JP4756165B2 - アルミニウム−セラミックス接合基板 - Google Patents
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Description
本発明は、セラミックス基板にアルミニウム部材が接合したアルミニウム−セラミックス接合基板に関し、特に、パワーモジュールなどの絶縁基板として使用されるアルミニウム−セラミックス接合基板に関する。
近年、電気自動車、電車、工作機械などの大電流制御にパワーモジュールが用いられている。パワーモジュールでは、主に複数の半導体チップが基板に搭載され、大電流を取り出すため、半導体チップを固定する基板には、高い電気的絶縁性や放熱性が要求される。また、自動車や電車などに搭載されることから、高い信頼性や耐久性も要求される。
このような信頼性や耐久性を評価する指標の一つにヒートサイクル試験がある。このヒートサイクル試験は、使用環境において考えられる最低到達温度と最高到達温度の間において短時間で温度を変化させてサンプルに熱衝撃を与える試験であり、このような熱衝撃サイクルを繰り返しても基板の絶縁性や放熱性が損なわれないことが必要である。
半導体チップを固定する絶縁基板として、セラミックス基板に金属部材が接合した金属−セラミックス接合基板を使用した場合、この接合基板にヒートサイクルをかけると、金属とセラミックスの熱膨張係数の差により、セラミックス基板と金属部材との間の接合界面に応力が生じ、最終的にセラミックス基板が破壊されてしまうおそれがある。しかし、金属部材としてアルミニウム部材を使用すると、アルミニウムの変形し易い性質により、セラミックス基板への応力集中を緩和して、銅部材などを使用した場合に比べて、ヒートサイクルに対する信頼性が格段に向上する。そのため、自動車や電車用の高信頼性パワーモジュールの絶縁基板として、セラミックス基板にアルミニウム部材が接合したアルミニウム−セラミックス接合基板が使用されている。
また、従来のパワーモジュールでは、一般に、金属板または複合材からなるベース板の一方の面に金属−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、ねじ止めなどにより熱伝導グリースを介して金属製の放熱フィンや冷却ジャケットが取り付けられている。しかし、パワーモジュールの絶縁基板としてアルミニウム−セラミックス接合基板を使用すると、半田層に生じる半田クラックにより、パワーモジュールの放熱性が著しく低下して、半導体チップの温度が上昇し、最終的に半導体チップが破壊されるおそれがある。これを防止するため、アルミニウム−セラミックス接合基板のアルミニウム合金部材のビッカース硬度を２５以上且つ４０未満の範囲にすることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
自動車や電車用のパワーモジュールの半導体チップとして、将来的にＳｉＣ、ＡｌＧａＮ、ＧａＮなどの高温に耐えられる化合物半導体からなる半導体チップを使用することが検討されており、その場合、コストダウンのために冷却装置を省略したパワーモジュールを使用することが検討されている。このようなパワーモジュールの絶縁基板として、電気的絶縁機能、回路機能および冷却機能を備え、高温ヒートサイクルに対する信頼性が高い絶縁基板、特に、−５０℃で３０分間保持→２５℃で１０分間保持→３００℃で３０分間保持の高温ヒートサイクルに耐えられる絶縁基板が必要となる。
しかし、特許文献１に提案されたアルミニウム−セラミックス接合基板では、−４０℃で３０分間保持→２５℃で１０分間保持→１２５℃で３０分間保持のヒートサイクルに対して３０００回以上耐えることができるが、上述した条件の高温ヒートサイクルに対しては１０００回程度しか耐えることができない。これは、特許文献１に提案されたアルミニウム−セラミックス接合基板では、アルミニウム合金が柔らかく、セラミックス基板が破壊されないものの、アルミニウム合金に破壊が生じるためであり、アルミニウム合金が疲労破壊したことによると考えられる。すなわち、特許文献１に提案されたアルミニウム−セラミックス接合基板では、上述した従来のヒートサイクル条件では３０００回以上のヒートサイクルでもアルミニウム合金に疲労破壊が生じないが、上述した条件の高温ヒートサイクルに対しては１０００回程度のヒートサイクルでアルミニウム合金に疲労破壊が生じると考えられる。
したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、高温ヒートサイクルに対する信頼性の高いアルミニウム−セラミックス接合基板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、３点曲げの抗折強度４５０ＭＰａ以上のセラミックス基板にビッカース硬度３２〜４９のアルミニウム部材を接合することにより、高温ヒートサイクルに対する信頼性の高いアルミニウム−セラミックス接合基板を提供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−セラミックス接合基板は、セラミックス基板にアルミニウム部材が接合したアルミニウム−セラミックス接合基板において、セラミックス基板の３点曲げの抗折強度が４５０ＭＰａ以上、好ましくは４７０ＭＰａ以上、さらに好ましくは５００ＭＰａ以上であり、アルミニウム部材のビッカース硬度が３２〜４９、好ましくは３５〜４５であることを特徴とする。
このアルミニウム−セラミックス接合基板において、アルミニウム部材がアルミニウム合金からなるのが好ましい。このアルミニウム合金は、ケイ素とホウ素を含むアルミニウム合金であるのが好ましい。この場合、ケイ素の含有量は、好ましくは０．６〜３．０重量％、さらに好ましくは１．０〜２．０重量％であり、ホウ素の含有量は、好ましくは０．０１〜１．０重量％、さらに好ましくは０．０３〜０．０５重量％である。あるいは、アルミニウム合金が銅を含むアルミニウム合金でもよい。この場合、銅の含有量は、好ましくは０．６〜１．９重量％であり、さらに好ましくは０．８〜１．５重量％である。あるいは、アルミニウム部材がアルミニウムからなる部材でもよい。
また、セラミックス基板は、窒化アルミニウム、窒化珪素、ジルコニア添加アルミナまたは高純度アルミナからなるのが好ましい。アルミニウム部材がセラミックス基板に直接接触して接合しているのが好ましいが、アルミニウム部材がろう材を介してセラミックス基板に接合してもよい。
また、アルミニウム−セラミックス接合基板は、ＳｉＣ、ＡｌＧａＮ、ＧａＮなどの化合物半導体などからなる半導体チップを搭載する回路基板として使用するのが好ましく、インバータまたはコンバータ用の回路基板として使用してもよく、自動車用部品の回路基板として使用してもよい。
本発明によれば、高温ヒートサイクルに対する信頼性の高いアルミニウム−セラミックス接合基板を提供することができる。特に、高温ヒートサイクルを１０００回以上繰り返しても、アルミニウム合金部材やセラミックス基板にクラックが発生するのを防止して、高い絶縁性や放熱性を確保することができる信頼性の高いアルミニウム−セラミックス接合基板を提供することができる。
本発明によるアルミニウム−セラミックス接合基板の一実施の形態では、３点曲げの抗折強度が４５０ＭＰａ以上、好ましくは４７０ＭＰａ以上、さらに好ましくは５００ＭＰａ以上のセラミックス基板に、ビッカース硬度３２〜４９、好ましくは３５〜４５のアルミニウム合金からなるアルミニウム部材が直接接触して接合している。
アルミニウム−セラミックス接合基板に対して−５０℃で３０分間保持→２５℃で１０分間保持→３００℃で３０分間保持のサイクルを繰り返す高温ヒートサイクル試験を行うと、アルミニウム合金のビッカース硬度が３２未満の場合には、アルミニウム合金に破壊が生じ、アルミニウム合金のビッカース硬度が４９より高い場合には、高温ヒートサイクルによってアルミニウム合金からセラミックス基板に加わる応力が増大してセラミックス基板にクラックが生じる。
したがって、このような高温ヒートサイクルに対してアルミニウム−セラミックス接合基板が耐えられるようにするためには、アルミニウム合金のビッカース硬度をＨｖ３２〜４９にしてアルミニウム合金の疲労破壊を防止する必要があり、そのようなアルミニウム合金からなるアルミニウム部材が接合するセラミックス基板の強度も高くしてクラックを防ぐ必要があり、３点曲げの抗折強度が４５０ＭＰａ以上のセラミックス基板を使用する必要がある。
このようなセラミックス基板として、高強度窒化アルミニウム、窒化珪素、ジルコニア添加アルミナまたは高純度アルミナからなるセラミックス基板を使用するのが好ましい。なお、セラミックス基板の強度は、耐高温ヒートサイクル特性の面から高い方が好ましい。
アルミニウム部材としては、上記のビッカース硬度の範囲のアルミニウム合金からなるアルミニウム部材を使用することが好ましいが、ビッカース硬度２０〜２５程度の純アルミニウムからなるアルミニウム部材を使用する場合には、例えば、ショットピーニングなどの表面処理によりアルミニウム部材を加工して硬化させて、アルミニウム部材のビッカース硬度が上記のビッカース硬度の範囲になるように高めて使用すればよい。
