JP4496404B2

JP4496404B2 - 金属−セラミックス接合基板およびその製造方法

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Description

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回路用金属板が接合するとともに他方の面に放熱用金属ベース板が接合した金属−セラミックス接合基板およびその製造方法に関する。

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のパワーモジュールの絶縁基板として、セラミックス基板の一方の面に金属回路板が接合するとともに他方の面に平板状の放熱用金属ベース板が接合した金属−セラミックス接合基板が使用されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−７６５５１号公報（段落番号００３０−００３１）

しかし、従来の金属−セラミックス接合基板では、絶縁距離を大きくして絶縁の信頼性を向上させるためには、金属回路板と金属ベース板の距離を大きくする必要があり、そのため、金属−セラミックス接合基板を大きくする必要があった。また、従来の金属−セラミックス接合基板では、ヒートサイクルに対する信頼性が必ずしも十分でない場合があった。

したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、金属−セラミックス接合基板を大きくすることなく絶縁距離を大きくして絶縁の信頼性を向上させることができるとともに、ヒートサイクルに対する信頼性を向上させることができる、金属−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金属板が接合するとともに他方の面に金属ベース部材が接合した金属−セラミックス接合基板において、セラミックス基板と金属ベース部材との接合面のまわりに段差を設けることにより、絶縁の信頼性とヒートサイクルに対する信頼性を向上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接合するとともに他方の面に金属ベース部材が接合した金属−セラミックス接合基板において、セラミックス基板と金属ベース部材との接合面のまわりに段差を設けたことを特徴とする。

この段差は、セラミックス基板と金属ベース部材との接合面の全周にわたって延びているのが好ましい。この段差を、セラミックス基板の他方の面に向かって隆起した隆起部を金属ベース部材に形成することによって設け、この隆起部にセラミックス基板を接合してもよいし、あるいは、この段差を、セラミックス基板の他方の面の外周に沿って延びる溝部を金属ベース部材に形成することによって設け、金属ベース部材の溝部に囲まれた部分にセラミックス基板を接合してもよい。あるいは、この段差を、セラミックス基板の他方の面に向かって隆起した隆起部とこの隆起部のまわりに延びる溝部とを金属ベース部材に形成することによって設け、隆起部にセラミックス基板を接合してもよい。また、隆起部は、金属ベース部材のセラミックス基板側の面から略垂直方向に隆起してもよいし、セラミックス基板に対して鋭角に隆起してもよい。

また、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接合するとともに他方の面に金属ベース部材が接合した金属−セラミックス接合基板において、金属ベース部材が平板状の本体部とこの本体部から隆起した隆起部とからなり、この隆起部にセラミックス基板の他方の面が接合していることを特徴とする。

また、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接合するとともに他方の面に金属ベース部材が接合した金属−セラミックス接合基板において、金属ベース部材に溝部が形成され、この溝部がセラミックス基板の他方の面の外周に沿って延びていることを特徴とする。この場合、溝部がセラミックス基板の他方の面の全周にわたって延びているのが好ましい。

さらに、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接合するとともに他方の面に金属ベース部材が接合した金属−セラミックス接合基板において、金属ベース部材が平板状の本体部とこの本体部から隆起した隆起部とからなり、この隆起部にセラミックス基板の他方の面が接合し、金属ベース部材に溝部が形成され、この溝部が隆起部のまわりに延びていることを特徴とする。この場合、溝部が隆起部の全周にわたって延びているのが好ましい。

隆起部は、本体部から略垂直方向に隆起してもよいし、セラミックス基板に対して鋭角に隆起してもよい。

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接合するとともに他方の面に金属ベース部材が接合した金属−セラミックス接合基板の製造方法において、セラミックス基板と金属ベース部材との接合面のまわりに段差が配置するように、金属ベース部材の一方の面に段差を設けることを特徴とする。

この金属−セラミックス接合基板の製造方法において、段差が、セラミックス基板と金属ベース部材との接合面の全周にわたって延びているのが好ましい。この段差を、セラミックス基板の他方の面に向かって隆起した隆起部を金属ベース部材に形成することによって設け、この隆起部にセラミックス基板を接合してもよいし、あるいは、この段差を、セラミックス基板の他方の面の外周に沿って延びる溝部を金属ベース部材に形成することによって設け、金属ベース部材の溝部に囲まれた部分にセラミックス基板を接合してもよい。あるいは、この段差を、セラミックス基板の他方の面に向かって隆起した隆起部とこの隆起部のまわりに延びる溝部とを金属ベース部材に形成することによって設け、隆起部にセラミックス基板を接合してもよい。また、溝部は、金属板および金属ベース部材をセラミックス基板に接合した後にセラミックス基板の周縁部付近を除いた金属ベース板の略全面にレジストを形成してエッチング処理を行うことによって形成するのが好ましい。さらに、金属板および金属ベース部材の少なくとも一方とセラミックス基板との間の接合を溶湯接合法によって行うのが好ましい。

