JP2005317890A - アルミニウム接合部材およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単且つ安価に製造することができるとともに、冷却能力が高い冷却部材として使用することができるアルミニウム接合部材およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 アルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、外部に露出するアルミニウム部材１２と、このアルミニウム部材１２の材料であるアルミニウムまたはアルミニウム合金の融点付近の温度で溶解しない材料からなる管状部材１４とから構成され、この管状部材１４の両側の開口端部がアルミニウム部材の外部に開口し、これらの開口端部の間の部分がアルミニウム部材１２の内部に延びるとともに、そのアルミニウム部材１２の内部に延びる部分の外周面がアルミニウム部材１２に直接接合している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、アルミニウム接合部材およびその製造方法に関し、特に、冷却剤が流れる管状部材が内部に設けられ、金属−セラミックス回路基板などの電子部品の冷却部材として使用されるアルミニウム接合部材およびその製造方法に関する。

従来、セラミックス基板の一方の面に金属回路板が接合するとともに他方の面に放熱用金属板が接合した金属−セラミックス回路基板に放熱フィンなどの冷却部材を取り付ける方法として、半導体チップが半田付けされた金属回路板が接合した１枚または複数枚のセラミックス基板を金属ベース板（放熱板）または複合材に半田付けし、この金属ベース板などの裏面に放熱グリースを介して放熱フィンを取り付ける方法が知られている。また、セラミックス基板にろう材を介して放熱フィンを接合する方法も知られている（例えば、特許文献１参照）。さらに、セラミックスまたは炭素と金属の複合材からなる電子回路用基板と、液体または気体を冷却媒体とする冷却装置とを鋳造により一体化する方法も提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開平４−３６３０５２号公報（段落番号０００６） 特開２００１−７２６５号公報（段落番号０００８）

しかし、従来のセラミックス基板を金属ベース板に半田付けする方法では、半田により放熱性が低下し、また、金属ベース板などに放熱フィンを取り付けるために使用する放熱グリースの熱伝導性が数Ｗ／ｍＫと極端に小さいために、さらに放熱性が低下するという問題がある。また、半田ボイドにより歩留が低下する場合もある。さらに、Ｐｂを含む半田を使用すると、近年の環境汚染防止のためのＰｂフリー化の傾向にも反する。

また、特許文献１に開示された方法では、空冷の放熱フィンを使用しているため、一般に水冷の冷却装置と比べて冷却能力が低く、性能を安定させ難いという問題がある。

特許文献２に開示された方法では、上述した半田や放熱グリースによる放熱性の低下の問題や放熱フィンを使用する場合の問題をほぼ解決しているが、セラミックスなどからなる２枚のプリフォーム基板に溝を掘り、その溝に合わせて予め整形したパイプをプリフォーム基板に挟んで仮止めして金型に入れた後、アルミニウムや銅などの溶湯を金型内に注入して高圧で鋳造する必要があるので、金型や製造装置のコストが比較的高く、また、プリフォーム基板の均質化や加工精度を高めることが困難な場合がある。さらに、プリフォーム基板の気孔率は５％以上５０％未満であり、その中に金属溶湯を充填して、アンカー効果により機械的に接合を実現することが困難な場合もある。

したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、簡単且つ安価に製造することができるとともに、冷却能力が高い冷却部材として使用することができるアルミニウム接合部材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、アルミニウムまたはアルミニウム合金の融点付近の温度で溶解しない材料からなる管状部材の両側の開口端部を、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるアルミニウム部材の外部に開口させ、これらの開口端部の間の部分の外周面をアルミニウム部材に接触させることにより、冷却能力が高い冷却部材として使用可能なアルミニウム接合部材を簡単且つ安価に製造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、本発明によるアルミニウム接合部材は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるアルミニウム部材と、このアルミニウム部材の内部に延びるとともに両側の開口端部がアルミニウム部材の外部に開口する管状部材とから構成され、管状部材がアルミニウム部材の材料であるアルミニウムまたはアルミニウム合金の融点付近の温度で溶解しない材料からなり、管状部材のアルミニウム部材の内部に延びる部分の外周面の少なくとも一部がアルミニウム部材に接触していることを特徴とする。

