JP6940997B2 - 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 - Google Patents

Description

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、セラミックス基板を設置した鋳型内にアルミニウム溶湯を注湯した後に冷却して溶湯を固化させることによりアルミニウム板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。

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、ねじ止めなど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金属−セラミックス回路基板が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、このような金属−セラミックス接合基板を製造するための鋳型として、内部にセラミックス部材を配置させ、金属溶湯を内部に注湯してセラミックス部材の両面に接触させた後に冷却して固化させることにより、セラミックス部材の両面に金属部材を接合する鋳型において、セラミックス部材を鋳型内の所定の位置に配置させたときに、セラミックス部材の上側および下側に金属部材を形成するための空間が形成されるとともにセラミックス部材の上側および下側の空間を連通させる溶湯流路が形成され、セラミックス部材の上側の空間に金属溶湯を注湯するための注湯口が形成された鋳型が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

このような鋳型内にセラミックス基板を配置し、アルミニウム溶湯を鋳型内に注湯してセラミックス基板の表面に接触させた後に冷却して固化させることにより、アルミニウム板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を製造する場合、アルミニウムが鋳型に接合（または付着）するのを防止するために、鋳型の内面に予め（炭素粉末、窒化珪素粉末、窒化ホウ素粉末などの）離型剤が塗布されている。

このようなアルミニウム−セラミックス接合基板にヒートサイクルが加えられると、このヒートサイクルによってアルミニウム−セラミックス接合基板のセラミックスとアルミニウムの熱膨張差に起因して熱応力が発生するが、アルミニウムは柔らかい金属であるため、セラミックス基板に接合したアルミニウム板が塑性変形して応力を緩和する。このときの歪は、変形しやすいアルミニウムの結晶粒界に集まり、アルミニウムの結晶粒界に段差が生じる。この段差は、アルミニウムの結晶粒径が小さい場合には分散されて小さくなるが、結晶粒径が大きいと、結晶粒界が短いために大きな段差になる。

また、鋳型を使用してアルミニウム−セラミックス接合基板を製造すると、セラミックス基板に接合したアルミニウムの結晶粒径が大きくなり、アルミニウムの結晶粒界に大きな段差が生じるため、このような大きい段差の上に薄い半導体チップを実装すると、この実装の際のヒートサイクルにより半導体チップに応力が集中してクラックが生じ易くなる。

このような問題を解決するため、アルミニウム−珪素−ホウ素系合金などのアルミニウム合金の溶湯を使用して結晶粒を微細化する方法が知られている（例えば、特許文献３参照）。

特開２００２−７６５５１号公報（段落番号００１５） 特開２００５−７４４３４号公報（段落番号０００８） 特開２００８−２５３９９６号公報（段落番号００２１）

しかし、アルミニウム−珪素−ホウ素系合金などのアルミニウム合金の溶湯を使用して結晶粒を微細化すると、セラミックス基板に接合したアルミニウム板の導電率が低下して電気的特性が悪化したり、アルミニウム板のビッカース硬さが高くなって機械的特性が悪化するおそれがある。

したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、鋳型を使用してアルミニウム−セラミックス接合基板を製造する場合に、セラミックス基板に接合するアルミニウム板の導電率とビッカース硬さを維持しながらアルミニウムの結晶粒を微細化することができる、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。

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、アルミニウム板を形成する空間であるアルミニウム板形成部と、このアルミニウム板形成部内に形成されるアルミニウム板の一方の面にセラミックス基板が当接するようにセラミックス基板を収容する空間であるセラミックス基板収容部とが内部に形成された鋳型を用意し、この鋳型のアルミニウム板形成部の内面にホウ化アルミニウムおよびチタン−アルミニウム系金属化合物の少なくとも一方からなる結晶粒微細化剤を含む塗材を塗布し、この鋳型内にセラミックス基板を配置し、この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溶湯を鋳型内に注湯した後にアルミニウム溶湯を冷却して固化させることにより、セラミックス基板の一方の面にアルミニウム板を形成して直接接合させれば、セラミックス基板に接合するアルミニウム板の導電率とビッカース硬さを維持しながらアルミニウムの結晶粒を微細化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、本発明によるアルミニウム−セラミックス接合基板の製造方法は、アルミニウム板を形成する空間であるアルミニウム板形成部と、このアルミニウム板形成部内に形成されるアルミニウム板の一方の面にセラミックス基板が当接するようにセラミックス基板を収容する空間であるセラミックス基板収容部とが内部に形成された鋳型を用意し、この鋳型のアルミニウム板形成部の内面にホウ化アルミニウムおよびチタン−アルミニウム系金属化合物の少なくとも一方からなる結晶粒微細化剤を含む塗材を塗布し、この鋳型内にセラミックス基板を配置し、この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溶湯を鋳型内に注湯した後にアルミニウム溶湯を冷却して固化させることにより、セラミックス基板の一方の面にアルミニウム板を形成して直接接合させることを特徴とする。