本発明によれば、セラミックス基板の一方の面に金属板が接合するとともに他方の面に金属ベース部材が接合した金属−セラミックス接合基板において、セラミックス基板と金属ベース部材との接合面のまわりに段差を設けることにより、絶縁の信頼性とヒートサイクルに対する信頼性を向上させることができる。

また、本発明による金属−セラミックス接合基板では、同じ絶縁耐圧を維持しながら絶縁距離を小さくすることができるので、部品の小型化とコストを低減することができる。さらに、従来の金属−セラミックス接合基板と比べて、ヒートサイクル後の金属ベース板のクラックの発生を抑制することができるので、クラックの発生による放熱性の低下を防止することができる。

本発明による金属−セラミックス接合基板の実施の形態では、セラミックス基板の一方の面に回路用金属板が接合するとともに他方の面に放熱用金属ベース板が接合した金属−セラミックス接合基板において、セラミックス基板と金属ベース板との接合面のまわりに、この接合面の全周にわたって延びる段差が設けられている。

なお、セラミックス基板としては、ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ａｉ_３Ｎ_４またはＳｉＣを主成分とする厚さ０．２〜１．０ｍｍ程度のセラミックス基板を使用するのが好ましい。このセラミックス基板の厚さが薄くなるほど金属−セラミックス接合基板の耐電圧やヒートサイクル性の向上の効果が大きくなる。また、金属板としては、電気特性や熱伝導性の観点から、アルミニウム、銅またはこれらの合金からなる金属板を使用するのが好ましい。

このような段差を設けた金属−セラミックス接合基板の実施の形態として、以下に説明する第１〜５の実施の形態の金属−セラミックス接合基板がある。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詳細に説明する。

［第1の実施の形態］
図１は、本発明による金属−セラミックス接合基板の第1の実施の形態を示している。図１に示すように、本実施の形態の金属−セラミックス接合基板１０は、略矩形の平板状のセラミックス基板１２と、このセラミックス基板１２の一方の面に接合し、セラミックス基板１２より小さい略矩形の平板状の少なくとも１枚（図１では１枚のみを示す）の回路用金属板１４と、セラミックス基板１２の他方の面に接合した平面形状が略矩形の（厚さＴの）放熱用金属ベース板１６とから構成されている。本実施の形態では、金属ベース板１６には、セラミックス基板１２側の面から略垂直方向に所定の高さｈだけ隆起し、セラミックス基板１２より小さい平面形状が略矩形の隆起部１６ａが形成されており、この隆起部１６ａの上面にセラミックス基板１２が接合している。このような構成により、セラミックス基板１２と金属ベース板１６との接合面のまわりに、この接合面の全周にわたって延びる段差が設けられている。

この実施の形態の金属−セラミックス接合基板１０は、例えば、図２および図３に示す鋳型２０を用意し、この鋳型２０の内部にセラミックス基板１２を配置させ、鋳型２０の内部に金属溶湯を注湯してセラミックス基板１２の両面に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１２の一方の面に回路用金属板１４を接合するとともに他方の面に放熱用金属ベース板１６を接合することによって製造することができる。

図２および図３に示すように、鋳型２０は、平面形状が略矩形の好ましくはカーボンまたは多孔性金属などの通気性材料からなる下側鋳型部材２２および上側鋳型部材２４と、これらの鋳型部材間に配置された平面形状が略矩形の好ましくは金属材料からなる中間鋳型部材２６とから構成されている。下側鋳型部材２２の上面の略中央部には、セラミックス基板１２と略等しい形状および大きさのセラミックス基板保持部２２ａとしての凹部が形成され、このセラミックス基板保持部２２ａの底面の略中央部には、回路用金属板１４と略等しい形状および大きさの回路用金属板形成部２２ｂとしての凹部が形成されている。中間鋳型部材２６は、金属−セラミックス接合基板１０の取り出しを可能にするために２つの部材からなり、これらを組み合わせた状態で略中央部に放熱用金属ベース板１６の隆起部１６ａと略等しい形状および大きさの隆起部形成部２６ａとしての貫通穴が形成されるような形状を有する。この中間鋳型部材２６は、強度の観点から金属材料からなるのが好ましいが、下側鋳型部材２２と同様のカーボンや多孔性金属からなるものでもよい。また、上側鋳型部材２４の内部には、放熱用金属ベース板１６の隆起部１６ａ以外の部分と略等しい形状および大きさの金属ベース板形成部２４ａが形成されている。なお、上側鋳型部材２４には、金属溶湯を鋳型２０内に注湯するための（図示しない）注湯口が形成されている。また、中間鋳型部材２６および下側鋳型部材２２には、金属ベース板形成部２４ａと回路用金属板形成部２２ｂとの間に延びる（図示しない）溶湯流路が形成され、セラミックス基板保持部２２ａ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２４ａと回路用金属板形成部２２ｂとの間が連通するようになっている。

