(57)【要約】【課題】引け巣やボイドなどの欠陥を防止して信頼性の高い金属−セラミックス接合基板を製造する方法を提供する。【解決手段】アルミニウムまたはアルミニウム合金の液相線温度より５〜２００℃高い温度の溶湯を鋳型内に注湯した後、鋳型を冷却して溶湯を固化させる際に、鋳型に注湯された溶湯を高温側から低温側に向けて１．０〜１００ｋＰａで加圧し、液相線温度から４５０℃まで冷却される間の平均冷却速度を５〜１００℃／分とするとともに、鋳型内に形成される温度勾配を１〜５０℃／ｃｍとする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
注湯口を備えた鋳型内にセラミックス基板を設置した後、このセラミックス基板に接触するようにアルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯を注湯口から鋳型内に注湯し、鋳型を冷却して溶湯を固化させることにより、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金属−セラミックス接合基板の製造方法において、鋳型に注湯された溶湯を加圧しながら鋳型を冷却して溶湯を固化させることを特徴とする、金属−セラミックス接合基板の製造方法。
【請求項２】
前記鋳型を冷却する際に、前記鋳型の一部を冷却して鋳型内に高温側と低温側を形成するとともに、前記鋳型に注湯された溶湯を高温側から低温側に向けて加圧しながら鋳型を冷却することによって、溶湯を固化させることを特徴とする、請求項１に記載の金属−セラミックス接合基板の製造方法。
【請求項３】
前記鋳型を冷却する際に、前記鋳型内の注湯口側の部分が高温側になり且つ注湯口と反対側の部分が注湯口側の部分よりも低温側になるように冷却するとともに、前記鋳型に注湯された溶湯を高温側から低温側に向けて加圧しながら鋳型を冷却することによって、溶湯を固化させることを特徴とする、請求項１に記載の金属−セラミックス接合基板の製造方法。
【請求項４】
前記鋳型を冷却する際に、前記溶湯を加圧する圧力が１．０〜１００ｋＰａであることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板の製造方法。
【請求項５】
前記鋳型内に注湯される溶湯の温度が、その溶湯の液相線温度より５〜２００℃高い温度であることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板の製造方法。
【請求項６】
前記鋳型を冷却する際に、前記溶湯がその液相線温度から４５０℃まで冷却される間の平均冷却速度が５〜１００℃／分であることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板の製造方法。
【請求項７】
前記鋳型を冷却する際に、前記鋳型内に形成される温度勾配が１〜５０℃／ｃｍであることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板の製造方法。
【請求項８】
前記鋳型内に溶湯を注湯する前に、前記鋳型の温度と溶湯の温度の差が２５０℃以内になるように前記鋳型を加熱することを特徴とする、請求項１乃至７のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板の製造方法。
【請求項９】
前記溶湯を加圧する際に、前記注湯口から加圧することを特徴とする、請求項１乃至８のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板の製造方法。
【請求項１０】
前記溶湯を加圧する際に、前記鋳型に形成した開口部から加圧することを特徴とする、請求項１乃至８のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板の製造方法。
【請求項１１】
前記アルミニウム合金が、珪素を含むアルミニウム合金であることを特徴とする、請求項１乃至１０のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属−セラミックス接合基板の製造方法に関し、特に、セラミックス基板を設置した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た後に冷却して溶湯を固化させることにより、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がセラミックス基板に接合した金属−セラミックス接合基板を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車、電車、工作機械などの大電流を制御するために使用されている従来のパワーモジュールでは、ベース板と呼ばれている金属板または複合材の一方の面に金属−セラミックス絶縁基板が半田付けにより固定され、この金属−セラミックス絶縁基板上に半導体チップが半田付けにより固定されている。また、ベース板の他方の面（裏面）には、ねじ止めなどにより熱伝導グリースを介して金属製の放熱フィンや冷却ジャケットが取り付けられている。
【０００３】
