JP5572354B2 - Aluminum-ceramic bonding substrate and manufacturing method thereof - Google Patents
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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、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がセラミックス基板に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 manufacturing method thereof, and more particularly to an aluminum-ceramic bonding substrate in which a metal member made of aluminum or an aluminum alloy is bonded to a ceramic substrate and a manufacturing method thereof.
従来、電気自動車や工作機械などの大電流を制御する高信頼性パワーモジュール用の絶縁基板として、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属部材がセラミックス基板に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。このようなアルミニウム−セラミックス接合基板は、例えば、所謂溶湯接合法では、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鋳型内に注湯し、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直接接合することによって製造されている（例えば、特許文献１〜２参照）。 2. Description of the Related Art Conventionally, an aluminum-ceramic bonding substrate in which a metal member made of aluminum or an aluminum alloy is bonded to a ceramic substrate is used as an insulating substrate for a high-reliability power module that controls a large current of an electric vehicle or a machine tool. Such an aluminum-ceramic bonding substrate is, for example, a so-called molten metal bonding method, in which a ceramic substrate is placed in a mold, and then a molten aluminum or aluminum alloy is poured into the mold so as to come into contact with the ceramic substrate. It is manufactured by directly joining a metal member made of aluminum or an aluminum alloy to a ceramic substrate by cooling and solidifying the molten metal (for example, see Patent Documents 1 and 2).
溶湯接合法によってアルミニウムおよびアルミニウム合金からなる金属部材とセラミックス基板とを接合する場合には、金属部材とセラミックス基板との界面に接合欠陥（ボイド）は全く生じないと考えられていた。しかし、近年の超音波探傷装置の測定精度の向上により、（所謂ろう接法によって接合する場合に界面に生じる接合欠陥と比べれば非常に小さいが）極めて微小な接合欠陥（ボイド）が存在することがわかった。 In the case where a metal member made of aluminum or an aluminum alloy and a ceramic substrate are bonded by a molten metal bonding method, it has been considered that no bonding defect (void) occurs at the interface between the metal member and the ceramic substrate. However, due to the improvement in measurement accuracy of ultrasonic flaw detectors in recent years, there are very small bonding defects (voids) (although very small compared to bonding defects generated at the interface when bonding by the so-called brazing method). I understood.
また、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が板状部材（金属板）である場合、セラミックス基板と略同一の形状および大きさの空間であるセラミックス基板収容部と、このセラミックス基板収容部に隣接し且つセラミックス基板に接合する金属板（金属回路板または金属ベース板）と略同一の形状および大きさの空間である金属板形成部とが内部に形成された鋳型を使用して、セラミックス基板収容部にセラミックス基板を設置し、金属板形成部内に溶湯を流し込んで凝固させることによって、金属板をセラミックス基板に接合させる方法が知られている。この方法によって金属板をセラミックス基板に接合させると、金属板の表面に５０〜１００μｍ程度の段差が生じる場合がある。この段差は、溶湯を鋳型に流し込んで凝固させるときに、溶湯と鋳型との接触によって生じると考えられる。この段差は、後工程の（バフ研磨や化学研磨など）の研磨加工などによって除去するのが困難であった。なお、この段差は、フライスなどにより切削すれば、除去して平らにすることができるが、セラミックス基板が割れたり、金属板の寸法精度を向上させ難く、切削コストも高くなる。 When the metal member made of aluminum or an aluminum alloy is a plate-like member (metal plate), a ceramic substrate housing portion that is a space having substantially the same shape and size as the ceramic substrate, and adjacent to the ceramic substrate housing portion. And a ceramic substrate housing portion using a mold in which a metal plate (metal circuit plate or metal base plate) to be bonded to the ceramic substrate and a metal plate forming portion that is a space having substantially the same shape and size are formed. There is known a method of bonding a metal plate to a ceramic substrate by installing a ceramic substrate and pouring a molten metal into a metal plate forming portion and solidifying the molten metal. When the metal plate is bonded to the ceramic substrate by this method, a step of about 50 to 100 μm may occur on the surface of the metal plate. This step is considered to be caused by the contact between the molten metal and the mold when the molten metal is poured into the mold and solidified. This step is difficult to remove by a subsequent polishing process (such as buffing or chemical polishing). Note that this step can be removed and flattened by cutting with a milling machine or the like, but the ceramic substrate is broken, it is difficult to improve the dimensional accuracy of the metal plate, and the cutting cost increases.
したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、溶湯接合法によって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セラミックス基板に接合する際に、金属部材とセラミックス基板との界面に微小な接合欠陥（ボイド）が生じるのを抑制することができるとともに、金属部材が金属板の場合に金属板の表面に生じる段差を容易に除去することができる、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 provides a small bonding defect at the interface between the metal member and the ceramic substrate when the metal member made of aluminum or aluminum alloy is bonded to the ceramic substrate by the molten metal bonding method. Provided is an aluminum-ceramic bonding substrate and a method for manufacturing the same, which can suppress generation of (void) and can easily remove a step generated on the surface of the metal plate when the metal member is a metal plate. For the purpose.
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、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がセラミックス基板に接合したアルミニウム−セラミックス接合基板において、アルミニウムまたはアルミニウム合金中に不純物または合金成分として含まれる鉄の含有量を０．０１質量％以下にすることにより、溶湯接合法によって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セラミックス基板に接合する際に、金属部材とセラミックス基板との界面に微小な接合欠陥（ボイド）が生じるのを抑制することができるとともに、金属部材が金属板の場合に金属板の表面に生じる段差を容易に除去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 inventors have found that an aluminum-ceramic bonding substrate in which a metal member made of aluminum or an aluminum alloy is bonded to a ceramic substrate, as impurities or alloy components in the aluminum or aluminum alloy. When the content of iron contained is 0.01% by mass or less, when a metal member made of aluminum or an aluminum alloy is bonded to a ceramic substrate by a molten metal bonding method, a minute amount is formed at the interface between the metal member and the ceramic substrate. It has been found that it is possible to suppress the occurrence of bonding defects (voids) and to easily remove the level difference generated on the surface of the metal plate when the metal member is a metal plate, thereby completing the present invention. .
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、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がセラミックス基板に接合したアルミニウム−セラミックス接合基板において、アルミニウムまたはアルミニウム合金中に不純物または合金成分として含まれる鉄の含有量が０．０１質量％以下であることを特徴とする。 That is, the aluminum-ceramic bonding substrate according to the present invention is an aluminum-ceramic bonding substrate in which a metal member made of aluminum or an aluminum alloy is bonded to a ceramic substrate, and the content of iron contained as an impurity or an alloy component in the aluminum or aluminum alloy. Is 0.01% by mass or less.
このアルミニウム−セラミックス接合基板において、アルミニウムまたはアルミニウム合金中に不純物または合金成分として含まれる鉄の含有量が０．００５質量％以下であるのが好ましい。また、アルミニウム合金は、１．０質量％以下のシリコンを含有してもよく、０．１質量％以下のホウ素を含有してもよい。また、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またはアルミニウム合金の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またはアルミニウム合金からなる金属部材が直接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。 In this aluminum-ceramic bonding substrate, the content of iron contained as an impurity or alloy component in aluminum or an aluminum alloy is preferably 0.005% by mass or less. Further, the aluminum alloy may contain 1.0% by mass or less of silicon or 0.1% by mass or less of boron. Further, the aluminum-ceramic bonding substrate is an aluminum-ceramic bonding substrate in which a metal member made of aluminum or an aluminum alloy is directly bonded to the ceramic substrate by bringing the molten aluminum or aluminum alloy into contact with the ceramic substrate and cooling. preferable.
また、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少なくとも一方の面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鋳型内に注湯し、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直接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、アルミニウムまたはアルミニウム合金中に不純物または合金成分として含まれる鉄の含有量が０．０１質量％以下であることを特徴とする。 In the method for producing an aluminum / ceramic bonding substrate according to the present invention, after the ceramic substrate is placed in the mold, a molten aluminum or aluminum alloy is poured into the mold so as to be in contact with at least one surface of the ceramic substrate. In an aluminum-ceramic bonding substrate manufacturing method in which a metal member made of aluminum or an aluminum alloy is directly bonded to a ceramic substrate by cooling and solidifying the molten metal, the aluminum or aluminum alloy contains impurities or alloy components. The iron content is 0.01% by mass or less.
