(57)【要約】【課題】鋳型の被塗布面への離型剤の塗着効率を向上させて、安価な金属セラミックス接合基板を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】金属板２２を形成する空間である金属板形成部１２ｃと、この金属板形成部内に形成される金属板の一方の面にセラミックス基板２０が当接するようにセラミックス基板を収容する空間であるセラミックス基板収容部１２ｂとが内部に形成された鋳型１０を用意し、この鋳型の被塗布面としての金属板形成部の内面に離型剤を含む塗材を静電塗布し、この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一方の面に接触するように金属の溶湯を鋳型内に注湯した後に溶湯を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を形成して直接接合させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属板を形成する空間である金属板形成部と、この金属板形成部内に形成される金属板の一方の面にセラミックス基板が当接するようにセラミックス基板を収容する空間であるセラミックス基板収容部とが内部に形成された鋳型を用意し、この鋳型の被塗布面としての金属板形成部の内面に離型剤を含む塗材を静電塗布し、この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一方の面に接触するように金属の溶湯を鋳型内に注湯した後に溶湯を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を形成して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２】
前記鋳型の内部に、金属ベース板を形成する空間である金属ベース板形成部が形成され、前記離型剤を含む塗材を前記金属板形成部の内面に静電塗布する際に前記鋳型の被塗布面として金属ベース板形成部の内面に静電塗布し、前記金属の溶湯を前記鋳型内に注湯して前記セラミックス基板の一方の面に接触させる際に前記セラミックス基板の他方の面に接触させて、前記セラミックス基板の一方の面に金属板を形成して直接接合させる際に前記セラミックス基板の他方の面に金属ベース板を形成して直接接合させ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。
【請求項３】
前記離型剤が、炭素、窒化珪素および窒化ホウ素からなる群から選ばれる少なくとも１種であ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。
【請求項４】
前記塗材中の離型剤の含有量が２０質量％以下であ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。
【請求項５】
前記離型剤を含む塗材が溶剤を含むことを特徴とする、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。
【請求項６】
前記金属がアルミニウムであ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。
【請求項７】
前記鋳型の被塗布面に前記離型剤を含む塗材を静電塗布した後、前記鋳型内に前記セラミックス基板を配置する前に、前記鋳型の被塗布面に結晶粒微細化剤を含む塗材を塗布することを特徴とする、請求項６に記載の金属−セラミックス接合基板の製造方法。
【請求項８】
前記結晶粒微細化剤がホウ化アルミニウムおよびチタン−アルミニウム系金属化合物の少なくとも一方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の製造方法。
【請求項９】
前記ホウ化アルミニウムが二ホウ化アルミニウムおよび十二ホウ化アルミニウムの少なくとも一方であることを特徴とする、請求項８に記載の金属−セラミックス接合基板の製造方法。
【請求項１０】
前記チタン−アルミニウム系金属化合物がＴｉＡｌ３であることを特徴とする、請求項８に記載の金属−セラミックス接合基板の製造方法。
【請求項１１】
前記塗材中の結晶粒微細化剤の含有量が０．１〜１５質量％であ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の製造方法。
【請求項１２】
前記結晶粒微細化剤を含む塗材が溶剤を含むことを特徴とする、請求項７乃至１１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１３】
前記溶剤がメチルイソブチルケトン（ＭＩＢＫ）、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）、メチルエチルケトン（ＭＥＫ）からなる群から選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする、請求項５または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】
前記静電塗布が、前記塗材を負に帯電させるとともに前記鋳型をアースした状態で、前記塗材を前記鋳型の被塗布面に噴霧することにより行われることを特徴とする、請求項１乃至１３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１５】
