積層材およびその製造方法
【課題】金属板とセラミック板との間の界面剥離を防止することができるし、製造コストの低減を図ることができ、更に、放熱特性を向上させることができる積層材を提供する。
【解決手段】積層材１は、セラミック板4の一方の片面4aにＣｕまたはＣｕ合金からなるＣｕ板2が、セラミック板4の他方の片面4aにＡｌまたはＡｌ合金からなるＡｌ板3が、放電プラズマ焼結法によりそれぞれ接合されている。
【解決手段】積層材１は、セラミック板4の一方の片面4aにＣｕまたはＣｕ合金からなるＣｕ板2が、セラミック板4の他方の片面4aにＡｌまたはＡｌ合金からなるＡｌ板3が、放電プラズマ焼結法によりそれぞれ接合されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、積層材およびその製造方法に関し、たとえばＬＥＤやパワーデバイスなどの半導体素子の冷却を行うのに用いられる積層材およびその製造方法に関する。
【０００２】
この明細書において、元素記号で表現された材料は純材料を意味するが、不可避の不純物を含有する工業的な純材料も含むものとする。
【０００３】
また、この明細書および特許請求の範囲において、放電プラズマ焼結法とは、実際に粉末を焼結する方法に限定されるものではなく、放電プラズマ焼結の原理を利用した方法を意味するものとする。
【０００４】
さらに、この明細書および特許請求の範囲において、「融点」という用語は、合金の場合には、固相線温度を意味するものとする。
【背景技術】
【０００５】
近年、電力の送変電、鉄道車両の駆動制御、自動車のエンジン制御やインバータ駆動、エアコンや太陽光発電用インバータなどに、電力を変換制御するパワーデバイスが用いられている。
【０００６】
このパワーデバイスはスイッチング時の発熱が大きく、そのため、パワーデバイスの冷却効率を向上させることは、その機能を維持するためにきわめて重要な課題となっている。
【０００７】
パワーデバイスの冷却のために放熱器が用いられる。パワーデバイスと放熱器とを備えたパワーモジュールでは、パワーデバイスと放熱器との間に、互いに積層状に配置されたセラミック板と金属板とを含む積層材が配置されている。この積層材は、熱的には伝導体であるが電気的には絶縁体として機能する性質を有するものであり、すなわち熱伝導性絶縁基板として用いられている。
【０００８】
この積層材を製造する従来技術として、特開２００４−３２８０１２号公報（特許文献１）や特開２０００−２５６０８１号公報（特許文献２）に示すように、金属板とセラミック板との接合を行う場合、金属板とセラミック板との間の界面にＡｇやＴｉ等の活性金属を含んだろう材を配置するか（Ｃｕ、Ａｌ接合）、Ａｌ−Ｓｉ合金のろう材を配置する（Ａｌ接合）ことが知られている。金属板としては、Ａｌ板やＣｕ板が用いられている。
【０００９】
さらに、セラミック板の両面にそれぞれＡｌ板が接合されてなる積層材では、パワーデバイスをはんだ付けにより実装する前に、積層材のＡｌ板の表面に選択的にＮｉ層をコートする、例えばＮｉめっき層を形成することで、はんだ接合性を向上させている。例えば、特開２００９−１４７１２３号公報（特許文献３）では、半導体素子の電極に電気的配線または冷却部材としての金属部品をはんだ付けにて接合する場合、はんだ層と電極との間に金属保護膜としてＮｉめっき膜を形成することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００４−３２８０１２号公報
【特許文献２】特開２０００−２５６０８１号公報
【特許文献３】特開２００９−１４７１２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上記方法では、金属板とセラミック板との間の接合界面にろう材層が形成されるため接合界面の接合信頼性を損なう恐れがある。例えば、Ａｌ板とセラミック板との接合を行うためには、接合界面にＡｌ−Ｓｉ合金のろう材層が形成されるが、Ａｌ−Ｓｉ合金はＡｌ板のＡｌよりも硬いため、高温−低温の冷熱サイクルに伴う接合界面に働く応力が非常に大きなものとなる。その結果、界面付近で材料破壊が発生してＡｌ板とセラミック板とが剥離する。
【００１２】
また、Ａｌ板表面にＮｉめっき層を形成するためには、たとえばＡｌ板表面の粗さが小さいことなどの制約があり、この制約のためにＡｌ板表面に対して機械的・化学的前処理を施さなければならず、その結果、Ａｌ板表面にＮｉ層を形成するコストが高くなる問題があった。
【００１３】
さらに、Ａｌ板表面に部分的にまたはある面だけを選択的にＮｉ層を形成したいときは、Ｎｉめっきではマスキング工程が必須となり、製造コストが高くなる問題もあった。
【００１４】
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、金属板とセラミック板との間の界面剥離を防止することができるし、製造コストの低減を図ることができ、更に、放熱特性を向上させることができる積層材およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は以下の手段を提供する。
【００１６】
［１］ セラミック板の一方の片面にＣｕまたはＣｕ合金からなるＣｕ板が、セラミック板の他方の片面にＡｌまたはＡｌ合金からなるＡｌ板が、放電プラズマ焼結法によりそれぞれ接合されていることを特徴とする積層材。
【００１７】
［２］ セラミック板の一方の片面にＣｕ板が、セラミック板とＣｕ板との間の接合界面にろう材を介さないで、直接的に接合されている前項１記載の積層材。
【００１８】
［３］ セラミック板の他方の片面にＡｌ板が、セラミック板とＡｌ板との間の接合界面にろう材を介さないで、直接的に接合されている前項１又は２記載の積層材。
【００１９】
［４］ セラミック板が、ＡｌＮ、Ａｌ2Ｏ3、Ｓｉ3Ｎ4、ＳｉＣ、Ｙ2Ｏ3、ＣａＯ、ＢＮおよびＢｅＯよりなる群から選ばれた１種の材料からなる前項１〜３のうちのいずれかに記載の積層材。
【００２０】
［５］ セラミック板と、ＣｕまたはＣｕ合金からなるＣｕ板とを、セラミック板の一方の片面上にＣｕ板が配置されるように積層する第１積層工程と、
セラミック板とＣｕ板との第１積層体を１対の放電プラズマ焼結用電極間に配置する第１積層体配置工程と、
両電極間の導通を確保した状態で、両電極間にパルス電流を通電することにより、第１積層体のセラミック板とＣｕ板とを接合する第１接合工程と、
第１接合工程により得られたセラミック板とＣｕ板との接合体と、ＡｌまたはＡｌ合金からなるＡｌ板とを、接合体のセラミック板の他方の片面上にＡｌ板が配置されるように積層する第２積層工程と、
接合体とＡｌ板との第２積層体を１対の放電プラズマ焼結用電極間に配置する第２積層体配置工程と、
両電極間の導通を確保した状態で、両電極間にパルス電流を通電することにより、第２積層体のセラミック板とＡｌ板とを接合する第２接合工程と、を含むことを特徴とする積層材の製造方法。
【００２１】
［６］ 第１接合工程では、接合を、Ｃｕ板の融点よりも低い温度で行うとともに、
第２接合工程では、接合を、Ａｌ板の融点よりも低い温度で行う前項５記載の積層材の製造方法。
【００２２】
［７］ 第１接合工程では、接合を、第１積層体をその積層方向の両側から１０〜１００ＭＰａで加圧しながら行うとともに、
第２接合工程では、接合を、第２積層体をその積層方向の両側から１０〜１００ＭＰａで加圧しながら行う前項５または６記載の積層材の製造方法。
【００２３】
［８］ 第１接合工程では、接合を、不活性ガス雰囲気中または真空雰囲気中で行うとともに、
第２接合工程では、接合を、不活性ガス雰囲気中または真空雰囲気中で行う前項５〜７のうちのいずれかに記載の積層材の製造方法。
【発明の効果】
【００２４】
［１］〜［３］の積層材によれば、放電プラズマ焼結法によりセラミック板の所定の面にそれぞれＣｕ板およびＡｌ板が接合されているので、セラミック板と金属板（即ちＣｕ板、Ａｌ板）との間の接合界面に、ＡｇやＴｉ等の活性金属を含むろう材を配置する必要なく、即ち直接接合が可能となる。そのため、冷熱サイクルに伴うセラミック板と金属板との間の界面剥離が抑制され、もって接合信頼性が向上する。さらに、ろう材を使用しないので、積層材の製造コストの低減を図ることができる。
【００２５】
さらに、［１］〜［３］の積層材によれば、セラミック板の一方の片面にＣｕ板が接合されることで、放熱特性が向上するとともに、Ｃｕ板に直接的にはんだ付けができるので、Ａｌ板では必須となっていたはんだ接合性を向上させるためのＮｉめっき工程を必要としない。これにより、製造コストの更なる低減を図ることができる。しかも、セラミック板の他方の片面にＡｌ板が接合されているので、例えば、ＡｌやＡｌ合金製ヒートシンクなどの放熱部材をろう付けなどの金属的な接合によりＡｌ板に貼り付けることができ、その結果、軽量で且つ放熱特性が向上したパワーデバイス冷却部材（パワーモジュール用ベース）を得ることができる。
【００２６】
［４］の積層材によれば、セラミック板がＡｌＮ、Ａｌ2Ｏ3、Ｓｉ3Ｎ4、ＳｉＣ、Ｙ2Ｏ3、ＣａＯ、ＢＮおよびＢｅＯよりなる群から選ばれた１種の材料からなるので、Ｃｕ板を配線層として利用することができるし、セラミック板を電気絶縁性能に優れた電気絶縁層として利用することができる。したがって、例えば、積層材のＡｌ板の表面にＡｌやＡｌ合金製ヒートシンクなどの放熱部材をろう付けすることにより、半導体モジュール用ベースとしてたとえばパワーモジュール用ベースを形成することができる。そして、このベースの積層材のＣｕ板に半導体素子としてたとえばパワーデバイスを実装することで半導体モジュールとしてパワーモジュールを製造することができる。このパワーモジュールによれば、パワーデバイスと放熱部材との間には、Ｃｕ板、セラミック板およびＡｌ板が配置されているだけなので、パワーデバイスから放熱部材までの熱伝導の経路が短くなり、パワーデバイスから発せられる熱の放熱性能が向上する。また、金属板（即ちＣｕ板、Ａｌ板）とセラミック板との間には熱伝導率の低いろう材を介在させる必要はなく、両金属板とセラミック板との間の熱伝導性が優れたものになる。
【００２７】
［５］の積層材の製造方法によれば、［１］〜［４］の積層材をろう材を用いなくても製造することができ、そのため、温度変化によるセラミックと金属板（即ちＣｕ板、Ａｌ板）との間の接合界面の接合信頼性を高めることができる。さらに、ろう材を使用しないので、積層材を安価に製造することができる。
【００２８】
［６］の積層材の製造方法によれば、第１接合工程での接合時に、Ｃｕ板の部分的な溶融などによる変形を防止することができるし、第２接合工程での接合時に、Ａｌ板の部分的な溶融などによる変形を防止することができる。
【００２９】
ここで、第１接合工程では、接合温度は、９３３〜１０７３℃（好ましくは９５０〜１０００℃）の範囲内に設定されるのが良い。第２接合工程では、接合温度は５１０〜６５０℃（好ましくは５２０〜６００℃）の範囲内に設定されるのが良い。
