積層体および積層体の製造方法
【課題】コールドスプレー法を用いてセラミックス基材に金属皮膜を形成させた場合に、セラミックスと金属皮膜との間の密着強度が高い積層体およびこの積層体の製造方法を提供すること。
【解決手段】絶縁性のセラミックス基材１０と、金属を含む主成分金属層５１、および金属または金属の酸化物もしくは水素化物からなる活性成分層５２を有し、セラミックス基材１０の表面に形成される中間層５０と、中間層５０の表面に、金属を含む粉体をガスと共に加速し、前記表面に固相状態のままで吹き付けて堆積させることによって形成された金属皮膜４０と、を備えた。
【解決手段】絶縁性のセラミックス基材１０と、金属を含む主成分金属層５１、および金属または金属の酸化物もしくは水素化物からなる活性成分層５２を有し、セラミックス基材１０の表面に形成される中間層５０と、中間層５０の表面に、金属を含む粉体をガスと共に加速し、前記表面に固相状態のままで吹き付けて堆積させることによって形成された金属皮膜４０と、を備えた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気回路基板間等に用いられる積層体およびこの積層体の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、産業用、自動車用などの電力制御からモータ制御まで、幅広い分野に使用される省エネルギー化のキーデバイスとして、パワーモジュールが挙げられる。パワーモジュールは、基材である絶縁基板を介して冷却用または加熱用の熱媒体の移動経路を形成した温度調節部（冷却部又は加熱部）を有する。温度調節部には、例えば、絶縁基板であるセラミックス基材の表面に金属皮膜が形成された積層体が用いられる。この温度調節装置を用いることで、絶縁基板の温度調節部が形成されていない側の面に積層されたチップ（トランジスタ）から発生した熱を金属皮膜に移動させて外部に発散させることによって、パワーモジュールの冷却を行うことができる。なお、絶縁基板とチップとの間には、金属皮膜による回路パターンが形成されており、この部分においてもセラミックス基材の表面に金属皮膜が形成された積層体が用いられている。
【０００３】
ところで、上述した積層体において、セラミックス基材と金属皮膜との間には、高い密着強度が求められている。セラミックス基材の表面に金属皮膜を形成させる方法として、溶射法やコールドスプレー法が挙げられる。溶射法は、基材に対して溶融またはそれに近い状態に加熱された溶射材を吹き付けることによって皮膜を形成させる方法である。
【０００４】
一方、コールドスプレー法は、皮膜となる材料の粉末を、融点または軟化点以下の状態の不活性ガスとともに先細末広（ラバル）ノズルから噴射して、皮膜となる材料を固相状態のまま基材に衝突させることによって基材の表面に皮膜を形成させる方法である（例えば、特許文献１参照）。コールドスプレー法は、溶射法と比して、温度が低いため熱応力の影響が緩和されるため、相変態がなく酸化も抑制された金属皮膜を得ることができる。特に、基材と皮膜となる材料がともに金属である場合、基材に皮膜となる粉末が衝突することで、粉末と基材との間に塑性変形が生じ、アンカー効果を得ることができる。また、塑性変形が生じる領域では、基材に粉末が衝突した際に、互いの酸化皮膜が破壊され、新生面同士による金属結合が生じ、高い密着強度の積層体が得られるという効果も期待されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第５３０２４１４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１が開示するコールドスプレー法では、基材がセラミックスであり、皮膜となる粉末が金属である場合、塑性変形が金属側のみで生じ、セラミックスと金属との間の十分なアンカー効果が得られず、セラミックスと金属皮膜との間の密着強度が弱い積層体が形成されるという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、コールドスプレー法を用いてセラミックス基材に金属皮膜を形成させた積層体を作製する場合に、セラミックスと金属皮膜との間の密着強度が高い積層体およびこの積層体の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる積層体は、絶縁性のセラミックス基材と、金属を含む主成分金属層、および金属または金属の酸化物もしくは水素化物からなる活性成分層を有し、前記セラミックス基材の表面に形成される中間層と、前記中間層の表面に、金属を含む粉体をガスと共に加速し、前記表面に固相状態のままで吹き付けて堆積させることによって形成された金属皮膜と、を備えたことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明にかかる積層体は、上記の発明において、前記中間層は、真空中で熱処理されることによって形成されることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明にかかる積層体は、上記の発明において、前記活性成分層は、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ゲルマニウムのいずれかの金属または金属の水素化物からなる群より選択される少なくとも１種類を含むことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明にかかる積層体は、上記の発明において、前記主成分金属層は、金、銀、銅、アルミニウム、ニッケルからなる群より選択される少なくとも１種類を含むことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明にかかる積層体は、上記の発明において、前記中間層は、大気中で熱処理されることによって形成されることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明にかかる積層体は、上記の発明において、前記活性成分層は、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ゲルマニウム、硼素、珪素、アルミニウム、クロム、インジウムまたは金属の酸化物もしくは水素化物からなる群より選択される少なくとも１種類を含むことを特徴とする。
【００１４】
また、本発明にかかる積層体は、上記の発明において、前記主成分金属層は、金または銀のうち少なくとも１種類を含むことを特徴とする。
【００１５】
また、本発明にかかる積層体の製造方法は、セラミックス基材の表面に金属皮膜が形成された積層体を製造する積層体の製造方法であって、前記セラミックス基材の表面に対して、金属または金属の酸化物もしくは水素化物を含むろう材を配設するろう材配設ステップと、前記ろう材配設ステップで前記ろう材が配設された前記セラミックス基材を熱処理することによって中間層を形成させる中間層形成ステップと、前記中間層形成ステップによって形成された前記中間層の表面に、金属を含む粉体をガスと共に加速し、前記表面に固相状態のままで吹き付けて堆積させることによって前記金属皮膜を形成させる金属皮膜形成ステップと、を含むことを特徴とする。
【００１６】
また、本発明にかかる積層体の製造方法は、上記の発明において、前記中間層形成ステップは、真空中で行うことを特徴とする。
【００１７】
また、本発明にかかる積層体の製造方法は、上記の発明において、前記中間層形成ステップは、大気中で行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明にかかる積層体および積層体の製造方法は、セラミックス基材と金属皮膜との間に、主成分金属層および活性成分層を含む中間層を形成させ、金属皮膜に対して主成分金属層を結合させ、セラミックス基材に対して活性成分層を結合させるようにしたので、コールドスプレー法を用いてセラミックス基材に金属皮膜を形成させた場合に、セラミックスと金属皮膜との間の密着強度が高い積層体を得ることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、本発明の実施の形態にかかるパワーモジュールの構成を示す模式図である。
【図２】図２は、図１に示すパワーモジュールの要部の構成を示す断面図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態にかかるパワーモジュールの要部の構成を模式的に示す断面図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態にかかるパワーモジュールの要部の構成を模式的に示す断面図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態にかかるパワーモジュールの製造に使用されるコールドスプレー装置の概要を示す模式図である。
