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特許7552282セラミックス/銅/グラフェン接合体とその製造方法、およびセラミックス/銅/グラフェン接合構造
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  • 特許-セラミックス/銅/グラフェン接合体とその製造方法、およびセラミックス/銅/グラフェン接合構造 図1
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-09-09
(45)【発行日】2024-09-18
(54)【発明の名称】セラミックス/銅/グラフェン接合体とその製造方法、およびセラミックス/銅/グラフェン接合構造
(51)【国際特許分類】
   C04B 37/02 20060101AFI20240910BHJP
   B23K 20/00 20060101ALI20240910BHJP
【FI】
C04B37/02 Z
B23K20/00 310L
【請求項の数】 12
(21)【出願番号】P 2020192559
(22)【出願日】2020-11-19
(65)【公開番号】P2021088502
(43)【公開日】2021-06-10
【審査請求日】2023-06-29
(31)【優先権主張番号】P 2019211422
(32)【優先日】2019-11-22
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】000006264
【氏名又は名称】三菱マテリアル株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100149548
【弁理士】
【氏名又は名称】松沼 泰史
(74)【代理人】
【識別番号】100175802
【弁理士】
【氏名又は名称】寺本 光生
(74)【代理人】
【識別番号】100142424
【弁理士】
【氏名又は名称】細川 文広
(74)【代理人】
【識別番号】100140774
【弁理士】
【氏名又は名称】大浪 一徳
(72)【発明者】
【氏名】寺▲崎▼ 伸幸
【審査官】神▲崎▼ 賢一
(56)【参考文献】
【文献】特開2019-127432(JP,A)
【文献】特開2018-140929(JP,A)
【文献】特開2019-096858(JP,A)
【文献】中国特許出願公開第108715992(CN,A)
【文献】特開2005-305526(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
C04B 37/02
B23K 20/00
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
セラミックス部材と、銅又は銅合金からなる銅部材と、グラフェン集合体を含有するグラフェン含有炭素質部材と、が接合された構造のセラミックス/銅/グラフェン接合体であって、
前記銅部材と前記グラフェン含有炭素質部材との接合界面においては、前記グラフェン含有炭素質部材側に、Ti,Zr,Nb,Hfから選択される1種又は2種以上の活性金属の炭化物を含む活性金属炭化物層が形成されており、
この活性金属炭化物層と前記銅部材との間に、Cuの母相中にMgが固溶したMg固溶層が形成されていることを特徴とするセラミックス/銅/グラフェン接合体。
【請求項2】
前記Mg固溶層には、CuとMgとを含む金属間化合物からなるCu-Mg金属間化合物相が存在することを特徴とする請求項1に記載のセラミックス/銅/グラフェン接合体。
【請求項3】
前記Mg固溶層の内、前記活性金属炭化層と前記Mg固溶層の境界から銅部材側に向かって距離50μmの範囲内の領域の面積をAとし、前記Cu-Mg金属間化合物相の面積をBとしたとき、比B/Aが、0.3以下であることを特徴とする請求項2に記載のセラミックス/銅/グラフェン接合体。
【請求項4】
前記Mg固溶層には、Cuと前記活性金属とを含む金属間化合物からなる第2金属間化合物相が存在することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のセラミックス/銅/グラフェン接合体。
【請求項5】
前記セラミックス部材が酸素含有セラミックスで構成されており、前記セラミックス部材と前記銅部材との接合界面においては、前記セラミックス部材側に酸化マグネシウム層が形成されていることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載のセラミックス/銅/グラフェン接合体。
【請求項6】
前記セラミックス部材が窒素含有セラミックスで構成されており、前記セラミックス部材と前記銅部材との接合界面においては、前記セラミックス部材側に、Ti,Zr,Nb,Hfから選択される1種又は2種以上の活性金属の窒化物を含む活性金属窒化物層が形成されていることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載のセラミックス/銅/グラフェン接合体。
【請求項7】
前記グラフェン含有炭素質部材は、単層又は多層のグラフェンが堆積してなるグラフェン集合体と扁平形状の黒鉛粒子とを含み、扁平形状の前記黒鉛粒子が、そのベーサル面が折り重なるように前記グラフェン集合体をバインダーとして積層され、扁平形状の前記黒鉛粒子のベーサル面が一方向に向けて配向した構造とされていることを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか一項に記載のセラミックス/銅/グラフェン接合体。
【請求項8】
請求項1から請求項7のいずれか一項に記載のセラミックス/銅/グラフェン接合体を製造するセラミックス/銅/グラフェン接合体の製造方法であって、前記銅部材と前記グラフェン含有炭素質部材とを接合する銅/グラフェン接合工程と、前記銅部材と前記セラミックス部材とを接合する銅/セラミックス接合工程と、を有し、
前記銅/グラフェン接合工程は、前記銅部材と前記グラフェン含有炭素質部材との間に、Ti,Zr,Nb,Hfから選択される1種又は2種以上の活性金属及びMgを配置する活性金属及びMg配置工程と、前記銅部材と前記グラフェン含有炭素質部材とを、活性金属及びMgを介して積層する積層工程と、活性金属及びMgを介して積層された前記銅部材と前記グラフェン含有炭素質部材とを積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下において加熱処理して接合する接合工程と、を備えており、
