JP7422608B2 - 金属-セラミックス接合基板およびその製造方法 - Google Patents
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Description
鋳型20内に溶湯を流し込む際には、鋳型20を(図示しない)接合炉内に移動し、この接合炉内を窒素雰囲気にして酸素濃度を100ppm以下、好ましくは10ppm以下まで低下させ、ヒーターの温度制御によって鋳型20を注湯温度まで加熱した後、注湯温度まで加熱して予め計量された溶湯を、窒素ガスによって所定の圧力で加圧して、注湯口から鋳型20内に流し込むのが好ましい。このように注湯することにより、金属とセラミックスとの間で大きな接合欠陥が発生するのを防止することができる。また、鋳型20内に溶湯を流し込んだ後、(図示しない)ノズルから注湯口に窒素ガスを吹き込むことによって、鋳型20内の溶湯を所定の圧力で加圧したまま冷却して凝固させるのが好ましい。なお、注湯および冷却の際に窒素ガスにより加圧される所定の圧力は、1~100kPaであるのが好ましく、3~80kPaであるのがさらに好ましく、5~15kPaであるのが最も好ましい。この圧力が低過ぎると鋳型20内に溶湯が入り難くなり、高過ぎるとグラファイトシート16の位置がずれたり、鋳型20が破壊するおそれがある。特に、カーボン製の鋳型20を使用する場合、1MPa以上の高圧になると、鋳型20が破壊されたり、鋳型20から溶湯が漏れるおそれがある。
図2に示す鋳型20と同様の形状のカーボン製の鋳型内に、50mm×50mm×0.6mmの大きさの窒化アルミニウム(AlN)からなるセラミックス基板(TDパワーマテリアル株式会社製のSH-30)と、48mm×48mm×0.05mmの大きさの(水平方向の熱伝導率が1000W/m・K、厚さ方向の熱伝導率が20W/m・K、線膨張係数が5ppm/Kの)グラファイトシート(パナソニック株式会社製のPGS)を配置した後、鋳型を窒素雰囲気の炉内に入れ、溶湯口から純度99.9質量%(3N)のアルミニウム(熱伝導率が220~230W/m・K、0.2%耐力が18~22MPaのアルミニウム)の溶湯を鋳型内に注湯した後、溶湯を冷却して固化(凝固)させることにより、セラミックス基板の一方の面に70mm×70mm×5mmの大きさのアルミニウムベース板が直接接合し、セラミックス基板の他方の面に46mm×46mm×0.35mmの大きさの回路パターン用の第1のアルミニウム板の一方の面が直接接合し、この第1のアルミニウム板の他方の面にグラファイトシートの一方の面が直接接合し、このグラファイトシートの他方の面に46mm×46mm×0.2mmの大きさの回路パターン用の第2のアルミニウム板が直接接合した(第1のアルミニウム板とグラファイトシートと第2のアルミニウム板の合計の厚さが0.6mmの)金属-セラミックス接合基板を得た。その後、溶湯流路(湯道)に対応する部分のアルミニウムを除去し、第2のアルミニウム板の表面をバフ研磨し、その表面にエッチングレジストを形成した後、φ2mmのエンドミルでエッチングレジストの表面からその厚さ方向にエッチングレジストと第2のアルミニウム板とグラファイトシートと第1のアルミニウム板(の回路パターン形状に対応する部分以外)をミリングにより除去して、第1のアルミニウム板のセラミックス基板側から厚さ0.2mmまでの部分を残した以外は、回路パターン形状に形成した。その後、塩化鉄の水溶液により、セラミックス基板の表面の回路パターン形状に対応する部分以外の第1のアルミニウム板をエッチング除去した後、エッチングレジストを除去して、45mm×45mm×0.6mmの(第1のアルミニウム板とグラファイトシートと第2のアルミニウム板とからなる)回路パターンが形成された金属-セラミックス接合基板を得た。
セラミックス基板の厚さを0.3mmとした以外は、実施例1と同様の方法により、金属-セラミックス接合基板を作製し、第2のアルミニウム板の表面の表面粗さRaとアルミニウムの結晶粒界に生じた段差を測定したところ、初期の表面粗さRaは平均1.2μm、初期の結晶粒界の段差は最大10μm以下であり、ヒートサイクル後の表面粗さRaは平均1.5μm、ヒートサイクル後の結晶粒界の段差は最大30μm以下であった。
セラミックス基板として厚さ0.3mmの窒化珪素からなるセラミックス基板を使用した以外は、実施例1と同様の方法により、金属-セラミックス接合基板を作製し、第2のアルミニウム板の表面の表面粗さRaとアルミニウムの結晶粒界に生じた段差を測定したところ、初期の表面粗さRaは平均1.3μm、初期の結晶粒界の段差は最大10μm以下であり、ヒートサイクル後の表面粗さRaは平均1.5μm、ヒートサイクル後の結晶粒界の段差は最大30μm以下であった。
