JP7267030B2 - 金属－セラミックス接合基板およびその製造方法 - Google Patents

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、金属部材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るパワーモジュールでは、ベース板と呼ばれ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るとともに、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、ベース板の他方の面（裏面）に熱伝導グリースを介してねじ止めなどにより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。

このような問題を解消して、金属－セラミックス絶縁基板の信頼性を高めるため、降伏応力が非常に低いアルミニウムをベース板に使用した金属－セラミックス回路基板、例えば、耐力が３２０ＭＰａ以下であり且つ厚さが１ｍｍ以上のアルミニウムまたはアルミニウム合金からなるベース板を溶湯法によって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、パワーモジュール用の絶縁基板として、セラミックス基板の一方の面に接合された金属回路板上のチップ部品や端子の半田付けが必要な部分などにめっきを施そて半田濡れ性を良好にした金属－セラミックス回路基板が使用されている。

このようなパワーモジュール用の金属－セラミックス回路基板に使用する金属－セラミックス接合部材として、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属部材の全面または一部の面に１．０μｍより厚く且つ１５．０μｍ以下の厚さの電気ニッケルめっきが施され、ヒートサイクルが繰り返し加えられても半田クラックの発生やチップの破損を防止することができる、金属－セラミックス接合部材が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

近年のパワーモジュール用の金属－セラミックス回路基板板では、基板上に搭載する半導体チップなどの電子部品の高出力化や高密度実装化により発熱量が増大しており、従来よりも厳しい条件のヒートサイクルが繰り返し加えられても半田クラックの発生やチップの破損を防止できるようにすることが望まれている。

しかし、特許文献２の金属－セラミックス接合部材などの従来の金属－セラミックス接合部材をパワーモジュール用の金属－セラミックス回路基板に使用して、厚さ１００μｍ以下の小型で高性能な薄型チップを基板に半田付けした場合、従来よりも厳しい条件のヒートサイクルが繰り返されると、半田クラックが発生したり、チップが破損するおそれがある。

このような問題を解消するため、セラミックス基板の一方の面にアルミニウムからなる金属回路板の一方の面が直接接合し、金属回路板の他方の面に厚さ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が提案されている（例えば、特許文献３参照）。

特開２００２－７６５５１号公報（段落番号００１５－００１７） 特開２００５－２８８７１６号公報（段落番号０００８） 特開２０１８－１８９９２号公報（段落番号０００９－００１２）

しかし、特許文献３の金属－セラミックス回路基板を製造するためには、アルミニウムからなる金属回路板上にニッケルめっき皮膜を形成する工程が必要になり、厚さ１７μｍ以上のニッケルめっき皮膜を形成するためには、かなり時間がかかり、製造コストが増大する。

したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、回路パターン用金属板上に厚いニッケルめっき皮膜を形成する場合と比べて安価で且つニッケルめっき皮膜と同等の半田濡れ性を有する金属－セラミックス回路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、鋳型内に略水平方向に延びるようにニッケル板とセラミックス基板を互いに離間して配置し、この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またはアルミニウム合金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、アルミニウムまたはアルミニウム合金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、その回路パターン用金属板の他方の面にニッケル板を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ことにより、回路パターン用金属板上に厚いニッケルめっき皮膜を形成する場合と比べて安価で且つニッケルめっき皮膜と同等の半田濡れ性を有する金属－セラミックス回路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、鋳型内に略水平方向に延びるようにニッケル板とセラミックス基板を互いに離間して配置し、この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またはアルミニウム合金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、アルミニウムまたはアルミニウム合金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、その回路パターン用金属板の他方の面にニッケル板を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、鋳型が上側鋳型部材と下側鋳型部材とからなり、この下側鋳型部材にベース板の外形と略同一の形状および大きさのベース板形成用凹部が形成され、このベース板形成部の底面に、セラミックス基板と略等しい形状および大きさのセラミックス基板収容用凹部が形成され、このセラミックス基板収容用凹部の底面に、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が形成され、この回路パターン用金属板形成部の底面に、ニッケル板と略等しい形状および大きさのニッケル板収容用凹部が形成されているのが好ましい。

