CN102714929B - 翅片一体型基板及翅片一体型基板的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是可抑制金属底板的翘曲及散热翅片的变形（发生挽绕等）的翅片一体型基板的制造方法，该制造方法为，通过熔液接合法进行金属电路板（15）与陶瓷基板（10）的接合，用夹具以在作为金属底板（20）的一部分的被切削部的待形成散热翅片（20a）的面上施加拉伸应力的方式进行固定，使层叠有多片圆盘型铣刀的多刀铣刀一边旋转一边在作用有拉伸应力的面上移动，来进行形成多个槽（25）的开槽加工，从而在所述被切削部上形成多个散热翅片。

Description

翅片一体型基板及翅片一体型基板的制造方法
技术领域
本发明涉及金属-陶瓷接合基板，尤其涉及翅片一体型基板及其制造方法，在该翅片一体型基板上，将由铝或铝合金制成的金属电路板及金属底板分别与陶瓷基板的两个面接合，并使板状的散热翅片与金属底板一体形成，其中，上述板状的散热翅片从金属底板的没有与陶瓷基板接合的那个面突出并相互间隔着规定间隔而延伸。
背景技术
在例如电动汽车、火车、工作设备等中的用于控制大电流的现有的功率模块中，通过锡焊将金属-陶瓷绝缘基板固定至称为底板的金属板或复合材料的一个面，并通过锡焊将半导体芯片等电子元器件固定在该金属-陶瓷绝缘基板上。此外，通过螺钉紧固（日语：ネジ止め）将金属制的散热翅片或冷却套管隔着导热润滑脂安装在底板的另一个面（背面）上。
由于通过加热来将底板或电子元器件等锡焊焊接至上述金属-陶瓷绝缘基板上，因此，在锡焊时因接合构件间的热膨胀系数之差而容易使底板产生翘曲。此外，由于从电子元器件等发出的热经由金属-陶瓷绝缘基板、焊锡及底板而通过散热翅片、冷却套管释放至空气或冷却水等中，因此，一旦发生如上所述的基板的翘曲，则将散热翅片、冷却套管安装至底板时的间隙变大，而使散热性严重降低。
因此，例如，在专利文献1中公开了一种将散热翅片（加强部）与金属底板形成一体的金属-陶瓷接合基板，其能使上述问题、即底板的翘曲变得非常小。此外，例如，在专利文献2及专利文献3中公开了安装于金属底板及散热翅片等、可使发热体有效冷却的冷却套管。
因此，通过将专利文献2、专利文献3记载的冷却套管安装在专利文献1记载的金属-陶瓷接合基板上，就可抑制金属底板的翘曲，从而能得到冷却效率非常高的金属-陶瓷接合基板。
另一方面，在专利文献4中公开了一种在用于冷却半导体装置等的散热器等中的、配置于底座构件（金属底板）上的被切削件块体上进行槽加工的开槽加工方法。根据这种开槽加工方法，能在被切削件块体不产生毛刺的情况下进行开槽。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2008-218938号公报
专利文献2：日本专利特开2006-324647号公报
专利文献3：日本专利特开2008-135757号公报
专利文献4：日本专利特开2009-56520号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
然而，在上述专利文献1记载的金属-陶瓷接合基板中，作为用于使散热翅片与金属底板一体形成的方法，使用铸型来进行形成，但特别是在形成微细形状的散热翅片的情况下，需要具有微细间距的模具，但由于翅片很难从铸型脱模，因此，在事实上不可能使用铸型。此外，还可以想到通过现在常用的利用机械加工一个个地形成槽的方式来形成散热翅片这样的方法，但存在因加工时的热量而出现翘曲及无法将加工时的切屑完全排出等问题，因此，很难高尺寸精度且高效地制造具有微细间距的散热翅片。
另一方面，也可想到使用上述专利文献4记载的开槽加工方法来形成散热翅片的方法，但发明人通过研究后得知，在专利文献4中假设使用高强度、高硬度的金属作为被切削件块体，在想要对例如铝等柔软（硬度低）的金属及其铸造件等特别柔软的金属进行加工的情况下，当使用夹具对作为加工对象的被切削件（被切削件块体）及配置有该被切削件的金属底板进行固定时，就存在金属底板发生弯曲这样的问题、或是在切削加工后的散热片上发生挽绕（日文：ビレ）（波浪形状）。此外，多刀铣刀进行切削时会对被切削件（被切削块体）、金属底板产生应力，可能会出现翘曲。
因此，即便将上述专利文献2及专利文献3记载的冷却套管安装到上述专利文献1记载的金属-陶瓷接合基板或是利用专利文献4记载的加工方法制造而成的被切削件，也很难得到包括具有微细间距的散热翅片的液冷式翅片一体型基板。
