JP4349739B2 - ベース板一体型セラミックス回路基板とその製法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ａｌ（アルミニウム）−ＳｉＣ（炭化珪素）複合体からなるベース材と高熱伝導性セラミックス基板とが一体に形成されたベース板一体型セラミックス回路基板とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、産業機器の分野では、電動機用インバータとしての大電力モジュールの開発が進んでおり、従来公知の、チップを搭載した高熱伝導性セラミックス回路基板を銅ベースにはんだ付けした構造を有するものから、信頼性の向上を目的として種々の改良が図られている。
【０００３】
例えば、Ａｌ−ＳｉＣ複合体をベース材とし、Ａｌ回路付き窒化アルミニウム基板（以下、Ａｌ−ＳｉＣ複合体／Ａｌ回路付き窒化アルミニウム基板のように記す）をはんだ付けした構造である。
【０００４】
上記構造のものは、サーマルサイクル３０００回後でも、実用特性を維持しており、従来公知の銅ベース／銅回路付き窒化アルミニウム基板に比べ格段の信頼性を有しているものの、従来構造に比べると、熱抵抗が大きいためチップサイズを大きくする必要があること、またＡｌ−ＳｉＣ複合体が高価であるためにモジュールコストが高くなること等の問題があり充分に普及するに至っていない。
【０００５】
以上の状況から、信頼性の向上を目的とする更なる検討が行われているが、その中に、Ａｌ−ＳｉＣ複合体を製造する際に、前記Ａｌ−ＳｉＣ複合体とセラミックス基板或いはセラミックス回路基板との一体化を図るという考えがある。
【０００６】
上記の考え方の利点は二つあり、一つは、半田を使用しないことで熱抵抗の低減が図れること、他の一つは、セラミックスへの金属接合の工程が削減出来る点である。
【０００７】
しかしながら、上記考えに基づいてはいても、従来公知のものは、ベース板とセラミックス基板とを接合する際に互いに複雑な形状とする必要がある等、非常に製造し難い、或いは、量産性に問題のある構造のものに限られていた。又、比較的製造容易と判断されるものの場合には、実使用下での熱履歴を受け放熱特性や電気特性が容易に劣化してしまい、高信頼性の特性が確保できないという問題がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者は、上記の事情に鑑みて、いろいろ実験的に検討した結果、驚くべきことに、特定金属層を特定な配置でセラミックス基板と多孔質炭化珪素焼結体とに積層した積層体を原料に用いて、従来からのＡｌ−ＳｉＣ複合体を製造する工程を適用するだけで、熱サイクルを被っても耐性があり、従って信頼性に優れるベース板一体型セラミックス回路基板を得ることができる、という知見を得て本発明に至ったものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、一主面に凹部を有する又は有していないベース板と、前記ベース板の前記主面上に配置され、前記ベース板よりも小さいセラミックス基板と、前記ベース板と前記セラミックス基板の両者を覆うように設けられた金属層とからなり、前記金属層のベース板及びセラミックス基板に接しない面が平面状であって、しかも、前記ベース板が金属−セラミックス複合体であり、前記複合体中の金属と前記金属層とが異なる組成であることを特徴とする電子機器搭載用基板であり、好ましくは、セラミックス基板が複数であることを特徴とする前記の電子機器搭載用基板である。
【００１０】
また、本発明は、前記の電子機器搭載用基板の金属層より回路形成してなることを特徴とするベース板一体型セラミックス回路基板であり、或いは、一主面上に回路を有するセラミックス回路基板と、該セラミックス回路基板の回路を設けていない主面に接して設けられているベース板とからなるベース板一体型セラミックス回路基板であって、前記回路表面と前記ベース板のセラミックス基板が搭載されセラミックス基板を設けていない面の高さが同一であり、しかも、前記ベース板の金属と前記金属層とが異なる組成であることを特徴とするベース板一体型セラミックス回路基板であり、好ましくは、ベース板が、多孔質炭化珪素焼結体にアルミニウムを主成分とする金属を含浸してなる複合体であることを特徴とする前記のベース板一体型セラミックス回路基板であり、更に好ましくは、回路を形成する金属が、ベース板を構成する複合体のアルミニウムを主成分とする金属よりも高融点であることを特徴とする前記のベース板一体型セラミックス回路基板である。
【００１１】
また、本発明は、一主面に凹部を有する又は有していない多孔質炭化珪素焼結体の前記主面上にセラミックス基板を配置し、更に前記多孔質炭化珪素焼結体とセラミックス基板との両者を覆うように金属箔を配置して積層体となし、前記積層体を加圧容器内に配置し、アルミニウムを主成分とする金属を高圧鋳造して、前記多孔質炭化珪素焼結体の空隙に前記アルミニウムを主成分とする金属を含浸すると共に、前記金属層を多孔質炭化珪素焼結体並びにセラミックス基板と一体化させることを特徴とする電子機器搭載用基板の製造方法であり、加えて、前記操作後に前記金属層より回路形成することを特徴とするベース板一体型セラミックス回路基板の製造方法である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
まず、ベース板となる金属−セラミックス複合体とその製法について、Ａｌ−ＳｉＣ複合体の場合を例にして説明する。
金属−セラミックス複合体の製法については、大別すると含浸法と粉末冶金法の２種がある。このうち粉末冶金による方法は特性面で充分なものが得られておらず、検討段階といえる。実際に商品化されているのは、含浸法によるものである。含浸法にも種々あり、常圧でおこなうものと、高圧下で行うタイプ（高圧鋳造法）のものがある。高圧下で行うタイプのものは、更に、溶湯鍛造法とダイキャスト法とがある。
【００１３】
本発明に適用できる方法は、高圧下で行うタイプのものであり、具体的には、溶湯鍛造法とダイキャスト法で複合体を得る製法に関するものである。溶湯鍛造にしろ、ダイキャストにしろ、最終形状、或いは、ほぼ最終形状に近い形をした型、或いは、枠と板で構成された型内（或いは部屋内）に、ある程度の強度を有する多孔質焼結体（プリフォーム）を装填し、これにＡｌ或いはＡｌ合金の溶湯（以下、Ａｌ溶湯という）を高圧で含浸させて複合体を得る方法である。
【００１４】
従って、この操作を行う際にセラミックス板の接合と回路用金属層の接合或いは形成を行えば、より安価にセラミックスを接合した回路基板の前駆体を得ることが可能である。これに関しても種々の提案があるが、前述の如く、特性、生産性の両者を満足するものは見あたらないのが現状である。
【００１５】
Ａｌ溶湯をプリフォームに含浸する際に一体構造を形成する場合、従来の例では、(1)セラミックス回路基板をプリフォームと接触配置し、これにＡｌ溶湯をプリフォームに含浸させながらセラミックスとの接合を行う、(2)セラミックスをプリフォームに接触配置し、Ａｌ溶湯でプリフォームに含浸しながら、セラミックスとの接合を行いながら回路となる金属層も形成する方法が知られている。
【００１６】
(1)の方法の場合は、予めセラミックスに回路金属を接合するという工程が必要になり、コスト的に不利である。これを解消するのが、(2)の方法であるが、これには特性上の問題がある、それは、回路用金属層となる金属が含浸される金属（以下、含浸金属という）である点である。
【００１７】
