WO2017159024A1 - セラミック基板、セラミック基板の製造方法、及びパワーモジュール - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a ceramic substrate, a method for manufacturing a ceramic substrate, and a power module. More specifically, the present invention relates to a ceramic substrate useful for heat dissipation of a power device having a large calorific value, a method for manufacturing a ceramic substrate suitable for manufacturing the ceramic substrate, and The present invention relates to a power module using the ceramic substrate.
- a circuit layer is formed on one main surface of a ceramic layer made of a ceramic material having a high thermal conductivity, and a metal material having a high thermal conductivity is formed on the other main surface of the ceramic layer.
- a ceramic substrate provided with such a metal layer and dissipating heat energy from the metal layer to the outside.
- the coefficient of linear expansion is greatly different between the ceramic layer and the metal layer. Therefore, when a thermal cycle is applied during use or a thermal history is applied during production, a large thermal stress is generated.
- the linear expansion coefficient of the ceramic layer is generally about 3 to 7 ppm / K, whereas the linear expansion coefficient of the Cu substrate is about 17 ppm / K. If the difference in coefficient of linear expansion is large in this way, a repeated cooling / heating cycle will be applied during use, or a thermal history will be applied during manufacturing, and a large thermal stress will be generated in the metal layer and ceramic layer, causing the ceramic substrate to thermally deform. There is a possibility that distortion or cracking occurs or the metal layer is peeled off from the ceramic layer.
- a method of interposing an intermediate layer between a ceramic layer and a metal layer is known. That is, (I) A method of relaxing a thermal strain between a ceramic layer and a metal layer by interposing a soft metal having a large elastic deformability and plastic deformability such as Al or Cu as an intermediate layer between the metal layer and the ceramic layer (Ii) A laminated structure is formed by using a relatively soft metal such as Nb or Ni on the ceramic layer side and a metal having a relatively low coefficient of linear expansion such as Mo or W on the metal layer side.
- the intermediate layer is formed of a single soft metal, the plastic deformability cannot be sufficiently obtained, and the thermal stress cannot be sufficiently relaxed.
- the thermal stress can be sufficiently relieved in the thin ceramic substrate. Can not.
- the power module may be increased in size.
- Patent Document 1 a step of applying a metal powder-containing slurry to the surface of the ceramic layer 102 with the metal thin layer 101 bonded to the back surface, and a circuit layer 103 on the surface of the metal powder-containing slurry. And a step of drying and foaming the metal powder-containing slurry, followed by firing and rolling to form a plastic porous metal layer 104, wherein the metal powder-containing slurry has an average particle size of 5 to 100 ⁇ m.
- a method for producing a power module substrate comprising a metal powder comprising Cu, Al or Ag, a water-soluble resin binder, a water-insoluble hydrocarbon organic solvent, a surfactant, a plasticizer, and water. Proposed.
- Patent Document 1 a thin plate-like porous sintered body having a skeleton structure with a porosity of 90 to 93% and a thickness of 0.5 to 5 mm is rolled to a thickness of 0.2 to 3 mm, so that the porosity is 25.
- a plastic porous metal layer 104 of ⁇ 50% is obtained. Even if the linear expansion coefficients of the ceramic layer 102 and the circuit layer 103 are different, the porous metal layer 104 absorbs the thermal deformation of the ceramic layer 102 and the circuit layer 103, so that the ceramic layer 102 is warped and cracked. Is prevented.
- the pores formed in the porous metal layer 104 are filled with silicone grease, silicone oil, or epoxy resin from the side surface of the porous metal layer 104, thereby improving the thermal conductivity in the porous metal layer 104. This is trying to ensure heat dissipation characteristics.
- Patent Document 2 discloses an element body mainly composed of ceramic, glass, or resin, and a porous metal plating film that is formed on the element body and has a large number of holes filled with glass components.
- the hole on the surface of the porous metal plating film in contact with the element body is filled with many glass components, and the hole on the surface on the opposite side of the surface of the porous metal plating film in contact with the element body
- An electronic component in which the glass component is almost not filled in the part has been proposed.
- the glass component is filled in the holes on the surface of the porous metal plating film in contact with the element body, thereby increasing the glass deposition rate when thermally bonding to the element body.
- Japanese Patent No. 3230181 (Claim 1, paragraphs [0008] and [0012], FIG. 1)
- Japanese Patent No. 5251276 (Claim 1, paragraph [0015])
- a porous metal layer 104 having a thickness of 0.2 to 3 mm is produced by rolling a thin plate-like porous sintered body having a thickness of 0.5 to 5 mm. Processing is not easy in terms of production technology. Therefore, since the thickness of the circuit layer 103 and the thin metal layer 101 is usually about 0.1 to 1 mm, the thickness of the porous metal layer 104 is larger than the thickness of the circuit layer forming the electrode. There is a possibility that a desired small and high performance power module cannot be obtained. In addition, since the ceramic layer 102 and the porous metal layer 104 are directly bonded, even if the porous metal layer 104 has plasticity, sufficient stress relaxation cannot be obtained, and the heat of the porous metal layer 104 can be obtained. It is considered difficult to sufficiently suppress deformation and the like.
- pores formed in the porous metal layer 104 are filled with silicone grease, silicone oil, or epoxy resin from the side surface of the porous metal layer 104, thereby improving the thermal conductivity.
- a load such as a repetitive cooling cycle may cause a so-called pump-out phenomenon in which a filler such as silicone grease leaks to the outside at a high temperature, which may increase the thermal resistance.
- Patent Document 2 although the glass deposition rate is increased by filling the glass component into the hole on the surface in contact with the element body of the porous metal plating film, the desired thermal stress relaxation is considered difficult. It is done.
- the present invention has been made in view of such circumstances, a ceramic substrate capable of relieving thermal stress applied to a ceramic layer or a metal layer and having good adhesion between different materials, and the ceramic substrate It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a ceramic substrate suitable for manufacturing the above and a power module using the ceramic substrate and having good heat dissipation performance.
- the buffer layer has a layered structure having a first layer made of a resin material and a second layer having a metal porous substrate, the pores of the porous substrate are filled with the resin material, and the first layer is made of ceramic.
- a foil-like buffer layer is interposed between the ceramic layer and the metal layer, and the buffer layer is formed of a resin material.
- a second layer having a metal porous substrate with minute pores formed therein the first layer being bonded to the ceramic layer and the second layer. Is bonded to the metal layer, and the second layer is characterized in that the pores are filled with the resin material.
- the above-mentioned pores include not only the pores formed independently but also the case where individual pores are connected to form one pore.
- the above-described filling of the resin material into the pores is not only completely filled, but when there are some pores in the pores, for example, the pore filling rate averages 80%. Including the case of ⁇ 100%.
- the porous substrate includes a region formed so that the pores gradually increase hierarchically from the metal layer side to the ceramic layer side.
- the porous substrate has a porosity on the first layer side that is equal to or higher than a porosity on the metal layer side.
- the buffer layer preferably has an average thickness of 5 to 100 ⁇ m in total.
- the thermal stress can be relaxed without increasing the thermal resistance.
- the first layer has an average thickness of 0.5 to 50 ⁇ m.
- the thermal resistance of the buffer layer can be further reduced, and the thermal stress can be effectively suppressed.
- the resin material has an elastic modulus of 3 GPa or less at a temperature equal to or higher than the glass transition point.
- the resin material has an elastic modulus of 0.2 GPa or less at a temperature of 100 ° C. or higher.
- the resin material has a thermal conductivity of 1 W / m ⁇ K or higher at a temperature equal to or higher than the glass transition point.
- the porous substrate is formed of one selected from the group of Au, Ag, Cu, Fe, Al, Ni, Zn, and an alloy containing these metals. Is preferred.
- the thermal resistance of the buffer layer can be reduced.
- the ceramic layer is formed of one selected from the group consisting of an aluminum compound, a silicon compound, and a beryllium compound.
- a ceramic substrate suitable for a heat dissipation substrate can be obtained.
- the ceramic substrate of the present invention is preferably a heat dissipation substrate.
- the method for producing a ceramic substrate according to the present invention comprises a porous substrate producing step of forming a porous substrate having fine pores on one main surface of a metal substrate to be a metal layer, and the resin material as described above.
- a foil-like buffer layer having a second layer including the first layer made of the resin material and the porous substrate is formed so as to be interposed between the metal layer and the ceramic layer while filling the pores.
- a buffer layer forming step comprises a porous substrate producing step of forming a porous substrate having fine pores on one main surface of a metal substrate to be a metal layer, and the resin material as described above.
- a foil-like buffer layer having a second layer including the first layer made of the resin material and the porous substrate is formed so as to be interposed between the metal layer and the ceramic layer while filling the pores.
- a buffer layer forming step is
- the above-mentioned pores include not only the pores formed independently but also the case where individual pores are connected to form one pore.
- the above-described filling of the resin material into the pores is not only completely filled, but when there are some pores in the pores, for example, the pore filling rate averages 80%. Including the case of ⁇ 100%.
- the pores are formed by performing a plating process.
- the buffer layer forming step causes the resin base material to be the first layer to be in close contact with the porous base, and heat treatment is performed to the pores to form the resin material.
- the method includes a step of forming the second layer on the first layer.
- the buffer layer forming step performs the electrodeposition process on the porous substrate and fills the pores with the resin material, and the first layer and the second layer. It is preferable to include the process of integrally forming.
- the first layer and the second layer are integrally formed by the electrodeposition treatment, it is not necessary to fill the pores with the resin material after joining the porous substrate and the resin base material.
- the ceramic substrate of the present invention can be used as a heat dissipation substrate as described above, by mounting it on various power modules, the thermal stress is alleviated, the adhesion between different materials is good, and the heat dissipation characteristics are good. Modules can be obtained.
- the power module according to the present invention is characterized by including any one of the ceramic substrates described above.
- a circuit layer is formed on the surface of the ceramic layer constituting the ceramic substrate.
- the buffer layer constituting the ceramic substrate is formed on the surface of the ceramic layer of the ceramic substrate, and the circuit layer is formed on the surface of the buffer layer.
- a ceramic layer constituting the ceramic substrate is connected to a heat sink part, and a metal layer constituting the ceramic substrate is connected to a power device.
- a foil-like buffer layer is interposed between the ceramic layer and the metal layer, and the buffer layer includes a first layer made of a resin material and minute pores.
- a second layer comprising a metallic porous substrate, wherein the first layer is bonded to the ceramic layer, the second layer is bonded to the metal layer, and the second layer is Since the resin material is filled in the pores, a difference in linear expansion coefficient between the metal layer and the ceramic layer can be absorbed by the buffer layer. Therefore, even if a cooling cycle or a thermal history is applied, the thermal stress generated in the ceramic layer or the metal layer can be relaxed.
