TWI452143B - 鋁－金剛石系複合體及其製造方法 - Google Patents

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TWI452143B
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Hideo Tsukamoto
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Description

鋁-金剛石系複合體及其製造方法
本發明係關於鋁-金剛石系複合體及其製造方法。
一般而言，在光通信等所使用之半導體雷射元件及高機能MPU(微處理單元)等半導體元件，如何有效率地釋放該元件所發生之熱，於防止動作不良等上，係十分重要的事。
近年來，隨著半導體元件技術的進步，朝元件之高輸出化、高速化、高積體化發展，對於其散熱要求也愈來愈嚴格。所以，一般而言，對於散熱座等散熱構件也要求高導熱率，而使用導熱率較高之390W/Mk的銅(Cu)。
另一方面，各半導體元件之尺寸，隨著高輸出化而變大，而使半導體元件與散熱所使用之散熱座之熱膨脹的失配問題明顯化。為了解決該等問題，要求開發出兼顧高導熱之特性與半導體元件之熱膨脹率之匹配的散熱座材料。針對此種材料，有人提出金屬與陶瓷之複合體，例如，鋁(Al)及碳化矽(SiC)之複合體(專利文獻1)。
然而，Al-SiC系之複合材料時，無論條件如何最佳化，仍要求開發出具有300W/mK以下、高於銅之導熱率之導熱率的散熱座材料。此種材料，有人以組合金剛石所具有之高導熱率及金屬所具有之大熱膨脹率，而提出高導熱率且熱膨脹係數接近半導體元件材料之金屬-金剛石複合材料(專利文獻2)。
此外，專利文獻3時，以於金剛石粒子之表面形成β型之SiC層，來抑制形成複合化時之低導熱率之金屬碳化物的生成，而且，改善熔融金屬之濕潤性，而改善所得到之金屬-金剛石複合材料的導熱率。
此外，因為金剛石係非常硬的材料，以金屬複合化所得到之金屬-金剛石複合材料也同樣很硬，而為難加工性材料。因此，金屬-金剛石複合材料，以通常之金剛石工具幾乎無法進行加工，為了將金屬-金剛石複合材料使用於小型且存在各種形狀之散熱座，如何以低成本實施形狀加工係其課題。為了因應上述課題，也針對金屬-陶瓷複合材料之可通電性、利用放電加工等之加工方法進行檢討。
【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
然而，如上述之散熱座用材料之使用形態，通常，為了有效率地實施半導體元件之發熱的散熱，以焊料等進行接合而將散熱座接觸配置於半導體元件。因此，該用途所使用之散熱座，於以焊料等進行接合之面，必須實施電鍍處理等，故傳統之金屬-金剛石複合材料時，若接合面露出金剛石粒子，將難以形成鍍層，結果，接觸界面之熱阻增大。此外，接合面之面粗糙度較粗的話，接合時，焊料層之厚度會不均一，而使散熱性降低。因此，對於散熱座用材料所要求之特性，係以電鍍性及如何降低表面之面粗糙度為課題。
所以，要求兼具高導熱率、及接近半導體元件之熱膨脹率且表面之電鍍性及表面之面粗糙度獲得改善之複合材料。
亦即，本發明之目的，係提供一種鋁-金剛石系複合體，兼具高導熱率、及接近半導體元件之熱膨脹率，此外，為了適合當做半導體元件之散熱座等來使用，表面之電鍍性及表面之面粗糙度應獲得改善。
本發明之鋁-金剛石系複合體，係含有金剛石粒子及以鋁為主要成分之金屬的平板狀鋁-金剛石系複合體，其特徵為上述鋁-金剛石系複合體係由複合化部及配設於上述複合化部之兩面的表面層所構成，上述表面層係由含有以鋁為主要成分之金屬的材料所構成，上述金剛石粒子之含有量係上述鋁-金剛石系複合體全體之40體積%～70體積%。
由上述構成所構成之鋁-金剛石系複合體，具有高導熱、及接近半導體元件之熱膨脹率，此外，表面之電鍍性獲得改善，表面之面粗糙度較小。
本發明之鋁-金剛石系複合體，具有高導熱、及接近半導體元件之熱膨脹率，此外，因為表面之電鍍性獲得改善，表面之面粗糙度較小，故適合當做半導體元件之散熱用散熱座等來使用。
 (用語之說明)
本說明書中，「～」之記號係表示「以上」及「以下」之意思。例如，「A～B」係表示A以上、B以下之意思。
本說明書中，「兩面」係表示形成為平板狀之鋁-金剛石系複合體之上下兩面的意思。此外，本說明書中，「側面部」係表示形成為平板狀之鋁-金剛石系複合體的側面，亦即，表示大致垂直於上述兩面之部分的意思。
此外，本說明書中，「穴部」係表示將本發明之構件以螺絲固於其他散熱構件，貫通平板狀鋁-金剛石系複合體之上下面之方式加工而形成之貫通穴的意思。
