JP7046643B2

JP7046643B2 - 放熱性基板

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Publication number: JP7046643B2
Application number: JP2018030705A
Authority: JP
Inventors: 洋祐高橋
Original assignee: Noritake Co Ltd
Current assignee: Noritake Co Ltd
Priority date: 2018-02-23
Filing date: 2018-02-23
Publication date: 2022-04-04
Anticipated expiration: 2038-02-23
Also published as: JP2019145740A

Description

本発明は、基材に発生した熱を放熱するのに適した放熱性基板とその利用に関する。

電気エネルギーの効率的な利用のために、電力用半導体素子（いわゆるパワーデバイス）が不可欠な存在となっている。また、省電力、高寿命の高輝度・パワーＬＥＤランプ等に用いられる照明用半導体素子（いわゆるハイパワーＬＥＤデバイス）の需要も高まっている。このような半導体技術の急速な進展に伴い、パワーデバイスの大電流化および高耐圧化も急速に進行している。

パワーデバイスは、より大電力を制御するものであるほど発熱が大きくなり得る。また、パワーデバイスは、単数もしくは複数のものを１つのパッケージに納めたパワーモジュールの形態や、制御回路・駆動回路・保護回路などをも含めてモジュール化したインテリジェントパワーモジュールの形態で設計されてもいる。したがって、発熱量が特に大きく、また高い信頼性が求められる用途のデバイスに対しては、従来のシリコン基板に代わって、電力損失の小さい炭化ケイ素（ＳｉＣ）や窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）等の耐熱性の高い絶縁性基板への置換が進められている。これらＳｉＣおよび／またはＳｉ_３Ｎ_４基板は、シリコン基板と比較して高熱での動作が可能である、高速のスイッチング動作が可能である等の利点がある。また、これらの絶縁性基板の放熱性を高めるために、半導体素子が搭載される側とは反対側の基板表面に熱伝導性の高い銅からなる放熱シート（放熱機構）等を接合し、この放熱機構を介して基板の熱を外部に放出する構成が、好適に採用されている。このような絶縁性基板の放熱性を高める従来技術として、例えば、特許文献１～６が挙げられる。

特開２０１１－０１４９２４号公報特開平１１－０７９８７２号公報特開平０８－０５９３７５号公報特開２００６－０８９２９０号公報国際公開第２００８／０８１７５８号公報特開２０１５－１１５５２１号公報

その一方で、ハイブリッド自動車や鉄道車両等を駆動するためのインバータ素子等は、２００℃を超える環境での使用が想定されている。そのため、パワーデバイスおよびパワーモジュールについては、従来よりもより一層高い放熱性および耐熱性が求められている。例えば、従来求められていたヒートサイクル耐性がおおよそ－２０℃～１５０℃程度であったのに対し、昨今では、例えば、－４０℃～２５０℃程度というより広く高い温度域でのヒートサイクル耐性が求められつつある。

そのため、絶縁性基板の発熱を開放する放熱機構に関しても、従来のメタライズ基板のような薄い金属箔あるいは金属薄板ではなく、より厚みの厚い金属の厚板が採用されている。ここで、放熱機構が薄板であれば、この金属薄板がある程度撓むことにより熱応力を解放できていた。しかしながら、放熱機構として金属厚板を採用すると、金属厚板は撓み難いために、絶縁性基板と金属厚板との接合界面における熱応力が増大されるという新たな問題が生じてきた。とりわけ上記の銅は、熱膨張係数が高いことから熱応力がより一層高くなる。その結果、絶縁性基板が上記のような低温域から高温域に亘る広い温度変化に晒されると、熱応力によって絶縁性基板とヒートシンクとが剥離したり、絶縁性基板が金属厚板の膨張に追随できずに破損したりするという問題があった。そのため、高負荷時の熱応力による破損が抑制され、円滑な放熱を長期に亘って安定して維持することができる絶縁性基板が求められている。

本発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、比較的厚みの厚い（例えば０．５ｍｍ以上の）放熱銅板を備える場合であっても、広い温度範囲での耐ヒートサイクル特性に優れた放熱性基板を提供することを課題としている。

上記の課題を解決するべく、本発明は、セラミック基板と、銅板と、上記セラミック基板および上記銅板を一体的に接合する中間層と、を備える放熱性基板を提供する。この中間層は、上記セラミック基板に接する側から、銅を主成分とし、ガラス成分を含まない第１中間層と、銅を主成分とし、ガラス成分を含む第２中間層と、銀を主成分とした第３中間層と、を含む積層構造を備える。

上記構成では、セラミック基板に接する第１中間層と、銅板に接する第３中間層とを、それぞれ銅、銀を主体とする層により構成する。このことにより、熱膨張係数の小さなセラミック基板と、熱膨張係数の大きな銅板とのそれぞれに対する中間層の密着性を好適に確保することができる。そしてまた、上記構成によると、これら第１中間層と第３中間層との間に、熱応力を好適に緩和するとともに柔軟性を備え得るガラス成分を含む第２中間層を設けることができる。これにより、例えば、－４０℃～２５０℃程度というより広い範囲でのヒートサイクルに対しても、セラミック基板および銅板との剥離等が抑制された放熱性基板が実現される。

なお、本明細書において、「主成分」とは、対象とする部材（例えば各中間層）を構成する成分のうち、最も含有量が高い成分のことを言う。主成分は、特にことわりのない限り、典型的には５０質量％以上であり、好ましくは６０質量％以上、より好ましくは７０質量％以上、特に好ましくは８０質量％以上、例えば９０質量％以上の割合で含まれている成分を意味する。

ここに開示される放熱性基板の好適な一態様において、上記銅板の厚みは５００μｍ以上である。これにより、より高い放熱性を備える放熱性基板を実現することができる。

ここに開示される放熱性基板の好適な一態様において、上記第１中間層の厚みは０．５μｍ以上１０μｍ以下である。これにより、銅からなる第１中間層の厚みを薄くしたり割合を少なくしても、放熱性に優れた放熱性基板が提供される。

ここに開示される放熱性基板の好適な一態様において、上記第２中間層の厚みは５０μｍ以上５００μｍ以下である。これにより、例えば１ｍｍと厚みの厚い銅板を接合した場合であっても、高いヒートサイクル特性を備えた放熱性基板を実現することができる。

ここに開示される放熱性基板の好適な一態様において、上記第２中間層は、２５℃～５００℃における熱膨張係数が１１×１０^－６／Ｋ以上１４×１０^－６／Ｋ以下である。これにより、厚みの厚い銅板を接合した場合であっても、ヒートサイクル環境下において放熱性基板に発生する熱応力を好適に吸収することができる。その結果、セラミック基板が破損したり銅板と剥離したりするのを好適に抑制することができる。

なお、本明細書において、「熱膨張係数」（Coefficient of Thermal Expansion：ＣＴＥ）とは、特に言及しない限り、熱機械分析装置（Thermomechanical Analysis：ＴＭＡ）を用いて、室温（２５℃）から５００℃までの温度領域において測定した平均線膨張係数を意味し、かかる温度領域における試料の長さの変化量を測定温度差で割った値をいう。この熱膨張係数は、ＪＩＳＺ２２８５：２００３に規定される金属材料の線膨張係数の測定方法に準じて測定することができる。以下、「熱膨張係数」を単に「ＣＴＥ」と表記する場合がある。

ここに開示される放熱性基板の好適な一態様において、上記第３中間層は、厚みが３μｍ以上２５μｍ以下である。これにより、高価な銀層の使用を抑制して、広い温度幅に対するヒートサイクル耐性を備える放熱性基板を提供することができる。

ここに開示される放熱性基板の好適な一態様において、上記第３中間層は、平均粒子径が２０ｎｍ以上６０ｎｍ以下の銀ナノ粒子が焼結してなる焼結層である。これにより、中間層の熱伝導性を好適に高めることができ、放熱性基板の放熱性を高めることができる。

ここに開示される放熱性基板の好適な一態様において、上記ガラス成分は、軟化点が２５０℃以上４５０℃以下となるよう構成されている。このような構成により、放熱性基板の熱応力の緩和作用を高めることができる。
また、本明細書においてガラス成分に関する「軟化点」とは、近似的にこれより低い温度では、そのガラスのほとんどの成形操作が不可能な温度として定義される。換言すると、ガラスが自重で顕著に軟化変形しはじめる温度として把握することができる。この軟化点は、ＪＩＳＲ３１０３－１：２００１に準じて測定することができ、例えば、約１０^７．６ｄＰａ・ｓの粘度に相当する温度とすることができる。

ここに開示される放熱性基板の好適な一態様において、上記セラミック基板は、炭化ケイ素，窒化ケイ素および窒化アルミニウムからなる群から選択される少なくとも１種のセラミックを主体とする、請求項１～９のいずれか１項に記載の放熱性基板。このような構成により、高耐圧，低損失および高周波・高温動作が可能とされるパワーデバイスに好適な放熱性基板が提供される。

