(57)【要約】  簡単な工程で基板に機能性材料の粒子を埋め込み、機能領域を形成することができる機能性基板の製造方法を提供する。アルミニウム等よりなる基板（１０Ａ）の上にダイヤモンド粉末（２１Ａ）を配置し、保護材（３０）で覆って封止する。これを爆薬（４１）と共に水（Ｗ）中に設置し、爆薬（４１）の爆発により衝撃波（ＳＷ）を与える。ダイヤモンド粉末（２１Ａ）は高速に加速されて基板（１０Ａ）に衝突・貫通し、基板（１０Ａ）の表面から厚み方向の少なくとも一部に埋め込まれ、機能領域が形成される。得られた機能性基板は放熱部材などとして好適である。機能領域におけるダイヤモンド粒子の含有量の分布は調整可能であり、例えば、基板（１０Ａ）の表面から厚み方向に向かって次第に減少させれば、従来の鋳造や粉末どうしの混合などの高温を利用した製造方法では極めて困難であった非平衡な機能領域が実現される。
2008010270.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の厚みを有する基板の表面に機能性材料の粉末を配置する工程と、
衝撃波を与えることにより機能性材料を前記基板の表面から厚み方向の少なくとも一部に埋め込んで前記基板内に機能領域を形成する工程と
を含むことを特徴とする機能性基板の製造方法。
【請求項２】
前記基板として金属板、前記機能性材料としてダイヤモンド粒子を用いる
ことを特徴とする請求項１記載の機能性基板の製造方法。
【請求項３】
前記金属板はアルミニウム（Ａｌ），マグネシウム（Ｍｇ）および亜鉛（Ｚｎ）からなる群のうちの少なくとも一種により構成されている
ことを特徴とする請求項２記載の機能性基板の製造方法。
【請求項４】
前記基板上の粉末を保護材により覆ったのち、衝撃波を与える
ことを特徴とする請求項１記載の機能性基板の製造方法。
【請求項５】
基板内の、前記基板の表面から厚み方向の少なくとも一部に機能性材料を含む機能領域を有し、
前記機能領域は、前記基板の表面に機能性材料の粉末を配置したのち前記粉末に衝撃波を与えることにより形成された
ことを特徴とする機能性基板。
【請求項６】
前記機能領域での機能性材料の含有量は、前記基板の表面から厚み方向に向かって均一である
ことを特徴とする請求項５記載の機能性基板。
【請求項７】
前記機能領域での機能性材料の含有量は、前記基板の表面から厚み方向に向かって次第に減少している
ことを特徴とする請求項５記載の機能性基板。
【請求項８】
金属板内にダイヤモンド粒子からなる機能領域を備えた
ことを特徴とする請求項５記載の機能性基板。
【請求項９】
前記金属板はアルミニウム，マグネシウムおよび亜鉛からなる群のうちの少なくとも一種により構成されている
ことを特徴とする請求項８記載の機能性基板。
【請求項１０】
放熱部材上に半導体素子を備えた半導体装置であって、
前記放熱部材は金属板であり、前記金属板はその表面から厚み方向の少なくとも一部にダイヤモンド粒子を含む機能領域を有し、かつ前記機能領域は、前記金属板の表面にダイヤモンドの粉末を配置したのち前記粉末に衝撃波を与えることにより形成された
ことを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば放熱機能などの機能領域を有する機能性基板の製造方法、および機能性基板、並びにこの機能性基板を放熱部材として用いた半導体装置に関する。【０００２】
半導体装置の放熱部材（ヒートシンク）には、熱伝導率が高いことに加えて、それに接合される半導体素子の構成材料であるＳｉやＧａＡｓとの熱膨張係数差をできるだけ小さくすることが求められる。このような要請に応えて、従来より、銅（Ｃｕ）とタングステン（Ｗ）あるいはモリブデン（Ｍｏ）との合金、または銅とダイヤモンドとの複合材料などが開発され、それらの製造方法についても研究が行われている。【０００３】
例えば、特許文献１には、銅または銀の粒子とタングステンまたはモリブデンの粒子とを機械的に攪拌混合して、銅または銀の粒子の表面がタングステンまたはモリブデンの粒子で被覆された複合粒子を作製し、これを射出成形法により成形したのち焼結するという方法が記載されている。【０００４】
また、特許文献２は、ダイヤモンド粒子，Ａｇ−Ｃｕ合金粉末およびチタン（Ｔｉ）粉末の混合粉末を加圧成形したものと、Ａｇ−Ｃｕ合金を加圧成形したものとを接触させながら加熱することにより、ダイヤモンド粒子表面にＴｉＣ層を形成して密着性を高めると共にダイヤモンド粒子間隙にＡｇ−Ｃｕ合金を無負荷で溶浸し緻密体とする方法を開示している。
【特許文献１】特開２００３−２１３３６０号公報
【特許文献２】特開２００４−１９７１５３号公報
【非特許文献１】Ａ．モリ（A. Mori ）、外２名，「マテリアルズ  サイエンス  フォーラム（Materials Science Forum ）」，トランス  テック  パブリケーションズ  インク（Trans Tech Publications Inc.），スイス，２００４年，第４６５−４６６巻，ｐ．３０７
