JP2017128802A - 金属−黒鉛複合材料及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高い冷熱信頼性と低い線膨張係数を有する金属−黒鉛複合材料、その製造方法及び放熱基板を提供する。【解決手段】金属−黒鉛複合材料５は、銅、銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるマトリックス１中に黒鉛粉末２が存在している。黒鉛粉末２の表面にマトリックス金属とは異種の金属又は異種の金属基合金からなる被覆層３が被覆されている。被覆層３は、密度汎関数法による第一原理計算で算出される被覆層−黒鉛間の接合エネルギーと第一原理計算で算出される被覆層−マトリックス金属間の接合エネルギーとの双方が第一原理計算で算出されるマトリックス金属−黒鉛間の接合エネルギーよりも大きいものである。【選択図】図１

Description

本発明は、金属−黒鉛複合材料、その製造方法及び放熱基板に関し、詳述すると高い冷熱信頼性を有する金属−黒鉛複合材料、その製造方法及び放熱基板に関する。

金属と黒鉛との複合材料は、高い熱伝導率、低い線膨張係数等の特性を一般に有している。この種の複合材料として、例えば特許第４７１１１６５号公報（特許文献１）は、金属層と結晶性カーボン材層が交互に積層されてなる金属とカーボン材との複合材料を開示している。

特許第４７１１１６５号公報

この種の複合材料を例えばＳｉＣ素子等の次世代半導体素子の熱を放散する放熱基板の構成層の材料として用いる場合には、複合材料と放熱基板に含まれるセラミックス層（電気絶縁層）との間の線膨張係数差に起因する熱応力により割れや剥離が発生するのを抑制するため、複合材料の線膨張係数はなるべく小さい方が望ましい。

また、放熱基板の冷熱信頼性を向上させるために、複合材料におけるマトリックス金属／黒鉛界面の接合性を向上させる必要がある。もしマトリックス金属／黒鉛界面の接合性が低いと、冷熱サイクル負荷によりマトリックス金属／黒鉛界面が剥離しこれに伴い複合材料に熱変形が生じて冷熱信頼性が低下する。

本発明は、上述した技術背景に鑑みてなされたもので、その目的は、高い冷熱信頼性と低い線膨張係数を有する金属−黒鉛複合材料、その製造方法及び放熱基板を提供することにある。

本発明は以下の手段を提供する。

［１］ 銅、銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるマトリックス中に黒鉛粉末が存在しており、
前記黒鉛粉末の表面に前記マトリックス金属とは異種の金属又は前記異種の金属基合金からなる被覆層が被覆されており、
前記被覆層は、
密度汎関数法による第一原理計算で算出される前記被覆層−黒鉛間の接合エネルギーと前記第一原理計算で算出される前記被覆層−前記マトリックス金属間の接合エネルギーとの双方が前記第一原理計算で算出される前記マトリックス金属−黒鉛間の接合エネルギーよりも大きいものである、金属−黒鉛複合材料。

［２］ 前記被覆層は、前記異種の金属としてニッケル、クロム又は銅からなるか、あるいは前記異種の金属基合金としてニッケル合金、クロム合金又は銅合金からなるものである前項１記載の金属−黒鉛複合材料。

［３］ 前記黒鉛粉末の表面に前記被覆層が被覆されてなる被覆層付黒鉛粉末の、金属−黒鉛複合材料に対する体積含有率が１５〜７０％の範囲に設定されている前項１又は２記載の金属−黒鉛複合材料。

［４］ 前記被覆層の厚さは０．０１〜１０μｍの範囲に設定されている前項１〜３のいずれかに記載の金属−黒鉛複合材料。

［５］ 積層状に接合一体化された複数の放熱基板構成層を備えており、
前記複数の構成層のうち少なくとも一つは前項１〜４のいずれかに記載の金属−黒鉛複合材料製である放熱基板。

［６］ 銅、銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるマトリックス金属粉末と、黒鉛粉末の表面に前記マトリックス金属粉末とは異種の金属又は前記異種の金属基合金からなる被覆層が被覆されてなる被覆層付黒鉛粉末とを混合し焼結する工程を含み、
前記被覆層は、
密度汎関数法による第一原理計算で算出される前記被覆層−黒鉛間の接合エネルギーと前記第一原理計算で算出される前記被覆層−前記マトリックス金属間の接合エネルギーとの双方が前記第一原理計算で算出される前記マトリックス金属−黒鉛間の接合エネルギーよりも大きいものである、金属−黒鉛複合材料の製造方法。

［７］ 黒鉛粉末の表面に被覆層が被覆されてなる被覆層付黒鉛粉末とバインダーとを含む塗工液を金属箔の塗工予定面に塗工し乾燥することにより、前記金属箔の前記塗工予定面に被覆層付黒鉛粉末層が形成された塗工箔を得る工程と、
複数の前記塗工箔が積層された状態の積層体を形成する工程と、
前記積層体を加熱することにより前記複数の塗工箔を接合一体化する工程と、
を含み、
前記金属箔は、銅箔、銅合金箔、アルミニウム箔又はアルミニウム合金箔であり、
前記被覆層は、
前記金属箔とは異種の金属又は前記異種の金属基合金からなるものであり、更に、密度汎関数法による第一原理計算で算出される前記被覆層−黒鉛間の接合エネルギーと前記第一原理計算で算出される前記被覆層−前記マトリックス金属間の接合エネルギーとの双方が前記第一原理計算で算出される前記マトリックス金属−黒鉛間の接合エネルギーよりも大きいものである、金属−黒鉛複合材料の製造方法。

［８］ 前記被覆層付黒鉛粉末は、前記黒鉛粉末の表面に前記被覆層を成膜法によって被覆することにより得られたものである前項６又は７記載の金属−黒鉛複合材料の製造方法。

本発明は以下の効果を奏する。

前項［１］記載の金属−黒鉛複合材料は、銅、銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるマトリックス中に黒鉛粉末が存在しているので、低い線膨張係数を有している。

さらに、黒鉛粉末の表面に被覆した被覆層は、被覆層−黒鉛間の接合エネルギーと被覆層−マトリックス金属間の接合エネルギーとの双方がマトリックス金属−黒鉛間の接合エネルギーよりも大きいものであるから、冷熱サイクル負荷によるマトリックス金属／黒鉛界面の剥離に伴う複合材料の熱変形を抑制し得て、これにより複合材料の冷熱信頼性を向上させることができる。

前項［２］では、被覆層が所定の金属又は所定の金属基合金からなることにより、前項［１］の効果を確実に奏し得る。

前項［３］では、被覆層付黒鉛粉末の体積含有率が所定範囲に設定されることにより、前項［１］又は［２］の効果を確実に奏し得る。

前項［４］では、被覆層の厚さが所定範囲に設定されることにより、前項［１］〜［３］のいずれかの効果を確実に奏し得る。

前項［５］記載の放熱基板は、複数の構成層のうち少なくとも一つが前項［１］〜［４］のいずれかに記載の金属−黒鉛複合材料製であるから、高い冷熱信頼性を有している。

前項［６］〜［８］のいずれかに記載の金属−黒鉛複合材料の製造方法は、前項［１］〜［４］のいずれかに記載の金属−黒鉛複合材料を確実に製造できる。

図１は、本発明の一実施形態に係る金属−黒鉛複合材料の一部分の拡大概略断面図である。 図２は、冷却基板の概略正面図である。 図３は、本発明のもう一つの実施形態に係る金属−黒鉛複合材料の製造方法を示す流れ図である。 図４は、塗工箔を得る工程を説明する概略図である。 図５は、塗工箔の条材を切断するときの概略図である。 図６は、積層体の概略側面図である。 図７は、複数の塗工箔を加圧加熱焼結装置により接合一体化する場合の概略図である。

次に、本発明の実施形態について図面を参照して以下に説明する。

図１に示すように、本発明の一実施形態に係る金属−黒鉛複合材料５は、銅（Ｃｕ）、銅合金（Ｃｕ合金）、アルミニウム（Ａｌ）又はアルミニウム合金（Ａｌ合金）からなるマトリックス１中に多数の黒鉛粉末２が分散して含有されているものである。

