JP2013197246A - 放熱器一体型基板の製造方法および放熱器一体型基板 - Google Patents

Abstract

【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、且つ優れた強度および放熱性を備えた放熱器一体型基板の製造方法および放熱器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とを接合して金属−セラミックス接合基板２を形成し、次いで、放熱器３０の一方の面に、ろう材を介して、金属ベース板２０を重ねて配置し、放熱器３０の他方の面に、凹のＲ面５５を有する治具５１を突き合わせて配置し、金属回路板１５の他方の面に、金属−セラミックス接合基板２側に突出する凸のＲ面５６を有する治具５２を接触させ、放熱器側治具５１と金属−セラミックス接合基板側治具５２とで加圧しながら金属−セラミックス接合基板２と放熱器３０とを加熱接合し、凸のＲ面５６および凹のＲ面５５の曲率半径Ｒ（ｍｍ）は、６５００≦Ｒ≦面圧（Ｎ／ｍｍ^２）×２０００＋１２０００である。
【選択図】図４

Description

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放熱器一体型基板の製造方法および放熱器一体型基板に関する。

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液冷ジャケット等の放熱器が取り付けられている。特許文献１には、窒化アルミニウム基板等のセラミックス基板とＡｌ板またはＡｌ合金板等の金属板とを高温下で加熱接合する場合に、セラミックス基板に対して垂直方向に８〜１００ｋｇｆ／ｃｍ^２の圧力を付与することが記載されている。

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。

そこで、例えば特許文献２には、金属回路板および金属ベース板とセラミックス基板の接合が溶湯接合法によって行われ、金属ベース板と放熱器との接合はろう接合法によって行われ、放熱器の断面２次モーメントに応じて定まる式による所定の面圧で加圧した状態で加熱接合することにより、液冷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開示されている。

また、特許文献３には、結晶粒に平均粒径が０．５μｍ以下の金属層及びセラミックス基板の表面を活性化状態で直接接合することにより、温度変化に伴う反りの発生を防止することが開示されている。

特開２０００−３３５９８３号公報 特開２０１１−１６６１２７号公報 特開２０１１−２１０７４５号公報

しかしながら、特許文献２に記載された液冷一体型基板の製造方法においては、放熱器にろう接合する金属−セラミックス接合基板のサイズが大きい場合、反りの抑制が不十分であることがわかってきており、それは接合時の面圧を高くしても改善されなかった。また、面圧を高くしすぎると、多孔管からなる放熱器の仕切板が変形して十分な放熱が得られない場合があることが判明した。

そして、金属−セラミックス接合基板の金属回路板表面の反りが大きい場合、特に単位長さ当たりの反り量が２μｍ／ｍｍを超えると、半導体チップを金属回路板に半田付けしたときに、半田の厚みにばらつきが生じる場合があることが判明した。半田の厚みにばらつきが生じると、熱抵抗にばらつきが発生するため、放熱器一体型基板として望ましくない。

また、特許文献３に記載された製造方法は、真空チャンバ内でセラミックス基板及びアルミニウムの表面をイオンビームでエッチングして活性化処理した後、セラミックス基板及びアルミニウムの活性化処理された表面同士を重ね合わせることにより常温で接合するが、真空を必要とするので量産性に劣り、生産コストが増加する懸念がある。

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、且つ優れた強度および放熱性を備えた放熱器一体型基板の製造方法および放熱器一体型基板を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、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の一方の面が接合されるとともに、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放熱器が接合された放熱器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を接合して金属−セラミックス接合基板を形成し、次いで、前記放熱器の一方の面に、ろう材を介して、前記金属−セラミックス接合基板の金属ベース板を重ねて配置し、前記放熱器の他方の面に、凹のＲ面を有する治具を突き合わせて配置し、前記金属−セラミックス接合基板の金属回路板の他方の面に、前記金属−セラミックス接合基板側に突出する凸のＲ面を有する治具を接触させ、前記放熱器側に配置した治具と前記金属−セラミックス接合基板側に配置した治具とで加圧しながら、前記金属−セラミックス接合基板と前記放熱器とを加熱接合し、前記凸のＲ面および前記凹のＲ面の曲率半径Ｒ（ｍｍ）は、
６５００≦Ｒ≦面圧（Ｎ／ｍｍ^２）×２０００＋１２０００
であることを特徴とする、放熱器一体型基板の製造方法を提供する。