因此，基于上述技术问题，本发明的目的在于提供一种能用简单的工序制造包括具有微细间距的散热翅片的翅片一体型基板的翅片一体型基板的制造方法，该制造方法是可抑制金属底板的翘曲及散热翅片的变形（发生挽绕等）的加工方法。此外，本发明还提供一种通过上述制造方法制成的包括具有微细间距的散热翅片的空冷（气冷）式或液冷式的翅片一体型基板，该翅片一体型基板的强度、冷却效率、散热性、电子元器件的组装性、耐热冲击性及耐腐蚀性优异。
解决技术问题所采用的技术方案
为实现上述目的，根据本发明，提供一种翅片一体型基板，在陶瓷基板的一个面上接合有由铝或铝合金制成的金属电路板，并在另一个面上接合有由铝或铝合金制成的平板状的金属底板的一个面，多个散热翅片以从上述金属底板的另一个面突出并以相互以规定间隔配置的方式与上述金属底板一体形成，上述金属底板的导热率为170W/（m·K）以上，上述金属底板的硬度以维氏硬度计为20～40（Hv），上述散热翅片的宽度为0.2～2.0mm，在多个上述散热翅片彼此之间形成的槽部的宽度为0.2～2.0mm，上述槽部的深度为2～20mm。
在此，也可以是，上述金属底板的没有形成上述散热翅片的部分的厚度为0.5～5mm。也可以是，多个上述散热翅片形成为相对于上述金属底板朝大致垂直方向突出，并彼此大致平行。也可以是，上述金属底板是含有选自Si、Mg、Zn、Bi、Sn的至少一种元素的铝合金。也可以是，上述金属底板的结晶粒径为5mm以下。也可以是，多个上述散热翅片的配置为锯齿状。
此外，也可以是，包括收纳多个上述散热翅片的箱型形状的液冷式的套管，上述套管与上述金属底板接合。也可以是，将上述套管与上述散热翅片的前端部的至少一部分接合。
此外，根据本发明的另一方面，提供一种翅片一体型基板的制造方法，该制造方法用于制造翅片一体型基板，在该翅片一体型基板中，在陶瓷基板的一个面上接合有由铝或铝合金制成的金属电路板，并在另一个面上接合有由铝或铝合金制成的平板状的金属底板的一个面，多个散热翅片以从所述金属底板的另一个面突出并以相互以规定间隔配置的方式与所述金属底板一体形成，通过熔液接合法进行所述金属电路板与所述陶瓷基板的接合，用夹具以在待形成散热翅片的面上施加拉伸应力的方式进行固定，使层叠有多片圆盘型铣刀的多刀铣刀一边旋转一边在作用有拉伸应力的面上移动，来进行形成多个槽的开槽加工，从而在所述被切削部上形成多个散热翅片。
也可以是，上述金属底板由在板部及其板部中央附近突出的块部一体构成，块部上的形成散热翅片的面是凸状的。也可以是，上述块部的中央部比上述块部的周缘部厚。也可以是，上述多刀铣刀的旋转刀是交替刀，刀面角为10°以上。也可以是，上述多刀铣刀的切削速度为700mm/分钟以上。也可以是，上述夹具为与上述陶瓷基板不接触的形状，且配置在不与上述开槽加工中的金属底板的变形发生干涉的位置上。也可以是，上述夹具是真空抽吸方式的，其吸引力是可控的。也可以是，在上述开槽加工之后，将收纳上述散热翅片的箱型形状的液冷式的套管接合在形成有散热翅片的上述金属板的面上。也可以是，上述金属底板与上述套管的接合方式为钎焊。也可以是，将上述散热翅片的前端部的至少一部分与上述套管接合。也可以是，在上述套管中，上述散热翅片的前端部与上述套管发生接合的部分的壁比其它部分的壁薄。
发明效果
根据本发明，可提供一种能用简单的工序制造包括具有微细间距的散热翅片的翅片一体型基板的翅片一体型基板的制造方法，该制造方法是可抑制金属底板的翘曲及散热翅片的变形（发生挽绕等）的加工方法。此外，本发明还可提供一种通过上述制造方法制成的包括具有微细间距的散热翅片的空冷式（气冷式）或液冷式的翅片一体型基板，该翅片一体型基板的强度、冷却效率、散热性、电子元器件的组装性、耐热冲击性及耐腐蚀性优异。
附图的简单说明
图1（a）是翅片一体型基板1的俯视图。图1（b）是翅片一体型基板1的侧视剖视图。
图2是被切削件40的立体图。
图3是对开槽加工的说明图。
图4是将被切削部40b的形状形成为其中央部比端部厚的形状时的被切削件40的侧视剖视图。
图5是将被切削件40整体形成为翘曲形状时的被切削件40的侧视剖视图。
图6（a）是翅片一体型基板1’的俯视图。图6（b）是从图6（a）中的X方向观察翅片一体型基板1’的侧视剖视图。图6（c）是从图6（a）中的Y方向观察翅片一体型基板1’的侧视剖视图。