前記活性金属及びMg配置工程では、活性金属量を0.4μmol/cm以上、Mg量を14μmol/cm以上とすることを特徴とするセラミックス/銅/グラフェン接合体の製造方法。
【請求項9】
前記接合工程における加圧荷重が0.049MPa以上1.96MPa以下の範囲内とされ、
前記接合工程における加熱温度が、700℃以上950℃以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項8に記載のセラミックス/銅/グラフェン接合体の製造方法。
【請求項10】
前記銅/セラミックス接合工程では、前記銅部材と前記セラミックス部材との間に、Ti,Zr,Nb,Hfから選択される1種又は2種以上の活性金属及びMgを配置し、活性金属及びMgを介して積層された前記銅部材と前記グラフェン含有炭素質部材とを積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下において加熱処理して接合することを特徴とする請求項8又は請求項9に記載のセラミックス/銅/グラフェン接合体の製造方法。
【請求項11】
前記銅/セラミックス接合工程では、前記銅部材と前記セラミックス部材との間に、Mgを配置し、Mgを介して積層された前記銅部材と前記グラフェン含有炭素質部材とを積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下において加熱処理して接合することを特徴とする請求項8又は請求項9に記載のセラミックス/銅/グラフェン接合体の製造方法。
【請求項12】
セラミックス部材と、銅又は銅合金からなる銅部材と、グラフェン集合体を含有するグラフェン含有炭素質部材と、が接合された構造のセラミックス/銅/グラフェン接合構造であって、
前記銅部材と前記グラフェン含有炭素質部材との接合界面においては、前記グラフェン含有炭素質部材側に、Ti,Zr,Nb,Hfから選択される1種又は2種以上の活性金属の炭化物を含む活性金属炭化物層が形成されており、
この活性金属炭化物層と前記銅部材との間に、Cuの母相中にMgが固溶したMg固溶層が形成されていることを特徴とするセラミックス/銅/グラフェン接合構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この発明は、セラミックス部材と、銅又は銅合金からなる銅部材と、グラフェン集合体を含有するグラフェン含有炭素質部材と、が接合された構造のセラミックス/銅/グラフェン接合体とその製造方法、およびセラミックス/銅/グラフェン接合構造に関するものである。
【背景技術】
【0002】
グラフェン集合体を含有するグラフェン含有炭素質部材は、熱伝導性に優れていることから、放熱部材及び熱伝導部材等を構成する部材として特に適している。
例えば、上述のグラフェン集合体を含有するグラフェン含有炭素質部材の表面にセラミックス等からなる絶縁層を形成することにより、絶縁基板として使用することが可能となる。
【0003】
ここで、例えば特許文献1には、第1方向に沿ってグラフェンシートが積層された構造体と、第1方向と交差する第2方向における上記構造体の端面に接合される中間部材(銅板)と、を有し、この中間部材が、少なくともチタンを含むインサート材を介して、上記端面に加圧接合された異方性熱伝導素子が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開2012-238733号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
ところで、上述の絶縁基板においては、使用環境下において冷熱サイクルが負荷されることがある。特に、最近では、エンジンルーム等の過酷な環境下で使用されることがあり、温度差が大きな厳しい条件の冷熱サイクルが負荷されることがある。
ここで、上述の特許文献1においては、銅からなる中間体とグラフェンの構造体とを、チタンを含むインサート材を介して接合しているが、接合条件によっては、銅からなる中間体とグラフェンの構造体とを強固に接合することができず、厳しい条件の冷熱サイクルが負荷された際に剥離が生じるおそれがあった。
【0006】
また、所定のデバイスに対し、特許文献1の銅/グラフェン接合体を放熱部材として設置した場合、導電性を有する銅の中間体がデバイスに接触するため、この中間体を通じて接合部分に電流が流れ込むことがあり、銅の中間体とグラフェンの構造体との接合を維持できなくなるおそれがあった。
【0007】
この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、銅又は銅合金からなる銅部材と、グラフェン集合体を含有するグラフェン含有炭素質部材とが強固に接合されており、接合部分に流れる電流を抑制することができ、冷熱サイクル負荷時においても剥離が生じることがなく、冷熱サイクル信頼性に優れたセラミックス/銅/グラフェン接合体と、そ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】
このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明のセラミックス/銅/グラフェン接合体は、セラミックス部材と、銅又は銅合金からなる銅部材と、グラフェン集合体を含有するグラフェン含有炭素質部材と、が接合された構造のセラミックス/銅/グラフェン接合体であって、前記銅部材と前記グラフェン含有炭素質部材との接合界面においては、前記グラフェン含有炭素質部材側に、Ti,Zr,Nb,Hfから選択される1種又は2種以上の活性金属の炭化物を含む活性金属炭化物層が形成されており、この活性金属炭化物層と前記銅部材との間に、Cuの母相中にMgが固溶したMg固溶層が形成されていることを特徴としている。
【0009】
この構成のセラミックス/銅/グラフェン接合体においては、銅部材とグラフェン含有炭素質部材との接合界面において、グラフェン含有炭素質部材の接合面に活性金属炭化物層が形成されており、銅部材の接合面側にCuの母相中にMgが固溶したMg固溶層が形成されている。これにより、Mg固溶層中のMgが活性金属炭化物層中の活性金属と十分に反応し、この活性金属炭化物層を介して、銅部材がグラフェン含有炭素質材と強固に接合されるため、冷熱サイクル負荷時において、接合界面にクラック、剥離が生じるのを抑えることができる。さらに、この構成のセラミックス/銅/グラフェン接合体は、構成材料として銅を含んでいるため、過渡期において、ヒートスプレッダとして効率的に放熱を行う機能を有している。
【0010】
また、この構成のセラミックス/銅/グラフェン接合体においては、導電性を有する銅部材がセラミックス部材で覆われているため、所定のデバイスに接触させた場合に、銅部材を通じて接合部分に電流が流れ込むのを抑制し、銅部材とグラフェン含有炭素質部材との接合を維持させることができる。
