JPS6012747A - エレクトロニクスデバイス用ヒートシンクおよびその製造法 - 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】 （イ）技術分野 ダイヤモンドは既知の如く、最も熱伝導度の良い物質で
あり、工業的用途も大きい材質である。

ところが、天然のダイヤモンド原石の場合には、含有チ
ッ装置によって、熱伝導度が著しく異なる性質を有して
いる。含有チン素置が多い方が熱伝導度が小さくその値
は室温で含有チッ装置により２４Ｗ／ｃＩｙＩＬ〜６Ｗ
／’（：ｔｍ、程度変化する。この内、含有チソ装置が
ＩＰＰＭ以下のダイヤモンドを選別し、ｌｌａタイプ（
窒素量が更゛に多いものをＩａタイプと称する。）と称
している。このｌｌａタイプのダイヤモンドハ・殆んと
が２０Ｗ／ｊ以」二と言う高い熱伝導度を示し、高熱を
発生する半導体レーザー、ダイオード、マイクロ波発振
素子等のエレクトロニクス用デバイスの放熱用ヒートシ
ンクとして、用いられている。近年こう言った分野の発
達は著しく、ダイヤモンドヒートシンクの需要も急速に
伸びている。本発明は、このエレクトロニクス用デバイ
スに用いるダイヤモンドヒートシンクに関するものであ
る。

（ロ）従来技術と問題点 しかしながら、天然産１１ａ型グイセモンドは、産出量
が少なく、極めて高価である為、デバイス性能の高信頼
性、及びデバイスの長寿命が要求される。通信用半導体
レーザーあるいはマイクロ波用ダイオード用ヒートシン
クに限られることが多い。又、同じＩｌａタイプダイヤ
モンド原石でも、チッ素含有量によって、熱伝導度が変
化する為、安定性に欠けると言う欠点が有る。又、ダイ
ヤモンドは、最も硬い物質であることも良く知られてい
る。この為加工が極めて難しい。一般にダイヤモンドを
加工する場合には、ナタネ油にダイヤモンド粉末を混ぜ
たペースト状のものを、鋳物製の円盤に塗布し、この円
盤を高速回転させ、その上に、ダイヤモンドを押し当て
て、研摩する方法がとられる。この場合ダイヤモンドは
結晶面による摩耗特性が著しく異なる。（１００）面、
（１１１）面、（１１０）面における摩耗特性を表−１
に示す。

表　１ 注）摩耗量は、各面内における最も削 り易い方向で研摩したもの。

従って、（１１０）面を研摩すれば良く削れるが、誤ま
って（１１１）面を研摩すると、鋳物製の円盤ばかり削
ってしまい、ダイヤモンドは、殆んど削れない状態とな
る。この為、ダイヤモンド原石の面方位を正しく判定す
る事は、ダイヤモンドを加工する上で不可欠の条件であ
る。天然原石の多くは、１１０面よりなる１２面体、あ
るいは（ｉ　ｉ　ｇ面よりなる８面体で構成されている
が、面と１ａｉの境界の稜が融解しているものが多く、
面方位を探すのは、熟練を要し、誤ることも多い。又、
殆んどの面が、曲面よりなっている為、かなりのダイヤ
部分を研摩しなければならない。その為加工費と、点は
、エレクトロニクス用デバイスの電極としてダイヤモン
ド表面を用いる為、金のコーティングを表面に施さなけ
ればならない。その際の技術が難かしく、充分な表面強
度が全てのヒートシンクに亘って得られず歩留りが悪い
ことにある。ダイヤモンドの表面は、極めて活性化して
おり、酸素が極めて多く付着している。この為単に、金
を蒸着しただけでは、ダイヤモンドとの密着強度が低く
、デバイス及びリード線等を接着することが出来ない。

通常は、Ｔｉ　、　Ｃｒ等の酸素と反応し易すい金属を
、先ず、イオンブレーティング、スパッタリング等の方
法で、コテイングしその上に金を同方法あるいは蒸着方
法でコーティングし、ヒートシンクとして用いている。

