JPH04112005A - セラミック放熱基板及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はアルミナを主成分としグリーン／−１・多層積
層法により製造される半導体基板材料に関する。更に詳
しくは電子部品の発熱を放散させるセラミック放熱基板
及びその製造方法に関するものである。

［従来の技術］ 従来、この種のセラミック放熱基板は、放熱性を向上さ
せるために、メタライズ法或いはろう付は法により、熱
伝導率の高いＣｕ金属やＣｕ−Ｗ系焼結合金をヒートシ
ンク金属として固体状態でセラミック基板の表面に接合
していた。

［発明か解決しようとする課題］ しかし、上記ヒートシンク金属は、接合時の歪みによる
強度低下を避けるために、その熱膨張係数がセラミック
基板の熱膨張係数に適合するものの中から選択する必要
があり、セラミック基板としてアルミナ基板を用いた場
合には、ヒートシンク金属にＣｕ−Ｗ、　Ｃｕ−Ｍｏ、
　Ｗ−Ａ　ｇ等の低い熱膨張係数の焼結合金しか使用で
きす、放熱効果に一定の限界かあった。

本発明の目的は、種々のヒートシンク金属と高強度に接
合でき、しかもセラミック基板と金属との接合界面を増
大して伝熱面積を大きくてきるセラミック放熱基板及び
その製造方法を提供することにある。

本発明の別の目的は、電子部品の放熱効果か高く、しか
も高密度に電子部品を実装することかできるセラミック
放熱基板及びその製造方法を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、本発明のセラミック放熱基
板は、多孔質セラミック層の両面又は片面に緻密質セラ
ミック層か積層されて一体的に焼結され、前記多孔質セ
ラミック層に開気孔か形成された積層焼結体を支持体と
し、前記多孔質セラミック層を冷媒通路とするものであ
って、溶融した銅系合金か前記開気孔に含浸凝固したこ
とを特徴とする。

また本発明のセラミック放熱基板の製造方法では、先ず
水を分散媒とした第１アルミナゾルに第１焼結助剤と第
１水溶性バインダを添加混合して緻密質層用スラリーを
調製し、この緻密質層用スラリーを成膜乾燥して緻密質
層用グリーンシートを成形する。次いで水を分散媒とし
た第２アルミナゾルに焼結助剤を添加しないか又は前記
第１焼結助剤より少量の第２焼結助剤と第２水溶性バイ
ンダを添加混合して多孔質層用スラリーを調製し、この
多孔質層用スラリーを成膜乾燥して多孔質層用グリーン
シートを成形する。次に前記多孔質層用グリーンシート
の両面又は片面に前記緻密質層用グリーンシートを接着
剤により接着し、前記接着したグリーンシートを１２０
０〜１６００℃で焼成して積層焼結体を形成する。更に
溶融した銅系合金を前記積層焼結体の多孔質セラミック
層に含浸して凝固させる。

本発明の多孔質セラミック層及び緻密質セラミック層を
構成するセラミック原料は、ともにアルミナ含有量か９
０〜９９９％の純度の高いアルミナである。緻密質層用
スラリー及び多孔質層用スラリーはともに水を分散媒と
したアルミナゾルを主成分とする。上記アルミナゾルは
アルミニウムアルコキシドを加水分解し、それぞれの加
水分解生成物を解膠処理して得られるアルミナコロイド
液であって、いわゆるゾル−ゲル法において調製される
微細なコロイド粒子のアルミナゾルか好ましい。

緻密質層用スラリーと多孔質層用スラリーの調製方法の
相違点は、前者に焼結助剤かアルミナゾル１００重量％
に対して０５〜１０重量％含まれるのに対して、後者に
はセラミック層の気孔率を増大させるために焼結助剤が
全く含まれないか或いは前者より少量の焼結助剤か含ま
れるところにある。アルミナの焼結助剤としては、二酸
化けい素、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酢酸マ
グネシウム、二酸化チタン等が挙げられる。酸化マグネ
シウム及び二酸化けい素の添加系では酸化カルシウムを
少なくとも０１重量％添加することか好ましい。

水溶性バインダは緻密質層用スラリー及び多孔質層用ス
ラリーにおいて、ともにアルミナゾルの固形分に対して
１０〜８０重量％添加される。このバインダは焼結時の
脱バインダによりセラミック層に気孔を生じ易いため、
気孔率を減少させる場合には上記範囲で少なめにアルミ
ナゾルに添加される。水溶性バインダとしてはポリビニ
ルアルコール、水溶性アクリル等が挙げられる。緻密質
層用スラリーに含まれるバインダは多孔質層用スラリー
に含まれるバインダと異なってもよい。

