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JP7552282B2 - Ceramics/copper/graphene bonded body, its manufacturing method, and ceramics/copper/graphene bonded structure - Google Patents
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Ceramics/copper/graphene bonded body, its manufacturing method, and ceramics/copper/graphene bonded structure Download PDF

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Description

この発明は、セラミックス部材と、銅又は銅合金からなる銅部材と、グラフェン集合体を含有するグラフェン含有炭素質部材と、が接合された構造のセラミックス/銅/グラフェン接合体とその製造方法、およびセラミックス/銅/グラフェン接合構造に関するものである。 This invention relates to a ceramic/copper/graphene bonded structure in which a ceramic member, a copper member made of copper or a copper alloy, and a graphene-containing carbonaceous member containing graphene aggregates are bonded together, a method for producing the same, and a ceramic/copper/graphene bonded structure.

グラフェン集合体を含有するグラフェン含有炭素質部材は、熱伝導性に優れていることから、放熱部材及び熱伝導部材等を構成する部材として特に適している。
例えば、上述のグラフェン集合体を含有するグラフェン含有炭素質部材の表面にセラミックス等からなる絶縁層を形成することにより、絶縁基板として使用することが可能となる。
A graphene-containing carbonaceous material containing graphene aggregates has excellent thermal conductivity and is therefore particularly suitable as a material for forming a heat dissipation member, a heat conduction member, or the like.
For example, by forming an insulating layer made of ceramics or the like on the surface of the graphene-containing carbonaceous member containing the above-mentioned graphene aggregates, it becomes possible to use the graphene-containing carbonaceous member as an insulating substrate.

ここで、例えば特許文献1には、第1方向に沿ってグラフェンシートが積層された構造体と、第1方向と交差する第2方向における上記構造体の端面に接合される中間部材(銅板)と、を有し、この中間部材が、少なくともチタンを含むインサート材を介して、上記端面に加圧接合された異方性熱伝導素子が開示されている。 For example, Patent Document 1 discloses an anisotropic heat conduction element having a structure in which graphene sheets are stacked along a first direction and an intermediate member (copper plate) joined to an end face of the structure in a second direction intersecting the first direction, with the intermediate member being pressure-bonded to the end face via an insert material containing at least titanium.

特開2012-238733号公報JP 2012-238733 A

ところで、上述の絶縁基板においては、使用環境下において冷熱サイクルが負荷されることがある。特に、最近では、エンジンルーム等の過酷な環境下で使用されることがあり、温度差が大きな厳しい条件の冷熱サイクルが負荷されることがある。
ここで、上述の特許文献1においては、銅からなる中間体とグラフェンの構造体とを、チタンを含むインサート材を介して接合しているが、接合条件によっては、銅からなる中間体とグラフェンの構造体とを強固に接合することができず、厳しい条件の冷熱サイクルが負荷された際に剥離が生じるおそれがあった。
Incidentally, the insulating substrate may be subjected to thermal cycles in the environment in which it is used. In particular, in recent years, the insulating substrate may be used in harsh environments such as engine compartments, and may be subjected to thermal cycles under severe conditions with large temperature differences.
In the above-mentioned Patent Document 1, the copper intermediate and the graphene structure are joined via an insert material containing titanium. However, depending on the joining conditions, the copper intermediate and the graphene structure cannot be firmly joined, and there is a risk of peeling when subjected to severe thermal cycles.

また、所定のデバイスに対し、特許文献1の銅/グラフェン接合体を放熱部材として設置した場合、導電性を有する銅の中間体がデバイスに接触するため、この中間体を通じて接合部分に電流が流れ込むことがあり、銅の中間体とグラフェンの構造体との接合を維持できなくなるおそれがあった。 In addition, when the copper/graphene bonded body of Patent Document 1 is installed as a heat dissipation member on a specific device, the conductive copper intermediate body comes into contact with the device, and current may flow into the bonded portion through this intermediate body, which may cause the bond between the copper intermediate body and the graphene structure to not be able to be maintained.

この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、銅又は銅合金からなる銅部材と、グラフェン集合体を含有するグラフェン含有炭素質部材とが強固に接合されており、接合部分に流れる電流を抑制することができ、冷熱サイクル負荷時においても剥離が生じることがなく、冷熱サイクル信頼性に優れたセラミックス/銅/グラフェン接合体と、その製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above-mentioned circumstances, and aims to provide a ceramic/copper/graphene bonded body in which a copper member made of copper or a copper alloy and a graphene-containing carbonaceous member containing graphene aggregates are firmly bonded, the current flowing through the bonded portion can be suppressed, peeling does not occur even when subjected to thermal cycle loads, and the bonded body has excellent thermal cycle reliability, and a method for manufacturing the same.

このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明のセラミックス/銅/グラフェン接合体は、セラミックス部材と、銅又は銅合金からなる銅部材と、グラフェン集合体を含有するグラフェン含有炭素質部材と、が接合された構造のセラミックス/銅/グラフェン接合体であって、前記銅部材と前記グラフェン含有炭素質部材との接合界面においては、前記グラフェン含有炭素質部材側に、Ti,Zr,Nb,Hfから選択される1種又は2種以上の活性金属の炭化物を含む活性金属炭化物層が形成されており、この活性金属炭化物層と前記銅部材との間に、Cuの母相中にMgが固溶したMg固溶層が形成されていることを特徴としている。 In order to solve such problems and achieve the above-mentioned object, the ceramic/copper/graphene bonded body of the present invention is a ceramic/copper/graphene bonded body having a structure in which a ceramic member, a copper member made of copper or a copper alloy, and a graphene-containing carbonaceous member containing graphene aggregates are bonded together, and is characterized in that at the bonding interface between the copper member and the graphene-containing carbonaceous member, an active metal carbide layer containing carbides of one or more active metals selected from Ti, Zr, Nb, and Hf is formed on the graphene-containing carbonaceous member side, and an Mg solid solution layer in which Mg is dissolved in a Cu matrix is formed between this active metal carbide layer and the copper member.

この構成のセラミックス/銅/グラフェン接合体においては、銅部材とグラフェン含有炭素質部材との接合界面において、グラフェン含有炭素質部材の接合面に活性金属炭化物層が形成されており、銅部材の接合面側にCuの母相中にMgが固溶したMg固溶層が形成されている。これにより、Mg固溶層中のMgが活性金属炭化物層中の活性金属と十分に反応し、この活性金属炭化物層を介して、銅部材がグラフェン含有炭素質材と強固に接合されるため、冷熱サイクル負荷時において、接合界面にクラック、剥離が生じるのを抑えることができる。さらに、この構成のセラミックス/銅/グラフェン接合体は、構成材料として銅を含んでいるため、過渡期において、ヒートスプレッダとして効率的に放熱を行う機能を有している。 In the ceramic/copper/graphene bonded body having this configuration, an active metal carbide layer is formed on the bonding surface of the graphene-containing carbonaceous member at the bonding interface between the copper member and the graphene-containing carbonaceous member, and an Mg solid solution layer in which Mg is dissolved in the Cu matrix is formed on the bonding surface side of the copper member. As a result, Mg in the Mg solid solution layer sufficiently reacts with the active metal in the active metal carbide layer, and the copper member is firmly bonded to the graphene-containing carbonaceous material via this active metal carbide layer, so that cracks and peeling can be suppressed at the bonding interface during thermal cycle loading. Furthermore, since the ceramic/copper/graphene bonded body having this configuration contains copper as a constituent material, it has the function of efficiently dissipating heat as a heat spreader during transitional periods.

また、この構成のセラミックス/銅/グラフェン接合体においては、導電性を有する銅部材がセラミックス部材で覆われているため、所定のデバイスに接触させた場合に、銅部材を通じて接合部分に電流が流れ込むのを抑制し、銅部材とグラフェン含有炭素質部材との接合を維持させることができる。
したがって、この構成のセラミックス/銅/グラフェン接合体は、冷熱サイクルに伴う接合界面での剥離の発生を抑えつつ、安定した放熱特性を維持することができ、高い信頼性を実現することができる。
Moreover, in the ceramic/copper/graphene bonded body having this configuration, the copper member having electrical conductivity is covered with the ceramic member. Therefore, when the ceramic/copper/graphene bonded body is brought into contact with a predetermined device, a current is prevented from flowing into the bonded portion through the copper member, and the bond between the copper member and the graphene-containing carbonaceous member can be maintained.
Therefore, the ceramic/copper/graphene bonded body having this configuration can maintain stable heat dissipation characteristics while suppressing the occurrence of peeling at the bonded interface due to thermal cycles, and can achieve high reliability.

ここで、本発明のセラミックス/銅/グラフェン接合体においては、前記Mg固溶層には、CuとMgとを含む金属間化合物からなるCu-Mg金属間化合物相が存在することが好ましい。
この場合、Cu-Mg金属間化合物相が活性金属炭化物層との接合面側に分布しており、接合に大きく関与することになるため、活性金属炭化物層との接合の強度を高めることができる。
In the ceramic/copper/graphene joint of the present invention, it is preferable that the Mg solid solution layer contains a Cu-Mg intermetallic compound phase made of an intermetallic compound containing Cu and Mg.
In this case, the Cu--Mg intermetallic compound phase is distributed on the bonding surface side with the active metal carbide layer and is significantly involved in the bonding, thereby increasing the strength of the bond with the active metal carbide layer.

前記Mg固溶層の内、前記活性金属炭化層と前記Mg固溶層の境界から銅部材側に向かって距離50μmの範囲内の領域の面積をAとし、前記Cu-Mg金属間化合物相の面積をBとしたとき、比B/Aが、0.3以下であることが好ましい。 When the area of the Mg solid solution layer within a range of 50 μm from the boundary between the active metal carbide layer and the Mg solid solution layer toward the copper member side is defined as A, and the area of the Cu-Mg intermetallic compound phase is defined as B, it is preferable that the ratio B/A is 0.3 or less.

また、本発明のセラミックス/銅/グラフェン接合体においては、前記Mg固溶層には、Cuと前記活性金属とを含む金属間化合物からなる第2金属間化合物相が存在することが好ましい。
この場合、第2金属間化合物相が活性金属炭化物層との接合面側に分布しており、接合に大きく関与することになるため、活性金属炭化物層との接合の強度を高めることができる。
In the ceramic/copper/graphene joint of the present invention, it is preferable that a second intermetallic compound phase made of an intermetallic compound containing Cu and the active metal is present in the Mg solid solution layer.
In this case, the second intermetallic compound phase is distributed on the bonding surface side with the active metal carbide layer and is significantly involved in bonding, so that the strength of the bond with the active metal carbide layer can be increased.

また、本発明のセラミックス/銅/グラフェン接合体においては、前記セラミックス部材が酸素含有セラミックスで構成されており、前記セラミックス部材と前記銅部材との接合界面においては、前記セラミックス部材側に酸化マグネシウム層が形成されていてもよい。
この場合、酸化マグネシウム層が形成されていることにより、酸素を含有するセラミックス部材と銅部材との接合を強化することができ、冷熱サイクル負荷時において、接合界面にクラック、剥離が生じるのを抑えることができる。
In the ceramic/copper/graphene bonded body of the present invention, the ceramic member may be made of an oxygen-containing ceramic, and a magnesium oxide layer may be formed on the ceramic member side at a bonding interface between the ceramic member and the copper member.
In this case, the formation of the magnesium oxide layer can strengthen the bond between the oxygen-containing ceramic member and the copper member, and can suppress the occurrence of cracks and peeling at the bond interface when subjected to thermal cycle loading.

