アルミニウム−ダイヤモンド系複合体及びその製造方法
【課題】
高い熱伝導率と半導体素子に近い熱膨張率を兼ね備え、さらには、半導体素子のヒートシンク等として使用するのに好適なように、表面の面粗さ、平面度を改善したアルミニウム−ダイヤモンド系複合体を提供する。
【解決手段】
ダイヤモンド粒子を４０体積％〜７０体積％含有し、残部がアルミニウムを含有する金属で構成され、厚みが０．４〜６ｍｍの板状又は凹凸部を有する板状のアルミニウム−ダイヤモンド系複合材料であって、両主面が厚み０．０５〜０．５ｍｍのアルミニウム−セラミックス系複合体で被覆され、且つ側面部及び穴部がアルミニウム−ダイヤモンド系複合体が露出してなる構造であることを特徴とするアルミニウム−ダイヤモンド系複合体を提供する。
高い熱伝導率と半導体素子に近い熱膨張率を兼ね備え、さらには、半導体素子のヒートシンク等として使用するのに好適なように、表面の面粗さ、平面度を改善したアルミニウム−ダイヤモンド系複合体を提供する。
【解決手段】
ダイヤモンド粒子を４０体積％〜７０体積％含有し、残部がアルミニウムを含有する金属で構成され、厚みが０．４〜６ｍｍの板状又は凹凸部を有する板状のアルミニウム−ダイヤモンド系複合材料であって、両主面が厚み０．０５〜０．５ｍｍのアルミニウム−セラミックス系複合体で被覆され、且つ側面部及び穴部がアルミニウム−ダイヤモンド系複合体が露出してなる構造であることを特徴とするアルミニウム−ダイヤモンド系複合体を提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム−ダイヤモンド系複合体及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、光通信等に用いられる半導体レーザー素子や高周波素子等の半導体素子では、同素子から発生する熱を如何に効率的に逃がすかが、動作不良等を防止する為に非常に重要である。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。
【０００３】
一方、個々の半導体素子は、高出力化に伴いその寸法が大きくなってきており、半導体素子と放熱に用いる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。これらの問題を解決する為には、高熱伝導という特性と半導体素子との熱膨張率のマッチングを両立するヒートシンク材料の開発が求められている。このような材料として、金属とセラミックスの複合体、例えばアルミニウム（Ａｌ）と炭化珪素（ＳｉＣ）の複合体が提案されている。（特許文献１）
【０００４】
しかしながら、Ａｌ−ＳｉＣ系の複合体においては、如何に条件を適正化しても熱伝導率は３００Ｗ／ｍＫ以下であり、銅の熱伝導率以上の更に高い熱伝導率を有するヒートシンク材料の開発が求められている。このような材料として、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率とを組み合わせて、高熱伝導率で且つ熱膨張係数が半導体素子材料に近い、金属−ダイヤモンド複合体が提案されている。（特許文献２）
【０００５】
また、特許文献３では、ダイヤモンド粒子の表面にβ型のＳｉＣ層を形成することで、複合化時に形成される低熱伝導率の金属炭化物の生成を抑えると共に、溶融金属との濡れ性を改善して、得られる金属−ダイヤモンド複合体の熱伝導率を改善している。
【０００６】
更に、ダイヤモンドは非常に硬い材料である為、金属と複合化して得られる金属−ダイヤモンド複合体も同様に非常に硬く、難加工性材料である。このため、金属−ダイヤモンド複合体は、通常のダイヤモンド工具では、殆ど加工することが出来ず、小型で種々の形状が存在するヒートシンクとして、金属−ダイヤモンド複合体を使用するには、如何に低コストで形状加工を行うかが課題である。この様な課題に対して、金属−セラミックス複合体は、通電が可能であり、放電加工等による加工方法も検討されている。
【０００７】
【特許文献１】特開平９−１５７７７３号公報
【特許文献２】特開２０００−３０３１２６号公報
【特許文献３】特表２００７−５１８８７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記のようなヒートシンク用材料の使用形態としては、通常、半導体素子の発熱を効率よく放熱する為に、半導体素子に対してヒートシンクがロウ材等で接合される形で接触配置されている。従来の金属−ダイヤモンド複合体の場合、接合面にダイヤモンド粒子が露出していため、接合面の面粗さが粗く、その結果、接触界面の熱抵抗が増大して好ましくない。このため、ヒートシンク用材料に求められる特性として、表面の面粗さを如何に小さくするかといった課題がある。
【０００９】
この課題を解決する手段として、アルミニウム−ダイヤモンド系複合体の表面にアルミニウム合金層を形成することが提案されている。この手法により、表面の面粗さは改善できる。しかし、アルミニウム合金層は、アルミニウム−ダイヤモンド系複合体に比べ熱膨張率が３倍程大きく、この熱膨張率差により、ヒートシンク自体の反りが発生し平面度が低下するといった課題がある。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、表面の面粗さ、平面度を改善させた複合材料が求められている。
【００１０】
即ち、本発明の目的は、高い熱伝導率と半導体素子に近い熱膨張率を兼ね備え、さらには、半導体素子のヒートシンク等として使用するのに好適なように、表面の面粗さ平面度を改善したアルミニウム−ダイヤモンド系複合体を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
即ち、本発明に係るアルミニウム−ダイヤモンド系複合体は、ダイヤモンド粒子とアルミニウムを含有する金属とを含む板状又は凹凸部を有する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は複合化部及び該複合化部の両面に設けられた表面層からなり、該表面層が厚み０．０５〜０．５ｍｍのアルミニウム−セラミックス系複合体からなり、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全体の４０体積％〜７０体積％であることを特徴とする。
【００１２】
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、表面の面粗さ及び平面度が小さい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係るアルミニウム−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、表面の面粗さ及び平面度が小さいため、半導体素子の放熱用ヒートシンク等として好ましく用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施形態１に係るアルミニウム−ダイヤモンド系複合体の構造図
【図２】実施形態１に係るアルミニウム−ダイヤモンド系複合体の複合化前の構造層体の断面図
【図３】実施形態１に係る複合化後のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体の構造図
【図４】実施形態１に係る研削加工後のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体の構造図
【図５】実施形態１に係るアルミニウム−ダイヤモンド系複合体の斜視図
【図６】実施形態２に係るアルミニウム−ダイヤモンド系複合体の複合化前の構造層体の断面図
【図７】実施形態２に係るアルミニウム−ダイヤモンド系複合体の構造図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
［用語の説明］
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。
【００１６】
本明細書において、「両面」とは平板状に形成されたアルミニウム−ダイヤモンド系複合体の上下両方の面を意味する。また、本明細書において、「側面部」とは、平板状に形成されたアルミニウム−ダイヤモンド系複合体の側面、即ち、上記両面とは略垂直の部分を意味する。
【００１７】
また、本明細書において、「穴部」とは、本発明の部品を他の放熱部材にネジ止めするために設ける、平板状のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体の上下面を貫くように加工される貫通穴を意味する。
【００１８】
以下、図を用いて、本発明に係るアルミニウム−ダイヤモンド系複合体及びその製造方法の実施形態を説明する。
【００１９】
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含有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−セラミックス系複合体からなり、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。
【００２０】
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、表面の面粗さ及び平面度が小さい。
【００２１】
以下、本実施形態に係るアルミニウム−ダイヤモンド系複合体について、溶湯鍛造法による製造方法を説明する。
【００２２】
ここで、アルミニウム−ダイヤモンド系複合体の製法は、大別すると含浸法と粉末冶金法の２種がある。このうち、熱伝導率等の特性面から、実際に商品化されているのは、含浸法によるものが多い。含浸法にも種々の製法が有り、常圧で行う方法と、高圧下で行う高圧鍛造法がある。高圧鍛造法には、溶湯鍛造法とダイキャスト法がある。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。
【００２３】
［ダイヤモンド粉末］
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。
【００２４】
上記ダイヤモンド粉末の粒度に関しては、熱伝導率の点から、平均粒子径が５０μｍ以上の粉末が好ましく、更に好ましくは、平均粒子径が１００μｍ以上である。ダイヤモンド粒子の粒子径の上限に関しては、得られる複合体の厚み以下であれば、特性上の制限はないが、５００μｍ以下であれば、安定したコストで複合体を得ることができるので好ましい。また、ダイヤモンド粒子の充填率を上げるため、平均粒子径が１００μｍ以上のダイヤモンド粉末６０体積％〜８０体積％と、平均粒子径が３０μｍ以下のダイヤモンド粉末２０体積％〜４０体積％を粒度配合して用いることが、更に好ましい。
【００２５】
そして、アルミニウム−ダイヤモンド系複合体中のダイヤモンド粒子の含有量は、４０体積％以上７０体積％以下が好ましい。ダイヤモンド粒子の含有量が４０体積％以上であれば、得られるアルミニウム−ダイヤモンド系複合体の熱伝導率を十分に確保できる。また、充填性の面より、ダイヤモンド粒子の含有量が７０体積％以下であることが好ましい。７０体積％以下であれば、ダイヤモンド粒子の形状を球形等に加工する必要がなく、安定したコストでアルミニウム−ダイヤモンド系複合体を得ることができる。
【００２６】
溶湯鍛造法によって得られる複合体は、適切な条件であれば溶湯が粉末同士の空隙間に行き渡るので、充填体積に対する粉末の体積の割合が、得られる複合体全体の体積に対する粉末材料の体積（粒子の含有量）とほぼ等しくなる。
【００２７】
更に、上記ダイヤモンド粒子の表面にβ型炭化珪素の層を形成したダイヤモンド粉末を使用することにより、複合化時に形成される低熱伝導率の金属炭化物（Ａｌ４Ｃ３）の生成を抑えることができ、且つ、溶湯アルミニウムとの濡れ性を改善することができる。その結果、得られるアルミニウム−ダイヤモンド系複合体の熱伝導率が向上するという効果を得ることができる。
【００２８】
溶湯鍛造の準備として、アルミニウム合金が含浸し得る多孔質体からなる型材（図２の４）、セラミックス多孔体（図２の５）、離型剤を塗布した緻密な離型板（図２の６）及び上記ダイヤモンド粉末（図２の７）を図２に示すように配置することにより、型材４、離型板６、セラミックス多孔体５及び充填されたダイヤモンド粉末７からなる溶湯鍛造のための構造体とする。
【００２９】
ここで、図２は溶湯鍛造のための構造体の断面図であり、上記ダイヤモンド粉末が充填された部分についての断面図である。なお、溶湯鍛造法でアルミニウム合金とダイヤモンド粉末を複合化する際には、アルミニウム合金は、上記多孔質体からなる型材及びセラミックス多孔体を通ってダイヤモンド粉末が充填される部分に到達する。
【００３０】
［多孔質体からなる型材］
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。
