JP2017034043A

JP2017034043A - アルミニウムと炭素粒子との複合体及び絶縁基板

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Publication number: JP2017034043A
Application number: JP2015151390A
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Inventors: 南　和彦; Kazuhiko Minami; 和彦南
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Publication date: 2017-02-09
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Abstract

【課題】絶縁基板の構成層として用いられるとともに外周側面からの炭素粒子の脱落が抑制されたアルミニウムと炭素粒子との複合体、絶縁基板及び絶縁基板の製造方法を提供すること。【解決手段】アルミニウムと炭素粒子12aとの複合体10は、アルミニウム系ろう材８を用いたろう付けにより他の構成層４と積層状に接合されるものである。複合体10の外周側面３に、複合体10と他の構成層４との接合界面７から複合体10の外周側面３に滲出するろう材８の滲出部8aを複合体２の外周側面３の周方向に誘導する誘導経路15が設けられている。【選択図】図２

Description

本発明は、アルミニウムと炭素粒子との複合体、電子素子等の発熱性素子が搭載される絶縁基板、及び、絶縁基板の製造方法に関する。

なお本明細書及び特許請求の範囲では、「アルミニウム」の語は、特に明示する場合を除き、純アルミニウムとアルミニウム合金との双方を含む意味で用いられ、また「板」の語は、特に明示する場合を除き、「箔」をも含む意味で用いられる。

また、本発明に係る絶縁基板の上下方向は限定されるものではないが、本明細書及び特許請求の範囲では、絶縁基板の構成を理解し易くするため、発熱性素子が搭載される絶縁基板の搭載面側を絶縁基板の上側、及び、その反対側を絶縁基板の下側とそれぞれ定義する。

金属と炭素粒子との複合材として、例えば特許文献１（特許第５１５０９０５号公報）や特許文献２（特許第５１４５５９１号公報）に記載されているように、アルミニウム層等の金属層と炭素粒子層としての炭素繊維層とが交互に複数積層されて接合一体化された複合材が知られている。この複合材は、高い熱伝導特性が必要な部材用の材料としての利用が期待されている。

特許第５１５０９０５号公報特許第５１４５５９１号公報

ところで、電子素子等の発熱性素子が搭載される絶縁基板は、一般に高い熱伝導特性を要求される。そこで、絶縁基板を構成する複数の構成層のうち少なくとも一つの構成層の材料として、上述の複合材を用いることが考えられる。

上述の複合材において、熱伝導率を高くするためには、炭素繊維層等の炭素粒子層をなるべく薄くするとともに炭素粒子の含有量をなるべく多くすることが望ましい。こうするためには、金属層と炭素粒子層をそれぞれ薄くして交互に複数積層させるのが良い。

ところが、金属層と炭素粒子層をこのように積層すると次のような問題が発生する虞があった。

すなわち、金属層と炭素粒子層を、各層の端部を揃えて交互に積層することが困難であり、また層の端部には層同士を接合するための加圧力が加わりにくいので、各層の端部が接合不良になり、この部分から炭素粒子が脱落し易いという問題があった。なお、もし炭素粒子が脱落すると、脱落した炭素粒子で電気的短絡が生じる虞がある。

上述の問題は、複合材が上述したような金属層と炭素粒子層との複合材である場合に限定されず、外周側面に炭素粒子が露出している、金属と炭素粒子との複合材に共通の問題である。

本発明は、上述した技術背景に鑑みてなされたもので、その目的は、絶縁基板の構成層として用いられるとともに外周側面からの炭素粒子の脱落が抑制されたアルミニウムと炭素粒子との複合体、絶縁基板及び絶縁基板の製造方法を提供することにある。

本発明は以下の手段を提供する。

［１］絶縁基板を構成するとともに互いに積層状に接合一体化される複数の構成層のうち少なくとも一つの構成層として用いられ、
アルミニウム系ろう材を用いたろう付けにより他の構成層と積層状に接合される、アルミニウムと炭素粒子との複合体であって、
複合体の外周側面に、複合体と前記他の構成層との接合界面からの前記ろう材の滲出部を複合体の前記外周側面の周方向に誘導する誘導経路が設けられているアルミニウムと炭素粒子との複合体。

［２］複合体は、アルミニウム層と炭素粒子層が交互に複数積層された状態で焼結複合化されたものであり、
前記誘導経路は、複合体の前記外周側面における前記アルミニウム層の外周面部からなる前項１記載のアルミニウムと炭素粒子との複合体。

［３］前記誘導経路は、複合体の前記外周側面にその周方向に延びて形成された誘導溝からなる前項１又は２記載のアルミニウムと炭素粒子との複合体。

［４］前記誘導溝の幅が２０μｍ以上２００μｍ以下に設定されている前項３記載のアルミニウムと炭素粒子との複合体。

［５］互いに積層状に接合一体化された複数の絶縁基板構成層を備え、
前記複数の構成層は、前項１〜４のいずれかに記載のアルミニウムと炭素粒子との複合体で形成された第１構成層と、前記第１構成層に対して積層状に配置される第２構成層とを含み、
前記第１構成層と前記第２構成層は、前記第１構成層と前記第２構成層との接合界面に介在されたアルミニウム系ろう材で互いに積層状に接合されたものであるとともに、
前記第１構成層の外周側面に前記ろう材の滲出部が固着している絶縁基板。

