(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板の一主面上にアルミニウムを主成分とする金属からなる回路を有し回路を設けていない主面にベース板が接して設けられている一体型セラミックス回路基板が、開口部を有する金属製枠の前記開口部に配置され、前記ベース板を前記金属製枠が固定している構造物であって、前記一体型セラミックス回路基板が、多孔質炭化珪素成形体の一主面上にセラミックス基板を配置し、更に多孔質炭化珪素成形体とセラミックス基板との両者を覆うようにアルミニウム箔を配置して積層体となし、前記積層体を加圧容器内に配置し、アルミニウムを主成分とする金属を高圧鋳造して、前記多孔質炭化珪素成形体の空隙に前記アルミニウムを主成分とする金属を含浸すると共に、前記アルミニウム箔からなる金属層を多孔質炭化珪素成形体並びにセラミックス基板と一体化させ、その後前記金属層より回路形成したものであり、且つ、前記ベース板が前記回路より厚い多孔質炭化珪素成形体にアルミニウムを主成分とする金属を含浸してなる複合体であることを特徴とする構造物。
【請求項２】
金属製枠が、鉄、鉄を主成分とする合金、アルミニウム、アルミニウムを主成分とする合金、銅、銅を主成分とする合金の群から選ばれる一種からなり、セラミックス基板が、窒化珪素又は窒化アルミニウムであることを特徴とする請求項１記載の構造物。
【請求項３】
ベース板を金属製枠に固定する方法が、接着、圧入、焼きばめ、又はかしめのいずれかであることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の構造物。
【請求項４】
ベース板のセラミックス基板を設けていない部分の面が回路表面と同一高さであることを特徴とする請求項１、請求項２、又は請求項３記載の構造物。
【請求項５】
請求項１、請求項２、請求項３、又は請求項４記載の構造物の回路上に、複数の半導体デバイスを搭載してなることを特徴とする電力制御部品。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ａｌ（アルミニウム）−ＳｉＣ（炭化珪素）複合体からなるベース材とセラミックス基板とが一体に形成された一体型セラミックス回路基板を、金属製の枠にはめ込んだ構造物に関し、電源用途向けのパワーモジュール等の電力制御部品に好適に用いられる構造物に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、産業機器の分野では、電力制御部品としての大電力モジュールの開発が進んでおり、特にその信頼性向上を目的に、半導体デバイスであるチップを搭載した高熱伝導性セラミックス回路基板を銅ベースに半田付けした構造を有するものを初めとして種々の改良が図られている。
【０００３】
例えば、Ａｌ−ＳｉＣ複合体をベース材とし、Ａｌ回路付き窒化アルミニウム基板（以下、「Ａｌ−ＳｉＣ複合体／Ａｌ回路付き窒化アルミニウム基板」と記す）を半田付けした構造が知られている。
【０００４】
しかし、上記構造のものは、冷熱サイクル３０００回後でも、実用特性を維持しており、従来公知の銅ベース／銅回路付き窒化アルミニウム基板に比べ格段の信頼性を有しているものの、Ａｌ−ＳｉＣ複合体が高価であるためにモジュールコストが高くなること等の問題があり充分に普及するに至っていない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
以上の状況から、コストダウンを目的とする検討が行われているが、その中に、Ａｌ−ＳｉＣ複合体からなるベース板を用いず、機械的強度の高い回路付き窒化珪素基板を、開口部と締め付け用のネジ穴を有する鉄等の金属製枠にはめ込み、放熱フィンにグリースを介して基板を直接押さえつける構造が検討されている。
