(57)【要約】【課題】金属板とセラミック板との間の界面剥離を防止することができ、更に、製造コストの低減を図ることができる積層材を提供する。【解決手段】積層材１は、複数枚の金属板2,3と１枚のセラミック板４とが、金属板２とセラミック板４とが隣接するように積層されるとともに、隣り合う金属板2とセラミック板４とが放電プラズマ焼結法により接合されたものである。セラミック板４と隣接する全ての金属板2,3の融点の差が１４０℃以内である。セラミック板４における金属板２と接合された側の面4aの外周縁4zよりも内側に、金属板２のセラミック板４との接合面2aが位置している。【選択図】図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数枚の第１金属板と少なくとも１枚のセラミック板とが、少なくとも１枚の第１金属板とセラミック板とが隣接するように積層されるとともに、隣り合う第１金属板とセラミック板とが放電プラズマ焼結法により接合されており、セラミック板と隣接する全ての第１金属板の融点の差が１４０℃以内であり、
セラミック板における第１金属板と接合された側の面の外周縁よりも内側に、第１金属板のセラミック板との接合面が位置していることを特徴とする積層材。
【請求項２】
第１金属板は３枚以上であり、
これらの第１金属板のうち２枚の第１金属板と１枚のセラミック板とが、セラミック板と各第１金属板とが隣接するように、且つ、セラミック板が両第１金属板間に位置するように積層されている請求項１記載の積層材。
【請求項３】
前記２枚の第１金属板のうち少なくともいずれか一方の第１金属板におけるセラミック板と接合された面とは反対側の面に、放電プラズマ焼結法の加熱時の加熱温度では溶融しない材料からなる第２金属板が、放電プラズマ焼結法により積層状に接合されている請求項２記載の積層材。
【請求項４】
１枚の第１金属板と１枚または２枚のセラミック板とが、第１金属板とセラミック板とが隣接するように積層されるとともに、隣り合う第１金属板とセラミック板とが放電プラズマ焼結法により接合されており、
少なくとも１枚のセラミック板における第１金属板と接合された側の面の外周縁よりも内側に、第１金属板のセラミック板との接合面が位置していることを特徴とする積層材。
【請求項５】
２枚の第１金属板と１枚のセラミック板とが、セラミック板と各第１金属板とが隣接するように、且つ、セラミック板が両第１金属板間に位置するように積層されるとともに、隣り合う第１金属板とセラミック板とが放電プラズマ焼結法により接合されており、両第１金属板の融点の差が１４０℃以内であり、
セラミック板における第１金属板と接合された側の面の外周縁よりも内側に、第１金属板のセラミック板との接合面が位置していることを特徴とする積層材。
【請求項６】
両第１金属板のうち少なくとも一方の第１金属板におけるセラミック板と接合された面とは反対側の面に、放電プラズマ焼結法の加熱時の加熱温度では溶融しない材料からなる第２金属板が、放電プラズマ焼結法により積層状に接合されている請求項５記載の積層材。
【請求項７】
１枚の第１金属板と１枚のセラミック板とが隣接するように積層されるとともに、第１金属板とセラミック板とが放電プラズマ焼結法により接合されており、
セラミック板における第１金属板と接合された側の面の外周縁よりも内側に、第１金属板のセラミック板との接合面が位置していることを特徴とする積層材。
【請求項８】
第１金属板におけるセラミック板と接合された面とは反対側の面に、放電プラズマ焼結法の加熱時の加熱温度では溶融しない材料からなる第２金属板が、放電プラズマ焼結法により積層状に接合されている請求項７記載の積層材。
【請求項９】
セラミック板と、セラミック板の両側にそれぞれ配置された第１金属板とが、セラミック板と各第１金属板とが隣接するように積層されるとともに、隣り合う板どうしが放電プラズマ焼結法により接合されており、両第１金属板の融点の差が１４０℃以内であり、
セラミック板における第１金属板と接合された側の面の外周縁よりも内側に、第１金属板のセラミック板との接合面が位置していることを特徴とする積層材。
【請求項１０】
両第１金属板のうち少なくとも一方の第１金属板のセラミック板配置側とは反対側に、放電プラズマ焼結法の加熱時の加熱温度では溶融しない材料からなる第２金属板が配置されるとともに、第２金属板が第１金属板に放電プラズマ焼結法により積層状に接合されている請求項９記載の積層材。
【請求項１１】
セラミック板と、セラミック板の片側に配置された第１金属板とが隣接するように積層されるとともに、隣り合う板どうしが放電プラズマ焼結法により接合されており、
セラミック板における第１金属板と接合された側の面の外周縁よりも内側に、第１金属板のセラミック板との接合面が位置していることを特徴とする積層材。
【請求項１２】
第１金属板のセラミック板配置側とは反対側に、放電プラズマ焼結法の加熱時の加熱温度では溶融しない材料からなる第２金属板が配置されるとともに、第２金属板が第１金属板に放電プラズマ焼結法により積層状に接合されている請求項１１記載の積層材。
【請求項１３】
第１金属板が、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｌ合金、Ｃｕ合金、Ａｇ合金、Ａｕ合金、Ｎｉ合金およびＴｉ合金よりなる群から選ばれた１種の材料からなる請求項１、２、４、５、７、９又は１１記載の積層材。
【請求項１４】
第２金属板が、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｌ合金、Ｃｕ合金、Ａｇ合金、Ａｕ合金、Ｎｉ合金およびＴｉ合金よりなる群から選ばれた１種の材料からなる請求項３、６、８、１０又は１２記載の積層材。
【請求項１５】
セラミック板が、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ、Ｙ２Ｏ３、ＣａＯ、ＢＮおよびＢｅＯよりなる群から選ばれた１種の材料からなる請求項１〜１４のうちのいずれかに記載の積層材。
【請求項１６】
上下両面の平面度が１００μｍ以下である請求項１〜１５のうちのいずれかに記載の積層材。
【請求項１７】
請求項１記載の積層材の製造方法であって、
複数枚の第１金属板と、少なくとも１枚のセラミック板とを、少なくとも１枚の第１金属板とセラミック板とが隣接するように、且つ、セラミック板における第１金属板との隣接面の外周縁よりも内側に第１金属板のセラミック板との接合予定面が位置するように積層するとともに、セラミック板における第１金属板との隣接面の外周縁部に、セラミック板の隣接面における第１金属板の接合予定面の位置を決める位置決め治具を第１金属板の接合予定面の周りを囲うように配置する積層工程と、
第１金属板とセラミック板との積層体を１対の放電プラズマ焼結用電極間に配置する積層体配置工程と、
両電極間の導通を確保した状態で、両電極間にパルス電流を通電することにより隣り合う第１金属板とセラミック板とを接合する接合工程と、を含み、
積層工程においてセラミック板と隣接するように積層される全ての第１金属板の融点の差が１４０℃以内であることを特徴とする積層材の製造方法。
【請求項１８】
接合工程では、セラミック板と隣接するように積層される全ての第１金属板のうち最も高融点の第１金属板の融点よりも１５０℃低い温度と、最も低融点の第１金属板の融点よりも１０℃低い温度との間の温度に加熱することにより、接合を行う請求項１７記載の積層材の製造方法。
【請求項１９】
請求項４記載の積層材の製造方法であって、
１枚の第１金属板と１枚または２枚のセラミック板とを、第１金属板とセラミック板とが隣接するように、且つ、セラミック板における第１金属板との隣接面の外周縁よりも内側に第１金属板のセラミック板との接合予定面が位置するように積層するとともに、セラミック板における第１金属板との隣接面の外周縁部に、セラミック板の隣接面における第１金属板の接合予定面の位置を決める位置決め治具を第１金属板の接合予定面の周りを囲うように配置する積層工程と、
第１金属板とセラミック板との積層体を１対の放電プラズマ焼結用電極間に配置する積層体配置工程と、
両電極間の導通を確保した状態で、両電極間にパルス電流を通電することにより隣り合う第１金属板とセラミック板とを接合する接合工程と、を含むことを特徴とする積層材の製造方法。
【請求項２０】
接合工程では、第１金属板の融点よりも１０〜１５０℃低い温度に加熱することにより、接合を行う請求項１９記載の積層材の製造方法。
【請求項２１】
請求項５記載の積層材の製造方法であって、
融点の差が１４０℃以内の２枚の第１金属板と、１枚のセラミック板とを、セラミック板と各第１金属板とが隣接するように、且つ、セラミック板が両第１金属板間に位置するように、更に、セラミック板における第１金属板との隣接面の外周縁よりも内側に第１金属板のセラミック板との接合予定面が位置するように積層するとともに、セラミック板における第１金属板との隣接面の外周縁部に、セラミック板の隣接面における第１金属板の接合予定面の位置を決める位置決め治具を第１金属板の接合予定面の周りを囲うように配置する積層工程と、
第１金属板とセラミック板との積層体を１対の放電プラズマ焼結用電極間に配置する積層体配置工程と、
両電極間の導通を確保した状態で、両電極間にパルス電流を通電することにより、隣り合う第１金属板とセラミック板とを接合する接合工程と、を含むことを特徴とする積層材の製造方法。
【請求項２２】
請求項６記載の積層材の製造方法であって、
融点の差が１４０℃以内の２枚の第１金属板と、１枚のセラミック板と、放電プラズマ焼結法の加熱時の加熱温度では溶融しない材料からなる第２金属板とを、セラミック板と各第１金属板とが隣接するように、且つ、セラミック板が両第１金属板間に位置するように、且つ、セラミック板における第１金属板との隣接面の外周縁よりも内側に第１金属板のセラミック板との接合予定面が位置するように、更に、第２金属板が第１金属板におけるセラミック板との隣接面とは反対側の面側に位置するように、積層するとともに、セラミック板における第１金属板との隣接面の外周縁部に、セラミック板の隣接面における第１金属板の接合予定面の位置を決める位置決め治具を第１金属板の接合予定面の周りを囲うように配置する積層工程と、
第１金属板とセラミック板と第２金属板との積層体を１対の放電プラズマ焼結用電極間に配置する積層体配置工程と、
両電極間の導通を確保した状態で、両電極間にパルス電流を通電することにより、隣り合う第１金属板とセラミック板と、および、第１金属板と第２金属板とを同時に接合する接合工程と、を含むことを特徴とする積層材の製造方法。
【請求項２３】
接合工程では、両第１金属板のうち高融点の第１金属板の融点よりも１５０℃低い温度と、低融点の第１金属板の融点よりも１０℃低い温度との間の温度に加熱することにより、接合を行う請求項２２記載の積層材の製造方法。
【請求項２４】
請求項７記載の積層材の製造方法であって、
１枚の第１金属板と、１枚のセラミック板とを、第１金属板とセラミック板とが隣接するように、且つ、セラミック板における第１金属板との隣接面の外周縁よりも内側に第１金属板のセラミック板との接合予定面が位置するように積層するとともに、セラミック板における第１金属板との隣接面の外周縁部に、セラミック板の隣接面における第１金属板の接合予定面の位置を決める位置決め治具を第１金属板の接合予定面の周りを囲うように配置する積層工程と、
第１金属板とセラミック板との積層体を１対の放電プラズマ焼結用電極間に配置する積層体配置工程と、
両電極間の導通を確保した状態で、両電極間にパルス電流を通電することにより第１金属板とセラミック板とを接合する接合工程と、を含むことを特徴とする積層材の製造方法。
【請求項２５】
接合工程では、第１金属板の融点よりも１０〜１５０℃低い温度に加熱することにより、接合を行う請求項２４記載の積層材の製造方法。
【請求項２６】
請求項８記載の積層材の製造方法であって、
１枚の第１金属板と、１枚のセラミック板と、放電プラズマ焼結法の加熱時の加熱温度では溶融しない材料からなる第２金属板とを、セラミック板と第１金属板とが隣接するように、且つ、セラミック板における第１金属板との隣接面の外周縁よりも内側に第１金属板のセラミック板との接合予定部が位置するように、更に、第２金属板が第１金属板におけるセラミック板との隣接面とは反対側の面側に位置するように積層するとともに、セラミック板における第１金属板との隣接面の外周縁部に、セラミック板の隣接面における第１金属板の接合予定面の位置を決める位置決め治具を第１金属板の接合予定面の周りを囲うように配置する積層工程と、
第１金属板とセラミック板と第２金属板との積層体を１対の放電プラズマ焼結用電極間に配置する積層体配置工程と、
両電極間の導通を確保した状態で、両電極間にパルス電流を通電することにより、第１金属板とセラミック板と、および、第１金属板と第２金属板とを同時に接合する接合工程と、を含むことを特徴とする積層材の製造方法。
【請求項２７】
接合工程では、第１金属板の融点よりも１０〜１５０℃低い温度に加熱することにより、接合を行う請求項２６記載の積層材の製造方法。
【請求項２８】
請求項９記載の積層材の製造方法であって、
セラミック板と、セラミック板の両側にそれぞれ配置される第１金属板とを、セラミック板と各第１金属板とが隣接するように、且つ、セラミック板における第１金属板との隣接面の外周縁よりも内側に第１金属板のセラミック板との接合予定面が位置するように積層するとともに、セラミック板における第１金属板との隣接面の外周縁部に、セラミック板の隣接面における第１金属板の接合予定面の位置を決める位置決め治具を第１金属板の接合予定面の周りを囲うように配置する積層工程と、
第１金属板とセラミック板との積層体を１対の放電プラズマ焼結用電極間に配置する積層体配置工程と、
両電極間の導通を確保した状態で、両電極間にパルス電流を通電することにより、隣り合う板どうしを接合する接合工程と、を含み、
両第１金属板の融点の差が１４０℃以内であることを特徴とする積層材の製造方法。
【請求項２９】
接合工程では、両第１金属板のうち高融点の第１金属板の融点よりも１５０℃低い温度と、低融点の第１金属板の融点よりも１０℃低い温度との間の温度に加熱することにより、接合を行う請求項２８記載の積層材の製造方法。
【請求項３０】
請求項１０記載の積層材の製造方法であって、
セラミック板と、セラミック板の両側にそれぞれ配置される第１金属板と、第１金属板のセラミック板配置側とは反対側に配置されるとともに放電プラズマ焼結法の加熱時の加熱温度では溶融しない材料からなる第２金属板とを、セラミック板と各第１金属板とが隣接するように、且つ、セラミック板における第１金属板との隣接面の外周縁よりも内側に第１金属板のセラミック板との接合予定面が位置するように積層するとともに、セラミック板における第１金属板との隣接面の外周縁部に、セラミック板の隣接面における第１金属板の接合予定面の位置を決める位置決め治具を第１金属板の接合予定面の周りを囲うように配置する積層工程と、
第１金属板とセラミック板と第２金属板との積層体を１対の放電プラズマ焼結用電極間に配置する積層体配置工程と、
