1980年代以降、電子回路の集積密度は年率1.5倍以上のペースで増加しています。集積度が高まるほど、電流密度と動作時の発熱が増加します。この熱が効率的に放散されない場合、熱障害を引き起こし、電子部品の寿命を縮める可能性があります。
高まる熱管理の需要を満たすために、優れた熱伝導性を備えた高度な電子パッケージング材料が広範囲に研究され、最適化されています。
ダイヤモンド/銅複合材料
01 ダイヤモンドと銅
従来の包装材料には、セラミック、プラスチック、金属、そしてそれらの合金が含まれます。BeOやAlNなどのセラミックは、半導体と同等のCTE（熱膨張係数）、優れた化学的安定性、そして適度な熱伝導率を備えています。しかし、複雑な加工、高コスト（特にBeOは有毒）、そして脆さといった問題から、用途が限られています。プラスチック包装は低コスト、軽量、そして断熱性に優れていますが、熱伝導率が低く、高温下で不安定であるという問題があります。純金属（Cu、Ag、Al）は熱伝導率が高いもののCTEが高すぎ、合金（Cu-W、Cu-Mo）は熱性能を低下させます。そのため、高い熱伝導率と最適なCTEを両立する新しい包装材料が緊急に求められています。
| 強化 | 熱伝導率（W/(m·K)） | 熱膨張係数（×10⁻⁶/℃） | 密度（g/cm³） |
| ダイヤモンド | 700～2000年 | 0.9～1.7 | 3.52 |
| BeO粒子 | 300 | 4.1 | 3.01 |
| AlN粒子 | 150～250 | 2.69 | 3.26 |
| SiC粒子 | 80～200 | 4.0 | 3.21 |
| B₄C粒子 | 29～67 | 4.4 | 2.52 |
| ボロン繊維 | 40 | 約5.0 | 2.6 |
| TiC粒子 | 40 | 7.4 | 4.92 |
| Al₂O₃粒子 | 20～40歳 | 4.4 | 3.98 |
| SiCウィスカー | 32 | 3.4 | – |
| Si₃N₄粒子 | 28 | 1.44 | 3.18 |
| TiB₂粒子 | 25 | 4.6 | 4.5 |
| SiO₂粒子 | 1.4 | <1.0 | 2.65 |
ダイヤモンド最も硬い天然素材（モース硬度10）として知られるこの物質は、並外れた熱伝導率（200～2200 W/(m·K)）.
ダイヤモンドマイクロパウダー
銅, と 高い熱伝導率/電気伝導率（401 W/(m·K)）強度、延性、コスト効率に優れたこの材料は、IC に広く使用されています。
これらの特性を組み合わせることで、ダイヤモンド/銅 (Dia/Cu) 複合材料Cu をマトリックスとし、ダイヤモンドを強化材とする超高強度セラミックスが、次世代の熱管理材料として注目されています。
02 主要製造方法
ダイヤモンド/銅を製造する一般的な方法としては、粉末冶金法、高温高圧法、溶融浸漬法、放電プラズマ焼結法、コールドスプレー法などがあります。
単一粒子サイズのダイヤモンド/銅複合材料の異なる製造方法、プロセス、および特性の比較
| パラメータ | 粉末冶金 | 真空ホットプレス | 放電プラズマ焼結（SPS） | 高圧高温（HPHT） | コールドスプレー堆積 | 溶融浸透 |
| ダイヤモンドタイプ | MBD8 | HFD-D | MBD8 | MBD4 | 携帯情報端末 | MBD8/HHD |
| マトリックス | 99.8%銅粉末 | 99.9%電解Cu粉末 | 99.9%銅粉末 | 合金/純Cu粉末 | 純銅粉末 | 純銅バルク/ロッド |
| インターフェースの変更 | – | – | – | ホウ素、チタン、シリコン、クロム、ジルコニウム、タングステン、モリブデン | – | – |
| 粒子サイズ（μm） | 100 | 106～125 | 100～400 | 20～200 | 35～200 | 50～400 |
| 体積分率（％） | 20～60歳 | 40～60歳 | 35～60歳 | 60～90 | 20～40歳 | 60～65歳 |
