JP2021009996A

JP2021009996A - Metal-ceramic bonding substrate and manufacturing method thereof

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Publication number: JP2021009996A
Application number: JP2020092939A
Authority: JP
Inventors: 小山内　英世; Hideyo Osanai; 英世小山内; 章菅原; Akira Sugawara
Original assignee: Dowa Metaltech Co Ltd
Current assignee: Dowa Metaltech Co Ltd
Priority date: 2019-06-28
Filing date: 2020-05-28
Publication date: 2021-01-28
Anticipated expiration: 2040-05-28
Also published as: JP7422608B2

Abstract

To provide an inexpensive metal-ceramic bonding substrate in which a metal circuit board made of aluminum or an aluminum alloy is directly bonded to a ceramic substrate, and a manufacturing method thereof that prevent a large step from being generated in a portion corresponding to the grain boundary of aluminum or an aluminum alloy even when a heat cycle is repeatedly applied to the metal-ceramic bonding substrate.SOLUTION: In a metal-ceramic bonding substrate according to an embodiment, one surface of a ceramic substrate 12 is directly bonded to a metal base plate 10 made of aluminum or an aluminum alloy, one side of a first metal plate 14 for a circuit pattern made of aluminum or aluminum alloy is directly joined to the other side, one side of a graphite sheet 16 is directly joined to the other side, and a second metal plate 18 for a circuit pattern made of aluminum or an aluminum alloy is directly bonded to the other surface.SELECTED DRAWING: Figure 1

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、セラミックス基板の一方の面に電子部品搭載用の金属板（金属回路板）が形成され、他方の面に放熱用の金属ベース板が形成された金属−セラミックス接合基板およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a metal-ceramic bonded substrate and a method for manufacturing the same. In particular, a metal plate (metal circuit plate) for mounting electronic components is formed on one surface of the ceramic substrate, and a metal base plate for heat dissipation is formed on the other surface. The present invention relates to a metal-ceramics bonded substrate on which the above is formed and a method for manufacturing the same.

近年、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、より高い熱サイクル耐性を実現するために、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属回路板が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使用されている。 In recent years, as a metal-ceramic insulating substrate for a power module, a metal-ceramic circuit board in which a metal circuit board made of aluminum or an aluminum alloy is directly bonded to the ceramic substrate has been used in order to realize higher thermal cycle resistance. ..

しかし、このような金属−セラミックス回路基板にヒートサイクルが繰り返し加えられると、線膨張係数が小さいセラミックス基板と線膨張係数が大きい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しているため、その線膨張係数の差によって生じた応力により、アルミニウムまたはアルミニウム合金が塑性変形し、アルミニウムまたはアルミニウム合金の結晶粒界に対応する部分に大きなしわのような変形（段差）が生じて、金属回路板に半田付けされた半導体素子が破損したり、半田にクラックが発生したり、半導体素子を金属回路板に接続するボンディングワイヤが剥離するおそれがある。 However, when a heat cycle is repeatedly applied to such a metal-ceramics circuit board, the ceramics board having a small linear expansion coefficient and the metal circuit board made of aluminum or an aluminum alloy having a large linear expansion coefficient are directly bonded to each other. Due to the stress generated by the difference in linear expansion coefficient, the aluminum or aluminum alloy is plastically deformed, and a large wrinkle-like deformation (step) occurs in the portion corresponding to the crystal grain boundary of the aluminum or aluminum alloy, resulting in the metal circuit board. There is a risk that the soldered semiconductor element will be damaged, cracks will occur in the solder, and the bonding wire that connects the semiconductor element to the metal circuit board will peel off.

このような問題を解消するため、セラミックス基板にビッカース硬度ＨＶが２５以上の（アルミニウムを主とする）合金金属層が形成された半導体実装用絶縁基板（例えば、特許文献１参照）、セラミックス基板に形成された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上に、コールドスプレー法により銅または銅合金などからなる金属皮膜が形成された金属−セラミックス回路基板（例えば、特許文献２参照）、セラミックス基板に直接接合したアルミニウムからなる金属回路板の表面に厚さ１７μｍ以上のニッケルめっき皮膜が形成された金属−セラミックス回路基板（例えば、特許文献３参照）などが提案されている。 In order to solve such a problem, an insulating substrate for semiconductor mounting (see, for example, Patent Document 1) in which an alloy metal layer having a Vickers hardness HV of 25 or more (mainly aluminum) is formed on the ceramic substrate, or a ceramic substrate A metal-ceramic circuit board (see, for example, Patent Document 2) in which a metal film made of copper or a copper alloy is formed by a cold spray method on a formed metal circuit board made of aluminum or an aluminum alloy, or directly on the ceramics substrate. A metal-ceramics circuit board (see, for example, Patent Document 3) in which a nickel plating film having a thickness of 17 μm or more is formed on the surface of a metal circuit board made of bonded aluminum has been proposed.

特開２００７−３６２６３号公報（段落番号００１４）JP-A-2007-36263 (paragraph number 0014) 特開２０１６−１５２３２４号公報（段落番号０００９−００１１）JP-A-2016-152324 (paragraph number 0009-0011) 特開２０１８−１８９９２号公報（段落番号０００９−００１０）JP-A-2018-18992 (paragraph number 0009-0010)

しかし、特許文献１の半導体実装用絶縁基板のように、セラミックス基板に硬い（アルミニウムを主とする）合金金属層を形成すると、ヒートサイクル中にアルミニウムが塑性変形しないで、セラミックス基板にクラックが発生するおそれがある。また、硬いアルミニウムは通常純度が低く、熱伝導性や電気伝導性に劣るため、半導体実装用絶縁基板としての特性が悪くなる。 However, when a hard (mainly aluminum) alloy metal layer is formed on the ceramic substrate as in the insulating substrate for semiconductor mounting of Patent Document 1, the aluminum does not plastically deform during the heat cycle and cracks occur in the ceramic substrate. There is a risk of Further, hard aluminum usually has low purity and is inferior in thermal conductivity and electrical conductivity, so that the characteristics as an insulating substrate for semiconductor mounting deteriorate.

また、特許文献２の金属−セラミックス回路基板では、コールドスプレー法により形成された硬い金属皮膜が、多孔であり、表面が粗くなっているため、ブラスト処理などにより金属皮膜の表面を滑らかにする必要があり、製造コストが高くなる。 Further, in the metal-ceramic circuit board of Patent Document 2, since the hard metal film formed by the cold spray method is porous and the surface is rough, it is necessary to smooth the surface of the metal film by blasting or the like. Therefore, the manufacturing cost is high.

さらに、特許文献３の金属−セラミックス回路基板では、アルミニウムからなる金属回路板の表面に硬いニッケルめっき皮膜を非常に厚く形成する必要があるため、めっき時間が長くなり、製造コストが高くなる。 Further, in the metal-ceramic circuit board of Patent Document 3, since it is necessary to form a very thick hard nickel plating film on the surface of the metal circuit board made of aluminum, the plating time becomes long and the manufacturing cost becomes high.

したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、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セラミックス基板に直接接合した金属−セラミックス接合基板にヒートサイクルが繰り返し加えられても、アルミニウムまたはアルミニウム合金の結晶粒界に対応する部分に大きな段差が生じるのを防止することができる、安価な金属−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。 Therefore, in view of such conventional problems, the present invention considers aluminum or aluminum even if a heat cycle is repeatedly applied to a metal-ceramics bonded substrate in which a metal circuit board made of aluminum or an aluminum alloy is directly bonded to a ceramics substrate. It is an object of the present invention to provide an inexpensive metal-ceramics bonded substrate and a method for manufacturing the same, which can prevent a large step from being generated in a portion corresponding to the crystal grain boundary of the alloy.

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、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の金属ベース板に一方の面が直接接合したセラミックス基板の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第１の金属板の一方の面を直接接合させ、この第１の金属板の他方の面にグラファイトシートの一方の面を直接接合させ、このグラファイトシートの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第２の金属板を直接接合させることにより、ヒートサイクルが繰り返し加えられても、アルミニウムまたはアルミニウム合金の結晶粒界に対応する部分に大きな段差が生じるのを防止することができる、安価な金属−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。 As a result of diligent research to solve the above problems, the present inventors have made aluminum or an aluminum alloy on the other surface of a ceramics substrate in which one surface is directly bonded to the metal base plate of a metal base plate made of aluminum or an aluminum alloy. One surface of a first metal plate made of is directly bonded, one surface of a graphite sheet is directly bonded to the other surface of the first metal plate, and aluminum or an aluminum alloy is bonded to the other surface of the graphite sheet. By directly joining the second metal plate made of the material, even if the heat cycle is repeatedly applied, it is possible to prevent a large step from being generated in the portion corresponding to the crystal grain boundary of the aluminum or aluminum alloy, which is inexpensive. They have found that a metal-ceramics bonded substrate can be manufactured, and have completed the present invention.

すなわち、本発明による金属−セラミックス接合基板は、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と、この金属ベース板に一方の面が直接接合したセラミックス基板と、このセラミックス基板の他方の面に一方の面が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第１の金属板と、この第１の金属板の他方の面に一方の面が直接接合したグラファイトシートと、このグラファイトシートの他方の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第２の金属板とを備えていることを特徴とする。 That is, the metal-ceramics bonded substrate according to the present invention includes a metal base plate made of aluminum or an aluminum alloy, a ceramics substrate in which one surface is directly bonded to the metal base plate, and one surface to the other surface of the ceramics substrate. A first metal plate made of aluminum or an aluminum alloy directly bonded to a graphite sheet, a graphite sheet in which one surface is directly bonded to the other surface of the first metal plate, and a graphite sheet directly bonded to the other surface of the graphite sheet. It is characterized by having a second metal plate made of aluminum or an aluminum alloy.

この金属−セラミックス接合基板において、グラファイトシートが、第１の金属板のセラミックス基板との接合面に略平行に延びているのが好ましく、第１の金属板のセラミックス基板との接合面に略平行な平面の略全面に延びているのが好ましい。また、グラファイトシートの端面が外部に露出しているのが好ましい。また、第１の金属板とグラファイトシートと第２の金属板により回路パターンが形成されているのが好ましい。 In this metal-ceramic bonding substrate, it is preferable that the graphite sheet extends substantially parallel to the bonding surface of the first metal plate with the ceramic substrate, and is substantially parallel to the bonding surface of the first metal plate with the ceramic substrate. It is preferable that it extends over substantially the entire surface of the flat surface. Further, it is preferable that the end face of the graphite sheet is exposed to the outside. Further, it is preferable that the circuit pattern is formed by the first metal plate, the graphite sheet and the second metal plate.