両電極間の導通を確保した状態で、両電極間にパルス電流を通電することにより、隣り合う板どうしを接合する接合工程と、を含み、
両第１金属板の融点の差が１４０℃以内であることを特徴とする積層材の製造方法。
【請求項３１】
接合工程では、両第１金属板のうち高融点の第１金属板の融点よりも１５０℃低い温度と、低融点の第１金属板の融点よりも１０℃低い温度との間の温度に加熱することにより、接合を行う請求項３０記載の積層材の製造方法。
【請求項３２】
請求項１１記載の積層材の製造方法であって、
セラミック板と、セラミック板の片側に配置される第１金属板とを、セラミック板と第１金属板とが隣接するように、且つ、セラミック板における第１金属板との隣接面の外周縁よりも内側に第１金属板のセラミック板との接合予定面が位置するように積層するとともに、セラミック板における第１金属板との隣接面の外周縁部に、セラミック板の隣接面における第１金属板の接合予定面の位置を決める位置決め治具を第１金属板の接合予定面の周りを囲うように配置する積層工程と、
第１金属板とセラミック板との積層体を１対の放電プラズマ焼結用電極間に配置する積層体配置工程と、
両電極間の導通を確保した状態で、両電極間にパルス電流を通電することにより、隣り合う板どうしを同時に接合する接合工程と、を含むことを特徴とする積層材の製造方法。
【請求項３３】
接合工程では、第１金属板の融点よりも１０〜１５０℃低い温度に加熱することにより、接合を行う請求項３２記載の積層材の製造方法。
【請求項３４】
請求項１２記載の積層材の製造方法であって、
セラミック板と、セラミック板の片側に配置される第１金属板と、第１金属板のセラミック板配置側とは反対側に配置されるとともに放電プラズマ焼結法の加熱時の加熱温度では溶融しない材料からなる第２金属板とを、セラミック板と第１金属板とが隣接するように、且つ、セラミック板における第１金属板との隣接面の外周縁よりも内側に第１金属板のセラミック板との接合予定面が位置するように積層するとともに、セラミック板における第１金属板との隣接面の外周縁部に、セラミック板の隣接面における第１金属板の接合予定面の位置を決める位置決め治具を第１金属板の接合予定面の周りを囲うように配置する積層工程と、
第１金属板とセラミック板と第２金属板との積層体を１対の放電プラズマ焼結用電極間に配置する積層体配置工程と、
両電極間の導通を確保した状態で、両電極間にパルス電流を通電することにより、隣り合う板どうしを接合する接合工程と、を含むことを特徴とする積層材の製造方法。
【請求項３５】
接合工程では、第１金属板の融点よりも１０〜１５０℃低い温度に加熱することにより、接合を行う請求項３４記載の積層材の製造方法。
【請求項３６】
第１金属板が、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｌ合金、Ｃｕ合金、Ａｇ合金、Ａｕ合金、Ｎｉ合金およびＴｉ合金よりなる群から選ばれた１種の材料からなる請求項１７、１８、１９、２０、２１、２４、２５、２８、２９、３２又は３３記載の積層材の製造方法。
【請求項３７】
第２金属板が、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｌ合金、Ｃｕ合金、Ａｇ合金、Ａｕ合金、Ｎｉ合金およびＴｉ合金よりなる群から選ばれた１種の材料からなる請求項２２、２３、２６、２７、３０、３１、３４又は３５記載の積層材の製造方法。
【請求項３８】
セラミック板が、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ、Ｙ２Ｏ３、ＣａＯ、ＢＮおよびＢｅＯよりなる群から選ばれた１種の材料からなる請求項１７〜３７のうちのいずれかに記載の積層材の製造方法。
【請求項３９】
第１金属板の表面粗さが、算術平均粗さ（Ｒａ）で１．０μｍ以下である請求項１７〜３８のうちのいずれかに記載の積層材の製造方法。
【請求項４０】
セラミック板の表面粗さが、算術平均粗さ（Ｒａ）で１．５μｍ以下である請求項１７〜３９のうちのいずれかに記載の積層材の製造方法。
【請求項４１】
接合工程では、接合を、積層体の両側から１０〜１００ＭＰａで加圧しながら行う請求項１７〜４０のうちのいずれかに記載の積層材の製造方法。
【請求項４２】
接合工程では、接合を、不活性ガス雰囲気中または真空雰囲気中で行う請求項１７〜４１のうちのいずれかに記載の積層材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、積層材およびその製造方法に関し、たとえばＬＥＤやパワーデバイスなどの半導体素子の冷却を行うのに用いられる積層材およびその製造方法に関する。
【０００２】
この明細書において、元素記号で表現された材料は純材料を意味するが、不可避の不純物を含有する工業的な純材料も含むものとする。
【０００３】
また、この明細書および特許請求の範囲において、放電プラズマ焼結法とは、実際に粉末を焼結する方法に限定されるものではなく、放電プラズマ焼結の原理を利用した方法を意味するものとする。
【０００４】
さらに、この明細書および特許請求の範囲において、「融点」という用語は、合金の場合には、固相線温度を意味するものとする。
【背景技術】
【０００５】
近年、電力の送変電、鉄道車両の駆動制御、自動車のエンジン制御やインバータ駆動、エアコンや太陽光発電用インバータなどに、電力を変換制御するパワーデバイスが用いられている。
【０００６】
このパワーデバイスはスイッチング時の発熱が大きく、そのため、パワーデバイスの冷却効率を向上させることは、その機能を維持するためにきわめて重要な課題となっている。
【０００７】
パワーデバイスの冷却のために放熱器が用いられる。パワーデバイスと放熱器とを備えたパワーモジュールでは、パワーデバイスと放熱器との間に、互いに積層状に配置されたセラミック板と金属板とを備えた積層材が配置されている。この積層材は、熱的には伝導体であるが電気的には絶縁体として機能する性質を有するものであり、すなわち熱伝導性絶縁基板として用いられている。
【０００８】
従来では、この積層材は、特開２００４−３２８０１２号公報（特許文献１）に示すように、絶縁基板としてのセラミック板の片面もしくは両面に金属板をろう付けにより接合したのち、金属板の不要部分をエッチングにより除去して回路形成を行い、次いでセラミック板におけるエッチングによる露出部分を切断することで、作られている。
【０００９】
また、特開２００４−３２８０１２や特開２０００−２５６０８１号公報（特許文献２）に示すように、金属板とセラミック板との接合を行う場合、金属板とセラミック板との間の界面にＡｇやＴｉ等の活性金属を含んだろう材を配置するか（Ｃｕ、Ａｌ接合）、Ａｌ−Ｓｉ合金のろう材を配置する（Ａｌ接合）ことが知られている。
【００１０】
この種の用途に用いられる積層材では、金属板の外周縁部からの漏電を防止すべく、金属板のセラミック板との接合面は、セラミック板の金属板と接合された側の面の外周縁よりも内側に位置している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００４−３２８０１２号公報
【特許文献２】特開２０００−２５６０８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、上記方法では、金属板表面にレジスト印刷  →  エッチング  →  エッチング液洗浄除去  →  レジスト除去  →  洗浄  →  乾燥などの工程を順次行う必要があるため、製造コスト高の要因となる。
【００１３】
さらに、上記方法では、金属板とセラミック板との間の接合界面にろう材層が形成されるため接合界面の接合信頼性を損なう恐れがある。例えば、Ａｌ板とセラミック板との接合を行うためには、接合界面にＡｌ−Ｓｉ合金のろう材層が形成されるが、Ａｌ−Ｓｉ合金はＡｌ板のＡｌよりも硬いため、高温−低温の冷熱サイクルに伴う接合界面に働く応力が非常に大きなものとなる。その結果、界面付近で材料破壊が発生してＡｌ板とセラミック板とが剥離する。
【００１４】
本発明は上述した技術背景に鑑みてなされたもので、その目的は、金属板とセラミック板との間の界面剥離を防止することができ、更に、製造コストの低減を図ることができる積層材および該積層材の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は以下の手段を提供する。
【００１６】
［１］  複数枚の第１金属板と少なくとも１枚のセラミック板とが、少なくとも１枚の第１金属板とセラミック板とが隣接するように積層されるとともに、隣り合う第１金属板とセラミック板とが放電プラズマ焼結法により接合されており、セラミック板と隣接する全ての第１金属板の融点の差が１４０℃以内であり、
セラミック板における第１金属板と接合された側の面の外周縁よりも内側に、第１金属板のセラミック板との接合面が位置していることを特徴とする積層材。
【００１７】
［２］  第１金属板は３枚以上であり、
これらの第１金属板のうち２枚の第１金属板と１枚のセラミック板とが、セラミック板と各第１金属板とが隣接するように、且つ、セラミック板が両第１金属板間に位置するように積層されている前項１記載の積層材。
【００１８】
［３］  前記２枚の第１金属板のうち少なくともいずれか一方の第１金属板におけるセラミック板と接合された面とは反対側の面に、放電プラズマ焼結法の加熱時の加熱温度では溶融しない材料からなる第２金属板が、放電プラズマ焼結法により積層状に接合されている前項２記載の積層材。
【００１９】
［４］  １枚の第１金属板と１枚または２枚のセラミック板とが、第１金属板とセラミック板とが隣接するように積層されるとともに、隣り合う第１金属板とセラミック板とが放電プラズマ焼結法により接合されており、
少なくとも１枚のセラミック板における第１金属板と接合された側の面の外周縁よりも内側に、第１金属板のセラミック板との接合面が位置していることを特徴とする積層材。
【００２０】
［５］  ２枚の第１金属板と１枚のセラミック板とが、セラミック板と各第１金属板とが隣接するように、且つ、セラミック板が両第１金属板間に位置するように積層されるとともに、隣り合う第１金属板とセラミック板とが放電プラズマ焼結法により接合されており、両第１金属板の融点の差が１４０℃以内であり、
セラミック板における第１金属板と接合された側の面の外周縁よりも内側に、第１金属板のセラミック板との接合面が位置していることを特徴とする積層材。
【００２１】
［６］  両第１金属板のうち少なくとも一方の第１金属板におけるセラミック板と接合された面とは反対側の面に、放電プラズマ焼結法の加熱時の加熱温度では溶融しない材料からなる第２金属板が、放電プラズマ焼結法により積層状に接合されている前項５記載の積層材。
【００２２】
［７］  １枚の第１金属板と１枚のセラミック板とが隣接するように積層されるとともに、第１金属板とセラミック板とが放電プラズマ焼結法により接合されており、
セラミック板における第１金属板と接合された側の面の外周縁よりも内側に、第１金属板のセラミック板との接合面が位置していることを特徴とする積層材。
【００２３】
［８］  第１金属板におけるセラミック板と接合された面とは反対側の面に、放電プラズマ焼結法の加熱時の加熱温度では溶融しない材料からなる第２金属板が、放電プラズマ焼結法により積層状に接合されている前項７記載の積層材。
【００２４】
［９］  セラミック板と、セラミック板の両側にそれぞれ配置された第１金属板とが、セラミック板と各第１金属板とが隣接するように積層されるとともに、隣り合う板どうしが放電プラズマ焼結法により接合されており、両第１金属板の融点の差が１４０℃以内であり、
セラミック板における第１金属板と接合された側の面の外周縁よりも内側に、第１金属板のセラミック板との接合面が位置していることを特徴とする積層材。
【００２５】
［１０］  両第１金属板のうち少なくとも一方の第１金属板のセラミック板配置側とは反対側に、放電プラズマ焼結法の加熱時の加熱温度では溶融しない材料からなる第２金属板が配置されるとともに、第２金属板が第１金属板に放電プラズマ焼結法により積層状に接合されている前項９記載の積層材。
【００２６】
［１１］  セラミック板と、セラミック板の片側に配置された第１金属板とが隣接するように積層されるとともに、隣り合う板どうしが放電プラズマ焼結法により接合されており、
セラミック板における第１金属板と接合された側の面の外周縁よりも内側に、第１金属板のセラミック板との接合面が位置していることを特徴とする積層材。
【００２７】
［１２］
第１金属板のセラミック板配置側とは反対側に、放電プラズマ焼結法の加熱時の加熱温度では溶融しない材料からなる第２金属板が配置されるとともに、第２金属板が第１金属板に放電プラズマ焼結法により積層状に接合されている前項１１記載の積層材。
【００２８】
［１３］  第１金属板が、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｌ合金、Ｃｕ合金、Ａｇ合金、Ａｕ合金、Ｎｉ合金およびＴｉ合金よりなる群から選ばれた１種の材料からなる前項１、２、４、５、７、９又は１１記載の積層材。
【００２９】
［１４］  第２金属板が、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｌ合金、Ｃｕ合金、Ａｇ合金、Ａｕ合金、Ｎｉ合金およびＴｉ合金よりなる群から選ばれた１種の材料からなる前項３、６、８、１０又は１２記載の積層材。
【００３０】
［１５］  セラミック板が、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ、Ｙ２Ｏ３、ＣａＯ、ＢＮおよびＢｅＯよりなる群から選ばれた１種の材料からなる前項１〜１４のうちのいずれかに記載の積層材。
【００３１】
［１６］  上下両面の平面度が１００μｍ以下である前項１〜１５のうちのいずれかに記載の積層材。
【００３２】
［１７］  前項１記載の積層材の製造方法であって、
複数枚の第１金属板と、少なくとも１枚のセラミック板とを、少なくとも１枚の第１金属板とセラミック板とが隣接するように、且つ、セラミック板における第１金属板との隣接面の外周縁よりも内側に第１金属板のセラミック板との接合予定面が位置するように積層するとともに、セラミック板における第１金属板との隣接面の外周縁部に、セラミック板の隣接面における第１金属板の接合予定面の位置を決める位置決め治具を第１金属板の接合予定面の周りを囲うように配置する積層工程と、
第１金属板とセラミック板との積層体を１対の放電プラズマ焼結用電極間に配置する積層体配置工程と、
両電極間の導通を確保した状態で、両電極間にパルス電流を通電することにより隣り合う第１金属板とセラミック板とを接合する接合工程と、を含み、
積層工程においてセラミック板と隣接するように積層される全ての第１金属板の融点の差が１４０℃以内であることを特徴とする積層材の製造方法。
【００３３】
［１８］  接合工程では、セラミック板と隣接するように積層される全ての第１金属板のうち最も高融点の第１金属板の融点よりも１５０℃低い温度と、最も低融点の第１金属板の融点よりも１０℃低い温度との間の温度に加熱することにより、接合を行う前項１７記載の積層材の製造方法。
