JP4251986B2 - 高熱伝導性ダイヤモンド焼結体とその製造方法 - Google Patents
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Description
従来、このような半導体素子用のヒートシンク素材としては窒化アルミニウム(AlN)や炭化珪素(SiC)の焼結体が主として使用されている。しかしながら、近年、半導体レーザーの高出力化やMPUの高集積化にともない、素子からの発熱量も大きくなってきている。AlN焼結体やSiC焼結体の熱伝導率は、それぞれせいぜい250W/m・K、270W/m・Kであり、これらの値では放熱能力が不足する事態が生じてきている。
製造技術の進歩により工業的にも安定生産が可能となっている。また、cBNに関してはその同素体であるhBN(六方晶窒化硼素)を超高圧・高温下で変換・焼結させて製造することが可能となっている。これらの超高熱伝導性材料は高熱負荷で使用される半導体素子用の信頼性の高いヒートシンクとして使用されている。
1、特許文献2、特許文献3および特許文献4等で開示されている。
常に悪くまた炭化物を形成しないため、これら金属とダイヤモンドとの混合物を加熱焼結させても若干量の気孔が残留する、成型体を所定の形状に加工する際に加工表面のダイヤモンド粒子が脱落する、等の問題がある。複合体の気孔はそれ自身の熱伝導率に対して悪影響を及ぼす。また、加工の際のダイヤモンド粒子の脱落はヒートシンクと半導体を接合させる際の熱的接触が悪く所定の放熱効果が得られないという問題点がある。
では、空気中の酸素や窒素の影響でダイヤモンドと銅とは焼結しない。
とダイヤモンドのみからなる焼結体に比べて高い熱伝導率は得られない。
体を製造する方法として採用されており、Co等の鉄属金属を結合材として使用している。鉄属金属は超高圧・高温下で炭素原子を溶解・析出する作用がある。そのため、ダイヤモンド粒子同士を強固に結合するため、製造された焼結体の熱膨張係数は、ダイヤモンドの熱膨張係数より大幅に大きくなることはない。また、熱伝導率の低い結合材の影響で熱伝導率は400W/m・K程度である。
する際に、カプセルが一部破れるため非常に微量であるが銅が酸化されるという問題が不可避である。従って、図1の焼結体のX線回折結果に示すとおり微量の酸化第一銅(Cu2O)、酸化第二銅(CuO)が存在する。破損による微粒子化や銅の酸化が原因で500W/m・Kという高い熱伝導率を持つ焼結体は得られない。
10-6/KとInPやGaAsといった半導体素子用素材に近い材料を提供するものである。
や寿命の長期化といった顕著な効果を奏することができる。すなわち、ヒートシンクの大きさが、1辺3mm角以上のとき、本発明の効果は顕著である。
高純度銅の熱伝導率が約400W/m・Kであり、銅を結合材としてダイヤモンドを焼結させることにより熱伝導率が400W/m・K以上の物質が作製できることは推測できる。また、銅の純度が低下するに従い、熱伝導率が低下することはよく知られている。しかしながら、銅は炭化物を作らない上ダイヤモンドとの濡れ性が悪く、単にダイヤモンド
と銅とを混合して銅の融点以上に温度を上げるだけでは緻密な焼結体にはならない。ダイヤモンドの周囲に炭化物を生成する金属(鉄属金属、チタン、ニオブ、バナジウム等)やシリコンを被覆した後、銅と混合して銅の融点以上に温度を上げることにより焼結体は得られるが、ダイヤモンドの周囲に生成した炭化物が熱伝導を阻害するため、高熱伝導性の
焼結体は得られない。
LVcosθが小さい)固体−液体混合物でも濡れ性が向上する。この現象は銅(液体)とダイヤモンドの界面にもあてはまり、常圧下では、界面の濡れ性が悪くダイヤモンドの周囲を銅融液が包み込まず焼結不可能であるが、高圧下では、界面の濡れ性が向上しダイヤモンドの周囲を銅融液で包み込んだ状態を実現できる。実質的に気孔が存在しない焼結体
