液冷一体型基板の製造方法および液冷一体型基板
【課題】原材料コストや加工コストを低く抑え、反りが低減され、優れた強度および放熱性を備えた液冷一体型基板の製造方法および液冷一体型基板を提供する。
【解決手段】金属回路板１５および金属ベース板２０とセラミックス基板１０との接合は溶湯接合法によって行われ、金属ベース板２０と放熱器３０との接合はろう接合法によって行われ、このろう接合法において、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ合金組成のろう材のみからなる単層ブレージングシートを、金属ベース板２０と放熱器３０との間に挟みこみ面接触させた状態で、金属ベース板２０と放熱器３０とを、−１．２５×１０−３×（放熱器の断面２次モーメント）＋２．０以上の面圧で加圧した後に加熱して、不活性ガス雰囲気下で、ろう付け温度５７０℃以上に保持しつつ、無フラックスでろう付け接合する。
【解決手段】金属回路板１５および金属ベース板２０とセラミックス基板１０との接合は溶湯接合法によって行われ、金属ベース板２０と放熱器３０との接合はろう接合法によって行われ、このろう接合法において、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ合金組成のろう材のみからなる単層ブレージングシートを、金属ベース板２０と放熱器３０との間に挟みこみ面接触させた状態で、金属ベース板２０と放熱器３０とを、−１．２５×１０−３×（放熱器の断面２次モーメント）＋２．０以上の面圧で加圧した後に加熱して、不活性ガス雰囲気下で、ろう付け温度５７０℃以上に保持しつつ、無フラックスでろう付け接合する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属−セラミックス接合基板に関し、特にセラミックス基板の両面にそれぞれアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属回路板および金属ベース板が接合され、金属ベース板のセラミックス基板が接合されていない面に放熱器が接合されている液冷一体型基板の製造方法および液冷一体型基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば電気自動車、電車、工作機械等の大電流を制御するために使用されている従来のパワーモジュールでは、ベース板と呼ばれている金属板または複合材の一方の面に金属−セラミックス絶縁基板が半田付けにより固定され、この金属−セラミックス絶縁基板上に半導体チップ等の電子部品が半田付けにより固定されている。また、ベース板の他方の面（裏面）には、ネジ止め等により熱伝導グリースを介して金属製の放熱フィンや冷却ジャケット等の放熱器が取り付けられている。
【０００３】
この金属−セラミックス絶縁基板へのベース板や電子部品等の半田付けは加熱により行われるため、半田付けの際に接合部材間の熱膨張係数の差によりベース板の反りが生じやすい。また、電子部品等から発生した熱は、金属−セラミックス絶縁基板と半田とベース板を介して放熱フィンや冷却ジャケット（放熱器）により空気や冷却水等に逃がされるため、ベース板の反りが発生すると放熱フィンや冷却ジャケットをベース板に取り付けた際のクリアランスが大きくなり、放熱性が極端に低下してしまう。
【０００４】
そこで、例えば特許文献１には、上記問題点であるベース板の反りを非常に小さくすることができる放熱フィン（補強部）と金属ベース板とが一体的に形成され溶湯接合法により作製された金属−セラミックス直接接合基板が開示されている。また、例えば特許文献２および特許文献３には、金属ベース板や放熱フィン等に取り付けて、熱発生体を効率的に冷却する冷却ジャケットが開示されている。
【０００５】
さらに特許文献４には、質量％で、Ｍｇを０．１〜５．０％、Ｓｉを３〜１３％含有するＡｌ−Ｓｉ系ろう材が最表面に位置するアルミニウムクラッド材を用いて、減圧を伴わない非酸化性雰囲気で加熱温度５５９〜６２０℃において、前記Ａｌ−Ｓｉ系ろう材によりろう付け対象部材との接触密着部を接合するろう付け方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−２１８９３８号公報
【特許文献２】特開２００６−３２４６４７号公報
【特許文献３】特開２００８−１３５７５７号公報
【特許文献４】特許第４５４７０３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記特許文献１に記載の金属−セラミックス基板においては、放熱を行う機構として金属ベース板の一方の面に放熱フィンを一体的に設けるとしており、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属ベース板に対して一体的に放熱フィンを形成するために、例えば鋳型等を用いてフィン形状を加工する必要があり、加工コストや原材料コストが増大してしまうといった問題があった。また、フィン形状を加工する際に、加工時に金属ベース板に発生する残留応力によって金属ベース板に反りが発生してしまう恐れもあった。さらに、複数の放熱フィンを形成するために溝加工を行う場合、金属−セラミックス基板全体（一体型基板全体）としての強度が不十分になってしまう恐れがあった。
【０００８】
また、上記特許文献１に記載の金属−セラミックス基板においては、過渡熱伝導が十分に確保されない恐れがあることから、その放熱性（冷却効率）について更なる改良の余地があった。
【０００９】
また、上記特許文献２、特許文献３に記載の冷却ジャケットを金属−セラミックス基板に取り付ける（接合する）ことにより、放熱性（冷却効率）の面で優れた金属−セラミックス基板（一体型基板）が得られるが、上記特許文献２、特許文献３に記載された金属−セラミックス基板は、金属ベース板に放熱フィンが形成され、その放熱フィンを覆うように（収納するように）冷却ジャケットが接合されているため、上述した問題点である加工コスト・原材料コストの増大や一体型基板全体としての強度が不十分になってしまうといった問題点は解消されないと考えられる。さらには、特許文献３の扁平管に直接金属−セラミックス基板を接合すると、扁平管や金属−セラミックス基板の金属回路板の反りが大きくなり、電子部品の実装が困難になったり、熱衝撃が加わったときの信頼性の問題が発生することが判明した。
【００１０】
さらに、上記特許文献４に記載のろう付け方法によると、フラックスや真空設備を必要とせずに大気圧下でのフラックスレスろう付けが可能になり、ろう材以外の被ろう付け構成部材へＭｇを添加した場合にも、ろう付け阻害要因とはならず、減圧を伴わない雰囲気での加熱となるため、ＭｇやＺｎの蒸発による炉内壁等の汚染も殆ど生じない。しかしながら、上記特許文献４に記載のろう付け方法では、芯材とろう材とからなる２層以上のクラッド材を使用しており、当該ブレージングシートをアルミニウム合金部材同士の面ろう付けに適用するためには、芯材の両面にろう材を配置した３層クラッド材とする必要があり、製造が煩雑になりコストアップを伴う。
【００１１】
そこで、上記問題点に鑑み、本発明の目的は、原材料コストや加工コストを低く抑え、一体型基板としての反り（形状変形）が低減され、優れた強度および放熱性を備えた液冷一体型基板の製造方法および液冷一体型基板を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するため、本発明は、単層型ブレージングシートによって２つのアルミニウム合金部材同士を大気圧下の不活性ガス雰囲気中で無フラックス面ろう付けすることとした。即ち、本発明によれば、セラミックス基板の一方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属回路板が接合されると共に、他方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる平板状の金属ベース板の一方の面が接合され、前記金属ベース板の他方の面には押出し材で構成される液冷式の放熱器が接合された液冷一体型基板の製造方法であって、前記金属回路板および前記金属ベース板と前記セラミックス基板との接合は溶湯接合法によって行われ、前記金属ベース板と前記放熱器との接合はろう接合法によって行われ、前記ろう接合法において、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ合金組成のろう材のみからなる単層ブレージングシートを、前記金属ベース板と前記放熱器との間に挟みこみ面接触させた状態で、前記金属ベース板と前記放熱器とを、（１）式以上の面圧で加圧した後に加熱して、不活性ガス雰囲気下で、ろう付け温度５７０℃以上に保持しつつ、無フラックスでろう付け接合することを特徴とする、液冷一体型基板の製造方法が提供される。
面圧（ＭＰａ）＝−１．２５×１０−３×（放熱器の断面２次モーメント）＋２．０ ・・・（１）
【００１３】
上記液冷一体型基板の製造方法においては、前記放熱器は多孔管からなり、前記多孔管の冷媒の流路である溝幅Ｗ（ｍｍ）と溝深さＤ（ｍｍ）との関係が、
３．３Ｗ＜Ｄ＜１０Ｗ
を満たすことが好ましく、前記多孔管の冷媒の流路である溝幅Ｗ（ｍｍ）と仕切り板の幅Ｔ（ｍｍ）との関係が、
−Ｗ＋１．４＜Ｔ／Ｗ＜−１．５Ｗ＋３．３ （０．４≦Ｗ≦１．０の場合）
−０．２Ｗ＋０．７＜Ｔ／Ｗ＜−１．５Ｗ＋３．３ （１．０＜Ｗ＜２．０の場合）
を満たすことが好ましい。さらに、前記溝幅Ｗが０．４ｍｍ以上であることが好ましい。
【００１４】
さらに、前記金属ベース板と前記放熱器とが、前記多孔管の仕切り板に負荷される仕切り板面圧が、−０．５×Ｄ（溝深さ）＋１０（ＭＰａ）以下となるように加圧した後に加熱してろう付け接合されることが好ましい。
【００１５】
また、上記液冷一体型基板の製造方法においては、前記放熱器は熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫ以上であるアルミニウムまたはアルミニウム合金からなることが好ましく、前記金属ベース板は、熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫ以上であるアルミニウムまたはアルミニウム合金であることが好ましく、前記金属回路板は、熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫ以上であるアルミニウムまたはアルミニウム合金であることが好ましい。
【００１６】
さらに、前記金属回路板の厚さｔ１と前記金属ベース板の厚さｔ２の関係はｔ２／ｔ１≧２を満たす厚さに形成されることが好ましい。前記金属回路板の厚さｔ１は０．４〜３ｍｍであり、前記金属ベース板の厚さｔ２は０．８〜６ｍｍであることが好ましい。また、前記単層ブレージングシートの厚さが１０〜２００μｍであることが好ましい。
【００１７】
また、本発明によれば、セラミックス基板の一方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属回路板が接合されると共に、他方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる平板状の金属ベース板の一方の面が接合され、前記金属ベース板の他方の面には押出し材で構成される液冷式の多孔管からなる放熱器が接合された液冷一体型基板において、前記金属ベース板と前記放熱器とが、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ合金組成のろう材によってろう付け接合されたことを特徴とする、液冷一体型基板が提供される。
【００１８】
上記液冷一体型基板においては、前記放熱器における前記多孔管の冷媒の流路である溝の幅Ｗ（ｍｍ）と溝深さＤ（ｍｍ）との関係が、
３．３Ｗ＜Ｄ＜１０Ｗ
を満たすことが好ましく、前記多孔管の冷媒の流路である溝幅Ｗ（ｍｍ）と仕切り板の幅Ｔ（ｍｍ）との関係が、
−Ｗ＋１．４＜Ｔ／Ｗ＜−１．５Ｗ＋３．３ （０．４≦Ｗ≦１．０の場合）
−０．２Ｗ＋０．７＜Ｔ／Ｗ＜−１．５Ｗ＋３．３ （１．０＜Ｗ＜２．０の場合）
を満たすことが好ましい。さらに、前記溝幅Ｗが０．４ｍｍ以上であることが好ましい。
【００１９】
また、前記放熱器は熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫ以上であるアルミニウムまたはアルミニウム合金からなることが好ましく、前記金属ベース板は、熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫ以上であるアルミニウムまたはアルミニウム合金であることが好ましく、前記金属回路板は、熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫ以上であるアルミニウムまたはアルミニウム合金であることが好ましい。さらに、前記セラミックス基板と前記金属回路板との接合、前記セラミックス基板と前記金属ベース板との接合は、溶湯接合法あるいはろう接合法によって行われることが好ましい。
