JP2005093781A - ヒートシンク及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 腐食、エロージョン・コロージョン又は電解腐食が起こりにくく、かつ耐圧強度の高い水冷式ヒートシンク及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 板材又はブロック材からなる母材２１、３１、４１の片面又は両面に流路６０を形成し、これらの母材の表面にＡｕコーティング層５３を形成し、これらの母材同士を、Ａｕ−Ｓｎ合金又はＳｎからなるハンダ層５４を用いて接合することにより、ヒートシンク１０を形成する。ハンダ層５４による接合の際に、Ａｕコーティング層５３とハンダ層５４とを拡散させて、Ａｕ９１ｗｔ％以上、Ｓｎ９ｗｔ％以下のＡｕ−Ｓｎ合金層５５を形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体レーザー素子や半導体デバイス等の発熱体の放熱に用いられるヒートシンク及びその製造方法に関する。

近年様々な分野で使用される半導体レーザー素子や半導体デバイス等は、大きな発熱量を持つため、その冷却のためにヒートシンクが一般的に使用される。

このヒートシンクは、近年の半導体デバイス等の高輝度化、高出力化に伴い、更に高い冷却性能が要求され、また、長期間安定して半導体デバイス等を冷却することができる耐久性等も要求されるため、様々なヒートシンクが考案されている。

上記ヒートシンクは、その性能をさらに高めるために、ヒートシンクの大型化、板厚が増加するなどの傾向が生じ、近年ますます小型化する半導体デバイス等に適応できないものもあった。

そこで、その問題点を解決するため、下記特許文献１には、図９に示すようなヒートシンク１００の構造が開示されている。

このヒートシンク１００は、主として銅製の板状素材からなる母材１１０、１２０、及び１３０を有し、母材１１０及び母材１３０の内面には液体を流動させる流路１５０が形成され、更に母材１２０には、接続孔１６０が形成されている。そして、母材１１０、母材１２０及び母材１３０を接着等の手段によって接合し、ヒートシンク１００が形成されている。そして、形成されたヒートシンク１００の内部に冷却液を流出入させることにより、半導体レーザー素子等の半導体デバイス１７０を冷却することができる。
特許協力条約に基づいて公開された国際出願 ＷＯ００／１１９２２号公報

上記特許文献１記載のヒートシンクでは、冷却液を流出入させて、冷却液の循環を長期間行うと、冷却液に接している母材１１０〜１３０の内面において、腐食、エロージョン・コロージョンなどの現象が発生する。

ここで、エロージョン・コロージョンとは、機械的作用による侵食及び化学的作用による腐食を伴う腐食の形態で、ヒートシンク１００の場合、冷却液の流出入による機械的な作用と、冷却液と母材１１０〜１３０との化学的な反応によるものである。

前述のように発生した腐食、又はエロージョン・コロージョンは、前記ヒートシンク１００の液漏れや冷却液の流量の低下を引き起こす。また、母材１１０〜１３０には、一般的に熱伝導率が良く、比較的安価なＣｕが使用されるが、冷却液の循環により、緑青等の腐食生成物の発生を招く。この腐食生成物は、目詰まりの原因となり、ヒートシンク１００の流量を低下させる。以上のような流量の低下は、ヒートシンク１００の冷却性能を著しく低下させる。

また、ヒートシンク１００を半導体レーザー素子の冷却に使用する場合、半導体レーザー素子を一方の電極（アノード又はカソード）とし、ヒートシンク１００自体を他方の電極（カソード又はアノード）として機能し、半導体レーザー素子に流れる電流をヒートシンク１００が同時に受けることにより電解腐食等を引き起こしやすい。その結果、流路の変形や目詰まりが発生し、更にはこれによる流量低下を補うために水圧を上昇させるなどをした場合、圧力に耐えられず液漏れ等が発生する原因となっている。

上記のような、冷却性能の低下の問題を防ぐために、母材１１０〜１３０を接合して、ヒートシンク１００を形成した後、その内部に形成される流路１５０にコーティング処理を施す等の対策を行う場合もあるが、流路１５０の断面積を変化させないように、精度良く、適当な厚さで、流路１５０の接液表面にコーティング処理を施すことは困難であった。

