(57)【要約】      （修正有）【課題】放熱性に優れる、アルミナ基板を用いた銅接合セラミック基板の提供。【解決手段】厚みが０．０５〜０．０９ｍｍであり、且つ酸化アルミニウムの含有率が５０質量％以上であり、酸化ジルコニウム換の含有率が５〜４８質量％であるアルミナ基板２と、アルミナ基板に拡散接合された銅板３とを備える銅接合セラミック基板１。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚みが０．０５ｍｍ以上０．０９ｍｍ以下であり、且つ酸化アルミニウムの含有率が５０質量％以上であり、酸化ジルコニウムの含有率が５質量％以上４８質量％以下であるアルミナ基板と、
前記アルミナ基板に拡散接合された銅板と
を備えることを特徴とする銅接合セラミック基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、銅接合セラミック基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
パワートランジスタモジュール用基板やスイッチング電源モジュール用基板等の回路基板として、セラミック基板上に銅板を接合した銅接合セラミック基板が広く使用されている。上記セラミック基板としては、安価で汎用性が高いアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）基板や、電気絶縁性を有すると共に熱伝導性に優れる窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板や窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）基板が使用されている。（特許文献１等を参照）。
【０００３】
近年、モジュールの放熱性向上のため、セラミック基板を薄くし、銅接合セラミック基板の放熱性を向上させることが検討されている。そして、このような銅接合基板に用いられるセラミック基板としては、窒化アルミニウム基板や窒化珪素基板がアルミナ基板に比べて強度や耐電圧性が優れていることから、窒化アルミニウム基板や窒化珪素基板が使用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２７４５３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、窒化アルミニウム基板や窒化珪素基板は、材料費が高く、且つ銅板を接合するために特別な処理を行う必要があるため、製造コストが高いという問題があった。
一方、アルミナ基板は、材料費は安いものの、窒化アルミニウム基板や窒化珪素基板に比べて強度が劣るため、放熱性の向上のためにアルミナ基板を薄くすると、アルミナ基板に銅板を接合する際や銅接合セラミック基板を使用している際等に、アルミナ基板が割れてしまうという問題があった。
【０００６】
そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、放熱性に優れる、アルミナ基板を用いた銅接合セラミック基板を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明の銅接合セラミック基板は、厚みが０．０５ｍｍ以上０．０９ｍｍ以下であり、且つ酸化アルミニウムの含有率が５０質量％以上であり、酸化ジルコニウムの含有率が５質量％以上４８質量％以下であるアルミナ基板と、前記アルミナ基板に拡散接合された銅板とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、放熱性に優れる、アルミナ基板を用いた銅接合セラミック基板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態の銅接合セラミック基板の構成を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の具体的な実施形態について詳細に説明するが、本発明は、以下の実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の目的の範囲内において、適宜変更を加えて実施することができる。
