金属−セラミックス接合基板およびその製造方法
【課題】放熱性が高く且つ反りおよびそのばらつきが小さい金属−セラミックス接合基板、およびその金属−セラミックス接合基板を低コストで製造することができる、金属−セラミックス接合基板の製造方法を提供する。
【解決手段】セラミックス基板１２の一方の面に金属板１４が直接接合するとともに、他方の面に金属ベース板１０が直接接合した金属−セラミックス接合基板において、金属ベース板１０より強度が高い金属からなる強化部材１６が金属ベース板１０の内部を貫通して延びている。
【解決手段】セラミックス基板１２の一方の面に金属板１４が直接接合するとともに、他方の面に金属ベース板１０が直接接合した金属−セラミックス接合基板において、金属ベース板１０より強度が高い金属からなる強化部材１６が金属ベース板１０の内部を貫通して延びている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属−セラミックス接合基板およびその製造方法に関し、特に、セラミックス基板の一方の面に電子部品搭載用の金属板（金属回路板）が形成され、他方の面に放熱用の金属ベース板が形成された金属−セラミックス接合基板およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電気自動車、電車、工作機械などの大電流を制御するために、パワーモジュールが使用されている。従来のパワーモジュールでは、ベース板と呼ばれている金属板または複合材の一方の面に金属−セラミックス絶縁基板が半田付けなどにより固定され、この金属−セラミックス接合基板の金属回路板上に半導体チップが半田付けにより固定されている。また、ベース板の他方の面（裏面）には、ねじ止めなどにより熱伝導グリースを介して金属製の放熱フィンや冷却ジャケットが取り付けられている。
【０００３】
このような金属−セラミックス接合基板は、一般に、セラミックス基板の両面に異なる厚さの金属板（金属回路板とベース板）が接合されるため、接合後に大きな反りが生じ易い。また、金属−セラミックス接合基板への半導体チップの半田付けは加熱により行われるため、半田付けの際に、接合部材間の熱膨張係数の差によって金属回路板およびベース板の反りが生じ易い。さらに、半導体チップから発生した熱は、金属−セラミックス接合基板と半田とベース板を介して放熱フィンや冷却ジャケットにより空気や冷却水に逃がされるため、半田付けの際にベース板の反りが生じると、放熱フィンや冷却ジャケットをベース板に取り付けたときのクリアランスが大きくなり、放熱性が極端に低下する。また、実質的に反りのない金属−セラミックス接合基板が得られたとしても、熱衝撃が繰り返されると反りが大きくなる。
【０００４】
このような問題を解決するため、Ａｌ板またはＡｌ合金板を介して複数の窒化アルミニウム基板が接合された多層構造体の一方の面にＡｌまたはＡｌ合金の回路が形成され、他方の面に放熱板が形成された回路基板が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この回路基板は、接合材（ろう材）を用いて複数の窒化アルミニウム基板とＡｌ板またはＡｌ合金板を接合して多層構造体を製造するとともに、この多層構造体に接合材（ろう材）を用いてＡｌまたはＡｌ合金の回路および放熱板を接合することによって製造されている。
【０００５】
また、第１のセラミックス板の一方の面に回路板が接合され、他方の面に熱拡散板、第２のセラミックス板および放熱板が接合された積層体により形成され、回路板、熱拡散板および放熱板がＣｕ、Ｃｕ合金、ＡｌまたはＡｌ合金からなり、熱拡散板と放熱板で第２のセラミックス板を完全に覆うように、熱拡散板の端部と放熱板の端部を一体化した絶縁回路基板が提案されている（例えば、特許文献２参照）。この絶縁回路基板は、金型内に第１および第２のセラミックス板をセットして、回路板、熱拡散板および放熱板となる溶融Ａｌまたは溶融Ａｌ合金を金型内に高圧で注入した後に、冷却して固体化することによって製造されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−７４６５号公報（段落番号０００８−０００９）
【特許文献２】特開２００３−８６７４７号公報（段落番号００１５−００３１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１の回路基板では、セラミックス基板として高い熱伝導度（１７０Ｗ／ｍＫ）の窒化アルミニウム基板を使用しているが、ＣｕやＡｌまたはそれらの合金などからなる放熱板（金属ベース板）よりも熱伝導度が低いため、窒化アルミニウム基板により放熱性が妨げられる。仮に、金属ベース板と同等以上の熱伝導率を有するセラミックス基板を使用することができたとしても、そのようなセラミックス基板は非常に高価であり、工業的に量産するのは困難である。また、複数の窒化アルミニウム基板とＡｌ板またはＡｌ合金板を接合して多層構造体を製造するとともに、この多層構造体にＡｌまたはＡｌ合金の回路および放熱板を接合するために、接合材（ろう材）を用いて極めて高い圧力を加える必要があり、多層構造体を製造するための積層工程を必要とし、製造コストが高くなる。
【０００８】
また、特許文献２の絶縁回路基板では、熱拡散板と放熱板で覆われた第２のセラミックス板の熱伝導度が熱拡散板および放熱板よりも低いため、特許文献１の回路基板と同様に、セラミックス板により放熱性が妨げられる。また、特許文献２の絶縁回路基板を製造する場合、金型内にセラミックス板を所定の位置に保持したまま、溶融Ａｌまたは溶融Ａｌ合金を金型内に高圧で注入することが困難であり、適正な位置にセラミックス板を接合することができない場合があり、熱拡散板と放熱板で第２のセラミックス板を完全に覆って精度良く位置決めするのは困難である。そのため、絶縁回路基板の反りを制御し難く、反りのばらつきにより信頼性が低下するおそれがある。
【０００９】
したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、放熱性が高く且つ反りおよびそのばらつきが小さい金属−セラミックス接合基板、およびその金属−セラミックス接合基板を低コストで製造することができる、金属−セラミックス接合基板の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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金属板が直接接合するとともに、他方の面に金属ベース板が直接接合した金属−セラミックス接合基板において、金属ベース板より強度が高い金属からなる強化部材が金属ベース板の内部を貫通して延びるようにすることにより、放熱性が高く且つ反りおよびそのばらつきが小さい金属−セラミックス接合基板を低コストで製造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。
【００１１】
すなわち、本発明による金属−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金属板が直接接合するとともに、他方の面に金属ベース板が直接接合した金属−セラミックス接合基板において、金属ベース板より強度が高い金属からなる強化部材が金属ベース板の内部を貫通して延びていることを特徴とする。
【００１２】
この金属−セラミックス接合基板において、強化部材が、金属ベース板のセラミックス基板との接合面と略平行に延びているのが好ましく、金属ベース板のセラミックス基板との接合面と略平行な平面の面積より小さい面積の主平面を有する板状部材であるのが好ましい。また、強化部材が、金属ベース板のセラミックス基板との接合面と略平行な平面上に配置され且つ互いに離間して略平行に延びる複数の板状部材または棒状部材でもよい。あるいは、強化部材が、金属ベース板のセラミックス基板との接合面と略平行な平面上に配置され且つ互いに離間して金属ベース板の長手方向に延びる複数の長手方向板状部と互いに離間して金属ベース板の幅方向に延びて長手方向板状部を連結する複数の幅方向板状部とからなる格子状の板状部材でもよい。
【００１３】
また、上記の金属−セラミックス接合基板において、強化部材の金属ベース板の内部を貫通して延びる部分の全面が金属ベース板に直接接合しているのが好ましい。また、強化部材の端面が外部に露出し、その端面以外の全面が金属ベース板に直接接合しているのが好ましい。また、金属ベース板がアルミニウムまたはアルミニウム合金からなるのが好ましく、金属板がアルミニウムまたはアルミニウム合金からなるのが好ましい。さらに、強化部材が、ニッケル、コバルト、銅およびマンガンからなる群から選ばれる１種以上と鉄を含有する金属からなるのが好ましく、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種以上からなるのが好ましい。
【００１４】