一般に含浸金属は、取り扱いの容易さからとプリフォーム（例えばＳｉＣ）との濡れの観点からアルミニウムを主成分とする金属（以下、Ａｌ合金という）、一般的には、Ａｌ−Ｓｉ合金やＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ合金が用いられている。そして、Ｓｉの量は、７から２０質量％が一般的である。従ってこれらを回路用金属層とした場合、二つの問題がある。一つは、熱伝導率の優れたＡｌＮをセラミックス基板したときに、Ａｌ合金の降伏耐力が大きいため、回路基板として実用に供した際の冷熱サイクルによって、セラミックス基板に割れを生じる点である。これは、若干熱伝導性は劣るが、高強度、高靱性を有する窒化ケイ素セラミックスを使用することで解決できるが他の一つの問題点の解決には至らない。他の一つの問題点とは、モジュールが実使用下において電子部品と回路とを接合する半田部分にクラック（以下半田クラックという）生じることがあるという問題である。半田クラックも冷熱サイクルによって発生するが、これも、Ａｌ合金の降伏耐力が大きく、Ａｌ合金とシリコンチップの熱膨張差によって発生する応力緩和を、主として半田の組成変形によって行う為に発生する。従って、回路用金属層を、降伏耐力の小さな高純度のＡｌとすることで解決可能だが、高純度Ａｌを含浸金属とした場合には、ＳｉＣとの濡れが悪く複合体としての特性に問題を生じることがある。同時に、セラミックス基板との接合も不十分で冷熱サイクル中に、セラミックスと金属との剥離が発生することもある。
【００１８】
本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、以下の構造とすることで、比較的容易に製造可能で、精度良く、その結果安価にＡｌ−ＳｉＣベース一体型構造のセラミックス回路基板が得られることを見出し、本発明に至ったものである。
【００１９】
本発明は、プリフォームにＡｌ合金を含浸する際に、Ａｌ合金の溶湯がプリフォーム中に含浸し易いように予備加熱を行うのが一般的であるが、この予備加熱の際に、高純度のＡｌ箔がプリフォームと同時に存在していても該高純度Ａｌ箔は溶融しないということ、さらに、これにＡｌ合金を接触させても高純度Ａｌ箔は投入した形態を保っているということを発見したことに基づいている。本発明者は、前記の事実に基づき、プリフォームにセッラミクス基板を接触配置し、さらに、これに高純度Ａｌ箔を接触配置した後、予備加熱しＡｌ合金溶湯を高圧で含浸することで、そして、前記高純度Ａｌ箔からエッチング等の従来公知の方法で回路を形成することで、一定厚みの高純度Ａｌからなる回路が接合されているベース板一体型セラミックス回路基板を得ることができ、本発明に至ったのである。
【００２０】
更に驚くべきことに、こうして得られたベース板一体型セラミックス回路基板は、実用上極めて有用な特性を有することが判明した。Ａｌ−ＳｉＣ複合体の板の熱膨張係数は、複合体中のＳｉＣ体積百分率によって決まり、６〜９ｐｐｍ／Ｋ程度が一般的である。従って、これにＡｌＮ（窒化アルミニウム）やＳｉ3Ｎ4（窒化珪素）の如き低熱膨張率のセラミックス基板を半田付けやロウ付けすると、セラッミクス側を凸とする大きな反りを生じる。この反りは、これを放熱フィン等にネジ締めして固定する際に、ベース板と放熱フィン間に隙間を生じ、伝熱の妨げとなる。このため、何らかの方法で予めベース板に放熱フィン等との接合面が平坦或いは凹状の若干の反りを付与しておく必要があった。しかしながら、本発明のベース板一体型セラミックス回路基板は、表面の回路を構成するＡｌが高純度であり、従って熱膨張率が大きいので、４．５ｐｐｍ／Ｋの熱膨張率を有するＡｌＮの場合は、略フラット、熱膨張率が３ｐｐｍ／ＫのＳｉ3Ｎ4の場合は、若干、回路を凸とする反りを生じることになるが、前記の反りの程度は、モジュール組立工程で回路側を凹とする反りに変化しうる程度のものであり、実用上極めて好ましい特性を発現する。
【００２１】
以下、本発明について、溶湯鍛造法による場合を例にして、詳述する。
先ず、Ａｌ−ＳｉＣ複合体の製造方法を説明すると、ＳｉＣ粉を成形、仮焼してプリフォームを得て、表面が離型処理された仕切板上に置き、次に、内寸が最終形状になるようくり抜かれた枠状の型内にセットする。これを幾段も重ね終端を厚板で挟み、全体をネジで締め付け含浸用ブロックを形成する。この含浸用ブロックを予備加熱した後、含浸金型内に配置、ブロックの温度低下を防ぐため出来るだけ速やかにＡｌ合金溶湯を金型内に注ぎ、パンチで含浸金型内のＡｌ合金溶湯を加圧し、Ａｌ合金を枠状の型内に置いたプリフォーム中に含浸するといった手順で、Ａｌ−ＳｉＣ複合体が形成される。
【００２２】
この工程のなかで、プリフォームを枠状の型内にセットする際に、更に、セラミックス基板と高純度Ａｌ箔とを挿入すれば、通常のＡｌ−ＳｉＣ複合体を得る操作と全く同じ操作でベース板とセラミックス回路基板とが一体に接合されたベース一体型セラミックスが得られる。
【００２３】
前記操作において、プリフォームの一主面にセラミックス基板がピッタリと収まる様な、凹み（キャビティー）を設けておけば、正確な位置決めができて、回路化の時に好都合である。さらに、回路用の金属箔は、外寸を枠の内寸と同じにしておけば、後の取り扱いでズレを生じることがなく、後工程での位置あわせ等が不要となる。
【００２４】
本発明において、使用する多孔質炭化珪素焼結体（プリフォーム）については、特殊な制限を設ける必要はなく、どのようなものでも使用することができるが、次に記載するように、特定の特性を有するものを選択することが好ましい。即ち、Ａｌ−ＳｉＣ複合体の特性の中で特に重要な特性は、熱伝導率と熱膨張率である。この両特性共、複合体中の炭化珪素（ＳｉＣ）含有率の高い方が好ましい方向であるが、あまりにも高いものは含浸操作が容易でなくなる。実用的には、多孔質炭化珪素焼結体の相対密度が５５〜７５体積％の範囲にあって、粗粉を多く含むものが好ましい。また前記焼結体の強度は、曲げ強度で３ＭＰａ以上あれば、取り扱い時や含浸中の割れの心配もなく、好ましい。
【００２５】
前記の多孔質炭化珪素焼結体を得る為の、原料炭化珪素（ＳｉＣ）粉については、粒度配合を行うことが好ましい。粗粉のみでは、強度発現に乏しく、微粉のみでは、高い熱伝導率は望めないからである。本発明者の検討によれば、例えば、＃３５０以上の粒径の炭化珪素粗粉４０〜８０質量％と、＃１０００以下の粒径の炭化珪素微粉を６０〜２０質量％とを混合して用いると良い。
【００２６】
成形品は、一般的に、脱脂、仮焼の工程を経て、プリフォーム（多孔質焼結体）となり、含浸操作に供される。そこで、前記の多孔質炭化珪素焼結体の強度を発現させるために、非酸化性雰囲気下或いは酸化性雰囲気下で焼成するが、その場合の焼成温度は、８５０℃以上であれば、３ＭＰａ以上の曲げ強度のプリフォームとすることができる。焼成温度が高い程、プリフォームの高強度が達成でき好ましいが、空気中で焼成する場合は炭化珪素（ＳｉＣ）が酸化する問題がある。空気中で１１００℃を超える温度で焼成すると、得られる複合体の熱伝導率が低下してしまう程に影響するので、空気中では１１００℃以下で焼成することが望ましい。
【００２７】
また、前記したように、プリフォームはセラミックス基板の位置決め用の凹みを有していた方が有利なので、射出成形や、乾式成形、湿式成形等、型を用いて成形する方法で得たものが好ましい。尚、押し出し成形の場合には、主面に凹みを設けるのは容易でないが、例えば凹みを溝状とすること、枠詰めの際の工夫等により位置決めの問題も軽減出来るので、同様に使用可能である。
【００２８】
プリフォームを収納する枠材は、Ａｌ合金溶湯を型枠内（室内）に導入するための湯口を有するもので、鉄が有効である。レーザー加工や打ち抜きプレスによって得られ、離型処理を施した後供される。離型処理は、微粉の黒鉛粉末が有効である。又、仕切板は、鉄又はステンレス板が好ましい。酸化防止処理を施した後、微粉黒鉛或いはＢＮを塗布するのが離型に対して極めて有効である。鉄又はステンレス板の厚みは、目的とする製品の厚みの規格に応じて選択すれば良く、製品の厚みバラツキを２０μｍ以下に抑えたければ、３ｍｍ以上の板、５０μｍ程度が許されるならば、０．３ｍｍ程度の薄さまで使用出来る。仕切板厚は、生産性に影響するので、この選択は重要である。
【００２９】
本発明に用いるセラミックス基板としては、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３等汎用のセラミックスが用いられるが、本発明の目的からして、高熱伝導性のセラミックスであることが好ましく、ＡｌＮやＳｉ３Ｎ４の窒化物セラミックスが好ましい。
【００３０】
