JP2014046326A - 流路部材およびこれを用いた電子装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安価に製造することができる流路部材およびこれを用いた電子装置を提供する。
【解決手段】流路部材１０は、内部に流体が流れる流路１ａを有するセラミックス焼結体からなる基体１と、該基体上に設けられたニッケルを主成分とする第１金属部材２と、第１金属部材２上に設けられたアルミニウムを主成分とする第２金属部材３とを有し、基体１と第１金属部材２と、第１金属部材２と第２金属部材３とのそれぞれが金属ろう材４ａ、４ｂにて接合されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、流路部材およびこれを用いた電子装置に関する。

近年、半導体装置には、一方の面に金属部材が接合されたセラミックス流路部材の内部に冷媒を流すことによって熱交換を行なう流路部材が用いられ、その金属部材が電極や放熱部材として利用されている。

また、セラミックス基体に金属部材を接合するにあたり、例えば、特許文献１では、セラミックス基体の上に高融点金属、ニッケル層、金属介在層、導体層の順番に形成した半導体装置用部材が開示されている。

特開2000-323619号公報

ところで、現在金属部材を設けてなる流路部材においては、より安価な流路部材が求められている。

それゆえ、本発明は、より安価な構成とした流路部材および電子装置を提供することを目的とするものである。

本発明の流路部材は、内部に流体が流れる流路を有するセラミックス焼結体からなる基体と、該基体上に設けられたニッケルを主成分とする第１金属部材と、該第１金属部材上に設けられたアルミニウムを主成分とする第２金属部材とを有し、前記基体と前記第１金属部材と、前記第１金属部材と前記第２金属部材とのそれぞれが金属ろう材にて接合されていることを特徴とするものである。

また、本発明の電子装置は、上記構成の流路部材の第２金属部材上に電子部品が搭載されていることを特徴とするものである。

本発明の流路部材によれば、内部に流体が流れる流路を有するセラミックス焼結体からなる基体と、基体上に設けられたニッケルを主成分とする第１金属部材と、第１金属部材上に設けられたアルミニウムを主成分とする第２金属部材とを有し、基体と第１金属部材と、第１金属部材と第２金属部材とのそれぞれが金属ろう材にて接合されている構成とすることで、安価な流路部材とすることができる。

また、本発明の電子装置は、上記構成の流路部材の前記第２金属部材上に電子部品が搭載されていることから、シンプルな構造で、安価な電子装置とすることができる。

本実施形態の流路部材の一例を示す断面図である。 本実施形態の流路部材の他の一例を一部抜粋して示す断面図であり、（ａ）は、基体および第２金属部材に対して第１金属部材が内側に配置されている、（ｂ）は、基体および第１金属部材に対して第２金属部材が内側に配置されている、（ｃ）は基体１に対して、第１金属部材および第２金属部材が内側に配置されている。 本実施形態の電子装置の一例を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本実施形態の流路部材の一例を示す断面図である。

図１に示す本実施形態の流路部材10は、内部に流体を流すための流路１ａを有するセラミックス焼結体からなる基体１上に、基体１側から順番に、金属ろう材４ａ、ニッケルを主成分とする第１金属部材２、金属ろう材４ｂ、アルミニウムを主成分とする第２金属部材３が形成されている。なお、セラミックス焼結体からなる基体１より、金属ろう材４ａ，ニッケルを主成分とする第１金属部材２，金属ろう材４ｂ、アルミニウムを主成分とする第２金属部材３の順番に融点が低く、また、熱膨張係数が基体１、第１金属部材２、第２金属部材３の順番に大きくなる。具体的には、セラミック焼結体からなる基体１の熱膨張係数は３〜11ｐｐｍ、ニッケルを主成分とする第１金属部材２の熱膨張係数は12〜14ｐｐｍ、アルミニウムを主成分とする第２金属部材３の熱膨張係数は19〜24ｐｐｍである。

