JP5686606B2 - フィン一体型基板の製造方法およびフィン一体型基板 - Google Patents

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Description

本発明は、金属−セラミックス接合基板に関し、特にセラミックス基板の両面にそれぞれアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属回路板および金属ベース板が接合され、金属ベース板のセラミックス基板の接合されていない面から突出して互いに所定の間隔で延びる板状の放熱フィンが金属ベース板と一体的に形成されるフィン一体型基板およびその製造方法に関する。
例えば電気自動車、電車、工作機械等の大電流を制御するために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等の電子部品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（裏面）には、ネジ止め等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。
この金属−セラミックス絶縁基板へのベース板や電子部品等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やすい。また、電子部品等から発生した熱は、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等に逃がされるため、上述したようなベース板の反りが発生す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際のクリアランスが大きくなり、放熱性が極端に低下してしまう。
そこで、例えば特許文献１には、上記問題点であるベース板の反りを非常に小さくすることができる放熱フィン（補強部）と金属ベース板とが一体的に形成された金属−セラミックス接合基板が開示されている。また、例えば特許文献２および特許文献３には、金属ベース板や放熱フィン等に取り付け、熱発生体を効率的に冷却する冷却ジャケットが開示されている。
従って、特許文献１に記載の金属−セラミックス接合基板に、特許文献２、３に記載の冷却ジャケットを取り付けることで、金属ベース板の反りが抑えられ、冷却効率が非常に高い金属−セラミックス接合基板が得られることとなる。
一方、特許文献４には、半導体デバイス等の冷却のためのヒートシンク等におけるベース部材（金属ベース板）上に配置された被削材ブロックに溝加工を行う溝入れ加工方法が開示されている。この溝入れ加工方法によれば、被削材ブロックにバリを発生させることなく溝入れを行うことが可能となる。
特開２００８−２１８９３８号公報 特開２００６−３２４６４７号公報 特開２００８−１３５７５７号公報 特開２００９−５６５２０号公報
しかしながら、上記特許文献１に記載の金属−セラミックス接合基板においては、金属ベース板に放熱フィンを一体的に形成させるための方法として、鋳型を用いて形成を行うこととしているが、特に微細な形状の放熱フィンを形成する場合については、微細なピッチの型が必要となり、フィンの鋳型からの離型の困難さのために事実上鋳型を用いることは不可能であった。また、従来より一般的である溝を１つずつ機械加工により形成することで放熱フィンを形成していく方法も考えられるが、加工時の熱の発生による反りや加工時の切り屑の排出が十分にできないなどの問題により、微細なピッチの放熱フィンを寸法精度良く且つ効率的に作製することは困難であった。
一方で、上記特許文献４に記載の溝入れ加工方法を用いて放熱フィンを形成させる方法も考えられるが、特許文献４では被削材ブロックとして強度・硬度の高い金属を想定しており、例えばアルミニウム等の軟らかい（硬度の低い）金属、さらにはその鋳造材など特に軟らかい金属を加工しようとする場合には、加工対象の被切削材（被削材ブロック）やその被切削材を配置した金属ベース板を治具によって固定する際に、金属ベース板が曲がってしまうといった問題や、切削加工後の放熱フィンにビレ（波打ち形状）が発生してしまうことが発明者らの調査により判明した。さらには、マルチカッターでの切削時に被切削材（被切削ブロック）や金属ベース板への応力が発生し、反りが発生する恐れがあった。
従って、上記特許文献１に記載された金属−セラミックス接合基板や特許文献４に記載の溝入れ加工方法によって作製された被切削材に上記特許文献２および３に記載の冷却ジャケットを取り付けたとしても、微細なピッチの放熱フィンを備える液冷式のフィン一体型基板を得ることは困難であった。
そこで、上記問題点に鑑み、本発明の目的は、金属ベース板の反りや放熱フィンの変形（ビレ等の発生）が抑えられた加工方法でもって微細なピッチの放熱フィンを備えるフィン一体型基板を簡単な工程で作製することが可能なフィン一体型基板の製造方法を提供することにある。さらにはこの製造方法によって微細なピッチの放熱フィンを備える強度、冷却効率、放熱性、電子部品のアセンブリ性、耐熱衝撃性および耐食性に優れた空冷（ガス冷）式または液冷式のフィン一体型基板を提供することにある。