また、本発明のセラミックス/銅/グラフェン接合体においては、前記セラミックス部材が窒素含有セラミックスで構成されており、前記セラミックス部材と前記銅部材との接合界面においては、前記セラミックス部材側に、Ti,Zr,Nb,Hfから選択される1種又は2種以上の活性金属の窒化物を含む活性金属窒化物層が形成されていてもよい。
この場合、Ti,Zr,Nb,Hfから選択される1種又は2種以上の活性金属の窒化物を含む活性金属窒化物層が形成されていることにより、窒素を含有するセラミックス部材と銅部材との接合を強化することができ、冷熱サイクル負荷時において、接合界面にクラック、剥離が生じるのを抑えることができる。
In the ceramic/copper/graphene bonded body of the present invention, the ceramic member may be made of a nitrogen-containing ceramic, and an active metal nitride layer containing nitrides of one or more active metals selected from Ti, Zr, Nb, and Hf may be formed on the ceramic member side at the bonding interface between the ceramic member and the copper member.
In this case, by forming an active metal nitride layer containing nitrides of one or more active metals selected from Ti, Zr, Nb, and Hf, the bond between the nitrogen-containing ceramic member and the copper member can be strengthened, and cracks and peeling can be suppressed from occurring at the bond interface when subjected to thermal cycle loading.

さらに、本発明のセラミックス/銅/グラフェン接合体においては、前記グラフェン含有炭素質部材は、単層又は多層のグラフェンが堆積してなるグラフェン集合体と扁平形状の黒鉛粒子とを含み、扁平形状の前記黒鉛粒子が、そのベーサル面が折り重なるように前記グラフェン集合体をバインダーとして積層され、扁平形状の前記黒鉛粒子のベーサル面が一方向に向けて配向した構造とされていることが好ましい。
この場合、グラフェン含有炭素質部材における熱伝導特性を、さらに向上させることが可能となる。
Furthermore, in the ceramic/copper/graphene bonded body of the present invention, it is preferable that the graphene-containing carbonaceous member includes graphene aggregates formed by deposition of single or multiple layers of graphene and flat graphite particles, the flat graphite particles are stacked using the graphene aggregates as a binder such that basal planes of the flat graphite particles are folded over, and the basal planes of the flat graphite particles are oriented in one direction.
In this case, it is possible to further improve the thermal conductivity characteristics of the graphene-containing carbonaceous member.

本発明のセラミックス/銅/グラフェン接合体の製造方法は、上述のセラミックス/銅/グラフェン接合体を製造するセラミックス/銅/グラフェン接合体の製造方法であって、前記銅部材と前記グラフェン含有炭素質部材とを接合する銅/グラフェン接合工程と、前記銅部材と前記セラミックス部材とを接合する銅/セラミックス接合工程と、を有し、前記銅/グラフェン接合工程は、前記銅部材と前記グラフェン含有炭素質部材との間に、Ti,Zr,Nb,Hfから選択される1種又は2種以上の活性金属及びMgを配置する活性金属及びMg配置工程と、前記銅部材と前記グラフェン含有炭素質部材とを、活性金属及びMgを介して積層する積層工程と、活性金属及びMgを介して積層された前記銅部材と前記グラフェン含有炭素質部材とを積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下において加熱処理して接合する接合工程と、を備えており、前記活性金属及びMg配置工程では、活性金属量を0.4μmol/cm以上、Mg量を14μmol/cm以上とすることを特徴としている。 The method for producing a ceramic/copper/graphene bonded body of the present invention is a method for producing the above-mentioned ceramic/copper/graphene bonded body, and includes a copper/graphene bonding step of bonding the copper member and the graphene-containing carbonaceous member, and a copper/ceramic bonding step of bonding the copper member and the ceramic member, the copper/graphene bonding step including an active metal and Mg arranging step of arranging one or more active metals selected from Ti, Zr, Nb, and Hf and Mg between the copper member and the graphene-containing carbonaceous member, a lamination step of laminating the copper member and the graphene-containing carbonaceous member with the active metal and Mg interposed therebetween, and a bonding step of bonding the copper member and the graphene-containing carbonaceous member laminated with the active metal and Mg interposed therebetween by heat treatment in a vacuum atmosphere while applying pressure in a lamination direction, and the active metal and Mg arranging step includes a step of bonding the copper member and the graphene -containing carbonaceous member laminated with the active metal and Mg interposed therebetween by applying pressure in a lamination direction, and It is characterized in that the number is 2 or more.

この構成のセラミックス/銅/グラフェン接合体の製造方法によれば、活性金属及びMg配置工程では、活性金属量を0.4μmol/cm以上とし、Mg量を14μmol/cm以上としているので、界面反応に必要な液相を十分に得ることができる。よって、銅部材とグラフェン含有炭素質材とを確実に接合することができる。 According to the method for producing a ceramic/copper/graphene bonded body having this configuration, in the active metal and Mg arranging step, the amount of active metal is set to 0.4 μmol/cm2 or more , and the amount of Mg is set to 14 μmol/cm2 or more , so that a sufficient liquid phase necessary for the interface reaction can be obtained, thereby ensuring bonding between the copper member and the graphene-containing carbonaceous material.

ここで、本発明のセラミックス/銅/グラフェン接合体の製造方法においては、前記接合工程における加圧荷重が0.049MPa以上1.96MPa以下の範囲内とされ、前記接合工程における加熱温度が700℃以上950℃以下の範囲内とされていることが好ましい。
この場合、接合工程において、加圧荷重が0.049MPa以上1.96MPa以下の範囲内とされ、かつ加熱温度が、700℃以上950℃以下の範囲内とされているので、界面反応に必要な液相を保持することができ、均一な界面反応を促進することができる。
Here, in the method for producing a ceramic/copper/graphene bonded body of the present invention, it is preferable that a pressurized load in the bonding step is in the range of 0.049 MPa or more and 1.96 MPa or less, and a heating temperature in the bonding step is in the range of 700° C. or more and 950° C. or less.
In this case, in the joining process, the pressure load is set within the range of 0.049 MPa or more and 1.96 MPa or less, and the heating temperature is set within the range of 700°C or more and 950°C or less, so that the liquid phase necessary for the interfacial reaction can be maintained and a uniform interfacial reaction can be promoted.

また、本発明のセラミックス/銅/グラフェン接合体の製造方法においては、前記銅/セラミックス接合工程では、前記銅部材と前記セラミックス部材との間に、Ti,Zr,Nb,Hfから選択される1種又は2種以上の活性金属及びMgを配置し、前記活性金属及び前記Mgを介して積層された前記銅部材と前記グラフェン含有炭素質部材とを積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下において加熱処理して接合することが好ましい。
この場合、Ti,Zr,Nb,Hfから選択される1種又は2種以上の活性金属及びMgが、接合材として用いられ、銅部材と前記セラミックス部材との接合が強化されるため、冷熱サイクル負荷時において、接合界面にクラック、剥離が生じるのを抑えることができる。
In the method for producing a ceramic/copper/graphene bonded body of the present invention, in the copper/ceramic bonding step, it is preferable that one or more active metals selected from Ti, Zr, Nb and Hf, and Mg are disposed between the copper member and the ceramic member, and the copper member and the graphene-containing carbonaceous member stacked via the active metal and the Mg are bonded to each other by heat treatment in a vacuum atmosphere while being pressurized in a stacking direction.
In this case, one or more active metals selected from Ti, Zr, Nb, and Hf, and Mg are used as bonding materials, which strengthens the bond between the copper member and the ceramic member, thereby making it possible to suppress cracks and peeling at the bonding interface when subjected to thermal cycle loading.

また、本発明のセラミックス/銅/グラフェン接合体の製造方法においては、前記銅/セラミックス接合工程では、前記銅部材と前記セラミックス部材との間に、Mgを配置し、前記Mgを介して積層された前記銅部材と前記グラフェン含有炭素質部材とを積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下において加熱処理して接合することが好ましい。
この場合、接合材としてMgが用いられ、銅部材と前記セラミックス部材との接合が強化されるため、冷熱サイクル負荷時において、接合界面にクラック、剥離が生じるのを抑えることができる。
In the method for producing a ceramic/copper/graphene bonded body of the present invention, in the copper/ceramic bonding step, it is preferable that Mg is disposed between the copper member and the ceramic member, and the copper member and the graphene-containing carbonaceous member stacked via the Mg are bonded to each other by heat treatment in a vacuum atmosphere while being pressurized in a stacking direction.
In this case, Mg is used as the bonding material, which strengthens the bond between the copper member and the ceramic member, making it possible to suppress the occurrence of cracks and peeling at the bonding interface when subjected to thermal cycles.

本発明のセラミックス/銅/グラフェン接合構造は、セラミックス部材と、銅又は銅合金からなる銅部材と、グラフェン集合体を含有するグラフェン含有炭素質部材と、が接合された構造のセラミックス/銅/グラフェン接合構造であって、前記銅部材と前記グラフェン含有炭素質部材との接合界面においては、前記グラフェン含有炭素質部材側に、Ti,Zr,Nb,Hfから選択される1種又は2種以上の活性金属の炭化物を含む活性金属炭化物層が形成されており、この活性金属炭化物層と前記銅部材との間に、Cuの母相中にMgが固溶したMg固溶層が形成されていることを特徴としている。 The ceramic/copper/graphene bonding structure of the present invention is a ceramic/copper/graphene bonding structure in which a ceramic member, a copper member made of copper or a copper alloy, and a graphene-containing carbonaceous member containing graphene aggregates are bonded together, and is characterized in that at the bonding interface between the copper member and the graphene-containing carbonaceous member, an active metal carbide layer containing carbides of one or more active metals selected from Ti, Zr, Nb, and Hf is formed on the graphene-containing carbonaceous member side, and an Mg solid solution layer in which Mg is dissolved in a Cu matrix is formed between the active metal carbide layer and the copper member.

この構成のセラミックス/銅/グラフェン接合構造においては、銅部材とグラフェン含有炭素質部材との接合界面において、グラフェン含有炭素質部材の接合面に活性金属炭化物層が形成されており、銅部材の接合面側にCuの母相中にMgが固溶したMg固溶層が形成されている。これにより、Mg固溶層中のMgが活性金属炭化物層中の活性金属と十分に反応し、この活性金属炭化物層を介して、銅部材がグラフェン含有炭素質材と強固に接合されるため、冷熱サイクル負荷時において、接合界面にクラック、剥離が生じるのを抑えることができる。さらに、この構成のセラミックス/銅/グラフェン接合構造は、構成材料として銅を含んでいるため、過渡期において、ヒートスプレッダとして効率的に放熱を行う機能を有している。 In this ceramic/copper/graphene bonding structure, an active metal carbide layer is formed on the bonding surface of the graphene-containing carbonaceous member at the bonding interface between the copper member and the graphene-containing carbonaceous member, and an Mg solid solution layer in which Mg is dissolved in the Cu matrix is formed on the bonding surface side of the copper member. As a result, Mg in the Mg solid solution layer sufficiently reacts with the active metal in the active metal carbide layer, and the copper member is firmly bonded to the graphene-containing carbonaceous material via this active metal carbide layer, so that cracks and peeling can be suppressed at the bonding interface during thermal cycle loading. Furthermore, since this ceramic/copper/graphene bonding structure contains copper as a constituent material, it has the function of efficiently dissipating heat as a heat spreader during transitional periods.

また、この構成のセラミックス/銅/グラフェン接合構造においては、導電性を有する銅部材がセラミックス部材で覆われているため、所定のデバイスに接触させた場合に、銅部材を通じて接合部分に電流が流れ込むのを抑制し、銅部材とグラフェン含有炭素質部材との接合を維持させることができる。
したがって、この構成のセラミックス/銅/グラフェン接合構造は、冷熱サイクルに伴う接合界面での剥離の発生を抑えつつ、安定した放熱特性を維持することができ、高い信頼性を実現することができる。
Moreover, in the ceramic/copper/graphene bonding structure having this configuration, the copper member having electrical conductivity is covered with the ceramic member. Therefore, when the structure is brought into contact with a specific device, a current is prevented from flowing into the bonding portion through the copper member, and the bonding between the copper member and the graphene-containing carbonaceous member can be maintained.
Therefore, the ceramic/copper/graphene bonding structure having this configuration can maintain stable heat dissipation characteristics while suppressing the occurrence of peeling at the bonding interface due to thermal cycles, thereby achieving high reliability.