本発明は、以上の問題点を鑑みてなされたもので、腐食、エロージョン・コロージョン又は電解腐食が起こりにくいヒートシンク及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明のヒートシンクは、板材又はブロック材からなる母材の片面又は両面に流路を形成し、この母材を複数枚接合して、その内部に冷却媒体の流路を形成してなる、半導体デバイスを装着して冷却するために用いられるヒートシンクにおいて、前記母材の表面にＡｕコーティング層が形成され、前記母材同士がＡｕ９１ｗｔ％以上、Ｓｎ９ｗｔ％以下の合金層を介して接合されていることを特徴とする。

上記の発明によれば、ヒートシンクを形成する母材の接液部を含む表面に、耐食性に優れるＡｕやＡｕＳｎ合金が、コーティング層や接合層として形成されているため、ヒートシンク内面に発生する腐食、エロージョン・コロージョン又は電解腐食が起こりにくいヒートシンクを得ることができる。

また、前記母材同士がＡｕ９１ｗｔ％以上、Ｓｎ９ｗｔ％以下の合金層を介して接合されているため、通常のＡｕ−２０％Ｓｎ合金の溶融温度２７８℃よりも高くなる。そのため、Ａｕ―２０％Ｓｎ合金を用いてヒートシンクの表層に、半導体デバイスを接合するような場合でも、加熱によって、再溶融することがなくなり、接合層の強度が低下することを防止することができる。

本発明のヒートシンクにおいては、前記母材がＣｕ、Ｃｕ−Ｗ系合金、Ｍｏ、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金、窒化アルミニウム、炭化珪素から選ばれた一種又は二種以上の材料からなることが好ましい。上記の母材材料は、熱伝導性が高いため、ヒートシンクの冷却性能を向上させることができる。

また、本発明のヒートシンクにおいては、前記半導体デバイスが単一のレーザー素子、アレイ状に複数の素子から構成されたレーザーバー、高消費電力の各種トランジスタ、及び集積回路から選ばれた一種であれば、効果が著しい。半導体デバイスの中でも、単一のレーザー素子、アレイ状に複数の素子から構成されたレーザーバー、高消費電力の各種トランジスタ、及び集積回路から選ばれた一種は、小型で単位面積当りの発熱量が大きいため、本発明のヒートシンクを使用することにより、効率的に冷却することができる。

一方、本発明のヒートシンクは、前記母材の表面に、Ｎｉコーティング層を介して、前記Ａｕコーティング層が形成されていることが好ましい。Ｎｉは、各種の金属に対し密着性が高いため、前記Ａｕコーティング層との密着性が向上し、耐食性も向上させることができる。また、本発明においてＮｉやＡｕのコーティング方法には、メッキ、蒸着、スパッタ等の一般的な成膜方法が適用できる。

本発明のヒートシンクの製造方法は、板材又はブロック材からなる母材の片面又は両面に流路を形成し、この母材を複数枚接合して、その内部に冷却媒体の流路を形成する、半導体デバイスを装着して冷却するために用いられるヒートシンクの製造方法において、前記母材の表面にＡｕコーティング層を形成し、前記母材の接合面同士を、Ａｕ−Ｓｎ合金ハンダ又はＳｎハンダを介して接合し、該接合時に前記Ａｕコーティング層と前記Ａｕ−Ｓｎ合金ハンダ又は前記Ｓｎハンダとを互いに拡散させて、Ａｕ９１ｗｔ％以上、Ｓｎ９ｗｔ％以下の合金層を形成することを特徴とする。

上記ヒートシンクの製造方法によれば、母材の表面にＡｕコーティング層を形成し、母材の接合面同士を、Ａｕ−Ｓｎ合金ハンダ又はＳｎハンダを介して接合する際に、母材表面のＡｕコーティング層と、Ａｕ−Ｓｎ合金ハンダ又はＳｎハンダとを互いに拡散させることにより、Ａｕコーティング層のＡｕ成分が、Ａｕ−Ｓｎ合金ハンダ又はＳｎハンダ内部に拡散するので、Ａｕ−Ｓｎ合金ハンダ又はＳｎハンダ層のＡｕ濃度が高くなる。

