JP2013225686A - 金属−セラミックス接合基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】セラミックス基板の両面にそれぞれアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属回路板および金属ベース板が接合した金属−セラミックス接合基板の製造方法において、反り量を非常に小さく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】セラミックス基板１４の一方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属回路板１６が接合するとともに、他方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる平板状の金属ベース板１２の一方の面が接合した金属−セラミックス接合基板１０において、金属ベース板の他方の面および周縁部の少なくとも一方に、金属ベース板を補強する補強部（放熱フィン１２ａなど）を一体に形成し、金属ベース板の補強部以外の部分の厚さを、１ｍｍ以下にするとともに、セラミックス基板の厚さの０．４〜４．０倍にし、金属回路板の厚さの０．４〜４．０倍にする。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属−セラミックス接合基板に関し、特に、セラミックス基板の両面にそれぞれアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属回路板および金属ベース板が接合した金属−セラミックス接合基板に関する。

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。

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。

これらの問題を解決するため、金属ベース板と金属−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金属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）。また、セラミックス基板の一方の面に電子部品搭載用導体を接合し、他方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金の放熱フィンや水冷ジャケットを備えた金属ベース板を直接接合したアルミニウム−セラミックス接合体も提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００２−７６５５１号公報（段落番号００１５） 特開２００４−１１５３３７号公報（段落番号００２３、００５１）

特許文献１の金属−セラミックス回路基板や特許文献２のアルミニウム−セラミックス接合体のように、従来の金属−セラミックス接合基板では、金属ベース板の強度を維持するために、金属ベース板の厚さをセラミックス基板やその上に接合する金属回路板の厚さの１０倍以上にしている。

しかし、金属ベース板を厚くすると、電子部品などの半田付けなどをするときのように、パワーモジュールなどのアセンブリ工程における熱衝撃に対する金属−セラミックス接合基板の反り量が大きくなって、金属−セラミックス接合基板としての信頼性が損なわれる場合がある。特に、４１０℃に加熱して５分間する加熱処理を３回繰り返した後（加熱処理後）の金属−セラミックス接合基板の反り量が１５０μｍ以上になると、パワーモジュールなどのアセンブリ工程において金属−セラミックス接合基板をそのまま他の部材に取り付けるのが困難になる。

したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、セラミックス基板の両面にそれぞれアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属回路板および金属ベース板が接合した金属−セラミックス接合基板において、反り量を非常に小さくすることができる金属−セラミックス接合基板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、セラミックス基板の一方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属回路板が接合するとともに、他方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる平板状の金属ベース板の一方の面が接合した金属−セラミックス接合基板において、金属ベース板の他方の面および周縁部の少なくとも一方に金属ベース板を補強する補強部を一体に形成するとともに、金属ベース板の補強部以外の部分の厚さを、１ｍｍ以下で、セラミックス基板の厚さの０．４〜４．０倍、好ましくは０．４〜３．０倍、さらに好ましくは０．４〜２．０倍、金属回路板の厚さの０．４〜４．０倍、好ましくは０．４〜３．０倍、さらに好ましくは０．４〜２．０倍にすることにより、加熱処理前後の反り量を非常に小さく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は、セラミックス基板の一方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属回路板が接合するとともに、他方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる平板状の金属ベース板の一方の面が接合した金属−セラミックス接合基板において、金属ベース板の他方の面および周縁部の少なくとも一方に、金属ベース板を補強する補強部が一体に形成されているとともに、金属ベース板の補強部以外の部分の厚さが、１ｍｍ以下であり且つセラミックス基板および金属回路板のそれぞれの厚さの０．４〜４．０倍であることを特徴とする。

この金属−セラミックス接合基板において、金属ベース板の補強部以外の部分の厚さが、セラミックス基板および金属回路板のそれぞれの厚さの０．４〜３．０倍であるのが好ましく、０．４〜２．０倍であるのがさらに好ましい。また、補強部として、金属ベース板の他方の面から突出して互いに所定の間隔で配置するように複数の放熱フィンが金属ベース板と一体に形成されているのが好ましい。さらに、補強部として、金属ベース板の一方の面または他方の面の周縁部から突出して金属ベース板の周縁部の全周に沿って延びる壁部であるのが好ましい。

なお、本明細書中において、「反り量」とは、セラミックス基板の両面にそれぞれ金属回路板および金属ベース板が接合した金属−セラミックス接合基板の金属回路板の中心部と縁部の高さの差をいい、セラミックス基板が金属回路板側に凹状に反っているときの反り量を正（＋）とし、金属回路板側に凸状に反っているときの反り量を負（−）とする。

本発明によれば、セラミックス基板の両面にそれぞれアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属回路板および金属ベース板が接合した金属−セラミックス接合基板において、反り量を非常に小さくすることができる。

本発明による金属−セラミックス接合基板の第１の実施の形態の斜視図である。 図１の金属−セラミックス接合基板の平面図である。 図１の金属−セラミックス接合基板の側面図である。 図２のＩＶ−ＩＶ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の実施の形態の斜視図である。 図５の金属−セラミックス接合基板の平面図である。 図５の金属−セラミックス接合基板の側面図である。 図６のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ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の実施の形態の斜視図である。 図９の金属−セラミックス接合基板の平面図である。 図９の金属−セラミックス接合基板の側面図である。 図１０のＸＩＩ−ＸＩＩ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の実施の形態の斜視図である。 図１３の金属−セラミックス接合基板の平面図である。 図１３の金属−セラミックス接合基板の側面図である。 図１４のＸＶＩ−ＸＶＩ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の実施の形態の斜視図である。 図１７の金属−セラミックス接合基板の平面図である。 図１７の金属−セラミックス接合基板の側面図である。 図１８のＸＸ−ＸＸ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６の実施の形態の平面図である。 図２１の金属−セラミックス接合基板の側面図である。 図２１のＸＸＩＩＩ−ＸＸＩＩＩ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説明する。