本発明によれば、銅又は銅合金からなる銅部材と、グラフェン集合体を含有するグラフェン含有炭素質部材とが強固に接合されており、接合部分に流れる電流を抑制することができ、冷熱サイクル負荷時においても剥離が生じることがなく、冷熱サイクル信頼性に優れた銅/グラフェン接合体と、その製造方法を提供することができる。 According to the present invention, a copper/graphene bonded body having excellent thermal cycle reliability and a manufacturing method thereof can be provided, in which a copper member made of copper or a copper alloy and a graphene-containing carbonaceous member containing graphene aggregates are firmly bonded, the current flowing through the bonded portion can be suppressed, and peeling does not occur even when subjected to thermal cycle loads.

本発明の実施形態であるセラミックス/銅/グラフェン接合体(絶縁基板)を用いたパワーモジュールの概略説明図である。FIG. 1 is a schematic explanatory diagram of a power module using a ceramic/copper/graphene bonded body (insulating substrate) according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態であるセラミックス/銅/グラフェン接合体(絶縁基板)の概略説明図である。FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a ceramic/copper/graphene bonded body (insulating substrate) according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態であるセラミックス/銅/グラフェン接合体(絶縁基板)における、銅部材とグラフェン含有炭素質部材との接合界面、銅部材とセラミックス部材との接合界面を拡大した模式図である。FIG. 2 is an enlarged schematic view of a bonding interface between a copper member and a graphene-containing carbonaceous member and a bonding interface between a copper member and a ceramic member in a ceramic/copper/graphene bonded body (insulating substrate) according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態であるセラミックス/銅/グラフェン接合体(絶縁基板)の製造方法の一例を示すフロー図である。FIG. 1 is a flow diagram showing an example of a method for producing a ceramic/copper/graphene bonded body (insulating substrate) according to an embodiment of the present invention.

以下に、本発明の実施形態について添付した図面を参照して説明する。なお、以下に示す各実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the attached drawings. Note that each embodiment shown below is specifically described to provide a better understanding of the gist of the invention, and does not limit the present invention unless otherwise specified. Also, the drawings used in the following description may show essential parts enlarged for the sake of convenience in order to make the features of the present invention easier to understand, and the dimensional ratios of each component may not necessarily be the same as the actual ones.

まず、図1から図4を参照して本発明の実施形態であるセラミックス/銅/グラフェン接合体(セラミックス/銅/グラフェン接合構造)について説明する。
本実施形態におけるセラミックス/銅/グラフェン接合体は、セラミックス部材と、銅又は銅合金からなる銅部材と、グラフェン集合体を含有するグラフェン含有炭素質部材と、を接合した構造の絶縁基板20とされている。
First, a ceramic/copper/graphene bonded body (ceramic/copper/graphene bonded structure) according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 4. FIG.
The ceramic/copper/graphene bonded body in the present embodiment is an insulating substrate 20 having a structure in which a ceramic member, a copper member made of copper or a copper alloy, and a graphene-containing carbonaceous member containing graphene aggregates are bonded together.

まず、本実施形態であるセラミックス/銅/グラフェン接合体(絶縁基板20)を用いたパワーモジュールについて説明する。
図1に示すパワーモジュール1は、絶縁回路基板10と、この絶縁回路基板10の一方の面側(図1において上側)にはんだ層2を介して接合された半導体素子3と、絶縁回路基板10の他方の面側(図1において下側)に配設されたヒートシンク31とを備えている。
First, a power module using a ceramic/copper/graphene bonded body (insulating substrate 20) according to this embodiment will be described.
A power module 1 shown in FIG. 1 includes an insulating circuit board 10, a semiconductor element 3 joined to one surface side (the upper side in FIG. 1) of the insulating circuit board 10 via a solder layer 2, and a heat sink 31 disposed on the other surface side (the lower side in FIG. 1) of the insulating circuit board 10.

絶縁回路基板10は、絶縁層(絶縁基板20)と、この絶縁層の一方の面(図1において上面)に配設された回路層12と、絶縁層の他方の面(図1において下面)に配設された金属層13とを備えている。
絶縁層は、回路層12と金属層13との間の電気的接続を防止するものであって、本実施形態である絶縁基板20で構成されている。
Insulating circuit board 10 comprises an insulating layer (insulating substrate 20), a circuit layer 12 disposed on one surface (the upper surface in FIG. 1 ) of the insulating layer, and a metal layer 13 disposed on the other surface (the lower surface in FIG. 1 ) of the insulating layer.
The insulating layer prevents electrical connection between the circuit layer 12 and the metal layer 13, and is formed of an insulating substrate 20 in this embodiment.

回路層12は、絶縁層(絶縁基板20)の一方の面に、導電性に優れた金属板が接合されることによって形成されている。本実施形態では、回路層12を構成する金属板として、銅又は銅合金からなる銅板、具体的には無酸素銅の圧延板が用いられている。この回路層12には、回路パターンが形成されており、その一方の面(図1において上面)が、半導体素子3が搭載される搭載面とされている。
また、回路層12となる金属板(銅板)の厚さは0.1mm以上1.0mm以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、0.6mmに設定されている。
なお、回路層12となる金属板(銅板)と絶縁基板20との接合方法には、特に制限がなく、活性金属ろう材等を用いて接合することができる。
The circuit layer 12 is formed by bonding a metal plate having excellent electrical conductivity to one surface of the insulating layer (insulating substrate 20). In this embodiment, a copper plate made of copper or a copper alloy, specifically a rolled plate of oxygen-free copper, is used as the metal plate constituting the circuit layer 12. A circuit pattern is formed on this circuit layer 12, and one surface thereof (the upper surface in FIG. 1 ) serves as a mounting surface on which the semiconductor element 3 is mounted.
The thickness of the metal plate (copper plate) that becomes the circuit layer 12 is set within a range of 0.1 mm to 1.0 mm, and in this embodiment, it is set to 0.6 mm.
There is no particular limitation on the method for joining the metal plate (copper plate) that will become the circuit layer 12 and the insulating substrate 20, and they can be joined using an active metal brazing material or the like.

金属層13は、絶縁層(絶縁基板20)の他方の面に、熱伝導性に優れた金属板が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、金属層13を構成する金属板として、銅又は銅合金からなる銅板、具体的には無酸素銅の圧延板が用いられている。
また、金属層13となる金属板(銅板)の厚さは0.1mm以上1.0mm以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、0.6mmに設定されている。
なお、金属層13となる金属板(銅板)と絶縁基板20との接合方法には、特に制限がなく、活性金属ろう材等を用いて接合することができる。
The metal layer 13 is formed by joining a metal plate having excellent thermal conductivity to the other surface of the insulating layer (insulating substrate 20). In this embodiment, a copper plate made of copper or a copper alloy, specifically a rolled plate of oxygen-free copper, is used as the metal plate constituting the metal layer 13.
The thickness of the metal plate (copper plate) that becomes the metal layer 13 is set within a range of 0.1 mm to 1.0 mm, and in this embodiment, it is set to 0.6 mm.
There is no particular limitation on the method for joining the metal plate (copper plate) that will become the metal layer 13 to the insulating substrate 20, and they can be joined using an active metal brazing material or the like.

ヒートシンク31は、前述の絶縁回路基板10を冷却するためのものであり、冷却媒体(例えば冷却水)を流通させるための流路32が複数設けられた構造をなしている。
このヒートシンク31は、熱伝導性が良好な材質、例えばアルミニウム又はアルミニウム合金、銅又は銅合金で構成されていることが好ましく、本実施形態においては、純度が99mass%以上の2Nアルミニウムで構成されている。
なお、本実施形態では、絶縁回路基板10の金属層13とヒートシンク31は、固相拡散接合法によって接合されている。
The heat sink 31 is for cooling the insulating circuit board 10 described above, and has a structure in which a plurality of flow paths 32 are provided for circulating a cooling medium (for example, cooling water).
The heat sink 31 is preferably made of a material having good thermal conductivity, such as aluminum or an aluminum alloy, copper or a copper alloy, and in this embodiment, is made of 2N aluminum having a purity of 99 mass % or more.
In this embodiment, the metal layer 13 of the insulating circuit board 10 and the heat sink 31 are bonded by solid-state diffusion bonding.

半導体素子3は、例えばSiやSiC等の半導体材料を用いて構成されている。この半導体素子3は、例えばSn-Ag系、Sn-In系、若しくはSn-Ag-Cu系のはんだ材からなるはんだ層2を介して回路層12上に搭載されている。 The semiconductor element 3 is made of a semiconductor material such as Si or SiC. The semiconductor element 3 is mounted on the circuit layer 12 via a solder layer 2 made of a solder material such as Sn-Ag, Sn-In, or Sn-Ag-Cu.

そして、絶縁層を構成する本実施形態である絶縁基板20は、図2に示すように、セラミックス部材によって構成されるセラミックス板26と、銅又は銅合金からなる銅部材によって構成される銅板21と、グラフェン集合体を含有するグラフェン含有炭素質部材からなる炭素板25と、を積層した構造とされている。炭素板25の両主面には、それぞれ銅板21が接合されている。
ここでは、絶縁基板20として、セラミックス板26、銅板21、炭素板25、銅板21、セラミックス板26の順に積層されているものを例示しているが、積層方向における最表層(端部)がセラミックス板26であり、セラミックス板26、銅板21、炭素板25の順序が保たれていればよく、積層数についての制限はない。
The insulating substrate 20 of this embodiment constituting the insulating layer has a structure in which a ceramic plate 26 made of a ceramic member, a copper plate 21 made of a copper member made of copper or a copper alloy, and a carbon plate 25 made of a graphene-containing carbonaceous member containing graphene aggregates are laminated together, as shown in Fig. 2. The copper plates 21 are bonded to both main surfaces of the carbon plate 25, respectively.
Here, an example of insulating substrate 20 is shown in which ceramic plate 26, copper plate 21, carbon plate 25, copper plate 21, and ceramic plate 26 are stacked in this order, but there is no limit to the number of layers as long as the outermost layer (end) in the stacking direction is ceramic plate 26 and the order of ceramic plate 26, copper plate 21, and carbon plate 25 is maintained.

炭素板25を構成するグラフェン含有炭素質部材は、単層又は多層のグラフェンが堆積してなるグラフェン集合体と扁平形状の黒鉛粒子とを含み、扁平形状の黒鉛粒子が、そのベーサル面が折り重なるように、グラフェン集合体をバインダーとして積層された構造とされていることが好ましい。扁平形状の黒鉛粒子のベーサル面は、一方向に向けて配向した構造とされていることが好ましい。 The graphene-containing carbonaceous material constituting the carbon plate 25 preferably contains graphene aggregates formed by the deposition of single or multiple layers of graphene and flat graphite particles, and the flat graphite particles are preferably laminated with the graphene aggregates as a binder so that the basal surfaces of the flat graphite particles are folded over. The basal surfaces of the flat graphite particles are preferably oriented in one direction.

