JP2019145740A - Heat radiation substrate - Google Patents

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Abstract

To provide a heat radiation substrate which achieves excellent heat cycle resistance characteristics in a wide temperature range even when including a heat radiation copper plate having a relatively large thickness.SOLUTION: A heat radiation substrate 1 disposed in here includes: a ceramic substrate 2; a copper plate 6; and an intermediate layer 4 which integrally joins the ceramic substrate 2 to the copper plate 6. The intermediate layer 4 includes a lamination structure including a first intermediate layer 41 which is mainly composed of copper and does not include a glass component, a second intermediate layer 42 mainly composed of copper and including the glass component, and a third intermediate layer 43 mainly composed of silver from a side which contacts with the ceramic substrate 2.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、基材に発生した熱を放熱するのに適した放熱性基板とその利用に関する。   The present invention relates to a heat dissipating substrate suitable for dissipating heat generated in a base material and use thereof.

電気エネルギーの効率的な利用のために、電力用半導体素子(いわゆるパワーデバイス)が不可欠な存在となっている。また、省電力、高寿命の高輝度・パワーLEDランプ等に用いられる照明用半導体素子(いわゆるハイパワーLEDデバイス)の需要も高まっている。このような半導体技術の急速な進展に伴い、パワーデバイスの大電流化および高耐圧化も急速に進行している。   Power semiconductor elements (so-called power devices) are indispensable for the efficient use of electric energy. There is also an increasing demand for semiconductor elements for illumination (so-called high power LED devices) used in power-saving, long-life, high-luminance, power LED lamps and the like. Along with such rapid progress of semiconductor technology, power devices are rapidly increasing in current and withstand voltage.

パワーデバイスは、より大電力を制御するものであるほど発熱が大きくなり得る。また、パワーデバイスは、単数もしくは複数のものを1つのパッケージに納めたパワーモジュールの形態や、制御回路・駆動回路・保護回路などをも含めてモジュール化したインテリジェントパワーモジュールの形態で設計されてもいる。したがって、発熱量が特に大きく、また高い信頼性が求められる用途のデバイスに対しては、従来のシリコン基板に代わって、電力損失の小さい炭化ケイ素(SiC)や窒化ケイ素(Si)等の耐熱性の高い絶縁性基板への置換が進められている。これらSiCおよび/またはSi基板は、シリコン基板と比較して高熱での動作が可能である、高速のスイッチング動作が可能である等の利点がある。また、これらの絶縁性基板の放熱性を高めるために、半導体素子が搭載される側とは反対側の基板表面に熱伝導性の高い銅からなる放熱シート(放熱機構)等を接合し、この放熱機構を介して基板の熱を外部に放出する構成が、好適に採用されている。このような絶縁性基板の放熱性を高める従来技術として、例えば、特許文献1〜6が挙げられる。 The power device can generate more heat as it controls more power. Also, power devices can be designed in the form of a power module that includes one or more devices in a single package, or in the form of an intelligent power module that includes a control circuit, drive circuit, protection circuit, etc. Yes. Therefore, silicon carbide (SiC), silicon nitride (Si 3 N 4 ), etc. with low power loss are used in place of conventional silicon substrates for devices that require a particularly large calorific value and high reliability. Replacement with an insulating substrate having high heat resistance is in progress. These SiC and / or Si 3 N 4 substrates are advantageous in that they can be operated at a higher temperature than the silicon substrate and can be switched at a high speed. In order to improve the heat dissipation of these insulating substrates, a heat dissipation sheet (heat dissipation mechanism) made of copper having high thermal conductivity is joined to the substrate surface opposite to the side on which the semiconductor element is mounted. A configuration in which the heat of the substrate is released to the outside through a heat dissipation mechanism is suitably employed. For example, Patent Documents 1 to 6 include conventional techniques for improving the heat dissipation of such an insulating substrate.

特開2011−014924号公報JP 2011-014924 A 特開平11−079872号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-079872 特開平08−059375号公報JP 08-059375 A 特開2006−089290号公報JP 2006-089290 A 国際公開第2008/081758号公報International Publication No. 2008/081758 特開2015−115521号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2015-115521

その一方で、ハイブリッド自動車や鉄道車両等を駆動するためのインバータ素子等は、200℃を超える環境での使用が想定されている。そのため、パワーデバイスおよびパワーモジュールについては、従来よりもより一層高い放熱性および耐熱性が求められている。例えば、従来求められていたヒートサイクル耐性がおおよそ−20℃〜150℃程度であったのに対し、昨今では、例えば、−40℃〜250℃程度というより広く高い温度域でのヒートサイクル耐性が求められつつある。   On the other hand, an inverter element or the like for driving a hybrid vehicle or a rail vehicle is assumed to be used in an environment exceeding 200 ° C. For this reason, power devices and power modules are required to have higher heat dissipation and heat resistance than before. For example, while the heat cycle resistance that has been conventionally required is approximately -20 ° C to 150 ° C, recently, for example, the heat cycle resistance in a wider and higher temperature range of, for example, -40 ° C to 250 ° C. It is being sought.

そのため、絶縁性基板の発熱を開放する放熱機構に関しても、従来のメタライズ基板のような薄い金属箔あるいは金属薄板ではなく、より厚みの厚い金属の厚板が採用されている。ここで、放熱機構が薄板であれば、この金属薄板がある程度撓むことにより熱応力を解放できていた。しかしながら、放熱機構として金属厚板を採用すると、金属厚板は撓み難いために、絶縁性基板と金属厚板との接合界面における熱応力が増大されるという新たな問題が生じてきた。とりわけ上記の銅は、熱膨張係数が高いことから熱応力がより一層高くなる。その結果、絶縁性基板が上記のような低温域から高温域に亘る広い温度変化に晒されると、熱応力によって絶縁性基板とヒートシンクとが剥離したり、絶縁性基板が金属厚板の膨張に追随できずに破損したりするという問題があった。そのため、高負荷時の熱応力による破損が抑制され、円滑な放熱を長期に亘って安定して維持することができる絶縁性基板が求められている。   For this reason, a thicker metal plate is used instead of a thin metal foil or metal thin plate as in the conventional metallized substrate for the heat dissipation mechanism that releases heat from the insulating substrate. Here, if the heat dissipation mechanism is a thin plate, thermal stress can be released by bending the metal thin plate to some extent. However, when a thick metal plate is used as the heat dissipation mechanism, the metal thick plate is difficult to bend, and thus a new problem has arisen in that the thermal stress at the bonding interface between the insulating substrate and the thick metal plate is increased. In particular, the above-described copper has a higher thermal expansion coefficient, so that the thermal stress is further increased. As a result, when the insulating substrate is exposed to a wide temperature change from the low temperature range to the high temperature range as described above, the insulating substrate and the heat sink are peeled off due to thermal stress, or the insulating substrate expands to the thick metal plate. There was a problem that it could not follow and was damaged. Therefore, there is a demand for an insulating substrate that can be prevented from being damaged due to thermal stress during high loads and can stably maintain a smooth heat dissipation over a long period of time.

本発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、比較的厚みの厚い(例えば0.5mm以上の)放熱銅板を備える場合であっても、広い温度範囲での耐ヒートサイクル特性に優れた放熱性基板を提供することを課題としている。   The present invention has been made in view of the circumstances as described above, and has heat cycle resistance characteristics over a wide temperature range even when a relatively thick (for example, 0.5 mm or more) heat dissipation copper plate is provided. It is an object to provide an excellent heat dissipation substrate.

上記の課題を解決するべく、本発明は、セラミック基板と、銅板と、上記セラミック基板および上記銅板を一体的に接合する中間層と、を備える放熱性基板を提供する。この中間層は、上記セラミック基板に接する側から、銅を主成分とし、ガラス成分を含まない第1中間層と、銅を主成分とし、ガラス成分を含む第2中間層と、銀を主成分とした第3中間層と、を含む積層構造を備える。   In order to solve the above problems, the present invention provides a heat dissipating substrate comprising a ceramic substrate, a copper plate, and an intermediate layer that integrally bonds the ceramic substrate and the copper plate. The intermediate layer includes, from the side in contact with the ceramic substrate, a first intermediate layer containing copper as a main component and not containing a glass component, a second intermediate layer containing copper as a main component and containing a glass component, and silver as a main component. And a third intermediate layer.

上記構成では、セラミック基板に接する第1中間層と、銅板に接する第3中間層とを、それぞれ銅、銀を主体とする層により構成する。このことにより、熱膨張係数の小さなセラミック基板と、熱膨張係数の大きな銅板とのそれぞれに対する中間層の密着性を好適に確保することができる。そしてまた、上記構成によると、これら第1中間層と第3中間層との間に、熱応力を好適に緩和するとともに柔軟性を備え得るガラス成分を含む第2中間層を設けることができる。これにより、例えば、−40℃〜250℃程度というより広い範囲でのヒートサイクルに対しても、セラミック基板および銅板との剥離等が抑制された放熱性基板が実現される。   In the above configuration, the first intermediate layer in contact with the ceramic substrate and the third intermediate layer in contact with the copper plate are each composed of layers mainly composed of copper and silver. Thus, it is possible to suitably ensure the adhesion of the intermediate layer to each of the ceramic substrate having a small thermal expansion coefficient and the copper plate having a large thermal expansion coefficient. And according to the said structure, the 2nd intermediate | middle layer containing the glass component which can relieve | moderate a thermal stress suitably and can provide a softness | flexibility can be provided between these 1st intermediate | middle layers and 3rd intermediate | middle layers. As a result, for example, a heat dissipating substrate in which separation from the ceramic substrate and the copper plate is suppressed even with respect to a heat cycle in a wider range of about −40 ° C. to 250 ° C. is realized.

なお、本明細書において、「主成分」とは、対象とする部材(例えば各中間層)を構成する成分のうち、最も含有量が高い成分のことを言う。主成分は、特にことわりのない限り、典型的には50質量%以上であり、好ましくは60質量%以上、より好ましくは70質量%以上、特に好ましくは80質量%以上、例えば90質量%以上の割合で含まれている成分を意味する。   In the present specification, the “main component” refers to a component having the highest content among components constituting a target member (for example, each intermediate layer). Unless otherwise specified, the main component is typically 50% by mass or more, preferably 60% by mass or more, more preferably 70% by mass or more, particularly preferably 80% by mass or more, for example 90% by mass or more. Means ingredients contained in proportions.

ここに開示される放熱性基板の好適な一態様において、上記銅板の厚みは500μm以上である。これにより、より高い放熱性を備える放熱性基板を実現することができる。   In a preferred embodiment of the heat dissipation substrate disclosed herein, the copper plate has a thickness of 500 μm or more. Thereby, the heat dissipation board | substrate provided with higher heat dissipation is realizable.

ここに開示される放熱性基板の好適な一態様において、上記第1中間層の厚みは0.5μm以上10μm以下である。これにより、銅からなる第1中間層の厚みを薄くしたり割合を少なくしても、放熱性に優れた放熱性基板が提供される。   In a preferred aspect of the heat dissipation substrate disclosed herein, the thickness of the first intermediate layer is not less than 0.5 μm and not more than 10 μm. Thereby, even if the thickness of the 1st intermediate | middle layer which consists of copper is made thin or a ratio is decreased, the heat dissipation board excellent in heat dissipation is provided.

ここに開示される放熱性基板の好適な一態様において、上記第2中間層の厚みは50μm以上500μm以下である。これにより、例えば1mmと厚みの厚い銅板を接合した場合であっても、高いヒートサイクル特性を備えた放熱性基板を実現することができる。   In a preferred aspect of the heat dissipation substrate disclosed herein, the thickness of the second intermediate layer is 50 μm or more and 500 μm or less. Thereby, even if it is a case where a 1 mm thick copper plate is joined, for example, the heat dissipation board | substrate provided with the high heat cycle characteristic is realizable.

ここに開示される放熱性基板の好適な一態様において、上記第2中間層は、25℃〜500℃における熱膨張係数が11×10−6/K以上14×10−6/K以下である。これにより、厚みの厚い銅板を接合した場合であっても、ヒートサイクル環境下において放熱性基板に発生する熱応力を好適に吸収することができる。その結果、セラミック基板が破損したり銅板と剥離したりするのを好適に抑制することができる。 In a preferred aspect of the heat dissipation substrate disclosed herein, the second intermediate layer has a thermal expansion coefficient of 11 × 10 −6 / K or more and 14 × 10 −6 / K or less at 25 ° C. to 500 ° C. . Thereby, even if it is a case where a thick copper plate is joined, the thermal stress which generate | occur | produces in a heat dissipation board | substrate in a heat cycle environment can be absorbed suitably. As a result, the ceramic substrate can be suitably prevented from being damaged or peeled off from the copper plate.

なお、本明細書において、「熱膨張係数」(Coefficient of Thermal Expansion:CTE)とは、特に言及しない限り、熱機械分析装置(Thermomechanical Analysis:TMA)を用いて、室温(25℃)から500℃までの温度領域において測定した平均線膨張係数を意味し、かかる温度領域における試料の長さの変化量を測定温度差で割った値をいう。この熱膨張係数は、JIS Z2285:2003に規定される金属材料の線膨張係数の測定方法に準じて測定することができる。以下、「熱膨張係数」を単に「CTE」と表記する場合がある。   In this specification, “Coefficient of Thermal Expansion (CTE)” refers to a thermomechanical analysis (TMA) from room temperature (25 ° C.) to 500 ° C. unless otherwise specified. Means the average linear expansion coefficient measured in the temperature range up to, and means a value obtained by dividing the change in the length of the sample in the temperature range by the measured temperature difference. This thermal expansion coefficient can be measured according to the method for measuring the linear expansion coefficient of a metal material defined in JIS Z2285: 2003. Hereinafter, the “thermal expansion coefficient” may be simply expressed as “CTE”.

ここに開示される放熱性基板の好適な一態様において、上記第3中間層は、厚みが3μm以上25μm以下である。これにより、高価な銀層の使用を抑制して、広い温度幅に対するヒートサイクル耐性を備える放熱性基板を提供することができる。   In a preferred aspect of the heat dissipation substrate disclosed herein, the third intermediate layer has a thickness of 3 μm or more and 25 μm or less. Thereby, use of an expensive silver layer can be suppressed and a heat dissipation board provided with heat cycle tolerance over a wide temperature range can be provided.

ここに開示される放熱性基板の好適な一態様において、上記第3中間層は、平均粒子径が20nm以上60nm以下の銀ナノ粒子が焼結してなる焼結層である。これにより、中間層の熱伝導性を好適に高めることができ、放熱性基板の放熱性を高めることができる。   In a preferred aspect of the heat dissipation substrate disclosed herein, the third intermediate layer is a sintered layer formed by sintering silver nanoparticles having an average particle diameter of 20 nm or more and 60 nm or less. Thereby, the heat conductivity of an intermediate | middle layer can be improved suitably and the heat dissipation of a heat dissipation board | substrate can be improved.

ここに開示される放熱性基板の好適な一態様において、上記ガラス成分は、軟化点が250℃以上450℃以下となるよう構成されている。このような構成により、放熱性基板の熱応力の緩和作用を高めることができる。
また、本明細書においてガラス成分に関する「軟化点」とは、近似的にこれより低い温度では、そのガラスのほとんどの成形操作が不可能な温度として定義される。換言すると、ガラスが自重で顕著に軟化変形しはじめる温度として把握することができる。この軟化点は、JIS R3103−1:2001に準じて測定することができ、例えば、約107.6dPa・sの粘度に相当する温度とすることができる。
In a preferred aspect of the heat dissipation substrate disclosed herein, the glass component is configured to have a softening point of 250 ° C. or higher and 450 ° C. or lower. With such a configuration, it is possible to enhance the effect of relaxing the thermal stress of the heat dissipation substrate.
Further, in the present specification, the “softening point” relating to the glass component is defined as a temperature at which almost no molding operation of the glass is possible at a temperature lower than this. In other words, it can be grasped as the temperature at which the glass begins to significantly soften and deform under its own weight. This softening point can be measured according to JIS R3103-1: 2001, and can be, for example, a temperature corresponding to a viscosity of about 10 7.6 dPa · s.

ここに開示される放熱性基板の好適な一態様において、上記セラミック基板は、炭化ケイ素,窒化ケイ素および窒化アルミニウムからなる群から選択される少なくとも1種のセラミックを主体とする、請求項1〜9のいずれか1項に記載の放熱性基板。このような構成により、高耐圧,低損失および高周波・高温動作が可能とされるパワーデバイスに好適な放熱性基板が提供される。   In a preferred aspect of the heat dissipation substrate disclosed herein, the ceramic substrate is mainly composed of at least one ceramic selected from the group consisting of silicon carbide, silicon nitride, and aluminum nitride. The heat dissipation board | substrate of any one of these. With such a configuration, a heat dissipating substrate suitable for a power device capable of high withstand voltage, low loss, and high frequency / high temperature operation is provided.

