(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス部材を上方から下方に連続的に供給し、坩堝内において金属溶湯中を通過させることによって金属とセラミックスとの界面から金属の酸化物を完全に除去した状態でセラミックス表面に金属溶湯を接着させ、加熱部内で暫時移動せしめた後、アルミニウム板を該金属溶湯と接触せしめながら暫時移動させて左右の冷却体表面で金属溶湯を凝固温度以下に冷却してセラミックス部材とアルミニウム板を接合せしめることを特徴とする金属−セラミックス複合基板の製造方法。
【請求項２】
上記金属は、アルミニウムまたはアルミニウムを主成分とする合金であることを特徴とする請求項１記載の金属−セラミックス複合基板の製造方法。
【請求項３】
上記セラミックス部材は、アルミニウム、珪素の酸化物、窒化物、炭化物の少なくとも一種である請求項１記載の金属−セラミックス複合基板の製造方法。
【請求項４】
セラミックス部材の両面に金属が接着された金属−セラミックス複合基板の製造装置において、セラミックス部材を上方から下方に連続的に供給するための搬送手段と、セラミックス部材の周囲面の少なくとも一部分に金属溶湯を接着せしめるため、搬送されたセラミックス部材を通過せしめる金属溶湯を保持する坩堝と、金属溶湯が接着したセラミックス部材を金属の融点以上の温度に保持するための加熱部と、セラミックス部材の両面に接着した金属溶湯にアルミニウム板を接触させた後、これらを冷却するための冷却体とを主要構成部とすることを特徴とする金属−セラミックス複合基板の製造装置。
【請求項５】
上記冷却体は、セラミックス部材に接着した金属溶湯とアルミニウム板とを溶着せしめる時に、該アルミニウム板を融点以下の温度に保持することを特徴とする請求項４記載の金属−セラミックス複合基板の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属−セラミックス複合基板の製造方法及びその製造装置に関するものであり、特に自動車部品や電車部品等に好適なパワーモジュール用半導体基板に用いる金属−セラミックス複合基板の製造方法及びその製造装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
セラミックスの化学安定性、高融点、絶縁性、高硬度、比較的に高い熱伝導性等の特性と、金属の高強度高靱性、易加工性、導電性等の特性を生かした金属−セラミックス複合部材は、自動車、電子装置等に広く用いられ、その代表的な例として、自動車ターボチャージー用のローター、大電力電子素子実装用の金属−セラミックス複合基板及びパッケージが挙げられる。
【０００３】
上記金属−セラミックス複合部材の主な製造方法としては、接着、メッキ、メタライズ、溶射、鋳ぐるみ、ろう接合、ＤＢＣ法が公知であるが、金属−セラミックス複合基板に関しては近年はコスト上の問題からアルミナ基板を用いるＤＢＣ法や窒化アルミニウム基板を用いるろう接により大部分の金属−セラミックス複合基板が製造されている。
【０００４】
然しながら、従来法においては、金属をアルミナ基板に直接接合する方法としては、銅板を直接接合するＤＢＣ法が公知であるが、アルミニウムを直接接合する方法は今まで知られていなかった。
【０００５】
本出願人は先にセラミックス部材に金属材としてのアルミニウムを直接に接合する装置として、特開平８−１９８６２９号「金属−セラミックス複合部材の製造装置」を提案した。
【０００６】
この装置は、セラミックス部材を連続的に供給するための搬送手段と、搬送されたセラミックス部材を予熱する予熱部と、予熱されたセラミックス部材を坩堝内の金属溶湯中を通過させてセラミックス部材の周囲面の少なくとも一部分に金属を接合する接合部と、該接合されたセラミックス部材を徐冷して金属を凝固させ金属−セラミックス複合部材となす冷却部とを主要部と成すものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記装置により大量の金属−セラミックス複合部材を得る事が可能となり相当の効果を得ているが、金属を所定の形状に凝固させるためにダイスを使用した場合、若干ダイス離れの点で問題があった。
【０００８】