なお、アルミニウム合金の組成は、上記のビッカース硬度の範囲を満たす組成であればよい。上記のビッカース硬度の範囲を満たすアルミニウム合金として、ケイ素とホウ素を添加したアルミニウム合金を使用するのが好ましい。この場合、ケイ素の含有量は、好ましくは０．６〜３．０重量％、さらに好ましくは１．０〜２．０重量％であり、ホウ素の含有量は、好ましくは０．０１〜１．０重量％、さらに好ましくは０．０３〜０．０５重量％である。また、上記のビッカース硬度の範囲を満たすアルミニウム合金として、銅を添加したアルミニウム合金を使用してもよい。この場合、銅の含有量は、好ましくは０．６〜１．９重量％であり、さらに好ましくは０．８〜１．５重量％である。
また、セラミックス基板にアルミニウム部材を接合した後、必要に応じて、エッチングなどによりアルミニウム部材を所定の回路形状にパターンニングしてもよい。あるいは、予め所定の回路形状に加工したアルミニウム部材をセラミックス基板に接合してもよい。さらに、アルミニウム部材上に半導体チップなどを半田付けする際の半田付け性の向上などのために、無電解めっきまたは電解めっきによりアルミニウム部材をめっきするのが好ましい。
アルミニウム−セラミックス接合基板を回路基板として使用する場合には、一般に、厚さ０．１〜２ｍｍ程度のセラミックス基板が使用されている。アルミニウム−セラミックス接合基板のヒートサイクルに対する信頼性を向上させるためには、セラミックス基板が厚い方がよいが、アルミニウム−セラミックス接合基板の放熱性を考慮すると、セラミックス基板の厚さは、０．８ｍｍ以下であるのが好ましく、０．７ｍｍ以下であるのがさらに好ましい。また、セラミックス基板として窒化珪素基板やジルコニア入りのアルミナ基板を使用する場合には、これらの基板は、一般に窒化アルミニウム基板より熱伝導率が低いが、靭性が高く、ヒートサイクルに対する信頼性が高いので、セラミックス基板の厚さは、０．５ｍｍ以下であるのが好ましく、０．３５ｍｍ以下であるのがさらに好ましい。
本発明によるアルミニウム−セラミックス接合基板の実施の形態を製造するためにセラミックス基板にアルミニウム部材を接合する方法として、セラミックス基板にアルミニウム溶湯を直接接触させることによりセラミックス基板にアルミニウム部材を直接接合する方法（溶湯接合法）、ろう材を介してセラミックス基板にアルミニウム部材を接合する方法（ろう接法）、セラミックス部材にアルミニウム部材を直接接触させて不活性雰囲気で接合する方法（直接接合法）などの方法を使用することができる。
なお、本明細書中において、セラミックス基板の「３点曲げの抗折強度」とは、負荷速度を０．５ｍｍ／分としてＪＩＳ Ｒ１６０１「ファインセラミックスの曲げ強さ試験方法」に準じた３点曲げ試験を行い、以下の式により計算した値をいう。
３点曲げ抗折強度 ＝｛３×破壊時の最大荷重×スパン（下部支点間距離）｝／｛２×セラミックス基板の幅×（セラミックス基板の厚さ）２｝
セラミックス基板の３点曲げ抗折強度は、アルミニウム部材を接合する前のセラミックス基板についての３点曲げ試験により計算した値であるが、アルミニウム部材を接合した後のセラミックス基板の３点曲げ抗折強度を求める場合には、アルミニウム−セラミックス接合基板のアルミニウム部材を塩化鉄や塩化銅などの薬液で溶かした後のセラミックス基板についての３点曲げ試験により計算した値を使用してもよい。セラミックスは耐薬品性が高いので、アルミニウム部材を接合する前のセラミックス基板の３点曲げ抗折強度と、アルミニウム−セラミックス接合基板のアルミニウム部材を薬品で溶かした後のセラミックス基板の３点曲げ抗折強度との間でほとんど差がない（誤差範囲である）からである。
また、本明細書中において、アルミニウム合金の「ビッカース硬度」は、セラミックス基板に接合したアルミニウム部材の表面を（機械研磨、化学研磨、電解研磨などにより）研磨し、マイクロビッカース測定装置の圧子を荷重１００ｇで１０秒間負荷することによって測定したビッカース硬度である。
以下、本発明によるアルミニウム−セラミックス接合基板の実施例について詳細に説明する。
［実施例１］
図１に示すように、黒鉛鋳型１０の上部の凹部１２内に、ケイ素１重量％とホウ素０．０４重量％と残部のアルミニウムとからなるアルミニウム合金原料１４を入れて黒鉛ピストン１６を設置するとともに、鋳型１０の下部の空洞１８内に、高強度窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる４８ｍｍ×３８ｍｍ×０．６３５ｍｍの大きさのセラミックス基板２０（３点曲げの抗折強度５００ＭＰａ）を設置し、鋳型１０を８００℃に加熱した炉の中に入れた。アルミニウム合金原料１４が溶けてピストン１６の重量で空洞１８内に入り込んだ後に、鋳型１０を炉から取り出し、室温まで冷却し、セラミックス基板２０の両面にそれぞれ厚さ０．５ｍｍのアルミニウム合金層が接合したアルミニウム−セラミックス接合基板を作製した。このようにして作製したアルミニウム−セラミックス接合基板を機械研磨および電解研磨した。なお、黒鉛鋳型１０の酸化を防ぐために、加熱および冷却は窒素雰囲気中で行った。