【非特許文献２】Ｂ．クロスランド（Crossland, B. ）著，「金属の爆発圧接とその応用（Explosive Welding of Metals and Its Application ）」，オクスフォードユニバーシティプレス（Oxford University Press ），英国，１９８２年，ｐ．９５
【発明の開示】
【０００５】
しかしながら、これらの従来方法はいずれも工程が複雑であるという問題があった。また、得られた合金または複合材料は、銅または銀の母材中にタングステンあるいはモリブデンの粒子またはダイヤモンド粒子が均一に分散されていた（特許文献１の図１および特許文献２の図１参照。）。分散される粒子の体積含有率は数十ｖｏｌ％と極めて高く、少量の粒子では所望の熱伝導率または熱膨張係数などの特性を得ることができなかった。
【０００６】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その第１の目的は、基板内に放熱などの機能領域を簡単な工程で形成することができる機能性基板の製造方法を提供することにある。
【０００７】
本発明の第２の目的は、少量の機能性材料により所望の特性を得ることができ、放熱部材などとして好適な機能性基板を提供することにある。
【０００８】
また、本発明の第３の目的は、放熱部材の熱伝導性を高め、熱放散効率を向上させることができる半導体装置を提供することにある。
【０００９】
本発明による機能性基板の製造方法は、所定の厚みを有する基板の表面に機能性材料の粉末を配置する工程と、衝撃波を与えることにより機能性材料を基板の表面から厚み方向の少なくとも一部に埋め込んで基板内に機能領域を形成する工程とを含むようにしたものである。
【００１０】
この機能性基板の製造方法では、基板の表面に機能性材料の粉末が配置されたのち、衝撃波が与えられることにより、機能性材料の粉末が高速に加速されて基板に衝突・貫通し、機能性材料が基板の表面から厚み方向の少なくとも一部に埋め込まれて機能領域が形成される。機能領域での機能性材料の含有量の分布は調整可能であり、基板の表面から奥に向かって均一にすることもできるし、また、基板の表面から奥に向かって次第に減少するようにして、従来の鋳造や粉末どうしの混合などの高温を利用した製造方法では極めて困難であった非平衡な機能領域を実現することもできる。なお、基板は板状に限らずどのような形状でもよく、また、その平面形状も任意である。
【００１１】
本発明による機能性基板は、基板内の、基板の表面から厚み方向の少なくとも一部に機能性材料を含む機能領域を有し、機能領域は、基板の表面に機能性材料の粉末を配置したのち粉末に衝撃波を与えることにより形成されたものである。
【００１２】
この機能性基板では、基板内に、衝撃波を用いて形成された機能領域を有しているので、機能領域での機能性材料の含有量の分布が調整可能となっている。よって、機能性材料としてダイヤモンド粉末を選択することにより、少量の機能性材料で機能領域の熱伝導性を飛躍的に高め、半導体装置の放熱部材等として利用することができる。
【００１３】
本発明による半導体装置は、放熱部材上に半導体素子を備えたものであって、放熱部材は金属板であり、金属板はその表面から厚み方向の少なくとも一部にダイヤモンド粒子を含む機能領域を有し、かつ機能領域は、金属板の表面にダイヤモンドの粉末を配置したのち粉末に衝撃波を与えることにより形成されたものである。
【００１４】
この半導体装置では、半導体素子から発生した熱は、ダイヤモンド粉末を含む熱伝導率の高い機能領域を介して効率良く放散される。
【００１５】
本発明の機能性基板の製造方法によれば、衝撃波を用いるようにしたので、簡単な工程で機能性材料の粉末を基板に埋め込み、機能領域を形成することができる。
【００１６】
また、本発明の機能性基板によれば、基板内に、衝撃波を用いて形成された機能領域を有するので、機能領域での機能性材料の含有量の分布が調整可能となっている。よって、機能性材料としてダイヤモンド粉末を選択することにより少量の機能性材料で機能領域の熱伝導性を飛躍的に高め、半導体装置の放熱部材等として利用することができる。
【００１７】
更に、本発明の半導体装置によれば、本発明の機能性基板を放熱部材として備えるようにしたので、放熱部材の熱伝導性が高く、熱放散効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施の形態に係る機能性基板の構成を表す斜視図である。
【図２】図１に示した機能領域の断面構造の一例を表す断面図である。
【図３】機能領域の断面構造の他の例を表す断面図である。
【図４】図１に示した機能性基板の製造方法を説明するための図である。
