複合材ヒートシンクとその製造方法
【課題】熱膨張制御の為Ｍｏのように硬い金属を含むヒートシンクであっても、精度良く容易に製造することができるヒートシンクを提供すること。
【解決手段】レーザーダイオード２を載置する載置面１ａと、載置面１ａに隣接しレーザーダイオード２の発光面２ａに対して同一面上に配置される端面１ｂとを有している。ヒートシンク１の基材３の表面を基材３よりも軟らかい材質のメッキ層で厚手に被覆し、被覆された載置面１ａと端面１ｂとのコーティング層４ａ，４ｂをダイヤモンドバイトなどで切削加工した後、レーザーダイオード２の発光面２ａとヒートシンク１の端面１ｂを同一面上に配置するようにした。レーザーダイオードとヒートシンクはインジウムや金錫半田などで高い平面性を持って高精度に接合する事が出来る。
【解決手段】レーザーダイオード２を載置する載置面１ａと、載置面１ａに隣接しレーザーダイオード２の発光面２ａに対して同一面上に配置される端面１ｂとを有している。ヒートシンク１の基材３の表面を基材３よりも軟らかい材質のメッキ層で厚手に被覆し、被覆された載置面１ａと端面１ｂとのコーティング層４ａ，４ｂをダイヤモンドバイトなどで切削加工した後、レーザーダイオード２の発光面２ａとヒートシンク１の端面１ｂを同一面上に配置するようにした。レーザーダイオードとヒートシンクはインジウムや金錫半田などで高い平面性を持って高精度に接合する事が出来る。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主として金属複合材料によるヒートシンク技術に関し、特に（放熱される発熱体の熱膨張率に合わせて）熱膨張率が制御されたヒートシンク及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の金属系ヒートシンクは、熱伝導の良い銅（以下、Ｃｕとする：熱膨張率が約１７ｐｐｍ／Ｋ、熱伝導率約４００Ｗ／ｍＫ）、銀（熱膨張率が約２０ｐｐｍ／Ｋ、熱伝導率約４２０Ｗ／ｍＫ）やアルミニウム（熱膨張率が約２４ｐｐｍ／Ｋ、熱伝導率約２３０Ｗ／ｍＫ）系の単一材によるヒートシンクが広く用いられていた。これらの銅、銀やアルミニウム系のヒートシンクはその熱膨張率に対して、ヒートシンクにより冷却されるシリコン（熱膨張率約３．５ｐｐｍ／Ｋ）やガリウム砒素（熱膨張率約６．５ｐｐｍ／Ｋ）などの化合物系の半導体は、それらの熱膨張率よりも小さく、熱膨張差による素子内部に生じる熱応力ひずみによって、上述した材料のヒートシンクでは、半導体の寿命が制限された。このため、熱膨張率が小さいタングステン（以下、Ｗとする）やモリブデン焼結体に熱膨張率が大きいＣｕを適量含浸した複合金属（Ｃｕ−Ｗ複合材料）などを用いて熱膨張率を小さく制御した材料が用いられていたが、これらの複合材は一般に熱伝導が十分ではなかった（熱伝導率約１８０〜２００Ｗ／ｍＫ）。又、表面の平面加工も比較的困難で、鏡面加工はほぼ不可能であった。
【０００３】
低熱膨張率と高熱伝導率とを両立できる技術として、図６に示すようなＣｕとモリブデン（以下Ｍｏとする：熱膨張率が約５ｐｐｍ／Ｋ、熱伝導率約１４０Ｗ／ｍＫ）を積層構造にしたヒートシンクが考えられる。図６のＡは、レーザーダイオードを取付けているヒートシンクの平面図、図６のＢはその側面図である。積層構造としては、ヒートシンク３１の下段から上段に向かって、Ｃｕ３２、Ｍｏ３３、Ｃｕ３４からなる３層構造である。
ヒートシンク３１の上面には、レーザーダイオード３５が載置されている。レーザーダイオード３５の平面方向の大きさは、通信用レーザーダイオードであれば、図５のＡに示す横（ｘ）×縦（ｙ）が、１〜５ｍｍ×０．５〜２ｍｍであり、産業用高出力レーザーダイオードであれば１〜３ｍｍ×１０ｍｍである。
なお、このヒートシンク３１の積層構造を応用した技術として、特許文献１にＭｏ−Ｃｕ−Ｍｏの三層構造の水冷式ヒートシンクが開示されている。このヒートシンクは、内部に冷却水を流通させて、発熱体の熱吸収を効率良く行うことができる。
【特許文献１】特開２００５−２１７２１１号公報 （半導体冷却器及び半導体冷却器積層体）
【特許文献２】特開２００４−１８１５４８号公報 （単結晶ダイヤモンドバイトおよびその製造方法）
【特許文献３】特開２００５−０９３７８１公報 （ヒートシンク及びその製造方法）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ヒートシンクとして、特にレーザーダイオードの冷却では、高い発熱密度（市場の標準的な物で６Ｗ／ｍｍ２以上）に対して高信頼性を得るため特にヒートシンクとしては高い熱伝導性かつ熱膨張率をレーザーダイオードの素材に近づける事や精密に接合するため載置面を鏡面加工することや、レーザ光を正確に放射することと、更にレーザーダイオード接合面全面に亘る良好な熱伝導の確保のため、側面（端面）に対しては角部の丸みが小さい直角構造が求められる。特に、上述した産業用の高出力レーザーダイオードは２×１０（ｘ×ｙ：図１のＡ参照）ｍｍ程度と横長の形状で、レーザ光が長手面から放射される構造となっている。載置面は１０ｍｍ間の平面度１μｍ以下が通常求められる。更に側面の仕様としては、面全域で平面度１μｍ、エッジの丸み１μｍ程度が通常求められている。このＣｕ−Ｍｏ−Ｃｕという異種材料の面の直角構造やその平面度を実現するには、高度な研磨技術と工程が必要で、実用化のために大きな制約となっていた。
【０００５】
具体的には、図６のＡの矢視ａの拡大図である図７のＡに示すように、ヒートシンク３１のレーザーダイオード３５の載置面３１ａとこれに隣接する端面３１ｂとの角部の丸み３６が大きいと、レーザーダイオード３５の場合、レーザーダイオード３５の下端から放射光ｂが放射されるため、角部における熱吸収がヒートシンク３１側に伝わらず、レーザーダイオード３５の熱が十分に吸収されないことがある。
一方、図７のＢに示すように、ヒートシンク３１の角部にバリ３７があると、バリ３７によって照射光ｂが散乱して、製品の性能が下がってしまうことがある。
【０００６】
切削技術については、特許文献２に開示されているようなダイヤモンドターニング（以下、ＤＴ加工とも称す）加工が知られている。
ＤＴ加工とは（天然又は人造による）、単結晶ダイヤモンドバイトで、切削面はほぼ円弧形状に加工してある。切削面は極めて精密に研磨されており、超硬工具などに比べても強度が高く、磨耗も少ない。さらに、バイトの熱伝導性も極めて高いため（熱伝導度がＣｕの約５倍、の２０００Ｗ／ｍＫと大きい）、刃先が劣化せずに極めて精度の高い平面加工が可能である。具体的には、ＤＴ加工の場合、１０ｍｍ×２０ｍｍ程度の面では約１分程度で加工が可能であり、耐久性も極めて高いため安価な加工が可能となる。鏡面特性としては面粗さについて、１０ｍｍ長での平面度０．２μｍ、面粗さＲａ０．０２μｍ、Ｒｙ０．１μｍ、角部の丸みについて１μｍ程度が容易に実現できる。
このＤＴ加工は、全てＣｕで構成された既存のヒートシンクではレーザーダイオード面とレーザ光が放射される側面はＤＴ加工が一般的に行われていて良好な特性が認められている。
【０００７】
しかしながら、Ｃｕ−Ｍｏ−Ｃｕなどの積層構造の側面加工では基材のＭｏの硬度がＣｕに比して極めて高く（ビッカース硬度で軟銅／５０〜５５Ｈｖに対しＭｏ／２００〜２８０Ｈｖ）、ダイヤモンドバイトのダメージが生じるため、ＤＴ加工ができない。
これについては、空冷式のヒートシンクのみならず、Ｃｕ−Ｍｏ−Ｃｕ積層材により形成された水冷式ヒートシンクについても同様であり、端面の仕様としては空冷式ヒートシンクと同様に、平面度１μｍ、エッジの丸み１μｍ程度が必要であり、ＤＴ加工ではダイヤモンドバイトのダメージのために実現できない。
【０００８】
従来では、このようにＤＴ加工がＭｏに用いられないため、Ｃｕ−Ｍｏ−Ｃｕ積層材を研磨するために、上記仕様を実現するには精密研削盤と精密砥石を用いた高度な研磨工程が不可欠で、加工コスト、加工時間などで実用化の大きな制約となっていた（一例として、精密研削盤で数μｍずつ研磨し５０μｍ程度の加工に約３０分程度の加工時間を要し、更に平面度も３μｍ程度と大きく、１μｍ以下を実現するのは困難だった）。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、Ｍｏのように硬い金属を含むヒートシンクであっても、Ｍｏの特性を発揮させるとともに精度良く容易に製造することができるヒートシンクの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明の複合材ヒートシンクの製造方法は、半導体素子を載置するヒートシンクの載置面を有し、前記ヒートシンクが、ヒートシンク基材と該ヒートシンク基材の表面に形成されたコーティング層とから構成され、前記ヒートシンク基材の表面を該ヒートシンク基材よりも軟らかい被覆材で形成し、該被覆材を切削加工又は研磨加工することによって、前記コーティング層を形成した。