この金属−セラミックス絶縁基板へのベース板や半導体チップの半田付けは加熱により行われるため、半田付けの際に接合部材間の熱膨張係数の差によりベース板の反りが生じ易い。また、半導体チップから発生した熱は、金属−セラミックス絶縁基板と半田とベース板を介して放熱フィンや冷却ジャケットにより空気や冷却水に逃がされるため、半田付けの際にベース板の反りが生じると、放熱フィンや冷却ジャケットをベース板に取り付けたときのクリアランスが大きくなり、放熱性が極端に低下する。さらに、半田自体の熱伝導率が低いため、大電流を流すパワーモジュールでは、より高い放熱性が求められている。これらの問題を解決するため、ベース板と金属−セラミックス絶縁基板との間を半田付けすることなく、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるベース板をセラミックス基板に直接接合した金属−セラミックス回路基板が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、このような金属−セラミックス接合基板を製造するための鋳型として、内部にベース板を形成するための空洞部（ベース板形成部）が形成され、この空洞部の底面にセラミックス基板を収容するための複数の凹部（セラミックス基板収容部）が形成され、これらの凹部の各々の底面に回路パターン用金属板を形成するための凹部（回路パターン用金属板形成部）が形成された鋳型が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−７６５５１号公報（段落番号００１５）
【特許文献２】特開２００５−７４４３４号公報（段落番号０００８）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、このようにセラミックス基板に接合する金属板（ベース板または回路パターン用金属板）の形状および大きさに対応する空洞部または凹部が内部に形成された鋳型を使用して金属−セラミックス接合基板を製造する場合には、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た後に鋳型を冷却して溶湯を固化させる際に、凝固収縮に対する溶湯の供給が不十分になり、製造された金属−セラミックス接合基板の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にいわゆる「引け巣」や「ボイド」が生じ易く、所望の形状を得ることができず、金属−セラミックス接合基板の信頼性を低下させる場合がある。例えば、ベース板をセラミックス基板に接合した場合に、ベース板のコーナー部が所望の形状よりも丸くなったり、フィンが一体に形成されたベース板をセラミックス基板に接合した場合に、フィンのコーナー部が所望の形状よりも丸くなる場合がある。また、金属部材がアルミニウム合金からなる場合には、冷却過程において金属部材に熱間割れが生じて、金属−セラミックス接合基板の信頼性を低下させる場合がある。
【０００６】
したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、注湯口を備えた鋳型内にセラミックス基板を設置した後、このセラミックス基板に接触するようにアルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯を注湯口から鋳型内に注湯し、鋳型を冷却して溶湯を固化させることにより、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金属−セラミックス接合基板の製造方法において、引け巣やボイドなどの欠陥を防止して信頼性の高い金属−セラミックス接合基板を製造することができる、金属−セラミックス接合基板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】
【０００７】
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、注湯口を備えた鋳型内にセラミックス基板を設置した後、このセラミックス基板に接触するようにアルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯を注湯口から鋳型内に注湯し、鋳型を冷却して溶湯を固化させることにより、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金属−セラミックス接合基板の製造方法において、鋳型に注湯された溶湯を加圧しながら鋳型を冷却して溶湯を固化させることにより、引け巣やボイドなどの欠陥を防止して信頼性の高い金属−セラミックス接合基板を製造することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００８】
すなわち、本発明による金属−セラミックス接合基板の製造方法は、注湯口を備えた鋳型内にセラミックス基板を設置した後、このセラミックス基板に接触するようにアルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯を注湯口から鋳型内に注湯し、鋳型を冷却して溶湯を固化させることにより、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金属−セラミックス接合基板の製造方法において、鋳型に注湯された溶湯を加圧しながら鋳型を冷却して溶湯を固化させることを特徴とする。
【０００９】
