JP5876654B2 - 液冷一体型基板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属−セラミックス接合基板の製造方法に関し、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が接合されていない面に放熱器が接合されている液冷一体型基板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等の放熱器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（放熱器）により空気や冷却水等に逃がされるため、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溶湯接合法により作製された金属−セラミックス直接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て、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。

特開２００８−２１８９３８号公報 特開２００６−３２４６４７号公報 特開２００８−１３５７５７号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の金属−セラミックス基板においては、放熱を行う機構として金属ベース板の一方の面に放熱フィンを一体的に設けるとしており、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に対して一体的に放熱フィンを形成するために、例えば鋳型等を用いてフィン形状を加工する必要があり、加工コストや原材料コストが増大してしまうといった問題があった。また、フィン形状を加工する際に、加工時に金属ベース板に発生する残留応力によって金属ベース板に反りが発生してしまう恐れもあった。さらに、複数の放熱フィンを形成するために溝加工を行う場合、金属−セラミックス基板全体（一体型基板全体）としての強度が不十分になってしまう恐れがあった。

また、上記特許文献１に記載の金属−セラミックス基板においては、過渡熱伝導が十分に確保されない恐れがあることから、その放熱性（冷却効率）について更なる改良の余地があった。

また、上記特許文献２、特許文献３に記載の冷却ジャケットを金属−セラミックス基板に取り付ける（接合する）ことにより、放熱性（冷却効率）の面で優れた金属−セラミックス基板（一体型基板）が得られるが、上記特許文献２、特許文献３に記載された金属−セラミックス基板は、金属ベース板に放熱フィンが形成され、その放熱フィンを覆うように（収納するように）冷却ジャケットが接合されているため、上述した問題点である加工コスト・原材料コストの増大や一体型基板全体としての強度が不十分になってしまうといった問題点は解消されないと考えられる。さらには、特許文献３の扁平管に直接金属−セラミックス基板を接合すると、扁平管や金属−セラミックス基板の金属回路板の反りが大きくなり、電子部品の実装が困難になったり、熱衝撃が加わったときの信頼性の問題が発生することが判明した。

そこで、上記問題点に鑑み、本発明の目的は、原材料コストや加工コストを低く抑え、一体型基板としての反り（形状変形）が低減され、優れた強度および放熱性を備えた液冷一体型基板の製造方法を提供することにある。

上記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には一体的に押出し成形された一つの押出し材で構成される液冷式の放熱器が接合された液冷一体型基板の製造方法であって、前記金属回路板、前記金属ベース板、および前記放熱器は、熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫ以上であるアルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、前記金属回路板および前記金属ベース板と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、前記金属ベース板と前記放熱器との接合はろう接合法によって行われ、前記金属回路板の表面粗さを、Ｒａ０．３超え〜２．０μｍとし、前記放熱器は、中空押出し材の内部に互いに平行な複数の仕切り板のみを備えた多孔管からなり、前記多孔管の冷媒の流路である溝幅Ｗ（ｍｍ）と溝深さＤ（ｍｍ）との関係が、
３．３Ｗ＜Ｄ＜１０Ｗ
を満たし、前記金属ベース板と前記放熱器とを、（１）式以上の面圧で、且つ前記多孔管の仕切り板に負荷される仕切り板面圧が、−０．５×Ｄ（溝深さ）＋１０（ＭＰａ）以下となるように加圧した後に加熱してろう付け接合することを特徴とする、液冷一体型基板の製造方法が提供される。
面圧（Ｎ／ｍｍ^２）＝−１．２５×１０^−３×（放熱器の断面２次モーメント）＋２．０・・・（１）

上記液冷一体型基板の製造方法においては、前記金属ベース板の放熱器接合側の面の表面粗さは、Ｒａ１．０〜２．０μｍであることが好ましく、前記多孔管の冷媒の流路である溝幅Ｗ（ｍｍ）と仕切り板の幅Ｔ（ｍｍ）との関係が、
−Ｗ＋１．４＜Ｔ／Ｗ＜−１．５Ｗ＋３．３ （０．４≦Ｗ≦１．０の場合）
−０．２Ｗ＋０．７＜Ｔ／Ｗ＜−１．５Ｗ＋３．３ （１．０＜Ｗ＜２．０の場合）
を満たすことが好ましい。さらに、前記溝幅Ｗが０．４ｍｍ以上であることが好ましい。