上記の目的を達成するため、本発明によれば、セラミックス基板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金属回路板が接合されると共に、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平板状の金属ベース板の一方の面が接合され、前記金属ベース板の他方の面から突出して互いに所定の間隔で配置するように複数の放熱フィンが前記金属ベース板と一体的に形成されたフィン一体型基板を製造するフィン一体型基板の製造方法であって、前記金属回路板の前記セラミックス基板との接合は溶湯接合法によって行われ、前記金属ベース板の一部である被切削部への複数の放熱フィンの形成は、前記被切削部の放熱フィンを形成させる面に引張応力を負荷させるように治具による固定を行い、引張応力が負荷された面上に複数枚の円盤型カッターを積層したマルチカッターを回転させながら移動させて複数の溝を形成させる溝入れ加工を行うことで形成される、フィン一体型基板の製造方法が提供される。
前記金属回路板は、板部およびその板部中央近傍において突出するブロック部によって一体的に構成され、前記放熱フィンを形成させる前記ブロック部上の面は凸形状であってもよい。前記ブロック部の中央部は、前記ブロック部の周縁部より厚くてもよい。前記マルチカッターの回転刃は交互刃であり、かつすくい角が１０°以上であってもよい。前記マルチカッターの切削スピードは７００ｍｍ／ｍｉｎ以上であってもよい。前記治具は前記セラミックス基板に非接触な形状であり、かつ、前記溝入れ加工における金属ベース板の変形に非干渉な位置に配置されてもよい。前記治具は真空吸引方式であり、その吸引力は制御可能であってもよい。前記溝入れ加工後に、放熱フィンが形成された前記金属ベース板の面上に、前記放熱フィンを収納する箱型形状の液冷式のジャケットを接合してもよい。前記金属ベース板と前記ジャケットの接合がろう接であってもよい。前記放熱フィンの少なくとも一部の先端部と前記ジャケットを接合してもよい。前記ジャケットにおいて、前記放熱フィン先端部と前記ジャケットの接合が行われる部分は、他の部分に比べ薄肉化されていてもよい。
また、本発明によれば、上記製造方法で製造されたフィン一体型基板であって、前記金属ベース板の熱伝導率が１７０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、前記金属ベース板の硬度がビッカース硬度で２０〜４０（Ｈｖ）であり、前記放熱フィンの幅が０．２〜２．０ｍｍであり、複数の前記放熱フィン同士の間に形成される溝部の幅が０．２〜２．０ｍｍであり、前記溝部の深さが２〜２０ｍｍである、フィン一体型基板が提供される。
前記金属ベース板の前記放熱フィンが形成されていない部分の厚さが０．５〜５ｍｍであってもよい。複数の前記放熱フィンは前記金属ベース板に対して略垂直方向に突出するように形成され、かつ、互いに略平行であってもよい。前記金属ベース板はＳｉ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｉ、Ｓｎから選ばれる少なくとも１つの元素を含有するアルミニウム合金であってもよい。前記金属ベース板の結晶粒径は５ｍｍ以下であってもよい。前記放熱フィンの幅が０．３〜１．５ｍｍであり、複数の前記放熱フィン同士の間に形成される溝部の幅が０．５〜２．０ｍｍであり、前記溝部の深さが３〜１５ｍｍであってもよい。
本発明によれば、金属ベース板の反りや放熱フィンの変形（ビレ等の発生）が抑えられた加工方法でもって微細なピッチの放熱フィンを備えるフィン一体型基板を簡単な工程で作製することが可能なフィン一体型基板の製造方法が提供される。さらにはこの製造方法によって、微細なピッチの放熱フィンを備える強度、冷却効率、放熱性、電子部品のアセンブリ性、耐熱衝撃性および耐食性に優れた空冷式（ガス冷式）または液冷式のフィン一体型基板を提供することができる。
（ａ）フィン一体型基板１の平面図である。（ｂ）フィン一体型基板１の側面断面図である。 被切削材４０の斜視図である。 溝入れ加工についての説明図である。 被切削部４０ｂの形状を、その中央部が端部より厚い形状とした場合の被切削材４０の側面断面図である。 被切削材４０全体を反った形状とした場合の被切削材４０の側面断面図である。 （ａ）フィン一体型基板１’の平面図である。（ｂ）フィン一体型基板１’を図６（ａ）中のＸ方向から見た側面断面図である。（ｃ）フィン一体型基板１’を図６（ａ）中のＹ方向から見た側面断面図である。 （ａ）フィン一体型基板１’’の平面図である。（ｂ）フィン一体型基板１’’を図７（ａ）中のＸ方向から見た側面断面図である。（ｃ）フィン一体型基板１’’を図７（ａ）中のＹ方向から見た側面断面図である。 ４種類の厚さの金属ベース板において、同条件（同一の入熱量）で発熱素子を発熱させた場合の非定常状態における発熱素子温度の違いをグラフとして表したものである。 実施例２〜４で用いた装置の構成説明図（断面図）である。 図９中の金属ベース板、セラミック基板および金属回路板を拡大した図である。 実施例６のクランプ方法を説明する断面図である。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