この金属−セラミックス接合基板の製造方法において、鋳型を冷却する際に、鋳型の一部を冷却して鋳型内に高温側と低温側を形成するとともに、鋳型に注湯された溶湯を高温側から低温側に向けて加圧しながら鋳型を冷却することによって、溶湯を固化させるのが好ましい。あるいは、鋳型を冷却する際に、鋳型内の注湯口側の部分が高温側になり且つ注湯口と反対側の部分（注湯口から遠い側の部分、例えば、注湯口が鋳型の上面側に形成されている場合には鋳型の底面側の部分）が注湯口側の部分よりも低温側になるように冷却するとともに、鋳型に注湯された溶湯を高温側から低温側に向けて加圧しながら鋳型を冷却することによって、溶湯を固化させるのが好ましい。また、鋳型を冷却する際に、溶湯を加圧する圧力が１．０〜１００ｋＰａであるのが好ましく、鋳型内に注湯される溶湯の温度が、その溶湯の液相線温度より５〜２００℃高い温度であるのが好ましい。また、鋳型を冷却する際に、溶湯がその液相線温度から４５０℃まで冷却される間の平均冷却速度が５〜１００℃／分であるのが好ましく、鋳型を冷却する際に、鋳型内に形成される温度勾配が１〜５０℃／ｃｍであるのが好ましい。さらに、鋳型内に溶湯を注湯する前に、鋳型の温度と溶湯の温度の差が２５０℃以内になるように鋳型を加熱しておくのが好ましい。また、溶湯を加圧する際に、注湯口から加圧してもよく、鋳型に形成した開口部から加圧してもよい。また、アルミニウム合金が、珪素を含むアルミニウム合金であるのが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、注湯口を備えた鋳型内にセラミックス基板を設置した後、このセラミックス基板に接触するようにアルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯を注湯口から鋳型内に注湯し、鋳型を冷却して溶湯を固化させることにより、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金属−セラミックス接合基板の製造方法において、引け巣やボイドなどの欠陥を防止して信頼性の高い金属−セラミックス接合基板を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明による金属−セラミックス接合基板の製造方法の実施の形態では、注湯口を備えた鋳型内にセラミックス基板を設置した後、このセラミックス基板に接触するようにアルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯を注湯口から鋳型内に注湯し、鋳型を冷却して溶湯を固化させることにより、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金属−セラミックス接合基板の製造方法において、鋳型に注湯された溶湯を加圧しながら鋳型を冷却して溶湯を固化させる。
【００１２】
この金属−セラミックス接合基板の製造方法の実施の形態において、鋳型を冷却する際の溶湯の加圧は、例えば、ガス加圧ノズルから注湯口（または押し湯用の開口部）に窒素ガスなどを吹き込んだり、注湯口（または押し湯用の開口部）にピストンを挿入して溶湯を押し込んだりすることによって行うことができる。また、鋳型に溶湯を注湯する際の溶湯への加圧を冷却の際にそのまま維持してもよいし、注湯の際の溶湯への加圧を一旦解除し、鋳型を冷却して溶湯を凝固させる際に再度溶湯を加圧してもよい。
【００１３】
また、鋳型を冷却する際に、鋳型の一部を冷却して鋳型内に高温側と低温側を形成するとともに、鋳型に注湯された溶湯を高温側から低温側に向けて加圧しながら鋳型を冷却することによって、溶湯を固化させるのが好ましい。あるいは、鋳型を冷却する際に、鋳型内の注湯口側の部分が高温側になり且つ注湯口と反対側の部分が注湯口側の部分よりも低温側になるように冷却するとともに、鋳型に注湯された溶湯を高温側から低温側に向けて加圧しながら鋳型を冷却することによって、溶湯を固化させるのが好ましい。冷却時に溶湯を高温側から低温側に向けて加圧、すなわち、凝固の進行と反対方向に加圧することにより、低温側で凝固した金属が収縮する部分に、高温側の未凝固の溶湯が円滑に補給されて、最終的に引け巣のない金属−セラミックス接合基板が得られるからである。また、鋳型内の注湯口側の部分が高温側になり且つ注湯口と反対側の部分が注湯口側の部分よりも低温側になるように冷却すれば、金属−セラミックス接合基板を製造するための鋳型や製造装置の構造を簡略化することができる。なお、溶湯を加圧する際に、注湯口から加圧してもよく、この注湯口以外に鋳型に別途形成した開口部から加圧してもよい。
【００１４】
また、溶湯を加圧する圧力は、１．０〜１００ｋＰａであるのが好ましく、３〜８０ｋＰａであるのがさらに好ましく、５〜３０ｋＰａであるのが最も好ましい。１．０ｋＰａ未満では、加圧効果が小さ過ぎて、引け巣やボイドなどの内部欠陥が生じ易く、１００ｋＰａを超えると、圧力が大き過ぎて、同様に引け巣やボイドなどの内部欠陥が生じ易くなるからである。特に、溶湯を加圧する圧力が１００ｋＰａを超えると、鋳型が複数の部材から構成されている場合に鋳型の隙間（合わせ目）から溶湯が漏れ出したり、鋳型と加圧手段の接触部分から溶湯が漏れ出してしまう場合があり、漏れ出した溶湯の量が多いと、セラミックス基板に接合する金属の量が不足して、引け巣やボイドなどの内部欠陥が生じ易くなる。また、溶湯を加圧する圧力を高くして溶湯が漏れ出すのを防止するためには、鋳型や加圧手段の各々の強度を高めたり、それぞれの密着性を向上させる必要があるので、コストアップにつながり、また、過度の加圧によってセラミックス基板にダメージを与える可能性がある。なお、上述した溶湯を加圧する圧力の値は、「大気圧基準」に付加した圧力の値を意味し、（絶対真空を０ｋＰａとした）「絶対圧基準」の圧力の値ではない。
【００１５】
