JP6902266B2 - セラミック基板の製造方法、及びパワーモジュールの製造方法 - Google Patents

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Description

本発明はセラミック基板の製造方法、及びパワーモジュールの製造方法に関し、より詳しくは発熱量の大きなパワーデバイスの放熱対策に有用なセラミック基板の製造方法、及びこの製法を使用したパワーモジュールの製造方法に関する。
スマートフォンやタブレット端末等のモバイル端末では、多くの電子部品が搭載されているが、これらのモバイル端末の小型化の進展と共に、該モバイル端末に内蔵される電子部品の高集積化、高性能化が要請されている。そして、電子部品の高集積化、高性能化に伴い発熱量が増加することから、放熱対策が重要になってきている。
また、近年、自動車分野では、車体の軽量化による燃費向上等の観点から、車体の電動化・電装化が急速に進展しており、これに伴いパワーデバイスを内蔵したパワーモジュール搭載のハイブリッド自動車等の開発が盛んに行われている。そして、この種のパワーモジュールではパワーデバイスの発熱量が大きいことから、車載用電子機器における熱管理の重要性が高まってきている。
放熱対策としては、熱伝導率の高いセラミック材料で形成されたセラミック部材の一方の主面上に回路層を形成し、前記セラミック部材の他方の主面上に熱伝導率の高い金属材料で形成された金属基体を設け、熱エネルギーを金属基体から外部に放熱するようにしたセラミック基板が知られている。
しかしながら、この種のセラミック基板では、セラミック部材と金属基体とでは線膨張係数が大きく異なることから、使用時に冷熱サイクルが負荷されたり製造時に熱履歴が負荷されると、大きな熱応力が発生する。例えば、金属基体としてＣｕ基体を使用した場合、セラミック部材の線膨張係数は一般に３〜７ｐｐｍ／Ｋ程度であるのに対し、Ｃｕ基体の線膨張係数は約１７ｐｐｍ／Ｋである。このように線膨張係数の差が大きいと、使用時に繰り返し冷熱サイクルが負荷されたり、製造時に熱履歴が負荷され、金属基体やセラミック部材には大きな熱応力が発生し、セラミック基板が熱変形し、歪みや割れが発生したり、金属基体がセラミック部材から剥離してしまうおそれがある。
このような熱応力を緩和する方法としては、従来より、例えば、下記（ｉ）〜（iii）に示すように、セラミック部材と金属基体との間に中間層を介在させる方法が知られている。すなわち、
（ｉ）ＡｌやＣｕ等の弾性変形能及び塑性変形能の大きな軟金属を中間層として金属基体とセラミック部材との間に介在させ、セラミック部材と金属基体との間の熱歪みを緩和する方法
（ii）セラミック部材側にＮｂやＮｉ等の比較的軟らかい金属を使用し、金属基体側にＭｏやＷ等の比較的線膨張係数の低い金属を使用して積層構造体を形成し、この積層構造体を中間層として金属基体とセラミック部材との間に介在させ、両者の線膨張係数を調整する方法
（iii）セラミック部材側から金属基体側に連続的に組成が変化する中間層を金属基体とセラミック部材との間に介在させ、熱応力を緩和する方法
等が知られている。
しかしながら、上記（ｉ）の方法では、中間層が軟金属単体で形成されているため、塑性変形能を十分に得ることができず、熱応力を十分に緩和することができない。
また、上記（ii）や（iii）の方法では、大電流を通電させるために厚膜の印刷回路をセラミック基板上に形成した場合、薄層のセラミック基板では熱応力を十分に緩和することができない。一方、セラミック基板を厚くするとパワーモジュールの大型化を招くおそれがある。
そこで、特許文献１では、図１８に示すように、裏面に金属薄層１０１が接着されたセラミック部材１０２の表面に金属粉含有スラリーを塗布する工程と、金属粉含有スラリーの表面に回路層１０３を重ねる工程と、金属粉含有スラリーを乾燥して発泡させた後に焼成し圧延して可塑性の金属多孔体１０４を成形する工程とを含み、前記金属粉含有スラリーは平均粒径が５〜１００μｍのＣｕ、Ａｌ又はＡｇからなる金属粉と、水溶性樹脂バインダと、非水溶性炭化水素系有機溶剤と、界面活性剤と、可塑剤と、水とを含んだパワーモジュール用基板の製造方法が提案されている。
この特許文献１では、スケルトン構造を有する気孔率９０〜９３％、厚さ０．５〜５ｍｍの薄板状多孔質焼結体を厚さ０．２〜３ｍｍに圧延することにより、気孔率が２５〜５０％の可塑性の金属多孔体１０４を得ている。そして、セラミック部材１０２と回路層１０３との線膨張係数が異なっても、金属多孔体１０４がセラミック部材１０２や回路層１０３の熱変形を吸収することにより、セラミック部材１０２に反りや割れが発生するのを防止している。また、金属多孔体１０４に形成された気孔には該金属多孔体１０４の側面からシリコーングリース、シリコーンオイル又はエポキシ樹脂を充填することにより、金属多孔体１０４での熱伝導率を向上させ、これにより放熱特性を確保しようとしている。
また、特許文献２には、セラミック、ガラス、または樹脂を主成分とする素体と、前記素体上に形成された、ガラス成分が充填された多数の孔部を有する多孔質金属めっき膜とを備え、前記多孔質金属めっき膜の前記素体に接する面の前記孔部に多くのガラス成分が充填され、前記多孔質金属めっき膜の前記素体に接する面の反対側の面の前記孔部にほとんどガラス成分が充填されていない電子部品が提案されている。
この特許文献２では、多孔質金属めっき膜の素体に接する面の孔内にガラス成分を充填させることにより、素体に加熱接着する際、ガラスの被着率を高め、これにより金属膜の素体に対する接合力を向上させようとしている。
特許第３２３０１８１号公報（請求項１、段落[０００８]、[００１２]、図１） 特許第５２５１２７６号公報（請求項１、段落[００１５]）