を作製するのには、最低1GPaの超高圧力が必要である。ただし、1GPa程度の低い圧力で1000℃以上の高温下に長時間保持するとダイヤモンドから黒鉛への変換が始まることから、できることなら、熱力学的にダイヤモンドが安定な領域で保持できる装置で焼結することが望ましい。具体的な圧力レベルとしては、4GPa以上の圧力で保持する
ことが好ましく、工業的に使用されている超高圧発生装置を用いて4GPa以上6GPa以下の圧力で焼結することが望ましい。この条件で焼結を行うことにより実質的に気孔が存在せず、隣接するダイヤモンド粒子の一部が接触、結合した焼結体を得られると予測される。
)で観察したところ、図3に示すとおりダイヤモンド粒子同士が結合している。また、この焼結体の密度を測定したところ、ほぼ理論値と一致しており、ダイヤモンドと銅との組成比に従って、4.05g/cm3 から5.7g/cm3 の間で変化した。焼結体の密度は特にダイヤモンドの体積比率の好ましい範囲が70〜80%であるという理由で4.55〜5.15g/cm3 とするのが好ましい。なお、特許請求の範囲4〜6に請求されている高熱伝導性ダイヤモンド焼結体のそれぞれの特性は特許請求の範囲1〜3のいずれかに請求されている高熱伝導性ダイヤモンド焼結体が具備している好ましい特性値範囲を示すものである。
活性ガス中でシールすることで実現できる。
1.粒径が5μm以上100μm以下のダイヤモンド粒子からなる粉末と無酸素銅板とを接するように配置し、該銅板と接してIVa、Va金属のうちの1種もしくは2種以上の板を挿入した金属カプセルを真空中もしくは不活性ガス中もしくは還元ガス中で封止する工程と、該金属カプセルを1GPa以上6GPa以下、好ましくは4GPa以上6GPa以下の圧力、1100℃以上1500℃以下、好ましくは100℃以上1200℃以下の温度で処理することで、ダイヤモンド粉末体に溶融した銅を溶浸させた後、圧力を保持した状態で900℃以下まで下げて銅を凝固させる工程と、その後に圧力と温度を常圧、常温に戻し、カプセルを回収する工程と、を有する高熱伝導性ダイヤモンド焼結体の製造方法及び
2.粒径が5μm以上100μm以下のダイヤモンド粒子からなる粉末と純度99.9%以上の高純度銅粉末とを混合し、該混合粉末を装填した金属カプセルを真空中もしくは不活性ガス中もしくは還元ガス中で封止する工程と、該金属カプセルを1GPa以上6GPa以下、好ましくは4GPa以上6GPa以下の圧力、1100℃以上1500℃以下、
好ましくは1100℃以上1200℃以下の温度で処理することで、銅粉末を融解した後、圧力を保持した状態で温度900℃以下まで下げて銅を凝固させる工程と、その後に圧力と温度を常圧、常温に戻しカプセルを回収する工程、とを有する高熱伝導性ダイヤモンド焼結体の製造方法。
焼結体を構成するダイヤモンドおよび銅の純度は、高ければ高い方が熱伝導率は高く特性的には好ましい。従って、可能な限り純度を高めるためにカプセル作製の際に、真空もしくは不活性ガス中で封入することが必要である。しかしながら、従来の方法で超高圧・高温下でこのカプセルを処理すると、カプセルが一部破れるため非常に微量であるが銅が
酸化されることは不可避であり、図1の焼結体のX線回折結果に示すとおり微量の酸化第一銅(Cu2O)、酸化第二銅(CuO)が存在する。
ンド粒子の粒径は5μm以上100μm以下、好ましくは10μm以上80μm以下、さらに好ましくは20μm以上50μm以下であると高い熱伝導率を維持したままで後加工時の問題が生じない。
る少なくとも1種類の金属、もしくはそれらの合金層によって少なくとも1層もしくは複数層被覆されていることを特徴とする。半導体素子に用いられるヒートシンクの最表面は半導体素子とのハンダ付け性の良い金属が被覆されていることが望ましい。そのためにまずダイヤモンドと親和性の高い金属であるニッケル、クロム、チタン、及びタンタルから
