(57)【要約】      （修正有）【課題】低ヤング率を有しながら圧延加工性に優れたアルミニウム合金、該アルミニウム合金を圧延してなるアルミニウム合金箔、セラミック基板の少なくとも一方の面に該アルミニウム合金箔が接合されたセラミック配線基板、該セラミック配線基板を用いた実装構造、さらに、該アルミニウム合金、該アルミニウム合金箔、該セラミック配線基板の製造方法も提供する。【解決手段】Ａｌ相と、Ａｌ４Ｃａ相とを含むアルミニウム合金であって、該Ａｌ４Ｃａ相がＡｌ４Ｃａ晶出物を含み、該Ａｌ４Ｃａ晶出物の長辺の平均値が５０μｍ以下である。該アルミニウム合金の製造方法は、ＡｌおよびＣａを含む金属を溶融する溶融工程（Ａ）、および得られた溶融物を冷却する冷却工程（Ｂ）を含み、前記冷却工程（Ｂ）において、前記溶融物が液相線以上の温度を有するときに、前記溶融物に超音波を付与してＡｌ４Ｃａ晶出物を晶出させる。【選択図】図６
2011105982.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａｌ相と、Ａｌ４Ｃａ相とを含むＡｌ−Ｃａ合金であって、
前記Ａｌ４Ｃａ相がＡｌ４Ｃａ晶出物を含み、
前記Ａｌ４Ｃａ晶出物の長辺の平均値が５０μｍ以下である、アルミニウム合金。
【請求項２】
前記Ａｌ４Ｃａ晶出物の平均アスペクト比が１０以下である、請求項１に記載のアルミニウム合金。
【請求項３】
伸び率が０．５％以上である、請求項１または２に記載のアルミニウム合金。
【請求項４】
Ｃａの含有量が、５〜１２原子％である、請求項１〜３のいずれか１項に記載のアルミニウム合金。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のアルミニウム合金を圧延してなり、厚さが３０〜８００μｍである、アルミニウム合金箔。
【請求項６】
セラミック基板と、
前記セラミック基板の少なくとも一方の面に接合された請求項５に記載のアルミニウム合金箔と、を有するセラミック配線基板。
【請求項７】
請求項６に記載のセラミック配線基板を用いた実装構造。
【請求項８】
ＡｌおよびＣａを含む金属を溶融する溶融工程（Ａ）、および
得られた溶融物を冷却する冷却工程（Ｂ）を含み、
前記冷却工程（Ｂ）において、前記溶融物が液相線以上の温度を有するときに、前記溶融物に超音波を付与してＡｌ４Ｃａ晶出物を晶出させる、アルミニウム合金の製造方法。
【請求項９】
ＡｌおよびＣａを含む金属を溶融する溶融工程（Ａ）、
得られた溶融物を冷却する冷却工程（Ｂ）、および
前記冷却工程（Ｂ）で得られたアルミニウム合金を圧延する圧延工程（Ｃ）を含み、
前記冷却工程（Ｂ）において、前記溶融物が液相線以上の温度を有するときに、前記溶融物に超音波を付与してＡｌ４Ｃａ晶出物を晶出させる、アルミニウム合金箔の製造方法。
【請求項１０】
ＡｌおよびＣａを含む金属を溶融する溶融工程（Ａ）、
得られた溶融物を冷却する冷却工程（Ｂ）、
前記冷却工程（Ｂ）で得られたアルミニウム合金を圧延する圧延工程（Ｃ）、および
前記圧延工程（Ｃ）で得られたアルミニウム合金箔とセラミック基板とを、４００℃以下の温度で接合する接合工程（Ｄ）を含み、
前記冷却工程（Ｂ）において、前記溶融物が液相線以上の温度を有するときに、前記溶融物に超音波を付与してＡｌ４Ｃａ晶出物を晶出させる、セラミック配線基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム合金およびその製造方法に関する。特に、本発明は圧延加工性に優れたアルミニウム合金およびその製造方法に関する。該アルミニウム合金は、半導体モジュールの配線などの構成部材として好適に使用されうる。
【背景技術】
【０００２】
ヤング率を低減した金属を含む応力緩衝材料は、負荷応力に対して大きな弾性変位を与えることができ、種々の用途に用いられている。例えば、ばね材料として用いた場合は、スプリングの巻き数を低減できるため、ばねを小型化することができる。また、そのしなやかな特性から、眼鏡に使用した場合は、使用感を向上させることができる。さらに、ゴルフクラブの材料として用いると、飛距離を向上させることができる。この他にも、ロボット、人工骨補助材などの製品に好適に使用されうる。
【０００３】
このような低ヤング率を有する応力緩衝材料としては、例えば、チタン系合金、Ｎｉ−Ｔｉ形状記憶合金、およびマグネシウムなどが知られている。しかしながら、上記チタン系合金およびＮｉ−Ｔｉ形状記憶合金は、いずれもチタンをベースとしているため、高コストであるという問題点を有していた。また、マグネシウム（純金属）はヤング率が４０ＧＰａ台と低いが、強度、耐熱性、耐食性、または耐久性が低く、用途が限定されるという問題点を有していた。
