JP4543275B2 - 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、セラミックス基板にアルミニウム−シリコン系合金からなるアルミニウム合金部材が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。

近年、電気自動車や工作機械などの大電流を制御する高信頼性パワーモジュール用の絶縁基板として、セラミックス基板にアルミニウム部材が接合したアルミニウム−セラミックス接合基板が使用されている。

しかし、従来のアルミニウム−セラミックス接合基板では、アルミニウム部材にニッケルめっきなどを施し、半田を介して銅板などの放熱板に接合すると、ヒートサイクルにより半田にクラックが発生して放熱性が低下する場合があった。このような半田クラックは、アルミニウム部材と半田の熱膨張係数の相違のためにヒートサイクルにより接合界面に応力が発生し、この応力により比較的弱い半田層に発生すると考えられる。

このような問題を解消するため、アルミニウム部材としてアルミニウム−シリコン系合金からなるアルミニウム合金部材を使用することが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−３２９８１４号公報（段落番号００１０−００２１）

しかし、溶湯接合法によりアルミニウム−シリコン系合金からなるアルミニウム合金部材をセラミックス基板に接合する場合、アルミニウム−シリコン系合金、特に、０．１〜１．５重量％のＳｉを含むアルミニウム合金は、現在の冷却方法では、通常の冷却条件の最適化による結晶粒の微細化やＳｉのＡｌへの固溶を制御することが非常に難しく、アルミニウム合金部材中にＳｉの濃縮部が存在してしまうという問題があり、特に粒界部にＡｌ−Ｓｉの共晶またはそれに近い組成が存在すると考えられる。そのため、冷却過程においてアルミニウム合金部材の熱間割れが生じ、アルミニウム−セラミックス接合基板として機能しない場合がある。また、アルミニウム合金部材に回路を形成するためにエッチングを行うと、セラミック基板の表面にＳｉの濃縮部が溶けずに残ってしまい、アルミニウム−セラミックス接合基板の所望の絶縁特性を得ることができない場合がある。

したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、セラミックス基板に接合したアルミニウム合金部材のアルミニウム−シリコン系合金の結晶粒を微細化することにより、Ｓｉのマクロ的な偏析を防止し、セラミックス基板の表面のＳｉの残留を防止し、良好な絶縁性を有するアルミニウム−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。また、本発明は、放熱板を半田付けした場合にも、ヒートサイクルによる半田クラックの発生を防止し、放熱性の低下を防止することができる、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−シリコン系合金に第３元素としてホウ素を添加することにより、結晶粒を微細化して粒界を増加させ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は、アルミニウム−シリコン系合金からなるアルミニウム合金部材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において、アルミニウム−シリコン系合金がホウ素を含有す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−シリコン系合金は、好ましくは０．１〜１．５重量％、さらに好ましくは０．２〜１．０重量％のシリコンを含有し、好ましくは０．０２重量％以上、さらに好ましくは０．０３〜０．１０重量％のホウ素を含有する。このアルミニウム−セラミックス接合基板において、アルミニウム合金部材の表面の全部または一部にＮｉまたはＮｉ合金めっきを施してもよい。

また、本発明によるアルミニウム−セラミックス接合基板の製造方法は、鋳型内にセラミックス基板を設置した後、このセラミックス基板の少なくとも一方の面に接触するようにアルミニウム−シリコン系合金の溶湯を鋳型内に注湯し、冷却してアルミニウム−シリコン系合金の溶湯を固化させることにより、セラミックス基板にアルミニウム合金部材を直接接触させて接合するアルミニウム−セラミックス接合基板の製造方法において、アルミニウム−シリコン系合金がホウ素を含有す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、アルミニウム−シリコン系合金は、好ましくは０．１〜１．５重量％、さらに好ましくは０．２〜１．０重量％のシリコンを含有し、好ましくは０．０２重量％以上、さらに好ましくは０．０３〜０．１０重量％のホウ素を含有する。

さらに、本発明によるパワーモジュールは、上記のアルミニウム−セラミックス接合基板を用いたことを特徴とする。

本発明によれば、セラミックス基板に接合したアルミニウム合金部材のアルミニウム−シリコン系合金の結晶粒を微細化して粒界を増加させ、Ｓｉを分散させて、セラミックス基板の表面へのＳｉの残留を防止し、アルミニウム合金部材の熱間割れを防止するとともに、アルミニウム−セラミックス接合基板の絶縁特性を向上させ、歩留を向上させることができる。また、放熱板を半田付けした場合にも、ヒートサイクルによる半田クラックの発生を防止して放熱性の低下を防止し、さらにセラミックス基板にクラックが発生するのを防止し、ヒートサイクル性（信頼性）を向上させることができる。