前記静電塗布が、静電ガンにより行われることを特徴とする、請求項１４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】
前記静電塗布の際に、前記静電ガンのノズルの先端に−１０ｋＶ〜−７０ｋＶの電圧を印加す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。
【請求項１７】
前記静電塗布の際に、前記静電ガンのノズルの先端と前記鋳型の被塗布面との間の距離を１００〜２５０ｍｍにす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。
【請求項１８】
前記鋳型の被塗布面に前記離型剤を含む塗材を静電塗布した後、前記鋳型内に前記セラミックス基板を配置する前に、前記鋳型の被塗布面に結晶粒微細化剤を含む塗材を塗布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。
【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の製造方法に関し、特に、セラミックス基板を配置した鋳型内にアルミニウムなどの金属の溶湯を注湯した後に冷却して溶湯を固化させることによりアルミニウム板などの金属板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の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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により固定され、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。さらに、半田自体の熱伝導率が低いため、大電流を流すパワーモジュールでは、より高い放熱性が求められている。
【０００４】
これらの問題を解決するため、ベース板と金属−セラミックス絶縁基板との間を半田付けすることなく、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）。
【０００５】
このような金属−セラミックス接合基板を製造するための鋳型として、内部にセラミックス部材を配置させ、金属溶湯を内部に注湯してセラミックス部材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、セラミックス部材の両面に金属部材を接合する鋳型において、セラミックス部材を鋳型内の所定の位置に配置させたときに、セラミックス部材の上側および下側に金属部材を形成するための空間が形成されるとともにセラミックス部材の上側および下側の空間を連通させる溶湯流路が形成され、セラミックス部材の上側の空間に金属溶湯を注湯するための注湯口が形成された鋳型が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
このような鋳型内にセラミックス基板を配置し、アルミニウムなどの金属の溶湯を鋳型内に注湯してセラミックス基板の表面に接触させた後に冷却して固化させることにより、アルミニウム板などの金属板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を製造する場合、アルミニウムなどの金属が鋳型に接合（または付着）するのを防止するために、鋳型の内面に予め（炭素粉末、窒化珪素粉末、窒化ホウ素粉末などの）離型剤が塗布されている。
【０００７】
このような離型剤の塗布方法として、離型剤と溶剤を含む塗材をスプレー塗布する方法が知られている（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−７６５５１号公報（段落番号００１５）
【特許文献２】特開２００５−７４４３４号公報（段落番号０００８）
【特許文献３】特開２０１９−２９５１０号公報（段落番号００２２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、特許文献３のように、離型剤と溶剤を含む塗材をスプレー塗布すると、スプレー塗布に使用する離型剤の量に対して、鋳型に塗着する離型剤の量が非常に少なく、離型剤の塗着効率が非常に低く、製造コストが高くなるという問題がある。
【００１０】
したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、金属の溶湯を鋳型内に注湯してセラミックス基板の表面に接触させた後に冷却して固化させることにより、金属板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を製造する際に使用する鋳型の被塗布面への離型剤の塗着効率を向上させて、安価な金属−セラミックス接合基板を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】
【００１１】
