專利名稱：鋁-金剛石類復(fù)合體及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鋁-金剛石類復(fù)合體及其制造方法。
背景技術(shù)：
通常，對于光通信等所使用的半導(dǎo)體激光元件、高性能MPU (微處理單元)等半導(dǎo) 體元件而言，如何高效地釋放由該元件產(chǎn)生的熱量，在防止動作不良等方面是非常重要的。近年來，隨著半導(dǎo)體元件的技術(shù)進步，元件不斷地高輸出功率化、高速化和高集成 化，對其散熱的要求也愈發(fā)嚴格。因此，通常，對散熱器等散熱部件也要求高的導(dǎo)熱系數(shù)，使 用導(dǎo)熱系數(shù)高達390W/mK的銅(Cu)。另一方面，各半導(dǎo)體元件的尺寸隨著高輸出功率化而增大，半導(dǎo)體元件和用于散 熱的散熱器間的熱膨脹失配的問題變得明顯。為解決這些問題，需要開發(fā)具有高導(dǎo)熱特性 并可確保與半導(dǎo)體元件之間的熱膨脹率匹配的散熱器材料。作為這樣的材料，有人提出了 金屬和陶瓷的復(fù)合體，例如鋁(Al)和碳化硅(SiC)的復(fù)合體(專利文獻1)。但是，在Al-SiC類的復(fù)合材料中，無論如何優(yōu)化條件導(dǎo)熱系數(shù)都在300W/mK以下， 因而需要開發(fā)具有銅的導(dǎo)熱系數(shù)以上的更高的導(dǎo)熱系數(shù)的散熱器材料。作為這樣的材料， 有人將金剛石所具有的高導(dǎo)熱系數(shù)和金屬所具有的高熱膨脹率結(jié)合，從而提出了導(dǎo)熱系數(shù) 高且熱膨脹系數(shù)接近半導(dǎo)體元件材料的金屬-金剛石復(fù)合材料(專利文獻2)。此外，在專利文獻3中，通過在金剛石粒子的表面形成β型的SiC層，抑制復(fù)合化 時所形成的低導(dǎo)熱系數(shù)的金屬碳化物的生成，并改善與熔融金屬之間的潤濕性，改善所得 的金屬-金剛石復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)。而且，由于金剛石是非常堅硬的材料，因此與金屬復(fù)合化而得的金屬-金剛石復(fù) 合材料也同樣非常堅硬，是較難加工的材料。因此，金屬-金剛石復(fù)合材料幾乎無法通過普 通的金剛石工具進行加工，在小型且形狀各異的散熱器使用金屬-金剛石復(fù)合材料時，存 在如何以低成本進行形狀加工的問題。對于這個問題，金屬-陶瓷復(fù)合材料能夠?qū)щ?，因?也有人研究了利用電火花加工等的加工方法。專利文獻1 日本專利特開平9-157773號公報專利文獻2 日本專利特開2000-303126號公報專利文獻3 日本專利特表2007-518875號公報發(fā)明的概要但是，作為上述散熱器用材料的使用方式，通常，為了高效地釋放半導(dǎo)體元件發(fā)出 的熱量，以用釬焊等將散熱器接合于半導(dǎo)體元件的方式進行接觸配置。因此，需要對該用途 所使用的散熱器的用釬焊等接合的面實施鍍敷處理等，對于現(xiàn)有的金屬-金剛石復(fù)合材料 而言，如果接合面上有金剛石粒子露出，則難以形成鍍層，其結(jié)果是接觸界面的熱阻增大。 而且，如果接合面的表面粗糙度較大，則接合時釬焊層的厚度變得不均勻，散熱性降低，因 此不理想。因此，作為散熱器用材料所要求的特性，例如，存在如何改善鍍敷性以及如何減 小表面粗糙度等問題。
