JP6710083B2 - Heat radiating member, power semiconductor module, and LED package - Google Patents
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Description
本発明は、熱放射部材、並びに熱放射部材を備えるパワー半導体モジュール及びLEDパッケージに関する。 The present invention relates to a heat radiation member, and a power semiconductor module and an LED package including the heat radiation member.
近年、電気機器や電子機器の高性能化及び小型化に伴い、半導体素子などの電子部品は高集積化かつ高密度化される傾向にある。電子部品が高集積化及び高密度化されると、一般に、消費電力が増大して発熱量が増加する。電子部品内部で発生した熱は、電子部品の劣化や誤作動などの不具合を引き起こす場合があることから、電子部品には、熱対策としてヒートシンクなどの熱対策部材が用いられている。 2. Description of the Related Art In recent years, with higher performance and smaller size of electric devices and electronic devices, electronic components such as semiconductor elements tend to be highly integrated and highly densified. When electronic components are highly integrated and highly densified, power consumption generally increases and heat generation also increases. The heat generated inside the electronic component may cause problems such as deterioration and malfunction of the electronic component. Therefore, a heat countermeasure member such as a heat sink is used for the electronic component as a heat countermeasure.
例えば、本出願人は、特許文献1にて、アルミナの含有量が95.0重量%以上で、0.93〜0.98の熱放射率及び30〜60W/m・Kの熱伝導率を有する、陶磁器熱放射性固体物を提案している。また、本出願人は、特許文献2にて、アルミナの含有量が99.5質量%以上であることなどの特徴を持つアルミナの焼結体である熱放射部材用セラミックスを提案している。
For example, the applicant of the present application discloses in
半導体素子の中でも、発光ダイオード(LED)素子やパワー半導体素子は、発熱量が比較的大きいといえることから、これらを搭載する基板及び機器などに対して、優れた放熱性を有する熱対策部材が必要である。 Among semiconductor elements, light emitting diode (LED) elements and power semiconductor elements can be said to generate a relatively large amount of heat. Therefore, a heat countermeasure member having excellent heat dissipation is required for substrates and devices on which they are mounted. is necessary.
そして、LED素子を備える照明機器や、太陽光発電装置、自動車(ハイブリット車・電気自動車)、電車、送電システム、生産設備、及び家庭用電化製品などの電力の制御及び供給に利用されるパワー半導体素子を備える産業機器は、発熱量の増大から、さらに高性能な熱放射部材が望まれている。 A power semiconductor used for controlling and supplying electric power to lighting equipment including an LED element, a solar power generation device, an automobile (hybrid vehicle/electric vehicle), an electric train, a power transmission system, a production facility, a household electric appliance, and the like. Industrial equipment equipped with an element is required to have a higher-performance heat radiation member because of an increase in heat generation amount.
そこで本発明は、放熱性能にさらに優れた熱放射部材を提供しようとするものである。 Therefore, the present invention is intended to provide a heat radiating member having further excellent heat radiation performance.
本発明は、アルミナの含有量が99.0質量%以上であり、かつ少なくとも熱源側に配置される面に曲線状の研磨痕を有する平坦面が形成されているアルミナセラミックス製の板状部を備える熱放射部材を提供する。 The present invention provides a plate-shaped portion made of alumina ceramics having an alumina content of 99.0% by mass or more and at least a flat surface having curved polishing marks on the surface arranged on the heat source side. A heat radiation member is provided.
本発明によれば、放熱性能にさらに優れた熱放射部材を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a heat radiating member having further excellent heat dissipation performance.
以下、本発明の実施の形態について説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described, but the present invention is not limited to the following embodiments.
本発明の一実施形態の熱放射部材は、アルミナの含有量が99.0質量%以上であり、かつ少なくとも熱源側に配置される面に曲線状の研磨痕を有する平坦面が形成されているアルミナセラミックス製の板状部を備える。板状部は、熱放射部材において板状の部分を構成するものである。板状部は、例えば、アルミナセラミックス板で構成することができる他、板状の部分から立ち上がった屈曲部又は壁部などを有する形状、並びにケース状などの立体的形状に形成されたアルミナセラミックス材における一部分である板状の部分で構成することもできる。以下では、板状部を構成するアルミナセラミックス板を備える熱放射部材を例に挙げて、本実施形態の熱放射部材を説明する。 In the heat radiating member of one embodiment of the present invention, the content of alumina is 99.0 mass% or more, and at least the surface arranged on the heat source side is formed with a flat surface having curved polishing marks. A plate-shaped portion made of alumina ceramics is provided. The plate-shaped portion constitutes a plate-shaped portion in the heat radiation member. The plate-shaped portion can be formed of, for example, an alumina ceramic plate, and also has a shape having a bent portion or a wall portion rising from the plate-shaped portion, and an alumina ceramic material formed in a three-dimensional shape such as a case. It is also possible to configure it with a plate-shaped portion that is a part of the. Hereinafter, the heat radiation member of the present embodiment will be described by taking as an example a heat radiation member including an alumina ceramics plate forming a plate-shaped portion.
<熱放射部材>
[アルミナセラミックス板]
本発明者らは、放熱性能にさらに優れたアルミナセラミックス板について鋭意検討していたところ、アルミナセラミックス板における熱源側に配置される面と、それが接触する部材(被接触部材)との間に空隙が存在すると、熱が伝わり難くなることに着目した。そして、本発明者らは、アルミナセラミックス板における熱源側に配置される面と被接触部材との間に可能な限り空隙を生じさせないことが重要であると考えた。そこで、本発明者らは、アルミナセラミックス板の少なくとも熱源側に配置される面を、曲線状の研磨痕を有する平坦面とすることによって、アルミナセラミックス板における熱源側に配置される面と被接触部材との間に空隙が生じ難くなり、放熱性能にさらに優れた熱放射部材が得られることを見出した。さらに、本発明者らの検討の結果、アルミナセラミックス板の熱源側に配置される面に、曲線状の研磨痕を有する平坦面が形成されている場合は、当該面に直線状の研磨痕を有する平坦面が形成されている場合に比べて、前述の空隙が格段に生じ難いことが分かった。
<Heat radiation member>
[Alumina ceramic plate]
The inventors of the present invention have made earnest studies on an alumina ceramics plate having further excellent heat dissipation performance. As a result, between the surface of the alumina ceramics plate disposed on the heat source side and the member (contacted member) with which the surface contacts We paid attention to the fact that it becomes difficult for heat to transfer when there are voids. Then, the inventors of the present invention considered that it is important not to generate a void as much as possible between the surface of the alumina ceramic plate arranged on the heat source side and the contacted member. Therefore, the present inventors have made the surface of the alumina ceramic plate, which is arranged at least on the heat source side, a flat surface having curved polishing marks so as to be in contact with the surface of the alumina ceramic plate which is arranged on the heat source side. It has been found that a gap is less likely to be formed between the member and the heat radiating member having a further excellent heat radiation performance. Further, as a result of the study by the present inventors, in the case where a flat surface having a curved polishing mark is formed on the surface of the alumina ceramic plate which is arranged on the heat source side, a linear polishing mark is formed on the surface. It has been found that the above-mentioned voids are much less likely to occur as compared with the case where the flat surface is formed.
すなわち、本発明の一実施形態に係る熱放射部材は、アルミナの含有量が99.0質量%以上であり、かつ少なくとも熱源側に配置される面に曲線状の研磨痕を有する平坦面が形成されているアルミナセラミックス板(アルミナセラミックス製の板状部)を備える。 That is, in the heat radiating member according to one embodiment of the present invention, the content of alumina is 99.0 mass% or more, and a flat surface having a curved polishing mark is formed on at least the surface arranged on the heat source side. The alumina ceramic plate (a plate portion made of alumina ceramics) is provided.
本実施形態の熱放射部材では、アルミナセラミックス板が、熱放射部材として単独で用いられてもよく、他の部材と組み合わせられた熱放射部材として用いられてもよい。好適な他の部材としては、例えば、アルミナセラミックス板の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する板状部材(以下、「高熱伝導性板状部材」と記載することがある。)を挙げることができる。高熱伝導性板状部材としては、例えば銅板、アルミニウム板、及び窒化アルミニウムセラミックス板などを挙げることができる。また、好適な他の部材としては、アルミナセラミックスで枠状に形成された部材(アルミナセラミックス製のフレーム部材)を挙げることもできる。 In the heat radiating member of the present embodiment, the alumina ceramic plate may be used alone as the heat radiating member or may be used as the heat radiating member combined with other members. Examples of suitable other members include, for example, a plate-shaped member having a thermal conductivity higher than that of the alumina ceramics plate (hereinafter, may be referred to as “high thermal conductivity plate-shaped member”). You can Examples of the plate member having high thermal conductivity include a copper plate, an aluminum plate, and an aluminum nitride ceramics plate. Further, as another suitable member, a member (frame member made of alumina ceramics) formed of alumina ceramics in a frame shape can be cited.
本実施形態の熱放射部材が使用される際には、アルミナセラミックス板の平坦面が、熱源(発熱体)に直接接触してもよい。また、アルミナセラミックス板は、その平坦面が、後述する窒化アルミニウムセラミックス板(以下、「AlNセラミックス板」と記すことがある。)などの、アルミナセラミックス板の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する高熱伝導性板状部材に接触し、この高熱伝導性板状部材を介して熱源に設けられてもよい。さらに、アルミナセラミックス板の平坦面は、その外周側の部分においてアルミナセラミックス製のフレーム部材に直接接触してもよく、そのフレーム部材の内周側において熱源(発熱体)又は高熱伝導性板状部材に直接接触してもよい。したがって、前述の被接触部材としては、熱源の他、例えば、前述の高熱伝導性板状部材、及びアルミナセラミックス製のフレーム部材などが挙げられる。 When the heat radiating member of the present embodiment is used, the flat surface of the alumina ceramic plate may directly contact the heat source (heating element). Further, the flat surface of the alumina ceramic plate has a higher thermal conductivity than that of an alumina ceramic plate such as an aluminum nitride ceramic plate (hereinafter, also referred to as “AlN ceramic plate”) described later. The heat source may be provided in contact with the highly heat-conductive plate-shaped member that is provided and via the high heat-conductive plate-shaped member. Further, the flat surface of the alumina ceramics plate may directly contact the frame member made of alumina ceramics at the outer peripheral side portion thereof, and the heat source (heating element) or the high thermal conductive plate-shaped member at the inner peripheral side of the frame member. May be in direct contact with. Therefore, as the above-mentioned contacted member, in addition to the heat source, for example, the above-mentioned highly heat-conductive plate-shaped member and the frame member made of alumina ceramics can be cited.
本実施形態の熱放射部材が備える板状部を構成するアルミナセラミックス板は、アルミナの含有量が99.0質量%以上であるため、アルミナセラミックスの中では比較的高い熱伝導率及び熱放射率を有することができる。そして、このアルミナセラミックス板の少なくとも熱源側に配置される面には、曲線状の研磨痕を有する平坦面が形成されているため、その平坦面により、アルミナセラミックス板は熱源側で被接触部材(熱源やAlNセラミックス板など)と良好に密着することができる。これにより、熱源側からの熱がアルミナセラミックス板に効率良く伝わり、かつ、アルミナセラミックス板の高い熱放射性能により、熱を赤外線に変換して表面から放出することができる。したがって、本実施形態の熱放射部材は、放熱性能にさらに優れたものとなる。 The alumina ceramic plate that constitutes the plate-shaped portion included in the heat radiating member of the present embodiment has a content of alumina of 99.0 mass% or more, and therefore has a relatively high thermal conductivity and thermal emissivity among the alumina ceramics. Can have. A flat surface having curved polishing marks is formed on at least the heat source side of the alumina ceramics plate, so that the alumina ceramics plate causes the alumina ceramics plate to contact the contacted member on the heat source side ( Good adhesion to a heat source or an AlN ceramics plate). Thereby, the heat from the heat source side is efficiently transmitted to the alumina ceramic plate, and due to the high heat radiation performance of the alumina ceramic plate, the heat can be converted into infrared rays and emitted from the surface. Therefore, the heat radiating member according to the present embodiment has further excellent heat dissipation performance.
アルミナセラミックス板の少なくとも熱源側に配置される面に形成された、曲線状の研磨痕を有する平坦面は、アルミナセラミックス板の表面を回転研磨法により研磨することによって得ることができる。この観点から、曲線状の研磨痕を有する平坦面は、回転研磨痕を有する平坦面ともいえる。この回転研磨法による研磨の度合を調整することで、アルミナセラミックス板の表面について、後述する算術平均粗さRa及び反りを調整することが可能である。また、曲線状の研磨痕を有する平坦面は、アルミナセラミックス板の熱源側に配置される面において、少なくとも被接触部材と接触する部分に設けられていればよく、一部の面に設けられていてもよいが、全面に設けられていることが好ましい。 The flat surface having curved polishing marks formed on at least the heat source side of the alumina ceramics plate can be obtained by polishing the surface of the alumina ceramics plate by a rotary polishing method. From this point of view, the flat surface having the curved polishing marks can be said to be the flat surface having the rotary polishing marks. By adjusting the degree of polishing by this rotary polishing method, it is possible to adjust the arithmetic mean roughness Ra and the warp described later on the surface of the alumina ceramics plate. In addition, the flat surface having the curved polishing marks may be provided on at least a portion of the surface of the alumina ceramics plate that is disposed on the heat source side, which is in contact with the contacted member, and is provided on a part of the surface. Although it may be provided, it is preferably provided on the entire surface.
なお、本実施形態の熱放射部材では、アルミナセラミックス板の熱源側に配置される面とは反対側の面にも、曲線状の研磨痕を有する平坦面が形成されていてもよい。アルミナセラミックス板は、両面に前述の平坦面を有する平板状のほか、熱源側に配置される面とは反対側の面に凹凸や曲面を有する形状であってもよいが、両面に平坦面を有する平板状であることが好ましい。アルミナセラミックス板の平面視形状は、特に限定されず、好適には熱源に対応した形状とすることができ、例えば、円形状、矩形状などを挙げることができる。 In the heat radiating member of the present embodiment, a flat surface having curved polishing marks may be formed on the surface of the alumina ceramic plate opposite to the surface arranged on the heat source side. The alumina ceramic plate may have a flat plate shape having the above-mentioned flat surfaces on both sides, or a shape having unevenness or a curved surface on the surface opposite to the surface arranged on the heat source side. It is preferable to have a flat plate shape. The plan-view shape of the alumina ceramics plate is not particularly limited, and may be a shape suitable for the heat source, and examples thereof include a circular shape and a rectangular shape.
本発明者らは、アルミナセラミックス板の熱源側に配置される面と被接触部材との間に、大きな空隙が生じないように、後述する特定の反りを有するアルミナセラミックス板とし、かつアルミナセラミックス板における曲線状の研磨痕を有する平坦面を、後述する特定の表面粗さを有する平坦面とすることによって、熱源の熱対策部材としてさらに有効な熱放射部材が得られることを見出した。 The present inventors have made an alumina ceramic plate having a specific warp described later so that a large gap is not generated between the surface of the alumina ceramic plate arranged on the heat source side and the contacted member, and the alumina ceramic plate It was found that the heat radiation member more effective as a heat countermeasure member for the heat source can be obtained by making the flat surface having the curved polishing mark in 1) a flat surface having a specific surface roughness described later.