図１（ａ）は本発明の実施の形態にかかるフィン一体型基板１の平面図であり、図１（ｂ）は本発明の実施の形態にかかるフィン一体型基板１の側面断面図である。図１に示すように、フィン一体型基板１においては、セラミックス基板１０の上面（図１（ｂ）中上方）にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属回路板１５が接合されており、また、セラミックス基板１０の下面（図１（ｂ）中下方）にはアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属ベース板２０が接合されている。金属ベース板２０には、その下面から略垂直に突出して互いに略平行に所定の間隔で配置するように複数の放熱フィン２０ａが金属ベース板２０と一体的に形成されている。即ち、複数の放熱フィン２０ａの各フィン同士の間隙部には溝部２５が形成される構成となっている。ここで、放熱フィン２０ａは、金属ベース板２０の下面の中央部近傍に形成されており、金属ベース板２０の下面周縁部２７は平面形状である。
また、図１に示すフィン一体型基板１は液冷式であり、底部（図１（ｂ）中下方側）には、上記放熱フィン２０ａを収納することができるように成型された例えば箱型の液冷式のジャケット３０が接合（例えばろう接）により取り付けられている。即ち、ジャケット３０の内部（放熱フィン２０ａの収納されている部分）には図示しない冷却液供給部から供給された冷却液Ａが流れる構成となっており、放熱フィン２０ａは冷却液Ａによって冷却される。
図１に示すように構成されるフィン一体型基板１においては、金属ベース板２０の熱伝導率は１７０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、硬さはビッカース硬度Ｈｖで２０〜４０であり、反りは１００μｍ以下であることが好ましい。また、上記周縁部２７の厚さは０．５〜５ｍｍであることが好ましい。なお、ここで「反り」とは金属ベース板２０のセラミックス基板接合側の平面部における中心部と縁部の高さの差をいい、金属ベース板２０が凹状に反っている場合の反りを正（＋）とし、凸状に反っている場合の反りを負（−）とする。
金属ベース板は回路上で発熱した素子の熱をフィンに伝える役割があり、金属ベース板の材料として熱伝導率が１７０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることが好ましい。特に発熱量の大きい半導体素子を搭載する場合、１７０Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満であると充分な放熱ができないおそれがある。さらに好ましくは１８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である。
金属ベース板の材料であるＡｌまたはＡｌ合金のビッカース硬度として４０（Ｈｖ）を超えるとヒートサイクル耐量(後述)が大幅に低下する。また、ビッカース硬度が２０（Ｈｖ）未満であると後述のフィンの機械加工が困難になり、フィンに必要な形状、寸法精度を保つことが困難である。よって、金属ベース板のビッカース硬度は２０〜４０（Ｈｖ）の範囲が好ましい。ビッカース硬度が２０〜４０（Ｈｖ）の範囲では、[−４０℃で３０分保持→２５℃で１０分保持→１２５℃で３０分保持→２５℃で１０分保持→]を１回とするヒートサイクル試験（熱衝撃繰り返し試験）を３，０００回繰り返してもセラミックと金属との線膨張係数差起因による疲労破壊が起こりにくい。
周縁部厚さは５ｍｍを超えるとレーザー溶接のような局所加熱による溶解接合が困難となる。０．５mm未満では機械的強度不足により、加熱・冷却が繰り返されたときの膨張・収縮による疲労で破断する可能性がある。
金属ベース板２０の材質は上述したようにアルミニウムおよびアルミニウム合金であることが好ましいが、さらには、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｉ、Ｓｎから選ばれる少なくとも１つの元素を含有するアルミニウム合金であることが好ましく、その結晶粒径は５ｍｍ以下であることが好ましい。結晶粒径が５ｍｍを超えると、ヒートサイクルがかかったときの結晶粒界の段差や変形が大きくなる。
また、フィン一体型基板１においては、放熱フィン２０ａの幅は０．２〜２．０ｍｍ、さらに好ましくは０．３〜１．５ｍｍであり、各放熱フィン２０ａ同士の間に形成される溝部２５の幅は０．２〜２．０ｍｍ、さらに好ましくは０．５〜２．０ｍｍであり、溝部２５の深さは２〜２０ｍｍ、さらに好ましくは３〜１５ｍｍであることが好ましい。
放熱フィン２０ａの幅が０．２ｍｍ未満であると熱移動量（フィン効率）が減少し、２．０ｍｍを超えるとフィン数が少なくなり過ぎる。また、フィンの幅が０．２ｍｍ以下では本発明の金属ベース板の材料特性の場合、フィンの加工方法においても変形し易くなるおそれがあり、フィンの幅が２ｍｍを超えると鋳型の寸法設定により鋳造でも出来る寸法領域である。
溝部２５の幅が０．２ｍｍ未満であると圧損が著しく大きくなり冷却能が低下して、２．０ｍｍを超えると流速の低下が著しくなり、冷却能が低下する。溝部２５の深さが２ｍｍ未満では圧損が大きくなり、２０ｍｍを超えることはフィン一体型基板１が厚くなる。溝部の幅（フィン間隔）が２ｍｍを超えると鋳型の寸法設定により鋳造でも出来る領域であり、溝部の幅を０．２ｍｍより細くすると、加工時の切削くずがつまり易くなる等の不具合が発生するおそれがある。
溝部の深さが２ｍｍ未満では圧力損失が大きくなりすぎて、熱交換率が下がる。２０ｍｍより深くなると、流速が小さくなりすぎて熱交換率が下がる、加工時の切削くずがつまり易くなる、等の不具合が発生するおそれがある。
