JPH0483368A - セラミック放熱基板及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明はアルミナを主成分としグリーンシ一ト多層積層
法により製造される半導体基板材料に関する。更に詳し
くは電子部品の発熱を放散させるセラミック放熱基板及
びその製造方法に関するものである。

［従来の技術］ 従来、この種のセラミック放熱基板は、放熱性を向上さ
せるために、熱伝導率の高いＣｕ金属やＣｕ−Ｗ系焼結
合金を緻密化したアルミナ基板の表面に接合している。

しかし上記焼結合金を接合したアルミナ基板にコンデン
サ、抵抗チップ等の電子部品を高密度に実装した場合に
は、これらの電子部品より発生する熱の放散が十分でな
く、更に効率良く熱を除去する方法が切望されていた。

この点を改善するため、セラミック基板の表面に多孔質
金属層を接合し、この多孔質金属層に冷媒を通して電子
部品の発熱を除去している。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、多孔質金属層が接合されるセラミック基板は製
造上、２００μｍ以上の厚みを要するため、多孔質金属
層に流した冷媒のセラミック基板を介しての電子部品の
放熱効果が十分でない不具合があった。また多孔質金属
層付きのセラミック放熱基板は比較的肉厚となるうえ重
量が大きくなり、電子部品の実装スペースを狭め、高密
度に電子部品を実装できない問題点があった。

本発明の目的は、基板厚を薄く、かつ基板を軽量にでき
るセラミック放熱基板及びその製造方法を提供すること
にある。

本発明の別の目的は、電子部品の放熱効果が高く、しか
も高密度に電子部品を実装することができるセラミック
放熱基板及びその製造方法を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、本発明の放熱基板は、アル
ミナ含有量９０〜９９．５％の多孔質セラミック層の両
面又は片面にアルミナ含有量９０〜９９．５％の緻密質
セラミック層が積層されて一体的に焼結され前記多孔質
セラミック層に冷媒を流して前記緻密質セラミック層に
搭載された電子部品の発熱を放散させるセラミック放熱
基板であって、前記多孔質セラミック層の気孔率が２０
〜６０％の範囲にあり、前記緻密質セラミック層の気孔
率が０．０１〜５％の範囲にあることを特徴とする。

また本発明のセラミック放熱基板の製造方法では、先ず
水を分散媒としたアルミナゾルに焼結助剤と水溶性バイ
ンダを添加混合して緻密質層用スラリーを調製し、この
緻密質層用スラリーを成膜乾燥して緻密質層用グリーン
シートを成形する。

次いで水を分散媒としたアルミナゾルに焼結助剤を添加
せずに水溶性バインダを添加混合して多孔質層用スラリ
ーを調製し、この多孔質層用スラリーを成膜乾燥して多
孔質層用グリーンシートを成形する。次に前記多孔質層
用グリーンシートの両面又は片面に前記緻密質層用グリ
ーンシートを接着剤により接着し、前記接着したグリー
ンシートを１２００〜１６００℃で焼成して積層焼結体
を得る。

本発明の多孔質セラミック層及び緻密質セラミック層を
構成するセラミック原料は、ともにアルミナ含有量が９
０〜９９゜５％の純度の高いアルミナである。緻密質層
用スラリー及び多孔質層用スラリーはともに水を分散媒
としたアルミナゾルを主成分とする。このアルミナゾル
はアルミニウムアルコキシドを加水分解し、解膠処理し
て得られる、いわゆるゾル−ゲル法において調製される
微細なコロイド粒子のアルミナゾルが好ましい。

緻密質層用スラリーと多孔質層用スラリーの調製方法の
相違点は、前者に焼結助剤がアルミナゾル１００重量％
に対して０５〜１０重量％含まれるのに対して、後者に
はセラミック層の気孔率を増大させるために焼結助剤が
全く含まれないか或いは０，１重量％以下しか含まれな
いところにある。アルミナの焼結助剤としては、二酸化
けい素、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酢酸マグ
ネシウム、二酸化チタン等が挙げられる。

水溶性バインダは緻密質層用スラリー及び多孔質層用ス
ラリーにおいて、ともにアルミナゾルの固形分に対して
１０〜８０重量％添加される。このバインダは焼結時の
脱バインダによりセラミ・ツク層に気孔を生じ易いため
、気孔率を減少させる場合には上記範囲で少なめにアル
ミナゾルに添加される。水溶性バインダとしてはポリビ
ニルアルコール、水溶性アクリル等が挙げられる。緻密
質層用スラリーに含まれるバインダは多孔質層用スラリ
ーに含まれるバイレダと異なってもよい。