【００２０】
前記金属回路板の厚さｔ１と前記金属ベース板の厚さｔ２の関係は、ｔ２／ｔ１≧２を満たし、前記金属回路板の厚さｔ１は０．４〜３ｍｍであり、前記金属ベース板の厚さｔ２は０．８〜６ｍｍであることが好ましい。前記多孔管の仕切り板が座屈していてもよい。
【００２１】
本発明では、前記ろう接合法は、大気圧下の不活性ガス雰囲気中における無フラックスろう付けを採用しているため、真空ろう付け法とは異なり連続処理炉によるろう付けが可能となり、フラックス等による炉内への汚染の心配がない。また、本発明のろう接合法では、フラックスを用いることなく、金属ベース板と放熱器との間に治具等を用いて所定の面圧を付加してろう付けするため、前記金属ベース板と前記放熱器との間に発生しやすい空隙欠陥等を抑制することができ、結果として品質の安定した面ろう付けが行える。
【００２２】
前記ろう接合法において用いるブレージングシートは、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ合金組成のろう材からなる単層ブレージングシートであるため、所定の組成のスラブをＤＣ鋳造して、均質化処理、熱間圧延、冷間圧延、必要に応じて中間焼鈍を施すことにより、比較的安価に製造できる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、原材料コストや加工コストを低く抑え、一体型基板としての反り（形状変形）が低減され、優れた強度および放熱性を備えた液冷一体型基板の製造方法および液冷一体型基板が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】液冷一体型基板１の側面断面図である。
【図２】液冷一体型基板１と蓋部材４０の斜視図である。
【図３】実施例で用いた多孔管を示す断面図である。
【図４】実施例で用いたろう付け用治具を正面から見た写真である。
【図５】実施例１で行ったろう付け試験によるアルミ材の断面２次モーメントと反り量との関係を示すグラフである。
【図６】実施例１で得られたアルミ材の断面２次モーメントおよび面圧と反り量との関係を示すグラフである。
【図７】実施例２で行ったろう付け試験のろう付け後の外観を示す写真であり、（ａ）はサンプルの長手方向を多孔管の仕切り板に対して平行方向（Ｘ方向）に沿ってろう付けしたタイプ、（ｂ）はサンプルの長手方向を多孔管の仕切り板に対して垂直方向（Ｙ方向）にろう付けしたタイプである。
【図８】実施例２の試験による反り量を示すグラフである。
【図９】実施例２の試験結果であり、小型放熱基板（サンプル）のろう付け方向による断面２次モーメントと反り量との関係を示すグラフである。
【図１０】実施例３で行った大型放熱基板のろう付け試験の断面２次モーメントと反り量との関係を示すグラフである。
【図１１】実施例３で行った大型放熱基板と小型放熱基板の、面圧に対する単位長さ当たりの反り量を比較したグラフである。
【図１２】実施例３で得られたアルミ材の断面２次モーメントおよび面圧と反り量との関係を示すグラフである。
【図１３】実施例４で得られた溝幅および溝深さと性能との関係を示すグラフである。
【図１４】実施例４で得られた溝幅および仕切り板の幅（放熱フィン厚さ）／溝幅と性能との関係を示すグラフである。
【図１５】実施例４で得られた各面圧における仕切り板の変形状態と溝深さの分布を示すグラフであり、（ａ）は３５０Ｎ、（ｂ）は８５０Ｎ、（ｃ）は１１００Ｎの場合である。
【図１６】実施例４で得られた限界荷重と溝幅との関係を示すグラフである。
【図１７】実施例４で得られた多孔管の高さ（溝深さ）と限界面圧との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態を、図を参照して説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する要素においては、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００２６】
図１は本発明の実施の形態にかかる液冷一体型基板１の側面断面図である。図１に示すように、液冷一体型基板１においては、例えばＡｌＮ基板（窒化アルミニウム基板）やＳｉＮ基板（窒化珪素基板）であるセラミックス基板１０の上面（図１中上方）にアルミニウムまたはＳｉ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｉ、Ｓｎから選ばれる少なくとも１つの元素を含有するアルミニウム合金からなる金属回路板１５が接合されており、また、セラミックス基板１０の下面（図１中下方）にはアルミニウムまたはＳｉ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｉ、Ｓｎから選ばれる少なくとも１つの元素を含有するアルミニウム合金からなる金属ベース板２０が接合されている。また、金属ベース板２０の下面（図１中下方）には押出し材によって構成される中空角柱形状の多孔管からなる放熱器３０が接合されている。ここで、押出し材とは、押出し加工によって一体的に成形される部材を示している。
【００２７】
なお、本実施の形態ではセラミックス基板１０と金属回路板１５の接合およびセラミックス基板１０と金属ベース板２０の接合は溶湯接合法によって接合が行われているものとし、金属ベース板２０と放熱器３０の接合はろう接合法によって接合が行われている。即ち、金属ベース板２０と放熱器３０との接合において、その間隙部３１には、接合のための、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ合金組成のろう材のみからなる単層ブレージングシートによるろう材層３３が形成されることとなる。ろう接合法が行われる際に、接合対象物には所定の厚さ以上の厚み（ろう接時に溶けて形状が保持できない等、ろう接合に耐えうるだけの厚み）が必要となるため、この場合、特に放熱器３０の上面（接合対象面）の厚みが十分に確保されている必要がある。
【００２８】
また、図１に示すように、放熱器３０は内部空間が中空であり、その内部空間を仕切る仕切り板（リブ、放熱フィン）３５が設けられている。本実施の形態にかかる放熱器３０では、図示のように内部空間を７箇所に仕切るように仕切り板３５が設けられ、放熱器３０の内部空間には仕切り板３５によって複数（７箇所）の各流路３８が形成されることとなる。仕切り板３５が設けられた放熱器３０は押出し加工により一体物として作製される。
【００２９】
また、図２は、液冷一体型基板１と蓋部材４０の斜視図である。蓋部材４０は放熱器３０の手前側（図２中手前側）の開口部の側面３０ａを覆うように取り付けられる部材であり、蓋部材４０は、蓋部４１と蓋部４１の側面（放熱器３０に取り付けた際の側面３０ａに対応する面）の２箇所に設けられる液循環ポート４５（４５ａ、４５ｂ）から構成される。また、放熱器３０において図２中手前側の開口部の反対側に設けられた開口部には、図示しない液循環ポートを有していないこと以外は同様の蓋部材が取り付けられる。蓋部材４０は、実際に液冷一体型基板１において、金属回路板１５に取り付けられた例えば半導体素子等の発熱により、液冷却が行われる場合に放熱器３０に取り付けられる。液循環ポート４５（４５ａ、４５ｂ）には図示しない冷却液循環機構が接続され、冷却液循環機構から液循環ポート４５ａを介して放熱器３０の内部（流路３８）に冷却液が供給され、液循環ポート４５ｂを介して放熱器３０の内部から冷却液が冷却液循環機構に排出される。即ち、冷却液循環機構の作動により冷却液が流路３８に流れこみ、その後、再度冷却液循環機構に戻るといったように、冷却液が放熱器３０内と冷却液循環機構との間で循環し、放熱器３０の冷却能力を一定に保つような構成となっている。この蓋部材４０と放熱器３０とは、金属ベース２０と放熱器３０とがろう接合される時、同時にろう接合しても構わない。
【００３０】
一方、本実施の形態にかかる液冷一体型基板１においては、金属回路板１５の厚さ（高さ）ｔ１と、金属ベース板２０の厚さ（高さ）ｔ２の関係は、ｔ２／ｔ１≧２となっていることが好ましい（例えば図１参照）。また、この時の各値としては、ｔ１が０．４〜３ｍｍであり、ｔ２が０．８〜６ｍｍである。金属回路板１５の高さｔ１と、金属ベース板２０の高さｔ２の関係がｔ２／ｔ１≧２の関係であることが望ましいのは、充分な過渡熱の放熱性を得ること、一体型基板の反りを抑制するためである。また、ｔ１が０．４〜３ｍｍであり、ｔ２が０．８〜６ｍｍであることが望ましいのは、充分な過渡熱の放熱性を得ること、一体型基板の反りを抑制するためである。なお、ｔ２が０．８〜３ｍｍであることがさらに好ましい。
【００３１】
また、放熱器３０の材質としては、熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫ以上であるアルミニウムまたはＳｉ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｉ、Ｓｎから選ばれる少なくとも１つの元素を含有するアルミニウム合金が望ましい。
【００３２】
また、金属回路板１５の表面粗さは、素子実装のための半田濡れを良くするためにＲａ０．３〜２．０μｍ程度が好ましい。放熱器３０の表面粗さは、一般的な押出材及び板材で得られる程度で良い。また、金属ベース板２０の放熱器３０接合側の表面粗さはろう付性を良くするために、Ｒａ１．０〜２．０μｍが好ましい。なお、放熱器３０と金属ベース板２０を溶湯接合法で接合する場合はＲａ０．３〜２．０μｍでも充分に接合できる。
【００３３】
以上、図１および図２を参照して説明した液冷一体型基板１において、例えば半導体素子等の電子部品が金属回路板１５に取り付けられ使用された場合に、その電子部品から発生した熱は、上記説明したように内部に冷却液が循環する放熱器３０によって放熱され、液冷一体型基板１全体が冷却される。ここで、上述したように、金属回路板１５の高さｔ１と、金属ベース板２０の高さｔ２の関係がｔ２／ｔ１≧２となっていることや、各値を、それぞれｔ１が０．４〜３ｍｍであり、ｔ２が０．８〜６ｍｍであることが望ましく、十分な放熱性を発揮する液冷一体型基板１が得られることとなる。
【００３４】
また、金属回路板１５、金属ベース板２０および放熱器３０の材質を、熱伝導率が１７０／ｍＫ以上であるアルミニウムまたはＳｉ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｉ、Ｓｎから選ばれる少なくとも１つの元素を含有するアルミニウム合金とすることで、一体型基板としての放熱性や強度や信頼性（耐熱衝撃性等）が十分に確保された液冷一体型基板１が得られる。さらには、溶湯接合法やろう接合法を用いて各部材同士を接合することで接合信頼性が十分に確保される。
【００３５】
また、放熱器３０を、熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫ以上であるアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる押出し材で構成することで、放熱性も良く、放熱器３０をフィン形状に切削など機械加工する場合等に比べ、放熱器３０における反り（形状変形）の発生が抑えられると共に、押出し加工で一体的に成形を行うため、原材料コストや加工コストの面で優れた液冷一体型基板１を製造することが可能となる。
【００３６】
本発明において、金属ベース板２０と放熱器３０とは、前述の通りろう付けにより接合されている。ろう付けは、金属ベース板２０と放熱器３０との間に、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ合金組成の単層ブレージングシートからなるろう材３３を挟みこみ、面接触させた状態で所定の荷重を負荷し、ろう付け炉内で、所定のろう付け温度まで加熱して行われる。なお、ブレージングシートとは、ろう材箔のことである。本発明では、
面圧＝（ろう付けの加熱前のセット時に負荷する荷重）／（金属ベース板の面積）
とし、この面圧を、下記（１）式以上とした。
面圧（ＭＰａ）＝−１．２５×１０−３×（放熱器の断面２次モーメント）＋２．０ ・・・（１）
尚、放熱器３０の断面２次モーメントは、次式から求める。
仕切り板に対して平行方向の場合は、
ＢＨ３／１２−（（溝幅）×本数×Ｄ３）／１２
仕切り板に対して垂直方向の場合は、
ＢＨ３／１２−（Ｂ×Ｄ３）／１２
ただし、Ｂ：放熱器と金属ベース板の接合部の幅，Ｈ：放熱器の高さ，Ｄ：放熱器における多孔管の溝深さ（仕切り板の高さ）、Ｔ：仕切り板の幅
ろう付け時の面圧を、金属ベース板２０の剛性に対して（１）式以上とすることにより、反り量が低減された一体型基板を得ることができる。
【００３７】
次に、本発明で採用したフラックスレスの面ろう付け法における、単層ブレージングシートのＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ合金組成、ろう材の厚み、被接合材表面の酸化皮膜厚み、不活性ガス雰囲気、ろう付け温度及び保持時間等の詳細について説明する。