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一実施の形態では、アルミニウム−シリコン系合金からなるアルミニウム合金部材を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溶湯接合法により製造する際に、アルミニウム−シリコン系合金（Ａｌ−Ｓｉ）にホウ素（Ｂ）を添加することにより、アルミニウム合金部材の結晶粒を微細化し、アルミニウム合金部材の熱間割れを抑制するとともに、Ｓｉを分散させる。また、結晶粒を微細化することにより、ヒートサイクルによってアルミニウム合金部材表面の粒界に局部的なうねりが発生するのを抑制する。これにより、アルミニウム合金部材に放熱板や半導体チップなどを半田付けした場合にヒートサイクルによる半田クラックの発生が抑えられ、信頼性が向上すると考えられる。また、従来では、冷却速度などの冷却条件がＳｉの析出（濃縮）に非常に大きな影響を与えているため、冷却条件を制御しながら生産している。しかし、例えば、結晶粒を微細化するために急冷などを行うように冷却条件を制御しようとしても、鋳型の熱容量が大きい等の問題により、その制御が困難である。一方、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、ホウ素の添加によりＳｉを分散させることができるため、比較的広範囲の冷却条件で冷却することができるようになり、生産性を向上させることができる。すなわち、アルミニウム−シリコン系合金の本来の特性を維持しつつ、アルミニウム−セラミックス接合基板の信頼性、生産性および歩留を向上させることができる。

アルミニウム−シリコン系合金は、好ましくは０．１〜１．５重量％、さらに好ましくは０．２〜１．０重量％、最も好ましくは０．２〜０．６重量％のシリコンを含有する。この範囲では、アルミニウム−シリコン系合金がアルミニウム−セラミックス接合基板として所望の高い熱伝導率と適当な硬さを有するからである。すなわち、アルミニウム−セラミックス接合基板に実装したチップなどの放熱のため、アルミニウム−シリコン系合金は、１７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高い熱伝導率を有するのが好ましく、２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高い熱伝導率を有するのがさらに好ましい。また、アルミニウム−シリコン系合金の硬さは、軟らか過ぎると放熱板やチップとアルミニウム−セラミックス接合基板を半田付けした場合にヒートサイクルなどの熱衝撃により半田クラックが発生するおそれがあり、一方、硬過ぎるとヒートサイクルなどの熱衝撃によりセラミックス基板が割れる場合があるので、表面のビッカース硬度がＨｖ２５〜４０であるのが好ましい。アルミニウム−シリコン系合金がこのような高い熱伝導率と適当な硬さを有するには、アルミニウム−シリコン系合金が上記の範囲のシリコンを含有するのが好ましい。

Ｂ（ホウ素）は、アルミニウム−シリコン合金の結晶粒を小さくしてＳｉを分散させる効果を有し、アルミニウム−シリコン合金の熱間割れを防止する。Ｂの添加量は、好ましくは０．０２重量％以上、さらに好ましくは０．０２〜０．１０重量％である。Ｂの添加量が０．０２重量％未満であると結晶粒の微細化効果が小さく、０．０２重量％以上であれば充分な効果が得られる。さらに、Ｂの添加量が０．０２〜０．１０重量％であれば、Ｂの過剰添加によってアルミニウム−シリコン系合金の熱伝導率が低下したりアルミニウム−シリコン系合金が必要以上に硬くなることを防止することができるとともに、高価なＢを必要以上に添加することを防止することができる。また、Ｂの添加量が上記の範囲内であれば、Ｂの添加による熱伝導率の劣化や硬度の上昇を防止することができる。

セラミックス基板とアルミニウム合金板の接合は、溶湯接合法によって行うのが好ましく、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、特別な冷却条件の制御や特別な設備を必要とせずに、良好なアルミニウム−セラミックス接合基板を得ることができる。通常、溶湯接合法では、アルミニウム合金板をセラミックス基板に接合した後に冷却する際に、例えば、冷却条件を制御する場合には設備的な面から冷却速度を大きくすることが難しく、そのため、例えば、数ｃｍ以上の粗大な結晶粒になり、粒界の面積が小さいために粒界にＳｉが濃縮し易いと考えられる。さらに、エッチングの際にもそのＳｉを除去することができず、電気的絶縁に問題が生じる場合があることがわかった。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、適量のＢを添加することにより、結晶粒経を１ｍｍ以下、さらには０．５ｍｍ以下にして結晶を微細化することができ、また、Ｓｉをマクロ的に分散させることができ、アルミニウム合金板の不要な部分を問題なく除去することができる。すなわち、結晶粒が微細化されても粒界にＳｉの濃度が高い部分が生じるのは変わらないが、粒界が網目状に存在するために、全体としてＳｉが分散されて、極端に濃度が高いＳｉの濃縮部が形成されないと考えられる。また、セラミックス基板上にＳｉが付着して残留している場合に、専用の薬液の使用によりＳｉを除去することも考えられるが、量産性に優れた塩化鉄や塩化銅によっては、基板に付着したＳｉの濃縮部分を除去することができないという問題があり、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、この問題を解決することができる。

