(57)【要約】      （修正有）【課題】高密度の回路基板等を装着することが可能な放熱性に優れた絶縁基板である積層体およびその製造法を提供する。【解決手段】セラミックシートと高熱伝導材のシートを重ねた複合体であって界面の熱抵抗が1×10-6m2K/W以下である積層体。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックシートと高熱伝導材のシートを重ねた複合体であって界面の熱抵抗が1×10-6m2K/W以下である積層体。
【請求項２】
セラミックシートと高熱伝導材のシートの界面に中間層を有しないものである請求項１に記載の積層体。
【請求項３】
セラミックシートが窒化物系セラミックである請求項１又は２に記載の積層体。
【請求項４】
高熱伝導材のシートが銅、アルミニウム又は銀をマトリックスとし炭素材をフィラーとして含有するものである請求項１〜３の何れか一項に記載の積層体。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか一項に記載の積層体を製造する方法であって、セラミックシートと高熱伝導材のシートを直接重ね加圧下に加熱処理することを特徴とする積層体の製造法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高密度の回路基板等を装着することが可能な放熱性に優れた絶縁基板である積層体およびその製造法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体基板などは単位密度当たりの性能を高めるためにより高密度の回路形成することが行われているため、装着する絶縁基板は半導体の放熱部品用の材料として高い熱伝導性を有するものが望まれており、絶縁基板と熱伝導性材料からなる積層体が必要とされている。
【０００３】
そのような材料として基板と基板を炭素繊維、カーボンナノチューブとはんだの複合材料で接合することが提案されている（特許文献１）。
【０００４】
また、セラミック基板と放熱材料である熱伝導材料をロウ材、接着剤、グリース等を用いて接合することが知られている（特許文献２，３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−１９２６５６号公報
【特許文献２】特開２００８−１２４４１６号公報
【特許文献３】特開２００９−９６９６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
これら複合体、特に特許文献１の方法は優れた性能を有するものであるが製造法が複雑であり、絶縁基板と熱伝導性層の間の熱抵抗が十分に小さくなく複合体としての性能が十分でないという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、上記問題を解決して絶縁基板と熱伝導性層との熱抵抗が小さく、しかも積層体化が容易な方法を開発することについて鋭意探索した結果、特定の組合せとその構成方法が優れていることを見出し本発明を完成した。
【０００８】
本発明は、セラミックシートと高熱伝導材のシートを重ねた積層体であって界面の熱抵抗が1×10-6m2K/W以下である積層体である。
【０００９】
また、本発明は、上記積層体を製造するに好適な方法であり、セラミックシートと高熱伝導材のシートを直接重ね加圧下に加熱処理することを特徴とする積層体の製造法である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の積層体は優れた放熱性を有する絶縁基板として利用可能であり、積層体を製造する方法は簡便であり工業的に極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の複合体の構成を示す図面である。
【図２】本発明の複合体を製造する際に用いる装置の一例である。
【図３】実施例１の積層体の界面のＳＥＭ写真およびＥＤＳによる元素マップ（画像の白い部分が元素の存在を表している。）である。
【図４】実施例２の積層体の界面のＳＥＭ写真およびＥＤＳによる元素マップ（画像の白い部分が元素の存在を表している。）である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明において、セラミックシートとは、回路の基板として用いることが可能な絶縁性の素材でつくられたシート状のものであればどのようなものでも使用可能であり、通常、酸化珪素、アルミナ、窒化珪素、窒化アルミニウムなどのシート状のものが例示できるが特に窒化珪素や窒化アルミニウムのシートが好ましく例示できる。
【００１３】
本発明において、高熱伝導性のシートとしては、金属に熱伝導性のフィラーを分散したものが好ましく例示される。金属としては銅、銀、アルミニウムが好ましく例示され、熱伝導性のフィラーとしては黒鉛、カーボンファイバー、カーボンナノチューブが好ましく例示される。これらの金属、熱伝導性のフィラーは１種単独で、あるいは２種以上の複数のものを混合して用いることができる。熱伝導性のフィラーはシート面に対して垂直に配向したものが好ましく、具体的な例としては黒鉛−金属複合材料（再表２００９−０５１０９４号公報）などが例示される。
【００１４】