このアルミニウム接合部材の管状部材のアルミニウム部材の内部に延びる部分の外周面の少なくとも一部がアルミニウム部材に接触して接合しているのが好ましく、その外周面の全面がアルミニウム部材に接触して接合しているのがさらに好ましい。また、このアルミニウム接合部材の管状部材は、Ｗ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｆｅ、ＣｕおよびＮｉから選ばれる少なくとも１つの元素を主成分とする金属、あるいはセラミックスまたは炭素材からなるのが好ましい。あるいは、アルミニウム接合部材の管状部材は、ステンレス、ＳＫＤ、Ｍｏ合金、またはＭｏ系焼結材料やＷ系焼結材料などの高融点金属焼結材料からなるのが好ましい。さらに、このアルミニウム接合部材の一方の面または両面に、金属回路板が接合したセラミックス基板を接合させてもよい。このようなアルミニウム接合部材は、冷却部材として使用することができる。

また、本発明によるアルミニウム接合部材の製造方法は、アルミニウムまたはアルミニウム合金の融点付近の温度で溶解しない材料からなる管状部材を、その開口端部が鋳型の外部に開口するように鋳型内に入れ、この鋳型内にアルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯を注入した後に、その溶湯を冷却して固化させることにより、管状部材の鋳型内の部分をアルミニウム部材に接触させることを特徴とする。

このアルミニウム接合部材の製造方法において、管状部材の鋳型内の部分をアルミニウム部材に接触させて接合するのが好ましい。この場合、管状部材を鋳型内に入れた後、溶湯を注入する前に、セラミックス基板に金属回路板が接合した金属−セラミックス回路基板を、鋳型の上面に形成された開口部を塞ぐように鋳型上に載せることにより、管状部材の鋳型内の部分をアルミニウム部材に接触させて接合する際に、金属−セラミックス回路基板をアルミニウム部材に接触させて接合してもよい。あるいは、管状部材を鋳型内に入れた後、溶湯を注入する前に、鋳型内にセラミックス基板を配置させることにより、管状部材の鋳型内の部分をアルミニウム部材に接触させて接合する際に、セラミックス基板の一方の面にアルミニウム部材を接触させて接合するとともに、セラミックス基板の他方の面にアルミニウム回路板を接触させて接合してもよい。この場合、セラミックス基板をアルミニウム部材の両面の各々に接触させて接合してもよい。

さらに、本発明によるパワーモジュールは、セラミックス基板の一方の面に金属回路板が接合するとともに、他方の面に上記のアルミニウム接合部材が接合していることを特徴とする。

本発明によれば、冷却能力が高い冷却部材として使用可能なアルミニウム接合部材を簡単且つ安価に製造することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明によるアルミニウム接合部材およびその製造方法の実施の形態について説明する。

［第１の実施の形態］
図１〜図３を参照して、本発明によるアルミニウム接合部材およびその製造方法の第１の実施の形態について説明する。

図１に示すように、この実施の形態のアルミニウム接合部材１０は、平面形状が略矩形のアルミニウム部材１２と、略円環状の断面を有し且つ略Ｕ字形に延びる管状部材１４とから構成されている。この管状部材１４の両側の開口端部は、アルミニウム部材１２の外部に突出して開口し、これらの開口端部の間の部分は、アルミニウム部材１２の内部に配置され且つアルミニウム部材１２に直接接触して接合している。管状部材１４として、例えば、直径約１０ｍｍのステンレス製パイプを使用することができるが、後述するアルミニウム溶湯の注入時に溶解し難い材料であれば、モリブデン（Ｍｏ）や銅（Ｃｕ）などの金属や、アルミナやジルコニアなどのセラミックスからなるパイプを使用してもよい。なお、アルミニウム接合部材１０を冷却部材として使用する場合には、管状部材１４に気体や液体の冷却剤を流してアルミニウム接合部材１０を冷却するので、管状部材１４の形状は、必ずしも略Ｕ字形である必要はなく、アルミニウム接合部材１０の内部に広範囲にわたって延びる形状であれば、どのような形状でもよい。

このようなアルミニウム接合部材１０は、例えば、図２および図３に示す鋳型２０を使用して製造することができる。鋳型２０は、容易且つ安価に形成することができるカーボンなどの材料によって形成され、図２および図３に示すように、下側鋳型部材２２と上側鋳型部材２４と蓋部材２６とから構成されている。

下側鋳型部材２２は、平面形状が略矩形の平板状の底面部２２ａと、この底面部２２ａの周縁部から垂直方向上方に延びる側壁部２２ｂとからなり、この側壁部２２ｂの上面には、管状部材１４の下側半分に対応する形状の略半円形の２つの凹部２２ｃが形成されている。