本発明における金属層としては、プリフォーム中の空隙に含浸される金属と異なる組成のもの、より具体的には、前記含浸される金属よりも高融点のものであればあればどの様なものであっても構わないが、回路を形成することができ、しかも応力緩和性に優れるものが好ましい。プリフォームに含浸される金属としてＡｌ合金が選択されることから高純度Ａｌ箔が最も好ましい。高純度Ａｌ箔は、９８．５％以上の純度を有するＡｌ箔であれば、問題無く使用できるが、より高い信頼性を確保するとなると、９９．５％以上が好ましい。尚、回路としての厚みは、０．２〜０．５ｍｍ程度が一般的であるが、セラミックス基板がＡｌＮの場合は０．２〜０．４ｍｍ、Ｓｉ3Ｎ4の場合は０．３〜０．５ｍｍであることが、反りの量を小さく抑制できることから好ましい。
【００３１】
又、高純度Ａｌ箔は、回路材として用いる他、位置決め材としても使用できる。例えば、押し出し成形等でプリフォームを成形した場合、セラミックス基板配置用のキャビティの加工が困難なので、セラミック基板収納用のくり抜き穴を有する高純度Ａｌ箔を位置決め治具とし、この上に回路用の金属箔を配置するというやり方がある。この場合、Ａｌ合金溶湯の浸透を容易にするため位置決め用の高純度Ａｌ箔には、予め貫通穴を設けておくことが好ましい。さらに、回路用金属箔は、枠内でズレないということと、セラミックス基板を覆うという条件さえ満たせば、不要部分を切り取って使用しても構わない。
【００３２】
プリフォーム、セラミックス基板、高純度Ａｌ箔或いは板を、枠と仕切板で隔離された部屋内に収納したものを積層し、ネジで締め付けて含浸用のブロックとし、前記ブロックを予備加熱炉に入れ予熱するが、予備加熱温度としては、５７０℃以上であれば良いが、その上限は純Ａｌの融点以下である必要がある。本発明者の実験的検討によれば、プリフォームが多孔質炭化珪素焼結体であり、含浸する金属がアルミニウムを主成分とする金属、より具体的には、Ｓｉを１２質量％、Ｍｇを０．７質量％含有するアルミニウム合金であり、金属板として純Ａｌ板を用いる場合、６１０〜６５０℃が好ましい範囲である。５７０℃以下では含浸が不良の場合が生じるし、６５０℃以上の場合は純Ａｌ板の溶融の恐れがある。
【００３３】
予備加熱された、含浸用ブロックを、含浸用金型内に設置し、前記Ａｌ−Ｓｉ合金溶湯を金型内に注ぎ、パンチで加圧して合金溶湯と枠と仕切板で隔離された部屋内のプリフォームに含浸すると同時にセラミックス基板と高純度Ａｌ板の接合を完了させる。前記材質の組み合わせの場合、供給するＡｌ合金の湯温は７５０〜９００℃であれば問題ない。前記範囲よりも温度が低いと、含浸不良を生じることがあるし、高いときには、高純度Ａｌ板の融解が生じることがある。
【００３４】
含浸される金属については、他の材料、ことにセラミックス基板と多孔質炭化珪素焼結体とに接して配置される金属層よりも低融点であれば良いが、金属層が純Ａｌ箔であるときアルミニウムを主成分とする金属（Ａｌ合金）が選択される。また、Ａｌ合金は、多孔質炭化珪素焼結体中の空隙部に含浸させる上でも好ましい。
【００３５】
前記Ａｌ合金が好ましく選択される理由は、純Ａｌの融点以下で融解すること、炭化珪素粒子、セラミックス基板と充分に濡れて強固な結合を示すもの、そして純Ａｌ板と表面で融合し、脆い合金を生成しないものという条件を満たすので、本発明の目的を充分に達成できるからである。
【００３６】
前記Ａｌ合金としては、Ａｌ−Ｓｉ系合金が極めて一般的な材料であり、Ｓｉ量７質量％程度から２５質量％のものなら問題無く使用出来る。更に、前記Ａｌ−Ｓｉ系合金にＭｇを微量添加したものは、より強固なセラミックスとの結合が得られ、さらに好ましいものである。Ｍｇの量は、１質量％以下で充分な効果がある。尚、好ましくない不純物としては、Ｆｅが挙げられ、Ａｌ−ＳｉＣ複合体の著しい強度低下を招く為、１質量％以下に抑える必要がある。
【００３７】
含浸操作終了後は、冷却後、外周のＡｌ合金を切除し、内容物を分解し、表面についた離型材をバフ研磨、サンドブラスト等で除去することで、Ａｌ−ＳｉＣ複合体の一主面上にセラミックス基板が搭載されており、しかも両者の表面に回路用金属箔が接合されている基板が得られる。前記基板は、前記回路用金属箔よりエッチング等により回路を形成させるのみで、また、必要に応じて加工やメッキ処理を施して、半導体素子を始めとする各種の電子機器を搭載可能なベース板一体型セラミックス回路基板を容易に提供することができる。
【００３８】
また、前記基板を得る操作において、予めプリフォームの一主面上に複数のセラミックス基板を配置しておくのみで、一つのベース板に複数のセラミックス回路基板が搭載された基板を得ることができ、この基板は、更に一つのベース板上に複数のセラミックス回路基板を搭載した構造を有するモジュールを容易に提供でき、モジュールの高密度化に寄与するという利点がある。尚、前記いずれの場合においても、本発明のベース板一体型セラミックス回路基板は、その回路の表面とベース板表面上の金属層の表面とは同一平面上に形成されることとなる。
【００３９】
ベース板表面上の金属層はエッチング等の過程において一部或いは全て除去することも可能であるが、本発明者の検討によれば、通常の場合には回路より３ｍｍ以上、低電圧用途の場合は１ｍｍ以上離れた領域を除去することは単にエッチング量を増大するのみであり、回路特性の向上には寄与しない。
【００４０】
【実施例】
以下、実施例並びに比較例をあげて、本発明を一層詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００４１】
〔実施例１〕炭化珪素粉末Ａ（大平洋ランダム社製：ＮＧ−２２０、平均粒径：６０μｍ）７０ｇ、炭化珪素粉末Ｂ（屋久島電工社製：ＧＣ−１０００Ｆ、平均粒径：１０μｍ）３０ｇ、及びシリカゾル（日産化学社製：スノーテックス）１０ｇを秤取し、攪拌混合機で３０分間混合した後、中央部の片面に５０ｍｍ×５０ｍｍ×０．６ｍｍのキャビティを有する１１０ｍｍ×９０ｍｍ×４．６ｍｍの寸法の平板状に成形した。このとき成形時の圧力は１０ＭＰａとした。
【００４２】
得られた成形体を、大気中、温度９５０℃で２時間焼成して、相対密度（嵩密度）が６５体積％の多孔質炭化珪素焼結体を得た。
【００４３】
次に、得られた多孔質炭化珪素焼結体を、離型剤を塗布した０．７ｍｍ厚の仕切板上に置かれた、これも離型剤を塗布した図１の型枠（材質：炭素鋼）内に配置し、前記多孔質炭化珪素焼結体キャビティ内に５０×５０×０．６ｍｍの１７０Ｗ／ｍＫの特性を有する窒化アルミニウム基板を挿入した後、前記多孔質炭化珪素焼結体の外寸に等しい０．４ｍｍ厚の純アルミニウム箔をこの上に置いた。この状態で内容物の高さと枠高さが略等しくなる。これに離型剤を塗布した仕切板（前述の仕切板と同様のものでサイズは型枠外寸と同じ）を重ね、両端に６ｍｍ厚の鉄板を配した後、１０ｍｍφのボルト、ナットで固定して、一つのブロックを形成した。
【００４４】
次に、前記ブロックを電気炉で、温度６５０℃に予備加熱し、予め加熱しておいた内寸２５０ｍｍφ×３００ｍｍの空隙を有するプレス型内に載置した後、温度８５０℃に加熱してある、アルミニウム合金（１２質量％Ｓｉ−０．７質量％含有アルミニウム合金）の溶湯を流し込み、１００ＭＰａの圧力で１０分間プレスして、前記多孔質炭化珪素焼結体にアルミニウム合金を含浸させた。得られた複合体を含む金属塊は、室温まで冷却したのち、湿式バンドソーにて切断して型枠を取り出し、更に型枠内からベース板一体型セラミック基板を離型した（図２参照）。
【００４５】
前記ベース板一体型セラミック基板の表面についた離型剤を除去するため、＃２２０のバフロールを備えたバフ研磨機に通した。離型剤除去後、純アルミニウム箔表面に所望のパターンのエッチングレジストを印刷し、裏面及び側面はベタ塗りとし、塩化第２鉄溶液で不要部分を溶解した。さらに、含浸用のＡｌ合金導入口を切断し、放熱フィン取り付け用の穴加工を施した後、メッキ処理を行い、ベース板一体型セラミック回路基板を得た。尚、前記メッキは、無電解Ｎｉ−Ｐ；５μｍ、無電解Ｎｉ−Ｂ；２μｍの２層とした（図３参照）。尚、表面には、Ｎｉ−Ｐメッキ５μｍ、Ｎｉ−Ｂメッキ２μｍが施されている。また、この時点での反り量は、回路面が凹で約３０μｍであった。
