JPH02273960A - ダイヤモンドヒートシンク - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、エレクトロニクス用デバイスに用いるダイヤ
モンドヒートシンクに関し、特に、基板に気相合成法に
よってダイヤモンドを積層結合した構造を有することに
より生産性を向上したダイヤモンドヒートシンクに関す
るものである。

［従来の技術］ ダイヤモンドは既によく知られているように、物質の中
で最も熱伝導率の高い物質であり、この性質を利用して
工業的に幅広く活用されている。

ところが、天然のダイヤモンド原石の場合には、含有窒
素量によって熱伝導率が著しく異なる性質を有している
。すなわち、含有・窒素量が多いほど熱伝導率が小さく
、その値は含有窒素量の大小により室温において２．４
Ｗ／　ｃ　ｍ　・”Ｃ〜６Ｗ／　ｃｍ・℃程度の範囲で
変化する。このうち、含有窒素量がＩＰＰＭ以下のダイ
ヤモンドを選別したものを■ａタイプ（窒素量がさらに
多いものをＩａタイプと称する）と称している。このＩ
Ｉａタイプのダイヤモンドは、はんどが２０Ｗ／ｃｍ・
℃以上という高い熱伝導率を示し、高熱を発生する半導
体レーザ、ダイオード、マイクロ波発振素子などのエレ
クトロニクス用デバイスの放熱用ヒートシンクとして用
いられている。近年、このような放熱用ヒートシンクを
必要とするエレクトロニクス用デバイスの発達は著しく
、ダイヤモンドヒートシンクの需要も急速に延びている
。

ダイヤモンドヒートシンクを通信用半導体レーザに適用
した一例を第３図に示す。第３図を参照して、レーザ半
導体素子１から発したレーザ光のうち前方へ射出したも
のはキャップ２から通信用レーザ光３として照射される
。また、レーザ半導体素子１から後方へ射出したレーザ
光は、アノード４を備えたセラミック５を通りカソード
６から射出してモニタ光７となる。レーザ半導体素子１
で発生した熱は、ダイヤモンドヒートシンク８を介して
放出される。このダイヤモンドヒートシンク８は、レー
ザ半導体素子１などとの接合面での熱伝導熱伝導性を高
めるため、第４図に示すようにダイヤモンドヒートシン
ク本体９の外側をＴｉ。

Ｐｔ、Ａｕなどをコーティングするメタライズ処理がな
されている。

しかしながら、天然産Ｕａ型ダイヤモンドは、産出量が
少なく極めて高価であるため、デバイス性能の高信頼性
およびデバイスの長寿命を要求される通信用半導体レー
ザあるいはマイクロ波用ダイオードなどの限られた用途
のヒートシンクとして使用されているにすぎない。また
、同じ■ａタイプダイヤモンド原石でも、やはり窒素含
有量によって熱伝導率がある程度変化するため、安定性
に欠けるという欠点がある。さらにダイヤモンドは極め
て硬い物質であるためその加工には困難を伴なう。一般
にダイヤモンドを加工する場合には、菜種油にダイヤモ
ンド粉末を混ぜたペースト状のものを鋳物製の円板に塗
布し、この円板を高速回転させその上にダイヤモンドを
押しあてて研摩する方法がとられる。この場合ダイヤモ
ンドの摩耗特性は研摩する結晶面によって著しく異なり
、（１１０）面、（１００）面、（１１１）面をそれぞ
れ研摩したときの時間あたりの研摩量は第１表に示すよ
うに著しく相違する。

第１表 したがって、（１１０）面あるいは（１００）面を研摩
すれば比較的加工しやすいが、誤って（１１１）面を研
摩すると、鋳物製の円板の方が逆に削れてしまい、ダイ
ヤモンドはほとんど削れない状態となる。このため、ダ
イヤモンド原石の面方位を正しく判定することは、ダイ
ヤモンドを加工する上で不可欠の条件である。しかし、
面方位を探すのは熟練を要し、誤ることも多い。またほ
とんどの面が曲面よりなっているため、平面を削り出す
には研摩しるが大きくなってしまい、加工コストの高い
ものとなってしまう。

以上のような天然ダイヤモンドを用いた場合の問題点に
対し、本発明者らは、人工合成ダイヤモンドを用いるこ
とにより解決し得ることを見出した（特開昭６０−１２
７４７号公報）。この公報には、人工ダイヤモンド原石
を用いた温度差法と呼ばれる単結晶成長法により、窒素
含有量の制御が容易で安定した熱伝導率のダイヤモンド
ヒートシンクを製造する方法や、結晶面が明確な人工ダ
イヤモンドを用いることによって加工性の向上を図る技
術について開示されている。