また、鋳型内に注湯される溶湯の温度は、アルミニウムまたはアルミニウム合金の液相線温度より５〜２００℃高い温度であるのが好ましく、２０〜２００℃高い温度であるのがさらに好ましい。溶湯の温度が液相線温度より５℃高い温度より低い場合には、鋳型を加熱したり、溶湯を加圧して押し込んでも、湯流れ（湯回り）が悪く、特に、回路パターン用金属板やベース板のような金属部材の細部に欠陥が生じ易くなり、一方、溶湯の温度が液相線温度より２００℃高い温度を超えると、酸化が激しくなったり、水素を吸蔵したりして、内部欠陥を生じさせる原因になり、また、アルミニウムまたはアルミニウム合金が鋳型と反応して鋳型と接合するおそれがあるからである。
【００１６】
また、鋳型を冷却する際に、溶湯がその液相線温度から４５０℃まで冷却される間の平均冷却速度が５〜１００℃／分であるのが好ましく、１０〜５０℃／分であるのがさらに好ましく、１５〜３５℃／分であるのが最も好ましい。このように液相線温度から４５０℃までの平均冷却速度を制御することにより、金属−セラミックス接合基板の反り量を制御することができ、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とセラミックス基板の間の熱ストレスを制御することができる。また、平均冷却速度が５℃／分未満では、アルミニウムまたはアルミニウム合金の結晶粒が過度に粗大化したり、特にアルミニウム合金の場合には過度に析出したり、熱間割れが生じる場合があり、また、生産性の面でも不利である。一方、平均冷却速度が１００℃／分を超えると、熱衝撃による熱ストレスのために、セラミックス基板に割れが生じる場合があり、また、アルミニウムやアルミニウム合金がクリープ変形する時間的余裕がなく、熱膨張差による変形を吸収できずに大きな反りが生じる場合があるからである。
【００１７】
さらに、鋳型を冷却する際に、鋳型内に形成される温度勾配が１〜５０℃／ｃｍであるのが好ましく、２〜３０℃／ｃｍであるのがさらに好ましく、２〜１５℃／ｃｍであるのが最も好ましい。１℃／ｃｍ未満では、凝固核生成の制御が難しく、至る所で凝固核が生成して凝固収縮が生じ、また、溶湯の補給経路が凝固した金属によって閉ざされてしまうため、引け巣やボイドが生じ易く、５０℃／ｃｍを超えると、凝固核生成よりも核の成長の方が優位になり、熱流方向に伸びた粗大結晶組織になり易く、ヒートサイクル性に劣る金属−セラミックス接合基板になるからである。また、鋳型内に形成される温度勾配が５０℃／ｃｍを超えると、セラミックス基板と接合する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の高温側と低温側における熱収縮量や強度などの特性に大きな差が生じて、金属部材と接合するセラミックス基板にダメージを与えるおそれがある。なお、上述したように溶湯を加圧することによって、温度勾配が比較的小さい領域でも、引け巣やボイドなどの内部欠陥を少なくすることができる。
【００１８】
なお、冷却速度と温度勾配を制御しながら冷却するためには、鋳型を温度勾配のある雰囲気中で冷却してもよいし、流量や温度を制御した冷却ガスを選択的に鋳型に吹き付けてもよいし、冷却ジャケットを選択的に鋳型に接触させてもよいし、鋳型を冷却板上で摺動させてもよい。また、局所的に肉厚や材質を変化させて部分的に放熱性を変化させた鋳型を用いてもよいし、溶湯の注入や冷却開始前に予め鋳型に所望の温度勾配を形成した後に鋳型全体を冷却してもよいし、これらを組み合わせてもよい。
【００１９】
また、セラミックス基板は、アルミナなどの酸化物系セラミックス基板でもよいし、窒化アルミニウム、窒化珪素などの非酸化物系セラミックス基板でもよい。
【００２０】
アルミニウムからなる金属部材を使用する場合には、純度９９．７％、９９．９％、９９．９９％のような純アルミニウムを使用することができる。また、アルミニウム合金からなる金属部材を使用する場合には、アルミニウム−珪素系合金やアルミニウム−銅系合金を使用することができる。
【００２１】
アルミニウム−珪素系合金として、さらにホウ素を含有するアルミニウム−珪素−ホウ素系合金（Ａｌ−Ｓｉ−Ｂ）を使用するのが好ましい。ホウ素は、アルミニウム−珪素系合金の結晶粒を小さくして珪素を分散させて、アルミニウム−珪素系合金の熱間割れを防止する効果を有する。なお、アルミニウム合金からなる金属部材の熱伝導性、電気伝導性、結晶粒の制御、湯流れ性、熱間割れの防止、アルミニウム合金の硬度、コストなどを考慮して、アルミニウム−珪素−ホウ素系合金中の珪素の含有量は、好ましくは０．１〜１．５質量％、さらに好ましくは０．２〜１．０質量％であり、ホウ素の含有量は、好ましくは０．０１〜０．５質量％、さらに好ましくは０．０２〜０．１質量％である。
【００２２】
さらに、アルミニウム−珪素−ホウ素系合金に鉄を添加してもよい。鉄は、アルミニウム−珪素−ホウ素系合金の凝固の際のアルミニウム−ホウ素化合物の析出を防止する効果を有する。アルミニウム−ホウ素化合物は、通常のエッチング処理では除去されないので、エッチング処理後のセラミックス基板上に残留し、その後のめっき処理によって残留物（アルミニウム−ホウ素化合物）上にめっきが施されて、アルミニウム合金からなる金属回路間の絶縁性が低下する。なお、アルミニウム−ホウ素化合物の析出を抑制し、アルミニウム合金からなる金属部材の熱伝導性、電気伝導性、硬度などの変化を比較的小さくするために、アルミニウム−珪素−ホウ素系合金に添加する鉄の量は、好ましくは０．００５〜０．２質量％であり、さらに好ましくは０．００５〜０．１質量％である。
【００２３】