図１に示すように、黒鉛鋳型１０の上部の凹部１２内に、ケイ素１重量％とホウ素０．０４重量％と残部のアルミニウムとからなるアルミニウム合金原料１４を入れて黒鉛ピストン１６を設置するとともに、鋳型１０の下部の空洞１８内に、高強度窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる４８ｍｍ×３８ｍｍ×０．６３５ｍｍの大きさのセラミックス基板２０（３点曲げの抗折強度５００ＭＰａ）を設置し、鋳型１０を８００℃に加熱した炉の中に入れた。アルミニウム合金原料１４が溶けてピストン１６の重量で空洞１８内に入り込んだ後に、鋳型１０を炉から取り出し、室温まで冷却し、セラミックス基板２０の両面にそれぞれ厚さ０．５ｍｍのアルミニウム合金層が接合したアルミニウム−セラミックス接合基板を作製した。このようにして作製したアルミニウム−セラミックス接合基板を機械研磨および電解研磨した。なお、黒鉛鋳型１０の酸化を防ぐために、加熱および冷却は窒素雰囲気中で行った。
このようにして作製したアルミニウム−セラミックス接合基板のアルミニウム合金層の表面を研磨し、マイクロビッカース測定装置の圧子を荷重１００ｇで１０秒間負荷することによってアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ、Ｈｖ３５．８であった。
また、アルミニウム合金層の表面に所定の形状のエッチングレジストを形成してエッチングすることにより、一方の面に回路パターン、他方の面に放熱板パターンを形成した後、アルミニウム合金層上に無電解Ｎｉ−Ｐめっきを３μｍ施して、アルミニウム−セラミックス回路基板を作製した。このアルミニウム−セラミックス回路基板について、−５０℃で３０分間保持→２５℃で１０分間保持→３００℃で３０分間保持を１サイクルとするヒートサイクル３０００回を行ったところ、セラミックス基板に異常はなく、アルミニウム合金層にも異常がなかった。
［実施例２］
セラミックス基板として四窒化三ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）からなる４８ｍｍ×３８ｍｍ×０．３２ｍｍの大きさのセラミックス基板（３点曲げの抗折強度６００ＭＰａ）を使用した以外は実施例１と同様の方法により、アルミニウム−セラミックス接合基板を作製し、アルミニウム−セラミックス接合基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ、Ｈｖ３５．８であった。また、このアルミニウム−セラミックス接合基板を使用した以外は実施例１と同様の方法により作製したアルミニウム−セラミックス回路基板について、実施例１と同様のヒートサイクル３０００回を行ったところ、セラミックス基板に異常はなく、アルミニウム合金層にも異常がなかった。
セラミックス基板として四窒化三ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）からなる４８ｍｍ×３８ｍｍ×０．３２ｍｍの大きさのセラミックス基板（３点曲げの抗折強度６００ＭＰａ）を使用した以外は実施例１と同様の方法により、アルミニウム−セラミックス接合基板を作製し、アルミニウム−セラミックス接合基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ、Ｈｖ３５．８であった。また、このアルミニウム−セラミックス接合基板を使用した以外は実施例１と同様の方法により作製したアルミニウム−セラミックス回路基板について、実施例１と同様のヒートサイクル３０００回を行ったところ、セラミックス基板に異常はなく、アルミニウム合金層にも異常がなかった。
［実施例３］
セラミックス基板として１７重量％の酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）を添加したアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）からなる４８ｍｍ×３８ｍｍ×０．２５ｍｍの大きさのセラミックス基板（３点曲げの抗折強度６００ＭＰａ）を使用した以外は実施例１と同様の方法により、アルミニウム−セラミックス接合基板を作製し、アルミニウム−セラミックス接合基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ、Ｈｖ３５．８であった。また、このアルミニウム−セラミックス接合基板を使用した以外は実施例１と同様の方法により作製したアルミニウム−セラミックス回路基板について、実施例１と同様のヒートサイクル３０００回を行ったところ、セラミックス基板に異常はなく、アルミニウム合金層にも異常がなかった。
