金属セラミックス接合回路基板とその製造方法
【課題】セラミックス基板上に複数の金属板回路板をした場合でも、セラミックス基板を分割することなくその反りを矯正する手段を提供する。
【解決手段】セラミックス基板の少なくとも一方の面に、金属溶湯Ｍを接触させた後に冷却して固化させることによりセラミックス基板に複数の凸部が形成された金属板を接合した金属セラミックス接合体１を所定の曲率Ｒを有するポンチ２１とダイス２０で挟み込んで押圧し、その後、金属セラミックス接合体をエッチング処理して当該金属セラミックス接合体の各凸部に所定の回路パターンを形成すると共に凸部以外の箇所を除去する。
【解決手段】セラミックス基板の少なくとも一方の面に、金属溶湯Ｍを接触させた後に冷却して固化させることによりセラミックス基板に複数の凸部が形成された金属板を接合した金属セラミックス接合体１を所定の曲率Ｒを有するポンチ２１とダイス２０で挟み込んで押圧し、その後、金属セラミックス接合体をエッチング処理して当該金属セラミックス接合体の各凸部に所定の回路パターンを形成すると共に凸部以外の箇所を除去する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミックス基板に回路用金属板が接合された金属セラミックス接合回路基板及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、サイリスタやパワーＭＯＳＦＥＴなどのパワーモジュール用の基板には、セラミックス基板に金属回路板が接合された、いわゆる金属セラミックス接合回路基板が用いられている。
【０００３】
この金属セラミックス接合回路基板の製造方法としては、例えば特許文献１に開示されるように、内部にセラミックス基板と概ね同形状のセラミックス基板収容部とこのセラミックス基板収容部に隣接する金属板形成部が形成された鋳型を使用して、金属溶湯をセラミックス基板の一方の面に接触するように鋳型の金属板形成部内に注湯した後に冷却して固化させることによりセラミックス基板に金属板を接合し、その後、スクリーン印刷などにより所望のパターン形状にレジストを形成しエッチング処理を行うことで、所望の回路パターンの金属回路板を有する金属セラミックス接合回路の製造方法が知られている。
【０００４】
ところで、この金属セラミックス接合回路基板は、セラミックスと金属という熱膨張率が大きく異なる材料を接合させて構成されている。そのため、例えば溶湯を注湯する過程においては平坦な状態を維持しているセラミックス基板も、溶湯を固化させるために常温まで冷却した場合、溶湯が固化して形成された金属板の収縮により、当該セラミックス基板には大きな応力がかかった状態となる。そして、金属セラミックス接合回路基板に内在するこの応力により、金属セラミックス接合回路基板そのものに大きな反りを生じてしまう。金属セラミックス接合回路基板大きな反りがあると、その後の工程である例えばエッチングレジストをスクリーン印刷機などで属板表面に形成工程、あるいは金属板表面を研磨機で研磨する工程において、金属セラミックス接合回路基板が割れたり、スクリーン印刷の版が破れたり、研磨機の研磨盤などをいためる恐れがある。
【０００５】
このような、材料の熱膨張差に起因して生じる反りに対応する方法として、例えば特許文献２には、セラミックス基板と金属回路とを接合して冷却した後に、熱膨張率差により生じる反りをプレス装置を用いて機械的応力を付加することで矯正する方法が開示されている。
【０００６】
また、特許文献３には、接合される材料を加熱した状態で、熱膨張率差を考慮したプレス装置により加圧して接合し、冷却後に生じる反り量を所望の範囲内にする方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−９３９６５号公報
【特許文献２】特開２０００−２７７６６０号公報
【特許文献３】特開２００４−２２１１１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、上述の金属セラミックス接合回路基板は、生産性向上の観点から、例えば図１１に示すように、一枚のセラミックス基板１００の表面１００ａに回路を形成する金属回路板１０１を複数形成し、図１２に示すようにセラミックス基板１００の裏面１００ｂに放熱用の金属ベース板１０２を複数設け、その後セラミック基板１００を複数に分割することで複数の金属セラミックス接合回路基板を同時に形成することが好ましい。しかしながら、セラミックス基板１００に複数の金属回路板１０１を複数形成した状態、即ちセラミックス基板１００を複数に分割する前の状態で特許文献２又は３に示す方法を用いて反りの矯正を行うと、セラミックス基板１００における金属回路板１０１、金属ベース板１０２が形成されていない部位に割れが生じるという問題があった。セラミックス基板１００は硬くて脆いため割れやすいためである。そのため、セラミックス基板１００に複数の金属回路板１０１を接合することで複数の金属セラミックス接合回路基板を同時に生産しようとしても、上述の割れを防止するために、セラミック基板１００を複数に分割した後に反りの矯正を個別に行う必要があり、結果として、複数の金属回路板１０１を形成することによる生産性向上の効果が得られない。
【０００９】
また、例えば一枚のセラミックス基板上の表面に回路を形成する金属回路板が形成され、他方の表面に放熱用の金属ベース板が設けられ、その一枚のセラミックス基板から一個の金属セラミックス接合回路基板を製作する場合であっても、セラミックス基板が比較的大きい場合には、反りも大きくなることがある。
【００１０】
また、熱膨張率差によって生じる反りの量を正確に予測することは実際には困難であり、特許文献３に開示される方法では、反り量を所望の範囲内に抑えることができなかった。
【００１１】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、セラミックス基板上に複数の金属回路板を形成した場合でも、セラミックス基板を破壊することなくその反りを矯正できる、金属セラミックス接合回路基板の製造を行うことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記の目的を達成するための本発明は、セラミックス基板に金属回路板を接合させた金属セラミックス接合回路基板の製造方法であって、セラミックス基板の少なくとも一方の面に、複数の凸部が形成された金属板を接合し、前記金属板が接合されたセラミックス基板を所定の曲率を有するポンチとダイスで挟み込んで押圧し、その後、前記金属板をエッチング処理して当該金属板の各凸部に所定の回路パターンを形成すると共に前記凸部以外の箇所を除去することを特徴としている。
【００１３】
本発明によれば、セラミックス基板に接合される金属板に複数の凸部を設け、当該凸部にエッチングにより回路パターンを形成するので、このエッチングに際して金属板の凸部以外の箇所、即ち金属板において凸部よりも厚みが少ない箇所も並行して除去することができ、その一方で、エッチング前の状態においては、各凸部は金属板と一体に形成された状態となっている。そのため、エッチング前の、各凸部が金属板と一体に形成されている状態で、ポンチとダイスにより押圧する際は、硬くてもろいセラミックス基板が、靱性を有する金属板により補強されており、セラミックス基板上に複数の金属板を形成した場合であっても、セラミックス基板に割れが生じることがなく反りを矯正することができる。したがって、プレスにより反りの矯正を行うにあたってセラミックス基板を分割する必要がない。そして、その後のエッチングの際に金属板の凸部以外の箇所を、回路の形成と並行して除去することで、セラミックス基板を分割するにあたり別途金属板の凸部以外の箇所を除去する必要もない。このため、金属セラミックス接合回路基板の生産性が低下することも防止できる。
【００１４】
また、反りの矯正にプレス加工を用いるので、プレス前の金属セラミックス接合回路基板に残留する応力の大小、即ち矯正前のセラミックス基板の反りの形状に応じてプレス条件を調整することにより精度良く反りを矯正することができる。
【００１５】
前記セラミックス基板の押圧は、複数回繰り返し行われてもよい。
【００１６】
前記ポンチ及び前記ダイスの曲率、並びに前記接合回路基板を押圧する際の荷重及びポンチの下死点での保持時間のうち、少なくともいずれかを調整してもよい。
【００１７】
また、前記セラミックス基板への前記金属板の接合は、金属溶湯をセラミックス基板に接触させた後に冷却して固化させることにより行ってもよい。
【００１８】
