JP2020050548A - 金属−セラミックス接合基板およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】セラミックス基板の一方の面の周縁部と側面および他方の面の略全面に直接接合したアルミニウムベース板から離間して回路パターン用アルミニウム板がセラミックス基板の一方の面に直接接合した、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】鋳型２０内に略水平方向に延びるようにセラミックス基板１０を配置し、このセラミックス基板の表面に接触するよう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た後に溶湯を冷却して固化させることにより、アルミニウムベース板をセラミックス基板の上面の周縁部と側面および底面の略全面に形成してセラミックス基板に直接接合させるとともに、回路パターン用アルミニウム板をベース板から離間してセラミックス基板の上面に形成してセラミックス基板に直接接合させる。【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、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、金属部材がセラミックス基板に接合した金属−セラミックス接合基板およびその製造方法に関する。

電気自動車、電車、工作機械などの大電流を制御するために使用される従来のパワーモジュールでは、ベース板と呼ばれ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るとともに、この金属−セラミックス絶縁基板上に半導体チップが半田付けにより固定され、ベース板の他方の面（裏面）に熱伝導グリースを介してねじ止めなどにより金属製の放熱フィンや冷却ジャケットが取り付けられている。

この金属−セラミックス絶縁基板へのベース板や半導体チップ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易い。また、半導体チップから発生した熱は、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により空気や冷却水に逃がされるため、半田付けの際にベース板の反りが生じると、放熱フィンや冷却ジャケットをベース板に取り付けたときのクリアランスが大きくなり、放熱性が極端に低下する。

このような問題を解消して、金属−セラミックス絶縁基板の信頼性を高めるため、降伏応力が非常に低いアルミニウムをベース板に使用した金属−セラミックス回路基板、例えば、耐力が３２０ＭＰａ以下であり且つ厚さが１ｍｍ以上の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溶湯法によってセラミックス基板に直接接合した金属−セラミックス回路基板が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかし、アルミニウムの降伏応力を小さくするためにはアルミニウムの純度を高くする必要があるが、溶湯法ではアルミニウムの結晶粒径を制御し難く、１０ｍｍ以上の大きな結晶粒径しか得ることができない。このように結晶粒径が大きいと、結晶粒度分布にばらつきが起こり、半導体チップなどを半田付けする際などの加熱によるアルミニウムベース板の反りにばらつきがある。

このような問題を解消するため、鋳型内にセラミックス基板を配置し、このセラミックス基板の両面の所定の部分に接触するよう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た後に溶湯を冷却して固化させることにより、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の一方の面の周縁部と側面および他方の面の略全面に形成してセラミックス基板に直接接合させるとともに、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる回路パターン用金属板をベース板から離間してセラミックス基板の一方の面に形成してセラミックス基板に直接接合させることにより、セラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面の周縁部と側面および他方の面の略全面に直接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と、このベース板から離間してセラミックス基板の一方の面に直接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回路パターン用金属板とを備えた金属−セラミックス接合基板を製造する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００２−７６５５１号公報（段落番号００１５−００１７） 特開２０１７−２２８５５１号公報（段落番号０００９−００１２）

しかし、特許文献２の方法により製造された金属−セラミックス接合基板では、パワーモジュールに組み込むときに、回路パターン用金属板側のベース板のセラミックス基板に対応する部分の外側（内部にセラミックス基板が配置されていない部分）にケースを取り付ける必要があるため、金属−セラミックス接合基板のベース板を小型化するのが困難になるとともに、回路パターン用金属板と反対側のベース板のセラミックス基板に対応する部分の外側（内部にセラミックス基板が配置されていない部分）に水冷ジャケットを取り付ける必要があるため、水冷ジャケットを取り付けるベース板の強度が不足するという問題がある。

したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、セラミックス基板の一方の面の周縁部と側面および他方の面の略全面に直接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から離間してアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる回路パターン用金属板がセラミックス基板の一方の面に直接接合した金属−セラミックス接合基板のベース板を小型化することができる、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。

