TW201621060A - 半導體元件用放熱零件 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種半導體元件用放熱零件，其中具備高導熱係數和接近半導體元件的熱膨脹係數，而在實際使用條件下無膨脹及龜裂的產生。 本發明提供一種半導體元件用放熱零件，其特徵為：具備複合化部分，該複合化部分係由含有鑽石粉末50體積%~80體積%且剩餘部分為含有鋁的金屬所構成，該鑽石粉末的粒徑之體積分布的第一尖峰位於5~25μm、第二尖峰位於55~195μm、粒徑為1~35μm的體積分布面積和粒徑為45~205μm的體積分布面積的比例為1比9至4比6，在該複合化部分的雙主面具備含有80體積%以上含鋁金屬之膜厚0.03~0.2mm的表面層，且在至少一面的表面層上進一步具備(1)膜厚為0.5~6.5μm的結晶質Ni層、(2)膜厚為0.05μm以上的Au層。

Description

半導體元件用放熱零件
本發明係關於半導體元件用放熱零件。
通常使用於光通信等的半導體雷射元件和高頻元件等的半導體元件，如何有效地逸散從相同元件所產生的熱以防止操作不良等非常重要。近年來隨著半導體元件技術的進步，元件的高功率化、高速化、高積體化不斷地進步，對於放熱的需求愈來愈嚴格。因此通常即使對於散熱器等的放熱零件亦需要高導熱係數，而使用著導熱係數高達390W/mK的銅(Cu)。
此外個別的半導體元件係隨著高功率化而使其尺寸變大，而將半導體元件和使用於放熱之散熱器的熱膨脹不匹配的問題變明顯。為了解決該等問題，則需要兼具所謂高導熱性之特性和與半導體元件之熱膨脹係數匹配的散熱器材料的開發。作為該等材料，則提案有金屬和陶瓷之複合體、例如鋁(Al)和碳化矽(SiC)的複合體(專利文獻1)。
但是Al-SiC系的複合體中，即便如何地將條件最佳化，導熱係數均為300W/mK以下，故需要具有銅導熱係數以上之更高導熱係數的散熱器材料的開發。作 為該等材料，則提案有組合鑽石所具有之高導熱係數和金屬所具有之大熱膨脹係數，高導熱係數且熱膨脹係數接近半導體元件材料的金屬-鑽石複合體(專利文獻2)。
又，專利文獻3則藉由在鑽石粒子表面形成β型SiC層，而抑制複合化時所形成之低導熱係數的金屬碳化物的生成，同時改善與熔融金屬的浸潤性，而改良所獲得之金屬-鑽石複合體的導熱係數。
再者，由於鑽石為極硬材料，與金屬複合化所獲得的金屬-鑽石複合體亦同樣為極硬且難加工性材料。因此，金屬-鑽石複合體藉由一般的鑽石工具幾乎無法加工，使用金屬-鑽石複合體作為小型且存在各種形狀的散熱器，則有如何以低成本進行形狀加工的課題。對於這樣的課題，亦正在研究雷射加工、水噴射加工、甚至是金屬-陶瓷複合體係能夠通電而藉由放電加工的加工方法。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開平9-157773號公報
[專利文獻2]日本特開2000-303126號公報
[專利文獻3]日本特表2007-518875號公報
半導體元件用的放熱零件係為了和元件接合，故放熱零件表面需要附加藉由鍍敷等形成的金屬層。 在一般的半導體元件的情況下，由於主要係藉由焊錫的接合為主且接合溫度均為300℃以下，所以表面設置著Ni-P合金等之藉由鍍敷處理形成的金屬層。但是作為如本發明之散熱器用材料的使用形態，一般為了將半導體元件的發熱效率良好地放熱，對於半導體元件則以焊接材料接合的形態接觸配置著散熱器。因此接合面使用著附加鍍金層的多層鍍敷層等。再者衛星用途係需要假設真實環境的嚴格可靠性，習知Ni-P合金等的合金鍍敷有在接合溫度下隨著結晶化而產生龜裂，甚至是隨著冷熱循環而使龜裂擴展的課題。
再者當對於半導體元件以焊接材料接合散熱器時，接合界面的表面精確度對於放熱則為重要。當為習知金屬-鑽石複合體的情況下，由於接合面會暴露鑽石粒子，所以接合面的表面粗糙度變粗，其結果，接觸界面的熱阻會增大而不佳。因此作為散熱器用材料所需要之特性，存在如何將表面的表面粗糙度變小的課題。
