JP2005184021A - 高熱伝導性ダイヤモンド焼結体を用いたヒートシンク及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 熱伝導率が５００Ｗ／ｍ・Ｋ以上でありＡｌＮやＳｉＣ焼結体の熱伝導率よりも高く、かつ熱膨張係数が３．０〜６．５×１０^-6／ＫとＩｎＰやＧａＡｓといった半導体素子用素材に近い材料を提供すること。
【解決手段】 内部に気孔を含まず、粒度分布のピークが５μｍ以上１００μｍ以下であるダイヤモンド粒子を焼結体全体に対して６０体積％以上９０体積％以下含有し、残部が実質的に銅からなり、前記焼結体を構成するダイヤモンド粒子のうち、少なくとも複数個の粒子同士が直接結合しており、かつ前記焼結体を構成する銅が実質的に酸化しておらず、焼結体中の酸素量が０．０２５重量％以下である高熱伝導性ダイヤモンド焼結体であって、その表面加工したものを母材とし互いに対向する少なくとも１組２面以上の表面に金属膜が被覆されていることを特徴とする半導体搭載用ダイヤモンドヒートシンク。
【選択図】 図１

Description

本発明は半導体レーザーや高性能ＭＰＵ（マイクロプロセッシングユニット）等のエレクトロニクス素子用ヒートシンクとして優れた特性を有するダイヤモンドを主成分とする高熱伝導性焼結体を用いたヒートシンク及びその製造方法に関するものである。

光通信等に使用される半導体レーザー素子や高性能ＭＰＵ等の半導体素子では素子自体の発熱による動作不良を防止するためには熱放散が非常に重要である。これら半導体素子の発熱を効率よく放散するために、該半導体素子に対して放熱基材（ヒートシンク）がハンダ等で接合する形で接触配置されている。

従来、このような半導体素子用のヒートシンク素材としては窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や炭化珪素（ＳｉＣ）の焼結体が主として使用されている。しかしながら、近年、半導体レーザーの高出力化やＭＰＵの高集積化にともない、素子からの発熱量も大きくなってきている。ＡｌＮ焼結体やＳｉＣ焼結体の熱伝導率は、それぞれせいぜい２５０Ｗ／ｍ・Ｋ、２７０Ｗ／ｍ・Ｋであり、これらの値では放熱能力が不足する事態が生じてきている。

ＡｌＮ焼結体やＳｉＣ焼結体に代わる高熱伝導性材料として物質中最高の熱伝導率をもつダイヤモンドやダイヤモンドに次ぐ熱伝導率のｃＢＮ（立方晶窒化硼素）からなる材料が考えられる。このうち、ダイヤモンドは近年、メタンガス等の炭化水素ガスを原料としたＣＶＤ法や黒鉛等の固体炭素原料を超高圧・高温下で変換・成長させる超高圧法による製造技術の進歩により工業的にも安定生産が可能となっている。また、ｃＢＮに関してはその同素体であるｈＢＮ（六方晶窒化硼素）を超高圧・高温下で変換・焼結させて製造することが可能となっている。これらの超高熱伝導性材料は高熱負荷で使用される半導体素子用の信頼性の高いヒートシンクとして使用されている。

半導体素子はその技術の進歩に伴い、ＭＰＵでは集積度の向上、レーザーでは出力の増大が要求されている。これらを満たすために各々の素子はその寸法が大きくなってきており、半導体素子とヒートシンクとの熱膨張のミスマッチの問題が顕在化してきた。特にレーザーダイオードでは、従来長さ１ｍｍ以下の素子が利用されてきたが、高出力化のために活性層の長さが長くなり素子としては１ｍｍを超える物が使用され、また、熱負荷も従来以上に大きくなってきており、熱膨張のミスマッチは重大な問題となっている。ダイヤモンドの熱膨張係数は２．３×１０^-6／Ｋと半導体材料であるＧａＡｓ（５．９×１０^-6／Ｋ）やＩｎＰ（４．５×１０^-6／Ｋ）と比較して小さいことから、半導体素子をヒートシンクへハンダ付けする際の熱応力により素子が破損するという問題が発生したり、使用中に発生する熱サイクルによって発光特性の変化や劣化が短時間のうちに起こることがある。

上記の問題点の解決を図るためには、高熱伝導度という特性と半導体素子との熱膨張のマッチングを両立するヒートシンク材料の開発が急務である。この解決策として、ダイヤモンドの持つ高い熱伝導率と金属の持つ大きな熱膨張係数とを組み合わせて、高い熱伝導率を持つと同時に熱膨張係数が半導体材料に近い金属−ダイヤモンド複合体が、特許文献１、特許文献２、特許文献３および特許文献４で開示されている。