上記複合材ヒートシンクの製造方法は、前記ヒートシンク基材がモリブデン、モリブデン系合金、タングステン、タングステン系合金、半導体（ＳｉＣなどの高熱伝導率かつ低熱膨張率材）又はセラミック材であり、前記コーティング層が銅又はニッケルとすることができる。
上記複合材ヒートシンクの製造方法は、前記コーティング層がメッキにより形成することができる。電鋳メッキでは１００〜５００μｍ程度の金属厚膜を形成することは通常行われている。
上記複合材ヒートシンクの製造方法は、前記ヒートシンクが内部に冷却水の流路を有する水冷式ヒートシンクとすることができる。
上記複合材ヒートシンクの製造方法は、前記切削加工がダイヤモンドターニング加工とすることができる。
なお、半導体素子には、レーザーダイオードが含まれる。
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の複合材ヒートシンクは、半導体を載置するヒートシンクの載置面を有し、該ヒートシンクが、ヒートシンク基材と該ヒートシンク基材の表面に形成されたコーティング層とから構成され、前記ヒートシンクは、前記ヒートシンク基材の表面を該ヒートシンク基材よりも軟らかい被覆材で形成し、該被覆材を切削加工又は研磨加工して前記コーティング層で被覆された載置面を形成するようにした。
また、上記目的を達成するために、上記複合材ヒートシンクは、レーザーダイオードを載置するヒートシンクの載置面と、該載置面に隣接し前記レーザーダイオードの一側面に沿って配置される端面とを有し、前記ヒートシンクが、ヒートシンク基材と該ヒートシンク基材の表面に形成されたコーティング層とから構成され、前記ヒートシンクは、前記ヒートシンク基材の表面を該ヒートシンク基材よりも軟らかい材質のメッキによるメッキ層で被覆し、該メッキ層を切削加工又は研磨加工して前記コーティング層で被覆された載置面及び端面を形成するようにした。
さらに、上記目的を達成するために、上記複合材ヒートシンクは、ヒートシンク基材と該ヒートシンク基材の表面に形成されたコーティング層とから構成された三層からなるヒートシンクを、板状の中間部材の表裏両面に接合して７層からなるヒートシンクを形成し、
該ヒートシンク基材が、該ヒートシンク基材よりも軟らかい被覆材で形成され、該被覆材を切削加工又は研磨加工して、前記コーティング層で被覆された半導体の載置面を形成するようにした。
上記複合材ヒートシンクは、前記ヒートシンク基材がモリブデン、モリブデン系合金、タングステン、タングステン系合金、半導体（ＳｉＣなどの高熱伝導率かつ低熱膨張率材）又はセラミック材であり、前記コーティング層が銅又はニッケルとすることができる。
上記複合材ヒートシンクは、前記半導体素子の一側面がレーザ光の発光面とすることができる。
上記複合材ヒートシンクは、前記切削加工をダイヤモンドターニング加工で行うことができる。
上記複合材ヒートシンクは、前記ヒートシンクの内部に冷却水の水路、冷却水の供給口及び前記冷却水の水路を介して前記供給口と連通する冷却水の排出口を形成することができる。
上記複合材ヒートシンクは、前記コーティング層がメッキにより形成されることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、ヒートシンク基材の表面を銅などの該ヒートシンク基材よりも軟らかくかつ熱伝導率の大きい材質のメッキ層で被覆し、該メッキ層をダイヤモンドターニング加工による切削によって、前記コーティング層からなる前記載置面と端面とを形成した後、前記半導体素子の一側面に沿って前記ヒートシンクの端面を配置するようにしたので、ダイヤモンドターニング加工によって、モリブデン等の硬い基材のシートシンクを含むが、切削する部分は銅等のダイヤモンドバイトによって切削可能なメッキ層の部分であるので、ダイヤモンドバイトが損傷することがない。そのため、モリブデン基材単体では熱伝導が十分でなくとも、銅による高熱伝導が得られ（特に熱の横方向への拡散により熱伝導性が向上する）、かつモリブデンによる熱膨張率の制御が可能であり、従来の切削方法によって、熱吸収の優れたヒートシンクを生産することができる。
また、上記発明は、前記メッキ層が電鋳メッキによる厚膜のメッキ層により形成されることによって、部材間の熱膨張差があっても、長時間の信頼性を維持することができる。
さらに、上記発明は、前記ヒートシンクが内部に冷却水の流路を有する水冷式ヒートシンクとすることにより、熱冷却効率のよいヒートシンクを提供することができる。
【００１２】
すなわち、本発明により、半導体素子の冷却面はもとより、レーザーダイオードなどのレーザ光を放射する半導体素子の熱膨張率が制御された多層構造ヒートシンクの平面加工として、載置面及び端面のダイヤモンドターニング加工によるバリが無く、丸みが極小で、鏡面加工が施された高性能なヒートシンクを実現できる。更にこの方法をＣｕ−Ｍｏ−Ｃｕが２個以上で構成された多層型熱膨張率制御水冷ヒートシンクに適用した場合、同様にダイヤモンドターニング加工が可能で高性能な鏡面及び直角面を有するヒートシンクを低コストで実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態の発熱体を備えたヒートシンクの製造方法について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係るヒートシンク１と半導体素子としてのレーザーダイオード２の一例を示す図であり、図１のＡは側面方向の断面図、Ｂは平面図、Ｃは正面図である。
ヒートシンク１は、本実施形態では四角形状でかつ板状に形成され、内部にＭｏの板材からなる基材３が設けられ、基材３の周囲には、Ｃｕによるコーティング層４ａ，４ｂが形成されている。図１において、ヒートシンク１の上面である載置面１ａに発熱体としてのレーザーダイオード２が載置される。レーザーダイオード２のレーザ光を照射する発光面２ａは、ヒートシンク１の一側面である端面１ｂと面一になるように取付けられる。なお、コーティング層４ａ，４ｂは同じＣｕによるコーティング層であるが厚みが微妙に異なるので、説明の便宜上、載置面１ａ側をコーティング層の符合を４ａとし、端面１ｂ側をコーティング層の符合を４ｂとして説明する。
【００１４】
ヒートシンク１は、載置面１ａと端面１ｂとの接する角度が直角になるように形成されている。実際には、角部は完全な角であることが好ましいが、１μｍ程度の曲率半径を許容するように形成している。
ヒートシンク１の基材３の材質は、Ｍｏの他に、Ｍｏ系合金、Ｗ、Ｗ系合金、半導体（ＳｉＣなどの高熱伝導率材かつ低熱膨張率材が使用でき、熱伝導率が１６０Ｗ／ｍＫ以上で熱膨張率が９ｐｐｍ／Ｋ以下）又はセラミック材（窒化アルミニウムなどの低熱膨張率材であって、熱伝導率が１６０〜２００Ｗ／ｍＫ、熱膨張率が４ｐｐｍ／Ｋ、ビッカース硬度１１００Ｈｖ）を使用することができる。
コーティング層４ａ，４ｂは、Ｃｕの他にＤＴ加工が可能な材質であれば、ニッケル（以下、Ｎｉとする）を使用することができる。言い換えれば、コーティング層４ａ，４ｂは、ＤＴ加工できる材料であって、基材３はＤＴ加工で用いるダイヤモンドバイトが損傷する可能性のある硬い材料に用いることができる。
【００１５】
図１に示すヒートシンク１の作成手順について説明する。
初めに、Ｍｏの基材３を任意の形状に成形する。例えば、基材３の大きさは、１５×３０×０．５ｍｍである。次いで基材３の周囲に厚膜のＣｕによる電鋳メッキを施す。電鋳メッキは、いわゆるＣｕの厚付けメッキであり、約０．１〜０．５ｍｍ程度を肉付けする。電鋳メッキによる作業時間は、長時間を費やすが、ほぼ放置状態であるので時間以外の手間はかからない。