この場合、Ｔｉ、Ｃｒ等をコーティングする際の表面処
理及びコーティング条件が螢しく、ダイヤモンドと、コ
ーテイング膜の間に、充分な接着強度が得られず、リー
ド線を接着した場合、コーテイング膜が剥離することが
有る。

（ハ）発明の構成 本発明により、前述の各問題点に対し、人工合成ダイヤ
モンドを用いることにより安定した高熱伝導度を有し、
かつ加工がし易すいダイヤモンドヒートシンクを供給す
るものである。先づ第一に、ダイヤモンド原石の熱伝導
度が安定した高い範囲内あるチッ装置の同定について説
明する。ヒートシンクに用いられる人工合成ダイヤモン
ドは、主に砥粒合成に用いられる膜成長法と、温度差法
とで作られるがここでは、第１図に示すような一般に温
度差法と呼ばれる方法で合成される、人工ダイヤモンド
原石を使った場合について述べる。チッ素含有量は成長
速度を１　ｍ　ｇ／ｂ〜３．５ｍｇ／ｈまで変えて、１
０〜１５０ＰＰＭまで変化させた。成長速度を制御する
手段は当初、第１図中の炭素と、ダイヤモンド種結晶物
質の間隔を変えること（溶媒長さを変える）によって温
度差を変えることでｉｊなったが、成長速度の再現性は
余り良くなかった。

従って本発明では、第２図に示す如く、ダイヤモンド種
結晶物質の下に、熱伝導の良いＭＯ等の高融点金属円板
を敷き、その円板の厚みを変えることで、下方に散逸さ
れる熱量を変化させ、ダイヤモンド種結晶物質と炭素源
間の温度差を変え成長速度を変える方法をとった所、成
長速度のバラツキは小さくなった。チッ素含有量の測定
は、赤外吸収測定器により、ダイヤモンド原石の１１’
３０ＣＩ４−１の、吸収係数を正確に測定することに同
定した。

第５図に吸収係数と、含有チッ装置の関係を示す。

又、上記方法によって合成したダイヤモンド原石の成長
速度と、含有チッ装置の関係を第４図に示す。図は、ニ
ッケル溶媒を用いているが、他の溶媒についても同一の
結果が得られた。その結果１１０ＰＰ〜１５０ＰＰＭの
チッ素を含有するＩｂ型のダイヤモンド原石が得られた
。これらのダイヤモンドの熱伝導度を測定した所、第５
図に示すような結果が得られた。その結果、１０ＰＰＭ
〜１１００ＰＰの範囲内では、熱伝導度がほぼ一定で高
い値を示すが、１５０ＰＰＭになると、熱伝導度は、低
い値を示し出す。このことから、チッ装置が１０〜１０
ＤＩ”ＰＭの範囲内にある人工合成ダイヤモンドから作
成されたヒートシンクが高熱伝導度を有し、バラツキの
少ない・慶れたエレクトロニクスデバイス用ヒートシン
クであることが判かる。合成ダイヤ一方天然ダイヤモン
ドでは窒素が特定の結晶面に数百オングストロームの単
位で凝集析出している。

これは結晶の成長環境の差に基づくものである。

が、本発明のＩｂ型合成ダイヤモンドでは窒素を固溶し
ているため熱伝導の低下は少い。第二番１」の問題点と
しては、天然瞑石（Ｉｌａのタイプ）より、ダイヤモン
ドヒートシンクを加工する際上記のような欠点があった
。