特許文献１で開示された金属−ダイヤモンド複合体は、銅、銀、金やアルミニウムから成る群から選ばれた少なくとも１種の金属マトリックス中に埋め込まれたダイヤモンド粒子から成る複合体で半導体の熱膨張率と実質的に同じ熱膨張率を有することを特徴としている。しかしながら、銅、銀、金やアルミニウム等の金属とダイヤモンドとは濡れ性が非常に悪くまた炭化物を形成しないため、これら金属とダイヤモンドとの混合物を加熱焼結させても若干量の気孔が残留する、成型体を所定の形状に加工する際に加工表面のダイヤモンド粒子が脱落する、等の問題がある。複合体の気孔はそれ自身の熱伝導率に対して悪影響を及ぼす。また、加工の際のダイヤモンド粒子の脱落はヒートシンクと半導体を接合させる際の熱的接触が悪く所定の放熱効果が得られないという問題点がある。

特許文献２で開示された金属−ダイヤモンド複合体は、アルミニウム、マグネシウム、銅、銀の１種以上から成る粉末とダイヤモンド粉末との混合粉を加圧下で加熱して焼結する。しかしながら、通常の真空ホットプレスや粉末冶金の方法では特許文献１の場合と同様の問題がある。また、単純に圧力・温度を高めた工具用ダイヤモンド焼結体の製造方法では、空気中の酸素や窒素の影響でダイヤモンドと銅とは焼結しない。

特許文献３および特許文献４で開示された金属−ダイヤモンド複合体は、上記の金属とダイヤモンドとの濡れ性を改善するためにダイヤモンドの表面に金属炭化物を形成して金属とダイヤモンドの界面の密着性を向上させ複合体の特性を向上させている。しかしながら、この方法では不純物として金属炭化物が熱伝導率に対して悪影響をおよぼすため、銅とダイヤモンドのみからなる焼結体に比べて高い熱伝導率は得られない。

金属−ダイヤモンド複合体の製造方法としては上記の技術では、ダイヤモンド粒子と混合した金属粉の融解、ホットプレス焼結法、超高圧焼結法などが開示されている。これらのうち本発明が目的とする実質的に気孔を含まない複合体を得るためには超高圧・高温焼結法が最も適している。超高圧・高温焼結法は、ダイヤモンドを主成分とする工具用焼結体を製造する方法として採用されており、Ｃｏ等の鉄属金属を結合材として使用している。鉄属金属は超高圧・高温下で炭素原子を溶解・析出する作用がある。そのため、ダイヤモンド粒子同士を強固に結合するため、製造された焼結体の熱膨張係数は、ダイヤモンドの熱膨張係数より大幅に大きくなることはない。また、熱伝導率の低い結合材の影響で熱伝導率は４００Ｗ／ｍ・Ｋ程度である。結合材に銅を使用する焼結方法としては、特許文献５、特許文献６等に焼結時のカプセルに開口部を設け銅または銅合金を隣接させてカプセル内に供給する方法が開示されている。この方法は結合材の一部を銅で置換して非磁性のダイヤモンド焼結体を製造する方法を提供している。しかしながら、この方法では超高圧・高温下でこのカプセルを処理する際に、カプセルが一部破れるため非常に微量であるが銅が酸化されるという問題が不可避である。従って、図１の焼結体のＸ線回折結果に示すとおり微量の酸化第一銅（Ｃｕ₂Ｏ）、酸化第二銅（ＣｕＯ）が存在する。破損による微粒子化や銅の酸化が原因で５００Ｗ／ｍ・Ｋという高い熱伝導率を持つ焼結体は得られない。

特開平２−１７０４５２号公報 特開平４−２５９３０５号公報 特開平１０−２２３８１２号公報 特開平１１−６７９９１号公報 特公昭５５−８４４７号公報 特公昭５６−１４６３４公報

上述のとおり、従来の技術では、高い熱伝導率と半導体材料に近い熱膨張係数を兼ね備えた上、加工後の表面品質が高い高出力半導体レーザー素子や高性能ＭＰＵ素子用ヒートシンクに適した材料が得られていない。本発明の目的は熱伝導率が５００Ｗ／ｍ・Ｋ以上でありＡｌＮやＳｉＣ焼結体の熱伝導率よりも高く、かつ熱膨張係数が３．０〜６．５×１０^-6／ＫとＩｎＰやＧａＡｓといった半導体素子用素材に近い材料を提供するものである。

本発明者らは理論熱伝導率が２０００Ｗ／ｍ・Ｋと物質中最高の熱伝導率をもつダイヤモンドを、本発明で開示する方法で銅を結合材として用いて焼結することにより、５００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高熱伝導率をもつと同時に３．０〜６．５×１０^-6／Ｋの熱膨張係数をもつダイヤモンド焼結体が得られることを見いだし、本発明に到達した。
すなわち、本発明はこのような知見に基づいて達成されたものであって、適宜手段により表面加工処理を行った高熱伝導性ダイヤモンド焼結体を母材として互いに対向する、少なくとも１組２面以上の表面に金属膜が被覆されている半導体搭載用ダイヤモンドヒートシンクである。ここで用いられるダイヤモンド焼結体としては、例えば、内部に気孔を含まず、粒度分布のピークが５μｍ以上１００μｍ以下であるダイヤモンド粒子を焼結体全体に対して６０体積％以上９０体積％以下含有し、残部が実質的に銅からなり、前記焼結体を構成するダイヤモンド粒子のうち、少なくとも複数個の粒子同士が直接結合しており、かつ前記焼結体を構成する銅が実質的に酸化しておらず、焼結体中の酸素量が０．０２５重量％以下であることを特徴とする高熱伝導性ダイヤモンド焼結体が好ましい。ここで内部に実質的に気孔を含まない焼結体とは気孔率０．５％以下程度の気孔を含むものを意味し、これを実現するのには後述するように焼結を１ＧＰａ以上の圧力で行う。また、上記焼結体は、５００Ｗ／ｍ・Ｋ以上１５００Ｗ／ｍ・Ｋ以下の熱伝導性を有するものが好ましい。

