JPH11140559A

JPH11140559A - 複合材料及びその製造方法

Info

Publication number: JPH11140559A
Application number: JP31888897A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Okada; 貴弘岡田; Masato Sakata; 正人坂田
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 1997-11-05
Filing date: 1997-11-05
Publication date: 1999-05-25

Abstract

(57)【要約】【課題】炭素及び／又は黒鉛質からなる繊維によって
強化され、面方向に低熱膨張係数を有する複合材料及び
その製造方法を提供する。【解決手段】炭素及び／又は黒鉛質の繊維と、銅もし
くは銅合金からなるマトリックスにより構成され、前記
炭素及び／又は黒鉛質の繊維は、その長さが４０μｍを
越えるもので、アスペクト比及び体積率が図１に示すＡ
（４，７５）、Ｂ（１０，７５）、Ｃ（３０，５５）、
Ｄ（３０，２５）、Ｅ（２０，２５）、Ｆ（４，４５）
の点に囲まれた範囲であり、かつ２次元面方向にランダ
ムに配向させたことを特徴とする炭素及び／又は黒鉛質
の繊維と銅もしくは銅合金のマトリックスよりなる複合
材料であり、面方向に低熱膨張係数を持ち半導体装置用
基板の材料として好適なものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、炭素及び／又は黒
鉛質の繊維と銅もしくは銅合金のマトリックスよりなる
複合材料並びその製造方法に係り、特に面方向に低熱膨
張係数を持ち半導体装置用基板の材料として好適な炭素
及び／又は黒鉛質の繊維と銅もしくは銅合金のマトリッ
クスよりなる複合材料並びその製造方法に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】セラミック等からなる強化材と金属を複
合化し、双方の利点を有する様々な材料が開発され広く
実用化されている。そのうちの一つとして、炭素もしく
は黒鉛質繊維と銅の複合材が挙げられる。この複合材料
は、炭素の持つ潤滑性と銅のもつ高電気伝導性を活かし
た集電ブラシや、炭素もしくは黒鉛質繊維の持つ低熱膨
張の特性と、銅の持つ高熱伝導性を活かした低熱膨張高
熱伝導性の半導体装置用基板などに用いられている。

【０００３】半導体装置用基板としてこのような複合材
料を使用する際、基板の少なくとも面方向の熱膨張係数
を低くする必要があり、そのために面方向に熱膨張が低
くなるように人為的に炭素繊維を配置したものが知られ
ている（従来例１、特公昭５９−１６４０６号公報、特
公昭５８−１６６１５号公報）。

【０００４】また、炭素繊維のアスペクト比が２００以
上の比較的長い繊維を混合して固化し、等方的に配向さ
せたものが知られている（従来例２、特公昭６１−３０
０１３号公報）。また、４０μｍ以下という短い炭素繊
維をマトリックスである銅もしくはＡｌの粉末と混合し
加圧焼結して得られた半導体装置用放熱部材が提案され
ている（従来例３、特開平９−６４２５４号公報）。ま
た、ＡｌもしくはＡｌ合金の母相に炭素繊維を２次元方
向に無秩序に配向させたものが提案されている（従来例
４、特開平４−１４７６５４号公報）。

【０００５】また、複合材料の製法としては、従来より
粉末冶金法が一般的で、金属粉末と炭素等の複合材料の
製造にホットプレス法やＨＩＰ法がしばしば使われ、と
りわけＨＩＰ法は、量産性に優れた方法といえる。ＨＩ
Ｐ法で複合材料を製作する場合、混合物の圧縮成形体を
金属製カプセルに入れ脱気した後密封し、高温高圧処理
することにより複合材料の製作がなされるものである。
このＨＩＰ法による複合材料の製作で大きな変形が行わ
れた場合、金属製カプセルの胴体部や蓋の中心部が優先
的に変形し、金属製カプセルの圧縮成形体に不均一な変
形が生ずる。このようなＨＩＰ処理時におけるカプセル
の不均一な変形を防止することに関し、Ａｌ粉末と強化
材粉末との混合体の成形において、カプセルの側壁部を
蛇腹体とすることが知られている（従来例５、特許第２
５３５４０１号公報）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例１では、長繊維を人為的に配置するのは製作に手間
がかかり経済的とはいい難いものであり、またこの長繊
維を配置したものでは、Ａｇ蝋付けなどによる高温の熱
履歴を加えると局部的に極めて大きな内部応力が発生
し、マトリックスがその内部応力に耐えられず材料が破
損もしくは変形が生じる危険が大きいという問題ががあ
った。

【０００７】上記従来例２では、繊維長がアスペクト比
で２００以上と比較的長い繊維を使用しており、ホット
プレス法を用いると繊維を十分に面方向に配向させるこ
とはできず、且つ繊維が曲がったまま固化されやすくな
るため材料中に極めて大きな内部応力が蓄積されること
となり、上記従来例１と同様に熱履歴による材料の破
損、変形の危険が大きく十分な信頼性があるとは言えな
いものである。

