JP4821013B2 - Aluminum-ceramic bonding substrate and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、アルミニウム−セラミックス接合基板およびその製造方法に関し、特に、セラミックス基板の少なくとも一方の面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およびその製造方法に関する。 The present invention relates to an aluminum / ceramic bonding substrate and a method for manufacturing the same, and more particularly to an aluminum / ceramic bonding substrate in which an aluminum member is bonded to at least one surface of a ceramic substrate and a method for manufacturing the same.
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に、パワーモジュールが使用されている。従来のパワーモジュールでは、ベース板と呼ばれている金属板または複合材の一方の面に金属−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（以下「裏面」という）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。 In recent years, power modules have been used to control large currents in electric vehicles, trains, machine tools, and the like. In a conventional power module, a metal-ceramic insulating substrate is fixed to one surface of a metal plate or composite material called a base plate by soldering, and a semiconductor chip is fixed to the metal-ceramic insulating substrate by soldering. Has been. In addition, a metal radiating fin or a cooling jacket is attached to the other surface (hereinafter referred to as “rear surface”) of the base plate through heat conductive grease by screwing or the like.
この金属−セラミックス絶縁基板へのベース板や半導体チップの半田付けは加熱により行われるため、半田付けの際に接合部材間の熱膨張係数の差によりベース板の反りが生じ易い。また、半導体チップから発生した熱は、金属−セラミックス絶縁基板と半田とベース板を介して放熱フィンや冷却ジャケットにより空気や冷却水に逃がされるため、半田付けの際にベース板の反りが生じると、放熱フィンや冷却ジャケットをベース板に取り付けたときのクリアランスが大きくなり、放熱性が極端に低下するという問題がある。 Since the base plate and the semiconductor chip are soldered to the metal-ceramic insulating substrate by heating, the base plate is likely to warp due to the difference in thermal expansion coefficient between the joining members during soldering. Also, the heat generated from the semiconductor chip is released to the air and cooling water by the heat radiation fins and the cooling jacket through the metal-ceramic insulating substrate, the solder, and the base plate, so that the base plate warps during soldering. There is a problem that the clearance when the radiating fins and the cooling jacket are attached to the base plate is increased, and the heat dissipation is extremely lowered.
このような問題を解消して、金属−セラミックス絶縁基板の信頼性を高めるため、降伏応力が非常に低いアルミニウムをベース板に使用した金属−セラミックス回路基板、例えば、耐力が３２０ＭＰａ以下であり且つ厚さが１ｍｍ以上のアルミニウムまたはアルミニウム合金からなるベース板を溶湯法によってセラミックス基板に直接接合した金属−セラミックス回路基板が提案されている（例えば、特許文献１参照）。 In order to solve such problems and increase the reliability of the metal-ceramic insulating substrate, a metal-ceramic circuit substrate using aluminum having a very low yield stress as a base plate, for example, having a proof stress of 320 MPa or less and a thickness A metal-ceramic circuit board has been proposed in which a base plate made of aluminum or aluminum alloy having a length of 1 mm or more is directly bonded to a ceramic substrate by a molten metal method (see, for example, Patent Document 1).
しかし、アルミニウムの降伏応力を小さくするためにはアルミニウムの純度を高くする必要があるが、溶湯法ではアルミニウムの結晶粒径を制御し難く、１０ｍｍ以上の大きな結晶粒径しか得ることができない。このように結晶粒径が大きいと、結晶粒度分布にばらつきが起こり、ヒートサイクル後にセラミックス基板にクラックが生じ易くなり、また、半導体チップなどを半田付けする際の加熱によるアルミニウムベース板の反りの挙動にばらつきがある。 However, in order to reduce the yield stress of aluminum, it is necessary to increase the purity of aluminum. However, in the molten metal method, it is difficult to control the crystal grain size of aluminum, and only a large crystal grain size of 10 mm or more can be obtained. When the crystal grain size is large in this way, the grain size distribution varies and the ceramic substrate is likely to crack after the heat cycle, and the warping behavior of the aluminum base plate due to heating when soldering semiconductor chips, etc. There are variations.
したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、アルミニウムの結晶粒径を小さくして結晶粒度分布のばらつきを小さくし、ヒートサイクル後にセラミックス基板にクラックが生じるのを防止することができるとともに、半導体チップなどを半田付けする際の加熱によるアルミニウムベース板の反りを制御して、アルミニウムベース板に放熱フィンなどを取り付けたときの放熱性の低下を抑制することができる、アルミニウム−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。 Therefore, in view of such a conventional problem, the present invention makes it possible to reduce the crystal grain size distribution by reducing the crystal grain size of aluminum, and to prevent the ceramic substrate from cracking after the heat cycle. In addition, aluminum-ceramic bonding that controls the warpage of the aluminum base plate due to heating when soldering a semiconductor chip, etc., and suppresses a decrease in heat dissipation when a heat radiating fin is attached to the aluminum base plate It is an object of the present invention to provide a substrate and a manufacturing method thereof.