この焼結体をヒートシンクの素材として利用することにより、従来は熱膨張のミスマッチの影響で実現が困難であった高熱伝導率を有する少なくとも１辺の長さが３ｍｍ以上の半導体素子搭載用ヒートシンクを提供することができるようになった。特にこのヒートシンクでは少なくとも１辺が１ｍｍ以上の長さを持つ半導体素子の搭載において特性の向上や寿命の長期化といった顕著な効果を奏することができる。すなわち、ヒートシンクの大きさが、１辺３ｍｍ角以上のとき、本発明の効果は顕著である。

以下、本発明を更に詳細に説明する。
高純度銅の熱伝導率が約４００Ｗ／ｍ・Ｋであり、銅を結合材としてダイヤモンドを焼結させることにより熱伝導率が４００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の物質が作製できることは推測できる。また、銅の純度が低下するに従い、熱伝導率が低下することはよく知られている。しかしながら、銅は炭化物を作らない上ダイヤモンドとの濡れ性が悪く、単にダイヤモンドと銅とを混合して銅の融点以上に温度を上げるだけでは緻密な焼結体にはならない。ダイヤモンドの周囲に炭化物を生成する金属（鉄属金属、チタン、ニオブ、バナジウム等）やシリコンを被覆した後、銅と混合して銅の融点以上に温度を上げることにより焼結体は得られるが、ダイヤモンドの周囲に生成した炭化物が熱伝導を阻害するため、高熱伝導性の焼結体は得られない。

固体と液体の界面ではγ_LVｃｏｓθ＝γ_SV−γ_SL（γ_LV：液体表面張力、γ_SV：固体表面張力、γ_SL：固液界面表面張力、θ：固体−液体濡れ角）の関係が成り立ち、γ_LVｃｏｓθが大きいと濡れ性がよい。これらの関係を説明したのが図２（ａ），（ｂ）である。高圧力下での液体は表面張力が大きくなっており、常圧下では濡れ性の悪い（すなわちγ_LVｃｏｓθが小さい）固体−液体混合物でも濡れ性が向上する。この現象は銅（液体）とダイヤモンドの界面にもあてはまり、常圧下では、界面の濡れ性が悪くダイヤモンドの周囲を銅融液が包み込まず焼結不可能であるが、高圧下では、界面の濡れ性が向上しダイヤモンドの周囲を銅融液で包み込んだ状態を実現できる。実質的に気孔が存在しない焼結体を作製するのには、最低１ＧＰａの超高圧力が必要である。ただし、１ＧＰａ程度の低い圧力で１０００℃以上の高温下に長時間保持するとダイヤモンドから黒鉛への変換が始まることから、できることなら、熱力学的にダイヤモンドが安定な領域で保持できる装置で焼結することが望ましい。具体的な圧力レベルとしては、４ＧＰａ以上の圧力で保持することが好ましく、工業的に使用されている超高圧発生装置を用いて４ＧＰａ以上６ＧＰａ以下の圧力で焼結することが望ましい。この条件で焼結を行うことにより実質的に気孔が存在せず、隣接するダイヤモンド粒子の一部が接触、結合した焼結体を得られると予測される。このように、１ＧＰａ以上の超高圧下で焼結することにより、焼結体中には全く気孔が存在しない形で焼結が可能となる（気孔率０％）。すなわち、焼結体中の気孔は熱伝導を阻害する因子であるから、気孔が全く存在しないことにより、高い熱伝導率を実現できる訳である。実際、このような条件で焼結した焼結体の微細組織をＴＥＭ（透過電子顕微鏡）で観察したところ、図３に示すとおりダイヤモンド粒子同士が結合している。また、この焼結体の密度を測定したところ、ほぼ理論値と一致しており、ダイヤモンドと銅との組成比に従って、４．０５ｇ／ｃｍ³ から５．７ｇ／ｃｍ³ の間で変化した。焼結体の密度は特にダイヤモンドの体積比率の好ましい範囲が７０〜８０％であるという理由で４．５５〜５．１５ｇ／ｃｍ³ とするのが好ましい。

また、本発明は焼結体中の酸素（銅の酸化物）も熱伝導を阻害する要因であり、酸素量が０．０２５重量％以下で高い熱伝導率を実現できることを見出したことに基づくものである。ここで、焼結体中酸素量を０．０２５重量％以下にするためには、１）銅よりも酸化しやすい金属を原料と同じカプセルに封入すること、２）カプセルを真空中あるいは不活性ガス中でシールすることで実現できる。