【００４６】
次に、前記のベース板一体型セラミック回路基板の回路パターンに、１２ｍｍ角、厚さ０．４ｍｍのシリコンチップを半田付けし、冷熱サイクル試験を実施した。尚、冷熱サイクル試験の条件は、−４０℃；３０分、空気中；１０分、１２５℃；３０分、空気中１０分を１サイクルとした。１０００サイクル実施後、シリコンチップ下の半田部でのクラックの発生の有無、基板自体の割れ、回路の剥離等を詳細に観察したが、全く異常は認められなかった。
【００４７】
〔実施例２〕炭化珪素粉末Ａ（大平洋ランダム社製：ＮＧ−２２０、平均粒径：６０μｍ）７０ｇ、炭化珪素粉末Ｂ（屋久島電工社製：ＧＣ−１０００Ｆ、平均粒径：１０μｍ）３０ｇ、及びシリカゾル（日産化学社製：スノーテックス）１０ｇを秤取し、攪拌混合機で３０分間混合した後、１１０ｍｍ×９０ｍｍ×４ｍｍの形状に１０ＭＰａの圧力で成形した。
【００４８】
得られた成形体を、大気中、温度９５０℃で２時間加熱して、相対密度６５体積％の多孔質炭化珪素焼結体を得た。次に、前記の多孔質炭化珪素焼結体を、離型剤を塗布した０．７ｍｍ厚の仕切板上に置かれた、これも離型剤を塗布した図１の型枠（材質：炭素鋼）内に配置し、中央部に５０×５０の窓を有し、外寸が前記の多孔質炭化珪素焼結体の外寸に略等しい０．６ｍｍ厚の純アルミニウム箔をかさねた。次に前記純アルミニウム箔の窓部に５０×５０×０．６ｍｍの１７０Ｗ／ｍＫの特性をもつ窒化アルミニウム基板を挿入した後、前記多孔質炭化珪素焼結体外寸に略等しい外寸を有する０．４ｍｍ厚の純アルミニウム箔をこの上に置いた。この状態で内容物の高さと枠高さが略等しくなる（図４参照）。更に、離型剤を塗布した仕切板（前述の仕切板と同様のものでサイズは型枠外寸と同じ）を重ね、両面に６ｍｍ厚の鉄板を配した後、１０ｍｍφのボルト、ナットで固定して、一つのブロックを形成した。
【００４９】
以降の操作は、実施例１と同じ操作を行い、ベース板一体型セラミック回路基板を得た（図５参照）。表面は、Ｎｉ−Ｐメッキ５μｍ、Ｎｉ−Ｂメッキ２μｍが施されている。この時の反り量は、略０であった。
【００５０】
前記ベース板一体型回路基板の回路パターンに、１２ｍｍ角、厚さ０．４ｍｍのシリコンチップを半田付けし、実施例１に示した冷熱サイクル試験を実施したところ、１０００サイクル実施後、シリコンチップ下の半田部分のクラックの発生の有無、基板割れ、回路の剥離等を詳細に観察したが、全く異常は認められなかった。
【００５１】
〔比較例〕炭化珪素粉末Ａ（大平洋ランダム社製：ＮＧ−２２０、平均粒径：６０μｍ）７０ｇ、炭化珪素粉末Ｂ（屋久島電工社製：ＧＣ−１０００Ｆ、平均粒径：１０μｍ）３０ｇ、及びシリカゾル（日産化学社製：スノーテックス）１０ｇを秤取し、攪拌混合機で３０分間混合した後、１１０ｍｍ×９０ｍｍ×４．６ｍｍで中央部の片面に５０ｍｍ×５０ｍｍ×０．６ｍｍのキャビティを有する平板状に１０ＭＰａの圧力で成形した。
【００５２】
得られた成形体を、大気中、温度９５０℃で２時間加熱して、多孔質炭化珪素焼結体とした。得られた多孔質炭化珪素焼結体の相対密度は６５体積％であった。
【００５３】
次に、得られた多孔質炭化珪素焼結体を、離型剤を塗布した０．７ｍｍ厚の仕切板上に置かれた、これも離型剤を塗布した図１の型枠（材質：炭素鋼）内に配置し、多孔体のキャビティ部に５０×５０×０．６ｍｍの１７０Ｗ／ｍＫの窒化アルミニウム基板を挿入した。この状態で枠高さが内容物の高さよりも約０．４ｍｍ高い状態であった。これに離型剤を塗布した仕切板（前述の仕切板と同様のものでサイズは型枠外寸と同じ）を重ね、両面に６ｍｍ厚の鉄板を配した後、１０ｍｍφのボルト、ナットで固定して、一つのブロックを形成した。このとき、キャビティ内に置いた窒化アルミニウム基板がキャビティから脱離することが無いよう、基板側が常に上部に位置するよう注意しながら行った。
【００５４】
次に、セラミックス基板がキャビティから脱離しないように注意しながら、前記ブロックを電気炉で、温度６５０℃に予備加熱し、予め加熱しておいた内寸２５０ｍｍφ×３００ｍｍの空隙を有するプレス型内に載置した後、温度８５０℃に加熱してある、実施例１と同じアルミニウム合金の溶湯を流し込み、１００ＭＰａの圧力で１０分間プレスして、多孔質炭化珪素焼結体にアルミニウム合金を含浸させた。得られた複合体を含む金属塊は、室温まで冷却したのち、湿式バンドソーにて切断して型枠を取り出し、更に型枠内からベース板一体型セラミック基板を離型した。
【００５５】
以降、実施例１と同じ操作を行い、ベース板一体型セラミック回路基板を得た（図６参照）。金属の表面には、Ｎｉ−Ｐメッキ５μｍ、Ｎｉ−Ｂメッキ２μｍが施され、反り量は略０であった。
【００５６】
前記ベース板一体型セラミック回路基板の回路パターンに、１２ｍｍ角、厚さ０．４ｍｍのシリコンチップを半田付けし、実施例１に示す冷熱サイクル試験を実施したところ、５００サイクル実施後、セラミックス基板に貫通クラックが生じていた。
【００５７】
【発明の効果】
本発明のベース板一体型セラミックス回路基板の製造方法は、Ａｌ−ＳｉＣ複合体等の金属−セラミックス複合体を得る、高圧鍛造法やダイキャスト法などの高圧鋳造法を適用して、容易に、高い歩留まりで製造することが出来、また量産性に優れたものである。そして、本発明のベース板一体型セラミックス回路基板は、熱放散性が優れ、実用上許容される反り量を有していて、放熱フィン等への接合においても界面部の熱抵抗を増大することがないという特徴があり、放熱性に優れ、高信頼性のモジュールを容易に得ることができ、産業上非常に有用である。更に、本発明の電子機器搭載用基板は、その表面の金属層の一部をエッチングすることで、電子機器搭載可能な前記ベース板一体型セラミックス回路基板等を容易に提供でき、産業上非常に有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例、比較例において、含浸操作に用いた枠材の平面図。
【図２】本発明の実施例１係るベース板一体型セラミック基板（電子機器搭載用基板）の構造を説明するための断面図。
【図３】本発明の実施例１に係るベース板一体型セラミックス回路基板の構造を説明するための断面図。
【図４】本発明の実施例２における、含浸直前での各部材の配置を説明する図。
【図５】本発明の実施例２に係るベース板一体型セラミックス回路基板の構造を説明するための断面図。
【図６】比較例に係るベース板一体型セラミックス回路基板の構造を説明するための断面図。
【符号の説明】
１ ；枠材
２ ；溶湯導入部（湯口）
３ ；プリフォーム収納部
４ ；金属層（高純度アルミニウム箔）
５ ；セラミックス基板
６ ；金属−セラミックス複合体（Ａｌ−ＳｉＣ複合体）
７ ；回路（高純度アルミニウム箔）
８ ；高純度アルミニウム箔
９ ；高純度アルミニウム箔
１０ ；多孔質焼結体（プリフォーム：多孔質炭化珪素焼結体）
１１ ；含浸金属（Ａｌ−１２Ｓｉ−０．７Ｍｇ合金）
１２ ；回路（Ａｌ−１２Ｓｉ−０．７Ｍｇ合金）
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ａｌ（アルミニウム）−ＳｉＣ（炭化珪素）複合体からなるベース材と高熱伝導性セラミックス基板とが一体に形成されたベース板一体型セラミックス回路基板とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、産業機器の分野では、電動機用インバータとしての大電力モジュールの開発が進んでおり、従来公知の、チップを搭載した高熱伝導性セラミックス回路基板を銅ベースにはんだ付けした構造を有するものから、信頼性の向上を目的として種々の改良が図られている。
【０００３】
例えば、Ａｌ−ＳｉＣ複合体をベース材とし、Ａｌ回路付き窒化アルミニウム基板（以下、Ａｌ−ＳｉＣ複合体／Ａｌ回路付き窒化アルミニウム基板のように記す）をはんだ付けした構造である。
【０００４】
上記構造のものは、サーマルサイクル３０００回後でも、実用特性を維持しており、従来公知の銅ベース／銅回路付き窒化アルミニウム基板に比べ格段の信頼性を有しているものの、従来構造に比べると、熱抵抗が大きいためチップサイズを大きくする必要があること、またＡｌ−ＳｉＣ複合体が高価であるためにモジュールコストが高くなること等の問題があり充分に普及するに至っていない。