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、ホウ化アルミニウムは、二ホウ化アルミニウムおよび十二ホウ化アルミニウムの少なくとも一方であるのが好ましく、チタン−アルミニウム系金属化合物は、ＴｉＡｌ_３であるのが好ましい。塗材中の結晶粒微細化剤の含有量は０．１〜１５質量％であるのが好ましい。塗材は離型剤を含んでもよい。この場合、離型剤が窒化ホウ素を含むのが好ましく、塗材中の離型剤の含有量が２０質量％以下であるのが好ましい。また、塗材が溶剤を含むのが好ましく、塗材の塗布は、スプレー塗布によって行われるのが好ましい。また、鋳型の内部に、アルミニウムベース板を形成する空間であるアルミニウムベース板形成部が形成され、アルミニウム溶湯を鋳型内に注湯してセラミックス基板の一方の面に接触させる際にセラミックス基板の他方の面に接触させて、セラミックス基板の一方の面にアルミニウム板を形成して直接接合させる際にセラミックス基板の他方の面にアルミニウムベース板を形成して直接接合させてもよい。

また、本発明によるアルミニウム−セラミックス接合基板は、セラミックス基板の一方の面にアルミニウム板が直接接合するとともに他方の面にアルミニウムベース板が直接接合したアルミニウム−セラミックス接合基板を厚さ方向に切断した断面において、アルミニウム板およびアルミニウムベース板のそれぞれの断面の１０ｍｍ×０．４ｍｍの領域内のアルミニウムの結晶粒が、それぞれ１０個以上および８個以下であることを特徴とする。

このアルミニウム−セラミックス接合基板において、アルミニウム板のビッカース硬さＨｖが２３以下であるのが好ましく、アルミニウム板の導電率が６０％ＩＡＣＳ以上であるのが好ましい。

本発明によれば、鋳型を使用してアルミニウム−セラミックス接合基板を製造する場合に、セラミックス基板に接合するアルミニウム板の導電率とビッカース硬さを維持しながらアルミニウムの結晶粒を微細化することができる、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ができる。

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において使用する鋳型の断面図である。 図１に示す鋳型を使用して製造されるアルミニウム−セラミックス接合基板の平面図である。 図２ＡのＩＩＢ−ＩＩＢ線断面図である。 実施例３で得られたアルミニウム−セラミックス接合基板の断面の光学顕微鏡写真である。

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、アルミニウム板を形成する空間であるアルミニウム板形成部と、このアルミニウム板形成部内に形成されるアルミニウム板の一方の面にセラミックス基板が当接するようにセラミックス基板を収容する空間であるセラミックス基板収容部とが内部に形成された鋳型を用意し、この鋳型のアルミニウム板形成部の内面にホウ化アルミニウムおよびチタン−アルミニウム系金属化合物の少なくとも一方からなる結晶粒微細化剤を含む塗材を塗布し、この鋳型内にセラミックス基板を配置し、この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溶湯（好ましくは純Ａｌ（Ａｌが９９．９質量％以上または９９．９９質量％以上）のアルミニウムの溶湯）を鋳型内に注湯した後にアルミニウム溶湯を冷却して固化させることにより、セラミックス基板の一方の面にアルミニウム板を形成して直接接合させる。この方法により、アルミニウムの結晶粒径が小さいアルミニウム板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を製造することができる。特に、鋳型のアルミニウム板形成部の内面に結晶粒微細化剤を含む塗材を塗布しているので、セラミックス基板の一方の面に接合するアルミニウム板の表面付近のアルミニウムの結晶粒を微細化することができる。