また、本発明による金属−セラミックス接合基板の製造方法は、グラファイトシートとセラミックス基板とを鋳型内に離間して略平行に配置させるように、グラファイトシートの端部とセラミックス基板の端部を鋳型に支持させ、鋳型内のグラファイトシートの両面とセラミックス基板の両面に接触するようにアルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯を注湯した後に冷却して固化させることにより、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形成してセラミックス基板の一方の面に直接接合させ、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる第１の金属板を形成してグラファイトシートの一方の面とセラミックス板の他方の面に直接接合させるとともに、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる第２の金属板を形成してグラファイトシートの他方の面に直接接合させることを特徴とする。 Further, in the method for manufacturing a metal-ceramics bonded substrate according to the present invention, the end portion of the graphite sheet and the end portion of the ceramics substrate are used as a mold so that the graphite sheet and the ceramics substrate are separated and arranged substantially in parallel in the mold. A metal base plate made of aluminum or aluminum alloy is formed by pouring molten aluminum or aluminum alloy into the mold so that it is supported and in contact with both sides of the graphite sheet and both sides of the ceramic substrate, and then cooling and solidifying. Then, it is directly bonded to one surface of the ceramic substrate to form a first metal plate made of aluminum or an aluminum alloy and directly bonded to one surface of the graphite sheet and the other surface of the ceramic plate, and aluminum or aluminum. It is characterized in that a second metal plate made of an alloy is formed and directly bonded to the other surface of the graphite sheet.

この金属−セラミックス基板の製造方法において、金属−セラミックス基板の第２の金属板の表面にマスクを形成した後、このマスクの表面からその厚さ方向にマスクと第２の金属板とグラファイトシートと第１の金属板の回路パターン形状に対応する部分以外をミリング加工により除去して、第１の金属板のセラミックス基板側の一部を残す以外は、回路パターン形状に形成し、その後、セラミックス基板の表面の回路パターン形状に対応する部分以外の第１の金属板をエッチング除去した後、マスクを除去することにより、第１の金属板とグラファイトシートと第２の金属板とからなる回路パターンを形成するのが好ましい。 In this method for manufacturing a metal-ceramic substrate, after forming a mask on the surface of the second metal plate of the metal-ceramic substrate, the mask, the second metal plate, and the graphite sheet are formed in the thickness direction from the surface of the mask. A circuit pattern shape is formed except for a portion other than the portion corresponding to the circuit pattern shape of the first metal plate, which is removed by milling to leave a part of the first metal plate on the ceramic substrate side, and then the ceramic substrate is formed. After etching and removing the first metal plate other than the portion corresponding to the circuit pattern shape on the surface of the surface, the mask is removed to obtain a circuit pattern composed of the first metal plate, the graphite sheet, and the second metal plate. It is preferable to form.

本発明によれば、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セラミックス基板に直接接合した金属−セラミックス接合基板にヒートサイクルが繰り返し加えられても、アルミニウムまたはアルミニウム合金の結晶粒界に対応する部分に大きな段差が生じるのを防止することができる、安価な金属−セラミックス接合基板を製造することができる。 According to the present invention, even if a heat cycle is repeatedly applied to a metal-ceramics bonded substrate in which a metal circuit board made of aluminum or an aluminum alloy is directly bonded to a ceramics substrate, the portion corresponding to the crystal grain boundary of the aluminum or aluminum alloy It is possible to manufacture an inexpensive metal-ceramics bonded substrate that can prevent a large step from being generated.

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断面図である。It is sectional drawing of embodiment of the metal-ceramics bonded substrate according to this invention. 図１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。It is sectional drawing of the mold used for manufacturing the metal-ceramics bonded substrate of FIG. 図１の金属−セラミックス接合基板の変形例を製造するために使用する鋳型の断面図である。It is sectional drawing of the mold used for manufacturing the modification of the metal-ceramics bonded substrate of FIG. 図２の鋳型により作製した接合体から図１の金属−セラミックス接合基板を製造する工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the process of manufacturing the metal-ceramics bonded substrate of FIG. 1 from the bonded body produced by the mold of FIG. 図２の鋳型により作製した接合体から図１の金属−セラミックス接合基板を製造する工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the process of manufacturing the metal-ceramics bonded substrate of FIG. 1 from the bonded body produced by the mold of FIG. 図２の鋳型により作製した接合体から図１の金属−セラミックス接合基板を製造する工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the process of manufacturing the metal-ceramics bonded substrate of FIG. 1 from the bonded body produced by the mold of FIG. 図２の鋳型により作製した接合体から図１の金属−セラミックス接合基板を製造する工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the process of manufacturing the metal-ceramics bonded substrate of FIG. 1 from the bonded body produced by the mold of FIG.

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。 Hereinafter, embodiments of a metal-ceramics bonded substrate and a method for manufacturing the same according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

図１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実施の形態は、平面形状が略矩形の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１０と、この金属ベース板１０に一方の面が直接接合（十分な接合強度で化学的に接合）した平面形状が略矩形のセラミックス基板１２と、このセラミックス基板１２の他方の面に一方の面が直接接合（十分な接合強度で化学的に接合）した平面形状が略矩形のアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる回路パターン用の第１の金属板１４と、この第１の金属板１４の他方の面に一方の面が直接接合（十分な接合強度で化学的に接合）した平面形状が（第１の金属板１４と略同一の大きさの）略矩形のグラファイトシート１６と、このグラファイトシート１６の他方の面に直接接合（十分な接合強度で化学的に接合）した平面形状が（グラファイトシート１６と略同一の大きさの）略矩形のアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる回路パターン用の第２の金属板１８とを備えている。また、グラファイトシート１６は、第１の金属板１４のセラミックス基板１２との接合面と略平行に且つその接合面と略平行な（仮想）平面の略全面に延びており、グラファイトシート１６の端部は（好ましくは全周にわたって）外部に露出している。 As shown in FIG. 1, in the embodiment of the metal-ceramics bonded substrate according to the present invention, a metal base plate 10 made of aluminum or an aluminum alloy having a substantially rectangular planar shape and one surface directly on the metal base plate 10 A ceramic substrate 12 having a substantially rectangular planar shape that has been joined (chemically joined with sufficient bonding strength) and one surface are directly bonded to the other surface of the ceramic substrate 12 (chemically bonded with sufficient bonding strength). A first metal plate 14 for a circuit pattern made of aluminum or an aluminum alloy having a substantially rectangular planar shape and one surface are directly bonded to the other surface of the first metal plate 14 (chemical with sufficient bonding strength). A substantially rectangular graphite sheet 16 (having substantially the same size as the first metal plate 14) and a direct bond (chemically with sufficient bonding strength) to the other surface of the graphite sheet 16. It is provided with a second metal plate 18 for a circuit pattern made of aluminum or an aluminum alloy having a substantially rectangular shape (having substantially the same size as the graphite sheet 16). Further, the graphite sheet 16 extends over substantially the entire surface of a (virtual) plane substantially parallel to the joint surface of the first metal plate 14 with the ceramic substrate 12 and substantially parallel to the joint surface, and is an edge of the graphite sheet 16. The part is exposed to the outside (preferably over the entire circumference).

グラファイトシート１６として、厚さ１０〜１０００μｍ（好ましくは３０〜１２０μｍ）、水平方向の熱伝導率２５０〜２０００Ｗ／ｍ・Ｋ（好ましくは９００〜２０００Ｗ／ｍ・Ｋ）、厚さ方向の熱伝導率１０〜３０Ｗ／ｍ・Ｋ（好ましくは１８〜３０Ｗ／ｍ・Ｋ）、線膨張係数２〜１０ｐｐｍ／Ｋ（好ましくは４〜７ｐｐｍ／Ｋ）のグラファイトからなるシート（板材）を使用することができる。このようなグラファイトシート１６を回路パターン用の第１の金属板１４と第２の金属板１８の間に配置することにより、回路パターン用の第２の金属板１８の表面の歪み（変形）を抑制することができ、ヒートサイクル後に回路パターン用の第２の金属板１８の表面にしわが生じるのを抑制することができ、また、ヒートサイクルによりセラミックス基板１２や（第２の金属板１８上に搭載された）半導体素子などにクラックが生じるのを防止して製造コストを低下させることができるとともに、熱伝導や電気伝導に優れた金属−セラミックス接合基板を製造することができる。また、第２の金属板１８が最表面に配置されることにより、その表面をめっきしたり、アルミワイヤや銅ワイヤなどによる超音波ボンディングを行ったり、銅端子の超音波接合を行うことができる。 As the graphite sheet 16, the thickness is 10 to 1000 μm (preferably 30 to 120 μm), the thermal conductivity in the horizontal direction is 250 to 2000 W / m · K (preferably 900 to 2000 W / m · K), and the thermal conductivity in the thickness direction is 250 to 2000 W / m · K. A sheet (plate material) made of graphite having a linear expansion coefficient of 2 to 10 ppm / K (preferably 4 to 7 ppm / K) with a linear expansion coefficient of 10 to 30 W / m · K (preferably 18 to 30 W / m · K) can be used. .. By arranging such a graphite sheet 16 between the first metal plate 14 for the circuit pattern and the second metal plate 18, the distortion (deformation) of the surface of the second metal plate 18 for the circuit pattern is caused. It can be suppressed, wrinkles can be suppressed on the surface of the second metal plate 18 for the circuit pattern after the heat cycle, and the ceramic substrate 12 and (on the second metal plate 18) can be suppressed by the heat cycle. It is possible to prevent cracks from occurring in the mounted semiconductor element or the like and reduce the manufacturing cost, and it is possible to manufacture a metal-ceramics bonded substrate having excellent heat conduction and electrical conduction. Further, by arranging the second metal plate 18 on the outermost surface, it is possible to plate the surface, perform ultrasonic bonding with an aluminum wire, a copper wire, or the like, or perform ultrasonic bonding of copper terminals. ..

