JP2013243181A - 電子素子搭載用基板 - Google Patents

Abstract

【課題】セラミック製絶縁基板にアルミニウム回路層をろう付した電子素子搭載用基板において、アルミニウム材料の強度を高めて変形を抑制しつつ接合界面においても破断強度を高める。
【解決手段】セラミック製絶縁基板（10）の少なくとも一方の面にアルミニウム層（25）（35）が接合された電子素子搭載用基板であって、前記アルミニウム層（25）（35）はＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材によって絶縁基板（10）にろう付され、前記絶縁基板（10）とアルミニウム層（25）（35）の接合界面（Ｆ１）（Ｆ２）からアルミニウム層（25）（35）側に深さが１００μｍまで領域を接合界面近傍領域（Ｓ１）（Ｓ２）とし、この接合界面近傍領域（Ｓ１）（Ｓ２）における結晶粒の平均粒径（Ｘ）が３０〜３００μｍであり、かつ深さが１００μｍを超える深部領域（Ｄ１）（Ｄ２）における結晶粒の平均粒径（Ｙ）とがＸ＞Ｙの関係にあることを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、絶縁基板に電子素子を搭載するためのアルミニウム回路層がろう付けされた電子素子搭載用基板およびその関連技術に関する。

セラミック製絶縁基板に電子素子を搭載するためのアルミニウム回路層を接合した電子素子搭載用基板、あるいはさらに絶縁基板の他方の面にアルミニウム緩衝層を介してヒートシンクを接合した放熱装置は種々知られている（特許文献１、２）。

特許文献１の放熱装置において、絶縁基板とアルミニウム回路層、絶縁基板とアルミニウム緩衝層とはＡｌ−Ｓｉ系合金ろう付によって接合されている。また、特許文献２の放熱装置では、回路層または緩衝層となるアルミニウム板にＺｎ等のＡｌの融点を降下させる金属を固着させ、絶縁基板とアルミニウム板を重ねて加熱し、固着させた金属によって界面に溶融金属領域を形成することよってろう付している。

特開２０１１−２１０９４７号公報 特開２０１１−２３８８９２号公報

セラミック製絶縁基板とアルミニウム材とをろう付した電子素子搭載用基板においては、電子素子の発熱による冷熱サイクルに伴って、セラミックとアルミニウム材の熱膨張差によって接合界面に発生する応力が高くなり、アルミニウム材の低サイクル疲労による破断や剥がれが課題となる。このため、接合界面の接合強度とアルミニウム材の低サイクル疲労強度の向上が求められている。

さらに、アルミニウム回路層では電子素子搭載面が変形して平面度が悪くなると、電子素子をはんだ付する際の作業性や接合性も低下する。このため、アルミニウム回路層の変形を抑制するためにはアルミニウムの材料強度を高める必要があるが、その一方で、材料強度を高めるために結晶粒径を小さくしすぎると、接合界面においては低サイクル疲労によるアルミニウム材の破断強度が低下してしまう。

本発明は、上述した背景技術に鑑み、セラミック製絶縁基板にアルミニウム回路層をろう付した電子素子搭載用基板において、アルミニウム材料の強度を高めて変形を抑制しつつ接合界面においても破断強度を高める技術の提供を目的とする。

即ち、本発明は下記［１］〜［１３］に記載の構成を有する。

［１］セラミック製絶縁基板の少なくとも一方の面にアルミニウム層が接合された電子素子搭載用基板であって、
前記アルミニウム層はＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材によって絶縁基板にろう付され、
前記絶縁基板とアルミニウム層の接合界面からアルミニウム層側に深さが１００μｍまで領域を接合界面近傍領域とし、この接合界面近傍領域における結晶粒の平均粒径（Ｘ）が３０〜３００μｍであり、かつ前記接合界面からアルミニウム層側に深さが１００μｍを超える深部領域における結晶粒の平均粒径（Ｙ）とがＸ＞Ｙの関係にあることを特徴とする電子素子用搭載用基板。

［２］前記アルミニウム層は、電子素子を搭載するための回路層、または前記絶縁基板にヒートシンクを接合するために介在させる緩衝層である前項１に記載の電子素子搭載用基板。

［３］前記絶縁基板の両面にアルミニウム層が接合され、一方のアルミニウム層は電子素子を搭載するための回路層であり、他方のアルミニウム層は絶縁基板にヒートシンクを接合するために介在させる緩衝層である前項１に記載の電子素子搭載用基板。

［４］前記アルミニウム層の深部領域における結晶粒の平均粒径（Ｙ）が１０〜２５０μｍである前項１〜３のいずれかに記載の電子素子搭載用基板。

［５］前記絶縁基板とアルミニウム層の接合界面からアルミニウム層側に形成されたＳｉ拡散層の厚さが３００μｍ以下である前項１〜４のいずれかに記載の電子素子搭載用基板。

