(57)【要約】【課題】珪素とホウ素を含有するアルミニウム合金からなる部材がセラミックス基板に接合したアルミニウム−セラミックス接合基板において、アルミニウム合金の結晶粒を微細化して粒界を増加させるとともに、アルミニウム−ホウ素化合物の析出を抑制し、良好にエッチングを行うことができ且つめっき性を向上させることができる、アルミニウム−セラミックス接合基板およびその製造方法を提供する。【解決手段】珪素０．１〜１．５重量％とホウ素０．０２〜０．１重量％を含有するとともに、鉄０．００５〜０．２重量％と、亜鉛、銅、銀およびマグネシウムからなる群から選ばれる１種以上の元素０．００５〜０．３重量％と、チタン、バナジウムおよびマンガンからなる群から選ばれる１種以上の元素０．００１〜０．０５重量％とのうちのいずれかを含有するアルミニウム合金からなるアルミニウム合金板１２を、溶湯接合法によりセラミックス基板１０に接合する。【選択図】図２
2007092150.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム合金からなるアルミニウム合金部材がセラミックス基板に接合されたアルミニウム−セラミックス接合基板において、前記アルミニウム合金が、珪素０．１〜１．５重量％とホウ素０．０２〜０．１重量％を含有し、鉄０．００５〜０．２重量％と、亜鉛、銅、銀およびマグネシウムからなる群から選ばれる１種以上の元素０．００５〜０．３重量％と、チタン、バナジウムおよびマンガンからなる群から選ばれる１種以上の元素０．００１〜０．０５重量％とのうちのいずれか１種以上の元素を含有し、残部がアルミニウムと不可避不純物とからなることを特徴とする、アルミニウム−セラミックス接合基板。
【請求項２】
アルミニウム合金の溶湯をセラミックス基板に接触させた後に固化させることによってアルミニウム合金部材をセラミックス基板に接合するアルミニウム−セラミックス接合基板の製造方法において、前記アルミニウム合金が、珪素０．１〜１．５重量％とホウ素０．０２〜０．１重量％を含有し、鉄０．００５〜０．２重量％と、亜鉛、銅、銀およびマグネシウムからなる群から選ばれる１種以上の元素０．００５〜０．３重量％と、チタン、バナジウムおよびマンガンからなる群から選ばれる１種以上の元素０．００１〜０．０５重量％とのうちのいずれか１種以上の元素を含有し、残部がアルミニウムと不可避不純物とからなることを特徴とする、アルミニウム−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、アルミニウム−セラミックス接合基板およびその製造方法に関し、特に、珪素とホウ素を含有するアルミニウム合金からなるアルミニウム合金部材がセラミックス基板に接合したアルミニウム−セラミックス接合基板およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電気自動車や工作機械などの大電流を制御する高信頼性パワーモジュール用の絶縁基板として、セラミックス基板にアルミニウム部材が接合したアルミニウム−セラミックス接合基板が使用されている。このようなアルミニウム−セラミックス接合基板では、半田を介してアルミニウム部材を銅板などの放熱板に接合すると、アルミニウム部材と半田の熱膨張係数の相違のために、ヒートサイクルによって接合界面に応力が発生し、この応力により比較的弱い半田層にクラックが発生して放熱性が低下する場合がある。このような問題を解消するため、アルミニウム部材として珪素を含有するアルミニウム合金（アルミニウム−珪素系合金）からなるアルミニウム合金部材を使用することが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
しかし、アルミニウム−珪素系合金、特に０．１〜１．５重量％の珪素を含むアルミニウム合金からなるアルミニウム合金部材を溶湯接合法によりセラミックス基板に接合する場合には、通常の冷却条件の最適化による結晶粒の微細化が難しく、珪素が結晶粒界に過度に析出したり、アルミニウム合金部材中に珪素の濃縮部が存在してしまうという問題がある。そのため、冷却過程においてアルミニウム合金部材の熱間割れが生じ、アルミニウム−セラミックス接合基板として機能しない場合がある。また、アルミニウム合金部材に回路を形成するためにエッチングを行うと、セラミック基板の表面に珪素の濃縮部が溶けずに残ってしまい、アルミニウム−セラミックス接合基板の所望の絶縁特性を得ることができない場合がある。
【０００４】