［６］前項１〜４のいずれかに記載のアルミニウムと炭素粒子との複合体で形成された第１構成層と、前記第１構成層に対して積層状に配置される第２構成層とを、前記第１構成層と前記第２構成層との間にアルミニウム系ろう材を介在させた状態でろう付けにより互いに接合するろう付け工程を備えている、絶縁基板の製造方法。

本発明は以下の効果を奏する。

前項［１］では、複合体の外周側面に誘導経路が設けられていることにより、複合体と他の構成層とをろう付けにより接合する際に、複合体と他の構成層との接合界面から複合体の外周側面に滲出したろう材の滲出部が誘導経路によって複合体の外周側面の周方向に誘導されて複合体の外周側面に固着する。これにより、複合体の外周側面からの炭素粒子の脱落を抑制することができる。

前項［２］では、誘導経路が、複合体の外周側面におけるアルミニウム層の外周面部からなることにより、複合体の外周側面に誘導経路を容易に付与することができる。

前記［３］では、誘導経路が誘導溝からなることにより、ろう材の滲出部を確実に誘導することができる。

前項［４］では、誘導溝の幅が所定範囲に設定されることにより、ろう材の滲出部を更に確実に誘導することができる。

前項［５］では、第１構成層が前項［１］〜［４］のいずれかに記載の複合体で形成されているので、第１構成層において前項［１］〜［４］のいずれかの効果を奏する。さらに、第１構成層は高い熱伝導特性（高い熱伝導率）を有しているので、絶縁基板の熱伝導特性を向上させることができる。

前項［６］では、前項［５］に記載の絶縁基板を確実に製造することができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る絶縁基板の概略正面図である。図２は、同絶縁基板における配線層の端部及びその近傍の概略拡大断面図である。図３は、図２中のＺ１部分の概略拡大図である。図４は、同配線層を製造する途中の状態の概略断面図である。図５は、同絶縁基板の配線層、絶縁層、緩衝層及び冷却層をろう付けにより接合一体化する途中の状態の概略正面図である。図６は、ろう付け開始後におけるろう材の滲出方向を説明する同配線層及び同絶縁層の概略平面図である。図７は、ろう付け開始後におけるろう材の滲出方向を説明する同配線層の概略拡大正面図である。図８は、図７に示した状態の時からろう材が更に滲出した状態及びその滲出方向を説明する同配線層の概略拡大正面図である。図９は、図８に示した状態の時からろう付が更に滲出した状態及びその滲出方向を説明する同配線層の概略拡大正面図である。図１０は、本発明の第２実施形態に係る絶縁基板における配線層の端部及びその近傍の概略拡大断面図である。図１１は、図１０中のＺ２部分の概略拡大図である。

次に、本発明の幾つかの実施形態について図面を参照して以下に説明する。

図１〜９は、本発明の第１実施形態を説明するための図である。

図１に示すように、本発明の第１実施形態に係る絶縁基板１Ａは、電子モジュール用基板（例：パワーモジュール用基板）等として用いられるものであり、複数の絶縁基板構成層が上下方向に積層された状態で接合一体化されて形成されたものである。

複数の構成層は、配線層２、絶縁層４、緩衝層５及び冷却層６を含む。そして、上から下へ順に、配線層２、絶縁層４、緩衝層５及び冷却層６が水平に且つ積層状に配置されるとともに、この積層状態でこれらの層２、４、５、６が所定の接合手段により接合一体化されている。接合手段としてはろう付けが用いられている。

なお本第１実施形態では、絶縁基板１Ａを構成する複数の構成層は冷却層６を含んでいるので、絶縁基板１Ａは冷却基板とも呼ばれている。

配線層２は、回路層とも呼ばれているものであり、その平坦な上面からなる搭載面１ａを有している。配線層２の形状は例えば平面視で略方形状である。配線層２の一辺長さは例えば１０〜１００ｍｍである。

本第１実施形態の絶縁基板１Ａでは、配線層２が本発明の第１実施形態に係るアルミニウムと炭素粒子との複合体１０で形成されている。配線層２（複合体１０）の詳細な構成については後述する。

配線層２の搭載面１ａには、発熱性素子（二点鎖線で示す）９がはんだ付けにより接合されて搭載される。発熱性素子９は半導体素子等の電子素子（例：ＩＧＢＴ素子）を含む。

搭載面１ａにおける発熱性素子９とのはんだ付け性を高めるため、搭載面１ａに発熱性素子９がはんだ付けにより接合される前に、搭載面１ａにはニッケル−リンめっき膜等のニッケルめっき膜（図示せず）が常法（例：電気ニッケルめっき法、無電解ニッケルめっき法）により搭載面１ａの全体に亘って略均一な厚さで形成される。

絶縁層４は、電気絶縁性を有しており、具体的には、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化ケイ素）、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）等のセラミック製である。絶縁層４の形状は例えば平面視で略方形状である。絶縁層４の一辺長さは配線層２の一辺長さよりも若干大きく設定されており、具体的には例えば１０．５〜１００．５ｍｍである。絶縁層４の厚さは例えば０．２〜１．５ｍｍである。