しかしながら、特許文献１では、０．５〜５ｍｍの薄板状多孔質焼結体を圧延して０．２〜３ｍｍの厚みの金属多孔体１０４を作製しているが、更なる薄膜化は圧延処理では生産技術的に容易なことではない。したがって、回路層１０３や金属薄層１０１の厚みは、通常、０．１〜１ｍｍ程度であることから、電極を形成する回路層１０３の厚みに対し金属多孔体１０４の厚みが大きくなり、このため所望の小型・高性能のパワーモジュールを得られなくなるおそれがある。しかも、セラミック部材１０２と金属多孔体１０４とを直接接合させていることから、金属多孔体１０４が可塑性を有するとしても十分な応力緩和を得ることができず、金属多孔体１０４の熱変形等を十分に抑制するのは困難と考えられる。
さらに、特許文献１では、金属多孔体１０４に形成された気孔に該金属多孔体１０４の側面からシリコーングリース、シリコーンオイルやエポキシ樹脂を充填し、これにより熱伝導率を向上させようとしているが、繰り返される冷熱サイクル等の負荷により、高温状態でシリコーングリース等の充填物が外部に漏出するいわゆるポンプアウト現象が生じ、熱抵抗の増加を招くおそれがある。
また、特許文献２では、多孔質金属めっき膜の素体に接する面の孔内にガラス成分を充填させることにより、ガラスの被着率を高めているものの、所望の熱応力緩和は困難と考えられる。
本発明はこのような事情に鑑みなされたものであって、セラミック部材や金属層に負荷される熱抵抗を低減できて熱応力を効率良く緩和することができ、かつ異種材料間の接着性が良好なセラミック基板の製造方法、及びこの製法を使用した放熱性能が良好なパワーモジュールの製造方法を提供することを目的とする。
本発明者らは上記目的を達成するために鋭意研究を行ったところ、微小な細孔を有する金属多孔体を金属基体の一方の主面に形成し、高熱伝導性を有するセラミック粒子とポリジメチルシクロヘキサン（以下、「ＰＤＭＳ」という。）系結着剤を含有した懸濁液に前記金属基体を浸漬させ、電気泳動電着法を使用して金属基体の表面への電着膜の形成を試みたところ、電着膜は金属基体の表面に堆積すると共に、金属多孔体の細孔内表面にも効率よく充填させることが可能であるという知見を得た。すなわち、電着膜は金属多孔体の細孔内表面に高効率で充填し、金属多孔体内に空隙が残存するのを抑制できることが分かった。しかもＰＤＭＳ系結着剤は高熱伝導性を有することから、熱抵抗が小さくなって熱応力を緩和することができると考えられる。また、上記ＰＤＭＳ系結着剤は金属基体やセラミック部材との接着性も良好である。
そして、電着膜を介して金属基体とセラミック部材とを接合し、熱処理を行って電着膜を硬化させることにより、金属基体の表面にはセラミック粒子とＰＤＭＳ系結着剤を主体とした複合材料からなる第１層を形成することができ、さらに第１層上の金属多孔体の細孔には前記複合材料が充填された第２層を形成することが可能である。
したがって、前記第１層及び前記第２層で緩和層を形成することにより、熱抵抗を小さくすることができ、使用時に繰り返し冷熱サイクルが負荷されたり製造時に熱履歴が負荷されても、熱応力を効果的に緩和することができ、かつ金属基体とセラミック部材との接着性が良好なセラミック基板を製造することができる。
本発明はこのような知見に基づきなされたものであって、本発明に係るセラミック基板の製造方法は、微小な細孔を有する金属多孔体を金属基体の一方の主面に形成する工程と、少なくとも高熱伝導性を有するセラミック粒子とＰＤＭＳ系結着剤とを含有した懸濁液を作製する工程と、前記金属基体と該金属基体に対向する対向電極とを前記懸濁液に浸漬し、前記金属基体と前記対向電極との間に電圧を印加して電気泳動させ、前記セラミック粒子及び前記ＰＤＭＳ系結着剤を主体とする複合材料を前記金属基体上に堆積させて電着膜を形成する工程と、前記電着膜を介して前記金属基体とセラミック部材とを接合する工程と、熱処理を施して前記電着膜を硬化させる工程とを含み、前記複合材料からなる第１層と前記細孔に前記複合材料が充填した第２層とを有する緩衝層を前記セラミック部材上に形成することを特徴としている。
また、本発明のセラミック基板の製造方法は、前記金属多孔体はめっき処理を施して形成するのが好ましい。
これにより微小な細孔を有する金属多孔体を金属基体上に効率良く作製することができ、更にはめっき条件を調整することにより、金属多孔体の微細構造を容易に制御することができる。
また、本発明のセラミック基板の製造方法では、前記懸濁液は、前記セラミック粒子と有機溶剤とを混合した後、超音波振動を付与して破砕し、その後前記ＰＤＭＳ系結着剤を混合して作製するのが好ましい。
これにより微細化されたセラミック粒子が前記ＰＤＭＳ系結着剤を介して結合した複合材料を電気泳動電着法により金属基体上に効率よく電着させることが可能となる。
また、本発明のセラミック基板の製造方法は、前記ＰＤＭＳ系結着剤が、オルガノアルコキシラン及び該オルガノアルコキシランの縮合物のうちの少なくとも一方を含むのが好ましい。
これによりＰＤＭＳのメチル基がエトキシ基で変性された変性ＰＤＭＳを作製することができ、電気泳動電着法に適した懸濁液を得ることができる。
また、本発明のセラミック基板の製造方法は、前記懸濁液には酢酸を含むのが好ましい。
これにより懸濁液に塩素成分を含むカルボン酸又はカルボン酸誘導体を含有しなくても電着処理を行うことができ、塩素に起因した金属腐食の発生を抑制することができる。
さらに、本発明のセラミック基板の製造方法は、前記第１層の厚みをスペーサで制御するのが好ましい。
これによりセラミック基板の厚みの制御や熱抵抗の制御を容易に行うことが可能となる。
また、本発明のセラミック基板の製造方法は、前記スペーサを絶縁性材料で形成するのが好ましい。
さらに、本発明のセラミック基板の製造方法は、前記セラミック粒子が、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４、及びＢＮの群から選択された少なくとも１種を含むのが好ましい。
