JP2021088502A - セラミックス／銅／グラフェン接合体とその製造方法、およびセラミックス／銅／グラフェン接合構造 - Google Patents
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Abstract
【課題】銅部材と、グラフェン含有炭素質部材とが強固に接合され、接合部分に流れる電流を抑制することができ、冷熱サイクル負荷時に剥離が生じることがなく、冷熱サイクル信頼性に優れたセラミックス／銅／グラフェン接合体を提供する。【解決手段】セラミックス部材２６と、銅又は銅合金からなる銅部材２１と、グラフェン集合体を含有するグラフェン含有炭素質部材２５と、が接合された構造のセラミックス／銅／グラフェン接合体であって、銅部材２１とグラフェン含有炭素質部材２５との接合界面においては、グラフェン含有炭素質部材２５側に、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種以上の活性金属の炭化物を含む活性金属炭化物層４１が形成されており、この活性金属炭化物層４１と銅部材２１との間に、Ｃｕの母相中にＭｇが固溶したＭｇ固溶層４２が形成されている。【選択図】図３
Description
この発明は、セラミックス部材と、銅又は銅合金からなる銅部材と、グラフェン集合体を含有するグラフェン含有炭素質部材と、が接合された構造のセラミックス／銅／グラフェン接合体とその製造方法、およびセラミックス／銅／グラフェン接合構造に関するものである。
グラフェン集合体を含有するグラフェン含有炭素質部材は、熱伝導性に優れていることから、放熱部材及び熱伝導部材等を構成する部材として特に適している。
例えば、上述のグラフェン集合体を含有するグラフェン含有炭素質部材の表面にセラミックス等からなる絶縁層を形成することにより、絶縁基板として使用することが可能となる。
例えば、上述のグラフェン集合体を含有するグラフェン含有炭素質部材の表面にセラミックス等からなる絶縁層を形成することにより、絶縁基板として使用することが可能となる。
ここで、例えば特許文献１には、第１方向に沿ってグラフェンシートが積層された構造体と、第１方向と交差する第２方向における上記構造体の端面に接合される中間部材（銅板）と、を有し、この中間部材が、少なくともチタンを含むインサート材を介して、上記端面に加圧接合された異方性熱伝導素子が開示されている。
ところで、上述の絶縁基板においては、使用環境下において冷熱サイクルが負荷されることがある。特に、最近では、エンジンルーム等の過酷な環境下で使用されることがあり、温度差が大きな厳しい条件の冷熱サイクルが負荷されることがある。
ここで、上述の特許文献１においては、銅からなる中間体とグラフェンの構造体とを、チタンを含むインサート材を介して接合しているが、接合条件によっては、銅からなる中間体とグラフェンの構造体とを強固に接合することができず、厳しい条件の冷熱サイクルが負荷された際に剥離が生じるおそれがあった。
ここで、上述の特許文献１においては、銅からなる中間体とグラフェンの構造体とを、チタンを含むインサート材を介して接合しているが、接合条件によっては、銅からなる中間体とグラフェンの構造体とを強固に接合することができず、厳しい条件の冷熱サイクルが負荷された際に剥離が生じるおそれがあった。
また、所定のデバイスに対し、特許文献１の銅／グラフェン接合体を放熱部材として設置した場合、導電性を有する銅の中間体がデバイスに接触するため、この中間体を通じて接合部分に電流が流れ込むことがあり、銅の中間体とグラフェンの構造体との接合を維持できなくなるおそれがあった。
この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、銅又は銅合金からなる銅部材と、グラフェン集合体を含有するグラフェン含有炭素質部材とが強固に接合されており、接合部分に流れる電流を抑制することができ、冷熱サイクル負荷時においても剥離が生じることがなく、冷熱サイクル信頼性に優れたセラミックス／銅／グラフェン接合体と、その製造方法を提供することを目的とする。
このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明のセラミックス／銅／グラフェン接合体は、セラミックス部材と、銅又は銅合金からなる銅部材と、グラフェン集合体を含有するグラフェン含有炭素質部材と、が接合された構造のセラミックス／銅／グラフェン接合体であって、前記銅部材と前記グラフェン含有炭素質部材との接合界面においては、前記グラフェン含有炭素質部材側に、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種以上の活性金属の炭化物を含む活性金属炭化物層が形成されており、この活性金属炭化物層と前記銅部材との間に、Ｃｕの母相中にＭｇが固溶したＭｇ固溶層が形成されていることを特徴としている。
この構成のセラミックス／銅／グラフェン接合体においては、銅部材とグラフェン含有炭素質部材との接合界面において、グラフェン含有炭素質部材の接合面に活性金属炭化物層が形成されており、銅部材の接合面側にＣｕの母相中にＭｇが固溶したＭｇ固溶層が形成されている。これにより、Ｍｇ固溶層中のＭｇが活性金属炭化物層中の活性金属と十分に反応し、この活性金属炭化物層を介して、銅部材がグラフェン含有炭素質材と強固に接合されるため、冷熱サイクル負荷時において、接合界面にクラック、剥離が生じるのを抑えることができる。さらに、この構成のセラミックス／銅／グラフェン接合体は、構成材料として銅を含んでいるため、過渡期において、ヒートスプレッダとして効率的に放熱を行う機能を有している。
また、この構成のセラミックス／銅／グラフェン接合体においては、導電性を有する銅部材がセラミックス部材で覆われているため、所定のデバイスに接触させた場合に、銅部材を通じて接合部分に電流が流れ込むのを抑制し、銅部材とグラフェン含有炭素質部材との接合を維持させることができる。
したがって、この構成のセラミックス／銅／グラフェン接合体は、冷熱サイクルに伴う接合界面での剥離の発生を抑えつつ、安定した放熱特性を維持することができ、高い信頼性を実現することができる。
したがって、この構成のセラミックス／銅／グラフェン接合体は、冷熱サイクルに伴う接合界面での剥離の発生を抑えつつ、安定した放熱特性を維持することができ、高い信頼性を実現することができる。
ここで、本発明のセラミックス／銅／グラフェン接合体においては、前記Ｍｇ固溶層には、ＣｕとＭｇとを含む金属間化合物からなるＣｕ−Ｍｇ金属間化合物相が存在することが好ましい。
この場合、Ｃｕ−Ｍｇ金属間化合物相が活性金属炭化物層との接合面側に分布しており、接合に大きく関与することになるため、活性金属炭化物層との接合の強度を高めることができる。
この場合、Ｃｕ−Ｍｇ金属間化合物相が活性金属炭化物層との接合面側に分布しており、接合に大きく関与することになるため、活性金属炭化物層との接合の強度を高めることができる。
前記Ｍｇ固溶層の内、前記活性金属炭化層と前記Ｍｇ固溶層の境界からから銅部材側に向かって距離５０μｍの範囲内の領域の面積をＡとし、前記Ｃｕ−Ｍｇ金属間化合物相の面積をＢとしたとき、比Ｂ／Ａが、０．３以下であることが好ましい。
また、本発明のセラミックス／銅／グラフェン接合体においては、前記Ｍｇ固溶層には、Ｃｕと前記活性金属とを含む金属間化合物からなる第２金属間化合物相が存在することが好ましい。
この場合、第２金属間化合物相が活性金属炭化物層との接合面側に分布しており、接合に大きく関与することになるため、活性金属炭化物層との接合の強度を高めることができる。
この場合、第２金属間化合物相が活性金属炭化物層との接合面側に分布しており、接合に大きく関与することになるため、活性金属炭化物層との接合の強度を高めることができる。
また、本発明のセラミックス／銅／グラフェン接合体においては、前記セラミックス部材が酸素含有セラミックスで構成されており、前記セラミックス部材と前記銅部材との接合界面においては、前記セラミックス部材側に酸化マグネシウム層が形成されていてもよい。
この場合、酸化マグネシウム層が形成されていることにより、酸素を含有するセラミックス部材と銅部材との接合を強化することができ、冷熱サイクル負荷時において、接合界面にクラック、剥離が生じるのを抑えることができる。
この場合、酸化マグネシウム層が形成されていることにより、酸素を含有するセラミックス部材と銅部材との接合を強化することができ、冷熱サイクル負荷時において、接合界面にクラック、剥離が生じるのを抑えることができる。