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、鋳型内に略水平方向に延びるようにセラミックス基板を配置し、このセラミックス基板の表面に接触するよう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た後に溶湯を冷却して固化させることにより、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の上面の周縁部と側面および底面の略全面に形成してセラミックス基板に直接接合させるとともに、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる回路パターン用金属板をベース板から離間してセラミックス基板の上面に形成してセラミックス基板に直接接合させるにより、セラミックス基板の一方の面の周縁部と側面および他方の面の略全面に直接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から離間してアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる回路パターン用金属板がセラミックス基板の一方の面に直接接合した金属−セラミックス接合基板のベース板を小型化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。

すなわち、本発明による金属−セラミックス接合基板の製造方法は、鋳型内に略水平方向に延びるようにセラミックス基板を配置し、このセラミックス基板の表面に接触するよう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た後に溶湯を冷却して固化させることにより、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の上面の周縁部と側面および底面の略全面に形成してセラミックス基板に直接接合させるとともに、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる回路パターン用金属板をベース板から離間してセラミックス基板の上面に形成してセラミックス基板に直接接合させることを特徴とする。

この金属−セラミックス接合基板の製造方法において、鋳型が上側鋳型部材と下側鋳型部材とからなり、上側鋳型部材にベース板の上側部の外形と略同一の形状および大きさのベース板形成用凹部と回路パターン用金属板と略同一の形状および大きさの回路パターン形成用凹部が形成され、下側鋳型部材にベース板の下側部の外形と略同一の形状および大きさのベース板形成用凹部が形成され、このベース板形成用凹部の底面の周縁部に互いに離間して複数のセラミックス基板支持部が突設され、これらのセラミックス基板支持部にセラミックス基板の底面の周縁部が支持されるようにするのが好ましい。また、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、ベース板の底面に、互いに離間して突出する多数の柱状突起部をベース板と一体に形成してもよい。また、上側鋳型部材のベース板形成用凹部と回路パターン形成用凹部との間との間にベース板形成用凹部および回路パターン形成用凹部より浅い凹部が溶湯流路として形成されているのが好ましい。また、回路パターン形成用凹部を複数形成し、これらの回路パターン形成用凹部を互いに離間して配置し、上記の溶湯流路を、回路パターン形成用凹部の全周にわたって、ベース板形成用凹部と回路パターン用凹部との間と回路パターン同士の間に延びるように形成してもよい。この場合、上側鋳型部材の溶湯流路に対応する部分に、鋳型内に配置されたセラミックス基板を保持する保持ピンを突設させるのが好ましい。

また、本発明による金属−セラミックス接合基板は、セラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面の周縁部と側面および他方の面の略全面に直接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と、このベース板から離間してセラミックス基板の一方の面に直接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回路パターン用金属板とを備え、セラミックス基板の他方の面の周縁部の一部が外部に露出していることを特徴とする。

この金属−セラミックス接合基板において、セラミックス基板の側面の一部が外部に露出してもよい。また、ベース板のセラミックス基板の他方の面に直接接合した部分のセラミックス基板と反対側の面に、互いに離間して突出する複数の柱状突起部を、ベース板と一体に形成するのが好ましい。

本発明によれば、セラミックス基板の一方の面の周縁部と側面および他方の面の略全面に直接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から離間してアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる回路パターン用金属板がセラミックス基板の一方の面に直接接合した金属−セラミックス接合基板のベース板を小型化することができる、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。

本発明による金属−セラミックス接合基板の実施の形態の平面図である。 図１Ａの金属−セラミックス接合基板の底面図である。 図１Ｂの金属−セラミックス接合基板のＩＣ−ＩＣ線断面図である。 図１Ａの金属−セラミックス接合基板を製造するために使用する鋳型の断面図である。 図２Ａの鋳型の下側鋳型部材の平面図である。 図２Ａの鋳型の上側鋳型部材の底面図である。 図２Ａの鋳型の変形例を示す断面図である。 図３Ａの鋳型の下側鋳型部材の平面図である。 図３Ａの鋳型の上側鋳型部材の底面図である。 図３Ａの鋳型の上側鋳型部材の保持ピンを拡大して示す断面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明による金属−セラミックス接合基板およびその製造方法の実施の形態について詳細に説明する。

