産性に優れる。また複合工程は若干の加圧状態で行うこともできる。加圧状態で溶浸を行うことで、溶浸時間を短縮して生産性を向上させたり、溶浸部材の内部に欠陥が生じることを抑制したりすることができ、好ましい。 The composite process can be performed without pressure. In this case, the composite material can be mass-produced using a production facility having a simple structure, and the productivity is excellent. Further, the composite process can be performed in a slightly pressurized state. By performing infiltration in a pressurized state, the infiltration time can be shortened to improve productivity, and the occurrence of defects in the infiltration member can be suppressed, which is preferable.
＜１６＞実施形態の複合材料の製造方法として、前記集合体に含まれる前記溶浸剤は、ＳｉＯ２、Ｎａ２ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、ＺｎＯ、およびＳｎＯ２の少なくとも１種を含み、前記集合体における前記溶浸剤の含有量は、前記分散剤粉末を１００としたとき、０．１質量％以上１０質量％以下である形態を挙げることができる。As <16> The method of producing a composite material embodiments, the infiltrant contained in theaggregate, SiO 2, Na 2 SiO 2 , Al 2 O 3, Fe 2 O 3, ZnO, and at least one of SnO2 Including the seed, the content of the infiltrant in the aggregate may be in the form of 0.1% by mass or more and 10% by mass or less when the dispersant powder is 100.
上記濃度の溶浸剤を集合体に含ませておくことで、欠陥の少ない複合材料の基材を作製することができる。 By including the infiltrant with the above concentration in the aggregate, a composite material base with few defects can be manufactured.
＜１７＞実施形態の複合材料の製造方法として、前記溶浸剤が粉末状であり、その溶浸剤粉末の平均粒径は、０．０１μｍ以上３μｍ以下である形態を挙げることができる。<17> As a method for producing a composite material according to an embodiment, the infiltrant is in a powder form, and the average particle size of the infiltrant powder may be from 0.01 μm to 3 μm.
上記範囲の平均粒径を備える溶浸剤粉末であれば、集合体中に均一的に溶浸剤を存在させることができる。その結果、欠陥の少ない複合材料を作製することができる。 If the infiltrant powder has an average particle diameter in the above range, the infiltrant can be uniformly present in the aggregate. As a result, a composite material with few defects can be manufactured.
＜１８＞実施形態の複合材料の製造方法として、前記冷却工程において、前記溶浸部材をその一端側から他端側に向かって冷却する形態を挙げることができる。
ここで、溶浸部材の一端側から他端側に向かう冷却方向の温度勾配がマイナスとならないように溶浸部材の冷却状態を制御することが好ましい。温度勾配の定義は後述する。<18> As a method for producing a composite material according to an embodiment, in the cooling step, the infiltration member may be cooled from one end side toward the other end side.
Here, it is preferable to control the cooling state of the infiltration member so that the temperature gradient in the cooling direction from the one end side to the other end side of the infiltration member does not become negative. The definition of the temperature gradient will be described later.
溶浸部材を全周から冷却すると、複合材料の基材中に引け巣が形成される恐れがある。これに対して、溶浸部材をその一端側から他端側に向かって一方向に冷却することで、基材中の引け巣の形成を抑制することができる。 When the infiltrating member is cooled from the entire circumference, there is a possibility that a shrinkage nest is formed in the base material of the composite material. On the other hand, by forming the infiltrating member in one direction from one end side to the other end side, the formation of shrinkage cavities in the base material can be suppressed.
＜１９＞実施形態の複合材料の製造方法として、前記配置工程において、前記鋳型の内壁の少なくとも一面に沿ってＮｂ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗ、およびＭｏのいずれかを主成分とする金属板を設置した状態で、前記集合体を前記鋳型内に配置する形態を挙げることができる。<19> As a method for producing a composite material according to an embodiment, in the arrangement step, a metal plate mainly comprising any one of Nb, Ta, Ti, W, and Mo is installed along at least one surface of the inner wall of the mold. In this state, the assembly can be arranged in the mold.
配置工程で鋳型内に金属板を配置しておくことで、複合工程において金属板が鋳ぐるみされて、金属板に由来する平滑層を基材の表面に形成することができる。なお、金属板は、複合工程の溶浸温度で溶解・変形しない材質で構成されている必要があり、上記＜８＞にて平滑層の材質として挙げられているＭｇ、Ａｌ、Ｃｕの金属板を利用することはできない。これらＭｇ、Ａｌ、Ｃｕの平滑層を形成するのであれば、後述するようにＭｇ、Ａｌ、Ｃｕの板材を基材に後付けする。 By arranging the metal plate in the mold in the arranging step, the metal plate is cast in the compounding step, and a smooth layer derived from the metal plate can be formed on the surface of the substrate. The metal plate must be made of a material that does not melt or deform at the infiltration temperature of the composite process, and the metal plate of Mg, Al, or Cu mentioned as the material of the smooth layer in <8> above. Cannot be used. If these smooth layers of Mg, Al, and Cu are formed, a plate material of Mg, Al, and Cu is retrofitted to the base material as will be described later.
＜２０＞実施形態の複合材料の製造方法として、前記分散剤粉末と前記溶浸剤とを混合して成形することで、前記配置工程で用いる鋳型の容積よりも小さな成形体を作製する成形工程を備える形態を挙げることができる。その場合、前記配置工程において、前記成形工程で作製した成形体を前記集合体として前記鋳型の内部に配置すると共に、前記集合体と前記鋳型との間にスペーサを介在させて、前記集合体と前記鋳型との間に隙間を形成する。<20> As a method for producing a composite material according to an embodiment, a molding step is performed in which the dispersant powder and the infiltrant are mixed and molded to produce a molded body smaller than the mold volume used in the placement step. The form with which it can provide can be mentioned. In that case, in the arrangement step, the molded body produced in the molding step is arranged as the assembly inside the mold, and a spacer is interposed between the assembly and the mold, and the assembly and A gap is formed between the mold.
配置工程において集合体と鋳型との間に隙間を形成しておくことで、複合工程において当該隙間に溶湯が流れ込み、基材の表面の少なくとも一部に溶湯の材質からなる平滑層を形成することができる。この場合、平滑層は、マトリックスと同じ組成を有することになる。 By forming a gap between the assembly and the mold in the arranging step, the molten metal flows into the gap in the composite step, and a smooth layer made of the molten material is formed on at least a part of the surface of the base material. Can do. In this case, the smooth layer has the same composition as the matrix.
・本発明の実施形態の詳細
以下、複合材料、およびその製造方法の実施形態を詳細に説明する。-Details of embodiment of this invention Hereinafter, embodiment of a composite material and its manufacturing method is described in detail.
＜複合材料＞
複合材料は、マトリックス中に分散剤粉末を分散させた状態で両者を複合した基材を備える。基材の表面には必要に応じて平滑層やメッキ層を設けても良い。まず、複合材料について説明し、次いでその製造方法に言及する。<Composite material>
The composite material includes a base material in which both are combined in a state where the dispersant powder is dispersed in the matrix. A smooth layer or a plating layer may be provided on the surface of the substrate as necessary. First, the composite material will be described, and then its manufacturing method will be mentioned.
≪基材≫
［マトリックス］
基材のマトリックスは、（１）９９．８質量％以上のＭｇ及び不純物からなるいわゆる純Ｍｇ、（２）Ｍｇ、添加元素、及び不純物からなるＭｇ合金、（３）Ｍｇを０．５質量％以上含有するＡｌ合金、のいずれかとする。なお、Ｍｇ合金は、最も含有量が多い元素がＭｇである合金、Ａｌ合金は、最も含有量が多い元素がＡｌである合金のことである。≪Base material≫
[matrix]
The matrix of the substrate is (1) so-called pure Mg composed of 99.8% by mass or more of Mg and impurities, (2) Mg alloy composed of Mg, additive elements and impurities, and (3) 0.5% by mass of Mg. Any of the Al alloys contained above. The Mg alloy is an alloy in which the element having the highest content is Mg, and the Al alloy is an alloy in which the element having the highest content is Al.
マトリックスが純Ｍｇである場合、基材の熱伝導性が向上するといった利点を有し、マトリックスがＭｇ合金である場合、液相線温度の低下による溶融温度の低下、基材の耐食性や機械的特性（強度など）の向上といった利点を有する。添加元素は、Ｌｉ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｃａ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｂｅ、Ｓｒ、Ｙ、Ｓｎ、Ｃｅ、希土類元素（Ｙ，Ｃｅを除く）の少なくとも１種が挙げられる。これらの元素は、含有量が多くなると熱伝導率の低下を招くため、合計で２０質量％以下（合金全体を１００質量％とする）が好ましい。特に、Ａｌは３質量％以下、Ｚｎは５質量％以下、その他の元素はそれぞれ１０質量％以下が好ましい。Ｌｉを添加すると、複合材料の軽量化、及び加工性の向上の効果がある。公知のＭｇ合金、例えば、ＡＺ系、ＡＳ系、ＡＭ系、ＺＫ系、ＺＣ系、ＬＡ系、ＷＥ系などでもよい。 When the matrix is pure Mg, it has the advantage that the thermal conductivity of the base material is improved. When the matrix is an Mg alloy, the melting temperature is lowered due to a decrease in the liquidus temperature, the corrosion resistance and mechanical properties of the base material It has an advantage of improving characteristics (such as strength). Examples of the additive element include at least one of Li, Ag, Ni, Ca, Al, Zn, Mn, Si, Cu, Zr, Be, Sr, Y, Sn, Ce, and rare earth elements (excluding Y and Ce). . Since these elements cause a decrease in thermal conductivity when the content increases, the total content is preferably 20% by mass or less (the total alloy is 100% by mass). In particular, Al is preferably 3% by mass or less, Zn is 5% by mass or less, and other elements are each preferably 10% by mass or less. Addition of Li has the effect of reducing the weight of the composite material and improving the workability. Known Mg alloys such as AZ, AS, AM, ZK, ZC, LA, and WE may be used.
一方、マトリックスが、Ｍｇを０．５質量％以上含有するＡｌ合金である場合、Ｍｇ合金を使用したときと比較して、耐食性に優れるといった利点を有する。もちろん、Ａｌ合金は、Ｍｇ以外の添加元素を含有していてもかまわない。添加元素としては例えばＳｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｚｒなどを挙げることができる。 On the other hand, when the matrix is an Al alloy containing 0.5% by mass or more of Mg, there is an advantage that the corrosion resistance is excellent as compared with the case where the Mg alloy is used. Of course, the Al alloy may contain additional elements other than Mg. Examples of the additive element include Si, Fe, Cu, Cr, Mn, Ti, Zn, and Zr.
マトリックスには、Ｍｇ酸化物が含有されている。このＭｇ酸化物は、後述する複合材料の製造方法で用いた酸化物の溶浸剤に由来するものである。マトリックスにおけるＭｇ酸化物は、マトリックスと分散剤粒子との界面近傍に偏在している。その偏在は、マトリックスと分散剤粒子との界面から１μｍまでの領域に酸素濃度のピークが存在することで確かめることができる。酸素濃度のピークは、基材のＣＰ（Ｃｒｏｓｓ−ｓｅｃｔｉｏｎ Ｐｏｌｉｓｈｅｒ）断面を、ＥＰＭＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｘ−ｒａｙ ＭｉｃｒｏＡｎａｌｙｚｅｒ）で分析することで求めることができる。 The matrix contains Mg oxide. This Mg oxide is derived from the oxide infiltrant used in the composite material manufacturing method described later. Mg oxide in the matrix is unevenly distributed in the vicinity of the interface between the matrix and the dispersant particles. The uneven distribution can be confirmed by the presence of an oxygen concentration peak in the region from the interface between the matrix and the dispersant particles to 1 μm. The peak of the oxygen concentration can be obtained by analyzing a cross-section polisher (CP) cross section of the base material with an EPMA (Electron Probe X-ray MicroAnalyzer).