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、アルミニウムまたはアルミニウム合金中に不純物または合金成分として含まれる鉄の含有量が０．００５質量％以下であるのが好ましい。また、アルミニウム合金は、１．０質量％以下のシリコンを含有してもよく、０．１質量％以下のホウ素を含有してもよい。 In this method for producing an aluminum / ceramic bonding substrate, the content of iron contained as an impurity or alloy component in aluminum or an aluminum alloy is preferably 0.005% by mass or less. Further, the aluminum alloy may contain 1.0% by mass or less of silicon or 0.1% by mass or less of boron.
本発明によれば、溶湯接合法によって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セラミックス基板に接合する際に、金属部材とセラミックス基板との界面に微小な接合欠陥（ボイド）が生じるのを抑制することができるとともに、金属部材が金属板の場合に金属板の表面に生じる段差を容易に除去することができる。 According to the present invention, when a metal member made of aluminum or an aluminum alloy is bonded to a ceramic substrate by a molten metal bonding method, the occurrence of minute bonding defects (voids) at the interface between the metal member and the ceramic substrate is suppressed. In addition, when the metal member is a metal plate, a step generated on the surface of the metal plate can be easily removed.
溶湯接合法によってアルミニウムおよびアルミニウム合金からなる金属部材とセラミックス基板とを接合したアルミニウム−セラミックス接合基板において、金属部材とセラミックス基板との界面に生じた微小な接合欠陥（ボイド）の部分の断面を超音波探傷装置によって観察すると、ボイドの直径は２μｍ以下であり、多くのボイドの直径は１μｍ以下であった。また、ボイドに隣接する特徴的な元素としてＦｅが確認された。Ｆｅはアルミニウム原料中に不純物として存在しているが、ボイドの近傍に認められたＦｅはＡｌとの化合物を形成しており、極微小ではあるがボイドの形成に寄与していることが考えられる。 In an aluminum-ceramic bonding substrate in which a metal member made of aluminum and an aluminum alloy and a ceramic substrate are bonded by a molten metal bonding method, the cross section of a portion of a minute bonding defect (void) generated at the interface between the metal member and the ceramic substrate is exceeded. When observed with an ultrasonic flaw detector, the diameter of the void was 2 μm or less, and the diameter of many voids was 1 μm or less. Moreover, Fe was confirmed as a characteristic element adjacent to the void. Fe is present as an impurity in the aluminum raw material, but Fe found in the vicinity of the void forms a compound with Al, and it is thought that it contributes to the formation of the void though it is extremely small. .
また、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が板状部材（金属板）である場合、溶湯接合法によって金属板とセラミックス基板とを接合した際に金属板の表面に生じた段差の部分の断面を観察すると、段差の近傍に凝縮したＦｅの存在が確認された。このＦｅによって金属板の表面に段差が形成されると考えられる。 Further, when the metal member made of aluminum or aluminum alloy is a plate-like member (metal plate), the cross section of the step portion generated on the surface of the metal plate when the metal plate and the ceramic substrate are joined by the molten metal joining method is used. Observations confirmed the presence of condensed Fe in the vicinity of the step. It is considered that a step is formed on the surface of the metal plate by this Fe.
また、上述した金属板とセラミックス基板の界面に生じる接合欠陥（ボイド）や、金属板の表面に生じる段差は、金属板が厚くなると発生し易く、例えば、０．４ｍｍ以上になると顕著に発生し、０．６ｍｍ以上になるとさらに顕著に発生することがわかった。 Further, the above-described bonding defects (voids) generated at the interface between the metal plate and the ceramic substrate and the level difference generated on the surface of the metal plate are likely to occur when the metal plate is thick, for example, when the thickness is 0.4 mm or more. , It was found that the problem occurred more significantly when the thickness was 0.6 mm or more.
