JP7196193B2 - 放熱部材 - Google Patents
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Description
[本開示の効果]
[実施形態の概要]
最初に本開示の実施形態の内容を列記して説明する。
(1)本開示の一態様に係る放熱部材は、
ダイヤモンドと金属相とを含む複合材料からなる基板と、
前記基板の表裏面の少なくとも一部に設けられ、窒化アルミニウムからなる絶縁板と、
前記基板と前記絶縁板との間に介在する単層の接合層とを備え、
熱伝導率が400W/m・K以上である。
前記接合層は、Tiと、前記金属相を構成する主たる金属元素とを含む合金からなる形態が挙げられる。
前記金属相の構成金属は、純銀、又は銀基合金である形態が挙げられる。
前記接合層は、AgとCuとTiとを含む合金からなり、
前記接合層における前記Tiの濃度は、AgとCuとTiとの合計量を100原子%として、40原子%以上95原子%以下である形態が挙げられる。
以下、図面を適宜参照して、本開示の実施形態を具体的に説明する。図中、同一符号は同一名称物を意味する。
図1Aおよび図1Bを主に参照して、実施形態の放熱部材1を説明する。
図1A,図1Bは、放熱部材1において接合層3の近傍を模式的に示す部分断面図である。この断面図は、放熱部材1を基板2の厚さ方向に平行な平面で切断した図である。ここでの基板2の厚さ方向は、絶縁板4の厚さ方向に相当する。また、基板2の厚さ方向は、基板2と接合層3と絶縁板4との積層方向に相当する。図1A,図1Bでは、基板2の厚さ方向は、紙面上下方向に相当する。
実施形態の放熱部材1は、図1Aに示すように、基板2と、基板2の表裏面の少なくとも一部に設けられる絶縁板4と、基板2と絶縁板4との間に介在する接合層3とを備える。基板2は、ダイヤモンド20と金属相25とを含む複合材料10からなる。絶縁板4は、窒化アルミニウム(AlN)からなる。
以下、構成要素ごとに詳細に説明する。
放熱部材1に備えられる基板2には、非金属相を構成するダイヤモンド20と金属相25とを主体とする複合材料10から構成されるものを適宜利用できる。
《組成》
ダイヤモンド20は代表的には1000W/m・K以上といった高い熱伝導率を有する。また、ダイヤモンド20は熱伝導に関する異方性が実質的に無い。そのため、ダイヤモンド20を含む基板2を備える放熱部材1は、熱伝導性に優れる。
ダイヤモンド20等の非金属相は、図1Aに示すように粒子を含むことが挙げられる。上記非金属相が全て粒子でもよい。上記非金属相をなす複数の粒子は金属相25に分散して存在する。又は、ダイヤモンド20等の非金属相は、三次元の網目構造を有する多孔体(図示せず)を含むことが挙げられる。炭化珪素等の多孔体は、代表的には焼結体が挙げられる。金属相25は、多孔体の気孔中に充填された状態で存在する。
ダイヤモンド20等の非金属相が粒子を含む場合、粒子(被覆粒子21を含む)の平均粒径は、例えば1μm以上300μm以下が挙げられる。
ダイヤモンド20等の非金属相の含有量(複数種の非金属無機材料を含む場合には合計含有量)は、例えば40体積%以上90体積%以下が挙げられる。
金属相25を構成する金属は、例えば、純銀又は銀基合金、純銅又は銅基合金、純アルミニウム(Al)又はアルミニウム基合金、純マグネシウム(Mg)又はマグネシウム基合金が挙げられる。純金属は、合金よりも熱伝導率が高い傾向にある。そのため、金属相25の構成金属が純金属であれば、熱伝導性により優れる基板2にできる。ひいては熱伝導性により優れる放熱部材1にできる。銀基合金、銅基合金、アルミニウム基合金、マグネシウム基合金において、主たる金属元素(Ag,Cu,Al,Mg)の含有量は、50質量%超である。上記主たる金属元素の含有量は、80質量%以上、更に90%以上であると、熱伝導性により優れる傾向にある。合金は、純金属よりも強度といった機械的特性に優れる傾向がある。そのため、金属相25の構成金属が合金であれば、機械的特性に優れる基板2にできる。ひいては機械的特性に優れる放熱部材1にできる。