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因此，需要一種兼具高導(dǎo)熱系數(shù)以及接近半導(dǎo)體元件的熱膨脹率并改善了表面鍍 敷性和表面粗糙度的復(fù)合材料。S卩，本發(fā)明的目的在于，提供兼具高導(dǎo)熱系數(shù)以及接近半導(dǎo)體元件的熱膨脹率并 且改善了表面的鍍敷性和表面粗糙度而適用于半導(dǎo)體元件的散熱器等的鋁-金剛石類復(fù) 合體。本發(fā)明的鋁-金剛石類復(fù)合體是含有金剛石粒子和以鋁為主要成分的金屬的平 板狀的鋁-金剛石類復(fù)合體，其特征在于，上述鋁-金剛石類復(fù)合體包括復(fù)合化部及設(shè)置在 上述復(fù)合化部的兩面的表面層，上述表面層由含有以鋁為主要成分的金屬的材料形成，上 述金剛石粒子的含量占上述鋁-金剛石類復(fù)合體整體的40體積％ 70體積％。具有上述構(gòu)成的鋁-金剛石類復(fù)合體具有高導(dǎo)熱性以及接近半導(dǎo)體元件的熱膨 脹率，且表面的鍍敷性得到提高，表面粗糙度較小。本發(fā)明的鋁-金剛石類復(fù)合體具有高導(dǎo)熱性以及接近半導(dǎo)體元件的熱膨脹率，且 表面的鍍敷性得到提高，表面粗糙度較小，因此可良好地用于半導(dǎo)體元件的散熱用散熱器寸。附圖的簡單說明

圖1是實施方式1的鋁-金剛石類復(fù)合體的結(jié)構(gòu)圖。圖2是實施方式1的鋁-金剛石類復(fù)合體在復(fù)合化前的結(jié)構(gòu)層體的剖視圖。圖3是實施方式1的鋁-金剛石類復(fù)合體的立體圖。圖4是實施方式2的鋁-金剛石類復(fù)合體在復(fù)合化前的結(jié)構(gòu)體的剖視圖。符號的說明1鋁-金剛石類復(fù)合體2復(fù)合化部3表面層4由多孔體形成的型材5金屬板6涂布有脫模材料的脫模板7金剛石粉末8外周部9 孔部10陶瓷纖維實施發(fā)明的方式[術(shù)語的說明]在本說明書中，符號“ ”是指“以上”及“以下”。例如，“A B”是指A以上B以下。在本說明書中，“兩面”是指形成為平板狀的鋁-金剛石類復(fù)合體的上下兩側(cè)的面。 此外，在本說明書中，“側(cè)面部”是指形成為平板狀的鋁-金剛石類復(fù)合體的側(cè)面，即與上述 兩面大致垂直的部分。此外，在本說明書中，“孔部”是指為將本發(fā)明的部件通過螺絲固定于其它的散熱 構(gòu)件而設(shè)置的、以貫通平板狀的鋁-金剛石類復(fù)合體的上下面的方式加工而成的通孔。
以下，使用附圖對本發(fā)明的鋁-金剛石類復(fù)合體及其制造方法的實施方式進行說 明。<實施方式1>本實施方式的鋁-金剛石類復(fù)合體(圖1的1)是含有金剛石粒子和以鋁為主要 成分的金屬的平板狀的鋁-金剛石類復(fù)合體，其特征在于，上述鋁-金剛石類復(fù)合體1包括 復(fù)合化部(圖1的幻及設(shè)置在上述復(fù)合化部2的兩面的表面層(圖1的幻，上述表面層3 由含有以鋁為主要成分的金屬的材料形成，上述金剛石粒子的含量占上述鋁-金剛石類復(fù) 合體1整體的40體積％ 70體積％。具有上述構(gòu)成的鋁-金剛石類復(fù)合體具有高導(dǎo)熱性以及接近半導(dǎo)體元件的熱膨 脹率，且表面的鍍敷性得到提高，表面粗糙度較小。以下，關(guān)于本實施方式的鋁-金剛石類復(fù)合體，對利用液態(tài)模鍛法的制造方法進 行說明。這里，鋁-金剛石類復(fù)合體的制造方法大致分為浸滲法和粉末冶金法。其中，從導(dǎo) 熱系數(shù)等特性方面出發(fā)，實際商品化的大多是通過浸滲法制造的產(chǎn)品。浸滲法也包括各種 制造方法，有在常壓下進行的方法和在高壓下進行的高壓鍛造法。高壓鍛造法包括液態(tài)鍛 模法和壓鑄法。適合本發(fā)明的方法為高壓下進行浸滲的高壓鍛造法，為了得到導(dǎo)熱系數(shù)等特性優(yōu) 良的致密的復(fù)合體而優(yōu)選液態(tài)模鍛法。液態(tài)模鍛法通常是指在高壓容器內(nèi)裝填金剛石等的 粉末或成形體，在高溫、高壓下使鋁合金等的熔液浸滲至上述粉末或成形體中而得到復(fù)合 材料的方法。[金剛石粉末]作為原料的金剛石粉末可以使用天然金剛石粉末或人造金剛石粉末中的任一種。 此外，可以根據(jù)需要在該金剛石粉末中添加例如二氧化硅等粘合材料。通過添加粘合材料， 可獲得能夠形成成形體的效果。