また、上記の金属－セラミックス接合基板の製造方法において、溶湯を冷却して固化させることにより、ベース板をセラミックス基板の一方の面の周縁部と側面および他方の面の全面に形成してセラミックス基板に直接接合させ、回路パターン用金属板をベース板から離間してセラミックス基板の一方の面に形成して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のが好ましい。この場合、鋳型が上側鋳型部材と下側鋳型部材とからなり、この下側鋳型部材にベース板の外形と略同一の形状および大きさのベース板形成用凹部が形成され、このベース板形成部の底面に、この底面から略垂直方向に隆起した隆起部が形成され、この隆起部の上面に、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が形成され、この回路パターン用金属板形成部の底面に、ニッケル板と略等しい形状および大きさのニッケル板収容用凹部が形成されているのが好ましい。また、ベース板形成用凹部の底面の周縁部に互いに離間して複数のセラミックス基板支持部が突設され、これらのセラミックス基板支持部にセラミックス基板の底面の周縁部が支持されるのが好ましい。さらに、ベース板を形成してセラミックス基板に直接接合させる際に、ベース板の底面に、互いに離間して突出する多数の柱状突起部をベース板と一体に形成するのが好ましい。

また、上記の金属－セラミックス接合基板の製造方法において、鋳型内への溶湯の注湯開始から１０～３００秒後に冷却による固化を開始し、冷却による固化の開始から１０～３００秒間で冷却による固化を終了するのが好ましい。また、セラミックス基板に直接接合した回路パターン用金属板の表面と、この回路パターン用金属板に直接接合したニッケル板の表面を、薬液でエッチングするのが好ましい。

また、本発明による金属－セラミックス接合基板は、セラミックス基板と、このセラミックス基板の一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回路パターン用金属板と、この回路パターン用金属板の他方の面に直接接合したニッケル板と、セラミックス基板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ベース板とからな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、ベース板がセラミックス基板の一方の面の周縁部と側面および他方の面の全面に直接接合し、回路パターン用金属板の一方の面がベース板から離間してセラミックス基板の一方の面に直接接合し、セラミックス基板の他方の面の周縁部の一部が外部に露出しているのが好ましい。この場合、セラミックス基板の側面の一部が外部に露出しているのが好ましい。また、ベース板のセラミックス基板と反対側の面に、互いに離間して突出する複数の柱状突起部が、ベース板と一体に形成されているのが好ましい。また、回路パターン用金属板とニッケル板との接合界面にＮｉ－Ａｌ合金層が形成されているのが好ましい。

本発明によれば、回路パターン用金属板上に厚いニッケルめっき皮膜を形成する場合と比べて安価で且つニッケルめっき皮膜と同等の半田濡れ性を有する金属－セラミックス回路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第１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。 本発明による金属－セラミックス接合基板の第２の実施の形態の平面図である。 図３Ａの金属－セラミックス接合基板の底面図である。 図３Ｂの金属－セラミックス接合基板のＩＩＩＣ－ＩＩＩＣ線断面図である。 図３Ａ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４Ａの鋳型の上側鋳型部材の底面図である。 図４Ａの鋳型の下側鋳型部材の平面図である。

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およびその製造方法の実施の形態について詳細に説明する。

［第１の実施の形態］
図１Ａ～図１Ｂは、本発明による金属－セラミックス接合基板の第１の実施の形態を示し、図２Ａ～図２Ｂは、その金属－セラミックス接合基板を製造するために使用する鋳型を示している。

図１Ａ～図１Ｂに示すように、本発明による金属－セラミックス接合基板の第１の実施の形態は、平面形状が略矩形のセラミックス基板１０と、このセラミックス基板１０の一方の面に（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１以上（図示した実施の形態では２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と、この回路パターン用金属板１４の他方の面に直接接合したニッケル板１６と、セラミックス基板１０の他方の面（裏面）の全面に直接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ベース板（アルミニウムベース板）１２を備えている。

この金属－セラミックス接合基板の実施の形態は、図２Ａ～図２Ｂに示すような鋳型２０内にセラミックス基板１０とニッケル板１６を互いに離間して配置し、セラックス基板１０の表面（セラミックス基板１０の両面のベース板１２と回路パターン用金属板１４に対応する部分）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流し込んで冷却することによって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、ベース板１２を形成するための（ベース板形成用）凹部（ベース板形成部）２２ａが形成されている。このベース板形成部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（図示した第１の実施の形態では１つを示す）の（セラミックス基板収容用）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（図示した第１の実施の形態では２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。これらの回路パターン用金属板形成部２２ｃの各々の底面の略中央部には、ニッケル板と略等しい形状および大きさの１つまたは複数（図示した第１の実施の形態ではそれぞれ１つ）の（ニッケル板収容用）凹部（ニッケル板収容部）２２ｄ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、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（と複数の回路パターン用金属板形成部２２ｃが形成されている場合は回路パターン用金属板形成部２２ｃ同士の間）に延びる（図示しない）溶湯流路が形成され、セラミックス基板１０をセラミックス基板収容部２２ｂ内に載置したときにもベース板形成部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、まず、下側鋳型部材２２のニッケル板収容部２２ｄ内にニッケル板１６を入れ、セラミックス基板収容部２２ｂ内にセラミックス基板１０を配置した後、上側鋳型部材２４を下側鋳型部材２２に被せる。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と、セラミックス基板１０の一方の面に回路パターン用金属板１４の一方の面が直接接合し、この回路パターン用金属板１４の他方の面にニッケル板１６が直接接合するとともに、セラミックス基板１０の他方の面にベース板１２が直接接合した金属－セラミックス接合基板を製造することができる。

