JP4965305B2 - 金属−セラミックス接合基板の製造方法 - Google Patents
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Description
まず、内部に100mm×150mm×5mmの大きさのベース板を形成するための空洞部(ベース板形成部)が形成され、この空洞部の底面に30mm×60mm×0.6mmの大きさのセラミックス基板を収容するための3つの凹部(セラミックス基板収容部)が形成され、これらの凹部の各々の底面に27mm×57mm×0.4mmの大きさの回路パターン用金属板を形成するための凹部(回路パターン用金属板形成部)が形成されたカーボン製の鋳型を用意した。なお、この鋳型には、溶湯を鋳型内に注湯するための注湯口が形成されているとともに、ベース板形成部と回路パターン用金属板形成部との間に延びる溶湯流路が形成され、セラミックス基板収容部内にセラミックス基板を収容したときにもベース板形成部と回路パターン用金属板形成部との間が連通するようになっている。
冷却時にアルミニウム合金溶湯を加圧する圧力を1kPaにした以外は、実施例1と同様の方法により金属−セラミックス接合体を製造した。この接合体について実施例1と同様の評価を行ったところ、アルミニウム合金ベース板のコーナー部の断面がR0.2mm(使用上問題がない程度)以下であった以外は、実施例1と同様の結果が得られた。
冷却時にアルミニウム合金溶湯を加圧する圧力をそれぞれ5kPa(実施例3)、30kPa(実施例4)、90kPa(実施例5)にした以外は、実施例1と同様の方法により金属−セラミックス接合体を製造した。これらの接合体について実施例1と同様の評価を行ったところ、実施例1と同様の結果が得られた。なお、実施例5では、ガス加圧ノズルと鋳型の間からアルミニウム合金溶湯がわずかに漏れ出したが、特に問題がない程度であった。
アルミニウム合金ベース板の裏面に高さ10mm、幅3mm、長さ120mm、ピッチ6mmの櫛形フィンを一体に形成可能な鋳型を使用した以外は、実施例1と同様の方法により金属−セラミックス接合体を製造した。この接合体では、フィンの両端部のコーナー部の断面がR1mm以下で所望の形状であった。また、この接合体の形状以外について実施例1と同様の評価を行ったところ、実施例1と同様の結果が得られた。
冷却時にアルミニウム合金溶湯を加圧する圧力を1kPaにした以外は、実施例6と同様の方法により金属−セラミックス接合体を製造した。この接合体について実施例6と同様の評価を行ったところ、フィンの両端部のコーナー部の断面がR3mm(使用上問題がない程度)以下であった以外は、実施例6と同様の結果が得られた。
冷却時にアルミニウム合金溶湯を加圧する圧力をそれぞれ5kPa(実施例8)、30kPa(実施例9)、90kPa(実施例10)にした以外は、実施例6と同様の方法により金属−セラミックス接合体を製造した。これらの接合体について実施例6と同様の評価を行ったところ、実施例6と同様の結果が得られた。なお、実施例10では、ガス加圧ノズルと鋳型の間からアルミニウム合金溶湯がわずかに漏れ出したが、特に問題がない程度であった。
鋳型に注入するアルミニウム合金溶湯の温度をそれぞれ662℃(アルミニウム合金の液相線温度657℃より5℃高い温度)(実施例11)、680℃(アルミニウム合金の液相線温度657℃より23℃高い温度)(実施例12)および850℃(アルミニウム合金の液相線温度657℃より193℃高い温度)(実施例13)にした以外は、実施例1と同様の方法により金属−セラミックス接合体を製造した。これらの接合体について実施例1と同様の評価を行ったところ、実施例1と同様の結果が得られた。
冷却ブロックとしての銅製の水冷ジャケットと鋳型との接触面積を変化させるともに、水冷ジャケットに流す水量を変化させることによって、平均冷却速度を5℃/分にした以外は、実施例1と同様の方法により金属−セラミックス接合体を製造した。この接合体について実施例1と同様の評価を行ったところ、回路パターン用アルミニウム合金板の表面の平均結晶粒径が0.4〜0.5mmであり、アルミニウム合金ベース板の長手方向の反り量が0.2mmであった以外は、実施例1と同様の結果が得られた。