以下に本発明に係る高熱伝導性ダイヤモンド焼結体を用いたヒートシンク及びその製造方法を要約すると、次のとおりである。すなわち、本発明は、内部に気孔を含まず、粒度分布のピークが５μｍ以上１００μｍ以下であるダイヤモンド粒子を焼結体全体に対して６０体積％以上９０体積％以下含有し、残部が実質的に銅からなり、前記焼結体を構成するダイヤモンド粒子のうち、少なくとも複数個の粒子同士が直接結合しており、かつ前記焼結体を構成する銅が実質的に酸化しておらず、焼結体中の酸素量が０．０２５重量％以下である高熱伝導性ダイヤモンド焼結体であって、その表面加工したものを母材とし互いに対向する少なくとも１組２面以上の表面に金属膜が被覆されていることを特徴とする半導体搭載用ダイヤモンドヒートシンクである。ここで用いられる高熱伝導性ダイヤモンド焼結体は次のようにして製造される。

１．粒径が５μｍ以上１００μｍ以下のダイヤモンド粒子からなる粉末と無酸素銅板とを接するように配置し、該銅板と接してＩＶａ、Ｖａ金属のうちの１種もしくは２種以上の板を挿入した金属カプセルを真空中もしくは不活性ガス中もしくは還元ガス中で封止する工程と、該金属カプセルを１ＧＰａ以上６ＧＰａ以下、好ましくは４ＧＰａ以上６ＧＰａ以下の圧力、１１００℃以上１５００℃以下、好ましくは１１００℃以上１２００℃以下の温度で処理することで、ダイヤモンド粉末体に溶融した銅を溶浸させた後、圧力を保持した状態で９００℃以下まで下げて銅を凝固させる工程と、その後に圧力と温度を常圧、常温に戻し、カプセルを回収する工程と、を有する高熱伝導性ダイヤモンド焼結体の製造方法及び

２．粒径が５μｍ以上１００μｍ以下のダイヤモンド粒子からなる粉末と純度９９．９％以上の高純度銅粉末とを混合し、該混合粉末を装填した金属カプセルを真空中もしくは不活性ガス中もしくは還元ガス中で封止する工程と、該金属カプセルを１ＧＰａ以上６ＧＰａ以下、好ましくは４ＧＰａ以上６ＧＰａ以下の圧力、１１００℃以上１５００℃以下、好ましくは１１００℃以上１２００℃以下の温度で処理することで、銅粉末を融解した後、圧力を保持した状態で温度９００℃以下まで下げて銅を凝固させる工程と、その後に圧力と温度を常圧、常温に戻しカプセルを回収する工程、とを有する高熱伝導性ダイヤモンド焼結体の製造方法。

このようにして超高圧・高温下で焼結・作製したダイヤモンド−銅複合焼結体の熱伝導率に影響を及ぼす要因としては、ダイヤモンドと銅の比率、ダイヤモンド粒子の純度、焼結体中の不純物量、ダイヤモンド粒子のサイズ等が挙げられる。

ダイヤモンドと銅の体積比率に関しては、ダイヤモンドの配合比率が高ければ高いほど熱伝導率は高くなるが、逆に熱膨張係数は小さくなる。搭載する半導体の種類によって最適な熱膨張係数は異なるため、本発明に開示する比率の範囲で熱膨張係数から最適な体積比率を定めればよく、粉末を混合する方法では配合比で制御可能であり、銅板を使用して含浸させる方法では下記のダイヤモンド粒子の粒度分布によってコントロールでき、微粒成分を多くすれば銅の含有比率が多くなり、粗粒成分を多くすれば銅の含有率が少なくなる傾向にある。

ダイヤモンド粒子の純度は高純度であればあるほど熱伝導率にとっては好ましいが、そのような高純度の粒子を入手するコストは高いため、コストの観点から市販ダイヤモンド粒子の最高級グレードの窒素含有量である１０ｐｐｍ以上２００ｐｐｍ以下、好ましくは５０ｐｐｍ以上１５０ｐｐｍ以下であれば、所望の熱伝導率を得ることができる。
焼結体を構成するダイヤモンドおよび銅の純度は、高ければ高い方が熱伝導率は高く特性的には好ましい。従って、可能な限り純度を高めるためにカプセル作製の際に、真空もしくは不活性ガス中で封入することが必要である。しかしながら、従来の方法で超高圧・高温下でこのカプセルを処理すると、カプセルが一部破れるため非常に微量であるが銅が酸化されることは不可避であり、図１の焼結体のＸ線回折結果に示すとおり微量の酸化第一銅（Ｃｕ₂Ｏ）、酸化第二銅（ＣｕＯ）が存在する。