［６］前記アルミニウム層は心材にＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材をクラッドしたクラッド材を絶縁基板にろう付することによって接合されている前項１〜５のいずれかに記載の電子搭載用基板。

［７］前記クラッド材の心材がＦｅ：０．０５〜０．８質量％、Ｍｎ：０．４〜１．５質量％、およびＳｉ：０．０５〜０．５質量％を含有するアルミニウム合金で構成されている前項６に記載の電子搭載用基板。

［８］前記心材を構成するアルミニウム合金は、さらにＣｕ：０．２質量％以下、Ｚｎ：０．２質量％以下、Ｍｇ：０．２質量％以下、Ｔｉ：０．２質量％以下のうちの少なくとも１種を含有する前項７に記載の電子搭載用基板。

［９］前記クラッド材のＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材は、Ｂｉ：０．０３〜０．３質量％およびＳｒ：０．００５〜０．２質量％のうちの少なくとも１種を含有する前項６〜８のいずれかに記載の電子搭載用基板。

［１０］前項５〜９のいずれかに記載の電子素子搭載用基板に用いるクラッド材であって、心材とＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材との接合界面から心材側に形成されたＳｉ拡散層の深さが３〜１００μｍであることを特徴とするクラッド材。

［１１］前項１０に記載のクラッド材の製造方法であって、
心材の少なくとも一方の面にＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材を重ね、複数パスの圧延を行ってクラッド材を製造する工程において、３５０〜４５０℃で１〜２０時間の焼鈍を行うことを特徴とするクラッド材の製造方法。

［１２］前記焼鈍はパス間に行う中間焼鈍である前項１１に記載のクラッド材の製造方法。

［１３］前項２〜９のいずれかに記載の電子素子搭載用基板の緩衝層にヒートシンクが接合されていることを特徴とする放熱装置。

上記［１］［２］［３］に記載の電子素子搭載用基板は、セラミック製絶縁基板にＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材でろう付された回路層または緩衝層であるアルミニウム層において、接合界面から深さ１００μｍまでの接合界面近傍領域の結晶粒の平均粒径（Ｘ）が３０〜３００μｍであり、かつ深さが１００μｍを超える深部領域の結晶粒の平均粒径（Ｙ）よりも大きい。このため、接合界面においては低サイクル疲労強度が高いので冷熱サイクルにおいてもアルミニウム層の破断や剥がれが抑制される。一方、深部領域においては接合界面近傍領域よりも結晶粒が小さいので強度が高く、ろう付加熱による変形が抑制される。変形が抑制されることで絶縁基板とは反対の面の平面度が保たれ、回路層にあっては電子素子を良好に接合でき、緩衝層にあってはヒートシンクを良好に接合できる。

上記［４］に記載の電子素子搭載用基板によれば、深部領域における結晶粒の平均粒径を規定したことで上記効果がより一層確実なものとなる。

上記［５］の記載の電子素子搭載用基板によれば、アルミニウム層に形成されたＳｉ拡散層の深さが３００μｍ以下であるから、接合界面近傍領域の結晶粒径を深部領域よりも大きくして低サイクル疲労強度を高めつつ、材料強度を維持する効果が大きい。

上記［６］に記載の電子素子搭載用基板は、アルミニウム層として心材にＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材をクラッドしたクラッド材を使用しているので、絶縁基板にこのクラッド材をろう付する時点で心材のろう材側部分にＳｉ拡散層が形成されて結晶粒が大きくなっている。このため、ろう付品においても接合界面近傍領域における結晶粒が深部領域よりも大きくなるので、ろう付品における結晶粒制御が容易である。

上記［７］に記載の電子素子搭載用基板によれば、クラッド材の心材の組成によりアルミニウム層の深部領域の結晶粒の微細化されて強度が向上し、かつろう付性が良好である。

上記［８］に記載の電子素子搭載用基板によれば、クラッド材の心材強度をさらに向上させることができる。

上記［９］に記載の電子素子搭載用基板によれば、クラッド材のろう材の組成によってろう付性をさらに向上させることができる。

上記［１０］に記載のクラッド材によれば、クラッド材の心材に形成されているＳｉ拡散層の深さが３〜１００μｍであるから、ろう付品において接合界面近傍領域の結晶粒を大きくする効果を得つつ、ろう付時の心材溶融を回避できる。

上記［１１］［１２］に記載のクラッド材の製造方法によれば、心材のろう材側部分にＳｉ拡散層を形成することができる。

上記［１３］に記載の放熱装置によれば、冷熱サイクルにおいても、絶縁基板と回路層との接合界面、および絶縁基板と緩衝層との接合界面において、回路層および緩衝層の破断や剥がれが抑制される。また、これらの層の絶縁基板とは反対の面の平面度が保たれているので、回路層にあっては電子素子が良好に接合され、緩衝層にあってはヒートシンクが良好に接合される。