一方、Ａｕ−Ｓｎ合金ハンダ又はＳｎハンダのＳｎ成分も、前記Ａｕコーティング層に拡散する。しかし、Ｓｎ成分の一部は前記Ａｕコーティング層のＡｕ成分と拡散せずに、母材のＣｕコーティング層の表面に被覆されたＮｉコーティング層の成分であるＮｉに引き付けられて、Ｎｉと相互に拡散し、Ｎｉ−Ｓｎ合金層を形成する。このＮｉ−Ｓｎ合金層は、Ｎｉコーティング層の表面に偏析する。そのため、前記Ａｕ−Ｓｎ合金ハンダ又はＳｎハンダのＳｎ成分は著しく減少し、Ａｕ９１ｗｔ％以上、Ｓｎ９ｗｔ％以下の合金層を形成することが容易に可能となる。

上記のＡｕ９１ｗｔ％以上、Ｓｎ９ｗｔ％以下の合金層及びＮｉ−Ｓｎ合金層からなる前記母材の接合面近傍での溶融温度は、半導体デバイス等の接合に通常用いられるＡｕ−２０ｗｔ％Ｓｎ共晶合金の溶融温度２７８℃よりも高くなる。そのため、ヒートシンクの表層に、半導体デバイスを接合する際の加熱によって、再溶融することがなくなり、接合層の強度の低下を防ぐことができる。また、前記母材のＡｕコーティング層と、Ａｕ−Ｓｎ合金ハンダ又はＳｎハンダとが、互いに拡散して接合するため、機械的強度に優れ、更にはＡｕ主体の接合層は高い熱伝導率と電気伝導率を兼ね備えた高性能なヒートシンクを形成することができる。

また、前記母材の接合面付近に位置する流路内面には、溶融したハンダが流れ出す。その結果、接合面に隣接する、流路の方向が変化する角部や、流路の幅方向の角部には、前記の流れ出したハンダが角部を覆うように円弧状に付着してなるハンダフィレットが形成される。そのため、流路内を通過する流体の圧力が高い場合でも、接合面の角部への応力集中が緩和されて耐圧強度が高くなり、圧力を上げて冷却液の流量を増加して冷却性能を向上できる。

本発明のヒートシンクの製造方法においては、前記母材の接合面の間に、Ａｕ−Ｓｎ合金ハンダ又はＳｎハンダのシートを挟んで、前記ハンダの液相線以上の温度に加熱することにより、前記母材を接合することが好ましい。これによれば、シートの形状や厚さでハンダの量を調整でき、更に各層に形成される流路の形状に合わせて、予めシートを形成できるので、各層との密着性が向上する。

また、前記母材の接合面の少なくとも一方に、Ａｕ−Ｓｎ合金ハンダ又はＳｎハンダのコーティング層を形成し、接合面同士を圧接した状態で、前記ハンダの液相線以上の温度に加熱することにより、前記母材を接合してもよい。これによれば、予めハンダのコーティング層を形成し、前記母材同士の接合の際には、ハンダ層を使用しないので、工数及び材料の低減等によるコストダウンを図れる。このとき、コーティング方法としては、メッキ、蒸着、スパッタ等の一般的な成膜方法が適用できる。

更に、本発明のヒートシンクを形成する場合、前記母材の接合面同士をＡｕ−Ｓｎ合金ハンダ又はＳｎハンダを介して接合する際、１〜１０ＭＰａで加圧しつつ、４５０〜８００℃の温度で１〜６０分間保持することが好ましい。

上記のような条件で、ハンダの接合を行うことによって、Ａｕコーティング層と、Ａｕ−Ｓｎ合金ハンダ又はＳｎハンダとを十分に拡散させて接合することができる。また、過剰な温度や圧力等を加えることがないので、ヒートシンクの母材であるＣｕや、その上面に被覆されるＮｉ層に、悪影響を与えることがなく、信頼性の高いヒートシンクを形成することができる。

本発明によれば、ヒートシンクを形成する母材には、耐食性に優れるＡｕが、コーティング層として形成されているため、ヒートシンク内面に発生する腐食、エロージョン・コロージョン又は電解腐食が起こりにくいヒートシンクを形成することができる。

