JP4819485B2 - 流路形成体の製造方法 - Google Patents

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などに用いられる流路形成体の製造方法及び流路形成体に関する。

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。
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できるように耐久性等が要求されるため、様々なヒートシンクが考案されている。
このようなヒートシンクは、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することが望まれていた。

そこで、水冷式のヒートシンク５１の構造が開示されている。
図５は、水冷式ヒートシンク５１の断面図であり、図６はその分解断面図である。
このヒートシンク５１は、板状をなす３枚の母材の上板材５２、中間板材５３、下板材５４を有している。上板材５２及び下板材５４は、横断面形状が凹字形状であり、中間部材５３は平板形状に形成されている、板材としては、熱伝導性に優れる材料であるＣｕが使用されている。上板材５２は中間板材５３の上にハンダ層５５を介して接合され、これらの板材５２，５３の間には上流路５６が形成され、下板材５４は中間板材５３の下部にハンダ層５７を介して接合され、これらの板材５３，５４の間には下流路５８が形成されている。中間板材５３には、上下流路５６，５８を連通する貫通孔５９が形成され、下板材５４には、冷却水の出口６０が形成され、上板材５２には冷却水の入口６１が形成されている。そして、上板材５２の表面には、ヒートシンク５１に冷却される半導体デバイス６２がハンダ層６３を介して接合されている。
こうしたヒートシンク５１は、ヒートシンク５１外の入口６１及び出口６０間に図示しない送水ポンプが接続され、冷却水が、入口６１、上流路５６、貫通孔５９、下流路５８及び出口６０の順に流通してヒートシンク５１が半導体デバイス６２から発生する熱を吸収することができる。

このような、ヒートシンク５１は、次のような手段で接合される。
先ず、母材としての板材５２〜５４を用意し、上下流路５６，５８、貫通孔５９、入口６１及び出口６０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。
各板材５２〜５４の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。なお、汚染物質の除去は、ウェット処理などの他の洗浄方法により行っても良い。
そして、プラズマ処理により清浄された各板材５２〜５４の表面に、図示しないＮｉコーティング層、さらにこのＮｉコーティング層の上にＡｕコーティング層（図示せず）を被覆する。そして、各板材５２〜５４の接合面に、Ａｕ−Ｓｎ合金又は純Ｓｎハンダのハンダ層５５，５７を介在させる。
なお、Ｎｉコーティング層は、板材５２〜５４とＡｕコーティング層との間に被覆される接着層として使用される。Ａｕコーティングは、耐食性が高く、ヒートシンクに発生する腐食、エロージョン・コロージョン、又は電解腐食等を防止するために使用される。また、各板材５２〜５４のハンダ層５５，５７による接合は、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ましい。
特開２０００−９３７８１号 特開２００４−１８６２１２号 特開平１１−３４６４８０号

上述のような、水冷式のヒートシンクは、熱吸収性に優れたものであるが、流路を形成した板材を接合（張り合わせ）して形成され、形状も小さいものがあり、圧力下で使用された場合に、接合部が完全でないものなどは破損するおそれがある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、複数の金属板などの張り合わせ技術を用いることなく、一体構造で内部に緻密かつ自由形状の流路を作成する流路形成体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に、本発明の流路形成体の製造方法は、溶解されるべき任意の溶液に溶解する母材に流路形成部を設け、前記溶液に対して非溶解性の材料を、流路形成部が形成された母材面に、１回目の電鋳メッキによる厚膜のメッキ層を形成し、母材とメッキ層からなる重合体のうち前記流路形成部を残して前記母材をメッキ層から削除し、前記溶液に対して非溶解性の材料を、前記メッキ層の前記流路形成部を配設した面に、２回目の電鋳メッキによる厚膜のメッキ層を形成することによって、これらのメッキ層によって前記流路形成部を囲み、該メッキ層の表面に前記流路形成部の表面に連通する入口孔と出口孔を形成し、前記溶液を前記入口孔及び／又は前記出口孔に流入させることによって、前記流路形成部を前記溶液によって溶解し、メッキ層の内部に前記流路形成部に対応する形状の流体の流路を形成するようにした。
上記流路形成体の製造方法は、前記メッキ層がＣｕによる電鋳メッキによって形成され、流路に冷却水が流れる水冷式ヒートシンクとすることができる。
また、流路形成体の製造方法は、前記母材がＡｌであって、前記溶液がアルカリ溶液とした。
さらに、上記流路形成体の製造方法は、前記１回目及び前記２回目の電鋳メッキの前に前記流路形成部の表面に前記流体に対して前記メッキ層の材質よりも耐食性のある材料によってコーティング膜を形成することができる。

