JP2017532276A - セラミック基板およびその製造方法、パワーモジュール - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、中華人民共和国の中華人民共和国国家知識産権局(SIPO)に2014年8月28日に出願された中国特許出願第201410430707.6号および第201410430706.1号に対する優先権とこれらの利益を主張し、これらの内容全体が、参照として本明細書に援用される。
ジルコニア強化アルミナから作られるコア層と、
コア層の上側表面および下側表面に対称的に配置され、Al2O3から作られる複数の表面層とを備え、
コア層は、化学組成が0wt%<ZrO2≦40wt%および60wt%≦Al2O3<100wt%である。
コア層の上側表面に配置された上側表面層と、
コア層の下側表面に配置された下側表面層とを備え、
上側表面層、下側表面層およびコア層が、それぞれ同じ厚みを有する。
複数の遷移層は、コア層の上側表面および下側表面に対称的に配置され、それぞれの遷移層が、1つの表面層とコア層の間に配置され;
それぞれの遷移層は、ジルコニア含有量がコア層よりも少ない。
コア層と上側表面層の間に配置された上側遷移層と、
コア層と下側表面層の間に配置された下側遷移層とを備え、
上側遷移層、下側遷移層、上側表面層、下側表面層およびコア層が、それぞれ同じ厚みを有する。
コア層の上側表面に配置された第1の上側遷移層と、
第1の上側遷移層と上側表面層の間に配置された第2の上側遷移層と、
コア層の下側表面に配置された第1の下側遷移層と、
第1の下側遷移層と下側表面層の間に配置された第2の下側遷移層とを備え、
第2の上側遷移層は、ジルコニア含有量が第1の上側遷移層よりも少なく、第2の下側遷移層は、ジルコニア含有量が第1の下側遷移層より少ない。
第1の上側遷移層および第1の下側遷移層は、10wt%<ZrO2≦20wt%および80wt%≦Al2O3<90wt%の同じ化学組成を有し、
コア層は、化学組成が20wt%<ZrO2≦40wt%および60wt%≦Al2O3<80wt%である。
コア層の素地と、表面層の複数の素地を提供する工程と、
全ての素地を表面層−コア層−表面層の順序に従って積み重ねる工程と、
等方圧加圧、次いで、脱バインダーおよび焼結を行う工程とを含む、方法を提供する。
表面層の複数の素地は、アルミナ、バインダー、分散剤、可塑剤および溶媒を含有する第2のセラミックスラリーを用いて製造される。
遷移層の複数の素地を提供する工程と、
全ての素地を表面層−遷移層−コア層−遷移層−表面層の順序に従って積み重ねる工程と、
等方圧加圧、次いで、脱バインダーおよび焼結を行う工程とをさらに含む。
セラミック基板と、
セラミック基板の表面に配置された金属層とを備え、
セラミック基板は、上述のセラミック基板であるか、または上述の方法によって得られる。
コア層の素地と、表面層の複数の素地を提供する工程と、
全ての素地を表面層−コア層−表面層の順序に従って積み重ねる工程と、
等方圧加圧、次いで、脱バインダーおよび焼結を行う工程とを含む。
セラミック基板と、
セラミック基板の表面に配置された金属層とを備え、
セラミック基板は、上述のセラミック基板であるか、または上述の方法によって得られる。
この実施形態は、セラミック基板を製造するための方法を提供した。この方法は、以下の工程を含んでいた。
(1)Aのセラミックスラリーを製造するために、表2に従って全ての材料を提供し、セラミック粉末、溶媒および分散剤を遊星ボールミル中で混合し、約4時間かけて粉砕し、バインダーおよび可塑剤を加え、8時間粉砕し、消泡剤を加え、1時間粉砕し、0.5時間消泡し、その結果、Aのセラミックスラリーが得られた工程;
ZTA10のセラミックスラリーを製造するために、表2に従って全ての材料を提供し、セラミック粉末、溶媒および分散剤を遊星ボールミル中で混合し、約4時間かけて粉砕し、バインダーおよび可塑剤を加え、8時間粉砕し、消泡剤を加え、1時間粉砕し、0.5時間消泡し、その結果、ZTA10のセラミックスラリーが得られた工程;
