JP2018030738A - セラミックス基板とアルミニウム含浸炭化珪素多孔質体との接合体の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】良好な接合を確保しつつ製造コストを削減することができるセラミックス基板とアルミニウム含浸炭化珪素多孔質体との接合体を製造する方法を提供する。
【解決手段】セラミックス基板と、炭化珪素からなる多孔質体にアルミニウム又はアルミニウム合金が含浸されたアルミニウム含浸炭化珪素多孔質体と、の接合体を製造する方法であって、前記セラミックス基板と前記アルミニウム含浸炭化珪素多孔質体との間に接合材としてアルミニウム合金からなる芯材の両面にマグネシウムを３．０質量％以下含有するろう材層が形成された両面ろうクラッド材を介在させ、非酸化性雰囲気中で接合温度に加熱する。
【選択図】 図１
【解決手段】セラミックス基板と、炭化珪素からなる多孔質体にアルミニウム又はアルミニウム合金が含浸されたアルミニウム含浸炭化珪素多孔質体と、の接合体を製造する方法であって、前記セラミックス基板と前記アルミニウム含浸炭化珪素多孔質体との間に接合材としてアルミニウム合金からなる芯材の両面にマグネシウムを３．０質量％以下含有するろう材層が形成された両面ろうクラッド材を介在させ、非酸化性雰囲気中で接合温度に加熱する。
【選択図】 図１
Description
本発明は、大電流、高電圧を制御する半導体装置に用いられるパワーモジュール等におけるセラミックス基板とアルミニウム含浸炭化珪素多孔質体との接合体の製造方法に関する。
従来、パワーモジュール等に用いられる基板として、セラミックス基板とアルミニウム板とを接合した接合体からなる構成が知られている。また、このようなセラミックス基板とアルミニウム板との接合体を接合する方法として、セラミックス基板とアルミニウム板との間にろう材を介在させ、真空雰囲気中でろう付け接合する方法が知られている。
このようなセラミックス基板とアルミニウム板との接合体を製造する方法において、例えば特許文献１では、接合不良を誘発する酸化被膜等を除去することを目的として、マグネシウムを含む材料からなるろう材を用い真空雰囲気中でろう付け接合する方法が開示されている。
また、特許文献２ではセラミックス基板とアルミニウム板との接合においてアルミニウム板とろう材層との接合界面或いはその近傍にマグネシウムを偏在させた接合方法が開示されている。
さらに、特許文献３では、アルミニウムまたはアルミニウム合金板と窒化アルミニウム板との接合に、Ａｌ−Ｍｇ−Ｃｕ系合金、Ａｌ−Ｍｇ−Ｇｅ系合金、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金等からなる箔を用いて窒素、水素、不活性ガスによる低酸素雰囲気下で接合することが開示されている。
このようなセラミックス基板とアルミニウム板との接合体を製造する方法において、例えば特許文献１では、接合不良を誘発する酸化被膜等を除去することを目的として、マグネシウムを含む材料からなるろう材を用い真空雰囲気中でろう付け接合する方法が開示されている。
また、特許文献２ではセラミックス基板とアルミニウム板との接合においてアルミニウム板とろう材層との接合界面或いはその近傍にマグネシウムを偏在させた接合方法が開示されている。
さらに、特許文献３では、アルミニウムまたはアルミニウム合金板と窒化アルミニウム板との接合に、Ａｌ−Ｍｇ−Ｃｕ系合金、Ａｌ−Ｍｇ−Ｇｅ系合金、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金等からなる箔を用いて窒素、水素、不活性ガスによる低酸素雰囲気下で接合することが開示されている。
一方、アルミニウム板の代わりに、例えば特許文献４に記載されるように、低熱膨張、高熱伝導率を有するアルミニウム含浸炭化珪素多孔質体をセラミックス基板に接合した接合体も知られている。
アルミニウム含浸炭化珪素多孔質体は、例えば特許文献５又は特許文献６に記載されるように、主に炭化珪素（ＳｉＣ）からなる多孔質体中にアルミニウム（Ａｌ）又はアルミニウム合金が含浸されてなるアルミニウムと炭化珪素との複合体である。また、セラミックス基板とアルミニウム含浸炭化珪素多孔質体との接合体は、特許文献１〜３に記載されるセラミックス基板とアルミニウム板との接合方法と同様の方法を用いて形成できる。
アルミニウム含浸炭化珪素多孔質体は、例えば特許文献５又は特許文献６に記載されるように、主に炭化珪素（ＳｉＣ）からなる多孔質体中にアルミニウム（Ａｌ）又はアルミニウム合金が含浸されてなるアルミニウムと炭化珪素との複合体である。また、セラミックス基板とアルミニウム含浸炭化珪素多孔質体との接合体は、特許文献１〜３に記載されるセラミックス基板とアルミニウム板との接合方法と同様の方法を用いて形成できる。
しかし、真空雰囲気中での接合作業では昇温に時間を要することより、接合時間が長く、製造コストも高くなるという問題があった。一方、特許文献３では、低酸素雰囲気中での接合が可能であるが、マグネシウムを含有するアルミニウム合金箔の製造が困難である。
また、このようなセラミックス基板とアルミニウム含浸炭化珪素多孔質体との接合において、セラミックス基板とアルミニウム含浸炭化珪素多孔質体とでマグネシウムの必要量に違いがあり、各々の最適値に調整することができないという問題もあった。
