JP4806803B2 - 金属−セラミックス接合基板およびその製造方法 - Google Patents

金属−セラミックス接合基板およびその製造方法 Download PDF

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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、セラミックス基板に一方の面に回路用金属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の絶縁基板として、セラミックス基板に一方の面に回路用金属板が接合するとともに他方の面に平板状の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（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−７６５５１号公報（段落番号００３０−００３１）
しかし、従来の金属−セラミックス接合基板では、ヒートサイクルに対する信頼性が必ずしも十分ではない場合があった。
したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、ヒートサイクルに対する信頼性を向上させることができる、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、セラミックス基板の一方の面に金属板が接合するとともに他方の面に金属ベース部材が接合した金属−セラミックス接合基板において、セラミックス基板の少なくとも一部を金属ベース部材に埋め込むことにより、ヒートサイクルに対する信頼性を向上させ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は、セラミックス基板の一方の面に金属板が接合するとともに他方の面に金属ベース部材が接合した金属−セラミックス接合基板において、セラミックス基板の少なくとも一部が金属ベース部材に埋め込まれていることを特徴とする。この金属−セラミックス接合基板において、セラミックス基板の一部が金属ベース部材に埋め込まれ、セラミックス基板が金属ベース部材と略平行に配置されているのが好ましい。あるいは、セラミックス基板の全ての部分を金属ベース部材に埋め込み、セラミックス基板を金属ベース部材と略平行に配置してもよい。
また、本発明による金属−セラミックス接合基板は、セラミックス基板の一方の面に金属板が接合するとともに他方の面に金属ベース部材が接合した金属−セラミックス接合基板において、セラミックス基板の側面の少なくとも一部が金属ベース部材に接合していることを特徴とする。この金属−セラミックス接合基板において、セラミックス基板の側面の一部が金属ベース部材に接合し、セラミックス基板が金属ベース部材と略平行に配置されているのが好ましい。あるいは、セラミックス基板の側面の全面を金属ベース部材に接合し、セラミックス基板を金属ベース部材と略平行に配置してもよい。
また、上記の金属−セラミックス接合基板において、金属板がセラミックス基板を介して金属ベース部材から所定の距離だけ離間しているのが好ましい。
また、本発明による金属−セラミックス接合基板の製造方法は、セラミックス基板の一方の面に金属板が接合するとともに他方の面に金属ベース部材が接合した金属−セラミックス接合基板の製造方法において、セラミックス基板の少なくとも一部が金属ベース部材に埋め込まれるように、あるいは、セラミックス基板の他方の面が金属ベース部材に接合するとともにセラミックス基板の側面の少なくとも一部が金属ベース部材に接合するように、セラミックス基板を金属ベース部材に接合することを特徴とする。これらの金属−セラミックス接合基板の製造方法において、金属板および金属ベース部材の少なくとも一方とセラミックス基板との間の接合が溶湯接合法によって行われるのが好ましい。
さらに、本発明によるパワーモジュールは、上記のいずれかの金属−セラミックス接合基板を用いたことを特徴とする。
本発明によれば、セラミックス基板の一方の面に金属板が接合するとともに他方の面に金属ベース部材が接合した金属−セラミックス接合基板において、セラミックス基板の少なくとも一部を金属ベース部材に埋め込むことにより、ヒートサイクルに対する信頼性を向上させることができる。
また、従来の金属−セラミックス接合基板と比べて、ヒートサイクル後の金属ベース板のクラックの発生を抑制することができるので、クラックの発生による放熱性の低下を防止することができる。