セラミックス基板として１７重量％の酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）を添加したアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）からなる４８ｍｍ×３８ｍｍ×０．２５ｍｍの大きさのセラミックス基板（３点曲げの抗折強度６００ＭＰａ）を使用した以外は実施例１と同様の方法により、アルミニウム−セラミックス接合基板を作製し、アルミニウム−セラミックス接合基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ、Ｈｖ３５．８であった。また、このアルミニウム−セラミックス接合基板を使用した以外は実施例１と同様の方法により作製したアルミニウム−セラミックス回路基板について、実施例１と同様のヒートサイクル３０００回を行ったところ、セラミックス基板に異常はなく、アルミニウム合金層にも異常がなかった。
［実施例４〜６］
ケイ素２重量％とホウ素０．０４重量％と残部のアルミニウムとからなるアルミニウム合金原料を使用した以外はそれぞれ実施例１、２および３と同様の方法により、アルミニウム−セラミックス接合基板を作製し、アルミニウム−セラミックス接合基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ、Ｈｖ４１．２であった。また、このアルミニウム−セラミックス接合基板を使用した以外は実施例１と同様の方法により作製したアルミニウム−セラミックス回路基板について、実施例１と同様のヒートサイクル３０００回を行ったところ、セラミックス基板に異常はなく、アルミニウム合金層にも異常がなかった。
ケイ素２重量％とホウ素０．０４重量％と残部のアルミニウムとからなるアルミニウム合金原料を使用した以外はそれぞれ実施例１、２および３と同様の方法により、アルミニウム−セラミックス接合基板を作製し、アルミニウム−セラミックス接合基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ、Ｈｖ４１．２であった。また、このアルミニウム−セラミックス接合基板を使用した以外は実施例１と同様の方法により作製したアルミニウム−セラミックス回路基板について、実施例１と同様のヒートサイクル３０００回を行ったところ、セラミックス基板に異常はなく、アルミニウム合金層にも異常がなかった。
［比較例１〜３］
ケイ素０．５重量％とホウ素０．０４重量％と残部のアルミニウムとからなるアルミニウム合金原料を使用した以外はそれぞれ実施例１、２および３と同様の方法により、アルミニウム−セラミックス接合基板を作製し、アルミニウム−セラミックス接合基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ、Ｈｖ３０．９であった。また、このアルミニウム−セラミックス接合基板を使用した以外は実施例１と同様の方法により作製したアルミニウム−セラミックス回路基板について、実施例１と同様のヒートサイクル３０００回を行ったところ、セラミックス基板に異常はなかったが、アルミニウム合金層のセラミックス基板との接合界面に近い部分にクラックが生じた。
ケイ素０．５重量％とホウ素０．０４重量％と残部のアルミニウムとからなるアルミニウム合金原料を使用した以外はそれぞれ実施例１、２および３と同様の方法により、アルミニウム−セラミックス接合基板を作製し、アルミニウム−セラミックス接合基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ、Ｈｖ３０．９であった。また、このアルミニウム−セラミックス接合基板を使用した以外は実施例１と同様の方法により作製したアルミニウム−セラミックス回路基板について、実施例１と同様のヒートサイクル３０００回を行ったところ、セラミックス基板に異常はなかったが、アルミニウム合金層のセラミックス基板との接合界面に近い部分にクラックが生じた。
［実施例７〜９］