黒鉛粉末２の表面の少なくとも一部には被覆層３が被覆されており、本実施形態では黒鉛粉末２の表面にその全体に亘って被覆層３が被覆されている。

被覆層３は、マトリックス１を形成するマトリックス金属（即ち、銅、銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合金）とは異種の金属又は異種の金属基合金からなる。つまり、黒鉛粉末２の表面はこのような被覆金属で被覆されている。被覆層３の詳細な説明は後述する。

黒鉛粉末２は限定されるものではなく、天然黒鉛粉末（例：鱗片黒鉛粉末）、人造黒鉛粉末、熱分解黒鉛粉末などが用いられ、特に鱗片黒鉛粉末が好適に用いられる。

さらに、黒鉛粉末２は、黒鉛−マトリックス金属間の界面熱抵抗及び黒鉛粉末２のアスペクト比の計算の結果、平均粒径２００μｍ以上で粒径／厚さの平均アスペクト比２０以上の高結晶性黒鉛粉末であることが望ましく、更に、平均粒径３００μｍ以上で平均アスペクト比３０以上の高結晶性黒鉛粉末であることが特に望ましい。黒鉛粉末２の望ましい平均粒径及び平均アスペクト比の上限値は限定されるものではなく、例えば、平均粒径５００μｍ及び平均アスペクト比１００である。

黒鉛粉末２の表面に被覆層３が被覆されて形成された被覆層３付黒鉛粉末２の、複合材料５に対する体積含有率Ｖ_１は限定されるものでないが、１５〜７０％の範囲に設定されることが望ましく、更に３０％以上５５％以下に設定されるのが特に望ましい。

マトリックス金属は、上述したように、銅、銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合金である。ここで、マトリックス金属が銅又はアルミニウムであることにより、より高い熱伝導率を有する複合材料５を得られる点で特に望ましい。また、マトリックス金属が銅合金又はアルミニウム合金であることにより、より高い機械的強度を有する複合材料５を得られるしより低い線膨張係数を有する複合材料５を得られる点で特に望ましい。

次に、被覆層３について以下に詳述する。

被覆層３は、密度汎関数法による第一原理計算で算出される被覆層−黒鉛間の接合エネルギーと同第一原理計算で算出される被覆層−マトリックス金属間の接合エネルギーとの双方が同第一原理計算で算出されるマトリックス金属−黒鉛間の接合エネルギーよりも大きいものである。

したがって、密度汎関数法による第一原理計算で算出される被覆層−黒鉛間の単位面積当たりの接合エネルギーをＥ_１、同第一原理計算で算出される被覆層−マトリックス金属間の単位面積当たりの接合エネルギーをＥ_２、同第一原理計算で算出されるマトリックス金属−黒鉛間の単位面積当たりの接合エネルギーをＥ_０とするとき、被覆層３は、Ｅ_１とＥ_２の双方がＥ_０よりも大きいものであり、すなわち、Ｅ_１＞Ｅ_０の第１関係式とＥ_２＞Ｅ_０の第２関係式の双方を満足するものである。

具体的には、被覆層３は、マトリックス金属とは異種の金属としてニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）又は銅（Ｃｕ）からなるか、あるいはマトリックス金属とは異種の金属基合金としてニッケル合金、クロム合金又は銅合金からなることが望ましく、特に、ニッケルからなるかあるいはニッケル合金からなることが望ましい。

本実施形態の複合材料５には次の利点がある。

本実施形態の複合材料５は、銅、銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるマトリックス１中に多数の黒鉛粉末２が存在しており、そのため低い線膨張係数を有している。

さらに、黒鉛粉末２の表面に被覆層３を被覆することにより、マトリックス金属／黒鉛間の界面に被覆層３が介在する。そしてこの被覆層３はＥ_１とＥ_２の双方がＥ_０よりも大きいものであることにより、冷熱サイクル負荷によるマトリックス金属／黒鉛界面の剥離に伴う複合材料５の熱変形を抑制し得て、これにより複合材料５の冷熱信頼性を向上させることができる。したがって、本実施形態の複合材料５によれば、例えば、５０℃から２５０℃までの間を繰り返す冷熱サイクル負荷において、１サイクル（即ち５０℃→２５０℃→５０℃）で複合材料５に発生する歪みが例えば０．５％以下となり、これにより、マトリックス金属／黒鉛間の剥離に伴う複合材料５の熱変形を抑制し得て、冷熱信頼性を向上させることができる。

次に、本実施形態の複合材料５の好ましい一製造方法について以下に説明する。

本実施形態の複合材料５の製造方法は、マトリックス１を形成するマトリックス金属粉末と上述の被覆層３付黒鉛粉末２とを混合し焼結する工程を含んでいる。

マトリックス金属粉末とは、すなわち、銅粉末、銅合金粉末、アルミニウム粉末、アルミニウム合金粉末などである。

マトリックス金属粉末としては、焼結を阻害したり熱伝導率を低下させたりする要因となる表面酸化膜ができるかぎり少ないものを用いるのが望ましく、特に扁平状の金属粉末を用いることが望ましい。

被覆層３付黒鉛粉末２は、黒鉛粉末２の表面に被覆層３を成膜法によって被覆することにより得ることができる。

成膜法としては、めっき法、ＰＶＤ法（例：蒸着法、スパッタ法）、ＣＶＤ法等が好適に用いられる。成膜法がめっき法である場合、めっき法は限定されるものではなく、無電解めっき法でも電気めっき法でも良い。成膜法がスパッタ法である場合、粉体用スパッタリング法（例：粉末スパッタリング法）により行うことが望ましい。

被覆層３の厚さは限定されるものではないが、０．０１〜１０μｍの範囲に設定されることが望ましく、特に０．２μｍ以上０．３５μｍ以下に設定されるのが望ましい。

焼結する工程は常法に従って行われる。焼結する工程の望ましい例は次のとおりである。

すなわち、焼結する工程は、マトリックス金属粉末と被覆層３付黒鉛粉末２を混合する工程を備える。混合する工程では、マトリックス金属粉末と被覆層３付黒鉛粉末２と更にバインダーとを、乳鉢、ニーダー、ミキサー等により、なるべくマトリックス金属粉末と被覆層３付黒鉛粉末２が粉砕されないように且つなるべくシェアをかけずに混合分散することが望ましい。

混合する工程で得られた混合物は焼結素材として常法に従って所望する形状に焼結される。望ましくは、混合物をドクターブレード法、バーコート法、ロール成形法等のシート形成方法によりシート状に形成し、得られたシート状物を必要に応じて乾燥したのちその厚さ方向に複数積層することでプリフォームとしての積層体を形成し、積層体を焼結する方法が用いられる。その焼結方法としては、例えば積層体をその厚さ方向に加圧しながら焼結する方法（即ち加圧焼結法）が用いられ、具体的には、ホットプレス法、パルス通電焼結（ＳＰＳ）法、熱間静水圧焼結（ＨＩＰ）法等が用いられる。

なお、混合物（積層体）に含まれるバインダー等の有機物は、混合物の焼結時に混合物に与えられた熱により熱分解して混合物から飛散除去される。

本実施形態の複合材料５は、上述したように、高い冷熱信頼性と低い線膨張係数を有しているので、例えば、図２に示すように、放熱基板１０を構成する複数の構成層のうち少なくとも一つの構成層の材料として好適に用いられる。すなわち、少なくとも一つの構成層は本実施形態の複合材料５製であることが望ましい。

放熱基板１０は、上から下へ順に、配線層１１、電気絶縁層としてのセラミックス層１２及び応力緩衝層１３を備えるとともに、これらの層１１〜１３が所定の接合手段（例：ろう付け）によって積層状に接合一体化されて構成されたものであり、半導体素子等の発熱性素子（二点鎖線で示す）２０が搭載される、配線層１１の上面からなる搭載面１０ａを有している。発熱性素子２０としては、パワーモジュール素子、ＳｉＣ素子、ＬＥＤ等が挙示される。

