(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯より融点が高い金属からなる鋳型内にアルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯を注湯し、この溶湯をガスで加圧した状態でセラミックス基板を鋳型内の溶湯中に挿入した後、冷却して溶湯を凝固させることにより、セラミックス基板にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属部材を接合することを特徴とする、金属−セラミックス接合部材の製造方法。
【請求項２】
前記ガスが空気または不活性ガスであることを特徴とする、請求項１に記載の金属−セラミックス接合部材の製造方法。
【請求項３】
前記加圧する圧力が１０１ｋＰａ以上であることを特徴とする、請求項１または２に記載の金属−セラミックス接合部材の製造方法。
【請求項４】
前記金属が鋼であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の金属−セラミックス接合部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属−セラミックス接合部材の製造方法に関するものであり、溶湯接合法でＡｌまたはＡｌ合金を接合する方法に関する。本発明の金属−セラミックス接合部材は例えば金属−セラミックス絶縁回路基板としてパワーモジュールに組み込まれ、自動車や電車、産業機械などに使用される。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車やハイブリッド自動車などの自動車、電車、工作機械などで用いられる大電流を制御するために、パワーモジュールが使用されている。パワーモジュールの内部には、金属−セラミックス絶縁基板が組み込まれており、セラミックス基板の一方の面に回路としての金属板が接合され、他方の面に放熱板として或いは放熱板に接合するための金属板が接合されている。前記回路としての金属板の上には半導体チップ等の電子部品が半田付けにより固定されている。
【０００３】
セラミックス基板に接合される金属板は、導電性、放熱性の観点からＣｕ、Ａｌおよびそれらの合金が用いられている。特に車両用途には金属板として、セラミックスに接合したときの熱衝撃に対する信頼性が高いＡｌまたはＡｌ合金が用いられることが多い。
【０００４】
ＡｌまたはＡｌ合金をセラミックス基板に接合する方法としては、ろう材を介して接合するろう接法、セラミックス基板にＡｌまたはＡｌ合金の新鮮な溶湯を接触させ凝固・接合する溶湯接合法などがある。溶湯接合法はセラミックスと金属との接合界面に硬い層を形成しないため、耐熱衝撃性に優れ、高い信頼性が必要なハイブリッド自動車、電気自動車などに用いられている。
【０００５】
溶湯接合法としては、セラミックス部材を金属の溶湯中で移動させて、溶湯で濡らした後冷却することによって、セラミックス部材の表面に溶湯を凝固させて接合する接合方法が開示されている（特許文献１）。また、所定の形状の鋳型中にセラミックス基板を保持しておき、溶湯を加圧注入してセラミックス基板に接触させた後、凝固することで半導体実装用絶縁基板を作製する方法が開示されている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平７−２７６０３５号公報
【特許文献２】特開２００２−３２９８１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
溶湯接合法においてはアルミニウムまたはアルミニウム合金の酸化をできるだけ防止するため、酸素濃度の低い不活性ガス雰囲気等の雰囲気で接合する。また、鋳型にアルミニウムまたはアルミニウム合金が接合しないように、ガーボン製の鋳型を使用することが好ましく、特許文献１、２においてはこのような雰囲気および鋳型を用いた実施例が記載されている。
しかし、特許文献１、２の金属−セラミックス基板の接合方法では、セラミックス基板にアルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯が接触し接合とするとともに、鋳型やダイスもセラミックス基板と同様アルミニウム溶湯と反応し、鋳型やダイスが損傷したり寿命が短くなるという課題があった。さらには、アルミニウムまたはアルミニウム合金が鋳型やダイスと接合するといった不具合が発生することがあった。このような不具合によって鋳型やダイスの寿命が短くなると、鋳型やダイスの修理が必要となるため、その分の製造コストが上昇するなどの課題がある。
【０００８】
本発明は、このような従来の問題点に鑑み、鋳型やダイスの損傷や接合を抑制し、鋳型寿命を長くして製造コストを低減する金属−セラミックス接合部材の製造方法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】