以上説明したように構成されるフィン一体型基板１においては、金属ベース板２０の厚さおよび材質・組成や、放熱フィン２０ａの幅およびピッチ等を上記のように規定したことや、液冷式のジャケット３０を放熱フィン２０ａを収納するように取り付けたことにより、強度、冷却効率、放熱性に優れたフィン一体型基板１が得られる。
次に、フィン一体型基板１において金属ベース板２０に複数の放熱フィン２０ａを形成させる加工方法について説明する。まず溶湯接合法によってセラミックス基板の一方の面にＡｌまたはＡｌ合金からなる金属回路板及び前記セラミックス基板の他方の面にＡｌまたはＡｌ合金からなる放熱フィンが形成される前段階の金属ベース板（被切削材４０）を接合する。図２は放熱フィン２０ａが形成される前段階の金属ベース板２０であり、ベース部４０ａおよび被切削部４０ｂから構成される被切削材４０の斜視図である。ここで、被切削部４０ｂが加工されて放熱フィン２０ａとなる部分である。また、図３は被切削材４０を加工し、放熱フィン２０ａを形成させる溝入れ加工を行う場合の説明図である。なお、上記図１では、図中下方（金属ベース板２０の下面）に放熱フィン２０ａが形成されるとして図示したが、図２および図３においては、説明のため被切削部４０ｂ（後の放熱フィン２０ａ）が図中上方に向いているように図示し、以下ではこの図面の配置に沿って説明する。
図２に示すように、被切削材４０は略矩形状のベース部４０ａとベース部４０ａの中央部にベース部４０ａと一体的に構成されている略矩形状の被切削部４０ｂからなる。なお、図２中に図示はしないが、ベース部４０ａの下面（図２中下方の面）にはセラミックス基板１０と金属回路板１５が接合されている。なお、被切削材４０は単なる１個の略矩形状でもかまわない。その場合、周縁部の形成は、フィン加工の前あるいは後に、切削加工等で実施すればよい。
被切削部４０ｂに溝入れ加工を施工することによって放熱フィン２０ａを形成させる際には、先ず、図３（ａ）に示すように被切削材４０を治具５０によって固定し、その後、図３（ｂ）に示すようにマルチカッター５５によって被切削部４０に切り込みを入れていくこととなる。
ここで、図３（ａ）に示すように、治具５０の形状はベース部４０ａを挿入できる形状となっており、治具５０は被切削材４０の下面に接合されたセラミックス基板１０に接触しないように構成され、また、被切削部４０ｂが溝入れ加工によって変形した場合にも、その変形した被切削部４０ｂと治具５０は接触しない構成となっている。治具５０による被切削材４０の固定は、被切削部４０ｂの上面（図３中上方の面）に引張応力が負荷されるように行われる。即ち、図３（ａ）に示すように、ベース部４０ａを治具５０に挿入し、例えばベース部４０ａの側面下方に圧力を加えるようにネジ５０’の先端を押し当てて被切削材４０を固定することで被切削部４０ｂの上面に引張応力が負荷された状態で固定が行われる。
そして、上述したように固定された被切削材４０において、図３（ｂ）に示すようにマルチカッター５５を回転させながら被切削部４０ｂの上面に押し当て、溝入れ加工を行う。ここで、マルチカッター５５は複数枚の円盤型カッター５５’を互いに平行になるように積層した構成となっており、これら円盤型カッター５５’が高速で回転することで、対象物を切削するものである。溝入れ加工では、円盤型カッター５５’の回転方向と被切削部４０ｂの長手方向が平行となるようにマルチカッター５５が被切削部４０ｂに押し当てられ、その押し当てられた状態でもってマルチカッター５５が被切削部４０ｂの長手方向に移動することで加工が行われる。なお、本実施の形態では、上述したように、放熱フィン２０ａ同士の間に形成される溝部２５の深さは２〜２０ｍｍであることが好ましいため、マルチカッター５５の被切削部４０ｂに対する切込み深さも同様の２〜２０ｍｍであることが好ましい。
また、ここでマルチカッター５５の回転刃は交互刃であり、そのすくい角を１０°以上とすることが好ましく、マルチカッター５５の切削スピード（切削時の移動速度）は７００ｍｍ／ｍｉｎ以上であることが好ましい。このようにマルチカッター５５による被切削部４０ｂへの溝入れ加工時の条件を規定することにより、切り屑の排出効率が良好となり、溝入れ加工後に形成される放熱フィン２０ａにおけるビレ（波打ち形状）の発生を抑制することが可能となる。マルチカッター５５の切削スピードは、さらに好ましくは１０００ｍｍ／ｍｉｎ以上である。
以上、図３を参照して説明したような工程・条件でもって溝入れ加工を行うことにより、溝入れ加工後に形成される放熱フィン２０ａの変形が抑制されるとともに、治具５０を用いて被切削部４０ｂの上面に引張応力が負荷された状態で溝入れ加工を行うことで、マルチカッター５５の切削によって生じる残留応力による切削後の被切削材４０全体（金属ベース板２０）の反りの発生を抑制することが可能となる。即ち、所望の形状である金属ベース板２０（フィン一体型基板１）が精度よく製造されることとなる。
以上、本発明の実施の形態の一例を説明したが、本発明は図示の形態に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