このアルミニウム−セラミックス接合基板の製造方法では、結晶粒微細化剤として、アルミニウムの凝固核成分として結晶粒を微細化することができるホウ化アルミニウムやチタン−アルミニウム系金属化合物を使用している。この結晶粒微細化剤として、二ホウ化チタン（ＴｉＢ_２）を使用すると、ＴｉＢ_２は結晶粒微細化能力が低く、多量のＴｉＢ_２を使用する必要があり、鋳型の内面に均一に塗布するのが難しいことがわかったので、ホウ化アルミニウムおよびチタン−アルミニウム系金属化合物の少なくとも一方を使用している。ホウ化アルミニウムは、二ホウ化アルミニウム（ＡｌＢ_２）および十二ホウ化アルミニウム（ＡｌＢ_１２）の少なくとも一方であるのが好ましく、チタン−アルミニウム系金属化合物は、三アルミニウム化チタン（ＴｉＡｌ_３）であるのが好ましい。なお、塗材中の結晶粒微細化剤の含有量は０．１〜１５質量％であるのが好ましい。

塗材は離型剤を含んでもよい。この離型剤は、離型成分として炭素（Ｃ）、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、窒化ホウ素（ＢＮ）などの粉末などを含むことができるが、窒化ホウ素（の粉末）を含むのが好ましい。塗材中の離型剤の含有量は２０質量％以下であるのが好ましく、１５質量％以下であるのがさらに好ましい。また、塗材中の離型成分の含有量は５質量％以下であるのが好ましい。

また、塗材が溶剤を含むのが好ましく、塗材の塗布は、スプレー塗布によって行われるのが好ましい。この溶剤として、メチルイソブチルケトン（ＭＩＢＫ）、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）、メチルエチルケトン（ＭＥＫ）などを使用することができるが、メチルエチルケトン（ＭＥＫ）を使用するのが好ましい。

また、鋳型の内部に、アルミニウムベース板を形成する空間であるアルミニウムベース板形成部が形成され、アルミニウム溶湯を鋳型内に注湯してセラミックス基板の一方の面に接触させる際にセラミックス基板の他方の面に接触させて、セラミックス基板の一方の面にアルミニウム板を形成して直接接合させる際にセラミックス基板の他方の面にアルミニウムベース板を形成して直接接合させてもよい。このアルミニウムベース板は、セラミックス基板と反対側の面（裏面）に多数のピンやフィンが一体に形成されたアルミニウムベース板でもよい。また、アルミニウムベース板の内部にセラミックス基板などからなる強化材を配置してもよい。

なお、鋳型内に注湯されるアルミニウム溶湯の温度は、アルミニウムの融点（６６０℃）より５〜２００℃高い温度であるのが好ましく、２０〜２００℃高い温度であるのがさらに好ましい。また、（鋳型を冷却することにより）アルミニウム溶湯を冷却して固化させる際の冷却速度は、セラミックス基板への熱衝撃を抑えてセラミックス基板の割れを防止し且つ結晶粒径を粗大化させ難い冷却速度、例えば、１０℃／分〜１００℃／分の範囲の冷却速度が好ましく、２０℃／分〜５０℃／分の範囲の冷却速度がさらに好ましい。この鋳型の冷却は、鋳型（の注湯口とは反対側の面）に冷却板を接触させて鋳型を冷却してアルミニウム溶湯を凝固させるのが好ましい。この鋳型の冷却では、注湯口に窒素ガスを吹き込むことによって鋳型内のアルミニウム溶湯を加圧しながら冷却して、冷却板が接触する鋳型の面に対向する鋳型内の部分のアルミニウム溶湯から凝固を開始させ、注湯口側のアルミニウム溶湯に向かって順次凝固させ、注湯口側のアルミニウム溶湯を最後に凝固させるのが好ましい。

また、セラミックス基板は、アルミナなどの酸化物系セラミックス基板でもよいし、窒化アルミニウム、窒化珪素などの非酸化物系セラミックス基板でもよい。さらに、鋳型としては、金属の金型と比べてアルミニウム溶湯と反応し難いカーボン製の鋳型を使用するのが好ましく、特に、溶湯を加圧したときに鋳型と溶湯との間にガスが残留している場合でも、残留するガスが鋳型を通過するのを許容し且つ溶湯が鋳型を通過するのを防止して溶湯が鋳型内の端部まで回り易くなるように、多孔質のカーボン製の鋳型を使用するのが好ましい。