本発明者は、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、溶湯法によってアルミニウム部材をセラミックス基板に接合する際に、アルミニウム部材の熱伝導率の低下を純アルミニウムのからなる部材の熱伝導率と比べて２０％以内に抑え且つアルミニウム部材の結晶粒径を１０ｍｍ以下にする添加物をアルミニウム溶湯に加えることによって、アルミニウム部材の結晶粒径を小さくして結晶粒度分布のばらつきを小さくし、ヒートサイクル後にセラミックス基板にクラックが生じるのを防止することができるとともに、半導体チップなどを半田付けする際の加熱によるアルミニウムベース板の反りを制御して、アルミニウムベース板に放熱フィンなどを取り付けたときの放熱性の低下を抑制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。 As a result of diligent research to solve the above problems, the present inventor has found that when joining an aluminum member to a ceramic substrate by a molten metal method, the thermal conductivity of a member made of pure aluminum is reduced in the thermal conductivity of the aluminum member. By adding an additive to the aluminum melt that keeps the crystal grain size of the aluminum member to 10 mm or less compared with the aluminum member, the crystal grain size of the aluminum member is reduced to reduce the variation in crystal grain size distribution, and heat It is possible to prevent the ceramic substrate from cracking after cycling, and to control the warping of the aluminum base plate due to heating when soldering semiconductor chips, etc., and when radiating fins etc. are attached to the aluminum base plate Finding that the heat dissipation can be suppressed and completing the present invention It led to.
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の製造方法は、鋳型内にセラミックス基板を設置した後、このセラミックス基板の一方の面に接触するようにアルミニウム溶湯を鋳型内に注湯し、冷却してアルミニウム溶湯を固化させることにより、セラミックス基板の一方の面にアルミニウム部材を直接接触させて接合するアルミニウム−セラミックス接合基板の製造方法において、アルミニウム部材の熱伝導率の低下を純アルミニウムからなる部材の熱伝導率と比べて２０％以内に抑え且つアルミニウム部材の結晶粒径を１０ｍｍ以下にする添加物をアルミニウム溶湯に加えて、鋳型内に注湯することを特徴とする。
That is, in the method for manufacturing an aluminum / ceramic bonding substrate according to the present invention, after a ceramic substrate is placed in a mold, molten aluminum is poured into the mold so as to come into contact with one surface of the ceramic substrate, and then cooled. In the manufacturing method of an aluminum-ceramic bonding substrate in which the aluminum member is directly brought into contact with and bonded to one surface of the ceramic substrate by solidifying the molten aluminum, the decrease in the thermal conductivity of the aluminum member is reduced by the heat of the member made of pure aluminum. It is characterized in that an additive which suppresses the aluminum member within 20% of the conductivity and makes the crystal grain size of the
このアルミニウム−セラミックス接合基板の製造方法において、添加物が、アルミニウム部材の熱伝導率の低下を純アルミニウムからなる部材の熱伝導率と比べて１０％以内に抑える添加物であるのが好ましく、アルミニウム部材の結晶粒径を３ｍｍ以下にする添加物であるのが好ましい。 In this method for producing an aluminum / ceramic bonding substrate, the additive is preferably an additive that suppresses the decrease in the thermal conductivity of the aluminum member within 10% as compared with the thermal conductivity of the member made of pure aluminum. An additive that makes the crystal grain size of the member 3 mm or less is preferable.
また、添加物としてＴｉＢ系合金を使用するのが好ましい。この場合、ＴｉＢ系合金は、Ｔｉが好ましくは０．０５〜１．０重量％、さらに好ましくは０．１〜０．５重量％になるように加えられる。また、添加物としてＣａ、ＳｒまたはＡｌＮを使用してもよい。この場合、Ｃａ、ＳｒまたはＡｌＮの添加量は、０．３〜０．７重量％であるのが好ましい。さらに、添加物としてＣｕ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｖ、ＺｒおよびＴｉから選択される元素を使用してもよい。 Moreover, it is preferable to use a TiB type alloy as an additive. In this case, the TiB alloy is added so that Ti is preferably 0.05 to 1.0% by weight, more preferably 0.1 to 0.5% by weight. Further, Ca, Sr or AlN may be used as an additive. In this case, the added amount of Ca, Sr or AlN is preferably 0.3 to 0.7% by weight. Furthermore, an element selected from Cu, Si, Mg, Ni, Mg, Zn, Cr, Mn, V, Zr and Ti may be used as an additive.
また、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、アルミニウム部材が添加物を含有し且つ純アルミニウムからなる部材の熱伝導率の８０％以上の熱伝導率を有し、アルミニウム部材の結晶粒径が１０ｍｍ以下であることを特徴とする。 The aluminum-ceramic bonding substrate according to the present invention is an aluminum-ceramic bonding substrate in which an aluminum member is bonded to a ceramic substrate. The aluminum member contains an additive and has a thermal conductivity of 80% or more of a member made of pure aluminum. It has thermal conductivity, and the crystal grain size of the aluminum member is 10 mm or less.
このアルミニウム−セラミックス接合基板において、アルミニウム部材の熱伝導率が純アルミニウムからなる部材の熱伝導率の９０％以上であるのが好ましく、アルミニウム部材の結晶粒径が３ｍｍ以下であるのが好ましい。 In this aluminum-ceramic bonding substrate, the thermal conductivity of the aluminum member is preferably 90% or more of the thermal conductivity of the member made of pure aluminum, and the crystal grain size of the aluminum member is preferably 3 mm or less.
