JP2020136581A - 金属−セラミックス接合基板およびその製造方法 - Google Patents

金属−セラミックス接合基板およびその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】セラミックス基板に直接接合したアルミニウム板の接合強度が従来よりも高い金属−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２０内にセラミックス基板１０を配置し、鋳型２０を炉内に入れ、炉内の酸素濃度を２５ｐｐｍ以下、露点を−４５℃以下まで低下させ、セラミックス基板１０の表面に接触するようにアルミニウムの溶湯を注湯した後に溶湯を冷却して固化させることにより、アルミニウムからなる回路パターン用金属板１４をセラミックス基板１０の一方の面に形成してその回路パターン用金属板１４の一方の面をセラミックス基板１０に直接接合させるとともに、アルミニウムからなる金属ベース板１２をセラミックス基板１０の他方の面に形成してセラミックス基板１０に直接接合させることにより、金属−セラミックス接合基板を製造する。【選択図】図２Ａ

Description

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、窒化アルミニウム基板にアルミニウム板が接合した金属−セラミックス接合基板およびその製造方法に関する。
従来、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パワーモジュールでは、金属ベース板の一方の面に金属−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、金属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金属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金属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、半田付けの際に金属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金属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、窒化アルミニウム基板などのセラミックス基板にアルミニウム板を直接接合した金属−セラミックス接合基板が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−１４４２２４号公報（段落番号００１６−００１７）
しかし、特許文献１の金属−セラミックス接合基板では、アルミニウム板とセラミックス基板との間のピール強度が３０ｋｇ／ｃｍ程度であり、近年では、さらに高い接合強度の金属−セラミックス接合基板が望まれている。
したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、セラミックス基板に直接接合したアルミニウム板の接合強度が従来よりも高い金属−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。
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、鋳型内にセラミックス基板を配置し、鋳型を炉内に入れ、炉内の酸素濃度を２５ｐｐｍ以下、露点を−４５℃以下まで低下させ、セラミックス基板の一方の面に接触するようにアルミニウムの溶湯を注湯した後に溶湯を冷却して固化させることにより、アルミニウム板をセラミックス基板の一方の面に形成してそのアルミニウム板をセラミックス基板に直接接合させることにより、セラミックス基板に直接接合したアルミニウム板の接合強度が従来よりも高い金属−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の製造方法は、鋳型内にセラミックス基板を配置し、鋳型を炉内に入れ、炉内の酸素濃度を２５ｐｐｍ以下、露点を−４５℃以下まで低下させ、セラミックス基板の一方の面に接触するようにアルミニウムの溶湯を注湯した後に溶湯を冷却して固化させることにより、アルミニウム板をセラミックス基板の一方の面に形成してそのアルミニウム板をセラミックス基板に直接接合させ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、アルミニウム板が回路パターン用アルミニウム板であるのが好ましい。