JP6670605B2

JP6670605B2 - 絶縁基板の製造方法

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Inventors: 南　和彦; 和彦南
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Filing date: 2015-12-22
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Description

本発明は、電子素子等の発熱性素子が搭載される絶縁基板の製造方法及び絶縁基板に関する。

なお本明細書及び特許請求の範囲では、「アルミニウム」の語は、特に明示する場合を除き、純アルミニウムとアルミニウム合金との双方を含む意味で用いられ、また「ニッケル」の語は、特に明示する場合を除き、純ニッケルとニッケル合金との双方を含む意味で用いられ、また「チタン」の語は、特に明示する場合を除き、純チタンとチタン合金との双方を含む意味で用いられる。

さらに、本明細書及び特許請求の範囲では、「板」の語は、特に明示する場合を除き、箔をも含む意味で用いられる。

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

金属と炭素材との複合材料として、例えば特許文献１（特許第５１５０９０５号公報）、特許文献２（特許第５１４５５９１号公報）及び特許文献３（特開２０１５−２５１５８号公報）に記載されているように金属層と炭素繊維層が交互に複数積層された状態で接合一体化されたアルミニウムと炭素繊維との複合材料が公知である。また、特許文献４（特許第５６５９５４２号公報）は、炭素質部材中に金属が充填されてなる金属基複合材料を開示している。

このような複合材料は、高い熱伝導特性が必要な部材の材料としての利用が期待されている。

ところで、パワーモジュール等に用いられる絶縁基板は、電子素子等の発熱性素子が搭載される搭載面を有する配線層を備えている。

特許第５１５０９０５号公報特許第５１４５５９１号公報特開２０１５−２５１５８号公報特許第５６５９５４２号公報

配線層には、発熱性素子への冷却性能を高めるため一般に高い熱伝導特性（即ち高い熱伝導率）が要求される。そこで、配線層の材料として金属と炭素材との複合材料を用いることが考えられる。

また、発熱性素子は一般に配線層の搭載面にはんだ付けにより接合されて搭載される。そのため、配線層の搭載面には、発熱性素子が接合される前に、搭載面のはんだ付け性を高めるためにニッケル層としてニッケルめっき膜が形成されることが多い。

しかし、配線層を金属と炭素材との複合材料で形成した場合には、配線層にニッケルめっき膜を良好に形成することが困難であった。

本発明は、上述した技術背景に鑑みてなされたもので、その目的は、良好なはんだ付け性を有する搭載面を容易に形成することができ且つ高い熱伝導特性を有する配線層を備えた絶縁基板の製造方法及び絶縁基板を提供することにある。

本発明は以下の手段を提供する。

［１］配線層本体と前記配線層本体上に積層される表皮層とを接合することにより配線層を得る工程を具備しており、
前記配線層本体は、アルミニウムと炭素材との複合材料製であり、
前記表皮層は、発熱性素子が搭載される搭載面を形成するニッケル層を含んでおり、
前記ニッケル層はニッケル板で形成されている絶縁基板の製造方法。

［２］前記配線層本体は、アルミニウムと炭素材とを含んだ焼結素材本体を焼結することにより得られるものであり、
前記配線層を得る工程では、前記焼結素材本体と前記焼結素材本体上に積層された前記表皮層とを備えた焼結素材を焼結することにより、前記配線層本体を得ると同時に前記配線層本体と前記表皮層を焼結接合する前項１記載の絶縁基板の製造方法。

［３］前記配線層本体は、アルミニウムと炭素材とを含んだ焼結素材本体を焼結することにより得られるものであり、
前記表皮層は、互いに積層状に配置された前記ニッケル層とチタン層を含んでおり、
前記ニッケル層と前記チタン層は、前記ニッケル板とチタン板とのクラッド板で形成されており、
前記配線層を得る工程では、前記焼結素材本体と前記焼結素材本体上に前記チタン層が前記焼結素材本体と接触した状態に積層された前記表皮層とを備えた焼結素材を焼結することにより、前記配線層本体を得ると同時に前記配線層本体と前記チタン層を焼結接合する前項１記載の絶縁基板の製造方法。

［４］前記配線層本体は、アルミニウムと炭素材とを含んだ焼結素材本体を焼結することにより得られるものであり、
前記表皮層は、互いに積層状に配置された前記ニッケル層とチタン層を含んでおり、
前記チタン層はチタン板で形成されており、
前記配線層を得る工程では、前記焼結素材本体と前記焼結素材本体上に積層された前記チタン層と前記チタン層上に積層され且つ前記チタン層とは別体の前記ニッケル層とを備えた焼結素材を焼結することにより、前記配線層本体を得ると同時に前記配線層本体と前記チタン層を焼結接合し且つ前記チタン層と前記ニッケル層を焼結接合する前項１記載の絶縁基板の製造方法。

