JP6947318B2 - Copper / graphene junction and its manufacturing method, and copper / graphene junction structure - Google Patents
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Description
本発明は、銅又は銅合金からなる銅部材と、グラフェン集合体を含有するグラフェン含有炭素質部材と、が接合された構造の銅/グラフェン接合体とその製造方法、および銅/グラフェン接合構造に関するものである。 The present invention relates to a copper / graphene junction having a structure in which a copper member made of copper or a copper alloy and a graphene-containing carbonaceous member containing a graphene aggregate are bonded, a method for producing the same, and a copper / graphene junction structure. It is a thing.
グラフェン集合体を含有するグラフェン含有炭素質部材は、熱伝導性に優れていることから、放熱部材及び熱伝導部材等を構成する部材として特に適している。
例えば、上述のグラフェン集合体を含有するグラフェン含有炭素質部材の表面にセラミックス等からなる絶縁層を形成することにより、絶縁基板として使用することが可能となる。
Since the graphene-containing carbonaceous member containing the graphene aggregate is excellent in thermal conductivity, it is particularly suitable as a member constituting a heat radiating member, a thermal conductive member, and the like.
For example, by forming an insulating layer made of ceramics or the like on the surface of the graphene-containing carbonaceous member containing the graphene aggregate described above, it can be used as an insulating substrate.
ここで、例えば特許文献1には、第1方向に沿ってグラフェンシートが積層された構造体と、第1方向と交差する第2方向における上記構造体の端面に接合される中間部材(銅板)と、を有し、この中間部材が、少なくともチタンを含むインサート材を介して、上記端面に加圧接合された異方性熱伝導素子が開示されている。 Here, for example, in Patent Document 1, a structure in which graphene sheets are laminated along the first direction and an intermediate member (copper plate) joined to the end face of the structure in the second direction intersecting the first direction. Disclosed is an anisotropic heat conductive element in which the intermediate member is pressure-bonded to the end face via an insert material containing at least titanium.
ところで、上述の絶縁基板においては、使用環境下において冷熱サイクルが負荷されることがある。特に、最近では、エンジンルーム等の過酷な環境下で使用されることがあり、温度差が大きな厳しい条件の冷熱サイクルが負荷されることがある。
ここで、上述の特許文献1においては、銅からなる中間体とグラフェンの構造体とを、チタンを含むインサート材を介して接合しているが、接合条件によっては、銅からなる中間体とグラフェンの構造体とを強固に接合することができず、厳しい条件の冷熱サイクルが負荷された際に剥離が生じるおそれがあった。
By the way, in the above-mentioned insulating substrate, a cold cycle may be applied under the usage environment. In particular, recently, it may be used in a harsh environment such as an engine room, and a cold cycle under severe conditions with a large temperature difference may be loaded.
Here, in Patent Document 1 described above, an intermediate made of copper and a graphene structure are joined via an insert material containing titanium, but depending on the joining conditions, the intermediate made of copper and graphene are joined. It was not possible to firmly join the structure of the above, and there was a risk of peeling when a cold cycle under severe conditions was applied.
この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、銅又は銅合金からなる銅部材と、グラフェン集合体を含有するグラフェン含有炭素質部材とが強固に接合されており、冷熱サイクル負荷時においても剥離が生じることがなく、冷熱サイクル信頼性に優れた銅/グラフェン接合体とその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-mentioned circumstances, in which a copper member made of copper or a copper alloy and a graphene-containing carbonaceous member containing a graphene aggregate are firmly bonded to each other, and a cold cycle load is applied. It is an object of the present invention to provide a copper / graphene alloy having excellent thermal cycle reliability and a method for producing the same, without peeling even at times.
このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明の銅/グラフェン接合体は、銅又は銅合金からなる銅部材と、グラフェン集合体を含有するグラフェン含有炭素質部材と、が接合された構造の銅/グラフェン接合体であって、前記銅部材と前記グラフェン含有炭素質部材との間においては、前記グラフェン含有炭素質部材側に、Ti,Zr,Nb,Hfから選択される1種又は2種以上の活性金属の炭化物を含む活性金属炭化物層が形成されており、この活性金属炭化物層と前記銅部材との間に、Cuの母相中にMgが固溶したMg固溶層が形成されていることを特徴としている。 In order to solve such a problem and achieve the above object, the copper / graphene joint of the present invention comprises a copper member made of copper or a copper alloy, a graphene-containing carbonaceous member containing a graphene aggregate, and the like. Is a copper / graphene joint having a structure in which is bonded, and between the copper member and the graphene-containing carbonaceous member, Ti, Zr, Nb, and Hf are selected on the graphene-containing carbonaceous member side. An active metal carbide layer containing one or more active metal carbides is formed, and Mg is solid-dissolved in the Cu matrix between the active metal carbide layer and the copper member. It is characterized in that a solid melt layer is formed.
この構成の銅/グラフェン接合体においては、銅部材とグラフェン含有炭素質部材との接合界面において、グラフェン含有炭素質部材の接合面に活性金属炭化物層が形成されており、銅部材の接合面側にCuの母相中にMgが固溶したMg固溶層が形成されている。これにより、Mg固溶層中のMgが活性金属炭化物層中の活性金属と十分に反応し、この活性金属炭化物層を介して、銅部材がグラフェン含有炭素質部材と強固に接合されるため、冷熱サイクル負荷時において、接合界面にクラック、剥離が生じるのを抑えることができる。さらに、この構成の銅/グラフェン接合体は、構成材料として銅を含んでいるため、過渡期において、ヒートスプレッダとして効率的に放熱を行う機能を有している。したがって、この構成の銅/グラフェン接合体は、冷熱サイクルに伴う接合界面での剥離の発生を抑えつつ、安定した放熱特性を維持することができ、高い信頼性を実現することができる。 In the copper / graphene joint having this configuration, an active metal carbide layer is formed on the joint surface of the graphene-containing carbonaceous member at the joint interface between the copper member and the graphene-containing carbonaceous member, and the joint surface side of the copper member. An Mg solid-dissolved layer in which Mg is solid-dissolved is formed in the matrix phase of Cu. As a result, Mg in the Mg solid solution layer sufficiently reacts with the active metal in the active metal carbide layer, and the copper member is firmly bonded to the graphene-containing carbonaceous member via the active metal carbide layer. It is possible to prevent cracks and peeling from occurring at the bonding interface when a cold cycle load is applied. Further, since the copper / graphene joint having this structure contains copper as a constituent material, it has a function of efficiently dissipating heat as a heat spreader in the transitional period. Therefore, the copper / graphene joint having this configuration can maintain stable heat dissipation characteristics while suppressing the occurrence of peeling at the joint interface due to the thermal cycle, and can realize high reliability.
また、本発明の銅/グラフェン接合体においては、前記Mg固溶層には、CuとMgとを含む金属間化合物からなるCu−Mg金属間化合物相が存在することが好ましい。
この場合、Cu−Mg金属間化合物相が活性金属炭化物層との接合面側に分布しており、接合に大きく関与することになるため、活性金属炭化物層との接合の強度を高めることができる。
Further, in the copper / graphene conjugate of the present invention, it is preferable that the Mg solid solution layer contains a Cu-Mg intermetallic compound phase composed of an intermetallic compound containing Cu and Mg.