また、他の側面において、ここに開示される技術は、放熱性基板の製造方法を提供する。この製造方法は、セラミック基板上に、銅を主体とし、ガラス成分を含まない第１中間層を設けること、上記第１中間層上に、銅粉末とガラス粉末と分散媒とを含む銅ペーストを供給して銅ペースト層を形成すること、上記銅ペースト層上に、銀粉末と分散媒とを含む銀ペーストを供給して銀ペースト層を設けること、上記銀ペースト層上に銅板を配置して未焼成積層体を用意すること、および、上記未焼成積層体を５００℃以上７００℃以下の温度範囲で焼成して放熱性基板を得ること、を含む。これにより、上記の放熱性基板を簡便に提供することができる。また、ペースト焼成と銅板の接合とを同時に実施することができる。さらには、印刷技術を応用して、多様な構成の中間層を簡便に製造することができる。

以上のここに開示される技術によると、低抵抗率で、かつ、より広い温度範囲におけるヒートサイクル耐性（耐熱性、熱応力緩和性、接合性等）が実現された、放熱性基板とその製造方法が提供される。かかる技術によると、中間層におけると第２中間層と第３中間層とは、例えばペーストの印刷により製造することができる。したがって、第２中間層と第３中間層とを多様な形状と組み合わせにすることができる。これにより、広い温度範囲においてより確実な接合性を実現するとともに、より大きな温度変化による熱応力を緩和することができる。また、かかる中間層は、厚みや構成を簡便に調整しながら製造することができる。これにより、放熱銅板が大きく膨張または収縮した場合であっても、セラミック基板（絶縁性基板）の反りやひずみの発生を好適に抑えることができる。

一実施形態に係る放熱性基板の構成を示す断面模式図である。一実施形態に係る放熱性基板において、第３中間層をライン状のパターンとした構成を模式的に示す斜視図である。一実施形態に係る放熱性基板を使用したパワーデバイスの構成例を示す断面模式図である。他の実施形態に係る放熱性基板を使用したパワーデバイスの構成例を示す断面模式図である。

以下、適宜図面を参照しつつ、本発明の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。また、以下の図面において、同様の作用を奏する部材・部位には同じ符号を付して説明し、重複する説明は省略または簡略化することがある。図面に記載の実施形態は、本発明を明瞭に説明するために必要に応じて模式化されており、実際の放熱性基板の寸法関係（長さ、幅、厚さ等）を必ずしも正確に反映したものではない。また、範囲を示す「Ｘ～Ｙ」は、特にことわりのない限り「Ｘ以上Ｙ以下」を意味する。

［放熱性基板］
一実施形態に係る放熱性基板の構成を示す断面を模式的に図１に示した。ここに開示される放熱性基板１は、セラミック基板２と、このセラミック基板２の熱（発熱および蓄熱）の放熱を促す銅板６とが、中間層４により一体的に接合されることで構成されている。中間層４は、セラミック基板２に接する側から、第１中間層４１、第２中間層４２および第３中間層４３を含む。かかる中間層４により、セラミック基板２と銅板６とを一体的に接合しつつ、両者の熱膨張挙動の差異を好適に緩和するようにしている。

セラミック基板２としては、各種のセラミックからなる基板を用いることができる。典型的には、絶縁性セラミックからなる基板を考慮することができる。かかるセラミックとしては、詳細な組成や形状、寸法等は特に制限されず、例えば、金属の炭化物からなる炭化物系セラミック，金属の窒化物からなる窒化物系セラミック，金属の酸化物からなる酸化物系セラミック，その他、金属のホウ化物，フッ化物，水酸化物，炭酸塩，リン酸塩等からなるセラミックが挙げられる。かかるセラミックの具体例としては、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４），窒化アルミニウム（ＡｌＮ），窒化ホウ素（ＢＮ），窒化ガリウム（ＧａＮ），サイアロン（Ｓｉ_３Ｎ_４－ＡｌＮ－Ａｌ_２Ｏ_３固溶体；Sialon），窒化炭素（ＣＮ_ｘ），窒化チタン（ＴｉＮ）等の窒化物系セラミック、炭化ケイ素（ＳｉＣ），タングステンカーバイド（ＷＣ），炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）等の炭化物系セラミック、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、アルミナ・ジルコニア（Ａｌ_２Ｏ_３－ＺｒＯ_２），ジルコニア（ＺｒＯ_２），コーディエライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ_２Ｏ_３・５ＳｉＯ_２），ムライト（３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２）等の酸化物系セラミック等が、代表的なものとして挙げられる。これらのセラミックは、代表組成を併せて記しているが、必ずしも厳密に上記組成をとるものに限定されない。例えば、所望の特性を得る目的等で、各種の他の元素が添加されたものや複合化されたものであってよい。

かかるセラミックとしては、特にＣＴＥが小さいものであっても、本発明の効果を顕著に発現し得るものとして好適に用いることができる。このような観点から、例えば、セラミック基板２として、窒化物系セラミック（典型的には窒化ケイ素や窒化アルミニウム）、炭化ケイ素からなるものを好適に用いることができる。
特に炭化ケイ素は、上記のセラミックのなかでも、シリコン（Ｓｉ）に比べて電界強度が約１０倍、最大電子走行速度が約２倍、熱伝導率が約３倍という優れた物性を有しており、例えば、パワーデバイス用途の基板として好ましく用いることができる。また、窒化ケイ素は、他のセラミックと比較してとりわけ強度が高い（例えば曲げ強度で約７００～８３０ＭＰａ）ことから、例えば薄板化等することで基板として特に好ましい材料となり得る。さらに、窒化アルミニウムは、熱伝導率が他のセラミック材料に比べて極めて高い（例えば１５０～２００Ｗ／ｍ・Ｋ）ことから、基板を構成するには好ましい材料であり得る。これらの基板のサイズは特に限定されず、例えば、所望の規格に従う寸法とすることができる。

セラミック基板２の厚みは特に制限されず、典型的には、例えば、厚みは３ｍｍ以下とすることができる。なお、セラミック基板２が窒化アルミニウム基板である場合、その厚みは、例えば、２．５ｍｍ以下とすることができ、２ｍｍ以下であってよく、１．５ｍｍ以下とすることができる。また、窒化アルミニウム基板の厚みは、０．１ｍｍ以上とすることができ、０．２ｍｍ以上であってよく、例えば０．４ｍｍ以上（一例として、０．６３５ｍｍ）とすることができる。一方、セラミック基板２が窒化ケイ素基板である場合、その厚みは、例えば、２ｍｍ以下とすることができ、１．５ｍｍ以下であってよく、１ｍｍ以下とすることができる。また、窒化ケイ素基板の厚みは、０．１ｍｍ以上とすることができ、０．２ｍｍ以上であってよく、例えば０．３ｍｍ以上とすることができる。例えば、窒化ケイ素基板の厚みは、０．３２ｍｍや、０．６３５ｍｍ等であってよい。

銅板６としては、銅（Ｃｕ）を主体として構成されるフィルム、箔、シート、板状体等を考慮することができる。銅は、単金属としての熱伝導率が凡そ３８６～４０２Ｗ／ｍＫと、銀（Ａｇ）に次いで高いことが知られており、熱伝導率が高いほど放熱性基板の放熱部材として好ましい材料であり得る。ここで銅板は、銅を主成分（５０質量％以上）として含む限り、その他の元素については特に制限されない。例えば、ＪＩＳＨ３１００：２０１２に規定されている各種の銅及び銅合金等であってよい。銅板の熱伝導率は、例えば、２５０Ｗ／ｍＫ以上が好ましく、３００Ｗ／ｍＫ以上がより好ましく、３２０Ｗ／ｍＫ以上がさらに好ましく、３４０Ｗ／ｍＫ以上が特に好ましく、３６０Ｗ／ｍＫ以上（例えば３８０Ｗ／ｍＫ以上）がより一層好ましい。かかる熱伝導率は、例えば、無酸素銅、タフピッチ銅、リン脱酸銅、リン入りタフピッチ代替銅（ＰＴＣ）、丹銅、黄銅等により実現することができる。

また、ここに開示される技術によると、銅板６を厚くした場合であっても、放熱性基板１の耐ヒートサイクル特性は高いレベルで良好に維持され得る。したがって、例えば、銅板６は、より高い放熱性を実現するとの観点から、平均厚みが０．５ｍｍ以上（例えば、０．５ｍｍ超過）のものを好適に用いることができる。銅板６は、例えば、平均厚みが０．６ｍｍ以上であってよく、０．７ｍｍ以上が好ましく、０．８ｍｍ以上がより好ましく、０．９ｍｍ以上が特に好ましく、１．０ｍｍ以上がさらに好ましい。これにより、これまでに無く放熱性の高い放熱性基板が提供される。銅板６の平均厚みの上限は特に制限されないが、例えば、３ｍｍ以下程度とすることができる。

セラミック基板２と銅板６との厚みのバランスは特に制限されない。ここに開示される技術においては、セラミック基板２と銅板６とのＣＴＥの差を、後述のとおり、中間層４が好適に緩和しうる。そのため、セラミック基板２に対する銅板６の厚みの比は、例えば、０．５以上１０以下程度とすることができる。セラミック基板２に対する銅板６の厚みの比は、好ましくは１以上であり、より好ましくは２以上、更に好ましくは５以上、特に好ましは７以上（例えば約７．８）であり得る。

