(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板の少なくとも一主面にアルミニウム材からなる電気導通及び電子部品搭載のためのエッチング処理して形成した所定の回路からなる金属板を形成した金属−セラミックス複合基板において、上記金属板の表面にショットピーニング層を形成したことを特徴とする金属−セラミックス複合基板。
【請求項２】
セラミックス基板の少なくとも一主面に溶湯アルミニウム材をセラミックス基板に接触させ凝固させることによって、セラミックス基板にアルミニウム板を接合せしめる第１工程、
次いで得られた接合体の該アルミニウム板の表面にショットピーニング処理を施す第２工程、
次いで得られたアルミニウム板をエッチング処理することにより所定の回路を形成する第３工程、
とから成ることを特徴とする金属−セラミックス複合基板の製造法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワーモジュール等の大電力電子部品の実装に好適な金属−セラミックス複合基板及びその製造法に関し、更に詳しくは特に優れたヒートサイクル耐量が要求される自動車又は電車用電子部品の実装に好適な複合基板及びその製造法を提供することを目的とする。
【０００２】
【従来の技術】
従来、パワーモジュールのような大電力電子部品の実装に使用する基板として、セラミックス基板の表面に銅板を接合して作成された銅張りセラミックス複合基板が使用されている。この複合基板は更に、使用するセラミックス基板の種類やその製造法によって、銅／アルミナ直接接合基板、銅／窒化アルミニウムろう接基板等に分けられている。
【０００３】
銅／アルミナ直接接合基板は、特開昭５２−３７９１４号公報に開示されるように、酸素を含有する銅板を使用するか、無酸素銅板を使用して酸化性雰囲気中で加熱することによって無酸素銅板の表面に酸化銅を発生させてから、銅板とアルミナ基板を重ねて不活性雰囲気中で加熱し、銅板とアルミナ基板との界面に銅とアルミニウムとの複合酸化物を生成させ銅板とアルミナ基板とを接合するものである。
【０００４】
一方、銅／窒化アルミニウム直接接合基板の場合には、予め窒化アルミニウム基板の表面に酸化物を形成する必要がある。例えば特開平３−９３６８７号公報に開示するように、予め空気中において、約１０００℃の温度で窒化アルミニウム基板を処理し、表面に酸化物を生成させてから、この酸化物層を介して上述の方法により銅板と窒化アルミニウム基板とを接合している。
【０００５】
また銅／アルミナろう接基板及び銅／窒化アルミニウムろう接基板は、銅板とセラミックス基板との間に低触点のろう材を用いて接合するが、この場合、使用するろう材に銅の他、融点を下げる為の合金元素及びセラミックスとの濡れを良くする為の合金元素が添加され、一例としてＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系のような活性金属ろう材はよく使用されている。
【０００６】
上述のように銅／セラミックス複合基板は広く使用されるにもかかわらず、製造中及び実用上幾つかの問題点がある。その中で最も重大な問題点は、電子部品の実装及び使用中にセラミックス基板の内部にクラックが形成し、基板の表裏間が電気的に導通することによる故障である。
【０００７】
これは銅の熱膨張係数がセラミックスの係数より約一桁大きいことに起因するが、接合の場合、セラミックス基板と銅が１０００℃近くまで加熱され、接合温度から室温に冷却する時に、熱膨張係数の違いにより複合基板の内部に多大の熱応力が発生する。
【０００８】
また、パワーモジュール等の電子部品を実装するときに、銅・セラミックス複合基板は４００℃近くまで加熱されるため、さらに使用環境や使用中の発熱により、同複合基板の温度が常に変化し、同複合基板に変動熱応力がかけられる。これらの熱応力によってセラミックス基板にクラックが発生する。
【０００９】
近年、電気自動車の開発により、ヒートサイクル耐量の優れた複合基板への要望が特に高まっており、例えば電気自動車の様に温度変化が激しく、振動が大きい使用条件の場合、複合基板のヒートサイクル耐量が５００回以上必要であると言われているが現在使用されている銅・セラミックス複合基板では、このような要望に対応できない。
【００１０】
銅と同じような優れた電気と熱伝導性を有するアルミニウムを導電回路材料として使う構想は以前からあり、例えば特開昭５９−１２１８９０号公報にこのような構想が記述されている。アルミニウムとセラミックスとの接合は一般的にろう接法が使用され、特開平３−１２５４６３号公報、特開平４−１２５５４号公報及び特開平４−１８７４６号公報にろう接法で作成したアルミニウム−セラミックス基板を開示しているが、これによると、上述のような高いヒートサイクル耐量が要求される用途には、依然として充分対応できないものであった。