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では、不純物または合金成分として含まれる鉄の含有量が０．０１質量％以下、好ましくは０．００５質量％以下、さらに好ましくは０．００３質量％以下である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がセラミックス基板に接合している。また、アルミニウム合金は、１．０質量％以下のシリコンを含有してもよく、０．１質量％以下のホウ素を含有してもよい。 In the embodiment of the aluminum / ceramic bonding substrate according to the present invention, the content of iron contained as an impurity or an alloy component is 0.01% by mass or less, preferably 0.005% by mass or less, more preferably 0.003% by mass. The following metal members made of aluminum or aluminum alloy are bonded to the ceramic substrate. Further, the aluminum alloy may contain 1.0% by mass or less of silicon or 0.1% by mass or less of boron.
このようにアルミニウムまたはアルミニウム合金中の不純物または合金成分として含まれる鉄の含有量を０．０１質量％以下にすることにより、溶湯接合法によって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セラミックス基板に接合する際に、金属部材とセラミックス基板との界面に微小な接合欠陥（ボイド）が生じるのを抑制することができる。また、金属部材が金属板の場合に、鉄の含有量を０．０１質量％以下にすることにより、金属板の表面に生じる段差を後工程の研磨加工などによって容易に除去することができる。アルミニウムまたはアルミニウム合金中の鉄の含有量を０．０１質量％以下にすることにより、接合欠陥（ボイド）と段差の部分に凝縮する鉄が金属板の表面の段差の除去を困難にするのを抑制すると考えられる。 Thus, by setting the content of iron contained as an impurity or alloy component in aluminum or aluminum alloy to 0.01% by mass or less, a metal member made of aluminum or aluminum alloy is bonded to a ceramic substrate by a molten metal bonding method. At this time, it is possible to suppress the occurrence of minute bonding defects (voids) at the interface between the metal member and the ceramic substrate. Further, when the metal member is a metal plate, by setting the iron content to 0.01% by mass or less, a step generated on the surface of the metal plate can be easily removed by a subsequent polishing process or the like. By making the iron content in aluminum or aluminum alloy 0.01% by mass or less, it is difficult for the iron condensed in the joint defect (void) and the step portion to remove the step on the surface of the metal plate. It is thought to suppress.
また、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少なくとも一方の面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鋳型内に注湯し、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直接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、アルミニウムまたはアルミニウム合金中に不純物または合金成分として含まれる鉄の含有量を０．０１質量％以下、好ましくは０．００５質量％以下、さらに好ましくは０．００３質量％以下にする。 In the embodiment of the method for manufacturing an aluminum / ceramic bonding substrate according to the present invention, after a ceramic substrate is placed in the mold, a molten aluminum or aluminum alloy is cast so as to come into contact with at least one surface of the ceramic substrate. In a method for manufacturing an aluminum-ceramic bonding substrate, in which a metal member made of aluminum or an aluminum alloy is directly bonded to a ceramic substrate by pouring and cooling the molten metal inside, impurities or alloys in the aluminum or aluminum alloy The content of iron contained as a component is 0.01% by mass or less, preferably 0.005% by mass or less, and more preferably 0.003% by mass or less.
