专利名称：层合材料及其制造方法
技术领域：
本发明涉及层合材料及其制造方法，涉及用于进行例如LED或电源设备等半导体元件的冷却的层合材料及其制造方法。本说明书及权利要求中，用元素符号表示的材料表示纯材料，但也包括含有不可避免的杂质的エ业的纯材料。另外，本说明书及权利要求中，放电等离子体烧结法(Spark Plasma Sintering), 并不限定于实际上烧结粉末的方法，是指利用放电等离子体烧结的原理的方法。进而，本说明书及权利要求中，术语“熔点”，在为合金的情况下，是指固相线温度。
背景技术：
例如，作为由陶瓷层和金属层构成的层合材料，本申请人先前已经提出了如下层合材料，所述层合材料在由陶瓷粉末的放电等离子体烧结体形成的陶瓷板的两面，形成由金属粉末的放电等离子体烧结体形成的金属层；通过在预先制作的陶瓷板两面，对金属粉末进行放电等离子体烧结而形成金属层的方法制造(參见专利文献1)。然而，为专利文献1记载的层合材料吋，，金属层是通过在预先制作出的陶瓷板的两面上对金属粉末进行放电等离子体烧结而制作的，因此，需要考虑放电等离子体烧结时的金属粉末的体积收縮，考虑提高金属层的厚度方向的尺寸精度吋，生产率有降低的危险。 另外，由于放电等离子体烧结时的金属粉末的体积收縮，有时导致所制造的层合材料的两面的平面度降低，此时，利用研磨等校准エ序(sizing process)进行的精加工处理变得必要。专利文献1 国际公开第2009/119438号说明书
发明内容
本发明的目的在于解决上述问题，提供一种与专利文献1记载的层合材料相比生产率优异且平面度提高的层合材料及其制造方法。为了实现上述目的，本发明由如下方案构成。1) 一种层合材料，其中，多片金属板与至少一片陶瓷板按照金属板与陶瓷板相邻接的方式层合，并且邻接的金属板与陶瓷板利用放电等离子体烧结法接合，与陶瓷板邻接的所有金属板的熔点的差在140°C以内。2)如上述1)所述的层合材料，其中，两片金属板与一片陶瓷板层按照陶瓷板位于两金属板之间的方式合，一片金属板的熔点与另一片金属板的熔点之差在140°C以内。3)如上述2)所述的层合材料，其中，在两金属板中的至少任一方的金属板的与陶瓷板接合的面的相对侧的面上，通过放电等离子体烧结法，以层合状接合由在放电等离子体烧结法的加热时的加热温度下不熔融的材料形成的金属板。4) 一种层合材料，其中，一片金属板和一片或两片陶瓷板按照金属板与陶瓷板相邻接的方式层合，并且，邻接的金属板与陶瓷板通过放电等离子体烧结法接合。
5)如上述4)所述的层合材料，其中，所述层合材料由一片金属板和一片陶瓷板构成，在金属板的与陶瓷板接合的面的相对侧的面上，通过放电等离子体烧结法，以层合状接合由在放电等离子体烧结法的加热时的加热温度下不熔融的材料形成的金属板。6)如上述1)或4)所述的层合材料，其中，金属板由选自Al、Cu、Ag、Au、Ni、Ti、Al 合金、Cu合金、Ag合金、Au合金、Ni合金及Ti合金中的ー种材料形成。7)如上述1)或4)所述的层合材料，其中，陶瓷板由选自A1N、A1203、Si3N4, SiC、 Y2O3> CaO、BN及BeO中的ー种材料形成。8)如上述1)或4)所述的层合材料，其中，上下两面的平面度在ΙΟΟμπι以下。9) 一种层合材料的制造方法，为制造上述1)所述的层合材料的方法，所述层合材料中多片金属板与至少一片陶瓷板层合，并且邻接的金属板与陶瓷板通过放电等离子体烧结法接合，其特征在干，使与陶瓷邻接地配置的所有金属板的熔点差在140°C以内，按照金属板与陶瓷板相邻接的方式将熔点差在140°C以内的多片金属板、和至少一片陶瓷板层合；将金属板与陶瓷板的层合体配置在一对放电等离子体烧结用电极间；以及在确保两电极间的导通的状态下在两电极间通入脉冲电流，由此将陶瓷板和与陶瓷板邻接的金属板接合。10)上述9)所述的层合材料的制造方法，其中，在确保两电极间导通的状态下通过在两电极间通脉冲电流而形成的陶瓷板和与陶瓷板邻接的金属板的接合，是如下进行的在与熔点差在140°C以内的所有的金属板中的熔点最高的金属板的熔点相比低150°C 的温度、和与其中的熔点最低的金属板的熔点相比低10°C的温度之间进行加热。11)上述10)所述的层合材料的制造方法，其中，准备一片陶瓷板、熔点差在140°C 以内且接合于陶瓷板的两面的两片金属板、和由在放电等离子体烧结法的加热时的加热温度下不熔融的材料形成的至少一片金属板，在陶瓷板的两侧，分别邻接地层合与陶瓷板接合的金属板，在两金属板中至少任一方的金属板的与陶瓷板相接侧的相对侧的面上，层合由在放电等离子体烧结法的加热时的加热温度下不熔融的材料形成的金属板，在于陶瓷板的两面接合金属板的同吋，在至少任一方的金属板的与陶瓷板接合的面的相对侧的面上， 接合由在放电等离子体烧结法的加热时的加热温度下不熔融的材料形成的金属板。12) 一种层合材料的制造方法，为制造上述4)所述的层合材料的方法，所述层合材料中一片金属板与一片或两片陶瓷板按照金属板与陶瓷板相邻接的方式层合，并且邻接的金属板与陶瓷板通过放电等离子体烧结法接合，其特征在干，按照金属板与陶瓷板相邻接的方式，将一片金属板与一片或两片陶瓷板层合，将金属板与陶瓷板的层合体配置于ー对放电等离子体烧结用电极间，以及在确保两电极间导通的状态下，在两电极间通入脉冲电流，由此将邻接的金属板与陶瓷板接合。13)如上述12)所述的层合材料的制造方法，其中，通过在两电极间通入脉冲电流而形成的金属板与陶瓷板的接合，是通过在低干与陶瓷板接合的金属板的熔点10 150°C 的温度下进行加热而进行的。
