JP5467407B2 - アルミニウム−セラミックス接合体 - Google Patents

Description

本発明はアルミニウム−セラミックス接合体、特に、電子部品に使用される放熱機能を有するアルミニウム−セラミックス接合体に関するものである。更にはパワーモジュール用電子部材に関するものである。

従来、セラミックス絶縁基板と呼ばれるセラミックスの一方の面に回路金属、他方の面に放熱用の金属を接合させ、上記回路金属上に電流・電圧制御用の半導体チップを半田付けし、これらを単数あるいは複数枚、金属ベース板（ヒートシンク）あるいは複合材上に半田付けし、さらにこのベース板裏面に放熱グリースを介して放熱フィンを取り付けたものは知られている。

然しながら、この構造の場合、以下の問題点がある。

（１）半田接合を多用しており、鉛フリー化するために新規半田や実装方法の開発が必要である。

（２）半田接合を多用しており、鉛半田による熱伝導の損失がある。

（３）半田接合を多用しており、半田ボイドによる製造上の歩留まりリスクの問題がある。

（４）放熱グリースの熱伝導性が極端に低い。

上述の（１）から（３）の問題点はベース一体型基板すなわち、上記セラミックス絶縁基板を直接ベース板に接合することで解決できる。しかし、（４）については市販の放熱グリースの熱伝導率は高くても数Ｗ／ｍ・Ｋしかなく、他に熱伝導率の高い部材を使用してもベース板と放熱フィンの間の熱抵抗が大きく、性能アップのネックとなっていた。

そこで、特許文献１に示すようにろう接法を使いセラミックスに直接フィンを取り付けるという先行技術が知られている。
特開平４−３６３０５２号公報

然しながら上記先行技術のように線膨張係数の小さく、薄いセラミックスに対し、線膨張係数の大きく、体積の大きいアルミニウムのフィンを直接取り付けると、常温では問題ないが、パワーモジュールを実際に運転した場合のようにスイッチングにより加熱・冷却を何度も受けた場合、両者の線膨張係数による差から生じる応力によりセラミックスとアルミニウムの接合界面で剥離が起きたり、セラミックスが破損してしまう。

本発明は上記の欠点を除くようにしたものである。

本発明のアルミニウム−セラミックス接合体は、セラミックス絶縁基板と、このセラミックス絶縁基板の一方の面に形成した電子部品搭載用導体と、上記セラミックス絶縁基板の他方の面に溶湯接合方法により、直接接合せしめた上記セラミックス絶縁基板より大きい形状であるアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる板と、この板の上記セラミックス絶縁基板と接する面と反対側の面に溶湯接合方法により直接接合せしめたアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる冷却用水路形成用水冷ジャケットとよりなることを特徴とする。
直接接合とはろう材等中間材を使用せずにセラミックス絶縁基板と金属を接合する方法を示す。

上記水冷ジャケットは銅を含むことを特徴とする。

上記セラミックス絶縁基板の主成分は、アルミナ、窒化アルミ、窒化硅素の一つであることを特徴とする。

上記セラミックス絶縁基板は、複数であることを特徴とする。

上記電子部品搭載用導体が、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる導体を上記セラミックス絶縁基板の一方の面に溶湯接合法により直接接合して形成されていることを特徴とする。

本発明のパワーモジュールは、上記アルミニウム−セラミックス接合体を使用したことを特徴とする。

本発明においては、セラミックス絶縁基板とアルミニウムの接合力がろう接法よりも強く、接合欠陥が起きにくい。さらにろう接法ではアルミニウムフィンを原料から一度鋳造、加工して作ったものを真空中でろう材を介してセラミックスに接合して作成するのに対し、本発明では接合する際の鋳造で水冷ジャケット形状を作れることから、放熱性、コスト面や生産面で多大なメリットがあり、パワーモジュール等の大電力電子部品に実装に好適な信頼性の秀れたアルミニウム−セラミックス接合体を容易に得ることができる大きな利益がある。

