JP5940244B2 - アルミニウム−ダイヤモンド系複合体及びその製造方法 - Google Patents
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Description
近年、半導体素子の技術の進歩に伴い、素子の高出力化、高速化、高集積化が進み、ますます、その放熱に対する要求は厳しくなってきている。この為、一般には、ヒートシンク等の放熱部品に対しても、高い熱伝導率が要求され、熱伝導率が390W/mKと高い銅(Cu)が用いられている。
よって、高い熱伝導率と半導体素子に近い熱膨張率を兼ね備えつつも、表面のめっき性及び表面の面粗さを改善させた複合材料が求められている。
上記構成からなるアルミニウム−ダイヤモンド系複合体は、高熱伝導かつ半導体素子に近い熱膨張率を有し、さらには、表面のめっき性が向上され、表面の面粗さが小さい。
2 複合化部
3 表面層
4 多孔質体からなる型材
5 金属板
6 離型材を塗布した離型板
7 ダイヤモンド粉末
8 外周部
9 穴部
10 セラミックス繊維
本明細書において、「〜」という記号は「以上」及び「以下」を意味する。例えば、「A〜B」というのは、A以上でありB以下であるという意味である。
本実施形態に係るアルミニウム−ダイヤモンド系複合体(図1の1)は、ダイヤモンド粒子とアルミニウムを主成分とする金属とを含む平板状のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体であって、上記アルミニウム−ダイヤモンド系複合体1は複合化部(図1の2)及び上記複合化部2の両面に設けられた表面層(図1の3)からなり、上記表面層3がアルミニウムを主成分とする金属を含む材料からなり、上記ダイヤモンド粒子の含有量が、上記アルミニウム−ダイヤモンド系複合体1全体の40体積%〜70体積%であることを特徴とする。
本発明に好適な方法は、高圧下で含浸を行う高圧鍛造法であり、熱伝導率等の特性に優れた緻密な複合体を得るには溶湯鍛造法が好ましい。溶湯鍛造法とは、一般的に、高圧容器内に、ダイヤモンド等の粉末又は成形体を装填し、これにアルミニウム合金等の溶湯を高温、高圧下で含浸させて複合材料を得る方法である。
原料であるダイヤモンド粉末は、天然ダイヤモンド粉末もしくは人造ダイヤモンド粉末のいずれも使用することができる。また、該ダイヤモンド粉末には、必要に応じて、例えばシリカ等の結合材を添加してもよい。結合材を添加することにより、成形体を形成することができるという効果を得ることができる。
ここで、溶湯鍛造法にてアルミニウム合金が含浸し得る多孔質体からなる型材4の材料としては、溶湯鍛造法にてアルミニウム合金が含浸できる多孔質体であれば特に制約はない。しかし、該多孔質体としては、耐熱性に優れ、安定した溶湯の供給が行える、黒鉛、窒化ホウ素、アルミナ繊維等の多孔質体等が好ましく用いられる。
また、緻密な離型板6としては、ステンレス板やセラミックス板を使用することができ、溶湯鍛造法にてアルミニウム合金が含浸されない緻密体であれば特に制限はない。また、離型板に塗布する離型剤については、耐熱性に優れる、黒鉛、窒化ホウ素、アルミナ等の離型剤が好ましく使用できる。さらには、離型板の表面をアルミナゾル等によりコーティングした後、上記離型剤を塗布することにより、より安定した離型が行える離型板を得ることができる。
本実施形態に係るアルミニウム−ダイヤモンド系複合体中のアルミニウム合金(アルミニウムを主成分とする金属)は、含浸時にダイヤモンド粉末の空隙中(ダイヤモンド粒子間)に十分に浸透させるために、なるべく融点が低いことが好ましい。
このようなアルミニウム合金として、例えばシリコンを5〜25質量%含有したアルミニウム合金が挙げられる。シリコンを5〜25質量%含有したアルミニウム合金を用いることにより、アルミニウム−ダイヤモンド系複合体の緻密化が促進されるという効果を得ることができる。
なお、上記操作により得られたアルミニウム−ダイヤモンド系成形体には、アニール処理を行ってもよい。アニール処理を行うことにより、上記アルミニウム−ダイヤモンド系成形体内の歪みが除去され、より安定した熱伝導率特性を有するアルミニウム−ダイヤモンド系複合体を得ることができる。