【００３４】
［１９］  前項４記載の積層材の製造方法であって、
１枚の第１金属板と１枚または２枚のセラミック板とを、第１金属板とセラミック板とが隣接するように、且つ、セラミック板における第１金属板との隣接面の外周縁よりも内側に第１金属板のセラミック板との接合予定面が位置するように積層するとともに、セラミック板における第１金属板との隣接面の外周縁部に、セラミック板の隣接面における第１金属板の接合予定面の位置を決める位置決め治具を第１金属板の接合予定面の周りを囲うように配置する積層工程と、
第１金属板とセラミック板との積層体を１対の放電プラズマ焼結用電極間に配置する積層体配置工程と、
両電極間の導通を確保した状態で、両電極間にパルス電流を通電することにより隣り合う第１金属板とセラミック板とを接合する接合工程と、を含むことを特徴とする積層材の製造方法。
【００３５】
［２０］  接合工程では、第１金属板の融点よりも１０〜１５０℃低い温度に加熱することにより、接合を行う前項１９記載の積層材の製造方法。
【００３６】
［２１］  前項５記載の積層材の製造方法であって、
融点の差が１４０℃以内の２枚の第１金属板と、１枚のセラミック板とを、セラミック板と各第１金属板とが隣接するように、且つ、セラミック板が両第１金属板間に位置するように、更に、セラミック板における第１金属板との隣接面の外周縁よりも内側に第１金属板のセラミック板との接合予定面が位置するように積層するとともに、セラミック板における第１金属板との隣接面の外周縁部に、セラミック板の隣接面における第１金属板の接合予定面の位置を決める位置決め治具を第１金属板の接合予定面の周りを囲うように配置する積層工程と、
第１金属板とセラミック板との積層体を１対の放電プラズマ焼結用電極間に配置する積層体配置工程と、
両電極間の導通を確保した状態で、両電極間にパルス電流を通電することにより、隣り合う第１金属板とセラミック板とを接合する接合工程と、を含むことを特徴とする積層材の製造方法。
【００３７】
［２２］  前項６記載の積層材の製造方法であって、
融点の差が１４０℃以内の２枚の第１金属板と、１枚のセラミック板と、放電プラズマ焼結法の加熱時の加熱温度では溶融しない材料からなる第２金属板とを、セラミック板と各第１金属板とが隣接するように、且つ、セラミック板が両第１金属板間に位置するように、且つ、セラミック板における第１金属板との隣接面の外周縁よりも内側に第１金属板のセラミック板との接合予定面が位置するように、更に、第２金属板が第１金属板におけるセラミック板との隣接面とは反対側の面側に位置するように、積層するとともに、セラミック板における第１金属板との隣接面の外周縁部に、セラミック板の隣接面における第１金属板の接合予定面の位置を決める位置決め治具を第１金属板の接合予定面の周りを囲うように配置する積層工程と、
第１金属板とセラミック板と第２金属板との積層体を１対の放電プラズマ焼結用電極間に配置する積層体配置工程と、
両電極間の導通を確保した状態で、両電極間にパルス電流を通電することにより、隣り合う第１金属板とセラミック板と、および、第１金属板と第２金属板とを同時に接合する接合工程と、を含むことを特徴とする積層材の製造方法。
【００３８】
［２３］  接合工程では、両第１金属板のうち高融点の第１金属板の融点よりも１５０℃低い温度と、低融点の第１金属板の融点よりも１０℃低い温度との間の温度に加熱することにより、接合を行う前項２２記載の積層材の製造方法。
【００３９】
［２４］  前項７記載の積層材の製造方法であって、
１枚の第１金属板と、１枚のセラミック板とを、第１金属板とセラミック板とが隣接するように、且つ、セラミック板における第１金属板との隣接面の外周縁よりも内側に第１金属板のセラミック板との接合予定面が位置するように積層するとともに、セラミック板における第１金属板との隣接面の外周縁部に、セラミック板の隣接面における第１金属板の接合予定面の位置を決める位置決め治具を第１金属板の接合予定面の周りを囲うように配置する積層工程と、
第１金属板とセラミック板との積層体を１対の放電プラズマ焼結用電極間に配置する積層体配置工程と、
両電極間の導通を確保した状態で、両電極間にパルス電流を通電することにより第１金属板とセラミック板とを接合する接合工程と、を含むことを特徴とする積層材の製造方法。
【００４０】
［２５］  接合工程では、第１金属板の融点よりも１０〜１５０℃低い温度に加熱することにより、接合を行う前項２４記載の積層材の製造方法。
【００４１】
［２６］  前項８記載の積層材の製造方法であって、
１枚の第１金属板と、１枚のセラミック板と、放電プラズマ焼結法の加熱時の加熱温度では溶融しない材料からなる第２金属板とを、セラミック板と第１金属板とが隣接するように、且つ、セラミック板における第１金属板との隣接面の外周縁よりも内側に第１金属板のセラミック板との接合予定部が位置するように、更に、第２金属板が第１金属板におけるセラミック板との隣接面とは反対側の面側に位置するように積層するとともに、セラミック板における第１金属板との隣接面の外周縁部に、セラミック板の隣接面における第１金属板の接合予定面の位置を決める位置決め治具を第１金属板の接合予定面の周りを囲うように配置する積層工程と、
第１金属板とセラミック板と第２金属板との積層体を１対の放電プラズマ焼結用電極間に配置する積層体配置工程と、
両電極間の導通を確保した状態で、両電極間にパルス電流を通電することにより、第１金属板とセラミック板と、および、第１金属板と第２金属板とを同時に接合する接合工程と、を含むことを特徴とする積層材の製造方法。
【００４２】
［２７］  接合工程では、第１金属板の融点よりも１０〜１５０℃低い温度に加熱することにより、接合を行う前項２６記載の積層材の製造方法。
【００４３】
［２８］  前項９記載の積層材の製造方法であって、
セラミック板と、セラミック板の両側にそれぞれ配置される第１金属板とを、セラミック板と各第１金属板とが隣接するように、且つ、セラミック板における第１金属板との隣接面の外周縁よりも内側に第１金属板のセラミック板との接合予定面が位置するように積層するとともに、セラミック板における第１金属板との隣接面の外周縁部に、セラミック板の隣接面における第１金属板の接合予定面の位置を決める位置決め治具を第１金属板の接合予定面の周りを囲うように配置する積層工程と、
第１金属板とセラミック板との積層体を１対の放電プラズマ焼結用電極間に配置する積層体配置工程と、
両電極間の導通を確保した状態で、両電極間にパルス電流を通電することにより、隣り合う板どうしを接合する接合工程と、を含み、
両第１金属板の融点の差が１４０℃以内であることを特徴とする積層材の製造方法。
【００４４】
［２９］  接合工程では、両第１金属板のうち高融点の第１金属板の融点よりも１５０℃低い温度と、低融点の第１金属板の融点よりも１０℃低い温度との間の温度に加熱することにより、接合を行う前項２８記載の積層材の製造方法。
【００４５】
［３０］  前項１０記載の積層材の製造方法であって、
セラミック板と、セラミック板の両側にそれぞれ配置される第１金属板と、第１金属板のセラミック板配置側とは反対側に配置されるとともに放電プラズマ焼結法の加熱時の加熱温度では溶融しない材料からなる第２金属板とを、セラミック板と各第１金属板とが隣接するように、且つ、セラミック板における第１金属板との隣接面の外周縁よりも内側に第１金属板のセラミック板との接合予定面が位置するように積層するとともに、セラミック板における第１金属板との隣接面の外周縁部に、セラミック板の隣接面における第１金属板の接合予定面の位置を決める位置決め治具を第１金属板の接合予定面の周りを囲うように配置する積層工程と、
第１金属板とセラミック板と第２金属板との積層体を１対の放電プラズマ焼結用電極間に配置する積層体配置工程と、
両電極間の導通を確保した状態で、両電極間にパルス電流を通電することにより、隣り合う板どうしを接合する接合工程と、を含み、
両第１金属板の融点の差が１４０℃以内であることを特徴とする積層材の製造方法。
【００４６】
［３１］  接合工程では、両第１金属板のうち高融点の第１金属板の融点よりも１５０℃低い温度と、低融点の第１金属板の融点よりも１０℃低い温度との間の温度に加熱することにより、接合を行う前項３０記載の積層材の製造方法。
【００４７】
［３２］  前項１１記載の積層材の製造方法であって、
セラミック板と、セラミック板の片側に配置される第１金属板とを、セラミック板と第１金属板とが隣接するように、且つ、セラミック板における第１金属板との隣接面の外周縁よりも内側に第１金属板のセラミック板との接合予定面が位置するように積層するとともに、セラミック板における第１金属板との隣接面の外周縁部に、セラミック板の隣接面における第１金属板の接合予定面の位置を決める位置決め治具を第１金属板の接合予定面の周りを囲うように配置する積層工程と、
第１金属板とセラミック板との積層体を１対の放電プラズマ焼結用電極間に配置する積層体配置工程と、
両電極間の導通を確保した状態で、両電極間にパルス電流を通電することにより、隣り合う板どうしを同時に接合する接合工程と、を含むことを特徴とする積層材の製造方法。
【００４８】
［３３］  接合工程では、第１金属板の融点よりも１０〜１５０℃低い温度に加熱することにより、接合を行う前項３２記載の積層材の製造方法。
【００４９】
［３４］  前項１２記載の積層材の製造方法であって、
セラミック板と、セラミック板の片側に配置される第１金属板と、第１金属板のセラミック板配置側とは反対側に配置されるとともに放電プラズマ焼結法の加熱時の加熱温度では溶融しない材料からなる第２金属板とを、セラミック板と第１金属板とが隣接するように、且つ、セラミック板における第１金属板との隣接面の外周縁よりも内側に第１金属板のセラミック板との接合予定面が位置するように積層するとともに、セラミック板における第１金属板との隣接面の外周縁部に、セラミック板の隣接面における第１金属板の接合予定面の位置を決める位置決め治具を第１金属板の接合予定面の周りを囲うように配置する積層工程と、
第１金属板とセラミック板と第２金属板との積層体を１対の放電プラズマ焼結用電極間に配置する積層体配置工程と、
両電極間の導通を確保した状態で、両電極間にパルス電流を通電することにより、隣り合う板どうしを接合する接合工程と、を含むことを特徴とする積層材の製造方法。
【００５０】
［３５］  接合工程では、第１金属板の融点よりも１０〜１５０℃低い温度に加熱することにより、接合を行う前項３４記載の積層材の製造方法。
【００５１】
［３６］  第１金属板が、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｌ合金、Ｃｕ合金、Ａｇ合金、Ａｕ合金、Ｎｉ合金およびＴｉ合金よりなる群から選ばれた１種の材料からなる前項１７、１８、１９、２０、２１、２４、２５、２８、２９、３２又は３３記載の積層材の製造方法。
【００５２】
［３７］  第２金属板が、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｌ合金、Ｃｕ合金、Ａｇ合金、Ａｕ合金、Ｎｉ合金およびＴｉ合金よりなる群から選ばれた１種の材料からなる前項２２、２３、２６、２７、３０、３１、３４又は３５記載の積層材の製造方法。
【００５３】
［３８］  セラミック板が、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ、Ｙ２Ｏ３、ＣａＯ、ＢＮおよびＢｅＯよりなる群から選ばれた１種の材料からなる前項１７〜３７のうちのいずれかに記載の積層材の製造方法。
【００５４】
［３９］  第１金属板の表面粗さが、算術平均粗さ（Ｒａ）で１．０μｍ以下である前項１７〜３８のうちのいずれかに記載の積層材の製造方法。
【００５５】
［４０］  セラミック板の表面粗さが、算術平均粗さ（Ｒａ）で１．５μｍ以下である前項１７〜３９のうちのいずれかに記載の積層材の製造方法。
【００５６】
［４１］  接合工程では、接合を、積層体の両側から１０〜１００ＭＰａで加圧しながら行う前項１７〜４０のうちのいずれかに記載の積層材の製造方法。
【００５７】
［４２］  接合工程では、接合を、不活性ガス雰囲気中または真空雰囲気中で行う前項１７〜４１のうちのいずれかに記載の積層材の製造方法。
【発明の効果】
【００５８】
本発明は以下の効果を奏する。
【００５９】
上記［１］の積層材では、セラミック板における第１金属板と接合された側の面の外周縁よりも内側に、第１金属板の接合面が位置しているので、第１金属板とセラミック板との接合を行うだけで、例えば半導体素子が実装される熱伝導性絶縁基板として利用可能な積層材を製造することができる。そのため、第１金属板の不要部分を除去するエッチング工程を無くすることができ、これにより積層材の製造コストの低減を図ることができる。さらに、第１金属板の外周縁部からの漏電も防止することができる。
【００６０】
さらに、放電プラズマ焼結法により隣り合う第１金属板とセラミック板とが接合されているので、第１金属板とセラミック板とを直接接合することができる。そのため、第１金属板とセラミック板との間の界面にろう材を配置する必要がない。その結果、冷熱サイクルに伴う第１金属板とセラミック板との間の界面剥離が抑制され、もって接合信頼性が向上する。さらに、ろう材を使用しないので、積層材の製造コストの更なる低減を図ることができる。
【００６１】
一方、従来の積層材では、第１金属板とセラミック板とがろう付けにより接合されているので、金属板とセラミック板との間の接合界面に内部応力が蓄積されており、そのため、セラミック板を複数個に分割した際にその分割破面に割れ（クラック）が生じるという欠点があった。これに対して、上記［１］の積層材では、第１金属板とセラミック板とがろう付けにより接合されているのではなく直接接合されているので、そのような割れの発生を抑制することができ、もって積層材の品質が安定する。
【００６２】
さらに、セラミック板と隣接する全ての第１金属板の融点の差が１４０℃以内であるから、１回の放電プラズマ焼結工程によって確実にセラミック板とこれに隣接する全ての第１金属板とを接合させることができるとともに、放電プラズマ焼結時に、融点が低い第１金属板の部分的な溶融などによる変形を防止することができる。
【００６３】
上記［２］の積層材において、例えば、第１金属板を配線層または電導層として利用することができるし、セラミック板を電気絶縁層として利用することができる。詳述すると、例えば、もしセラミック板に隣接する第１金属板がＡｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｌ合金、Ｃｕ合金、Ａｇ合金、Ａｕ合金、Ｎｉ合金およびＴｉ合金よりなる群から選ばれた１種の材料からなるとともに、セラミック板がＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ、Ｙ２Ｏ３、ＣａＯ、ＢＮおよびＢｅＯよりなる群から選ばれた１種の材料からなる場合には、第１金属板を配線層または電導層として利用することができるし、セラミック板を電気絶縁層として利用することができる。