- the interface between the buffer layer and the metal layer or ceramic layer has a fine concavo-convex structure, improving the adhesion between different materials by the so-called anchor effect. Can be made.
- a buffer layer is foil shape, it can suppress that a thermal resistance increases, and can ensure a desired heat dissipation characteristic.
- a foil-like buffer layer having a second layer including the first layer made of the resin material and the porous substrate is interposed between the metal layer and the ceramic layer while filling the pores. Since the buffer layer forming step to be formed is included, it is not necessary to fill the pores with the resin material from the side surface of the porous substrate after the buffer layer is formed, and the occurrence of the pump-out phenomenon can be suppressed. Therefore, it is not necessary to consider the occurrence of the pump-out phenomenon, and the degree of freedom of selection of the resin material is widened.
- the thermal stress is relieved even if the cooling cycle is repeatedly loaded during use or the thermal history is loaded during manufacturing. Therefore, a highly reliable power module that can suppress thermal deformation, cracks, interfacial peeling, and the like due to thermal stress without impairing heat dissipation performance can be obtained.
- FIG. 1 is a schematic cross-sectional view conceptually showing an embodiment of a ceramic substrate according to the present invention. It is a conceptual diagram of the ceramic substrate which shows the detail of a buffer layer typically.
- FIG. 3 is a schematic conceptual diagram showing a cross section taken along the line XX of FIG. 2.
- FIG. 3 is a schematic conceptual diagram showing a cross section taken along the line YY in FIG. 2.
- It is a manufacturing-process figure which shows one Embodiment of the manufacturing method of the ceramic substrate which concerns on this invention.
- It is a principal part manufacturing process figure which shows other embodiment of the manufacturing method of the ceramic substrate which concerns on this invention.
- It is sectional drawing which shows typically one Embodiment (1st Embodiment) of the power module which concerns on this invention.
- FIG. 3 is a cross-sectional view of an analysis model used for sample numbers 1 to 4 in Example 1.
- 6 is a cross-sectional view of an analysis model used for sample number 5 in Example 1.
- FIG. 3 is an SEM image obtained by imaging the porous substrate produced in Example 2 with a scanning electron microscope (SEM).
- SEM scanning electron microscope
- 3 is a SEM image of the ceramic substrate produced in Example 2.
- 6 is a SEM image showing hierarchically the microstructure of the ceramic substrate produced in Example 2. It is sectional drawing of the board
- FIG. 1 is a schematic cross-sectional view conceptually showing an embodiment of a ceramic substrate according to the present invention.
- a foil-like buffer layer 3 is interposed between the ceramic layer 1 and the metal layer 2. That is, the buffer layer 3 includes a first layer 4 formed of a resin material and a second layer 5 having a metal porous substrate 6, and the first layer 4 is bonded to the ceramic layer 1, and the second layer 5 is bonded to the ceramic layer 1. Layer 5 is bonded to metal layer 2.
- minute pores 6 a are formed in the porous substrate 6, and the pores 6 a are filled with a resin material that forms the first layer 4,
- the hole 6a is sealed by the resin filler 7 as described above.
- the above-mentioned pores 6a include not only the pores independently formed but also the case where individual pores are connected to form one pore.
- the above-described filling of the resin material into the pores 6a is not only completely filled, but when there are some pores in the pores 6a, for example, the filling rate of the pores 6a is averaged. Including 80% to 100%.
- the pores 6a are completely vacant, since the pores 6a are not filled with a resin material, the thermal resistance is increased, and the first layer 4 and the second layer 5 are easily separated. This is not preferable because the desired buffer layer 3 cannot be obtained.
- the form of the fine structure of the porous substrate 6 is not particularly limited, but it facilitates the supply of the resin material into the pores 6a and further improves the adhesion between different materials due to the anchor effect. From the viewpoint of improvement, it is preferable that the pore 6a includes a region formed so as to gradually increase in size from the metal layer 2 side to the ceramic layer 1 side.
- FIG. 2 is a conceptual diagram of a ceramic substrate schematically showing details of the buffer layer.
- the buffer layer 3 has the second layer 5 including the porous substrate 6 formed on the first layer 4.
- the pores 6a of the porous substrate 6 may be formed so as to penetrate the second layer 5, or the pores 6a may be formed in a row in the vertical direction or in the horizontal direction.
- the pores 6a are preferably formed so as to gradually increase from the metal layer 2 side to the ceramic layer 1 side.
- the pore diameter of the pores 6a can be reduced if the thermal stress can be relaxed and a desired adhesive force due to the anchor effect can be obtained.
- Any of the cases where one pore is formed is not particularly limited, and can be, for example, 0.1 to 50 ⁇ m in terms of a circle. Further, the distance between the pores is not particularly limited.
- FIG. 3 is a schematic conceptual diagram showing a cross section taken along the line XX in FIG. 2
- FIG. 4 is a schematic conceptual view showing a cross section taken along the line YY in FIG.
- the pores 6 a extend from the metal layer 2 side to the ceramic layer 1 side, and the pores 6 a gradually increase in a hierarchical manner.
- the rate can be equal to or higher than the porosity of the region close to the metal layer 2.
- Such a resin material is not particularly limited, but a resin material having good adhesiveness and high thermal conductivity, such as an epoxy resin, a silicone resin, a polyamide resin, and a urethane resin. Resin materials such as these can be used, and various additives (for example, SiO 2 , Al 2 O 3 , AlN, Si 3 N 4 , BN, MgO, ZnO, BeO, etc.) are contained in these resin materials. It is also preferable to do this.
- a resin material having good adhesiveness and high thermal conductivity such as an epoxy resin, a silicone resin, a polyamide resin, and a urethane resin.
- Resin materials such as these can be used, and various additives (for example, SiO 2 , Al 2 O 3 , AlN, Si 3 N 4 , BN, MgO, ZnO, BeO, etc.) are contained in these resin materials. It is also preferable to do this.
- the elastic modulus is low and the thermal conductivity is high at high temperatures, for example, 3 GPa or less at high temperatures above the glass transition point. It is preferable to use a material having a low elastic modulus and a thermal conductivity of 1 W / m ⁇ K or more.
- the elastic modulus is more preferably a low elastic modulus of 0.2 GPa or less at a high temperature range of 100 ° C. or higher, and further preferably 0.001 to 0.1 GPa. Therefore, it is preferable to use the resin material having a desired elastic modulus and thermal conductivity by appropriately adjusting the component composition of the resin material described above.
- the resin material preferably has a heat resistance of 150 ° C. or higher.
- the metal substrate used for the porous substrate 6 is not particularly limited, but considering heat dissipation, Au, Ag, Cu, Fe, Al, Ni, Zn, and Alloys containing these metals can be preferably used.
- the thickness of the buffer layer 3 is not particularly limited as long as it is foil-like, but an average thickness of 5 to 100 ⁇ m is preferable in order to relieve thermal stress without increasing thermal resistance.
- the first layer 4 is necessary for relieving the thermal stress, but if the thickness is increased, the thermal resistance may be increased. Therefore, the thickness of the first layer 4 should be determined in consideration of both relaxation of thermal stress and increase in thermal resistance, preferably 0.5 to 50 ⁇ m in average thickness, more preferably 1 to 5 ⁇ m. It is.
- the thickness of the second layer 5 is not particularly limited, but it is thought that increasing the thickness of the second layer 5 contributes to stress relaxation because the resin filler 7 increases.
- the thickness of the second layer 5 is preferably determined in consideration of the thickness of the first layer 4 and the entire thickness of the buffer layer 3, and is set to, for example, an average thickness of 5 to 50 ⁇ m.
- the ceramic base material used for the ceramic layer 1 is not particularly limited, but a ceramic material having a high thermal conductivity and good heat dissipation is used in order to be suitable for the heat dissipation substrate of the power module.
- a ceramic material having a high thermal conductivity and good heat dissipation is used in order to be suitable for the heat dissipation substrate of the power module.
- aluminum compounds such as Al 2 O 3 and AlN
- silicon compounds such as Si 3 N 4 and SiC
- beryllium compounds such as BeO
- the metal substrate used for the metal layer 2 is not particularly limited, but the same material as the metal substrate used for the porous substrate 6 described above can be used.
- the foil-like buffer layer 3 is interposed between the ceramic layer 1 and the metal layer 2, and the buffer layer 3 includes the first layer 4 made of a resin material and minute pores.
- a second layer 5 having a metallic porous substrate 6 on which 6a is formed the first layer 4 is bonded to the ceramic layer 1, the second layer 5 is bonded to the metal layer 2, Since the second layer 5 is filled with the resin material in the pores 6a, the buffer layer 3 can absorb the difference in coefficient of linear expansion between the metal layer 2 and the ceramic layer 1. Therefore, even if a cooling cycle or a thermal history is applied, the thermal stress generated in the ceramic layer 1 and the metal layer 2 can be relieved greatly.
- the interface between the buffer layer 3 and the metal layer 2 or the ceramic layer 1 has a fine concavo-convex structure. It is possible to improve the adhesion. And since the buffer layer 3 is foil shape, it can suppress that a thermal resistance increases, and can ensure a desired heat dissipation characteristic.
- the porous substrate 6 includes a region formed so that the pores 6a gradually increase in a hierarchical manner from the metal layer 2 side to the ceramic layer 1 side, so that the first layer in contact with the ceramic layer 1 is formed.
- the porosity on the 4 side can be made equal to or higher than the porosity on the metal layer 2 side.
- FIG. 5 is a manufacturing process diagram showing an embodiment of a method for manufacturing the present ceramic substrate.
- a plate-like metal base material 8 to be a metal layer is prepared.
- a container 10 storing the electroless plating solution 9 is prepared, and the electroless plating solution 9 is adjusted to a predetermined temperature (for example, 80 ° C.).
- the metal substrate 8 is immersed in the electroless plating solution 9, and the metal substrate 8 is swung for a predetermined time (for example, 1 hour) at a rate of about 0.5 to 50 times per minute, for example.
- electroless plating is performed to form the porous substrate 6 having minute pores on one main surface of the metal substrate 8.
- the fine structure of the porous substrate 6 can be arbitrarily controlled by adjusting the plating conditions.
- the electroless plating solution is not particularly limited as long as a metal such as Au, Ag, Cu, or Ni that is a material of the porous substrate 6 is deposited on the surface of the metal base 8.
- a metal such as Au, Ag, Cu, or Ni that is a material of the porous substrate 6 is deposited on the surface of the metal base 8.
- an electroless plating solution in which a diol compound containing an acetylene group is added to each metal salt, a reducing agent such as phosphinic acid or formalin, and a complexing agent such as citric acid can be used.
