セラミックス回路基板及びその製造方法


【課題】 放熱性に優れ、ヒートサイクルに対する信頼性も高く、製造も容易なセラミックス回路基板及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 セラミックス基板と、該セラミックス基板の一方の面に接合された回路用金属板と、該セラミックス基板の他方の面にアルミニウム合金をマトリックスとし、２０〜５０体積％のフィラーを含有する複合材の溶融物を接触させ冷却固化させて接合されたベース板とからなることを特徴とするセラミックス回路基板。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートサイクル耐性及び放熱性に優れ、製造も容易なセラミックス回路基板及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、大電流を制御するためのＩＧＢＴモジュールなどのパワーモジュールの発展が著しいが、今後さらに、ハイブリットカー、電気自動車、工作機械などの普及によりパワーモジュールの需要の拡大が予測されている。従来、このパワーモジュールの絶縁基板として、セラミックス基板の一方に回路用金属板が接合され、他方の面に放熱のための平板状の金属ベース板がはんだで接合されたセラミックス回路基板が一般に広く使用されている。
【０００３】
しかしながら、セラミックス基板とベース板との熱膨張差に基因しヒートサイクルによって、セラミックス基板とベース板を接合する、はんだ部に亀裂が入るなどの不具合が発生する現象がある。さらに、近年の環境保護問題により、従来の鉛はんだから無鉛はんだへの置換が要望されているが、迅性に劣る無鉛はんだはヒートサイクル耐性がさらに劣ることが指摘されている。一方で、パワーモジュールが車載に搭載されるようになり、このヒートサイクル耐性はパワーモジュールの信頼性を確保する上で大きな問題となっている。
【０００４】
かかる問題を解決する手段として、パワーモジュールの金属ベース材として、セラミックス基板と熱膨張係数が近くて、かつ放熱のための熱伝導率が大きいモリブデン−銅合金や、炭化ケイ素フィラーを５０体積％以上含有する炭化ケイ素−アルミニウム合金複合材の使用が提案されている。しかし、これらの素材は高価であるという問題がある。
【０００５】
また、セラミックス基板の一方の面に溶融した金属アルミニウムを接触させることにより、セラミックス基板を金属アルミニウムベースに埋め込んだセラミックス回路基板の提案がなされている（特許文献１、特許文献２など参照）。この回路基板は、はんだを介さずにセラミックス基板と金属アルミニウムベースが接合されているために、従来問題であったはんだ部の亀裂発生などの信頼性に関する問題を大きく解決し、さらに、熱伝導率が小さいはんだ部を不要にするために、放熱性の改善及び環境問題の解決などの点で評価されている。
【０００６】
しかし、上記のセラミックス回路基板では、パワーモジュールのベース金属として、銅やモリブデン−銅合金あるいはアルミ複合材に比較して熱膨張係数が大きなアルミニウム金属が使用されるために、ヒートサイクルによって、ベースに埋め込まれたセラミックス基板に対して多大の熱応力が負荷されるために信頼性においてなお不充分である。
【０００７】
また、上記セラミックス回路基板は、セラミックス基板を配置した鋳型に溶融した金属アルミニウムを鋳造することにより製造されているが、セラミックス回路基板のベース板金属に有用である、熱伝導率が良好な純アルミニウムや展伸材アルミニウム合金はその溶湯の粘性などために鋳造し難い材料であり、その鋳造は容易ではない。一方、鋳造用やダイカスト用アルミ合金では鋳造は容易であるものの熱伝導率は小さく、セラミックス回路基板のベース板金属としては適切でない。
【０００８】
かくして、従来のセラミックス回路基板は、ヒートサイクルに対する信頼性が必ずしも充分でなく、また、放熱性、製造の容易さ、及び製造コストなどのいずれも満足するものではなかった。
【特許文献１】特開２００２−７６５５１号公報
【特許文献２】特開２００５−１２９５７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、従来における上記問題に鑑み、ヒートサイクルに対する信頼性や放熱性が改善され、かつ製造が容易でコスト的に充分に満足する、新規なセラミックス回路基板及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】
【００１０】
