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JP7383582B2 - 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
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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 Download PDF

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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、珪素含有するアルミニウム合金からなるアルミニウム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。このようなアルミニウム－セラミックス接合基板では、半田を介してアルミニウム部材を銅板などの放熱板に接合すると、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って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クラックが発生して放熱性が低下する場合がある。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（０．２～５重量％の）珪素を含有するアルミニウム合金（アルミニウム－珪素系合金）からなるアルミニウム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）。
しかし、アルミニウム－珪素系合金、特に０．１～１．５重量％の珪素を含有するアルミニウム合金からなるアルミニウム部材を溶湯接合法によりセラミックス基板に接合する場合には、通常の冷却条件の最適化による結晶粒の微細化が難しく、珪素が結晶粒界に過度に析出したり、アルミニウム部材中に珪素の濃縮部が存在してしまうという問題がある。そのため、冷却過程においてアルミニウム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珪素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。
このような問題を解消するため、アルミニウム－珪素系合金にホウ素を添加したアルミニウム－珪素－ホウ素系合金を溶湯接合法によりセラミックス基板に接合することにより、結晶粒を微細化して粒界を増加させて、珪素のマクロ的な偏析を防止し、セラミックス基板の表面に珪素が残留するのを防止し、アルミニウム－セラミックス接合基板の絶縁性を向上させるとともに、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提案されている（例えば、特許文献２参照）。
しかし、アルミニウム－珪素－ホウ素系合金からなるアルミニウム部材を溶湯接合法によりセラミックス基板に接合すると、結晶粒が微細化するものの、凝固の際にアルミニウム－ホウ素化合物が晶出して、このアルミニウム－ホウ素化合物が、珪素を固溶したアルミニウムの核として残存し、あるいはデンドライト間隙に残存するため、アルミニウム部材に回路を形成するためにエッチングを行うと、セラミックス基板の表面にアルミニウム－ホウ素化合物が溶けずに残ってしまう場合がある。また、その後に回路にめっきを施すと、その残留したアルミニウム－ホウ素化合物上にめっきが施されて、パタ－ン間の絶縁抵抗不良や外観不良が生じるという問題がある。また、アルミニウム部材の表面に析出したアルミニウム－ホウ素化合物によって、めっき性が低下するという問題もある。
このような問題を解消するため、珪素とホウ素を含有するアルミニウム合金からなるアルミニウム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、アルミニウム合金の結晶粒を微細化して粒界を増加させるとともに、アルミニウム－ホウ素化合物の析出を効果的に抑制し、良好にエッチングを行うことができ且つめっき性を向上させることができる、アルミニウム－セラミックス接合基板として、アルミニウム合金からなるアルミニウム部材がセラミックス基板に接合されたアルミニウム－セラミックス接合基板において、アルミニウム合金が、珪素０．１～１．５重量％とホウ素０．０２～０．１重量％を含有し、鉄０．００５～０．２重量％と、亜鉛、銅、銀およびマグネシウムからなる群から選ばれる１種以上の元素０．００５～０．３重量％と、チタン、バナジウムおよびマンガンからなる群から選ばれる１種以上の元素０．００１～０．０５重量％とのうちのいずれか１種以上の元素を含有し、残部がアルミニウムと不可避不純物とからなるアルミニウム－セラミックス接合基板が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