緩衝層５は、絶縁基板１Ａに発生する熱応力等の応力を緩和するための層である。さらに、緩衝層５はアルミニウム等の金属製であり、例えば、厚さ方向に貫通した複数の貫通孔（図示せず）を有するパンチングメタルで形成されている。緩衝層５の形状は平面視で略方形状であり、緩衝層５の一辺長さは例えば１０〜１００ｍｍである。緩衝層５の厚さは例えば０．２〜３ｍｍである。

冷却層６は、発熱性素子９の動作に伴い発熱した発熱性素子９を冷却するものである。本第１実施形態では、冷却層６として板状の冷却部材が用いられており、具体的には、発熱性素子９の熱を放散することで発熱性素子９を冷却する放熱部材（例：ヒートシンク）が用いられている。放熱部材はアルミニウム等の金属製であり、複数の放熱フィン６ａを有している。

なお本発明では、冷却層６は放熱部材であることに限定されるものではなく、その他に例えば、冷却液が流通する流通路を有する冷却部材であっても良い。

上述の絶縁基板１Ａでは、搭載面１ａに搭載された発熱性素子９で発生した熱は、発熱性素子９から配線層２、絶縁層４、緩衝層５及び冷却層６に順次伝導する。その結果、発熱性素子９が冷却されてその温度が低下する。

配線層２と絶縁層４は、図２及び３に示すようにアルミニウム系ろう材（ドットハッチングで示す）８を用いたろう付けにより積層状に接合されている。すなわち、図３に示すように、配線層２と絶縁層４との接合界面７には両層２、４を接合した薄い層状のろう材８が介在されている。さらに、図２に示すように、配線層２の外周側面３には両層２、４の接合界面７から配線層２の外周側面３に滲出したろう材８の滲出部８ａが配線層２の外周側面３の略全体を覆う状態にして配線層２の外周側面３に固着している。したがって、配線層２の外周側面３の略全体はろう材８の滲出部８ａで覆われている。

次に、本第１実施形態の絶縁基板１Ａの配線層２として用いられる複合体１０について以下に説明する。

複合体１０は、図２に示すように、アルミニウムと炭素粒子１２ａとが所定の焼結法により焼結複合化されたものである。複合体１０の形状は上述したように平面視で略方形状であり、その全体形状は板状（詳述すると平板状）である。複合体１０の厚さ（即ち配線層２の厚さ）は限定されるものではないが、特に０．２〜２ｍｍに設定されるのが望ましい。

焼結法は限定されるものではないが、放電プラズマ焼結法、ホットプレス法等の加熱加圧焼結法を用いることが望ましい。本第１実施形態では、焼結法として加熱加圧焼結法が用いられている。

本第１実施形態の複合体１０は、アルミニウム層１１と炭素粒子層１２が交互に複数積層された状態で一体に焼結複合化されたものである。なお、炭素粒子層１２は炭素粒子１２ａで形成された層である。

アルミニウム層１１のアルミニウムは限定されるものではなく、純アルミニウム系合金や高純度アルミニウム等が好適に用いられる。

次に、複合体１０をその望ましい製造方法に基づいて図４を参照して以下に説明する。

複合体１０の製造方法は、複合体１０のプリフォームを形成するプリフォーム形成工程と、複合体１０のプリフォームを焼結する焼結工程とを具備している。

本第１実施形態では、プリフォームを形成する方法として、アルミニウム層１１と炭素粒子層１２が交互に複数積層された状態のプリフォーム（これを説明の便宜上「積層プリフォーム」という）を形成する工程（この工程を「積層プリフォーム形成工程」という）が用いられる。

複合体１０の製造に用いられる炭素粒子１２ａの種類は限定されるものではないが、なるべく高い熱伝導率を有するもの、即ち高熱伝導性のものであることが望ましい。特に、炭素粒子１２ａは、炭素繊維、カーボンナノチューブ、グラフェン、天然黒鉛粒子及び人造黒鉛粒子からなる群より選択される少なくとも一種であることが望ましく、更に、炭素繊維、カーボンナノチューブ、グラフェン及び天然黒鉛粒子からなる群より選択される少なくとも一種であることがより望ましい。その理由は、複合体１０の熱伝導率を確実に向上させることができるし、アルミニウムと炭素粒子１２ａとの複合化を確実に行えるからである。

炭素繊維としては、ピッチ系炭素繊維、ＰＡＮ系炭素繊維などが用いられる。

カーボンナノチューブとしては、単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、気相成長炭素繊維（ＶＧＣＦ（登録商標））等が用いられる。

天然黒鉛粒子としては、鱗片状黒鉛粒子等が用いられる。

人造黒鉛粒子としては、等方性黒鉛粒子、異方性黒鉛粒子、熱分解黒鉛粒子等が用いられる。

炭素粒子１２ａの大きさは限定されるものではない。しかるに、炭素粒子１２ａが炭素繊維である場合、平均繊維長が１０μｍ以上２ｍｍ以下の短炭素繊維が特に好適に用いられる。炭素粒子１２ａがカーボンナノチューブである場合、平均長さが１μｍ以上１０μｍ以下のカーボンナノチューブが特に好適に用いられる。炭素粒子１２ａが天然黒鉛粒子及び人造黒鉛粒子である場合、平均粒子径が１０μｍ以上３ｍｍ以下の天然黒鉛粒子及び人造黒鉛粒子が特に好適に用いられる。