［第１の実施の形態］
図１〜図４は、空冷用の金属−セラミックス接合基板として使用可能な金属−セラミックス接合基板として、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ている。図１〜図４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１０は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる略矩形の平板状の金属ベース板１２と、この金属ベース板１２の上面に直接接合した複数の（本実施の形態では３つであるが、１つでもよい）略矩形のセラミックス基板１４と、これらのセラミックス基板１４の上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略矩形の金属回路板１６とから構成されている。

なお、本実施の形態の金属−セラミックス接合基板１０では、金属ベース板１２の裏面（底面）から略垂直方向に突出するとともに互いに所定の間隔で離間して略平行に延びるように、複数の板状の放熱フィン１２ａが金属ベース板１２と一体に形成されており、これらの放熱フィン１２ａが金属ベース板１２を補強する補強部としても機能している。金属ベース板１２から突出する放熱フィン１２ａの高さ（金属ベース板１２の厚さ方向の放熱フィン１２ａの高さ）は、２〜５０ｍｍであるのが好ましく、３〜４０ｍｍであるのがさらに好ましい。また、金属ベース板１２の裏面を占有する放熱フィン１２ａの面積（金属ベース板１２との接合面積）は、金属ベース板１２の上面に接続されたセラミックス基板１４の面積（金属ベース板１２との接合面積）に対して、６０％以下であるのが好ましく、５０％以下であるのがさらに好ましい。

また、本実施の形態の金属−セラミックス接合基板１０では、金属ベース板１２の補強部以外の部分の厚さが、１ｍｍ以下であり、セラミックス基板１４の厚さの０．４〜４．０倍、好ましくは０．４〜３．０倍、さらに好ましくは０．４〜２．０倍であり、金属回路板１６の厚さの０．４〜４．０倍、好ましくは０．４〜３．０倍、さらに好ましくは０．４〜２．０倍である。

このように、金属ベース板１２の裏面に補強部としても機能する放熱フィン１２ａを形成するとともに、金属−セラミックス接合基板１０の金属ベース板１２の補強部以外の部分の厚さを薄くすることにより、初期の反り量を極めて小さくし、ホットプレート上に４１０℃に加熱して５分間する加熱処理を３回繰り返した後（加熱処理後）の反り量も非常に小さくすることができる。

［第２の実施の形態］
図５〜図８は、空冷用の金属−セラミックス接合基板として使用可能な金属−セラミックス接合基板として、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ている。図５〜図８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１１０では、第１の実施の形態の金属−セラミックス接合基板１０の金属ベース板１２と一体に形成された放熱フィン１２ａの代わりに、金属ベース板１１２の上面の周縁部から略垂直方向に突出して金属ベース板１１２の周縁部の全周に沿って延びる壁部１１２ｂが金属ベース板１１２と一体に形成され、この壁部１１２ｂに囲まれる凹部１１２ｃ内にセラミックス基板１１４および金属回路板１１６が配置されている。このような壁部１１２ｂも金属ベース板１１２を補強する補強部として機能する。金属ベース板１１２から突出する壁部１１２ｂの高さ（金属ベース板１１２の厚さ方向の壁部１１２ｂの高さ）は、１〜５０ｍｍであるのが好ましく、３〜４０ｍｍであるのがさらに好ましい。

その他の構成は第１の実施の形態の金属−セラミックス接合基板１０と同様であるので、図５〜図８において、図１〜図４と同一の構成部分の参照符号に１００を加えて、その説明を省略する。なお、本実施の形態の金属−セラミックス接合基板１１０も第１の実施の形態の金属−セラミックス接合基板１０と同様に反り量を非常に小さくする効果を得ることができる。

［第３の実施の形態］
図９〜図１２は、空冷用の金属−セラミックス接合基板として使用可能な金属−セラミックス接合基板として、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ている。図９〜図１２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２１０では、第１の実施の形態の金属−セラミックス接合基板１０の金属ベース板１２と一体に形成された放熱フィン１２ａと同様の放熱フィン２１２ａが金属ベース板２１２と一体に形成されていること以外は、第２の実施の形態の金属−セラミックス接合基板１１０と同様であるので、図９〜図１２において、図５〜図８と同一の構成部分の参照符号に１００を加えて、その説明を省略する。なお、本実施の形態の金属−セラミックス接合基板２１０も第１の実施の形態の金属−セラミックス接合基板１０と同様に反り量を非常に小さくする効果を得ることができる。

［第４の実施の形態］
図１３〜図１６は、水冷用の金属−セラミックス接合基板として使用可能な金属−セラミックス接合基板として、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ている。図１３〜図１６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３１０では、第２の実施の形態の金属−セラミックス接合基板１１０の壁部１１２ｂの代わりに、金属ベース板３１２の裏面の周縁部から略垂直方向に突出して金属ベース板３１２の周縁部の全周に沿って延びる壁部が補強部として金属ベース板３１２と一体に形成されて、この壁部に囲まれる凹部３１２ｃが形成されている。この凹部３１２ｃの大きさは、セラミックス基板３１４および金属回路板１１６が配置されている部分に対応するように、その部分と略同一の広さにするか、あるいは、セラミックス基板３１４および金属回路板１１６が配置されている部分を取り囲むように、その部分より僅かに広い程度でよい。なお、金属ベース板３１２の裏面の周縁部から突出して補強部として形成された壁部の高さ（凹部３１２ｃの深さ）は、２〜５０ｍｍであるのが好ましく、３〜４０ｍｍであるのがさらに好ましい。