以下図面によって本発明の実施例を説明する。

図１に示すように、セラミックス絶縁基板１として、厚さ0.25mm、40mm×40mmサイズのアルミナ基板を2枚用意した。これをカーボン製の鋳型（図示せず）に10mmの間隔を置いてセットし、炉内に入れた。炉内は窒素雰囲気で酸素濃度100ppm以下にした。この状態でさらに750℃まで加熱し、アルミニウム99.5wt％、銅0.5wt％の溶融状態のものをカーボン製シリンダで圧力をかけることで酸化被膜を取り除き、前記鋳型に流し込んだ。アルミニウム合金として銅を含有するものとしたのは耐食性を考慮したためである。前記鋳型は夫々のセラミックスの一面に39mm×39mm、0.4mm厚の板２状になるようにアルミニウムが流れ込み、他面には夫々のセラミックスを繋げた形で110mm×60mm、厚み50mmの板４状になるようにアルミニウムが流れ込み、さらにこの50mmの板４内には蛇行状の水路５が形成されるように流れ込む形状にした。この鋳型を冷却し、アルミニウムを凝固、セラミックスと接合させた後、室温まで冷却し、接合体を鋳型より取り出した。この後、0.4mm厚のアルミニウム合金板２の表面に所定形状のエッチングレジストを印刷して、塩化第二鉄溶液にてエッチング処理し回路パターンを形成した。次いで、レジストを剥離した後、無電解Ni−Pメッキをアルミニウム上に3μmつけた。上記板４の底面はゴム製シール１１を介してアルミニウム板６によって塞ぎ、さらに上記板４の側面の水路５の位置にゴム管７を配管するため穴を明け開口８とした。この開口８に溝を切りジョイントを介しゴム管７を取り付け、セラミックス絶縁基板が二枚ベース板に直接接合された水冷ジャケット一体型基板とした。ゴム製シール１１及びアルミニウム板４は本実施例においては接着剤で接着し水路５を塞いだが、ネジ止めやスポット溶接等の方法でも良い。

評価は以下のように行った。まず、めっき後のセラミックスとアルミニウムの接合界面（アルミニウム回路とセラミックス、アルミニウムベースとセラミックスの両者）を超音波探傷装置により調べたところ、接合欠陥は認められなかった。また、セラミックスについてもクラックは認められなかった。このサンプルに−40℃30分保持、25℃10分、125℃30分保持、25℃10分を1サイクルとするヒートサイクルを3000回与えた。その後、再度セラミックスとアルミニウムの接合界面を超音波探傷装置により調べたところ、接合欠陥は認められなかった。また、セラミックスについてもクラックは認められなかった。

セラミックス絶縁基板の厚さが0.635mmで材質が窒化アルミである他は実施例１と同様のものを用いたところ実施例１と同一の効果が得られた。

セラミックス絶縁基板の厚さが0.32mmで材質が窒化硅素である他は実施例１と同様のものを用いたところ実施例１と同一の効果が得られた。
（比較例１）

純度99.7％（JIS1070番）、110mm×60mm、厚み30mmのアルミニウム金属板を用意し、フライス盤による切削加工で一方の面に高さ25mm、幅5mmのストレートフィンを長手方向と平行に5mm間隔で形成し、フィン付きベース板を作成した。セラミックス絶縁基板として、厚さ0.25ｍｍ、40mm×40mmサイズのアルミナ基板を2枚用意した。次に純度4Nの39mm×39mm、0.4mm厚のアルミニウム金属板を2枚、前記フィン付きベース板を1枚用意した。ろう材合金箔として、アルミニウム95wt％、銅4wt％、マグネシウム1wt％の組成で厚み20μmのものを作製した。前記夫々のセラミックス絶縁基板の片面に0.4mm厚みのアルミニウム金属板を、他面に厚み5mmのアルミニウム金属板を前記20μmろう材合金箔を介して重ねた（5mm厚のアルミニウム金属板上に前記セラミックスが10mmの間隔置く形で）。これを20kgf／cm2で加圧しながら、10^-4Torrの真空中、630℃でアルミニウム板とセラミックスを接合させた。
接合後、0.4mm厚のアルミニウム板表面に所定形状のエッチングレジストを印刷して、塩化第二鉄溶液にてエッチング処理し回路パターンを形成した。次いで、レジストを剥離した後、無電解Ni−Pメッキをアルミニウム上に3μmつけ、セラミックス絶縁基板が二枚ベース板に直接接合されたベース一体型基板とした。

評価は以下のように行った。まず、めっき後のセラミックスとアルミニウムの接合界面（アルミニウム回路とセラミックス、アルミニウムベースとセラミックスの両者）を超音波探傷装置により調べたところ、接合欠陥は認められなかった。また、セラミックスについてもクラックは認められなかった。このサンプルに−40℃30分保持、25℃10分、125℃30分保持、25℃10分を1サイクルとするヒートサイクルを3000回与えた。その後、再度セラミックスとアルミニウムの接合界面を超音波探傷装置により調べたところ、セラミックスとフィン付きアルミニウム金属板の接合界面に基板の縁面より10mm程度の剥離が認められた。セラミックスについてはクラックは認められなかった。