本発明の電子素子搭載用基板および放熱装置の仮組物を示す断面図である。 絶縁基板とアルミニウム層とのろう付状態を示す断面図である。 アルミニウム層におけるＳｉの分布状態を示すグラフである。 片面クラッド材の要部断面図である。 両面クラッド材の要部断面図である。

本発明の電子素子搭載用基板は、絶縁基板の一方の面または両方の面にろう付されたアルミニウム層を有し、そのアルミニウム層は結晶粒が規定されている。前記絶縁基板の一方の面にのみ結晶粒が規定されたアルミニウム層を有する場合、そのアルミニウム層は電子素子を搭載する回路層、または絶縁基板にヒートシンクを接合するために介在させる緩衝層のいずれかである。また、前記絶縁基板の両方の面に結晶粒が規定されたアルミニウム層を有する場合、それらのアルミニウム層は回路層および緩衝層である。

図１は、本発明の一実施形態である電子素子搭載用基板（1）およびこの電子素子搭載用基板（1）を用いた放熱装置（2）を一括ろう付によって作製するための材料を積層順に示した仮組物の分解断面図である。図１において、（10）はセラミック製の絶縁基板、（20）は電子素子を搭載するための回路層となる片面クラッド材、（30）は絶縁基板（10）とヒートシンク（40）との間に介在し、絶縁基板（10）とヒートシンク（40）との間に発生する応力を緩和するための緩衝層となる両面クラッド材であり、これらが電子素子搭載用基板（1）を構成している。

前記ヒートシンク（40）は、片面クラッド材からなる２枚の皿状部材（41）と波板形のインナーフィン（45）で構成されている。前記皿状部材（41）は、片面クラッド材の心材（41a）側がヒートシンク（40）の外面になり、ろう材（41b）側が凹部（42）の内側となるようにプレス加工し、凹部（42）の開口周縁から略水平方向に延びる部分を接合用周縁部（43）としたものである。そして、２枚の皿状部材（41）をろう材（41b）が内側となるように向かい合わせに配置し、凹部（42）でインナーフィン（45）を挟み付けるとともに互いの接合用周縁部（43）を当接させた状態に仮組されている。前記凹部（42）によって作動流体通路（44）が形成され、この作動流体通路（44）の内壁にインナーフィン（45）が当接している。

前記放熱装置（2）の仮組物は炉内で加熱することにより一括ろう付される。即ち、絶縁基板（10）の一方の面に片面クラッド材（20）がろう付されて回路層が形成され、他方の面に両面クラッド材（30）がろう付されて緩衝層が形成される。前記ヒートシンク（40）は、２枚の皿状部材（41）が互いの接合用周縁部（43）がろう付されるとともに、作動流体通路（44）の内壁にインナーフィン（45）がろう付される。両面クラッド材（30）のヒートシンク（40）側のろう材（32）によって、絶縁基板（10）の他方の面に緩衝層を介してとヒートシンク（40）がろう付される。

図２はろう付後の電子素子搭載用基板（1）において、絶縁基板（10）にろう付された回路層（25）および緩衝層（35）の結晶粒を模式的に示した断面図である。本発明において、前記絶縁基板（10）と回路層（25）との接合界面（Ｆ１）から回路層（25）側に深さ１００μｍまでの領域を接合界面近傍領域（Ｓ１）、深さが１００μｍを超える領域を深部領域（Ｄ１）と定義する。同様に、前記絶縁基板（10）と緩衝層（35）との接合界面（Ｆ２）から緩衝層（35）側に深さ１００μｍまでの領域を接合界面近傍領域（Ｓ２）、深さが１００μｍを超える領域を深部領域（Ｄ２）と定義する。

前記接合界面近傍領域（Ｓ１）（Ｓ２）における結晶粒の平均粒径（Ｘ１）（Ｘ２）は３０〜３００μｍであり、深部領域（Ｄ１）（Ｄ２）における結晶粒の平均粒径（Ｙ１）（Ｙ２）よりも大きく、Ｘ１＞Ｙ１、Ｘ２＞Ｙ２の関係を満たしている。即ち、回路層（25）の深部領域（Ｄ１）では電子素子搭載面（26）の平面度を低下させないために結晶粒径を小さくして材料強度を高めることが必要であるが、接合界面近傍領域（Ｓ１）では低サイクル疲労による回路層（25）の破断や剥がれを防ぐために深部領域（Ｄ１）よりも結晶粒径を大きくする必要がある。また、緩衝層（35）においても、接合界面近傍領域（Ｓ２）においては、低サイクル疲労による緩衝層（35）の破断や剥がれを防ぐために深部領域（Ｄ２）よりも結晶粒径を大きくする必要があり、かつ深部領域（Ｄ２）では材料強度を高めてヒートシンク（40）との接合面の平面度の低下させないことが好ましい。このため、接合界面近傍領域（Ｓ１）（Ｓ２）における結晶粒の平均粒径（Ｘ１）（Ｘ２）を３０〜３００μｍの範囲とし、かつ深部領域（Ｄ１）（Ｄ２）の結晶粒の平均粒径（Ｙ１）（Ｙ２）よりも粒径を大きくする。