特開２００２－３２９８１４号公報（段落番号００１０－００２１） 特開２００５－２５２１３６号公報（段落番号００１０－００１２） 特開２００７－９２１５９号公報（段落番号０００９）
しかし、特許文献３のアルミニウム－セラミックス接合基板では、アルミニウム合金からなるアルミニウム部材とセラミックス基板との間に接合欠陥となる未接合部が生じたり、接合時や接合後にヒートサイクルが繰り返し加えられたときに、アルミニウム合金とセラミックスの間の熱膨張差による応力の発生によりセラミックス基板にクラックが発生して、耐ヒートサイクル性に劣る場合がある。
したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、セラミックス基板の一方の面にアルミニウム合金からなる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合金からなる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において、アルミニウム板およびアルミニウムベース板とセラミックス基板との間の接合欠陥が少なく、耐ヒートサイクル性に優れたアルミニウム－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、セラミックス基板の一方の面にアルミニウム合金からなる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合金からなる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において、アルミニウムベース板より強度が高い板状の強化部材をアルミニウムベース板の内部に配置してアルミニウムベース板に直接接合させるとともに、アルミニウム合金として、０．０１～０．２質量％のマグネシウムと０．０１～０．１質量％の珪素を含有し、残部がアルミニウムと不可避不純物からなるアルミニウム合金を使用することにより、アルミニウム板およびアルミニウムベース板とセラミックス基板との間の接合欠陥が少なく、耐ヒートサイクル性に優れたアルミニウム－セラミックス接合基板およびその製造方法を提供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は、セラミックス基板の一方の面にアルミニウム合金からなる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合金からなる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において、アルミニウムベース板より強度が高い板状の強化部材がアルミニウムベース板の内部に配置されてアルミニウムベース板に直接接合するとともに、アルミニウム合金が、０．０１～０．２質量％のマグネシウムと０．０１～０．１質量％の珪素を含有し、残部がアルミニウムと不可避不純物からなるアルミニウム合金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、アルミニウム合金が０．０１～０．１質量％のチタンを含有してもよい。アルミニウム板の表面の平均結晶粒径は７ｍｍ以下であるのが好ましい。アルミニウム板のビッカース硬さＨＶは２３以下であるのが好ましく、アルミニウム－セラミックス回路基板に－４０℃×３０分→２５℃×１０分→１５０℃×３０分→２５℃×１０分のヒートサイクルを繰り返し１０００回加えた後のアルミニウム板のビッカース硬さＨＶは２５以下であるのが好ましい。アルミニウムベース板の熱伝導率は１８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であるのが好ましい。強化部材は、アルミニウムベース板のセラミックス基板との接合面と平行に延びているのが好ましく、アルミニウム合金より融点が高い金属またはセラミックスからなるのが好ましい。セラミックス基板は、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素および炭化珪素からなる群から選ばれる１種以上からなるのが好ましい。