14)如上述13)所述的层合材料的制造方法，其中，准备一片陶瓷板、与陶瓷板接合的一片金属板、和由在放电等离子体烧结法的加热时的加热温度下不熔融的材料形成的金属板，在陶瓷板的单侧配置与陶瓷板接合的金属板，在该金属板的与陶瓷板相接侧的相对侧的面上，层合由在放电等离子体烧结法的加热时的加热温度下不熔融的材料形成的金属板，在于陶瓷板的单面接合金属板的同吋，在该金属板的与陶瓷板接合的面的相对侧的面上，接合由在放电等离子体烧结法的加热时的加热温度下不熔融的材料形成的金属板。15)如上述9)或12)所述的层合材料的制造方法，其中，金属板由选自Al、Cu、Ag、 Au、Ni、Ti、Al合金、Cu合金、Ag合金、Au合金、Ni合金及Ti合金中的ー种材料形成。16)如上述9)或12)所述的层合材料的制造方法，其中，陶瓷板由选自A1N、A1203、 Si3N4、SiC、Y2O3、CaO、BN 及 BeO 中的ー种材料形成。17)如上述9)或1 所述的层合材料的制造方法，其中，金属板的表面粗糙度以算数平均粗糙度(Ra)计在1. 0 μ m以下。18)如上述9)或1 所述的层合材料的制造方法，其中，陶瓷板的表面粗糙度以算数平均粗糙度(Ra)计在1. 5 μ m以下。19)如上述9)或12)所述的层合材料的制造方法，其中，ー边在10 IOOMI3a下从金属板及陶瓷板的层合方向的两侧进行加压，ー边通过在两电极间通入脉冲电流使金属板与陶瓷板接合。20)如上述9)或1 所述的层合材料的制造方法，其中，在惰性气体气氛中或真空气氛中，通过在两电极间通入脉冲电流使金属板与陶瓷板接合。根据上述1) 3)、6) 8)的层合材料，多片金属板与至少一片陶瓷板按照金属板与陶瓷板相邻接的方式层合，并且，邻接的金属板与陶瓷板通过放电等离子体烧结法接合，因此，在制造时，预先制作的金属板的尺寸变化少，可比较简单地提高金属板的厚度方向的尺寸精度。因此，与专利文献1记载的层合材料相比生产率优异。而且，可使层合材料的上下两面的平面度为例如100 μ m以下，层合材料的上下两面的平面度与专利文献1记载的层合材料相比提高，不需要利用研磨等校准エ序的精加工处理。另外，由于与陶瓷板邻接的所有金属板的熔点差在140°C以内，所以通过一次放电等离子体烧结エ序即可可靠地将陶瓷板和与其邻接的金属板接合，并且在进行放电等离子体烧结吋，可防止由熔点低的金属板的部分熔融等导致的变形。上述幻的层合材料中，两金属板由选自Al、Cu、Ag、Au、Al合金、Cu合金、Ag合金及Au合金中的ー种材料形成，并且陶瓷板由选自AlN、Al203、Si3N4、SiC、Y203、Ca0、BN及BeO 中的ー种材料形成，此时可将上述一方的金属板作为布线层利用，并且，将陶瓷板作为电绝缘层利用。因此，在另一方的金属板的与陶瓷板接合侧的相对侧的面上，利用焊接等接合应力缓和部件，并且，将应カ缓和部件焊接于由Al、Al合金、Cu、Cu合金等高热传导性材料形成的散热器等散热材料，由此，形成电源模块用基底，在该电源模块用基底的布线层上安装电源设备，构成电源模块。而且，由于在电源设备与散热材料之间仅存在两片金属板、一片陶瓷板及应カ缓和部件，所以从电源设备至散热材料的热传导路径变短，对从电源设备放出的热的散热性能提高。另外，在两片金属板与陶瓷板之间，不需要存在热传导率低的焊料，两金属板与陶瓷板之间的热传导性优异。根据上述4) 8)的层合材料，一片金属板与一片或两片陶瓷板按照金属板与陶瓷板相邻接的方式层合，并且邻接的金属板与陶瓷板通过放电等离子体烧结法接合，因此， 在制造时，预先制作的金属板的尺寸变化少，可比较简单地提高金属板的厚度方向的尺寸精度。因此，与专利文献1记载的层合材料相比，生产率优异。而且，可使层合材料的上下两面的平面度为例如100 μ m以下，层合材料的上下两面的平面度与专利文献1记载的层合材料相比提高，不需要利用研磨等校准エ序的精加工处理。上述4)的层合材料中，层合材料由一片金属板和一片陶瓷板构成，且金属板由选自Al、Cu、Ag、Au、Al合金、Cu合金、Ag合金及Au合金中的ー种材料形成，并且，陶瓷板由选自A1N、A1203、Si3N4, SiC、Y2O3> CaO, BN及BeO中的ー种材料形成，此时，可将上述金属板作为布线层利用，并且，将陶瓷板作为电绝缘层。因此，在陶瓷板的与金属板接合侧的相对侧的面上，利用焊接等接合应カ缓和部件，并且，将应カ缓和部件焊接于由A1、A1合金、Cu、Cu 合金等高热传导性材料形成的散热器等散热材料，由此，形成电源模块用基底，在该电源模块用基底的布线层上安装电源设备，构成电源模块。而且，由于在电源设备与散热材料之间之间仅存在一片金属板、一片陶瓷板及应カ缓和部件，所以从电源设备至散热材料的热传导路径变短，对从电源设备放出的热的散热性能提高。另外，在两片金属板与陶瓷板之间， 不需要存在热传导率低的焊料，两金属板与陶瓷板之间的热传导性优异。根据上述9) 11)的层合材料的制造方法，可简单地制造上述1)的层合材料。根据上述12) 14)的层合材料的制造方法，可简单地制造上述4)的层合材料。根据上述17)及18)的层合材料的制造方法，金属板与陶瓷板的接触面积増大，可有效地抑制在金属板与陶瓷板之间发生接合缺陷。根据上述19)的层合材料的制造方法，可有效地防止在金属板与陶瓷板之间发生接合缺陷。根据上述20)的层合材料的制造方法，可有效地防止在金属板与陶瓷板之间发生接合缺陷。