［第２の実施の形態］
図３Ａ～図３Ｃは、本発明による金属－セラミックス接合基板の第２の実施の形態を示し、図４Ａ～図４Ｃは、その金属－セラミックス接合基板を製造するために使用する鋳型を示している。

図３Ａ～図３Ｃ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セラミックス基板１１０と、このセラミックス基板１１０の一方の面（回路パターン側の面）の周縁部と側面および他方の面（裏面）の全面に直接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ベース板（アルミニウムベース板）１１２と、セラミックス基板１１０の一方の面の周縁部に直接接合したベース板１１２から離間してセラミックス基板１１０の一方の面に（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１以上（図示した実施の形態では２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）１１４と、この回路パターン用金属板１１４の他方の面に直接接合したニッケル板１１６とを備えている。なお、ベース板１１２（の回路パターン側の部分）と回路パターン用金属板１１４を離間して配置させることにより、ベース板１１２と回路パターン用金属板１１４との間の絶縁を確保するようになっている。

また、ベース板１１２のセラミックス基板１１０と反対側の面（裏面）には、（放熱フィンとしての）多数の柱状突起部１１２ａが突出するように一体に形成されている。各々の柱状突起部１１２ａは、略円柱形状または略円錐台形状（略円錐の上端を底面と略平行に切断した形状）を有し、ベース板１１２の裏面に対して略垂直方向に延びている。また、柱状突起部１１２ａは、それぞれ所定の間隔で離間して一列に配置された柱状突起部１１２ａの複数列が互いに平行に且つ隣接する柱状突起部１１２ａの列と互いに半ピッチ（隣接する柱状突起部１１２ａの中心線（柱状突起部１１２ａが延びる軸線）間の距離の半分）ずれるように配置され、隣接する柱状突起部１１２ａの間隔を確保しながらより多くの柱状突起部１１２ａが配置されるようにしているが、隣接する柱状突起部１１２ａの間隔を確保しながら多数の柱状突起部１１２ａを配置することができれば、他の配置でもよい。

この金属－セラミックス接合基板の実施の形態は、図４Ａ～図４Ｃに示すような鋳型１２０内にセラミックス基板１１０を配置し、セラックス基板１１０の表面（セラミックス基板１１０の両面のベース板１１２と回路パターン用金属板１１４に対応する部分）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流し込んで冷却することによって製造することができる。

図４Ａに示すように、鋳型１２０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１２２と上側鋳型部材１２４とから構成されている。

図４Ａおよび図４Ｃに示すように、下側鋳型部材１２２の上面には、ベース板１１２の柱状突起部１１２ａ以外の部分（セラミックス基板１１０の一方の面（回路パターン側の面）の周縁部と側面に直接接合した部分と他方の面（裏面）の全面に直接接合した平板状の部分）を形成するための（ベース板形成用）凹部（ベース板形成部）１２２ａが形成されている。

このベース板形成部１２２ａの底面の略中央部には、この底面から略垂直方向に隆起した平面形状が略矩形の隆起部１２２ｂが形成されている。この隆起部１２２ｂの上面の略中央部には、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２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）１２２ｃが形成されている。これらの回路パターン用金属板形成部１２２ｃの各々の底面の略中央部には、ニッケル板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それぞれ１つ）の（ニッケル板収容用）凹部（ニッケル板収容部）１２２ｄが形成されている。