(2)キャスティングマシンのキャスティング速度が1.5m/分、キャスティングブレードの距離が100μmのキャスティングマシンによって、剥離フィルムの上にAのセラミックスラリーをキャストし、乾燥させる工程。乾燥温度は、室温で30分間の第1の段階、50℃で15分間の第2の段階、60℃で15分間の第3の段階、70℃で30分間の第4の段階の4つの段階に分けられた。乾燥工程の後、厚みが0.06mmのAの素地を得た。
この実施形態は、セラミック基板を製造するための方法を与えた。この方法は、以下の工程を含んでいた。
(1)Aのセラミックスラリーを製造するために、表2に従って全ての材料を提供し、セラミック粉末、溶媒および分散剤を遊星ボールミル中で混合し、約4時間かけて粉砕し、バインダーおよび可塑剤を加え、8時間粉砕し、消泡剤を加え、1時間粉砕し、0.5時間消泡し、その結果、Aのセラミックスラリーが得られた工程;
ZTA20のセラミックスラリーを製造するために、表2に従って全ての材料を提供し、セラミック粉末、溶媒および分散剤を遊星ボールミル中で混合し、約4時間かけて粉砕し、バインダーおよび可塑剤を加え、8時間粉砕し、消泡剤を加え、1時間粉砕し、0.5時間消泡し、その結果、ZTA20のセラミックスラリーが得られた工程;
(2)キャスティングマシンのキャスティング速度が1.5m/分、キャスティングブレードの距離が100μmのキャスティングマシンによって、剥離フィルムの上にAのセラミックスラリーをキャストし、乾燥させる工程。乾燥温度は、室温で30分間の第1の段階、50℃で15分間の第2の段階、60℃で15分間の第3の段階、70℃で30分間の第4の段階の4つの段階に分けられた。乾燥工程の後、厚みが0.06mmのAの素地を得た。
この実施形態は、セラミック基板を製造するための方法を与えた。この方法は、以下の工程を含んでいた。
(1)Aのセラミックスラリーを製造するために、表2に従って全ての材料を提供し、セラミック粉末、溶媒および分散剤を遊星ボールミル中で混合し、約4時間かけて粉砕し、バインダーおよび可塑剤を加え、8時間粉砕し、消泡剤を加え、1時間粉砕し、0.5時間消泡し、その結果、Aのセラミックスラリーが得られた工程;
ZTA40のセラミックスラリーを製造するために、表2に従って全ての材料を提供し、セラミック粉末、溶媒および分散剤を遊星ボールミル中で混合し、約4時間かけて粉砕し、バインダーおよび可塑剤を加え、8時間粉砕し、消泡剤を加え、1時間粉砕し、0.5時間消泡し、その結果、ZTA40のセラミックスラリーが得られた工程;
(2)キャスティングマシンのキャスティング速度が1.5m/分、キャスティングブレードの距離が100μmのキャスティングマシンによって、剥離フィルムの上にAのセラミックスラリーをキャストし、乾燥させる工程。乾燥温度は、室温で30分間の第1の段階、50℃で15分間の第2の段階、60℃で15分間の第3の段階、70℃で30分間の第4の段階の4つの段階に分けられた。乾燥工程の後、厚みが0.06mmのAの素地を得た。
この実施形態は、工程(2)によって製造される複数の素地を200mm×150mmに切断したことを除き、実施形態3と実質的に同じである。次いで、4個の素地をA−ZTA40−ZTA40−Aの順序に従って積み重ね、次いで、85℃の所定の温度で等方圧加圧状態で積層し、次いで、圧力を約30MPaに20分間維持した。
この実施形態は、セラミック基板を製造するための方法を与えた。この方法は、以下の工程を含んでいた。
(1)Aのセラミックスラリーを製造するために、表2に従って全ての材料を提供し、セラミック粉末、溶媒および分散剤を遊星ボールミル中で混合し、約4時間かけて粉砕し、バインダーおよび可塑剤を加え、8時間粉砕し、消泡剤を加え、1時間粉砕し、0.5時間消泡し、その結果、Aのセラミックスラリーが得られた工程;
ZTA10のセラミックスラリーを製造するために、表2に従って全ての材料を提供し、セラミック粉末、溶媒および分散剤を遊星ボールミル中で混合し、約4時間かけて粉砕し、バインダーおよび可塑剤を加え、8時間粉砕し、消泡剤を加え、1時間粉砕し、0.5時間消泡し、その結果、ZTA10のセラミックスラリーが得られた工程;