その他の構成は第２の実施の形態の金属−セラミックス接合基板１１０と同様であるので、図１３〜図１６において、図５〜図８と同一の構成部分の参照符号に２００を加えて、その説明を省略する。なお、本実施の形態の金属−セラミックス接合基板３１０も第１の実施の形態の金属−セラミックス接合基板１０と同様に反り量を非常に小さくする効果を得ることができる。

なお、本実施の形態の金属−セラミックス接合基板３１０を水冷用の金属−セラミックス接合基板として使用する場合には、（図示しない）板状部材によって凹部３１２ｃを覆うとともに、凹部３１２ｃ内に水を供給するための供給口および凹部３１２ｃから水を排出するための排出口を設けて、凹部３１２ｃ内に水を循環させることができるようにすればよい。

また、本実施形態の金属−セラミックス接合基板３１０では、金属ベース板３１２の裏面の周縁部の全周に沿って延びる壁部が補強部として金属ベース板３１２と一体に形成されて、この壁部に囲まれた１つの凹部３１２ｃが形成されているが、金属ベース板３１２の上面の複数（本実施の形態では３つ）のセラミックス基板３１４の各々（あるいは幾つか）に対応するように、複数（本実施の形態の場合には３つ）の凹部を金属ベース板３１２の裏面に形成してもよい。この場合、各々の凹部の大きさは、金属ベース板３１２の上面のセラミックス基板３１４の各々（あるいは幾つか）が配置されている部分に対応するように、それらの部分の各々と略同一の広さにするか、あるいは、セラミックス基板３１４の各々（あるいは幾つか）が配置されている部分を取り囲むように、それらの部分の各々より僅かに広い程度でよい。

［第５の実施の形態］
図１７〜図２０は、水冷用の金属−セラミックス接合基板として使用可能な金属−セラミックス接合基板として、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１７〜図２０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４１０では、第１の実施の形態の金属−セラミックス接合基板１０の金属ベース板１２と一体に形成された放熱フィン１２ａと同様の放熱フィン４１２ａが金属ベース板４１２と一体に形成されていること以外は、第４の実施の形態の金属−セラミックス接合基板３１０と同様であるので、図１７〜図２０において、図１３〜図１６と同一の構成部分の参照符号に１００を加えて、その説明を省略する。なお、本実施の形態の金属−セラミックス接合基板４１０も第１の実施の形態の金属−セラミックス接合基板１０と同様に反り量を非常に小さくする効果を得ることができる。

［第６の実施の形態］
図２１〜図２３は、水冷用の金属−セラミックス接合基板として使用可能な金属−セラミックス接合基板として、本発明による金属−セラミックス接合基板の第６の実施の形態を示している。図２１〜図２３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５１０では、第５の実施の形態の金属−セラミックス接合基板４１０の金属ベース板４１２の裏面に形成された凹部４１２ｃの両側に浅い凹部を形成して、その底部にも放熱フィン５１２ｂを形成した以外は、第５の実施の形態の金属−セラミックス接合基板４１０と同様であるので、図２１〜図２３において、図１８〜図２０と同一の構成部分の参照符号に１００を加えて、その説明を省略する。なお、本実施の形態の金属−セラミックス接合基板５１０も第１の実施の形態の金属−セラミックス接合基板１０と同様に反り量を非常に小さくする効果を得ることができる。

上述した第１〜第６の実施の形態の金属−セラミックス接合基板は、例えば、セラミックス基板を収容する空洞部が内部に形成されるとともにこの空洞部の両側にそれぞれ金属ベース板と金属回路板に対応する形状の空洞部が形成された鋳型に、アルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯を注入して固化させる方法（所謂溶湯接合法）によって製造することができる。

なお、上述した第１〜第６の実施の形態の金属−セラミックス接合基板のように、金属ベース板の補強部以外の部分の厚さが薄く、補強部として機能する放熱フィンや壁部などの厚さも薄くなると、通常の溶湯接合法によって所望の形状の金属ベース板を得るのが困難になる場合がある。その場合には、鋳型に溶湯を注入した後に、注湯口からガスなどで溶湯を加圧することによって、所望の形状の金属ベース板を得ることができる。

上述した第１、第３、第５および第６の実施の形態の金属−セラミックス接合基板において、金属ベース板の裏面（底面）から略垂直方向に突出するとともに互いに所定の間隔で離間して略平行に延びるように複数の板状の放熱フィンを金属ベース板と一体に形成したが、これらの板状の放熱フィンの代わりに、金属ベース板の裏面（底面）から略垂直方向に突出するとともに互いに所定の間隔で離間して配置するように多数のピン状の放熱フィンを金属ベース板と一体に形成してもよい。

上述した第１〜第６の実施の形態の金属−セラミックス接合基板では、反り量を非常に小さくすることができるとともに、金属ベース板の補強部以外の部分が非常に薄く、例えば、厚さが１ｍｍ以下であっても十分な強度を維持することができ、また、金属ベース板の補強部以外の部分（セラミックス基板を介して金属回路板に対向する部分）を薄くすることができることによって、放熱性の高い金属−セラミックス接合基板を提供することができる。

また、上述した第１〜第３の実施の形態の金属−セラミックス接合基板を水冷用の金属−セラミックス接合基板として使用してもよく、上述した第４〜第６の実施の形態の金属−セラミックス接合基板を空冷用の金属−セラミックス接合基板として使用してもよい。