【００３０】
［７］の積層材の製造方法によれば、Ｃｕ板とセラミック板との間での接合欠陥の発生を効果的に防止することができるし、Ａｌ板とセラミック板との間での接合欠陥の発生を効果的に防止することができる。
【００３１】
［８］の積層材の製造方法によれば、Ｃｕ板とセラミック板との間での接合欠陥の発生を効果的に防止することができるし、Ａｌ板とセラミック板との間での接合欠陥の発生を効果的に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】図１は、本発明の一実施形態の積層材を示す垂直断面図である。
【図２】図２は、同積層材の製造過程における第１接合工程を示す垂直断面図である。
【図３】図３は、第１接合工程により得られた接合体を示す垂直断面図である。
【図４】図４は、同積層材の製造過程における第２接合工程を示す垂直断面図である。
【図５】図５は、比較例１の積層材を示す垂直断面図である。
【図６】図６は、比較例２の積層材を示す垂直断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、この発明の一実施形態を図面を参照して説明する。
【００３４】
なお、以下の説明において、各図面の上下を上下というものとする。また、全図面を通じて同一部分および同一物には同一符号を付して重複する説明を省略する。
実施形態１
図１〜４は、本発明の一実施形態の積層材およびその製造方法を説明するための図である。本実施形態は、積層材が、半導体素子（例：パワーデバイス）が実装される絶縁基板として利用可能なものである場合について示している。
【００３５】
図１に示すように、本実施形態の積層材(1)は、少なくとも１枚のセラミック板(4)と、セラミック板(4)の一方の片側に配置された少なくとも１枚のＣｕまたはＣｕ合金からなるＣｕ板(2)と、セラミック板(4)の他方の片側に配置された少なくとも１枚のＡｌまたはＡｌ合金からなるＡｌ板(3)とが、積層されたものである。
【００３６】
この積層材(1)では、セラミック板(4)は水平状に配置されている。Ｃｕ板(2)はセラミック板(4)の上面(4a)上にセラミック板(4)と隣接して配置されている。Ａｌ板(3)はセラミック板(4)の下面(4a)上にセラミック板(4)と隣接して配置されている。そして、互いに隣り合う板どうし(2,4)(4,3)が放電プラズマ焼結法により接合されている。したがって、Ｃｕ板(2)は積層材(1)の上側の最外側に配置されており、セラミック板(4)はＣｕ板(2)とＡｌ板(3)との間に配置されており、Ａｌ板(3)は積層材(1)の下側の最外側に配置されている。セラミック板(4)とＣｕ板(2)とが放電プラズマ焼結法により接合されているので、セラミック板(4)の上面(4a)にＣｕ板(2)が、セラミック板(4)とＣｕ板(2)との間にろう材を介することなく、すなわち直接的に接合されている。また同じく、セラミック板(4)とＡｌ板(3)とが放電プラズマ焼結法により接合されているので、セラミック板(4)の下面(4a)にＡｌ板(3)が、セラミック板(4)とＡｌ板(3)との間にろう材を介することなく、すなわち直接的に接合されている。
【００３７】
ここでは、１枚のセラミック板(4)が１枚のＣｕ板(2)と１枚のＡｌ板(3)との間に位置するように積層されるとともに、互いに隣り合うＣｕ板(2)とセラミック板(4)およびセラミック板(4)とＡｌ板(3)とが放電プラズマ焼結法により順次（段階的に）接合されたものである。また、この積層材(1)は三層構造である。
【００３８】
積層材(1)の上下両面、すなわちＣｕ板(2)の上面およびＡｌ板(3)の下面の平面度は、それぞれ１００μｍ以下である。
【００３９】
Ｃｕ板(2)は、上述したようにＣｕまたはＣｕ合金からなる。Ａｌ板(3)は、上述したようにＡｌまたはＡｌ合金からなる。因みに、Ｃｕ板(2)およびＡｌ板(3)を構成する材料の融点は、それぞれ、Ｃｕ：１０８３℃、Ａｌ：６６０℃であり、Ｃｕ合金およびＡｌ合金の融点は、通常、それぞれ、ＣｕおよびＡｌの融点よりも低い。
【００４０】
Ｃｕ板(2)およびＡｌ板(3)の厚みは３ｍｍ以下（好ましくは２００μｍ以上）であることが良い。Ｃｕ板(2)およびＡｌ板(3)は、公知の適当な方法で形成される。
【００４１】
セラミック板(4)は、ＡｌＮ、Ａｌ2Ｏ3、Ｓｉ3Ｎ4、ＳｉＣ、Ｙ2Ｏ3、ＣａＯ、ＢＮおよびＢｅＯよりなる群から選ばれた１種の電気絶縁性材料からなる。セラミック板(4)の厚みは１ｍｍ以下（好ましくは３００μｍ以上）であることが好ましい。セラミック板(4)は、たとえば、ＡｌＮ、Ａｌ2Ｏ3、Ｓｉ3Ｎ4、ＳｉＣ、Ｙ2Ｏ3、ＣａＯ、ＢＮおよびＢｅＯよりなる群から選ばれた１種の材料の粉末を、適当な焼結助剤を用いて放電プラズマ焼結法により焼結することにより形成される。また、セラミック板(4)は、ＡｌＮ、Ａｌ2Ｏ3、Ｓｉ3Ｎ4、ＳｉＣ、Ｙ2Ｏ3、ＣａＯ、ＢＮおよびＢｅＯよりなる群から選ばれた１種の材料の粉末を用いて熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）することにより形成されていてもよい。
【００４２】
ここで、各セラミック材料の融点または分解点は、ＡｌＮ：２２００℃、Ａｌ２Ｏ３：２０５０℃、Ｓｉ３Ｎ４：１９００℃、ＳｉＣ：２０００℃、Ｙ２Ｏ３：２４００℃、ＣａＯ：２５７０℃、ＢＮ：３０００℃、ＢｅＯ：２５７０℃であり、Ｃｕ板(2)およびＡｌ板(3)を構成する材料の融点よりも高くなっている。
【００４３】
Ｃｕ板(2)、Ａｌ板(3)およびセラミック板(4)の形状は、それぞれ平面視で例えば四角形状である。ただし本発明では、Ｃｕ板(2)、Ａｌ板(3)およびセラミック板(4)は、平面視で四角形状であることに限定されるものではなく、その他に、多角形状、円形状、楕円形状、または、任意の曲線で囲まれた形状であっても良い。さらに、これらの板(2)(3)(4)は、同一形状であっても良いし、相似形状であっても良いし、異形形状であっても良い。
【００４４】
セラミック板(4)の上面(4a)および下面(4a)の外形寸法は、それぞれＣｕ板(2)の下面およびＡｌ板(3)の上面の外形寸法よりも少し大きくなっている。
【００４５】
そして、セラミック板(4)におけるＣｕ板(2)と接合された側の面（即ち、セラミック板(4)の上面(4a))の外周縁(4z)よりも内側に、Ｃｕ板(2)のセラミック板(4)との接合面(2a)（即ち、Ｃｕ板(2)の下面）が位置している。さらに、セラミック板(4)におけるＡｌ板(3)と接合された側の面（即ち、セラミック板(4)の下面(4a))の外周縁(4z)よりも内側に、Ａｌ板(3)のセラミック板(4)との接合面(3a)（即ち、Ａｌ板(3)の下面）が位置している。
【００４６】
本実施形態の積層材(1)では、セラミック板(4)におけるＣｕ板(2)と接合された側の面は、セラミック板(4)の上面(4a)である。セラミック板(4)におけるＡｌ板(3)と接合された側の面は、セラミック板(4)の下面(4a)である。さらに、セラミック板(4)の上面(4a)はＣｕ板(2)との隣接面でもあり、またセラミック板(4)の下面(4a)はＡｌ板(3)との隣接面でもある。また、Ｃｕ板(2)のセラミック板(4)との接合面(2a)は、Ｃｕ板(2)の下面である。Ａｌ板(3)のセラミック板(4)との接合面(3a)は、Ａｌ板(3)の上面である。
【００４７】
図１に示すように、セラミック板(4)の上面(4a)の外周縁(4z)からＣｕ板(2)の接合面(2a)までの距離ｄは、０．５ｍｍ以上であることが望ましく、また同じく、セラミック板(4)の下面(4a)の外周縁(4z)からＡｌ板(3)の接合面(3a)までの距離ｄは、０．５ｍｍ以上であることが望ましい。こうすることにより、Ｃｕ板(2)の外周縁部からの漏電を確実に防止することができる。なお、距離ｄの上限は特に限定されるものではなく、通常２．０ｍｍ位である。
【００４８】
図示は省略したが、積層材(1)の一応用例（用途例）を以下にあげる。
【００４９】
積層材(1)は、例えば、電気鉄道車両などの電動機の電力変換装置に使用されるＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴおよびダイオードなどの半導体素子が実装される基板あるいは冷却部材に用いられる。半導体素子としては、電力の送変電制御装置、鉄道車両の駆動制御装置、自動車のエンジン制御装置、インバータ駆動装置、家庭用エアコン制御装置、太陽光発電用制御装置などに用いられるパワーデバイスが、作動の際のスイッチング時の発熱が大きいために好適に挙げられる。パワーデバイスの冷却には放熱器が使用される。パワーデバイスと放熱器とを備えたパワーモジュールでは、一般に、パワーデバイスと放熱器との間に、熱的には伝導体であるが電気的には絶縁体として機能する性質を有する積層材が配置されている。この積層材として、本実施形態の積層材(1)が好適に用いられる。具体的には、積層材(1)は、Ｃｕ板(2)を備えているので、直接はんだ付けが可能な配線層を有する熱伝導性絶縁基板として好適に用いられる。さらに、積層材(1)は、Ｃｕ板(2)が半導体素子と隣接するので、半導体素子から発せられる熱を効率的に拡散することができ、そのため、放熱特性が良い配線層を有する絶縁基板としても用いられる。さらに、積層材(1)は、Ｃｕ板(2)の配置側とは反対側にＡｌ板(3)を備えているので、軽量で放熱性の良いＡｌまたはＡｌ合金製ヒートシンクをろう付けなどの金属的な接合によりＡｌ板(3)に貼り付けることができる。これにより、半導体素子から発せられる熱を効率良くヒートシンクに伝えて放熱しうる放熱部材を構成することができる。
【００５０】
次に、積層材(1)の製造方法について、図２〜４を参照して説明する。
【００５１】
すなわち、ＣｕまたはＣｕ合金からなり、かつ一般的な製法で作製されたＣｕ板(2)と、ＡｌまたはＡｌ合金からなり、かつ一般的な製法で作製されたＡｌ板(3)と、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ、Ｙ２Ｏ３、ＣａＯ、ＢＮおよびＢｅＯよりなる群から選ばれた１種の材料からなり、かつ一般的な製法で作製されたセラミック板(4)とを用意する。
【００５２】
ここで、Ｃｕ板(2)およびＡｌ板(3)の表面粗さは、それぞれ算術平均粗さ（Ｒａ）で１．０μｍ以下であることが好ましく、厚みは３ｍｍ以下であることが好ましい。セラミック板(4)の表面粗さは、算術平均粗さ（Ｒａ）で１．５μｍ以下であることが好ましく、厚みは１ｍｍ以下であることが好ましい。
【００５３】
