JP5988977B2 - 半導体素子用放熱部品 - Google Patents
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Description
本明細書及び特許請求の範囲において使用される用語及び符号は、当業者が通常理解するところの意味を有するものである。特に、本明細書において、「〜」という記号は「以上」及び「以下」を意味する。よって、例えば「A〜B」というのは、A以上でありB以下であるという意味である。
図1に示すように、本発明の実施形態1に係る半導体素子用放熱部品は、アルミニウム−ダイヤモンド系複合体1と表面金属層2から構成される。アルミニウム−ダイヤモンド系複合体1は、ダイヤモンド粒子とアルミニウムを主成分とする金属とを含むアルミニウム−ダイヤモンド系複合材料からなる平板状の複合化部3と、複合化部3の両面に設けられた被覆層4とからなる。アルミニウム−ダイヤモンド系複合材料は、ダイヤモンド粒子の含有量が、該アルミニウム−ダイヤモンド系複合材料全体の40体積%〜70体積%である。被覆層4は、アルミニウムを含有する金属を含む材料からなり、表面金属層2は、アモルファスのNi合金層5、Ni層6及びAu層7からなる。
一般に、アルミニウム−ダイヤモンド系複合体の製法は、大別すると含浸法と粉末冶金法の2種がある。このうち、熱伝導率等の特性面から、実際に商品化されているのは、含浸法によるものが多い。含浸法にも種々の製法が有り、常圧で行う方法と、高圧下で行う高圧鍛造法がある。高圧鍛造法には、溶湯鍛造法とダイキャスト法がある。本発明に好適な方法は、高圧下で含浸を行う高圧鍛造法であり、熱伝導率等の特性に優れた緻密な複合体を得るには溶湯鍛造法が好ましい。溶湯鍛造法とは、一般的に、高圧容器内に、ダイヤモンド等の粉末又は成形体を装填し、これにアルミニウム合金等の溶湯を高温、高圧下で含浸させて複合材料を得る方法である。
原料であるダイヤモンド粉末は、天然ダイヤモンド粉末もしくは人造ダイヤモンド粉末のいずれも使用することができる。また、ダイヤモンド粉末には、必要に応じて、例えばシリカ等の結合材を添加してもよく、結合材を添加することにより、成形体を形成することができる。
ここで、溶湯鍛造法にてアルミニウム合金が含浸し得る多孔質体からなる型材8の材料としては、溶湯鍛造法にてアルミニウム合金が含浸できる多孔質体であれば特に制約はない。しかし、該多孔質体としては、耐熱性に優れ、安定した溶湯の供給が行える、黒鉛、窒化ホウ素、アルミナ繊維等の多孔質体等が好ましく用いられる。
更に、緻密な離型板9としては、ステンレス板やセラミックス板を使用することができ、溶湯鍛造法にてアルミニウム合金が含浸されない緻密体であれば特に制限はない。また、離型板に塗布する離型剤については、耐熱性に優れる、黒鉛、窒化ホウ素、アルミナ等の離型剤が好ましく使用できる。さらには、離型板の表面をアルミナゾル等によりコーティングした後、上記離型剤を塗布することにより、より安定した離型が行える離型板を得ることができる。
本実施形態に係るアルミニウム−ダイヤモンド系複合体中のアルミニウム合金(アルミニウムを主成分とする金属)は、含浸時にダイヤモンド粉末の空隙中(ダイヤモンド粒子間)に十分に浸透させるために、なるべく融点が低いことが好ましい。このようなアルミニウム合金として、例えばシリコンを5〜25質量%含有したアルミニウム合金が挙げられる。シリコンを5〜25質量%含有したアルミニウム合金を用いることにより、アルミニウム−ダイヤモンド系複合体の緻密化が促進されるという効果を得ることができる。
得られた構造体は、複数枚を更に積層してブロックとし、このブロックを600〜750℃程度で加熱する。そして、該ブロックを高圧容器内に1個または2個以上配置し、ブロックの温度低下を防ぐために出来るだけ速やかに、融点以上に加熱したアルミニウム合金の溶湯を給湯して20MPa以上の圧力で加圧する。
上記操作により得られたアルミニウム−ダイヤモンド系成形体には、アニール処理を行ってもよい。アニール処理を行うことにより、上記アルミニウム−ダイヤモンド系成形体内の歪みが除去され、より安定した熱伝導率特性を有するアルミニウム−ダイヤモンド系複合体を得ることができる。