本発明による金属−セラミックス接合基板の実施の形態では、セラミックス基板の一方の面に金属板が接合するとともに他方の面に金属ベース部材が接合した金属−セラミックス接合基板において、セラミックス基板の少なくとも一部が金属ベース部材に埋め込まれている。
なお、セラミックス基板としては、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４またはＳｉＣを主成分とするセラミックス基板を使用するのが好ましい。また、金属板としては、電気特性や熱伝導性の観点から、アルミニウム、銅またはこれらの合金からなる金属板を使用するのが好ましい。
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詳細に説明する。
［第１の実施の形態］
図１および図２は、本発明による金属−セラミックス接合基板の第１の実施の形態を示している。図１および図２に示すように、本実施の形態の金属−セラミックス接合基板１０は、略矩形の平板状のセラミックス基板１２と、このセラミックス基板の一方の面に接合し、セラミックス基板１２より小さい略矩形の平板状の少なくとも１枚（図１および図２では１枚のみを示す）の回路用金属板１４と、セラミックス基板１２の他方の面に接合した平面形状が略矩形の放熱用金属ベース板１６とから構成されている。本実施の形態では、セラミックス基板１２は、約半分の厚さ分だけ金属ベース板１６に埋め込まれて金属ベース板１６と平行に配置され、金属板１４と金属ベース板１６とを所定の距離だけ離間させている。
この実施の形態の金属−セラミックス接合基板１０は、例えば、図３に示す鋳型２０を用意し、この鋳型２０の内部にセラミックス基板１２を配置させ、鋳型２０の内部に金属溶湯を注湯してセラミックス基板１２の両面に接触させた後に冷却して固化させることにより、セラミックス基板１２の一方の面に回路用金属板１４を接合するとともに他方の面に放熱用金属ベース板１６を接合することによって製造することができる。
図３に示すように、鋳型２０は、平面形状が略矩形のカーボンまたは多孔性金属などの通気性材料からなる下側鋳型部材２２と上側鋳型部材２４から構成されている。下側鋳型部材２２の上面の略中央部には、セラミックス基板１２と略等しい平面形状および面積でセラミックス基板１２の厚さの約半分の深さのセラミックス基板保持部２２ａとしての凹部が形成され、このセラミックス基板保持部２２ａの底面の略中央部には、回路用金属板１４と略等しい形状および大きさの回路用金属板形成部２２ｂとしての凹部が形成されている。上側鋳型部材２４の内部には、放熱用金属ベース板１６と略等しい形状および大きさの金属ベース板形成部２４ａが形成されている。なお、上側鋳型部材２４には、金属溶湯を鋳型２０内に注湯するための（図示しない）注湯口が形成されている。また、下側鋳型部材２２には、金属ベース板形成部２４ａと回路用金属板形成部２２ｂとの間に延びる（図示しない）注湯流路が形成され、セラミックス基板保持部２２ａ内にセラミックス基板１２を収容したときにも金属ベース板形成部２４ａと回路用金属板形成部２２ｂとの間が連通するようになっている。
この鋳型２０の下側鋳型部材２２のセラミックス基板保持部２２ａ内にセラミックス基板１２を収容し、下側鋳型部材２２の上に上側鋳型部材２４を配置して固定した後、金属ベース板形成部２４ａ内にアルミニウム溶湯などの金属溶湯を注湯し、溶湯流路を介して回路用金属板形成部２２ｂ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、図１および図２に示す金属−セラミックス接合基板１０が得られる。
［第２の実施の形態］
図４は、本発明による金属−セラミックス接合基板の第２の実施の形態を示している。図４に示すように、本実施の形態の金属−セラミックス接合基板１１０は、略矩形の平板状のセラミックス基板１１２と、このセラミックス基板の一方の面に接合し、セラミックス基板１１２より小さい略矩形の平板状の少なくとも１枚（図４では１枚のみを示す）の回路用金属板１１４と、セラミックス基板１１２の他方の面に接合した平面形状が略矩形の放熱用金属ベース板１１６とから構成されている。本実施の形態では、セラミックス基板１１２は、全ての厚さ分だけ金属ベース板１１６に埋め込まれて金属ベース板１１６と平行に配置され、金属板１１４と金属ベース板１１６とを所定の距離だけ離間させている。また、セラミックス基板１１２の金属板１１４側の面と金属ベース板１１６の金属板１１４側の露出面が同一の高さになっている。
この実施の形態の金属−セラミックス接合基板１１０は、例えば、図５に示す鋳型１２０を用意し、この鋳型１２０の内部にセラミックス基板１１２を配置させ、鋳型１２０の内部に金属溶湯を注湯してセラミックス基板１１２の両面に接触させた後に冷却して固化させることにより、セラミックス基板１１２の一方の面に回路用金属板１１４を接合するとともに他方の面に放熱用金属ベース板１１６を接合することによって製造することができる。