ここで、マトリックスがＭｇ系の場合、マトリックス中にＭｇ酸化物が存在することにより、Ｍｇ系マトリックスの線熱膨張率が低下し、Ｍｇ系マトリックスとダイヤモンド粒子の線熱膨張率の差が減少する。このため、冷熱サイクルを受けたときにＭｇ系マトリックスとダイヤモンド粒子（分散剤粒子）との界面に生じる熱応力が小さくなり、基材（複合材料）の冷熱サイクル耐性が高まる。Ｍｇ系マトリックス中にＭｇ酸化物の含有量が、Ｍｇを１００としたとき３質量％以上であれば、上記効果を得やすい。 Here, when the matrix is Mg-based, the presence of Mg oxide in the matrix lowers the linear thermal expansion coefficient of the Mg-based matrix and decreases the difference in linear thermal expansion coefficient between the Mg-based matrix and the diamond particles. . For this reason, the thermal stress generated at the interface between the Mg-based matrix and the diamond particles (dispersant particles) when subjected to the cooling cycle is reduced, and the resistance to the cooling cycle of the base material (composite material) is increased. If the content of Mg oxide in the Mg-based matrix is 3% by mass or more when Mg is 100, the above effect can be easily obtained.
［分散剤粉末］
分散剤粉末は、ダイヤモンドからなる分散剤粒子で構成される。ダイヤモンドは、工業用であっても宝飾用であっても良い。宝飾用のダイヤモンドは、その純度が高いため、工業用のダイヤモンドよりも熱伝導性に優れる。[Dispersant powder]
The dispersant powder is composed of dispersant particles made of diamond. Diamond may be industrial or jewelery. Jewelery diamond has higher thermal conductivity than industrial diamond because of its high purity.
分散剤粉末の存在状態には次の二つの形態が挙げられる。第一に、マトリックス中に分散された分散剤粒子が互いに独立している独立形態である（粒子同士が接触することはあっても結合はしていない状態）。第二に、マトリックス中に分散された分散剤粒子同士がネットワーク部により連結された結合形態である（本明細書では、ネットワーク部で連結された分散剤粒子の集合体も、その製造過程で粉末状態にあるため、分散剤粉末と見做す）。独立形態の複合材料は、その製造過程において分散剤粉末を利用することができ、上記ネットワーク部の形成が不要で生産性に優れる。結合形態では、分散剤粒子が連続することで、熱伝導の経路が連続することから、熱伝導率が高い基材となり易い。 There are the following two forms of the state of the dispersant powder. First, it is an independent form in which the dispersant particles dispersed in the matrix are independent from each other (a state in which the particles are in contact but are not bonded). Second, the dispersion particles dispersed in the matrix are connected to each other by the network part (in this specification, the aggregate of the dispersion particles connected by the network part is also powdered during the manufacturing process. Because it is in a state, it is considered as a dispersant powder). The composite material of the independent form can use the dispersant powder in the manufacturing process, and does not require the formation of the network part, and is excellent in productivity. In the bonded form, the dispersing agent particles are continuous, and the heat conduction path is continuous, so that the base material has a high thermal conductivity.
上記基材中の分散剤粉末の含有量は、基材を１００体積％としたとき４０体積％以上９０体積％以下とすることが好ましい。基材に占める分散剤粉末の含有量が上記範囲にあれば、複合材料の特性のバランスが良い。分散剤粉末の含有量が多いほど熱伝導率が高くなり、線熱膨張率が小さくなる傾向にある。従って、複合材料を半導体素子の放熱部材として利用するのであれば、分散剤粉末の含有量は、５０体積％以上、更に６０体積％以上が好ましい。特に、熱伝導率と線熱膨張率とのバランスを考慮して、分散剤粉末の含有量は、７０体積％以上９０体積％以下とすることが好ましい。 The content of the dispersant powder in the substrate is preferably 40% by volume or more and 90% by volume or less when the substrate is 100% by volume. If the content of the dispersant powder in the base material is in the above range, the balance of the characteristics of the composite material is good. The greater the content of the dispersant powder, the higher the thermal conductivity and the lower the linear thermal expansion coefficient. Therefore, if the composite material is used as a heat dissipation member for a semiconductor element, the content of the dispersant powder is preferably 50% by volume or more, and more preferably 60% by volume or more. In particular, considering the balance between the thermal conductivity and the linear thermal expansion coefficient, the content of the dispersant powder is preferably 70% by volume or more and 90% by volume or less.
分散剤粉末の平均粒径は、５μｍ以上３００μｍ以下であることが好ましい。基材における分散剤粉末の平均粒径は、既に説明したように、複合材料の基材の溶解→粒度分布の測定→メジアン径の算出、によって求めると良い。 The average particle size of the dispersant powder is preferably 5 μm or more and 300 μm or less. As described above, the average particle size of the dispersant powder in the base material may be obtained by dissolving the base material of the composite material → measurement of the particle size distribution → calculation of the median diameter.
上記分散剤粉末は、粗粉末と微粉末との混合体であることが好ましい。微粉末の平均粒径は５μｍ以上３０μｍ以下、粗粉末の平均粒径は４０μｍ以上３００μｍ以下であることが好ましい。分散剤粉末が粗粉末と微粉末との混合体であること、および平均粒径の求め方は、既に説明済みである。粗粉末と微粉末との混合比は、質量比で５：５〜９：１とすることが好ましい。粗粉末の割合が高くなるほど、複合材料の基材の熱伝導率が上昇する傾向にあるため、当該混合比は７：３〜９：１とすることがより好ましい。 The dispersant powder is preferably a mixture of a coarse powder and a fine powder. The average particle size of the fine powder is preferably 5 μm to 30 μm, and the average particle size of the coarse powder is preferably 40 μm to 300 μm. The dispersion powder is a mixture of a coarse powder and a fine powder, and the method for obtaining the average particle diameter has already been described. The mixing ratio of the coarse powder and the fine powder is preferably 5: 5 to 9: 1 by mass ratio. Since the thermal conductivity of the base material of the composite material tends to increase as the proportion of the coarse powder increases, the mixing ratio is more preferably 7: 3 to 9: 1.
分散剤粉末を構成する分散剤粒子は、図１，２の基材の顕微鏡写真に示すように、その表面に針状の炭化物を備えることが好ましい（図１，２は、後述する試験例１−１の試料６の顕微鏡写真である）。この針状の炭化物は、分散剤粒子に由来し、後述する複合材料の製造方法において溶浸温度を最適に選択することで形成されると考えられる（後述する試験例１などを参照）。針状の炭化物は、分散剤粒子とマトリックスとの結合状態を良好にし、複合材料の特性（特に、冷熱サイクル耐性）を向上させることに寄与する。 As shown in the micrographs of the base materials shown in FIGS. 1 and 2, the dispersant particles constituting the dispersant powder preferably have needle-like carbides on the surface (FIGS. 1 and 2 are Test Example 1 described later). -1 is a micrograph of Sample 6). This acicular carbide is considered to be derived from the dispersant particles and formed by optimally selecting the infiltration temperature in the composite material manufacturing method described later (see Test Example 1 described later). The acicular carbide contributes to improving the bonding property between the dispersant particles and the matrix and improving the properties of the composite material (particularly, the resistance to thermal cycle).
［マトリックスと分散剤粒子との結合状態］
複合材料の基材において、マトリックスと分散剤粒子との界面の５０％以上の部分で、マトリックスと分散剤粒子とが直接結合している。界面における直接結合部以外の部分では、Ｍｇ化合物の中間層が形成されている。このＭｇ化合物の中間層は、複合材料の基材を作製する際に用いた溶浸剤によって形成される中間層であって、ダイヤモンドに対するＭｇの濡れ性を改善すると考えられる。例えば、図３の顕微鏡写真（図３は、後述する試験例１−１の試料６の顕微鏡写真である）に示されるように、溶浸剤としてＳｉＯ２を用いた場合、Ｍｇのマトリックスとダイヤモンドの分散剤粒子との界面のうちのごく一部にＭｇ２Ｓｉの中間層が形成される。マトリックスと分散剤粒子とが直接接合している割合の好ましい値は、６０％以上、より好ましい値は７０％以上９９％以下である。[Bonded state of matrix and dispersant particles]
In the base material of the composite material, the matrix and the dispersant particles are directly bonded to each other at 50% or more of the interface between the matrix and the dispersant particles. An intermediate layer of Mg compound is formed at a portion other than the direct bond portion at the interface. This intermediate layer of Mg compound is an intermediate layer formed by the infiltrating agent used when preparing the base material of the composite material, and is considered to improve the wettability of Mg with respect to diamond. For example, as shown in the micrograph of FIG. 3 (FIG. 3 is a micrograph of the sample 6 of Test Example 1-1 described later), when SiO2 is used as the infiltrant, the Mg matrix and the diamond An intermediate layer of Mg2 Si is formed in a very small part of the interface with the dispersant particles. A preferable value of the ratio in which the matrix and the dispersant particles are directly bonded is 60% or more, and a more preferable value is 70% or more and 99% or less.
［基材のサイズ］
上記基材のサイズは、複合材料の用途に応じて適宜選択できる。例えば、平板状の基材の主面のサイズは、５ｍｍ×２０ｍｍ、あるいはそれ以上とすることができる。一方、基材の厚さは、例えば、０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下とすることができる。このような厚さの基材であれば、取り扱いに困らない強度を備えると共に、十分な放熱性を発揮する複合材料とすることができる。[Base material size]
The size of the substrate can be appropriately selected depending on the use of the composite material. For example, the size of the main surface of the flat substrate can be 5 mm × 20 mm or more. On the other hand, the thickness of a base material can be 0.1 mm or more and 2 mm or less, for example. If it is a base material of such thickness, while providing the intensity | strength which does not have trouble in handling, it can be set as the composite material which exhibits sufficient heat dissipation.
［基材の内部状態］
基材内部の空隙の量は、体積比で３％未満であることが好ましい。空隙の量が少ないほど、基材の熱伝導性および強度が高くなるからである。空隙の量は、例えば、アルキメデス法による比重測定や、断面の顕微鏡写真の画像解析などによって求めることができる。[Internal condition of substrate]
The amount of voids inside the substrate is preferably less than 3% by volume. This is because the smaller the amount of voids, the higher the thermal conductivity and strength of the substrate. The amount of voids can be determined by, for example, specific gravity measurement by Archimedes method or image analysis of a cross-sectional micrograph.
基材内部における空隙の量の評価方法として、次のような評価方法を利用しても良い。まず、基材を平面視したときの重心を通る直線を切断線として、基材の厚さ方向の断面における重心を中心として切断線の長さの１０％までの範囲を中心領域とする。そして、この中心領域から任意の１ｍｍ×１ｍｍの小領域をとり、当該小領域の面積に対する空隙の面積の割合を面積比とする。この面積比が１０％以下である基材は、空隙ができ易い基材の中心部分に空隙が集中していないと判断できる。 As an evaluation method of the amount of voids inside the substrate, the following evaluation method may be used. First, a straight line passing through the center of gravity when the substrate is viewed in plan is taken as a cutting line, and the range up to 10% of the length of the cutting line with the center of gravity in the section in the thickness direction of the substrate as the center is taken as the central region. Then, an arbitrary small area of 1 mm × 1 mm is taken from this central area, and the ratio of the area of the gap to the area of the small area is defined as the area ratio. It can be judged that the base material whose area ratio is 10% or less does not have voids concentrated in the central portion of the base material where voids are easily formed.
［基材の特性］
上記基材の熱伝導率は、５００Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましい。複合材料を半導体素子の放熱部材として利用するのであれば、基材の熱伝導率は高いほど好ましい。この観点からすれば、基材の熱伝導率は、６００Ｗ／ｍＫ以上であることがより好ましい。[Base material properties]
The substrate preferably has a thermal conductivity of 500 W / mK or higher. If the composite material is used as a heat dissipation member for a semiconductor element, the higher the thermal conductivity of the base material, the better. From this viewpoint, the thermal conductivity of the base material is more preferably 600 W / mK or more.
基材の線熱膨張率は、３．５ｐｐｍ／Ｋ以上１０ｐｐｍ／Ｋ以下であることが好ましい。この範囲の線熱膨張率を有する基材は、半導体素子の線熱膨張率との整合性に優れるからである。 The linear thermal expansion coefficient of the substrate is preferably 3.5 ppm / K or more and 10 ppm / K or less. This is because a substrate having a linear thermal expansion coefficient in this range is excellent in consistency with the linear thermal expansion coefficient of the semiconductor element.
