JP6630722B2

JP6630722B2 - セラミック基板およびその製造方法、パワーモジュール

Info

Publication number: JP6630722B2
Application number: JP2017511658A
Authority: JP
Inventors: リン、ヨンチャオ; リン、シンピン
Original assignee: BYD Co Ltd
Current assignee: BYD Co Ltd
Priority date: 2014-08-28
Filing date: 2015-07-23
Publication date: 2020-01-15
Anticipated expiration: 2035-07-23
Also published as: EP3186077A4; US10710936B2; KR101931616B1; EP3186077A1; KR20170027837A; JP2017532276A; US20170152192A1; WO2016029762A1

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、中華人民共和国の中華人民共和国国家知識産権局（ＳＩＰＯ）に２０１４年８月２８日に出願された中国特許出願第２０１４１０４３０７０７．６号および第２０１４１０４３０７０６．１号に対する優先権とこれらの利益を主張し、これらの内容全体が、参照として本明細書に援用される。

本開示の実施形態は、一般的に、パワーモジュールの分野に関し、さらに特定的には、セラミック基板およびその製造方法、ならびにセラミック基板を備えるパワーモジュールに関する。

近年の先端技術の迅速な発展に伴い、優れた機械特性、電気特性、熱特性および溶接性を有する材料から作られる、高い性能、高い信頼性、高い密度を有する電子機器に使用される基板が必要である。パワーモジュールに使用される不可欠なアセンブリは、金属−セラミックコンポジットから作られる、ダイレクトボンデッドカッパー（省略してＤＢＣ）基板であり、高い誘電強度、通電容量、高い熱伝導率を含む、主な特徴を示す。ＤＢＣ基板に使用されるセラミックは、一般的に、ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３およびＢｅＯを含み、性能および厚みは、以下の表１からわかる。

ＡｌＮから作られるセラミック基板は、低い曲げ強度（２００〜３００ＭＰａ）を示し、現行のＩＧＢＴパワーモジュールに使用する場合、厚みは、０．６３５ｍｍに達し得ることが表１からわかる。これに加え、ＡｌＮから作られるセラミック基板の製造条件は、非常に苛酷であると共にコストが高いため、ほんの数社のみ（例えば、ＭａｒｕｗａおよびＫｙｏｃｅｒａ）が製造可能である。その他、Ａｌ_２Ｏ_３から作られるセラミック基板の厚みは、０．３８ｍｍに達する場合があり、その大きさが大きく減少する。しかし、パワーモジュールで用いると、全体的な熱抵抗は高いままであり、熱放射が困難になり、温度が上昇する速度が速くなる。電子部品実装材料を製造するのにＢｅＯを用いると、総合的な性能は、かなり良くなるが、その毒性が、用途を制限してしまう。

これらを考慮して、本開示は、ＤＢＣ基板に使用されるセラミックの分野に存在する、その用途を制限してしまう少なくとも１つの問題、例えば、高いコスト、高い熱抵抗および毒性を解決することに関する。

本開示の一態様の実施形態は、セラミック基板を提供する。セラミック基板は、
ジルコニア強化アルミナから作られるコア層と、
コア層の上側表面および下側表面に対称的に配置され、Ａｌ_２Ｏ_３から作られる複数の表面層とを備え、
コア層は、化学組成が０ｗｔ％＜ＺｒＯ_２≦４０ｗｔ％および６０ｗｔ％≦Ａｌ_２Ｏ_３＜１００ｗｔ％である。

いくつかの実施形態において、コア層は、化学組成が０ｗｔ％＜ＺｒＯ_２≦２０ｗｔ％および８０ｗｔ％≦Ａｌ_２Ｏ_３＜１００ｗｔ％である。

いくつかの実施形態において、複数の表面層は、
コア層の上側表面に配置された上側表面層と、
コア層の下側表面に配置された下側表面層とを備え、
上側表面層、下側表面層およびコア層が、それぞれ同じ厚みを有する。

いくつかの実施形態において、セラミック基板は、合計厚みが約０．２ｍｍ〜約０．４ｍｍである。

いくつかの実施形態において、セラミック基板は、ジルコニア強化アルミナから作られる複数の遷移層をさらに備え、
複数の遷移層は、コア層の上側表面および下側表面に対称的に配置され、それぞれの遷移層が、１つの表面層とコア層の間に配置され；
それぞれの遷移層は、ジルコニア含有量がコア層よりも少ない。

いくつかの実施形態において、コア層は、化学組成が１０ｗｔ％＜ＺｒＯ_２≦２０ｗｔ％および８０ｗｔ％≦Ａｌ_２Ｏ_３＜９０ｗｔ％であり、それぞれの遷移層は、化学組成が０ｗｔ％＜ＺｒＯ_２≦１０ｗｔ％および９０ｗｔ％≦Ａｌ_２Ｏ_３＜１００ｗｔ％である。

いくつかの実施形態において、コア層は、化学組成が２０ｗｔ％＜ＺｒＯ_２≦４０ｗｔ％および６０ｗｔ％≦Ａｌ_２Ｏ_３＜８０ｗｔ％であり、それぞれの遷移層は、化学組成が１０ｗｔ％＜ＺｒＯ_２≦２０ｗｔ％および８０ｗｔ％≦Ａｌ_２Ｏ_３＜９０ｗｔ％である。

いくつかの実施形態において、複数の遷移層は、
コア層と上側表面層の間に配置された上側遷移層と、
コア層と下側表面層の間に配置された下側遷移層とを備え、
上側遷移層、下側遷移層、上側表面層、下側表面層およびコア層が、それぞれ同じ厚みを有する。

いくつかの実施形態において、複数の遷移層は、
コア層の上側表面に配置された第１の上側遷移層と、
第１の上側遷移層と上側表面層の間に配置された第２の上側遷移層と、
コア層の下側表面に配置された第１の下側遷移層と、
第１の下側遷移層と下側表面層の間に配置された第２の下側遷移層とを備え、
第２の上側遷移層は、ジルコニア含有量が第１の上側遷移層よりも少なく、第２の下側遷移層は、ジルコニア含有量が第１の下側遷移層より少ない。

いくつかの実施形態において、第２の上側遷移層および第２の下側遷移層は、それぞれ、０ｗｔ％＜ＺｒＯ_２≦１０ｗｔ％および９０ｗｔ％≦Ａｌ_２Ｏ_３＜１００ｗｔ％の同じ化学組成を有し、
第１の上側遷移層および第１の下側遷移層は、１０ｗｔ％＜ＺｒＯ_２≦２０ｗｔ％および８０ｗｔ％≦Ａｌ_２Ｏ_３＜９０ｗｔ％の同じ化学組成を有し、
コア層は、化学組成が２０ｗｔ％＜ＺｒＯ_２≦４０ｗｔ％および６０ｗｔ％≦Ａｌ_２Ｏ_３＜８０ｗｔ％である。

いくつかの実施形態において、第１の上側遷移層、第２の上側遷移層、第１の下側遷移層、第２の下側遷移層、上側表面層、下側表面層およびコア層は、それぞれ同じ厚みを有する。

本開示の別の態様の実施形態は、上述のセラミック基板を製造するための方法であって、
コア層の素地と、表面層の複数の素地を提供する工程と、
全ての素地を表面層−コア層−表面層の順序に従って積み重ねる工程と、
等方圧加圧、次いで、脱バインダーおよび焼結を行う工程とを含む、方法を提供する。

いくつかの実施形態において、全ての素地を提供する工程がテープキャスティングによって行われる。

いくつかの実施形態において、コア層の素地が、ジルコニア、アルミナ、バインダー、分散剤、可塑剤および溶媒を含有する第１のセラミックスラリーを用いて製造され、
表面層の複数の素地は、アルミナ、バインダー、分散剤、可塑剤および溶媒を含有する第２のセラミックスラリーを用いて製造される。