[图1]为表示本发明的实施方案1的层合材料的垂直截面图。[图2]为表示图1的层合材料的制造方法的垂直截面图。[图3]为表示实施图2的方法时的加热温度的范围的图。[图4]为表示图1的层合材料的制造方法的第1变形例的与图2相当的图。[图5]为表示图1的层合材料的制造方法的第2变形例的与图2相当的图。[图6]为表示图1的层合材料的制造方法的第3变形例的与图2相当的图。[图7]为表示图1的层合材料的制造方法的第4变形例的与图2相当的图。[图8]为表示本发明的实施方案2的层合材料的垂直截面图。[图9]为表示图7的层合材料的制造方法的垂直截面图。[图10]为表示本发明的实施方案3的层合材料的垂直截面图。[图11]为表示本发明的实施方案4的层合材料的垂直截面图。[图12]为表示图11的层合材料的制造方法的垂直截面图。[图13]为表示比较例1的层合材料的制造方法的垂直截面图。[图14]为表示比较例2的层合材料的制造方法的垂直截面图。
[图15]为表示实施例10的结果的将两金属板与陶瓷板扩大显示的照片。[图16]为表示实施例10的结果的将Al制金属板与陶瓷板的接合界面扩大显示的照片。[图17]为表示实施例10的结果的将Al-Si合金制金属板与陶瓷板的接合界面扩大显示的照片。符号说明(1) (30) (35) (40)层合材料(2) (3) (31) (36) (41)金属板(4) (42)陶瓷板
具体实施例方式以下，參照
本发明的实施方案。需要说明的是，以下的说明中，将各附图上下称为上下。另外，所有附图中，同一部分及同一物标记同一符号，省略重复说明说明。实施方案1该实施方案如图1 图3所示。图1表示本发明的实施方案1的层合材料，图2 表示图1的层合材料的制造方法。另外，图3表示实施图2的方法时的加热温度的范围。图1中，层合材料(1)中，多片金属板(2) (3)与至少一片陶瓷板(4)按照金属板 (2) (3)与陶瓷板(4)邻接的方式层合，并且，邻接的金属板(2) (3)与陶瓷板(4)通过放电等离子体烧结法接合。此处，层合材料(1)中，上下两片金属板(2) (3)与一片陶瓷板(4) 按照陶瓷板(4)位于两金属板(2) (3)间的方式层合，并且，两金属板(2) (3)与陶瓷板(4) 通过放电等离子体烧结法接合。层合材料(1)的上下两面、即上侧金属板O)的上面及下侧金属板(3)的下面的平面度分別在100 μ m以下。上下两金属板0)(3)分別由选自Al、Cu、A g、Au、Ni、Ti、Al合金、Cu合金、Ag合金、Au合金、Ni合金及Ti合金中的ー种材料形成。而且，构成上下两金属板O) C3)的材料可在上述材料中适当选择以使得上侧金属板( 的熔点与下侧金属板C3)的熔点之差在 140°C以内。需要说明的是，构成上下两金属板⑵(3)的材料的熔点如下A1 :660°C、Cu 1083°C >Ag :961°C、Au :1063°C、Ni :1453°C、Ti :1727°C，A1 合金、Cu 合金、Ag 合金、Au 合金、 Ni合金及Ti合金的熔点通常低于Al、Cu、Ag、Au、Ni及Ti的熔点。上下两金属板0)(3) 可由相同材料形成，也可由不同材料形成。另外，上下两金属板O) C3)的厚度优选为3mm 以下。上下两金属板(2) (3)可利用公知的适当方法形成。陶瓷板(4)由选自A1N、A1203、Si3N4, SiC、Y2O3> CaO, BN 及 BeO 中的ー种电绝缘性材料形成。陶瓷板的厚度优选为Imm以下。陶瓷板(4)可通过如下方式形成使用适当的烧结助剂，利用放电等离子体烧结法，对例如选自A1N、A1203、Si3N4, SiC、Y2O3> CaO、 BN及BeO中的ー种材料的粉末进行烧结。另外，陶瓷板(4)也可通过如下方式形成使用选自A1N、A1203、Si3N4, SiC、Y2O3> CaO、BN及BeO中的ー种材料的粉末，进行热等静压(hot isostaticpressing, HIP)。此处，各陶瓷材料的熔点或分解点为=AlN :2200°C、Al2O3 :2050°C、Si3N4 :1900°C、SiC :20000C、Y2O3 :24000C、CaO 2570°C、BN 3000°C、BeO 2570°C，高于构成上下两金属板
(2)(3)的材料的熔点。虽然省略图示，但如下所述，可以将层合材料(1)作为电源模块用基底使用。S卩，通过对上侧金属板( 实施蚀刻而形成电路，将上侧金属板( 形成为布线层。另外，准备由Al、Al合金、Cu、Cu合金等高热传导性材料形成的散热器等散热材料、和由A1、A1合金、Cu、Cu合金等高热传导性材料形成、且具有应カ吸收空间的应カ缓和部件。 作为应カ缓和部件，例如由形成有多个贯通孔的Al或Al合金板形成，贯通孔形成应カ吸收空间。而后，在散热材料上，经由应力缓和部件放置层合材料(1)，对于下侧金属板(2)
(3)与应カ缓和部件、及应カ缓和部件与散热材料，同时进行焊接。如此，构成电源模块用基
