JP6105262B2 - アルミニウム−ダイヤモンド系複合体放熱部品 - Google Patents
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Description
である。
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。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。
本実施形態1に係る放熱部品は、アルミニウム−ダイヤモンド系複合体(図1の1)と表面金属層(図1の2)から構成される。また、アルミニウム−ダイヤモンド系複合体は、ダイヤモンド粒子とアルミニウムを含有する金属とを含む平板状のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体であって、上記アルミニウム−ダイヤモンド系複合体1は複合化部(図1の3)及び上記複合化部3の両面に設けられた表面層(図1の4)からなり、上記表面層4がアルミニウムを含有する金属を含む材料からなり、上記ダイヤモンド粒子の含有量が、上記アルミニウム−ダイヤモンド系複合体1全体の40体積%〜70体積%であることを特徴とする。さらに、表面金属層2は、Ni層(図1の5)、アモルファスのNi合金層(図1の6)及びAu層(図1の7)からなることを特徴とする。
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、該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い。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という効果を得ることができる。
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(アルミニウムを含有する金属)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。
なお、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、通常の機械加工やダイヤモンド工具を用いた研削加工が難しく、ウォータージェット加工、レーザー加工、放電加工によって加工する。
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(図1の3)の両面がアルミニウムを含有する金属(アルミニウム合金)を含む材料からなる表面層(図1の4)で被覆されていることを特徴とする。
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含有する金属を含む材料からなる表面層4で被覆された構造を有しているため、この表面層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。この表面層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。
本実施形態に係るアルミニウム−ダイヤモンド系複合体では、上記ダイヤモンド粒子とアルミニウム合金との複合化部(図1の3)を有する。このような構造のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体では、上記表面層4と複合化部3との間に応力が生じにくく、研磨等で力が加わった時に、表面層4が破損することがない。
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、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、アルミニウム−ダイヤモンド系複合体の接合表面には、表面金属層を設ける必要がある。表面金属層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。
Ni合金めっきの膜厚が0.5μm未満では、めっき膜のピンホール(めっき未着部分)が発生し好ましくない。6.5μmを超えると、めっき膜中に発生する残留応力が増加し、本発明のような用途では、実使用時の温度負荷により、めっき膜の膨れ、剥離やクラック発生の問題があり好ましくない。また、接合温度の上昇、実使用時の温度負荷の増加に伴い、アモルファスのNi合金めっきが結晶化し、その際の体積変化によりマイクロクラックが発生し、その後の温度負荷でクラックが伸展するといった問題があり、Ni合金めっき層は極力薄い方が好ましい。
本発明のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体放熱部品は、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。
本実施形態に係る放熱部品(図3)は、ダイヤモンド粒子とアルミニウムを含有する金属とを含む平板状のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体(図3の12)と表面金属層(図3の13)から構成される。上記アルミニウム−ダイヤモンド系複合体12は複合化部(図3の14)及び上記複合化部14の両面に設けられた表面層(図3の15、16)からなり、表面層15がアルミニウム−セラミックス系複合体からなり、表面層16がアルミニウムを含有する金属層からなり、上記ダイヤモンド粒子の含有量が、上記アルミニウム−ダイヤモンド系複合体12全体の40体積%〜70体積%であることを特徴とする。
セラミックス多孔体としては、溶湯鍛造法にてアルミニウム合金が含浸し得る多孔質体であり、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り、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。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。
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、複合化後のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体の外周部に存在するアルミニウム−セラミックス系複合体をダイヤモンド工具、ダイヤモンド砥粒等を用い研削加工し、アルミニウム−ダイヤモンド系複合体14の両面が表面に厚みが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表面層15で被覆されている構造体を作製する。