４枚の前記金属ベース板を１つの前記放熱器の天板の上面に配置して、４枚の前記金属ベース板と１つの前記放熱器とをろう付け接合してもよい。

さらに、前記金属回路板の厚さｔ１と前記金属ベース板の厚さｔ２の関係はｔ２／ｔ１≧２を満たす厚さに形成されることが好ましい。前記金属回路板の厚さｔ１は０．４〜３ｍｍであり、前記金属ベース板の厚さｔ２は０．８〜６ｍｍであることが好ましい。

本発明によれば、原材料コストや加工コストを低く抑え、一体型基板としての反り（形状変形）が低減され、優れた強度および放熱性を備えた液冷一体型基板の製造方法が提供される。

液冷一体型基板１の側面断面図である。 液冷一体型基板１と蓋部材４０の斜視図である。 液冷一体型基板１の断面図である。 実施例で用いた多孔管を示す断面図である。 実施例で用いたろう付け用治具を正面から見た写真である。 実施例１で行ったろう付け試験によるアルミ材の断面２次モーメントと反り量との関係を示すグラフである。 実施例１で得られたアルミ材の断面２次モーメントおよび面圧と反り量との関係を示すグラフである。 実施例２で行ったろう付け試験のろう付け後の外観を示す写真であり、（ａ）はサンプルの長手方向を多孔管の仕切り板に対して平行方向（Ｘ方向）に沿ってろう付けしたタイプ、（ｂ）はサンプルの長手方向を多孔管の仕切り板に対して垂直方向（Ｙ方向）にろう付けしたタイプである。 実施例２の試験による反り量を示すグラフである。 実施例２の試験結果であり、小型放熱基板（サンプル）のろう付け方向による断面２次モーメントと反り量との関係を示すグラフである。 実施例３で行った大型放熱基板のろう付け試験の断面２次モーメントと反り量との関係を示すグラフである。 実施例３で行った大型放熱基板と小型放熱基板の、面圧に対する単位長さ当たりの反り量を比較したグラフである。 実施例３で得られたアルミ材の断面２次モーメントおよび面圧と反り量との関係を示すグラフである。 実施例４で得られた溝幅および溝深さと性能との関係を示すグラフである。 実施例４で得られた溝幅および仕切り板の幅（放熱フィン厚さ）／溝幅と性能との関係を示すグラフである。 実施例４で得られた限界荷重と溝幅との関係を示すグラフである。 実施例４で得られた多孔管の高さ（溝深さ）と限界面圧との関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態を、図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要素においては、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は本発明の実施の形態にかかる液冷一体型基板１の側面断面図である。図１に示すように、液冷一体型基板１においては、例えばＡｌＮ基板（窒化アルミニウム基板）やＳｉＮ基板（窒化珪素基板）であるセラミックス基板１０の上面（図１中上方）にアルミニウムまたは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中下方）にはアルミニウムまたは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からなる金属ベース板２０が接合されている。また、金属ベース板２０の下面（図１中下方）には押出し材によって構成される中空角柱形状の多孔管からなる放熱器３０が接合されている。ここで、押出し材とは、押出し加工によって一体的に成形される部材を示している。

なお、本実施の形態ではセラミックス基板１０と金属回路板１５の接合およびセラミックス基板１０と金属ベース板２０の接合は溶湯接合法によって接合が行われているものとし、金属ベース板２０と放熱器３０の接合はろう接合法によって接合が行われている。即ち、金属ベース板２０と放熱器３０との接合において、その間隙部３１には接合のためのろう材層３３が形成されることとなる。ろう接合法が行われる際に、接合対象物には所定の厚さ以上の厚み（ろう接時に溶けて形状が保持できない等、ろう接合に耐えうるだけの厚み）が必要となるため、この場合、特に放熱器３０の上面（接合対象面）の厚みが十分に確保されている必要がある。

また、図１に示すように、放熱器３０は内部空間が中空であり、その内部空間を仕切る仕切り板（リブ、放熱フィン）３５が設けられている。本実施の形態にかかる放熱器３０では、図示のように内部空間を７箇所に仕切るように仕切り板３５が設けられ、放熱器３０の内部空間には仕切り板３５によって複数（７箇所）の各流路３８が形成されることとなる。仕切り板３５が設けられた放熱器３０は押出し加工により一体物として作製される。