緻密質層用スラリー及び多孔質層用スラリーを成膜する
方法としては、ドクターブレード法、押出し成形法、ロ
ール圧延法、泥しよう鋳込み法等があるが、成形歪が少
なく成形体の平滑度か良好なドクターブレード法が好ま
しい。多孔質層用スラリーを成膜するときに、このスラ
リーにアンモニア、或いはアミン類のアルカリ物質を添
加してスラリー中にゲルを生成させ、気孔率を増大させ
ることもできる。

緻密質層用のスラリー及び多孔質層用のスラリーを成膜
後、３０〜９５℃でそれぞれ乾燥して緻密質層用グリー
ンシート及び多孔質層用グリーンシートを成形する。最
下層となる緻密質層用グリーンシートには冷媒が通る通
孔を設けてもよい。

次いて多孔質層用グリーンシートの両面又は片面に接着
剤を塗布し、０〜７０℃の温度で５〜２００　ｋｇ／ｃ
ｍ’の圧力で多孔質層用グリーンシートに緻密質層用グ
リーンシートを接着し積層する。

この接着剤としては、セルロース誘導体、アクリル系エ
マルジョン、酢酸ビニルエマルンヨン等の水系接着剤又
はアクリル系樹脂、ブチラール系樹脂、ビニール系樹脂
等の非水系接着剤を用いることができる。

これらの積層数は多孔質層用グリーンシートの両面に緻
密質層用グリーンシートを重ね合わせて積層した３層以
外に、セラミック基板の用途に応じて緻密質層と多孔質
層とを交互に重ね合わせた多数層にすることもできる。

グリーンシートを積層した後、所定の寸法に切断し、焼
成炉に入れて焼成する。焼成は目的とする気孔率を得る
ために１２００〜１６００℃の温度範囲で、１〜２時間
、大気圧下で行われる。焼成温度が高まる程、また焼成
時間が長くなる程、気孔率は減少する。１２００℃未満
であると緻密質セラミック層の気孔率が増大し、１６０
０℃を越えると多孔質セラミック層の気孔率か減少して
本発明の目的が達成されない。

本発明のセラミック放熱基板は焼結助剤の添加量又は焼
成温度に応じて、多孔質セラミック層の気孔率が２０〜
６０％の範囲に、また緻密質セラミック層の気孔率が０
．０１〜５％の範囲に制御されて作られる。

上記焼成で得られた積層焼結体の多孔質セラミック層に
は開気孔が形成される。ここで開気孔とは閉気孔とは異
なり、焼結体の一端から他端まで連続した空隙であって
流体が通過可能な微細な孔をいう。

この積層焼結体の多孔質セラミック層に溶融した銅系合
金を含浸した後、冷却して凝固させる。

この積層焼結体の融点は少なくとも銅系合金の融点より
高いことが望ましい。また含浸雰囲気は酸化防止のため
、真空中で行うことが好ましい。この含浸処理は必要に
より、複数回行ってもよい。

本発明の銅系合金には、Ｃｕ−Ｎｉ系の析出硬化型銅系
合金、又はＣｕ−ＡＭ系のマルテンサイト変態硬化型銅
系合金を用いることが好ましい。

これは銅系合金として上記合金を用いると、焼結体に接
合するときに熱膨張差により発生する界面応力が析出物
の析出時効又はマルテンサイト変態により緩和されるか
らである。

積層焼結体であるセラミック放熱基板の最上層の緻密質
セラミック層にコンデンサ、抵抗チップ等の電子部品を
搭載し、多孔質セラミック層に冷媒を通すことにより、
電子部品の発熱を放散させることができる。

冷媒の通し方は第１図〜第４図に示すように、セラミッ
ク放熱基板１ｏの前後両端に金属管１１及び１２を接続
し、基板１ｏの多孔質セラミック層１０ａに冷媒１３を
通して最り層の緻密質セラミック層１０ｂに搭載された
電子部品１４及び１５の発熱を除去する方法と、第５図
及び第６図に示すように、セラミック放熱基板２０の最
下層の緻密質セラミック層２０ｂに管径４〜６ｍｍ程度
の通孔２７を穿設した後、通孔２７に金属管２１及び２
２を層２０ｂに垂直に挿着して、基板２０の多孔質セラ
ミック層２０ａに冷媒２３を通して最上層の緻密質セラ
ミック層２０ｂに搭載された電子部品２４及び２５の発
熱を除去する方法かある。