【０００５】
以上の状況から、信頼性の向上を目的とする更なる検討が行われているが、その中に、Ａｌ−ＳｉＣ複合体を製造する際に、前記Ａｌ−ＳｉＣ複合体とセラミックス基板或いはセラミックス回路基板との一体化を図るという考えがある。
【０００６】
上記の考え方の利点は二つあり、一つは、半田を使用しないことで熱抵抗の低減が図れること、他の一つは、セラミックスへの金属接合の工程が削減出来る点である。
【０００７】
しかしながら、上記考えに基づいてはいても、従来公知のものは、ベース板とセラミックス基板とを接合する際に互いに複雑な形状とする必要がある等、非常に製造し難い、或いは、量産性に問題のある構造のものに限られていた。又、比較的製造容易と判断されるものの場合には、実使用下での熱履歴を受け放熱特性や電気特性が容易に劣化してしまい、高信頼性の特性が確保できないという問題がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者は、上記の事情に鑑みて、いろいろ実験的に検討した結果、驚くべきことに、特定金属層を特定な配置でセラミックス基板と多孔質炭化珪素焼結体とに積層した積層体を原料に用いて、従来からのＡｌ−ＳｉＣ複合体を製造する工程を適用するだけで、熱サイクルを被っても耐性があり、従って信頼性に優れるベース板一体型セラミックス回路基板を得ることができる、という知見を得て本発明に至ったものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、一主面に凹部を有する又は有していないベース板と、前記ベース板の前記主面上に配置され、前記ベース板よりも小さいセラミックス基板と、前記ベース板と前記セラミックス基板の両者を覆うように設けられた金属層とからなり、前記金属層のベース板及びセラミックス基板に接しない面が平面状であって、しかも、前記ベース板が金属−セラミックス複合体であり、前記複合体中の金属と前記金属層とが異なる組成であることを特徴とする電子機器搭載用基板であり、好ましくは、セラミックス基板が複数であることを特徴とする前記の電子機器搭載用基板である。
【００１０】
また、本発明は、前記の電子機器搭載用基板の金属層より回路形成してなることを特徴とするベース板一体型セラミックス回路基板であり、或いは、一主面上に回路を有するセラミックス回路基板と、該セラミックス回路基板の回路を設けていない主面に接して設けられているベース板とからなるベース板一体型セラミックス回路基板であって、前記回路表面と前記ベース板のセラミックス基板が搭載されセラミックス基板を設けていない面の高さが同一であり、しかも、前記ベース板の金属と前記金属層とが異なる組成であることを特徴とするベース板一体型セラミックス回路基板であり、好ましくは、ベース板が、多孔質炭化珪素焼結体にアルミニウムを主成分とする金属を含浸してなる複合体であることを特徴とする前記のベース板一体型セラミックス回路基板であり、更に好ましくは、回路を形成する金属が、ベース板を構成する複合体のアルミニウムを主成分とする金属よりも高融点であることを特徴とする前記のベース板一体型セラミックス回路基板である。
【００１１】
また、本発明は、一主面に凹部を有する又は有していない多孔質炭化珪素焼結体の前記主面上にセラミックス基板を配置し、更に前記多孔質炭化珪素焼結体とセラミックス基板との両者を覆うように金属箔を配置して積層体となし、前記積層体を加圧容器内に配置し、アルミニウムを主成分とする金属を高圧鋳造して、前記多孔質炭化珪素焼結体の空隙に前記アルミニウムを主成分とする金属を含浸すると共に、前記金属層を多孔質炭化珪素焼結体並びにセラミックス基板と一体化させることを特徴とする電子機器搭載用基板の製造方法であり、加えて、前記操作後に前記金属層より回路形成することを特徴とするベース板一体型セラミックス回路基板の製造方法である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
まず、ベース板となる金属−セラミックス複合体とその製法について、Ａｌ−ＳｉＣ複合体の場合を例にして説明する。
金属−セラミックス複合体の製法については、大別すると含浸法と粉末冶金法の２種がある。このうち粉末冶金による方法は特性面で充分なものが得られておらず、検討段階といえる。実際に商品化されているのは、含浸法によるものである。含浸法にも種々あり、常圧でおこなうものと、高圧下で行うタイプ（高圧鋳造法）のものがある。高圧下で行うタイプのものは、更に、溶湯鍛造法とダイキャスト法とがある。
【００１３】
本発明に適用できる方法は、高圧下で行うタイプのものであり、具体的には、溶湯鍛造法とダイキャスト法で複合体を得る製法に関するものである。溶湯鍛造にしろ、ダイキャストにしろ、最終形状、或いは、ほぼ最終形状に近い形をした型、或いは、枠と板で構成された型内（或いは部屋内）に、ある程度の強度を有する多孔質焼結体（プリフォーム）を装填し、これにＡｌ或いはＡｌ合金の溶湯（以下、Ａｌ溶湯という）を高圧で含浸させて複合体を得る方法である。
【００１４】
従って、この操作を行う際にセラミックス板の接合と回路用金属層の接合或いは形成を行えば、より安価にセラミックスを接合した回路基板の前駆体を得ることが可能である。これに関しても種々の提案があるが、前述の如く、特性、生産性の両者を満足するものは見あたらないのが現状である。
【００１５】
Ａｌ溶湯をプリフォームに含浸する際に一体構造を形成する場合、従来の例では、(1)セラミックス回路基板をプリフォームと接触配置し、これにＡｌ溶湯をプリフォームに含浸させながらセラミックスとの接合を行う、(2)セラミックスをプリフォームに接触配置し、Ａｌ溶湯でプリフォームに含浸しながら、セラミックスとの接合を行いながら回路となる金属層も形成する方法が知られている。
【００１６】
(1)の方法の場合は、予めセラミックスに回路金属を接合するという工程が必要になり、コスト的に不利である。これを解消するのが、(2)の方法であるが、これには特性上の問題がある、それは、回路用金属層となる金属が含浸される金属（以下、含浸金属という）である点である。
【００１７】
一般に含浸金属は、取り扱いの容易さからとプリフォーム（例えばＳｉＣ）との濡れの観点からアルミニウムを主成分とする金属（以下、Ａｌ合金という）、一般的には、Ａｌ−Ｓｉ合金やＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ合金が用いられている。そして、Ｓｉの量は、７から２０質量％が一般的である。従ってこれらを回路用金属層とした場合、二つの問題がある。一つは、熱伝導率の優れたＡｌＮをセラミックス基板したときに、Ａｌ合金の降伏耐力が大きいため、回路基板として実用に供した際の冷熱サイクルによって、セラミックス基板に割れを生じる点である。これは、若干熱伝導性は劣るが、高強度、高靱性を有する窒化ケイ素セラミックスを使用することで解決できるが他の一つの問題点の解決には至らない。他の一つの問題点とは、モジュールが実使用下において電子部品と回路とを接合する半田部分にクラック（以下半田クラックという）生じることがあるという問題である。半田クラックも冷熱サイクルによって発生するが、これも、Ａｌ合金の降伏耐力が大きく、Ａｌ合金とシリコンチップの熱膨張差によって発生する応力緩和を、主として半田の組成変形によって行う為に発生する。従って、回路用金属層を、降伏耐力の小さな高純度のＡｌとすることで解決可能だが、高純度Ａｌを含浸金属とした場合には、ＳｉＣとの濡れが悪く複合体としての特性に問題を生じることがある。同時に、セラミックス基板との接合も不十分で冷熱サイクル中に、セラミックスと金属との剥離が発生することもある。
【００１８】
本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、以下の構造とすることで、比較的容易に製造可能で、精度良く、その結果安価にＡｌ−ＳｉＣベース一体型構造のセラミックス回路基板が得られることを見出し、本発明に至ったものである。