緻密質層用スラリー及び多孔質層用スラリーを成膜する
方法としては、ドクターブレード法、押出し成形法、ロ
ール圧延法、泥しよう鋳込み法等があるが、成形歪が少
なく成形体の平滑度が良好なドクターブレード法が好ま
しい。多孔質層用スラリーを成膜するときに、このスラ
リーにアンモニア、或いはアミン類のアルカリ物質を添
加してスラリー中にゲルを生成させ、気孔率を増大させ
ることもできる。

緻密質層用のスラリー及び多孔質層用のスラリーを成膜
後、３０〜９５℃でそれぞれ乾燥して緻密質層用グリー
ンシート及び多孔質層用グリーンシートを成形する。最
下層となる緻密質層用グリーンシートには冷媒が通る通
孔を設けてもよい。

また放熱効果を高めるために、多孔質層用グリーンシー
トをＮｉめつき等によりメタライズ処理を施してもよい
。

次いで多孔質層用グリーンシートの両面又は片面に接着
剤を塗布し、２０〜７０℃の温度で１０〜１００　ｋｇ
／ｃｍ”の圧力で多孔質層用グリーンシートに緻密質層
用グリーンシートを接着し積層する。

この接着剤としては、セルロース誘導体、アクリル系エ
マルジョン、酢酸ビニルエマルジョン等の水系接着剤又
はアクリル系樹脂、ブチラール系樹脂、ビニール系樹脂
等の非水系接着剤を用いることができる。

これらの積層数は多孔質層用グリーンシートの両面に緻
密質層用グリーンシートを重ね合わせて積層した３層以
外に、セラミック基板の用途に応じて緻密質層と多孔質
層とを交互に重ね合わせた多数層にすることもできる。

グリーンシートを積層した後、所定の寸法に切断し、焼
成炉に入れて焼成する。焼成は目的とする気孔率を得る
ために１２００〜１６００℃の温度範囲で、１〜２時間
、大気圧下で行われる。焼成温度が高まる程、また焼成
時間が長くなる程、気孔率は減少する。１２００℃未満
であると緻密質セラミック層の気孔率が５％を越え、１
６００℃を越えると多孔質セラミック層の気孔率が２０
％未満となり易い。即ち、本発明の多層セラミック基板
は多、孔質セラミック層の気孔率が２０〜６０％の範囲
に、また緻密質セラミック層の気孔率が０．０１〜５％
の範囲に制御されて作られる。

また本発明のセラミック放熱基板は、放熱効果を高める
ため、その基板厚は１０〜２００μｍの極薄の基板であ
ることが好ましい。

積層焼結体であるセラミック放熱基板の最上層の緻密質
セラミック層にコンデンサ、抵抗チップ等の電子部品を
搭載し、多孔質セラミック層に冷媒を通すことにより、
電子部品の発熱を放散させることができる。

冷媒の通し方は第１図〜第４図に示すように、セラミッ
ク放熱基板１０の前後両端に金属管１１及び１２を接続
し、基板１０の多孔質セラミック層１０ａに冷媒１３を
通して最上層の緻密質セラミック層１０ｂに搭載された
電子部品１４及び１５の発熱を除去する方法と、第５図
及び第６図に示すように、セラミック放熱基板２０の最
下層の緻密質セラミック層２０ｂに管径４〜６ｍｍ程度
の通孔２７を穿設した後、通孔２７に金属管２１及び２
２を層２０ｂに垂直に挿着して、基板２０の多孔質セラ
ミック層２０ａに冷媒２３を通して最上層の緻密質セラ
ミック層２０ｂに搭載された電子部品２４及び２５の発
熱を除去する方法がある。

これらの金属管１１，１２．２１及び２２はアルミナの
セラミック基板と熱膨張係数がほぼ等しい金属材料、例
えばコバール合金等で構成される。

これらの金属管は硬ろう１６、゛例えば銀ろう、黄銅ろ
う、銅ろう等によりろう付けされ、基板１０又は２０と
一体化される。第１図及び第２図の３層積層のセラミッ
ク放熱基板１０は金属管１１及び１２に挿着され、第３
図及び第４図の５層積層のセラミック放熱基板１０は金
属管１１及び１２の端面に接着される。第１図及び第２
図の基板１０の最下層の緻密質セラミック層１０ｂには
この［１０ｂの厚さに応じて孔径１００〜９００μｍの
通孔１７が穿設される。通孔１７及び前述した通孔２７
は焼成前のグリーンシートの状態で穿設される。

また金属管１１．１２が接続されないセラミック放熱基
板１０の両側面及びセラミック放熱基板２０の周側面に
は、それぞれ冷媒１３又は２３が漏洩しないように封止
層１０ｃ又は２０ｃが形成される。この封止はグリーン
シートの積層状態で緻密質層用のスラリーでコーティン
グして焼成することにより行われる。