また、上述した第２〜第６の実施の形態の金属−セラミックス接合基板では、補強部としての壁部が金属ベース板の周縁部の全周に沿って延びるように形成されているが、必ずしも全周に沿って延びるように形成されている必要はなく、周縁部の一部に形成されていない部分があってもよい。

また、上述した第１〜第６の実施の形態の金属−セラミックス接合基板では、金属回路板および金属ベース板がセラミックス基板に直接接合されているが、ろう材を介して接合してもよい。

以下、本発明による金属−セラミックス接合基板の実施例について詳細に説明する。

［実施例１］
溶湯接合法によって、縦９０ｍｍ×横１００ｍｍ×厚さ（補強部以外の部分の厚さ）０．４ｍｍのアルミニウムからなる（裏面に幅３ｍｍ×（金属ベース板１２の厚さ方向の）高さ１０ｍｍ×長さ７０ｍｍの放熱フィンが３ｍｍ間隔で９本配置された）金属ベース板１２の上面に、縦５０ｍｍ×横２０ｍｍ×厚さ０．６３５ｍｍのＡｌＮからなる３枚のセラミックス基板１４が直接接合され、これらのセラミックス基板１４の各々の上面に、縦４７ｍｍ×横１７ｍｍ×厚さ０．３ｍｍのアルミニウムからなる金属回路板１６が直接接合された、図１〜４に示す第１の実施の形態と同様の形状の金属−セラミックス接合基板１０を製造した。

この金属−セラミックス接合基板１０の反り量を測定したところ、加熱処理前の初期の反り量が−１μｍであり、ホットプレート上に４１０℃に加熱して５分間する加熱処理を３回繰り返した後（加熱処理後）の反り量が−４μｍであった。

［実施例２］
金属ベース板１２の補強部以外の部分の厚さを０．６ｍｍにした以外は、実施例１と同様の金属−セラミックス接合基板１０を製造し、実施例１と同様に反り量を測定したところ、初期の反り量が−１７μｍであり、加熱処理後の反り量が−４１μｍであった。

［実施例３］
金属ベース板１２の補強部以外の部分の厚さを０．８ｍｍにした以外は、実施例１と同様の金属−セラミックス接合基板１０を製造し、実施例１と同様に反り量を測定したところ、初期の反り量が−２５μｍであり、加熱処理後の反り量が−４５μｍであった。

［実施例４］
金属ベース板１２の補強部以外の部分の厚さを１．０ｍｍにした以外は、実施例１と同様の金属−セラミックス接合基板１０を製造し、実施例１と同様に反り量を測定したところ、初期の反り量が−８０μｍであり、加熱処理後の反り量が−１０５μｍであった。

［実施例５〜８］
金属回路板１６の厚さを０．６ｍｍにした以外は、それぞれ実施例１〜４と同様の金属−セラミックス接合基板１０を製造し、実施例１と同様に反り量を測定したところ、実施例５では、初期の反り量が−３μｍ、加熱処理後の反り量が＋３μｍであり、実施例６では、初期の反り量が−７μｍ、加熱処理後の反り量が−５μｍであり、実施例７では、初期の反り量が−１２μｍ、加熱処理後の反り量が−２４μｍであり、実施例８では、初期の反り量が−３６μｍ、加熱処理後の反り量が−９８μｍであった。

［実施例９〜１２］
金属回路板１６の厚さを１．０ｍｍにした以外は、それぞれ実施例１〜４と同様の金属−セラミックス接合基板１０を製造し、実施例１と同様に反り量を測定したところ、実施例９では、初期の反り量が＋２１μｍ、加熱処理後の反り量が＋４０μｍであり、実施例１０では、初期の反り量が＋１８μｍ、加熱処理後の反り量が＋２８μｍであり、実施例１１では、初期の反り量が＋５μｍ、加熱処理後の反り量が＋１７μｍであり、実施例１２では、初期の反り量が−８μｍ、加熱処理後の反り量が−１５μｍであった。

［比較例１〜４］
金属ベース板１２の補強部以外の部分の厚さをそれぞれ２．０ｍｍ（比較例１）、３．０ｍｍ（比較例２）、４．０ｍｍ（比較例３）および５．０ｍｍ（比較例４）にした以外は、実施例１と同様の金属−セラミックス接合基板１０を製造し、実施例１と同様に反り量を測定したところ、比較例１では、初期の反り量が−９２μｍ、加熱処理後の反り量が−８２７μｍであり、比較例２では、初期の反り量が−９５μｍ、加熱処理後の反り量が−７６２μｍであり、比較例３では、初期の反り量が−９９μｍ、加熱処理後の反り量が−５０２μｍであり、比較例４では、初期の反り量が−９３μｍ、加熱処理後の反り量が−４１３μｍであった。

［比較例５〜８］
金属ベース板１２の補強部以外の部分の厚さをそれぞれ２．０ｍｍ（比較例５）、３．０ｍｍ（比較例６）、４．０ｍｍ（比較例７）および５．０ｍｍ（比較例８）にした以外は、実施例５と同様の金属−セラミックス接合基板１０を製造し、実施例５と同様に反り量を測定したところ、比較例５では、初期の反り量が−８０μｍ、加熱処理後の反り量が−７７８μｍであり、比較例６では、初期の反り量が−８２μｍ、加熱処理後の反り量が−７２４μｍであり、比較例７では、初期の反り量が−８５μｍ、加熱処理後の反り量が−４６０μｍであり、比較例８では、初期の反り量が−７９μｍ、加熱処理後の反り量が−３７９μｍであった。