銅１重量％と残部のアルミニウムとからなるアルミニウム合金原料を使用した以外はそれぞれ実施例１、２および３と同様の方法により、アルミニウム−セラミックス接合基板を作製し、アルミニウム−セラミックス接合基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ、Ｈｖ３７．５であった。また、このアルミニウム−セラミックス接合基板を使用した以外は実施例１と同様の方法により作製したアルミニウム−セラミックス回路基板について、実施例１と同様のヒートサイクル３０００回を行ったところ、セラミックス基板に異常はなく、アルミニウム合金層にも異常がなかった。
銅１重量％と残部のアルミニウムとからなるアルミニウム合金原料を使用した以外はそれぞれ実施例１、２および３と同様の方法により、アルミニウム−セラミックス接合基板を作製し、アルミニウム−セラミックス接合基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ、Ｈｖ３７．５であった。また、このアルミニウム−セラミックス接合基板を使用した以外は実施例１と同様の方法により作製したアルミニウム−セラミックス回路基板について、実施例１と同様のヒートサイクル３０００回を行ったところ、セラミックス基板に異常はなく、アルミニウム合金層にも異常がなかった。
［比較例４〜６］
銅０．５重量％と残部のアルミニウムとからなるアルミニウム合金原料を使用した以外はそれぞれ実施例１、２および３と同様の方法により、アルミニウム−セラミックス接合基板を作製し、アルミニウム−セラミックス接合基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ、Ｈｖ３１．６であった。また、このアルミニウム−セラミックス接合基板を使用した以外は実施例１と同様の方法により作製したアルミニウム−セラミックス回路基板について、実施例１と同様のヒートサイクル３０００回を行ったところ、セラミックス基板に異常はなかったが、アルミニウム合金層の一部にクラックが生じた。
銅０．５重量％と残部のアルミニウムとからなるアルミニウム合金原料を使用した以外はそれぞれ実施例１、２および３と同様の方法により、アルミニウム−セラミックス接合基板を作製し、アルミニウム−セラミックス接合基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ、Ｈｖ３１．６であった。また、このアルミニウム−セラミックス接合基板を使用した以外は実施例１と同様の方法により作製したアルミニウム−セラミックス回路基板について、実施例１と同様のヒートサイクル３０００回を行ったところ、セラミックス基板に異常はなかったが、アルミニウム合金層の一部にクラックが生じた。
［比較例７〜９］
銅２重量％と残部のアルミニウムとからなるアルミニウム合金原料を使用した以外はそれぞれ実施例１、２および３と同様の方法により、アルミニウム−セラミックス接合基板を作製し、アルミニウム−セラミックス接合基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ、Ｈｖ４９．１であった。また、このアルミニウム−セラミックス接合基板を使用した以外は実施例１と同様の方法により作製したアルミニウム−セラミックス回路基板について、実施例１と同様のヒートサイクル３０００回を行ったところ、セラミックス基板に貝殻状のクラックが生じた。但し、絶縁異常はなかった。
銅２重量％と残部のアルミニウムとからなるアルミニウム合金原料を使用した以外はそれぞれ実施例１、２および３と同様の方法により、アルミニウム−セラミックス接合基板を作製し、アルミニウム−セラミックス接合基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ、Ｈｖ４９．１であった。また、このアルミニウム−セラミックス接合基板を使用した以外は実施例１と同様の方法により作製したアルミニウム−セラミックス回路基板について、実施例１と同様のヒートサイクル３０００回を行ったところ、セラミックス基板に貝殻状のクラックが生じた。但し、絶縁異常はなかった。
［比較例１０］
セラミックス基板として３点曲げの抗折強度が３５０ＭＰａの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるセラミックス基板を使用した以外は比較例１と同様の方法により、アルミニウム−セラミックス接合基板を作製し、アルミニウム−セラミックス接合基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ、Ｈｖ３０．９であった。また、このアルミニウム−セラミックス接合基板を使用した以外は実施例１と同様の方法により作製したアルミニウム−セラミックス回路基板について、実施例１と同様のヒートサイクル３０００回を行ったところ、アルミニウム合金層にクラックが生じた。