前記接合界面近傍領域（Ｓ１）（Ｓ２）における平均粒径（Ｘ１）（Ｘ２）が３０μｍ未満では低サイクル疲労強度が不足して回路層（25）や緩衝層（35）に破断や剥がれが生じやすくなる。一方、平均粒径（Ｘ１）（Ｘ２）が３００μｍを超えると、結晶粒界が少なくなるので粒界に拡散するろう材が減少し、その結果接合界面（Ｆ１）（Ｆ２）に残存する余剰ろう材量が増える。Ａｌ−Ｓｉ系合金ろう材は回路層（25）や緩衝層（35）に使用するアルミニウムよりも硬質であるから、接合界面（Ｆ１）（Ｆ２）に余剰ろう材が残存していると破断や剥がれの原因となる。このため、接合界面（Ｆ１）（Ｆ２）には余剰ろう材が残存していないこと、あるいは残存量が少ないことが好ましい。接合界面近傍領域（Ｓ１）（Ｓ２）における特に好ましい平均粒径（Ｘ１）（Ｘ２）は４０〜２００μｍである。

なお、平均粒径（Ｘ１）（Ｘ２）が３０〜３００μｍという結晶サイズは、回路層および緩衝層の材料として汎用されている高純度アルミニウムよりも小さく結晶粒界へのろう材拡散が促されるので、接合界面に残留する余剰ろう材量が少なくなる。このため、高純度アルミニウムを用いた回路層および緩衝層よりも低サイクル疲労による破断や剥がれを低減できる。

前記深部領域（Ｄ１）（Ｄ２）における結晶粒の平均粒径（Ｙ１）（Ｙ２）は、接合界面近傍領域（Ｓ１）（Ｓ２）における平均粒径よりも小さいという条件を満たす限り限定されない。接合界面近傍領域（Ｓ１）（Ｓ２）の平均粒径（Ｘ１）（Ｘ２）が３０〜３００μｍであることから、深部領域（Ｄ１）（Ｄ２）における好ましい平均粒径（Ｙ１）（Ｙ２）は１０〜２５０μｍであり、特に好ましい平均粒径（Ｙ１）（Ｙ２）は１０〜１５０μｍである。深部領域（Ｄ１）（Ｄ２）の平均粒径（Ｙ１）（Ｙ２）を規定することによって上述した効果がより一層確実なものとなる。

図示例の回路層（25）および緩衝層（35）は心材（21）（31）の片面または両面にろう材（22）（32）をクラッドしたクラッド材（20）（30）を用いたものである。ろう付後の結晶粒径を深部領域（Ｄ１）（Ｄ２）よりも接合界面近傍領域（Ｓ１）（Ｓ２）で大きくなるようにするには、本実施形態のようにクラッド材（20）（30）を用いることが有利である。その理由は、クラッド材（20）（30）の製造工程でろう材（22）（32）中のＳｉが心材（21）（31）に拡散することで心材（21）（31）のろう材（22）（32）側部分の結晶粒が大きくなる。これらのクラッド材（20）（30）を絶縁基板（10）にろう付すると、接合界面近傍領域（Ｓ１）（Ｓ２）の平均粒径（Ｘ１）（Ｘ２）と深部領域（Ｄ１）（Ｄ２）の平均粒径（Ｙ１）（Ｙ２）とが「Ｘ１＞Ｙ１」「Ｘ２＞Ｙ２」なる関係を満たすことになるからである。このように、回路層（25）および緩衝層（35）としてクラッド材（20）（30）を用いることによってろう付品における結晶粒制御が容易になる。

なお、本発明は回路層および緩衝層の材料としてクラッド材を使用することに限定するものではなく、ろう付後の結晶粒の条件を満たすことができれば、心材に相当するアルミニウム材をＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材箔等を用いて絶縁基板にろう付したものであっても良い。ろう付加熱によってろう材中のＳｉがアルミニウム合金材に拡散して接合界面近傍領域の結晶粒が大きくなるので、ろう付後には「Ｘ１＞Ｙ１」「Ｘ２＞Ｙ２」なる関係が満たされるからである。

前記クラッド材（20）（30）の心材（21）（31）を構成するアルミニウム合金は、結晶粒の微細化、強度向上、ろう付性の向上を目的として、Ｆｅ：０．０５〜０．８質量％、Ｍｎ：０．４〜１．５質量％、およびＳｉ：０．０５〜０．５質量％を含むアルミニウム合金を用いることが好ましい。これらの元素の濃度が下限値に満たない場合は上記効果が得られず、上限値を超えると粗大な金属間化合物が生成して加工性が悪くなる。各元素の好ましい範囲は、Ｆｅ：０．１〜０．７質量％、Ｍｎ：０．７〜１．２質量％、Ｓｉ：０．１〜０．４質量％である。