また、添加物としてＴｉＢ系合金を使用するのが好ましい。この場合、アルミニウム部材のＴｉの含有量は、好ましくは０．０５〜１．０重量％であり、さらに好ましくは０．１〜０．５重量％である。また、添加物としてＣａ、ＳｒまたはＡｌＮを使用してもよい。この場合、Ｃａ、ＳｒまたはＡｌＮの添加量は、０．３〜０．７重量％であるのが好ましい。さらに、添加物としてＣｕ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｖ、ＺｒおよびＴｉから選択される元素を使用してもよい。 Moreover, it is preferable to use a TiB type alloy as an additive. In this case, the content of Ti in the aluminum member is preferably 0.05 to 1.0% by weight, more preferably 0.1 to 0.5% by weight. Further, Ca, Sr or AlN may be used as an additive. In this case, the added amount of Ca, Sr or AlN is preferably 0.3 to 0.7% by weight. Furthermore, an element selected from Cu, Si, Mg, Ni, Mg, Zn, Cr, Mn, V, Zr and Ti may be used as an additive.
なお、アルミニウム−セラミックス接合基板が、セラミックス基板にアルミニウム溶湯を接触させて冷却することによりセラミックス基板にアルミニウム部材が直接接触して接合したアルミニウム−セラミックス接合基板であるのが好ましい。 The aluminum-ceramic bonding substrate is preferably an aluminum-ceramic bonding substrate in which an aluminum member is brought into direct contact with and bonded to the ceramic substrate by bringing the molten aluminum into contact with the ceramic substrate and cooling.
本発明によれば、溶湯法によってアルミニウム部材をセラミックス基板に接合してアルミニウム−セラミックス接合基板を製造する際に、アルミニウム部材の熱伝導率の低下を純アルミニウムからなる部材の熱伝導率と比べて２０％以内に抑え且つアルミニウム部材の結晶粒径を１０ｍｍ以下にする添加物をアルミニウム溶湯に加えることによって、アルミニウム部材の結晶粒径を小さくして結晶粒度分布のばらつきを小さくし、ヒートサイクル後にセラミックス基板にクラックが生じるのを防止することができるとともに、半導体チップなどを半田付けする際の加熱によるアルミニウムベース板の反りを制御して、アルミニウムベース板に放熱フィンなどを取り付けたときの放熱性の低下を抑制することができる。
According to the present invention, when manufacturing an aluminum-ceramic bonding substrate by bonding an aluminum member to a ceramic substrate by a molten metal method, the decrease in the thermal conductivity of the aluminum member is compared with the thermal conductivity of a member made of pure aluminum. By adding an additive that suppresses the crystal grain size of the aluminum member to within 20% and makes the crystal grain size of the
本発明によるアルミニウム−セラミックス接合基板の製造方法の実施の形態では、鋳型内にセラミックス基板を設置した後、このセラミックス基板の一方の面に接触するようにアルミニウム溶湯を鋳型内に注湯し、冷却してアルミニウム溶湯を固化させることにより、セラミックス基板の一方の面にアルミニウム部材を直接接触させて接合するアルミニウム−セラミックス接合基板の製造方法において、アルミニウム部材の熱伝導率の低下を純アルミニウムからなる部材の熱伝導率と比べて２０％以内に抑え且つアルミニウム部材の結晶粒径を１０ｍｍ以下にする添加物をアルミニウム溶湯に加えて鋳型内に注湯する。このような添加物をアルミニウム溶湯に加えることにより、アルミニウム部材の結晶粒径を小さくして結晶粒度分布のばらつきを小さくし、ヒートサイクル後にセラミックス基板にクラックが生じるのを防止することができるとともに、半導体チップなどを半田付けする際の加熱によるアルミニウムベース板の反りを制御して、アルミニウムベース板に放熱フィンなどを取り付けたときの放熱性の低下を抑制することができる。
In the embodiment of the method for producing an aluminum / ceramic bonding substrate according to the present invention, after the ceramic substrate is placed in the mold, molten aluminum is poured into the mold so as to come into contact with one surface of the ceramic substrate, and then cooled. In the method of manufacturing an aluminum-ceramic bonding substrate in which the aluminum member is directly brought into contact with and bonded to one surface of the ceramic substrate by solidifying the molten aluminum, a member made of pure aluminum is used to reduce the thermal conductivity of the aluminum member. An additive that suppresses the thermal conductivity within 20% of the aluminum member and makes the crystal grain size of the
アルミニウム部材の結晶粒径を小さくすることによってヒートサイクル後にセラミックス基板にクラックが生じるのを防止することができる理由は、次のように考えられる。ヒートサイクルによってアルミニウム−セラミックス接合基板のセラミックスとアルミニウムの熱膨張差に起因して熱応力が発生するが、アルミニウムは柔らかい金属であるため、セラミックス基板に接合したアルミニウムベース板と回路側アルミニウム板が塑性変形して応力を緩和する。このときの歪は、変形しやすいアルミニウムの結晶粒界に集まり、アルミニウムの結晶粒界に段差が生じる。この段差は、アルミニウムの結晶粒径が小さい場合には分散されて小さくなるが、結晶粒径が大きいと、結晶粒界が短いために大きな段差になる。この大きな段差には応力が集中し易いので、この部分に大きな力が加わって、セラミックス基板の対応する部分にクラックが発生し易くなると考えられる。この段差は、ヒートサイクルを３０００回行った後に１００μｍ以下であるのが好ましく、５０μｍ以下であるのがさらに好ましい。この段差が３００μｍ以上の場合には、クラックが発生する可能性が高くなり、セラミックス基板が薄い場合にはクラックの発生が顕著になる。 The reason why the ceramic substrate can be prevented from cracking after the heat cycle by reducing the crystal grain size of the aluminum member is considered as follows. Thermal stress occurs due to the thermal expansion difference between ceramic and aluminum in the aluminum-ceramic bonding substrate due to heat cycle, but since aluminum is a soft metal, the aluminum base plate and circuit side aluminum plate bonded to the ceramic substrate are plastic. Deform and relieve stress. The strain at this time gathers at the aluminum crystal grain boundaries that are easily deformed, and a level difference occurs at the aluminum crystal grain boundaries. This step is dispersed and reduced when the crystal grain size of aluminum is small. However, when the crystal grain size is large, the crystal grain boundary is short, resulting in a large step. Since stress tends to concentrate on this large step, it is considered that a large force is applied to this portion, and cracks are likely to occur in the corresponding portion of the ceramic substrate. This step is preferably 100 μm or less, more preferably 50 μm or less after 3000 heat cycles. When this level difference is 300 μm or more, there is a high possibility of occurrence of cracks, and when the ceramic substrate is thin, the occurrence of cracks becomes significant.