上側鋳型部材２４は、下側鋳型部材２２の上に配置されたときに下側鋳型部材２２の側壁部２２ｂを垂直方向上方に延長する形状を有する。この上側鋳型部材２４の底面には、管状部材１４の上側半分に対応する形状の略半円形の２つの凹部２４ａが形成され、これらの２つの凹部２４ａは、上側鋳型部材２４が下側鋳型部材２２の上に配置されたときに下側鋳型部材２２の２つの凹部２２ｃに対向して、管状部材１４を貫通させる略円形の管状部材貫通穴２８を形成する。

蓋部材２６は、上側鋳型部材２４の略矩形の上側開口部を塞ぐための部材であり、平面形状が下側鋳型部材２２および上側鋳型部材２４に対応する略矩形の平板状の部材である。蓋部材２６の１つの角部には、鋳型２０の内部にアルミニウム溶湯を注入するための注入口２６ａが形成され、この注入口２６ａが形成された角部に対向する蓋部材２６の角部には、鋳型２０の内部のガスなどを抜くための抜き穴２６ｂが形成されている。

下側鋳型部材２２の上に上側鋳型部材２４を載せ、その上に蓋部材２６を載せることにより、鋳型２０の内部にアルミニウム部材１２に対応する形状の空間が形成されるようになっている。なお、蓋部材２６を上側鋳型部材２４と一体に形成してもよい。また、注入口２６ａおよび抜き穴２６ｂは必ずしも蓋部材２６に形成する必要はなく、適宜設計により他の部分に形成してもよい。

次に、上述した構成の鋳型２０を使用してアルミニウム接合部材１０を製造する方法について説明する。まず、略Ｕ字形の管状部材１４をその開口端部が管状部材貫通穴２８を介して鋳型２０の外部に突出するように下側鋳型部材２２内に入れた後、下側鋳型部材２２の上に上側鋳型部材２４を載せて固定する。

次に、上側鋳型部材２４の上側開口部を蓋部材２６で塞いで固定した後、鋳型２０を酸素濃度１００ｐｐｍ以下の窒素雰囲気の炉に入れて７５０℃まで加熱し、鋳型２０と同じ温度まで加熱溶解した純度９９．９９％のアルミニウム溶湯を、カーボン製シリンダを用いて注入口２６ａから鋳型２０内に注入する。蓋部材２６には抜き穴２６ｂが形成されているので、高圧を加えることなくアルミニウム溶湯を注入することができ、最終的に抜き穴２６ｂからアルミニウム溶湯が溢れるまで注入して鋳型２０内にアルミニウム溶湯を充填する。

次に、鋳型２０を冷却してアルミニウムを凝固させ、管状部材１４に接合した後、室温まで冷却し、得られたアルミニウム接合部材１０を鋳型２０から取り出す。その後、注入口２６ａや抜き穴２６ｂの痕などを切削加工によって取り除いてアルミニウム接合部材１０の表面を平らにする。

このようにして得られたアルミニウム接合部材１０に金属−セラミックス回路基板を放熱グリースを介して密着させ、管状部材１４に冷却剤を流せば、金属−セラミックス回路基板の冷却部材として使用することができる。また、アルミニウム接合部材１０の所定の部分にＮｉ−Ｐ合金めっきを施し、そのめっきした部分に金属−セラミックス回路基板を半田付けすれば、空冷フィンより優れた安定した冷却性能を得ることができる。

［第２の実施の形態］
図４〜図６を参照して、本発明によるアルミニウム接合部材およびその製造方法の第２の実施の形態として、第１の実施の形態のアルミニウム接合部材１０と同様のアルミニウム接合部材を銅−セラミックス回路基板に直接接合した実施の形態について説明する。

図４に示すように、この実施の形態のアルミニウム接合部材１００は、第１の実施の形態と同様に、平面形状が略矩形のアルミニウム部材１０２と、略円環状の断面を有し且つ略Ｕ字形に延びる管状部材１０４とから構成されている。この管状部材１０４の両側の開口端部は、アルミニウム部材１０２の外部に突出して開口し、これらの開口端部の間の部分は、アルミニウム部材１０２の内部に配置され且つアルミニウム部材１０２に直接接触して接合している。