また、他の側面において、ここに開示される技術は、放熱性基板の製造方法を提供する。この製造方法は、セラミック基板上に、銅を主体とし、ガラス成分を含まない第1中間層を設けること、上記第1中間層上に、銅粉末とガラス粉末と分散媒とを含む銅ペーストを供給して銅ペースト層を形成すること、上記銅ペースト層上に、銀粉末と分散媒とを含む銀ペーストを供給して銀ペースト層を設けること、上記銀ペースト層上に銅板を配置して未焼成積層体を用意すること、および、上記未焼成積層体を500℃以上700℃以下の温度範囲で焼成して放熱性基板を得ること、を含む。これにより、上記の放熱性基板を簡便に提供することができる。また、ペースト焼成と銅板の接合とを同時に実施することができる。さらには、印刷技術を応用して、多様な構成の中間層を簡便に製造することができる。   In another aspect, the technology disclosed herein provides a method for manufacturing a heat dissipation substrate. In this manufacturing method, a first intermediate layer mainly comprising copper and not containing a glass component is provided on a ceramic substrate, and a copper paste containing copper powder, glass powder and a dispersion medium is provided on the first intermediate layer. Forming a copper paste layer by supplying, supplying a silver paste containing silver powder and a dispersion medium on the copper paste layer to provide a silver paste layer, and placing a copper plate on the silver paste layer Preparing an unsintered laminate, and firing the unsintered laminate in a temperature range of 500 ° C. to 700 ° C. to obtain a heat dissipation substrate. Thereby, said heat dissipation board | substrate can be provided simply. Moreover, paste baking and joining of a copper plate can be implemented simultaneously. Furthermore, it is possible to easily produce intermediate layers having various configurations by applying printing technology.

以上のここに開示される技術によると、低抵抗率で、かつ、より広い温度範囲におけるヒートサイクル耐性(耐熱性、熱応力緩和性、接合性等)が実現された、放熱性基板とその製造方法が提供される。かかる技術によると、中間層におけると第2中間層と第3中間層とは、例えばペーストの印刷により製造することができる。したがって、第2中間層と第3中間層とを多様な形状と組み合わせにすることができる。これにより、広い温度範囲においてより確実な接合性を実現するとともに、より大きな温度変化による熱応力を緩和することができる。また、かかる中間層は、厚みや構成を簡便に調整しながら製造することができる。これにより、放熱銅板が大きく膨張または収縮した場合であっても、セラミック基板(絶縁性基板)の反りやひずみの発生を好適に抑えることができる。   According to the above-described technology disclosed herein, a heat radiating substrate having low resistivity and heat cycle resistance (heat resistance, thermal stress relaxation, bonding properties, etc.) in a wider temperature range and its manufacture A method is provided. According to such a technique, in the intermediate layer, the second intermediate layer and the third intermediate layer can be manufactured by, for example, paste printing. Therefore, the second intermediate layer and the third intermediate layer can be combined with various shapes. As a result, it is possible to realize more reliable bondability in a wide temperature range and relieve thermal stress due to a larger temperature change. Moreover, this intermediate | middle layer can be manufactured, adjusting thickness and a structure simply. Thereby, even if it is a case where a heat dissipation copper plate expand | swells or shrink | contracts greatly, generation | occurrence | production of the curvature and distortion of a ceramic substrate (insulating board | substrate) can be suppressed suitably.

一実施形態に係る放熱性基板の構成を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the structure of the heat dissipation board | substrate which concerns on one Embodiment. 一実施形態に係る放熱性基板において、第3中間層をライン状のパターンとした構成を模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically the structure which used the 3rd intermediate | middle layer as the line pattern in the heat dissipation board | substrate which concerns on one Embodiment. 一実施形態に係る放熱性基板を使用したパワーデバイスの構成例を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the structural example of the power device using the heat dissipation board which concerns on one Embodiment. 他の実施形態に係る放熱性基板を使用したパワーデバイスの構成例を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the structural example of the power device using the heat dissipation board | substrate which concerns on other embodiment.

以下、適宜図面を参照しつつ、本発明の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。また、以下の図面において、同様の作用を奏する部材・部位には同じ符号を付して説明し、重複する説明は省略または簡略化することがある。図面に記載の実施形態は、本発明を明瞭に説明するために必要に応じて模式化されており、実際の放熱性基板の寸法関係(長さ、幅、厚さ等)を必ずしも正確に反映したものではない。また、範囲を示す「X〜Y」は、特にことわりのない限り「X以上Y以下」を意味する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings as appropriate. Note that matters other than the matters specifically mentioned in the present specification and necessary for the implementation of the present invention shall be implemented based on the contents disclosed in the present specification and common general technical knowledge in the field. Can do. Moreover, in the following drawings, the same code | symbol is attached | subjected and demonstrated to the member and site | part which show | plays the same effect | action, and the overlapping description may be abbreviate | omitted or simplified. The embodiments shown in the drawings are modeled as necessary to clearly explain the present invention, and do not necessarily accurately reflect the dimensional relationship (length, width, thickness, etc.) of the actual heat-dissipating substrate. It was n’t. Further, “X to Y” indicating a range means “X or more and Y or less” unless otherwise specified.

[放熱性基板]
一実施形態に係る放熱性基板の構成を示す断面を模式的に図1に示した。ここに開示される放熱性基板1は、セラミック基板2と、このセラミック基板2の熱(発熱および蓄熱)の放熱を促す銅板6とが、中間層4により一体的に接合されることで構成されている。中間層4は、セラミック基板2に接する側から、第1中間層41、第2中間層42および第3中間層43を含む。かかる中間層4により、セラミック基板2と銅板6とを一体的に接合しつつ、両者の熱膨張挙動の差異を好適に緩和するようにしている。
[Heat dissipation substrate]
The cross section which shows the structure of the thermal radiation board | substrate which concerns on one Embodiment was typically shown in FIG. The heat dissipating substrate 1 disclosed herein is configured by integrally bonding a ceramic substrate 2 and a copper plate 6 that promotes heat dissipation (heat generation and heat storage) of the ceramic substrate 2 by an intermediate layer 4. ing. The intermediate layer 4 includes a first intermediate layer 41, a second intermediate layer 42, and a third intermediate layer 43 from the side in contact with the ceramic substrate 2. With the intermediate layer 4, the ceramic substrate 2 and the copper plate 6 are integrally bonded, and the difference in thermal expansion behavior between the two is preferably alleviated.

セラミック基板2としては、各種のセラミックからなる基板を用いることができる。典型的には、絶縁性セラミックからなる基板を考慮することができる。かかるセラミックとしては、詳細な組成や形状、寸法等は特に制限されず、例えば、金属の炭化物からなる炭化物系セラミック,金属の窒化物からなる窒化物系セラミック,金属の酸化物からなる酸化物系セラミック,その他、金属のホウ化物,フッ化物,水酸化物,炭酸塩,リン酸塩等からなるセラミックが挙げられる。かかるセラミックの具体例としては、窒化ケイ素(Si),窒化アルミニウム(AlN),窒化ホウ素(BN),窒化ガリウム(GaN),サイアロン(Si−AlN−Al固溶体;Sialon),窒化炭素(CN),窒化チタン(TiN)等の窒化物系セラミック、炭化ケイ素(SiC),タングステンカーバイド(WC),炭化ホウ素(BC)等の炭化物系セラミック、アルミナ(Al)、アルミナ・ジルコニア(Al−ZrO),ジルコニア(ZrO),コーディエライト(2MgO・2Al・5SiO),ムライト(3Al・2SiO)等の酸化物系セラミック等が、代表的なものとして挙げられる。これらのセラミックは、代表組成を併せて記しているが、必ずしも厳密に上記組成をとるものに限定されない。例えば、所望の特性を得る目的等で、各種の他の元素が添加されたものや複合化されたものであってよい。 As the ceramic substrate 2, substrates made of various ceramics can be used. Typically, a substrate made of an insulating ceramic can be considered. Such a ceramic is not particularly limited in detail composition, shape, dimensions, etc., for example, a carbide-based ceramic composed of a metal carbide, a nitride-based ceramic composed of a metal nitride, an oxide-based composed of a metal oxide. Ceramics and other ceramics made of metal borides, fluorides, hydroxides, carbonates, phosphates and the like can be mentioned. Specific examples of such ceramics include silicon nitride (Si 3 N 4 ), aluminum nitride (AlN), boron nitride (BN), gallium nitride (GaN), sialon (Si 3 N 4 —AlN—Al 2 O 3 solid solution; Sialon), nitride ceramics such as carbon nitride (CN x ), titanium nitride (TiN), carbide ceramics such as silicon carbide (SiC), tungsten carbide (WC), boron carbide (B 4 C), alumina (Al 2 O 3 ), alumina / zirconia (Al 2 O 3 —ZrO 2 ), zirconia (ZrO 2 ), cordierite (2MgO · 2Al 2 O 3 · 5SiO 2 ), mullite (3Al 2 O 3 · 2SiO 2 ), etc. Typical examples thereof include oxide ceramics. These ceramics are described together with representative compositions, but are not necessarily limited to those strictly having the above composition. For example, for the purpose of obtaining desired characteristics, it may be added or compounded with various other elements.

かかるセラミックとしては、特にCTEが小さいものであっても、本発明の効果を顕著に発現し得るものとして好適に用いることができる。このような観点から、例えば、セラミック基板2として、窒化物系セラミック(典型的には窒化ケイ素や窒化アルミニウム)、炭化ケイ素からなるものを好適に用いることができる。
特に炭化ケイ素は、上記のセラミックのなかでも、シリコン(Si)に比べて電界強度が約10倍、最大電子走行速度が約2倍、熱伝導率が約3倍という優れた物性を有しており、例えば、パワーデバイス用途の基板として好ましく用いることができる。また、窒化ケイ素は、他のセラミックと比較してとりわけ強度が高い(例えば曲げ強度で約700〜830MPa)ことから、例えば薄板化等することで基板として特に好ましい材料となり得る。さらに、窒化アルミニウムは、熱伝導率が他のセラミック材料に比べて極めて高い(例えば150〜200W/m・K)ことから、基板を構成するには好ましい材料であり得る。これらの基板のサイズは特に限定されず、例えば、所望の規格に従う寸法とすることができる。
As such a ceramic, even if the CTE is particularly small, it can be suitably used as a ceramic that can significantly exhibit the effects of the present invention. From such a viewpoint, for example, a ceramic substrate 2 made of a nitride ceramic (typically silicon nitride or aluminum nitride) or silicon carbide can be suitably used.
In particular, silicon carbide has excellent physical properties such as an electric field strength of about 10 times, a maximum electron travel speed of about 2 times, and a thermal conductivity of about 3 times of silicon (Si). For example, it can be preferably used as a substrate for power device applications. In addition, silicon nitride has a particularly high strength compared to other ceramics (for example, about 700 to 830 MPa in bending strength), and thus can be a particularly preferable material for a substrate, for example, by reducing the thickness. Furthermore, aluminum nitride has a very high thermal conductivity (for example, 150 to 200 W / m · K) compared to other ceramic materials, and thus may be a preferable material for constituting a substrate. The size of these substrates is not particularly limited, and can be, for example, a dimension according to a desired standard.

セラミック基板2の厚みは特に制限されず、典型的には、例えば、厚みは3mm以下とすることができる。なお、セラミック基板2が窒化アルミニウム基板である場合、その厚みは、例えば、2.5mm以下とすることができ、2mm以下であってよく、1.5mm以下とすることができる。また、窒化アルミニウム基板の厚みは、0.1mm以上とすることができ、0.2mm以上であってよく、例えば0.4mm以上(一例として、0.635mm)とすることができる。一方、セラミック基板2が窒化ケイ素基板である場合、その厚みは、例えば、2mm以下とすることができ、1.5mm以下であってよく、1mm以下とすることができる。また、窒化ケイ素基板の厚みは、0.1mm以上とすることができ、0.2mm以上であってよく、例えば0.3mm以上とすることができる。例えば、窒化ケイ素基板の厚みは、0.32mmや、0.635mm等であってよい。   The thickness in particular of the ceramic substrate 2 is not restrict | limited, Typically, thickness can be 3 mm or less, for example. In addition, when the ceramic substrate 2 is an aluminum nitride substrate, the thickness can be 2.5 mm or less, for example, can be 2 mm or less, and can be 1.5 mm or less. The thickness of the aluminum nitride substrate can be 0.1 mm or more, can be 0.2 mm or more, and can be 0.4 mm or more (for example, 0.635 mm). On the other hand, when the ceramic substrate 2 is a silicon nitride substrate, the thickness can be, for example, 2 mm or less, can be 1.5 mm or less, and can be 1 mm or less. The thickness of the silicon nitride substrate can be 0.1 mm or more, can be 0.2 mm or more, and can be 0.3 mm or more, for example. For example, the thickness of the silicon nitride substrate may be 0.32 mm, 0.635 mm, or the like.

銅板6としては、銅(Cu)を主体として構成されるフィルム、箔、シート、板状体等を考慮することができる。銅は、単金属としての熱伝導率が凡そ386〜402W/mKと、銀(Ag)に次いで高いことが知られており、熱伝導率が高いほど放熱性基板の放熱部材として好ましい材料であり得る。ここで銅板は、銅を主成分(50質量%以上)として含む限り、その他の元素については特に制限されない。例えば、JIS H3100:2012に規定されている各種の銅及び銅合金等であってよい。銅板の熱伝導率は、例えば、250W/mK以上が好ましく、300W/mK以上がより好ましく、320W/mK以上がさらに好ましく、340W/mK以上が特に好ましく、360W/mK以上(例えば380W/mK以上)がより一層好ましい。かかる熱伝導率は、例えば、無酸素銅、タフピッチ銅、リン脱酸銅、リン入りタフピッチ代替銅(PTC)、丹銅、黄銅等により実現することができる。   As the copper plate 6, a film, a foil, a sheet, a plate-like body and the like mainly composed of copper (Cu) can be considered. Copper is known to have a thermal conductivity as a single metal of about 386 to 402 W / mK, which is the second highest after silver (Ag), and the higher the thermal conductivity, the more preferable the material for the heat dissipation member of the heat dissipation substrate. obtain. Here, the copper plate is not particularly limited as long as it contains copper as a main component (50% by mass or more). For example, it may be various copper and copper alloys defined in JIS H3100: 2012. The thermal conductivity of the copper plate is, for example, preferably 250 W / mK or more, more preferably 300 W / mK or more, further preferably 320 W / mK or more, particularly preferably 340 W / mK or more, and 360 W / mK or more (for example, 380 W / mK or more). ) Is even more preferable. Such thermal conductivity can be realized by, for example, oxygen-free copper, tough pitch copper, phosphorus deoxidized copper, phosphorus-containing tough pitch alternative copper (PTC), red brass, brass or the like.

また、ここに開示される技術によると、銅板6を厚くした場合であっても、放熱性基板1の耐ヒートサイクル特性は高いレベルで良好に維持され得る。したがって、例えば、銅板6は、より高い放熱性を実現するとの観点から、平均厚みが0.5mm以上(例えば、0.5mm超過)のものを好適に用いることができる。銅板6は、例えば、平均厚みが0.6mm以上であってよく、0.7mm以上が好ましく、0.8mm以上がより好ましく、0.9mm以上が特に好ましく、1.0mm以上がさらに好ましい。これにより、これまでに無く放熱性の高い放熱性基板が提供される。銅板6の平均厚みの上限は特に制限されないが、例えば、3mm以下程度とすることができる。   Moreover, according to the technique disclosed here, even when the copper plate 6 is thickened, the heat cycle resistance of the heat-radiating substrate 1 can be well maintained at a high level. Therefore, for example, the copper plate 6 having an average thickness of 0.5 mm or more (for example, exceeding 0.5 mm) can be suitably used from the viewpoint of realizing higher heat dissipation. For example, the copper plate 6 may have an average thickness of 0.6 mm or more, preferably 0.7 mm or more, more preferably 0.8 mm or more, particularly preferably 0.9 mm or more, and further preferably 1.0 mm or more. Thereby, the heat dissipation board | substrate with high heat dissipation is provided so far. Although the upper limit in particular of the average thickness of the copper plate 6 is not restrict | limited, For example, it can be set as about 3 mm or less.

セラミック基板2と銅板6との厚みのバランスは特に制限されない。ここに開示される技術においては、セラミック基板2と銅板6とのCTEの差を、後述のとおり、中間層4が好適に緩和しうる。そのため、セラミック基板2に対する銅板6の厚みの比は、例えば、0.5以上10以下程度とすることができる。セラミック基板2に対する銅板6の厚みの比は、好ましくは1以上であり、より好ましくは2以上、更に好ましくは5以上、特に好ましは7以上(例えば約7.8)であり得る。   The thickness balance between the ceramic substrate 2 and the copper plate 6 is not particularly limited. In the technique disclosed herein, the intermediate layer 4 can moderate the difference in CTE between the ceramic substrate 2 and the copper plate 6 as described later. Therefore, the ratio of the thickness of the copper plate 6 to the ceramic substrate 2 can be, for example, about 0.5 or more and 10 or less. The ratio of the thickness of the copper plate 6 to the ceramic substrate 2 is preferably 1 or more, more preferably 2 or more, still more preferably 5 or more, and particularly preferably 7 or more (for example, about 7.8).

