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公開番号2025088748
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-06-11
出願番号2024204934
出願日2024-11-25
発明の名称金属-セラミック複合体
出願人ヘレウスエレクトロニクスゲーエムベーハーウントカンパニーカーゲー
代理人個人,個人
主分類C04B 37/02 20060101AFI20250604BHJP(セメント;コンクリート;人造石;セラミックス;耐火物)
要約【課題】露出した表面が注型コンパウンドとの高い接着強度の接合の形成を可能にする、メタライズされた窒化ケイ素含有セラミック基板を提供する。
【解決手段】金属-セラミック複合体であって、前面及び後面を備え、β-窒化ケイ素を含有するセラミック基板と、セラミック基板の前面上の金属コーティングと、を含み、金属コーティングは少なくとも1つの凹部を含み、セラミック基板の表面は凹部によって露出されており、セラミック基板は、少なくとも凹部の領域において、以下の特定の条件を満たす金属-セラミック複合体である。下記式が満たされる場合に、セラミック基板上の注型コンパウンドの接着強度が改善され得る。
S_O _-βSN/S_B-βSN≧0.8
【選択図】なし
特許請求の範囲【請求項１】
金属－セラミック複合体であって、
前面及び後面を備え、β－窒化ケイ素を含有するセラミック基板と、
前記セラミック基板の前記前面上の金属コーティングと、を含み、
前記金属コーティングは少なくとも１つの凹部を含み、前記セラミック基板の表面は前記凹部によって露出されており、
前記セラミック基板は、少なくとも前記凹部の領域において、以下の条件を満たし：
Ｓ
Ｏ－βＳＮ
／Ｓ
Ｂ－βＳＮ
≧０．８
式中、
Ｓ
Ｏ－βＳＮ
＝Ｉ
Ｏ－βＳＮ
（１０１）／［０．５ｘ（Ｉ
Ｏ－βＳＮ
（２００）＋Ｉ
Ｏ－βＳＮ
（１２０））］
Ｓ
Ｂ－βＳＮ
＝Ｉ
Ｂ－βＳＮ
（１０１）／［０．５ｘ（Ｉ
Ｂ－βＳＮ
（２００）＋Ｉ
Ｂ－βＳＮ
（１２０））］
Ｉ
Ｏ－βＳＮ
（１０１）、Ｉ
Ｏ－βＳＮ
（２００）及びＩ
Ｏ－βＳＮ
（１２０）は、Ｃｕ－Ｋα線を用いて３°のかすめ入射下で測定されたＸ線回折パターンにおける前記β－窒化ケイ素の（１０１）、（２００）及び（１２０）反射の相対ピーク高さであり、相対ピーク高さは、（２００）反射のピーク高さに対して正規化されており、
Ｉ
Ｂ－βＳＮ
（１０１）、Ｉ
Ｂ－βＳＮ
（２００）及びＩ
Ｂ－βＳＮ
（１２０）は、Ｂｒａｇｇ－Ｂｒｅｎｔａｎｏジオメトリ及びＣｕ－Ｋα線で測定されたＸ線回折パターンにおける前記β－窒化ケイ素の（１０１）、（２００）及び（１２０）反射の相対ピーク高さであり、相対ピーク高さは（１２０）反射のピーク高さに対して正規化されている、金属－セラミック複合体。
続きを表示（約 610 文字）【請求項２】
２．２≧Ｓ
Ｏ－βＳＮ
／Ｓ
Ｂ－βＳＮ
≧０．８である、請求項１に記載の金属－セラミック複合体。
【請求項３】
以下の条件が満たされ、
０．４≦Ｓ
Ｏ－βＳＮ
≦２．０
式中、Ｓ
Ｏ－βＳＮ
は請求項１に記載の意味を有する、請求項１又は２に記載の金属－セラミック複合体。
【請求項４】
前記金属コーティングは、銅又はアルミニウムコーティングである、請求項１～３のいずれか一項に記載の金属－セラミック複合体。
【請求項５】
反応層が前記セラミック基板と前記金属コーティングとの間に存在し、前記反応層は、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａ、及びＣｅから選択される１つ以上の元素Ｅ
ＲＳ
を含有する、請求項１～４のいずれか一項に記載の金属－セラミック複合体。
【請求項６】
半導体モジュールであって、
請求項１～５のいずれか一項に記載の金属－セラミック複合体と、
１つ以上の半導体部品と、を含む、半導体モジュール。
【請求項７】
注型コンパウンドを更に含み、前記注型コンパウンドは、前記凹部によって露出された前記金属－セラミック複合体の前記セラミック基板の表面に接触する、請求項６に記載の半導体モジュール。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワーエレクトロニクスにおけるセラミック回路キャリアとして使用することができる金属－セラミック複合体に関する。
続きを表示（約 2,000 文字）【０００２】
パワーエレクトロニクスでは、プリント回路基板は、ＭＯＳＦＥＴ等のパワー部品のキャリアとして高電流用に設計されるべきであり、廃熱を迅速に放散することができるべきである。
【０００３】
酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、及び窒化ケイ素等のセラミック材料は、従来のプリント回路基板を製造するために使用されるポリマーよりもはるかに高い熱伝導率を有するので、セラミック回路キャリアは、パワーモジュールにおいて使用されることが多い。