【図６】図６は、コールドスプレー法を用いない従来のパワーモジュールの構成の一例を示す模式図である。
【図７】図７は、本発明の実施例１にかかる積層体の断面反射電子像を示す図である。
【図８】図８は、本発明の実施例１にかかる積層体の断面反射電子像を示す図である。
【図９】図９は、本発明の実施例１にかかる積層体の断面反射電子像を示す図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施例１にかかる積層体の断面反射電子像を示す図である。
【図１１】図１１は、本発明の実施例１にかかる積層体の断面反射電子像を示す図である。
【図１２】図１２は、図１１に示す断面反射電子像に対する断面元素分布分析結果を示す図である。
【図１３】図１３は、図１１に示す断面反射電子像に対する断面元素分布分析結果を示す図である。
【図１４】図１４は、図１１に示す断面反射電子像に対する断面元素分布分析結果を示す図である。
【図１５】図１５は、図１１に示す断面反射電子像に対する断面元素分布分析結果を示す図である。
【図１６】図１６は、図１１に示す断面反射電子像に対する断面元素分布分析結果を示す図である。
【図１７】図１７は、密着強度評価を行った評価装置の概略構成を示す模式図である。
【図１８】図１８は、本発明の実施例２にかかる積層体の断面反射電子像を示す図である。
【図１９】図１９は、本発明の実施例３にかかる積層体の断面反射電子像を示す図である。
【図２０】図２０は、本発明の実施例３にかかる積層体の断面反射電子像を示す図である。
【図２１】図２１は、図２０に示す断面反射電子像に対する断面元素分布分析結果を示す図である。
【図２２】図２２は、図２０に示す断面反射電子像に対する断面元素分布分析結果を示す図である。
【図２３】図２３は、図２０に示す断面反射電子像に対する断面元素分布分析結果を示す図である。
【図２４】図２４は、図２０に示す断面反射電子像に対する断面元素分布分析結果を示す図である。
【図２５】図２５は、図２０に示す断面反射電子像に対する断面元素分布分析結果を示す図である。
【図２６】図２６は、本発明の実施例４にかかる積層体の断面反射電子像を示す図である。
【図２７】図２７は、本発明の比較例１にかかる積層体の断面反射電子像を示す図である。
【図２８】図２８は、本発明の比較例２にかかる積層体の断面反射電子像を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、以下の説明において参照する各図は、本発明の内容を理解し得る程度に形状、大きさ、および位置関係を概略的に示してあるに過ぎない。すなわち、本発明は各図で例示された形状、大きさ、および位置関係のみに限定されるものではない。
【００２１】
まず、本発明の実施の形態にかかる積層体について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明では、積層体の例としてパワーモジュールを説明する。図１は、本発明の実施の形態にかかるパワーモジュールの構成を示す模式図である。図２は、図１に示すパワーモジュールの要部の構成を示す断面図である。
【００２２】
パワーモジュール１は、絶縁基板であるセラミックス基材１０と、セラミックス基材１０に積層された銅回路２０と、銅回路２０上に積層され、半田Ｃ１によって固定されているチップ３０と、アルミニウム等の金属皮膜からなり、セラミックス基材１０の銅回路２０とは異なる面に積層された冷却フィン４０とを有する。
【００２３】
セラミックス基材１０は、略板状をなし、絶縁性の部材からなる。絶縁性の部材として、例えば、アルミナ、マグネシア、ジルコニア、ステアタイト、フォルステライト、ムライト、チタニア、シリカ、サイアロン等の酸化物や、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素などが挙げられる。
【００２４】
銅回路２０は、セラミックス基材１０の面上において、銅を用いてパターニングすることによって積層されたチップ３０などに対して電気信号を伝達させるための回路パターンを形成する。
【００２５】
チップ３０は、ダイオード、トランジスタ、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等の半導体素子によって実現される。なお、チップ３０は、使用の目的に合わせてセラミックス基材１０上に複数個設けられる。
【００２６】
冷却フィン４０は、後述するコールドスプレー法によってセラミックス基材１０の表面に積層される金属皮膜である。この金属皮膜としては、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、銀、銀合金などが挙げられる。金属皮膜によって、チップ３０から発生した熱を、セラミックス基材１０を介して外部に放出する。
【００２７】
セラミックス基材１０と冷却フィン４０との間は、図２に示すような中間層５０が形成されている。中間層５０は、冷却フィン４０側に形成される主成分金属層５１と、セラミックス基材１０側に形成される活性成分層５２とを有する。
【００２８】
主成分金属層５１は、アルミニウム、ニッケル、銅、銀、金のいずれかを用いて形成される。主成分金属層５１は、活性成分層５２との接触面と異なる面で冷却フィン４０と金属結合して積層されている。
【００２９】
活性成分層５２は、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ゲルマニウム、硼素、珪素、アルミニウム、クロム、インジウム、バナジウム、モリブデン、タングステン、マンガンのいずれか、またはこれらの酸化物、水素化物を用いて形成される。活性成分層５２は、主成分金属層５１との接触面と異なる面でセラミックス基材１０と共有結合して積層されている。
【００３０】
つづいて、パワーモジュール１の中間層の形成について、図３〜５を参照して説明する。図３，４は、パワーモジュールにおける中間層の形成を模式的に示す断面図である。図５は、金属皮膜の形成に使用されるコールドスプレー装置の概要を示す模式図である。
【００３１】
まず、図３に示すように、セラミックス基材１０の一方の表面に対して、スクリーン印刷法によって中間層５０として用いられるろう材を塗布する。ここで、ろう材は、主成分金属層として用いられる金属または合金、および活性成分層として用いられる金属または金属の酸化物、水素化物等を含み、有機溶剤および有機バインダーが混合されたペースト状をなす。
【００３２】
中間層５０としてのろう材の塗布後、８００〜１０００℃の真空中または大気中で１時間保持する。１時間保持した後、中間層５０は、図４に示すように、主成分金属層５１と活性成分層５２とに分離した状態となる。
【００３３】
ここで、ろう材中の成分において、真空中で保持する主成分金属層および活性成分層は、主成分金属層に用いられる材料として金、銀、銅、アルミニウム、ニッケルが挙げられ、活性成分層に用いられる材料としてチタン、ジルコニウム、ハフニウム、ゲルマニウムのいずれかの金属またはこれらの水素化物が挙げられる。
【００３４】
また、大気中で保持する主成分金属層および活性成分層は、主成分金属層に用いられる材料として金、銀が挙げられ、活性成分層に用いられる材料としてチタン、ジルコニウム、ハフニウム、ゲルマニウム、硼素、珪素、アルミニウム、クロム、インジウム、バナジウム、モリブデン、タングステン、マンガンのいずれか、またはこれらの酸化物もしくは水素化物が挙げられる。
【００３５】
なお、大気中で保持する主成分金属層には、大気中で溶解しても酸化しない金属であれば適用可能である。また、大気中で保持する活性成分層には、珪素、カルシウム、チタン、ジルコニウムの窒化物、炭素化物および水素化物を用いることもできる。上述した主成分金属層および活性成分層の組み合わせであれば、いかなる組み合わせでも適用可能である。主成分金属層および活性成分層は、列挙した金属または酸化物もしくは水素化物のうち、少なくとも１つを含む。また、列挙した金属のいずれかを主成分とする合金を用いることも可能である。
【００３６】
その後、中間層５０が主成分金属層５１と活性成分層５２とに分離し、主成分金属層５１が外部に露出した状態で、主成分金属層５１の露出側の表面にコールドスプレー法を用いて金属皮膜を形成させる。コールドスプレー法による皮膜形成は、図５に示すコールドスプレー装置６０によって行われる。
【００３７】
コールドスプレー装置６０は、圧縮ガスを加熱するガス加熱器６１と、被溶射物に溶射する粉末材料を収容し、スプレーガン６４に供給する粉末供給装置６２と、スプレーガン６４で加熱された圧縮ガスと混合された材料粉末を基材に噴射するガスノズル６３とを備えている。
【００３８】
