JPS60127750A - ダイヤモンドヒ−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】 ヴ）技術分野 この発明は、半導体レーザ、ダイオード、インバットダ
イオードなどの放熱のために用いられるダイヤモンドヒ
ートシンクに関する。

半導体レーザやダイオードなどは、ｐｎ接合を大電流が
通過するので、局所的に高密度の熱が発生する。放熱の
ために、最も有効なのはダイヤモンドを用いたヒートシ
ンクである。

（イ）　ダイヤモンドヒートシンクの従来技術従来のダ
イヤモンドヒートシンクは、ダイヤモンドをヒートシン
クの形状にカットし、表面にＴｉをコーティングし、そ
の上に金などの金属を被憶したものが多い。

このような場合、金属コーティング、特に金のコーティ
ングは、ある−面のみをコーティングしようとした場合
でも、金属が側面へも回りこみ、側面もコーティングさ
れる。

もしも、ヒートシンクの対向する二面を金属でコーティ
ングしたとすると、この二面が電気的に導通する。

表裏二面を絶縁できないので、このようなダイヤモンド
ヒートシンクの一面に素子をハンダ付けし、反対側の面
を基盤にハンダ付けした場合、ヒートシンクを介して、
素子の電極の一方が基盤のアースに接続されることにな
る。

素子電極が基盤に接続されている方がよいこともあるが
、反面次のような欠点がある。

（］）　ひとつは電極の一方がアースと接続されている
から、基盤の方からノイズが入ったりし、必ずしも信頼
性の高い出力は得られない。

（２）　素子の極性を常に考慮して回路設計しなければ
ならない。回路組立上の融通性に欠け、煩雑である。

従来のダイヤモンドヒートシンクには全てこのような欠
点があった〇 （つ）　ＢｅＯヒートシンク 素子と基盤とを絶縁する必要がある場合、従来は、熱伝
導度が高く、電気絶縁性の良いセラミックをヒートシン
クに用いていた。たとえばＢｅＯなとである。

薄いＢｅＯの平板を作り、上下面に予め金属被膜をコー
ティングしておく。これを所定の寸法にダイヤモンドブ
レードなどで切断して、多数のヒートシンクの小片を作
る。

ＢｅＯの小片は、二面だけに金属被膜があるので、この
而を基盤とのハンダ付けに使い、反対側を素子のハンダ
付けに使う。

間にある４面は、ブレードでカットした面であるから、
金属被覆がない。従って、上面、下面の間に電気は通ら
ない。上面、下面は絶縁される。

こうすれば、Ｂｅ０Ｏ上に付けたレーザダイオード、発
光ダイオード、ダイオードなど素子の′電極が基盤アー
スから独立することができる。ノイズ遮断、設計自由度
の点で極めて有利である。

しかしながら、ＢｅＯは、熱伝導度がダイヤモンドに比
べて低い。このため、ヒートシンクとして用いた場合、
放熱性能が劣る。素子の劣化を速め、素子寿命を低下さ
せる原因にもなっている。

し）　天然産ダイヤモンドヒートシンクダイヤモンドを
使っても、ＢｅＯヒートシンクのように上、下面が絶縁
されたヒートシンクができるはずである。

天然産ダイヤモンドは自由に造形できないから、ＢｅＯ
のように広い面積の平板を作ることはできない。しかし
、狭い面積の平板なら作れる。

こうしてもしも平板を作り、上、下面に金属被覆し、こ
れを縦横に切断してヒートシンクを作つたとする。そう
すると、切断面に金属はないから、上、下面は絶縁され
るはずである。

しかしながら、天然産ダイヤモンドを用いた、」二、下
面絶縁タイプのヒートシンクは作製されていない。

この理由は、以下のようである。

（１）　熱伝導度のよい天然産ダイヤモンドは、著しく
高価である。

（２）　ダイヤモンド表面に被似した金属をレーザ光を
用いてスクライブし、あるいは切断する際、切断面に於
て多量の熱が生ずる。ダイヤモンドの熱伝導度が］　２
　ｗａｔｔＡ１＃ｃ以上なければ、除去されずに残った
周囲の釜属層に熱的損傷を与える。