【図５】図１に示した機能性基板を放熱部材として用いた半導体装置の一例を表す断面図である。
【図６】実施例１で使用した粉末のＳＥＭである。
【図７】実施例１の結果を表す写真である。
【図８】実施例１の結果を表す写真である。
【図９】ダイヤモンド粉末の衝突および貫通の過程を説明するための図である。
【図１０】実施例１の結果を表す図である。
【図１１】実施例２−３の結果を表す図である。
【図１２】実施例３−１〜３−６で使用した粉末のＳＥＭ写真である。
【図１３】実施例３−１〜３−６で得られた機能性基板の表面写真である。
【図１４】実施例３−１〜３−６で得られた機能領域の表面のＳＥＭ写真である。
【図１５】実施例３−１〜３−６で得られた機能領域の表面のＸ線解析の写真である。
【図１６】実施例３−４で得られた機能領域の断面顕微鏡写真である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、図において各構成要素は本発明が理解できる程度の形状、大きさおよび配置関係を概略的に示したものであり、実寸とは異なっている。【００２０】
図１は本発明の一実施の形態に係る機能性基板の全体構成を表し、図２および図３はその断面構造を表すものである。この機能性基板１０は、基板１０Ａ内に機能性材料として例えばダイヤモンド粒子２１を含む機能領域２０を形成したものであり、例えば半導体装置やコンピュータ部品等の放熱部材として用いられる。【００２１】
基板１０Ａは、例えば、全体の厚みが１．５ｍｍの金属板であり、アルミニウム（Ａｌ），マグネシウム（Ｍｇ）および亜鉛（Ｚｎ）からなる群のうちの少なくとも一種により構成されている。この基板１０Ａ内の、基板１０Ａの表面から厚み方向に数百μｍないし１ｍｍ程度の領域が、機能領域２０となっている。【００２２】
機能領域２０は、母材である基板１０Ａの強度、熱伝導性または熱膨張係数などの特性を機能性材料により変化させ、機能性材料に応じた機能を持たせたものである。例えば機能性材料としてダイヤモンド粒子２１を含む場合、機能領域２０は、物質の中でも最高の２５００Ｗ／ｍ・Ｋという熱伝導率を有するダイヤモンドにより、熱伝導性が著しく高くなり、優れた放熱機能を有するものとなる。ダイヤモンド粒子２１の直径は、例えば約１０μｍないし２０μｍである。また、機能性材料はＳｉＣ粒子でもよい。その場合、機能領域２０は、ダイヤモンドにつぐモース硬さ９．５を有する極めて硬いＳｉＣにより、強度や安定性が高まり、優れた耐熱性、耐摩耗性能を有するものとなる。【００２３】
このような機能領域２０は、後述するように、基板１０Ａの表面にダイヤモンド粉末を配置したのち、衝撃波を与えてダイヤモンド粉末を基板１０Ａの表面から厚み方向の一部に埋め込むことにより形成されたものである。これにより、この機能性基板１０では、機能領域でのダイヤモンド粒子２１の含有量の分布が調整可能となっており、少量のダイヤモンド粒子２１により機能領域２０の熱伝導性を飛躍的に高めることができるようになっている。【００２４】
機能領域２０でのダイヤモンド粒子２１の含有量は、例えば図２に示したように、基板１０Ａの表面から厚み方向に向かって均一であることが好ましい。このようにすれば、熱伝導率をより高めることができる。なお、ここで「均一」とは完全に均一である場合のみでなく、ある程度ばらつきがある場合も含む。【００２５】
また、図３に示したように、機能領域２０でのダイヤモンド粒子２１の含有量は、基板１０Ａの表面から厚み方向に向かって次第に減少していることも好ましい。このようにダイヤモンド粒子２１が基板１０Ａの表面に集中していれば、基板１０Ａの表面からの放熱効率を極めて高くすることができる。また、ダイヤモンドの硬度が極めて高いので、表面の耐摩耗性能を向上させることができる。【００２６】
この機能性基板は、例えば、次のようにして製造することができる。【００２７】
まず、図４に示したように、例えば、厚みが１．５ｍｍのアルミニウム（Ａｌ）よりなる基板１０Ａの上に、直径が例えば約１０μｍないし２０μｍのダイヤモンド粉末２１Ａを配置し、保護材３０で覆うと共に周囲を封止層３１により封止する。【００２８】
保護材３０はダイヤモンド粉末２１Ａの散逸（飛散、流出など）を防止するためのものであり、例えば、基板１０Ａと同様に、厚みが１．５ｍｍのアルミニウム（Ａｌ）などの金属板を用いることができる。なお、衝撃波ＳＷは保護材３０を介してダイヤモンド粉末２１Ａに与えられるので、保護材３０の厚みや質量は、衝撃波ＳＷによるダイヤモンド粉末２１Ａの加圧条件を考慮して設定する必要がある。封止層３１としては、例えば厚みが０．５ｍｍの市販の粘着テープを用いることができる。【００２９】
