JP2003100939A - Heat radiation substrate and manufacturing method thereof - Google Patents

Heat radiation substrate and manufacturing method thereof

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JP2003100939A
JP2003100939A JP2001296197A JP2001296197A JP2003100939A JP 2003100939 A JP2003100939 A JP 2003100939A JP 2001296197 A JP2001296197 A JP 2001296197A JP 2001296197 A JP2001296197 A JP 2001296197A JP 2003100939 A JP2003100939 A JP 2003100939A
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ceramic
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layer
green sheet
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Masanobu Azuma
正信 東
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Tokuyama Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a pyrogenic conductive substrate that is a heat radiation substrate where ceramic having insulation properties is adopted as the material of the substrate and a diamond layer is formed on the upper surface by a vapor phase method, and is formed with high coherency for preventing a diamond film from peeling off easily even in, for example, machining such as cut-off. SOLUTION: On the mount surface of a ceramic substrate such as aluminum nitride having the mount surface for mounting an element, a green sheet is formed. The green sheet gives ceramic having substantially the same quality as that of ceramic for composing the ceramic substrate, and contains 1×10<4> to 1×10<10> diamond particles per 1 cm<2> of the green sheet. Additionally, the green sheet is sintered for forming a ceramic layer where at least one portion of the diamond particle is exposed on a surface, and a diamond layer is formed on the ceramic layer by a vapor phase method, thus manufacturing the heat radiation substrate.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、発熱源から発生す
る熱エネルギーを放熱するためのヒートシンクとして好
適に使用できる高熱伝導性基板及びその製造方法に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a highly heat conductive substrate which can be suitably used as a heat sink for radiating heat energy generated from a heat source and a method for manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】情報密度の巨大化とともに電子部品の処
理能力は著しい向上を遂げている。そのため、各々の部
品からは多量の熱が発生しているのが現状である。これ
らの電子部品を安定的に動作させるためには一定温度に
保つことが好ましく、その冷却のために様々な工夫が成
されている。通常、高温となる電子部品はヒートシンク
と呼ばれる“熱を吸収できる材料、構成部品あるいはシ
ステムを熱的に保護するためにそのような材料を使用し
ている装置”上にマウントされ用いられるのが一般的で
ある。
2. Description of the Related Art With the increase in information density, the processing capacity of electronic parts has been significantly improved. Therefore, a large amount of heat is currently generated from each component. In order to operate these electronic components stably, it is preferable to keep them at a constant temperature, and various measures have been taken to cool them. Generally, high-temperature electronic components are generally mounted and used on a “heat sink” that is a “material capable of absorbing heat, a device using such a material for thermally protecting a component or system”. Target.

【0003】ヒートシンク材料として早くから実用化さ
れている材料としてはCu、Cu−W等の熱伝導性の良
い金属、金属合金、或いはSiC、AlN等の半導体性
或いは絶縁性の高熱伝導性セラミックス材料が挙げられ
るが、電子部品の性能の向上に伴う発熱をこのような材
料のみからなるヒートシンクを用いて冷却するには限界
があることが分かり、放熱特性向上のための新たなヒー
トシンク材料として既存物質中で最高の熱伝導率(約2
000W/mK)を有するダイヤモンドを用いたものが
開発されている。このようなヒートシンクで一般的なも
のとしては、ステムと呼ばれる銅などで構成された基体
上に所謂サブマウントとして板状又は膜状の単結晶ダイ
ヤモンドをロウ付け若しくはハンダ付けしたものがある
が、該ヒートシンクにおいては、単結晶ダイヤモンドは
非常に高価であるために大きな形状のものを用いること
ができず、また上記ロウ材やハンダ材が熱伝導に対する
抵抗になるといった理由から、その放熱効率は必ずしも
満足の行くものではなかった。そこで、基体上に多結晶
ダイヤモンド膜を気相合成法により形成することが試み
られており、このような方法で製造された上記のような
問題がないヒートシンクとして、半導体素子を載置する
ための載置面が気相合成ダイヤモンド層で覆われた放熱
部品が提案されている(特開平5−13843号公
報)。該放熱部品は、半導体レーザー素子の発熱による
特性劣化を抑制するためのもので、基体(ステム)上に
マイクロ波プラズマCVD(Chemical Vapor Depositio
n)法により10〜500μmの厚さの多結晶ダイヤモ
ンド層を直接形成している。該放熱部品は小型化するこ
とによりサブマウントとして使用することも可能と思わ
れる。
As a material which has been put into practical use as a heat sink material from early on, a metal having high heat conductivity such as Cu or Cu-W, a metal alloy, or a semiconductor or insulating high heat conductive ceramic material such as SiC or AlN is used. However, it has been found that there is a limit to cooling the heat generated due to the improvement of the performance of electronic parts by using a heat sink made of only such a material. Has the highest thermal conductivity (about 2
Those using diamond having 000 W / mK) have been developed. As such a heat sink, there is a general one in which a plate-shaped or film-shaped single crystal diamond is brazed or soldered as a so-called submount on a substrate made of copper or the like called a stem. In the heat sink, single crystal diamond is very expensive, so that a large shape cannot be used, and the above-mentioned brazing material and soldering material become resistance to heat conduction, so that the heat radiation efficiency is not always satisfactory. It wasn't going to happen. Therefore, it has been attempted to form a polycrystalline diamond film on a substrate by a vapor phase synthesis method, and a semiconductor element is mounted as a heat sink manufactured by such a method and having no problem as described above. A heat-dissipating component whose mounting surface is covered with a vapor-phase synthetic diamond layer has been proposed (JP-A-5-13843). The heat-dissipating component is for suppressing characteristic deterioration due to heat generation of the semiconductor laser device, and is a microwave plasma CVD (Chemical Vapor Depositio) on the substrate (stem).
The polycrystalline diamond layer having a thickness of 10 to 500 μm is directly formed by the method n). It is considered that the heat dissipation component can be used as a submount by downsizing.

【0004】上記放熱部品のようなヒートシンクにおい
ては、多結晶ダイヤモンド膜を形成する基体の材料は用
途によって最適なものが異なるが、その上に電気回路を
形成する場合には、絶縁性が良いことからセラミックが
使用されることが多く、近年は、セラミック基体上にダ
イヤモンド膜を形成した放熱基板に対する要求は高くな
っている。
In a heat sink such as the above-mentioned heat dissipation component, the optimum material for the substrate forming the polycrystalline diamond film differs depending on the application, but when forming an electric circuit on it, it has good insulating properties. In many cases, ceramics are used, and in recent years, there has been an increasing demand for a heat dissipation substrate having a diamond film formed on a ceramic substrate.

【0005】ところで、上記のような気相法によるダイ
ヤモンド膜の形成は、セラミックに限らず金属製基体等
に対しても適用することができるが、いずれの基体を用
いてもダイヤモンドの結晶性及び基体とダイヤモンドと
の接着性に関して満足のいくものができていないのが現
状である。基体とダイヤモンド膜との密着性を向上させ
る試みとしては、気相法によりダイヤモンド膜を形成す
る前に基材にダイヤモンドパウダーを用いて微細な傷
をつける処理を施したり、ダイヤモンドパウダーを埋
め込んだり、或いは基材に機械的処理或いはプラズマ
処理等を施して表面に凹凸を設けたりする方法の他、
ダイヤモンド膜の気相合成時に基体に直流電圧を印加し
て結晶核形成を誘起する方法等が挙げられる。
By the way, the formation of a diamond film by the vapor phase method as described above can be applied not only to ceramics but also to metal substrates and the like. The present situation is that the adhesion between the substrate and the diamond is not satisfactory. As an attempt to improve the adhesion between the substrate and the diamond film, before the diamond film is formed by the vapor phase method, the substrate is subjected to a fine scratch treatment using diamond powder, or the diamond powder is embedded, Alternatively, in addition to the method of forming unevenness on the surface by subjecting the substrate to mechanical treatment or plasma treatment,
A method of inducing crystal nucleus formation by applying a DC voltage to the substrate during vapor phase synthesis of the diamond film can be mentioned.