【００１１】
本明細書において「〜」を用いて示された数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値をそれぞれ最小値および最大値として含む範囲を示す。本明細書において組成物中の各成分の量は、組成物中に各成分に該当する物質が複数存在する場合は、特に断らない限り、組成物中に存在する当該複数の物質の合計量を意味する。
【００１２】
図１は、本実施形態の銅接合セラミック基板の構成を示す図である。図１の銅接合セラミック基板１は、板状のアルミナ基板２と、アルミナ基板２の両主表面に直接接合された板状の銅板３と、を備える。
【００１３】
＜銅接合セラミック基板＞
本発明の銅接合セラミック基板１は、厚みが０．０５ｍｍ以上０．０９ｍｍ以下であり、且つ、酸化アルミニウムの含有率が５０質量％以上であり、酸化ジルコニウムの含有率が５質量％以上４８質量％以下であるアルミナ基板２と、アルミナ基板２に拡散接合された銅板３と、を備える。
【００１４】
本発明のアルミナ基板２は、酸化ジルコニウムを含有するため、従来のアルミナ基板よりも強度が高く、基板を薄くすることができる。このため、厚みが０．０５ｍｍ〜０．０９ｍｍとなるように基板を薄くすることにより、アルミナ基板２の熱伝導率を向上させることができる。さらに、拡散接合により銅板２とアルミナ基板３とを直接接合するため、放熱性をさらに向上させることができる。その結果、本発明の銅接合セラミック基板１は、アルミナ基板を用いた従来の銅接合セラミック基板１よりも高い放熱性を実現することができる。
【００１５】
本明細書において拡散接合とは、「アルミナ基板と銅板とを直接密着させ、銅板の融点以下の温度条件で、塑性変形をできるだけ生じない程度に加圧して、接合面間に生じる原子の拡散を利用して、アルミナ基板と銅板とを接合する方法」である。
【００１６】
＜アルミナ基板＞
本発明のアルミナ基板は、酸化アルミニウムの含有率が５０質量％以上である。酸化アルミニウムの含有率が５０質量％未満であると、焼結助剤であるＳｉＯ２等のガラス成分の含有量が多くなるため、熱伝導率が低下する場合がある。
高い熱伝導率を実現する観点からは、酸化アルミニウムの含有率は７５質量％以上であることが好ましく、８０質量％以上であることがより好ましく、８５質量％以上であることがより好ましい。
【００１７】
本発明のアルミナ基板は、酸化ジルコニウムの含有率が５質量％以上４８質量％以下である。酸化ジルコニウムの含有率が５質量％未満であると、焼結時にＡｌ２Ｏ３結晶粒子の異常粒成長が発生し、基板の強度が低下する場合がある。また、酸化ジルコニウムの含有量が４８質量％超であると、アルミナ基板としての特性が失われ、且つ熱伝導率が低下する場合がある。
高い強度を実現する観点からは、酸化ジルコニウムの含有率は８質量％以上であることが好ましく、１０質量％以上であることがより好ましく、１２質量％以上であることがさらに好ましい。酸化アルミニウムの含有率を充分確保する観点からは、酸化ジルコニウムの含有率は４０質量％以下であることが好ましく、３０質量％以下であることがより好ましく、２０質量％以下であることがさらに好ましい。
【００１８】
本発明のアルミナ基板の厚みは、０．０５ｍｍ以上０．０９ｍｍ以下である。基板の厚みが０．０５ｍｍ未満であると、基板の強度が低下して、アルミナ基板が割れる場合がある。また、基板の厚みが０．０９ｍｍ超であると、熱伝導率が低下する場合がある。
【００１９】
本発明のアルミナ基板は、本発明の効果が損なわれない範囲において酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム以外の元素又は化合物を含んでいてもよい。例えば、イットリア、珪素、マグネシウム、チタン、カルシウム、バリウム、錫等の元素、及びこれらの元素を含む化合物を挙げることができる。
【００２０】
＜アルミナ基板の製造方法＞
本発明のアルミナ基板の製造方法としては、酸化アルミニウムと酸化ジルコニウムと必要に応じて含まれる焼結助剤とを含むスラリーを調製し、得られたスラリーをグリーンシート化し、得られたグリーンシートを焼成する方法（グリーンシート法）等が挙げられる。
【００２１】