以下，參照圖式，針對本發明之鋁-金剛石系複合體及其製造方法的實施形態進行說明。
(實施形態1)
本實施形態之鋁-金剛石系複合體(第1圖之1)係含有金剛石粒子、及以鋁為主要成分之金屬的平板狀鋁-金剛石系複合體，上述鋁-金剛石系複合體1係由複合化部(第1圖之2)、及配設於上述複合化部2之兩面之表面層(第1圖之3)所構成，上述表面層3係由含有以鋁為主要成分之金屬之材料所構成，上述金剛石粒子之含有量係上述鋁-金剛石系複合體1全體之40體積%～70體積%。
由上述構成所構成之鋁-金剛石系複合體，具有高導熱、及接近半導體元件之熱膨脹率，此外，表面之電鍍性獲得改善，表面之面粗糙度較小。
以下，針對本實施形態之鋁-金剛石系複合體，進行利用鍛造鑄造法之製造方法的說明。
此處，可將鋁-金剛石系複合體之製法，大致分為浸漬法及粉末冶金法2種。其中，從導熱率等之特性面而言，實際之商品化以利用浸漬法者較多。浸漬法也有各種製法，有常壓下實施之方法、及高壓下實施之高壓鍛造法。高壓鍛造法有鍛造鑄造法及模鑄法。
適合本發明之方法，如高壓下進行浸漬之高壓鍛造法，然而，為了得到優良導熱率等特性之緻密複合體，以鍛造鑄造法為佳。鍛造鑄造法，一般而言，係於高壓容器內裝填金剛石等之粉末或成形體，在高溫、高壓下浸漬於鋁合金等之熔液而得到複合材料之方法。
(金剛石粉末)
原料金剛石粉末，可以使用天然金剛石粉末或人造金剛石粉末之任一。此外，必要時，也可以於該金剛石粉末，添加例如矽石等之結合材。藉由添加結合材，可以得到可形成成形體之效果。
上述金剛石粉末之粒度方面，以導熱率觀點而言，以平均粒子大小為50μm以上之粉末為佳，此外，平均粒子大小為100μm以上更佳。金剛石粒子之粒子大小之上限方面，只要為所得到之複合體之厚度以下，特性上並無限制，但以500μm以下可以安定之成本得到複合體為佳。
其次，鋁-金剛石系複合體中之金剛石粒子之含有量，較佳為40體積%以上、70體積%以下。金剛石粒子之含有量若為40體積%以上，則可充分確保所得到之鋁-金剛石系複合體的導熱率。此外，以填充性之面而言，金剛石粒子之含有量以70體積%以下為佳。若為70體積%以下，則無需將金剛石粒子之形狀加工成球形等，而可以安定之成本得到鋁-金剛石系複合體。
以鍛造鑄造法所得到之複合體，在適當的條件下，熔液可分散於粉末間之空隙，相對於填充體積之粉末體積的比例，與相對於所得到之複合體全體體積之粉末材料的體積(粒子之含有量)大致相等。
此外，藉由使用於上述金剛石粒子之表面形成有β型碳化矽之層的金剛石粉末，可以抑制複合化時所形成之低導熱率之金屬碳化物(Al4 C3 )的生成，而且，可以改善鋁熔液之濕潤性。結果，可以得到提高所得到之鋁-金剛石系複合體的導熱率之效果。
鍛造鑄造之準備上，藉由以第2圖所示之方式配置由以浸漬鋁合金所得到之多孔質體所構成之型材(第2圖之4)、塗佈著脫模劑之緻密脫模板(第2圖之6)、及上述金剛石粉末(第2圖之7)，而得到由型材4、脫模板6、及填充之金剛石粉末7所構成之以鍛造鑄造為目的的構造體。
此處，第2圖係以鍛造鑄造為目的之構造體的剖面圖，係針對填充著上述金剛石粉末之部分的剖面圖。此外，以鍛造鑄造法進行鋁合金及金剛石粉末之複合化時，鋁合金經由由上述多孔質體所構成之型材而到達填充著金剛石粉末之部分。
(多孔質體所構成型材)
此處，利用鍛造鑄造法而以浸漬鋁合金所得到之由多孔質體所構成之型材4的材料，只要為可以鍛造鑄造法浸漬鋁合金之多孔質體即可，並無特別限制。然而，該多孔質體，應使用耐熱性優良、可安定供應熔液之石墨、氮化硼、氧化鋁纖維等之多孔質體等。
(脫模板)
此外，緻密脫模板6，可以使用不銹鋼板或陶瓷板，只要為無法以鍛造鑄造法浸漬鋁合金之緻密體即可，並無特別限制。此外，塗佈於脫模板之脫模劑方面，應使用耐熱性優良之石墨、氮化硼、氧化鋁等之脫模劑。此外，於脫模板之表面塗佈氧化鋁溶膠等塗佈後，藉由塗佈上述脫模劑，可以得到可更安定地進行脫模之脫模板。
本實施形態之特徵，係於複合化後，剝離配置於兩面之脫模板6。藉由此種特有構成，可以得到具有非常平滑表面之鋁-金剛石系複合體。
(鋁合金)
本實施形態之鋁-金剛石系複合體中之鋁合金(以鋁為主要成分之金屬)，為了浸漬時可充分浸透於金剛石粉末之空隙中(金剛石粒子間)，以融點較低者為佳。
此種鋁合金，例如，含有5～25質量%之矽的鋁合金。藉由使有含有5～25質量%之矽的鋁合金，可以得到促進鋁-金剛石系複合體之緻密化的效果。
此外，應使上述鋁合金含有鎂，可使金剛石粒子與金屬部分之結合更為強固。鋁合金中之鋁、矽、鎂以外之金屬成分方面，只要在不會使鋁合金之特性產生極端變化之範圍，並無特別限制，例如，亦可以含有銅等。
