JP2007535151A - ホウ素を含むダイヤモンドと銅複合材料から成るヒートシンク - Google Patents

Abstract

本発明は、ダイヤモンド含有複合材料から作ったヒートシンクに関する。４０〜９０体積％に達するダイヤモンド粒子に加えて、複合材料は、７〜５９体積％の銅又は銅に富む相（Ｃｕ＞８０原子％）及び０．０１〜２０体積％のホウ素又はホウ素に富む相（Ｂ＞５０原子％）を含有する。銅のダイヤモンド粒子への結合は、ホウ素添加によって著しく改良でき、高い熱伝導率が達成されるという結果を伴う。好ましい製造法は、非加圧、及び圧力助勢浸透技術を含む。構成部品は、特に半導体構成部品用のヒートシンクとして適する。

Description

本発明は、４０〜９０体積％のダイヤモンド粒子と、７〜５９体積％の銅又は銅に富む（Ｃｕ＞８０原子％）固溶体を含む複合材料から作られるヒートシンクとしての構成部品と前記構成要素を製造するための方法に関する。

ヒートシンクは、電子構成部品の製造に広く使用される。ヒートシンクに加えて、電子部品外被の主成分は、半導体構成部品及び機械的に安定したカプセル封入である。基板、熱分散部材又は支持板なる用語も、多くの場合ヒートシンクに使用される。半導体構成部品は、例えば単結晶シリコンやガリウム砒素からなる。これは、通常ろう付けによりヒートシンクに結合される。ヒートシンクは、半導体構成部品の動作時に発生する熱を放散させる役目を果たす。特に高レベルの熱を発生する半導体構成部品は、例えばＬＤＭＯＳ（横方向拡散金属酸化物半導体）、レーザダイオード、ＣＰＵ（中央処理ユニット）、ＭＰＵ（マイクロプロセッサユニット）、又はＨＦＡＤ（高周波増幅デバイス）である。

ヒートシンクは、多数の様々な幾何学的設計をとる。簡易な形状には、平板を含む。しかしながら、凹部及び段部を有する複雑な基板も、使用される。他方でヒートシンク自体は、機械的に安定したカプセル封止体に接続される。

使用される半導体材料の熱膨張係数は、他の材料と比較して低く、文献には、シリコンで２．１〜４．１×１０^-6Ｋ^-1、ガリウム砒素で５．６〜５．８×１０^-6Ｋ^-1と公表されている。

Ｇｅ、ＩｎＰ又は炭化ケイ素のような、工業的規模でまだ広く使用されていない他の半導体材料も、同様に低い膨張係数を有する。セラミックス材料、材料複合体又はプラスチックが、通常カプセル封入に使用される。

セラミックス材料の例は、６．５×１０^-6Ｋ^-1の膨張係数を持つＡｌ₂Ｏ₃又は４．５×１０^-6Ｋ^-1の膨張係数を持つ窒化アルミニウムを含む。

関連する構成部品の膨張特性が異なるとき、アセンブリ内に応力が生じ、その結果構成部品が、歪み、分離し、又は破断することになり得る。応力は、外被の製造中にも、特にろう付け温度から室温への冷却段階中に生じ得る。しかし温度の変動は、外被が、例えば−５０℃〜２００℃の範囲で作動する時にも生じ、それにより外被内に熱機械応力をもたらし得る。

このことは、ヒートシンク用の材料に関して課される要求という結果になる。第１に、作動中の半導体構成部品の温度上昇を最小限に抑えるべく、熱伝導率は、できるだけ高くなければならない。第２に、熱膨張係数が、半導体構成部品のそれおよび／又はカプセル封止体のそれとできるだけ調和する必要がある。高い熱伝導率を有する材料は、高い熱膨張係数を有するため、単相金属材料は、必要な特性を十分に満たさない。

従って、前記の要件を満たすべく、複合材料又は材料複合体が、基板を製造するために使用される。

例えば欧州特許出願公開第０１００２３２号明細書、米国特許第４９５０５５４号及び同第５４９３１５３号明細書に記載された標準的なタングステン‐銅及びモリブデン‐銅複合材料又は材料複合体は、室温で６．５〜９．０×１０^-6Ｋ^-1の熱膨張係数と１７０〜２５０Ｗ／ｍ．Ｋの熱伝導率を有するが、それは多数の用途に不適である。