上述したアルミニウム−セラミックス接合基板の製造方法の実施の形態により、セラミックス基板の一方の面に接合されたアルミニウム板の表面の５０ｍｍ×５０ｍｍの領域内のアルミニウムの結晶粒の数が４０個以上（好ましくは７０個以上、さらに好ましくは１００個以上、最も好ましくは２００個以上）の（アルミニウム板のアルミニウムの結晶物が微細化された）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。

また、上述したアルミニウム−セラミックス接合基板の製造方法の実施の形態において、鋳型の内部に、アルミニウムベース板を形成する空間であるアルミニウムベース板形成部を形成し、アルミニウム溶湯を鋳型内に注湯してセラミックス基板の一方の面に接触させる際にセラミックス基板の他方の面に接触させて、セラミックス基板の一方の面にアルミニウム板を形成して直接接合させる際にセラミックス基板の他方の面にアルミニウムベース板を形成して直接接合させれば、アルミニウム板のビッカース硬さＨｖが２３以下（好ましくは２２以下、さらに好ましくは２１以下）であり且つ導電率が６０％ＩＡＣＳ以上（好ましくは６１％ＩＡＣＳ以上、さらに好ましくは６２％ＩＡＣＳ以上）のアルミニウム−セラミックス接合基板であって、アルミニウム−セラミックス接合基板を厚さ方向に切断した断面において、アルミニウム板の断面の（アルミニウム板の主面（板面）に平行な方向の）１０ｍｍ×（アルミニウム板のセラミックス基板と反対側の面から板面に垂直な方向の）０．４ｍｍの領域内のアルミニウムの結晶粒が１０個以上（好ましくは１２個以上）であり、アルミニウムベース板の断面の１０ｍｍ×０．４ｍｍの領域内のアルミニウムの結晶粒が８個以下（好ましくは６個以下）の（アルミニウムベース板のアルミニウムの結晶粒が微細化されていない）アルミニウム−セラミックス接合基板、すなわち、セラミックス基板の一方の面に接合したアルミニウムの結晶粒の数と他方の面に接合したアルミニウムの結晶粒の数が異なるアルミニウム−セラミックス接合基板を製造することができる。

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、アルミニウムベース板と略同一の形状および大きさの凹部（アルミニウムベース板を形成するためのアルミニウムベース板形成部）１２ａが形成されている。このアルミニウムベース板形成部１２ａ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１では１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）１２ｂが形成されている。このセラミックス基板収容部１２ｂの各々の底面には、アルミニウム回路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つを示す）の凹部（アルミニウム回路板を形成するためのアルミニウム回路板形成部）１２ｃ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、（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、アルミニウムベース板形成部１２ａとアルミニウム回路板形成部１２ｃ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１２ｂ内にセラミックス基板を収容したときにもアルミニウムベース板形成部１２ａとアルミニウム回路板形成部１２ｃ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。

次に、この鋳型１０を使用してアルミニウム−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のアルミニウム回路板形成部１２ｃの内面に上述した結晶粒微細化剤を含む塗材を塗布し、この鋳型１０の下側鋳型部材１２のセラミックス基板収容部１２ｂ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のアルミニウムベース板形成部１２ａ内にアルミニウム溶湯を注湯して充填するとともに、（図示しない）溶湯流路を介してアルミニウム回路板形成部１２ｃ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３に示すように、アルミニウム回路板２２にセラミックス基板２０の一方の面が直接接合するとともに、セラミックス基板２０の他方の面にアルミニウムベース板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。

このようにして製造したアルミニウム−セラミックス接合基板のアルミニウム回路板２２上に回路パターン形状の回路パターン形成用レジストを印刷し、アルミニウム回路板２２の不要部分をエッチング除去した後に、回路パターン形成用レジストを剥離して回路パターンを形成してもよい。また、アルミニウム回路板２２上の半導体チップなどの半田付けが必要な部分などにＮｉめっきなどによりめっきを施してもよい。