图7（a）是翅片一体型基板1”的俯视图。图7（b）是从图7（a）中的X方向观察翅片一体型基板1”的侧视剖视图。图7（c）是从图7（a）中的Y方向观察翅片一体型基板1”的侧视剖视图。
图8是用图表表示在四种厚度的金属底板中，在以相同条件（相同的进热量）使发热元件发热时处于非稳定状态下的发热元件温度不同的图。
图9是实施例2～4中使用的装置的结构说明图（剖视图）。
图10是将图9中的金属底板、陶瓷基板及金属电路板放大的图。
图11是对实施例6的夹持方法进行说明的剖视图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。另外，在本说明书及附图中，对具有实质相同的功能结构的构成要素标注相同的符号，并省略重复说明。
图1（a）是本发明实施方式所涉及的翅片一体型基板1的俯视图，图1（b）是本发明实施方式所涉及的翅片一体型基板1的侧视剖视图。如图1所示，在翅片一体型基板1中，在陶瓷基板10的上表面（图1（b）中的上方）接合有由铝或铝合金制成的金属电路板15，此外，在陶瓷基板10的下表面（图1（b）中的下方）接合有由铝或铝合金制成的金属底板20。在金属底板20上，与金属底板20一体形成有多个散热翅片20a，其中，多个散热翅片20a以从金属底板20的下表面大致垂直地突出且隔着规定间隔彼此大致平行的方式进行配置。也就是说，为在多个散热翅片20a的各翅片彼此间的间隙部形成有槽部25的结构。在此，散热翅片20a形成在金属底板20下表面的中央部附近，金属底板20的下表面周缘部27为平面形状。
此外，图1所示的翅片一体型基板1是液冷式的，在底部（图1（b）中的下方侧）通过接合（例如钎焊）安装有例如箱型的液冷式套管30，该液冷式套管30成型成能收纳上述散热翅片20a。即，为从未图示的冷却液供给部供给而来的冷却液A在套管30的内部（散热翅片20a被收纳的部分）流动的结构，散热翅片20a被冷却液A所冷却。
在如图1所示构成的翅片一体型基板1中，优选的是，金属底板20的导热率为170W/（m·K）以上，硬度以维氏硬度Hv计为20～40，翘曲量为100μm以下。另外，优选的是，上述周缘部27的厚度为0.5～5mm。另外，此处“翘曲”是指金属板20的陶瓷基板接合一侧的平面部中的中心部与缘部的高度差，将金属板20在呈凹状翘曲时的翘曲量设为正（＋），将呈凸状翘曲时的翘曲量设为负（-）。
金属底板具有将在电路上发热的元件的热量传递至翅片的作用，作为金属底板的材料，优选导热率为170W/（m·K）以上。特别是在装设有发热量大的半导体元件时，倘如不足170W/（m·K），可能无法充分散热。更优选180W/（m·K）以上。
作为金属底板的材料、即Al或Al合金的维氏硬度，倘如超过40（Hv），则热循环经受量（如后所述）将会大幅降低。此外，倘如维氏硬度不足20（Hv），则很难进行后述的翅片的机械加工，并很难保证翅片所需的形状、尺寸精度。因此，优选的是，金属底板的维氏硬度处于20～40（Hv）的范围。在维氏硬度处于20～40（Hv）的范围下，即便反复进行3000次热循环试验（反复热冲击试验），也不容易出现因陶瓷与金属的线膨胀系数差而引起的疲劳损坏，其中，以[在-40℃下保持30分钟→在25℃下保持10分钟→在125℃下保持30分钟→在25℃下保持10分钟→]为一次热循环试验。
倘如周缘部厚度超过5mm，则很难通过激光焊接这样的局部加热来进行熔解接合。在不足0.5mm的情况下，由于机械强度不足，可能会在因反复进行加热、冷却时的膨胀、收缩而带来的疲劳下发生断裂。
虽然金属底板20的材质如上所述优选为铝及铝合金，但更优选的是含有选自Si、Mg、Zn、Bi、Sn的至少一种元素的铝合金，其结晶粒径优选为5mm以下。倘如结晶粒径超过5mm，则会使实施热循环时的晶界的高度差或变形变大。
此外，在翅片一体型基板1中，散热翅片20a的宽度为0.2～2.0mm，更优选为0.3～1.5mm，在各散热翅片20a彼此间形成的槽部25的宽度为0.2～2.0mm，更优选为0.5～2.0mm，槽部25的深度为2～20mm，更优选为3～15mm。
倘如散热翅片20a的宽度不足0.2mm，则热移动量（翅片效率）会减少，倘如超过2.0mm，则翅片数会变得过少。此外，当翅片的宽度为0.2mm以下时，在本发明的金属底板的材料特性的情况下，即便采用翅片的加工方法也可能容易发生变形，倘如翅片的宽度超过2mm，则处于按照铸型的尺寸设定通过铸造也能实现的尺寸范围。