前記セラミックス基板が矩形であり、その長辺が４０ｍｍ以上であってもよい。また、前記金属回路板に加圧する面圧が１．０Ｎ／ｍｍ^２以上であってもよい。

前記金属回路板に加圧する面圧が５．０Ｎ／ｍｍ^２以下であってもよい。

前記金属回路板の厚さｔ１と前記金属ベース板の厚さｔ２が、ｔ２／ｔ１≧２ を満たし、ｔ１が０．４〜３．０ｍｍ、ｔ２が０．８〜６ｍｍであることが好ましい。

前記放熱器がアルミニウムまたはアルミニウム合金の押出し材であってもよい。また、前記セラミックス基板と前記金属回路板との接合、及び前記セラミックス基板と前記金属ベース板との接合を、溶湯接合法によって行ってもよい。

また、本発明によれば、上記のいずれかの製造方法で製造したことを特徴とする、放熱器一体型基板が提供される。この放熱器一体型基板において、前記金属−セラミックス接合基板と前記放熱器とをろう付け接合した後の前記金属−セラミックス接合基板の金属回路板表面の反り量が２μｍ／ｍｍ以下であることが好ましい。

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の一方の面が接合されるとともに、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放熱器がろう材を介して接合された放熱器一体型基板であって、前記セラミックス基板が矩形であり、その長辺が４０ｍｍ以上であり、且つ前記金属−セラミックス接合基板の金属回路板表面の反り量が２μｍ／ｍｍ以下であることを特徴とする、放熱器一体型基板が提供される。

本発明によれば、原材料コストや加工コストを低く抑え、放熱器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放熱器一体型基板の製造方法および放熱器一体型基板が提供される。

放熱器一体型基板の正面図である。 放熱器一体型基板および蓋部材の斜視図である。 放熱器一体型基板の製造方法の例を正面から見た写真である。 本発明の実施の形態にかかる放熱器一体型基板の製造方法を示す正面図である。 本発明の実施の形態にかかる放熱器一体型基板の異なる製造方法を示す正面図である。 本発明の実施の形態にかかる放熱器一体型基板の更に異なる製造方法を示す正面図である。 図６の放熱器側治具の斜視図である。 実施例の結果を示すグラフである。

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。

図１は、本発明の実施の形態にかかる放熱器一体型基板１の正面図である。図１に示すように、放熱器一体型基板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例えば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が接合されている。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例えば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、例えば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。なお、本実施形態においては、放熱器３０は液冷式とする。

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、例えば溶湯接合法によって接合が行われ、金属−セラミックス接合基板２が形成されている。そして、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、本実施形態では、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、接合のためのろう材層３３が形成される。

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成形される。

図２は、放熱器一体型基板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、液循環ポートを有していないこと以外は同様の蓋部材（図示省略）が取り付けられる。蓋部材４０は、実際に放熱器一体型基板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、金属ベース板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。

一方、本実施の形態にかかる放熱器一体型基板１の金属−セラミックス接合基板２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（図１参照）。また、このときの各値は、ｔ１が０．４〜３ｍｍであり、ｔ２が０．８〜６ｍｍであることが好ましい。金属回路板１５の厚さｔ１と、金属ベース板２０の厚さｔ２の関係がｔ２／ｔ１≧２の関係であることが望ましいのは、十分な過渡熱の放熱性を得ること、および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、十分な過渡熱の放熱性を得ること、および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。