また、このようなセラミックス基板とアルミニウム含浸炭化珪素多孔質体との接合において、セラミックス基板とアルミニウム含浸炭化珪素多孔質体とでマグネシウムの必要量に違いがあり、各々の最適値に調整することができないという問題もあった。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、良好な接合を確保しつつ製造コストを削減することができるセラミックス基板とアルミニウム含浸炭化珪素多孔質体との接合体を製造する方法を提供することを目的とする。
本発明は、セラミックス基板と、炭化珪素からなる多孔質体にアルミニウム又はアルミニウム合金が含浸されたアルミニウム含浸炭化珪素多孔質体と、の接合体を製造する方法であって、
前記セラミックス基板と前記アルミニウム含浸炭化珪素多孔質体との間に接合材としてアルミニウム合金からなる芯材の両面にマグネシウムを３．０質量％以下含有するろう材層が形成された両面ろうクラッド材を介在させ、非酸化性雰囲気中で接合温度に加熱する。
前記セラミックス基板と前記アルミニウム含浸炭化珪素多孔質体との間に接合材としてアルミニウム合金からなる芯材の両面にマグネシウムを３．０質量％以下含有するろう材層が形成された両面ろうクラッド材を介在させ、非酸化性雰囲気中で接合温度に加熱する。
本発明の接合方法では、マグネシウムを含有するろう材層が形成された両面ろうクラッド材を使用して接合体を製造することにより、セラミックス基板側のマグネシウム量と、アルミニウム含浸炭化珪素多孔質体側のマグネシウム量とを各々最適値に調整することができ、良好な接合性が維持できる。
また、両面ろうクラッド材を介在させ非酸化性雰囲気中において接合することで、真空雰囲気中での接合に比べ短時間で昇温でき接合することができるので、製造コストを削減できる。
なお、上述の非酸化性雰囲気とは窒素ガス雰囲気やアルゴンガス雰囲気などの不活性ガス雰囲気をさす。また、マグネシウム含有量が３．０質量％を超えるろう材層は製造が困難である。
また、両面ろうクラッド材を介在させ非酸化性雰囲気中において接合することで、真空雰囲気中での接合に比べ短時間で昇温でき接合することができるので、製造コストを削減できる。
なお、上述の非酸化性雰囲気とは窒素ガス雰囲気やアルゴンガス雰囲気などの不活性ガス雰囲気をさす。また、マグネシウム含有量が３．０質量％を超えるろう材層は製造が困難である。
本発明の製造方法において、前記ろう材層のマグネシウム含有量は、前記セラミックス基板側のろう材層と前記アルミニウム含浸炭化珪素多孔質体側のろう材層とで異なるとよい。
このように、接合対象に合わせてろう材層のマグネシウム含有量を適切に調整することで、良好な接合性を維持することができる。
このように、接合対象に合わせてろう材層のマグネシウム含有量を適切に調整することで、良好な接合性を維持することができる。
本発明の製造方法において、前記セラミックス基板側のろう材層のマグネシウム含有量が０．０１質量％以上１．５質量％以下の範囲内であり、前記アルミニウム含浸炭化珪素多孔質体側のろう材層のマグネシウム含有量が０．５質量％以上３．０質量％以下の範囲内であるとよい。
アルミニウム含浸炭化珪素多孔質体の表面に露出するアルミニウム又はアルミニウム合金には接合不良を誘発する酸化被膜等が比較的多く含まれている。このため、アルミニウム含浸炭化珪素多孔質体とセラミックス基板との接合には、その酸化物を除去するためにある程度多くのマグネシウム含有量が必要となる。一方セラミックス基板側ではマグネシウム含有量が過多となるとセラミックス基板の剥離や割れが発生するおそれがある。
そこで、セラミックス基板側のマグネシウム含有量とアルミニウム含浸炭化珪素多孔質体側のマグネシウム含有量とを各々上記最適値に調整することで、良好な接合性を維持することができる。
そこで、セラミックス基板側のマグネシウム含有量とアルミニウム含浸炭化珪素多孔質体側のマグネシウム含有量とを各々上記最適値に調整することで、良好な接合性を維持することができる。
本発明によれば、両面ろうクラッド材を用いてセラミックス基板側のろう材層のマグネシウム含有量とアルミニウム含浸炭化珪素多孔質体側のろう材層のマグネシウム含有量とを各々最適値に調整し、非酸化性雰囲気中で接合することで、接合体の良好な接合を確保しつつ製造コストを削減することができる。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
第１実施形態は、本発明の製造方法を、図２に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１の製造方法に適用した例について説明する。
ヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１は、図２に示すように、絶縁層を構成するセラミックス基板１０と、このセラミックス基板１０の一方の面（図２では上面）に配設された回路層２０と、セラミックス基板１０の他方の面（図２では下面）に配設されたヒートシンク３０とを備える。
第１実施形態は、本発明の製造方法を、図２に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１の製造方法に適用した例について説明する。
ヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１は、図２に示すように、絶縁層を構成するセラミックス基板１０と、このセラミックス基板１０の一方の面（図２では上面）に配設された回路層２０と、セラミックス基板１０の他方の面（図２では下面）に配設されたヒートシンク３０とを備える。