また、基材は、激しい温度変化に対して熱特性（特に、熱伝導率）が低下しないこと（冷熱サイクル耐性が高いこと）が好ましい。例えば、複合材料を、−６０℃に保持した液体に１０分間浸した後、２５０℃に保持した液体に１０分間浸すことを１サイクルとする冷熱サイクルを１０００サイクル行った後の基材の熱伝導率の維持率が９５％以上であることが好ましい。冷却や加熱に用いる液体としては、市販の試験液が使用できる。例えば高温側の試験液としては株式会社ダイトテック製のガルデンＨＳ２６０、低温側の試験液としては株式会社ダイトテック製のガルデンＤ０５などが挙げられる。より好ましい維持率は９７％以上、最も好ましい維持率は１００％である。 Moreover, it is preferable that a base material does not fall a thermal characteristic (especially heat conductivity) with respect to intense temperature change (high heat cycle tolerance). For example, after the composite material is immersed in a liquid maintained at −60 ° C. for 10 minutes and then immersed in a liquid maintained at 250 ° C. for 10 minutes, the heat conduction of the substrate after 1000 cycles of cooling and heating cycles are performed. The rate maintenance rate is preferably 95% or more. A commercially available test solution can be used as the liquid used for cooling and heating. For example, as a test solution on the high temperature side, Galden HS260 manufactured by Daito Tech Co., Ltd., and as a test solution on the low temperature side, Galden D05 manufactured by Daito Tech Co., Ltd. may be mentioned. A more preferable maintenance rate is 97% or more, and a most preferable maintenance rate is 100%.
さらに、基材は、少なくとも１面が平坦な面であって、その平坦な面の反り度が、１．０×１０−５以上１．０×１０−２以下であることが好ましい。なお、上記『反り度』の定義は以下の通りである。
基材の一面に対して、その最長辺に沿って表面の変位を測定し、測定した変位の最大値と最小値との差を『ｌｍａｘ』、最長辺の長さを『Ｄｍａｘ』とするとき、最長辺の長さ『Ｄｍａｘ』に対する差『ｌｍａｘ』の割合『ｌｍａｘ／Ｄｍａｘ』を反り度とする。Furthermore, it is preferable that at least one surface of the substrate is a flat surface, and the degree of warpage of the flat surface is 1.0 × 10−5 or more and 1.0 × 10−2 or less. The definition of the “warp degree” is as follows.
When the displacement of the surface is measured along the longest side of one surface of the substrate, the difference between the maximum and minimum measured displacements is “lmax” and the length of the longest side is “Dmax” The ratio “lmax / Dmax” of the difference “lmax” with respect to the length “Dmax” of the longest side is defined as the degree of warpage.
≪平滑層≫
上記基材の少なくとも一面には、平滑層が形成されていることが好ましい。その平滑層が形成される基材の面は、複合材料が取り付けられる取付対象に対向する対向面とする。マトリックス中に分散剤粒子を分散させた基材の表面は粗い傾向にある。基材の表面から分散剤粒子が露出しているからである。そこで、基材の対向面に平滑層を形成すれば、複合材料の対向面を平滑にすることができ、複合材料と取付対象との密着性を向上させることができる。平滑層の算術平均粗さＲａは、５μｍ以下、より好ましくは１μｍ以下である。≪Smooth layer≫
It is preferable that a smooth layer is formed on at least one surface of the substrate. The surface of the base material on which the smooth layer is formed is a facing surface that faces the attachment target to which the composite material is attached. The surface of the substrate in which the dispersant particles are dispersed in the matrix tends to be rough. This is because the dispersant particles are exposed from the surface of the substrate. Therefore, if a smooth layer is formed on the facing surface of the base material, the facing surface of the composite material can be smoothed, and the adhesion between the composite material and the attachment target can be improved. The arithmetic average roughness Ra of the smooth layer is 5 μm or less, more preferably 1 μm or less.
平滑層は、Ｍｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗ、およびＭｏのいずれかを主成分とすることが好ましい。主成分とは、平滑層における含有量（原子数）が最も多い成分のことである。もちろん、上記列挙した元素のいずれかのみ（不可避的不純物が含まれていても良い）で構成された平滑層としても良い。上記列挙した元素のうち、マグネシウムに対する溶解性の低さや、基材との線熱膨張率のマッチングや、薄い板がよく流通しているという観点からＭｏが平滑層の主成分として好ましい。平滑層の形成方法は、後述するように複数存在する。選択する平滑層の形成方法によって用いることができない元素もある。 The smooth layer preferably contains any one of Mg, Al, Cu, Nb, Ta, Ti, W, and Mo as a main component. The main component is a component having the largest content (number of atoms) in the smooth layer. Of course, a smooth layer composed of only one of the elements listed above (which may contain inevitable impurities) may be used. Of the elements listed above, Mo is preferable as the main component of the smooth layer from the viewpoint of low solubility in magnesium, matching of the linear thermal expansion coefficient with the base material, and thin plates are in good circulation. There are a plurality of methods for forming the smooth layer, as will be described later. Some elements cannot be used depending on the method of forming the smooth layer selected.
平滑層の平均厚さは、３μｍ以上３００μｍ以下とすることが好ましい。この範囲であれば、粗い基材の表面に滑らかな平滑層を形成することができ、しかも平滑層によって複合材料全体の熱伝導率が低下することもない。平滑層のより好ましい平均厚さは、３μｍ以上１００μｍ以下であり、５μｍ以上５０μｍ以下がさらに好ましい。平滑層の平均厚さは、複合材料の断面における異なる３点以上の厚さの平均である。 The average thickness of the smooth layer is preferably 3 μm or more and 300 μm or less. If it is this range, a smooth smooth layer can be formed on the surface of a rough base material, and the thermal conductivity of the entire composite material is not lowered by the smooth layer. The average thickness of the smooth layer is more preferably 3 μm or more and 100 μm or less, and further preferably 5 μm or more and 50 μm or less. The average thickness of the smooth layer is an average of three or more different thicknesses in the cross section of the composite material.
基材の対向面（つまり、基材と平滑層との接合界面）は平滑でも良いが、当該対向面の算術平均粗さＲａは、０．２μｍ以上とすると、より好ましい。基材の対向面が粗いと、アンカー効果によって基材に対する平滑層の密着性が高くなる。平滑層の接合強度は、ＪＩＳ Ｚ ３００１に規定される９０°のピール試験によって確認することができる。このピール試験の結果、基材と平滑層との接合強度が１０Ｎ／ｃｍ以上の複合材料が好ましい。 The opposing surface of the substrate (that is, the bonding interface between the substrate and the smooth layer) may be smooth, but the arithmetic average roughness Ra of the opposing surface is more preferably 0.2 μm or more. When the facing surface of the substrate is rough, the adhesion of the smooth layer to the substrate is enhanced by the anchor effect. The bonding strength of the smooth layer can be confirmed by a 90 ° peel test defined in JIS Z 3001. As a result of the peel test, a composite material having a bonding strength between the base material and the smooth layer of 10 N / cm or more is preferable.
≪メッキ層≫
基材の表面の少なくとも一部には、メッキ層が備わっていても良い。もちろん、基材の表面全体にメッキ層が備わっていても良い。基材が平滑層を備える場合は、平滑層の上にメッキ層を形成する。メッキ層の厚さは５０μｍ以下、とりわけ１５μｍ以下が好ましく、１μｍ以上１０μｍ以下がより好ましい。≪Plating layer≫
A plating layer may be provided on at least part of the surface of the substrate. Of course, the entire surface of the substrate may be provided with a plating layer. When a base material is provided with a smooth layer, a plating layer is formed on the smooth layer. The thickness of the plating layer is 50 μm or less, particularly preferably 15 μm or less, and more preferably 1 μm or more and 10 μm or less.
＜複合材料の製造方法＞
次に、上記金属被覆層を備える複合材料の製造方法を工程順に説明する。複合材料の製造方法は、次に示す配置工程と複合工程と冷却工程とを備える。
［配置工程］…ダイヤモンドの分散剤粒子で構成される分散剤粉末と、酸化物の溶浸剤と、を含む集合体を鋳型内に配置する。
［複合工程］…鋳型内に収納された集合体に、Ｍｇ、Ｍｇ合金、またはＭｇを０．５質量％以上含有するＡｌ合金の溶湯を溶浸させ、溶浸部材を得る。但し、溶浸温度は、７００℃以上１０００℃以下である。
［冷却工程］…溶浸部材を冷却して、基材を得る。
以下、各工程を順次説明する。<Production method of composite material>
Next, the manufacturing method of a composite material provided with the said metal coating layer is demonstrated in order of a process. The manufacturing method of a composite material includes an arrangement process, a composite process, and a cooling process described below.
[Arrangement step] An assembly containing a dispersant powder composed of diamond dispersant particles and an oxide infiltrant is placed in a mold.
[Composite Step] ... Infiltrate Mg, Mg alloy, or Al alloy containing 0.5% by mass or more of Mg into the aggregate housed in the mold to obtain an infiltrated member. However, the infiltration temperature is 700 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower.
[Cooling step]: The infiltrating member is cooled to obtain a substrate.
Hereinafter, each process is demonstrated one by one.
≪配置工程≫
配置工程で鋳型内に配置される集合体は、以下の三つの形態を取り得る。
［粉体］…鋳型内に充填された粉末状態の集合体。
［成形体］…分散剤粉末と溶浸剤粉末を押し固めて得られた成形体状の集合体、あるいは分散剤粉末と溶浸剤を含むスラリーを固めて得られた集合体。
［焼結体］…分散剤粉末と溶浸剤粉末を焼結することで得られた焼結体状の集合体。
ここでは、鋳型内に粉末状態の集合体を配置する例を説明し、成形体および焼結体の集合体については、後段に項目を設けて改めて説明する。≪Arrangement process≫
The assembly arranged in the mold in the arranging step can take the following three forms.
[Powder]: An aggregate in a powder state filled in a mold.
[Molded body] A molded body aggregate obtained by pressing and dispersing the dispersant powder and the infiltrant powder, or an aggregate obtained by solidifying the slurry containing the dispersant powder and the infiltrant.
[Sintered body] A sintered body-like aggregate obtained by sintering a dispersant powder and an infiltrant powder.
Here, an example in which an aggregate in a powder state is arranged in a mold will be described, and an aggregate of a molded body and a sintered body will be described again by providing items in the subsequent stage.
粉体の集合体は、ダイヤモンドの分散剤粉末と、酸化物の溶浸剤粉末と、を混合することで得られる。分散剤粉末の平均粒径は、５μｍ以上３００μｍ以下とすることが好ましい。また、分散剤粉末は、平均粒径５μｍ以上３０μｍ以下の微粉末と、平均粒径が４０μｍ以上３００μｍ以下の粗粉末と、を混合した混合粉末であっても良い。上記平均粒径を有する微粉末と粗粉末とで分散剤粉末を構成することで、マトリックス中における分散剤粒子同士の隙間を均一的にすることができる。またマトリックス中における分散剤粒子の充填率を高めることができる。複合材料の基材を作製する際、粗粉末を構成する粗粒子の隙間に、微粉末を構成する微粒子が入り込んで、各粒子同士の隙間が均一的になるからである。分散剤粒子の実際の粒径は、準備段階から複合材料の完成に至るまでの間、実質的に維持されると考えて良い。 The powder aggregate is obtained by mixing a diamond dispersant powder and an oxide infiltrant powder. The average particle size of the dispersant powder is preferably 5 μm or more and 300 μm or less. Further, the dispersant powder may be a mixed powder in which a fine powder having an average particle size of 5 μm to 30 μm and a coarse powder having an average particle size of 40 μm to 300 μm are mixed. By forming the dispersant powder with the fine powder having the average particle size and the coarse powder, the gaps between the dispersant particles in the matrix can be made uniform. Moreover, the filling rate of the dispersing agent particles in the matrix can be increased. This is because, when a composite material base material is produced, the fine particles constituting the fine powder enter the gaps between the coarse particles constituting the coarse powder, and the gaps between the particles become uniform. It can be considered that the actual particle size of the dispersant particles is substantially maintained from the preparation stage to the completion of the composite material.