この鋳型２０の下側鋳型部材２２のセラミックス基板保持部２２ａ内にセラミックス基板１２を収容し、下側鋳型部材２２の上に中間鋳型部材２６を配置し、その上に上側鋳型部材２４を配置して固定した後、金属ベース板形成部２４ａ内にアルミニウム溶湯などの金属溶湯を注湯し、溶湯流路を介して回路用金属板形成部２２ｂまで金属溶湯を充填し、その後、冷却して金属溶湯を固化させることにより、図１に示すように、セラミックス基板１２の一方の面に回路用金属板１４が直接接合するとともに他方の面に放熱用金属ベース板１６が直接接合した金属−セラミックス接合基板１０が得られる。その後、回路用金属板１４の上面に所定の回路パターンのレジストを形成してエッチング処理を行うことにより、所定の回路パターンの金属回路板を形成することができる。

［第２の実施の形態］
図４は、本発明による金属−セラミックス接合基板の第２の実施の形態を示している。図４に示すように、本実施の形態の金属−セラミックス接合基板１１０は、略矩形の平板状のセラミックス基板１１２と、このセラミックス基板１１２の一方の面に接合し、セラミックス基板１１２より小さい略矩形の平板状の少なくとも１枚（図４では１枚のみを示す）の回路用金属板１１４と、セラミックス基板１１２の他方の面に接合した平面形状が略矩形の（厚さＴの）放熱用金属ベース板１１６とから構成されている。本実施の形態では、金属ベース板１１６の上面（セラミックス基板１１２側の面）には、セラミックス基板１１２の外周に沿って延びる深さｄの溝部１１６ｂが形成されており、金属ベース板１１６の上面の溝部１１６ｂに囲まれた部分にセラミックス基板１１２が接合している。溝部１１６ｂは、セラミックス基板１１２の外周を跨るように形成されており、したがって、セラミックス基板１１２と金属ベース板１１６との間の接合面の面積は、セラミックス基板１１２よりも小さくなっている。このような構成により、セラミックス基板１１２と金属ベース板１１６との接合面のまわりに、この接合面の全周にわたって延びる段差が設けられている。

この実施の形態の金属−セラミックス接合基板１１０は、例えば、中間鋳型部材２６を設けない以外は第1の実施の形態で使用した鋳型２０と同様の図５に示す鋳型１２０を用意し、この鋳型１２０の内部にセラミックス基板１１２を配置させ、鋳型１２０の内部に金属溶湯を注湯してセラミックス基板１１２の両面に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１１２の一方の面に回路用金属板１１４を接合するとともに他方の面に放熱用金属ベース板１６を接合した後、図６に示すように、回路用金属板１１４の上面に所定の回路パターンの形状のレジスト１１８を形成するとともに、セラミックス基板１１２の周縁部付近を除いた金属ベース板１１６の略全面にレジスト１１８を形成し、その後、エッチング処理により溝部１１６ｂを形成することによって製造することができる。

［第３の実施の形態］
図７は、本発明による金属−セラミックス接合基板の第３の実施の形態を示している。図７に示すように、本実施の形態の金属−セラミックス接合基板２１０は、第1の実施の形態の金属−セラミックス接合基板１０と第２の実施の形態の金属−セラミックス接合基板１１０を組み合わせた形状を有し、略矩形の平板状のセラミックス基板２１２と、このセラミックス基板２１２の一方の面に接合し、セラミックス基板２１２より小さい略矩形の平板状の少なくとも１枚（図７では１枚のみを示す）の回路用金属板２１４と、セラミックス基板２１２の他方の面に接合した平面形状が略矩形の（厚さＴの）放熱用金属ベース板２１６とから構成されている。本実施の形態では、金属ベース板２１６には、セラミックス基板２１２側の面から略垂直方向に所定の高さｈだけ隆起し、セラミックス基板２１２より小さい平面形状が略矩形の隆起部２１６ａが形成されているとともに、この隆起部２１６ａのまわりに深さｄの溝部２１６ｂが形成されており、隆起部２１６ａの上面にセラミックス基板２１２が接合している。このような構成により、セラミックス基板２１２と金属ベース板２１６との接合面のまわりに、この接合面の全周にわたって延びる段差が設けられている。