また、本発明のセラミック基板の製造方法は、前記セラミック部材が、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３、及びＡｌＮの群から選択された材料で形成するのが好ましい。
さらに、本発明のセラミック基板の製造方法は、前記金属基体は、Ｃｕ、Ａｌ、及びＴｉの群から選択された材料で形成するのが好ましい。
また、本発明に係るパワーモジュールの製造方法は、上述したいずれかに記載の製造方法で作製したセラミック基板を有していることを特徴としている。
さらに、本発明のパワーモジュールの製造方法は、前記セラミック基板の表面に回路層を形成するのが好ましい。
また、本発明のパワーモジュールの製造方法は、前記セラミック基板の一方の主面をヒートシンク部に接続し、前記セラミック基板の他方の主面をパワーデバイスに接続するのも好ましい。
本発明のセラミック基板の製造方法によれば、微小な細孔を有する金属多孔体を金属基体の一方の主面に形成する工程と、少なくとも高熱伝導性を有するセラミック粒子とＰＤＭＳ系結着剤とを含有した懸濁液を作製する工程と、前記金属基体と該金属基体に対向する対向電極とを前記懸濁液に浸漬し、前記金属基体と前記対向電極との間に電圧を印加して電気泳動させ、前記セラミック粒子及び前記ＰＤＭＳ系結着剤を主体とする複合材料を前記金属基体上に堆積させて電着膜を形成する工程と、前記電着膜を介して前記金属基体とセラミック部材とを接合する工程と、熱処理を施して前記電着膜を硬化させる工程とを含み、前記複合材料からなる第１層と前記細孔に前記複合材料が充填した第２層とを有する緩衝層を前記セラミック部材上に形成するので、電着膜は上記細孔の内表面に高効率で充填し、金属多孔体内に空隙が残存するのを抑制できる。しかも、セラミック粒子８及びＰＤＭＳ系結着剤は高熱伝導性を有することから、熱抵抗が小さくなり、さらにはＰＤＭＳ系結着剤の柔軟性により熱応力を緩和することができる。また、上記ＰＤＭＳ系結着剤は金属基体やセラミック部材との接着性も良好である。
したがって、前記第１層及び前記第２層で緩和層を形成することにより、熱抵抗を小さくすることができ、使用時に繰り返し冷熱サイクルが負荷されたり製造時に熱履歴が負荷されても、熱応力を効果的に緩和することができ、かつ金属基体とセラミック部材との接着性が良好なセラミック基板を製造することができる。
さらに、本発明のパワーモジュールの製造方法によれば、上述いずれかに記載の製造方法で作製したセラミック基板を備えているので、使用時に冷熱サイクルが繰り返し負荷されたり製造時に熱履歴が負荷されても熱応力が緩和されることから、放熱性能を損なうことなく、熱応力に起因した熱変形やクラック、界面剥離等を抑制することができる信頼性の良好なパワーモジュールを製造することができる。
本発明の製造方法を使用して製造されたセラミック基板の一実施の形態（第１の実施の形態）を概念的に示す模式断面図である。 セラミック基板の要部詳細を示す断面図である。 懸濁液の作製手順を説明するための図である。 電着装置の一実施の形態を模式的に示す斜視図である。 金属基体上に電着膜が形成された状態を示す模式断面図である。 複合材料の結合状態を模式的に示す図ある。 本発明の製造方法を使用して製造されたセラミック基板の第２の実施の形態を概念的に示す模式断面図である。 上記第２の実施の形態の製造方法を示す要部製造工程図である。 上記第２の実施の形態の変形例を示す模式断面図である。 本発明の製造方法で製造されたセラミック基板を使用したパワーモジュールの第１の実施の形態を示す模式断面図である。 パワーモジュールの第２の実施の形態を示す模式断面図である。 パワーモジュールの第３の実施の形態を示す模式断面図である。 実施例１における比較例試料の製造方法を示す製造工程図である。 実施例１の実施例試料を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で撮像したＳＥＭ画像である。 実施例１における比較例試料のＳＥＭ画像である。 実施例２における試料番号１の波長分散型Ｘ線分析装置（ＷＤＸ）によるマッピング分析図である。 実施例２における試料番号２のＷＤＸによるマッピング分析図である。 特許文献１に記載されたパワーモジュール用基板の断面図である。
次に、本発明の実施の形態を詳説する。
図１は、本発明の製造方法により製造されたセラミック基板の一実施の形態（第１の実施の形態）を概念的に示す模式断面図である。
このセラミック基板は、第１層１と第２層２とからなる緩衝層３を有し、第１層１にはセラミック部材４が接合されている。第２層２は、具体的には、金属基体５の一方の主面に形成された金属多孔体６と該金属多孔体６の内表面に充填された充填物７とで構成されている。すなわち、金属基体５の一方の主面には微小な細孔６ａを有する金属多孔体６が形成され、金属多孔体６と充填物７とで第２層２を形成している。
図２はセラミック基板の詳細を示す模式断面図である。
第２層２は、上述したように微小な細孔６ａが多数形成された金属多孔体６を有し、該金属多孔体６は金属基体５上に該金属基体５と一体的に形成され、かつ細孔６ａは充填物７で封孔されている。
充填物７は、熱応力の緩和と金属及びセラミックとの接着性を両立させる必要があることから、高熱伝導性を有するセラミック粒子と良好な接着性を有しかつ熱抵抗の小さい樹脂成分との複合材料で形成するのが望ましい。しかし、充填物７の細孔６ａへの充填効率が低いと細孔６ａ内に空隙が形成されて熱抵抗が大きくなり、更には第１層１と第２層２とが剥離し易なって所望の緩衝層３を得るのが困難となる。このような観点から、本発明では複合材料中の樹脂成分として、高熱伝導性を有しかつ接着性の良好なＰＤＭＳ系結着剤を使用している。
以下、本発明に係るセラミック基板の製造方法を説明する。