【００６４】
上記［３］の積層材において、例えば、第２金属板を配線層として利用することができるし、セラミック板を電気絶縁層として利用することができる。詳述すると、例えば、もし第２金属板がＮｉ又はＮｉ合金からなるとともに、セラミック板がＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ、Ｙ２Ｏ３、ＣａＯ、ＢＮおよびＢｅＯよりなる群から選ばれた１種の材料からなる場合には、第２金属板を配線層として利用することができるし、セラミック板を電気絶縁層として利用することができる。
【００６５】
上記［４］の積層材では、上記［１］の積層材と同様の効果が得られる。
【００６６】
上記［５］の積層材では、上記［１］の積層材と同様の効果が得られる。また、上記［５］の積層材において、例えば、第１金属板を配線層または電導層として利用することができるし、セラミック板を電気絶縁層として利用することができる。詳述すると、例えば、もし第１金属板がＡｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｌ合金、Ｃｕ合金、Ａｇ合金、Ａｕ合金、Ｎｉ合金およびＴｉ合金よりなる群から選ばれた１種の材料からなるとともに、セラミック板がＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ、Ｙ２Ｏ３、ＣａＯ、ＢＮおよびＢｅＯよりなる群から選ばれた１種の材料からなる場合には、第１金属板を配線層または電導層として利用することができるし、セラミック板を電気絶縁層として利用することができる。
【００６７】
上記［６］の積層材において、例えば、第２金属板を配線層として利用することができるし、セラミック板を電気絶縁層として利用することができる。詳述すると、例えば、もし第２金属板がＮｉ又はＮｉ合金からなるとともに、セラミック板がＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ、Ｙ２Ｏ３、ＣａＯ、ＢＮおよびＢｅＯよりなる群から選ばれた１種の材料からなる場合には、第２金属板を配線層として利用することができるし、セラミック板を電気絶縁層として利用することができる。
【００６８】
上記［７］の積層材では、上記［１］の積層材と同様の効果が得られる。また、上記［７］の積層材において、例えば、第１金属板を配線層または電導層として利用することができるし、セラミック板を電気絶縁層として利用することができる。詳述すると、例えば、もし第１金属板がＡｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｌ合金、Ｃｕ合金、Ａｇ合金、Ａｕ合金、Ｎｉ合金およびＴｉ合金よりなる群から選ばれた１種の材料からなるとともに、セラミック板がＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ、Ｙ２Ｏ３、ＣａＯ、ＢＮおよびＢｅＯよりなる群から選ばれた１種の材料からなる場合には、第１金属板を配線層または電導層として利用することができるし、セラミック板を電気絶縁層として利用することができる。
【００６９】
上記［８］の積層材において、例えば、第２金属板を配線層として利用することができるし、セラミック板を電気絶縁層として利用することができる。詳述すると、例えば、もし第２金属板がＮｉ又はＮｉ合金からなるとともに、セラミック板がＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ、Ｙ２Ｏ３、ＣａＯ、ＢＮおよびＢｅＯよりなる群から選ばれた１種の材料からなる場合には、第２金属板を配線層として利用することができるし、セラミック板を電気絶縁層として利用することができる。
【００７０】
上記［９］の積層材では、上記［１］の積層材と同様の効果が得られる。また、上記［９］の積層材において、例えば、第１金属板を配線層または電導層として利用することができるし、セラミック板を電気絶縁層として利用することができる。詳述すると、例えば、もし第１金属板がＡｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｌ合金、Ｃｕ合金、Ａｇ合金、Ａｕ合金、Ｎｉ合金およびＴｉ合金よりなる群から選ばれた１種の材料からなるとともに、セラミック板がＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ、Ｙ２Ｏ３、ＣａＯ、ＢＮおよびＢｅＯよりなる群から選ばれた１種の材料からなる場合には、第１金属板を配線層または電導層として利用することができるし、セラミック板を電気絶縁層として利用することができる。
【００７１】
上記［１０］の積層材において、例えば、第２金属板を配線層として利用することができるし、セラミック板を電気絶縁層として利用することができる。詳述すると、例えば、もし第２金属板がＮｉ又はＮｉ合金からなるとともに、セラミック板がＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ、Ｙ２Ｏ３、ＣａＯ、ＢＮおよびＢｅＯよりなる群から選ばれた１種の材料からなる場合には、第２金属板を配線層として利用することができるし、セラミック板を電気絶縁層として利用することができる。
【００７２】
上記［１１］の積層材では、上記［１］の積層材と同様の効果が得られる。また、上記［１１］の積層材において、例えば、第１金属板を配線層または電導層として利用することができるし、セラミック板を電気絶縁層として利用することができる。詳述すると、例えば、もし第１金属板がＡｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｌ合金、Ｃｕ合金、Ａｇ合金、Ａｕ合金、Ｎｉ合金およびＴｉ合金よりなる群から選ばれた１種の材料からなるとともに、セラミック板がＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ、Ｙ２Ｏ３、ＣａＯ、ＢＮおよびＢｅＯよりなる群から選ばれた１種の材料からなる場合には、第１金属板を配線層または電導層として利用することができるし、セラミック板を電気絶縁層として利用することができる。
【００７３】
上記［１２］の積層材において、例えば、第２金属板を配線層として利用することができるし、セラミック板を電気絶縁層として利用することができる。詳述すると、例えば、もし第２金属板がＮｉ又はＮｉ合金からなるとともに、セラミック板がＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ、Ｙ２Ｏ３、ＣａＯ、ＢＮおよびＢｅＯよりなる群から選ばれた１種の材料からなる場合には、第２金属板を配線層として利用することができるし、セラミック板を電気絶縁層として利用することができる。
【００７４】
さらに、上記［１］〜［１６］の積層材によれば、第１金属板とセラミック板とが、第１金属板とセラミック板とが隣接するように積層されるとともに、隣り合う第１金属板とセラミック板とが放電プラズマ焼結法により接合されているので、製造の際に第１金属板の寸法変化は少なく、第１金属板の厚み方向の寸法精度を比較的簡単に向上させることが可能になる。したがって、生産性が優れたものになる。しかも、積層材の上下両面の平面度を、たとえば１００μｍ以下とすることができる。そのため、積層材の上下両面の平面度が向上し、研磨などのサイジング工程による仕上げ処理が不要になる。
【００７５】
上記［１５］の積層材によれば、セラミック板を高い電気絶縁性を有する電気絶縁層として利用することができる。
【００７６】
上記［１７］の積層材の製造方法によれば、上記［１］の積層材を確実に製造することができる。
【００７７】
上記［１８］の積層材の製造方法によれば、隣り合う第１金属板とセラミック板とを確実に接合することができる。
【００７８】
上記［１９］の積層材の製造方法によれば、上記［４］の積層材を確実に製造することができる。
【００７９】
上記［２０］の積層材の製造方法によれば、隣り合う第１金属板とセラミック板とを確実に接合することができる。
【００８０】
上記［２１］の積層材の製造方法によれば、上記［５］の積層材を確実に製造することができる。
【００８１】
上記［２２］の積層材の製造方法によれば、上記［６］の積層材を確実に製造することができる。
【００８２】
上記［２３］の積層材の製造方法によれば、隣り合う第１金属板とセラミック板、および第１金属板と第２金属板とを確実に同時に接合することができる。
【００８３】
上記［２４］の積層材の製造方法によれば、上記［７］の積層材を確実に製造することができる。
【００８４】
上記［２５］の積層材の製造方法によれば、第１金属板とセラミック板とを確実に接合することができる。
【００８５】
上記［２６］の積層材の製造方法によれば、上記［８］の積層材を確実に製造することができる。
【００８６】
上記［２７］の積層材の製造方法によれば、第１金属板とセラミック板、および第１金属板と第２金属板とを確実に同時に接合することができる。
【００８７】
上記［２８］の積層材の製造方法によれば、上記［９］の積層材を確実に製造することができる。
【００８８】
上記［２９］の積層材の製造方法によれば、隣り合う板どうしを確実に同時に接合することができる。
【００８９】
上記［３０］の積層材の製造方法によれば、上記［１０］の積層材を確実に製造することができる。
【００９０】
上記［３１］の積層材の製造方法によれば、隣り合う板どうしを確実に同時に接合することができる。
【００９１】
上記［３２］の積層材の製造方法によれば、上記［１１］の積層材を確実に製造することができる。
【００９２】
上記［３３］の積層材の製造方法によれば、隣り合う板どうしを確実に同時に接合することができる。
【００９３】
上記［３４］の積層材の製造方法によれば、上記［１２］の積層材を確実に製造することができる。
【００９４】
上記［３５］の積層材の製造方法によれば、隣り合う板どうしを確実に同時に接合することができる。
【００９５】
さらに、上記［１７］〜［３５］の積層材の製造方法によれば、セラミック板における第１金属板との隣接面の外周縁部に、位置決め治具を第１金属板のセラミック板との接合予定面の周りを囲うように配置しているので、セラミック板の隣接面に対して第１金属板の接合予定面を確実に且つ容易に位置決めすることができる。これにより、積層材を容易に製造することができる。
【００９６】
上記［３８］の積層材の製造方法によれば、セラミック板を高い電気絶縁性を有する電気絶縁層として利用することができる。
【００９７】
上記［３９］および［４０］の積層材の製造方法によれば、第１金属板とセラミック板との接触面積が増大し、第１金属板とセラミック板との間に接合欠陥が発生することを効果的に抑制することができる。
【００９８】
上記［４１］の積層材の製造方法によれば、第１金属板とセラミック板との間での接合欠陥の発生を効果的に防止することができる。
【００９９】
上記［４２］の積層材の製造方法によれば、第１金属板とセラミック板との間での接合欠陥の発生を効果的に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の実施形態１の積層材を示す垂直断面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、図１Ａの積層材の平面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、図１Ａの積層材の製造方法を示す垂直断面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、図２Ａの方法を実施する際の加熱温度の範囲を示す図である。
【図３】図３は、図１Ａの積層材の製造方法の第１変形例を示す図２Ａ相当の図である。
【図４】図４は、図１Ａの積層材の製造方法の第２変形例を示す図２Ａ相当の図である。
【図５】図５は、図１Ａの積層材の製造方法の第３変形例を示す図２Ａ相当の図である。
【図６】図６は、図１Ａの積層材の製造方法の第４変形例を示す図２Ａ相当の図である。
【図７Ａ】図７Ａは、本発明の実施形態２の積層材を示す垂直断面図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、図７Ａの積層材の製造方法を示す垂直断面図である。
【図８Ａ】図８Ａは、本発明の実施形態３の積層材を示す垂直断面図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、図８Ａの積層材の製造方法を示す垂直断面図である。
【図９Ａ】図９Ａは、本発明の実施形態４の積層材を示す垂直断面図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、図９Ａの積層材の製造方法を示す垂直断面図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施形態５の積層材を示す垂直断面図である。
【図１１】図１１は、図１０の積層材の製造方法を示す垂直断面図である。
【図１２】図１２は、本発明の実施形態６の積層材を示す垂直断面図である。
【図１３】図１３は、図１２の積層材の製造方法を示す垂直断面図である。
【図１４】図１４は、比較例１の積層材の製造方法を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【０１０１】
以下、この発明の幾つかの実施形態を、図面を参照して説明する。これらの実施形態は、積層材が、半導体素子（例：パワーデバイス）が実装される絶縁基板として利用可能なものである場合について示している。
【０１０２】
なお、以下の説明において、各図面の上下を上下というものとする。また、全図面を通じて同一部分および同一物には同一符号を付して重複する説明を省略する。
【０１０３】
実施形態１
図１Ａ〜２Ｂは、本発明の実施形態１を説明する図である。図１Ａおよび１Ｂは本発明の実施形態１の積層材を示し、図２Ａは図１Ａの積層材の製造方法を示す。図２Ｂは図２Ａの方法を実施する際の加熱温度の範囲を示す。
【０１０４】
図１Ａおよび１Ｂにおいて、積層材(1)は、複数枚の金属板(2)(3)と少なくとも１枚のセラミック板(4)とが、セラミック板(4)と各金属板(2)(3)とが隣接するように積層されるとともに、隣り合う金属板(2)(3)とセラミック板(4)とが放電プラズマ焼結法により接合されたものである。ここでは、積層材(1)は、上下２枚の金属板(2)(3)と１枚のセラミック板(4)とが、セラミック板(4)が両金属板(2)(3)間に位置するように積層されるとともに、両金属板(2)(3)とセラミック板(4)とが放電プラズマ焼結法により接合されたものである。すなわち、この積層材(1)は三層構造である。積層材(1)の上下両金属板(2)(3)は、水平状に配置されたセラミック板(4)の厚さ方向両側（即ち上下両側）にそれぞれ配置されている。
【０１０５】
なお、金属板(2)(3)は「第１金属板」に相当する。