例えば、上記実施の形態では、治具５０を用いて被切削部４０ｂの上面に引張応力が負荷された状態で溝入れ加工を行うとしたが、マルチカッター５５の切削によって生じる残留応力による切削後の被切削材４０全体（金属ベース板２０）の反りの発生を抑制することができれば良いため、非切削部４０ｂの形状を、その中央部が端部より厚い形状としても良い。
図４は被切削部４０ｂの形状を、その中央部が端部より厚い形状（図４中、上に凸である形状）とした場合の被切削材４０の側面断面図である。なお、非切削材４０には溝入れ加工時にベース部４０ａの下面（図４中下方の面）にセラミックス基板１０と金属回路板１５が接合されていてもよい。
図４に示すように被切削部４０ｂの形状をその中央部が端部より厚い形状とすることにより、マルチカッター５５による溝入れ加工（切削）が行われた後にその切削によって生じる残留応力によって、被切削部４０ｂの溝入れ加工後の形状は平坦となり、所望の形状である金属ベース板２０（フィン一体型基板１）が製造されることとなる。なお、被切削部４０ｂを予めその中央部が端部より厚い形状にする際の中央部と端部の厚みの差については、適宜溝入れ加工を実験的に行うことで好ましい数値を得ることとすればよい。なお、このような被切削材をフィン加工すると中央部の溝の深さが深くなる。すなわちフィンの高さが高くなるが、この部分のフィンの先端を後工程でジャケットと接合しても良い。
また、マルチカッター５５の切削によって生じる残留応力による切削後の被切削材４０全体（金属ベース板２０）の反りの発生を抑制するため、溝入れ加工前に予め被切削材４０全体の形状を反った形状としても良い。図５は被切削材４０全体を反った形状（図５中、上に凸形状）とした場合の被切削材４０の側面断面図である。
図５に示すように予め被切削材４０全体の形状を反った形状としておくことにより、マルチカッター５５による溝入れ加工（切削）が行われた後にその切削によって生じる残留応力及びその変化によって、被切削部４０ｂを含む被切削材４０全体の溝入れ加工後の形状が平坦となり、所望の形状である金属ベース板２０（フィン一体型基板１）が製造されることとなる。
また、上記実施の形態では、図１に示すように金属ベース板２０の下方（図１中に示す下方の面）の中央部一箇所に複数の放熱フィン２０ａが一体的に形成される構成について説明したが、本発明は必ずしもこの構成に限られるものではなく、例えば、図６に示すように金属ベース板２０の下方の複数箇所にそれぞれ複数の放熱フィン２０ａが形成される構成としてもよい。さらには、図７に示すように複数の放熱フィン２０ａを金属ベース板２０の下方から見て千鳥状の複数箇所に一体的に形成することも考えられる。
図６、７は金属ベース板２０の下方の複数箇所にそれぞれ複数の放熱フィン２０ａが複数箇所に一体的に形成される構成であるフィン一体型基板１’、および千鳥状の複数箇所に一体的に形成される構成であるフィン一体型基板１’’の説明図である。ここで、図６（ａ）、図７（ａ）はフィン一体型基板１’、１’’の平面図であり、図６（ｂ）、図７（ｂ）は図６（ａ）、図７（ａ）中のＸ方向（図６（ａ）、図７（ａ）下方向）から見た側面断面図であり、図６（ｃ）、図７（ｃ）は図６（ａ）、図７（ａ）中のＹ方向（図６（ａ）、図７（ａ）右方向）から見た側面断面図である。また、図６（ａ）、図７（ａ）には説明のため金属ベース板２０の下面に形成される放熱フィン２０ａを破線で図示している。なお、フィン一体型基板１’、１’’においては、放熱フィン２０ａは図６（ａ）、図７（ａ）中のＸ方向から見て３列形成されているものとし、Ｘ方向から見て手前側（図６、図７の紙面下側）から第１列、第２列、第３列とする。
図７（ａ）に示すように、フィン一体型基板１’’では、複数の放熱フィン２０ａが金属ベース板２０の下方から見て千鳥状の複数箇所に形成される。即ち、フィン一体型基板１’をＸ方向（図７（ａ）下方向）から見た場合に、第１列の放熱フィン２０ａ同士の間から第２列の放熱フィン２０ａが見えるような配置となっている。また、Ｘ方向から見て第１列の放熱フィン２０ａと第３列の放熱フィン２０ａは重なって見えるような配置となっていても良い。
また、複数の放熱フィンを金属ベース板に非連続的に形成してもよく、例えば金属回路板に対応する金属ベース板の反対の面の位置にそれぞれ形成しても良い。なお、複数箇所に放熱フィン２０ａを形成した場合には、ジャケット３０は各々に取り付けても良い。このように、複数の放熱フィン２０ａを金属ベース板２０の下方の複数箇所に一体的に形成することにより、より冷却効率・放熱性の優れたフィン一体型基板１が製造されることとなる。
また、上記実施の形態では、図１に示すように、放熱フィン２０ａを収納するように液冷式のジャケット３０を取り付ける旨の説明をしたが、この時、放熱フィン２０ａの先端部（図１中の放熱フィン２０ａ下端部）の少なくとも一部をジャケット３０に接合することも考えられる。これにより、フィン一体型基板１における過渡熱抵抗の低減が実現され、放熱性の安定が図られることとなる。また冷却液の圧力でジャケットの底面がふくれるなどの形状変化を抑制することができる。なお、液冷式のシャケットを接合せずに、そのまま空冷（ガス冷）で使用しても良い。
＜実施例１＞
本発明の実施例として、ベース厚のみを変更した上面に発熱素子を同条件で設置した４種類の金属ベース板（厚さ１．０ｍｍ、３．０ｍｍ、５．０ｍｍ、１０．０ｍｍ）について、ベース厚の違いによる発熱素子の温度変化の違いについてシミュレーションによる検証を行った。