ZTA20のセラミックスラリーを製造するために、表2に従って全ての材料を提供し、セラミック粉末、溶媒および分散剤を遊星ボールミル中で混合し、約4時間かけて粉砕し、バインダーおよび可塑剤を加え、8時間粉砕し、消泡剤を加え、1時間粉砕し、0.5時間消泡し、その結果、ZTA20のセラミックスラリーが得られた工程;
(2)キャスティングマシンのキャスティング速度が1.5m/分、キャスティングブレードの距離が100μmのキャスティングマシンによって、剥離フィルムの上にAのセラミックスラリーをキャストし、乾燥させる工程。乾燥温度は、室温で30分間の第1の段階、50℃で15分間の第2の段階、60℃で15分間の第3の段階、70℃で30分間の第4の段階の4つの段階に分けられた。乾燥工程の後、厚みが0.06mmのAの素地を得た。
この実施形態は、工程(2)によって製造される複数の素地を200mm×150mmに切断したことを除き、実施形態5と実質的に同じである。次いで、5個の素地をA−ZTA10−ZTA20−ZTA10−Aの順序に従って積み重ね、次いで、85℃の所定の温度で等方圧加圧状態で積層し、次いで、圧力を約30MPaに20分間維持した。
この実施形態は、セラミック基板を製造するための方法を与えた。この方法は、以下の工程を含んでいた。
(1)Aのセラミックスラリーを製造するために、表2に従って全ての材料を提供し、セラミック粉末、溶媒および分散剤を遊星ボールミル中で混合し、約4時間かけて粉砕し、バインダーおよび可塑剤を加え、8時間粉砕し、消泡剤を加え、1時間粉砕し、0.5時間消泡し、その結果、Aのセラミックスラリーが得られた工程;
ZTA20のセラミックスラリーを製造するために、表2に従って全ての材料を提供し、セラミック粉末、溶媒および分散剤を遊星ボールミル中で混合し、約4時間かけて粉砕し、バインダーおよび可塑剤を加え、8時間粉砕し、消泡剤を加え、1時間粉砕し、0.5時間消泡し、その結果、ZTA20のセラミックスラリーが得られた工程;
ZTA40のセラミックスラリーを製造するために、表2に従って全ての材料を提供し、セラミック粉末、溶媒および分散剤を遊星ボールミル中で混合し、約4時間かけて粉砕し、バインダーおよび可塑剤を加え、8時間粉砕し、消泡剤を加え、1時間粉砕し、0.5時間消泡し、その結果、ZTA40のセラミックスラリーが得られた工程;
(2)キャスティングマシンのキャスティング速度が1.5m/分、キャスティングブレードの距離が100μmのキャスティングマシンによって、剥離フィルムの上にAのセラミックスラリーをキャストし、乾燥させる工程。乾燥温度は、室温で30分間の第1の段階、50℃で15分間の第2の段階、60℃で15分間の第3の段階、70℃で30分間の第4の段階の4つの段階に分けられた。乾燥工程の後、厚みが0.06mmのAの素地を得た。
この実施形態は、セラミック基板を製造するための方法を与えた。この方法は、以下の工程を含んでいた。
(1)Aのセラミックスラリーを製造するために、表2に従って全ての材料を提供し、セラミック粉末、溶媒および分散剤を遊星ボールミル中で混合し、約4時間かけて粉砕し、バインダーおよび可塑剤を加え、8時間粉砕し、消泡剤を加え、1時間粉砕し、0.5時間消泡し、その結果、Aのセラミックスラリーが得られた工程;
ZTA20のセラミックスラリーを製造するために、表2に従って全ての材料を提供し、セラミック粉末、溶媒および分散剤を遊星ボールミル中で混合し、約4時間かけて粉砕し、バインダーおよび可塑剤を加え、8時間粉砕し、消泡剤を加え、1時間粉砕し、0.5時間消泡し、その結果、ZTA20のセラミックスラリーが得られた工程;
ZTA40のセラミックスラリーを製造するために、表2に従って全ての材料を提供し、セラミック粉末、溶媒および分散剤を遊星ボールミル中で混合し、約4時間かけて粉砕し、バインダーおよび可塑剤を加え、8時間粉砕し、消泡剤を加え、1時間粉砕し、0.5時間消泡し、その結果、ZTA40のセラミックスラリーが得られた工程;
(2)キャスティングマシンのキャスティング速度が1.5m/分、キャスティングブレードの距離が100μmのキャスティングマシンによって、剥離フィルムの上にAのセラミックスラリーをキャストし、乾燥させる工程。乾燥温度は、室温で30分間の第1の段階、50℃で15分間の第2の段階、60℃で15分間の第3の段階、70℃で30分間の第4の段階の4つの段階に分けられた。乾燥工程の後、厚みが0.06mmのAの素地を得た。