【００３１】
［セラミックス多孔体］
また、セラミックス多孔体としては、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であり、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウムの少なくとも１種以上を含有する多孔体であり、得られるアルミニウム−セラミックス系複合体の熱伝導率の点から炭化珪素がより好ましい。セラミックス多孔体の気孔率は、溶湯鍛造法にてアルミニウム合金が含浸し得る気孔が必要であり、２０〜６０体積％である。一方、アルミニウム−セラミックス系複合体中のセラミックス含有量は、アルミニウム−ダイヤモンド系複合体とアルミニウム−セラミックス系複合体の熱膨張率差が小さくなるべく調整することが好まし。アルミニウム−ダイヤモンド系複合体とアルミニウム−セラミックス系複合体の熱膨張率差が大きい場合、その後の加工工程で、反り等が発生し好ましくない。また、図６に示す、凹面を有するセラミックス多孔体を用いることにより、図７に示す様な凹凸部を有する板状のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体を作製することもできる。
【００３２】
［離型板］
更に、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。
【００３３】
［アルミニウム合金］
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（アルミニウムを含有する金属）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。
【００３４】
更に、上記アルミニウム合金にマグネシウムを含有させることにより、ダイヤモンド粒子及びセラミックス粒子と金属部分との結合がより強固になるので好ましい。アルミニウム合金中のアルミニウム、シリコン、マグネシウム以外の金属成分に関しては、アルミニウム合金の特性が極端に変化しない範囲であれば特に制限はなく、例えば、銅等が含まれていても良い。
【００３５】
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、複合化時のダイヤモンド粉末の充填量により厚みを調整することができ、その厚みは０．４〜６ｍｍが好ましい。該厚みが０．４ｍｍ未満の場合、ヒートシンク等として用いるのに十分な強度が得られず好ましくない。該厚みが６ｍｍを超える場合、材料自体が高価となると共に、本発明の高熱伝導という効果が十分に得られなくなり好ましくない。
【００３６】
得られた構造体は、複数枚を更に積層してブロックとし、このブロックを６００〜７５０℃程度に加熱する。そして、該ブロックを高圧容器内に１個または２個以上配置し、ブロックの温度低下を防ぐために出来るだけ速やかに、融点以上に加熱したアルミニウム合金の溶湯を給湯して２０ＭＰａ以上の圧力で加圧する。
【００３７】
ここで、ブロックの加熱温度は、６００℃以上であれば、アルミニウム合金の複合化が安定し、十分な熱伝導率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。また、加熱温度が７５０℃以下であれば、アルミニウム合金との複合化時に、ダイヤモンド粒子表面のアルミニウムカーバイド（Ａｌ４Ｃ３）の生成を抑制でき、十分な熱伝導率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。
【００３８】
また、含浸時の圧力に関しては、２０ＭＰａ以上であればアルミニウム合金の複合化が安定し、十分な熱伝導率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。さらに好ましくは、含浸圧力は、５０ＭＰａ以上である。５０ＭＰａ以上であれば、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。
【００３９】
［アニール処理］
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。
【００４０】
得られたアルミニウム−ダイヤモンド系成形体の表面に影響を与えずに、成形体中の歪みのみを除去するには、上記アニール処理は、温度４００℃〜５５０℃の条件で１０分間以上行うことが好ましい。
【００４１】
［加工方法］
次に、本実施形態に係るアルミニウム−ダイヤモンド系複合体の加工方法の例を説明する。上記アルミニウム−ダイヤモンド系複合体は、非常に硬い難加工性材料である。このため、図３の複合化後のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体の外周部に存在するアルミニウム−セラミックス系複合体（図３の３）をダイヤモンド工具、ダイヤモンド砥粒等を用い研削加工し、アルミニウム−ダイヤモンド系複合体（図４の２）の両面が表面に厚みが０．０５〜０．５ｍｍのアルミニウム−セラミックス系複合体からなる表面層（図４の３）で被覆されている構造体を作製する。
【００４２】
次に、図４のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体を、ウォータージェット加工機やレーザー加工機により、外周部（側面部）（図５の８）及び穴部（図５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５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。
【００４３】
ここで、上記穴部９は、図５に示すように、他の放熱部品にネジ止めできるよう、上下面を貫くように設けられていればよい。また、外周部と連結したＵ字形状のような形状に加工することで、加工コストを削減することもできる。
【００４４】
また、本実施形態に係るアルミニウム−ダイヤモンド系成形体は導電性材料であるので、放電加工機を用いても、外周部８及び穴部９の加工を行うことができる。得られたアルミニウム−ダイヤモンド系複合体は、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。
【００４５】
なお、本実施形態に係るアルミニウム−ダイヤモンド系成形体は、通常のダイヤモンド工具等を用いた加工も可能ではあるが、非常に硬い難加工性材料であるため、工具の耐久性や加工コストの面から、ウォータージェット加工機、レーザー加工機又は放電加工機による加工が好ましい。
【００４６】
［表面層］
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）の両面が表面に厚みが０．０５〜０．５ｍｍのアルミニウム−セラミックス系複合体からなる表面層（図１の３）で被覆されていることを特徴とする。
【００４７】
このアルミニウム−セラミックス系複合体は、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウムの少なくとも１種以上を含有するセラミックス多孔体に溶湯鍛造法にてアルミニウム合金を含浸し得る。得られるアルミニウム−セラミックス系複合体の熱伝導率の点からセラミックスとしては、炭化珪素がより好ましい。アルミニウム−セラミックス系複合体のセラミックス含有量は、４０体積％〜８０体積％であり、アルミニウム−ダイヤモンド系複合体とアルミニウム−セラミックス系複合体の熱膨張率差が小さくなるべく調整することが好まし。アルミニウム−ダイヤモンド系複合体とアルミニウム−セラミックス系複合体の熱膨張率差が大きい場合、その後の加工工程で、反り等が発生し好ましくない。
【００４８】
また、本発明では、アルミニウム−セラミックス系複合体を事前に作製したのち、アルミニウム−ダイヤモンド系複合体を作製する工程で接合して、図３のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体を作製することもできる。
【００４９】
また、上記表面層３の厚みは、０．０５ｍｍ以上０．５ｍｍ以下が好ましい。表面層３（アルミニウム−セラミックス系複合体）の厚みが０．０５ｍｍ以上であれば、目標とする面精度（表面粗さ）を得ることが容易となる。また、表面層３の平均厚みが０．５ｍｍ以下であれば、得られるアルミニウム−ダイヤモンド系複合体１の厚みにもよるが、複合体１に占める複合化部２の十分な厚みが得られ、十分な熱伝導率を確保することができる。
【００５０】
一方、表面層３の厚みが０．０５ｍｍ未満では、表面層３より部分的にアルミニウム−ダイヤモンド系複合体が露出し、表面粗さが粗くなり好ましくない。一方、表面層３の厚みが０．５ｍｍを超えると、得られるアルミニウム−ダイヤモンド系複合体１の厚みにもよるが、複合体１に占める複合化部２の十分な厚みが得られず、十分な熱伝導率を確保することができなく好ましくない。表面層３の厚みに関しては、極力薄い方が熱伝導率の点からは好ましく、より好ましくは０．０５〜０．２０ｍｍである。
【００５１】
［表面層の加工］
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−セラミックス系複合体からなる表面層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）、平面度を調整することができる。この表面層３の加工は、ダイヤモンド砥粒や砥石を用いた加工方法が採用でき、例えば研削盤等により研削加工を行った後、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。
【００５２】
更に、この表面層３を加工することで、表面層の平均厚みを調整することもできる。本実施形態に係るアルミニウム−ダイヤモンド系複合体は、ヒートシンク等の放熱部品として使用する場合、接合面の熱抵抗を考慮すると、表面粗さが小さい平滑な面であることが好ましく、その表面粗さ（Ｒａ）は１μｍ以下が好ましく、更に好ましくは、０．５μｍ以下である。表面粗さが１μｍ以下であることにより、接合層の厚みを均一にすることができ、より高い放熱性を得ることができる。
【００５３】
また、上記表面層２の平面度についても、５０ｍｍ×５０ｍｍサイズに換算して、１００μｍ以下であることが好ましく、更に好ましくは５０μｍ以下である。該平面度が１００μｍ以下であることにより、半田層の厚みを均一にすることができ、より高い放熱性を得ることができる。
【００５４】
［複合化部］
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及び図７の２）を有する。
【００５５】
上記表面層３と複合化部２との境界は、顕微鏡等でアルミニウム−ダイヤモンド系複合体の断面を観察した際に、上記表面層３と複合化部２とは、目視できるような境界を有さなくてもよい。このような構造のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体では、上記表面層３と複合化部２の熱膨張率の差が小さく、表面層３と複合化部２との間に応力が生じにくく、研磨等で力が加わった時に、表面層３が破損することがない。
【００５６】
［めっき処理］
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、半導体素子とロウ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。
【００５７】
めっき処理の方法は特に限定されず、無電解めっき処理、電気めっき処理法のいずれでもよい。アルミニウムへのめっき処理の場合、Ｎｉめっきまたは、半田濡れ性を考慮してＮｉめっきとＡｕめっきの二層めっきを施す。この場合のめっきの厚みは０．５以上１５μｍ以下であることが好ましい。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１５μｍ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。
【００５８】
更に、本発明では、めっき密着性を改善すべく、アルミニウム−ダイヤモンド系複合体表面を洗浄後、表面に厚みが０．０５〜２．０μｍのアルミニウム層を形成する。アルミニウム層厚みが０．０５μｍ未満では、アルミニウム層未着部分が発生または、めっきの前処理等でアルミニウム層が反応し、ピンホールの発生により、未メッキ部分が生じ、耐薬品性が低下して好ましくない。一方、アルミニウム層厚みが２．０μｍを超えると、アルミニウム層と金属基複合材料の線熱膨張係数が異なる為、両材料の熱膨張差による応力の発生、剥離の発生があり好ましくない。アルミニウム層厚みに関しては、より好ましくは０．３〜０．６μｍである。
【００５９】