また、ベース板形成部１２２ａの底面には、セラミックス基板１１０の長手方向両端部を支持する平面形状が略矩形の複数（図示した実施の形態では２対）の基板支持部（長手方向基板支持部）１２２ｅと、セラミックス基板１１０の幅方向両端部を支持する平面形状が略矩形の複数（図示した実施の形態では２対）の基板支持部（幅方向基板支持部）１２２ｆが、その底面から略垂直方向に突出して形成されている。これらの基板支持部１２２ｅおよび１２２ｆは、セラミックス基板１１０の一方の面（回路パターン側の面）の周縁部と側面に当接してセラミックス基板１１０を所定の位置で支持するために、それぞれ略Ｌ字型の断面を有するように段差が設けられている。これらの基板支持部１２２ｅおよび１２２ｆ上にセラミックス基板１１０を配置すると、ベース板形成部１２２ａの底面の略中央部に形成された隆起部１２２ｂの上面にセラミックス基板１１０（の対向する部分）が当接して載置されるようになっている。このようにセラミックス基板１１０を隆起部１２２ｂの上面に載置すると、セラミックス基板１１０によって回路パターン用金属板形成部１２２ｃの開口部が塞がれるとともに、セラミックス基板１１０の一方の面（回路パターン側の面）の周縁部と側面および他方の面（裏面）の全面の周囲にベース板形成部１２２ａが確保されるようになっている。

図４Ａおよび図４Ｂに示すように、上側鋳型部材１２４の底面には、多数の柱状突起部１１２ａを形成するための（柱状突起形成用）凹部（柱状突起形成部）１２４ａが形成されている。

なお、上側鋳型部材１２４には、（図示しない）注湯ノズルから上側鋳型部材１２４の柱状突起形成部１２４ａと下側鋳型部材１２２のベース板形成部１２２ａ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１２２には、ベース板形成部１２２ａと回路パターン用金属板形成部１２２ｃとの間（と複数の回路パターン用金属板形成部１２２ｃが形成されている場合は回路パターン用金属板形成部１２２ｃ同士の間）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１１０を隆起部１２２ｂの上面に載置したときにもベース板形成部１２２ａと回路パターン用金属板形成部１２２ｃとの間が連通するようになっている。

このような鋳型１２０を使用して図３Ａ～図３Ｃに示す第１の実施の形態の金属－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１２２のニッケル板収容部１２２ｄ内にニッケル板１１６を入れ、下側鋳型部材１２２の基板支持部１２２ｅおよび１２２ｆ上にセラミックス基板１１０を配置した後、上側鋳型部材１２４を下側鋳型部材１２２に被せる。この状態で鋳型１２０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と、セラミックス基板１１０の一方の面（回路パターン側の面）の周縁部と側面および他方の面（裏面）の全面にベース板１１２が直接接合し、そのベース板１１２（の回路パターン側の部分）から離間してセラミックス基板１１０の一方の面に回路パターン用金属板１１４の一方の面が直接接合し、この回路パターン用金属板１１４の他方の面にニッケル板１１６が直接接合した金属－セラミックス接合基板を製造することができる。なお、ベース板１１２には、基板支持部１２２ｅおよび１２２ｆに対応する（図示しない）複数の凹部が形成されてセラミックス基板１１０の周縁部の一部が露出しているが、これらの凹部は小さいため、金属－セラミックス接合基板の信頼性や熱伝導率に殆ど影響しない。

なお、上記の金属－セラミックス接合基板およびその製造方法の第１および第２の実施の形態において、セラミックス基板として、窒化アルミニウム、アルミナ、窒化珪素などを主成分とするセラミックス基板を使用することができる。窒化アルミニウムを主成分とするセラミックス基板の場合は、厚さ０．３～２．０ｍｍであるのが好ましく、回路パターン用金属板の厚さは０．５～２．０ｍｍであるのが好ましい。また、ベース板の主面の面積がセラミックス基板の主面の面積よりも大きいのが好ましい。

また、上記の金属－セラミックス接合基板の製造方法の第１および第２の実施の形態では、鋳型を窒素雰囲気の炉内に入れ、溶湯口から金属ベース板形成部内に溶湯を５～３０ｋＰａ（好ましくは１０～２０ｋＰａ）で加圧しながら１０～３００秒間（好ましくは６０～１２０秒間）で注湯し、溶湯流路を介して回路用金属板形成部まで金属溶湯を充填し、注湯開始から１０～３００秒後（好ましくは５０～２００秒後、さらに好ましくは８０～１２０秒）後に、５～３０ｋＰａ（好ましくは１０～２０ｋＰａ）で加圧しながら冷却して金属溶湯を１０～３００秒（好ましくは５０～２００秒、さらに好ましくは８０～１５０秒）間で固化（凝固）させれば、セラミックス基板とベース板と回路パターン用金属板とニッケル板をさらに良好に接合させることができる。