次に、本実施形態に係るアルミニウム−ダイヤモンド系成形体の加工方法の例を説明する。上記アルミニウム−ダイヤモンド系成形体は、非常に硬い難加工性材料であるが、ウォータージェット加工機により、外周部(側面部)(図3の8)及び穴部(図3の9)の加工を行い、アルミニウム−ダイヤモンド系複合体に加工することができる。その結果、得られたアルミニウム−ダイヤモンド系複合体は、図1もしくは図3のような、外周部8及び穴部9に複合化部2が露出する構造となる。
本実施形態に係るアルミニウム−ダイヤモンド系複合体では、複合化部(図1の2)の両面がアルミニウムを主成分とする金属(アルミニウム合金)を含む材料からなる表面層(図1の3)で被覆されていることを特徴とする。
本実施形態に係るアルミニウム−ダイヤモンド系複合体は、両面がアルミニウムを主成分とする金属を含む材料からなる表面層3で被覆された構造を有しているため、この表面層3を加工(研磨)することにより、表面精度(表面粗さ:Ra)を調整することができる。この表面層3の加工は、通常の金属加工で採用される加工方法が採用でき、例えばバフ研磨機等を用いて研磨を行い、表面粗さ(Ra)を1μm以下とすることができる。
本実施形態に係るアルミニウム−ダイヤモンド系複合体では、上記ダイヤモンド粒子とアルミニウム合金との複合化部(図1の2)を有する。
本実施形態に係るアルミニウム−ダイヤモンド系複合体は、半導体素子のヒートシンクとして用いる場合、半導体素子と半田付けにより接合して用いられることが多い。よって、アルミニウム−ダイヤモンド系複合体の接合表面には、めっきを施してもよい。
めっき厚みが0.5μm以上であれば、めっきピンホールや半田付け時の半田ボイド(空隙)の発生を防ぐことができ、半導体素子からの放熱特性を確保することができる。また、めっきの厚みが10μm以下であれば、低熱伝導率のNiめっき膜の影響を受けず、半導体素子からの放熱特性を確保することができる。Niめっき膜の純度に関しては、半田濡れ性に支障をきたさないものであれば特に制約はなく、リン、硼素等を含有していてもよい。
次に、実施形態2に係るアルミニウム−ダイヤモンド系複合体について説明する。実施形態2に係るアルミニウム−ダイヤモンド系複合体は、図4に示すように、充填されたダイヤモンド粉末7と離型剤を塗布した緻密な離型板6との間に、セラミックス繊維10を配置してアルミニウム合金を複合化することにより得ることができる。
上記アルミニウム−セラミックス複合材料からなる表面層は、めっき性及び面精度の関係より、アルミニウム合金以外の含有量は20体積%未満が好ましい。アルミニウム合金以外の含有量が20体積%未満であれば、表面層を容易に加工できるという効果を得ることができる。
以下、上記実施形態1及び2に係るアルミニウム−ダイヤモンド系複合体の作用効果について説明する。
市販されている高純度のダイヤモンド粉末A(平均粒子径:190μm)、高純度のダイヤモンド粉末B(平均粒子径:100μm)、高純度のダイヤモンド粉末C(平均粒子径:50μm)及びアルミニウム粉末(平均粒子径:50μm)を表1に示す配合比で混合した。
40mm×40mm×2mmの表3に示す離型板に、アルミナゾルをコーティングして温度350℃で30分間焼き付け処理を行った後、黒鉛系離型剤を表面に塗布して離型板(図2の6)を作製した。そして、60mm×60mmの外形で、中央部に40mm×40mmの内径の穴を有する表3に示す型材(充填治具)(図2の4)に、ダイヤモンド粉末A(平均粒子径:190μm)が、体積/充填体積=60体積%となるように離型板5で両面を挟むように充填して積層体とした。
実施例1と同様の方法により、高純度のダイヤモンド粉末A(平均粒子径:190μm)、を用いて積層体を作製し、60mm×60mm×1mmの黒鉛系離型剤を塗布したステンレス板(図2の5)を挟んで複数個を積層し、両面に12mm厚みの鉄板を配置して、M10のボルト6本で連結して面方向の締め付けトルクが10Nmとなるようにトルクレンチで締め付けて一つのブロックとした。
40mm×40mm×2mmのステンレス板(SUS430材)に、アルミナゾルをコーティングして温度350℃で30分間焼き付け処理を行った後、黒鉛系離型剤を表面に塗布して離型板(図4の6)を作製した。
これらの積層体は、60mm×60mm×1mmの黒鉛系離型剤を塗布したステンレス板(図4の5)を挟んで複数個を積層し、両面に12mm厚みの鉄板を配置して、M10のボルト6本で連結して面方向の締め付けトルクが10Nmとなるようにトルクレンチで締め付けて一つのブロックとした。この段階で、セラミックス繊維は、圧縮され両面に配置された合計の厚みは、0.4mmになっていた。