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と強化部材とを離間して配置させ、鋳型内のセラミックス基板の両面と強化部材の表面に接触するようにアルミニウム合金の溶湯を流し込んで冷却することによって、アルミニウム合金からなるアルミニウム板をセラミックス基板の一方の面に形成してセラミックス基板に直接接合させ、アルミニウム合金からなるアルミニウムベース板をセラミックス基板の他方の面に形成してセラミックス基板に直接接合させるとともに、強化部材をアルミニウムベース板に取り囲まれるように配置してアルミニウムベース板に直接接合させて、アルミニウム－セラミックス接合基板を製造する方法において、アルミニウム合金が、０．０１～０．２質量％のマグネシウムと０．０１～０．１質量％の珪素を含有し、残部がアルミニウムと不可避不純物からなるアルミニウム合金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の製造方法において、アルミニウム合金が０．０１～０．１質量％のチタンを含有してもよい。強化部材は、アルミニウム合金より融点が高い金属またはセラミックスからなるのが好ましく、セラミックス基板は、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素および炭化珪素からなる群から選ばれる１種以上からなるのが好ましい。
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合金からなる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合金からなる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において、アルミニウム板およびアルミニウムベース板とセラミックス基板との間の接合欠陥が少なく、耐ヒートサイクル性に優れたアルミニウム－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実施の形態の平面図である。 図１のＩＩ－ＩＩ線断面図である。
本発明によるアルミニウム－セラミックス接合基板の実施の形態は、図１および図２に示すように、（図示した実施の形態では平面形状が略矩形の）アルミニウム合金からなるアルミニウムベース板１０と、このアルミニウムベース板１０に一方の面が直接接合した（図示した実施の形態では平面形状が略矩形の）セラミックス基板１２と、このセラミックス基板１２の他方の面に直接接合した（図示した実施の形態では平面形状が略矩形の）アルミニウム合金からなる回路パターン用のアルミニウム板１４とを備えている。また、アルミニウムベース板１０の内部には、（図示した実施の形態では平面形状が略矩形の）板状の強化部材１６が、アルミニウムベース板１０のセラミックス基板１２との接合面と略平行な（仮想）平面上に配置され、強化部材１６の表面はアルミニウムベース板１０に直接接合している。このようにアルミニウムベース板１０の内部に配置された強化部材１６により、アルミニウム－セラミックス接合基板の反りおよびそのばらつき、特に長手方向の反りおよびそのばらつきを小さくすることができる。
なお、アルミニウムベース板１０およびアルミニウム板１４のアルミニウム合金は、０．０１～０．２質量％（好ましくは０．０２～０．１５質量％）のマグネシウムと０．０１～０．１質量％（好ましくは０．０２～０．０８質量％）の珪素を含有し、残部がアルミニウムと不可避不純物からなるアルミニウム合金（Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ合金）であり、さらに０．０１～０．１質量％のチタンを含有するアルミニウム合金（Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ－Ｔｉ合金）でもよい。このアルミニウム合金は、純度９９．９質量％（３Ｎ）のアルミニウムからなる母材にマグネシウムと珪素（さらにチタン）を添加して得られた合金でもよい。
（回路パターン用の）アルミニウム板１４の表面の平均結晶粒径は、７ｍｍ以下であるのが好ましく、６ｍｍ以下であるのがさらに好ましい。
アルミニウム板のビッカース硬さＨＶは、２３以下であるのが好ましく、２０以下であるのがさらに好ましい。また、アルミニウム－セラミックス回路基板に－４０℃×３０分→２５℃×１０分→１５０℃×３０分→２５℃×１０分のヒートサイクルを繰り返し１０００回加えた後のアルミニウム板のビッカース硬さＨＶは２５以下であるのが好ましい。
アルミニウムベース板の熱伝導率は、１８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であるのが好ましく、２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であるのがさらに好ましい。
セラミックス基板１２は、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素および炭化珪素からなる群から選ばれる１種以上からなるのが好ましい。