ダイヤモンド又はダイヤモンド含有複合材料又は材料複合体は、ヒートシンクの熱伝導率に課され、益々増大し続ける要求を満たすべく大いなる関心を寄せられている。例えばダイヤモンドの熱伝導率は、１４００〜２４００Ｗ／ｍ．Ｋであり、この状況で、特に格子点における窒素及びホウ素原子含有量は、品質を決定する際に重大である。

欧州特許出願公開第０５２１４０５号明細書は、半導体チップに面する側面に多結晶ダイヤモンド層を有するヒートシンクを開示する。ＣＶＤを用いて製造されるダイヤモンド層は、１０００〜１５００Ｗ／ｍ．Ｋの熱伝導率を有する。しかしながら、ダイヤモンド層の塑性変形の欠如のため、塗布温度からの冷却中にも、クラックがダイヤモンド層内に生じ得る。

米国特許第５２７３７９０号明細書は、結合していない成形ダイヤモンド粒子が、ダイヤモンドのその後の蒸着によって安定した成形体に変換される、＞１７００Ｗ／ｍ．Ｋの熱伝導率を有するダイヤモンド複合材料を記載している。このように製造されるダイヤモンド複合体は、量産部品で商業的に利用するには高価すぎる。

国際公開第９９／１２８６６号パンフレットは、ダイヤモンド／炭化ケイ素複合材料を製造する方法を記載している。それは、シリコン又はシリコン合金をダイヤモンド骨格に浸透させることによって製造される。シリコンの高い融点、及び結果として生じる高い浸透温度のために、ダイヤモンドは、炭素及び／又は次いで炭化ケイ素に部分的に変換される。高い脆性のため、この材料は、加工が非常に困難であり、かつ高価につく。

米国特許第４９０２６５２号明細書は、ダイヤモンド材料を製造する方法を記載している。遷移金属族４ａ、５ａ及び６ａから選択した元素、ホウ素及びシリコンを、物理的被覆法を用いてダイヤモンド粉末上に被着する。次に、被覆したダイヤモンド粒子を、高圧での固相焼結法を用いて互いに結合する。この方法の欠点は、形成される製品が、高い気孔率を有することである。その上、製造法が、極めて複雑である。

米国特許第５０４５９７２号明細書は、１〜５０μｍの大きさのダイヤモンド粒子に加えて、アルミニウム、マグネシウム、銅、銀又はその合金からなる金属マトリックスをも含む複合材料を開示する。該材料の１つの欠点は、金属マトリックスが、ダイヤモンド粒子に不適切に結合し、結果として不十分な熱伝導率と機械的結着性を生ずることである。より微細な、例えば米国特許第５００８７３７号明細書に記載されたような＜３μｍの粒径を持つダイヤモンド粉末の使用も、ダイヤモンド／金属結合を改良できず、かつ大きなダイヤモンド／金属界面面積のため、熱伝導率の著しい劣化を引き起こす。

米国特許第５７８３３１６号明細書は、ダイヤモンド粒子を、Ｗ、Ｚｒ、Ｒｅ、Ｃｒ又はＴｉによって被覆し、次に被覆粒子を締固め、かつ多孔質体を、例えばＣｕ、Ａｇ又はＣｕ-Ａｇ溶融物によって浸透せる方法を開示する。高い被覆コストが、このように製造した複合材料の使用分野を限定している。

欧州特許出願公開第０８５９４０８号明細書は、マトリックスがダイヤモンド粒子及び炭化物から形成され、マトリックス空間が、金属で充填されたヒートシンク用材料を開示する。例示された金属炭化物は、周期系の４ａ〜６ａ族の金属の炭化物である。欧州特許出願公開第０８５９４０８号明細書は、ＴｉＣ、ＺｒＣ及びＨｆＣに特に重きを置いている。Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ及びＡｌは、特に好適な充填金属として例示している。４ａ〜６ａ族の遷移金属は、全て強い炭化物形成元素である。従って、形成される炭化物層は、比較的厚い。これは、これら炭化物の低い熱伝導率（１０〜６５Ｗ／ｍＫ）との組み合せに基づきダイヤモンド相の熱伝導率増加効果を著しく減少させる。

ダイヤモンド骨格に、強い炭化物形成元素を含有する合金が浸透すると、表面近傍に過剰の炭化物が生じ、結果として炭化物形成元素内で浸透材料が枯渇し、かつその後、内部で金属がダイヤモンドへ不適切に結合する結果となる。このため、不均質な材料が生じ、かつ開放気孔率の下落によって引き起こされる浸透工程の劣化を同様にもたらす。