本発明者は上記課題を解決すべく鋭意研究を進めたところ、セラミックス基板に接合される金属ベース板として、特定量のフィラーを含有する、特定の成分を含有するアルミニウム合金をマトリックスする複合材を使用することにより、はんだなどを必要とせず、セラミックス基板との密着性に優れ、放熱性に優れ、ヒートサイクルに対する信頼性、また、製造の容易さ及び製造コストなどのいずれの点でも満足するセラミックス回路基板が得られることを見出し、本発明に達成した。
【００１１】
かくして、本発明は下記の要旨を有する新規なセラミックス回路基板及びその製造方法に係るものである。
（１）セラミックス基板と、該セラミックス基板の一方の面に接合された回路用金属板と、該セラミックス基板の他方の面にアルミニウム合金をマトリックスとし、２０〜５０体積％のフィラーを含有する複合材の溶融物を接触させ冷却固化させて接合されたベース板とからなることを特徴とするセラミックス回路基板。
（２）アルミニウム合金が、シリコン成分を６〜１９質量％を含有するアルミニウム−シリコン合金である上記（１）に記載のセラミックス回路基板。
（３）セラミックス基板が、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、又は窒化ケイ素からなる上記（１）又は（２）に記載のセラミックス回路基板。
（４）セラミックス基板が、四隅に半径１ｍｍ以上の面取りを有する矩形状体である上記（１）〜（３）のいずれかに記載のセラミックス回路基板。
（５）フィラーが炭化ケイ素、窒化アルミニウム又は炭素である上記（１）〜（４）のいずれかに記載のセラミックス回路基板。
（６）一方の面に回路用金属が接合されたセラミックス基板を鋳型内に配置し、上記鋳型内にアルミニウム合金をマトリックスとし、２０〜５０体積％のフィラーを含有する複合材の溶融物を注入して冷却固化させて上記セラミックス基板の他方の面に上記溶融物からなる金属ベース板を接合することを特徴とするセラミックス回路基板の製造方法。
（７）上記複合材の溶融物が接触するセラミックス基板の表面を予め５μｍ〜１００μｍの厚みでメタライズ処理する上記（６）に記載のセラミックス回路基板の製造方法。
（８）メタライズ処理する金属が錫又は亜鉛である上記（６）又は（７）に記載のセラミックス回路基板の製造方法。
（９）上記複合材の溶融物を接触させる前に、セラミックス基板のメタライズ処理面を半溶融状態に予熱する上記（７）又は（８）に記載のセラミックス回路基板の製造方法。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、はんだなどを必要とせずに、セラミックス基板との密着性に優れ、また、高い放熱性、ヒートサイクルに対する信頼性、製造の容易さ及び製造コストなどのいずれの点でも満足する新規なセラミックス回路基板及びその製造方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明によるセラミックス基板は、その一方の面に回路用金属板が接合され、かつ他方の面に、アルミニウム合金をマトリックスとしフィラーを２０〜５０体積％含有する複合材からなる金属ベース板が接合される。
【００１４】
セラミックス基板は、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化ケイ素などの材質からなり、厚みが好ましくは０．０３〜１．５ｍｍのものが使用できる。なかでも、パワー半導体の熱膨張差が小さく、かつ半導体で発生する熱を効率良く放熱する点で窒化アルミニウムが好ましい。セラミックス基板の平面形状は矩形や円形でよいが、矩形である場会は、その四隅に半径が、好ましくは１ｍｍ以上、特に好ましくは３〜５ｍｍの面取りを形成するのがヒートサイクルによる熱応力を最小限にするために好適である。
【００１５】
セラミックス基板の一方の面に接合される回路用金属板は、通常は、銅、アルミニウム又はそれらの合金板からなり、厚みが好ましくは０．１〜２ｍｍのものが使用される。回路用金属板をセラミックス基板の一方の面に接合する手段は制限されないが、通常、ロー材などの接合材を使用して行われる。
【００１６】
セラミックス基板の一方の面に接合されるベース板は、本発明では、アルミニウム合金をマトリックスとし、フィラーを５〜５０体積％含有する複合材からなり、厚みが好ましくは３〜５ｍｍのものが使用される。かかる複合材は、熱熱膨張係数が好ましくは４〜１８ｐｐｍ／Ｋ、特に好ましくは４〜１２ｐｐｍ／Ｋであり、また、熱伝導率が好ましくは１００W／mＫ以上、特に好ましくは１６０W／mＫ以上を有する場合、セラミックス基板との熱膨張差が小さくかつ良好な放熱性が得られる。
