(57)【要約】【課題】金属回路板の熱伝導性および電気伝導性が良好であり、金属回路板としてのクラッド材とセラミックス基板との接合の信頼性が高く、且つ安価に製造することができる、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。【解決手段】鋳型内においてセラミックス基板１０の一方の面に金属ベース板１２を直接接合するとともに他方の面に第１の金属板１４の一方の面を直接接合する際に、第１の金属板１４の他方の面に第２の金属板１６を直接接合することにより、第１の金属板１４と第２の金属板１６とからなるクラッド材をセラミックス基板１０に直接接合する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板の一方の面に第１の金属板の一方の面が接合し、この第１の金属板の他方の面に第２の金属板が取り付けられた金属−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と第２の金属板を離間して配置させ、この鋳型内のセラミックス基板の一方の面と第２の金属板に接触するように溶湯を注湯した後に冷却して凝固させることにより、セラミックス基板と第２の金属板との間に第１の金属板を形成して、セラミックス基板の一方の面に第１の金属板の一方の面を直接接合するとともに、この第１の金属板の他方の面に第２の金属板を直接接合す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】
前記セラミックス基板の一方の面と前記第２の金属板に接触するように前記溶湯を注湯した後に冷却して凝固させることにより、前記セラミックス基板と前記第２の金属板との間に前記第１の金属板を形成する際に、前記セラミックス基板の他方の面に接触するように前記溶湯を注湯した後に冷却して凝固させることにより、前記セラミックス基板の他方の面に金属部材を形成して金属部材を直接接合す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】
前記溶湯がアルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯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】
前記第２の金属板が、銅、銅基合金または鉄−ニッケル系合金からな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】
セラミックス基板の一方の面に第１の金属板の一方の面が直接接合するとともに、この第１の金属板の他方の面に第２の金属板が直接接合していることを特徴とする、金属−セラミックス接合基板。
【請求項６】
前記セラミックス基板の他方の面に金属部材が直接接合していることを特徴とする、請求項５に記載の金属−セラミックス接合基板。
【請求項７】
前記第１の金属板が、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなることを特徴とする、請求項５または６に記載の金属−セラミックス接合基板。
【請求項８】
前記第２の金属板が、銅、銅基合金または鉄−ニッケル系合金からなることを特徴とする、請求項５乃至７のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板。
【請求項９】
前記第２の金属板が、金属溶湯が凝固することにより前記第１の金属板が形成される際に前記第１の金属板の他方の面に接合することを特徴とする、請求項５乃至８のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板。
【請求項１０】
前記第２の金属板が、半田を使用することなく前記第１の金属板の他方の面に接合していることを特徴とする、請求項５乃至９のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板。
【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およびその製造方法に関し、特に、異なる種類の複数の金属板からなるクラッド材がセラミックス基板の一方の面に接合した金属−セラミックス接合基板およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電気自動車、電車、工作機械などの大電力を制御するためにパワーモジュールが使用されており、このようなパワーモジュール用の金属−セラミックス絶縁基板として、セラミックス基板の表面に銅回路板を接合した銅−セラミックス接合基板が使用されている。しかし、銅−セラミックス接合基板では、銅とセラミックス基板の熱膨張係数の差が大きく、銅−セラミックス接合基板への電子部品の実装時や、銅−セラミックス接合基板の使用時に、銅とセラミックス基板の熱膨張差による熱応力によって、セラミックス基板の内部にクラックが生じたり、セラミックス基板から銅回路板が剥離する場合があり、熱サイクル耐性が十分とはいえない。