天然産ダイヤモンドの内、１２　ｗａｔｔ／Ｌａ＃ｃ以
上の熱伝導度を有するダイヤは極めて少なく、高価であ
る。

（３）天然産ダイヤモンドの熱伝導度は５〜２２ｗａｔ
ｔ／ｃｎ’ｌＣと、極めてバラツキが大きい。

このような欠点があるがらであろう。

天然産ダイヤモンドの熱伝導度は、窒素の含有量と含有
形態に依存して、５〜２２　ｗａｔｔ、雇Ｃと広範囲に
バラつく。

この内、窒素含有量が２　Ｐｐｍ以下で、熱伝導度の高
い（１８〜２２　ｗａｔｔ７ｏ＋ＹＣ）ダイヤモンドを
Ｉｔ　ａタイプと呼ぶ。窒素含有量の少いものは、白色
透明に近く、美しいので、価格は著しく高い。

天然産ダイヤモンドの内、窒素含有量の高い、ものをｌ
ａタイプと呼ぶ。窒素含有量が多いと熱伝導度が低く、
Ｉａタイプのものの熱伝導度の平均値は７〜８　ｗａｔ
ｔ／ａｉＣ位である。ｌａタイプのダイヤモンドは、黄
色、かつ色を帯びた原石が多いので、美観も悪く、価格
は低い。しかし、ｌａタイプの天然産ダイヤモンドのう
ち、１２　ｗａｔｔ／ａ＃Ｃ以上の熱伝導度を有するも
のの割合は極めて少い。

従ってｌａタイプのダイヤモンドを使って、上下面絶縁
タイプのヒートシンクを作製することはできない。

ｌａタイプの原石から、上下面絶縁のヒートシンクを作
ることはできるが、非常に高（ｕｊになるため、実用的
ではない。

け）合成ダイヤモンド 合成ダイヤモンドは、天然産ダイヤモンドに比して、次
のような特長がある。

（１）安価で、大きな単結晶を合成する事ができる。

（１り　１２　Ｗａｔｔ／ｃｍ　°Ｃ以上の熱伝導度を
有する原石が殆とである。合成ダイヤモンドは温度差法
と、膜成長法という異なる合成法で作られる。特に湿度
差法で作られたダイヤモンド原石の熱伝導度は１８〜２
２　ｗａｔｔ　／ａｎ　’Ｃの程度で、極メチ高イ。

天然産のｌａタイプと同等の高い熱伝導度である。

（ｉｎ）　熱伝導度のバラツキが少い。合成条件を一定
にずれば、特性のそろったダイヤモンドを合成できるか
らである。

このように、合成ダイヤモンドは、熱伝導度が高く、バ
ラツキが少なく、シかも安価であって大きい結晶を作り
うる、という優れた長所がある。

ゆ）発明の構成 本発明の汐゛イヤモンドヒートシンクは、（１１合成ダ
イヤモンドのヒートシンク本体と、（２）　ヒートシン
ク本体の基盤にノ・ンダ付けする面に設けられた金属被
覆と、 （３）　ヒートシンク本体の素子にノ・ンダ付けする而
に設けた金属被器とよりなり、 （４）基盤側金属被覆と素子側金属被器とが’ＦＩＪ気
的に絶縁されている。

という構成を有する。

（イ））　製　造　方　法 合成ダイヤモンドを用いたヒートシンクの製造方法は、
次の３つの方法がありうる。

１、広い面積を有する平板状の合成ダイヤモンドを作り
、上下面に予め金属被器を行い、これ−を、縦横に切断
して、ヒートシンクにするもの。切断面には金属被覆が
ないので、上下面が絶縁される。

温度差法で合成されたダイヤモンドは、大きな単結晶に
することができ、広い面積の平板を得るのが容易である
。この平板の上、下面に金属膜を被覆する。これを、所
定のヒートシンクの形状、寸法に、電気的導通を上下面
間に生しさせないように切断する。

切断方法は、レーザ加工によるものと、機械的に切断す
るものがある。

（１）　レーザ切断法 レーザ光線をダイヤモンド平板に当てて、熱により切断
する。いきなり、金属被器の上からレーザを当てると、
金属被膜の他の部分を損傷したり、ダイヤモンドにキレ
ンやカケを生じたりしやすい。