このアルミニウム接合部材１００は、セラミックス基板１１２の一方の面に銅回路板１１４が接合した銅−セラミックス回路基板１１０の他方の面に直接接触して接合し、銅−セラミックス回路基板１１０の冷却部材として使用される。なお、銅−セラミックス回路基板１１０のセラミックス基板１１２と銅回路板１１４との接合は、アルミニウム溶湯による接合によってセラミックス基板１１２と銅回路板１１４の間の接合部が溶けなければ、直接接合法やろう接法などのどのような方法によって行ってもよい。

このような銅−セラミックス回路基板１１０に直接接触して接合したアルミニウム接合部材１００は、例えば、図５および図６に示す鋳型１２０を使用して製造することができる。鋳型１２０は、容易且つ安価に形成することができるカーボンなどの材料によって形成され、図５および図６に示すように、下側鋳型部材１２２と上側鋳型部材１２４と蓋部材１２６とから構成されている。

下側鋳型部材１２２は、平面形状が略矩形の平板状の底面部１２２ａと、この底面部１２２ａの周縁部から垂直方向上方に延びる側壁部１２２ｂとからなり、この側壁部１２２ｂの上面には、管状部材１０４の下側半分に対応する形状の略半円形の２つの凹部１２２ｃが形成されている。

上側鋳型部材１２４は、下側鋳型部材１２２の上に配置されたときに下側鋳型部材１２２の側壁部１２２ｂを垂直方向上方に延長する形状を有する。この上側鋳型部材１２４の底面には、管状部材１０４の上側半分に対応する形状の略半円形の２つの凹部１２４ａが形成され、これらの２つの凹部１２４ａは、上側鋳型部材１２４が下側鋳型部材１２２の上に配置されたときに下側鋳型部材１２２の２つの凹部１２２ｃに対向して、管状部材１０４を貫通させる略円形の２つの管状部材貫通穴１２８を形成する。

蓋部材１２６は、上側鋳型部材１２４の略矩形の上側開口部の周縁部付近を塞ぐための部材であり、平面形状が下側鋳型部材１２２および上側鋳型部材１２４に対応する略矩形の平板状の部材である。蓋部材１２６の１つの角部には、鋳型１２０の内部にアルミニウム溶湯を注入するための注入口１２６ａが形成され、この注入口１２６ａが形成された角部に対向する蓋部材１２６の角部には、鋳型１２０の内部のガスなどを抜くための抜き穴１２６ｂが形成されている。また、蓋部材１２６の略中央部には、セラミックス基板１１２よりも僅かに小さい略矩形の開口部１２６ｃが形成されている。このように開口部１２６ｃがセラミックス基板１１２より小さいため、銅−セラミックス回路基板１１０が接合した後のアルミニウム接合部材１００を鋳型１２０から容易に取り出すことができるように、蓋部材１２６は、互いに分離可能な２つの部材を組み合わせて形成されている。

下側鋳型部材１２２の上に上側鋳型部材１２４を載せ、その上に蓋部材１２６を載せることにより、鋳型１２０の内部にアルミニウム部材１０２に対応する形状の空間が形成されるようになっている。なお、注入口１２６ａおよび抜き穴１２６ｂは必ずしも蓋部材１２６に形成する必要はなく、適宜設計により他の部分に形成してもよい。

次に、上述した構成の鋳型１２０を使用してアルミニウム接合部材１００を製造する方法について説明する。まず、略Ｕ字形の管状部材１０４をその開口端部が管状部材貫通穴１２８を介して鋳型１２０の外部に突出するように下側鋳型部材１２２内に入れた後、下側鋳型部材１２２の上に上側鋳型部材１２４を載せて固定する。

次に、蓋部材１２６を上側鋳型部材１２４の上に載せて上側鋳型部材１２４の上側開口部の周縁部付近を塞いだ後、蓋部材１２６の開口部１２６ｃを塞ぐように銅−セラミックス回路基板１１０を蓋部材１２６の上に載せて固定する。

次に、鋳型１２０を酸素濃度１００ｐｐｍ以下の窒素雰囲気の炉に入れて７５０℃まで加熱し、鋳型１２０と同じ温度まで加熱溶解した純度９９．９９％のアルミニウム溶湯を、カーボン製シリンダを用いて注入口１２６ａから鋳型１２０内に注入する。蓋部材１２６には抜き穴１２６ｂが形成されているので、高圧を加えることなくアルミニウム溶湯を注入することができ、最終的に抜き穴１２６ｂからアルミニウム溶湯が溢れるまで注入して鋳型１２０内にアルミニウム溶湯を充填する。