また、本発明によれば、Ａｕコーティング層のＡｕ成分は、前記Ａｕ−Ｓｎ合金ハンダ又はＳｎハンダ内部に拡散し、前記Ａｕ−Ｓｎ合金ハンダ又はＳｎハンダ層のＡｕ濃度が高くなる。一方、Ａｕ−Ｓｎ合金ハンダ又はＳｎハンダのＳｎ成分も、前記Ａｕコーティング層のＡｕ成分と拡散するが、一部は前記Ａｕコーティング層のＡｕ成分と拡散せずに、母材のＣｕコーティング層の表面に被覆されたＮｉコーティング層の成分であるＮｉに引き付けられて、Ｎｉと相互に拡散し、Ｎｉ−Ｓｎ合金を形成する。このＮｉ−Ｓｎ合金は、Ｎｉコーティング層の表面に偏析するので、前記Ａｕ−Ｓｎ合金ハンダ又はＳｎハンダのＳｎ成分を著しく減少させ、Ａｕ９１ｗｔ％以上、Ｓｎ９ｗｔ％以下の合金層を形成する。そのため、ヒートシンクの表層に、半導体デバイスやサブマウント（半導体デバイスとヒートシンクの間に挟まれる部品をいう。例えば、ＣｕＷ１０又はＣｕＷ系合金等）を接合する際の加熱によって、再溶融することがなくなり、接合層の強度の低下を防ぐことができる。

以下に本発明のヒートシンクの実施形態について、図面を参照して説明する。
図１に示すように、このヒートシンクは、板状をなす３枚の母材２１，３１，４１を有している。母材２１，３１，４１としては、熱伝導性に優れる材料であるＣｕが、好ましく使用されるが、Ｃｕ−Ｗ系合金、Ｍｏ、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金、窒化アルミニウム等であってもよい。これらは、いずれも熱伝導性に優れるため、ヒートシンクの母材としては好適である。Ｃｕを使用する場合には、熱伝導性が高い、９９．７５〜９９．９９９％の組成のＣｕが好ましく使用される。更には、導電性単結晶炭化珪素は、純銅を超える熱伝導率（４００Ｗ／ｍＫ以上）と半導体レーザー素子の熱膨張率（約６ｐｐｍ）に近い値（約４〜５ｐｐｍ）を有するため、実施形態の一つとして有効である。尚、導電性を得るには基板に窒素をドープし、Ｎｉ等を電極層として使用する方法がある。

上記各母材２１，３１，４１の内面には、冷却液が循環するための流路６０や、貫通孔６３が形成される。この流路６０、貫通孔６３は、各母材２１，３１，４１を接合したときに、連続した流路を形成する。流路６０、貫通孔６３の形成方法としては、切削等の加工方法、鋳造、鍛造等の成型方法、又はエッチング等の表面処理方法等の方法を用いて形成される。

各母材２１，３１，４１の表面には、Ｎｉコーティング層５２が被覆される。Ｎｉは、各種の金属に対し、密着性を向上させる。そのため、本発明の実施形態では、母材２１と後述するＡｕコーティング層２３との間に被覆される接着層として使用される。また、Ｎｉは耐食性にも優れるので、母材２１のＣｕ等の耐食性を向上させる。このＮｉコーティング層２２は、メッキ、溶射、蒸着等の表面処理法で被覆される。コーティング厚さとしては、数十ｎｍ〜５μｍ程度が好適である。

前記のＮｉコーティング層５２の上層には、Ａｕコーティング層５３が被覆される。Ａｕは、イオン化傾向が最小の安定した金属であるので、耐食性が高く、ヒートシンク１０に発生する腐食、エロージョン・コロージョン、又は電解腐食等を効果的に防止することができる。また、熱伝導性も高いので、効率的に熱交換ができる。このＡｕコーティング層５３は、メッキ、溶射、蒸着等の表面処理法で被覆される。コーティング厚さとしては、０．１〜５μｍ程度が好適である。

上記のようにして、Ｎｉコーティング層５２及びＡｕコーティング層５３を施された母材２１，３１，４１は、次のような手段で接合される。

まず、接合前の処理として、真空中で不活性ガス等を励起させ、反応性の高いプラズマ状態にしてコーティング層に接触させるプラズマ処理により、各層の接合面を清浄することが好ましい。これにより、拡散接合を阻害する、汚染物質を除去することができるため、未接合、空隙等の欠陥が少ない接合面を得ることができる。