この実施の形態の金属−セラミックス接合基板２１０は、例えば、第１の実施の形態と同様の方法により、図２および図３に示す鋳型２０を使用して、セラミックス基板２１２の一方の面に回路用金属板２１４を接合するとともに他方の面に放熱用金属ベース板２１６を接合した後、図８に示すように、回路用金属板２１４の上面に所定の回路パターンの形状のレジスト２１８を形成するとともに、セラミックス基板２１２の周縁部付近を除いた金属ベース板２１６の略全面にレジスト２１８を形成し、その後、エッチング処理により溝部２１６ｂを形成することによって製造することができる。

［第４の実施の形態］
図９は、本発明による金属−セラミックス接合基板の第４の実施の形態を示している。図９に示すように、本実施の形態の金属−セラミックス接合基板３１０は、隆起部１６ａの形状を隆起部３１６ａの形状に代えた以外は第１の実施の形態の金属−セラミックス接合基板１０と同様の形状を有し、略矩形の平板状のセラミックス基板３１２と、このセラミックス基板３１２の一方の面に接合し、セラミックス基板３１２より小さい略矩形の平板状の少なくとも１枚（図９では１枚のみを示す）の回路用金属板３１４と、セラミックス基板３１２の他方の面に接合した平面形状が略矩形の（厚さＴの）放熱用金属ベース板３１６とから構成されている。本実施の形態では、金属ベース板３１６には、セラミックス基板３１２側の面から所定の高さｈだけ隆起した平面形状が略矩形の隆起部３１６ａが形成されており、この隆起部３１６ａの上面にセラミックス基板３１２が接合している。セラミックス基板３１２と隆起部３１６ａの間の接合面と隆起部３１６ａの側面との間の角度θは鋭角（θ＜９０°）になっている。このような構成により、セラミックス基板３１２と金属ベース板３１６との接合面のまわりに、この接合面の全周にわたって延びる段差が設けられている。

この実施の形態の金属−セラミックス接合基板３１０は、第１の実施の形態と同様に、例えば、図１０に示す鋳型３２０を用意し、この鋳型３２０の内部にセラミックス基板３１２を配置させ、鋳型３２０の内部に金属溶湯を注湯してセラミックス基板３１２の両面に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３１２の一方の面に回路用金属板３１４を接合するとともに他方の面に放熱用金属ベース板３１６を接合することによって製造することができる。

図１０に示すように、鋳型３２０は、隆起部形成部３２６ａとしての貫通穴の形状以外は図２および図３に示す鋳型２０と同様であり、中間鋳型部材３２６の平面形状が略矩形の好ましくはカーボンまたは多孔性金属などの通気性材料からなる下側鋳型部材３２２および上側鋳型部材３２４と、これらの鋳型部材間に配置された平面形状が略矩形の好ましくは金属材料からなる中間鋳型部材３２６とから構成されている。下側鋳型部材３２２の上面の略中央部には、セラミックス基板３１２と略等しい形状および大きさのセラミックス基板保持部３２２ａとしての凹部が形成され、このセラミックス基板保持部３２２ａの底面の略中央部には、回路用金属板３１４と略等しい形状および大きさの回路用金属板形成部３２２ｂとしての凹部が形成されている。中間鋳型部材３２６は、金属−セラミックス接合基板３１０の取り出しを可能にするために２つの部材からなり、これらを組み合わせた状態で略中央部に放熱用金属ベース板３１６の隆起部３１６ａと略等しい形状および大きさの隆起部形成部３２６ａとしての貫通穴が形成されるような形状を有する。この中間鋳型部材３２６は、強度の観点から金属材料からなるのが好ましいが、下側鋳型部材３２２と同様のカーボンや多孔性金属からなるものでもよい。また、上側鋳型部材３２４の内部には、放熱用金属ベース板３１６の隆起部３１６ａ以外の部分と略等しい形状および大きさの金属ベース板形成部３２４ａが形成されている。なお、上側鋳型部材３２４には、金属溶湯を鋳型３２０内に注湯するための（図示しない）注湯口が形成されている。また、中間鋳型部材３２６および下側鋳型部材３２２には、金属ベース板形成部３２４ａと回路用金属板形成部３２２ｂとの間に延びる（図示しない）溶湯流路が形成され、セラミックス基板保持部３２２ａ内にセラミックス基板３１２を収容したときにも金属ベース板形成部３２４ａと回路用金属板形成部３２２ｂとの間が連通するようになっている。

この鋳型３２０の下側鋳型部材３２２のセラミックス基板保持部３２２ａ内にセラミックス基板３１２を収容し、下側鋳型部材３２２の上に中間鋳型部材３２６を配置し、その上に上側鋳型部材３２４を配置して固定した後、金属ベース板形成部３２４ａ内にアルミニウム溶湯などの金属溶湯を注湯し、溶湯流路を介して回路用金属板形成部３２２ｂまで金属溶湯を充填し、その後、冷却して金属溶湯を固化させることにより、図９に示すように、セラミックス基板３１２の一方の面に回路用金属板３１４が直接接合するとともに他方の面に放熱用金属ベース板３１６が直接接合した金属−セラミックス接合基板３１０が得られる。その後、回路用金属板３１４の上面に所定の回路パターンのレジストを形成してエッチング処理を行うことにより、所定の回路パターンの金属回路板を形成することができる。

