JP6799392B2 - 金属−セラミックス接合基板およびその製造方法 - Google Patents

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、金属部材がセラミックス基板に接合した金属−セラミックス接合基板およびその製造方法に関する。

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使用される従来のパワーモジュールでは、ベース板と呼ばれ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により固定されるとともに、この金属−セラミックス絶縁基板上に半導体チップが半田付けにより固定され、ベース板の他方の面（裏面）に熱伝導グリースを介してねじ止めなどにより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。

この金属−セラミックス絶縁基板へのベース板や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りベース板の反りが生じ易い。また、半導体チップから発生した熱は、金属−セラミックス絶縁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。

このような問題を解消して、金属−セラミックス絶縁基板の信頼性を高めるため、降伏応力が非常に低いアルミニウムをベース板に使用した金属−セラミックス回路基板、例えば、耐力が３２０ＭＰａ以下であり且つ厚さが１ｍｍ以上のアルミニウムまたはアルミニウム合金からなるベース板を溶湯法によってセラミックス基板に直接接合した金属−セラミックス回路基板が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−７６５５１号公報（段落番号００１５−００１７）

しかし、アルミニウムの降伏応力を小さくするためにはアルミニウムの純度を高くする必要があるが、溶湯法ではアルミニウムの結晶粒径を制御し難く、１０ｍｍ以上の大きな結晶粒径しか得ることができない。このように結晶粒径が大きいと、結晶粒度分布にばらつきが起こり、半導体チップなどを半田付けする際などの加熱によるアルミニウムベース板の反りにばらつきがある。

したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるベース板がセラミックス基板に直接接合した金属−セラミックス接合基板において、半導体チップなどを半田付けする際などの加熱によるベース板の反りのばらつきを抑制することができる、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、鋳型内にセラミックス基板を配置し、このセラミックス基板の両面の所定の部分に接触するようにアルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯を注湯した後に溶湯を冷却して固化させることにより、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるベース板をセラミックス基板の一方の面の周縁部と側面および他方の面の全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、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる回路パターン用金属板をベース板から離間して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ることによって、半導体チップなどを半田付けする際などの加熱によるベース板の反りのばらつきを抑制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、本発明による金属−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を配置し、このセラミックス基板の両面の所定の部分に接触するようにアルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯を注湯した後に溶湯を冷却して固化させることにより、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるベース板をセラミックス基板の一方の面の周縁部と側面および他方の面の全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、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる回路パターン用金属板をベース板から離間して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、鋳型内にセラミックス基板を配置する際に、鋳型内にセラミックス基板と強化部材とを互いに離間して配置し、溶湯を注湯する際に、鋳型内の強化部材の全面に溶湯を接触させ、ベース板を形成してセラミックス基板に直接接合させる際に、鋳型内の強化部材がベース板に取り囲まれるように強化部材をベース板に直接接合させてもよい。この場合、強化部材は、ベース板の材料より融点が高い金属またはセラミックス材料からなるのが好ましい。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部材に挟持されて強化部材が鋳型に支持され、下側鋳型部材の底面から突出して形成された複数の基板支持部にセラミックス基板の端部の底面および側面が当接して支持され、複数の基板支持部の少なくとも一つのセラミックス基板の端部の側面に当接する部分の上面が、複数の基板支持部に支持されたセラミックス基板の上面より高くなっているのが好ましい。

また、鋳型内にセラミックス基板を配置する際に、鋳型内にセラミックス基板と電子部品とを互いに離間して配置し、溶湯を注湯する際に、電子部品の一方の面に溶湯を接触させ、回路パターン用金属板を形成してセラミックス基板に直接接合させる際に、回路パターン用金属板に電子部品を直接接合させてもよい。また、ベース板を形成してセラミックス基板に直接接合させる際に、ベース板の回路パターン用金属板と反対側の面に、互いに略平行に且つ一定の間隔で離間して配置された複数の板状フィンをベース板と一体に形成してもよい。あるいは、ベース板を形成してセラミックス基板に直接接合させる際に、ベース板の回路パターン用金属板と反対側の面に、互いに離間して突出する多数の柱状突起部をベース板と一体に形成してもよい。また、ベース板および回路パターン用金属板をセラミックス基板に直接接合させた後、回路パターン用金属板の不要部分をエッチングにより除去して所望の回路パターンを形成することができる。

また、本発明による金属−セラミックス接合基板は、セラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面の周縁部と側面および他方の面の全面に直接接合したアルミニウムまたはアルミニウム合金からなるベース板と、このベース板から離間してセラミックス基板の一方の面に直接接合したアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる回路パターン用金属板とを備えたことを特徴とする。

この金属−セラミックス接合基板において、ベース板の内部に、板状の強化部材が、セラミックス基板から離間して且つセラミックス基板と略平行に配置して、ベース板に直接接合してもよい。この場合、強化部材は、ベース板の材料より融点が高い金属またはセラミックス材料からなるのが好ましい。また、回路パターン用金属板のセラミックス基板と反対側の面に、電子部品が直接接合してもよい。また、ベース板のセラミックス基板と反対側の面に、複数の板状フィンを、互いに略平行に且つ一定の間隔で離間して配置して、ベース板と一体に形成してもよい。さらに、ベース板のセラミックス基板と反対側の面に、互いに離間して突出する多数の柱状突起部を、ベース板と一体に形成してもよい。また、ベース板のセラミックス基板の側面に隣接した部分に、セラミックス基板の厚さより深い凹部を形成してもよい。