さらに、放熱基板１０は、冷却層１４上に積層状に配置されるとともに所定の接合手段（例：ろう付け）により冷却層１４と接合されており、これにより、発熱性素子２０の熱を放散することにより発熱性素子２０を冷却する冷却基板１５が構成されている。

すなわち、冷却基板１５では、放熱基板１０の搭載面１０ａに搭載された発熱性素子２０に発生した熱は、発熱性素子２０から配線層１１、セラミックス層１２、応力緩衝層１３及び冷却層１４に順次伝導し、冷却層１４から放散される。その結果、発熱性素子２０が冷却されてその温度が低下する。本実施形態では、冷却層１４は放熱層（詳述すると板状の放熱部材）から構成されており、複数の放熱フィン１４ａを有している。

次に、本実施形態の複合材料５の好ましいもう一つの製造方法について図３〜７を参照して以下に説明する。

図３に示すように、複合材料５の製造方法は、金属箔５０の塗工予定面５０ａに被覆層付黒鉛粉末層５１が形成された塗工箔５２を得る工程Ｓ１と、複数の塗工箔５２が積層された状態の積層体５５を形成する工程Ｓ２と、積層体５５を加熱することにより複数の塗工箔５２を接合一体化する工程Ｓ３と、を含んでいる。

塗工箔５２を得る工程Ｓ１では、塗工箔５２は、所定の塗工液４９を金属箔５０の塗工予定面５０ａに塗工し乾燥することにより得られる。

金属箔５０は、複合材料５のマトリックス１を形成するものであり、したがって銅箔、銅合金箔、アルミニウム箔又はアルミニウム合金箔である。

金属箔５０の厚さは限定されるものではなく、例えば５〜５００μｍである。

図４に示すように、本実施形態では、金属箔５０として金属箔５０の帯状条材５０Ａ（即ち帯状の長尺な金属箔１０）が用いられている。

本実施形態では、塗工液４９が塗工される金属箔５０の条材５０Ａの塗工予定面５０ａは、金属箔５０の条材５０Ａの厚さ方向の両側の表面のうち片側の表面である。

塗工液４９は、被覆層付黒鉛粉末４６とバインダー４７とバインダー４７用溶剤４８とを混合状態に含有するものであり、例えば次のようにして得られる。

すなわち、塗工液４９は、被覆層付黒鉛粉末４６とバインダー４７と溶剤４８とを混合容器８１内に入れこれらを撹拌混合器（例：ディスパー）８２により撹拌混合することにより、得られる。なお、必要に応じて、塗工液４９には分散剤（図示せず）、表面調整剤（図示せず）などが添加される。

バインダー４７は、被覆層付黒鉛粉末４６に金属箔５０の条材５０Ａの塗工予定面５０ａへの付着力を付与して被覆層付黒鉛粉末４６が塗工予定面５０ａから脱落するのを抑制するためのものである。バインダー４７は通常、有機樹脂等の樹脂からなる。具体的には、バインダー４７として、ポリエチレンオキサイド、ポリビニルアルコール、アクリル系樹脂などを使用できる。

溶剤４８はバインダー４７を溶解するものである。具体的には、溶剤４８として、親水性溶剤（例：イソプロピルアルコール、水）、有機溶剤などを使用できる。

塗工液４９を金属箔５０の条材５０Ａの塗工予定面５０ａに塗工するための塗工方法は限定されるものではない。好ましくは、塗工液４９の塗工は、金属箔５０の条材５０Ａを巻き出す巻出しロール７１と金属箔５０の条材５０Ａを巻き取る巻取りロール７２とを用いたロールｔｏロール方式により行われる。

巻出しロール７１と巻取りロール７２との間には、塗工装置としての例えば三本ロール型のオフセット印刷装置６０と乾燥装置としての乾燥炉７５とが金属箔５０の条材５０Ａの送り方向Ｆに並んで設置されている。

オフセット印刷装置６０は、塗工液４９を金属箔５０の条材５０Ａの塗工予定面５０ａに塗工するためのものであり、三本ロールとして、インキロール６１、転写ロール６２及びバックアップロール６３を備えており、更に、インキパンとしての塗工液パン６５などを備えている。

インキロール６１はその周面６１ａの周方向の一部が塗工液パン６５内の塗工液４９に漬けられた状態に配置されている。転写ロール６２の周面６２ａは平滑に形成されている。転写ロール６２の回転方向は金属箔５０の条材５０Ａの送り方向Ｆと同じ方向に設定されている。バックアップロール６３は転写ロール６２と対向して配置されている。

オフセット印刷装置６０では、パン６５内の塗工液４９は、インキロール６１の回転によりインキロール２１の周面２１ａから転写ロール６２の周面６２ａに供給付着されたのち転写ロール６２の回転により金属箔５０の条材５０Ａの塗工予定面５０ａに転写塗布される。

乾燥炉７５は、オフセット印刷装置６０に対して金属箔５０の条材５０Ａの送り方向Ｆの下流側に設置されており、金属箔５０の条材５０Ａの塗工予定面５０ａに塗工された塗工液４９を加熱乾燥することで塗工液４９中の溶剤４８を塗工液４９から蒸発除去するものである。

巻出しロー７１から巻き出された金属箔１０の条材１０Ａは、オフセット印刷装置２０の転写ロール６２とバックアップロール６３との間と、乾燥炉７５とを順次通過したのち巻取りロール７２に巻き取られる。

塗工液４９は、金属箔５０の条材５０Ａが転写ロール６２とバックアップロール６３との間を通過する際に、転写ロール６２によって金属箔５０の条材５０Ａの塗工予定面５０ａにその幅方向の略全体に亘って塗工される。

その後、塗工予定面５０ａに塗工された塗工液４９は、乾燥炉７５を通過することによって塗工液４９から溶剤４８が蒸発除去される。これにより、金属箔５０の条材５０Ａの塗工予定面５０ａにその略全体に亘って被覆層付黒鉛粉末層５１が形成され、すなわち塗工箔５２の条材５２Ａが得られる。

ここで、金属箔５０の条材５０Ａの塗工予定面５０ａに塗工液４９を塗工する塗工装置は、上述した三本ロール型のオフセット印刷装置６０に限定されるものではなくその他に例えばグラビア印刷装置（図示せず）であっても良い。

図５に示すように、積層体５５を形成する工程Ｓ２では、巻取りロール７２から巻き解かれた塗工箔５２の条材５２Ａを切断機７９により所定形状に切断する。これにより、塗工箔５２の条材５２Ａから所定形状（例：略四角形状）の塗工箔５２を複数切り出す。

次いで、図６に示すように複数の塗工箔５２を積層することにより、複数の塗工箔５２が積層された状態の積層体５５を形成する。この積層体５５はプリフォーム（焼結素材）として用いられるものである。

積層体５５を形成するための塗工箔５２の積層枚数は限定されるものではなく、所望する複合材料５の厚さなどに対応して設定され、例えば１０〜１０００枚である。

接合一体化する工程Ｓ３では、積層体５５を加圧加熱焼結装置などによって所定の焼結雰囲気（例：非酸化雰囲気）中にて加熱することにより焼結し、これにより複数の塗工箔５２を一括して接合一体化（詳述すると焼結一体化）する。

積層体５５の焼結方法は、真空ホットプレス法、パルス通電焼結法、熱間静水圧焼結法（ＨＩＰ法）、押出法、圧延法などから選択される。なお、パルス通電焼結法は放電プラズマ焼結法（ＳＰＳ法）とも呼ばれている。

具体的には、図７に示すように、例えば、加圧加熱焼結装置（例：真空ホットプレス装置、パルス通電焼結装置）９０の焼結室９１内に積層体５５を配置し、そして焼結装置９０によって所定の焼結雰囲気中にて積層体５５を塗工箔５２の積層方向（即ち積層体５５の厚さ方向）に加圧しながら所定の焼結条件で加熱することにより積層体５５を焼結し、これにより複数の塗工箔５２を一括して接合一体化（焼結一体化）する。その結果、本実施形態の複合材料５が得られる。