【０１０６】
図１Ａおよび１Ｂに示すように、セラミック板(4)の形状は、平面視で四角形状である。各金属板(2)(3)の形状も同じく、平面視で四角形状である。さらに、セラミック板(4)の上面(4a)および下面(4a)の外形寸法は、各金属板(2)(3)の上面および下面の外形寸法よりも少し大きくなっている。すなわち、セラミック板(4)の上面(4a)の外形寸法は、上側金属板(2)の下面の外形寸法よりも少し大きくなっており、セラミック板(4)の下面(4a)の外形寸法は、下側金属板(3)の上面の外形寸法よりも少し大きくなっている。
【０１０７】
そして、セラミック板(4)における上側金属板(2)と接合された側の面（即ち、セラミック板(4)の上面(4a)）の外周縁(4z)よりも内側に、上側金属板(2)のセラミック板(4)との接合面(2a)（即ち、上側金属板(2)の下面）が位置している。さらに、セラミック板(4)における下側金属板(3)と接合された側の面（即ち、セラミック板(4)の下面(4a)）の外周縁(4z)よりも内側に、下側金属板(3)のセラミック板(4)との接合面(3a)（即ち、下側金属板(3)の上面）が位置している。したがって、セラミック板(4)の外周縁部がその全周に亘って各金属板(2)(3)の外周縁よりも外側に突出した状態になっている。
【０１０８】
本実施形態１の積層材(1)では、セラミック板(4)における上側金属板(2)と接合された側の面は、セラミック板(4)の上面(4a)である。セラミック板(4)における下側金属板(3)と接合された側の面は、セラミック板(4)の下面(4a)である。さらに、セラミック板(4)の上面(4a)は上側金属板(2)との隣接面でもあり、またセラミック板(4)の下面(4a)は下側金属板(3)との隣接面でもある。また、上側金属板(2)のセラミック板(4)との接合面(2a)は、上側金属板(2)の下面である。下側金属板(3)のセラミック板(4)との接合面(3a)は、下側金属板(3)の上面である。
【０１０９】
図１Ｂに示すように、セラミック板(4)の上面(4a)の外周縁(4z)から上側金属板(2)の接合面(2a)までの距離ｄは、０．５ｍｍ以上であることが望ましく、また同じく、セラミック板(4)の下面(4a)の外周縁(4z)から下側金属板(3)の接合面(3a)までの距離ｄは、０．５ｍｍ以上であることが望ましい。こうすることにより、金属板(2)(3)の外周縁部からの漏電を確実に防止することができる。なお、距離ｄの上限は特に限定されるものではなく、通常２．０ｍｍ位である。
【０１１０】
ここで本発明では、セラミック板(4)と金属板(2)(3)は平面視で互いに相似形でも良いし異形形状でも良い。また、それらの形状は、多角形でも良い、円形状、楕円形状、または任意の曲線で囲まれた形状でも良い。例えば、セラミック板(4)と金属板(2)(3)が平面視で互いに相似形の四角形である場合は、金属板(2)(3)はセラミック板(4)よりも各一辺の長さが１ｍｍ以上小さいものであることが望ましい。さらに、金属板(2)(3)の重心位置とセラミック板(4)の重心位置とが平面視において一致していることが望ましい。
【０１１１】
積層材(1)の上下両面、すなわち上側金属板(2)の上面および下側金属板(3)の下面における平面度は、それぞれ１００μｍ以下である。
【０１１２】
上下両金属板(2)(3)は、それぞれＡｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｌ合金、Ｃｕ合金、Ａｇ合金、Ａｕ合金、Ｎｉ合金およびＴｉ合金よりなる群から選ばれた１種の材料からなる。そして、上下両金属板(2)(3)を構成する材料は、これらの材料の中から、上側金属板(2)の融点と下側金属板(3)の融点との差が１４０℃以内となるように、適当に選択される。因みに、上下両金属板(2)(3)を構成する材料の融点は、Ａｌ：６６０℃、Ｃｕ：１０８３℃、Ａｇ：９６１℃、Ａｕ：１０６３℃、Ｎｉ：１４５５３℃、Ｔｉ：１７２７℃であり、またＡｌ合金、Ｃｕ合金、Ａｇ合金、Ａｕ合金、Ｎｉ合金およびＴｉ合金の融点は、通常それぞれＡｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、ＮｉおよびＴｉの融点よりも低い。上下両金属板(2)(3)は同一の材料から形成されていてもよいし、異なった材料で形成されていてもよい。また、上下両金属板(2)(3)の厚みは３ｍｍ以下であることが好ましい。上下両金属板(2)(3)は、公知の適当な方法で形成される。
【０１１３】
セラミック板(4)は、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ、Ｙ２Ｏ３、ＣａＯ、ＢＮおよびＢｅＯよりなる群から選ばれた１種の電気絶縁性材料からなる。セラミック板(4)の厚みは１ｍｍ以下であることが好ましい。セラミック板(4)は、たとえばＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ、Ｙ２Ｏ３、ＣａＯ、ＢＮおよびＢｅＯよりなる群から選ばれた１種の材料の粉末を、適当な焼結助剤を用いて放電プラズマ焼結法により焼結することにより形成される。また、セラミック板(4)は、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ、Ｙ２Ｏ３、ＣａＯ、ＢＮおよびＢｅＯよりなる群から選ばれた１種の材料の粉末を用いて熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）することにより形成されていてもよい。
【０１１４】
ここで、各セラミック材料の融点または分解点は、ＡｌＮ：２２００℃、Ａｌ２Ｏ３：２０５０℃、Ｓｉ３Ｎ４：１９００℃、ＳｉＣ：２０００℃、Ｙ２Ｏ３：２４００℃、ＣａＯ：２５７０℃、ＢＮ：３０００℃、ＢｅＯ：２５７０℃であり、上下両金属板(2)(3)を構成する材料の融点よりも高くなっている。
【０１１５】
次に、積層材(1)の製造方法について、図２Ａおよび２Ｂを参照して説明する。この積層材(1)の製造方法は、積層工程と積層体配置工程と接合工程とを含む放電プラズマ焼結工程を具備している。積層材(1)の製造方法は次のとおりである。
【０１１６】
すなわち、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｌ合金、Ｃｕ合金、Ａｇ合金、Ａｕ合金、Ｎｉ合金及びＴｉ合金よりなる群から選ばれた１種の材料からなり、かつ一般的な製法で作製された２枚の金属板(2)(3)と、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ、Ｙ２Ｏ３、ＣａＯ、ＢＮおよびＢｅＯよりなる群から選ばれた１種の材料からなり、かつ一般的な製法で作製された１枚のセラミック板(4)とを用意する。
【０１１７】
ここで、２枚の金属板(2)(3)の融点の差が１４０℃以内となるように、両金属板(2)(3)を構成する材料を上記材料の中から適宜選択する。なお、両金属板(2)(3)の融点の差が１４０℃以内とは、両金属板(2)(3)の融点が等しい場合、即ち融点の差が０℃の場合も含む。また、金属板(2)(3)の表面粗さは、算術平均粗さ（Ｒａ）で１．０μｍ以下であることが好ましく、金属板(2)(3)の厚みは３ｍｍ以下であることが好ましい。セラミック板(4)の表面粗さは、算術平均粗さ（Ｒａ）で１．５μｍ以下であることが好ましく、セラミック板(4)の厚みは１ｍｍ以下であることが好ましい。
【０１１８】
また、セラミック板(4)の上面(4a)における上側金属板(2)の位置を決める上側位置決め治具(50)と、セラミック板(4)の下面(4a)における下側金属板(3)の位置を決める下側位置決め治(50)とを用意する。両位置決め治具(50)(50)は、詳述すると、セラミック板(4)の上面(4a)または下面(4a)の外周縁(4z)(4z)よりも内側に、それぞれ上側金属板(2)の下面からなる接合予定面(2b)および下側金属板(3)の上面からなる接合予定面(3b)を位置させるためのものである。更に詳述すると、上側位置決め治具(50)は、セラミック板(4)の上面(4a)における外周縁(4z)と上側金属板(2)の接合予定面(2b)の外周縁との間の領域に配置され、下側位置決め部材(50)は、セラミック板(4)の下面(4a)における外周縁(4z)と下側金属板(3)の接合予定面(3b)の外周縁との間の領域に配置される。このように両位置決め部材(50)(50)が配置されることにより、両金属板(2)(3)の接合予定面(2b)(3b)の位置が決められる。各位置決め治具(50)は四角枠状である。
【０１１９】
位置決め治具(50)は、放電プラズマ焼結法によりセラミック板(4)および金属板(2)(3)と接合しない材料製である。具体的には、位置決め治具(50)の材質はカーボン(例：黒鉛)、金属、セラミックなどである。
【０１２０】
ついで、放電プラズマ焼結装置の導電性を有する筒状の黒鉛製焼結用ダイ(10)内に、両金属板(2)(3)およびセラミック板(4)を、セラミック板(4)と各金属板(2)(3)とが隣接するように、且つ、セラミック板(4)が両金属板(2)(3)間に位置するように、更に、セラミック板(4)の上面(4a)および下面(4a)における外周縁(4z)(4z)よりも内側にそれぞれ上側金属板(2)の下面からなる接合予定面(2b)および下側金属板(3)の上面からなる接合予定面(3b)が位置するように積層して配置する。このように、これらの板(2)(3)(4)が配置されることで積層体(60)が形成される。互いに隣り合う板どうし(2,4)(4,3)は面接触している。さらに、セラミック板(4)の上面(4a)および下面(4a)の外周縁部（4y）上に、それぞれ、位置決め治具(50)を上側金属板(2)の接合予定面（2b）および下側金属板(3)の接合予定面(3b)の周りを囲うように配置する。このように上下両位置決め治具(50)(50)が配置されることにより、セラミック板(4)の上面(4a)における上側金属板(2)の接合予定面(2b)の位置が決定されるとともに、セラミック板(4)の下面(4a)における下側金属板(3)の接合予定面(3b)の位置が決定される。この工程が「積層工程」に相当する。
【０１２１】
ダイ(10)の上下方向の高さは、両金属板(2)(3)およびセラミック板(4)の厚みの合計よりも高くなっており、ダイ(10)の上下両端部は、上下両金属板(2)(3)よりも上下方向外側に突出している。
【０１２２】
ついで、ダイ(10)内における上側金属板(2)、セラミック板(4)および下側金属板(3)からなる積層体(60)の上下両側にそれぞれ黒鉛製パンチ(11)(12)を配置するとともに、上パンチ(11)の上面および下パンチ(12)の下面にそれぞれ電極(13)(14)を電気的に接触させる。この状態では、両パンチ(11)(12)およびダイ(10)によって両電極(13)(14)間の導通が確保される。この工程が「積層体配置工程」に相当する。
【０１２３】
位置決め治具(50)は上述したように四角枠状のものである。位置決め治具(50)の外形寸法（外周寸法）は、セラミック板(4)の外形寸法（外周寸法）と同じである。位置決め治具（50）の内形寸法（内周寸法）は、対応する金属板(2)(3)の外形寸法（外周寸法）と同じか若干大きい。位置決め治具(50)の厚さは、対応する金属板(2)(3)の厚さと同じである。そして、位置決め治具(50)は、その内側空間に、対応する金属板(2)(3)が挿入配置されることにより、対応する金属板(2)(3)の接合予定面(2b)(3b)の周りを囲い得るように構成されている。
【０１２４】
位置決め治具(50)の外周面とその内周面との間の幅（即ち、位置決め治具(50)の肉厚）は０．５ｍｍ以上であるのが好ましい。また、位置決め治具(50)の内側空間に対応する金属板(2)(3)が配置された状態において、常温下では位置決め治具(50)の内周面と金属板(2)(3)との間にクリアランスを有するとともに、放電プラズマ焼結による接合時に金属板(2)(3)が熱膨張したときに金属板(2)(3)が位置決め治具(50)の内周面に接触することが好ましい。
【０１２５】
図２Ａでは、下パンチ(12)の上に下側位置決め治具(50)を配置し、その内側空間に下側金属板(3)を挿入配置し、その上にセラミック板(4)を配置し、さらにその上に上側位置決め治具(50)を配置し、その内側空間に上側金属板(2)を挿入配置し、そして上パンチ(11)でこれら部材を下パンチ(12)との間において挟み付けている。
【０１２６】
特に、セラミック板(4)の上面(4a)または下面(4a)の外周縁(4z)(4z)から各金属板(2)(3)の接合予定面(2b)(3b)までの距離ｄ（図１Ｂ参照）は、上述したように０．５ｍｍ以上であることが望ましい。
【０１２７】
ついで、１〜１０Ｐａの真空雰囲気中、または窒素やアルゴンなどの不活性ガス雰囲気中において、両金属板(2)(3)およびセラミック板(4)からなる積層体(60)を、上下両パンチ(11)(12)または両電極(13)(14)により上下両方向から、すなわち両金属板(2)(3)およびセラミック板(4)の積層方向の両側から加圧しつつ、両電極(13)(14)間にパルス電流を通電することにより、設定温度に加熱昇温するとともに、当該温度に所定時間保持し、これにより、両金属板(2)(3)とセラミック板(4)とを接合する。ここで、両金属板(2)(3)の融点が同じ場合には、両金属板(2)(3)の融点よりも１０〜１５０℃低い温度に加熱する。また、両金属板(2)(3)の融点が異なる場合には、両金属板(2)(3)のうち高融点の金属板の融点よりも１５０℃低い温度と、低融点の金属板の融点よりも１０℃低い温度との間の温度に加熱する。すなわち、図２Ｂに示すように、高融点の金属板の融点をＴ１℃、低融点の金属板の融点をＴ２℃とした場合、高融点の金属板をセラミック板(4)に放電プラズマ焼結法により接合しうる加熱温度は、（Ｔ１−１５０）〜（Ｔ１−１０）℃の範囲内であり、低融点の金属板をセラミック板(4)に放電プラズマ焼結法により接合しうる加熱温度は、（Ｔ２−１５０）〜（Ｔ２−１０）℃の範囲内であるから、加熱温度がＴＷで示す（Ｔ２−１５０）〜（Ｔ２−１０）℃の範囲内であれば、低融点の金属板が溶融することなく、両金属板(2)(3)を同時にセラミック板(4)に接合することが可能になる。なお、（Ｔ１−１５０）℃と（Ｔ２−１０）℃が同じ温度の場合がある。この工程が「接合工程」に相当する。接合が終了したら、冷却後、位置決め治具(50)を取り外す。こうして、積層材(1)が製造される。
【０１２８】
なお、各金属板(2)(3)とセラミック板(4)とが接合されることで、各金属板(2)(3)の接合予定面(2b)(3b)がそれぞれセラミック板(4)との接合面(2a)(3a)となる。
【０１２９】
上述した方法での接合条件は、両金属板(2)(3)およびセラミック板(4)の材料や寸法に応じて異なるが、たとえば通電するパルス電流１０００〜３００００Ａ、加圧力１０〜１００ＭＰａ、接合温度保持時間１〜３０ｍｉｎである。
【０１３０】
なお、両金属板(2)(3)とセラミック板(4)とが接合されるメカニズムは明確ではないが、次の通りであると考えられる。