次に、鋳型１２０を冷却してアルミニウムを凝固させ、管状部材１０４および銅−セラミックス回路基板１１０に接合した後、室温まで冷却し、得られたアルミニウム接合部材１００を鋳型１２０から取り出す。なお、蓋部材１２６が分離可能な２つの部材からなるので、アルミニウム接合部材１００を鋳型１２０から容易に取り出すことができる。その後、注入口１２６ａや抜き穴１２６ｂの痕などを切削加工によって取り除いてアルミニウム接合部材１００の表面を平らにする。

この実施の形態では、半田や放熱グリースを使用することなく簡単にアルミニウム接合部材と銅−セラミックス回路基板とを一体化することができ、良好な特性を有する安価な冷却装置付き銅−セラミックス回路基板を作製することができる。

また、この実施の形態では、窒素ガスなどの不活性ガス雰囲気中でアルミニウム溶湯を鋳型に接触させ、アルミニウム溶湯の表面の酸化皮膜を取り除きながら、アルミニウム部材１０２と管状部材１０４との接合が化学的に行われ、さらにアルミニウム部材１０２とセラミックス基板１１２との接合も化学的に行われるため、接合のために表面に凹凸を形成してアンカー効果を利用することなく、市販の材料を用いて接合を行うことができる。

また、この実施の形態では、アルミニウム溶湯の注入時に回路板が溶けないように回路板を冷却するなどの特別な措置を取れば、銅−セラミックス回路基板１１０の代わりにアルミニウム−セラミックス回路基板を使用してもよい。また、セラミックス基板１１２は、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素などを主成分とするのが好ましい。

［第３の実施の形態］
図７〜図１０を参照して、本発明によるアルミニウム接合部材およびその製造方法の第３の実施の形態として、第１の実施の形態のアルミニウム接合部材１０と同様のアルミニウム接合部材をアルミニウム−セラミックス回路基板に直接接合した実施の形態について説明する。

図７に示すように、この実施の形態のアルミニウム接合部材２００は、第１の実施の形態と同様に、平面形状が略矩形のアルミニウム部材２０２と、略円環状の断面を有し且つ略Ｕ字形に延びる管状部材２０４とから構成されている。この管状部材２０４の両側の開口端部は、アルミニウム部材２０２の外部に突出して開口し、これらの開口端部の間の部分は、アルミニウム部材２０２の内部に配置され且つアルミニウム部材２０２に直接接触して接合している。

このアルミニウム接合部材２００は、セラミックス基板２１２の一方の面にアルミニウム回路板２１４が接合したアルミニウム−セラミックス回路基板２１０の他方の面に直接接触して接合し、アルミニウム−セラミックス回路基板２１０の冷却部材として使用される。

このようなアルミニウム−セラミックス回路基板２１０に直接接触して接合したアルミニウム接合部材１００は、例えば、図８〜図１０に示す鋳型２２０を使用して製造することができる。この実施の形態では、予めセラミックス基板１１２に銅回路板１１４を接合した銅−セラミックス回路基板１１０をアルミニウム接合部材１００に接合する第２の実施の形態と異なり、回路板の材質がアルミニウムであるため、第２の実施の形態と同様の方法によって予めセラミックス基板２１２にアルミニウム回路板２１４を接合したアルミニウム−セラミックス回路基板２１０をアルミニウム接合部材２１０に接合すると、アルミニウム回路板２１４を冷却するなどの特別な措置を取らない限りアルミニウム溶湯の注入時にアルミニウム回路板２１４が溶けてしまうので、セラミックス基板２１２へのアルミニウム回路板２１４の接合をアルミニウム接合部材２１０の接合と同時に行っている。

鋳型２２０は、容易且つ安価に形成することができるカーボンなどの材料によって形成され、図８〜図１０に示すように、下側鋳型部材２２２と上側鋳型部材２２４と蓋部材２２６とから構成されている。

下側鋳型部材２２２は、平面形状が略矩形の平板状の底面部２２２ａと、この底面部２２２ａの周縁部から垂直方向上方に延びる側壁部２２２ｂとからなり、この側壁部２２２ｂの上面には、管状部材２０４の下側半分に対応する形状の略半円形の２つの凹部２２２ｃが形成されている。

