(57)【要約】【課題】０．３ｍｍ程度の薄い焼結体基板であっても表面の可視光領域での反射率が良好で、しかも、熱伝導率が高く、強度に優れた表面が黒色のセラミックス基板を得る。【解決手段】セラミック基板の表面に厚さ６〜３４μｍのアルマイト層が設けられ、アルマイト層の空孔に黒色の顔料が注入されているセラミックス基板。本発明のセラミックス基板は少なくとも表面が黒色であって、表面における波長５００ｎｍの可視光線に対する反射率が１０％以下、熱伝導率が５０Ｗ/ｍＫ以上である。セラミック基板として窒化珪素基板を用いるとセラミックス基板の曲げ強度が５００ＭPa以上とすることができる。窒化アルミニウム基板を用いるとセラミック基板の熱伝導率が６０Ｗ/ｍＫ以上、曲げ強度が５００ＭＰａ以上とすることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック基板の表面に厚さ６〜３４μｍのアルマイト層が設けられ、アルマイト層の空孔に黒色の顔料が注入されていることを特徴とするセラミックス基板。
【請求項２】
前記セラミックス基板の少なくとも表面を黒色としたセラミック基板であって、前記セラミック基板の表面における波長５００ｎｍの可視光線に対する反射率が１０％以下、熱伝導率が５０Ｗ/ｍＫ以上であることを特徴とする請求項１に記載のセラミックス基板。
【請求項３】
前記セラミック基板として窒化珪素基板を用い、前記表面を黒色としたセラミックス基板の曲げ強度が５００ＭPa以上であることを特徴とする請求項1又は２に記載のセラミックス基板。
【請求項４】
前記セラミック基板として窒化アルミニウム基板を用い、表面を黒色としたセラミック基板の熱伝導率が６０Ｗ/ｍＫ以上、曲げ強度が５００ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項1又は２に記載のセラミックス基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面が黒色のセラミックス基板に関し、特に熱伝導性、並びに曲げ強度に優れたセラミック基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化珪素基板は、高温強度特性および耐摩耗性等の機械的特性に加え、耐熱性、低熱膨張性、耐熱衝撃性、および金属に対する耐食性に優れているので、従来からガスタービン用部材、エンジン用部材、製鋼用機械部材、あるいは溶融金属の耐溶部材等の各種構造用部材に用いられている。また、高い絶縁性を利用して電気絶縁材料として使用されている。
【０００３】
近年、高周波トランジスタ、パワーＩＣ等の発熱量の大きい半導体素子の発展に伴い、電気絶縁性に加えて良好な放熱特性を得るために高い熱伝導率を有するセラミックス基板の需要が増加している。このようなセラミックス基板として、窒化アルミニウム基板が用いられている。この窒化アルミニウム基板は、熱伝導性に優れているが、機械的強度や破壊靭性等がやや低く、基板ユニットの組立て工程で、強い締め付けを行うと割れを生じる場合があった。また、Ｓｉ半導体素子を窒化アルミニウム基板に実装した回路基板では、Ｓｉと窒化アルミニウム基板との熱膨張差が大きいため、熱サイクルにより窒化アルミニウム基板にクラックや割れが発生する恐れもあり、実装信頼性を向上させるために、窒化アルミニウム基板より熱伝導率は劣るものの、熱膨張率がＳｉに近く、かつ機械的強度、破壊靭性および耐熱疲労特性に優れる高熱伝導窒化珪素質焼結体からなる基板が注目され、種々の提案が行われている。
【０００４】
また、この窒化珪素基板として、特許文献１（特開２００３−１９２４４５）には、Ｔｉ，Ｍｏ等の化合物を加えると、窒化珪素基板を黒色系に着色し、不透明性を付与する遮光剤としても機能すると記載され、上記Ｔｉ等の化合物を適正に添加し、遮光性に優れた窒化珪素基板とすることが記載されている。そして、特に光によって誤動作を生じ易い集積回路等を搭載するセラミック回路基板とすることが記載されている。
【０００５】
また、特許文献２（特開平９−９７８５８）には炭化タンタル、炭化ニオブ、窒化チタンおよびタングステン単体は、いずれも多層窒化ケイ素基板を安定して黒色化し、配線基板としての特性の向上に寄与する。すわなち、可視光の透過による半導体素子等の誤動作を防止することができることが記載されている。
また、画像センサー用の放熱基板に使用するには、基板の色を黒にすることで基板での可視光線の反射を抑制し、画像への赤色の写り込みを抑制できる。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１９２４４５
【特許文献２】特開平９−９７８５８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前述の特許文献１（特開２００３−１９２４４５）、特許文献２（特開平９−９７８５８）の通り、化合物を添加して、黒色の窒化珪素基板が得られることが知られているが、このようにして得られた黒色の窒化珪素基板の場合、化合物の添加により、熱伝導率、強度の低下を引き起こす。