【0006】しかしながら、上記の方法は基体材料が
電気伝導性を有するものに限られ、セラミック材料の基
体には適用することができない。また、上記の方法
は、再現性等に問題があるばかりでなく、核形成密度も
最大で1×10cm−2程度しかならず、さほど効果
的な方法とは言えない。さらに、上記の方法は、基体
表面に形成された凹部を結晶核中心としようとするもの
であり、例えば特開平5−156445号公報に記載さ
れるようなプラズマ処理を用いた場合では、核形成密度
を〜1×1013cm―2程度まで増加させることが可
能であるが、形成されるダイヤモンド膜は基体に物理的
に接触して密着しているだけであり、剥がれやすいとい
う問題がある。このため、上記方法の中でも埋め込まれ
たダイヤモンドパウダー上に気相合成ダイヤモンドをホ
モエピタキシャル成長させるの方法が、結晶性及び下
地層(ダイヤモンドパウダー)との密着性に関する限り
最も良い方法であると考えられる。
However, the above-mentioned method is limited to a substrate material having electrical conductivity, and cannot be applied to a substrate made of a ceramic material. Further, the above-mentioned method has not only a problem in reproducibility but also a maximum nucleation density of about 1 × 10 3 cm −2, which is not so effective. Further, in the above method, the concave portion formed on the surface of the substrate is used as the center of the crystal nucleus, and in the case of using the plasma treatment as described in, for example, JP-A-5-156445, nucleation is performed. Although it is possible to increase the density to about 1 × 10 13 cm −2 , the diamond film formed is only in physical contact with the substrate and is in intimate contact therewith, and there is a problem in that it easily peels off. Therefore, among the above methods, the method of homoepitaxially growing the vapor-phase synthetic diamond on the embedded diamond powder is considered to be the best method as far as the crystallinity and the adhesion to the underlayer (diamond powder) are concerned.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】基材に埋め込まれたダ
イヤモンドパウダー上に気相合成ダイヤモンドを成長さ
せる試みとしては特開平4−297045号公報にその
技術が開示されている。当該公報によれば、1〜100
μmのダイヤモンド微粒子を1〜75容量%含有するセ
ラミック焼結体表面にダイヤモンドを気相合成する方法
が記載されている。該技術によればセラミック基体表面
に露出するダイヤモンド微粒子上に気相合成ダイヤモン
ドを気相合成することが可能であり、また、露出してい
るダイヤモンド粒子の数の制御も充填量の管理等で行う
ことができると思われる。しかしながら、ダイヤモンド
は1000℃付近から熱的に不安定となり変質或いは消
滅するため、一般に基体となるセラミック材料の焼結温
度が1000℃以上となることを考慮すると、セラミッ
ク基体焼結時にセラミック中に含有させてもその形状を
維持することは極めて困難であり、上記のようなダイヤ
モンド微粒子を含有するセラミック焼結体を得るのは困
難であると思われる。なお、上記公報にはセラミック基
体の製造方法の詳細な条件等は記載されていない。
As an attempt to grow vapor-phase synthetic diamond on diamond powder embedded in a base material, the technique is disclosed in JP-A-4-297045. According to the publication, 1 to 100
It describes a method of vapor-phase synthesis of diamond on the surface of a ceramic sintered body containing 1 to 75% by volume of diamond fine particles of μm. According to this technique, vapor-phase synthetic diamond can be vapor-phase synthesized on the fine diamond particles exposed on the surface of the ceramic substrate, and the number of exposed diamond particles is controlled by controlling the filling amount. It seems that you can do it. However, since diamond becomes thermally unstable and changes or disappears from around 1000 ° C., in consideration of the fact that the sintering temperature of the ceramic material that becomes the base is generally 1000 ° C. or higher, diamond is contained in the ceramic when the ceramic base is sintered. Even if it is carried out, it is extremely difficult to maintain its shape, and it seems that it is difficult to obtain the above-mentioned ceramic sintered body containing diamond fine particles. It should be noted that the above publication does not describe detailed conditions of the method for manufacturing the ceramic substrate.

【0008】そこで、ダイヤモンド微粒子をセラミック
基体上に含有させる新たな試みとして特開平8−119
795号公報に以下の様な技術が開示されている。即
ち、モリブデン等からなる基体上に、炭素を溶解しない
Ti等の金属粉末と炭素粉末さらに平均粒径10μmの
ダイヤモンド粒子を混合したペーストを基体上に塗布し
て自己燃焼反応法により高融点セラミックスからなるマ
トリックスにダイヤモンド粒子を分散させたダイヤモン
ド焼結体からなる中間層を形成し、その上に気相合成法
によりダイヤモンド膜を形成する方法が開示されてい
る。当該技術によれば中間層は形成時に1000℃以上
の温度を経験するが、その時間が瞬間的で極めて短いた
めに中間層に含有されているダイヤモンド粒子が損傷を
受けることはないと説明されている。しかしながら、基
体と中間層は異種物質であり基体と中間層との密着性に
ついての検討には至っていない。
Therefore, as a new attempt to incorporate fine diamond particles on a ceramic substrate, JP-A-8-119 has been proposed.
The following technology is disclosed in Japanese Patent Publication No. 795. That is, a paste made by mixing metal powder such as Ti, which does not dissolve carbon, carbon powder, and diamond particles having an average particle size of 10 μm is coated on a substrate made of molybdenum and the like, and a high melting point ceramics There is disclosed a method of forming an intermediate layer made of a diamond sintered body in which diamond particles are dispersed in the matrix, and forming a diamond film thereon by a vapor phase synthesis method. According to the art, the intermediate layer experiences a temperature of 1000 ° C. or higher during formation, but it is explained that the diamond particles contained in the intermediate layer are not damaged because the time is instantaneous and extremely short. There is. However, since the substrate and the intermediate layer are different materials, no study has been made on the adhesion between the substrate and the intermediate layer.

【0009】ダイヤモンド薄膜を利用したヒートシンク
においては、放熱特性の良好なダイヤモンド膜を再現性
良く形成することは勿論のこと、気相合成ダイヤモンド
膜を基体から剥離させないことが重要である。そこで、
本発明は、基体の材料として、絶縁性を有するセラミッ
クを選択し、このような材質からなる基体上に高品質の
多結晶ダイヤモンド層を、例えば切断等の加工を行なっ
ても加工時にダイヤモンド膜が剥離し難いような高い密
着性で形成した高熱伝導性基板を提供することを課題と
する。
In a heat sink using a diamond thin film, it is important not only to form a diamond film having good heat dissipation characteristics with good reproducibility but also to prevent the vapor phase synthetic diamond film from being separated from the substrate. Therefore,
According to the present invention, a ceramic having an insulating property is selected as the material of the substrate, and a high-quality polycrystalline diamond layer is formed on the substrate made of such a material, and a diamond film is formed at the time of processing even if it is processed. An object of the present invention is to provide a high thermal conductive substrate formed with high adhesiveness that is difficult to peel off.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】本発明者らは上記課題を
解決すべく鋭意研究を重ねた。その結果、板状のセラミ
ック基体上に、ダイヤモンド粒子を含有するグリーン体
からなる層を形成し、これを焼成してその上に気相法に
より多結晶ダイヤモンド膜を形成した場合には高い熱伝
導性を有する高品位な多結晶ダイヤモンド膜が高い密着
性で形成できるという知見を得るに至った。そして、該
知見に基づき更に検討を行なった結果、前記グリーン体
中に添加するダイヤモンド粒子の量が特定の範囲の時に
は、密着性が高く、良好な結晶性を有するダイヤモンド
膜を安定して形成できることを見出し、本発明を完成す
るに至った。
Means for Solving the Problems The inventors of the present invention have conducted extensive studies to solve the above problems. As a result, high thermal conductivity is obtained when a layer made of a green body containing diamond particles is formed on a plate-shaped ceramic substrate, and this is fired to form a polycrystalline diamond film on it by the vapor phase method. We have come to the knowledge that a high-quality polycrystalline diamond film having properties can be formed with high adhesion. As a result of further examination based on the findings, when the amount of diamond particles added to the green body is within a specific range, a diamond film having high adhesion and good crystallinity can be stably formed. The present invention has been completed and the present invention has been completed.

【0011】即ち、本発明は、素子を載置するための載
置面を有するセラミック基体の該載置面上に、該セラミ
ック基体を構成するセラミックと実質的に同質のセラミ
ックからなり、ダイヤモンド粒子を1×10〜1×1
10個/cm含むセラミック層、及びダイヤモンド
層がこの順で積層された積層体からなることを特徴とす
る放熱基板である。
That is, according to the present invention, a ceramic substrate having a mounting surface for mounting an element, on the mounting surface, is made of a ceramic of substantially the same quality as the ceramic constituting the ceramic substrate, and diamond particles are provided. 1 × 10 4 to 1 × 1
It is a heat dissipation board characterized by comprising a laminated body in which a ceramic layer containing 0 10 pieces / cm 2 and a diamond layer are laminated in this order.