本明細書で開示した条件に基づいて微粉末と粗粉末を混合して作製した複合材料かどうかは、以下の手順で判断することができる。まず複合材料を酸で溶解させ、ダイヤモンドを分離する。レーザー回折式の粒度分布系でダイヤモンド粉末の粒度分布を測定し、例えば、５μｍ未満の粒子数、５μｍ以上１０μｍ未満の粒子数…といったように、所定範囲の粒径の粒子数をカウントしたヒストグラムを作成し、ヒストグラムのピークを特定する。作成したヒストグラムにピークが二つ以上存在する場合、最も粒径の小さなピークを微粉末のピーク、最も粒径の大きなピークを粗粉末のピークと見做す。そして、ピークを示したヒストグラムに含まれる粒子のメジアン径（５０％粒径）を、微粉末と粗粉末の各平均粒径と見做したとき、微粉末の平均粒径が５μｍ以上３０μｍ以下、粗粉末の平均粒径が４０μｍ以上３００μｍ以下であったとき、本明細書で開示した条件に基づいて微粉末と粗粉末を混合して作製した複合材料と見做すことができる。 Whether the composite material is produced by mixing fine powder and coarse powder based on the conditions disclosed in this specification can be determined by the following procedure. First, the composite material is dissolved with an acid to separate the diamond. The particle size distribution of diamond powder is measured by a laser diffraction type particle size distribution system, and a histogram in which the number of particles having a particle size in a predetermined range is counted, such as the number of particles less than 5 μm, the number of particles less than 5 μm and less than 10 μm, etc. Create and identify histogram peaks. When there are two or more peaks in the created histogram, the peak with the smallest particle diameter is regarded as the peak of the fine powder, and the peak with the largest particle diameter is regarded as the peak of the coarse powder. And when the median diameter (50% particle diameter) of the particles contained in the histogram showing the peak is regarded as the average particle diameter of the fine powder and the coarse powder, the average particle diameter of the fine powder is 5 μm or more and 30 μm or less, When the average particle diameter of the coarse powder is 40 μm or more and 300 μm or less, it can be regarded as a composite material prepared by mixing fine powder and coarse powder based on the conditions disclosed in this specification.
粉体の集合体に含まれる酸化物の溶浸剤粉末は、ダイヤモンドに対する溶湯の濡れ性を改善するためのものである。この溶浸剤粉末として、例えばＳｉＯ２、Ｎａ２ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、ＺｎＯ、ＳｎＯ２を利用することができる。これら化合物の溶浸剤粉末は、単独で用いることもできるし、組み合わせて用いることもできる。The oxide infiltrant powder contained in the powder aggregate is for improving the wettability of the molten metal with respect to diamond. For example, SiO2 , Na2 SiO2 , Al2 O3 , Fe2 O3 , ZnO, or SnO2 can be used as the infiltrant powder. These infiltrant powders can be used alone or in combination.
粉体の集合体に含ませる溶浸剤粉末の含有量は、分散剤粉末を１００としたとき、０．１質量％以上１０質量％以下とすることが好ましい。溶浸剤粉末が少な過ぎると濡れ性の改善効果が少なく、多過ぎると基材の特性を低下させる。好ましい分散剤粉末の含有量は１質量％以上７質量％以下、より好ましい分散剤粉末の含有量は３質量％以下５質量％以下である。 The content of the infiltrant powder to be included in the powder aggregate is preferably 0.1% by mass or more and 10% by mass or less when the dispersant powder is 100. If the amount of the infiltrant powder is too small, the effect of improving the wettability is small, and if it is too large, the properties of the substrate are deteriorated. A preferable content of the dispersant powder is 1% by mass or more and 7% by mass or less, and a more preferable content of the dispersant powder is 3% by mass or less and 5% by mass or less.
溶浸剤粉末の平均粒径は、０．０１μｍ以上３μｍ以下とすることが好ましい。このような大きさの溶浸剤粉末であれば、ダイヤモンドの分散剤粉末と混合したとき、ダイヤモンドの分散剤粒子同士の隙間に溶浸剤粒子が入り込み易く、濡れ性の改善効果を高めることができる。溶浸剤粒子の粒径が小さくなるほど、分散剤粒子同士の隙間に入り込み易くなる。従って、溶浸剤粉末の平均粒径は、好ましくは１μｍ以下、より好ましくは０．３μｍ以下、最も好ましくは０．０３μｍ以下である。 The average particle size of the infiltrant powder is preferably 0.01 μm or more and 3 μm or less. When the infiltrant powder has such a size, when mixed with the diamond dispersant powder, the infiltrant particles can easily enter the gaps between the diamond dispersant particles, and the wettability improving effect can be enhanced. The smaller the particle size of the infiltrant particles, the easier it is to enter the gaps between the dispersant particles. Accordingly, the average particle size of the infiltrant powder is preferably 1 μm or less, more preferably 0.3 μm or less, and most preferably 0.03 μm or less.
分散剤粉末と溶浸剤粉末との混合粉末を鋳型内に混合粉末を充填する際、１０Ｈｚ以上かつ加速度が重力加速度の１／１０以上の振動を与えることが好ましい。振動を与えることで、鋳型内への混合粉末の充填率を増加させることができる。また、分散剤粒子の隙間に溶浸剤粒子が入り込み易く、優れた特性を有する複合材料の基材を作製することができる。分散剤粉末が粗粉末と微粉末との混合物である場合、振動を与えることで粗粒子の隙間に微粒子が入り込み易くなるという効果もある。 When the mixed powder of the dispersant powder and the infiltrant powder is filled in the mold, it is preferable to give a vibration of 10 Hz or more and acceleration of 1/10 or more of the gravitational acceleration. By applying vibration, the filling rate of the mixed powder into the mold can be increased. In addition, the infiltrant particles can easily enter the gaps between the dispersant particles, and a composite material base material having excellent characteristics can be manufactured. When the dispersant powder is a mixture of a coarse powder and a fine powder, there is an effect that the fine particles can easily enter the gaps between the coarse particles by applying vibration.
≪複合工程≫
複合工程は、大気雰囲気下で行っても良いし、Ａｒなどの不活性雰囲気下で行っても良い。前者の場合、雰囲気を調整する設備が不要となるので、基本的な設備で複合材料の基材を作製することができる。一方、不活性雰囲気下で複合工程を行うことでＭｇの酸化を抑制することができる。≪Composite process≫
The composite process may be performed in an air atmosphere or an inert atmosphere such as Ar. In the former case, no facility for adjusting the atmosphere is required, and thus a composite material substrate can be produced with basic facilities. On the other hand, oxidation of Mg can be suppressed by performing the composite process in an inert atmosphere.
複合工程における溶浸温度は、７００℃以上１０００℃以下であるが、好ましくは８００℃以上９００℃以下、より好ましくは８２０℃以上８８０℃以下である。溶浸温度を高くすると、ダイヤモンドの分散剤粒子の表面に針状の炭化物が形成され易い。 The infiltration temperature in the composite process is 700 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower, preferably 800 ° C. or higher and 900 ° C. or lower, more preferably 820 ° C. or higher and 880 ° C. or lower. When the infiltration temperature is increased, acicular carbides are easily formed on the surface of the diamond dispersant particles.
また、溶浸時間は、５秒以上５時間以下とすることが好ましい。溶浸時間が長くなると、ダイヤモンドがグラファイト化して複合材料の基材の熱伝導性が低下する恐れがある。より好ましい溶浸時間は、１０分以上５時間以下である。 The infiltration time is preferably 5 seconds or more and 5 hours or less. If the infiltration time is long, diamond may be graphitized and the thermal conductivity of the composite substrate may be reduced. A more preferable infiltration time is 10 minutes or more and 5 hours or less.
複合工程における溶浸は、無加圧状態で行っても良いし、０．０１ＭＰａ以上５０ＭＰａ以下の加圧状態で行っても良い。実施形態の複合材料の製造方法では、無加圧状態であっても基材の内部に欠陥が生じ難いが、若干加圧した状態であれば、より基材の内部に欠陥が生じ難くなる。さらに、０．０１ＭＰａ以上５０ＭＰａ以下の加圧状態で、かつ鋳型内を真空吸引しても良く、そうすることで、基材内部の欠陥の発生をさらに抑制することができる。真空吸引を行う場合、溶浸後に、大気圧の不活性雰囲気に復圧してから冷却工程を行うことが好ましい。加圧状態では溶浸速度が速くなるため、溶浸時間は５秒以上５時間以下とすることができる。 Infiltration in the composite process may be performed in a non-pressurized state or may be performed in a pressurized state of 0.01 MPa to 50 MPa. In the method for producing a composite material of the embodiment, defects are not easily generated in the substrate even in a non-pressurized state, but defects are less likely to be generated in the substrate in a slightly pressurized state. Furthermore, the inside of the mold may be vacuum-sucked in a pressurized state of 0.01 MPa or more and 50 MPa or less, which can further suppress the occurrence of defects inside the substrate. When vacuum suction is performed, it is preferable to perform the cooling step after returning to an inert atmosphere at atmospheric pressure after infiltration. Since the infiltration rate increases in the pressurized state, the infiltration time can be set to 5 seconds or more and 5 hours or less.
ここで、複合工程において平滑層の形成を同時に行うこともできる。例えば、鋳型と粉末状の集合体との間に平滑層を形成するための金属板を配置して鋳ぐるみを行うことで、基材に平滑層を形成した複合材料が得られる。金属板を鋳ぐるみする場合、金属板の材質は、溶湯の熱によって溶融したり変形したりしない材質とする。例えば、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗ、およびＭｏを主成分とする金属板を利用することが挙げられる。 Here, the smooth layer can be simultaneously formed in the composite process. For example, a composite material in which a smooth layer is formed on a substrate can be obtained by placing a metal plate for forming a smooth layer between a mold and a powdery aggregate and performing casting. When casting a metal plate, the metal plate is made of a material that is not melted or deformed by the heat of the molten metal. For example, use of a metal plate mainly composed of Nb, Ta, Ti, W, and Mo can be mentioned.
また、金属板を鋳ぐるみを行う場合、金属板の表面を粗くしておくと、アンカー効果によって基材から平滑層がはがれ難くなる。例えば、金属板のうち、分散剤粉末に接触する面にブラスト処理を施して、金属板の表面を粗くすることが挙げられる。 Further, when casting a metal plate, if the surface of the metal plate is roughened, the smooth layer is difficult to peel off from the base material due to the anchor effect. For example, a surface of the metal plate that is in contact with the dispersant powder is subjected to blasting to roughen the surface of the metal plate.
≪冷却工程≫
冷却工程における溶浸部材の冷却は、鋳型から溶浸部材を取り出してから行っても良いし、鋳型ごと行っても良い。鋳型から取り出す際に溶浸部材が変形することもあるので、鋳型ごと溶浸部材の冷却を行うことが好ましい。例えば、鋳型ごと冷却設備に入れたり、鋳型に冷却部材を接触させたりすることで、鋳型ごと溶浸部材を冷却することができる。≪Cooling process≫
Cooling of the infiltration member in the cooling step may be performed after the infiltration member is taken out from the mold, or may be performed for each mold. Since the infiltrating member may be deformed when taken out from the mold, it is preferable to cool the infiltrating member together with the mold. For example, the infiltration member can be cooled together with the mold by placing the mold in a cooling facility or bringing the cooling member into contact with the mold.
冷却工程は、複合工程と同様に、大気雰囲気下または不活性雰囲気下のいずれの雰囲気下で行っても良い。また、無加圧状態で溶浸部材を冷却しても良いし、０．０１ＭＰａ以上１ＭＰａ以下の加圧状態で溶浸部材を冷却しても良い。鋳型ごと溶浸部材の冷却を行う場合、加圧状態とし易い。 The cooling step may be performed in any atmosphere such as an air atmosphere or an inert atmosphere as in the composite step. Further, the infiltrating member may be cooled in a non-pressurized state, or the infiltrating member may be cooled in a pressurized state of 0.01 MPa to 1 MPa. When cooling the infiltrating member together with the mold, it is easy to be in a pressurized state.