In this case, the Cu-Mg intermetallic compound phase is distributed on the bonding surface side with the active metal carbide layer and is greatly involved in the bonding, so that the strength of bonding with the active metal carbide layer can be increased. ..
前記Mg固溶層の内、前記活性金属炭化物層と前記Mg固溶層の境界からから銅部材側に向かって距離50μmの範囲内の領域の面積をAとし、前記Cu−Mg金属間化合物相の面積をBとしたとき、面積比B/Aが、0.3以下であることが好ましい。 Among the Mg solid solution layers, the area of a region within a range of a distance of 50 μm from the boundary between the active metal carbide layer and the Mg solid solution layer toward the copper member side is defined as A, and the Cu-Mg intermetallic compound phase is defined as A. When the area of is B, the area ratio B / A is preferably 0.3 or less.
また、本発明の銅/グラフェン接合体においては、前記Mg固溶層には、Cuと前記活性金属とを含む金属間化合物からなる活性金属化合物相が存在することが好ましい。
この場合、活性金属化合物相が活性金属炭化物層との接合面側に分布しており、接合に大きく関与することになるため、活性金属炭化物層との接合の強度を高めることができる。
Further, in the copper / graphene conjugate of the present invention, it is preferable that the Mg solid solution layer contains an active metal compound phase composed of an intermetallic compound containing Cu and the active metal.
In this case, the active metal compound phase is distributed on the bonding surface side with the active metal carbide layer and is greatly involved in the bonding, so that the strength of bonding with the active metal carbide layer can be increased.
さらに、本発明の銅/グラフェン接合体においては、前記グラフェン含有炭素質部材は、単層又は多層のグラフェンが堆積してなるグラフェン集合体と扁平形状の黒鉛粒子とを含み、扁平形状の前記黒鉛粒子が、そのベーサル面が折り重なるように前記グラフェン集合体をバインダーとして積層され、扁平形状の前記黒鉛粒子のベーサル面が一方向に向けて配向した構造とされていることが好ましい。
この場合、グラフェン含有炭素質部材における熱伝導特性を、さらに向上させることが可能となる。
Further, in the copper / graphene junction of the present invention, the graphene-containing carbonaceous member contains a graphene aggregate formed by depositing single-layer or multi-layer graphene and flat graphite particles, and the flat graphite. It is preferable that the particles are laminated with the graphene aggregate as a binder so that the basal surfaces thereof fold over, and the basal surfaces of the flat graphite particles are oriented in one direction.
In this case, the heat conduction characteristics of the graphene-containing carbonaceous member can be further improved.
本発明の銅/グラフェン接合体の製造方法は、上述の銅/グラフェン接合体を製造する銅/グラフェン接合体の製造方法であって、前記銅部材と前記グラフェン含有炭素質部材との間に、Ti,Zr,Nb,Hfから選択される1種又は2種以上の活性金属及びMgを配置する活性金属及びMg配置工程と、前記銅部材と前記グラフェン含有炭素質部材とを、活性金属及びMgを介して積層する積層工程と、前記活性金属及びMgを介して積層された前記銅部材と前記グラフェン含有炭素質部材とを積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下において加熱処理して接合する接合工程と、を備えており、前記活性金属及びMg配置工程では、活性金属量を0.4μmol/cm2以上47.0μmol/cm2以下の範囲内、Mg量を14μmol/cm2以上180μmol/cm2以下の範囲内とすることを特徴としている。 The method for producing a copper / graphene joint of the present invention is a method for producing a copper / graphene joint for producing the above-mentioned copper / graphene joint, in which the copper member and the graphene-containing carbonaceous member are sandwiched between the copper member and the graphene-containing carbonaceous member. The active metal and Mg placement step for arranging one or more active metals and Mg selected from Ti, Zr, Nb, and Hf, and the copper member and the graphene-containing carbonaceous member are combined with the active metal and Mg. The copper member laminated via the active metal and Mg and the graphene-containing carbonaceous member are heat-treated and joined in a vacuum atmosphere while being pressurized in the lamination direction. In the active metal and Mg placement step, the amount of active metal is in the range of 0.4 μmol / cm 2 or more and 47.0 μmol / cm 2 or less, and the amount of Mg is 14 μmol / cm 2 or more and 180 μmol. It is characterized in that it is within the range of / cm 2 or less.
この構成の銅/グラフェン接合体の製造方法によれば、活性金属及びMg配置工程では、活性金属量を0.4μmol/cm2以上47.0μmol/cm2以下の範囲内とし、Mg量を14μmol/cm2以上180μmol/cm2以下の範囲内としているので、界面反応に必要な液相を十分に得ることができる。よって、銅部材とグラフェン含有炭素質部材とを確実に接合することができる。 According to the method for producing a copper / graphene conjugate having this configuration, in the active metal and Mg placement step, the amount of active metal is set in the range of 0.4 μmol / cm 2 or more and 47.0 μmol / cm 2 or less, and the Mg amount is 14 μmol. since / cm 2 or more 180Myumol / cm 2 is within the range, it is possible to obtain a liquid phase necessary for the interfacial reaction sufficiently. Therefore, the copper member and the graphene-containing carbonaceous member can be reliably joined.
ここで、本発明の銅/グラフェン接合体の製造方法においては、前記接合工程における加圧荷重が0.049MPa以上1.96MPa以下の範囲内とされ、前記接合工程における加熱温度が、700℃以上950℃以下の範囲内とされていることが好ましい。
この場合、接合工程において、加圧荷重が0.049MPa以上1.96MPa以下の範囲内とされ、かつ加熱温度が、700℃以上950℃以下の範囲内とされているので、界面反応に必要な液相を保持することができ、均一な界面反応を促進することができる。
Here, in the method for producing a copper / graphene bonded body of the present invention, the pressurized load in the bonding step is within the range of 0.049 MPa or more and 1.96 MPa or less, and the heating temperature in the bonding step is 700 ° C. or higher. It is preferably within the range of 950 ° C. or lower.
In this case, in the joining step, the pressurizing load is within the range of 0.049 MPa or more and 1.96 MPa or less, and the heating temperature is within the range of 700 ° C. or more and 950 ° C. or less, which is necessary for the interfacial reaction. The liquid phase can be maintained and a uniform interfacial reaction can be promoted.
本発明の銅/グラフェン接合構造は、銅又は銅合金からなる銅部材と、グラフェン集合体を含有するグラフェン含有炭素質部材と、が接合された構造の銅/グラフェン接合構造であって、前記銅部材と前記グラフェン含有炭素質部材との間においては、前記グラフェン含有炭素質部材側に、Ti,Zr,Nb,Hfから選択される1種又は2種以上の活性金属の炭化物を含む活性金属炭化物層が形成されており、この活性金属炭化物層と前記銅部材との間に、Cuの母相中にMgが固溶したMg固溶層が形成されていることを特徴としている。 The copper / graphene bonding structure of the present invention is a copper / graphene bonding structure in which a copper member made of copper or a copper alloy and a graphene-containing carbonaceous member containing a graphene aggregate are bonded to each other. Between the member and the graphene-containing carbonaceous member, an active metal charcoal containing one or more charcoal of an active metal selected from Ti, Zr, Nb, and Hf on the graphene-containing carbonaceous member side. A layer is formed, and an Mg solid-dissolved layer in which Mg is solid-dissolved in the matrix phase of Cu is formed between the active metal carbide layer and the copper member.