【0012】上記本発明の放熱基板は、絶縁特性に優れ
るセラミック基体を用いているため、回路形成も容易
で、更に表面に熱伝導性の高いダイヤモンド層が形成さ
れているため放熱基板全体としての吸熱特性及び放熱特
性が良好である。さらに、ダイヤモンド層は、下地層及
び基体との密着強度が高く、また、下地層近傍から結晶
粒の大きい放熱特性の特に良好なダイヤモンドとするこ
とも可能である。上記本発明の放熱基板の中でも基体及
びセラミック層が窒化アルミニウムを主成分とするセラ
ミック材料からなるものは、上記した特徴を有するばか
りでなく、全体としての熱伝導率が特に高く好適であ
る。
Since the heat dissipation substrate of the present invention uses a ceramic substrate having excellent insulating properties, it is easy to form a circuit, and since a diamond layer having high thermal conductivity is formed on the surface, the heat dissipation substrate as a whole is formed. Good endothermic and heat dissipation properties. Further, the diamond layer has high adhesion strength to the underlayer and the base body, and it is possible to make the diamond having large crystal grains from the vicinity of the underlayer and having particularly good heat dissipation characteristics. Among the heat dissipation boards of the present invention, the one in which the base body and the ceramic layer are made of a ceramic material containing aluminum nitride as a main component has not only the above-mentioned characteristics but also a high thermal conductivity as a whole and is preferable.

【0013】また、第二の本発明は、素子を載置するた
めの載置面を有するセラミック基体の該載置面上に、該
セラミック基体を構成するセラミックと実質的に同質の
セラミックを与えるグリーンシートであって、ダイヤモ
ンド粒子が該グリーンシート1cm当たりに1×10
〜1×1010個含まれるグリーンシートを形成し、
次いで該グリーンシートを焼結して前記ダイヤモンド粒
子の少なくとも一部が表面に露出したセラミック層を形
成しながら又は該セラミック層を形成した後に、形成さ
れた該セラミック層上に気相合成法によりダイヤモンド
層を形成することを特徴とする本発明の放熱基板の製造
方法である。
The second aspect of the present invention provides, on the mounting surface of the ceramic base having a mounting surface for mounting an element, ceramic of substantially the same quality as the ceramic constituting the ceramic base. A green sheet, wherein the diamond particles are 1 × 10 per 1 cm 2 of the green sheet.
4 to 1 × 10 10 green sheets included are formed,
Then, the green sheet is sintered to form a ceramic layer in which at least some of the diamond particles are exposed on the surface, or after the ceramic layer is formed, diamond is formed on the formed ceramic layer by a vapor phase synthesis method. A method for manufacturing a heat dissipation substrate according to the present invention, which comprises forming a layer.

【0014】上記本発明の製造方法によれば、本発明の
放熱基板を効率よく製造することができる。特に、前記
セラミック基体として前記載置面の表面粗さRaが0.
03〜5μmであるものを用いた場合には、グリーンシ
ート層に由来する層と基材との密着強度が高く、延いて
はダイヤモンド膜が強固に密着した放熱基板を得ること
ができる。また、前記グリーンシートの厚みを0.05
〜200μmとすることにより、ダイヤモンド膜形成時
の基体加熱温度においてグリーンシートを焼結すること
が可能となり、より効率良く放熱基板を製造することが
できる。
According to the above manufacturing method of the present invention, the heat dissipation substrate of the present invention can be efficiently manufactured. In particular, the surface roughness Ra of the mounting surface of the ceramic substrate is 0.
When the thickness is from 03 to 5 μm, the adhesion strength between the layer derived from the green sheet layer and the base material is high, and by extension, the heat dissipation substrate having the diamond film firmly adhered can be obtained. In addition, the thickness of the green sheet is 0.05
By setting the thickness to 200 μm, it becomes possible to sinter the green sheet at the substrate heating temperature at the time of forming the diamond film, and the heat dissipation substrate can be manufactured more efficiently.

【0015】[0015]

【発明の実施の形態】本発明の放熱基板は、素子を載置
する載置面を有するセラミック基体上にダイヤモンド層
が積層された構造であり、該ダイヤモンド層上に半導体
素子、抵抗、キャパシタ等の各種素子を載置することに
よりヒートシンクとして使用できる。ここで、ヒートシ
ンクとは、上記のような素子で発生した熱を吸熱できる
材料、構成部品あるいはシステムを熱的に保護するため
にそのような材料を使用している装置を意味し、所謂サ
ブマウントを含む概念である。本発明の放熱基板は、基
体として絶縁性の高いセラミック基体を使用するので、
電気回路の形成が容易であり、例えばダイヤモンド層を
積層しない部分を設け、該部分に配線のための回路を描
くことが可能である。また、基体及び前記セラミック層
の材質として高い熱伝導率をもつ窒化アルミニウムを主
成分とするセラミック基体を使用した場合にはダイヤモ
ンド層との積層体を形成した場合においてもトータルの
熱伝導率が低下するのを抑制することができる。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The heat dissipation substrate of the present invention has a structure in which a diamond layer is laminated on a ceramic substrate having a mounting surface on which elements are mounted, and semiconductor elements, resistors, capacitors, etc. are formed on the diamond layers. It can be used as a heat sink by mounting various elements of. Here, the heat sink means a material capable of absorbing the heat generated by the element as described above, a device using such a material for thermally protecting a component or system, and a so-called submount. Is a concept that includes. Since the heat dissipation substrate of the present invention uses a ceramic substrate having high insulation as a substrate,
An electric circuit can be easily formed, and for example, a portion where a diamond layer is not stacked can be provided and a circuit for wiring can be drawn on the portion. Further, when a ceramic substrate having aluminum nitride as a main component having a high thermal conductivity is used as the material of the substrate and the ceramic layer, the total thermal conductivity is lowered even when a laminate with a diamond layer is formed. Can be suppressed.

【0016】本発明で使用する基体は、セラミックから
なり、素子が載置されるダイヤモンド層が形成される平
面を少なくとも1つ有する形状のものであれば特に制限
されず、例えば、窒化アルミニウム粉末、アルミナ粉
末、ジルコニア粉末、炭化珪素粉末、窒化珪素粉末、酸
化珪素粉末、窒化硼素粉末、等の各種無機酸化物又は無
機窒化物粉末に焼結助剤を添加し加圧等により形成した
後に焼結することにより製造される板状体、または多結
晶体を板状に加工したもの等が好適に使用できる。これ
らの中でも、熱伝導率が高いという観点から、窒化アル
ミニウム、炭化珪素、窒化硼素等を主成分とするセラミ
ックからなる基体、特に熱膨張係数がダイヤモンドに近
いという理由から窒化アルミニウムを主成分とするセラ
ミックからなる基体を用いるのが好適である。また、本
発明で使用する基体においては、後述するセラミック層
との密着性が高いことから、基体の載置面の表面粗さは
Raで0.03〜5μm、特に0.05〜4μmである
のが好適である。
The substrate used in the present invention is not particularly limited as long as it is made of ceramics and has a shape having at least one flat surface on which a diamond layer on which elements are mounted is formed. For example, aluminum nitride powder, Alumina powder, zirconia powder, silicon carbide powder, silicon nitride powder, silicon oxide powder, boron nitride powder, and other various inorganic oxides or inorganic nitride powders are added with sintering aids and then formed by pressure, etc., and then sintered. A plate-shaped body produced by doing the above, or a plate-shaped one obtained by processing a polycrystalline body can be preferably used. Among these, from the viewpoint of high thermal conductivity, a substrate made of a ceramic containing aluminum nitride, silicon carbide, boron nitride or the like as a main component, particularly aluminum nitride as a main component because the thermal expansion coefficient is close to that of diamond. It is preferable to use a substrate made of ceramic. In addition, since the substrate used in the present invention has high adhesion to the ceramic layer described later, the surface roughness of the mounting surface of the substrate is Ra of 0.03 to 5 μm, particularly 0.05 to 4 μm. Is preferred.

【0017】前記基体の載置面上に後述するセラミック
層を介して形成されるダイヤモンド層は、多結晶体ある
いは単結晶体の何れでもよく、また、天然ダイヤモンド
あるいは合成ダイヤモンドのいずれでも構わないがコス
トおよび膜形成の容易さの観点から、気相法によって合
成される多結晶ダイヤモンド膜からなるのが好適であ
る。その面積、形状、厚さ等は、載置する素子や所望の
放熱特性、製造に要する時間やコストに応じて適宜決定
すればよいが、一般に放熱特性はダイヤモンド層の厚さ
が厚い方が高く、逆に製造に要する時間やコストは層の
厚さが薄いほど低下するので、両者のバランスから層厚
は10μm〜300μm、特に20μm〜250μmと
するのが好適である。また、その熱伝導率は高ければ高
い方が望ましい。
The diamond layer formed on the mounting surface of the base body through a ceramic layer described later may be either a polycrystalline body or a single crystal body, and may be either natural diamond or synthetic diamond. From the viewpoint of cost and easiness of film formation, it is preferable that the polycrystalline diamond film is synthesized by a vapor phase method. The area, shape, thickness, etc. may be appropriately determined according to the element to be mounted, desired heat dissipation characteristics, time and cost required for manufacturing, but generally heat dissipation characteristics are higher when the thickness of the diamond layer is thicker. On the contrary, the time and cost required for production decrease as the thickness of the layer decreases. Therefore, it is preferable to set the layer thickness to 10 μm to 300 μm, particularly 20 μm to 250 μm in view of the balance between the two. Further, the higher the thermal conductivity, the more desirable.