【０００３】
近年、より高い熱サイクル耐性を実現するために、アルミニウム回路板を使用したアルミニウム−セラミックス接合基板が提案され、実用化されている。しかし、アルミニウム−セラミックス接合基板では、優れた熱サイクル耐性を有するが、アルミニウムの熱伝導性や電気伝導性は銅より劣っており、また、熱サイクル後にアルミニウム回路板の表面にしわが生じて、その上に搭載する電子部品に悪影響を及ぼすおそれがある。そのため、金属回路板の熱伝導性や電気伝導性がアルミニウム回路板より良好であり且つアルミニウム−セラミックス接合基板と同等の熱サイクル耐性を有する金属−セラミックス接合基板が望まれている。
【０００４】
このような金属−セラミックス接合基板として、セラミックス基板に接合したアルミニウム材上に銅またはモリブデン材を積層した金属−セラミックス複合基板（例えば、特許文献１参照）、異なる３種以上の金属が層状に重なったクラッド箔をセラミックス基板に接合した回路基板（例えば、特許文献２参照）、Ｃｕ導体層とＡｌ導体層を積層した積層体をセラミックス基板の表面に接合した配線基板（例えば、特許文献３参照）などが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平９−２３４８２６号公報（段落番号００１７）
【特許文献２】特開平１１−９７８０７号公報（段落番号０００６）
【特許文献３】特開平２００１−１８５８２６号公報（段落番号００１０）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１の金属−セラミックス複合基板では、セラミックス基板に接合したアルミニウム板上に銅板またはモリブデン板を半田付けし、特許文献２の回路基板では、ろう材を介してクラッド箔をセラミックス基板に接合し、特許文献３の配線基板では、Ｃｕ板とＡｌ板を積層した積層配線導体をろう材を介してセラミックス基板に接合しているので、クラッド材をセラミックス基板に接合するための製造コストがかかり、また、クラッド材とセラミックス基板との接合の信頼性が十分ではなかった。
【０００７】
したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、金属回路板の熱伝導性および電気伝導性が良好であり、金属回路板としてのクラッド材とセラミックス基板との接合の信頼性が高く、且つ安価に製造することができる、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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、セラミックス基板にクラッド材の第１の金属板の一方の面を直接接合する際に、第１の金属板の他方の面にクラッド材の第２の金属板を直接接合することにより、金属回路板の熱伝導性および電気伝導性が良好であり、金属回路板としてのクラッド材とセラミックス基板との接合の信頼性が高い金属−セラミックス接合基板を安価に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。
【０００９】
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、セラミックス基板の一方の面に第１の金属板の一方の面が接合し、この第１の金属板の他方の面に第２の金属板が取り付けられた金属−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と第２の金属板を離間して配置させ、この鋳型内のセラミックス基板の一方の面と第２の金属板に接触するように溶湯を注湯した後に冷却して凝固させることにより、セラミックス基板と第２の金属板との間に第１の金属板を形成して、セラミックス基板の一方の面に第１の金属板の一方の面を直接接合するとともに、この第１の金属板の他方の面に第２の金属板を直接接合することを特徴とする。
【００１０】
この金属−セラミックス接合基板の製造方法において、セラミックス基板の一方の面と第２の金属板に接触するように溶湯を注湯した後に冷却して凝固させることにより、セラミックス基板と第２の金属板との間に第１の金属板を形成する際に、セラミックス基板の他方の面に接触するように溶湯を注湯した後に冷却して凝固させることにより、セラミックス基板の他方の面に金属部材を形成して金属部材を直接接合するのが好ましい。また、溶湯がアルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯であるのが好ましい。さらに、第２の金属板が、銅、銅基合金または鉄−ニッケル系合金からなるのが好ましい。