なお、上記の窒化ケイ素のCTEは約2.8×10−6/K、炭化ケイ素のCTEは約3.7×10−6/K、窒化アルミニウムのCTEは約4.6×10−6/K程度、窒化ホウ素のCTEは約1.4×10−6/K、コーディエライトのCTEは約0.1×10−6/K以下程度、ムライトのCTEは約5.0×10−6/Kと、比較的小さい値となり得る。一方、上記の銅板は、その組成に大きく左右されることなく、CTEが約16.5×10−6/K〜17.8×10−6/K程度と比較的高い値となり得る。したがって、銅板とセラミック基板とのCTEの差はおよそ12×10−6/K〜14×10−6/K程度となり得る。ここでセラミック基板と銅板とを貼り合わせると(接合すると)、かかるCTEの差は、両者の間に例えば−40℃〜250℃(温度差290℃)の温度範囲で約0.3〜0.4%のひずみ(換言すると熱応力)が生じ得る。このひずみは、銅板の厚みが薄い(例えば0.3mm以下程度)の場合は、銅板および/またはセラミック基板が反り変形することで吸収できるものであった。しかしながら、銅板の厚みが厚くなる(例えば、上記のとおり0.5mm以上)と、銅板が反り変形を起こし難くなるために、銅板内で吸収することができない。その結果、従来では、銅板の熱膨張に基づきセラミック基板にせん断力が作用して、セラミック基板の破損等の問題が生じていた。あるいは、セラミック基板と銅板とが剥離するという問題が生じていた。例えば、銅板とセラミック基板との間を、ガラスフリットを含む銅ペーストで接合した場合は、銅ペーストとセラミック基板との接合性は良好であるものの、銅ペーストと銅板との接合性が十分に得られず、銅板からセラミック基板が剥離することがあった。 The CTE of the above silicon nitride is about 2.8 × 10 −6 / K, the CTE of silicon carbide is about 3.7 × 10 −6 / K, and the CTE of aluminum nitride is about 4.6 × 10 −6 / K. Boron nitride CTE is about 1.4 × 10 −6 / K, cordierite CTE is about 0.1 × 10 −6 / K or less, and mullite CTE is about 5.0 × 10 −6. / K and can be a relatively small value. On the other hand, the copper plate, without being greatly affected by the composition, CTE can be a relatively high value of about 16.5 × 10 -6 /K~17.8×10 -6 / K approximately. Therefore, the difference in CTE between the copper plate and the ceramic substrate may be approximately 12 × 10 -6 / K~14 × 10 -6 / K approximately. Here, when the ceramic substrate and the copper plate are bonded together (joined), the difference in CTE is about 0.3 to 0.00 in the temperature range of, for example, −40 ° C. to 250 ° C. (temperature difference 290 ° C.). A strain of 4% (in other words thermal stress) can occur. This strain could be absorbed by warping deformation of the copper plate and / or the ceramic substrate when the copper plate was thin (for example, about 0.3 mm or less). However, when the thickness of the copper plate is increased (for example, 0.5 mm or more as described above), the copper plate is less likely to warp and deform and cannot be absorbed in the copper plate. As a result, conventionally, a shearing force acts on the ceramic substrate based on the thermal expansion of the copper plate, causing problems such as breakage of the ceramic substrate. Or the problem that a ceramic substrate and a copper plate peeled has arisen. For example, when the copper plate and the ceramic substrate are joined with a copper paste containing glass frit, the bondability between the copper paste and the ceramic substrate is good, but the bondability between the copper paste and the copper plate is sufficiently obtained. The ceramic substrate sometimes peeled off from the copper plate.

そこで、ここに開示する技術においては、上述のごとく、第1中間層41、第2中間層42、第3中間層43を含む中間層4により、銅板6とセラミック基板2とを接合している。第1中間層41は、主として、セラミック基板2と第2中間層42との接合性を高めるために設けられる。第2中間層42は、主として、銅板6とセラミック基板2との間に発生する熱応力を十分に緩和するために設けられる。第3中間層43は、主として、銅板6と第2中間層42との接合性を高め、また、中間層4における熱伝導性を高く維持するために設けられる。   Therefore, in the technique disclosed herein, as described above, the copper plate 6 and the ceramic substrate 2 are joined by the intermediate layer 4 including the first intermediate layer 41, the second intermediate layer 42, and the third intermediate layer 43. . The first intermediate layer 41 is mainly provided to improve the bonding property between the ceramic substrate 2 and the second intermediate layer 42. The second intermediate layer 42 is provided mainly for sufficiently relaxing the thermal stress generated between the copper plate 6 and the ceramic substrate 2. The third intermediate layer 43 is provided mainly for improving the bonding property between the copper plate 6 and the second intermediate layer 42 and maintaining high thermal conductivity in the intermediate layer 4.

第1中間層41は、銅を主成分としガラス成分を含まない。第1中間層41は、いわばセラミック基板2と第2中間層42との接着をサポートする役割を担う。第2中間層42は、後述するとおりガラス成分を含み、このガラス成分は、一般には無機接着材としての機能を有する。しかしながら、セラミック基板2との接合を考慮した場合には、例えば、ガラス成分を含まず、金属組織からなる第1中間層41の方が、高い接合を実現し得る。また、第1中間層41と第2中間層42とはいずれも銅を主体とすることから、第1中間層41と第2中間層42との接合性は良好となり得る。このことにより、第1中間層41は、被接合性の低いセラミック基板2と、かかるセラミック基板2との接着相性がさほど高くない第2中間層42とをより強固に一体化させることができる。第1中間層41の主成分たる銅は、銅(Cu)単体であってもよいし、例えば、Cuに他の任意の元素が含まれた合金であってもよい。銅が合金である場合、銅とともにかかる合金を形成する合金元素としては特に制限されず、例えば、Al,Ag,As,Be,Co,Cr,Fe,Mn,Ni,P,Pb,S,Se,Sd,Sn,Si,Te,Zn,Zr等が例示される。放熱性基板は熱伝導性が高いことが好ましいとの観点から、第1中間層41における銅も熱伝導性の高い純銅に近いものであることが好ましい。例えば、第1中間層41において、Cuは90質量%以上であることが好ましく、95質量%以上がより好ましく、97質量%以上が特に好ましい。また、この第1中間層41は、セラミック基板2の表面に密着性良く形成されることが好ましい。したがって、第1中間層41は、例えば、CVD法、PVD法またはめっき法等で原子レベルで緻密に形成された層であることが好ましい。製造容易性の観点からは、第1中間層41は、例えば、めっき法で形成された銅めっき層であることが特に好ましい。   The first intermediate layer 41 includes copper as a main component and does not include a glass component. The first intermediate layer 41 plays a role of supporting the adhesion between the ceramic substrate 2 and the second intermediate layer 42. As will be described later, the second intermediate layer 42 includes a glass component, and this glass component generally has a function as an inorganic adhesive. However, when considering bonding with the ceramic substrate 2, for example, the first intermediate layer 41 that does not include a glass component and has a metal structure can achieve higher bonding. In addition, since both the first intermediate layer 41 and the second intermediate layer 42 are mainly made of copper, the bondability between the first intermediate layer 41 and the second intermediate layer 42 can be improved. As a result, the first intermediate layer 41 can more firmly integrate the ceramic substrate 2 with low bondability and the second intermediate layer 42 with low adhesive compatibility with the ceramic substrate 2. Copper as the main component of the first intermediate layer 41 may be copper (Cu) alone, or may be an alloy containing other arbitrary elements in Cu, for example. When copper is an alloy, it is not particularly limited as an alloy element that forms such an alloy with copper. For example, Al, Ag, As, Be, Co, Cr, Fe, Mn, Ni, P, Pb, S, Se , Sd, Sn, Si, Te, Zn, Zr and the like. From the viewpoint that the heat dissipating substrate preferably has high thermal conductivity, the copper in the first intermediate layer 41 is also preferably close to pure copper having high thermal conductivity. For example, in the first intermediate layer 41, Cu is preferably 90% by mass or more, more preferably 95% by mass or more, and particularly preferably 97% by mass or more. The first intermediate layer 41 is preferably formed on the surface of the ceramic substrate 2 with good adhesion. Accordingly, the first intermediate layer 41 is preferably a layer that is densely formed at the atomic level by, for example, a CVD method, a PVD method, or a plating method. From the viewpoint of ease of manufacture, the first intermediate layer 41 is particularly preferably a copper plating layer formed by, for example, a plating method.

なお、第1中間層41は銅を主体としているため、第1中間層41のCTEも銅のCTEと概ね同等となり得る。ゆえに、CTEの小さなセラミック基板2とのCTE差に基づく熱応力を抑えるために、第1中間層41は平均厚みが10μm以下であることが適当であり、5μm以下が好ましく、3μm以下がより好ましく、2μm以下が特に好ましい。これにより、第1中間層41の相対的に大きなCTEに基づく熱応力がセラミック基板2に作用するのを抑制することができ、大きな温度変化に晒された場合であっても耐ヒートサイクル特性が好適に維持される。また、第1中間層41は、セラミック基板2と第2中間層42とを強固に接合するとの観点から、平均厚みは0.01μm以上とすることが適切であり、0.05μm以上が好ましく、0.1μm以上がより好ましく、例えば0.4μm以上であるとよい。これにより、セラミック基板2と第2中間層42とをより安定的に接合することができ、熱的安定性の高い放熱性基板1を実現することができる。   Since the first intermediate layer 41 is mainly made of copper, the CTE of the first intermediate layer 41 can be substantially equal to the CTE of copper. Therefore, in order to suppress the thermal stress based on the CTE difference with the ceramic substrate 2 having a small CTE, it is appropriate that the first intermediate layer 41 has an average thickness of 10 μm or less, preferably 5 μm or less, more preferably 3 μm or less. 2 μm or less is particularly preferable. Thereby, it can suppress that the thermal stress based on relatively large CTE of the 1st intermediate | middle layer 41 acts on the ceramic substrate 2, and even when it is a case where it is a case where it is exposed to a big temperature change, a heat cycle characteristic is It is suitably maintained. In addition, from the viewpoint of firmly bonding the ceramic substrate 2 and the second intermediate layer 42, the first intermediate layer 41 is appropriately set to have an average thickness of 0.01 μm or more, preferably 0.05 μm or more, More preferably, it is 0.1 μm or more, for example, 0.4 μm or more. Thereby, the ceramic substrate 2 and the 2nd intermediate | middle layer 42 can be joined more stably, and the thermal radiation board | substrate 1 with high thermal stability is realizable.

他方で、第3中間層43は、銀を主成分としている。この第3中間層43はガラス成分を含まない。そしてこの第3中間層43も、銅板6と第2中間層42との接着をサポートする役割を担う。なお、第2中間層42はガラス成分を含むことから、その熱伝導性については低くなりがちであり、中間層4、延いては放熱性基板1全体としての放熱性が劣ってしまう傾向がある。一方で銀は、金属の中で最も熱伝導率が高い。したがって、中間層4の銅板6と接する側に銀を主体とする第3中間層43を設けることで、中間層4の熱伝導率を高く維持するようにしている。第3中間層43の主成分たる銀は、銀(Ag)単体であってもよいし、例えば、Agに他の任意の元素が含まれた合金であってもよい。銀が合金である場合、銀とともにかかる合金を形成する合金元素としては特に制限されず、例えば、Cu,W,Re,Os,Ir,Pt,Au,In,Sn,Te,Zn,Al等が例示される。放熱性基板1は熱伝導性が高いことが好ましいとの観点から、第3中間層43における銀も熱伝導性の高い純銀に近いものであることが好ましい。例えば、第3中間層43において、Agは90質量%以上であることが好ましく、95質量%以上がより好ましく、97質量%以上が特に好ましい。   On the other hand, the third intermediate layer 43 is mainly composed of silver. The third intermediate layer 43 does not contain a glass component. The third intermediate layer 43 also plays a role of supporting adhesion between the copper plate 6 and the second intermediate layer 42. In addition, since the 2nd intermediate | middle layer 42 contains a glass component, it tends to become low about the heat conductivity, and there exists a tendency for the heat dissipation as the intermediate | middle layer 4, and the heat dissipation board | substrate 1 whole to be inferior. . On the other hand, silver has the highest thermal conductivity among metals. Therefore, by providing the third intermediate layer 43 mainly composed of silver on the side in contact with the copper plate 6 of the intermediate layer 4, the thermal conductivity of the intermediate layer 4 is kept high. The silver as the main component of the third intermediate layer 43 may be silver (Ag) alone, or may be an alloy containing other arbitrary elements in Ag, for example. When silver is an alloy, it is not particularly limited as an alloying element that forms such an alloy with silver, and examples thereof include Cu, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, In, Sn, Te, Zn, and Al. Illustrated. From the viewpoint that the heat dissipating substrate 1 preferably has high thermal conductivity, the silver in the third intermediate layer 43 is also preferably close to pure silver having high thermal conductivity. For example, in the third intermediate layer 43, Ag is preferably 90% by mass or more, more preferably 95% by mass or more, and particularly preferably 97% by mass or more.

なお、第3中間層43は銀を主体としているため、第3中間層43のCTEも銀のCTEと概ね同等の約18×10−6/K〜19×10−6/K程度となり、銅板6のCTEよりも高い値となり得る。したがって、CTEの小さなセラミック基板2に近い第2中間層42に過剰な熱応力が作用することを抑制するため、第3中間層43は平均厚みが30μm以下、より好ましくは30μm未満とすることが適当である。第3中間層43の平均厚みは25μm以下が好ましく、20μm以下がより好ましく、15μm以下が特に好ましい。これにより、中間層4全体としてのCTEを安定させて過剰な熱応力の発生を抑制することができる。なお、第3中間層43は、銅板6と第2中間層42とを強固に接合するとの観点から、平均厚みは0.01μm以上とすることが適切であり、0.05μm以上が好ましく、0.1μm以上がより好ましく、例えば0.4μm以上であるとよい。これにより、銅板6と第2中間層42とをより安定的に接合することができ、熱的安定性の高い放熱性基板1を実現することができる。 Since the third intermediate layer 43 which is composed mainly of silver, generally it becomes equal to about 18 × 10 -6 / K~19 × 10 -6 / K approximately the CTE of even silver third intermediate layer 43, the copper plate It can be higher than the CTE of 6. Therefore, in order to suppress excessive thermal stress from acting on the second intermediate layer 42 close to the ceramic substrate 2 having a small CTE, the third intermediate layer 43 may have an average thickness of 30 μm or less, more preferably less than 30 μm. Is appropriate. The average thickness of the third intermediate layer 43 is preferably 25 μm or less, more preferably 20 μm or less, and particularly preferably 15 μm or less. Thereby, CTE as the intermediate | middle layer 4 whole can be stabilized, and generation | occurrence | production of an excessive thermal stress can be suppressed. In addition, from the viewpoint of firmly bonding the copper plate 6 and the second intermediate layer 42, the third intermediate layer 43 is appropriately set to have an average thickness of 0.01 μm or more, preferably 0.05 μm or more, and 0 More preferably, it is 1 μm or more, for example, 0.4 μm or more. Thereby, the copper plate 6 and the 2nd intermediate | middle layer 42 can be joined more stably, and the thermal radiation board | substrate 1 with high thermal stability is realizable.

第2中間層42は、銅を主成分とし、ガラス成分を含む。ガラス成分は、一般にセラミック基板2よりも高く、銅板6よりも低いCTEを備え得る。このことにより、例えば室温における第2中間層42のCTEを、セラミック基板2と銅板6との間に調整することができる。また、第2中間層42におけるガラス成分は、ヒートサイクル時には比較的低い温度から軟化して銅成分の表面に濡れ広がり、銅成分を結合しつつもその変位を許容する。また、第2中間層42は、第1中間層41に接合している側では第1中間層41の変形に追随しつつ、第3中間層43に接合している側では第3中間層43の変形に追随し得る。そしてこのとき、第2中間層42は、層の破断や切断等の損傷を招くことなく、自身の変形を許容して、層形態を維持し得る。換言すると、ガラス成分は、典型的には粒子状の銅成分を任意に繋ぐガラスマトリックス(ガラス成分)として機能する。これにより、温度幅の広いヒートサイクルに晒された場合であっても、銅板6の剥離や、セラミック基板2の破損等が抑制された放熱性基板1が実現される。   The second intermediate layer 42 includes copper as a main component and a glass component. The glass component may have a CTE that is generally higher than the ceramic substrate 2 and lower than the copper plate 6. Thereby, for example, the CTE of the second intermediate layer 42 at room temperature can be adjusted between the ceramic substrate 2 and the copper plate 6. The glass component in the second intermediate layer 42 softens from a relatively low temperature during the heat cycle, wets and spreads on the surface of the copper component, and allows its displacement while bonding the copper component. The second intermediate layer 42 follows the deformation of the first intermediate layer 41 on the side bonded to the first intermediate layer 41, and the third intermediate layer 43 on the side bonded to the third intermediate layer 43. Can follow the deformation of At this time, the second intermediate layer 42 can maintain its layer form by allowing its own deformation without causing damage such as breakage or cutting of the layer. In other words, the glass component typically functions as a glass matrix (glass component) that arbitrarily connects the particulate copper component. Thereby, even if it is a case where it is a case where it exposes to a heat cycle with a wide temperature range, the heat dissipation board | substrate 1 with which peeling of the copper plate 6, the damage of the ceramic substrate 2, etc. were suppressed is implement | achieved.