さらに、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では、アルミニウム−シリコン系合金の硬さを上述した範囲にするとともに、結晶粒を微細化することにより、ヒートサイクル後の半田クラックの発生を抑えることができる。従来では、ヒートサイクル試験において、アルミニウム−シリコン合金と半田の熱膨張差が原因と考えられる応力の発生により、半田クラックが発生する現象が見られる場合があった。ヒートサイクルによりアルミニウム−シリコン合金の表面の粒界に大きな「うねり（しわ）」が発生し、このうねりにより半田クラックが発生すると考えられ、このうねりを小さくする必要がある。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、結晶粒を小さくすることによって、うねりが発生する粒界が多く存在するために、うねりが発生する部分が分散され、それによって、うねりを小さくすることができ、半田クラックの発生を抑えることができると考えられる。

上述したように、アルミニウム−セラミックス接合基板に放熱板やチップを半田付けした場合に、半田クラックの発生を防止する効果が大きく、半田クラックの発生を防止して放熱性の低下を防止することができる。この場合、アルミニウム合金板は半田濡れ性が悪いため、アルミニウム合金板の表面の全部または所定の部分にＮｉまたはＮｉ合金めっきなどを施した後に放熱板やチップを半田付けするのが好ましい。

また、溶湯接合法によりアルミニウム合金板とセラミックス基板を接合する場合には、例えば、上述した特許文献１に記載された従来の製造装置をそのまま適用することができ、製造設備を新設あるいは大きく改良することなく、本発明によるアルミニウム−セラミックス接合基板を製造することができる。

また、本発明によるアルミニウム−セラミックス接合基板を用いて、通常のアセンブリ工程、例えば、放熱板およびチップなどの半田付け、ワイヤボンディングなどによる配線、プラスチックパッケージの接着、絶縁ゲルの注入などの工程を経て、パワーモジュールが完成する。

以下、添付図面を参照して、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］
窒化アルミニウム基板を収容した鋳型を炉内に入れ、炉内を窒素雰囲気にした状態で７４０℃まで加熱し、０．５重量％のシリコンと０．０４重量％のホウ素を含有するアルミニウム合金を、酸化被膜を取り除きながら、鋳型内に流し込んだ。その後、鋳型を冷却して溶湯を凝固させ、さらに室温まで冷却した。このようにして、セラミックス基板１０の両面にそれぞれ厚さ０．１５ｍｍおよび０．４ｍｍのアルミニウム合金板１２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た。その後、アルミニウム合金板１２の表面を研磨し、その上に所定の形状のエッチングレジストを印刷し、塩化第二鉄溶液によってエッチング処理を行って、図１に示すような回路パターンを形成した。

このようにして得られた接合体のアルミニウム合金板１２の表面の合金の平均結晶粒径を測定したところ、約２００〜３００μｍであり、セラミックス基板１０の表面にＳｉの析出（残留）はなかった。

また、アルミニウム合金板１２のビッカース硬度はＨｖ２９．４、体積抵抗率は２．８９μΩｃｍ、レーザーフラッシュ法により測定した熱伝導率は１９１Ｗ／ｍＫであった。

また、得られた接合体について、アルミニウム合金板１２とセラミックス基板１０との間の接合界面を超音波探傷装置によって調べたところ、接合欠陥が認められず、セラミックス基板１０にクラックが認められなかった。

さらに、得られた接合体について、アルミニウム合金板１２上に厚さ３μｍのＮｉ−Ｐの無電解めっきを施し、−４０℃で３０分間保持、２５℃で１０分間保持、１２５℃で３０分間保持、２５℃で１０分間保持を１サイクルとするヒートサイクルを３０００回行った後、上記の接合界面を超音波探傷装置によって調べたところ、接合欠陥が認められず、セラミックス基板１０にクラックが認められなかった。また、アルミニウム合金板１２に細かいうねりが均一に発生した。このような細かいうねりが新たに均一に発生したことにより、放熱板を半田付けしたときに半田に加わる応力が小さくなった。

［実施例２〜５］
ホウ素の添加量を０．０３重量％（実施例２）、０．０６重量％（実施例３）、０．０８重量％（実施例４）、０．１０重量％（実施例５）とした以外は実施例１と同様の方法により得られた接合体について、実施例１と同様の評価を行った。その結果、Ｂの添加量が０．０３重量％以上で合金の結晶粒が極端に微細化し、０．０６重量％以上では、実施例１および実施例２と比べて合金の結晶粒の微細化の程度は特に変わらなかった。