［５］前記表皮層は、互いに積層状に接合された前記ニッケル層とチタン層とアルミニウム層とろう材層を含んでおり、
前記ニッケル層と前記チタン層と前記アルミニウム層と前記ろう材層は、前記ニッケル板とチタン板とアルミニウム板とろう材板とのクラッド板で形成されており、
前記配線層を得る工程では、配線層本体と前記配線層上に積層された前記表皮層とをろう付けにより接合する前項１記載の絶縁基板の製造方法。

［６］前記配線層を得る工程では、冷却層と前記冷却層上に第１ろう材層を介して積層された緩衝層と前記緩衝層上に第２ろう材層を介して積層された絶縁層と前記絶縁層上に第３ろう材層を介して積層された前記配線層本体と前記配線層本体上に積層された前記表皮層とを、ろう付けにより一括接合する前項５記載の絶縁基板の製造方法。

［７］前記複合材料は、アルミニウム層と炭素粒子層とが交互に複数積層された状態で焼結されているアルミニウムと炭素粒子との焼結複合材料である前項１〜６のいずれかに記載の絶縁基板の製造方法。

［８］配線層本体と前記配線層本体上に積層された表皮層とを備えた配線層を具備しており、
前記配線層本体は、アルミニウムと炭素材との複合材料製であり、
前記表皮層は、発熱性素子が搭載される搭載面を形成するニッケル層を含んでおり、
前記ニッケル層はニッケル板で形成されており、
前記配線層本体と前記表皮層が接合されている絶縁基板。

［９］前記配線層本体は、アルミニウムと炭素材との焼結複合材料製であり、
前記表皮層は、互いに積層状に接合された前記ニッケル層とチタン層を含んでおり、
前記ニッケル層と前記チタン層は、前記ニッケル板とチタン板とのクラッド板で形成されており、
前記配線層本体と前記チタン層が焼結されている前項８記載の絶縁基板。

［１０］前記配線層本体は、アルミニウムと炭素材との焼結複合材料製であり、
前記表皮層は、互いに積層状に配置された前記ニッケル層とチタン層を含んでおり、
前記チタン層はチタン板で形成されており、
前記配線層本体と前記チタン層が焼結されるとともに、
前記ニッケル層と前記チタン層が焼結されている前項８記載の絶縁基板。

［１１］前記表皮層は、互いに積層状に接合された前記ニッケル層とチタン層とアルミニウム層を含んでおり、
前記ニッケル層と前記チタン層と前記アルミニウム層は、前記ニッケル板とチタン板とアルミニウム板とのクラッド板で形成されており、
前記配線層本体と前記アルミニウム層がろう材層を介して接合されている前項８記載の絶縁基板。

本発明は以下の効果を奏する。

前項［１］では、配線層の配線層本体がアルミニウムと炭素材との複合材料製であることにより、高い熱伝導特性を有する配線層を得ることができる。さらに、表皮層は発熱性素子が搭載される搭載面を形成するニッケル層を含んでおり、ニッケル層がニッケルめっき膜ではなくニッケル板で形成されていることにより、良好なはんだ付け性を有する搭載面を配線層に容易に形成することができる。

前項［２］では、配線層本体を得ると同時に配線層本体と表皮層を焼結接合するので、配線層の製造時間を短縮することができる。

前項［３］では、配線層本体を得ると同時に配線層本体とチタン層を焼結接合するので、配線層の製造時間を短縮することができる。さらに、配線層本体とニッケル層との間にチタン層をバリア層として介在させることができ、これにより、配線層本体のアルミニウムとニッケル層のニッケルとが化合した、強度の弱い化合物層であるＮｉ−Ａｌ化合物層の生成を抑制することができる。

前項［４］では、配線層本体を得ると同時に配線層本体とチタン層を焼結接合し且つチタン層とニッケル層を焼結接合するので、配線層の製造時間を短縮することができる。

前項［５］では、表皮層はろう材層を含んでいるので、配線層を得る工程において、配線層本体と表皮層との間にろう材層を介在させる作業を行う必要がない。そのため、配線層本体と表皮層とのろう付けによる接合作業を容易に行うことができる。

前項［６］では、冷却層と緩衝層と絶縁層と配線層本体と表皮層とをろう付けにより一括接合するので、絶縁基板の製造時間を短縮することができる。

前項［７］では、複合材料が、アルミニウム層と炭素粒子層とが交互に複数積層された状態で焼結されているアルミニウムと炭素粒子との焼結複合材料であることにより、高い熱伝導率を有する配線層を確実に形成することができる。