本實施形態之鋁-金剛石系複合體，可以利用複合化時之金剛石粉末的填充量來調整厚度，其厚度應為0.4～6mm。該厚度若為0.4mm以上，可以得到當做散熱座等使用之充分強度。此外，該厚度若為6mm以下，可以抑制材料本身之成本，且可得到充分之導熱性。
將所得到之構造體進行複數片之層積而成為塊體，以600～750℃程度實施該塊體之加熱。其次，將1個或2個以上之該塊體配置於高壓容器內，以防止塊體之溫度降低為目的，儘快供應加熱至融點以上之鋁合金熔液，並以20MPa以上之壓力進行加壓。
此處，亦可以如第2圖所示，於上述構造體之兩面配置金屬板5。此外，如前面所述，層積複數片之構造體而成為塊體時，於構造體之間亦可介設該金屬板5來實施層積。藉由配置上述脫模板，可以使熔液進行均一浸漬，此外，浸漬處理後之鋁-金剛石系複合體的取出等之操作更為容易。
藉由上述操作，使鋁合金浸漬於金剛石粉末之空隙中，而得到由以鋁為主要成分之表面層所覆蓋的平板狀鋁-金剛石系成形體。
此處，塊體之加熱溫度，若為600℃以上，可得到鋁合金之複合化安定、具有充分導熱率之鋁-金剛石系複合體。此外，加熱溫度若為750℃以下，鋁合金之複合化時，可抑制金剛石粉末表面之碳鋁化合物(Al4 C3 )之生成，而得到具有充分導熱率之鋁-金剛石系複合體。
此外，浸漬時之壓力方面，若為20MPa以上，則可得到鋁合金之複合化安定、具有充分導熱率之鋁-金剛石系複合體。此外，浸漬壓力最好為50MPa以上。若為50MPa以上，可得到具有更安定之導熱率特性的鋁-金剛石系複合體。
(退火處理)
此外，亦可對藉由上述操作所得到之鋁-金剛石系成形體實施退火處理。藉由實施退火處理，可以除去上述鋁-金剛石系成形體內之變形，而得到具有更安定之導熱率特性的鋁-金剛石系複合體。
為了不會對所得到之鋁-金剛石系成形體之表面產生影響，而只除去成形體中之變形，上述退火處理，以於溫度400℃～550℃之條件下實施10分鐘以上為佳。
(加工方法)
其次，針對本實施形態之鋁-金剛石系成形體的加工方法例進行說明。上述鋁-金剛石系成形體係非常硬之難加工性材料，然而，利用水刀加工機實施外週部(側面部)(第3圖之8)及穴剖(第3圖之9)之加工，可以對鋁-金剛石系複合體進行加工。結果，所得到之鋁-金剛石系複合體，成為如第1圖或第3圖之複合化部2露出於外週部8及穴部9之構造。
此處，上述穴部9，如第3圖所示，只要以可經螺絲固於其他散熱構件而貫通上下面之方式配設即可。例如，加工成連結於外週部之U字形狀，亦可降低加工成本。
此外，因為本實施形態之鋁-金剛石系成形體係導電性材料，亦可利用放電加工機來實施外週部8及穴部9之加工。所得到之鋁-金剛石系複合體，成為複合化部2露出於外週部8及穴部8之構造。
此外，本實施形態之鋁-金剛石系成形體，亦可以使用通常之金剛石工具等來進行加工，然而，因為係非常硬之難加工性材料，故以工具之耐久性及加工成本面而言，以利用水刀加工機或放電加工機之加工為佳。
(表面層)
本實施形態之鋁-金剛石系複合體的特徵，係複合化部(第1圖之2)之兩面為由含有以鋁為主要成分之金屬(鋁合金)之材料所構成之表面層(第1圖之3)所覆蓋。
此處，上述表面層3主要係由含有以鋁為主要成分之金屬之材料所構成，然而，亦可以含有以鋁為主要成分之金屬以外之物質。亦即，亦可以含有上述金剛石粒子及其他雜質等。
然而，金剛石粒子以不存在於從表面層3之表面至0.02mm之部分為佳。藉由此種構成，可以採用通常金屬加工所採用之加工方法，不會產生硏磨傷害而得到平滑之表面層3。
此外，上述表面層3，應含有80體積%以上之以鋁為主要成分之金屬。以鋁為主要成分之金屬之含有量若為80體積%以上，可以採用通常金屬加工所採用之加工方法，來實施表面層3之硏磨。此外，以鋁為主要成分之金屬之含有量以90體積%以上為佳。以鋁為主要成分之金屬之含有量若為90體積%以上，表面硏磨時，內部之雜質等不會脫離而造成硏磨傷害。
此外，上述表面層3之厚度，平均厚度應為0.03mm以上、0.3mm以下。上述表面層3之平均厚度若為0.03mm以上，在其後之處理時，金剛石粒子不會露出，而容易得到目標之面精度及電鍍性。此外，表面層3之平均厚度若為0.3mm以下，則於所得到之鋁-金剛石系複合體1的複合化部2可以得到充分厚度，而可確保充分之導熱率。
此外，兩面之表面層3之平均厚度的合計，應為鋁-金剛石系複合體1之厚度的20%以下，最好為10%以下。兩面之表面之表面層3之平均厚度的合計，若為鋁-金剛石系複合體1之厚度的20%以下，除了面精度及電鍍性以外，尚可得到充分之導熱率。