【０００８】また、上記従来例３では、４０μｍ以下と
いう短い繊維を用いているが、これでは各繊維の熱膨張
係数低下効果が著しく低くなり所望の熱膨張係数を得る
のに極めて多量のカーボン繊維を必要とし、この場合高
い熱伝導率を得るには黒鉛化度の高い高級な繊維を用い
る必要があり、高コストであるという問題がある。ま
た、上記従来例４では、Ａｌの母相に炭素繊維を２次元
方向に無秩序に配向させたものであるが、半導体装置用
に適用した場合、十分な信頼性があるものとは言えない
ものである。

【０００９】また、上記従来例５では、ＨＩＰ処理のカ
プセル側壁部を蛇腹体することが示されているが、これ
はＡｌ粉末と強化材粉末との混合体の成形についてのも
ので、カプセルの不均一変形を阻止すると同時に、銅も
しくは銅合金からなるマトリックス中の炭素及び／又は
黒鉛質繊維の配向を揃えるという作用については開示さ
れていないものである。

【００１０】本発明は、炭素及び／又は黒鉛質からなる
繊維によって強化され、面方向に低熱膨張係数を有し、
特に半導体装置用基板の材料として好適な炭素及び／又
は黒鉛質の繊維と銅もしくは銅合金のマトリックスより
なる複合材料並びその製造方法を提供するものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、炭素及び／又
は黒鉛質の繊維と、銅もしくは銅合金からなるマトリッ
クスにより構成され、前記炭素及び／又は黒鉛質の繊維
は、その長さが４０μｍを越えるもので、アスペクト比
及び体積率が図１に示すＡ（４，７５）、Ｂ（１０，７
５）、Ｃ（３０，５５）、Ｄ（３０，２５）、Ｅ（２
０，２５）、Ｆ（４，４５）の点に囲まれた範囲内であ
り、かつ２次元面方向にランダムに配向させたことを特
徴とする炭素及び／又は黒鉛質の繊維と銅もしくは銅合
金のマトリックスよりなる複合材料である。

【００１２】本発明の炭素及び／又は黒鉛質の繊維と銅
もしくは銅合金のマトリックスよりなる複合材料は、そ
のアスペクト比及び体積率が、好ましくは、図２のＨ
（５，７０）、Ｉ（１５，６０）、Ｊ（２０，６０）、
Ｋ（２０，４０）、Ｌ（１０，４０）、Ｍ（５，５０）
の点に囲まれた範囲内であることを特徴とするものであ
る。なお、本発明において、体積率とは、（炭素及び／
又は黒鉛質の繊維の体積）／（炭素及び／又は黒鉛質の
繊維の体積＋マトリックスの銅もしくは銅合金の体積）
である。

【００１３】また本発明の炭素及び／又は黒鉛質の繊維
と銅もしくは銅合金のマトリックスよりなる複合材料
は、マトリックスが銅もしくは、さらにＭｏ，Ｗ，Ｃ
ｒ、Ａｇ、セラミック粒子の１種又は２種以上を含む銅
合金であることを特徴とするものである。また本発明の
炭素及び／又は黒鉛質の繊維と銅もしくは銅合金のマト
リックスよりなる複合材料は、半導体装置用基板として
用いられることを特徴とするものである。

【００１４】また本発明は、炭素及び／又は黒鉛質から
なる繊維とマトリックスの粉末からなる混合物の圧縮成
型物を蛇腹状側壁の金属製カプセルに装填して脱気後密
封し、熱間静水圧加圧により、前記圧縮成型物を密封し
た金属製カプセルを１軸方向に収縮させることを特徴と
する炭素及び／又は黒鉛質の繊維と銅もしくは銅合金の
マトリックスよりなる複合材料の製造方法である。

【００１５】また本発明の炭素及び／又は黒鉛質の繊維
と銅もくは銅合金のマトリックスよりなる複合材料の製
造方法は、金属製カプセルの蓋部分の肉厚が、蛇腹状金
属製カプセルの側壁部の肉厚の２倍以上であることを特
徴とするものである。また本発明の炭素及び／又は黒鉛
質の繊維と銅もくは銅合金のマトリックスよりなる複合
材料の製造方法は、圧縮成型物を蛇腹状側壁の金属製カ
プセルに装填し、スペーサーを入れ脱気後密封すること
を特徴とするものである。

【００１６】また本発明の炭素及び／又は黒鉛質の繊維
と銅もくは銅合金のマトリックスよりなる複合材料の製
造方法は、炭素及び／又は黒鉛質からなる繊維とマトリ
ックスの粉末からなる混合物の圧縮成型物が、銅の薄板
もしくは箔で包まれていることを特徴とするものであ
る。