- the electroless plating is performed while the metal substrate 8 is swung.
- the electroless plating solution may be agitated.
- the plating process may be performed while performing the jet process.
- the metal substrate 8 it is also preferable to treat the metal substrate 8 with a Pd catalyst or the like before performing electroless plating.
- the resin base material 12 is sandwiched between the metal base material 8 on which the porous base material 6 is formed and the ceramic base material 11 to be the ceramic layer.
- the porous substrate 6 and the resin substrate 12 are joined, heated while being pressed at a predetermined pressure, and further heated at a predetermined temperature (for example, 160 to 170 ° C.) for a predetermined time (for example, 60 minutes).
- a predetermined temperature for example, 160 to 170 ° C.
- a predetermined time for example, 60 minutes.
- the resin material forming the resin base 12 is fluidized and flows into the pores 6a in the porous substrate 6, and is cured while filling the pores 6a. That is, as shown in FIG.
- the pores 6a are filled with a resin material, and the resin substrate 12 is cured to become the first layer 4, and the first layer 4, the ceramic substrate 1, and the porous substrate. 6 and the metal layer 2 are firmly bonded via the anchor effect, and the foil-like buffer layer 3 having the first layer 4 and the second layer 5 including the porous substrate 6 is formed of the metal layer 2 and the ceramic layer 1. Thus, a ceramic substrate is produced.
- the porous substrate manufacturing step of forming the porous substrate 6 having the minute pores 6a on one main surface of the metal substrate 8, and the pores 6a are sealed with the resin material.
- the resin material is turned into the pores. No need to fill. That is, it is not necessary to fill the pores with the resin material from the side surface of the porous substrate 6 after the buffer layer 3 is formed, and the pump-out phenomenon can be suppressed. Therefore, it is not necessary to consider the occurrence of the pump-out phenomenon, and the degree of freedom of selection of the resin material is widened.
- the metal substrate 8 is formed by forming the pores by performing the electroless plating process, but the present invention is not limited to the electroless plating. It may be formed by treatment, or surface treatment may be performed by other chemical or physical means to form pores having a desired pore diameter.
- the porous substrate 6 and the resin substrate 12 are pressed and joined, and then further heated to fill the pores 6a with the resin material. You may carry out by an electrodeposition process.
- FIG. 6 is a fragmentary cross-sectional view showing another embodiment of the present manufacturing method, and shows a case where resin material is filled in pores by performing an electrodeposition process.
- the metal substrate 13 is immersed in a water-soluble resin solution and energized. Then, the resin material 15 is deposited and adhered to the surface of the porous substrate 14, thereby simultaneously forming the first layer 16 and the second layer 17 made of the resin material while filling the pores 14 a with the resin material 15. Can do.
- the first layer 16 and a ceramic base material are bonded to each other, and a ceramic substrate can be manufactured by performing press working.
- the porous substrate 14 and the resin substrate are also bonded in this case. After that, it is not necessary to fill the pores with the resin material, and the pump-out phenomenon can be avoided.
- the ceramic substrate of the present invention can be used as a heat dissipation substrate by forming each component of the ceramic substrate with a material having high thermal conductivity as described above. Furthermore, by mounting this ceramic substrate on a power module as a heat dissipation substrate, various power modules having good heat dissipation characteristics can be realized.
- FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing one embodiment (first embodiment) of a power module according to the present invention. *
- a buffer layer 3 having a two-layer structure (first layer 4 and second layer 5) is interposed between a ceramic layer 1 and a metal layer 2, thereby forming a ceramic substrate 18 as a heat dissipation substrate.
- each component constituting the ceramic substrate 18 is formed of a material having high thermal conductivity.
- the ceramic layer 1 is Al 2 O 3 , AlN, Si 3 N 4 , SiC, BeO, etc.
- the metal layer 2 and the porous substrate are Au, Ag, Cu, Al, Ni, etc.
- the resin filler is formed of a material having a high thermal conductivity such as a resin material whose main component is formed of an epoxy resin or a polyamide resin.
- a circuit layer 19 made of Al, Cu or the like is formed on the surface of the ceramic layer 1 constituting the ceramic substrate 18.
- the power module efficiently dissipates heat to the outside even if a large amount of heat is generated from the circuit layer 19. It is possible to suppress the power module from becoming an excessively high temperature.
- the thermal stress is relieved by the ceramic substrate 18 in the power module, the power module is not thermally deformed and no interfacial delamination occurs between different materials, so that a power module with good reliability can be obtained. it can.
- FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing a second embodiment of the power module.
- the power module includes a ceramic substrate 18 formed in the same manner as in the first embodiment, and a buffer layer 3 ′ is formed on the surface of the ceramic layer 1 of the ceramic substrate 18, and further on the surface of the buffer layer 3 ′.
- a circuit layer 19 is formed.
- the buffer layer 3 ′ has a two-layer structure including a first layer 4 ′ made of a resin material and a second layer 5 ′ in which a porous substrate is filled with the resin material. Has been. That is, the first layer 4 ′ is bonded to the ceramic layer 1 and the second layer 5 ′ is bonded to the circuit layer 19.
- the buffer layer 3 ′ between the ceramic substrate 18 and the circuit layer 19 in accordance with the thermal stress of the metal material forming the circuit layer 19.
- the thermal stress is relieved by the ceramic substrate 18 and the buffer layer 3 ′, the power module is not thermally deformed and no interfacial delamination occurs between dissimilar materials as in the first embodiment. A power module with good characteristics can be obtained.
- FIG. 9 is a cross-sectional view schematically showing a third embodiment of the power module.
- the power module has a double-sided heat dissipation structure and is suitable for mounting on a vehicle power control unit. Yes.
- the power module includes a power device 20 including a power control semiconductor element and a pair of cooling plates 21a and 21b (heat sink portions) that cool the power device 20 by circulating water. And between the cooling plates 21a and 21b and the power device 20, ceramic substrates 22a and 22b as heat dissipation substrates are interposed.
- the ceramic substrates 22a and 22b include insulating substrates 23a and 23b as ceramic layers, heat spreaders 24a and 24b as metal layers having a heat dissipation function, insulating substrates 23a and 23b, and heat spreaders 24a and 24b. And buffer layers 25a and 25b having a two-layer structure (first layer and second layer) interposed therebetween.
- the insulating substrates 23a and 23b are connected to the cooling plates 21a and 21b, and one heat spreader 24a is connected to the power device 20 via the solder 26a, and the other heat spreader 24b is connected to the solders 26b and 26c and
- the power device 20 is connected via a heat dissipation spacer 27 made of a good heat conductor such as Cu.
- each constituent member arranged on the inner surface side of the insulating substrates 23a and 23b is covered with a resin material such as an epoxy resin except for the front end portions of the heat spreaders 24a and 24b and the external terminals 29 to form a covering portion 30. is doing.
- the heat energy generated by the power device 20 convects the spacer 27 and the ceramic substrates 22a and 22b via the solders 26a to 26c, and is cooled by the cooling plates 21a and 21b.
- the ceramic substrates 22a and 22b are formed by interposing buffer layers 25a and 25b between the insulating substrates 23a and 23b and the heat spreaders 24a and 24b.
- the constituent member By forming the constituent member with a material having high thermal conductivity, the heat radiation characteristics are good and the heat radiation substrate functions.
- the power module can obtain a power module with good reliability without causing thermal deformation or interfacial peeling of each constituent member. .
- the present invention is not limited to the above embodiment, and the contents described in the above embodiment are examples of the present invention, and various modifications can be made without departing from the gist.
- the power module is not limited to the first to third embodiments because the ceramic substrate functions as a heat dissipation substrate, and the power module on which both the circuit layer and various semiconductor elements are mounted. Needless to say, it can also be applied to modules, and is also useful for heat dissipation measures for mobile terminals such as smartphones and tablet terminals.
- this ceramic substrate can alleviate thermal stress and improve the adhesion between different materials, it can be applied to various uses without being limited to heat dissipation measures.
- a stress analysis model of a ceramic substrate was created, and a heat conduction analysis software (product name: Femtet, manufactured by Murata Software Co., Ltd.) was used to perform a stress analysis by a finite element method and simulated.
- FIG. 10 is a ceramic substrate showing an analysis model of the present embodiment, using a Si 3 N 4 base material 51 having a thickness t1 of 0.32 mm as a ceramic layer and a Cu base having a thickness t2 of 0.4 mm as a metal layer.
- a material 52 is used, and a buffer layer 53 is interposed between the Si 3 N 4 base material 51 and the Cu base material 52.
- the buffer layer 53 includes a first layer 54 made of a resin material having a thickness t3 of 2 ⁇ m and a second layer 56 having a porous substrate 55 and a thickness t4 of 8 ⁇ m.
- pores 55 a having a pore diameter d of 10 ⁇ m are provided in the porous substrate 55, and the pores 55 a are sealed with a resin filler 57. Since it was separately confirmed that the thermal stress hardly depends on the length dimension of the ceramic substrate, the length l of the Si 3 N 4 base material 51 was kept constant at 20 mm, and the stress analysis was performed.
- thermal stress the maximum thermal stress (hereinafter simply referred to as “thermal stress”) when the temperature is raised from room temperature to 180 ° C. with the stress at room temperature being “0” is obtained. It was. Specifically, for sample numbers 1 to 3, the elastic modulus of the resin material is set to 2.4 GPa, 0.1 GPa, and 0.001 GPa, and the linear expansion coefficients are different from 10 ppm / K, 50 ppm / K, and 100 ppm / K. The thermal stress generated when the temperature was raised from room temperature to 180 ° C. was determined.
- Table 1 shows the analysis results of sample numbers 1 to 4.
- sample number 4 did not have the buffer layer 53, it was found that the thermal stress was as large as 335 MPa, and a very large thermal stress was applied to the Si 3 N 4 base material 51.
- the thermal stress can be suppressed to 327 MPa or less by setting the resin material to a low elastic modulus of 2.4 GPa or less.
- the elastic modulus it was found that by setting the elastic modulus to 0.1 GPa or less, the thermal stress can be suppressed to less than 200 MPa, and a large stress relaxation effect can be obtained.
- Example 1-2 In the analysis model shown in FIG. 10, the elastic modulus is set to 0.05 GPa, the linear expansion coefficient is 100 ppm / K, the pore diameter d of the pore 55a is set to 10 ⁇ m, the thickness t3 of the first layer 54 is 0 to 5 ⁇ m, and the second layer The thermal stress generated when the thickness t4 of 56 was 8 to 19 ⁇ m and the temperature was raised from room temperature to 180 ° C. was determined.
- Sample No. 11 shows that the thickness t3 of the first layer 54 is “0” and the first layer 54 does not exist, so that the thermal stress can hardly be alleviated even if the porous substrate and the ceramic layer are directly joined. It was.