亦即本發明的目的為：提供一種鋁-鑽石系複合體，其中兼具高導熱係數和接近半導體元件的熱膨脹係數，再者為了適合使用作為半導體元件的散熱器等，改良表面之表面粗糙的平面度，並且即便以高負載的實際使用，表面金屬層部分亦無膨脹、龜裂等的產生。
根據本發明，提供一種半導體元件用放熱零件，其特徵為：具備複合化部分，該複合化部分係由含有鑽石粉末50體積%~80體積%且剩餘部分為含有鋁的 金屬所構成，該鑽石粉末的粒徑之體積分布的第一尖峰位於5~25μm、第二尖峰位於55~195μm、粒徑為1~35μm的體積分布面積和粒徑為45~205μm的體積分布面積的比例為1比9至4比6，在該複合化部分的雙主面具備含有80體積%以上含鋁金屬之膜厚0.03~0.2mm的表面層，且在至少一表面層上進一步具備(1)膜厚為0.5~6.5μm的結晶質Ni層、(2)膜厚為0.05μm以上的Au層。
根據本發明之一樣態，其特徵為：上述半導體元件用放熱零件中Ni層及Au層為藉由鍍敷處理所形成的鍍膜，鍍膜的剝離強度為50N/cm以上。
根據本發明之一樣態，其特徵為：上述半導體元件用放熱零件中所搭載的半導體元件為包含GaN、GaAs或SiC的半導體雷射元件或高頻元件。
根據本發明之一樣態，其特徵為：一種鋁-鑽石系複合體，其中上述半導體元件用放熱零件中前述複合化部分為藉由熔融金屬鍛造法所製造的鋁-鑽石系複合體，溫度25℃的導熱係數為400W/mK以上，溫度25℃至150℃的線性熱膨脹係數為5.0×10-6~10.0×10-6/K，雙主面的表面粗糙度(Ra)為1μm以下。
根據本發明之一樣態，其特徵為：一種鋁-鑽石系複合體，其中上述半導體元件用放熱零件中，鑽石粉末的粒子以化學鍵結於其表面之β型碳化矽層的存在為特徵。
相關於本發明的鋁-鑽石系複合體具有高導熱且接近於半導體元件的熱膨脹係數，再者由於即便在 高負擔的實際使用中亦能夠抑制表面金屬層部分膨脹和龜裂等的產生，所以能夠較佳地使用作為半導體元件的放熱用散熱器等。
1‧‧‧鋁-鑽石系複合體
2‧‧‧表面金屬層
3‧‧‧複合化部分
4‧‧‧表面層
5‧‧‧Ni層
6‧‧‧Au層
7‧‧‧包含多孔質體的模具材料
8‧‧‧已塗布離型材料的離型板
9‧‧‧鑽石粉末
10‧‧‧金屬板
第1圖係關於本發明之實施形態之半導體元件用放熱零件的概念結構圖。
第2圖係關於本發明之實施形態之半導體元件用放熱零件之複合化部分複合化前的結構體概念截面圖。
[用語之說明]
本說明書中所謂「~」的標識係表示「以上」及「以下」的意思。例如「A~B」表示A以上B以下的意思。
本說明書中所謂「雙面」係針對平板狀零件而表示表面和內面之雙面的意思。又本說明書中所謂「側面部分」係針對平板狀零件而表示圍繞上述雙面的周圍而相對於雙面約略垂直之部分的意思。本說明書中所謂「主面」係針對平板狀零件而表示表面及內面中任一面的意思。
以下參照第1及2圖來說明關於本發明之鋁-鑽石系複合體及使用其之放熱零件、以及該等之製造方法之一實施形態。
關於本實施形態之半導體元件用放熱零件包含鋁-鑽石系複合體(第1圖之1)和表面金屬層(第1圖之2) 。又放熱零件所使用的鋁-鑽石系複合體為包含鑽石粒子和含鋁金屬的平板狀鋁-鑽石系複合體，上述鋁-鑽石系複合體1包含複合化部分(第1圖之3)及設置於上述複合化部分3之雙面的表面層(第1圖之4)，上述表面層4包含含有含鋁金屬的材料，上述鑽石粒子的含量為上述鋁-鑽石系複合體1全體的50體積%~80體積%。
包含上述構成的半導體元件用放熱零件具有高導熱且接近半導體元件的熱膨脹係數，即便在高負荷的實際使用中亦能夠抑制表面金屬層部分膨脹等的產生。因此關於本實施形態的鋁-鑽石系複合體係能夠較佳地使用作為半導體元件之放熱用散熱器等的放熱零件。
關於本實施形態的半導體元件用放熱零件亦可具有包含結晶質Ni層(第1圖之5)及Au層(第1圖之6)的表面金屬層2。
以下，針對關於本實施形態的鋁-鑽石系複合體，說明藉由熔融金屬鍛造法的製造方法。
其中鋁-鑽石系複合體的製法大致上有含浸法及粉末冶金法2種。其中從導熱係數等的特性方面來看，實際被商品化者大多為藉由含浸法。含浸法亦有各種的製法，有常壓下進行的方法和高壓下進行的高壓鍛造法。高壓鍛造法則有熔融金屬鍛造法和壓鑄法。