このような問題を解消するため、本発明者らは、アルミニウム−珪素系合金にホウ素を添加したアルミニウム−珪素−ホウ素系合金を溶湯接合法によりセラミックス基板に接合することにより、結晶粒を微細化して粒界を増加させて、珪素のマクロ的な偏析を防止し、セラミックス基板の表面に珪素が残留するのを防止し、アルミニウム−セラミックス接合基板の絶縁性を向上させるとともに、放熱板を半田付けした場合にも、ヒートサイクルによる半田クラックの発生を防止し、放熱性の低下を防止することを提案している（特願２００４−６３６２１号）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−３２９８１４号公報（段落番号００１０−００２１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、アルミニウム−珪素−ホウ素系合金からなるアルミニウム合金部材を溶湯接合法によりセラミックス基板に接合すると、結晶粒が微細化するものの、凝固の際にアルミニウム−ホウ素化合物が晶出して、このアルミニウム−ホウ素化合物が、珪素を固溶したアルミニウムの核として残存し、あるいはデンドライト間隙に残存するため、アルミニウム合金部材に回路を形成するためにエッチングを行うと、セラミックス基板の表面にアルミニウム−ホウ素化合物が溶けずに残ってしまう場合がある。また、その後に回路にめっきを施すと、その残留したアルミニウム−ホウ素化合物上にめっきが施されて、パタ−ン間の絶縁抵抗不良や外観不良が生じるという問題がある。また、アルミニウム合金部材の表面に析出したアルミニウム−ホウ素化合物によって、めっき性が低下するという問題もある。
【０００７】
したがって、本発明は、このような問題点に鑑み、珪素とホウ素を含有するアルミニウム合金からなるアルミニウム合金部材がセラミックス基板に接合したアルミニウム−セラミックス接合基板において、アルミニウム合金の結晶粒を微細化して粒界を増加させるとともに、アルミニウム−ホウ素化合物の析出を効果的に抑制し、良好にエッチングを行うことができ且つめっき性を向上させることができる、アルミニウム−セラミックス接合基板およびそ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】
【０００８】
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、アルミニウム−珪素−ホウ素系合金に、第４元素として、鉄、あるいは、亜鉛、銅、銀およびマグネシウムからなる群から選ばれる１種以上の元素、あるいは、チタン、バナジウムおよびマンガンからなる群から選ばれる１種以上の元素を添加することにより、結晶粒を微細化したまま、アルミニウム−ホウ素化合物の析出を抑制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。
【０００９】
すなわち、本発明によるアルミニウム−セラミックス接合基板は、アルミニウム合金からなるアルミニウム合金部材がセラミックス基板に接合されたアルミニウム−セラミックス接合基板において、アルミニウム合金が、珪素０．１〜１．５重量％とホウ素０．０２〜０．１重量％を含有し、鉄０．００５〜０．２重量％と、亜鉛、銅、銀およびマグネシウムからなる群から選ばれる１種以上の元素０．００５〜０．３重量％と、チタン、バナジウムおよびマンガンからなる群から選ばれる１種以上の元素０．００１〜０．０５重量％とのうちのいずれか１種以上の元素を含有し、残部がアルミニウムと不可避不純物とからなることを特徴とする。このアルミニウム−セラミックス接合基板において、アルミニウム合金部材が、アルミニウム合金の溶湯をセラミックス基板に接触させた後に固化させることによりセラミックス基板に接合されるのが好ましい。
【００１０】
また、本発明によるアルミニウム−セラミックス接合基板の製造方法は、アルミニウム合金の溶湯をセラミックス基板に接触させた後に固化させることによってアルミニウム合金部材をセラミックス基板に接合するアルミニウム−セラミックス接合基板の製造方法において、アルミニウム合金が、珪素０．１〜１．５重量％とホウ素０．０２〜０．１重量％を含有し、鉄０．００５〜０．２重量％と、亜鉛、銅、銀およびマグネシウムからなる群から選ばれる１種以上の元素０．００５〜０．３重量％と、チタン、バナジウムおよびマンガンからなる群から選ばれる１種以上の元素０．００１〜０．０５重量％とのうちのいずれか１種以上の元素を含有し、残部がアルミニウムと不可避不純物とからなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、珪素とホウ素を含有するアルミニウム合金からなるアルミニウム合金部材がセラミックス基板に接合したアルミニウム−セラミックス接合基板において、アルミニウム合金の結晶粒を微細化して粒界を増加させるとともに、アルミニウム−ホウ素化合物の析出を効果的に抑制し、良好にエッチングを行うことができ且つめっき性を向上させることができる、アルミニウム−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】