倘如槽部25的宽度不足0.2mm，则压力损失会显著增大，冷却能力降低，倘如超过2.0mm，则流速会显著降低而冷却能力降低。在槽部的深度不足2mm时，压力损失变大，而超过20mm会使翅片一体型基板1变厚。倘如槽部的宽度（翅片间隔）超过2mm，则处于按照铸型的尺寸设定通过铸造也能实现的范围，倘如槽部的宽度比0.2mm更窄，则可能发生加工时的切屑容易堵塞等不良情况。
在槽部的深度不足2mm时，压力损失变得过大，从而热交换率下降。倘如比20mm更深，则可能发生因流速变得过小而热交换率下降、加工时的切屑容易堵塞等不良情况。
在按以上说明构成的翅片一体型基板1中，通过像上述这样规定金属底板20的厚度及材质、组成以及散热翅片20a的宽度及间距等，并将液冷式套管30以收纳散热翅片20a的方式进行安装，从而能得到强度、冷却效率、散热性优异的翅片一体型基板1。
接着，对在翅片一体型基板1中将多个散热翅片20a形成于金属底板20的加工方法进行说明。首先，通过熔液接合法将由Al或Al合金制成的金属电路板与陶瓷基板的一个面接合，并将由Al或Al合金制成的、形成散热翅片之前的金属底板（被切屑件40）与上述陶瓷基板的另一个面接合。图2是形成散热翅片20a之前阶段的金属底板20，其是由底座部40a及被切削部40b构成的被切削件40的立体图。在此是对被切削部40b进行加工而形成散热翅片20a的部分。此外，图3是进行对被切削件40进行加工来形成散热翅片20a的开槽加工时的说明图。另外，在上述图1中，示出了在图中的下方（金属底板20的下表面）形成散热翅片20a的情况，而在图2及图3中，为便于说明，示出了被切削部40b（后面的散热翅片20a）朝向图中的上方的情况，下面将根据上述附图的配置进行说明。
如图2所示，被切削件40由大致矩形的底座部40a和大致矩形的被切削部40b构成，其中，上述被切削部40b在底座部40a的中央部处与底座部40a一体构成。另外，虽然没有在图2中示出，但在底座部40a的下表面（图2中的下方的表面）上接合有陶瓷基板10和金属电路板15。另外，被切削件40也可以仅是一个大致矩形形状。该情况下，周缘部的形成在翅片加工前或加工后通过切削加工等实施即可。
在通过在被切削部40b上实施开槽加工来形成散热翅片20a时，首先，如图3（a）所示，用夹具50将被切削件40固定，之后，如图3（b）所示利用多刀铣刀55切入被切削部40。
在此，如图3（a）所示，夹具50的形状为能插入底座部40a的形状，夹具50构成为不与被接合在被切削件40的下表面上的陶瓷基板10接触，此外，即便在被切削部40b因切槽加工而发生变形的情况下，也会形成上述变形的被切削部40b与夹具50不接触的结构。以对被切削部40b的上表面（图3中的上方的表面）施加拉伸应力的方式来进行利用夹具50对被切削件40的固定。即，如图3（a）所示，将底座部40a插入夹具50，通过例如将螺钉50’的前端以施加压力的方式按压在底座部40a的侧面下方来固定被切削件40，从而在被切削部40b的上表面受到拉伸应力的状态下进行固定。
此外，在如上所述固定的被切削件40中，如图3（b）所示，在使多刀铣刀55旋转的同时按压在被切削部40b的上表面，从而进行开槽加工。在此，多刀铣刀55成为使多片圆盘型铣刀55’相互平行地层叠而成的结构，通过使上述圆盘型铣刀55’高速旋转，就可切削对象物。在开槽加工中，以使圆盘型铣刀55’的旋转方向与被切削部40b的长边方向平行的方式将多刀铣刀55按压于被切削部40b，通过在这种按压的状态下使多刀铣刀55朝被切削部40b的长边方向移动，从而来进行开槽加工。另外，在本实施方式中，如上所述，由于在散热翅片20a彼此之间形成的槽部25的深度优选为2～20mm，因此，多刀铣刀55切入被切削部40b的切入深度也同样地优选为2～20mm。
此外，在此多刀铣刀55的旋转刀是交替刀，其刀面角优选为10°以上，多刀铣刀55的切削速度（切削时的移动速度）优选为700mm/分钟以上。通过这样规定利用多刀铣刀55对被切削部40b进行开槽加工时的条件，可使切屑的排出效率良好，并可以抑制在开槽加工之后形成的散热翅片20a中出现挽绕（波浪形状）。多刀切削机55的切屑速度更优选为1000mm/分钟以上。
如上所述，通过在参照图3说明的工序、条件下进行开槽加工，可抑制在开槽加工后形成的散热翅片20a的变形，并且通过在使用夹具50对被切削部40b的上表面施加拉伸应力的状态下进行开槽加工，可抑制因多刀切削机55切削产生的残留应力而使切削后的被切削件40整体（金属底板20）发生翘曲。即，能高精度地制造出所希望形状的金属底板20（翅片一体型基板1）。
