JP5619437B2

JP5619437B2 - 金属−セラミックス接合基板の製造方法

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Publication number: JP5619437B2
Application number: JP2010055526A
Authority: JP
Inventors: 小山内　英世; 英世小山内
Original assignee: Dowa Metaltech Co Ltd
Current assignee: Dowa Metaltech Co Ltd
Priority date: 2010-03-12
Filing date: 2010-03-12
Publication date: 2014-11-05
Anticipated expiration: 2030-03-12
Also published as: JP2011189354A

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、金属部材がセラミックス基板に接合した金属−セラミックス接合基板およびその製造方法に関する。

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使用される従来のパワーモジュールでは、ベース板と呼ばれ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るとともに、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、ベース板の他方の面（裏面）に熱伝導グリースを介してねじ止めなどにより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。

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。さらに、半田自体の熱伝導率が低いため、大電流を流すパワーモジュールでは、より高い放熱性が求められている。

これらの問題を解決するため、ベース板と金属−セラミックス絶縁基板との間を半田付けすることなく、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セラミックス基板に直接接合したベース一体型の金属−セラミックス接合基板が提案されている。このようなベース一体型の金属−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直接接合した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形成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）。

特開２００２−７６５５１号公報（段落番号００１５）特開２００５−１０３５６０号公報（段落番号０００８−０００９）

このような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接合によりセラミックス基板に直接接合したベース一体型の金属−セラミックス接合基板において、過渡熱特性や飽和熱特性などの放熱性をさらに向上させることが望まれている。

そのため、溶湯接合によりベース一体型の金属−セラミックス接合基板を製造する際に、アルミニウムまたはアルミニウム合金より熱伝導率の大きい銅などからなる金属板を取り囲むように、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形成することが考えられる。

しかし、溶湯接合の際に銅板を取り囲むようにアルミニウムからなるベース板を形成したところ、ＡｌとＣｕの硬くて脆い金属間化合物または固溶体が形成されて、金属−セラミックス接合基板の耐熱衝撃性やセラミックス基板に対するベース板の接合強度などの信頼性が低下したり、熱伝導率が低下するおそれがあることがわかった。また、ベース板がセラミックス基板の界面から剥離するおそれがあることもわかった。さらに、ＡｌとＣｕの拡散の量を抑制することができないこともわかった。

したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、溶湯接合によりベース一体型の金属−セラミックス接合基板を製造する際に、アルミニウムまたはアルミニウム合金より熱伝導率の大きい金属からなる金属板を取り囲むように、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形成しても、その金属とＡｌとの金属間化合物または固溶体の形成を防止するとともに、その金属とＡｌの拡散を防止することができる、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、アルミニウムまたはアルミニウム合金より熱伝導率の大きい金属からなる金属部材にセラミックスを溶射して金属部材が溶射皮膜で被覆された溶射皮膜被覆部材を得た後、溶湯接合によりベース一体型の金属−セラミックス接合基板を製造する際に、溶射皮膜被覆部材を取り囲むように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形成することにより、その金属とＡｌとの金属間化合物または固溶体の形成を防止するとともに、その金属とＡｌの拡散を防止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、本発明による金属−セラミックス接合基板の製造方法は、金属部材の表面にセラミックスを溶射して金属部材の表面が溶射皮膜で被覆された溶射皮膜被覆部材を得た後、この溶射皮膜被覆部材とセラミックス基板とを互いに離間して鋳型内に配置させ、この鋳型内の溶射皮膜被覆部材の全面と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またはアルミニウム合金の溶湯を注湯した後に溶湯を冷却して固化させることにより、溶射皮膜被覆部材を取り囲み且つセラミックス基板の一方の面に直接接合したアルミニウムまたはアルミニウム合金からなるアルミニウム部材（アルミニウムベース板）を形成することを特徴とする。

