(57)【要約】【課題】局所的に腐食し難い水冷式放熱器付き金属−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】内部にセラミックス基板１８を配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て冷却することによって、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる回路用金属板２０を形成してセラミックス基板１８の一方の面に直接接合させるとともに、互いに所定の間隔で離間して配置された複数のフィンまたは柱状突起部を備えた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１２を形成してセラミックス基板１８の他方の面に直接接合させた後、セラミックス基板１８を鋳型から取り出して、ベース板１２の表面（水冷式放熱器１６の内面に対応する部分）のダブルジンケート処理を行い、その後、ベース板１２のフィンまたは柱状突起部を取り囲むように蓋体１４を取り付ける。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部にセラミックス基板を配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て冷却することによって、互いに所定の間隔で離間して配置された複数のフィンまたは柱状突起部を備えた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形成してセラミックス基板に直接接合させた後、セラミックス基板に直接接合したベース板を鋳型から取り出して、ベース板の表面のダブルジンケート処理を行い、その後、ベース板のフィンまたは柱状突起部を取り囲むように蓋体を取り付けることを特徴とする、水冷式放熱器付き金属−セラミックス接合基板の製造方法。
【請求項２】
前記ダブルジンケート処理が、ベース板を亜鉛置換液に浸漬してベース板の表面に亜鉛置換膜を形成した後に、薬液により亜鉛置換膜を溶解除去し、再びベース板の表面に亜鉛置換膜を形成する処理であることを特徴とする、請求項１に記載の水冷式放熱器付き金属−セラミックス接合基板の製造方法。
【請求項３】
前記亜鉛置換膜の厚さが１μｍ未満であることを特徴とする、請求項１または２に記載の水冷式放熱器付き金属−セラミックス接合基板の製造方法。
【請求項４】
前記亜鉛置換液が、亜鉛化合物を添加した酸性またはアルカリ性の水溶液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水冷式放熱器付き金属−セラミックス接合基板の製造方法。
【請求項５】
前記ダブルジンケート処理を２回繰り返すことを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の水冷式放熱器付き金属−セラミックス接合基板の製造方法。
【請求項６】
前記蓋体がアルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、前記蓋体を取り付ける前に、前記蓋体の表面のダブルジンケート処理を行うことを特徴とする、請求項１乃至５のいずれかに記載の水冷式放熱器付き金属−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て冷却することによって、前記ベース板を形成してセラミックス基板に直接接合させる際に、回路用金属板を形成して前記セラミックス基板の前記ベース板と反対の面に直接接合させ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水冷式放熱器付き金属−セラミックス接合基板の製造方法。
【請求項８】
前記アルミニウム合金がＡｌ−Ｓｉ系合金であ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水冷式放熱器付き金属−セラミックス接合基板の製造方法。
【請求項９】
互いに所定の間隔で離間して配置された複数のフィンまたは柱状突起部を備えた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がセラミックス基板に直接接合し、このベース板のフィンまたは柱状突起部を取り囲むように蓋体が取り付けられて水冷式放熱器が形成された水冷式放熱器付き金属−セラミックス接合基板において、ベース板の表面に厚さ１μｍ未満の亜鉛置換膜が形成されていることを特徴とする、水冷式放熱器付き金属−セラミックス接合基板。
【請求項１０】
前記蓋体がアルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、前記蓋体の表面に厚さ１μｍ未満の亜鉛置換膜が形成されていることを特徴とする、請求項９に記載の水冷式放熱器付き金属−セラミックス接合基板。
【請求項１１】
前記セラミックス基板の前記ベース板と反対の面に回路用金属板が直接接合していることを特徴とする、請求項９または１０に記載の水冷式放熱器付き金属−セラミックス接合基板。
【請求項１２】