図１に示す実施の形態の金属−セラミックス接合基板は、図２に示す鋳型２０内にセラミックス基板１２とグラファイトシート１６とを離間して配置させるように、セラミックス基板１２の周縁部とグラファイトシート１６の周縁部を鋳型２０に支持させ、鋳型２０内を窒素雰囲気にした状態で加熱し、鋳型２０内のセラミックス基板１２の両面に接触するとともにグラファイトシート１６の両面に接触するようにアルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯をその表面の酸化膜を取り除きながら注湯し、その後、鋳型２０を冷却して溶湯を凝固させることによって製造することができる。 In the metal-ceramic bonding substrate of the embodiment shown in FIG. 1, the peripheral portion of the ceramic substrate 12 and the graphite sheet 16 are arranged so that the ceramic substrate 12 and the graphite sheet 16 are separated from each other in the mold 20 shown in FIG. The peripheral portion of the mold 20 is supported by the mold 20, and the inside of the mold 20 is heated in a nitrogen atmosphere so that both sides of the ceramic substrate 12 in the mold 20 and both sides of the graphite sheet 16 are contacted with aluminum or an aluminum alloy. The molten metal can be produced by pouring the molten metal while removing the oxide film on the surface thereof, and then cooling the mold 20 to solidify the molten metal.

図２に示すように、鋳型２０は、カーボンなどからなり、それぞれ平面形状が略矩形の下側鋳型部材２２と中間鋳型部材２４と上側鋳型部材２６とから構成されている。 As shown in FIG. 2, the mold 20 is made of carbon or the like, and is composed of a lower mold member 22 having a substantially rectangular planar shape, an intermediate mold member 24, and an upper mold member 26, respectively.

図２に示すように、下側鋳型部材２２の上面には、グラファイトシート１６の第２の金属板１８側の部分（本実施の形態では略半分）と略同一の形状および大きさでグラファイトシート１６の第２の金属板１８側の部分を収容するための凹部（グラファイトシート収容部）２２ａが形成され、この凹部２２ａの底面には、第２の金属板１８を形成するための凹部（第２の金属板形成部）２２ｂが形成されている。 As shown in FIG. 2, the upper surface of the lower mold member 22 has a graphite sheet having substantially the same shape and size as the portion of the graphite sheet 16 on the second metal plate 18 side (approximately half in the present embodiment). A recess (graphite sheet accommodating portion) 22a for accommodating a portion of 16 on the side of the second metal plate 18 is formed, and a recess (second) for accommodating the second metal plate 18 is formed on the bottom surface of the recess 22a. 2 metal plate forming portion) 22b is formed.

中間鋳型部材２４の上面には、金属ベース板１０のセラミックス基板１２側の部分（金属ベース板１０の一部）を形成するための凹部（金属ベース板形成部）２４ａが形成され、凹部２４ａの底面には、セラミックス基板１２と略同一の形状および大きさでセラミックス基板１２を収容するための凹部（セラミックス基板収容部）２４ｂが形成され、この凹部２４ｂの底面には、第１の金属板１４と略同一の形状および大きさで第１の金属板１４を形成するための貫通孔（第１の金属板形成部）２４ｃが形成されている。また、中間鋳型部材２４の底面（裏面）には、グラファイトシート１６の第１の金属板１４側の部分（本実施の形態では略半分）と略同一の形状および大きさでグラファイトシート１６の第１の金属板１４側の部分を収容するための凹部（グラファイトシート収容部）２４ｄが形成されている。このグラファイトシート収容部２４ｄは、その底面の周縁部以外の部分が開口し、この開口した部分で第１の金属板形成部２４ｃと連通している。このグラファイトシート収容部２４ｄと下側鋳型部材２２のグラファイトシート収容部２２ａによって画定された空間内に、グラファイトシート１６が収容され、グラファイトシート１６の周縁部が、下側鋳型部材２２のグラファイトシート収容部２２ａと中間鋳型部材２４のグラファイトシート収容部２４ｄによって挟持されて固定されるようになっている。 A recess (metal base plate forming portion) 24a for forming a portion (a part of the metal base plate 10) of the metal base plate 10 on the ceramic substrate 12 side is formed on the upper surface of the intermediate mold member 24, and the recess 24a is formed. A recess (ceramic substrate accommodating portion) 24b for accommodating the ceramic substrate 12 is formed on the bottom surface in substantially the same shape and size as the ceramic substrate 12, and the first metal plate 14 is formed on the bottom surface of the recess 24b. A through hole (first metal plate forming portion) 24c for forming the first metal plate 14 is formed with substantially the same shape and size as the above. Further, on the bottom surface (back surface) of the intermediate mold member 24, the graphite sheet 16 has substantially the same shape and size as the portion of the graphite sheet 16 on the first metal plate 14 side (approximately half in the present embodiment). A recess (graphite sheet accommodating portion) 24d for accommodating the portion of 1 on the metal plate 14 side is formed. The graphite sheet accommodating portion 24d has an opening in a portion other than the peripheral edge portion of the bottom surface thereof, and the opening portion communicates with the first metal plate forming portion 24c. The graphite sheet 16 is accommodated in the space defined by the graphite sheet accommodating portion 24d and the graphite sheet accommodating portion 22a of the lower mold member 22, and the peripheral edge portion of the graphite sheet 16 accommodates the graphite sheet of the lower mold member 22. It is sandwiched and fixed by the graphite sheet accommodating portion 24d of the portion 22a and the intermediate mold member 24.

上側鋳型部材２６の下面（裏面）には、金属ベース板１０のセラミックス基板１２と反対側の部分（金属ベース板１０の金属ベース板形成部２４ａで形成される部分の他の部分）を形成するための凹部（金属ベース板形成部）２６ａが形成され、この金属ベース板形成部２６ａと中間鋳型部材２４の金属ベース板形成部２４ａによって画定された空間内に金属ベース板１０が形成されるようになっている。 On the lower surface (back surface) of the upper mold member 26, a portion of the metal base plate 10 opposite to the ceramic substrate 12 (other portion of the portion formed by the metal base plate forming portion 24a of the metal base plate 10) is formed. A recess (metal base plate forming portion) 26a for the purpose is formed, and the metal base plate 10 is formed in a space defined by the metal base plate forming portion 26a and the metal base plate forming portion 24a of the intermediate mold member 24. It has become.

また、上側鋳型部材２６には、（図示しない）注湯ノズルから金属ベース板形成部２４ａおよび２６ａ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、中間鋳型部材２４および下側鋳型部材２２には、金属ベース板形成部２４ａおよび２６ａと第１の金属板形成部２４ｃおよび第２の金属板形成部２２ｂとの間に延びる（図示しない）溶湯流路が形成されて、セラミックス基板収容部２４ｂ内にセラミックス基板１２を収容するとともにグラファイトシート収容部２２ａおよび２４ｄ内にグラファイトシート１６を収容したときにも金属ベース板形成部２４ａおよび２６ａと第２の金属板形成部２２ｂおよび第１の金属板形成部２４ｃとの間が連通するようになっている。 Further, the upper mold member 26 is formed with a pouring port (not shown) for pouring molten metal into the metal base plate forming portions 24a and 26a from a pouring nozzle (not shown), and an intermediate mold member. A molten metal flow path (not shown) extending between the metal base plate forming portions 24a and 26a and the first metal plate forming portion 24c and the second metal plate forming portion 22b is formed on the 24 and the lower mold member 22. The metal base plate forming portions 24a and 26a and the second metal plate are formed even when the ceramic substrate 12 is accommodated in the ceramic substrate accommodating portion 24b and the graphite sheet 16 is accommodated in the graphite sheet accommodating portions 22a and 24d. The portion 22b and the first metal plate forming portion 24c communicate with each other.

このような鋳型２０を使用して図１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、まず、下側鋳型部材２２のグラファイトシート収容部２２ａ内にグラファイトシート１６を配置した後、下側鋳型部材２２上に中間鋳型部材２４を載置し、セラミックス基板収容部２４ｂ内にセラミックス基板１２を配置し、その後、中間鋳型部材２４上に上側鋳型部材２６を載置する。この状態で鋳型２０内にアルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯を流し込んで冷却することにより、金属ベース板１０に一方の面が直接接合したセラミックス基板１２の他方の面に回路パターン用の第１の金属板１４の一方の面が直接接合し、この第１の金属板１４の他方の面にグラファイトシート１６の一方の面が直接接合し、このグラファイトシート１６の他方の面に回路パターン用の第２の金属板１８が直接接合した（図４Ａに示す）金属−セラミックス接合基板を製造する。その後、溶湯流路（湯道）に対応する部分のアルミニウムまたはアルミニウム合金を除去し、第２の金属板１８の表面をバフ研磨し、その表面の略全面に、図４Ｂに示すように、エッチングレジスト２８を形成した後、エッチングレジスト２８の表面からその厚さ方向にエッチングレジスト２８と第２の金属板１８とグラファイトシート１６と第１の金属板１４（の回路パターン形状に対応する部分以外）をミリング加工により除去して、（ミリング加工の際に切削工具がセラミックス基板１２に接触してセラミックス基板１２が割れるのを防止するために）第１の金属板１４のセラミックス基板１２側の一部（厚さ０．２ｍｍ程度の薄い部分）を残す以外は、図４Ｃに示すように、回路パターン形状に形成する。その後、塩化鉄の水溶液などのエッチング液により、図４Ｄに示すように、セラミックス基板１２の表面の回路パターン形状に対応する部分以外の第１の金属板１４をエッチング除去した後、エッチングレジスト２８を除去して、図１に示すように、（第１の金属板１４とグラファイトシート１６と第２の金属板１８とからなる）回路パターンが形成された金属−セラミックス接合基板を製造することができる。 In order to manufacture the metal-ceramics bonded substrate of the embodiment shown in FIG. 1 using such a mold 20, first, the graphite sheet 16 is arranged in the graphite sheet accommodating portion 22a of the lower mold member 22. After that, the intermediate mold member 24 is placed on the lower mold member 22, the ceramic substrate 12 is placed in the ceramic substrate accommodating portion 24b, and then the upper mold member 26 is placed on the intermediate mold member 24. In this state, a molten aluminum or aluminum alloy is poured into the mold 20 to cool the metal base plate 10, and the first metal plate for a circuit pattern is attached to the other surface of the ceramic substrate 12 to which one surface is directly bonded to the metal base plate 10. One surface of 14 is directly bonded, one surface of the graphite sheet 16 is directly bonded to the other surface of the first metal plate 14, and a second surface for a circuit pattern is directly bonded to the other surface of the graphite sheet 16. A metal-ceramics bonded substrate (shown in FIG. 4A) to which the metal plate 18 is directly bonded is manufactured. After that, the aluminum or aluminum alloy in the portion corresponding to the molten metal flow path (runner) is removed, the surface of the second metal plate 18 is buffed, and the substantially entire surface of the surface is etched as shown in FIG. 4B. After forming the resist 28, the etching resist 28, the second metal plate 18, the graphite sheet 16 and the first metal plate 14 (other than the portion corresponding to the circuit pattern shape of the etching resist 28) are formed in the thickness direction from the surface of the etching resist 28. Is removed by milling, and a part of the first metal plate 14 on the ceramic substrate 12 side (to prevent the cutting tool from coming into contact with the ceramic substrate 12 and cracking the ceramic substrate 12 during milling). It is formed into a circuit pattern shape as shown in FIG. 4C, except that (a thin portion having a thickness of about 0.2 mm) is left. Then, as shown in FIG. 4D, the first metal plate 14 other than the portion corresponding to the circuit pattern shape on the surface of the ceramic substrate 12 is etched and removed with an etching solution such as an aqueous solution of iron chloride, and then the etching resist 28 is applied. It can be removed to produce a metal-ceramic junction substrate with a circuit pattern (consisting of a first metal plate 14, a graphite sheet 16 and a second metal plate 18) as shown in FIG. ..