すなわち、アルミナセラミックス板(板状部)は、反りが200μm以下であり、かつ熱源側に配置される平坦面(以下、単に「アルミナセラミックス板の平坦面」と記すことがある。)の算術平均粗さRaが1.0μm以下のものであることが好ましい。これにより、前述の熱放射性の効果をより高めることが可能となり、熱源に対する熱対策部材としてより有効となる。アルミナセラミックス板の反りが200μmを超える場合又はアルミナセラミックス板の平坦面のRaが1.0μmを超える場合、アルミナセラミックス板の平坦面と、被接触部材(熱源やAlNセラミックス板など)との間に空隙が生じやすく、熱の伝導に損失を生じる場合があり、それに伴って放射率も低くなる場合がある。 That is, the alumina ceramic plate (plate-shaped portion) has a warp of 200 μm or less, and the arithmetic mean of the flat surface (hereinafter, simply referred to as “alumina ceramic plate flat surface”) arranged on the heat source side. The roughness Ra is preferably 1.0 μm or less. As a result, it is possible to further enhance the effect of heat radiation described above, and it becomes more effective as a heat countermeasure member for the heat source. If the warp of the alumina ceramic plate exceeds 200 μm or Ra of the flat surface of the alumina ceramic plate exceeds 1.0 μm, the flat surface of the alumina ceramic plate and the contacted member (heat source, AlN ceramic plate, etc.) Voids are likely to occur, which may cause a loss of heat conduction, which may result in a lower emissivity.
本明細書において、「反り」は、定盤に被測定物(アルミナセラミックス板など)を置き、マイクロメーターを用いて測定することができる。具体的には、被測定物において定盤面から最も高い位置にある部分の表面までの距離(高さ)と、定盤面から定盤面に接している部分の表面までの距離(高さ)とをマイクロメーターで測定し、それらの差から求めることができる。また、本明細書において、平坦面の「算術平均粗さRa」は、JIS B 0601:2013の規定に準じて測定される算術平均粗さRaである。算術平均粗さRaは、例えば、表面粗さ測定機や画像測定機によって測定することができる。なお、本明細書において、反り及び算術平均粗さRaは小さい程、平坦面の平坦度合いが高まるため、反り及びRaの下限は特に限定されるものではないが、製造上、反りは1μm以上であってよく、Raは0.01μm以上であってよい。 In the present specification, the “warp” can be measured using a micrometer by placing an object to be measured (alumina ceramic plate or the like) on a surface plate. Specifically, the distance (height) from the surface plate to the surface of the highest part of the DUT and the distance (height) from the surface plate to the surface of the part in contact with the surface are It can be measured with a micrometer and can be determined from the difference between them. In the present specification, the “arithmetic mean roughness Ra” of the flat surface is the arithmetic mean roughness Ra measured according to the regulation of JIS B 0601:2013. The arithmetic average roughness Ra can be measured by, for example, a surface roughness measuring device or an image measuring device. In the present specification, the lower the warpage and the arithmetic average roughness Ra, the higher the flatness of the flat surface. Therefore, the lower limit of the warpage and Ra is not particularly limited, but the warpage is 1 μm or more in manufacturing. Ra may be 0.01 μm or more.
アルミナセラミックス板(板状部)の反りは、150μm以下であることがより好ましく、100μm以下であることがさらに好ましい。アルミナセラミックス板の反りが150μm以下であることにより、アルミナセラミックス板が被接触部材に密着し易く、アルミナセラミックス板の平坦面と被接触部材との間に空隙が生じ難い。そのため、熱放射性の効果をさらに高めることが可能となり、熱源に対する熱対策部材としてさらに有効な熱放射部材とすることが可能となる。 The warp of the alumina ceramic plate (plate-shaped portion) is more preferably 150 μm or less, and further preferably 100 μm or less. When the warp of the alumina ceramics plate is 150 μm or less, the alumina ceramics plate is easily adhered to the contacted member, and it is difficult to form a gap between the flat surface of the alumina ceramics plate and the contacted member. Therefore, the effect of heat radiation can be further enhanced, and the heat radiation member can be made more effective as a heat countermeasure member for the heat source.
アルミナセラミックス板(板状部)の平坦面の算術平均粗さRaは、0.6μm以下であることがより好ましく、0.4μm以下であることがさらに好ましい。アルミナセラミックス板の平坦面の算術平均粗さRaが0.6μm以下であることによっても、アルミナセラミックス板が非接触部材に密着し易く、アルミナセラミックス板の平坦面と被接触部材との間に空隙が生じ難い。そのため、熱放射性の効果をさらに高めることが可能となり、熱源に対する熱対策部材としてさらに有効な熱放射部材とすることが可能となる。 The arithmetic mean roughness Ra of the flat surface of the alumina ceramics plate (plate-shaped portion) is more preferably 0.6 μm or less, and further preferably 0.4 μm or less. Even if the arithmetic mean roughness Ra of the flat surface of the alumina ceramic plate is 0.6 μm or less, the alumina ceramic plate easily adheres to the non-contact member, and a gap is formed between the flat surface of the alumina ceramic plate and the contacted member. Is unlikely to occur. Therefore, the effect of heat radiation can be further enhanced, and the heat radiation member can be made more effective as a heat countermeasure member for the heat source.
アルミナセラミックス板の平坦面と被接触部材とをより密着させ、それらの間に空隙を生じ難くする観点から、アルミナセラミックス板は、反りが100μm以下であり、かつ平坦面の算術平均粗さRaが0.5μm以下のものであることがさらに好ましい。 From the viewpoint that the flat surface of the alumina ceramic plate and the contacted member are more closely contacted with each other and voids are less likely to be formed between them, the alumina ceramic plate has a warp of 100 μm or less and an arithmetic mean roughness Ra of the flat surface. It is more preferably 0.5 μm or less.
アルミナセラミックス板の厚さは、熱源から発生する熱を赤外線に変換して表面から放出する観点、及び強度の観点から、0.5〜10mmであることが好ましく、より好ましくは0.5〜8mm、さらに好ましくは1〜6mmである。アルミナセラミックス板の厚さは、0.5mm以上が好ましく、1mm以上がより好ましく、2mm以上がさらに好ましい。また、アルミナセラミックス板の厚さは、10mm以下が好ましく、8mm以下がより好ましく、6mm以下がさらに好ましい。 The thickness of the alumina ceramics plate is preferably 0.5 to 10 mm, more preferably 0.5 to 8 mm, from the viewpoint of converting heat generated from a heat source into infrared rays to be emitted from the surface and from the viewpoint of strength. , And more preferably 1 to 6 mm. The thickness of the alumina ceramic plate is preferably 0.5 mm or more, more preferably 1 mm or more, further preferably 2 mm or more. The thickness of the alumina ceramic plate is preferably 10 mm or less, more preferably 8 mm or less, and further preferably 6 mm or less.
本実施形態の熱放射部材には、市販のアルミナセラミックス板を利用することもできる。熱放射部材に好適に用いることができるアルミナセラミックス板の特性及び製法についてさらに詳述する。 A commercially available alumina ceramic plate can also be used for the heat radiation member of the present embodiment. The characteristics and manufacturing method of the alumina ceramics plate that can be preferably used for the heat radiation member will be described in more detail.
アルミナセラミックス板は、アルミナ(Al2O3)の含有量が99.0質量%以上である、高純度のアルミナ焼結体である。アルミナセラミックス板におけるアルミナの含有量は、高い熱伝導率及び熱放射率を有する観点から、好ましくは99.5質量%以上、より好ましくは99.7質量%以上である。アルミナセラミックス板の組成において、アルミナ以外の残部は、焼結助剤又は不可避的不純物に由来する物質である。アルミナセラミックス板には、アルミナ以外の残部として、焼結助剤に由来する元素の1種又は2種以上が含有されていてもよい。焼結助剤としては、Mg(OH)2、MgO、SiO2、Na2O、Fe2O3、及びCaOなどを挙げることができる。前記残部の合計は、好ましくは1.0質量%以下、より好ましくは0.5質量%以下、さらに好ましくは0.3質量%以下である。 The alumina ceramic plate is a high-purity alumina sintered body in which the content of alumina (Al 2 O 3 ) is 99.0 mass% or more. The content of alumina in the alumina ceramic plate is preferably 99.5% by mass or more, and more preferably 99.7% by mass or more, from the viewpoint of having high thermal conductivity and thermal emissivity. In the composition of the alumina ceramic plate, the balance other than alumina is a substance derived from a sintering aid or unavoidable impurities. The alumina ceramics plate may contain, as the balance other than alumina, one or more elements derived from the sintering aid. Examples of the sintering aid include Mg(OH) 2 , MgO, SiO 2 , Na 2 O, Fe 2 O 3 , CaO and the like. The total of the balance is preferably 1.0% by mass or less, more preferably 0.5% by mass or less, still more preferably 0.3% by mass or less.
アルミナセラミックス板は、高い熱伝導率及び熱放射率を有する観点、並びに高い機械的強度を有する観点から、粒径が1〜10μmの結晶粒を有するものが好ましく、結晶粒径の平均値は、2〜7μmであることが好ましい。また、このような結晶粒を30×20μmの面積中に30〜55個の範囲で含有するアルミナセラミックス板が好ましい。本明細書において、結晶粒径及び結晶粒の数は、走査型電子顕微鏡(SEM)による観察から確認することができる。 From the viewpoint of having high thermal conductivity and thermal emissivity, and from the viewpoint of having high mechanical strength, the alumina ceramics plate preferably has crystal grains with a grain size of 1 to 10 μm, and the average value of the crystal grain size is It is preferably 2 to 7 μm. Further, an alumina ceramics plate containing such crystal grains in an area of 30×20 μm in a range of 30 to 55 is preferable. In the present specification, the crystal grain size and the number of crystal grains can be confirmed by observation with a scanning electron microscope (SEM).
上述のような結晶状態のアルミナセラミックス板は緻密な構造であることから好適である。アルミナセラミックス板の密度は、3.8g/cm3以上であることが好ましく、より好ましくは3.93g/cm3以上、さらに好ましくは3.96g/cm3以上である。本明細書において、密度の値は、アルキメデス法により算出される値である。 The crystalline alumina ceramic plate as described above is suitable because it has a dense structure. The density of the alumina ceramic plate is preferably 3.8 g / cm 3 or more, more preferably 3.93 g / cm 3 or more, further preferably 3.96 g / cm 3 or more. In this specification, the density value is a value calculated by the Archimedes method.
前述の好適なアルミナ含有量、結晶粒、及び密度を有するアルミナセラミックス板とすることで、25℃での熱伝導率が33W/m・K以上、100℃での熱放射率が0.90以上のアルミナセラミックス板とすることができる。このような高い熱伝導率及び熱放射率を有するアルミナセラミックス板は、アルミナセラミックス板の製造に使用されるアルミナ粉末原料、添加される焼結助剤、及び焼成温度などを調整することによって得られる。アルミナセラミックス板の25℃での熱伝導率は、より好ましくは36W/m・K以上であり、100℃での熱放射率は、より好ましくは0.95以上である。本明細書において、熱伝導率の値は、JIS R 1611:2010で規定される、レーザーフラッシュ法による熱伝導率測定から求められる値である。また、本明細書において、熱放射率の値は、加熱板法により、発熱体表面の温度上昇の測定から求められる値である。 By using the alumina ceramic plate having the above-mentioned suitable alumina content, crystal grains, and density, the thermal conductivity at 25°C is 33 W/m·K or more, and the thermal emissivity at 100°C is 0.90 or more. The alumina ceramic plate can be used. The alumina ceramics plate having such high thermal conductivity and thermal emissivity can be obtained by adjusting the alumina powder raw material used for producing the alumina ceramics plate, the sintering aid added, the firing temperature, and the like. .. The thermal conductivity of the alumina ceramic plate at 25° C. is more preferably 36 W/m·K or more, and the thermal emissivity at 100° C. is more preferably 0.95 or more. In this specification, the value of the thermal conductivity is a value determined from the measurement of the thermal conductivity by the laser flash method, which is defined by JIS R 1611:2010. Further, in the present specification, the value of the thermal emissivity is a value obtained by measuring the temperature rise on the surface of the heating element by the heating plate method.
前述の好適なアルミナ含有量、結晶粒、及び密度を有することで、機械的強度に優れたアルミナセラミックス板とすることができる。そのような機械的強度に優れるアルミナセラミックス板として、具体的には、温度25℃での曲げ強さが300〜500MPaの範囲にあるアルミナセラミックス板が好ましい。本明細書において、曲げ強さの値は、JIS R 1601:2008で規定される三点曲げ試験により求められる値である。 By having the above-mentioned preferable alumina content, crystal grains, and density, an alumina ceramic plate having excellent mechanical strength can be obtained. As such an alumina ceramic plate having excellent mechanical strength, specifically, an alumina ceramic plate having a bending strength at a temperature of 25° C. in the range of 300 to 500 MPa is preferable. In this specification, the value of bending strength is a value obtained by a three-point bending test specified in JIS R 1601:2008.
アルミナセラミックス板は、優れた絶縁性を有することが好ましい。具体的には、アルミナセラミックス板の温度25℃での体積固有抵抗は、1.0×1014Ω・cmより大きいことが好ましい。本明細書において、体積固有抵抗値は、絶縁抵抗計を用いて測定される値である。 The alumina ceramic plate preferably has excellent insulating properties. Specifically, the volume resistivity of the alumina ceramic plate at a temperature of 25° C. is preferably larger than 1.0×10 14 Ω·cm. In the present specification, the volume specific resistance value is a value measured by using an insulation resistance meter.
(アルミナセラミックス板の製造方法)
前述の好適なアルミナセラミックス板は、アルミナを含有する板状成形体を加熱し、所定の焼成温度で焼成して焼結体を得る焼成工程と、焼成工程で得られたアルミナ焼結体(アルミナ焼結板)の表面を研磨する研磨工程を含む製造方法によって製造することができる。この製造方法では、焼成工程の前に、アルミナを含有する原料を加圧成形して板状成形体を得る成形工程を含むことが好ましく、成形工程の前に、アルミナ粉末を含有する原料粉末を顆粒状にする顆粒化工程を含むことがより好ましい。また、成形工程では、アルミナ顆粒を含む原料を加圧成形することが好ましく、顆粒化工程で得られたアルミナ顆粒を含む原料を用いることができる。
(Method of manufacturing alumina ceramic plate)
The above-mentioned suitable alumina ceramics plate includes a firing step of heating a plate-shaped compact containing alumina and firing at a predetermined firing temperature to obtain a sintered body, and an alumina sintered body obtained by the firing step (alumina It can be manufactured by a manufacturing method including a polishing step of polishing the surface of a sintered plate). In this manufacturing method, it is preferable to include a molding step of pressure-forming a raw material containing alumina to obtain a plate-shaped molded body before the firing step. Before the molding step, a raw material powder containing alumina powder is added. It is more preferable to include a granulation step of forming a granule. Further, in the molding step, it is preferable to pressure-mold a raw material containing alumina granules, and the raw material containing alumina granules obtained in the granulating step can be used.