この金属−セラミックス接合基板の製造方法において、鋳型内のセラミックス基板の他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注湯することにより、セラミックス基板の他方の面に直接接合した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）アルミニウム板を形成するのが好ましい。また、溶射がプラズマ溶射であるのが好ましく、金属部材が銅または銅合金からなるのが好ましい。さらに、溶射に使用するセラミックスが、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、炭化珪素および窒化珪素からなる群から選ばれる１種以上であるのが好ましい。

また、本発明による金属−セラミックス接合基板は、金属部材の表面が溶射皮膜で被覆された溶射皮膜被覆部材が内部に配置されたアルミニウムまたはアルミニウム合金からなるアルミニウム部材（アルミニウムベース板）が、セラミックス基板の一方の面に直接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）アルミニウム板が直接接合しているのが好ましい。また、金属部材が銅または銅合金からなるのが好ましい。また、溶射皮膜が、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、炭化珪素および窒化珪素からなる群から選ばれる１種以上のセラミックスの皮膜であるのが好ましい。さらに、アルミニウム部材の形状が、板状、または板状体に複数のフィンが一体に形成された形状であるのが好ましい。

本発明によれば、溶湯接合によりベース一体型の金属−セラミックス接合基板を製造する際に、アルミニウムまたはアルミニウム合金より熱伝導率の大きい金属からなる金属板を取り囲むように、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形成しても、その金属とＡｌとの金属間化合物または固溶体の形成を防止するとともに、その金属とＡｌの拡散を防止することができる、金属−セラミックス接合基板を製造することができる。

本発明による金属−セラミックス接合基板の実施の形態を示す平面図である。図１Ａの金属−セラミックス接合基板の側面図である。図１Ａの金属−セラミックス接合基板のＩＣ−ＩＣ線断面図である。図１Ａ〜図１Ｃに示す金属−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実施の形態の変形例を示す平面図である。図３Ａの金属−セラミックス接合基板の側面図である。図３Ａの金属−セラミックス接合基板のＩＩＩＣ−ＩＩＩＣ線断面図である。図３Ａ〜図３Ｃに示す金属−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。図４Ａの鋳型内に配置させる溶射皮膜被覆部材の斜視図である。本発明による金属−セラミックス接合基板の実施の形態の他の変形例を示す断面図である。図５に示す金属−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。

図１Ａ〜図１Ｃに示すように、本発明による金属−セラミックス接合基板の実施の形態は、平面形状が略矩形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１０と、このベース板１０に一方の面が直接接合した平面形状が略矩形のセラミックス基板１２と、このセラミックス基板１２の他方の面に直接接合した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アルミニウム板１４とを備えている。また、図１Ｂおよび図１Ｃに示すように、ベース板１０の内部には、平面形状が略矩形の金属板の表面が溶射皮膜で被覆された溶射皮膜被覆部材１６が配置されている。

なお、溶射皮膜被覆部材１６の金属板は、アルミニウムまたはアルミニウム合金より熱伝導率が高い金属からなるのが好ましく、銅または銅合金からなるのがさらに好ましい。また、金属板の厚さは、０．３〜５ｍｍ程度であるのが好ましく、０．５〜３ｍｍ程度であるのがさらに好ましい。このようにアルミニウムまたはアルミニウム合金より熱伝導率が高い金属からなる金属板の表面が溶射皮膜で被覆された溶射皮膜被覆部材１６をベース板１０の内部に配置させることにより、アルミニウムまたはアルミニウム合金より熱伝導率が高い金属からなる金属板をベース板の内部に配置させて過渡熱特性や飽和熱特性などの放熱性を向上させるという効果に加えて、その金属とＡｌとの金属間化合物または固溶体の形成を防止するとともに、その金属とＡｌの拡散を防止する効果を得ることができ、それによって、金属−セラミックス接合基板の耐熱衝撃性やセラミックス基板に対するベース板の接合強度などの信頼性の低下を防止するとともに、熱伝導率の低下を防止することができる。