このようにして製造した金属−セラミックス接合基板の第２の金属板１８上の半導体素子などの半田付けが必要な部分などにＮｉめっきなどによりめっきを施してもよい。
鋳型２０内に溶湯を流し込む際には、鋳型２０を（図示しない）接合炉内に移動し、この接合炉内を窒素雰囲気にして酸素濃度を１００ｐｐｍ以下、好ましくは１０ｐｐｍ以下まで低下させ、ヒーターの温度制御によって鋳型２０を注湯温度まで加熱した後、注湯温度まで加熱して予め計量された溶湯を、窒素ガスによって所定の圧力で加圧して、注湯口から鋳型２０内に流し込むのが好ましい。このように注湯することにより、金属とセラミックスとの間で大きな接合欠陥が発生するのを防止することができる。また、鋳型２０内に溶湯を流し込んだ後、（図示しない）ノズルから注湯口に窒素ガスを吹き込むことによって、鋳型２０内の溶湯を所定の圧力で加圧したまま冷却して凝固させるのが好ましい。なお、注湯および冷却の際に窒素ガスにより加圧される所定の圧力は、１〜１００ｋＰａであるのが好ましく、３〜８０ｋＰａであるのがさらに好ましく、５〜１５ｋＰａであるのが最も好ましい。この圧力が低過ぎると鋳型２０内に溶湯が入り難くなり、高過ぎるとグラファイトシート１６の位置がずれたり、鋳型２０が破壊するおそれがある。特に、カーボン製の鋳型２０を使用する場合、１ＭＰａ以上の高圧になると、鋳型２０が破壊されたり、鋳型２０から溶湯が漏れるおそれがある。 A portion of the metal-ceramics bonded substrate thus produced, such as a semiconductor element on the second metal plate 18, that requires soldering may be plated by Ni plating or the like.
When the molten metal is poured into the mold 20, the mold 20 is moved into a joining furnace (not shown), and the inside of the joining furnace is made into a nitrogen atmosphere to reduce the oxygen concentration to 100 ppm or less, preferably 10 ppm or less. It is preferable to heat the mold 20 to the pouring temperature by temperature control, then heat the molten metal to the pouring temperature, pressurize the molten metal pre-measured with nitrogen gas at a predetermined pressure, and pour it into the mold 20 from the pouring port. .. By pouring hot water in this way, it is possible to prevent large joint defects from occurring between the metal and the ceramics. Further, it is preferable to pour the molten metal into the mold 20 and then blow nitrogen gas from a nozzle (not shown) into the pouring port to cool and solidify the molten metal in the mold 20 while pressurizing it at a predetermined pressure. .. The predetermined pressure pressurized by nitrogen gas during pouring and cooling is preferably 1 to 100 kPa, more preferably 3 to 80 kPa, and most preferably 5 to 15 kPa. If this pressure is too low, it becomes difficult for the molten metal to enter the mold 20, and if it is too high, the position of the graphite sheet 16 may shift or the mold 20 may break. In particular, when a carbon mold 20 is used, if the pressure is 1 MPa or more, the mold 20 may be destroyed or the molten metal may leak from the mold 20.

図３は、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変形例を製造するために使用する鋳型１２０を示している。この鋳型１２０では、上側鋳型部材１２６の下面（裏面）に形成された凹部（金属ベース板形成部）１２６ａの底面に、放熱フィンを形成するための凹部（放熱フィン形成部）１２６ｂが形成されており、金属ベース板の底面に放熱フィンを一体に形成することができるようになっている。その他の構成は、図２の鋳型２０と略同一であるので、図３において、参照符号に１００を加えてその説明を省略する。 FIG. 3 shows a mold 120 used to manufacture a modified example of the embodiment of the metal-ceramic bonded substrate according to the present invention. In this mold 120, a recess (radiation fin forming portion) 126b for forming a heat radiation fin is formed on the bottom surface of the recess (metal base plate forming portion) 126a formed on the lower surface (back surface) of the upper mold member 126. The heat radiation fins can be integrally formed on the bottom surface of the metal base plate. Since the other configurations are substantially the same as those of the mold 20 of FIG. 2, 100 is added to the reference numerals in FIG. 3 to omit the description thereof.

なお、セラミックス基板は、アルミナなどの酸化物系セラミックス基板でもよいし、窒化アルミニウム、窒化珪素などの非酸化物系セラミックス基板でもよい。 The ceramic substrate may be an oxide-based ceramic substrate such as alumina, or a non-oxide ceramic substrate such as aluminum nitride or silicon nitride.

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。 Hereinafter, examples of the metal-ceramics bonded substrate and the method for manufacturing the same according to the present invention will be described in detail.

［実施例１］
図２に示す鋳型２０と同様の形状のカーボン製の鋳型内に、５０ｍｍ×５０ｍｍ×０．６ｍｍの大きさの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるセラミックス基板（ＴＤパワーマテリアル株式会社製のＳＨ−３０）と、４８ｍｍ×４８ｍｍ×０．０５ｍｍの大きさの（水平方向の熱伝導率が１０００Ｗ／ｍ・Ｋ、厚さ方向の熱伝導率が２０Ｗ／ｍ・Ｋ、線膨張係数が５ｐｐｍ／Ｋの）グラファイトシート（パナソニック株式会社製のＰＧＳ）を配置した後、鋳型を窒素雰囲気の炉内に入れ、溶湯口から純度９９．９質量％（３Ｎ）のアルミニウム（熱伝導率が２２０〜２３０Ｗ／ｍ・Ｋ、０．２％耐力が１８〜２２ＭＰａのアルミニウム）の溶湯を鋳型内に注湯した後、溶湯を冷却して固化（凝固）させることにより、セラミックス基板の一方の面に７０ｍｍ×７０ｍｍ×５ｍｍの大きさのアルミニウムベース板が直接接合し、セラミックス基板の他方の面に４６ｍｍ×４６ｍｍ×０．３５ｍｍの大きさの回路パターン用の第１のアルミニウム板の一方の面が直接接合し、この第１のアルミニウム板の他方の面にグラファイトシートの一方の面が直接接合し、このグラファイトシートの他方の面に４６ｍｍ×４６ｍｍ×０．２ｍｍの大きさの回路パターン用の第２のアルミニウム板が直接接合した（第１のアルミニウム板とグラファイトシートと第２のアルミニウム板の合計の厚さが０．６ｍｍの）金属−セラミックス接合基板を得た。その後、溶湯流路（湯道）に対応する部分のアルミニウムを除去し、第２のアルミニウム板の表面をバフ研磨し、その表面にエッチングレジストを形成した後、φ２ｍｍのエンドミルでエッチングレジストの表面からその厚さ方向にエッチングレジストと第２のアルミニウム板とグラファイトシートと第１のアルミニウム板（の回路パターン形状に対応する部分以外）をミリングにより除去して、第１のアルミニウム板のセラミックス基板側から厚さ０．２ｍｍまでの部分を残した以外は、回路パターン形状に形成した。その後、塩化鉄の水溶液により、セラミックス基板の表面の回路パターン形状に対応する部分以外の第１のアルミニウム板をエッチング除去した後、エッチングレジストを除去して、４５ｍｍ×４５ｍｍ×０．６ｍｍの（第１のアルミニウム板とグラファイトシートと第２のアルミニウム板とからなる）回路パターンが形成された金属−セラミックス接合基板を得た。 [Example 1]
A ceramic substrate made of aluminum nitride (AlN) having a size of 50 mm × 50 mm × 0.6 mm (SH-30 manufactured by TD Power Material Co., Ltd.) in a carbon mold having the same shape as the mold 20 shown in FIG. And the size of 48 mm x 48 mm x 0.05 mm (the thermal conductivity in the horizontal direction is 1000 W / m · K, the thermal conductivity in the thickness direction is 20 W / m · K, and the linear expansion coefficient is 5 ppm / K). After arranging a graphite sheet (PGS manufactured by Panasonic Corporation), the mold is placed in a furnace with a nitrogen atmosphere, and aluminum with a purity of 99.9% by mass (3N) (thermal conductivity 220 to 230 W / m. K, 0.2% aluminum with a resistance of 18 to 22 MPa) is poured into the mold, and then the molten metal is cooled and solidified (solidified) to form 70 mm x 70 mm x 5 mm on one surface of the ceramic substrate. The aluminum base plate of the size of is directly bonded, and one surface of the first aluminum plate for the circuit pattern of the size of 46 mm × 46 mm × 0.35 mm is directly bonded to the other surface of the ceramics substrate. One surface of the graphite sheet is directly bonded to the other surface of the aluminum plate of 1, and a second aluminum plate for a circuit pattern having a size of 46 mm × 46 mm × 0.2 mm is directly bonded to the other surface of the graphite sheet. A bonded metal-ceramics bonded substrate (the total thickness of the first aluminum plate, the graphite sheet, and the second aluminum plate was 0.6 mm) was obtained. After that, the aluminum in the part corresponding to the molten metal flow path (runner) is removed, the surface of the second aluminum plate is buffed, an etching resist is formed on the surface, and then from the surface of the etching resist with a φ2 mm end mill. The etching resist, the second aluminum plate, the graphite sheet, and the first aluminum plate (other than the portion corresponding to the circuit pattern shape) are removed by milling in the thickness direction from the ceramic substrate side of the first aluminum plate. It was formed in a circuit pattern shape except that a portion having a thickness of up to 0.2 mm was left. Then, the first aluminum plate other than the portion corresponding to the circuit pattern shape on the surface of the ceramic substrate was removed by etching with an aqueous solution of iron chloride, and then the etching resist was removed to obtain a size of 45 mm × 45 mm × 0.6 mm (No. 1). A metal-ceramics bonded substrate having a circuit pattern (composed of 1 aluminum plate, 1 graphite sheet, and 2nd aluminum plate) was obtained.