［金属多孔体の作製］
まず、金属基体５を用意し、十分に洗浄する。ここで、金属基体５としては、特に限定されるものではないが、放熱性を考慮すると熱伝導率が高いＣｕ、Ａｌ、Ｔｉやこれらを含んだ合金類を使用することができる。
次いで、無電解めっき液を容器に貯留し、所定温度（例えば、８０℃）に調整する。そして、前記金属基体５を無電解めっき液に浸漬し、該金属基体５を、例えば１分間に０．５〜５０回程度の割合で所定時間（例えば、１時間）揺動させ、これにより無電解めっきを行い、金属基体５の一方の主面に微小な細孔６ａを有する金属多孔体６を形成する。
金属多孔体６の微細構造は、特に限定されるものではないが、細孔６ａ内への複合材料の供給を容易にし、かつアンカー効果による異種材料間の接着性をより一層向上させる観点からは、細孔６ａは金属基体５側からセラミック部材４側に架けて階層的に徐々に大きくなるように形成された領域を含むのが好ましい。斯かる金属多孔体６の微細構造は、めっき条件を調整することにより任意に制御することができる。
細孔６ａの孔径は、熱応力を緩和でき、かつアンカー効果による所望の接着力を得ることができるのであれば、特に限定されるものではなく、例えば、円換算で０．１〜５０μｍとすることができる。また、細孔間距離も特に限定されるものではない。
ここで、無電解めっき液としては、金属多孔体６の素材となるＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ等の金属が金属基体の表面に析出するのであれば、特に限定されるものではなく、例えば、各金属塩とホスフィン酸やホルマリンなどの還元剤、クエン酸などの錯化剤にアセチレン基を含有したジオール化合物を添加した無電解めっき液を使用することができる。
また、本実施の形態では、金属基体５を揺動させながら無電解めっきを行っているが、必要に応じ揺動処理に加えて或いは揺動処理に代えて無電解めっき液に撹拌処理や噴流処理を施しつつ、めっき処理を行ってもよい。
また、金属基体５の表面を触媒活性化させる観点から、無電解めっきを行う前にＰｄ触媒等で金属基体を表面処理するのも好ましい。
さらに、本実施の形態では、金属基体５に無電解めっき処理を施し、細孔６ａを形成しているが、電解めっき処理を施して細孔６ａを形成してもよく、或いは他の化学的乃至物理的手段で表面処理を行い、所望孔径の細孔を形成するようにしてもよい。
［懸濁液の作製］
図３は懸濁液の作製手順を説明するための図である。
まず、高熱伝導性を有するセラミック粒子８を用意する。ここで、セラミック粒子８としては、高熱伝導性を有するものであれば特に限定されるものではなく、例えばＡｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４、ＢＮ等を使用することができ、これらの中ではＡｌ２Ｏ３を好んで使用することができる。
また、セラミック粒子８の粒径は特に限定されるものではないが、緻密な電着膜を形成する観点からは微粒であるのが好ましく、平均粒径が０．２〜２０μｍのセラミック粒子８を好んで使用することができる。
次に、このセラミック粒子８を所定温度（例えば、１３０℃）で所定時間（例えば、２時間）乾燥させる。次いで、セラミック粒子８を脱水イソプロピルアルコール等の有機溶剤と混合し、さらに安定化剤を添加する。その後撹拌しながら超音波ホモジナイザー処理を行って超音波振動を所定時間（例えば、３分）付与した後、超音波バス処理を行って、超音波洗浄を行う。
ここで、安定化剤としては、モノクロロ酢酸や酢酸を使用することができるが、金属多孔体６を含む金属基体５の腐食を回避する観点からは、塩素成分を含まない酢酸を使用するのが好ましい。ただし、モノクロロ酢酸についても、塩素による金属の腐食の発生を回避できる範囲で必要に応じて使用することは可能である。
次に、化学式（１）で表されるＰＤＭＳ及び化学式（２）で表されるエチルシリケート（以下、「ＥＳ」という。）を容器に投入して撹拌する。
Figure 0006902266
すると、ＰＤＭＳとＥＳとが反応し、化学式（３）で示すように、末端のメチル基（−ＣＨ３）がエトキシ基（−ＯＣ２Ｈ５）で変性されたＰＤＭＳ系結着剤（変性ＰＤＭＳ）を生成し、これにより電着用の懸濁液が作製される。
Figure 0006902266
この変性されたＰＤＭＳ系結着剤は短時間の熱負荷では４００℃以上、長時間の熱負荷では２００℃以上の良好な耐熱性を有する。したがって発熱量が大きな領域でより効果的に熱応力の緩和を実現することが可能となる。また、このＰＤＭＳ系結着剤は、その重合度ｎにより分子量を任意に設定できることから、弾性率も必要に応じて任意に選択することができ、熱応力の緩和性を適宜に制御することが可能である。また、懸濁液９中のセラミック粒子の含有量を制御することによっても熱抵抗の制御も可能である。
尚、本実施の形態では、変性剤としてＥＳを使用しＰＤＭＳ系結着剤を得ているが、変性剤はＥＳに限定されるものではなく、アルコキシ基を含有したオルガノアルコキシランやその縮合物であればよい。
また、懸濁液９には、必要に応じ、例えばチタニウムテトラエトキシドやＤＬ−リンゴ酸ジエチル等の各種添加物を含有させるのも好ましい。
［電着膜の作製］
図４は電着装置の一実施の形態を模式的に示す斜視図である。
すなわち、この電着装置は、容器１０内にセラミック粒子８及びＰＤＭＳ系結着剤を含有した懸濁液９が貯留されている。そして、金属多孔体６が形成された金属基体５を陽極とし、ステンレス鋼や炭素材で形成された対向電極１２を陰極とし、これら金属基体５及び対向電極１２を懸濁液９に浸漬する。
そして、金属基体５と対向電極１２との間にＤＣ電源１３を介在させ、容器１０を撹拌しながら電圧を印加し、所定の電流密度で定電流制御を行い、電気泳動電着法により電着処理を行う。セラミック粒子８は負電荷に帯電して陽極である金属基体５側に吸引されると共に、懸濁液９中のエトキシ基で変性されたＰＤＭＳ系結着剤が金属基体５及び金属多孔体６の表面に電着膜が堆積する。