これらの金属管１１，１２．２１及び２２はアルミナの
セラミック基板と熱膨張係数かほぼ等しい金属材料、例
えばコバール合金等で構成される。

これらの金属管は硬ろう１６、例えば銀ろう、黄銅ろう
、銅ろう等によりろう付けされ、基板１０又は２０と一
体化される。第１図及び第２図の３層積層のセラミック
放熱基板１０は金属管１１及び１２に挿着され、第３図
及び第４図の５層積層のセラミック放熱基板１０は金属
管１１及び１２の端面に接着される。第１図及び第２図
の基板１Ｏの最下層の緻密質セラミック層１０ｂにはこ
の層１０ｂの厚さに応して孔径６０〜９００μｍの通孔
１７か穿設される。通孔１７及び前述した通孔２７は焼
成前のグリーンシートの状態で穿設される。

また金属管１１．１２か接続されないセラミック放熱基
板１０の両側面及びセラミック放熱基板２０の周側面に
は、それぞれ冷媒１３又は２３か漏洩しないように封止
層１０ｃ又は２０ｃか形成される。この封止はグリーン
シートの積層状態で緻密質層用のスラリーでコーティン
グして焼成することにより行われる。

第１図及び第２図の基板１０には、金属管１１及び１２
の双方から冷媒ガス、例えばフレオンガスを吹込み、多
孔質セラミック層１０ａを通して通孔１７から排出させ
る。

第３図及び第４図の基板１０には、金属管１１から冷媒
ガス又は冷却水を流込み、多孔質セラミック層１０ａを
通して金属管１２から排出させる。

第５図及び第６図の基板２０には、金属管２１から冷媒
ガス又は冷却水を流込み、多孔質セラミック層２０ａを
通して金属管２２から排出させる。

上記多孔質セラミック層１０ａ又は２０ａの開気孔に銅
系合金か凝固するため、電子部品１４゜１５又は２４．
２５から発生する熱は素速く冷媒ガス又は冷却水により
冷却される。

［発明の効果］ 以上述べたように、本発明のセラミック放熱基板は、多
孔質セラミック層の両面又は片面に緻密質セラミック層
を積層して一体的に焼結され、かつ多孔質セラミック層
に熱伝導率の高い銅系合金か含浸凝固して形成されるた
め、種々のヒートシンク金属と高強度に接合でき、しか
もセラミック基板と金属との接合界面を増大して伝熱面
積を大きくすることができる。この結果、電子部品の放
熱効果が高く、しかも高密度に電子部品を実装すること
ができる。

特に、多孔質セラミック層に接合するときに熱膨張差に
より発生する界面応力か析出物の析出時効又はマルテン
サイト変態により緩和される析出硬化型銅系合金又はマ
ルテンサイト変態硬化型銅系合金をヒートシンク金属材
料として用いれば、高強度のセラミック基板か得られる
。

［実施例］ 次に本発明の実施例を図面に基づいて詳しく説明する。

〈実施例１〉 アルミニウムイソプロポキシド［ＡＱ　（Ｃ３Ｈ，Ｏ）
３］を加水分解してベーマイト［Ａ　Ｑ　ＯＯＨ］を生
成させ、これにｐＨ２〜４に調整した水を加えて解膠し
、アルミナ濃度５重量％の安定な擬ベーマイトゾルを得
た。

緻密質層用スラリーを調製するために、このフルに焼結
助剤としてシリカコロイド、酢酸マグネシウム、酢酸カ
ルシウムを、更に水溶性バインダとしてポリビニルアル
コールを添加した。これらの焼結助剤は緻密質セラミッ
ク層に焼結したときの組成比が ＡＱ、Ｏ，：　５ｉｆ２：　ＭｇＯ：　Ｃａ０＝９２：
　７：　２：　１になるようにそれぞれ添加した。また
バインダはこの固形分に対して４０重量％添加混合した
。これにより固形分が１０重量％のスラリーを調製した
。

このスラリーを移動担体である高密度ポリエチレンテー
プ上にドクターブレード法により厚さ１．２ｍｍになる
ようにコーティングした後、乾燥し、スラリーの分散媒
である水を脱離させて厚さ約６０μｍの緻密層用グリー
ンシートを得た。