前項［８］は、前項［１］の効果と同様の効果を奏する。

前項［９］は、前項［３］の効果と同様の効果を奏する。

前項［１０］は、前項［４］の効果と同様の効果を奏する。

前項［１１］は、前項［５］の効果と同様の効果を奏する。

図１は、本発明の実施形態に係る絶縁基板の正面図である。図２は、本発明の第１実施形態に係る配線層の断面図である。図３は、同配線層を得るための焼結素材を焼結する途中の状態で示す断面図である。図４は、本発明の第２実施形態に係る配線層の断面図である。図５は、同配線層を得るための焼結素材を示す断面図である。図６は、本発明の第３実施形態に係る配線層を備えた絶縁基板の正面図である。図７は、同絶縁基板を製造する途中の状態で示す正面図である。

次に、本発明の幾つかの実施形態について図面を参照して以下に説明する。

図１に示すように、本発明の一実施形態に係る絶縁基板２０は、電子モジュール用基板（例：パワーモジュール用基板）等として用いられるものであり、複数の絶縁基板構成層１、１５、１６、１７が上下方向に積層された状態で接合一体化されて形成されたものである。

複数の構成層は、本発明の第１実施形態に係る配線層１、絶縁層１５、緩衝層１６及び冷却層１７を含んでいる。そして、上から下へ順に、配線層１、絶縁層１５、緩衝層１６及び冷却層１７が水平に且つ積層状に配置されるとともに、この積層状態でこれらの層１、１５、１６、１７が接合一体化されている。

配線層１は、回路層とも呼ばれているものであり、その平坦な上面からなる搭載面１ａを有している。配線層１の形状は例えば平面視で略方形状である。配線層１の搭載面１ａには、電子素子等の発熱性素子（二点鎖線で示す）２１がはんだ付けにより接合されて搭載される。配線層１の詳細な説明は後述する。

絶縁層１５は、電気絶縁性を有しており、具体的には、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化ケイ素）、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）等のセラミック製である。絶縁層１５の形状は例えば平面視で略方形状である。

緩衝層１６は、絶縁基板２０に発生する熱応力等の応力を緩和するための層である。さらに、緩衝層１６はアルミニウム等の金属製であり、例えば、厚さ方向に貫通した複数の貫通孔（図示せず）を有するパンチングメタルで形成されている。緩衝層１６の形状は例えば平面視で略方形状である。

冷却層１７は、発熱性素子２１の動作に伴い発熱した発熱性素子２１を冷却するための層である。本実施形態では、冷却層１７として板状の冷却部材が用いられおり、具体的には、発熱性素子２１の熱を放散することで発熱性素子２１を冷却する放熱部材（例：ヒートシンク）が用いられている。冷却層１７はアルミニウム等の金属製であり、複数の放熱フィン１７ａを有している。

なお本発明は、冷却層１７が放熱部材であることに限定されるものではなく、その他に例えば、冷却液が流通する流通路を有する冷却部材であっても良い。

上述の絶縁基板２０では、搭載面１ａにはんだ付けにより接合されて搭載された発熱性素子２１で発生した熱は、発熱性素子２１から配線層１、絶縁層１５、緩衝層１６及び冷却層１７に順次伝導する。その結果、発熱性素子２１が冷却されてその温度が低下する。

配線層１と絶縁層１５、絶縁層１５と緩衝層１６、緩衝層１６と冷却層１７は、それぞれ常法に従って接合されており、例えばろう付けにより接合されているか又は焼結により接合されている。

次に、本第１実施形態の配線層１の構成について図２及び３を参照して以下に説明する。

図２に示すように、配線層１は、配線層本体２と配線層本体２上に積層された表皮層３とを備えている。

配線層本体２は、アルミニウム１２と炭素材１０との複合材料製であり、詳述するとアルミニウム１２と炭素材１０との焼結複合材料製である。配線層本体２の厚さは限定されるものではなく、例えば０．２〜２ｍｍである。

炭素材１０としては炭素粒子１０ａが用いられている。アルミニウム１２はマトリックスとして用いられる。配線層本体２を形成する上記の焼結複合材料は、多数の炭素粒子１０ａがアルミニウムマトリックス１２中に分散された状態で多数の炭素粒子１０ａを含有している。

炭素粒子１０ａの種類は限定されるものではないが、なるべく高い熱伝導率を有するものであることが望ましく、特に、炭素繊維、カーボンナノチューブ、グラフェン、天然黒鉛粒子及び人造黒鉛粒子からなる群より選択される少なくとも一種であることが望ましく、更に、炭素繊維、カーボンナノチューブ、グラフェン及び天然黒鉛粒子からなる群より選択される少なくとも一種であることがより望ましい。