上述表面層3之厚度方面，如後面所述，金剛石粉末之填充時，亦可以於金剛石粉末與塗佈著脫模劑之緻密脫模板之間配置氧化鋁纖維等之陶瓷纖維實施鋁合金之複合化來進行調整。此外，亦可以鋁箔取代陶瓷纖維來進行調整。
(表面層之加工)
本實施形態之鋁-金剛石系複合體，因為係兩面為由含有以鋁為主要成分之金屬之材料所構成之表面層3所覆蓋的構造，藉由該表面層3之加工(硏磨)，可以調整表面精度(表面粗糙度：Ra)。該表面層3之加工，可以採用通常金屬加工所採用之加工方法，例如，利用拋光機等進行硏磨，而使表面粗糙度(Ra)成為1μm以下。
此外，利用該表面層3之加工，亦可調整表面層之平均厚度。本實施形態之鋁-金剛石系複合體，做為散熱座等之散熱構件使用時，若考慮接合面之熱阻，則以表面粗糙度較小之平滑面為佳，其表面粗糙度(Ra)應為1μm以下，最好為0.5μm以下。藉由表面粗糙度為1μm以下，可以使焊料層之厚度成為均一，而得到更高之散熱性。
此外，上述表面層2之平面度方面，換算成50mm×50mm之尺寸，以30μm以下為佳，最好為10μm以下。藉由該平面度為30μm以下，可以使焊料層之厚度成為均一而得到更高之散熱性。
(複合化部)
本實施形態之鋁-金剛石系複合體時，具有上述金剛石粒子與鋁合金之複合化部(第1圖之2)。
上述表面層3與複合化部2之境界，以顯微鏡等觀察鋁-金剛石系複合體之剖面時，以可明確目視者為佳。此種構造之鋁-金剛石系複合體，硏磨時，因為金剛石粒子不會從表面層3突出，故不會導致金剛石粒子脫離而造成硏磨傷害。
上述表面層3與複合化部2，亦可以不具有可目視之境界。在如此構造之鋁-金剛石系複合體，上述表面層3與複合化部2之間不易產生應力，於硏磨等施加力量時，表面層3不會產生破損。
(電鍍處理)
本實施形態之鋁-金剛石系複合體，做為半導體元件之散熱座使用時，通常以焊接接合於半導體元件來使用。所以，鋁-金剛石系複合體之接合表面，亦可以實施電鍍。
電鍍處理之方法並無特別限制，亦以為無電解電鍍處理、電氣電鍍處理法之任一種。對鋁之電鍍處理時，可實施Ni電鍍，或者，考慮焊料濕潤性時，可實施Ni電鍍及Au電鍍之二層電鍍。此時，電鍍厚度以0.5以上、10μm以下為佳。
電鍍厚度若為0.5μm以上，可防止電鍍氣孔或電焊時之焊料孔隙(空隙)的發生，而可確保半導體元件之散熱特性。此外，電鍍之厚度若為10μm以下，可以不受低導熱率之Ni電鍍膜的影響，而確保半導體元件之散熱特性。Ni電鍍膜之純度，只要不會妨礙焊料濕潤性，並無特別限制，亦可以含有磷、硼等。
此外，本實施形態之鋁-金剛石系複合體，鋁-金剛石系複合體之溫度為25℃時之導熱率應為400W/mK以上，從25℃至150℃之熱膨脹係數應為5～10×10-6 /K。
若25℃之導熱率為400W/mK以上、25℃至150℃之熱膨脹係數為5～10×10-6 /K，則為高導熱率且為與半導體元件相同水準之低膨脹率。所以，當做散熱座等之散熱構件使用時，因為優良散熱特性，此外，即使受到溫度變化，半導體元件與散熱構件之熱膨脹率差較小，可抑制半導體元件之破壞。結果，可當做高信賴性之散熱構件來使用。
(實施形態2)
其次，針對實施形態2之鋁-金剛石系複合體進行說明。實施形態2之鋁-金剛石系複合體，如第4圖所示，於填充之金剛石粉末7與塗佈著脫模劑之緻密脫模板6之間，配置有陶瓷纖維10而可得到鋁合金之複合化。
於以上述製造方法所得到之鋁-金剛石系複合體之兩面，形成由鋁-陶瓷複合材料所構成之表面層。
(鋁-陶瓷複合材料)
由上述鋁-陶瓷複合材料所構成之表面層，因為電鍍性與面精度之關係，鋁合金以外之含有量以20體積%以下為佳。鋁合金以外之含有量若為20體積%以下，可得到表面層容易加工之效果。
此外，陶瓷纖維並無特別限制，以耐熱性之面而言，以使用氧化鋁纖維、矽石纖維、高鋁紅桂石纖維等之陶瓷纖維為佳。其次，陶瓷纖維之含有量(Vf)，從上述鋁-陶瓷複合材料之特性面而言，以10體積%以下為佳，層積並壓縮時，Vf以20體積%以下為佳。
此外，上述陶瓷纖維之厚度以0.5mm以下為佳。若為0.5mm以下，則可以使上述表面層有適度的厚度，而可得到具有充分導熱率之鋁-金剛石系複合體。
此外，實施形態2除了配設由上述鋁一陶瓷複合材料所構成之表面層以外，其餘與實施形態1相同。
(作用效果)
以下，係針對上述實施形態1及2之鋁-金剛石系複合體的作用效果進行說明。