冷却ブロックとしての銅製の水冷ジャケットと鋳型との接触面積を変化させるともに、水冷ジャケットに流す水量を変化させることによって、平均冷却速度を95℃/分にした以外は、実施例1と同様の方法により金属−セラミックス接合体を製造した。この接合体について実施例1と同様の評価を行ったところ、回路パターン用アルミニウム合金板の表面の平均結晶粒径が0.2mmであった以外は、実施例1と同様の結果が得られた。
ヒーターの設定温度、銅製の水冷ジャケットと鋳型との接触面積、水冷ジャケットに流す水量を変化させることによって、アルミニウム溶湯の冷却中の温度勾配を1℃/cmにした以外は、実施例1と同様の方法により金属−セラミックス接合体を製造した。この接合体について実施例1と同様の評価を行ったところ、実施例1と同様の結果が得られた。
ヒーターの設定温度、銅製の水冷ジャケットと鋳型との接触面積、水冷ジャケットに流す水量を変化させることによって、アルミニウム溶湯の冷却中の温度勾配を48℃/cmにした以外は、実施例1と同様の方法により金属−セラミックス接合体を製造した。この接合体について実施例1と同様の評価を行ったところ、回路パターン用アルミニウム合金板の表面の平均結晶粒径が0.2〜0.5mmであり、冷却時の熱流方向にやや伸びた(長さ5〜15mmの)結晶粒がわずかに混在していた以外は、実施例1と同様の結果が得られた。
珪素の含有量をそれぞれ0.1質量%(実施例18)、1.5質量%(実施例19)にした以外は、実施例1と同様のアルミニウム合金を使用し、実施例1と同様の方法により金属−セラミックス接合体を製造した。これらの接合体について実施例1と同様の評価を行ったところ、実施例1と同様の結果が得られた。なお、実施例18および実施例19で使用したアルミニウム合金の液相線温度は、それぞれ約659℃および約656℃である。
ホウ素の含有量をそれぞれ0.01質量%(実施例20)、0.5質量%(実施例21)にした以外は、実施例1と同様のアルミニウム合金を使用し、実施例1と同様の方法により金属−セラミックス接合体を製造した。これらの接合体について実施例1と同様の評価を行ったところ、実施例1と同様の結果が得られた。なお、実施例20および実施例21で使用したアルミニウム合金の液相線温度は約657℃である。
鉄の含有量をそれぞれ0.005質量%(実施例22)、0.2質量%(実施例23)にした以外は、実施例1と同様のアルミニウム合金を使用し、実施例1と同様の方法により金属−セラミックス接合体を製造した。これらの接合体について実施例1と同様の評価を行ったところ、実施例1と同様の結果が得られた。なお、実施例22および実施例23で使用したアルミニウム合金の液相線温度は約657℃である。
ホウ素と鉄を含まないアルミニウム−珪素系合金(珪素の含有量は実施例1と同じ)を使用した以外は、実施例1と同様の方法により金属−セラミックス接合体を製造した。この接合体では、注湯口付近の部分に珪素の濃縮が見られたが、アルミニウム合金ベース板やアルミニウム合金回路板に対応する部分には、珪素の濃縮はなく、引け巣やボイドの発生もなく、問題がなかった。この接合体について実施例1と同様の評価を行ったところ、回路パターン用アルミニウム合金板の表面の平均結晶粒径が3〜5mmであった以外は実施例1と同様の結果が得られた。なお、実施例24で使用したアルミニウム合金の液相線温度は約657℃である。
鉄を含まないアルミニウム−珪素−ホウ素系合金(珪素およびホウ素の含有量は実施例1と同じ)を使用した以外は、実施例1と同様の方法により金属−セラミックス接合体を製造した。この接合体について実施例1と同様の評価を行ったところ、エッチング処理後のセラミックス基板の表面への残留物は実施例1よりも多く見られたが、回路パタ−ン間の耐圧は1.4kV以上であり、問題がなかった。それ以外は実施例1と同様の結果が得られた。なお、実施例24で使用したアルミニウム合金の液相線温度は約657℃である。
アルミニウム合金の代わりに純アルミニウム(3N)を使用し、この純アルミニウムを740℃(アルミニウムの液相線温度660℃より80℃高い温度)まで加熱して得られた純アルミニウム溶湯を使用した以外は実施例1と同様の方法により金属−セラミックス接合体を製造した。この接合体について実施例1と同様の評価を行ったところ、回路パターン用アルミニウム板の表面の平均結晶粒径が3〜15mmであった以外は実施例1と同様の結果が得られた。