ついで、放電プラズマ焼結装置の導電性を有する筒状の黒鉛製焼結用ダイ(10)内に、セラミック板(4)とＣｕ板(2)とを、セラミック板(4)の上面(4a)上にＣｕ板(2)がセラミック板(4)と隣接して配置されるように、且つ、セラミック板(4)の上面(4a)の外周縁(4z)よりも内側にＣｕ板(2)の下面からなる接合予定面(2b)が位置するように積層して配置する。このように、セラミック板(4)とＣｕ板(2)とが積層されることで第１積層体(60)が形成される。互いに隣り合う板どうし(2,4)は面接触している。ダイ(10)の上下方向の高さは、Ｃｕ板(2)およびセラミック板(4)の厚みの合計よりも高くなっており、ダイ(10)の上下両端部は、Ｃｕ板(2)およびセラミック板(4)よりも上下方向外側に突出している。ついで、ダイ(10)内におけるＣｕ板(2)およびセラミック板(4)からなる第１積層体(60)の上下両側にそれぞれ黒鉛製パンチ(11)(12)を配置するとともに、上パンチ(11)の上面および下パンチ(12)の下面にそれぞれ電極(13)(14)を電気的に接触させる。この状態では、両パンチ(11)(12)およびダイ(10)によって両電極(13)(14)間の導通が確保される。
【００５４】
なお本発明では、第１積層体(60)は、積層構造が保たれていれば積層順番が上下逆転しても良い。さらに、第１積層体(60)を複数個、ダイ(10)内に上下方向に重ねるように配置しても良い。この場合、隣り合う第１積層体(60)どうしの間には、ダイ(10)と同等な材料で作製された板材をスペーサーとして設置することが望ましい。さらに、両電極(13)(14)間には、第１積層体(60)を１つ以上含んだダイ(10)と両パンチ(11)(12)とからなる群を、複数個並列に並べて配置しても良い。
【００５５】
ついで、１〜１０Ｐａの真空雰囲気中、または窒素やアルゴンなどの不活性ガス雰囲気中において、第１積層体(60)を上下両パンチ(11)(12)または両電極(13)(14)により上下両方向、すなわち第１積層体(60)の積層方向の両側から加圧しつつ、両電極(13)(14)間にパルス電流を通電することにより、Ｃｕ板(2)の融点よりも低い温度に加熱昇温するとともに、当該温度に所定時間保持し、これによりセラミック板(4)とＣｕ板(2)とを接合する。この工程を放電プラズマ焼結法による「第１接合工程」という。こうして、図３に示した二層構造の接合体(61)が得られる。
【００５６】
なお、第１積層体(60)を複数個、ダイ(10)内に重ねるように配置した場合、接合体(61)は複数個同時に製造される。また、両電極(13)(14)間に、第１積層体(60)を含んだダイ(10)と両パンチ(11)(12)とからなる群を、複数個並列に並べて配置した場合、接合体(61)は複数個同時に製造される。
【００５７】
上述した第１接合工程での接合条件は、Ｃｕ板(2)およびセラミック板(4)の材料や寸法に応じて異なるが、たとえば通電するパルス電流１０００〜３００００Ａ、加圧力１０〜１００ＭＰａ、接合温度９３３〜１０７３℃（好ましくは９５０〜１０００℃）、接合温度保持時間１〜３０ｍｉｎである。
【００５８】
図３に示した第１接合体(61)では、セラミック板(4)の上面(4a)にＣｕ板(2)が、セラミック板(4)とＣｕ板(2)との間の接合界面にろう材を介することなく、すなわち直接的に接合されている。さらに、Ｃｕ板(2)のセラミック面(4)との接合面(2a)は、セラミック板(4)の上面(4a)の外周縁(4z)よりも内側に位置している。
【００５９】
ついで、図４に示すように、放電プラズマ焼結装置の黒鉛製焼結用ダイ(10)内に、接合体(61)とＡｌ板(3)とを、接合体(61)のセラミック板(4)の下面(4a)上にＡｌ板(3)が配置されるように、且つ、セラミック板(4)の下面(4a)の外周縁(4z)よりも内側にＡｌ板(3)の上面からなる接合予定面(3b)が位置するように積層して配置する。このように、接合体(61)とＡｌ板(3)とが積層されることで第２積層体(62)が形成される。互いに隣り合う板どうし(61,3)は面接触している。ダイ(10)の上下方向の高さは、接合体(61)およびＡｌ板(3)の厚みの合計よりも高くなっており、ダイ(10)の上下両端部は、接合体(61)のＣｕ板(2)およびＡｌ板(3)よりも上下方向外側に突出している。ついで、ダイ(10)内における接合体(61)およびＡｌ板(3)からなる第２積層体(62)の上下両側に黒鉛製パンチ(11)(12)を配置するとともに、上パンチ(11)の上面および下パンチ(12)の下面にそれぞれ電極(13)(14)を電気的に接触させる。この状態では、両パンチ(11)(12)およびダイ(10)によって両電極(13)(14)間の導通が確保される。
【００６０】
なお本発明では、第２積層体(62)は、積層構造が保たれていれば積層順番が上下逆転しても良い。さらに、第２積層体(62)を複数個、ダイ(10)内に上下方向に重ねるように配置しても良い。この場合、隣り合う第２積層体(62)どうしの間には、ダイ(10)と同等な材料で作製された板材をスペーサーとして設置することが望ましい。さらに、両電極(13)(14)間には、第２積層体(62)を１つ以上含んだダイ(10)と両パンチ(11)(12)とからなる群を、複数個並列に並べて配置しても良い。
【００６１】
ついで、１〜１０Ｐａの真空雰囲気中、または窒素やアルゴンなどの不活性ガス雰囲気中において、第２積層体(62)を上下両パンチ(11)(12)または両電極(13)(14)により上下両方向、すなわち第２積層体(62)の積層方向の両側から加圧しつつ、両電極(13)(14)間にパルス電流を通電することにより、Ａｌ板(3)の融点よりも低い温度に加熱昇温するとともに、当該温度に所定時間保持し、これにより第２積層体(62)のセラミック板(4)とＡｌ板(3)とを接合する。この工程を放電プラズマ焼結法による「第２接合工程」という。こうして、図１に示した所望する積層材(1)が製造される。
【００６２】
なお、第２積層体(62)を複数個、ダイ(10)内に重ねるように配置した場合、積層材(1)は複数個同時に製造される。また、両電極(13)(14)間に、第２積層体(62)を含んだダイ(10)と両パンチ(11)(12)とからなる群を、複数個並列に並べて配置した場合、積層材(1)は複数個同時に製造される。
【００６３】
上述した第２接合工程での接合条件は、接合体(61)のセラミック板(4)およびＡｌ板(3)の材料や寸法に応じて異なるが、たとえば通電するパルス電流１０００〜３００００Ａ、加圧力１０〜１００ＭＰａ、接合温度５１０〜６５０℃（好ましくは５２０〜６００℃）、接合温度保持時間１〜３０ｍｉｎである。
【００６４】
ここで、Ａｌ板(3)の融点は一般にＣｕ板(2)の融点よりも低いことから、本実施形態のようにＡｌ板(3)とセラミック板(4)との接合をＣｕ(2)とセラミック板(4)との接合の後で行うことにより、Ｃｕ板(2)とセラミック板(4)との接合の際にＡｌ板(3)が溶融するのを回避することができ、これにより、接合状態が良好な所望する三層構造（Ｃｕ／セラミック／Ａｌ）の積層材(1)を確実に得ることができる。
【００６５】
なお、Ｃｕ板(2)およびＡｌ板(3)とセラミック板(4)とが接合されるメカニズムは明確ではないが、次の通りであると考えられる。
【００６６】
すなわち、金属板（即ちＣｕ板(2)、Ａｌ板(3)）とセラミック板(4)との積層体を積層方向の両側から加圧すると、金属板が降伏することにより、金属板を構成する材料がセラミック板(4)表面の微小な凹部に入り込み、金属板とセラミック板(4)との接触面積が大きくなる。この状態で、放電プラズマ焼結装置の両電極(13)(14)間にパルス電流を通電し、金属板を加熱すると、金属板が軟化して金属板とセラミック板(4)との接触面積が一層大きくなる。このとき、金属板表面とセラミック板(4)表面との接触部付近において放電プラズマが放射されると、金属板表面の酸化皮膜が破壊、除去されるので、活性な表面が露出する。この金属板の活性面がセラミック板(4)の表面と接触すると、物質拡散により金属板とセラミック板(4)とが接合されると考えられる。
【００６７】
以上で本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々に変更可能である。
【実施例】
【００６８】
以下、この発明による積層材の具体的実施例について、比較例とともに説明する。
【００６９】
＜実施例１＞
この実施例の積層材は、上記実施形態の積層材(1)である。
【００７０】
純度９９．５質量％のＣｕからなりかつ縦３２ｍｍ、横２６ｍｍ、厚み０．６ｍｍの１枚のＣｕ板(2)と、純度９９．９９質量％のＡｌからなりかつ縦３２ｍｍ、横２６ｍｍ、厚み０．６ｍの１枚のＡｌ板(3)と、縦３４ｍｍ、横２８ｍｍ、厚み０．６３５ｍｍの１枚のＡｌＮ製セラミック板(4)とを用意した。そして、Ｃｕ板(2)、Ａｌ板(3)およびセラミック板(4)の表面に、有機溶剤を用いて脱脂処理を施した。なお、酸化皮膜の除去処理は施していない。Ｃｕ板(2)の両面の表面粗さは、算術平均粗さでＲａ１．１μｍｍ、Ａｌ板(3)の両面の表面粗さは、算術平均粗さでＲａ０．９μｍ、セラミック板(4)の両面の表面粗さは、算術平均粗さでＲａ０．８μｍであった。Ｒａは、ＪＩＳ（日本工業規格） Ｂ ０６０１：１９９４に準拠して測定した。
【００７１】
ついで、図２に示すように、焼結用ダイ(10)内に、セラミック板(4)とＣｕ板(2)とを、セラミック板(4)の上面(4a)上にＣｕ板(2)がセラミック板(4)と隣接して配置されるように、且つ、セラミック板(4)の上面(4a)の外周縁(4z)よりも内側にＣｕ板(2)の下面からなる接合予定面(2b)が位置するように積層して配置した。このとき、セラミック板(4)の重心位置とＣｕ板(2)の重心位置とが厚さ方向に一致するようにこれらの板(4)(2)を配置した。そして、ダイ(10)内におけるＣｕ板(2)およびセラミック板(4)からなる第１積層体(60)の上下両側にそれぞれ黒鉛製パンチ(11)(12)を配置するとともに、上パンチ(11)の上面および下パンチ(12)の下面にそれぞれ電極(13)(14)を電気的に接触させた。この状態では、両パンチ(11)(12)およびダイ(10)によって両電極(13)(14)間の導通が確保される。
【００７２】
ついで、１〜１０Ｐａの真空雰囲気中において、第１積層体(60)を上下両パンチ(11)(12)により上下両側から２０ＭＰａの圧力で加圧しつつ、両電極(13)(14)間に最大２５００Ａのパルス電流を通電することにより第１積層体(60)を室温から２５分間かけて９５０℃まで加熱するとともに、９５０℃で５分間保持し、これにより、Ｃｕ板(2)とセラミック板(4)とを接合した［第１接合工程］。ついで、両電極(13)(14)間の通電を停止した後、冷却することにより、図３に示した二層構造の接合体(61)を製造した。
【００７３】