【０００９】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、金属製の鋳型を使用し、鋳型にアルミニウムまたはアルミニウム溶湯が反応しない条件でも接合できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１０】
すなわち、本発明の金属−セラミックス接合部材は、金属からなる鋳型にアルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯を注湯し、該溶湯を加圧した状態でセラミックス部材を該溶湯中に挿入した後、冷却することを特徴とする。前記溶湯の注湯を空気中または不活性ガス雰囲気中で行うことが好ましく、前記金属がアルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯より融点が高いものであって、前記金属が鋼であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の金属−セラミックス接合部材の製造方法によって、鋳型やダイスの損傷や接合を抑制し、鋳型寿命を長くして製造コストを低減することができるとともに、金属とセラミックスを良好に接合することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の製造方法で作製した金属セラミックス接合部材の側面図である。
【図２】本発明の製造方法で作製した金属セラミックス接合部材の上面図である。
【図３】本発明の金属−セラミックス接合部材を製造する装置の横断面図である。
【図４】本発明の金属−セラミックス接合部材を製造する装置の上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、添付図面を参照して、本発明による金属−セラミックス接合部材の製造方法および製造装置について説明する。
【００１４】
まず、図１、図２に本発明の製造方法によって作製される金属−セラミックス接合部材２００として、金属−セラミックス接合絶縁回路基板の一例を示す。セラミックス基板１の一方の面（図１においては上面）に、例えば回路用である金属板３が形成されており、他方の面（図１においては下面）には例えば放熱用の金属板２が形成されている。
【００１５】
（製造装置）
図１、図２に示す金属−セラミックス接合部材を製造するための製造装置１００は、図３、図４に示されるように上部鋳型１０と下部鋳型２０を備えている。金属−セラミックス接合部材２００を製造するときの上部鋳型１０と下部鋳型２０は、下部鋳型２０の上に上部鋳型１０を載せ、組み合わせて使用する。上部鋳型１０および下部鋳型２０の材質はいずれも金属からなり、例えば鋼材からなる。
【００１６】
上部鋳型１０と下部鋳型２０が組み合わされた製造装置１００は、その内部に前記回路用である金属板３に相当する空間部５０と、前記セラミックス基板１を収納するための空間部７０と、前記放熱用である金属板２に相当する空間部６０を有する。
【００１７】
また、下部鋳型２０には、セラミックス基板１および押し棒９０を収納できる、セラミックス基板１の幅と厚さと略等しい空間部８０が形成されており、押し棒９０でセラミックス基板１を押すことにより、前記空間部７０にセラミックス基板１が収納されるようになっている。なお、図３、図４には便宜上セラミックス基板が下部鋳型２０に収納された状態が描かれている。
【００１８】
上部鋳型１０には金属溶湯を注湯する円筒状の注湯口３０とガス抜き穴４０が備えられている。前記注湯口３０から図示されない溶湯供給装置より金属溶湯が供給され、空間部５０、空間部７０、空間部６０が溶湯で満たされるようになっており、このとき空間部５０、空間部７０、空間部６０のガスが前記ガス抜き穴４０から抜けるようになっている。
また、製造装置１００を加熱する、図示しない加熱装置も設けられている。
【００１９】
（製造方法）
次に前記製造装置を用いた本発明の金属−セラミックス接合部材の製造方法を説明する。
まず、セラミックス基板１を下部鋳型２０の空間部８０に配置する（図３、図４参照）。セラミックス基板１は窒化アルミニウム、アルミナ、窒化珪素、ジルコニアなどを主成分とするものが好ましい。セラミックス基板１の一端の側面は空間部５０の一面を画定する下部鋳型２０の側面５１とほぼ同一平面となるように、即ち空間部７０に飛び出さないようにしておく。
【００２０】
この状態で、前記上部鋳型１０を下部鋳型２０の上に配置して固定し、次に注湯する金属溶湯の融点よりも高い温度に上部鋳型１０および下部鋳型２０を加熱する。金属溶湯はアルミニウムまたはアルミニウム合金が好ましく、前記加熱温度は概ね６００〜７５０℃の範囲であることが好ましい。鋳型の加熱装置は一般的なもので良く、例えば鋳型を炉内に設置してヒーターにより加熱する或いは、鋳型を直接ヒーターで加熱しても良い。