上述實施形態1之鋁-金剛石系複合體(第1圖之1)，係含有金剛石粒子及以鋁為主要成分之金屬之平板狀鋁-金剛石系複合體，上述鋁-金剛石系複合體1係由複合化部(第1圖之2)及配設於上述複合化部2兩面之表面層(第1圖之3)所構成，上述表面層3係由含有以鋁為主要成分之金屬的材料所構成，上述金剛石粒子之含有量係上述鋁-金剛石系複合體1全體之40體積%～70體積%。
由上述構成所構成之鋁-金剛石系複合體1，具有高導熱、及接近半導體元件之熱膨脹率，此外，因為表面之電鍍性獲得改善且表面之面粗糙度被縮小，故適合使用於半導體元件之散熱用散熱座等。
此外，實施形態2之鋁-金剛石系複合體，上述表面層3係由鋁-陶瓷複合材料所構成，而得到可調整上述表面層3之厚度且具有充分導熱率之鋁-金剛石系複合體1。
此外，因為上述表面層3含有80體積%以上之以鋁為主要成分之金屬，故以通常金屬加工所採用之加工方法即可實施表面層3之硏磨。
此外，因為上述表面層3之厚度為0.03mm以上、0.3mm以下，容易得到目標之面精度及電鍍性，此外，可確保充分之導熱率。
此外，因為上述表面層3之表面粗糙度(Ra)為1μm以下，故焊料層之厚度均一，而得到更高之散熱性。
此外，因為上述平板狀鋁-金剛石系複合體1之厚度為0.4～6mm，故可得到具有可當做散熱座等之散熱構件使用之充分強度及散熱特性的效果。
此外，上述鋁-金剛石系複合體1之溫度為25℃時之導熱率可以為400W/mK以上，上述鋁-金剛石系複合體1之溫度從25℃至150℃之熱膨脹係數可以為5～10×10-6 /K。如上所示，當做散熱座等之散熱構件使用時，因為具有優良散熱特性，此外，即使有溫度變化，半導體元件及散熱構件之熱膨脹率差也較小，故可得到可抑制半導體元件之破壞的效果。
此外，可以於上述鋁-金剛石系複合體1之表面，配設厚度為0.5～10μm之Ni鍍層、或Ni電鍍及Au電鍍之二層鍍層。如上所示，當做散熱構件等使用時，可確保高散熱特性。
此外，上述鋁-金剛石系複合體1，亦可以利用鍛造鑄造法來製造。如上所示，可得到導熱率等特性優良之緻密複合體。
此外，上述平板狀之鋁-金剛石系複合體1亦可以具有穴部9，而為上述複合化部2從上述平板狀鋁-金剛石系複合體1之側面部8及上述穴部9露出之構造。如上所示，當做散熱構件等使用時，可以螺絲等進行固定。
上述鋁-金剛石系複合體，亦可以利用下述製造方法獲得，該製造方法含有：對由多孔質體所構成型材，以塗佈著脫模劑之脫模板挾持之構造填充金剛石粒子，而成為由上述型材、上述脫模板、及上述填充之金剛石粉末所構成之構造體的工程；以600～750℃實施上述構造體之加熱的工程；以及使加熱至鋁合金之融點以上之鋁合金以20MPa以上壓力浸漬於上述填充之金剛石粒子，製作兩面覆蓋有以鋁為主要成分之表面層之平板狀鋁-金剛石系複合體的工程。
藉由此種製造方法，因為具有高導熱、及接近半導體元件之熱膨脹率，而且，表面之電鍍性獲得改善，表面之面粗糙度縮小，而得到適合當做半導體元件之散熱用散熱座等使用之鋁-金剛石系複合體。
此外，上述製造方法可更含有，製作上述平板狀鋁-金剛石系複合體之工程後，利用水刀加工或放電加工，實施上述平板狀鋁-金剛石系成形體之側面部及穴部之加工，而成為鋁-金剛石系複合體之工程。藉由此種工程，當做散熱構件等使用時，可以螺絲等進行固定。
以上，係針對本發明之鋁-金剛石系複合體及其製造方法，列舉實施形態來進行說明，然而，本發明並未限制為該等。
(實施例)
以下，列舉實施例及比較例，針對本發明進行更詳細之說明，然而，本發明並未受該等之限制。
(實施例1～7)
以表1所示之調合比混合市販之高純度金剛石粉末A(平均粒子大小：190μm)、高純度金剛石粉末B(平均粒子大小：100μm)、高純度金剛石粉末C(平均粒子大小：50μm)、以及鋁粉末(平均粒子大小：50μm)。
其次，對40×40×2mmt之不銹鋼板(SUS430材)，塗佈氧化鋁溶膠並以350℃實施30分鐘電鍍處理後，將石墨系脫模劑塗佈於表面而製成脫模板(第2圖之6)。其次，於60×60×8mmt之外形、中央部具有40mm×40mm×8mm之穴之氣孔率20%的等向性石墨治具(第2圖之4)，以脫模板5挾持兩面來實施表1之各金剛石粉末之填充，而成為構造體。
夾著塗佈有60mm×60mm×1mm之石墨系脫模劑之不銹鋼板(第2圖之5)實施複數個上述構造體之層積，於兩側配置厚度12mm之鐵板，以6支M10之螺栓進行連結而使面方向之鎖固力矩成為10Nm之方式，利用扭力扳手鎖固成一個塊體。
其次，將所得到之塊體，以電氣爐預加熱至溫度650℃後，收容於預先加熱之內徑300mm之衝壓模內，注入含有12質量%之矽及含有1質量%鎂之溫度800℃之鋁合金熔液，以100MPa之壓力量施20分鐘加壓而使鋁合金浸漬於金剛石粉末。其次，冷卻至室溫後，以濕式帶鋸沿著脫模板之形狀進行切斷，剝離夾著之不銹鋼板。其後，為了除去浸漬時之變形，以530℃之溫度實施3小時退火處理，而得到鋁-金剛石系成形體。