強化部材１６は、アルミニウムベース合金より融点および強度が高い金属やセラミックスからなるのが好ましく、窒化アルミニウムからなるのがさらに好ましい。
上記の実施の形態のアルミニウム－セラミックス接合基板は、鋳型内にセラミックス基板１２と強化部材１６とを離間して配置させ、鋳型２０内のセラミックス基板１２の両面と強化部材１６の表面に接触するようにアルミニウム合金の溶湯を流し込んで冷却することによって製造することができる。
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]
まず、カーボン製の鋳型内に、１２０ｍｍ×９２ｍｍ×１ｍｍの大きさのＡｌＮからなるセラミックス基板と１２６ｍｍ×９４ｍｍ×１ｍｍの大きさのＡｌＮからなる強化部材とを２．６ｍｍ離間して配置させ、この鋳型を炉内に入れ、炉内を窒素雰囲気にして酸素濃度を４ｐｐｍ以下まで低下させた。この状態でヒーターの温度制御によって鋳型を７２０℃まで加熱した後、７２０℃まで加熱した（０．０２５質量％のマグネシウムと０．０４質量％の珪素と０．０２質量％のチタンを含有し、残部がアルミニウムと不可避不純物（０．０４質量％未満の鉄と０．０２質量％未満のホウ素）からなる）アルミニウム合金の溶湯を、鋳型の注湯口に取り付けられた注湯ノズルから、窒素ガスによって加圧して、溶湯の表面の酸化皮膜を取り除きながら、鋳型内に流し込んで充填した後、注湯ノズルから注湯口に窒素ガスを吹き込むことによって、鋳型内の溶湯を加圧したまま約２０℃／分の冷却速度で冷却して溶湯を凝固させ、その後、約５０℃／分の冷却速度で冷却した。このようにして、所謂溶湯接合法により、１２６ｍｍ×９４ｍｍ×１ｍｍの大きさの強化部材が内部に配置されて直接接合した１４０ｍｍ×１００ｍｍ×４ｍｍの大きさのアルミニウムベース板が１２０ｍｍ×９２ｍｍ×１ｍｍの大きさのセラミックス基板の一方の面に直接接合するとともに、セラミックス基板の他方の面に１１４ｍｍ×８６ｍｍ×０．４ｍｍの大きさの回路パターン用のアルミニウム板が直接接合した金属－セラミックス接合基板を製造した。
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回路パターン用のアルミニウム板の表面を苛性ソーダで洗浄し、バフ研磨し、塩化第二鉄溶液によってエッチング処理を行った後、その表面を光学顕微鏡により観察して、その表面の平均結晶粒径をＪＩＳ Ｈ０５０１の切断法に準じた方法により求めたところ、１ｍｍ以下であった。また、このアルミニウム－セラミックス接合基板のアルミニウムベース板（のアルミニウム合金）の熱伝導率をレーザーフラッシュ法により求めたところ、２０６Ｗ／ｍ・Ｋであった。
また、得られた金属－セラミックス接合基板の回路パターン用のアルミニウム板の表面を苛性ソーダで洗浄し、バフ研磨した後、その回路パターン用のアルミニウム板の表面にレジストを形成し、塩化第二鉄溶液によってエッチング処理を行うことにより、回路パターン用のアルミニウム板の不要部分を除去して所望の回路パターンのアルミニウム回路板を形成し、その後、レジスト剥離液によりレジストを剥離して、アルミニウム－セラミックス回路基板を作製した。
このようにして作製したアルミニウム－セラミックス回路基板のアルミニウム回路板の表面の一部に厚さ５μｍのニッケルめっき皮膜を形成した後、窒素雰囲気中において２８０℃で３分間加熱した後に３６０℃で３分間加熱する耐熱試験を行って、肉眼で観察したところ、ニッケルめっき皮膜の膨れはなかった。また、ニッケルめっき皮膜上にチップ部品を半田付けした後、アルミニウム－セラミックス回路基板に－４０℃×３０分→２５℃×１０分→１５０℃×３０分→２５℃×１０分のヒートサイクルを繰り返し１０００回加えた後でも、チップ部品の割れはなかった。
また、作製したアルミニウム－セラミックス回路基板について、セラミックス基板とアルミニウム回路板との接合部を超音波探傷装置（ＳＡＴ）（日立建機ファインテック株式会社製のＦＳ１００ＩＩ）により観察したところ、未接合部はなく、また、外観を肉眼で観察したところ、引け巣や粒界割れなどの接合欠陥がなく良好に接合されていた。
また、作製したアルミニウム－セラミックス回路基板について、アルミニウム回路板のビッカース硬さ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１０ｇｆを５秒間加えて測定したところ、ビッカース硬さＨＶは１６．７であった。また、アルミニウム回路板の表面の表面粗さとして算術平均粗さＲａを求めたところ、算術平均粗さＲａは０．５０μｍであった。