【００３８】
Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ合金組成とは、例えば、Ｓｉ：３〜１２質量％、Ｍｇ：０．１〜５．０質量％を含み、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる成分組成を有するものが好ましい。Ｓｉは、その含有量によって液相線の温度を下げるとともに、面ろう付け中の濡れ性を改善するための元素である。Ｍｇは、自らが酸化されることにより、還元剤として作用するため、ろう付け加熱時の前記金属ベース板や前記放熱器の接合面とろう材との界面におけるアルミニウムの酸化を抑制し、面ろう付け中の濡れ性を改善するための元素である。Ｍｇを所定量含有することにより、大気圧下の不活性ガス雰囲気中における無フラックスろう付けが可能となる。
【００３９】
単層型ブレージングシートを構成するろう材の厚みは、健全な面ろう付けを達成できる厚みであればよい。例えば、厚さが１０〜２００μｍのＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ合金薄板が好ましい。厚みが１０μｍ未満であると、十分なろう付け強度が得られない可能性がある。厚みが２００μｍを超えると、接合面から染み出すろう材の量が多くなりすぎて、コスト高となる。したがって、ろう材の厚みの範囲は、１０〜２００μｍが好ましい。より好ましい厚みの範囲は、１５〜１５０μｍである。さらに好ましい厚みの範囲は、１５〜１００μｍである。
【００４０】
面ろう付けされる金属ベース板２０と放熱器３０の材料としては、ＡＡ１０００系、ＡＡ６０６３等が適用可能であり、特にろう付け面に形成されている酸化皮膜の厚みが３０ｎｍ以下のものが好ましい。
【００４１】
金属ベース板２０と放熱器３０の材料の固相線温度は５７０℃以上、かつ、ろう付け温度は不活性ガス雰囲気化で５７０℃以上とし、無フラックスでろう付け接合する。そして、面ろう付け時のろう付け温度における保持時間は２分以上、特に５分以上とすることが好ましい。
【００４２】
不活性ガスとしては、ヘリウムガス、アルゴンガスの他、窒素ガスも当然のことながら含むものとする。そして、コスト的には面ろう付け時の不活性ガスは窒素ガスを採用することが好ましく、その窒素ガス中の酸素濃度は５００ｐｐｍ以下とすることが好ましい。
【００４３】
また、放熱器３０の各溝（冷却液の流路３８）の深さ寸法Ｄ（ｍｍ）は、各溝の幅寸法Ｗ（ｍｍ）に対して、
３．３Ｗ＜Ｄ＜１０Ｗ
の範囲であることが、好適な熱性能と押出し性を両立させる。さらに、幅Ｗ（ｍｍ）と仕切り板の幅Ｔ（ｍｍ）とが、
−Ｗ＋１．４＜Ｔ／Ｗ＜−１．５Ｗ＋３．３ （０．４≦Ｗ≦１．０の場合）
−０．２Ｗ＋０．７＜Ｔ／Ｗ＜−１．５Ｗ＋３．３ （１．０＜Ｗ＜２．０の場合）
を満たすことで、好適な熱性能と押出し性を両立させることができる。
【００４４】
さらに、
仕切り板の面圧＝（ろう付け時に放熱器３０に負荷する荷重）／（放熱器３０の仕切り板の面積）
とし、仕切り板の面圧を、−０．５×Ｄ（溝深さ）＋１０（ＭＰａ）以下とすることにより、放熱器の仕切り板の座屈を低減させることができる。ただし、仕切り板の面積は、仕切り材３５を上板に平行な平面で切断したときの仕切り板の断面積を指す。
【００４５】
以上、本発明の実施の形態の一例を説明したが、本発明は図示の形態に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００４６】
例えば、上記実施の形態において放熱器３０の構成（断面形状）は、仕切り板３５によって放熱器３０の内部空間が７箇所に仕切られるものとしたが、これに限られるものではない。仕切り方や流路３８の形成数は任意に設定可能であり、放熱器３０の放熱性（冷却効率）が好適になるように適宜定めることが好ましい。
【実施例】
【００４７】
〈実施例１〉
ＡｌＮ基板の両面にアルミニウム合金が溶湯接合（直接接合）された放熱基板「アルミック」（商標登録）を用いて、ろう付けにより液冷一体型基板を製作するための基礎試験を行った。
【００４８】
まず、長さ４０ｍｍ×幅４０ｍｍ×厚さ４ｍｍの板材、長さ４０ｍｍ×幅４０ｍｍ×６ｍｍの板材、長さ４０ｍｍ×幅４０ｍｍ×８ｍｍの板材の３種類の、材質が合金番号Ａ１１００材（純アルミニウム）（固相線温度：６４３℃）からなる放熱器と、図３に示す長さ４０ｍｍ×幅４０ｍｍ×厚さ８．０８ｍｍの多孔管（材質：合金番号Ａ６０６３アルミニウム合金製）（固相線温度：６１５℃）からなる放熱器を準備した。多孔管からなる放熱器には、図３の通り多数の冷媒の流路の管が連続して並んでおり、前記冷媒の流路である溝幅Ｗ（管の幅）が１．５１５ｍｍ、溝深さＤ（管の高さ）が６．０６ｍｍ、仕切り板の幅（リブ厚さ、放熱フィン厚さ）が０．７０７ｍｍ、上板（天板）と下板（底板）の厚さがそれぞれ１．０１ｍｍであった。
【００４９】
また、小型放熱基板として、アルミニウム合金からなる金属回路板の寸法が長さ１５．７ｍｍ×幅２６．４ｍｍ×厚さ０．６ｍｍ（ｔ１）であって、セラミックス基板の寸法が長さ１８．１ｍｍ×幅２８．８ｍｍ×厚さ０．６４ｍｍ、アルミニウム合金からなる金属ベース板２０の寸法が長さ１５．７ｍｍ×幅２６．４ｍｍ×厚さ１．６ｍｍ（ｔ２）を準備した。さらに、金属ベース板の２０の厚さ（ｔ２）が０．６ｍｍであること以外は同じ構成である小型放熱基板を準備した。金属回路板および金属ベース板の材質は、０．４ｍａｓｓ％Ｓｉ−０．０４ｍａｓｓ％Ｂ−残部Ａｌとした。なお、小型放熱基板の金属回路板及び金属ベース板は、いずれも直方体（板形状）であり、セラミックス基板の中央に配置、接合されている。
【００５０】
図４に示すように、放熱器の上に、小型放熱基板の金属ベース板のアルミ部分と同一サイズ（長さおよび幅）のろう材（組成：１０ｍａｓｓ％Ｓｉ−１．５ｍａｓｓ％Ｍｇ−残部Ａｌ、厚さ１５μｍ）をセットして、さらにろう材の上に放熱基板を置き、その上に治具を介して「インコネル」（登録商標）の皿バネをセットして所定の荷重（面圧）が負荷されるようにボルトで締め付けた。ろう材の組成を発光分光分析法にて測定した結果を表１に示す。また、表１に示されるＦｅは不可避的不純物である。なお、ボルトで締め付ける前に、ろう材の表面、放熱器の接合面及び金属ベース板の接合面には、フラックスを塗布していない。
【００５１】
【表１】
【００５２】
次に、窒素雰囲気中のろう付け炉内にセットした後、５００℃まで５０℃／ｍｉｎ、６０５℃までは１０℃／ｍｉｎで昇温して、ろう付け温度である６０５℃で１０分間保持し、その後２５０℃までは１５℃／ｍｉｎで冷却した。このようにろう付けした後、放熱基板の金属回路板表面の反り量（２６．４ｍｍ長手方向）を測定した。結果を表２に示す。なお、反り量は、金属回路板の端部と中央部の高さの差を３次元表面粗さ計で測定した。
【００５３】
【表２】
【００５４】
表２から明らかなように、面圧が増加するに従い、また、放熱器（アルミ材）の断面２次モーメントが増加するに従い、放熱基板表面の反り量は減少する。また、図５に示すように、反り量と放熱器（アルミ材）の断面２次モーメントとの間には、良い相関関係があることがわかった。放熱基板の金属ベース板の厚さを変化させても反り量には差が見られなかったので、放熱基板の金属ベース板の厚さは、反りには影響しないと考えられる。ただし、過渡熱特性などの放熱性や信頼性を考慮すると、金属ベース板の厚さは大きい方が好ましい。反りが大きいと、半導体チップを半田付けによって金属回路板表面に接合する際などに不具合が発生するため、目標としている反り量は６０μｍ以下であり、望ましくは５０μｍ以下である。図６に示すように、反り量を６０μｍ以下、あるいは５０μｍ以下にするための、面圧と断面２次モーメントの範囲が存在することがわかった。つまり、
面圧（ＭＰａ）＝−１．２５×１０−３×（放熱器の断面２次モーメント）＋２．０ ・・・（１）
反り量の目標を５０μｍ以下とすれば、（１）式以上の面圧を設定すれば、目標を達成できる。
【００５５】
〈実施例２〉
図３に示すような、多数の冷媒の流路の管が連続して並んでおり、冷媒の流路である溝幅Ｗ（管の幅）が１．５１５ｍｍ、溝深さＤ（管の高さ）が６．０６ｍｍ、仕切り板の幅（リブ厚さ、放熱フィン厚さ）Ｔが０．７０７ｍｍ、天板と底板の厚さがそれぞれ１．０１ｍｍである多孔管を、１１０ｍｍ（押出方向）×１３５ｍｍに切断して多孔管からなる放熱器とし、その両側にφ１８ｍｍ（内径１６ｍｍ）のパイプを、蓋材としてろう付けした。図示しない冷却液循環機構により、冷媒は一方のパイプから供給され、多孔管を通過して他方のパイプから排出される構造となっている。また、多孔管の表面に、小型放熱基板（アルミ合金からなる金属回路板として１５．７ｍｍ×２６．４ｍｍ×０．６ｍｍ、アルミ合金からなる金属ベース板として１５．７ｍｍ×２６．４ｍｍ×１．６ｍｍ、セラミックス（ＡｌＮ基板）１８．１ｍｍ×２８．８ｍｍ×０．６４ｍｍ）を４枚ろう付けした。金属回路板１５および金属ベース板２０の材質は、０．４ｍａｓｓ％Ｓｉ−０．０４ｍａｓｓ％Ｂ−残部Ａｌとした。このときの荷重を３５００Ｎ、すなわち面圧を２．１ＭＰａとした。ろう付け条件は実施例１と同様であるが、多孔管とパイプとのろう付けにはフラックスを塗布した。多孔管と小型放熱基板、および多孔管とパイプは同時に接合した。図７（ａ）に示すように小型放熱基板（５−１、５−２、５−３、５−４）の長手方向が多孔管の仕切り板に対して平行方向（冷媒の流路の方向）に沿ってろう付けしたタイプ（平行タイプと称す）と、図７（ｂ）に示すように小型放熱基板（６−１、６−２、６−３、６−４）の長手方向が多孔管の仕切り板に対して垂直方向（冷媒の流路に直角方向）にろう付けしたタイプ（垂直タイプと称す）を試作した。これらの金属回路板表面の反り量の測定結果を図８に示す。反り量は、Ｘ方向（仕切り板に対して平行方向）の金属回路板表面、Ｙ方向（仕切り板に対して垂直方向）の金属回路板表面、斜め方向（金属回路板の対角線方向）の金属回路板表面について、いずれも金属回路板の端部と中央部の高さの差として３次元表面粗さ計で測定した。
【００５６】
図８から明らかなように、実施例１で得られた（１）式に基づいて、それ以上の面圧を設定したことにより、小型放熱基板を４枚ろう付けした場合でも、目標とする反り量５０μｍ以下を達成することができた。
【００５７】
また、仕切り板の方向によって断面２次モーメントが変化するので、図８に示すように反り量も変化する。そこで、Ｘ方向及びＹ方向の断面２次モーメントをそれぞれ計算して、さらに反り量を単位長さ当たりとして計算した結果を図９に示す。図９に示すように、仕切り板の方向が異なり断面２次モーメントが変化した場合でも、反り量は同一線上に分布することがわかり、反り量への影響因子として断面２次モーメントが妥当であることが判明した。
【００５８】
〈実施例３〉
次に、長さ４０ｍｍ×幅４０ｍｍ×厚さ４ｍｍの板材、長さ４０ｍｍ×幅４０ｍｍ×８ｍｍの板材の２種類の、材質がＡ１１００材からなる放熱器と、図３に示す長さ４０ｍｍ×幅４０ｍｍ×厚さ８．０８ｍｍの多孔管（材質：Ａ６０６３合金製）からなる放熱器を準備した。多孔管からなる放熱器には図３の通り多数の冷媒の流路の管が連続して並んでおり、冷媒の流路である溝幅Ｗ（管の幅）が１．５１５ｍｍ、溝深さＤ（管の高さ）が６．０６ｍｍ、仕切り板の幅（放熱フィン厚さ、リブ厚さ）が０．７０７ｍｍ、天板と底板の厚さがそれぞれ１．０１ｍｍであった。
【００５９】
また、放熱基板（アルミック）として、アルミニウム合金からなる金属回路板の寸法が長さ２７．４ｍｍ×幅３２．４ｍｍ×厚さ０．６ｍｍ（ｔ１）であって、セラミックス基板の寸法が２８．８ｍｍ×３８．８ｍｍ×０．６４ｍｍであり、アルミニウム合金からなる金属ベース板２０の寸法が長さ２７．４ｍｍ×幅３２．４ｍｍ×厚さ１．６ｍｍ（ｔ２）の大型放熱基板を準備した。金属回路板１５および金属ベース板２０の材質は、０．４ｍａｓｓ％Ｓｉ−０．０４ｍａｓｓ％Ｂ−残部Ａｌとした。
【００６０】
図４に示すように、放熱器の上に、放熱基板の金属ベース板のアルミ部分と同一サイズ（長さと幅）のろう材（組成：１０ｍａｓｓ％Ｓｉ−１．５ｍａｓｓ％Ｍｇ−残部Ａｌ、厚さ１５μｍ）をセットして、さらにろう材の上に放熱基板を置き、ろう付けした。ろう接の条件は、面圧以外、実施例１と同様である。このとき得られた大型放熱基板の金属回路板表面の反り量（３２．４ｍｍ方向）を実施例１と同様に測定した。なお、ろう付け時の荷重を、１１５０Ｎ（面圧１．３１ＭＰａ）、１６００Ｎ（面圧１．８２ＭＰａ）の２通りに設定して試験を行った。
【００６１】
図１０に示すように、大型放熱基板の場合でも、断面２次モーメントと反り量は良い相関関係を示すことがわかった。また、前述の厚さ４ｍｍのアルミ板からなる放熱器及び多孔管からなる放熱器に、前記小型放熱基板及び前記大型放熱基板をろう付けした時の面圧と反り量との関係を図１１に示す。放熱基板のサイズが異なるので、反り量は放熱基板のサイズで割った値を用いた。図１１から明らかなように、多孔管からなる放熱器の場合、反り量（反り量／放熱基板のサイズ）は、面圧と良い相関関係が見られており、放熱基板のサイズの影響は見られなかった。前記厚さ４ｍｍのアルミ板からなる放熱器でも同様の結果となった。以上の結果より、放熱基板のサイズが異なっても、本発明の（１）式が適用できることがわかった。