なお、上記の窒化ケイ素のＣＴＥは約２．８×１０^－６／Ｋ、炭化ケイ素のＣＴＥは約３．７×１０^－６／Ｋ、窒化アルミニウムのＣＴＥは約４．６×１０^－６／Ｋ程度、窒化ホウ素のＣＴＥは約１．４×１０^－６／Ｋ、コーディエライトのＣＴＥは約０．１×１０^－６／Ｋ以下程度、ムライトのＣＴＥは約５．０×１０^－６／Ｋと、比較的小さい値となり得る。一方、上記の銅板は、その組成に大きく左右されることなく、ＣＴＥが約１６．５×１０^－６／Ｋ～１７．８×１０^－６／Ｋ程度と比較的高い値となり得る。したがって、銅板とセラミック基板とのＣＴＥの差はおよそ１２×１０^－６／Ｋ～１４×１０^－６／Ｋ程度となり得る。ここでセラミック基板と銅板とを貼り合わせると（接合すると）、かかるＣＴＥの差は、両者の間に例えば－４０℃～２５０℃（温度差２９０℃）の温度範囲で約０．３～０．４％のひずみ（換言すると熱応力）が生じ得る。このひずみは、銅板の厚みが薄い（例えば０．３ｍｍ以下程度）の場合は、銅板および／またはセラミック基板が反り変形することで吸収できるものであった。しかしながら、銅板の厚みが厚くなる（例えば、上記のとおり０．５ｍｍ以上）と、銅板が反り変形を起こし難くなるために、銅板内で吸収することができない。その結果、従来では、銅板の熱膨張に基づきセラミック基板にせん断力が作用して、セラミック基板の破損等の問題が生じていた。あるいは、セラミック基板と銅板とが剥離するという問題が生じていた。例えば、銅板とセラミック基板との間を、ガラスフリットを含む銅ペーストで接合した場合は、銅ペーストとセラミック基板との接合性は良好であるものの、銅ペーストと銅板との接合性が十分に得られず、銅板からセラミック基板が剥離することがあった。

そこで、ここに開示する技術においては、上述のごとく、第１中間層４１、第２中間層４２、第３中間層４３を含む中間層４により、銅板６とセラミック基板２とを接合している。第１中間層４１は、主として、セラミック基板２と第２中間層４２との接合性を高めるために設けられる。第２中間層４２は、主として、銅板６とセラミック基板２との間に発生する熱応力を十分に緩和するために設けられる。第３中間層４３は、主として、銅板６と第２中間層４２との接合性を高め、また、中間層４における熱伝導性を高く維持するために設けられる。

第１中間層４１は、銅を主成分としガラス成分を含まない。第１中間層４１は、いわばセラミック基板２と第２中間層４２との接着をサポートする役割を担う。第２中間層４２は、後述するとおりガラス成分を含み、このガラス成分は、一般には無機接着材としての機能を有する。しかしながら、セラミック基板２との接合を考慮した場合には、例えば、ガラス成分を含まず、金属組織からなる第１中間層４１の方が、高い接合を実現し得る。また、第１中間層４１と第２中間層４２とはいずれも銅を主体とすることから、第１中間層４１と第２中間層４２との接合性は良好となり得る。このことにより、第１中間層４１は、被接合性の低いセラミック基板２と、かかるセラミック基板２との接着相性がさほど高くない第２中間層４２とをより強固に一体化させることができる。第１中間層４１の主成分たる銅は、銅（Ｃｕ）単体であってもよいし、例えば、Ｃｕに他の任意の元素が含まれた合金であってもよい。銅が合金である場合、銅とともにかかる合金を形成する合金元素としては特に制限されず、例えば、Ａｌ，Ａｇ，Ａｓ，Ｂｅ，Ｃｏ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｐ，Ｐｂ，Ｓ，Ｓｅ，Ｓｄ，Ｓｎ，Ｓｉ，Ｔｅ，Ｚｎ，Ｚｒ等が例示される。放熱性基板は熱伝導性が高いことが好ましいとの観点から、第１中間層４１における銅も熱伝導性の高い純銅に近いものであることが好ましい。例えば、第１中間層４１において、Ｃｕは９０質量％以上であることが好ましく、９５質量％以上がより好ましく、９７質量％以上が特に好ましい。また、この第１中間層４１は、セラミック基板２の表面に密着性良く形成されることが好ましい。したがって、第１中間層４１は、例えば、ＣＶＤ法、ＰＶＤ法またはめっき法等で原子レベルで緻密に形成された層であることが好ましい。製造容易性の観点からは、第１中間層４１は、例えば、めっき法で形成された銅めっき層であることが特に好ましい。

なお、第１中間層４１は銅を主体としているため、第１中間層４１のＣＴＥも銅のＣＴＥと概ね同等となり得る。ゆえに、ＣＴＥの小さなセラミック基板２とのＣＴＥ差に基づく熱応力を抑えるために、第１中間層４１は平均厚みが１０μｍ以下であることが適当であり、５μｍ以下が好ましく、３μｍ以下がより好ましく、２μｍ以下が特に好ましい。これにより、第１中間層４１の相対的に大きなＣＴＥに基づく熱応力がセラミック基板２に作用するのを抑制することができ、大きな温度変化に晒された場合であっても耐ヒートサイクル特性が好適に維持される。また、第１中間層４１は、セラミック基板２と第２中間層４２とを強固に接合するとの観点から、平均厚みは０．０１μｍ以上とすることが適切であり、０．０５μｍ以上が好ましく、０．１μｍ以上がより好ましく、例えば０．４μｍ以上であるとよい。これにより、セラミック基板２と第２中間層４２とをより安定的に接合することができ、熱的安定性の高い放熱性基板１を実現することができる。

他方で、第３中間層４３は、銀を主成分としている。この第３中間層４３はガラス成分を含まない。そしてこの第３中間層４３も、銅板６と第２中間層４２との接着をサポートする役割を担う。なお、第２中間層４２はガラス成分を含むことから、その熱伝導性については低くなりがちであり、中間層４、延いては放熱性基板１全体としての放熱性が劣ってしまう傾向がある。一方で銀は、金属の中で最も熱伝導率が高い。したがって、中間層４の銅板６と接する側に銀を主体とする第３中間層４３を設けることで、中間層４の熱伝導率を高く維持するようにしている。第３中間層４３の主成分たる銀は、銀（Ａｇ）単体であってもよいし、例えば、Ａｇに他の任意の元素が含まれた合金であってもよい。銀が合金である場合、銀とともにかかる合金を形成する合金元素としては特に制限されず、例えば、Ｃｕ，Ｗ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ｉｒ，Ｐｔ，Ａｕ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｔｅ，Ｚｎ，Ａｌ等が例示される。放熱性基板１は熱伝導性が高いことが好ましいとの観点から、第３中間層４３における銀も熱伝導性の高い純銀に近いものであることが好ましい。例えば、第３中間層４３において、Ａｇは９０質量％以上であることが好ましく、９５質量％以上がより好ましく、９７質量％以上が特に好ましい。

なお、第３中間層４３は銀を主体としているため、第３中間層４３のＣＴＥも銀のＣＴＥと概ね同等の約１８×１０^－６／Ｋ～１９×１０^－６／Ｋ程度となり、銅板６のＣＴＥよりも高い値となり得る。したがって、ＣＴＥの小さなセラミック基板２に近い第２中間層４２に過剰な熱応力が作用することを抑制するため、第３中間層４３は平均厚みが３０μｍ以下、より好ましくは３０μｍ未満とすることが適当である。第３中間層４３の平均厚みは２５μｍ以下が好ましく、２０μｍ以下がより好ましく、１５μｍ以下が特に好ましい。これにより、中間層４全体としてのＣＴＥを安定させて過剰な熱応力の発生を抑制することができる。なお、第３中間層４３は、銅板６と第２中間層４２とを強固に接合するとの観点から、平均厚みは０．０１μｍ以上とすることが適切であり、０．０５μｍ以上が好ましく、０．１μｍ以上がより好ましく、例えば０．４μｍ以上であるとよい。これにより、銅板６と第２中間層４２とをより安定的に接合することができ、熱的安定性の高い放熱性基板１を実現することができる。

第２中間層４２は、銅を主成分とし、ガラス成分を含む。ガラス成分は、一般にセラミック基板２よりも高く、銅板６よりも低いＣＴＥを備え得る。このことにより、例えば室温における第２中間層４２のＣＴＥを、セラミック基板２と銅板６との間に調整することができる。また、第２中間層４２におけるガラス成分は、ヒートサイクル時には比較的低い温度から軟化して銅成分の表面に濡れ広がり、銅成分を結合しつつもその変位を許容する。また、第２中間層４２は、第１中間層４１に接合している側では第１中間層４１の変形に追随しつつ、第３中間層４３に接合している側では第３中間層４３の変形に追随し得る。そしてこのとき、第２中間層４２は、層の破断や切断等の損傷を招くことなく、自身の変形を許容して、層形態を維持し得る。換言すると、ガラス成分は、典型的には粒子状の銅成分を任意に繋ぐガラスマトリックス（ガラス成分）として機能する。これにより、温度幅の広いヒートサイクルに晒された場合であっても、銅板６の剥離や、セラミック基板２の破損等が抑制された放熱性基板１が実現される。