【００１１】
しかも、この方法の場合、接合は真空中で行わなければならないし、また非酸化物セラミックスの場合、あらかじめ予備処理を施し、セラミックスの表面に酸化物を形成しなければならなく、製造コストおよび熱伝導性の面においても満足できないところがあった。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
アルミニウム−セラミックス基板が優れたヒートサイクル耐量を持つ一方、ヒートサイクルの後のＡｌの表面にしわ（以下、凹凸という）が発生し、その上に搭載する電子部品に悪影響を及ぼす恐れがあるという問題があった。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上述の問題点を解決するために、本発明者らはアルミニウム−セラミックス直接接合法で作成したＡｌ−セラミックス基板の上の電子部品搭載部分をショットピーニング法により硬化させたところ、優れたヒートサイクル耐量を有することが確認され、上述の問題点が解決でき、本発明を提出することができた。
【００１４】
すなわち本発明の第１は、セラミックス基板の少なくとも一主面にアルミニウム材からなる電気導通及び電子部品搭載のためのエッチング処理して形成した所定の回路からなる金属板を形成した金属−セラミックス複合基板において、上記金属板の表面にショットピーニング層を形成したことを特徴とする金属−セラミックス複合基板に関する。
【００１５】
本発明の第２は、セラミックス基板の少なくとも一主面に溶湯アルミニウム材をセラミックス基板に接触させ凝固させることによって、セラミックス基板にアルミニウム板を接合せしめる第１工程、次いで得られた接合体の該アルミニウム板の表面にショットピーニング処理を施す第２工程、次いで得られたアルミニウム板をエッチング処理することにより所定の回路を形成する第３工程、とから成ることを特徴とする金属−セラミックス複合基板の製造法に関する。
【００１６】
本発明において使用する基板としては、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素、ジルコニア等のセラミックス基板やガラス等であり、この場合、高純度の素材であればなおさらに好ましい。
【００１７】
また、本発明でベースとして用いる金属はアルミニウム又はアルミニウム合金であるが、これにより導電性が向上し、且つ、軟らかさを得るものである。この場合、純度が高い程導電性が向上するが、逆に価格が高くなるため、本発明では９９．９％（３Ｎ）の純アルミニウムを使用した。
【００１８】
この金属とセラミックス基板との接合は溶湯接合法で行ない、これにより高い接合強度と未接欠陥の少ない複合基板が得られる。また、接合雰囲気として窒素雰囲気下で行なうことができるため、従来法のように真空下で行なう必要がなく製造コストが安くなり、更に、窒化アルミニウム基板や炭化ケイ素基板にも、表面改質することなく直接に接合することができる（第１工程）。
【００１９】
セラミックス基板の厚さとアルミニウム金属の厚さとの関係においては、従来の銅張りのセラミックス複合基板に比べ、金属の厚さを更に厚くする一方、セラミックス基板の厚さを逆に薄くすることができるため、金属／セラミックスの厚さの比は従来品より更に大きくすることができる。この結果、本発明複合基板の放熱性及び流れる電流の量は増大することが容易に考えられる。
【００２０】
上記溶湯接合法で得られた金属−セラミックス複合基板の一主面にショットピーニング法でガラスビーズ粉を吹き付けて上記一主面を硬化するが、この場合、吹き付ける粉末としてはガラスビーズ粉の他、銅粉や鋳物粉を用いても良い。
【００２１】
上記粉末を吹き付ける圧力としては、時間との関係にもよるが少なくとも２ｋｇ／ｃｍ2 であれば、目的とする硬化が得られることが確認できた（第２工程）。
【００２２】
次いで第２工程で得られた複合基板の金属部分をエッチング処理することにより所定回路を形成するが、この場合、金属部分の上に所定回路状にエッチングレジストを塗布した後、塩酸第１鉄溶液でエッチング処理して目的とする電子回路を得る（第３工程）。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明複合基板（以下、金属−セラミックス直接接合基板とする）について詳細に説明する。
【００２４】
（実施例１）
【００２５】