［比較例９〜１２］
金属ベース板１２の補強部以外の部分の厚さをそれぞれ２．０ｍｍ（比較例９）、３．０ｍｍ（比較例１０）、４．０ｍｍ（比較例１１）および５．０ｍｍ（比較例１２）にした以外は、実施例９と同様の金属−セラミックス接合基板１０を製造し、実施例９と同様に反り量を測定したところ、比較例９では、初期の反り量が−６９μｍ、加熱処理後の反り量が−２１５μｍであり、比較例１０では、初期の反り量が−９２μｍ、加熱処理後の反り量が−５３０μｍであり、比較例１１では、初期の反り量が−９５μｍ、加熱処理後の反り量が−４３７μｍであり、比較例１２では、初期の反り量が−９８μｍ、加熱処理後の反り量が−３４０μｍであった。

実施例１〜１２および比較例１〜１２の条件および結果を表１に示す。

表１からわかるように、実施例１〜１２の金属−セラミックス接合基板１０では、金属ベース板１２の補強部以外の部分の厚さが、１ｍｍ以下であり、セラミックス基板１４の厚さの０．６３〜１．５７倍であり、金属回路板１６の厚さの０．４０〜３．３３倍である。このように金属ベース板１２の補強部以外の部分の厚さを薄くすると、初期の反り量が−８０〜＋２１μｍと小さく、加熱処理後の反り量も−１０５〜＋４０μｍと小さくなっている。

一方、比較例１〜１２の金属−セラミックス接合基板１０では、金属ベース板１２の補強部以外の部分の厚さが、２ｍｍ以上であり、セラミックス基板１４の厚さの３．１５〜７．８７倍であり、金属回路板１６の厚さの２．００〜１６．６７倍である。このように金属ベース板１２の補強部以外の部分の厚さが厚くなると、初期の反り量が−９９〜−６９μｍと大きく、加熱処理後の反り量も−８２７〜−２１５μｍと非常に大きくなっており、金属−セラミックス接合基板１０を他の装置に取り付けるのが非常に困難になる。

［実施例１３〜２４］
セラミックス基板１４の厚さを０．２５ｍｍにした以外は、それぞれ実施例１〜１２と同様の金属−セラミックス接合基板１０を製造し、実施例１と同様に反り量を測定したところ、表２に示すように、初期の反り量が−９２〜＋５８μｍ、加熱処理後の反り量が−１４０〜＋１１５μｍであった。

［比較例１３〜２４］
セラミックス基板１４の厚さを０．２５ｍｍにした以外は、それぞれ比較例１〜１２と同様の金属−セラミックス接合基板１０を製造し、実施例１と同様に反り量を測定したところ、表２に示すように、初期の反り量が−１９３〜−８５μｍ、加熱処理後の反り量が−１２５０〜−４５８μｍであった。

表２からわかるように、実施例１３〜２４の金属−セラミックス接合基板１０では、金属ベース板１２の補強部以外の部分の厚さが、１ｍｍ以下であり、セラミックス基板１４の厚さの１．６０〜４．００倍であり、金属回路板１６の厚さの０．４０〜３．３３倍である。このように金属ベース板１２の補強部以外の部分の厚さを薄くすると、初期の反り量が−９２〜＋５８μｍと小さく、加熱処理後の反り量も−１４０〜＋１１５μｍと小さくなっている。

一方、比較例１３〜２４の金属−セラミックス接合基板１０では、金属ベース板１２の補強部以外の部分の厚さが、２ｍｍ以上であり、セラミックス基板１４の厚さの８．００〜２０．０倍であり、金属回路板１６の厚さの２．００〜１６．６７倍である。このように金属ベース板１２の補強部以外の部分の厚さが厚くなると、初期の反り量が−１９３〜−８５μｍと大きく、加熱処理後の反り量も−１２５０〜−４５８μｍと非常に大きくなっており、金属−セラミックス接合基板１０を他の装置に取り付けるのが非常に困難になる。

［実施例２５〜３６］
セラミックス基板１４の厚さを１．０ｍｍにした以外は、それぞれ実施例１〜１２と同様の金属−セラミックス接合基板１０を製造し、実施例１と同様に反り量を測定したところ、表３に示すように、初期の反り量が−４５〜＋１１μｍ、加熱処理後の反り量が−９４〜＋２１μｍであった。

［比較例２５〜３６］
セラミックス基板１４の厚さを１．０ｍｍにした以外は、それぞれ比較例１〜１２と同様の金属−セラミックス接合基板１０を製造し、実施例１と同様に反り量を測定したところ、表３に示すように、初期の反り量が−９８〜−５８μｍ、加熱処理後の反り量が−２９８〜−１６４μｍであった。

表３からわかるように、実施例２５〜３６の金属−セラミックス接合基板１０では、金属ベース板１２の補強部以外の部分の厚さが、１ｍｍ以下であり、セラミックス基板１４の厚さの０．４０〜１．００倍であり、金属回路板１６の厚さの０．４０〜３．３３倍である。このように金属ベース板１２の補強部以外の部分の厚さを薄くすると、初期の反り量が−４５〜＋１１μｍと小さく、加熱処理後の反り量も−９４〜＋２１μｍと小さくなっている。

一方、比較例２５〜３６の金属−セラミックス接合基板１０では、金属ベース板１２の補強部以外の部分の厚さが、２ｍｍ以上であり、セラミックス基板１４の厚さの２．００〜５．００倍であり、金属回路板１６の厚さの２．００〜１６．６７倍である。このように金属ベース板１２の補強部以外の部分の厚さが厚くなると、初期の反り量が−９８〜−５８μｍと大きく、加熱処理後の反り量も−２９８〜−１６４μｍと非常に大きくなっており、金属−セラミックス接合基板１０を他の装置に取り付けるのが非常に困難になる。