【００１７】さらに、本発明の炭素及び／又は黒鉛質の
繊維と銅もくは銅合金のマトリックスよりなる複合材料
の製造方法は、熱間静水圧加圧が、８００℃以上で、銅
もしくは銅合金の融点以下の温度で行われることを特徴
とするものである。

【００１８】

【作用】本発明の炭素及び／又は黒鉛質の繊維と銅もし
くは銅合金のマトリックスよりなる複合材料によれば、
炭素及び／又は黒鉛質からなる繊維によって強化され、
面方向に低熱膨張係数を有し、また焼結固化による内部
応力が小さく、熱履歴による変形、破損の危険がないも
のである。また、本発明は、炭素及び／又は黒鉛質の繊
維が２次元面方向にランダムに配向しているので、収縮
軸に垂直な面方向の熱膨張係数は低い値をとることがで
き、高熱伝導性の黒鉛化率の高い黒鉛質繊維を用いるこ
とにより、この方向に高熱伝導とすることができるの
で、この面に対し平行な向きに材料を切り出せば半導体
装置用基板として好適な製品を得ることができる。

【００１９】また、本発明の炭素及び／又は黒鉛質の繊
維と銅もしくは銅合金のマトリックスよりなる複合材料
の製造は、熱間静水圧加圧（ＨＩＰ法）で蛇腹状側壁の
金属製カプセルを用い、１軸方向に収縮させるので、炭
素及び／又は黒鉛質からなる繊維を収縮方向に対して垂
直な方向に配向させることができるものである。

【００２０】本発明の複合材料は、マトリックスとして
銅もしくは銅合金を用いるので、熱伝導性が良好であ
る。またマトリックスがＡｌの複合材料の場合は、炭
素、黒鉛の繊維とＡｌとの界面に、Ａｌ_４Ｃ_３等の有害
な炭化物が形成され、温度サイクル時に界面で剥離しや
すく、炭素、黒鉛繊維による熱膨脹低下効果が充分に得
られず、信頼性の点で問題があるが、銅もしくは銅合金
のマトリックスではかかる問題がない。さらに、パッケ
ージと放熱基板とのＡｇろう付けが可能な耐熱性を有
し、セラミックスパッケージに対する放熱基板としても
有用なものである。

【００２１】本発明の炭素及び／又は黒鉛質繊維のアス
ペクト比及び体積率の限定理由を説明する。図１は、横
軸にアスペクト比、縦軸に炭素及び／又は黒鉛質からな
る繊維の体積率を示し、炭素及び／又は黒鉛質の繊維と
銅もしくは銅合金のマトリックスよりなる複合材料のア
スペクト比と体積率の関係を示す図である。本発明の炭
素及び／又は黒鉛質からなる繊維のアスペクト比及び体
積率は、図１に示すＡ（４，７５）、Ｂ（１０，７
５）、Ｃ（３０，５５）、Ｄ（３０，２５）、Ｅ（２
０，２５）、Ｆ（４，４５）の点に囲まれた範囲内であ
る。

【００２２】アスペクト比とは、繊維長／繊維径であ
る。本発明のアスペクト比の限定理由は、アスペクト比
が４より小さい炭素及び／又は黒鉛質からなる繊維は、
作製が困難でありコスト高になるのでアスペクト比４以
上のものを用いた。またアスペクト比が３０を越えると
複合材料を焼結固化した際に蓄積される内部応力が大き
くなりすぎ、熱履歴による変形、破損の危険が大きいの
で３０以下に限定した。

【００２３】体積率の限定理由は、炭素及び／又は黒鉛
質繊維の体積率が、７５％を越えると焼結固化が困難と
なり、たとえ焼結できても脆くなり、複合材料としての
特性が得られず、特に半導体装置用基板として要求され
る特性を満たすことはできない。また体積率が、２５％
より小さいと熱膨張係数が大きくなりすぎて適当ではな
いので体積率は２５％以上７５％以下に限定される。

【００２４】さらに、これらの条件を満たしていても、
図１における線Ｌ１（一点鎖線）より上部の領域では、
焼結固化した際の内部応力が大きくなるため、熱履歴に
より変形、破壊を生じるため適当でない。また線Ｌ２
（一点鎖線）よりより下部の領域では熱膨張係数を小さ
くすることはできない。特に半導体装置用基板として適
当な熱膨張係数の値まで下げることはできない。このよ
うな理由により図１に示すＡ（４，７５）、Ｂ（１０，
７５）、Ｃ（３０，５５）、Ｄ（３０，２５）、Ｅ（２
０，２５）、Ｆ（４，４５）の点に囲まれた領域に炭素
及び／又は黒鉛質繊維のアスペクト比及び繊維の体積率
を特定した。特に好ましいのは、アスペクト比と体積率
の関係を示す図２のＨ（５，７０）、Ｉ（１５，６
０）、Ｊ（２０，６０）、Ｋ（２０，４０）、Ｌ（１
０，４０）、Ｍ（５，５０）の点に囲まれた領域であ
る。