【０００４】
そこで、近年、金属のうちでも比較的低コストであるアルミニウムをベースとしたアルミニウム合金を応力緩衝材料として用いる技術が開発されている。例えば、特許文献１では、純アルミニウムまたはアルミニウム合金をマトリックスとし、これに強化材料として５〜８０体積％の炭素成分を複合化させる、低弾性率アルミニウム基複合材料の製造方法が開示されている。そして、該製造方法によって製造された低弾性率アルミニウム複合材料は、強度、熱伝導性、振動吸収性能、耐熱性、耐摩耗性などに優れる、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２７２９４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載のアルミニウム合金は、圧延加工性が低く、１ｍｍ以下の厚さに圧延しようとすると割れが生じてしまい、箔状に加工することができないという問題点を有していた。アルミニウム合金を箔状に加工することが可能であれば、例えば、半導体モジュールの配線などの構成部材、メタルシール、板ばね材料などに使用することが可能となるため、応力緩衝材料としてのアルミニウム合金の適用範囲を格段に広げることができる。
【０００７】
そこで、本発明は、低ヤング率を有しながら圧延加工性に優れたアルミニウム合金を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、Ａｌ相と、Ａｌ４Ｃａ相とを含むアルミニウム合金であって、該Ａｌ４Ｃａ相がＡｌ４Ｃａ晶出物を含み、該Ａｌ４Ｃａ晶出物の長辺の平均値が５０μｍ以下である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によると、マトリックス中におけるＡｌ４Ｃａ晶出物の転位を伴う移動が容易となるので、アルミニウム合金の圧延加工性を顕著に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態に係るアルミニウム合金の組織を模式的に表した図である。
【図２】Ａｌ４Ｃａ晶出物の長辺および短辺を説明するための図である。
【図３】Ａｌ−Ｃａ合金のＡｌ側の二次元状態図である。
【図４】本発明のアルミニウム合金の製造方法で好適に使用される超音波付与装置の一例を表す図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る実装構造を模式的に表した図である。
【図６】実施例１で作製したアルミニウム合金の断面の光学顕微鏡写真である。
【図７】実施例１で作製したアルミニウム合金箔の断面の光学顕微鏡写真である。
【図８】比較例１で作製したアルミニウム合金の断面の光学顕微鏡写真である。
【図９】比較例２で作製したアルミニウム合金の断面の光学顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の好ましい形態について説明する。本形態は、Ａｌ相と、Ａｌ４Ｃａ相とを含むアルミニウム合金に関する。該アルミニウム合金は、Ａｌ４Ｃａ相がＡｌ４Ｃａ晶出物を含み、該Ａｌ４Ｃａ晶出物の長辺の平均値が、５０μｍ以下であることを特徴とする。
【００１２】
以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。
【００１３】
＜アルミニウム合金＞
図１は、本発明の一実施形態に係るアルミニウム合金の組織を模式的に表した図である。図１のような組織は、アルミニウム合金の断面を、光学顕微鏡を用いて観察することによって確認できる。図１のアルミニウム合金１は、Ａｌ相２と、ＡｌとＣａとが複合化したＡｌ４Ｃａ相（３ａ、３ｂ）とを含む。Ａｌ４Ｃａ相（３ａ、３ｂ）のうち、Ａｌ４Ｃａ相３ａは、アルミニウム合金の溶湯を冷却する過程において、最初に晶出するＡｌ４Ｃａの初晶である（以下、「Ａｌ４Ｃａ晶出物３ａ」とも称する）。図１に示すように、Ａｌ４Ｃａ晶出物３ａは針状の形態を有し、アルミニウム合金１中に均一（ランダム）に分散している。Ａｌ４Ｃａ晶出物３ａが晶出した後に、該アルミニウム合金の溶湯をさらに冷却すると、溶湯中のＡｌ成分とＣａ成分とが共晶反応によって凝固し、Ａｌ相２とＡｌ４Ｃａ相３ｂとを含む共晶組織４を形成する。共晶組織４中のＡｌ相２とＡｌ４Ｃａ相３ｂは、密に混合して存在し、アルミニウム合金１のマトリックスとして機能する。