【０００４】
窒化ケイ素をベースとするセラミック基板は、非常に高い機械的強度と同時に高い熱伝導率を有するので、パワーエレクトロニクスにおける用途に非常に適している。
【０００５】
窒化ケイ素は、「α相」又は「β相」として知られる結晶構造で存在することができる。これらの２つの相は、それらのＸ線回折パターンが異なる。通常の焼結条件下で安定な相はβ相（以下、β－窒化ケイ素とも呼ばれる）である。したがって、窒化ケイ素系セラミック基板には、通常、β－窒化ケイ素が存在する。
【０００６】
β－窒化ケイ素は針状結晶子（針状微結晶）を含有する。セラミックの機械的特性又は熱伝導率は、セラミック体中のこれらの針状β－窒化ケイ素結晶子の整列によって影響され得ることが知られている。例えば、針状結晶子の大部分がセラミック表面に対して実質的に平行な長手方向軸で配向される場合、セラミックの機械的強度にとって有利であり得、他方、針状結晶子の大部分がセラミック表面に対して実質的に垂直な長手方向軸で整列される場合、熱伝導率にとってより有利であり得る。
【０００７】
Ｔ．Ｏｋｕｎｏらによる、「Ｓｉ
３
Ｎ
４
ＳｕｂｓｔｒａｔｅｓｗｉｔｈＡｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃＴｈｅｒｍａｌＣｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙＳｕｉｔａｂｌｅｆｏｒＰｏｗｅｒＭｏｄｕｌｅＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」ＰＣＩＭＥｕｒｏｐｅｄｉｇｉｔａｌｄａｙｓ２０２１；ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＥｘｈｉｂｉｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＭｏｔｉｏｎ，ＲｅｎｅｗａｂｌｅＥｎｅｒｇｙａｎｄＥｎｅｒｇｙＭａｎａｇｅｍｅｎｔ，Ｏｎｌｉｎｅ，２０２１，ｐｐ．１－５には、各々がβ－窒化ケイ素を含有するセラミック基板が記載されており、基板は、細長いβ－窒化ケイ素結晶子の整列が異なる。セラミック基板の厚さ方向に平行な（すなわち、前面又は後面に垂直な）長手方向軸に整列した結晶子の数が増加するにつれて、Ｘ線回折パターンにおけるβ－窒化ケイ素の（１０１）反射の強度も増加する。
【０００８】
窒化ケイ素をベースとするセラミック基板は、例えば、以下の刊行物に記載されている：
Ｎ．Ｃｈａｓｓｅｒｉｏｅｔａｌ．，”ＣｅｒａｍｉｃＳｕｂｓｔｒａｔｅｓｆｏｒＨｉｇｈ－ＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＩｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ，” ＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＭａｔｅｒｉａｌｓ，Ｖｏｌｕｍｅ３８（２００９），ｐｐ．１６４－１７４；
Ｋ．Ｈｉｒａｏｅｔａｌ．，”ＨｉｇｈＴｈｅｒｍａｌＣｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙＳｉｌｉｃｏｎＮｉｔｒｉｄｅＣｅｒａｍｉｃｓ，” ＪｏｕｒｎａｌｏｆｔｈｅＫｏｒｅａｎＣｅｒａｍｉｃＳｏｃｉｅｔｙ，Ｖｏｌｕｍｅ４９（２０１２），ｐｐ．３８０－３８４；
Ｙ．Ｚｈｏｕｅｔａｌ．，”Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｈｉｇｈ－ｔｈｅｒｍａｌ－ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙｓｉｌｉｃｏｎｎｉｔｒｉｄｅｃｅｒａｍｉｃｓ，” ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｓｉａｎＣｅｒａｍｉｃＳｏｃｉｅｔｉｅｓ，３（２０１５），ｐｐ．２２１－２２９．
【０００９】
異なるテクスチャを有する窒化ケイ素セラミックの製造方法の概要は、例えば以下の刊行物に見出すことができる。
Ｘ．Ｚｈｕ及びＹ．Ｓａｋｋａによる、「Ｔｅｘｔｕｒｅｄｓｉｌｉｃｏｎｎｉｔｒｉｄｅ：ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇａｎｄａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ」、Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ａｄｖ．Ｍａｔｅｒ．，９，２００８，０３３００１。
【００１０】
窒化ケイ素ベースのセラミック基板は、高い機械的強度と高い熱伝導率との間の良好な折り合いを示し、電子部品に使用することができ、市販されている。
（【００１１】以降は省略されています）

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