第１図及び第２図の基板１０には、金属管１１及び１２
の双方から冷媒ガス、例えばフレオンガスを吹込み、多
孔質セラミック層１０ａを通して通孔１７から排出させ
る。

第３図及び第４図の基板１０には、金属管１１から冷媒
ガス又は冷却水を流込み、多孔質セラミック層１０ａを
通して金属管１２から排出させる。

第５図及び第６図の基板２０には、金属管２１から冷媒
ガス又は冷却水を流込み、多孔質セラミック層２０ａを
通して金属管２２から排出させる。

［発明の効果］ 以上述べたように、本発明のセラミック放熱基板は、グ
リーンシート多層積層法により多孔質アルミナ層の両面
又は片面に緻密質アルミナ層を積層して焼結したため、
所定の強度を保有しつつ基板厚を薄くでき、基板を軽量
にすることができる。

これにより、電子部品の放熱効果が高くなり、しかも高
密度に電子部品を実装することができる。

［実施例］ 次に本発明の実施例を図面に基づいて詳しく説明する。

〈実施例１〉 アルミニウムイソプロポキシド［ＡＩ　（Ｃ３Ｈ？Ｏ）
８］を加水分解してベーマイト［ＡＱＯＯＨ］を生成さ
せ、これにｐＨ２〜４に調整した水を加えて解膠し、ア
ルミナ濃度５重量％の安定な擬ベーマイトゾルを得た。

緻密質層用スラリーを調製するために、このゾルに焼結
助剤としてシリカコロイド、酢酸マグネシウム、酢酸カ
ルシウムを、更に水溶性バインダとしてポリビニルアル
コールを添加した。これらの焼結助剤は緻密質セラミッ
ク層に焼結したときの組成比が ＡＦＬ、０＊：　５ｉｎ２：　ＭｇＯ：　Ｃａ０＝９２
：　７：　２：　１になるようにそれぞれ添加した。ま
たバインダはこの固形分に対して４０重量％添加混合し
た。これにより固形分が１０重量％のスラリーを調製し
た。

このスラリーを移動担体である高密度ポリエチレンテー
プ上にドクターブレード法により厚さ１．２ｍｍになる
ようにコーティングした後、乾燥し、スラリーの分散媒
である水を脱離させて厚さ約６０μｍの緻密層用グリー
ンシートを得た。

一方、多孔化し易くするために焼結助剤を添加しない以
外は上記と同様にして厚さ約６０μｍの多孔質層用グリ
ーンシートを得た。最下層となる緻密層用グリーンシー
トに直径１００μｍの９個の通孔を穿設した。次いで多
孔質層用グリーンシートの両面に接着剤として１％濃度
のポリビニルブチラールのイソプロピルアルコール溶液
を塗工し、このシートの両面に上記緻密質層用グリーン
シートを重ね合わせて接着し、３層に積層された厚さ約
１８０μｍのグリーン成形体を得た。このグリーン成形
体を８０　Ｘ　８０　ｍｍの正方形に切断した後、両側
面に緻密質層用スラリーをコーティングし、多孔質用グ
リーンシートを被覆した。

次にこのグリーン成形体を焼成炉に入れた。同時に気孔
率の生成状況を調べるために上記多孔質層用グリーンシ
ートと同じ多孔質層用グリーンシートと、上記緻密質層
用グリーンシートと同じ緻密質層用グリーンシートを焼
成炉に入れ、これらのグリーンシートを１０００℃、１
２００℃、１３００℃、１４００℃、１５００℃でそれ
ぞれ１時間、大気圧下で焼成した。３層アルミナ基板の
緻密質アルミナ層及び多孔質アルミナ層はそれぞれアル
ミナ含有量が９２％及び９９５％のアルミナ焼結体層で
あった。この３層アルミナ基板の曲げ強度は焼成温度１
０００℃、１２００℃、１３００℃、１４００℃、１５
００℃でそれぞれ２０．４０．５０．５０．５０ｋｇｆ
／ｍｍ”であった。

第７図に単層の多孔質アルミナ焼結シート及び単層の緻
密質アルミナ焼結シートの焼成温度による気孔率の変化
をそれぞれ示す。第７図により、緻密質層用グリーンシ
ート単独を焼成して得られた焼結シートの気孔率が０〜
１％の範囲にあることから３層アルミナ基板のうち緻密
質アルミナ層の気孔率も０〜１％の範囲にあると類推さ
れる。

また多孔質層用グリーンシート単独を焼成して得られた
焼結シートの気孔率が４０〜６０％であることから３層
アルミナ基板のうち多孔質アルミナ層の気孔率も４０〜
６０％と類推される。また第８図に３層アルミナ基板の
焼成温度による基板全体の気孔率の変化を示す。