また、作製したアルミニウム－セラミックス回路基板に－４０℃×４分→常温×３０秒→１２５℃×４分→常温３０秒のヒートショックを繰り返し５００回加えた後、１０００回加えた後、１５００回加えた後、２０００回加えた後に、上記と同様の方法により、アルミニウム回路板のビッカース硬さＨＶを測定したところ、それぞれ１７．８、１８．３、１８．５および１８．７であった。また、上記のヒートショックを繰り返し５００回加えた後、１０００回加えた後に、上記と同様の方法により、アルミニウム回路板の表面の算術平均粗さＲａを求めたところ、それぞれ０．８４μｍおよび１．２４μｍであった。
また、作製したアルミニウム－セラミックス回路基板に－４０℃×３０分→２５℃×１０分→１５０℃×３０分→２５℃×１０分のヒートサイクルを繰り返し１００回加えた後、３００回加えた後、５００回加えた後、１０００回加えた後に、上記と同様の方法により、アルミニウム回路板のビッカース硬さＨＶを測定したところ、それぞれ１８．０、１８．５、１８．６および１９．８であり、アルミニウム回路板の表面の算術平均粗さＲａを求めたところ、それぞれ０．６７μｍ、０．９１μｍ、１．１３μｍおよび１．８０μｍであった。このヒートサイクル１０００回後にセラミックス基板にクラックの発生はなかった。
[実施例２]
アルミニウム合金中のマグネシウムの含有量を０．０５質量％にした以外は、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製造し、回路パターン用のアルミニウム板の表面の平均結晶粒径を求めたところ、１ｍｍ以下であった。また、このアルミニウム－セラミックス接合基板のアルミニウムベース板の熱伝導率を、実施例１と同様の方法により求めたところ、２０４Ｗ／ｍ・Ｋであった。
また、実施例１と同様の方法により、アルミニウム－セラミックス回路基板を作製し、そのアルミニウム回路板の表面の一部に形成したニッケルめっき皮膜を耐熱試験後に肉眼で観察したところ、ニッケルめっき皮膜の膨れはなく、ニッケルめっき皮膜上に半田付けしたチップ部品には（ヒートサイクル１０００回後でも）割れはなかった。
また、実施例１と同様の方法により、セラミックス基板とアルミニウム回路板との接合部を観察したところ、未接合部はなく、引け巣や粒界割れなどの接合欠陥がなく良好に接合されていた。
また、実施例１と同様の方法により、アルミニウム－セラミックス回路基板のアルミニウム回路板のビッカース硬さＨＶを測定し、算術平均粗さＲａを求めたところ、ビッカース硬さＨＶは１６．７であり、算術平均粗さＲａは０．６６μｍであった。
また、実施例１と同様の方法により、アルミニウム－セラミックス回路基板にヒートショックを繰り返し５００回加えた後、１０００回加えた後に、アルミニウム回路板のビッカース硬さＨＶを測定したところ、それぞれ１９．１および２０．１であり、アルミニウム回路板の表面の算術平均粗さＲａを求めたところ、それぞれ０．７２μｍおよび０．９６μｍであった。
また、実施例１と同様の方法により、アルミニウム－セラミックス回路基板にヒートサイクルを繰り返し１００回加えた後、３００回加えた後、５００回加えた後、１０００回加えた後に、アルミニウム回路板のビッカース硬さＨＶを測定したところ、それぞれ１８．８、１９．２、２０．６および２２．２であり、アルミニウム回路板の表面の算術平均粗さＲａを求めたところ、それぞれ０．６４μｍ、０．８３μｍ、１．１９μｍおよび１．９１μｍであった。このヒートサイクル１０００回後にセラミックス基板にクラックの発生はなかった。
[実施例３]
アルミニウム合金として、０．０２５質量％のマグネシウムと０．０４質量％の珪素を含有し、残部がアルミニウムと不可避不純物（０．０４質量％未満の鉄）からなるアルミニウム合金を使用した以外は、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製造し、回路パターン用のアルミニウム板の表面の平均結晶粒径を求めたところ、２～５ｍｍであった。
また、実施例１と同様の方法により、アルミニウム－セラミックス回路基板を作製し、そのアルミニウム回路板の表面の一部に形成したニッケルめっき皮膜を耐熱試験後に観察したところ、ニッケルめっき皮膜の膨れはなく、ニッケルめっき皮膜上に半田付けしたチップ部品には（ヒートサイクル１０００回後でも）割れはなかった。
また、実施例１と同様の方法により、セラミックス基板とアルミニウム回路板との接合部を観察したところ、未接合部はなく、引け巣や粒界割れなどの接合欠陥がなく良好に接合されていた。
また、実施例１と同様の方法により、アルミニウム－セラミックス回路基板にヒートサイクルを繰り返し１０００回加えた後にセラミックス基板にクラックの発生はなかった。
[実施例４]