所得到之鋁-金剛石系成形體，以＃600之硏磨紙進行兩面硏磨後，進行拋光。此外，實施例7只以＃600之硏磨紙實施兩面之硏磨而未進行拋光。
接著，利用水刀加工機(SUGINO MACHINE製ABRASIVE JET CUTTER NC)，於壓力250MPa、加工速度50mm/min之條件，使用粒度100μm之石榴石做為硏磨粒，加工成25mm×25mm×2mm之形狀而成為鋁-金剛石系複合體。
以工廠顯微鏡觀察所得到之鋁-金剛石系複合體的剖面，測定兩面之表面層(第1圖之3)之平均厚度。此外，以表面粗糙度計測定表面粗糙度(Ra)、及以三維輪廓形狀測定機測定平面度。結果如表2所示。
此外，以水刀加工製作熱膨脹係數測定用試驗體(3mm×2mm×10mm)、及導熱率測定用試驗體(25mm×25mm×2mm)。利用各試驗片，以熱膨脹計(Seiko Instruments Inc.製：TMA300)測定溫度25℃～150℃之熱膨脹係數，以雷射閃光(Laser Flash)法(理學電機社製：LF/TCM-8510B)測定25℃之導熱率。結果如表2所示。
此外，實施例1之鋁-金剛石系複合體之密度，以阿基米德法測定之結果，為3.10g/cm3 。此外，針對實施例1，製作彎曲強度試驗體(3mm×2mm×40mm)，以彎曲強度試驗機實施3點彎曲強度之測定，結果為330MPa。
此外，將上述鋁-金剛石系複合體進行超音波洗淨後，實施無電解Ni-P及Ni-B電鍍，於實施例1～7之鋁-金剛石系複合體之表面形成8μm厚(Ni-P：6μm+Ni-B：2μm)之鍍層。針對所得到之電鍍品，依JIS Z 3197(對應於國際規格ISO 9455)，實施焊料濕潤擴散率之測定，結果，全部電鍍品之焊料濕潤擴散率為80%以上。
如表2所示，實施例1～7之鋁-金剛石系複合體，表面粗糙度為非常平滑之0.20～0.90μm，具有高導熱率及接近半導體元件之熱膨脹係數。
(實施例8～17、比較例1～3)
於40mm×40mm×2mm之表3所示之脫模板，塗佈氧化鋁溶膠並以溫度350℃實施30分鐘之電鍍處理後，將石墨系脫模劑塗佈於表面而製成脫模板(第2圖之6)。其次，於60mm×60mm之外形、中央部具有40mm×40mm之內徑之穴之如表3所示之型材(填充治具)(第2圖之4)，利用脫模板5挾持兩面，以體積/填充體積=60體積%之方式，填充金剛石粉末A(平均粒子大小：190μm)，而成為層積體。
來著塗佈有60mm×60mm×1mm之石墨系脫模劑之不銹鋼板(第2圖之5)實施複數個上述層積體之層積，於兩面配置12mm厚度之鐵板，以6支M10之螺栓6進行連結而使面方向之鎖固力矩成為10Nm之方式，利用扭力扳手鎖固成一個塊體。
其次，將所得到之塊體，以表3所示之溫度，利用電氣爐進行預加熱後，收容於預先加熱之內徑300mm之衝壓模內，注入含有12質量%之矽及含有1質量%之鎂之溫度800℃的鋁合金熔液，以表3所示之壓力實施20分鐘加壓而使鋁合金浸漬於金剛石粉末。其次，冷卻至室溫後，以濕式帶鋸沿著脫模板之形狀進行切斷，剝離夾著之不銹鋼板。其後，為了除去浸漬時之變形，以530℃之溫度實施3小時退火處理，而得到鋁-金剛石系成形體。
所得到之鋁-金剛石系成形體，兩面以＃600之硏磨紙硏磨後，進行拋光。接著，利用放電加工機，以加工速度5mm/min之條件，加工成25mm×25mm×2mm之形狀而成為鋁-金剛石系複合體。其次，以工廠顯微鏡觀察所得到之鋁-金剛石系複合體的剖面，進行兩面有無表面層及平均厚度。此外，以表面粗糙度計測定表面粗糙度(Ra)、及以三維形狀測定機測定平面度。結果如表4所示。
此外，以放電加工製作熱膨脹係數測定用試驗體(3mm×10mm×板厚度)、及導熱率測定用試驗體(25mm×25mm×板厚度)。其次，利用各試驗體，與實施例1～7相同，測定溫度25℃～150℃之熱膨脹係數、溫度25℃之導熱率。結果如表4所示。
此外，將上述鋁-金剛石系複合體進行超音波洗淨後，實施無電解Ni-P及無電解Au電鍍，於複合體之表面，形成6.05μm厚(Ni-P：6μm+Au：0.05μm)之鍍層。針對所得到之電鍍品，依JIS Z 3197，實施焊料濕潤擴散率之測定，結果，全部電鍍品之焊料濕潤擴散率為85%以上。
如表4所示，實施例8～17之鋁-金剛石系複合體，表面粗糙度為非常平滑之0.25～0.75μm，具有高導熱率及接近半導體元件之熱膨脹係數。