いくつかの実施形態において、この方法は、
遷移層の複数の素地を提供する工程と、
全ての素地を表面層−遷移層−コア層−遷移層−表面層の順序に従って積み重ねる工程と、
等方圧加圧、次いで、脱バインダーおよび焼結を行う工程とをさらに含む。

いくつかの実施形態において、遷移層の複数の素地が、ジルコニア、アルミナ、バインダー、分散剤、可塑剤および溶媒を含有する第３のセラミックスラリーを用いて製造される。

いくつかの実施形態において、それぞれのセラミックスラリーに使用されるバインダーが、独立して、ポリビニルブチラールおよびポリビニルアルコールからなる群から選択される少なくとも１つである。

いくつかの実施形態において、それぞれのセラミックスラリーに使用される分散剤が、独立して、ヒマシ油、トリオレイン、リン酸エステル、メンヘーデン油およびトリエタノールアミンからなる群から選択される少なくとも１つである。

いくつかの実施形態において、それぞれのセラミックスラリーに使用される可塑剤が、独立して、フタル酸ジブチル、ポリエチレングリコールおよびグリセロールからなる群から選択される少なくとも１つである。

いくつかの実施形態において、それぞれのセラミックスラリーに使用される溶媒が、独立して、トルエン、キシレン、エタノールおよびブタノンからなる群から選択される少なくとも１つである。

本開示のさらなる態様の実施形態は、パワーモジュールを提供する。パワーモジュールは、ダイレクトボンデッドカッパー基板を備え、ダイレクトボンデッドカッパー基板は、
セラミック基板と、
セラミック基板の表面に配置された金属層とを備え、
セラミック基板は、上述のセラミック基板であるか、または上述の方法によって得られる。

本開示のセラミック基板は、ジルコニア強化アルミナ（省略してＺｒＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３）から作られるコア層と、Ａｌ_２Ｏ_３から作られる複数の表面層とを備え、一方で、Ａｌ_２Ｏ_３のセラミックの高い熱伝導率と、ＺｒＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３のセラミックの高い強度と高い靱性を利用してもよく、他方で、ジルコニア含有量が、表面層からコア層に向かって増えていき、そのため、この基板の焼結による収縮は、これに対応して増え、セラミック基板の密度が向上し、さらに、セラミック基板の高い強度および高い靱性が確保される。一方、本開示のセラミック基板は非毒性であり、パワーモジュールに広く使用することができる。

本開示の実施形態のさらなる態様および利点は、一部は以下の記載で与えられ、一部は以下の記載から明らかになるか、または、本開示の実施形態の実施から習得される。

本開示のこれらの態様および利点、および他の態様および利点は、図面と組み合わせて、以下の記載から明らかになり、さらに容易に理解される。

図１は、本開示の実施形態にかかるセラミック基板を示す概略図である。図２は、倍率２０００倍で、コア層と表面層の接点での本開示の実施形態１のセラミック基板Ｓ１のＳＥＭ画像である。図３は、本開示の実施形態５のセラミック基板Ｓ５を示す概略図である。図４は、倍率２０００倍で、コア層と表面層の接点での本開示の実施形態５のセラミック基板Ｓ５のＳＥＭ画像である。図５は、本開示の実施形態８のセラミック基板Ｓ８を示す概略図である。

本開示の実施形態を詳細に参照する。添付の図面を参照しつつ本明細書に記載される実施形態は、例示であり、具体例であり、本開示を一般的に理解するために用いられる。実施形態は、本開示を限定するものと解釈すべきではない。

本記載および以下の特許請求の範囲の目的のために、数値範囲の定義は、特に言及しない限り、常に境界値を含む。

これに加え、「第１の」および「第２の」などの用語は、本明細書で記載する目的のために用いられ、相対的な重要性または意義を示したり、または暗示したりすることを意図していない。

本開示の実施形態のセラミック基板を以下に詳細に記載する。

本開示の実施形態によれば、図１からわかるように、セラミック基板は、ＺｒＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３から作られるコア層１０１と、コア層１０１の上側表面および下側表面に対称的に配置され、Ａｌ_２Ｏ_３から作られる複数の表面層とを備え、コア層は、化学組成が０ｗｔ％＜ＺｒＯ_２≦４０ｗｔ％および６０ｗｔ％≦Ａｌ_２Ｏ_３＜１００ｗｔ％である。

複数の表面層は、コア層１０１の上側表面および下側表面に対称的に配置される。いくつかの実施形態において、図１からわかるように、複数の表面層は、コア層１０１の上側表面に配置された上側表面層２０１と、コア層１０１の下側表面に配置された下側表面層２０２とを備える。

さらなる研究によって、本願発明者らは、セラミック基板の曲げ強度が大きくなるのに伴い、セラミック基板の厚みが小さくなることを発見する。また、ＺｒＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３から作られるコア層と、純粋なＡｌ_２Ｏ_３から作られる複数の表面層を備える本開示のセラミック基板は、一方で、Ａｌ_２Ｏ_３のセラミックの高い熱伝導率と、ＺｒＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３のセラミックの高い強度と高い靱性を利用してもよく、他方で、ジルコニア含有量が、表面層からコア層に向かって増えていき、そのため、この基板の焼結による収縮は、これに対応して増え、セラミック基板の密度が向上し、さらに、セラミック基板の高い強度および高い靱性が確保される。一方、本開示のセラミック基板は非毒性であり、パワーモジュールに広く使用することができる。

上述のように、セラミック基板のコア層１０１は、ＺｒＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３から作られ、化学組成が０ｗｔ％＜ＺｒＯ_２≦４０ｗｔ％および６０ｗｔ％≦Ａｌ_２Ｏ_３＜１００ｗｔ％である。

いくつかの実施形態において、コア層１０１は、化学組成が０ｗｔ％＜ＺｒＯ_２≦２０ｗｔ％および８０ｗｔ％≦Ａｌ_２Ｏ_３＜１００ｗｔ％であり、その結果、コア層１０１は、ジルコニアの含有量が表面層とほんのわずか異なり、そうしなければ、セラミック基板の焼結による収縮の差は、その内側から外側に向かって大きくなりすぎる場合があり、セラミック基板の整合性が低下する場合がある。これに加え、ＺｒＯ_２から作られるセラミックは、熱膨張係数が約１１ｐｐｍ／℃であり、一方、Ａｌ_２Ｏ_３から作られるセラミックは、熱膨張係数が約６ｐｐｍ／℃であるため、ＺｒＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３から作られるセラミックは、ジルコニア含有量が増えるにつれて、熱膨張係数が大きくなりうる。そのため、コア層１０１の熱膨張係数は、表面層とは異なりすぎると、熱的な不整合の危険性が存在する。

本開示によれば、上述のように、セラミック基板は、コア層１０１と、複数の表面層とを備え、その間に境界が存在しないため、完全に一体的なセラミック基板を形成する。コア層１０１と複数の表面層の厚みに特に制限は存在しない。いくつかの実施形態において、上側表面層２０１、下側表面層２０２およびコア層１０１は、それぞれ同じ厚みを有する。

いくつかの実施形態において、セラミック基板は、さらに、ＺｒＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３から作られる複数の遷移層を備え、複数の遷移層は、コア層１０１の上側表面および下側表面に対称的に配置され、それぞれの遷移層は、表面層とコア層１０１の間に配置され、遷移層は、ジルコニア含有量が、コア層１０１より少ない。

詳細には、図３からわかるように、セラミック基板は、内側から外側に向かって、コア層１０１と、複数の遷移層と、複数の表面層とを備える。複数の遷移層は、上側遷移層３０１と、下側遷移層３０２とを備える。複数の表面層は、上側表面層２０１と、下側表面層２０２とを備える。上側遷移層３０１は、コア層１０１と上側表面層２０１の間に配置され、下側遷移層３０２は、コア層１０１と下側表面層２０２の間に配置される。表面層は、Ａｌ_２Ｏ_３から作られ、それぞれの遷移層およびコア層１０１は、ＺｒＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３から作られるが、コア層１０１は、ジルコニア含有量が複数の遷移層より多い。