上記枯渇は、炭化物形成元素の濃度を増加させ、もって内部の結合を改良することで緩和できるが、動力学的な理由から、固溶体内に残る炭化物形成元素の残渣を生じ、金属相の熱伝導率に極めて有害な影響を及ぼす危険を伴う。

欧州特許出願公開第０８９８３１０号明細書は、ダイヤモンド粒子、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｍｇ及びＺｎからなる群から選択した高い熱伝導率を有する金属又は金属合金及び４ａ、５ａ族の金属及びＣｒの金属炭化物からなり、金属炭化物が、ダイヤモンド粒子の表面の少なくとも２５％を覆うヒートシンクを開示する。この場合もまた、周期系の４ａ、５ａ族及びＣｒの炭化物の低い熱伝導率、炭素に対するこれら元素の高い無限性及び場合によってはＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ及びＭｇ中の著しい溶解度が、悪影響を生ずる。

ここ数年、工程の速度及び半導体構成部品内の集積度が著しく上昇し、この結果外被内で発生する熱レベルの増加も引き起こした。従って、最適な熱管理は、常に重要な基準となる。上記材料の熱伝導率は、多くの用途にとり、もはや十分でないか、或いはこれらの材料は、広く使用するために製造するには、高価すぎる。従って、改良された、安価なヒートシンクの利用可能性は、半導体装置の更なる最適化の前提条件である。従って、ヒートシンクとしての使用が意図される構成部品に、安価な製造を可能にする加工特性と組み合わされた、高い熱伝導率及び低い膨張係数を有する複合材料を提供することは、本発明の目的である。この目的は、請求項１に記載の構成部品によって達成される。

本発明による構成部品は、ダイヤモンド粒子と銅に富む相との間に優れた結合強度を持つ。ホウ素含有量と製造パラメータ次第で、ダイヤモンド粒子と銅に富む相の間の界面でホウ素‐炭素化合物が生ずる迄の原子層範囲内のホウ素濃縮は、高分解能測定法を用いて記録できる。好適には、ホウ素‐炭素化合物の厚さは、約０．００１％のホウ素‐炭素化合物体積含有量に対応する１ｎｍ〜１０μｍの範囲であり、好適には０．０５μｍ迄である。ダイヤモンド粒子の被覆が不完全であっても、十分な結合を達成するには足りる。

他の元素の原子を、ホウ素‐炭素化合物に含ませてもよい。

ホウ素‐炭素化合物は、十分に高い熱伝導率（例えばＢ₄Ｃで約４０Ｗ／ｍＫ）を持っている。

ホウ素は、比較的弱い炭化物形成材であるので、炭化物形成元素が、浸透工程中に銅溶融物内であまりにも早く枯渇せず、その結果として極めて均質な材料を得られる。その上形成する炭化物層は、相対的に非常に薄く、そのことは同様に熱伝導率に役立つ。固体状態で、銅中のホウ素溶解度は非常に低い（冷却速度次第で０．００５〜０．３原子％）ので、銅マトリックスの熱伝導率は、僅かだけ劣化する。ホウ素は、銅マトリックス内に凝縮した状態で、０．０１〜２０体積％の間で存在する。＞５０原子％のホウ素含有量を有するホウ素に富む化合物も、銅内の更なる合金元素次第で凝縮し得る。例えば非晶質炭素のような、更なる微細構造成分は、それらが１０体積％を超えず、かつこれら微細構造成分の熱伝導率が５０Ｗ／ｍＫを超えるならば、特性に対し許容できない悪影響を示さない。この状況での重大な要因は、常に、銅マトリックスが、できるだけ外来原子を含まないままでいるべきか、又はＣｕ‐Ａｇ又はＣｕ‐Ｚｎに当てはまるように、溶解した粒子が、熱伝導率に対しできるだけ最小のマイナスの影響を有すべきことである。

加工特性は、極めて延性のある銅含有微細構造成分のために、十分である。安価な製造の更なる利点は、銅含有微細構造成分の高い熱伝導率のため、ダイヤモンド含有量が、例えばダイヤモンド‐ＳｉＣ材料と比較して減少できることである。ダイヤモンド、銅及びホウ素含有量を変動させることで、非常に広範囲の要件に合わせた熱伝導率及び熱膨張を有するヒートシンクを製造することが可能である。