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、金属板を形成する空間である金属板形成部と、この金属板形成部内に形成される金属板の一方の面にセラミックス基板が当接するようにセラミックス基板を収容する空間であるセラミックス基板収容部とが内部に形成された鋳型を用意し、この鋳型の被塗布面としての金属板形成部の内面に離型剤を含む塗材を静電塗布し、この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一方の面に接触するように金属の溶湯を鋳型内に注湯した後に溶湯を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を形成して直接接合させれば、鋳型の被塗布面への離型剤の塗着効率を向上させて、安価な金属−セラミックス接合基板を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。
【００１２】
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、金属板を形成する空間である金属板形成部と、この金属板形成部内に形成される金属板の一方の面にセラミックス基板が当接するようにセラミックス基板を収容する空間であるセラミックス基板収容部とが内部に形成された鋳型を用意し、この鋳型の被塗布面としての金属板形成部の内面に離型剤を含む塗材を静電塗布し、この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一方の面に接触するように金属の溶湯を鋳型内に注湯した後に溶湯を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を形成して直接接合させることを特徴とする。
【００１３】
この金属−セラミックス接合基板の製造方法において、鋳型の内部に、金属ベース板を形成する空間である金属ベース板形成部が形成され、離型剤を含む塗材を金属板形成部の内面に静電塗布する際に鋳型の被塗布面として金属ベース板形成部の内面に静電塗布し、金属の溶湯を鋳型内に注湯してセラミックス基板の一方の面に接触させる際にセラミックス基板の他方の面に接触させて、セラミックス基板の一方の面に金属板を形成して直接接合させる際にセラミックス基板の他方の面に金属ベース板を形成して直接接合させるのが好ましい。
【００１４】
上記の金属−セラミックス接合基板の製造方法において、離型剤が、炭素、窒化珪素および窒化ホウ素からなる群から選ばれる少なくとも１種であるのが好ましい。また、塗材中の離型剤の含有量が２０質量％以下であるのが好ましく、離型剤を含む塗材が溶剤を含むのが好ましい。また、金属がアルミニウムであるのが好ましい。この場合、鋳型の被塗布面に離型剤を含む塗材を静電塗布した後、鋳型内にセラミックス基板を配置する前に、鋳型の被塗布面に結晶粒微細化剤を含む塗材を塗布するのが好ましい。この結晶粒微細化剤は、ホウ化アルミニウムおよびチタン−アルミニウム系金属化合物の少なくとも一方からなるのが好ましい。ホウ化アルミニウムは、二ホウ化アルミニウムおよび十二ホウ化アルミニウムの少なくとも一方であるのが好ましく、チタン−アルミニウム系金属化合物がＴｉＡｌ３であるのが好ましい。また、結晶粒微細化剤を含む塗材が溶剤を含むのが好ましく、塗材中の結晶粒微細化剤の含有量が０．１〜１５質量％であるのが好ましい。また、溶剤は、メチルイソブチルケトン（ＭＩＢＫ）、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）、メチルエチルケトン（ＭＥＫ）からなる群から選ばれる少なくとも１種であるのが好ましい。
【００１５】
また、上記の金属−セラミックス接合基板の製造方法において、静電塗布は、塗材を負に帯電させるとともに鋳型をアースした状態で、塗材を鋳型の被塗布面に噴霧することにより行われるのが好ましい。また、静電塗布は、静電ガンにより行われるのが好ましい。この静電塗布の際に、静電ガンのノズルの先端に−１０ｋＶ〜−７０ｋＶの電圧を印加するのが好ましく、記静電ガンのノズルの先端と鋳型の被塗布面との間の距離を１００〜２５０ｍｍにするのが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、金属の溶湯を鋳型内に注湯してセラミックス基板の表面に接触させた後に冷却して固化させることにより、金属板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を製造する際に使用する鋳型の被塗布面への離型剤の塗着効率を向上させて、安価な金属−セラミックス接合基板を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明による金属−セラミックス接合基板の製造方法の実施の形態において使用する鋳型の断面図である。
【図２Ａ】本発明による金属−セラミックス接合基板の製造方法の実施の形態により製造される金属−セラミックス接合基板の平面図である。
【図２Ｂ】図２ＡのＩＩＢ−ＩＩＩＢ線断面図である。
【図３】本発明による金属−セラミックス接合基板の製造方法の実施の形態において使用する静電塗布装置を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明による金属−セラミックス接合基板の製造方法の実施の形態では、金属板を形成する空間である金属板形成部と、この金属板形成部内に形成される金属板の一方の面にセラミックス基板が当接するようにセラミックス基板を収容する空間であるセラミックス基板収容部とが内部に形成された鋳型を用意し、この鋳型の被塗布面としての金属板形成部の内面に離型剤を含む塗材を静電塗布し、この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一方の面に接触するように金属の溶湯を鋳型内に注湯した後に溶湯を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を形成して直接接合させる。