また、この金属−セラミックス接合基板の製造方法の実施の形態に使用する鋳型として、例えば、図３に示すような鋳型１００を使用することができる。この鋳型１００は、下側鋳型部材１０２と、この下側鋳型部材１０２の蓋体としての略平板状の上側鋳型部材１０４とから構成されている。下側鋳型部材１０２の底面には、ベース板を形成するための空洞部（ベース板形成部）１０６が形成され、この空洞部１０６の底面には、セラミックス基板を収容するための複数の凹部（セラミックス基板収容部）１０８が形成され、これらの凹部１０８の各々の底面には、回路パターン用金属板を形成するための凹部（回路パターン用金属板形成部）１１０が形成されている。上側鋳型部材１０４には、鋳型１００内に溶湯を注湯するための注湯口１１２が形成され、この注湯口１１２に（図示しない）加圧手段を密着させて溶湯を加圧することができるようになっている。なお、下側鋳型部材１０２には、ベース板形成部１０６と回路パターン用金属板形成部１１０との間に延びる（図示しない）溶湯流路が形成され、セラミックス基板収容部１０８内にセラミックス基板を収容したときにもベース板形成部１０６と回路パターン用金属板形成部１１０との間が連通するようになっている。また、注湯口１１２は、引け巣の防止のための押し湯用の開口部を兼ねてもよいが、注湯口１１２とは別に（図示しない）押し湯用の開口部を鋳型１００に形成してもよい。
【００２４】
なお、鋳型としては、金属の金型と比べてアルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯と反応し難いカーボン製の鋳型を使用するのが好ましく、特に、溶湯を加圧したときに鋳型と溶湯との間にガスが残留している場合でも、残留するガスが鋳型を通過するのを許容し且つ溶湯が鋳型を通過するのを防止して溶湯が鋳型内の端部まで回り易くなるように、多孔質のカーボン製の鋳型を使用するのが好ましい。
【００２５】
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する前に、鋳型の温度と溶湯の温度との差が２５０℃以内、好ましくは１５０℃以内、さらに好ましくは５０℃以内になるように予め鋳型を加熱して注湯時の熱衝撃を小さくしておくとよい。この差が２５０℃より高くなると、湯回りが悪く、引け巣やボイドなどの欠陥が生じ易くなる。なお、アルミニウムまたはアルミニウム合金と鋳型との反応による鋳型の消耗や、冷却に要する時間などによる生産性の低下の観点から、鋳型を加熱する温度は、８００℃以下にするのが好ましく、７５０℃以下にするのがさらに好ましい。
【００２６】
また、炉内の酸素濃度を好ましくは１００ｐｐｍ以下、さらに好ましくは１０ｐｐｍ以下になるように炉内の雰囲気を制御する。炉内の酸素濃度が高過ぎると、溶湯が酸化して表面張力が増大し、湯回りや濡れ性に影響する場合があり、また、カーボン製の鋳型を使用した場合に、酸化消耗によって鋳型の寿命が短くなるからである。なお、炉内の雰囲気は、窒素ガス雰囲気にするのが好ましいが、アルゴンガスや還元性ガスの雰囲気にしてもよいし、真空にしてもよい。
【００２７】
なお、横置きにした平板上に薄い回路を形成する場合には重力による押し湯効果が少ないので、本発明による金属−セラミックス接合基板の製造方法の実施の形態は、セラミックス基板のような平板を横置きにして、その上に厚さ１ｍｍ以下のアルミニウムまたはアルミニウム合金の回路を形成する場合に適用するのが好ましい。
【実施例】
【００２８】
以下、本発明による金属−セラミックス接合基板の製造方法の実施例について詳細に説明する。
【００２９】
［実施例１］
まず、内部に１００ｍｍ×１５０ｍｍ×５ｍｍの大きさのベース板を形成するための空洞部（ベース板形成部）が形成され、この空洞部の底面に３０ｍｍ×６０ｍｍ×０．６ｍｍの大きさのセラミックス基板を収容するための３つの凹部（セラミックス基板収容部）が形成され、これらの凹部の各々の底面に２７ｍｍ×５７ｍｍ×０．４ｍｍの大きさの回路パターン用金属板を形成するための凹部（回路パターン用金属板形成部）が形成されたカーボン製の鋳型を用意した。なお、この鋳型には、溶湯を鋳型内に注湯するための注湯口が形成されているとともに、ベース板形成部と回路パターン用金属板形成部との間に延びる溶湯流路が形成され、セラミックス基板収容部内にセラミックス基板を収容したときにもベース板形成部と回路パターン用金属板形成部との間が連通するようになっている。
【００３０】
この鋳型のセラミックス基板収容部内に３０ｍｍ×６０ｍｍ×０．６ｍｍの大きさの３枚の窒化アルミニウム基板を収容して炉内に入れ、この炉内を窒素雰囲気にして酸素濃度を４ｐｐｍまで低下させ、ヒーターの温度制御によって鋳型を７３０℃まで加熱した。
【００３１】
また、０．４質量％の珪素と０．０４質量％のホウ素と０．０１質量％の鉄を含有するアルミニウム合金を７４０℃（このアルミニウム合金の液相線温度６５７℃より８３℃高い温度）まで加熱して得られた予め計量されたアルミニウム合金溶湯を、酸化皮膜を取り除きながら、窒素ガスによって１０ｋＰａの圧力で加圧して、上記の加熱した鋳型内に流し込んだ。
【００３２】
このようにしてアルミニウム合金溶湯を流し込んだ鋳型の注湯口とは反対側の面に、冷却ブロックとしての銅製の水冷ジャケットを接触させ、ガス加圧ノズルから注湯口に窒素ガスを吹き込むことによって、鋳型内のアルミニウム合金溶湯を１０ｋＰａの圧力で高温側から低温側に向けて加圧したまま冷却して凝固させた。なお、このアルミニウム合金の液相線温度６５７℃から４５０℃までの温度領域では、平均冷却速度を２２℃／分とした。また、ヒーターの温度制御を行うとともに、冷却ブロックと鋳型の接触面積を変化させることによって、冷却時の温度勾配を５℃／ｃｍに調節した。
【００３３】