本實施形態中較佳的方法為在高壓下進行含浸的高壓鍛造法，在獲得導熱係數等特性良好之緻密複合體方面較佳為熔融金屬鍛造法。所謂熔融金屬鍛造法通常為將鑽石等粉末或成形體裝填於高壓容器內，於高溫、高 壓下將鋁合金等熔融金屬含浸於其中而獲得複合材料的方法。
[鑽石粉末]
鋁-鑽石系複合體之原料的鑽石粉末係能夠使用天然鑽石粉末或人造鑽石粉末中任一者。又該鑽石粉末係根據需要亦可添加例如矽石等的結合材料。藉由添加結合材料，能夠獲得所謂能夠形成成形體的效果。
關於鑽石粉末的粒度係從導熱係數的觀點來看，較佳為粒徑之體積分布的第一尖峰的粒徑位於5μm~25μm、第二尖峰的粒徑位於55μm~195μm，包含體積分布第一尖峰之1μm~35μm的體積分布面積和包含第二尖峰之45μm~205μm的體積分布面積的比例為1比9至4比6。
關於粒徑分布更佳為第一尖峰的粒徑為10μm~20μm、第二尖峰的粒徑為100μm~180μm。又，為了提高鑽石的填充量，雖然較佳為上述的比例，但是更佳為2比8至3比7。粒度分布測定係使用庫爾特(Coulter)法來進行。
鋁-鑽石系複合體中的鑽石粒子含量較佳為50體積%以上80體積%以下。若鑽石粒子含量為50體積%以上，能夠充分確保所獲得之鋁-鑽石系複合體的導熱係數。又從填充性方面來看，鑽石粒子含量較佳為80體積%以下。若為80體積%以下，則不需要將鑽石粒子形狀加工成球形等而能夠以穩定成本獲得鋁-鑽石系複合體。
由於藉由熔融金屬鍛造法所獲得的複合體， 若以適當條件則熔融金屬充滿粉末彼此間的空隙，相對於填充體積之粉末體積的比例約略等於相對於所獲得之複合體全體體積的粉末材料體積(粒子含量)。
再者能夠藉由使用上述鑽石粒子表面形成β型碳化矽層的鑽石粉末，抑制複合化時所形成之低導熱係數的金屬碳化物(Al4C3)的生成，並且能夠改良和熔融金屬鋁的浸潤性。該結果為能夠獲得提升所獲得之鋁-鑽石系複合體之導熱係數的效果。
作為熔融金屬鍛造之預備，藉由如第2圖所示配置包含能夠含浸鋁合金之多孔質體的模具材料(第2圖之7)、已塗布離型劑的緻密離型板(第2圖之8)及上述鑽石粉末(第2圖之9)，成為用於包含模具材料7、離型板8及所填充之鑽石粉末9之熔融金屬鍛造的結構體。
其中第2圖為用於熔融金屬鍛造之結構體的截面圖，為針對已填充上述鑽石粉末之部分的截面圖。還有以熔融金屬鍛造法將鋁合金和鑽石粉末複合化時，鋁合金係經由上述包含多孔質體之模具材料而到達已填充鑽石粉末的部分。
[包含多孔質體的模具材料]
其中作為包含能夠以熔融金屬鍛造法含浸鋁合金之多孔質體的模具材料7的材料，若能夠以熔融金屬鍛造法含浸鋁合金的多孔質體則無特別之限制。但是作為該多孔質體，較佳為使用耐熱性良好、能夠進行穩定的熔融金屬之供給的石墨、氮化硼、氧化鋁纖維等的多孔質體等。
[離型板]
再者作為緻密的離型板8，能夠使用不銹鋼板和陶瓷板，若為不能以熔融金屬鍛造法含浸鋁合金的緻密體則無特別之限制。又對於塗布於離型板的離型劑，能夠較佳地使用耐熱性良好的石墨、氮化硼、氧化鋁等的離型劑。再者在藉由氧化鋁溶膠等塗布離型板表面後，能夠藉由塗布上述離型劑而獲得進行較穩定之離型的離型板。
[鋁合金]
關於本實施形態之鋁-鑽石系複合體中的鋁合金(含鋁金屬)係為了含浸時充分滲透於鑽石粉末空隙中(鑽石粒子間)，較佳為熔點盡可能低。作為該等鋁合金，能夠舉例含有5~25質量%矽的鋁合金。能夠藉由使用含有5~25質量%矽的鋁合金，獲得促進鋁-鑽石系複合體之緻密化的效果。
再者藉由將上述鋁合金含有鎂，因鑽石粒子及陶瓷粒子和金屬部分的結合變得較堅固而佳。關於鋁合金中的鋁、矽、鎂以外的金屬成分，若在鋁合金特性無極端變化的範圍則無特別之限制，例如亦可含有銅等。
關於本實施形態的鋁-鑽石系複合體係能夠藉由複合化時鑽石粉末的填充量來調整厚度，該厚度較佳為0.4~6mm。當該厚度小於0.4mm時，使用作為散熱器等則不能獲得足夠強度而不佳。當該厚度大於6mm時，材料本身變昂貴同時不能獲得足夠高導熱效果而不佳。
本實施形態係以複合化後將配置於雙面的離型板8剝離為特徵。能夠藉由該等特有的構成，獲得具有 表面非常光滑的鋁-鑽石系複合體。