グラファイトシートの厚さを0.1mm、第1のアルミニウム板の厚さを0.9mm、第2のアルミニウム板の厚さを0.2mmとした以外は、実施例1と同様の方法により、金属-セラミックス接合基板を作製し、第2のアルミニウム板の表面の表面粗さRaとアルミニウムの結晶粒界に生じた段差を測定したところ、初期の表面粗さRaは平均1.2μm、初期の結晶粒界の段差は最大10μm以下であり、ヒートサイクル後の表面粗さRaは平均1.4μm、ヒートサイクル後の結晶粒界の段差は最大20μm以下であった。
グラファイトシートの厚さを0.1mm、第1のアルミニウム板の厚さを0.9mm、第2のアルミニウム板の厚さを0.2mmとした以外は、実施例2と同様の方法により、金属-セラミックス接合基板を作製し、第2のアルミニウム板の表面の表面粗さRaとアルミニウムの結晶粒界に生じた段差を測定したところ、初期の表面粗さRaは平均1.2μm、初期の結晶粒界の段差は最大10μm以下であり、ヒートサイクル後の表面粗さRaは平均1.4μm、ヒートサイクル後の結晶粒界の段差は最大20μm以下であった。
グラファイトシートの厚さを0.1mm、第1のアルミニウム板の厚さを0.9mm、第2のアルミニウム板の厚さを0.2mmとした以外は、実施例3と同様の方法により、金属-セラミックス接合基板を作製し、第2のアルミニウム板の表面の表面粗さRaとアルミニウムの結晶粒界に生じた段差を測定したところ、初期の表面粗さRaは平均1.3μm、初期の結晶粒界の段差は最大10μm以下であり、ヒートサイクル後の表面粗さRaは平均1.4μm、ヒートサイクル後の結晶粒界の段差は最大20μm以下であった。
グラファイトシートを使用せず、アルミニウム板の厚さを0.6mmとした以外は、実施例1と同様の方法により、金属-セラミックス接合基板を作製し、アルミニウム板の表面の表面粗さRaとアルミニウムの結晶粒界に生じた段差を測定したところ、初期の表面粗さRaは平均1.2μm、初期の結晶粒界の段差は最大10μm以下であり、ヒートサイクル後の表面粗さRaは平均1.9μm、ヒートサイクル後の結晶粒界の段差は最大約50μmであった。
グラファイトシートを使用せず、アルミニウム板の厚さを0.6mmとした以外は、実施例3と同様の方法により、金属-セラミックス接合基板を作製し、アルミニウム板の表面の表面粗さRaとアルミニウムの結晶粒界に生じた段差を測定したところ、初期の表面粗さRaは平均1.3μm、初期の結晶粒界の段差は最大10μm以下であり、ヒートサイクル後の表面粗さRaは平均2.1μm、ヒートサイクル後の結晶粒界の段差は最大約50μmであった。
グラファイトシートを使用せず、アルミニウム板の厚さを1.2mmとした以外は、実施例1と同様の方法により、金属-セラミックス接合基板を作製し、アルミニウム板の表面の表面粗さRaとアルミニウムの結晶粒界に生じた段差を測定したところ、初期の表面粗さRaは平均1.2μm、初期の結晶粒界の段差は最大10μm以下であり、ヒートサイクル後の表面粗さRaは平均2.3μm、ヒートサイクル後の結晶粒界の段差は最大約80μmであった。
グラファイトシートを使用せず、アルミニウム板の厚さを1.2mmとした以外は、実施例3と同様の方法により、金属-セラミックス接合基板を作製し、アルミニウム板の表面の表面粗さRaとアルミニウムの結晶粒界に生じた段差を測定したところ、初期の表面粗さRaは平均1.3μm、初期の結晶粒界の段差は最大10μm以下であり、ヒートサイクル後の表面粗さRaは平均2.5μm、ヒートサイクル後の結晶粒界の段差は最大約80μmであった。
アルミニウムの溶湯に代えて、0.4質量%のケイ素と0.05質量%のホウ素を含有するアルミニウム合金(熱伝導率が180~200W/m・K、0.2%耐力が20~23MPaのアルミニウム合金)の溶湯を使用した以外は、実施例4と同様の方法により、金属-セラミックス接合基板を作製し、第2のアルミニウム板の表面の表面粗さRaとアルミニウムの結晶粒界に生じた段差を測定したところ、初期の表面粗さRaは平均1.3μm、初期の結晶粒界の段差は最大10μm以下であり、ヒートサイクル後の表面粗さRaは平均1.4μm、ヒートサイクル後の結晶粒界の段差は最大20μm以下であった。