これに対応して、本開示のセラミック基板の複数の表面層は、純粋なＡｌ_２Ｏ_３から作られるセラミックであり、コア層１０１および複数の遷移層は、それぞれ、ＺｒＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３から作られるセラミックであり、コア層１０１は、ジルコニア含有量が遷移層より多い。そのため、一方で、セラミック基板は、Ａｌ_２Ｏ_３のセラミックの高い熱伝導率と、ＺｒＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３のセラミックの高い強度と高い靱性を有してもよく、他方で、セラミック基板は、ジルコニア含有量が、表面層からコア層に向かって増えていき、そのため、この基板の焼結による収縮は、これに対応して増え、セラミック基板の密度が向上し、さらに、セラミック基板の高い強度および高い靱性が確保される。また、セラミック基板の厚みをさらに小さくすることができるため、このセラミック基板は、パワーモジュールに大いに使用することができる。

いくつかの実施形態において、コア層１０１は、化学組成が１０ｗｔ％＜ＺｒＯ_２≦２０ｗｔ％および８０ｗｔ％≦Ａｌ_２Ｏ_３＜９０ｗｔ％であり、それぞれの遷移層（上側遷移層３０１および下側遷移層３０２）は、化学組成が０ｗｔ％＜ＺｒＯ_２≦１０ｗｔ％および９０ｗｔ％≦Ａｌ_２Ｏ_３＜１００ｗｔ％である。このような構造を有するセラミックは、ジルコニア含有量が、コア層１０１から複数の表面層に向かって勾配を有する。詳細には、複数の表面層は、ジルコニア含有量がゼロであり、複数の遷移層は、ジルコニア含有量が約０〜約１０ｗｔ％であり、コア層１０１は、ジルコニア含有量が約１０ｗｔ％〜約２０ｗｔ％である。ジルコニア含有量の増加に伴い、ＺｒＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３のセラミックの焼結による収縮も大きくなっていき、そのため、本開示のセラミックの焼結による収縮は、複数の表面層からコア層１０１に向かって大きくなっていき、セラミック基板全体に対する圧縮応力が内側から外側に向かって生じる場合があり、セラミック基板の緻密化にとって有利である。従って、セラミック基板の強度および靱性は、Ａｌ_２Ｏ_３から作られる従来のセラミック基板よりも高くなる。

別の実施形態において、コア層１０１は、化学組成が２０ｗｔ％＜ＺｒＯ_２≦４０ｗｔ％、６０ｗｔ％≦Ａｌ_２Ｏ_３＜８０ｗｔ％であり、それぞれの遷移層（上側遷移層３０１および下側遷移層３０２）は、化学組成が１０ｗｔ％＜ＺｒＯ_２≦２０ｗｔ％、８０ｗｔ％≦Ａｌ_２Ｏ_３＜９０ｗｔ％である。同様に、このような構造を有するセラミックは、ジルコニア含有量が、コア層１０１から複数の表面層に向かって勾配を有する。詳細には、複数の表面層は、ジルコニア含有量がゼロであり、複数の遷移層は、ジルコニア含有量が約１０ｗｔ％〜約２０ｗｔ％であり、コア層１０１は、ジルコニア含有量が約２０ｗｔ％〜約４０ｗｔ％である。ジルコニア含有量の増加に伴い、ＺｒＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３のセラミックの焼結による収縮も大きくなっていき、そのため、本開示のセラミック基板の焼結による収縮は、複数の表面層からコア層１０１に向かって大きくなっていき、セラミック基板全体に対する圧縮応力が内側から外側に向かって生じる場合があり、セラミック基板の緻密化にとって有利である。従って、セラミック基板の強度および靱性は、Ａｌ_２Ｏ_３から作られる従来のセラミック基板よりも高くなる。

同様に、セラミック基板は、コア層１０１と、複数の遷移層と、複数の表面層とを備え、その間に境界が存在しないため、完全に一体的なセラミック基板を形成する。コア層１０１、複数の遷移層および複数の表面層の厚みに特に制限は存在しない。いくつかの実施形態において、上側遷移層３０１、下側遷移層３０２、上側表面層２０１、下側表面層２０２およびコア層１０１は、それぞれ同じ厚みを有する。

いくつかの実施形態において、複数の遷移層の数は、２より多くてもよく、そのため、複数の遷移層は、多層構造を有していてもよく、ジルコニア含有量は、セラミック基板の外側から内側に向かって多くなっており、緻密化がさらに向上しうる。

以下、複数の遷移層が４層構造であるが、これに限定されず、上側遷移層および下側遷移層の数が両方とも２である例によって本開示をさらに記載する。

いくつかの実施形態において、図５からわかるように、遷移層は、第１の上側遷移層３０１１と、第２の上側遷移層３０１２と、第１の下側遷移層３０２１と、第２の下側遷移層３０２２とを備える。

第１の上側遷移層３０１１は、コア層１０１の上側表面に配置され、第２の上側遷移層３０１２は、第１の上側遷移層３０１１と上側表面層２０１の間に配置される。第１の下側遷移層３０２１は、コア層１０１の下側表面に配置され、第２の下側遷移層３０２２は、第１の下側遷移層３０２１と下側表面層２０２の間に配置される。

第２の上側遷移層３０１２は、ジルコニア含有量が第１の上側遷移層３０１１より少なく、第２の下側遷移層３０２２は、ジルコニア含有量が第１の下側遷移層３０２１より少ない。

いくつかの実施形態において、第２の上側遷移層３０１２および第２の下側遷移層３０２２は、それぞれ０ｗｔ％＜ＺｒＯ_２≦１０ｗｔ％および９０ｗｔ％≦Ａｌ_２Ｏ_３＜１００ｗｔ％の同じ化学組成を有する。一方、第１の上側遷移層３０１１および第１の下側遷移層３０２１は、それぞれ１０ｗｔ％＜ＺｒＯ_２≦２０ｗｔ％および８０ｗｔ％≦Ａｌ_２Ｏ_３＜９０ｗｔ％の同じ化学組成を有する。また、コア層１０１は、化学組成が２０ｗｔ％＜ＺｒＯ_２≦４０ｗｔ％および６０ｗｔ％≦Ａｌ_２Ｏ_３＜８０ｗｔ％である。このとき、このような構造を有するセラミックは、ジルコニア含有量が、コア層１０１から複数の表面層に向かって勾配を有する。詳細には、複数の表面層は、ジルコニア含有量がゼロであり、それぞれの第１の遷移層（第１の上側遷移層３０１１および第１の下側遷移層３０２１）は、ジルコニア含有量がゼロ〜約１０ｗｔ％であり、それぞれの第２の遷移層（第２の上側遷移層３０１１および第２の下側遷移層３０２１）は、ジルコニア含有量が１０ｗｔ％〜約２０ｗｔ％であり、コア層１０１は、ジルコニア含有量が約２０ｗｔ％〜約４０ｗｔ％である。ジルコニア含有量の増加に伴い、ＺｒＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３のセラミックの焼結による収縮も大きくなっていき、そのため、本開示のセラミック基板の焼結による収縮は、複数の表面層からコア層１０１に向かって大きくなっていき、セラミック基板に対する圧縮応力が内側から外側に向かって生じる場合があり、セラミック基板の緻密化にとって有利である。従って、セラミック基板の強度および靱性は、Ａｌ_２Ｏ_３から作られる従来のセラミック基板よりも高い。

コア層１０１、複数の遷移層および複数の表面層の厚みに特に制限は存在しない。いくつかの実施形態において、第１の上側遷移層３０１１、第２の上側遷移層３０１２、第１の下側遷移層３０２１、第２の下側遷移層３０２２、上側表面層２０１、下側表面層２０２およびコア層１０１は、それぞれ同じ厚みを有する。なお、このとき、複数の遷移層の合計厚みは、コア層１０１または複数の表面層のいずれかの厚みより大きいが、セラミック基板の性能は、悪い影響を受けない。