また、本発明のセラミックス／銅／グラフェン接合体においては、前記セラミックス部材が窒素含有セラミックスで構成されており、前記セラミックス部材と前記銅部材との接合界面においては、前記セラミックス部材側に、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種以上の活性金属の窒化物を含む活性金属窒化物層が形成されていてもよい。
この場合、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種以上の活性金属の窒化物を含む活性金属窒化物層が形成されていることにより、窒素を含有するセラミックス部材と銅部材との接合を強化することができ、冷熱サイクル負荷時において、接合界面にクラック、剥離が生じるのを抑えることができる。
この場合、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種以上の活性金属の窒化物を含む活性金属窒化物層が形成されていることにより、窒素を含有するセラミックス部材と銅部材との接合を強化することができ、冷熱サイクル負荷時において、接合界面にクラック、剥離が生じるのを抑えることができる。
さらに、本発明のセラミックス／銅／グラフェン接合体においては、前記グラフェン含有炭素質部材は、単層又は多層のグラフェンが堆積してなるグラフェン集合体と扁平形状の黒鉛粒子とを含み、扁平形状の前記黒鉛粒子が、そのベーサル面が折り重なるように前記グラフェン集合体をバインダーとして積層され、扁平形状の前記黒鉛粒子のベーサル面が一方向に向けて配向した構造とされていることが好ましい。
この場合、グラフェン含有炭素質部材における熱伝導特性を、さらに向上させることが可能となる。
この場合、グラフェン含有炭素質部材における熱伝導特性を、さらに向上させることが可能となる。
本発明のセラミックス／銅／グラフェン接合体の製造方法は、上述のセラミックス／銅／グラフェン接合体を製造するセラミックス／銅／グラフェン接合体の製造方法であって、前記銅部材と前記グラフェン含有炭素質部材とを接合する銅／グラフェン接合工程と、前記銅部材と前記セラミックス部材とを接合する銅／セラミックス接合工程と、を有し、前記銅／グラフェン接合工程は、前記銅部材と前記グラフェン含有炭素質部材との間に、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種以上の活性金属及びＭｇを配置する活性金属及びＭｇ配置工程と、前記銅部材と前記グラフェン含有炭素質部材とを、活性金属及びＭｇを介して積層する積層工程と、活性金属及びＭｇを介して積層された前記銅部材と前記グラフェン含有炭素質部材とを積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下において加熱処理して接合する接合工程と、を備えており、前記活性金属及びＭｇ配置工程では、活性金属量を０．４μｍｏｌ／ｃｍ２以上、Ｍｇ量を１４μｍｏｌ／ｃｍ２以上とすることを特徴としている。
この構成のセラミックス／銅／グラフェン接合体の製造方法によれば、活性金属及びＭｇ配置工程では、活性金属量を０．４μｍｏｌ／ｃｍ２以上とし、Ｍｇ量を１４μｍｏｌ／ｃｍ２以上としているので、界面反応に必要な液相を十分に得ることができる。よって、銅部材とグラフェン含有炭素質材とを確実に接合することができる。
ここで、本発明のセラミックス／銅／グラフェン接合体の製造方法においては、前記接合工程における加圧荷重が０．０４９ＭＰａ以上１．９６ＭＰａ以下の範囲内とされ、前記接合工程における加熱温度が７００℃以上９５０℃以下の範囲内とされていることが好ましい。
この場合、接合工程において、加圧荷重が０．０４９ＭＰａ以上１．９６ＭＰａ以下の範囲内とされ、かつ加熱温度が、７００℃以上９５０℃以下の範囲内とされているので、界面反応に必要な液相を保持することができ、均一な界面反応を促進することができる。
この場合、接合工程において、加圧荷重が０．０４９ＭＰａ以上１．９６ＭＰａ以下の範囲内とされ、かつ加熱温度が、７００℃以上９５０℃以下の範囲内とされているので、界面反応に必要な液相を保持することができ、均一な界面反応を促進することができる。
また、本発明のセラミックス／銅／グラフェン接合体の製造方法においては、前記銅／セラミックス接合工程では、前記銅部材と前記セラミックス部材との間に、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種以上の活性金属及びＭｇを配置し、前記活性金属及び前記Ｍｇを介して積層された前記銅部材と前記グラフェン含有炭素質部材とを積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下において加熱処理して接合することが好ましい。
この場合、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種以上の活性金属及びＭｇが、接合材として用いられ、銅部材と前記セラミックス部材との接合が強化されるため、冷熱サイクル負荷時において、接合界面にクラック、剥離が生じるのを抑えることができる。
この場合、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種以上の活性金属及びＭｇが、接合材として用いられ、銅部材と前記セラミックス部材との接合が強化されるため、冷熱サイクル負荷時において、接合界面にクラック、剥離が生じるのを抑えることができる。
また、本発明のセラミックス／銅／グラフェン接合体の製造方法においては、前記銅／セラミックス接合工程では、前記銅部材と前記セラミックス部材との間に、Ｍｇを配置し、前記Ｍｇを介して積層された前記銅部材と前記グラフェン含有炭素質部材とを積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下において加熱処理して接合することが好ましい。
この場合、接合材としてＭｇが用いられ、銅部材と前記セラミックス部材との接合が強化されるため、冷熱サイクル負荷時において、接合界面にクラック、剥離が生じるのを抑えることができる。
この場合、接合材としてＭｇが用いられ、銅部材と前記セラミックス部材との接合が強化されるため、冷熱サイクル負荷時において、接合界面にクラック、剥離が生じるのを抑えることができる。
本発明のセラミックス／銅／グラフェン接合構造は、セラミックス部材と、銅又は銅合金からなる銅部材と、グラフェン集合体を含有するグラフェン含有炭素質部材と、が接合された構造のセラミックス／銅／グラフェン接合構造であって、前記銅部材と前記グラフェン含有炭素質部材との接合界面においては、前記グラフェン含有炭素質部材側に、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種以上の活性金属の炭化物を含む活性金属炭化物層が形成されており、この活性金属炭化物層と前記銅部材との間に、Ｃｕの母相中にＭｇが固溶したＭｇ固溶層が形成されていることを特徴としている。
この構成のセラミックス／銅／グラフェン接合構造においては、銅部材とグラフェン含有炭素質部材との接合界面において、グラフェン含有炭素質部材の接合面に活性金属炭化物層が形成されており、銅部材の接合面側にＣｕの母相中にＭｇが固溶したＭｇ固溶層が形成されている。これにより、Ｍｇ固溶層中のＭｇが活性金属炭化物層中の活性金属と十分に反応し、この活性金属炭化物層を介して、銅部材がグラフェン含有炭素質材と強固に接合されるため、冷熱サイクル負荷時において、接合界面にクラック、剥離が生じるのを抑えることができる。さらに、この構成のセラミックス／銅／グラフェン接合構造は、構成材料として銅を含んでいるため、過渡期において、ヒートスプレッダとして効率的に放熱を行う機能を有している。
また、この構成のセラミックス／銅／グラフェン接合構造においては、導電性を有する銅部材がセラミックス部材で覆われているため、所定のデバイスに接触させた場合に、銅部材を通じて接合部分に電流が流れ込むのを抑制し、銅部材とグラフェン含有炭素質部材との接合を維持させることができる。
したがって、この構成のセラミックス／銅／グラフェン接合構造は、冷熱サイクルに伴う接合界面での剥離の発生を抑えつつ、安定した放熱特性を維持することができ、高い信頼性を実現することができる。
したがって、この構成のセラミックス／銅／グラフェン接合構造は、冷熱サイクルに伴う接合界面での剥離の発生を抑えつつ、安定した放熱特性を維持することができ、高い信頼性を実現することができる。
本発明によれば、銅又は銅合金からなる銅部材と、グラフェン集合体を含有するグラフェン含有炭素質部材とが強固に接合されており、接合部分に流れる電流を抑制することができ、冷熱サイクル負荷時においても剥離が生じることがなく、冷熱サイクル信頼性に優れた銅／グラフェン接合体と、その製造方法を提供することができる。