したがって、この構成のセラミックス/銅/グラフェン接合体は、冷熱サイクルに伴う接合界面での剥離の発生を抑えつつ、安定した放熱特性を維持することができ、高い信頼性を実現することができる。
【0011】
ここで、本発明のセラミックス/銅/グラフェン接合体においては、前記Mg固溶層には、CuとMgとを含む金属間化合物からなるCu-Mg金属間化合物相が存在することが好ましい。
この場合、Cu-Mg金属間化合物相が活性金属炭化物層との接合面側に分布しており、接合に大きく関与することになるため、活性金属炭化物層との接合の強度を高めることができる。
【0012】
前記Mg固溶層の内、前記活性金属炭化層と前記Mg固溶層の境界から銅部材側に向かって距離50μmの範囲内の領域の面積をAとし、前記Cu-Mg金属間化合物相の面積をBとしたとき、比B/Aが、0.3以下であることが好ましい。
【0013】
また、本発明のセラミックス/銅/グラフェン接合体においては、前記Mg固溶層には、Cuと前記活性金属とを含む金属間化合物からなる第2金属間化合物相が存在することが好ましい。
この場合、第2金属間化合物相が活性金属炭化物層との接合面側に分布しており、接合に大きく関与することになるため、活性金属炭化物層との接合の強度を高めることができる。
【0014】
また、本発明のセラミックス/銅/グラフェン接合体においては、前記セラミックス部材が酸素含有セラミックスで構成されており、前記セラミックス部材と前記銅部材との接合界面においては、前記セラミックス部材側に酸化マグネシウム層が形成されていてもよい。
この場合、酸化マグネシウム層が形成されていることにより、酸素を含有するセラミックス部材と銅部材との接合を強化することができ、冷熱サイクル負荷時において、接合界面にクラック、剥離が生じるのを抑えることができる。
【0015】
また、本発明のセラミックス/銅/グラフェン接合体においては、前記セラミックス部材が窒素含有セラミックスで構成されており、前記セラミックス部材と前記銅部材との接合界面においては、前記セラミックス部材側に、Ti,Zr,Nb,Hfから選択される1種又は2種以上の活性金属の窒化物を含む活性金属窒化物層が形成されていてもよい。
この場合、Ti,Zr,Nb,Hfから選択される1種又は2種以上の活性金属の窒化物を含む活性金属窒化物層が形成されていることにより、窒素を含有するセラミックス部材と銅部材との接合を強化することができ、冷熱サイクル負荷時において、接合界面にクラック、剥離が生じるのを抑えることができる。
【0016】
さらに、本発明のセラミックス/銅/グラフェン接合体においては、前記グラフェン含有炭素質部材は、単層又は多層のグラフェンが堆積してなるグラフェン集合体と扁平形状の黒鉛粒子とを含み、扁平形状の前記黒鉛粒子が、そのベーサル面が折り重なるように前記グラフェン集合体をバインダーとして積層され、扁平形状の前記黒鉛粒子のベーサル面が一方向に向けて配向した構造とされていることが好ましい。
この場合、グラフェン含有炭素質部材における熱伝導特性を、さらに向上させることが可能となる。
【0017】
本発明のセラミックス/銅/グラフェン接合体の製造方法は、上述のセラミックス/銅/グラフェン接合体を製造するセラミックス/銅/グラフェン接合体の製造方法であって、前記銅部材と前記グラフェン含有炭素質部材とを接合する銅/グラフェン接合工程と、前記銅部材と前記セラミックス部材とを接合する銅/セラミックス接合工程と、を有し、前記銅/グラフェン接合工程は、前記銅部材と前記グラフェン含有炭素質部材との間に、Ti,Zr,Nb,Hfから選択される1種又は2種以上の活性金属及びMgを配置する活性金属及びMg配置工程と、前記銅部材と前記グラフェン含有炭素質部材とを、活性金属及びMgを介して積層する積層工程と、活性金属及びMgを介して積層された前記銅部材と前記グラフェン含有炭素質部材とを積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下において加熱処理して接合する接合工程と、を備えており、前記活性金属及びMg配置工程では、活性金属量を0.4μmol/cm以上、Mg量を14μmol/cm以上とすることを特徴としている。
【0018】
この構成のセラミックス/銅/グラフェン接合体の製造方法によれば、活性金属及びMg配置工程では、活性金属量を0.4μmol/cm以上とし、Mg量を14μmol/cm以上としているので、界面反応に必要な液相を十分に得ることができる。よって、銅部材とグラフェン含有炭素質材とを確実に接合することができる。
【0019】
ここで、本発明のセラミックス/銅/グラフェン接合体の製造方法においては、前記接合工程における加圧荷重が0.049MPa以上1.96MPa以下の範囲内とされ、前記接合工程における加熱温度が700℃以上950℃以下の範囲内とされていることが好ましい。
この場合、接合工程において、加圧荷重が0.049MPa以上1.96MPa以下の範囲内とされ、かつ加熱温度が、700℃以上950℃以下の範囲内とされているので、界面反応に必要な液相を保持することができ、均一な界面反応を促進することができる。
【0020】
また、本発明のセラミックス/銅/グラフェン接合体の製造方法においては、前記銅/セラミックス接合工程では、前記銅部材と前記セラミックス部材との間に、Ti,Zr,Nb,Hfから選択される1種又は2種以上の活性金属及びMgを配置し、前記活性金属及び前記Mgを介して積層された前記銅部材と前記グラフェン含有炭素質部材とを積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下において加熱処理して接合することが好ましい。
この場合、Ti,Zr,Nb,Hfから選択される1種又は2種以上の活性金属及びMgが、接合材として用いられ、銅部材と前記セラミックス部材との接合が強化されるため、冷熱サイクル負荷時において、接合界面にクラック、剥離が生じるのを抑えることができる。
【0021】
また、本発明のセラミックス/銅/グラフェン接合体の製造方法においては、前記銅/セラミックス接合工程では、前記銅部材と前記セラミックス部材との間に、Mgを配置し、前記Mgを介して積層された前記銅部材と前記グラフェン含有炭素質部材とを積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下において加熱処理して接合することが好ましい。
この場合、接合材としてMgが用いられ、銅部材と前記セラミックス部材との接合が強化されるため、冷熱サイクル負荷時において、接合界面にクラック、剥離が生じるのを抑えることができる。