前記アルミニウム合金がＡｌ−Ｓｉ系合金であることを特徴とする、請求項９乃至１１のいずれかに記載の水冷式放熱器付き金属−セラミックス接合基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水冷式放熱器付き金属−セラミックス接合基板およびその製造方法に関し、特に、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水冷式放熱器が取り付けられた水冷式放熱器付き金属−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】
従来、パワーモジュール用絶縁基板として使用されている金属−セラミックス接合基板では、セラミックス基板の一方の面に金属回路板が接合するとともに他方の面に放熱用金属ベース板が接合し、金属回路板上に半導体チップなどが搭載されている。このような半導体チップなどの発熱素子からの熱を外部に放熱するために、放熱用金属ベース板の裏面に放熱グリースを介して放熱フィンを取り付ける方法が知られている。また、半導体装置実装用基板にろう材を介して放熱フィンを接合する方法も知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
しかし、特許文献１に開示された方法では、空冷の放熱フィンを使用しているため、一般に水冷の冷却装置と比べて冷却能力が低く、性能を安定させ難いという問題がある。
【０００４】
また、発熱体からの熱を水などの冷却剤に放熱するための様々な水冷用放熱器が提案されている（例えば、特許文献２〜５参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平４−３６３０５２号公報（段落番号０００６）
【特許文献２】特開昭６２−５２９４５号公報（第１頁）
【特許文献３】特開平１−６３１４２号公報（第１頁）
【特許文献４】特開２００４−２４７６８４号公報（段落番号００１１−００１７）
【特許文献５】特開２００７−２９４８９１号公報（段落番号０００７−０００９）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、セラミックス基板に水冷式放熱器が取り付けられた水冷式放熱器付き金属−セラミックス接合基板を製造する場合、例えば、鋳型内にセラミックス基板を設置した後に溶湯を注入して金属板を形成する際にその金属板をセラミックス基板に接合する所謂溶湯接合法によって、底面に多数のフィンまたは柱状部が互いに離間して形成された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接合し、そのベース板にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる蓋体（天板）を取り付けて、内部に多数のフィンまたは柱状部が配置された水冷式放熱器を備えた水冷式放熱器付き金属−セラミックス接合基板を製造する場合には、水冷式放熱器の内面（フィンまたは柱状部の表面や蓋体の内面）が水に侵されて腐食が起こり易いという問題がある。また、所謂溶湯接合法によってセラミックス基板に接合した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は、加圧成型などの他の方法によって得られるアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる板材と比べて結晶粒径が大きく、特に粒界部分では局所的に腐食されて冷却液の漏れを生じさせる可能性もある。
【０００７】
したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、局所的に腐食し難い水冷式放熱器付き金属−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、セラミックス基板に水冷式放熱器が取り付けられた水冷式放熱器付き金属−セラミックス接合基板において、水冷式放熱器の内面をダブルジンケート処理することにより、局所的に腐食し難い水冷式放熱器付き金属−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。
【０００９】
すなわち、本発明による水冷式放熱器付き金属−セラミックス接合基板の製造方法は、内部にセラミックス基板を配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て冷却することによって、互いに所定の間隔で離間して配置された複数のフィンまたは柱状突起部を備えた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形成してセラミックス基板に直接接合させた後、セラミックス基板に直接接合したベース板を鋳型から取り出して、ベース板の表面のダブルジンケート処理を行い、その後、ベース板のフィンまたは柱状突起部を取り囲むように蓋体を取り付けることを特徴とする。
【００１０】