以下、グリーンシート法による本発明のアルミナ基板の製造方法の一例について説明する。グリーンシート法によるアルミナ基板の製造方法は、以下に説明するスラリー調整工程、乾燥工程及び焼成工程を含み、必要に応じてその他の工程を含む。
【００２２】
（スラリー調製工程）
スラリー調製工程では、酸化アルミニウム粉末と、酸化ジルコニウム粉末と、必要に応じて含まれる焼結助剤粉末とに、分散媒、バインダー樹脂、分散剤、可塑剤等を加え、混練してスラリーを得る。混練の方法は特に制限されず、ボールミル等を用いて行うことができる。
【００２３】
本発明の製造方法では、混練に先立って原料粉末の粉砕工程を実施することもできる。粉砕工程を実施することにより、スラリーに含まれる原料粉末の粒子径を所望の範囲に制御することができる。粉砕工程は、例えば原料粉末を単独で又は２種以上組み合わせて分散媒と混合し、ボールミル等で行うことができる。
【００２４】
酸化アルミニウム粉末の種類は特に制限されず、アルミナ基板の製造に通常用いられるものから選択することができる。種類又は平均粒子径の異なる酸化アルミニウム粉末を組み合わせてもよい。
【００２５】
酸化ジルコニウム粉末の種類は特に制限されず、アルミナ基板の製造に通常用いられるものから選択することができる。種類又は平均粒子径の異なる酸化ジルコニウム粉末を組み合わせてもよい。また、イットリア部分安定化ジルコニア粉末を用いてもよい。
【００２６】
焼結助剤粉末の種類は特に制限されず、アルミナ基板の製造に通常用いられるものから選択することができる。例えば、カオリン粉末である。
【００２７】
バインダー樹脂は特に制限されず、アクリル樹脂、ＰＶＢ（ポリビニルブチラール）樹脂等を使用することができる。スラリー中のバインダー樹脂の含有率は、スラリーの全固形分中に４．０質量％〜２０．０質量％であることが好ましく、６．０質量％〜１４．０質量％であることがより好ましい。バインダー樹脂は１種を単独で用いても、２種以上を併用してもよい。
【００２８】
分散剤は特に制限されず、例えば非イオン性界面活性剤、アニオン性界面活性剤、カチオン性界面活性剤、両性界面活性剤、高分子界面活性剤等の界面活性剤を使用することができる。スラリー中の分散剤の含有率は、スラリーの全固形分中に０．１質量％〜１．０質量％であることが好ましく、０．３質量％〜０．５質量％であることがより好ましい。分散剤は１種を単独で用いても、２種以上を併用してもよい。
【００２９】
可塑剤は特に制限されず、ＤＯＰ（フタル酸ジオクチル）、ＤＢＰ（フタル酸ジブチル）等のフタル酸エステル、ＤＯＡ（アジピン酸ジオクチル）等のアジピン酸エステルなどを使用することができる。スラリー中の可塑剤の含有率は、スラリーの全固形分中に３．０質量％〜１５．０質量％であることが好ましく、４．０質量％〜６．０質量％であることがより好ましい。可塑剤は１種を単独で用いても、２種以上を併用してもよい。
【００３０】
分散媒は特に制限されず、例えばメタノール、エタノール等のアルコール溶剤、トルエン等の芳香族溶剤、メチルエチルケトン、アセトン等のケトン溶剤などを使用することができる。分散媒の添加量は、スラリーの固形分の総量が７０質量％〜８０質量％となるようにすることが好ましい。また、スラリーの粘度が３，０００ｃｐｓ〜３０，０００ｃｐｓとなるようにすることが好ましく、１０，０００ｃｐｓ〜２０，０００ｃｐｓとなるように添加することがより好ましい。分散媒は１種を単独で用いても、２種以上を併用してもよい。
【００３１】
（乾燥工程）
次いで、得られたスラリーを離型剤が塗布されたＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）等のフィルム上にドクターブレード法、カレンダーロール法等により所望の厚みとなるように塗布し、乾燥炉等で乾燥させて分散媒を蒸発させる。乾燥工程は８０℃〜１３０℃で行うことが好ましく、１００℃〜１２０℃で行うことがより好ましい。コンベア式乾燥炉を使用する場合、乾燥速度は０．２ｍ／ｍｉｎ〜２．０ｍ／ｍｉｎとすることが好ましい。スラリーの塗布量は、焼成後のアルミナ基板の所望の厚みにあわせて選択することができる。
【００３２】
（焼成工程）
乾燥後、フィルムを剥離してグリーンシートを得る。このグリーンシートを、所望の形状にプレス成形機等で打ち抜き、焼成炉にて焼成する。
