JP7563124B2 - Graphene Joints - Google Patents
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Description
この発明は、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被接合部材とが接合された構造のグラフェン接合体に関するものである。 This invention relates to a graphene joint having a structure in which a graphene-containing carbonaceous member containing graphene aggregates is joined to a member to be joined.
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 member that contains graphene aggregates has excellent thermal conductivity and is therefore particularly suitable as a member that constitutes a heat dissipation member or a heat conduction member.
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.
また、グラフェン含有炭素質部材の表面に金属層を形成することにより、熱伝導板として使用することが可能となる。なお、この熱伝導板は、例えば、パワーモジュール及びLEDモジュール等のように、発熱体(パワー半導体素子及びLED素子)を搭載する各種装置において、これらの発熱体(素子、及び、素子を搭載した基板等)とヒートシンクとの間に配設される。 In addition, by forming a metal layer on the surface of the graphene-containing carbonaceous material, it becomes possible to use it as a heat-conducting plate. This heat-conducting plate is disposed between the heat-generating element (the element, the substrate on which the element is mounted, etc.) and the heat sink in various devices equipped with the heat-generating element (power semiconductor element and LED element), such as a power module and an LED module.
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(金属又はセラミックス)と、を有し、この中間部材(金属又はセラミックス)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 (metal or ceramic) joined to an end face of the structure in a second direction intersecting the first direction, and the intermediate member (metal or ceramic) is pressure-bonded to the end face via an insert material containing at least titanium.
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、金属又はセラミックスからなる中間部材とグラフェンの構造体を、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、金属又はセラミックスからなる中間部材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 intermediate member made of a metal or ceramic and the graphene structure are joined via an insert material containing titanium. However, depending on the joining conditions, the intermediate member made of a metal or ceramic and the graphene structure may not be firmly joined, and peeling may occur when subjected to severe thermal cycles.
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、被接合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、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グラフェン接合体を提供することを目的とする。 This invention has been made in consideration of the above-mentioned circumstances, and aims to provide a graphene joint in which a joined material and a graphene-containing carbonaceous member containing graphene aggregates are firmly joined, and peeling does not occur even when subjected to a thermal cycle load, resulting in excellent thermal cycle reliability.
このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明のグラフェン接合体は、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被接合部材とが接合された構造のグラフェン接合体であって、前記グラフェン含有炭素質部材と前記被接合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の接合面に、活性金属化合物層が形成されるとともに、前記グラフェン含有炭素質部材側に、Sn濃度が1mass%以上であるSn濃化層が形成されており、前記活性金属化合物層の厚さが0.05μm以上3μm以下の範囲内であることを特徴としている。 In order to solve these problems and achieve the above-mentioned object, the graphene conjugate of the present invention is a graphene conjugate having a structure in which a graphene-containing carbonaceous member containing graphene aggregates is bonded to a member to be joined, and is characterized in that at the bonding interface between the graphene-containing carbonaceous member and the member to be joined, an active metal compound layer is formed on the bonding surface of the graphene-containing carbonaceous member, and an Sn-enriched layer having an Sn concentration of 1 mass% or more is formed on the graphene-containing carbonaceous member side, and the thickness of the active metal compound layer is within the range of 0.05 μm to 3 μm.
この構成の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と前記被接合部材との接合界面において、前記グラフェン含有炭素質部材の接合面に、活性金属酸化物及び活性金属炭化物の1種又は2種を含む活性金属化合物層が形成されているので、活性金属によってグラフェン含有炭素質部材の接合面が十分に反応しており、グラフェン含有炭素部材と被接合部材とを強固に接合することができる。
そして、前記グラフェン含有炭素質部材と前記被接合部材との接合界面において、前記グラフェン含有炭素質部材側に、Sn濃度が1mass%以上とされたSn濃化層が形成されているので、冷熱サイクル負荷時に前記グラフェン含有炭素質部材と前記被接合部材とが剥離することを抑制でき、冷熱サイクル信頼性を向上させることができる。
また、Snを含む接合材を用いることになるので、比較的低温条件で、前記グラフェン含有炭素質部材と前記被接合部材とを強固に接合することが可能となる。
さらに、前記活性金属化合物層の厚さが0.05μm以上とされているので、前記グラフェン含有炭素質部材と前記被接合部材とをさらに強固に接合することが可能となる。一方、前記活性金属化合物層の厚さが3μm以下に制限されているので、冷熱サイクル負荷時に活性金属化合物層におけるクラックの発生を抑制することができる。
In the graphene conjugated body having this configuration, at the joining interface between the graphene-containing carbonaceous member and the joined member, an active metal compound layer containing one or both of an active metal oxide and an active metal carbide is formed on the joining surface of the graphene-containing carbonaceous member. Therefore, the joining surface of the graphene-containing carbonaceous member is sufficiently reacted with the active metal, and the graphene-containing carbon member and the joined member can be firmly joined together.
Furthermore, at the joining interface between the graphene-containing carbonaceous member and the joined member, an Sn-concentrated layer having an Sn concentration of 1 mass % or more is formed on the graphene-containing carbonaceous member side. This makes it possible to suppress peeling between the graphene-containing carbonaceous member and the joined member when subjected to a thermal cycle load, thereby improving thermal cycle reliability.
In addition, since a joining material containing Sn is used, it becomes possible to firmly join the graphene-containing carbonaceous member and the joined member under a relatively low temperature condition.
Furthermore, since the thickness of the active metal compound layer is set to be 0.05 μm or more, the graphene-containing carbonaceous member and the joined member can be joined more firmly. Meanwhile, since the thickness of the active metal compound layer is limited to be 3 μm or less, the occurrence of cracks in the active metal compound layer during thermal cycle loading can be suppressed.
ここで、本発明のグラフェン接合体においては、前記Sn濃化層の厚さが0.2μm以上10μm以下の範囲内であることが好ましい。
この場合、前記Sn濃化層の厚さが0.2μm以上とされているので、冷熱サイクル信頼性をさらに向上させることができる。一方、前記Sn濃化層の厚さが10μm以下に制限されているので、冷熱サイクル負荷時にSn濃化層におけるクラックの発生を抑制することができる。
In the graphene joined body of the present invention, the Sn-enriched layer preferably has a thickness in the range of 0.2 μm to 10 μm.