また、鋳型内のセラミックス基板の一方の面に接触するようにアルミニウム溶湯を注湯する際に、鋳型内のセラミックス基板の他方の面に接触するようにアルミニウム溶湯を注湯し、アルミニウムベース板をセラミックス基板の他方の面に形成してセラミックス基板に直接接合させるのが好ましい。また、セラミックス基板が窒化アルミニウム基板であり、アルミニウムが純度９９．９質量％以上のアルミニウムであるのが好ましい。さらに、注湯と冷却を加圧しながら行うのが好ましい。
また、本発明による金属−セラミックス接合基板は、セラミック基板の一方の面にアルミニウムからなるアルミニウム板が直接接合し、このアルミニウム板とセラミックス基板との接合界面に形成された酸化物層の最大厚さが４ｎｍ以下であり、アルミニウム板とセラミックス基板との間の接合強度が３３０Ｎ／ｃｍ以上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、アルミニウム板が回路パターン用アルミニウム板であるのが好ましい。また、セラミックス基板の他方の面にアルミニウムからなるアルミニウムベース板が直接接合し、このアルミニウムベース板とセラミックス基板との接合界面に形成された酸化物層の最大厚さが４ｎｍ以下であり、アルミニウムベース板とセラミックス基板との間の接合強度が３３０Ｎ／ｃｍ以上であるのが好ましい。また、酸化物層の最大厚さが３ｎｍ以下であり、接合強度が３５０Ｎ／ｃｍ以上であるのが好ましい。さらに、セラミックス基板が窒化アルミニウム基板であり、アルミニウムが純度９９．９質量％以上のアルミニウムであるのが好ましい。
本発明によれば、セラミックス基板に直接接合したアルミニウム板の接合強度が従来よりも高い金属−セラミックス接合基板を製造することができる。
本発明による金属−セラミックス接合基板の実施の形態の平面図である。 図１Ａの金属−セラミックス接合基板のＩＢ−ＩＢ線断面図である。 図１Ａの金属−セラミックス接合基板を製造するために使用する鋳型の断面図である。 図２Ａの鋳型の下側鋳型部材の平面図である。 図１Ａの金属−セラミックス接合基板の製造に使用する装置を概略的に示す図である。
本発明による金属−セラミックス接合基板の製造方法の実施の形態では、鋳型内に（好ましくは窒化アルミニウム、アルミナ、窒化珪素などからなる）セラミックス基板を配置し、鋳型を炉内に入れ、炉内の酸素濃度を２５ｐｐｍ以下（好ましくは１５ｐｐｍ以下）、露点を−４５℃以下（好ましくは−４８℃以下）まで低下させ、セラミックス基板の表面に接触するように（好ましくは純度９９．９質量％以上、さらに好ましくは純度９９．９９質量％以上の）アルミニウムの溶湯を（好ましくは酸化皮膜を取り除きながら窒素ガスなどにより５〜１５ｋＰａ程度で加圧して）流し込んだ後、（好ましくは鋳型内に窒素ガスなどを吹き込んで鋳型内の溶湯を５〜１５ｋＰａ程度で加圧したまま）溶湯を冷却して固化（凝固）させることにより、アルミニウムからなる回路パターン用金属板をセラミックス基板の一方の面に形成してその回路パターン用金属板の一方の面をセラミックス基板に直接接合させるとともに、アルミニウムからなる金属ベース板をセラミックス基板の他方の面に形成してセラミックス基板に直接接合させる。
また、本発明による金属−セラミックス接合基板の実施の形態は、図１Ａ〜図１Ｂに示すように、平面形状が略矩形の窒化アルミニウムからなるセラミック基板１０の一方の面に平面形状が略矩形の（好ましくは純度９９．９質量％以上、さらに好ましくは純度９９．９９質量％以上の）アルミニウムからなる１以上（図示した実施の形態では１つ）の回路パターン用金属板（回路パターン用アルミニウム板）１４が直接接合するとともに、セラミック基板１０の他方の面（裏面）に平面形状が略矩形の（好ましくは純度９９．９質量％以上、さらに好ましくは純度９９．９９質量％以上の）アルミニウムからなる金属ベース板（アルミニウムベース板）１２が直接接合し、セラミックス基板１０と回路パターン用金属板１４の接合界面およびセラミックス基板１０と金属ベース板１２の接合界面に形成された（図示しない）酸化物層の最大厚さが４ｎｍ以下（好ましくは３ｎｍ以下）であり、セラミックス基板１０と回路パターン用金属板１４との間（またはセラミックス基板１０と金属ベース板１２との間）の接合強度が３３０Ｎ／ｃｍ以上（好ましくは３５０Ｎ／ｃｍ以上）である。