如第2圖所示，亦可於上述結構體的雙面配置金屬板(第2圖之10)。又當積層多片結構體而形成塊狀體時，亦可於結構體之間夾層該金屬板10來積層。能夠藉由配置該等離型板，均勻地含浸熔融金屬，又含浸處理後之鋁-鑽石系複合體的取出等操作變得容易進行。
所獲得的結構體係進一步積層多片而成為塊狀體，並將該塊狀體以600~750℃左右加熱。然後將1個或2個以上該塊狀體配置於高壓容器內，為了防止塊狀體的溫度低落而盡可能快速地供給已加熱至熔點以上的鋁合金熔融金屬並以20MPa以上的壓力加壓。
其中塊狀體的加熱溫度若為600℃以上，則能夠獲得鋁合金之複合化穩定、具有足夠導熱係數的鋁-鑽石系複合體。又若加熱溫度為750℃以下，則和鋁合金複合化時，能夠抑制鑽石粉末表面的碳化鋁(Al4C3)的生成，能夠獲得具有足夠導熱係數的鋁-鑽石系複合體。
又關於含浸時的壓力，若為20MPa以上則能夠獲得鋁合金的複合化穩定、具有足夠導熱係數的鋁-鑽石系複合體。再較佳為含浸壓力為50MPa以上。若為50MPa以上，則能夠獲得具有較穩定之導熱係數特性的鋁-鑽石系複合體。
[退火處理]
還有藉由上述操作所獲得的鋁-鑽石系成形體亦可進行退火處理。能夠藉由進行退火處理，除去上述鋁-鑽石系成形體內的應力，能夠獲得具有較穩定之導熱係 數特性的鋁-鑽石系複合體。
在對於所獲得之鋁-鑽石系成形體表面不造成影響下，僅除去成形體中的應力，上述退火處理較佳為在溫度400℃~550℃的條件進行10分鐘以上。
[加工方法]
隨後說明關於本實施形態之鋁-鑽石系複合體的加工方法範例。上述鋁-鑽石系複合體為非常硬的難加工性材料。因此不易使用一般機械加工和鑽石工具的研磨加工，而藉由水噴射加工、雷射加工、放電加工來加工。
還有關於本實施形態的鋁-鑽石系成形體雖然亦能夠進行使用一般鑽石工具等的加工，但是由於是非常硬的難加工性材料，從工具的耐久性和加工成本方面來看，較佳為藉由水噴射加工、雷射加工或放電加工的加工。
[表面層]
關於本實施形態的鋁-鑽石系複合體係以複合化部分(第1圖之3)的雙面以包含含鋁金屬(鋁合金)之材料的表面層(第1圖之4)被覆為特徵。
其中上述表面層4雖然包括主要包含含鋁金屬的材料，但是亦可包含含鋁金屬以外的物質。亦即亦可包含上述鑽石粒子和其它不純物等。
但是鑽石粒子較佳為不存在於表面層4的表面至0.01mm的部分。藉由該等構成，能夠採用一般金屬加工所採用的加工方法，並能夠在不造成研磨損傷之下將表面層4變光滑。
又，上述表面層4含有80體積%以上含鋁金屬。含鋁金屬的含量若為80體積%以上，能夠採用一般金屬加工所採用的加工方法，能夠進行表面層4的研磨。再者含鋁金屬的含量較佳為90體積%以上。若含鋁金屬的含量為90體積%以上，在表面研磨時內部的不純物等脫離而不會造成磨損。
又，上述表面層4的厚度較佳為平均厚度0.03mm以上0.2mm以下。若上述表面層4的平均厚度為0.03mm以上，在之後的處理中，鑽石粒子不會暴露，容易獲得目標的表面精確度及鍍敷性。又若表面層4的平均厚度為0.2mm以下，能夠獲得佔有所獲得之鋁-鑽石系複合體1之複合化部分3的足夠厚度，能夠確保足夠的導熱係數。
又雙面的表面層4平均厚度合計較佳為鋁-鑽石系複合體1之厚度的20%以下，更佳為10%以下。若雙面之表面層4的平均厚度合計為鋁-鑽石系複合體1之厚度的20%以下，除了表面精確度及鍍敷性，亦能夠獲得足夠的導熱係數。
關於上述表面層4的厚度，亦可在鑽石粉末的填充時藉由配置氧化鋁纖維等的陶瓷纖維於已塗布鑽石粉末和離型劑之緻密的離型板之間而將鋁合金複合化來調整。又亦能夠使用鋁箔取代陶瓷纖維來調整。
[表面層之加工]
關於本實施形態的鋁-鑽石系複合體係因具有雙面被包含含有含鋁金屬之材料的表面層4被覆的結構，所以 能夠藉由加工(研磨)該表面層4來調整表面精確度(表面粗糙度：Ra)。該表面層4的加工係能夠採用一般金屬加工所採用的加工方法，例如使用拋光研磨機等來進行研磨，能夠將表面粗糙度(Ra)設為1μm以下。
