(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板の少なくとも一主面に電気導通及び電子部品搭載のための金属部分を形成した金属−セラミックス複合基板において、アルミニウム溶湯を窒素ガス雰囲気中でセラミックス基板上に直接凝固させて接合せしめた複合基板上の金属板にエッチング処理により所定の回路を形成して成り、ヒートサイクル≧3000回（クラックなし）としたことを特徴とする金属−セラミックス複合基板。
【請求項２】
セラミックス基板の少なくとも一主面に電気導通及び電子部品搭載のための金属部分を形成した金属−セラミックス複合基板において、アルミニウム溶湯を窒素ガス雰囲気中で炭化珪素基板またはジルコニア基板上に直接凝固させて接合せしめた複合基板上の金属板にエッチング処理により所定の回路を形成して成り、ヒートサイクル≧3000回（クラックなし）としたことを特徴とする金属−セラミックス複合基板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワーモジュール等の大電力電子部品の実装に好適な金属−セラミックス複合基板に関し、更に詳しくは特に優れた耐ヒートサイクル特性が要求される自動車用電子部品の実装に好適な複合基板を提供することを目的とする。
【０００２】
【従来の技術】
従来、パワーモジュールのような大電力電子部品の実装に使用する基板として、セラミックス基板の表面に銅板を接合して作製された銅張りセラミックス複合基板が使用されている。この複合基板は更に、使用するセラミックス基板の種類やその製造法によって、銅／アルミナ直接接合基板、銅／窒化アルミニウム直接接合基板、銅／アルミナろう接基板、及び銅／窒化アルミニウムろう接基板に分けられている。
【０００３】
このうち、銅／アルミナ直接接合基板は、特開昭５２−３７９１４号公報に開示されるように、酸素を含有する銅板を使用するか、無酸素銅板を使用して酸化性雰囲気中で加熱することによって無酸素銅板の表面に酸化銅を発生させてから、銅板とアルミナ基板を重ねて不活性雰囲気中で加熱し、銅板とアルミナ基板との界面に銅とアルミニウムとの複合酸化物を生成させ銅板とアルミナ基板とを接合するものである。
【０００４】
一方、銅／窒化アルミニウム直接接合基板の場合には、予め窒化アルミニウム基板の表面に酸化物を形成する必要がある。例えば特開平３−９３６８７号公報に開示するように、予め空気中において、約１０００℃の温度で窒化アルミニウム基板を処理し、表面に酸化物を生成させてから、この酸化物層を介して上述の方法により銅板と窒化アルミニウム基板とを接合している。
【０００５】
また銅／アルミナろう接基板及び銅／窒化アルミニウムろう接基板は、銅板とセラミックス基板との間に低触点のろう材を用いて接合するが、この場合、使用するろう材に銅の他、融点を下げる為の合金元素及びセラミックスとの濡れを良くする為の合金元素が添加され、一例としてＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系のような活性金属ろう材はよく使用されている。
【０００６】
上述のように銅／セラミックス複合基板は広く使用されるにもかかわらず、製造中及び実用上幾つかの問題点がある。その中で最も重大な問題点は、電子部品の実装及び使用中にセラミックス基板の内部にクラックが形成し、基板の表裏間を電気的に導通することによる故障である。
【０００７】
これは銅の熱膨張係数がセラミックスの係数より約一桁大きいことに起因する。接合する場合、セラミックス基板と銅が１０００℃近くまで加熱され、接合温度から室温に冷却する時に、熱膨張係数の違いにより複合基板の内部に多大の熱応力が発生する。
【０００８】
また、パワーモジュール等の電子部品を実装するときに、銅・セラミックス複合基板は４００℃近くまで加熱されるため、さらに使用環境や使用中の発熱により、同複合基板の温度が常に変化し、同複合基板に変動熱応力が掛けられる。これらの熱応力によってセラミックス基板にクラックが発生する。
【０００９】
上記複合基板の重要な評価項目の一つに耐ヒートサイクル特性がある。これは基板を−４０℃から１２５℃まで繰り返し、加熱・冷却する際の熱応力によって基板にクラックが発生するまでの循環回数で示しているが、直接接合法で作製した銅・セラミックス複合基板は約５０回で、ろう接法で作製した同複合基板のこの特性値は５０回以下である。
【００１０】
しかもこのような特性を得るために、セラミックス基板の厚さを両主表面に接合された銅板の厚さの合計により厚くするという制限条件が有り、セラミックス基板の厚さを基板本来の電気絶縁性を保つために必要な厚さより倍以上に厚くしなければならないという問題があった。逆に、上記複合基板にとってもう一つ重要な特性である熱伝導性の方は犠牲にされているのが現状である。
【００１１】
近年、電気自動車用パワーモジュールの開発により、耐ヒートサイクル特性の優れた複合基板への要望が特に高まっており、例えば電気自動車の様に温度変化が激しく、振動が大きい使用条件の場合、複合基板の耐ヒートサイクル特性が３０００回以上必要であると言われているが現在使用されている銅・セラミックス複合基板では、このような要望に対応できない。