図５は、金属基体に電着膜を形成した状態を示している。
すなわち、セラミック粒子８を含む複合材料は、金属基体５の表面に形成された金属多孔体６の細孔６ａを覆うように成膜し、金属基体５の表面及び細孔６ａの内表面に複合材料が隙間なく充填され、これにより電着膜４５が形成される。
［セラミック基板の作製］
電着膜４５が形成された金属基体５を容器１０から取出し、洗浄した後、有機溶剤や安定化剤を乾燥除去する。
次いで、セラミック部材４を用意する。ここで、セラミック部材４としては、特に限定されるものではないが、パワーモジュールの放熱基板に適するためには熱伝導率が大きく放熱性が良好なセラミック材料を使用するのが好ましく、例えば、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ等を好んで使用することができる。
次に、電着膜４５を介してセラミック部材４と金属基体５とを接合し、所定の温度範囲（例えば、１５０〜２５０℃）で所定の昇温プロファイルにしたがって熱処理を行い、電着膜４５を加熱硬化させる。そしてこれにより複合材料からなる第１層１と細孔６ａに複合材料が充填された第２層２とからなる緩衝層３がセラミック部材４上に形成され、セラミック基板を作製することができる（図１参照）。
この場合、上述したＰＤＭＳ系結着剤は、電着当初は未硬化乃至半硬化状態であるが、金属基体５の表面に付着している水分或いは大気中の水分と接触すると加水分解が生じてエトキシ基が離脱し、さらに加熱処理によって脱アルコール反応或いは脱水重縮合反応が生じ、化学反応式（Ａ）に示すように、シリカナノガラス１４を介して架橋した硬化体１５となる。
Figure 0006902266
そして、この硬化体１５は、図６に示すように、セラミック粒子８同士を結着させる。この硬化体１５は、上述したように良好な耐熱性を有し、特に化学反応式（Ａ）中の重合度ｎが８〜１０の場合は懸濁液中で加水分解が生じ難く凝集体が形成されにくい。したがって金属基体５への電着によって加水分解反応及び脱水重縮合反応が進行することから、複合材料７の金属多孔体６への充填効率も良好となる。また、上述したようにＰＤＭＳ系結着剤は、その重合度ｎにより分子量を任意に設定することができることから、弾性率も必要に応じて任意に選択することができ、熱応力の緩和性を適宜に制御することが可能である。
ここで、緩衝層３は、箔状であればその膜厚は特に限定されるものではないが、熱抵抗が増加することなく熱応力を緩和させるためには、平均厚みで５〜１００μｍが好ましい。
尚、第１層１は、熱応力を緩和させるためには必要であるが、厚みを大きくすると熱抵抗の増加を招くおそれがある。したがって、第１層１の厚みは、熱応力の緩和と熱抵抗の増加の双方を考慮して決定するのがよく、好ましくは平均厚みで０．５〜５０μｍであり、より好ましくは１〜５μｍである。
また、第２層２の厚みも、特に限定されるものではないが、第２層２の厚みを大きくすると、複合材料７が増加することから応力緩和に寄与すると考えられる。そして、この第２層２の厚みは、第１層１の厚みと緩衝層３の全体の厚みを考慮して決定するのが好ましく、例えば、平均厚みで５〜５０μｍに設定される。
このように本セラミック基板の製造方法は、微小な細孔６ａを有する金属多孔体を金属基体５の一方の主面に形成する工程と、少なくとも高熱伝導性を有するセラミック粒子８とＰＤＭＳ系結着剤とを含有した懸濁液９を作製する工程と、金属基体５と該金属基体５に対向する対向電極１２とを懸濁液９に浸漬し、金属基体５と対向電極１２との間に電圧を印加して電気泳動させ、セラミック粒子８及びＰＤＭＳ系結着剤を主体とする複合材料を金属基体５上に堆積させて電着膜４５を形成する工程と、電着膜４５を介して金属基体５とセラミック部材４とを接合する工程と、熱処理を施して電着膜４５を硬化させる工程とを含み、複合材料からなる第１層１と細孔６ａに複合材料が充填した第２層２とを有する緩衝層３を前記セラミック部材４上に形成するので、電着膜４５は金属多孔体６の細孔６ａの内表面に高効率で充填し、金属多孔体６内に空隙が残存するのを抑制できる。しかも、セラミック粒子及びＰＤＭＳ系結着剤は高熱伝導性を有することから、熱抵抗が小さくなって熱応力を緩和することができる。また、上記ＰＤＭＳ系結着剤は金属基体５やセラミック部材４との接着性も良好である。
したがって、第１層１及び第２層２で緩和層３を形成することにより、熱抵抗を小さくすることができ、使用時に繰り返し冷熱サイクルが負荷されたり製造時に熱履歴が負荷されても、熱応力を効果的に緩和することができ、かつ金属基体とセラミック部材との接着性が良好なセラミック基板を製造することができる。
図７は、セラミック基板の第２の実施の形態を示す模式断面図である。
このセラミック基板は、上記第１の実施の形態と同様、第１層２２と第２層２４とからなる緩衝層２１を有し、第１層２２にはセラミック部材４が接合されている。また、第２層２４は、金属基体５の一方の主面に形成された金属多孔体２３と該金属多孔体２３の内表面に充填された充填物２７とで構成されている。すなわち、金属基体５の一方の主面には微小な細孔２３ａを有する金属多孔体２３が形成され、金属多孔体２３と充填物２７とで第２層２４を形成している。
そして、本第２の実施の形態では、ポリイミド樹脂等の絶縁性材料で形成された短冊シート状のスペーサ２６ａ、２６ｂが、第１層２２の両端に配されている。
このように第１層２２の両端にスペーサ２６ａ、２６ｂを配することにより、第1層２２の厚みを制御することが可能となり、熱抵抗を制御することが可能となる。
図８は、第２の実施の形態に係るセラミック基板の製造方法を示す要部製造工程図である。