【００１９】
この金属−セラミックス接合基板の製造方法において、鋳型の内部に、金属ベース板を形成する空間である金属ベース板形成部が形成され、離型剤を含む塗材を金属板形成部の内面に静電塗布する際に鋳型の被塗布面として金属ベース板形成部の内面に静電塗布し、金属の溶湯を鋳型内に注湯してセラミックス基板の一方の面に接触させる際にセラミックス基板の他方の面に接触させて、セラミックス基板の一方の面に金属板を形成して直接接合させる際にセラミックス基板の他方の面に金属ベース板を形成して直接接合させるのが好ましい。この場合、金属ベース板は、セラミックス基板と反対側の面（裏面）に多数のピンやフィンが一体に形成された金属ベース板でもよい。また、金属ベース板の内部にセラミックス基板などからなる強化材を配置してもよい。
【００２０】
上記の金属−セラミックス接合基板の製造方法において、金属がアルミニウム（好ましくは純Ａｌ（Ａｌが９９．９質量％以上または９９．９９質量％以上のアルミニウム）であるのが好ましい。この場合、塗材に含まれる離型剤は、炭素（Ｃ）、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）、窒化ホウ素（ＢＮ）などの粉末を含むことができるが、窒化ホウ素（の粉末）を含むのが好ましい。また、離型剤を含む塗材は、溶剤を含むのが好ましい。塗材中の離型剤の含有量は２０質量％以下であるのが好ましく、１５質量％以下であるのがさらに好ましい。
【００２１】
また、金属−セラミックス接合基板がアルミニウム−セラミックス接合基板である場合、このアルミニウム−セラミックス接合基板にヒートサイクルが加えられると、このヒートサイクルによってアルミニウム−セラミックス接合基板のセラミックスとアルミニウムの熱膨張差に起因して熱応力が発生するが、アルミニウムは柔らかい金属であるため、セラミックス基板に接合したアルミニウム板が塑性変形して応力を緩和する。このときの歪は、変形しやすいアルミニウムの結晶粒界に集まり、アルミニウムの結晶粒界に段差が生じる。この段差は、アルミニウムの結晶粒径が小さい場合には分散されて小さくなるが、結晶粒径が大きいと、結晶粒界が短いために大きな段差になる。また、鋳型を使用してアルミニウム−セラミックス接合基板を製造すると、セラミックス基板に接合したアルミニウムの結晶粒径が大きくなり、アルミニウムの結晶粒界に大きな段差が生じるため、このような大きい段差の上に薄い半導体チップを実装すると、この実装の際のヒートサイクルにより半導体チップに応力が集中してクラックが生じ易くなる。この問題を解決するため、アルミニウム−珪素−ホウ素系合金などのアルミニウム合金の溶湯を使用して結晶粒を微細化する方法があるが、この方法では、セラミックス基板に接合したアルミニウム板の導電率が低下して電気的特性が悪化したり、アルミニウム板のビッカース硬さが高くなって機械的特性が悪化するおそれがある。そのため、この鋳型の被塗布面に離型剤を含む塗材を静電塗布した後、鋳型内にセラミックス基板を配置する前に、鋳型の被塗布面としてのアルミニウム板形成部およびアルミニウムベース板形成部の内面に結晶粒微細化剤を含む塗材を塗布するのが好ましい。
【００２２】
この結晶粒微細化剤として、アルミニウムの凝固核成分として結晶粒を微細化することができるホウ化アルミニウムやチタン−アルミニウム系金属化合物を使用するのが好ましい。ホウ化アルミニウムは、二ホウ化アルミニウム（ＡｌＢ２）および十二ホウ化アルミニウム（ＡｌＢ１２）の少なくとも一方であるのが好ましく、チタン−アルミニウム系金属化合物は、三アルミニウム化チタン（ＴｉＡｌ３）であるのが好ましい。また、結晶粒微細化剤を含む塗材は、溶剤を含むのが好ましく、塗材中の結晶粒微細化剤の含有量は０．１〜１５質量％であるのが好ましい。このように、鋳型の被塗布面に結晶粒微細化剤を含む塗材を塗布すると、セラミックス基板に接合するアルミニウム板（およびアルミニウムベース板）の表面付近のアルミニウムの結晶粒を微細化することができる。
【００２３】
また、塗材の溶剤として、メチルイソブチルケトン（ＭＩＢＫ）、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）、メチルエチルケトン（ＭＥＫ）などを使用することができるが、メチルエチルケトン（ＭＥＫ）を使用するのが好ましい。
【００２４】
また、セラミックス基板は、アルミナなどの酸化物系セラミックス基板でもよいし、窒化アルミニウム、窒化珪素などの非酸化物系セラミックス基板でもよい。さらに、鋳型としては、金属の金型と比べてアルミニウムなどの金属の溶湯と反応し難いカーボン製の鋳型を使用するのが好ましく、特に、溶湯を加圧したときに鋳型と溶湯との間にガスが残留している場合でも、残留するガスが鋳型を通過するのを許容し且つ溶湯が鋳型を通過するのを防止して溶湯が鋳型内の端部まで回り易くなるように、多孔質のカーボン製の鋳型を使用するのが好ましい。
【００２５】