このようにして金属−セラミックス接合基板を１０個作製し、それぞれの金属−セラミックス接合基板の第２のアルミニウム板の表面の（初期の）表面粗さＲａをレーザー顕微鏡（株式会社キーエンス製の超深度形状測定顕微鏡ＶＫ−８５００）により測定したところ、平均１．２μｍであり、アルミニウムの結晶粒界に生じた（初期の）段差をそのレーザー顕微鏡により測定したところ、最大１０μｍ以下であった。また、金属−セラミックス接合基板を−４０℃で３０分間保持した後に２５℃で１０分間保持し、その後、１５０℃で３０分間保持した後に２５℃で１０分間保持するヒートサイクルを１０００回繰り返した後に、上記と同様の方法により、第２のアルミニウム板の表面の表面粗さＲａを測定したところ、平均１．５μｍであり、アルミニウムの結晶粒界に生じた段差を測定したところ、最大３０μｍ以下であった。 In this way, 10 metal-ceramics bonded substrates were produced, and the (initial) surface roughness Ra of the surface of the second aluminum plate of each metal-ceramics bonded substrate was measured with a laser microscope (ultra-depth manufactured by Keyence Co., Ltd.). When measured with a shape measuring microscope VK-8500), the average was 1.2 μm, and when the (initial) step formed at the grain boundary of aluminum was measured with the laser microscope, the maximum was 10 μm or less. Further, after repeating the heat cycle of holding the metal-ceramic bonded substrate at −40 ° C. for 30 minutes, holding it at 25 ° C. for 10 minutes, then holding it at 150 ° C. for 30 minutes, and then holding it at 25 ° C. for 10 minutes 1000 times. When the surface roughness Ra of the surface of the second aluminum plate was measured by the same method as above, the average was 1.5 μm, and when the step generated at the grain boundary of aluminum was measured, the maximum was 30 μm or less. there were.

［実施例２］
セラミックス基板の厚さを０．３ｍｍ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作製し、第２のアルミニウム板の表面の表面粗さＲａとアルミニウムの結晶粒界に生じた段差を測定したところ、初期の表面粗さＲａは平均１．２μｍ、初期の結晶粒界の段差は最大１０μｍ以下であり、ヒートサイクル後の表面粗さＲａは平均１．５μｍ、ヒートサイクル後の結晶粒界の段差は最大３０μｍ以下であった。 [Example 2]
A metal-ceramic bonded substrate was produced by the same method as in Example 1 except that the thickness of the ceramic substrate was 0.3 mm, and the surface roughness Ra of the surface of the second aluminum plate and the grain boundaries of aluminum were used. The initial surface roughness Ra was 1.2 μm on average, the initial grain boundary step was 10 μm or less on average, and the surface roughness Ra after heat cycle was 1.5 μm on average. The step at the grain boundary after the cycle was 30 μm or less at maximum.

［実施例３］
セラミックス基板として厚さ０．３ｍｍの窒化珪素からなるセラミックス基板を使用した以外は、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、第２のアルミニウム板の表面の表面粗さＲａとアルミニウムの結晶粒界に生じた段差を測定したところ、初期の表面粗さＲａは平均１．３μｍ、初期の結晶粒界の段差は最大１０μｍ以下であり、ヒートサイクル後の表面粗さＲａは平均１．５μｍ、ヒートサイクル後の結晶粒界の段差は最大３０μｍ以下であった。 [Example 3]
A metal-ceramic bonded substrate was produced by the same method as in Example 1 except that a ceramic substrate made of silicon nitride having a thickness of 0.3 mm was used as the ceramic substrate, and the surface roughness of the surface of the second aluminum plate was roughened. When the step generated at the grain boundary between Ra and aluminum was measured, the initial surface roughness Ra was 1.3 μm on average, and the step at the initial grain boundary was 10 μm or less at the maximum, and the surface roughness Ra after the heat cycle was measured. The average step was 1.5 μm, and the step at the grain boundary after the heat cycle was 30 μm or less at the maximum.

［実施例４］
グラファイトシートの厚さを０．１ｍｍ、第１のアルミニウム板の厚さを０．９ｍｍ、第２のアルミニウム板の厚さを０．２ｍｍ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作製し、第２のアルミニウム板の表面の表面粗さＲａとアルミニウムの結晶粒界に生じた段差を測定したところ、初期の表面粗さＲａは平均１．２μｍ、初期の結晶粒界の段差は最大１０μｍ以下であり、ヒートサイクル後の表面粗さＲａは平均１．４μｍ、ヒートサイクル後の結晶粒界の段差は最大２０μｍ以下であった。 [Example 4]
The metal was formed by the same method as in Example 1 except that the thickness of the graphite sheet was 0.1 mm, the thickness of the first aluminum plate was 0.9 mm, and the thickness of the second aluminum plate was 0.2 mm. -A ceramic bonded substrate was prepared, and the surface roughness Ra of the surface of the second aluminum plate and the step generated at the grain boundaries of aluminum were measured. As a result, the initial surface roughness Ra was 1.2 μm on average, and the initial crystal. The maximum step of the grain boundary was 10 μm or less, the surface roughness Ra after the heat cycle was 1.4 μm on average, and the step of the crystal grain boundary after the heat cycle was 20 μm or less at the maximum.

［実施例５］
グラファイトシートの厚さを０．１ｍｍ、第１のアルミニウム板の厚さを０．９ｍｍ、第２のアルミニウム板の厚さを０．２ｍｍとした以外は、実施例２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、第２のアルミニウム板の表面の表面粗さＲａとアルミニウムの結晶粒界に生じた段差を測定したところ、初期の表面粗さＲａは平均１．２μｍ、初期の結晶粒界の段差は最大１０μｍ以下であり、ヒートサイクル後の表面粗さＲａは平均１．４μｍ、ヒートサイクル後の結晶粒界の段差は最大２０μｍ以下であった。 [Example 5]
The metal was formed by the same method as in Example 2 except that the thickness of the graphite sheet was 0.1 mm, the thickness of the first aluminum plate was 0.9 mm, and the thickness of the second aluminum plate was 0.2 mm. -A ceramic bonded substrate was prepared, and the surface roughness Ra of the surface of the second aluminum plate and the step generated at the grain boundaries of aluminum were measured. As a result, the initial surface roughness Ra was 1.2 μm on average, and the initial crystal. The maximum step of the grain boundary was 10 μm or less, the surface roughness Ra after the heat cycle was 1.4 μm on average, and the step of the crystal grain boundary after the heat cycle was 20 μm or less at the maximum.

［実施例６］
グラファイトシートの厚さを０．１ｍｍ、第１のアルミニウム板の厚さを０．９ｍｍ、第２のアルミニウム板の厚さを０．２ｍｍとした以外は、実施例３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、第２のアルミニウム板の表面の表面粗さＲａとアルミニウムの結晶粒界に生じた段差を測定したところ、初期の表面粗さＲａは平均１．３μｍ、初期の結晶粒界の段差は最大１０μｍ以下であり、ヒートサイクル後の表面粗さＲａは平均１．４μｍ、ヒートサイクル後の結晶粒界の段差は最大２０μｍ以下であった。 [Example 6]
The metal was formed by the same method as in Example 3 except that the thickness of the graphite sheet was 0.1 mm, the thickness of the first aluminum plate was 0.9 mm, and the thickness of the second aluminum plate was 0.2 mm. -A ceramic bonded substrate was prepared, and the surface roughness Ra of the surface of the second aluminum plate and the step generated at the grain boundary of aluminum were measured. As a result, the initial surface roughness Ra was 1.3 μm on average, and the initial crystal. The maximum step of the grain boundary was 10 μm or less, the surface roughness Ra after the heat cycle was 1.4 μm on average, and the step of the crystal grain boundary after the heat cycle was 20 μm or less at the maximum.

［比較例１］
グラファイトシートを使用せず、アルミニウム板の厚さを０．６ｍｍ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作製し、アルミニウム板の表面の表面粗さＲａとアルミニウムの結晶粒界に生じた段差を測定したところ、初期の表面粗さＲａは平均１．２μｍ、初期の結晶粒界の段差は最大１０μｍ以下であり、ヒートサイクル後の表面粗さＲａは平均１．９μｍ、ヒートサイクル後の結晶粒界の段差は最大約５０μｍであった。 [Comparative Example 1]
A metal-ceramic bonded substrate was prepared by the same method as in Example 1 except that the thickness of the aluminum plate was set to 0.6 mm without using the graphite sheet, and the surface roughness Ra and aluminum on the surface of the aluminum plate were prepared. When the step generated at the grain boundary was measured, the initial surface roughness Ra was 1.2 μm on average, the step at the initial grain boundary was 10 μm or less on average, and the surface roughness Ra after the heat cycle was 1 on average. The maximum step of the grain boundary after the heat cycle was 9.9 μm, which was about 50 μm.

［比較例２］
グラファイトシートを使用せず、アルミニウム板の厚さを０．６ｍｍとした以外は、実施例３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、アルミニウム板の表面の表面粗さＲａとアルミニウムの結晶粒界に生じた段差を測定したところ、初期の表面粗さＲａは平均１．３μｍ、初期の結晶粒界の段差は最大１０μｍ以下であり、ヒートサイクル後の表面粗さＲａは平均２．１μｍ、ヒートサイクル後の結晶粒界の段差は最大約５０μｍであった。 [Comparative Example 2]
A metal-ceramics bonded substrate was produced by the same method as in Example 3 except that the thickness of the aluminum plate was set to 0.6 mm without using the graphite sheet, and the surface roughness Ra and aluminum on the surface of the aluminum plate were prepared. When the steps generated at the grain boundaries of No. 1 were measured, the initial surface roughness Ra was 1.3 μm on average, the steps at the initial grain boundaries were up to 10 μm or less, and the surface roughness Ra after the heat cycle was 2 on average. The maximum step of the grain boundary after the heat cycle was about 50 μm.