【0018】本発明の放熱基板では、セラミック基体と
上記ダイヤモンド層との間に、該セラミック基体を構成
するセラミックと実質的に同質のセラミックからなり、
ダイヤモンド粒子を1×10〜1×1010個/cm
含むセラミック層を介在させることが必須である。上
記セラミック層に基材と同種類の材料を用いることによ
り両者の間の密着性を確保することが可能となる。な
お、実質的に同質であるとは、その主成分が一致してい
ることを言い、焼結助剤その他の微量成分は異なってい
てもよい。また、上記したような面密度でダイヤモンド
粒子を存在させた基材と同質のセラミック層を設けるこ
とにより気相法によりダイヤモンド膜を合成する際に核
発生を促進して下地界面近傍から結晶粒径の大きいダイ
ヤモンド膜の合成が可能となるばかりでなく、セラミッ
ク層に強固に接合したダイヤモンド粒子上にエピタキシ
ャル成長的にダイヤモンド膜を形成することが出来、密
着性が良く高品質のダイヤモンド膜を形成することがで
きる。その結果として、本発明の放熱基板は、放熱特性
が良好であることに加えて、使用中の加熱−冷却といっ
たヒートサイクルによるダイヤモンド膜の剥離が起り難
いという特徴を有することになる。上記セラミック層に
含有されるダイヤモンド粒子の面密度が1×10より
小さい場合、気相法でダイヤモンド層を形成する場合、
形成されるダイヤモンド膜の厚みをかなり厚くしないと
結晶粒径の増大が見られず、良好なダイヤモンド層を形
成するのが困難である。また、ダイヤモンド粒子の面密
度が1×1010より大きい場合、結晶粒増大効果は変
わらないが、その様な密度でダイヤモンド粒子を分散配
合することは非常に困難である。
In the heat dissipation substrate of the present invention, between the ceramic base and the diamond layer, a ceramic of substantially the same quality as the ceramic constituting the ceramic base is formed,
1 × 10 4 to 1 × 10 10 diamond particles / cm
It is essential to interpose a ceramic layer containing two . By using the same kind of material as the base material for the ceramic layer, it becomes possible to secure the adhesion between the two. The term “substantially the same quality” means that the main components are the same, and the sintering aid and other trace components may be different. Further, by providing a ceramic layer of the same quality as the base material in which the diamond particles are present with the above-mentioned surface density, nucleation is promoted when synthesizing the diamond film by the vapor phase method, and the crystal grain size from the vicinity of the base interface Not only is it possible to synthesize a diamond film with a large size, but it is also possible to form a diamond film by epitaxial growth on diamond particles firmly bonded to the ceramic layer, and to form a high-quality diamond film with good adhesion. You can As a result, the heat dissipation substrate of the present invention has not only good heat dissipation characteristics, but also the characteristics that the peeling of the diamond film due to a heat cycle such as heating and cooling during use does not easily occur. When the area density of the diamond particles contained in the ceramic layer is smaller than 1 × 10 4, when the diamond layer is formed by the vapor phase method,
Unless the thickness of the formed diamond film is considerably increased, the crystal grain size is not increased, and it is difficult to form a good diamond layer. When the areal density of the diamond particles is larger than 1 × 10 10 , the effect of increasing the crystal grains does not change, but it is very difficult to disperse and mix the diamond particles with such a density.

【0019】上記セラミック層の厚さは特に限定されな
いが、本発明の放熱基板の製造が容易であるという観点
から、0.05〜200μm、特に0.1〜150μm
であるのが好適である。また、該層に含まれるダイヤモ
ンド粒子の粒径は特に限定されないが、現実的に入手可
能な大きさという理由より、0.1〜50μmであるの
が好適である。50μmより大きい場合、面密度を本発
明の範囲内に設定することが困難となる場合が有る。
The thickness of the ceramic layer is not particularly limited, but from the viewpoint of facilitating the production of the heat dissipation substrate of the present invention, it is 0.05 to 200 μm, particularly 0.1 to 150 μm.
Is preferred. The particle size of the diamond particles contained in the layer is not particularly limited, but is preferably 0.1 to 50 μm for the reason that it is practically available. If it is larger than 50 μm, it may be difficult to set the surface density within the range of the present invention.

【0020】本発明の放熱基板の製造方法は特に限定さ
れないが、簡便性及び効率の良さの観点から、素子を載
置するための載置面を有するセラミック基体の該載置面
上に、該セラミック基体を構成するセラミックと実質的
に同質のセラミックを与えるグリーンシートであって、
ダイヤモンド粒子が該グリーンシート1cm当たりに
1×10〜1×1010個含まれるグリーンシートを
形成し、次いで該グリーンシートを焼結して前記ダイヤ
モンド粒子の少なくとも一部が表面に露出したセラミッ
ク層を形成しながら又は該セラミック層を形成した後
に、形成された該セラミック層上に気相合成法によりダ
イヤモンド層を形成することにより製造するのが好適で
ある。
The method for producing the heat dissipation substrate of the present invention is not particularly limited, but from the viewpoint of simplicity and efficiency, the ceramic substrate having the mounting surface for mounting the device is mounted on the mounting surface. A green sheet that provides a ceramic of substantially the same quality as the ceramic constituting the ceramic substrate,
A ceramic in which 1 × 10 4 to 1 × 10 10 diamond particles are contained per 1 cm 2 of the green sheet to form a green sheet, and then the green sheet is sintered to expose at least a part of the diamond particles on the surface. It is preferable to manufacture by forming a diamond layer on the formed ceramic layer by vapor phase synthesis while forming the layer or after forming the ceramic layer.

【0021】上記方法(本発明の製造方法)で使用する
グリーンシートとは、セラミック粉末、焼結助剤、有機
結合剤、可塑剤、溶剤等を混合したスラリーをドクター
ブレード法などにより薄いシート状にしたもので、乾
燥、焼成により焼結体を与えるものを意味する。上記ス
ラリーに予めダイヤモンド粉末を混ぜておきグリーンシ
ートの成形を行なってもよいが、気相法により密着性の
良好なダイヤモンド膜を得るためには、ダイヤモンド粒
子は表面に露出している方がよいので、ダイヤモンド粒
子がグリーンシートに埋没している場合には、該グリー
ンシートを焼結する前又は焼結した後にブラスト処理等
を施し、ダイヤモンド粒子の少なくとも一部を表面に露
出させるのが好適である。また、ダイヤモンド粒子を含
まないグリーンシトを成形した後に、ダイヤモンド粒子
を所定の面密度になるように散布する等により配置し、
軽くプレスすることにより埋入させてもよい。なお、何
れの場合にもグリーンシートは、加圧プレス等により該
シートを基体と仮密着さておくのが好適である。上記グ
リーンシートの厚さは、ダイヤモンド粒子の少なくとも
一部が埋入して固定化できるのに充分な厚さであれば特
に限定されないが、あまりに厚いとグリーンシートを焼
結体に転化させるために高温で長時間加熱しなければな
らず、ダイヤモンド粒子が劣化したり消滅したりするの
で、0.05〜200μmとするのが好適である。この
ような厚さであれば、グリーンシートを焼結しても埋入
されたダイヤモンド粒子は有効に機能する。また、気相
法によりダイヤモンド層を形成する際にグリーンシート
の焼結が同時に行なえるということから、上記グリーン
シトの厚さは、0.05〜200μm、特に0.1〜1
50μmとするのが特に好適である。また、気相法によ
るダイヤモンド層の形成には、公知の方法が制限なく使
用できる。
The green sheet used in the above method (production method of the present invention) is a thin sheet formed by a doctor blade method by mixing a slurry containing ceramic powder, a sintering aid, an organic binder, a plasticizer, a solvent and the like. It means the one which gives a sintered body by drying and firing. Diamond powder may be mixed in advance with the above slurry to form a green sheet, but in order to obtain a diamond film with good adhesion by the vapor phase method, it is better that the diamond particles are exposed on the surface. Therefore, when the diamond particles are buried in the green sheet, it is preferable to subject at least a part of the diamond particles to the surface by performing a blast treatment or the like before or after sintering the green sheet. is there. Further, after forming a green sheet containing no diamond particles, the diamond particles are arranged by spraying so as to have a predetermined areal density,
It may be embedded by pressing lightly. In any case, it is preferable that the green sheet is temporarily adhered to the substrate by a pressure press or the like. The thickness of the green sheet is not particularly limited as long as at least a part of the diamond particles can be embedded and fixed, but too thick to convert the green sheet into a sintered body. Since it has to be heated at a high temperature for a long time and the diamond particles deteriorate or disappear, it is preferable that the thickness is 0.05 to 200 μm. With such a thickness, the embedded diamond particles function effectively even if the green sheet is sintered. Further, since the green sheet can be sintered at the same time when the diamond layer is formed by the vapor phase method, the thickness of the green sheet is 0.05 to 200 μm, particularly 0.1 to 1 μm.
It is particularly preferable that the thickness is 50 μm. Further, known methods can be used without limitation for forming the diamond layer by the vapor phase method.