また、前記アルミニウム合金には、任意添加元素として、Ｃｕ：０．２質量％以下、Ｍｇ：０．２質量％以下、Ｚｎ：０．２質量％以下、Ｔｉ：０．２質量％以下のうちの１種以上を添加しても良い。これらは合金の強度向上に寄与する元素であるが、０．２質量％を超えると加工性が悪くなりかつ不経済であるので、その上限濃度を０．２質量％とする。また、微量では強度向上効果も小さいことから、これらの元素の好ましい濃度は、Ｃｕ：０．０１〜０．１５質量％、Ｍｇ：０．０１〜０．１質量％、Ｚｎ：０．０１〜０．１質量％、Ｔｉ：０．０１〜０．１５質量％である。

前記心材（21）（31）を構成するアルミニウム合金の化学組成において、残部はＡｌおよび不可避不純物である。

また、アルミニウム材をＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材箔を用いて絶縁基板にろう付する場合、そのアルミニウム材の組成は上述したクラッド材（20）（30）の心材（21）（31）の組成に準ずる。

前記心材（21）（31）にクラッドするろう材（22）（32）はＡｌ−Ｓｉ系合金であれば限定されず、好ましいＳｉ濃度は６〜１２質量％である。また、ろう付方法はフラックスろう付でも真空ろう付でも良い。真空ろう付の場合はＭｇ濃度が０．５〜２質量％のＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金を推奨でき、フラックスろう付の場合はＭｇ濃度が０．１質量％以下のろう材を使用することが好ましい。いずれのろう材においても残部はＡｌおよび不可避不純物である。また、ろう付性を高めるために、これらのろう材にＢｉおよびＳｒのうちの少なくとも１種を添加することが好ましい。これらの元素を添加する場合、Ａｌ−Ｓｉ系合金中のＢｉ濃度が０．０３〜０．３質量％、Ｓｒ濃度が０．００５〜０．２質量％となるように添加することが好ましい。各元素の濃度の下限値未満ではろう付性向上効果が得られず、上限値を超える多量添加は不経済である。各元素の特に好ましい濃度は、Ｂｉ：０．０５〜０．２５質量％、Ｓｒ：０．０１〜０．１質量％である。前記ろう材の残部組成は不可避不純物およびアルミニウムである。

また、アルミニウム材をろう材箔等を用いてろう付する場合のろう材組成もクラッド材のろう材に準ずる。

図２に示すように、Ａｌ−Ｓｉ系合金ろう材を用いてろう付することにより、接合界面（Ｆ１）（Ｆ２）から回路層（25）側および緩衝層（35）側にＳｉが拡散する。また図３に示すように、回路層（25）および緩衝層（35）におけるＳｉ濃度は、層の厚み方向において接合界面で最も高く、深くなるほど低くなる。本発明においては、接合界面（Ｆ１）（Ｆ２）からＳｉ濃度（Ｃ）が心材（21）（31）中のＳｉ濃度と同一濃度となる深さ（ｄ）までの領域をＳｉ拡散層（Ｐ１）（Ｐ２）と定義し、このＳｉ拡散層（Ｐ１）（Ｐ２）の深さ（ｄ１）（ｄ２）が３００μｍ以下であることを推奨する。Ｓｉの拡散によって結晶粒が大きくなるので、接合界面近傍領域（Ｓ１）（Ｓ２）の平均粒径（Ｘ１）（Ｘ２）は深部領域（Ｄ１）（Ｄ２）の平均粒径（Ｙ１）（Ｙ２）よりも大きくなる。前記Ｓｉ拡散層（Ｐ１）（Ｐ２）の深さ（ｄ１）（ｄ２）が３００μｍを超えると接合界面近傍領域（Ｓ１）（Ｓ２）の強度が過度に低下するおそれがあるので、低サイクル疲労強度を高めつつ材料強度も維持する上でＳｉ拡散層（Ｐ１）（Ｐ２）の深さ（ｄ１）（ｄ２）は３００μｍ以下とすることが好ましい。また、深さ（ｄ１）（ｄ２）が５０μｍ未満では接合界面近傍領域（Ｓ１）（Ｓ２）の結晶粒を大きくする効果が小さい。特に好ましいＳｉ拡散層（Ｐ１）（Ｐ２）の深さ（ｄ１）（ｄ２）は５０〜３００μｍである。

上述したＳｉ拡散層（Ｐ１）（Ｐ２）の深さ（ｄ１）（ｄ２）はろう付条件に影響を受け、ろう付温度が高くまたはろう付時間が長くなるほどＳｉは深部まで拡散する。前記深さ（ｄ１）（ｄ２）を３００μｍ以下にする条件として、６２０℃以下で３０分以下の保持時間が好ましい。

