(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックスからなるセラミック基板と、活性金属を含有する金属接合部を介して前記セラミック基板の主面と接合した金属体とを備える放熱基板であって、
β型の窒化珪素セラミックスからなる複数のセラミック粒子が、前記金属接合部の内部に分散配置されており、
前記金属接合部における前記活性金属の含有割合は、前記セラミック基板との界面領域、および前記セラミック粒子との界面領域の方が、前記セラミック基板との界面領域および前記セラミック粒子との界面領域以外の部分に比べて大きいことを特徴とする放熱基板。
【請求項２】
前記セラミックスは、酸化物セラミックスまたは窒化物セラミックスであることを特徴とする請求項１記載の放熱基板。
【請求項３】
１つ以上の前記セラミック粒子との界面領域が、前記セラミック基板との界面領域と連続していることを特徴とする請求項１または２記載の放熱基板。
【請求項４】
前記金属接合部は、前記活性金属としてＴｉを含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の放熱基板。
【請求項５】
前記金属接合部は、ＡｇおよびＣｕをさらに含有することを特徴とする請求項４記載の放熱基板。
【請求項６】
前記セラミック基板は窒化珪素セラミックスからなることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の放熱基板。
【請求項７】
前記金属体はＣｕを主成分とすることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の放熱基板。
【請求項８】
前記セラミック粒子は、粒度分布曲線の累積体積の総和を１００％とした場合の累積体積が５０％となる粒径（Ｄ５０）が５〜２０μｍであり、前記累積体積が９０％となる粒径（Ｄ９０）が１６０μｍ以下である、請求項１〜７のいずれかに記載の放熱基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は放熱基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ロボットやモーター等の産業機器の高性能化に伴い、大電力・高能率インバーター等パワーモジュールの変遷が進んでおり、半導体素子等を含む電子回路等から発生する熱量も増加している。回路素子等から発する熱を放出するための放熱基板や、電気配線として機能する金属パターンを備えた配線基板として、機械的強度と熱伝導性に優れた窒化珪素等のセラミック基板に、熱伝導性に優れ電気抵抗も小さいアルミニウムや銅等からなる金属体が接合された放熱基板が用いられている。セラミック体と金属体との接合技術は従来より様々な検討がなされ、ロウ付けによる接合や直接接合など、種々の接合方法が提案されて利用されている。例えば下記特許文献１には、活性金属法によってセラミック体と金属体とを接合する技術の一例が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−６９５９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
セラミック体と金属体とが接合された放熱基板では、セラミック体の熱膨張率と金属体の熱膨張率の違いによって生じる熱応力が問題となることがある。例えば回路素子の発熱量の増加や、自動車のエンジンルーム内など高温環境下での使用の増加にともない、近年では、使用時における放熱基板や金属体の温度が上昇し易くなっていく傾向にあり、熱応力の大きさも大きくなっていく傾向にある。従来から、このような熱応力を抑制し、長期的な信頼性が高い放熱基板が求められていた。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
かかる課題を解決するため、本願発明では、セラミックスからなるセラミック基板と、活性金属を含有する金属接合部を介して前記セラミック基板の主面と接合した金属体とを備える放熱基板であって、β型の窒化珪素セラミックスからなる複数のセラミック粒子が、前記金属接合部の内部に分散配置されており、前記金属接合部における前記活性金属の含有割合は、前記セラミック基板との界面領域、および前記セラミック粒子との界面領域の方が、前記セラミック基板との界面領域および前記セラミック粒子との界面領域以外の部分に比べて大きいことを特徴とする放熱基板を提供する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の放熱基板は、熱応力が抑制されており、長期的な信頼性も高い。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明のセラミック体と金属との接合体の一実施形態について説明する図であり、（ａ）は概略上面図、（ｂ）は概略断面図、（ｃ）は概略下面図である。