| 温度（℃） | 900 | 800～1050年 | 880–950 | 1100～1300年 | 350 | 1100～1300年 |
| 圧力（MPa） | 110 | 70 | 40～50歳 | 8000 | 3 | 1～4 |
| 時間（分） | 60 | 60～180 | 20 | 6～10 | – | 5～30 |
| 相対密度（％） | 98.5 | 99.2～99.7 | – | – | – | 99.4～99.7 |
| パフォーマンス | ||||||
| 最適熱伝導率（W/(m·K)） | 305 | 536 | 687 | 907 | – | 943 |
一般的な Dia/Cu 複合技術には次のようなものがあります。
（1）粉末冶金
混合ダイヤモンド/Cu粉末を圧縮・焼結する。この方法はコスト効率が高く簡便である一方、密度が低く、微細構造が不均一で、サンプル寸法も制限されるという欠点がある。
Sインターリングユニット
（1）高圧高温（HPHT）
マルチアンビルプレスを用いることで、溶融銅を極限条件下でダイヤモンド格子に浸透させ、高密度複合材料を作製します。しかし、HPHT法では高価な金型が必要となり、大規模生産には適していません。
Cユービックプレス
（1）溶融浸透
溶融Cuは、圧力または毛細管現象を利用した浸透によってダイヤモンドプリフォームに浸透します。得られた複合材料は、446 W/(m·K)を超える熱伝導率を達成します。
（2）放電プラズマ焼結（SPS）
パルス電流は、混合粉末を加圧下で急速に焼結します。SPSは効率的ですが、ダイヤモンド含有率が65vol%を超えると性能が低下します。
放電プラズマ焼結システムの概略図
（５）コールドスプレー堆積
粉末を加速し、基板上に堆積させる。この新しい手法は、表面仕上げの制御と熱性能の検証において課題を抱えている。
03 インターフェースの変更
複合材料の製造において、構成材料間の相互濡れ性は複合プロセスの必須条件であり、界面構造および界面結合状態に影響を与える重要な要素です。ダイヤモンドとCuの界面における非濡れ性は、界面熱抵抗を非常に高くします。そのため、様々な技術的手段を用いて両者の界面改質に関する研究を行うことが非常に重要です。現在、ダイヤモンドとCuマトリックス間の界面問題を改善するには、主に2つの方法があります。(1) ダイヤモンドの表面改質処理、(2) 銅マトリックスの合金化処理です。
改質模式図：（a）ダイヤモンド表面への直接めっき、（b）マトリックス合金化
（１）ダイヤモンドの表面改質
Mo、Ti、W、Crなどの活性元素を強化相の表層にめっきすることで、ダイヤモンドの界面特性が向上し、熱伝導率が向上します。焼結により、これらの元素がダイヤモンド粉末表面の炭素と反応し、炭化物遷移層を形成します。これにより、ダイヤモンドと金属基材間の濡れ性が最適化され、コーティングによって高温下におけるダイヤモンドの構造変化を防ぐことができます。
（２）銅マトリックスの合金化
材料の複合加工前に、金属銅に前合金化処理を施すことで、一般的に高い熱伝導率を有する複合材料を製造できます。銅マトリックスに活性元素をドーピングすることで、ダイヤモンドと銅の濡れ角を効果的に低減できるだけでなく、反応後にダイヤモンド/銅界面に銅マトリックスに固溶する炭化物層を生成できます。これにより、材料界面に存在する隙間の大部分が改質・充填され、熱伝導率が向上します。
04 結論
従来のパッケージング材料では、先進的なチップからの熱管理が不十分です。調整可能なCTEと超高熱伝導率を備えたDia/Cu複合材料は、次世代エレクトロニクスに革新的なソリューションを提供します。
XKH は、産業と貿易を融合したハイテク企業として、ダイヤモンド/銅複合材料、SiC/Al、Gr/Cu などの高性能金属マトリックス複合材料の研究開発と生産に注力し、電子パッケージ、パワーモジュール、航空宇宙の分野向けに、熱伝導率 900W/(m·K) を超える革新的な熱管理ソリューションを提供しています。
XKH'ダイヤモンド銅張積層板複合材料：
投稿日時: 2025年5月12日