（比較例２）

セラミックス絶縁基板の厚さが0.635mmで材質が窒化アルミである他は比較例１と同様のものを用いたところ比較例１と同一の効果が得られた。

（比較例３）

セラミックス絶縁基板の厚さが0.32mmで材質が窒化硅素である他は比較例１と同様のものを用いたところ比較例１と同一の効果が得られた。

（比較例４）

純度4N、110mm×60mm、厚み30mmのアルミニウム金属板を用意し、フライス盤による切削加工で一方の面に高さ25mm、幅5mmのストレートフィンを長手方向と平行に5mm間隔で形成し、フィン付きベース板を作成した。セラミックス絶縁基板として、厚さ0.25ｍｍ、40mm×40mmサイズのアルミナ基板を2枚用意した。次に純度4Nの39mm×39mm、0.4mm厚のアルミニウム金属板を2枚、前記フィン付きベース板を1枚用意した。ろう材合金箔として、アルミニウム95wt％、銅4wt％、マグネシウム1wt％の組成で厚み20μmのものを作製した。前記夫々のセラミックス板の片面に0.4mm厚みのアルミニウム金属板を、他面に厚み5mmのアルミニウム金属板を前記20μmろう材合金箔を介して重ねた（5mm厚のアルミニウム金属板上に前記セラミックスが10mmの間隔置く形で）。これを20kgf／cm2で加圧しながら、10^-4Torrの真空中、630℃でアルミニウム板とセラミックスを接合させた。接合後、0.4mm厚のアルミニウム板表面に所定形状のエッチングレジストを印刷して、塩化第二鉄溶液にてエッチング処理し回路パターンを形成した。次いで、レジストを剥離した後、無電解Ni−Pメッキをアルミニウム上に3μmつけ、セラミックス絶縁基板が二枚ベース板に直接接合されたベース一体型基板とした。

評価は以下のように行った。まず、めっき後のセラミックスとアルミニウムの接合界面（アルミニウム回路とセラミックス、アルミニウムベースとセラミックスの両者）を超音波探傷装置により調べたところ、接合欠陥は認められなかった。また、セラミックスについてもクラックは認められなかった。このサンプルに−40℃30分保持、25℃10分、125℃30分保持、25℃10分を1サイクルとするヒートサイクルを3000回与えた。その後、再度セラミックスとアルミニウムの接合界面を超音波探傷装置により調べたところ、セラミックスとフィン付きアルミニウム金属板の接合界面に基板の縁面より10mm程度の剥離が認められた。セラミックスについてはクラックは認められなかった。

（比較例５）

セラミックス絶縁基板の厚さが0.635mmで材質が窒化アルミである他は比較例４と同様のものを用いたところ比較例４と同一の効果が得られた。

（比較例６）

セラミックス絶縁基板の厚さが0.32mmで材質が窒化硅素である他は比較例４と同様のものを用いたところ比較例４と同一の効果が得られた。

なお、上記各例を表１に示す。

従来のようにセラミックス回路基板を金属ベース板あるいは複合材上に半田付けするのに比べ、本発明は鉛半田を使用しないことから環境に配慮したＰｂフリー化を達成し、また、半田による熱伝導の損失すなわち放熱性の劣化がなく、アセンブリ工程上も半田ボイドによる製造上の歩留まりリスクがなくなる。また金属ベース板あるいは複合材を半田付けするアセンブリ行程も廃止することができる。さらに、放熱フィンとの密着に使用する放熱グリースが不要であるため、熱伝導の劣化を防止できる。

別の従来技術として、窒化アルミニウム等のセラミックス絶縁基板に、Ａｌ系ろう材を介して回路形成用アルミニウム板と放熱フィンを接合することで、半田に起因する課題は避けることができる。しかしながら、パワーモジュールを実際に運転した場合や、自動車や電車などの車両にパワーモジュールが使用される場合、スイッチングや外的環境変化により加熱・冷却を繰り返し受けることになるが、実際車両などに使用される場合、その加熱・冷却サイクル即ちヒートサイクルが非常に厳しく、セラミックスとアルミニウムの接合界面で剥離が起きたり、セラミックスが破損する場合がある。原因として、セラミックスと接合される金属であるアルミニウムの熱膨張係数差から発生する熱応力のためであることが知られているが、ろう材の影響も大きい。ろう材は通常数〜数100μmの厚さであり、放熱フィンや放熱板のように数mm〜数10mmといった厚さと比べ影響が少ないように思われるが、ろう材層が固くもろく、また変形の0.2耐力が大きいため発生する熱応力が大きいため、接合界面であるろう材層、またはセラミックスそのものが破壊するといった現象がおこる。