同様に、上側遷移層および下側遷移層の数も３以上であってもよく、上側遷移層および下側遷移層が、コア層の両方の表面に対称的に配置されている限り、特に制限はない。従って、遷移層の数が多いほど、ジルコニア含有量の勾配がより均一に分布する。

既に述べたように、本開示のセラミック基板は、高い強度と高い靱性を有し、毒性はなく、パワーモジュールに広く使用することができる。また、セラミック基板の高い強度および高い靱性の観点から、その厚みは、小さくてもよく、ＤＢＣ基板の大きさが小さくてもよい。いくつかの実施形態において、セラミック基板は、合計厚みが約０．２ｍｍ〜約０．４ｍｍであるが、特に制限はない。本開示の実施形態は、上述のセラミック基板を製造するための方法も提供する。この方法は、
コア層の素地と、表面層の複数の素地を提供する工程と、
全ての素地を表面層−コア層−表面層の順序に従って積み重ねる工程と、
等方圧加圧、次いで、脱バインダーおよび焼結を行う工程とを含む。

いくつかの実施形態において、全ての素地を提供する工程は、テープキャスティングによって行われる。テープキャスティングに使用される装置および工程条件は、関連分野の当業者によく知られており、キャスト成形に使用されるセラミックスラリーが適切なものであれば、特に制限はない。

既に述べたように、コア層１０１は、ＺｒＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３から作られる。いくつかの実施形態において、コア層の素地は、ジルコニア、アルミナ、バインダー、分散剤、可塑剤および溶媒を含有する第１のセラミックスラリーを用いて製造される。

また、それぞれの表面層は、純粋なＡｌ_２Ｏ_３から作られる。いくつかの実施形態において、表面層の複数の素地は、アルミナ、バインダー、分散剤、可塑剤および溶媒を含有する第２のセラミックスラリーを用いて製造される。

本開示によれば、セラミック基板は、さらに、複数の遷移層を備える。従って、本開示の方法は、遷移層の複数の素地を提供する工程と、全ての素地を表面層−遷移層−コア層−遷移層−表面層の順序に従って積み重ねる工程と、最後に、等方圧加圧、次いで、脱バインダーおよび焼結を行う工程とをさらに含む。

上述のように、それぞれの遷移層も、ＺｒＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３から作られる。いくつかの実施形態において、遷移層の複数の素地は、ジルコニア、アルミナ、バインダー、分散剤、可塑剤および溶媒を含有する第３のセラミックスラリーを用いて製造される。

いくつかの実施形態において、それぞれの素地を製造するために使用されるそれぞれのセラミックスラリーは、バインダー、分散剤、可塑剤および溶媒を含有する。これらの成分は、当業者によく知られているが、特に制限はない。

これらのセラミックスラリーの間の差は、複数の表面相を製造するために用いられる第２のセラミックスラリーが、ＺｒＯ_２を含有せず、それぞれコア層１０１および複数の遷移層を製造するために使用される第１のセラミックスラリーおよび第３のセラミックスラリーが、それぞれ両方ともＺｒＯ_２を含有するが、そのＺｒＯ_２含有量が異なっているという点である。詳細には、それぞれの遷移層は、ＺｒＯ_２含有量がコア層より少ない。

同様に、コア層１０１と１つの表面層の間に１つより多い遷移層が存在する場合、それぞれの遷移層を製造するために使用されるそれぞれのセラミックスラリーの間の差は、そのＺｒＯ_２含有量が異なるという点のみである。

いくつかの実施形態において、それぞれのセラミックスラリーに使用されるバインダーは、独立して、ポリビニルブチラール（省略してＰＶＢ）およびポリビニルアルコールからなる群から選択される少なくとも１つである。

いくつかの実施形態において、それぞれのセラミックスラリーに使用される分散剤は、独立して、ヒマシ油、トリオレイン、リン酸エステル、メンヘーデン油およびトリエタノールアミンからなる群から選択される少なくとも１つである。

いくつかの実施形態において、それぞれのセラミックスラリーに使用される可塑剤は、独立して、フタル酸ジブチル、ポリエチレングリコールおよびグリセロールからなる群から選択される少なくとも１つである。

いくつかの実施形態において、それぞれのセラミックスラリーに使用される溶媒は、独立して、トルエン、キシレン、エタノールおよびブタノンからなる群から選択される少なくとも１つである。

なお、それぞれのセラミックスラリーに使用されるバインダー、分散剤、可塑剤および溶媒は、同じであってもよく、または互いに異なっていてもよく、特に制限はない。脱バインダーおよび焼結の後に全ての層が一体的な構造を生成しやすくするために、代替的な実施形態において、全てのセラミックスラリーは、同じバインダー、同じ分散剤、同じ可塑剤および同じ溶媒を含有する。

それぞれのセラミックスラリーを製造するための方法は、関連分野の当業者によく知られており、特に制限はない。いくつかの実施形態において、それぞれのセラミックスラリーを製造するための方法は、全てのセラミック粉末（例えば、ＺｒＯ_２および／またはＡｌ_２Ｏ_３）、溶媒および分散剤を混合することと、これらを遊星ボールミルで約３時間〜約５時間かけて粉砕することと、次いで、さらに粉砕するためにバインダーおよび可塑剤を約５時間〜約１０時間かけて加えることと、さらに粉砕するために消泡剤を約１時間かけて加えることと、減圧下で約０．５時間かけて消泡し、キャスト成形に使用されるセラミックスラリーを得ることとを含む。

複数の表面層を製造するために使用されるセラミック粉末が、Ａｌ_２Ｏ_３のみを含有し、コア層および複数の遷移層を製造するために使用されるセラミック粉末が、両方ともＺｒＯ_２およびＡｌ_２Ｏ_３を含有することを当業者は理解する。

いくつかの実施形態において、Ａｌ_２Ｏ_３のセラミック粉末は、ＳｈａｗｏＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（日本）から購入することができ、平均直径は約０．５μｍ〜約０．６μｍである。ＺｒＯ_２のセラミック粉末は、３Ｙ−ＴＺＰ型をＴｏｓｏｈＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（日本）から購入することができ、平均直径は約０．５μｍ〜約０．６μｍである。

既に述べたように、消泡剤を使用し、セラミックスラリー中の気泡を除去するため、素地の中の穴が減る。消泡剤は、関連分野の当業者によく知られており、特に制限はない。例えば、消泡剤は、ブタノールを使用してもよい。

いくつかの実施形態において、テープキャスティングは、キャスティングマシンのキャスティング速度が約１．５ｍ／分〜約２ｍ／分、キャスティングブレードの距離が約８０μｍ〜約１２０μｍのキャスティングマシンによって、剥離フィルム中でセラミックスラリーをキャストする工程と、次いで、乾燥する工程によって行うことができる。乾燥温度は、室温で約３０分間の第１の段階、約４５℃〜約５０℃で約１５分間の第２の段階、約５５℃〜約６０℃で約１５分間の第３の段階、約６５℃〜約７０℃で約３０分間の第４の段階の４つの段階に分けられる。乾燥後、特定の厚みを有する素地を得ることができる。素地の厚みは、実際の要求に従って選択することができる。

本開示の方法に従って、その後、実際の要求に従って、素地を適切な大きさに切断することができ、次いで、等方圧加圧のために特定の順序に従って積み重ねてもよい。いくつかの実施形態において、全ての素地を積み重ね、約８０℃〜約９０℃の所定の温度で等方圧加圧状態で積層し、次いで、圧力を約３０ＭＰａに約２０分間維持する。

本開示の方法に従って、積み重ね、加圧した後の全てのセラミック素地を、脱バインダーおよび焼結を同時に行うためにマッフル炉に入れ、セラミック基板を得る。

いくつかの実施形態において、脱バインダーのための処理は、室温から約６００℃まで約０．５℃／分〜約１℃／分の速度で加熱し、次いで、６００℃から約１６００℃まで約２℃／分〜約５℃／分の速度で加熱し、１６００℃の温度に約３時間維持し、次いで、約６００℃まで約５℃／分〜約１０℃／分の速度で冷却し、次いで、マッフル炉を用いて自然に冷却することを含む。