再者，亦能夠藉由加工該表面層4來調整表面層的平均厚度。關於本實施形態的鋁-鑽石系複合體係當使用作為散熱器等的放熱零件時，若考量接合面的熱阻則較佳為表面粗糙度小且光滑的表面，該表面粗糙度(Ra)較佳為1μm以下，更佳為0.5μm以下。能夠藉由將表面粗糙度設為1μm以下，將接合層的厚度變均勻，能夠獲得更高的放熱性。
又亦針對上述表面層4的平面度，換算成50mm×50mm尺寸較佳為30μm以下，更佳為10μm以下。能夠藉由將該平面度成為30μm以下，將接合層的厚度變均勻，能夠獲得更高的放熱性。
[複合化部分]
關於本實施形態的鋁-鑽石系複合體係具有上述鑽石粒子和鋁合金的複合化部分(第1圖之3)。該等結構的鋁-鑽石系複合體係在上述表面層4和複合化部分3之間不易產生應力，在研磨等施力時表面層4未破損。
[表面金屬層]
關於本實施形態的鋁-鑽石系複合體係當使用作為半導體元件的散熱器時，大多能夠藉由半導體元件及焊接而接合來使用。因此鋁-鑽石系複合體的接合表面需要設置表面金屬層。作為表面金屬層的形成方法，能夠採 用鍍敷法、蒸鍍法、濺鍍法等的方法。從處理費用方面來看較佳為鍍敷處理。
以下說明鍍敷處理。
首先對於鋁-鑽石系複合體表面的含鋁金屬實施膜厚為0.5~6.5μm結晶質的Ni鍍敷。鍍敷法雖然較佳為電鍍處理法，若能夠獲得結晶質鍍Ni膜，亦能夠適用化學鍍敷處理法。鍍Ni膜厚小於1μm則產生鍍膜的針孔(pinhole)(未鍍上部分)而不佳。若大於6.5μm則鍍膜中所產生的殘留應力增加，在如本實施形態的用途中，隨著實際使用時的溫度負擔而有鍍膜膨脹、剝離和龜裂產生的問題而不佳。
再者在實施鍍鎳於鋁時，需要鋅取代等的前處理，較佳為實施鍍敷密著性良好的鋅取代。關於鍍Ni層的密著性，剝離強度較佳為50N/cm以上，更佳為78N/cm以上。剝離強度小於50N/cm則當使用作為半導體元件的放熱零件時，隨著實際使用時的溫度負擔而產生鍍層剝離的問題而不佳。
又本發明之鋁-鑽石系複合體係為了進行藉由水噴射加工、雷射加工或放電加工的加工而為側面暴露鑽石的結構，在藉由電鍍處理的鍍Ni層的形成中，由於側面的鑽石粒子上未進行鍍膜的形成而產生針孔，所以鍍Ni層表面之上需要藉由化學鍍敷處理之非晶型Ni合金層的形成。惟，當非晶型Ni合金層存在時，隨著接合溫度的上升、實際使用時之溫度負擔增加而結晶化，因此時體積變化而產生微龜裂，而有因之後的溫度負擔導 致龜裂擴大的問題，雖然藉由將Ni合金層變得極薄來謀求改良，但是特別在如衛星用途等所需要的冷熱循環，無論Ni合金層的厚度而在溫度負擔中，由於隨著結晶化所產生的龜裂擴大，所以非晶型Ni合金層的形成為不佳。
雖然由於未進行藉由化學鍍敷處理之非晶型Ni合金層的形成而在側面的鑽石粒子上未進行鍍膜的形成，但是衛星用途等重視封裝化後的氣密性，所以需要將能夠接合半導體元件的雙主面上在針孔及實際使用化中以不存在龜裂的金屬層形成者為優先。
再者在使用作為高功率半導體元件之放熱零件的用途，隨著接合溫度的上升、實際使用時的溫度負擔增加，則有因含鋁的表面層和鍍膜的熱膨脹差異而產生膨脹的問題。又結晶質的鍍Ni層較Ni合金鍍敷層與含鋁表面層的熱膨脹差異小，能夠藉由形成硬度低的鍍Ni層而抑制實際使用時因溫度負擔所導致的膨脹產生。
又關於本實施形態的鋁-鑽石系複合體係為了進行藉由水噴射加工、雷射加工或放電加工的加工，而有側面暴露鑽石的結構，在藉由電鍍處理之鍍Ni層的形成中，側面鑽石粒子上未進行鍍膜的形成而發現針孔的產生。
當進行高溫的焊接材料接合時，較佳為藉由最表面以電鍍處理法或化學鍍敷處理法來實施膜厚為0.05~4μm的Au鍍層。鍍膜厚度小於0.05μm則接合不充分而不佳。關於上限雖無特性上的限制，但是Au鍍層非常昂貴，較佳為4μm以下。
又關於本實施形態的鋁-鑽石系複合體係鋁-鑽石系複合體的溫度在25℃時的導熱係數為400W/mK以上，在25℃至150℃的熱膨脹係數較佳為5.0~10.0×10-6/K。
若25℃的導熱係數為400W/mK以上、25℃至150℃的熱膨脹係數為5.0~10.0×10-6/K，則成為高導熱係數且和半導體元件相同等級的低膨脹係數。因此當使用作為散熱器等的放熱零件時，由於放熱特性良好、又即便承受溫度變化，半導體元件和放熱零件的熱脹係數差異亦小，而能夠抑制半導體元件的損壞。該結果為：能夠較佳地使用作為高可靠性的放熱零件。