jfco需要说明的是，散热材料有时由例如在内部具有冷却流体通路的中空体的上壁形成。作为冷却流体，使用液体及气体均可。另外，散热材料有时由散热基板形成，所述散热基板在接合有应カ缓和部件面的相对侧的面上设置有散热片。在电源模块用基底的层合材料(1)的上侧金属板( 上，通过焊接安装电源设备， 构成电源模块。该电源模块中，从电源设备放出的热，经由上侧金属板O)、陶瓷板G)、下侧金属板C3)及应カ缓和部件传递至散热材料，从散热材料散热。此时，即使因层合材料 (1)的陶瓷板(4)与散热材料的热膨胀率不同导致散热材料受陶瓷板(4)拉伸而发生翘曲、从而在电源模块用基底上产生热应力，由于应カ缓和部件的作用，也可以缓和热应力， 因此，可防止在陶瓷板(4)上产生裂縫、或在散热材料的与下侧金属板C3)的接合面发生翘曲ο接下来，參见图2及图3对层合材料(1)的制造方法进行说明。即，准备由选自Al、Cu、Ag、Au、Ni、Ti、Al合金、Cu合金、Ag合金、Au合金、Ni合金及Ti合金中的ー种材料形成、并且通过通常的制法制作出的两片金属板(2) (3)；和由选自 A1N、A1203、Si3N4, SiC、Y2O3> CaO, BN及BeO中的ー种材料形成、并且通过通常的制法制作出的一片陶瓷板G)。此处，构成两金属板( (3)的材料可从上述材料中适当选择以使两片金属板(2) ⑶的熔点差在140°C以内。另外，金属板(2) (3)的表面粗糙度以算数平均粗糙度(Ra)计优选为Ι.Ομπι以下，厚度优选为3mm以下。陶瓷板的表面粗糙度以算数平均粗糙度 (Ra)计优选为1. 5 μ m以下，厚度优选为Imm以下。接下来，在放电等离子体烧结装置的、具有导电性的石墨制烧结用模(10)内，按照陶瓷板⑷位于两金属板⑵⑶间的方式，将两金属板⑵⑶及陶瓷板⑷层合配置。模(10)的上下方向的高度高于两金属板(2) (3)及陶瓷板的总厚度，模(10)的上下两端部与上下两金属板( (3)相比更向上下方向外侧突出。接下来，在模(10)内的由上侧金属板O)、陶瓷板(4)及下侧金属板C3)形成的层合体的上下，配置石墨制冲压装置(punch) (11) (12)，并且，使电极(13) (14)分別与上冲压装置(11)的上面及下冲压装置 (12)的下面电气接触。在该状态下，通过两冲压装置(11) (12)及模(10)，确保两电极(13) (14)间的导通。接下来，在1 10 的真空气氛中、或氮或氩等惰性气体气氛中，通过上下两冲压装置(11) (12)从上下两方、即两金属板( (3)及陶瓷板的层合方向的两侧对两金属板⑵⑶及陶瓷板⑷进行加压，同吋，在两电极(13) (14)间通入脉冲电流，由此，将两金属板( (3)加热升温至设定温度，并且，保持该温度规定时间，将两金属板( (3)与陶瓷板⑷接合。此处，当两金属板⑵⑶的熔点相同吋，将两金属板⑵⑶加热至低于熔点10 150°C的温度。另夕卜，当两金属板0)(3)的熔点不同吋，加热至低于高熔点的金属板的熔点150°C的温度、和低于低熔点的金属的熔点10°C的温度之间的温度。艮ロ， 如图3所示，将高熔点的金属板的熔点设为T1°C，将低熔点的金属板的熔点设为T2°C吋， 利用放电等离子体烧结法可将高熔点的金属板接合于陶瓷板的加热温度在(T1-150) (Tl-IO)で的范围内，利用放电等离子体烧结法可将低熔点的金属板接合于陶瓷板的加热温度在(T2-150) (T2-10)°C的范围内，所以，只要在由TW表示的(T1-150) (T2-10) °C 的范围内，即可在低熔点的金属板不熔融的状态下，将两金属板同时接合于陶瓷板。需要说明的是，有时(T1-150)°C与(T2-10)°C为相同的温度。如上所述来制造层合材料(1)。上述方法中的两金属板(2) (3)与陶瓷板⑷的接合条件根据两金属板⑵⑶及陶瓷板⑷的材料或尺寸的不同而不同，例如通电的脉冲电流为1000 30000A，加压カ为 10 lOOMPa，接合温度保持时间为1 30min。需要说明的是，将两金属板(2) (3)与陶瓷板(4)接合的机制虽不明确，但认为其机理如下。S卩，从层合方向的两侧对金属板(2) (3)与陶瓷板⑷的层合体进行加压时，金属板⑵⑶屈服，由此，构成金属板⑵⑶的材料进入陶瓷板⑷表面的微小凹部，金属板
(2)(3)与陶瓷板的接触面积变大。在此状态下，使放电等离子体烧结装置的两电极
(13)(14)导通，并且，在两电极(13) (14)间通入脉冲电流，加热至低于高熔点的金属板的熔点150°C的温度、和低于熔点最低的金属板的熔点10°C的温度之间的温度，此时，金属板 ⑵⑶软化，金属板⑵⑶与陶瓷板⑷的接触面积进一歩变大。此时，若在金属板⑵
(3)表面与陶瓷板(4)表面的接触部附近，发射放电等离子体，则金属板(2)(3)表面的氧化被膜被破坏、除去，从而露出活性表面。认为该金属板( (3)的活性面与陶瓷板的表面接触吋，金属板(2) (3)与陶瓷板由于物质扩散而被接合。图4 图7表示制造层合材料(1)的方法的变形例。为图4所示的方法吋，在放电等离子体烧结装置的上下两电极(13) (14)与上下两金属板(2) (3)之间未配置冲压装置。另外，具有导电性的石墨制烧结用模O0)的高度与两金属板(2) (3)及陶瓷板的总厚度相比稍高，当利用上下两电极(13) (14)从上下两方对两金属板( (3)及陶瓷板(4)进行加压时，上下两电极(1 (14)与上下两金属板(2) (3)相接。因此，在加压状态，通过模O0)可确保两电极(13) (14)间的导通。除此之外，与图2所示的方法相同地，制造层合材料(1)。为图5所示的方法吋，在放电等离子体烧结装置上下两电极(13) (14)与上下两金属板(2) (3)之间未配置冲压装置。另外，具有导电性的石墨制烧结用模05)的高度低于两金属板(2) (3)及陶瓷板的总厚度、且高于陶瓷板的厚度，通过上下两电极(13)