本発明において界面の熱抵抗とは、セラミックシートと高熱伝導材シートの界面の熱の伝わり難さを定量的に示すものであり、レーザーフラッシュ法によって測定される。界面熱抵抗の測定にはHartmannの提唱する2層モデルを用いる（J. Hartmann, et.al., High Temp. - High Press., 25 (1993) 403-410）。測定装置にはNETZSCH社のMicro-Flash LFA457を用いた。界面の熱抵抗としては1×10-6m2K/W以下であり、好ましい態様としては1×10-9m2K/W以下である。
【００１５】
本発明おいて界面の中間層とは、２層間界面での反応生成層や拡散層、もしくは接合剤として用いられる活性金属層（ロウ材など）、接着剤、グリースなどからなる第３層のことを示す。このような中間層はそれぞれの層との親和性が高く、接合を助ける効果があるが、多くの場合中間層自体の熱伝導率は低く、その結果界面の熱抵抗を上げる一因となる。本発明において中間層を形成することなく、密着性の高い接合面を形成することにより熱抵抗の低い界面を得ることに成功した。
【００１６】
ただし、高熱伝導材のマトリックスと同一の金属微粉用いて薄いインサート層を形成する場合には、インサート層とマトリックスは同一の組織となるため、インサート層を含めて高熱伝導材とみなすことができる。そのため、このインサート層が熱伝導を阻害することはない。インサート層の厚さは40μm以下が望ましい。
【００１７】
本発明において加圧下とは重ねたシートを加圧装置にセットして、通常5〜50MPa、好ましくは10〜20MPaで加圧することであり、本発明においては同時に加熱するため黒鉛の型にセットし黒鉛のポンチ経由で圧力をかけるのが好ましい態様である。
【００１８】
本発明において加熱処理をするとは加圧に際して、高熱伝導材に用いられるマトリックス金属の融点よりも通常10〜300℃低い温度、好ましくは融点よりも40〜200℃低い温度に加熱することを示す。加熱方法としては外部よりシートあるいは型を加熱してもシートに通電することで加熱しても良い。
【実施例】
【００１９】
以下に本発明の態様の一例を実施例として示す。
【００２０】
［実施例１］
□20mm、厚さ0.32mmのSi3N4薄板と□20mm、厚さ3mmのCu-C複合材料を黒鉛型の中にセットし（図２）、上下から黒鉛ポンチで20MPaで加圧しながらパルス通電加熱法により900℃、20分間加熱し接合を行った。レーザーフラッシュ法で接合した積層体の基板間の界面の熱抵抗を測定したところ、2.1×10-10m2K/Wであった。さらに、積層体の基板界面を断面観察したところ、界面で拡散層は確認されず、密着状態のみで保持されていることが確認された（図３）。
【００２１】
［実施例２］
□20mm、厚さ0.32mmのSi3N4薄板と、片面に40mgCu粉末を塗布した□20mm、厚さ3mmのCu-C複合材料を塗布面で接触させた状態で黒鉛型の中にセットし、上下から黒鉛ポンチで加圧しながらパルス通電加熱により900℃、20分間加熱し接合を行った。レーザーフラッシュ法で接合した積層体の基板界面の熱抵抗を測定したところ、7.3×10-10m2K/Wであった。また、積層体の基板界面を断面観察したところ、界面に約10μmのCuインサート層を形成しており、複合材料のマトリックスと一体化していることが観察できた。Cuインサート層はSi3N4ともCu-C複合材料とも化学反応することなく、中間層を形成することはなかった（図4）。
【００２２】
［実施例３］
□20mm、厚さ0.32mmのSi3N4薄板と□20mm、厚さ3mmのAl-C複合材料を黒鉛型の中にセットし、上下から黒鉛ポンチで加圧しながらパルス通電加熱により610℃、20分間加熱し接合を行った。接合した複合基板界面の熱抵抗を測定したところ、6.1×10-10m2K/Wであった。
【００２３】
［実施例４］
□20mm、厚さ0.64mmのAlN薄板と□20mm、厚さ3mmのCu-C複合材料を黒鉛型の中にセットし、上下から黒鉛ポンチで20MPaで加圧しながらパルス通電加熱法により900℃、20分間加熱し接合を行った。レーザーフラッシュ法で接合した積層体の基板界面の熱抵抗を測定したところ、1.4×10-10m2K/Wであった。
【００２４】
［比較例１］
□20mm、厚さ0.32mmのSi3N4薄板と□20mm、厚さ3mmのCu-C複合材料をシリコングリースを用いて貼り付けた。レーザーフラッシュ法でこの積層体の界面の熱抵抗を測定したところ2.4×10-5m2K/Wであった。
【００２５】
［比較例２］
□20mm、厚さ0.32mmのSi3N4薄板と□20mm、厚さ3mmのCu-C複合材料をSn-Pbはんだを用いて接合した。レーザーフラッシュ法でこの積層体の界面の熱抵抗を測定したところ2.6×10-4m2K/Wであった。
【００２６】
［比較例３］
□20mm、厚さ0.64mmのAlN薄板と□20mm、厚さ3mmのCu-C複合材料をSn-Pbはんだを用いて接合した。レーザーフラッシュ法でこの積層体の界面の熱抵抗を測定したところ1.2×10-4m2K/Wであった。
【００２７】
［比較例４］
□20mm、厚さ0.64mmAlN、0.05mmCuのDBC(direct bonded copper)-AlN薄板のCu面と□20mm、厚さ3mmのCu-C複合材料をSn-Pbはんだを用いて接合した。レーザーフラッシュ法でこの積層体の界面の熱抵抗を測定したところ2.4×10-6m2K/Wであった。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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