［実施例６］
０．１重量％のシリコンと０．０５重量％のホウ素を含有するアルミニウム合金を用いた以外は実施例１と同様の方法により得られた接合体について、実施例１と同様の評価を行った。その結果、アルミニウム合金板１２の表面の合金の平均結晶粒径は約２００〜３００μｍであり、セラミックス基板１０の表面にＳｉの析出（残留）はなかった。また、アルミニウム合金板１２のビッカース硬度はＨｖ２２．０であった。

［実施例７］
０．２重量％のシリコンと０．０５重量％のホウ素を含有するアルミニウム合金を用いた以外は実施例１と同様の方法により得られた接合体について、実施例１と同様の評価を行った。その結果、アルミニウム合金板１２の表面の合金の平均結晶粒径は約２００〜３００μｍであり、セラミックス基板１０の表面にＳｉの析出（残留）はなかった。また、アルミニウム合金板１２のビッカース硬度はＨｖ２５．４であった。

［実施例８］
１．０重量％のシリコンと０．０５重量％のホウ素を含有するアルミニウム合金を用いた以外は実施例１と同様の方法により得られた接合体について、実施例１と同様の評価を行った。その結果、アルミニウム合金板１２の表面の合金の平均結晶粒径は約２００〜３００μｍであり、セラミックス基板１０の表面にＳｉの析出（残留）はなかった。また、アルミニウム合金板１２のビッカース硬度はＨｖ３７．２であった。

［比較例１］
ホウ素を添加しなかった以外は実施例１と同様の方法により得られた接合体について、実施例１と同様の評価を行った。その結果、アルミニウム合金板１２の表面の平均結晶粒経は約３ｃｍと非常に大きく、結晶粒内にデンドライトが発生していた。

また、ビッカース硬度はＨｖ２９．０、体積抵抗率は２．９４μΩｃｍ、熱伝導率は１９６Ｗ／ｍＫであった。さらに、ヒートサイクル３０００回後にアルミニウム合金板に局部的な大きなうねりあった。このような局部的な大きなうねりは、半田付けした場合に半田クラックの発生原因になる。また、Ｓｉが線状に析出した部分が多く、それらの部分に割れの発生率が高かった。

この比較例１と実施例とを比較すると、実施例では、アルミニウム−シリコン系合金にホウ素を添加することにより、合金の結晶粒を大幅に微細化して粒界の数を増大させることができるので、それらの多くの結晶粒界にＳｉを均一に拡散させ、比較例１のようなＳｉが線状に析出（濃縮）する部分が発生するのを抑制することができる。また、ビッカース硬度、体積抵抗率および熱伝導率はそれ程変化がなく、実施例のアルミニウム−シリコン系合金も比較例１と同様の特性を維持していることがわかる。

［比較例２］
ホウ素の添加量を０．０１重量％とした以外は実施例１と同様の方法により得られた接合体について、実施例１と同様の評価を行った。その結果、ホウ素の添加量が少な過ぎるため、合金の結晶粒が大きく、ヒートサイクル１０００回後に大きなうねりが発生した。このような大きなうねりは、半田付けした場合に半田クラックの発生原因になる。したがって、ホウ素の添加量が０．０１重量％では、合金の結晶粒を微細化するには不十分であることがわかる。

本発明によるアルミニウム−セラミックス基板の実施例の平面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。

符号の説明

１０ セラミックス基板
１２ アルミニウム合金板

Claims (7)

1. アルミニウムに０．１〜１．０重量％のシリコンが添加されるとともに第３元素として０．０３〜０．１０重量％のホウ素が添加されたアルミニウム合金からなるアルミニウム合金部材がセラミックス基板に接合してい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。
2. 前記アルミニウム合金中のシリコン含有量が０．２〜１．０重量％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。
3. 前記アルミニウム合金部材の表面の全部または一部にＮｉまたはＮｉ合金めっきを施したことを特徴とする、請求項１または２に記載のアルミニウム−セラミックス接合基板。
4. 前記アルミニウム合金部材が溶湯接合法によってセラミックス基板に接合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アルミニウム−セラミックス接合基板。
5. 鋳型内にセラミックス基板を設置した後、このセラミックス基板の少なくとも一方の面に接触するようにアルミニウム合金の溶湯を鋳型内に注湯し、冷却して前記アルミニウム合金の溶湯を固化させることにより、セラミックス基板に前記アルミニウム合金の部材を直接接触させて接合するアルミニウム−セラミックス接合基板の製造方法において、前記アルミニウム合金が、アルミニウムに０．１〜１．０重量％のシリコンが添加されるとともに第３元素として０．０３〜０．１０重量％のホウ素が添加されたアルミニウム合金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の製造方法。
6. 前記アルミニウム合金中のシリコン含有量が０．２〜１．０重量％であることを特徴とする、請求項５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. 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を用いたパワーモジュール。
   

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