本発明によれば、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるベース板がセラミックス基板に直接接合した金属−セラミックス接合基板において、半導体チップなどを半田付けする際などの加熱によるベース板の反りのばらつきを抑制することができる。

本発明による金属−セラミックス接合基板の第１の実施の形態を示す平面図である。 図１Ａの金属−セラミックス接合基板の側面図である。 図１Ａの金属−セラミックス接合基板のＩＣ−ＩＣ線断面図である。 図１Ａ〜図１Ｃ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内にセラミックス基板を配置した状態を示す断面図である。 図２の鋳型の下側鋳型部材の平面図である。 図３Ａの下側鋳型部材のＩＩＩＢ−ＩＩＩＢ線断面図である。 図３Ａの下側鋳型部材のＩＩＩＣ−ＩＩＩＣ線断面図である。 図３Ａの下側鋳型部材のＩＩＩＤ−ＩＩＩＤ線断面図である。 図３Ａの下側鋳型部材のＩＩＩＥ−ＩＩＩＥ線断面図である。 図１Ａ〜図１Ｃ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変形例にセラミックス基板を配置した状態を示す断面図である。 図４の鋳型の下側鋳型部材を示す平面図である。 図５Ａの下側鋳型部材のＶＢ−ＶＢ線断面図である。 図５Ａの下側鋳型部材のＶＣ−ＶＣ線断面図である。 図５Ａの下側鋳型部材のＶＤ−ＶＤ線断面図である。 図５Ａの下側鋳型部材のＶＥ−ＶＥ線断面図である。 本発明による金属−セラミックス接合基板の第２の実施の形態を示す平面図である。 図６Ａの金属−セラミックス接合基板の側面図である。 図６Ａの金属−セラミックス接合基板のＶＩＣ−ＶＩＣ線断面図である。 図６Ａ〜図６Ｃ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内にセラミックス基板を配置した状態を示す断面図である。 図７の鋳型の下側鋳型部材の平面図である。 図８Ａの下側鋳型部材のＶＩＩＩＢ−ＶＩＩＩＢ線断面図である。 図８Ａの下側鋳型部材のＶＩＩＩＣ−ＶＩＩＩＣ線断面図である。 図８Ａの下側鋳型部材のＶＩＩＩＤ−ＶＩＩＩＤ線断面図である。 図８Ａの下側鋳型部材のＶＩＩＩＥ−ＶＩＩＩＥ線断面図である。 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平面図である。 図９Ａの金属−セラミックス接合基板の側面図である。 図９Ａの金属−セラミックス接合基板のＩＸＣ−ＩＸＣ線断面図である。 図９Ａ〜図９Ｃ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内にセラミックス基板を配置した状態を示す断面図である。 図１０の鋳型の下側鋳型部材の平面図である。 図１１Ａの下側鋳型部材のＸＩＢ−ＸＩＢ線断面図である。 図１１Ａの下側鋳型部材のＸＩＣ−ＸＩＣ線断面図である。 図１１Ａの下側鋳型部材のＸＩＤ−ＸＩＤ線断面図である。 図１１Ａの下側鋳型部材のＸＩＥ−ＸＩＥ線断面図である。 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平面図である。 図１２Ａの金属−セラミックス接合基板の側面図である。 図１２Ａの金属−セラミックス接合基板のＸＩＩＣ−ＸＩＩＣ線断面図である。 図１２Ａ〜図１２Ｃ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内にセラミックス基板を配置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５の実施の形態を裏面側を示す斜視図である。 図１４Ａの金属−セラミックス接合基板の裏面を示す平面図である。 図１４Ｂの金属−セラミックス接合基板のＸＩＶＣ−ＸＩＶＣ線断面図である。 本発明による金属−セラミックス接合基板の第５の実施の形態の変形例を示す平面図である。 図１５Ａの金属−セラミックス接合基板の側面図である。 図１５Ａの金属−セラミックス接合基板のＸＶＣ−ＸＶＣ線断面図である。 図１５Ａ〜図１５Ｃ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内にセラミックス基板を配置した状態を示す断面図である。 図１６の鋳型の下側鋳型部材の平面図である。 図１７Ａの下側鋳型部材のＸＶＩＩＢ−ＸＶＩＩＢ線断面図である。 図１７Ａの下側鋳型部材のＸＶＩＩＣ−ＸＶＩＩＣ線断面図である。 図１７Ａの下側鋳型部材のＸＶＩＩＤ−ＸＶＩＩＤ線断面図である。 図１７Ａの下側鋳型部材のＸＶＩＩＥ−ＸＶＩＩＥ線断面図である。

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１Ａ〜図１Ｃ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、図２および図３Ａ〜図３Ｅは、その金属−セラミックス接合基板を製造するために使用する鋳型を示している。

図１Ａ〜図１Ｃ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第１の実施の形態は、平面形状が略矩形のセラミックス基板１０と、このセラミックス基板１０の一方の面（回路パターン側の面）の周縁部と側面および他方の面（裏面）の全面に直接接合した平面形状が略矩形のアルミニウムまたはアルミニウム合金からなるベース板１２と、セラミックス基板１０の一方の面の周縁部に直接接合したベース板１２から離間してセラミックス基板１０の一方の面に直接接合したアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる１以上（図示した実施の形態では２つ）の回路パターン用金属板１４とを備えている。