【0022】
本発明のセラミックス/銅/グラフェン接合構造は、セラミックス部材と、銅又は銅合金からなる銅部材と、グラフェン集合体を含有するグラフェン含有炭素質部材と、が接合された構造のセラミックス/銅/グラフェン接合構造であって、前記銅部材と前記グラフェン含有炭素質部材との接合界面においては、前記グラフェン含有炭素質部材側に、Ti,Zr,Nb,Hfから選択される1種又は2種以上の活性金属の炭化物を含む活性金属炭化物層が形成されており、この活性金属炭化物層と前記銅部材との間に、Cuの母相中にMgが固溶したMg固溶層が形成されていることを特徴としている。
【0023】
この構成のセラミックス/銅/グラフェン接合構造においては、銅部材とグラフェン含有炭素質部材との接合界面において、グラフェン含有炭素質部材の接合面に活性金属炭化物層が形成されており、銅部材の接合面側にCuの母相中にMgが固溶したMg固溶層が形成されている。これにより、Mg固溶層中のMgが活性金属炭化物層中の活性金属と十分に反応し、この活性金属炭化物層を介して、銅部材がグラフェン含有炭素質材と強固に接合されるため、冷熱サイクル負荷時において、接合界面にクラック、剥離が生じるのを抑えることができる。さらに、この構成のセラミックス/銅/グラフェン接合構造は、構成材料として銅を含んでいるため、過渡期において、ヒートスプレッダとして効率的に放熱を行う機能を有している。
【0024】
また、この構成のセラミックス/銅/グラフェン接合構造においては、導電性を有する銅部材がセラミックス部材で覆われているため、所定のデバイスに接触させた場合に、銅部材を通じて接合部分に電流が流れ込むのを抑制し、銅部材とグラフェン含有炭素質部材との接合を維持させることができる。
したがって、この構成のセラミックス/銅/グラフェン接合構造は、冷熱サイクルに伴う接合界面での剥離の発生を抑えつつ、安定した放熱特性を維持することができ、高い信頼性を実現することができる。
【発明の効果】
【0025】
本発明によれば、銅又は銅合金からなる銅部材と、グラフェン集合体を含有するグラフェン含有炭素質部材とが強固に接合されており、接合部分に流れる電流を抑制することができ、冷熱サイクル負荷時においても剥離が生じることがなく、冷熱サイクル信頼性に優れた銅/グラフェン接合体と、その製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0026】
図1】本発明の実施形態であるセラミックス/銅/グラフェン接合体(絶縁基板)を用いたパワーモジュールの概略説明図である。
図2】本発明の実施形態であるセラミックス/銅/グラフェン接合体(絶縁基板)の概略説明図である。
図3】本発明の実施形態であるセラミックス/銅/グラフェン接合体(絶縁基板)における、銅部材とグラフェン含有炭素質部材との接合界面、銅部材とセラミックス部材との接合界面を拡大した模式図である。
図4】本発明の実施形態であるセラミックス/銅/グラフェン接合体(絶縁基板)の製造方法の一例を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【0027】
以下に、本発明の実施形態について添付した図面を参照して説明する。なお、以下に示す各実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
【0028】
まず、図1から図4を参照して本発明の実施形態であるセラミックス/銅/グラフェン接合体(セラミックス/銅/グラフェン接合構造)について説明する。
本実施形態におけるセラミックス/銅/グラフェン接合体は、セラミックス部材と、銅又は銅合金からなる銅部材と、グラフェン集合体を含有するグラフェン含有炭素質部材と、を接合した構造の絶縁基板20とされている。
【0029】
まず、本実施形態であるセラミックス/銅/グラフェン接合体(絶縁基板20)を用いたパワーモジュールについて説明する。
図1に示すパワーモジュール1は、絶縁回路基板10と、この絶縁回路基板10の一方の面側(図1において上側)にはんだ層2を介して接合された半導体素子3と、絶縁回路基板10の他方の面側(図1において下側)に配設されたヒートシンク31とを備えている。
【0030】
絶縁回路基板10は、絶縁層(絶縁基板20)と、この絶縁層の一方の面(図1において上面)に配設された回路層12と、絶縁層の他方の面(図1において下面)に配設された金属層13とを備えている。
絶縁層は、回路層12と金属層13との間の電気的接続を防止するものであって、本実施形態である絶縁基板20で構成されている。
【0031】
回路層12は、絶縁層(絶縁基板20)の一方の面に、導電性に優れた金属板が接合されることによって形成されている。本実施形態では、回路層12を構成する金属板として、銅又は銅合金からなる銅板、具体的には無酸素銅の圧延板が用いられている。この回路層12には、回路パターンが形成されており、その一方の面(図1において上面)が、半導体素子3が搭載される搭載面とされている。
また、回路層12となる金属板(銅板)の厚さは0.1mm以上1.0mm以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、0.6mmに設定されている。
なお、回路層12となる金属板(銅板)と絶縁基板20との接合方法には、特に制限がなく、活性金属ろう材等を用いて接合することができる。
【0032】
金属層13は、絶縁層(絶縁基板20)の他方の面に、熱伝導性に優れた金属板が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、金属層13を構成する金属板として、銅又は銅合金からなる銅板、具体的には無酸素銅の圧延板が用いられている。
また、金属層13となる金属板(銅板)の厚さは0.1mm以上1.0mm以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、0.6mmに設定されている。
なお、金属層13となる金属板(銅板)と絶縁基板20との接合方法には、特に制限がなく、活性金属ろう材等を用いて接合することができる。
【0033】
ヒートシンク31は、前述の絶縁回路基板10を冷却するためのものであり、冷却媒体(例えば冷却水)を流通させるための流路32が複数設けられた構造をなしている。
このヒートシンク31は、熱伝導性が良好な材質、例えばアルミニウム又はアルミニウム合金、銅又は銅合金で構成されていることが好ましく、本実施形態においては、純度が99mass%以上の2Nアルミニウムで構成されている。
なお、本実施形態では、絶縁回路基板10の金属層13とヒートシンク31は、固相拡散接合法によって接合されている。