(14)从上下两方对两金属板( (3)及陶瓷板(4)进行加压时，模05)不与两电极(13) (14)接触，位于横跨上下两金属板( (3)的位置。因此，在加压状态下，通过上下两金属板 ⑵⑶及模05)可确保两电极(13) (14)间的导通。除此之外，与图2所示的方法同样地制造层合材料(1)。为图6所示的方法吋，在图4所示的方法中使用的放电等离子体烧结装置中，在上下两电极(13) (14)与上下两金属板(2) (3)之间，分別配置具有导电性的石墨制间隔装置(spacer) (26) (27)。间隔装置(26) (27)的大小大于模(20)的上下两端开ロ。另外，通过上下两电极(1 (14)经由间隔装置06) (27)从上下两方对两金属板( (3)及陶瓷板 (4)进行加压时，上下两间隔装置06) (27)与上下两金属板( (3)相接。因此，在加压状态下，通过间隔装置(26) (27)及模(20)，可确保两电极(13) (14)间的导通。除此之外，与图4所示的方法相同地制造层合材料(1)。为图7所示的方法吋，在图5所示的方法中使用的放电等离子体烧结装置中，在上下两电极(13) (14)与上下两金属板(2) (3)之间，分別配置石墨制间隔装置(26) (27)。 间隔装置(26) (27)的大小大于模(25)的上下两端开ロ。另外，通过上下两电极(13) (14) 经由石墨间隔装置06) (27)从上下两方对两金属板(2) (3)及陶瓷板⑷进行加压时，模 (25)不与两电极(1 (14)接触，位于横跨上下两金属板( (3)的位置。因此，在加压状态下，通过上下两间隔装置(26) (27)、上下两金属板(2) (3)及模(25)，可确保两电极(13) (14)间的导通。除此之外，与图5所示的方法相同地制造层合材料(1)。实施方案2该实施方案示于图8及图9。图8表示本发明的实施方案2的层合材料，图9表示图8的层合材料的制造方法。图8中，对于层合材料(30)来说，在实施方案1的层合材料(1)的上下两金属板 (2) (3)中的至少任一方的金属板(2) (3)的与陶瓷板(4)接合面的相对侧的面(此处为下侧金属板(3)的下面)上，利用放电等离子体烧结法以层合状接合金属板(31)，所述金属板 (31)由在制造层合材料(30)时的放电等离子体烧结法的加热时的加热温度下不熔融的材料形成。S卩，当两金属板⑵⑶由具有相同熔点的材料形成吋，金属板(31)由熔点在两金属板⑵⑶的熔点以上的材料形成，当两金属板⑵⑶的熔点不同吋，金属板(31)由熔点与熔点低的一方的金属板的熔点相比较高的材料形成。例如，两金属板O) C3)由Al或 Al合金形成吋，金属板(31)由选自Cu、Ag、Au、Ni、Ti、Cu合金、Ag合金、Au合金、Ni合金及Ti合金中的ー种材料形成。虽然省略图示，但如下所述，可将层合材料(30)用作电源模块用基底。通过对上侧金属板( 实施蚀刻而形成电路，将上侧金属板( 形成为布线层。另外，准备由Al、Al合金、Cu、Cu合金等高热传导性材料形成的散热器等散热材料、和由Al、 Al合金、Cu、Cu合金等高热传导性材料形成、且具有应カ吸收空间的应カ缓和部件。作为应力缓和部件，例如由形成有多个贯通孔的Al或Al合金板形成，贯通孔形成应カ吸收空间。而后，在散热材料上，经由应力缓和部件放置层合材料(30)，对高熔点金属板 (31)与应カ缓和部件、及应カ缓和部件与散热材料，同时进行焊接。如此，构成电源模块用需要说明的是，散热材料有时由例如在内部具有冷却流体通路的中空体的上壁形成。作为冷却流体，使用液体及气体均可。另外，散热材料有时由散热基板形成，所述散热基板在接合有应カ缓和部件面的相对侧的面上设置有散热片。在电源模块用基底的层合材料(30)的上侧金属板(2)上，通过焊接安装电源设备，构成电源模块。该电源模块中，从电源设备放出的热，经由上侧金属板O)、陶瓷板G)、 下侧金属板C3)、高熔点金属板(31)及应カ缓和部件传递至散热材料，从散热材料散热。此吋，由于高熔点金属板(31)的热传导率高，所以作为散热器发挥作用，热量扩散至高熔点金属板(31)整体后，经由应力缓和部件传递至散热材料，散热性升高。另外，即使因层合材料(30)的陶瓷板(4)与散热材料的热膨胀率不同而导致散热材料受陶瓷板(4)拉伸而发生翘曲、从而在电源模块用基底上产生热应カ，由于应カ缓和部件的作用，也可以缓和热应力，因此，可防止在陶瓷板(4)上产生裂縫，或在散热材料的与陶瓷板的接合面上发生翘曲。接下来，參照图9对层合材料(30)的制造方法进行说明。S卩，准备在制造实施方案1的层合材料(1)时所用的两片金属板(2) (3)及陶瓷板 (4)、和由选自例如Cu、A g、Au、、Ni、Ti、Cu合金、Ag合金、Au合金、Ni合金及Ti合金中的 ー种材料形成的高熔点金属板(31)。此处，高熔点金属板(31)的表面粗糙度以算数平均粗糙度(Ra)计优选为1. 0 μ m 以下，厚度优选为3mm以下。接下来，在放电等离子体烧结装置的具有导电性的石墨制烧结用模(32)内，按照陶瓷板(4)位于两金属板(2) (3)间、并且高熔点金属板(31)位于下侧金属板(3)下方的方式，将两金属板( (3)、陶瓷板(4)及高熔点金属板(31)层合配置。模(3 的上下方向的高度高于两金属板(2) (3)、陶瓷板(4)及高熔点金属板(31)的总厚度，模(32)的上下两端部与上下两金属板( (3)相比更向上下方向外侧突出。