この構成の銅/グラフェン接合構造においては、銅部材とグラフェン含有炭素質部材との接合界面において、グラフェン含有炭素質部材の接合面に活性金属炭化物層が形成されており、銅部材の接合面側にCuの母相中にMgが固溶したMg固溶層が形成されている。これにより、Mg固溶層中のMgが活性金属炭化物層中の活性金属と十分に反応し、この活性金属炭化物層を介して、銅部材がグラフェン含有炭素質部材と強固に接合されるため、冷熱サイクル負荷時において、接合界面にクラック、剥離が生じるのを抑えることができる。さらに、この構成の銅/グラフェン接合構造は、構成材料として銅を含んでいるため、過渡期において、ヒートスプレッダとして効率的に放熱を行う機能を有している。したがって、この構成の銅/グラフェン接合構造は、冷熱サイクルに伴う接合界面での剥離の発生を抑えつつ、安定した放熱特性を維持することができ、高い信頼性を実現することができる。 In the copper / graphene bonding structure having this configuration, an active metal carbide layer is formed on the bonding surface of the graphene-containing carbonaceous member at the bonding interface between the copper member and the graphene-containing carbonaceous member, and the bonding surface side of the copper member is formed. An Mg solid-dissolved layer in which Mg is solid-dissolved is formed in the matrix phase of Cu. As a result, Mg in the Mg solid solution layer sufficiently reacts with the active metal in the active metal carbide layer, and the copper member is firmly bonded to the graphene-containing carbonaceous member via the active metal carbide layer. It is possible to prevent cracks and peeling from occurring at the bonding interface when a cold cycle load is applied. Further, since the copper / graphene joint structure having this structure contains copper as a constituent material, it has a function of efficiently dissipating heat as a heat spreader in a transitional period. Therefore, the copper / graphene bonding structure having this configuration can maintain stable heat dissipation characteristics while suppressing the occurrence of peeling at the bonding interface due to the thermal cycle, and can realize high reliability.
本発明によれば、銅又は銅合金からなる銅部材と、グラフェン集合体を含有するグラフェン含有炭素質部材とが強固に接合されており、冷熱サイクル負荷時においても剥離が生じることがなく、冷熱サイクル信頼性に優れた銅/グラフェン接合体とその製造方法、および銅/グラフェン接合構造を提供することができる。 According to the present invention, a copper member made of copper or a copper alloy and a graphene-containing carbonaceous member containing a graphene aggregate are firmly bonded to each other, and peeling does not occur even under a cold cycle load. It is possible to provide a copper / graphene junction having excellent cycle reliability, a method for producing the same, and a copper / graphene junction structure.
以下に、本発明の実施形態について添付した図面を参照して説明する。なお、以下に示す各実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. It should be noted that each of the embodiments shown below is specifically described in order to better understand the gist of the invention, and is not limited to the present invention unless otherwise specified. In addition, the drawings used in the following description may be shown by enlarging the main parts for convenience in order to make the features of the present invention easy to understand, and the dimensional ratios of the respective components are the same as the actual ones. Is not always the case.
まず、図1から図4を参照して本発明の実施形態である銅/グラフェン接合体(銅/グラフェン接合構造)について説明する。
本実施形態における銅/グラフェン接合体は、銅又は銅合金からなる銅部材と、グラフェン集合体を含有するグラフェン含有炭素質部材と、を接合した構造の絶縁基板20とされている。
First, a copper / graphene junction (copper / graphene junction structure) according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 4.
The copper / graphene joint in the present embodiment is an
まず、本実施形態である銅/グラフェン接合体(絶縁基板20)を用いたパワーモジュールについて説明する。
図1に示すパワーモジュール1は、絶縁回路基板10と、この絶縁回路基板10の一方の面側(図1において上側)にはんだ層2を介して接合された半導体素子3と、絶縁回路基板10の他方の面側(図1において下側)に配設されたヒートシンク31とを備えている。
First, a power module using the copper / graphene junction (insulated substrate 20) of the present embodiment will be described.
The power module 1 shown in FIG. 1 includes an insulating
絶縁回路基板10は、絶縁層(絶縁基板20)と、この絶縁層の一方の面(図1において上面)に配設された回路層12と、絶縁層の他方の面(図1において下面)に配設された金属層13とを備えている。
絶縁層は、回路層12と金属層13との間の電気的接続を防止するものであって、本実施形態である絶縁基板20で構成されている。
The insulating
The insulating layer prevents electrical connection between the
回路層12は、絶縁層(絶縁基板20)の一方の面に、導電性に優れた金属板が接合されることによって形成されている。本実施形態では、回路層12を構成する金属板として、銅又は銅合金からなる銅板、具体的には無酸素銅の圧延板が用いられている。この回路層12には、回路パターンが形成されており、その一方の面(図1において上面)が、半導体素子3が搭載される搭載面とされている。
また、回路層12となる金属板(銅板)の厚さは0.1mm以上1.0mm以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、0.6mmに設定されている。
なお、回路層12となる金属板(銅板)と絶縁基板20との接合方法には、特に制限がなく、活性金属ろう材等を用いて接合することができる。
The
Further, the thickness of the metal plate (copper plate) to be the
The method of joining the metal plate (copper plate) to be the
金属層13は、絶縁層(絶縁基板20)の他方の面に、熱伝導性に優れた金属板が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、金属層13を構成する金属板として、銅又は銅合金からなる銅板、具体的には無酸素銅の圧延板が用いられている。 また、金属層13となる金属板(銅板)の厚さは0.1mm以上1.0mm以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、0.6mmに設定されている。
なお、金属層13となる金属板(銅板)と絶縁基板20との接合方法には、特に制限がなく、活性金属ろう材等を用いて接合することができる。
The
The method of joining the metal plate (copper plate) to be the
ヒートシンク31は、前述の絶縁回路基板10を冷却するためのものであり、冷却媒体(例えば冷却水)を流通させるための流路32が複数設けられた構造をなしている。