また、前記セラミックス基板への前記金属板の接合は、ろう接することにより行ってもよく、直接接合法により行ってもよい。
【００１９】
別な観点による本発明は、金属とセラミックスの接合回路基板であって、前記接合回路基板は、セラミックス基板の少なくとも一方の面に、複数の凸部が形成された金属板が接合され、前記金属板が接合された後のセラミックス基板を所定の曲率を有するポンチとダイスで挟み込んで押圧し、その後、前記金属板をエッチング処理して当該金属板の各凸部に所定の回路パターンを作成すると共に前記凸部以外の箇所を除去することにより形成されることを特徴としている。
【００２０】
前記金属板が接合されたセラミックス基板を押圧した後で且つ前記金属板をエッチング処理する前に、所望形状のエッチングレジストを前記金属板の凸部に形成してもよい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、セラミックス基板上に複数の金属板をした場合でも、セラミックス基板を破壊することなくその反りを矯正できる金属セラミックス接合回路基板の製造を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】金属セラミックス接合体を上方から見た斜視図である。
【図２】金属セラミックス接合体を下方から見た斜視図である。
【図３】金属セラミックス接合体の縦断面図である。
【図４】下部鋳型の構成の概略を示す縦断面図である。
【図５】上部金型の構成の概略を示す縦断面図である。
【図６】金属セラミックス接合体を形成する接合工程の概略を示す説明図である。
【図７】金属セラミックス接合体に反りが生じた状態を示す説明図である。
【図８】金属セラミックス接合体をプレス装置で押圧する押圧工程の概略を示す説明図である。
【図９】金属セラミックス接合体をエッチングして金属セラミックス接合回路基板を形成する回路形成工程の概略を示す説明図である。
【図１０】他の実施の形態に係る上部鋳型の構成の概略を示す断面図である。
【図１１】金属セラミックス接合回路基板を上方から見た斜視図である。
【図１２】金属セラミックス接合回路基板を下方から見た斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態にかかる金属セラミックス接合回路基板の製造方法について説明する。製造方法は大きく分けて、セラミックス基板と金属板とを接合する接合工程と、金属板が接合されたセラミックス基板を押圧する押圧工程と、その後セラミックス基板に接合された金属板を所定のパターンにエッチングして金属回路板を形成する回路形成工程とからなる。
【００２４】
接合工程では、例えば図１及び図２に示す金属セラミックス接合体１を形成する。
【００２５】
図１及び図２に示すように、金属セラミックス接合体１は、平板状のセラミックス基板２と、当該セラミックス基板２の上面２ａ及び下面２ｂに夫々設けられた上面金属板３と下面金属板４と、を有している。なお、セラミックス基板２としては、例えば窒化アルミ（ＡｌＮ）、窒化珪素（ＳｉＮ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）などを主成分としたものが用いられる。
【００２６】
上面金属板３は、例えば図１に示すように、所定の厚みＨ１で形成された金属膜部３ａと、当該セラミックス基板２の上面２ａから、例えば所定の高さＨ２で矩形状に突出した複数の凸部３ｂとにより構成されている。下面金属板４も、図２に示すように、所定の厚みＨ３で形成された金属膜部４ａと、セラミックス基板２の下面２ｂから高さＨ４で矩形状に突出した複数の凸部４ｂとにより構成されている。セラミックス基板２の下面２ｂの凸部４ｂは、例えば図３に示すように、上面金属板３の左右に隣り合う２つの凸部３ｂに対して１つずつ、セラミック基板２を挟んで当該２つの凸部３ｂに対応する位置に設けられている。即ち、基板２の上面２ａには、凸部４ｂの倍の数の凸部３ｂが設けられている。なお、図１及び図２には、図示の都合上８つの凸部３ａと、４つの凸部４ａとを描図しているが、凸部３ａ、４ａの配置及び設置数は本実施の形態に限定されるものではなく、任意に決定されるものである。また、セラミックス基板２において、上面金属板３及び下面金属板４が形成される範囲についても本実施の形態に限定されるものではない。
【００２７】
次に、一例として、接合工程において金属セラミックス接合体１を形成する方法並びに金属セラミックス接合体１の形成に用いられる下部鋳型１０及び上部鋳型１１について説明する。
【００２８】
金属セラミックス接合体１の製造に用いられる下部鋳型１０は、例えば図４に示すように、平面形状が略矩形の底面部１０ａと、この底面部１０ａの周縁部から鉛直上方に延伸する側壁部１０ｂとを有している。
【００２９】
底面部１０ａには、底面部１０ａの上端面１０ｃから下方に高さＨ４だけ窪んだ凹部１０ｄが複数設けられている。凹部１０ｄと凹部１０ｄとの間は、底面部１０ａの上端面１０ｃよりも、例えば所定の高さＨ３だけ低くなるように形成されている。
【００３０】
上部鋳型１１は、例えば図５に示すように、平面形状が略矩形の上面部１１ａと、この上面部１１ａの周縁部から鉛直下方に延伸するように設けられた側壁部１１ｂとを有している。上と下の鋳型は連通している。が、独立して成形してもよい。
【００３１】
上面部１１ａには、上面部１１ａの下端面１１ｃから上方に高さＨ２だけ窪んだ凹部１１ｄが、下部鋳型１０に設けられた凹部１０ｄの２倍の数だけ形成されている。上部鋳型１１の凹部１１ｄと凹部１１ｄの間も、下部鋳型１０と同様に、下端面１１ｃから例えば所定の高さＨ１だけ高くなるように形成されている。
【００３２】
下部鋳型１０及び上部鋳型１１を用いて金属セラミックス接合体１を形成するにあたっては、図６（ａ）に示すように、下部鋳型１０の上端面１０ｃと上部鋳型１１の下端面１１ｃとを夫々セラミックス基板２の下面２ｂと上面２ａに当接させる。次いで、当該下部鋳型１０及び上部鋳型１１により形成される空間Ｆを、例えば窒素のような不活性ガス雰囲気としてから、当該空間Ｆに図示しない注湯口から表面の酸化皮膜を除去しながら金属溶湯Ｍを注湯する。即ち、セラミックス基板と金属は溶湯接合法により接合される。このようにして金属溶湯Ｍが空間Ｆに満遍なく充填される（図６（ｂ））。その後、金属溶湯Ｍを冷却して固化させることで、当該金属溶湯Ｍがセラミックス基板２に上面金属板３及び下面金属板４として夫々接合され、下部鋳型１０及び上部鋳型１１を取り外すことで図１〜図３に示す金属セラミックス接合体１が得られる。この際、上面金属板３及び下面金属板４の表面には、上部鋳型１１及び下部鋳型１０の凹部１１ｄ、１０ｄに対応して、夫々所定の高さＨ２、Ｈ４の凸部３ｂ、４ｂが複数形成される。なお、金属溶湯Ｍとしては、例えばアルミニウム又はアルミニウム合金の溶湯などが用いられる。
【００３３】
また、図１〜図３に示す金属セラミックス接合体１の別の接合方法について説明する。まず、予め金属板をプレス加工あるいはエッチング加工などにより、所定の厚みＨ１で形成された金属膜部３ａと、所定の厚みＨ２で矩形状に突出した複数の凸部３ｂを有する、セラミックス基板２の上面２ａに接合するための金属板を形成する。同様に、所定の厚みＨ３で形成された金属膜部４ａと、所定の厚みＨ４で矩形状に突出した複数の凸部４ｂを有する、セラミックス基板２の下面２ｂに接合するための金属板を形成する。
【００３４】
次にセラミックス基板２の上面に図示しないろう材を形成し、ろう材の上に上記凸部を有する金属板を配置し、加熱接合することにより図１〜図３に示す金属セラミックス接合体を得る。なお、ろう材は接合する金属板に応じて、適切に選べば良い。例えば、金属板が銅板や銅合金板である場合は活性金属としてＴｉを含んだ銀ろうであったり、金属板がアルミニウム又はアルミニウム合金である場合はＡｌ−Ｓｉ系のろう材を用い、真空中や不活性ガス雰囲気中で加熱することにより接合することができる。
【００３５】
さらに、図１〜図３に示す金属セラミックス接合体１の別の接合方法について説明する。まず、予め金属板をプレス加工あるいはエッチング加工などにより、所定の厚みＨ１で形成された金属膜部３ａと、所定の厚みＨ２で矩形状に突出した複数の凸部３ｂを有する、セラミックス基板２の上面２ａに接合するための金属板を形成する。同様に、所定の厚みＨ３で形成された金属膜部４ａと、所定の厚みＨ４で矩形状に突出した複数の凸部４ｂを有する、セラミックス基板２の下面２ｂに接合するための金属板を形成する。
【００３６】