また、図２は、液冷一体型基板１と蓋部材４０の斜視図である。蓋部材４０は放熱器３０の手前側（図２中手前側）の開口部の側面３０ａを覆うように取り付けられる部材であり、蓋部材４０は、蓋部４１と蓋部４１の側面（放熱器３０に取り付けた際の側面３０ａに対応する面）の２箇所に設けられる液循環ポート４５（４５ａ、４５ｂ）から構成される。また、放熱器３０において図２中手前側の開口部の反対側に設けられた開口部には、図示しない液循環ポートを有していない以外は同様の蓋部材が取り付けられる。蓋部材４０は、実際に液冷一体型基板１において、金属回路板１５に取り付けられた例えば半導体素子等の発熱により、液冷却が行われる場合に放熱器３０に取り付けられる。液循環ポート４５（４５ａ、４５ｂ）には図示しない冷却液循環機構が接続され、冷却液循環機構から液循環ポート４５ａを介して放熱器３０の内部（流路３８）に冷却液が供給され、液循環ポート４５ｂを介して放熱器３０の内部から冷却液が冷却液循環機構に排出される。即ち、冷却液循環機構の作動により冷却液が流路３８に流れこみ、その後、再度冷却液循環機構に戻るといったように、冷却液が放熱器３０内と冷却液循環機構との間で循環し、放熱器３０の冷却能力を一定に保つような構成となっている。この蓋部材４０と放熱器３０とは、金属ベース２０と放熱器３０とがろう接合される時、同時にろう接合しても構わない。

一方、本実施の形態にかかる液冷一体型基板１においては、金属回路板１５の厚さ（高さ）ｔ１と、金属ベース板２０の厚さ（高さ）ｔ２の関係は、ｔ２／ｔ１≧２となっていることが好ましい（例えば図１参照）。また、この時の各値としては、ｔ１が０．４〜３ｍｍであり、ｔ２が０．８〜６ｍｍである。金属回路板１５の高さｔ１と、金属ベース板２０の高さｔ２の関係がｔ２／ｔ１≧２の関係であることが望ましいのは、充分な過渡熱の放熱性を得ること、一体型基板の反りを抑制するためである。また、ｔ１が０．４〜３ｍｍであり、ｔ２が０．８〜６ｍｍであることが望ましいのは、充分な過渡熱の放熱性を得ること、一体型基板の反りを抑制するためである。なお、ｔ２が３〜６ｍｍであることがさらに好ましい。

また、放熱器３０の材質としては、熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫ以上であるアルミニウムまたは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が望ましい。

また、金属回路板１５の表面粗さは、素子実装のための半田濡れを良くするためにＲａ０．３〜２．０μｍ程度が好ましい。放熱器３０の表面粗さは、一般的な押出材及び板材で得られる程度で良い。また、金属ベース板２０の放熱器３０接合側の表面粗さはろう付性を良くするために、Ｒａ１．０〜２．０μｍが好ましい。なお、放熱器３０と金属ベース板２０を溶湯接合法で接合する場合はＲａ０．３〜２．０μｍでも充分に接合できる。

以上、図１および図２を参照して説明した液冷一体型基板１において、例えば半導体素子等の電子部品が金属回路板１５に取り付けられ使用された場合に、その電子部品から発生した熱は、上記説明したように内部に冷却液が循環する放熱器３０によって放熱され、液冷一体型基板１全体が冷却される。ここで、上述したように、金属回路板１５の高さｔ１と、金属ベース板２０の高さｔ２の関係がｔ２／ｔ１≧２となっていることや、各値を、それぞれｔ１が０．４〜３ｍｍであり、ｔ２が０．８〜６ｍｍであることが望ましく、十分な放熱性を発揮する液冷一体型基板１が得られることとなる。

また、金属回路板１５、金属ベース板２０および放熱器３０の材質を、熱伝導率が１７０／ｍＫ以上であるアルミニウムまたは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とすることで、一体型基板としての放熱性や強度や信頼性（耐熱衝撃性等）が十分に確保された液冷一体型基板１が得られる。さらには、溶湯接合法やろう接合法を用いて各部材同士を接合することで接合信頼性が十分に確保される。

また、放熱器３０を、熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫ以上であるアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる押出し材で構成することで、放熱性も良く、放熱器３０をフィン形状に切削など機械加工する場合等に比べ、放熱器３０における反り（形状変形）の発生が抑えられると共に、押出し加工で一体的に成形を行うため、原材料コストや加工コストの面で優れた液冷一体型基板１を製造することが可能となる。