また、本発明による金属−セラミックス接合基板の製造方法は、セラミックス基板の一方の面に金属板が直接接合するとともに、他方の面に金属ベース板が直接接合した金属−セラミックス接合基板の製造方法において、金属ベース板より融点および強度が高い金属からなる強化部材と、セラミックス基板とを鋳型内に離間して配置させるように、セラミックス基板の端部と強化部材の端部を鋳型に支持させ、鋳型内のセラミックス基板の両面に接触するとともに強化部材の端部を除く全面に接触するように溶湯を注湯した後に冷却して固化させることにより、金属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、金属ベース板を形成してセラミックス基板の他方の面に直接接合させるとともに、強化部材の端部を金属ベース板から突出させてその端部を除く強化部材の全面を金属ベース板に直接接合させることを特徴とする。
【００１５】
この金属−セラミックス接合基板の製造方法において、金属ベース板から突出した強化部材の端部を除去するのが好ましい。また、鋳型が上側鋳型部材と下側鋳型部材とからなり、強化部材の端部が上側鋳型部材と下側鋳型部材に挟持されることによって鋳型に支持されるのが好ましい。また、強化部材が、ニッケル、コバルト、銅およびマンガンからなる群から選ばれる１種以上と鉄を含有する金属からなるのが好ましい。さらに、金属板および金属ベース板がアルミニウムまたはアルミニウム合金からなるのが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、放熱性が高く且つ反りおよびそのばらつきが小さい金属−セラミックス接合基板、およびその金属−セラミックス接合基板を低コストで製造することができる、金属−セラミックス接合基板の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１Ａ】本発明による金属−セラミックス接合基板の実施の形態を示す斜視図である。
【図１Ｂ】図１Ａの金属−セラミックス接合基板の平面図である。
【図１Ｃ】図１Ｂの右側から見た金属−セラミックス接合基板の側面図である。
【図１Ｄ】図１Ｂの下側から見た金属−セラミックス接合基板の側面図である。
【図２Ａ】図１Ａ〜図１Ｄに示す金属−セラミックス接合基板を製造するために使用する鋳型の断面図である。
【図２Ｂ】図２Ａの鋳型の下側鋳型部材の斜視図である。
【図２Ｃ】図２Ａの鋳型の下側鋳型部材の平面図である。
【図２Ｄ】図２Ａの鋳型の上側鋳型部材の底面図である。
【図３】図１Ａ〜図１Ｄに示す金属−セラミックス接合基板の強化部材の第１の変形例を示す平面図である。
【図４】図１Ａ〜図１Ｄに示す金属−セラミックス接合基板の強化部材の第２の変形例を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、添付図面を参照して、本発明による金属−セラミックス接合基板およびその製造方法の実施の形態について説明する。
【００１９】
図１Ａ〜図１Ｄに示すように、本発明による金属−セラミックス接合基板の実施の形態は、平面形状が略矩形の金属からなる金属ベース板１０と、この金属ベース板１０に一方の面が直接接合した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平面形状が略矩形の金属からなる回路パターン用の金属板１４とを備えている。
【００２０】
また、図１Ａ、図１Ｃおよび図１Ｄに示すように、金属ベース板１０の内部には、複数の板状または棒状（本実施の形態では平面形状および横断面形状が略矩形の３つの細長い板状）の金属からなる強化部材１６が、金属ベース板１０の長手方向の両端面の一方の端面から他方の端面まで金属ベース板１０の内部を貫通して長手方向に延びている。これらの強化部材１６の長手方向の両端面は外部に露出し、その両端面以外の全面（強化部材１６の金属ベース板１０の内部を貫通して延びる部分の全面）が金属ベース板１０に直接接合している。このように金属ベース板１０の長手方向の両端面の一方の端面から他方の端面まで金属ベース板１０の内部を貫通して長手方向に延びる強化部材１６により、金属−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。
【００２１】
また、これらの強化部材１６は、金属ベース板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、互いに離間して略平行に延びている（本実施の形態では、中央の強化部材１６の両側に等間隔で２つの強化部材１６が配置されている）。このように強化部材１６間に間隙を設け、この間隙が金属板１４上に搭載するパワー素子などの電子部品の真下に配置されるようにすれば、パワー素子などの電子部品によって発生した熱が下方の絶縁性のセラミックス基板１２および金属ベース板１０を伝導して放熱される際に、金属ベース板１０の底面（金属ベース板１０のセラミックス基板１２との接合面と反対側の面）への熱伝導が阻害されず、放熱性の優れた金属−セラミックス接合基板にすることができる。
【００２２】
なお、金属ベース板１０および金属板１４は、電気伝導性、熱伝導率およびセラミックス基板との接合の信頼性の観点から、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるのが好ましい。また、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の１種以上からなるのが好ましい。また、強化部材１６は、金属ベース板１０より融点および強度が高い金属からなるのが好ましく、安価で高強度の鋼または鉄含有金属からなるのがさらに好ましく、鉄含有金属がニッケル、コバルト、銅およびマンガンからなる群から選ばれる１種以上と鉄を含有する金属からなるのが好ましい。特に、金属とセラミックスとの熱膨張係数の相違により接合時に発生した熱応力や、金属−セラミックス接合基板にパワー素子などの電子部品を搭載する熱処理時や使用時などにおいて発生した熱応力によって、金属−セラミックス接合基板が大きく反り易く、この反りを抑制するために、強化部材１６が低熱膨張係数の４２Ａｌｌｏｙ（鉄にニッケルを配合した合金）、インバー（鉄とニッケルの合金、不変鋼）、コバール（鉄にニッケルとコバルトなどを配合した合金）、高強度のＳＰＣＣ（普通鋼）などからなるのが好ましい。また、強化部材１６の厚さは０．５〜２．０ｍｍであるのが好ましい。また、強化部材１６は、金属ベース板１０との反応を抑制するために、Ｎｉめっきなどによって被覆されているのが好ましい。
【００２３】
図１Ａ〜図１Ｄに示す実施の形態の金属−セラミックス接合基板は、図２Ａ〜図２Ｄに示す鋳型２０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るように、セラミックス基板１２の周縁部と強化部材１６の長手方向の両端部を鋳型に支持させ、鋳型２０内のセラミックス基板１２の両面に接触するとともに強化部材１６の長手方向の両端部を除く全面に接触するように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。
【００２４】
図２Ａに示すように、鋳型２０は、カーボンなどからなり、それぞれ平面形状が略矩形の下側鋳型部材２２と上側鋳型部材２４とから構成されている。
【００２５】
図２Ａ〜図２Ｃに示すように、下側鋳型部材２２の上面には、金属ベース板１０のセラミックス基板１２側の部分（本実施の形態では略半分）を形成するための凹部（金属ベース板形成部）２２ａが形成され、この凹部２２ａの底面には、セラミックス基板１２と略同一の形状および大きさでセラミックス基板１２を収容するための凹部（セラミックス基板収容部）２２ｂが形成され、この凹部２２ｂの底面には、回路パターン用の金属板１４を形成するための凹部（金属板形成部）２２ｃが形成されている。また、金属ベース板形成部２２ａの長手方向の両側面の上側には、各々の強化部材１６の長手方向の両端部のセラミックス基板１２側の部分（本実施の形態では略半分）と略同一の形状および大きさでその部分を収容するための凹部（強化部材支持部）２２ｄが互いに離間して形成されている。
【００２６】
また、図２Ａおよび図２Ｄに示すように、上側鋳型部材２４の下面（裏面）には、金属ベース板１０のセラミックス基板１２と反対側の部分（本実施の形態では略半分）を形成するための凹部（金属ベース板形成部）２４ａが形成されている。この金属ベース板形成部２４ａと下側鋳型部材２２の金属ベース板形成部２２ａによって画定された空間内に金属ベース板１０が形成されるようになっている。また、この凹部２４ａの長手方向の両側面の上側（図２Ａでは下側）には、各々の強化部材１６の長手方向の両端部のセラミックス基板１２と反対側の部分（本実施の形態では略半分）と略同一の形状および大きさでその部分を収容するための凹部（強化部材支持部）２４ｄが互いに離間して形成されており、下側鋳型部材２２の強化部材支持部２２ｄに強化部材１６を収容した後に上側鋳型部材２４を下側鋳型部材２２に被せると、強化部材１６が下側鋳型部材２２の強化部材支持部２２ｄと上側鋳型部材２４の強化部材支持部２４ｄによって挟持されるようになっている。このように強化部材１６を挟持することにより、強化部材１６を所定の位置（金属ベース板１０の主面に沿った方向および厚さ方向の所定の位置）に精度良く固定することができるので、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が小さい金属−セラミックス接合基板を製造することができる。