まず、図８（ａ）に示すように、金属基体５の両端幅方向に短冊状にスペーサ２６ａ、２６ｂを貼着する。次いで、上述した第１の実施の形態と同様の方法・手順で無電解めっき等を行い、図８（ｂ）に示すように、金属基体５の表面に金属多孔体２３を形成する。この場合、細孔２３ａは、スペーサ２６ａとスペーサ２６ｂとの間の領域に形成される。
次に、これを懸濁液に浸漬し、上記第１の実施の形態と同様の方法・手順で電気泳動電着法を使用し、図８（ｃ）に示すように、金属基体５上に電着膜２５を形成する。
そして、金属基体５を洗浄した後、有機溶剤を乾燥除去し、その後、金属基体５とセラミック部材４とを電着膜２５を介して接合し、加熱しながら加圧させて電着膜２５を硬化させ、図８（ｄ）に示すように、第１層２２と第２層２４とを有する緩衝層２１を形成し、これによりセラミック基板を作製することができる。
このように本第２の実施の形態では、上述したように金属基体５の両端にスペーサ２６ａ、２６ｂを配することにより、第1層２２の厚みを制御することが可能となり、熱抵抗を制御することが可能となる。
図９は、上記第２の実施の形態に係るセラミック基板の変形例を示す模式断面図であって、この変形例は、図７のような短冊シート状のスペーサ２６ａ、２６ｂに代えて第１層２９にジルコニア等の所定粒径のセラミック粒子を配し、斯かるセラミック粒子でスペーサ３０を形成している。この場合も図７と同様、第１層２４の厚みを制御することができ、熱抵抗を制御することが可能である。
そして、本変形例も金属基体５上にセラミック粒子からなるスペース３０を配した以外は、上述と同様の方法手順でセラミック基板を作製することができる。
次に、本発明製造方法で作製したセラミック基板を搭載したパワーモジュールについて詳述する。
図１０は、パワーモジュールの第１の実施の形態を模式的に示す断面図であって、本パワーモジュールは、第１層１と第２層２とからなる緩衝層３を有し、第１層１にはセラミック部材４が接合され、金属基体４の一部は第２層２を形成し、これにより放熱基板としてのセラミック基板３１を形成している。そして、セラミック基板３１を構成するセラミック部材４の表面にＡｌやＣｕ等で形成された回路層３２が形成されている。
本パワーモジュールは、本発明製法で作製されたセラミック基板３１を有し、該セラミック基板３１上に回路層３２が形成されているので、回路層３２から大量の熱が発せられても外部に効率良く放熱することができ、パワーモジュールが過度の高温になるのを抑制することが可能となる。そして、本パワーモジュールは、本発明製法によるセラミック基板３１で熱応力が緩和されることから、パワーモジュールが熱変形したり異種材料間で界面剥離が生じることもなく、信頼性の良好なパワーモジュールを得ることができる。
図１１は、本パワーモジュールの第２の実施の形態を示す模式断面図である。
本パワーモジュールは、第１の実施の形態と同様に形成されたセラミック基板３１を有すると共に、回路層３２が緩衝層３’を介してセラミック基板３１上に形成されている。
このように回路層３２を形成する金属材料の熱応力に応じ、本発明製法で作製されたセラミック基板３１と回路層３２との間に緩衝層３’を介在させるのも好ましく、この場合も、各構成部材が高い熱伝導率を有する材料で形成されることにより、回路層３２から大量の熱が発せられても外部に効率良く放熱することができ、パワーモジュールが過度の高温になるのを抑制することが可能となる。そして、本発明製法によるセラミック基板３１で熱応力が緩和されることから、第１の実施の形態と同様、パワーモジュールが熱変形したり異種材料間で界面剥離が生じることもなく、信頼性の良好なパワーモジュールを得ることができる。
図１２は、パワーモジュールの第３の実施の形態を示す模式断面図であって、本パワーモジュールは両面放熱構造を有し、車載用のパワーコントロールユニット搭載に適した構成とされている。
すなわち、本パワーモジュールは、電力制御用半導体素子を備えたパワーデバイス３３と、循環水の通水によりパワーデバイス３３を水冷する一対の冷却板３４ａ、３４ｂ（ヒートシンク部）とを有している。そして、冷却板３４ａ、３４ｂとパワーデバイス３３との間には放熱基板としての本発明製造方法で作製されたセラミック基板３５ａ、３５ｂが介在されている。
具体的には、セラミック基板３５ａ、３５ｂは、セラミック部材としての絶縁基板３６ａ、３６ｂと、放熱作用を有する金属基体としてのヒートスプレッダー３７ａ、３７ｂと、絶縁基板３６ａ、３６ｂとヒートスプレッダー３７ａ、３７ｂとの間に介在された緩衝層３８ａ、３８ｂとを有している。そして、絶縁基板３６ａ、３６ｂは冷却板３４ａ、３４ｂに接続されると共に、一方のヒートスプレッダー３７ａは、はんだ３９ａを介してパワーデバイス３３に接続され、他方のヒートスプレッダー３７ｂは、はんだ３９ｂ、３９ｃ及びＣｕ等の良熱伝導体からなる放熱用スペーサ４０を介してパワーデバイス３３に接続されている。さらに、パワーデバイス３３は、接続ワイヤ４１を介して外部端子４２に接続されている。また、絶縁基板３６ａ、３６ｂの内面側に配された各構成部材は、ヒートスプレッダー３７ａ、３７ｂ及び外部端子４２の各先端部分を除き、エポキシ樹脂等の樹脂材料で被覆され、被覆部４３を形成している。
このように構成されたパワーモジュールでは、パワーデバイス３３で発熱した熱エネルギーは、はんだ３９ａ〜３９ｃを介してスペーサ４０、セラミック基板３５ａ、３５ｂを対流し、冷却板３４ａ、３４ｂで水冷される。
そして、本パワーモジュールは、本発明製法で作製されたセラミック基板３５ａ、３５ｂを搭載しているので、放熱特性が良好で放熱基板として機能すると共に、セラミック基板３５ａ、３５ｂで熱応力が緩和されることから、各構成部材が熱変形したり界面剥離を生じることもなく、信頼性の良好なパワーモジュールを得ることができる。