以下に、本発明の実施形態について添付した図面を参照して説明する。なお、以下に示す各実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
まず、図１から図４を参照して本発明の実施形態であるセラミックス／銅／グラフェン接合体（セラミックス／銅／グラフェン接合構造）について説明する。
本実施形態におけるセラミックス／銅／グラフェン接合体は、セラミックス部材と、銅又は銅合金からなる銅部材と、グラフェン集合体を含有するグラフェン含有炭素質部材と、を接合した構造の絶縁基板２０とされている。
本実施形態におけるセラミックス／銅／グラフェン接合体は、セラミックス部材と、銅又は銅合金からなる銅部材と、グラフェン集合体を含有するグラフェン含有炭素質部材と、を接合した構造の絶縁基板２０とされている。
まず、本実施形態であるセラミックス／銅／グラフェン接合体（絶縁基板２０）を用いたパワーモジュールについて説明する。
図１に示すパワーモジュール１は、絶縁回路基板１０と、この絶縁回路基板１０の一方の面側（図１において上側）にはんだ層２を介して接合された半導体素子３と、絶縁回路基板１０の他方の面側（図１において下側）に配設されたヒートシンク３１とを備えている。
図１に示すパワーモジュール１は、絶縁回路基板１０と、この絶縁回路基板１０の一方の面側（図１において上側）にはんだ層２を介して接合された半導体素子３と、絶縁回路基板１０の他方の面側（図１において下側）に配設されたヒートシンク３１とを備えている。
絶縁回路基板１０は、絶縁層（絶縁基板２０）と、この絶縁層の一方の面（図１において上面）に配設された回路層１２と、絶縁層の他方の面（図１において下面）に配設された金属層１３とを備えている。
絶縁層は、回路層１２と金属層１３との間の電気的接続を防止するものであって、本実施形態である絶縁基板２０で構成されている。
絶縁層は、回路層１２と金属層１３との間の電気的接続を防止するものであって、本実施形態である絶縁基板２０で構成されている。
回路層１２は、絶縁層（絶縁基板２０）の一方の面に、導電性に優れた金属板が接合されることによって形成されている。本実施形態では、回路層１２を構成する金属板として、銅又は銅合金からなる銅板、具体的には無酸素銅の圧延板が用いられている。この回路層１２には、回路パターンが形成されており、その一方の面（図１において上面）が、半導体素子３が搭載される搭載面とされている。
また、回路層１２となる金属板（銅板）の厚さは０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６ｍｍに設定されている。
なお、回路層１２となる金属板（銅板）と絶縁基板２０との接合方法には、特に制限がなく、活性金属ろう材等を用いて接合することができる。
また、回路層１２となる金属板（銅板）の厚さは０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６ｍｍに設定されている。
なお、回路層１２となる金属板（銅板）と絶縁基板２０との接合方法には、特に制限がなく、活性金属ろう材等を用いて接合することができる。
金属層１３は、絶縁層（絶縁基板２０）の他方の面に、熱伝導性に優れた金属板が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、金属層１３を構成する金属板として、銅又は銅合金からなる銅板、具体的には無酸素銅の圧延板が用いられている。
また、金属層１３となる金属板（銅板）の厚さは０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６ｍｍに設定されている。
なお、金属層１３となる金属板（銅板）と絶縁基板２０との接合方法には、特に制限がなく、活性金属ろう材等を用いて接合することができる。
また、金属層１３となる金属板（銅板）の厚さは０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６ｍｍに設定されている。
なお、金属層１３となる金属板（銅板）と絶縁基板２０との接合方法には、特に制限がなく、活性金属ろう材等を用いて接合することができる。
ヒートシンク３１は、前述の絶縁回路基板１０を冷却するためのものであり、冷却媒体（例えば冷却水）を流通させるための流路３２が複数設けられた構造をなしている。
このヒートシンク３１は、熱伝導性が良好な材質、例えばアルミニウム又はアルミニウム合金、銅又は銅合金で構成されていることが好ましく、本実施形態においては、純度が９９ｍａｓｓ％以上の２Ｎアルミニウムで構成されている。
なお、本実施形態では、絶縁回路基板１０の金属層１３とヒートシンク３１は、固相拡散接合法によって接合されている。
このヒートシンク３１は、熱伝導性が良好な材質、例えばアルミニウム又はアルミニウム合金、銅又は銅合金で構成されていることが好ましく、本実施形態においては、純度が９９ｍａｓｓ％以上の２Ｎアルミニウムで構成されている。
なお、本実施形態では、絶縁回路基板１０の金属層１３とヒートシンク３１は、固相拡散接合法によって接合されている。
半導体素子３は、例えばＳｉやＳｉＣ等の半導体材料を用いて構成されている。この半導体素子３は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材からなるはんだ層２を介して回路層１２上に搭載されている。
そして、絶縁層を構成する本実施形態である絶縁基板２０は、図２に示すように、セラミックス部材によって構成されるセラミックス板２６と、銅又は銅合金からなる銅部材によって構成される銅板２１と、グラフェン集合体を含有するグラフェン含有炭素質部材からなる炭素板２５と、を積層した構造とされている。炭素板２５の両主面には、それぞれ銅板２１が接合されている。
ここでは、絶縁基板２０として、セラミックス板２６、銅板２１、炭素板２５、銅板２１、セラミックス板２６の順に積層されているものを例示しているが、積層方向における最表層（端部）がセラミックス板２６であり、セラミックス板２６、銅板２１、炭素板２５の順序が保たれていればよく、積層数についての制限はない。
ここでは、絶縁基板２０として、セラミックス板２６、銅板２１、炭素板２５、銅板２１、セラミックス板２６の順に積層されているものを例示しているが、積層方向における最表層（端部）がセラミックス板２６であり、セラミックス板２６、銅板２１、炭素板２５の順序が保たれていればよく、積層数についての制限はない。
炭素板２５を構成するグラフェン含有炭素質部材は、単層又は多層のグラフェンが堆積してなるグラフェン集合体と扁平形状の黒鉛粒子とを含み、扁平形状の黒鉛粒子が、そのベーサル面が折り重なるように、グラフェン集合体をバインダーとして積層された構造とされていることが好ましい。扁平形状の黒鉛粒子のベーサル面は、一方向に向けて配向した構造とされていることが好ましい。
扁平形状の黒鉛粒子は、炭素六角網面が現れるベーサル面と、炭素六角網面の端部が現れるエッジ面と、を有するものである。この扁平形状の黒鉛粒子としては、鱗片状黒鉛、鱗状黒鉛、土状黒鉛、薄片状黒鉛、キッシュグラファイト、熱分解黒鉛、高配向熱分解黒鉛等を用いることができる。
ここで、黒鉛粒子のベーサル面から見た平均粒径は、１０μｍ以上１０００μｍ以下の範囲内であることが好ましく、５０μｍ以上８００μｍ以下の範囲内であることがさらに好ましい。黒鉛粒子の平均粒径を上述の範囲内とすることで、熱伝導性が向上する。
さらに、黒鉛粒子の厚さは、１μｍ以上５０μｍ以下の範囲内であることが好ましく、１μｍ以上２０μｍ以下の範囲内であることがさらに好ましい。黒鉛粒子の厚さを上述の範囲内とすることで、黒鉛粒子の配向性が適度に調整される。
また、黒鉛粒子の厚みがベーサル面から見た粒径の１／１０００〜１／２の範囲内とすることによって、優れた熱伝導性と黒鉛粒子の配向性が適度に調整される。
ここで、黒鉛粒子のベーサル面から見た平均粒径は、１０μｍ以上１０００μｍ以下の範囲内であることが好ましく、５０μｍ以上８００μｍ以下の範囲内であることがさらに好ましい。黒鉛粒子の平均粒径を上述の範囲内とすることで、熱伝導性が向上する。
さらに、黒鉛粒子の厚さは、１μｍ以上５０μｍ以下の範囲内であることが好ましく、１μｍ以上２０μｍ以下の範囲内であることがさらに好ましい。黒鉛粒子の厚さを上述の範囲内とすることで、黒鉛粒子の配向性が適度に調整される。
また、黒鉛粒子の厚みがベーサル面から見た粒径の１／１０００〜１／２の範囲内とすることによって、優れた熱伝導性と黒鉛粒子の配向性が適度に調整される。
グラフェン集合体は、単層又は多層のグラフェンが堆積したものであり、多層のグラフェンの積層数は、例えば１００層以下、好ましくは５０層以下とされている。このグラフェン集合体は、例えば、単層又は多層のグラフェンが低級アルコールや水を含む溶媒に分散されたグラフェン分散液を、ろ紙上に滴下し、溶媒を分離しながら堆積させることによって製造することが可能である。