セラミックス基板１０は、回路層２０とヒートシンク３０との間の電気的接続を防止するものであり、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化珪素）等の窒化物系セラミックス、もしくはＡｌ２Ｏ３（アルミナ）等の酸化物系セラミックス等の絶縁性の高いセラミックスで形成され、厚さが０．２ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲内に設定される。
回路層２０は、セラミックス基板１０の一方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金のアルミニウム板（以下、回路層用アルミニウム板とする。）を接合することにより形成されている。また、回路層２０は、例えば、純度９９質量％以上のアルミニウム（２Ｎ−Ａｌ）、純度９９．９質量％以上のアルミニウム（３Ｎ−Ａｌ）、純度９９．９９質量％以上のアルミニウム（４Ｎ−Ａｌ）、又は例えばＡ６０６３やＡ３００３等のアルミニウム合金からなり、厚さが０．１ｍｍ〜２．５ｍｍの範囲内に設定される。なお、回路層２０は、エッチング等により所定の回路パターンが形成される。
ヒートシンク３０は、アルミニウム含浸炭化珪素多孔質体により平板状に形成されている。アルミニウム含浸炭化珪素多孔質体は、炭化珪素（ＳｉＣ）からなる多孔質体にアルミニウム（Ａｌ）又はアルミニウム合金を含浸させたものである。
含浸されるアルミニウム又はアルミニウム合金としては、純度が９９ｍａｓｓ（質量）％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）や純度が９９．９９ｍａｓｓ（質量）％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）等の純アルミニウムや、Ａｌ：８０ｍａｓｓ（質量）％以上９９．９９ｍａｓｓ（質量）％以下、Ｓｉ：０．０１ｍａｓｓ（質量）％以上１３．５ｍａｓｓ（質量）％以下、Ｍｇ：０．０３ｍａｓｓ（質量）％以上５．０ｍａｓｓ（質量）％以下、残部：不純物、の組成を有するアルミニウム合金を用いることができる。また、ＡＤＣ１２やＡ３５６等のアルミニウム合金を用いることもできる。
含浸されるアルミニウム又はアルミニウム合金としては、純度が９９ｍａｓｓ（質量）％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）や純度が９９．９９ｍａｓｓ（質量）％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）等の純アルミニウムや、Ａｌ：８０ｍａｓｓ（質量）％以上９９．９９ｍａｓｓ（質量）％以下、Ｓｉ：０．０１ｍａｓｓ（質量）％以上１３．５ｍａｓｓ（質量）％以下、Ｍｇ：０．０３ｍａｓｓ（質量）％以上５．０ｍａｓｓ（質量）％以下、残部：不純物、の組成を有するアルミニウム合金を用いることができる。また、ＡＤＣ１２やＡ３５６等のアルミニウム合金を用いることもできる。
このようなアルミニウム含浸炭化珪素多孔質体は、多孔質体を、その周囲に所定の隙間を有するように設けられた型内に配置しておき、その型内に加熱溶融したアルミニウム又はアルミニウム合金を圧入して、加圧された状態で冷却することにより製造される。このように、アルミニウム等を圧入することで、アルミニウム等との濡れ性が悪い炭化珪素の多孔質体の内部にアルミニウム等を含浸させることができ、さらに多孔質体の周囲の隙間にアルミニウム等を充填して、図３に示すように、多孔質体３１の表面に所定の厚さの被覆層３２を形成したアルミニウム含浸炭化珪素多孔質体を形成できる。なお、ヒートシンク３０としては、多孔質体３１の表面を被覆する被覆層３２の有無は特に限定されず、被覆層３２を有するアルミニウム含浸炭化珪素多孔質体と、このような被覆層３２を有しないアルミニウム含浸炭化珪素多孔質体とのいずれも使用できる。そして、アルミニウム含浸炭化珪素多孔質体からなるヒートシンク３０は、例えば、全体として厚さが３．０ｍｍ〜５．０ｍｍの範囲内に設定され、被覆層３２が設けられる場合、被覆層３２の厚さは、全体の厚さの１０％〜２０％である０．５ｍｍ〜１．０ｍｍ程度の厚さとされる。
次に、このように構成されるヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１を製造する方法について説明する。
図１（ａ）に示すように、セラミックス基板１０の一方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層用アルミニウム板２０´の片面にろう材層２１が積層された片面ろうクラッド材２５を積層し、セラミックス基板１０の他方の面に、芯材４１の両面にろう材層４２，４３を積層した両面ろうクラッド材４０を介してヒートシンク３０を厚さ方向に積層する。
図１（ａ）に示すように、セラミックス基板１０の一方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層用アルミニウム板２０´の片面にろう材層２１が積層された片面ろうクラッド材２５を積層し、セラミックス基板１０の他方の面に、芯材４１の両面にろう材層４２，４３を積層した両面ろうクラッド材４０を介してヒートシンク３０を厚さ方向に積層する。
片面ろうクラッド材２５は、図１（ａ）に示すように、回路層用アルミニウム板２０´の片面にＡｌ‐Ｓｉ‐Ｍｇ系ろう材からなるろう材層２１がクラッドされ、積層されたものであり、回路層用アルミニウム板２０´の厚さが０．１ｍｍ〜２．５ｍｍの範囲内とされ、ろう材層２１の厚さが５μｍ〜１００μｍの範囲内に設定される。
また、両面ろうクラッド材４０は、芯材４１の両面にろう材層４２，４３がクラッドされた構成とされている。芯材４１は、厚さが０．０５ｍｍ〜０．６ｍｍの範囲内のアルミニウム合金（Ａ３００３）とされ、ろう材層４２，４３は、厚さが５μｍ〜１００μｍの範囲内のＡｌ‐Ｓｉ‐Ｍｇ系ろう材とされる。