ここで、上記のガラス成分は、典型的には、軟化点が500℃以下であることが好ましい。ガラス成分の軟化点が500℃以下であることで、例えば環境温度が高温になるに従いガラス成分が徐々に軟化し始め、銅成分の結合性を維持しながら第2中間層42に柔軟性をもたらすことができる。ガラス成分の軟化点は、450℃以下が好ましく、430℃以下がより好ましく、400℃以下が特に好ましい。しかしながら、ガラス成分の軟化点が低すぎると、ガラス成分中に結晶が析出して結晶化しやすくなったり、ヒートサイクルによる影響を受けやすくなったりするために好ましくない。かかる観点から、ガラス成分の軟化点は、250℃以上が好ましく、300℃以上がより好ましく、350℃以上が特に好ましい。   Here, typically, the glass component preferably has a softening point of 500 ° C. or less. When the softening point of the glass component is 500 ° C. or less, for example, as the environmental temperature becomes higher, the glass component gradually starts to soften, and the second intermediate layer 42 is made flexible while maintaining the bonding property of the copper component. be able to. The softening point of the glass component is preferably 450 ° C. or lower, more preferably 430 ° C. or lower, and particularly preferably 400 ° C. or lower. However, if the softening point of the glass component is too low, it is not preferable because crystals are precipitated in the glass component and are easily crystallized, or are easily affected by the heat cycle. From this viewpoint, the softening point of the glass component is preferably 250 ° C. or higher, more preferably 300 ° C. or higher, and particularly preferably 350 ° C. or higher.

以上のガラス成分は、酸化物に換算したときの組成(以下同じ。)で、BaO及びZnOの少なくとも一方を主ガラス成分として含んでいることが好ましい。
BaOは、アルカリ土類金属からなる網目修飾酸化物であり、適量の網目形成酸化物の存在のもと、ガラスの形成に寄与し得る。ここに開示されるガラス成分においてBaOは、ガラスの軟化点を低下させることに大きく貢献している。また、BaOは、ガラス成分の軟化・溶融時の粘性を好適に下げ、例えば銅板における銅からなる組織の隅々にまでガラス成分を行き渡らせる効果があることも好ましい。なお、BaOは、ケイ素(Si)を主成分とするガラスにおいては熱膨張係数を増大する成分であると知られている。しかしながら、ここに開示されるガラス成分においては、かかるBaOを主成分とすることで、ガラスの熱膨張係数を大幅に増大させることができ、第2中間層の熱膨張係数を銅板の熱膨張係数に好適に合わせることができる点において特徴的な構成であり得る。
The above glass component has a composition (hereinafter the same) when converted to an oxide, and preferably contains at least one of BaO and ZnO as a main glass component.
BaO is a network-modified oxide made of an alkaline earth metal and can contribute to the formation of glass in the presence of an appropriate amount of network-forming oxide. In the glass component disclosed here, BaO greatly contributes to lowering the softening point of the glass. Further, BaO preferably has an effect of suitably lowering the viscosity of the glass component during softening and melting, for example, to spread the glass component to every corner of the structure made of copper in the copper plate. BaO is known to be a component that increases the coefficient of thermal expansion in glass mainly composed of silicon (Si). However, in the glass component disclosed here, the thermal expansion coefficient of the glass can be greatly increased by using such BaO as a main component, and the thermal expansion coefficient of the second intermediate layer is set to the thermal expansion coefficient of the copper plate. It can be a characteristic configuration in that it can be suitably matched to.

ZnOは、他の元素とともにガラス化する中間酸化物である。ここに開示されるガラス成分においてZnOは、ガラスの軟化点を低下させることに大きく寄与している。また、ZnOはガラスの安定性を高めてガラス化範囲を広げ、例えば約250℃以上の高温までに至る温度変化に晒された場合でも、ガラス成分の結晶化(失透)を抑制する効果を有している。   ZnO is an intermediate oxide that vitrifies together with other elements. In the glass component disclosed here, ZnO greatly contributes to lowering the softening point of the glass. Moreover, ZnO increases the stability of glass and widens the vitrification range. For example, ZnO has the effect of suppressing crystallization (devitrification) of glass components even when exposed to temperature changes up to about 250 ° C. or higher. Have.

ガラス成分が上記のBaOおよび/またはZnOを主ガラス成分として含むことで、このガラス層の軟化点を十分に低減することができる。BaOとZnOとは、いずれか一方のみを含んでいてもよいし、両方を含んでいてもよい。特に限定されるものではないが、ガラス成分は少なくともBaOを含んでいることが好ましく、また、BaOとZnOの両方を含むときはZnOよりもBaOを多く含むことが好ましい。なお、BaOとZnOとの合計は、ガラス成分の酸化物換算組成において、上記のとおり50mol%とすることができる。特に限定されるものではないが、BaOとZnOとの合計は、60mol%以上が好ましく、65mol%以上がより好ましく、70mol%以上が特に好ましい。BaOとZnOとの合計量の上限は、ガラス成分がガラスを形成し得る組成であれば特に制限されないが、おおよその目安として95mol%以下とすることができ、90mol%以下であってよく、例えば85mol%以下とすることができる。
なお、ガラス組成に関し、「主ガラス成分」とは、酸化物換算組成において当該ガラス成分を構成するガラス構成成分のうち、最も割合(含有量)が高い成分のことを言う。主成分は、典型的には50mol%以上、好ましくは60mol%以上、例えば70mol%以上の割合で含まれている物質を意味する。
When the glass component contains BaO and / or ZnO as the main glass component, the softening point of the glass layer can be sufficiently reduced. BaO and ZnO may contain only one or both of them. Although not particularly limited, the glass component preferably contains at least BaO, and when both the BaO and ZnO are contained, it is preferable that the glass component contains more BaO than ZnO. In addition, the sum total of BaO and ZnO can be 50 mol% as mentioned above in the oxide conversion composition of a glass component. Although not particularly limited, the total of BaO and ZnO is preferably 60 mol% or more, more preferably 65 mol% or more, and particularly preferably 70 mol% or more. The upper limit of the total amount of BaO and ZnO is not particularly limited as long as the glass component is a composition capable of forming glass, but can be 95 mol% or less as an approximate guide, and may be 90 mol% or less. It can be 85 mol% or less.
In addition, regarding a glass composition, a "main glass component" means a component with the highest ratio (content) among the glass structural components which comprise the said glass component in an oxide conversion composition. The main component means a substance that is typically contained in a proportion of 50 mol% or more, preferably 60 mol% or more, for example 70 mol% or more.

軟化点の低いガラス成分を実現するために、BaOおよびZnO以外のガラス成分を構成する成分としては、以下のものを考慮することができる。
ガラス成分は、網目形成酸化物としてSiO,B,P,GeO,Asなどの成分を含むことができる。これらの成分は、ガラス形成に寄与するのみならず、BaOおよびZnOによる化学的安定性と耐水性の低下の影響を補い得る点でも好ましい。網目形成酸化物は、いずれか1種であってもよいし、2種以上であってもよい。しかしながら、系の安定性の観点からは、網目形成酸化物はいずれか1種であることが好ましい。例えば、化学的安定性等に優れるとの観点から、網目形成酸化物はSiOであることが好ましい。網目形成酸化物は、ガラス成分中に含まれる量が、3mol%以上が好ましく、5mol%以上がより好ましく、7mol%以上が特に好ましい。過剰な網目形成酸化物の含有は融点の低下を妨げるため、網目形成酸化物は30mol%以下が好ましく、25mol%以下がより好ましく、20mol%以下が特に好ましい。とくに、網目形成酸化物はSiOである場合は、過剰なSiOの含有はガラス成分を硬質にして熱応力緩和能を低減させるために好ましくない。かかる観点から、SiOは30mol%以下が好ましく、20mol%以下がより好ましく、15mol%以下が特に好ましい。
In order to realize a glass component having a low softening point, the following can be considered as components constituting glass components other than BaO and ZnO.
The glass component may be a network-forming oxide containing component such as SiO 2, B 2 O 3, P 2 O 5, GeO 2, As 2 O 3. These components are preferable not only because they contribute to glass formation, but also because they can compensate for the effects of chemical stability and water resistance reduction caused by BaO and ZnO. Any 1 type may be sufficient as network formation oxide, and 2 or more types may be sufficient as it. However, from the viewpoint of the stability of the system, it is preferable that the network-forming oxide is any one kind. For example, the network-forming oxide is preferably SiO 2 from the viewpoint of excellent chemical stability. The amount of the network-forming oxide contained in the glass component is preferably 3 mol% or more, more preferably 5 mol% or more, and particularly preferably 7 mol% or more. Since the excessive inclusion of the network-forming oxide prevents the melting point from being lowered, the network-forming oxide is preferably 30 mol% or less, more preferably 25 mol% or less, and particularly preferably 20 mol% or less. In particular, when the network forming oxide is SiO 2 , the excessive SiO 2 content is not preferable because the glass component is hardened and the thermal stress relaxation ability is reduced. From this viewpoint, SiO 2 is preferably 30 mol% or less, more preferably 20 mol% or less, and particularly preferably 15 mol% or less.

NaO、KOおよびLiOはアルカリ金属酸化物からなる網目修飾酸化物である。ここに開示されるガラス成分において、これらのアルカリ金属酸化物は、3次元ガラス網目中に侵入し、ガラスの融点および軟化点を低下させる機能を有し、ガラスの流動性を高める効果を有する。そのため、ガラス成分をより低温から軟化させ、放冷性銅板について柔軟性を付与するのに貢献し得る。また、銅成分とガラス成分との接着性を高めたり、ガラス成分の絶縁性を低下させたりする効果もある。これらのアルカリ金属酸化物は、ガラス成分中に含まれる量が、2mol%以上が好ましく、2.5mol%以上がより好ましく、3mol%以上が特に好ましい。過剰なアルカリ金属酸化物の含有はガラス成分の化学的耐久性や、熱膨張係数の増大につながるため、アルカリ金属酸化物は20mol%以下が好ましく、15mol%以下がより好ましく、13mol%以下が特に好ましい。 Na 2 O, K 2 O and Li 2 O are network modified oxides made of alkali metal oxides. In the glass component disclosed here, these alkali metal oxides have a function of penetrating into the three-dimensional glass network, lowering the melting point and softening point of the glass, and improving the fluidity of the glass. Therefore, it can contribute to softening the glass component from a lower temperature and imparting flexibility to the coolable copper plate. Moreover, there exists an effect which improves the adhesiveness of a copper component and a glass component, or reduces the insulation of a glass component. The amount of these alkali metal oxides contained in the glass component is preferably 2 mol% or more, more preferably 2.5 mol% or more, and particularly preferably 3 mol% or more. Since the excessive alkali metal oxide content leads to an increase in the chemical durability of the glass component and the thermal expansion coefficient, the alkali metal oxide is preferably 20 mol% or less, more preferably 15 mol% or less, and particularly preferably 13 mol% or less. preferable.

AgOは、ガラスの融点および軟化点を低下させる機能を有する。AgOは、上記のアルカリ金属酸化物のように接着性を高める効果はさほどないが、アルカリ金属酸化物よりも少ない量でガラスの軟化点および融点を低下させたり、ガラス成分の絶縁性を低下させたりする効果が得られるために好ましい。AgOの含有量は、0.1mol%以上が好ましく、0.5mol%以上がより好ましく、1mol%以上が特に好ましい。過剰なAgOの含有は熱膨張係数の増大につながるため、AgOは10mol%以下が好ましく、5mol%以下がより好ましく、3mol%以下が特に好ましい。 Ag 2 O has a function of lowering the melting point and softening point of glass. Ag 2 O does not have the effect of increasing the adhesiveness like the above alkali metal oxides, but lowers the softening point and melting point of the glass with a smaller amount than the alkali metal oxides, or increases the insulating properties of the glass components. It is preferable because an effect of lowering can be obtained. The content of Ag 2 O is preferably 0.1 mol% or more, more preferably 0.5 mol% or more, and particularly preferably 1 mol% or more. Since containing excessive Ag 2 O leads to an increase in thermal expansion coefficient, Ag 2 O is preferably 10 mol% or less, more preferably 5 mol% or less, and particularly preferably 3 mol% or less.

Alは、単独ではガラス化しないが、他の元素とともにガラス化する中間酸化物である。Alは、Siの酸素多面体と頂点の酸素を共有することでガラスネットワークを形成し、アルミノケイ酸塩ガラス等を構成することが知られている。ここに開示される技術においては、例えばSiO等の網目形成酸化物とともに安定したガラスネットワークを形成し得る成分として、Alを好ましく含むことができる。Alの含有量は0.1mol%以上であるのが好ましく、0.2mol%以上であるのがより好ましく、0.5mol%以上であるのが特に好ましい。また、かかるガラス系において、Alは含有量が5mol%を超過するとガラスの軟化性を低下させ得るために好ましくない。Alの含有量は4.5mol%以下であるのが好ましく、4mol%以下であるのがより好ましい。 Al 2 O 3 is an intermediate oxide that does not vitrify alone but vitrifies with other elements. Al 2 O 3 is known to form an aluminosilicate glass and the like by forming a glass network by sharing apex oxygen with an oxygen polyhedron of Si. In the technology disclosed herein, for example, Al 2 O 3 can be preferably included as a component that can form a stable glass network together with a network-forming oxide such as SiO 2 . The content of Al 2 O 3 is preferably 0.1 mol% or more, more preferably 0.2 mol% or more, and particularly preferably 0.5 mol% or more. Further, in such a glass system, Al 2 O 3 is not preferable if the content exceeds 5 mol% because the softening property of the glass can be lowered. The content of Al 2 O 3 is preferably 4.5 mol% or less, and more preferably 4 mol% or less.

なお、ガラス成分は、ここに開示される技術の目的を損なわない範囲において、上記に例示した以外の種々のガラス構成成分や添加成分を含むことができる。例えば、Mg,Ca,Sr,Rb,Sn,Ti,Fe,Co,Cs,Ga,In,Ni,S,Cu,Sr,Se,Mo,Y,La,Nd,Pr,Gd,Sm,Dy,Eu,Ho,Yb,Lu,Ta,V,Fe,Hf,Cr,Cd,Sb,F,I,Mn,Pb,Bi,W,Te,CeおよびNbからなる群から選択された1種の元素を単独でまたは2種以上の元素を組み合わせて含まれていてもよい。ただし、不要な元素の含有はガラス成分の安定性を損ね得る。したがって、ここに開示される技術において、上記のBaO,ZnO,SiO,NaO,KO,LiO,AgO,Al以外の成分は、合計で5mol%以下、好ましくは4mol%以下、より好ましくは3mol%以下、特に好ましくは2mol%以下、例えば1mol%以下とすることができる。あるいは、不可避的に混入する成分を除き、実質的に0mol%としてもよい。 In addition, a glass component can contain the various glass structural component and additive component other than having illustrated above in the range which does not impair the objective of the technique disclosed here. For example, Mg, Ca, Sr, Rb, Sn, Ti, Fe, Co, Cs, Ga, In, Ni, S, Cu, Sr, Se, Mo, Y, La, Nd, Pr, Gd, Sm, Dy, One element selected from the group consisting of Eu, Ho, Yb, Lu, Ta, V, Fe, Hf, Cr, Cd, Sb, F, I, Mn, Pb, Bi, W, Te, Ce and Nb May be contained alone or in combination of two or more elements. However, the inclusion of unnecessary elements can impair the stability of the glass component. Therefore, in the technology disclosed herein, the components other than the BaO, ZnO, SiO 2 , Na 2 O, K 2 O, Li 2 O, Ag 2 O, and Al 2 O 3 are 5 mol% or less in total, It is preferably 4 mol% or less, more preferably 3 mol% or less, particularly preferably 2 mol% or less, for example 1 mol% or less. Or it is good also as 0 mol% substantially except the component mixed unavoidable.