ここで、グラフェン集合体の平均粒径は、１μｍ以上１０００μｍ以下の範囲内であることが好ましい。グラフェン集合体の平均粒径を上述の範囲内とすることで、熱伝導性が向上する。
さらに、グラフェン集合体の厚さは、０．０５μｍ以上５０μｍ未満の範囲内であることが好ましい。グラフェン集合体の厚さを上述の範囲内とすることで、炭素質部材の強度が確保される。
ここで、グラフェン集合体の平均粒径は、１μｍ以上１０００μｍ以下の範囲内であることが好ましい。グラフェン集合体の平均粒径を上述の範囲内とすることで、熱伝導性が向上する。
さらに、グラフェン集合体の厚さは、０．０５μｍ以上５０μｍ未満の範囲内であることが好ましい。グラフェン集合体の厚さを上述の範囲内とすることで、炭素質部材の強度が確保される。
ここで、図３に、銅又は銅合金からなる銅部材によって構成される銅板２１と、グラフェン含有炭素質部材からなる炭素板２５との接合界面、および銅板２１とセラミックス板２６との接合界面を拡大した模式図を示す。図３に示すように、銅部材からなる銅板２１とグラフェン含有炭素質部材からなる炭素板２５との間（接合界面４０）においては、炭素板２５の接合面に、活性金属炭化物の１種又は２種を含む活性金属炭化物層４１が形成されている。
また、銅板２１には、Ｍｇ、Ｃｕ等の単体の金属、Ｃｕ−Ｍｇ、Ｃｕ−Ｔｉ等の金属間化合物（ＩＭＣｓ）等が含有されており、特に接合界面４０において、銅板２１と活性金属炭化物層４１との間には、Ｃｕの母相中にＭｇが固溶したＭｇ固溶層４２が形成されている。Ｍｇ固溶層４２には、ＣｕとＭｇとを含む金属間化合物からなるＣｕ−Ｍｇ金属間化合物相が存在していてもよいし、Ｃｕと活性金属とを含む金属間化合物からなる第２金属間化合物相が存在していてもよい。
また、銅板２１には、Ｍｇ、Ｃｕ等の単体の金属、Ｃｕ−Ｍｇ、Ｃｕ−Ｔｉ等の金属間化合物（ＩＭＣｓ）等が含有されており、特に接合界面４０において、銅板２１と活性金属炭化物層４１との間には、Ｃｕの母相中にＭｇが固溶したＭｇ固溶層４２が形成されている。Ｍｇ固溶層４２には、ＣｕとＭｇとを含む金属間化合物からなるＣｕ−Ｍｇ金属間化合物相が存在していてもよいし、Ｃｕと活性金属とを含む金属間化合物からなる第２金属間化合物相が存在していてもよい。
このＣｕ−Ｍｇ金属間化合物相は、Ｃｕ２Ｍｇ相及び／又はＣｕＭｇ２相から構成される。
Ｍｇ固溶層４２においては、銅部材とグラフェン含有炭素質部材との積層方向に沿った断面において、活性金属炭化物層４１との境界面４０ａから銅部材側に向かって距離５０μｍの範囲内の領域の面積をＡ（μｍ２）とし、前記Ｃｕ−Ｍｇ金属間化合物相の面積をＢ（μｍ２）としたとき、比Ｂ／Ａが、０．３以下であることが好ましく、０．２５以下であればより好ましく、０．１５以下であれば最も好ましい。
なお、Ｍｇ固溶層４２がＣｕ−Ｍｇ金属間化合物相を含まない場合、即ち、比Ｂ／Ａが０である場合もある。
Ｍｇ固溶層４２においては、銅部材とグラフェン含有炭素質部材との積層方向に沿った断面において、活性金属炭化物層４１との境界面４０ａから銅部材側に向かって距離５０μｍの範囲内の領域の面積をＡ（μｍ２）とし、前記Ｃｕ−Ｍｇ金属間化合物相の面積をＢ（μｍ２）としたとき、比Ｂ／Ａが、０．３以下であることが好ましく、０．２５以下であればより好ましく、０．１５以下であれば最も好ましい。
なお、Ｍｇ固溶層４２がＣｕ−Ｍｇ金属間化合物相を含まない場合、即ち、比Ｂ／Ａが０である場合もある。
活性金属炭化物層４１は、接合時において銅板２１と炭素板２５との間に介在させる接合材に含まれる活性金属が、炭素板２５に含まれる炭素と反応することによって形成されるものである。
活性金属炭化物層４１を構成する活性金属としては、例えば、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ、Ｎｂから選択される１種又は２種以上を用いることができる。本実施形態では、活性金属がＴｉとされ、活性金属炭化物層４１はチタン炭化物（Ｔｉ−Ｃ）で構成されているものとする。
活性金属炭化物層４１を構成する活性金属としては、例えば、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ、Ｎｂから選択される１種又は２種以上を用いることができる。本実施形態では、活性金属がＴｉとされ、活性金属炭化物層４１はチタン炭化物（Ｔｉ−Ｃ）で構成されているものとする。
ここで、活性金属炭化物層４１の厚さｔ１が０．０５μｍ未満であると、活性金属と炭素との反応が十分ではなく、活性金属炭化物層４１を介した銅板２１と炭素板２５との接合強度が不十分となるおそれがある。一方、活性金属炭化物層４１の厚さｔ１が１．５μｍを超えると、冷熱サイクル負荷時の活性金属炭化物層４１においてクラックが発生するおそれがある。
よって、本実施形態では、活性金属炭化物層４１の厚さｔ１を、０．０５μｍ以上１．５μｍ以下の範囲内に設定することが好ましい。
なお、活性金属炭化物層４１の厚さｔ１の下限は０．１μｍ以上であることがさらに好ましく、０．２５μｍ以上であることがより好ましい。一方、活性金属炭化物層４１の厚さｔ１の上限は１．２μｍ以下であることがさらに好ましく、１．０μｍ以下であることがより好ましい。
よって、本実施形態では、活性金属炭化物層４１の厚さｔ１を、０．０５μｍ以上１．５μｍ以下の範囲内に設定することが好ましい。
なお、活性金属炭化物層４１の厚さｔ１の下限は０．１μｍ以上であることがさらに好ましく、０．２５μｍ以上であることがより好ましい。一方、活性金属炭化物層４１の厚さｔ１の上限は１．２μｍ以下であることがさらに好ましく、１．０μｍ以下であることがより好ましい。
セラミックス板２６は、化合物層４３を介して銅板２１に接合されている。化合物層４３は、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種類以上の活性金属、あるいはＭｇが、接合材として、セラミックス板２６の構成元素と反応して形成される層である。セラミックス板２６としては、例えば、Ａｌ２Ｏ３、Ｚｒ添加Ａｌ２Ｏ３等の酸化物、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４、等の窒化物、ＳｉＡｌＯＮを含むものが用いられる。
セラミックス板２６が酸化物を主成分とするものである場合には、接合材としてＭｇを用いることが好ましく、この場合、化合物層４３を構成する主な元素はＭｇＯとなる。また、セラミックス板２６が窒化物を主成分とするものである場合には、接合材としてＴｉを用いることが好ましく、この場合、化合物層４３を構成する主な元素はＴｉＮとなる。
次に、本実施形態であるセラミックス／銅／グラフェン接合体（絶縁基板２０）の製造方法について、図４に示すフロー図を参照して説明する。
（炭素板形成工程Ｓ０１）
まず、上述した扁平形状の黒鉛粒子とグラフェン集合体とを所定の配合比となるように秤量し、これをボールミル等の既存の混合装置によって混合する。
得られた混合物を、所定の形状の金型に充填して加圧することにより成形体を得る。なお、加圧時に加熱を実施してもよい。
そして、得られた成形体に対して切り出し加工を行い、炭素板２５を得る。
まず、上述した扁平形状の黒鉛粒子とグラフェン集合体とを所定の配合比となるように秤量し、これをボールミル等の既存の混合装置によって混合する。
得られた混合物を、所定の形状の金型に充填して加圧することにより成形体を得る。なお、加圧時に加熱を実施してもよい。
そして、得られた成形体に対して切り出し加工を行い、炭素板２５を得る。
なお、成形時の圧力は、２０ＭＰａ以上１０００ＭＰａ以下の範囲内とすることが好ましく、１００ＭＰａ以上３００ＭＰａ以下の範囲内とすることがさらに好ましい。また、成形時の温度は、５０℃以上３００℃以下の範囲内とすることが好ましい。さらに、加圧時間は、０．５分以上１０分以下の範囲内とすることが好ましい。
（第１の活性金属及びＭｇ配置工程Ｓ０２）
次に、銅又は銅合金からなる銅板２１を準備し、この銅板２１の接合面と先の工程で得た炭素板２５の接合面を対向させ、両板の間に、接合材として、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種以上の活性金属、及びＭｇを配置する。銅板２１を別の材質の板に変える場合には、接合材として、さらにＣｕを配置する。活性金属、及びＭｇは、スパッタ、(共)蒸着、箔材、又はペースト(活性金属及びＭｇの水素化物も利用できる)の塗布にて配置することができる。
