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公開番号2025170393
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-11-18
出願番号2025144829,2022541761
出願日2025-09-01,2021-08-06
発明の名称セラミックス基板の板状の基体及びその製造方法
出願人株式会社U-MAP
代理人個人
主分類C04B 35/581 20060101AFI20251111BHJP(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】基体に粒状の窒化アルミニウム多結晶体を含有する従来のセラミックス基板と同等あるいは同等以上の熱伝導率を実現することができ、且つ、基体に粒状の窒化ケイ素多結晶体を含有する従来のセラミックス基板より優れた破壊靭性を実現することができる、既存では存在しない特性を有するセラミックス基板を提供する。
【解決手段】本実施形態に係るセラミックス基板は、基体にファイバー状のAlN単結晶体を含有することを特徴とする。
【選択図】図4
特許請求の範囲【請求項１】
基体にファイバー状のＡｌＮ単結晶体を含有するセラミックス基板。
続きを表示（約 950 文字）【請求項２】
熱伝導率が１５０Ｗ／ｍＫ以上であり、且つ、破壊靭性が４．０ＭＰａｍ
１／２
以上である請求項１に記載のセラミックス基板。
【請求項３】
ファイバー状の前記ＡｌＮ単結晶体は、六方晶のウルツ鉱型構造であって、
前記基体の板厚方向の端面にＸ線を照射した場合に得られる前記ＡｌＮ単結晶体の（１０－１０）面のピーク強度と（０００２）面のピーク強度との比が２．００以上である請求項１又は２に記載のセラミックス基板。
【請求項４】
前記基体に含有されている酸素量が０．０７重量％以下である請求項１から３の何れか１項に記載のセラミックス基板。
【請求項５】
前記ＡｌＮ単結晶体を含有する前記基体の破断面は、算術平均粗さが３μｍ以上である請求項１から４の何れか１項に記載のセラミックス基板。
【請求項６】
前記基体は、更に粒状のＡｌＮ単結晶体を含有する請求項１から５の何れか１項に記載のセラミックス基板。
【請求項７】
六方晶のウルツ鉱型構造を有しファイバー状のＡｌＮ単結晶体と、前記ＡｌＮ単結晶体の表面を被覆する酸素含有層とから構成され、酸素濃度が７．０質量％以下であるＡｌＮウィスカが、基体に含有されるセラミックス基板。
【請求項８】
六方晶のウルツ鉱型構造を有しファイバー状のＡｌＮ単結晶体と、前記ＡｌＮ単結晶体の表面を被覆する酸素含有層とから構成されるＡｌＮウィスカを複数有し、直径１．０μｍ未満の前記ＡｌＮウィスカの含有率が２０体積％以下である、ＡｌＮウィスカ複合物が、基体に含有されるセラミックス基板。
【請求項９】
六方晶のウルツ鉱型構造を有し、板厚方向の端面にＸ線を照射した場合に得られる（１０－１０）面のピーク強度と（０００２）面のピーク強度との比が２．００以上である、ファイバー状のＡｌＮ単結晶体。
【請求項１０】
六方晶のウルツ鉱型構造を有しファイバー状のＡｌＮ単結晶体と、前記ＡｌＮ単結晶体の表面を被覆する酸素含有層とから構成され、酸素濃度が７．０質量％以下であるＡｌＮウィスカ。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本実施形態は、例えば産業機器類などの制御モジュールを構成するセラミックス基板に関する。さらに、本実施形態は、当該セラミックス基板に含有されるＡｌＮ単結晶体、ＡｌＮウィスカ、及びＡｌＮウィスカ複合物に関する。
続きを表示（約 2,600 文字）【背景技術】
【０００２】
例えば、電気自動車、自動運転車、鉄道、工作機械、データセンター、高輝度ＬＥＤなどの電力制御やモーター制御を行う制御モジュールは、高電圧が印加されるモジュールであり、その基板としてセラミックス基板が用いられている。また、この種のセラミックス基板について、様々な改良が試みられている。（例えば、特許文献１参照）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
特開２００７－６３０４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したような制御モジュールに用いられるセラミックス基板には、高い放熱性能が要求されており、従って、セラミックス基板自体の熱伝導率の向上が求められている。また、セラミックス基板が用いられる制御モジュールは、高温、低温のサイクルを繰り返す。そのため、このようなサイクルにおける熱応力による割れを防ぐため、制御モジュールに用いられるセラミックス基板には、高い機械強度も求められている。このように、制御モジュールに用いられるセラミックス基板には、高熱伝導率および高機械強度の両立が求められている。現在、市場で主に使われているセラミックス基板は、基体に粒状のＳｉＮ多結晶体を含有するものや基体に粒状のＡｌＮ多結晶体を含有するものである。基体に粒状のＳｉＮ多結晶体を用いたセラミックス基板は、破壊靭性が優れるが、熱伝導率が低い。一方、基体に粒状のＡｌＮ多結晶体を用いたセラミックス基板は、熱伝導率が優れるが、破壊靭性が低い。このように、従来のセラミックス基板は、一長一短の状態になっており、高熱伝導率および高機械強度を両立するセラミックス基板の開発が求められている。