積層体５５への加圧は、例えば、焼結装置９０に備えられた一対のパンチ９２、９２で積層体５５をその厚さ方向に挟んで加圧することにより行われる。

積層体５５を焼結するための積層体５５の加熱温度、即ち積層体５５の焼結温度は限定されるものではなく、通常、金属箔５０の金属材料の融点以下であり、特に、金属材料の融点と当該融点よりも約５０℃低い温度との間の温度に設定されることが望ましい。その理由は、積層体５５を確実に焼結できる（即ち複数の塗工箔５２を確実に接合一体化できる）からある。具体的には、金属箔５０が例えばアルミニウム箔である場合、積層体５５の焼結温度は５５０〜６２０℃に設定されることが望ましい。

ここで、積層体５５の焼結温度とは、複数の塗工箔５２を接合一体化する温度（即ち複数の塗工箔５２を焼結一体化する温度）を意味する。

積層体５５中に存在するバインダー４７は、この工程Ｓ３において積層体５５の温度が略室温から積層体５５の焼結温度まで上昇するように積層体５５を加熱する途中で昇華又は分散等により消失（熱分解）して積層体５５から除去される。

この工程Ｓ３では、積層体５５が上述のように加熱されることにより、金属箔５０の金属材料の一部が被覆層付黒鉛粉末層５１内に浸透して被覆層付黒鉛粉末層５１内に存在する微細な空隙（例：被覆層付黒鉛粉末層５１中の被覆層付黒鉛粉末４６間の隙間）に充填されて、当該空隙が略消滅する。これにより、複合材料５の密度が上昇するとともに複合材料５の強度が向上する。

また、金属箔５０の金属材料の一部が被覆層付黒鉛粉末層５１内に浸透することによって、各被覆層付黒鉛粉末層５１中の被覆層付黒鉛粉末４６は複合材料５のマトリックス１中に複合材料５の面方向に分散した状態になる。

ここで、積層体を形成する工程Ｓ２及び接合一体化する工程Ｓ３は、上述の方法で行われることに限定されるものではなく、その他に例えば次のような方法で行われても良い。

すなわち、積層体を形成する工程Ｓ２では、巻取りロール７２から巻き解かれた塗工箔５２の条材５２Ａをロール状に複数回巻くことにより、複数の塗工箔５２が積層された状態の積層体（これを便宜上「ロール状積層体」という）を形成しても良い。この場合、ロール状積層体の半径方向が複数の塗工箔５２の積層方向に相当する。

そして、接合一体化する工程Ｓ３においては、ロール状積層体を加熱した状態で押出加工装置によりロール状積層体をその軸方向に押出加工することにより、複数の塗工箔を一括して接合一体化（焼結一体化）しても良い。この場合、ロール状積層体が押出加工装置の押出加工孔を通過する際にロール状積層体がその半径方向（即ち複数の塗工箔の積層方法）に加圧されて焼結される。こうして得られた複合材料では、被覆層付黒鉛粉末４６は複合材料のマトリックス１中に複合材料の軸方向（即ちロール状積層体の押出方向）に配向して分散した状態になる。

以上で本発明の幾つかの実施形態を説明したが、本発明は上記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様々に変更可能である。

次に、本発明の具体的な実施例及び比較例を以下に示す。ただし本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

黒鉛粉末の表面に被覆層を被覆することによる効果を確かめるため、まずマトリックス金属であるＡｌと黒鉛間の接合性を以下のように検証した。

Ａｌと黒鉛間の接合エネルギーを密度汎関数法による第一原理計算により算出した。ここで、この接合エネルギーは、単独で存在する黒鉛のエネルギーＷ_Ａと単独で存在するマトリックス金属のエネルギーＷ_Ｂとの合計Ｗ_Ａ＋Ｗ_Ｂと、黒鉛とマトリックス金属が接合した状態のエネルギーＷ_Ａ＋Ｂとの差Ｗ_Ａ＋Ｗ_Ｂ−Ｗ_Ａ＋Ｂによって定義される。

本実施例１で用いる計算モデルは以下のとおりである。

（１）使用ソフトウェア：ＣＡＳＴＥＰ、ＧＧＡ／ＰＢＥ汎関数、Ｔｋａｔｃｈｅｎｋｏ−Ｓｃｈｅｆｆｌｅｒ（ＴＳ）の分散力補正、平面波基底、ウルトラソフト擬ポテンシャル、周期境界条件。

（２）Ａｌを６層、黒鉛を４層モデル化し、第一原理計算により構造最適化した後、その間の接合エネルギーをＡｌ−黒鉛間の接合エネルギーとして算出した。

計算の結果、Ａｌ−黒鉛間の単位面積当たりの接合エネルギーＥ_０は１．２０１Ｊ／ｍ^２であった。

次に、被覆層を形成する金属であるＮｉと黒鉛間の接合エネルギーを上記と同様の計算方法により算出した。ここで、本実施例１ではＮｉを６層、黒鉛を４層モデル化し、第一原理計算により構造最適化した後、その間の接合エネルギーを算出した。同様の計算方法により、被覆層を形成する金属であるＮｉとＡｌ間の接合エネルギーを算出した。ここで、本実施例１ではＮｉを６層、Ａｌを６層モデル化し、第一原理計算により構造最適化した後、その間の接合エネルギーを算出した。

計算の結果、Ｎｉ−黒鉛間の単位面積当たりの接合エネルギーＥ_１は２．１６８Ｊ／ｍ^２であり、Ｎｉ−Ａｌ間の単位面積当たりの接合エネルギーＥ_２は１４．１９８Ｊ／ｍ^２であった。したがって、Ｅ_１とＥ_２の双方はＥ_０よりも大きかった。これは、マトリックス金属がＡｌである場合において、黒鉛粉末の表面にＮｉからなる被覆層を被覆すると、黒鉛粉末のＡｌとの接合性が増加（向上）することを意味している。

＜実施例１＞
実施例１では、実際にＡｌ−黒鉛複合材料を次のように製造した。

黒鉛粉末として鱗片状黒鉛粉末を準備した。この黒鉛粉末は、平均粒径３００μｍ、平均厚さ１０μｍ、平均アスペクト比３０であった。

次いで、この黒鉛粉末の表面に無電解めっき法によりＮｉを常法に従って被覆し、これにより、黒鉛粉末の表面にその全体に亘ってＮｉめっき膜からなる被覆層が被覆されてなる被覆層付黒鉛粉末を得た。被覆層の厚さは約０．３５μｍであった。また、被覆層を形成するＮｉ中には１０質量％のリン（Ｐ）が含まれていた。したがって、被覆層は基本的にはＮｉからなるものであり、厳密にはＮｉ−Ｐ合金からなるものである。

また、マトリックス金属としての鱗片状アルミニウム粉末にミネラルスピリットや脂肪酸を添加したアルミニウムペースト（Ａｌ固形分７０質量％）を準備した。

次いで、被覆層付黒鉛粉末７．２３４ｇと、アルミニウムペースト１７．７６６ｇと、樹脂バインダーとして１０質量％ポリスチレン−クメン溶液１０ｇとを混合し混練分散してペース状の混合物を得た。そして、この混合物をドクターブレード法によりＰＥＴフィルム上にシート状に形成することでシート状物付ＰＥＴフィルムを得、これを１日間、風乾した。

次いで、シート状物付ＰＥＴフィルムを直径２０ｍｍの円形状に打ち抜いたのちＰＥＴフィルムを外し、打ち抜いたシート状物を黒鉛製ダイス内でシート状物の厚さ方向に４０枚積層して積層体を形成した。そして、室温にて積層体に対してプレス機で圧粉を行い、その後、パルス通電焼結装置によってダイス内を１０Ｐａ以下に減圧して３０ＭＰａの加圧力で積層体をその厚さ方向に加圧しながら９０分間に亘ってパルス電圧２Ｖ、パルス電流１０００Ａの電流を積層体に流すことにより、積層体をパルス通電焼結法により加熱焼結した。これによりＡｌ−黒鉛複合材料を得た。積層体の焼結温度は約６００℃であった。