図１Ａ〜図１Ｃは、本発明による金属−セラミックス接合基板の実施の形態を示し、図２Ａ〜図２Ｃは、その金属−セラミックス接合基板を製造するために使用する鋳型を示している。

図１Ａ〜図１Ｃに示すように、本発明による金属−セラミックス接合基板の実施の形態は、平面形状が略矩形のセラミックス基板１０と、このセラミックス基板１０の上面（回路パターン側の面）の周縁部と側面および底面（裏面）の略全面に直接接合した平面形状が略矩形の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（アルミニウムベース板）１２と、セラミックス基板１０の上面の周縁部に直接接合したベース板１２から離間してセラミックス基板１０の上面に直接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１以上（図示した実施の形態では２つ）の回路パターン用金属板（回路パターン用アルミニウム板）１４とを備えている。

また、ベース板１２の底面には、（放熱フィンとしての）多数の柱状突起部１２ａが突出するように一体に形成されている。各々の柱状突起部１２ａは、略円柱形状または略円錐台形状（略円錐の上端を底面と略平行に切断した形状）を有し、ベース板１２の底面に対して略垂直方向に延びている。また、柱状突起部１２ａは、それぞれ所定の間隔で離間して一列に配置された柱状突起部１２ａの複数列が互いに平行に且つ隣接する柱状突起部１２ａの列と互いに半ピッチ（隣接する柱状突起部１２ａの中心線（柱状突起部１２ａが延びる軸線）間の距離の半分）ずれるように配置され、隣接する柱状突起部１２ａの間隔を確保しながらより多くの柱状突起部１２ａが配置されるようにしているが、隣接する柱状突起部１２ａの間隔を確保しながら多数の柱状突起部１２ａを配置することができれば、他の配置でもよい。

この金属−セラミックス接合基板の実施の形態は、図２Ａ〜図２Ｃに示すような鋳型２０内にセラミックス基板１０を配置し、セラックス基板１０の両面のベース板１２と回路パターン用金属板１４に対応する部分に接触するように、アルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯を流し込んで冷却することによって製造することができる。

図２Ａに示すように、鋳型２０は、（多孔質の）カーボンまたは多孔質金属などの（溶湯不透過の）通気性材料からなり、それぞれ平面形状が略矩形の下側鋳型部材２２と上側鋳型部材２４とから構成されている。

図２Ａおよび図２Ｂに示すように、下側鋳型部材２２の上面には、ベース板１２（のセラミックス基板１０の側面側の部分の下側部と底面（裏面）側の部分）を形成するための（ベース板形成用）凹部（ベース板形成部）２２ａが形成されている。このベース板形成部２２ａの底面には、多数の柱状突起部１２ａを形成するための（柱状突起形成用）凹部（柱状突起形成部）２２ｂが形成されている。また、ベース板形成部２２ａの底面には、セラミックス基板１０の長手方向両端部を支持する平面形状が略矩形の複数（図示した実施の形態では２対）の基板支持部（長手方向基板支持部）２２ｃと、セラミックス基板１０の幅方向両端部を支持する平面形状が略矩形の複数（図示した実施の形態では２対）の基板支持部（幅方向基板支持部）２２ｄが、その底面から略垂直方向に突出して形成されている。これらの基板支持部２２ｃおよび２２ｄは、セラミックス基板１０の底面の周縁部と側面に当接してセラミックス基板１０を所定の位置で支持するために、それぞれ略Ｌ字型の断面を有するように段差が設けられている。なお、これらの基板支持部２２ｃおよび２２ｄ上にセラミックス基板１０を載置しても、セラミックス基板１０の上面（回路パターン側の面）の周縁部と側面および底面（裏面）の略全面の周囲にベース板形成部２２ａが確保されるようになっている。