【０００５】
そこで、基体に粒状の窒化アルミニウム多結晶体を含有する従来のセラミックス基板と同等あるいは同等以上の熱伝導率を実現することができ、且つ、基体に粒状の窒化ケイ素多結晶体を含有する従来のセラミックス基板より優れた破壊靭性を実現することができる、既存では存在しない特性を有するセラミックス基板を提供する。また、当該セラミックス基板に含有されるＡｌＮ結晶体、ＡｌＮウィスカ、及びＡｌＮウィスカ複合物を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本実施形態に係るセラミックス基板は、基体にファイバー状のＡｌＮ単結晶体を含有することを特徴とする。
【０００７】
本実施形態に係るセラミックス基板によれば、粒状のＡｌＮ多結晶体で構成される従来のセラミックス基板よりも高い熱伝導率を実現することができ、さらに、粒状のＳｉＮ多結晶体で構成される従来のセラミックス基板よりも高い破壊靭性を実現することができる。即ち、高熱伝導率および高機械強度の両立を図ったセラミックス基板を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
本実施形態に係るパワーモジュールの構成例を概略的に示す図。
本実施形態に係るセラミックス基板の特性を示す図。
本実施形態に係るファイバー状のＡｌＮ単結晶体の構造を概略的に示す斜視図。
本実施形態に係るセラミックス基板に対するＸ線回析を行う装置の構成例、および、セラミックス基板の構造例を概略的に示す図。
本実施形態に係るセラミックス基板に対するＸ線回折パターンを従来のセラミックス基板と比較する態様で示す図。
本実施形態に係るセラミックス基板の破壊靭性と「ａ／ｃ」値との相関関係を示す図。
本実施形態に係るセラミックス基板の破壊靭性と酸素量との相関関係を示す図。
本実施形態に係るセラミックス基板の熱伝導率と酸素量との相関関係を示す図。
本実施形態に係るセラミックス基板の微細組織を従来のセラミックス基板と比較する態様で示す図。
本実施形態に係るセラミックス基板に含有されているファイバー状のＡｌＮ単結晶体の長さおよび太さに関するデータを示す図。
本実施形態に係るセラミックス基板の組織内に１００μm以上のファイバー状のＡｌＮ単結晶体が存在することを示す図。
本実施形態に係るセラミックス基板の破断面を従来のセラミックス基板と比較する態様で示す図。
本実施形態に係るセラミックス基板の破壊靭性と破断面の算術平均粗さとの相関関係を示す図。
本実施形態に係るセラミックス基板に含有されているＡｌＮウィスカの直径と酸素濃度に関するデータを示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、セラミックス基板に係る一実施形態について図面を参照しながら説明する。図１に例示するパワーモジュール１は、例えば、電気自動車、自動運転車、鉄道、工作機械、データセンター、高輝度ＬＥＤなどの電力制御やモーター制御を行うための制御用のモジュールの一例であり、本実施形態に係るセラミックス基板１０を備えている。セラミックス基板１０は、板状に形成されており、その板厚方向の両面に金属層１１が設けられている。また、セラミックス基板１０の板厚方向の一端面、この場合、図１における上側の面には、いわゆるパワー系の半導体１２が設けられている。また、セラミックス基板１０の板厚方向の他端面、この場合、図１における下側の面には、放熱機能を備えるヒートシンク１３が設けられている。
【００１０】
図１に矢印Ｈで例示するように、パワー系の半導体１２から発生する熱は、セラミックス基板１０を介してヒートシンク１３に伝達し、これにより、パワーモジュール１の放熱が行われる。そのため、セラミックス基板１０には、基体に粒状のＡｌＮ多結晶体を含有する従来のセラミックス基板に比べ、熱伝導率の一層の向上が求められる。また、例えば信頼性向上の観点から、セラミックス基板１０には、粒状のＡｌＮ多結晶体のみを含有する従来のセラミックス基板に比べ、破壊靭性、つまり、機械的な強度の一層の向上が求められる。本実施形態に係るセラミックス基板１０には、熱伝導率の向上および機械的な強度の向上の双方を図るための創意工夫が施されている。以下、この点について詳細に説明する。
（【００１１】以降は省略されています）

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