次いで、衝撃波発生源４０として爆薬４１を準備する。この爆薬４１は、例えば、電気雷管４２により起爆される板状の爆薬であり、ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）よりなる支持板４２に配設されている。【００３０】
なお、衝撃波発生源４０としては、例えば、化学的エネルギーを利用するものとして爆薬、電気的エネルギーを利用するものとして電気パルス発生装置が挙げられる。また、機械的エネルギーを利用するものとして、液体中への金属球の打ち込みを利用して衝撃波ＳＷを発生させる手法などが挙げられる。もちろん、衝撃波発生源４０は、上記以外の他のエネルギーを利用して衝撃波ＳＷを発生させるものであってもよい。【００３１】
続いて、伝達媒体Ｍとして水Ｗが満たされた水槽５０を用意し、基板１０Ａと保護材３０との間にダイヤモンド粉末２１Ａを封入したものを、衝撃波発生源４０と共に水槽５０の水Ｗ中に設置する。【００３２】
伝達媒体Ｍは、衝撃波ＳＷに伴う圧力を伝達させるためのもの（圧力伝達媒体）である。この伝達媒体Ｍは、例えば、気体または液体などの圧縮性流体や、ゴムなどの弾性体である。【００３３】
なお、衝撃波ＳＷは、伝達媒体Ｍ中において高速（音速を超える速度）で伝播する強い圧力変化の波であり、圧力、温度および密度などの物理的因子を瞬間的に急激に変化させる性質を有するものである。特に、水Ｗを伝達媒体Ｍとする水中衝撃波ＳＷを用いることが好ましい。試料にかかる熱の影響を減少することができ、試料が焼けるおそれがないからである。また、水中衝撃波ＳＷは作用時間が長くなるといわれており、圧力を比較的長い時間試料に負荷することができるからである。ダイヤモンド粉末２１Ａに係るダイヤモンド粉末２１Ａ上にある保護材３０上に作用する水中衝撃波ＳＷの圧力は、保護材３０と爆薬４１との間の距離ｔｗを変化させることにより比較的容易に制御することが可能であり、例えば約１ＧＰａ〜３ＧＰａとすることが好ましい。また、距離ｔｗは例えば５ｍｍ以上４０ｍｍ以下とすることが好ましい。【００３４】
そののち、爆薬４１を爆発させることにより衝撃波ＳＷを発生させる。発生した衝撃波ＳＷは水Ｗを媒体として伝播し、保護材３０を介してダイヤモンド粉末２１Ａに与えられる。これにより、ダイヤモンド粉末２１Ａは高速に加速されて基板１０Ａに衝突・貫通し、基板１０Ａの表面から厚み方向の一部に埋め込まれ、機能領域２０が形成される。以上により、図１ないし図３に示した機能性基板１０が完成する。【００３５】
このように本実施の形態では、衝撃波ＳＷを用いるようにしたので、簡単な工程でダイヤモンド粉末２１Ａを基板１０Ａに埋め込み、機能領域２０を形成することができる。また、機能領域２０におけるダイヤモンド粒子２１の含有量の分布は調整可能であり、機能性材料としてダイヤモンド粒子２１を選択することにより、少量のダイヤモンド粒子２１で機能領域２０の熱伝導性を飛躍的に高め、半導体装置の放熱部材等として好適に利用することができる。【００３６】
以下、本発明の機能性基板の具体的な適用例について説明する。【００３７】
図５は、本発明の機能性基板を用いた半導体装置の一例を表すものである。この半導体装置は、放熱部材１１０上に半導体素子１２０を配設したものであり、放熱部材１１０は上記実施の形態で説明した機能性基板１０により構成されている。すなわち、放熱部材１１０は、アルミニウム（Ａｌ）などの金属板である基板１０Ａ内に、基板１０Ａの表面から厚み方向の一部に、機能性材料としてダイヤモンド粒子２１を含む機能領域２０を有している。機能領域２０は、基板１０Ａの表面にダイヤモンド粉末を配置したのち、衝撃波ＳＷを与えてダイヤモンド粉末を基板１０Ａの表面から厚み方向の一部に埋め込むことにより形成されたものである。これにより、この半導体装置では、放熱部材１１０の熱伝導性が高く、熱放散効率を向上させることができるようになっている。【００３８】
半導体素子１２０は、はんだなどの接着層（図示せず）を間にして放熱部材１１０に接合されている。なお、半導体素子１２０の種類は特に限定されず、レーザあるいは発光ダイオードなどの半導体発光素子、コンピュータのＣＰＵ（Central Processing Unit ；中央処理装置）などが挙げられる。【００３９】
この半導体装置では、半導体素子１２０から発生した熱は、ダイヤモンド粒子２１を含む熱伝導率の高い機能領域２０を介して効率良く放散される。【００４０】
このように本実施の形態では、本発明の機能性基板１０を放熱部材１１０として備えるようにしたので、熱放散効率を向上させることができる。
【実施例】
【００４１】
更に、本発明の具体的な実施例について説明する。【００４２】
（実施例１）
上記実施の形態と同様にして機能性基板１０を作製した。まず、ダイヤモンド粉末２１Ａとして、直径１０μｍ〜２０μｍの人工合成ダイヤモンド粉末０．８ｇを用意した。そのＳＥＭ（走査型電子顕微鏡写真；Scanning Electron Micrograph）を図６に示す。【００４３】