［実施例３７］
溶湯接合法によって、縦９０ｍｍ×横１００ｍｍ×厚さ（補強部が形成されている部分の厚さ）１０．４ｍｍのアルミニウムからなる（裏面に形成された縦８０ｍｍ×横６０ｍｍ×深さ１０ｍｍの凹部４１２ｃ内に幅３ｍｍ×（金属ベース板４１２の厚さ方向の）高さ１０ｍｍ×長さ７０ｍｍの放熱フィンが３ｍｍ間隔で９本配置され、凹部４１２ｃが形成されている部分の厚さ（補強部以外の部分の厚さ）が０．４ｍｍの）金属ベース板４１２の上面に、縦５０ｍｍ×横２０ｍｍ×厚さ０．６３５ｍｍのＡｌＮからなる３枚のセラミックス基板４１４が直接接合され、これらのセラミックス基板４１４の各々の上面に、縦４７ｍｍ×横１７ｍｍ×厚さ０．６ｍｍのアルミニウムからなる金属回路板４１６が直接接合された、図１７〜２０に示す第５の実施の形態と同様の形状の金属−セラミックス接合基板４１０を製造した。

この金属−セラミックス接合基板４１０の反り量を測定したところ、加熱処理前の初期の反り量が−１８μｍであり、ホットプレート上に４１０℃に加熱して５分間する加熱処理を３回繰り返した後（加熱処理後）の反り量が−３４μｍであった。

［実施例３８］
金属ベース板４１２の厚さを１０．６ｍｍ（補強部以外の部分の厚さを０．６ｍｍ）にした以外は、実施例３７と同様の金属−セラミックス接合基板４１０を製造し、実施例３７と同様に反り量を測定したところ、初期の反り量が−２１μｍであり、加熱処理後の反り量が−５８μｍであった。

［実施例３９］
金属ベース板４１２の厚さを１０．８ｍｍ（補強部以外の部分の厚さを０．８ｍｍ）にした以外は、実施例３７と同様の金属−セラミックス接合基板４１０を製造し、実施例３７と同様に反り量を測定したところ、初期の反り量が−３３μｍであり、加熱処理後の反り量が−６７μｍであった。

［実施例４０］
金属ベース板４１２の厚さを１１．０ｍｍ（補強部以外の部分の厚さを１．０ｍｍ）にした以外は、実施例３７と同様の金属−セラミックス接合基板４１０を製造し、実施例３７と同様に反り量を測定したところ、初期の反り量が−３８μｍであり、加熱処理後の反り量が−１２５μｍであった。

［比較例３７］
金属ベース板４１２の厚さを１２．０ｍｍ（補強部以外の部分の厚さを２．０ｍｍ）にした以外は、実施例３７と同様の金属−セラミックス接合基板４１０を製造し、実施例３７と同様に反り量を測定したところ、初期の反り量が−８５μｍ、加熱処理後の反り量が−７２６μｍであった。

［比較例３８］
金属ベース板４１２の厚さを１３．０ｍｍ（補強部以外の部分の厚さを３．０ｍｍ）にした以外は、実施例３７と同様の金属−セラミックス接合基板４１０を製造し、実施例３７と同様に反り量を測定したところ、初期の反り量が−９６μｍ、加熱処理後の反り量が−６９４μｍであった。

［比較例３９］
金属ベース板４１２の厚さを１４．０ｍｍ（補強部以外の部分の厚さを４．０ｍｍ）にした以外は、実施例３７と同様の金属−セラミックス接合基板４１０を製造し、実施例３７と同様に反り量を測定したところ、初期の反り量が−９６μｍ、加熱処理後の反り量が−４０５μｍであった。

［比較例４０］
金属ベース板４１２の厚さを１５．０ｍｍ（補強部以外の部分の厚さを５．０ｍｍ）にした以外は、実施例３７と同様の金属−セラミックス接合基板４１０を製造し、実施例３７と同様に反り量を測定したところ、初期の反り量が−８９μｍ、加熱処理後の反り量が−３４０μｍであった。

実施例３７〜４０および比較例３７〜４０の条件および結果を表４に示す。

表４からわかるように、実施例３７〜４０の金属−セラミックス接合基板４１０では、金属ベース板４１２の補強部以外の部分の厚さが、１ｍｍ以下であり、セラミックス基板４１４の厚さの０．６３〜１．５７倍であり、金属回路板４１６の厚さの０．６７〜１．６７倍である。このように金属ベース板４１２の補強部以外の部分の厚さを薄くすると、初期の反り量が−３８〜−１８μｍと小さく、加熱処理後の反り量も−１２５〜−３４μｍと小さくなっている。

一方、比較例３７〜４０の金属−セラミックス接合基板４１０では、金属ベース板４１２の補強部以外の部分の厚さが、２ｍｍ以上であり、セラミックス基板４１４の厚さの３．１５〜７．８７倍であり、金属回路板４１６の厚さの３．３３〜８．３３倍である。このように金属ベース板４１２の補強部以外の部分の厚さが厚くなると、初期の反り量が−９６〜−８５μｍと大きく、加熱処理後の反り量も−７２６〜−３４０μｍと非常に大きくなっており、金属−セラミックス接合基板１４０を他の装置に取り付けるのが非常に困難になる。

実施例１〜４０の金属−セラミックス接合基板のように、金属ベース板の補強部以外の部分の厚さを、１ｍｍ以下にするとともに、セラミックス基板の厚さの０．４０〜４．００倍で且つ金属回路板の厚さの０．４０〜３．３３倍にすれば、初期の反り量を−９２〜＋５８μｍと小さくなり、加熱処理後の反り量も−１２７〜＋１１５μｍと小さくなる。