図２に示すように、電鋳メッキ被膜４は、後にＣｕのコーティング層４ａ，４ｂとして残存する部分と除去される余肉４ｃの部分とを合わせた厚みが形成される。電鋳メッキの作業後は、図３に示すように、ダイヤモンドバイト６による切削作業を行う。ＤＴ加工する場合、まずヒートシンク１の端面１ｂ側の余肉４ｃを切削し、切削方向は、下方から上方、若しくは上方から下方へのいずれの順であってもよい。このとき、切削する部分は、Ｃｕによって形成される電鋳メッキの余肉４ｃの部分であり、Ｍｏの部分までは切削しない。ここで端面１ｂの厚みの決め方であるが、半導体２に対し、端面１ｂのコーティング層４ｂの厚さが大き過ぎると半導体２の直下で端面１ａのＣｕの熱膨張率が基材３により十分制御されない。このため、端面１ｂの許容値は概ね１５０μｍ以下と考えられる。一方、薄すぎると熱膨張率制御面では良いが、ＤＴ上、基材３との寸法がギリギリとなり、僅かな誤差でもダイヤモンドバイトが硬い基材３に当たり、ダイヤが破損するなどのおそれが生じる。この様な熱膨張特性と機械加工の許容値に鑑み、端面１ｂのコーティング層４ｂの厚さの適用範囲は３０〜１５０μｍであり、最適な範囲として５０〜１００μｍとなる。なお、この場合Ｃｕが厚い程熱伝導率は良い方向になるので特に問題は無いが、Ｎｉの場合は厚いと熱が鬱積するため、薄い方が良く、５０μｍ以下とすると良い。
【００１６】
次に、ヒートシンク１の載置面１ａとなる部分までＤＴ加工により切削する。切削方向は、矢印ａに示すように、端面１ｂ側から該端面１ｂから離れる方向へ向けて切削するのが一般的である。この載置面１ａ側の切削についても、切削する部分は、Ｃｕによって形成される電鋳メッキの余肉４ｃの部分であり、Ｍｏの部分までは切削しない。このＤＴ加工によって、載置面１ａと端面１ｂとの角部にバリが無く、丸みの小さい（曲率半径が１μｍ程度）ほぼ完全な直角からなる面が形成できる。
余肉４ｃを切削した後に残されたコーティング層４ａの厚さは、薄いとＭｏの熱膨張率に近づき、熱伝導は熱の横拡散が低下するため低下する。このため、搭載される半導体素子を考慮して最適化される。コーティング層４ａの厚さを機械加工によって自由な熱膨張率に加工することができる点は大きなメリットである（実際には約５〜１６ｐｐｍ／Ｋ迄の範囲の熱膨張率を得ることが可能）。本実施形態では、熱伝導率と熱膨張特性から好適な範囲として１０〜２００μｍ程度まで切削する事で、熱膨張率６〜８ｐｐｍ／Ｋ程度を得ている。最適な範囲としては５０〜１５０μｍである。
【００１７】
本実施形態によれば、ＤＴ加工する際に、Ｃｕで形成される余肉４ｃの部分のみをダイヤモンドバイト６で切削している。したがって、硬度の大きなＭｏ（基材３）をダイヤモンドバイトで切削することなく、それが損傷することがない。完成したヒートシンク１は、Ｍｏによる低熱膨張率とＣｕによる高熱伝導（熱の横方向拡散を考慮している）とを両立し、生産性の良好なヒートシンク１を作製することができる。ヒートシンク１は、このように、ＤＴ加工することによって、直角かつ鏡面加工された厚み方向に対して多層（本実施形態では３層）のヒートシンク１が容易に実現できる。
ヒートシンク１を３層構造にする理由は、Ｃｕ−Ｍｏの２層間の熱膨張率差によるバイメタル効果に起因する反りなどの変形を避け、Ｃｕ−Ｍｏ−Ｃｕの３層構造によって、逆方向の応力を与えて互いに打ち消すためである。
【００１８】
このような、ヒートシンク１は、レーザーダイオード２の載置面１ａと端面１ｂとの角部に丸みがなく、平面度も１μｍ以下と小さいのでレーザーダイオードも曲がることなく平面に保たれるので、レーザーダイオード２の発光面２ａの下部が載置面１ａとほぼ完全に接触した状態にあり、かつ接触面積が広くなるので、ヒートシンク１の基材３のＭｏがＣｕのコーティング層４ａを介して効率良くレーザーダイオード２の熱を吸収することができる。また、載置面１ａと端面１ｂとの角部にバリが生じないため、レーザーダイオード２の照射光がバリによって、進路を妨げられることが防止され、放射モードの良好なレーザ光を放射することができる。この場合、レーザーダイオードとヒートシンクはインジウムや金錫半田などで高い平面性を持って高精度に接合することができる。
なお、基材３の周囲全体に電鋳メッキによるコーティング層を施したが、実質的には、ヒートシンク１は、端面１ｂのある側及び載置面１ａのある側のみ（符合４ａ，４ｂの部分のみ）を、電鋳メッキしてＤＴ加工しても良い。
【００１９】
次に、本発明の第２の実施形態の水冷式のヒートシンクの一例について説明する。
図４に示す水冷式ヒートシンク１１は、上記第１の実施形態と基本的構成が同じである上側ヒートシンク１２及び下側ヒートシンク１３が上下に２個配設されている。これらの上下ヒートシンク１２，１３は上記第１の実施形態と同様にして作製できる。
シートシンク１１の全体としては、基材１４，１５としてのＭｏが２層で、コーティング層１６，１７としてのＣｕが４層であり、上下ヒートシンク１２，１３の中間に中間部材１８が配設された７層構造のヒートシンクである。このうち、中間部材１８はＣｕ板材であり、中間部材１８の上面に上側ヒートシンク１２が半田付けによって固定され、中間部材１８の下面に下側ヒートシンク１３が半田付けによって固定されている（半田付けによる固定方法は特許文献３に記されている）。
ここで上下に２個中間材に対して面対称に配置することで全体の熱膨張差に起因する応力に基づく曲がりを補償（相殺）するためである。また、中間材１８の厚さを変えることでヒートシンクの総厚を変更することができる。
なお、コーティング層１６ａ（付随して決める対称な１７a）の厚さは、薄い程Ｍｏの熱膨張率（５ｐｐｍ／Ｋ）に近づくがＣｕ層による熱の横拡散が少ないため、熱の吸収は悪くなる。一方、厚い程Ｃｕの熱膨張率（約１７ｐｐｍ／Ｋ）に近づくが熱の吸収は良くなる。本実施形態では、コーティング層１６ａの厚さは好適な範囲として１０〜２００μｍ、最適な範囲としては５０〜１５０μｍである。端面１１ｂのコーティング層１６ｂの厚さの適用範囲は３０〜１５０μｍであり、最適な範囲として５０〜１００μｍとなる。
水冷式ヒートシンク１１の内部には、Ｃｕのコーティング層１６ｂ、１７ｂと中間部材１８に、基材３に沿った方向へ延びる水路１９が形成され、下側ヒートシンク１３の底面には、図示しない冷却水の供給手段と接続されている入口２０及び出口２１が形成されている。
【００２０】
上側ヒートシンク１２の上面には載置面１１ａが形成され、載置面１１ａにはレーザーダイオード２２が取付けられている。ヒートシンク１１は、レーザーダイオード２２のレーザ光を照射する発光面２２ａと面一である端面１１ｂが設けられている。
上側ヒートシンク１２のＣｕのコーティング層１６からなる載置面１１ａは、ダイヤモンドバイト（図３の符号６を参照）によってＤＴ加工され、上側ヒートシンクのコーティング層１６における端面１１ｂの部分がダイヤモンドバイトによってＤＴ加工されている。載置面１１ａと端面１１ｂとの角度は９０度であり、角部はＤＴ加工によれば１μｍ程度の曲率半径が可能である。
【００２１】
本実施形態における、水冷式ヒートシンク１１は、内部に形成した水路１９に冷却水が循環しているので、図示しないポンプから冷却水が水冷式ヒートシンク１１の入口２０に供給されて水路１９を通り、レーザーダイオード２２の熱が、コーティング層１６及び基材１４のＭｏを介して冷却水が吸収して、熱吸収した冷却水は出口２１から排出され、効率良くレーザーダイオード２２を冷却することができる。また、上記第１の実施形態と同様に、水冷式ヒートシンク１１は、レーザーダイオード２２の載置面１１ａと端面１１ｂとの角部に丸みがないので、レーザーダイオード２２の発光面２２ａの下部が載置面１１ａと接触した状態にあるので、効率良くレーザーダイオード２２の熱を吸収することができる。また、載置面１１ａと端面１１ｂとの角部にバリが生じないため、レーザーダイオード２２の照射光がバリによって妨げられることが防止される。
【００２２】
次に、本発明の第３の実施形態について図面を参照にして説明する。なお、上記第１及び第２の実施形態と同じ部材については同一の符合を付して説明する。
図５に示すヒートシンク５１は、上記第２の実施形態で説明した水冷式ヒートシンク１１に対して冷却水の流路を省略したものである。これ以外は、基本的構成が同じである。すなわち、ヒートシンク５１は、上側ヒートシンク１２及び下側ヒートシンク１３が上下に２個配設されている。これらの上下ヒートシンク１２，１３は上記第１の実施形態のヒートシンク１と同様にして作製できる。
シートシンク５１の全体としては、基材１４，１５としてのＭｏが２層で、コーティング層１６，１７としてのＣｕが４層であり、上下ヒートシンク１の中間に中間部材１８が配設された７層構造のヒートシンクである。このうち、中間部材１８はＣｕ板材であり、中間部材１８の上面に上側ヒートシンク１２が半田付けによって固定され、中間部材１８の下面に下側ヒートシンク１３が半田付けによって固定されている（半田付けによる固定方法は特許文献３に記されている）。