この水冷式放熱器付き金属−セラミックス接合基板の製造方法において、ダブルジンケート処理が、ベース板を亜鉛置換液に浸漬してベース板の表面に亜鉛置換膜を形成した後に、薬液により亜鉛置換膜を溶解除去し、再びベース板の表面に亜鉛置換膜を形成する処理であるのが好ましく、亜鉛置換膜の厚さが１μｍ未満であるのが好ましい。また、亜鉛置換液が、亜鉛化合物を添加した酸性またはアルカリ性の水溶液であるのが好ましい。さらに、ダブルジンケート処理を２回繰り返すのが好ましい。また、蓋体がアルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、蓋体を取り付ける前に、蓋体の表面のダブルジンケート処理を行うのが好ましい。また、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て冷却することによって、ベース板を形成してセラミックス基板に直接接合させる際に、回路用金属板を形成してセラミックス基板のベース板と反対の面に直接接合させるのが好ましい。また、アルミニウム合金がＡｌ−Ｓｉ系合金であるのが好ましい。
【００１１】
また、本発明による水冷式放熱器付き金属−セラミックス接合基板は、互いに所定の間隔で離間して配置された複数のフィンまたは柱状突起部を備えた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がセラミックス基板に直接接合し、このベース板のフィンまたは柱状突起部を取り囲むように蓋体が取り付けられて水冷式放熱器が形成された水冷式放熱器付き金属−セラミックス接合基板において、ベース板の表面に厚さ１μｍ未満の亜鉛置換膜が形成されていることを特徴とする。
【００１２】
この水冷式放熱器付き金属−セラミックス接合基板において、蓋体がアルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、蓋体の表面に厚さ１μｍ未満の亜鉛置換膜が形成されているのが好ましい。また、セラミックス基板のベース板と反対の面に回路用金属板が直接接合しているのが好ましい。また、アルミニウム合金がＡｌ−Ｓｉ系合金であるのが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、局所的に腐食し難い水冷式放熱器付き金属−セラミックス接合基板を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明による水冷式放熱器付き金属−セラミックス接合基板の製造方法の実施の形態によって製造する水冷式放熱器付き金属−セラミックス接合基板の断面図である。
【図２】実施例および比較例の耐食性試験において孔深さの変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明による水冷式放熱器付き金属−セラミックス接合基板の製造方法の実施の形態では、例えば、図１に示すような形状の水冷式放熱器付き金属−セラミックス接合基板を製造することができる。図１に示す水冷式放熱器付き金属−セラミックス接合基板１０は、アルミニウムやアルミニウム合金などの金属材料からなる略矩形の平面形状を有する平板状のベース板１２と、このベース板１２に取り付けられて内部に冷却剤を収容する空間を形成するアルミニウムやアルミニウム合金などの金属材料からなる略矩形の平面形状を有する平板状の蓋体（天板）１４とから構成された水冷式放熱器１６を備えている。ベース板１２の上面は平坦な面になっており、この上面にはセラミックス基板１８が接合され、このセラミックス基板１８の上面には金属回路板を形成するための回路用金属板２０が接合されている。この回路用金属板２０の上面には、半導体チップなどのような発熱体からの熱を放熱する必要がある部品が載置されるようになっている。ベース板１２の裏面の略中央部には、略矩形の凹部が形成されており、この凹部の底面には、互いに所定の間隔で離間して配置された多数のフィンまたは柱状突起部が形成されている。
【００１６】
本発明による水冷式放熱器付き金属−セラミックス接合基板の製造方法の実施の形態では、内部にセラミックス基板１８を配置した（図示しない）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て冷却することによって、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる回路用金属板２０を形成してセラミックス基板１８の一方の面に直接接合させるとともに、互いに所定の間隔で離間して配置された複数のフィンまたは柱状突起部を備えた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１２を形成してセラミックス基板１８の他方の面に直接接合させた後、回路用金属板２０およびベース板１２が直接接合したセラミックス基板１８を鋳型から取り出して、ベース板１２の表面（水冷式放熱器１６の内面に対応する部分）のダブルジンケート処理を行い、その後、ベース板１２のフィンまたは柱状突起部を取り囲むように、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる蓋体１４を取り付ける。
【００１７】
ダブルジンケート処理は、ベース板１２を亜鉛置換液に浸漬して（置換反応により）ベース板１２の表面に亜鉛置換膜を形成した後に、希硝酸などの薬液により亜鉛置換膜を溶解除去し、再びベース板１２の表面に亜鉛置換膜を形成する処理であり、亜鉛置換膜の厚さが１μｍ未満であるのが好ましい。亜鉛置換液としては、亜鉛化合物を添加した酸性またはアルカリ性の水溶液を使用することができる。また、蓋体１４を取り付ける前に、蓋体１４の表面（少なくとも水冷式放熱器１６の内面に対応する部分）のダブルジンケート処理を行うのが好ましい。このダブルジンケート処理は、２回繰り返すのが好ましい。このように、水冷式放熱器１６の内面のダブルジンケート処理を行うことにより、アルミニウムまたはアルミニウム合金の結晶粒界における局所的な溶解による腐食を防止して、孔食による冷却液の漏れを防止することができる。