【００１２】
本発明によるアルミニウム−セラミックス接合基板の実施の形態を製造するためには、珪素とホウ素を含有するアルミニウム合金（アルミニウム−珪素−ホウ素系合金（Ａｌ−Ｓｉ−Ｂ））からなるアルミニウム合金部材をセラミックス基板に接合したアルミニウム−セラミックス接合基板を溶湯接合法により製造する際に、アルミニウム−珪素−ホウ素系合金に、鉄、あるいは、亜鉛、銅、銀およびマグネシウムからなる群から選ばれる１種以上の元素、あるいは、チタン、バナジウムおよびマンガンからなる群から選ばれる１種以上の元素を添加する。このようにアルミニウム−珪素−ホウ素系合金に鉄などの元素を添加することにより、アルミニウム合金の結晶粒を微細化したまま、アルミニウム−ホウ素化合物の析出を抑制することができる。
【００１３】
アルミニウム合金の結晶粒を微細化することによって、アルミニウム合金部材の熱間割れを抑制するとともに、珪素を分散させることができる。また、アルミニウム合金の結晶粒を微細化することによって、ヒートサイクルによってアルミニウム合金部材の表面の粒界に局部的なうねりが発生するのを抑制することができる。これにより、アルミニウム合金部材に放熱板や半導体チップなどを半田付けした場合にヒートサイクルによる半田クラックの発生が抑えられ、信頼性が向上すると考えられる。また、従来では、冷却速度などの冷却条件が珪素の析出（濃縮）に非常に大きな影響を与えているため、冷却条件を制御しながら生産している。しかし、例えば、結晶粒を微細化するために急冷などを行うように冷却条件を制御しようとしても、鋳型の熱容量が大きい等の問題により、その制御が困難である。一方、本発明によるアルミニウム−セラミックス接合基板の実施の形態を製造する場合、ホウ素の添加により珪素を分散させることができるため、比較的広範囲の冷却条件で冷却することができるようになり、生産性を向上させることができる。すなわち、アルミニウム−珪素系合金の本来の特性を維持しつつ、アルミニウム−セラミックス接合基板の信頼性、生産性および歩留を向上させることができる。
【００１４】
アルミニウム合金は、好ましくは０．１〜１．５重量％、さらに好ましくは０．２〜１．０重量％、最も好ましくは０．２〜０．６重量％の珪素を含有する。この範囲では、アルミニウム合金部材がアルミニウム−セラミックス接合基板として所望の高い熱伝導率と適当な硬さを有するからである。すなわち、アルミニウム−セラミックス接合基板に実装したチップなどの放熱のため、アルミニウム合金は、１７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高い熱伝導率を有するのが好ましく、２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高い熱伝導率を有するのがさらに好ましい。また、アルミニウム合金の硬さは、軟らか過ぎると放熱板やチップとアルミニウム−セラミックス接合基板を半田付けした場合にヒートサイクルなどの熱衝撃により半田クラックが発生するおそれがあり、一方、硬過ぎるとヒートサイクルなどの熱衝撃によりセラミックス基板が割れる場合があるので、表面のビッカース硬度がＨｖ２５〜４０であるのが好ましい。アルミニウム合金がこのような高い熱伝導率と適当な硬さを有するには、アルミニウム合金が上記の範囲の珪素を含有するのが好ましい。
【００１５】
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る効果を有し、アルミニウム−珪素系合金の熱間割れを防止する。ホウ素の添加量は、好ましくは０．０２重量％以上、さらに好ましくは０．０２〜０．１重量％である。ホウ素の添加量が０．０２重量％未満であると結晶粒の微細化効果が小さく、０．０２重量％以上であれば充分な効果が得られる。さらに、ホウ素の添加量が０．０２〜０．１重量％であれば、ホウ素の過剰添加によってアルミニウム−珪素系合金の熱伝導率が低下したりアルミニウム−珪素系合金が必要以上に硬くなることを防止することができるとともに、高価なホウ素を必要以上に添加することを防止することができる。また、ホウ素の添加量が上記の範囲内であれば、ホウ素の添加による熱伝導率の劣化や硬度の上昇を防止することができる。