本実施形態では、コーティング層１６ａの厚さは好適な範囲として１０〜２００μｍ、最適な範囲としては５０〜１５０μｍである。端面１１ｂのコーティング層１６ｂの厚さの適用範囲は３０〜１５０μｍであり、最適な範囲として５０〜１００μｍとなる。
このように、上下にヒートシンク１２，１３を２個面対称に配置することで全体の熱膨張差（バイメタル効果）に起因する応力に基づく曲がりを補償（相殺）するためである。また、中間材１８の厚さを変えることでヒートシンク５１の総厚を変更することができる効果がある。
【００２３】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明の技術的思想に基づいて、勿論、本発明は種々の変形又は変更が可能である。
上記実施形態では、Ｍｏの周囲にＣｕによる厚膜電鋳メッキを形成したが、これに代えてＭｏの板材に加熱溶融したＣｕを流し込んで圧接するクラッド材を形成し、Ｍｏの周囲に被覆したＣｕの部分をＤＴ加工してもよい。ただし、上記各実施形態による電鋳メッキによって形成したコーティング層の方が長時間の信頼性を保つことができる。
又、メッキ以外で基材となる材質への他の金属のコーティング法の事例として上記の通常のクラッド材の他、次の様な手法が知られている。すなわち、セラミック材に対しては銅のダイレクト接合法（DBC法）、金属材に対しては活性化金属接合法（基材の表面を真空中でアルゴンガスなどで清浄に加工し異種の金属を接合する手法）などが考えられる。
又Ｃｕのコーティングに代えてＮｉなどの金属でも良い。例えば熱処理を施した場合、熱伝導率９０Ｗ／ｍＫ、熱膨張率１３ｐｐｍ／Ｋ、ビッカース硬度９０Ｈｖのものが使用できるが、熱の吸収は当然Ｃｕが勝っている。
また、上記各実施形態では、レーザーダイオードとヒートシンクを組み合わせた例をあげたが、レーザーダイオードに代えて他の半導体素子をヒートシンクによって冷却してもよい。この場合は、レーザ光による制約がないので、ヒートシンクの端面とレーザ光の端面とを面一に配置することはなく、半導体素子をヒートシンクの中央に配置してもよい。
【００２４】
ただし、この様な応用例では端面の直角などは特に必要ないが、一般にＷやＭｏ面はメッキがつきにくく、ヒートシンクとして基材の面から腐食が起こる場合があり、Ｃｕなどでのコーティングは有用であり、この場合には、通常の切削加工精度で良い。この例として、ハイブリッド車や電気自動車用制御部には現状では、シリコンが用いられており、今後はＳｉＣ（熱膨張率が５ｐｐｍ／Ｋ）、ＧａＮ（熱膨張率が５ｐｐｍ／Ｋ）などの高温領域で動作可能な半導体（レーザーダイオード及びレーザーダイオード以外の半導体を含む）が使われていくと予想され、これらのデバイス用に熱膨張率の制御された複合材ヒートシンクは有効である。この場合端面の直角などは特に必要無いが、一般にＷやＭｏ面はがつきにくく、ヒートシンクとして基材の面から腐食が起こる場合があり、Ｃｕなどのコーティングは有用である。半導体の載置面に相当する上面は同様にＤＴ加工による切削面により鏡面加工することが冷却や良好な平面度による密着性の点で有効である。このような使用では、端面はＤＴ加工してもよいが通常のエンドミルなどでの切削加工でも十分である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施形態によるヒートシンクの製造方法によって形成したヒートシンクであって、Ａはヒートシンクを側面方向から見た断面図、Ｂは平面図、Ｃは正面図である。
【図２】図１のヒートシンクの製造方法において、基材に電鋳メッキを施した状態をヒートシンクの側面方向から見た断面図である。
【図３】図２の基材に施した電鋳メッキをＤＴによって切削している状態のヒートシンクを側面方向から見た断面図である。
【図４】本発明の第２の実施形態の水冷式７層ヒートシンクをヒートシンクの側面方向から見た断面図である。
【図５】本発明の第３の実施形態の空冷式７層ヒートシンクをヒートシンクの側面方向から見た断面図である。
【図６】従来のヒートシンクの製造方法によって形成した多層構造のヒートシンクであって、Ａはヒートシンクの平面図、Ｂはヒートシンクを側面方向から見た断面図である。
【図７】図６のＢの矢視ａの拡大図であって、Ａはシンクシートの角部が湾曲した状態の断面図、Ｂは角部にバリが形成されている状態の断面図である。
【符号の説明】
【００２６】
１ ヒートシンク
１ａ，１１ａ 発熱体載置面
１ｂ，１１ｂ ヒートシンク端面
２，２２ レーザーダイオード
２ａ，２２ａ 発光面
３ 基材（ヒートシンク本体）
４ 電鋳メッキ被膜
４ａ，４ｂ，１６，１７ コーティング層
６ ダイヤモンドバイト
１１ 熱膨張制御形水冷式ヒートシンク
１２ 上側ヒートシンク部材
１３ 下側ヒートシンク部材
１９ 水路（矢印は水流の方向例）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主として金属複合材料によるヒートシンク技術に関し、特に（放熱される発熱体の熱膨張率に合わせて）熱膨張率が制御されたヒートシンク及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の金属系ヒートシンクは、熱伝導の良い銅（以下、Ｃｕとする：熱膨張率が約１７ｐｐｍ／Ｋ、熱伝導率約４００Ｗ／ｍＫ）、銀（熱膨張率が約２０ｐｐｍ／Ｋ、熱伝導率約４２０Ｗ／ｍＫ）やアルミニウム（熱膨張率が約２４ｐｐｍ／Ｋ、熱伝導率約２３０Ｗ／ｍＫ）系の単一材によるヒートシンクが広く用いられていた。これらの銅、銀やアルミニウム系のヒートシンクはその熱膨張率に対して、ヒートシンクにより冷却されるシリコン（熱膨張率約３．５ｐｐｍ／Ｋ）やガリウム砒素（熱膨張率約６．５ｐｐｍ／Ｋ）などの化合物系の半導体は、それらの熱膨張率よりも小さく、熱膨張差による素子内部に生じる熱応力ひずみによって、上述した材料のヒートシンクでは、半導体の寿命が制限された。このため、熱膨張率が小さいタングステン（以下、Ｗとする）やモリブデン焼結体に熱膨張率が大きいＣｕを適量含浸した複合金属（Ｃｕ−Ｗ複合材料）などを用いて熱膨張率を小さく制御した材料が用いられていたが、これらの複合材は一般に熱伝導が十分ではなかった（熱伝導率約１８０〜２００Ｗ／ｍＫ）。又、表面の平面加工も比較的困難で、鏡面加工はほぼ不可能であった。
【０００３】
低熱膨張率と高熱伝導率とを両立できる技術として、図６に示すようなＣｕとモリブデン（以下Ｍｏとする：熱膨張率が約５ｐｐｍ／Ｋ、熱伝導率約１４０Ｗ／ｍＫ）を積層構造にしたヒートシンクが考えられる。図６のＡは、レーザーダイオードを取付けているヒートシンクの平面図、図６のＢはその側面図である。積層構造としては、ヒートシンク３１の下段から上段に向かって、Ｃｕ３２、Ｍｏ３３、Ｃｕ３４からなる３層構造である。
ヒートシンク３１の上面には、レーザーダイオード３５が載置されている。レーザーダイオード３５の平面方向の大きさは、通信用レーザーダイオードであれば、図５のＡに示す横（ｘ）×縦（ｙ）が、１〜５ｍｍ×０．５〜２ｍｍであり、産業用高出力レーザーダイオードであれば１〜３ｍｍ×１０ｍｍである。
なお、このヒートシンク３１の積層構造を応用した技術として、特許文献１にＭｏ−Ｃｕ−Ｍｏの三層構造の水冷式ヒートシンクが開示されている。このヒートシンクは、内部に冷却水を流通させて、発熱体の熱吸収を効率良く行うことができる。
【特許文献１】特開２００５−２１７２１１号公報 （半導体冷却器及び半導体冷却器積層体）
【特許文献２】特開２００４−１８１５４８号公報 （単結晶ダイヤモンドバイトおよびその製造方法）
【特許文献３】特開２００５−０９３７８１公報 （ヒートシンク及びその製造方法）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ヒートシンクとして、特にレーザーダイオードの冷却では、高い発熱密度（市場の標準的な物で６Ｗ／ｍｍ２以上）に対して高信頼性を得るため特にヒートシンクとしては高い熱伝導性かつ熱膨張率をレーザーダイオードの素材に近づける事や精密に接合するため載置面を鏡面加工することや、レーザ光を正確に放射することと、更にレーザーダイオード接合面全面に亘る良好な熱伝導の確保のため、側面（端面）に対しては角部の丸みが小さい直角構造が求められる。特に、上述した産業用の高出力レーザーダイオードは２×１０（ｘ×ｙ：図１のＡ参照）ｍｍ程度と横長の形状で、レーザ光が長手面から放射される構造となっている。載置面は１０ｍｍ間の平面度１μｍ以下が通常求められる。更に側面の仕様としては、面全域で平面度１μｍ、エッジの丸み１μｍ程度が通常求められている。このＣｕ−Ｍｏ−Ｃｕという異種材料の面の直角構造やその平面度を実現するには、高度な研磨技術と工程が必要で、実用化のために大きな制約となっていた。