アルミニウムの結晶粒径は、添加物を加えたり、鋳造時の凝固速度を速くすることにより小さくなることが知られている。しかし、凝固速度を速くすると、セラミックス基板に大きな熱衝撃が加わり、セラミックス基板が割れ易くなる。そこで、本発明者は、添加物を加えることによりアルミニウムの結晶粒径を小さくすることについて鋭意研究した結果、アルミニウム−セラミックス接合基板をパワーモジュール用回路基板などの大電流を流す基板として使用する場合には、アルミニウムの結晶粒径を小さくするために添加物を加えたときの熱伝導率の低下が純アルミニウムの熱伝導率と比べて２０％以下でなければ、パワーモジュールとしての放熱性が不十分であり、また、電気伝導のロスも大きく、好ましくないことがわかった。添加物を加えたときの熱伝導率の低下は、１０％以下であるのがさらに好ましい。 It is known that the crystal grain size of aluminum is reduced by adding an additive or increasing the solidification rate during casting. However, when the solidification rate is increased, a large thermal shock is applied to the ceramic substrate, and the ceramic substrate is easily broken. Therefore, as a result of diligent research on reducing the crystal grain size of aluminum by adding an additive, the present inventor uses an aluminum-ceramic bonding substrate as a substrate for passing a large current, such as a power module circuit substrate. If the additive does not decrease the thermal conductivity when the additive is added to reduce the crystal grain size of aluminum, the heat dissipation as a power module is not good unless the thermal conductivity of pure aluminum is 20% or less. It was found to be sufficient and the loss of electrical conduction was large, which was not preferable. The decrease in thermal conductivity when an additive is added is more preferably 10% or less.
また、アルミニウムの結晶粒径は、ヒートサイクル後にセラミックス基板にクラックが発生するのを抑制するためには、好ましくは１０ｍｍ以下であり、さらに好ましくは３ｍｍ以下である。 The crystal grain size of aluminum is preferably 10 mm or less, and more preferably 3 mm or less, in order to suppress the occurrence of cracks in the ceramic substrate after the heat cycle.
また、アルミニウム合金への添加物として、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｖ、Ｚｒ、Ｔｉなどの元素が知られているが、上記の条件を満たす添加物であれば、どのような添加物を使用してもよい。 Further, elements such as Cu, Si, Mg, Ni, Mg, Zn, Cr, Mn, V, Zr, and Ti are known as additives to the aluminum alloy. Any additive may be used.
さらに、アルミニウムとセラミックス基板の接合方法が溶湯接合法の場合には、比較的アルミニウムに固溶し難いと考えられ、降伏強度が小さい合金を得ることができるＴｉＢ、ＡｌＮ、Ｃａ、Ｓｒなどの添加物を使用するのが好ましい。この場合、Ａｌ−Ｔｉ−Ｂ、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｃａなどの母合金の形で添加するのが好ましい。 Furthermore, when the joining method of aluminum and the ceramic substrate is a molten metal joining method, it is considered that it is relatively difficult to dissolve in aluminum, and addition of TiB, AlN, Ca, Sr, etc. that can obtain an alloy having a low yield strength. It is preferable to use a product. In this case, it is preferable to add in the form of a master alloy such as Al-Ti-B, Al-Si, Al-Ca.
なお、アルミニウム溶湯を冷却して固化させる際の冷却速度は、セラミックス基板への熱衝撃を抑えてセラミックス基板の割れを防止し且つ結晶粒径を粗大化させ難い冷却速度、例えば、１０℃／分〜１００℃／分の範囲の冷却速度が好ましく、２０℃／分〜５０℃／分の範囲の冷却速度がさらに好ましい。 The cooling rate when the molten aluminum is cooled and solidified is a cooling rate at which the thermal shock to the ceramic substrate is suppressed to prevent cracking of the ceramic substrate and the crystal grain size is difficult to increase, for example, 10 ° C./min. A cooling rate in the range of ~ 100 ° C / min is preferred, and a cooling rate in the range of 20 ° C / min to 50 ° C / min is more preferred.
