JP4565249B2 - 金属−セラミックス接合基板およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属−セラミックス接合基板およびその製造方法に関し、特に、複数の金属板がセラミックス基板を介して接合された多層構造の金属−セラミックス接合基板およびその製造方法に関する。

近年、電気自動車、電車、工作機械などの大電流を制御するためのパワーモジュール用の絶縁基板として、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ベース板が接合した金属−セラミックス接合基板が使用されている。このような金属−セラミックス接合基板の小型化を図るために、放熱用金属板上にそれぞれセラミックス基板を介して複数のタブ電極付き金属板が積層されたタブ電極付きセラミックス多層基板が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、放熱板上にそれぞれ窒化アルミニウム基板を介してアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる複数の金属板が接合されるとともに、その上に窒化アルミニウム基板を介して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が接合された多層構造の回路基板が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開平９−４６０４８号公報（段落番号０００８−００１２） 特開２００１−７４６５号公報（段落番号０００９）

しかし、従来の多層構造の金属−セラミックス接合基板では、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属板を使用する場合に、各々のセラミックス基板に印刷したろう材を介して各々のセラミックス基板に金属板を接合しているので、位置精度に劣る場合があり、また、接合後にボイドが生じ易いという問題がある。また、セラミックス基板の両側に接合した金属板の間を接続するバイアコンタクトを形成する場合には、セラミックス基板に形成されたバイアホールに導電ペーストを充填する必要があり、任意の位置にバイアコンタクトを容易に形成することができないという問題もある。

したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、接合ボイドの発生を抑制することができ、位置精度および信頼性が高い、多層構造の金属−セラミックス接合基板およびその製造方法を提供することを目的とする。また、本発明は、任意の位置にバイアコンタクトを容易に形成することができる、多層構造の金属−セラミックス接合基板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、鋳型内に複数のセラミックス基板を互いに離間して配置させ、この鋳型内の各々のセラミックス基板に接触するように金属溶湯を注湯した後に金属溶湯を冷却して固化させて、各々のセラミックス基板上に金属板を形成して直接接合することにより、接合ボイドの発生を抑制することができ且つ位置精度および信頼性が高い、多層構造の金属−セラミックス接合基板を製造することができ、また、その製造の際にバイアホール用の貫通穴が形成されたセラミックス基板を使用すれば、多層構造の金属−セラミックス接合基板の任意の位置にバイアコンタクトを容易に形成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、本発明による金属−セラミックス接合基板の製造方法は、複数の金属板がセラミックス基板を介して接合された多層構造の金属−セラミックス接合基板の製造方法において、鋳型内に複数のセラミックス基板を互いに離間して配置させ、この鋳型内の各々のセラミックス基板に接触するように金属溶湯を注湯した後に金属溶湯を冷却して固化させることにより、各々のセラミックス基板上に金属板を形成して直接接合することを特徴とする。

この金属−セラミックス接合基板の製造方法において、複数のセラミックス基板の少なくとも１つにバイアホール用の貫通穴が形成されているのが好ましい。また、金属溶湯がアルミニウム溶湯またはアルミニウム合金溶湯であるのが好ましい。さらに、各々のセラミックス基板に金属板が直接接合した多層構造の金属−セラミックス接合基板を鋳型から取り出した後、複数の金属板のうちの最も外側に配置された金属板の表面にエッチングレジストを形成し、エッチングにより最も外側に配置された金属板に回路部を形成するのが好ましい。この場合、回路部にめっきを施すのが好ましい。

また、本発明による金属−セラミックス接合基板は、複数の金属板がセラミックス基板を介して接合された多層構造の金属−セラミックス接合基板において、溶湯接合法により各々のセラミックス基板に金属板が直接接合していることを特徴とする。この場合、金属板がアルミニウム板またはアルミニウム合金板であるのが好ましい。あるいは、本発明による金属−セラミックス接合基板は、複数のアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属板がセラミックス基板を介して接合された多層構造の金属−セラミックス接合基板において、各々のセラミックス基板に金属板が直接接合していることを特徴とする。あるいは、本発明による金属−セラミックス接合基板は、複数の金属板がセラミックス基板を介して接合された多層構造の金属−セラミックス接合基板において、最も外側にセラミックス基板より大きい放熱部が形成されていることを特徴とする。この場合、放熱部の形状が板状またはフィン状であるのが好ましい。

上記の金属−セラミックス接合基板において、複数のセラミックス基板の少なくとも１つにバイアホールが形成されているのが好ましい。また、複数の金属板のうちの最も外側に配置された金属板の表面に回路部が形成されているのが好ましい。この場合、回路部にめっきが施されているのが好ましい。