相對於此，比較例1之鋁-金剛石系複合體並不存在本發明之特徵的表面層，即使進行硏磨，表面仍然十分粗糙。此外，無法得到期望之導熱率。其應該是因為浸漬時之壓力為20MPa以下。
此外，比較例2時，因為未進行使鋁合金浸漬於金剛石粉末之空隙中，故複合化不完全。其次，所得到之成形體，密度為2.2g/cm3 ，較脆且非期望之平板形狀。其應該是因為比較例2之預熱溫度為600℃以下。
此外，比較例3時，鋁合金幾乎未浸漬於金剛石粉末之空隙中，而無法得到成形體。所以，無法得到平板狀鋁-金剛石系複合體。其應該是因為型材使用非多孔質之不銹鋼。
(實施例18)
以與實施例1相同之方法，利用高純度金剛石粉末A(平均粒子大小：190μm)製作層積體，夾著塗佈有60mm×60mm×1mm之石墨系脫模劑之不銹鋼板(第2圖之5)實施複數個之層積，於兩面配置12mm厚度之鐵板，以6支M10之螺栓6進行連結而使面方向之鎖固力矩成為10Nm之方式，利用扭力扳手鎖固成一個塊體。
其次，將所得到之塊體，以電氣爐預加熱至溫度700℃後，收容於預先加熱之內徑300mm之衝壓模內，注入溫度800℃之純鋁的熔液，以100MPa之壓力實施20分鐘加壓而使鋁浸漬於金剛石粉末。其次，冷卻至室溫後，以濕式帶鋸沿著脫模板之形狀進行切斷，剝離夾著之不銹鋼板後，為了除去浸漬時之變形，以530℃之溫度實施3小時退火處理，而得到鋁-金剛石系成形體。所得到之鋁-金剛石系成形體之金剛石粒子含有量為60體積%，以阿基米德法測定之密度為3.09g/cm3 。
對所得到之鋁-金剛石系成形體，進行與實施例1相同之硏磨、加工，而成為加工成25mm×25mm×2mm之形狀的鋁-金剛石系複合體。其次，以工廠顯微鏡觀察所得到之鋁-金剛石系複合體的剖面，進行兩面之表面層(第1圖之3)之平均厚度的測定，結果，表面層2之平均厚度為0.06mm。此外，以表面粗糙度計測定之表面粗糙度(Ra)為0.26μm，以三維形狀測定機測定之平面度為2μm。
其次，與實施例1相同，進行試驗體之加工並測定導熱率、熱膨脹係數、彎曲強度。結果，溫度25℃～150℃之熱膨脹係數為7.8×10-6 /K，溫度25℃之導熱率為520W/mK，3點彎曲強度為320MPa。
實施例18係使用純鋁。藉此，表面粗糙度為0.26μm、平面度為2μm，非常平滑且具有高導熱率及接近半導體元件之熱膨脹係數。
(實施例19～24)
對40mm×40mm×2mm之不銹鋼板(SUS430材)，塗佈氧化鋁溶膠並以溫度350℃實施30分鐘電鍍處理後，於表面塗佈石墨系脫模劑而製成脫模板(第4圖之6)。
其次，於60mm×60mm×8.4mm之外形、中央部具有40mm×40mm×8.4mm之穴之氣孔率20%的等向性石墨治具(第4圖之4)，以表5所示之層積構件(第4圖之10)挾持兩面，此外，以脫模板(第4圖之6)挾持兩面並填充金剛石粉末A(平均粒子大小：190μm)6.76g。
夾著塗佈有60mm×60mm×1mm之石墨系脫模劑之不銹鋼板(第4之5圖)實施複數個該等層積體之層積，於兩面配置12mm厚度之鐵板，以6支M10之螺栓6進行連結而使面方向之鎖固力矩成為10Nm之方式，利用扭力扳手鎖固成一個塊體。此段階時，配置於被壓縮兩面之陶瓷纖維的合計厚度為0.4mm。
其次，以與實施例1相同之方法使鋁合金浸漬於金剛石粉末，而使所得到之塊體成為40mm×40mm×2.4mm之鋁-金剛石系成形體。所得到之鋁-金剛石系成形體之金剛石粒子之含有量為50體積%。
所得到之鋁-金剛石系成形體，與實施例1相同，進行硏磨後，以水刀加工機加工成25mm×25mm×2.4mm之形狀而成為鋁-金剛石系複合體。此外，實施例20時，以平面磨床對兩面之表面層實施各0.15mm之硏磨加工後，進行拋光。結果，實施例20成為25mm×25mm×2.1mm之形狀，金剛石粒子之含有量成為57體積%。
其次，以工廠顯微鏡觀察所得到之鋁-金剛石系複合體的剖面，測定兩面之表面層3(由鋁-陶瓷複合材料所構成之表面層)之平均厚度。此外，以表面粗糙度計測定表面粗糙度(Ra)、及以三維形狀測定機測定平面度。結果如表6所示。
此外，經由放電加工製作熱膨脹係數測定用試驗體(3mm×10mm×板厚度)，導熱率測定用試驗體(25mm×25mm×板厚度)利用各試驗體，與實施例1同樣地測定溫度25℃～150℃之熱膨脹係數，溫度25℃之導熱率。結果如表6所示。
其次，將上述鋁-金剛石系複合體進行超音波洗淨後，實施無電解Ni-P及無電解Ni-B電鍍，於複合體之表面形成8μm厚(Ni-P：6μm+Ni-B：2μm)之鍍層。針對所得到之電鍍品，依JIS Z 3197，實施焊料濕潤擴散率之測定，結果，全部電鍍品之焊料濕潤擴散率為80%以上。