図１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実施の形態において使用する鋳型を概略的に示している。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の製造方法において使用する鋳型１０は、平面形状が略矩形の下側鋳型部材１２と、この下側鋳型部材１２の蓋体としての平面形状が略矩形の上側鋳型部材１４とから構成されている。下側鋳型部材１２の上面には、金属ベース板と略同一の形状および大きさの凹部（金属ベース板を形成するための金属ベース板形成部）１２ａが形成されている。この金属ベース板形成部１２ａの底面には、セラミックス基板と略同一の形状および大きさの１つまたは複数（図１では１つを示す）の凹部（セラミックス基板を収容するためのセラミックス基板収容部）１２ｂが形成されている。このセラミックス基板収容部１２ｂの各々の底面には、金属回路板と略同一の形状および大きさの１つまたは複数（図１では１つを示す）の凹部（金属回路板を形成するための金属回路板形成部）１２ｃが形成されている。上側鋳型部材１４の底面（下側鋳型部材１２と対向する側の面）には、（図示しない）注湯ノズルから鋳型１０内に溶湯を注湯するための注湯口１４ａが形成されている。なお、下側鋳型部材１２には、金属ベース板形成部１２ａと金属回路板形成部１２ｃとの間に延びる（図示しない）溶湯流路が形成され、セラミックス基板収容部１２ｂ内にセラミックス基板を収容したときにも金属ベース板形成部１２ａと金属回路板形成部１２ｃとの間が連通するようになっている。また、（図示しない）注湯ノズルは、（図示しない）外部の溶湯供給部に連通する狭い流路を有しており、溶湯供給部から供給された金属の溶湯を、その狭い流路を通して金属酸化物を除去しながら、注湯口１４ａから鋳型１０内に注湯することができるようになっている。
【００２６】
また、図３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実施の形態において使用する静電塗布装置を概略的に示している。図３に示すように、静電塗布装置３０は、塗材３２を収容するタンク３４と、このタンク３４から供給された塗材３２を噴霧する静電（スプレー）ガン３６と、タンク３４と静電ガンのノズル３６の間に延びる塗材供給路３８と、この塗材供給路３８を介してタンク３４内の塗材３２を静電ガンのノズル３６まで送給するポンプ４０と、このポンプ４０と静電ガンのノズル３６の間で塗材供給路３８から分岐して塗材３２をタンク３４に戻す流路４２と、この流路４２内の塗材３２の流れを遮断する（電磁弁などの）バルブ４４と、タンク３４の内部にガスにより圧力を加えるためのガス導入配管４６とを備えている。なお、静電ガンのノズル３６は、先端に（図示しない）電極を有しており、（図示しない）塗装ロボットのアームにより操作して、鋳型１０の被塗布面に塗材３２を噴霧して静電塗布を行うことができるようになっている。また、複数の鋳型１０の被塗布面に塗材３２を順次静電塗布する場合、一つの鋳型１０に静電塗布した後、次の鋳型１０に静電塗布するまでの間は、静電ガンのノズル３６への塗材３２の送給を遮断して塗材３２の噴霧を停止するとともに、バルブ４４を切り替えてポンプ４０によって塗材供給路３８内の塗材３２を（流路４２を介して）タンク３４内に戻すことができるようになっている。このように塗材供給路３８内の塗材３２をタンク３４内に戻すようにすれば、一つの鋳型１０に静電塗布した後に次の鋳型１０に静電塗布するまでの時間が長くても、塗材３２に含まれる離型剤（または結晶粒微細化剤）の微粒子が塗材供給路３８の内面に付着して塗材供給路３８が詰まって静電ガンのノズル３６の先端に十分な量の塗材３２を供給することができなくなるのを防止することができるので、複数の鋳型１０の被塗布面に塗材３２を順次静電塗布する場合に安定して静電塗布することができる。
【００２７】
このような静電塗布装置３０によって静電塗布を行う場合、静電ガンのノズル３６の先端の電極に（図示しない）高電圧発生源により高電圧を印加して、ノズルの先端にコロナ放電を発生させ、このコロナ放電により空気中の酸素をイオン化してオゾンにする。また、静電ガンのノズル３６の先端から霧化された塗材４８に含まれる離型剤の粒子は、コロナ放電により負に間接帯電し、この負に帯電した（霧化された）塗材４８が（参照符号５０で示すようにアースされた）鋳型１０の被塗布面に噴霧されて静電塗布される。静電ガンのノズル３６の先端に印加する電圧は、−１０ｋＶ〜−７０ｋＶであるのが好ましく、静電ガンのノズル３６の先端と鋳型１０の被塗布面との間の距離は、１００〜２５０ｍｍであるのが好ましい。このように霧化された塗材４８を鋳型１０の被塗布面に静電塗布すると、より広範囲で厚い塗材４８の皮膜を均一に（ばらつきなく）形成することができるので、このように塗材４８を被塗布面に静電塗布した鋳型１０を使用して、所望の表面形状の金属板がセラミックス基板に接合した品質の高い金属−セラミックス接合基板を製造することができる。また、霧化された塗材４８を鋳型１０の被塗布面に静電塗布すると、塗布後に浮遊する（霧化された）塗材４８も静電効果で鋳型１０の被塗布面に吸着されるので、（非常に多量の塗材が空気中に飛散する）エアスプレーにより塗材を塗布した場合と比べて、塗材の塗着効率をかなり向上させることができ、高価な離型剤の使用量を非常に少なくすることができ、製造コストをかなり低下させることができる。
【００２８】