そして、本実施形態の流路部材10は、内部に流体が流れる流路を有するセラミックス焼結体からなる基体１と、基体上に設けられたニッケルを主成分とする第１金属部材２と、第１金属部材２上に設けられたアルミニウムを主成分とする第２金属部材３とを有し、基体１と第１金属部材２と、第１金属部材２と第２金属部材３とのそれぞれが金属ろう材にて接合されていることが重要である。

本実施形態の流路部材10は、基体１上に設ける金属部材の構成を、金属ろう材４ａ、ニッケルを主成分とする第１金属部材２、金属ろう材４ｂ、アルミニウムを主成分とする第２金属部材３の順とすることで、これらの部材を一括で熱処理して形成することができる。それにより、各部材を別々に設ける必要がないことから、製造コストを低減することができ、安価な流路部材10とすることができる。

なお、図１に示す流路部材の一例を示す断面図では、流路部材10の左側に流体を流路部材10内に供給するための供給口１ｂと、流路部材10の右側に流体を流路部材10から排出するための排出口１ｃとが設けられている。このような構成とすれば、流体を基体１の流路１ａに流すことによって、基体１の熱交換効率を向上することができる。

また、供給口１ｂから供給された流体は、流路１ａを流れて排出口１ｃから排出されるが、流路１ａ内に障壁や突起体などを設けることによって意図的に乱流を発生させることにより、熱交換効率をさらに向上させることができる。

なお、障壁や突起体の材質は、基体１と同じ材質であることが好ましい。このような構成とすれば、基体１と障壁や突起体との接合性が高く、高い圧力の流体を流すことができるので、熱交換効率を向上することができる。

以下に、本実施形態の流路部材10を構成する各部材について順に説明する。

セラミックス焼結体からなる基体１は、アルミナ，ジルコニア，ムライト，炭化ケイ素，窒化珪素および窒化アルミニウムやこれらの複合材料からなることが好ましく、特にアルミナを主成分とすることが好ましい。アルミナを主成分とすれば、原料が安価であり、
また、大気雰囲気で焼成できることから製造コストも安価にすることが可能である。なお、主成分とは、構成する成分のうち80質量％以上の割合で占める成分のことをいい、以下同意である。

ここで、セラミックス焼結体からなる基体１は、アルミナを主成分とする場合には、マグネシア，シリカ，カルシアおよびジルコニアなどを含んでも構わない。マグネシア，シリカおよびカルシアなどの焼結助剤成分を含むことによって、低温での焼成を可能とし、より安価に製造することができる。また、ジルコニアを含むことによって、基体１の機械的強度を向上することができるとともに、基体１の熱膨張係数を大きくすることができ、第１金属部材２および第２金属部材３の熱膨張係数により近づけることができる。それにより、冷却および発熱を繰り返す環境における熱的信頼性を向上することができる。

続いて、第１金属部材２はニッケルを主成分としてなればよく、一方、第２金属部材３はアルミニウムを主成分としてなればよい、なおそれぞれにおいては、シリカや酸化硼素などのガラス成分を含んでも構わない。このようなガラス成分を含むことによって、金属ペースト印刷法で第１金属部材２や第２金属部材３を形成する際には、金属ろう材との密着強度を上げることができる。

また、第１金属部材２および第２金属部材３の厚みはそれぞれ50μｍ以上700μｍ以下
であることが好ましい。この厚みの範囲であれば、セラミックス焼結体からなる基体１と各金属部材との接合強度を維持しながら、基体１上に各金属部材を形成した後に一括で熱処理した場合でも、各金属部材が熱処理の際に生じる膨張および収縮の影響が小さくできる。それにより、基体１に対して反りの発生を抑制できるとともに、セラミックス焼結体からなる基体１と第１金属部材２および第２金属部材３との熱膨張係数の違いによって生じる応力を緩和することができる。