顆粒化工程及び成形工程では、アルミナ含有量が99.0質量%以上、好ましくは99.5質量%以上、より好ましくは99.7質量%以上である、アルミナ粉末又はアルミナ顆粒を好適に用いることができる。また、顆粒化工程では、平均粒子径が0.2〜1μmであるアルミナ粉末を原料粉末として好適に用いることができる。平均粒子径は、レーザー回折/散乱式粒度分布測定装置により測定される値である。アルミナ粉末としては、一般に入手可能な公知のものを用いることができ、例えば、バイヤー法によって得られるα−アルミナ粉末、ゾル−ゲル法によって得られるアルミナ粉末などを用いることができる。また、原料に、前述した焼結助剤を添加することが好ましい。 In the granulation step and molding step, it is preferable to use alumina powder or alumina granules having an alumina content of 99.0% by mass or more, preferably 99.5% by mass or more, more preferably 99.7% by mass or more. You can Further, in the granulating step, alumina powder having an average particle diameter of 0.2 to 1 μm can be preferably used as a raw material powder. The average particle diameter is a value measured by a laser diffraction/scattering type particle size distribution measuring device. As the alumina powder, publicly available known ones can be used, and for example, α-alumina powder obtained by the Bayer method, alumina powder obtained by the sol-gel method, and the like can be used. Further, it is preferable to add the above-mentioned sintering aid to the raw material.
顆粒化工程では、原料粉末として用いる前述のアルミナ粉末を50〜100μmの顆粒状にすることが好ましい。顆粒化の方法は特に限定されないが、例えば、アルミナ粉末に後述するような有機質結合剤を添加してスラリー化した後、噴霧、乾燥させることで、粒子径が50〜100μmの成形用の顆粒を容易に得ることができる。このようにして得られる顆粒は、球状のものとなる。また、顆粒化することで、微粒子からなるアルミナ粉末原料のハンドリング性を向上させることができるので、製造上も有利である。 In the granulating step, it is preferable to make the above-mentioned alumina powder used as the raw material powder into granules of 50 to 100 μm. The method of granulation is not particularly limited, but for example, by adding an organic binder as described below to alumina powder to form a slurry, and then spraying and drying the granules for molding having a particle size of 50 to 100 μm. Can be easily obtained. The granules thus obtained will be spherical. Further, by granulating, the handling property of the alumina powder raw material composed of fine particles can be improved, which is advantageous in production.
成形工程における加圧成形の好適な方法としては、金型を用いて所定の成形圧力を加えて成形体を作製する方法(乾式金型成形)を挙げることができる。成形圧力は、成形体の密度が2.40g/cm3以上の緻密な成形体が得られるように、1,000kg/cm2以上であることが好ましく、また、成形体に割れや破損が生じないように、2,500kg/cm2以下であることが好ましい。なお、成形体の密度は、成形体の質量と、成形体の測定寸法から求めた体積から算出される。また、成形体を作製する方法は、乾式金型成形に限らず、例えば、冷間静水圧成形(CIP)、ホットプレス(HP)、熱間静水圧成形(HIP)、射出成形、鋳込成形、押出成形、及びドクターブレード法(テープ成形)などを用いてもよい。 As a suitable method of pressure molding in the molding step, a method of applying a predetermined molding pressure using a mold to produce a molded body (dry mold molding) can be mentioned. The molding pressure is preferably 1,000 kg/cm 2 or more so that a dense molded body having a density of 2.40 g/cm 3 or more can be obtained, and cracking or damage occurs in the molded body. In order not to occur, it is preferably 2,500 kg/cm 2 or less. The density of the molded product is calculated from the mass of the molded product and the volume obtained from the measured dimensions of the molded product. Further, the method for producing the molded body is not limited to the dry mold molding, and examples thereof include cold isostatic pressing (CIP), hot pressing (HP), hot isostatic pressing (HIP), injection molding, and casting molding. , Extrusion molding, doctor blade method (tape molding) and the like may be used.
前述した顆粒化工程や成形工程で使用可能な有機質結合剤としては、従来、セラミックスの製造において使用されているものをいずれも用いることができる。具体的には、焼成工程において、成形体の加熱時に溶融して適度な粘性を示し、焼成して焼結体とした後に残留しないような特性を有する有機化合物を使用することができる。このような有機化合物としては、例えば、ポリビニルアルコール、ポリエステル、アクリル樹脂、セルロース誘導体、ポリエーテルなどを挙げることができる。アルミナセラミックス板の製造において有機質結合剤が用いられる場合、成形体から有機質結合剤を除去する脱脂工程を含むことが好ましい。 As the organic binder that can be used in the above-mentioned granulation step and molding step, any of those conventionally used in the production of ceramics can be used. Specifically, in the firing step, it is possible to use an organic compound which has a characteristic that it melts at the time of heating the molded body and exhibits appropriate viscosity, and does not remain after firing to give a sintered body. Examples of such organic compounds include polyvinyl alcohol, polyesters, acrylic resins, cellulose derivatives, and polyethers. When the organic binder is used in the production of the alumina ceramic plate, it is preferable to include a degreasing step of removing the organic binder from the molded body.
焼成工程では、成形工程で得られた成形体を大気雰囲気中(酸化雰囲気中)で加熱して、所定の焼成温度で焼成することができる。焼成温度は、熱放射性に優れるアルミナセラミックス板を得るために、1,480〜1,600℃であることが好ましく、1,500〜1,600℃であることがより好ましい。前記焼成温度における焼成時間は、0.5〜4時間程度が好ましく、1〜2時間程度がより好ましい。また、焼成工程における焼成を、空気を流通させたバッチ式の炉内で行うことが好ましい。さらに、焼成工程後に、焼成温度に至るまでの昇温速度に対して、1.3〜2.0倍の速度で焼成物を急冷して焼結体を得る冷却工程を有することが好ましい。 In the firing step, the molded body obtained in the molding step can be heated in an air atmosphere (in an oxidizing atmosphere) and fired at a predetermined firing temperature. The firing temperature is preferably 1,480 to 1,600° C., and more preferably 1,500 to 1,600° C. in order to obtain an alumina ceramics plate having excellent heat radiation properties. The firing time at the firing temperature is preferably about 0.5 to 4 hours, more preferably about 1 to 2 hours. Further, it is preferable that the firing in the firing step is performed in a batch type furnace in which air is circulated. Further, after the firing step, it is preferable to have a cooling step in which the fired product is rapidly cooled at a rate 1.3 to 2.0 times the heating rate up to the firing temperature to obtain a sintered body.
さらに、アルミナセラミックス板の製造方法において、焼成工程の後、焼成工程で得られたアルミナ焼結体(アルミナセラミックス板)の表面を研磨する研磨工程を含むことが好ましい。この研磨工程では、アルミナ焼結体の少なくとも接合面となる片面を研磨すればよく、両面を研磨してもよい。研磨方法としては、回転研磨がより好ましい。アルミナ焼結体の表面を回転研磨することにより、前述した曲線状の研磨痕を有する平坦面を備えるアルミナセラミックス板を得ることができる。 Further, in the method for producing an alumina ceramic plate, it is preferable that after the firing step, a polishing step of polishing the surface of the alumina sintered body (alumina ceramic plate) obtained in the firing step is included. In this polishing step, at least one surface of the alumina sintered body, which is the bonding surface, may be polished, or both surfaces may be polished. As the polishing method, rotary polishing is more preferable. By rotationally polishing the surface of the alumina sintered body, it is possible to obtain an alumina ceramics plate having a flat surface having the above-mentioned curved polishing marks.
[窒化アルミニウムセラミックス板を備える熱放射部材]
本発明の一実施形態の熱放射部材は、前述の板状部の熱源側に配置される面に設けられた窒化アルミニウムセラミックス板をさらに備えることが好ましい。この窒化アルミニウムセラミックス板は、両面に曲線状の研磨痕を有する平坦面を備え、窒化アルミニウムセラミックス板の平坦面とアルミナセラミックス板の平坦面とが直接接触した状態で、アルミナセラミックス板に接合されている。
[Heat radiation member provided with aluminum nitride ceramics plate]
It is preferable that the heat radiation member of one embodiment of the present invention further includes an aluminum nitride ceramics plate provided on the surface of the plate-shaped portion that is arranged on the heat source side. This aluminum nitride ceramics plate has flat surfaces having curved polishing marks on both sides, and is bonded to the alumina ceramics plate in a state where the flat surface of the aluminum nitride ceramics plate and the flat surface of the alumina ceramics plate are in direct contact with each other. There is.
AlNセラミックス板を備える熱放射部材の一態様例として、図1に示すような、平板状の板状部としてのアルミナセラミックス板20及び平板状のAlNセラミックス板30を備える熱放射部材10を挙げて、熱放射部材の構成をさらに説明する。なお、図面において、各図で共通する構成部については同一の符号を付し、その説明を省略することがある。
As an example of one aspect of the heat radiating member including the AlN ceramic plate, the
図1に示す熱放射部材10は、熱源50側に配置される面20aに曲線状の研磨痕を有する平坦面20aが形成された前述のアルミナセラミックス板20と、そのアルミナセラミックス板20の平坦面20aに設けられたAlNセラミックス板30とを備える。AlNセラミックス板30の両面30a、30bには曲線状の研磨痕を有する平坦面が形成されており、アルミナセラミックス板20とAlNセラミックス板30とは、互いの平坦面20a、30aが直接接触した状態で接合されている。アルミナセラミックス板20の熱源50側に配置される面20aとは反対側の面20bも、全面が平坦面20bであり、この平坦面20bが曲線状の研磨痕を有する平坦面であってもよい。
The
AlNセラミックス板30は、平板状であり、両面に曲線状の研磨痕を有する平坦面(以下、単に「AlNセラミックス板の平坦面」と記すことがある。)30a、30bを備える。AlNセラミックス板30は、両面に曲線状の研磨痕を有する平坦面30a、30bを備えるため、アルミナセラミックス板20の平坦面20a及びAlNセラミックス板30の平坦面30aが互いに干渉され、これらの接合面の密着性をさらに高めることが可能となり、また、熱源(発熱体)50に対しても良好に密着することができる。AlNセラミックス板30の両面に形成された曲線状の研磨痕を有する平坦面30a、30bも、アルミナセラミックス板20の平坦面20aと同様、AlNセラミックス板の両面を回転研磨法により研磨することによって得ることができる。
The
AlNセラミックス板30の平面視形状は、特に限定されず、好適には熱源に対応した形状とすることができ、例えば、円形状、矩形状などを挙げることができる。AlNセラミックス板30の外形寸法は、アルミナセラミックス板20の外形寸法と同一でもよく、異なっていてもよい。
The plan view shape of the
アルミナセラミックス板20及びAlNセラミックス板30を備える熱放射部材10では、AlNセラミックス板30の平坦面30aと、アルミナセラミックス板20の平坦面20aとが、接着剤などを介さず、直接接触している。そのため、熱源(発熱体)50に、AlNセラミックス板30側を接触させて熱放射部材10を設けると、熱源50から発生する熱を、AlNセラミックス板20の高熱伝導性に起因して迅速にアルミナセラミックス板20に伝達させることが可能となる。そして、アルミナセラミックス板20は、AlNセラミックス板30によって伝達されてきた熱を吸収し、アルミナセラミックス板20の高い熱放射性能により、熱を赤外線に変換して表面から放出することができる。このように、熱源50側に配置されるAlNセラミックス板30による熱伝導、及びそのAlNセラミックス板30上に配置されるアルミナセラミックス板20による放射という、2種の熱の伝わり方を組み合わせることによって、熱源50からの熱を効果的に放出することができる。この熱放射部材10では、上述のような熱移動による放熱の作用を断絶することなく、継続的に行うことが可能となる。このような作用及び効果から、熱放射部材10では、熱源50側に、AlNセラミックス板30を配置することが好ましい。
In the
(固定部材)
図2及び図3に示すように、熱放射部材10(10A、10B)は、アルミナセラミックス板20とAlNセラミックス板30とを接合する固定部材40(41、42)を備えることができる。アルミナセラミックス板20の平坦面20aとAlNセラミックス板30の平坦面30aとが直接接触した状態で、アルミナセラミックス板20とAlNセラミックス板30とが固定部材40により接合されていることで、両セラミックス板20、30をそれらの平坦面20a、30aでより密着させることが可能となる。
(Fixing member)
As shown in FIGS. 2 and 3, the heat radiation member 10 (10A, 10B) may include a fixing member 40 (41, 42) that joins the
固定部材40の種類は特に限定されず、図2及び図3に表されるような形態のものにも限られない。好適な固定部材40としては、例えば、ネジ、ボルト、ナット、ビス、ピン、ワッシャー、アルミニウム箔テープ、接着テープ、及びバネなどを挙げることができる。固定部材40は、1種又は2種以上が用いられてもよい。アルミナセラミックス板20の平坦面20aとAlNセラミックス板30の平坦面30aとをより密着させて接合する観点から、固定部材40は、アルミナセラミックス板20及びAlNセラミックス板30に圧をかけて接合するものであることが好ましい。この場合、一つの固定部材40による面圧は、例えば、0.8N/mm2以上であることが好ましく、1.0〜1.2N/mm2であることがより好ましい。
The type of the fixing
図2に示すように、固定部材41として、ネジ、ボルト、ナット、ビス、及びピンなどが用いられる場合、アルミナセラミックス板20及びAlNセラミックス板30は、それぞれ固定部材41が挿通可能な貫通孔20c、30cを備えていることが好ましい。また、図示しないが、アルミナセラミックス板20とAlNセラミックス板30とを接合する固定部材41に、熱放射部材10Aを取り付ける対象部材への固定を併用させてもよい。さらに、アルミナセラミックス板20とAlNセラミックス板30とを接合する固定部材41とは別の固定部材を用いて熱放射部材10Aを対象部材に取り付けてもよい。固定部材41とは別の固定部材についても、固定部材40と同様、上記に例示したものを用いることができる。
As shown in FIG. 2, when a screw, a bolt, a nut, a screw, a pin, or the like is used as the fixing
図3に示すように、固定部材42として、アルミニウム箔テープや接着テープなどのテープ状固定部材42が用いられる場合、テープ状固定部材42は、アルミナセラミックス板20の熱源側とは反対側の面20bからAlNセラミックス板30の熱源側の表面30bにかけて、熱放射部材10の側面に回り込んで設けられていることが好ましい。
As shown in FIG. 3, when a tape-shaped fixing
固定部材40を設ける位置は、熱放射部材10を適用する熱源と熱放射部材10(AlNセラミックス板30)との接触面を確保する観点から、アルミナセラミックス板20及びAlNセラミックス板30の端側(外周縁側)であることが好ましい。また、アルミナセラミックス板20とAlNセラミックス板30との接合に使用される固定部材40の数は特に限定されない。アルミナセラミックス板20及びAlNセラミックス板30の形状に応じて、それらを安定して接合できるだけの個数の固定部材40を用いることができる。例えば、アルミナセラミックス板20及びAlNセラミックス板30が矩形平板状である場合、平面視矩形状の4つの角に対応する部位に4つの固定部材40を設けることができる。
From the viewpoint of ensuring a contact surface between the heat source to which the
アルミナセラミックス板20の平坦面20aとAlNセラミックス板30の平坦面30aとの間、及びAlNセラミックス板30の平坦面30bと熱源(発熱体)50との間に、前述の空隙を生じ難くするために、AlNセラミックス板30の平坦面30a、30bについても、特定の反り及び表面粗さを有することが好ましい。
In order to make it difficult for the above-mentioned voids to occur between the
AlNセラミックス板30は、反りが200μm以下であり、かつ平坦面30a、30bの算術平均粗さRaが1.0μm以下のものであることが好ましい。これにより、AlNセラミックス板30の平坦面30aとアルミナセラミックス板20の平坦面20a、並びにAlNセラミックス板30の平坦面30bと熱源50がより良好に密着することができる。そして、熱源50から発生する熱を効率良くアルミナセラミックス板20に伝えることが可能となる。
It is preferable that the
AlNセラミックス板30の反りは、150μm以下であることがより好ましく、100μm以下であることがさらに好ましい。AlNセラミックス板30の反りが150μm以下であることにより、AlNセラミックス板30は、アルミナセラミックス板20及び熱源50の両方にさらに密着し易く、それらとの間に空隙が生じ難い。そのため、熱放射部材10の放熱性能をさらに高めることが可能となり、熱源50に対する熱対策部材としてさらに有効な熱放射部材10とすることが可能となる。
The warp of the