本実施の形態の金属−セラミックス接合基板は、図２に示すような鋳型２０内にセラミックス基板１０を配置し、セラックス基板１０の両面のベース板１２と回路パターン用金属板１４に対応する部分に接触するように、アルミニウムまたは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。

図２に示すように、鋳型２０は、（多孔質の）カーボンまたは多孔質金属などの（溶湯不透過の）通気性材料からなり、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。

図２および図３Ａ〜図３Ｅに示すように、下側鋳型部材２２の上面には、ベース板を形成するための凹部（ベース板形成部）２２ａが形成されている。

このベース板形成部２２ａの底面の略中央部には、この底面から略垂直方向に隆起した平面形状が略矩形の隆起部２２ｂが形成されている。この隆起部２２ｂの上面の略中央部には、回路パターン用金属板を形成するための１以上（図示した実施の形態では２つ）の凹部（回路パターン用金属板形成部）２２ｃが形成されている。この回路パターン用金属板形成部２２ｃは、隆起部２２ｂを介してベース板形成部２２ａから離間しており、ベース板１２（の回路パターン側の部分）と回路パターン用金属板１４との間の絶縁を確保するようになっている。

また、ベース板形成部２２ａの底面には、セラミックス基板１０の長手方向両端部を支持する平面形状が略矩形の複数（図示した実施の形態では２対）の基板支持部（長手方向基板支持部）２２ｄと、セラミックス基板１０の幅方向両端部を支持する平面形状が略矩形の複数（図示した実施の形態では２対）の基板支持部（幅方向基板支持部）２２ｅが、その底面から略垂直方向に突出して形成されている。これらの基板支持部２２ｄおよび２２ｅは、セラミックス基板１０の一方の面（回路パターン側の面）の周縁部と側面に当接してセラミックス基板１０を所定の位置で支持するために、それぞれ略Ｌ字型の断面を有するように段差が設けられている。これらの基板支持部２２ｄおよび２２ｅ上にセラミックス基板１０を配置すると、ベース板形成部２２ａの底面の略中央部に形成された隆起部２２ｂの上面にセラミックス基板１０が当接して載置されるようになっている。このようにセラミックス基板１０を隆起部２２ｂの上面に載置すると、セラミックス基板１０によって回路パターン用金属板形成部２２ｃの開口部が塞がれるとともに、セラミックス基板１０の一方の面（回路パターン側の面）の周縁部と側面および他方の面（裏面）の全面の周囲にベース板形成部２２ａが確保されるようになっている。

なお、上側鋳型部材２４には、（図示しない）注湯ノズルから下側鋳型部材２２のベース板形成部２２ａ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、ベース板形成部２２ａと回路パターン用金属板形成部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１０を隆起部２２ｂの上面に載置したときにもベース板形成部２２ａと回路パターン用金属板形成部２２ｃとの間が連通するようになっている。

このような鋳型２０を使用して図１Ａ〜図１Ｃ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の基板支持部２２ｄおよび２２ｅ上にセラミックス基板１０を配置した後、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の溶湯を流し込んで冷却すると、セラミックス基板１０の一方の面（回路パターン側の面）の周縁部と側面および他方の面（裏面）の全面にベース板１２が直接接合するとともに、そのベース板１２（の回路パターン側の部分）から離間してセラミックス基板１０に回路パターン用金属板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。なお、ベース板１２には、基板支持部２２ｄおよび２２ｅに対応する複数の凹部１２ｂ（図１Ａ参照）が形成されるが、これらの凹部１２ｂは小さいため、金属−セラミックス接合基板の信頼性や熱伝導率に殆ど影響しない。

図４および図５Ａ〜図５Ｅは、本発明による金属−セラミックス接合基板の製造方法の第１の実施の形態を製造するために使用する鋳型の変形例を示している。

この変形例の鋳型１２０では、セラミックス基板１０の長手方向一端部を支持する複数（図示した実施の形態では２つ）の長手方向基板支持部２２ｄに代えて、鋳型１２０の幅方向（セラミックス基板１０の幅方向）に延びる平面形状が略矩形の細長基板支持部１２２ｆが形成されている。この細長基板支持部１２２ｆは、セラミックス基板１０の一方の面（回路パターン側の面）の周縁部と側面に当接してセラミックス基板１０を所定の位置で支持するために、略Ｌ字型の断面を有するように段差が設けられている。この細長基板支持部１２２ｆは、高い側の高さが長手方向基板支持部２２ｄより高く且つセラミックス基板１０の上面より高くなっている。その他の構成は、上述した実施の形態の金属−セラミックス接合基板を製造するために使用する鋳型と略同一であるので、参照符号に１００を加えてその説明を省略する。なお、ベース板１２には、細長基板支持部１２２ｆに対応する（図示しない）凹部が形成されるが、この凹部は小さいため、金属−セラミックス接合基板の信頼性や熱伝導率に殆ど影響しない。

［第２の実施の形態］
図６Ａ〜図６Ｃ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、図７および図８Ａ〜図８Ｅは、その金属−セラミックス接合基板を製造するために使用する鋳型を示している。