【０００６】
この場合、コストダウン効果は大きいが、放熱経路にベース板が存在しないため、従来のベース板による熱の分散効果がなく、半導体素子の温度（以下、チップ温度という）を十分に下げることができないのが現状である。
【０００７】
前記窒化珪素基板の銅またはアルミニウムからなる裏金属板を厚くすることで放熱性をある程度向上させることは可能であるが、チップを半田付けするときの熱変化において基板表側の回路金属板との厚み差に起因したベース板の反り変化が起こり、放熱フィンとの密着性が悪くなる他、チップに対して熱膨張率の大きい裏金属板が厚くなると、冷熱サイクルにおいてチップ下の半田層に加わる応力が大きくなり、半田部分にクラック（以下、半田クラックという）が生じやすくなり、耐久性に問題が生じる。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記事情に鑑みて、いろいろ実験的に検討した結果、前記窒化珪素基板の代わりに、表側回路材より厚いＡｌ−ＳｉＣ複合体からなるベース板とセラミックス回路基板とが一体化した一体型セラミックス回路基板を用いて、金属製枠にはめ込むことで、コスト的に安く、熱特性に優れ、熱サイクルを被っても耐性があり、信頼性に優れる電力制御部品を得ることができる、という知見を得て本発明に至ったものである。
【０００９】
即ち、本発明は、セラミックス基板の一主面上にアルミニウムを主成分とする金属からなる回路を有し回路を設けていない主面にベース板が接して設けられている一体型セラミックス回路基板が、開口部を有する金属製枠の前記開口部に配置され、前記ベース板を前記金属製枠が固定している構造物であって、前記一体型セラミックス回路基板が、多孔質炭化珪素成形体の一主面上にセラミックス基板を配置し、更に多孔質炭化珪素成形体とセラミックス基板との両者を覆うようにアルミニウム箔を配置して積層体となし、前記積層体を加圧容器内に配置し、アルミニウムを主成分とする金属を高圧鋳造して、前記多孔質炭化珪素成形体の空隙に前記アルミニウムを主成分とする金属を含浸すると共に、前記アルミニウム箔からなる金属層を多孔質炭化珪素成形体並びにセラミックス基板と一体化させ、その後前記金属層より回路形成したものであり、且つ、前記ベース板が前記回路より厚い多孔質炭化珪素成形体にアルミニウムを主成分とする金属を含浸してなる複合体であることを特徴とする構造物である。
【００１０】
また、本発明は、金属製枠が、鉄、鉄を主成分とする合金、アルミニウム、アルミニウムを主成分とする合金、銅、銅を主成分とする合金の群から選ばれる一種からなり、セラミックス基板が、窒化珪素又は窒化アルミニウムであることを特徴とする前記の構造物であり、好ましくは、前記ベース板を前記金属製枠に固定する方法が、接着、圧入、焼きばめ、又はかしめのいずれかであることを特徴とする前記の構造物である。
【００１１】
また、本発明は、ベース板のセラミックス基板を設けていない部分の面が回路表面と同一高さであることを特徴とする前記の構造物である。
【００１２】
また、本発明は、前記構造物の回路上に、複数の半導体デバイスを搭載してなることを特徴とする電力制御部品である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明に用いられるセラミックス基板は、必要とされる絶縁特性や熱伝導率や機械強度などの特性を満たしていればどの様なものでも構わないが、高熱伝導率を有するセラミクスである窒化アルミニウム、或いは窒化珪素がより好適である。
【００１４】
セラミックス基板の片面に設けられ、発熱性電気部品をその一部に搭載される回路となる金属板としては、良導電性の金属であり安価で熱伝導率が高いアルミニウムが用いられる。また、アルミニウムとしては、電気伝導率が高く、応力発生に対して塑性変形能が高い、高純度のものが好ましい。