In this case, since the thickness of the Sn-enriched layer is set to 0.2 μm or more, the thermal cycle reliability can be further improved, while since the thickness of the Sn-enriched layer is limited to 10 μm or less, the occurrence of cracks in the Sn-enriched layer during thermal cycle loading can be suppressed.
さらに、本発明の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前記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を有することが好ましい。
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 graphene conjugate of the present invention, it is preferable that the graphene-containing carbonaceous member includes the graphene aggregates formed by depositing 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 their basal surfaces are folded over, and the flat graphite particles have a structure in which the basal surfaces are oriented in one direction.
In this case, it is possible to further improve the thermal conductivity characteristics of the graphene-containing carbonaceous member.
また、本発明のグラフェン接合体においては、前記被接合部材がセラミックスからなるセラミックス部材であってもよい。
この場合、被接合部材が絶縁性に優れたセラミックスで構成されているので、絶縁基板として使用することが可能となる。
In the graphene joined body of the present invention, the joined members may be ceramic members made of ceramics.
In this case, since the member to be joined is made of ceramics having excellent insulating properties, it can be used as an insulating substrate.
さらに、本発明のグラフェン接合体においては、前記被接合部材が金属からなる金属部材であってもよい。
この場合、被接合部材が熱伝導性に優れた金属で構成されているので、熱伝導板として使用することが可能となる。
Furthermore, in the graphene joined body of the present invention, the joined members may be metal members made of metal.
In this case, since the members to be joined are made of a metal having excellent thermal conductivity, they can be used as a heat conductive plate.
本発明によれば、被接合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、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グラフェン接合体を提供することが可能となる。 According to the present invention, the material to be joined and the graphene-containing carbonaceous member containing graphene aggregates are firmly joined, and no peeling occurs even when subjected to thermal cycles, making it possible to provide a graphene joint with excellent thermal cycle reliability.
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.
<第一の実施形態>
まず、図1から図5を参照して本発明の第一の実施形態であるグラフェン接合体について説明する。
本実施形態におけるグラフェン接合体は、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に、被接合部材として金属板を接合した構造の熱伝導板20とされている。
First Embodiment
First, a graphene composite according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 5. FIG.
The graphene composite in the present embodiment is a heat
まず、本実施形態であるグラフェン接合体(熱伝導板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)に配設された熱伝導板20と、この熱伝導板20の他方の面側に配設されたヒートシンク30とを備えている。
First, a power module using a graphene joint body (thermal conductive plate 20) according to the present embodiment will be described.
A power module 1 shown in FIG. 1 includes an
絶縁回路基板10は、絶縁層11と、この絶縁層11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11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11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、本実施形態では、絶縁性の高い窒化アルミニウム(AlN)、酸化アルミニウム(Al2O3)、窒化ケイ素(Si3N4)等のセラミックスで構成されている。なお、絶縁層11の厚さは、0.2~1.5mmの範囲内に設定されており、本実施形態では、0.635mmに設定されている。
The
The insulating layer 11 prevents electrical connection between the
回路層12は、絶縁層11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)と絶縁層11との接合方法は、特に制限はなく、活性金属ろう材等を用いて接合することができる。
The
The thickness of the metal plate (copper plate) that becomes the
The method for joining the metal plate (copper plate) that will become the
金属層13は、絶縁層11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)と絶縁層11との接合方法は、特に制限はなく、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 11. 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.
The method for joining the metal plate (copper plate) that will become the metal layer 13 to the insulating layer 11 is not particularly limited, and they can be joined using an active metal brazing material or the like.
ヒートシンク30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)を流通するための流路31が複数設けられた構造をなしている。
このヒートシンク30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、無酸素銅で構成されている。
The
The
半導体素子3は、例えばSiやSiC等の半導体材料で構成されている。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
そして、絶縁回路基板10とヒートシンク30との間に、本実施形態であるグラフェン接合体(熱伝導板20)が介在している。
なお、後述するように、熱伝導板20の両主面の最表層は、無酸素銅で構成されており、銅からなる絶縁回路基板10の金属層13及び銅からなるヒートシンク30とは、例えばSn-Ag系、Sn-In系、若しくはSn-Ag-Cu系のはんだ材を介して接合されている。
The graphene bonded body (thermal conductive plate 20 ) of this embodiment is interposed between the insulating
As described later, the outermost layers of both main surfaces of the thermally
本実施形態である熱伝導板20は、図2に示すように、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21と、この炭素板21の両主面に接合された金属部材層25と、を備えている。
As shown in FIG. 2, the heat
炭素板21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。
The graphene-containing carbonaceous material constituting the
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、黒鉛粒子の厚みは、ベーサル面から見た粒径の1/1000~1/2の範囲内であることが好ましい。黒鉛粒子の厚みを上記の範囲内とすることで、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.
The thickness of the graphite particles is preferably within a range of 1/1000 to 1/2 of the particle diameter as viewed from the basal plane. By setting the thickness of the graphite particles within the above range, 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。
炭素板21の厚さとしては、0.3mm以上3mmの範囲内であることが好ましい。
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.
The thickness of the
金属部材層25は、炭素板21の主面に、金属板が接合されることによって形成されている。
金属部材層25を構成する金属板は、熱伝導性に優れた金属で構成されていることが好ましく、本実施形態の金属板は、銅又は銅合金で構成されており、さらに具体的には、無酸素銅の圧延板とされている。
この金属部材層25の厚さ(金属板の厚さ)の下限は50μm以上であることが好ましく、100μm以上であることがさらに好ましい。一方、金属部材層25の厚さ(金属板の厚さ)の上限は5000μm以下であることが好ましく、3000μm以下であることがさらに好ましい。
The
The metal plate constituting the
The lower limit of the thickness of the metal member layer 25 (thickness of the metal plate) is preferably 50 μm or more, and more preferably 100 μm or more, whereas the upper limit of the thickness of the metal member layer 25 (thickness of the metal plate) is preferably 5000 μm or less, and more preferably 3000 μm or less.
ここで、図3に、グラフェン含有炭素質部材からなる炭素板21と金属部材層25との接合界面の観察写真を、図4に、グラフェン含有炭素質部材からなる炭素板21と金属部材層25との接合界面の元素マッピング図を示す。
図3において、上方の黒色部が炭素板21(グラフェン含有炭素質部材)であり、その下方に位置する灰色部が金属部材層25(被接合部材)である。
FIG. 3 shows an observation photograph of the bonding interface between the
In FIG. 3, the upper black portion is the carbon plate 21 (graphene-containing carbonaceous member), and the gray portion located below it is the metal member layer 25 (member to be joined).