また、アルミニウムとセラミックス基板の接合方法は、ろう接法や直接接合法でもよい。 The joining method of aluminum and the ceramic substrate may be a brazing method or a direct joining method.
以下、添付図面を参照して、本発明によるアルミニウム−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。 Hereinafter, embodiments of an aluminum / ceramic bonding substrate and a method for manufacturing the same according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
［実施例１］
まず、鋳型として、図１および図２に示すように、平面形状が略矩形の下側鋳型部材１０の底面部１０ａの上面に１０ｍｍの間隔で離間した２つの階段状の側壁を有する凹部１０ｂが形成され、これらの凹部１０ｂのそれぞれが、３９ｍｍ×３９ｍｍ×０．４ｍｍのアルミニウム板を形成し得る形状および大きさのアルミニウム板形成部１０ｃと、このアルミニウム板形成部１０ｃの上部に隣接して形成され、アルミニウム板形成部１０ｃの上部に４０ｍｍ×４０ｍｍ×０．６３５ｍｍのセラミックス基板と略等しい形状および大きさで且つそのセラミックス基板を収容し得る形状および大きさのセラミックス基板収容部１０ｄとからなり、下側鋳型部材１０の上部に平面形状が略矩形の（図示しない）上側鋳型部材を被せたときにセラミックス基板の上部に隣接して１１０ｍｍ×６０ｍｍ×６ｍｍのアルミニウムベース板を形成し得る形状および大きさのアルミニウムベース板形成部１０ｅが形成されるカーボン製鋳型を用意した。なお、この鋳型の上側鋳型部材には、アルミニウム溶湯を鋳型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１０には、アルミニウムベース板形成部１０ｅとアルミニウム板形成部１０ｃとの間に延びる（図示しない）溶湯流路が形成され、セラミックス基板収容部１０ｄ内にセラミックス基板を収容したときにもアルミニウムベース板形成部１０ｅとアルミニウム板形成部１０ｃとの間が連通するようになっている。
[Example 1]
First, as shown in FIGS. 1 and 2, a concave portion 10b having two stepped side walls spaced apart at a distance of 10 mm is formed on the upper surface of the bottom surface portion 10a of the
この鋳型の下側鋳型部材１０のセラミックス基板収容部１０ｄ内に４０ｍｍ×４０ｍｍ×０．６３５ｍｍの２枚の窒化アルミニウム基板を収容し、下側鋳型部材１０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、純度４Ｎの溶融状態のアルミニウムにＡｌ−Ｔｉ−Ｂ合金（Ｔｉ：４．９％、Ｂ：１％、Ａｌ：９４．１％）をＴｉが０．５重量％になるように添加したものを、（図示しない）カーボン製シリンダで圧力をかけることにより酸化被膜を取り除きながら、鋳型内に流し込んだ。その後、鋳型を冷却して溶湯を凝固させ、さらに室温まで冷却した。このようにして、図３に示すように、１１０ｍｍ×６０ｍｍ×６ｍｍのアルミニウムベース板１６に２枚のセラミックス基板１４のそれぞれの一方の面が直接接触して接合し、それぞれのセラミックス基板１４の他方の面に３９ｍｍ×３９ｍｍ×０．４ｍｍのアルミニウム板１２の一方の面が直接接触して接合した接合体を製造し、この接合体を鋳型から取り出した。
Two aluminum nitride substrates of 40 mm × 40 mm × 0.635 mm are accommodated in the ceramic substrate accommodating portion 10d of the
その後、それぞれのアルミニウム板１２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た後、レジストを剥離した。また、アルミニウムベース板１６の裏面をフライス加工によって１ｍｍ研削し、凸凹を５０μｍ以下にした。
Thereafter, an etching resist having a predetermined shape was printed on the surface of each
このようにして得られた接合体のアルミニウムベース板１６の裏面のアルミニウムの結晶粒径を観察したところ、１〜３ｍｍ程度であった。
When the crystal grain diameter of aluminum on the back surface of the
また、得られた接合体について、アルミニウム回路板１２とセラミックス基板１４との間の接合界面およびセラミックス基板１４とアルミニウムベース板１６との間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１４にクラックが認められなかった。
Further, the obtained bonded body was examined with an ultrasonic flaw detector for the bonding interface between the
また、得られた接合体のアルミニウムベース板１６の裏面の反りをレーザーによる反り測定装置によって測定するとともに、接合体を３８０℃まで加熱して１０分保持した後に室温に冷却して、再びアルミニウムベース板１６の裏面の反りをレーザーによる反り測定装置によって測定し、アルミニウムベース板１６の裏面の反りが変化していないかを確認した。その結果、加熱前後の反りの変化は−１０〜２０μｍであり、ばらつきが極めて小さかった。
Further, the warpage of the back surface of the
さらに、得られた接合体に対して、−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、上述した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１４にクラックが認められなかった。
Further, the obtained bonded body was subjected to 3000 heat cycles in which one cycle was held at −40 ° C. for 30 minutes, held at 25 ° C. for 10 minutes, held at 125 ° C. for 30 minutes, and held at 25 ° C. for 10 minutes. After that, when each of the above-described bonding interfaces was examined with an ultrasonic flaw detector, no bonding defects were found and no cracks were found in the
また、得られた接合体から所定の大きさのサンプルを切り出して、レーザーフラッシュ法により熱伝導率を測定したところ、２１４Ｗ／ｍＫであり、熱伝導率の低下は純アルミニウムの熱伝導率２３８Ｗ／ｍＫと比べて約１０％の低下に留まり、放熱性に及ぼす影響が小さかった。 Further, a sample of a predetermined size was cut out from the obtained joined body, and the thermal conductivity was measured by a laser flash method. As a result, it was 214 W / mK, and the decrease in the thermal conductivity was 238 W / p. Compared to mK, the reduction was only about 10%, and the effect on heat dissipation was small.