接下来，在模(3 内的由上侧金属板( (3)、陶瓷板(4)下侧金属板C3)及高熔点金属板(31)形成的层合体的上下，配置石墨制冲压装置(11) (12)，并且，使电极(1 (14)分別与上冲压装置(11)的上面及下冲压装置(1 的下面电接触。在该状态下，通过两冲压装置(11) (12)及模(32)，可确保两电极(13)(14)间的导通。接下来，在1 10 的真空气氛中、或氮或氩等惰性气体气氛中，通过上下两冲压装置(11) (12)从上下两方、即两金属板(2) (3)、陶瓷板(4)及高熔点金属板(31)的层合方向的两侧，对两金属板⑵⑶及陶瓷板⑷进行加压，同吋，在两电极(13) (14)间通入脉冲电流，由此，当两金属板(2) (3)的熔点相同吋，加热升温至低于两金属板(2) (3)的熔点 10 150°C的温度，当两金属板(2) (3)的熔点不同吋，加热升温至与两金属板(2) (3)中高熔点的金属板的熔点相比低150°C的温度、和与上述两金属板中低熔点的金属板的熔点相比低10°C的温度之间，保持该温度规定时间，将两金属板(2) (3)与陶瓷板(4)、及下侧金属板(3)与高熔点金属板(31)接合。如此，制造层合材料(30)。上述方法中的两金属板(2) (3)与陶瓷板(4)、及下侧金属板(3)与高熔点金属板 (31)的接合条件根据两金属板( (3)、陶瓷板(4)及高熔点金属板(31)的材料或尺寸的不同而不同，例如通电的脉冲电流为1000 30000A，加压カ为10 lOOMPa，接合温度保持时间为1 30min。实施方案3该实施方案示于图10。图10表示本发明的实施方案3的层合材料。图10中，对于层合材料(35)来说，实施方案1的层合材料(1)的上下两金属板 (2) (3)中的至少任一方的金属板(2) (3)的与陶瓷板(4)接合面的相对侧的面(此处为上侧金属板(2)的上面)上，利用放电等离子体烧结法以层合状接合高熔点金属板(36)，所述高熔点金属板(36)由在制造层合材料(3 时的放电等离子体烧结法的加热温度下不熔融的材料形成。两金属板⑵(3)由Al或Al合金形成，高熔点金属板(36)由选自Cu、Ag、Au、Ni、 Cu合金、Ag合金、Au合金及Ni合金中的ー种材料形成。上述材料具有高热传导性，并且， 焊接性优异。虽然省略图示，但如下所述，可将层合材料(35)用作电源模块用基底。遮蔽高熔点金属板(36)的表面并实施蚀刻，从而，部分地露出上侧金属板0)，进一歩对上侧金属板O)的露出部分实施蚀刻，由此形成电路，由此，将上侧金属板( 形成为表面具有高熔点金属板(36)的布线层。另外，准备由A1、A1合金、Cu、Cu合金等高热传导性材料形成的散热器等散热材料、和由Al、Al合金、Cu、Cu合金等高热传导性材料形成、 且具有应カ吸收空间的应カ缓和部件。作为应カ缓和部件，例如由形成有多个贯通孔的Al 或Al合金板形成，贯通孔形成应カ吸收空间。而后，在散热材料上，经由应力缓和部件放置层合材料(35)，对于下侧金属板(3) 与应カ缓和部件、及应カ缓和部件与散热材料，同时进行焊接。如此，构成电源模块用基底。需要说明的是，散热材料有时由例如在内部具有冷却流体通路的中空体的上壁形成。作为冷却流体，使用液体及气体均可。另外，散热材料有时由散热基板形成，所述散热基板在接合有应カ缓和部件面的相对侧的面上设置有散热片。在电源模块用基底的层合材料(3 的上侧金属板( 表面的高熔点金属板(36) 上，通过焊接安装电源设备，构成电源模块。此处，高熔点金属板(36)由焊接性优异的材料形成，因此不需要对上侧金属板O)的表面实施使焊料润湿性提高的Ni镀等的处理工序， 可降低成本。该电源模块中，从电源设备放出的热，经由高熔点金属板(36)、上侧金属板O)、 陶瓷板G)、下侧金属板C3)及应カ缓和部件传递至散热材料，从散热材料散热。需要说明的是，也可在实施方案3的层合材料(35)的下侧金属板(3)的下面上， 将由与实施方案2的情况相同的材料形成的高熔点金属板(31)接合为层合状。实施方案4该实施方案如图11及图12所示。图11表示本发明的实施方案4的层合材料，图 12表示图11的层合材料的制造方法。图11中，对于层合材料00)来说，一片金属板Gl)和一片陶瓷板G2)按照金属板Gl)在上侧的方式层合，并且，金属板Gl)与陶瓷板G2)通过放电等离子体烧结法接合。 层合材料00)的上下两面、即金属板O)的上面及陶瓷板G2)的下面的平面度分别在100 μ m以下。作为金属板及陶瓷板(42)，可使用由与实施方案1的层合材料(1)中的两金属板( (3)及陶瓷板(4)相同的材料形成的金属板及陶瓷板。上述实施方案3的情况下， 不需要考虑金属板Gl)的熔点。需要说明的是，在实施方案4的层合材料00)中，在金属板Gl)的与陶瓷板接合的面的相对侧的面上，通过放电等离子体烧结法以层合状接合由在放电等离子体烧结法的加热时的加热温度下不熔融的材料形成的金属板，。虽然省略图示，但如下所述，可将层合材料00)用作电源模块用基底。通过对金属板实施蚀刻而形成电路，将金属板Gl)形成为布线层。另外，准备由Al、Al合金、Cu、Cu合金等高热传导性材料形成的散热器等散热材料、和由Al、Al合金、Cu、Cu合金等高热传导性材料形成、且具有应力吸收空间的应力缓和部件。作为应力缓和部件，例如由形成有多个贯通孔的Al或Al合金板形成，贯通孔形成应力吸收空间。而后，在散热材料上，经由应力缓和部件放置层合材料(40)，对陶瓷板0 与应力缓和部件、及应力缓和部件与散热材料，同时进行焊接。