アルミニウム層の形成方法としては、蒸着法又は、スパッタリング法により厚み０．０５〜２．０μｍに形成する。アルミニウム層を構成するアルミニウム合金としては、純アルミニウムまたはアルミニウムを７０質量％以上含有するアルミニウム合金である。アルミニウムの含有量が７０質量％未満では、ジンケート処理による十分な密着のあるＮｉめっきが行えなくなるため好ましくない。アルミニウム合金中のアルミニウム、シリコン以外の金属成分に関しては、極端に特性が変化しない範囲であれば特に制限はなく、例えばマグネシウム、銅等が含まれていても良い。
【００６０】
また、本発明では、アルミニウム−ダイヤモンド系複合体表面のアルミニウム−セラミックス系複合体とアルミニウム層との密着性を向上させるため窒素、アルゴン、水素、ヘリウム又は真空雰囲気中で、温度４６０〜６５０℃で１分間以上加熱処理を行う。酸化性雰囲気下で処理を行うと、表面に酸化膜が形成され、その後のめっき不良が生じるため、好ましくない。温度は好ましくは、４８０〜５７０℃である。温度が４６０℃未満では、複合体とアルミニウム層の密着が悪くなってしまい、６５０℃を超えると、アルミニウム層が溶解してしまい、表面粗さが悪化してしまい好ましくない。
【００６１】
また、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、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、２５℃から１５０℃における熱膨張係数が５×１０−６〜１０×１０−６／Ｋであることが好ましい。
【００６２】
２５℃での熱伝導率が４００Ｗ／ｍＫ以上であり、２５℃から１５０℃の熱膨張係数が５×１０−６〜１０×１０−６／Ｋであれば、高熱伝導率かつ半導体素子と同等レベルの低膨張率となる。そのため、ヒートシンク等の放熱部品として用いた場合、放熱特性に優れ、また、温度変化を受けても半導体素子と放熱部品との熱膨張率の差が小さいため、半導体素子の破壊を抑制できる。その結果、高信頼性の放熱部品として好ましく用いられる。
【００６３】
〈作用効果〉
以下、上記実施形態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。
【００６４】
上記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及び図７の１）は、ダイヤモンド粒子とアルミニウムを含有する金属とを含む板状又は凹凸部を有する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及び図７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及び図７の３）からなり、上記表面層３がアルミニウム−セラミックス系複合体からなり、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。
【００６５】
上記構成からなるアルミニウム−ダイヤモンド系複合体１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、平面度が小さいため、半導体素子の放熱用ヒートシンク等として好ましく用いられる。
【００６６】
さらに、上記表面層３の厚さが０．０５ｍｍ以上０．５ｍｍ以下であるため、目標とする面精度を得ることが容易となり、また、十分な熱伝導率を確保することができる。
【００６７】
また、上記表面層３の表面粗さ（Ｒａ）が、１μｍ以下であるため、接合層の厚みを均一にすることができ、より高い放熱性を得ることができる。
【００６８】
また、上記平板状のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体１の厚みが０．４〜６ｍｍであるため、ヒートシンク等の放熱部品として用いるに十分な強度及び放熱特性を有するという効果を得ることができる。
【００６９】
また、上記アルミニウム−ダイヤモンド系複合体１の温度が２５℃のときの熱伝導率が４００Ｗ／ｍＫ以上であり、上記アルミニウム−ダイヤモンド系複合体１の温度が２５℃から１５０℃における熱膨張係数が５×１０−６〜１０×１０−６／Ｋであってもよい。このようにすれば、ヒートシンク等の放熱部品として用いた場合、放熱特性に優れ、また、温度変化を受けても半導体素子と放熱部品との熱膨張率の差が小さいため、半導体素子の破壊を抑制できるという効果を得ることができる。
【００７０】
また、上記アルミニウム−ダイヤモンド系複合体１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０．５〜１５μｍとなるように設けてもよい。このようにすれば、放熱部品等として使用する際に、高い放熱特性を確保することができる。
【００７１】
また、上記アルミニウム−ダイヤモンド系複合体１は、溶湯鍛造法により製造されてもよい。このようにすれば、熱伝導率等の特性に優れた緻密な複合体を得ることができる。
【００７２】
また、上記平板状のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体１が穴部９を有し、上記平板状のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体１の側面部８及び上記穴部９が、上記複合化部２が露出してなる構造であってもよい。このようにすれば、放熱部品等として使用する際に、ネジ等で固定することが可能となる。
【００７３】
上記アルミニウム−ダイヤモンド系複合体は、溶湯鍛造法にてアルミニウムを含有する金属が含浸し得るセラミックス多孔質体からなる型材に、ダイヤモンド粉末を充填して、多孔質体からなる型材に、離型剤を塗布した離型板で挟む構造にてダイヤモンド粉末を充填して、上記型材、上記離型板及び上記充填されたダイヤモンド粉末からなる構造体とする工程と、上記構造体を温度６００〜７５０℃で加熱する工程と、融点以上に加熱したアルミニウム含有する金属を圧力２０ＭＰａ以上で上記充填されたダイヤモンド粉末に含浸させ、周囲がアルミニウム−セラミックス複合体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材を作製した後、周囲のアルミニウム−セラミックス複合体を両主面のアルミニウム−セラミックス複合体厚みが０．５ｍｍ以下になるよう研削加工する工程とを含む製造方法から得られるものであってもよい。
【００７４】
このような製造方法により、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ため、半導体素子の放熱用ヒートシンク等として好ましく用いられるアルミニウム−ダイヤモンド系複合体を得ることができる。
【００７５】
また、上記製造方法では、上記両主面が厚み０．０５〜０．５ｍｍのアルミニウム−セラミックス系複合体で被覆された板状又は凹凸部を有する板状のアルミニウム−ダイヤモンド系複合材料を作製する工程の後、ウォータージェット加工、レーザー加工又は放電加工により、上記平板状のアルミニウム−ダイヤモンド系成形体の側面部及び穴部の加工を行いアルミニウム−ダイヤモンド系複合体とする工程をさらに含んでもよい。このような工程により、放熱部品等として使用する際に、ネジ等で固定することが可能となる。
【００７６】
以上、本発明に係るアルミニウム−ダイヤモンド系複合体及びその製造方法について、実施形態を挙げて説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。
【実施例】
【００７７】
以下に、実施例及び比較例を挙げて、本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００７８】
［実施例１〜７］
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：２０μｍ）各５０ｇに対し、シリカ粉末（平均粒子径：５μｍ）１６ｇ、珪素粉末（平均粒子径：１０μｍ）：１６ｇを混合した後、炭化珪素製のるつぼに充填し、アルゴン雰囲気下、温度１４５０℃で３時間加熱処理を行い、ダイヤモンド粒子表面にβ型炭化珪素の層を形成したダイヤモンド粉末を作製した。その後、各ダイヤモンド粉末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。
【００７９】
【表１】
【００８０】
次に、６０×６０×１ｍｍｔ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、６０×６０×８ｍｍｔの外形で、中央部に４０×４０×８ｍｍｔの穴を有する気孔率２０％の等方性黒鉛型材（図２の４）に、 表１の各ダイヤモンド粉末を４０×４０×３．１ｍｍｔの気孔率３５％の炭化珪素質多孔体５で両面を挟む様に充填して構造体とした。
【００８１】
上記構造体を、６０×６０×１ｍｍｔの黒鉛系離型剤を塗布した離型板（図２の６）を挟んで複数個積層し、両側に厚さ１２ｍｍ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。
【００８２】
次に、得られたブロックを、電気炉で温度６５０℃に予備加熱した後、あらかじめ加熱しておいた内径３００ｍｍのプレス型内に収め、シリコンを１２質量％、マグネシウムを１質量％含有する温度８００℃のアルミニウム合金の溶湯を注ぎ、１００ＭＰａの圧力で２０分間加圧してダイヤモンド粉末にアルミニウム合金を含浸させた。そして、室温まで冷却した後、湿式バンドソーにて離型板の形状に沿って切断し、挟んだ離型板をはがした。その後、含浸時の歪み除去のために５３０℃の温度で３時間アニール処理を行い、アルミニウム−ダイヤモンド系複合体を得た。
【００８３】
得られたアルミニウム−ダイヤモンド系複合体は、両面を平面研削盤で＃２３０のダイヤモンド砥石を用いて板厚２ｍｍまで研削加工した後、バフ研磨を行った。なお、実施例７は、両面を＃２３０のダイヤモンド砥石で研削加工したのみで、バフ研磨は行わなかった。
【００８４】
続いて、ウォータージェット加工機（スギノマシン製アブレッシブ・ジェットカッタＮＣ）により、圧力２５０ＭＰａ、加工速度５０ｍｍ／ｍｉｎの条件で、研磨砥粒として粒度１００μｍのガーネットを使用して、２５×２５×２ｍｍｔの形状に加工してアルミニウム−ダイヤモンド系複合体とした。
【００８５】
得られたアルミニウム−ダイヤモンド系複合体の断面を、工場顕微鏡で観察し両面の表面層（図１の３）の平均厚みを測定した。また、表面粗さ計による表面粗さ（Ｒａ）及び３次元輪郭形状測定による平面度を測定した。その結果を表２に示す。
【００８６】
また、ウォータージェット加工により熱膨張係数測定用試験体（３×２×１０ｍｍ）、熱伝導率測定用試験体（２５×２５×２ｍｍｔ）を作製した。それぞれの試験片を用いて、温度２５℃〜１５０℃の熱膨張係数を熱膨張計（セイコー電子工業社製；ＴＭＡ３００）で、２５℃での熱伝導率をレーザーフラッシュ法（理学電機社製；ＬＦ／ＴＣＭ−８５１０Ｂ）で測定した。その結果を表２に示す。
【００８７】
また、実施例１のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体の密度をアルキメデス法により測定した結果、３．１５ｇ／ｃｍ３であった。更に、実施例１について、曲げ強度試験体（３×２×４０ｍｍ）を作製し、曲げ強度試験機にて３点曲げ強度を測定した結果、３４０ＭＰａであった。
【００８８】
【表２】
【００８９】
また、上記のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体を超音波洗浄した後、蒸着法により複合体の表面に０．５μｍ厚のアルミニウム層を形成し、窒素雰囲気下で５００℃で３０分間加熱処理を行った。次に、表面にアルミニウム層を形成させたアルミニウム−ダイヤモンド系複合体に、無電解Ｎｉ―Ｐめっき、及びＡｕ電気めっきを行い、実施例１〜７に係るアルミニウム−ダイヤモンド系複合体の表面に８μｍ厚（Ｎｉ−Ｐ：６μｍ＋Ａｕ：２μｍ）のめっき層を形成した。得られためっき品について、ＪＩＳ Ｚ３１９７に準じて半田ぬれ広がり率の測定を行った結果、全てのめっき品で、半田ぬれ広がり率は８５％以上であった。
【００９０】
表２に示されるように、実施例１〜７に係るアルミニウム−ダイヤモンド系複合体は、表面粗さが０．１４〜０．９５μｍと非常に平滑であり、且つ平面度が６〜１２μｍであり、高熱伝導率及び半導体素子に近い熱膨張係数を有している。
【００９１】
［実施例８〜１９、比較例１〜３］
６０×６０×１ｍｍｔ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２の６）を作製した。そして、６０×６０×８ｍｍの外形で、中央部に４０×４０×８ｍｍ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）７０質量％及びダイヤモンド粉末Ｃ（平均粒子径：２０μｍ）３０質量％を混合した後、体積／充填体積＝６０体積％となるように４０×４０×ｍｍの表３に示すセラミックス多孔体５で両面を挟むように充填して積層体とした。
