ダイヤモンド/銅（Diamond–Copper）複合材料
九月19, 2025
🔹 背景と目的
ダイヤモンド：超高熱伝導率（>2000 W·m⁻¹·K⁻¹）、低熱膨張係数（CTE）、電気絶縁性。ただし金属との濡れ性が悪い。
銅：高い熱伝導率と電気伝導率、加工性が良好、低コスト。
複合化の目的：両者を組み合わせて、高熱伝導性・低熱膨張・良好な界面特性を兼ね備えた放熱材料を実現する。
🔹 課題
濡れ性の問題：ダイヤモンドは溶融銅とほとんど濡れ合わない。
界面熱抵抗：ダイヤモンド–銅界面における高いカピッツァ抵抗が有効熱伝導率を低下させる。
熱膨張の不整合：ダイヤモンド（CTE ≈ 1 ppm/K）と銅（CTE ≈ 17 ppm/K）の差により、応力やクラックが発生する。
🔹 製造プロセス
金属浸透法
ダイヤモンド粒子プリフォームに溶融銅を浸透。
表面改質により濡れ性を向上させる必要がある。
粉末冶金 / ホットプレス / 放電プラズマ焼結（SPS）
ダイヤモンド粒子と銅粉を混合し、加圧焼結で緻密化。
CVDコーティング
ダイヤモンド粒子表面に炭化物（TiC, Cr₃C₂, Mo₂C）や難融点金属（W, Mo, Nb, Ta）をコーティング。
濡れ性改善と界面抵抗の低減を実現。
🔹 界面工学の戦略
炭化物形成層（Ti, Cr, W, Mo）：ダイヤモンドと強固に結合。
Cu合金化：CuにTi, Cr, Bを少量添加し、濡れ性を改善。
高エントロピー合金（HEA）コーティング：熱安定性・密着性を強化する新手法。
🔹 特性
熱伝導率：600–1000 W·m⁻¹·K⁻¹（ダイヤモンド体積分率と界面品質に依存）。
CTE調整：ダイヤモンド含有量を増やすことで、Si（≈ 3 ppm/K）、GaAs（≈ 6 ppm/K）に近い値に制御可能。
機械的強度：純銅より強化されるが、界面剥離が懸念点。
🔹 応用分野
パワーエレクトロニクス（GaN, SiCデバイス）の放熱基板
航空宇宙・人工衛星・軍用レーダーシステムの熱マネジメント
レーザーダイオードやマイクロ波デバイスのパッケージ材料