【００１６】
セラミックス基板とアルミニウム合金部材の接合は、溶湯接合法によって行うのが好ましく、本発明によるアルミニウム−セラミックス接合基板の実施の形態を製造する際には、特別な冷却条件の制御や特別な設備を必要とせずに、良好なアルミニウム−セラミックス接合基板を得ることができる。通常、溶湯接合法では、アルミニウム合金部材をセラミックス基板に接合した後に冷却する際に、例えば、冷却条件を制御する場合には設備的な面から冷却速度を大きくすることが難しく、そのため、例えば、数ｃｍ以上の粗大な結晶粒になり、粒界の面積が小さいために粒界に珪素が濃縮し易いと考えられる。さらに、エッチングの際にもその珪素を除去することができず、電気的絶縁に問題が生じる場合がある。本発明によるアルミニウム−セラミックス接合基板の実施の形態を製造する際には、適量のホウ素を添加することにより、結晶粒経を１ｍｍ以下、さらには０．５ｍｍ以下にして結晶を微細化することができ、また、珪素をマクロ的に分散させることができ、アルミニウム合金部材の不要な部分を問題なく除去することができる。
【００１７】
さらに、本発明によるアルミニウム−セラミックス接合基板の実施の形態を製造する場合、アルミニウム合金の硬さを上述した範囲にするとともに、結晶粒を微細化することにより、ヒートサイクル後の半田クラックの発生を抑えることができる。
【００１８】
また、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。鉄の添加量は、好ましくは０．００５〜０．２重量％である。この範囲では、アルミニウム−ホウ素化合物の析出が抑制され、鉄の添加による熱伝導性、電気伝導性、硬度などの変化が比較的小さいためである。
【００１９】
鉄と同様に、亜鉛、銅、銀およびマグネシウムもアルミニウム−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抑制する効果を有する。これらの元素の添加量は、好ましくは０．００５〜０．３重量％である。この範囲では、熱伝導性、電気伝導性などを大きく低下させることなく、アルミニウム−ホウ素化合物の析出を抑制し、良好にエッチングを行うことができ且つめっき性を向上させることができるからである。
【００２０】
同様に、チタン、バナジウムおよびマンガンもアルミニウム−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抑制する効果を有する。これらの元素の添加量は、０．００１〜０．０５重量％である。これらの元素の量がこの範囲より多過ぎると、熱伝導性および電気伝導性が大幅に低下するからである。
【００２１】
なお、アルミニウム合金部材をセラミックス基板に接合する際の冷却速度は、結晶の成長を抑制するために速い方がよい。このようにしてアルミニウム−ホウ素化合物の析出を抑制することにより、塩化第二鉄を使用してエッチングを行うことにより精密なアルミニウム回路を作製する際に、セラミックス基板上のアルミニウム合金の溶解部の残留物（アルミニウム−ホウ素化合物）が少なく、ニッケルめっきを行った際に、その残留物上にめっきが施されてしまうという不具合が生じ難くなる。そのため、パタ−ン間の絶縁抵抗不良や外観不良が大幅に減少する。また、アルミニウム合金の表面に析出するアルミニウム−ホウ素化合物も少ないため、ニッケルめっきを行った際に、より均一な密着性の良いめっき面を得ることができる。
【実施例】
【００２２】
以下、添付図面を参照して、本発明によるアルミニウム−セラミックス接合基板の実施例について詳細に説明する。
【００２３】
［実施例１］
窒化アルミニウム基板を収容した鋳型を炉内に入れ、炉内を窒素雰囲気にした状態で７４０℃まで加熱し、０．４重量％の珪素と０．０４重量％のホウ素と０．０１０重量％の鉄を含有するアルミニウム合金を、酸化皮膜を取り除きながら、鋳型内に流し込んだ。その後、鋳型を冷却して溶湯を凝固させ、さらに室温まで冷却した。このようにして、セラミックス基板の両面にそれぞれ厚さ０．１５ｍｍ（裏面側）および０．４ｍｍ（表面側）のアルミニウム合金板が直接接触して接合した接合体を製造し、この接合体を鋳型から取り出した。このようにして得られた接合体のアルミニウム合金板の表面の合金の平均晶粒径を測定したところ、約２００〜３００μｍであった。
【００２４】