次にセラミックス基板２の上面に及び下面に上記凸部を有する金属板を配置し、加熱接合することにより図１〜図３に示す金属セラミックス接合体を得る。いわゆる直接接合法であり、例えば、金属板として銅板、セラミックス基板としてアルミナ基板などの酸化物系セラミックス基板を用い、窒素ガスなどの不活性ガス中で、加熱して接合することができる。
【００３７】
なお、接合法によらず、金属膜部３ａ、４ａの厚さは、前記凸部より薄く、概ね０．０５〜０．６ｍｍ程度であるのが好ましい。
【００３８】
次に、接合工程により形成された金属セラミックス接合体１を押圧する押圧工程について説明する。
【００３９】
接合工程においてセラミックス基板２に上面金属板３及び下面金属板４が接合される際、金属溶湯Ｍが冷却されて収縮する過程で、上面金属板３及び下面金属板４とセラミックス基板との熱膨張率差に起因して上面金属板３及び下面金属板４とセラミックス基板２との界面に応力が生じ、それにより金属セラミックス接合体１に、図７に示すように反りが生じる。なお、本実施の形態においては、例えばセラミックス基板２の下面２ｂに向かって凸となる反りが生じるものとして説明を行う。
【００４０】
押圧工程において、反りが生じた状態の金属セラミックス接合回路基板１は、図８（ａ）に示すように、プレス装置１２に載置される。プレス装置１２は、所定の曲率Ｒを有する一対のダイス２０及びポンチ２１と、例えばポンチ２１を上下方向に動作させる駆動機構２２、並びに当該駆動機構２２の動作を制御する制御部２３と、を有している。制御部２３は、例えばポンチ２１の下死点での保持時間やプレス時の押圧荷重、あるいはポンチ２１の下降速度などを制御することができる。なお、金属セラミックス接合体１は、ダイス２０の有する球面形状と反対方向に反った状態にして載置される。
【００４１】
次いで、ポンチ２１を下死点まで降下させ（図８（ｂ））、金属セラミックス接合体１をポンチ２１により所定の荷重で押圧した状態で所定の時間保持し、その後ポンチ２１を上昇させる。ダイス２０及びポンチ２１により曲率Ｒに沿った状態で押圧されていた金属セラミックス接合体１は、ポンチ２１が上昇することにより、上面金属板３及び下面金属板４の有する弾性に起因する曲げ戻しを受ける（図８（ｃ））。その結果、セラミックス基板２の下面２ｂを凹とする金属セラミックス接合体１の反りが矯正される。この際、セラミックス基板２には、略全面にわたって上面金属板３及び下面金属板４が接合されているので、セラミックス基板２に割れなどが生じることがない。
【００４２】
次に、回路形成工程について説明する。押圧工程において金属セラミックス接合体１の反りが矯正されると、上面金属板３及び下面金属板４の凸部３ｂ、４ｂに所定パターンのレジスト膜３０が、例えばスクリーン印刷などにより形成される（図９（ａ））。次いで、上面金属板３及び下面金属板４に塩化第二鉄などのエッチング液が供給されて凸部３ｂ、４ｂが所望の形状の回路パターン及び金属ベース板にエッチングされると共に金属膜部３ａ、４ａが除去され、金属回路板４０及びベース板４１が形成される（図９（ｂ））。これにより、セラミックス基板２に金属回路板４０および金属ベース板４１を接合した金属セラミックス接合回路基板５０が得られる。なお、ろう材による接合において、前記金属板を溶解するエッチング液でろう材が溶解除去されない場合は、さらにろう材除去用の薬液で（例えばフッ酸を含む水溶液など）ろう材の除去を行う。
【００４３】
その後、レジスト膜３０が剥離され、金属回路板４０と金属回路板４０との間、且つベース板４１とベース板４１の間、即ち金属膜部３ａが除去されてセラミックス基板２の上面２ａが露出した箇所に、例えばレーザ加工などによりスクライブライン５１が形成される（図９（ｃ））。次いで、金属セラミックス接合回路基板５０は、このスクライブライン５１に沿って分割され、複数の金属セラミックス接合回路基板が製造される。なお、前記ろう材除去用の薬液でのろう材除去は、レジスト膜３０を剥離した後に行っても良い。またスクライブライン５１は金属膜部４ａが除去されてセラミックス基板２の下面２ｂが露出した箇所に形成しても良い。
【００４４】
以上の実施の形態によれば、セラミックス基板２に上面金属板３及び下面金属板４を形成した状態でダイス２０とポンチ２１により挟み込んで押圧するので、硬くて脆いセラミックス基板２が、靱性を有する上面金属板３及び下面金属板４により補強され、その結果、セラミックス基板２に割れが生じることなく、金属セラミックス接合回路基板１の反りを矯正することができる。したがって、セラミックス基板２に複数の金属回路板４０を接合しても、金属セラミックス接合回路基板５０を複数に分割した後に個別に反りの矯正を行う必要がない。このため、金属セラミックス接合回路基板１の生産性を向上させることができる。
【００４５】
また、反りの矯正を行わない場合、即ちレジスト膜３０を形成する際に金属セラミックス接合体１が反った状態では、上面金属板３及び下面金属板４にレジスト膜３０を位置精度よく、あるいは均一な厚さで形成することが困難であり、エッチングにより金属回路板４０や金属ベース板４１を作成することが難しい。したがって、本実施の形態においてはセラミックス基板２に複数の金属回路板４０を形成し、それを複数の金属セラミックス接合回路基板に分割する場合を例にして説明したが、例えば、セラミックス基板２に１つのデバイスのみ形成する場合、即ちセラミックス基板２を分割しない場合であっても、本発明の製造方法を適用することができ、かかる場合、レジスト膜３０も良好に塗布することができる。
【００４６】
また、上面金属板３及び下面金属板４をエッチングして凸部３ｂ、４ｂに所定の回路パターンを有する金属回路板４０を形成する際、金属膜部３ａ、４ａ、即ち上面金属板３及び下面金属板４において凸部３ｂ、４ｂよりも厚みが薄い箇所を、並行してエッチングにより除去することができる。このため、金属セラミックス接合回路基板１を複数の金属セラミックス接合回路基板５０に分割するにあたり別途上面金属板３及び下面金属板４を除去する必要もなく、金属膜部３ａ、４ａの除去に起因して生産性が低下することもない。
【００４７】
また、反りの矯正にプレス加工を用いて金属セラミックス接合体１を塑性変形させるので、金属セラミックス接合体１に残留する応力の大小、即ち反り矯正前の金属セラミックス接合体１の反りの形状の影響を最小限に抑えた反りの矯正をプレス加工の条件の調整により行うことができる。
【００４８】
以上の実施の形態においては、プレス回数は一度のみであったが、必要に応じて繰り返し複数回行ってもよい。
【００４９】
なお、以上実施の形態においては、接合工程で上面金属板３及び下面金属板４をセラミックス基板２のほぼ全面に接合した金属セラミックス接合体１を形成したが、プレス装置１２による反りの矯正時にセラミックス基板２が割れること防止するにあたっては、上面金属板３及び下面金属板４のいずれかの金属板がセラミックス基板２に接合されていれば補強の効果が得られるので、金属板は必ずしも両面に形成する必要はない。また、反りの矯正時にセラミックス基板２が割れないことが確認できれば、上面金属板３及び下面金属板４は必ずしもセラミックス基板２の表面の略全面に形成する必要はなく、例えば金属回路板４０の形成に必要となる凸部３ｂ、４ｂのみを設け、金属膜部３ａ、４ａについては設けないようにしてもよい。
【００５０】
また、以上の実施の形態においては、下部鋳型１０及び上部鋳型１１により上面金属板３及び下面金属板４を同時に形成したが、上面金属板３及び下面金属板４は必ずしも同時に形成する必要はなく、形成の順序及び各鋳型の形状については任意に決定が可能である。ろう材による接合でも同様に、セラミックス基板の片面づつ順番に金属板を接合しても良い。
【００５１】
なお、以上の実施の形態においては、凸部３ｂは、その面内において同一の高さＨ２としていたが、例えば回路形成工程でのエッチングによって除去される部分を、予め凸部３ｂの高さＨ２よりも低くなるように形成してもよい。係る場合、上部鋳型１１の各凹部１１ａに、例えば図１０に示すように突起部６０を形成することで実現可能である。このように、凸部３ｂの面内において、エッチングにより除去される部分を予め低く形成することにより、凸部３ｂをエッチングして金属回路板４０を形成するため要する時間が短縮できる。したがって、金属セラミックス接合回路基板１をさらに効率よく製造することができる。
【実施例】
【００５２】
実施例として、前述の本発明にかかる溶湯接合法の製造方法により金属セラミックス接合回路基板１を作成した後に、プレス装置１２を用いてプレス時の荷重、下死点での保持時間を変化させてプレスを行い、金属セラミックス接合回路基板１の中央部の反り量の変化及びセラミックス基板２の割れの有無について確認試験を行った。