本発明において、金属ベース板２０と放熱器３０とは、前述の通りろう付けにより接合されている。ろう付けは、金属ベース板２０と放熱器３０との間にろう材をセットして所定の荷重を負荷し、ろう付け炉内で、所定のろう付け温度まで加熱して行われる。本発明では、
面圧＝（ろう付けの加熱前のセット時に負荷する荷重）／（金属ベース板の面積）
とし、この面圧を、下記（１）式以上とした。
面圧（Ｎ／ｍｍ^２）＝−１．２５×１０^−３×（放熱器の断面２次モーメント）＋２．０・・・（１）
尚、放熱器３０の断面２次モーメントは、次式から求める。
仕切り板の平行方向に垂直な放熱器の断面の場合は、
ＢＨ^３／１２−（（溝幅）×本数×Ｄ^３）／１２
仕切り板の垂直方向に垂直な放熱器の断面の場合は、
ＢＨ^３／１２−（Ｂ×Ｄ^３）／１２
ただし、Ｂ：放熱器と金属ベース板の接合部の幅，Ｈ：放熱器の高さ，Ｄ：放熱器における多孔管の溝深さ（仕切り板の高さ）、Ｔ：仕切り板の幅
ろう付け時の面圧を、金属ベース板２０の剛性に対して（１）式以上とすることにより、反り量が低減された一体型基板を得ることができる。

また、放熱器３０の各溝（冷却液の流路３８）の深さ寸法Ｄ（ｍｍ）は、各溝の幅寸法Ｗ（ｍｍ）に対して、
３．３Ｗ＜Ｄ＜１０Ｗ
の範囲であることが、好適な熱性能と押出し性を両立させる。さらに、幅Ｗ（ｍｍ）と仕切り板の幅Ｔ（ｍｍ）とが、
−Ｗ＋１．４＜Ｔ／Ｗ＜−１．５Ｗ＋３．３ （０．４≦Ｗ≦１．０の場合）
−０．２Ｗ＋０．７＜Ｔ／Ｗ＜−１．５Ｗ＋３．３ （１．０＜Ｗ＜２．０の場合）
を満たすことで、好適な熱性能と押出し性を両立させることができる。

さらに、
仕切り板の面圧＝（ろう付け時に放熱器３０に負荷する荷重）／（放熱器３０の仕切り板の面積）
とし、仕切り板の面圧を、−０．５×Ｄ（溝深さ）＋１０（ＭＰａ）以下とすることにより、放熱器の仕切り板の座屈を低減させることができる。ただし、仕切り板の面積は、仕切り材３５を上板に平行な平面で切断したときの仕切り板の断面積を指す。

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、上記実施の形態において放熱器３０の構成（断面形状）は、仕切り板３５によって放熱器３０の内部空間が１４箇所に仕切られるものとしたが、これに限られるものではない。図３に示された実施形態においては、放熱器３０の内部空間は仕切り板３５によって７箇所の流路３８に仕切られており、流路３８において上記実施の形態と同様、冷却液が循環する構成となっている。なお、この例では仕切り板３５によって放熱器３０の内部空間が７箇所に仕切られ流路３８を形成するとしたが、この仕切り方や流路３８の形成数は任意に設定可能であり、放熱器３０の放熱性（冷却効率）が好適になるように適宜定めることが好ましい。

〈実施例１〉
ＡｌＮ基板の両面にアルミニウム合金が溶湯接合（直接接合）された放熱基板「アルミック」（商標登録）を用いて、ろう付けにより液冷一体型基板を製作するための基礎試験を行った。

まず、長さ４０ｍｍ×幅４０ｍｍ×厚さ４ｍｍの板材、長さ４０ｍｍ×幅４０ｍｍ×６ｍｍの板材、長さ４０ｍｍ×幅４０ｍｍ×８ｍｍの板材の３種類の、材質が合金番号Ａ１１００材（純アルミニウム）からなる放熱器と、図４に示す長さ４０ｍｍ×幅４０ｍｍ×厚さ８．０８ｍｍの多孔管（材質：合金番号Ａ６０６３アルミニウム合金製）からなる放熱器を準備した。多孔管からなる放熱器には、図４の通り多数の冷媒の流路の管が連続して並んでおり、前記冷媒の流路である溝幅Ｗ（管の幅）が１．５１５ｍｍ、溝深さＤ（管の高さ）が６．０６ｍｍ、仕切り板の幅（リブ厚さ、放熱フィン厚さ）が０．７０７ｍｍ、上板（天板）と下板（底板）の厚さがそれぞれ１．０１ｍｍであった。

また、小型放熱基板として、アルミニウム合金からなる金属回路板の寸法が長さ１５．７ｍｍ×幅２６．４ｍｍ×厚さ０．６ｍｍ（ｔ１）であって、セラミックス基板の寸法が長さ１８．１ｍｍ×幅２８．８ｍｍ×厚さ０．６４ｍｍ、アルミニウム合金からなる金属ベース板２０の寸法が長さ１５．７ｍｍ×幅２６．４ｍｍ×厚さ１．６ｍｍ（ｔ２）を準備した。さらに、金属ベース板の２０の厚さ（ｔ２）が０．６ｍｍである以外は同じ構成である小型放熱基板を準備した。金属回路板および金属ベース板の材質は、０．４ｍａｓｓ％Ｓｉ−０．０４ｍａｓｓ％Ｂ−残部Ａｌとした。なお、小型放熱基板の金属回路板及び金属ベース板は、いずれも直方体（板形状）であり、セラミックス基板の中央に配置、接合されている。