このようにして、１００ｍｍ×１５０ｍｍ×５ｍｍの大きさのアルミニウム合金からなるベース板上に、３０ｍｍ×６０ｍｍ×０．６ｍｍの大きさの３枚の窒化アルミニウム基板が接合し、これらの窒化アルミニウム基板上にそれぞれ２７ｍｍ×５７ｍｍ×０．４ｍｍの大きさの回路パターン用アルミニウム合金板が接合した金属−セラミックス接合体を製造した。
【００３４】
この金属−セラミックス接合体は、表面および内部に引け巣やボイドなどの欠陥がなく、アルミニウム合金ベース板のコーナー部の断面もＲ０．１ｍｍ以下で所望の形状であった。また、アルミニウム合金ベース板に大きな反りはなく、アルミニウム合金ベース板の長手方向の最大の反り量も０．３ｍｍであり、極めて良好な接合体を得ることができた。また、回路パターン用アルミニウム合金板の表面の平均結晶粒径を測定したところ、０．２〜０．３ｍｍであった。
【００３５】
また、得られた金属−セラミックス接合体のセラミックス基板に接合した回路パターン用アルミニウム合金板の表面を研磨し、スクリーン印刷機によって回路パターン用アルミニウム合金板上に所定の形状のエッチングレジストを印刷した後、塩化第二鉄によってエッチング処理を行った。このようにして、図１に示すように、アルミニウム合金ベース板１０上に３枚のセラミックス基板１２が接合し、その上に回路パターン間の距離が１．２ｍｍになるようにアルミニウム合金回路板１４が接合した回路基板を作製した。このエッチング処理によってアルミニウム合金が溶解した部分のセラミックス基板１２の表面を光学顕微鏡（５００倍）で観察したところ、粗大析出物などの残留物が少ないことが確認された。
【００３６】
また、作製した回路基板のアルミニウム合金回路板１４上に厚さ３μｍのニッケル−リン無電解めっきを施し、このめっきを施した部分の密着性をテープ剥離試験により評価したところ、密着性は良好であった。また、エッチング処理後のセラミックス基板１２の表面への残留物が少なかったため、残留物にめっきが析出した部分もほとんどなく、回路パタ−ン間の耐圧の低下も認められなかった。なお、回路パターン間に交流電圧を徐々に印加した際に絶縁が破壊された時（リーク電流が５ｍＡ以上になった時）の電圧を、回路パターン間の（絶縁）耐圧とすると、回路パタ−ン間の耐圧は１．４ｋＶ以上であった。
【００３７】
また、この回路基板のアルミニウム合金回路板１４の体積抵抗率を測定したところ、３μΩ・ｃｍより低く、電気伝導性が良好であった。また、高温側１２５℃で３０分間保持した後に低温側−４０℃で３０分間保持するヒートサイクル試験を行ったところ、１０００サイクル後でもセラミックス基板の割れなどの不具合はなく、絶縁性などの電気性能も良好であった。
【００３８】
［実施例２］
冷却時にアルミニウム合金溶湯を加圧する圧力を１ｋＰａにした以外は、実施例１と同様の方法により金属−セラミックス接合体を製造した。この接合体について実施例１と同様の評価を行ったところ、アルミニウム合金ベース板のコーナー部の断面がＲ０．２ｍｍ（使用上問題がない程度）以下であった以外は、実施例１と同様の結果が得られた。
【００３９】
［実施例３〜５］
冷却時にアルミニウム合金溶湯を加圧する圧力をそれぞれ５ｋＰａ（実施例３）、３０ｋＰａ（実施例４）、９０ｋＰａ（実施例５）にした以外は、実施例１と同様の方法により金属−セラミックス接合体を製造した。これらの接合体について実施例１と同様の評価を行ったところ、実施例１と同様の結果が得られた。なお、実施例５では、ガス加圧ノズルと鋳型の間からアルミニウム合金溶湯がわずかに漏れ出したが、特に問題がない程度であった。
【００４０】
［実施例６］
アルミニウム合金ベース板の裏面に高さ１０ｍｍ、幅３ｍｍ、長さ１２０ｍｍ、ピッチ６ｍｍの櫛形フィンを一体に形成可能な鋳型を使用した以外は、実施例１と同様の方法により金属−セラミックス接合体を製造した。この接合体では、フィンの両端部のコーナー部の断面がＲ１ｍｍ以下で所望の形状であった。また、この接合体の形状以外について実施例１と同様の評価を行ったところ、実施例１と同様の結果が得られた。
【００４１】
［実施例７］
冷却時にアルミニウム合金溶湯を加圧する圧力を１ｋＰａにした以外は、実施例６と同様の方法により金属−セラミックス接合体を製造した。この接合体について実施例６と同様の評価を行ったところ、フィンの両端部のコーナー部の断面がＲ３ｍｍ（使用上問題がない程度）以下であった以外は、実施例６と同様の結果が得られた。
【００４２】
［実施例８〜１０］
冷却時にアルミニウム合金溶湯を加圧する圧力をそれぞれ５ｋＰａ（実施例８）、３０ｋＰａ（実施例９）、９０ｋＰａ（実施例１０）にした以外は、実施例６と同様の方法により金属−セラミックス接合体を製造した。これらの接合体について実施例６と同様の評価を行ったところ、実施例６と同様の結果が得られた。なお、実施例１０では、ガス加圧ノズルと鋳型の間からアルミニウム合金溶湯がわずかに漏れ出したが、特に問題がない程度であった。
【００４３】
［実施例１１〜１３］
鋳型に注入するアルミニウム合金溶湯の温度をそれぞれ６６２℃（アルミニウム合金の液相線温度６５７℃より５℃高い温度）（実施例１１）、６８０℃（アルミニウム合金の液相線温度６５７℃より２３℃高い温度）（実施例１２）および８５０℃（アルミニウム合金の液相線温度６５７℃より１９３℃高い温度）（実施例１３）にした以外は、実施例１と同様の方法により金属−セラミックス接合体を製造した。これらの接合体について実施例１と同様の評価を行ったところ、実施例１と同様の結果が得られた。
【００４４】
［実施例１４］