そこで、本発明者は、次のようにしてダイヤモンドを切
断することにした。

まず、第１図に示すように、レーザ光線７をレンズ８に
よって、アウトフォーカスで、合成ダイヤモンド４の平
板に照射する。金属被器３には、焦点から外れた拡散し
た光が当るので、エネルギーが弱い。弱い光で、金属被
器３を除去できる。このレーザ光スクライビングは、急
激な温度上昇をともなわないので、他の部分の金属被器
を損傷しないで、所望の部分だけを除去でき′る。

次にレンズ８を調節して、光をダイヤモンド４の面内に
焦点がくるように絞り、ダイヤモンド４を所定の寸法に
カットする。

１枚の平板から多数のヒートシンクをとることができる
。ダイヤモンドの他の部分にキレンやカケが発生するこ
ともないし、寸法’ａ’ｉ度も高い。上面と下面の金属
被覆は絶縁されている。

（１１）　ダイヤモンド切断機による切断法ダイヤモン
ド切断機は、宝石の切断に用いられる。高速回転する銅
製の薄いブレードに、ダイヤモンド砥粒を付着させて、
これによって切断する。

ダイヤモンド切断機によって平面状のダイヤモンドを切
断すると、金属波器膜の熱的損傷が少い。

しかし、所定の寸法精度内に切断するのが難しい、とい
う欠点がある。

＋１．　合成ダイヤモンドを、最初からヒートシンクの
形状に加工しておく。ダイヤモンドヒートシンクの断面
の適当な箇所に連続してマスキング材を塗布する。この
マスキング材の配置は、ヒートシンクの上面と下面とを
完全に分離するようなものでなければ、ならない。

この後金属被看護をコーティングする。コーティングは
、イオンブレーティング、スパッタリング、蒸着又は湿
式メッキによって行う。

コーティングが湿式メッキによってなされる場合、マス
キング材は弾性体シートを用いるとよい。メッキのあと
、シートを剥がす。

コーティングが、イオンブレーティング、スパッタリン
グ、蒸着の場合、マスキング材は、セラミック系接着材
を用いるのが好ましい。

この方法は、膜成長法で合成されたダイヤモンドに適し
ている。

１１１、　従来のダイヤモンドヒートシンクと同じよう
に、予め金属被覆された状態にしておき、新たに加工を
加え金属被覆を除去して、上下面を絶縁する。

従来のヒートシンクは、マスキングしないで金属被覆す
るから、側面にも金属がついて、上下面が導通している
。そこで、側面の金属被覆を連続的に除去し、上下面を
電気的に絶縁する。

第３図は、従来のダイヤモンドヒートシンクの構造を示
す断面図である。４はダイヤモンドで、外周面を金属被
覆３によって囲まれている。これを基盤２の上に載せて
、上面へ素子１を載せる。素子１の下面電極は基盤２と
導通する。

金属被覆３の内、側方の部分を除去しなければならない
。この部分を除去したものの断面図を第４図に示す。こ
うすると、素子１と基盤２は電気的に絶縁される。

金属被覆の除去は連続して行われなければならない。残
った部分があれば、これによって、上下面の導通が残る
からである。

第４図の例は、最も単純な絶縁領域５の形成例を示して
いる。

絶縁領域５は連続していて、上面と下面を分離していれ
ばよいので、第５図、第６図に示すように、屈曲してい
てもよい。

第５図の例では、素子１がヒートシンクの上面の一方に
偏ってマウントされているから、他の三方については、
上面に絶縁領域５を設けている。素子１の存在する方向
については、側面に絶縁領域５を作り、三方の絶縁領域
５に接続しである。

第６図の例は、立方体に近い形状のと−トシンクを示し
ている。大面に金属被覆し、下方の側周に絶縁領域５を
設けている。金属被覆３は上面と側面にあるから、素子
１のマウントの自由度が大きい。上面だけでなく、この
図のように側面にもマウントできる。