アルミニウム合金として、０．０５質量％のマグネシウムと０．０４質量％の珪素を含有し、残部がアルミニウムと不可避不純物（０．０４質量％未満の鉄）からなるアルミニウム合金を使用した以外は、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製造し、回路パターン用のアルミニウム板の表面の平均結晶粒径を求めたところ、２～５ｍｍであった。また、このアルミニウム－セラミックス接合基板のアルミニウムベース板の熱伝導率を、実施例１と同様の方法により求めたところ、２０４Ｗ／ｍ・Ｋであった。
また、実施例１と同様の方法により、アルミニウム－セラミックス回路基板を作製し、そのアルミニウム回路板の表面の一部に形成したニッケルめっき皮膜を耐熱試験後に観察したところ、ニッケルめっき皮膜の膨れはなく、ニッケルめっき皮膜上に半田付けしたチップ部品には（ヒートサイクル１０００回後でも）割れはなかった。
また、実施例１と同様の方法により、セラミックス基板とアルミニウム回路板との接合部を観察したところ、未接合部はなく、引け巣や粒界割れなどの接合欠陥がなく良好に接合されていた。
また、実施例１と同様の方法により、アルミニウム－セラミックス回路基板にヒートサイクルを繰り返し１０００回加えた後にセラミックス基板にクラックの発生はなかった。
[実施例５]
アルミニウム合金として、純度９９．９質量％（３Ｎ）のアルミニウムに、０．２０～０．６０質量％の珪素と０．４５～０．９０質量％のマグネシウムを含有し、残部がアルミニウムと不可避不純物（０．３５質量％未満の鉄）からなるアルミニウム合金を添加して得られた合金（０．０４質量％の珪素と０．０２５質量％のマグネシウムを含有し、残部がアルミニウムと不可避不純物（０．０４質量％未満の鉄）からなるアルミニウム合金）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製造し、回路パターン用のアルミニウム板の表面の平均結晶粒径を求めたところ、２～５ｍｍであった。
また、実施例１と同様の方法により、アルミニウム－セラミックス回路基板を作製し、そのアルミニウム回路板の表面の一部に形成したニッケルめっき皮膜を耐熱試験後に肉眼で観察したところ、ニッケルめっき皮膜の膨れはなく、ニッケルめっき皮膜上に半田付けしたチップ部品には（ヒートサイクル１０００回後でも）割れはなかった。
また、実施例１と同様の方法により、セラミックス基板とアルミニウム回路板との接合部を観察したところ、未接合部はなく、引け巣や粒界割れなどの接合欠陥がなく良好に接合されていた。
また、実施例１と同様の方法により、アルミニウム－セラミックス回路基板のアルミニウム回路板のビッカース硬さＨＶを測定したところ、１９．８であった。
また、実施例１と同様の方法により、アルミニウム－セラミックス回路基板にヒートショックを繰り返し５００回加えた後、１０００回加えた後、１５００回加えた後に、アルミニウム回路板のビッカース硬さＨＶを測定したところ、それぞれ２０．４、２１．６および２１．５であった。
また、実施例１と同様の方法により、アルミニウム－セラミックス回路基板にヒートサイクルを繰り返し１０００回加えた後にセラミックス基板にクラックの発生はなかった。
[実施例６]
アルミニウム合金として、純度９９．９質量％（３Ｎ）のアルミニウムに、０．２０～０．６０質量％の珪素と０．４５～０．９０質量％のマグネシウムを含有し、残部がアルミニウムと不可避不純物（０．３５質量％未満の鉄）からなるアルミニウム合金を添加して得られた合金（０．０４質量％の珪素と０．０５質量％のマグネシウムを含有し、残部がアルミニウムと不可避不純物（０．０４質量％未満の鉄）からなるアルミニウム合金）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製造し、回路パターン用のアルミニウム板の表面の平均結晶粒径を求めたところ、２～５ｍｍであった。また、このアルミニウム－セラミックス接合基板のアルミニウムベース板の熱伝導率を、実施例１と同様の方法により求めたところ、１９５Ｗ／ｍ・Ｋであった。
また、実施例１と同様の方法により、アルミニウム－セラミックス回路基板を作製し、そのアルミニウム回路板の表面の一部に形成したニッケルめっき皮膜を耐熱試験後に肉眼で観察したところ、ニッケルめっき皮膜の膨れはなく、ニッケルめっき皮膜上に半田付けしたチップ部品には（ヒートサイクル１０００回後でも）割れはなかった。
また、実施例１と同様の方法により、セラミックス基板とアルミニウム回路板との接合部を観察したところ、未接合部はなく、引け巣や粒界割れなどの接合欠陥がなく良好に接合されていた。
また、実施例１と同様の方法により、アルミニウム－セラミックス回路基板のアルミニウム回路板のビッカース硬さＨＶを測定したところ、２１．４であった。
また、実施例１と同様の方法により、アルミニウム－セラミックス回路基板にヒートショックを繰り返し５００回加えた後、１０００回加えた後、１５００回加えた後に、アルミニウム回路板のビッカース硬さＨＶを測定したところ、それぞれ２２．１、２４．２および２１．４であった。