冷却ブロックとしての銅製の水冷ジャケットと鋳型との接触面積を変化させるともに、水冷ジャケットに流す水量を変化させることによって、平均冷却速度を５℃／分にした以外は、実施例１と同様の方法により金属−セラミックス接合体を製造した。この接合体について実施例１と同様の評価を行ったところ、回路パターン用アルミニウム合金板の表面の平均結晶粒径が０．４〜０．５ｍｍであり、アルミニウム合金ベース板の長手方向の反り量が０．２ｍｍであった以外は、実施例１と同様の結果が得られた。
【００４５】
［実施例１５］
冷却ブロックとしての銅製の水冷ジャケットと鋳型との接触面積を変化させるともに、水冷ジャケットに流す水量を変化させることによって、平均冷却速度を９５℃／分にした以外は、実施例１と同様の方法により金属−セラミックス接合体を製造した。この接合体について実施例１と同様の評価を行ったところ、回路パターン用アルミニウム合金板の表面の平均結晶粒径が０．２ｍｍであった以外は、実施例１と同様の結果が得られた。
【００４６】
［実施例１６］
ヒーターの設定温度、銅製の水冷ジャケットと鋳型との接触面積、水冷ジャケットに流す水量を変化させることによって、アルミニウム溶湯の冷却中の温度勾配を１℃／ｃｍにした以外は、実施例１と同様の方法により金属−セラミックス接合体を製造した。この接合体について実施例１と同様の評価を行ったところ、実施例１と同様の結果が得られた。
【００４７】
［実施例１７］
ヒーターの設定温度、銅製の水冷ジャケットと鋳型との接触面積、水冷ジャケットに流す水量を変化させることによって、アルミニウム溶湯の冷却中の温度勾配を４８℃／ｃｍにした以外は、実施例１と同様の方法により金属−セラミックス接合体を製造した。この接合体について実施例１と同様の評価を行ったところ、回路パターン用アルミニウム合金板の表面の平均結晶粒径が０．２〜０．５ｍｍであり、冷却時の熱流方向にやや伸びた（長さ５〜１５ｍｍの）結晶粒がわずかに混在していた以外は、実施例１と同様の結果が得られた。
【００４８】
［実施例１８、１９］
珪素の含有量をそれぞれ０．１質量％（実施例１８）、１．５質量％（実施例１９）にした以外は、実施例１と同様のアルミニウム合金を使用し、実施例１と同様の方法により金属−セラミックス接合体を製造した。これらの接合体について実施例１と同様の評価を行ったところ、実施例１と同様の結果が得られた。なお、実施例１８および実施例１９で使用したアルミニウム合金の液相線温度は、それぞれ約６５９℃および約６５６℃である。
【００４９】
［実施例２０、２１］
ホウ素の含有量をそれぞれ０．０１質量％（実施例２０）、０．５質量％（実施例２１）にした以外は、実施例１と同様のアルミニウム合金を使用し、実施例１と同様の方法により金属−セラミックス接合体を製造した。これらの接合体について実施例１と同様の評価を行ったところ、実施例１と同様の結果が得られた。なお、実施例２０および実施例２１で使用したアルミニウム合金の液相線温度は約６５７℃である。
【００５０】
［実施例２２、２３］
鉄の含有量をそれぞれ０．００５質量％（実施例２２）、０．２質量％（実施例２３）にした以外は、実施例１と同様のアルミニウム合金を使用し、実施例１と同様の方法により金属−セラミックス接合体を製造した。これらの接合体について実施例１と同様の評価を行ったところ、実施例１と同様の結果が得られた。なお、実施例２２および実施例２３で使用したアルミニウム合金の液相線温度は約６５７℃である。
【００５１】
［実施例２４］
ホウ素と鉄を含まないアルミニウム−珪素系合金（珪素の含有量は実施例１と同じ）を使用した以外は、実施例１と同様の方法により金属−セラミックス接合体を製造した。この接合体では、注湯口付近の部分に珪素の濃縮が見られたが、アルミニウム合金ベース板やアルミニウム合金回路板に対応する部分には、珪素の濃縮はなく、引け巣やボイドの発生もなく、問題がなかった。この接合体について実施例１と同様の評価を行ったところ、回路パターン用アルミニウム合金板の表面の平均結晶粒径が３〜５ｍｍであった以外は実施例１と同様の結果が得られた。なお、実施例２４で使用したアルミニウム合金の液相線温度は約６５７℃である。
【００５２】
［実施例２５］
鉄を含まないアルミニウム−珪素−ホウ素系合金（珪素およびホウ素の含有量は実施例１と同じ）を使用した以外は、実施例１と同様の方法により金属−セラミックス接合体を製造した。この接合体について実施例１と同様の評価を行ったところ、エッチング処理後のセラミックス基板の表面への残留物は実施例１よりも多く見られたが、回路パタ−ン間の耐圧は１．４ｋＶ以上であり、問題がなかった。それ以外は実施例１と同様の結果が得られた。なお、実施例２４で使用したアルミニウム合金の液相線温度は約６５７℃である。
【００５３】
［実施例２６］
アルミニウム合金の代わりに純アルミニウム（３Ｎ）を使用し、この純アルミニウムを７４０℃（アルミニウムの液相線温度６６０℃より８０℃高い温度）まで加熱して得られた純アルミニウム溶湯を使用した以外は実施例１と同様の方法により金属−セラミックス接合体を製造した。この接合体について実施例１と同様の評価を行ったところ、回路パターン用アルミニウム板の表面の平均結晶粒径が３〜１５ｍｍであった以外は実施例１と同様の結果が得られた。
【００５４】
［比較例１］
冷却時にアルミニウム合金溶湯を加圧する圧力を０．５ｋＰａにした以外は、実施例１と同様の方法により金属−セラミックス接合体を製造した。この接合体について実施例１と同様の評価を行ったところ、アルミニウム合金ベース板のコーナー部の断面がＲ１．０〜１．５ｍｍであった以外は、実施例１と同様の結果が得られた。しかし、この比較例のように、アルミニウム合金ベース板のコーナー部の断面がＲ１．０ｍｍより大きくなると、アルミニウム合金ベース板に取り付けるケースとの位置合わせやシール性に不具合が生じ、使用上問題になる。