尚、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の一例であり、要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、パワーモジュールについても、セラミック基板が放熱基板としての作用を奏することから、上記第１〜第３の実施の形態に限定されるものではなく、回路層や各種半導体素子の双方を搭載したパワーモジュールにも適用できるのはいうまでもなく、スマートフォンやタブレット端末等のモバイル端末の放熱対策にも有用である。
また、本セラミック基板は、熱応力の緩和や異種材料間の接着性を向上させることができることから、放熱対策に限定されることなく、各種用途への応用が可能である。
次に、本発明の実施例を具体的に説明する。
［実施例試料の作製］
（金属多孔体の作製）
長さ：２０ｍｍ、幅：４０ｍｍ、厚み：０．４ｍｍのＣｕ基体を用意した。そして、このＣｕ基体に無電解めっきを施し、多数の細孔を有する金属多孔体をＣｕ基体の一方の表面に形成した。
具体的には、まず、Ｃｕ基体をＰｄ触媒付与溶液に２分間浸漬し、表面処理して触媒活性化し、その後水洗した。
次いで、奥野製薬工業社製ＩＣＰニコロンＧＭ−ＮＰＥにアセチレングリコ―ル系化合物１ｇ／Ｌを添加し、ｐＨを４．６に調整した無電解Ｎｉめっき液を作製した。
次に、無電解Ｎｉめっき液を８０℃に調整し、Ｃｕ基材を６０分間揺動させながら浸漬してめっき処理を行い、その後乾燥させ、細孔が形成された平均膜厚が約１５μｍの金属多孔体をＣｕ基体上に作製した。
（懸濁液の作製）
セラミック粒子として純度が９９．９％以上で平均粒径が０．５μｍの球状のＡｌ２Ｏ３粉末（住友化学社製ＡＡ−０５）を用意し、該Ａｌ２Ｏ３粉末を１３０℃の温度で２時間乾燥した。そして、懸濁液中の配合比率がＡｌ２Ｏ３粉末１１．６ｗｔ％、脱水イソプロパノール６２．９ｗｔ％、モノクロロ酢酸９．９ｗｔ％となるようにＡｌ２Ｏ３粉末、脱水イソプロパノール及びモノクロロ酢酸を混合した。次いで、超音波ホモジナイザー装置（ヒールシャー社製ＵＰ１０００Ｈ）を使用しマグネットスタ−ラーで撹拌しながら３分間超音波振動を付与した後、更に撹拌を続けながら超音波洗浄機（Ｆｉｎｅ社製ＦＵ−３Ｈ）を使用して超音波バス処理を１時間行い、懸濁液前駆体を作製した。
次に、質量平均分子量が２０，０００のＰＤＭＳ（モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ・ジャパン社製ＸＦ−３９０５）及び質量平均分子量が１，０００のＥＳ（多摩化学工業社製ＥＳ−４５）を、ＥＳとＰＤＭＳの懸濁液中の配合比率がＥＳ３．９ｗｔ％、ＰＤＭＳ１１．７ｗｔ％となるように秤量した。次いで、このＥＳ及びＰＤＭＳを懸濁液前駆体と共に、窒素雰囲気下、温度２５℃に調整された密閉瓶に投入し、マグネットスターラーを使用して３０分間撹拌し、さらに３０℃の温度下、マグネチックスターラを使用して８時間撹拌し、これにより懸濁液を作製した。
表１は懸濁液の成分組成を示している。
Figure 0006902266
（電着膜の作製）
懸濁液を貯留した容器を用意し、Ｃｕ基体及びステンレス鋼をＣｕ基体が陽極、ステンレス鋼を陰極となるように懸濁液中に浸漬し、ＤＣ電源（アナテック社製Ｐｒｏ３９００）を電極間に介在させて電圧を印加し、電流密度２ｍＡ／ｃｍ２の定電流でＡｌ２Ｏ３粉末が沈降しないようにマグネチックスターラで撹拌しながら２０秒間Ａｌ２Ｏ３粉末を電気泳動させ、Ｃｕ基体上に電着膜を作製した。
次いで、電着膜が形成されたＣｕ基体を懸濁液から取り出して純水で洗浄し、その後、これをホットプレート上に載置して加熱し、脱水イソプロパノールやモノクロロ酢酸を除去した。
（セラミック基板の作製）
セラミック部材として長さ：２０ｍｍ、幅：４０ｍｍ、厚み：０．３２ｍｍのＳｉ３Ｎ４板（ＭＡＲＵＷＡ社製）を用意し、Ｓｉ３Ｎ４板を電着膜に接合した。
次いで、送風型恒温槽を使用し、１５０〜２５０℃の温度範囲で所定の昇温プロファイルに従って約９時間熱処理を行い、これにより電着膜を硬化させ、実施例試料のセラミック基板を作製した。
［比較例試料の作製］
電気泳動電着法に代えてプレス加工法で比較例試料を作製した。
図１３は比較例試料の要部製造工程図を示している。
まず、上述した実施例試料と同様の方法・手順でＣｕ基体に無電解めっきを施し、図１３（ａ）に示すように、Ｃｕ基体５１の表面に微小な細孔を有する金属多孔体５２を形成した。
次に、図１３（ｂ）に示すように、金属多孔体５２が形成されたＣｕ基体５１とセラミック部材となるべきセラミック基体５３との間に、厚みが４０μｍの樹脂シート（ニッカン工業社製ＳＡＦシリーズ）からなる複合シート５４を挟み込むような形態で、金属多孔体５２と複合シート５４とを接合し、さらに１６０℃の温度で加熱しながら３５ｋＮの加圧力で５分間プレス加工し、その後、これを１６５℃に温度調整されたオーブン中に投入して６０分間加熱し、複合シートを形成する複合材料を流動化させて複合材料を細孔内に流しつつ硬化させ、図１３（ｃ）に示すように、第１層５６及び第２層５６からなる緩衝層５７を形成し、これにより比較例試料のセラミック基板を作製した。
［試料の評価］
実施例試料及び比較例試料を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した。
図１４は実施例試料のＳＥＭ画像であり、図１５は比較例試料のＳＥＭ画像である。
比較例試料は、図１５に示すように、金属多孔体の細孔への複合材料の充填性に劣り、矢印で示すように細孔に空隙が存在することが分かった。
これに対し実施例試料は、図１４に示すように、複合材料は細孔に効果的に充填されており、空孔の存在を抑制できることが分かった。
すなわち、電気泳動電着法でＣｕ基体上に電着膜を形成することにより、複合材料を細孔に効果的に充填できることが分かった。