図５に示すように、放熱器の上に、小型放熱基板の金属ベース板のアルミ部分と同一サイズ（長さおよび幅）のろう材（組成：１０ｍａｓｓ％Ｓｉ−１ｍａｓｓ％Ｍｇ−残部Ａｌ、厚さ１５μｍ）をセットして、さらにろう材の上に放熱基板を置き、その上に治具を介して「インコネル」（登録商標）の皿バネをセットして所定の荷重（面圧）が負荷されるようにボルトで締め付けた。次に、窒素雰囲気中のろう付け炉内にセットした後、５００℃まで５０℃／ｍｉｎ、６０５℃までは１０℃／ｍｉｎで昇温して、ろう付け温度である６０５℃で１０分間保持し、その後２５０℃までは１５℃／ｍｉｎで冷却した。このようにろう付けした後、放熱基板の金属回路板表面の反り量（２６．４ｍｍ長手方向）を測定した。結果を表１に示す。なお、反り量は、金属回路板の端部と中央部の高さの差を３次元表面粗さ計で測定した。

表１から明らかなように、面圧が増加するに従い、また、放熱器（アルミ材）の断面２次モーメントが増加するに従い、放熱基板表面の反り量は減少する。また、図６に示すように、反り量と放熱器（アルミ材）の断面２次モーメントとの間には、良い相関関係があることがわかった。放熱基板の金属ベース板の厚さを変化させても反り量には差が見られなかったので、放熱基板の金属ベース板の厚さは、反りには影響しないと考えられる。ただし、過渡熱特性などの放熱性や信頼性を考慮すると、金属ベース板の厚さは大きい方が好ましい。反りが大きいと、半導体チップを半田付けによって金属回路板表面に接合する際などに不具合が発生するため、目標としている反り量は６０μｍ以下であり、望ましくは５０μｍ以下である。図７に示すように、反り量を６０μｍ以下、あるいは５０μｍ以下にするための、面圧と断面２次モーメントの範囲が存在することがわかった。つまり、
面圧（Ｎ／ｍｍ^２）＝−１．２５×１０^−３×（放熱器の断面２次モーメント）＋２．０・・・（１）
反り量の目標を５０μｍとすれば、（１）式を満足すれば、目標を達成できる。

〈実施例２〉
図４に示すような、多数の冷媒の流路の管が連続して並んでおり、冷媒の流路である溝幅Ｗ（管の幅）が１．５１５ｍｍ、溝深さＤ（管の高さ）が６．０６ｍｍ、仕切り板の幅（リブ厚さ、放熱フィン厚さ）Ｔが０．７０７ｍｍ、天板と底板の厚さがそれぞれ１．０１ｍｍである多孔管を、１１０ｍｍ（押出方向）×１３５ｍｍに切断して多孔管からなる放熱器とし、その両側にφ１８ｍｍ（内径１６ｍｍ）のパイプを、蓋材としてろう付けした。図示しない冷却液循環機構により、冷媒は一方のパイプから供給され、多孔管を通過して他方のパイプから排出される構造となっている。また、多孔管の表面に、小型放熱基板（アルミ合金からなる金属回路板として１５．７ｍｍ×２６．４ｍｍ×０．６ｍｍ、アルミ合金からなる金属ベース板として１５．７ｍｍ×２６．４ｍｍ×０．６ｍｍ、セラミックス（ＡｌＮ基板）１８．１ｍｍ×２８．８ｍｍ×０．６４ｍｍ）を４枚ろう付けした。金属回路板１５および金属ベース板２０の材質は、０．４ｍａｓｓ％Ｓｉ−０．０４ｍａｓｓ％Ｂ−残部Ａｌとした。このときの荷重を３５００Ｎ、すなわち面圧を２．１Ｎ／ｍｍ^２とした。ろう付け条件は実施例１と同様であるが、多孔管とパイプとのろう付けにはフラックスを塗布した。多孔管と小型放熱基板、および多孔管とパイプは同時に接合した。図８（ａ）に示すように小型放熱基板（５−１、５−２、５−３、５−４）の長手方向が多孔管の仕切り板に対して平行方向（冷媒の流路の方向）に沿ってろう付けしたタイプ（平行タイプと称す）と、図８（ｂ）に示すように小型放熱基板（６−１、６−２、６−３、６−４）の長手方向が多孔管の仕切り板に対して垂直方向（冷媒の流路に直角方向）にろう付けしたタイプ（垂直タイプと称す）を試作した。これらの金属回路板表面の反り量の測定結果を図９に示す。反り量は、Ｘ方向（仕切り板に対して平行方向）の金属回路板表面、Ｙ方向（仕切り板に対して垂直方向）の金属回路板表面、斜め方向（金属回路板の対角線方向）の金属回路板表面について、いずれも金属回路板の端部と中央部の高さの差として３次元表面粗さ計で測定した。