次に、本実施形態に係るアルミニウム−ダイヤモンド系複合体の加工方法の例を説明する。上記アルミニウム−ダイヤモンド系複合体は、非常に硬い難加工性材料である。このため、通常のダイヤモンド工具等を用いた加工も可能ではあるが、工具の耐久性や加工コストの面から、ウォータージェット加工、レーザー加工又は放電加工によって加工するのが好ましい。
本実施形態に係る半導体素子用放熱部品のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体1は、図1に示されるように、複合化部3の両面がアルミニウムを主成分とする金属(アルミニウム合金)を含む材料からなる被覆層4で被覆されている。
本実施形態に係るアルミニウム−ダイヤモンド系複合体は、両面がアルミニウムを主成分とする金属を含む材料からなる被覆層4で被覆された構造を有しているため、この被覆層4を加工(研磨)することにより、表面精度(表面粗さ:Ra)を調整することができる。この被覆層4の加工は、通常の金属加工で採用される加工方法が採用でき、例えばバフ研磨機等を用いて研磨を行い、表面粗さ(Ra)を1μm以下とすることができる。
本実施形態に係る半導体素子用放熱部品は、半導体素子のヒートシンクとして用いる場合、半導体素子とロウ付けにより接合して用いられることが多い。よって、図1に示されるように、その接合表面には、表面金属層2が設けられる。表面金属層2の形成方法としては、めっき法、蒸着法、スパッタリング法等の方法を採用することができる。処理費用の面からは、めっき処理が好ましく、以下、めっき処理について説明する。
本発明のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体を用いた半導体素子用放熱部品は、高熱伝導率かつ半導体素子と同等レベルの低熱膨張率であり、GaN、GaAs、SiC等の高出力が要求される半導体レーザー素子又は高周波素子の放熱部品として好適である。特に、高周波素子であるGaN−HEMT素子、GaAs−HEMT素子の放熱部品として好適である。
本発明の実施形態2に係る半導体素子用放熱部品は、図3に示すように、アルミニウム−ダイヤモンド系複合体12と表面金属層13から構成される。アルミニウム−ダイヤモンド系複合体12は、ダイヤモンド粒子とアルミニウムを主成分とする金属とを含むアルミニウム−ダイヤモンド系複合材料からなる平板状の複合化部14と、複合化部14の両面に設けられた二層の被覆層15,16からなる。アルミニウム−ダイヤモンド系複合材料は、ダイヤモンド粒子の含有量が、該アルミニウム−ダイヤモンド系複合材料全体の40体積%〜70体積%である。被覆層15,16は、複合化部14側の被覆層15がアルミニウム−セラミックス系複合体からなり、他側の被覆層16がアルミニウムを主成分とする金属層からなる。表面金属層13は、アモルファスのNi合金層17、Ni層18及びAu層19からなる。
本実施形態においては、アルミニウム−ダイヤモンド系複合材料からなる平板状の複合化部14と、複合化部14に被覆されたアルミニウム−セラミックス系複合体からなる被覆層15を含む部分を先ず製造する。すなわち、図4に示すように、アルミニウム合金が含浸し得る多孔質体からなる型材20、セラミックス多孔体21、離型剤を塗布した緻密な離型板22及びダイヤモンド粉末23を配置して溶湯鍛造用の構造体とし、溶湯鍛造によりアルミニウム合金を複合化した後、複合化後のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体の外面部に存在するアルミニウム−セラミックス系複合体を研削加工し、複合化部14の両面が厚み0.05〜0.2mmのアルミニウム−セラミックス系複合体からなる被覆層15で被覆されている構造体を作製する。次に、この構造体を、ウォータージェット加工機やレーザー加工機により加工を行った後、その表面に厚みが0.05〜2.0μmの被覆層16を形成する。