本発明の流路形成体の製造方法は、溶解されるべき任意の溶液に溶解する母材に流路形成部を設け、前記溶液に対して非溶解性の材料を、流路形成部が形成された母材面に、１回目の電鋳メッキによる厚膜のメッキ層を形成し、母材とメッキ層からなる重合体のうち前記流路形成部を残して前記母材をメッキ層から削除し、前記溶液に対して非溶解性の材料を、前記メッキ層の前記流路形成部を配設した面に、２回目の電鋳メッキによる厚膜のメッキ層を形成することによって、これらのメッキ層によって前記流路形成部を囲み、該メッキ層の表面に前記流路形成部の表面に連通する入口孔と出口孔を形成し、前記溶液を前記入口孔及び／又は前記出口孔に流入させることによって、前記流路形成部を前記溶液によって溶解し、メッキ層の内部に前記流路形成部に対応する形状の流体の流路を形成するようにしたので、接合部のない流路形成体を得ることができる。また、流路形成部の全体が厚膜メッキで形成されているので、強度の大きいヒートシンクとなり、流体による大きな圧力に耐えることができる。
上記流路形成体の製造方法は、前記メッキ層がＣｕによる電鋳メッキによって形成され、流路に冷却水が流れる水冷式ヒートシンクとしたので、半導体デバイスを効率よく冷却できる。
また、流路形成体の製造方法は、前記母材がＡｌであって、前記溶液がアルカリ溶液としたので、ヒートシンクの製造が容易になる。すなわち、Ａｌは柔らかく加工が容易である反面、アルカリ溶液にも容易に溶ける性質があるので、作業時間を短くする効果がある。
さらに、上記流路形成体の製造方法は、前記１回目及び前記２回目の電鋳メッキの前に前記流路形成部の表面に前記流体に対して前記メッキ層の材質よりも耐食性のある材料によってコーティング膜を形成することができる。
また、本発明の流路形成体の製造方法によって形成された流路形成体は、外側に成形体本体が設けられ、成形体本体の内部に流体が通る流路が形成されるとともに、成形体本体に前記流路に連通する流体の入口と出口を形成した流路形成体において、前記成形体本体が電鋳メッキによる厚膜のメッキ層によって、全体が一体成形によって形成したので、接合部のない成形体本体を得ることができる。また、成形体本体の全体が厚膜メッキで形成されているので、強度の大きいヒートシンクとなり、流体による大きな圧力に耐えることができる。
上記流路形成体は、前記成形体本体がＣｕによる電鋳メッキによって形成され、流路に冷却水が流れる水冷式ヒートシンクとしたので、半導体デバイスを効率よく冷却できる。
また、上記流路形成体は、前記成形体本体に形成した流路の内面に耐食性の被膜をコーティングしたので、成形体本体の腐食を防止し、ヒートシンクの寿命を長期間にすることができる。
上記流路形成体の耐食性の被膜は、Ｔｉ，Ｎｉ，Ａｕのうちいずれか１種又はＴｉ，Ｎｉ，Ａｕのうち少なくとも２種以上の多層の被膜とすることができる。

以下、本発明の実施の形態による水冷式ヒートシンクについて図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係わる水冷式ヒートシンクの斜視図、図２はそのヒートシンクの内部に設けられている流路の平面図である。
水冷式のヒートシンク１は外観形状が、四角形状の成形体本体２とその内部に形成された流路３を有する。成形体本体２の一側面部には、円柱形の冷却水の出口４と入口５が形成され、ヒートシンク１の内部で冷却水の流路３と連通されている。ヒートシンク１は、電鋳メッキの厚膜の被膜層で形成され、本実施の形態では全体がＣｕ（銅）で形成され、内部に形成された流路３の表面にはＴｉ（チタン）からなるコーティング被膜６が緻密かつ強固に被膜されている。コーティング被膜６については、Ｔｉの他に、Ｎｉ（ニッケル），Ａｕ（金），Ｐｔ（白金）を使用することができ、さらに、Ｔｉ，Ｎｉ，Ａｕのうち少なくとも２種以上の多層の被膜とすることもできる。