扁平形状の黒鉛粒子は、炭素六角網面が現れるベーサル面と、炭素六角網面の端部が現れるエッジ面と、を有するものである。この扁平形状の黒鉛粒子としては、鱗片状黒鉛、鱗状黒鉛、土状黒鉛、薄片状黒鉛、キッシュグラファイト、熱分解黒鉛、高配向熱分解黒鉛等を用いることができる。
ここで、黒鉛粒子のベーサル面から見た平均粒径は、10μm以上1000μm以下の範囲内であることが好ましく、50μm以上800μm以下の範囲内であることがさらに好ましい。黒鉛粒子の平均粒径を上述の範囲内とすることで、熱伝導性が向上する。
さらに、黒鉛粒子の厚さは、1μm以上50μm以下の範囲内であることが好ましく、1μm以上20μm以下の範囲内であることがさらに好ましい。黒鉛粒子の厚さを上述の範囲内とすることで、黒鉛粒子の配向性が適度に調整される。
また、黒鉛粒子の厚みがベーサル面から見た粒径の1/1000~1/2の範囲内とすることによって、優れた熱伝導性と黒鉛粒子の配向性が適度に調整される。
The flat graphite particles have a basal surface on which the hexagonal carbon mesh plane appears and an edge surface on which the end of the hexagonal carbon mesh plane appears. As the flat graphite particles, flake graphite, flaky graphite, earthy graphite, flaky graphite, kish graphite, pyrolytic graphite, highly oriented pyrolytic graphite, etc. can be used.
Here, the average particle size of the graphite particles as viewed from the basal plane is preferably in the range of 10 μm to 1000 μm, and more preferably in the range of 50 μm to 800 μm. By setting the average particle size of the graphite particles within the above range, the thermal conductivity is improved.
Furthermore, the thickness of the graphite particles is preferably in the range of 1 μm to 50 μm, and more preferably in the range of 1 μm to 20 μm. By setting the thickness of the graphite particles within the above range, the orientation of the graphite particles can be appropriately adjusted.
Furthermore, by adjusting the thickness of the graphite particles to within the range of 1/1000 to 1/2 of the particle diameter as viewed from the basal plane, excellent thermal conductivity and the orientation of the graphite particles can be appropriately adjusted.

グラフェン集合体は、単層又は多層のグラフェンが堆積したものであり、多層のグラフェンの積層数は、例えば100層以下、好ましくは50層以下とされている。このグラフェン集合体は、例えば、単層又は多層のグラフェンが低級アルコールや水を含む溶媒に分散されたグラフェン分散液を、ろ紙上に滴下し、溶媒を分離しながら堆積させることによって製造することが可能である。
ここで、グラフェン集合体の平均粒径は、1μm以上1000μm以下の範囲内であることが好ましい。グラフェン集合体の平均粒径を上述の範囲内とすることで、熱伝導性が向上する。
さらに、グラフェン集合体の厚さは、0.05μm以上50μm未満の範囲内であることが好ましい。グラフェン集合体の厚さを上述の範囲内とすることで、炭素質部材の強度が確保される。
The graphene aggregate is formed by depositing single-layer or multi-layer graphene, and the number of layers of the multi-layer graphene is, for example, not more than 100, and preferably not more than 50. This graphene aggregate can be produced, for example, by dropping a graphene dispersion in which single-layer or multi-layer graphene is dispersed in a solvent containing a lower alcohol or water onto a filter paper, and depositing the graphene aggregate while separating the solvent.
Here, the average particle size of the graphene aggregates is preferably within a range of 1 μm to 1000 μm. By setting the average particle size of the graphene aggregates within the above range, the thermal conductivity is improved.
Furthermore, the thickness of the graphene aggregate is preferably within a range of 0.05 μm or more and less than 50 μm. By setting the thickness of the graphene aggregate within the above range, the strength of the carbonaceous member is ensured.

ここで、図3に、銅又は銅合金からなる銅部材によって構成される銅板21と、グラフェン含有炭素質部材からなる炭素板25との接合界面、および銅板21とセラミックス板26との接合界面を拡大した模式図を示す。図3に示すように、銅部材からなる銅板21とグラフェン含有炭素質部材からなる炭素板25との間(接合界面40)においては、炭素板25の接合面に、活性金属炭化物の1種又は2種を含む活性金属炭化物層41が形成されている。
また、銅板21には、Mg、Cu等の単体の金属、Cu-Mg、Cu-Ti等の金属間化合物(IMCs)等が含有されており、特に接合界面40において、銅板21と活性金属炭化物層41との間には、Cuの母相中にMgが固溶したMg固溶層42が形成されている。Mg固溶層42には、CuとMgとを含む金属間化合物からなるCu-Mg金属間化合物相が存在していてもよいし、Cuと活性金属とを含む金属間化合物からなる第2金属間化合物相が存在していてもよい。
3 shows an enlarged schematic diagram of a bonding interface between a copper plate 21 made of a copper member made of copper or a copper alloy and a carbon plate 25 made of a graphene-containing carbonaceous material, and a bonding interface between the copper plate 21 and a ceramic plate 26. As shown in FIG. 3, at the bonding interface 40 between the copper plate 21 made of a copper member and the carbon plate 25 made of the graphene-containing carbonaceous material, an active metal carbide layer 41 containing one or two types of active metal carbides is formed on the bonding surface of the carbon plate 25.
The copper plate 21 contains simple metals such as Mg and Cu, intermetallic compounds (IMCs) such as Cu-Mg and Cu-Ti, and the like, and in particular, at the joint interface 40, an Mg solid solution layer 42 in which Mg is dissolved in a Cu matrix is formed between the copper plate 21 and the active metal carbide layer 41. The Mg solid solution layer 42 may contain a Cu-Mg intermetallic compound phase made of an intermetallic compound containing Cu and Mg, or a second intermetallic compound phase made of an intermetallic compound containing Cu and an active metal.

このCu-Mg金属間化合物相は、CuMg相及び/又はCuMg相から構成される。
Mg固溶層42においては、銅部材とグラフェン含有炭素質部材との積層方向に沿った断面において、活性金属炭化物層41との境界面40aから銅部材側に向かって距離50μmの範囲内の領域の面積をA(μm)とし、前記Cu-Mg金属間化合物相の面積をB(μm)としたとき、比B/Aが、0.3以下であることが好ましく、0.25以下であればより好ましく、0.15以下であれば最も好ましい。
なお、Mg固溶層42がCu-Mg金属間化合物相を含まない場合、即ち、比B/Aが0である場合もある。
The Cu-Mg intermetallic compound phase is composed of a Cu 2 Mg phase and/or a CuMg 2 phase.
In the Mg solid solution layer 42, in a cross section along the lamination direction of the copper member and the graphene-containing carbonaceous member, when the area of a region within a distance of 50 μm from the boundary surface 40 a with the active metal carbide layer 41 toward the copper member is defined as A (μm 2 ) and the area of the Cu-Mg intermetallic compound phase is defined as B (μm 2 ), the ratio B/A is preferably 0.3 or less, more preferably 0.25 or less, and most preferably 0.15 or less.
There are also cases where the Mg solid solution layer 42 does not contain a Cu--Mg intermetallic compound phase, that is, where the ratio B/A is zero.

活性金属炭化物層41は、接合時において銅板21と炭素板25との間に介在させる接合材に含まれる活性金属が、炭素板25に含まれる炭素と反応することによって形成されるものである。
活性金属炭化物層41を構成する活性金属としては、例えば、Ti,Zr,Hf、Nbから選択される1種又は2種以上を用いることができる。本実施形態では、活性金属がTiとされ、活性金属炭化物層41はチタン炭化物(Ti-C)で構成されているものとする。
The active metal carbide layer 41 is formed by a reaction between the active metal contained in the bonding material interposed between the copper plate 21 and the carbon plate 25 and the carbon contained in the carbon plate 25 during bonding.
For example, one or more selected from Ti, Zr, Hf, and Nb can be used as the active metal constituting the active metal carbide layer 41. In this embodiment, the active metal is Ti, and the active metal carbide layer 41 is made of titanium carbide (Ti-C).

ここで、活性金属炭化物層41の厚さtが0.05μm未満であると、活性金属と炭素との反応が十分ではなく、活性金属炭化物層41を介した銅板21と炭素板25との接合強度が不十分となるおそれがある。一方、活性金属炭化物層41の厚さtが1.5μmを超えると、冷熱サイクル負荷時の活性金属炭化物層41においてクラックが発生するおそれがある。
よって、本実施形態では、活性金属炭化物層41の厚さtを、0.05μm以上1.5μm以下の範囲内に設定することが好ましい。
なお、活性金属炭化物層41の厚さtの下限は0.1μm以上であることがさらに好ましく、0.25μm以上であることがより好ましい。一方、活性金属炭化物層41の厚さtの上限は1.2μm以下であることがさらに好ましく、1.0μm以下であることがより好ましい。
Here, if the thickness t1 of the active metal carbide layer 41 is less than 0.05 μm, the reaction between the active metal and carbon may be insufficient, and the bonding strength between the copper plate 21 and the carbon plate 25 via the active metal carbide layer 41 may be insufficient. On the other hand, if the thickness t1 of the active metal carbide layer 41 exceeds 1.5 μm, cracks may occur in the active metal carbide layer 41 when subjected to a thermal cycle load.
Therefore, in this embodiment, it is preferable to set the thickness t1 of the active metal carbide layer 41 within the range of 0.05 μm or more and 1.5 μm or less.
The lower limit of the thickness t1 of the active metal carbide layer 41 is more preferably 0.1 μm or more, and even more preferably 0.25 μm or more. On the other hand, the upper limit of the thickness t1 of the active metal carbide layer 41 is more preferably 1.2 μm or less, and even more preferably 1.0 μm or less.

セラミックス板26は、化合物層43を介して銅板21に接合されている。化合物層43は、Ti,Zr,Nb,Hfから選択される1種又は2種類以上の活性金属、あるいはMgが、接合材として、セラミックス板26の構成元素と反応して形成される層である。セラミックス板26としては、例えば、Al、Zr添加Al等の酸化物、AlN、Si、等の窒化物、SiAlONを含むものが用いられる。 The ceramic plate 26 is bonded to the copper plate 21 via a compound layer 43. The compound layer 43 is a layer formed by reacting one or more types of active metal selected from Ti, Zr, Nb, and Hf, or Mg , as a bonding material, with the constituent elements of the ceramic plate 26. As the ceramic plate 26, for example, oxides such as Al2O3 and Zr-added Al2O3 , nitrides such as AlN and Si3N4 , and SiAlON are used.

セラミックス板26が酸化物を主成分とするものである場合には、接合材としてMgを用いることが好ましく、この場合、化合物層43を構成する主な元素はMgOとなる。また、セラミックス板26が窒化物を主成分とするものである場合には、接合材としてTiを用いることが好ましく、この場合、化合物層43を構成する主な元素はTiNとなる。 When the ceramic plate 26 is mainly composed of oxides, it is preferable to use Mg as the bonding material, in which case the main element constituting the compound layer 43 is MgO. When the ceramic plate 26 is mainly composed of nitrides, it is preferable to use Ti as the bonding material, in which case the main element constituting the compound layer 43 is TiN.

次に、本実施形態であるセラミックス/銅/グラフェン接合体(絶縁基板20)の製造方法について、図4に示すフロー図を参照して説明する。 Next, the manufacturing method of the ceramic/copper/graphene bonded body (insulating substrate 20) according to this embodiment will be described with reference to the flow diagram shown in FIG. 4.

(炭素板形成工程S01)
まず、上述した扁平形状の黒鉛粒子とグラフェン集合体とを所定の配合比となるように秤量し、これをボールミル等の既存の混合装置によって混合する。
得られた混合物を、所定の形状の金型に充填して加圧することにより成形体を得る。なお、加圧時に加熱を実施してもよい。
そして、得られた成形体に対して切り出し加工を行い、炭素板25を得る。
(Carbon plate forming step S01)
First, the above-mentioned flat graphite particles and graphene aggregates are weighed to have a predetermined blend ratio, and then mixed using an existing mixer such as a ball mill.
The mixture thus obtained is filled into a mold having a given shape and pressed to obtain a molded product. Heating may be performed during the pressing.
The resulting molded body is then cut to obtain the carbon plate 25 .