図９から明らかなように、実施例１で得られた（１）式に基づいて面圧を設定したことにより、小型放熱基板を４枚ろう付けした場合でも、目標とする反り量５０μｍ以下を達成することができた。

また、仕切り板の方向によって断面２次モーメントが変化するので、図９に示すように反り量も変化する。そこで、Ｘ方向及びＹ方向の断面２次モーメントをそれぞれ計算して、さらに反り量を単位長さ当たりとして計算した結果を図１０に示す。図１０に示すように、仕切り板の方向が異なり断面２次モーメントが変化した場合でも、反り量は同一線上に分布することがわかり、反り量への影響因子として断面２次モーメントが妥当であることが判明した。

〈実施例３〉
次に、長さ４０ｍｍ×幅４０ｍｍ×厚さ４ｍｍの板材、長さ４０ｍｍ×幅４０ｍｍ×８ｍｍの板材の２種類の、材質がＡ１１００材からなる放熱器と、図４に示す長さ４０ｍｍ×幅４０ｍｍ×厚さ８．０８ｍｍの多孔管（材質：Ａ６０６３合金製）からなる放熱器を準備した。多孔管からなる放熱器には図４の通り多数の冷媒の流路の管が連続して並んでおり、冷媒の流路である溝幅Ｗ（管の幅）が１．５１５ｍｍ、溝深さＤ（管の高さ）が６．０６ｍｍ、仕切り板の幅（放熱フィン厚さ、リブ厚さ）が０．７０７ｍｍ、天板と底板の厚さがそれぞれ１．０１ｍｍであった。

また、放熱基板（アルミック）として、アルミニウム合金からなる金属回路板の寸法が長さ２７．４ｍｍ×幅３２．４ｍｍ×厚さ０．６ｍｍ（ｔ１）であって、セラミックス基板の寸法が２８．８ｍｍ×３８．８ｍｍ×０．６４ｍｍであり、アルミニウム合金からなる金属ベース板２０の寸法が長さ２７．４ｍｍ×幅３２．４ｍｍ×厚さ１．６ｍｍ（ｔ２）の大型放熱基板を準備した。金属回路板１５および金属ベース板２０の材質は、０．４ｍａｓｓ％Ｓｉ−０．０４ｍａｓｓ％Ｂ−残部Ａｌとした。

図５に示すように、放熱器の上に、放熱基板の金属ベース板のアルミ部分と同一サイズ（長さと幅）のろう材（組成：１０ｍａｓｓ％Ｓｉ−１ｍａｓｓ％Ｍｇ−残部Ａｌ、厚さ１５μｍ）をセットして、さらにろう材の上に放熱基板を置き、ろう付けした。ろう接の条件は、面圧以外、実施例１と同様である。このとき得られた大型放熱基板の金属回路板表面の反り量（３２．４ｍｍ方向）を実施例１と同様に測定した。なお、ろう付け時の荷重を、１１５０Ｎ（面圧１．３１Ｎ／ｍｍ^２）、１６００Ｎ（面圧１．８２Ｎ／ｍｍ^２）の２通りに設定して試験を行った。

図１１に示すように、大型放熱基板の場合でも、断面２次モーメントと反り量は良い相関関係を示すことがわかった。また、前述の厚さ４ｍｍのアルミ板からなる放熱器及び多孔管からなる放熱器に、前記小型放熱基板及び前記大型放熱基板をろう付けした時の面圧と反り量との関係を図１２に示す。放熱基板のサイズが異なるので、反り量は放熱基板のサイズで割った値を用いた。図１２から明らかなように、多孔管からなる放熱器の場合、反り量（反り量／放熱基板のサイズ）は、面圧と良い相関関係が見られており、放熱基板のサイズの影響は見られなかった。前記厚さ４ｍｍのアルミ板からなる放熱器でも同様の結果となった。以上の結果より、放熱基板のサイズが異なっても、本発明の（１）式が適用できることがわかった。