上述のように、本開示のセラミック基板は、高い強度と高い靱性を示し、そのため、その厚みを小さくすることができるため、セラミック基板は、パワーモジュールに広く使用することができる。本開示のさらなる態様の実施形態は、パワーモジュールを提供する。パワーモジュールは、ダイレクトボンデッドカッパー基板を備え、ダイレクトボンデッドカッパー基板は、
セラミック基板と、
セラミック基板の表面に配置された金属層とを備え、
セラミック基板は、上述のセラミック基板であるか、または上述の方法によって得られる。

以下、下記実施形態を参照しつつ、本開示を詳細に記載する。実施形態および比較実施形態に使用される材料は、特に制限なく、市販されている。

注釈：以下の実施形態、比較実施形態および試験の間、Ａは、Ａｌ_２Ｏ_３を表し、ＺＴＡｎは、Ａｌ_２Ｏ_３−ｎ％ＺｒＯ_２を表し、化学組成は（１００−ｎ）ｗｔ％Ａｌ_２Ｏ_３、ｎｗｔ％ＺｒＯ_２である。例えば、ＺＴＡ１０は、Ａｌ_２Ｏ_３−１０％ＺｒＯ_２を表し、化学組成は９０ｗｔ％Ａｌ_２Ｏ_３、１０ｗｔ％ＺｒＯ_２である。

（実施形態１）
この実施形態は、セラミック基板を製造するための方法を提供した。この方法は、以下の工程を含んでいた。
（１）Ａのセラミックスラリーを製造するために、表２に従って全ての材料を提供し、セラミック粉末、溶媒および分散剤を遊星ボールミル中で混合し、約４時間かけて粉砕し、バインダーおよび可塑剤を加え、８時間粉砕し、消泡剤を加え、１時間粉砕し、０．５時間消泡し、その結果、Ａのセラミックスラリーが得られた工程；
ＺＴＡ１０のセラミックスラリーを製造するために、表２に従って全ての材料を提供し、セラミック粉末、溶媒および分散剤を遊星ボールミル中で混合し、約４時間かけて粉砕し、バインダーおよび可塑剤を加え、８時間粉砕し、消泡剤を加え、１時間粉砕し、０．５時間消泡し、その結果、ＺＴＡ１０のセラミックスラリーが得られた工程；
（２）キャスティングマシンのキャスティング速度が１．５ｍ／分、キャスティングブレードの距離が１００μｍのキャスティングマシンによって、剥離フィルムの上にＡのセラミックスラリーをキャストし、乾燥させる工程。乾燥温度は、室温で３０分間の第１の段階、５０℃で１５分間の第２の段階、６０℃で１５分間の第３の段階、７０℃で３０分間の第４の段階の４つの段階に分けられた。乾燥工程の後、厚みが０．０６ｍｍのＡの素地を得た。

次いで、上と同様の工程を用い、Ａの複数の素地と、ＺＴＡ１０の複数の素地を提供した。

（３）工程（２）で得られた複数の素地を２００ｍｍ×１５０ｍｍに切断した。次いで、６個の素地をＡ−Ａ−ＺＴＡ１０−ＺＴＡ１０−Ａ−Ａの順序に従って積み重ね、次いで、８５℃の所定の温度で等方圧加圧状態で積層し、次いで、圧力を約３０ＭＰａに２０分間維持した。

積み重ね、加圧した後の素地を、脱バインダーおよび焼結を同時に行うためにマッフル炉に入れ、脱バインダー処理は、室温から６００℃まで約１℃／分の速度で加熱し、次いで、６００℃から１６００℃まで約４℃／分の速度で加熱し、１６００℃の温度に３時間維持し、次いで、６００℃まで約８℃／分の速度で冷却し、次いで、マッフル炉を用いて自然に冷却する工程を含んだ。図１に示す構造を有するセラミック基板Ｓ１を得た。

（実施形態２）
この実施形態は、セラミック基板を製造するための方法を与えた。この方法は、以下の工程を含んでいた。
（１）Ａのセラミックスラリーを製造するために、表２に従って全ての材料を提供し、セラミック粉末、溶媒および分散剤を遊星ボールミル中で混合し、約４時間かけて粉砕し、バインダーおよび可塑剤を加え、８時間粉砕し、消泡剤を加え、１時間粉砕し、０．５時間消泡し、その結果、Ａのセラミックスラリーが得られた工程；
ＺＴＡ２０のセラミックスラリーを製造するために、表２に従って全ての材料を提供し、セラミック粉末、溶媒および分散剤を遊星ボールミル中で混合し、約４時間かけて粉砕し、バインダーおよび可塑剤を加え、８時間粉砕し、消泡剤を加え、１時間粉砕し、０．５時間消泡し、その結果、ＺＴＡ２０のセラミックスラリーが得られた工程；
（２）キャスティングマシンのキャスティング速度が１．５ｍ／分、キャスティングブレードの距離が１００μｍのキャスティングマシンによって、剥離フィルムの上にＡのセラミックスラリーをキャストし、乾燥させる工程。乾燥温度は、室温で３０分間の第１の段階、５０℃で１５分間の第２の段階、６０℃で１５分間の第３の段階、７０℃で３０分間の第４の段階の４つの段階に分けられた。乾燥工程の後、厚みが０．０６ｍｍのＡの素地を得た。

次いで、上と同様の工程を用い、Ａの複数の素地と、ＺＴＡ２０の複数の素地を提供した。

（３）工程（２）で得られた複数の素地を２００ｍｍ×１５０ｍｍに切断した。次いで、６個の素地をＡ−Ａ−ＺＴＡ２０−ＺＴＡ２０−Ａ−Ａの順序に従って積み重ね、次いで、８５℃の所定の温度で等方圧加圧状態で積層し、次いで、圧力を約３０ＭＰａに２０分間維持した。

積み重ね、加圧した後の素地を、脱バインダーおよび焼結を同時に行うためにマッフル炉に入れ、脱バインダー処理は、室温から６００℃まで約１℃／分の速度で加熱し、次いで、６００℃から１６００℃まで約４℃／分の速度で加熱し、１６００℃の温度に３時間維持し、次いで、６００℃まで８℃／分の速度で冷却し、次いで、マッフル炉を用いて自然に冷却する工程を含んだ。セラミック基板Ｓ２を得た。

（実施形態３）
この実施形態は、セラミック基板を製造するための方法を与えた。この方法は、以下の工程を含んでいた。
（１）Ａのセラミックスラリーを製造するために、表２に従って全ての材料を提供し、セラミック粉末、溶媒および分散剤を遊星ボールミル中で混合し、約４時間かけて粉砕し、バインダーおよび可塑剤を加え、８時間粉砕し、消泡剤を加え、１時間粉砕し、０．５時間消泡し、その結果、Ａのセラミックスラリーが得られた工程；
ＺＴＡ４０のセラミックスラリーを製造するために、表２に従って全ての材料を提供し、セラミック粉末、溶媒および分散剤を遊星ボールミル中で混合し、約４時間かけて粉砕し、バインダーおよび可塑剤を加え、８時間粉砕し、消泡剤を加え、１時間粉砕し、０．５時間消泡し、その結果、ＺＴＡ４０のセラミックスラリーが得られた工程；
（２）キャスティングマシンのキャスティング速度が１．５ｍ／分、キャスティングブレードの距離が１００μｍのキャスティングマシンによって、剥離フィルムの上にＡのセラミックスラリーをキャストし、乾燥させる工程。乾燥温度は、室温で３０分間の第１の段階、５０℃で１５分間の第２の段階、６０℃で１５分間の第３の段階、７０℃で３０分間の第４の段階の４つの段階に分けられた。乾燥工程の後、厚みが０．０６ｍｍのＡの素地を得た。