なお、成形時の圧力は、20MPa以上1000MPa以下の範囲内とすることが好ましく、100MPa以上300MPa以下の範囲内とすることがさらに好ましい。また、成形時の温度は、50℃以上300℃以下の範囲内とすることが好ましい。さらに、加圧時間は、0.5分以上10分以下の範囲内とすることが好ましい。 The pressure during molding is preferably in the range of 20 MPa to 1000 MPa, and more preferably in the range of 100 MPa to 300 MPa. The temperature during molding is preferably in the range of 50°C to 300°C. Furthermore, the pressurization time is preferably in the range of 0.5 minutes to 10 minutes.

(第1の活性金属及びMg配置工程S02)
次に、銅又は銅合金からなる銅板21を準備し、この銅板21の接合面と先の工程で得た炭素板25の接合面を対向させ、両板の間に、接合材として、Ti,Zr,Nb,Hfから選択される1種又は2種以上の活性金属、及びMgを配置する。銅板21を別の材質の板に変える場合には、接合材として、さらにCuを配置する。活性金属、及びMgは、スパッタ、(共)蒸着、箔材、又はペースト(活性金属及びMgの水素化物も利用できる)の塗布にて配置することができる。
(First active metal and Mg arrangement step S02)
Next, a copper plate 21 made of copper or a copper alloy is prepared, the joining surface of this copper plate 21 is placed opposite the joining surface of the carbon plate 25 obtained in the previous step, and one or more active metals selected from Ti, Zr, Nb, and Hf, and Mg are placed between the two plates as joining materials. When the copper plate 21 is replaced with a plate of a different material, Cu is further placed as a joining material. The active metal and Mg can be placed by sputtering, (co)deposition, foil material, or paste application (hydrides of active metal and Mg can also be used).

接合材として、銅板21と炭素板25の間に配置する活性金属量を0.4μmol/cm以上、Mg量を14μmol/cm以上とする。好ましくは、活性金属量は、0.4μmol/cm以上47.0μmol/cm以下の範囲内であり、Cu量は4μmol/cm以上350μmol/cm以下の範囲内であり、Mg量は14μmol/cm以上180μmol/cm以下の範囲内である。 As the bonding material, the amount of active metal to be placed between the copper plate 21 and the carbon plate 25 is 0.4 μmol/ cm2 or more, and the amount of Mg is 14 μmol/cm2 or more . Preferably, the amount of active metal is in the range of 0.4 μmol/ cm2 to 47.0 μmol/ cm2 , the amount of Cu is in the range of 4 μmol/ cm2 to 350 μmol/ cm2 , and the amount of Mg is in the range of 14 μmol/ cm2 to 180 μmol/ cm2 .

(第1の積層工程S03)
次に、上述の炭素板25の両主面のそれぞれに、接合材を介して、銅板21を積層する(貼り合わせる)。
(First lamination step S03)
Next, the copper plates 21 are laminated (attached) to both main surfaces of the carbon plate 25 via a bonding material.

(第1の接合工程S04)
次に、接合材を介して積層した炭素板25と銅板21とを、積層方向に加圧するとともに加熱した後、冷却することにより、炭素板25と銅板21とセラミックス板26を接合する。
ここで、加熱温度は700℃以上950℃以下の範囲内とすることが好ましい。また、加熱温度での保持時間は10分以上180分以下の範囲内とすることが好ましい。さらに、加圧圧力は0.049MPa以上1.96MPa以下の範囲内とすることが好ましい。また、接合中の雰囲気は、非酸化雰囲気とされていることが好ましい。
(First joining step S04)
Next, the carbon plate 25 and the copper plate 21 laminated with the bonding material therebetween are pressed in the lamination direction and heated, and then cooled, thereby bonding the carbon plate 25, the copper plate 21, and the ceramic plate 26 together.
Here, the heating temperature is preferably within a range of 700° C. to 950° C. The holding time at the heating temperature is preferably within a range of 10 minutes to 180 minutes. The applied pressure is preferably within a range of 0.049 MPa to 1.96 MPa. The atmosphere during bonding is preferably a non-oxidizing atmosphere.

この第1の接合工程S04により、炭素板25と銅板21との接合界面において、接合材に含まれる活性金属(本実施形態ではTi)が炭素板25に含まれる炭素と反応することで、炭素板25の接合面に活性金属炭化物層41が形成される。
そして、接合材に含まれるCu、Mg、および活性金属の一部が銅板21に吸収され、さらに接合材に含まれるCuとMgが反応することで、銅板21と活性金属炭化物層41との間に、Cuの母相中にMgが固溶したMg固溶層42が形成される。Mg固溶層42には、CuとMgとを含む金属間化合物からなるCu-Mg金属間化合物相が存在していてもよいし、Cuと活性金属とを含む金属間化合物からなる第2金属間化合物相が存在していてもよい。
In this first bonding process S04, the active metal (Ti in this embodiment) contained in the bonding material reacts with the carbon contained in the carbon plate 25 at the bonding interface between the carbon plate 25 and the copper plate 21, thereby forming an active metal carbide layer 41 on the bonding surface of the carbon plate 25.
Then, a part of the Cu, Mg, and active metal contained in the bonding material is absorbed into the copper plate 21, and further, the Cu and Mg contained in the bonding material react with each other, so that an Mg solid solution layer 42 in which Mg is dissolved in a Cu matrix is formed between the copper plate 21 and the active metal carbide layer 41. In the Mg solid solution layer 42, a Cu-Mg intermetallic compound phase made of an intermetallic compound containing Cu and Mg may be present, or a second intermetallic compound phase made of an intermetallic compound containing Cu and an active metal may be present.

(第2の活性金属及びMg配置工程S05)
次に、セラミックス板26を準備し、このセラミックス板26の接合面と銅板25の接合面とを対向させ、両板の間に、Ti,Zr,Nb,Hfから選択される1種又は2種類以上の活性金属、Mgのうち、少なくとも一つからなる材料を配置する。活性金属、及びMgは、スパッタ、(共)蒸着、箔材、又はペースト(活性金属及びMgの水素化物も利用できる)の塗布にて配置することができる。
(Second active metal and Mg arrangement step S05)
Next, a ceramic plate 26 is prepared, the bonding surface of this ceramic plate 26 is placed opposite the bonding surface of the copper plate 25, and at least one material consisting of one or more active metals selected from Ti, Zr, Nb, and Hf, and Mg is placed between the two plates. The active metal and Mg can be placed by sputtering, (co)evaporation, foil material, or paste application (hydrides of the active metal and Mg can also be used).

接合材として、銅板21とセラミックス板25の間に、Ti,Zr,Nb,Hfから選択される1種又は2種類以上の活性金属を配置する場合、配置する活性金属量は、0.4μmol/cm以上47.0μmol/cm以下の範囲内とすることが好ましい。また、接合材として、銅板21とセラミックス板25の間にMgを配置する場合、配置するMg量は、14μmol/cm以上180μmol/cm以下の範囲内とすることが好ましい。 When one or more types of active metals selected from Ti, Zr, Nb, and Hf are disposed between the copper plate 21 and the ceramic plate 25 as the bonding material, the amount of the active metal to be disposed is preferably within a range of 0.4 μmol/ cm2 to 47.0 μmol/ cm2 . When Mg is disposed between the copper plate 21 and the ceramic plate 25 as the bonding material, the amount of Mg to be disposed is preferably within a range of 14 μmol/ cm2 to 180 μmol/cm2.

(第2の積層工程S06)
次に、炭素板25に積層された二つの銅板21のそれぞれに、接合材を介してセラミックス板26を積層する。この場合の銅板21の接合面は、炭素板25と反対側の主面となる。
(Second lamination step S06)
Next, a ceramic plate 26 is laminated via a bonding material onto each of the two copper plates 21 laminated onto the carbon plate 25. In this case, the bonding surface of the copper plate 21 becomes the main surface opposite to the carbon plate 25.

(第2の接合工程S07)
次に、接合材を介して積層した銅板21とセラミックス板26とを、積層方向に加圧するとともに加熱した後、冷却することにより、銅板21とセラミックス板26とを接合する。
ここで、加熱温度は700℃以上950℃以下の範囲内とすることが好ましい。また、加熱温度での保持時間は10分以上90分以下の範囲内とすることが好ましい。さらに、加圧圧力は0.049MPa以上1.96MPa以下の範囲内とすることが好ましい。また、接合中の雰囲気は、非酸化雰囲気とされていることが好ましい。
(Second bonding step S07)
Next, the copper plate 21 and the ceramic plate 26 laminated with the bonding material therebetween are pressed in the lamination direction and heated, and then cooled, thereby bonding the copper plate 21 and the ceramic plate 26 together.
Here, the heating temperature is preferably within a range of 700° C. to 950° C. The holding time at the heating temperature is preferably within a range of 10 minutes to 90 minutes. The applied pressure is preferably within a range of 0.049 MPa to 1.96 MPa. The atmosphere during bonding is preferably a non-oxidizing atmosphere.

この第2の接合工程S07により、銅板21とセラミックス板26との接合界面においても、セラミックス板26を構成する酸素または窒素が接合材の元素と反応し、酸化物層または窒化物層が形成される。 By this second joining process S07, the oxygen or nitrogen that constitutes the ceramic plate 26 reacts with the elements of the joining material at the joining interface between the copper plate 21 and the ceramic plate 26, forming an oxide layer or nitride layer.

セラミックス板26がAl、Zr添加Al等の酸化物を含み、銅板21とセラミックス板26との接合材がMgである場合、接合工程S04により、Mgが、セラミックス板26に含まれる酸素と反応し、銅板21とセラミックス板26との接合界面にMgO層(化合物層43)が形成される。 When the ceramic plate 26 contains oxides such as Al 2 O 3 and Zr-added Al 2 O 3 , and the bonding material between the copper plate 21 and the ceramic plate 26 is Mg, the bonding process S04 causes Mg to react with oxygen contained in the ceramic plate 26, and an MgO layer (compound layer 43) is formed at the bonding interface between the copper plate 21 and the ceramic plate 26.

セラミックス板26がAlN、Si等の窒化物を含み、銅板21とセラミックス板26との接合材がTiである場合、接合工程S04により、Tiが、セラミックス板26に含まれる窒素と反応し、銅板21とセラミックス板26との接合界面にTiN層(化合物層43)が形成される。 When the ceramic plate 26 contains a nitride such as AlN or Si3N4 , and the bonding material between the copper plate 21 and the ceramic plate 26 is Ti, the bonding step S04 causes Ti to react with the nitrogen contained in the ceramic plate 26, and a TiN layer (compound layer 43) is formed at the bonding interface between the copper plate 21 and the ceramic plate 26.

セラミックス板26がSiAlONを含み、銅板21とセラミックス板26との接合材がTiである場合、接合工程S04により、Tiが、セラミックス板26に含まれる窒素と反応し、銅板21とセラミックス板26との接合界面にTiN層(化合物層43)が形成される。 When the ceramic plate 26 contains SiAlON and the bonding material between the copper plate 21 and the ceramic plate 26 is Ti, the bonding process S04 causes Ti to react with the nitrogen contained in the ceramic plate 26, forming a TiN layer (compound layer 43) at the bonding interface between the copper plate 21 and the ceramic plate 26.

以上の工程により、本実施形態であるセラミックス/銅/グラフェン接合体(絶縁基板20)が製造されることになる。 The above steps produce the ceramic/copper/graphene bonded body (insulating substrate 20) of this embodiment.