ついで、同じく図４に示すように、焼結用ダイ(10)内に、接合体(61)とＡｌ板とを、接合体(61)のセラミック板(4)の下面(4a)上にＡｌ板(3)がセラミック板(4)と隣接して配置されるように、且つ、セラミック板(4)の下面(4a)の外周縁(4z)よりも内側にＡｌ板(3)の接合予定面(3b)が位置するように積層して配置した。そして、ダイ(10)内における接合体(61)およびＡｌ板(3)からなる第２積層体(62)の上下両側にそれぞれ黒鉛製パンチ(11)(12)を配置するとともに、上パンチ(11)の上面および下パンチ(12)の下面にそれぞれ電極(13)(14)を電気的に接触させた。この状態では、両パンチ(11)(12)およびダイ(10)によって両電極(13)(14)間の導通が確保される。
【００７４】
ついで、１〜１０Ｐａの真空雰囲気中において、第２積層体(62)を上下両パンチ(11)(12)により上下両側から２０ＭＰａの圧力で加圧しつつ、両電極(13)(14)間に最大１５００Ａのパルス電流を通電することにより第２積層体(62)を室温から１０分間かけて５５０℃まで加熱するとともに、５５０℃で５分間保持し、これにより、第２積層体(62)のセラミック板(4)とＡｌ板（３）とを接合した［第２接合工程］。ついで、両電極(13)(14)間の通電を停止した後、冷却することにより、図１に示した所望する三層構造の積層材(1)を製造した。
【００７５】
製造された積層材(1)では、Ｃｕ板(2)とセラミック板(4)との接合、および、Ａｌ板(3)とセラミック板(4)との接合を、いずれも放電プラズマ焼結法により行っているので、ろう材を用いる必要がなく、そのため、積層材(1)の製造コストを低減できた。
【００７６】
また、積層材(1)の両面の平面度を測定したところ、７０μｍであった。さらに、積層材(1)におけるＣｕ板(2)とセラミック板(4)との接合状態およびＡｌ板(3)とセラミック板(4)との接合状態を確認するため、積層材(1)の断面観察を行ったところ、接合界面には欠陥が見られず、良好な接合が行われていた。
【００７７】
また、積層材(1)について、−４０℃⇔１２５℃、１０００サイクルという試験条件の冷熱サイクル試験を行った。そして、Ｃｕ板(2)とセラミック板(4)との間の接合界面、および、Ａｌ板(3)とセラミック板(4)との間の接合界面における剥離の有無を調べた。その結果を表１中の「剥離」欄に示す。同欄に示すように、それぞれの接合界面に剥離は発生していなかった。
【００７８】
また、積層材(1)のＡｌ板(3)の表面にＡｌ製水冷式シートシンクをろう付けし、次いで積層材(1)のＣｕ板(2)の表面に半導体素子をはんだ付けした。そして、積層材(1)の放熱性能として熱抵抗を調べた。その結果を表１中の「放熱性能」欄に示す。同欄に示すように、半導体素子直下にＡｌよりも熱伝導率が２倍程度大きいＣｕ板(2)が配置されているので、放熱性能が高く、半導体素子から発する熱を効率的に放熱することができた。さらに、この積層材(1)では、半導体素子をはんだ付けする前にＮｉめっきを施す必要がないので、積層材(1)の製造コストを更に低減できた。さらに、積層材(1)のＡｌ板(3)の表面にシートシンクをろう付けする際においては、積層材(1)とヒートシンクとを金属的に接合することができた。
【００７９】
＜実施例２＞
両電極(13)(14)間でのパルス電流の通電を窒素からなる不活性ガス雰囲気中で行ったことを除いては、実施例１と同様にして三層構造の積層材(1)を製造した。
【００８０】
製造された積層材(1)の両面の平面度を測定したところ、７２μｍであった。さらに、積層材(1)におけるＣｕ板(2)とセラミック板(4)との接合状態およびＡｌ板(3)とセラミック板(4)との接合状態を確認するため、積層材(1)の断面観察を行ったところ、接合界面には欠陥が見られず、良好な接合が行われていた。
【００８１】
また、積層材(1)について、実施例１の冷熱サイクル試験と同じ試験条件で冷熱サイクル試験を行った。そして、Ｃｕ板(2)とセラミック板(4)との間の接合界面、および、Ａｌ板(3)とセラミック板(4)との間の接合界面における剥離の有無を調べた。その結果を表１中の「剥離」欄に示す。同欄に示すように、それぞれの接合界面に剥離は発生しなかった。
【００８２】
また、積層材(1)のＡｌ板(3)の表面にＡｌ製水冷式シートシンクをろう付けし、次いで積層材(1)のＣｕ板(2)の表面に半導体素子をはんだ付けした。そして、積層材(1)の放熱性能（熱抵抗）を調べた。その結果を表１中の「放熱性能」欄に示す。同欄に示すように、実施例２の積層材(1)でも放熱性能が高く、半導体素子から発する熱を効率的に放熱することができた。さらに、この積層材(1)では、半導体素子をはんだ付けする前にＮｉめっきを施す必要がないので、積層材(1)の製造コストを更に低減できた。さらに、積層材(1)のＡｌ板(3)の表面にシートシンクをろう付けする際においては、積層材(1)とヒートシンクとを金属的に接合することができた。
【００８３】
＜比較例１＞
図５に示した三層構造の積層材(101A)を次のように製造した。
【００８４】
実施例１で用いたＡｌ板(3)およびセラミック板(4)と同じ材料・形状からなる２枚のＡｌ板(103)および１枚のセラミック板(104)を用意した。すなわち、Ａｌ板(103)は、純度９９．９９質量％のＡｌからなりかつその形状が縦３２ｍｍ、横２６ｍｍ、厚み０．６ｍｍである。セラミック板(104)は、ＡｌＮからなりかつその形状が縦３４ｍｍ、横２８ｍｍ、厚み０．６３５ｍｍである。そして、セラミック板(104)の両面にそれぞれＡｌ板(103)を、各Ａｌ板(103)とセラミック板(104)との間に介在させたＡｌ−Ｓｉ合金からなるろう材によりろう付けし、これにより、図５に示した積層材(101A)を製造した。
【００８５】
製造された積層材(101A)について、実施例１の冷熱サイクル試験と同じ試験条件で冷熱サイクル試験を行った。そして、各Ａｌ板(103)とセラミック板(104)との間の接合界面における剥離の有無を調べた。その結果を表１中の「剥離」欄に示す。同欄に示すように、それぞれの接合界面に剥離が発生した。
【００８６】
また、積層材(101A)の一方のＡｌ板(103)の表面にＡｌ製水冷式シートシンクをろう付けし、次いで積層材(101A)の他方のＡｌ板(103)の表面にＮｉめっきを施してＮｉめっき層を形成し、その後、Ｎｉめっき層の表面に半導体素子をはんだ付けした。そして、積層材(101A)の放熱性能（熱抵抗）を調べた。その結果を表１中の「放熱性能」欄に示す。同欄に示すように、積層材(101A)の放熱性能が実施例１および２の積層材(1)よりも悪かった。さらに、この積層材(101A)では、半導体素子をはんだ付けする前にＮｉめっきを施す必要があったので、積層材(101A)の製造コストを増加した。
【００８７】
＜比較例２＞
図６に示した三層構造の積層材(101B)を次のように製造した。
【００８８】
実施例１で用いたＣｕ板(2)およびセラミック板(4)と同じ材料・形状からなる２枚のＣｕ板(102)および１枚のセラミック板(104)を用意した。すなわち、Ｃｕ板(102)は、純度９９．５質量％のＣｕからなりかつその形状が縦３２ｍｍ、横２６ｍｍ、厚み０．６ｍｍである。セラミック板(104)は、ＡｌＮからなりかつその形状が縦３４ｍｍ、横２８ｍｍ、厚み０．６３５ｍｍである。そして、セラミック板(104)の両面にそれぞれＣｕ板(102)を、各Ｃｕ板(102)とセラミック板(104)との間に介在させたＴｉとＡｇからなる活性金属を含んだろう材によりろう付けし、これにより、図６に示した積層材(101B)を製造した。
【００８９】
製造された積層材(101B)について、実施例１の冷熱サイクル試験と同じ試験条件で冷熱サイクル試験を行った。そして、各Ｃｕ板(102)とセラミック板(104)との間の接合界面における剥離の有無を調べた。その結果を表１中の「剥離」欄に示す。同欄に示すように、それぞれの接合界面に剥離が発生した。
【００９０】
また、積層材(101B)の一方のＣｕ板(102)の表面にＡｌ製水冷式シートシンクを熱伝導グリースで接着し、次いで積層材(101B)の他方のＣｕ板(102)の表面に半導体素子をはんだ付けした。そして、積層材(101B)の放熱性能（熱抵抗）を調べた。その結果を表１中の「放熱性能」欄に示す。同欄に示すように、積層材(101B)の放熱性能が実施例１および２の積層材(1)よりも悪かった。
【００９１】
【表１】
【産業上の利用可能性】
【００９２】
本発明による積層材は、たとえばパワーデバイスなどの半導体素子を冷却するのに好適に用いられる。
【符号の説明】
【００９３】
(1)：積層材
(2)：Ｃｕ板
(3)：Ａｌ板
(4)：セラミック板
【技術分野】
【０００１】
この発明は、積層材およびその製造方法に関し、たとえばＬＥＤやパワーデバイスなどの半導体素子の冷却を行うのに用いられる積層材およびその製造方法に関する。
【０００２】
この明細書において、元素記号で表現された材料は純材料を意味するが、不可避の不純物を含有する工業的な純材料も含むものとする。
【０００３】
また、この明細書および特許請求の範囲において、放電プラズマ焼結法とは、実際に粉末を焼結する方法に限定されるものではなく、放電プラズマ焼結の原理を利用した方法を意味するものとする。
【０００４】
さらに、この明細書および特許請求の範囲において、「融点」という用語は、合金の場合には、固相線温度を意味するものとする。
【背景技術】
【０００５】
近年、電力の送変電、鉄道車両の駆動制御、自動車のエンジン制御やインバータ駆動、エアコンや太陽光発電用インバータなどに、電力を変換制御するパワーデバイスが用いられている。
【０００６】
このパワーデバイスはスイッチング時の発熱が大きく、そのため、パワーデバイスの冷却効率を向上させることは、その機能を維持するためにきわめて重要な課題となっている。
【０００７】
パワーデバイスの冷却のために放熱器が用いられる。パワーデバイスと放熱器とを備えたパワーモジュールでは、パワーデバイスと放熱器との間に、互いに積層状に配置されたセラミック板と金属板とを含む積層材が配置されている。この積層材は、熱的には伝導体であるが電気的には絶縁体として機能する性質を有するものであり、すなわち熱伝導性絶縁基板として用いられている。
【０００８】
この積層材を製造する従来技術として、特開２００４−３２８０１２号公報（特許文献１）や特開２０００−２５６０８１号公報（特許文献２）に示すように、金属板とセラミック板との接合を行う場合、金属板とセラミック板との間の界面にＡｇやＴｉ等の活性金属を含んだろう材を配置するか（Ｃｕ、Ａｌ接合）、Ａｌ−Ｓｉ合金のろう材を配置する（Ａｌ接合）ことが知られている。金属板としては、Ａｌ板やＣｕ板が用いられている。
【０００９】
さらに、セラミック板の両面にそれぞれＡｌ板が接合されてなる積層材では、パワーデバイスをはんだ付けにより実装する前に、積層材のＡｌ板の表面に選択的にＮｉ層をコートする、例えばＮｉめっき層を形成することで、はんだ接合性を向上させている。例えば、特開２００９−１４７１２３号公報（特許文献３）では、半導体素子の電極に電気的配線または冷却部材としての金属部品をはんだ付けにて接合する場合、はんだ層と電極との間に金属保護膜としてＮｉめっき膜を形成することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００４−３２８０１２号公報