如此，构成电源模块用基底。需要说明的是，散热材料有时由例如在内部具有冷却流体通路的中空体的上壁形成。作为冷却流体，使用液体及气体均可。另外，散热材料有时由在接合有应力缓和部件面的相对侧的面上设置有散热片的散热基板形成。在电源模块用基底的层合材料00)的金属板Gl)上，通过焊接安装电源设备，构成电源模块。该电源模块中，从电源设备放出的热，经由金属板(41)、陶瓷板0 及应力缓和部件传递至散热材料，从散热材料散热。此时，即使因层合材料GO)的陶瓷板0 与散热材料的热膨胀率不同而导致散热材料受陶瓷板0 拉伸而发生翘曲、从而在电源模块用基底上产生热应力，由于应力缓和部件的作用，也可以缓和热应力，因此，可防止在陶瓷板0 上产生裂缝，或在散热材料的与陶瓷板0 的接合面上发生翘曲。接下来，参照图12对层合材料GO)的制造方法进行说明。S卩，准备一片金属板及一片陶瓷板(42)，该金属板及陶瓷板02)由与用于制造实施方案1的层合材料(1)的上下任一侧的金属板(2) (3)及陶瓷板(4)相同的材料形成。接下来，在放电等离子体烧结装置的具有导电性的石墨制烧结用模05)内，按照金属板位于上侧的方式，将金属板及陶瓷板0 层合配置。模0 的上下方向的高度高于陶瓷板G2)的厚度且低于金属板Gl)及陶瓷板G2)的总厚度，金属板Gl)的一部分突出模0 上方。接下来，在由金属板Gl)及陶瓷板0 形成的层合体的上下，分别配置电极(13) (14)，并且，使两电极(13) (14)与金属板Gl)及陶瓷板G2)接触。在此状态下，通过金属板Gl)及模G5)确保两电极(13) (14)间的导通。接下来，在1 10 的真空气氛中、或氮或氩等惰性气体气氛中，通过上下两电极(13) (14)从上下两方对金属板(41)及陶瓷板(42)进行加压，同时，在两电极(13) (14)间通入脉冲电流，由此加热升温至低于金属板Gl)的熔点10 150°C的温度，并且，保持该温度规定时间，将金属板Gl)与陶瓷板0 接合。如此，制造层合材料GO)。上述方法中的金属板Gl)与陶瓷板G2)的接合条件根据金属板Gl)及陶瓷板(42)的材料或尺寸的不同而不同，例如通电的脉冲电流为1000 30000A，加压力为10 lOOMPa，接合温度保持时间为1 30min。需要说明的是，一般认为上述实施方案2 4中金属板与陶瓷板接合的机制与实施方案1的情况相同。以下，说明本发明的层合材料的具体的实施例和比较例。需要说明的是，以下的实施例为实施方案1的层合材料。实施例1 7及比较例1 2
该实施例1 7及比较例1 2是为了研究利用放电等离子体烧结法将金属板和陶瓷板接合时的加热温度而进行的。准备由纯度99.形成、且长34_、宽28mm、厚1. Omm的两片Al制金属板⑵(3)；和长34mm、宽J8mm、厚0. 635mm的一片AlN制陶瓷板⑷(含有5 丨％左右的Y203)；使用有机溶剂对金属板(2) (3)及陶瓷板(4)的表面实施脱脂处理。需要说明的是，不实施氧化被膜的除去处理。金属板0)(3)的两面的表面粗糙度为RaO. 3 μ m，陶瓷板(4)的两面的表面粗糙度为RaO. 8 μ m。接下来，在如图2所示的烧结用模(10)内，按照陶瓷板(4)位于两金属板(2) (3)间的方式，将两金属板( (3)及陶瓷板(4)层合配置。而且，在模(10)内的两金属板(2)(3)及陶瓷板(4)的上下，配置石墨制冲压装置(11) (12)，并且，使电极(13) (14)分别与上冲压装置(11)的上面及下冲压装置(1 的下面接触。接下来，在1 10 的真空气氛中，经由上下两冲压装置(11)(12)从上下两方以20MPa的压力对两金属板(2) (3)及陶瓷板⑷进行加压，同时，在两电极(13) (14)间通最大2000A的脉冲电流，由此，经5分钟将两金属板( (3)及陶瓷板(4)加热至多种温度，并在该温度下保持5分钟，将两金属板( (3)与陶瓷板(4)接合。然后，停止两电极(13)(14)间的通电，然后进行冷却，由此制造3层结构的层合材料(1)。观察制造出的层合材料(1)，结果，在实施例1 7中，两金属板(2) (3)未熔融，全面与陶瓷板⑷接合。与此相对，在比较例1中，两金属板⑵⑶与陶瓷板⑷的接合面积小，容易地将两金属板⑵⑶和陶瓷板⑷剥离。加热温度及接合状态示于表1。[表1]
权利要求
1.一种层合材料，其中，多片金属板与至少一片陶瓷板按照金属板与陶瓷板相邻接的方式层合，并且，邻接的金属板与陶瓷板利用放电等离子体烧结法接合，与陶瓷板邻接的所有金属板的熔点的差在140°C以内。
2.如权利要求1所述的层合材料，其中，两片金属板与一片陶瓷板按照陶瓷板位于两金属板之间的方式层合，一片金属板的熔点与另一片金属板的熔点之差在140°C以内。
3.如权利要求2所述的层合材料，其中，在两金属板中的至少任一方的金属板的与陶瓷板接合的面的相对侧的面上，通过放电等离子体烧结法，以层合状接合由在放电等离子体烧结法的加热时的加热温度下不熔融的材料形成的金属板。
4.一种层合材料，其中，一片金属板和一片或两片陶瓷板按照金属板与陶瓷板相邻接的方式层合，并且，邻接的金属板与陶瓷板通过放电等离子体烧结法接合。
5.如权利要求4所述的层合材料，其中，所述层合材料由一片金属板和一片陶瓷板构成，在金属板的与陶瓷板接合的面的相对侧的面上，通过放电等离子体烧结法，以层合状接合由在放电等离子体烧结法的加热时的加热温度下不熔融的材料形成的金属板。