図１は、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第１の実施の形態において使用する鋳型を概略的に示している。図１に示すように、本実施の形態のアルミニウム−セラミックス接合基板の製造方法において使用する鋳型１０は、平面形状が略矩形の下側鋳型部材１２と、この下側鋳型部材１２の蓋体としての平面形状が略矩形の上側鋳型部材１４とから構成されている。下側鋳型部材１２の上面には、セラミックス基板と略同一の形状および大きさの１つまたは複数（図１では１つのみを示す）の凹部（セラミックス基板を収容するためのセラミックス基板収容部）１２ａが形成されている。このセラミックス基板収容部１２ａの底面には、回路パターン用金属板と略同一の形状および大きさの１つまたは複数（図１では２つを示す）の凹部（回路パターン用金属板を形成するための金属回路板形成部）１２ｂが形成されている。上側鋳型部材１４の底面（下側鋳型部材１２と対向する側の面）には、裏面側金属板と略同一の形状および大きさの１つまたは複数（図１では１つのみを示す）の凹部（裏面側金属板を形成するための裏面側金属板形成部）１４ｂが形成されている。また、上側板が部材１４には、（図示しない）注湯ノズルから鋳型１０内に溶湯を注湯するための注湯口１４ａが形成されている。なお、下側鋳型部材１２には、裏面側金属板形成部１４ｂと金属回路板形成部１２ｂ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１２ａ内にセラミックス基板を収容したときにも裏面側金属板形成部１４ｂと金属回路板形成部１２ｂとの間が連通するようになっている。また、（図示しない）注湯ノズルは、（図示しない）外部の溶湯供給部に連通する狭い流路を有しており、溶湯供給部から供給されたアルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯を、その狭い流路を通してアルミニウム酸化膜を除去しながら、注湯口１４ａから鋳型１０内に注湯することができるようになっている。
FIG. 1 schematically shows a mold used in a first embodiment of a method for producing an aluminum / ceramic bonding substrate according to the present invention. As shown in FIG. 1, a
次に、この鋳型１０を使用して金属−セラミックス接合基板を製造する方法について説明する。まず、鋳型１０の下側鋳型部材１２のセラミックス基板収容部１２ａ内にセラミックス基板を設置した後、下側鋳型部材１２に上側鋳型部材１４を被せて、鋳型１０の裏面側金属板形成部１４ｂ内に上述した組成のアルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯を注湯して充填するとともに、（図示しない）溶湯流路を介して金属回路板形成部１２ｂまで溶湯を充填し、その後、冷却して溶湯を凝固させる。このようにして、図２Ａおよび図２Ｂに示すように、セラミックス基板２０の一方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる回路パターン用金属板２２が直接接合するとともに、他方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる裏面側金属板２４が直接接合したアルミニウム−セラミックス接合基板を製造することができる。
Next, a method for producing a metal / ceramic bonding substrate using the
図３は、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第２の実施の形態において使用する鋳型を概略的に示している。図３に示すように、本実施の形態のアルミニウム−セラミックス接合基板の製造方法において使用する鋳型１１０は、平面形状が略矩形の下側鋳型部材１１２と、この下側鋳型部材１１２の蓋体としての平面形状が略矩形の上側鋳型部材１１４とから構成されている。下側鋳型部材１１２の上面には、金属ベース板と略同一の形状および大きさの凹部（金属ベース板を形成するための金属ベース板形成部）１１２ａが形成されている。この金属ベース板形成部１１２ａの底面には、セラミックス基板と略同一の形状および大きさの１つまたは複数（図３では２つを示す）の凹部（セラミックス基板を収容するためのセラミックス基板収容部）１１２ｂが形成されている。これらのセラミックス基板収容部１１２ｂの各々の底面には、回路パターン用金属板と略同一の形状および大きさの１つまたは複数（図３では１つのみを示す）の凹部（回路パターン用金属板を形成するための金属回路板形成部）１１２ｃが形成されている。上側鋳型部材１１４の底面（下側鋳型部材１１２と対向する側の面）には、（図示しない）注湯ノズルから鋳型１１０内に溶湯を注湯するための注湯口１１４ａが形成されている。なお、下側鋳型部材１１２には、金属ベース板形成部１１２ａと金属回路板形成部１１２ｃ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１１２ｂ内にセラミックス基板を収容したときにも金属ベース板形成部１１２ａと金属回路板形成部１１２ｃとの間が連通するようになっている。また、（図示しない）注湯ノズルは、（図示しない）外部の溶湯供給部に連通する狭い流路を有しており、溶湯供給部から供給されたアルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯を、その狭い流路を通してアルミニウム酸化膜を除去しながら、注湯口１１４ａから鋳型１１０内に注湯することができるようになっている。また、鋳型１１０の上下にはヒータ１１６が設置されている。
FIG. 3 schematically shows a mold used in the second embodiment of the method for producing an aluminum / ceramic bonding substrate according to the present invention. As shown in FIG. 3, a