反り量の測定にはレーザ変位計を用いた。なお、金属セラミックス接合回路基板１は、セラミックス基板２として縦９２ｍｍ、横７８ｍｍ、厚み０．６ｍｍの窒化アルミを用い、上面金属板３及び下面金属板４としてアルミ合金を接合し、夫々１．８ｍｍ、０．９ｍｍの凸部３ｂ、４ｂを形成した。なお、上面金属板３及び下面金属板４の金属膜部３ａ、４ａの厚みは夫々０．５ｍｍとし、略全面に形成した。また、プレスは常温下で行い、プレス時の荷重を２０ＭＰａ、４０ＭＰａ及び６０ＭＰａ、下死点での保持時間を夫々１０秒、２０秒、６０秒で変化させ、実施例１〜９の９通りのサンプルを作成した。
【００５３】
確認試験の結果を表１に示す。
【００５４】
【表１】
【００５５】
表１中の「変位」は、定盤に金属セラミックス接合回路基板５０を載置し、当該金属セラミックス接合回路基板５０の中央部の定盤からの高さをレーザ変位計で測定した反り量から、金属セラミックス接合回路基板５０の厚さ、即ちセラミックス基板２と金属板の厚さを差し引いたものである。プレス装置１２によるプレスを行った結果、プレス荷重を２０ＭＰａとした実施例１〜３においては、プレス荷重を４０ＭＰａ、６０ＭＰａとした実施例４〜６、及び実施例７〜９と比較すると反りの減少量が少ないものの、いずれにおいても反り量が減少し、金属セラミックス接合回路基板１に生じた反りが矯正されることが確認できた。また、実施例１〜９のいずれのサンプルにおいてもセラミックス基板２に割れは生じなかった。
【００５６】
次に、プレスによる反りの減少量が少なかった実施例１〜３について、プレス装置１２を用いて再度２０ＭＰａの荷重でプレスを行い、反り量の変化について確認を行った。その結果を表２に示す。
【００５７】
【表２】
【００５８】
実施例１〜３に２度目のプレスを行うことで、更に反り量の減少がみられた。これにより、プレス時の荷重が小さく、一度のプレスでは反りが所望の範囲まで矯正されなかった場合でも、プレスを複数回繰り返すことにより、適切に反りを矯正できることが確認できた。
【００５９】
また、比較例として、鋳型形状を変更することにより金属膜部３ａ、４ａを形成しない以外は実施例１と同様の方法で金属セラミックス接合回路基板を作成し、実施例１のプレス条件で反りの矯正を試みた。その結果、セラミックス基板２における金属膜部緒を形成していない部位に割れが発生し、製品としては使用不能であった。
【００６０】
別の実施例として、前述の本発明にかかるろう接法の製造方法により金属セラミックス接合回路基板１を作成した後に、プレス装置１２を用いてプレスを行い、金属セラミックス接合回路基板１の中央部の反り量の変化及びセラミックス基板２の割れの有無について確認試験を行った。
【００６１】
反り量の測定にはレーザ変位計を用いた。なお、金属セラミックス接合回路基板１は、セラミックス基板２として縦９２ｍｍ、横７８ｍｍ、厚み０．６ｍｍの窒化アルミ基板を用い、窒化アルミ基板上にスクリーン印刷によりＴｉを含有するＡｇ−Ｃｕろう材ペーストを印刷して形成し、金属板３及び下面金属板４として銅板を前記ろう材を介して接合し、夫々０．４ｍｍ、０．２ｍｍの凸部３ｂ、４ｂを形成した。なお、上面金属板３及び下面金属板４の金属膜部３ａ、４ａの厚みは夫々０．１ｍｍとし、略全面に形成した。また、プレスは常温下で行い、プレス時の荷重を６０ＭＰａ、下死点での保持時間を６０秒として、サンプルを作成した。その結果プレス前変位が３３０μｍ、プレス後変位が５５μｍで反りの減少量は２８５μｍであり、セラミックス基板に割れは発生しなかった。
【００６２】
別の実施例として、前述の本発明にかかる直接接合法の製造方法により金属セラミックス接合回路基板１を作成した後に、プレス装置１２を用いてプレスを行い、金属セラミックス接合回路基板１の中央部の反り量の変化及びセラミックス基板２の割れの有無について確認試験を行った。
【００６３】
反り量の測定にはレーザ変位計を用いた。なお、金属セラミックス接合回路基板１は、セラミックス基板２として縦９０ｍｍ、横８０ｍｍ、厚み０．６ｍｍのアルミナ基板を用い、上面金属板３及び下面金属板４として銅板を窒素ガス中で加熱接合し、夫々０．４ｍｍ、０．２ｍｍの凸部３ｂ、４ｂを形成した。なお、上面金属板３及び下面金属板４の金属膜部３ａ、４ａの厚みは夫々０．２ｍｍとし、略全面に形成した。また、プレスは常温下で行い、プレス時の荷重を６０ＭＰａ、下死点での保持時間を夫々６０秒として、サンプルを作成した。その結果プレス前変位が３１０μｍ、プレス後変位が４０μｍで反りの減少量は２７０μｍであった。
【００６４】
上記全ての実施例について、前述の通り、金属板表面に所定形状のエッチングレジストをスクリーン印刷により形成し、次にエッチングにより所定のパターン形状を作製するとともに金属膜部を除去して金属セラミックス接合回路基板を作製した。反りが充分に矯正されており、レジストの形成工程、エッチングによるパターン形成工程など、問題となる工程はなかった。
【００６５】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明は、金属セラミックス接合回路基板の製造を行う際に有用である。
【符号の説明】
【００６７】
１ 金属セラミックス接合体
２ セラミックス基板
２ａ 上面
２ｂ 下面
３ 上面金属板
３ａ 金属膜部
３ｂ 凸部
４ 下面金属板
４ａ 凸部
１０ 下部鋳型
１０ａ 底面部
１０ｂ 側壁部
１０ｃ 上端面
１０ｄ 凹部
１１ 上部鋳型
１１ａ 上面部
１１ｂ 側壁部
１１ｃ 下端面
１１ｄ 凹部
１２ プレス装置
２０ ダイス
２１ ポンチ
２２ 駆動機構
２３ 制御部
３０ レジスト膜
４０ 金属回路板
４１ 金属ベース板
５０ 金属セラミックス接合回路基板
５１ スクライブライン
６０ 突起部
Ｍ 金属溶湯
Ｒ 曲率
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミックス基板に回路用金属板が接合された金属セラミックス接合回路基板及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、サイリスタやパワーＭＯＳＦＥＴなどのパワーモジュール用の基板には、セラミックス基板に金属回路板が接合された、いわゆる金属セラミックス接合回路基板が用いられている。
【０００３】
この金属セラミックス接合回路基板の製造方法としては、例えば特許文献１に開示されるように、内部にセラミックス基板と概ね同形状のセラミックス基板収容部とこのセラミックス基板収容部に隣接する金属板形成部が形成された鋳型を使用して、金属溶湯をセラミックス基板の一方の面に接触するように鋳型の金属板形成部内に注湯した後に冷却して固化させることによりセラミックス基板に金属板を接合し、その後、スクリーン印刷などにより所望のパターン形状にレジストを形成しエッチング処理を行うことで、所望の回路パターンの金属回路板を有する金属セラミックス接合回路の製造方法が知られている。
【０００４】
ところで、この金属セラミックス接合回路基板は、セラミックスと金属という熱膨張率が大きく異なる材料を接合させて構成されている。そのため、例えば溶湯を注湯する過程においては平坦な状態を維持しているセラミックス基板も、溶湯を固化させるために常温まで冷却した場合、溶湯が固化して形成された金属板の収縮により、当該セラミックス基板には大きな応力がかかった状態となる。そして、金属セラミックス接合回路基板に内在するこの応力により、金属セラミックス接合回路基板そのものに大きな反りを生じてしまう。金属セラミックス接合回路基板大きな反りがあると、その後の工程である例えばエッチングレジストをスクリーン印刷機などで属板表面に形成工程、あるいは金属板表面を研磨機で研磨する工程において、金属セラミックス接合回路基板が割れたり、スクリーン印刷の版が破れたり、研磨機の研磨盤などをいためる恐れがある。
【０００５】
このような、材料の熱膨張差に起因して生じる反りに対応する方法として、例えば特許文献２には、セラミックス基板と金属回路とを接合して冷却した後に、熱膨張率差により生じる反りをプレス装置を用いて機械的応力を付加することで矯正する方法が開示されている。
【０００６】
また、特許文献３には、接合される材料を加熱した状態で、熱膨張率差を考慮したプレス装置により加圧して接合し、冷却後に生じる反り量を所望の範囲内にする方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−９３９６５号公報