次に、銅又は銅合金からなる銅板２１を準備し、この銅板２１の接合面と先の工程で得た炭素板２５の接合面を対向させ、両板の間に、接合材として、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種以上の活性金属、及びＭｇを配置する。銅板２１を別の材質の板に変える場合には、接合材として、さらにＣｕを配置する。活性金属、及びＭｇは、スパッタ、(共)蒸着、箔材、又はペースト(活性金属及びＭｇの水素化物も利用できる)の塗布にて配置することができる。
接合材として、銅板２１と炭素板２５の間に配置する活性金属量を０．４μｍｏｌ／ｃｍ２以上、Ｍｇ量を１４μｍｏｌ／ｃｍ２以上とする。好ましくは、活性金属量は、０．４μｍｏｌ／ｃｍ２以上４７．０μｍｏｌ／ｃｍ２以下の範囲内であり、Ｃｕ量は４μｍｏｌ／ｃｍ２以上３５０μｍｏｌ／ｃｍ２以下の範囲内であり、Ｍｇ量は１４μｍｏｌ／ｃｍ２以上１８０μｍｏｌ／ｃｍ２以下の範囲内である。
（第１の積層工程Ｓ０３）
次に、上述の炭素板２５の両主面のそれぞれに、接合材を介して、銅板２１を積層する（貼り合わせる）。
次に、上述の炭素板２５の両主面のそれぞれに、接合材を介して、銅板２１を積層する（貼り合わせる）。
（第１の接合工程Ｓ０４）
次に、接合材を介して積層した炭素板２５と銅板２１とを、積層方向に加圧するとともに加熱した後、冷却することにより、炭素板２５と銅板２１とセラミックス板２６を接合する。
ここで、加熱温度は７００℃以上９５０℃以下の範囲内とすることが好ましい。また、加熱温度での保持時間は１０分以上１８０分以下の範囲内とすることが好ましい。さらに、加圧圧力は０．０４９ＭＰａ以上１．９６ＭＰａ以下の範囲内とすることが好ましい。また、接合中の雰囲気は、非酸化雰囲気とされていることが好ましい。
次に、接合材を介して積層した炭素板２５と銅板２１とを、積層方向に加圧するとともに加熱した後、冷却することにより、炭素板２５と銅板２１とセラミックス板２６を接合する。
ここで、加熱温度は７００℃以上９５０℃以下の範囲内とすることが好ましい。また、加熱温度での保持時間は１０分以上１８０分以下の範囲内とすることが好ましい。さらに、加圧圧力は０．０４９ＭＰａ以上１．９６ＭＰａ以下の範囲内とすることが好ましい。また、接合中の雰囲気は、非酸化雰囲気とされていることが好ましい。
この第１の接合工程Ｓ０４により、炭素板２５と銅板２１との接合界面において、接合材に含まれる活性金属（本実施形態ではＴｉ）が炭素板２５に含まれる炭素と反応することで、炭素板２５の接合面に活性金属炭化物層４１が形成される。
そして、接合材に含まれるＣｕ、Ｍｇ、および活性金属の一部が銅板２１に吸収され、さらに接合材に含まれるＣｕとＭｇが反応することで、銅板２１と活性金属炭化物層４１との間に、Ｃｕの母相中にＭｇが固溶したＭｇ固溶層４２が形成される。Ｍｇ固溶層４２には、ＣｕとＭｇとを含む金属間化合物からなるＣｕ−Ｍｇ金属間化合物相が存在していてもよいし、Ｃｕと活性金属とを含む金属間化合物からなる第２金属間化合物相が存在していてもよい。
そして、接合材に含まれるＣｕ、Ｍｇ、および活性金属の一部が銅板２１に吸収され、さらに接合材に含まれるＣｕとＭｇが反応することで、銅板２１と活性金属炭化物層４１との間に、Ｃｕの母相中にＭｇが固溶したＭｇ固溶層４２が形成される。Ｍｇ固溶層４２には、ＣｕとＭｇとを含む金属間化合物からなるＣｕ−Ｍｇ金属間化合物相が存在していてもよいし、Ｃｕと活性金属とを含む金属間化合物からなる第２金属間化合物相が存在していてもよい。
（第２の活性金属及びＭｇ配置工程Ｓ０５）
次に、セラミックス板２６を準備し、このセラミックス板２６の接合面と銅板２５の接合面とを対向させ、両板の間に、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種類以上の活性金属、Ｍｇのうち、少なくとも一つからなる材料を配置する。活性金属、及びＭｇは、スパッタ、(共)蒸着、箔材、又はペースト(活性金属及びＭｇの水素化物も利用できる)の塗布にて配置することができる。
次に、セラミックス板２６を準備し、このセラミックス板２６の接合面と銅板２５の接合面とを対向させ、両板の間に、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種類以上の活性金属、Ｍｇのうち、少なくとも一つからなる材料を配置する。活性金属、及びＭｇは、スパッタ、(共)蒸着、箔材、又はペースト(活性金属及びＭｇの水素化物も利用できる)の塗布にて配置することができる。
接合材として、銅板２１とセラミックス板２５の間に、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種類以上の活性金属を配置する場合、配置する活性金属量は、０．４μｍｏｌ／ｃｍ２以上４７.０μｍｏｌ／ｃｍ２以下の範囲内とすることが好ましい。また、接合材として、銅板２１とセラミックス板２５の間にＭｇを配置する場合、配置するＭｇ量は、１４μｍｏｌ／ｃｍ２以上１８０μｍｏｌ／ｃｍ２以下の範囲内とすることが好ましい。
（第２の積層工程Ｓ０６）
次に、炭素板２５に積層された二つの銅板２１のそれぞれに、接合材を介してセラミックス板２６を積層する。この場合の銅板２１の接合面は、炭素板２５と反対側の主面となる。
次に、炭素板２５に積層された二つの銅板２１のそれぞれに、接合材を介してセラミックス板２６を積層する。この場合の銅板２１の接合面は、炭素板２５と反対側の主面となる。
（第２の接合工程Ｓ０７）
次に、接合材を介して積層した銅板２１とセラミックス板２６とを、積層方向に加圧するとともに加熱した後、冷却することにより、銅板２１とセラミックス板２６とを接合する。
ここで、加熱温度は７００℃以上９５０℃以下の範囲内とすることが好ましい。また、加熱温度での保持時間は１０分以上９０分以下の範囲内とすることが好ましい。さらに、加圧圧力は０．０４９ＭＰａ以上１．９６ＭＰａ以下の範囲内とすることが好ましい。また、接合中の雰囲気は、非酸化雰囲気とされていることが好ましい。
次に、接合材を介して積層した銅板２１とセラミックス板２６とを、積層方向に加圧するとともに加熱した後、冷却することにより、銅板２１とセラミックス板２６とを接合する。
ここで、加熱温度は７００℃以上９５０℃以下の範囲内とすることが好ましい。また、加熱温度での保持時間は１０分以上９０分以下の範囲内とすることが好ましい。さらに、加圧圧力は０．０４９ＭＰａ以上１．９６ＭＰａ以下の範囲内とすることが好ましい。また、接合中の雰囲気は、非酸化雰囲気とされていることが好ましい。
この第２の接合工程Ｓ０７により、銅板２１とセラミックス板２６との接合界面においても、セラミックス板２６を構成する酸素または窒素が接合材の元素と反応し、酸化物層または窒化物層が形成される。
セラミックス板２６がＡｌ２Ｏ３、Ｚｒ添加Ａｌ２Ｏ３等の酸化物を含み、銅板２１とセラミックス板２６との接合材がＭｇである場合、接合工程Ｓ０４により、Ｍｇが、セラミックス板２６に含まれる酸素と反応し、銅板２１とセラミックス板２６との接合界面にＭｇＯ層（化合物層４３）が形成される。
セラミックス板２６がＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４等の窒化物を含み、銅板２１とセラミックス板２６との接合材がＴｉである場合、接合工程Ｓ０４により、Ｔｉが、セラミックス板２６に含まれる窒素と反応し、銅板２１とセラミックス板２６との接合界面にＴｉＮ層（化合物層４３）が形成される。
セラミックス板２６がＳｉＡｌＯＮを含み、銅板２１とセラミックス板２６との接合材がＴｉである場合、接合工程Ｓ０４により、Ｔｉが、セラミックス板２６に含まれる窒素と反応し、銅板２１とセラミックス板２６との接合界面にＴｉＮ層（化合物層４３）が形成される。
以上の工程により、本実施形態であるセラミックス／銅／グラフェン接合体（絶縁基板２０）が製造されることになる。
なお、上記の実施形態では、炭素板２５と銅板２１とを接合した後、銅板２１とセラミックス板２６とを接合しているが、炭素板２５と銅板２１とセラミックス板２６とを同時に接合してもよい。
具体的には、先ず、炭素板２５の一方の面に、接合材としてＴｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種以上の活性金属、及びＭｇを配置し、配置された活性金属及びＭｇの上に銅板２１を積層する。更に、銅板２１の上に、接合材としてＴｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種以上の活性金属、及びＭｇを配置し、配置された活性金属及びＭｇの上にセラミックス板２６を積層する。
炭素板２５のもう一方の面に銅板２１とセラミックス板２６とを積層する場合は、同様の方法で炭素板２５と銅板２１とセラミックス板２６とを積層する。