そして、両面ろうクラッド材４０のろう材層４２，４３のうち、セラミックス基板１０側のろう材層４２には、マグネシウム（Ｍｇ）が０．０１質量％以上１．５質量％以下の範囲内で含有され、ヒートシンク３０側のろう材層４３には、マグネシウムが０．５質量％以上３．０質量％以下の範囲内で含有されている。なお、片面ろうクラッド材２５のろう材層２１のマグネシウム含有量は０．０１質量％以上１．５質量％以下の範囲内とされる。
また、両面ろうクラッド材４０は、芯材４１の両面にろう材層４２，４３がクラッドされた構成とされている。芯材４１は、厚さが０．０５ｍｍ〜０．６ｍｍの範囲内のアルミニウム合金（Ａ３００３）とされ、ろう材層４２，４３は、厚さが５μｍ〜１００μｍの範囲内のＡｌ‐Ｓｉ‐Ｍｇ系ろう材とされる。
そして、両面ろうクラッド材４０のろう材層４２，４３のうち、セラミックス基板１０側のろう材層４２には、マグネシウム（Ｍｇ）が０．０１質量％以上１．５質量％以下の範囲内で含有され、ヒートシンク３０側のろう材層４３には、マグネシウムが０．５質量％以上３．０質量％以下の範囲内で含有されている。なお、片面ろうクラッド材２５のろう材層２１のマグネシウム含有量は０．０１質量％以上１．５質量％以下の範囲内とされる。
ここで、セラミックス基板１０側のろう材層４２のマグネシウム含有量が０．０１質量％未満の場合や、ヒートシンク３０側のろう材層４３のマグネシウム含有量が０．５質量％未満の場合は、酸化被膜等の除去が不十分となり、接合不良が発生するおそれがある。また、セラミックス基板１０側のろう材層４２のマグネシウム含有量が１．５質量％を超えた場合には、ヒートシンク３０に使用される金属のセラミックス基板１０近傍が硬化し、セラミックス基板１０に割れが生じるおそれがある。
なお、本発明において、セラミックス基板１０とヒートシンク３０との接合に用いるろう材として、両面ろうクラッド材４０を用いていることにより、単一の箔に比べて、両側のろう材層４２，４３のマグネシウム含有量を多くすることが可能である。しかし、マグネシウム含有量が３．０質量％を超えると、クラッド材製造工程において圧延性が極端に悪くなり、クラッド材製造が困難となる。
なお、本発明において、セラミックス基板１０とヒートシンク３０との接合に用いるろう材として、両面ろうクラッド材４０を用いていることにより、単一の箔に比べて、両側のろう材層４２，４３のマグネシウム含有量を多くすることが可能である。しかし、マグネシウム含有量が３．０質量％を超えると、クラッド材製造工程において圧延性が極端に悪くなり、クラッド材製造が困難となる。
なお、回路層用アルミニウム板２０´の材質、やヒートシンク３０の材質（アルミニウム含浸炭化珪素多孔質体に含浸されるアルミニウムの材質）によっては、酸化被膜等を除去するために必要となるマグネシウム含有量の最適値が異なり、各ろう材層２１，４２，４３のマグネシウム含有量は、上記範囲内で最適なものが選択される。
例えば、セラミックス基板１０をＳｉ３Ｎ４（窒化珪素）、回路層用アルミニウム板２０´のアルミニウム、及びヒートシンク３０に含浸されるアルミニウムを、アルミニウム合金（Ａ３００３）で形成する場合、マグネシウムの最適な含有量は、セラミックス基板１０側のろう材層４２が０．０５質量％で、回路層用アルミニウム板２０´側及びヒートシンク３０側のろう材層４３が１．５質量％とするとよい。
例えば、セラミックス基板１０をＳｉ３Ｎ４（窒化珪素）、回路層用アルミニウム板２０´のアルミニウム、及びヒートシンク３０に含浸されるアルミニウムを、アルミニウム合金（Ａ３００３）で形成する場合、マグネシウムの最適な含有量は、セラミックス基板１０側のろう材層４２が０．０５質量％で、回路層用アルミニウム板２０´側及びヒートシンク３０側のろう材層４３が１．５質量％とするとよい。
次に、このように構成される各部材を、図１（ａ）に示すように、セラミックス基板１０の一方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層用アルミニウム板２０´の片面にろう材層２１が積層された片面ろうクラッド材２５を積層し、セラミックス基板１０の他方の面に、芯材４１の両面にろう材層４２，４３を積層した両面ろうクラッド材４０を介してヒートシンク３０を厚さ方向に積層する。この場合、両面ろうクラッド材４０は、セラミックス基板１０側にマグネシウム含有量が少ないろう材層４２が当接される向きで積層する。
そして、図１（ｂ）に示すように、これらを積層した積層体を積層方向に加圧した状態で、常圧の窒素ガス（Ｎ２）等の非酸化性雰囲気下で加熱して、セラミックス基板１０に回路層用アルミニウム板２０´とヒートシンク３０とを接合して、セラミックス基板１０の両面に回路層２０とヒートシンク３０とが接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１を製造する。この場合の加圧力としては、例えば０．０１ＭＰａ〜０．６ＭＰａ、接合温度としては６４０℃以下好ましくは６１０℃〜６２０℃の範囲に加熱して接合する。
このように製造される第１実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１（図２）は、セラミックス基板１０とヒートシンク３０との間に両面ろうクラッド材４０の芯材４１であった薄いアルミニウム合金層４４が介在した状態となる。