以上，对本发明实施方式的一例进行了说明，但本发明不限定于图示的形态。本领域技术人员很显然能够在权利要求书记载的思想范畴内想到各种变形例或是修改例，并且应该了解这些变形例及修改例属于本发明的技术范围。
例如，在上述实施方式中，在使用夹具50对被切削部40b的上表面施加拉伸应力的状态下进行切槽加工，但由于只要能抑制因多刀铣刀55的切削产生的残留应力而使切削后的被切削件40整体（金属底板20）发生翘曲即可，因此，也可以将被切削部40b的形状形成为其中央部比端部厚的形状。
图4是将被切削部40b的形状形成为其中央部比端部厚的形状（在图4中为朝上凸出的形状）时的被切削件40的侧视剖视图。另外，也可以在开槽加工时在被切削件40的底座部40a的下表面（图4中的下方的表面）上接合有陶瓷基板10和金属电路板15。
通过如图4所示将被切削部40b的形状形成为其中央部比端部厚的形状，从而在用多刀铣刀55进行开槽加工（切削）之后，利用因上述切削而产生的残留应力来使被切削部40b的开槽加工后的形状呈平坦状，从而可制造出所希望形状的金属底板20（翅片一体型基板1）。另外，关于在将被切削部40b预先形成为其中央部比端部厚的形状时的中央部与端部的厚度差，只要是通过实验进行适当的开槽加工来获得优选的数值即可。另外，在对上述被切削件进行翅片加工时，可使中央部的槽的深度变深。也就是说，虽然翅片的高度会变高，但是也可以在后续工序中使这部分的翅片的前端与套管接合。
此外，为了抑制因多刀铣刀55的切削产生的残留应力而使切削后的被切削件40整体（金属底板20）发生翘曲，也可以在开槽加工前预先将被切削件40整体的形状形成为翘曲的形状。图5是将被切削件40整体形成为翘曲的形状（在图5中为朝上凸出的形状）时的被切削件40的侧视剖视图。
通过如图5所示预先将被切削部40整体的形状形成为翘曲的形状，从而在用多刀铣刀55进行开槽加工（切削）之后，利用因上述切削而产生的残留应力及其变化来使包括被切削部40b在内的被切削件40整体的开槽加工后的形状呈平坦状，从而可制造出所希望形状的金属底板20（翅片一体型基板1）。
此外，在上述实施方式中，对如图1所示在金属底板20下方（如图1所示的下方的表面）的中央部一个部位一体形成有多个散热翅片20a的结构进行了说明，但本发明未必局限于上述结构，例如也可以如图6所示在金属底板20下方的多个部位分别形成多个散热翅片20a的结构。此外，也可以想到如图7所示，从金属底板20下方观察，将多个散热翅片20a一体形成在锯齿状的多个部位的情况。
图6是多个散热翅片20a一体形成在金属底板20下方的多个部位上的结构的翅片一体型基板1’的说明图，图7是多个散热翅片20a一体形成在金属底板20下方的锯齿状的多个部位上的结构的翅片一体型基板1”的说明图。在此，图6（a）、图7（a）是翅片一体型基板1’、1”的俯视图，图6（b）、图7（b）是从图6（a）、图7（a）中的X方向（图6（a）、图7（a）的下方）观察时的侧视剖视图，图6（c）、图7（c）是从图6（a）、图7（a）中的Y方向（图6（a）、图7（a）的右方）观察时的侧视剖视图。此外，在图6（a）、图7（a）中，为了便于说明，用虚线示出了在金属底板20下表面上形成的散热翅片20a。另外，在风扇一体型基板1’、1”中，散热翅片20a从图6（a）、图7（a）中的X方向观察形成为三列，从X方向观察时，从前侧（图6、图7的纸面下侧）开始为第一列、第二列、第三列。
如图7（a）所示，在翅片一体型基板1”中，从金属底板20的下方观察时多个散热翅片20a形成在锯齿状的多个部位上。即，在从X方向（图7（a）的下方）观察翅片一体型基板1”时，为从第一列的散热翅片20a彼此之间可看到第二列的散热翅片20a这样的配置。此外，也可以为从X方向观察时第一列的散热翅片20a与第三列的散热翅片20a看着是重叠的这样的配置。
此外，既可以将多个散热翅片非连续地形成在金属底板上，也可以分别形成在例如与金属电路板相对应的金属底板的相反面的位置上。另外，在多个部位形成散热翅片20a的情况下，也可以各自安装套管30。这样，通过将多个散热翅片20a一体形成在金属底板20下方的多个部位，从而可制造出冷却效率及散热性更优异的翅片一体型基板1。