ここで、上記のガラス成分は、典型的には、軟化点が５００℃以下であることが好ましい。ガラス成分の軟化点が５００℃以下であることで、例えば環境温度が高温になるに従いガラス成分が徐々に軟化し始め、銅成分の結合性を維持しながら第２中間層４２に柔軟性をもたらすことができる。ガラス成分の軟化点は、４５０℃以下が好ましく、４３０℃以下がより好ましく、４００℃以下が特に好ましい。しかしながら、ガラス成分の軟化点が低すぎると、ガラス成分中に結晶が析出して結晶化しやすくなったり、ヒートサイクルによる影響を受けやすくなったりするために好ましくない。かかる観点から、ガラス成分の軟化点は、２５０℃以上が好ましく、３００℃以上がより好ましく、３５０℃以上が特に好ましい。

以上のガラス成分は、酸化物に換算したときの組成（以下同じ。）で、ＢａＯ及びＺｎＯの少なくとも一方を主ガラス成分として含んでいることが好ましい。
ＢａＯは、アルカリ土類金属からなる網目修飾酸化物であり、適量の網目形成酸化物の存在のもと、ガラスの形成に寄与し得る。ここに開示されるガラス成分においてＢａＯは、ガラスの軟化点を低下させることに大きく貢献している。また、ＢａＯは、ガラス成分の軟化・溶融時の粘性を好適に下げ、例えば銅板における銅からなる組織の隅々にまでガラス成分を行き渡らせる効果があることも好ましい。なお、ＢａＯは、ケイ素（Ｓｉ）を主成分とするガラスにおいては熱膨張係数を増大する成分であると知られている。しかしながら、ここに開示されるガラス成分においては、かかるＢａＯを主成分とすることで、ガラスの熱膨張係数を大幅に増大させることができ、第２中間層の熱膨張係数を銅板の熱膨張係数に好適に合わせることができる点において特徴的な構成であり得る。

ＺｎＯは、他の元素とともにガラス化する中間酸化物である。ここに開示されるガラス成分においてＺｎＯは、ガラスの軟化点を低下させることに大きく寄与している。また、ＺｎＯはガラスの安定性を高めてガラス化範囲を広げ、例えば約２５０℃以上の高温までに至る温度変化に晒された場合でも、ガラス成分の結晶化（失透）を抑制する効果を有している。

ガラス成分が上記のＢａＯおよび／またはＺｎＯを主ガラス成分として含むことで、このガラス層の軟化点を十分に低減することができる。ＢａＯとＺｎＯとは、いずれか一方のみを含んでいてもよいし、両方を含んでいてもよい。特に限定されるものではないが、ガラス成分は少なくともＢａＯを含んでいることが好ましく、また、ＢａＯとＺｎＯの両方を含むときはＺｎＯよりもＢａＯを多く含むことが好ましい。なお、ＢａＯとＺｎＯとの合計は、ガラス成分の酸化物換算組成において、上記のとおり５０ｍｏｌ％とすることができる。特に限定されるものではないが、ＢａＯとＺｎＯとの合計は、６０ｍｏｌ％以上が好ましく、６５ｍｏｌ％以上がより好ましく、７０ｍｏｌ％以上が特に好ましい。ＢａＯとＺｎＯとの合計量の上限は、ガラス成分がガラスを形成し得る組成であれば特に制限されないが、おおよその目安として９５ｍｏｌ％以下とすることができ、９０ｍｏｌ％以下であってよく、例えば８５ｍｏｌ％以下とすることができる。
なお、ガラス組成に関し、「主ガラス成分」とは、酸化物換算組成において当該ガラス成分を構成するガラス構成成分のうち、最も割合（含有量）が高い成分のことを言う。主成分は、典型的には５０ｍｏｌ％以上、好ましくは６０ｍｏｌ％以上、例えば７０ｍｏｌ％以上の割合で含まれている物質を意味する。

軟化点の低いガラス成分を実現するために、ＢａＯおよびＺｎＯ以外のガラス成分を構成する成分としては、以下のものを考慮することができる。
ガラス成分は、網目形成酸化物としてＳｉＯ_２，Ｂ_２Ｏ_３，Ｐ_２Ｏ_５，ＧｅＯ_２，Ａｓ_２Ｏ_３などの成分を含むことができる。これらの成分は、ガラス形成に寄与するのみならず、ＢａＯおよびＺｎＯによる化学的安定性と耐水性の低下の影響を補い得る点でも好ましい。網目形成酸化物は、いずれか１種であってもよいし、２種以上であってもよい。しかしながら、系の安定性の観点からは、網目形成酸化物はいずれか１種であることが好ましい。例えば、化学的安定性等に優れるとの観点から、網目形成酸化物はＳｉＯ_２であることが好ましい。網目形成酸化物は、ガラス成分中に含まれる量が、３ｍｏｌ％以上が好ましく、５ｍｏｌ％以上がより好ましく、７ｍｏｌ％以上が特に好ましい。過剰な網目形成酸化物の含有は融点の低下を妨げるため、網目形成酸化物は３０ｍｏｌ％以下が好ましく、２５ｍｏｌ％以下がより好ましく、２０ｍｏｌ％以下が特に好ましい。とくに、網目形成酸化物はＳｉＯ_２である場合は、過剰なＳｉＯ_２の含有はガラス成分を硬質にして熱応力緩和能を低減させるために好ましくない。かかる観点から、ＳｉＯ_２は３０ｍｏｌ％以下が好ましく、２０ｍｏｌ％以下がより好ましく、１５ｍｏｌ％以下が特に好ましい。

Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２ＯおよびＬｉ_２Ｏはアルカリ金属酸化物からなる網目修飾酸化物である。ここに開示されるガラス成分において、これらのアルカリ金属酸化物は、３次元ガラス網目中に侵入し、ガラスの融点および軟化点を低下させる機能を有し、ガラスの流動性を高める効果を有する。そのため、ガラス成分をより低温から軟化させ、放冷性銅板について柔軟性を付与するのに貢献し得る。また、銅成分とガラス成分との接着性を高めたり、ガラス成分の絶縁性を低下させたりする効果もある。これらのアルカリ金属酸化物は、ガラス成分中に含まれる量が、２ｍｏｌ％以上が好ましく、２．５ｍｏｌ％以上がより好ましく、３ｍｏｌ％以上が特に好ましい。過剰なアルカリ金属酸化物の含有はガラス成分の化学的耐久性や、熱膨張係数の増大につながるため、アルカリ金属酸化物は２０ｍｏｌ％以下が好ましく、１５ｍｏｌ％以下がより好ましく、１３ｍｏｌ％以下が特に好ましい。

Ａｇ_２Ｏは、ガラスの融点および軟化点を低下させる機能を有する。Ａｇ_２Ｏは、上記のアルカリ金属酸化物のように接着性を高める効果はさほどないが、アルカリ金属酸化物よりも少ない量でガラスの軟化点および融点を低下させたり、ガラス成分の絶縁性を低下させたりする効果が得られるために好ましい。Ａｇ_２Ｏの含有量は、０．１ｍｏｌ％以上が好ましく、０．５ｍｏｌ％以上がより好ましく、１ｍｏｌ％以上が特に好ましい。過剰なＡｇ_２Ｏの含有は熱膨張係数の増大につながるため、Ａｇ_２Ｏは１０ｍｏｌ％以下が好ましく、５ｍｏｌ％以下がより好ましく、３ｍｏｌ％以下が特に好ましい。

Ａｌ_２Ｏ_３は、単独ではガラス化しないが、他の元素とともにガラス化する中間酸化物である。Ａｌ_２Ｏ_３は、Ｓｉの酸素多面体と頂点の酸素を共有することでガラスネットワークを形成し、アルミノケイ酸塩ガラス等を構成することが知られている。ここに開示される技術においては、例えばＳｉＯ_２等の網目形成酸化物とともに安定したガラスネットワークを形成し得る成分として、Ａｌ_２Ｏ_３を好ましく含むことができる。Ａｌ_２Ｏ_３の含有量は０．１ｍｏｌ％以上であるのが好ましく、０．２ｍｏｌ％以上であるのがより好ましく、０．５ｍｏｌ％以上であるのが特に好ましい。また、かかるガラス系において、Ａｌ_２Ｏ_３は含有量が５ｍｏｌ％を超過するとガラスの軟化性を低下させ得るために好ましくない。Ａｌ_２Ｏ_３の含有量は４．５ｍｏｌ％以下であるのが好ましく、４ｍｏｌ％以下であるのがより好ましい。

なお、ガラス成分は、ここに開示される技術の目的を損なわない範囲において、上記に例示した以外の種々のガラス構成成分や添加成分を含むことができる。例えば、Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｒｂ，Ｓｎ，Ｔｉ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｃｓ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｎｉ，Ｓ，Ｃｕ，Ｓｒ，Ｓｅ，Ｍｏ，Ｙ，Ｌａ，Ｎｄ，Ｐｒ，Ｇｄ，Ｓｍ，Ｄｙ，Ｅｕ，Ｈｏ，Ｙｂ，Ｌｕ，Ｔａ，Ｖ，Ｆｅ，Ｈｆ，Ｃｒ，Ｃｄ，Ｓｂ，Ｆ，Ｉ，Ｍｎ，Ｐｂ，Ｂｉ，Ｗ，Ｔｅ，ＣｅおよびＮｂからなる群から選択された１種の元素を単独でまたは２種以上の元素を組み合わせて含まれていてもよい。ただし、不要な元素の含有はガラス成分の安定性を損ね得る。したがって、ここに開示される技術において、上記のＢａＯ，ＺｎＯ，ＳｉＯ_２，Ｎａ_２Ｏ，Ｋ_２Ｏ，Ｌｉ_２Ｏ，Ａｇ_２Ｏ，Ａｌ_２Ｏ_３以外の成分は、合計で５ｍｏｌ％以下、好ましくは４ｍｏｌ％以下、より好ましくは３ｍｏｌ％以下、特に好ましくは２ｍｏｌ％以下、例えば１ｍｏｌ％以下とすることができる。あるいは、不可避的に混入する成分を除き、実質的に０ｍｏｌ％としてもよい。