6.如权利要求1或4所述的层合材料，其中，金属板由选自Al、Cu、Ag、Au、Ni、Ti、Al 合金、Cu合金、Ag合金、Au合金、Ni合金及Ti合金中的ー种材料形成。
7.如权利要求1或4所述的层合材料，其中，陶瓷板由选自AlN、Al203、Si3N4、SiC、Y203、 CaO、BN及BeO中的ー种材料形成。
8.如权利要求1或4所述的层合材料，其中，上下两面的平面度在100μ m以下。
9.一种层合材料的制造方法，为制造权利要求1所述的层合材料的方法，所述层合材料中多片金属板与至少一片陶瓷板按照金属板与陶瓷板相邻接的方式层合，并且，邻接的金属板与陶瓷板利用放电等离子体烧结法接合，其特征在干，使与陶瓷邻接地配置的所有金属板的熔点差在140°C以内，按照金属板与陶瓷板相邻接的方式将熔点差在140°C以内的多片金属板、和至少一片陶瓷板层合；将金属板与陶瓷板的层合体配置在一对放电等离子体烧结用电极间；以及在确保两电极间的导通的状态下在两电极间通入脉冲电流，由此将陶瓷板和与陶瓷板邻接的金属板接合。
10.如权利要求9所述的层合材料的制造方法，其中，在确保两电极间导通的状态下通过在两电极间通入脉冲电流而形成的陶瓷板和与陶瓷板邻接的金属板的接合如下进行在与熔点差在140°C以内的所有金属板中的熔点最高的金属板的熔点相比低150°C的温度、和与其中的熔点最低的金属板的熔点相比低10°C的温度之间进行加热。
11.如权利要求10所述的层合材料的制造方法，其中，准备一片陶瓷板、熔点差在 140°C以内且接合于陶瓷板的两面的两片金属板、和由在放电等离子体烧结法的加热时的加热温度下不熔融的材料形成的至少一片金属板，在陶瓷板的两侧，分别邻接地层合与陶瓷板接合的金属板，在两金属板中的至少任一方的金属板的与陶瓷板相接侧的相对侧的面上，层合由在放电等离子体烧结法的加热时的加热温度下不熔融的材料形成的金属板，在将金属板接合于陶瓷板的两面的同吋，在至少任一方的金属板的与陶瓷板接合的面的相对侧的面上，接合由在放电等离子体烧结法的加热时的加热温度下不熔融的材料形成的金属板。
12.一种层合材料的制造方法，为制造权利要求4所述的层合材料的方法，所述层合材料中一片金属板与一片或两片陶瓷板按照金属板与陶瓷板相邻接的方式层合，并且邻接的金属板与陶瓷板利用放电等离子体烧结法接合，其特征在干，按照金属板与陶瓷板相邻接的方式，将一片金属板与一片或两片陶瓷板层合，将金属板与陶瓷板的层合体配置于ー对放电等离子体烧结用电极间，以及在确保两电极间导通的状态下，在两电极间通入脉冲电流，由此将邻接的金属板与陶瓷板接合。
13.如权利要求12所述的层合材料的制造方法，其中，通过在两电极间通入脉冲电流而形成的金属板与陶瓷板的接合，是通过在低于金属板的熔点10 150°C的温度下加热来进行的。
14.如权利要求13所述的层合材料的制造方法，其中，准备一片陶瓷板、与陶瓷板接合的一片金属板、和由在放电等离子体烧结法的加热时的加热温度下不熔融的材料形成的金属板，在陶瓷板的单侧配置与陶瓷板接合的金属板，在该金属板的与陶瓷板相接侧的相对侧的面上，层合由在放电等离子体烧结法的加热时的加热温度下不熔融的材料形成的金属板，在陶瓷板的单面接合金属板的同吋，在该金属板的与陶瓷板接合的面的相对侧的面上， 接合由在放电等离子体烧结法的加热时的加热温度下不熔融的材料形成的金属板。
15.如权利要求9或12所述的层合材料的制造方法，其中，金属板由选自Al、Cu、Ag、 Au、Ni、Ti、Al合金、Cu合金、Ag合金、Au合金、Ni合金及Ti合金中的ー种材料形成。
16.如权利要求9或12所述的层合材料的制造方法，其中，陶瓷板由选自A1N、A1203、 Si3N4、SiC、Y2O3、CaO、BN 及 BeO 中的ー种材料形成。
17.如权利要求9或12所述的层合材料的制造方法，其中，金属板的表面粗糙度以算数平均粗糙度(Ra)计在1. 0 μ m以下。
18.如权利要求9或12所述的层合材料的制造方法，其中，陶瓷板的表面粗糙度以算数平均粗糙度(Ra)计在1. 5 μ m以下。
19.如权利要求9或12所述的层合材料的制造方法，其中，ー边在10 IOOMPa下从金属板及陶瓷板的层合方向的两侧进行加压，ー边通过在两电极间通入脉冲电流使金属板与陶瓷板接合。
20.如权利要求9或12所述的层合材料的制造方法，其中，在惰性气体气氛中或真空气氛中，通过在两电极间通入脉冲电流使金属板与陶瓷板接合。
全文摘要
本发明涉及一种层合材料(1)，其中，两片金属板(2)、(3)和一片陶瓷板(4)按照陶瓷板(4)位于两金属板(2)、(3)之间的方式层合，并且，两金属板(2)、(3)与陶瓷板(4)通过放电等离子体烧结法接合。两金属板(2)、(3)的熔点差在140℃以内。层合材料(1)通过如下方式形成按照陶瓷板(4)位于两金属板(2)、(3)之间的方式，将熔点差在140℃以内的两片金属板(2)、(3)和一片陶瓷板(4)层合；将两金属板(2)、(3)与陶瓷板(4)的层合体配置在一对放电等离子体烧结装置的电极间；以及在确保两电极间的导通的状态下在两电极间通入脉冲电流，由此将两金属板(2)、(3)与陶瓷板(4)接合。
文档编号H01L23/12GK102574361SQ20108004383
公开日2012年7月11日 申请日期2010年11月26日 优先权日2009年11月27日
发明者大山茂, 大泷笃史, 铃木大介 申请人:昭和电工株式会社