なお、放熱器３０の材質としては、例えばアルミニウム、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。

以上、図１および図２を参照して説明した放熱器一体型基板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に取り付けられて使用された場合に、その電子部品から発生した熱は、上述のように内部に例えば冷却液が循環する放熱器３０によって放熱され、放熱器一体型基板１全体が冷却される。ここで、上述のように、金属回路板１５の厚さｔ１と、金属ベース板２０の厚さｔ２の関係がｔ２／ｔ１≧２となっていることや、ｔ１が０．４〜３ｍｍであり、ｔ２が０．８〜６ｍｍであることにより、十分な放熱性を発揮する放熱器一体型基板１が得られることとなる。

また、金属回路板１５、金属ベース板２０および放熱器３０の各部材同士を、溶湯接合法やろう接合法を用いて接合することで、接合信頼性が十分に確保される。

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る。ろう付けは、金属ベース板２０と放熱器３０との間に、例えば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層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。

図３は、金属−セラミックス接合基板２の金属ベース板２０と放熱器３０とをろう付けする際の実施形態の例である。図３に示すように、放熱器側治具５１の上に載置した放熱器３０の上に、金属ベース板２０のアルミ部分と同一またはそれ以上のサイズ（長さおよび幅）のろう材をセットし、さらにろう材の上に金属−セラミックス接合基板２を置く。さらにその上に金属−セラミックス接合基板側治具５２を介して皿バネ５３をセットし、所定の荷重（面圧）が負荷されるようにボルト５４で締め付ける。

本発明では、放熱器側治具５１に凹のＲ面、金属−セラミックス接合基板側治具５２に凸のＲ面を有している。即ち、図４に示すように、放熱器側治具５１は、放熱器３０の下方に、放熱器側に凹みを有する凹のＲ面５５が形成され、金属−セラミックス接合基板側治具５２は、金属−セラミックス接合基板２側に突出する凸のＲ面５６が形成されている。放熱器一体型基板１が図４と上下逆方向の場合、即ち放熱器３０が上側の場合には、図５に示すように、下側の金属−セラミックス接合基板側治具５２に凸のＲ面５６、上側の放熱器側治具５１に凹のＲ面５５が位置するように、治具の配置が図４に対して上下反転する。

図４において、放熱器側治具５１の凹のＲ面５５および金属−セラミックス接合基板側治具５２の凸のＲ面５６は、それぞれ全面に亘って形成されている。しかしながら、本発明における放熱器側治具５１および金属−セラミックス接合基板側治具５２に形成されるＲ面の形成範囲（領域）は、これらの治具の全面に亘って形成することが必須ではない。放熱器側治具５１および金属−セラミックス接合基板側治具５２に形成されるＲ面の形成範囲（領域）は、放熱器３０全体をカバーできる程度の範囲（領域）であっても良いし、それよりも小さい範囲（領域）であってもよいが、最低限、金属回路板１５全体をカバーできる範囲（領域）であることが必要である。もちろん、１つの放熱器３０に対して１つの金属−セラミックス接合基板２をろう付け接合するような場合には、Ｒ面の形成範囲（領域）は、放熱器側治具５１および金属−セラミックス接合基板側治具５２の全面に亘るものであることが好ましい。

また、１つの放熱器３０に複数の金属−セラミックス接合基板２を同時に接合する場合には、例えば図６に示すように、それぞれの金属−セラミックス接合基板２毎に、それぞれ凹のＲ面５５および凸のＲ面５６が形成された治具５１、５２を用いる。例えば１つの放熱器３０と４つの金属−セラミックス接合基板２を接合する場合には、図７に示すように、４つの凹のＲ面５５を有する治具を、放熱器側治具５１として用いる。金属−セラミックス接合基板側治具についても同様に、凹のＲ面５５に対向する位置に４つの凸のＲ面５６を有する。

このように、１つの放熱器３０に対して複数の金属−セラミックス接合基板２を接合する場合には、放熱器側治具５１および金属−セラミックス接合基板側治具５２に形成されるＲ面も複数となる。このような場合には、放熱器側治具５１および金属−セラミックス接合基板側治具５２に形成されるＲ面の形成範囲は、１つのＲ面の形成範囲が少なくとも１つの金属回路板１５をカバーできる範囲（領域）であればよく、放熱器側治具５１または金属−セラミックス接合基板側治具５２に形成される複数のＲ面同士が互いに干渉しない範囲（領域）であることが好ましい。