［発明が解決しようとする課・題］ しかし、この人工ダイヤモンドを超高圧下で合成するこ
とおよび合成した人工ダイヤモンド原石から所定形状に
切り出すことなどの工程は高い製造コストがかかるため
、やはりその用途は限られたものであった。

また、従来のダイヤモンドヒートシンクの本体は、板状
のダイヤモンド単体が用いられていた。

そのため、極めて硬度の高いダイヤモンドからなる表裏
両面を研摩しなければならず、加工に多大の時間を要し
ていた。

本発明は上記従来の問題点を解消するため、基板上にダ
イヤモンドを気相合成することによって、熱伝導性が良
くかつ生産コストの低いダイヤモンドヒートシンクを提
供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明のダイヤモンドヒートシンクは、室温から２００
℃までの熱伝導率が０．８Ｗ／ｃｍ・℃以上の材料から
なる板状の基体に、積層結合した実質的にダイヤモンド
のみからなるダイヤモンド積層体層を積層結合した積層
体からなるものである。それに加えて、ダイヤモンド結
晶体層の厚さと積層体の厚さとの比を０．２１以上にし
たことを特徴とする。

［作用コ 本発明のダイヤモンドヒートシンクのダイヤモンド結晶
体層は、たとえばプラズマＣＶＤ法、イオンビーム蒸着
法などの、ダイヤモンドが熱力学的に準安定な低圧条件
下で気相から析出させる任意の方法で合成することがで
きる。

ダイヤモンド結晶体層を析出させる基体の材質として、
室温から２００℃までの熱伝導率が０゜８Ｗ／ｃｍ・℃
以上のものに限定した理由は次のとおりである。まず、
ヒートシンクとしての使用状態においては、１５０℃前
後に温度が上昇するが２００℃を越えることがないため
、温度範囲を室温から２００℃に限定した。また、積層
構造とした場合に基体の熱伝導率が０．８Ｗ／ｃｍ・℃
以上であればヒートシンクとして十分な熱伝導率を得ら
れることが実験的に実証されている。なお、析出させた
ダイヤモンド結晶体０層と基体との界面における熱抵抗
を抑えるため、基体の表面をＲア０．５以下に仕上げて
おくことが望ましい。

気相合成により析出されるダイヤモンド結晶体層は、多
結晶、単結晶のいずれでもよい。ただし、非晶質が多く
混在したり、欠陥が多く存在する場合には熱抵抗、比抵
抗共に小さくなり、ダイヤモンドヒートシンクとしての
性能は十分に発揮されない。また、ヒートシンクとして
十分な性能を有するためには、ダイヤモンド結晶体層の
熱伝導率が少なくとも５Ｗ／ａｍ・℃以上、好ましくは
１０Ｗ／ｃｍ・℃以上であること、比抵抗が１０９Ω・
ｃｍ以上であることが必要である。ダイヤモンド結晶体
層の熱伝導率をこの範囲に調節するための気相合成条件
は既に知られている。たとえば欠陥や不純物などの混入
が生じないこと、多結晶ダイヤモンドの場合には、厚さ
方向に延びた柱状晶から構成するように構成すること、
多結晶ダイヤモンドの場合には結晶の粒径が３０μ以上
になるようにすることなどによって熱伝導率を高くする
ことができる。

また、ダイヤモンド結晶体層の厚さと、基体およびダイ
ヤモンド結晶体層を合わせた積層体の厚さとの比は、０
，１以上であればダイヤモンドヒートシンクとして必要
な性能を有するのに十分な熱伝導率が得られることが、
実験的に実証されている。この厚さの比は、ダイヤモン
ド結晶体層の表面および基体の裏面をそれぞれ研削する
ことにより容易に調整することができる。

ダイヤモンドヒートシンクは、使用されるデバイスや素
子との密着性を良好にするため、その表面に金属のコー
ティング処理がなされる。そのためダイヤモンドヒート
シンク本体の表面および裏面を所定の面粗さ以下に研摩
仕上げをする必要がある。本発明のダイヤモンドヒート
シンクの場合は、基体との積層体であるため、従来のダ
イヤモンド単体のもののように表裏両面ともダイヤモン
ドからなるものではない。従って、硬度の高いダイヤモ
ンドを研摩するのは片面のみでよく、ダイヤモンドヒー
トシンク本体の表裏両面を所定の表面粗さに仕上げる加
工時間は比較的短くてすむ。