本発明は、ろう材を使用せず、セラミックスとアルミニウムを直接接合し、接合金属の塑性変形を利用し、接合界面に集中する応力を小さくすることを実現した。これにより、ヒートサイクル性がろう材を使用するものに比べ飛躍的にしており、室温→−40℃×30分→室温×10分→＋125℃×30分→室温×10分を1サイクルとする条件で3000サイクル後において、接合界面に変化なし、即ち接合界面やセラミックスの破壊がなく、車両用としても使用可能な非常い高い信頼性を持つ、水冷ジャケット付きアルミニウム−セラミックス接合体を得ることができる。

セラミックスとアルミニウムを直接接合する方法は、溶湯接合法、アルミニウム部材をセラミックス板上に配置し窒素中等不活性ガス中で加熱接合する直接接合法、さらにはＡｌ−Ｓｉの共晶接合法等がある。溶湯接合法はアルミニウムの溶湯をセラミックス絶縁基板が所定の位置に保持された鋳型に流し込み、セラミックス上をその溶湯を移動させ凝固させ接合する。この方法は、鋳型形状により、さまざまな水冷ジャケット形状に対応することが簡単にできるという特徴がある。

また、上記アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる板をセラミックス絶縁基板より大きい形状とすることで、セラミックスよりはみ出した部分を利用し、パワーモジュール作製工程におけるプラスチックパッケージ等の接着部とすることができ、また、冷却時水冷ジャケット側に圧縮応力がかかる構造となり、耐ヒートサイクル性にも寄与していると思われる。また、モジュールのアセンブリ工程として、加工の基準面として利用でき、半田付け、ワイヤボンディング、パッケジング等のアセンブリ工程に有用である。
さらに本発明の構成は、セラミックス絶縁基板の一方の面に電子部品搭載用導体を形成し、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水冷ジャケットが直接接合により形成されているアルミニウム−セラミックス接合体である。水冷方式とすることで、更に安定した冷却能力を得ることができ、また水冷ジャケットが銅を含むアルミニウム合金であることが、耐食性の面から好ましい。直接接合方法としては、溶湯接合法であることが、様々な形状に対応可能であること、接合の信頼性が高いことから好ましい。

また、セラミックス絶縁基板として、熱伝導の面からは窒化アルミニウム、強度の面から窒化珪素、コストの面からアルミナを、目的に応じ使用することが好ましく、また回路設計上複数の基板を搭載することも可能である。

以上、本発明のアルミニウム−セラミックス接合体を用いることで、放熱性及び耐ヒートサイクル性に優れ、アセンブリコストを抑えたパワーモジュールを提供することができる。

本発明のアルミニウム−セラミックス接合体の第１の実施例を示す斜視図である。

１ セラミックス絶縁基板
２ アルミニウム板
４ 板
５ 水路
６ アルミニウム板
７ ゴム管
８ 開口
１１ シール

Claims (6)

1. セラミックス絶縁基板と、このセラミックス絶縁基板の一方の面に形成した電子部品搭載用導体と、上記セラミックス絶縁基板の他方の面に溶湯接合方法により、直接接合せしめた上記セラミックス絶縁基板より大きい形状であるアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる板と、この板の上記セラミックス絶縁基板と接する面と反対側の面に溶湯接合方法により直接接合せしめたアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる冷却用水路形成用水冷ジャケットとよりなることを特徴とするアルミニウム−セラミックス接合体。
2. 上記水冷ジャケットが銅を含むことを特徴とする請求項１記載のアルミニウム−セラミックス接合体。
3. 上記セラミックス絶縁基板の主成分がアルミナ、窒化アルミ、窒化硅素の一つであることを特徴とする請求項１または２記載のアルミニウム−セラミックス接合体。
4. 上記セラミックス絶縁基板が複数であることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のアルミニウム−セラミックス接合体。
5. 上記電子部品搭載用導体が、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる導体を上記セラミックス絶縁基板の一方の面に溶湯接合法により直接接合して形成されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載のアルミニウム−セラミックス接合体。
6. 請求項１〜５の何れか一項に記載のアルミニウム−セラミックス接合体を使用したパワーモジュール。

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