關(guān)于上述金剛石粉末的粒度，從導(dǎo)熱系數(shù)的觀點出發(fā)，優(yōu)選平均粒徑為50μπι以 上的粉末，更優(yōu)選平均粒徑為ΙΟΟμπι以上。關(guān)于金剛石粒子的粒徑的上限，只要在所得復(fù) 合體的厚度以下即可，沒有特性上的限定，但粒徑為500 μ m以下時能夠以穩(wěn)定的成本得到 復(fù)合體，因此優(yōu)選。另外，鋁-金剛石類復(fù)合體中的金剛石粒子的含量優(yōu)選為40體積％以上70體 積％以下。金剛石粒子的含量為40體積％以上時，能夠充分確保所得的鋁-金剛石類復(fù)合 體的導(dǎo)熱系數(shù)。此外，從填充性的方面出發(fā)，優(yōu)選金剛石粒子的含量為70體積％以下。含 量為70體積％以下時，不需要將金剛石粒子的形狀加工成球形等，從而能夠以穩(wěn)定的成本 得到鋁-金剛石類復(fù)合體。關(guān)于由液態(tài)模鍛法得到的復(fù)合體，在適宜的條件下，熔液可遍布于粉末間的空隙， 因此粉末體積相對于填充體積的比例與粉末材料體積(粒子的含量)相對于所得的復(fù)合體 整體的體積的比例大致相等。而且，通過使用在上述金剛石粒子的表面形成了 β型碳化硅層的金剛石粉末，能 夠抑制復(fù)合化時所形成的低導(dǎo)熱系數(shù)的金屬碳化物(Al4C3)的生成，并且能夠改善與熔融 鋁之間的潤濕性。其結(jié)果是，能夠得到使所得的鋁-金剛石類復(fù)合體的導(dǎo)熱系數(shù)提高的效果ο作為液態(tài)鍛模的準(zhǔn)備，如圖2所示配置鋁合金可浸滲的由多孔體形成的型材(圖2的4)、涂布有脫模劑的致密的脫模板(圖2的6)及上述金剛石粉末(圖2的7)，由此制 備包括型材4、脫模板6及所填充的金剛石粉末7的用于液態(tài)鍛模的結(jié)構(gòu)體。這里，圖2是用于液態(tài)鍛模的結(jié)構(gòu)體的剖視圖，是填充有上述金剛石粉末的部分 的剖面圖。另外，通過液態(tài)鍛模法將鋁合金和金剛石粉末復(fù)合化時，鋁合金通過上述由多孔 體形成的型材而到達填充有金剛石粉末的部分。[由多孔體形成的型材]這里，作為液態(tài)鍛模法中鋁合金能夠浸滲的由多孔體形成的型材4的材料，只要 是在液態(tài)鍛模法中鋁合金能夠浸滲的多孔體即可，沒有特別限定。但是，作為該多孔體，優(yōu) 選使用耐熱性良好并能夠進行穩(wěn)定的熔液供給的石墨、氮化硼、氧化鋁纖維等的多孔體等。[脫模板]此外，作為致密的脫模板6，可以使用不銹鋼板或陶瓷板，只要是在液態(tài)模鍛法中 不會被鋁合金浸滲的致密體即可，沒有特別限制。此外，關(guān)于涂布于脫模板的脫模劑，可以 優(yōu)選使用耐熱性優(yōu)良的石墨、氮化硼、氧化鋁等脫模劑。而且，通過在以氧化鋁溶膠等涂覆 脫模板的表面后涂布上述脫模劑，能夠得到可進行更加穩(wěn)定的脫模的脫模板。本實施方式的特征在于，在復(fù)合化后剝離配置于兩面的脫模板6。通過上述特有的 結(jié)構(gòu)，能夠得到具有非常平滑的表面的鋁-金剛石類復(fù)合體。[鋁合金]為了在浸滲時充分地滲透至金剛石粉末的空隙中(金剛石粒子間)，本實施方式 的鋁-金剛石類復(fù)合體中的鋁合金(以鋁為主要成分的金屬)較好是熔點盡可能低。作為這樣的鋁合金，可以例舉例如含有5 25質(zhì)量％的硅的鋁合金。通過使用含 有5 25質(zhì)量％的硅的鋁合金，能夠得到促進鋁-金剛石類復(fù)合體的致密化的效果。而且，通過使上述鋁合金含有鎂，金剛石粒子與金屬部分的結(jié)合變得更加牢固，因 此優(yōu)選。關(guān)于鋁合金中的鋁、硅、鎂以外的金屬成分，只要在不會導(dǎo)致鋁合金的特性發(fā)生極 端變化的范圍內(nèi)即可，沒有特別限定，可以含有例如銅等。本實施方式的鋁-金剛石類復(fù)合體能夠通過復(fù)合化時的金剛石粉末的填充量來 調(diào)整厚度，其厚度優(yōu)選為0. 