［比較例３］
グラファイトシートを使用せず、アルミニウム板の厚さを１．２ｍｍ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作製し、アルミニウム板の表面の表面粗さＲａとアルミニウムの結晶粒界に生じた段差を測定したところ、初期の表面粗さＲａは平均１．２μｍ、初期の結晶粒界の段差は最大１０μｍ以下であり、ヒートサイクル後の表面粗さＲａは平均２．３μｍ、ヒートサイクル後の結晶粒界の段差は最大約８０μｍであった。 [Comparative Example 3]
A metal-ceramics bonded substrate was produced by the same method as in Example 1 except that the thickness of the aluminum plate was 1.2 mm without using the graphite sheet, and the surface roughness Ra and aluminum on the surface of the aluminum plate were prepared. When the steps generated at the grain boundaries of the above were measured, the initial surface roughness Ra was 1.2 μm on average, the steps at the initial grain boundaries were 10 μm or less on average, and the surface roughness Ra after the heat cycle was 2 on average. The step of the grain boundary after the heat cycle was about 80 μm at the maximum.

［比較例４］
グラファイトシートを使用せず、アルミニウム板の厚さを１．２ｍｍとした以外は、実施例３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、アルミニウム板の表面の表面粗さＲａとアルミニウムの結晶粒界に生じた段差を測定したところ、初期の表面粗さＲａは平均１．３μｍ、初期の結晶粒界の段差は最大１０μｍ以下であり、ヒートサイクル後の表面粗さＲａは平均２．５μｍ、ヒートサイクル後の結晶粒界の段差は最大約８０μｍであった。 [Comparative Example 4]
A metal-ceramics bonded substrate was produced by the same method as in Example 3 except that the thickness of the aluminum plate was 1.2 mm without using the graphite sheet, and the surface roughness Ra and aluminum on the surface of the aluminum plate were prepared. When the steps generated at the grain boundaries of No. 1 were measured, the initial surface roughness Ra was 1.3 μm on average, the steps at the initial grain boundaries were up to 10 μm or less, and the surface roughness Ra after the heat cycle was 2 on average. The maximum step at the grain boundary after the heat cycle was about 80 μm.

［実施例７］
アルミニウムの溶湯に代えて、０．４質量％のケイ素と０．０５質量％のホウ素を含有するアルミニウム合金（熱伝導率が１８０〜２００Ｗ／ｍ・Ｋ、０．２％耐力が２０〜２３ＭＰａのアルミニウム合金）の溶湯を使用した以外は、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作製し、第２のアルミニウム板の表面の表面粗さＲａとアルミニウムの結晶粒界に生じた段差を測定したところ、初期の表面粗さＲａは平均１．３μｍ、初期の結晶粒界の段差は最大１０μｍ以下であり、ヒートサイクル後の表面粗さＲａは平均１．４μｍ、ヒートサイクル後の結晶粒界の段差は最大２０μｍ以下であった。 [Example 7]
Instead of molten aluminum, an aluminum alloy containing 0.4% by mass of silicon and 0.05% by mass of boron (thermal conductivity of 180 to 200 W / m · K, 0.2% withstand capacity of 20 to 23 MPa). A metal-ceramics bonded substrate was produced by the same method as in Example 4 except that the molten metal of (aluminum alloy) was used, and the surface roughness Ra on the surface of the second aluminum plate and the crystal grain boundary of aluminum were generated. When the step was measured, the initial surface roughness Ra was 1.3 μm on average, the step at the initial crystal grain boundary was 10 μm or less at the maximum, and the surface roughness Ra after the heat cycle was 1.4 μm on average, after the heat cycle. The maximum step at the crystal grain boundary was 20 μm or less.

［実施例８］
アルミニウムの溶湯に代えて、０．４質量％のケイ素と０．０５質量％のホウ素を含有するアルミニウム合金（熱伝導率が１８０〜２００Ｗ／ｍ・Ｋ、０．２％耐力が２０〜２３ＭＰａのアルミニウム合金）の溶湯を使用した以外は、実施例６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、第２のアルミニウム板の表面の表面粗さＲａとアルミニウムの結晶粒界に生じた段差を測定したところ、初期の表面粗さＲａは平均１．４μｍ、初期の結晶粒界の段差は最大１０μｍ以下であり、ヒートサイクル後の表面粗さＲａは平均１．５μｍ、ヒートサイクル後の結晶粒界の段差は最大２０μｍ以下であった。 [Example 8]
Instead of molten aluminum, an aluminum alloy containing 0.4% by mass of silicon and 0.05% by mass of boron (thermal conductivity of 180 to 200 W / m · K, 0.2% withstand capacity of 20 to 23 MPa). A metal-ceramics bonded substrate was produced by the same method as in Example 6 except that the molten metal of (aluminum alloy) was used, and the surface roughness Ra on the surface of the second aluminum plate and the crystal grain boundary of aluminum were generated. When the step was measured, the initial surface roughness Ra was 1.4 μm on average, the step at the initial crystal grain boundary was 10 μm or less at maximum, and the surface roughness Ra after heat cycle was 1.5 μm on average, after the heat cycle. The maximum step at the crystal grain boundary was 20 μm or less.

［実施例９］
アルミニウムの溶湯に代えて、０．０５質量％のマグネシウムと０．０４質量％のケイ素を含有するアルミニウム合金（熱伝導率が１９０〜２１０Ｗ／ｍ・Ｋ、０．２％耐力が２０〜２３ＭＰａのアルミニウム合金）の溶湯を使用した以外は、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作製し、第２のアルミニウム板の表面の表面粗さＲａとアルミニウムの結晶粒界に生じた段差を測定したところ、初期の表面粗さＲａは平均１．２μｍ、初期の結晶粒界の段差は最大１０μｍ以下であり、ヒートサイクル後の表面粗さＲａは平均１．４μｍ、ヒートサイクル後の結晶粒界の段差は最大２０μｍ以下であった。 [Example 9]
Instead of molten aluminum, an aluminum alloy containing 0.05% by mass of magnesium and 0.04% by mass of silicon (thermal conductivity of 190 to 210 W / m · K, 0.2% resistance of 20 to 23 MPa) A metal-ceramics bonded substrate was produced by the same method as in Example 4 except that the molten metal of (aluminum alloy) was used, and the surface roughness Ra on the surface of the second aluminum plate and the crystal grain boundary of aluminum were generated. When the step was measured, the initial surface roughness Ra was 1.2 μm on average, the step at the initial crystal grain boundary was 10 μm or less at maximum, and the surface roughness Ra after heat cycle was 1.4 μm on average, after the heat cycle. The maximum step of the crystal grain boundary was 20 μm or less.

［実施例１０］
アルミニウムの溶湯に代えて、０．０５質量％のマグネシウムと０．０４質量％のケイ素を含有するアルミニウム合金（熱伝導率が１９０〜２１０Ｗ／ｍ・Ｋ、０．２％耐力が２０〜２３ＭＰａのアルミニウム合金）の溶湯を使用した以外は、実施例６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、第２のアルミニウム板の表面の表面粗さＲａとアルミニウムの結晶粒界に生じた段差を測定したところ、初期の表面粗さＲａは平均１．３μｍ、初期の結晶粒界の段差は最大１０μｍ以下であり、ヒートサイクル後の表面粗さＲａは平均１．４μｍ、ヒートサイクル後の結晶粒界の段差は最大２０μｍ以下であった。 [Example 10]
Instead of molten aluminum, an aluminum alloy containing 0.05% by mass of magnesium and 0.04% by mass of silicon (thermal conductivity of 190 to 210 W / m · K, 0.2% resistance of 20 to 23 MPa) A metal-ceramics bonded substrate was produced by the same method as in Example 6 except that the molten metal of (aluminum alloy) was used, and the surface roughness Ra on the surface of the second aluminum plate and the crystal grain boundary of aluminum were generated. When the step was measured, the initial surface roughness Ra was 1.3 μm on average, the step at the initial crystal grain boundary was 10 μm or less at maximum, and the surface roughness Ra after heat cycle was 1.4 μm on average, after the heat cycle. The maximum step of the crystal grain boundary was 20 μm or less.

［実施例１１］
アルミニウムの溶湯に代えて、０．０８質量％のマグネシウムと０．０６質量％のケイ素を含有するアルミニウム合金（熱伝導率が１８０〜２００Ｗ／ｍ・Ｋ、０．２％耐力が２５〜３０ＭＰａのアルミニウム合金）の溶湯を使用した以外は、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作製し、第２のアルミニウム板の表面の表面粗さＲａとアルミニウムの結晶粒界に生じた段差を測定したところ、初期の表面粗さＲａは平均１．２μｍ、初期の結晶粒界の段差は最大１０μｍ以下であり、ヒートサイクル後の表面粗さＲａは平均１．４μｍ、ヒートサイクル後の結晶粒界の段差は最大１０μｍ以下であった。 [Example 11]
Instead of molten aluminum, an aluminum alloy containing 0.08% by mass of magnesium and 0.06% by mass of silicon (thermal conductivity of 180 to 200 W / m · K, 0.2% strength of 25 to 30 MPa) A metal-ceramics bonded substrate was produced by the same method as in Example 4 except that the molten metal of (aluminum alloy) was used, and the surface roughness Ra on the surface of the second aluminum plate and the crystal grain boundary of aluminum were generated. When the step was measured, the initial surface roughness Ra was 1.2 μm on average, the step at the initial crystal grain boundary was 10 μm or less at maximum, and the surface roughness Ra after heat cycle was 1.4 μm on average, after the heat cycle. The maximum step of the crystal grain boundary was 10 μm or less.

［実施例１２］
アルミニウムの溶湯に代えて、０．０８質量％のマグネシウムと０．０６質量％のケイ素を含有するアルミニウム合金（熱伝導率が１８０〜２００Ｗ／ｍ・Ｋ、０．２％耐力が２５〜３０ＭＰａのアルミニウム合金）の溶湯を使用した以外は、実施例６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、第２のアルミニウム板の表面の表面粗さＲａとアルミニウムの結晶粒界に生じた段差を測定したところ、初期の表面粗さＲａは平均１．３μｍ、初期の結晶粒界の段差は最大１０μｍ以下であり、ヒートサイクル後の表面粗さＲａは平均１．４μｍ、ヒートサイクル後の結晶粒界の段差は最大１０μｍ以下であった。 [Example 12]
Instead of molten aluminum, an aluminum alloy containing 0.08% by mass of magnesium and 0.06% by mass of silicon (thermal conductivity of 180 to 200 W / m · K, 0.2% strength of 25 to 30 MPa) A metal-ceramics bonded substrate was produced by the same method as in Example 6 except that the molten metal of (aluminum alloy) was used, and the surface roughness Ra on the surface of the second aluminum plate and the crystal grain boundary of aluminum were generated. When the step was measured, the initial surface roughness Ra was 1.3 μm on average, the step at the initial crystal grain boundary was 10 μm or less at maximum, and the surface roughness Ra after heat cycle was 1.4 μm on average, after the heat cycle. The maximum step of the crystal grain boundary was 10 μm or less.