なる群より選ばれた少なくとも1種を含む金属がヒートシンクと接する面に被覆することにより、金属層の密着強度を向上させる。中でも銅と化合物を生成しないニッケルは加熱によっても銅と反応して変質しない点で好ましい。さらに半導体素子と接する表面にはハンダ付け性の良いモリブデン、白金、金、銀、錫、鉛、ゲルマニウム、インジウムの金属のうち、1種類もしくは複数種の金属を1種あるいは多層被覆することで、半導体素子とヒートシンクの接合を確実なものとすることができる。
あることなどが、ヒートシンクとして高い性能を発揮するために好適である。半導体が搭載される面の平坦度が長さ10mmに対して30μm以上になると、半導体素子とヒートシンクの間に空隙が発生する部分ができたり、ろう材の厚さが厚い部分ができて、その部分の熱伝導が悪くなる。また、半導体が搭載される面の面粗度がJIS B0601で規
定される算術平均粗さ(Ra)で0.5μmを超えると、前記平坦度が悪い場合と同様に、半導体素子とヒートシンクの間に空隙が発生する部分ができたり、ろう材の厚さが厚い部分ができて、その部分の熱伝導が悪くなる。
うまでもない。
通常、焼結体素材の厚みを所定の寸法・面粗さに仕上げる加工を行った後に、ヒートシンクとして要求される形状、寸法に切断する。この切断後の素材に金属膜の被覆を施し、半導体搭載用ヒートシンクとして使用される。なお、本明細書で「所定の」という記載は、「製品として要求される」又は「製品で要求される目的の」という意味で用いている。
ことができる。
まず、焼結体素材を所定の厚み、面粗度に仕上げる加工方法としては、レジンボンドのダイヤモンド砥石を装着した研磨機を用いて乾式研磨で仕上げる方法と、レジンボンドもしくはビトリファイドボンドのダイヤモンド砥石を装着した平面研削盤を用いて湿式研削で仕上げる方法のいずれを用いてもよい。
強度をもった膜の被覆ができないため、第1層目の金属膜はスパッタリング法により被覆するのが好ましい。第2層目以降の金属膜はめっき法、スパッタリング法、イオンプレーティング法のいずれの方法を用いてもよい。
後記の方法で表面仕上げを行う場合、砥石が焼結体中のダイヤモンド粒子を脱落させると同時に、銅を引き延ばしながら加工される効果により、表面の70%以上の面積は銅で覆われた状態となる。このように、表面の大部分が銅からなる場合は、通常の電解メッキで十分な密着強度をもつ膜の被覆が可能である。
所定の形状、寸法に加工した後に金属膜の被覆を施すが、表面加工方法に応じて、素材表面の状態は異なり、第1層の被覆方法を変える必要がある。
(実施例1)
図6は本実施例で用いたカプセルの構成を示す模式図であり、本発明に係るダイヤモンド粉末と銅粉との混合粉からなる圧粉体を装填した容器をモリブデン製の蓋をして封止した状態を示す。図6中、1はモリブデン蓋、2はモリブデンカプセル、3はロウ材、4はチタン板、5はニオブ板、6は圧粉体を示す。
ブデン製の蓋をし、真空中で加熱することにより容器と蓋とをロウ付け封止した。また、比較例として、同様のカプセルに充填したダイヤモンド粒径が5μmに満たないもの、真空封止、チタン板なしのダイヤモンド粒径が5〜100μmのものを同様の工程で準備したものを表1の比較例1〜16に示す。
温度差をつけて試料中の温度勾配から熱伝導率を求める方法(定常法)にて熱伝導率測定を行った。同じ試料を縦型熱膨張計にて室温から300℃まで加熱して熱膨張の測定を行った。各ダイヤモンド粒径の熱伝導率、熱膨張係数、密度を測定した結果を表1にまとめる。表中、銅粉配合比率および銅含有率はいずれも焼結体全体に対する体積%を示す。また密度は、銅とダイヤモンドの配合比率で理論的に計算できる。表1はそのことを示している。