4 6mm。如果該厚度為0. 4mm以上，則能夠得到足以作為散熱 器等使用的強度。此外，如果該厚度為6mm以下，則能夠控制材料本身的成本，能夠得到充 分的導(dǎo)熱性。將多塊所得的結(jié)構(gòu)體進一步層疊而制成組塊(block)，并在600 750°C左右對該 組塊進行加熱。然后，將1個或2個以上的該組塊配置于高壓容器內(nèi)，為防止組塊的溫度降 低而盡量快速地供給已加熱至熔點以上的鋁合金的熔液，并以20MPa以上的壓力加壓。這里，如圖2所示，也可以在上述結(jié)構(gòu)體的兩面配置金屬板5。此外，如上所述，將 多塊結(jié)構(gòu)體層疊而制成組塊時，也可以在結(jié)構(gòu)體之間介以該金屬板5來進行層疊。通過配 置這樣的脫模板，能夠使熔液均勻浸滲，且浸滲處理后的鋁-金剛石類復(fù)合體的取出等操 作變得容易進行。通過上述操作，使鋁合金浸滲至金剛石粉末的空隙中，由此能夠得到被以鋁為主 要成分的表面層覆蓋的平板狀的鋁-金剛石類成形體。
這里，組塊的加熱溫度如果為600°C以上，則鋁合金的復(fù)合化穩(wěn)定，能夠得到具有 充分的導(dǎo)熱系數(shù)的鋁-金剛石類復(fù)合體。此外，如果加熱溫度為750°C以下，則與鋁合金復(fù) 合化時，能夠抑制金剛石粉末表面的碳化鋁(Al4C3)的生成，能夠得到具有充分的導(dǎo)熱系數(shù) 的鋁-金剛石類復(fù)合體。此外，關(guān)于浸滲時的壓力，如果壓力為20MPa以上則鋁合金的復(fù)合化穩(wěn)定，能夠得 到具有充分的導(dǎo)熱系數(shù)的鋁-金剛石類復(fù)合體。而且優(yōu)選浸滲壓力為50MPa以上。如果壓 力為50MPa以上，則能夠得到更穩(wěn)定的具有導(dǎo)熱系數(shù)特性的鋁-金剛石類復(fù)合體。[退火處理]另外，也可以對由上述操作得到的鋁-金剛石類成形體進行退火處理。通過進行 退火處理，能夠除去上述鋁-金剛石類成形體內(nèi)的應(yīng)變，得到具有更穩(wěn)定的導(dǎo)熱系數(shù)特性 的鋁-金剛石類復(fù)合體。為了不給所得的鋁-金剛石類成形體的表面帶來影響，而僅除去成形體中的應(yīng) 變，優(yōu)選上述退火處理在400°C 550°C的溫度條件下進行10分鐘以上。[加工方法]下面，對本實施方式的鋁-金剛石類成形體的加工方法的例子進行說明。上述 鋁-金剛石類成形體是非常堅硬的較難加工的材料，但能夠通過水射流加工機進行外周部 (側(cè)面部)(圖3的8)及孔部(圖3的9)的加工，從而加工成鋁-金剛石類復(fù)合體。其結(jié) 果是，所得的鋁-金剛石類復(fù)合體成為如圖1或圖3所示的在外周部8及孔部9處露出復(fù) 合化部2的結(jié)構(gòu)。這里，上述孔部9如圖3所示以貫通上下表面而使得其能夠螺絲固定于其他的散 熱部件的方式進行設(shè)置。例如，也可通過加工成與外周部連接的如U字形狀等形狀來削減 加工成本。此外，本實施方式的鋁-金剛石類成形體為導(dǎo)電性材料，因此也可以使用電火花 加工機對外周部8及孔部9進行加工。所得的鋁-金剛石類復(fù)合體成為在外周部8及孔部 8處露出復(fù)合化部2的結(jié)構(gòu)。另外，本實施方式的鋁-金剛石類成形體也可以使用普通的金剛石工具等進行加 工，但由于是非常堅硬的較難加工的材料，因此從工具的耐久性和加工成本的方面出發(fā)，優(yōu) 選采用水射流加工機或電火花加工機進行加工。[表面層]本實施方式的鋁-金剛石類復(fù)合體的特征在于，復(fù)合化部(圖1的幻的兩面被由 含有以鋁為主要成分的金屬(鋁合金)的材料形成的表面層(圖1的幻覆蓋。這里，上述表面層3主要由含有以鋁為主要成分的金屬的材料形成，但也可以含 有除以鋁為主要成分的金屬以外的物質(zhì)。即，也可以含有上述金剛石粒子或其它的雜質(zhì)等。