図６Ａ〜図６Ｃ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第２の実施の形態では、ベース板２１２の内部に、平面形状が略矩形の１以上（図示した実施の形態では１つ）の板状の強化部材２１６がセラミックス基板２１０から離間して且つセラミックス基板２１０と略平行に配置されている。この強化部材２１６は、ベース板２１２の内部を（セラミックス基板２１０の幅方向に）貫通して延びており、端部が外部に露出し、ベース板２１２の内部を貫通して延びている部分の全面（端部以外の全面）がベース板２１２に直接接合している。この強化部材２１６は、ベース板２１２の材料（アルミニウムまたはアルミニウム合金）より融点が高い材料からなり、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、あるいはアルミナ、ジルコニア、アルミナとジルコニアの複合材、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種以上のセラミックスなどの材料からなるのが好ましい。このような強化部材２１６をベース板２１２の内部に配置させることにより、セラミックス基板２１０に生じる応力を小さくすることができるとともに、金属−セラミックス接合基板の反りを小さくすることができるため、ベース板２１２を厚くすることができるので、ベース板２１２の熱容量を大きくして放熱性を向上させることができる。その他の構成は、上述した第１の実施の形態の金属−セラミックス接合基板と略同一であるので、参照符号に２００を加えてその説明を省略する。

本実施の形態の金属−セラミックス接合基板は、図７に示すような鋳型２２０内にセラミックス基板２１０と強化部材２１６とを互いに離間して配置し、強化部材２１６の略全面と、セラックス基板２１０の両面のベース板２１２と回路パターン用金属板２１４に対応する部分に接触するように、アルミニウムまたは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。

図８Ａ〜図８Ｅ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を製造するために使用する鋳型２２０では、下側鋳型部材２２２の上面には、（ベース板２１２の回路パターン側の部分を形成するための凹部である）ベース板形成部２２２ａの幅方向の両側面に、強化部材２１６の長手方向の両端部と略同一の形状および大きさでその両端部（の回路パターン側の部分）を収容するための１対以上（図示した実施の形態では１対）の凹部（強化部材支持部）２２２ｇが形成されている。一方、図７に示すように、上側鋳型部材２２４の下面には、ベース板２１２を形成するための凹部（ベース板形成部）２２４ａが形成されるとともに、このベース板形成部２２４ａの幅方向の両側面に、強化部材２１６の長手方向の両端部と略同一の形状および大きさでその両端部（の回路パターン側と反対側の部分）を収容するための１対以上（図示した実施の形態では１対）の凹部（強化部材支持部）が形成されている。なお、下側鋳型部材２２２のベース板形成部２２２ａと上側鋳型部材２２４のベース形成部２２４ａによって画定された空間内にベース板２１２が形成されるようになっている。また、下側鋳型部材２２２の強化部材支持部２２２ｇに強化部材２１６を収容した後に上側鋳型部材２２４を下側鋳型部材２２２に被せると、強化部材２１６が下側鋳型部材２２２の強化部材支持部２２２ｇと上側鋳型部材２２４の強化部材支持部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２１６を挟持することにより、強化部材２１６を所定の位置（ベース板２１２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。その他の構成は、上述した第１の実施の形態の金属−セラミックス接合基板を製造するために使用する鋳型と略同一であるので、参照符号に２００を加えてその説明を省略する。

［第３の実施の形態］
図９Ａ〜図９Ｃ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、図１０および図１１Ａ〜図１１Ｅは、その金属−セラミックス接合基板を製造するために使用する鋳型を示している。

図９Ａ〜図９Ｃ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第３の実施の形態では、回路パターン用金属板３１４の上面に電子部品３１８が直接接合している。その他の構成は、上述した第１の実施の形態の金属−セラミックス接合基板と略同一であるので、参照符号に３００を加えてその説明を省略する。

本実施の形態の金属−セラミックス接合基板は、図１０に示すような鋳型３２０内に電子部品３１８とセラミックス基板３１０とを互いに離間して配置し、電子部品３１８の一方の面と、セラックス基板３１０の両面のベース板３１２と回路パターン用金属板３１４に対応する部分に接触するように、アルミニウムまたは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。

図１１Ａ〜図１１Ｅ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を製造するために使用する鋳型３２０では、回路パターン用金属板形成部３２２ｃのそれぞれの底面に、電子部品３１８と略等しい形状および大きさの１つまたは複数（図示した実施の形態ではそれぞれ１つ）の凹部（電子部品収容部）３２２ｈが形成されている。その他の構成は、上述した第１の実施の形態の金属−セラミックス接合基板を製造するために使用する鋳型と略同一であるので、参照符号に３００を加えてその説明を省略する。

このように、半田を使用しないで電子部品３１８をアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる回路パターン用金属板３１４に直接接合することにより、熱伝導率を向上させて放熱性を向上させることができる。また、半田を使用した場合に生じ易いボイドが生じ難くなり、アルミニウムまたはアルミニウム合金は半田より熱伝導率が高いため、放熱性および信頼性を向上させることができる。また、鉛フリー化が難しい高温半田を使用する必要がないので、鉛フリー化を図ることができる。さらに、半田濡れ性を向上させるために回路パターン用金属板３１４にめっきを施す必要もない。なお、電子部品３１８は、金属溶湯を反応して合金または化合物を生成しない物質からなるものであれば、半導体チップ、抵抗体チップおよびコンデンサチップなどのいずれの電子部品でもよい。

［第４の実施の形態］
図１２Ａ〜図１２Ｃ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、図１３は、その金属−セラミックス接合基板を製造するために使用する鋳型を示している。