第１図及び第２図に示すように、この積層焼結した厚さ
１００μｍセラミック放熱基板１０の緻密質層用スラリ
ーをコーティングしない前後両端をコバール合金（Ｆｅ
４０％、Ｎｉ４０％、Ｃｏ２０％）からなる金属管１１
及び１２に挿入して銀ろう１６でろう付けした後、金属
管１１及び１２の双方からフレオンガスを吹込み、多孔
質セラミック層１０ａを通して通孔１７から排出させた
ところ、最上層の緻密質セラミック層１０ｂは極めて高
い放熱効果を示した。

〈実施例２〉 市販のアルミナ含有量９９０％の高純度アルミナ粉を分
散相とし、水を分散媒としたアルミナ濃度６重量％のア
ルミナゾルを調製した。このアルミナゾル１００重量％
に焼結助剤として酢酸マグネシウムをＭｇＯ換算で０．
０５重量％添加した。更に水溶性バインダとしてポリビ
ニルアルコールをゾル固形分に対して４０重量％添加混
合した。

以下、最下層となる緻密層用グリーンシートに直径４ｍ
ｔｎの２個の通孔を穿設した以外は実施例１と同様にし
て３層アルミナグリーンシート成形体を製造した。この
グリーン成形体を８０Ｘ８０ｍｍの正方形に切断した後
、両側面に緻密質層用スラリーをコーティングし、多孔
質用グリーンシートを被覆した。

以下、実施例１と同様にこの成形体を焼成した。

第５図及び第６図に示すように、この積層焼結した厚さ
３０μｍセラミック放熱基板２０の最下層の緻密質セラ
ミック層１０ｂの通孔２７にコバール合金（Ｆｅ４０％
、Ｎｉ４０％、Ｃｏ２０％）からなる金属管２１及び２
．２に挿入して銀ろう２６でろう付けした後、金属管２
１から冷却水を流込み、多孔質セラミック層２０ａを通
して金属管２２から排出させたところ、最上層の緻密質
セラミック層２０ｂは極めて高い放熱効果を示した。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明セラミック放熱基板の断面図。 第２図はその斜視図。 第３図は本発明の別のセラミック放熱基板の断面図。 第４図はその斜視図。 第５図は本発明の更に別のセラミック放熱基板の断面図
。 第６図はその斜視図。 第７図は単層の多孔質アルミナ焼結シート及び単層の緻
密質アルミナ焼結シートの焼成温度による気孔率の変化
をそれぞれ示す図。 第８図は本発明実施例の３層アルミナ基板の焼成温度に
よる基板全体の気孔率の変化を示す図。 １０．２０：セラミック放熱基板、 １０ａ、２０ａ：多孔質セラミック層、１０ｂ、２０ｂ
：緻密質セラミック層、１３．２３：冷媒。 ０ｂ 第 図 第 図 第 図 第 図 第４ 図 第 図 第８ 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）アルミナ含有量９０〜９９．５％の多孔質セラミッ
   ク層の両面又は片面にアルミナ含有量９０〜９９．５％
   の緻密質セラミック層が積層されて一体的に焼結され前
   記多孔質セラミック層に冷媒を流して前記緻密質セラミ
   ック層に搭載された電子部品の発熱を放散させるセラミ
   ック放熱基板であって、 前記多孔質セラミック層の気孔率が２０〜６０％の範囲
   にあり、前記緻密質セラミック層の気孔率が０．０１〜
   ５％の範囲にあることを特徴とするセラミック放熱基板
   。 ２）基板厚が１０〜２００μｍである請求項１記載のセ
   ラミック放熱基板。 ３）水を分散媒としたアルミナゾルに焼結助剤と水溶性
   バインダを添加混合して緻密質層用スラリーを調製し、 この緻密質層用スラリーを成膜乾燥して緻密質層用グリ
   ーンシートを成形し、 水を分散媒としたアルミナゾルに焼結助剤を添加せずに
   水溶性バインダを添加混合して多孔質層用スラリーを調
   製し、 この多孔質層用スラリーを成膜乾燥して多孔質層用グリ
   ーンシートを成形し、 前記多孔質層用グリーンシートの両面又は片面に前記緻
   密質層用グリーンシートを接着剤により接着し、 前記接着したグリーンシートを１２００〜 １６００℃で焼成して積層焼結体を得るセラミック放熱
   基板の製造方法。 ４）アルミナゾルがアルミニウムアルコキシドを加水分
   解した後、解膠処理して得られるアルミナコロイドであ
   る請求項３記載のセラミック放熱基板の製造方法。