次いで、上と同様の工程を用い、Ａの複数の素地と、ＺＴＡ４０の複数の素地を提供した。

（３）工程（２）で得られた複数の素地を２００ｍｍ×１５０ｍｍに切断した。次いで、６個の素地をＡ−Ａ−ＺＴＡ４０−ＺＴＡ４０−Ａ−Ａの順序に従って積み重ね、次いで、８５℃の所定の温度で等方圧加圧状態で積層し、次いで、圧力を約３０ＭＰａに２０分間維持した。

積み重ね、加圧した後の素地を、脱バインダーおよび焼結を同時に行うためにマッフル炉に入れ、脱バインダー処理は、室温から６００℃まで約１℃／分の速度で加熱し、次いで、６００℃から１６００℃まで約４℃／分の速度で加熱し、１６００℃の温度に３時間維持し、次いで、６００℃まで８℃／分の速度で冷却し、次いで、マッフル炉を用いて自然に冷却する工程を含んだ。セラミック基板Ｓ３を得た。

（実施形態４）
この実施形態は、工程（２）によって製造される複数の素地を２００ｍｍ×１５０ｍｍに切断したことを除き、実施形態３と実質的に同じである。次いで、４個の素地をＡ−ＺＴＡ４０−ＺＴＡ４０−Ａの順序に従って積み重ね、次いで、８５℃の所定の温度で等方圧加圧状態で積層し、次いで、圧力を約３０ＭＰａに２０分間維持した。

積み重ね、加圧した後の素地を、脱バインダーおよび焼結を同時に行うためにマッフル炉に入れ、脱バインダー処理は、室温から６００℃まで約０．５℃／分の速度で加熱し、次いで、６００℃から１６００℃まで約３℃／分の速度で加熱し、１６００℃の温度に３時間維持し、次いで、６００℃まで８℃／分の速度で冷却し、次いで、マッフル炉を用いて自然に冷却する工程を含んだ。セラミック基板Ｓ４を得た。

（実施形態５）
この実施形態は、セラミック基板を製造するための方法を与えた。この方法は、以下の工程を含んでいた。
（１）Ａのセラミックスラリーを製造するために、表２に従って全ての材料を提供し、セラミック粉末、溶媒および分散剤を遊星ボールミル中で混合し、約４時間かけて粉砕し、バインダーおよび可塑剤を加え、８時間粉砕し、消泡剤を加え、１時間粉砕し、０．５時間消泡し、その結果、Ａのセラミックスラリーが得られた工程；
ＺＴＡ１０のセラミックスラリーを製造するために、表２に従って全ての材料を提供し、セラミック粉末、溶媒および分散剤を遊星ボールミル中で混合し、約４時間かけて粉砕し、バインダーおよび可塑剤を加え、８時間粉砕し、消泡剤を加え、１時間粉砕し、０．５時間消泡し、その結果、ＺＴＡ１０のセラミックスラリーが得られた工程；
ＺＴＡ２０のセラミックスラリーを製造するために、表２に従って全ての材料を提供し、セラミック粉末、溶媒および分散剤を遊星ボールミル中で混合し、約４時間かけて粉砕し、バインダーおよび可塑剤を加え、８時間粉砕し、消泡剤を加え、１時間粉砕し、０．５時間消泡し、その結果、ＺＴＡ２０のセラミックスラリーが得られた工程；
（２）キャスティングマシンのキャスティング速度が１．５ｍ／分、キャスティングブレードの距離が１００μｍのキャスティングマシンによって、剥離フィルムの上にＡのセラミックスラリーをキャストし、乾燥させる工程。乾燥温度は、室温で３０分間の第１の段階、５０℃で１５分間の第２の段階、６０℃で１５分間の第３の段階、７０℃で３０分間の第４の段階の４つの段階に分けられた。乾燥工程の後、厚みが０．０６ｍｍのＡの素地を得た。

次いで、上と同様の工程を用い、Ａの複数の素地と、ＺＴＡ１０の複数の素地と、ＺＴＡ２０の複数の素地を得た。

（３）複数の素地を２００ｍｍ×１５０ｍｍに切断した。次いで、６個の素地をＡ−ＺＴＡ１０−ＺＴＡ２０−ＺＴＡ２０−ＺＴＡ１０−Ａの順序に従って積み重ね、次いで、８５℃の所定の温度で等方圧加圧状態で積層し、次いで、圧力を約３０ＭＰａに２０分間維持した。

積み重ね、加圧した後の素地を、脱バインダーおよび焼結を同時に行うためにマッフル炉に入れ、脱バインダー処理は、室温から６００℃まで約１℃／分の速度で加熱し、次いで、６００℃から１６００℃まで約４℃／分の速度で加熱し、１６００℃の温度に３時間維持し、次いで、６００℃まで８℃／分の速度で冷却し、次いで、マッフル炉を用いて自然に冷却する工程を含んだ。図３に示す構造を有するセラミック基板Ｓ５を得た。

（実施形態６）
この実施形態は、工程（２）によって製造される複数の素地を２００ｍｍ×１５０ｍｍに切断したことを除き、実施形態５と実質的に同じである。次いで、５個の素地をＡ−ＺＴＡ１０−ＺＴＡ２０−ＺＴＡ１０−Ａの順序に従って積み重ね、次いで、８５℃の所定の温度で等方圧加圧状態で積層し、次いで、圧力を約３０ＭＰａに２０分間維持した。

積み重ね、加圧した後の素地を、脱バインダーおよび焼結を同時に行うためにマッフル炉に入れ、脱バインダー処理は、室温から６００℃まで約０．５℃／分の速度で加熱し、次いで、６００℃から１６００℃まで約３℃／分の速度で加熱し、１６００℃の温度に３時間維持し、次いで、６００℃まで８℃／分の速度で冷却し、次いで、マッフル炉を用いて自然に冷却する工程を含んだ。セラミック基板Ｓ６を得た。

（実施形態７）
この実施形態は、セラミック基板を製造するための方法を与えた。この方法は、以下の工程を含んでいた。
（１）Ａのセラミックスラリーを製造するために、表２に従って全ての材料を提供し、セラミック粉末、溶媒および分散剤を遊星ボールミル中で混合し、約４時間かけて粉砕し、バインダーおよび可塑剤を加え、８時間粉砕し、消泡剤を加え、１時間粉砕し、０．５時間消泡し、その結果、Ａのセラミックスラリーが得られた工程；
ＺＴＡ２０のセラミックスラリーを製造するために、表２に従って全ての材料を提供し、セラミック粉末、溶媒および分散剤を遊星ボールミル中で混合し、約４時間かけて粉砕し、バインダーおよび可塑剤を加え、８時間粉砕し、消泡剤を加え、１時間粉砕し、０．５時間消泡し、その結果、ＺＴＡ２０のセラミックスラリーが得られた工程；
ＺＴＡ４０のセラミックスラリーを製造するために、表２に従って全ての材料を提供し、セラミック粉末、溶媒および分散剤を遊星ボールミル中で混合し、約４時間かけて粉砕し、バインダーおよび可塑剤を加え、８時間粉砕し、消泡剤を加え、１時間粉砕し、０．５時間消泡し、その結果、ＺＴＡ４０のセラミックスラリーが得られた工程；
（２）キャスティングマシンのキャスティング速度が１．５ｍ／分、キャスティングブレードの距離が１００μｍのキャスティングマシンによって、剥離フィルムの上にＡのセラミックスラリーをキャストし、乾燥させる工程。乾燥温度は、室温で３０分間の第１の段階、５０℃で１５分間の第２の段階、６０℃で１５分間の第３の段階、７０℃で３０分間の第４の段階の４つの段階に分けられた。乾燥工程の後、厚みが０．０６ｍｍのＡの素地を得た。

次いで、上と同様の工程を用い、Ａの複数の素地と、ＺＴＡ２０の複数の素地と、ＺＴＡ４０の複数の素地を得た。

（３）工程（２）で得られた複数の素地を２００ｍｍ×１５０ｍｍに切断した。次いで、５個の素地をＡ−ＺＴＡ２０−ＺＴＡ４０−ＺＴＡ２０−Ａの順序に従って積み重ね、次いで、８５℃の所定の温度で等方圧加圧状態で積層し、次いで、圧力を約３０ＭＰａに２０分間維持した。