[半導體元件]
本實施形態的鋁-鑽石系複合體放熱零件係高導熱係數而且和半導體元件相同等級的低熱膨脹係數，適合作為需要GaN、GaAs、SiC等高功率的半導體雷射元件或高頻元件的放熱零件。特別適合作為高頻元件的GaN-HEMT元件、GaAs-HEMT元件的放熱零件。
以上雖然舉出實施形態來說明關於本發明之鋁-鑽石系複合體及使用其之放熱零件、以及該等的製造方法，但是本發明係不受該等限制者。
[實施例]
以下雖然舉出實施例及比較例來更詳細地說明本發明，但是本發明係非受該等限制者。
[實施例1至13、比較例1至4]
以7比3的重量比混合具有表1所示之平均粒徑的市 售高純度鑽石粉末A(鑽石Innovation公司製/Grade MBG600)和高純度的鑽石粉末B(鑽石Innovation公司製/Grade MBM)。各粉末的粒徑體積分布的尖峰係見於和平均粒徑相同位置。進行鑽石粉末A和鑽石粉末B之混合粉末的粒徑分布測定的結果為：體積分布之1~35μm的體積分布面積和45~205μm的體積分布面積的比例為3比7。粒度分布的測定係將各鑽石粉末加入純水來製作漿體而成為測定溶液，以水的折射率為1.33、鑽石的折射率為2.42，藉由分光光度計(Beckman‧Coulter公司製：Coulter LS230)來測定。
隨後將氧化鋁溶膠塗布於40×40×2mmt的不銹鋼板(SUS430材料)並以350℃進行30分鐘烘烤處理後 ，將石墨系離型劑塗布於表面來製作離型板(第2圖之9)。然後以60×60×8mmt的外形，在中央部分具有40×40×8mmt孔洞之孔隙度20%的各向同性石墨夾具(第2圖之7)，於表1之各鑽石粉末的上下配置0.03mm厚的純鋁箔而以離型板8夾住雙面的樣態進行填充而成為結構體。
藉由將60×60×1mmt之已塗布石墨系離型劑的不銹鋼板(第2圖之10)夾住而積層多個上述結構體，雙側配置厚度12mm的鐵板，以6支M10螺栓連結以扭力板手擰緊而將表面方向擰緊扭力成為10Nm而成為一個塊狀體。
隨後將所獲得的塊狀體以電爐預先加熱至溫度650℃後，收納於已預先加熱之內徑300mm的壓機模具內，將含有12質量%矽、1質量%鎂之溫度800℃的鋁合金熔融金屬注入，以100MPa的壓力加壓20分鐘而將鋁合金含浸於鑽石粉末。然後冷卻至室溫後，以濕式帶鋸沿著離型板形狀裁切，將所夾住的不銹鋼板剝離。之後為了除去含浸時的應力而於530℃的溫度進行3小時退火處理，獲得鋁-鑽石系複合體。
所獲得的鋁-鑽石系複合體係於以#600的砂紙將雙面研磨後，進行拋光研磨。
接著藉由水噴射加工機(杉野機械製磨料-射流切割機(abrasive-jet cutter)NC)，以壓力250MPa、加工速度50mm/min的條件，使用粒度100μm的石榴石(garnet)作為砥粒(abrasive grains)，加工成25×25×2mmt的形狀而成為鋁-鑽石系複合體。
以工業顯微鏡觀察所獲得之鋁-鑽石系複合體的截面並以等間隔測定包含雙面的表面層(第1圖之4)的中心點和二終端的5處厚度而成為平均厚度的結果為：任何試樣均為0.03mm。又以表面粗糙計測定表面粗糙度(Ra)。該結果示於表2。
又藉由水噴射加工製作熱膨脹係數測定用試驗體(3×2×10mm)、導熱係數測定用試驗體(25×25×2mmt)。使用各個試驗片，以熱膨脹計(精工電子工業公司製；TMA300)測定溫度25℃~150℃的熱膨脹係數，以雷射閃光法(理學電機公司製；LF/TCM-8510B)測定25℃的導熱係數。該結果示於表2。比較例1至4係導熱係數為400W/mK以下，熱膨脹係數為10.0×10-6/K以上。
又藉由阿基米德法測定所獲得之鋁-鑽石系複合體於室溫25℃的密度，使用複合法則(compound rule)計算Vf(鑽石粒子的含量)。該結果示於表2。(鑽石密度：3.52g/cm3，鋁合金密度：2.7g/cm3)