【００６２】
小型放熱基板の結果である図６に、大型放熱基板の結果を合わせた結果を図１２に示す。尚、大型放熱基板の反り量を小型放熱基板の反り量に補正した。すなわち、大型放熱基板の反り量を１．１８（３２．４／２７．４）で割った値で反り量を評価した。図１２に示すように、大型放熱基板の結果は小型放熱基板の結果とほぼ一致した。つまり、放熱基板のサイズが変化しても（１）式が適用できることがわかった。
【００６３】
以上の結果より、高放熱基板の反り量を５０μｍ以下とするためには、（１）式以上の面圧を設定することが必要であることがわかった。
【００６４】
〈実施例４〉
放熱器の大きさを５０ｍｍ×７０ｍｍとし、放熱器として用いる多孔管の溝幅Ｗ、溝深さＤ、仕切り板の幅Ｔ（図３参照）を変化させて熱解析を行い、好適な溝幅Ｗと溝深さＤ、及び溝幅Ｗと仕切り板の幅Ｔ／溝幅Ｗ比との関係を求めた。さらに、多孔管の製造における押出限界を求めた。
【００６５】
図１３に、溝幅Ｗと溝深さＤの関係を示す。図１３に示すように、
Ｄ＝３．３Ｗ
で示される熱性能限界は、熱性能が好適となる領域の下限であり、これより下方（Ｄが３．３Ｗより小さい場合）では熱性能が低下する。また、
Ｄ＝１０Ｗ
で示される押出限界は、押出し加工の可能な領域の上限であり、これを超える（Ｄが１０Ｗより大きい場合）と押出しができない。さらに、溝幅Ｗと仕切り板の幅Ｔ／溝幅Ｗ比の関係を図１４に示す。図１４に示すように、
−Ｗ＋１．４＝Ｔ／Ｗ （０．４≦Ｗ≦１．０の場合）
−０．２Ｗ＋０．７＝Ｔ／Ｗ （１．０＜Ｗ＜２．０の場合）
で示される押出限界は、押出し加工の可能な領域の下限であり、これを下回ると押出しができない。
Ｔ／Ｗ＝−１．５Ｗ＋３．２７５
で示される熱性能限界は、熱性能が好適となる領域の上限であり、これを超えると熱性能が低下する。図１３および図１４に示すように、熱性能限界と押出限界から、溝幅Ｗ、溝深さＤ、仕切り板の幅Ｔの寸法に制約があることがわかった。なお、熱性能が好適となる下限は、金属回路基板にたとえばＩＧＢＴなどのパワー半導体チップを搭載したときの放熱性を考慮して設定したものである。
【００６６】
図３に示すような多孔管の場合、放熱基板に負荷した荷重は、仕切り板（リブ、放熱フィン）に負荷される。アルミニウム合金からなる金属回路板および金属ベース板の寸法が長さ１５．７ｍｍ×幅２６．４ｍｍ、セラミックス基板の寸法が長さ１８．１ｍｍ×幅２８．８ｍｍ×厚さ０．６４ｍｍ、アルミニウム合金の金属回路板１５の厚さｔ１と金属ベース板２０の厚さｔ２がそれぞれ０．６ｍｍ（ｔ１）、１．６ｍｍ（ｔ２）の放熱基板と図３に示す寸法の多孔管（４０ｍｍ×４０ｍｍ×８．０８ｍｍ、材質Ａ６０６３合金）からなる放熱器を、３５０Ｎ（仕切り板の面圧２．３ＭＰａ）、８５０Ｎ（仕切り板の面圧５．７ＭＰａ）、１１００Ｎ（仕切り板の面圧７．４ＭＰａ）の３通りの荷重で、実施例１と同様にろう付けした。金属回路板１５および金属ベース板２０の材質は、０．４ｍａｓｓ％Ｓｉ−０．０４ｍａｓｓ％Ｂ−残部Ａｌとした。
【００６７】
ろう付け後の溝深さと仕切り板の変形状態を図１５に示す。面圧７．４ＭＰａでは仕切り板が大きく変形（座屈）し、溝深さが０．３ｍｍ減少した。面圧５．７ＭＰａでは仕切り板の変形は小さくなり、溝深さは０．１５ｍｍ減少した。面圧２．３ＭＰａでは仕切り板の変形は非常に小さくなり、溝深さには変化が見られなかった。面圧７．３ＭＰａの状態では冷却水の流れが不安定となり、熱性能がやや低下するが、許容範囲である。その限界の面圧は全体高さによって変化する。仕切り板の高さＤ‘が接合前の高さＤ（仕切り板の高さ、溝深さ）よりも１０％変形すると、熱性能が金属回路板に半導体チップを搭載したときにその冷却に影響がでる程度に低下するので、それを指標として、仕切り板の変形量が１０％以下となる溝幅を決定した。その結果を図１６に示す。そのときの仕切り板の幅は、１．０ｍｍ一定とした。溝幅が減少すると仕切り板の本数が増加するので、図１６から明らかなように、溝幅が減少するに従って、仕切り板が１０％変形する荷重（限界荷重）は増加する。また、多孔管の高さが増加するに従い、限界荷重は減少する。
【００６８】
図１６の結果より、各溝幅での限界荷重を求めて、その荷重を仕切り板面積で除した値を限界面圧（ＭＰａ）とした。図１７に示すように、その限界面圧は、多孔管の全体高さと良い相関関係にある。また、溝幅が増加するに従い限界面圧は減少するので、溝幅の小さい１．０ｍｍで限界面圧を決定した。
【００６９】
熱性能の低下が無い限界面圧は、−０．５×Ｄ（溝深さ、仕切り板の高さ）＋１０で求められ、それ以下の面圧を設定することで仕切り板の変形が無い冷却器を得ることができる。それ以上の面圧を加えると、仕切り板の座屈がさらに増えて溝幅Ｗ１の変化が大きくなるので、仕切り板の面圧を、−０．５×Ｄ（溝深さ、仕切り板の高さ）＋１０（ＭＰａ）以下とした。一方、大型放熱基板の場合には、荷重１１００Ｎ（面圧４．１ＭＰａ）で、仕切り板の変形は無かった。なお、仕切り板の座屈は、金属回路板の反り量を小さくする効果があると考えられるので、前述の通り１０％以内の変形量であれば熱性能の低下もなく、むしろ積極的に座屈を利用しても良い。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明は、金属−セラミックス接合基板に適用され、特にセラミックス基板の両面にそれぞれアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属回路板および金属ベース板が接合され、金属ベース板のセラミックス基板が接合されていない面に放熱器が接合されている液冷一体型基板およびその製造方法に適用される。
【符号の説明】
【００７１】
１ 液冷一体型基板
１０ セラミックス基板
１５ 金属回路板
２０ 金属ベース板
３０ 放熱器
３１ 間隙部
３３ ろう材層
３５ 仕切り板
３８ 流路
４０ 蓋部材
４１ 蓋部
４５（４５ａ、４５ｂ） 液循環ポート
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属−セラミックス接合基板に関し、特にセラミックス基板の両面にそれぞれアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属回路板および金属ベース板が接合され、金属ベース板のセラミックス基板が接合されていない面に放熱器が接合されている液冷一体型基板の製造方法および液冷一体型基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば電気自動車、電車、工作機械等の大電流を制御するために使用されている従来のパワーモジュールでは、ベース板と呼ばれている金属板または複合材の一方の面に金属−セラミックス絶縁基板が半田付けにより固定され、この金属−セラミックス絶縁基板上に半導体チップ等の電子部品が半田付けにより固定されている。また、ベース板の他方の面（裏面）には、ネジ止め等により熱伝導グリースを介して金属製の放熱フィンや冷却ジャケット等の放熱器が取り付けられている。
【０００３】
この金属−セラミックス絶縁基板へのベース板や電子部品等の半田付けは加熱により行われるため、半田付けの際に接合部材間の熱膨張係数の差によりベース板の反りが生じやすい。また、電子部品等から発生した熱は、金属−セラミックス絶縁基板と半田とベース板を介して放熱フィンや冷却ジャケット（放熱器）により空気や冷却水等に逃がされるため、ベース板の反りが発生すると放熱フィンや冷却ジャケットをベース板に取り付けた際のクリアランスが大きくなり、放熱性が極端に低下してしまう。
【０００４】
そこで、例えば特許文献１には、上記問題点であるベース板の反りを非常に小さくすることができる放熱フィン（補強部）と金属ベース板とが一体的に形成され溶湯接合法により作製された金属−セラミックス直接接合基板が開示されている。また、例えば特許文献２および特許文献３には、金属ベース板や放熱フィン等に取り付けて、熱発生体を効率的に冷却する冷却ジャケットが開示されている。
【０００５】
さらに特許文献４には、質量％で、Ｍｇを０．１〜５．０％、Ｓｉを３〜１３％含有するＡｌ−Ｓｉ系ろう材が最表面に位置するアルミニウムクラッド材を用いて、減圧を伴わない非酸化性雰囲気で加熱温度５５９〜６２０℃において、前記Ａｌ−Ｓｉ系ろう材によりろう付け対象部材との接触密着部を接合するろう付け方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−２１８９３８号公報
【特許文献２】特開２００６−３２４６４７号公報
【特許文献３】特開２００８−１３５７５７号公報
【特許文献４】特許第４５４７０３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記特許文献１に記載の金属−セラミックス基板においては、放熱を行う機構として金属ベース板の一方の面に放熱フィンを一体的に設けるとしており、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属ベース板に対して一体的に放熱フィンを形成するために、例えば鋳型等を用いてフィン形状を加工する必要があり、加工コストや原材料コストが増大してしまうといった問題があった。また、フィン形状を加工する際に、加工時に金属ベース板に発生する残留応力によって金属ベース板に反りが発生してしまう恐れもあった。さらに、複数の放熱フィンを形成するために溝加工を行う場合、金属−セラミックス基板全体（一体型基板全体）としての強度が不十分になってしまう恐れがあった。
【０００８】
また、上記特許文献１に記載の金属−セラミックス基板においては、過渡熱伝導が十分に確保されない恐れがあることから、その放熱性（冷却効率）について更なる改良の余地があった。
【０００９】
また、上記特許文献２、特許文献３に記載の冷却ジャケットを金属−セラミックス基板に取り付ける（接合する）ことにより、放熱性（冷却効率）の面で優れた金属−セラミックス基板（一体型基板）が得られるが、上記特許文献２、特許文献３に記載された金属−セラミックス基板は、金属ベース板に放熱フィンが形成され、その放熱フィンを覆うように（収納するように）冷却ジャケットが接合されているため、上述した問題点である加工コスト・原材料コストの増大や一体型基板全体としての強度が不十分になってしまうといった問題点は解消されないと考えられる。さらには、特許文献３の扁平管に直接金属−セラミックス基板を接合すると、扁平管や金属−セラミックス基板の金属回路板の反りが大きくなり、電子部品の実装が困難になったり、熱衝撃が加わったときの信頼性の問題が発生することが判明した。
【００１０】
さらに、上記特許文献４に記載のろう付け方法によると、フラックスや真空設備を必要とせずに大気圧下でのフラックスレスろう付けが可能になり、ろう材以外の被ろう付け構成部材へＭｇを添加した場合にも、ろう付け阻害要因とはならず、減圧を伴わない雰囲気での加熱となるため、ＭｇやＺｎの蒸発による炉内壁等の汚染も殆ど生じない。しかしながら、上記特許文献４に記載のろう付け方法では、芯材とろう材とからなる２層以上のクラッド材を使用しており、当該ブレージングシートをアルミニウム合金部材同士の面ろう付けに適用するためには、芯材の両面にろう材を配置した３層クラッド材とする必要があり、製造が煩雑になりコストアップを伴う。
【００１１】
そこで、上記問題点に鑑み、本発明の目的は、原材料コストや加工コストを低く抑え、一体型基板としての反り（形状変形）が低減され、優れた強度および放熱性を備えた液冷一体型基板の製造方法および液冷一体型基板を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するため、本発明は、単層型ブレージングシートによって２つのアルミニウム合金部材同士を大気圧下の不活性ガス雰囲気中で無フラックス面ろう付けすることとした。即ち、本発明によれば、セラミックス基板の一方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属回路板が接合されると共に、他方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる平板状の金属ベース板の一方の面が接合され、前記金属ベース板の他方の面には押出し材で構成される液冷式の放熱器が接合された液冷一体型基板の製造方法であって、前記金属回路板および前記金属ベース板と前記セラミックス基板との接合は溶湯接合法によって行われ、前記金属ベース板と前記放熱器との接合はろう接合法によって行われ、前記ろう接合法において、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ合金組成のろう材のみからなる単層ブレージングシートを、前記金属ベース板と前記放熱器との間に挟みこみ面接触させた状態で、前記金属ベース板と前記放熱器とを、（１）式以上の面圧で加圧した後に加熱して、不活性ガス雰囲気下で、ろう付け温度５７０℃以上に保持しつつ、無フラックスでろう付け接合することを特徴とする、液冷一体型基板の製造方法が提供される。