【００１４】
なお、本形態のアルミニウム合金は、アルミニウム合金の溶湯を鋳造することによって得られうるインゴット状のアルミニウム合金である。従来のアルミニウム合金は伸びが著しく小さいために、圧延によって１ｍｍ以下の箔に成形することが不可能であった。これに対して、本発明は、インゴット状のアルミニウム合金の伸びを著しく向上させたものであり、鍛造、圧延等の種々の成形加工工程によって、板状、箔状、棒状、線状など所望の形状に成形することを可能としたものである。以下、本形態のアルミニウム合金について詳細に説明する。
【００１５】
［Ａｌ相］
本形態のアルミニウム合金において、Ａｌ相は合金のマトリックスとして機能する。また、Ａｌ相は、アルミニウム合金の軽量性、熱伝導性、電気伝導性、延性を向上させる役割を有する。
【００１６】
［Ａｌ４Ｃａ相］
Ａｌ４Ｃａ相は、アルミニウム合金に含まれるＡｌ成分とＣａ成分とが複合化してなる成分であり、合金の強度を向上させる役割を有する。Ａｌ４Ｃａ相は、Ａｌ４Ｃａ晶出物（図１に示す符号３ａ）として存在する他、Ａｌ相と密に混合した共晶組織（図１に示す符号３ｂ）の形態で合金のマトリックスを形成しうる。なお、Ａｌ４Ｃａ晶出物と共晶組織に含まれるＡｌ４Ｃａ相は、Ａｌ４Ｃａ成分を含む点では共通するが、形状、形成過程、合金の機械的特性に及ぼす役割が異なることから当該分野ではこれらを区別して取り扱う。
【００１７】
（Ａｌ４Ｃａ晶出物）
Ａｌ４Ｃａ晶出物は、ＡｌおよびＣａが含まれるアルミニウム合金の溶湯を冷却する過程において、最初に晶出するＡｌ４Ｃａの初晶であり、長辺の長さが５μｍ以上であるものをいう。Ａｌ４Ｃａ晶出物は、アルミニウム合金の強度を向上させるとともに、合金の延性に寄与する。なお、本明細書において「Ａｌ４Ｃａ晶出物の長辺」とは、図２の１１に示すように、Ａｌ４Ｃａ晶出物の外延を最小面積の長方形で囲んだ際の、該長方形の長辺を意味する。
【００１８】
Ａｌ４Ｃａ晶出物は、図１に示すように針状の形態を有する。本形態のアルミニウム合金においては、Ａｌ４Ｃａ晶出物の長辺の平均値は５０μｍ以下であり、好ましくは３０μｍ以下であり、さらに好ましくは２０μｍ以下である。Ａｌ４Ｃａ晶出物の長辺が５０μｍを超えると、Ａｌ４Ｃａ晶出物の転位を伴う移動が困難となるために、アルミニウム合金の伸びが小さくなり、圧延加工性が低下する虞がある。よって、より好ましい形態としては、Ａｌ４Ｃａ晶出物のうち、長辺が１０μｍ以下であるＡｌ４Ｃａ晶出物の数の割合が、Ａｌ４Ｃａ晶出物の総数に対して８０％以上であり、さらに好ましくは９０％以上であり、特に好ましくは９５％以上である。なお、「Ａｌ４Ｃａ晶出物の長辺の平均値」は、アルミニウム合金の断面を光学顕微鏡で観察した際に、０．１ｍｍ×０．１ｍｍの領域に存在するＡｌ４Ｃａ晶出物の長辺の総計をＡｌ４Ｃａ晶出物の数で除すことによって求められる。「Ａｌ４Ｃａ晶出物のうち、長辺が１０μｍ以下であるＡｌ４Ｃａ晶出物の数の割合」は、アルミニウム合金の断面を光学顕微鏡で観察した際に、０．１ｍｍ×０．１ｍｍの領域に存在するＡｌ４Ｃａ晶出物の総数に対する、長辺が１０μｍ以下であるＡｌ４Ｃａ晶出物の数の割合を算出することによって求められる。
【００１９】
また、本形態のアルミニウム合金において、Ａｌ４Ｃａ晶出物の平均アスペクト比は１０以下であることが好ましく、５以下であることがより好ましい。平均アスペクト比がこのような範囲にあることにより、鍛造、圧延などの成形加工工程においてＡｌ４Ｃａ晶出物の転位を伴う移動がしやすくなる。また、該成形加工工程において、Ａｌ４Ｃａ晶出物が微細化されやすくなる。よって、アルミニウム合金の伸びが増し、圧延加工性が一層向上する。なお、本明細書において、「アスペクト比」とは、Ａｌ４Ｃａ晶出物の長辺の長さを短辺の長さで割った値を意味する。「Ａｌ４Ｃａ晶出物の短辺」とは、図２の１３に示すようにＡｌ４Ｃａ晶出物の長辺１１に対して垂直なＡｌ４Ｃａ晶出物の最大幅を意味する。「Ａｌ４Ｃａ晶出物の平均アスペクト比」は、アルミニウム合金の断面を光学顕微鏡で観察した際に、０．１ｍｍ×０．１ｍｍの領域に存在するＡｌ４Ｃａ晶出物のアスペクト比の平均値を算出することによって求められる。
【００２０】