なお、上記の実施形態では、炭素板25と銅板21とを接合した後、銅板21とセラミックス板26とを接合しているが、炭素板25と銅板21とセラミックス板26とを同時に接合してもよい。
具体的には、先ず、炭素板25の一方の面に、接合材としてTi,Zr,Nb,Hfから選択される1種又は2種以上の活性金属、及びMgを配置し、配置された活性金属及びMgの上に銅板21を積層する。更に、銅板21の上に、接合材としてTi,Zr,Nb,Hfから選択される1種又は2種以上の活性金属、及びMgを配置し、配置された活性金属及びMgの上にセラミックス板26を積層する。
炭素板25のもう一方の面に銅板21とセラミックス板26とを積層する場合は、同様の方法で炭素板25と銅板21とセラミックス板26とを積層する。
活性金属、及びMgは、スパッタ、(共)蒸着、箔材、又はペースト(活性金属及びMgの水素化物も利用できる)の塗布にて配置することができる。
In the above embodiment, the carbon plate 25 and the copper plate 21 are joined together, and then the copper plate 21 and the ceramic plate 26 are joined together. However, the carbon plate 25, the copper plate 21, and the ceramic plate 26 may be joined together at the same time.
Specifically, first, one or more active metals selected from Ti, Zr, Nb, and Hf, and Mg are placed as bonding materials on one surface of the carbon plate 25, and the copper plate 21 is laminated on the placed active metals and Mg. Furthermore, one or more active metals selected from Ti, Zr, Nb, and Hf, and Mg are placed as bonding materials on the copper plate 21, and the ceramic plate 26 is laminated on the placed active metals and Mg.
When the copper plate 21 and the ceramic plate 26 are laminated on the other surface of the carbon plate 25, the carbon plate 25, the copper plate 21 and the ceramic plate 26 are laminated in the same manner.
The active metal and Mg can be deposited by sputtering, (co)evaporation, application of a foil, or a paste (hydrides of the active metal and Mg can also be used).

次に、炭素板25と銅板21とセラミックス板26とを、積層方向に加圧するとともに加熱した後、冷却することにより、炭素板25と銅板21とセラミックス板26を接合する。
ここで、加熱温度は700℃以上950℃以下の範囲内とすることが好ましい。また、加熱温度での保持時間は10分以上180分以下の範囲内とすることが好ましい。さらに、加圧圧力は0.049MPa以上1.96MPa以下の範囲内とすることが好ましい。また、接合中の雰囲気は、非酸化雰囲気とされていることが好ましい。
Next, the carbon plate 25, the copper plate 21 and the ceramic plate 26 are pressed together in the stacking direction and heated, and then cooled, thereby bonding the carbon plate 25, the copper plate 21 and the ceramic plate 26 together.
Here, the heating temperature is preferably within a range of 700° C. to 950° C. The holding time at the heating temperature is preferably within a range of 10 minutes to 180 minutes. The applied pressure is preferably within a range of 0.049 MPa to 1.96 MPa. The atmosphere during bonding is preferably a non-oxidizing atmosphere.

以上により、本実施形態のセラミックス/銅/グラフェン接合体(絶縁基板20)によれば、銅部材(銅板21)とグラフェン含有炭素質部材(炭素板25)との接合界面において、グラフェン含有炭素質部材の接合面に活性金属炭化物層41が形成されており、銅部材の接合面側にCuの母相中にMgが固溶したMg固溶層42が形成されている。これにより、Mg固溶層42中のMgが活性金属炭化物層41中の活性金属と十分に反応し、この活性金属炭化物層41を介して、銅部材がグラフェン含有炭素質材と強固に接合されるため、冷熱サイクル負荷時において、接合界面にクラック、剥離が生じるのを抑えることができる。さらに、本実施形態のセラミックス/銅/グラフェン接合体は、その構成材料として銅を含んでいるため、過渡期において、ヒートスプレッダとして効率的に放熱を行う機能を有している。 As described above, according to the ceramic/copper/graphene bonded body (insulating substrate 20) of this embodiment, at the bonding interface between the copper member (copper plate 21) and the graphene-containing carbonaceous member (carbon plate 25), an active metal carbide layer 41 is formed on the bonding surface of the graphene-containing carbonaceous member, and an Mg solid solution layer 42 in which Mg is dissolved in the Cu matrix is formed on the bonding surface side of the copper member. As a result, Mg in the Mg solid solution layer 42 sufficiently reacts with the active metal in the active metal carbide layer 41, and the copper member is firmly bonded to the graphene-containing carbonaceous material via this active metal carbide layer 41, so that cracks and peeling can be suppressed from occurring at the bonding interface during thermal cycle loading. Furthermore, since the ceramic/copper/graphene bonded body of this embodiment contains copper as a constituent material, it has the function of efficiently dissipating heat as a heat spreader during the transition period.

また、本実施形態のセラミックス/銅/グラフェン接合体においては、導電性を有する銅部材がセラミックス部材で覆われているため、所定のデバイスに接触させた場合に、銅部材を通じて接合部分に電流が流れ込むのを抑制し、銅部材とグラフェン含有炭素質部材との接合を維持させることができる。
したがって、本実施形態のセラミックス/銅/グラフェン接合体は、冷熱サイクルに伴う接合界面での剥離の発生を抑えつつ、安定した放熱特性を維持することができ、高い信頼性を実現することができる。
Moreover, in the ceramic/copper/graphene bonded body of the present embodiment, the copper member having conductivity is covered with the ceramic member. Therefore, when the ceramic/copper/graphene bonded body is brought into contact with a predetermined device, a current is prevented from flowing into the bonded portion through the copper member, and the bond between the copper member and the graphene-containing carbonaceous member can be maintained.
Therefore, the ceramic/copper/graphene bonded body of the present embodiment can maintain stable heat dissipation characteristics while suppressing the occurrence of peeling at the bonded interface due to thermal cycles, and can achieve high reliability.

また、本実施形態のセラミックス/銅/グラフェン接合体において、Mg固溶層には、CuとMgとを含む金属間化合物からなるCu-Mg金属間化合物相が存在することが好ましい。この場合、Cu-Mg金属間化合物相が活性金属炭化物層との接合面側に分布しており、接合に大きく関与することになるため、活性金属炭化物層との接合の強度を高めることができる。 In addition, in the ceramic/copper/graphene bonded body of this embodiment, it is preferable that the Mg solid solution layer contains a Cu-Mg intermetallic compound phase consisting of an intermetallic compound containing Cu and Mg. In this case, the Cu-Mg intermetallic compound phase is distributed on the bonding surface side with the active metal carbide layer and is significantly involved in the bonding, thereby increasing the strength of the bond with the active metal carbide layer.

また、本実施形態のセラミックス/銅/グラフェン接合体において、Mg固溶層には、Cuと活性金属とを含む金属間化合物からなる第2金属間化合物相が存在することが好ましい。この場合、第2金属間化合物相が活性金属炭化物層との接合面側に分布しており、接合に大きく関与することになるため、活性金属炭化物層との接合の強度を高めることができる。 In addition, in the ceramic/copper/graphene bonded body of this embodiment, it is preferable that the Mg solid solution layer contains a second intermetallic compound phase consisting of an intermetallic compound containing Cu and an active metal. In this case, the second intermetallic compound phase is distributed on the bonding surface side with the active metal carbide layer and is significantly involved in the bonding, thereby increasing the strength of the bond with the active metal carbide layer.

また、本実施形態のセラミックス/銅/グラフェン接合体において、セラミックス部材が酸素含有セラミックスで構成されており、セラミックス部材と銅部材との接合界面においては、セラミックス部材側に酸化マグネシウム層が形成されていてもよい。この場合、酸化マグネシウム層が形成されていることにより、酸素を含有するセラミックス部材と銅部材との接合を強化することができ、冷熱サイクル負荷時において、接合界面にクラック、剥離が生じるのを抑えることができる。 In addition, in the ceramic/copper/graphene bonded body of this embodiment, the ceramic member is made of an oxygen-containing ceramic, and a magnesium oxide layer may be formed on the ceramic member side at the bonding interface between the ceramic member and the copper member. In this case, the magnesium oxide layer is formed, so that the bond between the oxygen-containing ceramic member and the copper member can be strengthened, and cracks and peeling can be suppressed at the bonding interface when subjected to a thermal cycle load.

また、本実施形態のセラミックス/銅/グラフェン接合体において、セラミックス部材が窒素含有セラミックスで構成されており、セラミックス部材と銅部材との接合界面においては、セラミックス部材側に、Ti,Zr,Nb,Hfから選択される1種又は2種以上の活性金属の窒化物を含む活性金属窒化物層が形成されていてもよい。この場合、Ti,Zr,Nb,Hfから選択される1種又は2種以上の活性金属の窒化物を含む活性金属窒化物層が形成されていることにより、窒素を含有するセラミックス部材と銅部材との接合を強化することができ、冷熱サイクル負荷時において、接合界面にクラック、剥離が生じるのを抑えることができる。 In addition, in the ceramic/copper/graphene bonded body of this embodiment, the ceramic member is made of a nitrogen-containing ceramic, and an active metal nitride layer containing one or more nitrides of active metals selected from Ti, Zr, Nb, and Hf may be formed on the ceramic member side at the bonding interface between the ceramic member and the copper member. In this case, the active metal nitride layer containing one or more nitrides of active metals selected from Ti, Zr, Nb, and Hf is formed, thereby strengthening the bond between the nitrogen-containing ceramic member and the copper member, and suppressing the occurrence of cracks and peeling at the bonding interface during thermal cycle loading.

さらに、本実施形態のセラミックス/銅/グラフェン接合体においては、グラフェン含有炭素質部材は、単層又は多層のグラフェンが堆積してなるグラフェン集合体と扁平形状の黒鉛粒子とを含み、扁平形状の前記黒鉛粒子が、そのベーサル面が折り重なるように前記グラフェン集合体をバインダーとして積層され、扁平形状の前記黒鉛粒子のベーサル面が一方向に向けて配向した構造とされていることが好ましい。この場合、グラフェン含有炭素質部材における熱伝導特性を、さらに向上させることが可能となる。 Furthermore, in the ceramic/copper/graphene bonded body of this embodiment, the graphene-containing carbonaceous member preferably includes graphene aggregates formed by the deposition of single or multiple layers of graphene and flat graphite particles, and the flat graphite particles are laminated with the graphene aggregates as a binder so that the basal surfaces of the flat graphite particles are folded over, and the basal surfaces of the flat graphite particles are preferably oriented in one direction. In this case, it is possible to further improve the thermal conductivity characteristics of the graphene-containing carbonaceous member.

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、本実施形態では、絶縁回路基板の回路層に半導体素子(パワー半導体素子)を搭載してパワーモジュールを構成するものとして説明したが、これに限定されることはない。例えば、絶縁回路基板にLED素子を搭載してLEDモジュールを構成してもよいし、絶縁回路基板の回路層に熱電素子を搭載して熱電モジュールを構成してもよい。
Although the embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to this, and can be modified as appropriate without departing from the technical concept of the invention.
For example, in the present embodiment, a power module is configured by mounting a semiconductor element (power semiconductor element) on the circuit layer of an insulating circuit board, but the present invention is not limited to this. For example, an LED module may be configured by mounting an LED element on an insulating circuit board, or a thermoelectric module may be configured by mounting a thermoelectric element on the circuit layer of an insulating circuit board.

また、本実施形態では、図1に示すように、絶縁回路基板10の絶縁層として、本実施形態である絶縁基板20を適用したものとして説明したが、これに限定されることはなく、本発明のセラミックス/銅/グラフェン接合体の使用方法に特に制限はない。 In addition, in this embodiment, as shown in FIG. 1, the insulating substrate 20 of this embodiment is described as being applied as the insulating layer of the insulating circuit board 10, but this is not limited thereto, and there is no particular restriction on the method of using the ceramic/copper/graphene bonded body of the present invention.

本発明の有効性を確認するために行った確認実験(本発明例1~8、11~19、比較例1~3)について説明する。 The following describes the confirmation experiments conducted to confirm the effectiveness of the present invention (Invention Examples 1-8, 11-19, and Comparative Examples 1-3).

