JP2020053613A - 複合基板 - Google Patents

Abstract

【課題】グラフェン積層体基板と金属材料や半導体素子等との接合性を改善する。【解決手段】複数のグラフェンを、その厚さ方向を積層方向として積層したグラフェン積層体基板と、前記グラフェン積層体基板の前記積層方向に垂直な対向する面のそれぞれに形成された金属成分を含む少なくとも一層の接合用被覆層とを、有することを特徴とする複合基板。【選択図】図１

Description

本発明は、炭素系材料基板の上に金属等の放熱部材、半導体素子等との接合のための接合用被覆層を形成した複合基板およびその製造方法に関するものである。

近年、半導体の消費電力の上昇による発熱量の増加、特に、ＭＯＳＦＥＴに代表されるパワー半導体の大電流対応による発熱量の増加により放熱器の高性能化が、また、パワー半導体の電気自動車等への車載向けの用途拡大により放熱器の一層の軽量化が、求められている。

この放熱器の材料として、Ｃｕ、Ａｌ等が従前より用いられているが、熱伝導特性の高いＣｕでも熱伝導率は４００Ｗ／ｍＫ程度であり、前述の発熱量の増加を考慮すると、熱伝導率がより高い材料が求められている。

近年、熱伝導率が高く軽量な材料として、炭素系材料が注目されており、非特許文献１には、グラファイト材料等の炭素系材料の積層体が放熱器の材料として適用できる可能性が示されており、一方、炭素系材料の中でもグラフェンの熱伝導率が高いことも知られている（非特許文献２）。

すなわち、グラフェンは炭素原子が六角形格子構造に配列した、１原子の厚さのｓｐ²結合炭素原子からなるシート状物質であって、グラフェンはシート面に平行な向きに対して優れた電気伝導率、熱伝導率及び機械的強度を示す。また、グラフェン積層体とは、多数のグラフェンが、シート面が平行になるように積層された構造をもつ物体であり、積層方向に対して垂直な方向に関しては、グラフェンと同様に高い熱伝導率を示すことが知られている。

大同大学 紀要 ５０巻（２０１４）ｐｐ１３３−１３７ 日本真空学会誌（Ｊ． Ｖａｃ． Ｓｏｃ． Ｊｐｎ．） ５７巻（２０１４）ｐｐ４５７−４６０

非特許文献１では、グラファイト等の炭素系材料の積層体を放熱器の材料に適用できる可能性が示されているものの、炭素系材料を放熱器の材料として使用するためには、金属製の放熱部材や半導体素子等とをハンダ等を用いて接合させる必要がある。しかし、炭素系材料と放熱器として用いられるＣｕ、Ａｌといった金属材料との化学親和性は小さく、両者を直接接合することは困難であり、炭素系材料と放熱器に用いられる金属材料との接合性の改善が望まれていた。

そこで、本発明は、炭素系材料（グラフェン積層体）と放熱器に用いられる金属材料や半導体素子等との接合性を改善することを目的とする。

本発明者は、この接合性の改善について鋭意検討を重ねた結果、炭素系材料（グラフェン積層体）基板に接合用被覆層を形成し、複合基板とすれば接合性が改善するとの新規な知見を得た。

本発明は前記知見に基づくものであって、
「（１）複数のグラフェンを、異方性を揃えその厚さ方向を積層方向として積層したグラフェン積層体基板と、
前記グラフェン積層体基板の前記積層方向に垂直な対向する面のそれぞれに形成された金属成分を含む少なくとも一層の接合用被覆層とを、
有することを特徴とする複合基板。
（２）前記積層方向に垂直な対向する面に、それぞれ垂直な面の少なくとも一部に前記金属成分を含む接合用被覆層がさらに設けられていることを特徴とする前記（１）に記載の複合基板。
（３）前記接合用被覆層の少なくとも一層が炭化物を形成する金属を含むことを特徴とする前記（１）または（２）のいずれかに記載の複合基板。
（４）前記（１）〜（３）のいずれかに記載の複合基板と、放熱器または半導体素子とが前記接合用被覆層を介して接合されていることを特徴とする放熱ユニット。
（５）前記（１）〜（４）のいずれかに記載の複合基板の前記接合用被覆層をアークイオンプレーティング法によって形成することを特徴とする複合基板の製造方法。
である。

本発明の複合基板は、接合用被覆層が形成されているため、金属製の放熱部材や半導体素子等との接合が改善されるという効果を発揮する。

複数枚のグラフェンを、その厚さ方向を積層方向として積層したグラフェン積層体基板に、この積層方向に垂直な対向する面に接合用被覆層が形成されている複合基板の態様を示す模式図である。 グラフェン積層体基板の前記対向する面に垂直な面にも接合用被覆層が形成されている複合基板の態様を示す模式図である。 接合用被覆層が複数層である場合の複合基板の態様を示す模式図である。