以上のガラス成分としては、必ずしもこれに限定されるものではないが、例えば、具体的に、以下に示す組成を好ましい例として挙げることができる。
（ＢａＯ＋ＺｎＯ）：６０ｍｏｌ％以上９５ｍｏｌ％以下、
ＳｉＯ_２：１ｍｏｌ％以上２０ｍｏｌ％以下、
Ａｇ_２Ｏ：０．５ｍｏｌ％以上５ｍｏｌ％以下、
Ｒ_２Ｏ：１ｍｏｌ％以上３０ｍｏｌ％以下、および
Ａｌ_２Ｏ_３：０ｍｏｌ％以上５ｍｏｌ％以下

なお、上記（ＢａＯ＋ＺｎＯ）は、ＢａＯとＺｎＯとの合計を意味している。また、Ｒは、元素周期律表における１Ａ族から選択される１種以上の元素であってよく、例えば、具体的には、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）であってよい。そしてＲ_２Ｏは、これら１Ａ族元素の酸化物の合計を意味している。また、ＳｉＯ_２は、その一部をＢ_２Ｏ_３，Ｐ_２Ｏ_５，ＧｅＯ_２，Ａｓ_２Ｏ_３に置換することができる。

第２中間層４２において、主成分としての銅を含む限り、銅とガラス成分との割合は特に制限されない。ガラス成分が少量でも含まれることで、この第２中間層４２をセラミック基板２に接合して環境温度の変化が生じた場合などに、セラミック基板２と銅板６との間に発生する熱応力を緩和することができる。かかる効果を明瞭なものとするためには、例えば、銅とガラス成分との合計を１００質量％としたとき、ガラス成分は１０質量％以上であるのが好ましく、１２質量％以上であるのがより好ましく、１５質量％以上であるのが特に好ましい。また、過剰なガラス成分の含有は第２中間層４２の熱伝導性の低下につながるために好ましくない。かかる観点から、ガラス成分の割合は、３０質量％以下が好ましく、２５質量％以下がより好ましく、２０質量％以下が特に好ましい。

また、このガラス成分は、第２中間層４２の主成分である銅に比べて相対的に熱膨張係数が小さいことから、このガラス成分の存在により第２中間層４２全体の熱膨張係数も低減され得る。ここで、第２中間層４２の熱膨張係数は、厳密に制限されるものではないが、おおよその目安として１４×１０^－６／Ｋ以下であることが好ましく、１２×１０^－６／Ｋ以下がより好ましく、１０×１０^－６／Ｋ以下が特に好ましい。第２中間層４２の熱膨張係数の下限は特に制限されないが、例えば、おおよその目安として６×１０^－６／Ｋ以上とすることができる。

なお、第２中間層４２において銅（銅部分）とガラス成分（ガラス成分部分）とは、第２中間層４２の全体に亘って概ね均質に分散していることが好ましい。例えば、第２中間層４２の組織は、銅とガラス成分とからなる複合体であることが好ましい。例えば、銅は、第２中間層４２中に銅粒子として、あるいは、複数の銅粒子が焼結一体化されたものとして存在していることが好ましい。例えば、第２中間層４２は、ガラス成分からなるマトリックス中に粒子状の銅が分散されていることで、複合体構造を有していてもよい。あるいは、第２中間層４２は、複数の粒子が３次元的に結合した多孔質形状（スポンジ形状）の細孔部分をガラス成分が占めている形態の複合体構造を有していても良い。なお、ガラス成分は、常温状態では銅成分や、第１中間層４１および第３中間層４３に密に接触した状態でガラス成分を形成（ガラス化）し得る。これにより、例えば、中間層における相対密度を高める（例えば９５％以上）ことができる。なお、ここでいう相対密度は、空隙率の補数である。

かかる第２中間層４２は、その厚みが厚いほど、ＣＴＥの小さなセラミック基板２とＣＴＥの大きい銅板６との間に発生する熱応力を十分に緩和することができる。かかる観点から、第２中間層４２は平均厚みが１μｍ以上とすることが適切であり、５μｍ以上が好ましく、１０μｍ以上がより好ましく、例えば５０μｍ以上であるとよい。一方で、第２中間層４２の厚みが厚すぎると、中間層４の熱伝導性が劣り、放熱性基板１全体の放熱性が損なわれるために好ましくない。かかる観点から、第２中間層４２は１０００μｍ以下であることが適当であり、８００μｍ以下が好ましく、６００μｍ以下がより好ましく、５００μｍ以下が特に好ましい。これにより、放熱性基板１全体の放熱性の過剰な低下を抑制することができる。

なお、第１中間層は、例えば、要求される放熱性を実現し得るように、基板の広い領域にベタ塗りされていることが好ましい。第１中間層は、例えば、厚みに比べて十分に大きい寸法（例えば、厚みの１００倍～１０×１０^６倍）で基板の広い領域に設けられることが好ましい。第２中間層および第３中間層については、その形態は特に限定されない。第２中間層は、ベタ塗りされていてもよいし、ベタ塗りされていなくてもよい。そして第３中間層は、例えば、所望の導電性を実現しうるように、任意のパターンに形成されているとよい。そのようなパターンの一例としては、例えば、縞状、波縞状、格子状などが挙げられる。第３中間層をライン状のパターンとする場合（図２参照）、その太さは、例えば０．１μｍ以上１０μｍ以下（好ましくは、０．２μｍ以上５μｍ以下、例えば、０．３μｍ以上３μｍ以下）程度とすることが例示される。例えば、第３中間層のみ、あるいは、第２中間層および第３中間層を、任意のパターンで形成するようにしてもよい。

以上のような放熱性基板１は、必ずしもこれに限定されるものではないが、例えば、以下の工程（１）～（５）を実施することにより好適に製造することができる。
（１）セラミック基板２上に、銅を主体とし、ガラス成分を含まない第１中間層４１を設ける工程
（２）第１中間層上に、銅粉末とガラス粉末と分散媒とを含む銅ペーストを供給して銅ペースト層を形成する工程
（３）銅ペースト層上に、銀粉末と分散媒とを含む銀ペーストを供給して銀ペースト層を設ける工程
（４）銀ペースト層上に銅板を配置して未焼成積層体を用意する工程
（５）未焼成積層体を５００℃以上７００℃以下の温度範囲で焼成して放熱性基板を得る工程

１．第１中間層の形成
まず、上記に説明したセラミックからなセラミック基板２を用意する。かかる基板は、例えば、市販されているものを購入しても良いし、製造して用意しても良い。基板２を製造する場合は、その製法等は制限されない。例えば、所望の組成のセラミック粉末、焼成助剤および溶剤等を所定の割合で配合し、ボールミル等で粉砕および混合して、基板形成用のスラリーを調製する。そしてこのスラリーを、例えば、キャリアシート上に層状に供給し、適宜乾燥させた後、電気炉等にて所定の温度で脱脂および焼成することで、セラミック粉末の焼結体としてのセラミック基板２を得ることができる。基板２は、焼成の前、もしくは焼成後に、所定の大きさに切断して用いることができる。

そして用意したセラミック基板２に第１中間層４１を設ける。第１中間層４１の構築の手段は特に制限されず、例えば塗布法、めっき法、貼り付け法等により第１中間層４１を形成することができる。例えば、塗布により第１中間層４１を構築する場合においては、例えば、銅または銅合金を固形分として含み、これを分散媒中に分散させた第１中間層形成用ペーストを用意し、この第１中間層形成用ペーストをセラミック基板２の表面に塗布（供給）して、第１中間層４１の前駆層を構築するようにしてもよい。この前駆層は、次工程で銅ペーストを供給する前に乾燥ないしは焼成してもよいし、後述の焼成工程において他のペースト層とともに焼成するようにしてもよい。

また、例えば、貼り付けにより第１中間層４１を構築する場合においては、所望の形態の箔（シート、板等を含む。）からなる第１中間層４１を用意し、これをセラミック基板２の上に載置する。必要に応じて、載置した箔をセラミック基板２に押圧して密着させるようにしてもよい。ここで、箔の厚みは、所望の第１中間層４１の厚みとすることができる。したがって、第１中間層４１はいわゆる箔状（板状、シート状を包含する。）のものであってもよい。これにより、簡便に第１中間層４１を構築することができる。

さらに、例えば、めっき法により第１中間層４１を構築する場合において、めっき法の具体的な手法については特に限定されず、湿式めっき法、乾式めっき法のいずれをも採用することができる。湿式めっき法としては、無電解めっき法、電気めっき法等が挙げられる。乾式めっき法としては、真空蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＰＶＤ法等が挙げられる。例えば、湿式めっき法を好ましく採用することができ、無電解めっき法がより好ましい。上記の各手法の具体的なめっき条件は、例えば、第１中間層４１の厚みが所望の範囲となるように、常法に基づいて適宜設定することができる。