- sample numbers 12 to 14 have the first layer 54, it was found that the thermal stress can be suppressed to 206 MPa or less.
- the thermal stress can be relaxed by providing the first layer 54, and in particular, the thermal stress can be greatly relaxed by setting the thickness t3 of the first layer 54 to 1 ⁇ m or more. It was also found that the thermal stress tends to be more relaxed because the resin material filling amount increases as the thickness t4 of the second layer 56 increases.
- Example 1-3 In the analysis model shown in FIG. 10, the elastic modulus is set to 0.05 GPa, the linear expansion coefficient is set to 100 ppm / K, the thickness t3 of the first layer 54 is set to 2 ⁇ m, and the thickness t4 of the second layer 56 is set to 9 ⁇ m.
- the thermal stress generated when the temperature was raised from room temperature to 180 ° C. was obtained in the same manner as in Example 1-2, with the hole diameter d of the hole 55a being 20 ⁇ m and 30 ⁇ m.
- Sample Nos. 21 and 22 ⁇ had a stress of 150 to 173 MPa, and it was found that the stress was greatly relaxed compared to the case where the buffer layer 53 was not provided (thermal stress: 335 MPa (see Table 1)).
- a Cu substrate having a length l: 50 mm, a width w: 50 mm, and a thickness t2: 0.4 mm was prepared. Then, electroless plating was performed on the Cu base material to form a porous base body having a large number of pores on the Cu base material.
- the Cu substrate was immersed in a Pd catalyst application solution for 2 minutes, surface-treated to activate the catalyst, and then washed with water.
- the electroless Ni plating solution is adjusted to 80 ° C.
- the Cu base material is immersed for 60 minutes while being immersed in the plating treatment, and then dried, and the average film thickness on which pores are formed is about 15 ⁇ m.
- a porous substrate was prepared on a Cu substrate.
- FIG. 12 is an SEM image of the porous substrate produced by electroless plating.
- the pores on the surface side are larger than those on the Cu substrate side, and the pore diameter increases with distance from the Cu substrate side. Further, when the pore diameter was confirmed, it was confirmed that the pore diameter was 0.1 to 50 ⁇ m including the case where individual pores were connected to form one pore.
- a polyimide resin substrate manufactured by Nikkan Kogyo Co., Ltd., SAF series
- a Si 3 N 4 substrate manufactured by MARUWA
- the polyimide resin base material and the porous base material are joined together and pressed at a temperature of 160 ° C. with a pressure of 35 kN for 5 minutes, and then this is placed in an oven adjusted to a temperature of 165 ° C.
- the sample was put and heated for 60 minutes to cure, and two example samples were produced.
- FIG. 13 is an SEM image of the sample of this example.
- a buffer layer 53 is interposed between a Si 3 N 4 base material 51 and a Cu base material 52, and the buffer layer 53 is a first layer made of a resin material. 54 and the pores of the porous substrate 55 were confirmed to have a second layer 56 filled with a resin material.
- FIG. 14 is an SEM image obtained by hierarchically imaging the internal cross section in the thickness direction of the sample of this example. That is, the surface of the surface layer was hierarchically polished from the Si 3 N 4 substrate side, and the polished surface was imaged with an SEM, and SEM images were obtained as shown in (i) to (viii). In FIG. 14, (a) was taken at 1000 times magnification, and (b) was taken at 2000 times magnification.
- the pores gradually increase in a hierarchical manner from the Cu substrate side to the Si 3 N 4 substrate side, that is, from (viii) to (i). confirmed.
- the above two example samples and comparative example samples in which a Cu base material and a Si 3 N 4 base material were pasted through an active silver solder (manufactured by Tokyo Blaze) to produce a comparative example sample, Maintain the temperature at -55 ° C and + 185 ° C for 30 minutes, repeat the thermal shock test in about 5 minutes to reach each temperature when the temperature rises and falls between -55 ° C and + 185 ° C. Thermal deformation (warpage) was determined as the deformation rate.
- the Cu base material and the Si 3 N 4 base material were peeled off after the thermal shock test.
- a ceramic substrate suitable for a power module that can relieve the thermal stress applied to the ceramic layer and the metal layer while ensuring heat dissipation performance and has good adhesion between components is realized.
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Abstract
セラミック層1と金属層2との間に厚みが5~100μmの箔状の緩衝層3が介在されている。前記緩衝層3は、樹脂材料で形成された厚みが0.5~50μmの第1層4と、微小な細孔6aが形成された金属製の多孔質基体6を備えた第2層5とを有している。第1層4はセラミック層1に接合されると共に、第2層5は金属層2に接合されている。第2層5は、細孔6aに樹脂材料が充填されている。このセラミック基板を車載用パワーモジュール等に搭載する。これによりセラミック層や金属層に負荷される熱応力を緩和することができ、かつ異種材料間の接着性が良好なセラミック基板とその製造方法、これを使用した放熱性能が良好なパワーモジュールを実現する。
Description
本発明はセラミック基板、セラミック基板の製造方法、及びパワーモジュールに関し、より詳しくは発熱量の大きなパワーデバイスの放熱対策に有用なセラミック基板、このセラミック基板の製造に適したセラミック基板の製造方法、及びこのセラミック基板を使用したパワーモジュールに関する。
スマートフォンやタブレット端末等のモバイル端末では、多くの電子部品が搭載されているが、これらのモバイル端末の小型化の進展と共に、該モバイル端末に内蔵される電子部品の高集積化、高性能化が要請されている。そして、電子部品の高集積化、高性能化に伴い発熱量が増加することから、放熱対策が重要になってきている。