図２Ａおよび図２Ｃに示すように、上側鋳型部材２４の底面には、ベース板１２（のセラミックス基板１０の側面側の部分の上側部と上面（回路パターン側の面）の周縁部側の部分）を形成するための（ベース板形成用）凹部（ベース板形成部）２４ａと、回路パターン用金属板１４を形成するための（回路パターン形成用）凹部（回路パターン用金属板形成部）２４ｂが形成されている。この回路パターン用金属板形成部２４ｂは、ベース板形成部２４ａから離間しており、ベース板１２（の回路パターン側の部分）と回路パターン用金属板１４との間の絶縁を確保するようになっている。

なお、上側鋳型部材２４には、（図示しない）注湯ノズルから上側鋳型部材２４のベース板形成部２４ａおよび回路パターン用金属板形成部２４ｂと下側鋳型部材２２のベース板形成部２２ａ（および柱状突起形成部２２ｂ）内に溶湯を注湯するための（図示しない）注湯口が形成されている。また、上側鋳型部材２４には、ベース板形成部２４ａと回路パターン用金属板形成部２４ｂとの間と回路パターン用金属板形成部２４ｂ同士の間に延びる溶湯流路２４ｃが（ベース板形成部２４ａおよび回路パターン用金属板形成部２４ｂより浅く）形成されている。なお、図１Ａおよび図１Ｃでは、溶湯流路２４ｃに対応する部分を除去した後の金属−セラミックス接合基板を示している。

このような鋳型２０を使用して図１Ａ〜図１Ｃに示す実施の形態の金属−セラミックス接合基板を製造するためには、まず、下側鋳型部材２２の基板支持部２２ｃおよび２２ｄ上にセラミックス基板１０を配置した後、上側鋳型部材２４を下側鋳型部材２２に被せる。この状態で鋳型２０内にアルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯を流し込んで冷却すると、セラミックス基板１０の上面（回路パターン側の面）の周縁部と側面および底面（裏面）の略全面にベース板１２が直接接合するとともに、そのベース板１２（の回路パターン側の部分）から離間してセラミックス基板１０に回路パターン用金属板１４が直接接合した金属−セラミックス接合基板を製造することができる。なお、ベース板１２には、基板支持部２２ｃおよび２２ｄに対応する複数の凹部１２ｂが形成されてセラミックス基板１０の周縁部の一部が露出しているが、これらの凹部１２ｂは小さいため、金属−セラミックス接合基板の信頼性や熱伝導率に殆ど影響しない。

また、図３Ａ〜図３Ｄに示す鋳型３０を使用して金属−セラミックス接合基板を製造してもよい。この鋳型３０の上側鋳型部材３４には、鋳型２０の溶湯流路２４ｃに代えて、回路パターン用金属板形成部３４ｂの全周にわたって、ベース板形成部３４ａと回路パターン用金属板形成部３４ｂとの間と回路パターン用金属板形成部３４ｂ同士の間に延びる溶湯流路３４ｃが形成されている。このように溶湯流路３４ｃを形成すると、鋳型３０内に溶湯を流し込んだときにセラミックス基板１０が浮き上がるおそれがあるので、そのようなセラミックス基板１０の浮き上がりを防止するために、鋳型３０の上側鋳型部材３４の溶湯流路３４ｃに対応する部分に少なくとも１つ（図示した実施の形態では５つ）の（略円筒形の）保持ピン３４ｄが、上側鋳型部材３４から（鋳型３０内に配置された）セラミックス基板１０の方に突設して、セラミックス基板１０に当接（またはセラミックス基板１０から０．３ｍｍ以下（好ましくは０．１ｍｍ以下）の距離で離間して近接）するようになっている。その他の構成は、上述した図２Ａ〜図２Ｃの鋳型２０と略同一であるので、図３Ａ〜図３Ｄにおいて、参照符号に１０を加えてその説明を省略する。

なお、上記の金属−セラミックス接合基板およびその製造方法の実施の形態において、セラミックス基板として、窒化アルミニウム、アルミナ、窒化珪素などを主成分とするセラミックス基板を使用することができる。

また、上記の金属−セラミックス接合基板の製造方法の実施の形態により製造した金属−セラミックス接合基板を鋳型から取り出した後、機械加工や薬液によるエッチングなどにより、鋳型の溶湯流路に対応する部分を除去する。エッチングにより溶湯流路に対応する部分を除去する場合には、回路パターン用金属板とベース板の表面にエッチングレジストを形成してエッチングしてもよい。