セラミックス多孔体21は、溶湯鍛造法にてアルミニウム合金が含浸し得る多孔質で、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウムの少なくとも1種以上を含有する多孔体であるが、得られるアルミニウム−セラミックス系複合体の熱伝導率の点から炭化珪素がより好ましい。セラミックス多孔体の気孔率は、溶湯鍛造法にてアルミニウム合金が含浸し得る気孔が必要であり、20〜60体積%である。一方、アルミニウム−セラミックス系複合体中のセラミックス含有量は、アルミニウム−ダイヤモンド系複合体とアルミニウム−セラミックス系複合体の熱膨張率差が小さくなるべく調整することが好ましい。アルミニウム−ダイヤモンド系複合体とアルミニウム−セラミックス系複合体の熱膨張率差が大きい場合、その後の加工工程で、反り等が発生し、好ましくない。
上述のように、複合化後、アルミニウム−ダイヤモンド系複合体の外面部に存在するアルミニウム−セラミックス系複合体を研削加工し、複合化部14の両面が厚み0.05〜0.2mmのアルミニウム−セラミックス系複合体からなる被覆層15で被覆されている構造体を作製するが、その研削加工には、ダイヤモンド工具、ダイヤモンド砥粒等を用いる。さらに、穴部の加工等、アルミニウム−ダイヤモンド系複合体自体を加工する場合は、例えばウォータージェット加工機、レーザー加工機、放電加工機による。
本実施形態に係るアルミニウム−ダイヤモンド系複合体では、複合化部14の両面が、厚みが0.05〜0.2mmのアルミニウム−セラミックス系複合体からなる被覆層15で被覆され、この被覆層15は、上述のように、溶湯鍛造により、複合化部14と共に形成されるが、別法として、アルミニウム−セラミックス系複合体のみを事前に作製したのち、アルミニウム−ダイヤモンド系複合体を作製する工程で複合化部14と接合して、図3のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体12を作製することもできる。
次に、実施形態3に係る半導体素子用放熱部品について説明する。図5に示されるように、実施形態3に係る放熱部品は、アルミニウム−ダイヤモンド系複合体24と表面金属層25から構成される。アルミニウム−ダイヤモンド系複合体24は、アルミニウム−ダイヤモンド系複合材料からなる平板状の複合化部26と、複合化部26の両面に設けられた被覆層27とからなる。被覆層27は、アルミニウム−セラミックス繊維複合材からなり、表面金属層25は、アモルファスのNi合金層28、Ni層29及びAu層30からなる。
上記アルミニウム−セラミックス繊維複合体からなる被覆層27は、めっき性及び面精度の関係より、アルミニウム合金以外の含有量は20体積%未満が好ましい。アルミニウム合金以外の含有量が20体積%未満であれば、被覆層27を容易に加工できるという効果を得ることができる。
以下、上記実施形態に係る半導体素子用放熱部品の作用効果について説明する。
市販されている高純度のダイヤモンド粉末A(平均粒子径:180μm)、高純度のダイヤモンド粉末B(平均粒子径:20μm)、高純度のダイヤモンド粉末C(平均粒子径:2μm)及びアルミニウム粉末(平均粒子径:30μm)を表1に示す配合比で混合した。
ダイヤモンド粉末A(平均粒子径:190μm)35g、ダイヤモンド粉末B(平均粒子径:20μm)15g、シリカ粉末(平均粒子径:5μm)16g、珪素粉末(平均粒子径:10μm):16gを混合した後、炭化珪素製のるつぼに充填し、アルゴン雰囲気下、温度1450℃で3時間加熱処理を行い、ダイヤモンド粉末表面にβ型炭化珪素の層を形成したダイヤモンド粉末を作製した。
実施例1にて、ダイヤモンド粉末の充填量を変更し、板厚を実施例6:0.4mm、実施例7:6.0mmとし、積層時にダイヤモンド粉末の上下に実施例8:15μm厚、実施例9:200μm厚の純アルミニウム箔を配して構造体とした以外は、実施例1と同様にして、アルミニウム−ダイヤモンド系複合体を作製した。
実施例1で作製した、めっき前のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体を超音波洗浄した後、表5に示す条件にてアルミニウム−ダイヤモンド系複合体表面にめっき層(図1の表面金属層2)を形成した。得られためっき品は、ピール強度の測定、大気雰囲気下で温度−55℃で30分間保持と温度175℃で30分間保持のヒートサイクル試験を1000回行った後、めっき膜の観察を行った。その結果を表6に示す。