圧縮ガスとしては、ヘリウム、窒素、空気などが使用される。供給された圧縮ガスは、バルブ６５および６６により、ガス加熱器６１と粉末供給装置６２にそれぞれ供給される。ガス加熱器６１に供給された圧縮ガスは、例えば５０〜７００℃に加熱された後、スプレーガン６４に供給される。より好ましくは、セラミックス基材１０に積層された中間層５０の主成分金属層５１上に噴射される溶射材料粉末の上限温度を金属材料の融点以下に留めるように圧縮ガスを加熱する。粉末材料の加熱温度を金属材料の融点以下に留めることにより、金属材料の酸化を抑制できるためである。
【００３９】
粉末供給装置６２に供給された圧縮ガスは、粉末供給装置６２内の、例えば、粒径が１０〜１００μｍ程度の材料粉末をスプレーガン６４に所定の吐出量となるように供給する。加熱された圧縮ガスは先細末広形状をなすガスノズル６３により超音速流（約３４０ｍ／ｓ以上）にされる。スプレーガン６４に供給された粉末材料は、この圧縮ガスの超音速流の中への投入により加速され、固相状態のまま基材に高速で衝突して皮膜を形成する。なお、材料粉末を基材に固相状態で衝突させて皮膜を形成できる装置であれば、図５のコールドスプレー装置６０に限定されるものではない。
【００４０】
上述したコールドスプレー装置６０によって、図１，２に示すような金属皮膜（冷却フィン４０）が形成される。なお、使用するろう材は、有機溶剤および有機バインダーが混合されたペースト状をなすものとして説明したが、主成分金属層として用いられる金属または合金、および活性成分層として用いられる金属または金属の酸化物、水素化物等を含んでいれば、箔状をなすものであってもよい。
【００４１】
上述した実施の形態にかかる積層体によれば、従来のコールドスプレー法によって得られる積層体と比して、高い密着強度である積層体を得ることが可能である。これにより、膜厚の厚い金属皮膜を有する積層体を形成することが可能となる。また、使用するセラミックス基材においても中間層を形成させることで、酸化物、窒化物、炭化物を問わず使用できるため、使用するセラミックス基材の選択性を高めることが可能となる。
【００４２】
また、コールドスプレー法を用いない従来のパワーモジュールでは、セラミックス基材表面に金属皮膜を形成させる場合、セラミックス基材表面と金属皮膜との間に接合のための半田やサーマルコンパウンドを用いている。図６は、コールドスプレー法を用いない従来のパワーモジュールの構成の一例を示す模式図である。図６に示すように、パワーモジュール１００は、絶縁基板であるセラミックス基材１０に対してシール材等の接着層Ｃ１によって接着された銅回路２０と、銅回路２０上に積層され、半田Ｃ２によって固定されているチップ３０と、アルミニウム等の金属皮膜で形成され、セラミックス基材１０の銅回路２０とは異なる面にシール材等の接着層Ｃ３によって接着された銅箔８１と、半田Ｃ４と、銅基材８２およびサーマルコンパウンド８３を介してセラミックス基材１０に接合している冷却フィン４０とを有する。
【００４３】
これに対して、本発明にかかる積層体は、図６に示すような従来の積層体と比して、簡易な構成の薄層構造とすることが可能である。また、同等の厚みの積層体であっても、冷却フィン等の主要な構成部分が占める領域を大きくすることが可能となり、積層体の設計の幅を広くすることができる。
【００４４】
なお、金属皮膜は、チップから発生した熱を発散させる冷却フィンとして説明したが、金属皮膜を介してチップ等セラミックス基材に積層されたものを加熱するために設けられるものであってもよい。
【００４５】
また、上述した中間層は、セラミックス基材と冷却フィンとしての金属皮膜との間に設けられるものとして説明したが、セラミックス基材と銅回路との間に設けられるものであってよい。
【実施例】
【００４６】
ここで、表１を参照して本発明の実施例を説明する。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
【００４７】
【表１】
【００４８】
（実施例１）
実施例１では、中間層５０１として、主成分金属層５１１に銀−銅合金、活性成分層５２１に水素化チタンを用いて積層体を作製した。また、セラミックス基材１０１としてアルミナ、金属皮膜４０１としてアルミニウムを用いた。この積層体の断面反射電子像を図７〜１０に示す。図７の断面反射電子像は４０倍の電子像、図８の断面反射電子像は５００倍の電子像、図９，１０の断面反射電子像は２０００倍の電子像である。なお、中間層５０１の主成分金属層５１１および活性成分層５２１は、ろう材を塗布後、８００℃の真空中で１時間保持することによって形成した。
【００４９】
図７〜１０に示すように、中間層５０１とセラミックス基材１０１および金属皮膜４０１とは、剥離することなく接合状態が維持されている。また、図９，１０に示すように、中間層５０１は、金属皮膜４０１側に主成分金属層５１１が形成され、セラミックス基材１０１側に活性成分層５２１が形成されている。
【００５０】
さらに、本実施例１では、セラミックス基材１０１、金属皮膜４０１および中間層５０１に関して、それぞれに含有する元素分布を確認した。図１１は、元素分析を行った断面反射電子像（５００倍）を示す図である。また、図１２〜１６は、図１１に示す断面反射電子像に対する断面元素分布分析結果を示す図である。図１２〜１６に示す断面元素分布分析結果では、分析対象の元素の含有量が多くなるに従って赤く表示され、含有量が少なくなるに従って青く表示される。すなわち、含有量が多いほど、赤みがかった色を呈する。
【００５１】
図１２は、銀の含有量を示す断面元素分布分析結果である。銀は、主成分金属層５１１中の銀−銅合金として用いられており、中間層５０１が赤く表示されている。
【００５２】
図１３は、アルミニウムの含有量を示す断面元素分布分析結果である。アルミニウムは、金属皮膜４０１中で用いられるとともに、セラミックス基材１０１中のアルミナ（酸化アルミニウム）に含まれている。このため、図１３では、金属皮膜４０１が赤く表示され、セラミックス基材１０１が緑色で表示されている。
【００５３】
図１４は、銅の含有量を示す断面元素分布分析結果である。銅は、主成分金属層５１１中の銀−銅合金として用いられており、中間層５０１が黄色（部分的に赤色）で表示されている。
【００５４】
図１５は、チタンの含有量を示す断面元素分布分析結果である。チタンは、活性成分層５２１として用いられており、中間層５０１のセラミックス基材１０１側が赤く表示されている。
【００５５】
図１６は、酸素の含有量を示す断面元素分布分析結果である。酸素は、セラミックス基材１０１のアルミナ（酸化アルミニウム）中に含まれ、セラミックス基材１０１が赤く表示されている。
【００５６】
また、実施例１にかかる積層体に対して、密着強度評価を行った。図１７は、密着強度評価を行った評価装置の概略構成を示す模式図である。図１７に示す評価装置７０は、少なくともセラミックス基材１０および金属皮膜である冷却フィン４０からなる積層体（実施例１〜４、比較例１〜３）を載置する試料台７１と、積層体に対して図中下方に向けた力を加えるピン７２とを備える。
【００５７】
ピン７２は、アルミニウムによって形成され、エポキシ樹脂である接着剤Ｇを固化することで積層体に密着されている。なお、接着剤Ｇは、１５０℃で１時間保持することによって硬化させた。その後、ピン７２の先端部７２ａを積層体から離れる方向へ引っ張ることによって、セラミックス基材と金属皮膜との間の密着強度を評価した。密着強度評価の評価結果を表１に示す。
【００５８】
実施例１にかかる積層体において、６０ＭＰａの引張応力を加えた際に、接着剤Ｇが破断して、ピン７２が実施例１にかかる積層体から離脱した。本試験では、評価試験後に破断箇所を確認することによって接着剤Ｇが金属皮膜から剥がれていた場合、密着強度が６０ＭＰａ以上であるものとした。これにより、セラミックス基材と金属皮膜との間の密着強度が６０ＭＰａ以上であり、積層体として高い密着強度を有するという結果が得られた。
【００５９】
（実施例２）
実施例２では、中間層５０１として、主成分金属層５１１に銀−銅合金、活性成分層５２１に水素化チタンを用いて積層体を作製した。また、セラミックス基材１０１としてアルミナ、金属皮膜４０２として銅を用いた。この積層体の断面反射電子像（３００倍）を図１８に示す。なお、中間層５０１の主成分金属層５１１および活性成分層５２１は、ろう材を塗布後、８００℃の真空中で１時間保持することによって形成した。
【００６０】
図１８に示すように、中間層５０１とセラミックス基材１０１および金属皮膜４０２とは、剥離することなく接合状態が維持されている。金属皮膜がアルミニウムではなく銅であっても、接合状態を維持した積層体が得られた。
【００６１】
また、実施例２にかかる積層体においても、図１７に示す評価装置７０による密着強度評価を行った。上述した密着強度評価により、セラミックス基材と金属皮膜との間の密着強度が６０ＭＰａ以上であり、積層体として高い密着強度を有するという結果が得られた。
【００６２】
（実施例３）