本形態のアルミニウム合金は、Ａｌを主成分としたＡｌ基合金であって、Ｃａが含有されてなる。アルミニウム合金におけるＣａの含有量は、５〜１２原子％であることが好ましく、６〜１２原子％であることがより好ましく、６〜９原子％であることがさらに好ましい。Ｃａの含有量が５原子％以上であると、アルミニウム合金におけるＡｌ４Ｃａ晶出物の体積分率が大きくなり、ヤング率を十分に低減することができる。一方、Ｃａの含有量が１２原子％以下であると、Ａｌ４Ｃａ晶出物同士がマトリックスを介して分断された状態で分散されるので、伸びが増し、優れた圧延加工性を発揮することができる。また、本形態のアルミニウム合金は、本発明の効果を著しく阻害しない範囲において、Ｃａ以外の他の元素（以下「第３の元素」とも称する）を含んでもよい。第３の元素としては、例えば、Ｍｇ、Ｓｒ、Ｂａなどの第２族元素、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒなどの第４〜１１族元素（遷移金属元素）、Ｚｒなどの第１２族元素（亜鉛族元素）、Ｓｉなどの第１４族元素、Ｐなどの第１５族元素などが挙げられる。これらの元素は１種のみを含有してもよいし、２種以上を組み合わせて含有してもよい。なお、本形態のアルミニウム合金は、これ以外にも不可避不純物を含有しうる。
【００２１】
本形態のアルミニウム合金は、上述のようにＡｌ４Ｃａ晶出物が所定の形状を有することにより、従来のアルミニウム合金と比較して伸びに優れる。本形態のアルミニウム合金の伸び率は、室温における破断伸びが０．５％以上であることが好ましく、２％以上であることがより好ましい。このような伸び率を有することにより、優れた圧延加工性を発揮することができ、厚さ１ｍｍ以下の箔を容易に製造することができる。なお、本明細書におけるアルミニウム合金の伸び率は、後述の実施例で用いる方法により測定された値を採用する。
【００２２】
＜アルミニウム合金の製造方法＞
上述の本形態のアルミニウム合金は、以下の製造方法によって製造されうる。すなわち、本形態のアルミニウム合金の製造方法は、ＡｌおよびＣａを含む金属を溶融する溶融工程（Ａ）と、得られた溶融物を冷却する冷却工程（Ｂ）と、を含む。そして、冷却工程（Ｂ）において、溶融物が液相線以上の温度を有するときに、溶融物に超音波を付与してＡｌ４Ｃａ晶出物を晶出させることを特徴とする。以下、該製造方法の好ましい形態について説明する。
【００２３】
まず、溶融工程（Ａ）において、ＡｌおよびＣａを含む金属を溶融する。ＡｌおよびＣａを含む金属は、予め調製したＡｌおよびＣａを含む合金であってもよいし、Ａｌ純金属に対してＣａ純金属を所望の組成となるように添加した金属組成物であってもよい。また、溶融方法も特に制限はなく、従来公知の方法を適宜採用することができる。一例を挙げると、上記ＡｌおよびＣａを含む金属を坩堝に入れ、大気中またはＡｒなどの不活性ガス雰囲気下、大気圧条件下で、溶解炉において７００〜１０００℃の温度に昇温させる。溶解炉としては、電気炉、高周波溶解炉などが使用されうる。
【００２４】
次に、冷却工程（Ｂ）において、上記溶融工程（Ａ）で得られた溶融物を冷却する。該工程では、溶融物が液相線以上の温度を有するときに、溶融物に超音波を付与してＡｌ４Ｃａ晶出物を析出させることを特徴とする。ここで、本形態の製造方法を説明するために、Ａｌ−Ｃａ合金のＡｌ側の二次元状態図（図３）について説明する。図３に示すように、一般的なＡｌ−Ｃａ合金は、液相線ｌ以上の液相領域（符号Ｌ）において、液状の溶融物として存在する。溶融物が冷却されて液相線ｌの温度に達すると、Ａｌ４Ｃａ晶出物が析出し始める。Ａｌ４Ｃａ晶出物が析出することによって、溶融物中のＣａ含有量は減少するので、Ａｌ４Ｃａ晶出物の析出が始まると、溶融物の温度が共晶点ｐまで冷却される間はＡｌ４Ｃａ晶出物が晶出し続ける。さらに冷却が進み、溶融物の温度が共晶点ｐ未満になると、溶融物中に残存するＣａ成分は、共晶反応により凝固し、共晶組織中に含まれるＡｌ４Ｃａ相としてＡｌ相とともに析出する。例えば、Ｃａ含有量が７原子％であるアルミニウム合金の溶融物を１０００℃から徐々に冷却していくと、図３中の矢印で示す経路をたどる。矢印の（Ｉ）の段階ではアルミニウム合金は溶融物として存在し、（ＩＩ）の段階で溶融物中においてＡｌ４Ｃａ晶出物が晶出し、（ＩＩＩ）の段階で共晶組織の凝固が起こる。
【００２５】