【００１９】
本発明は、プリフォームにＡｌ合金を含浸する際に、Ａｌ合金の溶湯がプリフォーム中に含浸し易いように予備加熱を行うのが一般的であるが、この予備加熱の際に、高純度のＡｌ箔がプリフォームと同時に存在していても該高純度Ａｌ箔は溶融しないということ、さらに、これにＡｌ合金を接触させても高純度Ａｌ箔は投入した形態を保っているということを発見したことに基づいている。本発明者は、前記の事実に基づき、プリフォームにセッラミクス基板を接触配置し、さらに、これに高純度Ａｌ箔を接触配置した後、予備加熱しＡｌ合金溶湯を高圧で含浸することで、そして、前記高純度Ａｌ箔からエッチング等の従来公知の方法で回路を形成することで、一定厚みの高純度Ａｌからなる回路が接合されているベース板一体型セラミックス回路基板を得ることができ、本発明に至ったのである。
【００２０】
更に驚くべきことに、こうして得られたベース板一体型セラミックス回路基板は、実用上極めて有用な特性を有することが判明した。Ａｌ−ＳｉＣ複合体の板の熱膨張係数は、複合体中のＳｉＣ体積百分率によって決まり、６〜９ｐｐｍ／Ｋ程度が一般的である。従って、これにＡｌＮ（窒化アルミニウム）やＳｉ3Ｎ4（窒化珪素）の如き低熱膨張率のセラミックス基板を半田付けやロウ付けすると、セラッミクス側を凸とする大きな反りを生じる。この反りは、これを放熱フィン等にネジ締めして固定する際に、ベース板と放熱フィン間に隙間を生じ、伝熱の妨げとなる。このため、何らかの方法で予めベース板に放熱フィン等との接合面が平坦或いは凹状の若干の反りを付与しておく必要があった。しかしながら、本発明のベース板一体型セラミックス回路基板は、表面の回路を構成するＡｌが高純度であり、従って熱膨張率が大きいので、４．５ｐｐｍ／Ｋの熱膨張率を有するＡｌＮの場合は、略フラット、熱膨張率が３ｐｐｍ／ＫのＳｉ3Ｎ4の場合は、若干、回路を凸とする反りを生じることになるが、前記の反りの程度は、モジュール組立工程で回路側を凹とする反りに変化しうる程度のものであり、実用上極めて好ましい特性を発現する。
【００２１】
以下、本発明について、溶湯鍛造法による場合を例にして、詳述する。
先ず、Ａｌ−ＳｉＣ複合体の製造方法を説明すると、ＳｉＣ粉を成形、仮焼してプリフォームを得て、表面が離型処理された仕切板上に置き、次に、内寸が最終形状になるようくり抜かれた枠状の型内にセットする。これを幾段も重ね終端を厚板で挟み、全体をネジで締め付け含浸用ブロックを形成する。この含浸用ブロックを予備加熱した後、含浸金型内に配置、ブロックの温度低下を防ぐため出来るだけ速やかにＡｌ合金溶湯を金型内に注ぎ、パンチで含浸金型内のＡｌ合金溶湯を加圧し、Ａｌ合金を枠状の型内に置いたプリフォーム中に含浸するといった手順で、Ａｌ−ＳｉＣ複合体が形成される。
【００２２】
この工程のなかで、プリフォームを枠状の型内にセットする際に、更に、セラミックス基板と高純度Ａｌ箔とを挿入すれば、通常のＡｌ−ＳｉＣ複合体を得る操作と全く同じ操作でベース板とセラミックス回路基板とが一体に接合されたベース一体型セラミックスが得られる。
【００２３】
前記操作において、プリフォームの一主面にセラミックス基板がピッタリと収まる様な、凹み（キャビティー）を設けておけば、正確な位置決めができて、回路化の時に好都合である。さらに、回路用の金属箔は、外寸を枠の内寸と同じにしておけば、後の取り扱いでズレを生じることがなく、後工程での位置あわせ等が不要となる。
【００２４】
本発明において、使用する多孔質炭化珪素焼結体（プリフォーム）については、特殊な制限を設ける必要はなく、どのようなものでも使用することができるが、次に記載するように、特定の特性を有するものを選択することが好ましい。即ち、Ａｌ−ＳｉＣ複合体の特性の中で特に重要な特性は、熱伝導率と熱膨張率である。この両特性共、複合体中の炭化珪素（ＳｉＣ）含有率の高い方が好ましい方向であるが、あまりにも高いものは含浸操作が容易でなくなる。実用的には、多孔質炭化珪素焼結体の相対密度が５５〜７５体積％の範囲にあって、粗粉を多く含むものが好ましい。また前記焼結体の強度は、曲げ強度で３ＭＰａ以上あれば、取り扱い時や含浸中の割れの心配もなく、好ましい。
【００２５】
前記の多孔質炭化珪素焼結体を得る為の、原料炭化珪素（ＳｉＣ）粉については、粒度配合を行うことが好ましい。粗粉のみでは、強度発現に乏しく、微粉のみでは、高い熱伝導率は望めないからである。本発明者の検討によれば、例えば、＃３５０以上の粒径の炭化珪素粗粉４０〜８０質量％と、＃１０００以下の粒径の炭化珪素微粉を６０〜２０質量％とを混合して用いると良い。
【００２６】
成形品は、一般的に、脱脂、仮焼の工程を経て、プリフォーム（多孔質焼結体）となり、含浸操作に供される。そこで、前記の多孔質炭化珪素焼結体の強度を発現させるために、非酸化性雰囲気下或いは酸化性雰囲気下で焼成するが、その場合の焼成温度は、８５０℃以上であれば、３ＭＰａ以上の曲げ強度のプリフォームとすることができる。焼成温度が高い程、プリフォームの高強度が達成でき好ましいが、空気中で焼成する場合は炭化珪素（ＳｉＣ）が酸化する問題がある。空気中で１１００℃を超える温度で焼成すると、得られる複合体の熱伝導率が低下してしまう程に影響するので、空気中では１１００℃以下で焼成することが望ましい。
【００２７】
また、前記したように、プリフォームはセラミックス基板の位置決め用の凹みを有していた方が有利なので、射出成形や、乾式成形、湿式成形等、型を用いて成形する方法で得たものが好ましい。尚、押し出し成形の場合には、主面に凹みを設けるのは容易でないが、例えば凹みを溝状とすること、枠詰めの際の工夫等により位置決めの問題も軽減出来るので、同様に使用可能である。
【００２８】
プリフォームを収納する枠材は、Ａｌ合金溶湯を型枠内（室内）に導入するための湯口を有するもので、鉄が有効である。レーザー加工や打ち抜きプレスによって得られ、離型処理を施した後供される。離型処理は、微粉の黒鉛粉末が有効である。又、仕切板は、鉄又はステンレス板が好ましい。酸化防止処理を施した後、微粉黒鉛或いはＢＮを塗布するのが離型に対して極めて有効である。鉄又はステンレス板の厚みは、目的とする製品の厚みの規格に応じて選択すれば良く、製品の厚みバラツキを２０μｍ以下に抑えたければ、３ｍｍ以上の板、５０μｍ程度が許されるならば、０．３ｍｍ程度の薄さまで使用出来る。仕切板厚は、生産性に影響するので、この選択は重要である。
【００２９】
本発明に用いるセラミックス基板としては、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３等汎用のセラミックスが用いられるが、本発明の目的からして、高熱伝導性のセラミックスであることが好ましく、ＡｌＮやＳｉ３Ｎ４の窒化物セラミックスが好ましい。
【００３０】
本発明における金属層としては、プリフォーム中の空隙に含浸される金属と異なる組成のもの、より具体的には、前記含浸される金属よりも高融点のものであればあればどの様なものであっても構わないが、回路を形成することができ、しかも応力緩和性に優れるものが好ましい。プリフォームに含浸される金属としてＡｌ合金が選択されることから高純度Ａｌ箔が最も好ましい。高純度Ａｌ箔は、９８．５％以上の純度を有するＡｌ箔であれば、問題無く使用できるが、より高い信頼性を確保するとなると、９９．５％以上が好ましい。尚、回路としての厚みは、０．２〜０．５ｍｍ程度が一般的であるが、セラミックス基板がＡｌＮの場合は０．２〜０．４ｍｍ、Ｓｉ3Ｎ4の場合は０．３〜０．５ｍｍであることが、反りの量を小さく抑制できることから好ましい。
【００３１】
又、高純度Ａｌ箔は、回路材として用いる他、位置決め材としても使用できる。例えば、押し出し成形等でプリフォームを成形した場合、セラミックス基板配置用のキャビティの加工が困難なので、セラミック基板収納用のくり抜き穴を有する高純度Ａｌ箔を位置決め治具とし、この上に回路用の金属箔を配置するというやり方がある。この場合、Ａｌ合金溶湯の浸透を容易にするため位置決め用の高純度Ａｌ箔には、予め貫通穴を設けておくことが好ましい。さらに、回路用金属箔は、枠内でズレないということと、セラミックス基板を覆うという条件さえ満たせば、不要部分を切り取って使用しても構わない。