【0022】以下、基体及びダイヤモンド粒子を含むセ
ラミック層が窒化アルミニウムを主成分とするセラミッ
クからなる図1に示されるような構造の放熱基板Aを本
発明の製造方法により製造する場合を例に、本発明の製
造方法について詳しく説明する。図1に示される放熱基
板Aでは、AlN基体100上にダイヤモンド粒子11
1を含んだセラミック層110およびダイヤモンド層1
20がこの順で積層された構造を有している。
In the following, the case where the heat dissipating substrate A having a structure as shown in FIG. 1 in which the ceramic layer containing the substrate and the diamond particles is made of ceramic containing aluminum nitride as a main component is manufactured by the manufacturing method of the present invention will be described as an example The manufacturing method of the present invention will be described in detail. In the heat dissipation substrate A shown in FIG. 1, the diamond particles 11 are formed on the AlN substrate 100.
Ceramic layer 110 containing 1 and diamond layer 1
20 has a structure laminated in this order.

【0023】この場合において、グリーンシートの原料
となる窒化アルミニウム粉末としては、公知の窒化アル
ミニウム粉末が特に制限なく使用できるが、グリーンシ
ートの形成のし易さ及び得られる焼結体の性状が良好で
あるという観点から、沈降法で測定した平均粒径が5μ
m以下、更には3μm以下、特に0.5μm〜2μmの
粉末を使用するのが好適である。また、その純度も特に
限定されないが、酸素含有量が3.0重量%以下で、且
つ、窒化アルミニウム組成をAlNとするとき含有する
陽イオン不純物が0.5重量%以下であるもの、特に、
酸素含有量が0.4〜1.0重量%の範囲にあり、そし
て、陽イオン不純物の含有量が0.2重量%以下であ
り、かつ、陽イオン不純物の内、Fe、Ca、Si及び
Cの合計含有量が0.17重量%以下である窒化アルミ
ニウム粉末を用いるのが好適である。この様な純度の窒
化アルミニウム粉末を用いた場合には、得られる窒化ア
ルミニウム焼結体の熱伝導率が向上する。
In this case, as the aluminum nitride powder used as the raw material of the green sheet, known aluminum nitride powder can be used without particular limitation, but the ease of forming the green sheet and the properties of the obtained sintered body are good. From the viewpoint that the average particle size measured by the sedimentation method is 5 μ,
It is preferable to use a powder of m or less, more preferably 3 μm or less, and particularly 0.5 μm to 2 μm. The purity is not particularly limited, but the oxygen content is 3.0% by weight or less, and the cation impurities contained when the aluminum nitride composition is AlN is 0.5% by weight or less, particularly,
The oxygen content is in the range of 0.4 to 1.0% by weight, the content of cationic impurities is 0.2% by weight or less, and among the cationic impurities, Fe, Ca, Si and It is preferable to use an aluminum nitride powder having a total C content of 0.17% by weight or less. When the aluminum nitride powder having such a purity is used, the thermal conductivity of the obtained aluminum nitride sintered body is improved.

【0024】また、グリーンシート材料としての焼結助
剤は、公知のものが特に制限無く使用できる。具体的に
は、アルカリ土類金属化合物、例えば、酸化カルシウム
などの酸化物、イットリウムまたはランタニド元素より
なる化合物、例えば、酸化イットリウムなどの酸化物等
が好適に使用される。
Known sintering aids can be used as the green sheet material without particular limitation. Specifically, an alkaline earth metal compound, for example, an oxide such as calcium oxide, a compound containing yttrium or a lanthanide element, for example, an oxide such as yttrium oxide, or the like is preferably used.

【0025】また、グリーンシート材料としての有機結
合剤も公知のものが特に制限無く使用できる。具体的に
は、ポリアクリル酸エステル、ポリメタクリル酸エステ
ル等のアクリル樹脂、メチルセルロース、ヒドロキシメ
チルセルロース、ニトロセルロース、セルロースアセテ
ートブチレート等のセルロース系樹脂、ポリビニルブチ
ラール、ポリビニルアルコール、ポリ塩化ビニル等のビ
ニル基含有樹脂、ポリオレフィン等の炭化水素樹脂、ポ
リエチレンオキサイド等の酸素含有樹脂等が一種または
二種以上混合して使用される。この中でアクリル樹脂
は、脱脂性が良好であるため好適に使用される。その他
溶媒、分散剤、可塑剤等、他の成分も公知のものが特に
制限無く使用される。
As the organic binder as the green sheet material, known ones can be used without particular limitation. Specifically, acrylic resins such as polyacrylic acid esters and polymethacrylic acid esters, cellulosic resins such as methyl cellulose, hydroxymethyl cellulose, nitrocellulose, and cellulose acetate butyrate, polyvinyl butyral, polyvinyl alcohol, vinyl groups such as polyvinyl chloride. One type or a mixture of two or more types of resin containing, hydrocarbon resin such as polyolefin, oxygen containing resin such as polyethylene oxide and the like are used. Among them, acrylic resins are preferably used because they have good degreasing properties. Other known components such as a solvent, a dispersant, and a plasticizer may be used without particular limitation.

【0026】これら材料を用いて窒化アルミニウムグリ
ーンシートを構成する場合の、上記各成分の配合割合
は、特に限定されず、例えば、窒化アルミニウム100
重量部に対して、焼結助剤0.01〜10重量部、有機
結合剤0.1〜30重量部の割合で配合したものが好適
に使用できる。特に焼結助剤については、高熱伝導化に
有利なため、その配合量は窒化アルミニウム100重量
部に対して2〜7重量部とするのが特に好適である。な
お、スラリーに予めダイヤモンド粒子を混合する場合に
は、所期のグリーンシートの厚さを考慮して面密度が1
×10〜1×1010個/cmとなるように適宜配
合すればよい。これら各成分を混合して調製したスラリ
ーはドクターブレード法、印刷法等により基体の載置面
上にシート状に形成される。このグリーンシートは1層
としても複層構造としてもよい。また、スラリーにダイ
ヤモンド粒子を予め混合しない場合には、前記したよう
にして形成したグリーンシートにダイヤモンド粒子を埋
入させればよい。
When forming an aluminum nitride green sheet using these materials, the mixing ratio of each of the above components is not particularly limited, and for example, aluminum nitride 100
A mixture of 0.01 to 10 parts by weight of a sintering aid and 0.1 to 30 parts by weight of an organic binder with respect to parts by weight can be suitably used. In particular, since the sintering aid is advantageous in achieving high thermal conductivity, it is particularly preferable to mix it in an amount of 2 to 7 parts by weight with respect to 100 parts by weight of aluminum nitride. When the diamond particles are mixed in advance with the slurry, the surface density is set to 1 in consideration of the intended thickness of the green sheet.
Appropriate blending may be carried out so as to be × 10 4 to 1 × 10 10 pieces / cm 2 . The slurry prepared by mixing these components is formed into a sheet on the mounting surface of the substrate by a doctor blade method, a printing method or the like. This green sheet may have a single layer or a multi-layer structure. Further, when the diamond particles are not mixed in advance with the slurry, the diamond particles may be embedded in the green sheet formed as described above.