【００１７】
複合材のマトリックスであるアルミニウム合金としては、シリコン、マグネシウムなどの成分を好ましくはシリコンが６〜１９質量％、特には８〜１７質量％を含有するアルミニウム合金が使用される。なかでも、アルミニウム−シリコン合金が好ましい。アルミニウム−シリコン合金の好ましい例としては、例えば、アルミニウム合金鋳物のＡＣ４Ｃ,アルミニウム合金ダイカストＡＤＣ１２(ＪＩＳ呼称)などが挙げられる。
【００１８】
複合材に含有されるフィラーとしては、炭化ケイ素、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム又は炭素などが使用され、フィラーは、複合材中に５〜５０体積％、好ましくは２０〜５０体積％、特に好ましくは３０〜５０体積％含有される。フィラーの含有量が５体積％より小さいと熱膨張係数が大きくなり、一方、５０体積％を超えると、セラミックス基板と複合材との接合性が低下し製造が困難になる。なかでも。炭化ケイ素をフィラーとする複合材は、軽量性、高剛性、高熱伝導性、低膨張性及び耐磨耗性に優れるとともに、セラミックス基板と複合材との接合性が大きいために好ましい。このような炭化ケイ素などをフィラーとして含有しアルミニウム合金をマトリックスとする複合材（以下、アルミニウム合金マトリックス複合材ともいう。）としては、炭化ケイ素などをフィラーとして３０体積％を含有するアルミ合金マトリックス複合材などが挙げられる。これらは米国特許６，１０６，５８８に記載される既知の方法で製造される。
【００１９】
本発明の上記構成を有するセラミックス回路基板は、好ましくは、次のようにして製造される。すなわち、まず、セラミックス基板の一方の面に回路用金属板を接合し、かかる回路用金属板を接合したセラミックス基板を鋳型内に配置する。次いで、かかるセラミックス基板の他方の面と接するように鋳型内にアルミニウム合金含有複合材の溶融物を注入し、冷却し固化させることによりで製造される。
【００２０】
セラミックス基板の一方の面に、予め、回路用金属基板を接合することが好ましいのは、その逆の場合、すなわち、アルミニウム合金マトリックス複合材を接合した後に回路用金属基板を接合する場合には、回路用金属板の接合温度や接合条件によっては、セラミックス基板の他方の面に既に接合したアルミニウム合金マトリックス複合材の耐熱性、腐食性、生産性などに対して悪影響を与える恐れがあるためである。従って、回路用金属板の接合温度や接合条件がこれらの悪影響を与えないならば、セラミックス基板の一方の面にアルミニウム合金マトリックス複合材を接合した後に回路用金属板を接合してもよい。この場合には、上記鋳型内には、片面に回路用金属板を有しないセラミックス基板が配置される。
【００２１】
セラミックス基板を鋳型内に配置する場合、アルミニウム合金マトリックス複合材の溶融物がセラミックス基板の一方の全表面に接触するように配置されることが強固な接着と大きな放熱を得るために好ましい。特に、セラミックス基板は、製造されるアルミニウム合金マトリックス複合材のベース板にセラミックス基板の一部又は全厚みに渡って埋め込まれるように鋳型内に配置されることがセラミックス基板とベース板の強固な接着のために好ましい。
【００２２】
セラミックス基板は、そのまま鋳型内に配置して、アルミニウム合金マトリックス複合材の溶融物を注入してもよいが、アルミニウム合金マトリックス複合材の溶融物に接触するセラミックス基板の面に低融点の金属を予めメタライズ処理しておくのが好ましい。セラミックス基板をメタライズ処理することによりアルミニウム合金マトリックス複合材の溶融物との濡れ性を増大させることができる。セラミックス基板をメタライズ処理していなくともアルミニウム合金マトリックス複合材と接合することはできるが、その場合にはマトリックス複合材の溶融状態をある程度の時間維持する必要がある。その場合には、比較的冷却速度の遅い、石膏や砂型のような鋳型が要求され、条件によっては鋳込み後の保温を必要とされるが、セラミックス基板をメタライズ処理しておくことによりこのような不都合を防止できる。
【００２３】
本発明のセラミックス回路基板は、特にダイカスト鋳造による方法の場合には、圧力による高速鋳造のために極めて生産性よく製造できる。しかし、ダイカスト鋳造では、炭素鋼や工具鋼などの金属製の金型が用いられるためにアルミニウム合金マトリックス複合材の溶融物の冷却速度が１００℃／秒〜３００℃／秒と極めて大きい。この場合、セラミックス基板をアルミニウム合金マトリックス複合材の溶融物に充分に濡らすことが必要となる。しかし、本発明では、上記のようにセラミックス基板をメタライズ処理しておくことにより、ダイカスト鋳造により短時間で冷却固化させることが可能になる。