炭素繊維としては、ピッチ系炭素繊維、ＰＡＮ系炭素繊維などが用いられる。

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

グラフェンとしては、単層グラフェン、多層グラフェンなどが用いられる。

天然黒鉛粒子としては、鱗片状黒鉛粒子などが用いられる。

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

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

表皮層３は、互いに積層状に接合一体化されたニッケル層４とチタン層５を含んでいる。ニッケル層４は配線層本体２に搭載面１ａを形成するものであり、詳述すると、配線層１の搭載面１ａはニッケル層４の上面で形成されている。

ニッケル層４はニッケルめっき膜ではなくニッケル板で形成されたものである。チタン層５はチタン板で形成されたものである。

そして、ニッケル層４とチタン層５は、ニッケル板とチタン板が圧延等によりクラッドされてなるニッケル板とチタン板とのクラッド板で形成されている。本第１実施形態では、表皮層３はこのクラッド板で形成されている。ニッケル板とチタン板とのクラッドは、後述する配線層１を得る工程の前に行われている。そして、配線層１を得る工程にて配線層本体２とチタン層５が焼結接合されている。

ニッケル層４（及びニッケル板）の厚さは限定されるものではなく、例えば５μｍ以上１ｍｍ以下である。

チタン層５（及びチタン板）の厚さは限定されるものではなく、例えば３μｍ以上０．２ｍｍ以下である。

次に、本第１実施形態の配線層１を備えた絶縁基板２０の製造方法について図２及び３を参照して以下に説明する。

絶縁基板２０の製造方法は、配線層本体２と表皮層３を接合することにより配線層１を得る工程を具備している。

配線層本体２は、図３に示すように、アルミニウム１２としてのアルミニウム粒子１２ａと炭素材１０としての炭素粒子１０ａとを含んだ焼結素材本体２Ａを所定の焼結装置を用いた所定の焼結法によって焼結することにより得られるものである。本第１実施形態では、焼結素材本体２Ａは詳述するとアルミニウム粒子１２ａ（例：アルミニウム粉末）と炭素粒子１０ａとを混合状態に含んだものである。

焼結法としては限定されるものではないが、放電プラズマ焼結法、ホットプレス法等の加熱加圧焼結法を用いることが望ましく、特に、焼結金型として密閉金型を用いた加熱加圧焼結法であることが望ましい。

そのような加熱加圧焼結法として放電プラズマ焼結法を適用する場合の焼結法について以下に説明する。

焼結装置として放電プラズマ焼結装置３０を準備する。放電プラズマ焼結装置３０は、導電性を有する筒状金型（例：黒鉛製筒状金型）３１、導電性を有する上下一対のパンチ（例：黒鉛製上パンチ３２及び黒鉛製下パンチ３２）などを密閉金型（焼結金型）として備えている。

そして、配線層１を得る工程では、筒状金型３１内に、アルミニウム粒子１２ａ（例：アルミニウム粉末）と炭素粒子１０ａとを混合状態に含んだ上述の焼結素材本体２Ａを配置するとともに、焼結素材本体２Ａ上に焼結素材本体２Ａとは別体の表皮層３をそのチタン層５が焼結素材本体２Ａと接触する状態に略水平に積層し、これにより、焼結素材本体２Ａと表皮層３を備えた焼結素材１Ａを形成する。

次いで、金型３１内で非酸化雰囲気又は真空中にて焼結素材１Ａを加圧及び加熱することにより焼結素材１Ａを焼結する。すなわち詳述すると、金型３１内で非酸化雰囲気又は真空中にて焼結素材１Ａを上パンチ３２と下パンチ３２で焼結素材１Ａの厚さ方向に加圧しつつ両パンチ３２、３２間にパルス電流を通電することにより、焼結素材１Ａを加熱焼結する。

放電プラズマ焼結法における望ましい焼結条件は次のとおりである。

焼結温度は４５０〜６４０℃、焼結時間（即ち焼結温度の保持時間）は１０〜３００ｍｉｎ、焼結素材１Ａへの加圧力は１〜４０ＭＰａである。

このように焼結素材１Ａを焼結することにより、配線層本体２を得ると同時に配線層本体２と表皮層３のチタン層５とを焼結接合する。これにより、図２に示した本第１実施形態の配線層１が得られる。