一方、比較例１〜４０の金属−セラミックス接合基板のように、金属ベース板の補強部以外の部分の厚さを、２ｍｍ以上にするとともに、セラミックス基板の厚さの２．００〜２０．００倍で且つ金属回路板の厚さの２．００〜１６．６７倍にすると、初期の反り量が−２９８〜−５８μｍと大きくなり、加熱処理後の反り量も−１２５０〜−１６４μｍと非常に大きくなって、金属−セラミックス接合基板を他の装置に取り付けるのが非常に困難になる。

１０、１１０、２１０、３１０、４１０、５１０ 金属−セラミックス接合基板
１２、１１２、２１２、３１２、４１２、５１２ 金属ベース板
１２ａ、２１２ａ、４１２ａ、５１２ａ 放熱フィン
１４、１１４、２１４、３１４、４１４、５１４ セラミックス基板
１６、１１６、２１６、３１６、４１６、５１６ 金属回路板
１１２ｂ、２１２ｂ 壁部
１１２ｃ、２１２ｃ、３１２ｃ、４１２ｃ、５１２ｃ 凹部

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、セラミックス基板の両面にそれぞれアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属回路板および金属ベース板が接合した金属−セラミックス接合基板の製造方法に関する。

したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、セラミックス基板の両面にそれぞれアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属回路板および金属ベース板が接合した金属−セラミックス接合基板の製造方法において、反り量を非常に小さく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。

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 を収容する空洞部が内部に形成されるとともにこの空洞部の両側にそれぞれ金属ベース板 と金属回路板に対応する形状の空洞部が形成された鋳型に、アルミニウムまたはアルミニ ウム合金の溶湯を注入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アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属回路板を直接接合させるとともに、他方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる平板状の金属ベース板の一方の面を直接接合させる金属−セラミックス接合基板の製造方法において、金属ベース板の他方の面および周縁部の少なくとも一方に、金属ベース板を補強する補強部を一体に形成するとともに、金属ベース板の補強部以外の部分の厚さを、１ｍｍ以下であり且つセラミックス基板および金属回路板のそれぞれの厚さの０．４〜４．０倍にす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、金属ベース板の補強部以外の部分の厚さが、セラミックス基板および金属回路板のそれぞれの厚さの０．４〜３．０倍であるのが好ましく、０．４〜２．０倍であるのがさらに好ましい。また、補強部として、金属ベース板の他方の面から突出して互いに所定の間隔で配置するように複数の放熱フィンが金属ベース板と一体に形成されているのが好ましい。さらに、補強部として、金属ベース板の一方の面または他方の面の周縁部から突出して金属ベース板の周縁部の全周に沿って延びる壁部であるのが好ましい。また、鋳型に溶湯を注入した後に溶湯を加圧してもよい。

本発明による金属−セラミックス接合基板の製造方法により製造される金属−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１の金属−セラミックス接合基板の平面図である。 図１の金属−セラミックス接合基板の側面図である。 図２のＩＶ−ＩＶ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製造方法により製造される金属−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の金属−セラミックス接合基板の平面図である。 図５の金属−セラミックス接合基板の側面図である。 図６のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ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製造方法により製造される金属−セラミックス接合基板の第３の実施の形態の斜視図である。 図９の金属−セラミックス接合基板の平面図である。 図９の金属−セラミックス接合基板の側面図である。 図１０のＸＩＩ−ＸＩＩ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製造方法により製造される金属−セラミックス接合基板の第４の実施の形態の斜視図である。 図１３の金属−セラミックス接合基板の平面図である。 図１３の金属−セラミックス接合基板の側面図である。 図１４のＸＶＩ−ＸＶＩ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製造方法により製造される金属−セラミックス接合基板の第５の実施の形態の斜視図である。 図１７の金属−セラミックス接合基板の平面図である。 図１７の金属−セラミックス接合基板の側面図である。 図１８のＸＸ−ＸＸ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製造方法により製造される金属−セラミックス接合基板の第６の実施の形態の平面図である。 図２１の金属−セラミックス接合基板の側面図である。 図２１のＸＸＩＩＩ−ＸＸＩＩＩ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製造方法の実施の形態について説明する。

［第１の実施の形態］
図１〜図４は、空冷用の金属−セラミックス接合基板として使用可能な金属−セラミックス接合基板として、本発明による金属−セラミックス接合基板の製造方法により製造さ れる金属−セラミックス接合基板の第１の実施の形態を示している。図１〜図４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１０は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる略矩形の平板状の金属ベース板１２と、この金属ベース板１２の上面に直接接合した複数の（本実施の形態では３つであるが、１つでもよい）略矩形のセラミックス基板１４と、これらのセラミックス基板１４の上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略矩形の金属回路板１６とから構成されている。

［第２の実施の形態］
図５〜図８は、空冷用の金属−セラミックス接合基板として使用可能な金属−セラミックス接合基板として、本発明による金属−セラミックス接合基板の製造方法により製造さ れる金属−セラミックス接合基板の第２の実施の形態を示している。図５〜図８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１１０では、第１の実施の形態の金属−セラミックス接合基板１０の金属ベース板１２と一体に形成された放熱フィン１２ａの代わりに、金属ベース板１１２の上面の周縁部から略垂直方向に突出して金属ベース板１１２の周縁部の全周に沿って延びる壁部１１２ｂが金属ベース板１１２と一体に形成され、この壁部１１２ｂに囲まれる凹部１１２ｃ内にセラミックス基板１１４および金属回路板１１６が配置されている。このような壁部１１２ｂも金属ベース板１１２を補強する補強部として機能する。金属ベース板１１２から突出する壁部１１２ｂの高さ（金属ベース板１１２の厚さ方向の壁部１１２ｂの高さ）は、１〜５０ｍｍであるのが好ましく、３〜４０ｍｍであるのがさらに好ましい。