如表6所示，實施例19～24之鋁-金剛石系複合體，表面粗糙度為0.28～0.35μm、平面度為1～2μm，非常平滑且具有高導熱率及接近半導體元件之熱膨脹係數。
此外，可以得知，除了實施硏磨加工之實施例20以外，表面層之平均厚度為0.23～0.25mm，藉由配置陶瓷纖維等構件，可以形成厚度大致一定之表面層。
(實施例25～32)
實施例1中，對水刀加工後之25mm×25mm×2mm形狀的鋁-金剛石系複合體實施超音波洗淨後，以如表7所示之各種條件，實施無電解電鍍處理，於複合體之表面形成鍍層。針對所得到之電鍍品之電鍍厚度進行測定，結果如表7所示。
針對各電鍍品，依JIS Z 3197實施焊料濕潤擴散率之測定，結果，實施例31時，表面平滑且兼具高導熱率及接近半導體元件之熱膨脹率，焊料濕潤擴散率為75%，然而，確認到焊料面有孔隙。以顯微鏡確認該焊料孔隙部分，結果，於孔隙中央部，觀察到未電鍍部。其應該是因為電鍍厚度為0.5μm以下。
此外，實施例32時，表面平滑且兼具高導熱率及接近半導體元件之熱膨脹率，然而，測定焊料濕潤擴散率之加熱時，鍍層發生龜裂。其應該是因為電鍍厚度為10μm以上。
相對於此，實施例25～30之電鍍品，焊料濕潤擴散率為80%以上，當做散熱座使用時，可得到更高之導熱率。其應該是因為電鍍厚度為0.5μm以上、10μm以下。
1．．．鋁-金剛石系複合體
2．．．複合化部
3．．．表面層
4．．．由多孔質體所構成之型材
5．．．金屬板
6．．．塗佈著脫模材之脫模板
7．．．金剛石粉末
8．．．外週部
9．．．穴部
10．．．陶瓷纖維
第1圖係實施形態1之鋁-金剛石系複合體的構造圖。
第2圖係實施形態1之鋁-金剛石系複合體之複合化前之構造層體的剖面圖。
第3圖係實施形態1之鋁-金剛石系複合體的透視圖。
第4圖係實施形態2之鋁-金剛石系複合體之複合化前之構造體的剖面圖。
1．．．鋁-金剛石系複合體
2．．．複合化部
3．．．表面層

Claims (11)

  1. 一種鋁-金剛石系複合體，係含有金剛石粒子及以鋁為主要成分之金屬的平板狀鋁-金剛石系複合體，其特徵為：該鋁-金剛石系複合體係由複合化部及配設於該複合化部兩面之表面層所構成，該表面層係由含有以鋁為主要成分之金屬的材料所構成，其表面粗糙度(Ra)為1μm以下，該金剛石粒子之含有量係該鋁-金剛石系複合體全體之40體積%~70體積%。
  2. 如申請專利範圍第1項之鋁-金剛石系複合體，其中該表面層係由鋁-陶瓷複合材料所構成。
  3. 如申請專利範圍第1項之鋁-金剛石系複合體，其中該表面層係含有80體積%以上之以鋁為主要成分的金屬。
  4. 如申請專利範圍第1項之鋁-金剛石系複合體，其中該表面層之厚度係0.03mm以上0.3mm以下。
  5. 如申請專利範圍第1項之鋁-金剛石系複合體，其中該平板狀之鋁-金剛石系複合體之厚度係0.4~6mm。
  6. 如申請專利範圍第1項之鋁-金剛石系複合體，其中該鋁-金剛石系複合體之溫度為25℃時之導熱率為400W/mK以上，該鋁-金剛石系複合體之溫度於25℃至150℃之熱膨脹係數為5~10×10-6 /K。
  7. 如申請專利範圍第1項之鋁-金剛石系複合體，其中於該表面層之表面，配設有厚度為0.5~10μm之Ni鍍層或Ni電鍍及Au電鍍之二層鍍層。
  8. 如申請專利範圍第1項之鋁-金剛石系複合體，其係以鍛造鑄造法(forging cast process)所製造之鋁-金剛石系複合體。
  9. 如申請專利範圍第1項之鋁-金剛石系複合體，其中該平板狀鋁-金剛石系複合體具有穴部，該平板狀鋁-金剛石系複合體之側面部及該穴部係從該複合化部露出之構造。
  10. 一種鋁-金剛石系複合體之製造方法，其特徵為含有：對由多孔質體所構成之型材，以塗佈著脫模劑之脫模板挾持之構造填充金剛石粒子，而成為由該型材、該脫模板及該填充之金剛石粉末所構成之構造體的步驟；以600~750℃加熱該構造體之步驟；以及使加熱至鋁合金之融點以上之鋁合金以20MPa以上壓力被含浸於該填充之金剛石粒子，製作兩面覆蓋有以鋁為主要成分之表面層之平板狀鋁-金剛石系複合體的步驟。
  11. 如申請專利範圍第10項之鋁-金剛石系複合體之製造方法，其中更含有在製作該平板狀鋁-金剛石系複合體之工程後，經由水刀(water jet)加工或放電加工，進行該平板狀鋁-金剛石系複合體之側面部及穴部的加工之步驟。
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