【特許文献２】特開２０００−２５６０８１号公報
【特許文献３】特開２００９−１４７１２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上記方法では、金属板とセラミック板との間の接合界面にろう材層が形成されるため接合界面の接合信頼性を損なう恐れがある。例えば、Ａｌ板とセラミック板との接合を行うためには、接合界面にＡｌ−Ｓｉ合金のろう材層が形成されるが、Ａｌ−Ｓｉ合金はＡｌ板のＡｌよりも硬いため、高温−低温の冷熱サイクルに伴う接合界面に働く応力が非常に大きなものとなる。その結果、界面付近で材料破壊が発生してＡｌ板とセラミック板とが剥離する。
【００１２】
また、Ａｌ板表面にＮｉめっき層を形成するためには、たとえばＡｌ板表面の粗さが小さいことなどの制約があり、この制約のためにＡｌ板表面に対して機械的・化学的前処理を施さなければならず、その結果、Ａｌ板表面にＮｉ層を形成するコストが高くなる問題があった。
【００１３】
さらに、Ａｌ板表面に部分的にまたはある面だけを選択的にＮｉ層を形成したいときは、Ｎｉめっきではマスキング工程が必須となり、製造コストが高くなる問題もあった。
【００１４】
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、金属板とセラミック板との間の界面剥離を防止することができるし、製造コストの低減を図ることができ、更に、放熱特性を向上させることができる積層材およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は以下の手段を提供する。
【００１６】
［１］ セラミック板の一方の片面にＣｕまたはＣｕ合金からなるＣｕ板が、セラミック板の他方の片面にＡｌまたはＡｌ合金からなるＡｌ板が、放電プラズマ焼結法によりそれぞれ接合されていることを特徴とする積層材。
【００１７】
［２］ セラミック板の一方の片面にＣｕ板が、セラミック板とＣｕ板との間の接合界面にろう材を介さないで、直接的に接合されている前項１記載の積層材。
【００１８】
［３］ セラミック板の他方の片面にＡｌ板が、セラミック板とＡｌ板との間の接合界面にろう材を介さないで、直接的に接合されている前項１又は２記載の積層材。
【００１９】
［４］ セラミック板が、ＡｌＮ、Ａｌ2Ｏ3、Ｓｉ3Ｎ4、ＳｉＣ、Ｙ2Ｏ3、ＣａＯ、ＢＮおよびＢｅＯよりなる群から選ばれた１種の材料からなる前項１〜３のうちのいずれかに記載の積層材。
【００２０】
［５］ セラミック板と、ＣｕまたはＣｕ合金からなるＣｕ板とを、セラミック板の一方の片面上にＣｕ板が配置されるように積層する第１積層工程と、
セラミック板とＣｕ板との第１積層体を１対の放電プラズマ焼結用電極間に配置する第１積層体配置工程と、
両電極間の導通を確保した状態で、両電極間にパルス電流を通電することにより、第１積層体のセラミック板とＣｕ板とを接合する第１接合工程と、
第１接合工程により得られたセラミック板とＣｕ板との接合体と、ＡｌまたはＡｌ合金からなるＡｌ板とを、接合体のセラミック板の他方の片面上にＡｌ板が配置されるように積層する第２積層工程と、
接合体とＡｌ板との第２積層体を１対の放電プラズマ焼結用電極間に配置する第２積層体配置工程と、
両電極間の導通を確保した状態で、両電極間にパルス電流を通電することにより、第２積層体のセラミック板とＡｌ板とを接合する第２接合工程と、を含むことを特徴とする積層材の製造方法。
【００２１】
［６］ 第１接合工程では、接合を、Ｃｕ板の融点よりも低い温度で行うとともに、
第２接合工程では、接合を、Ａｌ板の融点よりも低い温度で行う前項５記載の積層材の製造方法。
【００２２】
［７］ 第１接合工程では、接合を、第１積層体をその積層方向の両側から１０〜１００ＭＰａで加圧しながら行うとともに、
第２接合工程では、接合を、第２積層体をその積層方向の両側から１０〜１００ＭＰａで加圧しながら行う前項５または６記載の積層材の製造方法。
【００２３】
［８］ 第１接合工程では、接合を、不活性ガス雰囲気中または真空雰囲気中で行うとともに、
第２接合工程では、接合を、不活性ガス雰囲気中または真空雰囲気中で行う前項５〜７のうちのいずれかに記載の積層材の製造方法。
【発明の効果】
【００２４】
［１］〜［３］の積層材によれば、放電プラズマ焼結法によりセラミック板の所定の面にそれぞれＣｕ板およびＡｌ板が接合されているので、セラミック板と金属板（即ちＣｕ板、Ａｌ板）との間の接合界面に、ＡｇやＴｉ等の活性金属を含むろう材を配置する必要なく、即ち直接接合が可能となる。そのため、冷熱サイクルに伴うセラミック板と金属板との間の界面剥離が抑制され、もって接合信頼性が向上する。さらに、ろう材を使用しないので、積層材の製造コストの低減を図ることができる。
【００２５】
さらに、［１］〜［３］の積層材によれば、セラミック板の一方の片面にＣｕ板が接合されることで、放熱特性が向上するとともに、Ｃｕ板に直接的にはんだ付けができるので、Ａｌ板では必須となっていたはんだ接合性を向上させるためのＮｉめっき工程を必要としない。これにより、製造コストの更なる低減を図ることができる。しかも、セラミック板の他方の片面にＡｌ板が接合されているので、例えば、ＡｌやＡｌ合金製ヒートシンクなどの放熱部材をろう付けなどの金属的な接合によりＡｌ板に貼り付けることができ、その結果、軽量で且つ放熱特性が向上したパワーデバイス冷却部材（パワーモジュール用ベース）を得ることができる。
【００２６】
［４］の積層材によれば、セラミック板がＡｌＮ、Ａｌ2Ｏ3、Ｓｉ3Ｎ4、ＳｉＣ、Ｙ2Ｏ3、ＣａＯ、ＢＮおよびＢｅＯよりなる群から選ばれた１種の材料からなるので、Ｃｕ板を配線層として利用することができるし、セラミック板を電気絶縁性能に優れた電気絶縁層として利用することができる。したがって、例えば、積層材のＡｌ板の表面にＡｌやＡｌ合金製ヒートシンクなどの放熱部材をろう付けすることにより、半導体モジュール用ベースとしてたとえばパワーモジュール用ベースを形成することができる。そして、このベースの積層材のＣｕ板に半導体素子としてたとえばパワーデバイスを実装することで半導体モジュールとしてパワーモジュールを製造することができる。このパワーモジュールによれば、パワーデバイスと放熱部材との間には、Ｃｕ板、セラミック板およびＡｌ板が配置されているだけなので、パワーデバイスから放熱部材までの熱伝導の経路が短くなり、パワーデバイスから発せられる熱の放熱性能が向上する。また、金属板（即ちＣｕ板、Ａｌ板）とセラミック板との間には熱伝導率の低いろう材を介在させる必要はなく、両金属板とセラミック板との間の熱伝導性が優れたものになる。
【００２７】
［５］の積層材の製造方法によれば、［１］〜［４］の積層材をろう材を用いなくても製造することができ、そのため、温度変化によるセラミックと金属板（即ちＣｕ板、Ａｌ板）との間の接合界面の接合信頼性を高めることができる。さらに、ろう材を使用しないので、積層材を安価に製造することができる。
【００２８】
［６］の積層材の製造方法によれば、第１接合工程での接合時に、Ｃｕ板の部分的な溶融などによる変形を防止することができるし、第２接合工程での接合時に、Ａｌ板の部分的な溶融などによる変形を防止することができる。
【００２９】
ここで、第１接合工程では、接合温度は、９３３〜１０７３℃（好ましくは９５０〜１０００℃）の範囲内に設定されるのが良い。第２接合工程では、接合温度は５１０〜６５０℃（好ましくは５２０〜６００℃）の範囲内に設定されるのが良い。
【００３０】
［７］の積層材の製造方法によれば、Ｃｕ板とセラミック板との間での接合欠陥の発生を効果的に防止することができるし、Ａｌ板とセラミック板との間での接合欠陥の発生を効果的に防止することができる。
【００３１】
［８］の積層材の製造方法によれば、Ｃｕ板とセラミック板との間での接合欠陥の発生を効果的に防止することができるし、Ａｌ板とセラミック板との間での接合欠陥の発生を効果的に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】図１は、本発明の一実施形態の積層材を示す垂直断面図である。
【図２】図２は、同積層材の製造過程における第１接合工程を示す垂直断面図である。
【図３】図３は、第１接合工程により得られた接合体を示す垂直断面図である。
【図４】図４は、同積層材の製造過程における第２接合工程を示す垂直断面図である。
【図５】図５は、比較例１の積層材を示す垂直断面図である。
【図６】図６は、比較例２の積層材を示す垂直断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、この発明の一実施形態を図面を参照して説明する。
【００３４】
なお、以下の説明において、各図面の上下を上下というものとする。また、全図面を通じて同一部分および同一物には同一符号を付して重複する説明を省略する。
実施形態１
図１〜４は、本発明の一実施形態の積層材およびその製造方法を説明するための図である。本実施形態は、積層材が、半導体素子（例：パワーデバイス）が実装される絶縁基板として利用可能なものである場合について示している。
【００３５】
図１に示すように、本実施形態の積層材(1)は、少なくとも１枚のセラミック板(4)と、セラミック板(4)の一方の片側に配置された少なくとも１枚のＣｕまたはＣｕ合金からなるＣｕ板(2)と、セラミック板(4)の他方の片側に配置された少なくとも１枚のＡｌまたはＡｌ合金からなるＡｌ板(3)とが、積層されたものである。
【００３６】
この積層材(1)では、セラミック板(4)は水平状に配置されている。Ｃｕ板(2)はセラミック板(4)の上面(4a)上にセラミック板(4)と隣接して配置されている。Ａｌ板(3)はセラミック板(4)の下面(4a)上にセラミック板(4)と隣接して配置されている。そして、互いに隣り合う板どうし(2,4)(4,3)が放電プラズマ焼結法により接合されている。したがって、Ｃｕ板(2)は積層材(1)の上側の最外側に配置されており、セラミック板(4)はＣｕ板(2)とＡｌ板(3)との間に配置されており、Ａｌ板(3)は積層材(1)の下側の最外側に配置されている。セラミック板(4)とＣｕ板(2)とが放電プラズマ焼結法により接合されているので、セラミック板(4)の上面(4a)にＣｕ板(2)が、セラミック板(4)とＣｕ板(2)との間にろう材を介することなく、すなわち直接的に接合されている。また同じく、セラミック板(4)とＡｌ板(3)とが放電プラズマ焼結法により接合されているので、セラミック板(4)の下面(4a)にＡｌ板(3)が、セラミック板(4)とＡｌ板(3)との間にろう材を介することなく、すなわち直接的に接合されている。
【００３７】