本発明の方法では、たとえカプセルの一部が破れたとしても、ＩＶａ、Ｖａ金属、すなわち、チタン、バナジウム、ジルコニウム、ニオブ、ハフニウム、タンタルはいずれも、銅と比較して高温下での酸化物生成エネルギーが低いために、銅の酸化を防ぐ役割を果たす。本発明の方法で焼結した焼結体をＸ線回折で分析した結果、図４に示すとおり、全く酸化物は検出されず、ダイヤモンドと銅のピークのみが確認できた。

ダイヤモンド粒子のサイズに関しては、前記の効果の他に、一般的にサイズが大きい方が粒界による影響が少なくなるため、熱伝導率は高くなる。しかしながら、ヒートシンク製品を製造する際、焼結体素材の切断や研磨工程において、ダイヤモンドの粒子径が大きすぎるとチッピング等が生じやすく加工性が悪いという問題が生じる。従って、ダイヤモンド粒子の粒径は５μｍ以上１００μｍ以下、好ましくは１０μｍ以上８０μｍ以下、さらに好ましくは２０μｍ以上５０μｍ以下であると高い熱伝導率を維持したままで後加工時の問題が生じない。

次に、この焼結体の熱膨張係数はダイヤモンドと銅との体積比率によって決まる。ダイヤモンドの熱膨張係数が２．３×１０^-6／Ｋに対して、銅の熱膨張係数は１６．７９×１０^-6／Ｋと大きく焼結体中の銅の比率を増やせば熱膨張係数が大きくなることは自明である。本発明者らはダイヤモンドと銅との体積比率（％）を変化させた材料の熱膨張係数（×１０^-6／Ｋ）を調べたところ図５に示す関係にあることを見いだした。この関係から、目標とするＳｉ，ＩｎＰ，ＧａＡｓといった半導体材料に近い熱膨張係数の範囲である３．０〜６．５×１０^-6／Ｋ、好ましくは４．０〜６．０×１０^-6／Ｋを実現するダイヤモンドの体積含有率は６０％以上９０％以下、好ましくは７０％以上８０％以下である。特に半導体ヒートシンク用途で使用する場合にこの範囲が好ましい。ダイヤモンドと銅との体積含有率を制御するには前記のとおりダイヤモンド粒子の粒径によって制御することや銅粉末を出発原料とする場合はダイヤモンドと銅との配合比率によって制御可能である。

本発明の別の実施形態の半導体搭載用ヒートシンクでは、互いに対向する少なくとも１組２面以上の表面が、ニッケル、クロム、チタン、タンタルから選ばれる少なくとも１種類の金属、もしくはそれらの合金によって被覆され、さらにその外側表面が、モリブデン、白金、金、銀、錫、鉛、ゲルマニウム、インジウムから選ばれる少なくとも１種類の金属、もしくはそれらの合金層によって少なくとも１層もしくは複数層被覆されていることを特徴とする。半導体素子に用いられるヒートシンクの最表面は半導体素子とのハンダ付け性の良い金属が被覆されていることが望ましい。そのためにまずダイヤモンドと親和性の高い金属であるニッケル、クロム、チタン、及びタンタルからなる群より選ばれた少なくとも１種を含む金属がヒートシンクと接する面に被覆することにより、金属層の密着強度を向上させる。中でも銅と化合物を生成しないニッケルは加熱によっても銅と反応して変質しない点で好ましい。さらに半導体素子と接する表面にはハンダ付け性の良いモリブデン、白金、金、銀、錫、鉛、ゲルマニウム、インジウムの金属のうち、１種類もしくは複数種の金属を１種あるいは多層被覆することで、半導体素子とヒートシンクの接合を確実なものとすることができる。

本発明による半導体搭載用ダイヤモンドヒートシンクでは、半導体素子が搭載される面の平面度が３０μｍ／１０ｍｍ以下であること、半導体素子が搭載される面の面粗度がＲａ０．５μｍ以下であること、半導体素子が搭載される面の辺を構成する少なくとも１つの稜線の欠けおよび先端の曲率半径が３０μｍ以下であることなどが、ヒートシンクとして高い性能を発揮するために好適である。半導体が搭載される面の平坦度が長さ１０ｍｍに対して３０μｍ以上になると、半導体素子とヒートシンクの間に空隙が発生する部分ができたり、ろう材の厚さが厚い部分ができて、その部分の熱伝導が悪くなる。また、半導体が搭載される面の面粗度がＪＩＳ Ｂ０６０１で規定される算術平均粗さ（Ｒａ）で０．５μｍを超えると、前記平坦度が悪い場合と同様に、半導体素子とヒートシンクの間に空隙が発生する部分ができたり、ろう材の厚さが厚い部分ができて、その部分の熱伝導が悪くなる。

搭載される半導体素子が半導体レーザーの場合には、活性層の端部から発射される光線とヒートシンクが干渉しないように、半導体レーザー素子の出射側の活性層端部の稜線と、ヒートシンクの稜線が一致するように搭載される。この活性層の直下、特に稜線部に３０μｍ以上の欠けがあったり、稜線部の曲率半径が３０μｍ以上になると、活性層で発生した熱のヒートシンクへの放散の妨げになる。