図１Ａ〜図１Ｃに示す実施の形態の金属−セラミックス接合基板は、金属板の表面にセラミックスを溶射して金属板の表面が溶射皮膜で被覆された溶射皮膜被覆部材１６を得た後、図２に示すような鋳型２０内に、溶射皮膜被覆部材１６とセラミックス基板１２とを互いに離間して配置させ、溶射皮膜被覆部材１６の全面とセラックス基板１２の両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流し込んで冷却することによって製造することができる。

溶射は、プラズマ溶射であるのが好ましい。プラズマ溶射は、陰極と陽極ノズルの内面の間に直流アークを生じさせ、後方から送給される作動ガスを直流アークによって加熱して膨張させ、ノズルから激しい超高温のジェット（プラズマジェット）を噴出させ、作動ガスによってプラズマジェットの中に供給された粉末の溶射材料を、プラズマジェットによって加熱し且つ加速して基材表面に衝突させて皮膜（溶射皮膜）を形成する方法である。作動ガスとしては、アルゴンガスまたは窒素ガスを使用することができ、これらに水素ガスを混入してもよく、アルゴンとヘリウムの混合ガスを使用してもよい。溶射材料は、セラミックス粉末であり、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、炭化珪素（ＳｉＣ）および窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）からなる群から選ばれる１種以上のセラミックス粉末であるのが好ましい。また、溶射皮膜によってＣｕなどの金属とＡｌの拡散を防止するために、溶射皮膜の厚さは、０．０１〜０．３ｍｍ程度であるのが好ましく、０．０２〜０．２ｍｍ程度であるのがさらに好ましい。

図２に示すように、鋳型２０は、カーボンまたは多孔質金属などの通気性材料からなり、それぞれ平面形状が略矩形の下側鋳型部材２２と上側鋳型部材２４とから構成されている。下側鋳型部材２２の上面には、セラミックス基板１２を収容するための凹部（セラミックス基板収容部）２２ａが形成され、この凹部２２ａの底面には、回路パターン用アルミニウム板を形成するための凹部（回路パターン用アルミニウム板形成部）２２ｂが形成されている。上側鋳型部材２４の下面（裏面）には、ベース板を形成するための凹部（ベース板形成部）２４ａが形成されている。また、下側鋳型部材２２の上面のセラミックス基板収容部２２ａの周囲には、鋳型２０と同じ材質の複数の保持ピン２６が設けられているとともに、上側鋳型部材２４のベース板形成部２４ａの底面には、下側鋳型部材２２に設けられた保持ピン２６と対向するように、鋳型２０と同じ材質の複数の保持ピン２８が設けられており、下側鋳型部材２２の保持ピン２６上に溶射皮膜被覆部材１６を載せた後に上側鋳型部材２４を下側鋳型部材２２に被せると、溶射皮膜被覆部材１６が保持ピン２６と保持ピン２８によってベース板形成部２４ａの略中央部で挟持されるようになっている。なお、上側鋳型部材２４には、（図示しない）注湯ノズルからベース板形成部２４ａ内に溶湯を注湯するための（図示しない）注湯口が形成されているとともに、下側鋳型部材２２には、ベース板形成部２４ａと回路パターン用アルミニウム板形成部２２ｂとの間に延びる（図示しない）溶湯流路が形成されて、セラミックス基板収容部２２ａ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２４ａと回路パターン用アルミニウム板形成部２２ｂとの間が連通するようになっている。

このような鋳型２０を使用して図１Ａ〜図１Ｃに示す実施の形態の金属−セラミックス接合基板を製造するためには、まず、下側鋳型部材２２のセラミックス基板収容部２２ａ内にセラミックス基板１２を配置させた後、下側鋳型部材２２の保持ピン２６上に溶射皮膜被覆部材１６を載せて上側鋳型部材２４を下側鋳型部材２２に被せる。この状態で鋳型２０内にアルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯を流し込んで冷却すると、内部に溶射皮膜被覆部材１６が配置されたベース板１０がセラミックス基板１２の一方の面に直接接合するとともに、セラミックス基板１２の他方の面に回路パターン用アルミニウム板１４が直接接合した金属−セラミックス接合基板を製造することができる。なお、ベース板１０には、保持ピン２６および２８に対応する複数の貫通孔が形成されるが、これらの貫通孔は小さいため、金属−セラミックス接合基板の信頼性や熱伝導率に殆ど影響しない。