面圧（ＭＰａ）＝−１．２５×１０−３×（放熱器の断面２次モーメント）＋２．０ ・・・（１）
【００１３】
上記液冷一体型基板の製造方法においては、前記放熱器は多孔管からなり、前記多孔管の冷媒の流路である溝幅Ｗ（ｍｍ）と溝深さＤ（ｍｍ）との関係が、
３．３Ｗ＜Ｄ＜１０Ｗ
を満たすことが好ましく、前記多孔管の冷媒の流路である溝幅Ｗ（ｍｍ）と仕切り板の幅Ｔ（ｍｍ）との関係が、
−Ｗ＋１．４＜Ｔ／Ｗ＜−１．５Ｗ＋３．３ （０．４≦Ｗ≦１．０の場合）
−０．２Ｗ＋０．７＜Ｔ／Ｗ＜−１．５Ｗ＋３．３ （１．０＜Ｗ＜２．０の場合）
を満たすことが好ましい。さらに、前記溝幅Ｗが０．４ｍｍ以上であることが好ましい。
【００１４】
さらに、前記金属ベース板と前記放熱器とが、前記多孔管の仕切り板に負荷される仕切り板面圧が、−０．５×Ｄ（溝深さ）＋１０（ＭＰａ）以下となるように加圧した後に加熱してろう付け接合されることが好ましい。
【００１５】
また、上記液冷一体型基板の製造方法においては、前記放熱器は熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫ以上であるアルミニウムまたはアルミニウム合金からなることが好ましく、前記金属ベース板は、熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫ以上であるアルミニウムまたはアルミニウム合金であることが好ましく、前記金属回路板は、熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫ以上であるアルミニウムまたはアルミニウム合金であることが好ましい。
【００１６】
さらに、前記金属回路板の厚さｔ１と前記金属ベース板の厚さｔ２の関係はｔ２／ｔ１≧２を満たす厚さに形成されることが好ましい。前記金属回路板の厚さｔ１は０．４〜３ｍｍであり、前記金属ベース板の厚さｔ２は０．８〜６ｍｍであることが好ましい。また、前記単層ブレージングシートの厚さが１０〜２００μｍであることが好ましい。
【００１７】
また、本発明によれば、セラミックス基板の一方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属回路板が接合されると共に、他方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる平板状の金属ベース板の一方の面が接合され、前記金属ベース板の他方の面には押出し材で構成される液冷式の多孔管からなる放熱器が接合された液冷一体型基板において、前記金属ベース板と前記放熱器とが、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ合金組成のろう材によってろう付け接合されたことを特徴とする、液冷一体型基板が提供される。
【００１８】
上記液冷一体型基板においては、前記放熱器における前記多孔管の冷媒の流路である溝の幅Ｗ（ｍｍ）と溝深さＤ（ｍｍ）との関係が、
３．３Ｗ＜Ｄ＜１０Ｗ
を満たすことが好ましく、前記多孔管の冷媒の流路である溝幅Ｗ（ｍｍ）と仕切り板の幅Ｔ（ｍｍ）との関係が、
−Ｗ＋１．４＜Ｔ／Ｗ＜−１．５Ｗ＋３．３ （０．４≦Ｗ≦１．０の場合）
−０．２Ｗ＋０．７＜Ｔ／Ｗ＜−１．５Ｗ＋３．３ （１．０＜Ｗ＜２．０の場合）
を満たすことが好ましい。さらに、前記溝幅Ｗが０．４ｍｍ以上であることが好ましい。
【００１９】
また、前記放熱器は熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫ以上であるアルミニウムまたはアルミニウム合金からなることが好ましく、前記金属ベース板は、熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫ以上であるアルミニウムまたはアルミニウム合金であることが好ましく、前記金属回路板は、熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫ以上であるアルミニウムまたはアルミニウム合金であることが好ましい。さらに、前記セラミックス基板と前記金属回路板との接合、前記セラミックス基板と前記金属ベース板との接合は、溶湯接合法あるいはろう接合法によって行われることが好ましい。
【００２０】
前記金属回路板の厚さｔ１と前記金属ベース板の厚さｔ２の関係は、ｔ２／ｔ１≧２を満たし、前記金属回路板の厚さｔ１は０．４〜３ｍｍであり、前記金属ベース板の厚さｔ２は０．８〜６ｍｍであることが好ましい。前記多孔管の仕切り板が座屈していてもよい。
【００２１】
本発明では、前記ろう接合法は、大気圧下の不活性ガス雰囲気中における無フラックスろう付けを採用しているため、真空ろう付け法とは異なり連続処理炉によるろう付けが可能となり、フラックス等による炉内への汚染の心配がない。また、本発明のろう接合法では、フラックスを用いることなく、金属ベース板と放熱器との間に治具等を用いて所定の面圧を付加してろう付けするため、前記金属ベース板と前記放熱器との間に発生しやすい空隙欠陥等を抑制することができ、結果として品質の安定した面ろう付けが行える。
【００２２】
前記ろう接合法において用いるブレージングシートは、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ合金組成のろう材からなる単層ブレージングシートであるため、所定の組成のスラブをＤＣ鋳造して、均質化処理、熱間圧延、冷間圧延、必要に応じて中間焼鈍を施すことにより、比較的安価に製造できる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、原材料コストや加工コストを低く抑え、一体型基板としての反り（形状変形）が低減され、優れた強度および放熱性を備えた液冷一体型基板の製造方法および液冷一体型基板が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】液冷一体型基板１の側面断面図である。
【図２】液冷一体型基板１と蓋部材４０の斜視図である。
【図３】実施例で用いた多孔管を示す断面図である。
【図４】実施例で用いたろう付け用治具を正面から見た写真である。
【図５】実施例１で行ったろう付け試験によるアルミ材の断面２次モーメントと反り量との関係を示すグラフである。
【図６】実施例１で得られたアルミ材の断面２次モーメントおよび面圧と反り量との関係を示すグラフである。
【図７】実施例２で行ったろう付け試験のろう付け後の外観を示す写真であり、（ａ）はサンプルの長手方向を多孔管の仕切り板に対して平行方向（Ｘ方向）に沿ってろう付けしたタイプ、（ｂ）はサンプルの長手方向を多孔管の仕切り板に対して垂直方向（Ｙ方向）にろう付けしたタイプである。
【図８】実施例２の試験による反り量を示すグラフである。
【図９】実施例２の試験結果であり、小型放熱基板（サンプル）のろう付け方向による断面２次モーメントと反り量との関係を示すグラフである。
【図１０】実施例３で行った大型放熱基板のろう付け試験の断面２次モーメントと反り量との関係を示すグラフである。
【図１１】実施例３で行った大型放熱基板と小型放熱基板の、面圧に対する単位長さ当たりの反り量を比較したグラフである。
【図１２】実施例３で得られたアルミ材の断面２次モーメントおよび面圧と反り量との関係を示すグラフである。
【図１３】実施例４で得られた溝幅および溝深さと性能との関係を示すグラフである。
【図１４】実施例４で得られた溝幅および仕切り板の幅（放熱フィン厚さ）／溝幅と性能との関係を示すグラフである。
【図１５】実施例４で得られた各面圧における仕切り板の変形状態と溝深さの分布を示すグラフであり、（ａ）は３５０Ｎ、（ｂ）は８５０Ｎ、（ｃ）は１１００Ｎの場合である。
【図１６】実施例４で得られた限界荷重と溝幅との関係を示すグラフである。
【図１７】実施例４で得られた多孔管の高さ（溝深さ）と限界面圧との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態を、図を参照して説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する要素においては、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００２６】
図１は本発明の実施の形態にかかる液冷一体型基板１の側面断面図である。図１に示すように、液冷一体型基板１においては、例えばＡｌＮ基板（窒化アルミニウム基板）やＳｉＮ基板（窒化珪素基板）であるセラミックス基板１０の上面（図１中上方）にアルミニウムまたはＳｉ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｉ、Ｓｎから選ばれる少なくとも１つの元素を含有するアルミニウム合金からなる金属回路板１５が接合されており、また、セラミックス基板１０の下面（図１中下方）にはアルミニウムまたはＳｉ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｉ、Ｓｎから選ばれる少なくとも１つの元素を含有するアルミニウム合金からなる金属ベース板２０が接合されている。また、金属ベース板２０の下面（図１中下方）には押出し材によって構成される中空角柱形状の多孔管からなる放熱器３０が接合されている。ここで、押出し材とは、押出し加工によって一体的に成形される部材を示している。
【００２７】
なお、本実施の形態ではセラミックス基板１０と金属回路板１５の接合およびセラミックス基板１０と金属ベース板２０の接合は溶湯接合法によって接合が行われているものとし、金属ベース板２０と放熱器３０の接合はろう接合法によって接合が行われている。即ち、金属ベース板２０と放熱器３０との接合において、その間隙部３１には、接合のための、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ合金組成のろう材のみからなる単層ブレージングシートによるろう材層３３が形成されることとなる。ろう接合法が行われる際に、接合対象物には所定の厚さ以上の厚み（ろう接時に溶けて形状が保持できない等、ろう接合に耐えうるだけの厚み）が必要となるため、この場合、特に放熱器３０の上面（接合対象面）の厚みが十分に確保されている必要がある。
【００２８】
また、図１に示すように、放熱器３０は内部空間が中空であり、その内部空間を仕切る仕切り板（リブ、放熱フィン）３５が設けられている。本実施の形態にかかる放熱器３０では、図示のように内部空間を７箇所に仕切るように仕切り板３５が設けられ、放熱器３０の内部空間には仕切り板３５によって複数（７箇所）の各流路３８が形成されることとなる。仕切り板３５が設けられた放熱器３０は押出し加工により一体物として作製される。
【００２９】
また、図２は、液冷一体型基板１と蓋部材４０の斜視図である。蓋部材４０は放熱器３０の手前側（図２中手前側）の開口部の側面３０ａを覆うように取り付けられる部材であり、蓋部材４０は、蓋部４１と蓋部４１の側面（放熱器３０に取り付けた際の側面３０ａに対応する面）の２箇所に設けられる液循環ポート４５（４５ａ、４５ｂ）から構成される。また、放熱器３０において図２中手前側の開口部の反対側に設けられた開口部には、図示しない液循環ポートを有していないこと以外は同様の蓋部材が取り付けられる。蓋部材４０は、実際に液冷一体型基板１において、金属回路板１５に取り付けられた例えば半導体素子等の発熱により、液冷却が行われる場合に放熱器３０に取り付けられる。液循環ポート４５（４５ａ、４５ｂ）には図示しない冷却液循環機構が接続され、冷却液循環機構から液循環ポート４５ａを介して放熱器３０の内部（流路３８）に冷却液が供給され、液循環ポート４５ｂを介して放熱器３０の内部から冷却液が冷却液循環機構に排出される。即ち、冷却液循環機構の作動により冷却液が流路３８に流れこみ、その後、再度冷却液循環機構に戻るといったように、冷却液が放熱器３０内と冷却液循環機構との間で循環し、放熱器３０の冷却能力を一定に保つような構成となっている。この蓋部材４０と放熱器３０とは、金属ベース２０と放熱器３０とがろう接合される時、同時にろう接合しても構わない。
【００３０】
一方、本実施の形態にかかる液冷一体型基板１においては、金属回路板１５の厚さ（高さ）ｔ１と、金属ベース板２０の厚さ（高さ）ｔ２の関係は、ｔ２／ｔ１≧２となっていることが好ましい（例えば図１参照）。また、この時の各値としては、ｔ１が０．４〜３ｍｍであり、ｔ２が０．８〜６ｍｍである。金属回路板１５の高さｔ１と、金属ベース板２０の高さｔ２の関係がｔ２／ｔ１≧２の関係であることが望ましいのは、充分な過渡熱の放熱性を得ること、一体型基板の反りを抑制するためである。また、ｔ１が０．４〜３ｍｍであり、ｔ２が０．８〜６ｍｍであることが望ましいのは、充分な過渡熱の放熱性を得ること、一体型基板の反りを抑制するためである。なお、ｔ２が０．８〜３ｍｍであることがさらに好ましい。