以上の各実施形態において、凹のＲ面５５および凸のＲ面５６は、Ｘ方向とＹ方向（図７参照）とが同一曲率であってもよいし、セラミックス基板の寸法等に応じて異なる曲率でも構わない。すなわち、曲面は、曲率半径（Ｒ寸法）が一定である球面であってもよいし、曲率半径（Ｒ寸法）が可変である曲面（非球面）であってもよく、滑らかな曲面であればよい。また、凹のＲ面５５および凸のＲ面５６は、Ｘ方向のみに形成されていてもよいし、Ｙ方向のみに形成されていてもよい。つまり、Ｙ方向に延びる凹溝のＲ面５５およびＹ方向に延びる凸条のＲ面５６であってもよいし、Ｘ方向に延びる凹溝のＲ面５５およびＸ方向に延びる凸条のＲ面５６であってもよい。また、当然のことながら、Ｙ方向に延びる凹溝のＲ面５５およびＹ方向に延びる凸条のＲ面５６のＹ方向に垂直な断面形状は、円弧形状であってもよいし、非円弧形状であってもよく、滑らかな曲線形状であればよい。さらに、Ｘ方向に延びる凹溝のＲ面５５およびＸ方向に延びる凸条のＲ面５６のＸ方向に垂直な断面形状は、円弧形状であってもよいし、非円弧形状であってもよく、滑らかな曲線形状であればよい。

このように、Ｒ面を有する治具５１、５２を用いて接合することにより、セラミックス基板１０のサイズが大きい場合でも、金属回路板１５の表面（セラミックス基板１０に接合されていない方の、他方の面）における反りが低減され、ろう付け接合後の金属−セラミックス接合基板２の金属回路板１５表面の単位長さ当たりの反り量の絶対値が２μｍ／ｍｍ以下の放熱器一体型基板１が得られる。殊に、本発明は、セラミックス基板が矩形であり長辺が４０ｍｍ以上、更に好ましくは５０ｍｍ以上の場合に有効であり、金属回路板１５の表面に加圧する面圧が１．０Ｎ／ｍｍ^２以上で接合することが好ましい。なお、この面圧は、治具に付与される荷重を金属回路板１５の表面積で除したものである。ただし、面圧が５．０Ｎ／ｍｍ^２を超えると、放熱器３０が変形することがあるため、面圧は５．０Ｎ／ｍｍ^２以下が好ましい。なお、金属回路板１５表面の単位長さ当たりの反り量の絶対値は、１．５μｍ／ｍｍ以下であることが、より好ましく、面圧は、１．５〜３．０Ｎ／ｍｍ^２の範囲にあることが、より好ましい。

また、本発明では、凹のＲ面５５および凸のＲ面５６の曲率半径Ｒが、
６５００≦Ｒ≦面圧（Ｎ／ｍｍ^２）×２０００＋１２０００ （１）
であることが好ましい。曲率半径Ｒが小さいと、金属回路板１５の表面に加圧する面圧については少ない面圧で金属−セラミックス接合基板２の金属回路板１５表面の反り量を低減させることができるが、Ｒが小さすぎると、放熱器一体型基板に割れが発生することがある。また、Ｒが大きすぎると、Ｒ面が平面に近くなるため、本発明の効果が低減する。より好ましい曲率半径Ｒは、７０００≦Ｒ≦面圧（Ｎ／ｍｍ^２）×２０００＋１１０００である。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的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う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。

ＡｌＮ基板の両面にアルミニウム合金が溶湯接合（直接接合）された金属−セラミックス接合基板「アルミック」（商標登録）と多孔管（放熱器）とを、凹のＲ面および凸のＲ面を有する治具を用いてろう付けして放熱器一体型基板を製作する試験を実施した。