［第５の実施の形態］
図１１は、本発明による金属−セラミックス接合基板の第５の実施の形態を示している。図１１に示すように、本実施の形態の金属−セラミックス接合基板４１０は、第４の実施の形態の金属−セラミックス接合基板３１０と第２の実施の形態の金属−セラミックス接合基板１１０を組み合わせた形状を有し、略矩形の平板状のセラミックス基板４１２と、このセラミックス基板４１２の一方の面に接合し、セラミックス基板４１２より小さい略矩形の平板状の少なくとも１枚（図１１では１枚のみを示す）の回路用金属板４１４と、セラミックス基板４１２の他方の面に接合した平面形状が略矩形の（厚さＴの）放熱用金属ベース板４１６とから構成されている。本実施の形態では、金属ベース板４１６には、セラミックス基板４１２側の面から所定の高さｈだけ隆起した平面形状が略矩形の隆起部４１６ａが形成されているとともに、この隆起部４１６ａのまわりに深さｄの溝部４１６ｂが形成されており、隆起部４１６ａの上面にセラミックス基板２１２が接合している。第４の実施の形態と同様に、セラミックス基板４１２と隆起部４１６ａの間の接合面と隆起部４１６ａの側面との間の角度θは鋭角（θ＜９０°）になっている。このような構成により、セラミックス基板４１２と金属ベース板４１６との接合面のまわりに、この接合面の全周にわたって延びる段差が設けられている。

この実施の形態の金属−セラミックス接合基板４１０は、例えば、第４の実施の形態と同様の方法により、図１０に示す鋳型３２０を使用して、セラミックス基板４１２の一方の面に回路用金属板４１４を接合するとともに他方の面に放熱用金属ベース板４１６を接合した後、図１２に示すように、回路用金属板４１４の上面に所定の回路パターンの形状のレジスト４１８を形成するとともに、セラミックス基板４１２の周縁部付近を除いた金属ベース板４１６の略全面にレジスト４１８を形成し、その後、エッチング処理により溝部４１６ｂを形成することによって製造することができる。

なお、上記の第１〜５の実施の形態では、金属−セラミックス接合基板を溶湯法によって製造する場合について説明したが、本発明による金属−セラミックス接合基板は、ろう接法や直接接合法などの他の方法によって製造してもよい。すなわち、上記の第１〜５の実施の形態の金属−セラミックス接合基板の金属ベース板と同様の形状の金属ベース板を用意し、この金属ベース板と回路用金属板をろう接法や直接接合法などの他の方法によってセラミックス基板に接合してもよい。

また、上記の第１〜５の実施の形態では、放熱用金属ベース板の形状が略平板状であり、そのセラミックス基板と反対側の面（裏面）が平面状であったが、本発明による金属−セラミックス接合基板では、裏面にフィンが形成されたフィン付ベース板や内部に水冷用の水路が設けられた水冷ベース板などを放熱用金属ベース板として使用してもよい。このような金属ベース板を使用しても、上記の第１〜５の実施の形態と同様の効果が得られる。また、上記の第１〜５の実施の形態では、回路用金属板が１枚の場合について図示して説明したが、回路用金属板が複数の場合でも同様の効果が得られる。

［実施例１］
第１の実施の形態の金属−セラミックス接合基板の製造方法と同様の方法により、３６ｍｍ×４０ｍｍ×０．６３５ｍｍの窒化アルミニウム基板の一方の面に厚さ０．４ｍｍの３枚のアルミニウム板をいわゆる縁面距離（アルミニウム板が接合した側の窒化アルミニウム基板の端部と、アルミニウム板と窒化アルミニウム基板の接合面の端部との間の距離）Ｄ（図１を参照）が１．５ｍｍになるように接合するとともに、他方の面に厚さ５ｍｍで隆起部の高さ０．４ｍｍのアルミニウムベース板を接合し、第１の実施の形態の金属−セラミックス接合基板と同様の形状の金属−セラミックス接合基板を得た。この金属−セラミックス接合基板のアルミニウム板とアルミニウムベース板にそれぞれ電極を設け、大気中でこれらの電極の間に印加する交流電圧を徐々に上げて０．５ｍＡ上のリーク電流が流れたときの電圧を耐電圧として測定したところ、耐電圧は２．５ｋＶ以上であった。また、２０℃×１０分→−４０℃×３０分→２０℃×１０分→１２５℃×３０分を１サイクルとするヒートサイクルを３０００回行った後に、窒化アルミニウム基板の下側のアルミニウムベース板に長さ１ｍｍの亀裂が生じ、同様のヒートサイクルを５０００回行った後に長さ３ｍｍの亀裂が生じた。