上述のとおり、本発明による高熱伝導性ダイヤモンド焼結体は、成分の最適化を図ることにより、熱伝導率５００Ｗ／ｍ・Ｋ以上でかつ熱膨張係数３．０〜６．５×１０^-6／ＫというＩｎＰやＧａＡｓ半導体素子用のヒートシンクとして理想的な特性を実現することができた。また、本焼結体は従来のＳｉ素子用のヒートシンクとして使用できることは言うまでもない。

更に、上述の高熱伝導率焼結体を利用した半導体搭載用ヒートシンクを作製するためには、焼結体素材を所定の形状、大きさに加工した後、半導体チップと接合させるための金属膜被覆を施す必要がある。
通常、焼結体素材の厚みを所定の寸法・面粗さに仕上げる加工を行った後に、ヒートシンクとして要求される形状、寸法に切断する。この切断後の素材に金属膜の被覆を施し、半導体搭載用ヒートシンクとして使用される。なお、本明細書及び請求の範囲で「所定の」という記載は、「製品として要求される」又は「製品で要求される目的の」という意味で用いている。

例えば、ダイヤモンド−銅複合焼結体の表面に金属膜を被覆する工程においては、表面酸化膜を弱酸性溶液で洗浄した後、電解メッキ、無電解メッキ、スパッタリング、イオンプレーティング、蒸着からなる１種またはこれらの組合せによって金属膜の被覆を行うのが一般的であり、切断は放電ワイヤー加工若しくはレーザー加工のいずれかを用いて行うことができる。
まず、焼結体素材を所定の厚み、面粗度に仕上げる加工方法としては、レジンボンドのダイヤモンド砥石を装着した研磨機を用いて乾式研磨で仕上げる方法と、レジンボンドもしくはビトリファイドボンドのダイヤモンド砥石を装着した平面研削盤を用いて湿式研削で仕上げる方法のいずれを用いてもよい。

前記の方法で表面仕上げを行う場合、砥石裏面を水冷することにより砥石表面の温度管理を行うことが、焼結体中の銅の酸化を抑制するためには望ましい。この方法で研磨した面の７０％以上の面積は平坦な面になったダイヤモンド粒子が表面に露出している。このように表面の大部分にダイヤモンドが露出した面には、通常の電解メッキでは十分な密着強度をもった膜の被覆ができないため、第１層目の金属膜はスパッタリング法により被覆するのが好ましい。第２層目以降の金属膜はめっき法、スパッタリング法、イオンプレーティング法のいずれの方法を用いてもよい。

後記の方法で表面仕上げを行う場合、砥石が焼結体中のダイヤモンド粒子を脱落させると同時に、銅を引き延ばしながら加工される効果により、表面の７０％以上の面積は銅で覆われた状態となる。このように、表面の大部分が銅からなる場合は、通常の電解メッキで十分な密着強度をもつ膜の被覆が可能である。

前記説明のとおり、焼結体素材の表面加工方法によって、全表面積の７０％以上をダイヤモンド粒子が表面に露出する加工法（乾式研磨法）と銅が表面を覆う加工方法（湿式研削法）があり、それぞれの場合に応じた後加工（めっき若しくはコーティング）を施すことにより、いずれの場合もヒートシンクとしての機能を十分果たすことができる。

本発明を要約すると、本焼結体は、超高圧・高温下で焼結したものであるが、結合材である銅の酸化を防止することにより、従来の焼結ダイヤモンドでは達成できなかった高い熱伝導率を維持できる。常圧焼結では、焼結体中に空隙を含むので熱伝導率は高くならない。また、本発明の焼結体素材を用いて半導体搭載用ヒートシンクを作製するためには、所定の形状、寸法に加工した後に金属膜の被覆を施すが、表面加工方法に応じて、素材表面の状態は異なり、第１層の被覆方法を変える必要がある。

次に本発明の詳細を実施例及び参考例、比較例により説明するが限定を意図するものではない。

（参考例１）
表１に示す所定の粒径の市販ダイヤモンド粉末と純度が９９．９％で粒径１５μｍアンダーの銅粉とを表１の配合比率で混合し該混合粉を、ニオブ板、チタン板とともに図６の構成で内径２５ｍｍ、深さ５ｍｍのモリブデン製の容器に充填し、２ｔ／ｃｍ² の荷重でプレスし、厚さ２ｍｍの圧粉体にした。この圧粉体を装填した容器にロウ材を介してモリブデン製の蓋をし、真空中で加熱することにより容器と蓋とをロウ付け封止した。また、比較例として、同様のカプセルに充填したダイヤモンド粒径が５μｍに満たないもの、真空封止、チタン板なしのダイヤモンド粒径が５〜１００μｍのものを同様の工程で準備したものを第１表の比較例１〜１６に示す。