焼成温度は、例えば１４００℃〜１６００℃の範囲内から選択することができる。
焼成時間は特に制限されず、適宜選択することができる。例えば、昇温時間を１４時間〜１８時間とし、焼成温度での保持時間を１時間〜３時間とし、降温時間を５時間〜１０時間とすることができる。
焼成後に放冷して、本発明のアルミナ基板を得ることができる。所望により、サンドブラスト研磨機等を用いて表面を研磨してもよい。
【００３３】
＜銅接合セラミック基板の製造方法＞
本発明の銅接合セラミック基板は、アルミナ基板に銅板を積層した後、積層加圧状態で加熱炉にて加熱処理を施し、アルミナ基板と銅板とを拡散結合することで、製造することができる。
【００３４】
加熱処理の温度は、銅の融点である１０８３℃未満であれば、特に制限されず、適宜選択できる。例えば、４００〜１０５０℃とすることができる。
また、加熱処理の時間は、特に制限されず、適宜選択できる。例えば、１分&#12316;６０分とすることができる。
また、加熱処理の雰囲気は、特に制限されず、大気雰囲気、不活性ガス雰囲気、真空雰囲気等の中から適宜選択できる。例えば、窒素ガス雰囲気で加熱処理を行うことができる。
【実施例】
【００３５】
以下、本発明を実施例に基づき説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００３６】
（実施例１）
−アルミナ基板の作製−
９０質量部の酸化アルミニウム粉末（住友化学株式会社製）、５質量部の酸化ジルコニウム粉末（東ソー株式会社製）、５質量部のカオリン粉末（協立マテリアル株式会社製）、０．５質量部の分散剤（ソルビタンセスキオレエート、第一工業製薬株式会社製）、及び３０質量部の混合溶剤（トルエン３７．５質量％、メチルエチルケトン３７．５質量％、メタノール１２．５質量％及びアセトン１２．５質量％）と混合して分散液を調整し、ボールミルにてさらに３６時間の粉砕工程を実施した。
【００３７】
粉砕工程後の分散液に、４質量部の可塑剤（アジピン酸ジオクチル、田岡化学工業株式会社製）、８質量部のバインダー樹脂（ポリビニルブチラール、積水化学工業株式会社製）、及び１０質量部の上記と同じ混合溶剤を加え、ボールミルにて３０時間、混練工程を実施した。以上の工程により、スラリーを調製した。
【００３８】
得られたスラリーを、離型剤を塗布したＰＥＴフィルム上に、０．１ｍｍの厚さとなるようにドクターブレード法で塗布し、１１０℃で乾燥した後にＰＥＴフィルムを剥離してグリーンシートを得た。得られたグリーンシートを焼成炉に入れ、１５時間かけて昇温し、１５００℃で２時間保持し、７時間かけて降温することで焼成し、厚さが０．０７ｍｍのアルミナ基板を得た。その後、アルミナ基板を縦５０ｍｍ、横５０ｍｍの大きさにカットした。
【００３９】
−銅接合セラミック基板の作製−
アルミナ基板の両表面に、銅板（縦４０ｍｍ、横４０ｍｍ、厚み１ｍｍ）を積層し、積層体を形成した。得られた積層体を、その積層方向に加圧（圧力１０ＭＰａ）した状態で、窒素ガス雰囲気及び９００℃の温度に設定している加熱炉に入れ、３０分間の加熱処理を行った。冷却後、アルミナ基板の両面に銅板が直接接合した銅接合セラミック基板を得た。
【００４０】
（比較例１）
実施例１において、アルミナ基板の厚みを０．５ｍｍに変更したこと以外は、実施例１と同様の方法により銅接合セラミック基板を得た。
【００４１】
（放熱性の評価）
実施例１及び比較例１の銅接合セラミック基板に対して、熱伝導率を測定した。熱伝導率測定にはレーザフラッシュ法熱物性測定措置を用い、一方の銅板の表面にレーザパルスを照射し、他方の銅板の表面の温度を計測することにより測定した。その結果、実施例１の銅接合セラミック基板の温度が、比較例１の温度より高いことが判明した。
【００４２】
上記放熱性の評価結果が示すように、本発明の銅接合セラミック基板の要件を満たす実施例１は、本発明の銅接合セラミック基板の要件を満たさない比較例１より、放熱性が優れていた。
【符号の説明】
【００４３】
１・・・銅接合セラミック基板
２・・・アルミナ基板
３・・・銅板
【図１】
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