次に、この鋳型１１０を使用して金属−セラミックス接合基板を製造する方法について説明する。まず、鋳型１１０の下側鋳型部材１１２のセラミックス基板収容部１１２ｂ内にセラミックス基板を設置した後、下側鋳型部材１１２に上側鋳型部材１１４を被せて、鋳型１１０の金属ベース板形成部１１２ａ内に上述した組成のアルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯を注湯して充填するとともに、（図示しない）溶湯流路を介して金属回路板形成部１１２ｃまで溶湯を充填し、その後、冷却して溶湯を凝固させる。このようにして、図４に示すように、金属ベース板１２４にセラミックス基板１２０の一方の面が直接接合するとともに、セラミックス基板１２０の他方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる回路パターン用金属板１２２が直接接合したアルミニウム−セラミックス接合基板を製造することができる。
Next, a method for manufacturing a metal / ceramic bonding substrate using the
なお、本実施の形態のアルミニウム−セラミックス接合基板の製造方法では、アルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯を凝固させるときに、鋳型１１０の一端から他端（例えば、図３において左側端部から右側端部）に向かって一方向に凝固させるように温度制御して冷却するのが好ましい。また、この凝固の際に鋳型１１０の上下方向の温度勾配がないように温度制御するのが好ましい。これらの温度制御は、鋳型１１０の上下に設置されたヒータ１１６を制御することにより、鋳型１１０の（図中左右方向の）一端の温度を他端の温度より低くし、且つ図中左右方向の温度勾配が１〜５０℃／ｃｍになるようにするのが好ましい。このように凝固時の温度制御を行うとともに、上述した組成のアルミニウムまたはアルミニウム合金、すなわち、不純物または合金成分として含まれる鉄の含有量を０．０１質量％以下、好ましくは０．００５質量％以下、さらに好ましくは０．００３質量％以下としたアルミニウムまたはアルミニウム合金を使用することにより、金属板の表面の段差が形成されるのを抑制することができることがわかった。
In the method of manufacturing an aluminum / ceramic bonding substrate according to the present embodiment, when solidifying a molten aluminum or aluminum alloy, one end of the
以下、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, examples of the aluminum-ceramic bonding substrate and the method for manufacturing the same according to the present invention will be described in detail.
［実施例１］
図１に示す鋳型に窒化アルミニウム基板を収容して炉内に入れ、炉内を窒素雰囲気にした状態で７４０℃まで加熱し、（０．００９質量％のＦｅを含む）不純物の含有量の合計が０．０１０質量％以下であるアルミニウム（アルミニウム９９．９９質量％以上）を、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、セラミックス基板の両面にそれぞれ厚さ０．１５ｍｍの裏面側金属板と厚さ０．４ｍｍの回路パターン用金属板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て、図２Ａおよび図２Ｂに示すような回路パターンを形成した。このようにして得られたアルミニウム−セラミックス接合基板の金属板とセラミックス基板との界面を超音波探傷装置により調べたところ、界面には接合欠陥（ボイド）が見られなかった。また、金属板の表面に段差が生じていたが、この段差は研磨によって容易に除去することができた。
[Example 1]
The aluminum nitride substrate is accommodated in the mold shown in FIG. 1 and placed in a furnace. The furnace is heated to 740 ° C. in a nitrogen atmosphere, and the total content of impurities (including 0.009 mass% Fe) is contained. Was poured into the mold while removing the oxide film. Aluminum having an aluminum content of 0.010 mass% or less (aluminum 99.99 mass% or more) was removed. Thereafter, the mold was cooled to solidify the molten metal, and further cooled to room temperature. In this way, a joined body was manufactured in which the back surface side metal plate having a thickness of 0.15 mm and the metal plate for circuit pattern having a thickness of 0.4 mm were directly contacted and bonded to both surfaces of the ceramic substrate. A circuit pattern as shown in FIGS. 2A and 2B was formed by removing from the mold. When the interface between the metal plate of the aluminum-ceramic bonding substrate thus obtained and the ceramic substrate was examined with an ultrasonic flaw detector, no bonding defects (voids) were found at the interface. Further, a step was generated on the surface of the metal plate, but this step could be easily removed by polishing.