この製造方法のように、両面ろうクラッド材４０を用いてセラミックス基板１０とヒートシンク３０とを接合してヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１を製造するので、両面ろうクラッド材４０の両面のろう材層４２，４３のマグネシウム含有量を同一に設定しておくこともできるし、異なる含有量に設定しておくこともできる。このため、セラミックス基板１０側のマグネシウム含有量とヒートシンク３０側のマグネシウム含有量とを各々最適値に調整しておくことができ、セラミックス基板１０とヒートシンク３０とを良好に接合することができる。
また、非酸化性雰囲気中で接合することで、真空引き工程が不要なことや昇温時間の短縮など真空雰囲気中の接合に比して接合時間が短縮され製造コストが削減できる。
この製造方法のように、両面ろうクラッド材４０を用いてセラミックス基板１０とヒートシンク３０とを接合してヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１を製造するので、両面ろうクラッド材４０の両面のろう材層４２，４３のマグネシウム含有量を同一に設定しておくこともできるし、異なる含有量に設定しておくこともできる。このため、セラミックス基板１０側のマグネシウム含有量とヒートシンク３０側のマグネシウム含有量とを各々最適値に調整しておくことができ、セラミックス基板１０とヒートシンク３０とを良好に接合することができる。
また、非酸化性雰囲気中で接合することで、真空引き工程が不要なことや昇温時間の短縮など真空雰囲気中の接合に比して接合時間が短縮され製造コストが削減できる。
図５は、本発明の製造方法により製造されたヒートシンク付セラミックス基板２０１を示している。
ヒートシンク付セラミックス基板２０１は、セラミックス基板１０とヒートシンク３０とを備え、セラミックス基板１０とヒートシンク３０との間が、薄いアルミニウム合金層４４を介して接合されている。そして、このヒートシンク付セラミックス基板２０１は、例えばセラミックス基板１０の上面にパワーモジュール（図示略）をグリスを介して押圧して保持することにより、パワーモジュールの冷却器として使用される。
ヒートシンク付セラミックス基板２０１は、セラミックス基板１０とヒートシンク３０とを備え、セラミックス基板１０とヒートシンク３０との間が、薄いアルミニウム合金層４４を介して接合されている。そして、このヒートシンク付セラミックス基板２０１は、例えばセラミックス基板１０の上面にパワーモジュール（図示略）をグリスを介して押圧して保持することにより、パワーモジュールの冷却器として使用される。
ヒートシンク付セラミックス基板２０１は、図４（ａ）に示すように、セラミックス基板１０の一方の面に両面ろうクラッド材４０を用いてヒートシンク３０を接合することにより製造される。
セラミックス基板１０は、第１実施形態と同様に例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化珪素）等の窒化物系セラミックス、もしくはＡｌ２Ｏ３（アルミナ）等の酸化物系セラミックスを用い、厚さは０．２ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲内に設定される。
セラミックス基板１０は、第１実施形態と同様に例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化珪素）等の窒化物系セラミックス、もしくはＡｌ２Ｏ３（アルミナ）等の酸化物系セラミックスを用い、厚さは０．２ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲内に設定される。
ヒートシンク３０は、第１実施形態と同様に、アルミニウム含浸炭化珪素多孔質体により平板状に形成されており、例えば、全体として厚さが３．０ｍｍ〜５．０ｍｍの範囲内に設定され、被覆層が設けられる場合、被覆層の厚さは、全体の厚さの１％〜３０％とされる。
両面ろうクラッド材４０の構成及び各構成部材は、第１実施形態と同様であり、芯材４１の両面にろう材層４２，４３がクラッドされた構成とされている。芯材４１は、アルミニウム合金（Ａ３００３）が用いられ、厚さは０．０５ｍｍ〜０．６ｍｍの範囲内に設定される。また、ろう材層４２，４３はＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系ろう材が用いられ、厚さは５μｍ〜１００μｍの範囲内に設定される。この場合、両側のろう材層４２，４３のマグネシウム含有量は、セラミックス基板１０側のろう材層４２にはマグネシウムが０．０１質量％以上１．５質量％以下の範囲内で含有され、ヒートシンク３０側のろう材層４３にはマグネシウムが０．５質量％以上３．０質量％以下の範囲内で含有されている。
このヒートシンク付セラミックス基板２０１の製造方法を説明する。
図４（ａ）に示すように、セラミックス基板１０とヒートシンク３０とを両面ろうクラッド材４０を介して積層する。この際、両面ろうクラッド材４０は、セラミックス基板１０側にマグネシウムの含有量が少ないろう材層４２が当接される向きで厚さ方向に積層する。そして、その積層体を、積層方向に加圧した状態で、常圧の窒素ガス（Ｎ２）等の非酸化性雰囲気下で加熱して接合し、ヒートシンク付セラミックス基板２０１を製造する。なお、この場合の加圧力としては、例えば０．０１ＭＰａ〜０．６ＭＰａ、接合温度としては６４０℃以下好ましくは６１０℃〜６２０℃の範囲に加熱して接合する。