また、基板１０Ａおよび保護材３０として２枚の工業用純粋アルミニウム板（厚み１．５ｍｍ，ＪＩＳ  Ａ１０５０−Ｏ，（＞９９．５  ｍａｓｓ％  Ａｌ））を用意し、これらを０．１ｍｍの空気の間隙をおいて対向配置すると共にその間にダイヤモンド粉末２１Ａを配置し、周囲を封止層３１により封止した。【００４４】
次いで、基板１０Ａと保護材３０との間にダイヤモンド粉末２１Ａを封入したものと、衝撃波発生源４０とを、伝達媒体Ｍとして水Ｗが満たされた水槽５０中に、互いに平行に設置した。衝撃波発生源４０の爆薬４１としては、旭化成社製ＳＥＰ（商品名）（爆速約７ｋｍ／ｓ、密度約１３００ｋｇ／ｍ3 ）を用いた。爆薬４１の厚みは５ｍｍに固定し、保護材３０と爆薬４１との間の距離ｔｗ＝４０ｍｍとした。【００４５】
続いて、爆薬４１を爆発させることにより衝撃波ＳＷを発生させ、ダイヤモンド粉末２１Ａに対して衝撃波ＳＷを与えてダイヤモンド粉末２１Ａを基板１０Ａの表面から厚み方向の一部に埋め込み、機能領域２０を形成した。この衝撃波ＳＷの最大圧力を別途評価したところ、その値は数的シミュレーション（非特許文献１参照。）により約１ＧＰａであった。【００４６】
そののち、得られた機能性基板１０を回収し、その断面を調べた。図７はその写真を表すものであるが、基板１０Ａにダイヤモンド粒子２１が埋め込まれていた。すなわち、ダイヤモンド粉末２１Ａに対して衝撃波ＳＷを与えることにより、ダイヤモンド粉末２１Ａを基板１０Ａの表面から厚み方向の一部に埋め込んで機能領域２０を形成することができることが分かった。【００４７】
機能領域２０の厚みは約数百μｍであり、表面から深さ１ｍｍよりも深く貫通したダイヤモンド粒子２１はほとんどなかった。深さ２００μｍないし１ｍｍの間に存在するダイヤモンド粒子２１を点算法により測定したところ、２ｖｏｌ％〜４ｖｏｌ％であり、機能領域２０でのダイヤモンド粒子２１の含有量は基板１０Ａの表面から厚み方向に向かって次第に減少していた。表面から２００μｍ（０．０２ｍｍ）に３０ｖｏｌ％以上のダイヤモンド粒子２１が認められた。【００４８】
図８は、機能性基板１０の表面から０．５ｍｍにおけるダイヤモンド粒子２１の拡大光学顕微鏡写真である。ダイヤモンド粒子２１の直径は約１０μｍであり、元の寸法を維持していた。このことは、ダイヤモンド粉末２１Ａが基板１０Ａに高速衝突する際にダイヤモンド粉末２１Ａの細片化が生じなかったことを示唆している。また、図８から分かるように、ダイヤモンド粒子２１の中には、基板１０Ａを貫通する際の擦過によりシャープエッジが消滅してしまったものが見られた。【００４９】
また、機能性基板１０の断面には、ダイヤモンド粉末２１Ａの貫通により形成された穴の跡は観察されなかった。このことは、高圧下の極めて高いひずみ速度での材料の液状作用により、変形後に穴が閉じられたことを示唆している。図９は、このようなダイヤモンド粉末２１Ａの衝突および貫通の過程を概略的に表したものである。高速に加速されたダイヤモンド粉末２１Ａの粒子はアルミニウムよりなる基板１０Ａに衝突し（図９；右）、基板１０Ａを貫通するが（図９；中央）、穴１０Ｂは柔らかいアルミニウムの流動化により短期間に閉じられたものと推定される（図９；左）。回収後の機能性基板１０の重量変化を測定したところ、重量増加はダイヤモンド粒子２１の平均体積含有率から見込まれる重量増加よりも小さいことが確認された。このことは、流動アルミニウムの一部が水滴のように飛沫１０Ｃとして外部に飛散したことを示唆している（図９；左）。また、この結果は、極めて高いひずみ速度での液状作用も示唆している。ダイヤモンド粉末２１Ａの速度の評価または測定は現在では極めて難しいが、このような流動を考えると、ダイヤモンド粉末２１Ａは数百ｍ／ｓに加速されていたはずである。なぜなら、このような激しい流動により接着された爆発圧接がその速度で達成されているからである（例えば、非特許文献２参照。）。なお、同様な貫通が保護材３０にも生じていた。【００５０】
また、得られた機能性基板１０を熱源としてシリコンラバーヒータに載せて、機能領域２０、その周囲のダイヤモンド粒子２１を含まない領域および熱源側の３箇所に熱電対を貼り、温度を測定した。その結果を図１０に示す。【００５１】
図１０から分かるように、機能領域２０は、その周囲の領域よりも温度が高かった。すなわち、基板１０Ａの内部に、衝撃波ＳＷを用いて形成された機能領域２０を有するようにすれば、機能領域２０の熱伝導率を高めることができることが分かった。【００５２】
（実施例２−１〜２−７）