【0027】本発明の製造方法では、上記の様にして形
成したダイヤモンド粒子を含むグリーンシートを焼結し
て前記ダイヤモンド粒子の少なくとも一部が表面に露出
したセラミック層を形成し、形成されたセラミック層上
に気相合成法によりダイヤモンド層を形成する。この時
グリーンシートの焼結とダイヤモンドの層の形成を順次
別々に行なうこともできるが、工程を省略し製造効率を
高くする観点から、ダイヤモンド層の形成時に行なう基
体加熱を利用して上記焼結を行なうのが好ましい。グリ
ーンシートの焼結はその厚さにもよるが、600〜12
00℃で30分〜20時間程度加熱することにより簡単
に行なうことができる。本発明の製造方法では表層のみ
がグリーンシートとなっているので、基体全体を焼結さ
せる場合と異なり、高温に晒される時間が短いため、焼
結時にダイヤモンド粒子が劣化し難く、又消失したりす
る事がないため、種としての機能を充分発揮する事がで
きる。
In the manufacturing method of the present invention, the green sheet containing diamond particles formed as described above is sintered to form a ceramic layer in which at least a part of the diamond particles is exposed on the surface, and the formed ceramic is formed. A diamond layer is formed on the layer by a vapor phase synthesis method. At this time, the sintering of the green sheet and the formation of the diamond layer can be sequentially performed separately, but from the viewpoint of increasing the manufacturing efficiency by omitting the steps, the above-mentioned sintering is performed by using the substrate heating performed when forming the diamond layer. Is preferably performed. Sintering of green sheet depends on its thickness, but it is 600-12
It can be easily performed by heating at 00 ° C. for about 30 minutes to 20 hours. In the production method of the present invention, since only the surface layer is a green sheet, unlike the case of sintering the entire substrate, the time of exposure to high temperature is short, so that the diamond particles are less likely to deteriorate during the sintering, or disappear. Since there is nothing to do, it can fully function as a seed.

【0028】本発明の製造方法では、上記のようにして
形成されるダイヤモンド粒子の少なくとも一部が表面に
露出したセラミック層上に気相法によりダイヤモンド膜
層を形成する。気相法を採用する事により、上記ダイヤ
モンド粒子を種としてエピキタキシャル的にダイヤモン
ドを成長させてセラミック層に強固に接合した高品位の
ダイヤモンド膜から成る層を形成する事ができる。気相
法としては、化学気相蒸着法、レーザーアブレーション
法等ダイヤモンド膜を製造可能な公知の気相法が制限無
く用いられる。これらの中でも化学気相蒸着法が現状の
技術の中でも結晶性の良好なダイヤモンド膜を再現良く
安定的に製造することが可能であるため好適である。化
学気相蒸着法にはその製法により、高周波、マイクロ
波、熱フィラメント等を用いる方法に分類されるが、こ
れらの中でもマイクロ波を用いた方法又は熱フィラメン
トを用いた方法がより好ましい。
In the manufacturing method of the present invention, the diamond film layer is formed by the vapor phase method on the ceramic layer in which at least a part of the diamond particles formed as described above is exposed on the surface. By adopting the vapor phase method, it is possible to epitaxially grow diamond by using the above-mentioned diamond particles as a seed to form a layer composed of a high-quality diamond film firmly bonded to the ceramic layer. As the vapor phase method, a known vapor phase method capable of producing a diamond film such as a chemical vapor deposition method or a laser ablation method can be used without limitation. Among these, the chemical vapor deposition method is preferable because it is possible to reproducibly and stably produce a diamond film having good crystallinity among the existing techniques. Depending on the manufacturing method, the chemical vapor deposition method is classified into methods using high frequency waves, microwaves, hot filaments, etc. Among these methods, the method using microwaves or the method using hot filaments is more preferable.

【0029】該方法におけるダイヤモンド膜の原料とし
ては通常、メタン、アセチレン、二酸化炭素、一酸化炭
素等、炭素を含むガス化可能な物質が用いられる。これ
らの堆積性ガスは水素、酸素、窒素、アルゴン、キセノ
ン、ネオン、クリプトンなどの非堆積性ガスで希釈され
てもよい。また、ジボラン、ホスフィン等周期律表第II
I族或いは第V族元素を含有するガス化可能な化合物と
上記のガスを混合してダイヤモンドの合成を行うことも
可能である。この様なガスを同伴させてダイヤモンド膜
の合成を行った場合、P型、或いはN型の導電型を示す
ダイヤモンド膜が合成される。ダイヤモンド膜製造時の
基体温度は特に限定されないが600℃〜1200℃、
特に、700℃〜1100℃であるのが好適である。6
00℃より低温では非晶質のカーボンを多く含むダイヤ
モンド膜が形成されるため、熱伝導性が低下する。ま
た、基体温度が1200℃を超える場合にはダイヤモン
ド粒子に損傷を与えることがある。また、低温時の製膜
と同様に、非晶質のカーボンをダイヤモンド中に含有す
ることがあるため好ましくない。基体の加熱方法は上記
温度範囲に設定できる方法であれば特に制限無く採用さ
れる。例えば、基体を設置するホルダー中にヒーターを
埋め込み加熱する方法、高周波誘導加熱により基材を加
熱する方法、或いは、マイクロ波プラズマCVD法の場
合、プラズマ形成のために投入するマイクロ波により加
熱する方法等が挙げられる。ダイヤモンド合成のための
圧力は、通常0.1mTorr〜300Torr、特に
マイクロ波プラズマCVD法の場合には50mTorr
〜200Torrの範囲である。また、マイクロ波プラ
ズマCVD法の場合、プラズマ発生電源出力は形成する
ダイヤモンド膜の特性によって適宜選択されるが、通
常、300W〜10kWである。なお、膜形成後にエッ
チングをしたり、膜形成時に基体にマスキングを行なっ
たりすることによりダイヤモンド膜の形状を任意に変え
ることもできる。
As the raw material of the diamond film in the method, a gasifiable substance containing carbon such as methane, acetylene, carbon dioxide, carbon monoxide is usually used. These deposition gases may be diluted with non-deposition gases such as hydrogen, oxygen, nitrogen, argon, xenon, neon, krypton. In addition, diborane, phosphine, etc.
It is also possible to synthesize diamond by mixing the above gas with a gasifiable compound containing a group I or group V element. When the diamond film is synthesized by entraining such a gas, a diamond film having a P-type or N-type conductivity type is synthesized. The substrate temperature at the time of diamond film production is not particularly limited, but 600 ° C to 1200 ° C,
Particularly, it is preferably 700 ° C to 1100 ° C. 6
At a temperature lower than 00 ° C., a diamond film containing a large amount of amorphous carbon is formed, so that the thermal conductivity decreases. If the substrate temperature exceeds 1200 ° C, the diamond particles may be damaged. Further, similar to the film formation at low temperature, amorphous carbon may be contained in diamond, which is not preferable. The heating method of the substrate is not particularly limited as long as it can be set within the above temperature range. For example, a method of heating a heater by embedding a heater in a holder for setting a substrate, a method of heating a substrate by high-frequency induction heating, or a microwave plasma CVD method, a method of heating by a microwave applied for plasma formation. Etc. The pressure for diamond synthesis is usually 0.1 mTorr to 300 Torr, especially 50 mTorr in the case of microwave plasma CVD method.
Is in the range of up to 200 Torr. Further, in the case of the microwave plasma CVD method, the plasma generation power source output is appropriately selected depending on the characteristics of the diamond film to be formed, but is usually 300 W to 10 kW. The shape of the diamond film can be arbitrarily changed by etching after forming the film or masking the substrate during film formation.

【0030】[0030]

【実施例】以下に実施例、比較例を挙げて本発明をさら
に詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に限定さ
れるものではない。
EXAMPLES The present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples, but the present invention is not limited to these Examples.

【0031】尚、以下の実施例及び比較例において得ら
れた放熱基板の評価は以下の(1)〜(6)に示す方法
によって行った。
The heat dissipation boards obtained in the following examples and comparative examples were evaluated by the methods shown in (1) to (6) below.

【0032】(1)表面粗さ 株式会社東京精密製の表面粗さ・輪郭形状測定機により
表面粗さRaを測定した。
(1) Surface Roughness The surface roughness Ra was measured by a surface roughness / contour shape measuring instrument manufactured by Tokyo Seimitsu Co., Ltd.

【0033】(2)ダイヤモンド粒子密度 100μm×100μmの範囲のダイヤモンド粒子数を
画像処理することにより求め、1cmの面積内の個数
に換算した。
(2) Diamond particle density The number of diamond particles in the range of 100 μm × 100 μm was determined by image processing and converted into the number within the area of 1 cm 2 .

【0034】(3)合成速度 基体上に合成されたダイヤモンド膜の厚みを走査型顕微
鏡により求め、合成に要した時間で除して合成速度とし
た。
(3) Synthesis rate The thickness of the diamond film synthesized on the substrate was determined by a scanning microscope and divided by the time required for synthesis to obtain the synthesis rate.

【0035】(4)結晶性 ラマン散乱分光法によって1333cm−1に現れる散
乱波形の半値幅を求めることにより結晶性の評価を行っ
た。該半値幅が小さいほど結晶性が高い。
(4) Crystallinity was evaluated by determining the full width at half maximum of the scattering waveform appearing at 1333 cm -1 by crystalline Raman scattering spectroscopy. The smaller the full width at half maximum, the higher the crystallinity.