但是，優(yōu)選在表面層3的自表面起0. 02mm的部分中不存在金剛石粒子。通過這這 樣的結(jié)構(gòu)，可采用通常的金屬加工中所采用的加工方法，使表面層3平滑而不會產(chǎn)生劃痕。此外，上述表面層3優(yōu)選含有80體積％以上的以鋁為主要成分的金屬。如果以鋁 為主要成分的金屬的含量為80體積％以上，則能夠采用通常的金屬加工所采用的加工方 法，進行表面層3的研磨。更優(yōu)選以鋁為主要成分的金屬的含量為90體積％以上。如果以 鋁為主要成分的金屬的含量為90體積％以上，則在研磨表面時不會因內(nèi)部的雜質(zhì)等脫離
7而產(chǎn)生劃痕。此外，上述表面層3的厚度以平均厚度計優(yōu)選為0. 03mm以上0. 3mm以下。如果上 述表面層3的平均厚度為0. 03mm以上，則在之后的處理中，金剛石粒子不會露出，能夠容易 地得到作為目標(biāo)的表面精度及鍍敷性。此外，如果表面層3的平均厚度為0. 3mm以下，則在 所得的鋁-金剛石類復(fù)合體1中的復(fù)合化部2具有足夠的厚度，能夠確保充分的導(dǎo)熱系數(shù)。此外，兩面的表面層3的平均厚度的總和優(yōu)選為鋁-金剛石類復(fù)合體1的厚度的 20%以下，更優(yōu)選為10%以下。兩面的表面層3的平均厚度的總和如果為鋁-金剛石類復(fù) 合體1的厚度的20%以下，則除了表面精度及鍍敷性之外，還能夠得到充分的導(dǎo)熱系數(shù)。關(guān)于上述表面層3的厚度，可以如下進行調(diào)整如后所述，填充金剛石粉末時，在 金剛石粉末和涂布有脫模劑的致密的脫模板之間配置氧化鋁纖維等陶瓷纖維并將鋁合金 復(fù)合化。此外，也可以使用鋁箔代替陶瓷纖維來進行調(diào)整。[表面層的加工]本實施方式的鋁-金剛石類復(fù)合體具有兩面被由含有以鋁為主成分的金屬的材 料形成的表面層3覆蓋的結(jié)構(gòu)，因此通過對該表面層3進行加工(研磨)，能夠調(diào)整表面精 度(表面粗糙度Ra)。該表面層3的加工能夠采用通常的金屬加工所采用的加工方法，可 以使用例如拋光機等進行研磨，從而使表面粗糙度(Ra)為Iym以下。而且，可通過對該表面層3進行加工來調(diào)整表面層的平均厚度。本實施方式的 鋁-金剛石類復(fù)合體在作為散熱器等散熱部件使用時，如果考慮接合面的熱阻，則優(yōu)選為 表面粗糙度小的平滑表面，其表面粗糙度(Ra)優(yōu)選為Iym以下，更優(yōu)選為0.5μπι以下。 通過使表面粗糙度為1 μ m以下，能夠使釬焊層的厚度變得均勻，從而能夠得到更高的散熱 性。此外，關(guān)于上述表面層2的平面度，在換算為50mmX 50mm的尺寸時，優(yōu)選平面度為 30 μ m以下，更優(yōu)選為10 μ m以下。通過使該平面度為30 μ m以下，能夠使釬焊層的厚度變 得均勻，并能夠得到更高的散熱性。[復(fù)合化部]本實施方式的鋁-金剛石類復(fù)合體具有上述金剛石粒子和鋁合金的復(fù)合化部(圖 1 的 2)。上述表面層3和復(fù)合化部2的邊界優(yōu)選在通過顯微鏡等觀察鋁-金剛石類復(fù)合體 的剖面時能夠通過肉眼清晰地觀察到。這樣的結(jié)構(gòu)的鋁-金剛石類復(fù)合體在研磨時不會有 金剛石粒子從表面層3突出，因此不會發(fā)生金剛石粒子脫離而產(chǎn)生劃痕的情況。上述表面層3和復(fù)合化部2也可以不具有能夠通過肉眼觀察到的邊界。在這樣的 結(jié)構(gòu)的鋁-金剛石類復(fù)合體中，在上述表面層3和復(fù)合化部2之間不易產(chǎn)生應(yīng)力，因而在研 磨等中施加力時，表面層3不會破損。[鍍敷處理]本實施方式的鋁-金剛石類復(fù)合體在作為半導(dǎo)體元件的散熱器使用時，大多數(shù)情 況下通過釬焊與半導(dǎo)體元件接合來使用。因此，可以對鋁-金剛石類復(fù)合體的接合表面實 施鍍敷。