積み重ね、加圧した後の素地を、脱バインダーおよび焼結を同時に行うためにマッフル炉に入れ、脱バインダー処理は、室温から６００℃まで約１℃／分の速度で加熱し、次いで、６００℃から１６００℃まで約４℃／分の速度で加熱し、１６００℃の温度に３時間維持し、次いで、６００℃まで８℃／分の速度で冷却し、次いで、マッフル炉を用いて自然に冷却する工程を含んだ。セラミック基板Ｓ７を得た。

（実施形態８）
この実施形態は、セラミック基板を製造するための方法を与えた。この方法は、以下の工程を含んでいた。
（１）Ａのセラミックスラリーを製造するために、表２に従って全ての材料を提供し、セラミック粉末、溶媒および分散剤を遊星ボールミル中で混合し、約４時間かけて粉砕し、バインダーおよび可塑剤を加え、８時間粉砕し、消泡剤を加え、１時間粉砕し、０．５時間消泡し、その結果、Ａのセラミックスラリーが得られた工程；
ＺＴＡ２０のセラミックスラリーを製造するために、表２に従って全ての材料を提供し、セラミック粉末、溶媒および分散剤を遊星ボールミル中で混合し、約４時間かけて粉砕し、バインダーおよび可塑剤を加え、８時間粉砕し、消泡剤を加え、１時間粉砕し、０．５時間消泡し、その結果、ＺＴＡ２０のセラミックスラリーが得られた工程；
ＺＴＡ４０のセラミックスラリーを製造するために、表２に従って全ての材料を提供し、セラミック粉末、溶媒および分散剤を遊星ボールミル中で混合し、約４時間かけて粉砕し、バインダーおよび可塑剤を加え、８時間粉砕し、消泡剤を加え、１時間粉砕し、０．５時間消泡し、その結果、ＺＴＡ４０のセラミックスラリーが得られた工程；
（２）キャスティングマシンのキャスティング速度が１．５ｍ／分、キャスティングブレードの距離が１００μｍのキャスティングマシンによって、剥離フィルムの上にＡのセラミックスラリーをキャストし、乾燥させる工程。乾燥温度は、室温で３０分間の第１の段階、５０℃で１５分間の第２の段階、６０℃で１５分間の第３の段階、７０℃で３０分間の第４の段階の４つの段階に分けられた。乾燥工程の後、厚みが０．０６ｍｍのＡの素地を得た。

（３）工程（２）で得られた複数の素地を２００ｍｍ×１５０ｍｍに切断した。次いで、７個の素地をＡ−ＺＴＡ１０−ＺＴＡ２０−ＺＴＡ４０−ＺＴＡ２０−ＺＴＡ１０−Ａの順序に従って積み重ね、次いで、８５℃の所定の温度で等方圧加圧状態で積層し、次いで、圧力を約３０ＭＰａに２０分間維持した。

積み重ね、加圧した後の素地を、脱バインダーおよび焼結を同時に行うためにマッフル炉に入れ、脱バインダー処理は、室温から６００℃まで約１℃／分の速度で加熱し、次いで、６００℃から１６００℃まで約４℃／分の速度で加熱し、１６００℃の温度に３時間維持し、次いで、６００℃まで８℃／分の速度で冷却し、次いで、マッフル炉を用いて自然に冷却する工程を含んだ。図５に示す構造を有するセラミック基板Ｓ８を得た。

（比較実施形態１）
ＡのセラミックスラリーおよびＡの複数の素地を、同じ工程（１）および（２）によって得て、次いで、セラミック基板ＤＳ１を以下の工程によって得た。
Ａの素地を２００ｍｍ×１５０ｍｍに切断した。次いで、Ａの８個の素地を積み重ね、８５℃の所定の温度で等方圧加圧状態で積層し、次いで、圧力を約３０ＭＰａに２０分間維持する。

積み重ね、加圧した後の素地を、脱バインダーおよび焼結を同時に行うためにマッフル炉に入れ、脱バインダー処理は、室温から６００℃まで約１℃／分の速度で加熱し、次いで、６００℃から１６００℃まで約４℃／分の速度で加熱し、１６００℃の温度に３時間維持し、次いで、６００℃まで８℃／分の速度で冷却し、次いで、マッフル炉を用いて自然に冷却する工程を含んだ。セラミック基板ＤＳ１を得た。

注：
上の表２において、Ａｌ_２Ｏ_３のセラミック粉末は、ＳｈａｗｏＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（日本）から購入し、平均直径は約０．５μｍ〜約０．６μｍであった。ＺｒＯ_２のセラミック粉末は、３Ｙ−ＴＺＰ型をＴｏｓｏｈＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（日本）から購入し、平均直径は約０．５μｍ〜約０．６μｍであった。バインダーは、ＫＵＲＡＲＡＹから購入したＢ３０Ｈ型のＰＶＢであり、分散剤は、国産のヒマシ油であり、可塑剤は、国産のフタル酸ジブチルであった。

（試験）
（１）ＳＥＭ
電界放出走査型電子顕微鏡を用い、その端面でセラミック基板Ｓ１およびＳ５を試験し、ＳＥＭ画像をそれぞれ図２および図４に示した。

図２および図４において、明るい部分はＺｒＯ_２１０であり、暗い部分は、Ａｌ_２Ｏ_３２０である。

図２からわかるように、コア層は左部分にあり、表面層は右部分にあり、いくつかの不可避の穴３０がセラミック基板Ｓ１の中に存在していた。明るいＺｒＯ_２が、コア層の中の暗いＡｌ_２Ｏ_３マトリックスの中に均一に分散しており、表面層は、純粋なＡｌ_２Ｏ_３から作られた。コア層から表面層に向かって、ジルコニア含有量は異なっていたが、コア層１０１と表面層に境界は存在しなかったため、完全に一体的なセラミック基板Ｓ１が生成する。

図４からわかるように、コア層は左部分にあり、遷移層は右部分にあり、いくつかの不可避の穴３０がセラミック基板Ｓ５の中に存在していた。コア層および遷移層の両方がＡｌ_２Ｏ_３およびＺｒＯ_２を含有しており、明るいＺｒＯ_２が、コア層および遷移層の中の暗いＡｌ_２Ｏ_３マトリックスの中に均一に分散していたが、コア層は、ＺｒＯ_２含有量が遷移層より多かった。コア層から遷移層に向かって、ジルコニア含有量は異なっていたが、コア層１０１と表面層に境界は存在しなかったため、完全に一体的なセラミック基板Ｓ５が生成し、これは、遷移層と表面層についても同様であった。

（２）密度
セラミック基板Ｓ１〜Ｓ８およびＤＳ１をＧＢＴ２５９９５−２０１０に従った方法によって試験した。

（３）曲げ強度
セラミック基板Ｓ１〜Ｓ８およびＤＳ１をＧＢＴ６５６９−２００６に従った方法によって試験した。

（４）熱伝導率
セラミック基板Ｓ１〜Ｓ８およびＤＳ１を、熱伝導率試験デバイスＬＦＡ−４４７によって、温度約２５℃でＡＳＴＭＥ１４６１に従った方法によって試験した。

（５）熱抵抗
熱抵抗は、熱伝達経路中の２つの参照点の間の熱伝達に対する、２つの参照点の間の温度差の比率を指し、
Ｒｔｈ＝△Ｔ／ｑ_ｘ（１）、
式中、Ｒｔｈは、２つの参照点の間の熱抵抗を指し、単位は℃／ＷまたはＫ／Ｗであり、
△Ｔは、２つの参照点の間の温度差であり、単位は℃であり、
ｑ_ｘは、２つの参照点の間の伝熱速度を指し、単位はＷである。