［実施例２］
実施例１と同様のＡｌ−Ｔｉ−Ｂ合金をＴｉが０．１重量％になるように添加した以外は実施例１と同様の方法により得られた接合体について、実施例１と同様の評価を行ったところ、アルミニウムベース板の裏面のアルミニウムの結晶粒径は３〜５ｍｍ程度であり、アルミニウム回路板とセラミックス基板との間の接合界面およびセラミックス基板とアルミニウムベース板との間の接合界面に接合欠陥が認められず、セラミックス基板にクラックが認められなかった。また、加熱前後の反りの変化は−２０〜３０μｍであり、ばらつきが小さかった。さらに、ヒートサイクルを３０００回行った後にも接合欠陥が認められず、セラミックス基板にクラックが認められなかった。また、得られた接合体から切り出したサンプルの熱伝導率を測定したところ、２１４Ｗ／ｍＫであり、熱伝導率の低下は純アルミニウムの熱伝導率２３８Ｗ／ｍＫと比べて約１０％の低下に留まり、放熱性に及ぼす影響は小さかった。
[Example 2]
The same evaluation as in Example 1 was performed on the joined body obtained by the same method as in Example 1 except that the same Al—Ti—B alloy as in Example 1 was added so that Ti was 0.1 wt%. As a result, the crystal grain size of aluminum on the back surface of the aluminum base plate is about 3 to 5 mm, and at the bonding interface between the aluminum circuit board and the ceramic substrate and the bonding interface between the ceramic substrate and the aluminum base plate. No bonding defects were observed, and no cracks were observed on the ceramic substrate. Moreover, the change of the curvature before and behind a heating was -20-30 micrometers, and the dispersion | variation was small. Furthermore, no bonding defects were observed even after 3000 heat cycles, and no cracks were observed on the ceramic substrate. Moreover, when the thermal conductivity of the sample cut out from the obtained joined body was measured, it was 214 W / mK, and the decrease in thermal conductivity was about 10% lower than the thermal conductivity of pure aluminum 238 W / mK. The effect on the heat dissipation was small.
［実施例３］
Ａｌ−Ｔｉ−Ｂ合金の代わりにＣａを添加した以外は実施例１と同様の方法により得られた接合体について、実施例１と同様の評価を行ったところ、アルミニウムベース板の裏面のアルミニウムの結晶粒径は５〜１０ｍｍ程度であり、アルミニウム回路板とセラミックス基板との間の接合界面およびセラミックス基板とアルミニウムベース板との間の接合界面に接合欠陥が認められず、セラミックス基板にクラックが認められなかった。また、加熱前後の反りの変化は−５０〜５０μｍであり、ばらつきがそれ程大きくなかった。さらに、ヒートサイクルを３０００回行った後にも接合欠陥が認められず、セラミックス基板にクラックが認められなかった。また、得られた接合体から切り出したサンプルの熱伝導率を測定したところ、２１４Ｗ／ｍＫであり、熱伝導率の低下は純アルミニウムの熱伝導率２３８Ｗ／ｍＫと比べて約１０％の低下に留まり、放熱性に及ぼす影響が小さかった。
[Example 3]
Except that Ca was added in place of the Al—Ti—B alloy, the joined body obtained by the same method as in Example 1 was evaluated in the same manner as in Example 1. As a result, the aluminum on the back surface of the aluminum base plate The crystal grain size is about 5 to 10 mm, no bonding defects are observed at the bonding interface between the aluminum circuit board and the ceramic substrate and the bonding interface between the ceramic substrate and the aluminum base plate, and cracks are observed in the ceramic substrate. I couldn't. Moreover, the change of the curvature before and behind heating was -50-50 micrometers, and the dispersion | variation was not so large. Furthermore, no bonding defects were observed even after 3000 heat cycles, and no cracks were observed on the ceramic substrate. Moreover, when the thermal conductivity of the sample cut out from the obtained joined body was measured, it was 214 W / mK, and the decrease in thermal conductivity was about 10% lower than the thermal conductivity of pure aluminum 238 W / mK. The effect on heat dissipation was small.