上述したように、鋳型１０の下側鋳型部材１２のアルミニウム回路板形成部１２ｃの内面に結晶粒微細化剤を含む塗材を塗布すると、アルミニウム回路板形成部１２ｃ内のアルミニウムの凝固核の生成数が増加して、アルミニウム回路板形成部１２ｃ内に形成されるアルミニウム回路板２２のアルミニウムの結晶粒が微細化される。一方、結晶粒微細化剤を含む塗材を塗布するのではなく、アルミニウム溶湯に代えて、ＢやＴｉなどの添加物を含むアルミニウム合金の溶湯を使用すると、溶湯中の溶解していない初晶粒子（ＡｌＢ_２やＴｉＡｌ_３などの結晶粒微細化剤の粒子）を起点に、溶湯の凝固時にアルミニウム合金の凝固核の生成数が増加して、回路板とベース板のアルミニウム合金の結晶粒が全体的に微細化される。また、アルミニウム溶湯に代えて、添加物を含むアルミニウム合金の溶湯を使用すると、溶湯の組成の変化により、（回路板やベース板の角部の欠損、引け巣やボイド、粒界割れなどの）構造欠陥が生じる可能性があり、歩留まりが低下するおそれがある。

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。

［実施例１］
１質量％のＡｌＢ_２（平均粒径Ｄ_５０＝６．６μｍ）と１２．４質量％の離型剤（昭和電工株式会社製のＬＢＮ ＦＫ−２６（２０質量％のＢＮ（平均粒径Ｄ_５０＝０．２３μｍ）と６．５質量％の有機バインダーと７３．５質量％の溶剤とからなる離型剤））と８６．６質量％のメチルエチルケトンとからなる塗材（塗材中のＢＮの含有量は２．４８質量％）をボールミルにより作製し、この塗材を図１に示す鋳型１０と同様の鋳型の金属回路板形成部の内面の略全面に略均一に（塗布量が略０．４ｍｇ／ｃｍ^２になるように）スプレー塗布した。

次に、この鋳型内に７０ｍｍ×７０ｍｍ×０．６ｍｍの大きさの窒化アルミニウムからなるセラミックス基板を収容した後、この鋳型を炉内に入れ、炉内を７２５℃に加熱し、１１ｋＰａの圧力で（温度７２５℃の）純度９９．９質量％（３Ｎ）のアルミニウム溶湯を鋳型内に流し込んだ。

その後、鋳型（の注湯口とは反対側の面）に冷却板を接触させて鋳型を冷却してアルミニウム溶湯を凝固させた。なお、この鋳型の冷却では、注湯口に窒素ガスを吹き込むことによって鋳型内のアルミニウム溶湯を加圧しながら平均冷却速度５０℃／分で冷却して、冷却板が接触する鋳型の面に対向する鋳型内の部分のアルミニウム溶湯から凝固を開始させ、注湯口側のアルミニウム溶湯に向かって順次凝固させ、注湯口側のアルミニウム溶湯が最後に凝固するようにした。

このようにして、セラミックス基板の一方の面（アルミニウム回路板形成部側の面）に６５ｍｍ×６５ｍｍ×０．６ｍｍのアルミニウム板（アルミニウム回路板）が直接接触して接合するとともに他方の面（アルミニウムベース板形成部側の面）に８０ｍｍ×１００ｍｍ×１．５ｍｍのアルミニウム板（アルミニウムベース板）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に示すようなアルミニウム−セラミックス接合基板を得た。

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アルミニウム回路板の表面を研磨し、塩化第二鉄溶液によってエッチング処理を行った後、アルミニウム回路板の表面の５０ｍｍ×５０ｍｍの領域内のアルミニウムの結晶粒の数を目視により数えたところ、結晶粒は８２個であった。また、得られたアルミニウム−セラミックス接合基板を液相式熱衝撃試験装置に入れ、−４０℃で４分間保持した後に１２５℃で４分間保持する冷熱サイクルを１０００回繰り返した後に、レーザー変位計（神津精機株式会社製の高精度形状測定システムＫ２−３１０）によりアルミニウム回路の表面の結晶粒界の段差を測定したところ、段差の最大値は１２１μｍであった。

［実施例２］
３質量％のＡｌＢ_２（平均粒径Ｄ_５０＝６．６μｍ）と１２．１質量％の離型剤（昭和電工株式会社製のＬＢＮ ＦＫ−２６（２０質量％のＢＮ（平均粒径Ｄ_５０＝０．２３μｍ）と６．５質量％の有機バインダーと７３．５質量％の溶剤とからなる離型剤））と８４．９質量％のメチルエチルケトンとからなる塗材（塗材中のＢＮの含有量は２．４２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作製し、アルミニウム回路板の表面のアルミニウムの結晶粒の数と、冷熱サイクル後の結晶粒界の段差の最大値を求めた。その結果、アルミニウムの結晶粒の数は１１５個であり、結晶粒界の段差の最大値は１４０μｍであった。