基板2の平面形状、大きさ(厚さ、平面積)等は、放熱部材1の用途等に応じて適宜選択できる。例えば、放熱部材1を半導体素子の放熱部材に用いる場合、基板2の平面形状は長方形状が挙げられる。また、この用途では、基板2の平面積は、半導体素子等の搭載部品を載置可能な面積を有することが挙げられる。基板2が薄いほど、半導体素子といった発熱体(冷却対象)の熱を冷却装置といった上記発熱体の設置対象に伝え易く好ましい。例えば、基板2の厚さが10mm以下、更に5mm以下であると、基板2が薄板であるため、熱伝導性に優れて好ましい。基板2の厚さは、例えば0.2mm以上が利用し易い。
放熱部材1に備えられる絶縁板4は、AlNからなるものを適宜利用できる。絶縁板4は、基板2を構成する複合材料10、特に金属相25と、放熱部材1が取り付けられる半導体素子等の発熱体との間の電気絶縁性を高めるために利用される。AlNは、セラミックスの中では電気絶縁性に優れる。そのため、AlNからなる絶縁板4は、上述の基板2と半導体素子等の発熱体との間の電気絶縁材として良好に機能する。また、AlNは、セラミックスの中では高い熱伝導率を有する。そのため、AlNからなる絶縁板4による熱抵抗の増大を低減し易く、熱伝導性に優れる放熱部材1にできる。
放熱部材1に備えられる接合層3は、基板2と絶縁板4との間に介在し、基板2と絶縁板4とのそれぞれに直接接する。放熱部材1が複数の絶縁板4を備える場合には、基板2と各絶縁板4との間に接合層3が介在する。特に、接合層3は単層である。代表的には、接合層3は、製造過程で用いたロウ材に基づいて形成される合金からなる単層である。接合層3を構成する合金は、実質的に単一の組成と見做せる。そのため、接合層3は、ニッケルめっき層等といった複数の金属層を含む多層構造ではない。
接合層3の構成材料は、代表的には、製造過程で用いたロウ材の構成元素を含む合金である。ここで、放熱部材1の製造過程では、基板2と絶縁板4との接合にロウ材を用いることが挙げられる。特に、ロウ材には、基板2を構成する複合材料10において、金属相25を構成する主たる金属元素をベースとする合金からなるものが好適に利用できる。以下に説明するように、接合層3が薄くなり易いからである。上記ロウ材を構成するベースの金属元素と、基板2の金属相25を構成するベースの金属元素とが共通する。そのため、接合時、上記ロウ材を構成するベースの金属元素や添加元素が基板2の金属相25に拡散し易い。特に、後述する特定の接合条件とすれば、上記拡散を促進できる。上記ロウ材の構成元素における金属相25への拡散によって、接合層3を薄くできる。接合層3が薄いことで、熱伝導性に優れる放熱部材1にできる。
接合層3の成分分析は、例えば、以下のように行うことが挙げられる。
放熱部材1を放熱部材1の厚さ方向(ここでは基板2、接合層3、絶縁板4の積層方向に相当する方向)に平行な平面で切断した断面をとる。
断面を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察して、基板2と絶縁板4との間に介在する領域(以下、観察領域と呼ぶ)を抽出する。即ち、観察領域として、基板2の表面2fと絶縁板4の表面4f(基板2との対向面)とに挟まれる領域を抽出する。なお、図1A,図1Bでは、分かり易いように表面2f,4fを直線で示す。一つの断面から、一つ以上の観察領域を抽出する。複数の断面をとり、各断面から観察領域を抽出してもよい。
抽出した観察領域において、基板2の表面2f又は絶縁板4の表面4fの沿面方向の位置が異なる複数の地点(例、10点)を測定点として設定する。
各測定点において、上記厚さ方向の中心位置について成分分析を行う。成分分析には、例えば、エネルギー分散型X線分光法(EDX)等を利用できる。一つの測定点から検出された元素(例、Ag,Cu,Ti,上述のその他の元素等)の合計含有量を100原子%として、各元素の含有量(原子%)を求める。
複数の測定点における分析結果を用いて、各元素の含有量の平均をとる。各元素の含有量の平均値を、接合層3の構成材料における各元素の含有量とする。
上述の分析成分に、基板2に由来する元素(例、C、金属相25を構成する主たる金属元素)や絶縁板4に由来する元素(例、Al,N)を含むことを許容する。また、上述の分析成分に含まれる「金属相25を構成する主たる金属元素」は、測定点に含まれる金属元素として扱う。
接合層3の厚さは、例えば、0.1μm以上10μm以下が挙げられる。
接合層3の厚さは、例えば、以下のように測定することが挙げられる。
上述の《接合層の組成の測定》で説明したように、断面から観察領域を抽出し、観察領域から複数の異なる測定点を決定する。詳細は上述の通りである。