図８は上記４種類の厚さの金属ベース板において、同条件（同一の入熱量）で発熱素子を発熱させた場合の非定常状態における発熱素子温度の違いをグラフとして表したものである。
図８に示されたように、厚さ１．０ｍｍ、３．０ｍｍの金属ベース板における発熱素子の温度と、厚さ５．０ｍｍ、１０．０ｍｍの金属ベース板における発熱素子の温度には差異があり、厚さ５．０ｍｍ以上の金属ベース板を用いた場合の方が、冷却効率が良いことが分かった。図８、および放熱性、強度等の要求特性から、最適な金属ベース板の厚さは３．０〜５．０ｍｍであることが解った。その時の最適な放熱フィン２０ａの幅は０．７ｍｍ、最適な溝部２５の幅は１〜５ｍｍ、最適な溝部２５の深さは３．５ｍｍであることがシミュレーション結果より推定された。このとき、素子の推定温度は金属ベース板の厚さが５．０ｍｍの場合、厚さ１．０ｍｍに対し約９％の低下が見込まれた。
＜実施例２＞
次にサンプル１〜５のフィン一体基板を前述の方法で作成し、熱特性を測定した。ここで、用いた装置を図９に示し、図９中の金属ベース板、セラミック基板および金属回路板を抜き出したものが図１０である。長さ３５ｍｍ×幅３５ｍｍ×厚さ０．６ｍｍのＡｌＮ基板の一方の面に長さ３１ｍｍ×幅３１ｍｍ×厚さ０．６ｍｍの金属回路板を接合し、前記ＡｌＮ基板の他方の面にフィンの高さを含まない金属ベース板の厚さ（トッププレートの厚さ）が１ｍｍで長さ６９．５ｍｍ×幅６９．５ｍｍのものを形成した。また、トッププレートと一体となっているフィンの形状は下記に示す。なお、溝深さとフィンの高さは同一寸法である。
金属ベース板の材質はＡｌでビッカース硬度は２１（Ｈｖ）であった。
この時のサンプルのフィン形状は以下の通りであり、フィンのビレの発生はなく、金属ベース板の反り量も１００μｍ以下であった。
これに箱型の水冷ジャケットを冷却液がもれないようにネジ止めにより接合し、１５℃の冷却水を流した。
放熱性の評価は、前記回路板表面に長さ５ｍｍ×幅５ｍｍのマイクロヒーターを厚み１０μｍのシルバーグリース（９Ｗ／（ｍ・Ｋ））を介して接触させた。また、マイクロヒーターの中央部に熱電対を接触させて温度を測定できるようにした。なお、熱電対はおもりで固定した。この状態で、マイクロヒーターを３００Ｗで発熱させその温度上昇を測定した。その結果は以下の通りで、充分な放熱性を有することがわかった。

（サンプル形状）
溝幅 フィン幅 溝深さ 溝の数 フィンの表面積
ｍｍ ｍｍ ｍｍ ｍｍ2
サンプル１： ０．８ ０．８ ６ １９ ７，９８０
サンプル２： 1 ０．６ ５ ２１ ７，３５０
サンプル３： １
０．６ ６ ２１ ８，８２０
サンプル４： １ ０．６ ７ ２１ １０，２９０
サンプル５： １ ０．４ ７ ２４ １１，７６０

（放熱性測定結果１）
飽和熱抵抗（℃） 過渡熱抵抗（℃／sec）
サンプル１： ５８．２ ５８．０
サンプル２： ５７．０ ５８．１
サンプル３： ５６．９ ５８．０
サンプル４： ５６．８ ５８．４
サンプル５： ５７．６ ５７．７
飽和熱抵抗はマイクロヒーターに電力を加えて２分後の温度を測定したもの。
過渡熱抵抗は、マイクロヒーターに電力を加えて０．１〜０．４秒の間の温度上昇の傾きを求めたもの。
＜実施例３＞
過渡熱抵抗の測定について、マイクロヒーターに電力を加えて０．０５〜０．１５秒の間の温度上昇の傾きを求めた以外は、実施例２と同様にサンプルを作成し、評価した。その結果は以下の通りで、充分な放熱性を有することがわかった。
この結果より熱抵抗は約４．５（Ｋ／Ｗ）であった。

（サンプル形状）
溝幅 フィン幅 溝深さ 溝の数 フィンの表面積
ｍｍ ｍｍ ｍｍ ｍｍ2
サンプル６： ０．８ ０．８ ６ １９ ７，９８０
サンプル７： １ ０．４ ７ ２４ １１，７６０

（放熱性測定結果１）
飽和熱抵抗（℃） 過渡熱抵抗（℃／sec）
サンプル６： ６１．３ ７６．２
サンプル７： ６２．３ ８０．１
＜実施例４＞
実施例２と同様の方法で金属ベース板を接合し、マルチカッターによりフィンの加工を行った。このときの加工速度を４００ｍｍ／ｍｉｎ、７００ｍｍ／ｍｉｎ、１２００ｍｍ／ｍｉｎとした。加工速度（カッターの送り速度）が４００ｍｍ／ｍｉｎのとき、フィンのビレが発生して良好な形状を得ることができなかった。７００ｍｍ／ｍｉｎ、１２００ｍｍ／ｍｉｎでは良好な形状を得ることができた。
＜実施例５＞
９０ｍｍ×１５５ｍｍのカーボン型に、６５ｍｍ×３５ｍｍの３枚のセラミックス基板をセットした。セラミックス基板は、（１）熱伝導率１７０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、厚さ０．６３５ｍｍのＡｌＮ、（２）熱伝導率７０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、厚さ０．３２ｍｍのＳｉ３Ｎ４、（３）熱伝導率が２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、厚さ０．３８ｍｍのＡｌ２Ｏ３の３種類について実施した。このカーボン型を、６３０℃の窒素雰囲気の炉に投入した。カーボン型には、予め、回路部、ベース板部、フィンブロック部（外周のテーパー２°）の空隙（空間）が設けられており、この空隙にＡｌ又はＡｌ合金の溶湯を流し込み、接合、凝固させた。Ａｌ又はＡｌ合金溶湯の材質は、（４）Ａｌとして熱伝導率２１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、ビッカース硬度２４の純アルミニウム（Ａｌ：９９．９質量％以上）、（５）Ａｌ合金として熱伝導率１９０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、ビッカース硬度２８のＡｌ−０．５質量％Ｓｉ−０．０５質量％Ｂ合金の２種類とした。