【００２７】
また、上側鋳型部材２４には、（図示しない）注湯ノズルから金属ベース板形成部２４ａ内に溶湯を注湯するための（図示しない）注湯口が形成されているとともに、下側鋳型部材２２には、金属ベース板形成部２２ａと金属板形成部２２ｃとの間に延びる（図示しない）溶湯流路が形成されて、セラミックス基板収容部２２ｂ内にセラミックス基板１２を収容したときにも金属ベース板形成部２２ａと金属板形成部２２ｃとの間が連通するようになっている。
【００２８】
なお、本実施の形態では、強化部材支持部として凹部２２ｄおよび凹部２４ｄをそれぞれ下側鋳型部材２２の金属ベース板形成部２２ａおよび上側鋳型部材２４の金属ベース板形成部２４ａに設けているが、強化部材１６の長手方向の両端部に対応する形状および大きさの凹部を下側鋳型部材２２の金属ベース板形成部２２ａおよび上側鋳型部材２４の金属ベース板形成部２４ａのいずれか一方に設けてもよい。
【００２９】
このような鋳型２０を使用して図１Ａ〜図１Ｄに示す実施の形態の金属−セラミックス接合基板を製造するためには、まず、下側鋳型部材２２のセラミックス基板収容部２２ｂ内にセラミックス基板１２を配置した後、下側鋳型部材２２の強化部材支持部２２ｄに強化部材１６を載せて上側鋳型部材２４を下側鋳型部材２２に被せる。この状態で鋳型２０内にアルミニウムまたはアルミニウム合金などの金属の溶湯を流し込んで冷却すると、内部に配置された強化部材１６の長手方向の両端部が側面から突出した金属ベース板１０がセラミックス基板１２の一方の面に直接接合するとともに、セラミックス基板１２の他方の面に回路パターン用の金属板１４が直接接合した金属−セラミックス接合基板を製造することができる。その後、金属ベース板１０から突出した強化部材１６の長手方向の両端部を周知の切断方法で除去することにより、図１Ａ〜図１Ｄに示す実施の形態の金属−セラミックス接合基板を製造することができる。
【００３０】
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（例えばアルミニウム溶湯を注湯する場合には６００〜８００℃）まで加熱した後、注湯温度まで加熱して予め計量された金属溶湯を、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、高過ぎると強化部材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から溶湯が漏れたり、強化部材１６やセラミックス基板１２の位置がずれるおそれがある。
【００３１】
図３は、上述した実施の形態の金属−セラミックス接合基板の強化部材１６の第１の変形例としての強化部材１１６を示している。この強化部材１１６は、金属ベース板１０のセラミックス基板１２との接合面と略平行な（仮想）平面上に配置され且つその平面の面積より小さい面積の主平面を有する１枚の板状部材であり、互いに離間して長手方向に延びる複数（図示した例では３つ）の長手方向板状部と互いに離間して（長手方向と略垂直な）幅方向に延びて長手方向板状部を連結する複数（図示した例では３つ）の幅方向板状部とからなる格子状の板状部材である。この強化部材１１６の各々の長手方向板状部の両端部１１６ａは、鋳型２０の強化部材支持部２２ｄおよび２４ｄによって画定される空間と略同一の形状および大きさになっている。この変形例の強化部材１１６を使用すれば、金属−セラミックス接合基板の長手方向の反りおよびそのばらつきだけでなく、幅方向の反りおよびそのばらつきも小さくすることができる。また、強化部材１１６の長手方向板状部と幅方向板状部によって囲まれた開口部１１６ｂが、金属板１４上に搭載するパワー素子の真下に配置されるようにすれば、金属ベース板１０の底面への熱伝導の阻害を防止して、放熱性の優れた金属−セラミックス接合基板にすることができる。その他の構成は、上述した実施の形態と同様であるので、その説明を省略する。
【００３２】
図４は、上述した実施の形態の金属−セラミックス接合基板の強化部材１６の第２の変形例としての強化部材２１６を示している。この強化部材２１６では、開口部２１６ｂの大きさや位置と長手方向板状部の両端部２１６ａの形状が、上述した第１の変形例の強化部材１１６と異なっている。この強化部材２１６の長手方向板状部と幅方向板状部によって囲まれた開口部２１６ｂが、金属板１４上に搭載するパワー素子などの電子部品の真下に配置されるようにすれば、金属ベース板１０の底面への熱伝導の阻害を防止して、放熱性の優れた金属−セラミックス接合基板にすることができる。また、この強化部材２１６の角部は、長手方向側面および幅方向側面に対して傾斜した斜面になっており、長手方向板状部の両端部の大きさおよび形状が上述した第１の変形例の強化部材１１６と異なっているので、その変更に対応するように鋳型２０の強化部材支持部２２ｄおよび２４ｄの形状および大きさも変更すればよい。その他の構成は、上述した第１の変形例と同様であるので、その説明を省略する。
【００３３】
なお、金属ベース板１０に放熱板をネジ止めするための取付穴が形成されている場合には、その取付穴に対応するように強化部材に穴をあけて金属ベース板１０の取付穴を強化部材によって取り囲むようにすれば、ネジ止め部分の強度を向上させることができる。このネジ止め部分は、放熱にほとんど影響しないので、この部分では、強化部材が金属ベース板１０から露出してもよい。
【実施例】
【００３４】
以下、本発明による金属−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。
【００３５】
[実施例１]
まず、金属ベース板形成部２２ａの底面に互いに離間した２つのセラミックス基板収容部２２ｂが形成され且つこれらのセラミックス基板収容部２２ｂの各々の底面に金属板形成部２２ｃが形成されている以外は、図２Ａ〜図２Ｄに示す鋳型２０と同様の形状のカーボン製の鋳型を使用し、下側鋳型部材２２のそれぞれのセラミックス基板収容部２２ｂ内に５０ｍｍ×５０ｍｍ×０．６ｍｍの大きさのＡｌＮからなるセラミックス基板１２を配置し、１５０ｍｍ×１５ｍｍ×０．６ｍｍの大きさの３本の４２Ａｌｌｏｙからなる強化部材１６のそれぞれの両端部（それぞれ長さ５ｍｍの部分）を下側鋳型部材２２の強化部材支持部２２ｄに配置した後、下側鋳型部材２２に上側鋳型部材２４を被せて炉内に入れ、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２０を７２０℃まで加熱した後、７２０℃まで加熱して予め計量された純度９９．９％のアルミニウム溶湯を、鋳型２０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１０ｋＰａの圧力で加圧して、鋳型２０内の１４０ｍｍ×６０ｍｍ×５ｍｍの大きさの金属ベース板形成部２２ａおよび２４ａ内に流し込んで充填するとともに、下側鋳型部材２２に形成された溶湯流路を介して４８ｍｍ×４８ｍｍ×０．６ｍｍの大きさのそれぞれの金属板形成部２２ｃまで充填した。その後、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２０内の溶湯を１０ｋＰａの圧力で加圧したまま冷却して溶湯を凝固させた。このようにして、所謂溶湯接合法により、１５０ｍｍ×１５ｍｍ×０．６ｍｍの大きさの３本の強化部材１６が内部を貫通するとともにそれぞれの強化部材１６の長手方向の両端部（それぞれ長さ５ｍｍの部分）が側面から突出した１４０ｍｍ×６０ｍｍ×５ｍｍの大きさの金属ベース板１０が５０ｍｍ×５０ｍｍ×０．６ｍｍの大きさのそれぞれのセラミックス基板１２の一方の面に直接接合するとともに、それぞれのセラミックス基板１２の他方の面に４８ｍｍ×４８ｍｍ×０．６ｍｍの大きさの回路パターン用の金属板１４が直接接合した金属−セラミックス接合基板を製造した。この金属−セラミックス接合基板を鋳型２０から取り出した後、金属ベース板１０から突出した強化部材１６の長手方向の両端部を切断して除去することにより、金属ベース板１０に２枚のセラミックス基板１２が直接接合し且つこれらのセラミックス基板１２の各々に回路パターン用の金属板１４が直接接合している以外は、図１Ａ〜図１Ｄと同様の形状の金属−セラミックス接合基板を製造した。
【００３６】