この金属−セラミックス接合基板の実施の形態は、例えば、図２Ａ〜図２Ｂに示すような鋳型２０を使用して、上述した金属−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することができる。
図２Ａに示すように、鋳型２０は、（多孔質の）カーボンまたは多孔質金属などの（溶湯不透過の）通気性材料からなり、それぞれ平面形状が略矩形の下側鋳型部材２２と上側鋳型部材２４とから構成されている。図２Ａおよび図２Ｂに示すように、下側鋳型部材２２の上面には、金属ベース板１２を形成するための（金属ベース板形成用）凹部（金属ベース板形成部）２２ａが形成されている。この金属ベース板形成部２２ａの底面の略中央部には、セラミックス基板１０と略等しい形状および大きさの１つまたは複数（図示した実施の形態では１つを示す）の凹部（セラミックス基板収容部）２２ｂが形成されている。このセラミックス基板収容部２２ｂの底面には、回路パターン用金属板を形成するための１以上（図示した実施の形態では１つ）の（回路パターン形成用）凹部（回路パターン用金属板形成部）２２ｃが形成されている。なお、上側鋳型部材２４には、（図示しない）注湯ノズルから下側鋳型部材２２の金属ベース板形成部２２ａ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とともに、下側鋳型部材２２には、金属ベース板形成部２２ａと回路パターン用金属板形成部２２ｃとの間に延びる（図示しない）溶湯流路が形成されて、セラミックス基板１０をセラミックス基板収容部２２ｂ内に載置したときにも金属ベース板形成部２２ａと回路パターン用金属板形成部２２ｃとの間が連通するようになっている。
このような鋳型２０を使用して図１Ａ〜図１Ｂに示す実施の形態の金属−セラミックス接合基板を製造するためには、下側鋳型部材２２のセラミックス基板収容部２２ｂ内にセラミックス基板１０を配置し、上側鋳型部材２４を下側鋳型部材２２に被せた後、鋳型を炉内に入れ、炉内の酸素濃度を２５ｐｐｍ以下（好ましくは１５ｐｐｍ以下、さらに好ましくは１０ｐｐｍ以下）、露点を−４５℃以下（好ましくは−４８℃以下、さらに好ましくは−５０℃以下）まで低下させ、セラミックス基板の表面に接触するようにアルミニウム溶湯を流し込んだ後、このアルミニウム溶湯を冷却して固化（凝固）させればよい。
このような金属−セラミックス接合基板は、例えば、図３に示す金属−セラミックス接合基板の製造装置により製造することができる。
図３に示す金属−セラミックス接合基板の製造装置は、セラミックス基板に金属部材を接合する接合炉であり、（図示しない）前置換部と、予熱部２００と、注湯部３００と、加圧冷却部４００と、冷却部５００と、（図示しない）後置換部と、搬送路６００を備えている。なお、この金属−セラミックス接合基板の製造装置は、注湯口３２を取り囲むように坩堝３４が設けられた鋳型２０を使用して金属−セラミックス接合基板を製造するようになっている。
予熱部２００、注湯部３００、加圧冷却部４００および冷却部５００は、それぞれ外部の大気雰囲気と異なる雰囲気を維持（予熱部２００、注湯部３００および加圧冷却部４００は、さらに外部温度と異なる温度を維持）することができる処理部であり、互いに略水平方向に隣接して配置されている。また、予熱部２００、注湯部３００、加圧冷却部４００および冷却部５００の内壁は、（図示しない）通気性の断熱材で覆われている。この断熱材として、繊維系や発砲プラスチック系などの断熱材を使用することができる。また、予熱部２００、注湯部３００、加圧冷却部４００および冷却部５００の上下の壁部には、上下の内壁の断熱材まで延びる（図示しない）ガス導入ノズルが設けられ、上下の壁部の外部から（窒素ガスやアルゴンガスなどの不活性ガスまたは還元性ガスなどの）ガスが上下の壁面の断熱材に供給され、この断熱材に供給されたガスが予熱部２００、注湯部３００、加圧冷却部４００および冷却部５００の内部に導入されることができるようになっている。このように内壁を断熱材で覆うとともに上下の内壁の断熱材を介してガスを導入することにより、露点を−４５℃以下（好ましくは−４８℃以下）まで低下させることができる。