AlNセラミックス板30の平坦面30a、30bの算術平均粗さRaは、0.6μm以下であることがより好ましく、0.4μm以下であることがさらに好ましい。AlNセラミックス板30の平坦面30a、30bの算術平均粗さRaが0.6μm以下であることによっても、アルミナセラミックス板20及び熱源50の両方にさらに密着し易く、それらとの間に空隙が生じ難い。そのため、熱放射部材10の放熱性能をさらに高めることが可能となり、熱源50に対する熱対策部材としてさらに有効な熱放射部材10とすることが可能となる。
The arithmetic mean roughness Ra of the
AlNセラミックス板30の平坦面30aとアルミナセラミックス板20の平坦面20aとをより良好に密着させ、それぞれの平坦面間に空隙を生じ難くする観点から、AlNセラミックス板30は、反りが100μm以下であり、かつ平坦面30aの算術平均粗さRaが0.5μm以下のものであることがさらに好ましい。
From the viewpoint that the
AlNセラミックス板30は、熱源50から発生する熱をアルミナセラミックス板20に効率よく伝えるために、その厚さは、10mm以下であることが好ましく、より好ましくは8mm以下、さらに好ましくは6mm以下である。一方、AlNセラミックス板30の厚さは、強度の観点から、0.5mm以上であることが好ましく、より好ましくは1mm以上である。AlNセラミックス板30の厚さ及びアルミナセラミックス板20の厚さの合計は、15mm以下であることが好ましく、より好ましくは12mm以下である。
The
本実施形態の熱放射部材10には、市販のAlNセラミックス板30を利用することもできる。熱放射部材10に好適に用いることができるAlNセラミックス板30の特性及び製法についてさらに詳述する。
A commercially available AlN
AlNセラミックス板30は、窒化アルミニウムの焼結体である。AlNセラミックス板30の窒化アルミニウム(以下、「AlN」と記すことがある。)の含有量は90質量%以上であることが好ましく、95質量%以上であることがより好ましい。AlNセラミックス板30の組成において、AlN以外の残部は、焼結助剤(希土類元素の酸化物及びアルカリ土類金属の酸化物など)又は不可避的不純物に由来する元素であり、主にO及びYなどである。前記残部の合計は、好ましくは10質量%以下、より好ましくは5質量%以下である。
The
AlNセラミックス板30は、緻密な構造を有するものが好ましいことから、AlNセラミックス板30の密度は、3.2g/cm3以上であることが好ましく、より好ましくは3.3g/cm3以上である。
Since it is preferable that the
AlNセラミックス板30としては、熱源50から発生する熱を迅速にアルミナセラミックス板20に分散伝達できるように、温度25℃での熱伝導率が80W/m・K以上であるAlNセラミックス板30が好ましい。AlNセラミックス板30の温度25℃での熱伝導率は、より好ましくは150W/m・K以上、さらに好ましくは170W/m・K以上である。
As the
AlNセラミックス板30は、温度25℃での曲げ強さが300〜600MPaの範囲にあるものが機械的強度の観点から好ましい。AlNセラミックス板30は、後述する用途においては、優れた絶縁性を有するものが好ましいことから、AlNセラミックス板30の温度25℃での体積固有抵抗は、1.0×1013Ω・cmより大きいことが好ましい。
The
(AlNセラミックス板の製造方法)
AlNセラミックス板30の製造方法は特に限定されない。例えば、AlNを含有する板状成形体を加熱し、所定の焼成温度で焼成して焼結体を得る焼成工程と、焼成工程で得られたAlN焼結体(AlN焼結板)の表面を研磨する研磨工程を含む製造方法によってAlNセラミックス板を製造することができる。この製造方法では、焼成工程の前に、AlNを含有する原料を加圧成形して板状成形体を得る成形工程を含むことが好ましい。
(Method of manufacturing AlN ceramics plate)
The manufacturing method of the
成形工程では、AlNを含有する原料として、AlN含有量が好ましくは90質量%以上、より好ましくは95質量%以上である、AlN粉末又はAlN顆粒を好適に用いることができる。また、AlNを含有する原料に、焼結助剤、及び後述する有機質結合剤を添加することが好ましい。AlN板の製造で用い得る焼結助剤としては、主にY2O3などの希土類元素酸化物が使用され、そのほか、アルカリ土類金属酸化物、フッ化物、及びホウ化物などを挙げることができる。 In the molding step, AlN powder or AlN granules having an AlN content of preferably 90 mass% or more, more preferably 95 mass% or more can be suitably used as the AlN-containing raw material. Further, it is preferable to add a sintering aid and an organic binder described later to the raw material containing AlN. As the sintering aid that can be used in the production of the AlN plate, rare earth element oxides such as Y 2 O 3 are mainly used, and in addition to these, alkaline earth metal oxides, fluorides, borides, and the like are listed. it can.
成形工程における加圧成形の好適な方法として、金型を用いて所定の成形圧力を加えて成形体を作製する方法(乾式金型成形)、冷間静水圧成形(CIP)、ホットプレス(HP)、熱間静水圧成形(HIP)、及び射出成形などを用いることができる。有機質結合剤が用いられる場合、成形工程後、AlNを含有する板状成形体から有機質結合剤を除去する脱脂工程を行うことが好ましい。脱脂工程では、例えば、脱脂炉にて300〜700℃の範囲で板状成形体を加熱し、有機質結合剤を除去することが好ましい。 As a preferred method of pressure molding in the molding step, a method of producing a molded body by applying a predetermined molding pressure using a mold (dry mold molding), cold isostatic pressing (CIP), hot pressing (HP) ), hot isostatic pressing (HIP), and injection molding can be used. When the organic binder is used, it is preferable to perform a degreasing step of removing the organic binder from the plate-shaped molded body containing AlN after the molding step. In the degreasing step, for example, it is preferable to heat the plate-shaped compact in a degreasing furnace in the range of 300 to 700° C. to remove the organic binder.
焼成工程において、AlNを含有する板状成形体を焼成する際の焼成温度は、例えば1,500〜2,100℃、焼成時間は、例えば1〜50時間程度が好ましく、焼成は、窒素雰囲気などの非酸化性雰囲気の焼成炉で行われることが好ましい。 In the firing step, the firing temperature for firing the plate-shaped compact containing AlN is preferably 1,500 to 2,100° C., the firing time is preferably about 1 to 50 hours, and the firing is performed in a nitrogen atmosphere or the like. It is preferable that the firing is performed in a firing furnace in a non-oxidizing atmosphere.
焼成工程の後、焼成工程で得られたAlN焼結板の両面を回転研磨法にて研磨する研磨工程を含むことが好ましい。AlN焼結板の両面を回転研磨することにより、両面に前述した曲線状の研磨痕を有する平坦面を備えるAlNセラミックス板を得ることができる。 After the firing step, it is preferable to include a polishing step of polishing both surfaces of the AlN sintered plate obtained in the firing step by a rotary polishing method. By rotating and polishing both surfaces of the AlN sintered plate, it is possible to obtain an AlN ceramics plate having flat surfaces having the above-mentioned curved polishing marks on both surfaces.
[ケース状の熱放射部材]
本発明の一実施形態の熱放射部材では、前述の板状部における熱源側に配置される面側に、熱源を取り囲むことが可能なアルミナセラミックス製のフレーム部を設けることができる。この熱放射部材は、板状部における熱源側に配置される面に設けられたフレーム部を備えることで、ケース状に形成される。このケース状の熱放射部材では、板状部とフレーム部とは、別体で形成された部材(すなわち、それぞれ、アルミナセラミックス板とフレーム部材)とすることができる。その構成の一態様例として、図4及び図5に示すようなアルミナセラミックス板20及びアルミナセラミックス製のフレーム部材70を備える熱放射部材15を挙げて、本実施形態のケース状の熱放射部材の構成を説明する。図4は、本発明の一実施形態に係るケース状の熱放射部材15の概略構成を表す平面図である。図5は、図4のA−A線断面図である。
[Case-shaped heat radiation member]
In the heat radiating member of one embodiment of the present invention, a frame portion made of alumina ceramics capable of surrounding the heat source can be provided on the surface side of the above-mentioned plate-shaped portion that is arranged on the heat source side. This heat radiation member is formed in a case shape by including a frame portion provided on the surface of the plate portion that is arranged on the heat source side. In this case-shaped heat radiating member, the plate-shaped portion and the frame portion can be formed as separate members (that is, an alumina ceramics plate and a frame member, respectively). As an example of one aspect of the configuration, the
図4及び図5に示す熱放射部材15は、熱源50側に配置される面20aに曲線状の研磨痕を有する平坦面20aが形成された板状部としてのアルミナセラミックス板20を備える。また、熱放射部材15は、アルミナセラミックス板20の平坦面20aにおける外周側の部分に設けられたアルミナセラミックス製のフレーム部材70を備える。このフレーム部材70を備えることで、熱放射部材15はケース状に形成されている。このケース状の熱放射部材15では、フレーム部材70の開口70aの内周側、すなわち、ケース状の内部において、半導体素子などの熱源50を配置することができる。
The
フレーム部材70は、アルミナセラミックス板20における熱源50側に配置される面20a側に設けられていれば、アルミナセラミックス板20における熱源50側に配置される面(平坦面)20aに直接設けられていなくてもよい。例えば、図示しないが、ケース状の熱放射部材15は、アルミナセラミックス板20における熱源50側に配置される面(平坦面)20aにAlNセラミックス板などの前述の高熱伝導性板状部材を備えることができる。この場合、フレーム部材70は高熱伝導性板状部材を介して設けられてもよい。また、例えば、アルミナセラミックス板20の平坦面20aにおける外周側部分に設けられたフレーム部材70の開口70aの内周側に前述の高熱伝導性板状部材が設けられてもよい。この場合、フレーム部材70の厚さ(高さ)は、高熱伝導性板状部材の厚さ(高さ)よりも大きいことで、熱放射部材15はケース状に形成される。
The
フレーム部材70の材質としてのアルミナセラミックスは、アルミナセラミックス板20の説明で述べたものと同様であることが好ましく、例えば、アルミナ(Al2O3)の含有量が99.0質量%以上であることが好ましい。また、フレーム部材70の厚さ(高さ)は、フレーム部材70がアルミナセラミックス板20などと共にケース状の熱放射部材15を構成できれば特に限定されないが、例えば、2〜15mm程度とすることができる。
Alumina ceramics as a material of the
さらに、フレーム部材70は、アルミナセラミックス板20の製造方法の説明で述べた成形工程や焼成工程などを含む製造方法にて製造することができる。例えば、アルミナ粉末を含有する原料粉末(好ましくは顆粒化した粉末)、及びフレーム形状に成形可能な金型を用いたプレス成形によって、フレーム状の成形体を得た後、その成形体を焼成することなどでフレーム部材70を製造することができる。フレーム部材70の製造工程において、研磨工程が行われていてもよい。フレーム部材70は、少なくともアルミナセラミックス板20側に配置される面70bに、アルミナセラミックス板20と同様、前述の曲線状の研磨痕を有する平坦面が形成されていることが好ましい。
Further, the
ここで、例えばLEDパッケージなどの半導体パッケージでは、従来から、ケース内にLED素子(LEDチップ)などの半導体素子、及び透明樹脂などの封止剤が収容された構成がとられていることがある。そのような半導体パッケージでは、ケース内に封止剤が充填されるため、ケース内に半導体素子(熱源)からの熱が蓄積しやすい。半導体パッケージに用いられるケースとして熱放射部材15を用いれば、アルミナセラミックス板20により、半導体素子(熱源50)の下方向への放熱が期待できるだけでなく、フレーム部材70により、ケース内の熱を横方向に放出することも期待できる。したがって、本実施形態のケース状の熱放射部材は、半導体パッケージ用としてより好適であり、LEDパッケージ用としてさらに好適である。
Here, for example, a semiconductor package such as an LED package has conventionally been configured such that a semiconductor element such as an LED element (LED chip) and a sealant such as a transparent resin are housed in a case. .. In such a semiconductor package, since the case is filled with the sealant, heat from the semiconductor element (heat source) is likely to accumulate in the case. If the
本実施形態のケース状の熱放射部材では、フレーム部は、板状部の平坦面に直接接触して接合されていることが好ましい。この構成によって、フレーム部に伝わった熱がフレーム部から板状部に伝わり易くなり、より効率よく放熱することが可能となる。図5に示すケース状の熱放射部材15では、アルミナセラミックス板20及びフレーム部材70にそれぞれ設けられた孔部20c、70cに挿通したネジ(より好ましくはインサートナット)などの固定部材41によって、フレーム部材70とアルミナセラミックス板20の平坦面20aとが直接接触した状態で接合されている。フレーム部材70とアルミナセラミックス板20の平坦面20aとが前述のテープ状固定部材によって直接接触した状態で接合されていてもよい。
In the case-shaped heat radiating member of the present embodiment, it is preferable that the frame portion is in direct contact with and joined to the flat surface of the plate-shaped portion. With this configuration, the heat transferred to the frame part is easily transferred from the frame part to the plate-shaped part, and the heat can be radiated more efficiently. In the case-shaped
さらに、本実施形態のケース状の熱放射部材は、半導体素子などの熱源を備える機器(例えば基板及び筐体など)に取り付けるための取付部を備えることが好ましい。図4及び図5に示す熱放射部材15では、アルミナセラミックス板20がフレーム部材70の平面視外形よりも大きく形成されており、そのアルミナセラミックス板20におけるフレーム部材70の外周側となる位置に、取付部としての取付孔20dが設けられている。なお、アルミナセラミックス板20とフレーム部材70とは、それらの平面視においてほぼ同じ外形であってもよい。
Furthermore, it is preferable that the case-shaped heat radiation member of the present embodiment includes a mounting portion for mounting on a device (for example, a board and a case) including a heat source such as a semiconductor element. In the
ケース状の熱放射部材15は、それぞれ別体で形成されたアルミナセラミックス板20と、アルミナセラミックス製のフレーム部材70とを備える。そのため、ケース状の熱放射部材を製造するにあたり、そのケースの内側底面となる板状部の面に、前述の曲線状の研磨痕を有する平坦面20aを形成し易いという利点もある。
The case-shaped
一方、本実施形態のケース状の熱放射部材では、板状部とフレーム部とを一体成形物としてもよい。その構成の一態様例として、例えば図6に示すようなケース状の熱放射部材16を挙げることができる。ケース状の熱放射部材16は、ケースの底面を構成する板状部25とケースの側面を構成するフレーム部26とが一体に成形されているものである。板状部とフレーム部とが一体成形物であるケース状の熱放射部材では、板状部とフレーム部とが一体成形されているため、前述の固定部材を用いる必要がないことから、部品点数を少なくでき、かつ、熱放射部材の製造において、別途、板状部とフレーム部とを接合する工程がないという利点がある。なお、板状部25とフレーム部26とが一体成形されたケース状の熱放射部材16においても、板状部25における熱源50側に配置される面25aに曲線状の研磨痕を有する平坦面25aが形成されている。また、このケース状の熱放射部材16も、板状部25及びフレーム部26を有するケース形状に成形可能な金型を用いること以外は、前述のアルミナセラミックス板の製造方法と同様に製造することができる。
On the other hand, in the case-shaped heat radiation member of this embodiment, the plate-shaped portion and the frame portion may be integrally molded. As an example of one aspect of the configuration, a case-shaped
(熱放射部材キット)
アルミナセラミックス板20及びAlNセラミックス板30を備える熱放射部材10や、アルミナセラミックス板20及びフレーム部材70を備える熱放射部材15については、使用時において、熱放射部材10、15を組み立てるためのキットの形態として流通させることもできる。AlNセラミックス板が用いられる熱放射部材キットは、前述のアルミナセラミックス板と、アルミナセラミックス板の熱源側に配置される面に設けられる窒化アルミニウムセラミックス板とを含む。この熱放射部材キットにおける窒化アルミニウムセラミックス板は、両面に曲線状の研磨痕を有する平坦面を備え、かつ窒化アルミニウムセラミックス板の平坦面とアルミナセラミックス板の平坦面とが直接接触した状態で、アルミナセラミックス板に接合されるものである。フレーム部材が用いられる熱放射部材キットは、前述のアルミナセラミックス板と、アルミナセラミックス板における熱源側に配置される面側に設けられるアルミナセラミックス製のフレーム部材とを含む。これらの熱放射部材キットは、さらに前述の固定部材を含んでいてもよい。
(Heat radiation member kit)
The
以上詳述した本発明の実施形態に係る熱放射部材は、アルミナの含有量が99.0質量%以上であり、かつ少なくとも熱源側に配置される面に曲線状の研磨痕を有する平坦面が形成されているアルミナセラミックス板を備えるため、熱源側で被接触部材(熱源やAlNセラミックス板など)と良好に密着することができる。これにより、熱源側からの熱がアルミナセラミックス板に効率良く伝わり、かつ、アルミナセラミックス板の高い熱放射性能により、熱を赤外線に変換して表面から放出することができる。よって、本発明の実施形態に係る熱放射部材は、優れた放熱性能を有する。 In the heat radiating member according to the embodiment of the present invention described in detail above, the content of alumina is 99.0 mass% or more, and at least the flat surface having the curved polishing mark on the surface arranged on the heat source side is Since the formed alumina ceramics plate is provided, the heat source side can satisfactorily adhere to the contacted member (heat source, AlN ceramics plate, etc.). Thereby, the heat from the heat source side is efficiently transmitted to the alumina ceramic plate, and due to the high heat radiation performance of the alumina ceramic plate, the heat can be converted into infrared rays and emitted from the surface. Therefore, the heat radiation member according to the embodiment of the present invention has excellent heat dissipation performance.