このヒートシンク31は、熱伝導性が良好な材質、例えばアルミニウム又はアルミニウム合金、銅又は銅合金で構成されていることが好ましく、本実施形態においては、純度が99mass%以上の2Nアルミニウムで構成されている。
なお、本実施形態では、絶縁回路基板10の金属層13とヒートシンク31は、固相拡散接合法によって接合されている。
The
The
In this embodiment, the
半導体素子3は、例えばSiやSiC等の半導体材料を用いて構成されている。この半導体素子3は、例えばSn−Ag系、Sn−In系、若しくはSn−Ag−Cu系のはんだ材からなるはんだ層2を介して回路層12上に搭載されている。
The
そして、絶縁層を構成する本実施形態である絶縁基板20は、図2に示すように、銅又は銅合金からなる銅部材によって構成される銅板21と、グラフェン集合体を含有するグラフェン含有炭素質部材からなる炭素板25と、が積層した構造とされている。銅板21の両主面には、それぞれ炭素板21が接合されている。
ここでは、絶縁基板20として、炭素板25、銅板21、炭素板25の順に積層されているものを例示しているが、銅板21、炭素板25は交互に積層されていればよく、積層数についての制限はない。積層方向における最表層(端部)は、本実施形態のように炭素板25であってもよいし、銅板21であってもよい。
As shown in FIG. 2, the insulating
Here, as the insulating
炭素板25を構成するグラフェン含有炭素質部材は、単層又は多層のグラフェンが堆積してなるグラフェン集合体と扁平形状の黒鉛粒子とを含み、扁平形状の黒鉛粒子が、そのベーサル面が折り重なるように、グラフェン集合体をバインダーとして積層された構造とされていることが好ましい。扁平形状の黒鉛粒子のベーサル面は、一方向に向けて配向した構造とされていることが好ましい。
The graphene-containing carbonaceous member constituting the
扁平形状の黒鉛粒子は、炭素六角網面が現れるベーサル面と、炭素六角網面の端部が現れるエッジ面と、を有するものである。この扁平形状の黒鉛粒子としては、鱗片状黒鉛、鱗状黒鉛、土状黒鉛、薄片状黒鉛、キッシュグラファイト、熱分解黒鉛、高配向熱分解黒鉛等を用いることができる。
ここで、黒鉛粒子のベーサル面から見た平均粒径は、10μm以上1000μm以下の範囲内であることが好ましく、50μm以上800μm以下の範囲内であることがさらに好ましい。黒鉛粒子の平均粒径を上述の範囲内とすることで、熱伝導性が向上する。
さらに、黒鉛粒子の厚さは、1μm以上50μm以下の範囲内であることが好ましく、1μm以上20μm以下の範囲内であることがさらに好ましい。黒鉛粒子の厚さを上述の範囲内とすることで、黒鉛粒子の配向性が適度に調整される。
また、黒鉛粒子の厚みがベーサル面から見た粒径の1/1000〜1/2の範囲内とすることによって、優れた熱伝導性と黒鉛粒子の配向性が適度に調整される。
The flat graphite particles have a basal surface on which a carbon hexagonal network surface appears and an edge surface on which an end portion of the carbon hexagonal network surface appears. As the flat graphite particles, scaly graphite, scaly graphite, earthy graphite, flaky graphite, kiss graphite, pyrolytic graphite, highly oriented pyrolytic graphite and the like can be used.
Here, the average particle size of the graphite particles as seen from the basal surface is preferably in the range of 10 μm or more and 1000 μm or less, and more preferably in the range of 50 μm or more and 800 μm or less. By setting the average particle size of the graphite particles within the above range, the thermal conductivity is improved.
Further, the thickness of the graphite particles is preferably in the range of 1 μm or more and 50 μm or less, and more preferably in the range of 1 μm or more and 20 μm or less. By setting the thickness of the graphite particles within the above range, the orientation of the graphite particles is appropriately adjusted.
Further, by setting the thickness of the graphite particles within the range of 1/1000 to 1/2 of the particle size seen from the basal surface, excellent thermal conductivity and orientation of the graphite particles are appropriately adjusted.
グラフェン集合体は、単層又は多層のグラフェンが堆積したものであり、多層のグラフェンの積層数は、例えば100層以下、好ましくは50層以下とされている。このグラフェン集合体は、例えば、単層又は多層のグラフェンが低級アルコールや水を含む溶媒に分散されたグラフェン分散液を、ろ紙上に滴下し、溶媒を分離しながら堆積させることによって製造することが可能である。
ここで、グラフェン集合体の平均粒径は、1μm以上1000μm以下の範囲内であることが好ましい。グラフェン集合体の平均粒径を上述の範囲内とすることで、熱伝導性が向上する。
さらに、グラフェン集合体の厚さは、0.05μm以上50μm未満の範囲内であることが好ましい。グラフェン集合体の厚さを上述の範囲内とすることで、炭素質部材の強度が確保される。
The graphene aggregate is a deposit of single-layer or multi-layer graphene, and the number of layers of the multi-layer graphene is, for example, 100 layers or less, preferably 50 layers or less. This graphene aggregate can be produced, for example, by dropping a graphene dispersion in which single-layer or multi-layer graphene is dispersed in a solvent containing lower alcohol or water onto a filter paper and depositing the graphene while separating the solvent. It is possible.
Here, the average particle size of the graphene aggregate is preferably in the range of 1 μm or more and 1000 μm or less. By keeping the average particle size of the graphene aggregate within the above range, the thermal conductivity is improved.
Further, the thickness of the graphene aggregate is preferably in the range of 0.05 μm or more and less than 50 μm. By keeping the thickness of the graphene aggregate within the above range, the strength of the carbonaceous member is ensured.
ここで、図3に、銅又は銅合金からなる銅部材によって構成される銅板21と、グラフェン含有炭素質部材からなる炭素板25との接合界面の模式図を示す。図3に示すように、銅部材からなる銅板21とグラフェン含有炭素質部材からなる炭素板25との間(接合界面40)においては、炭素板25の接合面に、活性金属炭化物の1種又は2種を含む活性金属炭化物層41が形成されている。
また、銅板21には、Mg、Cu等の単体の金属、Cu−Mg、Cu−Ti等の金属間化合物(IMCs)等が含有されており、特に接合界面40において、銅板21と活性金属炭化物層41との間には、Cuの母相中にMgが固溶したMg固溶層42が形成されている。Mg固溶層42には、CuとMgとを含む金属間化合物からなるCu−Mg金属間化合物相が存在していてもよいし、Cuと活性金属とを含む金属間化合物からなる活性金属化合物相が存在していてもよい。
Here, FIG. 3 shows a schematic view of the bonding interface between the
Further, the
このCu−Mg金属間化合物相は、Cu2Mg相及び/又はCuMg2相から構成される。
Mg固溶層42においては、銅部材からなる銅板21とグラフェン含有炭素質部材からなる炭素板25との積層方向に沿った断面において、活性金属炭化物層41とMg固溶層42との境界面40aから銅部材側に向かって距離50μmの範囲内の領域の面積をA(μm2)とし、同領域における前記Cu−Mg金属間化合物相の面積をB(μm2)としたとき、面積比B/Aが、0.3以下であることが好ましく、0.25以下であればより好ましく、0.15以下であれば最も好ましい。
なお、Mg固溶層42がCu−Mg金属間化合物相を含まない場合、即ち、比B/Aが0である場合もある。
This Cu-Mg intermetallic compound phase is composed of a Cu 2 Mg phase and / or a Cu Mg 2 phase.