【０１３１】
すなわち、金属板(2)(3)とセラミック板(4)とからなる積層体(60)を積層方向の両側から加圧すると、金属板(2)(3)が降伏することにより、金属板(2)(3)を構成する材料がセラミック板(4)表面の微小な凹部に入り込み、金属板(2)(3)とセラミック板(4)との接触面積が大きくなる。この状態で、放電プラズマ焼結装置の両電極(13)(14)を導通されるとともに両電極(13)(14)間にパルス電流を通電し、最も高融点の金属板の融点よりも１５０℃低い温度と、最も低融点の金属板の融点よりも１０℃低い温度との間の温度に加熱すると、金属板(2)(3)が軟化して金属板(2)(3)とセラミック板(4)との接触面積が一層大きくなる。このとき、金属板(2)(3)表面とセラミック板(4)表面との接触部付近において放電プラズマが放射されると、金属板(2)(3)表面の酸化皮膜が破壊、除去されるので、活性な表面が露出する。この金属板(2)(3)の活性面がセラミック板(4)の表面と接触すると、物質拡散により金属板(2)(3)とセラミック板(4)とが接合されると考えられる。
【０１３２】
図３〜図６は、積層材(1)を製造する方法の幾つかの変形例を示す。
【０１３３】
図３に示す方法の場合、放電プラズマ焼結装置の上下両電極(13)(14)と上下両金属板(2)(3)との間にはパンチは配置されていない。また、導電性を有する黒鉛製焼結用ダイ(20)の高さは、両金属板(2)(3)およびセラミック板(4)の厚みの合計よりも若干高くなっており、両金属板(2)(3)およびセラミック板(4)からなる積層体(60)を、上下両電極(13)(14)により上下両方から加圧した際に、上下両電極(13)(14)がダイ(20)と上下両金属板(2)(3)とに接するようになっている。したがって、加圧状態において、ダイ(20)によって両電極(13)(14)間の導通が確保される。
【０１３４】
その他は、図２Ａに示す方法と同様にして積層材(1)が製造される。
【０１３５】
図４に示す方法の場合、放電プラズマ焼結装置の上下両電極(13)(14)と上下両金属板(2)(3)との間にはパンチは配置されていない。また、導電性を有する黒鉛製焼結用ダイ(25)の高さは、両金属板(2)(3)およびセラミック板(4)の厚みの合計よりも低く、かつセラミック板(4)の厚みよりも高くなっている。両金属板(2)(3)およびセラミック板(4)からなる積層体(60)を、上下両電極(13)(14)により上下両方向から加圧した際に、ダイ(25)が両電極(13)(14)とは接触せず、上下両金属板(2)(3)または上下両位置決め治具(50)(50)に跨った位置に来るようになっている。さらに、上下両位置決め治具（50）(50)は導電性を有する材料（例：黒鉛）から製作されている。したがって、加圧状態において、上下両金属板(2)(3)およびダイ(25)によって両電極(13)(14)間の通電が確保されるか、あるいは、上下両金属板(2)(3)、上下両位置決め治具(50)(50)およびダイ(25)によって両電極(13)(14)間の導通が確保される。
【０１３６】
図４においては、上側金属板(2)は、その下面の中央部に下方突出状に凸部が一体形成されている。そして、この凸部の突端面が接合予定部(2b)となされている。そして、この接合予定面(2b)がセラミック板(4)の上面(4a)の外周縁(4z)よりも内側に上面(4a)と接触して配置されている。下側金属板(3)は、その上面の中央部に上方突出状に凸部が一体形成されている。そして、この凸部の突端面が接合予定部(3b)となされている。そして、この接合予定面(3b)がセラミック板(4)の下面(4a)の外周縁(4z)よりも内側に下面(4a)と接触して配置されている。
【０１３７】
上側金属板(2)の凸部と下側金属板(3)の凸部は、それぞれ対応する位置決め治具(50)の内側空間に挿入配置されており、これにより、上下両金属板(2)(3)の接合予定面(2b)(3b)の周りが対応する位置決め治具(50)で囲まれている。
【０１３８】
位置決め治具(50)の厚さは、対応する金属板(2)(3)の凸部の突出高さに対して等しいか、または０．０５ｍｍ程度小さく設定されている。
【０１３９】
図４では、下電極(14)の上に下側金属板(3)を配置し、その上に下側位置決め治具(50)をその内側空間に下側金属板(3)の凸部が挿入されるように配置し、その上にセラミック板(4)を配置し、さらにその上に上側位置決め治具(50)を配置し、その内側空間内に金属板(2)の凸部が挿入されるように金属板(2)を配置し、そして上電極(13)でこれら部材を下電極(14)との間において挟み込んでいる。
【０１４０】
その他は、図２Ａに示す方法と同様にして積層材(1)が製造される。
【０１４１】
図５に示す方法の場合、図３に示す方法に用いられる放電プラズマ焼結装置において、上下両電極(13)(14)と上下両金属板(2)(3)との間に、それぞれ導電性を有する黒鉛製スペーサ(26)(27)が配置されている。スペーサ(26)(27)の大きさはダイ(20)の上下両端開口よりも大きい。また、両金属板(2)(3)およびセラミック板(4)からなる積層体(60)を、上下両電極(13)(14)によりスペーサ(26)(27)を介して上下両方向から加圧した際に、上下両スペーサ(26)(27)がダイ(20)上と下両金属板(2)(3)とに接するようになっている。したがって、加圧状態において、スペーサ(26)(27)およびダイ(20)によって両電極(13)(14)間の導通が確保される。その他は、図３に示す方法と同様にして積層材(1)が製造される。
【０１４２】
図６に示す方法の場合、図４に示す方法に用いられる放電プラズマ焼結装置において、上下両電極(13)(14)と上下両金属板(2)(3)との間に、それぞれ黒鉛製スペーサ(26)(27)が配置されている。スペーサ(26)(27)の大きさはダイ(25)の上下両端開口よりも大きい。また、両金属板(2)(3)およびセラミック板(4)からなる積層体(60)を、上下両電極(13)(14)によりスペーサ(26)(27)を介して上下両方向から加圧した際に、ダイ(25)が両電極(13)(14)とは接触せず、上下両金属板(2)(3)または上下両位置決め治具(50)(50)に跨った位置に来るようになっている。さらに、上下両位置決め治具(50)(50)は導電性を有する材料（例：黒鉛）から製作されている。したがって、加圧状態において、上下両スペーサ(26)(27)、上下両金属板(2)(3)およびダイ(25)によって両電極(13)(14)間の導通が確保されるか、あるいは、上下両スぺーサ(26)(27)、上下両金属板(2)(3)、上下両位置決め治具(50)(50)およびダイ(25)によって両電極(13)(14)間の導通が確保される。その他は、図４に示す方法と同様にして積層材(1)が製造される。
【０１４３】
実施形態２
図７Ａおよび７Ｂは、本発明の実施形態２を説明する図である。図７Ａは本発明の実施形態２の積層材(30A)を示し、図７Ｂは図７Ａの積層材(30A)の製造方法を示す。この積層材(30A)は四層構造のものである。
【０１４４】
図７Ａにおいて、積層材(30A)は、実施形態１の積層材(1)における上下両金属板(2)(3)のうちの少なくともいずれか一方の金属板(2)(3)におけるセラミック板(4)と接合された面とは反対側の面、ここでは下側金属板(3)の下面に、高融点金属材(31)が放電プラズマ焼結法により積層状に接合されている。すなわち、高融点金属材(31)は、下側金属板(3)のセラミック板(4)配置側とは反対側に配置されている。
【０１４５】
なお、高融点金属板(31)は「第２金属板」に相当する。
【０１４６】
高融点金属材(31)は、積層材(30A)を製造する際の放電プラズマ焼結法の加熱時の加熱温度では溶融しない材料からなるものである。すなわち、両金属板(2)(3)が同じ融点を有する材料からなる場合には、高融点金属板(31)は両金属板(2)(3)の融点以上の融点を有する材料からなり、両金属板(2)(3)の融点が異なる場合には、高融点金属板(31)は融点が低い方の金属板の融点よりも高い融点を有する材料からなる。たとえば、両金属板(2)(3)がＡｌまたはＡｌ合金からなる場合、高融点金属板(31)は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｕ合金、Ａｇ合金、Ａｕ合金、Ｎｉ合金およびＴｉ合金よりなる群から選ばれた１種の材料で形成されるのが望ましい。
【０１４７】
高融点金属板(31)の形状は、セラミック板(4)および両金属板(2)(3)の形状と同じく、平面視で四角形状である。さらに、高融点金属材(31)の上面および下面の外形寸法は、各金属板(2)(3)の上面および下面の外形寸法よりも少し大きくなっており、同図ではセラミック板(4)の上面および下面の外形寸法と同じになっている。すなわち、高融点金属板(31)の上面の外形寸法は、下側金属板(3)の下面の外形寸法よりも少し大きくなっている。
【０１４８】
高融点金属板(31)は、下側金属板(3)よりも各一辺の長さが０．５ｍｍ以上大きくなっている。さらに、高融点金属板(31)の重心位置とセラミック板(4)の重心位置とが平面視において一致していることが望ましい。なお、高融点金属板(31)の形状は、その他に、円形状、楕円形状、または任意の曲線で囲まれた形状でも良い。
【０１４９】
次に、積層材(30A)の製造方法について、図７Ｂを参照して説明する。
【０１５０】
すなわち、実施形態１の積層材(1)を製造するのに用いられる２枚の金属板(2)(3)と、１枚のセラミック板(4)と、２個の位置決め治具(50)(50)とを用意する。さらに、もし両金属板(2)(3)がＡｌまたはＡｌ合金からなる場合、たとえばＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｕ合金、Ａｇ合金、Ａｕ合金、Ｎｉ合金およびＴｉ合金よりなる群から選ばれた１種の材料からなる高融点金属板(31)を用意する。
【０１５１】
ここで、高融点金属板(31)の表面粗さは、算術平均粗さ（Ｒａ）で１．０μｍ以下であることが好ましく、厚みは３ｍｍ以下であることが好ましい。
【０１５２】
ついで、放電プラズマ焼結装置の導電性を有する黒鉛製焼結用ダイ(32)内に、両金属板(2)(3)、セラミック板(4)および高融点金属板(31)を、セラミック板(4)と各金属板(2)(3)とが隣接するように、且つ、セラミック板(4)が両金属板(2)(3)間に位置するように、更に、セラミック板(4)の上面(4a)および下面(4a)における外周縁(4z)(4z)よりも内側にそれぞれ上側金属板(2)の接合予定面(2b)および下側金属板(3)の接合予定面(3b)が位置するように、更に、高融点金属板(31)が下側金属板(3)の下側に位置するように積層して配置する。こうして、これらの板(2)(3)(4)(31)が積層されることで積層体(60)が形成される。互いに隣り合う板どうし(2,4)(4,3)(3,31)は面接触している。さらに、セラミック板(4)の上面(4a)および下面(4a)の外周縁部（4y）上に、それぞれ、位置決め治具(50)を上側金属板(2)の接合予定面（2b）および下側金属板(3)の接合予定面(3b)の周りを囲うように配置する。このように上下両位置決め治具(50)(50)が配置されることにより、セラミック板(4)の上面(4a)における上側金属板(2)の接合予定面(2b)の位置が決定されるとともに、セラミック板(4)の下面(4a)における下側金属板(3)の接合予定面(3b)の位置が決定される。
【０１５３】
ダイ(32)の上下方向の高さは、両金属板(2)(3)、セラミック板(4)および高融点金属板(31)の厚みの合計よりも高くなっており、ダイ(32)の上下両端部は、上下両金属板(2)(3)よりも上下方向外側に突出している。ついで、ダイ(32)内における両金属板(2)(3)、セラミック板(4)および高融点金属板(31)からなる積層体(60)の上下両側に黒鉛製パンチ(11)(12)を配置するとともに、上パンチ(11)の上面および下パンチ(12)の下面にそれぞれ電極(13)(14)を電気的に接触させる。この状態では、両パンチ(11)(12)およびダイ(32)によって両電極(13)(14)間の導通が確保される。
【０１５４】
ついで、１〜１０Ｐａの真空雰囲気中、または窒素やアルゴンなどの不活性ガス雰囲気中において、両金属板(2)(3)、セラミック板(4)および高融点金属板(31)からなる積層体(60)を、上下両パンチ(11)(12)または両電極(13)(14)により上下両方、すなわち両金属板(2)(3)、セラミック板(4)および高融点金属板(31)の積層方向の両側から加圧しつつ、両電極(13)(14)間にパルス電流を通電することにより、両金属板(2)(3)の融点が同じ場合には、両金属板(2)(3)の融点よりも１０〜１５０℃低い温度に加熱昇温し、両金属板(2)(3)の融点が異なる場合には、両金属板(2)(3)のうち高融点の金属板の融点よりも１５０℃低い温度と、低融点の金属板の融点よりも１０℃低い温度との間の温度に加熱昇温し、当該温度に所定時間保持し、これにより、両金属板(2)(3)とセラミック板(4)、および、下側金属板(3)と高融点金属板(31)とを同時に接合する。次いで、冷却をした後、位置決め治具(50)を取り外す。こうして、積層材(30A)が製造される。
【０１５５】
上述した方法での両金属板(2)(3)とセラミック板(4)、および下側金属板(3)と高融点金属板(31)との接合条件は、両金属板(2)(3)、セラミック板(4)および高融点金属板(31)の材料や寸法に応じて異なるが、たとえば通電するパルス電流１０００〜３００００Ａ、加圧力１０〜１００ＭＰａ、接合温度保持時間１〜３０ｍｉｎである。
【０１５６】
実施形態３
図８Ａおよび８Ｂは、本発明の実施形態３を説明する図である。図８Ａは本発明の実施形態３の積層材(30B)を示し、図８Ｂは図８Ａの積層材(30B)の製造方法を示す。この積層材(30B)は四層構造のものである。
【０１５７】
この積層材(30B)およびその製造方法を、図７Ａに示した上記実施形態２の積層材(30A)およびその製造方法とは異なる点を中心に以下に説明する。
【０１５８】
図８Ａの積層材(30B)の高融点金属板(31)は、その大きさが図７Ａの積層材(30A)の高融点金属材(31)の大きさよりも小さいものである。すなわち、図８Ａの積層材(30B)の高融点金属材(31)の上面および下面の寸法は、下側金属板(3)の下面の寸法に対して等しくなっている。図８Ａの積層材(30B)のその他の構成は、図７Ａの積層材(30A)と同じである。
【０１５９】
次に、積層材(30B)の製造方法について、図８Ｂを参照して説明する。
【０１６０】
この積層材(30B)の製造方法では、下側位置決め治具(50)の厚みは、高融点金属板(31)および下側金属板(3)の厚みの合計と同じかまたは若干小さくなっている。そして、高融点金属板(31)および下側金属板(3)が下側位置決め治具(50)の内側空間に挿入配置されている。この積層材(30B)の製造方法のその他の構成および条件は、図７Ｂの積層材(30A)の製造方法と同じである。