［実施例４］
Ａｌ−Ｔｉ−Ｂ合金の代わりにＳｒを添加した以外は実施例１と同様の方法により得られた接合体について、実施例１と同様の評価を行ったところ、アルミニウムベース板の裏面のアルミニウムの結晶粒径は５〜１０ｍｍ程度であり、アルミニウム回路板とセラミックス基板との間の接合界面およびセラミックス基板とアルミニウムベース板との間の接合界面に接合欠陥が認められず、セラミックス基板にクラックが認められなかった。また、加熱前後の反りの変化は−５０〜５０μｍであり、ばらつきがそれ程大きくなかった。さらに、ヒートサイクルを３０００回行った後にも接合欠陥が認められず、セラミックス基板にクラックが認められなかった。また、得られた接合体から切り出したサンプルの熱伝導率を測定したところ、２１４Ｗ／ｍＫであり、熱伝導率の低下は純アルミニウムの熱伝導率２３８Ｗ／ｍＫと比べて約１０％の低下に留まり、放熱性に及ぼす影響が小さかった。
[Example 4]
The joined body obtained by the same method as in Example 1 except that Sr was added instead of the Al—Ti—B alloy was evaluated in the same manner as in Example 1. As a result, aluminum on the back surface of the aluminum base plate was analyzed. The crystal grain size is about 5 to 10 mm, no bonding defects are observed at the bonding interface between the aluminum circuit board and the ceramic substrate and the bonding interface between the ceramic substrate and the aluminum base plate, and cracks are observed in the ceramic substrate. I couldn't. Moreover, the change of the curvature before and behind heating was -50-50 micrometers, and the dispersion | variation was not so large. Furthermore, no bonding defects were observed even after 3000 heat cycles, and no cracks were observed on the ceramic substrate. Moreover, when the thermal conductivity of the sample cut out from the obtained joined body was measured, it was 214 W / mK, and the decrease in thermal conductivity was about 10% lower than the thermal conductivity of pure aluminum 238 W / mK. The effect on heat dissipation was small.
［実施例５］
Ａｌ−Ｔｉ−Ｂ合金の代わりにＳｉを添加した以外は実施例１と同様の方法により得られた接合体について、実施例１と同様の評価を行ったところ、アルミニウムベース板の裏面のアルミニウムの結晶粒径は５〜１０ｍｍ程度であり、アルミニウム回路板とセラミックス基板との間の接合界面およびセラミックス基板とアルミニウムベース板との間の接合界面に接合欠陥が認められず、セラミックス基板にクラックが認められなかった。また、加熱前後の反りの変化は−５０〜５０μｍであり、ばらつきがそれ程大きくなかった。さらに、ヒートサイクルを３０００回行った後にも接合欠陥が認められず、セラミックス基板にクラックが認められなかった。また、得られた接合体から切り出したサンプルの熱伝導率を測定したところ、２０２Ｗ／ｍＫであり、熱伝導率の低下は純アルミニウムの熱伝導率２３８Ｗ／ｍＫと比べて約１５％の低下に留まり、放熱性に及ぼす影響が小さかった。
[Example 5]
The joined body obtained by the same method as in Example 1 except that Si was added instead of the Al—Ti—B alloy was evaluated in the same manner as in Example 1. As a result, the aluminum on the back surface of the aluminum base plate was measured. The crystal grain size is about 5 to 10 mm, no bonding defects are observed at the bonding interface between the aluminum circuit board and the ceramic substrate and the bonding interface between the ceramic substrate and the aluminum base plate, and cracks are observed in the ceramic substrate. I couldn't. Moreover, the change of the curvature before and behind heating was -50-50 micrometers, and the dispersion | variation was not so large. Furthermore, no bonding defects were observed even after 3000 heat cycles, and no cracks were observed on the ceramic substrate. Moreover, when the thermal conductivity of the sample cut out from the obtained joined body was measured, it was 202 W / mK, and the decrease in thermal conductivity was about 15% lower than the thermal conductivity of pure aluminum 238 W / mK. The effect on heat dissipation was small.
［実施例６］
Ａｌ−Ｔｉ−Ｂ合金の代わりにＣｕを添加した以外は実施例１と同様の方法により得られた接合体について、実施例１と同様の評価を行ったところ、アルミニウムベース板の裏面のアルミニウムの結晶粒径は５〜１０ｍｍ程度であり、アルミニウム回路板とセラミックス基板との間の接合界面およびセラミックス基板とアルミニウムベース板との間の接合界面に接合欠陥が認められず、セラミックス基板にクラックが認められなかった。また、加熱前後の反りの変化は−５０〜５０μｍであり、ばらつきがそれ程大きくなかった。さらに、ヒートサイクルを３０００回行った後にも接合欠陥が認められず、セラミックス基板にクラックが認められなかった。また、得られた接合体から切り出したサンプルの熱伝導率を測定したところ、２２１Ｗ／ｍＫであり、熱伝導率の低下は純アルミニウムの熱伝導率２３８Ｗ／ｍＫと比べて約７％の低下に留まり、放熱性に及ぼす影響が小さかった。
[Example 6]
Except that Cu was added instead of the Al-Ti-B alloy, the joined body obtained by the same method as in Example 1 was evaluated in the same manner as in Example 1. As a result, aluminum on the back surface of the aluminum base plate was analyzed. The crystal grain size is about 5 to 10 mm, no bonding defects are observed at the bonding interface between the aluminum circuit board and the ceramic substrate and the bonding interface between the ceramic substrate and the aluminum base plate, and cracks are observed in the ceramic substrate. I couldn't. Moreover, the change of the curvature before and behind heating was -50-50 micrometers, and the dispersion | variation was not so large. Furthermore, no bonding defects were observed even after 3000 heat cycles, and no cracks were observed on the ceramic substrate. Moreover, when the thermal conductivity of the sample cut out from the obtained joined body was measured, it was 221 W / mK, and the decrease in thermal conductivity was about 7% lower than the thermal conductivity of pure aluminum 238 W / mK. The effect on heat dissipation was small.