【００３２】
プリフォーム、セラミックス基板、高純度Ａｌ箔或いは板を、枠と仕切板で隔離された部屋内に収納したものを積層し、ネジで締め付けて含浸用のブロックとし、前記ブロックを予備加熱炉に入れ予熱するが、予備加熱温度としては、５７０℃以上であれば良いが、その上限は純Ａｌの融点以下である必要がある。本発明者の実験的検討によれば、プリフォームが多孔質炭化珪素焼結体であり、含浸する金属がアルミニウムを主成分とする金属、より具体的には、Ｓｉを１２質量％、Ｍｇを０．７質量％含有するアルミニウム合金であり、金属板として純Ａｌ板を用いる場合、６１０〜６５０℃が好ましい範囲である。５７０℃以下では含浸が不良の場合が生じるし、６５０℃以上の場合は純Ａｌ板の溶融の恐れがある。
【００３３】
予備加熱された、含浸用ブロックを、含浸用金型内に設置し、前記Ａｌ−Ｓｉ合金溶湯を金型内に注ぎ、パンチで加圧して合金溶湯と枠と仕切板で隔離された部屋内のプリフォームに含浸すると同時にセラミックス基板と高純度Ａｌ板の接合を完了させる。前記材質の組み合わせの場合、供給するＡｌ合金の湯温は７５０〜９００℃であれば問題ない。前記範囲よりも温度が低いと、含浸不良を生じることがあるし、高いときには、高純度Ａｌ板の融解が生じることがある。
【００３４】
含浸される金属については、他の材料、ことにセラミックス基板と多孔質炭化珪素焼結体とに接して配置される金属層よりも低融点であれば良いが、金属層が純Ａｌ箔であるときアルミニウムを主成分とする金属（Ａｌ合金）が選択される。また、Ａｌ合金は、多孔質炭化珪素焼結体中の空隙部に含浸させる上でも好ましい。
【００３５】
前記Ａｌ合金が好ましく選択される理由は、純Ａｌの融点以下で融解すること、炭化珪素粒子、セラミックス基板と充分に濡れて強固な結合を示すもの、そして純Ａｌ板と表面で融合し、脆い合金を生成しないものという条件を満たすので、本発明の目的を充分に達成できるからである。
【００３６】
前記Ａｌ合金としては、Ａｌ−Ｓｉ系合金が極めて一般的な材料であり、Ｓｉ量７質量％程度から２５質量％のものなら問題無く使用出来る。更に、前記Ａｌ−Ｓｉ系合金にＭｇを微量添加したものは、より強固なセラミックスとの結合が得られ、さらに好ましいものである。Ｍｇの量は、１質量％以下で充分な効果がある。尚、好ましくない不純物としては、Ｆｅが挙げられ、Ａｌ−ＳｉＣ複合体の著しい強度低下を招く為、１質量％以下に抑える必要がある。
【００３７】
含浸操作終了後は、冷却後、外周のＡｌ合金を切除し、内容物を分解し、表面についた離型材をバフ研磨、サンドブラスト等で除去することで、Ａｌ−ＳｉＣ複合体の一主面上にセラミックス基板が搭載されており、しかも両者の表面に回路用金属箔が接合されている基板が得られる。前記基板は、前記回路用金属箔よりエッチング等により回路を形成させるのみで、また、必要に応じて加工やメッキ処理を施して、半導体素子を始めとする各種の電子機器を搭載可能なベース板一体型セラミックス回路基板を容易に提供することができる。
【００３８】
また、前記基板を得る操作において、予めプリフォームの一主面上に複数のセラミックス基板を配置しておくのみで、一つのベース板に複数のセラミックス回路基板が搭載された基板を得ることができ、この基板は、更に一つのベース板上に複数のセラミックス回路基板を搭載した構造を有するモジュールを容易に提供でき、モジュールの高密度化に寄与するという利点がある。尚、前記いずれの場合においても、本発明のベース板一体型セラミックス回路基板は、その回路の表面とベース板表面上の金属層の表面とは同一平面上に形成されることとなる。
【００３９】
ベース板表面上の金属層はエッチング等の過程において一部或いは全て除去することも可能であるが、本発明者の検討によれば、通常の場合には回路より３ｍｍ以上、低電圧用途の場合は１ｍｍ以上離れた領域を除去することは単にエッチング量を増大するのみであり、回路特性の向上には寄与しない。
【００４０】
【実施例】
以下、実施例並びに比較例をあげて、本発明を一層詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００４１】
〔実施例１〕炭化珪素粉末Ａ（大平洋ランダム社製：ＮＧ−２２０、平均粒径：６０μｍ）７０ｇ、炭化珪素粉末Ｂ（屋久島電工社製：ＧＣ−１０００Ｆ、平均粒径：１０μｍ）３０ｇ、及びシリカゾル（日産化学社製：スノーテックス）１０ｇを秤取し、攪拌混合機で３０分間混合した後、中央部の片面に５０ｍｍ×５０ｍｍ×０．６ｍｍのキャビティを有する１１０ｍｍ×９０ｍｍ×４．６ｍｍの寸法の平板状に成形した。このとき成形時の圧力は１０ＭＰａとした。
【００４２】
得られた成形体を、大気中、温度９５０℃で２時間焼成して、相対密度（嵩密度）が６５体積％の多孔質炭化珪素焼結体を得た。
【００４３】
次に、得られた多孔質炭化珪素焼結体を、離型剤を塗布した０．７ｍｍ厚の仕切板上に置かれた、これも離型剤を塗布した図１の型枠（材質：炭素鋼）内に配置し、前記多孔質炭化珪素焼結体キャビティ内に５０×５０×０．６ｍｍの１７０Ｗ／ｍＫの特性を有する窒化アルミニウム基板を挿入した後、前記多孔質炭化珪素焼結体の外寸に等しい０．４ｍｍ厚の純アルミニウム箔をこの上に置いた。この状態で内容物の高さと枠高さが略等しくなる。これに離型剤を塗布した仕切板（前述の仕切板と同様のものでサイズは型枠外寸と同じ）を重ね、両端に６ｍｍ厚の鉄板を配した後、１０ｍｍφのボルト、ナットで固定して、一つのブロックを形成した。
【００４４】
次に、前記ブロックを電気炉で、温度６５０℃に予備加熱し、予め加熱しておいた内寸２５０ｍｍφ×３００ｍｍの空隙を有するプレス型内に載置した後、温度８５０℃に加熱してある、アルミニウム合金（１２質量％Ｓｉ−０．７質量％含有アルミニウム合金）の溶湯を流し込み、１００ＭＰａの圧力で１０分間プレスして、前記多孔質炭化珪素焼結体にアルミニウム合金を含浸させた。得られた複合体を含む金属塊は、室温まで冷却したのち、湿式バンドソーにて切断して型枠を取り出し、更に型枠内からベース板一体型セラミック基板を離型した（図２参照）。
【００４５】
前記ベース板一体型セラミック基板の表面についた離型剤を除去するため、＃２２０のバフロールを備えたバフ研磨機に通した。離型剤除去後、純アルミニウム箔表面に所望のパターンのエッチングレジストを印刷し、裏面及び側面はベタ塗りとし、塩化第２鉄溶液で不要部分を溶解した。さらに、含浸用のＡｌ合金導入口を切断し、放熱フィン取り付け用の穴加工を施した後、メッキ処理を行い、ベース板一体型セラミック回路基板を得た。尚、前記メッキは、無電解Ｎｉ−Ｐ；５μｍ、無電解Ｎｉ−Ｂ；２μｍの２層とした（図３参照）。尚、表面には、Ｎｉ−Ｐメッキ５μｍ、Ｎｉ−Ｂメッキ２μｍが施されている。また、この時点での反り量は、回路面が凹で約３０μｍであった。
【００４６】
次に、前記のベース板一体型セラミック回路基板の回路パターンに、１２ｍｍ角、厚さ０．４ｍｍのシリコンチップを半田付けし、冷熱サイクル試験を実施した。尚、冷熱サイクル試験の条件は、−４０℃；３０分、空気中；１０分、１２５℃；３０分、空気中１０分を１サイクルとした。１０００サイクル実施後、シリコンチップ下の半田部でのクラックの発生の有無、基板自体の割れ、回路の剥離等を詳細に観察したが、全く異常は認められなかった。
【００４７】
〔実施例２〕炭化珪素粉末Ａ（大平洋ランダム社製：ＮＧ−２２０、平均粒径：６０μｍ）７０ｇ、炭化珪素粉末Ｂ（屋久島電工社製：ＧＣ−１０００Ｆ、平均粒径：１０μｍ）３０ｇ、及びシリカゾル（日産化学社製：スノーテックス）１０ｇを秤取し、攪拌混合機で３０分間混合した後、１１０ｍｍ×９０ｍｍ×４ｍｍの形状に１０ＭＰａの圧力で成形した。
【００４８】