上側鋳型部材２２４は、平面形状が下側鋳型部材２２２と同じ形状および大きさの略矩形の平板状の上面部２２４ａと、この上面部２２４ａの周縁部から垂直方向下方に延びて、下側鋳型部材２２２の側壁部２２２ｂに上に配置されたときにその側壁部２２２ｂを延長する形状の側壁部２２４ｂとからなる。上側鋳型部材２２４の側壁部２２４ｂの底面には、管状部材２０４の上側半分に対応する形状の略半円形の２つの凹部２２４ｃが形成され、これらの２つの凹部２２４ｃは、上側鋳型部材２２４が下側鋳型部材２２２の上に配置されたときに下側鋳型部材２２２の２つの凹部２２２ｃに対向して、管状部材２０４を貫通させる略円形の２つの管状部材貫通穴２２８を形成する。また、上側鋳型部材２２４の上面部２２４ａの１つの角部には、下側鋳型部材２２２と上側鋳型部材２２４によって画定された空間内にアルミニウム溶湯を注入するための流路２２４ｄが形成され、この流路２２４ｄが形成された角部に対向する上側鋳型部材２２４の上面部２２４ａの角部には、下側鋳型部材２２２と上側鋳型部材２２４によって画定された空間内のガスなどを抜くための流路２２４ｅが形成されている。さらに、上側鋳型部材２２４の上面部２２４ａの略中央部には、セラミックス基板２１２よりも僅かに小さい略矩形の開口部２２４ｆが形成されている。このように開口部２２４ｆがセラミックス基板２１２より小さいため、アルミニウム−セラミックス回路基板２１０が接合した後のアルミニウム接合部材２００を鋳型２２０から容易に取り出すことができるように、上側鋳型部材２２４は、互いに分離可能な２つの部材を組み合わせて形成されている。

蓋部材２２６は、平面形状が上側鋳型部材２２４と同じ形状および大きさの略矩形の部材からなる。図１０に示すように、この蓋部材２２６の底面の略中央部には、セラミックス基板収容部として、セラミックス基板２１２と略同一の形状でセラミックス基板２１２より僅かに大きい凹部が形成されている。このセラミックス基板収容部の底面（図１０において上側の面）には、セラミックス基板２１２の上面にアルミニウム回路板２１４を形成するためのアルミニウム回路板形成部として、アルミニウム回路板２１４と略同一の形状および大きさの２つの凹部が形成されている。また、図８〜図１０に示すように、蓋部材２２６の上面の１つの角部には、上側鋳型部材２２４の流路２２４ｄに連通して、下側鋳型部材２２２と上側鋳型部材２２４によって画定された空間内にアルミニウム溶湯を注入するための注入口２２６ａが形成され、この注入口２２６ａが形成された角部に対向する蓋部材２２６の角部には、上側鋳型部材２２４の流路２２４ｅに連通して、下側鋳型部材２２２と上側鋳型部材２２４によって画定された空間内のガスなどを抜くための抜き穴２２６ｂが形成されている。さらに、蓋部材２２６には、各々のアルミニウム回路板形成部内にアルミニウム溶湯を注入するための注入口２２６ｃと、各々のアルミニウム回路板形成部内のガスなどを抜くための抜き穴２２６ｄが形成されている。

次に、上述した構成の鋳型２２０を使用してアルミニウム接合部材２００を製造する方法について説明する。まず、略Ｕ字形の管状部材２０４をその開口端部が管状部材貫通穴２２８を介して鋳型２２０の外部に突出するように下側鋳型部材２２２内に入れた後、下側鋳型部材２２２の上に上側鋳型部材２２４を載せて固定する。

次に、上側鋳型部材２２４の開口部２２４ｆを塞ぐようにセラミックス基板２１２を上側鋳型部材２２４の上に載せた後、蓋部材２２６を上側鋳型部材２２４の上に載せて固定する。

次に、鋳型２２０を酸素濃度１００ｐｐｍ以下の窒素雰囲気の炉に入れて７５０℃まで加熱し、鋳型２２０と同じ温度まで加熱溶解した純度９９．９９％のアルミニウム溶湯を、カーボン製シリンダを用いて注入口２２６ａおよび２２６ｃから鋳型２２０内に注入する。蓋部材２２６には抜き穴２２６ｂおよび２２６ｄが形成されているので、高圧を加えることなくアルミニウム溶湯を注入することができ、最終的に抜き穴２２６ｂおよび２２６ｄからアルミニウム溶湯が溢れるまで注入して鋳型２２０内にアルミニウム溶湯を充填する。