次に、放熱フィンの機械加工を行った。フィン幅１ｍｍ、溝部の幅０．９ｍｍ、加工ピッチ１．９ｍｍ、深さ６ｍｍとした。０．９ｍｍ厚さの刃先ストレートの刃を３８枚有するハイスメタルソーを用い、回転数５０００ｒｐｍ、切削スピード１２００ｍｍ／ｍｉｎとした。ワンパスで加工し、加工後脱脂した。このとき、いずれのサンプルも、形成されたフィンにビレの発生はなかった。その後、（６）オフセットプレス加工無し、（７）オフセットプレス加工有り、の２通りについて実施し、（７）については、串状の金型を用いて、一列おきのフィンのみプレスによりフィンを曲げてオフセットさせて千鳥配置とした。
また、回路部に回路パターン形状のＵＶ硬化型レジストインクをスクリーン印刷し、ＵＶキュア後、塩化鉄溶液で回路部における不要部分をエッチング除去し、レジストインクを剥離して回路パターンを形成した。そして、回路パターンアルミ部のみ接液するように、ダブルジンケート処理し、電気Ｎｉメッキを膜厚平均５μｍになるように実施した。
以上の方法で形成したところ、いずれの基板も、ベース板の平坦度は１００μｍ以内、回路部の平坦度も１００μｍ以内であった。
さらに、冷却ケースの取り付けを、以下の２つの方法により行った。（８）Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系ロウ材を使い、Ａ１０５０製の冷却ケースを大気雰囲気６００℃でロウ付けした。（９）一体基板とＡ１０５０製の冷却ケースにＯリングを介してねじ止めした。
以上により製造したフィン一体型基板について、放熱性、信頼性、耐食性の評価を行った。
放熱性評価は、２５℃の冷却水を１０Ｌ／ｍｉｎ流し、素子に見立てたヒータを回路パターン上に設置し、飽和熱抵抗を測定した。セラミックス基板が（１）、（２）のサンプルについて、Ａｌ溶湯の材質（４）または（５）、オフセットプレス加工の有無（６）または（７）、冷却ケースの取り付け方法（８）または（９）のいずれの組み合わせにおいても、約０．２５Ｋ／Ｗであった。
信頼性評価は、−４０℃で５分間保持、１２５℃で５分間保持を１サイクルとする液槽（液相）ヒートサイクル試験を行った。セラミックス基板が（１）、（２）のサンプルについては、液槽ヒートサイクル試験３０００回後にセラミックスにクラックは無く、表裏油中ＡＣ９ｋＶの耐電圧試験をパスした。セラミックス基板が（３）のサンプルについては、液槽ヒートサイクル試験３００回後にセラミックスにクラックは無く、表裏油中ＡＣ５ｋＶの耐電圧試験をパスした。また、いずれのタイプも、液槽ヒートサイクル３０００回後のセラミックス下のアルミの疲労破壊は沿面から２ｍｍ以下であった。
耐食性評価は、５０００ｈ、５０％ＬＬＣ（７５℃）を通水し、孔食を調査したが、全てのタイプで、孔食は確認されなかった。以上の結果を表１に示す。
Figure 0005686606
＜実施例６＞
セラミックス基板として、３０ｍｍ×３０ｍｍ×０．６４ｍｍの大きさのＡｌＮセラミックス、金属ベース板（略矩形状のベース部とベース部の中央部にベース部と一体的に構成されている略矩形状の被切削部からなる被切削材）として、ベース部が７０ｍｍ×７０ｍｍ×７ｍｍ、被切削部が６０ｍｍ×６０ｍｍ×６ｍｍの大きさのアルミとした試験体を鋳造法で作製した。また、金属ベース板がベース部のみである（被切削部がない）以外は前記試験体と同様の形状である試験体を、前記鋳造法と同様の方法で作製した。
これらの試験体を、以下に示す本発明の実施例であるサンプル３１、３２と比較例１、２のそれぞれのクランプ方法でフィン加工した。フィン幅１ｍｍ、溝部の幅０．９ｍｍ、加工ピッチ１．９ｍｍ、深さ６ｍｍとした。０．９ｍｍ厚さの刃先ストレートの刃を３５枚有するハイスメタルソーを用い、回転数５０００ｒｐｍ、切削スピード１２００ｍｍ／ｍｉｎで加工した。なお、サンプル３１、３２及び比較例２は被切削部とベース部からなる前記試験体、比較例１はベース部のみからなる前記試験体を前記フィン加工に用いた。
図１１（ａ）はサンプル３１のクランプ方法を示す。下方にある押治具６１で試験体を押すことで、弱い引張応力を付与して、切削加工し易くできる。また、下に凸の形状の場合には、押治具６１で矯正しながら切削加工できる。図１１（ｂ）はサンプル３２のクランプ方法であり、この場合には引張力で矯正しながら切削加工できるので、放熱フィンの平面度を改善できる。
一方、図１１（ｃ）に示す比較例１のクランプ方法では、横押しの力が弱い場合、切削時の負荷によって試験体が飛散する場合がある。一方、横押しが強過ぎる場合には、切削中に変形することがあった。図１１（ｄ）は比較例２を示し、（ｃ）のような横押しクランプではなく上方からのクランプ６２に変えると、問題なく切削加工できる。しかし、この方法では、切削加工後の放熱フィンの平面度には鋳造時の平面度が影響するうえ、フィンのビレの発生のおそれがあり、注意が必要である。また、切削加工中に圧縮応力が試験体に発生した場合、切削抵抗が増加することがある。
