JP5631446B2 - 金属−セラミックス接合基板の製造方法 - Google Patents

金属−セラミックス接合基板の製造方法 Download PDF

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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。
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。
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一体に形成るとともに、金属ベース板の補強部以外の部分の厚さ、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。
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。
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。
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。
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。
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製造方法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

Claims (7)

  1. 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一体に形成るとともに、金属ベース板の補強部以外の部分の厚さ、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、金属−セラミックス接合基板の製造方法
  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の製造方法
  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の製造方法
  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の製造方法
  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の製造方法
  6. 前記壁部の高さが1〜50mmであることを特徴とする、請求項に記載の金属−セラミックス接合基板の製造方法
  7. 前記鋳型に前記溶湯を注入した後に前記溶湯を加圧することを特徴とする、請求項1乃至 6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。
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