金属ろう材としてはアルミニウム，銀および銅などを主成分として含むものを用いることができる。金属ろう材からなる層４ａ，４ｂの厚みは10μｍ以上200μｍ以下であるこ
とが好ましい。この厚みの範囲であれば、金属ろう材からなる層４ａ，４ｂにおける熱抵抗を小さくしながら、基体１と第１金属部材２と、第１金属部材２と第２金属部材３とのそれぞれの接合性を高めることができるので、冷却および発熱を繰り返す環境における熱的信頼性を向上することができる。

また、本実施形態の流路部材10は、第１金属部材２の厚みが、第２金属部材３の厚みよりも厚いことが好ましい。このように、第１金属部材２の厚みが、第２金属部材３の厚みよりも厚いことにより、高温および低温の温度変化が繰り返し作用することによって、セラミックス焼結体からなる基体１と第２金属部材３との熱膨張係数の違いによって生じる応力を緩和でき、基体１の破損を抑制できる。

特に、第２金属部材３の厚みに対する第１金属部材２の厚みが、1.3倍以上1.7倍以下であることが好ましい。この厚みの範囲であれば、基体であるセラミックス焼結体からなる基体１と第２金属部材３との熱膨張係数の違いによって生じる応力についても、第１金属部材２を有することによって緩和できるうえに、基体１の反りの発生および基体１と各金属部材との剥がれの発生を抑えることができる。

ここで、本実施形態の流路部材10は、金属ろう材４ａ，４ｂがアルミニウムを含むことが好ましい。このように第２金属部材３と同じ成分であるアルミニウムを含むことで、第２金属部材３と第１金属部材２との接合性を高めることができる。それにより、熱的信頼性を向上することができる。また、セラミックス焼結体からなる基体１が金属ろう材４ａに含まれるアルミニウムと反応することにより化合物を形成し、基体１と第１金属部材２
との接合性を高めることができる。特に、基体１がアルミナを主成分とするセラミック焼結体であれば、基体１に含まれるアルミナと金属ろう材４ａに含まれるアルミニウムとが反応することにより、基体１と第１金属部材２との接合性を高めることができる。

なお、第１金属部材２と第２金属部材３との間に存在する金属ろう材層４ｂは、セラミックス焼結体からなる基体１と第１金属部材２との間に存在する金属ろう材層４ａよりもアルミニウムを多く含んでいることが好ましい。このような構成とすれば、各層の熱膨張係数を、基体１から第２金属部材３に向けて徐々に変化させることができる。それにより、金属部材２で受けた熱による影響を緩和でき、流路部材10の反りの発生を抑えることができるとともに、基体１および各層の接合性を高めることができる。

また、本実施形態の流路部材10は、金属ろう材４ａ，４ｂはニッケルを含むことが好ましい。このように金属ろう材が、第１金属部材２と同じ成分であるニッケルを含むことから第１金属部材２と基体１と、第１金属部材２と第２金属部材３とのそれぞれが接合性を高めることができるので、熱的信頼性をさらに向上することができる。

なお、基体１，第１金属部材２，第２金属部材３および金属ろう材層４ａ，４ｂの材質は、流路部材から所定の大きさの試料を切り出し、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）または透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）によるエネルギー分散型Ｘ線（ＥＤＳ）分析を行なうことによって、材質の特定および含有量も確認することができる。また、ＩＣＰ発光分光分析法または蛍光Ｘ線分析法によっても材質の特定および含有量を確認することができる。

なお、上述において、本実施形態の流路部材10を構成する金属ろう材４ａ，４ｂの両方が、ニッケルを含む場合とアルミニウムを含む場合とを説明してきたが、金属ろう材４ａがニッケルを含む構成、金属ろう材４ｂがアルミニウムを含む構成の組み合わせて用いてもよい。

図２は、本実施形態の流路部材の他の一例を一部抜粋して示す断面図であり、（ａ）は第１金属部材が他の部材より内側に配置されている、（ｂ）は第２金属部材が他の部材より内側に配置されている、（ｃ）基体１に対して、第１金属部材および第２金属部材が内側に配置されている。

本実施形態の流路部材20ａ〜20ｃは、流路部材20ａ〜20ｃの厚み方向における断面視において、第１金属部材２、第２金属部材３および基体１のうち少なくとも１つが、他の部材よりも内側に配置されていることが好ましい。