ろう付は真空ろう付でも不活性雰囲気中のフラックスろう付でも良い。また、真空ろう付でＭｇを添加したＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材を用いる場合は、Ｍｇも心材中に拡散する。ＭｇはＳｉよりも拡散速度が遅いので、Ｍｇ拡散層の深さはＳｉ拡散層（Ｐ１）（Ｐ２）の深さ（ｄ１）（ｄ２）よりも浅くまる。Ｍｇ拡散層の好ましい深さは２００μｍ以下であり、特に好ましい深さは３０〜２００μｍである。

また、Ｍｇ含有Ａｌ−Ｓｉ系合金ろう材を用いると、ＳｉおよびＭｇが拡散した層内ではＭｇ_２Ｓｉが形成され、Ｍｇ_２Ｓｉの析出硬化による強度向上効果を得ることができる。このようなＭｇ_２Ｓｉによる強度向上効果を得るには、ろう付後の冷却速度が速いことが好ましい。具体的には、ろう付温度から２５０℃までの間の冷却速度が３０℃／ｍｉｎ以上であることが好ましい。特に好ましい冷却速度は５０℃／ｍｉｎ以上である。

前記回路層（25）および緩衝層（35）としてクラッド材（20）（30）を用いる場合、製造工程のクラッド圧延および、パス間または圧延後の熱処理によってろう材（22）（32）中のＳｉが心材（21）（31）中に拡散し、心材（21）（31）のろう材（22）（32）側の部分にＳｉ拡散層が形成される。図４Ａおよび図４Ｂに示すように、本発明では、ろう付前のクラッド材（20）（30）についても、心材（21）（31）とろう材（22）（32）の接合界面から、Ｓｉ濃度が心材（21）（31）中のＳｉ濃度と同一濃度となる深さまでの領域をＳｉ拡散層（Ｐ３）（Ｐ４）と定義し、このＳｉ拡散層（Ｐ３）（Ｐ４）の深さ（ｄ３）（ｄ４）が３〜１００μｍであることを推奨する、前記Ｓｉ拡散層（Ｐ３）（Ｐ４）の深さ（ｄ３）（ｄ４）が３μｍ未満ではろう付後に接合界面近傍領域（Ｓ１）（Ｓ２）の結晶を大きくする効果が小さく、１００μｍを超えるとろう付時に心材（21）（31）が溶融するおそれがある。特に好ましいＳｉ拡散層（Ｐ３）（Ｐ４）の深さ（ｄ３）（ｄ４）は３〜８０μｍである。また、前記クラッド材（20）（30）のろう材（22）（32）にＭｇが含有されているときは、クラッド圧延およびその間の熱処理によってろう材（22）（32）中のＭｇが心材（21）（31）にＭｇ拡散層が形成される。Ｍｇ拡散層の好ましい深さは２〜８０μｍであり、特に好ましくは２〜５０μｍである。

前記クラッド材（20）（30）の総厚およびろう材（22）（32）の厚さは任意に設定することができる。良好なろう付を達成するために好ましいろう材（22）（32）の厚さは１０〜２００μｍであり、特に１０〜２００μｍが好ましい。

また、本発明に用いるクラッド材は心材の片面または両面にろう材を積層した２層または３層のクラッド材に限定されない。アルミニウム層（回路層および緩衝層）の強度向上または接合界面近傍領域の結晶粒径制御を目的として、ろう材を除く心材対応部分を複数の層で構成しても良い。例えば、主たる心材とろう材との間に中間層を介在させたクラッド材である。なお、心材対応部分が複数層で構成されたクラッド材でアルミニウム層を形成した場合においても、ろう付品における接合界面近傍領域（即ち、平均粒径（Ｘ）が３０〜３００μｍに規定される領域）は絶縁基板との接合界面から深さ１００μｍまでの領域であり、深部領域は１００μｍを超える領域である。

［クラッド材の製造方法］
前記回路層（25）および緩衝層（35）となるクラッド材（20）（30）は、上述した化学組成の心材（21）（31）の材料とＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材（22）（32）の材料とを重ね、所要厚さとなるように複数パスの圧延を行うことによって作製される。この工程において、ろう材（22）（32）中のＳｉが心材（21）（31）に拡散し、図４Ａおよび図４Ｂに参照されるように、心材（21）（31）にＳｉ拡散層（Ｐ３）（Ｐ４）が形成される。前記Ｓｉ拡散層（Ｐ３）（Ｐ４）の深さ（ｄ３）（ｄ４）は製造工程における焼鈍条件によって制御することができる。焼鈍の温度および時間は３５０〜４５０℃で１〜２０時間が好ましい。３５０℃未満または１時間未満ではＳｉが拡散する範囲が浅く、結晶粒を大きくする効果が少ない。一方、４５０℃超または２０時間超の焼鈍ではＳｉ拡散量が多くなってろう付時に心材（21）（31）に溶融が起こるおそれがある。特に好ましい焼鈍温度および時間は３６０〜４２０℃で２〜１８時間である。また前記焼鈍の時期は限定されず、パス間の中間焼鈍、所要厚さにクラッドした後の最終焼鈍のいずれでも良いが、Ｈ１４材としての工程である中間焼鈍が好ましい。