得られた成形体を、大気中、温度９５０℃で２時間加熱して、相対密度６５体積％の多孔質炭化珪素焼結体を得た。次に、前記の多孔質炭化珪素焼結体を、離型剤を塗布した０．７ｍｍ厚の仕切板上に置かれた、これも離型剤を塗布した図１の型枠（材質：炭素鋼）内に配置し、中央部に５０×５０の窓を有し、外寸が前記の多孔質炭化珪素焼結体の外寸に略等しい０．６ｍｍ厚の純アルミニウム箔をかさねた。次に前記純アルミニウム箔の窓部に５０×５０×０．６ｍｍの１７０Ｗ／ｍＫの特性をもつ窒化アルミニウム基板を挿入した後、前記多孔質炭化珪素焼結体外寸に略等しい外寸を有する０．４ｍｍ厚の純アルミニウム箔をこの上に置いた。この状態で内容物の高さと枠高さが略等しくなる（図４参照）。更に、離型剤を塗布した仕切板（前述の仕切板と同様のものでサイズは型枠外寸と同じ）を重ね、両面に６ｍｍ厚の鉄板を配した後、１０ｍｍφのボルト、ナットで固定して、一つのブロックを形成した。
【００４９】
以降の操作は、実施例１と同じ操作を行い、ベース板一体型セラミック回路基板を得た（図５参照）。表面は、Ｎｉ−Ｐメッキ５μｍ、Ｎｉ−Ｂメッキ２μｍが施されている。この時の反り量は、略０であった。
【００５０】
前記ベース板一体型回路基板の回路パターンに、１２ｍｍ角、厚さ０．４ｍｍのシリコンチップを半田付けし、実施例１に示した冷熱サイクル試験を実施したところ、１０００サイクル実施後、シリコンチップ下の半田部分のクラックの発生の有無、基板割れ、回路の剥離等を詳細に観察したが、全く異常は認められなかった。
【００５１】
〔比較例〕炭化珪素粉末Ａ（大平洋ランダム社製：ＮＧ−２２０、平均粒径：６０μｍ）７０ｇ、炭化珪素粉末Ｂ（屋久島電工社製：ＧＣ−１０００Ｆ、平均粒径：１０μｍ）３０ｇ、及びシリカゾル（日産化学社製：スノーテックス）１０ｇを秤取し、攪拌混合機で３０分間混合した後、１１０ｍｍ×９０ｍｍ×４．６ｍｍで中央部の片面に５０ｍｍ×５０ｍｍ×０．６ｍｍのキャビティを有する平板状に１０ＭＰａの圧力で成形した。
【００５２】
得られた成形体を、大気中、温度９５０℃で２時間加熱して、多孔質炭化珪素焼結体とした。得られた多孔質炭化珪素焼結体の相対密度は６５体積％であった。
【００５３】
次に、得られた多孔質炭化珪素焼結体を、離型剤を塗布した０．７ｍｍ厚の仕切板上に置かれた、これも離型剤を塗布した図１の型枠（材質：炭素鋼）内に配置し、多孔体のキャビティ部に５０×５０×０．６ｍｍの１７０Ｗ／ｍＫの窒化アルミニウム基板を挿入した。この状態で枠高さが内容物の高さよりも約０．４ｍｍ高い状態であった。これに離型剤を塗布した仕切板（前述の仕切板と同様のものでサイズは型枠外寸と同じ）を重ね、両面に６ｍｍ厚の鉄板を配した後、１０ｍｍφのボルト、ナットで固定して、一つのブロックを形成した。このとき、キャビティ内に置いた窒化アルミニウム基板がキャビティから脱離することが無いよう、基板側が常に上部に位置するよう注意しながら行った。
【００５４】
次に、セラミックス基板がキャビティから脱離しないように注意しながら、前記ブロックを電気炉で、温度６５０℃に予備加熱し、予め加熱しておいた内寸２５０ｍｍφ×３００ｍｍの空隙を有するプレス型内に載置した後、温度８５０℃に加熱してある、実施例１と同じアルミニウム合金の溶湯を流し込み、１００ＭＰａの圧力で１０分間プレスして、多孔質炭化珪素焼結体にアルミニウム合金を含浸させた。得られた複合体を含む金属塊は、室温まで冷却したのち、湿式バンドソーにて切断して型枠を取り出し、更に型枠内からベース板一体型セラミック基板を離型した。
【００５５】
以降、実施例１と同じ操作を行い、ベース板一体型セラミック回路基板を得た（図６参照）。金属の表面には、Ｎｉ−Ｐメッキ５μｍ、Ｎｉ−Ｂメッキ２μｍが施され、反り量は略０であった。
【００５６】
前記ベース板一体型セラミック回路基板の回路パターンに、１２ｍｍ角、厚さ０．４ｍｍのシリコンチップを半田付けし、実施例１に示す冷熱サイクル試験を実施したところ、５００サイクル実施後、セラミックス基板に貫通クラックが生じていた。
【００５７】
【発明の効果】
本発明のベース板一体型セラミックス回路基板の製造方法は、Ａｌ−ＳｉＣ複合体等の金属−セラミックス複合体を得る、高圧鍛造法やダイキャスト法などの高圧鋳造法を適用して、容易に、高い歩留まりで製造することが出来、また量産性に優れたものである。そして、本発明のベース板一体型セラミックス回路基板は、熱放散性が優れ、実用上許容される反り量を有していて、放熱フィン等への接合においても界面部の熱抵抗を増大することがないという特徴があり、放熱性に優れ、高信頼性のモジュールを容易に得ることができ、産業上非常に有用である。更に、本発明の電子機器搭載用基板は、その表面の金属層の一部をエッチングすることで、電子機器搭載可能な前記ベース板一体型セラミックス回路基板等を容易に提供でき、産業上非常に有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例、比較例において、含浸操作に用いた枠材の平面図。
【図２】本発明の実施例１係るベース板一体型セラミック基板（電子機器搭載用基板）の構造を説明するための断面図。
【図３】本発明の実施例１に係るベース板一体型セラミックス回路基板の構造を説明するための断面図。
【図４】本発明の実施例２における、含浸直前での各部材の配置を説明する図。
【図５】本発明の実施例２に係るベース板一体型セラミックス回路基板の構造を説明するための断面図。
【図６】比較例に係るベース板一体型セラミックス回路基板の構造を説明するための断面図。
【符号の説明】
１ ；枠材
２ ；溶湯導入部（湯口）
３ ；プリフォーム収納部
４ ；金属層（高純度アルミニウム箔）
５ ；セラミックス基板
６ ；金属−セラミックス複合体（Ａｌ−ＳｉＣ複合体）
７ ；回路（高純度アルミニウム箔）
８ ；高純度アルミニウム箔
９ ；高純度アルミニウム箔
１０ ；多孔質焼結体（プリフォーム：多孔質炭化珪素焼結体）
１１ ；含浸金属（Ａｌ−１２Ｓｉ−０．７Ｍｇ合金）
１２ ；回路（Ａｌ−１２Ｓｉ−０．７Ｍｇ合金）
Claims (7)
- 一主面に凹部を有する又は有していないベース板と、前記ベース板の前記主面上に配置され、前記ベース板よりも小さいセラミックス基板と、前記ベース板と前記セラミックス基板の両者を覆うように設けられた金属層とからなり、前記金属層のベース板及びセラミックス基板に接しない面が平面状であって、しかも、前記ベース板が金属−セラミックス複合体であり、前記複合体中の金属と前記金属層とが異なる組成であることを特徴とする電子機器搭載用基板。
- セラミックス基板が複数であることを特徴とする請求項１記載の電子機器搭載用基板。
- 請求項１又は請求項２記載の電子機器搭載用基板の金属層より回路形成してなることを特徴とするベース板一体型セラミックス回路基板。
- ベース板が、多孔質炭化珪素焼結体にアルミニウムを主成分とする金属を含浸してなる複合体であることを特徴とする請求項３記載のベース板一体型セラミックス回路基板。
- 回路を形成する金属が、ベース板を構成する複合体のアルミニウムを主成分とする金属よりも高融点であることを特徴とする請求項４記載のベース板一体型セラミックス回路基板。
- 一主面に凹部を有する又は有していない多孔質炭化珪素焼結体の前記主面上にセラミックス基板を配置し、更に前記多孔質炭化珪素焼結体とセラミックス基板との両者を覆うように金属箔を配置して積層体となし、前記積層体を加圧容器内に配置し、アルミニウムを主成分とする金属を高圧鋳造して、前記多孔質炭化珪素焼結体の空隙に前記アルミニウムを主成分とする金属を含浸すると共に、前記金属層を多孔質炭化珪素焼結体並びにセラミックス基板と一体化させることを特徴とする電子機器搭載用基板の製造方法。
- 一主面に凹部を有する又は有していない多孔質炭化珪素焼結体の前記主面上にセラミックス基板を配置し、更に前記多孔質炭化珪素焼結体とセラミックス基板との両者を覆うように金属箔を配置して積層体となし、前記積層体を加圧容器内に配置し、アルミニウムを主成分とする金属を高圧鋳造して、前記多孔質炭化珪素成型体の空隙に前記アルミニウムを主成分とする金属を含浸すると共に、前記金属層を多孔質炭化珪素焼結体並びにセラミックス基板と一体化させ、その後前記金属層より回路形成することを特徴とするベース板一体型セラミックス回路基板の製造方法。
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