図3及び図4(a)~図4(d)に示すように、グラフェン含有炭素質部材からなる炭素板21と金属部材層25との接合界面40においては、炭素板21の接合面に、活性金属酸化物及び活性金属炭化物の1種又は2種を含む活性金属化合物層41が形成されている。図4(a)において、活性金属(Ti)が存在している領域が活性金属化合物層41である。
また、接合界面40のうち炭素板21側に、Sn濃度が1mass%以上とされたSn濃化層42が形成されている。図4(b)において、Snが濃化している領域がSn濃化層42である。
さらに、接合界面40のうち金属部材層25側には、AgとCuを含有する合金層43が形成されている。図4(c),図4(d)において、AgとCuが共存している領域が合金層43である。
3 and 4(a) to 4(d), at a bonding interface 40 between a
In addition, a Sn-concentrated layer 42 having a Sn concentration of 1 mass % or more is formed on the
Furthermore, an alloy layer 43 containing Ag and Cu is formed on the
活性金属化合物層41は、接合時において炭素板21と金属板の間に介在される接合材に含まれる活性金属が酸素及び炭素と反応することで形成されるものである。
活性金属化合物層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、活性金属はTiとされており、活性金属化合物層41は、チタン酸化物(Ti-O)及びチタン炭化物(Ti-C)の1種又は2種を含むものとされている。
The active metal compound layer 41 is formed by the reaction of the active metal contained in the bonding material interposed between the
For example, one or more selected from Ti, Zr, Hf, and Nb can be used as the active metal constituting the active metal compound layer 41. In this embodiment, the active metal is Ti, and the active metal compound layer 41 contains one or two of titanium oxide (Ti-O) and titanium carbide (Ti-C).
ここで、活性金属化合物層41の厚さt1が0.05μm以上であれば、接合材と炭素板21との反応が促進されており、炭素板21の接合強度が十分に確保される。一方、活性金属化合物層41の厚さt1が3μm以下であれば、冷熱サイクル負荷時に活性金属化合物層41におけるクラックの発生を抑制することができる。
よって、本実施形態においては、活性金属化合物層41の厚さt1は、0.05μm以上3μm以下の範囲内とされている。
なお、活性金属化合物層41の厚さt1の下限は0.1μm以上であることがさらに好ましく0.2μm以上であることがより好ましい。一方、活性金属化合物層41の厚さt1の上限は2μm以下であることがさらに好ましく、1.8μm以下であることがより好ましい。
Here, if the thickness t1 of the active metal compound layer 41 is 0.05 μm or more, the reaction between the bonding material and the
Therefore, in this embodiment, the thickness t1 of the active metal compound layer 41 is set to be within the range of 0.05 μm or more and 3 μm or less.
The lower limit of the thickness t1 of the active metal compound layer 41 is preferably 0.1 μm or more, and more preferably 0.2 μm or more. On the other hand, the upper limit of the thickness t1 of the active metal compound layer 41 is preferably 2 μm or less, and more preferably 1.8 μm or less.
Sn濃化層42は、接合時において炭素板21と金属板の間に介在される接合材に含まれるSnが炭素板21側に偏析することで形成されるものである。
なお、Sn濃化層42は、グラフェン/セラミックス接合体の接合界面付近の断面観察試料を採取し、EPMA(例えば、日本電子株式会社製JXA-8530F、加速電圧:15kV、スポット径:1μm以下)を用いてEPMAマッピングを取得することで特定することができる。
The Sn-enriched layer 42 is formed when Sn contained in the bonding material interposed between the
The Sn-enriched layer 42 can be identified by taking a cross-sectional observation sample near the bonded interface of the graphene/ceramic bonded body and obtaining EPMA mapping using an EPMA (for example, JXA-8530F manufactured by JEOL Ltd., acceleration voltage: 15 kV, spot diameter: 1 μm or less).
ここで、Sn濃化層42の厚さt2が0.2μm以上であれば、冷熱サイクル信頼性を確実に向上させることができる。一方、Sn濃化層42の厚さt2が10μm以下に制限されている場合には、冷熱サイクル負荷時にSn濃化層42におけるクラックの発生を抑制することが可能となる。
よって、本実施形態においては、Sn濃化層42の厚さt2は、0.2μm以上10μm以下の範囲内とされていることが好ましい。
なお、Sn濃化層42の厚さt2の下限は0.5μm以上であることがさらに好ましく、0.7μm以上であることがより好ましい。一方、Sn濃化層42の厚さt2の上限は5μm以下であることがさらに好ましく、3μm以下であることがより好ましい。
Here, if the thickness t2 of the Sn-enriched layer 42 is 0.2 μm or more, the thermal cycle reliability can be reliably improved. On the other hand, if the thickness t2 of the Sn-enriched layer 42 is limited to 10 μm or less, it is possible to suppress the occurrence of cracks in the Sn-enriched layer 42 during thermal cycle loading.
Therefore, in this embodiment, the thickness t2 of the Sn-enriched layer 42 is preferably set within a range of 0.2 μm to 10 μm.
The lower limit of the thickness t2 of the Sn-enriched layer 42 is more preferably 0.5 μm or more, and even more preferably 0.7 μm or more. On the other hand, the upper limit of the thickness t2 of the Sn-enriched layer 42 is more preferably 5 μm or less, and even more preferably 3 μm or less.