本発明は、上述のように本出願人が先に出願した装置の改良を目的として、特に坩堝内で金属に接合されたセラミックス部材を徐冷する際に、金属がダイスに焼付けるという問題点を解決できる方法とその製造装置を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は斯かる課題を解決するために鋭意研究したところ、坩堝内で溶湯金属を接合したセラミックス部材に、更に回路等を形成するアルミニウム板を接触させながら徐冷させると、接合強度の高い金属−セラミックス複合基板を製造出来る事を見いだし、本発明方法及び装置を提供することが出来た。
【００１０】
即ち本発明の金属−セラミックス複合基板の製造方法は、セラミックス部材を上方から下方に連続的に供給し、坩堝内において金属溶湯中を通過させることによって金属とセラミックスとの界面から金属の酸化物を完全に除去した状態でセラミックス表面に金属溶湯を接着させ、加熱部内で暫時移動せしめた後、アルミニウム板を該金属溶湯と接触せしめながら暫時移動させて左右の冷却体表面で金属溶湯を凝固温度以下に冷却してセラミックス部材とアルミニウム板を接合せしめる。
【００１１】
上記金属は、アルミニウムまたはアルミニウムを主成分とする合金である。
【００１２】
上記セラミックス部材は、アルミニウム、珪素の酸化物、窒化物、炭化物の少なくとも一種である。
【００１３】
本発明の金属−セラミックス複合基板の製造装置は、セラミックス部材の両面に金属が接着された金属−セラミックス複合基板の製造装置において、セラミックス部材を上方から下方に連続的に供給するための搬送手段と、セラミックス部材の周囲面の少なくとも一部分に金属溶湯を接着せしめるため、搬送されたセラミックス部材を通過せしめる金属溶湯を保持する坩堝と、金属溶湯が接着したセラミックス部材を金属の融点以上の温度に保持するための加熱部と、セラミックス部材の両面に接着した金属溶湯にアルミニウム板を接触させた後、これらを冷却するための冷却体とを主要構成部とする。
【００１４】
上記冷却体は、セラミックス部材に接着した金属溶湯とアルミニウム板とを溶着せしめる時に、該アルミニウム板を融点以下の温度に保持する。
【００１５】
なお、本発明装置においては、金属−セラミックス複合基板を連続的に製造するために、金属溶湯を連続的に供給し、且つ溶湯の温度を一定に保たねばならない。この場合、金属溶湯の供給方法としては、別の溶解炉で溶解した金属溶湯を本発明装置内の坩堝に供給し、必要に応じて所定の接合温度に加熱・保持する方法や、あるいは金属原料を安定に本発明装置内の坩堝に供給し、該坩堝内で溶かし、一定の温度に加熱・保持する方法とがあるが、これらには何れにしても金属を溶湯状態で保持するための坩堝と加熱ヒーターとが必要である。
【００１６】
室温状態のセラミックス部材を直接金属溶湯に挿入すると、熱衝撃でセラミックス部材が割れる可能性があり、これを防止するためにセラミックス部材を予熱する必要がある。この場合、セラミックス部材を別途加熱装置によって予熱し、予熱された部材を本発明装置の搬送手段を用いて供給することも可能であるが、加熱された部材を運ぶ時の安全上の不便さ、運搬時の熱衝撃の問題もあることから、本発明の場合、一体型ダイスを使用し金属溶湯を加熱するためのヒーターの余熱を利用するとともに一体型ダイスにヒーターを設けてセラミックス部材が一体型ダイスを通過する際これを予熱する。
【００１７】
本発明装置の特徴の一つは、如何にして金属とセラミックスとの接合界面から金属の酸化物等の汚れ層の影響を除去し、セラミックス部材と清浄な金属溶湯とを接触させるかということにあり、本発明においては、セラミックス部材を金属溶湯の内部に挿入し、且つ、金属溶湯の内部に入る時にセラミックス部材の表面に付着した汚れ、或いは吸着する酸素、水蒸気と金属との反応で形成された金属の酸化物などを取るためにセラミックス部材を金属溶湯の中で移動させる方法を採用した。
【００１８】
この金属溶湯中を移動させる手段は色々と考えられるが、本発明では後述の実施例に示されるように一体型ダイス内のガイドに沿ってセラミックス部材を金属溶湯の中に挿入しながら移動させる。
【００１９】
本発明で使用する金属と一体型ダイスの高温酸化を防ぐためには必要に応じて装置の内部をある特定の雰囲気にする必要がある。後述する実施例においては窒素ガス雰囲気において実施したが、同じような効果はアルゴン、水素ガス等のような不活性ガス、あるいは還元性のガス、またはこれらのガスの混合物を使っても得られる。
【００２０】