特に好適な炭化ホウ素と、銅又は銅に富む相との含有量は、それぞれ０．００５〜１体積％と、１５〜４０体積％である。

テストは、ダイヤモンド粉末が、広い粒径の範囲内で加工できることを示している。天然ダイヤモンドに加えて、より安価な人造ダイヤモンドを加工することも可能である。従って、各場合で、最も安価な等級を使用することができる。コストが重要な要因でなく、かつ熱伝導率に関し極めて高い要求を課す用途に、５０〜３００μｍ、好ましくは１００〜２００μｍの範囲の平均粒径を持つダイヤモンド粒子を使用することは当を得ている。ダイヤモンド粒子の高い被覆密度は、二峰性粒度分布を有する粉末の使用で達成できる。第１分布最大値が２０〜４０μｍ、第２分布最大値が１３０〜２５０μｍであるとよい。

電子部品用のヒートシンクとして使用する構成部品については、それらをＮｉ、Ｃｕ、Ａｕ若しくはＡｇ又はこれら金属の合金で被覆し、かつ次に例えばＡｌ₂Ｏ₃又はＡｌＮからなるセラミックスフレームに半田付けするとよい。

広範囲の工程が、製造のために使用できる。例えばダイヤモンド粉末を、温度及び圧力下で、銅‐ホウ素合金によって締め固めることが可能である。これは、例えば加熱プレスや熱間静水圧プレスで行い得る。原則として、銅及びホウ素を、別個に導入することもできる。この場合には、合金を加熱プレス操作中に形成する。この場合の開始点も、Ｂ₄Ｃ又はホウ素で被覆されたダイヤモンド粉末であり得る。浸透は、特に好適であることが証明された。このことは、ダイヤモンド粉末に加えて結合剤も含み得る、前駆物質又は中間材料を製造することを含む。この状況で、熱の作用で主として熱分解される結合剤は、特に好適である。好適な結合剤含有量は、１〜２０重量％である。ダイヤモンド粉末及び結合剤は、標準的なミキサ又はミル内で混合できる。この後、ベッドを金型を導入することで、又は例えばプレスや金属射出成形による圧力で助勢することで成形が続く。中間材料を、その後結合剤が少なくとも部分的に熱分解する温度に加熱する。しかし結合剤の熱分解も、浸透工程での加熱中に行い得る。浸透工程は、非加圧又は圧力援助形態で行える。後者の選択肢は、高圧鋳造法、ダイカスト又は焼結ＨＩＰ設備で実施し得る。使用する浸透材料は、好適には１〜４重量％のホウ素含有量を持つ銅‐ホウ素合金からなる箔である。この場合、合金形成を、浸透工程中に現場で行うことも可能である。組成物の選択時、各合金の液相線温度が、１２００℃、好適には１０５０℃より高くならないように考慮する必要がある。さもないと、過度に高レベルのダイヤモンド粒子が分解するからである。その際、近共晶組成物が、＜１０５０℃の液相線温度を有する合金を包含する、共晶又は近共晶組成物を有する箔が、浸透に特に適する。半導体構成部品からの熱放散のための構成部品の特に好適な使用に加えて、本発明による複合材料は、他の応用分野、例えば航空若しくは航空宇宙用やモータのヒートシンクとしても使用できる。

本発明を、製造例を用いて、以下でより詳細に説明する。

９０〜１０４μｍ（メッシュ１４０−１７０）の大きさのダイヤモンド粉末を、酸化アルミニウム製坩堝に入れ、かつ振動によって締め固めた。近共晶Ｃｕ‐２．５重量％ホウ素合金の円筒形部片を、ダイヤモンドベッドに置いた。ダイヤモンドと合金を入れたるつぼを、圧力容器内部の誘導加熱可能な円筒形空間に置いた。一次真空に達した後、バッチを１０８０℃に加熱し、かつ１５分間、最終温度で放置した。次に、５０×１０⁵Ｐａのガス圧力を圧力容器内に設定し、かつ加熱を停止した。この操作から生じたＣｕ−Ｂ−ダイヤモンド複合材料は、６．６×１０^-6Ｋ^-1の熱膨張係数と組み合わされた５４０Ｗ／ｍＫの熱伝導率を示した。

１８０〜２１５μｍ（メッシュ７０〜８０）の大きさを持つダイヤモンド粉末を、実施例１と同じく、近共晶Ｃｕ‐２．５重量％のＢ合金で浸透した。今回は、僅か５×１０⁵Ｐａのガス圧力で行った。この操作から生じたＣｕ‐Ｂ‐ダイヤモンド複合材料は、６．９×１０^-6Ｋ^-1の熱膨張係数と、６２０Ｗ／ｍＫの熱伝導率を示した。