ヒートシンク１の流路３の厚さは、ヒートシンク１の大きさなどの関係で任意に設定できるが、本実施の形態では、水冷式ヒートシンクの典型値である０．２〜０．３ｍｍに形成している。
流路３には、コ字形状の本流３ａと本流３ａの間を結ぶ複数の支流３ｂとが形成され、さらに支流３ｂ，３ｂ間を結ぶ連通路３ｃが形成され、本流３ａの流れ方向の中間部に幅広に形成された区画室３ｄが設けられている。流路３の形状は、内部の冷却水が円滑に流れるのであれば、その形状は特に限定されず、支流３ｂ，３ｂ、連通路３ｃ及び区画室３ｄがなく、１本の流路が形成されたもの、区画室３ｄのように室状に形成されたもの、クランク状、円弧形状など他の形状であってもよい。

ヒートシンク１の出入口４，５の位置は、共に成形体本体２の一側面部に形成したが、上面部側に出口を設け、下面部側に入口を形成してもよく、一側壁から他側壁に出入口を形成してもよい。また、流路３、出口４及び入口５の各々がそれぞれ複数あってもよい。
ヒートシンク１が冷却する半導体デバイスは、いずれかの面上に接触させるようにして設置され、ハンダや接着剤（図５参照）などで取付けられる一方、ヒートシンク１は基板などに接着材で固定したり、ヒートシンク１の流路３が位置しない肉部に、貫通孔を形成してネジなどで基板に固定できる。このヒートシンク１は、上述したように、電鋳メッキにより形成されたもので、機械的な接合部を有しないで形成されている。

以下、上記ヒートシンクの冷却水の流路の製造方法について、図３及び図４を参照にして説明する。
初めに、平板形状のＡｌ（アルミニウム）板からなる母材１１の表面をエッチングによるパターン加工によって、図３のＡのように、後に冷却水の流路となるべく凸部１２を形成する。この凸部１２の形成方法については、エッチングの他に、機械加工やフォトリソ技術などによって形成することができる。

次いで、図３のＢに示すように、Ｔｉによるコーティング被膜１３を形成する。コーティング被膜１３は、通常はアルミナセラミックなどの絶縁体の表面に緻密で強固な金属薄膜を形成する技術として使用されているメタライズ成膜を形成する技術をそのまま使用し、母材１１のＡｌ材の表面に薄膜を形成するようにした。コーティング被膜１３の厚さは、約０．１〜１０μｍである。コーティング被膜１３の材料として、Ｔｉの他Ｃｒ、Ｎｉ，Ａｕなどが用いられ、流路内壁を通る液体の用途に応じて材料を使い分ける。コーティング被膜１３はスパッタリングによる成膜の形成の他、メッキによって形成してもよい。
なお、このコーティング被膜１３については、冷却水の流路に、必ずしも必須作業ではなく、また、コーティング被膜１３は母材１１面及び凸部１２を覆ってもよく、凸部１２のみを覆うようにしてもよい。
そして、図３のＣに示すように、凸部１２を形成した側の母材１１面に一回目の電鋳メッキ（以下、一次電鋳メッキとする）を行う。一次電鋳メッキは、母材１１面上に厚膜のＣｕメッキを施すことによる。電鋳メッキは、いわゆる銅の超厚付けメッキであり、約０．１〜１０ｍｍ程度を肉付けする。作業時間は、約１週間程度（条件によって異なるが）を費やすが、ほぼ放置状態であるので時間以外の手間はかからない。

図３のＣに示すように、凸部１２を覆う厚膜の一次メッキ層１４ａが形成された後は、図３のＤに示すように、母材１１の凸部１２を残して母材１１を研磨又は切削等による機械加工によって削除する。こうして、凸部１２が埋没された一次メッキ層１４ａが形成される。したがって、一次メッキ層１４ａの表面には、凸部１２の部分を残して、母材１１が削除される。この状態にて、凸部１２が埋没されている部分では、一次メッキ層１４ａと凸部１２との間に、コーティング被膜１３が形成されているが、凸部１２の表面側に露出されている面では、コーティング被膜１３が形成されていない。そこで、図４のＡに示すように、凸部１２の面にコーティング被膜１３を形成し、凸部１２は面全体がＴｉによるコーティング被膜１３に被覆される。

次に、図４のＢに示すように、一次メッキ層１４ａの凸部１２を有する側の面に二回目の電鋳メッキ（以下、二次電鋳メッキとする）を行う。二次電鋳メッキは、一次電鋳メッキと同様に一次メッキ層１４ａの表面、又はコーティング被膜１３を介在させて凸部１２の表面にＣｕの超厚付けの二次メッキ層１４ｂが形成される。以下、図４のＢに示す一次メッキ層１４ａ及び二次メッキ層１４ｂを合わせてヒートシンクの成形体本体１４と呼ぶ。
この状態では、Ｃｕメッキ層からなる成形体本体１４は、Ａｌからなる凸部１２とこの周囲に形成されるコーティング被膜１３を包むように形成されている。