In the Mg
The Mg
活性金属炭化物層41は、接合時において銅板21と炭素板25との間に介在させる接合材に含まれる活性金属が、炭素板25に含まれる炭素と反応することによって形成されるものである。
活性金属炭化物層41を構成する活性金属としては、例えば、Ti,Zr,Hf、Nbから選択される1種又は2種以上を用いることができる。本実施形態では、活性金属がTiとされており、活性金属炭化物層41はチタン炭化物(Ti−C)で構成されている。
The active
As the active metal constituting the active
ここで、活性金属炭化物層41の厚さt1が0.05μm未満であると、活性金属と炭素との反応が十分ではなく、活性金属炭化物層41を介した銅板21と炭素板25との接合強度が不十分となるおそれがある。一方、活性金属炭化物層41の厚さt1が1.5μmを超えると、冷熱サイクル負荷時の活性金属炭化物層41においてクラックが発生するおそれがある。
よって、本実施形態では、活性金属炭化物層41の厚さt1を、0.05μm以上1.5μm以下の範囲内に設定することが好ましい。
なお、活性金属炭化物層41の厚さt1の下限は0.1μm以上であることがさらに好ましく、0.25μm以上であることがより好ましい。一方、活性金属炭化物層41の厚さt1の上限は1.2μm以下であることがさらに好ましく、1.0μm以下であることがより好ましい。
Here, if the thickness t1 of the active
Therefore, in the present embodiment, it is preferable to set the thickness t1 of the active
The lower limit of the thickness t1 of the active
次に、本実施形態である銅/グラフェン接合体(絶縁基板20)の製造方法について、図4に示すフロー図を参照して説明する。 Next, the method for manufacturing the copper / graphene junction (insulated substrate 20) according to the present embodiment will be described with reference to the flow chart shown in FIG.
(炭素板形成工程S01)
まず、上述した扁平形状の黒鉛粒子とグラフェン集合体とを所定の配合比となるように秤量し、これをボールミル等の既存の混合装置によって混合する。
得られた混合物を、所定の形状の金型に充填して加圧することにより成形体を得る。なお、加圧時に加熱を実施してもよい。
そして、得られた成形体に対して切り出し加工を行い、炭素板25を得る。
(Carbon plate forming step S01)
First, the above-mentioned flat graphite particles and graphene aggregates are weighed so as to have a predetermined mixing ratio, and these are mixed by an existing mixing device such as a ball mill.
A molded product is obtained by filling the obtained mixture in a mold having a predetermined shape and pressurizing the mixture. In addition, heating may be carried out at the time of pressurization.
Then, the obtained molded product is cut out to obtain a
なお、成形時の圧力は、20MPa以上1000MPa以下の範囲内とすることが好ましく、100MPa以上300MPa以下の範囲内とすることがさらに好ましい。
また、成形時の温度は、50℃以上300℃以下の範囲内とすることが好ましい。
さらに、加圧時間は、0.5分以上10分以下の範囲内とすることが好ましい。
The pressure at the time of molding is preferably in the range of 20 MPa or more and 1000 MPa or less, and more preferably in the range of 100 MPa or more and 300 MPa or less.
Further, the temperature at the time of molding is preferably in the range of 50 ° C. or higher and 300 ° C. or lower.
Further, the pressurization time is preferably in the range of 0.5 minutes or more and 10 minutes or less.
(活性金属及びMg配置工程S02)
次に、銅又は銅合金からなる銅板21を準備し、この銅板21の接合面と先の工程で得た炭素板25の接合面とを対向させ、両板の間に、接合材として、Ti,Zr,Nb,Hfから選択される1種又は2種以上の活性金属、Cu、及びMgを配置することができる。
ここで、接合材としては、MgとCuと活性金属(本実施形態ではTi)を含有するものを使用する。
なお、接合材は、ペースト状であってもよいし、箔であってもよい。また、例えばCu−Mg合金と活性金属とを積層したものであってもよい。接合材には、さらに不可避不純物が含まれていてもよい。
活性金属、Cu、及びMgは、スパッタ、(共)蒸着、箔材、又はペースト(活性金属及びMgの水素化物も利用できる)の塗布にて配置することができる。
(Active metal and Mg placement step S02)
Next, a
Here, as the bonding material, a material containing Mg, Cu, and an active metal (Ti in this embodiment) is used.
The joining material may be in the form of a paste or in the form of a foil. Further, for example, a Cu—Mg alloy and an active metal may be laminated. The bonding material may further contain unavoidable impurities.
The active metal, Cu, and Mg can be arranged by sputter, (co) vapor deposition, foil material, or application of paste (hydrides of active metal and Mg are also available).
この活性金属及びMg配置工程S02では、配置する活性金属量を0.4μmol/cm2以上47.0μmol/cm2以下の範囲内とすることが好ましく、Mg量を14μmol/cm2以上180μmol/cm2以下の範囲内とすることが好ましい。さらに、Cu量を4μmol/cm2以上350μmol/cm2以下の範囲内で配置することもできる。 In this active metal and Mg placement step S02, the amount of active metal to be placed is preferably in the range of 0.4 μmol / cm 2 or more and 47.0 μmol / cm 2 or less, and the Mg amount is 14 μmol / cm 2 or more and 180 μmol / cm. It is preferably within the range of 2 or less. Furthermore, it is also possible to arrange the Cu amount in the range 4μmol / cm 2 or more 350μmol / cm 2 less.
(積層工程S03)
次に、銅板21の両主面のそれぞれに、接合材を介して、上述の炭素板25を積層する(貼り合わせる)。
(Laminating step S03)
Next, the above-mentioned
(接合工程S04)
次に、接合材を介して積層した銅板21及び炭素板25を、積層方向に加圧するとともに加熱した後、冷却することにより、銅板21と炭素板25とを接合する。
ここで、加熱温度は700℃以上950℃以下の範囲内とすることが好ましい。また、加熱温度での保持時間は10分以上180分以下の範囲内とすることが好ましい。さらに、加圧圧力は0.049MPa以上1.96MPa以下の範囲内とすることが好ましい。また、接合中の雰囲気は、非酸化雰囲気とされていることが好ましい。
(Joining step S04)
Next, the
Here, the heating temperature is preferably in the range of 700 ° C. or higher and 950 ° C. or lower. Further, the holding time at the heating temperature is preferably in the range of 10 minutes or more and 180 minutes or less. Further, the pressurizing pressure is preferably in the range of 0.049 MPa or more and 1.96 MPa or less. Further, the atmosphere during bonding is preferably a non-oxidizing atmosphere.
この接合工程S04により、接合材に含まれる活性金属(本実施形態ではTi)が炭素板25に含まれる炭素と反応することで、炭素板25の接合面に活性金属炭化物層41が形成される。
そして、接合材に含まれるCu、Mg、および活性金属の一部が銅板21に吸収され、さらに接合材に含まれるCuとMgが反応することで、銅板21と活性金属炭化物層41との間に、Cuの母相中にMgが固溶したMg固溶層42が形成される。Mg固溶層42には、Cuと活性金属とを含む金属間化合物からなる活性金属化合物相が存在していてもよい。
In this bonding step S04, the active metal (Ti in the present embodiment) contained in the bonding material reacts with the carbon contained in the
Then, a part of Cu, Mg, and the active metal contained in the bonding material is absorbed by the
以上の工程により、本実施形態である銅/グラフェン接合体(絶縁基板20)が製造されることになる。 By the above steps, the copper / graphene junction (insulating substrate 20) according to the present embodiment is manufactured.