図中最も左側に配置された予熱部２００の左側には、（図示しない）前置換部が予熱部２００と略水平方向に隣接して配置され、この前置換部の図中左側の壁部には（図示しない）鋳型投入口が形成されている。図中最も右側に配置された冷却部５００の右側には、（図示しない）後置換部が冷却部５００と略水平方向に隣接して配置され、この後置換部の図中右側の側壁には（図示しない）鋳型取り出し口が形成されている。これらの前置換部内と後置換部内では、ロータリーポンプによる真空引きと、内部の空気の窒素ガスやアルゴンガスなどの不活性ガスまたは還元性ガスへの置換（パージ）を繰り返し、外部から接合炉内に入る酸素を減少させることができるようになっている。
また、（図示しない）前置換部と予熱部２００の間の隔壁と、予熱部２００と注湯部３００の間の隔壁と、注湯部３００と加圧冷却部４００の間の隔壁と、加圧冷却部４００と冷却部５００の間の隔壁と、冷却部５００と（図示しない）後置換部との間の隔壁には、それぞれ（図示しない）シャッター付の連通口が形成されている。また、予熱部２００の上側の壁部の前置換部側と、冷却部５００の上側の壁部の後処理側には、それぞれ（開度を調整可能な）排気口が形成されており、外部との差圧をモニターして、予熱部２００内の圧力が注湯部３００内の圧力より低く、冷却部５００内の圧力が加圧冷却部４００内の圧力より低くなるように、開度を調整することができる。
搬送路６００は、これらの鋳型投入口、連通口および鋳型取り出し口を通過して略水平方向に延びており、鋳型２０を鋳型投入口から（図示しない）前置換部、予熱部２００、注湯部３００、加圧冷却部４００、冷却部５００および（図示しない）後置換部内に順次搬送して鋳型取り出し口から取り出すことができるようになっている。
予熱部２００は、セラミックス基板１０が内部に設置された後に固体のアルミニウムが坩堝３４内に導入されてピストン３１８が坩堝３４に嵌合した鋳型２０を外部から導入して、内部の空気を窒素ガスやアルゴンガスなどの不活性ガス雰囲気または還元性ガス雰囲気に置換した後、内部に設置されたヒータ２０２によって鋳型２０を加熱して坩堝３４内の固体の金属を溶解させ、得られた溶湯３１２の温度を維持するようになっている。
注湯部３００は、予熱部２００から導入された鋳型２０内にアルミニウム溶湯を注入するようになっている。この注湯部３００には、鋳型２０の温度を維持するためのヒータ３０２と、鋳型２０内に溶湯３１２を注入するための注湯装置３１０が設置されている。注湯装置３１０は、坩堝３４内の溶湯３１２を鋳型２０内に注湯するためのピストン３１８と、このピストン３１８を駆動するためのピストン駆動装置３２０とを備えている。搬送された鋳型２０の坩堝３４内のピストン３１８が注湯装置３１０の真下に到達したときに、ピストン駆動装置３２０によってピストン３１８が下方に移動して、坩堝３４内の溶湯３１２が鋳型２０内に注湯されるようになっている。
加圧冷却部４００は、注湯部３００から導入された鋳型２０内の溶湯を加圧しながら鋳型を冷却して溶湯を固化させるようになっている。この加圧冷却部４００には、鋳型２０内の注湯口３２付近の温度を維持するためのヒータ４０２と、鋳型２０の注湯口３２から鋳型２０内の溶湯３１２を加圧するための加圧装置４１０と、鋳型２０の注湯口３２から離れた部分を上下から冷却するための冷却装置４３０が設置されている。加圧装置４１０は、搬送された鋳型２０の坩堝３４内のピストン３１８が加圧装置４１０の真下に到達したときにピストン３１８を下方に移動させて鋳型２０内の溶湯３１２を加圧するためのピストン駆動装置４２０を備えている。また、冷却装置４３０は、鋳型２０の注湯口３２から離れた部分の上側部分に接近または当接してその部分を冷却する上側冷却ブロック４３２と、鋳型２０の注湯口３２から離れた部分の下側部分に接近または当接してその部分を冷却する下側冷却ブロック４３４と、上側冷却ブロック４３２および下側冷却ブロック４３４をそれぞれ上下方向に移動させるための冷却ブロック駆動装置４３６および４３８とを備えている。