図４のＣは、成形体本体１４の表面から凸部１２まで貫通する孔１５，１６を、機械加工により形成した状態を示す。この孔１５，１６がヒートシンクの完成体の出入口となる。この際、孔１５，１６に腐食防止のためのコーティングを施すとよい。
最後に、成形体本体１４をそのままアルカリ性の溶液を溜めた溶解槽に浸漬する。Ａｌは、アルカリ性溶液によって溶解する性質があるので、アルカリ性溶液が孔１５，１６を通って、徐々にＡｌ製の凸部１２を溶解していく。これに対して、コーティング被膜１３のＴｉ及び成形体本体１４のＣｕは、アルカリ溶液に溶けない。よって、図４のＤに示すように、凸部１２のみが溶解されて、成形体本体１４の内部に流路となる空間が形成される。こうして、ヒートシンクが完成される。

母材としてＡｌ（または、Ａｌ合金）を用いたのは、成形が容易だからである。成形体本体としてＣｕを用いたのは、ＣｕとＡｌの熱膨張率の差が小さいからである。熱膨張率の差が小さいとメッキのストレスの低減のために好ましく、母材と成形体本体との界面で剥離の問題が解消されるからである。なお、Ａｌの熱膨張率は２３ｐｐｍ／ｋであり、Ｃｕの熱膨張率は１６ｐｐｍ／ｋであり、熱膨張率差が７ｐｐｍ／ｋと小さい。
なお、各材質の熱膨張率は、Ｓｉが１３ｐｐｍ／ｋ、Ｎｉが１３ｐｐｍ／ｋ、Ｃｒが６ｐｐｍ／ｋ、Ａｕが１４ｐｐｍ／ｋ、ガラス３−４ｐｐｍ／ｋである。したがって、Ｓｉを母材としてＣｕを成形体本体とすれば、熱膨張率差が３ｐｐｍ／ｋであり、熱膨張率の観点からは好ましい。ただし、加工性はＳｉよりもＡｌが優っている。なお、ＳｉはＡｌと同様にアルカリ溶液に溶ける。

上述した凸部１２は鋳型の中子のような役割を果たす。したがって、成形体本体１４、凸部１２及び凸部１２を溶解する溶解液の関係は、成形体本体１４が溶解液に溶けない性質であって、凸部１２が溶解液に溶ける性質であればよい。
母材が酸性溶液に溶けるものとして、ガラスと沸酸（フッ化水素酸）の例をあげる。現在のところ実用性に乏しいが、母材のガラス型の周りにＣｕの厚膜メッキを形成することができる。ガラスを溶かすには沸酸を使用し、スッパタリング（無電解メッキでも可能）によって、沸酸に溶けないＡｕ，Ｐｔなどのコーティング被膜を、Ｃｕを溶解させないために、ガラスの表面に形成して行う。そして、沸酸によりガラスを溶解させて成形体本体を形成する。
その他、場合によっては、一次メッキ層１４ａと二次メッキ層１４ｂの材質を変えることも可能である。

完成したヒートシンクは、ヒートシンクの表面に半導体デバイスが取付けられ、電子基板に装着される際には、出入口に送水配管が接続され、図示しないポンプと接続される。ヒートシンク自体には、機械的な接合部がないので強度的にも大きく、高圧下のもとで使用できる。また、接合部がないので接合部の欠陥による冷却液の漏れの心配がない。そして、水冷式ヒートシンクの本来の冷却能力を有し、半導体デバイスなどを効率よく冷却できる。特に、流路として微細通路を形成するときには、凸部１２の突出量及び幅を微細に形成すればよく効果的である。また、母材１１に形成する凸部１２に応じた形状で流路が形成できる利点がある。
ヒートシンクは、熱伝導を良くすることが最重要であり、材料としては本実施の形態のように熱伝導率の良いＣｕ（熱伝導率４００Ｗ／ｍＫ）などが適している。これに対してＮｉ（純度によっては、熱伝導率が７０Ｗ／ｍＫ程度）は熱伝導率がＣｕに劣るが、強度が大きいので、高圧力の使用状態で使用できる利点がある。
なお、目的物の形状と同じ型をワックスで作り，その周囲を耐火物で固め、加熱してワックスを消失させて、そこに形成された空間に溶湯を注いで鋳物を成形するロストワックス法がある。本願発明で成形した形成体は、ロストワックス法で形成したものよりも１０倍（ロストワックス法約０．１μｍ程度の精度、本案は０．０１μｍの精度）程度の精度向上を図ることができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明の技術的思想に基づいて、勿論、本発明は種々の変形又は変更が可能である。
例えば、上記実施の形態では、微細な複雑な流路を形成するために、Ａｌ製の母材１１上に微細流路の前成形体となる凸部１２を形成し、その後２回に分けて電鋳メッキを施したが、複雑な流路を形成しないような場合、例えば、流路が単純な空間（図１の区画室３ｄのような）であるような場合は、薄板状のＡｌ母材の表裏両面に、直接電鋳メッキを施して、一回の電鋳メッキでＡｌの周囲全体にＣｕ等の厚膜メッキを施して、その後母材１１を溶解させて、流通路を形成しても良い。
また、上記実施の形態では、流路をヒートシンクなどの冷却水の流路として説明したが、液体の他、ガスなどの流路としても使用でき、微細流路を利用することによって、微少量のガスを混合することができる。その他、液体とガスの混合体の流路としても使用できる。