［実施例１３］
アルミニウムの溶湯に代えて、０．１質量％のジルコニウムを含有するアルミニウム合金（熱伝導率が１８０〜２００Ｗ／ｍ・Ｋ、０．２％耐力が２５〜３０ＭＰａのアルミニウム合金）の溶湯を使用した以外は、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作製し、第２のアルミニウム板の表面の表面粗さＲａとアルミニウムの結晶粒界に生じた段差を測定したところ、初期の表面粗さＲａは平均１．２μｍ、初期の結晶粒界の段差は最大１０μｍ以下であり、ヒートサイクル後の表面粗さＲａは平均１．５μｍ、ヒートサイクル後の結晶粒界の段差は最大１０μｍ以下であった。 [Example 13]
Instead of the molten aluminum, a molten aluminum alloy containing 0.1% by mass of zirconium (aluminum alloy having a thermal conductivity of 180 to 200 W / m · K and a 0.2% resistance of 25 to 30 MPa) was used. Except for this, a metal-ceramics bonded substrate was produced by the same method as in Example 4, and the surface roughness Ra of the surface of the second aluminum plate and the step generated at the grain boundary of aluminum were measured. The average surface roughness Ra is 1.2 μm, the initial step of the grain boundary is 10 μm or less, the surface roughness Ra after the heat cycle is 1.5 μm on average, and the maximum step of the grain boundary after the heat cycle is 10 μm. It was as follows.

［実施例１４］
アルミニウムの溶湯に代えて、０．１質量％のジルコニウムを含有するアルミニウム合金（熱伝導率が１８０〜２００Ｗ／ｍ・Ｋ、０．２％耐力が２５〜３０ＭＰａのアルミニウム合金）の溶湯を使用した以外は、実施例６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、第２のアルミニウム板の表面の表面粗さＲａとアルミニウムの結晶粒界に生じた段差を測定したところ、初期の表面粗さＲａは平均１．３μｍ、初期の結晶粒界の段差は最大１０μｍ以下であり、ヒートサイクル後の表面粗さＲａは平均１．５μｍ、ヒートサイクル後の結晶粒界の段差は最大１０μｍ以下であった。 [Example 14]
Instead of the molten aluminum, a molten aluminum alloy containing 0.1% by mass of zirconium (aluminum alloy having a thermal conductivity of 180 to 200 W / m · K and a 0.2% resistance of 25 to 30 MPa) was used. Except for this, a metal-ceramics bonded substrate was produced by the same method as in Example 6, and the surface roughness Ra of the surface of the second aluminum plate and the step generated at the grain boundary of aluminum were measured. The average surface roughness Ra is 1.3 μm, the initial grain boundary step is 10 μm or less, the surface roughness Ra after the heat cycle is 1.5 μm on average, and the grain boundary step after the heat cycle is 10 μm at maximum. It was as follows.

［実施例１５］
アルミニウムの溶湯に代えて、０．２質量％のジルコニウムを含有するアルミニウム合金（熱伝導率が１７０〜１９０Ｗ／ｍ・Ｋ、０．２％耐力が２７〜３２ＭＰａのアルミニウム合金）の溶湯を使用した以外は、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作製し、第２のアルミニウム板の表面の表面粗さＲａとアルミニウムの結晶粒界に生じた段差を測定したところ、初期の表面粗さＲａは平均１．２μｍ、初期の結晶粒界の段差は最大１０μｍ以下であり、ヒートサイクル後の表面粗さＲａは平均１．４μｍ、ヒートサイクル後の結晶粒界の段差は最大１０μｍ以下であった。 [Example 15]
Instead of the molten aluminum, a molten aluminum alloy containing 0.2% by mass of zirconium (aluminum alloy having a thermal conductivity of 170 to 190 W / m · K and a 0.2% resistance of 27 to 32 MPa) was used. Except for this, a metal-ceramics bonded substrate was produced by the same method as in Example 4, and the surface roughness Ra of the surface of the second aluminum plate and the step generated at the grain boundary of aluminum were measured. The average surface roughness Ra is 1.2 μm, the initial step of the grain boundary is 10 μm or less, the average surface roughness Ra after the heat cycle is 1.4 μm, and the maximum step of the grain boundary after the heat cycle is 10 μm. It was as follows.

［実施例１６］
アルミニウムの溶湯に代えて、０．２質量％のジルコニウムを含有するアルミニウム合金（熱伝導率が１７０〜１９０Ｗ／ｍ・Ｋ、０．２％耐力が２７〜３２ＭＰａのアルミニウム合金）の溶湯を使用した以外は、実施例６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、第２のアルミニウム板の表面の表面粗さＲａとアルミニウムの結晶粒界に生じた段差を測定したところ、初期の表面粗さＲａは平均１．３μｍ、初期の結晶粒界の段差は最大１０μｍ以下であり、ヒートサイクル後の表面粗さＲａは平均１．４μｍ、ヒートサイクル後の結晶粒界の段差は最大１０μｍ以下であった。 [Example 16]
Instead of the molten aluminum, a molten aluminum alloy containing 0.2% by mass of zirconium (aluminum alloy having a thermal conductivity of 170 to 190 W / m · K and a 0.2% resistance of 27 to 32 MPa) was used. Except for this, a metal-ceramics bonded substrate was produced by the same method as in Example 6, and the surface roughness Ra of the surface of the second aluminum plate and the step generated at the grain boundary of aluminum were measured. The average surface roughness Ra is 1.3 μm, the initial grain boundary step is 10 μm or less, the surface roughness Ra after the heat cycle is 1.4 μm on average, and the grain boundary step after the heat cycle is 10 μm at maximum. It was as follows.

［実施例１７］
アルミニウムの溶湯に代えて、０．１質量％の亜鉛を含有するアルミニウム合金（熱伝導率が１８０〜２００Ｗ／ｍ・Ｋ、０．２％耐力が２５〜３０ＭＰａのアルミニウム合金）の溶湯を使用した以外は、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作製し、第２のアルミニウム板の表面の表面粗さＲａとアルミニウムの結晶粒界に生じた段差を測定したところ、初期の表面粗さＲａは平均１．３μｍ、初期の結晶粒界の段差は最大１０μｍ以下であり、ヒートサイクル後の表面粗さＲａは平均１．５μｍ、ヒートサイクル後の結晶粒界の段差は最大１０μｍ以下であった。 [Example 17]
Instead of the molten aluminum, a molten aluminum alloy containing 0.1% by mass of zinc (aluminum alloy having a thermal conductivity of 180 to 200 W / m · K and a 0.2% resistance of 25 to 30 MPa) was used. Except for this, a metal-ceramics bonded substrate was produced by the same method as in Example 4, and the surface roughness Ra of the surface of the second aluminum plate and the step generated at the grain boundary of aluminum were measured. The average surface roughness Ra is 1.3 μm, the initial grain boundary step is 10 μm or less, the surface roughness Ra after the heat cycle is 1.5 μm on average, and the grain boundary step after the heat cycle is 10 μm at maximum. It was as follows.

［実施例１８］
アルミニウムの溶湯に代えて、０．１質量％の亜鉛を含有するアルミニウム合金（熱伝導率が１８０〜２００Ｗ／ｍ・Ｋ、０．２％耐力が２５〜３０ＭＰａのアルミニウム合金）の溶湯を使用した以外は、実施例６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、第２のアルミニウム板の表面の表面粗さＲａとアルミニウムの結晶粒界に生じた段差を測定したところ、初期の表面粗さＲａは平均１．３μｍ、初期の結晶粒界の段差は最大１０μｍ以下であり、ヒートサイクル後の表面粗さＲａは平均１．５μｍ、ヒートサイクル後の結晶粒界の段差は最大１０μｍ以下であった。 [Example 18]
Instead of the molten aluminum, a molten aluminum alloy containing 0.1% by mass of zinc (aluminum alloy having a thermal conductivity of 180 to 200 W / m · K and a 0.2% resistance of 25 to 30 MPa) was used. Except for this, a metal-ceramics bonded substrate was produced by the same method as in Example 6, and the surface roughness Ra of the surface of the second aluminum plate and the step generated at the grain boundary of aluminum were measured. The average surface roughness Ra is 1.3 μm, the initial grain boundary step is 10 μm or less, the surface roughness Ra after the heat cycle is 1.5 μm on average, and the grain boundary step after the heat cycle is 10 μm at maximum. It was as follows.

［実施例１９］
アルミニウムの溶湯に代えて、０．２質量％の亜鉛を含有するアルミニウム合金（熱伝導率が１７０〜１９０Ｗ／ｍ・Ｋ、０．２％耐力が２７〜３２ＭＰａのアルミニウム合金）の溶湯を使用した以外は、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作製し、第２のアルミニウム板の表面の表面粗さＲａとアルミニウムの結晶粒界に生じた段差を測定したところ、初期の表面粗さＲａは平均１．３μｍ、初期の結晶粒界の段差は最大１０μｍ以下であり、ヒートサイクル後の表面粗さＲａは平均１．４μｍ、ヒートサイクル後の結晶粒界の段差は最大１０μｍ以下であった。 [Example 19]
Instead of the molten aluminum, a molten aluminum alloy containing 0.2% by mass of zinc (aluminum alloy having a thermal conductivity of 170 to 190 W / m · K and a 0.2% resistance of 27 to 32 MPa) was used. Except for this, a metal-ceramics bonded substrate was produced by the same method as in Example 4, and the surface roughness Ra of the surface of the second aluminum plate and the step generated at the grain boundary of aluminum were measured. The average surface roughness Ra is 1.3 μm, the initial grain boundary step is 10 μm or less, the surface roughness Ra after the heat cycle is 1.4 μm on average, and the grain boundary step after the heat cycle is 10 μm at maximum. It was as follows.