【０１６１】
実施形態４
図９Ａおよび９Ｂは、本発明の実施形態４を説明する図である。図９Ａは本発明の実施形態４の積層材(30C)を示し、図９Ｂは図９Ａの積層材(30C)の製造方法を示す。この積層材(30C)は四層構造のものである。
【０１６２】
図９Ａにおいて、積層材(30C)は、図８Ａの積層材(30B)を上下反転した構成のものである。すなわち、この積層材(30C)は、実施形態１の積層材(1)における上下両金属板(2)(3)のうちの少なくとも一方の金属板(2)におけるセラミック板(4)と接合された面とは反対側の面、ここでは上側金属板(2)の上面に、積層材(30C)を製造する際の放電プラズマ焼結法の加熱時の加熱温度では溶融しない材料からなる高融点金属板(36)が、放電プラズマ焼結法により積層状に接合されている。
【０１６３】
両金属板(2)(3)はたとえばＡｌまたはＡｌ合金で形成されている。この場合、高融点金属板(36)はたとえばＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｕ合金、Ａｇ合金、Ａｕ合金、Ｎｉ合金およびＴｉ合金よりなる群から選ばれた１種の材料で形成されており、これらの材料は、高熱伝導性を有するとともに、はんだ付け性が優れている。
【０１６４】
図示は省略したが、積層材(30C)は、以下に述べるようにして、半導体モジュール用ベースとしてパワーモジュール用ベースに用いられる。
【０１６５】
高融点金属板(36)の表面をマスキングしてエッチングを施すことにより上側金属板(2)を部分的に露出させ、上側金属板(2)の露出した部分にさらにエッチングを施すことによって回路を形成し、これにより、上側金属板(2)を、表面に高融点金属板(36)を備えた配線層とする。また、Ａｌ、Ａｌ合金、Ｃｕ、Ｃｕ合金などの高熱伝導性材料からなるヒートシンクなどの放熱材と、Ａｌ、Ａｌ合金、Ｃｕ、Ｃｕ合金などの高熱伝導性材料からなり、且つ応力吸収空間を有する応力緩和部材とを用意する。応力緩和部材としては、たとえば複数の貫通穴が形成されたＡｌまたはＡｌ合金からなり、貫通穴が応力吸収空間となっているものが用いられる。
【０１６６】
そして、放熱材上に、応力緩和部材を介して積層材(30C)を置き、下側金属板(3)と応力緩和部材、および応力緩和部材と放熱板とを同時にろう付けする。こうして、半導体モジュール用ベースとしてパワーモジュール用ベースが構成される。
【０１６７】
なお、放熱材は、たとえば内部に冷却流体通路を有する中空体の上壁からなることがある。冷却流体としては、液体および気体のいずれを用いてもよい。また、放熱材は、応力緩和部材が接合された面とは反対側の面に放熱フィンが設けられた放熱板からなることがある。
【０１６８】
パワーモジュール用ベースの積層材(30C)の上側金属板(2)の表面に接合された高融点金属板(36)に、半導体素子としてのパワーデバイスがはんだ付けにより実装されてパワーモジュールが構成される。ここで、高融点金属板(36)は、はんだ付け性に優れた材料からなるので、上側金属板(2)の表面に、はんだの濡れ性を向上させるＮｉメッキなどを施す処理工程が不要となり、製造コストを低減させることができる。
【０１６９】
当該パワーモジュールにおいて、パワーデバイスから発せられた熱は、高融点金属板(36)、上側金属板(2)、セラミック板(4)、下側金属板(3)および応力緩和部材を経て放熱材に伝えられ、放熱材から放熱される。
【０１７０】
なお、実施形態４の積層材(30C)の下側金属板(3)の下面に、実施形態２や３の場合と同様な材料からなる高融点金属板(31)が積層状に接合されていてもよい。
【０１７１】
実施形態４の積層材(30C)は、図９Ｂに示すように、実施形態３の積層材(30B)の製造方法と同じにようにして製造される。
【０１７２】
実施形態５
図１０および１１は、本発明の実施形態５を説明する図である。図１０は本発明の実施形態５の積層材(40A)を示し、図１１は図１０の積層材(40A)の製造方法を示す。
【０１７３】
図１０において、積層材(40A)は、１枚の金属板(41)が１枚のセラミック板(42)の上面(4a)に放電プラズマ焼結法によって積層状に接合されたものであり、すなわち１枚の金属板(41)と１枚のセラミック板(42)とが、金属板(41)がセラミック板(42)の上側に位置するように金属板(41)とセラミック板(42)とが隣接して積層されるとともに、金属板(41)とセラミック板(42)とが放電プラズマ焼結法により接合されたものである。したがって、セラミック板(42)における金属板(41)と接合された側の面は、セラミック板(42)の上面(4a)である。さらに、セラミック板(42)の上面(4a)は金属板(41)との隣接面でもある。金属板(41)のセラミック板(42)との接合面(2a)は、金属板(41)の下面である。
【０１７４】
この積層材(40A)では、金属板(41)のセラミック板(42)との接合面(2a)は、セラミック板(42)の上面(4a)の外周縁(4z)よりも内側に位置している。
【０１７５】
なお、金属板(41)は「第１金属板」に相当する。
【０１７６】
セラミック板(42)の形状は、平面視で四角形状である。金属板(41)の形状も同じく、平面視で四角形状である。さらに、セラミック板(42)の上面(4a)の寸法は、金属板(41)の下面の寸法よりも少し大きくなっている。
【０１７７】
セラミック板(42)の上面(4a)の外周縁(4z)から金属板(41)の接合面(2a)までの距離ｄは、０．５ｍｍ以上であることが望ましい。
【０１７８】
ここで、セラミック板(42)と金属板(41)は相似形でも良いし異形形状でも良い。また、それらの形状は、多角形でも良い、円形状、楕円形状、または任意の曲線で囲まれた形状でも良い。
【０１７９】
積層材(40A)の上下両面、すなわち金属板(41)の上面およびセラミック板(42)の下面の平面度は、それぞれ１００μｍ以下である。
【０１８０】
金属板(41)およびセラミック板(42)としては、それぞれ実施形態１の積層材(1)における両金属板(2)(3)およびセラミック板(4)と同様な材料からなるものが用いられる。この実施形態５の場合、金属板(41)の融点を考慮する必要はない。
【０１８１】
次に、積層材(40A)の製造方法について、図１１を参照して説明する。
【０１８２】
すなわち、実施形態１の積層材(1)を製造するのに用いられる上下のいずれかの金属板(2)(3)およびセラミック板(4)と同様の材料からなる１枚の金属板(41)および１枚のセラミック板(42)を用意する。
【０１８３】
ついで、放電プラズマ焼結装置の導電性を有する黒鉛製焼結用ダイ(45)内に、金属板(41)およびセラミック板(42)を、セラミック板(42)と金属板(41)とが隣接するように、且つ、セラミック板(42)の上面(4a)における外周縁(4z)よりも内側に金属板(41)の下面からなる接合予定面(2b)が位置するように積層して配置する。こうして、これらの板(41)(42)が積層されることで積層体(60)が形成される。互いに隣り合う板どうし(41,42)は面接触している。さらに、セラミック板(42)の上面(4a)の外周縁部(4y)上に位置決め治具(50)を金属板(41)の接合予定面(2b)の周りを囲うように配置する。このように位置決め治具(50)が配置されることにより、セラミック板(42)の上面(4a)における金属板(41)の接合予定面(2b)の位置が決定される。
【０１８４】
ダイ(45)の上下方向の高さは、セラミック板(42)の厚みよりも高くかつ金属板(41)およびセラミック板(42)の厚みの合計よりも低くなっており、金属板(41)の一部がダイ(45)から上方に突出している。位置決め治具(50)は導電性を有する材料（例：黒鉛）から製作されている。
【０１８５】
ついで、金属板(41)およびセラミック板(42)からなる積層体(60)の上下両側にそれぞれ電極(13)(14)を配置するとともに、両電極(13)(14)を金属板(41)およびセラミック板(42)に接触させる。この状態では、金属板(41)、位置決め治具(50)およびダイ(45)によって両電極(13)(14)間の導通が確保される。
【０１８６】
ついで、１〜１０Ｐａの真空雰囲気中、または窒素やアルゴンなどの不活性ガス雰囲気中において、金属板(41)およびセラミック板(42)からなる積層体(60)を、上下両電極(13)(14)により上下両方向から加圧しつつ、両電極(13)(14)間にパルス電流を通電することにより、金属板(41)の融点よりも１０〜１５０℃低い温度に加熱昇温するとともに、当該温度に所定時間保持し、金属板(41)とセラミック板(42)とを接合する。次いで、位置決め治具(50)を取り外す。こうして、積層材(40A)が製造される。
【０１８７】
上述した方法での金属板(41)とセラミック板(42)との接合条件は、金属板(41)およびセラミック板(42)の材料や寸法に応じて異なるが、たとえば通電するパルス電流１０００〜３００００Ａ、加圧力１０〜１００ＭＰａ、接合温度保持時間１〜３０ｍｉｎである。
【０１８８】
実施形態６
図１２および１３は、本発明の実施形態６を説明する図である。図１２は本発明の実施形態６の積層材(40B)を示し、図１３は図１２の積層材(40B)の製造方法を示す。
【０１８９】
この積層材(40B)では、上述した実施形態５の積層材(40A)の第１金属板としての金属板(41)の上面に、第２金属板としての高融点金属板(43)が、放電プラズマ焼結法により積層状に接合されている。高融点金属板(43)は、積層材(30C)を製造する際の放電プラズマ焼結法の加熱時の温度では溶融しない材料からなるものである。金属板(41)がＡｌまたはＡｌ合金からなる場合、高融点金属板(43)は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｕ合金、Ａｇ合金、Ａｕ合金、Ｎｉ合金およびＴｉ合金よりなる群から選ばれた１種の材料で形成されるのが望ましい。このような積層材(40B)は例えば以下のように製造される。
【０１９０】
図１３に示すように、放電プラズマ焼結装置のダイ(45)内に、１枚の金属板(41)と、１枚のセラミック板(42)と、１枚の高融点金属板(43)とを、セラミック板(42)と金属板(41)とが隣接するように、且つ、セラミック板(42)の上面(4a)における外周縁(4z)よりも内側に金属板(41)の下面からなる接合予定面(2b)が位置するように、更に、高融点金属板(43)が金属板(41)の上側に位置するように積層して配置する。こうして、これらの板(41)(42)(43)が積層されることで積層体(60)が形成される。互いに隣り合う板どうし(43,41)(41,42)は面接触している。さらに、セラミック板(42)の上面(4a)の外周縁部(4y)上に位置決め治具(50)を金属板(41)の接合予定面(2b)の周りを囲うように配置する。このように位置決め治具(50)が配置されることにより、セラミック板(42)の上面(4a)における金属板(41)の接合予定面(2b)の位置が決定される。
【０１９１】
次いで、金属板(41)とセラミック板(42)と高融点金属板(43)とからなる積層体(60)の上下両側にそれぞれ電極(13)(14)を配置するとともに、両電極(13)(14)を高融点金属板(43)およびセラミック板(42)に接触させる。この状態では、ダイ(45)によって両電極(13)(14)間の導通が確保される。
【０１９２】
次いで、１〜１０Ｐａの真空雰囲気中、または窒素やアルゴンなどの不活性ガス雰囲気中において、高融点金属材、金属板(41)およびセラミック板(42)からなる積層体(60)を、上下両電極(13)(14)により上下両方向から加圧しつつ、両電極(13)(14)間にパルス電流を通電することにより、金属板(41)の融点よりも１０〜１５０℃低い温度に加熱昇温するとともに、当該温度に所定時間保持し、金属板(41)とセラミック板(42)、および、金属板(41)と高融点金属板(43)とを同時に接合する。次いで、冷却をした後、位置決め治具(50)を取り外す。こうして、所望する積層材（40B）が製造される。
【０１９３】
なお、上述した実施形態２〜６において、金属板とセラミック板とが接合されるメカニズムは、実施形態１の場合と同様であると考えられる。
【０１９４】
以上で本発明の幾つかの実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、様々に変更可能である。
【０１９５】
上述した幾つかの実施形態の積層材(1)(30A)(30B)(30C)(40A)(40B)の一応用例（適用例）について、パワーモジュールに用いられる絶縁基板を例にして以下に説明する。
【０１９６】
積層材(1)(30A)(30B)(30C)(40A)(40B)は、例えば、電気鉄道車両などの電動機の電力変換装置に使用されるMOSFETやダイオードおよびIGBTなどの半導体素子が実装される熱伝導性絶縁基板として特に好適に用いられる。実装された半導体素子の熱は、積層材を介して放熱材としての放熱部材や冷却部材に伝わる。
【０１９７】
具体的に例示すると、積層材の一方の片側の最外側に配置された金属板の表面には、放熱材としてアルミニウムや銅などで構成された空冷もしくは液冷式ヒートシンクが熱伝導性グリースなどによる接着、または、はんだやろう材などによる金属的接合によって貼り付けられる。積層材の他方の片側の最外側に配置された金属板の表面には、パワーデバイスなどの半導体素子がはんだ付けなどにより金属的に接合される。半導体素子から発せられた熱は、積層材の金属板およびセラミック板を介してヒートシンクに伝わる。これにより、半導体素子が冷却される。
【０１９８】
また本発明では、第１金属板や第２金属板（高融点金属板）は、Ｃ、ＳｉＣ等との金属基複合材料から形成されていても良い。
【実施例】
【０１９９】
以下、本発明による積層材の具体的実施例について、比較例とともに説明する。
【０２００】
［参考例１〜９］
この参考例１〜９は、金属板とセラミック板とを放電プラズマ焼結法により接合する際の加熱温度を調べるために行ったものである。この参考例１〜９の積層材は、図１に示した実施形態１の積層材(1)と同様の三層構造のものである。
【０２０１】
純度９９．９９質量％のＡｌからなり、縦３４ｍｍ、横２８ｍｍ、厚み１．０ｍｍの２枚のＡｌ製金属板(2)(3)と、縦３４ｍｍ、横２８ｍｍ、厚み０．６３５ｍｍの１枚のＡｌＮ製セラミック板(4)（５質量％程度のＹ２Ｏ３を含む）とを用意した。そして、両金属板(2)(3)およびセラミック板(4)の表面に、有機溶剤を用いて脱脂処理を施した。なお、酸化皮膜の除去処理は施していない。各金属板(2)(3)の両面の表面粗さは、算術平均粗さでＲａ０．３μｍ、セラミック板(4)の両面の表面粗さは、算術平均粗さでＲａ０．８μｍである。なお、Ｒａは、ＪＩＳ（日本工業規格）  Ｂ  ０６０１：１９９４に準拠して測定した。
【０２０２】