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(図3の14)の両面が表面に厚みが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表面層(図3の15)で被覆されていることを特徴とする。
更に、本発明では、めっき密着性を改善すべく、アルミニウム−ダイヤモンド系複合体表面を洗浄後、表面に厚みが0.05〜2.0μmのアルミニウムを含有する金属(図3の16)を形成する。金属層厚みが0.05μm未満では、金属層未着部分が発生または、めっきの前処理等で金属層が反応し、ピンホールの発生により、未めっき部分が生じ、耐薬品性が低下して好ましくない。一方、金属層厚みが2.0μmを超えると、金属層と複合体の線熱膨張係数が異なる為、両材料の熱膨張差による応力の発生、剥離の発生があり好ましくない。金属層厚みに関しては、より好ましくは0.3〜0.6μmである。
以下、上記実施形態に係るアルミニウム−ダイヤモンド系複合体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。
層(図1の4)の中心点と両端を含む5ヶ所の厚みを等間隔に測定し平均厚みとした。ま
た、表面粗さ計による表面粗さ(Ra)及び3次元形状測定機(東京精密社製;ACCURA−II)による平面度を測定した。その結果を表2に示す。
実施例1と同様の方法で作製したアルミニウム-ダイヤモンド系複合体を超音波洗浄した後、Zn触媒による前処理後に、比較例2では2.0μmの無電解Ni−P層、2.0μm電気Ni、電気Auめっきの順にめっき層を形成し、比較例3では3.0μmの無電解Ni−P層、4.0μm電気Ni、電気Auめっきの順にめっき層を形成した。得られためっき品について、JIS Z3197に準じて半田ぬれ広がり率の測定を行った結果、全てのめっき品で、半田ぬれ広がり率は80%以上であった。また、得られためっき品のピール強度を測定した結果、全てのめっき品で80N/cm以上であった。更に、得られためっき品は、大気雰囲気下、温度400℃で10分間の加熱処理を行った後、めっき表面を観察した結果、めっき表面に膨れの発生が認められた。
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、ダイヤモンド粒子表面に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。
粗さ計で測定した表面粗さ(Ra)は、0.21μm、3次元形状測定機により測定した平面度は、7μmであった。
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、比較例4:10μm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電気Niめっき、無電解Ni−Pめっき、Auめっきの順にめっき層を形成した。得られためっき品は、ピール強度の測定、更に、得られためっき品は、大気雰囲気下、温度400℃で10分間の加熱処理を行った後、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23では気孔率85体積%のアルミナ繊維多孔質体、比較例15では気孔率75体積%のアルミナ繊維多孔質体、比較例16では気孔率50体積%のアルミナ繊維多孔質体をそれぞれダイヤモンド粉末の上下に30μmの厚さで配置したこと以外は実施例1と同様の方法でアルミニウム-ダイヤモンド複合体を作製した。その際の表面層のアルミニウム合金の含有率を表9に示す。なお、溶湯鍛造法にて複合化を行っているため、含浸後のアルミナ繊維の気孔部はすべてアルミニウム合金で満たされている。
2 表面金属層
3 複合化部
4 表面層
5 Ni層
6 Ni合金層
7 Au層
8 多孔質体からなる型材
9 離型材を塗布した離型板
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 アルミニウム−セラミックス系複合体
16 表面層
17 Ni層
18 Ni合金層
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 離型材を塗布した離型板
23 ダイヤモンド粉末
Claims (6)
- 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含有する金属で構成され、厚みが0.4〜6mmのアルミニウム−ダイヤモンド系複合体であって、両主面が膜厚0.03〜0.2mmのアルミニウムを含有する金属を80体積%以上含有す
る表面層で被覆され、少なくとも両主面に、主面側から(1)膜厚が0.5〜6.5μmのNi層、(2)膜厚が0.5〜6.5μmのアモルファスのNi合金層、(3)膜厚が0.05μm以上のAu層からなる金属層を順次有し、Ni層とNi合金層の合計が1.0〜10μmであることを特徴とする半導体素子用放熱部品 - 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含有する金属で構成され、厚みが0.4〜6mmのアルミニウム−ダイヤモンド系複合体であって、両主面が主面側から膜厚0.05〜0.2mmのアルミニウム−セラミックス系複合体、膜厚0.1〜2μmのアルミニウムを含有する表面層の順で被覆され、少なくとも両主面に、主面側から(1)膜厚が0.5〜6.5μmのNi層、(2)膜厚が0.5〜6.5μmのアモルファスのNi合金層、(3)膜厚が0.05〜4μmのAu層からなる金属層を順次有し、Ni層とNi合金層の合計が1.0〜10μmであることを特徴とする半導体素子用放熱部品
- Ni合金層、Ni層およびAu層がめっき処理により形成され、めっき膜のピール強度が50N/cm以上であることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体素子用放熱部品。
- 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1〜3のいずれか記載の半導体素子用放熱部品。
- 溶湯鍛造法により製造されるアルミニウム-ダイヤモンド系複合体であり、温度25℃での熱伝導率が400W/mK以上、温度25℃から150℃の線熱膨張係数が5×10−6〜10×10−6/K、両主面の表面粗さ(Ra)が、1μm以下であるアルミニウム−ダイヤモンド系複合体であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか記載の半導体素子用放熱部品。
- 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1〜5のいずれか記載の半導体素子用放熱部品。
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