アルミニウムの溶湯に代えて、0.4質量%のケイ素と0.05質量%のホウ素を含有するアルミニウム合金(熱伝導率が180~200W/m・K、0.2%耐力が20~23MPaのアルミニウム合金)の溶湯を使用した以外は、実施例6と同様の方法により、金属-セラミックス接合基板を作製し、第2のアルミニウム板の表面の表面粗さRaとアルミニウムの結晶粒界に生じた段差を測定したところ、初期の表面粗さRaは平均1.4μm、初期の結晶粒界の段差は最大10μm以下であり、ヒートサイクル後の表面粗さRaは平均1.5μm、ヒートサイクル後の結晶粒界の段差は最大20μm以下であった。
アルミニウムの溶湯に代えて、0.05質量%のマグネシウムと0.04質量%のケイ素を含有するアルミニウム合金(熱伝導率が190~210W/m・K、0.2%耐力が20~23MPaのアルミニウム合金)の溶湯を使用した以外は、実施例4と同様の方法により、金属-セラミックス接合基板を作製し、第2のアルミニウム板の表面の表面粗さRaとアルミニウムの結晶粒界に生じた段差を測定したところ、初期の表面粗さRaは平均1.2μm、初期の結晶粒界の段差は最大10μm以下であり、ヒートサイクル後の表面粗さRaは平均1.4μm、ヒートサイクル後の結晶粒界の段差は最大20μm以下であった。
アルミニウムの溶湯に代えて、0.05質量%のマグネシウムと0.04質量%のケイ素を含有するアルミニウム合金(熱伝導率が190~210W/m・K、0.2%耐力が20~23MPaのアルミニウム合金)の溶湯を使用した以外は、実施例6と同様の方法により、金属-セラミックス接合基板を作製し、第2のアルミニウム板の表面の表面粗さRaとアルミニウムの結晶粒界に生じた段差を測定したところ、初期の表面粗さRaは平均1.3μm、初期の結晶粒界の段差は最大10μm以下であり、ヒートサイクル後の表面粗さRaは平均1.4μm、ヒートサイクル後の結晶粒界の段差は最大20μm以下であった。
アルミニウムの溶湯に代えて、0.08質量%のマグネシウムと0.06質量%のケイ素を含有するアルミニウム合金(熱伝導率が180~200W/m・K、0.2%耐力が25~30MPaのアルミニウム合金)の溶湯を使用した以外は、実施例4と同様の方法により、金属-セラミックス接合基板を作製し、第2のアルミニウム板の表面の表面粗さRaとアルミニウムの結晶粒界に生じた段差を測定したところ、初期の表面粗さRaは平均1.2μm、初期の結晶粒界の段差は最大10μm以下であり、ヒートサイクル後の表面粗さRaは平均1.4μm、ヒートサイクル後の結晶粒界の段差は最大10μm以下であった。
アルミニウムの溶湯に代えて、0.08質量%のマグネシウムと0.06質量%のケイ素を含有するアルミニウム合金(熱伝導率が180~200W/m・K、0.2%耐力が25~30MPaのアルミニウム合金)の溶湯を使用した以外は、実施例6と同様の方法により、金属-セラミックス接合基板を作製し、第2のアルミニウム板の表面の表面粗さRaとアルミニウムの結晶粒界に生じた段差を測定したところ、初期の表面粗さRaは平均1.3μm、初期の結晶粒界の段差は最大10μm以下であり、ヒートサイクル後の表面粗さRaは平均1.4μm、ヒートサイクル後の結晶粒界の段差は最大10μm以下であった。
アルミニウムの溶湯に代えて、0.1質量%のジルコニウムを含有するアルミニウム合金(熱伝導率が180~200W/m・K、0.2%耐力が25~30MPaのアルミニウム合金)の溶湯を使用した以外は、実施例4と同様の方法により、金属-セラミックス接合基板を作製し、第2のアルミニウム板の表面の表面粗さRaとアルミニウムの結晶粒界に生じた段差を測定したところ、初期の表面粗さRaは平均1.2μm、初期の結晶粒界の段差は最大10μm以下であり、ヒートサイクル後の表面粗さRaは平均1.5μm、ヒートサイクル後の結晶粒界の段差は最大10μm以下であった。
アルミニウムの溶湯に代えて、0.1質量%のジルコニウムを含有するアルミニウム合金(熱伝導率が180~200W/m・K、0.2%耐力が25~30MPaのアルミニウム合金)の溶湯を使用した以外は、実施例6と同様の方法により、金属-セラミックス接合基板を作製し、第2のアルミニウム板の表面の表面粗さRaとアルミニウムの結晶粒界に生じた段差を測定したところ、初期の表面粗さRaは平均1.3μm、初期の結晶粒界の段差は最大10μm以下であり、ヒートサイクル後の表面粗さRaは平均1.5μm、ヒートサイクル後の結晶粒界の段差は最大10μm以下であった。
アルミニウムの溶湯に代えて、0.2質量%のジルコニウムを含有するアルミニウム合金(熱伝導率が170~190W/m・K、0.2%耐力が27~32MPaのアルミニウム合金)の溶湯を使用した以外は、実施例4と同様の方法により、金属-セラミックス接合基板を作製し、第2のアルミニウム板の表面の表面粗さRaとアルミニウムの結晶粒界に生じた段差を測定したところ、初期の表面粗さRaは平均1.2μm、初期の結晶粒界の段差は最大10μm以下であり、ヒートサイクル後の表面粗さRaは平均1.4μm、ヒートサイクル後の結晶粒界の段差は最大10μm以下であった。