Claims (21)

1. ４０〜９０体積％のダイヤモンド粒子と、７〜５９体積％の銅又は銅に富む（Ｃｕ＞８０原子％）固溶体とを含む複合材料からなるヒートシンクとしての構成部品であって、
   複合材料が、０．０１〜２０体積％のホウ素又はホウ素に富む（Ｂ＞５０原子％）相を含むことを特徴とする構成部品。
2. 銅に富む固溶体が、０．００５〜０．３原子％のホウ素を含むことを特徴とする請求項１に記載の構成部品。
3. 複合材料が、０．００１〜５体積％のホウ素‐炭素化合物を含むことを特徴とする請求項１又は２記載の構成部品。
4. ホウ素‐炭素化合物が、ホウ素を、ダイヤモンドの炭素と反応させることによって形成されたことを特徴とする請求項３記載の構成部品。
5. ホウ素‐炭素化合物が、ダイヤモンド粒子の表面の少なくとも６０％を覆う層の形状であることを特徴とする請求項３又は４記載の構成部品。
6. ホウ素‐炭素層の厚さが、１〜５０ｎｍであることを特徴とする請求項５記載の構成部品。
7. 銅固溶体が、０．０１〜５原子％の銀を含むことを特徴とする請求項１から６の１つに記載の構成部品。
8. 複合材料が、０．０１〜１０体積％の銀に富む相を含むことを特徴とする請求項１から７の１つに記載の構成部品。
9. 複合材料が、０．０１〜５体積％の非結合の、非晶質炭素を含むことを特徴とする請求項１から８の１つに記載の構成部品。
10. ダイヤモンドの平均粒径が、５０〜３００μｍであることを特徴とする請求項１から９の１つに記載の構成部品。
11. ダイヤモンドの平均粒径が、１００〜２００μｍであることを特徴とする請求項１０記載の構成部品。
12. ダイヤモンド粒径が、第１分布最大値が２０〜４０μｍ、第２分布最大値が１３０〜２５０μｍである二峰性分布を持つことを特徴とする請求項１から９の１つに記載の構成部品。
13. 複合材料が、０．００５〜１体積％のホウ素‐炭素化合物を含むことを特徴とする請求項１から１２の１つに記載の構成部品。
14. 複合材料が、１５〜４０体積％の銅又は銅に富む（Ｃｕ＞９０原子％）固溶体を含むことを特徴とする請求項１から１３の１つに記載の構成部品。
15. 複合材料が、０．２〜１０体積％のホウ素又はホウ素に富む（Ｂ＞９０原子％）相を含むことを特徴とする請求項１から１４の１つに記載の構成部品。
16. Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ又はこれらの金属の合金からなる金属被覆が被着されたことを特徴とする請求項１から１５の１つに記載の構成部品。
17. セラミックスフレームがろう付けされたことを特徴とする請求項１から１６の１つに記載の構成部品。
18. 請求項１から１７の１つに記載の構成部品の製造法であって、次の工程を含むことを特徴とする製造法。
    １００〜３００μｍの平均粒径を有するダイヤモンド粒子、及び必要に応じＣｕ-Ｂ合金及び／又は結合剤を含む中間材料の非加圧又は圧力助勢成形工程であって、ダイヤモンド粒子が、中間材料の総体積に関し、成形工程後４０〜９０％に達する工程、および
    Ｃｕ及びＢを含む浸透合金の液相線温度を超えるが、１１００℃未満の温度への中間材料、及びＣｕ及びＢを含む浸透合金の非加圧又は圧力助勢下に加熱し、浸透合金を、中間材料に浸透させ、中間材料の少なくとも９７％の間隙を充填させる工程。
19. 請求項１から１７の１つに記載の構成部品の製造法であって、次の工程を含むことを特徴とする方法。
    ダイヤモンド粒子及びＣｕ及びＢを含む浸透合金を少なくとも含む中間材料を混合又はフライス削りする工程、および
    加熱プレスのダイを中間材料で充填し、温度Ｔ（但し５００℃＜Ｔ＜１１００℃）に加熱し、かつ中間材料を加熱プレスする工程。
20. 共晶合金又は＜１０５０℃の液相線温度を有する合金を含む近共晶合金を浸透に用いることを特徴とする請求項１８又は１９記載の方法。
21. 半導体構成部品用のヒートシンクとして使用することを特徴とする請求項１から１７の１つに記載の構成部品又は請求項１８から２０の１つに従って製造した構成部品の使用方法。