冷却時にアルミニウム合金溶湯を加圧する圧力を0.5kPaにした以外は、実施例1と同様の方法により金属−セラミックス接合体を製造した。この接合体について実施例1と同様の評価を行ったところ、アルミニウム合金ベース板のコーナー部の断面がR1.0〜1.5mmであった以外は、実施例1と同様の結果が得られた。しかし、この比較例のように、アルミニウム合金ベース板のコーナー部の断面がR1.0mmより大きくなると、アルミニウム合金ベース板に取り付けるケースとの位置合わせやシール性に不具合が生じ、使用上問題になる。
冷却時にアルミニウム合金溶湯を加圧する圧力を0.5kPaにした以外は、実施例6と同様の方法により金属−セラミックス接合体を製造した。この接合体について実施例6と同様の評価を行ったところ、フィンの両端部においてフィンの高さが3mm未満になっていた以外は、実施例6と同様の結果が得られた。なお、フィンの高さが一部でも5mmに満たないと、冷却フィン付きパワーモジュールとして組み立てた後に冷媒の流れを制御するのが困難になって使用できなくなる。
冷却時にアルミニウム合金溶湯を加圧する圧力を115kPaにした以外は、実施例1と同様の方法により金属−セラミックス接合体を製造した。この接合体は、ガス加圧ノズルと鋳型の間および下側鋳型部材と上側鋳型部材の間からアルミニウム合金溶湯が漏れ出し、アルミニウム合金の量が不足して、外形が大きく欠損した接合体であった。
鋳型に注入するアルミニウム合金溶湯の温度を659℃(アルミニウム合金の液相線温度657℃より2℃高い温度)にした以外は、実施例1と同様の方法により金属−セラミックス接合体を製造した。この接合体では、回路パターン用アルミニウム合金板側の湯周りが得られず、絶縁基板として使用できないものであった。
鋳型に注入するアルミニウム合金溶湯の温度を900℃(アルミニウム合金の液相線温度657℃より243℃高い温度)にした以外は、実施例1と同様の方法により金属−セラミックス接合体を製造した。この比較例では、アルミニウム合金溶湯と鋳型が反応して、強固に焼き付いてしまったため、接合体を鋳型から取り外すことができなかった。
平均冷却速度を3℃/分にした以外は、実施例1と同様の方法により金属−セラミックス接合体を製造した。この接合体について実施例1と同様の評価を行ったところ、アルミニウム合金ベース板の長手方向の反り量が0.2mmであり、回路パターン用アルミニウム合金板の表面の平均結晶粒径が0.7〜1.0mmであった。また、エッチング処理後のセラミックス基板の表面に粗大な残留析出物が多く、残留物にめっきが析出し、その結果、回路パターン間の耐圧が1.2kVまで低下していた。
平均冷却速度を110℃/分にした以外は、実施例1と同様の方法により金属−セラミックス接合体を製造した。この接合体について実施例1と同様の評価を行ったところ、アルミニウム合金ベース板の長手方向の反り量が0.6mmを超え、スクリーン印刷機によるエッチングレジストの印刷に不具合が生じた。そのため、パッド印刷によってエッチングレジストを形成してエッチング処理を行い、実施例1と同様のヒートサイクル試験を行ったところ、600サイクルでセラミックス基板に微細なクラックが発生した。
冷却中の温度勾配を0.3℃/cmにした以外は、実施例1と同様の方法により金属−セラミックス接合体を製造した。この接合体について実施例1と同様の評価を行ったところ、アルミニウム合金ベース板の内部に直径2mm以下のボイドが複数発生していた。このようなボイドが発生すると、放熱性が阻害されるために使用が制限される。なお、それ以外は実施例1と同様の結果が得られた。
冷却中の温度勾配を60℃/cmにした以外は、実施例1と同様の方法により金属−セラミックス接合体を製造した。この接合体について実施例1と同様の評価を行ったところ、回路パターン用アルミニウム合金板の表面の平均結晶粒径が0.2〜1.0mmであり、冷却時の熱流方向に伸びた(長さ20〜40mmの)粗大な結晶粒が形成されていた。また、実施例1と同様のヒートサイクル試験を行ったところ、1000サイクル後にアルミニウム合金回路板の粗大結晶粒の部分に大きなシワが発生していた。このシワは、金属−セラミックス接合体を回路基板として使用した場合に、半導体チップなどの半田付けなどによる回路基板の信頼性の低下を生じさせるおそれがある。