以上のガラス成分としては、必ずしもこれに限定されるものではないが、例えば、具体的に、以下に示す組成を好ましい例として挙げることができる。
(BaO+ZnO):60mol%以上95mol%以下、
SiO:1mol%以上20mol%以下、
AgO:0.5mol%以上5mol%以下、
O:1mol%以上30mol%以下、および
Al:0mol%以上5mol%以下
The above glass component is not necessarily limited to this, but for example, the following composition can be specifically exemplified as a preferred example.
(BaO + ZnO): 60 mol% or more and 95 mol% or less,
SiO 2 : 1 mol% or more and 20 mol% or less,
Ag 2 O: 0.5 mol% or more and 5 mol% or less,
R 2 O: 1mol% or more 30 mol% or less, and Al 2 O 3: 0mol% or more 5 mol% or less

なお、上記(BaO+ZnO)は、BaOとZnOとの合計を意味している。また、Rは、元素周期律表における1A族から選択される1種以上の元素であってよく、例えば、具体的には、リチウム(Li)、ナトリウム(Na)、カリウム(K)であってよい。そしてROは、これら1A族元素の酸化物の合計を意味している。また、SiOは、その一部をB,P,GeO,Asに置換することができる。 The above (BaO + ZnO) means the sum of BaO and ZnO. R may be one or more elements selected from Group 1A in the Periodic Table of Elements, for example, specifically, lithium (Li), sodium (Na), potassium (K), Good. R 2 O means the total of oxides of these 1A group elements. Moreover, a part of SiO 2 can be replaced with B 2 O 3 , P 2 O 5 , GeO 2 , As 2 O 3 .

第2中間層42において、主成分としての銅を含む限り、銅とガラス成分との割合は特に制限されない。ガラス成分が少量でも含まれることで、この第2中間層42をセラミック基板2に接合して環境温度の変化が生じた場合などに、セラミック基板2と銅板6との間に発生する熱応力を緩和することができる。かかる効果を明瞭なものとするためには、例えば、銅とガラス成分との合計を100質量%としたとき、ガラス成分は10質量%以上であるのが好ましく、12質量%以上であるのがより好ましく、15質量%以上であるのが特に好ましい。また、過剰なガラス成分の含有は第2中間層42の熱伝導性の低下につながるために好ましくない。かかる観点から、ガラス成分の割合は、30質量%以下が好ましく、25質量%以下がより好ましく、20質量%以下が特に好ましい。   In the 2nd intermediate | middle layer 42, as long as copper as a main component is included, the ratio of copper and a glass component is not restrict | limited in particular. The thermal stress generated between the ceramic substrate 2 and the copper plate 6 when the second intermediate layer 42 is joined to the ceramic substrate 2 and a change in environmental temperature occurs due to the glass component being contained in a small amount. Can be relaxed. In order to make this effect clear, for example, when the total of copper and the glass component is 100% by mass, the glass component is preferably 10% by mass or more, and more preferably 12% by mass or more. More preferably, it is particularly preferably 15% by mass or more. In addition, the excessive glass component is not preferable because it leads to a decrease in the thermal conductivity of the second intermediate layer 42. From this viewpoint, the proportion of the glass component is preferably 30% by mass or less, more preferably 25% by mass or less, and particularly preferably 20% by mass or less.

また、このガラス成分は、第2中間層42の主成分である銅に比べて相対的に熱膨張係数が小さいことから、このガラス成分の存在により第2中間層42全体の熱膨張係数も低減され得る。ここで、第2中間層42の熱膨張係数は、厳密に制限されるものではないが、おおよその目安として14×10−6/K以下であることが好ましく、12×10−6/K以下がより好ましく、10×10−6/K以下が特に好ましい。第2中間層42の熱膨張係数の下限は特に制限されないが、例えば、おおよその目安として6×10−6/K以上とすることができる。 In addition, since this glass component has a relatively small thermal expansion coefficient compared to copper, which is the main component of the second intermediate layer 42, the presence of this glass component also reduces the overall thermal expansion coefficient of the second intermediate layer 42. Can be done. Here, although the thermal expansion coefficient of the second intermediate layer 42 is not strictly limited, it is preferably 14 × 10 −6 / K or less as a rough guide, and 12 × 10 −6 / K or less. Is more preferable, and 10 × 10 −6 / K or less is particularly preferable. The lower limit of the thermal expansion coefficient of the second intermediate layer 42 is not particularly limited, but can be, for example, 6 × 10 −6 / K or more as an approximate guide.

なお、第2中間層42において銅(銅部分)とガラス成分(ガラス成分部分)とは、第2中間層42の全体に亘って概ね均質に分散していることが好ましい。例えば、第2中間層42の組織は、銅とガラス成分とからなる複合体であることが好ましい。例えば、銅は、第2中間層42中に銅粒子として、あるいは、複数の銅粒子が焼結一体化されたものとして存在していることが好ましい。例えば、第2中間層42は、ガラス成分からなるマトリックス中に粒子状の銅が分散されていることで、複合体構造を有していてもよい。あるいは、第2中間層42は、複数の粒子が3次元的に結合した多孔質形状(スポンジ形状)の細孔部分をガラス成分が占めている形態の複合体構造を有していても良い。なお、ガラス成分は、常温状態では銅成分や、第1中間層41および第3中間層43に密に接触した状態でガラス成分を形成(ガラス化)し得る。これにより、例えば、中間層における相対密度を高める(例えば95%以上)ことができる。なお、ここでいう相対密度は、空隙率の補数である。   In the second intermediate layer 42, it is preferable that the copper (copper portion) and the glass component (glass component portion) are dispersed almost uniformly throughout the entire second intermediate layer 42. For example, the structure of the second intermediate layer 42 is preferably a composite composed of copper and a glass component. For example, it is preferable that copper is present in the second intermediate layer 42 as copper particles or as a result of sintering and integrating a plurality of copper particles. For example, the second intermediate layer 42 may have a composite structure by dispersing particulate copper in a matrix made of a glass component. Alternatively, the second intermediate layer 42 may have a composite structure in which a glass component occupies a porous portion (sponge shape) in which a plurality of particles are three-dimensionally bonded. In addition, a glass component can form (vitrify) a glass component in the state which contacted the copper component and the 1st intermediate | middle layer 41 and the 3rd intermediate | middle layer 43 in the normal temperature state. Thereby, for example, the relative density in the intermediate layer can be increased (for example, 95% or more). Note that the relative density here is a complement of the porosity.

かかる第2中間層42は、その厚みが厚いほど、CTEの小さなセラミック基板2とCTEの大きい銅板6との間に発生する熱応力を十分に緩和することができる。かかる観点から、第2中間層42は平均厚みが1μm以上とすることが適切であり、5μm以上が好ましく、10μm以上がより好ましく、例えば50μm以上であるとよい。一方で、第2中間層42の厚みが厚すぎると、中間層4の熱伝導性が劣り、放熱性基板1全体の放熱性が損なわれるために好ましくない。かかる観点から、第2中間層42は1000μm以下であることが適当であり、800μm以下が好ましく、600μm以下がより好ましく、500μm以下が特に好ましい。これにより、放熱性基板1全体の放熱性の過剰な低下を抑制することができる。   As the thickness of the second intermediate layer 42 increases, the thermal stress generated between the ceramic substrate 2 having a small CTE and the copper plate 6 having a large CTE can be sufficiently relaxed. From this point of view, it is appropriate that the second intermediate layer 42 has an average thickness of 1 μm or more, preferably 5 μm or more, more preferably 10 μm or more, for example, 50 μm or more. On the other hand, if the thickness of the second intermediate layer 42 is too thick, the thermal conductivity of the intermediate layer 4 is inferior, and the heat dissipation of the entire heat dissipation substrate 1 is impaired. From such a viewpoint, the second intermediate layer 42 is suitably 1000 μm or less, preferably 800 μm or less, more preferably 600 μm or less, and particularly preferably 500 μm or less. Thereby, the excessive fall of the heat dissipation of the heat dissipation board | substrate 1 can be suppressed.

なお、第1中間層は、例えば、要求される放熱性を実現し得るように、基板の広い領域にベタ塗りされていることが好ましい。第1中間層は、例えば、厚みに比べて十分に大きい寸法(例えば、厚みの100倍〜10×10倍)で基板の広い領域に設けられることが好ましい。第2中間層および第3中間層については、その形態は特に限定されない。第2中間層は、ベタ塗りされていてもよいし、ベタ塗りされていなくてもよい。そして第3中間層は、例えば、所望の導電性を実現しうるように、任意のパターンに形成されているとよい。そのようなパターンの一例としては、例えば、縞状、波縞状、格子状などが挙げられる。第3中間層をライン状のパターンとする場合(図2参照)、その太さは、例えば0.1μm以上10μm以下(好ましくは、0.2μm以上5μm以下、例えば、0.3μm以上3μm以下)程度とすることが例示される。例えば、第3中間層のみ、あるいは、第2中間層および第3中間層を、任意のパターンで形成するようにしてもよい。 In addition, it is preferable that the 1st intermediate | middle layer is solid-coated in the wide area | region of a board | substrate so that the required heat dissipation may be implement | achieved, for example. The first intermediate layer is preferably provided in a wide area of the substrate with, for example, a dimension sufficiently larger than the thickness (for example, 100 times to 10 × 10 6 times the thickness). The form of the second intermediate layer and the third intermediate layer is not particularly limited. The second intermediate layer may be solid or may not be solid. And the 3rd intermediate layer is good to be formed in arbitrary patterns, for example so that desired conductivity may be realized. Examples of such patterns include stripes, wavy stripes, and lattices. When the third intermediate layer has a line pattern (see FIG. 2), the thickness is, for example, 0.1 μm to 10 μm (preferably 0.2 μm to 5 μm, for example, 0.3 μm to 3 μm). The degree is exemplified. For example, only the third intermediate layer, or the second intermediate layer and the third intermediate layer may be formed in an arbitrary pattern.

以上のような放熱性基板1は、必ずしもこれに限定されるものではないが、例えば、以下の工程(1)〜(5)を実施することにより好適に製造することができる。
(1)セラミック基板2上に、銅を主体とし、ガラス成分を含まない第1中間層41を設ける工程
(2)第1中間層上に、銅粉末とガラス粉末と分散媒とを含む銅ペーストを供給して銅ペースト層を形成する工程
(3)銅ペースト層上に、銀粉末と分散媒とを含む銀ペーストを供給して銀ペースト層を設ける工程
(4)銀ペースト層上に銅板を配置して未焼成積層体を用意する工程
(5)未焼成積層体を500℃以上700℃以下の温度範囲で焼成して放熱性基板を得る工程
Although the above heat dissipation board | substrate 1 is not necessarily limited to this, For example, it can manufacture suitably by implementing the following processes (1)-(5).
(1) The process of providing the 1st intermediate layer 41 which has copper as a main body and does not contain a glass component on the ceramic substrate 2 (2) The copper paste which contains copper powder, glass powder, and a dispersion medium on the 1st intermediate layer (3) A step of supplying a silver paste containing silver powder and a dispersion medium to provide a silver paste layer on the copper paste layer (4) A step of forming a copper plate on the silver paste layer Step of arranging and preparing an unfired laminate (5) Step of firing the unfired laminate in a temperature range of 500 ° C. to 700 ° C. to obtain a heat-radiating substrate

1.第1中間層の形成
まず、上記に説明したセラミックからなセラミック基板2を用意する。かかる基板は、例えば、市販されているものを購入しても良いし、製造して用意しても良い。基板2を製造する場合は、その製法等は制限されない。例えば、所望の組成のセラミック粉末、焼成助剤および溶剤等を所定の割合で配合し、ボールミル等で粉砕および混合して、基板形成用のスラリーを調製する。そしてこのスラリーを、例えば、キャリアシート上に層状に供給し、適宜乾燥させた後、電気炉等にて所定の温度で脱脂および焼成することで、セラミック粉末の焼結体としてのセラミック基板2を得ることができる。基板2は、焼成の前、もしくは焼成後に、所定の大きさに切断して用いることができる。
1. Formation of the first intermediate layer First, the ceramic substrate 2 made of the ceramic described above is prepared. As such a substrate, for example, a commercially available one may be purchased, or manufactured and prepared. When manufacturing the board | substrate 2, the manufacturing method etc. are not restrict | limited. For example, ceramic powder having a desired composition, a firing aid, a solvent, and the like are blended at a predetermined ratio, and pulverized and mixed with a ball mill or the like to prepare a slurry for forming a substrate. Then, for example, the slurry is supplied in a layer form on a carrier sheet, dried appropriately, and then degreased and fired at a predetermined temperature in an electric furnace or the like, whereby a ceramic substrate 2 as a sintered body of ceramic powder is obtained. Can be obtained. The substrate 2 can be cut into a predetermined size before firing or after firing.

そして用意したセラミック基板2に第1中間層41を設ける。第1中間層41の構築の手段は特に制限されず、例えば塗布法、めっき法、貼り付け法等により第1中間層41を形成することができる。例えば、塗布により第1中間層41を構築する場合においては、例えば、銅または銅合金を固形分として含み、これを分散媒中に分散させた第1中間層形成用ペーストを用意し、この第1中間層形成用ペーストをセラミック基板2の表面に塗布(供給)して、第1中間層41の前駆層を構築するようにしてもよい。この前駆層は、次工程で銅ペーストを供給する前に乾燥ないしは焼成してもよいし、後述の焼成工程において他のペースト層とともに焼成するようにしてもよい。   Then, the first intermediate layer 41 is provided on the prepared ceramic substrate 2. The means for constructing the first intermediate layer 41 is not particularly limited. For example, the first intermediate layer 41 can be formed by a coating method, a plating method, a pasting method, or the like. For example, when the first intermediate layer 41 is constructed by coating, for example, a first intermediate layer forming paste containing copper or a copper alloy as a solid content and dispersed in a dispersion medium is prepared. The intermediate layer forming paste may be applied (supplied) to the surface of the ceramic substrate 2 to construct the precursor layer of the first intermediate layer 41. This precursor layer may be dried or fired before supplying the copper paste in the next step, or may be fired together with other paste layers in the firing step described later.

また、例えば、貼り付けにより第1中間層41を構築する場合においては、所望の形態の箔(シート、板等を含む。)からなる第1中間層41を用意し、これをセラミック基板2の上に載置する。必要に応じて、載置した箔をセラミック基板2に押圧して密着させるようにしてもよい。ここで、箔の厚みは、所望の第1中間層41の厚みとすることができる。したがって、第1中間層41はいわゆる箔状(板状、シート状を包含する。)のものであってもよい。これにより、簡便に第1中間層41を構築することができる。   Further, for example, in the case of constructing the first intermediate layer 41 by pasting, a first intermediate layer 41 made of a foil (including a sheet, a plate, etc.) of a desired form is prepared, and this is used for the ceramic substrate 2. Place on top. If necessary, the placed foil may be pressed and adhered to the ceramic substrate 2. Here, the thickness of the foil can be a desired thickness of the first intermediate layer 41. Therefore, the first intermediate layer 41 may have a so-called foil shape (including a plate shape and a sheet shape). Thereby, the 1st intermediate | middle layer 41 can be constructed | assembled simply.

さらに、例えば、めっき法により第1中間層41を構築する場合において、めっき法の具体的な手法については特に限定されず、湿式めっき法、乾式めっき法のいずれをも採用することができる。湿式めっき法としては、無電解めっき法、電気めっき法等が挙げられる。乾式めっき法としては、真空蒸着法、スパッタリング法、CVD法、PVD法等が挙げられる。例えば、湿式めっき法を好ましく採用することができ、無電解めっき法がより好ましい。上記の各手法の具体的なめっき条件は、例えば、第1中間層41の厚みが所望の範囲となるように、常法に基づいて適宜設定することができる。   Furthermore, for example, when the first intermediate layer 41 is constructed by a plating method, the specific method of the plating method is not particularly limited, and either a wet plating method or a dry plating method can be employed. Examples of the wet plating method include an electroless plating method and an electroplating method. Examples of the dry plating method include a vacuum deposition method, a sputtering method, a CVD method, and a PVD method. For example, a wet plating method can be preferably employed, and an electroless plating method is more preferable. The specific plating conditions for each of the above methods can be appropriately set based on a conventional method so that the thickness of the first intermediate layer 41 falls within a desired range, for example.