本発明によれば、接合ボイドの発生を抑制することができ且つ位置精度および信頼性が高い、多層構造の金属−セラミックス接合基板を製造することができ、また、その製造の際にバイアホール用の穴が形成されたセラミックス基板を使用すれば、多層構造の金属−セラミックス接合基板の任意の位置にバイアコンタクトを容易に形成することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明による金属−セラミックス接合基板およびその製造方法の実施の形態について説明する。

図１に示すように、本発明による金属−セラミックス接合基板の実施の形態は、平面形状が略矩形の放熱用金属ベース板１０と、この放熱用金属ベース板１０の一方の面に直接接合した平面形状が略矩形の第１のセラミックス基板１２と、この第１のセラミックス基板１２に直接接合した平面形状が略矩形の第１の金属板１４と、この第１の金属板１４に直接接合した平面形状が略矩形の第２のセラミックス基板１６と、この第２のセラミックス基板１６に直接接合した平面形状が略矩形の第２の金属板１８と、この第２の金属板１８に直接接合した平面形状が略矩形の第３のセラミックス基板２０と、この第３のセラミックス基板２０に直接接合した平面形状が略矩形の金属回路板２２と、この金属回路板２２の表面を被覆するめっき部２４とから構成されている。

放熱用金属ベース板１０と、第１の金属板１４と、第２の金属板１８と、金属回路板２２は、同一の金属材料からなり、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるのが好ましい。また、第２のセラミックス基板１６と第３のセラミックス基板２０には、それぞれバイアホール用の貫通孔１６ａ、２０ａ（図２（ａ）および図２（ｂ）参照）が形成されている。これらの貫通孔１６ａ、２０ａ内には、放熱用金属ベース板１０などと同じ金属材料が充填されており、それぞれ貫通孔１６ａ、２０ａの内面に直接接合するとともに、第１の金属板１４と第２の金属板１８の間および第２の金属板１８と金属回路板２２の間を接続するバイアコンタクトを形成している。

なお、図３に示すように、放熱用金属ベース板１０の代わりに、それよりも小さい放熱用金属板２６を使用して、この放熱用金属板２６の一方の面に第１のセラミックス基板１２を直接接合し、他方の面をめっき部２４で被覆してもよい。あるいは、図４に示すように、放熱用金属ベース板１０の代わりに、冷却フィン付放熱用金属ベース板２８を使用してもよい。

図１に示す実施の形態の金属−セラミックス接合基板は、図５に示すような鋳型１００に金属溶湯を流し込んで冷却することにより接合体を製造した後に、エッチングにより金属回路板２２を形成し、その表面をニッケルなどでめっきすることによって製造することができる。

図５および図６（ａ）〜図６（ｄ）に示すように、鋳型１００は、カーボンまたは多孔質金属などの通気性材料からなり、それぞれ平面形状が略矩形の下側鋳型部材１０２と上側鋳型部材１０４とから構成されている。下側鋳型部材１０２に上側鋳型部材１０４を被せることによって内部に画定される空間の形状および大きさは、図１に示す金属−セラミックス接合基板のエッチング前の形状および大きさに略等しくなっている。

下側鋳型部材１０２は、互いに分離可能な底部１０６と中間部１０８と上部１１０とから構成されている。下側鋳型部材１０２の底部１０６の上面には、第３のセラミックス基板２０と略等しい形状および大きさの第３のセラミックス基板収容部１０６ａが形成され、この第３のセラミックス基板収容部１０６ａの底面には、エッチング前の金属回路板２２と略等しい形状および大きさの金属回路板形成部１０６ｂが形成されている。下側鋳型部材１０２の中間部１０８の略中央部には、中間部１０８を貫通する略矩形の開口部が形成されている。この開口部の内面には段部が形成され、この開口部の上側の部分が、第２のセラミックス基板１６と略等しい形状および大きさの第２のセラミックス基板収容部１０８ａを画定し、下側の部分が、第２の金属板１８と略等しい形状および大きさの第２の金属板形成部１０８ｂを画定している。下側鋳型部材１０２の上部１１０の略中央部には、上部１１０を貫通する略矩形の開口部が形成されている。この開口部の内面は階段状に形成されており、この開口部の上側の部分が、放熱用金属ベース板１０と略等しい形状および大きさの放熱用金属ベース板形成部１１０ａを画定し、中間の部分が、第１のセラミックス基板１２と略等しい形状および大きさの第１のセラミックス基板収容部１１０ｂを画定し、下側の部分が、第１の金属板１４と略等しい形状および大きさの第１の金属板形成部１１０ｃを画定している。なお、図５は、セラミックス基板１２、１６、２０が鋳型１００内に収容されている状態を示している。