■面方位が良く判からす、研摩部（よく研摩出来る面）
を誤まることがある。

■ダイヤ面は、曲面が多く加工代が多く加工時間も掛か
る。

本発明では、結晶１／７７が明確な人工合成ダイヤモン
ド（第６図ｄ照）を用いることによってダイヤ結晶面の
面方位が簡１１４−に°ｒＩＪ別出来研摩面を１キ（ま
ることもない。さらに、結晶面が平面からなっている為
に、成長した状態の結晶面をそのまま使用することが可
能である。成長した状態の結晶面をそのまま利用した例
の幾つかを第７図に示す。ダイヤモンドヒートシンクは
、さらにこの上に、金等の金属をコーティングしなけれ
ばならない。普通ある程度の大きさに成長した結晶面は
、成長ステップが残っている場合が多い。やはりコーテ
ィングの際、大きなステップが残っているのは好ましく
ない。この大きなステップをなくすには、溶媒又は、炭
素源中にケイ素を添加すると殆んど研摩したと同一の滑
らかな結晶面が得られる。また、ケイ素を含んでいる場
合には、Ｔｉ　、　Ｃｒ等のイオンブレーティング、ス
パツタリングの際、Ｔｉとケイ素等のケイ化物を作るた
めなのか、コーテイング膜の強度が上がる。しかし合成
ダイヤモンド中に含まれるケイ素の量は、１ｏｏｐｐＭ
以下が望ましい。

に）発明の効果 」二連の本発明の如く、チッ素含有量が１０〜１００　
Ｐ　Ｉ’　Ｍの人工に合成ダイヤモンド原石）型を用い
れば、熱伝導が高く　（天然１１ａと等しい）バラツキ
の少ない高品質のエレクトロニクスデバイス用ヒートシ
ンクが得られる。又、天然１１２型より安価な人工合成
ダイヤ原石を用いさらに、天然ダイヤモンド原石に比較
して加工がし易すく加工代が少なく、しかも結晶面の一
部をそのまま加工なしで、ヒートシンクの一部として使
用出来ることにより安価なエレクトロニクスデバイス用
ヒートシンクカ本発明により供給出来る。上記のような
効果がある。

ｅつ　実施例 実施例１ 第２図で示すような温度差法により、六−八面体からな
る０、４＋ｊの合成ダイヤモンドを作った。

用いた溶媒は鉄、ニッケル合金、合成温度は、１４５０
°Ｃ１圧力は、５．６ＧＰ合成時間は、４８時間であっ
た。赤外分光２：（で測定したチッ素含イｆ量は、４８
ＰＰＭであった。この原石を用いて、レーサーで、０．
８ｍｍ厚にスライス状にカットした。このスライス状の
ダイヤモンドの両面を研摩し０．５［の厚みにしく１０
０）面が、側面になるようにして、レーザーで１ｍｍ×
１ｙｎｍにカットした。さらにカノトシたダイヤの一面
を、４５°の角度で而取りをし、酸処理した後イオンブ
レーティングで、Ｔ＋　、　Ａｕをコーティングした。

完成したヒートシンクの−１−に、半導体レーザーを取
り付は性能テストを行なった所、天然＋１ａ型ヒートシ
ンクに取り（１けた場合と同一のＮ／８比が得られ、又
レーザー寿命も同一であった。