絶縁領域５を作る方法は、レーザによるスクライビング
が、最も簡単である。表面が平滑であれば、金属被覆を
効率よく完全に除くことができる。

表面が平滑でなく凹凸のある場合は、何回か繰回してレ
ーザ光を照射してスクライビングする。

レーザ光でなく、機械的に金属被告を除去することもで
きる。例えば、スカイフ盤、砥石などでヒートシンクの
表面をｔｖｒ　ｍし、金属被覆をこすりとる方法がある
。

以上のように、合成ダイヤモンドヒートシンクの製造方
法は３とおり考えられる。

温度差法で製造された大きいダイヤモンド原石からは、
■の方法によってヒートシンクを作る。

加工費用は安価で、電気的絶縁性は完全である。

砥粒合成に用いられる膜成長法で合成されたダイヤモン
ド原石からは、ＩＩ　、　Ｉｎの方法によって」ニ下面
絶縁タイプヒートシンクが作製される。

汐）実施例　Ｉ 温度差法で合成したダイヤモンド原石０．５カラツト（
１カラツトは０．２　ｇ　）を切断、研磨して、約４−
ｘｍ　：ｘ：　５　ａｙｓ　Ｘ　０．３１１＋ｌの薄板
を作成した。

この０．３朋厚さの平板を酸処理し、有機溶剤で脱脂し
た。次に、イオンブレーティングにより、」二面、ド面
にチタンＴｉを５００へのＩ！厚でコーティングした。

さらに、金Ａｕを１゜５μｎ＋の厚さにコーティングし
た。

レーザ光により、平板の表面のコーテイング膜を、約４
０μ〃１の重量でスクライビングし、Ａｕ、Ｔｉを除去
した。これは、先述のように、アウトフォーカスにして
光を当て、スクライビングするものである。

次に、レーザ光を絞ってパワーを高め、薄板状のダイヤ
モンドを０゜８０　Ｘ　０．８０　ｍｍの正方形状に切
断した。切断代は、約３０μｎ１であった。

こうして、ダイヤモンドヒートシンクがいくつか作製さ
れる。このダイヤモンドヒートシンクは」二面、下１ｍ
に金属被覆を有する。

この金属被嚢のついた而を金メッキした銅基盤の」二に
、金スズＡｕ　−Ｓｎハンダにより接着する。

反ス・１側の上面には、半導体レーザを同じ方法により
接着した。

半導体レーザの上面から金線によって電極を引き出し、
半導体レーザに電流をｊγ）らして出力実験を行った。

半導体レーザの出力は、長時間安定していた。

つまり、ヒートシンクとして放熱効果が満足すべきもの
であることが分る。

切断した残りのダイヤモンド原石から、１ｍｌ１×１　
ｍｍ　Ｘ　］π２１の立方体を作製し、熱伝導度を測定
したところ、４５’Ｃに於て、１９　、５　ｗａｔｔＡ
７ｎ°Ｃで′あった。

ヒートシンクの上面、下面に′ｔＥ気的導通はみられな
かった。

（ト）実施例　■ 膜成長法で合成したダイヤモンドを、２０／２５メツシ
ユのふるいにＪＩＩけ、比較的大きな単結晶を選んだ。

この単結晶の内、磁気選別装置によって、溶媒金属を含
有していないものを選択した。

さらに、これら単結晶を顕微鏡で観察し、カーボン等の
包有物のないもの、さらに（１００）面の大きく発達し
た六へ面体型単結晶を数個選んだ。

これらの単結晶の熱伝導度を測定したところ、１２〜１
’５　ｗａｔｔ／ｎ　°Ｃであった。

単結晶の（１００）面を上下から研磨して、０．３間の
厚さに加工した。

さらに、レーザ光を用いて、０゜５朋×０．５ｍｍの寸
法に加工した。

このように加工されたダイヤモンドを、酸処理し、有機
溶剤で脱脂した。

前例と同しように、ダイヤモンド表面に、Ｔｉを５００
人、Ａｕを１゜５μそれぞれコーティングした。

ダイヤモンドの側面にも、Ｔｉ　−、Ａｕｌ戻が形成さ
れ、テスターで測定してみると、上下面間に電気的導通
のあるのが分った。

そこで、これらヒートシンクより５個を選び、側面をレ
ーザスクライビングした。レーザスクライビングを２〜
３回繰返えすと、電気的導通がなくなった。

基盤の」二に、このようなヒートシンクを接着し、さら
に半導体レーザを取り付けた。レーザ電極はワイヤボン
ディングして、電極を取り出し、電流を流して、出力テ
ストを行なった。半導体レーザは長時間安定した出力を
維持した。良好なヒートシンクとして機能したことにな
る。