ここまで、銅部材21とそれを挟むグラフェン含有炭素質部材25とで構成される、絶縁基板20を例に挙げて説明したが、本実施形態の銅/グラフェン接合体(銅/グラフェン接合構造)としては、銅とグラフェンの接合が形成されているもの(接合部が含まれているもの)であればよい。例えば、グラフェン含有炭素質部材に対し、さらにセラミックス部材を接合させた銅/グラフェン/セラミックス接合体(銅/グラフェン/セラミックス接合構造)であってもよいし、セラミックス/グラフェン/銅/グラフェン/セラミックス接合体(セラミックス/グラフェン/銅/グラフェン/セラミックス接合構造)であってもよい。この場合、グラフェン部材とセラミックス部材との接合材としては、Cuと、Ag、Mg、P等の活性金属系の元素と、を含むものが用いられる。セラミックス部材(セラミックス板)としては、例えば、Al2O3、Zr添加Al2O3等の酸化物、AlN、Si3N4等の窒化物、SiAlON等を含むものが用いられる。
Up to this point, the insulating
以上のような構成とされた本実施形態の銅/グラフェン接合体(絶縁基板20)によれば、銅部材(銅板21)とグラフェン含有炭素質部材(炭素板25)との接合界面において、グラフェン含有炭素質部材の接合面に活性金属炭化物層41が形成されており、銅部材の接合面側にCuの母相中にMgが固溶したMg固溶層42が形成されている。これにより、Mg固溶層42中のMgが活性金属炭化物層41中の活性金属と十分に反応し、この活性金属炭化物層41を介して、銅部材がグラフェン含有炭素質部材と強固に接合されるため、冷熱サイクル負荷時において、接合界面にクラック、剥離が生じるのを抑えることができる。さらに、本実施形態の銅/グラフェン接合体は、その構成材料として銅を含んでいるため、過渡期においてヒートスプレッダとして効率的に放熱を行う機能を有している。したがって、本実施形態の銅/グラフェン接合体は、冷熱サイクルに伴う接合界面40での剥離の発生を抑えつつ、安定した放熱特性を維持することができ、高い信頼性を実現することができる。
According to the copper / graphene junction (insulating substrate 20) of the present embodiment having the above configuration, graphene is formed at the junction interface between the copper member (copper plate 21) and the graphene-containing carbonaceous member (carbon plate 25). The active
または、本実施形態の銅/グラフェン接合体において、Mg固溶層には、Cuと前記活性金属とを含む金属間化合物からなる活性金属化合物相が存在することが好ましい。この場合には、活性金属化合物相が活性金属炭化物層との接合面側に分布しており、接合に大きく関与することになるため、活性金属炭化物層との接合の強度を高めることができる。 Alternatively, in the copper / graphene conjugate of the present embodiment, it is preferable that the Mg solid solution layer contains an active metal compound phase composed of an intermetallic compound containing Cu and the active metal. In this case, the active metal compound phase is distributed on the bonding surface side with the active metal carbide layer and is greatly involved in the bonding, so that the strength of bonding with the active metal carbide layer can be increased.
さらに、本実施形態の銅/グラフェン接合体において、前記グラフェン含有炭素質部材は、単層又は多層のグラフェンが堆積してなるグラフェン集合体と扁平形状の黒鉛粒子とを含み、扁平形状の前記黒鉛粒子が、そのベーサル面が折り重なるように前記グラフェン集合体をバインダーとして積層され、扁平形状の前記黒鉛粒子のベーサル面が一方向に向けて配向した構造とされていることが好ましい。この場合には、グラフェン含有炭素質部材における熱伝導特性を、さらに向上させることが可能となる。 Further, in the copper / graphene conjugate of the present embodiment, the graphene-containing carbonaceous member contains a graphene aggregate formed by depositing single-layer or multi-layer graphene and flat graphite particles, and the flat graphite. It is preferable that the particles are laminated with the graphene aggregate as a binder so that the basal surfaces thereof overlap, and the flat-shaped graphite particles have a structure in which the basal surfaces are oriented in one direction. In this case, the heat conduction characteristics of the graphene-containing carbonaceous member can be further improved.
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、本実施形態では、絶縁回路基板の回路層に半導体素子(パワー半導体素子)を搭載してパワーモジュールを構成するものとして説明したが、これに限定されることはない。例えば、絶縁回路基板にLED素子を搭載してLEDモジュールを構成してもよいし、絶縁回路基板の回路層に熱電素子を搭載して熱電モジュールを構成してもよい。
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to this, and can be appropriately changed without departing from the technical idea of the invention.
For example, in the present embodiment, a semiconductor element (power semiconductor element) is mounted on the circuit layer of the insulated circuit board to form a power module, but the present invention is not limited to this. For example, an LED element may be mounted on an insulated circuit board to form an LED module, or a thermoelectric element may be mounted on a circuit layer of an insulated circuit board to form a thermoelectric module.
また、本実施形態では、図1に示すように、絶縁回路基板10の絶縁層として、本実施形態である絶縁基板20を適用したものとして説明したが、これに限定されることはなく、本発明の銅/グラフェン接合体の使用方法に特に制限はない。
Further, in the present embodiment, as shown in FIG. 1, it has been described that the insulating
本発明の有効性を確認するために行った確認実験(本発明例1〜8、11〜19、比較例1〜3)について説明する。 Confirmation experiments (Examples 1 to 8 and 11 to 19 of the present invention and Comparative Examples 1 to 3) performed to confirm the effectiveness of the present invention will be described.
本実施形態で開示したように、扁平形状の黒鉛粒子とグラフェン集合体を所定の配合比で配合して混合し、加圧加熱して成形することにより、扁平形状の黒鉛粒子が、そのベーサル面が折り重なるようにグラフェン集合体をバインダーとして積層された構造の成形体を得た。得られた成形体を切り出して、炭素板(40mm×40mm×厚さ1.5mm)を得た。 As disclosed in the present embodiment, the flat graphite particles and the graphene aggregate are mixed in a predetermined compounding ratio, mixed, and heated by pressurization to form the flat graphite particles on the basal surface thereof. A molded body having a structure in which graphene aggregates were laminated as a binder was obtained so as to be folded over. The obtained molded product was cut out to obtain a carbon plate (40 mm × 40 mm × thickness 1.5 mm).
この炭素板の一方の面に、表1、2に示すMg量及び活性金属量にてMgおよび活性金属を配置し、配置されたMgおよび活性金属の上に銅板(37mm×37mm×厚さ0.6mm)を積層し、表1、2に示す条件で、炭素板と銅板とを接合した。
なお、Mgおよび活性金属は共蒸着を用いて配置した。
ここで、炭素板と銅板との接合界面を、次の手順で観察し、活性金属炭化物層の有無、活性金属化合物相の有無、Mg固溶層等の有無を確認した。
Mg and active metal are arranged on one surface of this carbon plate with the amount of Mg and the amount of active metal shown in Tables 1 and 2, and a copper plate (37 mm × 37 mm × thickness 0) is placed on the arranged Mg and active metal. .6 mm) was laminated, and the carbon plate and the copper plate were joined under the conditions shown in Tables 1 and 2.
In addition, Mg and active metal were arranged by using co-deposited film.
Here, the bonding interface between the carbon plate and the copper plate was observed by the following procedure, and the presence or absence of the active metal carbide layer, the presence or absence of the active metal compound phase, the presence or absence of the Mg solid solution layer, etc. were confirmed.