得られた複合材料に含まれる黒鉛粉末の、複合材料に対する体積含有率Ｖ_０は３５％であった。また、被覆層付黒鉛粉末の、複合材料に対する体積含有率Ｖ_１は３７．６％であった。

複合材料の熱伝導率は複合材料の面方向で３２１．９Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。なお、複合材料の面方向とは、焼結時に積層体を加圧した加圧方向に対して垂直な面方向であり、即ち複合材料（積層体）の厚さ方向に垂直な面方向である。複合材料の線膨張係数はその厚さ方向で１７．７ｐｐｍ／Ｋであった。したがって、複合材料は、マトリックス金属Ａｌよりも高い熱伝導率と低い線膨張係数を有していることを確認し得た。

なお、熱伝導率は、レーザーフラッシュ法により測定された熱拡散率に比重（密度）と比熱を乗じることにより算出した。線膨張係数は、熱機械分析装置を用いて５０℃→２５０℃→５０℃の温度変化条件で測定した。

また、冷熱サイクル負荷により発生した複合材料の厚さ方向の歪みは０．３６％であった。なお、歪みは、複合材料から採取した試験片に５０℃→２５０℃→５０℃の冷熱サイクル負荷を加えることよる試験片の寸法変化を測定して算出した。

＜実施例２＞
実施例２では、実際にＡｌ−黒鉛複合材料を次のように製造した。

実施例１と同じ黒鉛粉末を用い、実施例１と同じ条件によって黒鉛粉末の表面に無電解めっき法によりＮｉを被覆し、これにより、黒鉛粉末の表面にその全体に亘ってＮｉめっき膜からなる被覆層が被覆されてなる被覆層付黒鉛粉末を得た。被覆層の厚さは約０．２０μｍであった。

次いで、実施例１と同じように、被覆層付黒鉛粉末６．５９８ｇとアルミニウムペースト１８．４０２ｇと１０質量％ポリスチレン−クメン溶液１０ｇとを混合し混練分散してペース状の混合物を得た。そして、実施例１と同じ製造方法によりＡｌ−黒鉛複合材料を得た。

得られた複合材料に含まれる黒鉛粉末の、複合材料に対する体積含有率Ｖ_０は３５％であった。また、被覆層付黒鉛粉末の、複合材料に対する体積含有率Ｖ_１は３６．４％であった。

また、複合材料の熱伝導率は複合材料の面方向で３７５．４Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。複合材料の線膨張係数はその厚さ方向で１８．９ｐｐｍ／Ｋであった。したがって、複合材料は、マトリックス金属Ａｌよりも高い熱伝導率と低い線膨張係数を有していることを確認し得た。

また、冷熱サイクル負荷により発生した複合材料の厚さ方向の歪みは０．４８％であった。

＜実施例３＞
実施例３では、実際にＡｌ−黒鉛複合材料を次のように製造した。

実施例１と同じ黒鉛粉末を用い、実施例１と同じ条件によって黒鉛粉末の表面に無電解めっき法によりＮｉを被覆し、これにより、黒鉛粉末の表面にその全体に亘ってＮｉめっき膜からなる被覆層が被覆されてなる被覆層付黒鉛粉末を得た。被覆層の厚さは約０．３５μｍであった。

次いで、実施例１と同じように、被覆層付黒鉛粉末１１．２３０ｇとアルミニウムペースト１３．７７０ｇと１０質量％ポリスチレン−クメン溶液１０ｇとを混合し混練分散してペース状の混合物を得た。そして、実施例１と同じ製造方法によりＡｌ−黒鉛複合材料を得た。

得られた複合材料に含まれる黒鉛粉末の、複合材料に対する体積含有率Ｖ_０は５０．９％であった。また、被覆層付黒鉛粉末の、複合材料に対する体積含有率Ｖ_１は５４．７％であった。

また、複合材料の熱伝導率は複合材料の面方向で３３２．９Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。複合材料の線膨張係数はその厚さ方向で１３．０ｐｐｍ／Ｋであった。したがって、複合材料は、マトリックス金属Ａｌよりも高い熱伝導率と低い線膨張係数を有していることを確認し得た。

また、冷熱サイクル負荷により発生した複合材料の厚さ方向の歪みは０．２３％であった。

＜実施例４＞
実施例４では、実際にＡｌ−黒鉛複合材料を次のように製造した。

実施例１と同じ黒鉛粉末を用い、実施例１と同じ条件によって黒鉛粉末の表面に無電解めっき法によりＮｉを被覆し、これにより、黒鉛粉末の表面にその全体に亘ってＮｉめっき膜からなる被覆層が被覆されてなる被覆層付黒鉛粉末を得た。被覆層の厚さは約０．２μｍであった。

次いで、実施例１と同じように、被覆層付黒鉛粉末１０．３３２ｇとアルミニウムペースト１４．６６８ｇと１０質量％ポリスチレン−クメン溶液１０ｇとを混合し混練分散してペース状の混合物を得た。そして、実施例１と同じ製造方法によりＡｌ−黒鉛複合材料を得た。

得られた複合材料に含まれる黒鉛粉末の、複合材料に対する体積含有率Ｖ_０は５０．９％であった。また、被覆層付黒鉛粉末の、複合材料に対する体積含有率Ｖ_１は５２．９％であった。

また、複合材料の熱伝導率は複合材料の面方向で３６０．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。複合材料の線膨張係数はその厚さ方向で１６．４ｐｐｍ／Ｋであった。したがって、複合材料は、マトリックス金属Ａｌよりも高い熱伝導率と低い線膨張係数を有していることを確認し得た。

また、冷熱サイクル負荷により発生した複合材料の厚さ方向の歪みは０．４７％であった。

＜実施例５＞
実施例５では、実際にＡｌ−黒鉛複合材料を次のように製造した。

実施例１と同じ黒鉛粉末を用い、黒鉛粉末の表面に粉末スパッタリング法によりＮｉを被覆し、これにより、黒鉛粉末の表面にその全体に亘ってＮｉからなる被覆層が被覆されてなる被覆層付黒鉛粉末を得た。被覆層の厚さは約０．２μｍであった。

次いで、実施例１と同じように、被覆層付黒鉛粉末６．５９８ｇとアルミニウムペースト１８．４０２ｇと１０質量％ポリスチレン−クメン溶液１０ｇとを混合し混練分散してペース状の混合物を得た。そして、実施例１と同じ製造方法によりＡｌ−黒鉛複合材料を得た。

得られた複合材料に含まれる黒鉛粉末の、複合材料に対する体積含有率Ｖ_０は３５％であった。また、被覆層付黒鉛粉末の、複合材料に対する体積含有率Ｖ_１は３６．４％であった。

また、複合材料の熱伝導率は複合材料の面方向で３７０．９Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。複合材料の線膨張係数はその厚さ方向で１８．５ｐｐｍ／Ｋであった。したがって、複合材料は、マトリックス金属Ａｌよりも高い熱伝導率と低い線膨張係数を有していることを確認し得た。

また、冷熱サイクル負荷により発生した複合材料の厚さ方向の歪みは０．４５％であった。

＜実施例６＞
実施例６では、実際にＡｌ−黒鉛複合材料を次のように製造した。

実施例１と同じ黒鉛粉末を用い、実施例１と同じ条件によって黒鉛粉末の表面に無電解めっき法によりＮｉを被覆し、これにより、黒鉛粉末の表面にその全体に亘ってＮｉめっき膜からなる被覆層が被覆されてなる被覆層付黒鉛粉末を得た。被覆層の厚さは約０．３５μｍであった。

次いで、被覆層付黒鉛粉末と、樹脂バインダーとしてポリエチレンオキサイドの３質量％水溶液及びポリビニルアルコールの１０質量％水溶液と、溶剤としてイソプロピルアルコール及び水と、分散剤と、表面調整剤とをディスパーにより撹拌混合し、これにより塗工液を得た。塗工液に含まれる被覆層付黒鉛粉末の質量割合は樹脂バインダーと被覆層付黒鉛粉末との合計質量に対して１０質量％であった。塗工液の粘度は２５℃で１０００ｍＰａ・ｓであった。