また、アルミナセラミックス板20の熱源50側に配置される面20aにAlNセラミックス板30が設けられた熱放射部材10は、熱源50側に配置されるAlNセラミックス板30の平坦面30aとアルミナセラミックス板20の平坦面20aとが、接着剤などを介さず、直接接触して接合されている。そのため、熱源50にAlNセラミックス板30を接触させて熱放射部材10を配置すると、熱源50から発生する熱を効果的に放射することができる。より詳しくは、熱源50から発生する熱が、AlNセラミックス板30の高熱伝導性に起因して迅速にAlNセラミックス板30及びアルミナセラミックス板20に伝導され、アルミナセラミックス板20は、その高い熱放射性能に起因して、熱を赤外線に変換して表面から放出することができる。
Further, the
さらに、上述のケース状の熱放射部材15、16では、フレーム部材70(フレーム部26)の内周側に配置される半導体素子(より好適にはLED素子)などの熱源50から生じる熱をケース外へ放出し易い。具体的には、熱源(半導体素子などの部品)50が作動時に発熱した際に、熱源50から生じた熱をアルミナセラミックス板20(板状部25)がその熱伝導性で吸収し、かつ、アルミナセラミックス板20(板状部25)の高い放射率を利用して(赤外線放射による放熱原理を利用して)放熱することが可能となる。また、ケース内の熱をアルミナセラミックス板20(板状部25)及びフレーム部材70(フレーム部26)がそれらの熱伝導性で吸収し、かつそれらの高い放射率でケース外へ放出することができる。そのため、ケース状の熱放射部材15、16におけるフレーム部材70(フレーム部26)の内周側に配置された半導体素子などの部品の安定作動を確保しつつ、製品寿命の改善にも寄与することができる。
Furthermore, in the case-shaped
上述の通り、熱放射部材は、熱源からの熱を素早く放出することができるため、熱源として、発熱する可能性のある部材(発熱体)、例えばパワー半導体素子、LED素子、及びそれらが設置される回路基板、並びに太陽電池モジュールの発電セルなどの熱対策部材として有用である。熱放射部材が太陽電池モジュールの発電セルの熱対策部材として利用される場合、発電セルの裏面に熱放射部材を設けることができる。また、熱放射部材がパワー半導体素子を備えるモジュールやLED素子を備えるモジュールの熱対策部材として利用される場合、パワー半導体素子やLED素子などの熱源(発熱体)にAlNセラミックス板又はアルミナセラミックス板が接触するように配置されてもよく(後述する図7及び図10参照)、パワー半導体素子やLED素子などの発熱体を備える回路基板にその回路基板側からAlNセラミックス板又はアルミナセラミックス板が接触するように配置されてもよい(後述する図8参照)。 As described above, since the heat radiation member can quickly release the heat from the heat source, as a heat source, a member (heating element) that may generate heat, for example, a power semiconductor element, an LED element, and those are installed. It is useful as a heat-resistant member such as a circuit board and a power generation cell of a solar cell module. When the heat radiation member is used as a heat countermeasure member for the power generation cell of the solar cell module, the heat radiation member can be provided on the back surface of the power generation cell. When the heat radiation member is used as a heat countermeasure member for a module including a power semiconductor element or a module including an LED element, an AlN ceramics plate or an alumina ceramics plate is used as a heat source (heating element) of the power semiconductor element or the LED element. They may be arranged so as to come into contact with each other (see FIGS. 7 and 10 to be described later), and an AlN ceramic plate or an alumina ceramic plate comes into contact with a circuit board having a heating element such as a power semiconductor element or an LED element from the circuit board side. May be arranged (see FIG. 8 described later).
熱放射部材を熱放射性の回路基板として構成することもできる(後述する図9参照)。熱放射性の回路基板としては、例えば、窒化アルミニウムセラミックス板におけるアルミナセラミックス板と接合される平坦面とは反対側の表面に、回路が設けられている熱放射部材が好ましい。この場合、AlNセラミックス板に設けられた回路にパワー半導体素子やLED素子などの各種半導体素子を設けたモジュールとすることができる。 The heat radiation member may be configured as a heat radiation circuit board (see FIG. 9 described later). As the heat radiating circuit board, for example, a heat radiating member in which a circuit is provided on the surface of the aluminum nitride ceramic plate opposite to the flat surface joined to the alumina ceramic plate is preferable. In this case, the module provided with various semiconductor elements such as a power semiconductor element and an LED element in the circuit provided on the AlN ceramics plate can be obtained.
回路は、AlNセラミックス板の表面に、PVD(物理気相成長法)やCVD(化学的気相成長法)などで銀、ニッケル、若しくは銅などの導電性金属を薄膜形成すること、又は前記導電性金属を粒子として含有するインクを印刷することなどにより、形成することができる。回路を形成するAlNセラミックス板の表面が、アルミナセラミックス板との接合面と同様に平坦面であれば、薄膜形成や印刷により回路を容易に形成することができる。さらに、回路を形成するAlNセラミックス板の表面が、前述した好適な接合面(平坦面)と同様に、前述した特定の算術平均粗さRa及び反りを有する平坦面とすれば、さらに容易に回路を形成することができ、複雑なパターンの回路を形成することも可能である。 The circuit is formed by forming a thin film of a conductive metal such as silver, nickel, or copper on the surface of an AlN ceramic plate by PVD (physical vapor deposition) or CVD (chemical vapor deposition), or by conducting the above-mentioned conduction. It can be formed by printing an ink containing a conductive metal as particles. If the surface of the AlN ceramics plate forming the circuit is a flat surface like the bonding surface with the alumina ceramics plate, the circuit can be easily formed by thin film formation or printing. Furthermore, if the surface of the AlN ceramics plate forming the circuit is a flat surface having the above-mentioned specific arithmetic mean roughness Ra and warpage as in the case of the above-mentioned suitable bonding surface (flat surface), the circuit is more easily manufactured. Can be formed, and a circuit having a complicated pattern can be formed.
以上述べたように、本発明の実施形態に係る熱放射部材は、次のような構成をとることができる。
[1]アルミナの含有量が99.0質量%以上であり、かつ少なくとも熱源側に配置される面に曲線状の研磨痕を有する平坦面が形成されているアルミナセラミックス製の板状部を備える熱放射部材。
[2]前記板状部は、反りが200μm以下であり、かつ前記平坦面の算術平均粗さRaが1.0μm以下である前記[1]に記載の熱放射部材。
[3]前記板状部の前記反りが150μm以下である前記[2]に記載の熱放射部材。
[4]前記板状部の前記平坦面の前記算術平均粗さRaが0.6μm以下である前記[2]又は[3]に記載の熱放射部材。
[5]前記板状部の前記熱源側に配置される面に設けられた窒化アルミニウムセラミックス板を備え、前記窒化アルミニウムセラミックス板は、両面に曲線状の研磨痕を有する平坦面を備え、かつ、前記窒化アルミニウムセラミックス板の前記平坦面と前記板状部の前記平坦面とが直接接触した状態で、前記板状部に接合されている前記[1]〜[4]のいずれかに記載の熱放射部材。
[6]前記窒化アルミニウムセラミックス板は、反りが200μm以下であり、かつ前記平坦面の算術平均粗さRaが1.0μm以下のものである、前記[5]に記載の熱放射部材。
[7]前記窒化アルミニウムセラミックス板の前記反りが150μm以下である前記[6]に記載の熱放射部材。
[8]前記窒化アルミニウムセラミックス板の前記平坦面の前記算術平均粗さRaが0.6μm以下である前記[6]又は[7]に記載の熱放射部材。
[9]前記板状部と前記窒化アルミニウムセラミックス板とを接合する固定部材を備える前記[5]〜[8]のいずれかに記載の熱放射部材。
[10]前記板状部及び前記窒化アルミニウムセラミックス板は、いずれも厚さが10mm以下の平板状である前記[5]〜[9]のいずれかに記載の熱放射部材。
[11]前記窒化アルミニウムセラミックス板における前記板状部と接合される前記平坦面とは反対側の平坦面に、回路が設けられている前記[5]〜[10]のいずれかに記載の熱放射部材。
[12]前記板状部を構成するアルミナセラミックス板を備える前記[1]〜[11]のいずれかに記載の熱放射部材。
[13]前記板状部における前記熱源側に配置される面側に設けられた、前記熱源を取り囲むことが可能なアルミナセラミックス製のフレーム部を備えることでケース状に形成された前記[1]〜[11]のいずれかに記載の熱放射部材。
[14]前記板状部と前記フレーム部とは、別体で形成された部材であり、前記フレーム部は、前記板状部の前記平坦面に直接接触して接合されている前記[13]に記載の熱放射部材。
[15]前記板状部と前記フレーム部とは、一体成形物である前記[13]に記載の熱放射部材。
As described above, the heat radiation member according to the embodiment of the present invention can have the following configurations.
[1] A plate-shaped portion made of alumina ceramics having an alumina content of 99.0 mass% or more and at least a flat surface having a curved polishing mark is formed on a surface arranged on the heat source side. Heat radiation member.
[2] The heat radiation member according to [1], wherein the plate-shaped portion has a warp of 200 μm or less and an arithmetic mean roughness Ra of the flat surface of 1.0 μm or less.
[3] The heat radiation member according to [2], wherein the warp of the plate-shaped portion is 150 μm or less.
[4] The heat radiation member according to the above [2] or [3], wherein the arithmetic average roughness Ra of the flat surface of the plate-shaped portion is 0.6 μm or less.
[5] An aluminum nitride ceramics plate provided on a surface of the plate-shaped portion arranged on the heat source side is provided, and the aluminum nitride ceramics plate is provided with flat surfaces having curved polishing marks on both surfaces, and The heat according to any one of [1] to [4], which is joined to the plate-shaped portion in a state where the flat surface of the aluminum nitride ceramics plate and the flat surface of the plate-shaped portion are in direct contact with each other. Radiant member.
[6] The heat radiating member according to [5], wherein the aluminum nitride ceramics plate has a warp of 200 μm or less and an arithmetic mean roughness Ra of the flat surface of 1.0 μm or less.
[7] The heat radiation member according to [6], wherein the warpage of the aluminum nitride ceramics plate is 150 μm or less.
[8] The heat radiation member according to [6] or [7], wherein the arithmetic average roughness Ra of the flat surface of the aluminum nitride ceramics plate is 0.6 μm or less.
[9] The heat radiation member according to any one of [5] to [8], including a fixing member that joins the plate-shaped portion and the aluminum nitride ceramics plate.
[10] The heat radiation member according to any one of [5] to [9], wherein each of the plate-shaped portion and the aluminum nitride ceramics plate is a flat plate having a thickness of 10 mm or less.
[11] The heat according to any one of [5] to [10], wherein a circuit is provided on a flat surface of the aluminum nitride ceramics plate opposite to the flat surface that is joined to the plate-shaped portion. Radiant member.
[12] The heat radiation member according to any one of [1] to [11], which includes an alumina ceramics plate that constitutes the plate-shaped portion.
[13] The case-shaped [1] provided with a frame portion made of alumina ceramics, which is provided on a surface side of the plate-shaped portion arranged on the heat source side and can surround the heat source. ~ The heat radiation member according to any one of [11].
[14] The plate-shaped portion and the frame portion are members formed separately, and the frame portion is directly contacted and joined to the flat surface of the plate-shaped portion [13]. The heat radiating member according to.
[15] The heat radiation member according to the above [13], wherein the plate-shaped portion and the frame portion are integrally molded.