実施例３では、中間層５０２として、主成分金属層に銀、活性成分層に２重量％のゲルマニウムを用い、１５重量％の硼素を添加して積層体を作製した。また、セラミックス基材１０１としてアルミナ、金属皮膜４０２として銅を用いた。この積層体の断面反射電子像（３００倍）を図１９に示す。なお、中間層５０２の主成分金属層および活性成分層は、ろう材を塗布後、８５０℃の大気中で１時間保持することによって形成した。
【００６３】
図１９に示すように、中間層５０２とセラミックス基材１０１および金属皮膜４０２とは、剥離することなく接合状態が維持されている。中間層５０２を大気中で形成させた場合であっても、接合状態を維持した積層体が得られた。
【００６４】
さらに、セラミックス基材１０１、金属皮膜４０２および中間層５０２に関して、それぞれに含有する元素分布を確認した。図２０は、元素分析を行った断面反射電子像（５００倍）を示す。また、図２１〜２５は、図２０に示す断面反射電子像に対する断面元素分布分析結果を示す図である。図２１〜２５に示す断面元素分布分析結果では、分析対象の元素の含有量が多くなるに従って赤く表示され、含有量が少なくなるに従って青く表示される。すなわち、含有量が多くなるに従って、青から赤みがかった色に変化する。
【００６５】
図２１は、銀の含有量を示す断面元素分布分析結果である。銀は、主成分金属層として用いられており、中間層５０２が赤く表示されている。
【００６６】
図２２は、アルミニウムの含有量を示す断面元素分布分析結果である。アルミニウムは、セラミックス基材１０１中のアルミナ（酸化アルミニウム）に含まれており、セラミックス基材１０１が緑色または黄色で表示されている。
【００６７】
図２３は、銅の含有量を示す断面元素分布分析結果である。銅は、金属皮膜４０２として用いられており、金属皮膜４０２が赤色で表示されている。
【００６８】
図２４は、ゲルマニウムの含有量を示す断面元素分布分析結果である。ゲルマニウムは、活性成分層として用いられており、中間層５０２のセラミックス基材１０１側が緑色で表示されている。なお、本実施例３の中間層５０２において、活性成分層には、添加された硼素も含まれていることが考えられる。
【００６９】
図２５は、酸素の含有量を示す断面元素分布分析結果である。酸素は、セラミックス基材１０１のアルミナ（酸化アルミニウム）中に含まれ、セラミックス基材１０１が赤く表示されている。また、本実施例３は、中間層５０２を大気中で形成させたため、中間層５０２中の酸化した金属部分が緑色で表示されている。
【００７０】
また、実施例３にかかる積層体においても、図１７に示す評価装置７０による密着強度評価を行った。上述した密着強度評価により、セラミックス基材と金属皮膜との間の密着強度が６０ＭＰａ以上であり、積層体として高い密着強度を有するという結果が得られた。
【００７１】
（実施例４）
実施例４では、中間層５０３として、主成分金属層に銀、活性成分層に２重量％の水素化チタンを用い、０．４重量％のアルミニウムを添加して積層体を作製した。また、セラミックス基材１０１としてアルミナ、金属皮膜４０２として銅を用いた。この積層体の断面反射電子像（５００倍）を図２６に示す。なお、中間層５０３の主成分金属層５１１および活性成分層５２１は、ろう材を塗布後、９７０℃の大気中で１時間保持することによって形成した。
【００７２】
図２６に示すように、中間層５０３とセラミックス基材１０１および金属皮膜４０２とは、剥離することなく接合状態が維持されている。金属皮膜がアルミニウムではなく銅であって、中間層を大気中で形成した場合であっても、接合状態を維持した積層体が得られた。
【００７３】
また、実施例４にかかる積層体においても、図１７に示す評価装置７０による密着強度評価を行った。上述した密着強度評価により、セラミックス基材と金属皮膜との間の密着強度が６０ＭＰａ以上であり、積層体として高い密着強度を有するという結果が得られた。
【００７４】
（比較例１）
本実施例１に対する比較例として、セラミックス基材１０１としてのアルミナに対して、中間層を形成させずに、金属皮膜４０１としてのアルミニウムをコールドスプレー法によって被膜を形成させて積層体を作製した。この積層体の断面反射電子像（２０００倍）を図２７に示す。
【００７５】
図２７に示すように、セラミックス基材１０１にコールドスプレー法によって直接アルミニウムを皮膜として形成させた場合、セラミックス基材１０１と金属皮膜４０１は、剥離した。
【００７６】
（比較例２）
本実施例２に対する比較例として、セラミックス基材１０１としてのアルミナに対して、中間層を形成させずに、金属皮膜４０２としての銅をコールドスプレー法によって皮膜を形成させて積層体を作製した。この積層体の断面反射電子像（２０００倍）を図２８に示す。
【００７７】
図２８に示すように、セラミックス基材１０１にコールドスプレー法によって直接銅を皮膜として形成させた場合、セラミックス基材１０１と金属皮膜４０２とは、剥離した。
【００７８】
（比較例３）
本実施例３，４に対する比較例として、セラミックス基材としてのアルミナに対して、銀を用いて大気中で中間層を形成させた後、金属皮膜としての銅をコールドスプレー法によって皮膜を形成させて積層体を作製した。なお、本比較例３は、中間層に活性成分層を含まない構成となる。
【００７９】
中間層として銀を成膜したセラミックス基材にコールドスプレー法によって銅を皮膜として形成させた場合、セラミックス基材と金属皮膜（中間層としての銀）とは、剥離した。
【００８０】
以上のように、本発明にかかる積層体およびこの積層体の製造方法は、セラミックス基材と金属皮膜とを接合する場合に有用である。
【符号の説明】
【００８１】
１，１００ パワーモジュール
１０，１０１ セラミックス基材
２０ 銅回路
３０ チップ
４０，４０１，４０２ 冷却フィン（金属皮膜）
５０，５０１，５０２，５０３ 中間層
５１，５１１ 主成分金属層
５２，５２１ 活性成分層
６０ コールドスプレー装置
６１ ガス加熱器
６２ 粉末供給装置
６３ ガスノズル
６４ スプレーガン
７０ 評価装置
７１ 試料台
７２ ピン
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気回路基板間等に用いられる積層体およびこの積層体の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、産業用、自動車用などの電力制御からモータ制御まで、幅広い分野に使用される省エネルギー化のキーデバイスとして、パワーモジュールが挙げられる。パワーモジュールは、基材である絶縁基板を介して冷却用または加熱用の熱媒体の移動経路を形成した温度調節部（冷却部又は加熱部）を有する。温度調節部には、例えば、絶縁基板であるセラミックス基材の表面に金属皮膜が形成された積層体が用いられる。この温度調節装置を用いることで、絶縁基板の温度調節部が形成されていない側の面に積層されたチップ（トランジスタ）から発生した熱を金属皮膜に移動させて外部に発散させることによって、パワーモジュールの冷却を行うことができる。なお、絶縁基板とチップとの間には、金属皮膜による回路パターンが形成されており、この部分においてもセラミックス基材の表面に金属皮膜が形成された積層体が用いられている。
【０００３】
ところで、上述した積層体において、セラミックス基材と金属皮膜との間には、高い密着強度が求められている。セラミックス基材の表面に金属皮膜を形成させる方法として、溶射法やコールドスプレー法が挙げられる。溶射法は、基材に対して溶融またはそれに近い状態に加熱された溶射材を吹き付けることによって皮膜を形成させる方法である。
【０００４】