実施例１で作製した実施例試料を試料番号１の試料とした。
また、安定化剤としてモノクロロ酢酸に代えて酢酸を使用し、表２に示す含有量となるように懸濁液を作製した以外は、実施例１の実施例試料と同様の方法・手順で試料番号２の試料を作製した。
表２は試料番号１及び２の懸濁液の成分組成を示している。
Figure 0006902266
試料番号１及び２の断面を研磨し、ＷＤＸでマッピング分析を行った。
図１６は試料番号１のマッピング図であり、図１７は試料番号２のマッピング図である。
試料番号１は、図１６に示すように、Ｃｕ基体と電着膜の界面にＣｌが析出し、Ｃｕ成分とＣｌ成分とが反応してＣｕＣｌが生成されることが分かった。すなわち、安定化剤としてモノクロロ酢酸を使用した場合は、電着膜の形成を促進するもののＣｕ基体と電着膜の界面にＣｕＣｌが生成され易く、金属多孔体が腐食してしまうおそれのあることが分かった。因みに試料番号１をＷＤＸで定量分析したところ、Ｃｌ含有量は０．００６４ｗｔ％であった。
一方、試料番号２は、安定化剤としてモノクロロ酢酸に代え、酢酸を使用して懸濁液のｐＨを電気泳動電着法に適した値に調整しており、このため図１７に示すように、電着膜とＣｕ基体の界面にＣｌが存在せず、耐食性が良好でありＣｕ基体と金属多孔体との間で剥離等が生じるのを抑制できることが分かった。
放熱性能を確保しつつ熱応力を緩和することができ、かつ構成部材間の接着性が良好なパワーモジュールに適したセラミック基板を製造する。
１、２２、２９ 第１層
２、２４ 第２層
４ セラミック部材
５ 金属基体
３、２１ 緩衝層
６ 金属多孔体
６ａ 細孔
９ 懸濁液
１２ 対向電極
２２ 第１層
２５ 電着膜
２６ａ、２６ｂ スペーサ
３０ スペーサ
３１ セラミック基板
３２ 回路層
３３ パワーデバイス
３４ａ、３４ｂ 冷却板（ヒートシンク部）
３５ａ、３５ｂ セラミック基板
３６ａ、３６ｂ 絶縁基板（セラミック部材）
３７ａ、３７ｂ ヒートスプレッダー（金属基体）
３９ａ、３９ｂ 緩衝層
４５ 電着膜

Claims (13)

  1. 微小な細孔を有する金属多孔体を金属基体の一方の主面に形成する工程と、
    少なくとも高熱伝導性を有するセラミック粒子とポリジメチルシロキサン系結着剤とを含有した懸濁液を作製する工程と、
    前記金属基体と該金属基体に対向する対向電極とを前記懸濁液に浸漬し、前記金属基体と前記対向電極との間に電圧を印加して電気泳動させ、前記セラミック粒子及び前記ポリジメチルシロキサン系結着剤を主体とする複合材料を前記金属基体上に堆積させて電着膜を形成する工程と、
    前記電着膜を介して前記金属基体とセラミック部材とを接合する工程と、
    熱処理を施して前記電着膜を硬化させる工程とを含み、
    前記複合材料からなる第１層と前記細孔に前記複合材料が充填した第２層とを有する緩衝層を前記セラミック部材上に形成することを特徴とするセラミック基板の製造方法。
  2. 前記金属多孔体はめっき処理を施して形成することを特徴とする請求項１記載のセラミック基板の製造方法。
  3. 前記懸濁液は、前記セラミック粒子と有機溶剤とを混合した後、超音波振動を付与して破砕し、その後前記ポリジメチルシロキサン系結着剤を混合して作製することを特徴とする請求項１又は請求項２記載のセラミック基板の製造方法。
  4. 前記ポリジメチルシロキサン系結着剤は、オルガノアルコキシラン及び該オルガノアルコキシランの縮合物のうちの少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のセラミック基板の製造方法。
  5. 前記懸濁液には酢酸を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のセラミック基板の製造方法。
  6. 前記第１層の厚みをスペーサで制御することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のセラミック基板の製造方法。
  7. 前記スペーサを絶縁性材料で形成することを特徴とする請求項６記載のセラミック基板の製造方法。
  8. 前記セラミック粒子は、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４、及びＢＮの群から選択された少なくとも１種を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載のセラミック基板の製造方法。
  9. 前記セラミック部材は、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３、及びＡｌＮの群から選択された材料で形成することを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれかに記載のセラミック基板の製造方法。
  10. 前記金属基体は、Ｃｕ、Ａｌ、及びＴｉの群から選択された少なくとも１種を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれかに記載のセラミック基板の製造方法。
  11. 請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載の製造方法で作製したセラミック基板を有していることを特徴とするパワーモジュールの製造方法。
  12. 前記セラミック基板の表面に回路層を形成することを特徴とする請求項１１記載のパワーモジュールの製造方法。
  13. 前記セラミック基板の一方の主面をヒートシンク部に接続し、前記セラミック基板の他方の主面をパワーデバイスに接続することを特徴とする請求項１１記載のパワーモジュールの製造方法。
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