<パワー半導体モジュール>
次に、本発明の一実施形態に係るパワー半導体モジュールについて説明する。本実施形態のパワー半導体モジュールは、前述の熱放射部材と、その熱放射部材におけるアルミナセラミックス板の平坦面側に配置されたパワー半導体素子と、を備える。前述のアルミナセラミックス板20及びAlNセラミックス板30を備える熱放射部材10を用いたパワー半導体モジュール100の構成例を図7〜9に示す。なお、パワー半導体モジュール100に使用される熱放射部材10は、アルミナセラミックス板20の熱源(パワー半導体素子)51側に配置される面20aにAlNセラミックス板30が設けられていなくてもよい。この場合、アルミナセラミックス板20の熱源51側に配置される面20aに直接熱源(パワー半導体素子や回路基板など)が配置されてもよく、回路が形成されてもよい。
<Power semiconductor module>
Next, a power semiconductor module according to an embodiment of the present invention will be described. The power semiconductor module of the present embodiment includes the heat radiation member described above and a power semiconductor element arranged on the flat surface side of the alumina ceramic plate in the heat radiation member. 7 to 9 show configuration examples of the
図7に示すように、パワー半導体モジュール100Aは、回路基板60と、回路基板60上に設けられたパワー半導体素子51と、パワー半導体素子51上にAlNセラミックス板30側が配置されて設けられた熱放射部材10とを備える構成をとることができる。このパワー半導体モジュール100Aでは、パワー半導体素子(熱源)51から発生する熱を、AlNセラミックス板30の高い熱伝導性能によってAlNセラミックス板30及びアルミナセラミックス板20に迅速に伝え、かつアルミナセラミックス板20の高い熱放射性能によって赤外線に変換して、表面から放出することができる。
As shown in FIG. 7, the
また、図8に示すように、パワー半導体モジュール100Bは、回路基板60と、回路基板60上に設けられたパワー半導体素子51と、回路基板60におけるパワー半導体素子51が設けられた面とは反対の面側に、AlNセラミックス板30側が配置されて設けられた熱放射部材10とを備える構成をとることができる。さらに、図9に示すように、パワー半導体モジュール100Cは、AlNセラミックス板30におけるアルミナセラミックス板20と接合される平坦面30aとは反対側の表面30bに、回路61が設けられた熱放射部材(熱放射性回路基板)11を用いることができる。この場合、パワー半導体モジュール100Cは、熱放射性回路基板11と、熱放射性回路基板11の回路61上に設けられたパワー半導体素子51とを備える構成をとることができる。これらのパワー半導体モジュール100B、100Cでは、パワー半導体素子(熱源)51から発生する熱を、回路基板60又は回路61側から放出することが可能となる。
As shown in FIG. 8, the
なお、図7〜9に示すパワー半導体モジュール100において、アルミナセラミックス板20とAlNセラミックス板30とは、前述した固定部材で接合されていてもよい。
In the
<LEDパッケージ>
次に、本発明の一実施形態に係るLEDパッケージについて説明する。本実施形態のLEDパッケージは、前述のケース状の熱放射部材と、そのケース状の熱放射部材におけるフレーム部の内周側に搭載されたLED素子と、を備える。本実施形態のLEDパッケージの一態様例として、前述のアルミナセラミックス板20及びアルミナセラミックス製のフレーム部材70を備えたケース状の熱放射部材15を用いたLEDパッケージ150の概略構成を図10に示す。図10に示すように、LEDパッケージ150は、前述のケース状の熱放射部材15と、その熱放射部材15におけるアルミナセラミックス製のフレーム部材(フレーム部)70の開口70aの内周側に搭載されたLED素子55とを備える。
<LED package>
Next, an LED package according to an embodiment of the present invention will be described. The LED package of the present embodiment includes the case-shaped heat radiation member described above and the LED element mounted on the inner peripheral side of the frame portion of the case-shaped heat radiation member. As one mode example of the LED package of the present embodiment, a schematic configuration of an
熱放射部材15におけるアルミナセラミックス板(板状部)20におけるLED素子(熱源)55側に配置される面20aには、曲線状の研磨痕を有する平坦面20aが形成されている。アルミナセラミックス板20における平坦面20aには、LED素子55が直接接触した状態で接合され、かつ、そのLED素子55を取り囲むように、フレーム部材70が直接接触した状態で接合されていることが好ましい。アルミナセラミックス板20とフレーム部材70とで形成されるケースの内部には、LED素子55が搭載されている。
A
また、従来の表面実装型のLEDパッケージで一般的に見られるように、ケース内には、封止剤56を充填することができる。封止剤56としては、例えば、エポキシ樹脂及びシリコーン樹脂などの透明樹脂を用いることができる。例えば、白色LEDパッケージとする場合、LED素子55として青色LED素子を用い、封止剤56には、蛍光体を含有させておくことができる。ケース状の熱放射部材15における底部を構成するアルミナセラミックス板20には、LED素子55とワイヤ57などで導電接続する電極(不図示)を設けておくことができる。
A
本実施形態のLEDパッケージ150は、前述のケース状の熱放射部材15を備えるため、熱放射部材15におけるフレーム部材70の内周側に配置されたLED素子55から生じる熱をケース外(フレーム部材70の外方)へ放出し易い。具体的には、熱源であるLED素子55が作動時に発熱した際の熱をアルミナセラミックス板20がその熱伝導性で吸収し、かつ、その高い放射率により放熱することが可能となる。また、ケース内の熱をアルミナセラミックス板20及びフレーム部材70がそれらの熱伝導性で吸収し、かつそれらの高い放射率でケース外へ放出することができ、ケース内での熱の蓄積を抑制することができる。そのため、LED素子の安定作動を確保しつつ、製品寿命の改善にも寄与することができる。
Since the
なお、本実施形態のLEDパッケージでは、板状部とフレーム部とが一体成形されたケース状の熱放射部材(例えば図6参照)を用いることもできる。板状部とフレーム部と一体成形物であるケース状の熱放射部材を用いたLEDパッケージの場合にも、アルミナセラミックス板20及びフレーム部材70を備えたケース状の熱放射部材15を用いたLEDパッケージ150の場合と同様の効果を得ることができる。
In the LED package of the present embodiment, a case-shaped heat radiation member (see, for example, FIG. 6) in which the plate-shaped portion and the frame portion are integrally molded can be used. Also in the case of an LED package that uses a case-shaped heat radiation member that is an integrally molded product of a plate-shaped portion and a frame portion, an LED that uses the case-shaped
次に、実施例及び比較例を挙げて、前述の一実施形態に係る熱放射部材をさらに具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。 Next, the heat radiating member according to the above-described embodiment will be described more specifically with reference to Examples and Comparative Examples, but the present invention is not limited thereto.
[使用材料]
アルミナセラミックス板として、アルミナの含有量が99.5質量%以上であるアルミナセラミックス板(西村陶業株式会社製の商品名「N−9H」)を用いた。このアルミナセラミックス板の密度は3.93g/cm3、曲げ強さは340MPa、熱伝導率は39W/m・K、熱放射率は0.97、体積固有抵抗値は1.0×1016Ω・cm超であった。
AlNセラミックス板として、窒化アルミニウムの含有量が99.5質量%以上である窒化アルミニウムセラミックス板(西村陶業株式会社製)を用いた。このAlNセラミックス板の密度は3.3g/cm3、曲げ強さは350MPa、熱伝導率は170W/m・K、熱放射率は0.93、体積固有抵抗値は1.0×1013Ω・cm超であった。
使用したアルミナセラミックス板及びAlNセラミックス板のそれぞれの密度、曲げ強さ、熱伝導率、熱放射率、体積固有抵抗は、以下に示す方法にしたがって測定したものである。
[Materials used]
As the alumina ceramics plate, an alumina ceramics plate having a content of alumina of 99.5% by mass or more (trade name “N-9H” manufactured by Nishimura Ceramics Co., Ltd.) was used. The density of this alumina ceramic plate was 3.93 g/cm 3 , the bending strength was 340 MPa, the thermal conductivity was 39 W/m·K, the thermal emissivity was 0.97, and the volume resistivity was 1.0×10 16 Ω.・It was more than cm.
As the AlN ceramic plate, an aluminum nitride ceramic plate (manufactured by Nishimura Ceramics Co., Ltd.) having an aluminum nitride content of 99.5 mass% or more was used. This AlN ceramic plate has a density of 3.3 g/cm 3 , a bending strength of 350 MPa, a thermal conductivity of 170 W/mK, a thermal emissivity of 0.93, and a volume resistivity value of 1.0×10 13 Ω.・It was more than cm.
The density, bending strength, thermal conductivity, thermal emissivity, and volume resistivity of each of the used alumina ceramic plate and AlN ceramic plate were measured according to the methods described below.
(密度)
アルキメデス法により密度を求めた。具体的には、試料の大きさを直径30mm、厚さ5mmの円盤状とし、100℃で2時間乾燥後の乾燥質量(W1)と水中での質量(W2)をそれぞれ測定して、密度=(W1)/(W1−W2)により求めた。
(density)
The density was determined by the Archimedes method. Specifically, the size of the sample was set to a disk shape with a diameter of 30 mm and a thickness of 5 mm, and the dry mass (W1) after drying at 100° C. for 2 hours and the mass (W2) in water were measured to obtain the density= It was determined by (W1)/(W1-W2).
(曲げ強さ)
縦4mm、横40mm、厚さ3mmの試料を用いて、曲げ強さ試験機により、JIS R 1601:2008の規定に準拠して、温度25℃での曲げ強さを測定した。
(Bending strength)
Using a sample having a length of 4 mm, a width of 40 mm, and a thickness of 3 mm, a bending strength tester was used to measure the bending strength at a temperature of 25° C. in accordance with the regulations of JIS R 1601:2008.
(熱伝導率)
JIS R 1611:2010の規定に準拠して、レーザーフラッシュ法による熱伝導率測定装置を用いて熱伝導率を測定した。測定用試料には、直径10mm、厚さ3mmの大きさの鏡面仕上げしたものを用いた。そして試料の密度を上記アルキメデス法により測定後、測定装置を用いて比熱、熱拡散率を測定し、次式により、温度25℃での熱伝導率(W/m・K)を算出した。
熱伝導率=(密度)・(比熱)・(熱拡散率)
(Thermal conductivity)
According to JIS R 1611:2010, the thermal conductivity was measured using a thermal conductivity measuring device by the laser flash method. A mirror-finished sample having a diameter of 10 mm and a thickness of 3 mm was used as the measurement sample. Then, after measuring the density of the sample by the Archimedes method, the specific heat and the thermal diffusivity were measured by using a measuring device, and the thermal conductivity (W/m·K) at a temperature of 25° C. was calculated by the following formula.
Thermal conductivity = (density), (specific heat), (thermal diffusivity)
(熱放射率)
加熱板法を用いて、発熱体表面の温度上昇を測定することにより、100℃での熱放射率を測定した(測定機;温度計HFT−40−安立計器(株))。すなわち、マイカヒータを発熱体として用い、印加電圧を調整してその表面(上面)温度を一定に維持した後、当該発熱体表面に測定対象板(AlNセラミックス板又はアルミナセラミックス板)を密着させ、測定対象板が密着していない部分の発熱体表面温度を測定することにより行った。
(Thermal emissivity)
The heat emissivity at 100° C. was measured by measuring the temperature rise on the surface of the heating element using the heating plate method (measuring machine; thermometer HFT-40-Anritsu Keiki Co., Ltd.). That is, a mica heater is used as a heating element, the applied voltage is adjusted to maintain its surface (upper surface) temperature constant, and then a plate to be measured (AlN ceramics plate or alumina ceramics plate) is brought into close contact with the surface of the heating element for measurement. The measurement was performed by measuring the surface temperature of the heating element in the part where the target plate was not in close contact.
(体積固有抵抗)
絶縁抵抗計を用いて温度25℃での体積固有抵抗を測定した。測定用試料として、縦、横、高さがそれぞれ10mmの立方体形状の試料を用い、該試料の対向する2面に銀電極を設け、絶縁抵抗計で測定した。
(Volume resistivity)
The volume resistivity at a temperature of 25° C. was measured using an insulation resistance meter. A cubic sample having a length, width, and height of 10 mm was used as a measurement sample, and silver electrodes were provided on two opposing surfaces of the sample, and measurement was performed with an insulation resistance meter.
[実施例1]
上記商品のアルミナセラミックス板として、横100mm、縦50mm、厚さ6mmの寸法に製造されたアルミナセラミックス板を用いた。このアルミナセラミックス板の両面に、回転研磨機(ダイヤモンド砥粒2〜4μm、回転数50〜150rpm;これらは以下の回転研磨機も同じである。)を用いて、反りが100μm以下、かつ算術平均粗さRaが0.5〜1.0μmの範囲となるように研磨時間及び回転数を調整しながら回転研磨の処理を施し、平坦面を形成した。上記の研磨処理を施したアルミナセラミックス板の両面を光学顕微鏡で観察したところ、曲線状の研磨痕を有することが確認された。さらに、上記の研磨処理を施したアルミナセラミックス板の反り、及び熱源側に配置される平坦面のRaを後述する測定方法によって測定した。上述のように加工したアルミナセラミックス板を熱放射部材として用いた。
[Example 1]
As the alumina ceramics plate of the above product, an alumina ceramics plate manufactured to have dimensions of 100 mm in width, 50 mm in length and 6 mm in thickness was used. Using a rotary polishing machine (diamond
[実施例2]
上記商品のアルミナセラミックス板として、横100mm、縦50mm、厚さ6mmの寸法に製造されたアルミナセラミックス板を用いた。このアルミナセラミックス板の両面に、回転研磨機を用いて、反りが100〜200μmの範囲、かつ算術平均粗さRaが0.5μm以下となるように研磨時間及び回転数を調整しながら回転研磨の処理を施し、平坦面を形成した。上記の研磨処理を施したアルミナセラミックス板の両面を光学顕微鏡で観察したところ、曲線状の研磨痕を有することが確認された。さらに、上記の研磨処理を施したアルミナセラミックス板の反り、及び熱源側に配置される平坦面のRaを後述する測定方法によって測定した。上述のように加工したアルミナセラミックス板を熱放射部材として用いた。
[Example 2]
As the alumina ceramics plate of the above product, an alumina ceramics plate manufactured to have dimensions of 100 mm in width, 50 mm in length and 6 mm in thickness was used. A rotary polishing machine was used on both sides of this alumina ceramics plate to adjust the polishing time and the number of rotations so that the warp was in the range of 100 to 200 μm and the arithmetic average roughness Ra was 0.5 μm or less. Treatment was performed to form a flat surface. Observation of both sides of the alumina ceramics plate subjected to the above-mentioned polishing treatment with an optical microscope confirmed that there were curved polishing marks. Further, the warp of the alumina ceramic plate subjected to the above-mentioned polishing and Ra of the flat surface arranged on the heat source side were measured by the measuring method described later. The alumina ceramic plate processed as described above was used as a heat radiation member.