【特許文献２】特開２０００−２７７６６０号公報
【特許文献３】特開２００４−２２１１１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、上述の金属セラミックス接合回路基板は、生産性向上の観点から、例えば図１１に示すように、一枚のセラミックス基板１００の表面１００ａに回路を形成する金属回路板１０１を複数形成し、図１２に示すようにセラミックス基板１００の裏面１００ｂに放熱用の金属ベース板１０２を複数設け、その後セラミック基板１００を複数に分割することで複数の金属セラミックス接合回路基板を同時に形成することが好ましい。しかしながら、セラミックス基板１００に複数の金属回路板１０１を複数形成した状態、即ちセラミックス基板１００を複数に分割する前の状態で特許文献２又は３に示す方法を用いて反りの矯正を行うと、セラミックス基板１００における金属回路板１０１、金属ベース板１０２が形成されていない部位に割れが生じるという問題があった。セラミックス基板１００は硬くて脆いため割れやすいためである。そのため、セラミックス基板１００に複数の金属回路板１０１を接合することで複数の金属セラミックス接合回路基板を同時に生産しようとしても、上述の割れを防止するために、セラミック基板１００を複数に分割した後に反りの矯正を個別に行う必要があり、結果として、複数の金属回路板１０１を形成することによる生産性向上の効果が得られない。
【０００９】
また、例えば一枚のセラミックス基板上の表面に回路を形成する金属回路板が形成され、他方の表面に放熱用の金属ベース板が設けられ、その一枚のセラミックス基板から一個の金属セラミックス接合回路基板を製作する場合であっても、セラミックス基板が比較的大きい場合には、反りも大きくなることがある。
【００１０】
また、熱膨張率差によって生じる反りの量を正確に予測することは実際には困難であり、特許文献３に開示される方法では、反り量を所望の範囲内に抑えることができなかった。
【００１１】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、セラミックス基板上に複数の金属回路板を形成した場合でも、セラミックス基板を破壊することなくその反りを矯正できる、金属セラミックス接合回路基板の製造を行うことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記の目的を達成するための本発明は、セラミックス基板に金属回路板を接合させた金属セラミックス接合回路基板の製造方法であって、セラミックス基板の少なくとも一方の面に、複数の凸部が形成された金属板を接合し、前記金属板が接合されたセラミックス基板を所定の曲率を有するポンチとダイスで挟み込んで押圧し、その後、前記金属板をエッチング処理して当該金属板の各凸部に所定の回路パターンを形成すると共に前記凸部以外の箇所を除去することを特徴としている。
【００１３】
本発明によれば、セラミックス基板に接合される金属板に複数の凸部を設け、当該凸部にエッチングにより回路パターンを形成するので、このエッチングに際して金属板の凸部以外の箇所、即ち金属板において凸部よりも厚みが少ない箇所も並行して除去することができ、その一方で、エッチング前の状態においては、各凸部は金属板と一体に形成された状態となっている。そのため、エッチング前の、各凸部が金属板と一体に形成されている状態で、ポンチとダイスにより押圧する際は、硬くてもろいセラミックス基板が、靱性を有する金属板により補強されており、セラミックス基板上に複数の金属板を形成した場合であっても、セラミックス基板に割れが生じることがなく反りを矯正することができる。したがって、プレスにより反りの矯正を行うにあたってセラミックス基板を分割する必要がない。そして、その後のエッチングの際に金属板の凸部以外の箇所を、回路の形成と並行して除去することで、セラミックス基板を分割するにあたり別途金属板の凸部以外の箇所を除去する必要もない。このため、金属セラミックス接合回路基板の生産性が低下することも防止できる。
【００１４】
また、反りの矯正にプレス加工を用いるので、プレス前の金属セラミックス接合回路基板に残留する応力の大小、即ち矯正前のセラミックス基板の反りの形状に応じてプレス条件を調整することにより精度良く反りを矯正することができる。
【００１５】
前記セラミックス基板の押圧は、複数回繰り返し行われてもよい。
【００１６】
前記ポンチ及び前記ダイスの曲率、並びに前記接合回路基板を押圧する際の荷重及びポンチの下死点での保持時間のうち、少なくともいずれかを調整してもよい。
【００１７】
また、前記セラミックス基板への前記金属板の接合は、金属溶湯をセラミックス基板に接触させた後に冷却して固化させることにより行ってもよい。
【００１８】
また、前記セラミックス基板への前記金属板の接合は、ろう接することにより行ってもよく、直接接合法により行ってもよい。
【００１９】
別な観点による本発明は、金属とセラミックスの接合回路基板であって、前記接合回路基板は、セラミックス基板の少なくとも一方の面に、複数の凸部が形成された金属板が接合され、前記金属板が接合された後のセラミックス基板を所定の曲率を有するポンチとダイスで挟み込んで押圧し、その後、前記金属板をエッチング処理して当該金属板の各凸部に所定の回路パターンを作成すると共に前記凸部以外の箇所を除去することにより形成されることを特徴としている。
【００２０】
前記金属板が接合されたセラミックス基板を押圧した後で且つ前記金属板をエッチング処理する前に、所望形状のエッチングレジストを前記金属板の凸部に形成してもよい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、セラミックス基板上に複数の金属板をした場合でも、セラミックス基板を破壊することなくその反りを矯正できる金属セラミックス接合回路基板の製造を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】金属セラミックス接合体を上方から見た斜視図である。
【図２】金属セラミックス接合体を下方から見た斜視図である。
【図３】金属セラミックス接合体の縦断面図である。
【図４】下部鋳型の構成の概略を示す縦断面図である。
【図５】上部金型の構成の概略を示す縦断面図である。
【図６】金属セラミックス接合体を形成する接合工程の概略を示す説明図である。
【図７】金属セラミックス接合体に反りが生じた状態を示す説明図である。
【図８】金属セラミックス接合体をプレス装置で押圧する押圧工程の概略を示す説明図である。
【図９】金属セラミックス接合体をエッチングして金属セラミックス接合回路基板を形成する回路形成工程の概略を示す説明図である。
【図１０】他の実施の形態に係る上部鋳型の構成の概略を示す断面図である。
【図１１】金属セラミックス接合回路基板を上方から見た斜視図である。
【図１２】金属セラミックス接合回路基板を下方から見た斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態にかかる金属セラミックス接合回路基板の製造方法について説明する。製造方法は大きく分けて、セラミックス基板と金属板とを接合する接合工程と、金属板が接合されたセラミックス基板を押圧する押圧工程と、その後セラミックス基板に接合された金属板を所定のパターンにエッチングして金属回路板を形成する回路形成工程とからなる。
【００２４】
接合工程では、例えば図１及び図２に示す金属セラミックス接合体１を形成する。
【００２５】
図１及び図２に示すように、金属セラミックス接合体１は、平板状のセラミックス基板２と、当該セラミックス基板２の上面２ａ及び下面２ｂに夫々設けられた上面金属板３と下面金属板４と、を有している。なお、セラミックス基板２としては、例えば窒化アルミ（ＡｌＮ）、窒化珪素（ＳｉＮ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）などを主成分としたものが用いられる。
【００２６】
上面金属板３は、例えば図１に示すように、所定の厚みＨ１で形成された金属膜部３ａと、当該セラミックス基板２の上面２ａから、例えば所定の高さＨ２で矩形状に突出した複数の凸部３ｂとにより構成されている。下面金属板４も、図２に示すように、所定の厚みＨ３で形成された金属膜部４ａと、セラミックス基板２の下面２ｂから高さＨ４で矩形状に突出した複数の凸部４ｂとにより構成されている。セラミックス基板２の下面２ｂの凸部４ｂは、例えば図３に示すように、上面金属板３の左右に隣り合う２つの凸部３ｂに対して１つずつ、セラミック基板２を挟んで当該２つの凸部３ｂに対応する位置に設けられている。即ち、基板２の上面２ａには、凸部４ｂの倍の数の凸部３ｂが設けられている。なお、図１及び図２には、図示の都合上８つの凸部３ａと、４つの凸部４ａとを描図しているが、凸部３ａ、４ａの配置及び設置数は本実施の形態に限定されるものではなく、任意に決定されるものである。また、セラミックス基板２において、上面金属板３及び下面金属板４が形成される範囲についても本実施の形態に限定されるものではない。