本形態の製造方法では、溶融物が液相線以上の温度を有するときに、溶融物に超音波を付与する。すなわち、通常であれば液相線以上の温度ではＡｌ４Ｃａ晶出物の晶出が起こらないところ、超音波を付与してエネルギーを溶融物に与えることによって、Ａｌ４Ｃａ晶出物の核（溶湯表面やホーン表面などで、局所的に晶出したＡｌ４Ｃａ晶出物が超音波で分断された自己核や、微量に混在するＭｇＯやＡｌ２Ｏ３などの異質核）を人為的に形成するのである。これにより、通常の冷却によって形成されるよりもＡｌ４Ｃａ晶出物の核を多数作り出すことができる。この結果、Ａｌ４Ｃａ晶出物一つ一つの結晶サイズが小さくなり、上述のような所望のＡｌ４Ｃａ晶出物を含むアルミニウム合金を製造することができるのである。
【００２６】
溶融物に超音波を付与する方法は特に制限はないが、一例を挙げると図４に示すような超音波ホーンを用いて、溶融物に直接付与する形態であることが好ましい。また、付与する超音波の条件は、アルミニウム合金の量や溶融物の温度によって当業者が適宜設定することが可能である。通常は、周波数２０〜２２ｋＨｚ、出力０．３〜３ｋＷ、全振幅約２０μｍで、大気雰囲気下またはＡｒなどの不活性雰囲気下で付与される。
【００２７】
超音波を付与する際の溶融物の温度は、液相線以上の温度であることが必須であるが、好ましくは液相線から０〜＋１２０℃の温度範囲であり、より好ましくは液相線から０〜＋１００℃の温度範囲であり、さらに好ましくは液相線から０〜＋７０℃の温度範囲であり、特に好ましくは液相線から０〜＋５０℃の温度範囲である。このような温度範囲において超音波を付与することにより、Ａｌ４Ｃａ晶出物の核を多数晶出することができる。
【００２８】
超音波の付与回数は、特に制限はないが、好ましくは上記の温度範囲で連続的に照射する。付与時間も特に制限はないが、好ましくは１〜９０秒、より好ましくは１〜３０秒である。
【００２９】
溶融物に超音波を付与してＡｌ４Ｃａ晶出物を晶出させた後、Ａｌ４Ｃａ晶出物を含む溶融物をさらに冷却してＡｌ４Ｃａ晶出物の結晶を成長させ、さらに冷却することにより残存する溶融物を凝固させて共晶組織を形成させる。冷却方法は、特に制限はないが、晶出したＡｌ４Ｃａ晶出物の核が再び溶融しないように冷却速度を１℃／秒以上とすることが好ましい。より好ましい形態としては、超音波付与後に直ちに溶融物を鋳型に流し込んで急冷させる方法を用いる。このような方法を用いて急冷することにより、晶出したＡｌ４Ｃａ晶出物の核を再び溶解させずに、所望のＡｌ４Ｃａ晶出物形状を作り出すことができる。
【００３０】
＜アルミニウム合金箔＞
本形態のアルミニウム合金は、上述のように伸びに優れるため、従来不可能であった１ｍｍ以下の厚さまで圧延することができる。すなわち、本発明によると、上記アルミニウム合金を圧延してなる、厚さが３０〜８０μｍのアルミニウム合金箔が提供される。アルミニウム合金箔の厚さは、３０〜８００μｍが必須であるが、好ましくは５０〜５００μｍであり、より好ましくは１００〜２００μｍである。
【００３１】
また、本形態のアルミニウム合金箔は、上述のアルミニウム合金に含まれるＡｌ４Ｃａ晶出物が圧延により分断され、一つ一つのＡｌ４Ｃａ晶出物分断物がマトリックスを介して分断される。一実施形態によると、後述の実施例１の図７で示すように、圧延によりアルミニウム合金において針状の形態を有していたＡｌ４Ｃａ晶出物のうちの８０％が長辺１０〜５０μｍ、アスペクト比１５以下にまで分断されている。さらに、図７によると、長辺が１０〜５０μｍである分断されたＡｌ４Ｃａ晶出物の面積率が、アルミニウム合金箔の組織の全面積に対して５〜１５％の範囲となっている。このような組織構造を有することにより、表面で起こった腐食がアルミニウム合金箔の深部にまで達しにくくなり、優れた耐食性を発揮することができる。
【００３２】
本形態のアルミニウム合金箔は、Ａｌ４Ｃａ相の特性により、低弾性特性、広弾性特性を有し、さらに線膨張係数が低いという特性を有する。特に、アルミニウム合金におけるＣａの含有量が５〜１２原子％であると、上記特性がより一層顕著なものとなりうる。好ましくは、アルミニウム合金箔のヤング率が１００ＧＰａ以下であり、降伏応力（０．２％耐力）が７０ＭＰａ以上と大きい。このようなアルミニウム合金箔は、全歪みが０．２％以上発生してもその変形を弾性変形領域で受け持つことができる。さらに、線膨張係数が２５×１０−６／℃以下であることが好ましい。さらに、電気伝導性、熱伝導性に優れるため、半導体モジュールの配線などの構成部材、メタルシール、板ばね材料などに好適である。なお、本明細書においてヤング率および線膨張係数は後述の実施例で用いた方法により測定される値を採用する。
【００３３】