小型放熱基板の結果である図７に、大型放熱基板の結果を合わせた結果を図１３に示す。尚、大型放熱基板の反り量を小型放熱基板の反り量に補正した。すなわち、大型放熱基板の反り量を１．１８（３２．４／２７．４）で割った値で反り量を評価した。図１３に示すように、大型放熱基板の結果は小型放熱基板の結果とほぼ一致した。つまり、放熱基板のサイズが変化しても（１）式が適用できることがわかった。

以上の結果より、高放熱基板の反り量を５０μｍ以下とするためには、（１）式を満足させることが必要であることがわかった。

〈実施例４〉
放熱器の大きさを５０ｍｍ×７０ｍｍとし、放熱器として用いる多孔管の溝幅Ｗ、溝深さＤ、仕切り板の幅Ｔ（図４参照）を変化させて熱解析を行い、好適な溝幅Ｗと溝深さＤ、及び溝幅Ｗと仕切り板の幅Ｔ／溝幅Ｗ比との関係を求めた。さらに、多孔管の製造における押出し限界を求めた。

図１４に、溝幅Ｗと溝深さＤの関係を示す。図１４に示すように、
Ｄ＝３．３Ｗ
は、熱性能が好適となる下限であり、これより下方（Ｄが３．３Ｗより小さい場合）では熱性能が低下する。また、
Ｄ＝１０Ｗ
は、押出し加工の限界となる上限であり、これを超えるすなわちＤが１０Ｗより大きいと、押出しができない。さらに、溝幅Ｗと仕切り板の幅Ｔ／溝幅Ｗ比の関係を図１５に示す。図１５に示すように、
−Ｗ＋１．４＝Ｔ／Ｗ （０．４≦Ｗ≦１．０の場合）
−０．２Ｗ＋０．７＝Ｔ／Ｗ （１．０＜Ｗ＜２．０の場合）
で示される下限は押出し加工の限界であり、
Ｔ／Ｗ＝−１．５Ｗ＋３．２７５
で示される上限は熱性能が好適となる限界で、これを超えると熱性能が低下する。図１４および図１５に示すように、熱性能と押出し限界から、溝幅Ｗ、溝深さＤ、仕切り板の幅Ｔの寸法に制約があることがわかった。なお、熱性能が好適となる下限は、金属回路基板にたとえばＩＧＢＴなどのパワー半導体チップを搭載したときの放熱性を考慮して設定したものである。

図４に示すような多孔管の場合、放熱基板に負荷した荷重は、仕切り板（リブ、放熱フィン）に負荷される。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の寸法が長さ１５．７ｍｍ×幅２６．４ｍｍ、セラミックス基板の寸法が長さ１８．１ｍｍ×幅２８．８ｍｍ×厚さ０．６４ｍｍ、アルミニウム合金の金属回路板１５の厚さｔ１と金属ベース板２０の厚さｔ２がそれぞれ０．６ｍｍ（ｔ１）、１．６ｍｍ（ｔ２）の放熱基板と図４に示す寸法の多孔管（４０ｍｍ×４０ｍｍ×８．０８ｍｍ、材質Ａ６０６３合金）からなる放熱器を、３５０Ｎ（仕切り板の面圧２．３ＭＰａ）、８５０Ｎ（仕切り板の面圧５．７ＭＰａ）、１１００Ｎ（仕切り板の面圧７．４ＭＰａ）の３通りの荷重で、実施例１と同様にろう付けした。金属回路板１５および金属ベース板２０の材質は、０．４ｍａｓｓ％Ｓｉ−０．０４ｍａｓｓ％Ｂ−残部Ａｌとした。

ろう付け後の溝深さと仕切り板の変形状態は、面圧７．４ＭＰａでは仕切り板が大きく変形（座屈）し、溝深さが０．３ｍｍ減少した。面圧５．７ＭＰａでは仕切り板の変形は小さくなり、溝深さは０．１５ｍｍ減少した。面圧２．３ＭＰａでは仕切り板の変形は非常に小さくなり、溝深さには変化が見られなかった。面圧７．３ＭＰａの状態では冷却水の流れが不安定となり、熱性能がやや低下するが、許容範囲である。その限界の面圧は全体高さによって変化する。仕切り板の高さＤ‘が接合前の高さＤ(仕切り板の高さ、溝深さ)よりも１０％変形すると、熱性能が金属回路板に半導体チップを搭載したときにその冷却に影響がでる程度に低下するので、それを指標として、仕切り板の変形量が１０％以下となる溝幅を決定した。その結果を図１６に示す。そのときの仕切り板の幅は、１．０ｍｍ一定とした。溝幅が減少すると仕切り板の本数が増加するので、図１６から明らかなように、溝幅が減少するに従って、仕切り板が１０％変形する荷重（限界荷重）は増加する。また、多孔管の高さが増加するに従い、限界荷重は減少する。