図５に示すように、鋳型１２０は、平面形状が略矩形のカーボンまたは多孔性金属などの通気性材料からなる下側鋳型部材１２２と上側鋳型部材１２４から構成されている。下側鋳型部材１２２の上面の略中央部には、回路用金属板１１４と略等しい形状および大きさの回路用金属板形成部１２２ｂとしての凹部が形成され、この回路用金属板形成部１２２ｂの上にセラミックス基板１１２が配置されるようになっている。また、上側鋳型部材１２４の内部には、セラミックス基板１１２が埋め込まれる放熱用金属ベース板１１６と略等しい形状および大きさの金属ベース板形成部１２４ａが形成されている。なお、上側鋳型部材１２４には、金属溶湯を鋳型１２０内に注湯するための（図示しない）注湯口が形成されている。また、下側鋳型部材１２２には、金属ベース板形成部１２４ａと回路用金属板形成部１２２ｂとの間に延びる（図示しない）注湯流路が形成され、回路用金属板形成部１２２ｂの上にセラミックス基板１１２が配置されたときにも金属ベース板形成部１２４ａと回路用金属板形成部１２２ｂとの間が連通するようになっている。
なお、下側鋳型部材１２２の上面のセラミックス基板１１２の各側面に対応する部分に、セラミックス基板１１２の位置決め用の（図示しない）微小の突起またはリブを設け、これらの突起またはリブに囲まれた領域内にセラミックス基板１１２を配置するのが好ましい。また、これらの突起またはリブは、ヒートサイクル後にクラックが発生し易いセラミックス基板１１２の角部が放熱用金属ベース板１１６で覆われるように、セラミックス基板１１２の角部に対応する部分を除いた各側面の略中央に対応する部分に設けるのが好ましい。
この鋳型１２０の下側鋳型部材２２の回路用金属板形成部１２２ｂの上の所定の位置にセラミックス基板１１２を配置させ、下側鋳型部材１２２の上に上側鋳型部材１２４を配置して固定した後、金属ベース板形成部１２４ａ内にアルミニウム溶湯などの金属溶湯を注湯し、溶湯流路を介して回路用金属板形成部１２２ｂ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、図４に示す金属−セラミックス接合基板１１０が得られる。
このようにして製造した第１または第２の実施の形態の金属−セラミックス接合基板は、回路用金属板に回路パターンを形成した後、パワーモジュール用のセラミックス回路基板や、半導体実装用のセラミックス回路基板として使用することができる。例えば、このようにして製造された金属−セラミックス接合回路基板を用いて、Ｓｉチップなどの半導体チップの半田付け、アルミワイヤのボンディングなどによる配線、プラスチックパッケージの接着などのアセンブリ工程を経て、ヒートサイクルに対する信頼性の高いパワーモジュールを得ることができる。
なお、上記の第１および第２の実施の形態では、金属−セラミックス接合基板を溶湯法によって製造する場合について説明したが、本発明による金属−セラミックス接合基板は、ろう接法や直接接合法などの他の方法によって製造してもよい。
また、上記の第１および第２の実施の形態では、放熱用金属ベース板の形状が略平板状であり、そのセラミックス基板と反対側の面（裏面）が平面状であったが、本発明による金属−セラミックス接合基板では、裏面にフィンが形成されたフィン付ベース板や内部に水冷用の水路が設けられた水冷ベース板などを放熱用金属ベース板として使用してもよい。このような金属ベース板を使用しても、上記の第１および第２の実施の形態と同様の効果が得られる。また、上記の第１および第２の実施の形態では、回路用金属板が１枚の場合について図示して説明したが、回路用金属板が複数の場合でも同様の効果が得られる。
また、上記の第１および第２の実施の形態では、放熱用金属ベース板の金属板側の面のセラミックス基板のまわりの部分が平面であったが、本発明による金属−セラミックス接合基板では、図６〜図９に示すように、放熱用金属ベース板がセラミックス基板の周囲を取り囲んでセラミックス基板の側面の一部または全部に接合するように、放熱用金属ベース板の金属板側の面に滑らかな隆起部または階段状の隆起部を設けてもよい。このように、セラミックス基板の側面の少なくとも一部が放熱用金属ベース板に接合していれば、上記の第１および第２の実施の形態と同様の効果が得られる。なお、図６〜図９において、参照符号２１０、３１０、４１０および５１０は金属−セラミックス接合基板、参照符号２１２、３１２、４１２および５１２はセラミックス基板、参照符号２１４、３１４、４１４および５１４は回路用金属板、参照符号２１６、３１６、４１６および５１６は放熱用金属ベース板を示す。