冷却工程において、複合物の冷却方向や冷却速度を制御することで、内部欠陥や表面欠陥の少ない基材を得ることができる。具体的には、溶浸部材における溶湯が供給される側と反対側から一方向に冷却する（この方向を冷却方向とする）。このような一方向の冷却を行うことで、凝固する部分の体積減少分を未凝固の溶湯が補填しながら冷却が進んでいくため、上記欠陥の発生を低減し易い。上記一方向の冷却を達成するには、例えば、溶湯が供給される側と反対側の部分に冷却材などを接触させて当該部分を強制的に冷却したり、溶湯が供給される側を保温したりすると良い。 By controlling the cooling direction and cooling rate of the composite in the cooling step, a substrate with few internal defects and surface defects can be obtained. Specifically, cooling is performed in one direction from the side opposite to the side to which the molten metal is supplied in the infiltration member (this direction is referred to as a cooling direction). By performing such one-way cooling, the cooling proceeds while the volume of the solidified portion is compensated for by the unsolidified molten metal, so that the occurrence of the defects can be easily reduced. In order to achieve the one-way cooling, for example, a coolant or the like is brought into contact with a portion opposite to the side to which the molten metal is supplied to forcibly cool the portion, or the side to which the molten metal is supplied is kept warm. It is good to do.
冷却速度は、０．１℃／ｍｍ以上、特に０．５℃／ｍｍ以上の温度勾配が設けられるように調整することが好ましい。ここで、温度勾配は、以下に示すようにして求めた値とする。
冷却方向に沿って溶浸部材をｎ等分し、溶浸部材における冷却方向の終端側の位置をＰ０とし、冷却方向に沿って分割点をＰ0に近い側からＰ１、Ｐ２…とする。つまり、溶浸部材における冷却方向の始端側の位置（溶浸部材の最も温度の低い位置）をＰｎとし、冷却方向に向かってＰｎ−１、Ｐｎ−２、…とし、溶浸部材の最も温度の高い位置をＰ０とする。『ｎ』は２以上の任意の自然数である。そして、Ｐｎが液相線温度に達したときの｛（Ｐｎ−１の温度−Ｐｎの温度）／Ｐｎ〜Ｐｎ−１間の距離｝を求める。つまり、Ｐ０〜Ｐ１間の温度勾配（℃／ｍｍ）、Ｐ１〜Ｐ２間の温度勾配、…Ｐｎ−１〜Ｐｎ間の温度勾配を求める。各温度勾配が０．１℃／ｍｍ以上、特に０．５℃／ｍｍ以上となるように溶浸部材を一方向に冷却すれば、基材の内部に欠陥が生じ難い。なお実測の際は、Ｐｎ〜Ｐｎ−１間の距離が５〜１０ｍｍ程度になるように『ｎ』を選ぶと良い。The cooling rate is preferably adjusted so that a temperature gradient of 0.1 ° C./mm or more, particularly 0.5 ° C./mm or more is provided. Here, the temperature gradient is a value obtained as follows.
Infiltration member along the cooling direction divided into n equal parts, the position of the terminal end side of the cooling direction of infiltration member and P0, P1 division points along the cooling direction from the side close to P0, P2 ... And That is, the position on the starting end side in the cooling direction in the infiltrating member (the position where the temperature of the infiltrating member is the lowest) is Pn, and Pn−1 , Pn−2 ,. Let P0 be the highest temperature position. “N” is an arbitrary natural number of 2 or more. Then, a{(temperature ofP n-1 of the temperature -Pn) / P n distance betweento P n-1} at the time when theP n reaches the liquidus temperature. That is, a temperature gradient between P0 and P1 (° C./mm), a temperature gradient between P1 and P2 ,..., A temperature gradient between Pn−1 and Pn are obtained. If the infiltration member is cooled in one direction so that each temperature gradient is 0.1 ° C./mm or more, particularly 0.5 ° C./mm or more, it is difficult for defects to occur inside the substrate. In the actual measurement, “n” may be selected so that the distance between Pn and Pn−1 is about 5 to 10 mm.
あるいは、冷却速度（基材におけるある地点の温度ＴＨと所定の温度ＴＬ（＜ＴＨ）との差：ＴＨ−ＴＬを、温度ＴＨから温度ＴＬに降下するまでに要した時間ｔで除した値：（ＴＨ−ＴＬ）／ｔとする）を０．５℃／ｍｉｎ以上、より好ましくは３℃／ｍｉｎ以上、特に１０℃／ｍｉｎ以上、更に５０℃／ｍｉｎ以上と高速で冷却することでも、上記欠陥をより低減し易い。Alternatively, the difference between the cooling rate (a temperatureT H and the predetermined temperatureT of a point in the base L(<TH): a T H -TL, required until drops from the temperatureT H of the temperatureT L divided by the timet: (T H -T L) / t to) the 0.5 ° C. / min or higher, more preferably 3 ° C. / min or more, particularly 10 ° C. / min or more, further 50 ° C. / min or more The above defects can be easily reduced by cooling at high speed.
≪その他の工程≫
冷却工程を経て得られた基材をホットプレスすることで、基材の内部にある気孔を押しつぶしつつ、基材の形状を所望の寸法精度に整えても良い。その場合、加熱温度は、常温以上で、かつマトリックスの融点未満とする。また、加圧の圧力は、０．５ｔｏｎ／ｃｍ２（約４９ＭＰａ）以上とすると良い。≪Other processes≫
The base material obtained through the cooling step may be hot pressed to adjust the shape of the base material to a desired dimensional accuracy while crushing the pores inside the base material. In that case, the heating temperature is set to normal temperature or higher and lower than the melting point of the matrix. The pressurizing pressure is preferably 0.5 ton / cm2 (about 49 MPa) or more.
基材を作製した後、基材の表面に金属板を貼り付けて、基材に平滑層を形成しても良い。例えば、基材上に金属板を重ね、その積層物を加圧しながら加熱し、拡散接合することで、基材に平滑層を形成する。その場合、加熱温度は３００℃以上、加圧の圧力は０．５ｔｏｎ／ｃｍ２（約４９ＭＰａ）以上とすると良い。拡散接合によって平滑層を形成する場合、平滑層の材質として、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗ、およびＭｏの他に、Ｍｇ、Ａｌ，Ｃｕなどを選択することができる。After producing the base material, a smooth plate may be formed on the base material by attaching a metal plate to the surface of the base material. For example, a smoothing layer is formed on the substrate by stacking a metal plate on the substrate, heating the laminate while applying pressure, and performing diffusion bonding. In that case, the heating temperature is preferably 300 ° C. or higher, and the pressure of pressurization is preferably 0.5 ton / cm2 (about 49 MPa) or higher. When the smooth layer is formed by diffusion bonding, Mg, Al, Cu or the like can be selected as the material of the smooth layer in addition to Nb, Ta, Ti, W, and Mo.
基材の最表面にメッキ層を形成しても良い。基材に平滑層が形成されている場合、平滑層ごとメッキ層を形成すれば良い。メッキ層の材質としては、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｓｎなどを挙げることができる。メッキ層の形成には、電気メッキ、無電解メッキなどを利用することができる。メッキ層を形成後に熱処理を施して、メッキ層の剥離強度および硬度を向上させても良い。 A plating layer may be formed on the outermost surface of the substrate. When a smooth layer is formed on the substrate, a plating layer may be formed together with the smooth layer. Examples of the material for the plating layer include Ni, Cu, Au, and Sn. For the formation of the plating layer, electroplating, electroless plating, or the like can be used. Heat treatment may be performed after forming the plating layer to improve the peel strength and hardness of the plating layer.
≪配置工程の別形態１≫
［成形体の集合体を得る方法］
成形体の集合体は、ダイヤモンドの分散剤粉末と溶浸剤粉末とを混合する混合工程と、その混合粉末を金型内に充填して加圧成形する成形工程と、によって製造することができる。ダイヤモンドの分散剤粉末と溶浸剤粉末とに加えて、バインダ成分を添加しても良い。成型後に焼結工程を含んでも良い。このような操作によって、より強固な成型体を設けることができる。バインダ成分としては例えばポリカルボシラン（Ｐｏｌｙｃａｒｂｏｓｉｌａｎｅ）が、焼結工程の条件としては例えば不活性雰囲気中８００℃×２時間などが挙げられる。≪Another form of placement process 1≫
[Method for obtaining an aggregate of molded bodies]
The aggregate of the compacts can be manufactured by a mixing process in which the diamond dispersant powder and the infiltrant powder are mixed, and a molding process in which the mixed powder is filled in a mold and press-molded. In addition to the diamond dispersant powder and the infiltrant powder, a binder component may be added. A sintering step may be included after molding. By such an operation, a stronger molded body can be provided. Examples of the binder component include polycarbosilane, and examples of the sintering process include 800 ° C. × 2 hours in an inert atmosphere.
成形体の集合体は、ダイヤモンドの分散材粉末と溶浸剤とを含むスラリーを作製するスラリー作製工程と、そのスラリーを所望の形状に成形する成形工程と、成形体を乾燥させる乾燥工程と、によって製造することができる。ダイヤモンドの分散剤粉末と溶浸剤粉末とに加えて、バインダ成分を添加しても良い。また乾燥後に焼結工程を含んでも良い。このような操作によって、より強固な成形体を得ることができる。バインダ成分としては例えばポリカルボシランが、焼結工程の条件としては例えば不活性雰囲気中８００℃×２時間などが挙げられる。 The aggregate of the molded body is formed by a slurry preparation process for preparing a slurry containing a diamond dispersion powder and an infiltrant, a molding process for molding the slurry into a desired shape, and a drying process for drying the molded body. Can be manufactured. In addition to the diamond dispersant powder and the infiltrant powder, a binder component may be added. Further, a sintering step may be included after drying. By such an operation, a stronger molded body can be obtained. Examples of the binder component include polycarbosilane, and examples of the sintering process include 800 ° C. × 2 hours in an inert atmosphere.
溶浸剤の含有量は、ダイヤモンドの分散材粉末を１００質量％としたとき、０．１質量％以上１０質量％以下とすることが好ましい。また、溶浸剤の材質としては、Ｎａ２ＳｉＯ３、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、ＺｎＯ、およびＳｎＯ２の少なくとも１種を利用することができる。The content of the infiltrating agent is preferably 0.1% by mass or more and 10% by mass or less when the diamond dispersion powder is 100% by mass. Moreover, as a material of the infiltrant, at least one of Na2 SiO3 , SiO2 , Al2 O3 , Fe2 O3 , ZnO, and SnO2 can be used.
スラリーを作製する際の溶媒としては、水あるいは有機溶媒を利用することができる。有機溶媒としては、ベンゼン、ノルマルヘキサンなどを利用することができる。溶媒には分散剤を添加しても良い、分散剤としては、ポリカルボン酸、スチレン-マレイン酸共重合体などの界面活性剤などを利用することができる。 As a solvent for preparing the slurry, water or an organic solvent can be used. As the organic solvent, benzene, normal hexane, or the like can be used. A dispersant may be added to the solvent. As the dispersant, a surfactant such as polycarboxylic acid or styrene-maleic acid copolymer can be used.
ここで、溶浸剤を溶解させた溶媒に分散剤粉末を加えてスラリーを作製してもかまわない。例えば、ケイ酸ナトリウム（Ｎａ２ＳｉＯ３）の水溶液に分散剤粉末を加えてスラリーを作製することが挙げられる。この場合、ケイ酸ナトリウムの含有量は、分散剤粉末に対して０．１質量％以上１０質量％以下となるように調整しておくことが好ましい。Here, a slurry may be prepared by adding a dispersant powder to a solvent in which an infiltrant is dissolved. For example, a slurry is prepared by adding a dispersant powder to an aqueous solution of sodium silicate (Na2 SiO3 ). In this case, the content of sodium silicate is preferably adjusted so as to be 0.1% by mass or more and 10% by mass or less with respect to the dispersant powder.