次に、鋳型２２０を冷却してアルミニウムを凝固させ、管状部材２０４およびセラミックス基板２１２に接合した後、室温まで冷却し、得られたアルミニウム接合部材２００を鋳型２２０から取り出す。なお、上側鋳型部材２２４が分離可能な２つの部材からなるので、アルミニウム接合部材２００を鋳型２２０から容易に取り出すことができる。その後、注入口２２６ａおよび２２６ｃや抜き穴２２６ｂおよび２２６ｄの痕などを切削加工によって取り除いてアルミニウム接合部材２００の表面を平らにする。

上述したように、この実施の形態では、セラミックス基板２１２を鋳型２２０内に設置してアルミニウム溶湯を注入するだけで、冷却部材付きアルミニウム−セラミックス回路基板を簡単に作製することができる。また、複雑な形状の回路板を形成する場合には、アルミニウム回路板を接合した後にエッチングなどの方法によって精密なパターンを作製することもできる。

なお、鋳型に充填する金属は、アルミニウムまたはアルミニウム合金であるのが好ましく、ビッカース硬度が４０以下であるのがさらに好ましい。これは、セラミックスと金属の熱膨張差による応力を低減するためであり、ビッカース硬度が４０を超えると、接合時やヒートサイクル時などにセラミックス基板にクラックが発生する場合があるからである。

なお、本実施の形態では、図１１に示すように、アルミニウム接合部材２００の両面にそれぞれアルミニウム−セラミックス回路基板２１０を直接接触させて接合してもよい。このようにアルミニウム−セラミックス回路基板２１０が両面に直接接触して接合したアルミニウム部材２００は、図１２に示すように、図１０の下側鋳型部材２２２の代わりに下側鋳型部材２３０および底部鋳型部材２３２を使用することにより製造することができる。この場合、鋳型内に注入されたアルミニウム溶湯は、底部鋳型部材２３２とその中に配置されたセラミックス基板２１２と間の（図示しない）間隙を通ってセラミックス基板２１２の反対側の面にアルミニウム回路板２１４を直接接触させて接合することができるようになっている。このようにアルミニウム−セラミックス回路基板２１０をアルミニウム部材２００の両面に接合することによりパワーモジュールをコンパクトにすることができる。

本発明によるアルミニウム接合部材の第１の実施の形態を示す斜視図である。 図１のアルミニウム接合部材を製造するために使用する鋳型の斜視図である。 図２の鋳型を分解して示す斜視図である。 本発明によるアルミニウム接合部材の第２の実施の形態として、銅−セラミックス回路基板を直接接合したアルミニウム接合部材を示す斜視図である。 図４のアルミニウム接合部材を製造するために使用する鋳型の斜視図である。 図５の鋳型を分解して示す斜視図である。 本発明によるアルミニウム接合部材の第３の実施の形態として、アルミニウム−セラミックス回路基板を直接接合したアルミニウム接合部材を示す斜視図である。 図７のアルミニウム接合部材を製造するために使用する鋳型の斜視図である。 図８の鋳型を分解して示す斜視図であり、蓋部材の底面に形成されたアルミニウム回路板形成部を点線で示している。 図８の鋳型の断面図であり、鋳型内に管状部材およびセラミックス基板を入れた状態を示し、アルミニウム溶湯を注入するための注入口および流路と、ガスなどを抜くための抜き穴および流路とを点線で示している。 本発明によるアルミニウム接合部材の第３の実施の形態の変形例として、アルミニウム−セラミックス回路基板を両面に直接接合したアルミニウム接合部材の側面図である。 図１１のアルミニウム接合部材を製造するために使用する鋳型の断面図である。

符号の説明

１０、１００、２００ アルミニウム接合部材
１２、１０２、２０２ アルミニウム部材
１４、１０４、２０４ 管状部材
２０、１２０、２２０ 鋳型
２２、１２２、２２２、２３０ 下側鋳型部材
２４、１２４、２２４ 上側鋳型部材
２６、１２６、２２６ 蓋部材
２６ａ、１２６ａ、２２６ａ 注入口
２６ｂ、１２６ｂ、２２６ｂ 抜き穴
２８、１２８、２２８ 管状部材貫通穴
１１０ 銅−セラミックス回路基板
１１２ セラミックス基板
１１４ 銅回路板
２１０ アルミニウム−セラミックス回路基板
２１２ セラミックス基板
２１４ アルミニウム回路板
２３２ 底部鋳型部材

