JPH09315875A - アルミニウム−セラミックス複合基板及びその製造方法 - Google Patents

アルミニウム−セラミックス複合基板及びその製造方法

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JPH09315875A
JPH09315875A JP15633096A JP15633096A JPH09315875A JP H09315875 A JPH09315875 A JP H09315875A JP 15633096 A JP15633096 A JP 15633096A JP 15633096 A JP15633096 A JP 15633096A JP H09315875 A JPH09315875 A JP H09315875A
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JP
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aluminum
substrate
ceramic
composite substrate
ceramic substrate
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JP15633096A
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Mitsuru Ota
充 太田
Takashi Zenimori
隆志 銭盛
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Dowa Holdings Co Ltd
Original Assignee
Dowa Mining Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】 従来のアルミニウム−セラミックス複合基板
及びその製造法によって得た金属−セラミックス複合基
板はヒートサイクルが200回以上になるとアルミニウ
ムの表面にしわが発生するという欠点があった。 【解決手段】 アルミニウム−セラミックス複合基板及
びその製造法においては、アルミニウム材の結晶粒径を
1mm以下とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、パワーモジュール
等の大電力電子部品の実装に好適な金属−セラミックス
複合基板及びその製造方法に関し、更に詳しくは特に優
れたヒートサイクル耐量が要求される自動車又は電車用
電子部品の実装に好適な複合基板及びその製造方法を提
供することを目的とする。
【0002】
【従来の技術】従来、パワーモジュールのような大電力
電子部品の実装に使用する基板として、セラミックス基
板の表面に銅板を接合して作製された銅張りセラミック
ス複合基板が使用されている。この複合基板は更に、使
用するセラミックス基板の種類やその製造法によって、
銅/アルミナ直接接合基板、銅/窒化アルミニウム直接
接合基板、銅/アルミナろう接基板、及び銅/窒化アル
ミニウムろう接基板に分けられている。
【0003】上述のように銅/セラミックス複合基板は
広く使用されるにもかかわらず、製造中及び実用上幾つ
かの問題点がある。その中で最も重大な問題点は、電子
部品の実装及び使用中にセラミックス基板の内部にクラ
ックが形成し、基板の表裏間を電気的に導通することに
よる故障である。
【0004】これは銅の熱膨張係数がセラミックスの係
数より約一桁大きいことに起因するが、接合の場合、セ
ラミックス基板と銅が1000℃近くまで加熱され、接
合温度から室温に冷却する時に、熱膨張係数の違いによ
り複合基板の内部に多大の熱応力が発生する。
【0005】また、パワーモジュール等の電子部品を実
装するときに、銅・セラミックス複合基板は400℃近
くまで加熱されるため、さらに使用環境や使用中の発熱
により、同複合基板の温度が常に変化し、同複合基板に
変動熱応力が掛けられる。これらの熱応力によってセラ
ミックス基板にクラックが発生する。
【0006】上記複合基板の重要な評価項目の一つにヒ
ートサイクル耐量がある。これは基板を−40℃から1
25℃まで繰り返し加熱・冷却する際の熱応力によって
基板にクラックが発生するまでの循環回数で示すもので
あるが、近年、電気自動車用パワーモジュールの開発に
より、ヒートサイクル耐量の優れた複合基板への要望が
特に高まっている。特に、電気自動車や電車のように温