このようにして得られた金属−セラミックス接合基板の金属ベース板１０の長手方向の反り量（金属ベース板１０の底面を水平面に配置したときの金属ベース板１０の底面の中央部の接平面と端部の垂直方向の距離）を、下側に反っている場合（凹状）を正（＋）、上側に反っている場合（凸状）を負（−）として、レーザー変位計で測定した。その結果、セラミックス基板１２の長手方向の反り量は−１０μｍであった。
【００３７】
また、得られた金属−セラミックス接合基板をホットプレート上で加熱して基板表面温度を２６０℃にしたときの長手方向の反り量を測定したところ、セラミックス基板１２の長手方向の反り量は＋２００μｍであった。
【００３８】
また、加熱後もセラミックス基板１２に割れなどの不具合はなく、絶縁性などの電気性能も良好であった。金属板１４とセラミックス基板１２の間、金属ベース板１０とセラミックス基板１２の間、金属ベース板１０と補強部材１６の間のそれぞれの接合も特に欠陥がなく良好であった。
【００３９】
[実施例２]
１５０ｍｍ×５０ｍｍ×１．０ｍｍの大きさの１本の強化部材１６を使用し、それに対応する鋳型２０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た。
【００４０】
このようにして得られた金属−セラミックス接合基板の金属ベース板１０の長手方向の反り量を実施例１と同様の方法により測定したところ、セラミックス基板１２の長手方向の反り量は＋１０μｍであった。
【００４１】
また、得られた金属−セラミックス接合基板をホットプレート上で加熱して基板表面温度を２６０℃にしたときの長手方向の反り量を測定したところ、セラミックス基板１２の長手方向の反り量は＋２９８μｍでであった。
【００４２】
[実施例３]
１５０ｍｍ×５０ｍｍ×０．６ｍｍの大きさの１本の強化部材１６を使用し、それに対応する鋳型２０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た。
【００４３】
このようにして得られた金属−セラミックス接合基板の金属ベース板１０の長手方向の反り量を実施例１と同様の方法により測定したところ、セラミックス基板１２の長手方向の反り量は−２０μｍであった。
【００４４】
また、得られた金属−セラミックス接合基板をホットプレート上で加熱して基板表面温度を２６０℃にしたときの長手方向の反り量を測定したところ、セラミックス基板１２の長手方向の反り量は＋５００μｍでであった。
【００４５】
[比較例]
強化部材１６を使用せずそれに対応する鋳型２０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た。
【００４６】
このようにして得られた金属−セラミックス接合基板の金属ベース板１０の長手方向の反り量を実施例１と同様の方法により測定したところ、セラミックス基板１２の長手方向の反り量は−３０μｍであった。
【００４７】
また、得られた金属−セラミックス接合基板をホットプレート上で加熱して基板表面温度を２６０℃にしたときの長手方向の反り量を測定したところ、セラミックス基板１２の長手方向の反り量は＋９００μｍであった。
【符号の説明】
【００４８】
１０ 金属ベース板
１２ セラミックス基板
１４ （回路パターン用の）金属板
１６、１１６、２１６ 補強部材
２０ 鋳型
２２ 下側鋳型部材
２４ 上側鋳型部材
２２ａ、２４ａ 金属ベース板形成部
２２ｂ セラミックス基板収容部
２２ｃ 金属板形成部
２２ｄ、２４ｄ 補強部材支持部
１１６ａ、２１６ａ 端部
１１６ｂ、２１６ｂ 開口部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属−セラミックス接合基板およびその製造方法に関し、特に、セラミックス基板の一方の面に電子部品搭載用の金属板（金属回路板）が形成され、他方の面に放熱用の金属ベース板が形成された金属−セラミックス接合基板およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電気自動車、電車、工作機械などの大電流を制御するために、パワーモジュールが使用されている。従来のパワーモジュールでは、ベース板と呼ばれている金属板または複合材の一方の面に金属−セラミックス絶縁基板が半田付けなどにより固定され、この金属−セラミックス接合基板の金属回路板上に半導体チップが半田付けにより固定されている。また、ベース板の他方の面（裏面）には、ねじ止めなどにより熱伝導グリースを介して金属製の放熱フィンや冷却ジャケットが取り付けられている。
【０００３】
このような金属−セラミックス接合基板は、一般に、セラミックス基板の両面に異なる厚さの金属板（金属回路板とベース板）が接合されるため、接合後に大きな反りが生じ易い。また、金属−セラミックス接合基板への半導体チップの半田付けは加熱により行われるため、半田付けの際に、接合部材間の熱膨張係数の差によって金属回路板およびベース板の反りが生じ易い。さらに、半導体チップから発生した熱は、金属−セラミックス接合基板と半田とベース板を介して放熱フィンや冷却ジャケットにより空気や冷却水に逃がされるため、半田付けの際にベース板の反りが生じると、放熱フィンや冷却ジャケットをベース板に取り付けたときのクリアランスが大きくなり、放熱性が極端に低下する。また、実質的に反りのない金属−セラミックス接合基板が得られたとしても、熱衝撃が繰り返されると反りが大きくなる。
【０００４】
このような問題を解決するため、Ａｌ板またはＡｌ合金板を介して複数の窒化アルミニウム基板が接合された多層構造体の一方の面にＡｌまたはＡｌ合金の回路が形成され、他方の面に放熱板が形成された回路基板が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この回路基板は、接合材（ろう材）を用いて複数の窒化アルミニウム基板とＡｌ板またはＡｌ合金板を接合して多層構造体を製造するとともに、この多層構造体に接合材（ろう材）を用いてＡｌまたはＡｌ合金の回路および放熱板を接合することによって製造されている。
【０００５】
また、第１のセラミックス板の一方の面に回路板が接合され、他方の面に熱拡散板、第２のセラミックス板および放熱板が接合された積層体により形成され、回路板、熱拡散板および放熱板がＣｕ、Ｃｕ合金、ＡｌまたはＡｌ合金からなり、熱拡散板と放熱板で第２のセラミックス板を完全に覆うように、熱拡散板の端部と放熱板の端部を一体化した絶縁回路基板が提案されている（例えば、特許文献２参照）。この絶縁回路基板は、金型内に第１および第２のセラミックス板をセットして、回路板、熱拡散板および放熱板となる溶融Ａｌまたは溶融Ａｌ合金を金型内に高圧で注入した後に、冷却して固体化することによって製造されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−７４６５号公報（段落番号０００８−０００９）
【特許文献２】特開２００３−８６７４７号公報（段落番号００１５−００３１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１の回路基板では、セラミックス基板として高い熱伝導度（１７０Ｗ／ｍＫ）の窒化アルミニウム基板を使用しているが、ＣｕやＡｌまたはそれらの合金などからなる放熱板（金属ベース板）よりも熱伝導度が低いため、窒化アルミニウム基板により放熱性が妨げられる。仮に、金属ベース板と同等以上の熱伝導率を有するセラミックス基板を使用することができたとしても、そのようなセラミックス基板は非常に高価であり、工業的に量産するのは困難である。また、複数の窒化アルミニウム基板とＡｌ板またはＡｌ合金板を接合して多層構造体を製造するとともに、この多層構造体にＡｌまたはＡｌ合金の回路および放熱板を接合するために、接合材（ろう材）を用いて極めて高い圧力を加える必要があり、多層構造体を製造するための積層工程を必要とし、製造コストが高くなる。
【０００８】
また、特許文献２の絶縁回路基板では、熱拡散板と放熱板で覆われた第２のセラミックス板の熱伝導度が熱拡散板および放熱板よりも低いため、特許文献１の回路基板と同様に、セラミックス板により放熱性が妨げられる。また、特許文献２の絶縁回路基板を製造する場合、金型内にセラミックス板を所定の位置に保持したまま、溶融Ａｌまたは溶融Ａｌ合金を金型内に高圧で注入することが困難であり、適正な位置にセラミックス板を接合することができない場合があり、熱拡散板と放熱板で第２のセラミックス板を完全に覆って精度良く位置決めするのは困難である。そのため、絶縁回路基板の反りを制御し難く、反りのばらつきにより信頼性が低下するおそれがある。
【０００９】
したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、放熱性が高く且つ反りおよびそのばらつきが小さい金属−セラミックス接合基板、およびその金属−セラミックス接合基板を低コストで製造することができる、金属−セラミックス接合基板の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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金属板が直接接合するとともに、他方の面に金属ベース板が直接接合した金属−セラミックス接合基板において、金属ベース板より強度が高い金属からなる強化部材が金属ベース板の内部を貫通して延びるようにすることにより、放熱性が高く且つ反りおよびそのばらつきが小さい金属−セラミックス接合基板を低コストで製造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。
【００１１】
すなわち、本発明による金属−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金属板が直接接合するとともに、他方の面に金属ベース板が直接接合した金属−セラミックス接合基板において、金属ベース板より強度が高い金属からなる強化部材が金属ベース板の内部を貫通して延びていることを特徴とする。
【００１２】
この金属−セラミックス接合基板において、強化部材が、金属ベース板のセラミックス基板との接合面と略平行に延びているのが好ましく、金属ベース板のセラミックス基板との接合面と略平行な平面の面積より小さい面積の主平面を有する板状部材であるのが好ましい。また、強化部材が、金属ベース板のセラミックス基板との接合面と略平行な平面上に配置され且つ互いに離間して略平行に延びる複数の板状部材または棒状部材でもよい。あるいは、強化部材が、金属ベース板のセラミックス基板との接合面と略平行な平面上に配置され且つ互いに離間して金属ベース板の長手方向に延びる複数の長手方向板状部と互いに離間して金属ベース板の幅方向に延びて長手方向板状部を連結する複数の幅方向板状部とからなる格子状の板状部材でもよい。
【００１３】
また、上記の金属−セラミックス接合基板において、強化部材の金属ベース板の内部を貫通して延びる部分の全面が金属ベース板に直接接合しているのが好ましい。また、強化部材の端面が外部に露出し、その端面以外の全面が金属ベース板に直接接合しているのが好ましい。また、金属ベース板がアルミニウムまたはアルミニウム合金からなるのが好ましく、金属板がアルミニウムまたはアルミニウム合金からなるのが好ましい。さらに、強化部材が、ニッケル、コバルト、銅およびマンガンからなる群から選ばれる１種以上と鉄を含有する金属からなるのが好ましく、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種以上からなるのが好ましい。
【００１４】
また、本発明による金属−セラミックス接合基板の製造方法は、セラミックス基板の一方の面に金属板が直接接合するとともに、他方の面に金属ベース板が直接接合した金属−セラミックス接合基板の製造方法において、金属ベース板より融点および強度が高い金属からなる強化部材と、セラミックス基板とを鋳型内に離間して配置させるように、セラミックス基板の端部と強化部材の端部を鋳型に支持させ、鋳型内のセラミックス基板の両面に接触するとともに強化部材の端部を除く全面に接触するように溶湯を注湯した後に冷却して固化させることにより、金属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、金属ベース板を形成してセラミックス基板の他方の面に直接接合させるとともに、強化部材の端部を金属ベース板から突出させてその端部を除く強化部材の全面を金属ベース板に直接接合させることを特徴とする。
【００１５】
この金属−セラミックス接合基板の製造方法において、金属ベース板から突出した強化部材の端部を除去するのが好ましい。また、鋳型が上側鋳型部材と下側鋳型部材とからなり、強化部材の端部が上側鋳型部材と下側鋳型部材に挟持されることによって鋳型に支持されるのが好ましい。また、強化部材が、ニッケル、コバルト、銅およびマンガンからなる群から選ばれる１種以上と鉄を含有する金属からなるのが好ましい。さらに、金属板および金属ベース板がアルミニウムまたはアルミニウム合金からなるのが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、放熱性が高く且つ反りおよびそのばらつきが小さい金属−セラミックス接合基板、およびその金属−セラミックス接合基板を低コストで製造することができる、金属−セラミックス接合基板の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１Ａ】本発明による金属−セラミックス接合基板の実施の形態を示す斜視図である。
【図１Ｂ】図１Ａの金属−セラミックス接合基板の平面図である。
【図１Ｃ】図１Ｂの右側から見た金属−セラミックス接合基板の側面図である。
【図１Ｄ】図１Ｂの下側から見た金属−セラミックス接合基板の側面図である。
【図２Ａ】図１Ａ〜図１Ｄに示す金属−セラミックス接合基板を製造するために使用する鋳型の断面図である。
【図２Ｂ】図２Ａの鋳型の下側鋳型部材の斜視図である。
【図２Ｃ】図２Ａの鋳型の下側鋳型部材の平面図である。
【図２Ｄ】図２Ａの鋳型の上側鋳型部材の底面図である。
【図３】図１Ａ〜図１Ｄに示す金属−セラミックス接合基板の強化部材の第１の変形例を示す平面図である。
【図４】図１Ａ〜図１Ｄに示す金属−セラミックス接合基板の強化部材の第２の変形例を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、添付図面を参照して、本発明による金属−セラミックス接合基板およびその製造方法の実施の形態について説明する。
【００１９】
図１Ａ〜図１Ｄに示すように、本発明による金属−セラミックス接合基板の実施の形態は、平面形状が略矩形の金属からなる金属ベース板１０と、この金属ベース板１０に一方の面が直接接合した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平面形状が略矩形の金属からなる回路パターン用の金属板１４とを備えている。
【００２０】
また、図１Ａ、図１Ｃおよび図１Ｄに示すように、金属ベース板１０の内部には、複数の板状または棒状（本実施の形態では平面形状および横断面形状が略矩形の３つの細長い板状）の金属からなる強化部材１６が、金属ベース板１０の長手方向の両端面の一方の端面から他方の端面まで金属ベース板１０の内部を貫通して長手方向に延びている。これらの強化部材１６の長手方向の両端面は外部に露出し、その両端面以外の全面（強化部材１６の金属ベース板１０の内部を貫通して延びる部分の全面）が金属ベース板１０に直接接合している。このように金属ベース板１０の長手方向の両端面の一方の端面から他方の端面まで金属ベース板１０の内部を貫通して長手方向に延びる強化部材１６により、金属−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。
【００２１】
また、これらの強化部材１６は、金属ベース板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、互いに離間して略平行に延びている（本実施の形態では、中央の強化部材１６の両側に等間隔で２つの強化部材１６が配置されている）。このように強化部材１６間に間隙を設け、この間隙が金属板１４上に搭載するパワー素子などの電子部品の真下に配置されるようにすれば、パワー素子などの電子部品によって発生した熱が下方の絶縁性のセラミックス基板１２および金属ベース板１０を伝導して放熱される際に、金属ベース板１０の底面（金属ベース板１０のセラミックス基板１２との接合面と反対側の面）への熱伝導が阻害されず、放熱性の優れた金属−セラミックス接合基板にすることができる。
【００２２】
なお、金属ベース板１０および金属板１４は、電気伝導性、熱伝導率およびセラミックス基板との接合の信頼性の観点から、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるのが好ましい。また、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の１種以上からなるのが好ましい。また、強化部材１６は、金属ベース板１０より融点および強度が高い金属からなるのが好ましく、安価で高強度の鋼または鉄含有金属からなるのがさらに好ましく、鉄含有金属がニッケル、コバルト、銅およびマンガンからなる群から選ばれる１種以上と鉄を含有する金属からなるのが好ましい。特に、金属とセラミックスとの熱膨張係数の相違により接合時に発生した熱応力や、金属−セラミックス接合基板にパワー素子などの電子部品を搭載する熱処理時や使用時などにおいて発生した熱応力によって、金属−セラミックス接合基板が大きく反り易く、この反りを抑制するために、強化部材１６が低熱膨張係数の４２Ａｌｌｏｙ（鉄にニッケルを配合した合金）、インバー（鉄とニッケルの合金、不変鋼）、コバール（鉄にニッケルとコバルトなどを配合した合金）、高強度のＳＰＣＣ（普通鋼）などからなるのが好ましい。また、強化部材１６の厚さは０．５〜２．０ｍｍであるのが好ましい。また、強化部材１６は、金属ベース板１０との反応を抑制するために、Ｎｉめっきなどによって被覆されているのが好ましい。