【００２５】また、２次元面方向に繊維を無秩序に配向
させるのは、それにより内部応力の集中が問題になるよ
うな長い繊維を用いなくても、アスペクト比と体積率で
規定される最小の繊維量で所定の低熱膨張が得られるか
らである。図３は、本発明の複合材料の概要を示す図
で、複合材料（２）は、銅もしくは銅合金からなるマト
リックス（３）に、炭素及び／又は黒鉛質繊維（１）が
２次元面方向にランダムに配向されているものである。

【００２６】本発明の複合材料は、面方向で低い熱膨張
係数が得られるものである。半導体装置用基板として適
用するときは、半導体装置の形態にもよるが熱膨張係数
は５〜１１ｐｐｍ／℃が適当であり、その中でも７．０
〜９．０ｐｐｍ／℃が好ましいものであり、本発明の複
合材料の面方向の低熱膨張係数はかかる要求に対応でき
るものである。

【００２７】

【発明の実施の形態】本発明の炭素及び／又は黒鉛質繊
維のアスペクト比及び体積率について上述したが、炭素
及び／又は黒鉛質の繊維の径は、５〜２０μｍのものが
用いられ、好ましくは８〜１２μｍのものである。その
長さが４０μｍを越えるものである。なお、繊維の平均
長さの上限はそのアスペクト比（繊維長／繊維径）で定
まる。

【００２８】また、本発明のマトリックスは銅もしくは
銅合金である。マトリックスとしては銅のみでもよい
が、銅もしくは銅に、さらにＭｏ，Ｗ，Ｃｒ、Ａｇ、セ
ラミック粒子の１種又は２種以上を添加した銅合金を用
いてもよい。用途に応じて、例えば強度の上昇を意図し
てＭｏ，Ｗ，Ｃｒ等の高融点金属の１種又は２種以上を
添加する。またセラミック粒子を添加する。また耐熱性
を向上させるためにＡｇなどを添加してもよい。

【００２９】本発明の複合材料の製造方法は、炭素もし
くは黒鉛質からなる繊維を、マトリックスをなす銅を主
とする粉末と共にボールミル等の手法で混合する。ま
た、マトリックスとして、ＣｕにＭｏ，Ｗ，Ｃｒ、Ａｇ
の粉末の１種又は２種以上を、またはセラミック粒子を
添加し、ボールミル等の手法で混合して得た原料混合物
を圧粉型に入れプレスして混合物の圧縮成型物を得る。

【００３０】炭素及び／又は黒鉛質からなる繊維とマト
リックスの粉末からなる混合物の圧縮成型物をＨＩＰ
（熱間静水圧加圧）法を用いて焼結固化させる工程につ
いて図面を参照して説明する。図４〜図６は、本発明の
圧縮成型物をＨＩＰで焼結固化させる工程を示すもの
で、まず図４に示すように、炭素及び／又は黒鉛質の繊
維（１）とマトリックスの粉末（７）との圧縮成型物
（８）を側壁を蛇腹体（９）で構成される金属製カプセ
ルに装填し、蓋（１１）（１２）と蛇腹体（９）を真空
中で電子ビーム溶接するなどして真空密封する。

【００３１】側壁を蛇腹体（９）で構成される金属製カ
プセルの材料としては、主に、ステンレス鋼が用いられ
る。ステンレス鋼の中でもＳＵＳ３０４が溶接性の点か
ら望ましい。また蛇腹体（９）と、蓋（１１）（１２）
は同一の材料で構成することが好ましい。また、側壁を
蛇腹体で構成される金属製カプセルは、円筒状、角筒状
いずれでもよい。加圧の均一性という点では円筒状が好
ましく、ビレットから所定の部材を得る際の歩留まりと
いう点では角筒状が好ましい。また、金属製カプセル側
壁の蛇腹体は、円弧状のものを図示したが、これに限る
ものではなく、三角状の蛇腹でもよい。

【００３２】また、炭素もしくは黒鉛質からなる繊維の
体積率が大きくなると、圧縮成型物の保形性が失われる
ので、銅薄板もしくは箔で包むことが好ましい。例え
ば、予め圧粉用型の内面に沿って銅箔（１３）を敷き詰
め、その中に炭素もしくは黒鉛質からなる繊維（１）と
マトリックス粉体（７）の混合物を充填し圧粉すること
により圧粉体の圧縮成型物（８）が銅箔（１３）に包ま
れた形態をとるようにして保形性を与えるようにして、
図５に示すように、側壁を蛇腹体（９）で構成される金
属製カプセルに装填し、蓋（１１）（１２）をして真空
密封することが好ましい。