【００９２】
上記積層体を、６０×６０×１ｍｍｔの黒鉛系離型剤を塗布した離型板（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。
【００９３】
次に、得られたブロックを、表３に示す温度で、電気炉により予備加熱した後、あらかじめ加熱しておいた内径３００ｍｍのプレス型内に収め、シリコンを１２質量％、マグネシウムを１質量％含有する温度８００℃のアルミニウム合金の溶湯を注ぎ、表３に示す圧力で２０分間加圧してダイヤモンド粉末にアルミニウム合金を含浸させた。そして、室温まで冷却した後、湿式バンドソーにて離型板の形状に沿って切断し、挟んだステンレス板を剥がした。その後、含浸時の歪み除去のために５３０℃の温度で３時間アニール処理を行い、アルミニウム−ダイヤモンド系複合体を得た。
【００９４】
【表３】
【００９５】
得られたアルミニウム−ダイヤモンド系複合体は、両面を平面研削盤で＃２３０及び＃４００のダイヤモンド砥石を用いて板厚２ｍｍまで研削加工を行った。尚、比較例１は、両面を＃２３０のダイヤモンド砥石のみ用いて板厚２ｍｍまで研削加工を行った。続いて、レーザー加工機により、加工速度５０ｍｍ／ｍｉｎの条件で、２５×２５ｍｍの形状に加工してアルミニウム−ダイヤモンド系複合体とした。そして、得られたアルミニウム−ダイヤモンド系複合体の断面を、工場顕微鏡で観察し両面の表面層の有無及び平均厚みを測定した。また、表面粗さ計による表面粗さ（Ｒａ）及び３次元形状測定機による平面度を測定した。その結果を表４に示す。
【００９６】
また、レーザー加工により熱膨張係数測定用試験体（３ｍｍ×１０ｍｍ×板厚み）、熱伝導率測定用試験体（２５ｍｍ×２５ｍｍ×板厚み）を作製した。そして、それぞれの試験体を用いて、実施例１〜７と同様に、温度２５℃〜１５０℃の熱膨張係数、温度２５℃での熱伝導率を測定した。その結果を表４に示す。
【００９７】
【表４】
【００９８】
また、上記アルミニウム−ダイヤモンド系複合体を超音波洗浄した後、無電解Ｎｉ−Ｐ及び無電解Ａｕめっきを行い、複合体の表面に６．０５μｍ厚（Ｎｉ−Ｐ：６μｍ＋Ａｕ：０．０５μｍ）のめっき層を形成した。得られためっき品について、ＪＩＳ Ｚ３１９７に準じて半田ぬれ広がり率の測定を行った結果、全てのめっき品で、半田ぬれ広がり率は、８５％以上であった。
【００９９】
表４に示されるように、実施例８〜１９に係るアルミニウム−ダイヤモンド系複合体は、表面粗さが０．４１〜０．５５μｍと非常に平滑であり、且つ平面度が２〜２５μｍであり、高熱伝導率及び半導体素子に近い熱膨張係数を有している。
【０１００】
これに対し、比較例１に係るアルミニウム−ダイヤモンド系複合体では、実施例７と同様の研削加工を行ったにもかかわらず表面が粗かった。また、所望の熱伝導率が得られなかった。これは、含浸時の圧力が２０ＭＰａ未満であるためだと考えられる。
【０１０１】
また、比較例２では、アルミニウム合金のダイヤモンド粉末の空隙中への含浸が進行せず、複合化が不完全であった。そして、得られた成形体は、密度が２．２ｇ／ｃｍ３であり、脆く、所望の平板形状ではなかった。これは、比較例２では、予備加熱温度が６００℃未満であるためだと考えられる。
【０１０２】
また、比較例３では、アルミニウム合金がダイヤモンド粉末の空隙中にほとんど含浸せず、成形体を得ることができなかった。そのため、平板状のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体を得ることが出来なかった。これは、型材として多孔質ではないステンレスを用いたためだと考えられます。
【０１０３】
［実施例２０］
実施例１と同様の方法により積層体を作製し、６０×６０×１ｍｍｔの黒鉛系離型剤を塗布した離型板（図２の６）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。
【０１０４】
次に、得られたブロックを、電気炉で温度７００℃に予備加熱した後、あらかじめ加熱しておいた内径３００ｍｍのプレス型内に収め、温度８００℃の純アルミニウムの溶湯を注ぎ、１００ＭＰａの圧力で２０分間加圧してダイヤモンド粉末にアルミニウムを含浸させた。そして、室温まで冷却した後、湿式バンドソーにて離型板の形状に沿って切断し、挟んだステンレス板を剥がした後、含浸時の歪み除去のために５３０℃の温度で３時間アニール処理を行い、アルミニウム−ダイヤモンド系成形体を得た。得られたアルミニウム−ダイヤモンド系複合体体のダイヤモンド粒子の含有量は、６５体積％であり、アルキメデス法により測定した密度は、３．１４ｇ／ｃｍ３であった。
【０１０５】
得られたアルミニウム−ダイヤモンド系複合体は、実施例１と同様の研削加工、研磨加工を行い、２５×２５×２ｍｍｔの形状に加工してアルミニウム−ダイヤモンド系複合体とした。そして、得られたアルミニウム−ダイヤモンド系複合体の断面を、工場顕微鏡で観察し両面の表面層（図１の３）の平均厚みを測定した結果、表面層３の平均厚みは、０．１ｍｍであった。また、表面粗さ計で測定した表面粗さ（Ｒａ）は、０．１８μｍ、３次元形状測定機により測定した平面度は、８μｍであった。
【０１０６】
そして、実施例１と同様に試験体を加工して熱伝導率、熱膨張係数、曲げ強度を測定した。その結果、温度２５℃〜１５０℃の熱膨張係数は７．５×１０−６／Ｋ、温度２５℃での熱伝導率は、６２０Ｗ／ｍＫ、３点曲げ強度は、３２０ＭＰａであった。
【０１０７】
実施例２０では、純アルミニウムを用いている。これにより、表面粗さが０．１８μｍ、平面度が８μｍと非常に平滑であり、高熱伝導率及び半導体素子に近い熱膨張係数を有している。
【０１０８】
［実施例２１］
セラミックス多孔体として、外形が４０×４０×４．９ｍｍで中央部分に３０×３０×１．８ｍｍ及び１５×１５×１ｍｍの溝部を有する気孔率３５％の炭化珪素質多孔体（図６の５）と外形が４０×４０×３．１ｍｍの気孔率３５％の炭化珪素質多孔体とを使用した以外は、実施例１と同様にして、アルミニウム−ダイヤモンド系複合体を作製した。
【０１０９】
得られたアルミニウム−ダイヤモンド系複合体は、両面を平面研削盤で＃４００のダイヤモンド砥石を用いて板厚３ｍｍまで研削加工を行った後、中央部に１７×１７×１ｍｍの突起形状をマシニングセンターで＃４００のダイヤモンド砥石を用いて研削加工した。次に、得られた複合体を放電加工機機により、加工速度５ｍｍ／ｍｉｎの条件で外周部を２５×２５ｍｍの形状に加工してアルミニウム−ダイヤモンド系複合体とした。そして、得られたアルミニウム−ダイヤモンド系複合体の断面を、工場顕微鏡で観察し両面の表面層（図７の３）の平均厚みを測定した結果、表面層３の平均厚みは、０．１ｍｍであった。また、表面粗さ計で測定した表面粗さ（Ｒａ）は、０．４３μｍ、３次元形状測定機により測定した平面度は、７μｍであった。
【０１１０】
更に、実施例２１のアルミニウム−ダイヤモンド系成形体は、実施例１と同様の特性評価を実施し、その密度は、３．１３ｇ／ｃｍ３、温度２５℃〜１５０℃の熱膨張係数は、７．０×１０−６／Ｋ、温度２５℃での熱伝導率は、５８０Ｗ／ｍＫ、３点曲げ強度は３２０ＭＰａであった。
【０１１１】
実施例２１は、製品中央部に突起部を有する形状（図７）であり、表面粗さが０．４３μｍ、平面度が７μｍと非常に平滑であり、高熱伝導率及び半導体素子に近い熱膨張係数を有している。
【０１１２】
［実施例２２〜２９］
実施例１にて、ウォータージェット加工後の２５ｍｍ×２５ｍｍ×２ｍｍｔ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、スパッタリング法により複合体の表面に０．５μｍ厚のアルミニウム層を形成し、窒素雰囲気下で５００℃で３０分間加熱処理を行った。次に、表面にアルミニウム層を形成させたアルミニウム−ダイヤモンド系複合体に、表５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５に示す。
【０１１３】
【表５】
【０１１４】
各めっき品について、ＪＩＳ Ｚ３１９７に準じて半田ぬれ広がり率の測定を行った結果、実施例２８では、表面が平滑であり、高い熱伝導率と半導体素子に近い熱膨張率を兼ね備え、半田ぬれ広がり率が７５％であるものの、半田面にボイドが確認された。この半田ボイド部分を顕微鏡で確認した結果、ボイド中央部に、無めっき部が観察された。これは、めっきの厚みが０．５μｍ未満であるためだと考えられる。
【０１１５】
また、実施例２９では、表面が平滑であり、高い熱伝導率と半導体素子に近い熱膨張率を兼ね備えてはいるものの、半田ぬれ広がり率の測定の際の加熱時に、めっき層にクラックが発生した。これは、めっきの厚みが１５μｍを超えているためだと考えられる。
【０１１６】
これに対し、実施例２２〜２７のめっき品では、半田ぬれ広がり率は、８０％以上であり、ヒートシンクとして用いた場合、より高い熱伝導率を得ることができる。これは、めっきの厚みが０．５μｍ以上１５μｍ以下であるためだと考えられる。
【符号の説明】
【０１１７】
１ アルミニウム−ダイヤモンド系複合体
２ 複合化部
３ 表面層
４ 多孔質体からなる型材
５ セラミックス多孔体
６ 離型剤を塗布した離型板
７ ダイヤモンド粉末
８ 外周部
９ 穴部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム−ダイヤモンド系複合体及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、光通信等に用いられる半導体レーザー素子や高周波素子等の半導体素子では、同素子から発生する熱を如何に効率的に逃がすかが、動作不良等を防止する為に非常に重要である。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。
【０００３】
一方、個々の半導体素子は、高出力化に伴いその寸法が大きくなってきており、半導体素子と放熱に用いる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。これらの問題を解決する為には、高熱伝導という特性と半導体素子との熱膨張率のマッチングを両立するヒートシンク材料の開発が求められている。このような材料として、金属とセラミックスの複合体、例えばアルミニウム（Ａｌ）と炭化珪素（ＳｉＣ）の複合体が提案されている。（特許文献１）
【０００４】
しかしながら、Ａｌ−ＳｉＣ系の複合体においては、如何に条件を適正化しても熱伝導率は３００Ｗ／ｍＫ以下であり、銅の熱伝導率以上の更に高い熱伝導率を有するヒートシンク材料の開発が求められている。このような材料として、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率とを組み合わせて、高熱伝導率で且つ熱膨張係数が半導体素子材料に近い、金属−ダイヤモンド複合体が提案されている。（特許文献２）
【０００５】
また、特許文献３では、ダイヤモンド粒子の表面にβ型のＳｉＣ層を形成することで、複合化時に形成される低熱伝導率の金属炭化物の生成を抑えると共に、溶融金属との濡れ性を改善して、得られる金属−ダイヤモンド複合体の熱伝導率を改善している。
【０００６】
更に、ダイヤモンドは非常に硬い材料である為、金属と複合化して得られる金属−ダイヤモンド複合体も同様に非常に硬く、難加工性材料である。このため、金属−ダイヤモンド複合体は、通常のダイヤモンド工具では、殆ど加工することが出来ず、小型で種々の形状が存在するヒートシンクとして、金属−ダイヤモンド複合体を使用するには、如何に低コストで形状加工を行うかが課題である。この様な課題に対して、金属−セラミックス複合体は、通電が可能であり、放電加工等による加工方法も検討されている。
【０００７】
【特許文献１】特開平９−１５７７７３号公報
【特許文献２】特開２０００−３０３１２６号公報
【特許文献３】特表２００７−５１８８７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記のようなヒートシンク用材料の使用形態としては、通常、半導体素子の発熱を効率よく放熱する為に、半導体素子に対してヒートシンクがロウ材等で接合される形で接触配置されている。従来の金属−ダイヤモンド複合体の場合、接合面にダイヤモンド粒子が露出していため、接合面の面粗さが粗く、その結果、接触界面の熱抵抗が増大して好ましくない。このため、ヒートシンク用材料に求められる特性として、表面の面粗さを如何に小さくするかといった課題がある。
【０００９】
この課題を解決する手段として、アルミニウム−ダイヤモンド系複合体の表面にアルミニウム合金層を形成することが提案されている。この手法により、表面の面粗さは改善できる。しかし、アルミニウム合金層は、アルミニウム−ダイヤモンド系複合体に比べ熱膨張率が３倍程大きく、この熱膨張率差により、ヒートシンク自体の反りが発生し平面度が低下するといった課題がある。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、表面の面粗さ、平面度を改善させた複合材料が求められている。