図１６の結果より、各溝幅での限界荷重を求めて、その荷重を仕切り板面積で除した値を限界面圧（ＭＰａ）とした。図１７に示すように、その限界面圧は、多孔管の全体高さと良い相関関係にある。また、溝幅が増加するに従い限界面圧は減少するので、溝幅の小さい１．０ｍｍで限界面圧を決定した。

熱性能の低下が無い限界面圧は、−０．５×Ｄ（溝深さ、仕切り板の高さ）＋１０で求められ、それ以下の面圧を設定することで仕切り板の変形が無い冷却器を得ることができる。それ以上の面圧を加えると、仕切り板の座屈がさらに増えて溝幅Ｗ１の変化が大きくなるので、仕切り板の面圧を、−０．５×Ｄ（溝深さ、仕切り板の高さ）＋１０（ＭＰａ）以下とした。一方、大型放熱基板の場合には、荷重１１００Ｎ（面圧４．１ＭＰａ）で、仕切り板の変形は無かった。なお、仕切り板の座屈は、金属回路板の反り量を小さくする効果があると考えられるので、前述の通り１０％以内の変形量であれば熱性能の低下もなく、むしろ積極的に座屈を利用しても良い。

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が接合されていない面に放熱器が接合されている液冷一体型基板の製造方法に適用される。

１ 液冷一体型基板
１０ セラミックス基板
１５ 金属回路板
２０ 金属ベース板
３０ 放熱器
３１ 間隙部
３３ ろう材層
３５ 仕切り板
３８ 流路
４０ 蓋部材
４１ 蓋部
４５（４５ａ、４５ｂ） 液循環ポート

Claims (7)

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には一体的に押出し成形された一つの押出し材で構成される液冷式の放熱器が接合された液冷一体型基板の製造方法であって、
   前記金属回路板、前記金属ベース板、および前記放熱器は、熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫ以上であるアルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、
   前記金属回路板および前記金属ベース板と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、
   前記金属ベース板と前記放熱器との接合はろう接合法によって行われ、
   前記金属回路板の表面粗さを、Ｒａ０．３超え〜２．０μｍとし、
   前記放熱器は、中空押出し材の内部に互いに平行な複数の仕切り板のみを備えた多孔管からなり、前記多孔管の冷媒の流路である溝幅Ｗ（ｍｍ）と溝深さＤ（ｍｍ）との関係が、
   ３．３Ｗ＜Ｄ＜１０Ｗ
   を満たし、
   前記金属ベース板と前記放熱器とを、（１）式以上の面圧で、且つ前記多孔管の仕切り板に負荷される仕切り板面圧が、−０．５×Ｄ（溝深さ）＋１０（ＭＰａ）以下となるように加圧した後に加熱してろう付け接合することを特徴とする、液冷一体型基板の製造方法。
   面圧（Ｎ／ｍｍ^２）＝−１．２５×１０^−３×（放熱器の断面２次モーメント）＋２．０・・・（１）
2. 前記金属ベース板の放熱器接合側の面の表面粗さは、Ｒａ１．０〜２．０μｍであることを特徴とする、請求項１に記載の液冷一体型基板の製造方法。
3. 前記多孔管の冷媒の流路である溝幅Ｗ（ｍｍ）と仕切り板の幅Ｔ（ｍｍ）との関係が、
   −Ｗ＋１．４＜Ｔ／Ｗ＜−１．５Ｗ＋３．３ （０．４≦Ｗ≦１．０の場合）
   −０．２Ｗ＋０．７＜Ｔ／Ｗ＜−１．５Ｗ＋３．３ （１．０＜Ｗ＜２．０の場合）
   を満たすことを特徴とする、請求項１または２に記載の液冷一体型基板の製造方法。
4. 前記溝幅Ｗが０．４ｍｍ以上であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の液冷一体型基板の製造方法。
5. ４枚の前記金属ベース板を１つの前記放熱器の天板の上面に配置して、４枚の前記金属ベース板と１つの前記放熱器とをろう付け接合することを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の液冷一体型基板の製造方法。
6. 前記金属回路板の厚さｔ１と前記金属ベース板の厚さｔ２の関係はｔ２／ｔ１≧２を満たす厚さに形成される、請求項１〜５のいずれかに記載の液冷一体型基板の製造方法。
7. 前記金属回路板の厚さｔ１は０．４〜３ｍｍであり、前記金属ベース板の厚さｔ２は０．８〜６ｍｍである、請求項１〜６のいずれかに記載の液冷一体型基板の製造方法。
   

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