次に、上記の鋳型１０および静電塗布装置３０を使用して金属−セラミックス接合基板を製造する方法について説明する。まず、鋳型１０の下側鋳型部材１２の金属回路板形成部１２ｃと金属ベース板形成部１２ａの内面（と好ましくは上側鋳型部材１４の金属ベース板形成部１２ａに対向する面）に離型剤を含む塗材を静電塗布し、その後、鋳型１０の下側鋳型部材１２のセラミックス基板収容部１２ｂ内にセラミックス基板を配置した後、下側鋳型部材１２に上側鋳型部材１４を被せて、鋳型１０の金属ベース板形成部１２ａ内に金属の溶湯を注湯して充填するとともに、（図示しない）溶湯流路を介して金属回路板形成部１２ｃまで溶湯を充填し、その後、冷却して溶湯を凝固させる。
【００２９】
このようにして、図２Ａおよび図２Ｂに示すように、金属回路板２２にセラミックス基板２０の一方の面が直接接合するとともに、セラミックス基板２０の他方の面に金属ベース板２４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。
【００３０】
このようにして製造した金属−セラミックス接合基板の金属回路板２２上に回路パターン形状の回路パターン形成用レジストを印刷し、金属回路板２２の不要部分をエッチング除去した後に、回路パターン形成用レジストを剥離して回路パターンを形成してもよい。また、金属回路板２２上の半導体チップなどの半田付けが必要な部分などにＮｉめっきなどによりめっきを施してもよい。
【００３１】
なお、金属−セラミックス接合基板としてアルミニウム−セラミックス接合基板を製造する場合、鋳型内に注湯されるアルミニウム溶湯の温度は、アルミニウムの融点（６６０℃）より５〜２００℃高い温度であるのが好ましく、２０〜２００℃高い温度であるのがさらに好ましい。また、（鋳型を冷却することにより）アルミニウム溶湯を冷却して固化させる際の冷却速度は、セラミックス基板への熱衝撃を抑えてセラミックス基板の割れを防止し且つ結晶粒径を粗大化させ難い冷却速度、例えば、１０℃／分〜１００℃／分の範囲の冷却速度が好ましく、２０℃／分〜５０℃／分の範囲の冷却速度がさらに好ましい。この鋳型の冷却は、鋳型（の注湯口とは反対側の面）に冷却板を接触させて鋳型を冷却してアルミニウム溶湯を凝固させるのが好ましい。この鋳型の冷却では、注湯口に窒素ガスを吹き込むことによって鋳型内のアルミニウム溶湯を加圧しながら冷却して、冷却板が接触する鋳型の面に対向する鋳型内の部分のアルミニウム溶湯から凝固を開始させ、注湯口側のアルミニウム溶湯に向かって順次凝固させ、注湯口側のアルミニウム溶湯を最後に凝固させるのが好ましい。
【００３２】
また、金属−セラミックス接合基板としてアルミニウム−セラミックス接合基板を製造する場合、鋳型１０の下側鋳型部材１２の金属回路板形成部１２ｃの内面に結晶粒微細化剤を含む塗材を静電塗布すると、金属回路板形成部１２ｃ内のアルミニウムの凝固核の生成数が増加して、金属回路板形成部１２ｃ内に形成される金属回路板２２のアルミニウムの結晶粒が微細化される。一方、結晶粒微細化剤を含む塗材を静電塗布するのではなく、アルミニウム溶湯に代えて、ＢやＴｉなどの添加物を含むアルミニウム合金の溶湯を使用すると、溶湯中の溶解していない初晶粒子（ＡｌＢ２やＴｉＡｌ３などの結晶粒微細化剤の粒子）を起点に、溶湯の凝固時にアルミニウム合金の凝固核の生成数が増加して、金属回路板と金属ベース板のアルミニウム合金の結晶粒が全体的に微細化される。また、アルミニウム溶湯に代えて、添加物を含むアルミニウム合金の溶湯を使用すると、溶湯の組成の変化により、（回路板やベース板の角部の欠損、引け巣やボイド、粒界割れなどの）構造欠陥が生じる可能性があり、歩留まりが低下するおそれがある。
【実施例】
【００３３】
以下、本発明による金属−セラミックス接合基板の製造方法の実施例について詳細に説明する。
【００３４】
［実施例１］
１２．５質量％の離型剤（昭和電工株式会社製のＬＢＮ  ＦＫ−２６（２０質量％の窒化ホウ素（ＢＮ）粉末（平均粒径Ｄ５０＝０．２３μｍ）と６．５質量％の有機バインダと７３．５質量％の溶剤とからなる離型剤）と、８７．５質量％のメチルエチルケトンとをボールミルにより混合して（２．５質量％のＢＮと０．８質量％の有機バインダを含む）塗材を作製した。
【００３５】
また、図３に示す静電塗布装置３０と同様の静電塗布装置を用意し、タンク３４としてタンク（株式会社明治機械製作所製のＰＡ−３０ＳＢ）を使用し、（カスケードに接続した）高電圧発生器を備えた静電ガン（旭サナック株式会社製のエア静電自動ガン（ロボガンＩＩＩ  ＥＡＢ４００）を使用し、ポンプ４０としてポンプ（旭サナック株式会社製のギアポンプＧＰ−１５）を使用し、高電圧発生器を制御する静電コントローラ（旭サナック株式会社製の静電コントローラＢＰＳ２６０）を使用した。
【００３６】
この静電塗布装置３０のタンク３４内に上記の塗材を入れ、静電ガンのノズル３６を、そのノズルの先端が被塗布面から１５０ｍｍ離間して垂直になるように配置し、そのノズルの先端の電極に−２０ｋＶの電圧を印加し、静電ガンのノズル３６の霧化圧力（ノズルの先端から線状に吐出される塗材を微小な液滴に（アトマイズ）するための圧縮エアの圧力（アトマイズ圧力））を０．１ＭＰａ、パターンエア圧力（アトマイズされた微小な液滴を扇形に飛散させるための圧力）を０．１ＭＰａとし、ポンプ４０の周波数を２０Ｈｚとして塗材４８の吐出量を１．１４ｇ／ｓ（塗材３２中の固形分である離型剤とバインダ成分の吐出量を０．０４ｇ／ｓ）とし、長さ３６０ｍｍ×幅３６０ｍｍの略矩形の平板状のカーボン製の基材上に塗材４８を静電塗布した。この静電塗布は、ガス導入配管４６によりタンク３４の内部に窒素ガスを導入してタンク３４内の圧力が０．