本実施形態で開示したように、扁平形状の黒鉛粒子とグラフェン集合体を所定の配合比で配合して混合し、加圧加熱して成形することにより、扁平形状の黒鉛粒子が、そのベーサル面が折り重なるようにグラフェン集合体をバインダーとして積層された構造の成形体を得た。得られた成形体を切り出して、炭素板(40mm×40mm×厚さ1.0mm)を得た。 As disclosed in this embodiment, flat graphite particles and graphene aggregates were mixed in a predetermined ratio and molded under pressure and heat to obtain a molded body in which flat graphite particles were laminated with the graphene aggregates as a binder so that their basal surfaces were folded over. The obtained molded body was cut out to obtain a carbon plate (40 mm x 40 mm x 1.0 mm thick).

この炭素板の一方の面に、表1、2に示すMg量及び活性金属量にてMgおよび活性金属を配置し、配置されたMgおよび活性金属の上に銅板(37mm×37mm×厚さ0.3mm)を積層し、さらに銅板の上に表1,2に示すMg量及び活性金属量にてMgおよび活性金属を配置し、配置されたMgおよび活性金属の上にセラミックス板(窒化ケイ素製、37mm×37mm×厚さ0.3mm)を積層し、表1、2に示す条件で、炭素板と銅板とセラミックス板とを接合した。
炭素板の一方の面に配置するMg量及び活性金属量と、銅板の上に配置するMg量及び活性金属量とは同じとした。
なお、Mgおよび活性金属は共蒸着を用いて配置した。
ここで、炭素板と銅板との接合界面を観察し、活性金属炭化物層の有無、Cu-Mg金属間化合物相の有無、活性金属化合物相の有無、Mg固溶層の有無を確認した。
Mg and active metal were placed on one side of this carbon plate in the amounts of Mg and active metal shown in Tables 1 and 2, a copper plate (37 mm x 37 mm x 0.3 mm thick) was laminated on the placed Mg and active metal, Mg and active metal were further placed on the copper plate in the amounts of Mg and active metal shown in Tables 1 and 2, and a ceramic plate (made of silicon nitride, 37 mm x 37 mm x 0.3 mm thick) was laminated on the placed Mg and active metal, and the carbon plate, copper plate, and ceramic plate were joined under the conditions shown in Tables 1 and 2.
The amount of Mg and the amount of active metal placed on one surface of the carbon plate were the same as the amount of Mg and the amount of active metal placed on the copper plate.
Note that Mg and the active metal were deposited by co-evaporation.
Here, the bonded interface between the carbon plate and the copper plate was observed to confirm the presence or absence of an active metal carbide layer, a Cu-Mg intermetallic compound phase, an active metal compound phase, and an Mg solid solution layer.

(活性金属炭化物層の有無)
得られた接合体の積層方向に沿った断面において、銅板と炭素板との接合界面を、走査型透過電子顕微鏡(FEI社製Titan ChemiSTEM(EDS検出器付き))を用いて、倍率20000倍から120000倍、加速電圧200kVの条件で観察を行った。エネルギー分散型X線分析法(サーモサイエンティフィック社製NSS7)を用いてマッピングを行い、活性金属とCが重なる領域において、1nm程度に絞った電子ビームを照射すること(NBD(ナノビーム回折)法)で電子回折図形を得て、この電子回折図形が活性金属とCの金属間化合物であった場合に活性金属炭化物層を「有」とした。
(Presence or absence of active metal carbide layer)
In the cross section along the lamination direction of the obtained bonded body, the bonding interface between the copper plate and the carbon plate was observed using a scanning transmission electron microscope (Titan ChemiSTEM (with EDS detector) manufactured by FEI) at a magnification of 20,000 to 120,000 times and an acceleration voltage of 200 kV. Mapping was performed using an energy dispersive X-ray analysis method (NSS7 manufactured by Thermo Scientific), and an electron diffraction pattern was obtained by irradiating an electron beam narrowed to about 1 nm in the area where the active metal and C overlap (NBD (nanobeam diffraction) method). If this electron diffraction pattern was an intermetallic compound of the active metal and C, the active metal carbide layer was determined to be "present".

(Cu-Mg金属間化合物相の有無)
得られた接合体の積層方向に沿った断面において、銅板と炭素板との接合界面を、電子線マイクロアナライザー(日本電子株式会社製JXA-8539F)を用いて、倍率2000倍、加速電圧15kVの条件で観察し、接合界面を含む領域(400μm×600μm)(以下、観察領域という)のMgの元素MAPを取得した。Mgの存在が確認された領域内での定量分析の5点平均で、Cu濃度が5原子%以上、かつ、Mg濃度が30原子以上70原子%以下を満たした領域をCu-Mg金属間化合物相として、Cu-Mg金属間化合物相の有無を確認した。なおここでの濃度はCuとMgの合計量を100原子%とした時の濃度である。
また、本発明例11~19の接合体では、観察領域における、活性金属炭化層とMg固溶層の境界から銅部材側に向かって距離50μmの範囲内の領域の面積をAとし、観察領域における、活性金属炭化層とMg固溶層の境界から銅部材側に向かって距離50μmの範囲内の領域におけるCu-Mg金属間化合物相の面積をBとしたときの比B/Aを測定した。
(Presence or absence of Cu-Mg intermetallic compound phase)
In the cross section along the lamination direction of the obtained bonded body, the bonding interface between the copper plate and the carbon plate was observed using an electron beam microanalyzer (JXA-8539F manufactured by JEOL Ltd.) at a magnification of 2000 times and an acceleration voltage of 15 kV, and an elemental map of Mg was obtained in the region (400 μm × 600 μm) (hereinafter referred to as the observation region) including the bonding interface. The presence or absence of the Cu-Mg intermetallic compound phase was confirmed by determining the region where the Cu concentration was 5 atomic % or more and the Mg concentration was 30 atomic % or more and 70 atomic % or less in the average of five points of quantitative analysis in the region where the presence of Mg was confirmed. Note that the concentration here is the concentration when the total amount of Cu and Mg is 100 atomic %.
In addition, for the joints of Inventive Examples 11 to 19, the ratio B/A was measured, where A is the area of a region in the observation region within a distance of 50 μm from the boundary between the active metal carbide layer and the Mg solid solution layer toward the copper member side, and B is the area of the Cu-Mg intermetallic compound phase in a region in the observation region within a distance of 50 μm from the boundary between the active metal carbide layer and the Mg solid solution layer toward the copper member side.

(活性金属化合物相の有無)
銅板とセラミックス基板との接合界面を、電子線マイクロアナライザー(日本電子株式会社製JXA-8539F)を用いて、倍率2000倍、加速電圧15kVの条件で観察し、接合界面を含む領域(400μm×600μm)の活性金属の元素MAPを取得した。活性金属の存在が確認された領域内での定量分析の5点平均で、Cu濃度が5原子%以上、かつ、活性金属濃度が16原子以上70原子%以下を満たした領域をCu-活性金属間化合物相として、活性金属化合物相の有無を確認し、第2金属間化合物相の有無として示した。なおここでの濃度はCuと活性金属の合計量を100原子%とした時の濃度である。
(Presence or absence of active metal compound phase)
The bonding interface between the copper plate and the ceramic substrate was observed using an electron beam microanalyzer (JXA-8539F manufactured by JEOL Ltd.) at a magnification of 2000 times and an acceleration voltage of 15 kV, and an elemental map of the active metal in the region (400 μm × 600 μm) including the bonding interface was obtained. In the region where the presence of the active metal was confirmed, the region where the Cu concentration was 5 atomic % or more and the active metal concentration was 16 atomic % or more and 70 atomic % or less was regarded as a Cu-active intermetallic compound phase, and the presence or absence of the active metal compound phase was confirmed and indicated as the presence or absence of the second intermetallic compound phase. Note that the concentration here is the concentration when the total amount of Cu and the active metal is 100 atomic %.

(Mg固溶相の有無)
銅板とセラミックス基板との接合界面を含む領域(400μm×600μm)を、電子線マイクロアナライザー(日本電子株式会社製JXA-8539F)を用いて、倍率2000倍、加速電圧15kVの条件で観察した。セラミックス基板表面から銅板側に向かって10μm間隔で、銅板の厚さに応じて10点以上20点以下の範囲で定量分析を行い、Mg濃度が0.01原子%以上6.9原子%以下である領域をMg固溶相として、Mg固溶相の有無を確認した。
(Presence or absence of Mg solid solution phase)
The region (400 μm×600 μm) including the bonding interface between the copper plate and the ceramic substrate was observed with an electron beam microanalyzer (JXA-8539F manufactured by JEOL Ltd.) at a magnification of 2000 times and an acceleration voltage of 15 kV. Quantitative analysis was performed at 10 μm intervals from the surface of the ceramic substrate toward the copper plate side, in a range of 10 to 20 points depending on the thickness of the copper plate, and the presence or absence of the Mg solid solution phase was confirmed by defining the region with a Mg concentration of 0.01 atomic % to 6.9 atomic % as the Mg solid solution phase.

そして、得られた本発明例1~8、比較例1~3の接合体に対して、-40℃×5分⇔150℃×5分の冷熱サイクルを2000サイクル負荷した。
また、得られた本発明例11~19の接合体に対して、真空雰囲気で、400℃、30分の加熱と室温(25℃)までの冷却を10回繰り返す加熱試験を行った。
その後、これらの接合体に対し、超音波探傷装置(株式会社日立パワーソリューションズ製FineSAT200)を用いて、炭素板と銅板との初期接合面積、非接合面積を測定し、以下の式から炭素板と銅板との界面の接合率を算出した。
(接合率)=[{(初期接合面積)-(非接合部面積)}/(初期接合面積)]×100
ここでの初期接合面積は、本来接合されるべき部分の面積を意味している。また、非接合面積は、接合されるべき部分のうち、実際には接合されていない部分、すなわち、剥離している部分の面積を意味している。超音波探傷像を二値化処理した画像において、剥離は接合部内の白色部で示されることから、この白色部の面積を非接合面積(剥離面積)とした。
The resulting joined bodies of Examples 1 to 8 of the present invention and Comparative Examples 1 to 3 were subjected to 2000 cycles of thermal cycling of -40°C for 5 minutes and 150°C for 5 minutes.
Further, a heating test was carried out on the obtained bonded bodies of Examples 11 to 19 of the present invention in a vacuum atmosphere, in which a cycle of heating at 400° C. for 30 minutes and cooling to room temperature (25° C.) was repeated 10 times.
Thereafter, the initial bonded area and non-bonded area between the carbon plate and the copper plate were measured for these bonded bodies using an ultrasonic flaw detector (FineSAT200 manufactured by Hitachi Power Solutions Co., Ltd.), and the bonding rate of the interface between the carbon plate and the copper plate was calculated using the following formula.
(Bonding rate) = [{(Initial bonding area) - (Non-bonding area)}/(Initial bonding area)] x 100
The initial bonded area here means the area of the parts that should be bonded. The non-bonded area means the part that should be bonded but is not actually bonded, that is, the area of the peeled part. In the image obtained by binarizing the ultrasonic inspection image, the peeling is shown as a white part in the bonded part, so the area of this white part was taken as the non-bonded area (peeled area).

Figure 0007552282000001
Figure 0007552282000001

Figure 0007552282000002
Figure 0007552282000002

比較例1では、Mgが少ないため、界面に生じる液相が少なく、活性金属炭化物層の生成が十分に起きなかった。比較例2では、活性金属量が少ないため、活性金属炭化物層の生成が十分に起きなかった。比較例3では、Mgが少ないため、界面に生じる液相が少なく、さらに、活性金属量が少ないために、活性金属炭化物層の生成が十分に起きなかった。
そのため、銅板と炭素板との接合率は、初期の段階で55%に満たない低い値を示しており、冷熱サイクル負荷後には、0~2%程度となり、接合がほぼ完全に解消されていることが分かる。
In Comparative Example 1, the amount of Mg was small, so that the liquid phase generated at the interface was small, and the active metal carbide layer was not sufficiently generated. In Comparative Example 2, the amount of active metal was small, so that the active metal carbide layer was not sufficiently generated. In Comparative Example 3, the amount of Mg was small, so that the liquid phase generated at the interface was small, and further, the amount of active metal was small, so that the active metal carbide layer was not sufficiently generated.
Therefore, the bonding rate between the copper plate and the carbon plate shows a low value of less than 55% in the initial stage, and after the thermal cycle load, it becomes about 0 to 2%, and it is found that the bonding is almost completely eliminated.