【００２３】
図１Ａ〜図１Ｄに示す実施の形態の金属−セラミックス接合基板は、図２Ａ〜図２Ｄに示す鋳型２０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るように、セラミックス基板１２の周縁部と強化部材１６の長手方向の両端部を鋳型に支持させ、鋳型２０内のセラミックス基板１２の両面に接触するとともに強化部材１６の長手方向の両端部を除く全面に接触するように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。
【００２４】
図２Ａに示すように、鋳型２０は、カーボンなどからなり、それぞれ平面形状が略矩形の下側鋳型部材２２と上側鋳型部材２４とから構成されている。
【００２５】
図２Ａ〜図２Ｃに示すように、下側鋳型部材２２の上面には、金属ベース板１０のセラミックス基板１２側の部分（本実施の形態では略半分）を形成するための凹部（金属ベース板形成部）２２ａが形成され、この凹部２２ａの底面には、セラミックス基板１２と略同一の形状および大きさでセラミックス基板１２を収容するための凹部（セラミックス基板収容部）２２ｂが形成され、この凹部２２ｂの底面には、回路パターン用の金属板１４を形成するための凹部（金属板形成部）２２ｃが形成されている。また、金属ベース板形成部２２ａの長手方向の両側面の上側には、各々の強化部材１６の長手方向の両端部のセラミックス基板１２側の部分（本実施の形態では略半分）と略同一の形状および大きさでその部分を収容するための凹部（強化部材支持部）２２ｄが互いに離間して形成されている。
【００２６】
また、図２Ａおよび図２Ｄに示すように、上側鋳型部材２４の下面（裏面）には、金属ベース板１０のセラミックス基板１２と反対側の部分（本実施の形態では略半分）を形成するための凹部（金属ベース板形成部）２４ａが形成されている。この金属ベース板形成部２４ａと下側鋳型部材２２の金属ベース板形成部２２ａによって画定された空間内に金属ベース板１０が形成されるようになっている。また、この凹部２４ａの長手方向の両側面の上側（図２Ａでは下側）には、各々の強化部材１６の長手方向の両端部のセラミックス基板１２と反対側の部分（本実施の形態では略半分）と略同一の形状および大きさでその部分を収容するための凹部（強化部材支持部）２４ｄが互いに離間して形成されており、下側鋳型部材２２の強化部材支持部２２ｄに強化部材１６を収容した後に上側鋳型部材２４を下側鋳型部材２２に被せると、強化部材１６が下側鋳型部材２２の強化部材支持部２２ｄと上側鋳型部材２４の強化部材支持部２４ｄによって挟持されるようになっている。このように強化部材１６を挟持することにより、強化部材１６を所定の位置（金属ベース板１０の主面に沿った方向および厚さ方向の所定の位置）に精度良く固定することができるので、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が小さい金属−セラミックス接合基板を製造することができる。
【００２７】
また、上側鋳型部材２４には、（図示しない）注湯ノズルから金属ベース板形成部２４ａ内に溶湯を注湯するための（図示しない）注湯口が形成されているとともに、下側鋳型部材２２には、金属ベース板形成部２２ａと金属板形成部２２ｃとの間に延びる（図示しない）溶湯流路が形成されて、セラミックス基板収容部２２ｂ内にセラミックス基板１２を収容したときにも金属ベース板形成部２２ａと金属板形成部２２ｃとの間が連通するようになっている。
【００２８】
なお、本実施の形態では、強化部材支持部として凹部２２ｄおよび凹部２４ｄをそれぞれ下側鋳型部材２２の金属ベース板形成部２２ａおよび上側鋳型部材２４の金属ベース板形成部２４ａに設けているが、強化部材１６の長手方向の両端部に対応する形状および大きさの凹部を下側鋳型部材２２の金属ベース板形成部２２ａおよび上側鋳型部材２４の金属ベース板形成部２４ａのいずれか一方に設けてもよい。
【００２９】
このような鋳型２０を使用して図１Ａ〜図１Ｄに示す実施の形態の金属−セラミックス接合基板を製造するためには、まず、下側鋳型部材２２のセラミックス基板収容部２２ｂ内にセラミックス基板１２を配置した後、下側鋳型部材２２の強化部材支持部２２ｄに強化部材１６を載せて上側鋳型部材２４を下側鋳型部材２２に被せる。この状態で鋳型２０内にアルミニウムまたはアルミニウム合金などの金属の溶湯を流し込んで冷却すると、内部に配置された強化部材１６の長手方向の両端部が側面から突出した金属ベース板１０がセラミックス基板１２の一方の面に直接接合するとともに、セラミックス基板１２の他方の面に回路パターン用の金属板１４が直接接合した金属−セラミックス接合基板を製造することができる。その後、金属ベース板１０から突出した強化部材１６の長手方向の両端部を周知の切断方法で除去することにより、図１Ａ〜図１Ｄに示す実施の形態の金属−セラミックス接合基板を製造することができる。
【００３０】
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（例えばアルミニウム溶湯を注湯する場合には６００〜８００℃）まで加熱した後、注湯温度まで加熱して予め計量された金属溶湯を、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、高過ぎると強化部材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から溶湯が漏れたり、強化部材１６やセラミックス基板１２の位置がずれるおそれがある。
【００３１】
図３は、上述した実施の形態の金属−セラミックス接合基板の強化部材１６の第１の変形例としての強化部材１１６を示している。この強化部材１１６は、金属ベース板１０のセラミックス基板１２との接合面と略平行な（仮想）平面上に配置され且つその平面の面積より小さい面積の主平面を有する１枚の板状部材であり、互いに離間して長手方向に延びる複数（図示した例では３つ）の長手方向板状部と互いに離間して（長手方向と略垂直な）幅方向に延びて長手方向板状部を連結する複数（図示した例では３つ）の幅方向板状部とからなる格子状の板状部材である。この強化部材１１６の各々の長手方向板状部の両端部１１６ａは、鋳型２０の強化部材支持部２２ｄおよび２４ｄによって画定される空間と略同一の形状および大きさになっている。この変形例の強化部材１１６を使用すれば、金属−セラミックス接合基板の長手方向の反りおよびそのばらつきだけでなく、幅方向の反りおよびそのばらつきも小さくすることができる。また、強化部材１１６の長手方向板状部と幅方向板状部によって囲まれた開口部１１６ｂが、金属板１４上に搭載するパワー素子の真下に配置されるようにすれば、金属ベース板１０の底面への熱伝導の阻害を防止して、放熱性の優れた金属−セラミックス接合基板にすることができる。その他の構成は、上述した実施の形態と同様であるので、その説明を省略する。
【００３２】
図４は、上述した実施の形態の金属−セラミックス接合基板の強化部材１６の第２の変形例としての強化部材２１６を示している。この強化部材２１６では、開口部２１６ｂの大きさや位置と長手方向板状部の両端部２１６ａの形状が、上述した第１の変形例の強化部材１１６と異なっている。この強化部材２１６の長手方向板状部と幅方向板状部によって囲まれた開口部２１６ｂが、金属板１４上に搭載するパワー素子などの電子部品の真下に配置されるようにすれば、金属ベース板１０の底面への熱伝導の阻害を防止して、放熱性の優れた金属−セラミックス接合基板にすることができる。また、この強化部材２１６の角部は、長手方向側面および幅方向側面に対して傾斜した斜面になっており、長手方向板状部の両端部の大きさおよび形状が上述した第１の変形例の強化部材１１６と異なっているので、その変更に対応するように鋳型２０の強化部材支持部２２ｄおよび２４ｄの形状および大きさも変更すればよい。その他の構成は、上述した第１の変形例と同様であるので、その説明を省略する。
【００３３】
なお、金属ベース板１０に放熱板をネジ止めするための取付穴が形成されている場合には、その取付穴に対応するように強化部材に穴をあけて金属ベース板１０の取付穴を強化部材によって取り囲むようにすれば、ネジ止め部分の強度を向上させることができる。このネジ止め部分は、放熱にほとんど影響しないので、この部分では、強化部材が金属ベース板１０から露出してもよい。
【実施例】
【００３４】
以下、本発明による金属−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。
【００３５】
[実施例１]