本発明は、金属−セラミックス接合基板に適用され、特にセラミックス基板の両面にそれぞれアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属回路板および金属ベース板が接合され、金属ベース板のセラミックス基板の接合されていない面から突出して互いに所定の間隔で延びる板状の放熱フィンが金属ベース板と一体的に形成されるフィン一体型基板およびその製造方法に適用される。
１、１’ 一体型フィン基板
１０ セラミックス基板
１５ 金属回路板
２０ 金属ベース板
２０ａ 放熱フィン
２５ 溝部
３０ ジャケット
４０ 被切削材
４０ａ ベース部
４０ｂ 被切削部
５０ 治具
５０’ ネジ
５５ マルチカッター
Ａ 冷却液

Claims (17)

  1. セラミックス基板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金属回路板が接合されると共に、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平板状の金属ベース板の一方の面が接合され、前記金属ベース板の他方の面から突出して互いに所定の間隔で配置するように複数の放熱フィンが前記金属ベース板と一体的に形成されたフィン一体型基板を製造するフィン一体型基板の製造方法であって、
    前記金属回路板の前記セラミックス基板との接合は溶湯接合法によって行われ、
    前記金属ベース板の一部である被切削部への複数の放熱フィンの形成は、前記被切削部の放熱フィンを形成させる面に引張応力を負荷させるように治具による固定を行い、引張応力が負荷された面上に複数枚の円盤型カッターを積層したマルチカッターを回転させながら移動させて複数の溝を形成させる溝入れ加工を行うことで形成される、フィン一体型基板の製造方法。
  2. 前記金属回路板は、板部およびその板部中央近傍において突出するブロック部によって一体的に構成され、前記放熱フィンを形成させる前記ブロック部上の面は凸形状である、請求項１に記載のフィン一体型基板の製造方法。
  3. 前記ブロック部の中央部は、前記ブロック部の周縁部より厚い、請求項２に記載のフィン一体型基板の製造方法。
  4. 前記マルチカッターの回転刃は交互刃であり、かつすくい角が１０°以上である、請求項１〜３のいずれかに記載のフィン一体型基板の製造方法。
  5. 前記マルチカッターの切削スピードは７００ｍｍ／ｍｉｎ以上である、請求項１〜４のいずれかに記載のフィン一体型基板の製造方法。
  6. 前記治具は前記セラミックス基板に非接触な形状であり、かつ、前記溝入れ加工における金属ベース板の変形に非干渉な位置に配置される、請求項１〜５に記載のフィン一体型基板の製造方法。
  7. 前記治具は真空吸引方式であり、その吸引力は制御可能である、請求項１〜６のいずれかに記載のフィン一体型基板の製造方法。
  8. 前記溝入れ加工後に、放熱フィンが形成された前記金属ベース板の面上に、前記放熱フィンを収納する箱型形状の液冷式のジャケットを接合する、請求項１〜７のいずれかに記載のフィン一体型基板の製造方法。
  9. 前記金属ベース板と前記ジャケットの接合がろう接である、請求項８に記載のフィン一体型基板の製造方法。
  10. 前記放熱フィンの少なくとも一部の先端部と前記ジャケットを接合する、請求項８または９に記載のフィン一体型基板の製造方法。
  11. 前記ジャケットにおいて、前記放熱フィン先端部と前記ジャケットの接合が行われる部分は、他の部分に比べ薄肉化されている、請求項８〜１０のいずれかに記載のフィン一体型基板の製造方法。
  12. 請求項１〜１１のいずれかに記載のフィン一体型基板の製造方法で製造されたフィン一体型基板であって、
    前記金属ベース板の熱伝導率が１７０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、
    前記金属ベース板の硬度がビッカース硬度で２０〜４０（Ｈｖ）であり、
    前記放熱フィンの幅が０．２〜２．０ｍｍであり、
    複数の前記放熱フィン同士の間に形成される溝部の幅が０．２〜２．０ｍｍであり、
    前記溝部の深さが２〜２０ｍｍである、フィン一体型基板。
  13. 前記金属ベース板の前記放熱フィンが形成されていない部分の厚さが０．５〜５ｍｍである、請求項１２に記載のフィン一体型基板。
  14. 複数の前記放熱フィンは前記金属ベース板に対して略垂直方向に突出するように形成され、かつ、互いに略平行である、請求項１２または１３に記載のフィン一体型基板。
  15. 前記金属ベース板はＳｉ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｉ、Ｓｎから選ばれる少なくとも１つの元素を含有するアルミニウム合金である、請求項１２〜１４のいずれかに記載のフィン一体型基板。
  16. 前記金属ベース板の結晶粒径は５ｍｍ以下である、請求項１２〜１５のいずれかに記載のフィン一体型基板。
  17. 前記放熱フィンの幅が０．３〜１．５ｍｍであり、複数の前記放熱フィン同士の間に形成される溝部の幅が０．５〜２．０ｍｍであり、前記溝部の深さが３〜１５ｍｍである、請求項１２〜１６のいずれかに記載のフィン一体型基板。
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