【０００５】
具体的には、図６のＡの矢視ａの拡大図である図７のＡに示すように、ヒートシンク３１のレーザーダイオード３５の載置面３１ａとこれに隣接する端面３１ｂとの角部の丸み３６が大きいと、レーザーダイオード３５の場合、レーザーダイオード３５の下端から放射光ｂが放射されるため、角部における熱吸収がヒートシンク３１側に伝わらず、レーザーダイオード３５の熱が十分に吸収されないことがある。
一方、図７のＢに示すように、ヒートシンク３１の角部にバリ３７があると、バリ３７によって照射光ｂが散乱して、製品の性能が下がってしまうことがある。
【０００６】
切削技術については、特許文献２に開示されているようなダイヤモンドターニング（以下、ＤＴ加工とも称す）加工が知られている。
ＤＴ加工とは（天然又は人造による）、単結晶ダイヤモンドバイトで、切削面はほぼ円弧形状に加工してある。切削面は極めて精密に研磨されており、超硬工具などに比べても強度が高く、磨耗も少ない。さらに、バイトの熱伝導性も極めて高いため（熱伝導度がＣｕの約５倍、の２０００Ｗ／ｍＫと大きい）、刃先が劣化せずに極めて精度の高い平面加工が可能である。具体的には、ＤＴ加工の場合、１０ｍｍ×２０ｍｍ程度の面では約１分程度で加工が可能であり、耐久性も極めて高いため安価な加工が可能となる。鏡面特性としては面粗さについて、１０ｍｍ長での平面度０．２μｍ、面粗さＲａ０．０２μｍ、Ｒｙ０．１μｍ、角部の丸みについて１μｍ程度が容易に実現できる。
このＤＴ加工は、全てＣｕで構成された既存のヒートシンクではレーザーダイオード面とレーザ光が放射される側面はＤＴ加工が一般的に行われていて良好な特性が認められている。
【０００７】
しかしながら、Ｃｕ−Ｍｏ−Ｃｕなどの積層構造の側面加工では基材のＭｏの硬度がＣｕに比して極めて高く（ビッカース硬度で軟銅／５０〜５５Ｈｖに対しＭｏ／２００〜２８０Ｈｖ）、ダイヤモンドバイトのダメージが生じるため、ＤＴ加工ができない。
これについては、空冷式のヒートシンクのみならず、Ｃｕ−Ｍｏ−Ｃｕ積層材により形成された水冷式ヒートシンクについても同様であり、端面の仕様としては空冷式ヒートシンクと同様に、平面度１μｍ、エッジの丸み１μｍ程度が必要であり、ＤＴ加工ではダイヤモンドバイトのダメージのために実現できない。
【０００８】
従来では、このようにＤＴ加工がＭｏに用いられないため、Ｃｕ−Ｍｏ−Ｃｕ積層材を研磨するために、上記仕様を実現するには精密研削盤と精密砥石を用いた高度な研磨工程が不可欠で、加工コスト、加工時間などで実用化の大きな制約となっていた（一例として、精密研削盤で数μｍずつ研磨し５０μｍ程度の加工に約３０分程度の加工時間を要し、更に平面度も３μｍ程度と大きく、１μｍ以下を実現するのは困難だった）。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、Ｍｏのように硬い金属を含むヒートシンクであっても、Ｍｏの特性を発揮させるとともに精度良く容易に製造することができるヒートシンクの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明の複合材ヒートシンクの製造方法は、半導体素子を載置するヒートシンクの載置面を有し、前記ヒートシンクが、ヒートシンク基材と該ヒートシンク基材の表面に形成されたコーティング層とから構成され、前記ヒートシンク基材の表面を該ヒートシンク基材よりも軟らかい被覆材で形成し、該被覆材を切削加工又は研磨加工することによって、前記コーティング層を形成した。
上記複合材ヒートシンクの製造方法は、前記ヒートシンク基材がモリブデン、モリブデン系合金、タングステン、タングステン系合金、半導体（ＳｉＣなどの高熱伝導率かつ低熱膨張率材）又はセラミック材であり、前記コーティング層が銅又はニッケルとすることができる。
上記複合材ヒートシンクの製造方法は、前記コーティング層がメッキにより形成することができる。電鋳メッキでは１００〜５００μｍ程度の金属厚膜を形成することは通常行われている。
上記複合材ヒートシンクの製造方法は、前記ヒートシンクが内部に冷却水の流路を有する水冷式ヒートシンクとすることができる。
上記複合材ヒートシンクの製造方法は、前記切削加工がダイヤモンドターニング加工とすることができる。
なお、半導体素子には、レーザーダイオードが含まれる。
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の複合材ヒートシンクは、半導体を載置するヒートシンクの載置面を有し、該ヒートシンクが、ヒートシンク基材と該ヒートシンク基材の表面に形成されたコーティング層とから構成され、前記ヒートシンクは、前記ヒートシンク基材の表面を該ヒートシンク基材よりも軟らかい被覆材で形成し、該被覆材を切削加工又は研磨加工して前記コーティング層で被覆された載置面を形成するようにした。
また、上記目的を達成するために、上記複合材ヒートシンクは、レーザーダイオードを載置するヒートシンクの載置面と、該載置面に隣接し前記レーザーダイオードの一側面に沿って配置される端面とを有し、前記ヒートシンクが、ヒートシンク基材と該ヒートシンク基材の表面に形成されたコーティング層とから構成され、前記ヒートシンクは、前記ヒートシンク基材の表面を該ヒートシンク基材よりも軟らかい材質のメッキによるメッキ層で被覆し、該メッキ層を切削加工又は研磨加工して前記コーティング層で被覆された載置面及び端面を形成するようにした。
さらに、上記目的を達成するために、上記複合材ヒートシンクは、ヒートシンク基材と該ヒートシンク基材の表面に形成されたコーティング層とから構成された三層からなるヒートシンクを、板状の中間部材の表裏両面に接合して７層からなるヒートシンクを形成し、
該ヒートシンク基材が、該ヒートシンク基材よりも軟らかい被覆材で形成され、該被覆材を切削加工又は研磨加工して、前記コーティング層で被覆された半導体の載置面を形成するようにした。
上記複合材ヒートシンクは、前記ヒートシンク基材がモリブデン、モリブデン系合金、タングステン、タングステン系合金、半導体（ＳｉＣなどの高熱伝導率かつ低熱膨張率材）又はセラミック材であり、前記コーティング層が銅又はニッケルとすることができる。
上記複合材ヒートシンクは、前記半導体素子の一側面がレーザ光の発光面とすることができる。
上記複合材ヒートシンクは、前記切削加工をダイヤモンドターニング加工で行うことができる。
上記複合材ヒートシンクは、前記ヒートシンクの内部に冷却水の水路、冷却水の供給口及び前記冷却水の水路を介して前記供給口と連通する冷却水の排出口を形成することができる。
上記複合材ヒートシンクは、前記コーティング層がメッキにより形成されることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、ヒートシンク基材の表面を銅などの該ヒートシンク基材よりも軟らかくかつ熱伝導率の大きい材質のメッキ層で被覆し、該メッキ層をダイヤモンドターニング加工による切削によって、前記コーティング層からなる前記載置面と端面とを形成した後、前記半導体素子の一側面に沿って前記ヒートシンクの端面を配置するようにしたので、ダイヤモンドターニング加工によって、モリブデン等の硬い基材のシートシンクを含むが、切削する部分は銅等のダイヤモンドバイトによって切削可能なメッキ層の部分であるので、ダイヤモンドバイトが損傷することがない。そのため、モリブデン基材単体では熱伝導が十分でなくとも、銅による高熱伝導が得られ（特に熱の横方向への拡散により熱伝導性が向上する）、かつモリブデンによる熱膨張率の制御が可能であり、従来の切削方法によって、熱吸収の優れたヒートシンクを生産することができる。
また、上記発明は、前記メッキ層が電鋳メッキによる厚膜のメッキ層により形成されることによって、部材間の熱膨張差があっても、長時間の信頼性を維持することができる。
さらに、上記発明は、前記ヒートシンクが内部に冷却水の流路を有する水冷式ヒートシンクとすることにより、熱冷却効率のよいヒートシンクを提供することができる。
【００１２】