まず、金属ベース板形成部２２ａの底面に互いに離間した２つのセラミックス基板収容部２２ｂが形成され且つこれらのセラミックス基板収容部２２ｂの各々の底面に金属板形成部２２ｃが形成されている以外は、図２Ａ〜図２Ｄに示す鋳型２０と同様の形状のカーボン製の鋳型を使用し、下側鋳型部材２２のそれぞれのセラミックス基板収容部２２ｂ内に５０ｍｍ×５０ｍｍ×０．６ｍｍの大きさのＡｌＮからなるセラミックス基板１２を配置し、１５０ｍｍ×１５ｍｍ×０．６ｍｍの大きさの３本の４２Ａｌｌｏｙからなる強化部材１６のそれぞれの両端部（それぞれ長さ５ｍｍの部分）を下側鋳型部材２２の強化部材支持部２２ｄに配置した後、下側鋳型部材２２に上側鋳型部材２４を被せて炉内に入れ、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２０を７２０℃まで加熱した後、７２０℃まで加熱して予め計量された純度９９．９％のアルミニウム溶湯を、鋳型２０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１０ｋＰａの圧力で加圧して、鋳型２０内の１４０ｍｍ×６０ｍｍ×５ｍｍの大きさの金属ベース板形成部２２ａおよび２４ａ内に流し込んで充填するとともに、下側鋳型部材２２に形成された溶湯流路を介して４８ｍｍ×４８ｍｍ×０．６ｍｍの大きさのそれぞれの金属板形成部２２ｃまで充填した。その後、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２０内の溶湯を１０ｋＰａの圧力で加圧したまま冷却して溶湯を凝固させた。このようにして、所謂溶湯接合法により、１５０ｍｍ×１５ｍｍ×０．６ｍｍの大きさの３本の強化部材１６が内部を貫通するとともにそれぞれの強化部材１６の長手方向の両端部（それぞれ長さ５ｍｍの部分）が側面から突出した１４０ｍｍ×６０ｍｍ×５ｍｍの大きさの金属ベース板１０が５０ｍｍ×５０ｍｍ×０．６ｍｍの大きさのそれぞれのセラミックス基板１２の一方の面に直接接合するとともに、それぞれのセラミックス基板１２の他方の面に４８ｍｍ×４８ｍｍ×０．６ｍｍの大きさの回路パターン用の金属板１４が直接接合した金属−セラミックス接合基板を製造した。この金属−セラミックス接合基板を鋳型２０から取り出した後、金属ベース板１０から突出した強化部材１６の長手方向の両端部を切断して除去することにより、金属ベース板１０に２枚のセラミックス基板１２が直接接合し且つこれらのセラミックス基板１２の各々に回路パターン用の金属板１４が直接接合している以外は、図１Ａ〜図１Ｄと同様の形状の金属−セラミックス接合基板を製造した。
【００３６】
このようにして得られた金属−セラミックス接合基板の金属ベース板１０の長手方向の反り量（金属ベース板１０の底面を水平面に配置したときの金属ベース板１０の底面の中央部の接平面と端部の垂直方向の距離）を、下側に反っている場合（凹状）を正（＋）、上側に反っている場合（凸状）を負（−）として、レーザー変位計で測定した。その結果、セラミックス基板１２の長手方向の反り量は−１０μｍであった。
【００３７】
また、得られた金属−セラミックス接合基板をホットプレート上で加熱して基板表面温度を２６０℃にしたときの長手方向の反り量を測定したところ、セラミックス基板１２の長手方向の反り量は＋２００μｍであった。
【００３８】
また、加熱後もセラミックス基板１２に割れなどの不具合はなく、絶縁性などの電気性能も良好であった。金属板１４とセラミックス基板１２の間、金属ベース板１０とセラミックス基板１２の間、金属ベース板１０と補強部材１６の間のそれぞれの接合も特に欠陥がなく良好であった。
【００３９】
[実施例２]
１５０ｍｍ×５０ｍｍ×１．０ｍｍの大きさの１本の強化部材１６を使用し、それに対応する鋳型２０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た。
【００４０】
このようにして得られた金属−セラミックス接合基板の金属ベース板１０の長手方向の反り量を実施例１と同様の方法により測定したところ、セラミックス基板１２の長手方向の反り量は＋１０μｍであった。
【００４１】
また、得られた金属−セラミックス接合基板をホットプレート上で加熱して基板表面温度を２６０℃にしたときの長手方向の反り量を測定したところ、セラミックス基板１２の長手方向の反り量は＋２９８μｍでであった。
【００４２】
[実施例３]
１５０ｍｍ×５０ｍｍ×０．６ｍｍの大きさの１本の強化部材１６を使用し、それに対応する鋳型２０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た。
【００４３】
このようにして得られた金属−セラミックス接合基板の金属ベース板１０の長手方向の反り量を実施例１と同様の方法により測定したところ、セラミックス基板１２の長手方向の反り量は−２０μｍであった。
【００４４】
また、得られた金属−セラミックス接合基板をホットプレート上で加熱して基板表面温度を２６０℃にしたときの長手方向の反り量を測定したところ、セラミックス基板１２の長手方向の反り量は＋５００μｍでであった。
【００４５】
[比較例]
強化部材１６を使用せずそれに対応する鋳型２０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た。
【００４６】
このようにして得られた金属−セラミックス接合基板の金属ベース板１０の長手方向の反り量を実施例１と同様の方法により測定したところ、セラミックス基板１２の長手方向の反り量は−３０μｍであった。
【００４７】
また、得られた金属−セラミックス接合基板をホットプレート上で加熱して基板表面温度を２６０℃にしたときの長手方向の反り量を測定したところ、セラミックス基板１２の長手方向の反り量は＋９００μｍであった。
【符号の説明】
【００４８】
１０ 金属ベース板
１２ セラミックス基板
１４ （回路パターン用の）金属板
１６、１１６、２１６ 補強部材
２０ 鋳型
２２ 下側鋳型部材
２４ 上側鋳型部材
２２ａ、２４ａ 金属ベース板形成部
２２ｂ セラミックス基板収容部
２２ｃ 金属板形成部
２２ｄ、２４ｄ 補強部材支持部
１１６ａ、２１６ａ 端部
１１６ｂ、２１６ｂ 開口部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板の一方の面に金属板が直接接合するとともに、他方の面に金属ベース板が直接接合した金属−セラミックス接合基板において、金属ベース板より強度が高い金属からなる強化部材が金属ベース板の内部を貫通して延びていることを特徴とする、金属−セラミックス接合基板。
【請求項２】
前記強化部材が、前記金属ベース板の前記セラミックス基板との接合面と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。
【請求項３】
前記強化部材が、前記金属ベース板のセラミックス基板との接合面と略平行な平面の面積より小さい面積の主平面を有する板状部材であ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。
【請求項４】
前記強化部材が、前記金属ベース板のセラミックス基板との接合面と略平行な平面上に配置され且つ互いに離間して略平行に延びる複数の板状部材または棒状部材であ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。
【請求項５】
前記強化部材が、前記金属ベース板のセラミックス基板との接合面と略平行な平面上に配置され且つ互いに離間して前記金属ベース板の長手方向に延びる複数の長手方向板状部と互いに離間して前記金属ベース板の幅方向に延びて長手方向板状部を連結する複数の幅方向板状部とからなる格子状の板状部材であ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。
【請求項６】
前記強化部材の前記金属ベース板の内部を貫通して延びる部分の全面が前記金属ベース板に直接接合してい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金属−セラミックス接合基板。
【請求項７】
前記強化部材の端面が外部に露出し、その端面以外の全面が金属ベース板に直接接合してい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金属−セラミックス接合基板。
【請求項８】
前記金属ベース板がアルミニウムまたはアルミニウム合金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金属−セラミックス接合基板。
【請求項９】
前記金属板がアルミニウムまたはアルミニウム合金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金属−セラミックス接合基板。
【請求項１０】
前記強化部材が、ニッケル、コバルト、銅およびマンガンからなる群から選ばれる１種以上と鉄を含有する金属からなることを特徴とする、請求項１乃至９のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板。
【請求項１１】