鍍敷處理的方法沒有特別限定，可以使用非電解鍍敷處理、電鍍處理法中的任一 種。對鋁進行鍍敷處理時，施以Ni鍍層，或考慮到釬料潤濕性而施以Ni鍍層和Au鍍層的雙層鍍層。此時的鍍層厚度優(yōu)選為0. 5 μ m以上10 μ m以下。如果鍍層厚度為0. 5μπι以上，則能夠防止鍍層氣孔或釬焊時的釬料空隙的產(chǎn)生， 并能夠確保自半導(dǎo)體元件的散熱特性。此外，如果鍍層的厚度為ΙΟμπι以下，則能夠不受到 低導(dǎo)熱系數(shù)的M鍍膜的影響，確保自半導(dǎo)體元件的散熱特性。關(guān)于M鍍膜的純度，只要不 會給釬料潤濕性造成影響即可，沒有特別限定，可以含有磷、硼等。此外，對于本實施方式的鋁-金剛石類復(fù)合體，鋁-金剛石類復(fù)合體的溫度為25°C 時的導(dǎo)熱系數(shù)為400W/mK以上，25°C 150°C時的熱膨脹系數(shù)為5 X 10-6/K 10 X 10-6/K。如果25°C時的導(dǎo)熱系數(shù)為400W/mK以上，且25°C 150°C時的熱膨脹系數(shù)為 5X10-6/K 10X10-6/K，則在具有高導(dǎo)熱系數(shù)的同時具有與半導(dǎo)體元件同等水平的低膨脹 率。因此，在作為散熱器等散熱部件使用時，散熱特性優(yōu)良，且即使經(jīng)受溫度變化，由于半導(dǎo) 體元件和散熱部件間的熱膨脹率差較小，因此也能夠抑制對半導(dǎo)體元件的破壞。其結(jié)果是， 可良好地用作高可靠性的散熱部件。<實施方式2>下面，對實施方式2的鋁-金剛石類復(fù)合體進行說明。實施方式2的鋁-金剛石 類復(fù)合體能夠如下得到如圖4所示，在所填充的金剛石粉末7和涂布有脫模劑的致密的脫 模板6之間配置陶瓷纖維10，再將鋁合金與之復(fù)合化。由上述制造方法得到的鋁-金剛石復(fù)合體在兩面形成由鋁-陶瓷復(fù)合材料形成的 表面層。[鋁-陶瓷復(fù)合材料]關(guān)于上述由鋁-陶瓷復(fù)合材料形成的表面層，根據(jù)鍍敷性及表面精度的關(guān)系，鋁 合金以外的含量優(yōu)選小于20體積％。如果鋁合金以外的含量小于20體積％，則可獲得表 面層易于加工的效果。此外，作為陶瓷纖維，沒有特別限定，但從耐熱性的方面出發(fā)，可以優(yōu)選使用氧化 鋁纖維、二氧化硅纖維、莫來石纖維等陶瓷纖維。而且，從上述鋁-陶瓷復(fù)合材料的特性方 面出發(fā)，陶瓷纖維的含量(Vf)優(yōu)選為10體積％以下，優(yōu)選在層疊壓縮后Vf小于20體積％。此外，上述陶瓷纖維的厚度優(yōu)選為0. 5mm以下。如果厚度為0. 5mm以下，上述表面 層就可形成適當(dāng)?shù)暮穸?，從而能夠得到具有充分的?dǎo)熱系數(shù)的鋁-金剛石類復(fù)合體。另外，關(guān)于實施方式2，除了設(shè)置上述由鋁-金剛石復(fù)合材料形成的表面層外，其 他與實施方式1相同?！醋饔眯Ч狄韵拢瑢ι鲜鍪聦嵎绞?及2的鋁-金剛石類復(fù)合體的作用效果進行說明。上述實施方式1的鋁-金剛石類復(fù)合體(圖1的1)是含有金剛石粒子和以鋁為 主要成分的金屬的平板狀的鋁-金剛石類復(fù)合體，其特征在于，上述鋁-金剛石類復(fù)合體1 包括復(fù)合化部(圖1的幻及設(shè)置在上述復(fù)合化部2的兩面的表面層(圖1的幻，上述表面 層3由含有以鋁為主要成分的金屬的材料形成，上述金剛石粒子的含量占上述鋁-金剛石 類復(fù)合體1整體的40體積％ 70體積％。具有上述構(gòu)成的鋁-金剛石類復(fù)合體1具有高導(dǎo)熱性以及接近半導(dǎo)體元件的熱膨 脹率，且表面的鍍敷性得到提高，表面粗糙度較小，因此可良好地作為半導(dǎo)體元件的散熱用 散熱器等使用。