【００２７】
次に、一例として、接合工程において金属セラミックス接合体１を形成する方法並びに金属セラミックス接合体１の形成に用いられる下部鋳型１０及び上部鋳型１１について説明する。
【００２８】
金属セラミックス接合体１の製造に用いられる下部鋳型１０は、例えば図４に示すように、平面形状が略矩形の底面部１０ａと、この底面部１０ａの周縁部から鉛直上方に延伸する側壁部１０ｂとを有している。
【００２９】
底面部１０ａには、底面部１０ａの上端面１０ｃから下方に高さＨ４だけ窪んだ凹部１０ｄが複数設けられている。凹部１０ｄと凹部１０ｄとの間は、底面部１０ａの上端面１０ｃよりも、例えば所定の高さＨ３だけ低くなるように形成されている。
【００３０】
上部鋳型１１は、例えば図５に示すように、平面形状が略矩形の上面部１１ａと、この上面部１１ａの周縁部から鉛直下方に延伸するように設けられた側壁部１１ｂとを有している。上と下の鋳型は連通している。が、独立して成形してもよい。
【００３１】
上面部１１ａには、上面部１１ａの下端面１１ｃから上方に高さＨ２だけ窪んだ凹部１１ｄが、下部鋳型１０に設けられた凹部１０ｄの２倍の数だけ形成されている。上部鋳型１１の凹部１１ｄと凹部１１ｄの間も、下部鋳型１０と同様に、下端面１１ｃから例えば所定の高さＨ１だけ高くなるように形成されている。
【００３２】
下部鋳型１０及び上部鋳型１１を用いて金属セラミックス接合体１を形成するにあたっては、図６（ａ）に示すように、下部鋳型１０の上端面１０ｃと上部鋳型１１の下端面１１ｃとを夫々セラミックス基板２の下面２ｂと上面２ａに当接させる。次いで、当該下部鋳型１０及び上部鋳型１１により形成される空間Ｆを、例えば窒素のような不活性ガス雰囲気としてから、当該空間Ｆに図示しない注湯口から表面の酸化皮膜を除去しながら金属溶湯Ｍを注湯する。即ち、セラミックス基板と金属は溶湯接合法により接合される。このようにして金属溶湯Ｍが空間Ｆに満遍なく充填される（図６（ｂ））。その後、金属溶湯Ｍを冷却して固化させることで、当該金属溶湯Ｍがセラミックス基板２に上面金属板３及び下面金属板４として夫々接合され、下部鋳型１０及び上部鋳型１１を取り外すことで図１〜図３に示す金属セラミックス接合体１が得られる。この際、上面金属板３及び下面金属板４の表面には、上部鋳型１１及び下部鋳型１０の凹部１１ｄ、１０ｄに対応して、夫々所定の高さＨ２、Ｈ４の凸部３ｂ、４ｂが複数形成される。なお、金属溶湯Ｍとしては、例えばアルミニウム又はアルミニウム合金の溶湯などが用いられる。
【００３３】
また、図１〜図３に示す金属セラミックス接合体１の別の接合方法について説明する。まず、予め金属板をプレス加工あるいはエッチング加工などにより、所定の厚みＨ１で形成された金属膜部３ａと、所定の厚みＨ２で矩形状に突出した複数の凸部３ｂを有する、セラミックス基板２の上面２ａに接合するための金属板を形成する。同様に、所定の厚みＨ３で形成された金属膜部４ａと、所定の厚みＨ４で矩形状に突出した複数の凸部４ｂを有する、セラミックス基板２の下面２ｂに接合するための金属板を形成する。
【００３４】
次にセラミックス基板２の上面に図示しないろう材を形成し、ろう材の上に上記凸部を有する金属板を配置し、加熱接合することにより図１〜図３に示す金属セラミックス接合体を得る。なお、ろう材は接合する金属板に応じて、適切に選べば良い。例えば、金属板が銅板や銅合金板である場合は活性金属としてＴｉを含んだ銀ろうであったり、金属板がアルミニウム又はアルミニウム合金である場合はＡｌ−Ｓｉ系のろう材を用い、真空中や不活性ガス雰囲気中で加熱することにより接合することができる。
【００３５】
さらに、図１〜図３に示す金属セラミックス接合体１の別の接合方法について説明する。まず、予め金属板をプレス加工あるいはエッチング加工などにより、所定の厚みＨ１で形成された金属膜部３ａと、所定の厚みＨ２で矩形状に突出した複数の凸部３ｂを有する、セラミックス基板２の上面２ａに接合するための金属板を形成する。同様に、所定の厚みＨ３で形成された金属膜部４ａと、所定の厚みＨ４で矩形状に突出した複数の凸部４ｂを有する、セラミックス基板２の下面２ｂに接合するための金属板を形成する。
【００３６】
次にセラミックス基板２の上面に及び下面に上記凸部を有する金属板を配置し、加熱接合することにより図１〜図３に示す金属セラミックス接合体を得る。いわゆる直接接合法であり、例えば、金属板として銅板、セラミックス基板としてアルミナ基板などの酸化物系セラミックス基板を用い、窒素ガスなどの不活性ガス中で、加熱して接合することができる。
【００３７】
なお、接合法によらず、金属膜部３ａ、４ａの厚さは、前記凸部より薄く、概ね０．０５〜０．６ｍｍ程度であるのが好ましい。
【００３８】
次に、接合工程により形成された金属セラミックス接合体１を押圧する押圧工程について説明する。
【００３９】
接合工程においてセラミックス基板２に上面金属板３及び下面金属板４が接合される際、金属溶湯Ｍが冷却されて収縮する過程で、上面金属板３及び下面金属板４とセラミックス基板との熱膨張率差に起因して上面金属板３及び下面金属板４とセラミックス基板２との界面に応力が生じ、それにより金属セラミックス接合体１に、図７に示すように反りが生じる。なお、本実施の形態においては、例えばセラミックス基板２の下面２ｂに向かって凸となる反りが生じるものとして説明を行う。
【００４０】
押圧工程において、反りが生じた状態の金属セラミックス接合回路基板１は、図８（ａ）に示すように、プレス装置１２に載置される。プレス装置１２は、所定の曲率Ｒを有する一対のダイス２０及びポンチ２１と、例えばポンチ２１を上下方向に動作させる駆動機構２２、並びに当該駆動機構２２の動作を制御する制御部２３と、を有している。制御部２３は、例えばポンチ２１の下死点での保持時間やプレス時の押圧荷重、あるいはポンチ２１の下降速度などを制御することができる。なお、金属セラミックス接合体１は、ダイス２０の有する球面形状と反対方向に反った状態にして載置される。
【００４１】
次いで、ポンチ２１を下死点まで降下させ（図８（ｂ））、金属セラミックス接合体１をポンチ２１により所定の荷重で押圧した状態で所定の時間保持し、その後ポンチ２１を上昇させる。ダイス２０及びポンチ２１により曲率Ｒに沿った状態で押圧されていた金属セラミックス接合体１は、ポンチ２１が上昇することにより、上面金属板３及び下面金属板４の有する弾性に起因する曲げ戻しを受ける（図８（ｃ））。その結果、セラミックス基板２の下面２ｂを凹とする金属セラミックス接合体１の反りが矯正される。この際、セラミックス基板２には、略全面にわたって上面金属板３及び下面金属板４が接合されているので、セラミックス基板２に割れなどが生じることがない。
【００４２】
次に、回路形成工程について説明する。押圧工程において金属セラミックス接合体１の反りが矯正されると、上面金属板３及び下面金属板４の凸部３ｂ、４ｂに所定パターンのレジスト膜３０が、例えばスクリーン印刷などにより形成される（図９（ａ））。次いで、上面金属板３及び下面金属板４に塩化第二鉄などのエッチング液が供給されて凸部３ｂ、４ｂが所望の形状の回路パターン及び金属ベース板にエッチングされると共に金属膜部３ａ、４ａが除去され、金属回路板４０及びベース板４１が形成される（図９（ｂ））。これにより、セラミックス基板２に金属回路板４０および金属ベース板４１を接合した金属セラミックス接合回路基板５０が得られる。なお、ろう材による接合において、前記金属板を溶解するエッチング液でろう材が溶解除去されない場合は、さらにろう材除去用の薬液で（例えばフッ酸を含む水溶液など）ろう材の除去を行う。
【００４３】
その後、レジスト膜３０が剥離され、金属回路板４０と金属回路板４０との間、且つベース板４１とベース板４１の間、即ち金属膜部３ａが除去されてセラミックス基板２の上面２ａが露出した箇所に、例えばレーザ加工などによりスクライブライン５１が形成される（図９（ｃ））。次いで、金属セラミックス接合回路基板５０は、このスクライブライン５１に沿って分割され、複数の金属セラミックス接合回路基板が製造される。なお、前記ろう材除去用の薬液でのろう材除去は、レジスト膜３０を剥離した後に行っても良い。またスクライブライン５１は金属膜部４ａが除去されてセラミックス基板２の下面２ｂが露出した箇所に形成しても良い。