ここに開示される製造方法の好ましい一態様として、無電解めっき法による銅めっきについて説明する。この方法ではまず、第1中間層41を構成する銅または銅合金の組成に応じて、銅および必要に応じて他の金属元素を塩として含むめっき液を用意する。この銅めっき層は、実質的に(例えば、銅めっき層全体の95質量%以上が)銅成分からなるのが好ましい。めっき液としては、例えば、市販の無電解銅めっき液(例えば、硫酸銅溶液等)を用いることができる。上記めっき液は、典型的には、銅の塩(CuSOなど)の他に、還元剤(HCHOなど),pH調整剤(NaOHなど),錯化剤(EDTAやロッシェル塩など),促進剤,安定剤(ビピリジル、ポリエチレングリコールなど)の添加剤を含むことができる。そしてめっき液に、めっき対象であるセラミック基板2を浸漬させ、めっき液を撹拌して馴染ませる。良質な膜としての第1中間層41を形成するためには、予め、セラミック基板2を塩化パラジウム等へ浸漬させる等して表面の活性化処理(コンディショニング、プレディップ、キャタライズ、活性化等の各種の前処理を包含する)を行っておくことが好ましい。無電解めっきにおけるめっき条件(めっき浴中におけるCu濃度や温度、浸漬時間、pHその他)は所望のめっき厚みが好適に実現されるよう、適宜設定すればよい。例えば、セラミック基板2を30℃〜90℃程度に加温した所定濃度のめっき浴中に数分間〜1時間程度浸漬させることが例示される。めっき処理の後は、適宜洗浄や乾燥を行うことにより、第1中間層41が備えられたセラミック基板2を得ることができる。 As a preferred embodiment of the production method disclosed herein, copper plating by an electroless plating method will be described. In this method, first, a plating solution containing copper and, if necessary, another metal element as a salt is prepared according to the composition of copper or copper alloy constituting the first intermediate layer 41. This copper plating layer is preferably substantially composed of a copper component (for example, 95% by mass or more of the entire copper plating layer). As a plating solution, for example, a commercially available electroless copper plating solution (for example, a copper sulfate solution) can be used. The plating solution is typically a copper salt (such as CuSO 4 ), a reducing agent (such as HCHO), a pH adjuster (such as NaOH), a complexing agent (such as EDTA or Rochelle salt), and an accelerator. , Stabilizers (bipyridyl, polyethylene glycol, etc.) additives can be included. Then, the ceramic substrate 2 that is the object of plating is immersed in the plating solution, and the plating solution is agitated to be acclimated. In order to form the first intermediate layer 41 as a high-quality film, the surface activation treatment (conditioning, pre-dip, catalyzing, activation, etc.) is performed by immersing the ceramic substrate 2 in palladium chloride or the like in advance. It is preferable to carry out a pretreatment of What is necessary is just to set suitably the plating conditions (Cu concentration in a plating bath, temperature, immersion time, pH, etc.) in electroless plating so that desired plating thickness is implement | achieved suitably. For example, the ceramic substrate 2 is immersed in a plating bath having a predetermined concentration heated to about 30 ° C. to 90 ° C. for about several minutes to about 1 hour. After the plating treatment, the ceramic substrate 2 provided with the first intermediate layer 41 can be obtained by appropriately washing and drying.

2.銅ペースト層の形成
第1中間層41(前駆層であってもよい)上に、銅粉末とガラス粉末と分散媒とを含む銅ペーストを供給して銅ペースト層を形成する。ここで、銅粉末およびガラス粉末の組成は、上述の第2中間層42についての銅成分およびガラス成分と同じであるため繰り返しの説明は省略する。
銅粉末は、特に限定されないが、例えば、典型的には、平均粒子径が10μm以下のものを用いることができ、7μm以下が好ましく、5μm以下がより好ましい。平均粒子径は、1μm以上が好適であり、1.5μm以上が好ましく、2μm以上が特に好ましい。
ガラス粉末は、好適には、平均粒子径が5μm以下のものを用いることができ、3μm以下が好ましく、2.5μm以下がより好ましい。ガラスフリットの平均粒子径は、0.5μm以上が好適であり、1μm以上が好ましく、1.5μm以上が特に好ましい。
本明細書における銅粉末およびガラス粉末の平均粒子径は、レーザ回折・散乱法に基づく粒度分布測定装置により測定される、体積基準の粒度分布における積算50%粒径(D50)である。かかる平均粒子径は、レーザ回折・散乱式粒度分布測定装置(株式会社堀場製作所製、LA−920)を用いて測定した値を採用している。
2. Formation of copper paste layer On the 1st intermediate | middle layer 41 (it may be a precursor layer), the copper paste containing copper powder, glass powder, and a dispersion medium is supplied, and a copper paste layer is formed. Here, since the composition of the copper powder and the glass powder is the same as the copper component and the glass component of the second intermediate layer 42 described above, repeated description is omitted.
The copper powder is not particularly limited, but typically, for example, one having an average particle diameter of 10 μm or less can be used, preferably 7 μm or less, and more preferably 5 μm or less. The average particle size is preferably 1 μm or more, preferably 1.5 μm or more, particularly preferably 2 μm or more.
As the glass powder, those having an average particle diameter of 5 μm or less can be suitably used, preferably 3 μm or less, and more preferably 2.5 μm or less. The average particle size of the glass frit is preferably 0.5 μm or more, preferably 1 μm or more, and particularly preferably 1.5 μm or more.
The average particle diameter of the copper powder and the glass powder in the present specification is an integrated 50% particle diameter (D 50 ) in a volume-based particle size distribution measured by a particle size distribution measuring apparatus based on a laser diffraction / scattering method. The average particle diameter employs a value measured using a laser diffraction / scattering particle size distribution measuring apparatus (LA-920, manufactured by Horiba, Ltd.).

次いで、上記で用意した銅粉末およびガラス粉末を、分散媒とともに混合することで銅ペーストを調製することができる。混合には、公知の各種の乳化機、分散機、混合機、混練機、撹拌機等を用いることができる。例えば、三本ロールミルを好ましく用いることができる。
分散媒としては、例えば、水、メチルアルコール、エチルアルコール、ブチルアルコール,プロピルアルコール等の低級アルキルアルコール類;アセトン、メチルエチルケトン等のアルキルケトン類;テトラヒドロフラン、ジオキサン、ジグライム等のエーテル類;エチレングリコール、ジエチレングリコール等のグリコールエーテル類;ジエチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルイミダゾリジノン等のアミド類;を好ましく用いることができる。これらは1種を単独で用いても良いし、2種以上を組み合わせて用いても良い。好ましくは、水と低級アルコールとの混合溶液である。
Next, a copper paste can be prepared by mixing the copper powder and glass powder prepared above together with a dispersion medium. For mixing, various known emulsifiers, dispersers, mixers, kneaders, stirrers and the like can be used. For example, a three roll mill can be preferably used.
Examples of the dispersion medium include water, lower alkyl alcohols such as methyl alcohol, ethyl alcohol, butyl alcohol and propyl alcohol; alkyl ketones such as acetone and methyl ethyl ketone; ethers such as tetrahydrofuran, dioxane and diglyme; ethylene glycol and diethylene glycol. Glycol ethers such as diethylformamide, dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, and amides such as dimethylimidazolidinone can be preferably used. These may be used alone or in combination of two or more. A mixed solution of water and a lower alcohol is preferable.

そして必ずしも必要ではないが、銅ペーストには有機バインダを加えてもよい。かかる有機バインダとしては、例えば、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、フェノール系樹脂、アルキド系樹脂、セルロース系高分子、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール等をベースとするものが挙げられる。ここに開示される技術においては、特にセルロース系高分子等からなるバインダを用いることが好ましい。かかるセルロース系高分子の好適例としては、セルロース又はその誘導体が挙げられる。具体的には、ヒドロキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、カルボキシエチルセルロース、カルボキシエチルメチルセルロース、セルロース、エチルセルロース、メチルセルロース、エチルヒドロキシエチルセルロース、及びこれらの塩が挙げられる。   Although not always necessary, an organic binder may be added to the copper paste. Examples of such organic binders include those based on acrylic resins, epoxy resins, phenol resins, alkyd resins, cellulose polymers, polyvinyl alcohol, polyvinyl butyral, and the like. In the technique disclosed here, it is particularly preferable to use a binder made of a cellulose-based polymer or the like. Preferable examples of such a cellulose polymer include cellulose or a derivative thereof. Specific examples include hydroxymethyl cellulose, hydroxyethyl cellulose, hydroxypropyl cellulose, hydroxypropyl methyl cellulose, carboxymethyl cellulose, carboxyethyl cellulose, carboxyethyl methyl cellulose, cellulose, ethyl cellulose, methyl cellulose, ethyl hydroxyethyl cellulose, and salts thereof.

そして上記の銅ペーストを、適切な手法を採用して第1中間層41上に層状に供給することで、銅ペースト層を成形することができる。ここで銅ペーストの供給には、コンマコーター法、スリットリバース法、ダイコーター法、グラビア印刷法、ドクターブレード法、スプレー塗布法、スクリーン印刷法、メタルマスク印刷法等の各種の供給方法を採用することができる。銅ペーストは、後述の焼成により所望の厚さの第2中間層42が得られるように、例えば繰り返し重ねて供給するようにしてもよい。これにより、例えば第1中間層41の全面に、あるいは一部に任意のパターンで、銅ペースト層を形成することができる。   And a copper paste layer can be shape | molded by employ | adopting an appropriate method and supplying said copper paste on the 1st intermediate | middle layer 41 in a layer form. Here, various supply methods such as a comma coater method, a slit reverse method, a die coater method, a gravure printing method, a doctor blade method, a spray coating method, a screen printing method, and a metal mask printing method are adopted for supplying the copper paste. be able to. The copper paste may be repeatedly supplied, for example, so that the second intermediate layer 42 having a desired thickness can be obtained by firing described later. Thereby, for example, a copper paste layer can be formed in an arbitrary pattern on the entire surface of the first intermediate layer 41 or a part thereof.

3.銀ペースト層の形成
上記で形成した銅ペースト層上に、銀粉末と分散媒とを含む銀ペーストを供給して銀ペースト層を形成する。ここで、銀粉末の組成は、上述の銀成分と同じであるため繰り返しの説明は省略する。
銀粉末は、特に限定されないが、例えば、典型的には、平均粒子径が100nm以下のいわゆるナノ粉末を好適に用いることができる。かかるナノ粉末を用いることで、緻密な焼結膜としての第3中間層43を得ることができる。銀粉末の平均粒子径は80nm以下が好ましく、70nm以下がより好ましく、60nm以下が特に好ましい。一方で、銀粉末の平均粒子径が細かすぎると、銀粉末の焼結が進行し易く、ハンドリング性が落ちる点において好ましくない。かかる観点から、平均粒子径は10nm以上のものが好ましく、15nm以上がより好ましく、20nm以上が特に好ましい。
本明細書における銅粉末およびガラス粉末の平均粒子径は、電子顕微鏡観察に基づく100個以上の粒子の円相当径の算術平均値として規定される。
3. Formation of a silver paste layer On the copper paste layer formed above, a silver paste containing silver powder and a dispersion medium is supplied to form a silver paste layer. Here, since the composition of the silver powder is the same as that of the above-described silver component, repeated description is omitted.
Although silver powder is not specifically limited, For example, typically what is called nanopowder whose average particle diameter is 100 nm or less can be used conveniently. By using such nanopowder, the third intermediate layer 43 as a dense sintered film can be obtained. The average particle size of the silver powder is preferably 80 nm or less, more preferably 70 nm or less, and particularly preferably 60 nm or less. On the other hand, if the average particle size of the silver powder is too small, the sintering of the silver powder is likely to proceed, and this is not preferable in terms of handling properties. From this viewpoint, the average particle size is preferably 10 nm or more, more preferably 15 nm or more, and particularly preferably 20 nm or more.
The average particle diameter of the copper powder and the glass powder in the present specification is defined as an arithmetic average value of equivalent circle diameters of 100 or more particles based on observation with an electron microscope.

銀ペーストは、上記銀粉末を用いることで、上記の銅ペーストと同様にして調製することができる。また、銀ペースト層は、上記の銅ペースト層と同様にして、形成することができる。銀ペーストは、後述の焼成により所望の厚さの第3中間層43が得られるように、例えば繰り返し重ねて供給するようにしてもよい。これにより、例えば銅ペースト層の全面に、あるいは一部に任意のパターンで、銀ペースト層を形成することができる。   The silver paste can be prepared in the same manner as the above copper paste by using the above silver powder. The silver paste layer can be formed in the same manner as the copper paste layer. The silver paste may be repeatedly supplied, for example, so that the third intermediate layer 43 having a desired thickness can be obtained by baking described later. Thereby, for example, the silver paste layer can be formed in an arbitrary pattern on the entire surface of the copper paste layer or a part thereof.

4.未焼成積層体の用意
上記のように形成した銀ペースト層上に、銅板6を配置して未焼成積層体を用意する。銅板6についても上述したとおりであるので重ねての説明は省略する。なお、このように用意された銅ペースト層、銀ペースト層および未焼成積層体は、例えば、適時に乾燥(分散媒の除去)、必要に応じて脱バインダのための熱処理を行うようにしてもよい。分散媒の除去は、自然乾燥であってもよいし、送風乾燥、加熱乾燥、真空乾燥、凍結乾燥等の手段を利用してもよい。脱バインダのための熱処理は、使用するバインダにもよるが、例えば、約120℃以上240℃以下(典型的には150℃以上200℃以下)とすることができる。
4). Preparation of unfired laminate A copper laminate 6 is arranged on the silver paste layer formed as described above to prepare an unfired laminate. Since the copper plate 6 is also as described above, repeated description is omitted. The prepared copper paste layer, silver paste layer, and unfired laminate may be dried (removal of the dispersion medium) at an appropriate time, and may be subjected to heat treatment for removing the binder as necessary. Good. Removal of the dispersion medium may be natural drying, or means such as air drying, heat drying, vacuum drying, and freeze drying may be used. The heat treatment for removing the binder may be, for example, about 120 ° C. or higher and 240 ° C. or lower (typically 150 ° C. or higher and 200 ° C. or lower) depending on the binder to be used.

5.焼成
次いで、用意した未焼成積層体を500℃以上700℃以下の温度範囲で焼成する。これにより、ここに開示される放熱性基板を得ることができる。焼成雰囲気は、基板の種類や加熱温度等に応じて選択でき、大気雰囲気、空気雰囲気、酸化性雰囲気、不活性ガス雰囲気(窒素ガス、ヘリウムガス、アルゴンガス等)、還元性雰囲気あるいはこれらの混合雰囲気等から、適宜選択することができる。例えば大気雰囲気であってよい。
なお、本例では、銅ペースト層と銀ペースト層とを同時に焼成する例を示したが、これらの層は同時に焼成することに限定されない。例えば、銅ペースト層を形成したのち、銅ペースト層を焼成して第2中間層42を形成し、その後、第2中間層42の上に銀ペースト層を形成し、かかる銀ペースト層の上に銅板を載置して焼成することで第3中間層43を形成するようにしてもよい。
5. Firing Next, the prepared unfired laminate is fired in a temperature range of 500 ° C. or higher and 700 ° C. or lower. Thereby, the heat dissipation board | substrate disclosed here can be obtained. The firing atmosphere can be selected according to the type of substrate, heating temperature, etc., and can be an air atmosphere, air atmosphere, oxidizing atmosphere, inert gas atmosphere (nitrogen gas, helium gas, argon gas, etc.), reducing atmosphere, or a mixture thereof. It can be appropriately selected from the atmosphere and the like. For example, it may be an atmospheric atmosphere.
In addition, although the example which bakes a copper paste layer and a silver paste layer simultaneously was shown in this example, these layers are not limited to baking simultaneously. For example, after forming the copper paste layer, the copper paste layer is baked to form the second intermediate layer 42, and then the silver paste layer is formed on the second intermediate layer 42. You may make it form the 3rd intermediate | middle layer 43 by mounting and baking a copper plate.

なお、上記の銅ペーストおよび銀ペーストは、第2中間層42および第3中間層43をそれぞれ構成する材料以外の成分としては、必要に応じて用いるバインダおよび分散媒以外の成分を含む必要はない。しかしながら、本願の目的を逸脱しない範囲において、これらの材料の他に、種々の成分の含有が許容される。かかる成分としては、銅ペーストおよび/または銀ペーストの性状や供給性(例えば印刷性)を改善する目的で添加される添加剤や、焼成物としての第2中間層42および第3中間層43の特性を改善する目的で添加される添加剤等を考慮することができる。一例として、界面活性剤、分散剤、充填材(有機充填材、無機充填材)、粘度調整剤、消泡剤、可塑剤、安定剤、酸化防止剤、防腐剤等が挙げられる。これらの添加剤(化合物)は1種が単独で含まれていてもよく、2種以上が組み合わせて含まれていてもよい。しかしながら、第2中間層42および第3中間層43をそれぞれ構成する材料の焼成を阻害する成分や、これらを阻害するような量での添加剤の含有は好ましくない。かかる観点から、例えば、不適切な銀粉末の保護剤や、無機充填材の含有は好ましくない。また、添加剤を含む場合は、これらの成分の総含有量が、銀ペースト全体の約5質量%以下であるのが好ましく、3質量%以下がより好ましく、1質量%以下が特に好ましい。   In addition, said copper paste and silver paste do not need to contain components other than the binder used as needed, and components other than the material which comprises the 2nd intermediate | middle layer 42 and the 3rd intermediate | middle layer 43, respectively. . However, the content of various components in addition to these materials is allowed without departing from the object of the present application. Such components include additives added for the purpose of improving the properties and supplyability (for example, printability) of the copper paste and / or silver paste, and the second intermediate layer 42 and the third intermediate layer 43 as a fired product. Additives added for the purpose of improving the characteristics can be considered. Examples include surfactants, dispersants, fillers (organic fillers, inorganic fillers), viscosity modifiers, antifoaming agents, plasticizers, stabilizers, antioxidants, preservatives, and the like. One of these additives (compounds) may be contained alone, or two or more thereof may be contained in combination. However, it is not preferable to contain a component that inhibits the firing of the materials constituting the second intermediate layer 42 and the third intermediate layer 43, and an additive in an amount that inhibits these components. From this point of view, for example, an inappropriate silver powder protective agent or inorganic filler is not preferable. When the additive is included, the total content of these components is preferably about 5% by mass or less, more preferably 3% by mass or less, and particularly preferably 1% by mass or less based on the total silver paste.