また、合成条件を適当に選定することにより、加工性の
良い結晶面（（１１０）面）を配向させることができる
ため、やはり加工性が向上する。

［実施例］ 実施例１ 基体表面を加熱するための熱電子放射材として、直径０
．　５ｍｍ、長さ２０ｍｍの直線状タングステンフィラ
メントを用いて、第２表に示した条件で基体状に多結晶
ダイヤモンドの合成を１０時間行なった。この気相合成
法は熱フィラメントＣｖＤ法と呼ばれ、その詳細につい
てはたとえば「応用物理、第５５巻第７号、１９８６．
ｐ６４１Ｊに示されている。

なお使用した基体は、その厚さが０．５ｍｍであり、そ
の表面はＲ，、，０，０２μｍの鏡面処理を施したもの
を用いた。得られた多結晶ダイヤモンドは、レーザフラ
ッシュ法でその単体としての熱伝導率が８〜１２Ｗ／ｃ
ｍ・℃であることが確認された。

また、比抵抗の値は１０１０〜１０１２Ω・ｃｍである
ことが測定の結果明らかとなった。

（以下余白） 次に、第２表の条件によって得られたすべての積層体の
上下面を加工して、ダイヤモンド層を２００μｍ、基体
を１００μｍとし、これらの積層体を１ｍｍ角に切断加
工した後、Ｒ，、、ｘｏ、０３ａｍに鏡面研摩を施した
。このようにして形成したダイヤモンド層表面に、直径
０．２ｍｍの発熱体を搭載し、その発熱部が１５０℃と
なるように調整した。伝熱状態が定常状態に、至った後
、基体の裏面の温度を測定することによって各積層体の
熱抵抗の値すなわち表裏面の温度差と単位時間あたりの
熱伝導量との比を求めた。なお比較例として、これらの
積層体と同じ形状で熱伝導率が１０Ｗ／ｃｍ＊℃の天然
Ｉａ型単結晶、２．７Ｗ／ｃｍ・℃のＳｉＣ焼結体およ
び０．８Ｗ／　ｃ　ｍ　・’Ｃの単結晶Ｓｉの測定も行
なった。その結果、第３表に示すように実施例Ａ、　Ｂ
、　Ｄ、　Ｅはいずれも良好な特性を有し、ヒートシン
ク素材としての性能を発揮することが明らかとなった。

比較例Ｃは、基体の材質として熱伝導率が０．８Ｗ／ｃ
ｍ・℃よりも低い５ｉ０２を使用したため、熱抵抗の値
が高くなったものと思われる。

第３表 実施例２ マイクロ波プラズマＣＶＤ法により、熱伝導率が２．７
Ｗ／ｃｍ１１℃で厚さ０．５ｍｍのＳｉＣ製の基体を石
英ガラスからなる支持台上に固定して、ダイヤモンド多
結晶体の構成を行なった。

合成条件は第４表に示すとおりである。

第４表 得られた多結晶ダイヤモンドは、ラマン分光分析により
、非ダイヤモンド炭素が混在しないダイヤモンドのみか
らなることがわかった。またその比抵抗は５Ｘ１０”Ω
・ｃｍであった。

また、電子顕微鏡による積層体断面の観察から、これら
の多結晶ダイヤモンドは厚さ方向に針状に成長した粒径
３５μｍの柱状晶であることが判明した。さらにＸ線回
折により、これらは（１１０）面に強く配向しているも
のであることが確認された。

このようにして形成された積層体の上下面を研摩加工し
、積層体の厚さｔが０．５ｍｍで、ダイヤモンド層１３
の厚さｔ８と基体１２の厚さを種々に変えたものを８種
類製作した。第１図にその断面の概略を示す。これらの
積層体をレーザ加工により直径１０ｍｍの円板状にした
後、レーザフラッシュ法でそれぞれの熱伝導率を測定し
た。第２図にその結果を示す。第２図のグラフから、ｔ
Ｘ／ｌ＞０．１の範囲の積層体は、ＳｉＣやＡＱｌＮの
焼結体よりも高い熱伝導性を示すことが明らかとなった
。またｔｘ／ｌが１．０に等しい場合、すなわち厚さ０
．５ｍｍの多結晶ダイヤモンド単体は、天然ダイヤモン
ド単結晶ＩＩａ型（熱伝導率約２０Ｗ／ａｍ・℃）に匹
敵するほどの熱伝導性を示すことも確認された。