【００３３】次いで、図６に示すように、側壁が蛇腹体
（９）の金属製カプセルに装填され、蓋（１１）（１
２）で真空密封された圧縮成型物（８）をＨＩＰ処理す
る。金属製カプセル側壁の蛇腹体（９）は、その胴体の
軸方向に収縮する。収縮が進行すると、金属製カプセル
胴体の軸に垂直な面方向の強度は増すが、さらに軸方向
に収縮が進行する。この結果軸に垂直な面内ではどこで
も同じ加圧収縮が起こるので、この面内では炭素もしく
は黒鉛質からなる繊維（１）の体積比、配向は同じとな
る。このように加圧し１軸方向に収縮させることによ
り、炭素もしくは黒鉛質からなる繊維（１）は収縮軸方
向に垂直な面内に配向し、マトリックス（３）に、炭素
及び／又は黒鉛質繊維（１）が２次元面方向にランダム
に配向されているものとなり、本発明の複合材料が容易
に且つ高い歩留まりで得ることができる。

【００３４】本発明の複合材は、加圧し１軸方向に収縮
させることにより、マトリックス（３）に、炭素及び／
又は黒鉛質繊維（１）が２次元面方向にランダムに配向
されているものであるが、これについて図７（ａ）
（ｂ）で検討した。図７（ａ）に示すように、金属製カ
プセル（２３）に炭素、黒鉛質の繊維（１）とマトリッ
クスの粉末（２０）との圧縮成型物を装填し、蓋（２
１）（２２）で真空密封する。これにＨＩＰ処理を行っ
たところ、図７（ｂ）に示すように、金属製カプセル
（２３）、及び蓋（２１）（２２）の中心部が優先的に
変形し、その変形状況に応じて、繊維（１）の配向が全
体的に大きくばらついた。

【００３５】そこで、本発明の複合材料の製造では、蛇
腹状側壁の金属製カプセルを用いて、熱間静水圧加圧
（ＨＩＰ法）で１軸方向に収縮させ、炭素及び／又は黒
鉛質からなる繊維を収縮方向に対して垂直な方向に配向
させるものである。また、蛇腹状側壁の金属製カプセル
を用いても、カプセル変形の不均一が発生することもあ
る。例えば図８に示すように、圧縮成型物のＨＩＰ処理
により、側壁が蛇腹体（９）の金属製カプセルに装填さ
れ、蓋（１７）（１８）で真空密封された圧縮成型物
は、側壁が蛇腹体（９）からなる胴体の軸方向に収縮す
るが、蓋（１７）（１８）の中心部が変形し、繊維
（１）の配向が全体的にばらつくことがある。このよう
な、不均一変形の発生に対応するために、金属製カプセ
ルの蓋を、側壁をなす蛇腹体の肉厚の２倍以上とするこ
とにより、蓋よりも側壁をなす蛇腹体を優先的に変形さ
せ、十分に充填密度を上げる。このようにすると、十分
に充填密度が上がるまで蓋に大きな圧力がかかるのが防
止できるので蓋のへこみを抑制できる。

【００３６】金属製カプセルの蓋を側壁蛇腹体の肉厚の
２倍以上の厚さにする変わりにスペーサーを用いてもよ
い。例えば、図９に示すように、炭素及び／又は黒鉛質
の繊維（１）とマトリックスの粉末（７）との銅箔（１
３）で包まれた圧縮成型物（８）を側壁蛇腹体（９）の
金属製カプセルに装填し、スペーサー（１４）を入れ、
蓋（１１）（１２）をして真空密封する。スペーサーの
材質としては無酸素銅、黒鉛が好ましい。これをＨＩＰ
処理すると図１０に示すように、金属製カプセルの側壁
蛇腹体（９）は１軸方向に収縮し、マトリックス（３）
に、炭素及び／又は黒鉛質繊維（１）が２次元面方向に
ランダムに配向されたものとなる。また、図９では、金
属製カプセルに挿入されるスペーサーを圧縮成型物の上
に配置しているが、圧縮成型物の上、下に配置してもよ
い。

【００３７】本発明の炭素及び／又は黒鉛質の繊維と銅
もしくは銅合金のマトリックスよりなる複合材料を半導
体装置用基板として用いる場合について図１１を参照し
て説明する。本発明の複合材料は、炭素及び／又は黒鉛
質の繊維が２次元面方向にランダムに配向されているも
ので、このような複合材料を半導体基板の面方向に繊維
が配向しているようにして半導体装置用に適用する。

【００３８】具体的には図１１に示すように、本発明の
複合材料を基板の面方向に繊維が配向しているように切
り出し所定の形状に加工し、半導体装置用基板（４）と
して用いる。半導体装置用基板（４）には、必要に応じ
てＮｉ，Ａｕ，Ｐｄ，などからなるめっき層を形成し、
その上に半導体素子（６）を搭載する。また半導体装置
用基板（４）は、アルミナやコバールなどからなるパッ
ケージの外囲器（５）と接合する。

【００３９】このように本発明の複合材料を半導体装置
用基板として用いるが、アスペクト比、繊維体積率を制
御することにより、各種半導体パッケージ材料と接合す
るのに好適な熱膨張係数とすることができる。それ故、
該基板とアルミナやコバールなどからなるパッケージの
外囲器と接合する際の熱膨張差に起因する反り等を抑制
でき、またガラスセラミックなどからなる端子と反り等
発生することなく接合できる。また発熱する半導体チッ
プとの間に発生する熱応力も緩和できるため、信頼性の
高い半導体装置が得られる。