合金層43は、接合時において炭素板21と金属板の間に介在される接合材に含まれるAg、Cuが反応することで形成されるものである。また、本実施形態では、金属部材層25(金属板)が無酸素銅で構成されているので、金属部材層25(金属板)側に接合材のAgが拡散することで合金層43が形成される。このため、この合金層43及び金属部材層25においては、Agの濃度勾配が存在することになる。なお、Agが金属部材層25側に十分に拡散して金属部材層25内で固溶する場合には、合金層43が形成されないこともある。
The alloy layer 43 is formed by a reaction between Ag and Cu contained in the bonding material interposed between the
ここで、合金層43の厚さt3が1μm以上であれば、接合材の反応が十分に促進されており、炭素板21と金属部材層25との接合強度が十分に確保される。一方、合金層43の厚さt3が20μm以下であれば、冷熱サイクル負荷時に合金層43におけるクラックの発生を抑制することができる。
よって、本実施形態においては、合金層43の厚さt3は、1μm以上20μm以下の範囲内とされていることが好ましい。
なお、合金層43の厚さt3の下限は2μm以上であることがさらに好ましく、3μm以上であることがより好ましい。一方、合金層43の厚さt3の上限は10μm以下であることがさらに好ましく、8μm以下であることがより好ましい。
Here, if the thickness t3 of the alloy layer 43 is 1 μm or more, the reaction of the bonding material is sufficiently promoted, and sufficient bonding strength is ensured between the
Therefore, in this embodiment, the thickness t3 of the alloy layer 43 is preferably within the range of 1 μm to 20 μm.
The lower limit of the thickness t3 of the alloy layer 43 is more preferably 2 μm or more, and even more preferably 3 μm or more. On the other hand, the upper limit of the thickness t3 of the alloy layer 43 is more preferably 10 μm or less, and even more preferably 8 μm or less.
次に、本実施形態であるグラフェン接合体(熱伝導板20)の製造方法について、図5に示すフロー図を参照して説明する。 Next, the manufacturing method of the graphene joint body (thermal conductive plate 20) according to this embodiment will be described with reference to the flow diagram shown in FIG. 5.
(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21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
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 molding temperature is preferably within the range of 50°C or higher and 300°C or lower.
Furthermore, the pressurization time is preferably within a range of 0.5 to 10 minutes.
(金属板積層工程S02)
次に、炭素板21の両主面に、接合材を介して、金属部材層25となる金属板を積層する。
ここで、接合材としては、AgとCuとSnと活性金属(本実施形態ではTi)を含有するものを使用する。なお、接合材は、ペースト状であってもよいし、箔であってもよい。また、例えばCu-Ag-Sn合金と活性金属とを積層したものであってもよい。
本実施形態では、接合材として、Cuを18mass%以上34mass%以下の範囲、Snを3mass%以上10mass%以下の範囲、Tiを0.3mass%以上7mass%以下の範囲で含み、残部がAg及び不可避不純物とされた組成のものを用いている。
(Metal plate lamination process S02)
Next, metal plates that will become the metal member layers 25 are laminated on both main surfaces of the
The bonding material used herein contains Ag, Cu, Sn, and an active metal (Ti in this embodiment). The bonding material may be in the form of a paste or a foil. Alternatively, for example, a Cu-Ag-Sn alloy and an active metal may be laminated.
In this embodiment, the bonding material contains Cu in a range of 18 mass% to 34 mass%, Sn in a range of 3 mass% to 10 mass%, Ti in a range of 0.3 mass% to 7 mass%, and the balance is Ag and The composition used is considered to be an unavoidable impurity.
(金属板接合工程S03)
次に、接合材を介して積層した金属板及び炭素板21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、金属板と炭素板21とを接合し、金属部材層25を形成する。
ここで、加熱温度は740℃以上900℃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20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0.1MPa以上3.5MPa以下の範囲内とすることが好ましい。また、雰囲気は減圧雰囲気や窒素ガス雰囲気などの非酸化雰囲気とされていることが好ましい。
(Metal plate joining process S03)
Next, the metal plate and the
Here, the heating temperature is preferably within a range of 740° C. to 900° C. In addition, the holding time at the heating temperature is preferably within a range of 20 minutes to 180 minutes. The pressure is preferably in the range of 0.1 MPa to 3.5 MPa. The atmosphere is preferably a non-oxidizing atmosphere such as a reduced pressure atmosphere or a nitrogen gas atmosphere.
この金属板接合工程S03により、接合材に含まれる活性金属(本実施形態ではTi)が酸素及び炭素と反応することで、炭素板21の接合面に活性金属化合物層41が形成される。
また、接合材に含まれるSnが炭素板21側に偏析することにより、Sn濃化層42が形成される。
さらに、接合材に含まれるCuとAgが反応するとともに、Agが金属板(金属部材層25)側に拡散することで、金属部材層25側に合金層43が形成される。
In this metal plate bonding step S03, the active metal (Ti in this embodiment) contained in the bonding material reacts with oxygen and carbon to form an active metal compound layer 41 on the bonding surface of the
Furthermore, Sn contained in the bonding material segregates toward the
Furthermore, Cu and Ag contained in the bonding material react with each other, and Ag diffuses toward the metal plate (metal member layer 25 ), forming an alloy layer 43 on the
以上の工程により、本実施形態であるグラフェン接合体(熱伝導板20)が製造されることになる。 The above steps produce the graphene joint (thermal conduction plate 20) of this embodiment.
以上のような構成とされた本実施形態のグラフェン接合体(熱伝導板20)によれば、炭素板21と金属部材層25の接合界面において、炭素板21の接合面に、活性金属酸化物(Ti-O)及び活性金属炭化物(Ti-C)の1種又は2種を含む活性金属化合物層41が形成されているので、活性金属(本実施形態では、Ti)によってグラフェン含有炭素質部材からなる炭素板21の接合面が十分に反応しており、炭素板21と金属部材層25(金属板)が強固に接合されることになる。
According to the graphene conjugate (thermal conductive plate 20) of this embodiment configured as described above, an active metal compound layer 41 containing one or both of active metal oxide (Ti-O) and active metal carbide (Ti-C) is formed on the bonding surface of the
そして、炭素板21と金属部材層25との接合界面において、炭素板21側に、接合材に含まれるSnが偏析することにより、Sn濃度が1mass%以上とされたSn濃化層42が形成されているので、冷熱サイクル負荷時に炭素板21と金属部材層25とが剥離することを抑制でき、冷熱サイクル信頼性を向上させることができる。
また、Snを含む接合材を用いることになるため、比較的低温条件で、炭素板21と金属部材層25(金属板)とを強固に接合することが可能となる。
Furthermore, at the joint interface between the
Furthermore, since a bonding material containing Sn is used, it becomes possible to firmly bond the
また、本実施形態においては、活性金属化合物層41の厚さが0.05μm以上とされているので、グラフェン含有炭素質部材からなる炭素板21と金属部材層25とを強固に接合することが可能となる。一方、活性金属化合物層41の厚さが3μm以下に制限されているので、冷熱サイクル負荷時に活性金属化合物層41におけるクラックの発生を抑制することができる。
In addition, in this embodiment, the thickness of the active metal compound layer 41 is set to 0.05 μm or more, so that the
さらに、本実施形態において、Sn濃化層42の厚さが0.2μm以上とされている場合には、冷熱サイクル信頼性を確実に向上させることができる。一方、Sn濃化層42の厚さが10μm以下に制限されている場合には、冷熱サイクル負荷時にSn濃化層42におけるクラックの発生を抑制することが可能となる。 Furthermore, in this embodiment, when the thickness of the Sn-enriched layer 42 is set to 0.2 μm or more, it is possible to reliably improve thermal cycle reliability. On the other hand, when the thickness of the Sn-enriched layer 42 is limited to 10 μm or less, it is possible to suppress the occurrence of cracks in the Sn-enriched layer 42 during thermal cycle loading.