これらの容器をベルト型超高圧発生装置に装填し、圧力５ＧＰａ、温度１１００℃の条件で５分間保持した後、温度を５００℃まで下げた状態で３０分間保持すると同時に圧力を徐々に大気圧まで下げた。回収したモリブデン容器の上下を平面研削盤で研削して成形体を得た。この成形体を長さ１０ｍｍ、幅４ｍｍ、厚み１ｍｍに加工して、試料の両端に温度差をつけて試料中の温度勾配から熱伝導率を求める方法（定常法）にて熱伝導率測定を行った。同じ試料を縦型熱膨張計にて室温から３００℃まで加熱して熱膨張の測定を行った。各ダイヤモンド粒径の熱伝導率、熱膨張係数、密度を測定した結果を表１にまとめる。表中、銅粉配合比率および銅含有率はいずれも焼結体全体に対する体積％を示す。また密度は、銅とダイヤモンドの配合比率で理論的に計算できる。表１はそのことを示している。

（参考例２）
表１に示す所定の粒径の市販ダイヤモンド粉末の構成で内径２５ｍｍ、深さ５ｍｍのモリブデン製の容器に充填し、２ｔ／ｃｍ² の荷重でプレスし、厚さ２ｍｍの圧粉体にした。圧粉体に接して直径２５ｍｍ、厚み０．５ｍｍの無酸素銅板を配し、その上に直径２５ｍｍ、厚み０．１ｍｍのＺｒ箔を配した。このように装填した容器にロウ材を介してモリブデン製の蓋をし、真空中で加熱することにより容器と蓋とをロウ付け封止した。また、比較例として、真空封止、Ｚｒ板なしのもの同様の工程で準備したものを表２の比較例１７〜１８に示す。

これらの容器をベルト型超高圧発生装置に装填し、圧力５ＧＰａ、温度１１００℃の条件で５分間保持した後、温度を５００℃まで下げた状態で３０分間保持すると同時に圧力を徐々に大気圧まで下げた。回収したモリブデン容器の上下を平面研削盤で研削して成形体を得た。この成形体を長さ１０ｍｍ、幅４ｍｍ、厚み１ｍｍに加工して、試料の両端に温度差をつけて試料中の温度勾配から熱伝導率を求める方法（定常法）にて熱伝導率測定を行った。同じ試料を縦型熱膨張計にて室温から３００℃まで加熱して熱膨張の測定を行った。各ダイヤモンド粒径の熱伝導率、熱膨張係数、密度を測定した結果を表２にまとめる。同時に発光分光分析法で銅の重量％を分析し体積含有率に換算した表を示す。

（実施例１）
参考例１で作製した焼結体を厚み０．５ｍｍになるように放電加工で加工を行った後、表裏両面を＃４００のダイヤモンド砥石でラッピングした。ラッピングされた焼結体を出力３ＷのＹＡＧレーザーを用いて３ｍｍ×１ｍｍの寸法に切断加工した。切断加工後の切断端部の欠けおよびラッピング面の面粗さを測定した結果を表３に示す。同様に比較例としてダイヤモンドの粒径１１０μｍ（比較試料１４）、１３０μｍ（比較試料１５）を参考例１と同様の方法で焼結し、加工テストを行ったのでそれも示す。

（実施例２）
参考例１で作成したNo.１１の焼結体を、放電加工で厚さを約０．５ｍｍに加工した後上下面を研削して、直径５０ｍｍ厚さ０．３５ｍｍの平面円板を作製した。砥石の裏面側に冷却液を噴射する機構を備えた研磨装置にダイヤモンド砥石を取り付け、砥石温度を４０℃以下で管理しながら前記で得られた複合焼結体の平面円板を両面について研磨した。２０時間の研磨で面粗さＲａ０．０８μｍ、平面度５０μｍ／５０ｍｍ、厚さ０．３ｍｍに仕上げた。

上記焼結体円板をＹＡＧレーザーを用いて１０．０×２．０×０．３ｍｍに切断加工した。この直方体の稜線の欠けは最大７μｍで、平面度は５μｍ／１０ｍｍであった。直方体に加工されたダイヤモンド−銅複合焼結体を水素雰囲気で８００℃×３時間加熱して表面に存在する酸化銅を除去した。この焼結体に対してマグネトロンスパッタ装置を用いてＮｉ１μｍ、白金０．５μｍ、金０．１μｍを多層被覆した。さらに蒸着装置を用いて金と錫の合金ハンダを３μｍ被覆して半導体搭載用ヒートシンクとした。

得られた半導体搭載用ヒートシンクに半導体レーザー素子を搭載し光出力を測定した。比較のため同寸法の他材質のヒートシンクに付いて光出力を測定した。結果を表４にまとめる。