そして、プラズマ処理により清浄された各母材２１，３１，４１の接合面に、Ａｕ−Ｓｎ合金ハンダ又は純Ｓｎハンダの層（以下「ハンダ層」とする）を介在させ、このハンダ層を加熱溶融して接合を行う。なお、Ａｕ−Ｓｎ合金ハンダとしては、Ａｕ−１１．３〜３８．１ｗｔ％Ｓｎの組成のものが好ましく使用される。ハンダ層による接合の際に、各母材２１，３１，４１のＡｕコーティング層５３が、ハンダ層中に拡散してＡｕ−Ｓｎ合金が形成されるようにする。

すなわち、図２（ａ）は、加熱する前の状態で、母材２１の表面にＮｉコーティング層５２を介して形成されたＡｕコーティング層５３と、母材３１の表面にＮｉコーティング層５２を介して形成されたＡｕコーティング層５３とが、Ａｕ−Ｓｎ合金又は純Ｓｎからなるハンダ層５４を介して当接している。

この状態で、ハンダ層５４の融点以上に加熱すると、図２（ｂ）に示すように、Ａｕコーティング層５３のＡｕ成分が、ハンダ層５４内に拡散し、ハンダ層５４のＳｎ成分も、Ａｕコーティング層５３内に拡散して、Ａｕ−Ｓｎ合金層５５が形成される。

このとき、Ｓｎ成分の一部は前記Ａｕコーティング層５３のＡｕ成分と拡散せずに、母材の表面に被覆されたＮｉコーティング層５２の成分であるＮｉに引き付けられて、Ｎｉと相互に拡散し、Ｎｉ−Ｓｎ合金層５２ａを形成する。このＮｉ−Ｓｎ合金層５２ａは、Ｎｉコーティング層５２の表面に偏析する。

その結果、加熱前のＡｕ−Ｓｎ合金層５４のＳｎ成分は著しく減少し、Ａｕ成分の含量の高いＡｕ−Ｓｎ合金層５５が形成される。そして、本発明では、接合後のハンダの組成が、Ａｕが９１ｗｔ％以上、Ｓｎが９ｗｔ％以下となるように、予めハンダ層及びＳｎハンダの組成、又は被覆量を調整しておく。この場合、以下の数式（１）を用いて、必要なハンダ量を求めることができる。

Ａｕ：Ｓｎ＝（Ａ＋Ｂ）：C＝９１：９（ｗｔ％）…（１）
上記数式（１）のＡは、Ａｕコーティング層５３中のＡｕの質量、Ｂはハンダ層５４中のＡｕの質量、Cはハンダ層５４中のＳｎの質量である。そして、ハンダ層５４中のＳｎの質量が、上記数式（１）で求められるＣの質量よりも少なくなるように、Ａｕコーティング層５３の厚さ、ハンダ層５４の使用量などを定めればよい。

なお、各母材２１，３１，４１のハンダ層５４を介した接合は、少なくともハンダ層５４の液相線以上の温度、より好ましくは３００〜６００℃の温度で、１〜１２０分加熱することにより行うことが好ましい。こうして、Ａｕコーティング層５３とハンダ層５４とが均一に拡散することにより、Ａｕが９１ｗｔ％以上、Ｓｎが９ｗｔ％以下のＡｕ−Ｓｎ合金層５５が形成される。

このＡｕ−Ｓｎ合金層５５は、図４のＡｕ−Ｓｎ系の平衡状態図に示すように、固液共存領域Ａが４８０℃から始まる。その結果、Ａｕ−Ｓｎ合金層５５は、４８０℃を越える温度にならない限り再溶融することがない。

なお、ハンダ層５４による上記接合は、還元性雰囲気、又は窒素ガスやアルゴンガス等の非酸化性雰囲気、若しくは真空中で接合を行うのが好適である。真空中で接合を行う場合には、０．００１Ｔｏｒｒ以下の真空度で行うことが望ましい。