【図２】図１に示す放熱基板の一部を拡大して示す断面図である。
【図３】図１に示す放熱基板の断面像であり、（ａ）は断面の電子顕微鏡写真であり、（ｂ）は銀（Ａｇ）の分布を示すマッピング像であり、（ｃ）は銅（Ｃｕ）の分布を示すマッピング像であり、（ｄ）はチタン（Ｔｉ）の分布を示すマッピング像である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明の放熱基板の実施形態について詳細に説明する。放熱基板１は、セラミックスからなるセラミック基板２と、活性金属を含有する金属接合部６を介してセラミック基板２の主面（一方主面２Ａおよび他方主面２Ｂ）と接合した金属体４とを備える。放熱基板１では、このセラミックスからなる複数のセラミック粒子８が、金属接合部６の内部に分散配置されており、金属接合部６における活性金属の含有割合は、セラミック基板２との界面領域１０α（以降、単に界面領域１０αともいう）、およびセラミック粒子８との界面領域（以降、単に界面領域１０βともいう）の方が、界面領域１０αおよび界面領域１０β以外の部分に比べて大きい。
【０００９】
放熱基板１では、セラミック粒子８が金属接合部６の内部に分散配置されていることで、金属接合部６がセラミック粒子８を含まずに金属だけで構成されている場合に比べて、金属接合部６の熱膨張係数がセラミック基板２の熱膨張係数に近くなっている。このため、放熱基板１の温度が上昇および下降を繰り返した場合も、セラミック基板２と金属接合部６双方の熱膨張と熱収縮の差が小さくなっており、このような差にともなう熱応力が小さくなっている。放熱基板１の作用効果や金属接合部６の構成の詳細等については、後に詳述する。
【００１０】
セラミック基板２を構成するセラミックスは、酸化物セラミックスまたは窒化物セラミックスであることが好ましい。酸化物セラミックスまたは窒化物セラミックスは、金属接合部６に含まれる活性金属と結びついて、金属接合部６に界面領域１０αおよび界面領域１０βを形成し易い。この点については、後に詳述する。
【００１１】
本実施形態ではセラミック基板２は窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）セラミックスからなる。より具体的には、セラミック基板２は窒化珪素を８０質量％以上含有するセラミックスからなる。セラミック基板２の厚みは、例えば０．０５〜１．５ｍｍとされている。なおセラミック基板がXX（XXは窒化珪素等の化合物の名称）セラミックスからなるとは、主成分としてXXを７０質量％以上含む焼結体であることをいう。
【００１２】
セラミック基板２は特に限定されず、炭化珪素（ＳｉＣ）セラミックス，炭窒化珪素（ＳＮＣ）セラミックス，窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などの他の各種セラミックスからなる基板でもよいし、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）セラミックスなどの酸化物セラミックスからなる基板であってもよいが、機械的強度が比較的高くかつ熱伝導率も比較的高い等の点で、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）セラミックスからなることが好ましい。
【００１３】
セラミック基板２の厚みは、例えば０．１３〜０．４ｍｍとなっている。このようなセラミック基板２は、セラミック基板２の全質量を１００％とした場合、窒化珪素を少なくとも８０質量％以上含有してなり、その他の添加成分として、酸化エルビウム、酸化マグネシウム、酸化硅素、酸化モリブデン、酸化アルミニウム等が含まれている。機械的特性としては、３点曲げ強度が７５０ＭＰa以上、ヤング率が３００Ｇｐａ以上、ビッカース
硬度（Ｈｖ）が１３ＧＰａ以上、破壊靱性（Ｋ１Ｃ）が５ＭＰａｍ１／２以上であることが好ましく、放熱基板とした際に長期間の使用に供することができ、機械的特性を上述の範囲とすることで信頼性、即ち耐クリープ性やヒートサイクルに対する耐久性を向上させることができる。
【００１４】