此外，實施方式2的鋁-金剛石類復(fù)合體的上述表面層3由鋁-陶瓷復(fù)合材料形 成，能夠調(diào)整上述表面層3的厚度，能夠得到具有充分的導(dǎo)熱系數(shù)的鋁-金剛石類復(fù)合體1。此外，由于上述表面層3含有80體積％以上的以鋁為主要成分的金屬，因此能夠 通過通常的金屬加工所采用的加工方法進行表面層3的研磨。而且，由于上述表面層3的厚度為0. 03mm以上0. 3mm以下，因此容易得到作為目 標(biāo)的表面精度及鍍敷性，而且還能夠確保充分的導(dǎo)熱系數(shù)。此外，由于上述表面層3的表面粗糙度(Ra)為1 μ m以下，因此能夠使釬焊層的厚 度變得均勻，并能夠得到更高的散熱性。此外，由于上述平板狀的鋁-金剛石類復(fù)合體1的厚度為0. 4 6mm，因此可獲得 足以作為散熱器等散熱部件的強度及散熱特性。此外，上述鋁-金剛石類復(fù)合體1的溫度為25°C時的導(dǎo)熱系數(shù)為400W/mK以 上，上述鋁-金剛石類復(fù)合體1的溫度為25°C 150°C時的熱膨脹系數(shù)可為5X10_6/K 10Χ10-6/Κο由此，作為散熱器等散熱部件使用時，可獲得如下的效果散熱特性優(yōu)良，且即 使經(jīng)受溫度變化，由于半導(dǎo)體元件和散熱部件間的熱膨脹率差較小，因此也能夠抑制對半 導(dǎo)體元件的破壞。此外，可以在上述鋁-金剛石類復(fù)合體1的表面設(shè)置Ni鍍層或Ni鍍層及Au鍍層 的雙層鍍層，并使得厚度達到0. 5 10 μ m。由此，在作為散熱部件等使用時，能夠確保高散 熱特性。此外，上述鋁-金剛石類復(fù)合體1可以通過液態(tài)模鍛法進行制造。由此，能夠得到 導(dǎo)熱系數(shù)等特性優(yōu)良的致密的復(fù)合體。此外，上述平板狀的鋁-金剛石類復(fù)合體1可以具有孔部9，且上述平板狀的 鋁-金剛石類復(fù)合體1的側(cè)面部8及上述孔部9是露出上述復(fù)合化部2的結(jié)構(gòu)。由此，在 作為散熱部件等使用時，能夠通過螺絲等進行固定。上述鋁-金剛石類復(fù)合體能夠通過包括如下步驟的制造方法得到利用由涂布有 脫模劑的脫模板夾持的結(jié)構(gòu)，在由多孔體形成的型材中填充金剛石粒子，制備包括上述型 材、上述脫模板及上述被填充的金剛石粉末的結(jié)構(gòu)體的步驟；在600 750°C對上述結(jié)構(gòu) 體進行加熱的步驟；以及在20MPa以上的壓力下，使已加熱至鋁合金的熔點以上的鋁合金 浸滲至上述被填充的金剛石粒子中，制備兩面被以鋁為主要成分的表面層覆蓋的平板狀的 鋁-金剛石類復(fù)合體的步驟。通過這樣的制造方法，能夠得到如下的鋁-金剛石類復(fù)合體具有高導(dǎo)熱性以及 接近半導(dǎo)體元件的熱膨脹率，且表面的鍍敷性得到提高，表面粗糙度較小，因此能夠良好地 用于半導(dǎo)體元件的散熱用散熱器等。此外，上述制造方法還可包括如下步驟在制備上述平板狀的鋁-金剛石類復(fù)合 體的步驟后，通過水射流加工或電火花加工，進行上述平板狀的鋁-金剛石類成形體的側(cè) 面部及孔部的加工，從而制造鋁-金剛石類復(fù)合體。通過這樣的步驟，在作為散熱部件等使 用時，能夠通過螺絲等進行固定。以上，例舉實施方式對本發(fā)明的鋁-金剛石類復(fù)合體及其制造方法進行了說明， 但本發(fā)明并不限于這些例子。實施例以下，例舉實施例及比較例對本發(fā)明進行更詳細的說明，但本發(fā)明并不限于這些 例子。[實施例1 7]根據(jù)表1所示的配比將市售的高純度的金剛石粉末A(平均粒徑190 μ m)、高純度 的金剛石粉末B (平均粒徑100 μ m)、高純度的金剛石粉末C (平均粒徑50 μ m)及鋁粉末 (平均粒徑50 μ m)混合。[表1]
權(quán)利要求
1.鋁-金剛石類復(fù)合體，它是含有金剛石粒子和以鋁為主要成分的金屬的平板狀的 鋁-金剛石類復(fù)合體，其特征在于，所述鋁-金剛石類復(fù)合體包括復(fù)合化部和設(shè)置在所述復(fù)合化部的兩面的表面層， 所述表面層由含有以鋁為主要成分的金屬的材料形成，所述金剛石粒子的含量占所述鋁-金剛石類復(fù)合體整體的40體積％ 70體積％。