０３ＭＰａになるように加圧し、（図示しない）ロボットアームを用いて静電ガンのノズル３６を移動速度７５０ｍｍ／ｓで基材上を５０ｍｍの間隔でずらしながら４往復移動させて、４．６秒間行った。この静電塗布の後、基材を室温で乾燥して離型剤中の溶剤を揮発させ、基材上に離型剤とバインダ成分からなる固形分を付着（塗着）させた。この静電塗布の前後の塗材の重量を電子天秤で測定し、基材に塗着した塗材の固形分の重量を算出し、塗着効率（％）＝（塗着した固形分の重量）×１００／（静電塗布に使用した固形分の重量）から、塗着効率を算出した。なお、「塗着した固形分の重量」は、静電塗布の前後の基材の重量を電子天秤で測定し、その差から算出した。また、「静電塗布に使用した固形分の重量」は、静電塗布に使用した単位時間当たりの固形分の重量（ｇ／ｓ）×噴霧時間（ｓ）から算出した。その結果、塗着効率は２８．６％であった。また、基材の外観を目視で観察したところ、塗着ムラはなく、外観は良好であった。
【００３７】
［実施例２］
静電ガンのノズル３６の先端の電極に印加した電圧を−２９ｋＶとした以外は、実施例１と同様の方法により、静電塗布を行い、塗着効率を算出し、外観を観察した。その結果、塗着効率は４６．３％であり、塗着ムラはなく、外観は良好であった。
【００３８】
［実施例３］
静電ガンのノズル３６の先端の電極に印加した電圧を−３０ｋＶとした以外は、実施例１と同様の方法により、静電塗布を行い、塗着効率を算出し、外観を観察した。その結果、塗着効率は４９．２％であり、塗着ムラはなく、外観は良好であった。
【００３９】
［実施例４］
静電ガンのノズル３６の先端の電極に印加した電圧を−６０ｋＶとした以外は、実施例１と同様の方法により、静電塗布を行い、塗着効率を算出し、外観を観察した。その結果、塗着効率は６２．３％であり、塗着ムラはなく、外観は良好であった。
【００４０】
［実施例５］
静電ガンのノズル３６の先端と被塗布面との間の距離を１８０ｍｍとし、静電ガンのノズル３６を移動速度を４００ｍｍ／ｓとした以外は、実施例１と同様の方法により、静電塗布を行い、塗着効率を算出し、外観を観察した。その結果、塗着効率は３０．３％であり、塗着ムラはなく、外観は良好であった。
【００４１】
［実施例６］
静電ガンのノズル３６の先端の電極に印加した電圧を−２９ｋＶとした以外は、実施例５と同様の方法により、静電塗布を行い、塗着効率を算出し、外観を観察した。その結果、塗着効率は３２．２％であり、塗着ムラはなく、外観は良好であった。
【００４２】
［実施例７］
静電ガンのノズル３６の先端と被塗布面との間の距離を２１０ｍｍとした以外は、実施例２と同様の方法により、静電塗布を行い、塗着効率を算出し、外観を観察した。その結果、塗着効率は３０．９％であり、塗着ムラはなく、外観は良好であった。
【００４３】
［比較例１］
静電ガンのノズル３６の先端の電極に電圧を印加しないで（電圧０ｋＶ）、静電塗布の代わりにエアスプレーによる塗布とした以外は、実施例１と同様の方法により、塗材を基材に塗布し、塗着効率を算出し、外観を観察した。その結果、塗着ムラはなく、外観は良好であったが、塗着効率は１４．９％と低かった。
【００４４】
［比較例２］
静電ガンのノズル３６の先端の電極に電圧を印加しないで（電圧０ｋＶ）、静電塗布の代わりにエアスプレーによる塗布とした以外は、実施例５と同様の方法により、塗材を基材に塗布し、塗着効率を算出し、外観を観察した。その結果、塗着ムラはなく、外観は良好であったが、塗着効率は１４．９％と低かった。
【００４５】
［比較例３］
静電ガンのノズル３６の先端の電極に電圧を印加しないで（電圧０ｋＶ）、静電塗布の代わりにエアスプレーによる塗布とした以外は、実施例７と同様の方法により、塗材を基材に塗布し、塗着効率を算出し、外観を観察した。その結果、塗着ムラはなく、外観は良好であったが、塗着効率は１３．７％と低かった。
【００４６】
実施例１〜７および比較例１〜３の塗布条件と塗布後の評価の結果を表１に示す。
【００４７】
【表１】
2020161707.tif 000003
【００４８】
［実施例８］
図１に示すようなカーボン製の鋳型１０を１２個用意し、これらの鋳型１０を基材とし、静電ガンのノズル３６の先端の電極に印加する電圧を−６０ｋＶとし、ポンプ４０の周波数を１５Ｈｚとして塗材４８の吐出量を０．９３ｇ／ｓとし、静電ガンのノズル３６の移動速度を１０００ｍｍ／ｓとし、往復移動の数を８往復とし、タンク３４内の圧力が０．０１ＭＰａになるようにした以外は、実施例１と同様の方法により、各々の鋳型１０の被塗布面（金属回路板形成部１２ｃと金属ベース板形成部１２ａの内面）に離型剤を含む塗材を静電塗布した。この静電塗布によりそれぞれの鋳型１０に塗着した固形分の重量を測定したところ、７〜１１ｍｇであった。
【００４９】
次に、これらの鋳型１０の各々に７０ｍｍ×７０ｍｍ×０．６ｍｍの大きさの窒化アルミニウムからなるセラミックス基板を収容し、鋳型１０を炉内に入れ、炉内を７２５℃に加熱し、１１ｋＰａの圧力で（温度７２５℃の）純度９９．９質量％（３Ｎ）のアルミニウム溶湯を鋳型１０内に流し込んだ後、鋳型１０（の注油口とは反対側の面）に冷却板を接触させて鋳型１０を冷却してアルミニウム溶湯を凝固させた。なお、この鋳型１０の冷却では、鋳型１０の注湯口に窒素ガスを吹き込むことによって鋳型１０内のアルミニウム溶湯を加圧しながら平均冷却速度５０℃／分で冷却して、冷却板が接触する鋳型１０の面に対向する鋳型内の部分の溶湯から凝固を開始させ、注湯口側の溶湯に向かって順次凝固させ、注湯口側の溶湯が最後に凝固するようにした。