【0036】(5)熱伝導率 以下の算出式を用いて熱伝導率を計算した。 熱伝導率(W/mK)=密度(g/cm)×比熱(J
/gK)×熱拡散率(cm/s)×100(定数) ここで、密度は水中密度法により求め、熱拡散率は2次
元リング法によって非線形回帰分析により決定した。
(5) Thermal conductivity The thermal conductivity was calculated using the following formula. Thermal conductivity (W / mK) = density (g / cm 3 ) × specific heat (J
/ GK) × thermal diffusivity (cm 2 / s) × 100 (constant) Here, the density was obtained by the underwater density method, and the thermal diffusivity was determined by the nonlinear regression analysis by the two-dimensional ring method.

【0037】(6)密着性試験 ダイヤモンド膜上にチタン、白金、金をそれぞれ0.0
5μm、0.5μm、2μmの厚みでスパッタリング法
により膜付けし、該金膜上に表面にニッケルメッキした
ピンを垂直に半田付けした。ピンは先端が平坦で、ピン
径φ0.5mm、42−アロイ製のものを使用し、半田
は錫60重量%、鉛40重量%の組成のものを使用し
た。これを株式会社東洋精機製作所製ストログラフM2
にセットしてピンを垂直方向に引張った際の破壊強度を
測定した。引張り速度は10mm/分とした。単位はK
g/mmである。
(6) Adhesion test Titanium, platinum and gold were each added to 0.0 on the diamond film.
A film having a thickness of 5 μm, 0.5 μm, and 2 μm was formed by a sputtering method, and nickel-plated pins on the surface of the gold film were vertically soldered. The pin has a flat tip, a pin diameter of 0.5 mm, and is made of 42-alloy. The solder has a composition of 60 wt% tin and 40 wt% lead. This is the Strograph M2 manufactured by Toyo Seiki Co., Ltd.
Then, the breaking strength when the pin was pulled in the vertical direction was measured. The pulling speed was 10 mm / min. Unit is K
It is g / mm 2 .

【0038】実施例1 形状が25mm×25mm×0.5mm(t)であり、
表面粗さRaが0.5μmである窒化アルミニウムを主
成分とするセラミック基体に、表面に露出するダイヤモ
ンド粒子の面密度が1×10/cmとなるように調
整した70μm厚のグリーンシートを積層して、大気中
100Kgf/cmの圧力で加圧した。グリーンシー
トは窒化アルミニウム粉100重量部、イットリア5重
量部、分散剤としてn−ブチルメタクリレート2重量
部、有機結合剤としてポリブチルアクリレート11重量
部、可塑剤としてジオクチルフタレート7重量部、トル
エン、イソプロピルアルコール混合溶媒50重量部を秤
量し、これら1cmに対して1μm径のダイヤモンド
粉末を4mg混合して、ボールミルポットに投入してナ
イロンボールを用いて十分混合して作製した。そして、
このようにして得られたペーストをスクリーン印刷機を
用いて基板上へ成形した。次に、ダイヤモンド膜を合成
するために、マイクロ波プラズマCVD装置内の基板ホ
ルダー部に当該基板をセットした。反応容器内を真空引
きすると同時に基体設置台を1000℃に加熱した。基
体の温度が安定するまで約1時間保持するとともに、反
応容器内の圧力が5×10−6Torr以下となったの
を確認し、反応容器内にメタンガスを12cc/分、水
素を300cc/分の流量で導入し、排気バルブを調節
することによって反応容器内の圧力を100Torrと
した。次に、マイクロ波電源から5kWの出力で反射損
失が最小となるようにチューナーでチューニングしてマ
イクロ波を反応容器内へ供給した。得られるダイヤモン
ド膜の膜厚が50μmとなるように約10時間マイクロ
波電力を供給してダイヤモンド膜を基体上へ析出させ
た。反応終了後、基体温度が100℃以下となったのを
確認してから、反応容器を大気開放してダイヤモンドが
形成された基体を取出した。
Example 1 The shape is 25 mm × 25 mm × 0.5 mm (t),
A 70 μm thick green sheet adjusted so that the surface density of diamond particles exposed on the surface is 1 × 10 6 / cm 2 is applied to a ceramic substrate containing aluminum nitride as a main component having a surface roughness Ra of 0.5 μm. The layers were laminated and pressed at a pressure of 100 Kgf / cm 2 in the atmosphere. The green sheet is 100 parts by weight of aluminum nitride powder, 5 parts by weight of yttria, 2 parts by weight of n-butyl methacrylate as a dispersant, 11 parts by weight of polybutyl acrylate as an organic binder, 7 parts by weight of dioctyl phthalate as a plasticizer, toluene and isopropyl alcohol. 50 parts by weight of the mixed solvent was weighed, 4 mg of diamond powder having a diameter of 1 μm was mixed with 1 cm 3 of the mixed solvent, and the mixture was placed in a ball mill pot and sufficiently mixed with a nylon ball to prepare. And
The paste thus obtained was molded on a substrate using a screen printing machine. Next, in order to synthesize the diamond film, the substrate was set in the substrate holder part in the microwave plasma CVD apparatus. At the same time as the inside of the reaction vessel was evacuated, the substrate mounting base was heated to 1000 ° C. Hold the temperature for about 1 hour until the temperature of the substrate stabilizes, and confirm that the pressure in the reaction vessel has become 5 × 10 −6 Torr or less, and the reaction vessel contains 12 cc / min of methane gas and 300 cc / min of hydrogen. The pressure inside the reaction vessel was set to 100 Torr by adjusting the exhaust valve. Next, the microwave was supplied to the reaction vessel by tuning with a tuner so that the reflection loss was minimized at an output of 5 kW from the microwave power source. Microwave power was supplied for about 10 hours to deposit the diamond film on the substrate so that the thickness of the obtained diamond film was 50 μm. After the completion of the reaction, it was confirmed that the temperature of the substrate became 100 ° C. or lower, and then the reaction vessel was opened to the atmosphere to take out the substrate on which the diamond was formed.

【0039】ダイヤモンド膜の厚みを観測したところ、
約50μmであることが確認された。次に、基体上に形
成されたダイヤモンドの結晶性をラマン散乱スペクトル
測定により見積もった結果、1333cm−1に現れる
ダイヤモンド構造に起因するピークの半値幅が約8.2
cm−1であることを確認した。さらに得られた積層体
(放熱基板)の熱伝導率の測定を実施したところ約36
0W/mKであった。密着性試験を行った結果、2.5
Kg/mmの引張り強度を得た。
When the thickness of the diamond film was observed,
It was confirmed to be about 50 μm. Next, the crystallinity of the diamond formed on the substrate was estimated by Raman scattering spectrum measurement. As a result, the full width at half maximum of the peak appearing at 1333 cm −1 due to the diamond structure was about 8.2.
It was confirmed to be cm −1 . Further, when the thermal conductivity of the obtained laminate (heat dissipation substrate) was measured, it was about 36.
It was 0 W / mK. As a result of the adhesion test, 2.5
A tensile strength of Kg / mm 2 was obtained.

【0040】実施例2 実施例1において、グリーンシートの表面に露出するダ
イヤモンド粒子の面密度を1×10/cmとする以
外はすべて実施例1と同様にして放熱板を形成した。基
体上に形成されたダイヤモンドの結晶性をラマン散乱ス
ペクトル測定により見積もった結果、1333cm−1
に現れるダイヤモンド構造に起因するピークの半値幅が
約8.0cm−1であることを確認した。さらに得られ
た積層体(放熱基板)の熱伝導率の測定を実施したとこ
ろ約380W/mKであった。密着性試験を行った結
果、2.8Kg/mmの引張り強度を得た。
Example 2 A heat sink was formed in the same manner as in Example 1 except that the surface density of diamond particles exposed on the surface of the green sheet was set to 1 × 10 8 / cm 2 . The crystallinity of diamond formed on the substrate was estimated by Raman scattering spectrum measurement, and was found to be 1333 cm −1.
It was confirmed that the full width at half maximum of the peak due to the diamond structure appearing in ( 1) was about 8.0 cm -1 . Further, when the thermal conductivity of the obtained laminate (heat dissipation substrate) was measured, it was about 380 W / mK. As a result of the adhesion test, a tensile strength of 2.8 Kg / mm 2 was obtained.