１０ セラミックス基板
１２ ベース板
１２ａ 柱状突起部
１２ｂ 凹部
１４ 回路パターン用金属板
２０、３０ 鋳型
２２、３２ 下側鋳型部材
２２ａ、３２ａ ベース板形成用凹部（ベース板形成部）
２２ｂ、３２ｂ 柱状突起形成用凹部（柱状突起形成部）
２２ｃ、３２ｃ 長手方向基板支持部
２２ｄ、３２ｄ 幅方向基板支持部
２４、３４ 上側鋳型部材
２４ａ、３４ａ ベース板形成用凹部（ベース板形成部）
２４ｂ、３４ｂ 回路パターン形成用凹部（回路パターン用金属板形成部）
２４ｃ、３４ｃ 溶湯流路
３４ｄ 保持ピン

Claims (9)

1. 鋳型内に略水平方向に延びるようにセラミックス基板を配置し、このセラミックス基板の表面に接触するよう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た後に溶湯を冷却して固化させることにより、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の上面の周縁部と側面および底面の略全面に形成してセラミックス基板に直接接合させるとともに、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる回路パターン用金属板をベース板から離間してセラミックス基板の上面に形成してセラミックス基板に直接接合させることを特徴とする、金属−セラミックス接合基板の製造方法。
2. 前記鋳型が上側鋳型部材と下側鋳型部材とからなり、上側鋳型部材に前記ベース板の上側部の外形と略同一の形状および大きさのベース板形成用凹部と前記回路パターン用金属板と略同一の形状および大きさの回路パターン形成用凹部が形成され、下側鋳型部材に前記ベース板の下側部の外形と略同一の形状および大きさのベース板形成用凹部が形成され、このベース板形成用凹部の底面の周縁部に互いに離間して複数のセラミックス基板支持部が突設され、これらのセラミックス基板支持部に前記セラミックス基板の底面の周縁部が支持されることを特徴とする、請求項１に記載の金属−セラミックス接合基板の製造方法。
3. 前記ベース板を形成して前記セラミックス基板に直接接合させる際に、前記ベース板の底面に、互いに離間して突出する多数の柱状突起部を前記ベース板と一体に形成することを特徴とする、請求項１または２に記載の金属−セラミックス接合基板の製造方法。
4. 前記上側鋳型部材のベース板形成用凹部と回路パターン形成用凹部との間との間にベース板形成用凹部および回路パターン形成用凹部より浅い凹部が溶湯流路として形成されてい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金属−セラミックス接合基板の製造方法。
5. 前記回路パターン形成用凹部が複数形成され、これらの回路パターン形成用凹部が互いに離間して配置され、前記溶湯流路が、前記回路パターン形成用凹部の全周にわたって、前記ベース板形成用凹部と前記回路パターン用凹部との間と前記回路パターン同士の間に延びるように形成されていることを特徴とする、請求項４に記載の金属−セラミックス接合基板の製造方法。
6. 前記上側鋳型部材の前記溶湯流路に対応する部分に、前記鋳型内に配置されたセラミックス基板を保持する保持ピンが突設されていることを特徴とする、請求項５に記載の金属−セラミックス接合基板の製造方法。
7. セラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面の周縁部と側面および他方の面の略全面に直接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と、このベース板から離間してセラミックス基板の一方の面に直接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回路パターン用金属板とを備え、セラミックス基板の他方の面の周縁部の一部が外部に露出していることを特徴とする、金属−セラミックス接合基板。
8. 前記セラミックス基板の側面の一部が外部に露出していることを特徴とする、請求項７に記載の金属−セラミックス接合基板。
9. 前記ベース板の前記セラミックス基板の他方の面に直接接合した部分の前記セラミックス基板と反対側の面に、互いに離間して突出する複数の柱状突起部が、前記ベース板と一体に形成されていることを特徴とする、請求項７または８に記載の金属−セラミックス接合基板。

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