【００１２】
銅と同じような優れた電気と熱伝導性を有するアルミニウムを導電回路材料として使う構想は以前からあり、例えば特開昭５９−１２１８９０号にこのような構想が記述されている。アルミニウムとセラミックスとの接合にろう接法は使用され、特開平３−１２５４６３号、特開平４−１２５５４号及び特開平４−１８７４６号にろう接法で作製したアルミニウム−セラミックス基板を開示している。これによると、作製したアルミニウム−セラミックス基板の耐ヒートサイクル特性は約２００回であり、上述のように高い耐ヒートサイクル特性が要求される用途には、依然として充分対応できないものであった。
【００１３】
しかも、この方法の場合、接合は真空中で行わなければならないし、また非酸化物セラミックスの場合、あらかじめ予備処理を施し、セラミックスの表面に酸化物を形成しなければならない、製造コストおよび熱伝導性の面においても満足できないところがあった。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように従来製造された銅／セラミックス直接基板やアルミニウムろう接基板は耐ヒートサイクル特性の面からは、電気自動車向けの基板としては向かなかった。本発明は電気自動車向けの耐ヒートサイクル特性として３０００回以上の性能を有する新規な基板を提供することを目的とするものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、ろう接に使用されるろう材は接合する金属より硬いとの事実に着眼した。硬いろう材の使用により、金属自身が持つ応力緩和機能が阻害され、基板中に比較的に大きい熱応力が発生し、耐ヒートサイクル特性などは低下する。熱応力が低く、耐ヒートサイクル特性の優れた基板を開発するために本発明者らは発明者の一人の以前の発明（特願平４−３５５２１１号）をさらに改良し、アルミニウム−セラミックス直接接合基板を作製した。これらの基板を評価する所、優れた耐ヒートサイクル特性が確認され、本発明を提出することができた。
【００１６】
本発明の金属−セラミックス複合基板は、セラミックス基板の少なくとも一主面に電気導通及び電子部品搭載のための金属部分を形成した金属−セラミックス複合基板において、アルミニウム溶湯を窒素ガス雰囲気中でセラミックス基板上に直接凝固させて接合せしめた複合基板上の金属板にエッチング処理により所定の回路を形成して成り、ヒートサイクル≧3000回（クラックなし）としたことを特徴とする。また、本発明の金属−セラミックス複合基板は、セラミックス基板の少なくとも一主面に電気導通及び電子部品搭載のための金属部分を形成した金属−セラミックス複合基板において、アルミニウム溶湯を窒素ガス雰囲気中で炭化珪素基板またはジルコニア基板上に直接凝固させて接合せしめた複合基板上の金属板にエッチング処理により所定の回路を形成して成り、ヒートサイクル≧3000回（クラックなし）としたことを特徴とする。
【００１７】
【作用】
本発明において使用する基板としては、アルミナ、窒化アルミニウム、炭化硅素、ジルコニア等のセラミックス基板やガラス等であり、この場合、高強度の素材であればなおさらに好ましい。
【００１８】
また本発明で用いる金属はアルミニウムの純金属であるが、これにより導電性が向上し、且つ、軟らかさを得るものである。この場合、純度が高い程導電性が向上するが、逆に価格が高くなるため、本発明では９９．９％（３Ｎ）の純アルミニウムを使用した。
【００１９】
この金属とセラミックス基板との接合は溶湯接合法で行ない、これにより高い接合強度と未接欠陥の少ない複合基板が得られる。また、接合雰囲気として窒素雰囲気下で行うことができるため、従来法のように真空下で行う必要がなく製造コストが安くなり、さらに窒化アルミニウム基板にも、表面改質することなく直接に接合することができる。
【００２０】
セラミックス基板の厚さとアルミニウム金属の厚さとの関係においては、従来の銅張りのセラミックス複合基板に比べ、金属の厚さをさらに厚くする一方、セラミックス基板の厚さを逆に薄くすることができるため、金属／セラミックスの厚さの比は従来品よりさらに大きくすることができる。この結果、本発明複合基板の放熱性及び流れる電流の量は増大することが容易に考えられる。
【００２１】
以下図面を参照して本発明複合基板（以下アルミニウム−セラミックス直接接合基板とする）について詳細に説明する。
【００２２】
【発明の実施の形態】
【００２３】
（実施例１）
【００２４】
図７は本発明のアルミニウム−セラミックス直接接合基板を製造するための設備の原理図である。純度９９．９％のアルミニウムをルツボ１０にセットしてから蓋１３をしめて、ケース１２の内部に窒素ガスを充填する。ヒーター１１で７５０℃に加熱し、アルミニウムを溶化してから、ルツボ１０内に設けたガイド一体型ダイス１４の左側入口からセラミックス基板１として３６ｍｍ×５２ｍｍ×０．６３５ｍｍのアルミナ基板を順番に挿入した。ルツボ１０内に入った該アルミナ基板にアルミニウム溶湯を接触させ、次いで出口側において凝固させることによって、厚さ０．５ｍｍのアルミニウム板が両面に接合されたアルミニウム−アルミナ直接接合基板を得た。