【００１５】
本発明に用いられる一体型セラミックス回路基板於いて、前記回路が設けられているセラミックス基板の反対側の面に接して設けられ、グリースを介して放熱フィンに熱を伝えるためのベース板には、前記回路より厚いＡｌ−ＳｉＣ複合体が用いられる。前記ベース板の厚みを前記回路材よりも厚くすることで、半導体素子（以下、チップという）から発生した熱がベース板内部で十分に発散し、チップ温度を十分に下げることが可能となるからである。好ましくはセラミックス基板の下のベース板の厚みは１ｍｍ以上５ｍｍ以下である。
【００１６】
また、ベース板の材質として熱膨張率が前記セラミックス基板の熱膨張率に近いＡｌ−ＳｉＣ複合体を選択することで、チップを半田付けするときの熱変化に伴なうベース板の反り変化が単一金属からなるベース板を用いたときよりも小さくなり、放熱フィンとの密着性が十分保たれる他、Ａｌ−ＳｉＣ複合体はチップに対しても熱膨張率差が小さいため、冷熱サイクルにおけるチップ下の半田層に加わる応力も単一金属からなるベース板を用いたときよりも小さくなり、半田クラックが生じにくく信頼性の高いものとなる。
【００１７】
本発明に用いられる一体型セラミックス回路基板に関して、ベース板のセラミックス基板を設けていない部分の面が回路表面と同一高さであることが好ましい。ベース板のセラミックス基板を設けていない部分の面の高さと、セラミックス基板とベース板との接合界面の高さとが同一であると、冷熱サイクルにおいて、セラミックス基板とベース板との接合界面に発生する応力が接合端部に集中してしまう。このため、特にセラミックス基板として比較的機械的強度の弱い窒化アルミニウムを用いた場合には、発生した応力に耐え切れずに接合端部から内側に向かって基板と平行方向にクラック（水平クラック）が生じる場合があるからである。ベース板のセラミックス基板を設けていない部分の面の高さを回路表面の高さまで合わせ、セラミックス基板の外周をベース板が包み込むような構造にすることで、応力が集中しやすい部分をなくし、冷熱サイクルにおいてもクラックが発生することを防止できる。
【００１８】
本発明によれば、回路表面とベース板のセラミックス基板を設けていない面の高さが同一である一体型セラミックス回路基板が、多孔質炭化珪素成形体（以下、ＳｉＣプリフォームという）の前記主面上にセラミックス基板を配置し、更に多孔質炭化珪素成形体とセラミックス基板との両者を覆うようにアルミニウム箔を配置して積層体となし、前記積層体を加圧容器内に配置し、アルミニウムを主成分とする金属を高圧鋳造して、前記多孔質炭化珪素成形体の空隙に前記アルミニウムを主成分とする金属を含浸すると共に、前記アルミニウム箔からなる金属層を多孔質炭化珪素成形体並びにセラミックス基板と一体化させ、その後前記金属層より回路形成したものであることが好ましい。Ａｌ−ＳｉＣ複合体を製造する際に、前記Ａｌ−ＳｉＣ複合体とセラミックス回路基板とを一体化することが可能であり、セラミックスへの金属接合の工程が削減出来るためである。
【００１９】
上記の一体型セラミックス回路基板を得る方法は、高圧下で行うタイプのものであり、具体的には、溶湯鍛造法とダイキャスト法で複合体を得る製法に関するものであるが、本発明はこれに限定されるものではない。溶湯鍛造にしろ、ダイキャストにしろ、最終形状、或いは、ほぼ最終形状に近い形をした型、或いは、型枠と板で構成された型内（或いは部屋内）に、ある程度の強度を有するＳｉＣプリフォーム、セラミックス基板及びアルミニウム箔を装填し、これにＡｌ或いはＡｌ合金の溶湯（Ａｌ溶湯）を高圧で含浸させて複合体を得る方法である。
【００２０】