また、金属箔として、厚さ１２μｍ及び幅５００ｍｍのアルミニウム箔（Ａｌ箔）の条材（その純度：４Ｎ）を準備した。

そして、アルミニウム箔の条材の厚さ方向の両側の表面のうち片側の表面を塗工予定面とし、ロールｔｏロール方式の三本ロール型のオフセット印刷装置により塗工液をアルミニウム箔の条材の塗工予定面にその全体に亘って塗工速度２０ｍ／ｍｉｎで塗工した。

次いで、アルミニウム箔の条材を乾燥炉内に通過させることにより塗工液を加熱乾燥して塗工液中の溶剤を塗工液から蒸発除去した。これにより、アルミニウム箔の条材の塗工予定面に被覆層付黒鉛粉末層が形成された塗工箔の条材を得た。被覆層付黒鉛粉末の塗工量は１６ｇ／ｍ^２であった。

次いで、塗工箔の条材を実施例１と同じように打ち抜くことにより塗工箔を得た。そして、塗工箔を２００枚積層することで積層体を形成した。次いで、積層体を実施例１と同じ条件で加熱焼結することにより、Ａｌ−黒鉛複合材料を得た。

得られた複合材料に含まれる黒鉛粉末の、複合材料に対する体積含有率Ｖ_０は３６．８％であった。また、被覆層付黒鉛粉末の、複合材料に対する体積含有率Ｖ_１は３５．０％であった。

また、複合材料の熱伝導率は複合材料の面方向で３２０．１Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。複合材料の線膨張係数はその厚さ方向で１７．２ｐｐｍ／Ｋであった。したがって、複合材料は、マトリックス金属Ａｌよりも高い熱伝導率と低い線膨張係数を有していることを確認し得た。

また、冷熱サイクル負荷により発生した複合材料の厚さ方向の歪みは０．３２％であった。

＜実施例７＞
実施例７では、実際にＡｌ−黒鉛複合材料を次のように製造した。

実施例６と同じ塗工液を準備した。

また、金属箔として、厚さ６μｍ及び幅５００ｍｍのアルミニウム箔（Ａｌ箔）の条材（その純度：４Ｎ）を準備した。

次いで、実施例６と同じように塗工液をアルミニウム箔の条材の塗工予定面にその全体に亘って塗工し乾燥することにより、アルミニウム箔の条材の塗工予定面に被覆層付黒鉛粉末層が形成された塗工箔の条材を得た。被覆層付黒鉛粉末の塗工量は１６ｇ／ｍ^２であった。

次いで、塗工箔の条材を実施例１と同じように打ち抜くことにより塗工箔を得た。そして、塗工箔を２００枚積層することで積層体を形成した。次いで、積層体を実施例１と同じ条件で加熱焼結することにより、Ａｌ−黒鉛複合材料を得た。

得られた複合材料に含まれる黒鉛粉末の、複合材料に対する体積含有率Ｖ_０は５０．９％であった。また、被覆層付黒鉛粉末の、複合材料に対する体積含有率Ｖ_１は５３．６％であった。

また、複合材料の熱伝導率は複合材料の面方向で３３１．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。複合材料の線膨張係数はその厚さ方向で１３．８ｐｐｍ／Ｋであった。したがって、複合材料は、マトリックス金属Ａｌよりも高い熱伝導率と低い線膨張係数を有していることを確認し得た。

また、冷熱サイクル負荷により発生した複合材料の厚さ方向の歪みは０．２５％であった。

＜比較例１＞
比較例１では、実際にＡｌ−黒鉛複合材料を次のように製造した。

実施例１と同じ黒鉛粉末を準備した。黒鉛粉末の表面には被覆層を被覆しなかった。

次いで、実施例１と同じように、黒鉛粉末６．１０ｇとアルミニウムペースト１９．８６ｇと１０質量％ポリスチレン−クメン溶液１０ｇとを混合し混練分散してペース状の混合物を得た。そして、実施例１と同じ製造方法によりＡｌ−黒鉛複合材料を得た。

得られた複合材料に含まれる黒鉛粉末の、複合材料に対する体積含有率Ｖ_０は３５．０％であった。

また、複合材料の熱伝導率は複合材料の面方向で４１８．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。複合材料の線膨張係数はその厚さ方向で２０．８ｐｐｍ／Ｋであった。

また、冷熱サイクル負荷により発生した複合材料の厚さ方向の歪みは０．６２％であった。

＜比較例２＞
比較例２では、実際にＡｌ−黒鉛複合材料を次のように製造した。

実施例１と同じ黒鉛粉末を準備した。黒鉛粉末の表面には被覆層を被覆しなかった。

次いで、実施例１と同じように、黒鉛粉末９．１４ｇとアルミニウムペースト１５．５１ｇと１０質量％ポリスチレン−クメン溶液１０ｇとを混合し混練分散してペース状の混合物を得た。そして、実施例１と同じ製造方法によりＡｌ−黒鉛複合材料を得た。

得られた複合材料に含まれる黒鉛粉末の、複合材料に対する体積含有率Ｖ_０は５０．９％であった。

また、複合材料の熱伝導率は複合材料の面方向で４７５．１Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。複合材料の線膨張係数はその厚さ方向で１８．６ｐｐｍ／Ｋであった。

また、冷熱サイクル負荷により発生した複合材料の厚さ方向の歪みは０．８０％であった。

＜比較例３＞
比較例３では、実際にＡｌ−黒鉛複合材料を次のように製造した。

実施例１と同じ黒鉛粉末を準備した。黒鉛粉末の表面には被覆層を被覆しなかった。

次いで、被覆層付黒鉛粉末の代わりに黒鉛粉末を用いて、実施例６と同じように塗工液を得た。

また、金属箔として、厚さ１２μｍ及び幅５００ｍｍのアルミニウム箔（Ａｌ箔）の条材（その純度：４Ｎ）を準備した。

次いで、実施例６と同じように塗工液をアルミニウム箔の条材の塗工予定面にその全体に亘って塗工し乾燥することにより、アルミニウム箔の条材の塗工予定面に黒鉛粉末層が形成された塗工箔の条材を得た。黒鉛粉末の塗工量は１５ｇ／ｍ^２であった。

次いで、塗工箔の条材を実施例１と同じように打ち抜くことにより塗工箔を得た。そして、塗工箔を２００枚積層することで積層体を形成した。次いで、積層体を実施例１と同じ条件で加熱焼結することにより、Ａｌ−黒鉛複合材料を得た。

得られた複合材料に含まれる黒鉛粉末の、複合材料に対する体積含有率Ｖ_０は３５．０％であった。

また、複合材料の熱伝導率は複合材料の面方向で４１６．２Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。複合材料の線膨張係数はその厚さ方向で２０．３ｐｐｍ／Ｋであった。

また、冷熱サイクル負荷により発生した複合材料の厚さ方向の歪みは０．６８％であった。

以上の実施例１〜７、比較例１〜３の結果を表１にまとめて示した。

表１から分かるように、実施例１、２、５、６の複合材料の歪みと線膨張係数は比較例１、３よりも小さく、また実施例３、４、７の複合材料の歪みと線膨張係数は比較例２よりも小さく、したがって実施例１〜７の複合材料は高い冷熱信頼性と低い線膨張係数を有していることを確認し得た。

＜実施例８＞
マトリックス金属をＡｌ、黒鉛粉末の表面に被覆する被覆層を形成する金属をＣｒとして、Ｃｒ−黒鉛間の接合エネルギーとＣｒ−Ａｌ間の接合エネルギーを実施例１と同様の計算方法によりそれぞれ算出した。

計算の結果、Ｃｒ−黒鉛間の単位面積当たりの接合エネルギーＥ_１は１．８１７Ｊ／ｍ^２であり、Ｃｒ−Ａｌ間の単位面積当たりの接合エネルギーＥ_２は１４．９９８Ｊ／ｍ^２であった。したがって、Ｅ_１とＥ_２の双方はＡｌ−黒鉛間の単位面積当たりの接合エネルギーＥ_０（＝１．２０１Ｊ／ｍ^２）よりも大きかった。これは、マトリックス金属がＡｌである場合において、黒鉛粉末の表面にＣｒからなる被覆層を被覆すると、黒鉛粉末のＡｌとの接合性が増加（向上）することを意味している。