［他の構成部材］
前記絶縁基板（10）を構成する材料としては、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化ケイ素、酸化ジルコニウム、炭化ケイ素等のセラミックを例示できる。これらのセラミックは電気絶縁性が優れていることはもとより、熱伝導性が良く放熱性が優れている点で推奨できる。強度、熱伝導性の面で窒化アルミニウムおよび窒化ケイ素が特に好ましい。

また、前記緩和層（35）には応力吸収空間として貫通穴や中空部を有するものであっても良い。

前記ヒートシンク（40）を構成する金属は、軽量性、強度維持、成形性、耐食性に優れた材料を用いることが好ましく、これらの特性を有するものとしてＡｌ−Ｍｎ系合金等のアルミニウム合金を推奨できる。また、ヒートシンク（40）は緩衝層（35）側の外面がフラットであれば緩衝層（35）と広い面積でろう付して高い放熱性能が得られるので、緩衝層（35）側の面以外の外部形状や内部形状は問わない。作動流体通路を設けたチューブ型にも限定されず、ヒートシンクの他の形状として、平板、平板の他方の面にフィンをろう付したヒートシンク、平板の他方の面にフィンを立設したヒートシンク等を例示できる。

図１に参照される積層構造の電子素子搭載用基板（1）およびヒートシンク（40）を含む放熱装置（2）を、回路層（25）および緩衝層（35）となるクラッド材（20）（30）の材料を変えて作製した。前記放熱装置（2）の構成部材は、積層順に、片面クラッド材（20）、絶縁基板（10）、両面クラッド材（30）、皿状部材（41）、インナーフィン（45）、皿状部材（41）である。

［クラッド材とその作製］
回路層（25）用のクラッド材として心材（21）の一方の面にろう材（22）をクラッドした片面クラッド材（20）を使用し、緩衝層（35）用のクラッド材として心材（31）の両面にろう材（32）をクラッドした両面クラッド材（30）を使用した。また各例で用いた心材（21）（31）およびろう材（22）（32）の化学組成は表１に示すとおりである。

前記片面クラッド材（20）は、最終的に総厚０．６ｍｍ、ろう材（22）の厚さが２０μｍとなるように厚さを調節した心材材料とろう材材料を重ね、熱間圧延、冷間圧延、仕上げ圧延を施して作製した。前記両面クラッド材（30）は、最終的に総厚１．６ｍｍ、ろう材（32）の厚さがそれぞれ２０μｍとなるように厚さを調節した心材材料の両面にろう材材料を重ね、熱間圧延、冷間圧延、仕上げ圧延を施して作製した。また、全てのクラッド材について、冷間圧延の途中で４００℃×２時間の中間焼鈍を行い、３０％の圧下率で仕上げ圧延を行った。

作製した各クラッド材（20）（30）について、図４Ａおよび図４Ｂに参照されるように、心材（21）（31）におけるＳｉ拡散層（Ｐ３）（Ｐ４）の深さ（ｄ３）（ｄ４）を調べたところ、表１に示す数値であった。

各クラッド材（20）（30）はそれぞれ４０ｍｍ×３０ｍｍに切断したものを回路層用クラッド材および緩衝層用クラッド材として仮組みに使用した。

［放熱装置のろう付］
前記回路層（25）用のクラッド材（20）および緩衝層（35）用のクラッド材（30）を除く部材は各例で共通のものを用いた。

前記絶縁基板（10）は窒化アルミニウムからなる４１ｍｍ×３１ｍｍ×厚さ０．６ｍｍの平板である。前記ヒートシンク（40）の皿状部材（41）は、Ａｌ−１質量％Ｍｎ合金からなる心材（41a）にＡｌ−１０質量％Ｓｉ合金ろう材（41b）をクラッドした片面クラッド材からなり、図１に示す形状に示すプレス成形したものである。この片面クラッド材は総厚０．８ｍｍ、ろう材のクラッド率７％である。また、インナーフィン（45）は厚さ１．２ｍｍの３０００系合金板を曲成したものである。

そして、準備した各部材を図１に示す構造の積層体に仮組し、仮組物を７×１０^−４Ｐａの真空中で６００℃×２０分で真空ろう付した。ろう付した放熱装置（2）について、回路層（25）および緩衝層（35）のＳｉ拡散層（Ｐ１）（Ｐ２）の深さ（ｄ１）（ｄ２）を調べた（図２参照）。

さらに、ろう付した放熱装置について、冷熱耐久性試験および回路層（25）の電子素子搭載面（26）の平面度を下記の方法で試験して評価した。これらの結果を表１に示す。

［冷熱耐久性試験］
冷熱サイクル試験（１２５℃⇔−４０℃）を２０００サイクル行い、絶縁基板（10）（ＡｌＮ）と回路層（25）（Ａｌ）および緩衝層（35）（Ａｌ）の接合界面（Ｆ１）（Ｆ２）の接合面積を超音波探傷機により測定し、正常に接合されていた部分の面積割合を測定して評価した。接合されるべき面積（４０ｍｍ×３０ｍｍ＝１２００ｍｍ^２）に対し、実際の接合面積が９７％以上であったものを耐久性良好「○」とし、９７％未満であったものを耐久性不良「×」として評価した。