ハンダ層５４としては、種々の形態のものが、使用される。

その一つとして、粉末状のハンダのペーストを使用でき、スクリーン印刷法等により、各母材２１，３１，４１に塗布してハンダ層を形成することができる。塗布する層は、母材２１，４１の片側の接合面か、母材３１の両面の接合面のどちらでも良い。この場合、ペーストの塗布形状や厚さで、ハンダ量を調整できる。

また、ハンダとして、薄片状のシートを使用してもよい。この場合も、シートの形状や、厚さでハンダの量を調整できる。特に、各層に形成される流路６０の形状に合わせて、予めシートを形成できるので、各層との密着性が向上する。

更に、Ａｕ−Ｓｎ合金ハンダは、母材の接合面に蒸着等の表面処理方法によりコーティングするか、ＡｕとＳｎを交互に蒸着等の表面処理方法によりコーティングしてもよい。このようにすれば、コーティング層の組成比や総量を管理しやすくなり、均一なコーティング層を得ることができる。また、マスキング等の手法を併用すれば、高い寸法精度で必要な部分にのみコーティングできるので、コストが低減する。

なお、母材２１，３１，４１同士を、ハンダ層５４を介して接合すると、図３に示すように、各母材２１，３１，４１の内部にそれぞれ形成される流路６０には、溶融したハンダが流れ込む。その際に、流路の方向が変化する角部や、流路の幅方向の両面には、前記ハンダによる円弧状のコーティング層である、ハンダフィレット５１が形成される。そのため、流路内での圧力が高い場合でも、ハンダフィレット５１により接合面の隅部における応力の集中が緩和され、耐圧強度が向上する。これにより、圧力を上げて冷却液の流量を増加しても、ヒートシンクの破損を招くことなく、冷却性能を向上できる。

こうして形成されたヒートシンク１０には、半導体デバイス７０が、ハンダ層７１を介して接合される。この場合、ハンダ層７１としては、前記と同様なＡｕ−Ｓｎハンダ、又はＳｎハンダを用いることができる。そして、半導体デバイス７０をハンダ付けする際には、例えばＡｕ−Ｓｎハンダの場合、その液相線温度である２７８℃以上に加熱する必要があるが、前述したように、母材２１，３１，４１は、Ａｕ９１ｗｔ％以上、Ｓｎ９ｗｔ％以下のＡｕ−Ｓｎ合金層を介して接合されているので、その融点が４８０℃であり、半導体デバイス７０をハンダ付けによって再溶融することはない。したがって、半導体デバイス等の接合時におけるハンダ選定の幅が広がり、その実装時における母材２１，３１，４１の接合面強度低下も防止できる。

＜実施例１＞
図５に示す部材を用いて、本発明のヒートシンク９０を製造した。このヒートシンク９０は、Ｗ２０ｍｍ×Ｈ１１ｍｍ×ｔ０．５ｍｍの銅の板材からなる、第１母材９１と、第２母材９２と、第３母材９３とを接合して構成され、各母材の内部には冷却液を流すための流路が設けられている。

すなわち、第１母材９１は、流路としてハーフエッチング部９１ａ、及び冷却液の流れをガイドするリブ９１ｃが設けられ、更に穴部９１ｂが形成されている。第２母材９２は、流路として角穴部９２ａ及び穴部９２ｃが設けられ、更に穴部９２ｂが形成されている。第３層９３は、流路としてハーフエッチング部９３ａ、穴部９３ｄ及び９３ｃが設けられ、更に冷却液の流れをガイドするリブ９３ｅが形成されている。また、穴部９３ｂが形成されている
以上のように流路が形成された各母材９１，９２，９３の表面に、５μｍの厚さのＮｉコーティング層と、更にその上層に３μｍの厚さのＡｕコーティング層とをメッキによって形成した。

そして、Ａｕ−２０ｗｔ％Ｓｎ合金のハンダ箔（厚さ：２０μｍ）を、上記各母材９１，９２，９３の間に挟み込み、還元炉又は真空炉に入れて、上記ハンダ箔の溶融点２７８℃以上で、１８分間保持した。このときの加熱ピーク温度３７５℃であった。