［実施例３］
４質量％のＡｌＢ_２（平均粒径Ｄ_５０＝６．６μｍ）と１２．０質量％の離型剤（昭和電工株式会社製のＬＢＮ ＦＫ−２６（２０質量％のＢＮ（平均粒径Ｄ_５０＝０．２３μｍ）と６．５質量％の有機バインダーと７３．５質量％の溶剤とからなる離型剤））と８４．０質量％のメチルエチルケトンとからなる塗材（塗材中のＢＮの含有量は２．４０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作製し、アルミニウム回路板の表面のアルミニウムの結晶粒の数と、冷熱サイクル後の結晶粒界の段差の最大値を求めた。その結果、アルミニウムの結晶粒の数は９２個であり、結晶粒界の段差の最大値は１３１μｍであった。また、アルミニウム回路板の導電率を渦電流式導電率計（日本フェルスター株式会社製のシグマテスト２．０６９）により測定周波数４８０ｋＨｚで測定したところ、６３．３％ＩＡＣＳであった。さらに、アルミニウム回路板の表面のビッカース硬さＨｖをマイクロビッカース硬度計（株式会社ミツトヨ製のＨＭ−２１０）により試験荷重１ｋｇｆを５秒間加えて測定したところ、２０．２であった。

また、得られたアルミニウム−セラミックス接合基板を厚さ方向に切断し、その断面を研磨し、塩化第二鉄溶液によってエッチング処理を行った後、その断面のアルミニウムの結晶粒を観察したところ、図３に示すように、セラミックス基板２０の一方の面に接合したアルミニウム回路板２２では結晶粒が微細化されていたが、他方の面に接合したアルミニウムベース板２４では結晶粒が粗大であった。なお、アルミニウム回路板２２およびアルミニウムベース板２４のそれぞれの断面の（アルミニウム板の主面（板面）に平行な方向の）１０ｍｍ×（アルミニウム板のセラミックス基板と反対側の面から板面に垂直な方向の）０．４ｍｍの領域内のアルミニウムの結晶粒（一部でも領域内に存在するアルミニウムの結晶粒）の数を１００倍の光学顕微鏡写真から目視により数えたところ、アルミニウム回路板２２では１６個であり、アルミニウムベース板２４では５個であった。

［実施例４］
５質量％のＡｌＢ_２（平均粒径Ｄ_５０＝６．６μｍ）と１１．９質量％の離型剤（昭和電工株式会社製のＬＢＮ ＦＫ−２６（２０質量％のＢＮ（平均粒径Ｄ_５０＝０．２３μｍ）と６．５質量％の有機バインダーと７３．５質量％の溶剤とからなる離型剤））と８３．１質量％のメチルエチルケトンとからなる塗材（塗材中のＢＮの含有量は２．３８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作製し、アルミニウム回路板の表面のアルミニウムの結晶粒の数と、冷熱サイクル後の結晶粒界の段差の最大値を求めた。その結果、アルミニウムの結晶粒の数は１１２個であり、結晶粒界の段差の最大値は１２２μｍであった。

［実施例５］
１０質量％のＡｌＢ_２（平均粒径Ｄ_５０＝６．６μｍ）と１１．３質量％の離型剤（昭和電工株式会社製のＬＢＮ ＦＫ−２６（２０質量％のＢＮ（平均粒径Ｄ_５０＝０．２３μｍ）と６．５質量％の有機バインダーと７３．５質量％の溶剤とからなる離型剤））と７８．８質量％のメチルエチルケトンとからなる塗材（塗材中のＢＮの含有量は２．２６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作製し、アルミニウム回路板の表面のアルミニウムの結晶粒の数を求めた。その結果、アルミニウムの結晶粒の数は３１６個であった。