セラミックス基板として３点曲げの抗折強度が３５０ＭＰａの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるセラミックス基板を使用した以外は比較例１と同様の方法により、アルミニウム−セラミックス接合基板を作製し、アルミニウム−セラミックス接合基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ、Ｈｖ３０．９であった。また、このアルミニウム−セラミックス接合基板を使用した以外は実施例１と同様の方法により作製したアルミニウム−セラミックス回路基板について、実施例１と同様のヒートサイクル３０００回を行ったところ、アルミニウム合金層にクラックが生じた。
［比較例１１］
セラミックス基板として３点曲げの抗折強度が４２０ＭＰａの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるセラミックス基板を使用した以外は比較例１と同様の方法により、アルミニウム−セラミックス接合基板を作製し、アルミニウム−セラミックス接合基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ、Ｈｖ３０．９であった。また、このアルミニウム−セラミックス接合基板を使用した以外は実施例１と同様の方法により作製したアルミニウム−セラミックス回路基板について、実施例１と同様のヒートサイクル３０００回を行ったところ、アルミニウム合金層にクラックが生じた。
セラミックス基板として３点曲げの抗折強度が４２０ＭＰａの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるセラミックス基板を使用した以外は比較例１と同様の方法により、アルミニウム−セラミックス接合基板を作製し、アルミニウム−セラミックス接合基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ、Ｈｖ３０．９であった。また、このアルミニウム−セラミックス接合基板を使用した以外は実施例１と同様の方法により作製したアルミニウム−セラミックス回路基板について、実施例１と同様のヒートサイクル３０００回を行ったところ、アルミニウム合金層にクラックが生じた。
［比較例１２］
セラミックス基板として３点曲げの抗折強度が３５０ＭＰａの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるセラミックス基板を使用した以外は比較例７と同様の方法により、アルミニウム−セラミックス接合基板を作製し、アルミニウム−セラミックス接合基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ、Ｈｖ４９．１であった。また、このアルミニウム−セラミックス接合基板を使用した以外は実施例１と同様の方法により作製したアルミニウム−セラミックス回路基板について、実施例１と同様のヒートサイクル３０００回を行ったところ、セラミックス基板の表裏を貫通するクラックが生じた。
セラミックス基板として３点曲げの抗折強度が３５０ＭＰａの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるセラミックス基板を使用した以外は比較例７と同様の方法により、アルミニウム−セラミックス接合基板を作製し、アルミニウム−セラミックス接合基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ、Ｈｖ４９．１であった。また、このアルミニウム−セラミックス接合基板を使用した以外は実施例１と同様の方法により作製したアルミニウム−セラミックス回路基板について、実施例１と同様のヒートサイクル３０００回を行ったところ、セラミックス基板の表裏を貫通するクラックが生じた。
［比較例１３］
セラミックス基板として３点曲げの抗折強度が４２０ＭＰａの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるセラミックス基板を使用した以外は比較例７と同様の方法により、アルミニウム−セラミックス接合基板を作製し、アルミニウム−セラミックス接合基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ、Ｈｖ４９．１であった。また、このアルミニウム−セラミックス接合基板を使用した以外は実施例１と同様の方法により作製したアルミニウム−セラミックス回路基板について、実施例１と同様のヒートサイクル３０００回を行ったところ、セラミックス基板の表裏を貫通するクラックが生じた。