成形工程は、成形型にスラリーを充填することで行うと良い。成形型として、配置工程で用いる鋳型を利用することもできる。つまり、配置工程で用いる鋳型にスラリーを直接充填することで、スラリーの成形を行っても良い。この構成は、成形工程と同時に配置工程が同時に行われる構成である。この場合、スラリーの乾燥工程も鋳型内で行うことになる。 The molding step is preferably performed by filling the mold with slurry. A mold used in the arrangement step can also be used as the mold. That is, the slurry may be formed by directly filling the mold used in the arranging step with the slurry. This configuration is a configuration in which the placement step is performed simultaneously with the molding step. In this case, the slurry drying process is also performed in the mold.
その他、スラリーを用いた集合体の形成方法として、スリップキャスト法、ドクターブレード法、湿式プレス法、あるいは押出成形法を利用することができる。この場合、成形工程と配置工程とは別個に行われる。つまり、配置工程において成形体を鋳型内に設置することになる。 In addition, a slip casting method, a doctor blade method, a wet pressing method, or an extrusion molding method can be used as a method for forming an aggregate using a slurry. In this case, the forming step and the arranging step are performed separately. That is, the molded body is placed in the mold in the arranging step.
成形体を乾燥させる乾燥工程の条件は、ダイヤモンドが炭化するような高温でなければ特に限定されない。例えば、６０℃以上５００℃以下で１分以上１０時間以下の熱処理を行うことが挙げられる。熱処理は不活性雰囲気下で行っても良いし、大気雰囲気下で行っても良い。 The conditions of the drying process for drying the molded body are not particularly limited as long as the diamond is not at a high temperature at which carbonization occurs. For example, heat treatment may be performed at 60 ° C. to 500 ° C. for 1 minute to 10 hours. The heat treatment may be performed in an inert atmosphere or in an air atmosphere.
以上説明した成形体の集合体を用いて溶浸を行う場合、鋳型内の容積よりも小さい成形体としても良い。その場合、配置工程において鋳型と成形体との間に所定の隙間が設けられるようにスペーサなどを配置し、この隙間にマトリックス金属の溶湯が流入されるようにする。その結果、基材のマトリックス金属と同じ組成で、当該マトリックス金属と連続する組織を有する平滑層を基材上に形成できる。 When infiltration is performed using the aggregate of molded bodies described above, a molded body smaller than the volume in the mold may be used. In that case, a spacer or the like is arranged so that a predetermined gap is provided between the mold and the molded body in the arrangement step, and the matrix metal melt flows into this gap. As a result, a smooth layer having the same composition as the matrix metal of the base material and having a structure continuous with the matrix metal can be formed on the base material.
上記スペーサは、ナフタレンなどのように複合時の熱で昇華により除去できるものや、カーボン、鉄、ステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ４３０）といった耐熱性に優れるものが利用できる。このスペーサは、下地層に埋設させたままにしてもよいし、スペーサ部分を切削などにより除去してもよい。 As the spacer, a material that can be removed by sublimation with heat at the time of compounding, such as naphthalene, or a material having excellent heat resistance such as carbon, iron, stainless steel (for example, SUS430) can be used. This spacer may be left embedded in the underlayer, or the spacer portion may be removed by cutting or the like.
≪配置工程の別形態２≫
［焼結体の集合体を得る方法］
焼結体の集合体は、ダイヤモンドの分散剤粉末を加圧成形する成形工程と、粉末成形体を焼結して、ダイヤモンドの分散剤粒子同士が結合されたネットワーク部を有する集合体を作製する工程と、によって製造することができる。≪Another form 2 of placement process≫
[Method for obtaining an aggregate of sintered bodies]
The aggregate of sintered bodies is a molding step in which diamond dispersant powder is pressure-molded, and the powder compact is sintered to produce an aggregate having a network portion in which diamond dispersant particles are bonded together. And can be manufactured by a process.
焼結体状の集合体は、黒鉛の粉末成形体を形成する成形工程と、粉末成形体を焼結して、黒鉛をダイヤモンドに転移させながらダイヤモンド同士を結合するネットワーク部を有する集合体を形成する焼結工程と、によって製造することもできる。 Sintered aggregates form an aggregate that has a molding process to form a graphite powder compact and a network part that sinters the powder compact and bonds the diamonds together while transferring the graphite to diamond. It can also be manufactured by a sintering process.
焼結体の集合体を作製したら、その焼結体の集合体を鋳型内に配置して、溶浸を行えば良い。その際、焼結体の集合体は、成形体の集合体よりも強度が高く、損傷し難い。その他、焼結体の集合体を作製するメリットとしては、集合体を多孔質とすることができる、基材における分散剤粉末の充填率をさせ易い、といった点を挙げることができる。 Once the aggregate of sintered bodies is produced, the aggregate of sintered bodies may be placed in a mold and infiltrated. At that time, the aggregate of sintered bodies has a higher strength than the aggregate of molded bodies and is hardly damaged. Other advantages of producing an aggregate of sintered bodies include that the aggregate can be made porous, and the filling rate of the dispersant powder in the substrate can be easily increased.
以下、実際に複合材料を作製し、複合材料の特性を調べた。 Hereinafter, a composite material was actually produced, and the characteristics of the composite material were examined.
［試験例１−１］
試験例１−１では、複合材料の特性に及ぼす溶浸温度の影響を調べた。[Test Example 1-1]
In Test Example 1-1, the influence of the infiltration temperature on the characteristics of the composite material was examined.
（試料の作製）
まず、分散剤粉末として、平均粒径１１０μｍのダイヤモンド粗粒子からなる粗粉末と、平均粒径２０μｍのダイヤモンド微粒子からなる微粉末と、を用意した。これら粗粉末と微粉末とを質量比で７：３の割合で混合し、さらに溶浸剤を添加した混合粉末を複数用意した。溶浸剤は、平均粒径０．３μｍのＳｉＯ２粉末であり、溶浸剤の添加量は、粗粉末と微粉末との合計を１００質量％としたとき、３質量％とした。各粉末の平均粒径は、メジアン粒径である。(Sample preparation)
First, as a dispersant powder, a coarse powder composed of diamond coarse particles having an average particle diameter of 110 μm and a fine powder composed of diamond fine particles having an average particle diameter of 20 μm were prepared. These coarse powder and fine powder were mixed at a mass ratio of 7: 3, and a plurality of mixed powders to which an infiltrant was added were prepared. The infiltrant was SiO2 powder having an average particle size of 0.3 μm, and the amount of the infiltrant added was 3% by mass when the total of the coarse powder and fine powder was 100% by mass. The average particle size of each powder is the median particle size.
上記混合粉末は、３０ｍｍ×３０ｍｍ×２ｍｍの内部空間を有する鋳型内に充填した。充填の際、タッピングして、鋳型内における混合粉末の充填量を調整した。 The mixed powder was filled in a mold having an internal space of 30 mm × 30 mm × 2 mm. During filling, tapping was performed to adjust the filling amount of the mixed powder in the mold.
次いで、マトリックスとして純Ｍｇの溶湯を用意し、混合粉末が充填された鋳型内にその溶湯を充填し、ダイヤモンドの分散剤粉末に溶湯を溶浸させた。その際、溶浸温度（溶湯の温度および鋳型の温度）を種々変化させた。溶浸時間は１時間とした。また、溶浸は、不活性雰囲気下で加圧なしの状態で行った。 Next, a pure Mg melt was prepared as a matrix, the melt was filled in a mold filled with the mixed powder, and the melt was infiltrated into the diamond dispersant powder. At that time, the infiltration temperature (melt temperature and mold temperature) was variously changed. The infiltration time was 1 hour. Further, infiltration was performed in an inert atmosphere and without pressure.
最後に、溶浸部材が収納された鋳型を冷却部材に接触させて、鋳型ごと溶浸部材を冷却した。このような冷却を行うことで、鋳型内の溶浸部材のうち、冷却板側（一端側）から冷却板とは反対側（他端側）に向かって溶浸部材が冷却される。 Finally, the mold containing the infiltration member was brought into contact with the cooling member to cool the infiltration member together with the mold. By performing such cooling, among the infiltration members in the mold, the infiltration member is cooled from the cooling plate side (one end side) toward the opposite side (the other end side) from the cooling plate.
（試料の特性の測定）
作製した複合材料（基材）の熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）、線熱膨張率（ｐｐｍ／Ｋ）、冷熱サイクル耐性、マトリックスと分散剤粒子との直接接触割合（％）、基材におけるマトリックスと分散剤粒子との結合状態、および針状炭化物の形成状態を確認した。
・線熱膨張率及び熱伝導率は、市販の測定器を用いて測定した。線熱膨張率は、３０℃〜１５０℃の範囲について測定した。
・基材の冷熱サイクル耐性は、温度変化に伴う基材の熱伝導率の低下のし難さを表す指標である。具体的には、複合材料を、−６０℃に保持した試験液（株式会社ダイトテック製のガルデンＨＳ２６０）に１０分間浸した後、２５０℃に保持した試験液（株式会社ダイトテック製のガルデンＤ０５）に１０分間浸すことを１サイクルとする冷熱サイクルを１０００サイクル行った後の基材の熱伝導率を、冷熱サイクルを行う前の基材の熱伝導率で割った値をパーセンテージで示すことで求めた。数値が１００％に近づくほど、激しい温度変化にも特性が低下しない複合材料であるといえる。
・マトリックスと分散剤粒子との直接接触割合は、基材の断面を画像解析し、任意の１０個以上の分散剤粒子の周長に占めるマトリックスと分散剤粒子との接触割合で求めた。
・基材におけるマトリックスと分散剤粒子との結合状態、および針状炭化物の形成状態を顕微鏡観察によって確認した。(Measurement of sample characteristics)
Thermal conductivity (W / mK), linear thermal expansion coefficient (ppm / K), thermal cycle resistance, direct contact ratio (%) between matrix and dispersant particles of the produced composite material (base material), matrix in the base material The state of binding between the particles and the dispersant particles and the state of formation of acicular carbide were confirmed.
-Linear thermal expansion coefficient and thermal conductivity were measured using a commercially available measuring device. The linear thermal expansion coefficient was measured in the range of 30 ° C to 150 ° C.
-The heat cycle resistance of a base material is an index representing the difficulty of lowering the thermal conductivity of the base material due to a temperature change. Specifically, the composite material was immersed in a test solution maintained at −60 ° C. (Galden HS260 manufactured by Daito Tech Co., Ltd.) for 10 minutes and then maintained at 250 ° C. (Galden D05 manufactured by Daito Tech Co., Ltd.). ) By substituting the thermal conductivity of the substrate after 1000 cycles of the thermal cycle with one cycle of immersion in 10 minutes) by dividing the thermal conductivity of the substrate before the thermal cycle by percentage. Asked. It can be said that as the numerical value approaches 100%, the composite material does not deteriorate in characteristics even with a drastic temperature change.
The direct contact ratio between the matrix and the dispersant particles was determined by image analysis of the cross section of the substrate and the contact ratio between the matrix and the dispersant particles in the circumference of any 10 or more dispersant particles.
-The bonding state between the matrix and the dispersant particles in the substrate and the formation state of the acicular carbide were confirmed by microscopic observation.
その他、基材における粗粉末と微粉末の平均粒径を以下のようにして確認した。まず、所定の質量の複合材料を酸で溶解してマトリックスを取り除き、レーザー回折式の粒度分布計で分散剤粉末の粒径を測定した。その際、２μｍ以下の粒子は、コンタミネーションなどであると見做し、以降の操作から除外する。次に、５μｍ刻みのヒストグラムを作成し、間隔が２０μｍ以上離れた二つのピークが存在することを確認した。そして、粒径が小さい方のピークのヒストグラムに含まれる粒子のメジアン径を求めたところ、およそ２０μｍであり、粒径が大きい方のピークのヒストグラムに含まれる粒子のメジアン径を求めたところ、およそ１１０μｍであった。さらに、複合材料を酸で溶解して残った分散剤粉末の質量を測定し、複合材料の密度から、計算によって複合材料における分散剤粉末の含有量を求めた。 In addition, the average particle diameters of the coarse powder and fine powder in the substrate were confirmed as follows. First, a composite material having a predetermined mass was dissolved with an acid to remove the matrix, and the particle size of the dispersant powder was measured with a laser diffraction particle size distribution meter. At that time, particles having a size of 2 μm or less are regarded as contamination and are excluded from the subsequent operations. Next, a histogram in increments of 5 μm was created, and it was confirmed that there were two peaks separated by 20 μm or more. Then, when the median diameter of the particles included in the histogram of the smaller particle diameter was determined, it was approximately 20 μm, and when the median diameter of the particles included in the histogram of the larger particle diameter was determined, It was 110 μm. Furthermore, the mass of the dispersant powder remaining after the composite material was dissolved with an acid was measured, and the content of the dispersant powder in the composite material was calculated from the density of the composite material.