ここでは、１枚のセラミック板(4)が１枚のＣｕ板(2)と１枚のＡｌ板(3)との間に位置するように積層されるとともに、互いに隣り合うＣｕ板(2)とセラミック板(4)およびセラミック板(4)とＡｌ板(3)とが放電プラズマ焼結法により順次（段階的に）接合されたものである。また、この積層材(1)は三層構造である。
【００３８】
積層材(1)の上下両面、すなわちＣｕ板(2)の上面およびＡｌ板(3)の下面の平面度は、それぞれ１００μｍ以下である。
【００３９】
Ｃｕ板(2)は、上述したようにＣｕまたはＣｕ合金からなる。Ａｌ板(3)は、上述したようにＡｌまたはＡｌ合金からなる。因みに、Ｃｕ板(2)およびＡｌ板(3)を構成する材料の融点は、それぞれ、Ｃｕ：１０８３℃、Ａｌ：６６０℃であり、Ｃｕ合金およびＡｌ合金の融点は、通常、それぞれ、ＣｕおよびＡｌの融点よりも低い。
【００４０】
Ｃｕ板(2)およびＡｌ板(3)の厚みは３ｍｍ以下（好ましくは２００μｍ以上）であることが良い。Ｃｕ板(2)およびＡｌ板(3)は、公知の適当な方法で形成される。
【００４１】
セラミック板(4)は、ＡｌＮ、Ａｌ2Ｏ3、Ｓｉ3Ｎ4、ＳｉＣ、Ｙ2Ｏ3、ＣａＯ、ＢＮおよびＢｅＯよりなる群から選ばれた１種の電気絶縁性材料からなる。セラミック板(4)の厚みは１ｍｍ以下（好ましくは３００μｍ以上）であることが好ましい。セラミック板(4)は、たとえば、ＡｌＮ、Ａｌ2Ｏ3、Ｓｉ3Ｎ4、ＳｉＣ、Ｙ2Ｏ3、ＣａＯ、ＢＮおよびＢｅＯよりなる群から選ばれた１種の材料の粉末を、適当な焼結助剤を用いて放電プラズマ焼結法により焼結することにより形成される。また、セラミック板(4)は、ＡｌＮ、Ａｌ2Ｏ3、Ｓｉ3Ｎ4、ＳｉＣ、Ｙ2Ｏ3、ＣａＯ、ＢＮおよびＢｅＯよりなる群から選ばれた１種の材料の粉末を用いて熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）することにより形成されていてもよい。
【００４２】
ここで、各セラミック材料の融点または分解点は、ＡｌＮ：２２００℃、Ａｌ２Ｏ３：２０５０℃、Ｓｉ３Ｎ４：１９００℃、ＳｉＣ：２０００℃、Ｙ２Ｏ３：２４００℃、ＣａＯ：２５７０℃、ＢＮ：３０００℃、ＢｅＯ：２５７０℃であり、Ｃｕ板(2)およびＡｌ板(3)を構成する材料の融点よりも高くなっている。
【００４３】
Ｃｕ板(2)、Ａｌ板(3)およびセラミック板(4)の形状は、それぞれ平面視で例えば四角形状である。ただし本発明では、Ｃｕ板(2)、Ａｌ板(3)およびセラミック板(4)は、平面視で四角形状であることに限定されるものではなく、その他に、多角形状、円形状、楕円形状、または、任意の曲線で囲まれた形状であっても良い。さらに、これらの板(2)(3)(4)は、同一形状であっても良いし、相似形状であっても良いし、異形形状であっても良い。
【００４４】
セラミック板(4)の上面(4a)および下面(4a)の外形寸法は、それぞれＣｕ板(2)の下面およびＡｌ板(3)の上面の外形寸法よりも少し大きくなっている。
【００４５】
そして、セラミック板(4)におけるＣｕ板(2)と接合された側の面（即ち、セラミック板(4)の上面(4a))の外周縁(4z)よりも内側に、Ｃｕ板(2)のセラミック板(4)との接合面(2a)（即ち、Ｃｕ板(2)の下面）が位置している。さらに、セラミック板(4)におけるＡｌ板(3)と接合された側の面（即ち、セラミック板(4)の下面(4a))の外周縁(4z)よりも内側に、Ａｌ板(3)のセラミック板(4)との接合面(3a)（即ち、Ａｌ板(3)の下面）が位置している。
【００４６】
本実施形態の積層材(1)では、セラミック板(4)におけるＣｕ板(2)と接合された側の面は、セラミック板(4)の上面(4a)である。セラミック板(4)におけるＡｌ板(3)と接合された側の面は、セラミック板(4)の下面(4a)である。さらに、セラミック板(4)の上面(4a)はＣｕ板(2)との隣接面でもあり、またセラミック板(4)の下面(4a)はＡｌ板(3)との隣接面でもある。また、Ｃｕ板(2)のセラミック板(4)との接合面(2a)は、Ｃｕ板(2)の下面である。Ａｌ板(3)のセラミック板(4)との接合面(3a)は、Ａｌ板(3)の上面である。
【００４７】
図１に示すように、セラミック板(4)の上面(4a)の外周縁(4z)からＣｕ板(2)の接合面(2a)までの距離ｄは、０．５ｍｍ以上であることが望ましく、また同じく、セラミック板(4)の下面(4a)の外周縁(4z)からＡｌ板(3)の接合面(3a)までの距離ｄは、０．５ｍｍ以上であることが望ましい。こうすることにより、Ｃｕ板(2)の外周縁部からの漏電を確実に防止することができる。なお、距離ｄの上限は特に限定されるものではなく、通常２．０ｍｍ位である。
【００４８】
図示は省略したが、積層材(1)の一応用例（用途例）を以下にあげる。
【００４９】
積層材(1)は、例えば、電気鉄道車両などの電動機の電力変換装置に使用されるＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴおよびダイオードなどの半導体素子が実装される基板あるいは冷却部材に用いられる。半導体素子としては、電力の送変電制御装置、鉄道車両の駆動制御装置、自動車のエンジン制御装置、インバータ駆動装置、家庭用エアコン制御装置、太陽光発電用制御装置などに用いられるパワーデバイスが、作動の際のスイッチング時の発熱が大きいために好適に挙げられる。パワーデバイスの冷却には放熱器が使用される。パワーデバイスと放熱器とを備えたパワーモジュールでは、一般に、パワーデバイスと放熱器との間に、熱的には伝導体であるが電気的には絶縁体として機能する性質を有する積層材が配置されている。この積層材として、本実施形態の積層材(1)が好適に用いられる。具体的には、積層材(1)は、Ｃｕ板(2)を備えているので、直接はんだ付けが可能な配線層を有する熱伝導性絶縁基板として好適に用いられる。さらに、積層材(1)は、Ｃｕ板(2)が半導体素子と隣接するので、半導体素子から発せられる熱を効率的に拡散することができ、そのため、放熱特性が良い配線層を有する絶縁基板としても用いられる。さらに、積層材(1)は、Ｃｕ板(2)の配置側とは反対側にＡｌ板(3)を備えているので、軽量で放熱性の良いＡｌまたはＡｌ合金製ヒートシンクをろう付けなどの金属的な接合によりＡｌ板(3)に貼り付けることができる。これにより、半導体素子から発せられる熱を効率良くヒートシンクに伝えて放熱しうる放熱部材を構成することができる。
【００５０】
次に、積層材(1)の製造方法について、図２〜４を参照して説明する。
【００５１】
すなわち、ＣｕまたはＣｕ合金からなり、かつ一般的な製法で作製されたＣｕ板(2)と、ＡｌまたはＡｌ合金からなり、かつ一般的な製法で作製されたＡｌ板(3)と、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ、Ｙ２Ｏ３、ＣａＯ、ＢＮおよびＢｅＯよりなる群から選ばれた１種の材料からなり、かつ一般的な製法で作製されたセラミック板(4)とを用意する。
【００５２】
ここで、Ｃｕ板(2)およびＡｌ板(3)の表面粗さは、それぞれ算術平均粗さ（Ｒａ）で１．０μｍ以下であることが好ましく、厚みは３ｍｍ以下であることが好ましい。セラミック板(4)の表面粗さは、算術平均粗さ（Ｒａ）で１．５μｍ以下であることが好ましく、厚みは１ｍｍ以下であることが好ましい。
【００５３】
ついで、放電プラズマ焼結装置の導電性を有する筒状の黒鉛製焼結用ダイ(10)内に、セラミック板(4)とＣｕ板(2)とを、セラミック板(4)の上面(4a)上にＣｕ板(2)がセラミック板(4)と隣接して配置されるように、且つ、セラミック板(4)の上面(4a)の外周縁(4z)よりも内側にＣｕ板(2)の下面からなる接合予定面(2b)が位置するように積層して配置する。このように、セラミック板(4)とＣｕ板(2)とが積層されることで第１積層体(60)が形成される。互いに隣り合う板どうし(2,4)は面接触している。ダイ(10)の上下方向の高さは、Ｃｕ板(2)およびセラミック板(4)の厚みの合計よりも高くなっており、ダイ(10)の上下両端部は、Ｃｕ板(2)およびセラミック板(4)よりも上下方向外側に突出している。ついで、ダイ(10)内におけるＣｕ板(2)およびセラミック板(4)からなる第１積層体(60)の上下両側にそれぞれ黒鉛製パンチ(11)(12)を配置するとともに、上パンチ(11)の上面および下パンチ(12)の下面にそれぞれ電極(13)(14)を電気的に接触させる。この状態では、両パンチ(11)(12)およびダイ(10)によって両電極(13)(14)間の導通が確保される。
【００５４】
なお本発明では、第１積層体(60)は、積層構造が保たれていれば積層順番が上下逆転しても良い。さらに、第１積層体(60)を複数個、ダイ(10)内に上下方向に重ねるように配置しても良い。この場合、隣り合う第１積層体(60)どうしの間には、ダイ(10)と同等な材料で作製された板材をスペーサーとして設置することが望ましい。さらに、両電極(13)(14)間には、第１積層体(60)を１つ以上含んだダイ(10)と両パンチ(11)(12)とからなる群を、複数個並列に並べて配置しても良い。
【００５５】
ついで、１〜１０Ｐａの真空雰囲気中、または窒素やアルゴンなどの不活性ガス雰囲気中において、第１積層体(60)を上下両パンチ(11)(12)または両電極(13)(14)により上下両方向、すなわち第１積層体(60)の積層方向の両側から加圧しつつ、両電極(13)(14)間にパルス電流を通電することにより、Ｃｕ板(2)の融点よりも低い温度に加熱昇温するとともに、当該温度に所定時間保持し、これによりセラミック板(4)とＣｕ板(2)とを接合する。この工程を放電プラズマ焼結法による「第１接合工程」という。こうして、図３に示した二層構造の接合体(61)が得られる。
【００５６】
なお、第１積層体(60)を複数個、ダイ(10)内に重ねるように配置した場合、接合体(61)は複数個同時に製造される。また、両電極(13)(14)間に、第１積層体(60)を含んだダイ(10)と両パンチ(11)(12)とからなる群を、複数個並列に並べて配置した場合、接合体(61)は複数個同時に製造される。
【００５７】
上述した第１接合工程での接合条件は、Ｃｕ板(2)およびセラミック板(4)の材料や寸法に応じて異なるが、たとえば通電するパルス電流１０００〜３００００Ａ、加圧力１０〜１００ＭＰａ、接合温度９３３〜１０７３℃（好ましくは９５０〜１０００℃）、接合温度保持時間１〜３０ｍｉｎである。
【００５８】
図３に示した第１接合体(61)では、セラミック板(4)の上面(4a)にＣｕ板(2)が、セラミック板(4)とＣｕ板(2)との間の接合界面にろう材を介することなく、すなわち直接的に接合されている。さらに、Ｃｕ板(2)のセラミック面(4)との接合面(2a)は、セラミック板(4)の上面(4a)の外周縁(4z)よりも内側に位置している。
【００５９】