ＣＶＤダイヤモンドとＡｌＮは絶縁材料のため、多層被覆膜のみが導通個所となり、被覆膜で熱が発生し半導体レーザー素子の温度上昇を招くため、高い光出力が得られない。

（実施例３）
参考例２で作成したNo.２７の焼結体を、放電加工で厚さを約０．４ｍｍに加工した後上下面を研削して、直径５０ｍｍ、厚さ０．３ｍｍの平面円板を作製した研磨後の面粗さは、Ｒａ０．０８μｍであった。
上記焼結体円板を電圧１１０Ｖ、放電時間０．１５秒、ワイヤー張力１２００ｇの条件で切断した後に電圧４Ｖ、放電時間０．０５秒、ワイヤー張力１２００ｇの条件で切断断面を仕上げる放電切断条件で１．０×２．０×０．３の直方体を得た。この直方体の稜線の欠けは最大８μｍであった。直方体に加工されたダイヤモンド−銅複合焼結体を、水素雰囲気で８００℃×２時間加熱して表面に存在する酸化銅を除去した。この焼結体の表面全面にニッケルを１μｍメッキし、さらにマグネトロンスパッタ装置を用いて同じく表面全面に白金を０．２μｍ被覆した。さらに蒸着装置を用いて金と錫の合金ハンダを半導体素子が搭載される面に３μｍ被覆して半導体搭載用ヒートシンクとした。

得られた半導体搭載用ヒートシンクに、半導体レーザー素子を図７に断面の模式図を示した構成で搭載し、半導体レーザーからの光出力を測定した。比較のため同寸法の他材質のヒートシンクに付いて光出力を測定した。結果を表５にまとめる。

本発明によれば、例えば、高出力の半導体レーザーや高性能ＭＰＵなどのような、サイズが大きく熱負荷の高い半導体素子を搭載するのに最適な、高熱伝導度と熱膨張のマッチングとを併せ持ったヒートシンクを提供することができる。また、熱伝導率および熱膨張率という特性を自在に調整することができるので、搭載する素子の特徴、設計に合わせて最適なヒートシンクを選択できる。

従来の方法によって作製した焼結体をＣｕＫαを光源とするＸ線回折で分析した結果である。 固体と液体の界面の濡れ性を説明する概念図である。 本発明の方法により作製した焼結体をＴＥＭで観察した結果である。 本発明における実施例によって作製した焼結体をＣｕＫαを光源とするＸ線回折で分析した結果である。 ダイヤモンド含有量と熱膨張係数の関係を示す。 参考例１に用いたカプセル構成図を示す。 実施例３によって作成したヒートシンクに半導体レーザー素子を搭載した断面模式図である。 上記添付図面中、図６は、後述する参考例１で用いているカプセルの構成を示す模式図で、本発明に係るダイヤモンド粉末と銅粉との混合粉からなる圧粉体を装填した容器をモリブデン製の蓋をして封止した状態を示す。図中、１はモリブデン蓋、２はモリブデンカプセル、３はロウ材、４はチタン板、５はニオブ板及び６は圧粉体を示す。 図７で、１はダイヤモンド−銅複合焼結体、２は半導体レーザー素子、３は半導体レーザー素子の活性層、４は第１金属被覆層（ニッケル）、５は第２金属被覆層（白金）、６は第３金属被覆層（金錫合金）、７はロウ材及び８は銅製の基体を示す。

Claims (7)

1. 内部に気孔を含まず、粒度分布のピークが５μｍ以上１００μｍ以下であるダイヤモンド粒子を焼結体全体に対して６０体積％以上９０体積％以下含有し、残部が実質的に銅からなり、前記焼結体を構成するダイヤモンド粒子のうち、少なくとも複数個の粒子同士が直接結合しており、かつ前記焼結体を構成する銅が実質的に酸化しておらず、焼結体中の酸素量が０．０２５重量％以下である高熱伝導性ダイヤモンド焼結体であって、その表面加工したものを母材とし互いに対向する少なくとも１組２面以上の表面に金属膜が被覆されていることを特徴とする半導体搭載用ダイヤモンドヒートシンク。
2. 互いに対向する、少なくとも１組２面以上の表面が、ニッケル、クロム、チタン、タンタルから選ばれる少なくとも１種類の金属、もしくはそれらの合金によって被覆され、さらにその外側表面が、モリブデン、白金、金、銀、錫、鉛、ゲルマニウム、インジウムから選ばれる少なくとも１種類の金属、もしくはそれらの合金層によって少なくとも１層もしくは複数層被覆されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体搭載用ダイヤモンドヒートシンク。
3. 半導体素子が搭載される面の平面度が３０μｍ／１０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体搭載用ダイヤモンドヒートシンク。
4. 半導体素子が搭載される面の面粗度がＲａ０．５μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体搭載用ダイヤモンドヒートシンク。
5. 半導体素子が搭載される面の辺を構成する少なくとも１つのエッヂの欠けおよび曲率半径が３０μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半導体搭載用ダイヤモンドヒートシンク。
6. ダイヤモンド−銅複合焼結体の表面に金属膜を被覆する工程において、表面酸化膜を弱酸性溶液で洗浄した後、電解メッキ、無電解メッキ、スパッタリング、イオンプレーティング、蒸着からなる１種またはこれらの組合せによって金属膜の被覆を行うことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の半導体搭載用ダイヤモンドヒートシンクの製造方法。
7. ダイヤモンド−銅複合焼結体を切断し、所定の形状、および大きさを得る工程において、放電ワイヤー加工もしくはレーザー加工のいずれかを用いて切断することを特徴とする請求項５に記載の半導体搭載用ダイヤモンドヒートシンクの製造方法。
   

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