鋳型の注湯口側の面に冷却ブロックを接触させて低温側から高温側に向けて加圧しながらアルミニウム合金溶湯を冷却して凝固させた以外は、実施例1と同様の方法により金属−セラミックス接合体を製造した。この接合体について実施例1と同様の評価を行ったところ、高温側のアルミニウム合金ベース板のコーナー部の断面がR1.0〜1.5mmであった。このようにアルミニウム合金ベース板のコーナー部の断面がR1.0mmであると、アルミニウム合金ベース板に取り付けるケースとの位置合わせやシール性に不具合が生じ、使用上問題になる。それ以外は実施例1と同様の結果が得られた。
12 セラミックス基板
14 アルミニウム合金回路板
100 鋳型
102 下側鋳型部材
104 上側鋳型部材
106 空洞部(ベース板形成部)
108 凹部(セラミックス基板収容部)
110 凹部(回路パターン用金属板形成部)
112 注湯口
Claims (11)
- 注湯口を備えた多孔質の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に接触するようにアルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯を注湯口から鋳型内に注湯し、鋳型を冷却して溶湯を固化させることにより、セラミックス基板にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属部材を接合する金属−セラミックス接合基板の製造方法において、鋳型に注湯された溶湯を加圧しながら鋳型を冷却して溶湯を固化させ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。
- 前記鋳型を冷却する際に、前記鋳型の一部を冷却して鋳型内に高温側と低温側を形成するとともに、前記鋳型に注湯された溶湯を高温側から低温側に向けて加圧しながら鋳型を冷却することによって、溶湯を固化させ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。
- 前記鋳型を冷却する際に、前記鋳型内の注湯口側の部分が高温側になり且つ注湯口と反対側の部分が注湯口側の部分よりも低温側になるように冷却するとともに、前記鋳型に注湯された溶湯を高温側から低温側に向けて加圧しながら鋳型を冷却することによって、溶湯を固化させ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。
- 前記鋳型を冷却する際に、前記溶湯を加圧する圧力が1.0〜100kPa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金属−セラミックス接合基板の製造方法。
- 前記鋳型内に注湯される溶湯の温度が、その溶湯の液相線温度より5〜200℃高い温度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金属−セラミックス接合基板の製造方法。
- 前記鋳型を冷却する際に、前記溶湯がその液相線温度から450℃まで冷却される間の平均冷却速度が5〜100℃/分であることを特徴とする、請求項1乃至5のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板の製造方法。
- 前記鋳型を冷却する際に、前記鋳型内に形成される温度勾配が1〜50℃/cmであ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金属−セラミックス接合基板の製造方法。
- 前記鋳型内に溶湯を注湯する前に、前記鋳型の温度と溶湯の温度の差が250℃以内になるように前記鋳型を加熱す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金属−セラミックス接合基板の製造方法。
- 前記溶湯を加圧する際に、前記注湯口から加圧することを特徴とする、請求項1乃至8のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板の製造方法。
- 前記溶湯を加圧する際に、前記鋳型に形成した開口部から加圧することを特徴とする、請求項1乃至8のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板の製造方法。
- 前記アルミニウム合金が、珪素を含むアルミニウム合金であることを特徴とする、請求項1乃至10のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板の製造方法。
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