ここに開示される製造方法の好ましい一態様として、無電解めっき法による銅めっきについて説明する。この方法ではまず、第１中間層４１を構成する銅または銅合金の組成に応じて、銅および必要に応じて他の金属元素を塩として含むめっき液を用意する。この銅めっき層は、実質的に（例えば、銅めっき層全体の９５質量％以上が）銅成分からなるのが好ましい。めっき液としては、例えば、市販の無電解銅めっき液（例えば、硫酸銅溶液等）を用いることができる。上記めっき液は、典型的には、銅の塩（ＣｕＳＯ_４など）の他に、還元剤（ＨＣＨＯなど），ｐＨ調整剤（ＮａＯＨなど），錯化剤（ＥＤＴＡやロッシェル塩など），促進剤，安定剤（ビピリジル、ポリエチレングリコールなど）の添加剤を含むことができる。そしてめっき液に、めっき対象であるセラミック基板２を浸漬させ、めっき液を撹拌して馴染ませる。良質な膜としての第１中間層４１を形成するためには、予め、セラミック基板２を塩化パラジウム等へ浸漬させる等して表面の活性化処理（コンディショニング、プレディップ、キャタライズ、活性化等の各種の前処理を包含する）を行っておくことが好ましい。無電解めっきにおけるめっき条件（めっき浴中におけるＣｕ濃度や温度、浸漬時間、ｐＨその他）は所望のめっき厚みが好適に実現されるよう、適宜設定すればよい。例えば、セラミック基板２を３０℃～９０℃程度に加温した所定濃度のめっき浴中に数分間～１時間程度浸漬させることが例示される。めっき処理の後は、適宜洗浄や乾燥を行うことにより、第１中間層４１が備えられたセラミック基板２を得ることができる。

２．銅ペースト層の形成
第１中間層４１（前駆層であってもよい）上に、銅粉末とガラス粉末と分散媒とを含む銅ペーストを供給して銅ペースト層を形成する。ここで、銅粉末およびガラス粉末の組成は、上述の第２中間層４２についての銅成分およびガラス成分と同じであるため繰り返しの説明は省略する。
銅粉末は、特に限定されないが、例えば、典型的には、平均粒子径が１０μｍ以下のものを用いることができ、７μｍ以下が好ましく、５μｍ以下がより好ましい。平均粒子径は、１μｍ以上が好適であり、１．５μｍ以上が好ましく、２μｍ以上が特に好ましい。
ガラス粉末は、好適には、平均粒子径が５μｍ以下のものを用いることができ、３μｍ以下が好ましく、２．５μｍ以下がより好ましい。ガラスフリットの平均粒子径は、０．５μｍ以上が好適であり、１μｍ以上が好ましく、１．５μｍ以上が特に好ましい。
本明細書における銅粉末およびガラス粉末の平均粒子径は、レーザ回折・散乱法に基づく粒度分布測定装置により測定される、体積基準の粒度分布における積算５０％粒径（Ｄ_５０）である。かかる平均粒子径は、レーザ回折・散乱式粒度分布測定装置（株式会社堀場製作所製、ＬＡ－９２０）を用いて測定した値を採用している。

次いで、上記で用意した銅粉末およびガラス粉末を、分散媒とともに混合することで銅ペーストを調製することができる。混合には、公知の各種の乳化機、分散機、混合機、混練機、撹拌機等を用いることができる。例えば、三本ロールミルを好ましく用いることができる。
分散媒としては、例えば、水、メチルアルコール、エチルアルコール、ブチルアルコール，プロピルアルコール等の低級アルキルアルコール類；アセトン、メチルエチルケトン等のアルキルケトン類；テトラヒドロフラン、ジオキサン、ジグライム等のエーテル類；エチレングリコール、ジエチレングリコール等のグリコールエーテル類；ジエチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、Ｎ－メチル－２－ピロリドン、ジメチルイミダゾリジノン等のアミド類；を好ましく用いることができる。これらは１種を単独で用いても良いし、２種以上を組み合わせて用いても良い。好ましくは、水と低級アルコールとの混合溶液である。

そして必ずしも必要ではないが、銅ペーストには有機バインダを加えてもよい。かかる有機バインダとしては、例えば、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、フェノール系樹脂、アルキド系樹脂、セルロース系高分子、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール等をベースとするものが挙げられる。ここに開示される技術においては、特にセルロース系高分子等からなるバインダを用いることが好ましい。かかるセルロース系高分子の好適例としては、セルロース又はその誘導体が挙げられる。具体的には、ヒドロキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、カルボキシエチルセルロース、カルボキシエチルメチルセルロース、セルロース、エチルセルロース、メチルセルロース、エチルヒドロキシエチルセルロース、及びこれらの塩が挙げられる。

そして上記の銅ペーストを、適切な手法を採用して第１中間層４１上に層状に供給することで、銅ペースト層を成形することができる。ここで銅ペーストの供給には、コンマコーター法、スリットリバース法、ダイコーター法、グラビア印刷法、ドクターブレード法、スプレー塗布法、スクリーン印刷法、メタルマスク印刷法等の各種の供給方法を採用することができる。銅ペーストは、後述の焼成により所望の厚さの第２中間層４２が得られるように、例えば繰り返し重ねて供給するようにしてもよい。これにより、例えば第１中間層４１の全面に、あるいは一部に任意のパターンで、銅ペースト層を形成することができる。

３．銀ペースト層の形成
上記で形成した銅ペースト層上に、銀粉末と分散媒とを含む銀ペーストを供給して銀ペースト層を形成する。ここで、銀粉末の組成は、上述の銀成分と同じであるため繰り返しの説明は省略する。
銀粉末は、特に限定されないが、例えば、典型的には、平均粒子径が１００ｎｍ以下のいわゆるナノ粉末を好適に用いることができる。かかるナノ粉末を用いることで、緻密な焼結膜としての第３中間層４３を得ることができる。銀粉末の平均粒子径は８０ｎｍ以下が好ましく、７０ｎｍ以下がより好ましく、６０ｎｍ以下が特に好ましい。一方で、銀粉末の平均粒子径が細かすぎると、銀粉末の焼結が進行し易く、ハンドリング性が落ちる点において好ましくない。かかる観点から、平均粒子径は１０ｎｍ以上のものが好ましく、１５ｎｍ以上がより好ましく、２０ｎｍ以上が特に好ましい。
本明細書における銅粉末およびガラス粉末の平均粒子径は、電子顕微鏡観察に基づく１００個以上の粒子の円相当径の算術平均値として規定される。

銀ペーストは、上記銀粉末を用いることで、上記の銅ペーストと同様にして調製することができる。また、銀ペースト層は、上記の銅ペースト層と同様にして、形成することができる。銀ペーストは、後述の焼成により所望の厚さの第３中間層４３が得られるように、例えば繰り返し重ねて供給するようにしてもよい。これにより、例えば銅ペースト層の全面に、あるいは一部に任意のパターンで、銀ペースト層を形成することができる。

４．未焼成積層体の用意
上記のように形成した銀ペースト層上に、銅板６を配置して未焼成積層体を用意する。銅板６についても上述したとおりであるので重ねての説明は省略する。なお、このように用意された銅ペースト層、銀ペースト層および未焼成積層体は、例えば、適時に乾燥（分散媒の除去）、必要に応じて脱バインダのための熱処理を行うようにしてもよい。分散媒の除去は、自然乾燥であってもよいし、送風乾燥、加熱乾燥、真空乾燥、凍結乾燥等の手段を利用してもよい。脱バインダのための熱処理は、使用するバインダにもよるが、例えば、約１２０℃以上２４０℃以下（典型的には１５０℃以上２００℃以下）とすることができる。

５．焼成
次いで、用意した未焼成積層体を５００℃以上７００℃以下の温度範囲で焼成する。これにより、ここに開示される放熱性基板を得ることができる。焼成雰囲気は、基板の種類や加熱温度等に応じて選択でき、大気雰囲気、空気雰囲気、酸化性雰囲気、不活性ガス雰囲気（窒素ガス、ヘリウムガス、アルゴンガス等）、還元性雰囲気あるいはこれらの混合雰囲気等から、適宜選択することができる。例えば大気雰囲気であってよい。
なお、本例では、銅ペースト層と銀ペースト層とを同時に焼成する例を示したが、これらの層は同時に焼成することに限定されない。例えば、銅ペースト層を形成したのち、銅ペースト層を焼成して第２中間層４２を形成し、その後、第２中間層４２の上に銀ペースト層を形成し、かかる銀ペースト層の上に銅板を載置して焼成することで第３中間層４３を形成するようにしてもよい。