【図面の簡単な説明】

図中１はダイヤモンド種結晶、２は溶媒、６は炭素源、
４は圧力媒体、５は加熱用ヒーター。 ６は圧力媒体、７はＭｏ等の円板を示す。第６図は、チ
ッ素濃度を横軸に、吸収係数をたて軸に取り、Ｉｂ型と
、Ｉａ型の吸収係数とチッ素濃度との関係をそれぞれ示
す。第４図はチッ素濃度と成長速度の関係を示す。第５
図は、各温度（横軸）に対する■ａ（天然）とＩｂ１）
内はチッ素含有量を示すＩとＩａ　（天然）型ダイヤモ
ンドの熱伝導率を示す。第６図は、一般的な人工合成ダ
イヤモンド単結晶の形を示す。第７図は、人工合成ダイ
ヤモンド原石からヒートシンクを作り出す時、結晶成長
面をそのまま、ヒートシンクの表面とする例を示す。 第１（２）　第２図 手続補正書（方式） １．事件の表示 昭和５８年特許願　第１２０４７５号 ２、発明の名称 エレクトロニクスデバイス用ヒートシンク３、補正をす
る者 事件との関係　特許出願人 住　所　大阪市東区北浜５丁目１５番地名称（２１３）
住友電気工業株式会社 社長　用上哲部 ４、代理人 住　所　大阪市此花区島屋１丁目ｉＢａ号住友電気工業
株式会社内 ６、補正の対象 明細書中、図面の簡単な説明の欄 ７、補正の内容 明細書第１１頁１行目１４図面の簡単な説明」の下行に
「第１図は従来法によるダイヤモンド合成方法を示し、
第２１８１は本発明による合成方法」を挿入する。 手　続　補　正　書 １．事件の表示 昭和　５８年　特許願　第　１２０４７５　号２、発明
の名称 エレクトロニクスデバイス用ヒートシンク３、補正をす
る者 社長用上哲部 ４、代理人 ６、補正により増加する発明の数 ７、補正の対象 願書及び明細書中、発明の名称の欄及び、特許請求の範
囲の欄、及び図面。 ８、補正の内容 （１）願書及び明細書中の発明の名称を「エレクトロニ
クスデバイス用ヒートシンクおよびその製造法」に訂正
する。 （２、特許請求の範囲を別紙の通り訂正する。 （３）図面（第５図）を別紙の通り訂正する。 （４）明細書第２頁第１７行目「れる。通信用」を「れ
る通信用」と訂正する。 （５）同書第３頁の表１の中の条件の欄を下記に訂正す
る。 表　１ （６）回書第５頁の第１７行目の「範囲ある」を［範囲
にある」と訂正する。 （７）同書第６頁第４行目の「１０〜１５０ＰＰＭＪを
「窒素含有量を５〜１５０ＰＰＭＪと訂正する。 （８）′同書同頁箱１７行目の「ことに同定した。」を
「ことで測定した。」と訂正する。 （９）同１寸第７頁第２行目から３行目のｒｌＯＰＰＭ
〜＋５０ＰＰＭＪを［５〜＋５０ＰＰＭＪと訂正する。 （１０）同書同頁第６行目ｒ　ＩＯＰＰＭ　−１１００
ＰＰ　Ｊを「５〜１０１００ＰＰと訂正する。 （１１）同書第７頁第９行目［１０〜１０１００ＰＰを
「５〜１０１００ＰＰと訂正する。 （Ｉ２）同１■第９頁第９行［Ｉの次に下記を挿入する
。 「本願発明の別の特徴は面方位の判定しやすい人工合成
Ｉｂ型ダイヤモンドを用いることにより、最大面積をを
する加工面を（Ｉ０）面に容易に選ぶことができる。こ
の理由は表１に記載の通り（１１Ｇ）面は削りよい面で
あり、この而の加工量を多くしたエレクトロニクスデバ
イス用ヒートシンクは、その加工費が安価であるためよ
り実用的である。 例えば第７図のＤに示すヒートシンクでは最大面積を有
する平面部は（＋１０）面である。」（Ｉ３）同書第９
頁第１１行目ｒ　１０−　＋００ＰＰＭ　Ｊを「５〜１
０１００ＰＰと訂正する。 特許請求の範囲 「（１）含有する窒素量が、５〜１１００ＰＰであるＩ
ｂ型ダイヤモンド結晶を用いたことを特徴とするエレク
トロニクスデバイス用ヒートシンク。 （２）含有スル窒素ｍ　ｈ＜　、５〜１１００ＰＰ　１
’あるＩｂ型ダイヤモンド結晶を特定の結晶面で加工し
たことを特徴とするエレクトロニクスデバイス用ヒート
シンクの製造法。 （３）少なくとも一面に未加工の結晶成長面を残したこ
とを特徴とする特許請求の範囲第０項記載のエレクトロ
ニクスデバイス用ヒートシンクの製造法。 （４）加工された結晶面のうちで最大面積を有する結晶
面が（１１Ｇ）面であることを特徴とする特許請求の範
囲第０項記載のエレクトロニクスデバイス用ヒートシン
クの製造法。」

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）含有する窒素量が、−〜１１００ＰＰであるＩｂ
   τＱ）　ダイヤモンド結晶の少なくとも一面に、未加工
   の結晶成長面を残したことを特徴とする特許請求の範囲
   第（１）項記載のエレクトロニクスデバイス用ヒートシ
   ンク。