【００４０】

【実施例１】本発明の第１の実施例を図５、図６及び表
１、表２を参照して説明する。まず、繊維径１０μｍ、
平均繊維長２００μｍの黒鉛質繊維、及び平均径２０μ
ｍの銅粉を用い、黒鉛質の繊維の体積率が５０％になる
ように、所定重量の繊維、銅粉を秤量して配合し、ボー
ルミルにて混合し、これを予め内壁に沿って厚さ３５μ
ｍの銅箔を敷き詰めた金型に入れ、１ｔ／ｃｍ^２の圧力
で乾式プレスして圧縮成型物を形成した。この圧縮成型
物の充填率（圧縮成型物の体積の内、繊維と銅粉の混合
物が占める割合）は４０％程度であった。

【００４１】次いで、上述のように形成した圧縮成型物
を図５に示すように金属製カプセルに装填する。銅箔
（１３）に包まれた黒鉛質繊維（１）とマトリックスと
なる銅粉（７）の圧縮成型物（８）を、内径６５ｍｍ、
肉厚０．６ｍｍ、蛇腹のピッチ１０．０ｍｍで、材質が
ＳＵＳ３０４からなる蛇腹状側壁（９）を有する金属製
カプセルの中に入れ、これの端面に厚さ２ｍｍの蓋（１
１）（１２）を真空中で電子ビーム溶接することによ
り、真空封入した。

【００４２】次いで、１５００気圧、１０００℃２ｈの
条件でＨＩＰ処理した。図６に示すように、ＨＩＰ処理
により金属製カプセルの蛇腹状側壁（９）は、その円筒
の軸方向に沿って一様に潰れて、圧縮成型物は１軸方向
に収縮された。圧縮成型物（８）の高さ約６０ｍｍのも
のが、１軸方向に収縮され、高さ約２５ｍｍの繊維強化
複合材料が得られた。また、黒鉛質繊維（１）は銅のマ
トリックス（３）に２次元面方向にランダムに配向され
ていた。

【００４３】比較例として、図７（ａ）（ｂ）に示すよ
うにＨＩＰ処理を行ってみた。上記実施例１と同様に、
圧縮成型物を形成し、黒鉛質繊維（１）とマトリックス
となる銅粉（２０）の圧縮成型物を、内径６５ｍｍ、肉
厚０．６ｍｍの円筒状の金属カプセル（２３）に入れ、
蓋（２１）（２２）で同様に真空密封した。これを１５
００気圧、１０００℃２ｈの条件でＨＩＰ処理した。処
理終了後、これらをＨＩＰ装置から取り出したところ、
図７（ｂ）に示すように金属カプセル（２３）、及び蓋
（２１）（２２）の中心部分が大きくへこみいびつな形
となり、その変形状況に応じて、繊維（１）の配向が全
体的に大きくばらついていた。

【００４４】上記実施例１及び比較例の複合材料につい
て中心から１ｃｍごとに直径９ｍｍ厚さ４ｍｍのサンプ
ルを採取した。なお、サンプルは、ＨＩＰ処理の金属製
カプセルの円筒軸方向と垂直になるように採取したもの
である。表１は、実施例１及び比較例のサンプルの密度
（ｇ／ｃｍ^３）を測定したものであり、表２は、レーザ
ーフラッシュ法にて熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）を測定したも
のである。

【表１】

【表２】

【００４５】表１から明らかなように、実施例１ではサ
ンプル採取位置が、中心からの距離が０ｃｍ、１ｃｍ、
２ｃｍ、３ｃｍのいずれも、密度が５．５５（ｇ／ｃｍ
^３）で一定であ。これに対し、比較例では密度にばらつ
きが生じている。また、表２に示す熱伝導率も、実施例
１ではサンプル採取位置によらず、ほぼ一定である。こ
れに対して比較例は、ばらつきが生じている。

【００４６】これら表１、表２の結果より、実施例１で
はサンプル採取位置によらず、密度が一定であることか
ら繊維とマトリックスの銅の体積比は一定といえる。ま
た、熱伝導率が一定であることから、サンプルの採取位
置によらず、圧縮軸と垂直な向きではどこでも繊維の配
向状態が同じであると言える。それに対し、比較例で
は、密度にもばらつきが生じ、熱伝導率にはさらに多く
のばらつきが生じた。このことから図７（ｂ）に示すよ
うに、カプセルのいびつな変形により繊維の体積比、配
向がサンプル採取位置により大きく異なっていることが
判る。