［実施例２］
第２の実施の形態の金属−セラミックス接合基板の製造方法と同様の方法により、３６ｍｍ×４０ｍｍ×０．６３５ｍｍの窒化アルミニウム基板の一方の面に厚さ０．４ｍｍの３枚のアルミニウム板を縁面距離が１．５ｍｍになるように接合するとともに、他方の面に厚さ５ｍｍのアルミニウムベース板を接合した後、レジストを形成し、エッチング処理により深さ０．５ｍｍの溝部を形成し、第２の実施の形態の金属−セラミックス接合基板と同様の形状の金属−セラミックス接合基板を得た。この金属−セラミックス接合基板について、実施例１と同様の方法により耐電圧を測定したところ、耐電圧は２．５ｋＶ以上であった。また、実施例１と同様のヒートサイクルを３０００回行った後に、窒化アルミニウム基板の下側のアルミニウムベース板に長さ１ｍｍの亀裂が生じ、５０００回行った後に長さ３ｍｍの亀裂が生じた。

［実施例３］
第３の実施の形態の金属−セラミックス接合基板の製造方法と同様の方法により、３６ｍｍ×４０ｍｍ×０．６３５ｍｍの窒化アルミニウム基板の一方の面に厚さ０．４ｍｍの３枚のアルミニウム板を縁面距離が１．５ｍｍになるように接合するとともに、他方の面に厚さ５ｍｍで隆起部の高さ０．４ｍｍのアルミニウムベース板を接合した後、レジストを形成し、エッチング処理により深さ０．５ｍｍの溝部を形成し、第３の実施の形態の金属−セラミックス接合基板と同様の形状の金属−セラミックス接合基板を得た。この金属−セラミックス接合基板について、実施例１と同様の方法により耐電圧を測定したところ、耐電圧は２．５ｋＶ以上であった。また、実施例１と同様のヒートサイクルを３０００回行った後に、窒化アルミニウム基板の下側のアルミニウムベース板に亀裂が確認されず、５０００回行った後に長さ１ｍｍの亀裂が生じた。

［実施例４］
第４の実施の形態の金属−セラミックス接合基板の製造方法と同様の方法により、３６ｍｍ×４０ｍｍ×０．６３５ｍｍの窒化アルミニウム基板の一方の面に厚さ０．４ｍｍの３枚のアルミニウム板を縁面距離が１．５ｍｍになるように接合するとともに、他方の面に厚さ５ｍｍで隆起部の高さ０．４ｍｍのアルミニウムベース板を接合し、第４の実施の形態の金属−セラミックス接合基板と同様の形状の金属−セラミックス接合基板を得た。この金属−セラミックス接合基板について、実施例１と同様の方法により耐電圧を測定したところ、耐電圧は２．５ｋＶ以上であった。また、実施例１と同様のヒートサイクルを３０００回行った後に、窒化アルミニウム基板の下側のアルミニウムベース板に亀裂が確認されず、５０００回行った後に長さ１ｍｍの亀裂が生じた。

［実施例５］
第５の実施の形態の金属−セラミックス接合基板の製造方法と同様の方法により、３６ｍｍ×４０ｍｍ×０．６３５ｍｍの窒化アルミニウム基板の一方の面に厚さ０．４ｍｍの３枚のアルミニウム板を縁面距離が１．５ｍｍになるように接合するとともに、他方の面に厚さ５ｍｍで隆起部の高さ０．４ｍｍのアルミニウムベース板を接合した後、レジストを形成し、エッチング処理により深さ０．５ｍｍの溝部を形成し、第４の実施の形態の金属−セラミックス接合基板と同様の形状の金属−セラミックス接合基板を得た。この金属−セラミックス接合基板について、実施例１と同様の方法により耐電圧を測定したところ、耐電圧は２．５ｋＶ以上であった。また、実施例１と同様のヒートサイクルを３０００回行った後に、窒化アルミニウム基板の下側のアルミニウムベース板に亀裂が確認されず、５０００回行った後にも亀裂が確認されなかった。

［実施例６］
窒化アルミニウム基板の厚さを０．３ｍｍとした以外は実施例３と同様の方法により、第３の実施の形態の金属−セラミックス接合基板と同様の形状の金属−セラミックス接合基板を得た。この金属−セラミックス接合基板について、実施例１と同様の方法により耐電圧を測定したところ、耐電圧は２．５ｋＶ以上であった。また、実施例１と同様のヒートサイクルを３０００回行った後に、窒化アルミニウム基板の下側のアルミニウムベース板に亀裂が確認されず、５０００回行った後に長さ１ｍｍの亀裂が生じた。