図１２Ａ〜図１２Ｃ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第４の実施の形態では、平面形状が略矩形の複数の板状フィン４１２ａが、互いに略平行に且つ一定の間隔で離間して、ベース板４１２の底面に対して略垂直方向に延びるようにその底面に一体に形成されている。その他の構成は、上述した第１の実施の形態の金属−セラミックス接合基板と略同一であるので、参照符号に４００を加えてその説明を省略する。

本実施の形態の金属−セラミックス接合基板は、図１３に示すような鋳型４２０内にセラミックス基板４１０を配置し、セラックス基板４１０の両面のベース板４１２と回路パターン用金属板４１４に対応する部分に接触するように、アルミニウムまたは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。

図１３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を製造するために使用する鋳型４２０では、上側鋳型部材４２４の下面に、複数の板状フィン４１２ａを形成するための凹部（放熱フィン形成部）４２４ａが形成されている。なお、下側鋳型部材４２２のベース板形成部４２２ａと上側鋳型部材４２４の放熱フィン形成部４２４ａによって画定された空間内に、ベース板４１２が板状フィン４１２ａと一体に形成されるようになっている。その他の構成は、上述した第１の実施の形態の金属−セラミックス接合基板を製造するために使用する鋳型と略同一であるので、参照符号に４００を加えてその説明を省略する。

［第５の実施の形態］
図１４Ａ〜図１４Ｃ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１４Ａ〜図１４Ｃ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第５の実施の形態では、（放熱フィンとしての）多数の柱状突起部５１２ａが、ベース板５１２の底面から突出するようにベース板５１２と一体に形成されている。

各々の柱状突起部５１２ａは、略円柱形状または略円錐台形状（略円錐の上端を底面と略平行に切断した形状）を有し、ベース板５１２の底面に対して略垂直方向に延びている。また、柱状突起部５１２ａは、それぞれ所定の間隔で離間して一列に配置された柱状突起部５１２ａの複数列が互いに平行に且つ隣接する柱状突起部５１２ａの列と互いに半ピッチ（隣接する柱状突起部５１２ａの中心線（柱状突起部５１２ａが延びる軸線）間の距離の半分）ずれるように配置され、隣接する柱状突起部５１２ａの間隔を確保しながらより多くの柱状突起部５１２ａが配置されるようにしているが、隣接する柱状突起部５１２ａの間隔を確保しながら多数の柱状突起部５１２ａを配置することができれば、他の配置でもよい。その他の構成は、上述した第１の実施の形態の金属−セラミックス接合基板と略同一であるので、参照符号に５００を加えてその説明を省略する。

本実施の形態の金属−セラミックス接合基板は、図１３に示す鋳型４２０の複数の板状フィン４１２ａを形成するための凹部（放熱フィン形成部）４２４ａに代えて、多数の柱状突起部５１２ａを形成するための凹部（柱状突起形成部）を上側鋳型部材２２４の下面に形成した以外は、図１３に示す鋳型４２０と同様の鋳型内にセラミックス基板を配置し、セラックス基板の両面のベース板５１２と回路パターン用金属板に対応する部分に接触するように、アルミニウムまたは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。

なお、上述した第１〜第５の実施の形態を組み合わせてもよい。例えば、第１の実施の形態の変形例の細長基板支持部１２２ｆを第２〜第５の実施の形態の金属−セラミックス接合基板を製造するために使用する鋳型に適用してもよい。また、第２の実施の形態の強化部材２１６を第３〜第５の実施の形態の金属−セラミックス接合基板に適用してもよい。また、第３の実施の形態の電子部品収容部３２２ｈを第２、第４および第５の実施の形態の金属−セラミックス接合基板を製造するために使用する鋳型に適用してもよい。

例えば、本発明による金属−セラミックス接合基板の第５の実施の形態の変形例として、図１５Ａ〜図１５Ｃ、図１６および図１７Ａ〜図１７Ｅに示すように、第１の実施の形態およびその変形例と、第２の実施の形態と、第５の実施の形態とを組み合わせてもよい。この変形例の構成は、上述した第１の実施の形態およびその変形例と、第２の実施の形態と、第５の実施の形態の金属−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製造するために使用する鋳型の構成と略同一であるので、第１の実施の形態に対応する部分には参照符号に６００を加え、第１の実施の形態の変形例に対応する部分には参照符号に５００を加え、第２の実施の形態に対応する部分には参照符号に４００を加え、第５の実施の形態に対応する部分には参照符号に１００を加えてその説明を省略する。また、参照符号６１２ｃは、細長基板支持部６２２ｆに対応してベース板６１２に形成された凹部を示し、参照符号６２４ｂは、凹部（放熱ピン形成部）を示している。なお、細長基板支持部６２２ｆは、高い側の高さが長手方向基板支持部６２２ｄより高く且つセラミックス基板６１０の上面より高くなっており、鋳型６２０内に溶湯を注湯した際に、セラミックス基板６１０と強化部材６１６との間に残留し易いガスを外部に放出してボイド（空隙）が発生するのを防止するためのガス抜き部としても作用することができる。