図３Ａ〜図３Ｃは、本発明による金属−セラミックス接合基板の実施の形態の変形例を示している。また、図４Ａは、この変形例の金属−セラミックス接合基板を製造するために使用する鋳型を示し、図４Ｂは、この鋳型内に配置させる溶射皮膜被覆部材の形状を示している。この変形例では、セラミックス基板１１２および回路パターン用アルミニウム板１１４をそれぞれ２つにした他に、保持ピン２６および２８の代わりに、これらのピンに対応する形状の複数の突部をプレス加工などにより形成した金属板の表面が溶射皮膜で被覆された溶射皮膜被覆部材１１６を使用した以外は、上述した実施の形態の金属−セラミックス接合基板およびその製造方法と略同一であるので、参照符号に１００を加えてその説明を省略する。なお、この変形例では、ベース板１１０の表面には、溶射皮膜被覆部材１６の複数の突部の表面が露出するが、これらの露出面の面積は小さいため、金属−セラミックス接合基板の信頼性や熱伝導率に殆ど影響しない。

図５は、本発明による金属−セラミックス接合基板の実施の形態の他の変形例を示し、図６は、この変形例の金属−セラミックス接合基板を製造するために使用する鋳型を示している。この変形例では、保持ピン２６および２８の代わりに、下側鋳型部材の上面に取り付けられた保持ピン２２６が溶射皮膜被覆部材２１６の底面および側面に当接して溶射皮膜被覆部材２１６を保持できるようにするとともに、ベース板２１０の底面に互いに略平行に且つ一定の間隔で離間した複数のフィン２１０ａを形成した以外は、上述した実施の形態の金属−セラミックス接合基板およびその製造方法と略同一であるので、参照符号に２００を加えてその説明を省略する。なお、図５に示すように、箱型部材１１８でフィン２１０ａを覆って水冷ジャケットとしてもよいし、箱型部材１１８を設けないで空冷フィンにしてもよい。また、ベース板２１０には、保持ピン２２６に対応する複数の貫通孔が形成されるが、これらの貫通孔は小さいため、金属−セラミックス接合基板の信頼性や熱伝導率に殆ど影響しない。

以下、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例について詳細に説明する。

［実施例１］
厚さ１ｍｍのＣｕ板にプラズマ溶射で厚さ０．１ｍｍのＡｌ_２Ｏ_３皮膜を形成した溶射皮膜被覆部材と、ＡｌＮ基板とを、図２に示す鋳型２０と同様の鋳型内に収容した後、鋳型内を窒素雰囲気にした状態で加熱し、アルミニウム溶湯をその表面の酸化膜を取り除きながら鋳型内に注湯し、その後、鋳型を冷却して溶湯を凝固させることによって、溶射皮膜被覆部材を内部に含む厚さ５ｍｍのベース板が一体に形成されたベース一体型の金属−セラミックス接合基板を作製した。この金属−セラミックス接合基板を切断して断面を観察したところ、ＣｕとＡｌの拡散はなく、金属間化合物も認められなかった。また、ＡｌＮ基板とベース板との接合界面と、溶射皮膜被覆部材とベース板との接合界面には、ボイドなどの接合欠陥は見られず、これらの間の接合強度は充分であることがわかった。

［実施例２］
厚さ３ｍｍのＣｕ板を使用した以外は実施例１と同様の方法によりベース一体型の金属−セラミックス接合基板を作製した。この金属−セラミックス接合基板を切断して断面を観察したところ、ＣｕとＡｌの拡散はなく、金属間化合物も認められなかった。また、ＡｌＮ基板とベース板との接合界面と、溶射皮膜被覆部材とベース板との接合界面には、ボイドなどの接合欠陥は見られず、これらの間の接合強度は充分であることがわかった。