［第３の実施の形態］
図９〜図１２は、空冷用の金属−セラミックス接合基板として使用可能な金属−セラミックス接合基板として、本発明による金属−セラミックス接合基板の製造方法により製造 される金属−セラミックス接合基板の第３の実施の形態を示している。図９〜図１２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２１０では、第１の実施の形態の金属−セラミックス接合基板１０の金属ベース板１２と一体に形成された放熱フィン１２ａと同様の放熱フィン２１２ａが金属ベース板２１２と一体に形成されていること以外は、第２の実施の形態の金属−セラミックス接合基板１１０と同様であるので、図９〜図１２において、図５〜図８と同一の構成部分の参照符号に１００を加えて、その説明を省略する。なお、本実施の形態の金属−セラミックス接合基板２１０も第１の実施の形態の金属−セラミックス接合基板１０と同様に反り量を非常に小さくする効果を得ることができる。

［第４の実施の形態］
図１３〜図１６は、水冷用の金属−セラミックス接合基板として使用可能な金属−セラミックス接合基板として、本発明による金属−セラミックス接合基板の製造方法により製 造される金属−セラミックス接合基板の第４の実施の形態を示している。図１３〜図１６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３１０では、第２の実施の形態の金属−セラミックス接合基板１１０の壁部１１２ｂの代わりに、金属ベース板３１２の裏面の周縁部から略垂直方向に突出して金属ベース板３１２の周縁部の全周に沿って延びる壁部が補強部として金属ベース板３１２と一体に形成されて、この壁部に囲まれる凹部３１２ｃが形成されている。この凹部３１２ｃの大きさは、セラミックス基板３１４および金属回路板１１６が配置されている部分に対応するように、その部分と略同一の広さにするか、あるいは、セラミックス基板３１４および金属回路板１１６が配置されている部分を取り囲むように、その部分より僅かに広い程度でよい。なお、金属ベース板３１２の裏面の周縁部から突出して補強部として形成された壁部の高さ（凹部３１２ｃの深さ）は、２〜５０ｍｍであるのが好ましく、３〜４０ｍｍであるのがさらに好ましい。

［第５の実施の形態］
図１７〜図２０は、水冷用の金属−セラミックス接合基板として使用可能な金属−セラミックス接合基板として、本発明による金属−セラミックス接合基板の製造方法により製 造される金属−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１７〜図２０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４１０では、第１の実施の形態の金属−セラミックス接合基板１０の金属ベース板１２と一体に形成された放熱フィン１２ａと同様の放熱フィン４１２ａが金属ベース板４１２と一体に形成されていること以外は、第４の実施の形態の金属−セラミックス接合基板３１０と同様であるので、図１７〜図２０において、図１３〜図１６と同一の構成部分の参照符号に１００を加えて、その説明を省略する。なお、本実施の形態の金属−セラミックス接合基板４１０も第１の実施の形態の金属−セラミックス接合基板１０と同様に反り量を非常に小さくする効果を得ることができる。

［第６の実施の形態］
図２１〜図２３は、水冷用の金属−セラミックス接合基板として使用可能な金属−セラミックス接合基板として、本発明による金属−セラミックス接合基板の製造方法により製 造される金属−セラミックス接合基板の第６の実施の形態を示している。図２１〜図２３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５１０では、第５の実施の形態の金属−セラミックス接合基板４１０の金属ベース板４１２の裏面に形成された凹部４１２ｃの両側に浅い凹部を形成して、その底部にも放熱フィン５１２ｂを形成した以外は、第５の実施の形態の金属−セラミックス接合基板４１０と同様であるので、図２１〜図２３において、図１８〜図２０と同一の構成部分の参照符号に１００を加えて、その説明を省略する。なお、本実施の形態の金属−セラミックス接合基板５１０も第１の実施の形態の金属−セラミックス接合基板１０と同様に反り量を非常に小さくする効果を得ることができる。

以下、本発明による金属−セラミックス接合基板の製造方法の実施例について詳細に説明する。

Claims (6)

1. セラミックス基板の一方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属回路板が直接接合するとともに、他方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる平板状の金属ベース板の一方の面が直接接合した金属−セラミックス接合基板において、金属ベース板の他方の面および周縁部の少なくとも一方に、金属ベース板を補強する補強部が一体に形成されているとともに、金属ベース板の補強部以外の部分の厚さが、１ｍｍ以下であり且つセラミックス基板および金属回路板のそれぞれの厚さの０．４〜４．０倍であることを特徴とする、金属−セラミックス接合基板。
2. 前記補強部が、前記金属ベース板の他方の面から突出して互いに所定の間隔で配置するように形成された複数の放熱フィンであ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。
3. 前記放熱フィンの高さが２〜５０ｍｍであることを特徴とする、請求項２に記載の金属−セラミックス接合基板。
4. 前記金属ベース板の他方の面を占有する前記放熱フィンの面積が、前記金属ベース板の前記セラミックス基板との接合面積の６０％以下であることを特徴とする、請求項２または３に記載の金属−セラミックス接合基板。
5. 前記補強部が、前記金属ベース板の一方の面または他方の面の周縁部から突出して前記金属ベース板の周縁部の全周に沿って延びる壁部であ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。
6. 前記壁部の高さが１〜５０ｍｍ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。
   
   

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