【００１１】
また、本発明による金属−セラミックス接合基板は、セラミックス基板の一方の面に第１の金属板の一方の面が直接接合するとともに、この第１の金属板の他方の面に第２の金属板が直接接合していることを特徴とする。
【００１２】
この金属−セラミックス接合基板において、セラミックス基板の他方の面に金属部材が直接接合しているのが好ましい。また、第１の金属板が、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるのが好ましい。さらに、第２の金属板が、銅、銅基合金または鉄−ニッケル系合金からなるのが好ましい。
【００１３】
また、上記の金属−セラミックス接合基板において、第２の金属板が、金属溶湯が凝固することにより第１の金属板が形成される際に第１の金属板の他方の面に接合するのが好ましい。さらに、第２の金属板が、半田を使用することなく第１の金属板の他方の面に接合しているのが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、金属回路板の熱伝導性および電気伝導性が良好であり、金属回路板としてのクラッド材とセラミックス基板との接合の信頼性が高い金属−セラミックス接合基板を安価に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明による金属−セラミックス接合基板の第１の実施の形態の斜視図である。
【図２】図１に示す金属−セラミックス接合基板の断面図である。
【図３】図１に示す金属−セラミックス接合基板の製造に使用する鋳型の断面図である。
【図４】本発明による金属−セラミックス接合基板の第２の実施の形態の斜視図である。
【図５】図４に示す金属−セラミックス接合基板の断面図である。
【図６】図４に示す金属−セラミックス接合基板の製造に使用する鋳型の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、添付図面を参照して、本発明による金属−セラミックス接合基板およびその製造方法の実施の形態について説明する。
【００１７】
［第１の実施の形態］
図１および図２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、セラミックス基板１０と、アルミニウムからなる金属ベース板１２と、クラッド材としてのアルミニウムからなる第１の金属板１４および銅からなる第２の金属板１６とを備え、第１の金属板１４の一方の面がセラミックス基板１０の一方の面に直接接合し、第２の金属板１６が第１の金属板１４の他方の面に直接接合し、金属ベース板１２がセラミックス基板１０の他方の面に直接接合している。
【００１８】
セラミックス基板１０と金属ベース板１２との間、セラミックス基板１０と第１の金属板１４との間、第１の金属板１４と第２の金属板１６との間の直接接合は、例えば、図３に示すような鋳型１００にアルミニウム溶湯を流し込んで冷却することによって行われる。
【００１９】
図３に示すように、鋳型１００は、平面形状が略矩形の下側鋳型部材１０２と、この下側鋳型部材１０２の蓋部としての平面形状が略矩形の上側鋳型部材１０４とからなる。下側鋳型部材１０２の上面には、セラミックス基板１０と略同一の形状および大きさの１つまたは複数（図３では１つのみを示す）の凹部（セラミックス基板収容部）１０２ａが形成されている。このセラミックス基板収容部１０２ａの底面には、第１の金属板１４および第２の金属板１６からなるクラッド材と略同一の形状および大きさの１つまたは複数（図３では１つのみを示す）の凹部（第１の金属板１４を形成するための第１の金属板形成部１０２ｂと、第２の金属板１６を収容するための第２の金属板収容部１０２ｃとからなる凹部）が形成されている。上側鋳型部材１０４の底面（下側鋳型部材１０２と対向する側の面）には、金属ベース板１２と略同一の形状および大きさを有する凹部（金属ベース板１２を形成するための金属ベース板形成部）１０４ａが形成されている。なお、上側鋳型部材１０４には、鋳型１００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。また、下側鋳型部材１０２には、金属ベース板形成部１０４ａと第１の金属板形成部１０２ｂ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１０２ａ内にセラミックス基板１０を収容したときにも金属ベース板形成部１０４ａと第１の金属板形成部１０２ｂとの間が連通するようになっている。
【００２０】