次いで、配線層１と絶縁層１５と緩衝層１６と冷却層１７を常法に従って接合一体化する。これにより、本実施形態の絶縁基板２０が得られる。

本第１実施形態には次の利点がある。

配線層１の配線層本体２がアルミニウム１２と炭素粒子１０ａとの焼結複合材料で形成されているので、高い熱伝導特性を有する配線層１を得ることができる。さらに、表皮層３は発熱性素子２１が搭載される搭載面１ａを形成するニッケル層４を含んでおり、ニッケル層４がニッケルめっき膜ではなくニッケル板で形成されているので、良好なはんだ付け性を有する搭載面１ａを配線層１に容易に形成することができる。

さらに、配線層１を得る工程では、配線層本体２を得ると同時に配線層本体２と表皮層３のチタン層５とを焼結接合するので、配線層１の製造時間を短縮することができる。さらに、配線層本体２とニッケル層４との間にチタン層５がバリア層として介在されるので、配線層本体２のアルミニウムとニッケル層４のニッケルとが化合した、強度の弱い化合物層であるＮｉ−Ａｌ化合物層の生成を抑制することができる。したがって、配線層本体２とニッケル層４との接合強度を向上させることができる。

次に、本発明の第２実施形態に係る配線層１０１について図４及び５を参照して以下に説明する。なお、これらの図には、上記第１実施形態の配線層１の要素と同じ作用を奏する要素にはその符号に１００を加算した符号が付されている。

図４に示すように、配線層本体１０２は、アルミニウム１１２と炭素材１１０としての炭素粒子１１０ａとの複合材料製であり、詳述するとアルミニウム１１２と炭素粒子１１０ａとの焼結複合材料製である。焼結複合材料は、アルミニウム層１１３と炭素材層としての炭素粒子層１１１とが交互に複数積層された状態で焼結されたものである。

表皮層１０３は、互いに積層状に配置されたニッケル層１０４とチタン層１０５を含んでいる。

ニッケル層１０４はニッケル板で形成されたものである。チタン層１０５はチタン板で形成されたものである。そして、ニッケル層１０４とチタン層１０５が、配線層１０１を得る工程にて焼結接合されており、更に、配線層本体１０２と表皮層１０３のチタン層１０５とが配線層１０１を得る工程にて焼結接合されている。したがって、ニッケル層１０４とチタン層１０５は、配線層１を得る工程の前では接合されていないし、また配線層本体１０２と表皮層１０３のチタン層１０５とは、配線層１を得る工程の前では接合されていない。

次に、本第２実施形態の配線層１０１を備えた絶縁基板の製造方法について図５を参照して以下に説明する。

配線層本体１０２は、焼結素材本体１０２Ａを所定の焼結法によって焼結することにより得られるものである。

焼結素材本体１０２Ａの形成方法は次のとおりである。

アルミニウム板で形成されたアルミニウム層１１３上に炭素粒子層１１１を塗工し、これにより塗工アルミニウム層１１４を得る。次いで、塗工アルミニウム層１１４を上下方向に複数積層することにより焼結素材本体１０２Ａが形成される。

炭素粒子層１１１のアルミニウム層１１３上への塗工方法は限定されるものではないが、特に、炭素粒子１１０ａとバインダー（図示せず）とバインダー用溶剤（図示せず）とが混合されてなる塗工液（図示せず）をロールコータ等の塗工装置（図示せず）によりアルミニウム層１１３上に連続的に塗工する方法であることが望ましい。この塗工方法の場合、アルミニウム層１１３上に塗工された炭素粒子層１１１を塗工後に乾燥及び加熱処理し、これにより炭素粒子層１１１中に含まれる溶剤及びバインダーを炭素粒子層１１１から除去することが望ましい。

焼結素材本体１０２Ａにおいて、塗工アルミニウム層１１４の積層枚数は限定されるものではないが、５〜５００枚であることが特に望ましい。

本第２実施形態では、炭素粒子１１０ａは詳述すると例えば炭素繊維である。各塗工アルミニウム層１１４において、炭素粒子層（炭素繊維層）１１１は、アルミニウム層１１３上に炭素粒子層１１１中の炭素粒子（炭素繊維）１１０ａの長さ方向が一方向に揃う状態になるように塗工されている。そして、互いに重なり合う二つの塗工アルミニウム層１１４、１１４において一方の塗工アルミニウム層１１４の炭素粒子層１１１中の炭素粒子１１０ａの長さ方向と他方の塗工アルミニウム層１１４の炭素粒子層１１１中の炭素粒子１１０ａの長さ方向とが平面視で略９０°の角度をなす態様にして、複数の塗工アルミニウム層１１４が積層されている。

アルミニウム層１１３の厚さは限定されるものではないが、５〜２００μｍであることが望ましい。

炭素粒子層１１１の厚さは限定されるものではないが、１〜１００μｍであることが望ましい。

また、炭素粒子層１１１に含まれる炭素粒子１１０ａのアルミニウム層１１３上への塗工量は限定されるものではないが、１ｇ／ｍ^２以上４０ｇ／ｍ^２以下であることが望ましい。