本形態のアルミニウム合金箔は、上述のアルミニウム合金を圧延することにより得られうる。圧延の方法は、特に制限はなく、熱間圧延または冷間圧延など従来公知の方法を適宜採用することができる。また、圧延の前にアルミニウム合金を鍛造する工程を含んでもよい。鍛造工程を経ることによって、アルミニウム合金の組織に含まれる空隙が減少し、合金の強度を増すことができる。また、鍛造によってアルミニウム合金に含まれるＡｌ４Ｃａ晶出物が分断されるので、圧延加工性を一層向上させることができる。
【００３４】
＜セラミック配線基板＞
本形態のアルミニウム合金箔は、上述のように機械的特性に優れるため半導体モジュールの配線などの構成部材として好適に使用されうる。すなわち、本発明によると、セラミック基板と、該セラミック基板の少なくとも一方の面に接合された上記アルミニウム合金箔とを有するセラミック配線基板が提供される。以下、本形態のセラミック配線基板の各部材について詳細に説明する。
【００３５】
［セラミック基板］
セラミック基板に用いられるセラミックは、電気絶縁材料であれば特に制限はないが、例えば、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、およびムライト（３Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２）などが挙げられる。中でも、特に高温環境で用いられうる電動車両のパワーモジュールへの適用が可能なことから、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を含むことが好ましい。
【００３６】
［接合部材］
接合部材は、セラミック基板の表面にアルミニウム合金箔を接合するために使用する部材であり、例えば、金属ナノ粒子やはんだが挙げられる。
【００３７】
金属ナノ粒子に用いられる金属材料としては、具体的には、金、銀、および銅からなる群から選択される少なくとも１種の金属を含むことが好ましい。また、はんだに用いられる材料としては、Ａｕ−Ｓｉ、Ａｕ−Ｓｎ、Ａｕ−Ｇｅ、およびＳｎ−Ｃｕからなる群から選択される少なくとも１種の合金を含むことが好ましい。これらの金属ナノ粒子またははんだを用いることによって、セラミック基板とアルミニウム合金箔とを４００℃以下の温度で接合することができる。
【００３８】
本形態のセラミック配線基板は、配線金属として上述のように線膨張係数が小さいアルミニウム合金箔を用いるため、配線基板とセラミック基板との線膨張係数差による熱応力を低減することができる。また、低弾性特性かつ広弾性領域を有することから、熱応力によって全歪みが０．２％以上発生しても塑性変形を抑制することができる。よって、低温〜高温の熱サイクルが繰り返されても、セラミック基板からの配線金属の剥離を効果的に防ぐことができる。
【００３９】
＜セラミック配線基板の製造方法＞
本形態のセラミック配線基板は、セラミック基板と上述のアルミニウム合金箔を接合することによって製造されうる。接合する際の温度は、好ましくは４００℃以下であり、より好ましくは３５０℃以下である。このような温度で接合することによって、接合時の熱衝撃によるセラミック基板の破損を防止することができる。なお、上述の金属ナノ粒子またははんだなどの接合部材を使用することによって、４００℃以下での接合が可能となる。
【００４０】
＜実装構造＞
本形態のセラミック配線基板のアルミニウム合金箔表面に、半導体チップを搭載して実装構造とすることができる。図５は、本発明の一実施形態に係る実装構造を模式的に表した図である。図５の実装構造２０は、ＡｌＮからなる１５×１５ｍｍのセラミック基板３１の一方の面に、１２×１２ｍｍのアルミニウム合金箔３２が、接合部材３３を介して接合されている。さらに、一方のアルミニウム合金箔３２の表面には、ＳｉＣからなる５×５ｍｍの半導体チップ３４が接合されている。
【００４１】
半導体チップの半導体材料としては、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）、ＧａＡｓ、Ｓｉなどを使用することができる。このうち、高電圧・高電流を流すことができ、耐熱性にも優れることから、ＳｉＣを用いることが好ましい。
【００４２】
このような実装構造は、高温環境下においてもセラミック基板から配線金属が剥離することが防げるので、電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド電動自動車（ＨＥＶ）等の電動自動車の制御用などに好適に使用されうる。
【実施例】
【００４３】
本発明の作用効果を、以下の実施例および比較例を用いて説明する。ただし、本発明の技術的範囲が以下の実施例のみに制限されるわけではない。