各測定点において、基板2の表面2fと絶縁板4の表面4fとの間の距離であって、上記厚さ方向に沿った距離を求める。
複数の測定点(例、10点)における距離の平均をとる。この平均値を、接合層3の厚さt(図1B)とする。
実施形態の放熱部材1は、絶縁板4を含めた状態での熱伝導率が400W/m・K以上である。放熱部材1は、絶縁板4を備えることで電気絶縁性に優れる上に、絶縁板4を含めた状態での熱伝導率が400W/m・K以上と高いため、熱伝導性にも優れる。放熱部材1の熱伝導率が高いほど、熱伝導性に優れて好ましい。従って、放熱部材1の熱伝導率は、410W/m・K以上、更に420W/m・K以上が好ましい。
実施形態の放熱部材1は、半導体素子の放熱部材に好適に利用できる。放熱部材1を備える半導体装置として、各種の電子機器が挙げられる。具体的には、高周波パワーデバイス(例、LDMOS)、半導体レーザ装置、発光ダイオード装置等が挙げられる。その他、各種のコンピュータの中央処理装置(CPU)、グラフィックス プロセッシング ユニット(GPU)、高電子移動度トランジスタ(HEMT)、チップセット、メモリーチップ等が挙げられる。特に、放熱部材1は、SiCデバイスやGaNデバイス等といった発熱が大きい半導体素子の放熱部材に適する。
実施形態の放熱部材1は、例えば、以下の準備工程と、以下の接合工程とを備える製造方法によって製造できる。
(準備工程)ダイヤモンド20と金属相25とを含む複合材料10からなる基板2と、AlNからなる絶縁板4とを用意する工程。
(接合工程)ロウ材(図示せず)によって、前記基板2と、前記絶縁板4とを接合する工程。
(準備工程)
準備工程で用意する基板2、絶縁板4は、公知のものを利用できる。又は、基板2、絶縁板4は、公知の製造方法によって製造してもよい。例えば、基板2として、特許文献1に記載されるダイヤモンドと銀との複合材料からなる基板を利用できる。又は、特許文献1に記載される上記基板の製造方法を利用できる。
接合工程では、まず、ロウ材を用意する。ロウ材は、上述のように基板2を構成する複合材料10において、金属相25を構成する主たる金属元素をベースとする合金からなるものが挙げられる。上述のように、接合時に、ロウ材中のベースとなる金属元素や添加元素を基板2の金属相25中に拡散させ易いため、接合層3を薄くできるからである。
接合条件は、最終的に形成される接合層3ができるだけ薄くなるように調整することが好ましい。代表的には、接合層3の厚さが10μm以下となるように接合条件を調整することが挙げられる。接合層3を薄くするには、例えば、上述のようにロウ材の構成元素を基板2の金属相25中に拡散させることを促進することが挙げられる。このような条件として、加熱温度を後述する推奨条件よりも高くすると共に、加熱時間を上記推奨条件よりも長くすることが挙げられる。
上述のAgとCuとの共晶合金をベースとし、Tiを含む銀基合金からなるロウ材を用いる場合、上記推奨条件よりも高い加熱温度として、例えば815℃以上845℃以下が挙げられる。また、この場合、上記推奨条件よりも長い加熱時間として、例えば5分超が挙げられる。
接合条件は、基板2の組成や厚さ、ロウ材の組成や厚さ等に応じて適宜調整できる。その他、接合工程での加圧圧力、雰囲気は例えば以下が挙げられる。
真空雰囲気は、大気圧未満の低圧雰囲気が挙げられる。雰囲気圧力は、例えば1Pa以下が挙げられる。
不活性雰囲気は、アルゴン雰囲気、窒素雰囲気等が挙げられる。
還元雰囲気は、水素雰囲気、水素ガスと不活性ガスとの混合雰囲気、一酸化炭素雰囲気等が挙げられる。
実施形態の放熱部材1は、ダイヤモンド20を含む基板2を備えると共に、絶縁板4がAlNからなるため、熱伝導性に優れる。また、絶縁板4によって、電気絶縁性にも優れる。かつ、放熱部材1は、基板2と絶縁板4との間に介在される接合層3が単層である。そのため、基板2と絶縁板4との間の介在層に基づく熱抵抗の増大を低減できる。従って、放熱部材1は、熱伝導性により優れ、400W/m・K以上という高い熱伝導率を有する。熱伝導性に優れる点に関して、以下の試験例で具体的に説明する。
ダイヤモンドと銀相とを含む複合材料からなる基板と、AlNからなる絶縁板とをロウ材で接合して、基板と絶縁板とを備える放熱部材を作製し、放熱部材の熱伝導率を調べた。