また、近年、自動車分野では、車体の軽量化による燃費向上等の観点から、車体の電動化・電装化が急速に進展しており、これに伴いパワーデバイスを内蔵したパワーモジュール搭載のハイブリッド自動車等の開発が盛んに行われている。そして、この種のパワーモジュールではパワーデバイスの発熱量が大きいことから、車載用電子機器における熱管理の重要性が高まってきている。
放熱対策としては、熱伝導率の高いセラミック材料で形成されたセラミック層の一方の主面上に回路層を形成し、前記セラミック層の他方の主面上に熱伝導率の高い金属材料で形成された金属層を設け、熱エネルギーを金属層から外部に放熱するようにしたセラミック基板が知られている。
しかしながら、この種のセラミック基板では、セラミック層と金属層とでは線膨張係数が大きく異なることから、使用時に冷熱サイクルが負荷されたり製造時に熱履歴が負荷されると、大きな熱応力が発生する。例えば、金属層としてCu基材を使用した場合、セラミック層の線膨張係数は一般に3~7ppm/K程度であるのに対し、Cu基材の線膨張係数は約17ppm/Kである。このように線膨張係数の差が大きいと、使用時に繰り返し冷熱サイクルが負荷されたり、製造時に熱履歴が負荷され、金属層やセラミック層には大きな熱応力が発生し、セラミック基板が熱変形し、歪みや割れが発生したり、金属層がセラミック層から剥離してしまうおそれがある。
このような熱応力を緩和する方法としては、従来より、例えば、下記(i)~(iii)に示すように、セラミック層と金属層との間に中間層を介在させる方法が知られている。すなわち、
(i)AlやCu等の弾性変形能及び塑性変形能の大きな軟金属を中間層として金属層とセラミック層との間に介在させ、セラミック層と金属層との間の熱歪みを緩和する方法
(ii)セラミック層側にNbやNi等の比較的軟らかい金属を使用し、金属層側にMoやW等の比較的線膨張係数の低い金属を使用して積層構造体を形成し、この積層構造体を中間層として金属層とセラミック層との間に介在させ、両者の線膨張係数を調整する方法
(iii)セラミック層側から金属層側に連続的に組成が変化する中間層を金属層とセラミック層との間に介在させ、熱応力を緩和する方法
等が知られている。
(i)AlやCu等の弾性変形能及び塑性変形能の大きな軟金属を中間層として金属層とセラミック層との間に介在させ、セラミック層と金属層との間の熱歪みを緩和する方法
(ii)セラミック層側にNbやNi等の比較的軟らかい金属を使用し、金属層側にMoやW等の比較的線膨張係数の低い金属を使用して積層構造体を形成し、この積層構造体を中間層として金属層とセラミック層との間に介在させ、両者の線膨張係数を調整する方法
(iii)セラミック層側から金属層側に連続的に組成が変化する中間層を金属層とセラミック層との間に介在させ、熱応力を緩和する方法
等が知られている。
しかしながら、上記(i)の方法では、中間層が軟金属単体で形成されているため、塑性変形能を十分に得ることができず、熱応力を十分に緩和することができない。
また、上記(ii)や(iii)の方法では、大電流を通電させるために厚膜の印刷回路をセラミック基板上に形成した場合、薄層のセラミック基板では熱応力を十分に緩和することができない。一方、セラミック基板を厚くするとパワーモジュールの大型化を招くおそれがある。
そこで、特許文献1では、図15に示すように、裏面に金属薄層101が接着されたセラミック層102の表面に金属粉含有スラリーを塗布する工程と、金属粉含有スラリーの表面に回路層103を重ねる工程と、金属粉含有スラリーを乾燥して発泡させた後に焼成し圧延して可塑性の多孔質金属層104を成形する工程とを含み、前記金属粉含有スラリーは平均粒径が5~100μmのCu,Al又はAgからなる金属粉と、水溶性樹脂バインダと、非水溶性炭化水素系有機溶剤と、界面活性剤と、可塑剤と、水とを含んだパワーモジュール用基板の製造方法が提案されている。
この特許文献1では、スケルトン構造を有する気孔率90~93%、厚さ0.5~5mmの薄板状多孔質焼結体を厚さ0.2~3mmに圧延することにより、気孔率が25~50%の可塑性の多孔質金属層104を得ている。そして、セラミック層102と回路層103との線膨張係数が異なっても、多孔質金属層104がセラミック層102や回路層103の熱変形を吸収することにより、セラミック層102に反りや割れが発生するのを防止している。また、多孔質金属層104に形成された気孔には該多孔質金属層104の側面からシリコーングリース、シリコーンオイル又はエポキシ樹脂を充填することにより、多孔質金属層104での熱伝導率を向上させ、これにより放熱特性を確保しようとしている。
また、特許文献2には、セラミック、ガラス、または樹脂を主成分とする素体と、前記素体上に形成された、ガラス成分が充填された多数の孔部を有する多孔質金属めっき膜とを備え、前記多孔質金属めっき膜の前記素体に接する面の前記孔部に多くのガラス成分が充填され、前記多孔質金属めっき膜の前記素体に接する面の反対側の面の前記孔部にほとんどガラス成分が充填されていない電子部品が提案されている。
この特許文献2では、多孔質金属めっき膜の素体に接する面の孔内にガラス成分を充填させることにより、素体に加熱接着する際、ガラスの被着率を高め、これにより金属膜の素体に対する接合力を向上させようとしている。
しかしながら、特許文献1では、0.5~5mmの薄板状多孔質焼結体を圧延して0.2~3mmの厚みの多孔質金属層104を作製しているが、更なる薄膜化は圧延処理では生産技術的に容易なことではない。したがって、回路層103や金属薄層101の厚みは、通常、0.1~1mm程度であることから、電極を形成する回路層の厚みに対し多孔質金属層104の厚みが大きくなり、このため所望の小型・高性能のパワーモジュールを得られなくなるおそれがある。しかも、セラミック層102と多孔質金属層104とを直接接合させていることから、多孔質金属層104が可塑性を有するとしても十分な応力緩和を得ることができず、多孔質金属層104の熱変形等を十分に抑制するのは困難と考えられる。
さらに、特許文献1では、多孔質金属層104に形成された気孔に該多孔質金属層104の側面からシリコーングリース、シリコーンオイルやエポキシ樹脂を充填し、これにより熱伝導率を向上させようとしているが、繰り返される冷熱サイクル等の負荷により、高温状態でシリコーングリース等の充填物が外部に漏出するいわゆるポンプアウト現象が生じ、熱抵抗の増加を招くおそれがある。
また、特許文献2では、多孔質金属めっき膜の素体に接する面の孔内にガラス成分を充填させることにより、ガラスの被着率を高めているものの、所望の熱応力緩和は困難と考えられる。
本発明はこのような事情に鑑みなされたものであって、セラミック層や金属層に負荷される熱応力を緩和することができ、かつ異種材料間の接着性が良好なセラミック基板、このセラミック基板の製造に適したセラミック基板の製造方法、及びこのセラミック基板を使用した放熱性能が良好なパワーモジュールを提供することを目的とする。
本発明者らは上記目的を達成するために、セラミック層と金属層との間に緩衝層を介在させて鋭意研究を行い、応力解析を行ったところ、緩衝層を箔状に薄膜化すると共に、該緩衝層を樹脂材料からなる第1層と金属製の多孔質基体を有する第2層とを有する層状構造とし、かつ多孔質基体の細孔に樹脂材料を充填し、第1層をセラミック層に接合させ、第2層を金属層に接合させることにより、冷熱サイクル等が負荷されても熱応力を緩和することができ、これによりセラミック層や金属層にクラックが発生したり熱変形が生じるのを抑制でき、また界面剥離等が生じることもなく異種材料間の接着性が良好なセラミック基板を得ることができるという知見を得た。
本発明はこれらの知見に基づきなされたものであって、本発明に係るセラミック基板は、セラミック層と金属層との間に箔状の緩衝層が介在され、前記緩衝層は、樹脂材料で形成された第1層と、微小な細孔が形成された金属製の多孔質基体を備えた第2層とを有し、前記第1層は前記セラミック層に接合されると共に、前記第2層は前記金属層に接合され、前記第2層は、前記細孔に前記樹脂材料が充填されていることを特徴としている。
ここで、上述した細孔には、個々に独立して形成された細孔のみならず、個々の細孔同士が連なって1つの細孔を形成している場合も含む。また、上述した細孔への樹脂材料の充填は、完全に充填されたもののみならず、細孔内に若干の空孔が存在する場合、例えば、細孔の充填率が平均して80%~100%の場合を含む。
また、本発明のセラミック基板では、前記多孔質基体は、前記金属層側から前記セラミック層側に架けて前記細孔が階層的に徐々に大きくなるように形成された領域を含むのが好ましい。
これにより樹脂材料を多孔質基体の細孔内に供給し易くなり、また、アンカー効果をより効果的に発揮して異種材料間の接着性をより一層向上させることが可能となる。
また、本発明のセラミック基板では、前記多孔質基体は、前記第1層側の空隙率が、前記金属層側の空隙率に比べ同等以上であるのが好ましい。
さらに、本発明のセラミック基板では、前記緩衝層は、平均厚みが総計で5~100μmであるのが好ましい。
このように緩衝層の平均厚みを極薄に規定することにより、熱抵抗が増加することもなく、熱応力を緩和することができる。
また、本発明のセラミック基板では、前記第1層は、平均厚みが0.5~50μmであるのが好ましい。
このように第1層の平均厚みを極薄に規定することにより、緩衝層の熱抵抗をより低減することができ、かつ熱応力を効果的に抑制することができる。
また、本発明のセラミック基板は、前記樹脂材料が、ガラス転移点以上の温度で弾性率が3GPa以下であるのが好ましい。
このように弾性率の低い樹脂材料を使用することにより、熱応力を効果的に緩和することができる。
さらに、本発明のセラミック基板は、前記樹脂材料が、100℃以上の温度で弾性率が0.2GPa以下であるのが好ましい。
これにより熱応力をより効果的かつ確実に緩和することができる。
また、本発明のセラミック基板では、前記樹脂材料は、ガラス転移点以上の温度で熱伝導率が1W/m・K以上であるのが好ましい。
このように熱伝導率の比較的高い樹脂材料を使用することにより、緩衝層の熱抵抗が増加するのを抑制することができる。
さらに、本発明のセラミック基板は、前記多孔質基体が、Au、Ag、Cu、Fe、Al、Ni、Zn、及びこれらの金属を含有した合金の群から選択された1種で形成されているのが好ましい。
このように多孔質基体に熱伝導率が比較的高い基材を使用することにより、緩衝層の熱抵抗を小さくすることができる。
また、本発明のセラミック基板は、前記セラミック層が、アルミニウム化合物、ケイ素化合物、及びベリリウム化合物の群から選択された1種で形成されているのが好ましい。
このように放熱性の良好なセラミック基材を使用することにより、放熱基板に適したセラミック基板を得ることができる。
すなわち、本発明のセラミック基板は、放熱基板であるのが好ましい。
また、本発明に係るセラミック基板の製造方法は、微小な細孔を有する多孔質基体を金属層となるべき金属基材の一方の主面に形成する多孔質基体作製工程と、樹脂材料を前記細孔に充填すると共に、前記樹脂材料からなる第1層と前記多孔質基体とを備えた第2層を有する箔状の緩衝層を前記金属層とセラミック層との間に介在するように形成する緩衝層形成工程とを含むことを特徴としている。
この場合も、上述した細孔には、個々に独立して形成された細孔のみならず、個々の細孔同士が連なって1つの細孔を形成している場合も含む。また、上述した細孔への樹脂材料の充填は、完全に充填されたもののみならず、細孔内に若干の空孔が存在する場合、例えば、細孔の充填率が平均して80%~100%の場合を含む。
また、本発明のセラミック基板の製造方法は、前記細孔が、めっき処理を施して形成するのが好ましい。
これによりめっき処理時のめっき条件を調整することにより、細孔の孔径等を制御しつつ所望の多孔質基体を製造することが可能となる。