此外，在上述实施方式中，如图1所示，对安装液冷式套管30以收纳散热翅片20的情况进行了说明，但也可以想到此时将散热翅片20a的前端部（图1中的散热翅片20a的下端部）的至少一部分与套管30接合的情况。藉此，可实现降低翅片一体型基板1中的瞬态热阻，并可实现散热性的稳定。此外，能抑制在冷却液的压力下使套管的底面鼓出等形状变化。另外，也可以在不与液冷式套管接合的情况下直接在空冷（气冷）下使用。
实施例
<实施例1>
作为本发明的实施例，对于在仅改变了底板厚度的上表面上以相同条件设置有发热元件的四种金属底板（厚度为1.0mm、3.0mm、5.0mm、10.0mm），通过模拟对因底板厚度不同而使发热元件的温度变化不同的情况进行检验。
图8是用图表表示在上述四种厚度的金属底板中，在以相同条件（相同的进热量）使发热元件发热时处于非稳定状态下的发热元件温度的不同的图。
如图8所示，厚度为1.0mm、3.0mm的金属底板上的发热元件的温度与厚度为5.0mm、10.0mm的金属底板上的发热元件的温度之间存在差异，可知在使用厚度为5.0mm以上的金属底板时冷却效率更好。从图8及散热性、强度等要求特性可知，最佳的金属底板厚度为3.0～5.0mm。通过模拟结果可以推测出此时最佳的散热翅片20a的宽度为0.7mm，最佳的槽部25的宽度为1～5mm，最佳的槽部25的深度为3.5mm。此时，在金属底板的厚度为5.0mm的情况下，元件的推测温度预计比在厚度为1.0mm时的温度降低大约9％。
<实施例2>
接着，用上述方法制造样品1～5的翅片一体基板，并对热特性进行了测定。在此，所使用的装置示于图9，图10是省略了图9中的金属底板、陶瓷基板及金属电路板后的图。将长度31mm×宽度31mm×厚度0.6mm的金属电路板与长度35mm×宽度35mm×厚度0.6mm的AlN基板的一个面接合，在上述AlN基板的另一个面上形成不包括翅片高度在内的金属底板的厚度（顶板的厚度）为1mm、长度69.5mm×宽度69.5mm的金属底板。此外，与顶板成为一体的翅片的形状如下所示。另外，槽深与翅片的高度为同一尺寸。
金属底板的材质为Al，维氏硬度为21（Hv）。
此时的样品的翅片形状如下所述，翅片没有出现挽绕，金属底板的挠曲量也为100μm以下。
通过螺钉紧固以使冷却液没有泄漏的方式将箱型的水冷套管与其接合，并使15℃的冷却水在其中流动。
在散热性的评价中，使长度5mm×宽度5mm的微加热器隔着厚度为10μm的热脂（日语：シルバ一グリ一ス）（9W/（m·K）与上述电路板表面接触。此外，使热电偶与微加热器的中央部接触，以便能够测定温度。另外，热电偶用重物固定。在此状态下，使微加热器以300W进行发热，并测定其温度上升。其结果如下所示，可知具有充分的散热性。
（样品形状）
（散热性测定结果1）
饱和热阻是在对微加热器通电2分钟后测得的温度。
瞬态热阻是计算出的对微加热器通电0.1～0.4秒之间的温度上升的斜率。
<实施例3>
关于瞬态热阻的测定，除了计算出对微加热器通电0.05～0.15秒之间的温度上升的斜率之外，与实施例2一样来制作样品并进行评价。其结果如下所示，可知具有充分的散热性。
根据结果可知，热阻为大约4.5（K/W）。
（样品形状）
（散热性测定结果1）
       饱和热阻（℃）  瞬态热阻（℃/秒）
样品6：61.3            76.2
样品7：62.3            80.1
<实施例4>
用与实施例2相同的方法将金属底板接合，并利用多刀铣刀进行翅片的加工。将此时的加工速度设为400mm/分钟、700mm/分钟、1200mm/分钟。在加工速度（铣刀的送出速度）为400mm/分钟时，翅片会出现挽绕而无法得到良好的形状。在700mm/分钟、1200mm/分钟的速度下，能得到良好的形状。
<实施例5>
在90mm×155mm的碳模具上设置三块65mm×35mm的陶瓷基板。陶瓷基板分为（1）导热率为170W/（m·K）、厚度为0.635mm的AlN，（2）导热率为70W/（m·K）、厚度为0.32mm的Si3N4，及（3）导热率为20W/（m·K）、厚度为0.38mm的Al2O3这三个种类来实施。将上述碳模具投入630℃的氮气氛的炉中。在碳模具中预先设有电路部、底板部、翅片块部（外周的锥角为2°）的空隙（空间），使Al或Al合金的熔液流入该空隙，并使其接合、凝固。Al或Al合金熔液的材质分为（4）作为Al、导热率为210W/（m·K）、维氏硬度24的纯铝（Al：99.9质量％以上），（5）作为Al合金、导热率为190W/（m·K）、维氏硬度28的Al-0.5质量％Si-0.05质量％B合金这两个种类。