また、実施例１と同様の方法により、アルミニウム－セラミックス回路基板にヒートサイクルを繰り返し１０００回加えた後にセラミックス基板にクラックの発生はなかった。
[比較例１]
アルミニウム合金に代えて、純度９９．９質量％（３Ｎ）のアルミニウムを使用した以外は、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製造し、回路パターン用のアルミニウム板の表面の平均結晶粒径を求めたところ、１０ｍｍ以上であった。また、このアルミニウム－セラミックス接合基板のアルミニウムベース板の熱伝導率を、実施例１と同様の方法により求めたところ、２１０Ｗ／ｍ・Ｋであった。
また、実施例１と同様の方法により、アルミニウム－セラミックス回路基板を作製し、そのアルミニウム回路板の表面の一部に形成したニッケルめっき皮膜を耐熱試験後に肉眼で観察したところ、ニッケルめっき皮膜の膨れはなかったが、ニッケルめっき皮膜上に半田付けしたチップ部品には（ヒートサイクル１０００回後に）割れがあった。
また、実施例１と同様の方法により、セラミックス基板とアルミニウム回路板との接合部を観察したところ、未接合部はなく、引け巣や粒界割れなどの接合欠陥がなく良好に接合されていた。
また、実施例１と同様の方法により、アルミニウム－セラミックス回路基板にヒートサイクルを繰り返し１０００回加えた後に、このヒートサイクル１０００回後にセラミックス基板にクラックの発生はなかった。
[比較例２]
アルミニウム合金として、０．３５～０．４０質量％の珪素と０．０３５～０．０４５質量％のホウ素と０．００４～０．０１５質量％の鉄を含有し、残部がアルミニウムからなるアルミニウム合金を使用した以外は、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製造し、回路パターン用のアルミニウム板の表面の平均結晶粒径を求めたところ、約１．５ｍｍであった。また、このアルミニウム－セラミックス接合基板のアルミニウムベース板の熱伝導率を、実施例１と同様の方法により求めたところ、１９０Ｗ／ｍ・Ｋであった。
また、実施例１と同様の方法により、アルミニウム－セラミックス回路基板を作製し、そのアルミニウム回路板の表面の一部に形成したニッケルめっき皮膜を耐熱試験後に肉眼で観察したところ、ニッケルめっき皮膜の膨れがあったが、ニッケルめっき皮膜上に半田付けしたチップ部品には（ヒートサイクル１０００回後でも）割れはなかった。
また、実施例１と同様の方法により、セラミックス基板とアルミニウム回路板との接合部を観察したところ、未接合部があり、引け巣や粒界割れなどの接合欠陥があり良好に接合されていなかった。
また、実施例１と同様の方法により、アルミニウム－セラミックス回路基板のアルミニウム回路板のビッカース硬さＨＶを測定し、算術平均粗さＲａを求めたところ、ビッカース硬さＨＶは２０．６であり、算術平均粗さＲａは０．７３μｍであった。
また、実施例１と同様の方法により、アルミニウム－セラミックス回路基板にヒートショックを繰り返し１０００回加えた後に、アルミニウム回路板のビッカース硬さＨＶを測定したところ、２２．７であり、アルミニウム回路板の表面の算術平均粗さＲａを求めたところ、２．１１μｍであった。
また、実施例１と同様の方法により、アルミニウム－セラミックス回路基板にヒートサイクルを繰り返し１０００回加えた後に、アルミニウム回路板の表面の算術平均粗さＲａを求めたところ、２．２３μｍであった。このヒートサイクル１０００回後にセラミックス基板にクラックの発生はなかった。
[比較例３]
アルミニウム合金として、０．３０質量％のマグネシウムと０．２０質量％の珪素を含有し、残部がアルミニウムと不可避不純物（０．０４質量％未満の鉄）からなるアルミニウム合金を使用した以外は、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製造し、回路パターン用のアルミニウム板の表面の平均結晶粒径を求めたところ、約２ｍｍであった。
また、実施例１と同様の方法により、アルミニウム－セラミックス回路基板を作製し、そのアルミニウム回路板の表面の一部に形成したニッケルめっき皮膜を耐熱試験後に肉眼で観察したところ、ニッケルめっき皮膜の膨れがあったが、ニッケルめっき皮膜上に半田付けしたチップ部品には（ヒートサイクル１０００回後でも）割れはなかった。
また、実施例１と同様の方法により、アルミニウム－セラミックス回路基板のアルミニウム回路板のビッカース硬さＨＶを測定したところ、ビッカース硬さＨＶは２６．５であった。
また、実施例１と同様の方法により、アルミニウム－セラミックス回路基板にヒートサイクルを繰り返し１０００回加えた後にセラミックス基板にクラックの発生があった。