なお、ｔ　ｘ　／　ｔの数値と熱伝導特性の相関につい
てはさらに次のことが確認されている。たとえば、ＳＬ
を基体として選択した場合、ｔＸ／ｌ≧０．１であれば
、単結晶Ｓ１ヒートシンクよりも優れた性能を有する。

また、ｔｘ／ｌ≧０．４とすれば、Ａ廷ＮやＳｉＣを主
成分とする焼結体ヒートシンクと同等以上の性能を付与
することができる。さらに、多結晶ＣＢＮヒートシンク
並みの性能を持たせるにはｔ　ｘ　／　ｔを約０．８に
すれば十分である。

上記の実施例１．実施例２の結果から明らかなように、
基体の材質とダイヤモンド層の積層体における厚さの比
率を選定するこ・とにより、所望の性能を有するヒート
シンク素材を得ることができる。

実施例３ 次に、プラズマＣＶＤ法を用いてダイヤモンド層を積層
した実施例について説明する。

原料ガスとしてＣ２Ｈ６とＨ２とを容量で１＝１００の
割合に混合したガスを用い、２０ｃｃ／ｍｉｎの流量で
反応管中に供給した。次に圧力を１８０Ｔｏｒｒに調整
して、高周波発振機（周波数１３．５６ＭＨｚ）から第
５表に示した出力を同軸ケーブルを通じて高周波コイル
に与え、反応管中にプラズマを発生させてダイヤモンド
の析出を試みた。

第５表には、使用した基体の種類１合成時間。

合成されたダイヤモンド層の厚さおよび厚さ方向の配向
性も併せて示した。

（以下余白） このようにして得られたダイヤモンド層をラマン分光法
により分析した結果、比較例り、　Ｍはそれぞれ若干の
非晶質ダイヤモンドが混在していたが、その他のものは
ダイヤモンドの結晶質のみからなることがわかった。

次にこれらの積層体をダイヤモンド層の厚さが４００μ
ｍ、基体の厚さが３００μｍになるように加工した後、
上下面を研摩加工して表面をＲア０．０４μｍとした。

その後レーザフラッシュ法で各積層体の熱伝導率を測定
した。また確認のために、基体を除去し厚さ４００μｍ
のダイヤモンドのみの熱伝導率の測定も実施した。さら
に比較例として、天然ダイヤモンドｎａ型を上下面が（
ｉｔ）０）面および（１１０）面になるように、厚さ４
２０μｍにレーザカットし、研摩加工で同様の厚さおよ
び表面状態として同様の測定を行なった。

これらの加工時間および熱伝導率の測定値を第６表に示
す。

比較例り、　Ｍは非晶質ダイヤモンドが混在しているこ
とによって加工は容易であったが、ダイヤモンド層単体
の熱伝導率が低いため、積層体の熱伝導率が低くなった
ものと考えられる。実施例Ｆ〜にはいずれも、高い熱伝
導特性を自゛するとともに、従来の単結晶ダイヤモンド
に比べて、ダイヤモンドの研摩面が一面だけとなるため
、加工時間を短縮できることが明らかとなった。

［発明の効果コ 以上のように本発明によれば、板状の基体上に気相合成
法によってダイヤモンド結晶体層を積層結合した積層体
からなることにより、生産性が良くかつ優れた熱伝導特
性を備えたダイヤモンドヒートシンクを提供することが
できる。したがって、ダイヤモンドをエレクトロニクス
デバイス用のヒートシンクとして幅広く活用することが
可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例において試作したダイヤモンド
ヒートシンクの概略構造を示す断面図、第２図は本発明
の実施例におけるダイヤモンドヒートシンクの熱伝導特
性を示すグラフである。 第３図はダイヤモンドヒートシンクを通信用半導体レー
ザに適用した例を示す分解斜視図、第４図は従来のダイ
ヤモンドヒートシンクの概略構造を示す一部破断斜視図
である。 図において、１２は基体、１３はダイヤモンド結晶体層
である。 第１図 １２：基イ本 １３：ダイＶ七ンＦ糸り間層 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 室温から２００℃までの熱伝導率が０．８Ｗ／ｃｍ・℃
   以上の材料からなる板状の基体と、気相結合法により前
   記基体に積層結合した実質的にダイヤモンドのみからな
   る、室温から２００℃までの熱伝導率が５Ｗ／ｃｍ・℃
   でかつ比抵抗が１０＾９Ω・ｃｍ以上のダイヤモンド結
   晶体層との積層体からなり、 前記ダイヤモンド結晶体層の厚さと前記積層体の厚さと
   の比が０．１以上であること を特徴とするダイヤモンドヒートシンク。