一方、多孔化し易くするために焼結助剤を添加しない以
外は上記と同様にして厚さ約６０μｍの多孔質層用グリ
ーンシートを得た。最下層となる緻密層用グリーンシー
トに１平方Ｃｍ当り直径１００μｍ通孔を９個穿設した
。次いで多孔質層用グリーンシートの両面に接着剤とし
て１％濃度のポリビニルブチラールのイソプロピルアル
コール溶液を塗工し、このシートの両面に上記緻密質層
用グリーンシートを重ね合わせて接着し、３層に積層さ
れた厚さ約１８０μｍのグリーン成形体を得た。このグ
リーン成形体を８０Ｘ８０ｍｍの正方形に切断した後、
両側面に緻密質層用スラリーをコーティングし、多孔質
用グリーン成形体を被覆した。

次に、このグリーン成形体を焼成炉に入れ、１５００℃
で１時間、大気圧下で焼成して３層アルミナ基板を得た
。この３層アルミナ基板の緻密質アルミナ層及び多孔質
アルミナ層はそれぞれアルミナ含有量が９２％及び９９
５％のアルミナ焼結体層であった。多孔質アルミナ層に
は開気孔が形成されていた。

更に、この３層アルミナ基板を９００℃に加熱した真空
高温炉に入れ、真空にした後、この３層アルミナ基板の
多孔質アルミナ層に溶融した析出硬化型のＣｕ−Ｎ１−
ＡＱ金合金含浸させた。銅系合金が含浸した３層アルミ
ナ基板を上記炉から取り出して放置し室温まで冷却した
。

この３層アルミナ基板の多孔質層の開気孔には銅系合金
が凝固していた。またこの基板の曲げ強度は５０　ｋｇ
ｆ／ｍｍ”であった。

第１図及び第２図に示すように、この積層焼結した厚さ
１００μｍセラミック放熱基板１０の緻密質層用スラリ
ーをコーティングしない前後両端をコバール合金（Ｆｅ
４０％、Ｎｉ４０％、Ｃｏ２０％）からなる金属管１１
及び１２に挿入して銀ろう１６でろう付けした後、金属
管１１及び１２の双方からフレオンガスを吹込み、多孔
質セラミック層１０ａを通して通孔１７から排出させた
ところ、最上層の緻密質セラミック層１０ｂは極めて高
い放熱効果を示した。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明セラミック放熱基板の断面図。 第２図はその斜視図。 第３図は本発明の別のセラミック放熱基板の断面図。 第４図はその斜視図。 第５図は本発明の更に別のセラミック放熱基板の断面図
。 第６図はその斜視図。 １０．２０：セラミック放熱基板、 １０ａ、２０ａ：多孔質セラミック層、１０ｂ、２０ｂ
：緻密質セラミック層、１３．２３：冷媒。 ０ａ ０ｂ 第 図 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）多孔質セラミック層の両面又は片面に緻密質セラミ
   ック層が積層されて一体的に焼結され、前記多孔質セラ
   ミック層に開気孔が形成された積層焼結体を支持体とし
   、前記多孔質セラミック層を流体通路とするセラミック
   放熱基板であって、溶融した銅系合金が前記開気孔に含
   浸凝固したことを特徴とするセラミック放熱基板。 ２）銅系合金が析出硬化型銅系合金又はマルテンサイト
   変態硬化型銅系合金である請求項１記載のセラミック放
   熱基板。 ３）緻密質セラミック層に多孔質セラミック層の開気孔
   に連通する通孔が設けられた請求項１又は２記載のセラ
   ミック放熱基板。 ４）水を分散媒とした第１アルミナゾルに第１焼結助剤
   と第１水溶性バインダを添加混合して緻密質層用スラリ
   ーを調製し、 この緻密質層用スラリーを成膜乾燥して緻密質層用グリ
   ーンシートを成形し、 水を分散媒とした第２アルミナゾルに焼結助剤を添加し
   ないか又は前記第１焼結助剤より少量の第２焼結助剤と
   第２水溶性バインダを添加混合して多孔質層用スラリー
   を調製し、 この多孔質層用スラリーを成膜乾燥して多孔質層用グリ
   ーンシートを成形し、 前記多孔質層用グリーンシートの両面又は片面に前記緻
   密質層用グリーンシートを接着剤により接着し、 前記接着したグリーンシートを１２００〜 １６００℃で焼成して積層焼結体を形成し、溶融した銅
   系合金を前記積層焼結体の多孔質セラミック層に含浸し
   て凝固させる セラミック放熱基板の製造方法。 ５）第１又は第２アルミナゾルのいずれか又は双方がア
   ルミニウムアルコキシドを加水分解した後、この加水分
   解生成物を解膠処理して得られるアルミナコロイド液で
   ある請求項４記載のセラミック放熱基板の製造方法。