一方、コールドスプレー法は、皮膜となる材料の粉末を、融点または軟化点以下の状態の不活性ガスとともに先細末広（ラバル）ノズルから噴射して、皮膜となる材料を固相状態のまま基材に衝突させることによって基材の表面に皮膜を形成させる方法である（例えば、特許文献１参照）。コールドスプレー法は、溶射法と比して、温度が低いため熱応力の影響が緩和されるため、相変態がなく酸化も抑制された金属皮膜を得ることができる。特に、基材と皮膜となる材料がともに金属である場合、基材に皮膜となる粉末が衝突することで、粉末と基材との間に塑性変形が生じ、アンカー効果を得ることができる。また、塑性変形が生じる領域では、基材に粉末が衝突した際に、互いの酸化皮膜が破壊され、新生面同士による金属結合が生じ、高い密着強度の積層体が得られるという効果も期待されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第５３０２４１４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１が開示するコールドスプレー法では、基材がセラミックスであり、皮膜となる粉末が金属である場合、塑性変形が金属側のみで生じ、セラミックスと金属との間の十分なアンカー効果が得られず、セラミックスと金属皮膜との間の密着強度が弱い積層体が形成されるという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、コールドスプレー法を用いてセラミックス基材に金属皮膜を形成させた積層体を作製する場合に、セラミックスと金属皮膜との間の密着強度が高い積層体およびこの積層体の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる積層体は、絶縁性のセラミックス基材と、金属を含む主成分金属層、および金属または金属の酸化物もしくは水素化物からなる活性成分層を有し、前記セラミックス基材の表面に形成される中間層と、前記中間層の表面に、金属を含む粉体をガスと共に加速し、前記表面に固相状態のままで吹き付けて堆積させることによって形成された金属皮膜と、を備えたことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明にかかる積層体は、上記の発明において、前記中間層は、真空中で熱処理されることによって形成されることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明にかかる積層体は、上記の発明において、前記活性成分層は、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ゲルマニウムのいずれかの金属または金属の水素化物からなる群より選択される少なくとも１種類を含むことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明にかかる積層体は、上記の発明において、前記主成分金属層は、金、銀、銅、アルミニウム、ニッケルからなる群より選択される少なくとも１種類を含むことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明にかかる積層体は、上記の発明において、前記中間層は、大気中で熱処理されることによって形成されることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明にかかる積層体は、上記の発明において、前記活性成分層は、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ゲルマニウム、硼素、珪素、アルミニウム、クロム、インジウムまたは金属の酸化物もしくは水素化物からなる群より選択される少なくとも１種類を含むことを特徴とする。
【００１４】
また、本発明にかかる積層体は、上記の発明において、前記主成分金属層は、金または銀のうち少なくとも１種類を含むことを特徴とする。
【００１５】
また、本発明にかかる積層体の製造方法は、セラミックス基材の表面に金属皮膜が形成された積層体を製造する積層体の製造方法であって、前記セラミックス基材の表面に対して、金属または金属の酸化物もしくは水素化物を含むろう材を配設するろう材配設ステップと、前記ろう材配設ステップで前記ろう材が配設された前記セラミックス基材を熱処理することによって中間層を形成させる中間層形成ステップと、前記中間層形成ステップによって形成された前記中間層の表面に、金属を含む粉体をガスと共に加速し、前記表面に固相状態のままで吹き付けて堆積させることによって前記金属皮膜を形成させる金属皮膜形成ステップと、を含むことを特徴とする。
【００１６】
また、本発明にかかる積層体の製造方法は、上記の発明において、前記中間層形成ステップは、真空中で行うことを特徴とする。
【００１７】
また、本発明にかかる積層体の製造方法は、上記の発明において、前記中間層形成ステップは、大気中で行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明にかかる積層体および積層体の製造方法は、セラミックス基材と金属皮膜との間に、主成分金属層および活性成分層を含む中間層を形成させ、金属皮膜に対して主成分金属層を結合させ、セラミックス基材に対して活性成分層を結合させるようにしたので、コールドスプレー法を用いてセラミックス基材に金属皮膜を形成させた場合に、セラミックスと金属皮膜との間の密着強度が高い積層体を得ることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、本発明の実施の形態にかかるパワーモジュールの構成を示す模式図である。
【図２】図２は、図１に示すパワーモジュールの要部の構成を示す断面図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態にかかるパワーモジュールの要部の構成を模式的に示す断面図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態にかかるパワーモジュールの要部の構成を模式的に示す断面図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態にかかるパワーモジュールの製造に使用されるコールドスプレー装置の概要を示す模式図である。
【図６】図６は、コールドスプレー法を用いない従来のパワーモジュールの構成の一例を示す模式図である。
【図７】図７は、本発明の実施例１にかかる積層体の断面反射電子像を示す図である。
【図８】図８は、本発明の実施例１にかかる積層体の断面反射電子像を示す図である。
【図９】図９は、本発明の実施例１にかかる積層体の断面反射電子像を示す図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施例１にかかる積層体の断面反射電子像を示す図である。
【図１１】図１１は、本発明の実施例１にかかる積層体の断面反射電子像を示す図である。
【図１２】図１２は、図１１に示す断面反射電子像に対する断面元素分布分析結果を示す図である。
【図１３】図１３は、図１１に示す断面反射電子像に対する断面元素分布分析結果を示す図である。
【図１４】図１４は、図１１に示す断面反射電子像に対する断面元素分布分析結果を示す図である。
【図１５】図１５は、図１１に示す断面反射電子像に対する断面元素分布分析結果を示す図である。
【図１６】図１６は、図１１に示す断面反射電子像に対する断面元素分布分析結果を示す図である。
【図１７】図１７は、密着強度評価を行った評価装置の概略構成を示す模式図である。
【図１８】図１８は、本発明の実施例２にかかる積層体の断面反射電子像を示す図である。
【図１９】図１９は、本発明の実施例３にかかる積層体の断面反射電子像を示す図である。
【図２０】図２０は、本発明の実施例３にかかる積層体の断面反射電子像を示す図である。
【図２１】図２１は、図２０に示す断面反射電子像に対する断面元素分布分析結果を示す図である。
【図２２】図２２は、図２０に示す断面反射電子像に対する断面元素分布分析結果を示す図である。
【図２３】図２３は、図２０に示す断面反射電子像に対する断面元素分布分析結果を示す図である。
【図２４】図２４は、図２０に示す断面反射電子像に対する断面元素分布分析結果を示す図である。
【図２５】図２５は、図２０に示す断面反射電子像に対する断面元素分布分析結果を示す図である。
【図２６】図２６は、本発明の実施例４にかかる積層体の断面反射電子像を示す図である。
【図２７】図２７は、本発明の比較例１にかかる積層体の断面反射電子像を示す図である。
【図２８】図２８は、本発明の比較例２にかかる積層体の断面反射電子像を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、以下の説明において参照する各図は、本発明の内容を理解し得る程度に形状、大きさ、および位置関係を概略的に示してあるに過ぎない。すなわち、本発明は各図で例示された形状、大きさ、および位置関係のみに限定されるものではない。
【００２１】
まず、本発明の実施の形態にかかる積層体について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明では、積層体の例としてパワーモジュールを説明する。図１は、本発明の実施の形態にかかるパワーモジュールの構成を示す模式図である。図２は、図１に示すパワーモジュールの要部の構成を示す断面図である。
【００２２】
パワーモジュール１は、絶縁基板であるセラミックス基材１０と、セラミックス基材１０に積層された銅回路２０と、銅回路２０上に積層され、半田Ｃ１によって固定されているチップ３０と、アルミニウム等の金属皮膜からなり、セラミックス基材１０の銅回路２０とは異なる面に積層された冷却フィン４０とを有する。
【００２３】
セラミックス基材１０は、略板状をなし、絶縁性の部材からなる。絶縁性の部材として、例えば、アルミナ、マグネシア、ジルコニア、ステアタイト、フォルステライト、ムライト、チタニア、シリカ、サイアロン等の酸化物や、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素などが挙げられる。