ついで、図４に示すように、放電プラズマ焼結装置の黒鉛製焼結用ダイ(10)内に、接合体(61)とＡｌ板(3)とを、接合体(61)のセラミック板(4)の下面(4a)上にＡｌ板(3)が配置されるように、且つ、セラミック板(4)の下面(4a)の外周縁(4z)よりも内側にＡｌ板(3)の上面からなる接合予定面(3b)が位置するように積層して配置する。このように、接合体(61)とＡｌ板(3)とが積層されることで第２積層体(62)が形成される。互いに隣り合う板どうし(61,3)は面接触している。ダイ(10)の上下方向の高さは、接合体(61)およびＡｌ板(3)の厚みの合計よりも高くなっており、ダイ(10)の上下両端部は、接合体(61)のＣｕ板(2)およびＡｌ板(3)よりも上下方向外側に突出している。ついで、ダイ(10)内における接合体(61)およびＡｌ板(3)からなる第２積層体(62)の上下両側に黒鉛製パンチ(11)(12)を配置するとともに、上パンチ(11)の上面および下パンチ(12)の下面にそれぞれ電極(13)(14)を電気的に接触させる。この状態では、両パンチ(11)(12)およびダイ(10)によって両電極(13)(14)間の導通が確保される。
【００６０】
なお本発明では、第２積層体(62)は、積層構造が保たれていれば積層順番が上下逆転しても良い。さらに、第２積層体(62)を複数個、ダイ(10)内に上下方向に重ねるように配置しても良い。この場合、隣り合う第２積層体(62)どうしの間には、ダイ(10)と同等な材料で作製された板材をスペーサーとして設置することが望ましい。さらに、両電極(13)(14)間には、第２積層体(62)を１つ以上含んだダイ(10)と両パンチ(11)(12)とからなる群を、複数個並列に並べて配置しても良い。
【００６１】
ついで、１〜１０Ｐａの真空雰囲気中、または窒素やアルゴンなどの不活性ガス雰囲気中において、第２積層体(62)を上下両パンチ(11)(12)または両電極(13)(14)により上下両方向、すなわち第２積層体(62)の積層方向の両側から加圧しつつ、両電極(13)(14)間にパルス電流を通電することにより、Ａｌ板(3)の融点よりも低い温度に加熱昇温するとともに、当該温度に所定時間保持し、これにより第２積層体(62)のセラミック板(4)とＡｌ板(3)とを接合する。この工程を放電プラズマ焼結法による「第２接合工程」という。こうして、図１に示した所望する積層材(1)が製造される。
【００６２】
なお、第２積層体(62)を複数個、ダイ(10)内に重ねるように配置した場合、積層材(1)は複数個同時に製造される。また、両電極(13)(14)間に、第２積層体(62)を含んだダイ(10)と両パンチ(11)(12)とからなる群を、複数個並列に並べて配置した場合、積層材(1)は複数個同時に製造される。
【００６３】
上述した第２接合工程での接合条件は、接合体(61)のセラミック板(4)およびＡｌ板(3)の材料や寸法に応じて異なるが、たとえば通電するパルス電流１０００〜３００００Ａ、加圧力１０〜１００ＭＰａ、接合温度５１０〜６５０℃（好ましくは５２０〜６００℃）、接合温度保持時間１〜３０ｍｉｎである。
【００６４】
ここで、Ａｌ板(3)の融点は一般にＣｕ板(2)の融点よりも低いことから、本実施形態のようにＡｌ板(3)とセラミック板(4)との接合をＣｕ(2)とセラミック板(4)との接合の後で行うことにより、Ｃｕ板(2)とセラミック板(4)との接合の際にＡｌ板(3)が溶融するのを回避することができ、これにより、接合状態が良好な所望する三層構造（Ｃｕ／セラミック／Ａｌ）の積層材(1)を確実に得ることができる。
【００６５】
なお、Ｃｕ板(2)およびＡｌ板(3)とセラミック板(4)とが接合されるメカニズムは明確ではないが、次の通りであると考えられる。
【００６６】
すなわち、金属板（即ちＣｕ板(2)、Ａｌ板(3)）とセラミック板(4)との積層体を積層方向の両側から加圧すると、金属板が降伏することにより、金属板を構成する材料がセラミック板(4)表面の微小な凹部に入り込み、金属板とセラミック板(4)との接触面積が大きくなる。この状態で、放電プラズマ焼結装置の両電極(13)(14)間にパルス電流を通電し、金属板を加熱すると、金属板が軟化して金属板とセラミック板(4)との接触面積が一層大きくなる。このとき、金属板表面とセラミック板(4)表面との接触部付近において放電プラズマが放射されると、金属板表面の酸化皮膜が破壊、除去されるので、活性な表面が露出する。この金属板の活性面がセラミック板(4)の表面と接触すると、物質拡散により金属板とセラミック板(4)とが接合されると考えられる。
【００６７】
以上で本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々に変更可能である。
【実施例】
【００６８】
以下、この発明による積層材の具体的実施例について、比較例とともに説明する。
【００６９】
＜実施例１＞
この実施例の積層材は、上記実施形態の積層材(1)である。
【００７０】
純度９９．５質量％のＣｕからなりかつ縦３２ｍｍ、横２６ｍｍ、厚み０．６ｍｍの１枚のＣｕ板(2)と、純度９９．９９質量％のＡｌからなりかつ縦３２ｍｍ、横２６ｍｍ、厚み０．６ｍの１枚のＡｌ板(3)と、縦３４ｍｍ、横２８ｍｍ、厚み０．６３５ｍｍの１枚のＡｌＮ製セラミック板(4)とを用意した。そして、Ｃｕ板(2)、Ａｌ板(3)およびセラミック板(4)の表面に、有機溶剤を用いて脱脂処理を施した。なお、酸化皮膜の除去処理は施していない。Ｃｕ板(2)の両面の表面粗さは、算術平均粗さでＲａ１．１μｍｍ、Ａｌ板(3)の両面の表面粗さは、算術平均粗さでＲａ０．９μｍ、セラミック板(4)の両面の表面粗さは、算術平均粗さでＲａ０．８μｍであった。Ｒａは、ＪＩＳ（日本工業規格） Ｂ ０６０１：１９９４に準拠して測定した。
【００７１】
ついで、図２に示すように、焼結用ダイ(10)内に、セラミック板(4)とＣｕ板(2)とを、セラミック板(4)の上面(4a)上にＣｕ板(2)がセラミック板(4)と隣接して配置されるように、且つ、セラミック板(4)の上面(4a)の外周縁(4z)よりも内側にＣｕ板(2)の下面からなる接合予定面(2b)が位置するように積層して配置した。このとき、セラミック板(4)の重心位置とＣｕ板(2)の重心位置とが厚さ方向に一致するようにこれらの板(4)(2)を配置した。そして、ダイ(10)内におけるＣｕ板(2)およびセラミック板(4)からなる第１積層体(60)の上下両側にそれぞれ黒鉛製パンチ(11)(12)を配置するとともに、上パンチ(11)の上面および下パンチ(12)の下面にそれぞれ電極(13)(14)を電気的に接触させた。この状態では、両パンチ(11)(12)およびダイ(10)によって両電極(13)(14)間の導通が確保される。
【００７２】
ついで、１〜１０Ｐａの真空雰囲気中において、第１積層体(60)を上下両パンチ(11)(12)により上下両側から２０ＭＰａの圧力で加圧しつつ、両電極(13)(14)間に最大２５００Ａのパルス電流を通電することにより第１積層体(60)を室温から２５分間かけて９５０℃まで加熱するとともに、９５０℃で５分間保持し、これにより、Ｃｕ板(2)とセラミック板(4)とを接合した［第１接合工程］。ついで、両電極(13)(14)間の通電を停止した後、冷却することにより、図３に示した二層構造の接合体(61)を製造した。
【００７３】
ついで、同じく図４に示すように、焼結用ダイ(10)内に、接合体(61)とＡｌ板とを、接合体(61)のセラミック板(4)の下面(4a)上にＡｌ板(3)がセラミック板(4)と隣接して配置されるように、且つ、セラミック板(4)の下面(4a)の外周縁(4z)よりも内側にＡｌ板(3)の接合予定面(3b)が位置するように積層して配置した。そして、ダイ(10)内における接合体(61)およびＡｌ板(3)からなる第２積層体(62)の上下両側にそれぞれ黒鉛製パンチ(11)(12)を配置するとともに、上パンチ(11)の上面および下パンチ(12)の下面にそれぞれ電極(13)(14)を電気的に接触させた。この状態では、両パンチ(11)(12)およびダイ(10)によって両電極(13)(14)間の導通が確保される。
【００７４】
ついで、１〜１０Ｐａの真空雰囲気中において、第２積層体(62)を上下両パンチ(11)(12)により上下両側から２０ＭＰａの圧力で加圧しつつ、両電極(13)(14)間に最大１５００Ａのパルス電流を通電することにより第２積層体(62)を室温から１０分間かけて５５０℃まで加熱するとともに、５５０℃で５分間保持し、これにより、第２積層体(62)のセラミック板(4)とＡｌ板（３）とを接合した［第２接合工程］。ついで、両電極(13)(14)間の通電を停止した後、冷却することにより、図１に示した所望する三層構造の積層材(1)を製造した。
【００７５】
製造された積層材(1)では、Ｃｕ板(2)とセラミック板(4)との接合、および、Ａｌ板(3)とセラミック板(4)との接合を、いずれも放電プラズマ焼結法により行っているので、ろう材を用いる必要がなく、そのため、積層材(1)の製造コストを低減できた。
【００７６】
また、積層材(1)の両面の平面度を測定したところ、７０μｍであった。さらに、積層材(1)におけるＣｕ板(2)とセラミック板(4)との接合状態およびＡｌ板(3)とセラミック板(4)との接合状態を確認するため、積層材(1)の断面観察を行ったところ、接合界面には欠陥が見られず、良好な接合が行われていた。
【００７７】
また、積層材(1)について、−４０℃⇔１２５℃、１０００サイクルという試験条件の冷熱サイクル試験を行った。そして、Ｃｕ板(2)とセラミック板(4)との間の接合界面、および、Ａｌ板(3)とセラミック板(4)との間の接合界面における剥離の有無を調べた。その結果を表１中の「剥離」欄に示す。同欄に示すように、それぞれの接合界面に剥離は発生していなかった。
【００７８】
また、積層材(1)のＡｌ板(3)の表面にＡｌ製水冷式シートシンクをろう付けし、次いで積層材(1)のＣｕ板(2)の表面に半導体素子をはんだ付けした。そして、積層材(1)の放熱性能として熱抵抗を調べた。その結果を表１中の「放熱性能」欄に示す。同欄に示すように、半導体素子直下にＡｌよりも熱伝導率が２倍程度大きいＣｕ板(2)が配置されているので、放熱性能が高く、半導体素子から発する熱を効率的に放熱することができた。さらに、この積層材(1)では、半導体素子をはんだ付けする前にＮｉめっきを施す必要がないので、積層材(1)の製造コストを更に低減できた。さらに、積層材(1)のＡｌ板(3)の表面にシートシンクをろう付けする際においては、積層材(1)とヒートシンクとを金属的に接合することができた。
【００７９】
＜実施例２＞
両電極(13)(14)間でのパルス電流の通電を窒素からなる不活性ガス雰囲気中で行ったことを除いては、実施例１と同様にして三層構造の積層材(1)を製造した。
【００８０】
製造された積層材(1)の両面の平面度を測定したところ、７２μｍであった。さらに、積層材(1)におけるＣｕ板(2)とセラミック板(4)との接合状態およびＡｌ板(3)とセラミック板(4)との接合状態を確認するため、積層材(1)の断面観察を行ったところ、接合界面には欠陥が見られず、良好な接合が行われていた。