【００４４】
以上の実施の形態によれば、セラミックス基板２に上面金属板３及び下面金属板４を形成した状態でダイス２０とポンチ２１により挟み込んで押圧するので、硬くて脆いセラミックス基板２が、靱性を有する上面金属板３及び下面金属板４により補強され、その結果、セラミックス基板２に割れが生じることなく、金属セラミックス接合回路基板１の反りを矯正することができる。したがって、セラミックス基板２に複数の金属回路板４０を接合しても、金属セラミックス接合回路基板５０を複数に分割した後に個別に反りの矯正を行う必要がない。このため、金属セラミックス接合回路基板１の生産性を向上させることができる。
【００４５】
また、反りの矯正を行わない場合、即ちレジスト膜３０を形成する際に金属セラミックス接合体１が反った状態では、上面金属板３及び下面金属板４にレジスト膜３０を位置精度よく、あるいは均一な厚さで形成することが困難であり、エッチングにより金属回路板４０や金属ベース板４１を作成することが難しい。したがって、本実施の形態においてはセラミックス基板２に複数の金属回路板４０を形成し、それを複数の金属セラミックス接合回路基板に分割する場合を例にして説明したが、例えば、セラミックス基板２に１つのデバイスのみ形成する場合、即ちセラミックス基板２を分割しない場合であっても、本発明の製造方法を適用することができ、かかる場合、レジスト膜３０も良好に塗布することができる。
【００４６】
また、上面金属板３及び下面金属板４をエッチングして凸部３ｂ、４ｂに所定の回路パターンを有する金属回路板４０を形成する際、金属膜部３ａ、４ａ、即ち上面金属板３及び下面金属板４において凸部３ｂ、４ｂよりも厚みが薄い箇所を、並行してエッチングにより除去することができる。このため、金属セラミックス接合回路基板１を複数の金属セラミックス接合回路基板５０に分割するにあたり別途上面金属板３及び下面金属板４を除去する必要もなく、金属膜部３ａ、４ａの除去に起因して生産性が低下することもない。
【００４７】
また、反りの矯正にプレス加工を用いて金属セラミックス接合体１を塑性変形させるので、金属セラミックス接合体１に残留する応力の大小、即ち反り矯正前の金属セラミックス接合体１の反りの形状の影響を最小限に抑えた反りの矯正をプレス加工の条件の調整により行うことができる。
【００４８】
以上の実施の形態においては、プレス回数は一度のみであったが、必要に応じて繰り返し複数回行ってもよい。
【００４９】
なお、以上実施の形態においては、接合工程で上面金属板３及び下面金属板４をセラミックス基板２のほぼ全面に接合した金属セラミックス接合体１を形成したが、プレス装置１２による反りの矯正時にセラミックス基板２が割れること防止するにあたっては、上面金属板３及び下面金属板４のいずれかの金属板がセラミックス基板２に接合されていれば補強の効果が得られるので、金属板は必ずしも両面に形成する必要はない。また、反りの矯正時にセラミックス基板２が割れないことが確認できれば、上面金属板３及び下面金属板４は必ずしもセラミックス基板２の表面の略全面に形成する必要はなく、例えば金属回路板４０の形成に必要となる凸部３ｂ、４ｂのみを設け、金属膜部３ａ、４ａについては設けないようにしてもよい。
【００５０】
また、以上の実施の形態においては、下部鋳型１０及び上部鋳型１１により上面金属板３及び下面金属板４を同時に形成したが、上面金属板３及び下面金属板４は必ずしも同時に形成する必要はなく、形成の順序及び各鋳型の形状については任意に決定が可能である。ろう材による接合でも同様に、セラミックス基板の片面づつ順番に金属板を接合しても良い。
【００５１】
なお、以上の実施の形態においては、凸部３ｂは、その面内において同一の高さＨ２としていたが、例えば回路形成工程でのエッチングによって除去される部分を、予め凸部３ｂの高さＨ２よりも低くなるように形成してもよい。係る場合、上部鋳型１１の各凹部１１ａに、例えば図１０に示すように突起部６０を形成することで実現可能である。このように、凸部３ｂの面内において、エッチングにより除去される部分を予め低く形成することにより、凸部３ｂをエッチングして金属回路板４０を形成するため要する時間が短縮できる。したがって、金属セラミックス接合回路基板１をさらに効率よく製造することができる。
【実施例】
【００５２】
実施例として、前述の本発明にかかる溶湯接合法の製造方法により金属セラミックス接合回路基板１を作成した後に、プレス装置１２を用いてプレス時の荷重、下死点での保持時間を変化させてプレスを行い、金属セラミックス接合回路基板１の中央部の反り量の変化及びセラミックス基板２の割れの有無について確認試験を行った。
反り量の測定にはレーザ変位計を用いた。なお、金属セラミックス接合回路基板１は、セラミックス基板２として縦９２ｍｍ、横７８ｍｍ、厚み０．６ｍｍの窒化アルミを用い、上面金属板３及び下面金属板４としてアルミ合金を接合し、夫々１．８ｍｍ、０．９ｍｍの凸部３ｂ、４ｂを形成した。なお、上面金属板３及び下面金属板４の金属膜部３ａ、４ａの厚みは夫々０．５ｍｍとし、略全面に形成した。また、プレスは常温下で行い、プレス時の荷重を２０ＭＰａ、４０ＭＰａ及び６０ＭＰａ、下死点での保持時間を夫々１０秒、２０秒、６０秒で変化させ、実施例１〜９の９通りのサンプルを作成した。
【００５３】
確認試験の結果を表１に示す。
【００５４】
【表１】
【００５５】
表１中の「変位」は、定盤に金属セラミックス接合回路基板５０を載置し、当該金属セラミックス接合回路基板５０の中央部の定盤からの高さをレーザ変位計で測定した反り量から、金属セラミックス接合回路基板５０の厚さ、即ちセラミックス基板２と金属板の厚さを差し引いたものである。プレス装置１２によるプレスを行った結果、プレス荷重を２０ＭＰａとした実施例１〜３においては、プレス荷重を４０ＭＰａ、６０ＭＰａとした実施例４〜６、及び実施例７〜９と比較すると反りの減少量が少ないものの、いずれにおいても反り量が減少し、金属セラミックス接合回路基板１に生じた反りが矯正されることが確認できた。また、実施例１〜９のいずれのサンプルにおいてもセラミックス基板２に割れは生じなかった。
【００５６】
次に、プレスによる反りの減少量が少なかった実施例１〜３について、プレス装置１２を用いて再度２０ＭＰａの荷重でプレスを行い、反り量の変化について確認を行った。その結果を表２に示す。
【００５７】
【表２】
【００５８】
実施例１〜３に２度目のプレスを行うことで、更に反り量の減少がみられた。これにより、プレス時の荷重が小さく、一度のプレスでは反りが所望の範囲まで矯正されなかった場合でも、プレスを複数回繰り返すことにより、適切に反りを矯正できることが確認できた。
【００５９】
また、比較例として、鋳型形状を変更することにより金属膜部３ａ、４ａを形成しない以外は実施例１と同様の方法で金属セラミックス接合回路基板を作成し、実施例１のプレス条件で反りの矯正を試みた。その結果、セラミックス基板２における金属膜部緒を形成していない部位に割れが発生し、製品としては使用不能であった。
【００６０】
別の実施例として、前述の本発明にかかるろう接法の製造方法により金属セラミックス接合回路基板１を作成した後に、プレス装置１２を用いてプレスを行い、金属セラミックス接合回路基板１の中央部の反り量の変化及びセラミックス基板２の割れの有無について確認試験を行った。
【００６１】
反り量の測定にはレーザ変位計を用いた。なお、金属セラミックス接合回路基板１は、セラミックス基板２として縦９２ｍｍ、横７８ｍｍ、厚み０．６ｍｍの窒化アルミ基板を用い、窒化アルミ基板上にスクリーン印刷によりＴｉを含有するＡｇ−Ｃｕろう材ペーストを印刷して形成し、金属板３及び下面金属板４として銅板を前記ろう材を介して接合し、夫々０．４ｍｍ、０．２ｍｍの凸部３ｂ、４ｂを形成した。なお、上面金属板３及び下面金属板４の金属膜部３ａ、４ａの厚みは夫々０．１ｍｍとし、略全面に形成した。また、プレスは常温下で行い、プレス時の荷重を６０ＭＰａ、下死点での保持時間を６０秒として、サンプルを作成した。その結果プレス前変位が３３０μｍ、プレス後変位が５５μｍで反りの減少量は２８５μｍであり、セラミックス基板に割れは発生しなかった。
【００６２】
別の実施例として、前述の本発明にかかる直接接合法の製造方法により金属セラミックス接合回路基板１を作成した後に、プレス装置１２を用いてプレスを行い、金属セラミックス接合回路基板１の中央部の反り量の変化及びセラミックス基板２の割れの有無について確認試験を行った。