まず、幅１２７ｍｍ×長さ１４０ｍｍ×厚さ８ｍｍ（本発明例１〜１０、比較例１〜５、比較例８〜１１）、幅１５０ｍｍ×長さ１４０ｍｍ×厚さ１０ｍｍ（本発明例１１、比較例６、７）の２種類のサイズの多孔管（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１に示す通り複数の冷媒流路の管が連続して並んでおり、冷媒流路の溝幅Ｗ（管の幅）が１．５１５ｍｍ、溝深さＤ（管の高さ）が６．０６ｍｍ（本発明例１〜１０、比較例１〜５、比較例８〜１１）または溝幅Ｗが１．５１５ｍｍ、溝深さＤが８．０８ｍｍ（本発明例１１、比較例６、比較例７）、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とした。

また、金属−セラミックス接合基板として、アルミニウム合金からなる金属回路板の寸法が、短辺５９ｍｍ×長辺６８ｍｍ×厚さ（ｔ１）０．４ｍｍ（本発明例１）、短辺４８ｍｍ×長辺９８ｍｍ×厚さ０．４ｍｍ（本発明例２〜６、比較例７〜１１）、短辺５８ｍｍ×長辺７８ｍｍ×厚さ０．４ｍｍ（本発明例７〜１１、比較例４〜６）、短辺５３ｍｍ×長辺５３ｍｍ×厚さ０．４ｍｍ（比較例１〜３）とし、セラミックス基板の寸法が、短辺６１ｍｍ×長辺７０ｍｍ×厚さ０．６３５ｍｍ（本発明例１）、短辺５０ｍｍ×長辺１００ｍｍ×厚さ０．６３５ｍｍ（本発明例２〜６、比較例７〜１１）、短辺６０ｍｍ×長辺８０ｍｍ×厚さ０．６３５ｍｍ（本発明例７〜１１、比較例４〜６）、短辺５５ｍｍ×長辺５５ｍｍ×厚さ０．６３５ｍｍ（比較例１〜３）、アルミニウム合金からなる金属ベース板２０の寸法が、短辺５９ｍｍ×長辺６８ｍｍ×厚さ（ｔ２）１．６ｍｍ（本発明例１）、短辺４８ｍｍ×長辺９８ｍｍ×厚さ１．６ｍｍ（本発明例２〜６、比較例７〜１１）、短辺５８ｍｍ×長辺７８ｍｍ×厚さ１．６ｍｍ（本発明例７〜１１、比較例４〜６）、短辺５３ｍｍ×長辺５３ｍｍ×厚さ１．６ｍｍ（比較例１〜３）とした。金属回路板および金属ベース板の材質は、純度９９．９ｍａｓｓ％以上の純Ａｌとした。なお、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、セラミックス基板に溶湯接合法により接合し、セラミックス基板の中央に配置した。

本実施例においては、図４に示される放熱器側治具５１の凹のＲ面５５および金属−セラミックス接合基板側治具５２の凸のＲ面５６は、Ｙ方向（図面の横方向）のみに形成されているものとした。すなわち、放熱器側治具５１の凹のＲ面５５および金属−セラミックス接合基板側治具５２の凸のＲ面５６は、Ｘ方向（図面の紙面に垂直な奥行方向）に延びる凹溝のＲ面５５およびＸ方向（図面の紙面に垂直な奥行方向）に延びる凸条のＲ面５６である。また、Ｘ方向に延びる放熱器側治具５１の凹溝のＲ面５５および金属−セラミックス接合基板側治具５２の凸条のＲ面５６は、放熱器側治具５１および金属−セラミックス接合基板側治具５２の全面に亘って形成されているものを使用して試験を行った。つまり、本実施例におけるろう付け試験において、図４に示す放熱器３０の底面に属するＸ方向（図面の奥行方向）に延びる稜線の部分が放熱器側治具５１の凹溝のＲ面５５に当接した状態で、下から順に放熱器３０、ろう材層３３および金属−セラミックス接合基板２が積層され、これら被接合材が放熱器側治具５１の凹溝のＲ面５５と金属−セラミックス接合基板側治具５２の凸条のＲ面５６とによって挟まれた状態で加圧固定されている。