この加圧冷却部４００では、鋳型２０を冷却する際に、鋳型２０の一部を冷却して鋳型２０内に高温側と低温側を形成するとともに、鋳型２０に注湯された溶湯３１２を高温側から低温側に向けて加圧しながら鋳型２０を冷却することによって、溶湯３１２を固化させるようになっている。このように、冷却時に溶湯３１２を高温側から低温側に向けて加圧、すなわち、凝固の進行と反対方向に加圧することにより、低温側で凝固した金属が収縮する部分に、高温側の未凝固の溶湯が円滑に補給されて、最終的に引け巣のない金属−セラミックス接合基板を得ることができる。また、鋳型２０内の注湯口３２側の部分が高温側になり且つ注湯口３２と反対側の部分が注湯口３２側の部分よりも低温側になるように冷却すれば、金属−セラミックス接合基板を製造するための鋳型２０や製造装置の構造を簡略化することができる。
冷却部５００は、加圧冷却部４００において内部の溶湯３１２が固化した鋳型２０を導入して全体的に冷却するようになっている。この冷却部５００には、鋳型２０を上下から冷却するための冷却装置５３０が設置されている。冷却装置５３０は、鋳型２０の上側部分に接近または当接してその部分を冷却する上側冷却ブロック５３２と、鋳型２０の下側部分に接近または当接してその部分を冷却する下側冷却ブロック５３４と、上側冷却ブロック５３２および下側冷却ブロック５３４をそれぞれ上下方向に移動させて鋳型２０に接近または当接させるための冷却ブロック駆動装置５３６および５３８とを備えている。
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。
［実施例１］
下側鋳型部材の上面に、平面形状が略矩形の７０ｍｍ×７０ｍｍ×５ｍｍの大きさのベース板を形成するための（金属ベース板形成用）凹部（金属ベース板形成部）が形成され、このベース板形成部の底面の略中央部に、平面形状が略矩形の５０ｍｍ×５０ｍｍ×０．６ｍｍの大きさのセラミックス基板を収容するための凹部（セラミックス基板収容部）が形成され、このセラミックス基板収容部の底面の略中央部に、平面形状が略矩形の４８ｍｍ×４８ｍｍ×０．６ｍｍの大きさの回路パターン用金属板を形成するための（回路パターン形成用）凹部（回路パターン用金属板形成部）が形成され、金属ベース板形成部と回路パターン用金属板形成部との間に延びる溶湯流路が形成された（図２Ａ〜図２Ｂに示す鋳型２０と同様の形状の）カーボン製の鋳型を用意した。
この鋳型の下側鋳型部材のセラミックス基板収容部内に平面形状が略矩形の５０ｍｍ×５０ｍｍ×０．６ｍｍの大きさの窒化アルミニウム基板（株式会社トクヤマ製の多結晶窒化アルミニウム基板（シェイパルＳＨ−３０））を収容し、上側鋳型部材を被せて密閉した後、鋳型を（図３に示す）接合炉内に入れ、（予熱部２００と冷却部５００の上下の内壁の断熱材にそれぞれ５Ｌ／分の流量で窒素ガスを供給するとともに注湯部３００と加圧冷却部４００の上下の内壁の断熱材にそれぞれ１５Ｌ／分の流量で窒素ガスを導入することにより）炉内を窒素雰囲気にして（注湯部３００内の）酸素濃度を２ｐｐｍ、露点を−６０℃まで低下させ、ヒーターの温度制御により鋳型を７３０℃まで加熱した。なお、接合炉内の酸素濃度と露点は、それぞれジルコニア式酸素濃度計（東レエンジニアリング株式会社製のＬＤ−３００、ＳＡ２５ＮＷ）と露点計（ヴァイサラ社製のＤＲＹＣＡＰ露点変換器ＤＭＴ１５２）により測定した。また、予め計量した純度９９．９質量％（３Ｎ）のアルミニウムの溶湯を７４０℃まで加熱し、この溶湯を、狭隘部を有するノズルを介して酸化皮膜を取り除きながら、窒素ガスにより１０ｋＰａで加圧して、注湯口から鋳型内に流し込んだ。このようにアルミニウム溶湯を流し込んだ後、ガス加圧ノズルから注湯口に窒素ガスを吹き込んで鋳型内のアルミニウム溶湯を１０ｋＰａで加圧したまま冷却して凝固させることにより、窒化アルミニウム基板の一方の面に回路パターン用アルミニウム板が直接接合するとともに、他方の面にアルミニウムベース板が直接接合した金属−セラミックス接合基板を得た。なお、本実施例では、前置換部と後置換部において、ロータリーポンプによる真空引きと、窒素ガスパージを繰り返して、外部から接合炉内に入る酸素を減少させた。