［実施例６］
１質量％のＴｉＡｌ_３（平均粒径Ｄ_５０＝２４μｍ）と１２．４質量％の離型剤（昭和電工株式会社製のＬＢＮ ＦＫ−２６（２０質量％のＢＮ（平均粒径Ｄ_５０＝０．２３μｍ）と６．５質量％の有機バインダーと７３．５質量％の溶剤とからなる離型剤））と８６．６質量％のメチルエチルケトンとからなる塗材（塗材中のＢＮの含有量は２．４８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作製し、アルミニウム回路板の表面のアルミニウムの結晶粒の数と、冷熱サイクル後の結晶粒界の段差の最大値を求めた。その結果、アルミニウムの結晶粒の数は３７５個であり、結晶粒界の段差の最大値は１１３μｍであった。また、実施例３と同様の方法により、アルミニウム回路板の導電率と表面のビッカース硬さＨｖを測定したところ、導電率は６２．１％ＩＡＣＳであり、ビッカース硬さＨｖは１９．６であった。また、実施例３と同様の方法により、アルミニウム回路板およびアルミニウムベース板のそれぞれの断面の１０ｍｍ×０．４ｍｍの領域内のアルミニウムの結晶粒の数を目視により数えたところ、アルミニウム回路板では１６個であり、アルミニウムベース板では５個であった。

［比較例１］
１２．５質量％の離型剤（昭和電工株式会社製のＬＢＮ ＦＫ−２６（２０質量％のＢＮと６．５質量％の有機バインダーと７３．５質量％の溶剤とからなる離型剤））と８７．５質量％のメチルエチルケトンとからなる塗材（塗材中のＢＮの含有量は２．５０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作製し、アルミニウム回路板の表面のアルミニウムの結晶粒の数と、冷熱サイクル後の結晶粒界の段差の最大値を求めた。その結果、アルミニウムの結晶粒の数は２１個であり、結晶粒界の段差の最大値は１７９μｍであった。また、実施例３と同様の方法により、アルミニウム回路板の導電率と表面のビッカース硬さＨｖを測定したところ、導電率は６２．１％ＩＡＣＳであり、ビッカース硬さＨｖは２０．３であった。また、実施例３と同様の方法により、アルミニウム回路板およびアルミニウムベース板のそれぞれの断面の１０ｍｍ×０．４ｍｍの領域内のアルミニウムの結晶粒の数を目視により数えたところ、アルミニウム回路板では６個であり、アルミニウムベース板では４個であった。

［比較例２］
１量％のＴｉＢ_２（平均粒径Ｄ_５０＝２．９μｍ）と１２．４質量％の離型剤（昭和電工株式会社製のＬＢＮ ＦＫ−２６（２０質量％のＢＮ（平均粒径Ｄ_５０＝０．２３μｍ）と６．５質量％の有機バインダーと７３．５質量％の溶剤とからなる離型剤））と８６．６質量％のメチルエチルケトンとからなる塗材（塗材中のＢＮの含有量は２．４８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作製し、アルミニウム回路板の表面のアルミニウムの結晶粒の数を求めたところ、３７個であった。

［比較例３］
純度９９．９質量％（３Ｎ）のアルミニウム溶湯に代えて、０．４質量％のＳｉと０．０４質量％のＢと０．０１質量％のＦｅを含み、残部がＡｌからなるアルミニウム合金溶湯を使用した以外は、比較例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作製し、アルミニウム回路板の表面のアルミニウムの結晶粒の数を求めたところ、１４８０個であった。また、実施例３と同様の方法により、アルミニウム回路板の導電率と表面のビッカース硬さＨｖを測定したところ、導電率は５９．４％ＩＡＣＳであり、ビッカース硬さＨｖは２５．２であった。また、実施例３と同様の方法により、アルミニウム回路板およびアルミニウムベース板のそれぞれの断面の１０ｍｍ×０．４ｍｍの領域内のアルミニウムの結晶粒の数を目視により数えたところ、アルミニウム回路板では３１個であり、アルミニウムベース板では２２個であった。