また、熱伝達モデルは、以下の熱抵抗の計算式を有する：Ｒｔｈ＝Ｌ／（λＳ）（２）、
式中、Ｌは、熱伝達距離を指し、単位はｍであり、
Ｓは、熱伝達経路の断面積を指し、単位はｍ^２であり、
λは、その熱伝導率を指し、単位はＷ／（ｍ・Ｋ）である。

従って、熱伝達距離が短く、熱伝達経路の断面積が大きく、熱伝導率が高いほど、熱抵抗の低下にとって有利であり、十分に設計された封入構造および適切な材料が必要である。

この結果を表３に示す。

図３からわかるように、本開示の方法によって得られたセラミック基板Ｓ１〜Ｓ８は、Ａｌ_２Ｏ_３から作られたセラミック基板ＤＳ１より曲げ強度が高く、その熱伝導率は、ＤＳ１よりわずかに低かったが、その厚みは、ＤＳ１より小さく、その熱抵抗は、ＤＳ１と同等であるか、またはわずかに低かった。従って、本開示のセラミック基板は、パワーモジュールに広く使用することができる。

本明細書全体で「ある実施形態」、「いくつかの実施形態」、「一実施形態」、「別の例」、「ある例」、「ある具体例」または「いくつかの例」という言及は、その実施形態または例に関連して記載される特定の特徴物、構造、材料または特徴が、本開示の少なくとも１つの実施形態または例に含まれることを意味する。従って、本明細書全体のさまざまな場所にある「いくつかの実施形態において」、「一実施形態において」、「ある実施形態において」、「別の例において」、「ある例において」、「ある具体例において」または「ある例において」という句が表すのは、必ずしも、本開示の同じ実施形態または例を指すわけではない。さらに、特定の特徴物、構造、材料または特徴を、１つ以上の実施形態または例と任意の適切な様式で組み合わせてもよい。

説明のための実施形態が示され、記載されてきたが、本開示の精神および原理から逸脱することなく、特許請求の範囲およびその均等物の範囲に含まれる変更、代替物および改変を実施形態で行ってもよいことを当業者なら理解する。

Claims

セラミック基板であって、
ジルコニア強化アルミナから作られるコア層と、
コア層の上側表面および下側表面に対称的に配置され、Ａｌ_２Ｏ_３から作られ、ＺｒＯ_２を含まない複数の表面層とを備え、
コア層は、化学組成が０ｗｔ％＜ＺｒＯ_２≦４０ｗｔ％および６０ｗｔ％≦Ａｌ_２Ｏ_３＜１００ｗｔ％であり、
ジルコニア強化アルミナから作られる複数の遷移層をさらに備え、
複数の遷移層は、コア層の上側表面および下側表面に対称的に配置され、それぞれの遷移層が、１つの表面層とコア層の間に配置され；
それぞれの遷移層は、ジルコニア含有量がコア層よりも少なく、
複数の遷移層は、
コア層と上側表面層の間に配置された上側遷移層と、
コア層と下側表面層の間に配置された下側遷移層とを備え、
前記上側遷移層及び下側遷移層の層数は、いずれも２層以上であり、前記上側遷移層及び下側遷移層における各層のジルコニア含有量は、前記表面層から前記コア層に向かって増えていく、セラミック基板。
コア層は、化学組成が０ｗｔ％＜ＺｒＯ_２≦２０ｗｔ％および８０ｗｔ％≦Ａｌ_２Ｏ_３＜１００ｗｔ％である、請求項１に記載のセラミック基板。
複数の表面層は、
コア層の上側表面に配置された上側表面層と、
コア層の下側表面に配置された下側表面層とを備え、
上側表面層、下側表面層およびコア層が、それぞれ同じ厚みを有する、請求項１又は２に記載のセラミック基板。
セラミック基板は、合計厚みが０．２ｍｍ〜０．４ｍｍである、請求項１〜３のいずれか１項に記載のセラミック基板。
上側遷移層、下側遷移層、上側表面層、下側表面層およびコア層が、それぞれ同じ厚みを有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載のセラミック基板。
複数の遷移層は、
コア層の上側表面に配置された第１の上側遷移層と、
第１の上側遷移層と上側表面層の間に配置された第２の上側遷移層と、
コア層の下側表面に配置された第１の下側遷移層と、
第１の下側遷移層と下側表面層の間に配置された第２の下側遷移層とを備え、
第２の上側遷移層は、ジルコニア含有量が第１の上側遷移層よりも少なく、第２の下側遷移層は、ジルコニア含有量が第１の下側遷移層より少ない、請求項１〜５のいずれか１項に記載のセラミック基板。
第２の上側遷移層および第２の下側遷移層は、それぞれ、０ｗｔ％＜ＺｒＯ_２≦１０ｗｔ％および９０ｗｔ％≦Ａｌ_２Ｏ_３＜１００ｗｔ％の同じ化学組成を有し、
第１の上側遷移層および第１の下側遷移層は、１０ｗｔ％＜ＺｒＯ_２≦２０ｗｔ％および８０ｗｔ％≦Ａｌ_２Ｏ_３＜９０ｗｔ％の同じ化学組成を有し、
コア層は、化学組成が２０ｗｔ％＜ＺｒＯ_２≦４０ｗｔ％および６０ｗｔ％≦Ａｌ_２Ｏ_３＜８０ｗｔ％である、請求項６に記載のセラミック基板。
第１の上側遷移層、第２の上側遷移層、第１の下側遷移層、第２の下側遷移層、上側表面層、下側表面層およびコア層は、それぞれ同じ厚みを有する、請求項６又は７に記載のセラミック基板。
請求項１に記載のセラミック基板を製造するための方法であって、
コア層の素地と、表面層の複数の素地を提供する工程と、
遷移層の複数の素地を提供する工程と、
全ての素地を表面層−遷移層−コア層−遷移層−表面層の順序に従って積み重ねる工程と、
等方圧加圧、次いで、脱バインダーおよび焼結を行う工程を含み、
二つの前記遷移層の素地の層数は、いずれも２層以上であり、前記二つの前記遷移層における各層のジルコニア含有量は、前記表面層から前記コア層に向かって増えていき、
前記表面層の複数の素地は、ＺｒＯ_２を含まない方法。
全ての素地を提供する工程がテープキャスティングによって行われる、請求項９に記載の方法。
コア層の素地が、ジルコニア、アルミナ、バインダー、分散剤、可塑剤および溶媒を含有する第１のセラミックスラリーを用いて製造され、
表面層の複数の素地は、アルミナ、バインダー、分散剤、可塑剤および溶媒を含有する第２のセラミックスラリーを用いて製造される、請求項９又は１０に記載の方法。
遷移層の複数の素地が、ジルコニア、アルミナ、バインダー、分散剤、可塑剤および溶媒を含有する第３のセラミックスラリーを用いて製造される、請求項９〜１１のいずれか１項に記載の方法。
それぞれのセラミックスラリーに使用されるバインダーが、独立して、ポリビニルブチラールおよびポリビニルアルコールからなる群から選択される少なくとも１つである、請求項１１又は１２に記載の方法。
それぞれのセラミックスラリーに使用される分散剤が、独立して、ヒマシ油、トリオレイン、リン酸エステル、メンヘーデン油およびトリエタノールアミンからなる群から選択される少なくとも１つである、請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の方法。
それぞれのセラミックスラリーに使用される可塑剤が、独立して、フタル酸ジブチル、ポリエチレングリコールおよびグリセロールからなる群から選択される少なくとも１つである、請求項１１〜１４のいずれか１項に記載の方法。
それぞれのセラミックスラリーに使用される溶媒が、独立して、トルエン、キシレン、エタノールおよびブタノンからなる群から選択される少なくとも１つである、請求項１１〜１５のいずれか１項に記載の方法。
パワーモジュールであって、ダイレクトボンデッドカッパー基板を備え、ダイレクトボンデッドカッパー基板は、
セラミック基板と、
セラミック基板の表面に配置された金属層とを備え、
セラミック基板は、請求項１〜８のいずれか１項に記載のセラミック基板である、パワーモジュール。