表1に示す所定の粒径の市販ダイヤモンド粉末の構成で内径25mm、深さ5mmのモリブデン製の容器に充填し、2t/cm2 の荷重でプレスし、厚さ2mmの圧粉体にした。圧粉体に接して直径25mm、厚み0.5mmの無酸素銅板を配し、その上に直径25mm、厚み0.1mmのZr箔を配した。このように装填した容器にロウ材を介してモリブデン製の蓋をし、真空中で加熱することにより容器と蓋とをロウ付け封止した。また、比較例として、真空封止、Zr板なしのもの同様の工程で準備したものを表2の比較例17〜18に示す。
温度差をつけて試料中の温度勾配から熱伝導率を求める方法(定常法)にて熱伝導率測定を行った。同じ試料を縦型熱膨張計にて室温から300℃まで加熱して熱膨張の測定を行った。各ダイヤモンド粒径の熱伝導率、熱膨張係数、密度を測定した結果を表2にまとめる。同時に発光分光分析法で銅の重量%を分析し体積含有率に換算した値を表2に示す。
実施例1で作製した焼結体を厚み0.5mmになるように放電加工で加工を行った後、表裏両面を#400のダイヤモンド砥石でラッピングした。ラッピングされた焼結体を出力3WのYAGレーザーを用いて3mm×1mmの寸法に切断加工した。切断加工後の切断端部の欠けおよびラッピング面の面粗さを測定した結果を表3に示す。同様に比較例と
してダイヤモンドの粒径110μm(比較試料14)、130μm(比較試料15)を実施例1と同様の方法で焼結し、加工テストを行ったのでそれも示す。
実施例1で作成した No.11の焼結体を、放電加工で厚さを約0.5mmに加工した後上下面を研削して、直径50mm厚さ0.35mmの平面円板を作製した。砥石の裏面側に冷却液を噴射する機構を備えた研磨装置にダイヤモンド砥石を取り付け、砥石温度を40℃以下で管理しながら前記で得られた複合焼結体の平面円板を両面について研磨した。20時間の研磨で面粗さRa0.08μm、平面度50μm/50mm、厚さ0.3mmに仕上げた。
上記焼結体円板をYAGレーザーを用いて10.0×2.0×0.3mmに切断加工した。この直方体の稜線の欠けは最大7μmで、平面度は5μm/10mmであった。直方体に加工されたダイヤモンド−銅複合焼結体を水素雰囲気で800℃×3時間加熱して表面に存在する酸化銅を除去した。この焼結体に対してマグネトロンスパッタ装置を用いて
Ni1μm、白金0.5μm、金0.1μmを多層被覆した。さらに蒸着装置を用いて金と錫の合金ハンダを3μm被覆して半導体搭載用ヒートシンクとした。
CVDダイヤモンドとAlNは絶縁材料のため、多層被覆膜のみが導通個所となり、被覆膜で熱が発生し半導体レーザー素子の温度上昇を招くため、高い光出力が得られない。
実施例2で作成した No.27の焼結体を、放電加工で厚さを約0.4mmに加工した後上下面を研削して、直径50mm、厚さ0.3mmの平面円板を作製した研磨後の面粗さは、Ra0.08μmであった。
上記焼結体円板を電圧110V、放電時間0.15秒、ワイヤー張力1200gの条件で切断した後に電圧4V、放電時間0.05秒、ワイヤー張力1200gの条件で切断断面を仕上げる放電切断条件で1.0×2.0×0.3の直方体を得た。この直方体の稜線の欠けは最大8μmであった。直方体に加工されたダイヤモンド−銅複合焼結体を、水素
雰囲気で800℃×2時間加熱して表面に存在する酸化銅を除去した。この焼結体の表面全面にニッケルを1μmメッキし、さらにマグネトロンスパッタ装置を用いて同じく表面全面に白金を0.2μm被覆した。さらに蒸着装置を用いて金と錫の合金ハンダを半導体素子が搭載される面に3μm被覆して半導体搭載用ヒートシンクとした。
層、4は第1金属被覆層(ニッケル)、5は第2金属被覆層(白金)、6は第3金属被覆層(金錫合金)、7はロウ材、8は銅製の基体を示す。
する素子の特徴、設計に合わせて最適なヒートシンクを選択できる。
Claims (12)
- 内部に気孔を含まず、ダイヤモンド粒子を焼結体全体に対して60体積%以上90体積%以下含有し、残部が銅からなり、前記焼結体を構成するダイヤモンド粒子のうち、少なくとも複数個の粒子同士が直接結合しており、かつ前記焼結体を構成する銅が酸化しておらず、焼結体中の酸素量が0.025重量%以下であり、熱伝導率が500W/m・K以上であることを特徴とする高熱伝導性ダイヤモンド焼結体。