（測定結果）
各試料の組成や製造条件に係る情報、および測定した試料の特性を表１に示す。なお、表に記載した粗粒と微粒の粒径は、複合材料の製造時に用意した粗粒と微粒の平均粒径である。(Measurement result)
Table 1 shows information on the composition and manufacturing conditions of each sample, and the characteristics of the measured sample. In addition, the particle size of the coarse particle and fine particle which were described in the table | surface is an average particle diameter of the coarse particle and fine particle which were prepared at the time of manufacture of a composite material.
表１に示すように、溶浸温度が７００℃未満の試料１では、分散剤粉末にＭｇの溶湯を溶浸させることができなかった。一方、溶浸時に溶浸剤を用い、溶浸温度を７００℃以上１０００℃以下とすることで、分散剤粉末にＭｇの溶湯を溶浸させることができ、複合材料（基材）を得ることができた（試料２〜１０参照）。 As shown in Table 1, in Sample 1 having an infiltration temperature of less than 700 ° C., Mg melt could not be infiltrated into the dispersant powder. On the other hand, by using an infiltrant during infiltration and setting the infiltration temperature to 700 ° C. or more and 1000 ° C. or less, the Mg powder can be infiltrated into the dispersant powder, and a composite material (base material) can be obtained. (See Samples 2 to 10).
試料２〜１０の基材の断面を観察したところ、マトリックスと分散剤粒子との界面の５０％以上で、マトリックスと分散剤粒子とが直接結合していた。さらに試料３〜１０では、ダイヤモンドの分散剤粒子の表面に針状炭化物が形成されていた。代表して、試料６の断面の顕微鏡写真を図１〜３に示す。図１は試料６の基材断面の顕微鏡写真、図２は図１の拡大写真であり、黒色部分は分散剤粒子、灰色部分はマトリックスである。また、図３は試料６の基材におけるマトリックスと分散剤粒子との界面近傍の顕微鏡写真である。これらの図（特に図３を参照）に示されるように、マトリックスと分散剤粒子とが界面の大部分（９５％以上の部分）で、マトリックスと分散剤粒子とが直接結合していることが確認された。また、図３に示されるように、界面の所々に、Ｍｇ２Ｓｉの中間層が形成されていることが確認された。この中間層が、マトリックスと分散剤粒子との結合を強固に維持している可能性が考えられる。When the cross sections of the substrates of Samples 2 to 10 were observed, the matrix and the dispersant particles were directly bonded at 50% or more of the interface between the matrix and the dispersant particles. Further, in Samples 3 to 10, needle-like carbides were formed on the surface of the diamond dispersant particles. As a representative, micrographs of a cross section of Sample 6 are shown in FIGS. FIG. 1 is a micrograph of a cross-section of the base material of Sample 6, FIG. 2 is an enlarged photograph of FIG. 1, and the black part is a dispersant particle and the gray part is a matrix. FIG. 3 is a photomicrograph of the vicinity of the interface between the matrix and the dispersant particles in the base material of Sample 6. As shown in these figures (see FIG. 3 in particular), the matrix and the dispersant particles are directly bonded to each other in the majority of the interface (95% or more). confirmed. Further, as shown in FIG. 3, it was confirmed that an intermediate layer of Mg2 Si was formed at various points of the interface. There is a possibility that this intermediate layer strongly maintains the bond between the matrix and the dispersant particles.
また、試料２〜１０について、マトリックスの酸素濃度をＥＰＭＡで測定したところ、［１］マトリックス中のＭｇ酸化物（ＭｇＯ）の含有量が、Ｍｇを１００としたとき３質量％以上であること、［２］マトリックスと分散剤粒子との界面から１μｍまでの領域に酸素濃度のピークが存在すること、が確認された。代表して、試料６の分析結果を図４に示す。図４の横軸はマトリックスにおける界面からの距離、縦軸は酸素濃度を示しており、界面からおよそ０．４μｍの位置に酸素濃度のピークが存在することを確認することができる。このマトリックス中の酸素は、基材の製造が不活性雰囲気で行われたことを考慮すれば、製造時に用いた酸化物（ＳｉＯ２）の溶浸剤粉末に由来するものと考えられる。界面近傍に酸素が多いということは、溶浸時に分散剤粒子の周りに溶浸剤粉末が多く存在していたことを示唆しているものと推察される。このＭｇＯが多い領域は、Ｍｇとダイヤモンドの熱膨張差の緩衝領域として働き、冷熱サイクル耐性の向上に寄与していると考えられる。Moreover, when the oxygen concentration of the matrix was measured with EPMA for Samples 2 to 10, [1] the content of Mg oxide (MgO) in the matrix was 3% by mass or more when Mg was 100, [2] It was confirmed that an oxygen concentration peak exists in the region from the interface between the matrix and the dispersant particles to 1 μm. As a representative, the analysis result of the sample 6 is shown in FIG. The horizontal axis in FIG. 4 indicates the distance from the interface in the matrix, and the vertical axis indicates the oxygen concentration. It can be confirmed that a peak of oxygen concentration exists at a position of about 0.4 μm from the interface. Oxygen in the matrix is considered to be derived from the oxide (SiO2 ) infiltrant powder used in the production, considering that the production of the substrate was performed in an inert atmosphere. It can be inferred that the presence of a large amount of oxygen in the vicinity of the interface suggests that a large amount of infiltrant powder was present around the dispersant particles at the time of infiltration. The region containing a large amount of MgO functions as a buffer region for the difference in thermal expansion between Mg and diamond, and is considered to contribute to the improvement of the resistance to thermal cycle.
上記結合状態にある試料２〜１０の熱特性について確認したところ、試料２〜１０はいずれも、５５０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率と、４．４〜４．６ｐｐｍ／Ｋの線熱膨張率を有しており、半導体素子の放熱部材として十分な特性を有していることが分かった。さらに、７００℃以上１０００℃以下の範囲で溶浸温度を高くするほど、分散剤粒子の表面に針状炭化物が生成し易く、それに伴って複合材料（基材）の熱伝導率と冷熱サイクル耐性が向上することが分かった。特に、溶浸温度が８２０℃〜８８０℃の範囲にあるとき、熱伝導率および冷熱サイクル耐性のいずれにも優れる基材となることが分かった。 When the thermal characteristics of the samples 2 to 10 in the bonded state were confirmed, all of the samples 2 to 10 had a thermal conductivity of 550 W / mK or more and a linear thermal expansion coefficient of 4.4 to 4.6 ppm / K. It has been found that it has sufficient characteristics as a heat dissipating member for semiconductor elements. Furthermore, the higher the infiltration temperature is in the range of 700 ° C. or more and 1000 ° C. or less, the more easily acicular carbide is generated on the surface of the dispersant particles, and accordingly, the thermal conductivity and the thermal cycle resistance of the composite material (base material). Was found to improve. In particular, it has been found that when the infiltration temperature is in the range of 820 ° C. to 880 ° C., the base material is excellent in both thermal conductivity and cold cycle resistance.
［試験例１−２］
試験例１−２では、複合材料の特性に及ぼす溶浸剤の有無、および添加量の影響を調べた。その結果を表２に示す。調べた添加量は、１質量％、３質量％、５質量％、７質量％、１０質量％であった。なお、試料６は、試験例１の試料６と同じである（この点は、以降の試験においても同様である）。[Test Example 1-2]
In Test Example 1-2, the effect of the presence or absence of an infiltrant and the amount added on the characteristics of the composite material was examined. The results are shown in Table 2. The addition amount examined was 1% by mass, 3% by mass, 5% by mass, 7% by mass, and 10% by mass. The sample 6 is the same as the sample 6 of Test Example 1 (this is the same in the subsequent tests).
表２に示すように、溶浸剤を添加しなかった試料１１では分散剤粉末にＭｇの溶湯を溶浸させることができなかった。一方、溶浸剤を添加した試料１２，６，１３，１４，１５では分散剤粉末にＭｇの溶湯を溶浸させることができた。各試料を比較したところ、複合材料の熱伝導率は、溶浸剤の添加量が３質量％のときをピークとし、溶浸剤の添加量が少なくなっても多くなっても減少する傾向にあることが分かった。また、溶浸剤の添加量が３質量％よりも少ない試料１２では、冷熱サイクル耐性が低下する傾向があり、溶浸剤の添加量が３質量％よりも多くなるほど、線熱膨張率が低下する傾向、およびマトリックスと分散剤粒子との直接接触割合が低下する傾向にあることが分かった。これらの結果から、溶浸剤の添加量には最適な範囲が存在し、溶浸剤の最適な添加量は３質量％前後（２質量％以上５質量％以下）であることが分かった。 As shown in Table 2, in the sample 11 to which no infiltrant was added, the Mg melt could not be infiltrated into the dispersant powder. On the other hand, in Samples 12, 6, 13, 14, and 15 to which an infiltrant was added, Mg melt could be infiltrated into the dispersant powder. When comparing each sample, the thermal conductivity of the composite material has a peak when the added amount of the infiltrant is 3% by mass and tends to decrease as the added amount of the infiltrant decreases or increases. I understood. Moreover, in the sample 12 in which the addition amount of the infiltrant is less than 3% by mass, the thermal cycle resistance tends to decrease, and the linear thermal expansion coefficient tends to decrease as the addition amount of the infiltrant exceeds 3% by mass. It has been found that the direct contact ratio between the matrix and the dispersant particles tends to decrease. From these results, it was found that there was an optimum range for the amount of the infiltrant added, and the optimum amount of the infiltrant was about 3% by mass (2% by mass to 5% by mass).
［試験例１−３］
試験例１−３では、複合材料の特性に及ぼす溶浸剤の平均粒径の影響を調べた。調べた溶浸剤の平均粒径は、０．０１μｍ、０．３μｍ、１μｍ、３μｍであった。その結果を表３に示す。[Test Example 1-3]
In Test Example 1-3, the influence of the average particle diameter of the infiltrant on the characteristics of the composite material was examined. The average particle size of the infiltrated was 0.01 μm, 0.3 μm, 1 μm, and 3 μm. The results are shown in Table 3.
表３に示すように、複合材料の熱伝導率は、溶浸剤の平均粒径が小さくなるほど上昇する傾向にあることが分かった。このような傾向が認められるのは、溶浸剤の平均粒径が小さければ、分散剤粉末の隅々に溶浸剤が行き渡り、分散剤粒子とマトリックスとの結合が良好になるからであると推察される。 As shown in Table 3, it was found that the thermal conductivity of the composite material tends to increase as the average particle size of the infiltrant decreases. This tendency can be observed because if the average particle size of the infiltrant is small, the infiltrant spreads to every corner of the dispersant powder, and the bond between the dispersant particle and the matrix is improved. The
［試験例１−４］
試験例１−４では、複合材料の特性に及ぼす溶浸剤の材質の影響を調べた。調べた溶浸剤の材質は、ＳｉＯ２、Ｎａ２ＳｉＯ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、ＺｎＯ、ＳｎＯ２であった。その結果を表４に示す。[Test Example 1-4]
In Test Example 1-4, the influence of the material of the infiltrant on the characteristics of the composite material was examined. The material of the examined infiltrantis, SiO 2, Na 2 SiO 3 , Al 2 O 3, Fe 2 O 3, ZnO, it was SnO2. The results are shown in Table 4.
表４の結果から、いずれの溶浸剤であっても複合材料の特性に殆ど差は認められなかった。このことから、酸化物の溶浸剤であれば、ダイヤモンドの分散剤粉末にＭｇの溶湯を溶浸させることができることが分かった。 From the results shown in Table 4, almost no difference was observed in the characteristics of the composite material with any infiltrant. From this, it was found that an oxide infiltrant can infiltrate molten Mg into the diamond dispersant powder.