(活性金属炭化物層の有無)
得られた接合体の積層方向に沿った断面において、銅板と炭素板との接合界面を、走査型透過電子顕微鏡(FEI社製Titan ChemiSTEM(EDS検出器付き))を用いて、倍率20000倍から120000倍、加速電圧200kVの条件で観察を行った。エネルギー分散型X線分析法(サーモサイエンティフィック社製NSS7)を用いてマッピングを行い、活性金属とCが重なる領域において、1nm程度に絞った電子ビームを照射すること(NBD(ナノビーム回折)法)で電子回折図形を得て、この電子回折図形が活性金属とCの金属間化合物であった場合に活性金属炭化物層を「有」とした。
(Presence or absence of active metal carbide layer)
In the cross section of the obtained bonded body along the stacking direction, the bonding interface between the copper plate and the carbon plate is measured from a magnification of 20000 times using a scanning transmission electron microscope (Titan ChemiSTEM (with EDS detector) manufactured by FEI). Observation was performed under the conditions of 120,000 times and an acceleration voltage of 200 kV. Mapping is performed using an energy dispersive X-ray analysis method (NSS7 manufactured by Thermo Scientific Co., Ltd.), and an electron beam focused to about 1 nm is irradiated in the region where the active metal and C overlap (NBD (nanobeam diffraction) method). ) Was obtained, and when the electron diffraction pattern was an intermetal compound between the active metal and C, the active metal carbide layer was set to "Yes".
(Cu−Mg金属間化合物相の有無と面積比)
得られた接合体の積層方向に沿った断面において、銅板と炭素板との接合界面を、電子線マイクロアナライザー(日本電子株式会社製JXA−8539F)を用いて、倍率2000倍、加速電圧15kVの条件で観察し、接合界面を含む領域(400μm×600μm)(以下、観察領域という)のMgの元素MAPを取得した。Mgの存在が確認された領域内での定量分析の5点平均で、Cu濃度が5原子%以上、かつ、Mg濃度が30原子以上70原子%以下を満たした領域をCu−Mg金属間化合物相として、Cu−Mg金属間化合物相の有無を確認した。なおここでの濃度はCuとMgの合計量を100原子%とした時の濃度である。
また、本発明例11〜19の接合体では、観察領域における、活性金属炭化物層とMg固溶層の境界からから銅部材側に向かって距離50μmの範囲内の領域の面積をAとし、観察領域における、活性金属炭化物層とMg固溶層の境界から銅部材側に向かって距離50μmの範囲内の領域におけるCu−Mg金属間化合物相の面積をBとしたときの面積比B/Aを測定した。
(Presence / absence and area ratio of Cu-Mg intermetallic compound phase)
In the cross section of the obtained bonded body along the stacking direction, the bonding interface between the copper plate and the carbon plate was subjected to a magnification of 2000 times and an acceleration voltage of 15 kV using an electron probe microanalyzer (JXA-8539F manufactured by JEOL Ltd.). By observing under the conditions, the elemental MAP of Mg in the region including the bonding interface (400 μm × 600 μm) (hereinafter referred to as the observation region) was obtained. The Cu-Mg metal compound is a region in which the Cu concentration is 5 atomic% or more and the Mg concentration is 30 atoms or more and 70 atomic% or less on a 5-point average of the quantitative analysis in the region where the presence of Mg is confirmed. As a phase, the presence or absence of a Cu-Mg intermetallic compound phase was confirmed. The concentration here is the concentration when the total amount of Cu and Mg is 100 atomic%.
Further, in the bonded body of Examples 11 to 19 of the present invention, the area of the region within the range of a distance of 50 μm from the boundary between the active metal carbide layer and the Mg solid solution layer to the copper member side in the observation region is defined as A for observation. The area ratio B / A when the area of the Cu-Mg intermetallic compound phase in the region within a range of 50 μm from the boundary between the active metal carbide layer and the Mg solid solution layer toward the copper member side is B. It was measured.
(活性金属化合物相の有無)
得られた接合体の積層方向に沿った断面において、銅板と炭素板との接合界面を、電子線マイクロアナライザー(日本電子株式会社製JXA−8539F)を用いて、倍率2000倍、加速電圧15kVの条件で観察し、接合界面を含む領域(400μm×600μm)の活性金属の元素MAPを取得した。活性金属の存在が確認された領域内での定量分析の5点平均で、Cu濃度が5原子%以上、かつ、活性金属濃度が16原子以上70原子%以下を満たした領域をCu−活性金属間化合物相として、活性金属化合物相の有無を確認した。なおここでの濃度はCuと活性金属の合計量を100原子%とした時の濃度である。
(Presence or absence of active metal compound phase)
In the cross section of the obtained bonded body along the stacking direction, the bonding interface between the copper plate and the carbon plate was subjected to a magnification of 2000 times and an acceleration voltage of 15 kV using an electron probe microanalyzer (JXA-8539F manufactured by JEOL Ltd.). By observing under the conditions, the elemental MAP of the active metal in the region including the bonding interface (400 μm × 600 μm) was obtained. The Cu-active metal is the region where the Cu concentration is 5 atomic% or more and the active metal concentration is 16 atoms or more and 70 atomic% or less on a 5-point average of the quantitative analysis in the region where the presence of the active metal is confirmed. The presence or absence of an active metal compound phase was confirmed as the intermetallic compound phase. The concentration here is the concentration when the total amount of Cu and the active metal is 100 atomic%.
(Mg固溶相の有無)
得られた接合体の積層方向に沿った断面において、銅板と炭素板との接合界面を含む領域(400μm×600μm)を、電子線マイクロアナライザー(日本電子株式会社製JXA−8539F)を用いて、倍率2000倍、加速電圧15kVの条件で観察した。炭素板表面から銅板側に向かって10μm間隔で、銅板の厚さに応じて10点以上20点以下の範囲で定量分析を行い、Mg濃度が0.01原子%以上6.9原子%以下である領域をMg固溶相として、Mg固溶相の有無を確認した。
(Presence or absence of Mg solid solution phase)
In the cross section of the obtained bonded body along the laminating direction, a region (400 μm × 600 μm) including the bonding interface between the copper plate and the carbon plate was formed by using an electron probe microanalyzer (JXA-8039F manufactured by JEOL Ltd.). Observation was performed under the conditions of a magnification of 2000 times and an acceleration voltage of 15 kV. Quantitative analysis was performed at intervals of 10 μm from the surface of the carbon plate toward the copper plate side in the range of 10 points or more and 20 points or less according to the thickness of the copper plate, and the Mg concentration was 0.01 atomic% or more and 6.9 atomic% or less. The presence or absence of the Mg solid solution phase was confirmed with a certain region as the Mg solid solution phase.
そして、得られた本発明例1〜8、比較例1〜3の接合体に対して、−40℃×5分⇔150℃×5分の冷熱サイクルを2000サイクル負荷した。
また、得られた本発明例11〜19の接合体に対して、真空雰囲気で、500℃、30分の加熱と室温(25℃)までの冷却を10回繰り返す負荷試験を行った。
その後、これらの接合体に対し、超音波探傷装置(株式会社日立パワーソリューションズ製FineSAT200)を用いて、炭素板と銅板との初期接合面積、非接合面積を測定し、以下の式から炭素板と銅板との界面の接合率を算出した。
(接合率)=[{(初期接合面積)−(非接合部面積)}/(初期接合面積)]×100
ここでの初期接合面積は、本来接合されるべき部分の面積を意味している。また、非接合面積は、接合されるべき部分のうち、実際には接合されていない部分、すなわち、剥離している部分の面積を意味している。超音波探傷像を二値化処理した画像において、剥離は接合部内の白色部で示されることから、この白色部の面積を非接合面積(剥離面積)とした。
Then, 2000 cycles of cooling and heating cycles of −40 ° C. × 5 minutes ⇔ 150 ° C. × 5 minutes were applied to the obtained conjugates of Examples 1 to 8 of the present invention and Comparative Examples 1 to 3.