【００５５】
［比較例２］
冷却時にアルミニウム合金溶湯を加圧する圧力を０．５ｋＰａにした以外は、実施例６と同様の方法により金属−セラミックス接合体を製造した。この接合体について実施例６と同様の評価を行ったところ、フィンの両端部においてフィンの高さが３ｍｍ未満になっていた以外は、実施例６と同様の結果が得られた。なお、フィンの高さが一部でも５ｍｍに満たないと、冷却フィン付きパワーモジュールとして組み立てた後に冷媒の流れを制御するのが困難になって使用できなくなる。
【００５６】
［比較例３］
冷却時にアルミニウム合金溶湯を加圧する圧力を１１５ｋＰａにした以外は、実施例１と同様の方法により金属−セラミックス接合体を製造した。この接合体は、ガス加圧ノズルと鋳型の間および下側鋳型部材と上側鋳型部材の間からアルミニウム合金溶湯が漏れ出し、アルミニウム合金の量が不足して、外形が大きく欠損した接合体であった。
【００５７】
［比較例４］
鋳型に注入するアルミニウム合金溶湯の温度を６５９℃（アルミニウム合金の液相線温度６５７℃より２℃高い温度）にした以外は、実施例１と同様の方法により金属−セラミックス接合体を製造した。この接合体では、回路パターン用アルミニウム合金板側の湯周りが得られず、絶縁基板として使用できないものであった。
【００５８】
［比較例５］
鋳型に注入するアルミニウム合金溶湯の温度を９００℃（アルミニウム合金の液相線温度６５７℃より２４３℃高い温度）にした以外は、実施例１と同様の方法により金属−セラミックス接合体を製造した。この比較例では、アルミニウム合金溶湯と鋳型が反応して、強固に焼き付いてしまったため、接合体を鋳型から取り外すことができなかった。
【００５９】
［比較例６］
平均冷却速度を３℃／分にした以外は、実施例１と同様の方法により金属−セラミックス接合体を製造した。この接合体について実施例１と同様の評価を行ったところ、アルミニウム合金ベース板の長手方向の反り量が０．２ｍｍであり、回路パターン用アルミニウム合金板の表面の平均結晶粒径が０．７〜１．０ｍｍであった。また、エッチング処理後のセラミックス基板の表面に粗大な残留析出物が多く、残留物にめっきが析出し、その結果、回路パターン間の耐圧が１．２ｋＶまで低下していた。
【００６０】
［比較例７］
平均冷却速度を１１０℃／分にした以外は、実施例１と同様の方法により金属−セラミックス接合体を製造した。この接合体について実施例１と同様の評価を行ったところ、アルミニウム合金ベース板の長手方向の反り量が０．６ｍｍを超え、スクリーン印刷機によるエッチングレジストの印刷に不具合が生じた。そのため、パッド印刷によってエッチングレジストを形成してエッチング処理を行い、実施例１と同様のヒートサイクル試験を行ったところ、６００サイクルでセラミックス基板に微細なクラックが発生した。
【００６１】
［比較例８］
冷却中の温度勾配を０．３℃／ｃｍにした以外は、実施例１と同様の方法により金属−セラミックス接合体を製造した。この接合体について実施例１と同様の評価を行ったところ、アルミニウム合金ベース板の内部に直径２ｍｍ以下のボイドが複数発生していた。このようなボイドが発生すると、放熱性が阻害されるために使用が制限される。なお、それ以外は実施例１と同様の結果が得られた。
【００６２】
［比較例９］
冷却中の温度勾配を６０℃／ｃｍにした以外は、実施例１と同様の方法により金属−セラミックス接合体を製造した。この接合体について実施例１と同様の評価を行ったところ、回路パターン用アルミニウム合金板の表面の平均結晶粒径が０．２〜１．０ｍｍであり、冷却時の熱流方向に伸びた（長さ２０〜４０ｍｍの）粗大な結晶粒が形成されていた。また、実施例１と同様のヒートサイクル試験を行ったところ、１０００サイクル後にアルミニウム合金回路板の粗大結晶粒の部分に大きなシワが発生していた。このシワは、金属−セラミックス接合体を回路基板として使用した場合に、半導体チップなどの半田付けなどによる回路基板の信頼性の低下を生じさせるおそれがある。
【００６３】
［比較例１０］
鋳型の注湯口側の面に冷却ブロックを接触させて低温側から高温側に向けて加圧しながらアルミニウム合金溶湯を冷却して凝固させた以外は、実施例１と同様の方法により金属−セラミックス接合体を製造した。この接合体について実施例１と同様の評価を行ったところ、高温側のアルミニウム合金ベース板のコーナー部の断面がＲ１．０〜１．５ｍｍであった。このようにアルミニウム合金ベース板のコーナー部の断面がＲ１．０ｍｍであると、アルミニウム合金ベース板に取り付けるケースとの位置合わせやシール性に不具合が生じ、使用上問題になる。それ以外は実施例１と同様の結果が得られた。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】実施例および比較例で製造した金属−セラミックス回路基板の平面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】本発明による金属−セラミックス接合基板の製造方法の実施の形態に使用する鋳型の断面図である。
【符号の説明】
【００６５】
１０  アルミニウム合金ベース板
１２  セラミックス基板
１４  アルミニウム合金回路板
１００  鋳型
１０２  下側鋳型部材
１０４  上側鋳型部材
１０６  空洞部（ベース板形成部）
１０８  凹部（セラミックス基板収容部）
１１０  凹部（回路パターン用金属板形成部）
１１２  注湯口
【図１】
2008253996.tif 000003
【図２】
2008253996.tif 000004
【図３】
2008253996.tif 000005