【００５０】
このようにして、セラミックス基板の一方の面（金属回路板形成部側の面）に６５ｍｍ×６５ｍｍ×０．６ｍｍのアルミニウム板（金属回路板）が直接接触して接合するとともに他方の面（金属ベース板形成部側の面）に８０ｍｍ×１００ｍｍ×１．５ｍｍのアルミニウム板（アルミニウムベース板）が直接接触して接合した接合体を製造し、この接合体を鋳型から取り出して、図２Ａおよび図２Ｂに示すような金属−セラミックス接合基板を得た。
【００５１】
この金属−セラミックス接合基板の鋳型１０からの離型性は良好であり、金属−セラミックス接合基板の外観を目視で観察したところ、外観は良好であった。
【００５２】
［実施例９］
結晶粒微細化剤として０．５質量％のＴｉＡｌ３（平均粒径Ｄ５０＝２４μｍ）を含み、３．１０質量％の離型剤（昭和電工株式会社製のＬ−ＢＮ（ルービーエヌ離型剤ＢＮ））と、９６．４０質量％のメチルエチルケトンとを含む塗材を用意した。
【００５３】
実施例８と同様の方法により、離型剤を含む塗材を静電塗布した後、上記の結晶粒微細化剤を含む塗材を静電塗布した。なお、この結晶粒微細化剤を含む塗材の静電塗布は、静電ガンのノズル３６の移動速度を４００ｍｍ／ｓで３３．３ｍｍの間隔でずらしながら４往復移動のさせた以外は、実施例８の離型剤を含む塗材の静電塗布方法と同様の方法により行った。この静電塗布の後にそれぞれの鋳型１０に塗着した固形分の重量を測定したところ、８〜１１ｍｇであった。
【００５４】
次に、実施例８と同様の方法により、セラミックス基板の一方の面アルミニウム回路板が直接接触して接合するとともに他方の面にアルミニウムベース板が直接接触して接合した金属−セラミックス接合基板を得た。
【００５５】
この金属−セラミックス接合基板の鋳型１０からの離型性は良好であり、金属−セラミックス接合基板の外観を目視で観察したところ、外観は良好であった。
【００５６】
また、得られた金属−セラミックス接合基板のアルミニウム回路板の表面を研磨し、塩化第二鉄溶液によってエッチング処理した後、アルミニウム回路板の表面の６５ｍｍ×６５ｍｍの領域内のアルミニウムの結晶粒の数を目視により数えたところ、結晶粒が２００〜３６０個の範囲であり、結晶粒は微細化されていた。
【００５７】
［実施例１０］
静電ガンのノズル３６の移動速度を４００ｍｍ／ｓとした以外は、実施例８と同様の方法により、離型剤を含む塗材を静電塗布した後、静電ガンのノズル３６の移動速度を１００ｍｍ／ｓにした以外は、実施例９と同様の方法により、結晶粒微細化剤を含む塗材を静電塗布した。この静電塗布の後にそれぞれの鋳型１０に塗着した固形分の重量を測定したところ、３２〜３７ｍｇであった。
【００５８】
次に、実施例８と同様の方法により、セラミックス基板の一方の面アルミニウム回路板が直接接触して接合するとともに他方の面にアルミニウムベース板が直接接触して接合した金属−セラミックス接合基板を得た。
【００５９】
この金属−セラミックス接合基板の鋳型１０からの離型性は良好であり、金属−セラミックス接合基板の外観を目視で観察したところ、外観は良好であった。また、実施例９と同様の方法により、アルミニウムの結晶粒の数を目視により数えたところ、結晶粒が４５０〜７５０個の範囲であり、結晶粒は微細化されていた。
【００６０】
［比較例４］
離型剤と含む塗材と結晶粒微細化剤を含む塗材をエアスプレー（２流体式エアスプレー）により手動で鋳型１０の被塗布面に塗着させた以外は、実施例９と同様の方法により、セラミックス基板の一方の面アルミニウム回路板が直接接触して接合するとともに他方の面にアルミニウムベース板が直接接触して接合した金属−セラミックス接合基板を得た。なお、静電塗布の後にそれぞれの鋳型１０に塗着した固形分の重量を測定したところ、離型剤を含む塗材の固形分の重量は８〜１４ｍｇであり、結晶粒微細化剤を含む塗材の固形分の重量は７〜２４ｍｇであった。
【００６１】
また、得られた金属−セラミックス接合基板の鋳型１０からの離型性は良好であり、金属−セラミックス接合基板の外観を目視で観察したところ、外観は良好であった。また、実施例９と同様の方法により、アルミニウムの結晶粒の数を目視により数えたところ、結晶粒が２００〜９８０個の範囲であり、結晶粒は微細化されていた。
【００６２】
実施例９および１０と比較例４との比較から、結晶粒微細化剤を含む塗材を静電塗布すれば、より広範囲で厚い塗材の皮膜を均一に（ばらつきなく）形成することができるので、塗布に使用する塗材の量を少なくすることができるとともに、結晶粒の数のばらつきも少なくすることができ、品質の高い金属−セラミックス接合基板を安定して製造することができる。
【符号の説明】
【００６３】
１０  鋳型
１２  下側鋳型部材
１２ａ  金属ベース板形成部
１２ｂ  セラミックス基板収容部
１２ｃ  金属回路板形成部
１４  上側鋳型部材
１４ａ  注湯口
２０  セラミックス基板
２２  金属回路板
２４  金属ベース板
３０  静電塗布装置
３２  塗材
３４  タンク
３６  静電ガンのノズル
３８  塗材供給路
４０  ポンプ
４２  流路
４４  バルブ
４６  ガス導入配管
４８  霧化された塗材
５０  アース
【図１】
2020161707.tif 000004
【図２Ａ】
2020161707.tif 000005
【図２Ｂ】
2020161707.tif 000006
【図３】
2020161707.tif 000007