オールダイヤモンド冷却構造のための微細加工法および最適構造の探索

半導体デバイスの微細化や高出力化に伴ってパワー密度が急増しており冷却の重要性が高まっている。その中で固体中最大の熱伝導率を持つダイヤモンドに微細なフィン構造を加工しヒートシンクとできれば、非常に高い放熱効率が実現できる。ダイヤモンドの高い硬度のため機械加工は難しく、本研究計画ではダイヤモンド微細加工工程の実現を目的として、Ni金型への固溶を用いた微細構造技術を研究した。加工工程は、1).微細Ni金型をダイヤモンドに加圧加熱、2).Ni金型を剥離し次のダイヤモンド基板加工に使用とできれば、ダイヤモンドヒートシンクが簡易に製造できるようになる。2022年度の研究では1).の工程を実証するため、Ni箔をダイヤモンド基板に加圧しながら加熱する研究を行った。本研究では純度>99%のNi箔を、5 mm角・0.3 mm厚のダイヤモンド基板と重ね合わせた試料を用いた。これらを200 Nで加圧しながら、500-1000℃で35分間加熱した。Ni箔とダイヤモンド基板は500℃では結合しなかったが、600℃以上でプレスすることで結合できた。900℃で加熱加圧した場合にて、加工後にNi箔を硝酸で除去し、またNi/ダイヤモンド間に発生したグラファイト層を除去した後、加工深さを段差系にて測定した。結果より4-8μm程度ダイヤモンドが削られていることがわかった。今後微細構造の作製とフィン構造を実現を目標に研究を進める。

半導体デバイスの微細化や高出力化に伴ってパワー密度が急増しており冷却の重要性が高まっている。その中で固体中最大の熱伝導率を持つダイヤモンドに微細なフィン構造を加工しヒートシンクとできれば、非常に高い放熱効率が実現できる。ダイヤモンドの高い硬度のため機械加工は難しく、本研究計画ではダイヤモンド微細加工工程の実現を目的として、Ni金型への固溶を用いた微細構造技術を研究した。加工工程は、1).微細Ni金型をダイヤモンドに加圧加熱、2).Ni金型を剥離し次のダイヤモンド基板加工に使用とできれば、ダイヤモンドヒートシンクが簡易に製造できるようになる。2022年度の研究では1).の工程を実証するため、Ni箔をダイヤモンド基板に加圧しながら加熱する研究を行った。本研究では純度>99%のNi箔を、5 mm角・0.3 mm厚のダイヤモンド基板と重ね合わせた試料を用いた。これらを200 Nで加圧しながら、500-1000℃で35分間加熱した。Ni箔とダイヤモンド基板は500℃では結合しなかったが、600℃以上でプレスすることで結合できた。900℃で加熱加圧した場合にて、加工後にNi箔を硝酸で除去し、またNi/ダイヤモンド間に発生したグラファイト層を除去した後、加工深さを段差系にて測定した。結果より4-8μm程度ダイヤモンドが削られていることがわかった。今後微細構造の作製とフィン構造を実現を目標に研究を進める。