【００１０】
即ち、本発明の目的は、高い熱伝導率と半導体素子に近い熱膨張率を兼ね備え、さらには、半導体素子のヒートシンク等として使用するのに好適なように、表面の面粗さ平面度を改善したアルミニウム−ダイヤモンド系複合体を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
即ち、本発明に係るアルミニウム−ダイヤモンド系複合体は、ダイヤモンド粒子とアルミニウムを含有する金属とを含む板状又は凹凸部を有する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は複合化部及び該複合化部の両面に設けられた表面層からなり、該表面層が厚み０．０５〜０．５ｍｍのアルミニウム−セラミックス系複合体からなり、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全体の４０体積％〜７０体積％であることを特徴とする。
【００１２】
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、表面の面粗さ及び平面度が小さい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係るアルミニウム−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、表面の面粗さ及び平面度が小さいため、半導体素子の放熱用ヒートシンク等として好ましく用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施形態１に係るアルミニウム−ダイヤモンド系複合体の構造図
【図２】実施形態１に係るアルミニウム−ダイヤモンド系複合体の複合化前の構造層体の断面図
【図３】実施形態１に係る複合化後のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体の構造図
【図４】実施形態１に係る研削加工後のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体の構造図
【図５】実施形態１に係るアルミニウム−ダイヤモンド系複合体の斜視図
【図６】実施形態２に係るアルミニウム−ダイヤモンド系複合体の複合化前の構造層体の断面図
【図７】実施形態２に係るアルミニウム−ダイヤモンド系複合体の構造図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
［用語の説明］
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。
【００１６】
本明細書において、「両面」とは平板状に形成されたアルミニウム−ダイヤモンド系複合体の上下両方の面を意味する。また、本明細書において、「側面部」とは、平板状に形成されたアルミニウム−ダイヤモンド系複合体の側面、即ち、上記両面とは略垂直の部分を意味する。
【００１７】
また、本明細書において、「穴部」とは、本発明の部品を他の放熱部材にネジ止めするために設ける、平板状のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体の上下面を貫くように加工される貫通穴を意味する。
【００１８】
以下、図を用いて、本発明に係るアルミニウム−ダイヤモンド系複合体及びその製造方法の実施形態を説明する。
【００１９】
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含有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−セラミックス系複合体からなり、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。
【００２０】
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、表面の面粗さ及び平面度が小さい。
【００２１】
以下、本実施形態に係るアルミニウム−ダイヤモンド系複合体について、溶湯鍛造法による製造方法を説明する。
【００２２】
ここで、アルミニウム−ダイヤモンド系複合体の製法は、大別すると含浸法と粉末冶金法の２種がある。このうち、熱伝導率等の特性面から、実際に商品化されているのは、含浸法によるものが多い。含浸法にも種々の製法が有り、常圧で行う方法と、高圧下で行う高圧鍛造法がある。高圧鍛造法には、溶湯鍛造法とダイキャスト法がある。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。
【００２３】
［ダイヤモンド粉末］
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。
【００２４】
上記ダイヤモンド粉末の粒度に関しては、熱伝導率の点から、平均粒子径が５０μｍ以上の粉末が好ましく、更に好ましくは、平均粒子径が１００μｍ以上である。ダイヤモンド粒子の粒子径の上限に関しては、得られる複合体の厚み以下であれば、特性上の制限はないが、５００μｍ以下であれば、安定したコストで複合体を得ることができるので好ましい。また、ダイヤモンド粒子の充填率を上げるため、平均粒子径が１００μｍ以上のダイヤモンド粉末６０体積％〜８０体積％と、平均粒子径が３０μｍ以下のダイヤモンド粉末２０体積％〜４０体積％を粒度配合して用いることが、更に好ましい。
【００２５】
そして、アルミニウム−ダイヤモンド系複合体中のダイヤモンド粒子の含有量は、４０体積％以上７０体積％以下が好ましい。ダイヤモンド粒子の含有量が４０体積％以上であれば、得られるアルミニウム−ダイヤモンド系複合体の熱伝導率を十分に確保できる。また、充填性の面より、ダイヤモンド粒子の含有量が７０体積％以下であることが好ましい。７０体積％以下であれば、ダイヤモンド粒子の形状を球形等に加工する必要がなく、安定したコストでアルミニウム−ダイヤモンド系複合体を得ることができる。
【００２６】
溶湯鍛造法によって得られる複合体は、適切な条件であれば溶湯が粉末同士の空隙間に行き渡るので、充填体積に対する粉末の体積の割合が、得られる複合体全体の体積に対する粉末材料の体積（粒子の含有量）とほぼ等しくなる。
【００２７】
更に、上記ダイヤモンド粒子の表面にβ型炭化珪素の層を形成したダイヤモンド粉末を使用することにより、複合化時に形成される低熱伝導率の金属炭化物（Ａｌ４Ｃ３）の生成を抑えることができ、且つ、溶湯アルミニウムとの濡れ性を改善することができる。その結果、得られるアルミニウム−ダイヤモンド系複合体の熱伝導率が向上するという効果を得ることができる。
【００２８】
溶湯鍛造の準備として、アルミニウム合金が含浸し得る多孔質体からなる型材（図２の４）、セラミックス多孔体（図２の５）、離型剤を塗布した緻密な離型板（図２の６）及び上記ダイヤモンド粉末（図２の７）を図２に示すように配置することにより、型材４、離型板６、セラミックス多孔体５及び充填されたダイヤモンド粉末７からなる溶湯鍛造のための構造体とする。
【００２９】
ここで、図２は溶湯鍛造のための構造体の断面図であり、上記ダイヤモンド粉末が充填された部分についての断面図である。なお、溶湯鍛造法でアルミニウム合金とダイヤモンド粉末を複合化する際には、アルミニウム合金は、上記多孔質体からなる型材及びセラミックス多孔体を通ってダイヤモンド粉末が充填される部分に到達する。
【００３０】
［多孔質体からなる型材］
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。
【００３１】
［セラミックス多孔体］
また、セラミックス多孔体としては、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であり、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウムの少なくとも１種以上を含有する多孔体であり、得られるアルミニウム−セラミックス系複合体の熱伝導率の点から炭化珪素がより好ましい。セラミックス多孔体の気孔率は、溶湯鍛造法にてアルミニウム合金が含浸し得る気孔が必要であり、２０〜６０体積％である。一方、アルミニウム−セラミックス系複合体中のセラミックス含有量は、アルミニウム−ダイヤモンド系複合体とアルミニウム−セラミックス系複合体の熱膨張率差が小さくなるべく調整することが好まし。アルミニウム−ダイヤモンド系複合体とアルミニウム−セラミックス系複合体の熱膨張率差が大きい場合、その後の加工工程で、反り等が発生し好ましくない。また、図６に示す、凹面を有するセラミックス多孔体を用いることにより、図７に示す様な凹凸部を有する板状のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体を作製することもできる。
【００３２】
［離型板］
更に、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。
【００３３】
［アルミニウム合金］
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（アルミニウムを含有する金属）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。
【００３４】
更に、上記アルミニウム合金にマグネシウムを含有させることにより、ダイヤモンド粒子及びセラミックス粒子と金属部分との結合がより強固になるので好ましい。アルミニウム合金中のアルミニウム、シリコン、マグネシウム以外の金属成分に関しては、アルミニウム合金の特性が極端に変化しない範囲であれば特に制限はなく、例えば、銅等が含まれていても良い。
【００３５】
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、複合化時のダイヤモンド粉末の充填量により厚みを調整することができ、その厚みは０．４〜６ｍｍが好ましい。該厚みが０．４ｍｍ未満の場合、ヒートシンク等として用いるのに十分な強度が得られず好ましくない。該厚みが６ｍｍを超える場合、材料自体が高価となると共に、本発明の高熱伝導という効果が十分に得られなくなり好ましくない。
【００３６】
得られた構造体は、複数枚を更に積層してブロックとし、このブロックを６００〜７５０℃程度に加熱する。そして、該ブロックを高圧容器内に１個または２個以上配置し、ブロックの温度低下を防ぐために出来るだけ速やかに、融点以上に加熱したアルミニウム合金の溶湯を給湯して２０ＭＰａ以上の圧力で加圧する。
【００３７】
ここで、ブロックの加熱温度は、６００℃以上であれば、アルミニウム合金の複合化が安定し、十分な熱伝導率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。また、加熱温度が７５０℃以下であれば、アルミニウム合金との複合化時に、ダイヤモンド粒子表面のアルミニウムカーバイド（Ａｌ４Ｃ３）の生成を抑制でき、十分な熱伝導率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。
【００３８】
また、含浸時の圧力に関しては、２０ＭＰａ以上であればアルミニウム合金の複合化が安定し、十分な熱伝導率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。さらに好ましくは、含浸圧力は、５０ＭＰａ以上である。５０ＭＰａ以上であれば、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。
【００３９】
［アニール処理］
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。
【００４０】
得られたアルミニウム−ダイヤモンド系成形体の表面に影響を与えずに、成形体中の歪みのみを除去するには、上記アニール処理は、温度４００℃〜５５０℃の条件で１０分間以上行うことが好ましい。
【００４１】
［加工方法］
次に、本実施形態に係るアルミニウム−ダイヤモンド系複合体の加工方法の例を説明する。上記アルミニウム−ダイヤモンド系複合体は、非常に硬い難加工性材料である。このため、図３の複合化後のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体の外周部に存在するアルミニウム−セラミックス系複合体（図３の３）をダイヤモンド工具、ダイヤモンド砥粒等を用い研削加工し、アルミニウム−ダイヤモンド系複合体（図４の２）の両面が表面に厚みが０．０５〜０．５ｍｍのアルミニウム−セラミックス系複合体からなる表面層（図４の３）で被覆されている構造体を作製する。