ｔｗを変えたことを除いては実施例１と同様にして機能性基板１０を形成した。その際、実施例２−１ではｔｗ＝１０ｍｍ、実施例２−２ではｔｗ＝１５ｍｍ、実施例２−３ではｔｗ＝２０ｍｍ、実施例２−４ではｔｗ＝２５ｍｍ、実施例２−５ではｔｗ＝３０ｍｍ、実施例２−６ではｔｗ＝３５ｍｍ、実施例２−７ではｔｗ＝４０ｍｍとした。なお実施例２−７は実施例１と同一のものである。得られた機能性基板１０を回収し、実施例２−３（ｔｗ＝２０ｍｍ）のものについて機能領域２０でのダイヤモンド粒子２１の含有量の分布を調べた。図１１にその結果を示す。図１１から分かるように、機能領域２０でのダイヤモンド粒子２１の含有量は基板１０Ａの表面から厚み方向に向かって次第に減少しており、実施例１と同様の結果が得られた。他の実施例２−１，２−２，２−４，２−５の機能性基板１０については目視により確認したところ、ｔｗによりダイヤモンド粒子２１の含有量の分布に多少の違いが認められたことを除いては実施例２−３と同様の結果が得られた。  【００５３】
（実施例３−１）
上記実施の形態と同様にして機能性基板１０を作製した。まず、ダイヤモンド粉末２１Ａとして、直径１０μｍ〜２０μｍの人工合成ダイヤモンド粉末０．２ｇを用意した。そのＳＥＭを図１２に示す。【００５４】
また、基板１０Ａおよび保護材３０として２枚のマグネシウム−アルミニウム−亜鉛合金ＡＺ３１（Ｍｇ−３Ａｌ−１Ｚｎ）よりなる板を用意し、これらを０．５ｍｍの空気の間隙をおいて対向配置すると共にその間にダイヤモンド粉末２１Ａを配置し、周囲を封止層３１により封止した。ダイヤモンド粉末２１Ａを配置する際には、溶媒としてエタノールに混合させたダイヤモンド粉末２１Ａを基板１０Ａに流した後に、溶媒を乾燥させた。ダイヤモンド粉末２１Ａを配置した面積は９００ｍｍ2 となるようにし、その周囲に厚み０．５ｍｍの防水テープを貼ることにより、基板１０Ａと保護材３０との間隙を保持すると共に防水を行った。【００５５】
次いで、基板１０Ａと保護材３０との間にダイヤモンド粉末２１Ａを封入したものと、衝撃波発生源４０とを、伝達媒体Ｍとして水Ｗが満たされた水槽５０中に、互いに平行に設置した。衝撃波発生源４０の爆薬４１としては、旭化成ケミカルズ社製ＳＥＰ（商品名）（爆速７０００ｋｍ／ｓ、密度約１３１０ｋｇ／ｍ3 ）を用いた。爆薬４１の厚みは５ｍｍに固定し、保護材３０と爆薬４１との間の距離ｔｗは１５ｍｍとした。なお、基板１０Ａと保護材３０との間にダイヤモンド粉末２１Ａを封入したものは、水槽５０の底に設けられた軟鋼板よりなる支持体（図示せず）上に設置した。【００５６】
続いて、爆薬４１を爆発させることにより衝撃波ＳＷを発生させ、ダイヤモンド粉末２１Ａに対して衝撃波ＳＷを与えてダイヤモンド粉末２１Ａを機能性基板１０の表面から厚み方向の一部に埋め込み、機能領域２０を形成した。【００５７】
（実施例３−２〜３−６）
ｔｗを変えたことを除いては実施例３−１と同様にして機能性基板１０を形成した。その際、実施例３−２ではｔｗ＝２０ｍｍ、実施例３−３ではｔｗ＝２５ｍｍ、実施例３−４ではｔｗ＝３０ｍｍ、実施例３−５ではｔｗ＝３５ｍｍ、実施例３−６ではｔｗ＝４０ｍｍとした。【００５８】
得られた機能性基板１０を回収し、機能領域２０の形成状況を調べたところ、実施例３−１〜３−６の全ての機能性基板１０の表面において、ダイヤモンド粒子２１が被膜された機能領域２０が形成されていた。機能領域２０が形成された機能性基板１０の写真を図１３、表面ＳＥＭ写真を図１４、表面Ｘ線回折の解析結果を図１５にそれぞれ示す。また、図１６には、実施例３−４で得られた機能領域２０の断面顕微鏡写真を示す。【００５９】
図１４から分かるように、機能領域２０の表面にはダイヤモンド粒子２１が隙間なく並んでいたが、このダイヤモンド粒子２１の寸法や形状は図１２に示した埋め込み前のダイヤモンド粉末２１Ａと同じであり、外形のシャープなエッジもそのまま残存していた。また、図１５から分かるように、機能領域２０からは、ＡＺ３１の合金とダイヤモンド以外のピークは確認されなかった。【００６０】
更に、図１６から分かるように、実施例３−４で得られた機能領域２０には、ダイヤモンド粉末２１Ａの打ち込みが開始される表面近傍約５０μｍの深さまで、ダイヤモンド粒子２１が集中して存在していた。他の実施例についても、深さに差異はあるが、同様にＡＺ３１表面近傍でのダイヤモンド粒子２１の存在を確認することができた。【００６１】
すなわち、ダイヤモンド粉末２１Ａに対して衝撃波ＳＷを与えることにより、ダイヤモンド粉末２１Ａを基板１０Ａの表面から厚み方向の一部に埋め込むようにようにすれば、ダイヤモンド粉末２１Ａの外形寸法や形状を保持しつつ、ダイヤモンド粉末２１Ａおよび基板１０Ａの性質を変えずに機能領域２０を形成することができることが分かった。なお、実施例３−１〜３−６ではｔｗを最大４０ｍｍとしたが、ｔｗ＝４０ｍｍを超えても機能性基板１０の形成は可能であると考えられる。予想ではｔｗ＝６０ｍｍ程度が機能性基板１０の形成可能な範囲となる。【００６２】