実施例1にて、ウォータージェット加工後の25mm×25mm×2mm形状のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体を超音波洗浄した後、表7に示す各種条件で無電解めっき処理を行い、複合体の表面にめっき層を形成した。得られためっき品のめっき厚みを測定した結果を表7に示す。
Claims (10)
- 多孔質体からなる型材に、離型剤を塗布した離型板でセラミックス繊維又はアルミニウム箔を介して挟む構造にてダイヤモンド粒子を充填して、前記型材、前記離型板、前記セラミックス繊維又はアルミニウム箔及び前記充填されたダイヤモンド粒子からなる構造体とする工程と、
前記構造体を600〜750℃で加熱する工程と、
アルミニウム合金の融点以上に加熱したアルミニウム合金を圧力20MPa以上で前記充填されたダイヤモンド粒子に含浸させ、両面がアルミニウムを主成分とする表面層で被覆された平板状のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体を作製する工程とを含むことを特徴とする、ダイヤモンド粒子とアルミニウムを主成分とする金属とを含む平板状のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体の製造方法であって、
前記アルミニウム−ダイヤモンド系複合体は複合化部及び前記複合化部の両面に設けられた表面層からなり、
前記表面層がダイヤモンド粒子を含まないアルミニウムを主成分とする金属を80体積%以上含有する材料からなり、
前記ダイヤモンド粒子の含有量が、前記アルミニウム−ダイヤモンド系複合体全体の40体積%〜70体積%であり、前記ダイヤモンド粒子は、前記表面層の表面から0.02mmの部分には存在せず、
前記表面層の厚さが0.03mm以上0.3mm以下である、製造方法。 - 前記平板状のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体を作製する工程の後、ウォータージェット加工又は放電加工により、前記平板状のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体の側面部及び穴部の加工を行う工程をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体の製造方法。
- 前記表面層の表面に、Niめっき層又はNiめっきとAuめっきの二層のめっき層を厚さが0.5〜10μmとなるように設けてなることを特徴とする請求項1又は2に記載の製造方法。
- 前記表面層がアルミニウム−セラミックス複合材料からなることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか一項に記載の製造方法。
- 前記表面層がアルミニウムを主成分とする金属を80体積%以上含有することを特徴とする請求項1ないし4のいずれか一項に記載の製造方法。
- 前記表面層の表面粗さ(Ra)が、1μm以下であることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか一項に記載の製造方法。
- 前記平板状のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体の厚みが0.4〜6mmであることを特徴とする請求項1ないし6のいずれか一項に記載の製造方法。
- 前記アルミニウム−ダイヤモンド系複合体の温度が25℃のときの熱伝導率が400W/mK以上であり、前記アルミニウム−ダイヤモンド系複合体の温度が25℃から150℃における熱膨張係数が5〜10×10−6/Kであることを特徴とする請求項1ないし7のいずれか一項に記載の製造方法。
- 溶湯鍛造法によりアルミニウム−ダイヤモンド系複合体を製造することを特徴とする請求項1ないし8のいずれか一項に記載の製造方法。
- 前記平板状のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体が穴部を有し、前記平板状のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体の側面部及び前記穴部が、前記複合化部が露出してなる構造であることを特徴とする請求項1ないし9のいずれか一項に記載の製造方法。
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