AのセラミックスラリーおよびAの複数の素地を、同じ工程(1)および(2)によって得て、次いで、セラミック基板DS1を以下の工程によって得た。
Aの素地を200mm×150mmに切断した。次いで、Aの8個の素地を積み重ね、85℃の所定の温度で等方圧加圧状態で積層し、次いで、圧力を約30MPaに20分間維持する。
上の表2において、Al2O3のセラミック粉末は、Shawo Corporation(日本)から購入し、平均直径は約0.5μm〜約0.6μmであった。ZrO2のセラミック粉末は、3Y−TZP型をTosoh Corporation(日本)から購入し、平均直径は約0.5μm〜約0.6μmであった。バインダーは、KURARAYから購入したB30H型のPVBであり、分散剤は、国産のヒマシ油であり、可塑剤は、国産のフタル酸ジブチルであった。
(1)SEM
電界放出走査型電子顕微鏡を用い、その端面でセラミック基板S1およびS5を試験し、SEM画像をそれぞれ図2および図4に示した。
セラミック基板S1〜S8およびDS1をGBT 25995−2010に従った方法によって試験した。
セラミック基板S1〜S8およびDS1をGBT 6569−2006に従った方法によって試験した。
セラミック基板S1〜S8およびDS1を、熱伝導率試験デバイスLFA−447によって、温度約25℃でASTM E1461に従った方法によって試験した。
熱抵抗は、熱伝達経路中の2つの参照点の間の熱伝達に対する、2つの参照点の間の温度差の比率を指し、
Rth=△T/qx(1)、
式中、Rthは、2つの参照点の間の熱抵抗を指し、単位は℃/WまたはK/Wであり、
△は、2つの参照点の間の温度差であり、単位は℃であり、
qxは、2つの参照点の間の伝熱速度を指し、単位はWである。
式中、Lは、熱伝達距離を指し、単位はmであり、
Sは、熱伝達経路の断面積を指し、単位はm2であり、
λは、その熱伝導率を指し、単位はW/(m・K)である。
熱抵抗は、熱伝達経路中の2つの参照点の間の熱伝達に対する、2つの参照点の間の温度差の比率を指し、
Rth=△T/qx(1)、
式中、Rthは、2つの参照点の間の熱抵抗を指し、単位は℃/WまたはK/Wであり、
△Tは、2つの参照点の間の温度差であり、単位は℃であり、
qxは、2つの参照点の間の伝熱速度を指し、単位はWである。
Claims (21)
- セラミック基板であって、
ジルコニア強化アルミナから作られるコア層と、
コア層の上側表面および下側表面に対称的に配置され、Al2O3から作られる複数の表面層とを備え、
コア層は、化学組成が0wt%<ZrO2≦40wt%および60wt%≦Al2O3<100wt%である、セラミック基板。 - コア層は、化学組成が0wt%<ZrO2≦20wt%および80wt%≦Al2O3<100wt%である、請求項1に記載のセラミック基板。
- 複数の表面層は、
コア層の上側表面に配置された上側表面層と、
コア層の下側表面に配置された下側表面層とを備え、
上側表面層、下側表面層およびコア層が、それぞれ同じ厚みを有する、請求項2に記載のセラミック基板。 - セラミック基板は、合計厚みが約0.2mm〜約0.4mmである、請求項3に記載のセラミック基板。
- ジルコニア強化アルミナから作られる複数の遷移層をさらに備え、
複数の遷移層は、コア層の上側表面および下側表面に対称的に配置され、それぞれの遷移層が、1つの表面層とコア層の間に配置され;
それぞれの遷移層は、ジルコニア含有量がコア層よりも少ない、請求項3に記載のセラミック基板。 - コア層は、化学組成が10wt%<ZrO2≦20wt%および80wt%≦Al2O3<90wt%であり、それぞれの遷移層は、化学組成が0wt%<ZrO2≦10wt%および90wt%≦Al2O3<100wt%である、請求項5に記載のセラミック基板。
- コア層は、化学組成が20wt%<ZrO2≦40wt%および60wt%≦Al2O3<80wt%であり、それぞれの遷移層は、化学組成が10<ZrO2≦20wt%および80≦Al2O3<90wt%である、請求項5に記載のセラミック基板。