Further, the obtained joints of Examples 11 to 19 of the present invention were subjected to a load test in which heating at 500 ° C. for 30 minutes and cooling to room temperature (25 ° C.) were repeated 10 times in a vacuum atmosphere.
Then, for these joints, the initial bonding area and non-bonding area between the carbon plate and the copper plate were measured using an ultrasonic flaw detector (FineSAT200 manufactured by Hitachi Power Solutions, Ltd.), and the carbon plate was obtained from the following formula. The bonding ratio at the interface with the copper plate was calculated.
(Joining rate) = [{(Initial bonding area)-(Non-joining area)} / (Initial bonding area)] x 100
The initial joining area here means the area of the portion that should be joined. Further, the non-bonded area means the area of the portion to be joined that is not actually joined, that is, the portion that is peeled off. In the image obtained by binarizing the ultrasonic flaw detection image, the peeling is shown by the white part in the joint part, so the area of this white part is defined as the non-joint area (peeling area).
比較例1〜3の銅/グラフェン接合体は、接合部分に活性金属炭化物層が設けられていない。そのため、銅板と炭素板との接合率は、初期の段階で60%に満たない低い値を示しており、冷熱サイクル負荷後には0%となり、接合が完全に解消されていることが分かる。 The copper / graphene joints of Comparative Examples 1 to 3 do not have an active metal carbide layer provided at the joint portion. Therefore, the bonding ratio between the copper plate and the carbon plate shows a low value of less than 60% at the initial stage, and becomes 0% after the cold cycle load, indicating that the bonding is completely eliminated.
これに対し、本発明例1〜8、11〜19の銅/グラフェン接合体は、接合部分に活性金属炭化物層が設けられているため、銅板と炭素板との接合率は、95%を超える高い値を示しており、比較例1〜3と同様の冷熱サイクル負荷または通炉試験を行っても90%を下回らないことが分かる。これらの結果から、本発明例1〜8、11〜19の銅/グラフェン接合体は、冷却サイクル負荷時の剥離を抑える上で、十分な強度を有しており、高い信頼性を実現していることが分かる。 On the other hand, in the copper / graphene joints of Examples 1 to 8 and 11 to 19 of the present invention, since the active metal carbide layer is provided at the joint portion, the bonding ratio between the copper plate and the carbon plate exceeds 95%. It shows a high value, and it can be seen that it does not fall below 90% even when the same thermal cycle load or furnace test as in Comparative Examples 1 to 3 is performed. From these results, the copper / graphene conjugates of Examples 1 to 8 and 11 to 19 of the present invention have sufficient strength to suppress peeling under a cooling cycle load, and realize high reliability. You can see that there is.
20 絶縁基板(銅/グラフェン接合体)
21 銅板(銅部材)
25 炭素板(グラフェン含有炭素質部材)
40 接合界面
40a 境界面
41 活性金属炭化物層
42 Mg固溶層
20 Insulated substrate (copper / graphene junction)
21 Copper plate (copper member)
25 Carbon plate (graphene-containing carbonaceous material)
40
Claims (8)
前記銅部材と前記グラフェン含有炭素質部材との間においては、前記グラフェン含有炭素質部材側に、Ti,Zr,Nb,Hfから選択される1種又は2種以上の活性金属の炭化物を含む活性金属炭化物層が形成されており、
この活性金属炭化物層と前記銅部材との間に、Cuの母相中にMgが固溶したMg固溶層が形成されていることを特徴とする銅/グラフェン接合体。 A copper / graphene junction having a structure in which a copper member made of copper or a copper alloy and a graphene-containing carbonaceous member containing a graphene aggregate are bonded.
Between the copper member and the graphene-containing carbonaceous member, the activity of the graphene-containing carbonaceous member side containing a carbide of one or more active metals selected from Ti, Zr, Nb, and Hf. A metal carbide layer is formed,
A copper / graphene conjugate characterized in that an Mg solid solution layer in which Mg is solid-solved is formed in the matrix phase of Cu between the active metal carbide layer and the copper member.
前記銅部材と前記グラフェン含有炭素質部材との間に、Ti,Zr,Nb,Hfから選択される1種又は2種以上の活性金属及びMgを配置する活性金属及びMg配置工程と、前記銅部材と前記グラフェン含有炭素質部材とを、活性金属及びMgを介して積層する積層工程と、
前記活性金属及びMgを介して積層された前記銅部材と前記グラフェン含有炭素質部材とを積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下において加熱処理して接合する接合工程と、
を備えており、
前記活性金属及びMg配置工程では、活性金属量を0.4μmol/cm2以上47.0μmol/cm2以下の範囲内、Mg量を14μmol/cm2以上180μmol/cm2以下の範囲内とすることを特徴とする銅/グラフェン接合体の製造方法。 A method for producing a copper / graphene conjugate according to any one of claims 1 to 5.
An active metal and Mg placement step of arranging one or more active metals and Mg selected from Ti, Zr, Nb, and Hf between the copper member and the graphene-containing carbonaceous member, and the copper. A laminating step of laminating the member and the graphene-containing carbonaceous member via an active metal and Mg, and
A joining step in which the copper member laminated via the active metal and Mg and the graphene-containing carbonaceous member are joined by heat treatment in a vacuum atmosphere while being pressurized in the stacking direction.
Is equipped with
In the active metal and Mg arrangement step, making the active metal amount 0.4μmol / cm 2 or more 47.0μmol / cm 2 within the range, in the range 14μmol / cm 2 or more 180μmol / cm 2 or less of the amount of Mg A method for producing a copper / graphene conjugate.
前記接合工程における加熱温度が、700℃以上950℃以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項6に記載の銅/グラフェン接合体の製造方法。 The pressurizing load in the joining step is within the range of 0.049 MPa or more and 1.96 MPa or less.
The method for producing a copper / graphene bonded body according to claim 6, wherein the heating temperature in the bonding step is in the range of 700 ° C. or higher and 950 ° C. or lower.
前記銅部材と前記グラフェン含有炭素質部材との間においては、前記グラフェン含有炭素質部材側に、Ti,Zr,Nb,Hfから選択される1種又は2種以上の活性金属の炭化物を含む活性金属炭化物層が形成されており、
この活性金属炭化物層と前記銅部材との間に、Cuの母相中にMgが固溶したMg固溶層が形成されていることを特徴とする銅/グラフェン接合構造。 A copper / graphene bonded structure in which a copper member made of copper or a copper alloy and a graphene-containing carbonaceous member containing a graphene aggregate are bonded.
Between the copper member and the graphene-containing carbonaceous member, the activity of the graphene-containing carbonaceous member side containing a carbide of one or more active metals selected from Ti, Zr, Nb, and Hf. A metal carbide layer is formed,
A copper / graphene bonding structure characterized in that an Mg solid solution layer in which Mg is solid-solved is formed in the matrix phase of Cu between the active metal carbide layer and the copper member.
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