度変化が激しく、振動が大きい使用条件の場合、複合基
板のヒートサイクル耐量が500回以上必要であると言
われているが、現在使用されている銅・セラミックス複
合基板ではこのような要望には対応できないものであっ
た。
【0007】銅と同じように優れた電気と熱伝導性を有
するアルミニウムを導電回路材料として使う構想は以前
からあり(特開昭59−121890号)、アルミニウ
ムとセラミックスをろう材を介して接合するアルミニウ
ム−セラミックス基板についても特開平3−12546
3号、特開平4−12554号に開示されているが、上
述のように高いヒートサイクル耐量が要求される用途に
は依然として充分対応できないものであった。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】アルミニウム−セラミ
ックス基板が優れたヒートサイクル耐量を持つ一方、ヒ
ートサイクルが200回以上になるとアルミニウムの表
面にしわが発生し始め、その上に搭載する電子部品に悪
影響を及ぼす恐れがあるという問題があった。
【0009】
【課題を解決するための手段】上述の問題点を解決する
ために、本発明者らはアルミニウム−セラミックス直接
接合法で作製したアルミニウム−セラミックス基板にお
いて、回路部分並びに電子部品搭載部分3のアルミニウ
ムの結晶粒径を1mm以下に焼鈍処理することによって
アルミニウム表面のしわ発生を防止した。このように作
製した基板のヒートサイクル耐量を調べたところ、優れ
たヒートサイクル耐量を有することが確認され、上述の
問題点が解決でき、本発明を提出することができた。
【0010】即ち、本発明において、第1の発明は、セ
ラミックス基板の少なくとも一主面にアルミニウム材か
らなる電気導通及び電子部品搭載のための金属部分を形
成した金属−セラミックス複合基板において、上記アル
ミニウム材の結晶粒径を1mm以下にしたことを特徴と
するアルミニウム−セラミックス複合基板に関する。上
記セラミックス基板は、A12 3 ,A1N,BeO,
SiC,Si3 4 ,ZrO2 から選択される少なくと
も1種のセラミックス基板である。
【0011】また、本発明における第2の発明は、セラ
ミックス基板の少なくとも一主面に溶湯アルミニウム材
を接合せしめる第1工程、次いで得られた接合体表面を
エッチング処理することにより所定の回路を形成する第
2工程、次いで得られた回路を融点以下の温度で焼鈍処
理して結晶粒径を1mm以下とする第3工程、とから成
るアルミニウム−セラミックス複合基板の製造方法に関
する。
【0012】本発明において使用する基板としては、A
2 3 ,A1N,BeO,SiC,Si3 4 ,Zr
2 等のセラミックス基板やガラス等であり、この場
合、高純度の素材であればなおさらに好ましい。
【0013】また、本発明でベースとして用いる金属は
アルミニウムの純金属または合金であるが、これにより
導電性が向上し、且つ、軟らかさを得るものである。こ
の場合、純度が高い程導電性が向上するが、逆に価格が
高くなるため、本発明では99.9%(3N)の純アル
ミニウムを使用した。
【0014】この金属とセラミックス基板との接合は溶
湯接合法で行ない、これにより高い接合強度と未接欠陥
の少ない複合基板が得られる。また、接合雰囲気として
窒素雰囲気下で行なうことができるため、従来法のよう
に真空下で行なう必要がなく製造コストが安くなり、更
に、窒化アルミニウム基板や炭化硅素基板にも、表面改
質することなく直接に接合することができる(第1工
程)。
【0015】上記溶湯接合法で得られた金属−セラミッ
クス複合基板の一主面にエッチングレジストを加熱圧着
し、遮光、現像処理を行なって所望のパターンを形成し
た後、塩化第2鉄溶液にてエッチングを行なって回路4
を形成する(第2工程)。
【0016】本発明において、第2工程で得られた回路
4や放熱板5でのアルミニウム材の結晶粒径は約2〜6
mm前後であるため、特に回路面を焼鈍処理することに
よって回路面の粒径を1mm以下にする(第3工程)。
【0017】この焼鈍処理は、第2工程で得られたアル
ミニウム−セラミックス複合基板を回路面を上方にして
炉中温度350〜400℃で約80〜120時間かけて
高温状態で維持してアルミニウム粒径を大きくする。
【0018】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明複合
基板(以下、アルミニウム−セラミックス直接接合基板