活性金属、及びＭｇは、スパッタ、(共)蒸着、箔材、又はペースト(活性金属及びＭｇの水素化物も利用できる)の塗布にて配置することができる。
具体的には、先ず、炭素板２５の一方の面に、接合材としてＴｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種以上の活性金属、及びＭｇを配置し、配置された活性金属及びＭｇの上に銅板２１を積層する。更に、銅板２１の上に、接合材としてＴｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種以上の活性金属、及びＭｇを配置し、配置された活性金属及びＭｇの上にセラミックス板２６を積層する。
炭素板２５のもう一方の面に銅板２１とセラミックス板２６とを積層する場合は、同様の方法で炭素板２５と銅板２１とセラミックス板２６とを積層する。
活性金属、及びＭｇは、スパッタ、(共)蒸着、箔材、又はペースト(活性金属及びＭｇの水素化物も利用できる)の塗布にて配置することができる。
次に、炭素板２５と銅板２１とセラミックス板２６とを、積層方向に加圧するとともに加熱した後、冷却することにより、炭素板２５と銅板２１とセラミックス板２６を接合する。
ここで、加熱温度は７００℃以上９５０℃以下の範囲内とすることが好ましい。また、加熱温度での保持時間は１０分以上１８０分以下の範囲内とすることが好ましい。さらに、加圧圧力は０．０４９ＭＰａ以上１．９６ＭＰａ以下の範囲内とすることが好ましい。また、接合中の雰囲気は、非酸化雰囲気とされていることが好ましい。
ここで、加熱温度は７００℃以上９５０℃以下の範囲内とすることが好ましい。また、加熱温度での保持時間は１０分以上１８０分以下の範囲内とすることが好ましい。さらに、加圧圧力は０．０４９ＭＰａ以上１．９６ＭＰａ以下の範囲内とすることが好ましい。また、接合中の雰囲気は、非酸化雰囲気とされていることが好ましい。
以上により、本実施形態のセラミックス／銅／グラフェン接合体（絶縁基板２０）によれば、銅部材（銅板２１）とグラフェン含有炭素質部材（炭素板２５）との接合界面において、グラフェン含有炭素質部材の接合面に活性金属炭化物層４１が形成されており、銅部材の接合面側にＣｕの母相中にＭｇが固溶したＭｇ固溶層４２が形成されている。これにより、Ｍｇ固溶層４２中のＭｇが活性金属炭化物層４１中の活性金属と十分に反応し、この活性金属炭化物層４１を介して、銅部材がグラフェン含有炭素質材と強固に接合されるため、冷熱サイクル負荷時において、接合界面にクラック、剥離が生じるのを抑えることができる。さらに、本実施形態のセラミックス／銅／グラフェン接合体は、その構成材料として銅を含んでいるため、過渡期において、ヒートスプレッダとして効率的に放熱を行う機能を有している。
また、本実施形態のセラミックス／銅／グラフェン接合体においては、導電性を有する銅部材がセラミックス部材で覆われているため、所定のデバイスに接触させた場合に、銅部材を通じて接合部分に電流が流れ込むのを抑制し、銅部材とグラフェン含有炭素質部材との接合を維持させることができる。
したがって、本実施形態のセラミックス／銅／グラフェン接合体は、冷熱サイクルに伴う接合界面での剥離の発生を抑えつつ、安定した放熱特性を維持することができ、高い信頼性を実現することができる。
したがって、本実施形態のセラミックス／銅／グラフェン接合体は、冷熱サイクルに伴う接合界面での剥離の発生を抑えつつ、安定した放熱特性を維持することができ、高い信頼性を実現することができる。
また、本実施形態のセラミックス／銅／グラフェン接合体において、Ｍｇ固溶層には、ＣｕとＭｇとを含む金属間化合物からなるＣｕ−Ｍｇ金属間化合物相が存在することが好ましい。この場合、Ｃｕ−Ｍｇ金属間化合物相が活性金属炭化物層との接合面側に分布しており、接合に大きく関与することになるため、活性金属炭化物層との接合の強度を高めることができる。
また、本実施形態のセラミックス／銅／グラフェン接合体において、Ｍｇ固溶層には、Ｃｕと活性金属とを含む金属間化合物からなる第２金属間化合物相が存在することが好ましい。この場合、第２金属間化合物相が活性金属炭化物層との接合面側に分布しており、接合に大きく関与することになるため、活性金属炭化物層との接合の強度を高めることができる。
また、本実施形態のセラミックス／銅／グラフェン接合体において、セラミックス部材が酸素含有セラミックスで構成されており、セラミックス部材と銅部材との接合界面においては、セラミックス部材側に酸化マグネシウム層が形成されていてもよい。この場合、酸化マグネシウム層が形成されていることにより、酸素を含有するセラミックス部材と銅部材との接合を強化することができ、冷熱サイクル負荷時において、接合界面にクラック、剥離が生じるのを抑えることができる。
また、本実施形態のセラミックス／銅／グラフェン接合体において、セラミックス部材が窒素含有セラミックスで構成されており、セラミックス部材と銅部材との接合界面においては、セラミックス部材側に、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種以上の活性金属の窒化物を含む活性金属窒化物層が形成されていてもよい。この場合、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種以上の活性金属の窒化物を含む活性金属窒化物層が形成されていることにより、窒素を含有するセラミックス部材と銅部材との接合を強化することができ、冷熱サイクル負荷時において、接合界面にクラック、剥離が生じるのを抑えることができる。
さらに、本実施形態のセラミックス／銅／グラフェン接合体においては、グラフェン含有炭素質部材は、単層又は多層のグラフェンが堆積してなるグラフェン集合体と扁平形状の黒鉛粒子とを含み、扁平形状の前記黒鉛粒子が、そのベーサル面が折り重なるように前記グラフェン集合体をバインダーとして積層され、扁平形状の前記黒鉛粒子のベーサル面が一方向に向けて配向した構造とされていることが好ましい。この場合、グラフェン含有炭素質部材における熱伝導特性を、さらに向上させることが可能となる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、本実施形態では、絶縁回路基板の回路層に半導体素子（パワー半導体素子）を搭載してパワーモジュールを構成するものとして説明したが、これに限定されることはない。例えば、絶縁回路基板にＬＥＤ素子を搭載してＬＥＤモジュールを構成してもよいし、絶縁回路基板の回路層に熱電素子を搭載して熱電モジュールを構成してもよい。
例えば、本実施形態では、絶縁回路基板の回路層に半導体素子（パワー半導体素子）を搭載してパワーモジュールを構成するものとして説明したが、これに限定されることはない。例えば、絶縁回路基板にＬＥＤ素子を搭載してＬＥＤモジュールを構成してもよいし、絶縁回路基板の回路層に熱電素子を搭載して熱電モジュールを構成してもよい。
また、本実施形態では、図１に示すように、絶縁回路基板１０の絶縁層として、本実施形態である絶縁基板２０を適用したものとして説明したが、これに限定されることはなく、本発明のセラミックス／銅／グラフェン接合体の使用方法に特に制限はない。
本発明の有効性を確認するために行った確認実験（本発明例１〜８、１１〜１９、比較例１〜３）について説明する。
本実施形態で開示したように、扁平形状の黒鉛粒子とグラフェン集合体を所定の配合比で配合して混合し、加圧加熱して成形することにより、扁平形状の黒鉛粒子が、そのベーサル面が折り重なるようにグラフェン集合体をバインダーとして積層された構造の成形体を得た。得られた成形体を切り出して、炭素板（４０ｍｍ×４０ｍｍ×厚さ１．０ｍｍ）を得た。
この炭素板の一方の面に、表１、２に示すＭｇ量及び活性金属量にてＭｇおよび活性金属を配置し、配置されたＭｇおよび活性金属の上に銅板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×厚さ０．３ｍｍ）を積層し、さらに銅板の上に表１，２に示すＭｇ量及び活性金属量にてＭｇおよび活性金属を配置し、配置されたＭｇおよび活性金属の上にセラミックス板（窒化ケイ素製、３７ｍｍ×３７ｍｍ×厚さ０．３ｍｍ）を積層し、表１、２に示す条件で、炭素板と銅板とセラミックス板とを接合した。
炭素板の一方の面に配置するＭｇ量及び活性金属量と、銅板の上に配置するＭｇ量及び活性金属量とは同じとした。
なお、Ｍｇおよび活性金属は共蒸着を用いて配置した。
ここで、炭素板と銅板との接合界面を観察し、活性金属炭化物層の有無、Ｃｕ−Ｍｇ金属間化合物相の有無、活性金属化合物相の有無、Ｍｇ固溶層の有無を確認した。
炭素板の一方の面に配置するＭｇ量及び活性金属量と、銅板の上に配置するＭｇ量及び活性金属量とは同じとした。