＜実施例９＞
マトリックス金属をＡｌ、黒鉛粉末の表面に被覆する被覆層を形成する金属をＣｕとして、Ｃｕ−黒鉛間の接合エネルギーとＣｕ−Ａｌ間の接合エネルギーを実施例１と同様の計算方法によりそれぞれ算出した。

計算の結果、Ｃｕ−黒鉛間の単位面積当たりの接合エネルギーＥ_１は１．６２２Ｊ／ｍ^２であり、Ｃｕ−Ａｌ間の単位面積当たりの接合エネルギーＥ_２は９．５７７Ｊ／ｍ^２であった。したがって、Ｅ_１とＥ_２の双方はＡｌ−黒鉛間の単位面積当たりの接合エネルギーＥ_０（＝１．２０１Ｊ／ｍ^２）よりも大きかった。これは、マトリックス金属がＡｌである場合において、黒鉛粉末の表面にＣｕからなる被覆層を被覆すると、黒鉛粉末のＡｌとの接合性が増加（向上）することを意味している。

＜実施例１０＞
マトリックス金属をＡｌ、黒鉛粉末の表面に被覆する被覆層を形成する金属をケイ素（Ｓｉ）として、Ｓｉ−黒鉛間の接合エネルギーとＳｉ−Ａｌ間の接合エネルギーを実施例１と同様の計算方法によりそれぞれ算出した。

計算の結果、Ｓｉ−黒鉛間の単位面積当たりの接合エネルギーＥ_１は１．５１５Ｊ／ｍ^２であり、Ｓｉ−Ａｌ間の単位面積当たりの接合エネルギーＥ_２は５．５２５Ｊ／ｍ^２であった。したがって、Ｅ_１とＥ_２の双方はＡｌ−黒鉛間の単位面積当たりの接合エネルギーＥ_０（＝１．２０１Ｊ／ｍ^２）よりも大きかった。これは、マトリックス金属がＡｌである場合において、黒鉛粉末の表面にＳｉからなる被覆層を被覆すると、黒鉛粉末のＡｌとの接合性が増加（向上）することを意味している。

＜実施例１１＞
マトリックス金属をＣｕ、黒鉛粉末の表面に被覆する被覆層を形成する金属をＮｉとして、Ｃｕ−黒鉛間の接合エネルギーとＮｉ−黒鉛間の接合エネルギーとＮｉ−Ｃｕ間の接合エネルギーとを実施例１と同様の計算方法によりそれぞれ算出した。

計算の結果、Ｃｕ−黒鉛間の単位面積当たりの接合エネルギーＥ_０は１．６２２Ｊ／ｍ^２であり、Ｎｉ−黒鉛間の単位面積当たりの接合エネルギーＥ_１は２．１６８Ｊ／ｍ^２であり、Ｎｉ−Ｃｕ間の単位面積当たりの接合エネルギーＥ_２は１２．９４７Ｊ／ｍ^２であった。したがって、Ｅ_１とＥ_２の双方はＥ_０よりも大きかった。これは、マトリックス金属がＣｕである場合において、黒鉛粉末の表面にＮｉからなる被覆層を被覆すると、黒鉛粉末のＣｕとの接合性が増加（向上）することを意味している。

＜実施例１２＞
マトリックス金属をＣｕ、黒鉛粉末の表面に被覆する被覆層を形成する金属をＣｒとして、Ｃｕ−黒鉛間の接合エネルギーとＣｒ−黒鉛間の接合エネルギーとＣｒ−Ｃｕ間の接合エネルギーとを実施例１と同様の計算方法によりそれぞれ算出した。

計算の結果、Ｃｒ−黒鉛間の単位面積当たりの接合エネルギーＥ_１は１．８１７Ｊ／ｍ^２であり、Ｃｒ−Ｃｕ間の単位面積当たりの接合エネルギーＥ_２は１４．６０１Ｊ／ｍ^２であった。したがって、Ｅ_１とＥ_２の双方はＣｕ−黒鉛間の単位面積当たりの接合エネルギーＥ_０（＝１．６２２Ｊ／ｍ^２）よりも大きかった。これは、マトリックス金属がＣｕである場合において、黒鉛粉末の表面にＣｒからなる被覆層を被覆すると、黒鉛粉末のＣｕとの接合性が増加（向上）することを意味している。

＜比較例４＞
マトリックス金属をＡｌ、黒鉛粉末の表面に被覆する被覆層を形成する金属を亜鉛（Ｚｎ）として、Ａｌ−黒鉛間の接合エネルギーとＺｎ−黒鉛間の接合エネルギーとＺｎ−Ａｌ間の接合エネルギーとを実施例１と同様の計算方法によりそれぞれ算出した。

計算の結果、Ｚｎ−黒鉛間の単位面積当たりの接合エネルギーＥ_１は１．１３１Ｊ／ｍ^２であり、Ｚｎ−Ａｌ間の単位面積当たりの接合エネルギーＥ_２は４．２１７Ｊ／ｍ^２であった。したがって、Ｅ_１はＡｌ−黒鉛間の単位面積当たりの接合エネルギーＥ_０（＝１．２０１Ｊ／ｍ^２）よりも小さく更にＥ_１はＥ_２よりも小さかった。これは、マトリックス金属がＡｌである場合において、黒鉛粉末の表面にＺｎからなる被覆層を被覆すると、黒鉛粉末のＡｌとの接合性が低下することを意味している。

＜比較例５＞
マトリックス金属をＡｌ、黒鉛粉末の表面に被覆する被覆層を形成する金属を銀（Ａｇ）として、Ａｌ−黒鉛間の接合エネルギーとＡｇ−黒鉛間の接合エネルギーとＡｇ−Ａｌ間の接合エネルギーとを実施例１と同様の計算方法によりそれぞれ算出した。

計算の結果、Ａｇ−黒鉛間の単位面積当たりの接合エネルギーＥ_１は０．９２８Ｊ／ｍ^２であり、Ａｇ−Ａｌ間の単位面積当たりの接合エネルギーＥ_２は７．０８２Ｊ／ｍ^２であった。したがって、Ｅ_１はＡｌ−黒鉛間の単位面積当たりの接合エネルギーＥ_０（＝１．２０１Ｊ／ｍ^２）よりも小さく更にＥ_１はＥ_２よりも小さかった。これは、マトリックス金属がＡｌである場合において、黒鉛粉末の表面にＡｇからなる被覆層を被覆すると、黒鉛粉末のＡｌとの接合性が低下することを意味している。

＜比較例６＞
マトリックス金属をＡｌ、黒鉛粉末の表面に被覆する被覆層を形成する金属を金（Ａｕ）として、Ａｌ−黒鉛間の接合エネルギーとＡｕ−黒鉛間の接合エネルギーとＡｕ−Ａｌ間の接合エネルギーとを実施例１と同様の計算方法によりそれぞれ算出した。

計算の結果、Ａｕ−黒鉛間の単位面積当たりの接合エネルギーＥ_１は０．８７２Ｊ／ｍ^２であり、Ａｕ−Ａｌ間の単位面積当たりの接合エネルギーＥ_２は７．６０１Ｊ／ｍ^２であった。したがって、Ｅ_１はＡｌ−黒鉛間の単位面積当たりの接合エネルギーＥ_０（＝１．２０１Ｊ／ｍ^２）よりも小さく更にＥ_１はＥ_２よりも小さかった。これは、マトリックス金属がＡｌである場合において、黒鉛粉末の表面にＡｕからなる被覆層を被覆すると、黒鉛粉末のＡｌとの接合性が低下することを意味している。

＜比較例７＞
マトリックス金属をＣｕ、黒鉛粉末の表面に被覆する被覆層を形成する金属をＳｉとして、Ｃｕ−黒鉛間の接合エネルギーとＳｉ−黒鉛間の接合エネルギーとＳｉ−Ｃｕ間の接合エネルギーとを実施例１と同様の計算方法によりそれぞれ算出した。