【0041】実施例3 実施例1において、窒化アルミニウムを主成分とするセ
ラミック基体の両面粗さRaを3μmとする以外はすべ
て実施例1と同様にして放熱板を形成した。基体上に形
成されたダイヤモンドの結晶性をラマン散乱スペクトル
測定により見積もった結果、1333cm−1に現れる
ダイヤモンド構造に起因するピークの半値幅が約8.2
cm−1であることを確認した。さらに得られた積層体
(放熱基板)の熱伝導率の測定を実施したところ約37
0W/mKであった。密着性試験を行った結果、3.1
Kg/mmの引張り強度を得た。
Example 3 A radiator plate was formed in the same manner as in Example 1 except that the ceramic substrate containing aluminum nitride as the main component had a double-sided roughness Ra of 3 μm. As a result of estimating the crystallinity of diamond formed on the substrate by Raman scattering spectrum measurement, the full width at half maximum of the peak appearing at 1333 cm −1 due to the diamond structure is about 8.2.
It was confirmed to be cm −1 . Further, when the thermal conductivity of the obtained laminated body (heat dissipation substrate) was measured, it was about 37.
It was 0 W / mK. The result of the adhesion test was 3.1.
A tensile strength of Kg / mm 2 was obtained.

【0042】実施例4 実施例1において、グリーンシートの厚みを5μmとす
る以外はすべて実施例1と同様にして放熱板を形成し
た。基体上に形成されたダイヤモンドの結晶性をラマン
散乱スペクトル測定により見積もった結果、1333c
−1に現れるダイヤモンド構造に起因するピークの半
値幅が約8.3cm−1であることを確認した。さらに
得られた積層体(放熱基板)の熱伝導率の測定を実施し
たところ約360W/mKであった。密着性試験を行っ
た結果、3.3Kg/mmの引張り強度を得た。
Example 4 A heat sink was formed in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the green sheet was changed to 5 μm. As a result of estimating the crystallinity of diamond formed on the substrate by Raman scattering spectrum measurement, 1333c
It was confirmed that the full width at half maximum of the peak appearing at m −1 due to the diamond structure was about 8.3 cm −1 . Further, when the thermal conductivity of the obtained laminate (heat dissipation substrate) was measured, it was about 360 W / mK. As a result of the adhesion test, a tensile strength of 3.3 Kg / mm 2 was obtained.

【0043】比較例1 実施例1において、グリーンシートの表面に露出するダ
イヤモンド粒子の面密度を1×10/cmとする以
外はすべて実施例1と同様にして放熱板を形成した。基
体上に形成されたダイヤモンドの結晶性をラマン散乱ス
ペクトル測定により見積もった結果、1333cm−1
に現れるダイヤモンド構造に起因するピークの半値幅が
約10cm−1であることを確認した。さらに得られた
積層体(放熱基板)の熱伝導率の測定を実施したところ
約300W/mKであった。密着性試験を行った結果、
1.8Kg/mmの引張り強度を得た。
Comparative Example 1 A heat sink was formed in the same manner as in Example 1 except that the surface density of diamond particles exposed on the surface of the green sheet was set to 1 × 10 2 / cm 2 . The crystallinity of diamond formed on the substrate was estimated by Raman scattering spectrum measurement, and was found to be 1333 cm −1.
It was confirmed that the full width at half maximum of the peak due to the diamond structure appearing in 1 was about 10 cm −1 . Further, when the thermal conductivity of the obtained laminated body (heat dissipation substrate) was measured, it was about 300 W / mK. As a result of the adhesion test,
A tensile strength of 1.8 Kg / mm 2 was obtained.

【0044】比較例2 実施例1において、グリーンシートの材質をアルミナと
する以外はすべて実施例1と同様に放熱基板を作製し
た。アルミナを主成分とするグリーンシートは、セラミ
ック粉末としてアルミナ粉、バインダーとしてポリビニ
ルブチラール樹脂、溶剤としてトルエンを用いた。ダイ
ヤモンド形成後、基材を反応容器から取出したところ、
基材との界面から、上層部が剥れていることを確認し
た。
Comparative Example 2 A heat dissipation substrate was prepared in the same manner as in Example 1 except that the material of the green sheet was alumina. The green sheet containing alumina as the main component used alumina powder as the ceramic powder, polyvinyl butyral resin as the binder, and toluene as the solvent. After the diamond was formed, when the substrate was taken out of the reaction vessel,
It was confirmed that the upper layer was peeled from the interface with the base material.

【0045】[0045]

【発明の効果】本発明の放熱基板は、絶縁特性に優れる
セラミック基体を用いているため、回路形成も容易で、
更に表面に熱伝導性の高いダイヤモンド層が形成されて
いるため放熱基板全体としての吸熱特性及び放熱特性が
良好である。さらに、上記ダイヤモンド層は、下地層及
び基体との密着強度が高いため、切断等の加工時に剥離
したり、素子を搭載して使用した時のヒートサイクルに
よって剥がれたりし難いため、本発明の放熱基板は長期
間安定して使用することができる。また、本発明の製造
方法によれば、このような本発明の放熱基板を効率よく
製造することができる。
Since the heat dissipation board of the present invention uses the ceramic base having excellent insulating properties, the circuit can be easily formed.
Furthermore, since the diamond layer having high thermal conductivity is formed on the surface, the heat dissipation property and the heat dissipation property of the heat dissipation substrate as a whole are good. Furthermore, since the diamond layer has high adhesion strength to the underlayer and the base, it is difficult to peel off during processing such as cutting or peel off due to a heat cycle when the device is mounted and used. The substrate can be used stably for a long period of time. Moreover, according to the manufacturing method of the present invention, such a heat dissipation substrate of the present invention can be efficiently manufactured.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】 本図は、代表的な本発明の放熱基板の断面図
である。
FIG. 1 is a cross-sectional view of a typical heat dissipation board of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

A:放熱基板 100:AlN基体 110:セラミック層 111:ダイヤモンド粒子 120:ダイヤモンド層 A: Heat dissipation board 100: AlN substrate 110: Ceramic layer 111: Diamond particles 120: Diamond layer

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 素子を載置するための載置面を有するセ
ラミック基体の該載置面上に、該セラミック基体を構成
するセラミックと実質的に同質のセラミックからなり、
ダイヤモンド粒子を1×10〜1×1010個/cm
含むセラミック層、及びダイヤモンド層がこの順で積
層された積層体からなることを特徴とする放熱基板。
1. A ceramic substrate having a mounting surface for mounting an element, on the mounting surface, a ceramic substantially the same in quality as the ceramic constituting the ceramic substrate,
1 × 10 4 to 1 × 10 10 diamond particles / cm
A heat dissipation substrate comprising a ceramic layer including 2 and a diamond layer, which are laminated in this order.
【請求項2】 素子を載置するための載置面を有するセ
ラミック基体の該載置面上に、該セラミック基体を構成
するセラミックと実質的に同質のセラミックを与えるグ
リーンシートであって、ダイヤモンド粒子が該グリーン
シート1cm当たりに1×10〜1×1010個含
まれるグリーンシートを形成し、次いで該グリーンシー
トを焼結して前記ダイヤモンド粒子の少なくとも一部が
表面に露出したセラミック層を形成しながら又は該セラ
ミック層を形成した後に、形成された該セラミック層上
に気相合成法によりダイヤモンド層を形成することを特
徴とする請求項1記載の放熱基板の製造方法。
2. A green sheet for providing a ceramic of substantially the same quality as the ceramic constituting the ceramic base on the mounting surface of a ceramic base having a mounting surface for mounting an element, the diamond being a diamond sheet. A ceramic layer in which particles form 1 × 10 4 to 1 × 10 10 particles per 1 cm 2 of the green sheet and then the green sheet is sintered to expose at least a part of the diamond particles on the surface. 2. The method for manufacturing a heat dissipation substrate according to claim 1, wherein a diamond layer is formed on the formed ceramic layer while forming or after forming the ceramic layer by a vapor phase synthesis method.
【請求項3】 前記セラミック基体の前記載置面の表面
粗さRaが0.03〜5μmであることを特徴とする請
求項2に記載の製造方法。
3. The manufacturing method according to claim 2, wherein the surface roughness Ra of the mounting surface of the ceramic substrate is 0.03 to 5 μm.
【請求項4】 前記グリーンシートの厚さが0.05〜
200μmであることを特徴とする請求項2又は3に記
載の製造方法。
4. The green sheet has a thickness of 0.05 to
It is 200 micrometers, The manufacturing method of Claim 2 or 3 characterized by the above-mentioned.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007180439A (en) * 2005-12-28 2007-07-12 Kinik Co Electric circuit-plate having high heat conducting efficiency
KR101268367B1 (en) * 2012-06-22 2013-05-28 한국기계연구원 Method of manufacturing heat sink substrate using liquid pressing process
KR20190046828A (en) * 2016-08-02 2019-05-07 덴카 주식회사 Heat dissipation structure of electric circuit device

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KR102382407B1 (en) 2016-08-02 2022-04-01 덴카 주식회사 Heat dissipation structure of electric circuit device

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