【００２４】
更に、本発明では、鋳型内においてメタライズ処理されたセラミックス基板をアルミニウム合金マトリックス複合材の溶融物と接触させる前に、セラミックス基板のメタライズ処理面をメタライズ金属が半溶融状態になるように予熱しておくことが好ましい。このようにすることにより、セラミックス基板とアルミニウム合金マトリックス複合材との接合性をさらに向上させることが容易となる。予熱温度は回路用金属板が溶融したり、酸化したりする温度以下であり、通常、５００℃以下が好ましい。
【００２５】
上記のセラミックス基板をメタライズ処理する金属としては、錫、亜鉛などが好ましい。特に、錫、亜鉛は、それぞれの半溶融温度が約２３０度と約４００度であり低温での予熱ができること、溶融したアルミニウム合金マトリックス複合材、特にアルミニウム合金マトリックス溶融物と良く濡れること、更には、マトリックスの主成分であるアルミニウムとほぼ全混合範囲で合金を形成しセラミックス基板とアルミニウム合金マトリックス複合材との界面に不適切な化合物を形成しないなどの点で特に好ましい。
【００２６】
セラミックス基板のメタライズ処理方法は、セラミックス基板とメタライズ金属が十分な密着を示す手段であればいずれでもよいが、好ましくは超音波メタライズや無電解メッキなどにより実施される。メタライズ処理の厚みが好ましくは３０μｍ以下、特には５〜１０μｍが好ましい。メタライズ処理の層の厚みが３０μｍを超えると、密着性が低下すると同時に熱伝導率を低下する原因となる場合がある。
【実施例】
【００２７】
以下に実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定して解釈されないことはもちろんである。
【００２８】
実施例１
図１に示される、一方の面に厚み０．２ｍｍの銅板２がロー付けで接着され、他方の面と側面に無電解メッキにより、厚み１０μｍの錫金属のメタライズ処理された、縦５３ｍｍ、横６１ｍｍ、厚み０．６３５ｍｍの矩形状の窒化アルミニウムのセラミックス基板１を製作した。なお、セラミックス基板１の四隅には半径５ｍｍのアールの面取りを形成した。
【００２９】
また、図２に示される、１２．５トンのダイカスト鋳造機用金型４を材質ＳＫＤ６１で製作した。金型４は分割されており、その一方が可動することにより、溶融した金属マトリックス複合材の鋳込みと冷却後の成型物の取り出しができるようになっている。金型４の固定型５には、セラミックス基板を配置できるような空間６、溶融複合材を注入する空間７とセラミックス基板を保持するための真空チャック８が配置されている。溶融した金属マトリックス複合材を注入する空間７は、冷却固化後の複合材からなる金属ベース寸法が縦１０５ｍｍｘ横１５０ｍｍｘ厚み４ｍｍになるように設計されている。また、セラミッックス基板を配置する空間はその厚みのうち０．３ｍｍが固化したマトリックス複合材に埋まるように設計されている。さらに、図２には示してないが金型は水冷構造となっている。
【００３０】
電気炉内で約２３０℃に予熱された、図１に示される窒化アルミニウムからなるセラミックス基板１を、図２に示されるように、ダイカスト用金型４の固定型５の空間６に配置した。真空チャック７でセラミックス基板１を保持しながら、フィラーとして炭化ケイ素を４５体積％を有し、シリコンを１２質量％を含有するアルミニウム−シリコン合金マトリックスからなる溶融状態の複合材を、ダイカスト鋳造機の圧力を持って金型内へ鋳込んだ。
【００３１】
鋳込後約２秒間の冷却を経て、図３に示されるシリコンアルミニウム合金マトリックス複合材を接合した窒化アルミニウム回路基板を製造した。窒化アルミニウム基板の金型への配置から成型基板の取り出しまでの一連のサイクルは約３０秒であった。
【００３２】
上記のようにして製造した窒化アルミニウム回路基板を超音波探傷にて調査した結果、窒化アルミニウム基板とアルミニウム−シリコン合金マトリックス複合材のベース板とは完全に一体化しており未接合部は発見できなかった。また窒化アルミニウム基板の亀裂や欠け、及びベース板の反りも認められなかった。この窒化アルミニウム基板を２００℃に１時間加熱したが、窒化アルミニウム基板の亀裂や欠け、ベースの反り、及び超音波探傷による窒化アルミニウムの剥離は観察されなかった。