【００３１】
また、放熱器３０の材質としては、熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫ以上であるアルミニウムまたはＳｉ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｉ、Ｓｎから選ばれる少なくとも１つの元素を含有するアルミニウム合金が望ましい。
【００３２】
また、金属回路板１５の表面粗さは、素子実装のための半田濡れを良くするためにＲａ０．３〜２．０μｍ程度が好ましい。放熱器３０の表面粗さは、一般的な押出材及び板材で得られる程度で良い。また、金属ベース板２０の放熱器３０接合側の表面粗さはろう付性を良くするために、Ｒａ１．０〜２．０μｍが好ましい。なお、放熱器３０と金属ベース板２０を溶湯接合法で接合する場合はＲａ０．３〜２．０μｍでも充分に接合できる。
【００３３】
以上、図１および図２を参照して説明した液冷一体型基板１において、例えば半導体素子等の電子部品が金属回路板１５に取り付けられ使用された場合に、その電子部品から発生した熱は、上記説明したように内部に冷却液が循環する放熱器３０によって放熱され、液冷一体型基板１全体が冷却される。ここで、上述したように、金属回路板１５の高さｔ１と、金属ベース板２０の高さｔ２の関係がｔ２／ｔ１≧２となっていることや、各値を、それぞれｔ１が０．４〜３ｍｍであり、ｔ２が０．８〜６ｍｍであることが望ましく、十分な放熱性を発揮する液冷一体型基板１が得られることとなる。
【００３４】
また、金属回路板１５、金属ベース板２０および放熱器３０の材質を、熱伝導率が１７０／ｍＫ以上であるアルミニウムまたはＳｉ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｉ、Ｓｎから選ばれる少なくとも１つの元素を含有するアルミニウム合金とすることで、一体型基板としての放熱性や強度や信頼性（耐熱衝撃性等）が十分に確保された液冷一体型基板１が得られる。さらには、溶湯接合法やろう接合法を用いて各部材同士を接合することで接合信頼性が十分に確保される。
【００３５】
また、放熱器３０を、熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫ以上であるアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる押出し材で構成することで、放熱性も良く、放熱器３０をフィン形状に切削など機械加工する場合等に比べ、放熱器３０における反り（形状変形）の発生が抑えられると共に、押出し加工で一体的に成形を行うため、原材料コストや加工コストの面で優れた液冷一体型基板１を製造することが可能となる。
【００３６】
本発明において、金属ベース板２０と放熱器３０とは、前述の通りろう付けにより接合されている。ろう付けは、金属ベース板２０と放熱器３０との間に、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ合金組成の単層ブレージングシートからなるろう材３３を挟みこみ、面接触させた状態で所定の荷重を負荷し、ろう付け炉内で、所定のろう付け温度まで加熱して行われる。なお、ブレージングシートとは、ろう材箔のことである。本発明では、
面圧＝（ろう付けの加熱前のセット時に負荷する荷重）／（金属ベース板の面積）
とし、この面圧を、下記（１）式以上とした。
面圧（ＭＰａ）＝−１．２５×１０−３×（放熱器の断面２次モーメント）＋２．０ ・・・（１）
尚、放熱器３０の断面２次モーメントは、次式から求める。
仕切り板に対して平行方向の場合は、
ＢＨ３／１２−（（溝幅）×本数×Ｄ３）／１２
仕切り板に対して垂直方向の場合は、
ＢＨ３／１２−（Ｂ×Ｄ３）／１２
ただし、Ｂ：放熱器と金属ベース板の接合部の幅，Ｈ：放熱器の高さ，Ｄ：放熱器における多孔管の溝深さ（仕切り板の高さ）、Ｔ：仕切り板の幅
ろう付け時の面圧を、金属ベース板２０の剛性に対して（１）式以上とすることにより、反り量が低減された一体型基板を得ることができる。
【００３７】
次に、本発明で採用したフラックスレスの面ろう付け法における、単層ブレージングシートのＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ合金組成、ろう材の厚み、被接合材表面の酸化皮膜厚み、不活性ガス雰囲気、ろう付け温度及び保持時間等の詳細について説明する。
【００３８】
Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ合金組成とは、例えば、Ｓｉ：３〜１２質量％、Ｍｇ：０．１〜５．０質量％を含み、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる成分組成を有するものが好ましい。Ｓｉは、その含有量によって液相線の温度を下げるとともに、面ろう付け中の濡れ性を改善するための元素である。Ｍｇは、自らが酸化されることにより、還元剤として作用するため、ろう付け加熱時の前記金属ベース板や前記放熱器の接合面とろう材との界面におけるアルミニウムの酸化を抑制し、面ろう付け中の濡れ性を改善するための元素である。Ｍｇを所定量含有することにより、大気圧下の不活性ガス雰囲気中における無フラックスろう付けが可能となる。
【００３９】
単層型ブレージングシートを構成するろう材の厚みは、健全な面ろう付けを達成できる厚みであればよい。例えば、厚さが１０〜２００μｍのＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ合金薄板が好ましい。厚みが１０μｍ未満であると、十分なろう付け強度が得られない可能性がある。厚みが２００μｍを超えると、接合面から染み出すろう材の量が多くなりすぎて、コスト高となる。したがって、ろう材の厚みの範囲は、１０〜２００μｍが好ましい。より好ましい厚みの範囲は、１５〜１５０μｍである。さらに好ましい厚みの範囲は、１５〜１００μｍである。
【００４０】
面ろう付けされる金属ベース板２０と放熱器３０の材料としては、ＡＡ１０００系、ＡＡ６０６３等が適用可能であり、特にろう付け面に形成されている酸化皮膜の厚みが３０ｎｍ以下のものが好ましい。
【００４１】
金属ベース板２０と放熱器３０の材料の固相線温度は５７０℃以上、かつ、ろう付け温度は不活性ガス雰囲気化で５７０℃以上とし、無フラックスでろう付け接合する。そして、面ろう付け時のろう付け温度における保持時間は２分以上、特に５分以上とすることが好ましい。
【００４２】
不活性ガスとしては、ヘリウムガス、アルゴンガスの他、窒素ガスも当然のことながら含むものとする。そして、コスト的には面ろう付け時の不活性ガスは窒素ガスを採用することが好ましく、その窒素ガス中の酸素濃度は５００ｐｐｍ以下とすることが好ましい。
【００４３】
また、放熱器３０の各溝（冷却液の流路３８）の深さ寸法Ｄ（ｍｍ）は、各溝の幅寸法Ｗ（ｍｍ）に対して、
３．３Ｗ＜Ｄ＜１０Ｗ
の範囲であることが、好適な熱性能と押出し性を両立させる。さらに、幅Ｗ（ｍｍ）と仕切り板の幅Ｔ（ｍｍ）とが、
−Ｗ＋１．４＜Ｔ／Ｗ＜−１．５Ｗ＋３．３ （０．４≦Ｗ≦１．０の場合）
−０．２Ｗ＋０．７＜Ｔ／Ｗ＜−１．５Ｗ＋３．３ （１．０＜Ｗ＜２．０の場合）
を満たすことで、好適な熱性能と押出し性を両立させることができる。
【００４４】
さらに、
仕切り板の面圧＝（ろう付け時に放熱器３０に負荷する荷重）／（放熱器３０の仕切り板の面積）
とし、仕切り板の面圧を、−０．５×Ｄ（溝深さ）＋１０（ＭＰａ）以下とすることにより、放熱器の仕切り板の座屈を低減させることができる。ただし、仕切り板の面積は、仕切り材３５を上板に平行な平面で切断したときの仕切り板の断面積を指す。
【００４５】
以上、本発明の実施の形態の一例を説明したが、本発明は図示の形態に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００４６】
例えば、上記実施の形態において放熱器３０の構成（断面形状）は、仕切り板３５によって放熱器３０の内部空間が７箇所に仕切られるものとしたが、これに限られるものではない。仕切り方や流路３８の形成数は任意に設定可能であり、放熱器３０の放熱性（冷却効率）が好適になるように適宜定めることが好ましい。
【実施例】
【００４７】
〈実施例１〉
ＡｌＮ基板の両面にアルミニウム合金が溶湯接合（直接接合）された放熱基板「アルミック」（商標登録）を用いて、ろう付けにより液冷一体型基板を製作するための基礎試験を行った。
【００４８】
まず、長さ４０ｍｍ×幅４０ｍｍ×厚さ４ｍｍの板材、長さ４０ｍｍ×幅４０ｍｍ×６ｍｍの板材、長さ４０ｍｍ×幅４０ｍｍ×８ｍｍの板材の３種類の、材質が合金番号Ａ１１００材（純アルミニウム）（固相線温度：６４３℃）からなる放熱器と、図３に示す長さ４０ｍｍ×幅４０ｍｍ×厚さ８．０８ｍｍの多孔管（材質：合金番号Ａ６０６３アルミニウム合金製）（固相線温度：６１５℃）からなる放熱器を準備した。多孔管からなる放熱器には、図３の通り多数の冷媒の流路の管が連続して並んでおり、前記冷媒の流路である溝幅Ｗ（管の幅）が１．５１５ｍｍ、溝深さＤ（管の高さ）が６．０６ｍｍ、仕切り板の幅（リブ厚さ、放熱フィン厚さ）が０．７０７ｍｍ、上板（天板）と下板（底板）の厚さがそれぞれ１．０１ｍｍであった。
【００４９】
また、小型放熱基板として、アルミニウム合金からなる金属回路板の寸法が長さ１５．７ｍｍ×幅２６．４ｍｍ×厚さ０．６ｍｍ（ｔ１）であって、セラミックス基板の寸法が長さ１８．１ｍｍ×幅２８．８ｍｍ×厚さ０．６４ｍｍ、アルミニウム合金からなる金属ベース板２０の寸法が長さ１５．７ｍｍ×幅２６．４ｍｍ×厚さ１．６ｍｍ（ｔ２）を準備した。さらに、金属ベース板の２０の厚さ（ｔ２）が０．６ｍｍであること以外は同じ構成である小型放熱基板を準備した。金属回路板および金属ベース板の材質は、０．４ｍａｓｓ％Ｓｉ−０．０４ｍａｓｓ％Ｂ−残部Ａｌとした。なお、小型放熱基板の金属回路板及び金属ベース板は、いずれも直方体（板形状）であり、セラミックス基板の中央に配置、接合されている。
【００５０】
図４に示すように、放熱器の上に、小型放熱基板の金属ベース板のアルミ部分と同一サイズ（長さおよび幅）のろう材（組成：１０ｍａｓｓ％Ｓｉ−１．５ｍａｓｓ％Ｍｇ−残部Ａｌ、厚さ１５μｍ）をセットして、さらにろう材の上に放熱基板を置き、その上に治具を介して「インコネル」（登録商標）の皿バネをセットして所定の荷重（面圧）が負荷されるようにボルトで締め付けた。ろう材の組成を発光分光分析法にて測定した結果を表１に示す。また、表１に示されるＦｅは不可避的不純物である。なお、ボルトで締め付ける前に、ろう材の表面、放熱器の接合面及び金属ベース板の接合面には、フラックスを塗布していない。
【００５１】
【表１】
【００５２】
次に、窒素雰囲気中のろう付け炉内にセットした後、５００℃まで５０℃／ｍｉｎ、６０５℃までは１０℃／ｍｉｎで昇温して、ろう付け温度である６０５℃で１０分間保持し、その後２５０℃までは１５℃／ｍｉｎで冷却した。このようにろう付けした後、放熱基板の金属回路板表面の反り量（２６．４ｍｍ長手方向）を測定した。結果を表２に示す。なお、反り量は、金属回路板の端部と中央部の高さの差を３次元表面粗さ計で測定した。
【００５３】
【表２】
【００５４】
表２から明らかなように、面圧が増加するに従い、また、放熱器（アルミ材）の断面２次モーメントが増加するに従い、放熱基板表面の反り量は減少する。また、図５に示すように、反り量と放熱器（アルミ材）の断面２次モーメントとの間には、良い相関関係があることがわかった。放熱基板の金属ベース板の厚さを変化させても反り量には差が見られなかったので、放熱基板の金属ベース板の厚さは、反りには影響しないと考えられる。ただし、過渡熱特性などの放熱性や信頼性を考慮すると、金属ベース板の厚さは大きい方が好ましい。反りが大きいと、半導体チップを半田付けによって金属回路板表面に接合する際などに不具合が発生するため、目標としている反り量は６０μｍ以下であり、望ましくは５０μｍ以下である。図６に示すように、反り量を６０μｍ以下、あるいは５０μｍ以下にするための、面圧と断面２次モーメントの範囲が存在することがわかった。つまり、
面圧（ＭＰａ）＝−１．２５×１０−３×（放熱器の断面２次モーメント）＋２．０ ・・・（１）
反り量の目標を５０μｍ以下とすれば、（１）式以上の面圧を設定すれば、目標を達成できる。
【００５５】
〈実施例２〉