複合材料の基板は、特許文献1に基づいて作製したものを用意した。ダイヤモンドは、ダイヤモンド粒子と、ダイヤモンド粒子を覆う被覆層とを備える被覆粒子である。被覆層は、TiCからなる。ダイヤモンド粒子(ここでは被覆粒子)の平均粒径は20μmである。ダイヤモンド粒子の含有量は、60体積%である。金属相である銀相は、純銀からなる。ここでの基板は、長方形の平板材である。基板の厚さは1.2mmである。
ロウ材は、AgとCuとの共晶合金をベースとし、Tiを含む銀基合金からなるシート材を用いた。ロウ材の具体的な組成は、Cuを30質量%、Tiを1.5質量%、Snを3.0質量%含有し、残部がAg及び不可避不純物である。ロウ材の溶融温度は、780℃である。シート材の厚さは50μmである。
絶縁板は、市販のAlNからなる平板を用意した。この絶縁板の厚さは、200μmである。
加熱温度(℃):表1
加熱時間(分):表1
雰囲気:真空雰囲気
加圧圧力(錘67の荷重):10kPa
なお、試料No.101の接合条件の加熱温度(800℃)、加熱時間(5分)は、この試験に用いるロウ材の推奨条件である。
各試料の放熱部材について、基板の厚さ方向(ここでは基板と絶縁板との積層方向に実質的に等しい)に沿った平面で切断して、断面をとる。断面をSEMで観察する。上記断面のSEM像から、基板と絶縁板との間に介在する領域(観察領域)を抽出する。観察領域は、基板の表面又は絶縁板の表面の沿面方向に沿って帯状に存在する(図1Aの接合層3参照)。なお、この帯状の観察領域は、基板と絶縁板との接合層に相当する。
(a)複合材料がダイヤモンドを含むと共に、絶縁板がAlNから構成される。即ち、放熱部材の主要な構成材料が高い熱伝導率を有するものである。
(b)接合層が単層である。ここでの接合層は、主として、製造過程で用いたロウ材の構成元素(Ag,Cu,Ti)を含む合金からなる。そのため、ニッケルめっき層等の介在に起因する熱抵抗の増大を低減できる。なお、接合層が単層であることは、上述の放熱部材の断面をSEMで観察した観察像から確認した。
(c)接合層が薄い。ここでの接合層の厚さは、10μm以下、更に5μm以下、特に2μm以下である。そのため、接合層自体に起因する熱抵抗の増大を低減できる。
(c)複合材料の金属相の構成金属が純銀である。
(d)接合層が基板の金属相を構成する主たる金属元素(ここではAg)を含む合金からなる。このような接合層は、本試験のように、基板と絶縁板との接合に上記金属元素をベースとする合金(ここでは銀基合金)からなるロウ材を用いることで製造される。このロウ材は、接合時、ロウ材中の構成元素が基板の金属相中に拡散し易い。そのため、接合層が薄くなり易い。
(e)接合層がTiを含む合金からなる。このような接合層は、本試験のように、基板と絶縁板との接合にTiを含む合金からなるロウ材を用いることで製造される。ロウ材中のTiは、接合時、基板中のダイヤモンドを構成する炭素及び絶縁板中のAlNを構成する窒素と反応する。その結果、ロウ材と基板及び絶縁板とが良好に濡れて、基板と絶縁板とが密着できる。
例えば、試験例1において、複合材料中の金属相の組成、ダイヤモンドの粒径・含有量、基板の厚さ、ロウ材の組成及び厚さ、接合条件を適宜変更できる。
Claims (4)
- ダイヤモンドと金属相とを含む複合材料からなる基板と、
前記基板の表裏面の少なくとも一部に設けられ、窒化アルミニウムからなる絶縁板と、
前記基板と前記絶縁板との間に介在する単層の接合層とを備え、
前記金属相の構成金属は、純銀、又は銀基合金であり、
前記接合層は、AgとCuとTiとを含む合金からなり、
前記接合層における前記Tiの濃度は、AgとCuとTiとの合計量を100原子%として、40原子%以上95原子%以下であり、
熱伝導率が400W/m・K以上である放熱部材。 - 前記接合層の厚さは、0.1μm以上10μm以下である、請求項1に記載の放熱部材。
- 前記ダイヤモンドの平均粒径は、1μm以上300μm以下である、請求項1または請求項2に記載の放熱部材。
- 前記基板中の前記ダイヤモンドの含有量は、40体積%以上90体積%以下である、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の放熱部材。
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