さらに、本実施形態において、炭素板21を構成するグラフェン含有炭素質部材が、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場合には、炭素板21(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 this embodiment, when the graphene-containing carbonaceous material constituting the
さらに、本実施形態では、絶縁回路基板10とヒートシンク30との間に熱伝導板20が配設されているので、熱伝導板20の一方の主面側に形成された金属部材層25において、絶縁回路基板10からの熱を面方向に拡げることができ、この熱を厚さ方向に効率良く伝達させ、ヒートシンク30において放熱することができる。よって、放熱特性に優れたパワーモジュール1を構成することができる。
Furthermore, in this embodiment, since the
<第二の実施形態>
次に、図6から図8を参照して本発明の第二の実施形態であるグラフェン接合体について説明する。
本実施形態におけるグラフェン接合体は、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に、被接合部材としてセラミックス板を接合した構造の絶縁基板120とされている。
Second Embodiment
Next, a graphene composite according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
The graphene bonded body in this embodiment is an insulating
本実施形態である絶縁基板120は、図6に示すように、セラミックス板125と、このセラミックス板125の両面に、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121がそれぞれ接合された構造とされている。
As shown in FIG. 6, the insulating
炭素板121を構成するグラフェン含有炭素質部材は、第一の実施形態と同様に、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。
炭素板121の厚さとしては、0.3mm以上3mmの範囲内であることが好ましい。
The graphene-containing carbonaceous member constituting the
The thickness of the
セラミックス板125は、絶縁性に優れたセラミックス、例えば、窒化アルミニウム(AlN)、酸化アルミニウム(Al2O3)、窒化ケイ素(Si3N4)等で構成されている。
なお、セラミックス板125の厚さの下限は100μm以上であることが好ましく、250μm以上であることがさらに好ましい。一方、セラミックス板125の上限は1500μm以下であることが好ましく、1000μm以下であることがさらに好ましい。
The
The lower limit of the thickness of the
ここで、図7に、グラフェン含有炭素質部材からなる炭素板121とセラミックス板125の接合界面の観察写真を示す。
図7において、上方の黒色部が炭素板121(グラフェン含有炭素質部材)であり、その下方に位置する灰色部がセラミックス板125(被接合部材)である。
FIG. 7 shows an observation photograph of the bonding interface between the
In FIG. 7, the upper black portion is a carbon plate 121 (graphene-containing carbonaceous member), and the gray portion located below is a ceramic plate 125 (member to be joined).
グラフェン含有炭素質部材からなる炭素板121とセラミックス板125との接合界面140においては、第一の実施形態と同様に、炭素板121の接合面に、活性金属酸化物及び活性金属炭化物の1種又は2種を含む活性金属化合物層が形成されている。
また、接合界面140のうち炭素板121側に、Sn濃度が1mass%以上とされたSn濃化層が形成されている。
さらに、接合界面140のうちセラミックス板125側には、AgとCuを含有する合金層が形成されている。
At the bonding interface 140 between the
In addition, a Sn-enriched layer having a Sn concentration of 1 mass % or more is formed on the
Furthermore, an alloy layer containing Ag and Cu is formed on the bonding interface 140 on the
活性金属化合物層は、接合時において炭素板121とセラミックス板125の間に介在される接合材に含まれる活性金属(本実施形態では、Ti)が酸素及び炭素と反応することで形成されるものである。
ここで、本実施形態における活性金属化合物層は、第一の実施形態と同様の構成とされている。
なお、活性金属化合物層の厚さt11は、0.05μm以上3μm以下の範囲内とされている。
The active metal compound layer is formed when an active metal (Ti in this embodiment) contained in the bonding material interposed between the
Here, the active metal compound layer in this embodiment has the same structure as that in the first embodiment.
The thickness t11 of the active metal compound layer is set to be within the range of 0.05 μm to 3 μm.
Sn濃化層は、接合時において炭素板121とセラミックス板125の間に介在される接合材に含まれるSnが炭素板121側に偏析することで形成されるものである。
ここで、本実施形態におけるSn濃化層は、第一の実施形態と同様の構成とされている。
なお、Sn濃化層の厚さt12は、0.2μm以上10μm以下の範囲内とされていることが好ましい。
The Sn-enriched layer is formed when Sn contained in the bonding material interposed between the
Here, the Sn-enriched layer in this embodiment has the same configuration as that in the first embodiment.
The thickness t12 of the Sn-enriched layer is preferably within a range of 0.2 μm to 10 μm.
合金層は、接合時において炭素板121とセラミックス板125の間に介在される接合材に含まれるAg、Cuが反応することで形成されるものである。なお、本実施形態では、接合材のAgがセラミックス板125側に拡散することはなく、合金層は、第一の実施形態と比較して、厚く形成される傾向にある。
ここで、本実施形態においては、合金層の厚さt13は、1μm以上20μm以下の範囲内とされていることが好ましい。
なお、合金層の厚さt13の下限は2μm以上であることがさらに好ましく、3μm以上であることがより好ましい。一方、合金層の厚さt13の上限は10μm以下であることがさらに好ましく、8μm以下であることがより好ましい。
The alloy layer is formed by a reaction between Ag and Cu contained in the bonding material interposed between the
In this embodiment, the thickness t13 of the alloy layer is preferably within the range of 1 μm to 20 μm.