【0034】
半導体素子3は、例えばSiやSiC等の半導体材料を用いて構成されている。この半導体素子3は、例えばSn-Ag系、Sn-In系、若しくはSn-Ag-Cu系のはんだ材からなるはんだ層2を介して回路層12上に搭載されている。
【0035】
そして、絶縁層を構成する本実施形態である絶縁基板20は、図2に示すように、セラミックス部材によって構成されるセラミックス板26と、銅又は銅合金からなる銅部材によって構成される銅板21と、グラフェン集合体を含有するグラフェン含有炭素質部材からなる炭素板25と、を積層した構造とされている。炭素板25の両主面には、それぞれ銅板21が接合されている。
ここでは、絶縁基板20として、セラミックス板26、銅板21、炭素板25、銅板21、セラミックス板26の順に積層されているものを例示しているが、積層方向における最表層(端部)がセラミックス板26であり、セラミックス板26、銅板21、炭素板25の順序が保たれていればよく、積層数についての制限はない。
【0036】
炭素板25を構成するグラフェン含有炭素質部材は、単層又は多層のグラフェンが堆積してなるグラフェン集合体と扁平形状の黒鉛粒子とを含み、扁平形状の黒鉛粒子が、そのベーサル面が折り重なるように、グラフェン集合体をバインダーとして積層された構造とされていることが好ましい。扁平形状の黒鉛粒子のベーサル面は、一方向に向けて配向した構造とされていることが好ましい。
【0037】
扁平形状の黒鉛粒子は、炭素六角網面が現れるベーサル面と、炭素六角網面の端部が現れるエッジ面と、を有するものである。この扁平形状の黒鉛粒子としては、鱗片状黒鉛、鱗状黒鉛、土状黒鉛、薄片状黒鉛、キッシュグラファイト、熱分解黒鉛、高配向熱分解黒鉛等を用いることができる。
ここで、黒鉛粒子のベーサル面から見た平均粒径は、10μm以上1000μm以下の範囲内であることが好ましく、50μm以上800μm以下の範囲内であることがさらに好ましい。黒鉛粒子の平均粒径を上述の範囲内とすることで、熱伝導性が向上する。
さらに、黒鉛粒子の厚さは、1μm以上50μm以下の範囲内であることが好ましく、1μm以上20μm以下の範囲内であることがさらに好ましい。黒鉛粒子の厚さを上述の範囲内とすることで、黒鉛粒子の配向性が適度に調整される。
また、黒鉛粒子の厚みがベーサル面から見た粒径の1/1000~1/2の範囲内とすることによって、優れた熱伝導性と黒鉛粒子の配向性が適度に調整される。
【0038】
グラフェン集合体は、単層又は多層のグラフェンが堆積したものであり、多層のグラフェンの積層数は、例えば100層以下、好ましくは50層以下とされている。このグラフェン集合体は、例えば、単層又は多層のグラフェンが低級アルコールや水を含む溶媒に分散されたグラフェン分散液を、ろ紙上に滴下し、溶媒を分離しながら堆積させることによって製造することが可能である。
ここで、グラフェン集合体の平均粒径は、1μm以上1000μm以下の範囲内であることが好ましい。グラフェン集合体の平均粒径を上述の範囲内とすることで、熱伝導性が向上する。
さらに、グラフェン集合体の厚さは、0.05μm以上50μm未満の範囲内であることが好ましい。グラフェン集合体の厚さを上述の範囲内とすることで、炭素質部材の強度が確保される。
【0039】
ここで、図3に、銅又は銅合金からなる銅部材によって構成される銅板21と、グラフェン含有炭素質部材からなる炭素板25との接合界面、および銅板21とセラミックス板26との接合界面を拡大した模式図を示す。図3に示すように、銅部材からなる銅板21とグラフェン含有炭素質部材からなる炭素板25との間(接合界面40)においては、炭素板25の接合面に、活性金属炭化物の1種又は2種を含む活性金属炭化物層41が形成されている。
また、銅板21には、Mg、Cu等の単体の金属、Cu-Mg、Cu-Ti等の金属間化合物(IMCs)等が含有されており、特に接合界面40において、銅板21と活性金属炭化物層41との間には、Cuの母相中にMgが固溶したMg固溶層42が形成されている。Mg固溶層42には、CuとMgとを含む金属間化合物からなるCu-Mg金属間化合物相が存在していてもよいし、Cuと活性金属とを含む金属間化合物からなる第2金属間化合物相が存在していてもよい。
【0040】
このCu-Mg金属間化合物相は、CuMg相及び/又はCuMg相から構成される。
Mg固溶層42においては、銅部材とグラフェン含有炭素質部材との積層方向に沿った断面において、活性金属炭化物層41との境界面40aから銅部材側に向かって距離50μmの範囲内の領域の面積をA(μm)とし、前記Cu-Mg金属間化合物相の面積をB(μm)としたとき、比B/Aが、0.3以下であることが好ましく、0.25以下であればより好ましく、0.15以下であれば最も好ましい。
なお、Mg固溶層42がCu-Mg金属間化合物相を含まない場合、即ち、比B/Aが0である場合もある。
【0041】
活性金属炭化物層41は、接合時において銅板21と炭素板25との間に介在させる接合材に含まれる活性金属が、炭素板25に含まれる炭素と反応することによって形成されるものである。
活性金属炭化物層41を構成する活性金属としては、例えば、Ti,Zr,Hf、Nbから選択される1種又は2種以上を用いることができる。本実施形態では、活性金属がTiとされ、活性金属炭化物層41はチタン炭化物(Ti-C)で構成されているものとする。
【0042】
ここで、活性金属炭化物層41の厚さtが0.05μm未満であると、活性金属と炭素との反応が十分ではなく、活性金属炭化物層41を介した銅板21と炭素板25との接合強度が不十分となるおそれがある。一方、活性金属炭化物層41の厚さtが1.5μmを超えると、冷熱サイクル負荷時の活性金属炭化物層41においてクラックが発生するおそれがある。
よって、本実施形態では、活性金属炭化物層41の厚さtを、0.05μm以上1.5μm以下の範囲内に設定することが好ましい。
なお、活性金属炭化物層41の厚さtの下限は0.1μm以上であることがさらに好ましく、0.25μm以上であることがより好ましい。一方、活性金属炭化物層41の厚さtの上限は1.2μm以下であることがさらに好ましく、1.0μm以下であることがより好ましい。
【0043】
セラミックス板26は、化合物層43を介して銅板21に接合されている。化合物層43は、Ti,Zr,Nb,Hfから選択される1種又は2種類以上の活性金属、あるいはMgが、接合材として、セラミックス板26の構成元素と反応して形成される層である。セラミックス板26としては、例えば、Al、Zr添加Al等の酸化物、AlN、Si、等の窒化物、SiAlONを含むものが用いられる。