【００４４】
＜アルミニウム合金およびアルミニウム合金箔の製造＞
［実施例１］
（鋳造）
Ｃａの含有量が７原子％（１０質量％）であるＡｌ−Ｃａ合金（液相線温度：６５０℃）を坩堝で溶融した。得られた溶融物を７００℃まで冷却し、空気雰囲気下、７００〜６５０℃の温度範囲で超音波（周波数２１．８ｋＨｚ、出力２．４ｋＷ、振幅２０μｍ）を照射した。その後、６５０℃のアルミニウム合金溶融物を７０ｍｍ×７０ｍｍ×１５ｍｍのブックモールドに鋳造し、冷却することによって厚さ１５ｍｍのアルミニウム合金を作製した。
【００４５】
得られたアルミニウム合金の断面の光学顕微鏡写真を図６に示す。図６によると、得られたアルミニウム合金の組織中に、長辺の平均値が５０μｍの針状結晶が析出していることが確認された。該針状結晶はＥＤＸ分析の結果、Ａｌ４Ｃａであることが確認された。合金の液相線直上（６５０℃［＋５０〜０℃］の温度範囲）で超音波を付与することにより、Ａｌ４Ｃａ晶出物の種が多数形成される。これにより、Ａｌ４Ｃａ晶出物が完全に成長した場合であっても、長辺の平均値を５０μｍ以下とすることが可能となると考えられた。
【００４６】
（熱間鍛造）
上記鋳造工程で得られた厚さ１５ｍｍのアルミニウム合金のインゴットを、素材温度４００℃、金型温度１５０℃、加工度７０％で熱間鍛造し、厚さ４．５ｍｍとした。
【００４７】
（冷間圧延）
熱間鍛造後のアルミニウム合金を冷間圧延機によって厚さ５０μｍまで圧延することによってアルミニウム合金箔を作製した。１回あたりのリダクションは０．１ｍｍであった。
【００４８】
得られたアルミニウム合金箔の断面の光学顕微鏡写真を図７に示す。図７によると、Ａｌ４Ｃａ晶出物が鍛造および圧延により粉砕され、微細なＡｌ４Ｃａ晶出物となったことが確認された。
【００４９】
＜弾性率、破断伸びの測定＞
試験片形状：ＪＩＳ１４Ｂ−３  試験片  （但し、全長は５０ｍｍ）を用い、インストロン製  デジタル材料試験機  ５５８１型により応力歪み線図を取得し、弾性率および伸びを計測した。試験速度：０．２ｍｍ／ｍｉｎ、試験温度：２３℃、各ｎ＝２にて評価を行った。
【００５０】
本手法によりアルミニウム合金の伸び率を測定したところ、１５％であった。
【００５１】
＜耐食性試験＞
厚さ１００μｍ箔で恒温高湿試験を実施した。試験環境は、温度８５℃、湿度８５％ＲＨで、１００時間実施しした。
【００５２】
耐食性試験の結果から、腐食は試験片表面のみで発生し、試験片内部には至らなかった。これは表面に露出しているＡｌ４Ｃａが腐食してもＡｌ４Ｃａ晶出物同士が分断されているため、腐食の進行が抑制されたことによると考えられた。
【００５３】
＜線膨張係数測定＞
アルミニウム合金箔の線膨張係数を、熱機械分析装置（Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ａｎａｌｙｓｉｓ；ＴＭＡＳＩＩＮＴ製  熱機械分析装置  ＴＭＡ−１２０Ｃ）による測定で求めた。昇温、降温速度は５℃／分で、２３〜３００℃の平均線膨張係数を求めた。また、雰囲気は還流Ｎ２（２００ｍｌ／ｍｉｎ）、静荷重は９８ｍＮ（１００ｇｆ）とした。
【００５４】
［比較例１］
（鋳造）
アルミニウム合金の溶融物を超音波の照射をしないまま７５０℃の温度でブックモールドに鋳造して、冷却したことを除いては実施例１と同様の方法でアルミニウム合金を製造した。
【００５５】
得られたアルミニウム合金の断面の光学顕微鏡写真を図８に示す。図８によると、超音波を照射せずに鋳造したアルミニウム合金の組織中のＡｌ４Ｃａ晶出物は、長辺の平均値が５０μｍ以上であった。
【００５６】
（熱間鍛造および冷間圧延）
実施例１と同様の方法で、熱間鍛造後、冷間圧延を試みたが、圧延性が著しく低いために箔に加工することができなかった。
【００５７】
＜伸び率の測定＞
実施例１と同様の方法を用いて、アルミニウム合金の伸び率の測定を試みたが、材料が脆弱的であり、試験に供することができなかった。
【００５８】
［比較例２］
純度９９．９％以上のＡｌおよびＣａの純金属を用い、アトマイズ法によって、Ｃａの含有量が９原子％であるアルミニウム合金粉（平均粒子径：５０μｍ）を作製した。このアルミニウム合金粉を直径５０ｍｍの円柱形容器に充填後、３００〜４００℃で脱気処理を行い、４００℃で直径１０ｍｍの棒状に押出成形することによってアルミニウム合金を作製した。
【００５９】