このようにして得られた金属−セラミックス接合基板を鋳型から取り出し、ダイヤモンドカッターを使用して、金属−セラミックス接合基板の長手方向（または幅方向）中央部において厚さ方向に切断し、窒化アルミニウム基板とアルミニウムベース板の接合界面と、窒化アルミニウム基板と回路パターン用アルミニウム板の接合界面を観察することができるように、その断面を樹脂に埋めた後、その表面を回転研磨機で研磨した。この断面を走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）・エネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＳ）装置により観察（ＳＴＥＭ−ＥＤＳ分析）し、明視野ＳＴＥＭ像により、接合界面に生成された酸化物層の最大厚さを測定したところ、１ｎｍであった。
また、本実施例と同様の方法で得られた金属−セラミックス接合基板を鋳型から取り出し、４８ｍｍ×４８ｍｍ×０．６ｍｍの大きさの回路パターン用アルミニウム板の長手方向（または幅方向）中央部に１０ｍｍ×４８ｍｍ×０．６ｍｍの大きさの回路パターン用アルミニウム板が残るように、金属−セラミックス接合基板をマスキングし、塩化鉄溶液で回路パターン用アルミニウム板の不要部分をエッチングした後、回路パターン用アルミニウム板と窒化アルミニウム基板との間の接合強度（ピール強度）を測定したところ、３５０Ｎ／ｃｍ以上であり、十分に強い接合強度であった。
［実施例２］
純度９９．９質量％（３Ｎ）のアルミニウムに代えて純度９９．９９質量％（４Ｎ）のアルミニウムを使用した以外は、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作製し、ＳＴＥＭ−ＥＤＳ分析と接合強度（ピール強度）の測定を行った。その結果、接合界面に生成された酸化物層の最大厚さは１ｎｍであった。また、接合強度（ピール強度）は３５０Ｎ／ｃｍ以上であり、十分に強い接合強度であった。
［実施例３］
露点を−５０℃にした以外は、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作製し、ＳＴＥＭ−ＥＤＳ分析と接合強度（ピール強度）の測定を行った。その結果、接合界面に生成された酸化物層の最大厚さは１ｎｍであった。また、接合強度（ピール強度）は３５０Ｎ／ｃｍ以上であり、十分に強い接合強度であった。
［実施例４］
（図３に示す）予熱部２００と冷却部５００の開度を調整可能な排気口を閉じたままにし、（注湯部３００内の）酸素濃度を４ｐｐｍにした以外は、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作製し、ＳＴＥＭ−ＥＤＳ分析と接合強度（ピール強度）の測定を行った。その結果、接合界面に生成された酸化物層の最大厚さは２ｎｍであった。また、接合強度（ピール強度）は３５０Ｎ／ｃｍであり、十分に強い接合強度であった。
［実施例５］
（図３に示す）予熱部２００と冷却部５００の開度を調整可能な排気口を閉じたままにし、予熱部２００と冷却部５００内に導入する窒素ガスの流量を１０Ｌ／分にし、（注湯部３００内の）酸素濃度を１０ｐｐｍにし、露点を−５０℃にした以外は、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作製し、ＳＴＥＭ−ＥＤＳ分析と接合強度（ピール強度）の測定を行った。その結果、接合界面に生成された酸化物層の最大厚さは３ｎｍであった。また、接合強度（ピール強度）は３５０Ｎ／ｃｍであり、十分に強い接合強度であった。
［比較例１］
前置換部と後置換部において真空引きと窒素ガスパージを行わず、（注湯部３００内の）酸素濃度を４０ｐｐｍ、露点を−６０℃にした以外は、実施例５と同様の方法により、金属−セラミックス接合基板を作製し、ＳＴＥＭ−ＥＤＳ分析と接合強度（ピール強度）の測定を行った。その結果、接合界面に生成された酸化物層の最大厚さは５ｎｍであった。また、接合強度（ピール強度）は３００Ｎ／ｃｍであり、接合強度は十分でなかった。
［比較例２］
予熱部２００、注湯部３００、加圧冷却部４００および冷却部５００の上下の内壁の断熱材を介してガスを導入するガス導入ノズルに代えて、予熱部２００、注湯部３００、加圧冷却部４００および冷却部５００の上下の内壁の熱材を貫通するガス導入ノズルを設けて、予熱部２００、注湯部３００、加圧冷却部４００および冷却部５００内に直接ガスを導入することにより、露点を−４０℃にした以外は、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作製し、ＳＴＥＭ−ＥＤＳ分析と接合強度（ピール強度）の測定を行った。その結果、接合界面に生成された酸化物層の最大厚さは１０ｎｍであった。また、接合強度（ピール強度）は２８０Ｎ／ｃｍであり、接合強度は十分でなかった。