［実施例３］
プラズマ溶射で厚さ０．０２ｍｍのＡｌ_２Ｏ_３皮膜を形成した以外は実施例２と同様の方法によりベース一体型の金属−セラミックス接合基板を作製した。この金属−セラミックス接合基板を切断して断面を観察したところ、ＣｕとＡｌの拡散はなく、金属間化合物も認められなかった。また、ＡｌＮ基板とベース板との接合界面と、溶射皮膜被覆部材とベース板との接合界面には、ボイドなどの接合欠陥は見られず、これらの間の接合強度は充分であることがわかった。

［実施例４］
プラズマ溶射で厚さ０．０５ｍｍのＡｌ_２Ｏ_３皮膜を形成した以外は実施例２と同様の方法によりベース一体型の金属−セラミックス接合基板を作製した。この金属−セラミックス接合基板を切断して断面を観察したところ、ＣｕとＡｌの拡散はなく、金属間化合物も認められなかった。また、ＡｌＮ基板とベース板との接合界面と、溶射皮膜被覆部材とベース板との接合界面には、ボイドなどの接合欠陥は見られず、これらの間の接合強度は充分であることがわかった。

［比較例１］
鋳型内に溶射皮膜被覆部材を収容しなかった以外は実施例１と同様の方法によりベース一体型の金属−セラミックス接合基板を作製した。この金属−セラミックス接合基板を切断して断面を観察したところ、ＣｕとＡｌが相互に拡散し金属間化合物も認められた。

［比較例２］
Ｃｕ板にプラズマ溶射を行わなかった以外は実施例１と同様の方法によりベース一体型の金属−セラミックス接合基板を作製した。この金属−セラミックス接合基板を切断して断面を観察したところ、ＣｕとＡｌが相互に拡散し金属間化合物も認められた。

１０、１１０、２１０ベース板
１２、１１２、２１２セラミックス基板
１４、１１４、２１４回路パターン用アルミニウム板
１６、１１６、２１６溶射皮膜被覆部材
２０、１２０、２２０鋳型
２２、１２２、２２２下側鋳型部材
２２ａ、１２２ａ、２２２ａセラミックス基板収容部
２２ｂ、１２２ｂ、２２２ｂ回路パターン用アルミニウム板形成部
２４、１２４、２２４上側鋳型部材
２４ａ、１２４ａ、２２４ａベース板形成部
２６、２８、２２６保持ピン
１１８箱型部材
２１０ａフィン

Claims

銅または銅合金からなる金属板の表面にセラミックスを溶射して金属部材の表面が溶射皮膜で被覆された溶射皮膜被覆部材を得た後、この溶射皮膜被覆部材を鋳型内の保持ピン上に載せてセラミックス基板と離間して鋳型内に配置させ、この鋳型内の溶射皮膜被覆部材の全面と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またはアルミニウム合金の溶湯を注湯した後に溶湯を冷却して固化させることにより、溶射皮膜被覆部材を取り囲み且つセラミックス基板の一方の面に直接接合したアルミニウムまたはアルミニウム合金からなるアルミニウム部材を形成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。
前記鋳型内の前記セラミックス基板の他方の面に接触するように前記アルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯を注湯することにより、前記セラミックス基板の他方の面に直接接合したアルミニウムまたはアルミニウム合金からなるアルミニウム板を形成す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。
前記溶射がプラズマ溶射であることを特徴とする、請求項１または２に記載の金属−セラミックス接合基板の製造方法。
前記鋳型が下側鋳型部材と上側鋳型部材とから構成され、前記保持ピンが下側鋳型部材と上側鋳型部材の各々に設けられ、下側鋳型部材の保持ピン上に前記溶射皮膜被覆部材を載せた後に上側鋳型部材を下側鋳型部材に被せて、前記溶射皮膜被覆部材を上側鋳型部材の保持ピンと下側鋳型部材の保持ピンにより挟持す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。
前記溶射に使用するセラミックスが、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、炭化珪素および窒化珪素からなる群から選ばれる１種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金属−セラミックス接合基板の製造方法。