［実施例７］
セラミックス基板として９６％アルミナ基板を使用し、その大きさを４０ｍｍ×４０ｍｍ×０．２５ｍｍとした以外は実施例１と同様の方法により得られた接合体について、実施例１と同様の評価を行ったところ、アルミニウムベース板の裏面のアルミニウムの結晶粒径は１〜３ｍｍ程度であり、アルミニウム回路板とセラミックス基板との間の接合界面およびセラミックス基板とアルミニウムベース板との間の接合界面に接合欠陥が認められず、セラミックス基板にクラックが認められなかった。また、ヒートサイクルを３０００回行った後にも接合欠陥が認められず、セラミックス基板にクラックの発生が認められなかった。このとき、アルミニウムの結晶粒界の段差は、大きいところでも１００μｍ以下であった。
[Example 7]
The same evaluation as in Example 1 was performed on the joined body obtained by the same method as in Example 1 except that a 96% alumina substrate was used as the ceramic substrate and the size was 40 mm × 40 mm × 0.25 mm. As a result, the crystal grain size of aluminum on the back surface of the aluminum base plate is about 1 to 3 mm, and bonding defects are present at the bonding interface between the aluminum circuit board and the ceramic substrate and between the ceramic substrate and the aluminum base plate. Was not observed, and no cracks were observed on the ceramic substrate. In addition, no bonding defects were observed after 3000 heat cycles, and no cracks were observed on the ceramic substrate. At this time, the level difference of the grain boundary of aluminum was 100 μm or less even at a large place.
［比較例１］
Ａｌ−Ｔｉ−Ｂ合金を添加しなかった以外は実施例１と同様の方法により得られた接合体について、実施例１と同様の評価を行ったところ、アルミニウムベース板の裏面のアルミニウムの結晶粒径は５〜５０ｍｍ程度と大きかった。また、アルミニウム回路板とセラミックス基板との間の接合界面およびセラミックス基板とアルミニウムベース板との間の接合界面に接合欠陥が認められず、セラミックス基板にクラックが認められなかった。また、加熱前後の反りの変化は−１００〜５０μｍであり、ばらつきが大きかった。なお、ヒートサイクルを３０００回行った後にも接合欠陥が認められず、セラミックス基板にクラックが認められなかった。
[Comparative Example 1]
A bonded body obtained by the same method as in Example 1 except that the Al—Ti—B alloy was not added was evaluated in the same manner as in Example 1. As a result, aluminum crystal grains on the back surface of the aluminum base plate were obtained. The diameter was as large as about 5 to 50 mm. Further, no bonding defects were observed at the bonding interface between the aluminum circuit board and the ceramic substrate and at the bonding interface between the ceramic substrate and the aluminum base plate, and no cracks were observed in the ceramic substrate. Moreover, the change of the curvature before and behind heating was -100-50 micrometers, and the dispersion | variation was large. Note that no bonding defects were observed even after 3000 heat cycles, and no cracks were observed in the ceramic substrate.
［比較例２］
Ａｌ−Ｔｉ−Ｂ合金を添加しなかった以外は実施例６と同様の方法により得られた接合体について、実施例１と同様の評価を行ったところ、アルミニウムベース板の裏面のアルミニウム結晶粒経は５〜５０ｍｍ程度と大きかった。また、アルミニウム回路板とセラミックス基板との間の接合界面およびセラミックス基板とアルミニウムベース板との間の接合界面に接合欠陥が認められず、セラミックス基板にクラックが認められなかった。また、ヒートサイクルを３０００回行った後に接合欠陥が認められなかったが、セラミックス基板にクラックが発生していた。このとき、アルミニウムの結晶粒界の段差は、大きいところで３００μｍ程度であり、セラミックス基板にクラックが発生した部分はアルミニウムの結晶粒界の段差が大きい部分にほぼ対応していた。
[Comparative Example 2]
The bonded body obtained by the same method as in Example 6 except that the Al—Ti—B alloy was not added was evaluated in the same manner as in Example 1. As a result, the aluminum grain size on the back surface of the aluminum base plate was measured. Was as large as about 5 to 50 mm. Further, no bonding defects were observed at the bonding interface between the aluminum circuit board and the ceramic substrate and at the bonding interface between the ceramic substrate and the aluminum base plate, and no cracks were observed in the ceramic substrate. Further, no bonding defects were observed after 3000 heat cycles, but cracks were generated in the ceramic substrate. At this time, the level difference of the aluminum crystal grain boundary was about 300 μm at the maximum, and the portion where the crack was generated in the ceramic substrate substantially corresponded to the portion where the level difference of the aluminum crystal grain boundary was large.
１０ 下側鋳型部材
１０ａ 底面部
１０ｂ 凹部
１０ｃ アルミニウム板形成部
１０ｄ セラミックス基板収容部
１０ｅ アルミニウムベース板形成部
１２ アルミニウム板
１４ セラミックス基板
１６ アルミニウムベース板
DESCRIPTION OF
Claims (9)
5. The aluminum-ceramic bonding substrate is an aluminum-ceramic bonding substrate in which an aluminum base plate is in direct contact with and bonded to a ceramic substrate by cooling with the molten aluminum in contact with the ceramic substrate. The aluminum-ceramic bonding substrate according to any one of 1 to 8.
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