【００４７】この実施例１のサンプルを酸を用いて溶解
し、平均のアスペクト比を求めたところ、１０．２であ
った。なお、原料の黒鉛質繊維は、繊維径１０μｍ、平
均繊維長２００μｍのものであるが、ボールミルでの混
合、乾式プレスによる圧縮成型、またはＨＩＰ等により
得られた複合材料の平均アスペクト比は、１０．２のも
のであった。

【００４８】

【実施例２】第２の実施例を図１２（ａ）（ｂ）及び図
１３（ｃ）（ｄ）を参照して説明する。図１２（ａ）
（ｂ）及び図１３（ｃ）（ｄ）において、横軸はアスペ
クト比、縦軸は炭素及び／又は黒鉛質からなる繊維体積
率である。炭素質の繊維として繊維径１０μｍ、Ｃｕ−
２０ｖｏｌ％Ｍｏ合金をマトリックスとして実施例１と
同様の製法で、様々のアスペクト比、様々の体積率を持
つ複合材料を作製した。これを還元雰囲気中８５０℃で
２ｈ熱処理し、その変形挙動を調査した。またその熱膨
張係数を測定し適当な値（５〜１１ｐｐｍ）であるかを
調査した。これらを総合して各複合材料が半導体装置用
基板として適当な特性を備えているか調べた。

【００４９】図１２（ａ）は、作製した複合材料を○印
で示したものである。図１２（ｂ）は、熱処理による変
形挙動を示したもので、○印は変形しないもの、もしく
は変形が軽微なものであり、×印は著しく変形したも
の、もしくは破壊したものである。図１３（ｃ）は、熱
膨脹による変形挙動を示したもので、○印は適当な値
（５〜１１ｐｐｍ）のもの、×印は高すぎるか、低すぎ
るものである。図１３（ｄ）は、総合評価結果を示した
もので、○印は半導体装置用基板として適するもの、×
印は半導体装置用基板として不適なものである。図１２
（ａ）（ｂ）及び図１３（ｃ）（ｄ）に示す結果から明
らかなように、本発明で特定されている範囲内のアスペ
クト比及び体積率を持つ場合のみ好適な特性を併せ持つ
ことが判る。

【００５０】

【実施例３】第３の実施例を図１１を参照して説明す
る。繊維径１０μｍ、平均繊維長２００μｍの黒鉛質の
繊維と平均径１０μｍの銅粉を、黒鉛質繊維の体積率が
６０％になるように配合し、実施例１と同様に複合材料
を作製した。実施例１と同様にアスペクト比を求めたと
ころ７．５であった。この複合材料を黒鉛質繊維の配向
面が面方向となるように切り出し基板とし、図１１に示
すように、半導体装置用基板（４）にアルミナからなる
外囲器（５）をＡｇ蝋付けした。この際、基板（４）に
反り等は見られなかった。さらに、これに半導体素子
（６）を取り付け、−４０℃←→１２５℃の温度サイク
ルを５００サイクルかけた。その結果、半導体素子
（６）の基板（４）からの剥離は認められなかった。

【００５１】

【実施例４】第４の実施例を、図５〜図１０及び表３、
表４を参照して説明する。上述した実施例１と同様に原
料混合物を混合して圧縮成型物を形成し、実施例１と同
様のＨＩＰ処理をした。１つは（表３、表４の「蓋厚み
２．０ｍｍ」）、図５に示すように、圧縮成型物を側壁
が内径１５０ｍｍ、肉厚１．０ｍｍ、ピッチ１５ｍｍの
蛇腹体筒（９）からなる金属製カプセルに入れ、厚みが
２．０ｍｍの蓋（１１）（１２）をして真空封入した。

【００５２】もう１つは（表３、表４の「蓋厚み０．６
ｍｍ＋スペーサー」）、図９に示すように、圧縮成型物
を側壁が内径１５０ｍｍ、肉厚１．０ｍｍ、ピッチ１５
ｍｍの蛇腹体筒（９）からなる金属製カプセルに装填
し、無酸素銅からなる厚さ１０ｍｍのスペーサー（１
４）を入れ、厚みが０．６ｍｍの蓋（１１）（１２）を
して真空封入した。さらに（表３、表４の「蓋厚み０．
６ｍｍ」）、図８に示すように、圧縮成型物を側壁が内
径１５０ｍｍ、肉厚１．０ｍｍ、ピッチ１５ｍｍの蛇腹
体筒（９）からなる金属製カプセルに入れ、厚みが０．
６ｍｍの蓋（１７）（１８）をして真空封入した。な
お、いずれも場合も、蛇腹体の金属製カプセル及び蓋の
材質はＳＵＳ３０４を用いた。

【００５３】ＨＩＰ処理を行った結果、図５に示す「蓋
厚み２．０ｍｍ」の場合は、図６に示すように蓋（１
１）（１２）は互いに平行であり、へこみ等は見られ
ず、圧縮成型物は１軸方向に収縮した。また、図９に示
す「蓋厚み０．６ｍｍ＋スペーサー」の場合は、蓋の厚
みは０．６ｍｍであるが、厚さ１０ｍｍのスペーサーを
入れたので、図１０に示すように、へこみ等は発生しな
かった。これに対して、「蓋厚み０．６ｍｍ」では、図
８に示すように、蓋（１７）（１８）の中心部が変形し
た。その変形は蓋（１７）（１８）の中央部が周辺部に
対し約３ｍｍ陥没していた。