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。

［実施例１］
長さ７７ｍｍ×幅５６ｍｍ×厚さ０．６ｍｍのセラミックス基板としてのＡｌＮ板を、図２に示す鋳型２０と同様の鋳型内に収容した後、鋳型内を窒素雰囲気にした状態で加熱し、アルミニウム溶湯をその表面の酸化膜を取り除きながら鋳型内に注湯し、その後、鋳型を冷却して溶湯を凝固させることによって、セラミックス基板の一方の面の周縁部（の幅１．５ｍｍの部分）と側面および他方の面の全面に（長さ７９ｍｍ、幅５８ｍｍ、厚さ１．７ｍｍの）ベース板が一体に形成されるとともに、このベース板（のセラミックスの一方の面の周縁部に形成された部分）から（２ｍｍ）離間してセラミックス基板の一方の面に長さ７０ｍｍ×幅４９ｍｍ×厚さ０．６ｍｍの回路パターン用アルミニウム板が形成されたベース一体型の金属−セラミックス接合基板を作製した。なお、セラミックス基板の側面に形成されたベース板の幅（セラミックス基板の側面からベース板の側面までの距離）は１ｍｍ、他方の面に形成されたベース板の厚さは０．５ｍｍ、一方の面の周縁部に形成されたベース板の厚さは０．６ｍｍであった。

この金属−セラミックス接合基板について、レーザー顕微鏡による３次元の高低差マップの最大値を反りとみなして、セラミックス基板の一方の面側（回路パターン用アルミニウム板側）の反りを測定したところ、セラミックス基板の他方の面側（ベース板側）が凸状に反っているときを＋（プラス）として、約＋１３０μｍであった。

［比較例１］
セラミックス基板の一方の面の周縁部にベース板を形成しないで、セラミックス基板の一方の面側のベース板と回路パターン用アルミニウム板の間隔を３．５ｍｍとした以外は、実施例１と同様の方法により、ベース一体型の金属−セラミックス接合基板を作製し、その反りを測定したところ、約＋１８０μｍであった。

［実施例２］
長さ７１ｍｍ×幅７２ｍｍ×厚さ０．６ｍｍのセラミックス基板としてのＡｌＮ板と、長さ７１ｍｍ×幅７９ｍｍ×厚さ０．６ｍｍの強化部材としてのＡｌＮ板を、図１６に示す鋳型６２０と同様の鋳型内に収容した後、鋳型内を窒素雰囲気にした状態で加熱し、アルミニウム溶湯をその表面の酸化膜を取り除きながら鋳型内に注湯し、その後、鋳型を冷却して溶湯を凝固させることによって、セラミックス基板の一方の面の周縁部（の幅１ｍｍの部分）と側面および他方の面の全面に（長さ９８ｍｍ、幅７８ｍｍ、厚さ４ｍｍの）ベース板が一体に形成され、このベース板（のセラミックス基板の一方の面の周縁部に形成された部分）から（２ｍｍ）離間してセラミックス基板の一方の面に長さ６５ｍｍ×幅６６ｍｍ×厚さ０．４ｍｍの回路パターン用アルミニウム板が形成されるとともに、ベース板の内部に強化部材がセラミックス基板から１．９ｍｍ離間して且つセラミックス基板と略平行に配置されたベース一体型の金属−セラミックス接合基板を作製した。なお、セラミックス基板の側面に形成されたベース板の幅（セラミックス基板の側面からベース板の側面までの距離）は長さ方向両端の側面では１３．５ｍｍ、幅方向両端の側面では３ｍｍであり、他方の面に形成された（内部に強化部材を含む）ベース板の厚さは３ｍｍ、一方の面の周縁部に形成されたベース板の厚さは０．４ｍｍであった。また、ベース板の回路パターン用アルミニウム板と反対側の面に形成された柱状突起部（放熱ピン）の高さは８ｍｍ、直径は２ｍｍ、間隔は３ｍｍ、本数は５２５本であった。

また、ベース板および回路パターン用アルミニウム板をセラミックス基板に直接接合させた後、回路パターン用アルミニウム板の不要部分をエッチングにより除去して（２つのアイランドからなる）回路パターンを形成した。このようにしてベース一体型の金属−セラミックス接合基板を作製し、その反りを実施例１と同様の方法により測定したところ、約＋１００μｍであった。

また、このベース一体型の金属−セラミックス接合基板のベース板の４つの角部の各々において長さ方向および幅方向のそれぞれの端部から６ｍｍ離間した位置を中心とする直径６ｍｍのねじ穴を機械加工によりベース板を厚さ方向に延びるように形成し、柱状突起部（放熱ピン）を覆うように水冷ジャケットをねじ止めし、金属−セラミックス接合基板と水冷ジャケットによって画定された空間に水を流したところ、水漏れの問題はなかった。

［比較例２］
セラミックス基板の一方の面の周縁部にベース板を形成しないで、セラミックス基板の一方の面側のベース板と回路パターン用アルミニウム板の間隔を３ｍｍとした以外は、実施例２と同様の方法により、ベース一体型の金属−セラミックス接合基板を作製し、その反りを測定したところ、±１００μｍであり、反りの方向が安定しなかった。また、実施例２と同様の方法により、水冷ジャケットをねじ止めして水を流したところ、水漏れが発生した。