以下、溶湯鍛造法により一体型セラミックス回路基板を得る方法について詳述する。先ず、Ａｌ−ＳｉＣ複合体の製造方法を説明すると、ＳｉＣ粉を成形、仮焼してプリフォームを得て、表面が離型処理された仕切板上に置き、次に、内寸が最終形状になるようくり抜かれた枠状の型内にセットする。これを幾段も重ね終端を厚板で挟み、全体をネジで締め付け含浸用ブロックを形成する。この含浸用ブロックを予備加熱した後、含浸金型内に配置、ブロックの温度低下を防ぐため出来るだけ速やかにＡｌ合金溶湯を金型内に注ぎ、パンチで含浸金型内のＡｌ合金溶湯を加圧し、Ａｌ合金を枠状の型内に置いたプリフォーム中に含浸するといった手順で、Ａｌ−ＳｉＣ複合体が形成される。
【００２１】
この工程のなかで、プリフォームを枠状の型内にセットする際に、更に、セラミックス基板と高純度アルミニウム箔（Ａｌ箔）とを挿入すれば、通常のＡｌ−ＳｉＣ複合体を得る操作と全く同じ操作でベース板とセラミックス回路基板とが一体に接合された一体型セラミックス回路基板が得られる。
【００２２】
前記操作において、プリフォームの一主面にセラミックス基板がピッタリと収まる様な、凹み（キャビティー）を設けておけば、正確な位置決めができて、回路化の時に好都合である。さらに、回路用のＡｌ箔は、外寸を型枠の内寸と同じにしておけば、後の取り扱いでズレを生じることがなく、後工程での位置あわせ等が不要となる。
【００２３】
又、Ａｌ箔を位置決め材として、回路用のＡｌ箔と組み合わせて使用できる。例えば、セラミックス基板配置用のキャビティの加工が困難な場合、セラミックス基板収納用のくり抜き穴を有する高純度Ａｌ箔を位置決め治具とし、この上に回路用のＡｌ箔を配置するというやり方がある。この場合、Ａｌ合金溶湯の浸透を容易にするため位置決め用の高純度Ａｌ箔には、予め貫通穴を設けておくことが好ましい。さらに、回路用Ａｌ箔は、型枠内でズレないということと、セラミックス基板を覆うという条件さえ満たせば、不要部分を切り取って使用しても構わない。
【００２４】
回路を形成するＡｌ箔表面の全面あるいは一部に予めバリア層を設けることが好ましい。このバリア層は、Ａｌ合金等の溶融金属を含浸する際に、Ａｌ箔が溶融金属との接触面から溶け出すことを抑制するものである。Ａｌ箔にバリア層を設けない場合、Ａｌ箔が溶融金属との接触面から溶け出して回路の一部が合金化してしまい、応力緩和性に劣る部分が発生してしまう場合があるためである。
【００２５】
前記バリア層としては、前記溶融金属との濡れ性が良く、更に、高温の溶融金属と接触しても容易にバリア層の成分が溶出せず、かつ機械的強度が強く母材である前記Ａｌ箔との密着性も良く、溶融金属が浸透して母材と接触しないような充分なバリア性を有するものであればよい。特に、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、シリカ（ＳｉＯ2）等の酸化物は一般的に高温で比較的安定でＡｌ合金の溶融金属との濡れ性も良く、バリア性も良好で好ましい。これらの酸化物によるバリア層の厚みは０．１μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。０．１μｍより薄いと充分なバリア性が得られず、また、１０μｍより厚いと後述のＡｌ箔から回路化するときの妨げになるためである。これらのバリア層は、例えばアルミナゾルやシリカゾル等を塗布することによってＡｌ箔の全面或いは溶融しやすい部分に設けることが可能である。
【００２６】
前記バリア層は前記Ａｌ箔の表面を化学皮膜処理や陽極酸化法によって酸化させることで設けることも可能である。特に前記Ａｌ箔がアルミニウムを主成分とする金属の場合、陽極酸化法を用いることによって、Ａｌ箔の全面或いは溶融しやすい部分に、バリア性の高いアルミニウムの酸化物を、比較的均一に厚み精度良く形成することが可能であり好ましい。