また、本発明のセラミック基板の製造方法は、前記緩衝層形成工程が、前記第1層となるべき樹脂基材を前記多孔質基体に密着させ、加熱処理を施して前記細孔に前記樹脂材料を充填し、前記第1層上に前記第2層を形成する工程を含むのが好ましい。
この場合は、加熱処理により樹脂材料が溶融して細孔に流れ込み硬化することから、多孔質基体と樹脂基材とを接合させた後に樹脂材料を細孔に充填する必要がなくなる。
また、本発明のセラミック基板の製造方法は、前記緩衝層形成工程が、前記多孔質基体に電着処理を施して前記細孔に前記樹脂材料を充填しながら前記第1層と前記第2層とを一体的に形成する工程を含むのが好ましい。
このように電着処理によって第1層と第2層とが一体的に形成した場合も、多孔質基体と樹脂基材とを接合させた後に樹脂材料を細孔に充填する必要がなくなる。
そして、本発明のセラミック基板は、上述したように放熱基板として使用できることから、各種パワーモジュールに搭載することにより、熱応力が緩和され異種材料間の接着性が良好でかつ放熱特性の良好なパワーモジュールを得ることが可能となる。
すなわち、本発明に係るパワーモジュールは、上述したいずれかに記載のセラミック基板を備えていることを特徴としている。
具体的には、本発明のパワーモジュールは、前記セラミック基板を構成するセラミック層の表面に回路層が形成されているのが好ましい。
また、本発明のパワーモジュールは、前記セラミック基板を構成する緩衝層が、前記セラミック基板のセラミック層の表面に形成され、前記緩衝層の表面に回路層が形成されているのも好ましい。
さらに、本発明のパワーモジュールは、前記セラミック基板を構成するセラミック層がヒートシンク部に接続されると共に、前記セラミック基板を構成する金属層がパワーデバイスに接続されているのも好ましい。
本発明のセラミック基板によれば、セラミック層と金属層との間に箔状の緩衝層が介在され、前記緩衝層は、樹脂材料で形成された第1層と、微小な細孔が形成された金属製の多孔質基体を備えた第2層とを有し、前記第1層は前記セラミック層に接合されると共に、前記第2層は前記金属層に接合され、前記第2層は、前記細孔に前記樹脂材料が充填されているので、金属層とセラミック層の線膨張係数の差異を緩衝層によって吸収することが可能となる。したがって冷熱サイクルや熱履歴が負荷されても、セラミック層や金属層に生じる熱応力を緩和することができる。また、多孔質基体には細孔が形成されていることから、緩衝層と金属層やセラミック層との界面は微細な凹凸構造を有することとなり、いわゆるアンカー効果により異種材料間の接着性を向上させることができる。しかも、緩衝層が箔状であることから、熱抵抗が増加するのを抑制でき、所望の放熱特性を確保することができる。
また、本発明のセラミック基板の製造方法によれば、微小な細孔を有する多孔質基体を金属層となるべき金属基材の一方の主面に形成する多孔質基体作製工程と、樹脂材料を前記細孔に充填すると共に、前記樹脂材料からなる第1層と前記多孔質基体とを備えた第2層を有する箔状の緩衝層を前記金属層とセラミック層との間に介在するように形成する緩衝層形成工程とを含むので、緩衝層の形成後に多孔質基体の側面から樹脂材料を細孔に充填する必要もなく、ポンプアウト現象が生じるのを抑制できる。したがって、ポンプアウト現象の発生を考慮する必要はなく、樹脂材料の選択自由度が広くなる。
さらに、本発明のパワーモジュールによれば、上述したいずれかに記載のセラミック基板を備えているので、使用時に冷熱サイクルが繰り返し負荷されたり製造時に熱履歴が負荷されても熱応力が緩和されることから、放熱性能を損なうことなく、熱応力に起因した熱変形やクラック、界面剥離等を抑制することができる信頼性の良好なパワーモジュールを得ることができる。
次に、本発明の実施の形態を詳説する。
図1は、本発明に係るセラミック基板の一実施の形態を概念的に示す模式断面図である。
このセラミック基板は、セラミック層1と金属層2との間に箔状の緩衝層3が介在されている。すなわち、緩衝層3は、樹脂材料で形成された第1層4と、金属製の多孔質基体6を有する第2層5とを備え、第1層4はセラミック層1に接合され、第2層5は金属層2に接合されている。
第2層5は、具体的には多孔質基体6には、微小な細孔6aが形成されており、さらに、該細孔6aには第1層4を形成する樹脂材料が充填され、細孔6aは、斯かる樹脂充填物7により封孔されている。
ここで、上述した細孔6aには、個々に独立して形成された細孔のみならず、個々の細孔同士が連なって1つの細孔を形成している場合も含む。
また、上述した細孔6aへの樹脂材料の充填は、完全に充填されたもののみならず、細孔6a内に若干の空孔が存在する場合、例えば、細孔6aの充填率が平均して80%~100%の場合を含む。
尚、細孔6aが完全な空孔状態の場合は、細孔6aに樹脂材料が充填されていないため、熱抵抗が大きくなり、更には第1層4と第2層5とが剥離し易く、所望の緩衝層3を得ることができないことから、好ましくない。
また、多孔質基体6の微細構造の形態については、特に限定されるものではないが、細孔6a内への樹脂材料の供給を容易にし、かつアンカー効果による異種材料間の接着性をより一層向上させる観点からは、細孔6aは金属層2側からセラミック層1側に架けて階層的に徐々に大きくなるように形成された領域を含むのが好ましい。
図2は緩衝層の詳細を模式的に示すセラミック基板の概念図である。
緩衝層3は、上述したように多孔質基体6を備えた第2層5が第1層4上に形成されている。多孔質基体6が有する細孔6aは、第2層5を貫通する形態で形成されていてもよく、細孔6aが縦方向に或いは横方向に連なって形成されていてもよい。そして、図中、A~Cに示すように、細孔6aは金属層2側からセラミック層1側にかけて階層的に徐々に大きくなるように形成するのが好ましい。これにより樹脂材料が細孔6a内に効率よく供給されて細孔6aが樹脂材料で充填され、細孔6aを樹脂充填物7で封孔することができる。そしてこれにより熱応力を効果的に緩和することができると共に、多孔質基体6が所望のアンカー効果を発揮して金属層2とセラミック層1との接着性を確保することができる。
尚、細孔6aの孔径は、熱応力を緩和でき、かつアンカー効果による所望の接着力を得ることができるのであれば、個々に独立して形成されている場合或いは個々の細孔同士が連なって1つの細孔を形成している場合のいずれであっても、特に限定されるものではなく、例えば、円換算で0.1~50μmとすることができる。また、細孔間距離は特に限定されるものではない。
図3は、図2のX-X矢視断面を示す模式概念図であり、図4は、図2のY-Y矢視断面を示す模式概念図である。
この図3及び図4から明らかなように、細孔6aが金属層2側からセラミック層1側に架けて細孔6aが階層的に徐々に大きくなっており、セラミック層1に近い領域の空隙率は金属層2に近い領域の空隙率と同等以上とすることが可能になる。そしてこれにより、上述したように樹脂材料の細孔6aへの充填性や異種材料間の接着性を良好に維持することが可能である。
このような樹脂材料としては、特に限定されるものではないが、良好な接着性を有し、高い熱伝導率を有する樹脂材料、例えばエポキシ系樹脂、シリコーン系樹脂、ポリアミド系樹脂、ウレタン系樹脂等の樹脂材料を使用することができ、これら樹脂材料に各種添加物(例えば、SiO2、Al2O3、AlN、Si3N4、BN、MgO、ZnO、BeO等)を含有させて使用するのも好ましい。
ただし、冷熱サイクル等が負荷されても熱応力の発生を極力抑制するためには、高温下で弾性率が低くかつ熱伝導率が高いのが好ましく、例えばガラス転移点以上の高温で3GPa以下の低弾性率を有し、かつ1W/m・K以上の熱伝導率を有する材料を使用するのが好ましい。特に、弾性率については、100℃以上の高温域で0.2GPa以下の低弾性率を有するのがより好ましく、更に好ましくは0.001~0.1GPaである。したがって、上述した樹脂材料の成分組成を適宜調整し、所望の弾性率や熱伝導率を有する樹脂材料を選択して使用するのが好ましい。
また、発熱量が大きな領域でより効果的に熱応力の緩和を実現するためには、樹脂材料は150℃以上の耐熱性を有するのが好ましい。
多孔質基体6に使用される金属基材も、特に限定されるものではないが、放熱性を考慮すると、熱伝導率が比較的高いAu、Ag、Cu、Fe、Al、Ni、Zn、及びこれらの金属を含んだ合金類を好んで使用することができる。
また、緩衝層3は、箔状であればその膜厚は特に限定されるものではないが、熱抵抗が増加することなく熱応力を緩和させるためには、平均厚みで5~100μmが好ましい。
また、第1層4は、熱応力を緩和させるためには必要であるが、厚みを大きくすると熱抵抗の増加を招くおそれがある。したがって、第1層4の厚みは、熱応力の緩和と熱抵抗の増加の双方を考慮して決定するのがよく、好ましくは平均厚みで0.5~50μmであり、より好ましくは1~5μmである。
また、第2層5の厚みも、特に限定されるものではないが、第2層5の厚みを大きくすると、樹脂充填物7が増加することから応力緩和に寄与すると考えられる。そして、この第2層5の厚みは、第1層4の厚みと緩衝層3の全体の厚みを考慮して決定するのが好ましく、例えば、平均厚みで5~50μmに設定される。
尚、セラミック層1に使用されるセラミック基材としては、特に限定されるものではないが、パワーモジュールの放熱基板に適するためには熱伝導率が大きく放熱性が良好なセラミック材料を使用するのが好ましく、例えば、Al2O3、AlN等のアルミニウム化合物、Si3N4やSiC等のケイ素化合物、BeO等のベリリウム化合物を好んで使用することができる。
また、金属層2に使用される金属基材についても、特に限定されるものではないが、上述した多孔質基体6に使用する金属基材と同様の材料を使用することができる。
このように本セラミック基板は、セラミック層1と金属層2との間に箔状の緩衝層3が介在され、緩衝層3は、樹脂材料で形成された第1層4と、微小な細孔6aが形成された金属製の多孔質基体6を備えた第2層5とを有し、第1層4はセラミック層1に接合されると共に、第2層5は金属層2に接合され、第2層5は、細孔6aに前記樹脂材料が充填されているので、金属層2とセラミック層1の線膨張係数の差異を緩衝層3によって吸収することが可能となる。したがって冷熱サイクルや熱履歴が負荷されても、セラミック層1や金属層2に生じる熱応力を大幅に緩和することができる。また、多孔質基体6には細孔6aが形成されていることから、緩衝層3と金属層2やセラミック層1との界面は微細な凹凸構造を有することとなり、いわゆるアンカー効果により異種材料間の接着性を向上させることができる。しかも、緩衝層3が箔状であることから、熱抵抗が増加するのを抑制でき、所望の放熱特性を確保することができる。
また、多孔質基体6は、金属層2側からセラミック層1側に架けて細孔6aが階層的に徐々に大きくなるように形成された領域を含むことにより、セラミック層1と接する第1層4側の空隙率を、金属層2側の空隙率に比べ同等以上とすることが可能となる。そしてこれにより第1層4を形成する樹脂材料が多孔質基体6の細孔内に供給され易くなり、また、より効果的にアンカー効果を発揮して異種材料間の接着性をより一層向上させることができる。
また、ガラス転移点以上で弾性率が比較的低い樹脂材料を使用することにより、熱応力を効果的に緩和することができ、また、ガラス転移点以上で熱伝導率が比較的高い樹脂材料を使用することにより、熱抵抗が増加するのを抑制することができる。
次に、本セラミック基板の製造方法を説明する。
図5は、本セラミック基板の製造方法の一実施の形態を示す製造工程図である。
すなわち、まず、図5(a)に示すように、金属層となるべき板状の金属基材8を用意する。次いで、図5(b)に示すように、無電解めっき液9を貯留した容器10を用意し、無電解めっき液9を所定温度(例えば、80℃)に調整する。そして、前記金属基材8を無電解めっき液9に浸漬し、該金属基材8を、例えば1分間に0.5~50回程度の割合で所定時間(例えば、1時間)揺動させ、これにより無電解めっきを行い、金属基材8の一方の主面に微小な細孔を有する多孔質基体6を形成する。