【0044】
セラミックス板26が酸化物を主成分とするものである場合には、接合材としてMgを用いることが好ましく、この場合、化合物層43を構成する主な元素はMgOとなる。また、セラミックス板26が窒化物を主成分とするものである場合には、接合材としてTiを用いることが好ましく、この場合、化合物層43を構成する主な元素はTiNとなる。
【0045】
次に、本実施形態であるセラミックス/銅/グラフェン接合体(絶縁基板20)の製造方法について、図4に示すフロー図を参照して説明する。
【0046】
(炭素板形成工程S01)
まず、上述した扁平形状の黒鉛粒子とグラフェン集合体とを所定の配合比となるように秤量し、これをボールミル等の既存の混合装置によって混合する。
得られた混合物を、所定の形状の金型に充填して加圧することにより成形体を得る。なお、加圧時に加熱を実施してもよい。
そして、得られた成形体に対して切り出し加工を行い、炭素板25を得る。
【0047】
なお、成形時の圧力は、20MPa以上1000MPa以下の範囲内とすることが好ましく、100MPa以上300MPa以下の範囲内とすることがさらに好ましい。また、成形時の温度は、50℃以上300℃以下の範囲内とすることが好ましい。さらに、加圧時間は、0.5分以上10分以下の範囲内とすることが好ましい。
【0048】
(第1の活性金属及びMg配置工程S02)
次に、銅又は銅合金からなる銅板21を準備し、この銅板21の接合面と先の工程で得た炭素板25の接合面を対向させ、両板の間に、接合材として、Ti,Zr,Nb,Hfから選択される1種又は2種以上の活性金属、及びMgを配置する。銅板21を別の材質の板に変える場合には、接合材として、さらにCuを配置する。活性金属、及びMgは、スパッタ、(共)蒸着、箔材、又はペースト(活性金属及びMgの水素化物も利用できる)の塗布にて配置することができる。
【0049】
接合材として、銅板21と炭素板25の間に配置する活性金属量を0.4μmol/cm以上、Mg量を14μmol/cm以上とする。好ましくは、活性金属量は、0.4μmol/cm以上47.0μmol/cm以下の範囲内であり、Cu量は4μmol/cm以上350μmol/cm以下の範囲内であり、Mg量は14μmol/cm以上180μmol/cm以下の範囲内である。
【0050】
(第1の積層工程S03)
次に、上述の炭素板25の両主面のそれぞれに、接合材を介して、銅板21を積層する(貼り合わせる)。
【0051】
(第1の接合工程S04)
次に、接合材を介して積層した炭素板25と銅板21とを、積層方向に加圧するとともに加熱した後、冷却することにより、炭素板25と銅板21とセラミックス板26を接合する。
ここで、加熱温度は700℃以上950℃以下の範囲内とすることが好ましい。また、加熱温度での保持時間は10分以上180分以下の範囲内とすることが好ましい。さらに、加圧圧力は0.049MPa以上1.96MPa以下の範囲内とすることが好ましい。また、接合中の雰囲気は、非酸化雰囲気とされていることが好ましい。
【0052】
この第1の接合工程S04により、炭素板25と銅板21との接合界面において、接合材に含まれる活性金属(本実施形態ではTi)が炭素板25に含まれる炭素と反応することで、炭素板25の接合面に活性金属炭化物層41が形成される。
そして、接合材に含まれるCu、Mg、および活性金属の一部が銅板21に吸収され、さらに接合材に含まれるCuとMgが反応することで、銅板21と活性金属炭化物層41との間に、Cuの母相中にMgが固溶したMg固溶層42が形成される。Mg固溶層42には、CuとMgとを含む金属間化合物からなるCu-Mg金属間化合物相が存在していてもよいし、Cuと活性金属とを含む金属間化合物からなる第2金属間化合物相が存在していてもよい。
【0053】
(第2の活性金属及びMg配置工程S05)
次に、セラミックス板26を準備し、このセラミックス板26の接合面と銅板25の接合面とを対向させ、両板の間に、Ti,Zr,Nb,Hfから選択される1種又は2種類以上の活性金属、Mgのうち、少なくとも一つからなる材料を配置する。活性金属、及びMgは、スパッタ、(共)蒸着、箔材、又はペースト(活性金属及びMgの水素化物も利用できる)の塗布にて配置することができる。
【0054】
接合材として、銅板21とセラミックス板25の間に、Ti,Zr,Nb,Hfから選択される1種又は2種類以上の活性金属を配置する場合、配置する活性金属量は、0.4μmol/cm以上47.0μmol/cm以下の範囲内とすることが好ましい。また、接合材として、銅板21とセラミックス板25の間にMgを配置する場合、配置するMg量は、14μmol/cm以上180μmol/cm以下の範囲内とすることが好ましい。
【0055】
(第2の積層工程S06)
次に、炭素板25に積層された二つの銅板21のそれぞれに、接合材を介してセラミックス板26を積層する。この場合の銅板21の接合面は、炭素板25と反対側の主面となる。
【0056】
(第2の接合工程S07)
次に、接合材を介して積層した銅板21とセラミックス板26とを、積層方向に加圧するとともに加熱した後、冷却することにより、銅板21とセラミックス板26とを接合する。
ここで、加熱温度は700℃以上950℃以下の範囲内とすることが好ましい。また、加熱温度での保持時間は10分以上90分以下の範囲内とすることが好ましい。さらに、加圧圧力は0.049MPa以上1.96MPa以下の範囲内とすることが好ましい。また、接合中の雰囲気は、非酸化雰囲気とされていることが好ましい。
【0057】
この第2の接合工程S07により、銅板21とセラミックス板26との接合界面においても、セラミックス板26を構成する酸素または窒素が接合材の元素と反応し、酸化物層または窒化物層が形成される。
【0058】
セラミックス板26がAl、Zr添加Al等の酸化物を含み、銅板21とセラミックス板26との接合材がMgである場合、接合工程S04により、Mgが、セラミックス板26に含まれる酸素と反応し、銅板21とセラミックス板26との接合界面にMgO層(化合物層43)が形成される。
【0059】
セラミックス板26がAlN、Si等の窒化物を含み、銅板21とセラミックス板26との接合材がTiである場合、接合工程S04により、Tiが、セラミックス板26に含まれる窒素と反応し、銅板21とセラミックス板26との接合界面にTiN層(化合物層43)が形成される。
【0060】
セラミックス板26がSiAlONを含み、銅板21とセラミックス板26との接合材がTiである場合、接合工程S04により、Tiが、セラミックス板26に含まれる窒素と反応し、銅板21とセラミックス板26との接合界面にTiN層(化合物層43)が形成される。
