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

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 Download PDF

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layer
ceramic
ceramic substrate
substrate
pores
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拓生 若岡
登 谷田
岸本　敦司
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株式会社村田製作所
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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

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
　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。
　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。
特許第３２３０１８１号公報（請求項１、段落[０００８]、[００１２]、図１） 特許第５２５１２７６号公報（請求項１、段落[００１５]）
　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。
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。 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。 図２のＸ－Ｘ矢視断面を示す模式概念図である。 図２のＹ－Ｙ矢視断面を示す模式概念図である。 本発明に係る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。 本発明に係るセラミック基板の製造方法の他の実施の形態を示す要部製造工程図である。 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。 本発明に係る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。 本発明に係る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る。 実施例１の試料番号１～４で使用した解析モデルの断面図である。 実施例１の試料番号５で使用した解析モデルの断面図である。 実施例２で作製された多孔質基体を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で撮像したＳＥＭ画像である。 実施例２で作製されたセラミック基板のＳＥＭ画像である。 実施例２で作製されたセラミック基板の微細構造を階層的に示すＳＥＭ画像である。 特許文献１に記載されたパワーモジュール用基板の断面図である。
　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。
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　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。
　表２は、その解析結果を示している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　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。
表３は、その解析結果を示している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　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

Claims (19)

  1. 　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。
  2. 　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。
  3. 　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。
  4. 　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。
  5. 　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。
  6. 　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。
  7. 　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。
  8. 　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。
  9. 　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。
  10. 　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。
  11. 　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。
  12. 　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。
  13. 　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。
  14. 　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。
  15. 　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。
  16. 　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。
  17. 　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。
  18. 　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。
  19. 　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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