【００１８】
なお、ベース板１２および回路用金属板２０がアルミニウム合金からなる場合には、セラミックス基板１８との接合を良好にするとともに、アルミニウム合金の溶湯の酸化の影響を抑制するために、アルミニウム合金としてＡｌ−Ｓｉ系合金を使用するのが好ましい。また、アルミニウム合金としてＢやＦｅを添加したＡｌ−Ｓｉ系合金を使用してもよい。
【実施例】
【００１９】
以下、本発明による水冷式放熱器付き金属−セラミックス接合基板およびその製造方法の実施例について詳細に説明する。
【００２０】
［実施例１］
まず、９９．９％のアルミニウムと残部の不可避不純物からなる２０ｍｍ×８０ｍｍ×１．２ｍｍのアルミニウム板を、（硫酸６１質量％と燐酸３８質量％を含む）市販のアルミニウム用の化学研磨液を１０倍に希釈した７０℃の水溶液に３０秒間浸漬して化学研磨処理した後、水洗した。
【００２１】
次いで、化学研磨したアルミニウム板を、２２℃の酸性の（フッ化アンモニウムと５質量％の硫酸亜鉛７水和物を含む）市販の亜鉛置換液に３０秒間浸漬して亜鉛置換を行い、水洗し、４質量％の硝酸水溶液に室温で３０秒間浸漬して酸洗し、水洗し、上記と同じ亜鉛置換液（２２℃）に３０秒間浸漬して２回目の亜鉛置換を行った後、水洗することにより、アルミニウム板のダブルジンケート処理（２回亜鉛置換）を行った。なお、この処理後のアルミニウム板を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察したところ、アルミニウム板の表面に形成された亜鉛置換膜の厚さが１μｍ未満であることが確認された。
【００２２】
このように処理したアルミニウム板を試験片として使用し、ＯＹ水と同様の組成の４Ｌの腐食液を模擬冷却液としてビーカーに入れ、この腐食液に試験片を浸漬して、腐食液を７５℃で８０時間加熱した後に１６時間放冷することを繰り返し、所定時間経過後にアルミニウム板を切断して断面を観察して孔深さを測定する耐食性試験を行った。その結果、３００時間後のアルミニウム板の断面の孔深さは約８５μｍであった。
【００２３】
［実施例２］
実施例１のダブルジンケート処理を２回繰り返した以外は、実施例１と同様の方法により作製した試験片について、実施例１と同様の方法により耐食性試験を行ったところ、３００時間後の孔深さは約７２μｍであった。なお、本実施例で作製した試験片をＳＥＭで観察したところ、アルミニウム板の表面に形成された亜鉛置換膜の厚さが１μｍ未満であることが確認された。
【００２４】
［比較例１］
実施例１の処理を行わなかった以外は、実施例１と同様の試験片について、実施例１と同様の方法により耐食性試験を行ったところ、３００時間後の孔深さは約１０２μｍであった。
【００２５】
［実施例３］
実施例１のアルミニウム板の代わりに、０．４質量％のＳｉと０．０４質量％のＢと０．０１質量％のＦｅを含み、残部がＡｌと不可避不純物からなるＡｌ−Ｓｉ−Ｂ系合金からなるアルミニウム合金板を使用した以外は、実施例１と同様の方法により作製した試験片について、実施例１と同様の方法により耐食性試験を行ったところ、３００時間後の孔深さは約３８μｍ、５００時間後の孔深さは約２２μｍ、１０００時間後の孔深さは約２８μｍであった。なお、本実施例で作製した試験片をＳＥＭで観察したところ、アルミニウム合金板の表面に形成された亜鉛置換膜の厚さが１μｍ未満であることが確認された。
【００２６】
［実施例４］
実施例３のダブルジンケート処理を２回繰り返した以外は、実施例３と同様の方法により作製した試験片について、実施例１と同様の方法により耐食性試験を行ったところ、３００時間後の孔深さは約２２μｍ、約２８μｍ、１０００時間後の孔深さは約３８μｍであった。なお、本実施例で作製した試験片をＳＥＭで観察したところ、アルミニウム合金板の表面に形成された亜鉛置換膜の厚さが１μｍ未満であることが確認された。
【００２７】
［比較例２］
実施例３の処理を行わなかった以外は、実施例３と同様の試験片について、実施例１と同様の方法により耐食性試験を行ったところ、３００時間後の孔深さは約５２μｍ、５００時間後の孔深さは約５６μｍ、１０００時間後の孔深さは約８０μｍであった。
【００２８】
実施例１〜４および比較例１〜２の孔深さの変化を図２に示す。これらの結果から、本発明による水冷式放熱器付き金属−セラミックス接合基板の製造方法によって、水冷式放熱器の内面がダブルジンケート処理した水冷式放熱器付き金属−セラミックス接合基板では、水冷式放熱器の内面が局所的に腐食し難くなるのがわかる。
【符号の説明】
【００２９】
１０  水冷式放熱器付き金属−セラミックス接合基板
１２  （フィンまたは柱状部付き）ベース板
１４  蓋体（天板）
１６  水冷式放熱器
１８  セラミックス基板
２０  回路用金属板
【図１】
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【図２】
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