この鋳型１００の下側鋳型部材１０２の第２の金属板収容部１０２ｃ内に、第２の金属板１６としての銅板を収容し、セラミックス基板収容部１０２ａ内にセラミックス基板１０を収容した後、下側鋳型部材１０２に上側鋳型部材１０４を被せて、鋳型１００の金属ベース板形成部１０４ａ内にアルミニウム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（セラミックス基板収容部１０２ａと第２の金属板収容部１０２ｃとの間に形成された空間である）第１の金属板形成部１０２ｂまで溶湯を充填し、その後、冷却して溶湯を凝固させることにより、セラミックス基板１０と、金属ベース板１２と、クラッド材としての第１の金属板１４および第２の金属板１６とが一体に接合した金属−セラミックス接合基板を製造することができる。
【００２１】
このようにして、アルミニウム板（第１の金属板１４）と銅板（第２の金属板１６）からなるクラッド材を予め作製する必要がなく、セラミックス基板とアルミニウム板を接合すると同時にアルミニウム板と銅板を接合することができるので、製造コストを飛躍的に少なくすることができる。
【００２２】
［第２の実施の形態］
図４および図５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の実施の形態は、セラミックス基板１１０と、アルミニウムからなる裏面側金属板１１２と、クラッド材としてのアルミニウムからなる第１の金属板１１４および銅からなる第２の金属板１１６とを備え、第１の金属板１１４の一方の面がセラミックス基板１１０の一方の面に直接接合し、第２の金属板１１６が第１の金属板１１４の他方の面に直接接合し、裏面側金属板１１２がセラミックス基板１１０の他方の面に直接接合している。
【００２３】
セラミックス基板１１０と裏面側金属板１１２との間、セラミックス基板１１０と第１の金属板１１４との間、第１の金属板１１４と第２の金属板１１６との間の直接接合は、例えば、図６に示すような鋳型２００にアルミニウム溶湯を流し込んで冷却することによって行われる。
【００２４】
図６に示すように、鋳型２００は、平面形状が略矩形の下側鋳型部材２０２と、この下側鋳型部材２０２の蓋部としての平面形状が略矩形の上側鋳型部材２０４とからなる。下側鋳型部材２０２の上面には、セラミックス基板１１０と略同一の形状および大きさの１つまたは複数（図６では１つのみを示す）の凹部（セラミックス基板収容部）２０２ａが形成されている。このセラミックス基板収容部２０２ａの底面には、裏面側金属板１１２と略同一の形状および大きさの凹部（裏面側金属板１１２を形成するための裏面側金属板形成部）２０２ｂが形成されている。上側鋳型部材２０４の略中央部には平面形状が略矩形の開口部（貫通穴）が形成され、この開口部に上側鋳型部材蓋部２０４ａが嵌合して、上側鋳型部材２０４の底面（下側鋳型部材２０２と対向する側の面）に、第１の金属板１１４および第２の金属板１１６からなるクラッド材と略同一の形状および大きさの１つまたは複数（図６では１つのみを示す）凹部（第１の金属板１１４を形成するための第１の金属板形成部２０４ｂと、第２の金属板１１６を収容するための第２の金属板収容部２０４ｃとからなる凹部）が形成されるようになっている。なお、上側鋳型部材２０４には、鋳型２００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。また、上側鋳型部材２０４および下側鋳型部材２０２には、第１の金属板形成部２０４ｂと裏面側金属板形成部２０２ｂ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２０２ａ内にセラミックス基板１１０を収容したときにも第１の金属板形成部２０４ｂと裏面側金属板形成部２０２ｂとの間が連通するようになっている。
【００２５】
この鋳型２００の上側鋳型部材２０４の第２の金属板収容部２０２ｃ内に第２の金属板１１６としての銅板を収容して固定し、下側鋳型部材２０２のセラミックス基板収容部２０２ａ内にセラミックス基板１１０を収容した後、下側鋳型部材２０２に上側鋳型部材２０４を被せて、鋳型２００の第１の金属板形成部２０４ｂ内にアルミニウム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（セラミックス基板収容部２０２ａと第２の金属板収容部２０４ｃとの間に形成された空間である）第１の金属板形成部２０４ｂまで溶湯を充填し、その後、冷却して溶湯を凝固させることにより、セラミックス基板１１０と、裏面側金属板１１２と、クラッド材としての第１の金属板１１４および第２の金属板１１６とが一体に接合した金属−セラミックス接合基板を製造することができる。
【００２６】
このようにして、アルミニウム板（第１の金属板１１４）と銅板（第２の金属板１１６）からなるクラッド材を予め作製する必要がなく、セラミックス基板とアルミニウム板を接合すると同時にアルミニウム板と銅板を接合することができるので、製造コストを飛躍的に少なくすることができる。