計算の結果、Ｓｉ−黒鉛間の単位面積当たりの接合エネルギーＥ_１は１．５１５Ｊ／ｍ^２であり、Ｓｉ−Ｃｕ間の単位面積当たりの接合エネルギーＥ_２は２．０９２Ｊ／ｍ^２であった。したがって、Ｅ_１はＣｕ−黒鉛間の単位面積当たりの接合エネルギーＥ_０（＝１．６２２Ｊ／ｍ^２）よりも小さく更にＥ_１はＥ_２よりも小さかった。これは、マトリックス金属がＣｕである場合において、黒鉛粉末の表面にＳｉからなる被覆層を被覆すると、黒鉛粉末のＣｕとの接合性が低下することを意味している。

＜比較例８＞
マトリックス金属をＣｕ、黒鉛粉末の表面に被覆する被覆層を形成する金属をＺｎとして、Ｃｕ−黒鉛間の接合エネルギーとＺｎ−黒鉛間の接合エネルギーとＺｎ−Ｃｕ間の接合エネルギーとを実施例１と同様の計算方法によりそれぞれ算出した。

計算の結果、Ｚｎ−黒鉛間の単位面積当たりの接合エネルギーＥ_１は１．１３１Ｊ／ｍ^２であり、Ｚｎ−Ｃｕ間の単位面積当たりの接合エネルギーＥ_２は５．５６１Ｊ／ｍ^２であった。したがって、Ｅ_１はＣｕ−黒鉛間の単位面積当たりの接合エネルギーＥ_０（＝１．６２２Ｊ／ｍ^２）よりも小さく更にＥ_１はＥ_２よりも小さかった。これは、マトリックス金属がＣｕである場合において、黒鉛粉末の表面にＺｎからなる被覆層を被覆すると、黒鉛粉末のＣｕとの接合性が低下することを意味している。

＜比較例９＞
マトリックス金属をＣｕ、黒鉛粉末の表面に被覆する被覆層を形成する金属をＡｇとして、Ｃｕ−黒鉛間の接合エネルギーとＡｇ−黒鉛間の接合エネルギーとＡｇ−Ｃｕ間の接合エネルギーとを実施例１と同様の計算方法によりそれぞれ算出した。

計算の結果、Ａｇ−黒鉛間の単位面積当たりの接合エネルギーＥ_１は０．９２８Ｊ／ｍ^２であり、Ａｇ−Ｃｕ間の単位面積当たりの接合エネルギーＥ_２は７．３０１Ｊ／ｍ^２であった。したがって、Ｅ_１はＣｕ−黒鉛間の単位面積当たりの接合エネルギーＥ_０（＝１．６２２Ｊ／ｍ^２）よりも小さく更にＥ_１はＥ_２よりも小さかった。これは、マトリックス金属がＣｕである場合において、黒鉛粉末の表面にＡｇからなる被覆層を被覆すると、黒鉛粉末のＣｕとの接合性が低下することを意味している。

＜比較例１０＞
マトリックス金属をＣｕ、黒鉛粉末の表面に被覆する被覆層を形成する金属をＡｕとして、Ｃｕ−黒鉛間の接合エネルギーとＡｕ−黒鉛間の接合エネルギーとＡｕ−Ｃｕ間の接合エネルギーとを実施例１と同様の計算方法によりそれぞれ算出した。

計算の結果、Ａｕ−黒鉛間の単位面積当たりの接合エネルギーＥ_１は０．８７２Ｊ／ｍ^２であり、Ａｕ−Ｃｕ間の単位面積当たりの接合エネルギーＥ_２は６．５９３Ｊ／ｍ^２であった。したがって、Ｅ_１はＣｕ−黒鉛間の単位面積当たりの接合エネルギーＥ_０（＝１．６２２Ｊ／ｍ^２）よりも小さく更にＥ_１はＥ_２よりも小さかった。これは、マトリックス金属がＣｕである場合において、黒鉛粉末の表面にＡｕからなる被覆層を被覆すると、黒鉛粉末のＣｕとの接合性が低下することを意味している。

以上の実施例８〜１２、比較例４〜１０の結果を表２にまとめて示した。

本発明は、高い冷熱信頼性を有する金属−黒鉛複合材料、その製造方法及び放熱基板に利用可能である。

１：マトリックス
２：黒鉛粉末
３：被覆層
５：金属−黒鉛複合材料
１０：放熱基板
４６：被覆層付黒鉛粉末
４９：塗工液
５０：金属箔
５０ａ：金属箔の塗工予定面
５１：被覆層付黒鉛粉末層
５２：塗工箔
５５：積層体

Claims (8)

1. 銅、銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるマトリックス中に黒鉛粉末が存在しており、
   前記黒鉛粉末の表面に前記マトリックス金属とは異種の金属又は前記異種の金属基合金からなる被覆層が被覆されており、
   前記被覆層は、
   密度汎関数法による第一原理計算で算出される前記被覆層−黒鉛間の接合エネルギーと前記第一原理計算で算出される前記被覆層−前記マトリックス金属間の接合エネルギーとの双方が前記第一原理計算で算出される前記マトリックス金属−黒鉛間の接合エネルギーよりも大きいものである、金属−黒鉛複合材料。
2. 前記被覆層は、前記異種の金属としてニッケル、クロム又は銅からなるか、あるいは前記異種の金属基合金としてニッケル合金、クロム合金又は銅合金からなるものである請求項１記載の金属−黒鉛複合材料。
3. 前記黒鉛粉末の表面に前記被覆層が被覆されてなる被覆層付黒鉛粉末の、金属−黒鉛複合材料に対する体積含有率が１５〜７０％の範囲に設定されている請求項１又は２記載の金属−黒鉛複合材料。
4. 前記被覆層の厚さは０．０１〜１０μｍの範囲に設定されている請求項１〜３のいずれかに記載の金属−黒鉛複合材料。
5. 積層状に接合一体化された複数の放熱基板構成層を備えており、
   前記複数の構成層のうち少なくとも一つは請求項１〜４のいずれかに記載の金属−黒鉛複合材料製である放熱基板。
6. 銅、銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるマトリックス金属粉末と、黒鉛粉末の表面に前記マトリックス金属粉末とは異種の金属又は前記異種の金属基合金からなる被覆層が被覆されてなる被覆層付黒鉛粉末とを混合し焼結する工程を含み、
   前記被覆層は、
   密度汎関数法による第一原理計算で算出される前記被覆層−黒鉛間の接合エネルギーと前記第一原理計算で算出される前記被覆層−前記マトリックス金属間の接合エネルギーとの双方が前記第一原理計算で算出される前記マトリックス金属−黒鉛間の接合エネルギーよりも大きいものである、金属−黒鉛複合材料の製造方法。
7. 黒鉛粉末の表面に被覆層が被覆されてなる被覆層付黒鉛粉末とバインダーとを含む塗工液を金属箔の塗工予定面に塗工し乾燥することにより、前記金属箔の前記塗工予定面に被覆層付黒鉛粉末層が形成された塗工箔を得る工程と、
   複数の前記塗工箔が積層された状態の積層体を形成する工程と、
   前記積層体を加熱することにより前記複数の塗工箔を接合一体化する工程と、
   を含み、
   前記金属箔は、銅箔、銅合金箔、アルミニウム箔又はアルミニウム合金箔であり、
   前記被覆層は、
   前記金属箔とは異種の金属又は前記異種の金属基合金からなるものであり、更に、密度汎関数法による第一原理計算で算出される前記被覆層−黒鉛間の接合エネルギーと前記第一原理計算で算出される前記被覆層−前記マトリックス金属間の接合エネルギーとの双方が前記第一原理計算で算出される前記マトリックス金属−黒鉛間の接合エネルギーよりも大きいものである、金属−黒鉛複合材料の製造方法。
8. 前記被覆層付黒鉛粉末は、前記黒鉛粉末の表面に前記被覆層を成膜法によって被覆することにより得られたものである請求項６又は７記載の金属−黒鉛複合材料の製造方法。

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