本第１実施形態では、炭素粒子１２ａとして炭素繊維（詳述すると短炭素繊維）が用いられている。

この場合において、望ましい積層プリフォーム形成工程は以下のとおりである。

すなわち、図４に示すように、アルミニウム板からなるアルミニウム層１１の片面又は両面上に炭素粒子層（詳述すると炭素繊維層）１２を塗工し、これにより塗工アルミニウム層１３を得る。次いで、塗工アルミニウム層１３を複数積層し、これにより積層プリフォームを形成する。塗工アルミニウム層１３の積層枚数は限定されるものではないが、５〜５００枚であることが特に望ましい。

本第１実施形態では、各塗工アルミニウム層１３において、炭素粒子層１２は、アルミニウム層１１の片面（詳述すると上面）上に、炭素粒子層１２中の炭素粒子（炭素繊維）１２ａの長さ方向が一方向に揃う状態になるように塗工されている。そして、互いに重なり合う二つの塗工アルミニウム層１３、１３において一方の塗工アルミニウム層１３の炭素粒子層１２中の炭素粒子（炭素繊維）１２ａの長さ方向と他方の塗工アルミニウム層１３の炭素粒子層１２中の炭素粒子（炭素繊維）１２ａの長さ方向とが平面視で約９０°の角度をなす態様にして、複数の塗工アルミニウム層１３が上下方向に積層されている。

アルミニウム層１１の厚さは限定されるものではないが、５〜２００μｍであることが特に望ましい。

炭素粒子層１２の厚さは限定されるものではないが、１〜１００μｍであることが特に望ましい。

また、炭素粒子層１２中に含まれる炭素粒子（詳述すると炭素繊維）１２ａの塗工量は限定されるものではないが、１ｇ／ｍ^２以上４０ｇ／ｍ^２以下であることが特に望ましい。塗工量が１ｇ／ｍ^２以上であることにより、複合体１０の熱伝導率を確実に向上させることができる。塗工量が４０ｇ／ｍ^２以下であることにより、複合体１０内での層間剥離を確実に抑制することができる。

さらに、炭素粒子層１２は、複合体１０に対する炭素粒子１２ａの体積含有率が２体積％以上７０体積％以下になるように塗工されることが望ましい。炭素粒子１２ａの体積含有率が２体積％以上であることにより、複合体１０の熱伝導率を確実に向上させることができる。炭素粒子１２ａの体積含有率が７０体積％以下であることにより、積層状に配置された複数の塗工アルミニウム層１３を確実に一体に焼結することができる。炭素粒子１２ａの体積含有率の特に望ましい下限値は３体積％であり、その特に望ましい上限値は５０体積％である。

炭素粒子層１２の塗工方法は限定されるものではないが、特に、炭素粒子１２ａとバインダーとバインダー用溶剤とが混合されてなる塗工液をロールコータ等の塗工装置（図示せず）によりアルミニウム層１１上に連続的に塗工する方法であることが望ましい。この塗工方法の場合、アルミニウム層１１上に塗工された炭素粒子層１２を塗工後に乾燥及び加熱処理し、これにより炭素粒子層１２中に含まれる溶剤及びバインダーを除去することが望ましい。

望ましい焼結工程は以下のとおりである。

焼結工程では、加熱加圧焼結法によって、所定の焼結金型（図示せず）内で積層プリフォームをその厚さ方向（即ち塗工アルミニウム層１３の積層方向）に加圧及び加熱しながら焼結する。これにより、本第１実施形態の複合体１０が製造される。

複合体１０において、焼結時に積層プリフォームが加圧及び加熱されることにより、各アルミニウム層１１の一部が積層プリフォーム内に存在する微細な空隙（例：炭素粒子層１２中の炭素粒子１２ａ間の隙間）に塑性流動して当該空隙（隙間）に充填される。これにより当該空隙（隙間）が略消滅する。

加熱加圧焼結法としては限定されるものではないが、焼結金型として密閉金型を用いた加熱加圧焼結法であることが望ましい。

そのような加熱加圧焼結法として放電プラズマ焼結法を用いる場合における望ましい焼結条件は以下のとおりである。

焼結温度は４５０〜６４０℃、焼結時間（即ち焼結温度の保持時間）は１０〜３００ｍｉｎ、積層プリフォームへの加圧力は５〜４０ＭＰａである。

以上の製造方法により得られた複合体１０は、上述したように絶縁基板１Ａの配線層２として用いられる。換言すると、絶縁基板１Ａの配線層２は複合体１０で形成される。

図２に示すように、配線層２（複合体１０）の外周側面３には、アルミニウム層１１の外周面部３ａと炭素粒子層１２の外周面部３ｂとが配線層２の厚さ方向（即ちアルミニウム層１１と炭素粒子層１２との積層方法）に交互に複数配置されている。さらに、アルミニウム層１１の外周面部３ａと炭素粒子層１２の外周面部３ｂとはそれぞれ配線層２の外周側面３の周方向に連続して延びた状態（詳述すると、配線層２の外周側面３の全周に亘って連続して延びた状態）にして配線層２の外周側面３に配置されている。