【００４２】
次に、図４のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体を、ウォータージェット加工機やレーザー加工機により、外周部（側面部）（図５の８）及び穴部（図５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５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。
【００４３】
ここで、上記穴部９は、図５に示すように、他の放熱部品にネジ止めできるよう、上下面を貫くように設けられていればよい。また、外周部と連結したＵ字形状のような形状に加工することで、加工コストを削減することもできる。
【００４４】
また、本実施形態に係るアルミニウム−ダイヤモンド系成形体は導電性材料であるので、放電加工機を用いても、外周部８及び穴部９の加工を行うことができる。得られたアルミニウム−ダイヤモンド系複合体は、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。
【００４５】
なお、本実施形態に係るアルミニウム−ダイヤモンド系成形体は、通常のダイヤモンド工具等を用いた加工も可能ではあるが、非常に硬い難加工性材料であるため、工具の耐久性や加工コストの面から、ウォータージェット加工機、レーザー加工機又は放電加工機による加工が好ましい。
【００４６】
［表面層］
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）の両面が表面に厚みが０．０５〜０．５ｍｍのアルミニウム−セラミックス系複合体からなる表面層（図１の３）で被覆されていることを特徴とする。
【００４７】
このアルミニウム−セラミックス系複合体は、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウムの少なくとも１種以上を含有するセラミックス多孔体に溶湯鍛造法にてアルミニウム合金を含浸し得る。得られるアルミニウム−セラミックス系複合体の熱伝導率の点からセラミックスとしては、炭化珪素がより好ましい。アルミニウム−セラミックス系複合体のセラミックス含有量は、４０体積％〜８０体積％であり、アルミニウム−ダイヤモンド系複合体とアルミニウム−セラミックス系複合体の熱膨張率差が小さくなるべく調整することが好まし。アルミニウム−ダイヤモンド系複合体とアルミニウム−セラミックス系複合体の熱膨張率差が大きい場合、その後の加工工程で、反り等が発生し好ましくない。
【００４８】
また、本発明では、アルミニウム−セラミックス系複合体を事前に作製したのち、アルミニウム−ダイヤモンド系複合体を作製する工程で接合して、図３のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体を作製することもできる。
【００４９】
また、上記表面層３の厚みは、０．０５ｍｍ以上０．５ｍｍ以下が好ましい。表面層３（アルミニウム−セラミックス系複合体）の厚みが０．０５ｍｍ以上であれば、目標とする面精度（表面粗さ）を得ることが容易となる。また、表面層３の平均厚みが０．５ｍｍ以下であれば、得られるアルミニウム−ダイヤモンド系複合体１の厚みにもよるが、複合体１に占める複合化部２の十分な厚みが得られ、十分な熱伝導率を確保することができる。
【００５０】
一方、表面層３の厚みが０．０５ｍｍ未満では、表面層３より部分的にアルミニウム−ダイヤモンド系複合体が露出し、表面粗さが粗くなり好ましくない。一方、表面層３の厚みが０．５ｍｍを超えると、得られるアルミニウム−ダイヤモンド系複合体１の厚みにもよるが、複合体１に占める複合化部２の十分な厚みが得られず、十分な熱伝導率を確保することができなく好ましくない。表面層３の厚みに関しては、極力薄い方が熱伝導率の点からは好ましく、より好ましくは０．０５〜０．２０ｍｍである。
【００５１】
［表面層の加工］
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−セラミックス系複合体からなる表面層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）、平面度を調整することができる。この表面層３の加工は、ダイヤモンド砥粒や砥石を用いた加工方法が採用でき、例えば研削盤等により研削加工を行った後、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。
【００５２】
更に、この表面層３を加工することで、表面層の平均厚みを調整することもできる。本実施形態に係るアルミニウム−ダイヤモンド系複合体は、ヒートシンク等の放熱部品として使用する場合、接合面の熱抵抗を考慮すると、表面粗さが小さい平滑な面であることが好ましく、その表面粗さ（Ｒａ）は１μｍ以下が好ましく、更に好ましくは、０．５μｍ以下である。表面粗さが１μｍ以下であることにより、接合層の厚みを均一にすることができ、より高い放熱性を得ることができる。
【００５３】
また、上記表面層２の平面度についても、５０ｍｍ×５０ｍｍサイズに換算して、１００μｍ以下であることが好ましく、更に好ましくは５０μｍ以下である。該平面度が１００μｍ以下であることにより、半田層の厚みを均一にすることができ、より高い放熱性を得ることができる。
【００５４】
［複合化部］
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及び図７の２）を有する。
【００５５】
上記表面層３と複合化部２との境界は、顕微鏡等でアルミニウム−ダイヤモンド系複合体の断面を観察した際に、上記表面層３と複合化部２とは、目視できるような境界を有さなくてもよい。このような構造のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体では、上記表面層３と複合化部２の熱膨張率の差が小さく、表面層３と複合化部２との間に応力が生じにくく、研磨等で力が加わった時に、表面層３が破損することがない。
【００５６】
［めっき処理］
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、半導体素子とロウ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。
【００５７】
めっき処理の方法は特に限定されず、無電解めっき処理、電気めっき処理法のいずれでもよい。アルミニウムへのめっき処理の場合、Ｎｉめっきまたは、半田濡れ性を考慮してＮｉめっきとＡｕめっきの二層めっきを施す。この場合のめっきの厚みは０．５以上１５μｍ以下であることが好ましい。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１５μｍ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。
【００５８】
更に、本発明では、めっき密着性を改善すべく、アルミニウム−ダイヤモンド系複合体表面を洗浄後、表面に厚みが０．０５〜２．０μｍのアルミニウム層を形成する。アルミニウム層厚みが０．０５μｍ未満では、アルミニウム層未着部分が発生または、めっきの前処理等でアルミニウム層が反応し、ピンホールの発生により、未メッキ部分が生じ、耐薬品性が低下して好ましくない。一方、アルミニウム層厚みが２．０μｍを超えると、アルミニウム層と金属基複合材料の線熱膨張係数が異なる為、両材料の熱膨張差による応力の発生、剥離の発生があり好ましくない。アルミニウム層厚みに関しては、より好ましくは０．３〜０．６μｍである。
【００５９】
アルミニウム層の形成方法としては、蒸着法又は、スパッタリング法により厚み０．０５〜２．０μｍに形成する。アルミニウム層を構成するアルミニウム合金としては、純アルミニウムまたはアルミニウムを７０質量％以上含有するアルミニウム合金である。アルミニウムの含有量が７０質量％未満では、ジンケート処理による十分な密着のあるＮｉめっきが行えなくなるため好ましくない。アルミニウム合金中のアルミニウム、シリコン以外の金属成分に関しては、極端に特性が変化しない範囲であれば特に制限はなく、例えばマグネシウム、銅等が含まれていても良い。
【００６０】
また、本発明では、アルミニウム−ダイヤモンド系複合体表面のアルミニウム−セラミックス系複合体とアルミニウム層との密着性を向上させるため窒素、アルゴン、水素、ヘリウム又は真空雰囲気中で、温度４６０〜６５０℃で１分間以上加熱処理を行う。酸化性雰囲気下で処理を行うと、表面に酸化膜が形成され、その後のめっき不良が生じるため、好ましくない。温度は好ましくは、４８０〜５７０℃である。温度が４６０℃未満では、複合体とアルミニウム層の密着が悪くなってしまい、６５０℃を超えると、アルミニウム層が溶解してしまい、表面粗さが悪化してしまい好ましくない。
【００６１】
また、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、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、２５℃から１５０℃における熱膨張係数が５×１０−６〜１０×１０−６／Ｋであることが好ましい。
【００６２】
２５℃での熱伝導率が４００Ｗ／ｍＫ以上であり、２５℃から１５０℃の熱膨張係数が５×１０−６〜１０×１０−６／Ｋであれば、高熱伝導率かつ半導体素子と同等レベルの低膨張率となる。そのため、ヒートシンク等の放熱部品として用いた場合、放熱特性に優れ、また、温度変化を受けても半導体素子と放熱部品との熱膨張率の差が小さいため、半導体素子の破壊を抑制できる。その結果、高信頼性の放熱部品として好ましく用いられる。
【００６３】
〈作用効果〉
以下、上記実施形態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。
【００６４】
上記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及び図７の１）は、ダイヤモンド粒子とアルミニウムを含有する金属とを含む板状又は凹凸部を有する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及び図７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及び図７の３）からなり、上記表面層３がアルミニウム−セラミックス系複合体からなり、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。
【００６５】
上記構成からなるアルミニウム−ダイヤモンド系複合体１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、平面度が小さいため、半導体素子の放熱用ヒートシンク等として好ましく用いられる。
【００６６】
さらに、上記表面層３の厚さが０．０５ｍｍ以上０．５ｍｍ以下であるため、目標とする面精度を得ることが容易となり、また、十分な熱伝導率を確保することができる。
【００６７】
また、上記表面層３の表面粗さ（Ｒａ）が、１μｍ以下であるため、接合層の厚みを均一にすることができ、より高い放熱性を得ることができる。
【００６８】
また、上記平板状のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体１の厚みが０．４〜６ｍｍであるため、ヒートシンク等の放熱部品として用いるに十分な強度及び放熱特性を有するという効果を得ることができる。
【００６９】
また、上記アルミニウム−ダイヤモンド系複合体１の温度が２５℃のときの熱伝導率が４００Ｗ／ｍＫ以上であり、上記アルミニウム−ダイヤモンド系複合体１の温度が２５℃から１５０℃における熱膨張係数が５×１０−６〜１０×１０−６／Ｋであってもよい。このようにすれば、ヒートシンク等の放熱部品として用いた場合、放熱特性に優れ、また、温度変化を受けても半導体素子と放熱部品との熱膨張率の差が小さいため、半導体素子の破壊を抑制できるという効果を得ることができる。
【００７０】
また、上記アルミニウム−ダイヤモンド系複合体１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０．５〜１５μｍとなるように設けてもよい。このようにすれば、放熱部品等として使用する際に、高い放熱特性を確保することができる。
【００７１】
また、上記アルミニウム−ダイヤモンド系複合体１は、溶湯鍛造法により製造されてもよい。このようにすれば、熱伝導率等の特性に優れた緻密な複合体を得ることができる。
【００７２】
また、上記平板状のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体１が穴部９を有し、上記平板状のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体１の側面部８及び上記穴部９が、上記複合化部２が露出してなる構造であってもよい。このようにすれば、放熱部品等として使用する際に、ネジ等で固定することが可能となる。