【0061】
以上の工程により、本実施形態であるセラミックス/銅/グラフェン接合体(絶縁基板20)が製造されることになる。
【0062】
なお、上記の実施形態では、炭素板25と銅板21とを接合した後、銅板21とセラミックス板26とを接合しているが、炭素板25と銅板21とセラミックス板26とを同時に接合してもよい。
具体的には、先ず、炭素板25の一方の面に、接合材としてTi,Zr,Nb,Hfから選択される1種又は2種以上の活性金属、及びMgを配置し、配置された活性金属及びMgの上に銅板21を積層する。更に、銅板21の上に、接合材としてTi,Zr,Nb,Hfから選択される1種又は2種以上の活性金属、及びMgを配置し、配置された活性金属及びMgの上にセラミックス板26を積層する。
炭素板25のもう一方の面に銅板21とセラミックス板26とを積層する場合は、同様の方法で炭素板25と銅板21とセラミックス板26とを積層する。
活性金属、及びMgは、スパッタ、(共)蒸着、箔材、又はペースト(活性金属及びMgの水素化物も利用できる)の塗布にて配置することができる。
【0063】
次に、炭素板25と銅板21とセラミックス板26とを、積層方向に加圧するとともに加熱した後、冷却することにより、炭素板25と銅板21とセラミックス板26を接合する。
ここで、加熱温度は700℃以上950℃以下の範囲内とすることが好ましい。また、加熱温度での保持時間は10分以上180分以下の範囲内とすることが好ましい。さらに、加圧圧力は0.049MPa以上1.96MPa以下の範囲内とすることが好ましい。また、接合中の雰囲気は、非酸化雰囲気とされていることが好ましい。
【0064】
以上により、本実施形態のセラミックス/銅/グラフェン接合体(絶縁基板20)によれば、銅部材(銅板21)とグラフェン含有炭素質部材(炭素板25)との接合界面において、グラフェン含有炭素質部材の接合面に活性金属炭化物層41が形成されており、銅部材の接合面側にCuの母相中にMgが固溶したMg固溶層42が形成されている。これにより、Mg固溶層42中のMgが活性金属炭化物層41中の活性金属と十分に反応し、この活性金属炭化物層41を介して、銅部材がグラフェン含有炭素質材と強固に接合されるため、冷熱サイクル負荷時において、接合界面にクラック、剥離が生じるのを抑えることができる。さらに、本実施形態のセラミックス/銅/グラフェン接合体は、その構成材料として銅を含んでいるため、過渡期において、ヒートスプレッダとして効率的に放熱を行う機能を有している。
【0065】
また、本実施形態のセラミックス/銅/グラフェン接合体においては、導電性を有する銅部材がセラミックス部材で覆われているため、所定のデバイスに接触させた場合に、銅部材を通じて接合部分に電流が流れ込むのを抑制し、銅部材とグラフェン含有炭素質部材との接合を維持させることができる。
したがって、本実施形態のセラミックス/銅/グラフェン接合体は、冷熱サイクルに伴う接合界面での剥離の発生を抑えつつ、安定した放熱特性を維持することができ、高い信頼性を実現することができる。
【0066】
また、本実施形態のセラミックス/銅/グラフェン接合体において、Mg固溶層には、CuとMgとを含む金属間化合物からなるCu-Mg金属間化合物相が存在することが好ましい。この場合、Cu-Mg金属間化合物相が活性金属炭化物層との接合面側に分布しており、接合に大きく関与することになるため、活性金属炭化物層との接合の強度を高めることができる。
【0067】
また、本実施形態のセラミックス/銅/グラフェン接合体において、Mg固溶層には、Cuと活性金属とを含む金属間化合物からなる第2金属間化合物相が存在することが好ましい。この場合、第2金属間化合物相が活性金属炭化物層との接合面側に分布しており、接合に大きく関与することになるため、活性金属炭化物層との接合の強度を高めることができる。
【0068】
また、本実施形態のセラミックス/銅/グラフェン接合体において、セラミックス部材が酸素含有セラミックスで構成されており、セラミックス部材と銅部材との接合界面においては、セラミックス部材側に酸化マグネシウム層が形成されていてもよい。この場合、酸化マグネシウム層が形成されていることにより、酸素を含有するセラミックス部材と銅部材との接合を強化することができ、冷熱サイクル負荷時において、接合界面にクラック、剥離が生じるのを抑えることができる。
【0069】
また、本実施形態のセラミックス/銅/グラフェン接合体において、セラミックス部材が窒素含有セラミックスで構成されており、セラミックス部材と銅部材との接合界面においては、セラミックス部材側に、Ti,Zr,Nb,Hfから選択される1種又は2種以上の活性金属の窒化物を含む活性金属窒化物層が形成されていてもよい。この場合、Ti,Zr,Nb,Hfから選択される1種又は2種以上の活性金属の窒化物を含む活性金属窒化物層が形成されていることにより、窒素を含有するセラミックス部材と銅部材との接合を強化することができ、冷熱サイクル負荷時において、接合界面にクラック、剥離が生じるのを抑えることができる。
【0070】
さらに、本実施形態のセラミックス/銅/グラフェン接合体においては、グラフェン含有炭素質部材は、単層又は多層のグラフェンが堆積してなるグラフェン集合体と扁平形状の黒鉛粒子とを含み、扁平形状の前記黒鉛粒子が、そのベーサル面が折り重なるように前記グラフェン集合体をバインダーとして積層され、扁平形状の前記黒鉛粒子のベーサル面が一方向に向けて配向した構造とされていることが好ましい。この場合、グラフェン含有炭素質部材における熱伝導特性を、さらに向上させることが可能となる。
【0071】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、本実施形態では、絶縁回路基板の回路層に半導体素子(パワー半導体素子)を搭載してパワーモジュールを構成するものとして説明したが、これに限定されることはない。例えば、絶縁回路基板にLED素子を搭載してLEDモジュールを構成してもよいし、絶縁回路基板の回路層に熱電素子を搭載して熱電モジュールを構成してもよい。
【0072】
また、本実施形態では、図1に示すように、絶縁回路基板10の絶縁層として、本実施形態である絶縁基板20を適用したものとして説明したが、これに限定されることはなく、本発明のセラミックス/銅/グラフェン接合体の使用方法に特に制限はない。
【実施例
【0073】
本発明の有効性を確認するために行った確認実験(本発明例1~8、11~19、比較例1~3)について説明する。
【0074】