The lower limit of the thickness t13 of the alloy layer is more preferably 2 μm or more, and even more preferably 3 μm or more. On the other hand, the upper limit of the thickness t13 of the alloy layer is more preferably 10 μm or less, and even more preferably 8 μm or less.
次に、本実施形態であるグラフェン接合体(絶縁基板120)の製造方法について、図8に示すフロー図を参照して説明する。 Next, the manufacturing method of the graphene conjugate (insulating substrate 120) according to this embodiment will be described with reference to the flow diagram shown in FIG.
(炭素板形成工程S101)
まず、第一の実施形態と同様に、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し、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とし、得られた成形体に対して切り出し加工を行う。
これにより、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のグラフェン含有炭素質部材(炭素板121)を得ることができる。
(Carbon plate forming step S101)
First, similarly to the first embodiment, flat graphite particles and graphene aggregates are weighed to have a predetermined compounding ratio and mixed by an existing mixer such as a ball mill. The obtained mixture is filled into a mold of a predetermined shape and pressurized to form a molded body, and the obtained molded body is cut out.
This makes it possible to obtain a graphene-containing carbonaceous member (carbon plate 121) having a structure including graphene aggregates formed by the accumulation of single or multiple layers of graphene and flat graphite particles, in which the flat graphite particles are stacked using the graphene aggregates as a binder such that their basal surfaces are folded over, and the basal surfaces of the flat graphite particles are oriented in one direction.
(セラミックス板積層工程S102)
次に、セラミックス板125の両主面に、それぞれ接合材を介して、炭素板121を積層する。
ここで、接合材としては、第一の実施形態と同様に、AgとCuとSnと活性金属(本実施形態ではTi)を含有するものを使用する。
(Ceramic plate lamination process S102)
Next, the
As the bonding material, a material containing Ag, Cu, Sn, and an active metal (Ti in this embodiment) is used, as in the first embodiment.
(セラミックス板接合工程S103)
次に、接合材を介して積層したセラミックス板125及び炭素板121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、セラミックス板125と炭素板121とを接合する。
ここで、加熱温度は750℃以上900℃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20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0.1MPa以上3.5MPa以下の範囲内とすることが好ましい。また、雰囲気は減圧雰囲気や窒素ガス雰囲気などの非酸化雰囲気とされていることが好ましい。
(Ceramic plate bonding process S103)
Next, the
Here, the heating temperature is preferably within a range of 750° C. to 900° C. The holding time at the heating temperature is preferably within a range of 20 minutes to 180 minutes. The pressurizing pressure is preferably within a range of 0.1 MPa to 3.5 MPa. The atmosphere is preferably a non-oxidizing atmosphere such as a reduced pressure atmosphere or a nitrogen gas atmosphere.
このセラミックス板接合工程S103により、接合材に含まれる活性金属(本実施形態ではTi)が酸素及び炭素と反応することで、炭素板121の接合面に活性金属化合物層が形成される。
また、接合材に含まれるSnが炭素板121側に偏析することにより、Sn濃化層が形成される。
さらに、接合材に含まれるCuとAgが反応することにより、セラミックス板125側に合金層が形成される。
In this ceramic plate bonding step S103, the active metal (Ti in this embodiment) contained in the bonding material reacts with oxygen and carbon to form an active metal compound layer on the bonding surface of the
Furthermore, Sn contained in the bonding material segregates toward the
Furthermore, Cu and Ag contained in the bonding material react with each other to form an alloy layer on the
以上の工程により、本実施形態であるグラフェン接合体(絶縁基板120)が製造されることになる。 The above steps produce the graphene junction (insulating substrate 120) of this embodiment.
以上のような構成とされた本実施形態のグラフェン接合体(絶縁基板120)によれば、炭素板121とセラミックス板125の接合界面において、炭素板121の接合面に、活性金属化合物層が形成されているので、活性金属(本実施形態では、Ti)によってグラフェン含有炭素質部材からなる炭素板121の接合面が十分に反応しており、炭素板121とセラミックス板125が強固に接合されることになる。
According to the graphene joint (insulating substrate 120) of this embodiment configured as described above, an active metal compound layer is formed on the joint surface of the
そして、炭素板121とセラミックス板125との接合界面において、炭素板121側に、接合材に含まれるSnが偏析することにより、Sn濃度が1mass%以上とされたSn濃化層が形成されているので、冷熱サイクル負荷時における炭素板121とセラミックス板125との剥離を抑制することができ、冷熱サイクル信頼性を向上させることができる。
また、Snを含む接合材を用いることになるため、比較的低温条件で、炭素板121とセラミックス板125とを強固に接合することが可能となる。
Furthermore, at the joint interface between the
Furthermore, since a bonding material containing Sn is used, it becomes possible to bond the
また、本実施形態においては、活性金属化合物層の厚さt11が0.05μm以上とされているので、グラフェン含有炭素質部材からなる炭素板121とセラミックス板125とを強固に接合することが可能となる。一方、活性金属化合物層の厚さt11が3μm以下に制限されているので、冷熱サイクル負荷時に活性金属化合物層におけるクラックの発生を抑制することができる。
In addition, in this embodiment, the thickness t11 of the active metal compound layer is set to 0.05 μm or more, so that the
さらに、本実施形態において、Sn濃化層の厚さt12が0.2μm以上とされている場合には、冷熱サイクル信頼性を確実に向上させることができる。一方、Sn濃化層の厚さt12が10μm以下に制限されている場合には、冷熱サイクル負荷時にSn濃化層におけるクラックの発生を抑制することが可能となる。 Furthermore, in this embodiment, when the thickness t12 of the Sn-enriched layer is set to 0.2 μm or more, it is possible to reliably improve thermal cycle reliability. On the other hand, when the thickness t12 of the Sn-enriched layer is limited to 10 μm or less, it is possible to suppress the occurrence of cracks in the Sn-enriched layer during thermal cycle loading.