［実施例１］
第１の実施の形態の金属−セラミックス接合基板の製造方法と同様の方法により、３６ｍｍ×４０ｍｍ×０．６３５ｍｍの窒化アルミニウム基板の一方の面に厚さ０．４ｍｍの３枚のアルミニウム板を接合するとともに、窒化アルミニウム基板が０．３ｍｍ程度の厚さ分だけアルミニウムベース板に埋め込まれるように、窒化アルミニウム基板の他方の面に厚さ５ｍｍでのアルミニウムベース板を接合し、第１の実施の形態の金属−セラミックス接合基板と同様の形状の金属−セラミックス接合基板を得た。この金属−セラミックス接合基板に対して、２０℃×１０分→−４０℃×３０分→２０℃×１０分→１２５℃×３０分を１サイクルとするヒートサイクルを３０００回行った後に、窒化アルミニウム基板の下側のアルミニウムベース板に亀裂が確認されず、同様のヒートサイクルを５０００回行った後にも亀裂が確認されなかった。
［実施例２］
第２の実施の形態の金属−セラミックス接合基板の製造方法と同様の方法により、３６ｍｍ×４０ｍｍ×０．６３５ｍｍの窒化アルミニウム基板の窒化アルミニウム基板の一方の面に厚さ０．４ｍｍの３枚のアルミニウム板を接合するとともに、窒化アルミニウム基板が全ての厚さ分だけアルミニウムベース板に埋め込まれるように、窒化アルミニウム基板の他方の面に厚さ５ｍｍでのアルミニウムベース板を接合し、第２の実施の形態の金属−セラミックス接合基板と同様の形状の金属−セラミックス接合基板を得た。この金属−セラミックス接合基板に対して、実施例１と同様のヒートサイクルを３０００回行った後に、窒化アルミニウム基板の下側のアルミニウムベース板に亀裂が確認されず、同様のヒートサイクルを５０００回行った後にも亀裂が確認されなかった。
［比較例］
図１０に示すように、第１および第２の実施の形態と同様に溶湯法によって、３６ｍｍ×４０ｍｍ×０．６３５ｍｍの窒化アルミニウム基板６１２の一方の面に厚さ０．４ｍｍの３枚（図５では１枚のみを示す）のアルミニウム板６１４を接合するとともに、他方の面に厚さ５ｍｍのアルミニウムベース板６１６を接合し、金属−セラミックス接合基板６１０を得た。この金属−セラミックス接合基板に対して、実施例１と同様のヒートサイクルを３０００回行った後に、窒化アルミニウム基板の下側のアルミニウムベース板に長さ３ｍｍの亀裂が生じた。
本発明による金属−セラミックス接合基板の第１の実施の形態の平面図である。 図１の金属−セラミックス接合基板のＩＩ−ＩＩ線断面図である。 図１の金属−セラミックス接合基板を製造するために使用する鋳型の断面図である。 本発明による金属−セラミックス接合基板の第２の実施の形態の断面図である。 図４の金属−セラミックス接合基板を製造するために使用する鋳型の断面図である。 本発明による金属−セラミックス接合基板の第１の実施の形態の変形例の断面図である。 本発明による金属−セラミックス接合基板の第１の実施の形態の他の変形例の断面図である。 本発明による金属−セラミックス接合基板の第２の実施の形態の変形例の断面図である。 本発明による金属−セラミックス接合基板の第２の実施の形態の他の変形例の断面図である。 比較例で製造した金属−セラミックス接合基板の断面図である。
符号の説明
１０、１１０、２１０、３１０、４１０、５１０、６１０ 金属−セラミックス接合基板
１２、１１２、２１２、３１２、４１２、５１２ セラミックス基板
１４、１１４、２１４、３１４、４１４、５１４ 回路用金属板
１６、１１６、２１６、３１６、４１６、５１６ 放熱用金属ベース板
２０、１２０ 鋳型
２２、１２２ 下側鋳型部材
２２ａ セラミックス基板保持部
２２ｂ、１２２ｂ 回路用金属板形成部
２４、１２４ 上側鋳型部材
２４ａ、１２４ａ 金属ベース板形成部
６１２ 窒化アルミニウム基板
６１４ アルミニウム板
６１６ アルミニウムベース板

Claims (1)

  1. 内部にセラミックス基板を配置した鋳型内に金属溶湯を注湯してセラミックス基板の両面に接触させた後に冷却して固化させることにより、セラミックス基板の一方の面に金属板が直接接合するとともに他方の面に放熱用金属ベース部材が直接接合した金属−セラミックス接合基板を製造する方法において、セラミックス基板の一方の面が放熱用金属ベース部材と接触せず且つ他方の面が放熱用金属ベース部材に直接接合するとともにセラミックス基板の側面の少なくとも一部が放熱用金属ベース部材に直接接合するように、セラミックス基板を放熱用金属ベース部材に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。
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