本実施形態で開示したように、扁平形状の黒鉛粒子とグラフェン集合体を所定の配合比で配合して混合し、加圧加熱して成形することにより、扁平形状の黒鉛粒子が、そのベーサル面が折り重なるようにグラフェン集合体をバインダーとして積層された構造の成形体を得た。得られた成形体を切り出して、炭素板(40mm×40mm×厚さ1.0mm)を得た。
【0075】
この炭素板の一方の面に、表1、2に示すMg量及び活性金属量にてMgおよび活性金属を配置し、配置されたMgおよび活性金属の上に銅板(37mm×37mm×厚さ0.3mm)を積層し、さらに銅板の上に表1,2に示すMg量及び活性金属量にてMgおよび活性金属を配置し、配置されたMgおよび活性金属の上にセラミックス板(窒化ケイ素製、37mm×37mm×厚さ0.3mm)を積層し、表1、2に示す条件で、炭素板と銅板とセラミックス板とを接合した。
炭素板の一方の面に配置するMg量及び活性金属量と、銅板の上に配置するMg量及び活性金属量とは同じとした。
なお、Mgおよび活性金属は共蒸着を用いて配置した。
ここで、炭素板と銅板との接合界面を観察し、活性金属炭化物層の有無、Cu-Mg金属間化合物相の有無、活性金属化合物相の有無、Mg固溶層の有無を確認した。
【0076】
(活性金属炭化物層の有無)
得られた接合体の積層方向に沿った断面において、銅板と炭素板との接合界面を、走査型透過電子顕微鏡(FEI社製Titan ChemiSTEM(EDS検出器付き))を用いて、倍率20000倍から120000倍、加速電圧200kVの条件で観察を行った。エネルギー分散型X線分析法(サーモサイエンティフィック社製NSS7)を用いてマッピングを行い、活性金属とCが重なる領域において、1nm程度に絞った電子ビームを照射すること(NBD(ナノビーム回折)法)で電子回折図形を得て、この電子回折図形が活性金属とCの金属間化合物であった場合に活性金属炭化物層を「有」とした。
【0077】
(Cu-Mg金属間化合物相の有無)
得られた接合体の積層方向に沿った断面において、銅板と炭素板との接合界面を、電子線マイクロアナライザー(日本電子株式会社製JXA-8539F)を用いて、倍率2000倍、加速電圧15kVの条件で観察し、接合界面を含む領域(400μm×600μm)(以下、観察領域という)のMgの元素MAPを取得した。Mgの存在が確認された領域内での定量分析の5点平均で、Cu濃度が5原子%以上、かつ、Mg濃度が30原子以上70原子%以下を満たした領域をCu-Mg金属間化合物相として、Cu-Mg金属間化合物相の有無を確認した。なおここでの濃度はCuとMgの合計量を100原子%とした時の濃度である。
また、本発明例11~19の接合体では、観察領域における、活性金属炭化層とMg固溶層の境界から銅部材側に向かって距離50μmの範囲内の領域の面積をAとし、観察領域における、活性金属炭化層とMg固溶層の境界から銅部材側に向かって距離50μmの範囲内の領域におけるCu-Mg金属間化合物相の面積をBとしたときの比B/Aを測定した。
【0078】
(活性金属化合物相の有無)
銅板とセラミックス基板との接合界面を、電子線マイクロアナライザー(日本電子株式会社製JXA-8539F)を用いて、倍率2000倍、加速電圧15kVの条件で観察し、接合界面を含む領域(400μm×600μm)の活性金属の元素MAPを取得した。活性金属の存在が確認された領域内での定量分析の5点平均で、Cu濃度が5原子%以上、かつ、活性金属濃度が16原子以上70原子%以下を満たした領域をCu-活性金属間化合物相として、活性金属化合物相の有無を確認し、第2金属間化合物相の有無として示した。なおここでの濃度はCuと活性金属の合計量を100原子%とした時の濃度である。
【0079】
(Mg固溶相の有無)
銅板とセラミックス基板との接合界面を含む領域(400μm×600μm)を、電子線マイクロアナライザー(日本電子株式会社製JXA-8539F)を用いて、倍率2000倍、加速電圧15kVの条件で観察した。セラミックス基板表面から銅板側に向かって10μm間隔で、銅板の厚さに応じて10点以上20点以下の範囲で定量分析を行い、Mg濃度が0.01原子%以上6.9原子%以下である領域をMg固溶相として、Mg固溶相の有無を確認した。
【0080】
そして、得られた本発明例1~8、比較例1~3の接合体に対して、-40℃×5分⇔150℃×5分の冷熱サイクルを2000サイクル負荷した。
また、得られた本発明例11~19の接合体に対して、真空雰囲気で、400℃、30分の加熱と室温(25℃)までの冷却を10回繰り返す加熱試験を行った。
その後、これらの接合体に対し、超音波探傷装置(株式会社日立パワーソリューションズ製FineSAT200)を用いて、炭素板と銅板との初期接合面積、非接合面積を測定し、以下の式から炭素板と銅板との界面の接合率を算出した。
(接合率)=[{(初期接合面積)-(非接合部面積)}/(初期接合面積)]×100
ここでの初期接合面積は、本来接合されるべき部分の面積を意味している。また、非接合面積は、接合されるべき部分のうち、実際には接合されていない部分、すなわち、剥離している部分の面積を意味している。超音波探傷像を二値化処理した画像において、剥離は接合部内の白色部で示されることから、この白色部の面積を非接合面積(剥離面積)とした。
【0081】
【表1】
【0082】
【表2】
【0083】
比較例1では、Mgが少ないため、界面に生じる液相が少なく、活性金属炭化物層の生成が十分に起きなかった。比較例2では、活性金属量が少ないため、活性金属炭化物層の生成が十分に起きなかった。比較例3では、Mgが少ないため、界面に生じる液相が少なく、さらに、活性金属量が少ないために、活性金属炭化物層の生成が十分に起きなかった。
そのため、銅板と炭素板との接合率は、初期の段階で55%に満たない低い値を示しており、冷熱サイクル負荷後には、0~2%程度となり、接合がほぼ完全に解消されていることが分かる。
【0084】
これに対し、本発明例1~8、11~19のセラミックス/銅/グラフェン接合体は、接合部分に活性金属炭化物層とMg固溶層が設けられているため、銅板と炭素板との接合率は、95%を超える高い値を示しており、比較例1~3と同様の冷熱サイクル負荷または加熱試験を行っても90%を下回らないことが分かる。これらの結果から、本発明例1~8、11~19のセラミックス/銅/グラフェン接合体は、冷却サイクル負荷時の剥離を抑える上で、十分な強度を有しており、高い信頼性を実現していることが分かる。
【符号の説明】
【0085】
20 絶縁基板(セラミックス/銅/グラフェン接合体)
21 銅板(銅部材)
25 炭素板(グラフェン含有炭素質部材)
26 セラミックス板(セラミックス部材)
40 接合界面
40a 境界面
41 活性金属炭化物層
42 Mg固溶層
43 化合物層
図1
図2
図3
図4