セラミックス基板として３点曲げの抗折強度が４２０ＭＰａの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるセラミックス基板を使用した以外は比較例７と同様の方法により、アルミニウム−セラミックス接合基板を作製し、アルミニウム−セラミックス接合基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ、Ｈｖ４９．１であった。また、このアルミニウム−セラミックス接合基板を使用した以外は実施例１と同様の方法により作製したアルミニウム−セラミックス回路基板について、実施例１と同様のヒートサイクル３０００回を行ったところ、セラミックス基板の表裏を貫通するクラックが生じた。
なお、これらの実施例および比較例の結果を表１に示す。表１において、高温ヒートサイクル３０００回後にクラックが生じなかった場合、すなわち、放熱性や絶縁性などの信頼性が良好な場合を○で示し、アルミニウム合金層にクラックが生じたり、セラミックス基板に貝殻状のクラックが生じて、放熱性が劣化した場合を△で示し、セラミックス基板を貫通するクラックが生じて、致命的な不良である絶縁破壊を生じた場合を×で示している。
１０ 黒鉛鋳型
１２ 凹部
１４ アルミニウム合金原料
１６ 黒鉛ピストン
１８ 空洞
２０ セラミックス基板
１２ 凹部
１４ アルミニウム合金原料
１６ 黒鉛ピストン
１８ 空洞
２０ セラミックス基板
Claims (13)
- セラミックス基板にアルミニウム部材が接合したアルミニウム−セラミックス接合基板において、セラミックス基板の３点曲げの抗折強度が４５０ＭＰａ以上であり、アルミニウム部材が、ケイ素とホウ素と残部のアルミニウムからなり且つビッカース硬度が３２〜４９のアルミニウム合金からなることを特徴とする、アルミニウム−セラミックス接合基板。
- 前記アルミニウム合金が０．６〜３．０重量％のケイ素と０．０１〜１．０重量％のホウ素を含むことを特徴とする、請求項１に記載のアルミニウム−セラミックス接合基板。
- 前記アルミニウム合金が１．０〜２．０重量％以上のケイ素と０．０３〜０．０５重量％のホウ素を含むことを特徴とする、請求項１に記載のアルミニウム−セラミックス接合基板。
- 前記アルミニウム合金のビッカース硬度が３５〜４５であ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−セラミックス接合基板。
- 前記セラミックス基板の抗折強度が４７０ＭＰａ以上であることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載のアルミニウム−セラミックス接合基板。
- 前記セラミックス基板の抗折強度が５００ＭＰａ以上であることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載のアルミニウム−セラミックス接合基板。
- 前記セラミックス基板が、窒化アルミニウム、窒化珪素、ジルコニア添加アルミナまたは高純度アルミナからなることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれかに記載のアルミニウム−セラミックス接合基板。
- 前記アルミニウム部材が、前記セラミックス基板に直接接触して接合していることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれかに記載のアルミニウム−セラミックス接合基板。
- 前記アルミニウム部材が、ろう材を介して前記セラミックス基板に接合していることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれかに記載のアルミニウム−セラミックス接合基板。
- 前記アルミニウム−セラミックス接合基板が、半導体チップを搭載する回路基板として使用されることを特徴とする、請求項１乃至９のいずれかに記載のアルミニウム−セラミックス接合基板。
- 前記半導体チップが、ＳｉＣ、ＡｌＧａＮまたはＧａＮからなる半導体チップであることを特徴とする、請求項１０に記載のアルミニウム−セラミックス接合基板。
- 前記アルミニウム−セラミックス接合基板が、インバータまたはコンバータ用の回路基板として使用されることを特徴とする、請求項１乃至１１のいずれかに記載のアルミニウム−セラミックス接合基板。
- 前記アルミニウム−セラミックス接合基板が、自動車用部品の回路基板として使用されることを特徴とする、請求項１乃至１１のいずれかに記載のアルミニウム−セラミックス接合基板。
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