さらに、本実施形態において、炭素板121を構成するグラフェン含有炭素質部材が、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場合には、炭素板121(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 this embodiment, when the graphene-containing carbonaceous material constituting the
さらに、本実施形態の絶縁基板120においては、セラミックス板125を備えているので、絶縁性に優れている。また、グラフェン含有炭素質部材からなる炭素板121を備えているので、熱伝導性に優れている。よって、例えば、図1に示すパワーモジュール1(絶縁回路基板10)の絶縁層11として用いることが可能である。
Furthermore, the insulating
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とヒートシンク30との間に熱伝導板20を配設した構造のパワーモジュール1を例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、本発明の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, a power module 1 having a structure in which a thermally
例えば、図9に示すグラフェン接合体(熱伝導板220)のように、絶縁回路基板210の回路層212と半導体素子3との間に熱伝導板220を配設した構造のパワーモジュール201としてもよい。
さらに、図10に示すグラフェン接合体(熱伝導板320)のように、絶縁回路基板310の金属層として、熱伝導板320を用いたパワーモジュール301としてもよい。
また、図11に示すグラフェン接合体(熱伝導板420)のように、絶縁回路基板410の回路層および金属層として、熱伝導板420を用いたパワーモジュール401としてもよい。
For example, a
Furthermore, a
In addition, like the graphene composite (thermal conductive plate 420) shown in FIG. 11, a
図9に示すパワーモジュール201は、はんだ層2に替えて熱伝導板220を用い、熱伝導板20に替えてはんだ層32を用いた点が、図1に示すパワーモジュール1と異なる。その他の構成は、図1に示すパワーモジュール1と同様であり、同様の構成については同一の符号を付し、説明を省く。
熱伝導板220は、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221と、この炭素板221の両主面に接合された金属部材層225と、を備えている。熱伝導板220と、炭素板221と、金属部材層225とは、それぞれ、第一の実施形態の熱伝導板20と、炭素板21と、金属部材層25と同様の構成を有していてもよい。
パワーモジュール201では、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32を介して金属層213とヒートシンク30とが接合される。
パワーモジュール201では、絶縁回路基板10の回路層212と半導体素子3との間に熱伝導板220が配設されているので、絶縁回路基板10からの熱を面方向に拡げることができ、この熱を厚さ方向に効率良く伝達させ、ヒートシンク30において放熱することができる。よって、放熱特性に優れたパワーモジュール201を構成することができる。
A
The
In the
In the
図10に示すパワーモジュール301は、金属層13に替えて炭素板321を金属層に用いた絶縁回路基板310であり、絶縁回路基板310とヒートシンク30とは活性金属ろう材などを用いて接合する点が、図1に示すパワーモジュール1と異なる。その他の構成は、図1に示すパワーモジュール1と同様であり、同様の構成については同一の符号を付し、説明を省く。
炭素板321は、第一の実施形態の炭素板21あるいは第二の実施形態の炭素板121と同様の構成を有する。絶縁層311と炭素板321とは、第二のグラフェン接合体(絶縁基板120)と同様の構成で接合されている。炭素板321とヒートシンク30とは、第一のグラフェン接合体(熱伝導板20)と同様の構成で接合されている。
パワーモジュール301では、絶縁回路基板310の金属層として、炭素板321を用い、絶縁層311と炭素板321とは、第二のグラフェン接合体(絶縁基板120)と同様の構成で接合され、炭素板321とヒートシンク30とは、第一のグラフェン接合体(熱伝導板20)と同様の構成で接合されているので、絶縁回路基板301からの熱を面方向に拡げることができ、この熱を厚さ方向に効率良く伝達させ、ヒートシンク30において放熱することができる。よって、放熱特性に優れたパワーモジュール301を構成することができる。
A
The
In the
図11に示すパワーモジュール401は、回路層12および金属層13に替えて熱伝導板420を用いた絶縁回路基板410であり、その他の構成は、図1に示すパワーモジュール1と同様であり、同様の構成については同一の符号を付し、説明を省く。なお、回路層となる熱伝導板420と半導体素子3は、はんだ層2を介して接合されている。また、金属相となる熱伝導板とヒートシンク30は、はんだ層32を介して接合されている。
熱伝導板420は、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421と、この炭素板421の一面に接合された金属部材層425と、を備えている。なお、セラミックス基板411と炭素板421とは、第二の実施形態と同様に接合されている。また、熱伝導板420と、炭素板421と、金属部材層425とは、それぞれ、第一の実施形態の熱伝導板20と、炭素板21と、金属部材層25と同様の構成を有していてもよい。
パワーモジュール401では、絶縁回路基板410の回路層および金属層として、熱伝導板420を用いるので、半導体素子3及び絶縁回路基板10からの熱を面方向に拡げることができ、この熱を厚さ方向に効率良く伝達させ、ヒートシンク30において放熱することができる。よって、放熱特性に優れたパワーモジュール401を構成することができる。
A
The
In the
本発明の有効性を確認するために行った確認実験について説明する。 We will now explain the confirmation experiments we conducted to verify the effectiveness of this invention.
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1.5mm)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 1.5 mm thick).
この炭素板の一方の面に、Ag-28mass%Cu-5mass%Sn-3mass%Tiからなる組成の接合材(厚さ変量)を介して、無酸素銅の圧延板からなる銅板(40mm×40mm×厚さ0.3mm)又はセラミックス板(40mm×40mm×厚さ00.3mm)を積層し、表1に示す条件で、炭素板と銅板とを接合した。
そして、炭素板と銅板との接合界面を観察し、活性金属化合物層の厚さ、Sn濃化層の厚さを確認した。
A copper plate (40 mm×40 mm×0.3 mm thick) made of rolled oxygen-free copper or a ceramic plate (40 mm×40 mm×0.3 mm thick) was laminated on one surface of the carbon plate via a bonding material (variable thickness) having a composition of Ag-28 mass% Cu-5 mass% Sn-3 mass% Ti, and the carbon plate and the copper plate were bonded under the conditions shown in Table 1.
The bonded interface between the carbon plate and the copper plate was then observed to confirm the thickness of the active metal compound layer and the thickness of the Sn-enriched layer.