［実施例２］
アルミニウム（アルミニウム９９．９９質量％以上）の代わりに、０．００１質量％のＦｅと０．５質量％のＳｉと０．０４質量％のＢを含有し、残部がアルミニウムと不可避不純物からなるアルミニウム合金（アルミニウム以外の元素の合計が０．５５質量％）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製造した。このアルミニウム−セラミックス接合基板の金属板とセラミックス基板との界面を実施例１と同様に調べたところ、界面には接合欠陥（ボイド）が見られなかった。また、金属板の表面に段差が生じていたが、この段差は研磨によって容易に除去することができた。
[Example 2]
Aluminum containing 0.001 mass% Fe, 0.5 mass% Si and 0.04 mass% B in place of aluminum (aluminum 99.99 mass% or more), with the balance being aluminum and inevitable impurities An aluminum-ceramic bonding substrate was produced in the same manner as in Example 1 except that an alloy (the total of elements other than aluminum was 0.55% by mass) was used. When the interface between the metal plate of this aluminum / ceramic bonding substrate and the ceramic substrate was examined in the same manner as in Example 1, no bonding defects (voids) were found at the interface. Further, a step was generated on the surface of the metal plate, but this step could be easily removed by polishing.
［比較例１］
アルミニウム（アルミニウム９９．９９質量％以上）の代わりに、（０．０５４質量％のＦｅと０．０２９質量％のＳｉとそれぞれ０．０１質量％未満のＺｎ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｃｒ、ＮｉおよびＴｉを含む）不純物の含有量の合計が０．０９６質量％のアルミニウム合金（アルミニウム９９．９質量％以上）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製造した。このアルミニウム−セラミックス接合基板の金属板とセラミックス基板との界面を実施例１と同様に調べたところ、界面には接合欠陥（ボイド）が見られた。また、金属板の表面に段差が生じていたが、この段差は研磨によって除去することができなかった。
[Comparative Example 1]
Instead of aluminum (aluminum 99.99 mass% or more) (0.054 mass% Fe and 0.029 mass% Si, respectively less than 0.01 mass% Zn, Cu, Mn, Mg, Cr, Ni In addition, an aluminum-ceramic bonding substrate was prepared in the same manner as in Example 1 except that an aluminum alloy (aluminum 99.9% by mass or more) having a total content of impurities (including Ti) of 0.096% by mass was used. Manufactured. When the interface between the metal plate and the ceramic substrate of the aluminum-ceramic bonding substrate was examined in the same manner as in Example 1, bonding defects (voids) were found at the interface. Moreover, although the level | step difference had arisen on the surface of a metal plate, this level | step difference was not able to be removed by grinding | polishing.
［比較例２］
アルミニウム（アルミニウム９９．９９質量％以上）の代わりに、０．０５質量％のＦｅと０．５質量％のＳｉと０．０４質量％のＢを含有し、残部がアルミニウムと不可避不純物からなるアルミニウム合金（アルミニウム以外の元素の合計が０．５５質量％）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製造した。このアルミニウム−セラミックス接合基板の金属板とセラミックス基板との界面を実施例１と同様に調べたところ、界面には接合欠陥（ボイド）が見られた。また、金属板の表面に段差が生じていたが、この段差は研磨によって除去することができなかった。
[Comparative Example 2]
Aluminum containing 0.05 mass% Fe, 0.5 mass% Si, and 0.04 mass% B instead of aluminum (aluminum 99.99 mass% or more), with the balance being aluminum and inevitable impurities An aluminum-ceramic bonding substrate was produced in the same manner as in Example 1 except that an alloy (the total of elements other than aluminum was 0.55% by mass) was used. When the interface between the metal plate and the ceramic substrate of the aluminum-ceramic bonding substrate was examined in the same manner as in Example 1, bonding defects (voids) were found at the interface. Moreover, although the level | step difference had arisen on the surface of a metal plate, this level | step difference was not able to be removed by grinding | polishing.