【００８１】
また、積層材(1)について、実施例１の冷熱サイクル試験と同じ試験条件で冷熱サイクル試験を行った。そして、Ｃｕ板(2)とセラミック板(4)との間の接合界面、および、Ａｌ板(3)とセラミック板(4)との間の接合界面における剥離の有無を調べた。その結果を表１中の「剥離」欄に示す。同欄に示すように、それぞれの接合界面に剥離は発生しなかった。
【００８２】
また、積層材(1)のＡｌ板(3)の表面にＡｌ製水冷式シートシンクをろう付けし、次いで積層材(1)のＣｕ板(2)の表面に半導体素子をはんだ付けした。そして、積層材(1)の放熱性能（熱抵抗）を調べた。その結果を表１中の「放熱性能」欄に示す。同欄に示すように、実施例２の積層材(1)でも放熱性能が高く、半導体素子から発する熱を効率的に放熱することができた。さらに、この積層材(1)では、半導体素子をはんだ付けする前にＮｉめっきを施す必要がないので、積層材(1)の製造コストを更に低減できた。さらに、積層材(1)のＡｌ板(3)の表面にシートシンクをろう付けする際においては、積層材(1)とヒートシンクとを金属的に接合することができた。
【００８３】
＜比較例１＞
図５に示した三層構造の積層材(101A)を次のように製造した。
【００８４】
実施例１で用いたＡｌ板(3)およびセラミック板(4)と同じ材料・形状からなる２枚のＡｌ板(103)および１枚のセラミック板(104)を用意した。すなわち、Ａｌ板(103)は、純度９９．９９質量％のＡｌからなりかつその形状が縦３２ｍｍ、横２６ｍｍ、厚み０．６ｍｍである。セラミック板(104)は、ＡｌＮからなりかつその形状が縦３４ｍｍ、横２８ｍｍ、厚み０．６３５ｍｍである。そして、セラミック板(104)の両面にそれぞれＡｌ板(103)を、各Ａｌ板(103)とセラミック板(104)との間に介在させたＡｌ−Ｓｉ合金からなるろう材によりろう付けし、これにより、図５に示した積層材(101A)を製造した。
【００８５】
製造された積層材(101A)について、実施例１の冷熱サイクル試験と同じ試験条件で冷熱サイクル試験を行った。そして、各Ａｌ板(103)とセラミック板(104)との間の接合界面における剥離の有無を調べた。その結果を表１中の「剥離」欄に示す。同欄に示すように、それぞれの接合界面に剥離が発生した。
【００８６】
また、積層材(101A)の一方のＡｌ板(103)の表面にＡｌ製水冷式シートシンクをろう付けし、次いで積層材(101A)の他方のＡｌ板(103)の表面にＮｉめっきを施してＮｉめっき層を形成し、その後、Ｎｉめっき層の表面に半導体素子をはんだ付けした。そして、積層材(101A)の放熱性能（熱抵抗）を調べた。その結果を表１中の「放熱性能」欄に示す。同欄に示すように、積層材(101A)の放熱性能が実施例１および２の積層材(1)よりも悪かった。さらに、この積層材(101A)では、半導体素子をはんだ付けする前にＮｉめっきを施す必要があったので、積層材(101A)の製造コストを増加した。
【００８７】
＜比較例２＞
図６に示した三層構造の積層材(101B)を次のように製造した。
【００８８】
実施例１で用いたＣｕ板(2)およびセラミック板(4)と同じ材料・形状からなる２枚のＣｕ板(102)および１枚のセラミック板(104)を用意した。すなわち、Ｃｕ板(102)は、純度９９．５質量％のＣｕからなりかつその形状が縦３２ｍｍ、横２６ｍｍ、厚み０．６ｍｍである。セラミック板(104)は、ＡｌＮからなりかつその形状が縦３４ｍｍ、横２８ｍｍ、厚み０．６３５ｍｍである。そして、セラミック板(104)の両面にそれぞれＣｕ板(102)を、各Ｃｕ板(102)とセラミック板(104)との間に介在させたＴｉとＡｇからなる活性金属を含んだろう材によりろう付けし、これにより、図６に示した積層材(101B)を製造した。
【００８９】
製造された積層材(101B)について、実施例１の冷熱サイクル試験と同じ試験条件で冷熱サイクル試験を行った。そして、各Ｃｕ板(102)とセラミック板(104)との間の接合界面における剥離の有無を調べた。その結果を表１中の「剥離」欄に示す。同欄に示すように、それぞれの接合界面に剥離が発生した。
【００９０】
また、積層材(101B)の一方のＣｕ板(102)の表面にＡｌ製水冷式シートシンクを熱伝導グリースで接着し、次いで積層材(101B)の他方のＣｕ板(102)の表面に半導体素子をはんだ付けした。そして、積層材(101B)の放熱性能（熱抵抗）を調べた。その結果を表１中の「放熱性能」欄に示す。同欄に示すように、積層材(101B)の放熱性能が実施例１および２の積層材(1)よりも悪かった。
【００９１】
【表１】
【産業上の利用可能性】
【００９２】
本発明による積層材は、たとえばパワーデバイスなどの半導体素子を冷却するのに好適に用いられる。
【符号の説明】
【００９３】
(1)：積層材
(2)：Ｃｕ板
(3)：Ａｌ板
(4)：セラミック板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック板の一方の片面にＣｕまたはＣｕ合金からなるＣｕ板が、セラミック板の他方の片面にＡｌまたはＡｌ合金からなるＡｌ板が、放電プラズマ焼結法によりそれぞれ接合されていることを特徴とする積層材。
【請求項２】
セラミック板の一方の片面にＣｕ板が、セラミック板とＣｕ板との間の接合界面にろう材を介さないで、直接的に接合されている請求項１記載の積層材。
【請求項３】
セラミック板の他方の片面にＡｌ板が、セラミック板とＡｌ板との間の接合界面にろう材を介さないで、直接的に接合されている請求項１又は２記載の積層材。
【請求項４】
セラミック板が、ＡｌＮ、Ａｌ2Ｏ3、Ｓｉ3Ｎ4、ＳｉＣ、Ｙ2Ｏ3、ＣａＯ、ＢＮおよびＢｅＯよりなる群から選ばれた１種の材料からなる請求項１〜３のうちのいずれかに記載の積層材。
【請求項５】
セラミック板と、ＣｕまたはＣｕ合金からなるＣｕ板とを、セラミック板の一方の片面上にＣｕ板が配置されるように積層する第１積層工程と、
セラミック板とＣｕ板との第１積層体を１対の放電プラズマ焼結用電極間に配置する第１積層体配置工程と、
両電極間の導通を確保した状態で、両電極間にパルス電流を通電することにより、第１積層体のセラミック板とＣｕ板とを接合する第１接合工程と、
第１接合工程により得られたセラミック板とＣｕ板との接合体と、ＡｌまたはＡｌ合金からなるＡｌ板とを、接合体のセラミック板の他方の片面上にＡｌ板が配置されるように積層する第２積層工程と、
接合体とＡｌ板との第２積層体を１対の放電プラズマ焼結用電極間に配置する第２積層体配置工程と、
両電極間の導通を確保した状態で、両電極間にパルス電流を通電することにより、第２積層体のセラミック板とＡｌ板とを接合する第２接合工程と、を含むことを特徴とする積層材の製造方法。
【請求項６】
第１接合工程では、接合を、Ｃｕ板の融点よりも低い温度で行うとともに、
第２接合工程では、接合を、Ａｌ板の融点よりも低い温度で行う請求項５記載の積層材の製造方法。
【請求項７】
第１接合工程では、接合を、第１積層体をその積層方向の両側から１０〜１００ＭＰａで加圧しながら行うとともに、
第２接合工程では、接合を、第２積層体をその積層方向の両側から１０〜１００ＭＰａで加圧しながら行う請求項５または６記載の積層材の製造方法。
【請求項８】
第１接合工程では、接合を、不活性ガス雰囲気中または真空雰囲気中で行うとともに、
第２接合工程では、接合を、不活性ガス雰囲気中または真空雰囲気中で行う請求項５〜７のうちのいずれかに記載の積層材の製造方法。
【請求項１】
セラミック板の一方の片面にＣｕまたはＣｕ合金からなるＣｕ板が、セラミック板の他方の片面にＡｌまたはＡｌ合金からなるＡｌ板が、放電プラズマ焼結法によりそれぞれ接合されていることを特徴とする積層材。
【請求項２】
セラミック板の一方の片面にＣｕ板が、セラミック板とＣｕ板との間の接合界面にろう材を介さないで、直接的に接合されている請求項１記載の積層材。
【請求項３】
セラミック板の他方の片面にＡｌ板が、セラミック板とＡｌ板との間の接合界面にろう材を介さないで、直接的に接合されている請求項１又は２記載の積層材。
【請求項４】
セラミック板が、ＡｌＮ、Ａｌ2Ｏ3、Ｓｉ3Ｎ4、ＳｉＣ、Ｙ2Ｏ3、ＣａＯ、ＢＮおよびＢｅＯよりなる群から選ばれた１種の材料からなる請求項１〜３のうちのいずれかに記載の積層材。
【請求項５】
セラミック板と、ＣｕまたはＣｕ合金からなるＣｕ板とを、セラミック板の一方の片面上にＣｕ板が配置されるように積層する第１積層工程と、
セラミック板とＣｕ板との第１積層体を１対の放電プラズマ焼結用電極間に配置する第１積層体配置工程と、
両電極間の導通を確保した状態で、両電極間にパルス電流を通電することにより、第１積層体のセラミック板とＣｕ板とを接合する第１接合工程と、
第１接合工程により得られたセラミック板とＣｕ板との接合体と、ＡｌまたはＡｌ合金からなるＡｌ板とを、接合体のセラミック板の他方の片面上にＡｌ板が配置されるように積層する第２積層工程と、
接合体とＡｌ板との第２積層体を１対の放電プラズマ焼結用電極間に配置する第２積層体配置工程と、
両電極間の導通を確保した状態で、両電極間にパルス電流を通電することにより、第２積層体のセラミック板とＡｌ板とを接合する第２接合工程と、を含むことを特徴とする積層材の製造方法。
【請求項６】
第１接合工程では、接合を、Ｃｕ板の融点よりも低い温度で行うとともに、
第２接合工程では、接合を、Ａｌ板の融点よりも低い温度で行う請求項５記載の積層材の製造方法。
【請求項７】
第１接合工程では、接合を、第１積層体をその積層方向の両側から１０〜１００ＭＰａで加圧しながら行うとともに、
第２接合工程では、接合を、第２積層体をその積層方向の両側から１０〜１００ＭＰａで加圧しながら行う請求項５または６記載の積層材の製造方法。
【請求項８】
第１接合工程では、接合を、不活性ガス雰囲気中または真空雰囲気中で行うとともに、
第２接合工程では、接合を、不活性ガス雰囲気中または真空雰囲気中で行う請求項５〜７のうちのいずれかに記載の積層材の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−１８３７９８（Ｐ２０１１−１８３７９８Ａ）
【公開日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１８２８８（Ｐ２０１１−１８２８８）
【出願日】平成２３年１月３１日（２０１１．１．３１）
【出願人】（０００００２００４）昭和電工株式会社 (3,251)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月３１日（２０１１．１．３１）
【出願人】（０００００２００４）昭和電工株式会社 (3,251)
【Ｆターム（参考）】
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