なお、３点曲げ強度については、放熱基板１から金属体４と金属接合部６とをエッチング等により除去した後、ＪＩＳ  Ｒ  １６０１−２００８（ＩＳＯ  １４７０４：２０００（ＭＯＤ））に準拠して測定すればよい。また、ヤング率についても同様に、ＪＩＳ  Ｒ  １６０２−１９９５で規定される静的弾性率試験方法に準拠して測定すればよいし、ビッカース硬度（Ｈｖ）および破壊靱性（Ｋ１Ｃ）については、それぞれＪＩＳ  Ｒ  １６１０−２００３（ＩＳＯ  １４７０５：２０００（ＭＯＤ）），ＪＩＳ  Ｒ  １６０７−２０１０（ＩＳＯ  １５７３２：２００３（ＭＯＤ））で規定される圧子圧入法（ＩＦ法）に準拠して測定すればよい。またセラミック基板２の体積固有抵抗は、常温で１０１４Ω・ｃｍ以上、３００℃で１０１２Ω・ｃｍ以上であることが好ましい。
【００１５】
金属体４は銅（Ｃｕ）を主成分とする。より具体的には、金属体４は、銅または銅合金を主成分とし、銅または銅合金が９９．９６質量％以上であるものである。金属体４として例えば、無酸素銅、タフピッチ銅、りん脱酸銅等の銅を用いるのがよい。特に、無酸素銅のうち、銅の含有率が９９．９９５％以上の線形結晶無酸素銅、単結晶状高純度無酸素銅および真空溶解銅のいずれかを用いることが好ましい。金属体４は、セラミック体２の両方の主面（一方主面２Ａおよび他方主面２Ｂそれぞれ）に接合部６を介して接合されている。
【００１６】
この金属体４は、図１（ａ）に示すように、平面視において所定形状にパターニングされており、複数の部分に分割されている。金属体４の表面には、発熱体となる回路素子や発光素子が実装される。例えばセラミック基板２の一方主面２Ａに図示しない回路素子や発光素子が実装された場合、一方主面２Ａの側の金属体４は、これら素子に電気信号や駆動電力を入出力するための電気配線として機能するとともに、発光素子や回路素子からの熱エネルギーを受けて周囲の雰囲気に放熱するための放熱体としても機能する。また、他方主面２Ｂに接合された金属体４にも、熱伝導率が高いセラミック基板２から熱エネルギーが伝わり、他方主面２Ｂの側の金属体４からも余分な熱エネルギーを効率的に放出することができる。金属体４は、金属体４と接する金属接合部６に近い部分に、銀（Ａｇ）の含有割合が比較的高い拡散領域４αを含んでいる。この拡散領域４αは、金属接合部６に含まれている銀（Ａｇ）が拡散することで生じた領域である。金属体４は、拡散領域４αが金属接合部６と比較的強固に接合している。
【００１７】
本実施形態では、セラミック粒子８は窒化珪素セラミックスからなる。なおセラミック粒子８がXX（XXは窒化珪素等の化合物の名称）セラミックスからなるとは、セラミック粒子８が主成分としてXXを７０質量％以上含む焼結体であることをいう。金属接合部６は、銀（Ａｇ）および銅（Ｃｕ）に、活性金属であるチタン（Ｔｉ）を含有させた、いわゆるＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ活性金属メタライズ用のペーストにセラミック粒子８を混在させたペーストを焼成することで形成したものである。金属接合部６は、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、およびチタン（Ｔｉ）の他に、インジウム，亜鉛および錫等の低融点金属、モリブデン，オスミウム，レニウムおよびタングステン等の高融点金属や、他の不純物等を含んでいてもよい。
【００１８】
金属接合部６の厚みは約５μｍ以上６０μｍ以下である。セラミック粒子８は最大径が金属接合部６の厚みの１０％以上９０％以下の粒子であることが好ましい。セラミック粒子８は、いわゆる破砕粒子および球状粒子のいずれであってもよいが、破砕粒子は外形状が不規則な多角形状となっていることから、界面領域１０βの領域を比較的大きくできる点で好適である。また、セラミック粒子８の比表面積は、０．５ｍ２／ｇ以上５ｍ２／ｇ以下であることが好適で、セラミック粒子８が窒化珪素である場合には、結晶多形が形状安定性に優れたβ型であることが好適である。なお、セラミック粒子８はサイアロンからなるものであってもよい。
【００１９】
活性金属とは、第１イオン化エネルギーが比較的低い金属元素をいい、より具体的には熱処理等によって異種の元素と容易に結合する金属元素をいう。例えば、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ニオブ（Ｎｂ）、クロム（Ｃｒ）、バナジウム（Ｖ）、タンタル（Ｔａ）などがあげられる。チタンなどの活性金属を含む金属ロウ材は、酸化物セラミックスや窒化物系セラミックスなど、一般的なセラミックスに対して接合強度が強い。