【００２７】
プリフォーム、セラミックス基板、高純度Ａｌ箔或いは板を、型枠と仕切板で隔離された部屋内に収納したものを積層し、ネジで締め付けて含浸用のブロックとし、前記ブロックを予備加熱炉に入れ予熱する。予備加熱温度としては、５７０℃以上であることが好ましいが、予備加熱後の温度低下が、前記ブロックの表面積、熱容量、含浸する溶融金属との体積比によって異なるため注意を要する。予備加熱温度の上限は純Ａｌの融点以下である。本発明者の実験的検討によれば、含浸する金属がシリコン（Ｓｉ）を１２質量％、マグネシウム（Ｍｇ）を０．７質量％含有するアルミニウム合金（以下、Ａｌ合金という）である場合、６１０〜６５０℃が好ましい範囲である。６１０℃以下では含浸が不良の場合が生じるし、６５０℃以上の場合は純Ａｌ板の溶融の恐れがある。
【００２８】
予備加熱された、含浸用ブロックを、含浸用金型内に設置し、前記Ａｌ合金溶湯を金型内に注ぎ、パンチで加圧して合金溶湯と型枠と仕切板で隔離された部屋内のプリフォームに含浸すると同時にセラミックス基板と高純度Ａｌ板の接合を完了させる。前記材質の組み合わせの場合、供給するＡｌ合金の溶湯は７５０〜９００℃であれば問題ない。前記範囲よりも温度が低いと、含浸不良を生じることがあるし、高いときには、高純度Ａｌ板の融解が生じることがある。
【００２９】
前記Ａｌ合金としては、Ａｌ−Ｓｉ系合金が極めて一般的な材料であり、Ｓｉ量が７質量％程度から２５質量％のものなら問題無く使用できる。更に、前記Ａｌ−Ｓｉ系合金にＭｇを微量添加したものは、より強固なセラミックスとの結合が得られ、さらに好ましいものである。Ｍｇの量は、１質量％以下で充分な効果がある。尚、好ましくない不純物としては、Ｆｅが挙げられ、Ａｌ−ＳｉＣ複合体の著しい強度低下を招く為、１質量％以下に抑える必要がある。
【００３０】
含浸操作終了後は、冷却後、外周のＡｌ合金を切除し、内容物を分解し、表面についた離型材をバフ研磨、サンドブラスト等で除去することで、Ａｌ−ＳｉＣ複合体の一主面上にセラミックス基板が搭載されており、しかも両者の表面に回路用Ａｌ箔が接合されている基板が得られる。前記基板は、前記回路用Ａｌ箔よりエッチング等により回路を形成させ、加工やメッキ処理を施して、一体型セラミックス回路基板を容易に提供することができる。
【００３１】
以上の一体型セラミックス回路基板を得る方法により、その回路の表面とベース板のセラミックス基板を設けていない面とは同一平面上に形成されることとなる。
【００３２】
次に、回路形成する方法について詳述する。
通常、アルミニウム等の金属層のエッチングには、所望のパターンのエッチングレジストを印刷し、塩化第２鉄溶液等のエッチング液で不要部分を溶解させることで行われる。しかし、前記バリア層が酸化物からなる場合、通常のエッチング液では、酸化物がエッチングしきれずに残留することがある。前記バリア層が酸化物からなる場合、含浸後の回路面上にある酸化物はバフ研磨等の機械的研磨手法により除去しておくことが好ましい。本発明によれば、エッチング過程において、ハロゲン化水素、ハロゲン化アンモニウム、過酸化水素のうち１種以上を含む溶液により、酸化物を溶解させる工程が含まれていることが好ましい。特にハロゲンとしてはフッ素が好ましい。ハロゲン化アンモニウムとしては、安全性の点からＮＨ4Ｆが最適である。即ち、塩化第２鉄溶液等でエッチング後、上記方法による酸化物の除去を行った後、再度塩化第２鉄溶液等でＡｌ箔とセラミックス基板の間に入り込んだＡｌ合金等をエッチングする。あるいは、これらの成分を含む溶液により一連の処理を同時に行っても同様の効果が得られる。
【００３３】