［実施例２０］
アルミニウムの溶湯に代えて、０．２質量％の亜鉛を含有するアルミニウム合金（熱伝導率が１７０〜１９０Ｗ／ｍ・Ｋ、０．２％耐力が２７〜３２ＭＰａのアルミニウム合金）の溶湯を使用した以外は、実施例６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、第２のアルミニウム板の表面の表面粗さＲａとアルミニウムの結晶粒界に生じた段差を測定したところ、初期の表面粗さＲａは平均１．３μｍ、初期の結晶粒界の段差は最大１０μｍ以下であり、ヒートサイクル後の表面粗さＲａは平均１．４μｍ、ヒートサイクル後の結晶粒界の段差は最大１０μｍ以下であった。 [Example 20]
Instead of the molten aluminum, a molten aluminum alloy containing 0.2% by mass of zinc (aluminum alloy having a thermal conductivity of 170 to 190 W / m · K and a 0.2% resistance of 27 to 32 MPa) was used. Except for this, a metal-ceramics bonded substrate was produced by the same method as in Example 6, and the surface roughness Ra of the surface of the second aluminum plate and the step generated at the grain boundary of aluminum were measured. The average surface roughness Ra is 1.3 μm, the initial grain boundary step is 10 μm or less, the surface roughness Ra after the heat cycle is 1.4 μm on average, and the grain boundary step after the heat cycle is 10 μm at maximum. It was as follows.

［比較例５］
グラファイトシートを使用しなかった以外は、実施例７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、アルミニウム板の表面の表面粗さＲａとアルミニウムの結晶粒界に生じた段差を測定したところ、初期の表面粗さＲａは平均１．３μｍ、初期の結晶粒界の段差は最大１０μｍ以下であり、ヒートサイクル後の表面粗さＲａは平均１．７μｍ、ヒートサイクル後の結晶粒界の段差は最大約５０μｍであった。 [Comparative Example 5]
A metal-ceramics bonded substrate was prepared by the same method as in Example 7 except that a graphite sheet was not used, and the surface roughness Ra of the surface of the aluminum plate and the step generated at the grain boundary of aluminum were measured. However, the initial surface roughness Ra is 1.3 μm on average, the step of the initial grain boundary is 10 μm or less at the maximum, and the surface roughness Ra after the heat cycle is 1.7 μm on average, which is the grain boundary after the heat cycle. The maximum step was about 50 μm.

［比較例６］
グラファイトシートを使用しなかった以外は、実施例８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、アルミニウム板の表面の表面粗さＲａとアルミニウムの結晶粒界に生じた段差を測定したところ、初期の表面粗さＲａは平均１．４μｍ、初期の結晶粒界の段差は最大１０μｍ以下であり、ヒートサイクル後の表面粗さＲａは平均１．８μｍ、ヒートサイクル後の結晶粒界の段差は最大約５０μｍであった。 [Comparative Example 6]
A metal-ceramics bonded substrate was prepared by the same method as in Example 8 except that the graphite sheet was not used, and the surface roughness Ra of the surface of the aluminum plate and the step generated at the grain boundary of aluminum were measured. However, the initial surface roughness Ra is 1.4 μm on average, the step of the initial grain boundary is 10 μm or less at the maximum, and the surface roughness Ra after the heat cycle is 1.8 μm on average, which is the grain boundary after the heat cycle. The maximum step was about 50 μm.

［比較例７］
グラファイトシートを使用しなかった以外は、実施例１１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、アルミニウム板の表面の表面粗さＲａとアルミニウムの結晶粒界に生じた段差を測定したところ、初期の表面粗さＲａは平均１．２μｍ、初期の結晶粒界の段差は最大１０μｍ以下であり、ヒートサイクル後の表面粗さＲａは平均１．７μｍ、ヒートサイクル後の結晶粒界の段差は最大約５０μｍであった。 [Comparative Example 7]
A metal-ceramics bonded substrate was prepared by the same method as in Example 11 except that the graphite sheet was not used, and the surface roughness Ra of the surface of the aluminum plate and the step generated at the grain boundary of aluminum were measured. However, the initial surface roughness Ra is 1.2 μm on average, the step of the initial grain boundary is 10 μm or less at the maximum, and the surface roughness Ra after the heat cycle is 1.7 μm on average, which is the grain boundary after the heat cycle. The maximum step was about 50 μm.

［比較例８］
グラファイトシートを使用しなかった以外は、実施例１２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、アルミニウム板の表面の表面粗さＲａとアルミニウムの結晶粒界に生じた段差を測定したところ、初期の表面粗さＲａは平均１．３μｍ、初期の結晶粒界の段差は最大１０μｍ以下であり、ヒートサイクル後の表面粗さＲａは平均１．７μｍ、ヒートサイクル後の結晶粒界の段差は最大約５０μｍであった。 [Comparative Example 8]
A metal-ceramics bonded substrate was prepared by the same method as in Example 12 except that the graphite sheet was not used, and the surface roughness Ra of the surface of the aluminum plate and the step generated at the grain boundary of aluminum were measured. However, the initial surface roughness Ra is 1.3 μm on average, the step of the initial grain boundary is 10 μm or less at the maximum, and the surface roughness Ra after the heat cycle is 1.7 μm on average, which is the grain boundary after the heat cycle. The maximum step was about 50 μm.

なお、ヒートサイクス後の結晶粒界の段差は、固体によるばらつきが比較的大きいが、実施例では最大３０μｍ以下に抑制することができるのに対して、比較例では最大約５０μｍ〜約８０μｍと大きく、金属−セラミックス接合基板を量産品として作製するには不適当であることがわかる。また、実施例では、第１のアルミニウム板と第２のアルミニウム板の厚さの合計が０．５ｍｍ以上（さらに０．８ｍｍ以上）である厚いアルミニウム板がセラミックス基板に接合した金属−セラミックス接合基板にヒートサイクルが繰り返し加えられても、アルミニウムまたはアルミニウム合金の結晶粒界に対応する部分に大きな段差が生じるのを防止することができるので、熱伝導性や電気伝導性に優れた金属−セラミックス接合基板を提供することができる。 The level difference of the crystal grain boundaries after heat-sixing has a relatively large variation depending on the solid, but it can be suppressed to a maximum of 30 μm or less in the examples, whereas it is as large as about 50 μm to about 80 μm in the comparative example. , It turns out that it is not suitable for producing a metal-ceramic bonded substrate as a mass-produced product. Further, in the embodiment, a metal-ceramics bonded substrate in which a thick aluminum plate in which the total thickness of the first aluminum plate and the second aluminum plate is 0.5 mm or more (further 0.8 mm or more) is bonded to the ceramics substrate. Even if a heat cycle is repeatedly applied to the aluminum or aluminum alloy, it is possible to prevent a large step from occurring in the portion corresponding to the grain boundary of the aluminum or aluminum alloy, so that a metal-ceramics junction having excellent thermal conductivity and electrical conductivity can be prevented. A substrate can be provided.

１０金属ベース板
１２セラミックス基板
１４第１の金属板
１６グラファイトシート
１８第２の金属板
２０、１２０鋳型
２２、１２２下側鋳型部材
２２ａ、１２２ａグラファイトシート収容部
２２ｂ、１２２ｂ第２の金属板形成部
２４、１２４中間鋳型部材
２４ａ、１２４ａ金属ベース板形成部
２４ｂ、１２４ｂセラミックス基板収容部
２４ｃ、１２４ｃ第１の金属板形成部
２４ｄ、１２４ｄグラファイトシート収容部
２６、１２６上側鋳型部材
２６ａ、１２６ａ金属ベース板形成部
１２６ｂ放熱フィン形成部 10 Metal base plate 12 Ceramic substrate 14 First metal plate 16 Graphite sheet 18 Second metal plate 20, 120 Molds 22, 122 Lower mold members 22a, 122a Graphite sheet accommodating parts 22b, 122b Second metal plate forming parts 24, 124 Intermediate mold members 24a, 124a Metal base plate forming parts 24b, 124b Ceramic substrate housing parts 24c, 124c First metal plate forming parts 24d, 124d Graphite sheet housing parts 26, 126 Upper mold members 26a, 126a Metal base plate Forming part 126b Heat dissipation fin forming part

Claims

A first composed of a metal base plate made of aluminum or an aluminum alloy, a ceramic substrate in which one surface is directly bonded to the metal base plate, and an aluminum or aluminum alloy in which one surface is directly bonded to the other surface of the ceramics substrate. Metal plate, a graphite sheet in which one surface is directly bonded to the other surface of the first metal plate, and a second metal plate made of aluminum or an aluminum alloy directly bonded to the other surface of the graphite sheet. A metal-ceramics bonded substrate characterized by the above.

The metal-ceramic bonding substrate according to claim 1, wherein the graphite sheet extends substantially parallel to the bonding surface of the first metal plate with the ceramic substrate.

The metal-ceramic bonding substrate according to claim 2, wherein the graphite sheet extends over substantially the entire surface of a plane substantially parallel to the bonding surface of the first metal plate with the ceramic substrate.

The metal-ceramic bonding substrate according to any one of claims 1 to 3, wherein the end face of the graphite sheet is exposed to the outside.

The metal-ceramic bonding substrate according to any one of claims 1 to 4, wherein a circuit pattern is formed by the first metal plate, the graphite sheet, and the second metal plate.

The edge of the graphite sheet and the edge of the ceramic substrate are supported by the mold so that the graphite sheet and the ceramic substrate are separated from each other in the mold and arranged substantially in parallel, and both sides of the graphite sheet and both sides of the ceramic substrate in the mold are supported. A metal base plate made of aluminum or an aluminum alloy is formed by pouring a molten metal of aluminum or an aluminum alloy so as to be in contact with the metal, and then cooling and solidifying the molten metal to form a metal base plate made of aluminum or an aluminum alloy. A first metal plate made of an aluminum alloy is formed and directly bonded to one surface of the graphite sheet and the other surface of the ceramic plate, and a second metal plate made of aluminum or an aluminum alloy is formed to form the graphite sheet. A method for manufacturing a metal-ceramic substrate, which comprises directly joining to the other surface.

After forming a mask on the surface of the second metal plate of the metal-ceramic substrate, the circuit pattern shape of the mask, the second metal plate, the graphite sheet, and the first metal plate in the thickness direction from the surface of the mask. It is formed into a circuit pattern shape except that a part other than the portion corresponding to is removed by milling to leave a part of the first metal plate on the ceramic substrate side, and then corresponds to the circuit pattern shape on the surface of the ceramic substrate. After removing the first metal plate other than the portion by etching, the mask is removed to form a metal-ceramics bonded substrate in which a circuit pattern consisting of the first metal plate, the graphite sheet, and the second metal plate is formed. The method for manufacturing a metal-ceramic substrate according to claim 6, wherein the metal-ceramic substrate is manufactured.