［実施例３］
長さ７０ｍｍ×幅７１ｍｍ×厚さ０．６ｍｍのセラミックス基板としてのＡｌＮ板と、長さ７０ｍｍ×幅８４ｍｍ×厚さ０．６ｍｍの強化部材としてのＡｌＮ板を、図１６に示す鋳型６２０と同様の鋳型内に収容した後、鋳型内を窒素雰囲気にした状態で加熱し、アルミニウム溶湯をその表面の酸化膜を取り除きながら鋳型内に注湯し、その後、鋳型を冷却して溶湯を凝固させることによって、セラミックス基板の一方の面の周縁（の幅０．４ｍｍの部分）部と側面および他方の面の全面に（長さ９８ｍｍ、幅８１ｍｍ、厚さ３．９ｍｍの）ベース板が一体に形成され、このベース板（のセラミックス基板の一方の面の周縁部に形成された部分）から（２ｍｍ）離間してセラミックス基板の一方の面に長さ６５ｍｍ×幅６６ｍｍ×厚さ０．６ｍｍの回路パターン用アルミニウム板が形成されるとともに、ベース板の内部に強化部材がセラミックス基板から１．５ｍｍ離間して且つセラミックス基板と略平行に配置されたベース一体型の金属−セラミックス接合基板を作製した。なお、セラミックス基板の側面に形成されたベース板の幅（セラミックス基板の側面からベース板の側面までの距離）は長さ方向両端の側面では１４ｍｍ、幅方向両端の側面では５ｍｍであり、他方の面に形成された（内部に強化部材を含む）ベース板の厚さは２．７ｍｍ、一方の面の周縁部に形成されたベース板の厚さは０．６ｍｍであった。また、ベース板の回路パターン用アルミニウム板と反対側の面に形成された柱状突起部（放熱ピン）の高さは８ｍｍ、直径は２ｍｍ、間隔は３ｍｍ、本数は５２５本であった。

このようにして作製した３０個のベース一体型の金属−セラミックス接合基板の各々の反りを実施例１と同様の方法により測定したところ、平均約＋１５０μｍであった。また、作製したベース一体型の金属−セラミックス接合基板の断面をＸ線検査装置で観察したところ、ボイドは確認されなかった。

また、このベース一体型の金属−セラミックス接合基板のベース板の４つの角部の各々において長さ方向および幅方向のそれぞれの端部から６ｍｍ離間した位置を中心とする直径６ｍｍのねじ穴を機械加工によりベース板を厚さ方向に延びるように形成し、柱状突起部（放熱ピン）を覆うように水冷ジャケットをねじ止めし、金属−セラミックス接合基板と水冷ジャケットによって画定された空間に水を流したところ、水漏れの問題はなかった。

なお、細長基板支持部６２２ｆの高い側の高さを長手方向基板支持部６２２ｄと同じ高さでセラミックス基板６１０の上面より低くした以外は、図１６に示す鋳型６２０と同様の鋳型を使用して、実施例３と同様の方法により、３０個のベース一体型の金属−セラミックス接合基板を作製して、反りとボイドの発生を確認したところ、反りは平均約＋１５０μｍであったが、いずれもセラミックス基板と強化部材の間にボイドが確認された。

［実施例４］
長さ７０ｍｍ×幅７１ｍｍ×厚さ０．６ｍｍのセラミックス基板としてのＡｌＮ板と、長さ７０ｍｍ×幅８４ｍｍ×厚さ０．６ｍｍの強化部材としてのＡｌＮ板を、図７に示す鋳型２２０と同様の鋳型内に収容した後、鋳型内を窒素雰囲気にした状態で加熱し、アルミニウム溶湯をその表面の酸化膜を取り除きながら鋳型内に注湯し、その後、鋳型を冷却して溶湯を凝固させることによって、セラミックス基板の一方の面の周縁部（の幅０．４ｍｍの部分）と側面および他方の面の全面に（長さ９８ｍｍ、幅８１ｍｍ、厚さ３．９ｍｍの）ベース板が一体に形成され、このベース板（のセラミックス基板の一方の面の周縁部に形成された部分）から（２ｍｍ）離間してセラミックス基板の一方の面に長さ６５ｍｍ×幅６６ｍｍ×厚さ０．６ｍｍの回路パターン用アルミニウム板が形成されるとともに、ベース板の内部に強化部材がセラミックス基板から１．５ｍｍ離間して且つセラミックス基板と略平行に配置されたベース一体型の金属−セラミックス接合基板を作製した。なお、セラミックス基板の側面に形成されたベース板の幅（セラミックス基板の側面からベース板の側面までの距離）は長さ方向両端の側面では１４ｍｍ、幅方向両端の側面では５ｍｍであり、他方の面に形成された（内部に強化部材を含む）ベース板の厚さは２．７ｍｍ、一方の面の周縁部に形成されたベース板の厚さは０．６ｍｍであった。

このようにして作製したベース一体型の金属−セラミックス接合基板の反りを実施例１と同様の方法により測定したところ、約＋１５０μｍであった。

また、このベース一体型の金属−セラミックス接合基板のベース板の４つの角部の各々において長さ方向および幅方向のそれぞれの端部から６ｍｍ離間した位置を中心とする直径６ｍｍのねじ穴を機械加工によりベース板を厚さ方向に延びるように形成し、柱状突起部（放熱ピン）を覆うように水冷ジャケットをねじ止めし、金属−セラミックス接合基板と水冷ジャケットによって画定された空間に水を流したところ、水漏れの問題はなかった。