本発明に用いる金属製枠は、鉄、鉄を主成分とする合金、アルミニウム、アルミニウムを主成分とする合金、銅、銅を主成分とする合金の群から選ばれる一種からなることが好ましい。できるだけ高い剛性を持った枠材を用いるのが好ましいので、純金属より合金が望ましく、また、加工硬化が施された枠材が望ましい。コスト面と剛性の面から鉄を枠材に用いるとよい。また、枠材は必要に応じてメッキ処理をしても良い。鉄を用いる場合は、防食のためにクロメート処理を行うとよい。
【００３４】
ベース板を金属製枠に固定する方法は、どの様な方法でも用いることができるが、接着、圧入、焼きばめ、又はかしめのいずれかであることが好ましい。接着剤を用いて固定（接着）する場合、金属製枠を放熱フィンにねじ締めしたときに、ベース板と放熱フィンとの十分な密着性が保てるよう、図１に示すようなベース板を押さえ込むための段差を金属製枠に設けることが好ましい。このような段差は、開口部の大きさの異なる２つの金属製枠を張り合わせることによって形成させても構わない。
【００３５】
圧入とは、ベース板とほぼ同寸法の開口部を枠材に設け、その開口部にベース板をプレス機などを用いて、押し込む方法である。この時、開口部寸法をベース板より５〜４０μｍ小さくすると、ベース板と金属製枠の密着性がよくなり、熱を放散するのに都合がよいし、信頼性も高くなる。
【００３６】
焼きばめとは、ベース板寸法より若干小さな開口部を設けた金属製枠を加熱して膨張させ、開口部を大きくしたところに、ベース板を収納し、冷却することで、金属製枠とベース板を固定し一体化する方法である。また、かしめとは、枠材またはベース板の一部を機械的に変形させて突起を作り、それで金属製枠とベース板を固着させる方法である。
【００３７】
かしめて一体化する場合、Ａｌ−ＳｉＣ複合体からなるベース板を変形させることは非常に困難であるため、ベース板のかしめる部分はＳｉＣを含まないアルミニウムまたはアルミニウム合金のみで構成されることが好ましい。このような構成は、アルミニウムを含浸する前のＳｉＣプリフォームの形状を工夫することで容易に作製できる。枠材の熱膨張率がベース板に比べて大きいと、通常の外周かしめでは、加熱に伴って枠とベース板の結合力が小さくなり、問題がある。この場合は、ベース板の一ヶ所若しくは複数個の穴を開け、そこに枠材に形成したボスを挿入し、そのボスを上下からプレス機で押しつぶしてかしめるとよい。このポイント式のかしめ方法は、枠材とベース板の熱膨張率に差がある場合に適している。枠材とベース板の熱膨張率差による新たな応力発生を避けるには、開口部内周とベース板外周の間に、加熱冷却時の寸法変化を吸収する隙間を開ける必要がある。また、かしめる点数が少ない方が、余計な応力が発生しないので、構造物の信頼性を増すことができる。
【００３８】
上述してきた構造物は、回路上に複数の電力を制御する半導体素子（半導体デバイスともいう）を搭載した電力制御部品として用いられる。本発明の電力制御部品は、金属製枠に一体型セラミックス回路基板を固定した後、回路上に半導体デバイスを搭載して作製しても良いが、好ましくは、一体型セラミックス回路基板に半導体デバイスを搭載してから金属製枠に固定する方法によるのが良い。半導体デバイスを回路上に半田付けする場合に、金属製枠が一体型セラミックス回路基板に固定された状態でリフロー装置に投入するのはサイズ的に効率的でなく、また、金属製枠の熱容量が大きいとリフロー温度制御も難しくなる為である。
【００３９】
また、半導体デバイスを搭載してから金属製枠に固定することで、枠材が高温にさらされる機会が減るので、枠材が高い剛性を保つことができ、金属製枠を放熱フィンにねじ締めしたときに、ベース板と放熱フィンとの十分な密着性が得られる。
【００４０】
【実施例】