- 室温から300℃までの熱膨張係数が3.0〜6.5×10-6/Kであることを特徴とする請求項1に記載の高熱伝導性ダイヤモンド焼結体。
- 前記焼結体の密度が4.05g/cm3から5.7g/cm3であることを特徴とする請求項1又は2に記載の高熱伝導性ダイヤモンド焼結体。
- 前記焼結体中に含まれるダイヤモンド粒子が焼結体全体に対して70体積%以上80体積%以下を占めることを特徴とする請求項1又は2に記載の高熱伝導性ダイヤモンド焼結体。
- 室温から300℃までの熱膨張係数が3.9〜6.1×10-6/Kであることを特徴とする請求項1又は4に記載の高熱伝導性ダイヤモンド焼結体。
- 前記焼結体の密度が4.55g/cm3から5.15g/cm3であることを特徴とする請求項1、4又は5のいずれかに記載の高熱伝導性ダイヤモンド焼結体。
- 表面加工後の前記焼結体の表面の70%以上の面積が平坦なダイヤモンド粒子からなり、残りの面積が銅からなることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の高熱伝導性ダイヤモンド焼結体。
- 表面加工後の前記焼結体の表面の70%以上の面積が銅であり、残りの面積がダイヤモンドからなることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の高熱伝導性ダイヤモンド焼結体。
- 粒径が5μm以上100μm以下のダイヤモンド粒子からなる粉末と無酸素銅板とを接するように配置し、該銅板と接してIVa、Va金属のうちの1種もしくは2種以上の板を挿入した金属カプセルを真空中もしくは不活性ガス中もしくは還元ガス中で封止する工程と、該金属カプセルを1GPa以上6GPa以下の圧力、1100℃以上1500℃以下の温度で処理することで、ダイヤモンド粉末体に溶融した銅を溶浸させた後、圧力を保持した状態で900℃以下まで下げて銅を凝固させる工程と、その後に圧力と温度を常圧、常温に戻し、カプセルを回収する工程と、を有することを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の高熱伝導性ダイヤモンド焼結体の製造方法。
- 粒径が5μm以上100μm以下のダイヤモンド粒子からなる粉末と純度99.9%以上の高純度銅粉末とを混合し、該混合粉末と、IVa、Va金属のうちの1種もしくは2種以上とを装填した金属カプセルを真空中もしくは不活性ガス中もしくは還元ガス中で封止する工程と、該金属カプセルを1GPa以上6GPa以下の圧力、1100℃以上1500℃以下の温度で処理することで、銅粉末を融解した後、圧力を保持した状態で温度900℃以下まで下げて銅を凝固させる工程と、その後に圧力と温度を常圧、常温に戻しカプセルを回収する工程、とを有することを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の高熱伝導性ダイヤモンド焼結体の製造方法。
- 請求項9又は10に記載の製造方法で得られた高熱伝導性ダイヤモンド焼結体の表面を加工し、所定の厚み、面粗さを得る工程を有し、当該工程において、
ダイヤモンド砥石を使用し該砥石表面の温度管理を行いながら乾式で研磨を行うことを特徴とする請求項7に記載の高熱伝導性ダイヤモンド焼結体の製造方法。 - 請求項9又は10に記載の製造方法で得られた高熱伝導性ダイヤモンド焼結体の表面を加工し、所定の厚み、面粗さを得る工程を有し、当該工程において、
ダイヤモンド砥石を使用した平面研削盤にて湿式で研削加工を行うことを特徴とする請求項8に記載の高熱伝導性ダイヤモンド焼結体の製造方法。
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