接着，进行散热翅片的机械加工。翅片宽度为1mm、槽部的宽度为0.9mm、加工间隙为1.9mm、深度为6mm。使用具有38片厚度为0.9mm的刀锋笔直的刀的高速钢金属锯，转速设为5000rpm，切削速度设为1200mm/分钟。在一道下进行加工，并在加工后脱脂。此时，在任一样品中均未在所形成的翅片上出现挽绕。此后，分为（6）没有偏移冲压(offset press)加工和（7）有偏移冲压加工这两种情况来实施，对于（7）而言，使用串状的模具，使用冲压机仅将每隔一列的翅片弯曲并使其偏移，从而呈锯齿状配置。
此外，在电路部上将电路图案形状的UV硬化型抗蚀油墨进行丝网印刷，在UV固化后，用氯化铁溶液将电路部中的不需要部分蚀刻去除，并将抗蚀油墨剥离来形成电路图案。接着，以仅使电路图案的铝部与液体接触的方式进行二次锌酸盐(日语：ダブルジンケ一ト)处理，并以平均膜厚达到5μm的条件来实施Ni电镀。
经过用以上方法形成，任一基板的底板平坦度均为100μm以内，电路部的平坦度也为100μm以内。
此外，通过以下两种方法来进行冷却壳体的安装。（8）使用Al-Si-Mg类焊料，并在大气气氛下于600℃对A1050制的冷却壳体进行钎焊。（9）隔着O形环将一体基板与A1050制的冷却壳体螺钉旋紧。
对通过以上方法制造而成的翅片一体型基板进行散热性、可靠性、耐腐蚀性的评价。
在散热性评价中，使25℃的冷却水以10L/分钟的速度流动，将视作元件的加热器设置在电路图案上，测定饱和热阻。对于陶瓷基板为（1）、（2）的样品，无论在Al熔液的材质为（4）或（5）、是否有偏移冲压加工（6）或（7）、冷却壳体的安装方法为（8）或（9）的任一组合下，均为大约0.25K/W。
在可靠性评价中，进行以在-40℃下保持5分钟、在125℃保持5分钟为一个循环的液槽（液相）加热循环试验。对于陶瓷基板为（1）、（2）的样品，在经过3000次液槽加热循环试验后，在陶瓷上没有出现裂纹，且正反面在油中通过了AC9kV的耐电压试验。对于陶瓷基板为（3）的样品，在经过300次液槽加热循环试验后，在陶瓷上没有出现裂纹，且正反面在油中通过了AC9kV的耐电压试验。此外，在任一类型下，经过3000次液槽加热循环后的陶瓷下的铝的疲劳损坏为从表面下2mm以下。
在耐腐蚀评价中，使50％LLC（75℃）流过5000h，考察孔蚀，但在所有的类型下，均没有确认到孔蚀。将以上的结果示于表1。
[表1]
<实施例6>
通过铸造方法制作30mm×30mm×0.64mm大小的AlN陶瓷的试验体作为陶瓷基板，并通过铸造方法制作底部为70mm×70mm×7mm、被切削部为60mm×60mm×6mm大小的铝试验体作为金属底板（由大致矩形的底座部和在底座部的中央部与底座部一体构成的大致矩形的被切削部构成的被切削件）。此外，除了金属底板仅为底部（没有被切削部）之外，用与上述铸造方法相同的方法制作与上述试验体相同形状的试验体。
通过以下所示的本发明的实施例即样品31、32和比较例1、2各自的夹持方法对上述试验体进行翅片加工。翅片宽度为1mm、槽部的宽度为0.9mm、加工间隙为1.9mm、深度为6mm。使用具有35片厚度为0.9mm的刀锋笔直的刀的高速钢金属锯，并以转速为5000rpm，切削速度为1200mm/分钟进行加工。另外，样品31、32及比较例2在上述翅片加工中使用由被切削部和底部构成的上述试验体，比较例1在上述翅片加工中使用仅由底部构成的上述试验体。
图11（a）示出了样品31的夹持方法。通过用位于下方的按压夹具61对试验体进行按压，从而施加较小的拉伸应力，从而能容易地进行切削加工。此外，在朝下呈凸形的情况下，能一边用按压夹具61进行矫正一边进行切削加工。图11（b）是样品32的夹持方法，此时由于能在拉伸力的作用下一边矫正一边进行切削加工，因此能改善散热翅片的平面度。
另一方面，在图11（c）所示的比较例1的夹持方法中，当横向按压的力较小时，有时会因切削时的载荷而使试验体飞散。另外，在横向按压过强时，在切削中有时会发生变形。图11（d）示出了比较例2，若不用如图11（c）这样的横向按压夹持件，而是变为从上方的夹持件62，也可以毫无问题地进行切削加工。但是，在上述方法中，对于切削加工后的散热翅片的平面度，除了影响铸造时的平面度之外，还可能发生翅片的挽绕，因而需要注意。此外，当在切削加工中试验体中发生压缩应力时，切削阻力会增加。