- 複数の遷移層は、
コア層と上側表面層の間に配置された上側遷移層と、
コア層と下側表面層の間に配置された下側遷移層とを備え、
上側遷移層、下側遷移層、上側表面層、下側表面層およびコア層が、それぞれ同じ厚みを有する、請求項6または7に記載のセラミック基板。 - 複数の遷移層は、
コア層の上側表面に配置された第1の上側遷移層と、
第1の上側遷移層と上側表面層の間に配置された第2の上側遷移層と、
コア層の下側表面に配置された第1の下側遷移層と、
第1の下側遷移層と下側表面層の間に配置された第2の下側遷移層とを備え、
第2の上側遷移層は、ジルコニア含有量が第1の上側遷移層よりも少なく、第2の下側遷移層は、ジルコニア含有量が第1の下側遷移層より少ない、請求項5に記載のセラミック基板。 - 第2の上側遷移層および第2の下側遷移層は、それぞれ、0wt%<ZrO2≦10wt%および90wt%≦Al2O3<100wt%の同じ化学組成を有し、
第1の上側遷移層および第1の下側遷移層は、10wt%<ZrO2≦20wt%および80wt%≦Al2O3<90wt%の同じ化学組成を有し、
コア層は、化学組成が20wt%<ZrO2≦40wt%および60wt%≦Al2O3<80wt%である、請求項9に記載のセラミック基板。 - 第1の上側遷移層、第2の上側遷移層、第1の下側遷移層、第2の下側遷移層、上側表面層、下側表面層およびコア層は、それぞれ同じ厚みを有する、請求項9に記載のセラミック基板。
- 請求項1に記載のセラミック基板を製造するための方法であって、
コア層の素地と、表面層の複数の素地を提供する工程と、
全ての素地を表面層−コア層−表面層の順序に従って積み重ねる工程と、
等方圧加圧、次いで、脱バインダーおよび焼結を行う工程とを含む、方法。 - 全ての素地を提供する工程がテープキャスティングによって行われる、請求項12に記載の方法。
- コア層の素地が、ジルコニア、アルミナ、バインダー、分散剤、可塑剤および溶媒を含有する第1のセラミックスラリーを用いて製造され、
表面層の複数の素地は、アルミナ、バインダー、分散剤、可塑剤および溶媒を含有する第2のセラミックスラリーを用いて製造される、請求項12に記載の方法。 - 遷移層の複数の素地を提供する工程と、
全ての素地を表面層−遷移層−コア層−遷移層−表面層の順序に従って積み重ねる工程と、
等方圧加圧、次いで、脱バインダーおよび焼結を行う工程とをさらに含む、請求項12に記載の方法。 - 遷移層の複数の素地が、ジルコニア、アルミナ、バインダー、分散剤、可塑剤および溶媒を含有する第3のセラミックスラリーを用いて製造される、請求項15に記載の方法。
- それぞれのセラミックスラリーに使用されるバインダーが、独立して、ポリビニルブチラールおよびポリビニルアルコールからなる群から選択される少なくとも1つである、請求項14または16に記載の方法。
- それぞれのセラミックスラリーに使用される分散剤が、独立して、ヒマシ油、トリオレイン、リン酸エステル、メンヘーデン油およびトリエタノールアミンからなる群から選択される少なくとも1つである、請求項14または16に記載の方法。
- それぞれのセラミックスラリーに使用される可塑剤が、独立して、フタル酸ジブチル、ポリエチレングリコールおよびグリセロールからなる群から選択される少なくとも1つである、請求項14または16に記載の方法。
- それぞれのセラミックスラリーに使用される溶媒が、独立して、トルエン、キシレン、エタノールおよびブタノンからなる群から選択される少なくとも1つである、請求項14または16に記載の方法。
- パワーモジュールであって、ダイレクトボンデッドカッパー基板を備え、ダイレクトボンデッドカッパー基板は、
セラミック基板と、
セラミック基板の表面に配置された金属層とを備え、
セラミック基板は、請求項1〜11のいずれか1項に記載のセラミック基板であるか、または請求項12〜20のいずれか1項に記載の方法によって得られる、パワーモジュール。
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