又將上述鋁-鑽石系複合體超音波洗淨後，在藉由Zn觸媒的前處理後進行電鍍Ni、電鍍Au，於關於實施例1至13的鋁-鑽石系複合體的表面形成6.5μm厚(Ni：2.5μm+Au：2.0μm)的鍍敷層。針對所獲得的鍍敷品，依照JIS 8504測定電鍍品的剝離強度的結果：全部電鍍品為98N/cm以上。剝離強度測定係於已形成鍍膜的鋁-鑽石系複合體表面，以高溫膠帶將5mm寬的測定部分以外遮蔽，於測定部分焊接厚度0.25mm、寬度5mm的銅板，以藉由數位測力計(digital force gauge)將銅板垂直拉伸來測定拉伸強度而計算剝離強度。再者，所獲得的電鍍品係於大氣環境下、溫度400℃進行10分鐘加熱處理後，觀察鍍層表面的結果為：未辨識出膨脹等的異常。又，在-65℃ ~175℃的熱循環(於氣箱、各溫度維持30分鐘)1000次循環後未辨識出鍍層表面的龜裂產生。
如表2所示，關於實施例1至13之鋁-鑽石系複合體係表面粗糙度為1μm以下而非常光滑，具有高導熱係數及接近半導體元件的熱膨脹係數。
[實施例14至19、比較例5至7]
超音波洗淨以與實施例1相同的方法所製作的鋁-鑽石系複合體後，在藉由Zn觸媒的前處理後依序形成電鍍Ni、電鍍Au。鍍膜厚度示於表3。又比較例7係在電鍍Ni之後形成Ni-P化學鍍敷膜。
比較例5發現鍍膜的針孔，之後的評估則不實施。針對所獲得的鍍敷品測定剝離強度的結果：全部電鍍品為80N/cm以上。再者所獲得的鍍敷品係於大氣環境下、溫度400℃進行10分鐘的加熱處理後，觀察鍍敷表面的結果為：實施例14至19、比較例7在鍍層表面辨識出膨脹的產生。比較例6發現鍍敷表面膨脹的產生。又實施例14至19在-65℃~175℃的熱循環1000次循環後未辨識出 鍍敷表面的龜裂產生，而比較例7則辨識出鍍敷表面龜裂的產生。
[實施例20至23、比較例8、9]
以示於表4的重量比混合市售的高純度鑽石粉末A(鑽石Innovation公司製/平均粒徑：130μm)和高純度鑽石粉末B(鑽石Innovation公司製/平均粒徑：15μm)。進行鑽石粉末A和鑽石粉末B的混合粉末粒徑分布測定的結果為：體積分布在15μm具有第一尖峰、130μm具有第二尖峰，體積分布之1~35μm的體積分布面積和45~205μm的體積分布面積的比例為表4所示之值。粒度分布的測定係將各鑽石粉末加入純水來製作漿體而成為測定溶液，以水的折射率為1.33、鑽石的折射率為2.42，藉由分光光度計(Beckman‧Coulter公司製：Coulter LS230來測定。
混合50g所獲得的混合粉末、16g矽石粉末(平均粒徑：5μm)、16g矽粉末(平均粒徑：10μm)後，填充於碳化矽製坩堝，在氬氣環境下、溫度1450℃進行3小時加熱處理，製作鑽石粉末表面已形成β型碳化矽層的鑽石粉末。
除了使用表面已形成β型碳化矽層的鑽石粉末作為鑽石粉末，於鑽石粉末的上下配置0.045mm厚的純鋁箔而以離型板8夾住雙面的樣態進行填充而成為結構體以外，與實施例1相同地製作鋁-鑽石系複合體。
所獲得的鋁-鑽石系複合體係進行與實施例1相同的研磨、加工，加工成25×25×2mmt的形狀而成為鋁-鑽石系複合體，以工業顯微鏡觀察該鋁-鑽石系複合體的截面來測定雙面的表面層(第1圖之4)平均厚度的結果為：表面層4的平均厚為0.045mm。又以表面粗糙度計所測定的表面粗糙度(Ra)示於表5。
再者，所獲得的鋁-鑽石系複合體係實施與實施例1相同的特性評估，該結果示於表5。比較例8、9係導熱係數為400W/mK以下、熱膨脹係數為10.0×10-6/K以上。
又，超音波洗淨上述鋁-鑽石系複合體後，在藉由Zn觸媒的前處理後，進行電鍍Ni、電鍍Au，在實施例20至23相關的鋁-鑽石系複合體表面形成6.5μm厚(Ni：2.0μm+Au：2.5μm)的鍍層。針對所獲得的鍍敷品，以與實施例1相同的方法測定剝離強度的結果為：全部電鍍 品為80N/cm以上。再者所獲得的鍍敷品係在大氣環境下、溫度400℃進行10分鐘的加熱處理後，觀察鍍敷表面的結果為：未辨識出膨脹等的異常。又，-65℃~175℃的熱循環(在氣箱、各溫度維持30分鐘)1000次循環後未辨識出鍍層表面的龜裂產生。