また、上側鋳型部材１０４には、金属溶湯を鋳型１００内に注湯するための注湯口１０４ａが形成されている。下側鋳型部材１０２には、放熱用金属ベース板形成部１１０ａに注湯された金属溶湯を第１の金属板形成部１１０ｃ、第２の金属板形成部１０８ｂおよび金属回路板形成部１０６ｂに充填するための（図示しない）注湯流路が形成されており、第１、第２および第３のセラミックス基板収容部１１０ｂ、１０８ａ、１０６ａにそれぞれ第１、第２および第３のセラミックス基板１２、１６、２０を収容したときにも放熱用金属ベース板形成部１１０ａが第１の金属板形成部１１０ｃ、第２の金属板形成部１０８ｂおよび金属回路板形成部１０６ｂと連通するようになっている。なお、放熱用金属ベース板形成部１１０ａと、第１の金属板形成部１１０ｃと、第２の金属板形成部１０８ｂと、金属回路板形成部１０６ｂとを連通させないで、金属溶湯を充填するための（図示しない）注湯流路を下側鋳型部材１０２の底部１０６、中間部１０８および上部１１０にそれぞれ形成してもよい。

この鋳型１００の下側鋳型部材１０２の底部１０６の第３のセラミックス基板収容部１０６ａ内に第３のセラミックス基板２０を収容し、その上に中間部１０８を載せた後に第２のセラミックス基板収容部１０８ａ内に第２のセラミックス基板１６を収容し、その上に上部１１０を載せた後に第１のセラミックス基板収容部１１０ｂ内に第１のセラミックス基板１２を収容し、下側鋳型部材１０２に上側鋳型部材１０４を被せた後、注湯口１０４ａから放熱用金属ベース板形成部１１０ａ内に金属溶湯を注湯し、（図示しない）溶湯流路を介して第１の金属板形成部１１０ｃ、第２の金属板形成部１０８ｂおよび金属回路板形成部１０６ｂまで金属溶湯を充填し、その後、冷却して金属溶湯を固化させることにより、放熱用金属ベース板１０、第１、第２および第３のセラミックス基板１２、１６、２０、第１および第２の金属板１４、１６、およびエッチング前の金属回路板２２が一体に接合した金属−セラミックス接合基板を製造することができる。

このように、ろう材を使用しないで、放熱用金属ベース板１０と、金属板１４、１６と、金属回路板２２と、複数のセラミックス基板１２、１６、２０とを直接接合して多層構造の金属−セラミックス接合基板を製造することにより、ろう材を使用した場合に生じ易いボイドが生じ難くなり、ろう材を介して金属板を重ねる必要がないので金属板とセラミックス基板の間の位置精度および信頼性を向上させることができる。すなわち、所望の精度の鋳型を設計して作製すれば、所望の精度の多層構造の金属−セラミックス接合基板を量産することができる。また、金属溶湯を鋳型に流し込むだけで多層構造の金属−セラミックス接合基板を製造することができるので、製造コストを低減することができ、生産性にも優れている。さらに、最も外側のセラミックス基板にそのセラミックス基板より大きい放熱部を接合する場合、ろう材を使用して接合すると、ヒートサイクル後にセラミックス基板より大きい放熱部から受ける大きな熱応力によってセラミックス基板にクラックが発生して信頼性を低下させる場合があるが、ろう材を使用しないで直接接合すると、そのようなクラックの発生を防止することができ、板状またはフィン状の放熱部を容易に接合することができる。

なお、必要に応じて、放熱用金属ベース板１０と金属回路板２２をニッケルなどでめっきすれば、半田付け性や耐候性などを向上させることができる。

また、セラミックス基板１２、１６、２０は、ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４またはＳｉＣを主成分とする材質からなるのが好ましく、基板の特性やコストなどによって最適な材質を選択すればよい。また、各セラミックス基板１２、１６、２０の材質や形状が同一である必要はなく、溶湯接合法では、セラミックス基板１２、１６、２０の材質や形状に左右されることなく多層構造の金属−セラミックス接合基板を製造することができる。一方、ろう材を使用して多層構造の金属−セラミックス接合基板を製造する場合には、セラミックス基板１２、１６、２０の材質や形状に応じて、ろう材の（組成や形状などの）種類を適当に選択する必要があり、多層構造の金属−セラミックス接合基板の設計が複雑になり、放熱用金属ベース板１０と、金属板１４、１６と、金属回路板２２と、複数のセラミックス基板１２、１６、２０とを一度に接合することができない場合がある。