【００５４】これらの材料について、上記実施例１と同
様にサンプルを採取し、密度及び熱伝導率を測定した。
表３は密度（ｇ／ｃｍ^３）、表４は熱伝導率（Ｗ／ｍ
Ｋ）を示したものである。

【表３】

【表４】

【００５５】表３、表４の結果より、「蓋厚み２．０ｍ
ｍ」、「蓋厚み０．６ｍｍ＋スペーサー」はサンプル採
取位置によらず、密度が一定であることから繊維とマト
リックスの銅の体積比は一定であり、圧縮軸と垂直な向
きではどこでも繊維の配向状態が同じであり、熱伝導率
が一定であると言える。これらに対し、「蓋厚み０．６
ｍｍ」のへこみが発生したものでは、密度にもばらつき
が生じ、熱伝導率にもばらつきが生じた。

【００５６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の複合材料
及びその製造方法によれば、炭素及び／又は黒鉛質から
なる繊維によって強化され、面方向に低熱膨張係数を有
し、また焼結固化による内部応力が小さく、熱履歴によ
る変形、破損の危険がないという効果を奏するものであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のアスペクト比及び体積率の関係を示す
図

【図２】本発明のアスペクト比及び体積率の関係を示す
図

【図３】本発明の複合材料の概要を示す図

【図４】本発明の実施態様及び実施例を説明する図

【図５】本発明の実施態様及び実施例を説明する図

【図６】本発明の実施態様及び実施例を説明する図

【図７】比較例を示す図

【図８】比較例を示す図

【図９】本発明の実施態様及び実施例を説明する図

【図１０】本発明の実施態様及び実施例を説明する図

【図１１】本発明の実施態様及び実施例を説明する図

【図１２】本発明の実施例のアスペクト比及び体積率の
関係を示す図

【図１３】本発明の実施例のアスペクト比及び体積率の
関係を示す図

【符号の説明】

１炭素もしくは黒鉛質からなる繊維２複合材料３マトリックス４半導体装置用基板５半導体装置の外囲器６半導体素子７マトリックスの粉末８圧縮成型物９蛇腹体１１、１２蓋１３銅箔１４スペーサー

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】炭素及び／又は黒鉛質の繊維と、銅もし
くは銅合金からなるマトリックスにより構成され、前記
炭素及び／又は黒鉛質の繊維は、その長さが４０μｍを
越えるもので、アスペクト比及び体積率が図１に示すＡ
（４，７５）、Ｂ（１０，７５）、Ｃ（３０，５５）、
Ｄ（３０，２５）、Ｅ（２０，２５）、Ｆ（４，４５）
の点に囲まれた範囲内であり、かつ２次元面方向にラン
ダムに配向させたことを特徴とする炭素及び／又は黒鉛
質の繊維と銅もしくは銅合金のマトリックスよりなる複
合材料。
【請求項２】複合材料が、半導体装置用基板として用
いられることを特徴とする請求項１に記載の炭素及び／
又は黒鉛質の繊維と銅もしくは銅合金のマトリックスよ
りなる複合材料。
【請求項３】炭素及び／又は黒鉛質からなる繊維とマ
トリックスの粉末からなる混合物の圧縮成型物を蛇腹状
側壁の金属製カプセルに装填して脱気後密封し、熱間静
水圧加圧により、前記圧縮成型物を密封した金属製カプ
セルを１軸方向に収縮させることを特徴とする請求項１
又は２に記載の炭素及び／又は黒鉛質の繊維と銅もしく
は銅合金のマトリックスよりなる複合材料の製造方法。
【請求項４】金属製カプセルの蓋部分の肉厚が、蛇腹
状金属製カプセルの側壁部の肉厚の２倍以上であること
を特徴とする請求項３に記載の炭素及び／又は黒鉛質の
繊維と銅もしくは銅合金のマトリックスよりなる複合材
料の製造方法。
【請求項５】圧縮成型物を蛇腹状側壁の金属製カプセ
ルに装填し、スペーサーを入れ脱気後密封することを特
徴とする請求項３に記載の炭素及び／又は黒鉛質の繊維
と銅もしくは銅合金のマトリックスよりなる複合材料の
製造方法。
【請求項６】炭素及び／又は黒鉛質からなる繊維とマ
トリックスの粉末からなる混合物の圧縮成型物が、銅の
薄板もしくは箔で包まれていることを特徴とする請求項
３乃至５のいずれかに記載の炭素及び／又は黒鉛質の繊
維と銅もしくは銅合金のマトリックスよりなる複合材料
の製造方法。