１０ アルミニウムベース板
１２ セラミックス基板
１４ アルミニウム板
１６ 強化部材

Claims (13)

  1. セラミックス基板の一方の面にアルミニウム合金からなる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合金からなる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において、アルミニウムベース板より強度が高い板状の強化部材がアルミニウムベース板の内部に配置されてアルミニウムベース板に直接接合するとともに、アルミニウム合金が、０．０１～０．２質量％のマグネシウムと０．０１～０．１質量％の珪素を含有し、残部がアルミニウムと不可避不純物からなる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。
  2. 前記アルミニウム合金が０．０１～０．１質量％のチタンを含有す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. 前記アルミニウム板の表面の平均結晶粒径が７ｍｍ以下であることを特徴とする、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. 前記アルミニウム－セラミックス接合基板に－４０℃×３０分→２５℃×１０分→１５０℃×３０分→２５℃×１０分のヒートサイクルを繰り返し１０００回加えた後の前記アルミニウム板のビッカース硬さＨＶが２５以下であ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アルミニウム－セラミックス接合基板。
  6. 前記アルミニウムベース板の熱伝導率が１８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上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。
  7. 前記強化部材が、前記アルミニウムベース板の前記セラミックス基板との接合面と平行に延びていることを特徴とする、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。
  8. 前記強化部材が、前記アルミニウム合金より融点が高い金属またはセラミックスからな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。
  9. 前記セラミックス基板が、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素および炭化珪素からなる群から選ばれる１種以上からな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。
  10. 鋳型内にセラミックス基板と強化部材とを離間して配置させ、鋳型内のセラミックス基板の両面と強化部材の表面に接触するようにアルミニウム合金の溶湯を流し込んで冷却することによって、アルミニウム合金からなるアルミニウム板をセラミックス基板の一方の面に形成してセラミックス基板に直接接合させ、アルミニウム合金からなるアルミニウムベース板をセラミックス基板の他方の面に形成してセラミックス基板に直接接合させるとともに、強化部材をアルミニウムベース板に取り囲まれるように配置してアルミニウムベース板に直接接合させて、アルミニウム－セラミックス接合基板を製造する方法において、アルミニウム合金が、０．０１～０．２質量％のマグネシウムと０．０１～０．１質量％の珪素を含有し、残部がアルミニウムと不可避不純物からなる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。
  11. 前記アルミニウム合金が０．０１～０．１質量％のチタンを含有す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の製造方法。
  12. 前記強化部材が、前記アルミニウム合金より融点が高い金属またはセラミックスからな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の製造方法。
  13. 前記セラミックス基板が、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素および炭化珪素からなる群から選ばれる１種以上からなることを特徴とする、請求項１０乃至１２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。
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