（コ）金属被覆の強度試験 実施例１１実施例１１で作製されたヒートシンク試料と
、天然産ダイヤモンドで作られたヒートシンク試料の金
属被覆の膜強度を試験し、比較する。

試料Ｎ０゜１は実施例１で作製されたヒートシンクであ
る。熱伝導度は１９．５　ｗａｔｔ／ａ　°Ｃ（４５°
Ｃに於て）で、Ｔｉ５、Ａｕでコーティングされている
。

試料Ｎｏ、２は実施例１１で作製され、熱伝導度が１２
ｗａｔｔ、Δ０Ｃのヒートシンクである。

試料Ｎｏ。３は１０゜２　ｗａｔｔ１０＋＋　°Ｃの熱
伝導度を有する天然ダイヤモンドをヒートシンクにした
ものである。工業用天然ダイヤ原石のグレードとしては
最高級の線引ダイス用原石を用いた。０゜３　ｍｒｒｔ
ｔの平板を作製し、０．５　ｍｙ　ｘ　０．５　ａｍの
サイズにレーザ切断した後、実施例１１と同しように全
ｌＩ′ＩｊにＴｉを５００人、Ａｕヲ１．５μＦｌ＋イ
オンブレーテイングした。ダイヤモンド原石は、白色を
帯びた透明体であり、窒素含有量は１２００　ｐｐｍで
あった。

これら３桶の試料Ｎｏ。ｌ、Ｎｏ、２、Ｎｏ、３　に対
し、レーザ光をアウトフォーカスにして４０μｍの幅で
、コーテイング膜のスクライビングテストを行った。

全試料とも、ダイヤモンド表面が一露出しコーテイング
膜のスクライビングができた。

次に、スクライブされた近傍の膜の強度のテス］・を行
った。このため、スクライブ近傍のコーテイング膜に金
線を圧着するテストを実行した。

全試料奈２７０°Ｃに加熱し、スクライブされたコーテ
イング膜の近傍にＡｕ　−Ｓｎハンダ少量を垂らし、そ
の上から金線を圧接した。この際圧接を促すため、超音
波を５分間かけた。

この実験の結果、 試料１１’ｏ、ｌ　、、　Ｎｏ、２のヒートシンクには
金線が固着したが、Ｎｏ−３のヒートシンクでは、スク
ライブした箇所からコーテイング膜がダイヤ表面より１
／３程剥離した。

【図面の簡単な説明】

第１図はダイヤモンド上の金属被覆をアウトオブフォー
カスのレーザ光線によってスクライブする状態を示す略
断面図。 第２図はスクライブされた後、レーザ光を絞ってダイヤ
モンドを切断している状フルを示す陥１わ［面図。 第３図は従来のダイヤモンドヒートシンクの一例を示す
断面図。 第４図は金属被覆を側周にそって除去した本発明のヒー
トシンクの一例を示す断面図。 第５図は金属被覆を上面については三側辺を除去し、素
子の取付けられた辺については、側面の部分を除去した
本発明のヒートシンクの一例を示す断面図。 第６図は正方形状のヒートシンクで金属被覆を側周下方
について除去している例を示す断面図。 １　・・・・・・・・・　素　子 ２　・・・・・・・・・　基　盤 ３　・・・・・・・・・　金属被覆 ４　・・・・・・・・・　ダイヤモンド５　・・・・・
・・・・　絶縁領域 ７　・・・・・・・・・　レーザ光線 ８　・・・　・・・　・・・　し　ン　ズ発　明　者　
佐　藤　周　− 矢　津　修　示 第１図 第２図 第３図 第４図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　合成ダイヤモンド４と、合成ダイヤモンド４の
   上面、下面にコーティングされ互に絶縁された金属被覆
   ３．３とよりなる事を特徴とすルダイヤモンドヒートシ
   ンク。
2. （２）合成ダイヤモンドが、室温下で、１２　ｗａｔｔ
   ／、、；Ｃ以上の熱伝導度を有するものである特許請求
   の範囲第（１）項記載のダイヤモンドヒートシンク。