なお、上記の銅ペーストおよび銀ペーストは、第２中間層４２および第３中間層４３をそれぞれ構成する材料以外の成分としては、必要に応じて用いるバインダおよび分散媒以外の成分を含む必要はない。しかしながら、本願の目的を逸脱しない範囲において、これらの材料の他に、種々の成分の含有が許容される。かかる成分としては、銅ペーストおよび／または銀ペーストの性状や供給性（例えば印刷性）を改善する目的で添加される添加剤や、焼成物としての第２中間層４２および第３中間層４３の特性を改善する目的で添加される添加剤等を考慮することができる。一例として、界面活性剤、分散剤、充填材（有機充填材、無機充填材）、粘度調整剤、消泡剤、可塑剤、安定剤、酸化防止剤、防腐剤等が挙げられる。これらの添加剤（化合物）は１種が単独で含まれていてもよく、２種以上が組み合わせて含まれていてもよい。しかしながら、第２中間層４２および第３中間層４３をそれぞれ構成する材料の焼成を阻害する成分や、これらを阻害するような量での添加剤の含有は好ましくない。かかる観点から、例えば、不適切な銀粉末の保護剤や、無機充填材の含有は好ましくない。また、添加剤を含む場合は、これらの成分の総含有量が、銀ペースト全体の約５質量％以下であるのが好ましく、３質量％以下がより好ましく、１質量％以下が特に好ましい。

上記のとおり、ここに開示される放熱性基板１は、例えば固定部材等を必要とせず、セラミック基板２と放熱のための銅板６とが安定して一体化されている。これにより、ユーザーが銅板６をセラミック基板２に現場で固定する必要が無く、簡便に放熱性基板１を利用することができる。

図３は、鉄道車輌の駆動力を制御するためのパワーモジュール１０の構成を説明する断面図である。ここに開示される放熱性基板１の上に、パワーデバイス３０が実装されている。具体的には、パワーデバイス３０は、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolor Transistor：絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ）である。パワーデバイス３０は、放熱性基板１に２個以上のものが搭載されている。放熱性基板１は、例えば、平板状の窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）からなるセラミック基板２を備えており、セラミック基板２の厚みは約２００μｍである。セラミック基板２の表面（図では上面）には銅箔が備えられており、エッチングにより回路パターン２２が形成されている。ここで銅箔はセラミック基板２に直接的に備えられており、この基板２はいわゆるＤＢＣ（Direct Bonded Copper）基板である。また、セラミック基板２の裏面（図では下面）には、中間層４を介して銅板６が接合されている。本例における銅板６の厚みは約１０００μｍである。また、回路パターン２２上には、パワーデバイス３０がはんだ３２により接合されている。また、銅板６には、熱伝導性のグリス３４を介して冷却器５０が連結されている。

このようなパワーモジュール１０は、例えば、常温（例えば－１０℃～３０℃程度の範囲）から３００℃程度の温度環境下において使用され得る。例えば、－４０℃～２５０℃という温度変化の激しい環境に晒されたとき、セラミック基板２と銅板６との間には、熱膨張係数差に基づく熱応力が発生し得る。しかしながら、中間層４は、セラミック基板２と銅板６とに強固に接着しながら、その内部に含むガラス成分の軟化点に近い２００℃以上の温度範囲において、徐々に軟化し得る。このことにより、セラミック基板２と銅板６との間に発生する熱応力は、かかるガラス成分に吸収されたり緩和されたりする。したがって、銅板６の厚みが十分に厚く反り変形等が生じない場合であっても、中間層４に含まれるガラス成分の存在により、セラミック基板２との間に発生する熱応力は緩和される。これにより、セラミック基板２からの銅板６の剥離や、セラミック基板２の破損が抑制される。また、パワーデバイス３０から発生する熱は、セラミック基板２から中間層４を通じて銅板６に伝わり、放熱性基板１の裏面側から効果的に放熱させることができる。延いては、サイクル放熱性に優れたパワーモジュール１０が提供される。換言すると、放熱性に優れるとともに、温度変化に対する信頼性の高いパワーモジュール１０が提供される。

（実施形態２）
図４は、風力または太陽光を利用した発電システムに用いたられるパワーモジュール１０の構成を説明する断面図である。このパワーモジュール１０は、蓋５４を備える端子ケース５２を備えている。パワーデバイス３０は、放熱性基板１のセラミック基板２上に搭載されている。パワーデバイス３０は、例えば、ＩＧＢＴである。パワーデバイス３０は、この断面図においては、１つの放熱性基板１に１個が搭載されている。セラミック基板２は、例えば、平板状の炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板であって、その厚みは約１００μｍである。セラミック基板２の表面には、銅箔が備えられており、エッチングにより回路パターン２２が形成されている。パワーデバイス３０は、アルミワイヤ３６により回路パターン２２に電気的に接続されている。また、セラミック基板２の裏面には、中間層４を介して銅板６が全面に接合されている。本例の銅板６の厚みは約１５００μｍである。銅板６は、セラミック基板２よりも広い面積を備えている。換言すると、銅板６の上に、中間層４を介してセラミック基板２が配設されている。

このパワーデバイス３０は、蓋５４を備える端子ケース５２に収められている。具体的には、パワーデバイス３０を搭載した放熱性基板１のうちの銅板６上に端子ケース５２が載置されて、放熱性基板１と端子ケース５２とは固定機能を有する固定部材５８により固定されている。固定部材５８としては、例えば、ビスやボルト、かしめ、リベット等の締結部材、フック、結合ピン等の嵌合部材等が例示される。
また、端子ケース５２および蓋５４には、それぞれ端子３８が備えられている。そしてそれぞれの端子３８は、基板２０上の回路パターン２２に電気的に接続されている。また、端子ケース５２の内部であって、パワーデバイス３０を収容した空間には、シリコーンゲル５６が充填されている。具体的には示さないが、制御に必要な電気・電子回路を端子ケース５２内に納めて一体化することができる。これにより、放熱性に優れたパワーモジュール１０が提供される。

以上のように、ここに開示される放熱性基板１は、パワーデバイスの放熱板付き絶縁性基板として好適に利用できる。つまり、この放熱性基板１は、パワーデバイス，パワーモジュールおよびインテリジェントパワーモジュール等におけるＴＩＭ（Thermal Interface Material）等として広く利用することができる。また、この放熱性基板１は、発熱量が大きく、高負荷時の熱応力の高いパワーデバイスにおける基板の破損を防ぐために好適に用いることができる。したがって、高い信頼性が求められる、鉄道車両、自動車等の車両駆動用途、変電所の稼働用途のデバイスのＴＩＭとして好適に用いることができる。具体的には、例えば、電力制御の用途には、１２００Ｖ以上（例えば２０ｋＶ程度）の定格の素子のＴＩＭとして用いることができる。

以下、本発明に関するいくつかの実施例を説明するが、本発明をかかる具体例に示すものに限定することを意図したものではない。

（例１～１３）
市販の窒化ケイ素基板（東芝マテリアル（株）製、ＴＳＮ－９０プレーン、寸法：３．５ｃｍ×３．５ｃｍ×（厚み０．３２ｍｍ））の表面に、無電解めっき法により銅層を設けた。めっきには、奥野製薬工業（株）製の無電解銅めっき液を用い、めっき時間を調整することで、表１に示すとおり各例の銅層の厚みを約０．５μｍ～１０μｍの範囲で調整することで、第１中間層とした。

次いで、めっき形成された銅層上に、メタルマスク印刷により、銅ペーストを１０ｍｍ角の正方形が配列された島状パターンに印刷し、乾燥させた。銅ペーストは、平均粒子径が約１μｍの銅粉末と、軟化点が約４００℃のガラスフリットとを、質量比で９：１の割合で混合し、バインダとしてのエチルセルロース（ＥＣ）と溶剤としてのブチルジグリコールアセテート（ＢＤＧＡＣ）とを、固形分濃度が７５％となるように配合し、３本ロールミルで混練することで調製した。銅ペーストは、必要に応じて印刷および乾燥を繰り返し行うことで、表１に示すとおり約１００μｍ～５００μｍの厚みとなるように調整した。なお、銅ペーストの調製に用いたガラスフリットの組成を、下記の表２に示した。

印刷された銅パターン上に、上記と同様の版を用いたメタルマスク印刷により、銀ペーストを島状パターンに重ねて印刷した。銀ペーストは、平均粒子径が２０ｎｍ～６０ｎｍの銀ナノ粒子とＥＣとＢＤＧＡＣとを、固形分濃度が８０％となるように配合し、３本ロールミルで混練することで調製した。また、銀ペーストは、必要に応じて繰り返し印刷および乾燥を行うことで、表１に示すとおり約３μｍ～２０μｍの厚みとなるように調整した。

そして印刷された銀パターン上に、厚さが０．５ｍｍ～１．０ｍｍの銅板を表１に示す組み合わせで載せたのち、銀パターンに銅板を圧着させた。このようにして用意した積層体に対し、大気雰囲気中、２００℃～４００℃に加熱して脱脂処理を行った後、窒素雰囲気中、５００℃～７００℃で１時間の焼成を行った。これにより、窒化ケイ素基板、第１中間層（銅めっき層）、第２中間層（銅ペースト層）、第３中間層（銀層）および銅板の順に各層が積層一体化された例１～１３の放熱性基板を得た。

また、参考のために、市販の窒化ケイ素放熱性基板（東芝マテリアル（株）製、窒化ケイ素製活性金属銅回路（ＡＭＣ）基板、ＴＳＮ－９０、寸法：３．５ｃｍ×３．５ｃｍ×（厚み０．３２ｍｍ））を用意した。このＡＭＣ基板は、上記の窒化ケイ素基板（プレーン）の表面に、Ｎｉめっき層、銅層およびはんだ層を介して、厚さ０．８ｍｍの銅板が接合されたものである。