市販されている高純度のダイヤモンド粉末A(平均粒子径:180μm)70重量%、高純度のダイヤモンド粉末B(平均粒子径:20μm)30重量%の配合比で混合した。
実施例1と同様のダイヤモンド粉末を用い、積層時にダイヤモンド粉末の上下に純アルミニウム箔に替えて表9に示すセラミックス繊維(図6のセラミック繊維32)を配して構造体とした。
2 表面金属層
3 複合化部
4 被覆層
5 Ni合金層
6 Ni層
7 Au層
8 多孔質体からなる型材
9 離型剤を塗布した離型板
10 ダイヤモンド粉末
11 金属板
12 アルミニウム−ダイヤモンド系複合体
13 表面金属層
14 複合化部
15 被覆層(アルミニウム−セラミックス系複合体)
16 被覆層(金属層)
17 Ni合金層
18 Ni層
19 Au層
20 多孔質体からなる型材
21 セラミックス多孔体
22 離型剤を塗布した離型板
23 ダイヤモンド粉末
24 アルミニウム−ダイヤモンド系複合体
25 表面金属層
26 複合化部
27 被覆層(アルミニウム−セラミックス繊維複合体層)
28 Ni合金層
29 Ni層
30 Au層
31 多孔質体からなる型材
32 セラミックス繊維
33 離型剤を塗布した離型板
34 ダイヤモンド粉末
35 金属板
Claims (9)
- ダイヤモンド粒子を40体積%〜70体積%含有し、残部がアルミニウムを主成分とする金属からなり、厚みが0.4〜6mmである板状体の両面に、アルミニウムを主成分とする金属又はアルミニウム−セラミック系複合材料からなる被覆層を被覆して、アルミニウム−ダイヤモンド系複合体を形成し、
前記アルミニウム−ダイヤモンド系複合体の少なくとも両主面に、主面側から順に(1)膜厚が0.1〜1μmのアモルファスのNi合金層、(2)膜厚が1〜5μmのNi層、(3)膜厚が0.05〜4μmのAu層を形成してなり、ここで、Ni合金層とNi層の比率(Ni合金層厚/Ni層厚)が0.3以下であることを特徴とする半導体素子用放熱部品。 - 前記被覆層が、アルミニウムを主成分とする金属を80体積%以上含有する膜厚0.03〜0.2mmの金属層である請求項1に記載の放熱部品。
- 前記被覆層が、板状体側から、膜厚0.05〜0.2mmのアルミニウム−セラミックス系複合体層と、膜厚0.1〜2μmのアルミニウムを主成分とする金属層とを含む層である請求項1に記載の放熱部品。
- 前記被覆層が、膜厚0.05〜0.2mmのアルミニウムを主成分とする金属を80体積%以上含有するアルミニウム−セラミックス繊維複合体層である請求項1に記載の放熱部品。
- 半導体素子が、GaN、GaAsまたはSiCからなる半導体レーザー素子または高周波素子であることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の放熱部品。
- アルミニウム−ダイヤモンド系複合体が、400W/mK以上の25℃での熱伝導率、5×10−6〜10×10−6/Kの25℃から150℃の線熱膨張係数を有することを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の放熱部品。
- アルミニウム−ダイヤモンド系複合体が、ダイヤモンド粒子が、その表面に化学的に結合したβ型炭化珪素の層の存在により特徴づけられるアルミニウム−ダイヤモンド系複合体であることを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の放熱部品。
- Ni合金層、Ni層、Au層がめっき処理により形成され、かつ、下地のNi合金層が亜鉛置換を前処理とする無電解めっき処理により形成され、めっき膜のピール強度が5kg/cm以上であることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の放熱部品の製造方法。
- アルミニウム−ダイヤモンド系複合体が溶湯鍛造法により製造されることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の放熱部品の製造方法。
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