図３に示すように、放熱器３０の上に、金属−セラミックス接合基板２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−不可避的不純物と残部Ａｌ、厚さ１５μｍ）をセットして、さらにろう材の上に金属−セラミックス接合基板２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５３をセットし、所定の荷重（面圧）が負荷されるようにボルト５４で締め付けた。

本発明例として、面圧については、本発明例１が２．１Ｎ／ｍｍ^２、本発明例２〜６、８〜１１が２．７Ｎ／ｍｍ^２、本発明例７が１．８Ｎ／ｍｍ^２となるように設定した。なお、面圧は、それぞれの本発明例において付与した荷重を、金属回路板の表面積で除して算出した。放熱器側治具５１および金属−セラミックス接合基板側治具５２の凹溝および凸条のＲ面のＲ寸法（曲率半径）は、本発明例１が８１６７ｍｍ、本発明例２〜６が１０４１７ｍｍ、本発明例７、８が８０００ｍｍ、本発明例９〜１１が１６０００ｍｍとした。凹溝および凸条のＲ面のＲ寸法は同じとした。なお、面圧は、それぞれの本発明例において付与した荷重を、金属回路板の表面積で除して算出した。本発明例において、Ｒ寸法は、いずれも、面圧に対して上記（１）式で求めたＲの範囲内とした。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。

また、比較例として、面圧については、比較例１〜６が１．８Ｎ／ｍｍ^２、比較例７が１．７Ｎ／ｍｍ^２、比較例８〜１１が３．２Ｎ／ｍｍ^２となるように設定した。なお、面圧は、それぞれの比較例において付与した荷重を、金属回路板の表面積で除して算出した。それぞれの治具の凹溝および凸条のＲ面のＲ寸法（曲率半径）は、比較例１〜４、７〜１０が平面（Ｒは無限大）、比較例５、６が１６０００ｍｍ、比較例１１が６２５０ｍｍとした。凹溝および凸条のＲ面のＲ寸法は同じである。また、比較例としてＲ面が形成されていない平面の治具を用いた場合、Ｒ寸法が（１）式で求めた上限値を超えている場合、Ｒ寸法が６５００ｍｍよりも小さい場合のそれぞれについて、試験を実施した。

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。このように放熱器３０と金属ベース板２０をろう付けした後、セラミックス基板１０の長辺方向における金属−セラミックス接合基板２の金属回路板１５表面の反り量を測定した。金属回路板１５表面の反り量は、金属回路板１５の表面（他方の面）において、３次元表面粗さ計を使用して金属回路板１５の長辺側の両端部（両端辺）と中央部との高低差（μｍ）を測定し、この高低差（μｍ）を金属回路板１５の長辺長さ（ｍｍ）で除して算出した。すなわち、本明細書における「反り量」とは、ろう付け後の金属回路板１５の表面（他方の面）における厚み方向の高低差（μｍ）を金属回路板１５の長辺長さ（ｍｍ）で除した値のことである。

以上の本発明例１〜１１、比較例１〜１１の試験条件および試験結果を表１および図８に示す。

本発明例は、いずれも、ろう付け後の金属−セラミックス接合基板２の金属回路板１５表面の反り量が２μｍ／ｍｍ以下であった。本発明例７、８は、Ｒ寸法がやや小さいことにより、金属回路板が下側に凸になる方向に反った（表ではマイナス表示）が、目標とする、金属−セラミックス接合基板の金属回路板表面の反り量の絶対値が２μｍ／ｍｍ以下である、という条件は満足した。

これに対して、比較例は、いずれも金属−セラミックス接合基板２の金属回路板１５表面の反り量が２μｍ／ｍｍを超えた。比較例１〜４、比較例７〜１０においては、治具にＲが形成されておらず平面であるために、本発明例よりも面圧を大きくしても、金属回路板表面の反り量を２μｍ／ｍｍ以下に抑えることができなかった。比較例５、６については、Ｒ寸法が同じである本発明例９〜１１に比べて面圧が低く、（１）式を満たさないため、金属回路板表面の反り量が２μｍ／ｍｍを超えた。また、Ｒ寸法が６５００ｍｍを下回る比較例１１は、セラミックス基板に割れが発生した。金属−セラミックス接合基板２の金属回路板表面の反り量が２μｍ／ｍｍを超えると、半導体チップを半田付けした後、セラミックス基板上の位置によっては半田の厚みにばらつきが生じ、それによって熱抵抗にばらつきが発生するため、放熱器一体型基板として望ましくない。