配線層２の外周側面３における各アルミニウム層１１の外周面部３ａにはアルミニウムが露出しており、また、配線層２の外周側面３における各炭素粒子層１２の外周面部３ｂには多数の炭素粒子１２ａが露出している。

本第１実施形態では、配線層２の外周側面３における各アルミニウム層１１の外周面部３ａが、配線層２と絶縁層４との接合界面７から配線層２の外周側面３に滲出したろう材８の滲出部８ａを配線層２の外周側面３の周方向に誘導する誘導経路１５を構成している。

次に、上述の複合体１０で形成された配線層２を用いた絶縁基板１Ａの望ましい製造方法について以下に説明する。

図５に示すように、載置台１７上に配線層２と絶縁層４と緩衝層５と冷却層６を水平に且つ積層状に配置する。この際に互いに重なり合う二つの層間にそれぞれ層状のろう材を介在させる。すなわち、配線層２と絶縁層４との間に層状のろう材８を挟み、且つ、絶縁層４と緩衝層５との間に層状のろう材２０を挟み、且つ、緩衝層５と冷却層６との間に層状のろう材２１を挟む。そして、配線層２と絶縁層４と緩衝層５と冷却層６をこれらの積層方向にろう付け荷重１８を加えた状態で所定のろう付け雰囲気中にて加熱することにより、配線層２と絶縁層４と緩衝層５と冷却層６をろう付けにより一括して接合一体化する。この工程をろう付け工程という。

各ろう材８、２０、２１として例えばろう材板（詳述するとろう材箔）が用いられる。ただし本発明では、ろう材としてろう材板が用いられることに限定されるものではなく、その他に例えばブレージングシートが用いられても良い。さらに、ろう材は、こららの層２、４、５、６における互いに重なり合う二つの層のうち少なくとも一方の層の接合面に予め焼結又はクラッドされていても良い。

配線層２と絶縁層４との間に介在されるろう材８としては、上述したようにアルミニウム系ろう材が用いられる。

絶縁層４と緩衝層５との間に介在されるろう材２０は、絶縁層４と緩衝層５とを接合するためのものであり、例えば、配線層２と絶縁層４との間に介在されるろう材８と同じアルミニウム系ろう材が用いられる。

緩衝層５と冷却層６との間に介在されるろう材２１は、緩衝層５と冷却層６とを接合するためのものであり、例えば、配線層２と絶縁層４との間に介在されるろう材８と同じアルミニウム系ろう材が用いられる。

配線層２と絶縁層４との間に介在されるろう材８は、アルミニウム系ろう材であれば限定されるものではないが、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材であることが望ましい。その理由は、ろう材８の滲出部８ａが配線層２の外周側面３における各アルミニウム層１１の外周面部３ａ（即ち誘導経路１５）で確実に周方向に誘導されるようになるからである。

さらに、ろう材８は、Ｍｇ、Ｂｉ及びＳｒからなる群より選択される少なくとも一つの元素が添加されたＡｌ−Ｓｉ系ろう材であることが特に望ましい。その理由は次のとおりである。

すなわち、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材にＭｇが添加されることにより、ろう付けを例えば真空ろう付けで行う場合でも、配線層２と絶縁層４を確実に強固に接合することができる。さらに、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材にＢｉやＳｒが添加されることにより、ろう材８の流動性が向上し、その結果、ろう材８の滲出部８ａが各アルミニウム層１１の外周面部３ａ（誘導経路１５）で更に確実に周方向に誘導されるようになる。

Ｍｇの添加量は限定されるものではないが、Ｍｇの特に望ましい添加量は、ろう材全体に対して０．１質量％以上３質量％以下である。

Ｂｉの添加量は限定されるものではないが、Ｂｉの特に望ましい添加量は、ろう材全体に対して０．０１質量以上２質量％以下である。

Ｓｒの添加量は限定されるものではないが、Ｓｒの特に望ましい添加量は、ろう材全体に対して０．０００１質量％以上０．３質量％以下である。

ろう付け工程で適用されるろう付け手段は、配線層２と絶縁層４と緩衝層５と冷却層６を一括して接合可能なろう付け手段であれば限定されるものではないが、特に真空ろう付けが好適に適用される。その理由は、これらの層２、４、５、６を確実に良好に接合一体化することができるし、更に、炭素粒子層１２の塗工方法として、炭素粒子１２ａとバインダーとバインダー用溶剤とが混合されてなる塗工液をロールコータ等の塗工装置によりアルミニウム層１１上に塗工する上述の塗工方法が用いられている場合において、炭素粒子層１２中に含有されるバインダーをろう付け時に蒸発除去できるからである。

ろう付け工程で適用されるろう付け条件は、配線層２と絶縁層４と緩衝層５と冷却層６を一括して接合可能なろう付け条件であれば限定されるものではない。しかるに、配線層２と絶縁層４との間に介在されたろう材８を両層２、４間から滲出させ易くするため、ろう付け温度はなるべく高い方が望ましく、更に、ろう付け温度の保持時間はなるべく長い方が望ましい。具体的には、ろう付け温度は５９０℃以上６２０℃以下であることが望ましく、ろう付け温度の保持時間は１０ｍｉｎ以上６０ｍｉｎ以下であることが望ましい。