次に、本発明の複合基板について、より詳細に説明する。

グラフェン積層体基板：
グラフェン積層体基板は、グラフェン単体、もしくはグラフェンが複数枚積層した薄片状の物質を厚さ方向に積層して得たものである。グラフェン積層体基板の厚さは、例えば、１〜３０ｍｍが好ましい。その理由は、１ｍｍ未満であると、薄すぎて十分な放熱能力を有することができないことがあり、一方、３０ｍｍを超えると、基板が大型化してしまうことがあるためである。

接合用被覆層：
図１に示すように、接合用被覆層は、グラフェン積層体基板の積層方向に垂直な対向する面のそれぞれ（上下面ともいうことがある）に少なくとも一層設ける。
接合用被覆層は、炭化物を形成しやすい金属（例えば、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｗ、Ｓｉ、Ｖ等）またはＣｒＮ、ＴｉＮ等の窒化物を含んでおり、少なくともグラフェン積層体とこれら金属（窒化物の金属成分を含む）の接する界面近傍では、これらの金属成分の炭化物（炭素と金属成分の両方を含んだ混合層）が形成されている。なお、ＣｒＮ、ＴｉＮ等の窒化物は、ターゲットにＣｒ、Ｔｉを用い、窒素雰囲気中でアークイオンプレーティング法を用いて成膜することで導入できる。
接合用被覆層の層厚は１０〜１０００ｎｍが好ましい。その理由は、層厚が１０ｎｍ未満であると、被覆層が均一に成膜されず密着性が低下し、一方、層厚が１０００ｎｍを超えると、グラフェン積層体基板と接合する金属基板または半導体素子との間の熱伝導が妨げられ、放熱特性が低下するためである。この層厚は、２５〜３００ｎｍがより好ましい。

また、図２に示すように、接合用被覆層はグラフェン積層体基板の上下面に垂直な面、すなわち、側面にも設けてよい。上下面に加えて、側面にも設けることにより炭素系材料積層基板の傷、欠け、ひび割れなどに対する強度向上が期待できる。

さらに、接合用被覆層は複数の材料を積層したものであってもよい。例えば、図３に示すように、下部接合用被覆層（下部層）Ｃｒを形成後に上部接合用被覆層（上部層）としてＣｕを形成し積層することもできる。Ｃｕを積層することによって、グラフェン積層体基板と放熱器として用いられる銅基板等の密着性をさらに向上させることができる。上部層のＣｕは例えばスパッタリングや無電解めっき法によって、数十ｎｍから数十μｍ厚で成膜することが好ましい。なお、積層する材料や積層する層の数は放熱部材との接合性等を考慮して適宜決定する。

接合用被覆層の形成：
接合用被覆層の形成は、例えば、アークイオンプレーティング法を用いて形成することができる。すなわち、接合用被覆層は、同層に含ませる炭化物を形成しやすい前述の金属の成分を有するターゲットを用いて所定の条件でアークイオンプレーティング法を用いて形成する。

放熱器と放熱ユニット：
本発明の複合基板に接合用被覆層を介して、放熱器や半導体素子が接合された放熱ユニットを得ることができるが、放熱器の形状は板状に限定されるものではない。また、放熱器の材質は、Ｃｕ、Ａｌ、ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３を例示することができる。
複合基板と放熱器や半導体素子との接合方法は、所定温度に加熱した真空または不活性雰囲気下での加圧接合や放熱グリスを用いる等の公知の手段が採用できる。

グラフェンを積層した厚さ３ｍｍ、縦と横が共に１００ｍｍの大きさのグラフェン積層体基板を用意した。このグラフェン積層体基板に、Ｃｒをターゲットとして、アークイオンプレーティング法により、バイアス電圧５０Ｖ、アーク電流８０ｍＡで６０分の成膜を行い３０ｎｍのＣｒを有する接合用被覆層を形成し複合基板を得た。
次に、厚さ３０ｍｍ、縦と横が共に１００ｍｍの大きさの純銅板を用意し、この純銅板を、前記接合用被覆層を形成した複合基板に接触させ、真空中で３００℃、１０ＭＰａで加圧し両者を接合して、放熱ユニットを得た。

本発明の複合基板は、他の放熱材料と組み合わせて放熱効果を高める放熱ユニットなどに利用できる。

Claims (5)

1. 複数のグラフェンを、異方性を揃えその厚さ方向を積層方向として積層したグラフェン積層体基板と、
   前記グラフェン積層体基板の前記積層方向に垂直な対向する面のそれぞれに形成された金属成分を含む少なくとも一層の接合用被覆層とを、
   有することを特徴とする複合基板。
2. 前記積層方向に垂直な対向する面に、それぞれ垂直な面の少なくとも一部に前記金属成分を含む接合用被覆層がさらに設けられていることを特徴とする請求項１に記載の複合基板。
3. 前記接合用被覆層の少なくとも一層が炭化物を形成する金属を含むことを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の複合基板。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の複合基板と、放熱器または半導体素子とが前記接合用被覆層を介して接合されていることを特徴とする放熱ユニット。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の複合基板の前記接合用被覆層をアークイオンプレーティング法によって形成することを特徴とする複合基板の製造方法。