ついで、図２Ａに示すように、焼結用ダイ(10)内に、両金属板(2)(3)およびセラミック板(4)を、セラミック板(4)と各金属板(2)(3)とが隣接するように、且つ、セラミック板(4)が両金属板(2)(3)間に位置するように積層して配置した。そして、ダイ(10)内における両金属板(2)(3)およびセラミック板(4)からなる積層体(60)の上下両側にそれぞれ黒鉛製パンチ(11)(12)を配置するとともに、上パンチ(11)の上面および下パンチ(12)の下面にそれぞれ電極(13)(14)を電気的に接触させた。
【０２０３】
ついで、１〜１０Ｐａの真空雰囲気中において、両金属板(2)(3)およびセラミック板(4)からなる積層体(60)を上下両方向から２０ＭＰａの圧力で加圧しつつ、両電極(13)(14)間に最大２０００Ａのパルス電流を通電することにより両金属板(2)(3)およびセラミック板(4)を、室温から５分間かけて種々の温度まで加熱するとともに、当該温度で５分間保持し、これにより両金属板(2)(3)とセラミック板(4)とを接合した。ついで、両電極(13)(14)間の通電を停止した後、冷却し、三層構造の積層材(1)を製造した。なお、金属板(2)(3)を形成する純度９９．９９質量％のＡｌの融点は６６０℃である。
【０２０４】
製造された積層材(1)を観察したところ、参考例２〜８においては、両金属板(2)(3)は溶融することなく、全面的にセラミック板(4)に接合されていた。これに対し、参考例１においては、両金属板(2)(3)とセラミック板(4)との接合面積は小さく、両金属板(2)(3)とセラミック板(4)とは簡単に剥離した。参考例９においては、両金属板(2)(3)が溶融した。
【０２０５】
加熱温度および接合状態を表１に示す。
【０２０６】
【表１】
2011184286.tif 000003
【０２０７】
このように、セラミック板(4)と隣接する全ての金属板(2)(3)を構成する材料が同じ場合、すなわち両金属板(2)(3)の融点が等しい場合には、両金属板(2)(3)の融点（６６０℃）よりも１５０℃低い温度（５１０℃）と１０℃低い温度（６５０℃）との間の温度に加熱すれば、１回の放電プラズマ焼結工程によって確実にセラミック板(4)とこれに隣接する両金属板(2)(3)とを接合させることができるとともに、放電プラズマ焼結法による接合時に金属板(2)(3)の部分的な溶融などによる変形を防止することができることを確認し得た。さらにこの参考例から、セラミック板(4)と隣接する全ての金属板を構成する材料が異なる場合、即ち両金属板(2)(3)の融点が異なる場合でも、これらの金属板のうち最も高融点の金属板の融点よりも１５０℃低い温度と、最も低融点の金属板の融点よりも１０℃低い温度との間の温度に加熱すれば、１回の放電プラズマ焼結工程によって確実にセラミック板(4)とこれに隣接する全ての金属板(2)(3)とを接合させることができるとともに、放電プラズマ焼結法による接合時に金属板(2)(3)の部分的な溶融などによる変形を防止できることを容易に理解できるであろう（後述する実施例３参照）。
【０２０８】
［実施例１］
この実施例１の積層材は、図１Ａおよび１Ｂに示した実施形態１の積層材(1)である。
【０２０９】
純度９９．９９質量％のＡｌからなり、縦３３ｍｍ、横２７ｍｍ、厚み０．６ｍｍの２枚のＡｌ製金属板(2)(3)と、縦３４ｍｍ、横２８ｍｍ、厚み０．６３５ｍｍの１枚のＡｌＮ製セラミック板(4)とを用意した。そして、両金属板(2)(3)およびセラミック板(4)の表面に、有機溶剤を用いて脱脂処理を施した。なお、酸化皮膜の除去処理は施していない。各金属板(2)(3)の両面の表面粗さは、算術平均粗さでＲａ０．３μｍ、セラミック板(4)の両面の表面粗さは、算術平均粗さでＲａ０．８μｍである。なお、Ｒａは、ＪＩＳ  Ｂ  ０６０１：１９９４に準拠して測定した。
【０２１０】
ついで、図２に示すように、焼結用ダイ(10)内に、両金属板(2)(3)およびセラミック板(4)を、セラミック板(4)と各金属板(2)(3)とが隣接するように、且つ、セラミック板(4)が両金属板(2)(3)間に位置するように、更に、セラミック板(4)の上面(4a)および下面(4a)における外周縁(4z)(4z)よりも内側にそれぞれ上側金属板(2)の接合予定面(2b)および下側金属板(3)の接合予定面(3b)が位置するように積層して配置した。さらに、セラミック板(4)の上面(4a)および下面(4a)の外周縁部（4y）上に、それぞれ、位置決め治具(50)を上側金属板(2)の接合予定面（2b）および下側金属板(3)の接合予定面(3b)の周りを囲うように配置した。位置決め治具(50)は、黒鉛（カーボン）製であり、その形状は四角枠状である。
【０２１１】
ここで、セラミック板(4)の上面(4a)の外周縁(4z)から上側金属板(2)の接合予定面(2b)までの距離ｄは、０．５ｍｍに設定した。また同じく、セラミック板(4)の下面(4a)の外周縁(4z)から下側金属板(3)の接合予定面(3b)までの距離ｄは、０．５ｍｍに設定した。
【０２１２】
そして、ダイ(10)内における両金属板(2)(3)およびセラミック板(4)からなる積層体(60)の上下両側にそれぞれ黒鉛製パンチ(11)(12)を配置するとともに、上パンチ(11)の上面および下パンチ(12)の下面にそれぞれ電極(13)(14)を電気的に接触させた。
【０２１３】
ついで、１〜１０Ｐａの真空雰囲気中において、両金属板(2)(3)およびセラミック板(4)からなる積層体(60)を上下両パンチ(11)(12)を介して両電極（13）(14)により上下両方向から２０ＭＰａの圧力で加圧しつつ、両電極(13)(14)間に最大１５００Ａのパルス電流を通電することにより両金属板(2)(3)およびセラミック板(4)を、室温から１５分間かけて５７５℃まで加熱するとともに、５７５℃で５分間保持し、これにより両金属板(2)(3)とセラミック板(4)とを接合した。接合のための加熱温度である５７５℃は、金属板(2)(3)を形成する純度９９．９９質量％のＡｌの融点６６０℃よりも１０〜１５０℃低い温度である。ついで、両電極(13)(14)間の通電を停止した後、冷却し、その後、位置決め治具(50)を破壊して取り外すことにより、三層構造の積層材(1)を製造した。
【０２１４】
製造された積層材(1)の両面の平面度を測定したところ、４４μｍであった。また、製造された積層材(1)における両金属板(2)(3)とセラミック板(4)との接合状態を確認するために、積層材(1)の断面観察を実施したところ、セラミック板(4)と各金属板(2)(3)との間の接合界面には欠陥が見られず、良好な接合が行われていた。
【０２１５】
また、製造された積層材(1)について、−４０℃⇔１２５℃、１０００サイクルという試験条件の冷熱サイクル試験を行った。そして、セラミック板(4)と各金属板(2)(3)との間の接合界面の剥離の有無と、セラミック板の割れの有無とを調べた。その結果を表２に示す。
【０２１６】
［実施例２］
両電極(13)(14)間でのパルス電流の通電を窒素からなる不活性ガス雰囲気中で行ったことを除いて、実施例１と同様にして三層構造の積層材(1)を製造した。
【０２１７】
製造された積層材(1)の両面の平面度を測定したところ、５３μｍであった。また、製造された積層材(1)における両金属板(2)(3)とセラミック板(4)との接合状態を確認するために、積層材(1)の断面観察を実施したところ、セラミック板(4)と各金属板(2)(3)との間の接合界面には欠陥が見られず、良好な接合が行われていた。
【０２１８】
また、製造された積層材(1)について、実施例１の冷熱サイクル試験と同じ試験条件で冷熱サイクル試験を行った。そして、セラミック板(4)と各金属板(2)(3)との間の接合界面の剥離の有無と、セラミック板の割れの有無とを調べた。その結果を表２に示す。
【０２１９】
［比較例１］
三層構造の積層材を従来方法に従って次のように製造した。
【０２２０】
純度９９．９９質量％のＡｌからなり、縦６８ｍｍ、横５６ｍｍ、厚み０．６ｍｍの２枚のＡｌ製金属板と、縦６８ｍｍ、横５６ｍｍ、厚み０．６３５ｍｍの１枚のＡｌＮ製セラミック板とを用意した。
【０２２１】
次いで、両金属板とセラミック板とを、セラミック板が両金属板間に位置するように積層した。さらに、各金属板とアルミニウム板との間の界面に、Ａｌ−Ｓｉ合金のろう材箔を配置した。そして、この積層体を真空中で６００℃に加熱することにより、セラミック板に各金属板をろう付けにより接合した。
【０２２２】
次いで、金属板の不要部分を塩化第二鉄を用いたエッチングにより除去し、これにより、図１４に示すように各金属板(101)を４つの金属島(101a)に分けた。各金属島(101a)のサイズは縦３３ｍｍ、横２７ｍｍである。
【０２２３】
その後、セラミック板(104)を縦３４ｍｍ、横２８ｍｍのサイズに分割線Ｌに沿って４分割することで、実施例１の積層材(1)と同様な形状の積層材(101)を製造した。
【０２２４】
また、製造された積層材(101)について、実施例１の冷熱サイクル試験と同じ試験条件で冷熱サイクル試験を行った。そして、セラミック板(104)と各金属島(102a)との間の接合界面の剥離の有無と、セラミック板(104)の割れの有無とを調べた。その結果を表２に示す。
【０２２５】
【表２】
2011184286.tif 000004
【０２２６】
表２に示すように、比較例１の積層材(101)では、冷熱サイクル試験によりセラミック板(104)と各金属島(102a)との間の接合界面に剥離が発生した。さらに、セラミック板(104)と各金属島(102a)との接合をろう付けにより行ったので、セラミック板(104)に内部応力が蓄積され、その結果、セラミック板(104)の分割破面に割れが発生した。
【０２２７】
これに対して、実施例１および２の積層材(1)では、冷熱サイクル試験による接合界面の剥離が発生しなかった。さらに、セラミック板(4)に割れは発生しなかった。
【０２２８】
［実施例３］
この実施例３の積層材は、図１に示した実施形態１の積層材(1)である。
【０２２９】
純度９９．９９質量％のＡｌからなり且つ縦３３ｍｍ、横２７ｍｍ、厚み０．６ｍｍの１枚のＡｌ製金属板(2)と、Ｓｉ：１０質量％を含み残部Ａｌおよび不可避不純物からなり且つ縦３３ｍｍ、横２７ｍｍ、厚み１．０ｍｍの１枚のＡｌ−Ｓｉ合金製金属板(3)と、縦３４ｍｍ、横２８ｍｍ、厚み０．６３５ｍｍの１枚のＡｌＮ製セラミック板(4)とを用意した。そして、両金属板(2)(3)およびセラミック板(4)の表面に、有機溶剤を用いて脱脂処理を施した。なお、酸化皮膜の除去処理は施していない。各金属板(2)(3)の両面の表面粗さは、算術平均粗さでＲａ０．３μｍ、セラミック板(4)の両面の表面粗さは、算術平均粗さでＲａ０．８μｍである。
【０２３０】
ついで、図２Ａに示すように、焼結用ダイ(10)内に、両金属板(2)(3)およびセラミック板(4)を、セラミック板(4)と各金属板(2)(3)とが隣接するように、且つ、セラミック板(4)が両金属板(2)(3)間に位置するように、且つ、セラミック板(4)の上面(4a)および下面(4a)における外周縁(4z)(4z)よりも内側にそれぞれ上側金属板(2)の接合予定面(2b)および下側金属板(3)の接合予定面(3b)が位置するように積層して配置した。さらに、セラミック板(4)の上面(4a)および下面(4a)の外周縁部（4y）上に、それぞれ、位置決め治具(50)を上側金属板(2)の接合予定面（2b）および下側金属板(3)の接合予定面(3b)の周りを囲うように配置した。位置決め治具(50)は、黒鉛（カーボン）製であり、その形状は四角枠状である。
【０２３１】
ここで、セラミック板(4)の上面(4a)の外周縁(4z)から上側金属板(2)の接合予定面(2b)までの距離ｄは、０．５ｍｍに設定した。また同じく、セラミック板(4)の下面(4a)の外周縁(4z)から下側金属板(3)の接合予定面(3b)までの距離ｄは、０．５ｍｍに設定した。
【０２３２】
そして、ダイ(10)内における両金属板(2)(3)およびセラミック板(4)からなる積層体(60)の上下両側にそれぞれ黒鉛製パンチ(11)(12)を配置するとともに、上パンチ(11)の上面および下パンチ(12)の下面にそれぞれ電極(13)(14)を電気的に接触させた。
【０２３３】
ついで、１〜１０Ｐａの真空雰囲気中において、両金属板(2)(3)およびセラミック板(4)からなる積層体(60)を上下両パンチ(11)(12)を介して両電極（13）(14)により上下両方向から２０ＭＰａの圧力で加圧しつつ、両電極(13)(14)間に最大２０００Ａのパルス電流を通電することにより両金属板(2)(3)およびセラミック板(4)を、１０分間かけて５４０℃まで加熱するとともに、５４０℃で３分間保持し、これにより両金属板(2)(3)とセラミック板(4)とを接合した。接合のための加熱温度である５４０℃は、上側金属板(2)（即ちＡｌ製金属板）を形成する純度９９．９９質量％のＡｌの融点６６０℃よりも１５０℃低い５１０℃と、下側金属板(3)（即ちＡｌ−Ｓｉ合金製金属板）を形成するＡｌ−Ｓｉ合金の融点５７７℃よりも１０℃低い５６７℃との間の温度である。ついで、両電極(13)(14)間の通電を停止した後、冷却し、その後、位置決め治具(50)を破壊して取り外すことにより、三層構造の積層材(1)を製造した。
【０２３４】
得られた積層材(1)の接合界面の状態を断面観察により確認したところ、Ａｌ製金属板(2)とセラミック板(4)、およびＡｌ−Ｓｉ合金製金属板(3)とセラミック板(4)とは、それぞれ確実に接合されていた。
【産業上の利用可能性】
【０２３５】
本発明による積層材は、例えば、自動車（電気自動車、ハイブリッド自動車等）、電気鉄道車両または電動機に用いられる、LEDやパワーデバイスなどの半導体素子を、効率的に冷却するのに好適に用いられる。
【符号の説明】
【０２３６】
(1)(30A)(30B)(40A)(40B)：積層材
(2)(3)(41)：金属板（第１金属板）
(4)(42)：セラミック板
(31)(43)：高融点金属板（第２金属）
【図１Ａ】
2011184286.tif 000005
【図１Ｂ】
2011184286.tif 000006
【図２Ａ】
2011184286.tif 000007
【図２Ｂ】
2011184286.tif 000008
【図３】
2011184286.tif 000009
【図４】
2011184286.tif 000010
【図５】
2011184286.tif 000011
【図６】
2011184286.tif 000012
【図７Ａ】
2011184286.tif 000013
【図７Ｂ】
2011184286.tif 000014
【図８Ａ】
2011184286.tif 000015
【図８Ｂ】
2011184286.tif 000016
【図９Ａ】
2011184286.tif 000017
【図９Ｂ】
2011184286.tif 000018
【図１０】
2011184286.tif 000019
【図１１】
2011184286.tif 000020
【図１２】
2011184286.tif 000021
【図１３】
2011184286.tif 000022
【図１４】
2011184286.tif 000023