図４（ａ）に示すように、セラミックス基板１０とヒートシンク３０とを両面ろうクラッド材４０を介して積層する。この際、両面ろうクラッド材４０は、セラミックス基板１０側にマグネシウムの含有量が少ないろう材層４２が当接される向きで厚さ方向に積層する。そして、その積層体を、積層方向に加圧した状態で、常圧の窒素ガス（Ｎ２）等の非酸化性雰囲気下で加熱して接合し、ヒートシンク付セラミックス基板２０１を製造する。なお、この場合の加圧力としては、例えば０．０１ＭＰａ〜０．６ＭＰａ、接合温度としては６４０℃以下好ましくは６１０℃〜６２０℃の範囲に加熱して接合する。
このように製造される第２実施形態のヒートシンク付セラミックス基板２０１は、図５に示すように、第１実施形態と同様にセラミックス基板１０とヒートシンク３０との間に両面ろうクラッド材４０の芯材４１であった薄いアルミニウム合金層４４が介在した状態となる。
このヒートシンク付セラミックス基板２０１においても、セラミックス基板１０側のろう材層４２のマグネシウム含有量とヒートシンク３０側のろう材層４３のマグネシウム含有量とを各々最適値に調整することができるので、良好な接合を確保しつつ製造コストを削減して製造することができる。
このヒートシンク付セラミックス基板２０１においても、セラミックス基板１０側のろう材層４２のマグネシウム含有量とヒートシンク３０側のろう材層４３のマグネシウム含有量とを各々最適値に調整することができるので、良好な接合を確保しつつ製造コストを削減して製造することができる。
図７は、第３実施形態の製造方法により製造されるパワーモジュール用基板３０１を示している。パワーモジュール用基板３０１は、図７に示すように、セラミックス基板１０の一方の面に回路層５０が配設され、他方の面に金属層６０が配設された構成とされ、図６に示すように、セラミックス基板１０の両面に、それぞれ両面ろうクラッド材４０を用いて回路層用金属板５０´及び金属層用金属板６０´を接合することにより製造される。
セラミックス基板１０は、第１実施形態と同様に例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化珪素）等の窒化物系セラミックス、もしくはＡｌ２Ｏ３（アルミナ）等の酸化物系セラミックスを用い、厚さは０．２ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲内に設定される。
回路層用金属板５０´及び金属層用金属板６０´は、アルミニウム含浸炭化珪素多孔質体により平板状に形成されており、例えば、全体として厚さが３．０ｍｍ〜５．０ｍｍの範囲内に設定され、被覆層が設けられる場合、被覆層の厚さは、全体の厚さの１０％〜３０％とされる。
回路層用金属板５０´及び金属層用金属板６０´は、アルミニウム含浸炭化珪素多孔質体により平板状に形成されており、例えば、全体として厚さが３．０ｍｍ〜５．０ｍｍの範囲内に設定され、被覆層が設けられる場合、被覆層の厚さは、全体の厚さの１０％〜３０％とされる。
両面ろうクラッド材４０の構成及び各構成部材は、第１実施形態と同様であり、芯材４１の両面にろう材層４２，４３がクラッドされた構成とされている。芯材４１は、アルミニウム合金（Ａ３００３）が用いられ、厚さは０．０５ｍｍ〜０．６ｍｍの範囲内に設定される。また、ろう材層４２，４３はＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系ろう材が用いられ、厚さは５μｍ〜１００μｍの範囲内に設定される。この場合、セラミックス基板１０側のろう材層４２にはマグネシウムが０．０１質量％以上１．５質量％以下の範囲内で含有され、回路層用金属板５０及び金属層用金属板５０側のろう材層４３にはマグネシウムが０．５質量％以上３．０質量％以下の範囲内で含有されている。
このように構成されるパワーモジュール用基板３０１の製造方法を簡単に説明する。
図６（ａ）に示すように、セラミックス基板１０の両面に、両面ろうクラッド材４０を介して回路層用金属板５０´及び金属層用金属板６０´を積層する。この際、両面ろうクラッド材４０は、セラミックス基板１０側にマグネシウムの含有量が少ないろう材層４２が当接される向きで厚さ方向に積層する。そして、この積層体を、積層方向に加圧した状態で、常圧の窒素ガス（Ｎ２）等の非酸化性雰囲気下で加熱して接合することにより、パワーモジュール用基板３０１を製造する。なお、この場合の加圧力としては、例えば０．０１ＭＰａ〜０．６ＭＰａ、接合温度としては６４０℃以下好ましくは６１０℃〜６２０℃の範囲に加熱して接合する。
図６（ａ）に示すように、セラミックス基板１０の両面に、両面ろうクラッド材４０を介して回路層用金属板５０´及び金属層用金属板６０´を積層する。この際、両面ろうクラッド材４０は、セラミックス基板１０側にマグネシウムの含有量が少ないろう材層４２が当接される向きで厚さ方向に積層する。そして、この積層体を、積層方向に加圧した状態で、常圧の窒素ガス（Ｎ２）等の非酸化性雰囲気下で加熱して接合することにより、パワーモジュール用基板３０１を製造する。なお、この場合の加圧力としては、例えば０．０１ＭＰａ〜０．６ＭＰａ、接合温度としては６４０℃以下好ましくは６１０℃〜６２０℃の範囲に加熱して接合する。
このように製造される第３実施形態のパワーモジュール用基板３０１は、セラミックス基板１０と回路層５０の間、及びセラミックス基板１０と金属層６０との間に両面ろうクラッド材４０の芯材４１であった薄いアルミニウム合金層４４が介在した状態となる。
このパワーモジュール用基板３０１においても、セラミックス基板１０側のろう材層４２のマグネシウム含有量と、回路層用金属板５０´及び金属層用金属板´６０側のろう材層４３のマグネシウム含有量とを各々最適値に調整することができるので、良好な接合を確保しつつ製造コストを削減して製造することができる。