実施例３−１〜３−６で得られた機能性基板１０について、機能領域２０の磨耗実験を行い、実験前と実験後との重量変化を測定した。磨耗試験の条件としては、測定負荷３０ｇ、測定速度３８２ｒｐｍ、測定半径２．５ｍｍ、測定時間１０００ｓ、測定温度室温、測定距離１Ｋｍとした。得られた結果を表１に示す。【００６３】
比較例として、機能領域２０を形成しない未処理のＡＺ３１合金よりなる板についても、上記実施例と同一条件で摩耗実験を行い、実験前と実験後との重量変化を測定した。その結果も表１に合わせて示す。【００６４】
【表１】
2008010270.tif 000003
【００６５】
表１から分かるように、衝撃波負荷により表面をダイヤモンド粒子２１によって処理され、機能領域２０が形成された上記実施例の機能性基板１０は、機能領域２０を形成していない比較例と比べて質量減少量が極めて小さく、はるかに削れ難くなっていた。すなわち、衝撃波ＳＷにより機能領域２０を形成した機能性基板１０では、機能領域２０を形成しないものに比べて耐磨耗性を著しく高めることができることが分かった。【００６６】
（実施例４）
機能性材料としてダイヤモンド粒子２１の代わりにＳｉＣ粒子を用いたことを除いては実施例１と同様にして機能性基板１０を形成した。その際、２５０メッシュのＳｉＣ粉末を０．１ｇ使用し、ｔｗ＝２０ｍｍとした。得られた機能性基板１０を回収して断面の状態を調べたところ、実施例１と同様の結果が得られた。【００６７】
以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態および実施例に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、機能領域２０を、基板１０Ａの表面から厚み方向の一部に形成する場合について説明したが、衝撃波ＳＷによるダイヤモンド粉末２１Ａの加圧条件等によっては基板１０Ａの表面から厚み方向の全部に形成することも可能である。【００６８】
また、上記実施の形態および実施例では、機能性基板１０の構成を具体的に挙げて説明したが、機能性基板１０の構成は上記実施の形態および実施例に限られない。例えば、機能領域２０は必ずしも図１に示したように機能性基板１０の表面の一部のみに形成されている必要はなく、機能性基板１０の表面の全面にわたって形成されていてもよい。【００６９】
更に、各構成要素の材料および厚み、または衝撃波ＳＷによるダイヤモンド粉末２１Ａの加圧条件などは限定されるものではなく、他の材料および厚みとしてもよく、または他の加圧条件としてもよい。加えて、保護材３０としてアルミニウム（Ａｌ）板の代わりに銅（Ｃｕ），チタン（Ｔｉ）またはステンレス鋼などの他の材料を用いることも可能である。
【図１】
2008010270.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【手続補正書】
【提出日】平成20年7月9日(2008.7.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の厚みを有する基板の表面に機能性材料の粉末を配置する工程と、
衝撃波を与えることにより機能性材料を前記基板の表面から厚み方向の少なくとも一部に埋め込んで前記基板内に機能領域を形成する工程と
を含むことを特徴とする機能性基板の製造方法。
【請求項２】
前記基板として金属板、前記機能性材料としてダイヤモンド粒子を用いる
ことを特徴とする請求項１記載の機能性基板の製造方法。
【請求項３】
前記金属板はアルミニウム（Ａｌ），マグネシウム（Ｍｇ）および亜鉛（Ｚｎ）からなる群のうちの少なくとも一種により構成されている
ことを特徴とする請求項２記載の機能性基板の製造方法。
【請求項４】
前記基板上の粉末を保護材により覆ったのち、衝撃波を与える
ことを特徴とする請求項１記載の機能性基板の製造方法。
【請求項５】
基板内の、前記基板の表面から厚み方向の一部に機能性材料を含む機能領域を有し、
前記機能領域は、前記基板の表面に機能性材料の粉末を配置したのち前記粉末に衝撃波を与えることにより形成された
ことを特徴とする機能性基板。
【請求項６】
前記機能領域での機能性材料の含有量は、前記基板の表面から厚み方向に向かって均一である
ことを特徴とする請求項５記載の機能性基板。
【請求項７】
前記機能領域での機能性材料の含有量は、前記基板の表面から厚み方向に向かって次第に減少している
ことを特徴とする請求項５記載の機能性基板。
【請求項８】
金属板内にダイヤモンド粒子からなる機能領域を備えた
ことを特徴とする請求項５記載の機能性基板。
【請求項９】
前記金属板はアルミニウム，マグネシウムおよび亜鉛からなる群のうちの少なくとも一種により構成されている
ことを特徴とする請求項８記載の機能性基板。
【請求項１０】
放熱部材上に半導体素子を備えた半導体装置であって、