とする)について詳細に説明する。
【0019】(実施例1)
【0020】図2は本発明のアルミニウム−セラミック
ス直接接合基板を製造するための設備の原理図である。
純度99.9%のアルミニウム2をルツボ6にセットし
てから蓋9をしめて、ケース8の内部に窒素ガスを充填
する。ルツボ6をヒーター7で750℃に加熱し、アル
ミニウムを溶化してから、ルツボ6内に設けたガイド一
体型ダイス10の左側入口からセラミックス基板1とし
て36mm×52mm×0.635mmのアルミナ基板
を順番に挿入した。ルツボ6内に入った該アルミナ基板
にアルミニウム溶湯を接触させ、次いで出口側において
凝固させることによって、厚さ0.5mmのアルミニウ
ム板が両面に接合されたアルミニウム−アルミナ直接接
合基板を得た(第1工程)。
【0021】次いで、該複合基板上のアルミニウム部に
エッチングレジストを加熱圧着し、遮光、現像処理を行
なって所望のパターンを形成した後、塩化第2鉄溶液に
てエッチングを行なって回路4を形成した(第2工
程)。
【0022】次いで、上記回路付接合基板を加熱炉内で
380℃一定・100時間保持して回路表面のアルミニ
ウム粒径を大きくして徐冷した。得られたアルミニウム
粒径を電子顕微鏡で測定後、拡大写真で調べたところ、
当初4mmであったものが0.5mmまで小さくなって
いた。
【0023】該接合基板のヒートサイクル耐量を調べた
ところ、ヒートサイクル1500回以上でもクラックの
発生は見られなかった。また、同様に従来200回以上
で生じたアルミニウムのしわも見られなかった。
【0024】(実施例2)
【0025】セラミックス基板としてアルミナに代えて
窒化アルミニウム板(36mm×52mm×0.635
mm)を用いた他は、実施例1と同様の手段でアルミニ
ウム−窒化アルミニウム直接接合基板を得、そのアルミ
ニウム粒径を調べたところ0.7mmであった。
【0026】得られた接合基板のヒートサイクル耐量を
調べたところ、ヒートサイクル3000回でもクラック
の発生は見られなかった。
【0027】(比較例1)
【0028】比較のため実施例1に示すアルミナ基板を
用いて、厚さ0.3mmの銅板を1063℃で直接接合
して得た複合基板にエッチング処理を施して図1a,図
1bに示すと同一の電子回路を形成した銅−セラミック
ス基板を得、実施例同様ヒートサイクル耐量を調べたと
ころ、ヒートサイクル40回でクラックが発生した。
【0029】
【発明の効果】上述のように本発明方法及び装置によっ
て得たアルミニウム−セラミックス直接接合基板は、従
来の複合基板では得られなかったヒートサイクル耐量に
富み、電気自動車や電車向けのように大電力パワーモジ
ュール基板として特に好ましいものである。
【図面の簡単な説明】
【図1a】本発明に係るアルミニウム−セラミックス直
接接合基板の模式平面図である。
【図1b】図1aのアルミニウム−セラミックス直接基
板の側面図である。
【図2】本発明複合基板の製造装置の原理図である。
【符号の説明】 1 セラミックス基板 2 アルミニウム 3 電子部品搭載部 4 回路 5 放熱板 6 ルツボ 7 ヒーター 8 ケース 9 蓋 10 ガイド一体型ダイス

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 セラミックス基板の少なくとも一主面に
    アルミニウム材からなる電気導通及び電子部品搭載のた
    めの金属部分を形成した金属−セラミックス複合基板に
    おいて、上記アルミニウム材の結晶粒径を1mm以下に
    したことを特徴とするアルミニウム−セラミックス複合
    基板。
  2. 【請求項2】 上記セラミックス基板はA12 3 ,A
    1N,BeO,SiC,Si3 4 ,ZrO2 から選択
    される少なくとも1種のセラミックス基板であることを
    特徴とする請求項1記載のアルミニウム−セラミックス
    複合基板。
  3. 【請求項3】 セラミックス基板の少なくとも一主面に
    溶湯アルミニウム材を接合せしめる第1工程、 次いで得られた接合体表面をエッチング処理することに
    より所定の回路を形成する第2工程、 次いで得られた回路を融点以下の温度で焼鈍処理して結
    晶粒径を1mm以下とする第3工程、 とから成ることを特徴とするアルミニウム−セラミック
    ス複合基板の製造方法。
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