【００２７】
なお、上述した第１および第２の実施の形態の金属−セラミックス接合基板において、アルミニウム板と銅板からなるクラッド材の表面に所定の回路形状のエッチングレジストをマスキングして、塩化第２鉄溶液などでエッチングすることによって細かい回路を形成することもできる。また、形成された回路の端部の厚さを徐々に（または階段状に）薄くして金属−セラミックス接合基板の信頼性をさらに高めることもできる。さらに、必要に応じて、アルミニウム板と銅板からなるクラッド材の表面にＮｉめっきやＮｉ合金めっきなどを施すこともできる。
【００２８】
また、上述した第１および第２の実施の形態の金属−セラミックス接合基板において、アルミニウムからなる第１の金属板１４、１１４の代わりに、アルミニウム合金からなる金属板を使用してもよく、銅板からなる第２の金属板１６、１１６の代わりに、銅基合金や鉄−ニッケル系合金からなる金属板を使用してもよい。
【実施例】
【００２９】
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。
【００３０】
［実施例１］
まず、図３に示す鋳型１００と同様の形状の鋳型を使用し、下側鋳型部材１０２の第２の金属板収容部１０２ｃ内に４６ｍｍ×２１ｍｍ×０．３ｍｍの無酸素銅板を収容し、セラミックス基板収容部１０２ａ内に５０ｍｍ×２５ｍｍ×０．６ｍｍのＡｌＮからなるセラミックス基板を収容した後、下側鋳型部材１０２に上側鋳型部材１０４を被せて炉内に入れ、炉内を酸素濃度１０ｐｐｍ以下の窒素雰囲気にした。この状態で７５０℃まで加熱し、溶湯供給部から供給されたアルミニウム溶湯を、鋳型１００の注湯口に取り付けられた注湯ノズルの狭い流路を介して酸化皮膜を除去しながら、鋳型１００内の７０ｍｍ×４５ｍｍ×５ｍｍの大きさの金属ベース板形成部１０４ａ内に流し込んで充填するとともに、下側鋳型部材１０２に形成された溶湯流路を介して４６ｍｍ×２１ｍｍ×０．０５ｍｍの大きさの第１の金属板収容部１０２ｂまで充填した。その後、鋳型１００を冷却してアルミニウム溶湯を凝固させ、さらに室温まで冷却した。このようにして、セラミックス基板と、アルミニウムベース板と、クラッド材として厚さ０．０５ｍｍのアルミニウム板および厚さ０．３ｍｍの銅板とが一体に接合した金属−セラミックス接合基板を製造した。
【００３１】
得られた金属−セラミックス接合基板は、クラッド材のアルミニウム板を形成するための第１の金属板形成部１０２ｂの深さが十分ではなく、第１の金属板形成部１０２ｂ全体にアルミニウム溶湯が供給されず、アルミニウム板とセラミックス基板との接合が一部のみであったが、セラミックス基板とアルミニウム板と銅板が同時に強固に接合していることが確認され、セラミックス基板に割れはなかった。なお、アルミニウム板の少なくとも一部は銅板との合金が形成されていると考えられる。
【００３２】
［実施例２〜４］
アルミニウム板の厚さを０．１ｍｍ（実施例２）、０．１５ｍｍ（実施例３）、０．２ｍｍ（実施例４）とした以外は、実施例１と同様の方法により、金属−セラミックス接合基板を製造したところ、セラミックス基板とアルミニウム板と銅板が接合面の全面にわたって強固に接合し、セラミックス基板に割れはなかった。
【００３３】
［実施例５］
銅板の厚さを０．５ｍｍ、アルミニウム板の厚さを０．５ｍｍとした以外は、実施例１と同様の方法により、金属−セラミックス接合基板を製造したところ、セラミックス基板とアルミニウム板と銅板が接合面の全面にわたって強固に接合し、セラミックス基板に割れはなかった。
【００３４】
［実施例６］
第２の金属板収容部１０２ｃ内に収容する前に、無酸素銅板の表面に厚さ６μｍのＮｉ−Ｐめっきを施した以外は、実施例４と同様の方法により、金属−セラミックス接合基板を製造したところ、セラミックス基板とアルミニウム板と銅板が接合面の全面にわたって強固に接合し、セラミックス基板に割れはなかった。
【符号の説明】
【００３５】
１０、１１０  セラミックス基板
１２  金属ベース板
１４、１１４  第１の金属板
１６、１１６  第２の金属板
１１２  裏面側金属板
１００、２００  鋳型
１０２、２０２  下側鋳型部材
１０２ａ、２０２ａ  セラミックス基板収容部
１０２ｂ、２０４ｂ  第１の金属板形成部
１０２ｃ、２０４ｃ  第２の金属板収容部
１０４、２０４  上側鋳型部材
１０４ａ  金属ベース板形成部
２０２ｂ  裏面側金属板形成部
２０４ａ  上側鋳型部材蓋部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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