尚、多孔質基体6の微細構造は、めっき条件を調整することにより任意に制御することができる。
ここで、無電解めっき液としては、多孔質基体6の素材となるAu、Ag、Cu、Ni等の金属が金属基材8の表面に析出するのであれば、特に限定されるものではなく、例えば、各金属塩とホスフィン酸やホルマリンなどの還元剤、クエン酸などの錯化剤にアセチレン基を含有したジオール化合物を添加した無電解めっき液を使用することができる。
また、本実施の形態では、金属基材8を揺動させながら無電解めっきを行っているが、必要に応じ揺動処理に加えて或いは揺動処理に代えて無電解めっき液に撹拌処理や噴流処理を施しつつ、めっき処理を行ってもよい。
また、金属基材8の表面を触媒活性化させる観点から、無電解めっきを行う前にPd触媒等で金属基材8を表面処理するのも好ましい。
次に、図5(c)に示すように、多孔質基体6が形成された金属基材8とセラミック層となるべきセラミック基材11との間に樹脂基材12を挟み込むような形態で、多孔質基体6と樹脂基材12とを接合し、所定圧力でプレス加工しながら加熱し、さらに所定温度(例えば、160~170℃)で所定時間(例えば、60分)加熱する。すると樹脂基材12を形成する樹脂材料は流動化して多孔質基体6中の細孔6a内に流れ、細孔6aを充填しながら硬化する。すなわち、図5(d)に示すように、細孔6aは樹脂材料で充填されると共に樹脂基材12は硬化して第1層4となり、第1層4とセラミック基材1及び多孔質基体6と金属層2とがアンカー効果を介して強固に接着し、第1層4と多孔質基体6を備えた第2層5とを有する箔状の緩衝層3が金属層2とセラミック層1との間に介在され、これによりセラミック基板が作製される。
このように本実施の形態では、微小な細孔6aを有する多孔質基体6を金属基材8の一方の主面に形成する多孔質基体作製工程と、樹脂材料で細孔6aを封孔すると共に、金属層2とセラミック層1との間に介在するように樹脂材料からなる第1層4と多孔質基体6とを備えた第2層5を有する箔状の緩衝層3を形成する緩衝層形成工程とを含み、前記緩衝層形成工程は、樹脂基材12を多孔質基体6に密着させ、加熱処理を施して細孔6aを樹脂材料で充填し、第1層4上に第2層5を形成する工程を含むので、加熱処理によって樹脂材料が溶融して細孔に流れ込み、硬化することから、多孔質基体6と樹脂基材12とを接合させた後に樹脂材料を細孔に充填する必要がなくなる。すなわち、緩衝層3の形成後に多孔質基体6の側面から樹脂材料を細孔に充填する必要もなく、ポンプアウト現象が生じるのを抑制できる。したがって、ポンプアウト現象の発生を考慮する必要はなく、樹脂材料の選択自由度が広くなる。
尚、本実施の形態では、金属基材8に無電解めっき処理を施すことにより、細孔を形成して形成しているが、本発明は無電解めっきに限定されるものではなく、電解めっき処理を施して形成してもよく、或いは他の化学的乃至物理的手段で表面処理を行い、所望孔径の細孔を形成するようにしてもよい。
また、上記実施の形態では、多孔質基体6と樹脂基材12とをプレス加工して接合した後、更に加熱処理して細孔6aを樹脂材料で充填しているが、樹脂材料による充填を電着処理で行ってもよい。
図6は、本製造方法の他の実施の形態を示す要部断面図であり、電着処理を行って樹脂材料を細孔に充填する場合を示している。
すなわち、金属基材13の表面に微小な細孔14aを有する多孔質基体14を形成した後、水溶性の樹脂溶液中に金属基体13を浸漬し通電する。すると多孔質基体14の表面に樹脂材料15が析出して付着し、これにより細孔14aを樹脂材料15で充填しながら、樹脂材料からなる第1層16と第2層17を同時に形成することができる。
そして、その後この第1層16とセラミック基材(不図示)とを接合し、プレス加工を行うことによりセラミック基板を作製することができる。
このように本他の実施の形態では、電着処理によって第1層16と第2層17とが一体的に形成されることから、この場合も多孔質基体14と樹脂基材とを接合させてから樹脂材料を細孔に充填する必要がなくなり、ポンプアウト現象が生じるのを回避することが可能となる。
そして、本発明のセラミック基板は、セラミック基板の各構成部材を上述したように熱伝導率の高い材料で形成することにより、放熱基板として使用することができる。さらに、このセラミック基板を放熱基板としてパワーモジュールに搭載することにより、放熱特性の良好な各種パワーモジュールを実現することができる。
図7は、本発明に係るパワーモジュールの一実施の形態(第1の実施の形態)を模式的に示す断面図である。
本パワーモジュールは、セラミック層1と金属層2との間に二層構造(第1層4及び第2層5)の緩衝層3が介在され、これにより放熱基板としてのセラミック基板18を形成している。すなわち、本セラミック基板18を構成する各構成部材は、いずれも高い熱伝導率を有する材料で形成されている。具体的には、セラミック層1はAl2O3、AlN、Si3N4、SiC、BeO等、金属層2及び多孔質基体はAu、Ag、Cu、Al、Ni等、第1層4及び樹脂充填物は主成分がエポキシ系樹脂やポリアミド系樹脂で形成された樹脂材料等、高熱伝導率を有する材料で形成されている。
そして、セラミック基板18を構成するセラミック層1の表面にAlやCu等で形成された回路層19が形成されている。
このように本パワーモジュールは、放熱基板として作用するセラミック基板18のセラミック層1上に回路層19が形成されているので、回路層19から大量の熱が発せられても外部に効率良く放熱することができ、パワーモジュールが過度の高温になるのを抑制することが可能となる。そして、本パワーモジュールは、セラミック基板18で熱応力が緩和されることから、パワーモジュールが熱変形したり異種材料間で界面剥離が生じることもなく、信頼性の良好なパワーモジュールを得ることができる。
図8は、本パワーモジュールの第2の実施の形態を模式的に示す断面図である。
本パワーモジュールは、第1の実施の形態と同様に形成されたセラミック基板18を有すると共に、セラミック基板18のセラミック層1の表面に緩衝層3’が形成され、さらに緩衝層3’の表面に回路層19が形成されている。また、緩衝層3’は、セラミック基板18の緩衝層3と同様、樹脂材料からなる第1層4’と多孔質基体に樹脂材料が充填された第2層5’とを有する二層構造とされている。すなわち、第1層4’がセラミック層1に接合され、第2層5’が回路層19に接合されている。
このように回路層19を形成する金属材料の熱応力に応じてセラミック基板18と回路層19との間に緩衝層3’を介在させるのも好ましく、この場合も、各構成部材が高い熱伝導率を有する材料で形成されることにより、回路層19から大量の熱が発せられても外部に効率良く放熱することができ、パワーモジュールが過度の高温になるのを抑制することが可能となる。そして、本セラミック基板18及び緩衝層3’で熱応力が緩和されることから、第1の実施の形態と同様、パワーモジュールが熱変形したり異種材料間で界面剥離が生じることもなく、信頼性の良好なパワーモジュールを得ることができる。
図9は、本パワーモジュールの第3の実施の形態を模式的に示す断面図であって、本パワーモジュールは両面放熱構造を有し、車載用のパワーコントロールユニット搭載に適した構成とされている。
すなわち、本パワーモジュールは、電力制御用半導体素子を備えたパワーデバイス20と、循環水の通水によりパワーデバイス20を水冷する一対の冷却板21a、21b(ヒートシンク部)とを有している。そして、冷却板21a、21bとパワーデバイス20との間には放熱基板としてのセラミック基板22a、22bが介在されている。
具体的には、セラミック基板22a、22bは、セラミック層としての絶縁基板23a、23bと、放熱作用を有する金属層としてのヒートスプレッダー24a、24bと、絶縁基板23a、23bとヒートスプレッダー24a、24bとの間に介在された二層構造(第1層及び第2層)の緩衝層25a、25bとを有している。そして、絶縁基板23a、23bは冷却板21a、21bに接続されると共に、一方のヒートスプレッダー24aは、はんだ26aを介してパワーデバイス20に接続され、他方のヒートスプレッダー24bは、はんだ26b、26c及びCu等の良熱伝導体からなる放熱用スペーサ27を介してパワーデバイス20に接続されている。さらに、パワーデバイス20は、接続ワイヤ28を介して外部端子29に接続されている。また、絶縁基板23a、23bの内面側に配された各構成部材は、ヒートスプレッダー24a、24b及び外部端子29の各先端部分を除き、エポキシ樹脂等の樹脂材料で被覆され、被覆部30を形成している。
このように構成されたパワーモジュールでは、パワーデバイス20で発熱した熱エネルギーは、はんだ26a~26cを介してスペーサ27、セラミック基板22a、22bを対流し、冷却板21a、21bで水冷される。
そして、本パワーモジュールは、絶縁基板23a、23bとヒートスプレッダー24a、24bとの間に緩衝層25a、25bを介在させてセラミック基板22a、22bを形成しており、これらセラミック基板22a、22bの各構成部材を熱伝導率の高い材料で形成することにより、放熱特性が良好で放熱基板として機能する。また、本パワーモジュールは、セラミック基板22a、22bで熱応力が緩和されることから、各構成部材が熱変形したり界面剥離を生じることもなく、信頼性の良好なパワーモジュールを得ることができる。
尚、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、上記実施の形態に記載した内容は本発明の一例であり、要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、パワーモジュールについても、セラミック基板が放熱基板としての作用を奏することから、上記第1~第3の実施の形態に限定されるものではなく、回路層や各種半導体素子の双方を搭載したパワーモジュールにも適用できるのはいうまでもなく、スマートフォンやタブレット端末等のモバイル端末の放熱対策にも有用である。
また、本セラミック基板は、熱応力の緩和や異種材料間の接着性を向上させることができることから、放熱対策に限定されることなく、各種用途への応用が可能である。
次に、本発明の実施例を具体的に説明する。
セラミック基板の応力解析モデルを作成し、熱伝導解析ソフト(ムラタソフトウェア社製、商品名Femtet)を使用し、有限要素法による応力解析を行い、シミュレーションした。
(実施例1-1)
図10は、本実施例の解析モデルを示すセラミック基板であり、セラミック層として厚みt1が0.32mmのSi3N4基材51を使用し、金属層として厚みt2が0.4mmのCu基材52を使用し、Si3N4基材51とCu基材52との間に緩衝層53が介在されている。
図10は、本実施例の解析モデルを示すセラミック基板であり、セラミック層として厚みt1が0.32mmのSi3N4基材51を使用し、金属層として厚みt2が0.4mmのCu基材52を使用し、Si3N4基材51とCu基材52との間に緩衝層53が介在されている。
緩衝層53は、樹脂材料からなる厚みt3が2μmの第1層54と、多孔質基体55を備えた厚みt4が8μmの第2層56とを有している。また、多孔質基体55には孔径dが10μmの細孔55aが貫設されており、該細孔55aは樹脂充填物57により封孔されている。尚、熱応力はセラミック基板の長さ寸法には殆ど依存しないことが別途確認されたことから、Si3N4基材51の長さlは20mmと一定にし、応力解析を行った。
これらの各種情報を入力して二次元解析を行い、室温での応力を「0」として室温から180℃の温度に上昇した際の最大熱応力(以下、単に「熱応力」という。)を求めた。具体的には試料番号1~3については、樹脂材料の弾性率を2.4GPa、0.1GPa、0.001GPaに設定し、線膨張係数を10ppm/K、50ppm/K、100ppm/Kと異ならせた場合の室温から180℃に温度上昇させた際に発生する熱応力を求めた。