［比較例］
図５に示すような鋳型を使用して、実施例１〜６と同様に溶湯法によって、図１３に示すように、３６ｍｍ×４０ｍｍ×０．６３５ｍｍの窒化アルミニウム基板５１２の一方の面に厚さ０．４ｍｍの３枚（図１３では１枚のみを示す）のアルミニウム板５１４を接合するとともに、他方の面に厚さ５ｍｍのアルミニウムベース板５１６を接合した。得られた金属−セラミックス接合基板について、実施例１と同様の方法により耐電圧を測定したところ、耐電圧は２．０ｋＶ弱であった。また、実施例１と同様のヒートサイクルを３０００回行った後に、窒化アルミニウム基板の下側のアルミニウムベース板に長さ３ｍｍの亀裂が生じた。

このように、比較例では、耐電圧は２．０ｋＶ弱に過ぎなかったが、実施例１〜６では、いずれも耐電圧は２．５ｋＶ以上であった。また、比較例では、ヒートサイクル３０００回後に窒化アルミニウム基板の下側のアルミニウムベース板に長さ３ｍｍの亀裂が生じたが、実施例１および２では、ヒートサイクル３０００回後の亀裂の長さは１ｍｍに過ぎず、実施例３〜６では、ヒートサイクル３０００回後にも亀裂が確認されなかった。さらに、実施例１および２では、ヒートサイクル５０００回後でなければ亀裂の長さは３ｍｍにならず、実施例３、４および６では、ヒートサイクル５０００後の亀裂の長さは１ｍｍに過ぎず、実施例５では、ヒートサイクル５０００回後にも亀裂が確認されなかった。

本発明による金属−セラミックス接合基板の第１の実施の形態を示す図であり、図１（ａ）はその金属−セラミックス接合基板の平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。図１の金属−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２の鋳型の組立前の状態を示す斜視図である。本発明による金属−セラミックス接合基板の第２の実施の形態を示す断面図である。図４の金属−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４の金属−セラミックス接合基板を製造するためにレジストを形成した状態を示す断面図である。本発明による金属−セラミックス接合基板の第３の実施の形態を示す断面図である。図７の金属−セラミックス接合基板を製造するためにレジストを形成した状態を示す断面図である。本発明による金属−セラミックス接合基板の第４の実施の形態を示す断面図である。図９の金属−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。本発明による金属−セラミックス接合基板の第５の実施の形態を示す断面図である。図１１の金属−セラミックス接合基板を製造するためにレジストを形成した状態を示す断面図である。比較例で製造した金属−セラミックス接合基板を示す断面図である。

符号の説明

１０、１１０、２１０、３１０、４１０、５１０金属−セラミックス接合基板
１２、１１２、２１２、３１２、４１２セラミックス基板
１４、１１４、２１４、３１４、４１４回路用金属板
１６、１１６、２１６、３１６、４１６放熱用金属ベース板
１６ａ、２１６ａ、３１６ａ、４１６ａ隆起部
１１６ｂ、２１６ｂ、４１６ｂ溝部
１１８、２１８、４１８レジスト
２０、１２０、３２０鋳型
２２、３２２下側鋳型部材
２２ａ、３２２ａセラミックス基板保持部
２２ｂ、３２２ｂ回路用金属板形成部
２４、３２４上側鋳型部材
２４ａ、３２４ａ金属ベース板形成部
２６、３２６中間鋳型部材
２６ａ、３２６ａ隆起部形成部
５１２窒化アルミニウム基板
５１４アルミニウム板
５１６アルミニウムベース板