得られたアルミニウム合金の断面の光学顕微鏡写真を図９に示す。図９に示すように、アトマイズ法で作製したアルミニウム合金は、Ａｌマトリックス中に粒径５μｍ未満のＡｌ４Ｃａ粒子が分散された形態を有しており、Ａｌ４Ｃａ粒子同士が互いに接触していた。
【００６０】
（熱間圧延）
得られたアルミニウム合金に対して熱間圧延を試みたが、厚さ１ｍｍで耳割れが発生し、箔を得ることができなった。
【００６１】
＜伸び率の測定＞
実施例１と同様の方法を用いて、アルミニウム合金の伸び率を測定したところ、０．２％であった。
【００６２】
＜耐食性試験＞
実施例１と同様の方法を用いて、厚さ１ｍｍのアルミニウム合金箔の耐食性試験を実施したところ、ネットワーク化したＡｌ４Ｃａ粒子を伝播して腐食が試験片の深部まで進行していることが確認された。
【００６３】
＜実装構造の作製＞
［実施例２］
ＡｌＮ（線膨張係数：４．５×１０−６／℃、ヤング率：３００ＧＰａ）からなるセラミック基板（１５×１５ｍｍ、厚さ６３５μｍ）の一方の面に、実施例１で作製したアルミニウム合金箔（１２×１２ｍｍ、厚さ４００μｍ、線膨張係数：２４．１×１０−６／℃、ヤング率：４１．４ＧＰａ）を接合した。接合されたアルミニウム合金箔の表面にＳｉＣチップ（５×５ｍｍ、厚さ３００μｍ）を上記と同様の方法で接合することによって、実装構造（図４）を作製した。セラミック基板とアルミニウム合金箔との接合およびアルミニウム合金箔とＳｉＣチップとの接合には銀ナノ粒子を用い、接合温度３５０℃、加圧力５ＭＰａ、保持時間３０分間の条件で行った。
【００６４】
［比較例３］
配線金属としてＣｕ箔（線膨張係数：１７．０×１０−６／℃、ヤング率：１２０ＧＰａ）を使用した。また、接合には、アルミニウムロウ材（アルミニウム８８質量％、シリコン１２質量％）にチタン、タングステンの水素添加物を３質量％添加したものを使用し、接合温度６００℃、加圧力２ＭＰａ、保持時間３０分間の条件で行った。これ以外は実施例２と同様の方法で実装構造を作製した。
【００６５】
［比較例４］
配線金属としてＡｌ箔（線膨張係数：２３．８９×１０−６／℃、ヤング率：６８．２ＧＰａ）を使用した。これ以外は比較例３と同様の方法で実装構造を作製した。
【００６６】
＜熱サイクル試験＞
上記実施例２ならびに比較例３および４で作製した実装構造を熱サイクル試験に供した。熱サイクル試験は、窒素雰囲気下、室温下（２３℃）で１５分間保持後、２００℃で１５分間保持するサイクルを１サイクルとした。そして１００サイクル後に実装構造を図５の破線部で切断し、セラミック基板と配線金属との界面を観察して剥離が起こっているか否かを判定した。結果を表１に示す。
【００６７】
【表１】
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【００６８】
表１によると、配線金属としてアルミニウム合金箔を用いた実施例２では、熱サイクルを繰り返してもセラミック基板から配線金属が剥離することなく、優れた耐久特性を有することが示された。
【００６９】
一方、配線金属としてＣｕ箔を用いた比較例３、Ａｌ箔を用いた比較例４では、熱サイクルによりセラミック基板から配線金属が剥離した。比較例３における剥離は、ＡｌＮとＣｕとの線膨張係数差が大きく、Ｃｕの高い弾性率のために、セラミック基板と配線金属の界面で大きな応力が発生したものと考えられた。また、比較例４における剥離は、ＡｌＮとＡｌとの熱膨張係数差が大きいことにより大きな応力が発生することと、Ａｌの弾性域が狭いために永久歪となってＡｌが大変形することによるものと考えられた。
【符号の説明】
【００７０】
１  アルミニウム合金、
２  Ａｌ相、
３ａ  Ａｌ４Ｃａ晶出物、
３ｂ  共晶組織に含まれるＡｌ４Ｃａ相、
４  共晶組織、
１１  長辺、
１３  短辺、
２１  振動子、
２２  ホーン、
２３  溶融物、
２４  るつぼ、
２５  ヒーター、
２６  電気炉、
２７  熱電対、
３０  実装構造、
３１  セラミック基板、
３２  配線金属、
３３  接合部材、
３４  半導体チップ、
ｌ  液相線、
ｐ  共晶点、
Ｌ  液相領域。
【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】
2011105982.tif 000010
【図８】
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【図９】
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