Claims (17)

1. アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるアルミニウム部材と、このアルミニウム部材の内部に延びるとともに両側の開口端部がアルミニウム部材の外部に開口する管状部材とから構成され、前記管状部材が前記アルミニウム部材の材料であるアルミニウムまたはアルミニウム合金の融点付近の温度で溶解しない材料からなり、前記管状部材のアルミニウム部材の内部に延びる部分の外周面の少なくとも一部が前記アルミニウム部材に接触していることを特徴とする、アルミニウム接合部材。
2. 前記管状部材のアルミニウム部材の内部に延びる部分の外周面の少なくとも一部が前記アルミニウム部材に接触して接合していることを特徴とする、請求項１に記載のアルミニウム接合部材。
3. 前記管状部材のアルミニウム部材の内部に延びる部分の外周面の全面が前記アルミニウム部材に接触して接合していることを特徴とする、請求項１に記載のアルミニウム接合部材。
4. 前記管状部材が、Ｗ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｆｅ、ＣｕおよびＮｉから選ばれる少なくとも１つの元素を主成分とする金属からな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アルミニウム接合部材。
5. 前記管状部材が、セラミックスまたは炭素材からな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アルミニウム接合部材。
6. 前記管状部材が、ステンレス、ＳＫＤまたはＭｏ合金からな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アルミニウム接合部材。
7. 前記管状部材が、高融点金属焼結材料からな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アルミニウム接合部材。
8. 前記高融点金属焼結材料が、Ｍｏ系焼結材料またはＷ系焼結材料であることを特徴とする、請求項７に記載のアルミニウム接合部材。
9. 前記アルミニウム接合部材の一方の面に、金属回路板が接合したセラミックス基板が接合していることを特徴とする、請求項１乃至８のいずれかに記載のアルミニウム接合部材。
10. 前記アルミニウム接合部材の両面の各々に、金属回路板が接合したセラミックス基板が接合していることを特徴とする、請求項１乃至８のいずれかに記載のアルミニウム接合部材。
11. 前記アルミニウム接合部材が冷却部材として使用されることを特徴とする、請求項１乃至１０のいずれかに記載のアルミニウム接合部材。
12. アルミニウムまたはアルミニウム合金の融点付近の温度で溶解しない材料からなる管状部材を、その開口端部が鋳型の外部に開口するように鋳型内に入れ、この鋳型内にアルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯を注入した後に、その溶湯を冷却して固化させることにより、前記管状部材の鋳型内の部分をアルミニウム部材に接触させることを特徴とする、アルミニウム接合部材の製造方法。
13. 前記管状部材の鋳型内の部分をアルミニウム部材に接触させて接合することを特徴とする、請求項１２に記載のアルミニウム接合部材の製造方法。
14. 前記管状部材を鋳型内に入れた後、前記溶湯を注入する前に、セラミックス基板に金属回路板が接合した金属−セラミックス回路基板を、前記鋳型の上面に形成された開口部を塞ぐように前記鋳型上に載せることにより、前記管状部材の鋳型内の部分をアルミニウム部材に接触させて接合する際に、前記金属−セラミックス回路基板を前記アルミニウム部材に接触させて接合することを特徴とする、請求項１３に記載のアルミニウム接合部材の製造方法。
15. 前記管状部材を鋳型内に入れた後、前記溶湯を注入する前に、前記鋳型内にセラミックス基板を配置させることにより、前記管状部材の鋳型内の部分をアルミニウム部材に接触させて接合する際に、前記セラミックス基板の一方の面に前記アルミニウム部材を接触させて接合するとともに、前記セラミックス基板の他方の面にアルミニウム回路板を接触させて接合することを特徴とする、請求項１３に記載のアルミニウム接合部材の製造方法。
16. 前記セラミックス基板を前記アルミニウム部材の両面の各々に接触させて接合することを特徴とする、請求項１５に記載のアルミニウム接合部材の製造方法。
17. セラミックス基板の一方の面に金属回路板が接合するとともに、他方の面に請求項１乃至１１のいずれかに記載のアルミニウム接合部材が接合していることを特徴とする、パワーモジュール。
    
    

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