すなわち、本発明により、半導体素子の冷却面はもとより、レーザーダイオードなどのレーザ光を放射する半導体素子の熱膨張率が制御された多層構造ヒートシンクの平面加工として、載置面及び端面のダイヤモンドターニング加工によるバリが無く、丸みが極小で、鏡面加工が施された高性能なヒートシンクを実現できる。更にこの方法をＣｕ−Ｍｏ−Ｃｕが２個以上で構成された多層型熱膨張率制御水冷ヒートシンクに適用した場合、同様にダイヤモンドターニング加工が可能で高性能な鏡面及び直角面を有するヒートシンクを低コストで実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態の発熱体を備えたヒートシンクの製造方法について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係るヒートシンク１と半導体素子としてのレーザーダイオード２の一例を示す図であり、図１のＡは側面方向の断面図、Ｂは平面図、Ｃは正面図である。
ヒートシンク１は、本実施形態では四角形状でかつ板状に形成され、内部にＭｏの板材からなる基材３が設けられ、基材３の周囲には、Ｃｕによるコーティング層４ａ，４ｂが形成されている。図１において、ヒートシンク１の上面である載置面１ａに発熱体としてのレーザーダイオード２が載置される。レーザーダイオード２のレーザ光を照射する発光面２ａは、ヒートシンク１の一側面である端面１ｂと面一になるように取付けられる。なお、コーティング層４ａ，４ｂは同じＣｕによるコーティング層であるが厚みが微妙に異なるので、説明の便宜上、載置面１ａ側をコーティング層の符合を４ａとし、端面１ｂ側をコーティング層の符合を４ｂとして説明する。
【００１４】
ヒートシンク１は、載置面１ａと端面１ｂとの接する角度が直角になるように形成されている。実際には、角部は完全な角であることが好ましいが、１μｍ程度の曲率半径を許容するように形成している。
ヒートシンク１の基材３の材質は、Ｍｏの他に、Ｍｏ系合金、Ｗ、Ｗ系合金、半導体（ＳｉＣなどの高熱伝導率材かつ低熱膨張率材が使用でき、熱伝導率が１６０Ｗ／ｍＫ以上で熱膨張率が９ｐｐｍ／Ｋ以下）又はセラミック材（窒化アルミニウムなどの低熱膨張率材であって、熱伝導率が１６０〜２００Ｗ／ｍＫ、熱膨張率が４ｐｐｍ／Ｋ、ビッカース硬度１１００Ｈｖ）を使用することができる。
コーティング層４ａ，４ｂは、Ｃｕの他にＤＴ加工が可能な材質であれば、ニッケル（以下、Ｎｉとする）を使用することができる。言い換えれば、コーティング層４ａ，４ｂは、ＤＴ加工できる材料であって、基材３はＤＴ加工で用いるダイヤモンドバイトが損傷する可能性のある硬い材料に用いることができる。
【００１５】
図１に示すヒートシンク１の作成手順について説明する。
初めに、Ｍｏの基材３を任意の形状に成形する。例えば、基材３の大きさは、１５×３０×０．５ｍｍである。次いで基材３の周囲に厚膜のＣｕによる電鋳メッキを施す。電鋳メッキは、いわゆるＣｕの厚付けメッキであり、約０．１〜０．５ｍｍ程度を肉付けする。電鋳メッキによる作業時間は、長時間を費やすが、ほぼ放置状態であるので時間以外の手間はかからない。
図２に示すように、電鋳メッキ被膜４は、後にＣｕのコーティング層４ａ，４ｂとして残存する部分と除去される余肉４ｃの部分とを合わせた厚みが形成される。電鋳メッキの作業後は、図３に示すように、ダイヤモンドバイト６による切削作業を行う。ＤＴ加工する場合、まずヒートシンク１の端面１ｂ側の余肉４ｃを切削し、切削方向は、下方から上方、若しくは上方から下方へのいずれの順であってもよい。このとき、切削する部分は、Ｃｕによって形成される電鋳メッキの余肉４ｃの部分であり、Ｍｏの部分までは切削しない。ここで端面１ｂの厚みの決め方であるが、半導体２に対し、端面１ｂのコーティング層４ｂの厚さが大き過ぎると半導体２の直下で端面１ａのＣｕの熱膨張率が基材３により十分制御されない。このため、端面１ｂの許容値は概ね１５０μｍ以下と考えられる。一方、薄すぎると熱膨張率制御面では良いが、ＤＴ上、基材３との寸法がギリギリとなり、僅かな誤差でもダイヤモンドバイトが硬い基材３に当たり、ダイヤが破損するなどのおそれが生じる。この様な熱膨張特性と機械加工の許容値に鑑み、端面１ｂのコーティング層４ｂの厚さの適用範囲は３０〜１５０μｍであり、最適な範囲として５０〜１００μｍとなる。なお、この場合Ｃｕが厚い程熱伝導率は良い方向になるので特に問題は無いが、Ｎｉの場合は厚いと熱が鬱積するため、薄い方が良く、５０μｍ以下とすると良い。
【００１６】
次に、ヒートシンク１の載置面１ａとなる部分までＤＴ加工により切削する。切削方向は、矢印ａに示すように、端面１ｂ側から該端面１ｂから離れる方向へ向けて切削するのが一般的である。この載置面１ａ側の切削についても、切削する部分は、Ｃｕによって形成される電鋳メッキの余肉４ｃの部分であり、Ｍｏの部分までは切削しない。このＤＴ加工によって、載置面１ａと端面１ｂとの角部にバリが無く、丸みの小さい（曲率半径が１μｍ程度）ほぼ完全な直角からなる面が形成できる。
余肉４ｃを切削した後に残されたコーティング層４ａの厚さは、薄いとＭｏの熱膨張率に近づき、熱伝導は熱の横拡散が低下するため低下する。このため、搭載される半導体素子を考慮して最適化される。コーティング層４ａの厚さを機械加工によって自由な熱膨張率に加工することができる点は大きなメリットである（実際には約５〜１６ｐｐｍ／Ｋ迄の範囲の熱膨張率を得ることが可能）。本実施形態では、熱伝導率と熱膨張特性から好適な範囲として１０〜２００μｍ程度まで切削する事で、熱膨張率６〜８ｐｐｍ／Ｋ程度を得ている。最適な範囲としては５０〜１５０μｍである。
【００１７】
本実施形態によれば、ＤＴ加工する際に、Ｃｕで形成される余肉４ｃの部分のみをダイヤモンドバイト６で切削している。したがって、硬度の大きなＭｏ（基材３）をダイヤモンドバイトで切削することなく、それが損傷することがない。完成したヒートシンク１は、Ｍｏによる低熱膨張率とＣｕによる高熱伝導（熱の横方向拡散を考慮している）とを両立し、生産性の良好なヒートシンク１を作製することができる。ヒートシンク１は、このように、ＤＴ加工することによって、直角かつ鏡面加工された厚み方向に対して多層（本実施形態では３層）のヒートシンク１が容易に実現できる。
ヒートシンク１を３層構造にする理由は、Ｃｕ−Ｍｏの２層間の熱膨張率差によるバイメタル効果に起因する反りなどの変形を避け、Ｃｕ−Ｍｏ−Ｃｕの３層構造によって、逆方向の応力を与えて互いに打ち消すためである。
【００１８】
このような、ヒートシンク１は、レーザーダイオード２の載置面１ａと端面１ｂとの角部に丸みがなく、平面度も１μｍ以下と小さいのでレーザーダイオードも曲がることなく平面に保たれるので、レーザーダイオード２の発光面２ａの下部が載置面１ａとほぼ完全に接触した状態にあり、かつ接触面積が広くなるので、ヒートシンク１の基材３のＭｏがＣｕのコーティング層４ａを介して効率良くレーザーダイオード２の熱を吸収することができる。また、載置面１ａと端面１ｂとの角部にバリが生じないため、レーザーダイオード２の照射光がバリによって、進路を妨げられることが防止され、放射モードの良好なレーザ光を放射することができる。この場合、レーザーダイオードとヒートシンクはインジウムや金錫半田などで高い平面性を持って高精度に接合することができる。
なお、基材３の周囲全体に電鋳メッキによるコーティング層を施したが、実質的には、ヒートシンク１は、端面１ｂのある側及び載置面１ａのある側のみ（符合４ａ，４ｂの部分のみ）を、電鋳メッキしてＤＴ加工しても良い。
【００１９】
次に、本発明の第２の実施形態の水冷式のヒートシンクの一例について説明する。
図４に示す水冷式ヒートシンク１１は、上記第１の実施形態と基本的構成が同じである上側ヒートシンク１２及び下側ヒートシンク１３が上下に２個配設されている。これらの上下ヒートシンク１２，１３は上記第１の実施形態と同様にして作製できる。
シートシンク１１の全体としては、基材１４，１５としてのＭｏが２層で、コーティング層１６，１７としてのＣｕが４層であり、上下ヒートシンク１２，１３の中間に中間部材１８が配設された７層構造のヒートシンクである。このうち、中間部材１８はＣｕ板材であり、中間部材１８の上面に上側ヒートシンク１２が半田付けによって固定され、中間部材１８の下面に下側ヒートシンク１３が半田付けによって固定されている（半田付けによる固定方法は特許文献３に記されている）。
ここで上下に２個中間材に対して面対称に配置することで全体の熱膨張差に起因する応力に基づく曲がりを補償（相殺）するためである。また、中間材１８の厚さを変えることでヒートシンクの総厚を変更することができる。