【００２１】
次に、鋳型の空間部５０、空間部７０、空間部６０に前記金属溶湯を注湯口３０から図示しない溶湯供給装置を用いて注湯する。このとき、雰囲気は大気でも良いが、窒素ガスなどの不活性ガスであることがより好ましい。なお、アルミニウムまたはアルミニウム合金は表面に強固な酸化皮膜が形成されており、特に高純度でない窒素やアルゴンなどの不活性ガス（酸素濃度が体積で１ｐｐｍ〜１００ｐｐｍ程度）においては不活性ガス雰囲気にしても、アルミニウムまたはアルミニウム合金の酸化皮膜が破れて活性な状態になり鋳型と接合することはない。ただし、アルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯が不要に酸化するのを防止する。
【００２２】
鋳型内の前記空間部に注湯された金属溶湯を、前記注湯口３０および前記ガス抜き穴４０を通じてガスで加圧する。加圧ガスは例えば空気や前記不活性ガスで行い、例えば窒素ガスであることがコスト上好ましい。加圧する圧力は０．１ｋＰａ以上であり、１０１ｋＰａ以上であることがより好ましい。鋳型が金属であるので、高い加圧力で溶湯を加圧することができる。金属溶湯がガス加圧された状態で、下部鋳型２０に配置しておいたセラミックス基板１を押し棒９０で空間部７０に押出す。このとき、セラミックス基板の端部は上部鋳型１０と下部鋳型２０で形成された空間部７０にガイドされて、空間部７０内に配置される。このとき押し棒９０によるセラミックス基板１の空間部７０への押出しは速い方がアルミニウムまたはアルミニウム合金表面の酸化膜を破るために好ましく、例えば秒速１０ｃｍ以上であることが好ましい。また、不要な酸化を防止するために、鋳型全体を不活性ガス雰囲気とするのが良い。
【００２３】
所定時間（例えば１分以上）が溶湯中で保持した後、鋳型温度および金属溶湯の温度を下げてセラミックス基板１の一方の面に回路用の金属板３を凝固、接合させることで形成し、他方の面に放熱用の金属板２を凝固、接合させることで形成する。このとき、少なくとも溶湯が完全に凝固するまではガスで加圧しつづける。また、溶湯中で保持している間にセラミックス基板を該溶湯中で移動させるのが好ましい。移動は例えばセラミックス基板１を挟む機能を持つ押し棒９０を準備し、セラミックス基板１を空間部７０に配置した後、また空間部８０に押し棒８０で引き戻すといった操作を繰り返すことによる。
【００２４】
なお、金属溶湯は凝固収縮を考慮して、空間部５０、空間部７０、空間部６０の体積よりも多い量を注入しておき、注湯口３０およびガス抜け穴４０が最終凝固部となるように溶湯を冷却し、注湯口３０およびガス抜け穴４０に引け巣が集まるようにするのが好ましい。
【００２５】
凝固させた後、上部鋳型１０を下部鋳型２０から取りはずし、アルミニウムとセラミックス基板が接合した金属−セラミックス接合部材を下部鋳型２０から取り出す。鋳型の材質は鋼材であり、離型材塗布などの表面処理をしていないにもかかわらず、アルミニウムが鋳型と反応、接合せず鋳型からの離型性は良く、金属板の表面も滑らかな状態となる。また、鋳型の損傷は全く見らなかった。
【００２６】
また、引け巣部を研磨で除去して、回路用金属板３を作製した。なお、回路用金属板は必要に応じて、回路パターンをエッチングなどで形成しても良い。
【００２７】
（実施例）
上記製造装置および製造方法によって、金属−セラミックス接合基板を作成する。金属は純アルミニウム（Ａｌ：９９．９９ｗｔ％以上）、セラミックス基板はアルミナ基板とした。また、溶湯の供給は大気中でおこない鋼からなる金属鋳型の温度は７００℃、溶湯の温度は７３０℃として、鋳型に溶湯を充填した。次に溶湯を空気で加圧しながら（約１０１ｋＰａ）アルミナ基板を溶湯中に配置した後、１分保持後に冷却した。
【００２８】
その後、アルミニウムとアルミナ基板が接合した金属−セラミックス接合基板を鋳型から取り出した。鋳型は離型材塗布などの表面処理をしていないが、アルミニウムが鋳型と反応、接合せず鋳型からの離型性は良く、鋳型の損傷は全く見られなかった。また、金属板の表面も滑らかな状態であった。また、アルミニウムとアルミナ基板は十分な接合強度を有していた。
【符号の説明】
【００２９】
１      セラミックス部材（セラミックス基板）
２      金属部材（回路用金属板）
３      金属部材（放熱用金属板）
１０    上部鋳型
２０    下部鋳型
３０    注湯口
４０    ガス抜き穴
５０、６０、７０、８０    空間部
９０    押し棒
１００  製造装置
２００  金属−セラミックス接合部材
【図１】
0005753991.tif 000002
【図２】
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【図３】
0005753991.tif 000004
【図４】
0005753991.tif 000005