また、ろう付け温度からの冷却速度は限定されるものではないが、なるべく速い方が望ましく、具体的には、ろう付け温度から２００℃までの間の冷却速度が３０℃／ｍｉｎ以上１００℃／ｍｉｎ以下であることが望ましい。

ろう付け荷重１８は限定されるものではないが、特に０．０１〜２Ｎ／ｍｍ^２であることが望ましい。その理由は、配線層２と絶縁層４との間に介在されたろう材８を両層２、４間から確実に滲出させることができるからである。

ろう付け工程のろう付け開始直後では、配線層２と絶縁層４との間に介在されたろう材８は、ろう付け温度に加熱されることにより溶融するとともに、溶融したろう材８の一部が図６及び７に示すように配線層２と絶縁層４との間（即ち両層２、４の接合界面７）から配線層２の外周縁の複数箇所（詳述すると多数箇所）にて配線層２の外周側面３へ滲出する。これらの図において、符号「１６」（矢印）は、この際のろう材８の滲出方向を示している。そして、ろう材８の滲出部８ａが配線層２の外周側面３上を両層２、４の接合界面７から離れる方向（即ち配線層２の搭載面１ａへ向かう方向）に徐々に移動し、つまりろう材８の滲出部８ａが配線層２の外周側面３上を徐々に滲み上がる。

ここで、配線層２の外周側面３において、アルミニウム層１１の外周面部３ａの、溶融したろう材８に対する濡れ性は、炭素粒子層１２の外周面部３ｂのそれよりも良好である。したがって、図７〜９に示すように、ろう材８の滲出部８ａが配線層２の外周側面３における各アルミニウム層１１の外周面部３ａに到達したとき、ろう材８の滲出部８ａは各アルミニウム層１１の外周面部３ａに沿って配線層２の外周側面３の周方向に誘導されて周方向に広がる。このように、ろう材８の滲出部８ａは、各アルミニウム層１１の外周面部３ａで配線層２の外周側面３の周方向に誘導されて周方向に広がりながら配線層２の外周側面３上を滲み上がる。

そして、ろう付け工程のろう付け終了時において、溶融したろう材８がろう付け温度から冷却されて凝固することにより、配線層２と絶縁層４とが両層２、４の接合界面７に介在されたろう材８で積層状に接合されるとともに、ろう材８の滲出部８ａが配線層２の外周側面３の略全体を覆う状態にして配線層２の外周側面３に固着する。

さらに、このろう付け工程では、配線層２と絶縁層４とが上述のように接合されると同時に、絶縁層４と緩衝層５とが両層４、５の接合界面に介在されたろう材２０で接合されるとともに、緩衝層５と冷却層６とが両層５、６の接合界面に介在されたろう材２１で接合される。その結果、配線層２と絶縁層４と緩衝層５と冷却層６が一括して接合一体化されて第１実施形態の絶縁基板１Ａが得られる。

上記第１実施形態の絶縁基板１Ａは次の利点を有している。

配線層２（複合体１０）の外周側面３に誘導経路１５として各アルミニウム層１１の外周面部３ａが配置されているので、配線層２と絶縁層４とをろう付けにより接合する際に、配線層２と絶縁層４との接合界面７から配線層２の外周側面３に滲出したろう材８の滲出部８ａが各アルミニウム層１１の外周面部３ａで配線層２の外周側面３の周方向に誘導されて外周側面３に固着する。これにより、配線層２の外周側面３の機械的強度を向上させることができるとともに、配線層２の外周側面３からの炭素粒子１２ａの脱落を抑制することができる。

さらに、配線層２の外周側面３に誘導経路１５を容易に付与することができる。

図１０及び１１は本発明の第２実施形態を説明するための図である。これらの図では、上記第１実施形態の絶縁基板１Ａと同じ要素に同一の符号が付されている。

図１０に示すように、本発明の第２実施形態に係る絶縁基板１Ｂでは、配線層２はアルミニウムと炭素粒子との複合体１０で形成されている。そして、配線層２と絶縁層４が両層２、４の接合界面７に介在されたろう材８で接合されるとともに、接合界面７から配線層２の外周側面３に滲出したろう材８の滲出部８ａが配線層２の外周側面３の略全体を覆う状態にして配線層２の外周側面３に固着している。

配線層２（複合体１０）の外周側面３には、配線層２の外周側面３の周方向に延びた複数の溝３ｃ（当該溝を「誘導溝３ｃ」という）が誘導経路１５として並列状に所定ピッチで形成されている。本第２実施形態では、各誘導溝３ｃは詳述すると配線層２の外周側面３にその周方向の全周に亘って延びて形成されている。

誘導溝３ｃの断面形状は限定されるものではないが、特に略Ｖ字状に形成されるのが望ましい。誘導溝３ｃの幅は限定されるものではないが、特に２０μｍ以上２００μｍ以下に設定されることが望ましい。その理由は、ろう材８の滲出部８ａを配線層２の外周側面３の周方向に確実に誘導することができるからである。