これに対し、本発明例1~8、11~19のセラミックス/銅/グラフェン接合体は、接合部分に活性金属炭化物層とMg固溶層が設けられているため、銅板と炭素板との接合率は、95%を超える高い値を示しており、比較例1~3と同様の冷熱サイクル負荷または加熱試験を行っても90%を下回らないことが分かる。これらの結果から、本発明例1~8、11~19のセラミックス/銅/グラフェン接合体は、冷却サイクル負荷時の剥離を抑える上で、十分な強度を有しており、高い信頼性を実現していることが分かる。 In contrast, the ceramic/copper/graphene joints of Examples 1 to 8 and 11 to 19 of the present invention have an active metal carbide layer and an Mg solid solution layer at the joint, so the bonding rate between the copper plate and the carbon plate is high and exceeds 95%, and it is found that even when subjected to a thermal cycle load or heating test similar to those of Comparative Examples 1 to 3, the bonding rate does not fall below 90%. These results show that the ceramic/copper/graphene joints of Examples 1 to 8 and 11 to 19 of the present invention have sufficient strength to suppress peeling during a cooling cycle load, and achieve high reliability.

20 絶縁基板(セラミックス/銅/グラフェン接合体)
21 銅板(銅部材)
25 炭素板(グラフェン含有炭素質部材)
26 セラミックス板(セラミックス部材)
40 接合界面
40a 境界面
41 活性金属炭化物層
42 Mg固溶層
43 化合物層
20 Insulating substrate (ceramics/copper/graphene composite)
21 Copper plate (copper material)
25 Carbon plate (graphene-containing carbonaceous material)
26 Ceramic plate (ceramic member)
40 Bonding interface 40a Boundary surface 41 Active metal carbide layer 42 Mg solid solution layer 43 Compound layer

Claims (12)

セラミックス部材と、銅又は銅合金からなる銅部材と、グラフェン集合体を含有するグラフェン含有炭素質部材と、が接合された構造のセラミックス/銅/グラフェン接合体であって、
前記銅部材と前記グラフェン含有炭素質部材との接合界面においては、前記グラフェン含有炭素質部材側に、Ti,Zr,Nb,Hfから選択される1種又は2種以上の活性金属の炭化物を含む活性金属炭化物層が形成されており、
この活性金属炭化物層と前記銅部材との間に、Cuの母相中にMgが固溶したMg固溶層が形成されていることを特徴とするセラミックス/銅/グラフェン接合体。
A ceramic/copper/graphene bonded body having a structure in which a ceramic member, a copper member made of copper or a copper alloy, and a graphene-containing carbonaceous member containing graphene aggregates are bonded to each other,
at a joining interface between the copper member and the graphene-containing carbonaceous member, an active metal carbide layer containing a carbide of one or more active metals selected from Ti, Zr, Nb, and Hf is formed on the graphene-containing carbonaceous member side,
A ceramic/copper/graphene joint, characterized in that an Mg solid solution layer, in which Mg is dissolved in a Cu matrix, is formed between the active metal carbide layer and the copper member.
前記Mg固溶層には、CuとMgとを含む金属間化合物からなるCu-Mg金属間化合物相が存在することを特徴とする請求項1に記載のセラミックス/銅/グラフェン接合体。 The ceramic/copper/graphene joint described in claim 1, characterized in that the Mg solid solution layer contains a Cu-Mg intermetallic compound phase consisting of an intermetallic compound containing Cu and Mg. 前記Mg固溶層の内、前記活性金属炭化層と前記Mg固溶層の境界から銅部材側に向かって距離50μmの範囲内の領域の面積をAとし、前記Cu-Mg金属間化合物相の面積をBとしたとき、比B/Aが、0.3以下であることを特徴とする請求項2に記載のセラミックス/銅/グラフェン接合体。 3. The ceramic/copper/graphene joint according to claim 2, wherein, when an area of a region in the Mg solid solution layer within a distance of 50 μm from a boundary between the active metal carbide layer and the Mg solid solution layer toward the copper member is defined as A and an area of the Cu-Mg intermetallic compound phase is defined as B, a ratio B/A is 0.3 or less. 前記Mg固溶層には、Cuと前記活性金属とを含む金属間化合物からなる第2金属間化合物相が存在することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のセラミックス/銅/グラフェン接合体。 The ceramic/copper/graphene joint according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the Mg solid solution layer contains a second intermetallic compound phase consisting of an intermetallic compound containing Cu and the active metal. 前記セラミックス部材が酸素含有セラミックスで構成されており、前記セラミックス部材と前記銅部材との接合界面においては、前記セラミックス部材側に酸化マグネシウム層が形成されていることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載のセラミックス/銅/グラフェン接合体。 The ceramic/copper/graphene bonded body according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the ceramic member is made of an oxygen-containing ceramic, and a magnesium oxide layer is formed on the ceramic member side at the bonding interface between the ceramic member and the copper member. 前記セラミックス部材が窒素含有セラミックスで構成されており、前記セラミックス部材と前記銅部材との接合界面においては、前記セラミックス部材側に、Ti,Zr,Nb,Hfから選択される1種又は2種以上の活性金属の窒化物を含む活性金属窒化物層が形成されていることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載のセラミックス/銅/グラフェン接合体。 The ceramic/copper/graphene bonded body according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the ceramic member is made of a nitrogen-containing ceramic, and an active metal nitride layer containing nitrides of one or more active metals selected from Ti, Zr, Nb, and Hf is formed on the ceramic member side at the bonding interface between the ceramic member and the copper member. 前記グラフェン含有炭素質部材は、単層又は多層のグラフェンが堆積してなるグラフェン集合体と扁平形状の黒鉛粒子とを含み、扁平形状の前記黒鉛粒子が、そのベーサル面が折り重なるように前記グラフェン集合体をバインダーとして積層され、扁平形状の前記黒鉛粒子のベーサル面が一方向に向けて配向した構造とされていることを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか一項に記載のセラミックス/銅/グラフェン接合体。 The graphene-containing carbonaceous member according to any one of claims 1 to 6, characterized in that it includes graphene aggregates formed by the deposition of single or multiple layers of graphene and flat graphite particles, the flat graphite particles are stacked with the graphene aggregates as a binder so that the basal surfaces of the flat graphite particles are folded over, and the basal surfaces of the flat graphite particles are oriented in one direction. 請求項1から請求項7のいずれか一項に記載のセラミックス/銅/グラフェン接合体を製造するセラミックス/銅/グラフェン接合体の製造方法であって、前記銅部材と前記グラフェン含有炭素質部材とを接合する銅/グラフェン接合工程と、前記銅部材と前記セラミックス部材とを接合する銅/セラミックス接合工程と、を有し、
前記銅/グラフェン接合工程は、前記銅部材と前記グラフェン含有炭素質部材との間に、Ti,Zr,Nb,Hfから選択される1種又は2種以上の活性金属及びMgを配置する活性金属及びMg配置工程と、前記銅部材と前記グラフェン含有炭素質部材とを、活性金属及びMgを介して積層する積層工程と、活性金属及びMgを介して積層された前記銅部材と前記グラフェン含有炭素質部材とを積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下において加熱処理して接合する接合工程と、を備えており、
前記活性金属及びMg配置工程では、活性金属量を0.4μmol/cm以上、Mg量を14μmol/cm以上とすることを特徴とするセラミックス/銅/グラフェン接合体の製造方法。
8. A method for producing a ceramic/copper/graphene bonded body according to claim 1, comprising: a copper/graphene bonding step of bonding the copper member and the graphene-containing carbonaceous member; and a copper/ceramic bonding step of bonding the copper member and the ceramic member,
The copper/graphene bonding step includes an active metal and Mg arranging step of arranging one or more active metals selected from Ti, Zr, Nb, and Hf, and Mg, between the copper member and the graphene-containing carbonaceous member; a lamination step of laminating the copper member and the graphene-containing carbonaceous member with the active metal and Mg interposed therebetween; and a bonding step of bonding the copper member and the graphene-containing carbonaceous member laminated with the active metal and Mg interposed therebetween by heat treatment in a vacuum atmosphere while applying pressure in a lamination direction,
The method for producing a ceramic/copper/graphene bonded body, wherein in the active metal and Mg arranging step, the amount of active metal is 0.4 μmol/cm2 or more , and the amount of Mg is 14 μmol/cm2 or more .
前記接合工程における加圧荷重が0.049MPa以上1.96MPa以下の範囲内とされ、
前記接合工程における加熱温度が、700℃以上950℃以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項8に記載のセラミックス/銅/グラフェン接合体の製造方法。
The pressure load in the joining step is in the range of 0.049 MPa or more and 1.96 MPa or less,
9. The method for producing a ceramic/copper/graphene bonded body according to claim 8, wherein a heating temperature in the bonding step is within a range of 700° C. or more and 950° C. or less.
前記銅/セラミックス接合工程では、前記銅部材と前記セラミックス部材との間に、Ti,Zr,Nb,Hfから選択される1種又は2種以上の活性金属及びMgを配置し、活性金属及びMgを介して積層された前記銅部材と前記グラフェン含有炭素質部材とを積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下において加熱処理して接合することを特徴とする請求項8又は請求項9に記載のセラミックス/銅/グラフェン接合体の製造方法。 The method for producing a ceramic/copper/graphene bonded body according to claim 8 or 9, characterized in that in the copper/ceramic bonding process, one or more active metals selected from Ti, Zr, Nb, and Hf and Mg are placed between the copper member and the ceramic member, and the copper member and the graphene-containing carbonaceous member laminated via the active metal and Mg are bonded by heat treatment in a vacuum atmosphere while being pressurized in the lamination direction. 前記銅/セラミックス接合工程では、前記銅部材と前記セラミックス部材との間に、Mgを配置し、Mgを介して積層された前記銅部材と前記グラフェン含有炭素質部材とを積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下において加熱処理して接合することを特徴とする請求項8又は請求項9に記載のセラミックス/銅/グラフェン接合体の製造方法。 The method for producing a ceramic/copper/graphene bonded body according to claim 8 or 9, characterized in that in the copper/ceramic bonding process, Mg is placed between the copper member and the ceramic member, and the copper member and the graphene-containing carbonaceous member laminated via the Mg are bonded by heat treatment in a vacuum atmosphere while being pressurized in the lamination direction. セラミックス部材と、銅又は銅合金からなる銅部材と、グラフェン集合体を含有するグラフェン含有炭素質部材と、が接合された構造のセラミックス/銅/グラフェン接合構造であって、
前記銅部材と前記グラフェン含有炭素質部材との接合界面においては、前記グラフェン含有炭素質部材側に、Ti,Zr,Nb,Hfから選択される1種又は2種以上の活性金属の炭化物を含む活性金属炭化物層が形成されており、
この活性金属炭化物層と前記銅部材との間に、Cuの母相中にMgが固溶したMg固溶層が形成されていることを特徴とするセラミックス/銅/グラフェン接合構造。
A ceramic/copper/graphene bonding structure in which a ceramic member, a copper member made of copper or a copper alloy, and a graphene-containing carbonaceous member containing graphene aggregates are bonded to each other,
at a joining interface between the copper member and the graphene-containing carbonaceous member, an active metal carbide layer containing a carbide of one or more active metals selected from Ti, Zr, Nb, and Hf is formed on the graphene-containing carbonaceous member side,
A ceramic/copper/graphene bonding structure, characterized in that an Mg solid solution layer, in which Mg is dissolved in a Cu matrix, is formed between the active metal carbide layer and the copper member.
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