図８は、表１の結果について、金属−セラミックス接合基板２の金属回路板１５表面の反り量が２μｍ／ｍｍ以内の場合を「反り小」、２μｍ／ｍｍを超えた場合を「反り大」、セラミックス基板に割れが発生した場合を「割れ」と表示したものである。グラフ中の点線は、（１）式の上限と下限を示す。図８に示すように、（１）式を満たす場合には反り量が２μｍ／ｍｍ以内であるが、（１）式の範囲よりもＲ寸法が大きくなると反り量が大きくなり、小さくなるとセラミックス基板に割れが発生した。

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放熱器一体型基板およびその製造方法に適用される。

１ 放熱器一体型基板
２ 金属−セラミックス接合基板
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
４５ａ、４５ｂ 液循環ポート
５１ 放熱器側治具
５２ 金属−セラミックス接合基板側治具
５５ 凹のＲ面
５６ 凸のＲ面

Claims (10)

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の一方の面が接合されるとともに、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放熱器が接合された放熱器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を接合して金属−セラミックス接合基板を形成し、
   次いで、前記放熱器の一方の面に、ろう材を介して、前記金属−セラミックス接合基板の金属ベース板を重ねて配置し、
   前記放熱器の他方の面に、凹のＲ面を有する治具を突き合わせて配置し、
   前記金属−セラミックス接合基板の金属回路板の他方の面に、前記金属−セラミックス接合基板側に突出する凸のＲ面を有する治具を接触させ、
   前記放熱器側に配置した治具と前記金属−セラミックス接合基板側に配置した治具とで加圧しながら、前記金属−セラミックス接合基板と前記放熱器とを加熱接合し、
   前記凸のＲ面および前記凹のＲ面の曲率半径Ｒ（ｍｍ）は、
   ６５００≦Ｒ≦面圧（Ｎ／ｍｍ^２）×２０００＋１２０００
   であることを特徴とする、放熱器一体型基板の製造方法。
2. 前記セラミックス基板が矩形であり、その長辺が４０ｍｍ以上であることを特徴とする、請求項１に記載の放熱器一体型基板の製造方法。
3. 前記金属回路板に加圧する面圧が１．０Ｎ／ｍｍ^２以上であることを特徴とする、請求項１または２に記載の放熱器一体型基板の製造方法。
4. 前記金属回路板に加圧する面圧が５．０Ｎ／ｍｍ^２以下であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の放熱器一体型基板の製造方法。
5. 前記金属回路板の厚さｔ１と前記金属ベース板の厚さｔ２が、ｔ２／ｔ１≧２ を満たし、ｔ１が０．４〜３．０ｍｍ、ｔ２が０．８〜６ｍｍであることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の放熱器一体型基板の製造方法。
6. 前記放熱器がアルミニウムまたはアルミニウム合金の押出し材であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の放熱器一体型基板の製造方法。
7. 前記セラミックス基板と前記金属回路板との接合、及び前記セラミックス基板と前記金属ベース板との接合を、溶湯接合法によって行うことを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の放熱器一体型基板の製造方法。
8. 請求項１〜７のいずれかの製造方法で製造したことを特徴とする、放熱器一体型基板。
9. 前記金属−セラミックス接合基板と前記放熱器とをろう付け接合した後の前記金属−セラミックス接合基板の金属回路板表面の反り量が２μｍ／ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項８に記載の放熱器一体型基板。
10. 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の一方の面が接合されるとともに、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放熱器がろう材を介して接合された放熱器一体型基板であって、
    前記セラミックス基板が矩形であり、その長辺が４０ｍｍ以上であり、且つ前記金属−セラミックス接合基板の金属回路板表面の反り量が２μｍ／ｍｍ以下であることを特徴とする、放熱器一体型基板。