［試験例１−５］
試験例１−５では、複合材料の特性に及ぼす分散剤粒子の粒径の影響を調べた。その結果を表５に示す。[Test Example 1-5]
In Test Example 1-5, the influence of the particle size of the dispersant particles on the characteristics of the composite material was examined. The results are shown in Table 5.
表５の結果から、粗粉末の平均粒径と微粉末の平均粒径との差が大きくなるほど、複合材料の熱伝導率が上昇する傾向にあることが分かった。このような傾向が認められるのは、粗粒子の粒径に対して微粒子の粒径が小さくなるほど、粗粒子同士の隙間に微粒子が入り込み易くなるからであると推察される。また、粗粉末の平均粒径が大きくなると、複合材料の熱伝導率が上昇する傾向にあることが分かった。このような傾向が認められるのは、径の大きな粗粒子を使用するほど、若干の熱抵抗を有するＭｇとダイヤモンドの界面が減少するためと推察される。 From the results in Table 5, it was found that the thermal conductivity of the composite material tends to increase as the difference between the average particle size of the coarse powder and the average particle size of the fine powder increases. It is presumed that such a tendency is recognized because the fine particles are more likely to enter the gaps between the coarse particles as the particle size of the fine particles is smaller than the particle size of the coarse particles. It was also found that the thermal conductivity of the composite material tends to increase as the average particle size of the coarse powder increases. This tendency is recognized because the interface between Mg and diamond having a slight thermal resistance decreases as coarse particles having a larger diameter are used.
［試験例１−６］
試験例１−６では、複合材料の特性に及ぼす粗粉末と微粉末との混合比の影響を調べた。結果を表６に示す。[Test Example 1-6]
In Test Example 1-6, the influence of the mixing ratio of the coarse powder and the fine powder on the characteristics of the composite material was examined. The results are shown in Table 6.
表６の結果から、粗粉末の割合が高くなると、複合材料の熱伝導率が高くなる傾向が認められた。なお、試料２７の結果から、粗粉末と微粉末との混合粉末を用いなかったとしても、十分な熱伝導率を有する複合材料を得ることができることが分かった。 From the result of Table 6, when the ratio of coarse powder became high, the tendency for the heat conductivity of a composite material to become high was recognized. Note that, from the results of Sample 27, it was found that a composite material having sufficient thermal conductivity can be obtained without using a mixed powder of coarse powder and fine powder.
［試験例１−７］
試験例１−７では、複合材料の特性に及ぼす分散剤粒子の含有量の影響を調べた。調べた含有量は、４０質量％、５０質量％、６０質量％、７０質量％、８０質量％、９０質量％であった。その結果を表７に示す。[Test Example 1-7]
In Test Example 1-7, the influence of the content of the dispersant particles on the characteristics of the composite material was examined. The investigated contents were 40% by mass, 50% by mass, 60% by mass, 70% by mass, 80% by mass, and 90% by mass. The results are shown in Table 7.
表７の結果から、複合材料に占める分散剤粉末の含有量が大きくなるほど、複合材料の熱伝導率が上昇し、線熱膨張率が小さくなる傾向にあることが分かった。このような傾向から、分散剤粉末の含有量は、複合材料の取付対象の線熱膨張率と整合する範囲で高めに設定すれば良いことが分かる。 From the results of Table 7, it was found that the thermal conductivity of the composite material increases and the linear thermal expansion coefficient tends to decrease as the content of the dispersant powder in the composite material increases. From this tendency, it can be seen that the content of the dispersant powder may be set higher within a range that matches the linear thermal expansion coefficient of the composite material attachment target.
［試験例１−８］
試験例１−８では、複合材料の特性に及ぼすマトリックスの材質の影響を調べた。調べたマトリックスの材質は、純Ｍｇ、Ａｌ−０．３質量％Ｍｇ、Ａｌ−０．５質量％Ｍｇ、Ａｌ−１．０質量％Ｍｇであった。その結果を表８に示す。[Test Example 1-8]
In Test Example 1-8, the influence of the matrix material on the characteristics of the composite material was examined. The examined matrix materials were pure Mg, Al-0.3 mass% Mg, Al-0.5 mass% Mg, Al-1.0 mass% Mg. The results are shown in Table 8.
表８の結果から、熱伝導率および冷熱サイクル耐性の点で、Ｍｇ系のマトリックスがＡｌ系のマトリックスよりも優れていることが分かった。また、Ａｌ系のマトリックスにおいて、Ｍｇの含有量が多くなるほど、複合材料の熱伝導率と冷熱サイクル耐性が向上することが分かった。 From the results in Table 8, it was found that the Mg-based matrix was superior to the Al-based matrix in terms of thermal conductivity and thermal cycle resistance. Further, it was found that the thermal conductivity and the thermal cycle resistance of the composite material are improved as the Mg content increases in the Al-based matrix.
［試験例２］
試験例２として、鋳型内に金属板を配置して、複合材料の基材に平滑層を形成し、平滑層の形成状態を確認した。基材の組成や製造条件は試験例１の試料６と同じとした。[Test Example 2]
As Test Example 2, a metal plate was placed in a mold, a smooth layer was formed on a composite material substrate, and the formation state of the smooth layer was confirmed. The composition and manufacturing conditions of the base material were the same as those of Sample 6 in Test Example 1.
用意した金属板の材質は、Ａｌ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏであった。各金属板のサイズは共通であり、その長さは３０ｍｍ、幅は３０ｍｍ、厚さは５０μｍであった。これら金属板を鋳型の底面に配置し、その金属板の上に分散剤粉末を配置した後、試料６と同様の手順で複合材料の基材を作製した。 The materials of the prepared metal plate were Al, Mg, Ni, Cu, Ta, Nb, Ti, W, and Mo. The size of each metal plate was common, the length was 30 mm, the width was 30 mm, and the thickness was 50 μm. These metal plates were placed on the bottom surface of the mold, and the dispersant powder was placed on the metal plate. Then, a composite material substrate was prepared in the same procedure as Sample 6.
作製した複合材料について、金属板（平滑層）の変形状態、接合の可否、接合状態を調べた。変形状態と接合の可否は目視にて確認した。また、接合状態は、９０°のピール試験（ＪＩＳ Ｚ ３００１）によって評価した。ピール試験の結果が１０Ｎ／ｃｍ以上であれば評価Ａ、１０Ｎ／ｃｍ未満であれば評価Ｂとした。これらの結果を表９に示す。 About the produced composite material, the deformation | transformation state of the metal plate (smooth layer), the possibility of joining, and the joining state were investigated. The deformation state and the possibility of joining were confirmed visually. The bonding state was evaluated by a 90 ° peel test (JIS Z 3001). If the result of the peel test is 10 N / cm or more, the evaluation is A, and if it is less than 10 N / cm, the evaluation is B. These results are shown in Table 9.
表９に示すように、Ａｌ板またはＭｇ板を用いた場合、溶浸時の熱によって金属板が溶解し、平滑層を形成することができなかった。また、Ｎｉ板またはＣｕ板を用いた場合、溶浸時の熱やＭｇとの反応によって金属板が変形し、しかも接合状態が芳しくなかった。これに対して、Ｔａ板、Ｎｂ板、Ｔｉ板、Ｗ板、またはＭｏ板を用いた場合、金属板が変形することなく、しかも接合状態も良好であった。これらのことから、金属板を鋳型内に配置することで基材に平滑層を形成する場合、金属板の材質としてはＴａ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏが好適であることが分かった。 As shown in Table 9, when an Al plate or an Mg plate was used, the metal plate was dissolved by heat during infiltration, and a smooth layer could not be formed. Further, when a Ni plate or a Cu plate was used, the metal plate was deformed due to heat during infiltration or reaction with Mg, and the bonding state was not good. On the other hand, when a Ta plate, Nb plate, Ti plate, W plate, or Mo plate was used, the metal plate was not deformed and the bonding state was good. From these facts, it was found that Ta, Nb, Ti, W, and Mo are suitable as the material of the metal plate when the smooth layer is formed on the substrate by disposing the metal plate in the mold.
［試験例３］
試験例３では、冷却工程における溶浸部材の冷却方法が、複合材料の基材の内部欠陥（空隙）の形成に及ぼす影響を調べた。[Test Example 3]
In Test Example 3, the influence of the cooling method of the infiltrating member in the cooling step on the formation of internal defects (voids) in the base material of the composite material was examined.
溶浸部材のサイズは、長さ３０ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚さ１０ｍｍとした。この溶浸部材を鋳型ごと冷却部材に接触させ、溶浸部材を溶浸部材の長さ方向に冷却した。その際、冷却速度を変化させ、基材中の断面における空隙の最大サイズ（ｍｍ）を測定した。空隙の最大サイズの測定は、基材の断面における所定範囲を画像解析することで求めた。 The size of the infiltrating member was 30 mm in length, 10 mm in width, and 10 mm in thickness. The infiltration member was brought into contact with the cooling member together with the mold, and the infiltration member was cooled in the length direction of the infiltration member. At that time, the cooling rate was changed, and the maximum size (mm) of the void in the cross section in the substrate was measured. The measurement of the maximum size of the void was obtained by image analysis of a predetermined range in the cross section of the substrate.
ここで、溶浸部材の冷却速度は、鋳型のうち、冷却部材に接触する部分以外の部分を保温材で覆うなどして、調整した。また、冷却速度の相違は、以下のようにして求めた温度勾配によって特定した。
溶浸部材を長さ方向に五等分し、冷却方向における温度の高い側から順にＰ０〜Ｐ６を付した位置の温度を測定した（冷却部材側の最も温度が低い部分がＰ６、その反対側の最も温度が高い部分がＰ０）。そして、Ｐｎが液相線温度に達したときの｛（Ｐｎ−１の温度−Ｐｎの温度）／Ｐｎ〜Ｐｎ−１間の距離｝の値を求めた。この値が、冷却速度の温度勾配である。Here, the cooling rate of the infiltrating member was adjusted by covering a part of the mold other than the part in contact with the cooling member with a heat insulating material. Moreover, the difference in cooling rate was specified by the temperature gradient obtained as follows.
The infiltrating member was divided into five equal parts in the length direction, and the temperatures at the positions marked with P0 to P6 in order from the higher temperature side in the cooling direction were measured (the lowest temperature part on the cooling member side was P6 , The part with the highest temperature on the opposite side is P0 ). Then, to determine the value of{(the temperature of theP n-1 of the temperature-P n) / P n ~P n -1 between the distance} when theP n reaches the liquidus temperature. This value is the temperature gradient of the cooling rate.
以上のようにして測定した溶浸部材の冷却速度と基材の内部欠陥との関係を表１０に示す。但し、表中の温度勾配は、求めた温度勾配のうち、最小のものである。 Table 10 shows the relationship between the cooling rate of the infiltrating member and the internal defects of the base material measured as described above. However, the temperature gradient in the table is the smallest of the obtained temperature gradients.
表１０に示されるように、温度勾配が高くなるように一方向の冷却を行うことで、基材中に内部欠陥が生じ難いことが分かった。特に、温度勾配が０．１℃／ｍｍ以上となるように一方向の冷却を行うと、内部欠陥の最大サイズが０．１ｍｍ未満となることが分かった。なお、温度勾配がマイナスとなっているのは、冷却速度の調整が不十分で、一方向の冷却を行えていないことを示している。 As shown in Table 10, it was found that internal defects are less likely to occur in the base material by cooling in one direction so that the temperature gradient becomes high. In particular, it has been found that the maximum size of internal defects is less than 0.1 mm when unidirectional cooling is performed so that the temperature gradient is 0.1 ° C./mm or more. Note that the negative temperature gradient indicates that the cooling rate is not sufficiently adjusted and cooling in one direction cannot be performed.
本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be appropriately changed without departing from the gist of the present invention.
本発明の複合材料は、例えば、半導体素子の放熱部材（本発明放熱部材）に好適に利用することができる。 The composite material of the present invention can be suitably used for, for example, a heat radiating member of a semiconductor element (the heat radiating member of the present invention).
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