このパワーモジュール用基板３０１においても、セラミックス基板１０側のろう材層４２のマグネシウム含有量と、回路層用金属板５０´及び金属層用金属板´６０側のろう材層４３のマグネシウム含有量とを各々最適値に調整することができるので、良好な接合を確保しつつ製造コストを削減して製造することができる。
本発明の効果の確認のために行った試験について説明する。
セラミックス基板（窒化珪素Ｓｉ３Ｎ４（平面サイズ：４０ｍｍ×４０ｍｍ、厚さ：０．３２ｍｍ））の片面（一方の面）に、表１記載の両面ろうクラッド材を介して、表１記載のアルミニウム含浸炭化珪素多孔質体（平面サイズ：４０ｍｍ×４０ｍｍ）を積層し、これらの積層体を積層方向に加圧して窒素ガス（Ｎ２）雰囲気下で表１に示す接合温度（積層体表面温度）に昇温し、温度維持時間の間、接合温度に維持することにより、セラミックス基板にアルミニウム含浸炭化珪素多孔質体を接合した接合体（ヒートシンク付セラミックス基板）を１００個ずつ製造した。
セラミックス基板（窒化珪素Ｓｉ３Ｎ４（平面サイズ：４０ｍｍ×４０ｍｍ、厚さ：０．３２ｍｍ））の片面（一方の面）に、表１記載の両面ろうクラッド材を介して、表１記載のアルミニウム含浸炭化珪素多孔質体（平面サイズ：４０ｍｍ×４０ｍｍ）を積層し、これらの積層体を積層方向に加圧して窒素ガス（Ｎ２）雰囲気下で表１に示す接合温度（積層体表面温度）に昇温し、温度維持時間の間、接合温度に維持することにより、セラミックス基板にアルミニウム含浸炭化珪素多孔質体を接合した接合体（ヒートシンク付セラミックス基板）を１００個ずつ製造した。
アルミニウム含浸炭化珪素多孔質体は、炭化珪素（ＳｉＣ）の多孔質体に、Ｓｉが１０質量％で含有されるアルミニウム合金を含浸させたものを用いた。また、表１記載の被覆層が「あり」とされるアルミニウム含浸炭化珪素多孔質体については、被覆層の厚さを０．３ｍｍで形成した。
また、両面ろうクラッド材は、芯材をアルミニウム合金（Ａ３００３、平面サイズ：４０ｍｍ×４０ｍｍ、厚さ：０．２ｍｍ）とし、ろう材層はＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系ろう材（平面サイズ：４０ｍｍ×４０ｍｍ）とし、ろう材層のＭｇ含有量、Ｓｉ含有量及び厚さは表１の通りとした。
なお、比較例１においては、ろう材層にＡｌ‐Ｓｉ系ろう材を用いた。このため、比較例１のろう材層のＭｇ含有量は「０」とした。
また、両面ろうクラッド材は、芯材をアルミニウム合金（Ａ３００３、平面サイズ：４０ｍｍ×４０ｍｍ、厚さ：０．２ｍｍ）とし、ろう材層はＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系ろう材（平面サイズ：４０ｍｍ×４０ｍｍ）とし、ろう材層のＭｇ含有量、Ｓｉ含有量及び厚さは表１の通りとした。
なお、比較例１においては、ろう材層にＡｌ‐Ｓｉ系ろう材を用いた。このため、比較例１のろう材層のＭｇ含有量は「０」とした。
そして、得られた各１００個の接合体に対して、初期の「接合性」及び冷熱サイクル試験後の「セラミックス基板割れ」を以下のように評価した。
（初期の接合性の評価）
各１００個の接合体に対し、超音波画像測定機（Ｉｎｓｉｇｈｔ社製の超音波画像測定機ＩＳ‐２００）にてセラミックス基板とアルミニウム合金層との接合界面、及びアルミニウム含浸炭化珪素多孔質体とアルミニウム合金層との接合界面を観察して、これらの接合界面におけるボイド（空孔）の面積を測定した。そして、接合すべき面積に対するボイドの合計面積を各サンプルのボイド率として算出し、１００個の平均を平均ボイド率とした。この場合、接合すべき面積は、両面ろうクラッド材の表裏面の面積（４０ｍｍ×４０ｍｍ×２＝３２００ｍｍ２）とし、以下の式からボイド率を算出した。
ボイド率（％）＝｛（ボイドの合計面積）／（両面ろうクラッド材の面積）｝×１００
平均ボイド率が２％未満であったものを「接合性」が「◎」、平均ボイド率が２％以上５％以下のものを「接合性」が「○」、平均ボイド率が５％を超えるものを「接合性」が「×」と評価した。
（初期の接合性の評価）
各１００個の接合体に対し、超音波画像測定機（Ｉｎｓｉｇｈｔ社製の超音波画像測定機ＩＳ‐２００）にてセラミックス基板とアルミニウム合金層との接合界面、及びアルミニウム含浸炭化珪素多孔質体とアルミニウム合金層との接合界面を観察して、これらの接合界面におけるボイド（空孔）の面積を測定した。そして、接合すべき面積に対するボイドの合計面積を各サンプルのボイド率として算出し、１００個の平均を平均ボイド率とした。この場合、接合すべき面積は、両面ろうクラッド材の表裏面の面積（４０ｍｍ×４０ｍｍ×２＝３２００ｍｍ２）とし、以下の式からボイド率を算出した。
ボイド率（％）＝｛（ボイドの合計面積）／（両面ろうクラッド材の面積）｝×１００
平均ボイド率が２％未満であったものを「接合性」が「◎」、平均ボイド率が２％以上５％以下のものを「接合性」が「○」、平均ボイド率が５％を超えるものを「接合性」が「×」と評価した。
（冷熱サイクル試験後のセラミックス基板割れの評価）
各１００個の接合体に対して、−４０℃×５分と１５０℃×５分の液槽冷熱サイクルを１０００サイクル実施した後に、各サンプルについて超音波画像測定機を用いてセラミックスの割れの有無を判定した。なお、冷熱サイクル試験は、エスペック社製の液槽冷熱衝撃装置ＴＳＢ‐５１を用いて行った。そして、冷熱サイクル試験後の１００個の接合体について、超音波探傷装置（Ｉｎｓｉｇｈｔ社製の超音波画像測定機ＩＳ‐２００）により、セラミックス基板割れの発生の有無を確認し、１００個の接合体について、セラミックス基板割れが発生した個数の割合（割れ確率）を算出した。割れ確率は、以下の式から算出した。