図３に示すような、多数の冷媒の流路の管が連続して並んでおり、冷媒の流路である溝幅Ｗ（管の幅）が１．５１５ｍｍ、溝深さＤ（管の高さ）が６．０６ｍｍ、仕切り板の幅（リブ厚さ、放熱フィン厚さ）Ｔが０．７０７ｍｍ、天板と底板の厚さがそれぞれ１．０１ｍｍである多孔管を、１１０ｍｍ（押出方向）×１３５ｍｍに切断して多孔管からなる放熱器とし、その両側にφ１８ｍｍ（内径１６ｍｍ）のパイプを、蓋材としてろう付けした。図示しない冷却液循環機構により、冷媒は一方のパイプから供給され、多孔管を通過して他方のパイプから排出される構造となっている。また、多孔管の表面に、小型放熱基板（アルミ合金からなる金属回路板として１５．７ｍｍ×２６．４ｍｍ×０．６ｍｍ、アルミ合金からなる金属ベース板として１５．７ｍｍ×２６．４ｍｍ×１．６ｍｍ、セラミックス（ＡｌＮ基板）１８．１ｍｍ×２８．８ｍｍ×０．６４ｍｍ）を４枚ろう付けした。金属回路板１５および金属ベース板２０の材質は、０．４ｍａｓｓ％Ｓｉ−０．０４ｍａｓｓ％Ｂ−残部Ａｌとした。このときの荷重を３５００Ｎ、すなわち面圧を２．１ＭＰａとした。ろう付け条件は実施例１と同様であるが、多孔管とパイプとのろう付けにはフラックスを塗布した。多孔管と小型放熱基板、および多孔管とパイプは同時に接合した。図７（ａ）に示すように小型放熱基板（５−１、５−２、５−３、５−４）の長手方向が多孔管の仕切り板に対して平行方向（冷媒の流路の方向）に沿ってろう付けしたタイプ（平行タイプと称す）と、図７（ｂ）に示すように小型放熱基板（６−１、６−２、６−３、６−４）の長手方向が多孔管の仕切り板に対して垂直方向（冷媒の流路に直角方向）にろう付けしたタイプ（垂直タイプと称す）を試作した。これらの金属回路板表面の反り量の測定結果を図８に示す。反り量は、Ｘ方向（仕切り板に対して平行方向）の金属回路板表面、Ｙ方向（仕切り板に対して垂直方向）の金属回路板表面、斜め方向（金属回路板の対角線方向）の金属回路板表面について、いずれも金属回路板の端部と中央部の高さの差として３次元表面粗さ計で測定した。
【００５６】
図８から明らかなように、実施例１で得られた（１）式に基づいて、それ以上の面圧を設定したことにより、小型放熱基板を４枚ろう付けした場合でも、目標とする反り量５０μｍ以下を達成することができた。
【００５７】
また、仕切り板の方向によって断面２次モーメントが変化するので、図８に示すように反り量も変化する。そこで、Ｘ方向及びＹ方向の断面２次モーメントをそれぞれ計算して、さらに反り量を単位長さ当たりとして計算した結果を図９に示す。図９に示すように、仕切り板の方向が異なり断面２次モーメントが変化した場合でも、反り量は同一線上に分布することがわかり、反り量への影響因子として断面２次モーメントが妥当であることが判明した。
【００５８】
〈実施例３〉
次に、長さ４０ｍｍ×幅４０ｍｍ×厚さ４ｍｍの板材、長さ４０ｍｍ×幅４０ｍｍ×８ｍｍの板材の２種類の、材質がＡ１１００材からなる放熱器と、図３に示す長さ４０ｍｍ×幅４０ｍｍ×厚さ８．０８ｍｍの多孔管（材質：Ａ６０６３合金製）からなる放熱器を準備した。多孔管からなる放熱器には図３の通り多数の冷媒の流路の管が連続して並んでおり、冷媒の流路である溝幅Ｗ（管の幅）が１．５１５ｍｍ、溝深さＤ（管の高さ）が６．０６ｍｍ、仕切り板の幅（放熱フィン厚さ、リブ厚さ）が０．７０７ｍｍ、天板と底板の厚さがそれぞれ１．０１ｍｍであった。
【００５９】
また、放熱基板（アルミック）として、アルミニウム合金からなる金属回路板の寸法が長さ２７．４ｍｍ×幅３２．４ｍｍ×厚さ０．６ｍｍ（ｔ１）であって、セラミックス基板の寸法が２８．８ｍｍ×３８．８ｍｍ×０．６４ｍｍであり、アルミニウム合金からなる金属ベース板２０の寸法が長さ２７．４ｍｍ×幅３２．４ｍｍ×厚さ１．６ｍｍ（ｔ２）の大型放熱基板を準備した。金属回路板１５および金属ベース板２０の材質は、０．４ｍａｓｓ％Ｓｉ−０．０４ｍａｓｓ％Ｂ−残部Ａｌとした。
【００６０】
図４に示すように、放熱器の上に、放熱基板の金属ベース板のアルミ部分と同一サイズ（長さと幅）のろう材（組成：１０ｍａｓｓ％Ｓｉ−１．５ｍａｓｓ％Ｍｇ−残部Ａｌ、厚さ１５μｍ）をセットして、さらにろう材の上に放熱基板を置き、ろう付けした。ろう接の条件は、面圧以外、実施例１と同様である。このとき得られた大型放熱基板の金属回路板表面の反り量（３２．４ｍｍ方向）を実施例１と同様に測定した。なお、ろう付け時の荷重を、１１５０Ｎ（面圧１．３１ＭＰａ）、１６００Ｎ（面圧１．８２ＭＰａ）の２通りに設定して試験を行った。
【００６１】
図１０に示すように、大型放熱基板の場合でも、断面２次モーメントと反り量は良い相関関係を示すことがわかった。また、前述の厚さ４ｍｍのアルミ板からなる放熱器及び多孔管からなる放熱器に、前記小型放熱基板及び前記大型放熱基板をろう付けした時の面圧と反り量との関係を図１１に示す。放熱基板のサイズが異なるので、反り量は放熱基板のサイズで割った値を用いた。図１１から明らかなように、多孔管からなる放熱器の場合、反り量（反り量／放熱基板のサイズ）は、面圧と良い相関関係が見られており、放熱基板のサイズの影響は見られなかった。前記厚さ４ｍｍのアルミ板からなる放熱器でも同様の結果となった。以上の結果より、放熱基板のサイズが異なっても、本発明の（１）式が適用できることがわかった。
【００６２】
小型放熱基板の結果である図６に、大型放熱基板の結果を合わせた結果を図１２に示す。尚、大型放熱基板の反り量を小型放熱基板の反り量に補正した。すなわち、大型放熱基板の反り量を１．１８（３２．４／２７．４）で割った値で反り量を評価した。図１２に示すように、大型放熱基板の結果は小型放熱基板の結果とほぼ一致した。つまり、放熱基板のサイズが変化しても（１）式が適用できることがわかった。
【００６３】
以上の結果より、高放熱基板の反り量を５０μｍ以下とするためには、（１）式以上の面圧を設定することが必要であることがわかった。
【００６４】
〈実施例４〉
放熱器の大きさを５０ｍｍ×７０ｍｍとし、放熱器として用いる多孔管の溝幅Ｗ、溝深さＤ、仕切り板の幅Ｔ（図３参照）を変化させて熱解析を行い、好適な溝幅Ｗと溝深さＤ、及び溝幅Ｗと仕切り板の幅Ｔ／溝幅Ｗ比との関係を求めた。さらに、多孔管の製造における押出限界を求めた。
【００６５】
図１３に、溝幅Ｗと溝深さＤの関係を示す。図１３に示すように、
Ｄ＝３．３Ｗ
で示される熱性能限界は、熱性能が好適となる領域の下限であり、これより下方（Ｄが３．３Ｗより小さい場合）では熱性能が低下する。また、
Ｄ＝１０Ｗ
で示される押出限界は、押出し加工の可能な領域の上限であり、これを超える（Ｄが１０Ｗより大きい場合）と押出しができない。さらに、溝幅Ｗと仕切り板の幅Ｔ／溝幅Ｗ比の関係を図１４に示す。図１４に示すように、
−Ｗ＋１．４＝Ｔ／Ｗ （０．４≦Ｗ≦１．０の場合）
−０．２Ｗ＋０．７＝Ｔ／Ｗ （１．０＜Ｗ＜２．０の場合）
で示される押出限界は、押出し加工の可能な領域の下限であり、これを下回ると押出しができない。
Ｔ／Ｗ＝−１．５Ｗ＋３．２７５
で示される熱性能限界は、熱性能が好適となる領域の上限であり、これを超えると熱性能が低下する。図１３および図１４に示すように、熱性能限界と押出限界から、溝幅Ｗ、溝深さＤ、仕切り板の幅Ｔの寸法に制約があることがわかった。なお、熱性能が好適となる下限は、金属回路基板にたとえばＩＧＢＴなどのパワー半導体チップを搭載したときの放熱性を考慮して設定したものである。
【００６６】
図３に示すような多孔管の場合、放熱基板に負荷した荷重は、仕切り板（リブ、放熱フィン）に負荷される。アルミニウム合金からなる金属回路板および金属ベース板の寸法が長さ１５．７ｍｍ×幅２６．４ｍｍ、セラミックス基板の寸法が長さ１８．１ｍｍ×幅２８．８ｍｍ×厚さ０．６４ｍｍ、アルミニウム合金の金属回路板１５の厚さｔ１と金属ベース板２０の厚さｔ２がそれぞれ０．６ｍｍ（ｔ１）、１．６ｍｍ（ｔ２）の放熱基板と図３に示す寸法の多孔管（４０ｍｍ×４０ｍｍ×８．０８ｍｍ、材質Ａ６０６３合金）からなる放熱器を、３５０Ｎ（仕切り板の面圧２．３ＭＰａ）、８５０Ｎ（仕切り板の面圧５．７ＭＰａ）、１１００Ｎ（仕切り板の面圧７．４ＭＰａ）の３通りの荷重で、実施例１と同様にろう付けした。金属回路板１５および金属ベース板２０の材質は、０．４ｍａｓｓ％Ｓｉ−０．０４ｍａｓｓ％Ｂ−残部Ａｌとした。
【００６７】
ろう付け後の溝深さと仕切り板の変形状態を図１５に示す。面圧７．４ＭＰａでは仕切り板が大きく変形（座屈）し、溝深さが０．３ｍｍ減少した。面圧５．７ＭＰａでは仕切り板の変形は小さくなり、溝深さは０．１５ｍｍ減少した。面圧２．３ＭＰａでは仕切り板の変形は非常に小さくなり、溝深さには変化が見られなかった。面圧７．３ＭＰａの状態では冷却水の流れが不安定となり、熱性能がやや低下するが、許容範囲である。その限界の面圧は全体高さによって変化する。仕切り板の高さＤ‘が接合前の高さＤ（仕切り板の高さ、溝深さ）よりも１０％変形すると、熱性能が金属回路板に半導体チップを搭載したときにその冷却に影響がでる程度に低下するので、それを指標として、仕切り板の変形量が１０％以下となる溝幅を決定した。その結果を図１６に示す。そのときの仕切り板の幅は、１．０ｍｍ一定とした。溝幅が減少すると仕切り板の本数が増加するので、図１６から明らかなように、溝幅が減少するに従って、仕切り板が１０％変形する荷重（限界荷重）は増加する。また、多孔管の高さが増加するに従い、限界荷重は減少する。
【００６８】
図１６の結果より、各溝幅での限界荷重を求めて、その荷重を仕切り板面積で除した値を限界面圧（ＭＰａ）とした。図１７に示すように、その限界面圧は、多孔管の全体高さと良い相関関係にある。また、溝幅が増加するに従い限界面圧は減少するので、溝幅の小さい１．０ｍｍで限界面圧を決定した。
【００６９】
熱性能の低下が無い限界面圧は、−０．５×Ｄ（溝深さ、仕切り板の高さ）＋１０で求められ、それ以下の面圧を設定することで仕切り板の変形が無い冷却器を得ることができる。それ以上の面圧を加えると、仕切り板の座屈がさらに増えて溝幅Ｗ１の変化が大きくなるので、仕切り板の面圧を、−０．５×Ｄ（溝深さ、仕切り板の高さ）＋１０（ＭＰａ）以下とした。一方、大型放熱基板の場合には、荷重１１００Ｎ（面圧４．１ＭＰａ）で、仕切り板の変形は無かった。なお、仕切り板の座屈は、金属回路板の反り量を小さくする効果があると考えられるので、前述の通り１０％以内の変形量であれば熱性能の低下もなく、むしろ積極的に座屈を利用しても良い。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明は、金属−セラミックス接合基板に適用され、特にセラミックス基板の両面にそれぞれアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属回路板および金属ベース板が接合され、金属ベース板のセラミックス基板が接合されていない面に放熱器が接合されている液冷一体型基板およびその製造方法に適用される。
【符号の説明】
【００７１】
１ 液冷一体型基板
１０ セラミックス基板
１５ 金属回路板
２０ 金属ベース板
３０ 放熱器
３１ 間隙部
３３ ろう材層
３５ 仕切り板
３８ 流路
４０ 蓋部材
４１ 蓋部
４５（４５ａ、４５ｂ） 液循環ポート
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板の一方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属回路板が接合されると共に、他方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる平板状の金属ベース板の一方の面が接合され、前記金属ベース板の他方の面には押出し材で構成される液冷式の放熱器が接合された液冷一体型基板の製造方法であって、
前記金属回路板および前記金属ベース板と前記セラミックス基板との接合は溶湯接合法によって行われ、
前記金属ベース板と前記放熱器との接合はろう接合法によって行われ、
前記ろう接合法において、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ合金組成のろう材のみからなる単層ブレージングシートを、前記金属ベース板と前記放熱器との間に挟みこみ面接触させた状態で、前記金属ベース板と前記放熱器とを、（１）式以上の面圧で加圧した後に加熱して、不活性ガス雰囲気下で、ろう付け温度５７０℃以上に保持しつつ、無フラックスでろう付け接合することを特徴とする、液冷一体型基板の製造方法。
面圧（ＭＰａ）＝−１．２５×１０−３×（放熱器の断面２次モーメント）＋２．０ ・・・（１）
【請求項２】
前記放熱器は多孔管からなり、前記多孔管の冷媒の流路である溝幅Ｗ（ｍｍ）と溝深さＤ（ｍｍ）との関係が、
３．３Ｗ＜Ｄ＜１０Ｗ
を満たすことを特徴とする、請求項１に記載の液冷一体型基板の製造方法。
【請求項３】
前記多孔管の冷媒の流路である溝幅Ｗ（ｍｍ）と仕切り板の幅Ｔ（ｍｍ）との関係が、
−Ｗ＋１．４＜Ｔ／Ｗ＜−１．５Ｗ＋３．３ （０．４≦Ｗ≦１．０の場合）
−０．２Ｗ＋０．７＜Ｔ／Ｗ＜−１．５Ｗ＋３．３ （１．０＜Ｗ＜２．０の場合）
を満たすことを特徴とする、請求項２に記載の液冷一体型基板の製造方法。
【請求項４】
前記溝幅Ｗが０．４ｍｍ以上であることを特徴とする、請求項２または３に記載の液冷一体型基板の製造方法。
【請求項５】
前記金属ベース板と前記放熱器とが、前記多孔管の仕切り板に負荷される仕切り板面圧が、−０．５×Ｄ（溝深さ）＋１０（ＭＰａ）以下となるように加圧した後に加熱してろう付け接合されたことを特徴とする、請求項２〜４のいずれかに記載の液冷一体型基板の製造方法。
【請求項６】