Claims

内部にセラミックス基板を配置した鋳型内に金属溶湯を注湯してセラミックス基板の両面に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部材が直接接合した金属−セラミックス接合基板において、セラミックス基板の他方の面の外周部が金属ベース部材から離間して配置するようにセラミックス基板と金属ベース部材との接合面のまわりに段差を設けたことを特徴とする、金属−セラミックス接合基板。
前記セラミックス基板の他方の面の外周部が全周にわたって前記金属ベース部材から離間して配置するように前記段差が前記接合面の全周にわたって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。
前記段差が、前記セラミックス基板の他方の面に向かって隆起した隆起部を前記金属ベース部材に形成することによって設けられ、この隆起部に前記セラミックス基板が直接接合していることを特徴とする、請求項１または２に記載の金属−セラミックス接合基板。
前記段差が、前記セラミックス基板の他方の面の外周部が金属ベース部材から離間して配置するように前記セラミックス基板の他方の面の外周に沿って延びる溝部を前記金属ベース部材に形成することによって設けられ、前記金属ベース部材の溝部に囲まれた部分に前記セラミックス基板が直接接合していることを特徴とする、請求項１または２に記載の金属−セラミックス接合基板。
前記段差が、前記セラミックス基板の他方の面に向かって隆起した隆起部とこの隆起部を取り囲むように延びる溝部とを前記金属ベース部材に形成することによって設けられ、隆起部に前記セラミックス基板が直接接合していることを特徴とする、請求項１または２に記載の金属−セラミックス接合基板。
前記隆起部が、前記金属ベース部材の前記セラミックス基板側の面から略垂直方向に隆起していることを特徴とする、請求項３または５に記載の金属−セラミックス接合基板。
前記隆起部が、前記セラミックス基板に対して鋭角に隆起していることを特徴とする、請求項３または５に記載の金属−セラミックス接合基板。
内部にセラミックス基板を配置した鋳型内に金属溶湯を注湯してセラミックス基板の両面に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部材が直接接合した金属−セラミックス接合基板において、金属ベース部材が平板状の本体部とこの本体部から隆起した隆起部とからなり、セラミックス基板の他方の面の外周部が金属ベース部材の平板状の本体部から離間し且つ隆起部に直接接合していることを特徴とする、金属−セラミックス接合基板。
内部にセラミックス基板を配置した鋳型内に金属溶湯を注湯してセラミックス基板の両面に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部材が直接接合した金属−セラミックス接合基板において、前記セラミックス基板の他方の面の外周部が金属ベース部材から離間して配置するようにセラミックス基板の他方の面の外周に沿って延びる溝部が金属ベース部材に形成されていることを特徴とする、金属−セラミックス接合基板。
前記セラミックス基板の他方の面の外周部が全周にわたって前記金属ベース部材から離間して配置するように前記溝部が前記セラミックス基板の他方の面の全周にわたって延びていることを特徴とする、請求項９に記載の金属−セラミックス接合基板。
内部にセラミックス基板を配置した鋳型内に金属溶湯を注湯してセラミックス基板の両面に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部材が直接接合した金属−セラミックス接合基板において、金属ベース部材が平板状の本体部とこの本体部から隆起した隆起部とからなり、セラミックス基板の他方の面の外周部が金属ベース部材の平板状の本体部から離間し且つ隆起部に直接接合するとともに、隆起部を取り囲むように金属ベース部材に溝部が形成されていることを特徴とする、金属−セラミックス接合基板。
前記セラミックス基板の他方の面の外周部が全周にわたって前記金属ベース部材から離間して配置するように前記溝部が前記隆起部の全周にわたって延びていることを特徴とする、請求項１１に記載の金属−セラミックス接合基板。
前記隆起部が、前記本体部から略垂直方向に隆起していることを特徴とする、請求項８または１１に記載の金属−セラミックス接合基板。
前記隆起部が、前記セラミックス基板に対して鋭角に隆起していることを特徴とする、請求項８または１１に記載の金属−セラミックス接合基板。
内部にセラミックス基板を配置した鋳型内に金属溶湯を注湯してセラミックス基板の両面に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部材が直接接合した金属−セラミックス接合基板を製造する方法において、セラミックス基板の他方の面の外周部が金属ベース部材から離間して配置するようにセラミックス基板と金属ベース部材との接合面のまわりに段差を設け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。
前記セラミックス基板の他方の面の外周部が全周にわたって前記金属ベース部材から離間して配置するように前記段差が前記接合面の全周にわたって延びていることを特徴とする、請求項１５に記載の金属−セラミックス接合基板の製造方法。
前記段差が、前記セラミックス基板の他方の面に向かって隆起した隆起部を前記金属ベース部材に形成することによって設けられ、この隆起部に前記セラミックス基板が直接接合していることを特徴とする、請求項１５または１６に記載の金属−セラミックス接合基板の製造方法。
前記セラミックス基板の他方の面の外周部が前記金属ベース部材から離間して配置するように前記段差が前記セラミックス基板の他方の面の外周に沿って延びる溝部を前記金属ベース部材に形成することによって設けられ、前記金属ベース部材の溝部に囲まれた部分に前記セラミックス基板が直接接合していることを特徴とする、請求項１５または１６に記載の金属−セラミックス接合基板の製造方法。
前記段差が、前記セラミックス基板の他方の面に向かって隆起した隆起部とこの隆起部を取り囲むように延びる溝部とを前記金属ベース部材に形成することによって設けられ、隆起部に前記セラミックス基板が直接接合していることを特徴とする、請求項１５または１６に記載の金属−セラミックス接合基板の製造方法。
前記溝部は、前記金属板および前記金属ベース部材を前記セラミックス基板に直接接合した後に前記セラミックス基板の周縁部付近を除いた前記金属ベース部材の略全面にレジストを形成してエッチング処理を行うことによって形成されることを特徴とする、請求項１９に記載の金属−セラミックス接合基板の製造方法。