また、窒化珪素基板を作製する際に、シート成形体を形成し、それを焼結して厚さ０．３ｍｍ程度の薄い焼結体基板を得る場合、添加した化合物が焼結中に表面から蒸発し易く、得られた焼結体中の化合物量が出発時の添加量より減少し、その結果、黒色化が難しいといった問題点があった。
【０００８】
本発明は、上記従来の問題に鑑みてなされたものであり、０．３ｍｍ程度の薄い焼結体基板であっても表面の可視光領域での反射率が良好なセラミックス基板を提供するものである。しかも、熱伝導率が高く、強度に優れたセラミックス基板を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは上記課題を達成するため、セラミックス基板の表面を黒色することを検討し本発明に至った。
【００１０】
本発明は、セラミックス基板の表面に厚さ６〜３４μｍのアルマイト層を設け、前記アルマイト層の空孔に黒色の顔料を注入し、前記表面を黒色としたセラミックス基板である。
【００１１】
また本発明のセラミックス基板は、前記の構成を採用することにより表面を黒色としたセラミックス基板であって波長５００ｎｍの可視光線に対するセラミック基板の表面における反射率（以下、単に反射率ということがある）が１０％以下、熱伝導率が５０Ｗ/ｍＫ以上のセラミックス基板とすることができる。
【００１２】
また本発明において、セラミックス基板として窒化珪素基板を採用することにより、表面を黒色としたセラミックス基板であって熱伝導率が５０Ｗ/ｍＫ以上、常温における３点曲げ強度が５００ＭＰa以上のセラミックス基板とすることができる。
【００１３】
また本発明において、セラミック基板として窒化アルミニウム基板を採用することにより、表面を黒色としたセラミックス基板であって熱伝導率６０Ｗ/ｍＫ以上、常温における３点曲げ強度が５００ＭＰａ以上であるセラミックス基板を得ることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、表面のみが黒色化され可視光領域での吸収特性に優れたセラミックス基板を得ることができる。また、同時に、高い熱伝導性を有し、例えば画像センサーから発生する熱を効率よく放熱できるセラミック基板を得ることができる。これにより、冷却用の装置を省き、このセラミックス基板を用いる画像センサー装置等の小型化に寄与することが可能となる。さらに強度が高いので、衝撃による破壊を抑制でき、信頼性の高いセンサー部品等を得ることもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、実施例により本発明を説明するが、それら実施例により本発明が限定されるものではない。
本発明に係る一実施例の断面模式図を図１に、基板の製造工程を示す模式図を図２に、基板表面のアルマイト処理工程を示す断面模式図を図３に示す。
まず、本発明の一実施例に用いた窒化珪素基板の製造方法について、図２を用いて説明する。窒化珪素基板の構成原料、溶媒、分散剤をステップＳ１００でボールミル混合、粉砕する。ここで、混合、粉砕した原料に、バインダー、可塑剤を添加、混練し、スラリー粘度が所定の値になるように調整した後、ステップＳ２００で、ドクターブレード法により所定板厚でシート成形する。そして、ステップＳ３００で、成形後さらに脱脂したシートを焼結炉内で1800〜2000℃の窒素雰囲気で焼結して窒化珪素基板１０として使用する窒化珪素板１0ａを焼結形成する。
【００１６】
次に、窒化珪素基板１０の表面のアルマイト処理について、図３を用いて説明する。まず、ステップＳ400に示すように窒化珪素基板１０の表面にスパッタリングまたはメッキにより、厚さ10〜30μｍのアルミニウム膜１６を形成する。次に、ステップＳ500では、アルミニウム膜１６面を陽極にし電解液中でアルミニウム膜１６を陽極酸化させて、厚さ5〜30μｍのアルマイト層１２を形成する。ステップＳ600では、アルマイト層の空孔２０の中に、黒色顔料１４を空孔の所定深さまで顔料導入を行う。最後にステップS700で封孔処理を行い、封孔層１９を形成し黒色顔料を封止する。封孔処理は、酢酸ニッケルを添加した水を、水温９０℃にしてその中に浸漬して封孔層１３を形成した。黒色化されるのは黒色顔料を封止した窒化珪素基板の表面のみである。これにより図１に示すセラミックス基板を得た。図１において、１０は窒化珪素基板、１１はアルマイト処理層、１２はアルマイト層、１３は封孔層、１４は黒色顔料、１５は黒色顔料の封入深さを示す。
【００１７】
上記した製造方法において、セラミックス基板として厚さ0.3ｍｍの窒化珪素基板を用い、アルマイト処理条件として、電圧10Ｖ、処理時間を40分とし、窒化珪素基板に厚さ２０μｍのアルマイト層を形成し、さらに顔料への浸漬時間を調節することで、黒色の顔料の封入深さを変えて、複数の試料を作成し、反射率、写り込み、熱伝導率、曲げ強度を評価した結果を表１に示す。ここで、反射率は分光光度計（日本分光（株）製Ｖ−570）で積分球を使用して測定し、熱伝導率はレーザーフラッシュ法（京都電子工業（株）製ＬＦＡ−502）で測定し、抗折強度は、オートグラフ（島津製作所製ＡＧ−50ＫＮＧ）で測定した。また、写り込みとは、本発明の黒色化セラミックス基板にセンサー素子を搭載した画像センサーを使用し、画像をモニターに写した時に画像が赤みを帯びた状態であり、そのとき写り込み有とした。写り込みの評価は、画像装置に前記センサーを組み入れ、それにデジタルカメラを接続し、対象物の画像のデジタル信号を画像装置へ取り込みさらに、画像処理された映像をモニターへ出力して、画像の色を目視で判定した。