こうしてヒートシンク９０を製造した。このヒートシンク９０における冷却液の流れとしては、第３母材９３の穴部９３ｄ、ハーフエッチング部９３ａ、第２母材９２の角穴部９２ａ、第１母材９１のハーフエッチング部９１ａ、第２母材９２の穴部９２ｃ、第３母材９３の穴部９３ｃの順に、冷却液が流れるようになっている。また各層の穴部９１ｂ、９２ｂ、９３ｂは接合時に連通するようになっている。この穴部は、ヒートシンクと給排水装置とをパッキンを介してネジ等で位置決めもしくは固定する機能を有する。

＜試験例１＞
実施例１で得られたヒートシンク９０の耐圧試験を行った。図６に、本試験に使用した装置の概略構造が示されている。この耐圧試験装置８０は、流路８１ａが形成されたマニホールド８１上に、上記で得られたヒートシンク９０が、Ａｕ−Ｓｎ合金ハンダよりなる接合層８２を介して接合される。

今回の耐圧試験では、５つのヒートシンク９０の試験片１〜５を作製した。このヒートシンクの試験片１〜５の上部には、圧力が付加された場合に、その圧力に対抗するために押え板８３を設置した。次いで、マニホールド８１に、配管継手８４を接合し、これを経由して図示しない油圧ジャッキにより油圧力を付加した。そして、マニホールド８１内に、予め封入していた液体が、マニホールド内の流路８１ａを経由して、ヒートシンク９０内の流路に流入させ、どのくらいの圧力で、どの部分で破壊するかを試験した。

その結果、破壊は全てＡｕ−Ｓｎ合金の接合層８２で発生し、ヒートシンク９０の母材９１，９２，９３間の接合層は破壊しなかった。こうして測定した各試験片１〜５の破壊圧力を図７に示す。なお、試験片２は、マニホールド８１との接合層８２において、破壊する前に、リークが生じたため、その時点の圧力を破壊圧力とした。

図７の結果より、ヒートシンク９０の各母材９１，９２，９３を接合するＡｕ−Ｓｎ合金層は、強固に接合していると言える。

＜試験例２＞
次に、上記ヒートシンク９０の試験片を４個作製して、それらのヒートシンク９０の各母材９１，９２，９３を接合するＡｕ−Ｓｎ合金層の元素を定量分析した。その結果を、表１に示す。

上記表１の結果から、母材９１，９２，９３を接合するＡｕ−Ｓｎ合金層は、Ａｕが平均で９４．５９ｗｔ％、Ｓｎが３．３１ｗｔ％となり、Ａｕ９１ｗｔ％以上、Ｓｎ９ｗｔ％以下の合金層となっていることがわかる。

＜試験例３＞
次に、本発明のヒートシンクの耐食性を確認するために、以下のような耐アルカリ性試験を行った。

まず、試験片１として、母材をＣｕとし、その表層にＮｉ層を電解メッキにより厚さ５μｍでコーティングし、更に、このＮｉ層上にＡｕ層を電解メッキにより厚さ３μｍでコーティングした後、このＡｕ層上に厚さ２０μｍのＡｕ−Ｓｎ合金ハンダ箔を載せて還元炉で融着したものを作成した。

また、試験片２として、母材をＣｕとし、その表層にＮｉ層を電解メッキにより厚さ５μｍでコーティングし、更に、このＮｉ層上にＡｕ層を電解メッキにより厚さ３μｍでコーティングしたものを作成した。

更に、試験片３として、母材をＣｕとし、その表層にＮｉ層を電解メッキにより厚さ５μｍでコーティングしたものを作成した。

そして、Ｃｕからなる母材だけからなるものを試験片４とした。以上の試験片１〜４の寸法は、Ｗ５０ｍｍ×Ｈ２０ｍｍ×ｔ１ｍｍである。

そして、試験片１〜４を、水１Ｌ当たり炭酸ナトリウム（Ｎａ_２ＣＯ_３）５０ｇを溶解させた水溶液２００ｍＬ中にそれぞれ浸漬し、４０±１℃で、１４４時間保持した後、水溶液中に溶出した元素を分析した。

元素分析は、ＩＣＰ発光分光分析装置（商品名「ＪＹ−１３８ＵＬＴＲＡＣＥ」、理学電機株式会社製）を使用した。なお、分析装置の検出精度は０．０３ｐｐｍで行った。その結果を表３示す。