【００６３】
反り量の測定にはレーザ変位計を用いた。なお、金属セラミックス接合回路基板１は、セラミックス基板２として縦９０ｍｍ、横８０ｍｍ、厚み０．６ｍｍのアルミナ基板を用い、上面金属板３及び下面金属板４として銅板を窒素ガス中で加熱接合し、夫々０．４ｍｍ、０．２ｍｍの凸部３ｂ、４ｂを形成した。なお、上面金属板３及び下面金属板４の金属膜部３ａ、４ａの厚みは夫々０．２ｍｍとし、略全面に形成した。また、プレスは常温下で行い、プレス時の荷重を６０ＭＰａ、下死点での保持時間を夫々６０秒として、サンプルを作成した。その結果プレス前変位が３１０μｍ、プレス後変位が４０μｍで反りの減少量は２７０μｍであった。
【００６４】
上記全ての実施例について、前述の通り、金属板表面に所定形状のエッチングレジストをスクリーン印刷により形成し、次にエッチングにより所定のパターン形状を作製するとともに金属膜部を除去して金属セラミックス接合回路基板を作製した。反りが充分に矯正されており、レジストの形成工程、エッチングによるパターン形成工程など、問題となる工程はなかった。
【００６５】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明は、金属セラミックス接合回路基板の製造を行う際に有用である。
【符号の説明】
【００６７】
１ 金属セラミックス接合体
２ セラミックス基板
２ａ 上面
２ｂ 下面
３ 上面金属板
３ａ 金属膜部
３ｂ 凸部
４ 下面金属板
４ａ 凸部
１０ 下部鋳型
１０ａ 底面部
１０ｂ 側壁部
１０ｃ 上端面
１０ｄ 凹部
１１ 上部鋳型
１１ａ 上面部
１１ｂ 側壁部
１１ｃ 下端面
１１ｄ 凹部
１２ プレス装置
２０ ダイス
２１ ポンチ
２２ 駆動機構
２３ 制御部
３０ レジスト膜
４０ 金属回路板
４１ 金属ベース板
５０ 金属セラミックス接合回路基板
５１ スクライブライン
６０ 突起部
Ｍ 金属溶湯
Ｒ 曲率
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板に金属回路板を接合させた金属セラミックス接合回路基板の製造方法であって、
セラミックス基板の少なくとも一方の面に、複数の凸部が形成された金属板を接合し、
前記金属板が接合されたセラミックス基板を所定の曲率を有するポンチとダイスで挟み込んで押圧し、
その後、前記金属板をエッチング処理して当該金属板の各凸部に所定の回路パターンを形成すると共に前記凸部以外の箇所を除去することを特徴とする、金属セラミックス接合回路基板の製造方法。
【請求項２】
前記セラミックス基板の押圧は、複数回繰り返し行われ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回路基板の製造方法。
【請求項３】
前記ポンチ及び前記ダイスの曲率、並びに前記接合回路基板を押圧する際の荷重及びびポンチの下死点での保持時間のうち、少なくともいずれかを調整することを特徴とする、請求項１または２のいずれかに記載の金属セラミックス接合回路基板の製造方法。
【請求項４】
前記セラミックス基板への前記金属板の接合は、金属溶湯をセラミックス基板に接触させた後に冷却して固化させることにより行うことを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の金属セラミックス接合回路基板の製造方法。
【請求項５】
前記セラミックス基板への前記金属板の接合は、ろう接により行うことを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の金属セラミックス接合回路基板の製造方法。
【請求項６】
前記セラミックス基板への前記金属板の接合は、直接接合法により行うことを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の金属セラミックス接合回路基板の製造方法。
【請求項７】
前記金属板が接合されたセラミックス基板を押圧した後で且つ前記金属板をエッチング処理する前に、所望形状のエッチングレジストを前記金属板の凸部に形成することを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の金属セラミックス接合回路基板の製造方法。
【請求項８】
金属とセラミックスの接合回路基板であって、
前記接合回路基板は、セラミックス基板の少なくとも一方の面に、複数の凸部が形成された金属板が接合され、
前記金属板が接合された後のセラミックス基板を所定の曲率を有するポンチとダイスで挟み込んで押圧し、その後、前記金属板をエッチング処理して当該金属板の各凸部に所定の回路パターンを作成すると共に前記凸部以外の箇所を除去することにより形成されることを特徴とする、金属セラミックス接合回路基板。
【請求項１】
セラミックス基板に金属回路板を接合させた金属セラミックス接合回路基板の製造方法であって、
セラミックス基板の少なくとも一方の面に、複数の凸部が形成された金属板を接合し、
前記金属板が接合されたセラミックス基板を所定の曲率を有するポンチとダイスで挟み込んで押圧し、
その後、前記金属板をエッチング処理して当該金属板の各凸部に所定の回路パターンを形成すると共に前記凸部以外の箇所を除去することを特徴とする、金属セラミックス接合回路基板の製造方法。
【請求項２】
前記セラミックス基板の押圧は、複数回繰り返し行われ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回路基板の製造方法。
【請求項３】
前記ポンチ及び前記ダイスの曲率、並びに前記接合回路基板を押圧する際の荷重及びびポンチの下死点での保持時間のうち、少なくともいずれかを調整することを特徴とする、請求項１または２のいずれかに記載の金属セラミックス接合回路基板の製造方法。
【請求項４】
前記セラミックス基板への前記金属板の接合は、金属溶湯をセラミックス基板に接触させた後に冷却して固化させることにより行うことを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の金属セラミックス接合回路基板の製造方法。
【請求項５】
前記セラミックス基板への前記金属板の接合は、ろう接により行うことを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の金属セラミックス接合回路基板の製造方法。
【請求項６】
前記セラミックス基板への前記金属板の接合は、直接接合法により行うことを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の金属セラミックス接合回路基板の製造方法。
【請求項７】
前記金属板が接合されたセラミックス基板を押圧した後で且つ前記金属板をエッチング処理する前に、所望形状のエッチングレジストを前記金属板の凸部に形成することを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の金属セラミックス接合回路基板の製造方法。
【請求項８】
金属とセラミックスの接合回路基板であって、
前記接合回路基板は、セラミックス基板の少なくとも一方の面に、複数の凸部が形成された金属板が接合され、
前記金属板が接合された後のセラミックス基板を所定の曲率を有するポンチとダイスで挟み込んで押圧し、その後、前記金属板をエッチング処理して当該金属板の各凸部に所定の回路パターンを作成すると共に前記凸部以外の箇所を除去することにより形成されることを特徴とする、金属セラミックス接合回路基板。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１１−２１６５３３（Ｐ２０１１−２１６５３３Ａ）
【公開日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−８０７３８（Ｐ２０１０−８０７３８）
【出願日】平成２２年３月３１日（２０１０．３．３１）
【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２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月３１日（２０１０．３．３１）
【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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