[実施例3]
上記商品のアルミナセラミックス板として、横100mm、縦50mm、厚さ6mmの寸法に製造されたアルミナセラミックス板を用いた。このアルミナセラミックス板の両面に、回転研磨機を用いて反りが100μm以下、かつ算術平均粗さRaが0.5μm以下となるように研磨時間及び回転数を調整しながら回転研磨の処理を施し、平坦面を形成した。
また、上記商品のAlNセラミックス板として、横100mm、縦50mm、厚さ5mmの寸法に製造されたAlNセラミックス板を用いた。このAlNセラミックス板の両面に、回転研磨機を用いて反りが100μm以下、かつ算術平均粗さRaが0.5μm以下となるように研磨時間及び回転数を調整しながら回転研磨の処理を施し、平坦面を形成した。
上記の研磨処理を施したアルミナセラミックス板及びAlNセラミックス板のそれぞれの両面を光学顕微鏡で観察したところ、曲線状の研磨痕を有することが確認された。さらに、上記の研磨処理を施したアルミナセラミックス板及びAlNセラミックス板のそれぞれの反り及びRaを後述する測定方法によって測定した。
上述のように加工したアルミナセラミックス板及びAlNセラミックス板のそれぞれ平面視における四隅の同じ位置に、ボール盤を用いて、ビスを挿通するための貫通孔を設けた。図11に示すように、アルミナセラミックス板21の平坦面21aとAlNセラミックス板31の平坦面31aとを重ね合わせ、各貫通孔21c、31cにM3ビス43を挿通して0.8N/mm2で固定し、アルミナセラミックス板21とAlNセラミックス板31とが接合された熱放射部材12を作製した。
[Example 3]
As the alumina ceramics plate of the above product, an alumina ceramics plate manufactured to have dimensions of 100 mm in width, 50 mm in length and 6 mm in thickness was used. Both sides of this alumina ceramics plate were subjected to rotary polishing using a rotary polishing machine while adjusting the polishing time and the number of revolutions so that the warp was 100 μm or less and the arithmetic average roughness Ra was 0.5 μm or less. A flat surface was formed.
As the AlN ceramic plate of the above-mentioned product, an AlN ceramic plate manufactured to have dimensions of 100 mm in width, 50 mm in length and 5 mm in thickness was used. Both surfaces of this AlN ceramic plate were subjected to rotary polishing using a rotary polishing machine while adjusting the polishing time and the number of revolutions so that the warp was 100 μm or less and the arithmetic average roughness Ra was 0.5 μm or less. A flat surface was formed.
Observation of both surfaces of the alumina ceramic plate and the AlN ceramic plate, which had been subjected to the above-mentioned polishing treatment, with an optical microscope confirmed that they had curved polishing marks. Further, the warp and Ra of each of the alumina ceramic plate and the AlN ceramic plate that had been subjected to the above-described polishing treatment were measured by the measuring method described later.
Through holes for inserting screws were provided at the same positions of the four corners of the alumina ceramic plate and the AlN ceramic plate processed as described above in a plan view using a drilling machine. As shown in FIG. 11, the
[実施例4]
アルミナセラミックス板の両面及びAlNセラミックス板の両面に対する研磨処理の条件を変更した以外は、実施例3と同様にして、熱放射部材を作製した。実施例4では、アルミナセラミックス板の両面及びAlNセラミックス板の両面に、反りが100〜200μmの範囲、かつ算術平均粗さRaが0.5μm以下となるように研磨時間及び回転数を調整しながら回転研磨の処理を施した。上記の研磨処理を施したアルミナセラミックス板及びAlNセラミックス板のそれぞれの両面を光学顕微鏡で観察したところ、曲線状の研磨痕を有することが確認された。さらに、上記の研磨処理を施したアルミナセラミックス板及びAlNセラミックス板のそれぞれの反り及びRaを後述する測定方法によって測定した。
[Example 4]
A heat radiating member was produced in the same manner as in Example 3 except that the conditions for the polishing treatment on both sides of the alumina ceramic plate and both sides of the AlN ceramic plate were changed. In Example 4, the polishing time and the rotational speed were adjusted on both sides of the alumina ceramics plate and both sides of the AlN ceramics plate so that the warp was in the range of 100 to 200 μm and the arithmetic average roughness Ra was 0.5 μm or less. It was subjected to rotary polishing. Observation of both surfaces of the alumina ceramic plate and the AlN ceramic plate, which had been subjected to the above-mentioned polishing treatment, with an optical microscope confirmed that they had curved polishing marks. Further, the warp and Ra of each of the alumina ceramic plate and the AlN ceramic plate that had been subjected to the above-described polishing treatment were measured by the measuring method described later.
[実施例5]
アルミナセラミックス板の両面及びAlNセラミックス板の両面に対する回転研磨の条件を変更した以外は、実施例3と同様にして、熱放射部材を作製した。実施例5では、アルミナセラミックス板の両面及びAlNセラミックス板の両面に、反りが100μm以下、かつ算術平均粗さRaが0.5〜1.0μmの範囲となるように研磨時間及び回転数を調整しながら回転研磨の処理を施した。上記の研磨処理を施したアルミナセラミックス板及びAlNセラミックス板のそれぞれの両面を光学顕微鏡で観察したところ、曲線状の研磨痕を有することが確認された。さらに、上記の研磨処理を施したアルミナセラミックス板及びAlNセラミックス板のそれぞれの反り及びRaを後述する測定方法によって測定した。
[Example 5]
A heat radiating member was produced in the same manner as in Example 3 except that the conditions for rotary polishing on both sides of the alumina ceramics plate and both sides of the AlN ceramics plate were changed. In Example 5, the polishing time and the rotation speed were adjusted so that the warp was 100 μm or less and the arithmetic mean roughness Ra was in the range of 0.5 to 1.0 μm on both surfaces of the alumina ceramic plate and both surfaces of the AlN ceramic plate. Meanwhile, a rotary polishing process was performed. Observation of both surfaces of the alumina ceramic plate and the AlN ceramic plate, which had been subjected to the above-mentioned polishing treatment, with an optical microscope confirmed that they had curved polishing marks. Further, the warp and Ra of each of the alumina ceramic plate and the AlN ceramic plate that had been subjected to the above-described polishing treatment were measured by the measuring method described later.
[比較例1]
上記商品のアルミナセラミックス板として、横100mm、縦50mm、厚さ6mmの寸法に製造された、表面が研磨処理されていないアルミナセラミックス板を単独で熱放射部材として用いた。
[Comparative Example 1]
As the alumina ceramic plate of the above-mentioned product, an alumina ceramic plate having a surface of 100 mm, a length of 50 mm, and a thickness of 6 mm, the surface of which was not polished, was used alone as a heat radiation member.
[比較例2]
上記商品のアルミナセラミックス板として、横100mm、縦50mm、厚さ6mmの寸法に製造されたアルミナセラミックス板を用いた。このアルミナセラミックス板の両面に、平面研削盤(株式会社タイセイ製)を用いて、研磨速度0.3〜25m/分、研磨時間30分の条件で直線状に研磨処理を施し、平坦面を形成した。上記の研磨処理を施したアルミナセラミックス板の両面を光学顕微鏡で観察したところ、直線状の研磨痕を有することが確認された。さらに、上記の研磨処理を施したアルミナセラミックス板の反り、及び熱源側に配置される平坦面のRaを後述する測定方法によって測定した。上述のように加工したアルミナセラミックス板を熱放射部材として用いた。
[Comparative example 2]
As the alumina ceramics plate of the above product, an alumina ceramics plate manufactured to have dimensions of 100 mm in width, 50 mm in length and 6 mm in thickness was used. Both surfaces of this alumina ceramics plate were subjected to a linear polishing treatment using a surface grinder (manufactured by Taisei Co., Ltd.) under the conditions of a polishing speed of 0.3 to 25 m/min and a polishing time of 30 minutes to form flat surfaces. did. When both surfaces of the alumina ceramics plate subjected to the above-mentioned polishing treatment were observed with an optical microscope, it was confirmed that there were linear polishing marks. Further, the warp of the alumina ceramic plate subjected to the above-mentioned polishing and Ra of the flat surface arranged on the heat source side were measured by the measuring method described later. The alumina ceramic plate processed as described above was used as a heat radiation member.
[比較例3]
上記商品のAlNセラミックス板として、横100mm、縦50mm、厚さ5mmの寸法に製造された、表面が研磨処理されていないAlNセラミックス板を単独で熱放射部材として用いた。
[Comparative Example 3]
As the AlN ceramics plate of the above-mentioned product, an AlN ceramics plate having a surface of 100 mm, a length of 50 mm, and a thickness of 5 mm, the surface of which was not polished, was used alone as a heat radiation member.
[実施例6]
上記商品のアルミナセラミックス板として、横100mm、横100mm、厚さ6mmの寸法に製造されたアルミナセラミックス板を用いた。このアルミナセラミックス板の両面に、回転研磨機を用いて、反りが100μm以下、かつ算術平均粗さRaが0.5μm以下となるように研磨時間及び回転数を調整しながら回転研磨の処理を施し、平坦面を形成した。上記の研磨処理を施したアルミナセラミックス板の両面を光学顕微鏡で観察したところ、曲線状の研磨痕を有することが確認された。さらに、上記の研磨処理を施したアルミナセラミックス板の反り、及び熱源側に配置される平坦面のRaを後述する測定方法によって測定した。上述のように加工したアルミナセラミックス板を熱放射部材として用いた。
[Example 6]
As the alumina ceramics plate of the above product, an alumina ceramics plate manufactured to have dimensions of 100 mm in width, 100 mm in width and 6 mm in thickness was used. Both sides of this alumina ceramics plate were subjected to rotary polishing using a rotary polishing machine while adjusting the polishing time and the number of revolutions so that the warp was 100 μm or less and the arithmetic average roughness Ra was 0.5 μm or less. , A flat surface was formed. Observation of both sides of the alumina ceramics plate subjected to the above-mentioned polishing treatment with an optical microscope confirmed that there were curved polishing marks. Further, the warp of the alumina ceramic plate subjected to the above-mentioned polishing and Ra of the flat surface arranged on the heat source side were measured by the measuring method described later. The alumina ceramic plate processed as described above was used as a heat radiation member.
[実施例7]
上記商品のアルミナセラミックス板として、横100mm、縦100mm、厚さ6mmの寸法に製造されたアルミナセラミックス板を用いた。このアルミナセラミックス板の両面に、回転研磨機を用いて、反りが100〜200μmの範囲、かつ算術平均粗さRaが0.5〜1.0μm以下となるように研磨時間及び回転数を調整しながら回転研磨の処理を施し、平坦面を形成した。上記の研磨処理を施したアルミナセラミックス板の両面を光学顕微鏡で観察したところ、曲線状の研磨痕を有することが確認された。さらに、上記の研磨処理を施したアルミナセラミックス板の反り、及び熱源側に配置される平坦面のRaを後述する測定方法によって測定した。上述のように加工したアルミナセラミックス板を熱放射部材として用いた。
[Example 7]
As the alumina ceramic plate of the above product, an alumina ceramic plate manufactured to have dimensions of 100 mm in width, 100 mm in length and 6 mm in thickness was used. Using a rotary polishing machine, the polishing time and the number of rotations were adjusted on both sides of this alumina ceramic plate so that the warp was in the range of 100 to 200 μm and the arithmetic average roughness Ra was 0.5 to 1.0 μm or less. On the other hand, a rotary polishing process was performed to form a flat surface. Observation of both sides of the alumina ceramics plate subjected to the above-mentioned polishing treatment with an optical microscope confirmed that there were curved polishing marks. Further, the warp of the alumina ceramic plate subjected to the above-mentioned polishing and Ra of the flat surface arranged on the heat source side were measured by the measuring method described later. The alumina ceramic plate processed as described above was used as a heat radiation member.
[実施例8]
上記商品のアルミナセラミックス板として、横100mm、縦100mm、厚さ6mmの寸法に製造されたアルミナセラミックス板を用いた。このアルミナセラミックス板の両面に、回転研磨機を用いて、反りが100μm以下、かつ算術平均粗さRaが0.5〜1.0μmの範囲となるように研磨時間及び回転数を調整しながら回転研磨の処理を施し、平坦面を形成した。上記の研磨処理を施したアルミナセラミックス板の両面を光学顕微鏡で観察したところ、曲線状の研磨痕を有することが確認された。さらに、上記の研磨処理を施したアルミナセラミックス板の反り、及び熱源側に配置される平坦面のRaを後述する測定方法によって測定した。上述のように加工したアルミナセラミックス板を熱放射部材として用いた。
[Example 8]
As the alumina ceramic plate of the above product, an alumina ceramic plate manufactured to have dimensions of 100 mm in width, 100 mm in length and 6 mm in thickness was used. Rotate both sides of this alumina ceramics plate by using a rotary polishing machine while adjusting the polishing time and the number of rotations so that the warp is 100 μm or less and the arithmetic average roughness Ra is in the range of 0.5 to 1.0 μm. A polishing process was performed to form a flat surface. Observation of both sides of the alumina ceramics plate subjected to the above-mentioned polishing treatment with an optical microscope confirmed that there were curved polishing marks. Further, the warp of the alumina ceramic plate subjected to the above-mentioned polishing and Ra of the flat surface arranged on the heat source side were measured by the measuring method described later. The alumina ceramic plate processed as described above was used as a heat radiation member.
[実施例9]
上記商品のアルミナセラミックス板として、横100mm、縦100mm、厚さ6mmの寸法に製造されたアルミナセラミックス板を用いた。このアルミナセラミックス板の両面に、実施例3で使用したアルミナセラミックス板に施した研磨処理と同様の条件で回転研磨の処理を施し、平坦面を形成した。
また、上記商品のAlNセラミックス板として、横100mm、縦100mm、厚さ6mmの寸法に製造されたAlNセラミックス板を用い、この両面に、実施例3で使用したAlNセラミックス板に施した研磨処理と同様の条件で回転研磨の処理を施し、平坦面を形成した。
上記の研磨処理を施したアルミナセラミックス板及びAlNセラミックス板のそれぞれの両面を光学顕微鏡で観察したところ、曲線状の研磨痕を有することが確認された。さらに、上記の研磨処理を施したアルミナセラミックス板及びAlNセラミックス板のそれぞれの反り及びRaを後述する測定方法によって測定した。
上述のように加工したアルミナセラミックス板及びAlNセラミックス板のそれぞれ平面視における四隅の同じ位置に、ボール盤を用いて、ビスを挿通するための貫通孔を設けた。図11に示すように、アルミナセラミックス板21の平坦面21aとAlNセラミックス板31の平坦面31aとを重ね合わせ、各貫通孔21c、31cにM3ビス43を挿通して0.8N/mm2で固定し、アルミナセラミックス板21とAlNセラミックス板31とが接合された熱放射部材12を作製した。
[Example 9]
As the alumina ceramic plate of the above product, an alumina ceramic plate manufactured to have dimensions of 100 mm in width, 100 mm in length and 6 mm in thickness was used. Both sides of this alumina ceramics plate were subjected to rotary polishing under the same conditions as the polishing treatment applied to the alumina ceramics plate used in Example 3 to form flat surfaces.
Further, as the AlN ceramic plate of the above product, an AlN ceramic plate manufactured to have dimensions of 100 mm in width, 100 mm in length, and 6 mm in thickness was used, and both surfaces thereof were subjected to polishing treatment applied to the AlN ceramic plate used in Example 3. A rotary polishing process was performed under the same conditions to form a flat surface.