【００７３】
上記アルミニウム−ダイヤモンド系複合体は、溶湯鍛造法にてアルミニウムを含有する金属が含浸し得るセラミックス多孔質体からなる型材に、ダイヤモンド粉末を充填して、多孔質体からなる型材に、離型剤を塗布した離型板で挟む構造にてダイヤモンド粉末を充填して、上記型材、上記離型板及び上記充填されたダイヤモンド粉末からなる構造体とする工程と、上記構造体を温度６００〜７５０℃で加熱する工程と、融点以上に加熱したアルミニウム含有する金属を圧力２０ＭＰａ以上で上記充填されたダイヤモンド粉末に含浸させ、周囲がアルミニウム−セラミックス複合体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材を作製した後、周囲のアルミニウム−セラミックス複合体を両主面のアルミニウム−セラミックス複合体厚みが０．５ｍｍ以下になるよう研削加工する工程とを含む製造方法から得られるものであってもよい。
【００７４】
このような製造方法により、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ため、半導体素子の放熱用ヒートシンク等として好ましく用いられるアルミニウム−ダイヤモンド系複合体を得ることができる。
【００７５】
また、上記製造方法では、上記両主面が厚み０．０５〜０．５ｍｍのアルミニウム−セラミックス系複合体で被覆された板状又は凹凸部を有する板状のアルミニウム−ダイヤモンド系複合材料を作製する工程の後、ウォータージェット加工、レーザー加工又は放電加工により、上記平板状のアルミニウム−ダイヤモンド系成形体の側面部及び穴部の加工を行いアルミニウム−ダイヤモンド系複合体とする工程をさらに含んでもよい。このような工程により、放熱部品等として使用する際に、ネジ等で固定することが可能となる。
【００７６】
以上、本発明に係るアルミニウム−ダイヤモンド系複合体及びその製造方法について、実施形態を挙げて説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。
【実施例】
【００７７】
以下に、実施例及び比較例を挙げて、本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００７８】
［実施例１〜７］
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：２０μｍ）各５０ｇに対し、シリカ粉末（平均粒子径：５μｍ）１６ｇ、珪素粉末（平均粒子径：１０μｍ）：１６ｇを混合した後、炭化珪素製のるつぼに充填し、アルゴン雰囲気下、温度１４５０℃で３時間加熱処理を行い、ダイヤモンド粒子表面にβ型炭化珪素の層を形成したダイヤモンド粉末を作製した。その後、各ダイヤモンド粉末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。
【００７９】
【表１】
【００８０】
次に、６０×６０×１ｍｍｔ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、６０×６０×８ｍｍｔの外形で、中央部に４０×４０×８ｍｍｔの穴を有する気孔率２０％の等方性黒鉛型材（図２の４）に、 表１の各ダイヤモンド粉末を４０×４０×３．１ｍｍｔの気孔率３５％の炭化珪素質多孔体５で両面を挟む様に充填して構造体とした。
【００８１】
上記構造体を、６０×６０×１ｍｍｔの黒鉛系離型剤を塗布した離型板（図２の６）を挟んで複数個積層し、両側に厚さ１２ｍｍ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。
【００８２】
次に、得られたブロックを、電気炉で温度６５０℃に予備加熱した後、あらかじめ加熱しておいた内径３００ｍｍのプレス型内に収め、シリコンを１２質量％、マグネシウムを１質量％含有する温度８００℃のアルミニウム合金の溶湯を注ぎ、１００ＭＰａの圧力で２０分間加圧してダイヤモンド粉末にアルミニウム合金を含浸させた。そして、室温まで冷却した後、湿式バンドソーにて離型板の形状に沿って切断し、挟んだ離型板をはがした。その後、含浸時の歪み除去のために５３０℃の温度で３時間アニール処理を行い、アルミニウム−ダイヤモンド系複合体を得た。
【００８３】
得られたアルミニウム−ダイヤモンド系複合体は、両面を平面研削盤で＃２３０のダイヤモンド砥石を用いて板厚２ｍｍまで研削加工した後、バフ研磨を行った。なお、実施例７は、両面を＃２３０のダイヤモンド砥石で研削加工したのみで、バフ研磨は行わなかった。
【００８４】
続いて、ウォータージェット加工機（スギノマシン製アブレッシブ・ジェットカッタＮＣ）により、圧力２５０ＭＰａ、加工速度５０ｍｍ／ｍｉｎの条件で、研磨砥粒として粒度１００μｍのガーネットを使用して、２５×２５×２ｍｍｔの形状に加工してアルミニウム−ダイヤモンド系複合体とした。
【００８５】
得られたアルミニウム−ダイヤモンド系複合体の断面を、工場顕微鏡で観察し両面の表面層（図１の３）の平均厚みを測定した。また、表面粗さ計による表面粗さ（Ｒａ）及び３次元輪郭形状測定による平面度を測定した。その結果を表２に示す。
【００８６】
また、ウォータージェット加工により熱膨張係数測定用試験体（３×２×１０ｍｍ）、熱伝導率測定用試験体（２５×２５×２ｍｍｔ）を作製した。それぞれの試験片を用いて、温度２５℃〜１５０℃の熱膨張係数を熱膨張計（セイコー電子工業社製；ＴＭＡ３００）で、２５℃での熱伝導率をレーザーフラッシュ法（理学電機社製；ＬＦ／ＴＣＭ−８５１０Ｂ）で測定した。その結果を表２に示す。
【００８７】
また、実施例１のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体の密度をアルキメデス法により測定した結果、３．１５ｇ／ｃｍ３であった。更に、実施例１について、曲げ強度試験体（３×２×４０ｍｍ）を作製し、曲げ強度試験機にて３点曲げ強度を測定した結果、３４０ＭＰａであった。
【００８８】
【表２】
【００８９】
また、上記のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体を超音波洗浄した後、蒸着法により複合体の表面に０．５μｍ厚のアルミニウム層を形成し、窒素雰囲気下で５００℃で３０分間加熱処理を行った。次に、表面にアルミニウム層を形成させたアルミニウム−ダイヤモンド系複合体に、無電解Ｎｉ―Ｐめっき、及びＡｕ電気めっきを行い、実施例１〜７に係るアルミニウム−ダイヤモンド系複合体の表面に８μｍ厚（Ｎｉ−Ｐ：６μｍ＋Ａｕ：２μｍ）のめっき層を形成した。得られためっき品について、ＪＩＳ Ｚ３１９７に準じて半田ぬれ広がり率の測定を行った結果、全てのめっき品で、半田ぬれ広がり率は８５％以上であった。
【００９０】
表２に示されるように、実施例１〜７に係るアルミニウム−ダイヤモンド系複合体は、表面粗さが０．１４〜０．９５μｍと非常に平滑であり、且つ平面度が６〜１２μｍであり、高熱伝導率及び半導体素子に近い熱膨張係数を有している。
【００９１】
［実施例８〜１９、比較例１〜３］
６０×６０×１ｍｍｔ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２の６）を作製した。そして、６０×６０×８ｍｍの外形で、中央部に４０×４０×８ｍｍ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）７０質量％及びダイヤモンド粉末Ｃ（平均粒子径：２０μｍ）３０質量％を混合した後、体積／充填体積＝６０体積％となるように４０×４０×ｍｍの表３に示すセラミックス多孔体５で両面を挟むように充填して積層体とした。
【００９２】
上記積層体を、６０×６０×１ｍｍｔの黒鉛系離型剤を塗布した離型板（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。
【００９３】
次に、得られたブロックを、表３に示す温度で、電気炉により予備加熱した後、あらかじめ加熱しておいた内径３００ｍｍのプレス型内に収め、シリコンを１２質量％、マグネシウムを１質量％含有する温度８００℃のアルミニウム合金の溶湯を注ぎ、表３に示す圧力で２０分間加圧してダイヤモンド粉末にアルミニウム合金を含浸させた。そして、室温まで冷却した後、湿式バンドソーにて離型板の形状に沿って切断し、挟んだステンレス板を剥がした。その後、含浸時の歪み除去のために５３０℃の温度で３時間アニール処理を行い、アルミニウム−ダイヤモンド系複合体を得た。
【００９４】
【表３】
【００９５】
得られたアルミニウム−ダイヤモンド系複合体は、両面を平面研削盤で＃２３０及び＃４００のダイヤモンド砥石を用いて板厚２ｍｍまで研削加工を行った。尚、比較例１は、両面を＃２３０のダイヤモンド砥石のみ用いて板厚２ｍｍまで研削加工を行った。続いて、レーザー加工機により、加工速度５０ｍｍ／ｍｉｎの条件で、２５×２５ｍｍの形状に加工してアルミニウム−ダイヤモンド系複合体とした。そして、得られたアルミニウム−ダイヤモンド系複合体の断面を、工場顕微鏡で観察し両面の表面層の有無及び平均厚みを測定した。また、表面粗さ計による表面粗さ（Ｒａ）及び３次元形状測定機による平面度を測定した。その結果を表４に示す。
【００９６】
また、レーザー加工により熱膨張係数測定用試験体（３ｍｍ×１０ｍｍ×板厚み）、熱伝導率測定用試験体（２５ｍｍ×２５ｍｍ×板厚み）を作製した。そして、それぞれの試験体を用いて、実施例１〜７と同様に、温度２５℃〜１５０℃の熱膨張係数、温度２５℃での熱伝導率を測定した。その結果を表４に示す。
【００９７】
【表４】
【００９８】
また、上記アルミニウム−ダイヤモンド系複合体を超音波洗浄した後、無電解Ｎｉ−Ｐ及び無電解Ａｕめっきを行い、複合体の表面に６．０５μｍ厚（Ｎｉ−Ｐ：６μｍ＋Ａｕ：０．０５μｍ）のめっき層を形成した。得られためっき品について、ＪＩＳ Ｚ３１９７に準じて半田ぬれ広がり率の測定を行った結果、全てのめっき品で、半田ぬれ広がり率は、８５％以上であった。
【００９９】
表４に示されるように、実施例８〜１９に係るアルミニウム−ダイヤモンド系複合体は、表面粗さが０．４１〜０．５５μｍと非常に平滑であり、且つ平面度が２〜２５μｍであり、高熱伝導率及び半導体素子に近い熱膨張係数を有している。
【０１００】
これに対し、比較例１に係るアルミニウム−ダイヤモンド系複合体では、実施例７と同様の研削加工を行ったにもかかわらず表面が粗かった。また、所望の熱伝導率が得られなかった。これは、含浸時の圧力が２０ＭＰａ未満であるためだと考えられる。
【０１０１】
また、比較例２では、アルミニウム合金のダイヤモンド粉末の空隙中への含浸が進行せず、複合化が不完全であった。そして、得られた成形体は、密度が２．２ｇ／ｃｍ３であり、脆く、所望の平板形状ではなかった。これは、比較例２では、予備加熱温度が６００℃未満であるためだと考えられる。
【０１０２】
また、比較例３では、アルミニウム合金がダイヤモンド粉末の空隙中にほとんど含浸せず、成形体を得ることができなかった。そのため、平板状のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体を得ることが出来なかった。これは、型材として多孔質ではないステンレスを用いたためだと考えられます。
【０１０３】
［実施例２０］
実施例１と同様の方法により積層体を作製し、６０×６０×１ｍｍｔの黒鉛系離型剤を塗布した離型板（図２の６）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。
【０１０４】
次に、得られたブロックを、電気炉で温度７００℃に予備加熱した後、あらかじめ加熱しておいた内径３００ｍｍのプレス型内に収め、温度８００℃の純アルミニウムの溶湯を注ぎ、１００ＭＰａの圧力で２０分間加圧してダイヤモンド粉末にアルミニウムを含浸させた。そして、室温まで冷却した後、湿式バンドソーにて離型板の形状に沿って切断し、挟んだステンレス板を剥がした後、含浸時の歪み除去のために５３０℃の温度で３時間アニール処理を行い、アルミニウム−ダイヤモンド系成形体を得た。得られたアルミニウム−ダイヤモンド系複合体体のダイヤモンド粒子の含有量は、６５体積％であり、アルキメデス法により測定した密度は、３．１４ｇ／ｃｍ３であった。
【０１０５】
得られたアルミニウム−ダイヤモンド系複合体は、実施例１と同様の研削加工、研磨加工を行い、２５×２５×２ｍｍｔの形状に加工してアルミニウム−ダイヤモンド系複合体とした。そして、得られたアルミニウム−ダイヤモンド系複合体の断面を、工場顕微鏡で観察し両面の表面層（図１の３）の平均厚みを測定した結果、表面層３の平均厚みは、０．１ｍｍであった。また、表面粗さ計で測定した表面粗さ（Ｒａ）は、０．１８μｍ、３次元形状測定機により測定した平面度は、８μｍであった。