なお、コーティング層１６ａ（付随して決める対称な１７a）の厚さは、薄い程Ｍｏの熱膨張率（５ｐｐｍ／Ｋ）に近づくがＣｕ層による熱の横拡散が少ないため、熱の吸収は悪くなる。一方、厚い程Ｃｕの熱膨張率（約１７ｐｐｍ／Ｋ）に近づくが熱の吸収は良くなる。本実施形態では、コーティング層１６ａの厚さは好適な範囲として１０〜２００μｍ、最適な範囲としては５０〜１５０μｍである。端面１１ｂのコーティング層１６ｂの厚さの適用範囲は３０〜１５０μｍであり、最適な範囲として５０〜１００μｍとなる。
水冷式ヒートシンク１１の内部には、Ｃｕのコーティング層１６ｂ、１７ｂと中間部材１８に、基材３に沿った方向へ延びる水路１９が形成され、下側ヒートシンク１３の底面には、図示しない冷却水の供給手段と接続されている入口２０及び出口２１が形成されている。
【００２０】
上側ヒートシンク１２の上面には載置面１１ａが形成され、載置面１１ａにはレーザーダイオード２２が取付けられている。ヒートシンク１１は、レーザーダイオード２２のレーザ光を照射する発光面２２ａと面一である端面１１ｂが設けられている。
上側ヒートシンク１２のＣｕのコーティング層１６からなる載置面１１ａは、ダイヤモンドバイト（図３の符号６を参照）によってＤＴ加工され、上側ヒートシンクのコーティング層１６における端面１１ｂの部分がダイヤモンドバイトによってＤＴ加工されている。載置面１１ａと端面１１ｂとの角度は９０度であり、角部はＤＴ加工によれば１μｍ程度の曲率半径が可能である。
【００２１】
本実施形態における、水冷式ヒートシンク１１は、内部に形成した水路１９に冷却水が循環しているので、図示しないポンプから冷却水が水冷式ヒートシンク１１の入口２０に供給されて水路１９を通り、レーザーダイオード２２の熱が、コーティング層１６及び基材１４のＭｏを介して冷却水が吸収して、熱吸収した冷却水は出口２１から排出され、効率良くレーザーダイオード２２を冷却することができる。また、上記第１の実施形態と同様に、水冷式ヒートシンク１１は、レーザーダイオード２２の載置面１１ａと端面１１ｂとの角部に丸みがないので、レーザーダイオード２２の発光面２２ａの下部が載置面１１ａと接触した状態にあるので、効率良くレーザーダイオード２２の熱を吸収することができる。また、載置面１１ａと端面１１ｂとの角部にバリが生じないため、レーザーダイオード２２の照射光がバリによって妨げられることが防止される。
【００２２】
次に、本発明の第３の実施形態について図面を参照にして説明する。なお、上記第１及び第２の実施形態と同じ部材については同一の符合を付して説明する。
図５に示すヒートシンク５１は、上記第２の実施形態で説明した水冷式ヒートシンク１１に対して冷却水の流路を省略したものである。これ以外は、基本的構成が同じである。すなわち、ヒートシンク５１は、上側ヒートシンク１２及び下側ヒートシンク１３が上下に２個配設されている。これらの上下ヒートシンク１２，１３は上記第１の実施形態のヒートシンク１と同様にして作製できる。
シートシンク５１の全体としては、基材１４，１５としてのＭｏが２層で、コーティング層１６，１７としてのＣｕが４層であり、上下ヒートシンク１の中間に中間部材１８が配設された７層構造のヒートシンクである。このうち、中間部材１８はＣｕ板材であり、中間部材１８の上面に上側ヒートシンク１２が半田付けによって固定され、中間部材１８の下面に下側ヒートシンク１３が半田付けによって固定されている（半田付けによる固定方法は特許文献３に記されている）。
本実施形態では、コーティング層１６ａの厚さは好適な範囲として１０〜２００μｍ、最適な範囲としては５０〜１５０μｍである。端面１１ｂのコーティング層１６ｂの厚さの適用範囲は３０〜１５０μｍであり、最適な範囲として５０〜１００μｍとなる。
このように、上下にヒートシンク１２，１３を２個面対称に配置することで全体の熱膨張差（バイメタル効果）に起因する応力に基づく曲がりを補償（相殺）するためである。また、中間材１８の厚さを変えることでヒートシンク５１の総厚を変更することができる効果がある。
【００２３】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明の技術的思想に基づいて、勿論、本発明は種々の変形又は変更が可能である。
上記実施形態では、Ｍｏの周囲にＣｕによる厚膜電鋳メッキを形成したが、これに代えてＭｏの板材に加熱溶融したＣｕを流し込んで圧接するクラッド材を形成し、Ｍｏの周囲に被覆したＣｕの部分をＤＴ加工してもよい。ただし、上記各実施形態による電鋳メッキによって形成したコーティング層の方が長時間の信頼性を保つことができる。
又、メッキ以外で基材となる材質への他の金属のコーティング法の事例として上記の通常のクラッド材の他、次の様な手法が知られている。すなわち、セラミック材に対しては銅のダイレクト接合法（DBC法）、金属材に対しては活性化金属接合法（基材の表面を真空中でアルゴンガスなどで清浄に加工し異種の金属を接合する手法）などが考えられる。
又Ｃｕのコーティングに代えてＮｉなどの金属でも良い。例えば熱処理を施した場合、熱伝導率９０Ｗ／ｍＫ、熱膨張率１３ｐｐｍ／Ｋ、ビッカース硬度９０Ｈｖのものが使用できるが、熱の吸収は当然Ｃｕが勝っている。
また、上記各実施形態では、レーザーダイオードとヒートシンクを組み合わせた例をあげたが、レーザーダイオードに代えて他の半導体素子をヒートシンクによって冷却してもよい。この場合は、レーザ光による制約がないので、ヒートシンクの端面とレーザ光の端面とを面一に配置することはなく、半導体素子をヒートシンクの中央に配置してもよい。
【００２４】
ただし、この様な応用例では端面の直角などは特に必要ないが、一般にＷやＭｏ面はメッキがつきにくく、ヒートシンクとして基材の面から腐食が起こる場合があり、Ｃｕなどでのコーティングは有用であり、この場合には、通常の切削加工精度で良い。この例として、ハイブリッド車や電気自動車用制御部には現状では、シリコンが用いられており、今後はＳｉＣ（熱膨張率が５ｐｐｍ／Ｋ）、ＧａＮ（熱膨張率が５ｐｐｍ／Ｋ）などの高温領域で動作可能な半導体（レーザーダイオード及びレーザーダイオード以外の半導体を含む）が使われていくと予想され、これらのデバイス用に熱膨張率の制御された複合材ヒートシンクは有効である。この場合端面の直角などは特に必要無いが、一般にＷやＭｏ面はがつきにくく、ヒートシンクとして基材の面から腐食が起こる場合があり、Ｃｕなどのコーティングは有用である。半導体の載置面に相当する上面は同様にＤＴ加工による切削面により鏡面加工することが冷却や良好な平面度による密着性の点で有効である。このような使用では、端面はＤＴ加工してもよいが通常のエンドミルなどでの切削加工でも十分である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施形態によるヒートシンクの製造方法によって形成したヒートシンクであって、Ａはヒートシンクを側面方向から見た断面図、Ｂは平面図、Ｃは正面図である。
【図２】図１のヒートシンクの製造方法において、基材に電鋳メッキを施した状態をヒートシンクの側面方向から見た断面図である。
【図３】図２の基材に施した電鋳メッキをＤＴによって切削している状態のヒートシンクを側面方向から見た断面図である。
【図４】本発明の第２の実施形態の水冷式７層ヒートシンクをヒートシンクの側面方向から見た断面図である。
【図５】本発明の第３の実施形態の空冷式７層ヒートシンクをヒートシンクの側面方向から見た断面図である。
【図６】従来のヒートシンクの製造方法によって形成した多層構造のヒートシンクであって、Ａはヒートシンクの平面図、Ｂはヒートシンクを側面方向から見た断面図である。
【図７】図６のＢの矢視ａの拡大図であって、Ａはシンクシートの角部が湾曲した状態の断面図、Ｂは角部にバリが形成されている状態の断面図である。
【符号の説明】
【００２６】
１ ヒートシンク
１ａ，１１ａ 発熱体載置面
１ｂ，１１ｂ ヒートシンク端面
２，２２ レーザーダイオード
２ａ，２２ａ 発光面
３ 基材（ヒートシンク本体）
４ 電鋳メッキ被膜
４ａ，４ｂ，１６，１７ コーティング層
６ ダイヤモンドバイト
１１ 熱膨張制御形水冷式ヒートシンク
１２ 上側ヒートシンク部材
１３ 下側ヒートシンク部材
１９ 水路（矢印は水流の方向例）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子を載置するヒートシンクの載置面を有し、前記ヒートシンクが、ヒートシンク基材と該ヒートシンク基材の表面に形成されたコーティング層とから構成され、