これによると、表面がＡｕ層からなる試験片１及び表面がＡｕ−Ｓｎ合金層からなる試験片２は、Ｃｕの溶出量が他の試験片３，４に比べて著しく少なく、耐食性が向上しているのが分かる。

本発明のヒートシンクは、半導体レーザー素子等の半導体デバイスの放熱手段として工業的に利用することができる。

本発明によるヒートシンクの概略構造を示す模式断面図である。 同ヒートシンクの接合面を示す模式断面図である。 本発明によるヒートシンクに形成されるハンダフィレットを示す模式断面図である。 Ａｕ−Ｓｎ系合金の平衡状態図である。 本発明によるヒートシンクの一実施例を示す分解斜視図である。 ヒートシンクの耐圧試験方法を示す説明図である。 本発明によるヒートシンクの耐圧試験の結果を示す図表である。 本発明によるヒートシンクの耐アルカリ性試験の結果を示す図表である。 従来のヒートシンクの一例を示す模式断面図である。

符号の説明

１０、９０ ヒートシンク
２１、９１ 第１母材
３１、９２ 第２母材
４１、９３ 第３母材
５１ ハンダフィレット
５２ Ｎｉコーティング層
５３ Ａｕコーティング層
５４ ハンダ層
５５ Ａｕ−Ｓｎ合金層
５２ａ Ｎｉ−Ｓｎ合金層
６０ 流路
６１ 流入孔
６２ 流出孔
６３ 接続孔
７０ 半導体デバイス

Claims (8)

1. 板材又はブロック材からなる母材の片面又は両面に流路を形成し、この母材を複数枚接合して、その内部に冷却媒体の流路を形成してなる、半導体デバイスを装着して冷却するために用いられるヒートシンクにおいて、前記母材の表面にＡｕコーティング層が形成され、前記母材同士がＡｕ９１ｗｔ％以上、Ｓｎ９ｗｔ％以下の合金層を介して接合されていることを特徴とするヒートシンク。
2. 前記母材がＣｕ、Ｃｕ−Ｗ系合金、Ｍｏ、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金、窒化アルミニウム、炭化珪素から選ばれた一種又は二種以上の材料からなる請求項１記載のヒートシンク。
3. 前記半導体デバイスが単一のレーザー素子、アレイ状に複数の素子から構成されたレーザーバー、高消費電力の各種トランジスタ、及び集積回路から選ばれた一種である請求項１又は２記載のヒートシンク。
4. 前記母材の表面に、Ｎｉコーティング層を介して、前記Ａｕコーティング層が形成されている請求項１〜３のいずれか１つに記載のヒートシンク。
5. 板材又はブロック材からなる母材の片面又は両面に流路を形成し、この母材を複数枚接合して、その内部に冷却媒体の流路を形成する、半導体デバイスを装着して冷却するために用いられるヒートシンクの製造方法において、前記母材の表面にＡｕコーティング層を形成し、前記母材の接合面同士を、Ａｕ−Ｓｎ合金ハンダ又はＳｎハンダを介して接合し、該接合時に前記Ａｕコーティング層と前記Ａｕ−Ｓｎ合金ハンダ又は前記Ｓｎハンダとを互いに拡散させて、Ａｕ９１ｗｔ％以上、Ｓｎ９ｗｔ％以下の合金層を形成することを特徴とするヒートシンクの製造方法。
6. 前記母材の接合面の間に、Ａｕ−Ｓｎ合金ハンダ又はＳｎハンダのシートを挟ませて、前記ハンダの液相線以上の温度に加熱することにより、前記母材を接合する請求項５記載のヒートシンクの製造方法。
7. 前記母材の接合面の少なくとも一方に、Ａｕ−Ｓｎ合金ハンダ又はＳｎハンダのコーティング層を形成し、接合面同士を圧接した状態で、前記ハンダの液相線以上の温度に加熱することにより、前記母材を接合する請求項５記載のヒートシンクの製造方法。
8. 前記母材の接合面同士をＡｕ−Ｓｎ合金ハンダ又はＳｎハンダを介して接合する際、０．１〜１０ＭＰａで加圧しつつ、２８０〜６００℃の温度で１〜１２０分間保持する請求項５〜７のいずれか１つに記載のヒートシンクの製造方法。

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