アルミニウムの溶湯に代えて、0.2質量%のジルコニウムを含有するアルミニウム合金(熱伝導率が170~190W/m・K、0.2%耐力が27~32MPaのアルミニウム合金)の溶湯を使用した以外は、実施例6と同様の方法により、金属-セラミックス接合基板を作製し、第2のアルミニウム板の表面の表面粗さRaとアルミニウムの結晶粒界に生じた段差を測定したところ、初期の表面粗さRaは平均1.3μm、初期の結晶粒界の段差は最大10μm以下であり、ヒートサイクル後の表面粗さRaは平均1.4μm、ヒートサイクル後の結晶粒界の段差は最大10μm以下であった。
アルミニウムの溶湯に代えて、0.1質量%の亜鉛を含有するアルミニウム合金(熱伝導率が180~200W/m・K、0.2%耐力が25~30MPaのアルミニウム合金)の溶湯を使用した以外は、実施例4と同様の方法により、金属-セラミックス接合基板を作製し、第2のアルミニウム板の表面の表面粗さRaとアルミニウムの結晶粒界に生じた段差を測定したところ、初期の表面粗さRaは平均1.3μm、初期の結晶粒界の段差は最大10μm以下であり、ヒートサイクル後の表面粗さRaは平均1.5μm、ヒートサイクル後の結晶粒界の段差は最大10μm以下であった。
アルミニウムの溶湯に代えて、0.1質量%の亜鉛を含有するアルミニウム合金(熱伝導率が180~200W/m・K、0.2%耐力が25~30MPaのアルミニウム合金)の溶湯を使用した以外は、実施例6と同様の方法により、金属-セラミックス接合基板を作製し、第2のアルミニウム板の表面の表面粗さRaとアルミニウムの結晶粒界に生じた段差を測定したところ、初期の表面粗さRaは平均1.3μm、初期の結晶粒界の段差は最大10μm以下であり、ヒートサイクル後の表面粗さRaは平均1.5μm、ヒートサイクル後の結晶粒界の段差は最大10μm以下であった。
アルミニウムの溶湯に代えて、0.2質量%の亜鉛を含有するアルミニウム合金(熱伝導率が170~190W/m・K、0.2%耐力が27~32MPaのアルミニウム合金)の溶湯を使用した以外は、実施例4と同様の方法により、金属-セラミックス接合基板を作製し、第2のアルミニウム板の表面の表面粗さRaとアルミニウムの結晶粒界に生じた段差を測定したところ、初期の表面粗さRaは平均1.3μm、初期の結晶粒界の段差は最大10μm以下であり、ヒートサイクル後の表面粗さRaは平均1.4μm、ヒートサイクル後の結晶粒界の段差は最大10μm以下であった。
アルミニウムの溶湯に代えて、0.2質量%の亜鉛を含有するアルミニウム合金(熱伝導率が170~190W/m・K、0.2%耐力が27~32MPaのアルミニウム合金)の溶湯を使用した以外は、実施例6と同様の方法により、金属-セラミックス接合基板を作製し、第2のアルミニウム板の表面の表面粗さRaとアルミニウムの結晶粒界に生じた段差を測定したところ、初期の表面粗さRaは平均1.3μm、初期の結晶粒界の段差は最大10μm以下であり、ヒートサイクル後の表面粗さRaは平均1.4μm、ヒートサイクル後の結晶粒界の段差は最大10μm以下であった。
グラファイトシートを使用しなかった以外は、実施例7と同様の方法により、金属-セラミックス接合基板を作製し、アルミニウム板の表面の表面粗さRaとアルミニウムの結晶粒界に生じた段差を測定したところ、初期の表面粗さRaは平均1.3μm、初期の結晶粒界の段差は最大10μm以下であり、ヒートサイクル後の表面粗さRaは平均1.7μm、ヒートサイクル後の結晶粒界の段差は最大約50μmであった。
グラファイトシートを使用しなかった以外は、実施例8と同様の方法により、金属-セラミックス接合基板を作製し、アルミニウム板の表面の表面粗さRaとアルミニウムの結晶粒界に生じた段差を測定したところ、初期の表面粗さRaは平均1.4μm、初期の結晶粒界の段差は最大10μm以下であり、ヒートサイクル後の表面粗さRaは平均1.8μm、ヒートサイクル後の結晶粒界の段差は最大約50μmであった。
グラファイトシートを使用しなかった以外は、実施例11と同様の方法により、金属-セラミックス接合基板を作製し、アルミニウム板の表面の表面粗さRaとアルミニウムの結晶粒界に生じた段差を測定したところ、初期の表面粗さRaは平均1.2μm、初期の結晶粒界の段差は最大10μm以下であり、ヒートサイクル後の表面粗さRaは平均1.7μm、ヒートサイクル後の結晶粒界の段差は最大約50μmであった。