［平面度］
回路層（25）の電子素子搭載面（26）において、回路層（25）の厚み方向において最も高い箇所と最も低い箇所との差を測定し、０．２ｍｍ未満であったものを平面度良好「○」とし、０．２ｍｍ以上であったものを平面度不良「×」として評価した。

表１より、セラミック製絶縁基板にろう付されたアルミニウム層において、接合界面近傍領域の結晶粒を深部領域よりも大きくすることによって、変形強度を高めるとともに接合界面における低サイクル疲労強度を高め得ることを確認した。

本発明は、電子素子の発熱による冷熱サイクル下で使用される電子素子搭載基板として好適に使用できる。

1…電子素子搭載用基板
2…放熱装置
10…絶縁基板
20、30クラッド材
21、31…心材
22、32…Ａｌ−Ｓｉ系合金ろう材
25…回路層（アルミニウム層）
35…緩衝層
40…ヒートシンク
Ｆ１、Ｆ２…接合界面
Ｓ１、Ｓ２…接合界面近傍領域
Ｄ１、Ｄ２…深部領域
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４…Ｓｉ拡散層
ｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ４…Ｓｉ拡散層の深さ

Claims (13)

1. セラミック製絶縁基板の少なくとも一方の面にアルミニウム層が接合された電子素子搭載用基板であって、
   前記アルミニウム層はＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材によって絶縁基板にろう付され、
   前記絶縁基板とアルミニウム層の接合界面からアルミニウム層側に深さが１００μｍまで領域を接合界面近傍領域とし、この接合界面近傍領域における結晶粒の平均粒径（Ｘ）が３０〜３００μｍであり、かつ前記接合界面からアルミニウム層側に深さが１００μｍを超える深部領域における結晶粒の平均粒径（Ｙ）とがＸ＞Ｙの関係にあることを特徴とする電子素子用搭載用基板。
2. 前記アルミニウム層は、電子素子を搭載するための回路層、または前記絶縁基板にヒートシンクを接合するために介在させる緩衝層である請求項１に記載の電子素子搭載用基板。
3. 前記絶縁基板の両面にアルミニウム層が接合され、一方のアルミニウム層は電子素子を搭載するための回路層であり、他方のアルミニウム層は絶縁基板にヒートシンクを接合するために介在させる緩衝層である請求項１に記載の電子素子搭載用基板。
4. 前記アルミニウム層の深部領域における結晶粒の平均粒径（Ｙ）が１０〜２５０μｍである請求項１〜３のいずれかに記載の電子素子搭載用基板。
5. 前記絶縁基板とアルミニウム層の接合界面からアルミニウム層側に形成されたＳｉ拡散層の厚さが３００μｍ以下である請求項１〜４のいずれかに記載の電子素子搭載用基板。
6. 前記アルミニウム層は心材にＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材をクラッドしたクラッド材を絶縁基板にろう付することによって接合されている請求項１〜５のいずれかに記載の電子搭載用基板。
7. 前記クラッド材の心材がＦｅ：０．０５〜０．８質量％、Ｍｎ：０．４〜１．５質量％、およびＳｉ：０．０５〜０．５質量％を含有するアルミニウム合金で構成されている請求項６に記載の電子搭載用基板。
8. 前記心材を構成するアルミニウム合金は、さらにＣｕ：０．２質量％以下、Ｚｎ：０．２質量％以下、Ｍｇ：０．２質量％以下、Ｔｉ：０．２質量％以下のうちの少なくとも１種を含有する請求項７に記載の電子搭載用基板。
9. 前記クラッド材のＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材は、Ｂｉ：０．０３〜０．３質量％およびＳｒ：０．００５〜０．２質量％のうちの少なくとも１種を含有する請求項６〜８のいずれかに記載の電子搭載用基板。
10. 請求項５〜９のいずれかに記載の電子素子搭載用基板に用いるクラッド材であって、心材とＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材との接合界面から心材側に形成されたＳｉ拡散層の深さが３〜１００μｍであることを特徴とするクラッド材。
11. 請求項１０に記載のクラッド材の製造方法であって、
    心材の少なくとも一方の面にＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材を重ね、複数パスの圧延を行ってクラッド材を製造する工程において、３５０〜４５０℃で１〜２０時間の焼鈍を行うことを特徴とするクラッド材の製造方法。
12. 前記焼鈍はパス間に行う中間焼鈍である請求項１１に記載のクラッド材の製造方法。
13. 請求項２〜９のいずれかに記載の電子素子搭載用基板の緩衝層にヒートシンクが接合されていることを特徴とする放熱装置。
    

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