なお、Ｍｇおよび活性金属は共蒸着を用いて配置した。
ここで、炭素板と銅板との接合界面を観察し、活性金属炭化物層の有無、Ｃｕ−Ｍｇ金属間化合物相の有無、活性金属化合物相の有無、Ｍｇ固溶層の有無を確認した。
（活性金属炭化物層の有無）
得られた接合体の積層方向に沿った断面において、銅板と炭素板との接合界面を、走査型透過電子顕微鏡（ＦＥＩ社製Ｔｉｔａｎ ＣｈｅｍｉＳＴＥＭ（ＥＤＳ検出器付き））を用いて、倍率２００００倍から１２００００倍、加速電圧２００ｋＶの条件で観察を行った。エネルギー分散型Ｘ線分析法（サーモサイエンティフィック社製ＮＳＳ７）を用いてマッピングを行い、活性金属とＣが重なる領域において、１ｎｍ程度に絞った電子ビームを照射すること（ＮＢＤ（ナノビーム回折）法）で電子回折図形を得て、この電子回折図形が活性金属とＣの金属間化合物であった場合に活性金属炭化物層を「有」とした。
得られた接合体の積層方向に沿った断面において、銅板と炭素板との接合界面を、走査型透過電子顕微鏡（ＦＥＩ社製Ｔｉｔａｎ ＣｈｅｍｉＳＴＥＭ（ＥＤＳ検出器付き））を用いて、倍率２００００倍から１２００００倍、加速電圧２００ｋＶの条件で観察を行った。エネルギー分散型Ｘ線分析法（サーモサイエンティフィック社製ＮＳＳ７）を用いてマッピングを行い、活性金属とＣが重なる領域において、１ｎｍ程度に絞った電子ビームを照射すること（ＮＢＤ（ナノビーム回折）法）で電子回折図形を得て、この電子回折図形が活性金属とＣの金属間化合物であった場合に活性金属炭化物層を「有」とした。
（Ｃｕ−Ｍｇ金属間化合物相の有無）
得られた接合体の積層方向に沿った断面において、銅板と炭素板との接合界面を、電子線マイクロアナライザー（日本電子株式会社製ＪＸＡ−８５３９Ｆ）を用いて、倍率２０００倍、加速電圧１５ｋＶの条件で観察し、接合界面を含む領域（４００μｍ×６００μｍ）（以下、観察領域という）のＭｇの元素ＭＡＰを取得した。Ｍｇの存在が確認された領域内での定量分析の５点平均で、Ｃｕ濃度が５原子％以上、かつ、Ｍｇ濃度が３０原子以上７０原子％以下を満たした領域をＣｕ−Ｍｇ金属間化合物相として、Ｃｕ−Ｍｇ金属間化合物相の有無を確認した。なおここでの濃度はＣｕとＭｇの合計量を１００原子％とした時の濃度である。
また、本発明例１１〜１９の接合体では、観察領域における、活性金属炭化層とＭｇ固溶層の境界からから銅部材側に向かって距離５０μｍの範囲内の領域の面積をＡとし、観察領域における、活性金属炭化層とＭｇ固溶層の境界から銅部材側に向かって距離５０μｍの範囲内の領域におけるＣｕ−Ｍｇ金属間化合物相の面積をＢとしたときの比Ｂ／Ａを測定した。
得られた接合体の積層方向に沿った断面において、銅板と炭素板との接合界面を、電子線マイクロアナライザー（日本電子株式会社製ＪＸＡ−８５３９Ｆ）を用いて、倍率２０００倍、加速電圧１５ｋＶの条件で観察し、接合界面を含む領域（４００μｍ×６００μｍ）（以下、観察領域という）のＭｇの元素ＭＡＰを取得した。Ｍｇの存在が確認された領域内での定量分析の５点平均で、Ｃｕ濃度が５原子％以上、かつ、Ｍｇ濃度が３０原子以上７０原子％以下を満たした領域をＣｕ−Ｍｇ金属間化合物相として、Ｃｕ−Ｍｇ金属間化合物相の有無を確認した。なおここでの濃度はＣｕとＭｇの合計量を１００原子％とした時の濃度である。
また、本発明例１１〜１９の接合体では、観察領域における、活性金属炭化層とＭｇ固溶層の境界からから銅部材側に向かって距離５０μｍの範囲内の領域の面積をＡとし、観察領域における、活性金属炭化層とＭｇ固溶層の境界から銅部材側に向かって距離５０μｍの範囲内の領域におけるＣｕ−Ｍｇ金属間化合物相の面積をＢとしたときの比Ｂ／Ａを測定した。
（活性金属化合物相の有無）
銅板とセラミックス基板との接合界面を、電子線マイクロアナライザー（日本電子株式会社製ＪＸＡ−８５３９Ｆ）を用いて、倍率２０００倍、加速電圧１５ｋＶの条件で観察し、接合界面を含む領域（４００μｍ×６００μｍ）の活性金属の元素ＭＡＰを取得した。活性金属の存在が確認された領域内での定量分析の５点平均で、Ｃｕ濃度が５原子％以上、かつ、活性金属濃度が１６原子以上７０原子％以下を満たした領域をＣｕ−活性金属間化合物相として、活性金属化合物相の有無を確認し、第２金属間化合物相の有無として示した。なおここでの濃度はＣｕと活性金属の合計量を１００原子％とした時の濃度である。
銅板とセラミックス基板との接合界面を、電子線マイクロアナライザー（日本電子株式会社製ＪＸＡ−８５３９Ｆ）を用いて、倍率２０００倍、加速電圧１５ｋＶの条件で観察し、接合界面を含む領域（４００μｍ×６００μｍ）の活性金属の元素ＭＡＰを取得した。活性金属の存在が確認された領域内での定量分析の５点平均で、Ｃｕ濃度が５原子％以上、かつ、活性金属濃度が１６原子以上７０原子％以下を満たした領域をＣｕ−活性金属間化合物相として、活性金属化合物相の有無を確認し、第２金属間化合物相の有無として示した。なおここでの濃度はＣｕと活性金属の合計量を１００原子％とした時の濃度である。
（Ｍｇ固溶相の有無）
銅板とセラミックス基板との接合界面を含む領域（４００μｍ×６００μｍ）を、電子線マイクロアナライザー（日本電子株式会社製ＪＸＡ−８５３９Ｆ）を用いて、倍率２０００倍、加速電圧１５ｋＶの条件で観察した。セラミックス基板表面から銅板側に向かって１０μｍ間隔で、銅板の厚さに応じて１０点以上２０点以下の範囲で定量分析を行い、Ｍｇ濃度が０．０１原子％以上６．９原子％以下である領域をＭｇ固溶相として、Ｍｇ固溶相の有無を確認した。
銅板とセラミックス基板との接合界面を含む領域（４００μｍ×６００μｍ）を、電子線マイクロアナライザー（日本電子株式会社製ＪＸＡ−８５３９Ｆ）を用いて、倍率２０００倍、加速電圧１５ｋＶの条件で観察した。セラミックス基板表面から銅板側に向かって１０μｍ間隔で、銅板の厚さに応じて１０点以上２０点以下の範囲で定量分析を行い、Ｍｇ濃度が０．０１原子％以上６．９原子％以下である領域をＭｇ固溶相として、Ｍｇ固溶相の有無を確認した。
そして、得られた本発明例１〜８、比較例１〜３の接合体に対して、−４０℃×５分⇔１５０℃×５分の冷熱サイクルを２０００サイクル負荷した。
また、得られた本発明例１１〜１９の接合体に対して、真空雰囲気で、４００℃、３０分の加熱と室温（２５℃）までの冷却を１０回繰り返す加熱試験を行った。
その後、これらの接合体に対し、超音波探傷装置（株式会社日立パワーソリューションズ製ＦｉｎｅＳＡＴ２００）を用いて、炭素板と銅板との初期接合面積、非接合面積を測定し、以下の式から炭素板と銅板との界面の接合率を算出した。
（接合率）＝［｛（初期接合面積）−（非接合部面積）｝／（初期接合面積）］×１００
ここでの初期接合面積は、本来接合されるべき部分の面積を意味している。また、非接合面積は、接合されるべき部分のうち、実際には接合されていない部分、すなわち、剥離している部分の面積を意味している。超音波探傷像を二値化処理した画像において、剥離は接合部内の白色部で示されることから、この白色部の面積を非接合面積（剥離面積）とした。
また、得られた本発明例１１〜１９の接合体に対して、真空雰囲気で、４００℃、３０分の加熱と室温（２５℃）までの冷却を１０回繰り返す加熱試験を行った。
その後、これらの接合体に対し、超音波探傷装置（株式会社日立パワーソリューションズ製ＦｉｎｅＳＡＴ２００）を用いて、炭素板と銅板との初期接合面積、非接合面積を測定し、以下の式から炭素板と銅板との界面の接合率を算出した。
（接合率）＝［｛（初期接合面積）−（非接合部面積）｝／（初期接合面積）］×１００
ここでの初期接合面積は、本来接合されるべき部分の面積を意味している。また、非接合面積は、接合されるべき部分のうち、実際には接合されていない部分、すなわち、剥離している部分の面積を意味している。超音波探傷像を二値化処理した画像において、剥離は接合部内の白色部で示されることから、この白色部の面積を非接合面積（剥離面積）とした。
比較例１では、Ｍｇが少ないため、界面に生じる液相が少なく、活性金属炭化物層の生成が十分に起きなかった。比較例２では、活性金属量が少ないため、活性金属炭化物層の生成が十分に起きなかった。比較例３では、Ｍｇが少ないため、界面に生じる液相が少なく、さらに、活性金属量が少ないために、活性金属炭化物層の生成が十分に起きなかった。
そのため、銅板と炭素板との接合率は、初期の段階で５５％に満たない低い値を示しており、冷熱サイクル負荷後には、０〜２％程度となり、接合がほぼ完全に解消されていることが分かる。
そのため、銅板と炭素板との接合率は、初期の段階で５５％に満たない低い値を示しており、冷熱サイクル負荷後には、０〜２％程度となり、接合がほぼ完全に解消されていることが分かる。