【００３３】
更に、上記で製造した窒化アルミニウム回路基板を−４０℃で３０分間→１２５℃で３０分間を１サイクルとして、３０００サイクルのヒートサイクルを繰り返した後に超音波探傷で接合面を調査した。しかし、窒化アルミニウム基板と銅板とアルミニウム−シリコン合金マトリックス複合材のベース板との接合面の剥離は認められなかった。また窒化アルミニウム基板の亀裂や欠けやベースの反りも全く観察されなかった。
【００３４】
かくして、本発明では、熱に対して安定で信頼できる窒化アルミニウムからなるセラミックス回路基板を効率よく製造できる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明によるセラミックス回路基板は、ヒートサイクル耐性及び放熱性に優れ、製造も容易であるため、ハイブリットカー、電気自動車、工作機械などの大電流を制御するためのパワーモジュール用として好適に使用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の一つの実施態様であるセラミック回路基板の断面図
【図２】本発明のセラミック回路基板の製造に使用される金型の概略断面図
【図３】本発明により製造されたセラミック回路基板の平面図
【図４】図３のセラミック回路基板のａ−ａにおける断面図
【符号の説明】
【００３７】
１： セラミック基板 ２：回路用金属板
３： ベース板 ４：金型
５： 固定金型 ６：セラミック基板を配置する空間
７： アルミニウム合金マトリックス複合材の溶融物を注入する空間
８： 真空チャック

【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板と、該セラミックス基板の一方の面に接合された回路用金属板と、該セラミックス基板の他方の面にアルミニウム合金をマトリックスとし、２０〜５０体積％のフィラーを含有する複合材の溶融物を接触させ冷却固化させて接合されたベース板とからなることを特徴とするセラミックス回路基板。
【請求項２】
アルミニウム合金が、シリコン成分を６〜１９質量％を含有するアルミニウム−シリコン合金である請求項１に記載のセラミックス回路基板。
【請求項３】
セラミックス基板が、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、又は窒化ケイ素からなる請求項１又は２に記載のセラミックス回路基板。
【請求項４】
セラミックス基板が、四隅に半径１ｍｍ以上の面取りを有する矩形状体である請求項１〜３のいずれかに記載のセラミックス回路基板。
【請求項５】
フィラーが炭化ケイ素、窒化アルミニウム又は炭素である請求項１〜４のいずれかに記載のセラミックス回路基板。
【請求項６】
一方の面に回路用金属板が接合されたセラミックス基板を鋳型内に配置し、上記鋳型内にアルミニウム合金をマトリックスとし、２０〜５０体積％のフィラーを含有する複合材の溶融物を注入して冷却固化させて上記セラミックス基板の他方の面に上記溶融物からなる金属ベース板を接合することを特徴とするセラミックス回路基板の製造方法。
【請求項７】
上記複合材の溶融物が接触するセラミックス基板の表面を予め５μｍ〜１００μｍの厚みでメタライズ処理する請求項６に記載のセラミックス回路基板の製造方法。
【請求項８】
メタライズ処理する金属が錫又は亜鉛である請求項６又は７に記載のセラミックス回路基板の製造方法。
【請求項９】
上記複合材の溶融物を接触させる前に、セラミックス基板のメタライズ処理面を半溶融状態に予熱する請求項７又は８に記載のセラミックス回路基板の製造方法。

【図１】

【図２】

【図３】

【図４】

【公開番号】特開２００７−２２７４７７（Ｐ２００７−２２７４７７Ａ）
【公開日】平成１９年９月６日（２００７．９．６）
【国際特許分類】
電気 | 基本的電気素子 | 半導体装置，他に属さない電気的固体装置 | 半導体または他の固体装置の細部 | マウント，例．分離できない絶縁基板 | 材料またはその電気特性に特徴のあるもの | セラミックまたはガラス基板
電気 | 基本的電気素子 | 半導体装置，他に属さない電気的固体装置 | 半導体または他の固体装置の細部 | マウント，例．分離できない絶縁基板
【出願番号】特願２００６−４４３８１（Ｐ２００６−４４３８１）
【出願日】平成１８年２月２１日（２００６．２．２１）
【出願人】（０００００００４４）旭硝子株式会社

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