また、得られた接合体のセラミックス基板１０に接合したアルミニウム合金板１２の表面を研磨し、その上に所定の形状のエッチングレジストを印刷し、塩化第二鉄によってエッチング処理を行って、図１に示すように表面側の回路パターン間の距離が１．２ｍｍになるように回路パタ−ンを形成して回路基板を作製した。このエッチング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１０の表面を光学顕微鏡（５００倍）で観察したところ、残留物が少ないことが確認された。
【００２５】
さらに、作製した回路基板のアルミニウム合金板１２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、セラミックス基板１０の表面を光学顕微鏡（５００倍）で観察したところ、エッチング後のセラミックス基板１０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。
【００２６】
また、この回路基板のアルミニウム合金板１２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。
【００２７】
［実施例２〜６］
鉄の添加量を０．００５重量％（実施例２）、０．０２０重量％（実施例３）、０．０３０重量％（実施例４）、０．０８０重量％（実施例５）、０．１５重量％（実施例６）とした以外は実施例１と同様の方法により得られた接合体について、実施例１と同様の評価を行ったところ、実施例１と同様の評価が得られた。
【００２８】
［実施例７、８］
鉄の代わりに０．００５重量（実施例７）、０．０４０重量％（実施例８）のチタンを添加した以外は実施例１と同様の方法により得られた接合体について、実施例１と同様の評価を行ったところ、実施例１と同様の評価が得られた。
【００２９】
［実施例９、１０］
鉄の代わりに０．０１重量（実施例９）、０．２０重量％（実施例１０）の銅を添加した以外は実施例１と同様の方法により得られた接合体について、実施例１と同様の評価を行ったところ、実施例１と同様の評価が得られた。
【００３０】
［比較例１］
鉄を添加しなかった以外は実施例１と同様の方法により得られた接合体（回路基板）について、実施例１と同様の評価を行った。その結果、結晶粒が２００〜３００μｍと微細化されているものの、エッチング後のセラミックス基板の表面への残留物が多く、めっき後に残留物にめっきが析出している部分が多数あり、パタ−ン間の耐圧が極度に低下して１ｋＶ未満であった。また、めっきのフクレが生じていたため、めっきの密着性が悪かった。なお、体積抵抗率は３μΩ・ｃｍより低く、電気伝導性は良好であった。
【００３１】
［比較例２］
鉄の添加量を０．３重量％にした以外は実施例１と同様の方法により得られた接合体について、実施例１と同様の評価を行ったところ、エッチング後の残留物は少なかったが、体積抵抗率が３μΩ・ｃｍより高く、電気伝導性が良好でなかった。
【００３２】
［比較例３］
鉄の代わりにニッケルを添加した以外は実施例１と同様の方法により得られた接合体（回路基板）について、実施例１と同様の評価を行った。その結果、結晶粒が２００〜３００μｍと微細化されているものの、エッチング後のセラミックス基板の表面への残留物が多く、めっき後に残留物にめっきが析出している部分が多数あり、パタ−ン間の耐圧が極度に低下して１ｋＶ未満であった。なお、体積抵抗率は３μΩ・ｃｍより低く、電気伝導性は良好であった。
【００３３】
［比較例４］
チタンの添加量を０．１重量％にした以外は実施例７および８と同様の方法により得られた接合体について、実施例１と同様の評価を行ったところ、エッチング後の残留物は少なかったが、体積抵抗率が３μΩ・ｃｍより高く、電気伝導性が良好でなかった。
【００３４】
［比較例５］
銅の添加量を０．５重量％にした以外は実施例８および９と同様の方法により得られた接合体について、実施例１と同様の評価を行ったところ、エッチング後の残留物は少なかったが、体積抵抗率が３μΩ・ｃｍより高く、電気伝導性が良好でなかった。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明によるアルミニウム−セラミックス基板の実施例の平面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０  セラミックス基板
１２  アルミニウム合金板
【図１】
2007092150.tif 000003
【図２】
2007092150.tif 000004