これに対し、本発明例１〜８、１１〜１９のセラミックス／銅／グラフェン接合体は、接合部分に活性金属炭化物層とＭｇ固溶層が設けられているため、銅板と炭素板との接合率は、９５％を超える高い値を示しており、比較例１〜３と同様の冷熱サイクル負荷または加熱試験を行っても９０％を下回らないことが分かる。これらの結果から、本発明例１〜８、１１〜１９のセラミックス／銅／グラフェン接合体は、冷却サイクル負荷時の剥離を抑える上で、十分な強度を有しており、高い信頼性を実現していることが分かる。
２０ 絶縁基板（セラミックス／銅／グラフェン接合体）
２１ 銅板（銅部材）
２５ 炭素板（グラフェン含有炭素質部材）
２６ セラミックス板（セラミックス部材）
４０ 接合界面
４０ａ 境界面
４１ 活性金属炭化物層
４２ Ｍｇ固溶層
４３ 化合物層
２１ 銅板（銅部材）
２５ 炭素板（グラフェン含有炭素質部材）
２６ セラミックス板（セラミックス部材）
４０ 接合界面
４０ａ 境界面
４１ 活性金属炭化物層
４２ Ｍｇ固溶層
４３ 化合物層
Claims (12)
- セラミックス部材と、銅又は銅合金からなる銅部材と、グラフェン集合体を含有するグラフェン含有炭素質部材と、が接合された構造のセラミックス／銅／グラフェン接合体であって、
前記銅部材と前記グラフェン含有炭素質部材との接合界面においては、前記グラフェン含有炭素質部材側に、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種以上の活性金属の炭化物を含む活性金属炭化物層が形成されており、
この活性金属炭化物層と前記銅部材との間に、Ｃｕの母相中にＭｇが固溶したＭｇ固溶層が形成されていることを特徴とするセラミックス／銅／グラフェン接合体。 - 前記Ｍｇ固溶層には、ＣｕとＭｇとを含む金属間化合物からなるＣｕ−Ｍｇ金属間化合物相が存在することを特徴とする請求項１に記載のセラミックス／銅／グラフェン接合体。
- 前記Ｍｇ固溶層の内、前記活性金属炭化層と前記Ｍｇ固溶層の境界からから銅部材側に向かって距離５０μｍの範囲内の領域の面積をＡとし、前記Ｃｕ−Ｍｇ金属間化合物相の面積をＢとしたとき、比Ｂ／Ａが、０．３以下であることを特徴とする請求項２に記載のセラミックス／銅／グラフェン接合体。
- 前記Ｍｇ固溶層には、Ｃｕと前記活性金属とを含む金属間化合物からなる第２金属間化合物相が存在することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のセラミックス／銅／グラフェン接合体。
- 前記セラミックス部材が酸素含有セラミックスで構成されており、前記セラミックス部材と前記銅部材との接合界面においては、前記セラミックス部材側に酸化マグネシウム層が形成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のセラミックス／銅／グラフェン接合体。
- 前記セラミックス部材が窒素含有セラミックスで構成されており、前記セラミックス部材と前記銅部材との接合界面においては、前記セラミックス部材側に、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種以上の活性金属の窒化物を含む活性金属窒化物層が形成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のセラミックス／銅／グラフェン接合体。
- 前記グラフェン含有炭素質部材は、単層又は多層のグラフェンが堆積してなるグラフェン集合体と扁平形状の黒鉛粒子とを含み、扁平形状の前記黒鉛粒子が、そのベーサル面が折り重なるように前記グラフェン集合体をバインダーとして積層され、扁平形状の前記黒鉛粒子のベーサル面が一方向に向けて配向した構造とされていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のセラミックス／銅／グラフェン接合体。
- 請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のセラミックス／銅／グラフェン接合体を製造するセラミックス／銅／グラフェン接合体の製造方法であって、
前記銅部材と前記グラフェン含有炭素質部材とを接合する銅／グラフェン接合工程と、前記銅部材と前記セラミックス部材とを接合する銅／セラミックス接合工程と、を有し、
前記銅／グラフェン接合工程は、前記銅部材と前記グラフェン含有炭素質部材との間に、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種以上の活性金属及びＭｇを配置する活性金属及びＭｇ配置工程と、前記銅部材と前記グラフェン含有炭素質部材とを、活性金属及びＭｇを介して積層する積層工程と、活性金属及びＭｇを介して積層された前記銅部材と前記グラフェン含有炭素質部材とを積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下において加熱処理して接合する接合工程と、を備えており、
前記活性金属及びＭｇ配置工程では、活性金属量を０．４μｍｏｌ／ｃｍ２以上、Ｍｇ量を１４μｍｏｌ／ｃｍ２以上とすることを特徴とするセラミックス／銅／グラフェン接合体の製造方法。 - 前記接合工程における加圧荷重が０．０４９ＭＰａ以上１．９６ＭＰａ以下の範囲内とされ、
前記接合工程における加熱温度が、７００℃以上９５０℃以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項８に記載のセラミックス／銅／グラフェン接合体の製造方法。 - 前記銅／セラミックス接合工程では、前記銅部材と前記セラミックス部材との間に、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種以上の活性金属及びＭｇを配置し、活性金属及びＭｇを介して積層された前記銅部材と前記グラフェン含有炭素質部材とを積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下において加熱処理して接合することを特徴とする請求項８又は請求項９に記載のセラミックス／銅／グラフェン接合体の製造方法。
- 前記銅／セラミックス接合工程では、前記銅部材と前記セラミックス部材との間に、Ｍｇを配置し、Ｍｇを介して積層された前記銅部材と前記グラフェン含有炭素質部材とを積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下において加熱処理して接合することを特徴とする請求項８又は請求項９に記載のセラミックス／銅／グラフェン接合体の製造方法。
- セラミックス部材と、銅又は銅合金からなる銅部材と、グラフェン集合体を含有するグラフェン含有炭素質部材と、が接合された構造のセラミックス／銅／グラフェン接合構造であって、
前記銅部材と前記グラフェン含有炭素質部材との接合界面においては、前記グラフェン含有炭素質部材側に、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種以上の活性金属の炭化物を含む活性金属炭化物層が形成されており、
この活性金属炭化物層と前記銅部材との間に、Ｃｕの母相中にＭｇが固溶したＭｇ固溶層が形成されていることを特徴とするセラミックス／銅／グラフェン接合構造。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113430414A (zh) * | 2021-06-25 | 2021-09-24 | 哈尔滨工业大学 | 一种利用三维网络增强相提高AgCu合金高温抗氧化性的方法 |
| CN115846934A (zh) * | 2022-12-12 | 2023-03-28 | 广东华智芯电子科技有限公司 | 复合焊料及其制备方法、封装方法 |
-
2020
- 2020-11-19 JP JP2020192559A patent/JP2021088502A/ja active Pending
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|---|---|---|---|---|
| CN113430414A (zh) * | 2021-06-25 | 2021-09-24 | 哈尔滨工业大学 | 一种利用三维网络增强相提高AgCu合金高温抗氧化性的方法 |
| CN113430414B (zh) * | 2021-06-25 | 2022-03-01 | 哈尔滨工业大学 | 一种利用三维网络增强相提高AgCu合金高温抗氧化性的方法 |
| CN115846934A (zh) * | 2022-12-12 | 2023-03-28 | 广东华智芯电子科技有限公司 | 复合焊料及其制备方法、封装方法 |
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