１０、２１０、３１０、４１０、５１０、６１０ セラミックス基板
１２、２１２、３１２、４１２、５１２、６１２ ベース板
１２ｂ、２１２ｂ、３１２ｂ、４１２ｂ、６１２ｂ、６１２ｂ 凹部
１４、２１４、３１４、４１４、５１４、６１４ 回路パターン用金属板
２０、１２０、２２０、３２０、４２０、６２０ 鋳型
２２、１２２、２２２、３２２、４２２、６２２ 下側鋳型部材
２２ａ、１２２ａ、２２２ａ、３２２ａ、４２２ａ、６２２ａ ベース板形成部
２２ｂ、１２２ｂ、２２２ｂ、３２２ｂ、４２２ｂ、６２２ｂ 隆起部
２２ｃ、１２２ｃ、２２２ｃ、３２２ｃ、４２２ｃ、６２２ｃ 凹部（回路パターン用金属板形成部）
２２ｄ、１２２ｄ、２２２ｄ、３２２ｄ、４２２ｄ、６２２ｄ 長手方向基板支持部
２２ｅ、１２２ｅ、２２２ｅ、３２２ｅ、６２２ｅ、６２２ｅ 幅方向基板支持部
２４、１２４、２２４、３２４、４２４、６２４ 上側鋳型部材
１２２ｆ、６２２ｆ 細長基板支持部
２２２ｇ、６２２ｇ 凹部（強化部材支持部）
２２４ａ、６２４ａ 凹部（ベース板形成部）
２１６、６１６ 強化部材
３１８ 電子部品
３２２ｈ 凹部（電子部品収容部）
４１２ａ 板状フィン
４２４ａ 凹部（放熱フィン形成部）
５１２ａ、６１２ａ 柱状突起部
６１２ｃ 凹部
６２４ｂ 凹部（放熱ピン形成部）

Claims (11)

1. 上側鋳型部材と下側鋳型部材とからなる鋳型内にセラミックス基板と強化部材とを互いに離間して配置し、このセラミックス基板の両面の所定の部分と強化部材の全面に接触するようにアルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯を注湯した後に溶湯を冷却して固化させることにより、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるベース板を前記セラミックス基板の一方の面の周縁部と側面および他方の面の全面に形成して前記セラミックス基板に直接接合させ、鋳型内の強化部材がベース板に取り囲まれるように強化部材をベース板に直接接合させるとともに、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる回路パターン用金属板を前記ベース板から離間して前記セラミックス基板の前記一方の面に形成して前記セラミックス基板に直接接合させる、金属−セラミックス接合基板の製造方法であって、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て強化部材が鋳型に支持され、下側鋳型部材の底面から突出して形成された複数の基板支持部に前記セラミックス基板の端部の底面および側面が当接して支持され、複数の基板支持部の少なくとも一つの前記セラミックス基板の端部の側面に当接する部分の上面が、複数の基板支持部に支持された前記セラミックス基板の上面より高くなってことを特徴とする、金属−セラミックス接合基板の製造方法。
2. 前記強化部材が、前記ベース板の材料より融点が高い金属またはセラミックス材料からな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の製造方法。
3. 前記鋳型内に前記セラミックス基板を配置する際に、前記鋳型内に前記セラミックス基板と電子部品とを互いに離間して配置し、前記溶湯を注湯する際に、電子部品の一方の面に前記溶湯を接触させ、前記回路パターン用金属板を形成して前記セラミックス基板に直接接合させる際に、前記回路パターン用金属板に電子部品を直接接合させ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の製造方法。
4. 前記ベース板を形成して前記セラミックス基板に直接接合させる際に、前記ベース板の前記回路パターン用金属板と反対側の面に、互いに平行に且つ一定の間隔で離間して配置された複数の板状フィンを前記ベース板と一体に形成す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金属−セラミックス接合基板の製造方法。
5. 前記ベース板を形成して前記セラミックス基板に直接接合させる際に、前記ベース板の前記回路パターン用金属板と反対側の面に、互いに離間して突出する多数の柱状突起部を前記ベース板と一体に形成す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金属−セラミックス接合基板の製造方法。
6. 前記ベース板および前記回路パターン用金属板を前記セラミックス基板に直接接合させた後、前記回路パターン用金属板の不要部分をエッチングにより除去して所望の回路パターンを形成す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の製造方法。
7. セラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面の周縁部と側面および他方の面の全面に直接接合したアルミニウムまたはアルミニウム合金からなるベース板と、このベース板から離間して前記セラミックス基板の前記一方の面に直接接合したアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる回路パターン用金属板とを備え、前記ベース板の内部に、板状の強化部材が、前記セラミックス基板から離間して且つセラミックス基板と平行に配置して、前記ベース板に直接接合し、前記ベース板の前記セラミックス基板の側面に隣接した部分に、前記セラミックス基板の厚さより深い凹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。
8. 前記強化部材が、前記ベース板の材料より融点が高い金属またはセラミックス材料からなることを特徴とする、請求項７に記載の金属−セラミックス接合基板。
9. 前記回路パターン用金属板の前記セラミックス基板と反対側の面に、電子部品が直接接合していることを特徴とする、請求項７または８に記載の金属−セラミックス接合基板。
10. 前記ベース板の前記セラミックス基板と反対側の面に、複数の板状フィンが、互いに平行に且つ一定の間隔で離間して配置して、前記ベース板と一体に形成されていることを特徴とする、請求項７乃至９のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板。
11. 前記ベース板の前記セラミックス基板と反対側の面に、互いに離間して突出する多数の柱状突起部が、前記ベース板と一体に形成されていることを特徴とする、請求項７乃至１０のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板。

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