［実施例３］
図３に示す鋳型に２枚の窒化アルミニウム基板を収容して炉内に入れ、炉内を窒素雰囲気にした状態で７４０℃まで加熱し、（０．００３質量％のＦｅを含む）不純物の含有量の合計が０．０１０質量％以下であるアルミニウム（アルミニウム９９．９９質量％以上）を、酸化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。なお、この冷却は、ヒータを制御して鋳型の一端から他端に向かって温度勾配が５℃／ｃｍになり且つ鋳型の上下方向の温度勾配がゼロになるように設定して行った。このようにして、セラミックス基板の両面にそれぞれ厚さ０．８ｍｍの回路パターン用金属板と厚さ５ｍｍの金属ベース板からなる金属板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後、回路パターン用金属板をエッチングして、図４に示すような回路パターンを形成した。このようにした得られたアルミニウム−セラミックス接合基板の金属板とセラミックス基板との界面を実施例１と同様に調べたところ、界面には超音波探傷装置の測定において接合欠陥（ボイド）が見られなかった。また、金属板の表面に段差は生じていなかった。
[Example 3]
Two aluminum nitride substrates are accommodated in the mold shown in FIG. 3 and placed in a furnace. The furnace is heated to 740 ° C. in a nitrogen atmosphere, and contains impurities (including 0.003% by mass of Fe). Aluminum having a total amount of 0.010% by mass or less (aluminum 99.99% by mass or more) was poured into the mold while removing the oxide film. Thereafter, the mold was cooled to solidify the molten metal, and further cooled to room temperature. This cooling was performed by controlling the heater so that the temperature gradient was 5 ° C./cm from one end to the other end of the mold and the temperature gradient in the vertical direction of the mold was zero. In this way, a joined body in which a metal plate made of a circuit pattern metal plate having a thickness of 0.8 mm and a metal base plate having a thickness of 5 mm is directly contacted and joined to both surfaces of the ceramic substrate is manufactured. After removing from the mold, the circuit pattern metal plate was etched to form a circuit pattern as shown in FIG. When the interface between the metal plate and the ceramic substrate of the thus obtained aluminum-ceramic bonding substrate was examined in the same manner as in Example 1, a bonding defect (void) was observed at the interface in the measurement by the ultrasonic flaw detector. There wasn't. Further, no step was generated on the surface of the metal plate.
［実施例４］
アルミニウム（アルミニウム９９．９９質量％以上）の代わりに、０．００１質量％のＦｅと０．５質量％のＳｉと０．０４質量％のＢを含有し、残部がアルミニウムと不可避的不純物からなるアルミニウム合金（アルミニウム以外の元素の合計が０．５５質量％）を使用した以外は、実施例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製造した。このようにした得られたアルミニウム−セラミックス接合基板の金属板とセラミックス基板との界面を実施例１と同様に調べたところ、界面には接合欠陥（ボイド）が見られなかった。また、金属板の表面に段差は生じていなかった。
[Example 4]
Instead of aluminum (aluminum 99.99% by mass or more), 0.001% by mass of Fe, 0.5% by mass of Si, and 0.04% by mass of B are contained, with the balance being aluminum and inevitable impurities. An aluminum-ceramic bonding substrate was produced in the same manner as in Example 3 except that an aluminum alloy (the total of elements other than aluminum was 0.55% by mass) was used. When the interface between the metal plate of the thus obtained aluminum-ceramic bonding substrate and the ceramic substrate was examined in the same manner as in Example 1, no bonding defects (voids) were found at the interface. Further, no step was generated on the surface of the metal plate.
実施例および比較例で得られたアルミニウム−セラミックス接合基板のアルミニウムまたはアルミニウム合金の組成、接合欠陥および段差の有無、研磨による段差の除去の可否を表１に示す。 Table 1 shows the composition of aluminum or aluminum alloy of the aluminum / ceramic bonding substrates obtained in the examples and comparative examples, the presence or absence of bonding defects and steps, and whether or not steps can be removed by polishing.
１０、１１０ 鋳型
１２、１１２ 下側鋳型部材
１２ａ、１１２ｂ セラミックス基板収容部
１２ｂ、１１２ｃ 金属回路板形成部
１４、１１４ 上側鋳型部材
１４ａ、１１４ａ 注湯口
１４ｂ 裏面側金属板形成部
２０、１２０ セラミックス基板
２２、１２２ 回路パターン用金属板
２４ 裏面側金属板
１１２ａ 金属ベース板形成部
１１６ ヒータ
１２４ 金属ベース板
10, 110
Claims (7)
The method for producing an aluminum-ceramic bonding substrate according to claim 5 or 6 , wherein the aluminum alloy contains 0.1 mass% or less of boron.
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