図３は本発明のアルミニウム−セラミックス直接接合基板を製造するための設備の原理図である。純度９９．９％のアルミニウム２をルツボ６にセットしてから蓋９をしめて、ケース８の内部に窒素ガスを充填する。ルツボ６をヒーター７で７５０℃で加熱し、アルミニウムを溶化してから、ルツボ６内に設けたガイド一体型ダイス１０の左側入口からセラミックス基板１として３６ｍｍ×５２ｍｍ×０．６３５ｍｍのアルミナ基板を順番に挿入した。ルツボ６内に入った該アルミナ基板にアルミニウム溶湯を接触させ、次いで出口側において凝固させることによって、厚さ０．５ｍｍのアルミニウム板が両面に接合されたアルミニウム−セラミックス直接接合基板を得た。
【００２６】
次いで、図４に示すようにアルミニウム−セラミックス直接接合基板をセラミックス基板受け台１２上に設置し直径０．２ｍｍのガラスビーズ粉１３を用い、スプレーガン１１によって表１に示す圧力と時間条件における吹き付けを行って、金属表面を硬化させた。バフ研磨を行って金属面を平らな面とした。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
次いで、該複合基板上のアルミニウム部にエッチングレジストを加熱圧着し、遮光、現像処理を行なって所望のパターンを形成した後、塩化第２鉄溶液にてエッチングを行なって回路５を形成した。更に回路表面をＺｎ置換して無電解ニッケル−リンメッキ槽内にて１５分間浸漬して厚さ３μｍのリン１２％含有するＮｉ層を積層した金属−セラミックス直接接合基板を得た。
【００２９】
該接合基板のヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル１０００回でもクラックの発生は見られなかった上、回路面にしわは見られなかった。
【００３０】
表１の結果から、ショットピーニングにより金属面を硬化させるには圧力２〜５ｋｇ／ｃｍ2 の範囲で吹き付けを行えば良いが、吹き付け時間を変えることによって適正な硬度を得ることができることが判明した。
【００３１】
（実施例２）
【００３２】
セラミックス基板としてアルミナに代えて窒化アルミニウム板（３６ｍｍ×５２ｍｍ×０．６３５ｍｍ）を用いた他は、実施例１と同様の手段でアルミニウム−窒化アルミニウム直接接合基板を得た。
【００３３】
次いで図１に示すように電子部品搭載部３より各１ｍｍ幅づつ小さく無電解法によって厚さ３μｍのニッケル材４を積層して接合した金属−セラミックス直接接合基板を得、ヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル３０００回でもクラックの発生は見られなかった上、回路面にしわは見られなかった。
【００３４】
（比較例１）
【００３５】
比較のため実施例１に示すアルミナ基板を用いて、厚さ０．３ｍｍの銅板を１０６３℃で直接接合して得た複合基板にエッチング処理を施して図１に示すと同一の電子回路を形成した銅−セラミックス基板を得、実施例同様ヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル数十回でクラックが発生した。
【００３６】
（比較例２）
【００３７】
比較のため実施例２に示す窒化アルミニウム基板を用いて、厚さ０．３ｍｍの銅板をＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系活性金属ろう材を介して７８０℃で加熱接合して得た接合基板にエッチング処理を施して図１に示すと同一の電子回路を形成した銅−セラミックス基板を得、実施例２と同様ヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル数十回でクラックが発生した。
【００３８】
【発明の効果】
上述のように本発明方法及び装置によって得た金属／セラミックス直接接合基板は、従来の複合基板では得られなかったヒートサイクル耐量に富み、電気自動車向けのように大電力パワーモジュール基板として特に好ましいものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る金属／セラミックス直接接合基板の模式平面図である。
【図２】図１の金属／セラミックス直接接合基板の側面図である。
【図３】本発明複合基板の原理図である。
【図４】本発明におけるショットピーニングの説明図である。
【符号の説明】
１  セラミックス基板
２  アルミニウム
３  電子部品搭載部
４  ニッケル材
５  回路
６  ルツボ
７  ヒーター
８  ケース
９  蓋
１０  ガイド一体型ダイス
１１  スプレーガン
１２  セラミックス基板受け台
１３  ガラスビーズ粉
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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