［放熱性基板のヒートサイクル耐性］
焼成後に得られた放熱性基板に対し、ヒートサイクル試験を実施した。ヒートサイクルは、凡そ－１０℃／分の速度で－４０℃にまで冷却した後、－４０℃で６０分間保持したのち、１０℃／分の速度で２５０℃にまで加熱し、２５０℃で６０分間保持することを１サイクルとし、このサイクルを１０００サイクル施すものとした。そしてヒートサイクル試験後の放熱性基板と絶縁性基板との間に、クラックや剥離が生じたかどうかを目視により観察した。その結果を表１の「ヒートサイクル耐性」の欄に示した。なお、当該欄における「○」は、ヒートサイクル試験後のペースト層および銀層を含む放熱性基板全体に剥離やクッラクが認められなかったことを示す。「×」は、ヒートサイクル試験後のペースト層および銀層に剥離またはクッラクが認められたことを示す。

［接合強度］
ヒートサイクル試験後の放熱性基板について、絶縁性基板と銅板との接合性を評価した。接合性は、接合強度試験機（デイジ・ジャパン（株）製、万能型ボンドテスター４０００）を用い、ダイシェア方式にて絶縁性基板と銅板とを剥離することにより評価した。すなわち、放熱性基板の絶縁性基板部分を試験機に固定し、銅板に対してシェアツールによって接合面に水平な方向にせん断力を加え、室温にて接合部が剥離または破断したときのせん断力を測定した。かかる試験は、米国ＭＩＬ－ＳＴＤ－８８３集積回路試験方法Ｍｔｄ．２００４．７に準じて実施した。その結果を、表１の「接合強度」の欄に示した。

［熱膨張係数の測定］
上記で用意した各例のガラスフリット、銅ペーストの焼結体、銀ペーストの焼結体、窒化ケイ素基板、および、銅板の熱膨張係数を調べ、下記の表１に記載した。なお、銅ペーストおよび銀ペーストの焼結体は、各ペーストをバルク状に焼結させた焼結体から、ダイヤモンドカッターにより４ｍｍ×４ｍｍ×２０ｍｍの角柱を切り出して試験片とし、熱膨張係数を測定した。その他の材料についても、４ｍｍ×４ｍｍ×２０ｍｍの角柱を切り出して熱膨張係数測定用の試験片とした。各試料の熱膨張係数は、熱機械分析装置（株式会社リガク製、ＴＭＡ８３１０）を用い、大気中、昇温速度を１０℃／分とし、室温（２５℃）～５００℃の温度範囲における試験片の長さを、示差膨張方式にて測定した結果から、平均線膨張率を算出することで求めた。かかる熱膨張係数の測定は、ＪＩＳＺ２２８５：２００３に規定される金属材料の線膨張係数の測定方法に準じて実施した。その結果を表１の「ＣＴＥ」の欄に示した。

（評価）
絶縁性基板として用いた窒化ケイ素基板の室温（２５℃）から５００℃の熱膨張係数はおおよそ２．６×１０^－６／Ｋである。また、ヒートシンクとして用いた銅板の熱膨張係数は１６．５×１０^－６／Ｋである。これらの板状体の熱膨張係数の差は、約１４×１０^－６／Ｋである。
例１～３，５の比較から、銅ペーストを用いて形成した第２中間層を備えない例３の放熱性基板は、ヒートサイクル試験により銅板と絶縁性基板との剥離が確認された。すなわち、中間層としては、第１中間層および第３中間層のみでは十分ではなく、さらに第２中間層を備えることにより、５℃から５００℃までの温度範囲におけるヒートサイクルに耐え得る構成が実現できることがわかった。

また、例１に示されるように、銀ペーストを用いて形成した第３中間層の厚みが十分でない例１の放熱性基板は、第２中間層と銅板との間の接合性が十分に確保できず、２５℃から５００℃までの温度範囲におけるヒートサイクルにより基板が剥離してしまうことがわかった。第３中間層の厚みは凡そ３μｍ以上であるとよいことがわかった。また、例４に示されるように、第３中間層の厚みが３μｍ以上、例えば５μｍであると、銅板の厚みが０．８ｍｍであっても接合強度およびヒートサイクル特性を両立させた接合構造が実現されることがわかった。

なお、例５～７の比較から、第３中間層の厚みは、例えば３０μｍ程度にまで厚くすることもできるが、接合強度やヒートサイクル特性がやや低下する傾向があることがわかった。第３中間層の厚みは、過剰に厚くしても接合強度やヒートサイクル特性が改善されるわけではなく、例えば３０μｍ以下程度、好ましくは２５μｍ以下程度でも十分であることがわかった。
以上のことから、接合性を高める銅めっき層（第１中間層）と、導電性の良好な銀層（第３中間層）のみでは、たとえ銀層の厚みが０．８μｍと十分厚くても、厚みが０．５ｍｍの銅板を温度変化の激しい環境で接合するには十分でないことが確認できた。これに対し、銅ペースト層（第２中間層）を備えることで、銀層の厚みを例えば３μｍと薄くしても厚みが０．５ｍｍの銅板を好適に接合できることがわかった。

また、例８、９から、銅めっき層（第１中間層）の厚みは０．５μｍと薄くても十分な接合強度が得られることが確認できた。ただし、例１０、１２の比較からわかるように、厚みが１．０ｍｍと厚めの銅板の接合に際しては、銀層（第３中間層）の厚みが３０μｍ以上となると接合強度およびヒートサイクル性が共に顕著に低下してしまうことが確認された。これに対し、例１１、１２に示されるように、銀層（第３中間層）の厚みを例えば１０μｍに抑えた場合は、銅ペースト層（第２中間層）の厚みを３００μｍ以上、例えば５００μｍ以上とすることで、厚みが１．０ｍｍの銅板を接合した場合であっても十分なヒートサイクル特性を備え得ることが確認された。

なお、上記のとおり、銅ペースト層の存在により放熱性基板のヒートサイクル特性が十分に高められることが確認できた。この銅ペースト層には、ＢａＯまたはＺｎＯを主成分（例えば合計で８０モル％以上）とするガラスフリットが配合されている。このガラスフリットに由来するガラス成分が銅ペースト中のＣｕ粒子を互いに接合するとともに、銅層（第１中間層）および銀層（第３中間層）との強固な接合を実現していると考えらえる。さらに、このガラスフリットは、その軟化点近くで軟化を始め、銅板中の銅の膨張収縮を十分に緩和するように変形し得る。その結果、２５℃から５００℃の温度範囲における熱サイクルを施した場合であっても、銅板と絶縁性基板との熱応力は好適に緩和され、絶縁性基板の剥離や割れが抑制されることがわかった。

以上、本発明を詳細に説明したが、上記実施形態は例示にすぎず、ここで開示される発明には上述の具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

１放熱性基板
２セラミック基板
４中間層
４１第１中間層
４２第２中間層
４３第３中間層
６銅板
１０パワーモジュール
３０パワーデバイス

Claims

セラミック基板と、銅板と、前記セラミック基板および前記銅板を一体的に接合する中間層と、を備え、
前記中間層は、前記セラミック基板に接する側から、
銅を主成分とし、ガラス成分を含まない第１中間層と、
銅を主成分とし、ガラス成分を含む第２中間層と、
銀を主成分とした第３中間層と、
を含む積層構造を備える、放熱性基板。
前記銅板の厚みは５００μｍ以上である、請求項１に記載の放熱性基板。
前記第１中間層の厚みは０．５μｍ以上１０μｍ以下である、請求項１または２に記載の放熱性基板。
前記第２中間層の厚みは５０μｍ以上５００μｍ以下である、請求項１～３のいずれか１項に記載の放熱性基板。
前記第２中間層は、２５℃～５００℃における熱膨張係数が１１×１０^－６／Ｋ以上１４×１０^－６／Ｋ以下である、請求項１～４のいずれか１項に記載の放熱性基板。
前記第３中間層は、厚みが３μｍ以上２５μｍ以下である、請求項１～５のいずれか１項に記載の放熱性基板。
前記第３中間層は、平均粒子径が２０ｎｍ以上６０ｎｍ以下の銀ナノ粒子が焼結してなる焼結層である、請求項１～６のいずれか１項に記載の放熱性基板。
前記ガラス成分は、軟化点が２５０℃以上４５０℃以下となるよう構成されている、請求項１～７のいずれか１項に記載の放熱性基板。
前記セラミック基板は、炭化ケイ素，窒化ケイ素および窒化アルミニウムからなる群から選択される少なくとも１種のセラミックを主体とする、請求項１～８のいずれか１項に記載の放熱性基板。
セラミック基板上に、銅を主体とし、ガラス成分を含まない第１中間層を設けること、前記第１中間層上に、銅粉末とガラス粉末と分散媒とを含む銅ペーストを供給して銅ペースト層を形成すること、
前記銅ペースト層上に、銀粉末と分散媒とを含む銀ペーストを供給して銀ペースト層を
設けること、
前記銀ペースト層上に銅板を配置して未焼成積層体を用意すること、および、
前記未焼成積層体を５００℃以上７００℃以下の温度範囲で焼成して放熱性基板を得る
こと、
を含む、放熱性基板の製造方法。