上記のとおり、ここに開示される放熱性基板1は、例えば固定部材等を必要とせず、セラミック基板2と放熱のための銅板6とが安定して一体化されている。これにより、ユーザーが銅板6をセラミック基板2に現場で固定する必要が無く、簡便に放熱性基板1を利用することができる。   As described above, the heat dissipating substrate 1 disclosed herein does not require, for example, a fixing member, and the ceramic substrate 2 and the copper plate 6 for heat dissipation are stably integrated. Thereby, it is not necessary for the user to fix the copper plate 6 to the ceramic substrate 2 on site, and the heat dissipating substrate 1 can be easily used.

図3は、鉄道車輌の駆動力を制御するためのパワーモジュール10の構成を説明する断面図である。ここに開示される放熱性基板1の上に、パワーデバイス30が実装されている。具体的には、パワーデバイス30は、例えば、IGBT(Insulated Gate Bipolor Transistor:絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ)である。パワーデバイス30は、放熱性基板1に2個以上のものが搭載されている。放熱性基板1は、例えば、平板状の窒化ケイ素(Si)からなるセラミック基板2を備えており、セラミック基板2の厚みは約200μmである。セラミック基板2の表面(図では上面)には銅箔が備えられており、エッチングにより回路パターン22が形成されている。ここで銅箔はセラミック基板2に直接的に備えられており、この基板2はいわゆるDBC(Direct Bonded Copper)基板である。また、セラミック基板2の裏面(図では下面)には、中間層4を介して銅板6が接合されている。本例における銅板6の厚みは約1000μmである。また、回路パターン22上には、パワーデバイス30がはんだ32により接合されている。また、銅板6には、熱伝導性のグリス34を介して冷却器50が連結されている。 FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating the configuration of the power module 10 for controlling the driving force of the railway vehicle. A power device 30 is mounted on the heat dissipating substrate 1 disclosed herein. Specifically, the power device 30 is, for example, an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). Two or more power devices 30 are mounted on the heat dissipation substrate 1. The heat dissipating substrate 1 includes, for example, a ceramic substrate 2 made of flat silicon nitride (Si 3 N 4 ), and the thickness of the ceramic substrate 2 is about 200 μm. A copper foil is provided on the surface (upper surface in the figure) of the ceramic substrate 2, and a circuit pattern 22 is formed by etching. Here, the copper foil is directly provided on the ceramic substrate 2, and this substrate 2 is a so-called DBC (Direct Bonded Copper) substrate. A copper plate 6 is bonded to the back surface (lower surface in the figure) of the ceramic substrate 2 with an intermediate layer 4 interposed therebetween. The thickness of the copper plate 6 in this example is about 1000 μm. On the circuit pattern 22, the power device 30 is joined by solder 32. Further, a cooler 50 is connected to the copper plate 6 via a thermally conductive grease 34.

このようなパワーモジュール10は、例えば、常温(例えば−10℃〜30℃程度の範囲)から300℃程度の温度環境下において使用され得る。例えば、−40℃〜250℃という温度変化の激しい環境に晒されたとき、セラミック基板2と銅板6との間には、熱膨張係数差に基づく熱応力が発生し得る。しかしながら、中間層4は、セラミック基板2と銅板6とに強固に接着しながら、その内部に含むガラス成分の軟化点に近い200℃以上の温度範囲において、徐々に軟化し得る。このことにより、セラミック基板2と銅板6との間に発生する熱応力は、かかるガラス成分に吸収されたり緩和されたりする。したがって、銅板6の厚みが十分に厚く反り変形等が生じない場合であっても、中間層4に含まれるガラス成分の存在により、セラミック基板2との間に発生する熱応力は緩和される。これにより、セラミック基板2からの銅板6の剥離や、セラミック基板2の破損が抑制される。また、パワーデバイス30から発生する熱は、セラミック基板2から中間層4を通じて銅板6に伝わり、放熱性基板1の裏面側から効果的に放熱させることができる。延いては、サイクル放熱性に優れたパワーモジュール10が提供される。換言すると、放熱性に優れるとともに、温度変化に対する信頼性の高いパワーモジュール10が提供される。   Such a power module 10 can be used in a temperature environment of, for example, room temperature (for example, a range of about −10 ° C. to 30 ° C.) to about 300 ° C. For example, when exposed to an environment where the temperature changes drastically from −40 ° C. to 250 ° C., thermal stress based on the difference in thermal expansion coefficient may be generated between the ceramic substrate 2 and the copper plate 6. However, the intermediate layer 4 can be softened gradually in a temperature range of 200 ° C. or more close to the softening point of the glass component contained therein while firmly bonding to the ceramic substrate 2 and the copper plate 6. Thereby, the thermal stress generated between the ceramic substrate 2 and the copper plate 6 is absorbed or relaxed by the glass component. Therefore, even when the thickness of the copper plate 6 is sufficiently thick and warp deformation or the like does not occur, the thermal stress generated between the ceramic substrate 2 and the ceramic substrate 2 is relieved by the presence of the glass component contained in the intermediate layer 4. Thereby, peeling of the copper plate 6 from the ceramic substrate 2 and breakage of the ceramic substrate 2 are suppressed. Further, the heat generated from the power device 30 is transmitted from the ceramic substrate 2 to the copper plate 6 through the intermediate layer 4, and can be effectively dissipated from the back side of the heat dissipation substrate 1. As a result, the power module 10 excellent in cycle heat dissipation is provided. In other words, the power module 10 having excellent heat dissipation and high reliability with respect to temperature change is provided.

(実施形態2)
図4は、風力または太陽光を利用した発電システムに用いたられるパワーモジュール10の構成を説明する断面図である。このパワーモジュール10は、蓋54を備える端子ケース52を備えている。パワーデバイス30は、放熱性基板1のセラミック基板2上に搭載されている。パワーデバイス30は、例えば、IGBTである。パワーデバイス30は、この断面図においては、1つの放熱性基板1に1個が搭載されている。セラミック基板2は、例えば、平板状の炭化ケイ素(SiC)基板であって、その厚みは約100μmである。セラミック基板2の表面には、銅箔が備えられており、エッチングにより回路パターン22が形成されている。パワーデバイス30は、アルミワイヤ36により回路パターン22に電気的に接続されている。また、セラミック基板2の裏面には、中間層4を介して銅板6が全面に接合されている。本例の銅板6の厚みは約1500μmである。銅板6は、セラミック基板2よりも広い面積を備えている。換言すると、銅板6の上に、中間層4を介してセラミック基板2が配設されている。
(Embodiment 2)
FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating the configuration of the power module 10 used in the power generation system using wind power or sunlight. The power module 10 includes a terminal case 52 including a lid 54. The power device 30 is mounted on the ceramic substrate 2 of the heat dissipation substrate 1. The power device 30 is, for example, an IGBT. In the cross-sectional view, one power device 30 is mounted on one heat dissipating substrate 1. The ceramic substrate 2 is a flat silicon carbide (SiC) substrate, for example, and has a thickness of about 100 μm. A copper foil is provided on the surface of the ceramic substrate 2, and a circuit pattern 22 is formed by etching. The power device 30 is electrically connected to the circuit pattern 22 by an aluminum wire 36. A copper plate 6 is bonded to the entire back surface of the ceramic substrate 2 via the intermediate layer 4. The thickness of the copper plate 6 in this example is about 1500 μm. The copper plate 6 has a larger area than the ceramic substrate 2. In other words, the ceramic substrate 2 is disposed on the copper plate 6 via the intermediate layer 4.

このパワーデバイス30は、蓋54を備える端子ケース52に収められている。具体的には、パワーデバイス30を搭載した放熱性基板1のうちの銅板6上に端子ケース52が載置されて、放熱性基板1と端子ケース52とは固定機能を有する固定部材58により固定されている。固定部材58としては、例えば、ビスやボルト、かしめ、リベット等の締結部材、フック、結合ピン等の嵌合部材等が例示される。
また、端子ケース52および蓋54には、それぞれ端子38が備えられている。そしてそれぞれの端子38は、基板20上の回路パターン22に電気的に接続されている。また、端子ケース52の内部であって、パワーデバイス30を収容した空間には、シリコーンゲル56が充填されている。具体的には示さないが、制御に必要な電気・電子回路を端子ケース52内に納めて一体化することができる。これにより、放熱性に優れたパワーモジュール10が提供される。
The power device 30 is housed in a terminal case 52 having a lid 54. Specifically, the terminal case 52 is placed on the copper plate 6 of the heat dissipation board 1 on which the power device 30 is mounted, and the heat dissipation board 1 and the terminal case 52 are fixed by a fixing member 58 having a fixing function. Has been. Examples of the fixing member 58 include fastening members such as screws, bolts, caulking, and rivets, and fitting members such as hooks and coupling pins.
The terminal case 52 and the lid 54 are each provided with a terminal 38. Each terminal 38 is electrically connected to the circuit pattern 22 on the substrate 20. The space inside the terminal case 52 that houses the power device 30 is filled with a silicone gel 56. Although not specifically shown, an electric / electronic circuit necessary for control can be accommodated in the terminal case 52 and integrated. Thereby, the power module 10 excellent in heat dissipation is provided.

以上のように、ここに開示される放熱性基板1は、パワーデバイスの放熱板付き絶縁性基板として好適に利用できる。つまり、この放熱性基板1は、パワーデバイス,パワーモジュールおよびインテリジェントパワーモジュール等におけるTIM(Thermal Interface Material)等として広く利用することができる。また、この放熱性基板1は、発熱量が大きく、高負荷時の熱応力の高いパワーデバイスにおける基板の破損を防ぐために好適に用いることができる。したがって、高い信頼性が求められる、鉄道車両、自動車等の車両駆動用途、変電所の稼働用途のデバイスのTIMとして好適に用いることができる。具体的には、例えば、電力制御の用途には、1200V以上(例えば20kV程度)の定格の素子のTIMとして用いることができる。   As described above, the heat dissipating substrate 1 disclosed herein can be suitably used as an insulating substrate with a heat dissipating plate of a power device. That is, the heat dissipation substrate 1 can be widely used as a TIM (Thermal Interface Material) in power devices, power modules, intelligent power modules, and the like. Moreover, this heat dissipation board | substrate 1 can be used suitably in order to prevent the damage | damage of the board | substrate in a power device with a large emitted-heat amount and a high thermal stress at the time of high load. Therefore, it can be suitably used as a TIM for devices for driving vehicles such as railway vehicles and automobiles and for operating substations that require high reliability. Specifically, for example, it can be used as a TIM of a rated element of 1200 V or more (for example, about 20 kV) for power control applications.

以下、本発明に関するいくつかの実施例を説明するが、本発明をかかる具体例に示すものに限定することを意図したものではない。   Several examples relating to the present invention will be described below, but the present invention is not intended to be limited to the specific examples.

(例1〜13)
市販の窒化ケイ素基板(東芝マテリアル(株)製、TSN−90プレーン、寸法:3.5cm×3.5cm×(厚み0.32mm))の表面に、無電解めっき法により銅層を設けた。めっきには、奥野製薬工業(株)製の無電解銅めっき液を用い、めっき時間を調整することで、表1に示すとおり各例の銅層の厚みを約0.5μm〜10μmの範囲で調整することで、第1中間層とした。
(Examples 1 to 13)
A copper layer was provided on the surface of a commercially available silicon nitride substrate (manufactured by Toshiba Materials Corp., TSN-90 plane, dimensions: 3.5 cm × 3.5 cm × (thickness 0.32 mm)) by an electroless plating method. For plating, an electroless copper plating solution manufactured by Okuno Pharmaceutical Co., Ltd. is used, and the plating time is adjusted so that the thickness of the copper layer of each example is in the range of about 0.5 μm to 10 μm as shown in Table 1. By adjusting, it was set as the 1st intermediate | middle layer.

次いで、めっき形成された銅層上に、メタルマスク印刷により、銅ペーストを10mm角の正方形が配列された島状パターンに印刷し、乾燥させた。銅ペーストは、平均粒子径が約1μmの銅粉末と、軟化点が約400℃のガラスフリットとを、質量比で9:1の割合で混合し、バインダとしてのエチルセルロース(EC)と溶剤としてのブチルジグリコールアセテート(BDGAC)とを、固形分濃度が75%となるように配合し、3本ロールミルで混練することで調製した。銅ペーストは、必要に応じて印刷および乾燥を繰り返し行うことで、表1に示すとおり約100μm〜500μmの厚みとなるように調整した。なお、銅ペーストの調製に用いたガラスフリットの組成を、下記の表2に示した。   Next, a copper paste was printed in an island pattern in which squares of 10 mm square were arranged on the plated copper layer by metal mask printing, and dried. The copper paste is prepared by mixing copper powder having an average particle diameter of about 1 μm and glass frit having a softening point of about 400 ° C. in a mass ratio of 9: 1, and using ethyl cellulose (EC) as a binder and a solvent as a solvent. It was prepared by blending butyl diglycol acetate (BDGAC) with a solid content concentration of 75% and kneading with a three-roll mill. The copper paste was adjusted to have a thickness of about 100 μm to 500 μm as shown in Table 1 by repeatedly performing printing and drying as necessary. The composition of the glass frit used for the preparation of the copper paste is shown in Table 2 below.

印刷された銅パターン上に、上記と同様の版を用いたメタルマスク印刷により、銀ペーストを島状パターンに重ねて印刷した。銀ペーストは、平均粒子径が20nm〜60nmの銀ナノ粒子とECとBDGACとを、固形分濃度が80%となるように配合し、3本ロールミルで混練することで調製した。また、銀ペーストは、必要に応じて繰り返し印刷および乾燥を行うことで、表1に示すとおり約3μm〜20μmの厚みとなるように調整した。   On the printed copper pattern, the silver paste was printed on the island pattern by metal mask printing using the same plate as described above. The silver paste was prepared by blending silver nanoparticles having an average particle diameter of 20 nm to 60 nm, EC, and BDGAC so that the solid concentration was 80%, and kneading with a three roll mill. Moreover, the silver paste was adjusted to have a thickness of about 3 μm to 20 μm as shown in Table 1 by repeatedly printing and drying as necessary.

そして印刷された銀パターン上に、厚さが0.5mm〜1.0mmの銅板を表1に示す組み合わせで載せたのち、銀パターンに銅板を圧着させた。このようにして用意した積層体に対し、大気雰囲気中、200℃〜400℃に加熱して脱脂処理を行った後、窒素雰囲気中、500℃〜700℃で1時間の焼成を行った。これにより、窒化ケイ素基板、第1中間層(銅めっき層)、第2中間層(銅ペースト層)、第3中間層(銀層)および銅板の順に各層が積層一体化された例1〜13の放熱性基板を得た。   And on the printed silver pattern, after mounting the copper plate of thickness 0.5mm-1.0mm with the combination shown in Table 1, the copper plate was crimped | bonded to the silver pattern. The laminate thus prepared was degreased by heating to 200 ° C. to 400 ° C. in an air atmosphere, and then baked at 500 ° C. to 700 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere. Thus, Examples 1 to 13 in which the layers were laminated and integrated in the order of the silicon nitride substrate, the first intermediate layer (copper plating layer), the second intermediate layer (copper paste layer), the third intermediate layer (silver layer), and the copper plate. A heat dissipation substrate was obtained.

また、参考のために、市販の窒化ケイ素放熱性基板(東芝マテリアル(株)製、窒化ケイ素製活性金属銅回路(AMC)基板、TSN−90、寸法:3.5cm×3.5cm×(厚み0.32mm))を用意した。このAMC基板は、上記の窒化ケイ素基板(プレーン)の表面に、Niめっき層、銅層およびはんだ層を介して、厚さ0.8mmの銅板が接合されたものである。   For reference, a commercially available silicon nitride heat-dissipating substrate (Toshiba Materials Co., Ltd., silicon nitride active metal copper circuit (AMC) substrate, TSN-90, dimensions: 3.5 cm × 3.5 cm × (thickness)) 0.32 mm)) was prepared. This AMC substrate is obtained by bonding a copper plate having a thickness of 0.8 mm to the surface of the silicon nitride substrate (plane) through a Ni plating layer, a copper layer, and a solder layer.

[放熱性基板のヒートサイクル耐性]
焼成後に得られた放熱性基板に対し、ヒートサイクル試験を実施した。ヒートサイクルは、凡そ−10℃/分の速度で−40℃にまで冷却した後、−40℃で60分間保持したのち、10℃/分の速度で250℃にまで加熱し、250℃で60分間保持することを1サイクルとし、このサイクルを1000サイクル施すものとした。そしてヒートサイクル試験後の放熱性基板と絶縁性基板との間に、クラックや剥離が生じたかどうかを目視により観察した。その結果を表1の「ヒートサイクル耐性」の欄に示した。なお、当該欄における「○」は、ヒートサイクル試験後のペースト層および銀層を含む放熱性基板全体に剥離やクッラクが認められなかったことを示す。「×」は、ヒートサイクル試験後のペースト層および銀層に剥離またはクッラクが認められたことを示す。
[Heat cycle resistance of heat dissipation board]
The heat cycle test was implemented with respect to the heat-radiating board obtained after baking. The heat cycle was cooled to −40 ° C. at a rate of about −10 ° C./min, held at −40 ° C. for 60 minutes, then heated to 250 ° C. at a rate of 10 ° C./min, and 60 ° C. at 60 ° C. Holding for 1 minute was defined as 1 cycle, and this cycle was performed 1000 cycles. Then, it was visually observed whether cracks or peeling occurred between the heat dissipation substrate and the insulating substrate after the heat cycle test. The results are shown in the column of “Heat cycle resistance” in Table 1. In addition, "(circle)" in the said column shows that peeling and crack were not recognized by the whole heat radiating board | substrate including the paste layer and silver layer after a heat cycle test. “X” indicates that peeling or cracking was observed in the paste layer and the silver layer after the heat cycle test.