【００２４】
銅回路２０は、セラミックス基材１０の面上において、銅を用いてパターニングすることによって積層されたチップ３０などに対して電気信号を伝達させるための回路パターンを形成する。
【００２５】
チップ３０は、ダイオード、トランジスタ、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等の半導体素子によって実現される。なお、チップ３０は、使用の目的に合わせてセラミックス基材１０上に複数個設けられる。
【００２６】
冷却フィン４０は、後述するコールドスプレー法によってセラミックス基材１０の表面に積層される金属皮膜である。この金属皮膜としては、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、銀、銀合金などが挙げられる。金属皮膜によって、チップ３０から発生した熱を、セラミックス基材１０を介して外部に放出する。
【００２７】
セラミックス基材１０と冷却フィン４０との間は、図２に示すような中間層５０が形成されている。中間層５０は、冷却フィン４０側に形成される主成分金属層５１と、セラミックス基材１０側に形成される活性成分層５２とを有する。
【００２８】
主成分金属層５１は、アルミニウム、ニッケル、銅、銀、金のいずれかを用いて形成される。主成分金属層５１は、活性成分層５２との接触面と異なる面で冷却フィン４０と金属結合して積層されている。
【００２９】
活性成分層５２は、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ゲルマニウム、硼素、珪素、アルミニウム、クロム、インジウム、バナジウム、モリブデン、タングステン、マンガンのいずれか、またはこれらの酸化物、水素化物を用いて形成される。活性成分層５２は、主成分金属層５１との接触面と異なる面でセラミックス基材１０と共有結合して積層されている。
【００３０】
つづいて、パワーモジュール１の中間層の形成について、図３〜５を参照して説明する。図３，４は、パワーモジュールにおける中間層の形成を模式的に示す断面図である。図５は、金属皮膜の形成に使用されるコールドスプレー装置の概要を示す模式図である。
【００３１】
まず、図３に示すように、セラミックス基材１０の一方の表面に対して、スクリーン印刷法によって中間層５０として用いられるろう材を塗布する。ここで、ろう材は、主成分金属層として用いられる金属または合金、および活性成分層として用いられる金属または金属の酸化物、水素化物等を含み、有機溶剤および有機バインダーが混合されたペースト状をなす。
【００３２】
中間層５０としてのろう材の塗布後、８００〜１０００℃の真空中または大気中で１時間保持する。１時間保持した後、中間層５０は、図４に示すように、主成分金属層５１と活性成分層５２とに分離した状態となる。
【００３３】
ここで、ろう材中の成分において、真空中で保持する主成分金属層および活性成分層は、主成分金属層に用いられる材料として金、銀、銅、アルミニウム、ニッケルが挙げられ、活性成分層に用いられる材料としてチタン、ジルコニウム、ハフニウム、ゲルマニウムのいずれかの金属またはこれらの水素化物が挙げられる。
【００３４】
また、大気中で保持する主成分金属層および活性成分層は、主成分金属層に用いられる材料として金、銀が挙げられ、活性成分層に用いられる材料としてチタン、ジルコニウム、ハフニウム、ゲルマニウム、硼素、珪素、アルミニウム、クロム、インジウム、バナジウム、モリブデン、タングステン、マンガンのいずれか、またはこれらの酸化物もしくは水素化物が挙げられる。
【００３５】
なお、大気中で保持する主成分金属層には、大気中で溶解しても酸化しない金属であれば適用可能である。また、大気中で保持する活性成分層には、珪素、カルシウム、チタン、ジルコニウムの窒化物、炭素化物および水素化物を用いることもできる。上述した主成分金属層および活性成分層の組み合わせであれば、いかなる組み合わせでも適用可能である。主成分金属層および活性成分層は、列挙した金属または酸化物もしくは水素化物のうち、少なくとも１つを含む。また、列挙した金属のいずれかを主成分とする合金を用いることも可能である。
【００３６】
その後、中間層５０が主成分金属層５１と活性成分層５２とに分離し、主成分金属層５１が外部に露出した状態で、主成分金属層５１の露出側の表面にコールドスプレー法を用いて金属皮膜を形成させる。コールドスプレー法による皮膜形成は、図５に示すコールドスプレー装置６０によって行われる。
【００３７】
コールドスプレー装置６０は、圧縮ガスを加熱するガス加熱器６１と、被溶射物に溶射する粉末材料を収容し、スプレーガン６４に供給する粉末供給装置６２と、スプレーガン６４で加熱された圧縮ガスと混合された材料粉末を基材に噴射するガスノズル６３とを備えている。
【００３８】
圧縮ガスとしては、ヘリウム、窒素、空気などが使用される。供給された圧縮ガスは、バルブ６５および６６により、ガス加熱器６１と粉末供給装置６２にそれぞれ供給される。ガス加熱器６１に供給された圧縮ガスは、例えば５０〜７００℃に加熱された後、スプレーガン６４に供給される。より好ましくは、セラミックス基材１０に積層された中間層５０の主成分金属層５１上に噴射される溶射材料粉末の上限温度を金属材料の融点以下に留めるように圧縮ガスを加熱する。粉末材料の加熱温度を金属材料の融点以下に留めることにより、金属材料の酸化を抑制できるためである。
【００３９】
粉末供給装置６２に供給された圧縮ガスは、粉末供給装置６２内の、例えば、粒径が１０〜１００μｍ程度の材料粉末をスプレーガン６４に所定の吐出量となるように供給する。加熱された圧縮ガスは先細末広形状をなすガスノズル６３により超音速流（約３４０ｍ／ｓ以上）にされる。スプレーガン６４に供給された粉末材料は、この圧縮ガスの超音速流の中への投入により加速され、固相状態のまま基材に高速で衝突して皮膜を形成する。なお、材料粉末を基材に固相状態で衝突させて皮膜を形成できる装置であれば、図５のコールドスプレー装置６０に限定されるものではない。
【００４０】
上述したコールドスプレー装置６０によって、図１，２に示すような金属皮膜（冷却フィン４０）が形成される。なお、使用するろう材は、有機溶剤および有機バインダーが混合されたペースト状をなすものとして説明したが、主成分金属層として用いられる金属または合金、および活性成分層として用いられる金属または金属の酸化物、水素化物等を含んでいれば、箔状をなすものであってもよい。
【００４１】
上述した実施の形態にかかる積層体によれば、従来のコールドスプレー法によって得られる積層体と比して、高い密着強度である積層体を得ることが可能である。これにより、膜厚の厚い金属皮膜を有する積層体を形成することが可能となる。また、使用するセラミックス基材においても中間層を形成させることで、酸化物、窒化物、炭化物を問わず使用できるため、使用するセラミックス基材の選択性を高めることが可能となる。
【００４２】
また、コールドスプレー法を用いない従来のパワーモジュールでは、セラミックス基材表面に金属皮膜を形成させる場合、セラミックス基材表面と金属皮膜との間に接合のための半田やサーマルコンパウンドを用いている。図６は、コールドスプレー法を用いない従来のパワーモジュールの構成の一例を示す模式図である。図６に示すように、パワーモジュール１００は、絶縁基板であるセラミックス基材１０に対してシール材等の接着層Ｃ１によって接着された銅回路２０と、銅回路２０上に積層され、半田Ｃ２によって固定されているチップ３０と、アルミニウム等の金属皮膜で形成され、セラミックス基材１０の銅回路２０とは異なる面にシール材等の接着層Ｃ３によって接着された銅箔８１と、半田Ｃ４と、銅基材８２およびサーマルコンパウンド８３を介してセラミックス基材１０に接合している冷却フィン４０とを有する。
【００４３】
これに対して、本発明にかかる積層体は、図６に示すような従来の積層体と比して、簡易な構成の薄層構造とすることが可能である。また、同等の厚みの積層体であっても、冷却フィン等の主要な構成部分が占める領域を大きくすることが可能となり、積層体の設計の幅を広くすることができる。
【００４４】
なお、金属皮膜は、チップから発生した熱を発散させる冷却フィンとして説明したが、金属皮膜を介してチップ等セラミックス基材に積層されたものを加熱するために設けられるものであってもよい。
【００４５】
また、上述した中間層は、セラミックス基材と冷却フィンとしての金属皮膜との間に設けられるものとして説明したが、セラミックス基材と銅回路との間に設けられるものであってよい。
【実施例】
【００４６】
ここで、表１を参照して本発明の実施例を説明する。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