図２（ａ）は、基体１および第２金属部材３に対して、第１金属部材２が内側に配置されている断面図である。このような構成とすれば、流路部材20ａに対し樹脂やガラスをモールド処理することによって形成される保護層（図示せず）との接触面積を増やすことができるので、接合性を高めることができ、外部からの衝撃に対し信頼性を向上することができる。また、樹脂やガラスが食い込む様な形態になるので、さらに高い接合性を得ることができるので、外部からの衝撃に対しさらに信頼性を向上することができる。

また、図２（ｂ）は、基体１および第１金属部材２対して、第２金属部材３が内側に配置されている断面図である。このような構成とすれば、流路部材20ｂに対し樹脂やガラスをモールド処理することによって形成される保護層との接触面積を増やすことができるので、接合性を高めることができ、外部からの衝撃に対する信頼性を向上することができる。

また、図２（ｃ）は、基体１に対して、第１金属部材２および第２金属部材３が内側に
配置されている断面図である。この様な構成とすれば、流路部材20ｃに対し樹脂やガラスをモールド処理することによって形成される保護層との接触面積を増やすことができるので、接合性を高めることができ、外部からの衝撃に対する信頼性を向上することができる。

さらに、（以下図示せず）基体１の表面に凹部を設け、図２（ａ）および（ｃ）の形態の各金属部材が構成され、第１金属部材２が、基体１の凹部内に載置される構成であっても上記と同じ効果を有することができる。

なお、第１金属部材２および第２金属部材３は、他の部材よりも50μｍ以上100μｍ以
下内側に配置されていることが好ましい。この範囲であれば、他の部材との接合性を保ちつつ、樹脂やガラスとの接合性を高めることができる。

図３は、本実施形態の電子装置の一例を示す断面図である。

本実施形態の電子装置30は、第１金属部材２および第２金属部材３が２ヶ所に設けられており、一方の第１金属部材２および配線導体となる第２金属部材３の上に電極パット33を設けさらにその上に発熱体となる電子部品31を載置し、ボンディングワイヤ32よって他方の第１金属部材２および配線導体となる第２金属部材３と接合して、外部電源（図示せず）と通電することによって、電子部品31を作動することができる。したがって、流路部材10に配線導体となる第２金属部材３が形成されているために、部品点数が少ないシンプルな構造で、発熱体である電子部品31を搭載できるとともに、電子部品31と流路部材10の流路を流れる流体間には熱抵抗となる部品点数を最小限にしたため熱交換効率が高く、かつ、コストを抑えられる。

そして、この電子装置30は、例えば、電子部品をＬＥＤ（発光ダイオード）、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ）素子、ＧＴＯ（ゲートターンオフサイリスタ）素子などのパワー半導体とすることによって、ＬＥＤヘッドライトや、また、ＰＣＵ（パワーコントロールユニット）などの半導体モジュールや直流高電圧電源装置およびスイッチング装置など作動時に高熱を発する電子装置30として用いることができる。

以下、本実施形態の流路部材10，20〜20ｃの製造方法の一例について示す。

まず、基体１の作製にあたって、主成分をアルミナとする場合には、純度が90％以上であり平均粒径が１μｍ程度のアルミナ原料を用意し、これにバインダ、焼結助剤成分、溶媒および分散剤等を所定量添加して混合したスラリーを作製する。そして、このスラリーを、ドクターブレード法によって成形するか、噴霧造粒法（スプレードライ法）により噴霧乾燥して造粒した後、ロールコンパクション法によってシート成形することによって、焼成後の厚みが0.5ｍｍ以上1.5ｍｍ以下となる厚みであるグリーンシート成形体を作製する。

つぎに、作製した複数のグリーンシート成形体を基体の中を流体が流れる流路となるように所望の形状に積層するのが良く、障壁や突起体などを形成するためには、必要に応じて、各グリーンシートの厚みを変更したり、積層するグリーンシートの枚数を適所で変更してもよい。