【００２０】
放熱基板１では、界面領域１０αおよび界面領域１０βにおける活性金属の含有割合が、界面領域１０αおよび界面領域１０β以外の部分１１（中央部分１１ともいう）における活性金属の含有割合に比べて大きい。界面領域１０αとは、セラミック基板２の表面と金属接合部６との境界の近傍部分であり、セラミック基板２の表面から金属接合部６の内部に向かって約５μｍ程度離れた位置までの領域をいう。また界面領域１０βとは、セラミック粒子８の表面の近傍部分であって、例えばセラミック粒子８の表面から約５μｍ程度離れた位置までの領域をいう。
【００２１】
活性金属であるＴｉは活性が強く、窒化珪素の窒素（Ｎ）と反応して結びついてＴｉＮを生成し易い。界面領域１０αには、このようなＴｉが窒化珪素の窒素（Ｎ）と結びついて生成されたＴｉＮが多く存在しており、その他の領域である中央部分１１に比べて活性金属であるＴｉの含有割合が多くなっている。また界面領域１０βでも、窒化珪素の窒素（Ｎ）と反応して結びついたＴｉＮが多く存在しており、その他の領域である中央部分１１に比べて活性金属であるＴｉの含有割合が多くなっている。
【００２２】
放熱基板１では、金属接合部６内のセラミック粒子８の表面と接する界面領域１０βにＴｉＮが生成されており、金属部材６とセラミック粒子８との接合強度が強くなっている。またＴｉＮは、金属接合部６に含まれる他の金属よりも熱膨張係数が小さく、放熱基板１の温度が上昇および下降を繰り返した場合も、膨張や収縮の程度が小さく、金属接合部６の全体的な膨張や収縮の程度を抑制する。これにより、セラミック基板２と金属接合部６双方の熱膨張と熱収縮の差が小さくなり、この差にともなう熱応力がより小さくなっている。また、この界面領域１０βが骨格のように作用して、金属接合部６の全体の膨張や収縮や変形を抑制することができ、金属接合部６の強度を高くすることができる。なお、界面領域１０αや界面１０βでは、Ｔｉの一部は窒化珪素の珪素（Ｓｉ）と反応して結びついてＴｉＳｉｘ（但し、ｘは１以上３以下である。）およびＴｉ５Ｓｉ３等の珪化チタンとして存在していても同様の効果を奏する。
【００２３】
金属接合部６の内部のセラミック粒子８の配置状態については特に限定されない。例えば、図２に示す領域２αのように、複数のセラミック粒子８がそれぞれ当接して、複数のセラミック粒子８に接する界面領域１０βが連なっていてもよい。また、図２に示す領域２βのように、複数のセラミック粒子８それぞれが離れて配置されており、複数のセラミック粒子８に接する界面領域１０βが離れていてもよい。また、図２に示す領域２γのように、セラミック基板２から金属体４まで連続するほど大きなセラミック粒子８が配置され、界面領域１０βがセラミック基板２から金属体４まで連続する状態となっていてもよい。図２に示す例では、１つの放熱基板１の金属接合部６の内部に、領域２α〜２γが混在している例を示したが、金属接合部６の全体が領域２αに対応する状態であってよいし、金属接合部６の全体が領域２βに対応する状態であってよいし、金属接合部６の全体が領域２γに対応する状態であってよい。
【００２４】
界面領域１０αおよび界面領域１０βの活性金属の含有割合が中央部分１１よりも大きいことは、例えば走査型電子顕微鏡に付設した電子線マイクロ分析装置（いわゆるＥＰＭＡ装置。例えば日本電子（株）製 ＪＸＡ−8530Ｆ）を用いた面分析によって容易に判断
することができる。図３は、電子線マイクロ分析装置によって得られた放熱基板１の断面の写真像である。図３（ａ）は断面の電子顕微鏡写真であり、図３（ｂ）〜（ｄ）は図３（ａ）と同じ領域をＥＰＭＡを用いて面分析することで得られる。図３（ｂ）は銀（Ａｇ）の分布を示すマッピング像であり、図３（ｃ）は銅（Ｃｕ）の分布を示すマッピング像であり、図３（ｄ）はチタン（Ｔｉ）の分布を示すマッピング像である。図３（ａ）〜（ｄ）では、分布を示す各元素について、濃度が白いほど（白色に近いほど）含有割合がより高いことを示している。なお図３（ａ）〜（ｄ）では、図１および図２と対応する各部について、図１および図２と同じ符号を用いて示している。
図３（ｄ）のように、面分析によってＴｉが偏析した部分は容易に判断することができ、このような面分析によるマッピング像だけでも、界面領域１０αおよび界面領域１０βの活性金属の含有割合が中央部分１１よりも大きいことがわかる。
【００２５】
上述した通り、本実施形態における活性金属の含有割合は、断面における金属接合部における活性金属の面積比率として表され、この面積比率は、金属接合部における活性金属の体積比率とみなすことができる。