グラファイトシートを使用しなかった以外は、実施例12と同様の方法により、金属-セラミックス接合基板を作製し、アルミニウム板の表面の表面粗さRaとアルミニウムの結晶粒界に生じた段差を測定したところ、初期の表面粗さRaは平均1.3μm、初期の結晶粒界の段差は最大10μm以下であり、ヒートサイクル後の表面粗さRaは平均1.7μm、ヒートサイクル後の結晶粒界の段差は最大約50μmであった。
12 セラミックス基板
14 第1の金属板
16 グラファイトシート
18 第2の金属板
20、120 鋳型
22、122 下側鋳型部材
22a、122a グラファイトシート収容部
22b、122b 第2の金属板形成部
24、124 中間鋳型部材
24a、124a 金属ベース板形成部
24b、124b セラミックス基板収容部
24c、124c 第1の金属板形成部
24d、124d グラファイトシート収容部
26、126 上側鋳型部材
26a、126a 金属ベース板形成部
126b 放熱フィン形成部
Claims (7)
- 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と、この金属ベース板に一方の面が直接接合したセラミックス基板と、このセラミックス基板の他方の面に一方の面が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第1の金属板と、この第1の金属板の他方の面に一方の面が直接接合したグラファイトシートと、このグラファイトシート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第2の金属板とを備えていることを特徴とする、金属-セラミックス接合基板。
- 前記グラファイトシートが、前記第1の金属板の前記セラミックス基板との接合面に略平行に延びてい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。
- 前記グラファイトシートが、前記第1の金属板の前記セラミックス基板との接合面に略平行な平面の略全面に延びていることを特徴とする、請求項2に記載の金属-セラミックス接合基板。
- 前記グラファイトシートの端面が外部に露出してい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。
- 前記第1の金属板と前記グラファイトシートと前記第2の金属板により回路パターンが形成されてい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。
- グラファイトシートとセラミックス基板とを鋳型内に離間して略平行に配置させるように、グラファイトシートの端部とセラミックス基板の端部を鋳型に支持させ、鋳型内のグラファイトシートの両面とセラミックス基板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注湯した後に冷却して固化させることにより、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属ベース板を形成してセラミックス基板の一方の面に直接接合させ、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる第1の金属板を形成してグラファイトシートの一方の面とセラミックス板の他方の面に直接接合させるとともに、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる第2の金属板を形成してグラファイトシートの他方の面に直接接合させることを特徴とする、金属-セラミックス基板の製造方法。
- 前記金属-セラミックス基板の第2の金属板の表面にマスクを形成した後、このマスクの表面からその厚さ方向にマスクと第2の金属板とグラファイトシートと第1の金属板の回路パターン形状に対応する部分以外をミリング加工により除去して、第1の金属板のセラミックス基板側の一部を残す以外は、回路パターン形状に形成し、その後、セラミックス基板の表面の回路パターン形状に対応する部分以外の第1の金属板をエッチング除去した後、マスクを除去することにより、第1の金属板とグラファイトシートと第2の金属板とからなる回路パターンが形成された金属-セラミックス接合基板を製造することを特徴とする、請求項6に記載の金属-セラミックス基板の製造方法。
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