また、試料番号4として、図11に示すように、セラミック層51と金属層52とを直接接合させ、緩衝層53を有さない解析モデルについても上述と同様にして熱応力を求めた。
表1は、試料番号1~4の解析結果を示している。
試料番号4は、緩衝層53を有さないことから、熱応力は335MPaと大きく、非常に大きな熱応力がSi3N4基材51に負荷されていることが分かった。
これに対し試料番号1~3は、第1層54が樹脂材料で形成されかつこの樹脂材料で細孔55aが封孔されているので、試料番号4に比べ応力が低減することが分かった。
すなわち、樹脂材料を2.4GPa以下の低い弾性率に設定することにより、熱応力を327MPa以下に抑制できることが分かった。特に、弾性率を0.1GPa以下に設定することにより、熱応力を200MPa未満に抑制でき、大きな応力緩和効果を得ることができることが分かった。
尚、表1の解析結果から明らかなように、樹脂材料の線膨張係数の熱応力への影響は殆どなく、したがって、セラミック基板を本発明のような構造体とすることにより、セラミック層と金属層との間の線膨張係数の差異を吸収できることが分かった。
(実施例1-2)
上記図10に示す解析モデルにおいて、弾性率を0.05GPa、線膨張係数100ppm/K、細孔55aの孔径dを10μmに設定し、第1層54の厚みt3を0~5μm、第2層56の厚みt4を8~19μmとし、室温から180℃に温度上昇させた際に発生する熱応力を求めた。
上記図10に示す解析モデルにおいて、弾性率を0.05GPa、線膨張係数100ppm/K、細孔55aの孔径dを10μmに設定し、第1層54の厚みt3を0~5μm、第2層56の厚みt4を8~19μmとし、室温から180℃に温度上昇させた際に発生する熱応力を求めた。
表2は、その解析結果を示している。
試料番号11は、第1層54の厚みt3が「0」であり、第1層54が存在しないため、多孔質基体とセラミック層とを直接接合しても熱応力を殆ど緩和できないことが分かった。
これに対し試料番号12~14は、第1層54を有するので、熱応力は206MPa以下に抑制できることが分かった。
すなわち、第1層54を設けることにより、熱応力を緩和することができ、特に、第1層54の厚みt3を1μm以上とすることにより、熱応力を大幅に緩和できることが分かった。また、第2層56の厚みt4が大きくなるのに伴い、樹脂材料の充填量が増加することから、熱応力はより緩和される傾向にあることが分かった。
(実施例1-3)
上記図10に示す解析モデルにおいて、弾性率を0.05GPa、線膨張係数100ppm/Kに設定し、第1層54の厚みt3を2μm、第2層56の厚みt4を9μmに設定し、細孔55aの孔径dを20μm及び30μmとし、上記実施例1-2と同様、室温から180℃に温度上昇させた際に発生する熱応力を求めた。
上記図10に示す解析モデルにおいて、弾性率を0.05GPa、線膨張係数100ppm/Kに設定し、第1層54の厚みt3を2μm、第2層56の厚みt4を9μmに設定し、細孔55aの孔径dを20μm及び30μmとし、上記実施例1-2と同様、室温から180℃に温度上昇させた際に発生する熱応力を求めた。
表3は、その解析結果を示している。
試料番号21及び22 は、応力が150~173MPaであり、緩衝層53を設けなかった場合(熱応力:335MPa(表1参照))に比べ、大幅に応力緩和されることが分かった。
長さl:50mm、幅w:50mm、厚みt2:0.4mmのCu基材を用意した。そして、このCu基材に無電解めっきを施し、多数の細孔を有する多孔質基体をCu基材上に形成した。
具体的には、まず、Cu基材をPd触媒付与溶液に2分間浸漬し、表面処理して触媒活性化し、その後水洗した。
次いで、奥野製薬工業社製ICPニコロンGM-NPEにアセチレングリコ―ル系化合物1g/Lを添加し、pHを4.6に調整した無電解Niめっき液を作製した。
次に、無電解Niめっき液を80℃に調整し、Cu基材を60分間揺動させながら浸漬してめっき処理を行い、その後乾燥させ、細孔が形成された平均膜厚が約15μmの多孔質基体をCu基材上に作製した。
図12は無電解めっきにより作製された多孔質基体のSEM画像である。
この図12から明らかなようにCu基材側に比べて表面側の細孔が大きく、Cu基材側から離間するに伴い、孔径が大きくなっていた。また、細孔の孔径を確認したところ、個々の細孔が連なって1つの細孔を形成している場合を含め、孔径は0.1~50μmであることを確認した。
次に、長さl:50mm、幅w:50mm、厚みt2:0.32mmのSi3N4基材(MARUWA社製)に膜厚20μmのポリイミド系樹脂基材(ニッカン工業社製、SAFシリーズ)を貼着し、ポリイミド系樹脂基材と多孔質基体とを接合し、160℃の温度で35kNの加圧力で5分間プレス加工し,その後、これを165℃に温度調整されたオーブン中に投入して60分間加熱して硬化させ、2個の実施例試料を作製した。
そして、上記2個の実施例試料のうち、1個の実施例試料を代表例とし、SEMを使用して微細構造を観察した。
図13は本実施例試料のSEM画像である。
本実施例試料は、この図13に示すように、Si3N4基材51とCu基材52との間に緩衝層53が介在され、該緩衝層53は、樹脂材料からなる第1層54と多孔質基体55の細孔に樹脂材料が充填された第2層56を有していることが確認された。
図14は本実施例試料について、厚み方向の内部断面を階層的に撮像したSEM画像である。すなわち、Si3N4基材側から表層面を階層的に研磨し、その研磨面をSEMで撮像し、(i)~(viii)に示すようにSEM画像を得た。図14中、(a)は倍率1000倍、(b)は倍率2000倍で撮像した。
この図14から明らかなように、Cu基材側からSi3N4基材側に架けて、すなわち(viii)から(i)に架けて細孔が階層的に徐々に大きくなっていることが確認された。
また、Cu基材とSi3N4基材とを活性銀ろう(東京ブレイズ社製)を介して貼着し、比較例試料を作製した、上記2個の実施例試料と比較例試料について、-55℃及び+185℃で30分間維持し、-55℃~+185℃の間で昇温及び降温時に各温度到達まで5分程度で82サイクル繰り返して熱衝撃試験を行い、セラミック基板の対角線上の熱変形(反り)を変形率として求めた。
比較例試料では、熱衝撃試験後にはCu基材とSi3N4基材とが剥離した。
これに対し2個の実施例試料は、変化率がそれぞれ3.9%、5.4%であり、応力が緩和されて熱変形が抑制されていることが確認された。
放熱性能を確保しつつセラミック層や金属層に負荷される熱応力を緩和することができ、かつ構成部材間の接着性が良好なパワーモジュールに適したセラミック基板を実現する。
1 セラミック層
2 金属層
3、3’ 緩衝層
4、4’ 第1層
5、5’ 第2層
6 多孔質基体
6a 細孔
7 樹脂充填物(樹脂材料)
8 金属基材
11 セラミック基材
12 樹脂基材
18 セラミック基板
19 回路層
20 パワーデバイス
21a、21b 冷却板(ヒートシンク部)
22a、22b セラミック基板
23a、23b 絶縁基板(セラミック層)
24a、24b ヒートスプレッダー(金属層)
25a、25b 緩衝層
2 金属層
3、3’ 緩衝層
4、4’ 第1層
5、5’ 第2層
6 多孔質基体
6a 細孔
7 樹脂充填物(樹脂材料)
8 金属基材
11 セラミック基材
12 樹脂基材
18 セラミック基板
19 回路層
20 パワーデバイス
21a、21b 冷却板(ヒートシンク部)
22a、22b セラミック基板
23a、23b 絶縁基板(セラミック層)
24a、24b ヒートスプレッダー(金属層)
25a、25b 緩衝層
Claims (19)
- セラミック層と金属層との間に箔状の緩衝層が介在され、
前記緩衝層は、樹脂材料で形成された第1層と、微小な細孔が形成された金属製の多孔質基体を備えた第2層とを有し、
前記第1層は前記セラミック層に接合されると共に、前記第2層は前記金属層に接合され、
前記第2層は、前記細孔に前記樹脂材料が充填されていることを特徴とするセラミック基板。 - 前記多孔質基体は、前記金属層側から前記セラミック層側に架けて前記細孔が階層的に徐々に大きくなるように形成された領域を含むことを特徴とする請求項1記載のセラミック基板。
- 前記多孔質基体は、前記第1層側の空隙率が、前記金属層側の空隙率に対し同等以上であることを特徴とする請求項1又は請求項2記載のセラミック基板。
- 前記緩衝層は、平均厚みが総計で5~100μmであることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載のセラミック基板。
- 前記第1層は、平均厚みが0.5~50μmであることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれかに記載のセラミック基板。
- 前記樹脂材料は、ガラス転移点以上の温度で弾性率が3GPa以下であることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれかに記載のセラミック基板。
- 前記樹脂材料は、100℃以上の温度で弾性率が0.2GPa以下であることを特徴とする請求項6記載のセラミック基板。
- 前記樹脂材料は、ガラス転移点以上の温度で熱伝導率が1W/m・K以上であることを特徴とする請求項1乃至請求項7のいずれかに記載のセラミック基板。
- 前記多孔質基体は、Au、Ag、Cu、Fe、Al、Ni、Zn、及びこれらの金属を含有した合金の群から選択された1種で形成されていることを特徴とする請求項1乃至請求項8のいずれかに記載のセラミック基板。
- 前記セラミック層は、アルミニウム化合物、ケイ素化合物、及びベリリウム化合物の群から選択された1種で形成されていることを特徴とする請求項1乃至請求項9のいずれかに記載のセラミック基板。
- 放熱基板であることを特徴とする請求項1乃至請求項10のいずれかに記載のセラミック基板。
- 微小な細孔を有する多孔質基体を金属層となるべき金属基材の一方の主面に形成する多孔質基体作製工程と、
樹脂材料を前記細孔に充填すると共に、前記樹脂材料からなる第1層と前記多孔質基体とを備えた第2層とを有する箔状の緩衝層を前記金属層とセラミック層との間に介在するように形成する緩衝層形成工程とを含むことを特徴とするセラミック基板の製造方法。 - 前記細孔は、前記金属基材にめっき処理を施して形成することを特徴とする請求項12記載のセラミック基板の製造方法。
- 前記緩衝層形成工程は、前記第1層となるべき樹脂基材を前記多孔質基体に密着させ、加熱処理を施して前記細孔に前記樹脂材料を充填し、前記第1層上に前記第2層を形成する工程を含むことを特徴とする請求項12又は請求項13記載のセラミック基板の製造方法。
- 前記緩衝層形成工程は、前記多孔質基体に電着処理を施して前記細孔に前記樹脂材料を充填しながら前記第1層と前記第2層とを一体的に形成する工程を含むことを特徴とする請求項12又は請求項13記載のセラミック基板の製造方法。
- 請求項1乃至請求項11のいずれかに記載のセラミック基板を備えていることを特徴とするパワーモジュール。
- 前記セラミック基板を構成するセラミック層の表面に回路層が形成されていることを特徴とする請求項16記載のパワーモジュール。
- 前記セラミック基板を構成する緩衝層が、前記セラミック基板のセラミック層の表面に形成され、前記緩衝層の表面に回路層が形成されていることを特徴とする請求項16記載のパワーモジュール。
- 前記セラミック基板を構成するセラミック層がヒートシンク部に接続されると共に、前記セラミック基板を構成する金属層がパワーデバイスに接続されていることを特徴とする請求項16記載のパワーモジュール。
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