誘導溝３ｃの深さは限定されるものではないが、５μｍ以上１００μｍ以下に設定されることが望ましい。また、誘導溝３ｃのピッチは限定されるものではないが、２０μｍ以上３００μｍ以下に設定されることが望ましい。これらの理由は、ろう材８の滲出部８ａを配線層２の外周側面３の周方向に確実に誘導することができるからである。

本第２実施形態の配線層２を形成する複合体１０は、上記第１実施形態と同じように、アルミニウム層１１と炭素粒子層１２が交互に複数積層された状態で焼結複合化されたものであっても良いし（図２参照）、その他の複合形態の複合体であっても良い。

その他の複合形態の複合体としては限定されるものではないが、特に、アルミニウム粉末と炭素粒子（例：炭素粉末）とが混合状態で一体に焼結複合化された複合体が好適に用いられる。

アルミニウム粉末の粒子径は限定されるものではないが、アルミニウム粉末の平均粒子径が２０〜５００μｍであることが特に望ましい。

さらに、アルミニウム粉末及び／又は炭素粒子は表面処理が施されたものであっても良い。表面処理としては、複合化を良好にするためＮｉめっき処理又はＣｕめっき処理を採用することが望ましい。

本第２実施形態の絶縁基板１Ｂは、上述の第１実施形態の絶縁基板１Ａの製造方法と同じ方法で製造可能である。

本第２実施形態では、ろう付け工程のろう付け開始直後において、配線層２と絶縁層４との接合界面７から配線層２の外周側面３に滲出したろう材８の滲出部８ａは、配線層２の外周側面３の各誘導溝３ｃに到達したとき、各誘導溝３ｃに沿って配線層２の外周側面３の周方向に誘導されて周方向に広がる。このように、ろう材８の滲出部８ａは、各誘導溝３ｃで配線層２の外周側面３の周方向に誘導されて周方向に広がりながら配線層２の外周側面３上を滲み上がる。

以上で本発明の幾つかの実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で様々に変更可能である。

また、本発明に係るアルミニウムと炭素粒子との複合体は、絶縁基板の配線層として用いられるものに限定されるものではなく、その他に例えば絶縁基板の緩衝層として用いられるものであっても良い。したがって、本発明に係る絶縁基板は、例えば、配線層が本発明の複合体で形成されていても良いし、緩衝層が本発明の複合体で形成されていても良いし、配線層と緩衝層がそれぞれ本発明の複合体で形成されていても良い。

また、上記実施形態のろう付け工程では、配線層２と絶縁層４と緩衝層５と冷却層６を一括して接合一体化しており、これにより絶縁基板１Ａの製造工程数を削減できるという利点がある。しかるに本発明では、上記実施形態のようにこれらの層２、４、５、６を一括して接合一体化することに限定されるものではなく、その他に例えば、配線層２と絶縁層４との二層だけを接合しても良いし、配線層２と絶縁層４と緩衝層５との三層だけを接合しても良い。

次に、本発明の具体的な実施例及び比較例について以下に示す。ただし本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

以下の実施例では、実施例を理解し易くするため、実施例の複合体の要素に上記第１実施形態で用いた符号を付して実施例を説明する。

＜実施例１＞
本実施例１では、図１〜９に示した上記第１実施形態のアルミニウムと炭素粒子１２ａとの複合体１０を以下の製造方法で製造した。

長尺なアルミニウム板からなるアルミニウム層１１の上面上に炭素粒子層１２を塗工し、これを平面視で正方形状に複数切断することで複数の塗工アルミニウム層１３を得た。

アルミニウム層１１を形成するアルミニウム板の材質は、ＪＩＳ（日本工業規格）で規定されたアルミニウム合金記号Ａ１Ｎ３０であり、その厚さは２０μｍであった。塗工アルミニウム層１３の寸法は縦２５ｍｍ及び横２５ｍｍであった。

炭素粒子層１２中に含まれる炭素粒子１２ａとしては、平均繊維長１５０μｍ及び平均繊維径１０μｍのピッチ系炭素繊維（詳述するとピッチ系短炭素繊維）を使用した。アルミニウム層１１上への炭素粒子１２ａ（ピッチ系短炭素繊維）の塗工量は２１ｇ／ｍ^２であった。

次いで、塗工アルミニウム層１３を上下方向に３０枚積層して積層プリフォームを形成した。そして、放電プラズマ焼結装置を用いて積層プリフォームを放電プラズマ焼結法により焼結し、これによりアルミニウムと炭素粒子１２ａ（ピッチ系短炭素繊維）との複合体１０を製造した。

この焼結に適用した焼結条件は以下のとおりであった。

焼結温度は６２０℃、焼結時間は１ｈ、積層プリフォームへの加圧力は１５ＭＰａ、真空度は１０Ｐａであった。

次いで、複合体１０からなる配線層２と絶縁層４と緩衝層５と冷却層６を真空ろう付けにより一括して接合一体化し、これにより絶縁基板１Ａを製造した。

このろう付けに適用したろう付け条件は以下のとおりであった。

ろう付け温度は６００℃、ろう付け温度の保持時間は２０ｍｉｎ、真空度は１０^-3Ｐａ、ろう付け荷重は０．１Ｎ／ｍｍ^２、ろう付け温度から２００℃までの間の冷却速度は５０℃／ｍｉｎであった。