以下、実施例並びに比較例を挙げて、本発明を一層詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００４１】
〔実施例１〕炭化珪素粉末Ａ（太平洋ランダム社製：ＮＧ−２２０、平均粒径：６０μｍ）７０ｇ、炭化珪素粉末Ｂ（屋久島電工社製：ＧＣ−１０００Ｆ、平均粒径：１０μｍ）３０ｇ、及びシリカゾル（日産化学社製：スノーテックス）１０ｇを秤取し、攪拌混合機で３０分間混合した後、中央部の片面に４５ｍｍ×３０ｍｍ×０．６ｍｍのキャビティを有する５５ｍｍ×４０ｍｍ×３．０ｍｍの寸法の平板状に成形した。このとき成形時の圧力は１０ＭＰａとした。
【００４２】
得られた成形体を、大気中、温度９５０℃で２時間焼成して、相対密度（嵩密度）が６５体積％の多孔質炭化珪素成形体を得た。
【００４３】
次に、得られた多孔質炭化珪素成形体を、離型材を塗布した０．７ｍｍ厚の仕切板上に置かれた、これも離型材を塗布した型枠（材質：炭素鋼）内に配置し、前記多孔質炭化珪素成形体キャビティ内に４５×３０×０．６ｍｍの１７０Ｗ／ｍＫの特性を有する窒化アルミニウム基板を挿入した後、前記多孔質炭化珪素成形体の外寸に略等しい０．４ｍｍ厚の純アルミニウム箔をこの上に置いた。純アルミニウム箔には予め陽極酸化法による酸化膜を１μｍ全面に設けた。この状態で内容物の高さと型枠高さが略等しくなる。これに離型材を塗布した仕切板（前述の仕切板と同様のものでサイズは型枠外寸と同じ）を重ねたものを１つの層として幾層も重ね、両端に１２ｍｍ厚の鉄板を配した後、１０ｍｍφのボルト、ナットで固定して、一つのブロックを形成した。
【００４４】
次に、前記ブロックを電気炉で、温度６５０℃に予備加熱し、予め加熱しておいた内寸２５０ｍｍφ×３００ｍｍの空隙を有するプレス型内に載置した後、温度８５０℃に加熱してある、アルミニウム合金（１２質量％Ｓｉ−０．７質量％含有アルミニウム合金）の溶湯を流し込み、１００ＭＰａの圧力で１０分間プレスして、前記多孔質炭化珪素成形体にアルミニウム合金を含浸させた。得られた複合体を含む合金塊は、室温まで冷却したのち、湿式バンドソーにて切断して型枠を取り出し、更に型枠内から一体型セラミックス基板を離型した。
【００４５】
前記一体型セラミックス基板の表面についた離型材及び酸化膜を除去するため、＃２２０のバフロールを備えたバフ研磨機に通した。研磨後、純アルミニウム箔表面に所望のパターンのエッチングレジストを印刷し、裏面及び側面はベタ塗りとし、塩化第２鉄溶液で不要部分の純アルミニウムを溶解した。そして、ＮＨ4ＦとＨ2Ｏ2からなる溶液（Ｈ2Ｏ2：８質量％、ＮＨ4Ｆ：１０質量％）でエッチングしきれなかった酸化物を除去後、再度塩化第２鉄溶液で残留するアルミニウムを溶解した。さらに、含浸用のＡｌ合金導入口を切断し、放熱フィン取り付け用の穴加工を施した後、メッキ処理を行い、一体型セラミックス回路基板を得た。尚、前記メッキは、無電解Ｎｉ−Ｐ；５μｍ、無電解Ｎｉ−Ｂ；２μｍの２層とした。
【００４６】
前記一体型セラミックス回路基板の所定の位置に１３ｍｍ角のシリコン半導体素子（以下、シリコン素子という）を半田付けした。
【００４７】
枠材として、外形１１５×８０ｍｍ×５ｍｍ厚で外周部に４つのねじ穴を設けた鉄板を用意し、中央付近に５６ｍｍ×４１ｍｍ×３．４ｍｍのキャビティーと４５ｍｍ×３０ｍｍの開口部を有する段差付きの枠を作製した。この枠のキャビティーに前記一体型セラミックス基板をはめ込み、全周を接着剤で固定することで構造物を得た（図１参照）。
【００４８】