前記ヒートシンク基材の表面を該ヒートシンク基材よりも軟らかい被覆材で形成し、該被覆材を切削加工又は研磨加工することによって、前記コーティング層を形成したことを特徴とする複合材ヒートシンクの製造方法。
【請求項２】
前記ヒートシンク基材がモリブデン、モリブデン系合金、タングステン、タングステン系合金、半導体又はセラミック材であり、前記コーティング層が銅又はニッケルであることを特徴とする請求項１に記載の複合材ヒートシンクの製造方法。
【請求項３】
前記コーティング層がメッキにより形成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の複合材ヒートシンクの製造方法。
【請求項４】
前記ヒートシンクが内部に冷却水の流路を有する水冷式ヒートシンクであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の複合材ヒートシンクの製造方法。
【請求項５】
前記切削加工がダイヤモンドターニング加工であることを特徴とする請求項１〜４に記載の複合材ヒートシンクの製造方法。
【請求項６】
半導体を載置するヒートシンクの載置面を有し、該ヒートシンクが、ヒートシンク基材と該ヒートシンク基材の表面に形成されたコーティング層とから構成され、
前記ヒートシンクは、前記ヒートシンク基材の表面を該ヒートシンク基材よりも軟らかい被覆材で形成し、該被覆材を切削加工又は研磨加工して前記コーティング層で被覆された載置面を形成するようにしたことを特徴とする複合材ヒートシンク。
【請求項７】
レーザーダイオードを載置するヒートシンクの載置面と、該載置面に隣接し前記レーザーダイオードの一側面に沿って配置される端面とを有し、前記ヒートシンクが、ヒートシンク基材と該ヒートシンク基材の表面に形成されたコーティング層とから構成され、
前記ヒートシンクは、前記ヒートシンク基材の表面を該ヒートシンク基材よりも軟らかい材質のメッキによるメッキ層で被覆し、該メッキ層を切削加工又は研磨加工して前記コーティング層で被覆された載置面及び端面を形成するようにしたことを特徴とする複合材ヒートシンク。
【請求項８】
ヒートシンク基材と該ヒートシンク基材の表面に形成されたコーティング層とから構成された三層からなるヒートシンクを、板状の中間部材の表裏両面に接合して７層からなるヒートシンクを形成し、
該ヒートシンク基材が、該ヒートシンク基材よりも軟らかい被覆材で形成され、該被覆材を切削加工又は研磨加工して、前記コーティング層で被覆された半導体の載置面を形成するようにしたことを特徴とする複合材ヒートシンク。
【請求項９】
前記ヒートシンク基材がモリブデン、モリブデン系合金、タングステン、タングステン系合金、半導体又はセラミック材であり、前記コーティング層が銅又はニッケルであることを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載の複合材ヒートシンク。
【請求項１０】
前記半導体素子の一側面がレーザ光の発光面であることを特徴とする請求項６、８及び９のうちいずれか１項に記載の複合材ヒートシンク。
【請求項１１】
前記切削加工がダイヤモンドターニング加工であることを特徴とする請求項６〜１０のいずれか１項に記載の複合材ヒートシンク。
【請求項１２】
前記ヒートシンクの内部に冷却水の水路、冷却水の供給口及び前記冷却水の水路を介して前記供給口と連通する冷却水の排出口を形成した請求項８〜１１のいずれか１項に記載の複合材ヒートシンク。
【請求項１３】
前記コーティング層がメッキにより形成されたことを特徴とする請求項６、８〜１２のいずれか１項に記載の複合材ヒートシンク。
【請求項１】
半導体素子を載置するヒートシンクの載置面を有し、前記ヒートシンクが、ヒートシンク基材と該ヒートシンク基材の表面に形成されたコーティング層とから構成され、
前記ヒートシンク基材の表面を該ヒートシンク基材よりも軟らかい被覆材で形成し、該被覆材を切削加工又は研磨加工することによって、前記コーティング層を形成したことを特徴とする複合材ヒートシンクの製造方法。
【請求項２】
前記ヒートシンク基材がモリブデン、モリブデン系合金、タングステン、タングステン系合金、半導体又はセラミック材であり、前記コーティング層が銅又はニッケルであることを特徴とする請求項１に記載の複合材ヒートシンクの製造方法。
【請求項３】
前記コーティング層がメッキにより形成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の複合材ヒートシンクの製造方法。
【請求項４】
前記ヒートシンクが内部に冷却水の流路を有する水冷式ヒートシンクであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の複合材ヒートシンクの製造方法。
【請求項５】
前記切削加工がダイヤモンドターニング加工であることを特徴とする請求項１〜４に記載の複合材ヒートシンクの製造方法。
【請求項６】
半導体を載置するヒートシンクの載置面を有し、該ヒートシンクが、ヒートシンク基材と該ヒートシンク基材の表面に形成されたコーティング層とから構成され、
前記ヒートシンクは、前記ヒートシンク基材の表面を該ヒートシンク基材よりも軟らかい被覆材で形成し、該被覆材を切削加工又は研磨加工して前記コーティング層で被覆された載置面を形成するようにしたことを特徴とする複合材ヒートシンク。
【請求項７】
レーザーダイオードを載置するヒートシンクの載置面と、該載置面に隣接し前記レーザーダイオードの一側面に沿って配置される端面とを有し、前記ヒートシンクが、ヒートシンク基材と該ヒートシンク基材の表面に形成されたコーティング層とから構成され、
前記ヒートシンクは、前記ヒートシンク基材の表面を該ヒートシンク基材よりも軟らかい材質のメッキによるメッキ層で被覆し、該メッキ層を切削加工又は研磨加工して前記コーティング層で被覆された載置面及び端面を形成するようにしたことを特徴とする複合材ヒートシンク。
【請求項８】
ヒートシンク基材と該ヒートシンク基材の表面に形成されたコーティング層とから構成された三層からなるヒートシンクを、板状の中間部材の表裏両面に接合して７層からなるヒートシンクを形成し、
該ヒートシンク基材が、該ヒートシンク基材よりも軟らかい被覆材で形成され、該被覆材を切削加工又は研磨加工して、前記コーティング層で被覆された半導体の載置面を形成するようにしたことを特徴とする複合材ヒートシンク。
【請求項９】
前記ヒートシンク基材がモリブデン、モリブデン系合金、タングステン、タングステン系合金、半導体又はセラミック材であり、前記コーティング層が銅又はニッケルであることを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載の複合材ヒートシンク。
【請求項１０】
前記半導体素子の一側面がレーザ光の発光面であることを特徴とする請求項６、８及び９のうちいずれか１項に記載の複合材ヒートシンク。
【請求項１１】
前記切削加工がダイヤモンドターニング加工であることを特徴とする請求項６〜１０のいずれか１項に記載の複合材ヒートシンク。
【請求項１２】
前記ヒートシンクの内部に冷却水の水路、冷却水の供給口及び前記冷却水の水路を介して前記供給口と連通する冷却水の排出口を形成した請求項８〜１１のいずれか１項に記載の複合材ヒートシンク。
【請求項１３】
前記コーティング層がメッキにより形成されたことを特徴とする請求項６、８〜１２のいずれか１項に記載の複合材ヒートシンク。
【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２００８−１４０８７７（Ｐ２００８−１４０８７７Ａ）
【公開日】平成２０年６月１９日（２００８．６．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３２３９８９（Ｐ２００６−３２３９８９）
【出願日】平成１８年１１月３０日（２００６．１１．３０）
【出願人】（０００１３３７８８）株式会社テクニスコ (8)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年６月１９日（２００８．６．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１１月３０日（２００６．１１．３０）
【出願人】（０００１３３７８８）株式会社テクニスコ (8)
【Ｆターム（参考）】
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