［比較例４］
純度９９．９質量％（３Ｎ）のアルミニウム溶湯に代えて、０．２０〜０．６質量％のＳｉと０．３５質量％以下のＦｅと０．１０質量％以下のＣｕと０．１０質量％以下のＭｎと０．４５〜０．９質量％のＭｇと０．１０質量％以下のＣｒと０．１０質量％以下のＺｎと０．１０質量％とその他の元素０．１５質量％を含み、残部がＡｌからなるアルミニウム合金溶湯（ＪＩＳ Ａ６０６３合金の溶湯）を使用した以外は、比較例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作製し、アルミニウム回路板の表面のアルミニウムの結晶粒の数を求めたところ、２２１２個であった。また、実施例３と同様の方法により、アルミニウム回路板の導電率と表面のビッカース硬さＨｖを測定したところ、導電率は５０．４％ＩＡＣＳであり、ビッカース硬さＨｖは４３．８であった。また、実施例３と同様の方法により、アルミニウム回路板およびアルミニウムベース板のそれぞれの断面の１０ｍｍ×０．４ｍｍの領域内のアルミニウムの結晶粒の数を目視により数えたところ、アルミニウム回路板では３２個であり、アルミニウムベース板では３３個であった。

これらの実施例および比較例の結果を表１〜表２に示す。

１０ 鋳型
１２ 下側鋳型部材
１２ａ アルミニウムベース板形成部
１２ｂ セラミックス基板収容部
１２ｃ アルミニウム回路板形成部
１４ 上側鋳型部材
１４ａ 注湯口
２０ セラミックス基板
２２ アルミニウム回路板
２４ アルミニウムベース板

Claims (12)

1. アルミニウム板を形成する空間であるアルミニウム板形成部と、このアルミニウム板形成部内に形成されるアルミニウム板の一方の面にセラミックス基板が当接するようにセラミックス基板を収容する空間であるセラミックス基板収容部とが内部に形成された鋳型を用意し、この鋳型のアルミニウム板形成部の内面にホウ化アルミニウムおよびチタン−アルミニウム系金属化合物の少なくとも一方からなる結晶粒微細化剤と離型剤とを含む塗材を塗布し、この鋳型内にセラミックス基板を配置し、この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溶湯を鋳型内に注湯した後にアルミニウム溶湯を冷却して固化させることにより、セラミックス基板の一方の面にアルミニウム板を形成して直接接合させることを特徴とする、アルミニウム−セラミックス接合基板の製造方法。
2. 前記ホウ化アルミニウムが二ホウ化アルミニウムおよび十二ホウ化アルミニウムの少なくとも一方であることを特徴とする、請求項１に記載のアルミニウム−セラミックス接合基板の製造方法。
3. 前記チタン−アルミニウム系金属化合物がＴｉＡｌ_３であることを特徴とする、請求項１に記載のアルミニウム−セラミックス接合基板の製造方法。
4. 前記塗材中の結晶粒微細化剤の含有量が０．１〜１５質量％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アルミニウム−セラミックス接合基板の製造方法。
5. 前記離型剤が窒化ホウ素を含むことを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載のアルミニウム−セラミックス接合基板の製造方法。
6. 前記塗材中の離型剤の含有量が２０質量％以下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アルミニウム−セラミックス接合基板の製造方法。
7. 前記塗材が溶剤を含むことを特徴とする、請求項１乃至６のいずれかに記載のアルミニウム−セラミックス接合基板の製造方法。
8. 前記塗材の塗布がスプレー塗布によって行われ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アルミニウム−セラミックス接合基板の製造方法。
9. 前記鋳型の内部に、アルミニウムベース板を形成する空間であるアルミニウムベース板形成部が形成され、前記アルミニウム溶湯を前記鋳型内に注湯して前記セラミックス基板の一方の面に接触させる際に前記セラミックス基板の他方の面に接触させて、前記セラミックス基板の一方の面にアルミニウム板を形成して直接接合させる際に前記セラミックス基板の他方の面にアルミニウムベース板を形成して直接接合させ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アルミニウム−セラミックス接合基板の製造方法。
10. セラミックス基板の一方の面にアルミニウム板が直接接合するとともに他方の面にアルミニウムベース板が直接接合したアルミニウム−セラミックス接合基板を厚さ方向に切断した断面において、アルミニウム板およびアルミニウムベース板のそれぞれの断面の１０ｍｍ×０．４ｍｍの領域内のアルミニウムの結晶粒が、それぞれ１０個以上および８個以下であることを特徴とする、アルミニウム−セラミックス接合基板。
11. 前記アルミニウム板のビッカース硬さＨｖが２３以下であることを特徴とする、請求項１０に記載のアルミニウム−セラミックス接合基板。
12. 前記アルミニウム板の導電率が６０％ＩＡＣＳ以上であることを特徴とする、請求項１０または１１に記載のアルミニウム−セラミックス接合基板。

Images