本発明は、流路に対して腐食性があり、微少量の液体を流す分析機器装置の分野にも適用が可能である。例えば、分析用の溶液などをできるだけ少ない量を順次、流出させる必要があり、可能な限り狭い流路が求められるような分析機器にも適用がある。例えば、ナノフローポンプによって、微小流路で溶液を圧送して、バルブの開閉によってμ単位の溶液を回収することもできる。この場合、流路は０．０１〜１ｍｍ（通常使用されるものは、０．０２〜０．１ｍｍ）のものが使用され、本願発明によって、これらの微細流路の適用が可能である。

本発明の実施の形態による水冷式ヒートシンクの斜視図である。 図１のヒートシンクの流路の拡大平面図である。 Ａは、Ａｌ母材をエッチングによって、リブ状の凸部を形成した状態（なお、母材と凸部は同一物であるが別ハッチングしている）を示す断面図、Ｂは凸部の表面にメタライズ成膜を形成した状態を示す断面図、Ｃは凸部の表面にメタライズ成膜を介して一次電鋳メッキを施して一次メッキ層を形成した状態の断面図、Ｄは、一次メッキ層からＡｌ母材を切削した状態の断面図である。 Ａは、図３のＤの後工程であり、凸部の表面にメタライズ成膜を形成した状態の断面図、Ｂは一次メッキ層に二次メッキ層を施した状態の断面図、Ｃは外部と凸部を連通する孔を形成した状態の断面図、Ｄはヒートシンク本体内の凸部を溶融させて流路を形成した状態の断面図である。 従来の張り合わせ方式の水冷式ヒートシンクの断面図である。 図５の分解断面図である。

符号の説明

１ ヒートシンク（流路形成体）
２，１４ 成形体本体
３ 流路
３ａ 本流
３ｂ 支流
３ｃ 連通路
３ｄ 区画室
４ 出口
５ 入口
６，１３ コーティング被膜
１１ 母材
１２ 凸部
１５，１６ 孔

Claims (4)

1. 溶解されるべき任意の溶液に溶解する母材に流路形成部を設け、
   前記溶液に対して非溶解性の材料を、流路形成部が形成された母材面に、１回目の電鋳メッキによる厚膜のメッキ層を形成し、
   母材とメッキ層からなる重合体のうち前記流路形成部を残して前記母材をメッキ層から削除し、
   前記溶液に対して非溶解性の材料を、前記メッキ層の前記流路形成部を配設した面に、２回目の電鋳メッキによる厚膜のメッキ層を形成することによって、これらのメッキ層によって前記流路形成部を囲み、
   該メッキ層の表面に前記流路形成部の表面に連通する入口孔と出口孔を形成し、
   前記溶液を前記入口孔及び／又は前記出口孔に流入させることによって、前記流路形成部を前記溶液によって溶解し、メッキ層の内部に前記流路形成部に対応する形状の流体の流路を形成するようにした流路形成体の製造方法。
2. 前記メッキ層がＣｕによる電鋳メッキによって形成され、流路に冷却水が流れる水冷式ヒートシンクであることを特徴とする請求項１に記載の流路形成体の製造方法。
3. 前記母材がＡｌであって、前記溶液がアルカリ溶液である請求項１又は２に記載の流路形成体の製造方法。
4. 前記１回目及び前記２回目の電鋳メッキの前に前記流路形成部の表面に前記流体に対して前記メッキ層の材質よりも耐食性のある材料によってコーティング膜を形成した請求項１〜３のいずれか１項に記載の流路形成体の製造方法。

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