[接合強度]
ヒートサイクル試験後の放熱性基板について、絶縁性基板と銅板との接合性を評価した。接合性は、接合強度試験機(デイジ・ジャパン(株)製、万能型ボンドテスター4000)を用い、ダイシェア方式にて絶縁性基板と銅板とを剥離することにより評価した。すなわち、放熱性基板の絶縁性基板部分を試験機に固定し、銅板に対してシェアツールによって接合面に水平な方向にせん断力を加え、室温にて接合部が剥離または破断したときのせん断力を測定した。かかる試験は、米国MIL−STD−883 集積回路試験方法 Mtd.2004.7 に準じて実施した。その結果を、表1の「接合強度」の欄に示した。
[Joint strength]
About the heat dissipation board | substrate after a heat cycle test, the adhesiveness of an insulating board | substrate and a copper plate was evaluated. The bondability was evaluated by peeling the insulating substrate and the copper plate by a die shear method using a bond strength tester (manufactured by Daisy Japan Co., Ltd., universal bond tester 4000). In other words, the insulating substrate part of the heat-dissipating substrate is fixed to a testing machine, a shear force is applied to the copper plate in the horizontal direction to the joint surface with a shear tool, and the shear force when the joint part peels or breaks at room temperature. Was measured. Such a test is performed in accordance with US MIL-STD-883 Integrated Circuit Test Method Mtd. It carried out according to 20044.7. The results are shown in the column “Joint strength” in Table 1.

[熱膨張係数の測定]
上記で用意した各例のガラスフリット、銅ペーストの焼結体、銀ペーストの焼結体、窒化ケイ素基板、および、銅板の熱膨張係数を調べ、下記の表1に記載した。なお、銅ペーストおよび銀ペーストの焼結体は、各ペーストをバルク状に焼結させた焼結体から、ダイヤモンドカッターにより4mm×4mm×20mmの角柱を切り出して試験片とし、熱膨張係数を測定した。その他の材料についても、4mm×4mm×20mmの角柱を切り出して熱膨張係数測定用の試験片とした。各試料の熱膨張係数は、熱機械分析装置(株式会社リガク製、TMA8310)を用い、大気中、昇温速度を10℃/分とし、室温(25℃)〜500℃の温度範囲における試験片の長さを、示差膨張方式にて測定した結果から、平均線膨張率を算出することで求めた。かかる熱膨張係数の測定は、JIS Z2285:2003に規定される金属材料の線膨張係数の測定方法に準じて実施した。その結果を表1の「CTE」の欄に示した。
[Measurement of thermal expansion coefficient]
The thermal expansion coefficients of the glass frit of each example prepared above, the sintered body of the copper paste, the sintered body of the silver paste, the silicon nitride substrate, and the copper plate were examined and listed in Table 1 below. The sintered body of copper paste and silver paste was cut from a 4 mm x 4 mm x 20 mm square column with a diamond cutter from the sintered body obtained by sintering each paste in bulk, and the thermal expansion coefficient was measured. did. For other materials, a 4 mm × 4 mm × 20 mm prism was cut out to obtain a test piece for measuring the thermal expansion coefficient. The thermal expansion coefficient of each sample is a test piece in a temperature range of room temperature (25 ° C.) to 500 ° C. using a thermomechanical analyzer (manufactured by Rigaku Corporation, TMA8310), with a temperature rising rate of 10 ° C./min. Was obtained by calculating the average linear expansion coefficient from the result of measuring the length of the film by the differential expansion method. The measurement of the thermal expansion coefficient was performed according to the method for measuring the linear expansion coefficient of a metal material specified in JIS Z2285: 2003. The results are shown in the “CTE” column of Table 1.

Figure 2019145740
Figure 2019145740

Figure 2019145740
Figure 2019145740

(評価)
絶縁性基板として用いた窒化ケイ素基板の室温(25℃)から500℃の熱膨張係数はおおよそ2.6×10−6/Kである。また、ヒートシンクとして用いた銅板の熱膨張係数は16.5×10−6/Kである。これらの板状体の熱膨張係数の差は、約14×10−6/Kである。
例1〜3,5の比較から、銅ペーストを用いて形成した第2中間層を備えない例3の放熱性基板は、ヒートサイクル試験により銅板と絶縁性基板との剥離が確認された。すなわち、中間層としては、第1中間層および第3中間層のみでは十分ではなく、さらに第2中間層を備えることにより、5℃から500℃までの温度範囲におけるヒートサイクルに耐え得る構成が実現できることがわかった。
(Evaluation)
The thermal expansion coefficient of the silicon nitride substrate used as the insulating substrate from room temperature (25 ° C.) to 500 ° C. is approximately 2.6 × 10 −6 / K. Moreover, the thermal expansion coefficient of the copper plate used as the heat sink is 16.5 × 10 −6 / K. The difference in thermal expansion coefficient between these plate-like bodies is about 14 × 10 −6 / K.
From the comparison of Examples 1 to 3 and 5, it was confirmed that the heat dissipating substrate of Example 3 not including the second intermediate layer formed using the copper paste was peeled from the copper plate and the insulating substrate by the heat cycle test. That is, as the intermediate layer, the first intermediate layer and the third intermediate layer are not sufficient, and a structure capable of withstanding a heat cycle in a temperature range from 5 ° C. to 500 ° C. is realized by further including the second intermediate layer. I understood that I can do it.

また、例1に示されるように、銀ペーストを用いて形成した第3中間層の厚みが十分でない例1の放熱性基板は、第2中間層と銅板との間の接合性が十分に確保できず、25℃から500℃までの温度範囲におけるヒートサイクルにより基板が剥離してしまうことがわかった。第3中間層の厚みは凡そ3μm以上であるとよいことがわかった。また、例4に示されるように、第3中間層の厚みが3μm以上、例えば5μmであると、銅板の厚みが0.8mmであっても接合強度およびヒートサイクル特性を両立させた接合構造が実現されることがわかった。   Further, as shown in Example 1, the heat dissipation substrate of Example 1 in which the thickness of the third intermediate layer formed using the silver paste is not sufficient ensures sufficient bonding between the second intermediate layer and the copper plate. It was not possible, and it turned out that a board | substrate peels by the heat cycle in the temperature range from 25 degreeC to 500 degreeC. It has been found that the thickness of the third intermediate layer is preferably about 3 μm or more. In addition, as shown in Example 4, when the thickness of the third intermediate layer is 3 μm or more, for example, 5 μm, a bonding structure that achieves both bonding strength and heat cycle characteristics even if the thickness of the copper plate is 0.8 mm. It turns out that it is realized.

なお、例5〜7の比較から、第3中間層の厚みは、例えば30μm程度にまで厚くすることもできるが、接合強度やヒートサイクル特性がやや低下する傾向があることがわかった。第3中間層の厚みは、過剰に厚くしても接合強度やヒートサイクル特性が改善されるわけではなく、例えば30μm以下程度、好ましくは25μm以下程度でも十分であることがわかった。
以上のことから、接合性を高める銅めっき層(第1中間層)と、導電性の良好な銀層(第3中間層)のみでは、たとえ銀層の厚みが0.8μmと十分厚くても、厚みが0.5mmの銅板を温度変化の激しい環境で接合するには十分でないことが確認できた。これに対し、銅ペースト層(第2中間層)を備えることで、銀層の厚みを例えば3μmと薄くしても厚みが0.5mmの銅板を好適に接合できることがわかった。
From the comparison of Examples 5 to 7, it was found that the thickness of the third intermediate layer can be increased to, for example, about 30 μm, but the bonding strength and heat cycle characteristics tend to be slightly reduced. It has been found that even if the thickness of the third intermediate layer is excessively increased, the bonding strength and heat cycle characteristics are not improved, and for example, about 30 μm or less, preferably about 25 μm or less is sufficient.
From the above, even with a copper plating layer (first intermediate layer) that enhances bonding properties and a silver layer (third intermediate layer) with good conductivity, even if the thickness of the silver layer is sufficiently thick as 0.8 μm. It was confirmed that it was not sufficient to join a copper plate having a thickness of 0.5 mm in an environment where the temperature change was severe. On the other hand, it was found that by providing the copper paste layer (second intermediate layer), a copper plate having a thickness of 0.5 mm can be suitably joined even if the thickness of the silver layer is reduced to 3 μm, for example.

また、例8、9から、銅めっき層(第1中間層)の厚みは0.5μmと薄くても十分な接合強度が得られることが確認できた。ただし、例10、12の比較からわかるように、厚みが1.0mmと厚めの銅板の接合に際しては、銀層(第3中間層)の厚みが30μm以上となると接合強度およびヒートサイクル性が共に顕著に低下してしまうことが確認された。これに対し、例11、12に示されるように、銀層(第3中間層)の厚みを例えば10μmに抑えた場合は、銅ペースト層(第2中間層)の厚みを300μm以上、例えば500μm以上とすることで、厚みが1.0mmの銅板を接合した場合であっても十分なヒートサイクル特性を備え得ることが確認された。   Moreover, from Examples 8 and 9, it was confirmed that sufficient bonding strength was obtained even when the thickness of the copper plating layer (first intermediate layer) was as thin as 0.5 μm. However, as can be seen from the comparison between Examples 10 and 12, when joining a thick copper plate with a thickness of 1.0 mm, both the joining strength and the heat cycle properties are obtained when the thickness of the silver layer (third intermediate layer) is 30 μm or more. It was confirmed that it was significantly reduced. On the other hand, as shown in Examples 11 and 12, when the thickness of the silver layer (third intermediate layer) is suppressed to, for example, 10 μm, the thickness of the copper paste layer (second intermediate layer) is 300 μm or more, for example, 500 μm. By setting it as the above, even if it was a case where a copper plate with a thickness of 1.0 mm was joined, it was confirmed that sufficient heat cycle characteristics can be provided.

なお、上記のとおり、銅ペースト層の存在により放熱性基板のヒートサイクル特性が十分に高められることが確認できた。この銅ペースト層には、BaOまたはZnOを主成分(例えば合計で80モル%以上)とするガラスフリットが配合されている。このガラスフリットに由来するガラス成分が銅ペースト中のCu粒子を互いに接合するとともに、銅層(第1中間層)および銀層(第3中間層)との強固な接合を実現していると考えらえる。さらに、このガラスフリットは、その軟化点近くで軟化を始め、銅板中の銅の膨張収縮を十分に緩和するように変形し得る。その結果、25℃から500℃の温度範囲における熱サイクルを施した場合であっても、銅板と絶縁性基板との熱応力は好適に緩和され、絶縁性基板の剥離や割れが抑制されることがわかった。   In addition, as above-mentioned, it has confirmed that the heat cycle characteristic of a heat-radiating board | substrate was fully improved by presence of a copper paste layer. This copper paste layer contains glass frit containing BaO or ZnO as a main component (for example, 80 mol% or more in total). It is considered that the glass component derived from this glass frit bonds Cu particles in the copper paste to each other and realizes strong bonding between the copper layer (first intermediate layer) and the silver layer (third intermediate layer). Get it. Further, the glass frit starts to soften near its softening point and can be deformed to sufficiently relax the expansion and contraction of copper in the copper plate. As a result, even when a thermal cycle in the temperature range of 25 ° C. to 500 ° C. is applied, the thermal stress between the copper plate and the insulating substrate is suitably relaxed, and peeling and cracking of the insulating substrate are suppressed. I understood.

以上、本発明を詳細に説明したが、上記実施形態は例示にすぎず、ここで開示される発明には上述の具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。   As mentioned above, although this invention was demonstrated in detail, the said embodiment is only an illustration and what changed and modified the above-mentioned specific example is included in the invention disclosed here.

1 放熱性基板
2 セラミック基板
4 中間層
41 第1中間層
42 第2中間層
43 第3中間層
6 銅板
10 パワーモジュール
30 パワーデバイス
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Heat dissipation board 2 Ceramic substrate 4 Intermediate layer 41 1st intermediate layer 42 2nd intermediate layer 43 3rd intermediate layer 6 Copper plate 10 Power module 30 Power device

Claims (10)

セラミック基板と、銅板と、前記セラミック基板および前記銅板を一体的に接合する中間層と、を備え、
前記中間層は、前記セラミック基板に接する側から、
銅を主成分とし、ガラス成分を含まない第1中間層と、
銅を主成分とし、ガラス成分を含む第2中間層と、
銀を主成分とした第3中間層と、
を含む積層構造を備える、放熱性基板。
A ceramic substrate, a copper plate, and an intermediate layer that integrally bonds the ceramic substrate and the copper plate,
From the side in contact with the ceramic substrate, the intermediate layer,
A first intermediate layer mainly composed of copper and not containing a glass component;
A second intermediate layer mainly composed of copper and containing a glass component;
A third intermediate layer mainly composed of silver;
A heat dissipating substrate comprising a laminated structure including:
前記銅板の厚みは500μm以上である、請求項1に記載の放熱性基板。   The heat-radiating substrate according to claim 1, wherein the copper plate has a thickness of 500 μm or more. 前記第1中間層の厚みは0.5μm以上10μm以下である、請求項1または2に記載の放熱性基板。   The heat dissipation substrate according to claim 1 or 2, wherein the first intermediate layer has a thickness of 0.5 µm or more and 10 µm or less. 前記第2中間層の厚みは50μm以上500μm以下である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の放熱性基板。   The heat dissipation substrate according to any one of claims 1 to 3, wherein the thickness of the second intermediate layer is 50 µm or more and 500 µm or less. 前記第2中間層は、25℃〜500℃における熱膨張係数が11×10−6/K以上14×10−6/K以下である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の放熱性基板。 The heat dissipation according to any one of claims 1 to 4, wherein the second intermediate layer has a thermal expansion coefficient of 11 x 10-6 / K or more and 14 x 10-6 / K or less at 25C to 500C. Substrate. 前記第3中間層は、厚みが3μm以上25μm以下である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の放熱性基板。   The heat dissipation substrate according to claim 1, wherein the third intermediate layer has a thickness of 3 μm or more and 25 μm or less. 前記第3中間層は、平均粒子径が20nm以上60nm以下の銀ナノ粒子が焼結してなる焼結層である、請求項1〜6のいずれか1項に記載の放熱性基板。   The heat dissipation substrate according to any one of claims 1 to 6, wherein the third intermediate layer is a sintered layer formed by sintering silver nanoparticles having an average particle diameter of 20 nm to 60 nm. 前記ガラス成分は、軟化点が250℃以上450℃以下となるよう構成されている、請求項1〜7のいずれか1項に記載の放熱性基板。   The heat dissipation substrate according to any one of claims 1 to 7, wherein the glass component is configured to have a softening point of 250 ° C or higher and 450 ° C or lower. 前記セラミック基板は、炭化ケイ素,窒化ケイ素および窒化アルミニウムからなる群から選択される少なくとも1種のセラミックを主体とする、請求項1〜9のいずれか1項に記載の放熱性基板。   The heat dissipation substrate according to any one of claims 1 to 9, wherein the ceramic substrate is mainly composed of at least one ceramic selected from the group consisting of silicon carbide, silicon nitride, and aluminum nitride. セラミック基板上に、銅を主体とし、ガラス成分を含まない第1中間層を設けること、
前記第1中間層上に、銅粉末とガラス粉末と分散媒とを含む銅ペーストを供給して銅ペースト層を形成すること、
前記銅ペースト層上に、銀粉末と分散媒とを含む銀ペーストを供給して銀ペースト層を設けること、
前記銀ペースト層上に銅板を配置して未焼成積層体を用意すること、および、
前記未焼成積層体を500℃以上700℃以下の温度範囲で焼成して放熱性基板を得ること、
を含む、放熱性基板の製造方法。
Providing a first intermediate layer mainly composed of copper and not containing a glass component on a ceramic substrate;
Supplying a copper paste containing copper powder, glass powder, and a dispersion medium on the first intermediate layer to form a copper paste layer;
Supplying a silver paste containing silver powder and a dispersion medium on the copper paste layer to provide a silver paste layer;
Arranging a copper plate on the silver paste layer to prepare an unfired laminate, and
Firing the green laminate in a temperature range of 500 ° C. or higher and 700 ° C. or lower to obtain a heat-radiating substrate;
A method for manufacturing a heat dissipating substrate.
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