【００１８】
表１に示す実施例1〜３では、アルマイト層形成後、アルマイト層の空孔に黒色顔料を含侵させるとき、顔料封入深さを４、１０、１５μｍと変えて作製した。波長５００ｎｍでの反射率は、実施例１〜３のすべてにおいて１０％以下を示し、写り込みは無かった。さらに熱伝導率は、いずれも５０Ｗ/ｍＫ以上で、曲げ強度も７００ＭＰａ以上であった。比較例１では顔料封入深さを２μｍとした。すると熱伝導率が４５Ｗ/ｍＫとなり、好ましくない結果となった。比較例２、３では顔料封入深さをそれぞれ１６および１８μｍとした。すると、いずれも反射率が10％以上となり、写り込みもあった。よって、本発明では顔料封入深さは３〜１５μｍが好ましい。
【００１９】
【表１】
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【００２０】
次に、上記実施例とほぼ同様にして、アルマイト処理時間を変えて、アルマイト層厚さの異なる試料を作成し、同様の評価を行った。その結果を表２に示す。表２の実施例４〜７は、アルマイト層厚さを１０〜３０μｍとし、顔料の封入深さをアルマイト層厚さのほぼ半分くらいとした。このアルマイト層厚さが１０〜３０μｍの範囲で、500nmでの反射率が10％以下で、写り込みがなく、熱伝導率も５０Ｗ/ｍＫ以上、曲げ強度も７００ＭＰａ以上のセラミックス基板を得ることができた。
一方、比較例４は、アルマイト層厚さを５μｍ、顔料封入深さを２μｍとしたが、500nmでの反射率は15％となり、写り込みも発生した。比較例５〜７では、アルマイト処理時間を７０〜９０分として、アルマイト層厚さを３５〜５０μｍにした。その結果、500ｎｍでの反射率は10％以下となり、写り込みも無かったが、熱伝導率が３０〜４５W/ｍＫとなり、好ましくない結果となった。よって、本発明ではアルマイト層の厚さを６〜３４μｍとし、好ましくは１０〜３０μｍとする。
【００２１】
【表２】
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【００２２】
次に、窒化珪素基板として、添加する焼結助剤の組成と配合量を変え、それらの焼結温度と焼結時間を変えることで、得られる焼結体基板の強度を変えた３種類の窒化珪素基板Ｓｉ3Ｎ４：Ａ、Ｂ、Ｃを作成し、この窒化珪素基板に、アルマイト処理電圧を１０Ｖ、処理時間を40分とし厚さ２０μｍのアルマイト層を形成し、顔料封入深さを１０μｍとして、各試料を作成し、同様の評価を行った。その結果を表３に示す。これらの実施例では、全て500ｎｍの反射率が10％以下、熱伝導率５０W/ｍＫ以上、曲げ強度が500〜1000ＭＰａの基板が得られた。
【００２３】
【表３】
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【００２４】
次に、セラミックス材料として、厚さ0.6ｍｍの窒化アルミニウムを用いて、上記と同様な方法により、表面を黒色化したセラミックス基板を作成した。その結果を表４に示す。ここでは、窒化アルミニウム基板に、アルマイト処理電圧を１０Ｖ、処理時間を40分とし厚さ２０μｍのアルマイト層を形成し、顔料封入深さを１０μｍとして、各試料を作成し、同様の評価を行った。窒化アルミニウム基板は、粒径の異なる窒化アルミニウム原料粉を使用し、焼結体の結晶粒径の大きさを変えることで曲げ強度を変えた。さらに、焼結時間をかえることで焼結体の結晶中の酸素量、結晶粒界相量を変えて熱伝導率を変えた。この実施例１４〜１７では、５００ｎｍでの反射率が１０％以下で、写り込みも無く、熱伝導率が６０Ｗ/ｍＫ以上の表面黒色化セラミックス基板を得ることができた。また、曲げ強度は５００ＭＰａ以上が得られた。上記実施例の通り、窒化珪素基板を用いた場合は、より高い曲げ強度を有する表面を黒色としたセラミックス基板を得ることができた。一方、窒化アルミニウム基板を用いた場合は、より高い熱伝導率を有する表面を黒色としたセラミックス基板を得ることができた。
【００２５】
【表４】
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【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係る一実施例のセラミックス基板（窒化珪素基板）の断面模式図である。
【図２】本発明に係るセラミックス基板（窒化珪素基板）の製造工程を示す模式図である。
【図３】本発明に係るセラミック基板（窒化珪素基板）の表面のアルマイト処理工程を示す断面模式図である。
【符号の説明】
【００２７】
１０：窒化珪素基板
１１：アルマイト処理層
１２：アルマイト層
１３：封孔層
１４：黒色顔料
１６：アルミニウム膜
２０：空孔
Ｄ：顔料封入深さ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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