また、それぞれのグリーンシートの接合面には、グリーンシートを作製するときに用いたものと同様のスラリーを接合剤として塗布し、グリーンシートを積層したあとに、平板状の加圧具を介して約0.5ＭＰａ程度の加圧を加え、そのあとに、約50〜70℃の温度で約10〜15時間乾燥させる。

なお、積層する前のグリーンシート成形体に対し、マイクロドリル加工やブラスト処理を行なうことによって、障壁、突起体や凹部などを形成してもよい。また、積層後に切削加工を施すことによって、供給口１ｂおよび排出口１ｃを形成してもよい。

そして、グリーンシート成形体を積層し、乾燥および脱脂した後、セラミック原料に応じた雰囲気および焼成温度において、例えば公知のプッシャー方式やローラー方式の連続トンネル炉で焼成することにより、内部に流体を流すための流路１ａを有した基板の形状とした基体１を得ることができる。

つぎに、アルミニウム，銀および銅などを主成分とする金属ろう材を印刷法で基体１上に塗布した後に乾燥し、ニッケルを主成分とする第１金属部材２をメッキ法または有機金属化合物で構成されたレジネート溶液を用いた塗布法で形成した後に乾燥し、その上に再び金属ろう材を印刷法で塗布し乾燥を行なう。そして、アルミニウムを主成分とする金属板を用意し、金属ろう材と密着させる。つぎに、不活性ガス雰囲気か真空雰囲気において、アルミニウムを主成分とする金属板の融点未満の温度で焼成することによって基体１の上に第１金属部材２および第２金属部材３を金属ろう材４ａ，４ｂにて接合することができる。このように、熱処理を一度に行なうことによって、工数を減らすことができるので、製造コストを抑えることができ、安価な流路部材とすることができる。なお、第１金属部材２の厚みを第２金属部材３の厚みより厚く形成するためには、第２金属部材３の厚みより厚くなるように第１金属部材２を複数回にわけて形成すればよい。

また、図２（ａ）に示すように、第１金属部材２が他の部材よりも内側に配置されるためには、第１金属部材２よりも幅の広い第２金属部材３を用意し接合するか、ニッケル選択性のある公知のエッチング溶液を使用し、所望の形状になるようにエッチング法で作製すればよい。

また、図２（ｂ）に示すように、第２金属部材３が他の部材よりも内側に配置されるためには、第１金属部材２よりも幅の狭い第２金属部材３を用意し接合して作製すればよい。
また、図３（ｃ）に示すように、第１金属部材２および第２金属部材３がその他の部材より内側に配置されるためには、基体１の幅よりも狭い第１金属部材２および第２金属部材３を用意し接合して作製すればよい。

１：基体
１ａ：流路，１ｂ：供給口，１ｃ：排出口
２：第１金属部材
３：第２金属部材
４ａ，４ｂ：金属ろう材
10，20ａ〜20ｃ：流路部材
30：電子装置
31：電子部品

Claims (6)

1. 内部に流体が流れる流路を有するセラミックス焼結体からなる基体と、
   該基体上に設けられたニッケルを主成分とする第１金属部材と、
   該第１金属部材上に設けられたアルミニウムを主成分とする第２金属部材とを有し、
   前記基体と前記第１金属部材と、前記第１金属部材と前記第２金属部材とのそれぞれが金属ろう材にて接合されていることを特徴とする流路部材。
2. 前記第１金属部材の厚みが、前記第２金属部材の厚みよりも厚いことを特徴とする請求項１に記載の流路部材。
3. 前記金属ろう材がアルミニウムを含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の流路部材。
4. 前記金属ろう材がニッケルを含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の流路部材。
5. 前記流路部材の厚み方向における断面視において、前記第１金属部材、前記第２金属部材および前記基体のうち少なくとも１つが、他の部材よりも内側に配置されてい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流路部材。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の流路部材の前記第２金属部材上に電子部品が搭載されていることを特徴とする電子装置。

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