さらに、炭素粒子層１１１は、配線層本体１０２に対する炭素粒子１１０ａの体積含有率が２体積％以上７０体積％以下になるように塗工されることが望ましい。

絶縁基板の製造方法における配線層１０１を得る工程では、焼結素材本体１０２Ａ上に焼結素材本体１０２Ａとは別体のチタン層１０５を積層するとともに、チタン層１０５上にチタン層１０５とは別体のニッケル層１０４を積層し、これにより焼結素材１０１Ａを形成する。

次いで、焼結素材１０１Ａを所定の焼結法により焼結する。焼結法としては上記第１実施形態と同じように放電プラズマ焼結法などが用いられる。

このように焼結素材１０１Ａを焼結することにより、配線層本体１０２を得ると同時に配線層本体１０２とチタン層１０５を焼結接合し且つチタン層１０５とニッケル層１０４を焼結接合する。これにより、図４に示した本第２実施形態の配線層１０１が得られる。

配線層１０１を得る工程において、焼結素材本体１０２Ａは焼結時に加圧及び加熱されることにより、各アルミニウム層１１３のアルミニウム１１２の一部が焼結素材本体１０２Ａ内に存在する微細な空隙（例：炭素粒子層１１１中の炭素粒子１１０ａ間の隙間）に塑性流動して当該空隙（隙間）に充填される。その結果、当該空隙（隙間）が略消滅する。

本第２実施形態には次の利点がある。

配線層１０１を得る工程では、配線層本体１０２を得ると同時に配線層本体１０２とチタン層１０５を焼結接合し且つチタン層１０５とニッケル層１０４を焼結接合するので、配線層１０１の製造時間を短縮することができる。

さらに、配線層本体１０２を形成する複合材料が、アルミニウム層１１３と炭素粒子層１１１が交互に複数積層された状態で焼結されているアルミニウムと炭素粒子との焼結複合材料であるから、高い熱伝導率を有する配線層１０１を確実に形成することができる。

次に、本発明の第３実施形態に係る配線層２０１を備えた絶縁基板２２０について図６及び７を参照して以下に説明する。なお、これらの図には、上記第１実施形態の配線層１及び絶縁基板２０の要素と同じ作用を奏する要素にはその符号に２００を加算した符号が付されている。

配線層本体２０２は、アルミニウムと炭素材との複合材料製である。

図７に示すように、表皮層２０３は、互いに積層状に接合一体化されたニッケル層２０４とチタン層２０５とアルミニウム層２０６とろう材層２０７とを含んでいる。

ニッケル層２０４はニッケル板で形成されたものであり、チタン層２０５はチタン板で形成されたものであり、アルミニウム層２０６はアルミニウム板で形成されたものであり、ろう材層２０７はろう材板で形成されたものである。

そして、ニッケル層２０４とチタン層２０５とアルミニウム層２０６とろう材層２０７は、ニッケル板とチタン板とアルミニウム板とろう材板とが圧延等によりクラッドされてなるクラッド板で形成されている。本第３実施形態では、表皮層２０３はこのクラッド板で形成されている。ニッケル板とチタン板とアルミニウム板とろう材板とのクラッドは、後述する配線層２０１を得る工程の前に行われている。そして、配線層２０１を得る工程にて配線層本体２０２と表皮層２０３がろう付けにより接合されている。

アルミニウム層２０６（及びアルミニウム板）の厚さは限定されるものではなく、例えば１０μｍ以上１ｍｍ以下である。

次に、本第３実施形態の配線層２０１を備えた絶縁基板２２０の製造方法について以下に説明する。

図７に示すように、絶縁基板２２０の製造方法における配線層２０１を得る工程では、冷却層２１７上に第１ろう材層２０８ａを介して緩衝層２１６を積層し、緩衝層２１６上に第２ろう材層２０８ｂを介して絶縁層２１５を積層し、絶縁層２１５上にろう材層２０８ｃを介して配線層本体２０２を積層し、配線層本体２０２上に表皮層２０３をそのろう材層２０７が配線層本体２０２と接触する状態に積層する。そして、冷却層２１７と緩衝層２１６と絶縁層２１５と配線層本体２０２と表皮層２０３を、真空ろう付け等のろう付けにより一括接合する。

このようにろう付けを行うことにより、図６に示すように、配線層本体２０２と表皮層２０３は表皮層２０３のろう材層２０７を介して接合され、これにより配線層２０１が得られると同時に、冷却層２１７と緩衝層２１６が第１ろう材層２０８ａを介して接合され且つ緩衝層２１６と絶縁層２１５が第２ろう材層２０８ｂを介して接合され且つ絶縁層２１５と配線層本体２０２が第３ろう材層２０８ｃを介して接合される。