【００２５】
次いで該複合基板上のアルミニウム部に、エッチングレジストを加熱圧着し、遮光、現像処理を行って所望のパターンを形成した後、塩化第２鉄溶液にてエッチングを行って回路を形成した。さらに回路表面をＺｎ置換してＮｉめっき処理を施して、図１に示すような形状のアルミニウム−セラミックス直接接合基板を得た。
【００２６】
該複合基板の諸特性を測定したところ、以下の結果を得た。
【００２７】
ピール特性＞３０ｋｇ／ｃｍ（アルミニウムが切れる）
【００２８】
ヒートサイクル＞３０００回（クラックなし）
【００２９】
抗折強度：６９ｋｇ／ｍｍ２  
【００３０】
たわみ：２８６μｍ（図５参照）
【００３１】
（比較例１）
【００３２】
厚さ０．３ｍｍの銅板７を３６ｍｍ×５２ｍｍ×０．６３５ｍｍのアルミナ基板６の上下面に直接接合し、図２に示す形状の銅−アルミナ直接接合基板を得た。なお、３は酸化物（Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ−Ｏ）である。
【００３３】
実施例１に示す諸特性を同様に求めたところ、
【００３４】
ピール特性＞１０ｋｇ／ｃｍ（アルミナとＣｕとの界面で切れる）
【００３５】
ヒートサイクル：５０回でクラックが発生し、６００回で銅板が剥離
【００３６】
抗折強度：４９ｋｇ／ｍｍ２  
【００３７】
たわみ：１７２μｍであった。
【００３８】
（実施例２）
【００３９】
セラミックス基板１としてアルミナに代えて窒化アルミニウム板（３６ｍｍ×５２ｍｍ×０．６３５ｍｍ）を用いた他は、実施例１と同様の手段でアルミニウム−窒化アルミニウム直接接合基板を得た。
【００４０】
この複合基板の特性は、
【００４１】
ピール特性＞２０ｋｇ／ｃｍ
【００４２】
ヒートサイクル＞３０００回
【００４３】
抗折強度：５３ｋｇ／ｍｍ２  
【００４４】
たわみ：２３０μｍ
【００４５】
であるように耐ヒートサイクル特性が自動車向けとして好ましいものであった。
【００４６】
（比較例２）
【００４７】
図４に示すように金属板９として厚さ０．３ｍｍの銅板を活性金属ろう材（Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ）５を介して窒化アルミニウム板８に接合して得た銅−窒化アルミニウムろう接基板を用いて、実施例２と同様に特性を測定したところ、
【００４８】
ピール特性＞３０ｋｇ／ｃｍ
【００４９】
ヒートサイクル：４０回でクラックが発生し、５００回で銅板剥離
【００５０】
抗折強度：４２ｋｇ／ｍｍ２  
【００５１】
たわみ：１４０μｍ
【００５２】
であり、ピール特性は優れているものの目的とする耐ヒートサイクル特性は要求にほど遠いものであった。
【００５３】
（実施例３）
【００５４】
実施例１で用いた厚さ０．６３５ｍｍのアルミナ基板の片面に厚さ０．５ｍｍのアルミニウム層を形成し、３６０℃に加熱された連続加熱炉に通炉したもののソリ量を図５に示すように測定し、同様な操作を繰り返し行って該基板のソリ量を回数毎にまとめ図６に示した。尚、加熱炉内の雰囲気はＨ２  ：Ｎ２  ＝１：４であった。
【００５５】
（比較例３）
【００５６】
アルミニウムに代えて厚さ０．３ｍｍの銅板を用いて直接接合させた銅張りアルミナ基板以外は、実施例３に示す手段でソリ量を測定し、その結果を図６に併せて示した。
【００５７】
この結果、比較例３の銅張りアルミナ基板に比べ、本発明に係るアルミニウム／アルミナ基板のソリ量は約１／３であった。このソリ量は基板内部の応力の増大に伴って増加するため、アルミニウム／アルミナ基板内部の応力は銅張りアルミナ基板と比べてはるかに小さいことがわかった。
【００５８】
【発明の効果】
上述のように本発明に係るアルミニウム／セラミックス直接接合基板は、従来の複合基板では得られなかった耐ヒートサイクル特性に富み、電気自動車向けパワーモジュール基板として好ましいものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るアルミニウム／セラミックス直接接合基板の模式図である。
【図２】従来の銅／アルミナ直接接合基板の模式図である。
【図３】従来の銅／窒化アルニウム直接接合基板の模式図である。
【図４】従来の金属／セラミックスろう接基板の模式図である。
【図５】実施例３におけるソリ量測定の模式図である。
【図６】実施例３、比較例３における通炉回数に対するソリ量を求めた線図である。
【図７】本発明複合基板の製造装置の原理図である。
【符号の説明】
１  セラミックス基板
２  アルミニウム
３  酸化物（Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ−Ｏ）
４  窒化アルミニウム表面の酸化物
５  金属ろう材
６  アルミナ基板
７  銅板
８  窒化アルミニウム板
９  金属板
１０  ルツボ
１１  ヒーター
１２  ケース
１３  蓋
１４  ガイド一体型ダイス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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