なお、本発明で使用する金属は、アルミニウム、またはアルミニウムを主成分とする合金であり、一方、セラミックス部材としてはアルミニウム、珪素等の酸化物、窒化物、炭化物である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下図面によって本発明の実施例を説明する。
【００２２】
図１は本発明装置の概略図である。図１に示すように本発明装置は、筒状の一体型ダイス１が坩堝２を貫通して上方から下方に延び、坩堝２内に位置するダイス１の部分には孔３が形成され、坩堝２内の金属溶湯４が該ダイス１内に入る構造となっている。セラミックス部材５は一体型ダイス１の上部入口からダイス１内にピンチローラー（図示せず）を用いた搬送手段によって一個一個連続的に供給する。坩堝２上に設けた予熱ヒーター（図示せず）であらかじめセラミックス部材５を予熱し、坩堝２内の金属を溶湯ヒーター６で加熱して溶湯４とし、その溶湯４中をセラミックス部材５が通過する際セラミックス部材５の表面及び裏面に金属溶湯４を接触させ、得られた金属溶湯が接着したセラミックス部材５を坩堝２の底部に連接する接合ヒーター７で徐冷しながら下方に移動させ、該金属溶湯にアルミニウム板９を接触させる。次いでこれらを内部に温度制御構造を有する冷却体８の間を通過せしめて金属の凝固温度以下にして、金属溶湯４を凝固させて所望の金属−セラミックス複合基板１０を得る。なお、この他セラミックス部材５を徐冷する冷却手段（図示せず）と、後工程として得られた金属−セラミックス複合基板１０をセラミックス部材５のつなぎ部分で切断するカッターを有する切断部（図示せず）とを設ける。
【００２３】
（実施例１）
【００２４】
上記装置を用い、まず３６ｍｍ×１１２ｍｍ×０．６３５ｍｍのアルミナセラミックス部材５を連続的にピンチローラーを用いて坩堝２の上部の予熱部に供給した。なおこの場合、予熱部は予熱ヒーターによりダイス１全体に熱が伝わる事から、該ダイス１の入口に水冷ジャケットを設けて温度を１００℃以下に保つのが好ましい。
【００２５】
また、金属としてのアルミニウムを坩堝２の中にセットし、セラミックス部材５をその内径がセラミックス部材５を通す大きさである一体型ダイス１の入口から入れて、その先端が冷却体８の表面のアルミニウム板９に到達するようにセットしてから、窒素雰囲気において坩堝２を加熱し、アルミニウムを融解する。アルミニウム溶湯４は坩堝２の底部の接合部から流出するようになるが、ダイス１とアルミニウム板９との間の隙間を０．１ｍｍ以下にすることによって溶湯４の流出を防ぐようになる。
【００２６】
アルミニウム溶湯４が７５０℃に加熱された後、ダイス１の入口側から予熱されたセラミックス部材５を連続的に供給したところセラミックス部材５は順番に該溶湯４中に入り、溶湯４に濡れてから坩堝２の底部の接合部に入り、その内部寸法がセラミックス部材５の厚さより広い出口から連続的に押し出された。
【００２７】
次いで、セラミックス基板の両面に溶融アルミニウムが接合したまま下降し、接合部先端で回路面と放熱面とを構成するアルミニウム板（厚さ０．５ｍｍ）を該溶融アルミニウムと接触させて、冷却体８の間を通過しながらセラミックス部材５に接合した溶融アルミニウムを再溶融点６６０℃以下に冷却するため、セラミックス部材５の表面及び裏面のアルミニウム板と完全に接合し、アルミニウム−セラミックス複合基板を得ることが出来た。
【００２８】
（実施例２）
【００２９】
予めセラミックス部材５として３６×２６×０．６３５ｍｍのＡｌＮ製基板を複数個用意して実施例１と同様な手段でアルミニウム溶湯４中を通過させてアルミニウム−ＡｌＮ部材からなる金属−セラミックス複合部材１０を得た。
【００３０】
冷却体８を通過して得た金属−セラミックス複合基板１０を切断部に導き、カッターでセラミックス部材５のつなぎ目のアルミニウム板９を切断し、所定形状の複合基板を得た。
【００３１】
【発明の効果】
上述の本発明方法及び装置を用いる事によって、種々のセラミックス部材にアルミニウム板を連続的に接合できるようになり、所定の金属−セラミックス複合基板を安価に、且つ大量に製造できる等種々の利益がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の金属−セラミックス複合基板の製造装置の主要部の概略断面図である。
【符号の説明】
１  一体型ダイス
２  坩堝
３  孔
４  金属溶湯
５  セラミックス部材
６  溶湯ヒーター
７  接合ヒーター
８  冷却体
９  アルミニウム板
１０  金属−セラミックス複合基板
【図１】
0003689828.tif 000002