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１０のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板。
【請求項１２】
セラミックス基板の一方の面に金属板が直接接合するとともに、他方の面に金属ベース板が直接接合した金属−セラミックス接合基板の製造方法において、金属ベース板より融点および強度が高い金属からなる強化部材と、セラミックス基板とを鋳型内に離間して配置させるように、セラミックス基板の端部と強化部材の端部を鋳型に支持させ、鋳型内のセラミックス基板の両面に接触するとともに強化部材の端部を除く全面に接触するように溶湯を注湯した後に冷却して固化させることにより、金属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、金属ベース板を形成してセラミックス基板の他方の面に直接接合させるとともに、強化部材の端部を金属ベース板から突出させてその端部を除く強化部材の全面を金属ベース板に直接接合させることを特徴とする、金属−セラミックス接合基板の製造方法。
【請求項１３】
前記金属ベース板から突出した強化部材の端部を除去することを特徴とする、請求項１２に記載の金属−セラミックス接合基板の製造方法。
【請求項１４】
前記鋳型が上側鋳型部材と下側鋳型部材とからなり、前記強化部材の端部が上側鋳型部材と下側鋳型部材に挟持されることによって前記鋳型に支持されることを特徴とする、請求項１２または１３に記載の金属−セラミックス接合基板の製造方法。
【請求項１５】
前記強化部材が、ニッケル、コバルト、銅およびマンガンからなる群から選ばれる１種以上と鉄を含有する金属からなることを特徴とする、請求項１２乃至１４のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板の製造方法。
【請求項１６】
前記金属板および前記金属ベース板がアルミニウムまたはアルミニウム合金からなることを特徴とする、請求項１２乃至１５のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板の製造方法。
【請求項１】
セラミックス基板の一方の面に金属板が直接接合するとともに、他方の面に金属ベース板が直接接合した金属−セラミックス接合基板において、金属ベース板より強度が高い金属からなる強化部材が金属ベース板の内部を貫通して延びていることを特徴とする、金属−セラミックス接合基板。
【請求項２】
前記強化部材が、前記金属ベース板の前記セラミックス基板との接合面と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。
【請求項３】
前記強化部材が、前記金属ベース板のセラミックス基板との接合面と略平行な平面の面積より小さい面積の主平面を有する板状部材であ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。
【請求項４】
前記強化部材が、前記金属ベース板のセラミックス基板との接合面と略平行な平面上に配置され且つ互いに離間して略平行に延びる複数の板状部材または棒状部材であ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。
【請求項５】
前記強化部材が、前記金属ベース板のセラミックス基板との接合面と略平行な平面上に配置され且つ互いに離間して前記金属ベース板の長手方向に延びる複数の長手方向板状部と互いに離間して前記金属ベース板の幅方向に延びて長手方向板状部を連結する複数の幅方向板状部とからなる格子状の板状部材であ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。
【請求項６】
前記強化部材の前記金属ベース板の内部を貫通して延びる部分の全面が前記金属ベース板に直接接合してい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金属−セラミックス接合基板。
【請求項７】
前記強化部材の端面が外部に露出し、その端面以外の全面が金属ベース板に直接接合してい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金属−セラミックス接合基板。
【請求項８】
前記金属ベース板がアルミニウムまたはアルミニウム合金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金属−セラミックス接合基板。
【請求項９】
前記金属板がアルミニウムまたはアルミニウム合金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金属−セラミックス接合基板。
【請求項１０】
前記強化部材が、ニッケル、コバルト、銅およびマンガンからなる群から選ばれる１種以上と鉄を含有する金属からなることを特徴とする、請求項１乃至９のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板。
【請求項１１】
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１０のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板。
【請求項１２】
セラミックス基板の一方の面に金属板が直接接合するとともに、他方の面に金属ベース板が直接接合した金属−セラミックス接合基板の製造方法において、金属ベース板より融点および強度が高い金属からなる強化部材と、セラミックス基板とを鋳型内に離間して配置させるように、セラミックス基板の端部と強化部材の端部を鋳型に支持させ、鋳型内のセラミックス基板の両面に接触するとともに強化部材の端部を除く全面に接触するように溶湯を注湯した後に冷却して固化させることにより、金属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、金属ベース板を形成してセラミックス基板の他方の面に直接接合させるとともに、強化部材の端部を金属ベース板から突出させてその端部を除く強化部材の全面を金属ベース板に直接接合させることを特徴とする、金属−セラミックス接合基板の製造方法。
【請求項１３】
前記金属ベース板から突出した強化部材の端部を除去することを特徴とする、請求項１２に記載の金属−セラミックス接合基板の製造方法。
【請求項１４】
前記鋳型が上側鋳型部材と下側鋳型部材とからなり、前記強化部材の端部が上側鋳型部材と下側鋳型部材に挟持されることによって前記鋳型に支持されることを特徴とする、請求項１２または１３に記載の金属−セラミックス接合基板の製造方法。
【請求項１５】
前記強化部材が、ニッケル、コバルト、銅およびマンガンからなる群から選ばれる１種以上と鉄を含有する金属からなることを特徴とする、請求項１２乃至１４のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板の製造方法。
【請求項１６】
前記金属板および前記金属ベース板がアルミニウムまたはアルミニウム合金からなることを特徴とする、請求項１２乃至１５のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板の製造方法。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図１Ｄ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図２Ｄ】
【図３】
【図４】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図１Ｄ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図２Ｄ】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−１９９４５２（Ｐ２０１２−１９９４５２Ａ）
【公開日】平成２４年１０月１８日（２０１２．１０．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−６３５０４（Ｐ２０１１−６３５０４）
【出願日】平成２３年３月２３日（２０１１．３．２３）
【出願人】（５０６３６５１３１）ＤＯＷＡメタルテック株式会社 (109)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月１８日（２０１２．１０．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２３日（２０１１．３．２３）
【出願人】（５０６３６５１３１）ＤＯＷＡメタルテック株式会社 (109)
【Ｆターム（参考）】
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