以下、本発明による金属−セラミックス接合基板およびその製造方法の実施例について詳細に説明する。

図５に示す鋳型１００と同様のカーボン製の鋳型を用意し、この鋳型の下側鋳型部材の第３のセラミックス基板収容部内に、直径３ｍｍの貫通穴を有し、４６ｍｍ×４６ｍｍ×０．６３５ｍｍの大きさの窒化アルミニウム基板を収容し、第２のセラミックス基板収容部内に、直径３ｍｍの貫通穴を有し、４８ｍｍ×４８ｍｍ×０．６３５ｍｍの大きさの窒化アルミニウム基板を収容し、第１のセラミックス基板収容部内に、５０ｍｍ×５０ｍｍ×０．６３５ｍｍの大きさの窒化アルミニウム基板を収容した。なお、金属回路板形成部の大きさは４４ｍｍ×４４ｍｍ×０．５ｍｍであり、第３のセラミックス基板収容部と第２のセラミックス基板収容部の間の第２の金属板形成部の大きさは４５ｍｍ×４５ｍｍ×０．５ｍｍであり、第２のセラミックス基板収容部と第１のセラミックス基板収容部の間の第１の金属板形成部の大きさは４７ｍｍ×４７ｍｍ×０．５ｍｍであり、第１のセラミックス基板収容部の上の放熱用金属ベース板形成部の大きさは６０ｍｍ×６０ｍｍ×６ｍｍである。

次に、下側鋳型部材に上側鋳型部材を被せて炉内に入れ、炉内を酸素濃度１００ｐｐｍ以下の窒素雰囲気にした。この状態で７５０℃まで加熱し、溶融状態のアルミニウムを圧入し、酸化被膜を取り除きながら、鋳型内に流し込んだ。その後、鋳型を冷却してアルミニウムを凝固させ、さらに室温まで冷却した。このようにして接合体を製造し、この接合体を鋳型から取り出した。

その後、回路用アルミニウム板の表面に所定の形状のエッチングレジストを印刷し、塩化第二鉄溶液によってエッチング処理を行って回路パターンを形成しながら、セラミックス基板の端部のアルミニウムを除去した後、レジストを剥離した。このようにして形成したアルミニウム回路板にニッケルめっきを施した。

また、放熱用金属ベース板の裏面をフライス盤により機械加工して１ｍｍ研削し、凹凸を５０μｍ以下にした。このようにして得られたサンプルに対して、−４０℃で３０分間保持、２５℃で１０分間保持、１２５℃で３０分間保持、２５℃で１０分間保持を１サイクルとするヒートサイクルを３０００回行った後、各々の接合界面を超音波探傷装置によって調べたところ、接合欠陥が認められず、セラミックス基板にもクラックが認められなかった。

本発明による金属−セラミックス接合基板の実施の形態を示す断面図である。 図１に示す実施の形態の金属−セラミックス接合基板の第２および第３のセラミックス基板の斜視図である。 本発明による金属−セラミックス接合基板の他の実施の形態を示す断面図である。 本発明による金属−セラミックス接合基板の他の実施の形態を示す断面図である。 図１に示す実施の形態の金属−セラミックス接合基板を製造方するために使用する鋳型の断面図である。 図５に示す鋳型の分解斜視図である。

符号の説明

１０ 放熱用金属ベース板
１２ 第１のセラミックス基板
１４ 第１の金属板
１６ 第２のセラミックス基板
１６ａ 貫通孔（バイアホール）
１８ 第２の金属板
２０ 第３のセラミックス基板
２０ａ 貫通孔（バイアホール）
２２ 金属回路板
２４ めっき部
２６ 放熱用金属板
２８ 冷却フィン付放熱用金属ベース板
１００ 鋳型
１０２ 下側鋳型部材
１０４ 上側鋳型部材
１０４ａ 注湯口
１０６ 底部
１０６ａ 第３のセラミックス基板収容部
１０６ｂ 金属回路板形成部
１０８ 中間部
１０８ａ 第２のセラミックス基板収容部
１０８ｂ 第２の金属板形成部
１１０ 上部
１１０ａ 放熱用金属ベース板形成部
１１０ｂ 第１のセラミックス基板収容部
１１０ｃ 第１の金属板形成部

Claims (4)

1. 複数の金属板がセラミックス基板を介して接合された多層構造の金属−セラミックス接合基板の製造方法において、少なくとも１つにバイアホール用の貫通穴が形成された複数のセラミックス基板を互いに離間して鋳型内に配置させ、この鋳型内の各々のセラミックス基板に接触するように金属溶湯を注湯した後に金属溶湯を冷却して固化させることにより、各々のセラミックス基板上に金属板を形成して直接接合することを特徴とする、金属−セラミックス接合基板の製造方法。
2. 前記金属溶湯がアルミニウム溶湯またはアルミニウム合金溶湯であることを特徴とする、請求項１に記載の金属−セラミックス接合基板の製造方法。
3. 前記各々のセラミックス基板に金属板が直接接合した多層構造の金属−セラミックス接合基板を鋳型から取り出した後、前記複数の金属板のうちの最も外側に配置された金属板の表面にエッチングレジストを形成し、エッチングにより前記最も外側に配置された金属板に回路部を形成することを特徴とする、請求項１または２に記載の金属−セラミックス接合基板の製造方法。
4. 前記回路部にめっきを施すことを特徴とする、請求項３に記載の金属−セラミックス接合基板の製造方法。

Images