前記放熱器は熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫ以上であるアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる、請求項１〜５のいずれかに記載の液冷一体型基板の製造方法。
【請求項７】
前記金属ベース板は、熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫ以上であるアルミニウムまたはアルミニウム合金である、請求項１〜６のいずれかに記載の液冷一体型基板の製造方法。
【請求項８】
前記金属回路板は、熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫ以上であるアルミニウムまたはアルミニウム合金である、請求項１〜７のいずれかに記載の液冷一体型基板の製造方法。
【請求項９】
前記金属回路板の厚さｔ１と前記金属ベース板の厚さｔ２の関係はｔ２／ｔ１≧２を満たす厚さに形成される、請求項１〜８のいずれかに記載の液冷一体型基板の製造方法。
【請求項１０】
前記金属回路板の厚さｔ１は０．４〜３ｍｍであり、前記金属ベース板の厚さｔ２は０．８〜６ｍｍである、請求項１〜９のいずれかに記載の液冷一体型基板の製造方法。
【請求項１１】
前記単層ブレージングシートの厚さが１０〜２００μｍであることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれかに記載の液冷一体型基板の製造方法。
【請求項１２】
セラミックス基板の一方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属回路板が接合されると共に、他方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる平板状の金属ベース板の一方の面が接合され、前記金属ベース板の他方の面には押出し材で構成される液冷式の多孔管からなる放熱器が接合された液冷一体型基板において、
前記金属ベース板と前記放熱器とが、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ合金組成のろう材によってろう付け接合されたことを特徴とする、液冷一体型基板。
【請求項１３】
前記放熱器における前記多孔管の冷媒の流路である溝幅Ｗ（ｍｍ）と溝深さＤ（ｍｍ）との関係が、
３．３Ｗ＜Ｄ＜１０Ｗ
を満たすことを特徴とする、請求項１２に記載の液冷一体型基板。
【請求項１４】
前記多孔管の冷媒の流路である溝幅Ｗ（ｍｍ）と仕切り板の幅Ｔ（ｍｍ）との関係が、
−Ｗ＋１．４＜Ｔ／Ｗ＜−１．５Ｗ＋３．３ （０．４≦Ｗ≦１．０の場合）
−０．２Ｗ＋０．７＜Ｔ／Ｗ＜−１．５Ｗ＋３．３ （１．０＜Ｗ＜２．０の場合）
を満たすことを特徴とする、請求項１３に記載の液冷一体型基板。
【請求項１５】
前記溝幅Ｗが０．４ｍｍ以上であることを特徴とする、請求項１３または１４に記載の液冷一体型基板。
【請求項１６】
前記放熱器は熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫ以上であるアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる、請求項１２〜１５のいずれかに記載の液冷一体型基板。
【請求項１７】
前記金属ベース板は、熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫ以上であるアルミニウムまたはアルミニウム合金である、請求項１２〜１６のいずれかに記載の液冷一体型基板。
【請求項１８】
前記金属回路板は、熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫ以上であるアルミニウムまたはアルミニウム合金である、請求項１２〜１７のいずれかに記載の液冷一体型基板。
【請求項１９】
前記セラミックス基板と前記金属回路板との接合、前記セラミックス基板と前記金属ベース板との接合は、溶湯接合法あるいはろう接合法によって行われる、請求項１２〜１８のいずれかに記載の液冷一体型基板。
【請求項２０】
前記金属回路板の厚さｔ１と前記金属ベース板の厚さｔ２の関係は、ｔ２／ｔ１≧２を満たし、
前記金属回路板の厚さｔ１は０．４〜３ｍｍであり、前記金属ベース板の厚さｔ２は０．８〜６ｍｍである、請求項１２〜１９のいずれかに記載の液冷一体型基板。
【請求項２１】
前記多孔管の仕切り板が座屈している、請求項１２〜２０のいずれかに記載の液冷一体型基板。
【請求項１】
セラミックス基板の一方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属回路板が接合されると共に、他方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる平板状の金属ベース板の一方の面が接合され、前記金属ベース板の他方の面には押出し材で構成される液冷式の放熱器が接合された液冷一体型基板の製造方法であって、
前記金属回路板および前記金属ベース板と前記セラミックス基板との接合は溶湯接合法によって行われ、
前記金属ベース板と前記放熱器との接合はろう接合法によって行われ、
前記ろう接合法において、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ合金組成のろう材のみからなる単層ブレージングシートを、前記金属ベース板と前記放熱器との間に挟みこみ面接触させた状態で、前記金属ベース板と前記放熱器とを、（１）式以上の面圧で加圧した後に加熱して、不活性ガス雰囲気下で、ろう付け温度５７０℃以上に保持しつつ、無フラックスでろう付け接合することを特徴とする、液冷一体型基板の製造方法。
面圧（ＭＰａ）＝−１．２５×１０−３×（放熱器の断面２次モーメント）＋２．０ ・・・（１）
【請求項２】
前記放熱器は多孔管からなり、前記多孔管の冷媒の流路である溝幅Ｗ（ｍｍ）と溝深さＤ（ｍｍ）との関係が、
３．３Ｗ＜Ｄ＜１０Ｗ
を満たすことを特徴とする、請求項１に記載の液冷一体型基板の製造方法。
【請求項３】
前記多孔管の冷媒の流路である溝幅Ｗ（ｍｍ）と仕切り板の幅Ｔ（ｍｍ）との関係が、
−Ｗ＋１．４＜Ｔ／Ｗ＜−１．５Ｗ＋３．３ （０．４≦Ｗ≦１．０の場合）
−０．２Ｗ＋０．７＜Ｔ／Ｗ＜−１．５Ｗ＋３．３ （１．０＜Ｗ＜２．０の場合）
を満たすことを特徴とする、請求項２に記載の液冷一体型基板の製造方法。
【請求項４】
前記溝幅Ｗが０．４ｍｍ以上であることを特徴とする、請求項２または３に記載の液冷一体型基板の製造方法。
【請求項５】
前記金属ベース板と前記放熱器とが、前記多孔管の仕切り板に負荷される仕切り板面圧が、−０．５×Ｄ（溝深さ）＋１０（ＭＰａ）以下となるように加圧した後に加熱してろう付け接合されたことを特徴とする、請求項２〜４のいずれかに記載の液冷一体型基板の製造方法。
【請求項６】
前記放熱器は熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫ以上であるアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる、請求項１〜５のいずれかに記載の液冷一体型基板の製造方法。
【請求項７】
前記金属ベース板は、熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫ以上であるアルミニウムまたはアルミニウム合金である、請求項１〜６のいずれかに記載の液冷一体型基板の製造方法。
【請求項８】
前記金属回路板は、熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫ以上であるアルミニウムまたはアルミニウム合金である、請求項１〜７のいずれかに記載の液冷一体型基板の製造方法。
【請求項９】
前記金属回路板の厚さｔ１と前記金属ベース板の厚さｔ２の関係はｔ２／ｔ１≧２を満たす厚さに形成される、請求項１〜８のいずれかに記載の液冷一体型基板の製造方法。
【請求項１０】
前記金属回路板の厚さｔ１は０．４〜３ｍｍであり、前記金属ベース板の厚さｔ２は０．８〜６ｍｍである、請求項１〜９のいずれかに記載の液冷一体型基板の製造方法。
【請求項１１】
前記単層ブレージングシートの厚さが１０〜２００μｍであることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれかに記載の液冷一体型基板の製造方法。
【請求項１２】
セラミックス基板の一方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属回路板が接合されると共に、他方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる平板状の金属ベース板の一方の面が接合され、前記金属ベース板の他方の面には押出し材で構成される液冷式の多孔管からなる放熱器が接合された液冷一体型基板において、
前記金属ベース板と前記放熱器とが、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ合金組成のろう材によってろう付け接合されたことを特徴とする、液冷一体型基板。
【請求項１３】
前記放熱器における前記多孔管の冷媒の流路である溝幅Ｗ（ｍｍ）と溝深さＤ（ｍｍ）との関係が、
３．３Ｗ＜Ｄ＜１０Ｗ
を満たすことを特徴とする、請求項１２に記載の液冷一体型基板。
【請求項１４】
前記多孔管の冷媒の流路である溝幅Ｗ（ｍｍ）と仕切り板の幅Ｔ（ｍｍ）との関係が、
−Ｗ＋１．４＜Ｔ／Ｗ＜−１．５Ｗ＋３．３ （０．４≦Ｗ≦１．０の場合）
−０．２Ｗ＋０．７＜Ｔ／Ｗ＜−１．５Ｗ＋３．３ （１．０＜Ｗ＜２．０の場合）
を満たすことを特徴とする、請求項１３に記載の液冷一体型基板。
【請求項１５】
前記溝幅Ｗが０．４ｍｍ以上であることを特徴とする、請求項１３または１４に記載の液冷一体型基板。
【請求項１６】
前記放熱器は熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫ以上であるアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる、請求項１２〜１５のいずれかに記載の液冷一体型基板。
【請求項１７】
前記金属ベース板は、熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫ以上であるアルミニウムまたはアルミニウム合金である、請求項１２〜１６のいずれかに記載の液冷一体型基板。
【請求項１８】
前記金属回路板は、熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫ以上であるアルミニウムまたはアルミニウム合金である、請求項１２〜１７のいずれかに記載の液冷一体型基板。
【請求項１９】
前記セラミックス基板と前記金属回路板との接合、前記セラミックス基板と前記金属ベース板との接合は、溶湯接合法あるいはろう接合法によって行われる、請求項１２〜１８のいずれかに記載の液冷一体型基板。
【請求項２０】
前記金属回路板の厚さｔ１と前記金属ベース板の厚さｔ２の関係は、ｔ２／ｔ１≧２を満たし、
前記金属回路板の厚さｔ１は０．４〜３ｍｍであり、前記金属ベース板の厚さｔ２は０．８〜６ｍｍである、請求項１２〜１９のいずれかに記載の液冷一体型基板。
【請求項２１】
前記多孔管の仕切り板が座屈している、請求項１２〜２０のいずれかに記載の液冷一体型基板。
【図１】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１６】
【図１７】
【図４】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１６】
【図１７】
【図４】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１５】
【公開番号】特開２０１２−１６０７２２（Ｐ２０１２−１６０７２２Ａ）
【公開日】平成２４年８月２３日（２０１２．８．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−３７５７（Ｐ２０１２−３７５７）
【出願日】平成２４年１月１２日（２０１２．１．１２）
【出願人】（０００００４７４３）日本軽金属株式会社 (627)
【出願人】（５０６３６５１３１）ＤＯＷＡメタルテック株式会社 (109)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月２３日（２０１２．８．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年１月１２日（２０１２．１．１２）
【出願人】（０００００４７４３）日本軽金属株式会社 (627)
【出願人】（５０６３６５１３１）ＤＯＷＡメタルテック株式会社 (109)
【Ｆターム（参考）】
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