2.如權(quán)利要求1所述的鋁-金剛石類復(fù)合體，其特征在于，所述表面層由鋁-陶瓷類復(fù) 合材料形成。
3.如權(quán)利要求1或2所述的鋁-金剛石類復(fù)合體，其特征在于，所述表面層含有80體 積％以上的以鋁為主要成分的金屬。
4.如權(quán)利要求1 3中的任一項所述的鋁-金剛石類復(fù)合體，其特征在于，所述表面層 的厚度為0. 03mm以上0. 3mm以下。
5.如權(quán)利要求1 4中的任一項所述的鋁-金剛石類復(fù)合體，其特征在于，所述表面層 的表面粗糙度(Ra)為1 μ m以下。
6.如權(quán)利要求1 5中的任一項所述的鋁-金剛石類復(fù)合體，其特征在于，所述平板狀 的鋁-金剛石類復(fù)合體的厚度為0. 4 6mm。
7.如權(quán)利要求1 6中的任一項所述的鋁-金剛石類復(fù)合體，其特征在于，所述鋁-金 剛石類復(fù)合體的溫度為25°C時的導(dǎo)熱系數(shù)為400W/mK以上，所述鋁-金剛石類復(fù)合體的溫 度為25°C 150°C時的熱膨脹系數(shù)為5X10—7K 10X10_6/K。
8.如權(quán)利要求1 7中的任一項所述的鋁-金剛石類復(fù)合體，其特征在于，在所述表 面層的表面設(shè)置有厚度為0. 5 μ m 10 μ m的Ni鍍層或由Ni鍍層和Au鍍層形成的雙層鍍 層。
9.如權(quán)利要求1 8中的任一項所述的鋁-金剛石類復(fù)合體，其特征在于，所述鋁-金 剛石類復(fù)合體通過液態(tài)模鍛法制造。
10.如權(quán)利要求1 9中的任一項所述的鋁-金剛石類復(fù)合體，其特征在于，所述平板 狀的鋁-金剛石類復(fù)合體具有孔部，所述平板狀鋁-金剛石類復(fù)合體的側(cè)面部及所述孔部 為露出所述復(fù)合化部的結(jié)構(gòu)。
11.鋁-金剛石類復(fù)合體的制造方法，其特征在于，包括如下步驟利用由涂布有脫模劑的脫模板夾持的結(jié)構(gòu)，在由多孔體形成的型材中填充金剛石粒 子，制備包括所述型材、所述脫模板及所述被填充的金剛石粉末的結(jié)構(gòu)體的步驟； 在600 750°C對所述結(jié)構(gòu)體進行加熱的步驟；以及在20MPa以上的壓力下使已加熱至鋁合金熔點以上的鋁合金浸滲至所述被填充的金 剛石粒子中，制備兩面被以鋁為主要成分的表面層覆蓋的平板狀的鋁-金剛石類復(fù)合體的步驟。
12.如權(quán)利要求11所述的鋁-金剛石類復(fù)合體的制造方法，其特征在于，還包括如下步驟在制備所述平板狀的鋁-金剛石類復(fù)合體的步驟后，通過水射流加工或電火花加工， 進行所述平板狀的鋁-金剛石類復(fù)合體的側(cè)面部及孔部的加工。
全文摘要
本發(fā)明提供兼具高導(dǎo)熱系數(shù)以及接近半導(dǎo)體元件的熱膨脹率且改善了表面的鍍敷性及表面粗糙度而適用于半導(dǎo)體元件的散熱器等的鋁-金剛石類復(fù)合體。所述鋁-金剛石類復(fù)合體是含有金剛石粒子和以鋁為主要成分的金屬的平板狀的鋁-金剛石類復(fù)合體，其特征在于，所述鋁-金剛石類復(fù)合體包括復(fù)合化部及設(shè)置在上述復(fù)合化部的兩面的表面層，上述表面層由含有以鋁為主要成分的金屬的材料形成，上述金剛石粒子的含量占上述鋁-金剛石類復(fù)合體整體的40體積％～70體積％。
文檔編號H01L23/373GK102149493SQ200980135968
公開日2011年8月10日 申請日期2009年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月17日
發(fā)明者塚本秀雄, 廣津留秀樹 申請人:電氣化學(xué)工業(yè)株式會社