構造物の放熱性の評価のために、前記構造物の底面にアルミニウム製放熱ユニットをシリコーングリースを介して、四つのネジで締め付けモジュールとした。このネジで締め付けた状態のモジュールの冷熱サイクル試験を行ない、試験前後の熱抵抗（シリコン素子温度）の変化を調べた。尚、冷熱サイクル試験の条件は、−４０℃；３０分、室温；１０分、１２５℃；３０分、室温；１０分を１サイクルとし、３０００サイクル実施した。熱抵抗は、放熱ユニットを６５℃に水冷し、シリコン素子の厚さ方向に実使用下の消費電力に匹敵する４３５Ｗの定電流を流しながら、シリコン素子の温度を測定することにより求めた。表１に、冷熱サイクル試験前後のシリコン素子温度を示した。
【００４９】
【表１】
0003871599.tif 000002
【００５０】
〔実施例２〕枠材として、厚さ４ｍｍの鉄板を用意し、実施例１と同様に作製した一体型セラミックス基板の外形寸法より２０μｍ小さい穴を中央付近に設け、外周部に４つのねじ穴を設けた、外形１１５×８０ｍｍの板を作製した。この枠に前記一体型セラミックス基板をプレス機で押し込み、構造物を得た。実施例１と同様に評価し、その結果を表１に示した。
【００５１】
〔実施例３〕実施例２と同様に作製した枠材を３００℃に加熱して膨張させ、その中央の穴に実施例１と同様に作製した一体型セラミックス基板を素早く押し込んだ後冷却し、構造物を作製した。実施例１と同様に評価し、その結果を表１に示した。
【００５２】
〔実施例４〕実施例１に示した一体型セラミックス基板の作製において、ＳｉＣプリフォームにかしめ用の直径４ｍｍの穴をあけ、アルミニウム含浸後、同位置に直径３ｍｍの穴をあけたものを作製した。また、実施例１の形状の鉄枠において、前記一体型セラミックス基板と鉄枠を組み立てたときに前記かしめ用穴にはまるようなボスを設けたものを作製し、これらを組み合わせた後、プレス機と金型を用いてボスを上下からたたいてつぶし、かしめて構造物を作製した（図２参照）。実施例１と同様に評価し、その結果を表１に示した。
【００５３】
〔比較例〕熱伝導率が６５Ｗ／ｍＫの窒化ケイ素基板（寸法４５×３０×０．６３５ｍｍ）の表裏両面に、寸法が４５×３０×０．４ｍｍ、純度が９９．９９％の銅板を接合後、銅板表面の所望部分にエッチングレジストをスクリーン印刷して、エッチング処理することによりパターンを形成したセラミックス回路基板を作製した。また実施例１の鉄枠と同構造でキャビティーの深さが１．４ｍｍのものを作製し、枠のキャビティーに前記セラミックス回路基板をはめ込み、全周を接着剤で固定したものを得た（図３参照）。実施例１と同様に評価し、その結果を表１に示した。
【００５４】
表１より、各実施例のシリコン素子温度は、冷熱サイクル試験後においても素子の健全性が保たれる１４０℃以下であるのに対し、比較例のシリコン素子温度は冷熱サイクル前から各実施例より高く、冷熱サイクル後、１４０℃以上に上昇してしまうことがわかる。
【００５５】
【発明の効果】
本発明の構造物は、高い信頼性と高い熱放散性を有する特徴があり、これを用いて得られるモジュールは、長期間の冷熱サイクルを経た後にも、高い放熱性を維持する特徴があるので高信頼性と高い放熱性能の両方が求められる電力制御用のパワーモジュール、ことに自動車や電車等の移動用機器の電力制御用のパワーモジュールとして好適に用いることができ、産業上有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の構造物の一例を示す断面図。
【図２】本発明の実施例４に係る構造物を示す断面図。
【図３】比較例に係る構造物を示す断面図。
【符号の説明】
１  回路
２  セラミックス基板
３  ベース板（Ａｌ−ＳｉＣ）
４  金属製枠
５  接着剤
６  半導体デバイス
７  ボス
８  裏回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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