１０ セラミックス基板
１２ 金属ベース板
１４ 回路パターン用金属板
２０ 鋳型
２２ 下側鋳型部材
２２ａ 金属ベース板形成用凹部（金属ベース板形成部）
２２ｂ セラミックス基板収容部
２２ｃ 回路パターン形成用凹部（回路パターン用金属板形成部）
２４ 上側鋳型部材
３２ 注湯口
３４ 坩堝
２００ 予熱部
２０２、３０２、４０２ ヒータ
３００ 注湯部
３１０ 注湯装置
３１２ 溶湯
３１４ 溶湯溜め
３１６ シリンダ
３１６ａ 注湯入口
３１６ｂ 注湯出口
３１８ ピストン
３２０ ピストン駆動装置
４００ 加圧冷却部
４３２ 上側冷却ブロック
４３４ 下側冷却ブロック
４３６、４３８ 冷却ブロック駆動装置
５００ 冷却部
５３０ 冷却装置
５３２ 上側冷却ブロック
５３４ 下側冷却ブロック
５３６、５３８ 冷却ブロック駆動装置
６００ 搬送路

Claims (10)

  1. 鋳型内にセラミックス基板を配置し、鋳型を炉内に入れ、炉内の酸素濃度を２５ｐｐｍ以下、露点を−４５℃以下まで低下させ、セラミックス基板の一方の面に接触するようにアルミニウムの溶湯を注湯した後に溶湯を冷却して固化させることにより、アルミニウム板をセラミックス基板の一方の面に形成してそのアルミニウム板をセラミックス基板に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。
  2. 前記アルミニウム板が回路パターン用アルミニウム板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の製造方法。
  3. 前記鋳型内の前記セラミックス基板の一方の面に接触するように前記アルミニウムの溶湯を注湯する際に、前記鋳型内の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アルミニウムの溶湯を注湯し、アルミニウムベース板を前記セラミックス基板の他方の面に形成して前記セラミックス基板に直接接合させ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。
  4. 前記セラミックス基板が窒化アルミニウム基板であり、前記アルミニウムが純度９９．９質量％以上のアルミニウム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。
  5. 前記注湯と前記冷却を加圧しながら行うことを特徴とする、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。
  6. セラミック基板の一方の面にアルミニウムからなるアルミニウム板が直接接合し、このアルミニウム板とセラミックス基板との接合界面に形成された酸化物層の最大厚さが４ｎｍ以下であり、アルミニウム板とセラミックス基板との間の接合強度が３３０Ｎ／ｃｍ以上であることを特徴とする、金属−セラミックス接合基板。
  7. 前記アルミニウム板が回路パターン用アルミニウム板であ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。
  8. 前記セラミックス基板の他方の面にアルミニウムからなるアルミニウムベース板が直接接合し、このアルミニウムベース板と前記セラミックス基板との接合界面に形成された酸化物層の最大厚さが４ｎｍ以下であり、アルミニウムベース板と前記セラミックス基板との間の接合強度が３３０Ｎ／ｃｍ以上であることを特徴とする、請求項６または７に記載の金属−セラミックス接合基板。
  9. 前記酸化物層の最大厚さが３ｎｍ以下であり、前記接合強度が３５０Ｎ／ｃｍ以上であることを特徴とする、請求項６乃至８のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板。
  10. 前記セラミックス基板が窒化アルミニウム基板であり、前記アルミニウムが純度９９．９質量％以上のアルミニウムであることを特徴とする、請求項６乃至９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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