割れ確率（％）＝｛（セラミックス割れが発生した個数）／１００｝×１００
割れ確率が０％であったものを「セラミックス基板割れ」が「◎」、５％以下（０％除く）であったものを「セラミックス基板割れ」が「○」、５％を超えたものを「セラミックス基板割れ」が「×」と評価した。
各１００個の接合体に対して、−４０℃×５分と１５０℃×５分の液槽冷熱サイクルを１０００サイクル実施した後に、各サンプルについて超音波画像測定機を用いてセラミックスの割れの有無を判定した。なお、冷熱サイクル試験は、エスペック社製の液槽冷熱衝撃装置ＴＳＢ‐５１を用いて行った。そして、冷熱サイクル試験後の１００個の接合体について、超音波探傷装置（Ｉｎｓｉｇｈｔ社製の超音波画像測定機ＩＳ‐２００）により、セラミックス基板割れの発生の有無を確認し、１００個の接合体について、セラミックス基板割れが発生した個数の割合（割れ確率）を算出した。割れ確率は、以下の式から算出した。
割れ確率（％）＝｛（セラミックス割れが発生した個数）／１００｝×１００
割れ確率が０％であったものを「セラミックス基板割れ」が「◎」、５％以下（０％除く）であったものを「セラミックス基板割れ」が「○」、５％を超えたものを「セラミックス基板割れ」が「×」と評価した。
なお、比較例２については、両面ろうクラッド材自体を製造できなかったため、接合体を製造できなかった。このため、接合性及びセラミックス割れの評価は、比較例２を除いて評価した。
結果を表２に示す。
結果を表２に示す。
表１及び表２の結果から、接合温度が低温でありながら短時間で良好な接合体が得られる効率的な接合は、接合材として両面ろうクラッド材（芯材：Ａ３００３、ろう材層：Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ）を用い、窒素ガス（Ｎ２）雰囲気下の接合温度６００℃で５分間以上加熱すれば良好であることがわかった。ただし、比較例２に示すように、ろう材層のマグネシウム含有量が３．０質量％を超えると両面ろうクラッド材を製造することができなかった。
また、比較例１に示すように、ろう材層のマグネシウム含有量が０では、ボイドが多く発生し、セラミックス基板とアルミニウム含浸炭化珪素多孔質体とが部分的に接合された状態となり、冷熱サイクル試験後の評価において、セラミックス基板の割れが発生した。
また、比較例１に示すように、ろう材層のマグネシウム含有量が０では、ボイドが多く発生し、セラミックス基板とアルミニウム含浸炭化珪素多孔質体とが部分的に接合された状態となり、冷熱サイクル試験後の評価において、セラミックス基板の割れが発生した。
なお、本発明は上記実施形態の構成のものに限定されるものではなく、細部構成においては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
１０ セラミックス基板
２０ 回路層
２０´ 回路層用アルミニウム板
２１ ろう材層
２５ 片面ろうクラッド材
３０ ヒートシンク
３１ 多孔質体
３２ 被覆層
４０ 両面ろうクラッド材
４１ 芯材
４２，４３ ろう材層
４４ アルミニウム合金層
５０ 回路層
５０´ 回路層用金属板
６０ 金属層
５０´金属用金属板
１０１ ヒートシンク付パワーモジュール用基板（接合体）
２０１ ヒートシンク付セラミックス基板（接合体）
３０１ パワーモジュール用基板（接合体）
２０ 回路層
２０´ 回路層用アルミニウム板
２１ ろう材層
２５ 片面ろうクラッド材
３０ ヒートシンク
３１ 多孔質体
３２ 被覆層
４０ 両面ろうクラッド材
４１ 芯材
４２，４３ ろう材層
４４ アルミニウム合金層
５０ 回路層
５０´ 回路層用金属板
６０ 金属層
５０´金属用金属板
１０１ ヒートシンク付パワーモジュール用基板（接合体）
２０１ ヒートシンク付セラミックス基板（接合体）
３０１ パワーモジュール用基板（接合体）
Claims (3)
- セラミックス基板と、炭化珪素からなる多孔質体にアルミニウム又はアルミニウム合金が含浸されたアルミニウム含浸炭化珪素多孔質体と、の接合体を製造する方法であって、
前記セラミックス基板と前記アルミニウム含浸炭化珪素多孔質体との間に接合材としてアルミニウム合金からなる芯材の両面にマグネシウムを３．０質量％以下含有するろう材層が形成された両面ろうクラッド材を介在させ、非酸化性雰囲気中で接合温度に加熱することを特徴とするセラミックス基板とアルミニウム含浸炭化珪素多孔質体との接合体の製造方法。 - 前記ろう材層のマグネシウム含有量は、前記セラミックス基板側のろう材層と前記アルミニウム含浸炭化珪素多孔質体側のろう材層とで異なることを特徴とする請求項１に記載のセラミックス基板とアルミニウム含浸炭化珪素多孔質体との接合体の製造方法。
- 前記セラミックス基板側のろう材層のマグネシウム含有量が０．０１質量％以上１．５質量％以下の範囲内であり、前記アルミニウム含浸炭化珪素多孔質体側のろう材層のマグネシウム含有量が０．５質量％以上３．０質量％以下の範囲内であることを特徴とする請求項１又は２に記載のセラミックス基板とアルミニウム含浸炭化珪素多孔質体との接合体の製造方法。
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| CN111992832A (zh) * | 2020-08-27 | 2020-11-27 | 珠海亿特立新材料有限公司 | 一种铝碳化硅水冷齿板的制备方法 |
-
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