各ろう材層２０７、２０８ａ、２０８ｂ、２０８ｃのろう材は限定されるものではないが、アルミニウム系ろう材であることが望ましく、特にＡｌ−Ｓｉ系ろう材であることが、接合対象層同士を強固に接合しうる点で望ましい。

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

すなわち、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材にＭｇが添加されることにより、ろう付けを例えば真空ろう付けで行う場合でも、接合対象層同士を確実に強固に接合することができる。さらに。Ａｌ−Ｓｉ系ろう材にＢｉやＳｒが添加されることにより、ろう材の流動性が向上し、これにより接合対象層同士を確実に強固に接合することができる。

好ましいＭｇ添加量は０．１質量％〜３質量％である。好ましいＢｉ添加量は０．０１質量％〜２質量％である。好ましいＳｒ添加量は０．０００１質量％〜０．３質量％である。

ろう付け条件は限定されるものではなく、特に望ましいろう付け条件は以下のとおりである。

ろう付け温度は５９０〜６２０℃、ろう付け時間（即ちろう付け温度の保持時間）は１０〜６０ｍｉｎである。

ろう付け手段は限定されるものではないが、特に真空ろう付けであることが望ましい。その理由は、配線層本体２０２が焼結素材本体が焼結されることにより形成されたものであり且つ焼結素材本体中にバインダーが含有されている場合において、焼結素材本体（焼結素材）を略室温からろう付け温度まで加熱する途中でバインダーを焼結素材本体から加熱除去できるからである。

また、各ろう材層２０８ａ、２０８ｂ、２０８ｃはろう材板であることに限定されるものではなく、その他に例えばブレージングシートであっても良い。

本第３実施形態には次の利点がある。

表皮層２０３はろう材層２０７を含んでいるので、配線層２０１を得る工程において、配線層本体２０２と表皮層２０３との間にろう材層を介在させる作業を行う必要がない。そのため、配線層本体２０２と表皮層２０３とのろう付けによる接合作業を容易に行うことができる。

さらに、冷却層２１７と緩衝層２１６と絶縁層２１５と配線層本体２０２と表皮層２０３とをろう付けにより一括接合するので、絶縁基板２２０の製造時間を短縮することができる。

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

例えば、上記第１実施形態の焼結素材本体２Ａ及び配線層本体２は、上記第２実施形態の焼結素材本体１０２Ａ及び配線層本体１０２であっても良いし、その他の焼結素材本体及び配線層本体であっても良い。また、上記第２実施形態の焼結素材本体１０２Ａ及び配線層本体１０２は、上記第１実施形態の焼結素材本体２Ａ及び配線層本体２であっても良いし、その他の焼結素材本体及び配線層本体であっても良い。

また、上記第３実施形態の配線層本体２０２は、上記第１実施形態の配線層本体２であっても良いし、上記第２実施形態の配線層本体２０２であっても良いし、炭素材としてのポーラスカーボン内にアルミニウム溶湯が含浸されて複合化されたアルミニウムと炭素材との複合材料製のものであっても良いし、その他のアルミニウムと炭素材との複合材料製のものであっても良い。

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

＜実施例＞
長尺な帯状のアルミニウム板で形成されたアルミニウム層の上面上に炭素粒子層を塗工し、これを平面視で正方形状に複数切断することで複数の塗工アルミニウム層を得た。

アルミニウム層の厚さは２０μｍであり、塗工アルミニウム層の寸法は縦２５ｍｍ及び横２５ｍｍであった。

炭素粒子層に含まれる炭素粒子としては、ピッチ系炭素繊維（詳述するとピッチ系短炭素繊維）を使用した。炭素粒子（ピッチ系炭素繊維）のアルミニウム層上への塗工量は２１ｇ／ｍ^２であった。

また、ニッケル板とチタン板とのクラッド板で形成された、ニッケル層とチタン層とからなる表皮層を準備した。ニッケル層の厚さは４０μｍであり、チタン層の厚さは２０μｍであった。

次いで、塗工アルミニウム層を上下方向に３０枚積層することで焼結素材本体を形成するとともに、更に焼結素材本体上に表皮層をそのチタン層が焼結素材本体と接触する状態に積層し、これにより焼結素材を形成した。そして、焼結素材を放電プラズマ焼結法により焼結し、これにより配線層を得た。