【００４７】
【表１】
【００４８】
（実施例１）
実施例１では、中間層５０１として、主成分金属層５１１に銀−銅合金、活性成分層５２１に水素化チタンを用いて積層体を作製した。また、セラミックス基材１０１としてアルミナ、金属皮膜４０１としてアルミニウムを用いた。この積層体の断面反射電子像を図７〜１０に示す。図７の断面反射電子像は４０倍の電子像、図８の断面反射電子像は５００倍の電子像、図９，１０の断面反射電子像は２０００倍の電子像である。なお、中間層５０１の主成分金属層５１１および活性成分層５２１は、ろう材を塗布後、８００℃の真空中で１時間保持することによって形成した。
【００４９】
図７〜１０に示すように、中間層５０１とセラミックス基材１０１および金属皮膜４０１とは、剥離することなく接合状態が維持されている。また、図９，１０に示すように、中間層５０１は、金属皮膜４０１側に主成分金属層５１１が形成され、セラミックス基材１０１側に活性成分層５２１が形成されている。
【００５０】
さらに、本実施例１では、セラミックス基材１０１、金属皮膜４０１および中間層５０１に関して、それぞれに含有する元素分布を確認した。図１１は、元素分析を行った断面反射電子像（５００倍）を示す図である。また、図１２〜１６は、図１１に示す断面反射電子像に対する断面元素分布分析結果を示す図である。図１２〜１６に示す断面元素分布分析結果では、分析対象の元素の含有量が多くなるに従って赤く表示され、含有量が少なくなるに従って青く表示される。すなわち、含有量が多いほど、赤みがかった色を呈する。
【００５１】
図１２は、銀の含有量を示す断面元素分布分析結果である。銀は、主成分金属層５１１中の銀−銅合金として用いられており、中間層５０１が赤く表示されている。
【００５２】
図１３は、アルミニウムの含有量を示す断面元素分布分析結果である。アルミニウムは、金属皮膜４０１中で用いられるとともに、セラミックス基材１０１中のアルミナ（酸化アルミニウム）に含まれている。このため、図１３では、金属皮膜４０１が赤く表示され、セラミックス基材１０１が緑色で表示されている。
【００５３】
図１４は、銅の含有量を示す断面元素分布分析結果である。銅は、主成分金属層５１１中の銀−銅合金として用いられており、中間層５０１が黄色（部分的に赤色）で表示されている。
【００５４】
図１５は、チタンの含有量を示す断面元素分布分析結果である。チタンは、活性成分層５２１として用いられており、中間層５０１のセラミックス基材１０１側が赤く表示されている。
【００５５】
図１６は、酸素の含有量を示す断面元素分布分析結果である。酸素は、セラミックス基材１０１のアルミナ（酸化アルミニウム）中に含まれ、セラミックス基材１０１が赤く表示されている。
【００５６】
また、実施例１にかかる積層体に対して、密着強度評価を行った。図１７は、密着強度評価を行った評価装置の概略構成を示す模式図である。図１７に示す評価装置７０は、少なくともセラミックス基材１０および金属皮膜である冷却フィン４０からなる積層体（実施例１〜４、比較例１〜３）を載置する試料台７１と、積層体に対して図中下方に向けた力を加えるピン７２とを備える。
【００５７】
ピン７２は、アルミニウムによって形成され、エポキシ樹脂である接着剤Ｇを固化することで積層体に密着されている。なお、接着剤Ｇは、１５０℃で１時間保持することによって硬化させた。その後、ピン７２の先端部７２ａを積層体から離れる方向へ引っ張ることによって、セラミックス基材と金属皮膜との間の密着強度を評価した。密着強度評価の評価結果を表１に示す。
【００５８】
実施例１にかかる積層体において、６０ＭＰａの引張応力を加えた際に、接着剤Ｇが破断して、ピン７２が実施例１にかかる積層体から離脱した。本試験では、評価試験後に破断箇所を確認することによって接着剤Ｇが金属皮膜から剥がれていた場合、密着強度が６０ＭＰａ以上であるものとした。これにより、セラミックス基材と金属皮膜との間の密着強度が６０ＭＰａ以上であり、積層体として高い密着強度を有するという結果が得られた。
【００５９】
（実施例２）
実施例２では、中間層５０１として、主成分金属層５１１に銀−銅合金、活性成分層５２１に水素化チタンを用いて積層体を作製した。また、セラミックス基材１０１としてアルミナ、金属皮膜４０２として銅を用いた。この積層体の断面反射電子像（３００倍）を図１８に示す。なお、中間層５０１の主成分金属層５１１および活性成分層５２１は、ろう材を塗布後、８００℃の真空中で１時間保持することによって形成した。
【００６０】
図１８に示すように、中間層５０１とセラミックス基材１０１および金属皮膜４０２とは、剥離することなく接合状態が維持されている。金属皮膜がアルミニウムではなく銅であっても、接合状態を維持した積層体が得られた。
【００６１】
また、実施例２にかかる積層体においても、図１７に示す評価装置７０による密着強度評価を行った。上述した密着強度評価により、セラミックス基材と金属皮膜との間の密着強度が６０ＭＰａ以上であり、積層体として高い密着強度を有するという結果が得られた。
【００６２】
（実施例３）
実施例３では、中間層５０２として、主成分金属層に銀、活性成分層に２重量％のゲルマニウムを用い、１５重量％の硼素を添加して積層体を作製した。また、セラミックス基材１０１としてアルミナ、金属皮膜４０２として銅を用いた。この積層体の断面反射電子像（３００倍）を図１９に示す。なお、中間層５０２の主成分金属層および活性成分層は、ろう材を塗布後、８５０℃の大気中で１時間保持することによって形成した。
【００６３】
図１９に示すように、中間層５０２とセラミックス基材１０１および金属皮膜４０２とは、剥離することなく接合状態が維持されている。中間層５０２を大気中で形成させた場合であっても、接合状態を維持した積層体が得られた。
【００６４】
さらに、セラミックス基材１０１、金属皮膜４０２および中間層５０２に関して、それぞれに含有する元素分布を確認した。図２０は、元素分析を行った断面反射電子像（５００倍）を示す。また、図２１〜２５は、図２０に示す断面反射電子像に対する断面元素分布分析結果を示す図である。図２１〜２５に示す断面元素分布分析結果では、分析対象の元素の含有量が多くなるに従って赤く表示され、含有量が少なくなるに従って青く表示される。すなわち、含有量が多くなるに従って、青から赤みがかった色に変化する。
【００６５】
図２１は、銀の含有量を示す断面元素分布分析結果である。銀は、主成分金属層として用いられており、中間層５０２が赤く表示されている。
【００６６】
図２２は、アルミニウムの含有量を示す断面元素分布分析結果である。アルミニウムは、セラミックス基材１０１中のアルミナ（酸化アルミニウム）に含まれており、セラミックス基材１０１が緑色または黄色で表示されている。
【００６７】
図２３は、銅の含有量を示す断面元素分布分析結果である。銅は、金属皮膜４０２として用いられており、金属皮膜４０２が赤色で表示されている。
【００６８】
図２４は、ゲルマニウムの含有量を示す断面元素分布分析結果である。ゲルマニウムは、活性成分層として用いられており、中間層５０２のセラミックス基材１０１側が緑色で表示されている。なお、本実施例３の中間層５０２において、活性成分層には、添加された硼素も含まれていることが考えられる。
【００６９】
図２５は、酸素の含有量を示す断面元素分布分析結果である。酸素は、セラミックス基材１０１のアルミナ（酸化アルミニウム）中に含まれ、セラミックス基材１０１が赤く表示されている。また、本実施例３は、中間層５０２を大気中で形成させたため、中間層５０２中の酸化した金属部分が緑色で表示されている。
【００７０】
また、実施例３にかかる積層体においても、図１７に示す評価装置７０による密着強度評価を行った。上述した密着強度評価により、セラミックス基材と金属皮膜との間の密着強度が６０ＭＰａ以上であり、積層体として高い密着強度を有するという結果が得られた。
【００７１】
（実施例４）
実施例４では、中間層５０３として、主成分金属層に銀、活性成分層に２重量％の水素化チタンを用い、０．４重量％のアルミニウムを添加して積層体を作製した。また、セラミックス基材１０１としてアルミナ、金属皮膜４０２として銅を用いた。この積層体の断面反射電子像（５００倍）を図２６に示す。なお、中間層５０３の主成分金属層５１１および活性成分層５２１は、ろう材を塗布後、９７０℃の大気中で１時間保持することによって形成した。
【００７２】
図２６に示すように、中間層５０３とセラミックス基材１０１および金属皮膜４０２とは、剥離することなく接合状態が維持されている。金属皮膜がアルミニウムではなく銅であって、中間層を大気中で形成した場合であっても、接合状態を維持した積層体が得られた。
【００７３】
また、実施例４にかかる積層体においても、図１７に示す評価装置７０による密着強度評価を行った。上述した密着強度評価により、セラミックス基材と金属皮膜との間の密着強度が６０ＭＰａ以上であり、積層体として高い密着強度を有するという結果が得られた。