工业上的可利用性
本发明适用于金属-陶瓷接合基板，尤其适用于翅片一体型基板及其制造方法，在该翅片一体型基板上，将由铝或铝合金制成的金属电路板及金属底板分别与陶瓷基板的两个面接合，并使板状的散热翅片与金属底板一体形成，其中，上述板状的散热翅片从金属底板的没有与陶瓷基板接合的那个面突出并相互间隔着规定间隔而延伸。

Claims (18)

1.一种翅片一体型基板，在陶瓷基板的一个面上通过熔液接合法接合有由铝或铝合金制成的金属电路板，并在另一个面上接合有由铝或铝合金制成的平板状的金属底板的一个面，多个散热翅片以从所述金属底板的另一个面突出并以相互以规定间隔配置的方式与所述金属底板一体形成，其特征在于，
所述金属底板包括在多个所述散热翅片的周围所形成的周缘部，
所述金属底板的导热率为170W/(m·K)以上，
所述金属底板的硬度以维氏硬度计为20～40(Hv)，
所述散热翅片的宽度为0.2～2.0mm，
在多个所述散热翅片彼此之间形成的槽部的宽度为0.2～2.0mm，
所述槽部的深度为2～20mm。
2.如权利要求1所述的翅片一体型基板，其特征在于，所述金属底板的没有形成所述散热翅片的部分的厚度为0.5～5mm。
3.如权利要求1所述的翅片一体型基板，其特征在于，多个所述散热翅片形成为相对于所述金属底板朝大致垂直方向突出，且彼此大致平行。
4.如权利要求1所述的翅片一体型基板，其特征在于，所述金属底板是含有选自Si、Mg、Zn、Bi、Sn的至少一种元素的铝合金。
5.如权利要求1所述的翅片一体型基板，其特征在于，所述金属底板的结晶粒径为5mm以下。
6.如权利要求1所述的翅片一体型基板，其特征在于，包括收纳多个所述散热翅片的箱型形状的液冷式套管，所述套管接合在所述周缘部，
在多个所述散热翅片彼此之间形成的槽部的深度在多个所述散热翅片的横向方向上保持不变，且多个所述散热翅片的前端部与所述套管的凹部的底表面之间的距离在多个所述散热翅片的横向方向上保持不变。
7.如权利要求6所述的翅片一体型基板，其特征在于，所述套管与所述散热翅片的前端部的至少一部分接合。
8.一种翅片一体型基板的制造方法，该制造方法用于制造翅片一体型基板，在该翅片一体型基板中，在陶瓷基板的一个面上接合有由铝或铝合金制成的金属电路板，并在另一个面上接合有由铝或铝合金制成的平板状的金属底板的一个面，多个散热翅片以从所述金属底板的另一个面突出并以相互以规定间隔配置的方式与所述金属底板一体形成，其特征在于，
通过熔液接合法进行所述金属电路板与所述陶瓷基板的接合，
用夹具以在作为所述金属底板的一部分的被切削部的待形成散热翅片的面上施加拉伸应力的方式进行固定，使层叠有多片圆盘型铣刀的多刀铣刀一边旋转一边在作用有拉伸应力的面上移动，来进行形成多个槽的开槽加工，从而在所述被切削部上形成多个散热翅片。
9.如权利要求8所述的翅片一体型基板的制造方法，其特征在于，所述金属底板由在板部及其板部中央附近突出的块部一体构成，所述块部上的形成所述散热翅片的面是凸状的。
10.如权利要求9所述的翅片一体型基板的制造方法，其特征在于，所述块部的中央部比所述块部的周缘部厚。
11.如权利要求8所述的翅片一体型基板的制造方法，其特征在于，所述多刀铣刀的旋转刀是交替刀，且刀面角为10°以上。
12.如权利要求8所述的翅片一体型基板的制造方法，其特征在于，所述多刀铣刀的切削速度为700mm/分钟以上。
13.如权利要求8所述的翅片一体型基板的制造方法，其特征在于，所述夹具是与所述陶瓷基板不接触的形状，且配置在不与所述开槽加工中的金属底板的变形发生干涉的位置上。
14.如权利要求8所述的翅片一体型基板的制造方法，其特征在于，所述夹具是真空抽吸方式，其吸引力是可控的。
15.如权利要求8所述的翅片一体型基板的制造方法，其特征在于，在所述开槽加工之后，将收纳所述散热翅片的箱型形状的液冷式套管接合在形成有散热翅片的所述金属底板的面上。
16.如权利要求15所述的翅片一体型基板的制造方法，其特征在于，所述金属底板与所述套管的接合方式为钎焊。
17.如权利要求15所述的翅片一体型基板的制造方法，其特征在于，将所述套管与所述散热翅片的前端部的至少一部分接合。
18.如权利要求15所述的翅片一体型基板的制造方法，其特征在于，在所述套管中，所述散热翅片的前端部与所述套管接合的部分的壁比其它部分的壁薄。
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