【０１０６】
そして、実施例１と同様に試験体を加工して熱伝導率、熱膨張係数、曲げ強度を測定した。その結果、温度２５℃〜１５０℃の熱膨張係数は７．５×１０−６／Ｋ、温度２５℃での熱伝導率は、６２０Ｗ／ｍＫ、３点曲げ強度は、３２０ＭＰａであった。
【０１０７】
実施例２０では、純アルミニウムを用いている。これにより、表面粗さが０．１８μｍ、平面度が８μｍと非常に平滑であり、高熱伝導率及び半導体素子に近い熱膨張係数を有している。
【０１０８】
［実施例２１］
セラミックス多孔体として、外形が４０×４０×４．９ｍｍで中央部分に３０×３０×１．８ｍｍ及び１５×１５×１ｍｍの溝部を有する気孔率３５％の炭化珪素質多孔体（図６の５）と外形が４０×４０×３．１ｍｍの気孔率３５％の炭化珪素質多孔体とを使用した以外は、実施例１と同様にして、アルミニウム−ダイヤモンド系複合体を作製した。
【０１０９】
得られたアルミニウム−ダイヤモンド系複合体は、両面を平面研削盤で＃４００のダイヤモンド砥石を用いて板厚３ｍｍまで研削加工を行った後、中央部に１７×１７×１ｍｍの突起形状をマシニングセンターで＃４００のダイヤモンド砥石を用いて研削加工した。次に、得られた複合体を放電加工機機により、加工速度５ｍｍ／ｍｉｎの条件で外周部を２５×２５ｍｍの形状に加工してアルミニウム−ダイヤモンド系複合体とした。そして、得られたアルミニウム−ダイヤモンド系複合体の断面を、工場顕微鏡で観察し両面の表面層（図７の３）の平均厚みを測定した結果、表面層３の平均厚みは、０．１ｍｍであった。また、表面粗さ計で測定した表面粗さ（Ｒａ）は、０．４３μｍ、３次元形状測定機により測定した平面度は、７μｍであった。
【０１１０】
更に、実施例２１のアルミニウム−ダイヤモンド系成形体は、実施例１と同様の特性評価を実施し、その密度は、３．１３ｇ／ｃｍ３、温度２５℃〜１５０℃の熱膨張係数は、７．０×１０−６／Ｋ、温度２５℃での熱伝導率は、５８０Ｗ／ｍＫ、３点曲げ強度は３２０ＭＰａであった。
【０１１１】
実施例２１は、製品中央部に突起部を有する形状（図７）であり、表面粗さが０．４３μｍ、平面度が７μｍと非常に平滑であり、高熱伝導率及び半導体素子に近い熱膨張係数を有している。
【０１１２】
［実施例２２〜２９］
実施例１にて、ウォータージェット加工後の２５ｍｍ×２５ｍｍ×２ｍｍｔ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、スパッタリング法により複合体の表面に０．５μｍ厚のアルミニウム層を形成し、窒素雰囲気下で５００℃で３０分間加熱処理を行った。次に、表面にアルミニウム層を形成させたアルミニウム−ダイヤモンド系複合体に、表５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５に示す。
【０１１３】
【表５】
【０１１４】
各めっき品について、ＪＩＳ Ｚ３１９７に準じて半田ぬれ広がり率の測定を行った結果、実施例２８では、表面が平滑であり、高い熱伝導率と半導体素子に近い熱膨張率を兼ね備え、半田ぬれ広がり率が７５％であるものの、半田面にボイドが確認された。この半田ボイド部分を顕微鏡で確認した結果、ボイド中央部に、無めっき部が観察された。これは、めっきの厚みが０．５μｍ未満であるためだと考えられる。
【０１１５】
また、実施例２９では、表面が平滑であり、高い熱伝導率と半導体素子に近い熱膨張率を兼ね備えてはいるものの、半田ぬれ広がり率の測定の際の加熱時に、めっき層にクラックが発生した。これは、めっきの厚みが１５μｍを超えているためだと考えられる。
【０１１６】
これに対し、実施例２２〜２７のめっき品では、半田ぬれ広がり率は、８０％以上であり、ヒートシンクとして用いた場合、より高い熱伝導率を得ることができる。これは、めっきの厚みが０．５μｍ以上１５μｍ以下であるためだと考えられる。
【符号の説明】
【０１１７】
１ アルミニウム−ダイヤモンド系複合体
２ 複合化部
３ 表面層
４ 多孔質体からなる型材
５ セラミックス多孔体
６ 離型剤を塗布した離型板
７ ダイヤモンド粉末
８ 外周部
９ 穴部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイヤモンド粒子を４０体積％〜７０体積％含有し、残部がアルミニウムを含有する金属で構成され、厚みが０．４〜６ｍｍの板状又は凹凸部を有する板状のアルミニウム−ダイヤモンド系複合材料であって、両主面が厚み０．０５〜０．５ｍｍのアルミニウム−セラミックス系複合体で被覆され、且つ側面部及び穴部がアルミニウム−ダイヤモンド系複合体が露出してなる構造であることを特徴とするアルミニウム−ダイヤモンド系複合体。
【請求項２】
両主面の表面粗さ（Ｒａ）が、１μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体。
【請求項３】
アルミニウム−セラミックス系複合体が、炭化珪素を４０体積％〜８０体積％含有し、残部がアルミニウムを含有する金属で構成されるアルミニウム−炭化珪素質複合体であることを特徴とする請求項１又は２記載のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体。
【請求項４】
ダイヤモンド粒子が、その表面に化学的に結合したβ型炭化珪素の層の存在により特徴づけられることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体。
【請求項５】
溶湯鍛造法により製造されるアルミニウム−ダイヤモンド系複合体であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか記載のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体。
【請求項６】
温度２５℃での熱伝導率が４００Ｗ／ｍＫ以上、温度２５℃から１５０℃の熱膨張係数が５×１０−６〜１０×１０−６／Ｋであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか記載のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか記載のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体の表面に、めっき厚が０．５〜１５μｍの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設けてなることを特徴とする放熱部品。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれか記載のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体の表面に、蒸着法又はスパッタリング法により、厚み０．０５〜２μｍのアルミニウム層を形成した後、窒素、アルゴン、水素、ヘリウム又は、真空雰囲気中、温度４６０℃〜６５０℃で１分間以上加熱処理した後、無電解めっき法又は電気めっき法により、めっき厚が０．５〜１５μｍの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設けてなることを特徴とする放熱部品。
【請求項９】
溶湯鍛造法にてアルミニウムを含有する金属が含浸し得るセラミックス多孔質体からなる型材に、ダイヤモンド粒子を充填し、温度６００〜７５０℃で加熱した後、融点以上に加熱したアルミニウムを含有する金属を圧力２０ＭＰａ以上で複合化させて、周囲がアルミニウム−セラミックス複合体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した後、周囲のアルミニウム−セラミックス複合体を両主面のアルミニウム−セラミックス複合体厚みが０．５ｍｍ以下になるよう研削加工した後、ウォータージェット加工、レーザー加工、放電加工により、所定形状に側面及び穴部を切断加工することを特徴とする請求項１〜６のいずれか記載のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体の製造方法。
【請求項１】
ダイヤモンド粒子を４０体積％〜７０体積％含有し、残部がアルミニウムを含有する金属で構成され、厚みが０．４〜６ｍｍの板状又は凹凸部を有する板状のアルミニウム−ダイヤモンド系複合材料であって、両主面が厚み０．０５〜０．５ｍｍのアルミニウム−セラミックス系複合体で被覆され、且つ側面部及び穴部がアルミニウム−ダイヤモンド系複合体が露出してなる構造であることを特徴とするアルミニウム−ダイヤモンド系複合体。
【請求項２】
両主面の表面粗さ（Ｒａ）が、１μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体。
【請求項３】
アルミニウム−セラミックス系複合体が、炭化珪素を４０体積％〜８０体積％含有し、残部がアルミニウムを含有する金属で構成されるアルミニウム−炭化珪素質複合体であることを特徴とする請求項１又は２記載のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体。
【請求項４】
ダイヤモンド粒子が、その表面に化学的に結合したβ型炭化珪素の層の存在により特徴づけられることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体。
【請求項５】
溶湯鍛造法により製造されるアルミニウム−ダイヤモンド系複合体であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか記載のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体。
【請求項６】
温度２５℃での熱伝導率が４００Ｗ／ｍＫ以上、温度２５℃から１５０℃の熱膨張係数が５×１０−６〜１０×１０−６／Ｋであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか記載のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか記載のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体の表面に、めっき厚が０．５〜１５μｍの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設けてなることを特徴とする放熱部品。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれか記載のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体の表面に、蒸着法又はスパッタリング法により、厚み０．０５〜２μｍのアルミニウム層を形成した後、窒素、アルゴン、水素、ヘリウム又は、真空雰囲気中、温度４６０℃〜６５０℃で１分間以上加熱処理した後、無電解めっき法又は電気めっき法により、めっき厚が０．５〜１５μｍの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設けてなることを特徴とする放熱部品。
【請求項９】
溶湯鍛造法にてアルミニウムを含有する金属が含浸し得るセラミックス多孔質体からなる型材に、ダイヤモンド粒子を充填し、温度６００〜７５０℃で加熱した後、融点以上に加熱したアルミニウムを含有する金属を圧力２０ＭＰａ以上で複合化させて、周囲がアルミニウム−セラミックス複合体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した後、周囲のアルミニウム−セラミックス複合体を両主面のアルミニウム−セラミックス複合体厚みが０．５ｍｍ以下になるよう研削加工した後、ウォータージェット加工、レーザー加工、放電加工により、所定形状に側面及び穴部を切断加工することを特徴とする請求項１〜６のいずれか記載のアルミニウム−ダイヤモンド系複合体の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−１１７０８５（Ｐ２０１２−１１７０８５Ａ）
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２６５０８８（Ｐ２０１０−２６５０８８）
【出願日】平成２２年１１月２９日（２０１０．１１．２９）
【出願人】（０００００３２９６）電気化学工業株式会社 (1,539)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月２９日（２０１０．１１．２９）
【出願人】（０００００３２９６）電気化学工業株式会社 (1,539)
【Ｆターム（参考）】
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