Observation of both surfaces of the alumina ceramic plate and the AlN ceramic plate, which had been subjected to the above-mentioned polishing treatment, with an optical microscope confirmed that they had curved polishing marks. Further, the warp and Ra of each of the alumina ceramic plate and the AlN ceramic plate that had been subjected to the above-described polishing treatment were measured by the measuring method described later.
Through holes for inserting screws were provided at the same positions of the four corners of the alumina ceramic plate and the AlN ceramic plate processed as described above in a plan view using a drilling machine. As shown in FIG. 11, the
[実施例10]
アルミナセラミックス板の両面及びAlNセラミックス板の両面に対する研磨処理の条件を変更した以外は、実施例9と同様にして、熱放射部材を作製した。実施例10では、アルミナセラミックス板の両面に対する研磨処理の条件を、実施例4で使用したアルミナセラミックス板に施した研磨処理と同様の条件とし、AlNセラミックス板の両面に対する研磨処理の条件を、実施例4で使用したAlNセラミックス板に施した研磨処理と同様の条件とした。
上記の研磨処理を施したアルミナセラミックス板及びAlNセラミックス板のそれぞれの両面を光学顕微鏡で観察したところ、曲線状の研磨痕を有することが確認された。さらに、上記の研磨処理を施したアルミナセラミックス板及びAlNセラミックス板のそれぞれの反り及びRaを後述する測定方法によって測定した。
[Example 10]
A heat radiating member was produced in the same manner as in Example 9 except that the conditions for the polishing treatment on both sides of the alumina ceramics plate and both sides of the AlN ceramics plate were changed. In Example 10, the conditions for the polishing treatment on both sides of the alumina ceramics plate were the same as those for the alumina ceramics plate used in Example 4, and the conditions for the polishing treatment on both sides of the AlN ceramics plate were performed. The conditions were the same as the polishing treatment applied to the AlN ceramic plate used in Example 4.
Observation of both surfaces of the alumina ceramic plate and the AlN ceramic plate, which had been subjected to the above-mentioned polishing treatment, with an optical microscope confirmed that they had curved polishing marks. Further, the warp and Ra of each of the alumina ceramic plate and the AlN ceramic plate that had been subjected to the above-described polishing treatment were measured by the measuring method described later.
[実施例11]
アルミナセラミックス板の両面及びAlNセラミックス板の両面に対する研磨処理の条件を変更した以外は、実施例9と同様にして、熱放射部材を作製した。実施例11では、アルミナセラミックス板の両面に対する研磨処理の条件を、実施例5で使用したアルミナセラミックス板に施した研磨処理と同様の条件とし、AlNセラミックス板の両面に対する研磨処理の条件を、実施例5で使用したAlNセラミックス板に施した研磨処理と同様の条件とした。
上記の研磨処理を施したアルミナセラミックス板及びAlNセラミックス板のそれぞれの両面を光学顕微鏡で観察したところ、曲線状の研磨痕を有することが確認された。さらに、上記の研磨処理を施したアルミナセラミックス板及びAlNセラミックス板のそれぞれの反り及びRaを後述する測定方法によって測定した。
[Example 11]
A heat radiating member was produced in the same manner as in Example 9 except that the conditions for the polishing treatment on both sides of the alumina ceramics plate and both sides of the AlN ceramics plate were changed. In Example 11, the conditions for the polishing treatment on both sides of the alumina ceramics plate were the same as those for the alumina ceramics plate used in Example 5, and the conditions for the polishing treatment on both sides of the AlN ceramics plate were performed. The conditions were the same as the polishing treatment applied to the AlN ceramic plate used in Example 5.
Observation of both surfaces of the alumina ceramic plate and the AlN ceramic plate, which had been subjected to the above-mentioned polishing treatment, with an optical microscope confirmed that they had curved polishing marks. Further, the warp and Ra of each of the alumina ceramic plate and the AlN ceramic plate that had been subjected to the above-described polishing treatment were measured by the measuring method described later.
(算術平均粗さRa及び反りの測定)
各例で用いたアルミナセラミックス板及びAlNセラミックス板のそれぞれの接合面となる表面の算術平均粗さRa及び反りを次のように測定した。その結果を表1〜表3に示す。
(算術平均粗さRa)
JIS B 0601:2013の規定に準拠して、表面粗度計(株式会社東京精密製)を用いて、算術平均粗さRaを測定した。
(反り)
定盤及びマイクロメーター(株式会社ニコン製、商品名「デジマイクロ MFC−501」)を用いて反りを測定した。まず、図12Aに示すように、定盤4の表面にマイクロメーター5の測定部(先端)5aを当て、0設定を行った。次いで、図12Bに示すように、被測定物(各アルミナセラミックス板、各AlNセラミックス板)6を、反りのある面を下にして(膨らみのある面を上にして)定盤4に置き、定盤4の表面から最も高い位置にある被測定物6の部分の表面までの距離(高さ)h1を測定した。また、図12Cに示すように、定盤4の表面から定盤4の表面に接している被測定物6の部分(被測定物の端部)の表面までの距離(高さ)h2を測定した。そして、反り=h1−h2から、反りを算出した。
(Measurement of arithmetic average roughness Ra and warpage)
The arithmetic mean roughness Ra and the warp of the surfaces to be the bonding surfaces of the alumina ceramic plate and the AlN ceramic plate used in each example were measured as follows. The results are shown in Tables 1 to 3.
(Arithmetic mean roughness Ra)
The arithmetic average roughness Ra was measured using a surface roughness meter (manufactured by Tokyo Seimitsu Co., Ltd.) according to JIS B 0601:2013.
(warp)
The warpage was measured using a surface plate and a micrometer (manufactured by Nikon Corporation, trade name "Digimicro MFC-501"). First, as shown in FIG. 12A, the measuring portion (tip) 5a of the
(放熱性の評価)
上記の各例の熱放射部材について、次に示す方法にしたがって、加熱時のヒータ表面温度を測定し、それぞれの熱放射特性(放熱性)を評価した。
ヒータ(熱源)として、横及び縦が各50mm、厚さが4mmの平板状で、表面がSUS製であって内部にマイカヒータが内蔵されているものを用いた。図11に示すように、実施例3〜5及び9〜11の熱放射部材12については、AlNセラミックス板31の上側(アルミナセラミックス板21が設けられた面31aとは反対側)の表面31bの中央位置に、ヒータ52を載せて、AlNセラミックス板31の表面31bとヒータ52とを密着させた。
また、実施例1、2及び6〜8、並びに比較例1及び2では、アルミナセラミックス板の表面の中央位置にヒータを載せて密着させ、比較例3では、AlNセラミックス板の表面の中央位置にヒータを載せて密着させた。
ヒータ52の表面(側面)に温度センサ2(K種熱電対、安立計器株式会社製、モデルHFT−40)を取り付けて、所定の投入電力(1W、4W、8W、14W、19.5W)でヒータ52に通電し、通電30分経過後のヒータ表面温度を測定した。表1〜表3に、投入電力をそれぞれ1W、4W、8W、14W、19.5Wとしたときのヒータ表面温度を示した。温度測定は、図11に示したように、JEDECの規格に準拠した測定用のアクリル樹脂製の箱1(横310mm、縦310mm、高さ310mm)内において、支持具3を用いて熱放射部材の下面(アルミナセラミックス板の熱源側とは反対側の表面21b)を箱1の底面から50mm離した高さにセットし、同じアクリル樹脂の蓋で密閉して行った。なお、ヒータ通電後1分おきに温度測定を行った。投入電力によって多少の違いはあったが、いずれの場合も約20分経過後は温度変化がみられなくなり恒温になったため、30分後の温度を測定温度とした。また、比較のため、熱放射部材を用いずにヒータ単独の場合について、上記と同様にして通電30分経過後のヒータ表面温度を測定した。その測定結果を表1〜表3に「熱源のみ」として示した。
(Evaluation of heat dissipation)
With respect to the heat radiating member of each of the above examples, the heater surface temperature during heating was measured according to the following method, and the heat radiating characteristics (heat radiating property) of each were evaluated.
As the heater (heat source), a flat plate having a width of 50 mm and a length of 4 mm and a thickness of 4 mm, a surface made of SUS, and a mica heater incorporated therein was used. As shown in FIG. 11, regarding the
Further, in Examples 1, 2 and 6 to 8 and Comparative Examples 1 and 2, a heater was placed on the center position of the surface of the alumina ceramics plate to bring them into close contact, and in Comparative Example 3, the heater was placed at the center position of the surface of the AlN ceramics plate. A heater was put on and brought into close contact.
A temperature sensor 2 (K type thermocouple, model HFT-40 manufactured by Anritsu Keiki Co., Ltd.) is attached to the surface (side surface) of the
以上の結果、実施例1、2、及び6〜8の熱放射部材は、表面を研磨処理していないアルミナセラミックス板を単独で使用した場合(比較例1)、表面を直線状に研磨処理したアルミナセラミックス板を単独で使用した場合(比較例2)、及びAlNセラミックス板を単独で使用した場合(比較例3)に比べて、優れた放熱性能を有することが確認された。また、実施例3〜5の熱放射部材は同じ寸法のアルミナセラミックス板を使用した実施例1及び2の熱放射部材に比べて、実施例9〜11は同じ寸法のアルミナセラミックス板を使用した実施例6〜8の熱放射部材に比べて、さらに優れた放熱性能を有することが確認された。よって、少なくとも熱源側に配置される面に曲線状の研磨痕を有する平坦面が形成されたアルミナセラミックス板は、熱放射部材として極めて有効であることが確認された。 As a result, in the heat radiation members of Examples 1, 2, and 6 to 8, when the alumina ceramic plate whose surface was not polished was used alone (Comparative Example 1), the surface was linearly polished. It was confirmed that the heat dissipation performance was superior to the case where the alumina ceramic plate was used alone (Comparative Example 2) and the case where the AlN ceramic plate was used alone (Comparative Example 3). Further, in comparison with the heat radiating members of Examples 1 and 2 in which the heat radiating members of Examples 3 to 5 use the same size of alumina ceramic plate, Examples 9 to 11 use the same size of alumina ceramic plate. It was confirmed that the heat radiation member had better heat dissipation performance than the heat radiation members of Examples 6 to 8. Therefore, it was confirmed that an alumina ceramics plate having a flat surface having curved polishing marks on at least the surface arranged on the heat source side is extremely effective as a heat radiation member.
アルミナセラミックス板の平坦面とAlNセラミックス板の平坦面とが直接接触した状態で、アルミナセラミックス板とAlNセラミックス板とが接合された熱放射部材(実施例3〜5及び9〜11)は、熱源の温度上昇をより抑えることができ、さらに優れた放熱性能を有することが確認された。特に、アルミナセラミックス板及びAlNセラミックス板のそれぞれの反りが100μm以下である場合(実施例3、5、9、及び11)、より優れた放熱性能を有することが確認され、なおかつ、それぞれの平坦面のRaが0.1μm以下である場合(実施例3及び9)、さらに優れた放熱性能を有することが確認された。 The heat radiating member (Examples 3 to 5 and 9 to 11) in which the alumina ceramics plate and the AlN ceramics plate are joined in a state where the flat surface of the alumina ceramics plate and the flat surface of the AlN ceramics plate are in direct contact with each other is a heat source. It was confirmed that the temperature rise in the can be further suppressed, and that it has excellent heat dissipation performance. In particular, when the warp of each of the alumina ceramic plate and the AlN ceramic plate was 100 μm or less (Examples 3, 5, 9, and 11), it was confirmed that the heat dissipation performance was more excellent, and each flat surface It was confirmed that, when Ra of 0.1 μm or less (Examples 3 and 9), the heat dissipation performance was further excellent.
本技術に係る熱放射部材は、例えば、LED素子を備える照明機器や、太陽光発電装置、自動車(ハイブリット車・電気自動車)、電車、送電システム、太陽光発電、生産設備、及び家庭用電化製品などの電力の制御及び供給に利用されるパワー半導体素子を備える産業機器などにおける熱対策部材として利用し得る。 The heat radiation member according to the present technology is, for example, a lighting device including an LED element, a solar power generation device, an automobile (hybrid vehicle/electric vehicle), a train, a power transmission system, solar power generation, a production facility, and a household appliance. Can be used as a heat countermeasure member in an industrial device or the like including a power semiconductor element used for controlling and supplying electric power.
10、11、12:熱放射部材
15、16:ケース状の熱放射部材
20、21:アルミナセラミックス板
25:アルミナセラミックス製の板状部
26:アルミナセラミックス製のフレーム部
30、31:窒化アルミニウムセラミックス板
40:固定部材
50:熱源
51:パワー半導体素子
55:LED素子
60:回路基板
61:回路
70:フレーム部材
100:パワー半導体モジュール
10, 11, 12:
Claims (17)
前記板状部の前記熱源側に配置される面に設けられた窒化アルミニウムセラミックス板とを備え、
前記窒化アルミニウムセラミックス板は、熱源側に配置される面及びその反対側の面の両面に曲線状の研磨痕を有する平坦面を備え、かつ、前記窒化アルミニウムセラミックス板の前記反対側の面に設けられた前記平坦面と前記板状部の前記平坦面とが直接接触した状態で、前記板状部に接合されている熱放射部材。 A plate-shaped portion made of alumina ceramics, in which the content of alumina is 99.0 mass% or more, and a flat surface having a curved polishing mark is formed on at least the surface arranged on the heat source side ,
An aluminum nitride ceramics plate provided on a surface arranged on the heat source side of the plate-shaped portion ,
The aluminum nitride ceramics plate is provided with flat surfaces having curved polishing marks on both the surface arranged on the heat source side and the surface opposite to the heat source side, and is provided on the opposite surface of the aluminum nitride ceramics plate. The heat radiating member joined to the plate-shaped portion in a state where the flat surface and the flat surface of the plate-shaped portion are in direct contact with each other .
前記フレーム部は、前記板状部の前記平坦面に直接接触して接合されている請求項12に記載の熱放射部材。 The plate-shaped portion and the frame portion are members formed separately,
The heat radiation member according to claim 12 , wherein the frame portion is in direct contact with and bonded to the flat surface of the plate-shaped portion.
前記板状部における前記熱源側に配置される面側に設けられた、前記熱源を取り囲むことが可能なアルミナセラミックス製のフレーム部と、を備えることでケース状に形成されており、A frame part made of alumina ceramics capable of surrounding the heat source, which is provided on the surface side of the plate-shaped part arranged on the heat source side, is formed in a case shape,
前記板状部と前記フレーム部とが一体成形物である、熱放射部材。A heat radiation member in which the plate-shaped portion and the frame portion are integrally molded.
前記熱放射部材における前記板状部の前記平坦面側に配置されたパワー半導体素子と、
を備えるパワー半導体モジュール。 A heat radiating member according to any one of claims 1-14,
A power semiconductor element arranged on the flat surface side of the plate-shaped portion in the heat radiation member,
Power semiconductor module comprising.
前記ケース状の熱放射部材における前記フレーム部の内周側に搭載されたLED素子と、を備えるLEDパッケージ。 A case-shaped heat radiation member according to any one of claims 12 to 15,
An LED package comprising: an LED element mounted on an inner peripheral side of the frame portion in the case-shaped heat radiation member.
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