この焼結に適用した焼結条件は以下のとおりであった。

焼結温度は６２０℃、焼結時間は１ｈ、焼結素材への加圧力は１５ＭＰａ、真空度は１０Ｐａであった。

得られた配線層は配線層本体と表皮層のチタン層とが良好に接合されていた。

次いで、冷却層と緩衝層と絶縁層と配線層を真空ろう付けにより一括接合し、これにより絶縁基板を製造した。そして、配線層の搭載面のはんだ付け性を調べたところ、搭載面ははんだ付け性が良好であった。

＜比較例＞
実施例と同じ方法で焼結素材本体を形成した。そして、焼結素材本体を放電プラズマ焼結法により焼結し、これにより配線層を得た。この焼結に適用した焼結条件は実施例と同じであった。

次いで、冷却層と緩衝層と絶縁層と配線層を真空ろう付けにより一括接合し、これにより絶縁基板を製造した。そして、配線層の搭載面にニッケルめっき膜を形成したところ搭載面には炭素粒子の露出部分が部分的に存在していた。さらに、搭載面のはんだ付け性を調べたとこと、搭載面ははんだ付け性が悪かった。

本発明は、電子素子等の発熱性素子が搭載される絶縁基板の製造方法及び絶縁基板に利用可能である。

１、１０１、２０１：配線層
１Ａ、１０１Ａ：焼結素材
２、１０２、２０２：配線層本体
２Ａ、１０２Ａ：焼結素材本体
３、１０３、２０３：表皮層
４、１０４、２０４：ニッケル層
５、１０５、２０５：チタン層
２０６：アルミニウム層
２０７：ろう材層
１０ａ、１１０ａ：炭素粒子
１２、１１２：アルミニウム（マトリックス）
１５、２１５：絶縁層
１６、２１６：緩衝層
１７、２１７：冷却層
２０、２２０：絶縁基板
２１、２２１：発熱性素子

Claims

配線層本体と前記配線層本体上に積層される表皮層とを接合することにより配線層を得る工程を具備しており、
前記配線層本体は、アルミニウムと炭素材との複合材料製であり、且つ、アルミニウムと炭素材とを含んだ焼結素材本体を焼結することにより得られるものであり、
前記表皮層は、発熱性素子が搭載される搭載面を形成するとともにニッケル板で形成されるニッケル層を含んでおり、
前記配線層を得る工程では、前記焼結素材本体と前記焼結素材本体上に積層され且つ前記焼結素材本体とは別体の前記表皮層とを備えた焼結素材を焼結することにより、前記配線層本体を得ると同時に前記配線層本体と前記表皮層を焼結接合する絶縁基板の製造方法。
配線層本体と前記配線層本体上に積層される表皮層とを接合することにより配線層を得る工程を具備しており、
前記配線層本体は、アルミニウムと炭素材との複合材料製であり、且つ、アルミニウムと炭素材とを含んだ焼結素材本体を焼結することにより得られるものであり、
前記表皮層は、発熱性素子が搭載される搭載面を形成するとともにニッケル板で形成されるニッケル層と、チタン板で形成されるチタン層とを含んでおり、
前記ニッケル層と前記チタン層は、互いに積層状に配置されるとともに、前記ニッケル板と前記チタン板とのクラッド板で形成され、
前記配線層を得る工程では、前記焼結素材本体と前記焼結素材本体上に前記チタン層が前記焼結素材本体と接触した状態に積層され且つ前記焼結素材本体とは別体の前記表皮層とを備えた焼結素材を焼結することにより、前記配線層本体を得ると同時に前記配線層本体と前記チタン層を焼結接合する絶縁基板の製造方法。
配線層本体と前記配線層本体上に積層される表皮層とを接合することにより配線層を得る工程を具備しており、
前記配線層本体は、アルミニウムと炭素材との複合材料製であり、且つ、アルミニウムと炭素材とを含んだ焼結素材本体を焼結することにより得られるものであり、
前記表皮層は、発熱性素子が搭載される搭載面を形成するとともにニッケル板で形成されるニッケル層と、チタン板で形成されるチタン層とを含んでおり、
前記ニッケル層と前記チタン層は、互いに積層状に配置され、
前記配線層を得る工程では、前記焼結素材本体と前記焼結素材本体上に積層され且つ前記焼結素材本体とは別体の前記チタン層と前記チタン層上に積層され且つ前記チタン層とは別体の前記ニッケル層とを備えた焼結素材を焼結することにより、前記配線層本体を得ると同時に前記配線層本体と前記チタン層を焼結接合し且つ前記チタン層と前記ニッケル層を焼結接合する絶縁基板の製造方法。
前記複合材料は、アルミニウム層と炭素粒子層とが交互に複数積層された状態で焼結されているアルミニウムと炭素粒子との焼結複合材料である請求項１〜３のいずれかに記載の絶縁基板の製造方法。