具体的には、活性金属化合物層の厚さは、グラフェン/銅接合体の中央部から観察試料を採取し、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40000倍、加速電圧200kVの条件で観察を行い、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、活性金属が存在する領域の面積を測定し、測定視野の幅の寸法で除した値を求め、5視野の平均値を活性金属化合物層の厚さとした。測定箇所としては絶縁回路基板の中心点の領域と、その点を中心とする20mm×20mmの四角形の4つの頂点の領域の合計5点を観察した。 Specifically, the thickness of the active metal compound layer was measured by taking an observation sample from the center of the graphene/copper bonded body, observing the bonded interface with a scanning transmission electron microscope (Titan ChemiSTEM (with EDS detector) manufactured by FEI) at a magnification of 40,000 times and an acceleration voltage of 200 kV, and mapping was performed using energy dispersive X-ray analysis (NSS7 manufactured by Thermo Scientific). The area of the region where the active metal was present was measured, and the value obtained by dividing the value by the width of the measurement field of view was the average value of the five fields of view, which was taken as the thickness of the active metal compound layer. The measurement points observed were the center point of the insulating circuit board and the four vertices of a 20 mm x 20 mm square centered on that point, for a total of five points.
また、Sn濃化層の厚さについては、グラフェン/銅接合体の接合界面付近の断面観察試料を採取し、EPMA(日本電子株式会社製JXA-8530F、加速電圧:15kV、スポット径:1μm以下)を用いてEPMAマッピングを得て、Snが1mass%以上の領域をSn濃化層と見なしてその面積を測定し、測定視野の幅の寸法で除した値を求め、5視野の平均値をSn濃化層の厚さとした。測定箇所としては絶縁回路基板の中心点の領域と、その点を中心とする20mm×20mmの四角形の4つの頂点の領域の合計5点を観察した。 Regarding the thickness of the Sn-enriched layer, a cross-sectional observation sample was taken near the bonded interface of the graphene/copper bonded body, and EPMA mapping was performed using an EPMA (JXA-8530F manufactured by JEOL Ltd., acceleration voltage: 15 kV, spot diameter: 1 μm or less). The area of the Sn-enriched layer was measured by regarding the area where Sn was 1 mass% or more as the Sn-enriched layer, and the area was divided by the width of the measurement field to obtain the average value of the five fields of view as the thickness of the Sn-enriched layer. A total of five points were observed as the measurement points: the area at the center point of the insulating circuit board and the areas at the four vertices of a 20 mm x 20 mm rectangle centered on that point.
また、得られた接合体に対して、-55℃×30分←→175℃×30分の冷熱サイクルを2000サイクル負荷した。その後、炭素板と銅板との界面の接合率について超音波探傷装置(株式会社日立パワーソリューションズ製FineSAT200)を用いて評価し、以下の式から算出した。ここで、初期接合面積とは、接合前における接合すべき面積とした。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剥離面積(非接合部面積)とした。
(接合率)={(初期接合面積)-(非接合部面積)}/(初期接合面積)×100
The obtained bonded body was subjected to 2000 cycles of a thermal cycle of -55°C x 30 minutes ←→ 175°C x 30 minutes. The bonding rate of the interface between the carbon plate and the copper plate was evaluated using an ultrasonic inspection device (FineSAT200 manufactured by Hitachi Power Solutions Co., Ltd.) and calculated from the following formula. Here, the initial bonding area was defined as the area to be bonded before bonding. In the image obtained by binarizing the ultrasonic inspection image, peeling is indicated by a white area in the bonded portion, so the area of this white area was defined as the peeled area (non-bonded portion area).
(Bonding rate) = {(Initial bonding area) - (Non-bonding area)}/(Initial bonding area) x 100
Sn濃化層が形成されなかった比較例1,2においては、冷熱サイクル試験後の接合率がそれぞれ71%,73%と低くなった。
活性金属化合物層の厚さが0.05μm以上3μm以下の範囲外であった比較例3、4においては、冷熱サイクル試験後の接合率がそれぞれ75%,74%と低くなった。
これに対して、Sn濃化層が形成され、活性金属化合物層の厚さが0.05μm以上3μm以下の範囲内であった本発明例1-6においては、冷熱サイクル試験後の接合率が80%以上であり、冷熱サイクル信頼性に優れていた。
In Comparative Examples 1 and 2 in which no Sn-enriched layer was formed, the bonding rates after the thermal cycle test were low at 71% and 73%, respectively.
In Comparative Examples 3 and 4, in which the thickness of the active metal compound layer was outside the range of 0.05 μm or more and 3 μm or less, the bonding rates after the thermal cycle test were low at 75% and 74%, respectively.
In contrast, in Example 1-6 of the present invention, in which an Sn-enriched layer was formed and the thickness of the active metal compound layer was in the range of 0.05 μm or more and 3 μm or less, the bonding rate after the thermal cycle test was 80% or more, and the thermal cycle reliability was excellent.
以上の実験結果から、本発明例によれば、被接合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、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グラフェン接合体を提供可能であることが確認された。 The above experimental results confirm that, according to the present invention, the materials to be joined and the graphene-containing carbonaceous member containing graphene aggregates are firmly joined, and no peeling occurs even when subjected to thermal cycles, making it possible to provide a graphene joint with excellent thermal cycle reliability.
20,220,320 熱伝導板(グラフェン接合体)
21,121,221,321 炭素板(グラフェン含有炭素質部材)
25,225,325 金属部材層(被接合部材)
40,140 接合界面
41,141 活性金属化合物層
42,142 Sn濃化層
120 絶縁基板(グラフェン接合体)
125 セラミックス板(被接合部材)
20, 220, 320 Heat conductive plate (graphene joint)
21, 121, 221, 321 Carbon plate (graphene-containing carbonaceous material)
25, 225, 325 Metal member layer (member to be joined)
40, 140 Bonding interface 41, 141 Active metal compound layer 42, 142 Sn-enriched
125 Ceramic plate (member to be joined)
Claims (5)
前記グラフェン含有炭素質部材と前記被接合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の接合面に、活性金属化合物層が形成されるとともに、前記グラフェン含有炭素質部材側に、Sn濃度が1mass%以上であるSn濃化層が形成されており、前記活性金属化合物層の厚さが0.05μm以上3μm以下の範囲内であることを特徴とするグラフェン接合体。 A graphene joined body having a structure in which a graphene-containing carbonaceous member containing graphene aggregates and a joined member are joined,
a graphene joined body, characterized in that, at a joining interface between the graphene-containing carbonaceous member and the joined member, an active metal compound layer is formed on the joining surface of the graphene-containing carbonaceous member, and a Sn-concentrated layer having a Sn concentration of 1 mass % or more is formed on the graphene-containing carbonaceous member side, and a thickness of the active metal compound layer is within a range of 0.05 μm or more and 3 μm or less.
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