【００２６】
また面分析によるマッピング像のみでなく、界面領域１０αや界面領域１０βおよび中央部分１１の各部を例えば透過型電子顕微鏡を用いて各成分を定量分析することで、各領域および各部のＴｉの含有量や含有割合を定量的に計測して判別することもできる。
【００２７】
［放熱基板の作製工程］
放熱基板１の作製方法について説明する。放熱基板１は、Ｓｉ3 Ｎ4を９０質量％以上
含有するセラミック基板２の両主面に、いわゆるＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ活性金属ろう材を含むペーストにセラミック粒子８を混在させたペーストを塗布した後、金属体４をペーストの表面に配置して、ペースト層を焼成して接合層を形成することで製造することができる。
【００２８】
《ペースト層の形成》
まず、窒化珪素（Ｓｉ３ Ｎ４ ）を９０質量％以上含有するセラミック基板２を準備し、このセラミック基板２の両主面（一方主面２Ａおよび他方主面２Ｂ）に、例えば従来周知の厚膜ペースト法を用い、ペースト層を被着させる。
【００２９】
具体的には、例えば、Ａｇの粉末とＣｕの粉末とＴｉの粉末とを所定量計量する。Ａｇ粉末とＣｕ粉末とＴｉ粉末との配合割合は、Ａｇ、ＣｕおよびＴｉの各粉末の合計１００質量％のうち、例えば銅（Ｃｕ）が３５〜５０質量％、チタン（Ｔｉ）が１〜８質量％、残部が銀（Ａｇ）であることが好ましい。なお、金属接合部６とセラミック基板２との接合強度をより高めるために、インジウム（Ｉｎ），亜鉛（Ｚｎ）および錫（Ｓｎ）等の低融点金属の粉末を各粉末の合計１００質量％のうち、０．５〜２２質量％混合させてもよい。
【００３０】
また、金属体４の側面から金属接合部６の延出を抑制するために、モリブデン（Ｍｏ），オスミウム（Ｏｓ），レニウム（Ｒｅ）およびタングステン（Ｗ）等の高融点金属の粉末を各粉末の合計１００質量％のうち、１〜１１．５質量％混合させてもよい。
【００３１】
また、窒化珪素の破砕粒子の添加量は、例えば、各粉末の合計１００質量％のうち、５〜１５質量％とする。この窒化珪素からなる破砕粒子は、例えば粒度分布曲線の累積体積の総和を１００％とした場合の累積体積が５０％となる粒径（Ｄ５０）が５〜２０μｍ、９０％となる粒径（Ｄ９０）が１６０μｍ以下、より好適には８７μｍ以下の不定形のものを用いればよい。これらの粉末やセラミック粒子８を、エチルセルロースなどのバインダーをテルピネオールなどの有機溶剤で溶解したビヒクルと混合し、ペーストを作成する。作成したこのペーストを、スクリーン印刷などでセラミック基板２の一方主面２Ａおよび他方主面２Ｂそれぞれの所定部分に塗布する。
【００３２】
《金属体４の配置》
セラミック基板２の一方主面２Ａ側に塗布したペーストの上と、他方主面２Ｂ側に塗布したペーストの上のそれぞれに、金属体４を配置する。この際、金属体４をセラミック基板２に押し付けるように圧力をかけた場合、セラミック粒子８がセラミック基板２と金属
体４の双方と当接して挟まれるように配置されることとなり、セラミック粒子８によってセラミック基板２と金属体４との間隔が規定される。セラミック粒子８が充分に小さい粒子のみの場合などは、金属体４を押し付けずに、ペースト内にセラミック粒子８が分散して配置された状態にしておけばよい。
【００３３】
《焼成（接合）》
全体を真空雰囲気中、約８００〜８５０℃に昇温することで、ペーストが焼成されて金属接合部６が形成される。その後に室温まで冷却する。以上の工程を経て放熱基板１を形成することができる。昇温の際、ペースト層に含まれていたＴｉがセラミック基板２の側に偏在するように拡散し、セラミック基板２と接する界面領域１０αにおいて、セラミック基板２に含まれていたＮとこのＴｉとが化合する。同様に、昇温の際、セラミック粒子８と接する界面領域１０βにおいて、セラミック基板２に含まれていたＮとこのＴｉとが化合する。また銀（Ａｇ）が金属体４の内部にまで拡散して、拡散領域４αが形成される。
【００３４】
以上、本発明の放熱基板について説明したが、本発明は上記各実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行ってもよいのはもちろんである。
【符号の説明】
【００３５】
１  放熱基板
２  セラミック基板
４  金属体
６  金属接合部
８  セラミック粒子
１０α、１０β  界面領域
【図１】
0006526995.tif 000002
【図２】
0006526995.tif 000003
【図３】
0006526995.tif 000004