また、配線層２と絶縁層４を接合したアルミニウム系ろう材８は、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系ろう材であり、厚さ２５μｍ、縦２５ｍｍ及び横２５ｍｍの板状のろう材（即ちろう材板）を用いた。

製造された絶縁基板１Ａにおいて、配線層２と絶縁層４との接合界面７から配線層２の外周側面３に滲出したろう材８の滲出部８ａは、配線層２の外周側面３の略全体を覆う状態にして配線層２の外周側面３に固着しており、配線層２の外周側面３からの炭素粒子１２ａの脱落は確認できなかった。

＜実施例２＞
本実施例２では、上記実施例１と同じ製造方法及び条件でアルミニウムと炭素粒子１２ａとの複合体１０を製造した。次いで、複合体１０の外周側面３にその周方向の全周に亘って延びた複数の誘導溝３ｃを誘導経路１５として並列状に所定ピッチで形成した。誘導溝３ｃの断面形状はＶ字状であり、誘導溝３ｃの幅は５０μｍであり、誘導溝３ｃのピッチは５０μｍであった。

次いで、複合体１０からなる配線層２と絶縁層４と緩衝層５と冷却層６とを真空ろう付けにより一括して接合一体化し、これにより絶縁基板１Ｂを製造した。このろう付けに適用したろう付け条件は上記実施例１と同じである。

製造された絶縁基板１Ｂにおいて、配線層２と絶縁層４との接合界面７から配線層２の外周側面３に滲出したろう材８の滲出部８ａは、配線層２の外周側面３の略全体を覆う状態にして配線層２の外周側面３に固着しており、配線層２の外周側面３からの炭素粒子１２ａの脱落は確認できなかった。

＜比較例＞
本比較例では、アルミニウムと炭素粒子との複合材として、アルミニウム粉末と炭素粒子とを混合した状態で一体に焼結複合化することにより複合体を製造した。炭素粒子としては、平均繊維長１５０μｍ及び平均繊維径１０μｍのピッチ系炭素繊維（詳述するとピッチ系短炭素繊維）を使用した。

次いで、複合体からなる配線層と絶縁層と緩衝層と冷却層とを真空ろう付けにより一括して接合一体化し、これにより絶縁基板を製造した。このろう付けに適用したろう付け条件は上記実施例１と同じである。

製造された絶縁基板において、配線層と絶縁層との接合界面から配線層の外周側面に滲出したろう材の滲出部は、配線層の外周側面の周方向にあまり広がっておらず、配線層の外周側面からの炭素粒子の脱落が確認された。

本発明は、アルミニウムと炭素粒子との複合体、電子素子等の発熱性素子が搭載される絶縁基板、及び、絶縁基板の製造方法に利用可能である。

１Ａ、１Ｂ：絶縁基板
２：配線層
３：配線層の外周側面
３ａ：アルミニウム層の外周面部
３ｂ：炭素粒子層の外周面部
４：絶縁層
５：緩衝層
６：冷却層
７：配線層と絶縁層との接合界面
８：ろう材
８ａ：ろう材の滲出部
１０：アルミニウムと炭素粒子との複合体
１１：アルミニウム層
１２：炭素粒子層
１５：誘導経路

Claims

絶縁基板を構成するとともに互いに積層状に接合一体化される複数の構成層のうち少なくとも一つの構成層として用いられ、
アルミニウム系ろう材を用いたろう付けにより他の構成層と積層状に接合される、アルミニウムと炭素粒子との複合体であって、
複合体の外周側面に、複合体と前記他の構成層との接合界面からの前記ろう材の滲出部を複合体の前記外周側面の周方向に誘導する誘導経路が設けられているアルミニウムと炭素粒子との複合体。
複合体は、アルミニウム層と炭素粒子層が交互に複数積層された状態で焼結複合化されたものであり、
前記誘導経路は、複合体の前記外周側面における前記アルミニウム層の外周面部からなる請求項１記載のアルミニウムと炭素粒子との複合体。
前記誘導経路は、複合体の前記外周側面にその周方向に延びて形成された誘導溝からなる請求項１又は２記載のアルミニウムと炭素粒子との複合体。
前記誘導溝の幅が２０μｍ以上２００μｍ以下に設定されている請求項３記載のアルミニウムと炭素粒子との複合体。
互いに積層状に接合一体化された複数の絶縁基板構成層を備え、
前記複数の構成層は、請求項１〜４のいずれかに記載のアルミニウムと炭素粒子との複合体で形成された第１構成層と、前記第１構成層に対して積層状に配置される第２構成層とを含み、
前記第１構成層と前記第２構成層は、前記第１構成層と前記第２構成層との接合界面に介在されたアルミニウム系ろう材で互いに積層状に接合されたものであるとともに、
前記第１構成層の外周側面に前記ろう材の滲出部が固着している絶縁基板。
請求項１〜４のいずれかに記載のアルミニウムと炭素粒子との複合体で形成された第１構成層と、前記第１構成層に対して積層状に配置される第２構成層とを、前記第１構成層と前記第２構成層との間にアルミニウム系ろう材を介在させた状態でろう付けにより互いに接合するろう付け工程を備えている、絶縁基板の製造方法。