前記放熱部材は金属板であり、前記金属板はその表面から厚み方向の一部にダイヤモンド粒子を含む機能領域を有し、かつ前記機能領域は、前記金属板の表面にダイヤモンドの粉末を配置したのち前記粉末に衝撃波を与えることにより形成された
ことを特徴とする半導体装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００２】
発明の開示
［０００５］
しかしながら、これらの従来方法はいずれも工程が複雑であるという問題があった。また、得られた合金または複合材料は、銅または銀の母材中にタングステンあるいはモリブデンの粒子またはダイヤモンド粒子が均一に分散されていた（特許文献１の図１および特許文献２の図１参照。）。分散される粒子の体積含有率は数十ｖｏｌ％と極めて高く、少量の粒子では所望の熱伝導率または熱膨張係数などの特性を得ることができなかった。
［０００６］
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その第１の目的は、基板内に放熱などの機能領域を簡単な工程で形成することができる機能性基板の製造方法を提供することにある。
［０００７］
本発明の第２の目的は、少量の機能性材料により所望の特性を得ることができ、放熱部材などとして好適な機能性基板を提供することにある。
［０００８］
また、本発明の第３の目的は、放熱部材の熱伝導性を高め、熱放散効率を向上させることができる半導体装置を提供することにある。
［０００９］
本発明による機能性基板の製造方法は、所定の厚みを有する基板の表面に機能性材料の粉末を配置する工程と、衝撃波を与えることにより機能性材料を基板の表面から厚み方向の少なくとも一部に埋め込んで基板内に機能領域を形成する工程とを含むようにしたものである。
［００１０］
この機能性基板の製造方法では、基板の表面に機能性材料の粉末が配置されたのち、衝撃波が与えられることにより、機能性材料の粉末が高速に加速されて基板に衝突・貫通し、機能性材料が基板の表面から厚み方向の少なくとも一部に埋め込まれて機能領域が形成される。機能領域での機能性材料の含有量の分布は調整可能であり、基板の表面から奥に向かって均一にすることもできるし、また、基板の表面から奥に向かって次第に減少するようにして、従来の鋳造や粉末どうしの混合などの高温を利用した製造方法では極めて困難であった非平衡な機能領域を実現することもできる。なお、基板は板状に限らずどのような形状でもよく、また、その平面形状も任意である。
［００１１］
本発明による機能性基板は、基板内の、基板の表面から厚み方向の一部に機能性材料を含む機能領域を有し、機能領域は、基板の表面に機能性材料の粉末を配置したの
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
ち粉末に衝撃波を与えることにより形成されたものである。
［００１２］
この機能性基板では、基板内に、衝撃波を用いて形成された機能領域を有しているので、機能領域での機能性材料の含有量の分布が調整可能となっている。よって、機能性材料としてダイヤモンド粉末を選択することにより、少量の機能性材料で機能領域の熱伝導性を飛躍的に高め、半導体装置の放熱部材等として利用することができる。
［００１３］
本発明による半導体装置は、放熱部材上に半導体素子を備えたものであって、放熱部材は金属板であり、金属板はその表面から厚み方向の一部にダイヤモンド粒子を含む機能領域を有し、かつ機能領域は、金属板の表面にダイヤモンドの粉末を配置したのち粉末に衝撃波を与えることにより形成されたものである。
［００１４］
この半導体装置では、半導体素子から発生した熱は、ダイヤモンド粉末を含む熱伝導率の高い機能領域を介して効率良く放散される。
［００１５］
本発明の機能性基板の製造方法によれば、衝撃波を用いるようにしたので、簡単な工程で機能性材料の粉末を基板に埋め込み、機能領域を形成することができる。
［００１６］
また、本発明の機能性基板によれば、基板内に、衝撃波を用いて形成された機能領域を有するので、機能領域での機能性材料の含有量の分布が調整可能となっている。よって、機能性材料としてダイヤモンド粉末を選択することにより少量の機能性材料で機能領域の熱伝導性を飛躍的に高め、半導体装置の放熱部材等として利用することができる。
［００１７］
更に、本発明の半導体装置によれば、本発明の機能性基板を放熱部材として備えるようにしたので、放熱部材の熱伝導性が高く、熱放散効率を向上させることができる。
図面の簡単な説明
［００１８］
［図１］本発明の一実施の形態に係る機能性基板の構成を表す斜視図である。
［図２］図１に示した機能領域の断面構造の一例を表す断面図である。
［図３］機能領域の断面構造の他の例を表す断面図である。
［図４］図１に示した機能性基板の製造方法を説明するための図である。
【国際調査報告】
2008010270.tif 000020
2008010270.tif 000021