【００７４】
（比較例１）
本実施例１に対する比較例として、セラミックス基材１０１としてのアルミナに対して、中間層を形成させずに、金属皮膜４０１としてのアルミニウムをコールドスプレー法によって被膜を形成させて積層体を作製した。この積層体の断面反射電子像（２０００倍）を図２７に示す。
【００７５】
図２７に示すように、セラミックス基材１０１にコールドスプレー法によって直接アルミニウムを皮膜として形成させた場合、セラミックス基材１０１と金属皮膜４０１は、剥離した。
【００７６】
（比較例２）
本実施例２に対する比較例として、セラミックス基材１０１としてのアルミナに対して、中間層を形成させずに、金属皮膜４０２としての銅をコールドスプレー法によって皮膜を形成させて積層体を作製した。この積層体の断面反射電子像（２０００倍）を図２８に示す。
【００７７】
図２８に示すように、セラミックス基材１０１にコールドスプレー法によって直接銅を皮膜として形成させた場合、セラミックス基材１０１と金属皮膜４０２とは、剥離した。
【００７８】
（比較例３）
本実施例３，４に対する比較例として、セラミックス基材としてのアルミナに対して、銀を用いて大気中で中間層を形成させた後、金属皮膜としての銅をコールドスプレー法によって皮膜を形成させて積層体を作製した。なお、本比較例３は、中間層に活性成分層を含まない構成となる。
【００７９】
中間層として銀を成膜したセラミックス基材にコールドスプレー法によって銅を皮膜として形成させた場合、セラミックス基材と金属皮膜（中間層としての銀）とは、剥離した。
【００８０】
以上のように、本発明にかかる積層体およびこの積層体の製造方法は、セラミックス基材と金属皮膜とを接合する場合に有用である。
【符号の説明】
【００８１】
１，１００ パワーモジュール
１０，１０１ セラミックス基材
２０ 銅回路
３０ チップ
４０，４０１，４０２ 冷却フィン（金属皮膜）
５０，５０１，５０２，５０３ 中間層
５１，５１１ 主成分金属層
５２，５２１ 活性成分層
６０ コールドスプレー装置
６１ ガス加熱器
６２ 粉末供給装置
６３ ガスノズル
６４ スプレーガン
７０ 評価装置
７１ 試料台
７２ ピン
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性のセラミックス基材と、
金属を含む主成分金属層、および金属または金属の酸化物もしくは水素化物からなる活性成分層を有し、前記セラミックス基材の表面に形成される中間層と、
前記中間層の表面に、金属を含む粉体をガスと共に加速し、前記表面に固相状態のままで吹き付けて堆積させることによって形成された金属皮膜と、
を備えたことを特徴とする積層体。
【請求項２】
前記中間層は、真空中で熱処理されることによって形成されることを特徴とする請求項１に記載の積層体。
【請求項３】
前記活性成分層は、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ゲルマニウムのいずれかの金属または金属の水素化物からなる群より選択される少なくとも１種類を含むことを特徴とする請求項２に記載の積層体。
【請求項４】
前記主成分金属層は、金、銀、銅、アルミニウム、ニッケルからなる群より選択される少なくとも１種類を含むことを特徴とする請求項２または３に記載の積層体。
【請求項５】
前記中間層は、大気中で熱処理されることによって形成されることを特徴とする請求項１に記載の積層体。
【請求項６】
前記活性成分層は、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ゲルマニウム、硼素、珪素、アルミニウム、クロム、インジウムまたは金属の酸化物もしくは水素化物からなる群より選択される少なくとも１種類を含むことを特徴とする請求項５に記載の積層体。
【請求項７】
前記主成分金属層は、金または銀のうち少なくとも１種類を含むことを特徴とする請求項５または６に記載の積層体。
【請求項８】
セラミックス基材の表面に金属皮膜が形成された積層体を製造する積層体の製造方法であって、
前記セラミックス基材の表面に対して、金属または金属の酸化物もしくは水素化物を含むろう材を配設するろう材配設ステップと、
前記ろう材配設ステップで前記ろう材が配設された前記セラミックス基材を熱処理することによって中間層を形成させる中間層形成ステップと、
前記中間層形成ステップによって形成された前記中間層の表面に、金属を含む粉体をガスと共に加速し、前記表面に固相状態のままで吹き付けて堆積させることによって前記金属皮膜を形成させる金属皮膜形成ステップと、
を含むことを特徴とする積層体の製造方法。
【請求項９】
前記中間層形成ステップは、真空中で行うことを特徴とする請求項８に記載の積層体の製造方法。
【請求項１０】
前記中間層形成ステップは、大気中で行うことを特徴とする請求項８に記載の積層体の製造方法。
【請求項１】
絶縁性のセラミックス基材と、
金属を含む主成分金属層、および金属または金属の酸化物もしくは水素化物からなる活性成分層を有し、前記セラミックス基材の表面に形成される中間層と、
前記中間層の表面に、金属を含む粉体をガスと共に加速し、前記表面に固相状態のままで吹き付けて堆積させることによって形成された金属皮膜と、
を備えたことを特徴とする積層体。
【請求項２】
前記中間層は、真空中で熱処理されることによって形成されることを特徴とする請求項１に記載の積層体。
【請求項３】
前記活性成分層は、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ゲルマニウムのいずれかの金属または金属の水素化物からなる群より選択される少なくとも１種類を含むことを特徴とする請求項２に記載の積層体。
【請求項４】
前記主成分金属層は、金、銀、銅、アルミニウム、ニッケルからなる群より選択される少なくとも１種類を含むことを特徴とする請求項２または３に記載の積層体。
【請求項５】
前記中間層は、大気中で熱処理されることによって形成されることを特徴とする請求項１に記載の積層体。
【請求項６】
前記活性成分層は、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ゲルマニウム、硼素、珪素、アルミニウム、クロム、インジウムまたは金属の酸化物もしくは水素化物からなる群より選択される少なくとも１種類を含むことを特徴とする請求項５に記載の積層体。
【請求項７】
前記主成分金属層は、金または銀のうち少なくとも１種類を含むことを特徴とする請求項５または６に記載の積層体。
【請求項８】
セラミックス基材の表面に金属皮膜が形成された積層体を製造する積層体の製造方法であって、
前記セラミックス基材の表面に対して、金属または金属の酸化物もしくは水素化物を含むろう材を配設するろう材配設ステップと、
前記ろう材配設ステップで前記ろう材が配設された前記セラミックス基材を熱処理することによって中間層を形成させる中間層形成ステップと、
前記中間層形成ステップによって形成された前記中間層の表面に、金属を含む粉体をガスと共に加速し、前記表面に固相状態のままで吹き付けて堆積させることによって前記金属皮膜を形成させる金属皮膜形成ステップと、
を含むことを特徴とする積層体の製造方法。
【請求項９】
前記中間層形成ステップは、真空中で行うことを特徴とする請求項８に記載の積層体の製造方法。
【請求項１０】
前記中間層形成ステップは、大気中で行うことを特徴とする請求項８に記載の積層体の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図１７】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図１７】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【公開番号】特開２０１２−１１１９８２（Ｐ２０１２−１１１９８２Ａ）
【公開日】平成２４年６月１４日（２０１２．６．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２５９４１２（Ｐ２０１０−２５９４１２）
【出願日】平成２２年１１月１９日（２０１０．１１．１９）
【出願人】（０００００４６４０）日本発條株式会社 (1,048)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月１４日（２０１２．６．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月１９日（２０１０．１１．１９）
【出願人】（０００００４６４０）日本発條株式会社 (1,048)
【Ｆターム（参考）】
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