[實施例24至30、比較例10至12]
實施例1除了於鑽石粉末的上下配置表6所示之厚度的插入材料而以離型板8夾住雙面的樣態進行填充而成為結構體以外，與實施例1相同來製作鋁-鑽石系複合體。實施例29、30係將氧化鋁纖維(電氣化學工業公司製DENKA ALCEN板/品別：BD-1600及BD-1700LN)以加壓機加壓而將壓碎堆積密度為1.1g/cm3者配置作為插入材料，而比較例12係將氧化鋁纖維(電氣化學工業公製/DENKA ALCEN板/品別：BD1700)以加壓機加壓而將壓碎堆積密度為1.1g/cm3者配置作為插入材料。進行所使用之鑽石粉末的粒度分布測定的結果為：體積分布於15μm具有第一尖峰、130μm具有第二尖峰，體積分布之1~35μm的體積分布面積和45~205μm的體積分布面積的比例為3比7。粒度分布的測定係將各鑽石粉末加入純水來製作漿體而成為測定溶液，水的折射率為1.33、鑽石的折射率為2.42，藉由分光光度計(Beckman‧Coulter公司製：Coulter LS230)來測定。
所獲得的鋁-鑽石系複合體係進行與實施例1相同的研磨、加工，加工成25×25×2mmt的形狀而成為鋁-鑽石系複合體，以工業顯微鏡觀察該鋁-鑽石系複合體 的截面來測定雙面的表面層(第1圖之4)平均厚度的結果及以表面粗糙度計所測定的表面粗糙度(Ra)示於表6。
再者，所獲得的鋁-鑽石系複合體係實施與實施例1相同的特性評估，該結果示於表6。
比較例11係鑽石粒子的含量為50體積%以下、導熱係數為400W/mK以下、熱膨脹係數為10.0×10-6/K以上。又比較例12係研磨處理後的表面粗糙度高，又因陶瓷纖維的脫除而產生研磨損傷。
又，超音波洗淨上述鋁-鑽石系複合體後，在藉由Zn觸媒的前處理後，進行電鍍Ni、電鍍Au，關於實施例24至28、比較例10的鋁-鑽石系複合體表面形成6.0μm厚(Ni：2.0μm+Au：2.0μm)的鍍層。比較例10發現未鍍上而未實施之後的評估。針對其它所獲得的鍍敷品，除了以與實施例1相同的方法測定剝離強度的結果為：全部鍍敷品為80N/cm以上。再者，所獲得的鍍敷品係在大氣環境下、溫度400℃進行10分鐘的加熱處理後，觀察 鍍敷表面的結果為：未辨識出膨脹等的異常。又在-65℃~175℃的熱循環(於氣箱、各溫度維持30分終)1000次循環後未辨識出鍍敷表面的龜裂產生。
1‧‧‧鋁-鑽石系複合體
2‧‧‧表面金屬層
3‧‧‧複合化部分
4‧‧‧表面層
5‧‧‧Ni層
6‧‧‧Au層

Claims (5)

  1. 一種半導體元件用放熱零件，其特徵為：具備複合化部分，該複合化部分係由含有鑽石粉末50體積%~80體積%且剩餘部分為含有鋁的金屬所構成，該鑽石粉末的粒徑之體積分布的第一尖峰位於5~25μm、第二尖峰位於55~195μm、粒徑為1~35μm的體積分布面積和粒徑為45~205μm的體積分布面積的比例為1比9至4比6，在該複合化部分的雙主面具備含有80體積%以上含鋁金屬之膜厚0.03~0.2mm的表面層，且於至少一面的表面層上進一步具備(1)膜厚為0.5~6.5μm的結晶質Ni層、(2)膜厚為0.05μm以上的Au層。
  2. 如請求項1之半導體元件用放熱零件，其中Ni層及Au層為藉由電鍍處理所形成的鍍膜，鍍膜的剝離強度為50N/cm以上。
  3. 如請求項1或2之半導體元件用放熱零件，其中所搭載的半導體元件為包含GaN、GaAs或SiC的半導體雷射元件或高頻元件。
  4. 如請求項1至3中任一項之半導體元件用放熱零件，其中該複合化部分為藉由熔融金屬鍛造法所製造的鋁-鑽石系複合體，其為溫度25℃的導熱係數為400W/mK以上、溫度25℃至150℃的線性熱膨脹係數為5.0×10-6~10.0×10-6/K、雙主面的表面粗糙度(Ra)為1μm以下的鋁-鑽石系複合體。
  5. 如請求項1至4中任一項之半導體元件用放熱零件，其中鑽石粉末的粒子為以化學鍵結於該表面之β型碳化矽層的存在為特徵的鋁-鑽石系複合體。
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