また、上記の金属－セラミックス接合基板の製造方法の第１および第２の実施の形態により製造した金属－セラミックス接合基板を鋳型から取り出した後、機械加工や薬液によるエッチングなどにより、鋳型の溶湯流路に対応する部分（ベース板と回路パターン用金属板との間（と複数の回路パターン用金属板が形成されている場合は回路パターン用金属板同士の間）に延びる部分）を除去する。エッチングにより溶湯流路に対応する部分を除去する場合には、回路パターン用金属板とベース板の表面にエッチングレジストを形成してエッチングしてもよいが、エッチングレジストを形成しないで、薬液により（ニッケル板の表面とともに）エッチングするのが好ましい。このようにエッチングレジストを形成しないでエッチングすれば、工程を短縮することができるとともに、ニッケル板の表面のエッチングにより、ニッケル板の半田濡れ性を向上させることができる。

以下、本発明による金属－セラミックス接合基板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、ベース板の柱状突起部以外の部分（セラミックス基板の一方の面（回路パターン側の面）の周縁部と側面に直接接合した部分と他方の面（裏面）の全面に直接接合した平板状の部分）を形成するための（他方の面（裏面）側の大きさが長さ９８ｍｍ×幅８１ｍｍ×厚さ１．３ｍｍ、一方の面側の大きさが幅２ｍｍ×厚さ１．３ｍｍ、長手方向の側面とセラミックス基板の長手方向の側面との距離が１４ｍｍで幅方向の側面とセラミックス基板の幅方向の側面との距離が５ｍｍの）（ベース板形成用）凹部（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、この底面から略垂直方向に隆起した平面形状が略矩形の隆起部（長さ７１ｍｍ×幅７０ｍｍ×厚さ０．６ｍｍの大きさの略矩形のセラミックス基板（の対向する部分）を支持する長さ６７ｍｍ×幅６６ｍｍ×高さ１．３ｍｍの大きさの隆起部）が形成され、この隆起部の上面の略中央部に、長さ６５ｍｍ×幅３０ｍｍ×厚さ１．３ｍｍの大きさの回路パターン用金属板を形成するための２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）がパターン間距離２ｍｍ離間して形成され、これらの回路パターン用金属板形成部の各々の底面の略中央部に、長さ１４．４ｍｍ×幅１４ｍｍ×厚さ０．２ｍｍの大きさのニッケル板と略等しい形状および大きさの３つの（ニッケル板収容用）凹部（ニッケル板収容部）と１４．４ｍｍ×９ｍｍ×０．２ｍｍの大きさのニッケル板と略等しい形状および大きさの３つの（ニッケル板収容用）凹部（ニッケル板収容部）がそれぞれ離間して２列に形成され、ベース板形成部の底面に、セラミックス基板の長手方向両端部を支持する平面形状が略矩形の２対の基板支持部（長手方向基板支持部）と、セラミックス基板の幅方向両端部を支持する平面形状が略矩形の２対の基板支持部（幅方向基板支持部）が、ベース板形成部の底面から略垂直方向に突出して形成され、これらの基板支持部は、セラミックス基板の一方の面（回路パターン側の面）の周縁部と側面に当接してセラミックス基板を所定の位置で支持するように、それぞれ略Ｌ字型の断面を有するように段差（セラミックス基板の一方の面の周縁部に当接する部分の高さが１．３ｍｍでセラミックス基板の側面に当接する部分の高さが１．６ｍｍ）が設けられ、上側鋳型部材の底面に、高さ８ｍｍ、直径２．４ｍｍ、テーパ角度２°の５２５個の柱状突起部を形成するための（柱状突起形成用）凹部（柱状突起形成部）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および回路パターン用金属板形成部同士の間に延びる溶湯流路が形成された（図４Ａ～図４Ｃに示す鋳型１２０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ニッケル板収容部にニッケル板を入れ、セラミックス基板収容部内にセラミックス基板を収容し、上側鋳型部材を被せて密閉した後、鋳型を窒素雰囲気の炉内に入れ、溶湯口から金属ベース板形成部内に純度９９．９質量％（３Ｎ）のアルミニウムの溶湯を１６ｋＰａで加圧しながら９０秒間で注湯し、溶湯流路を介して回路用金属板形成部まで金属溶湯を充填し、注湯開始から２４０秒後に、１６ｋＰａで加圧しながら冷却して金属溶湯を１８０秒間で固化（凝固）させることにより、セラミックス基板の一方の面の周縁部と側面および他方の面の全面にベース板が直接接合し、このベース板から離間してセラミックス基板の一方の面に回路パターン用金属板の一方の面が直接接合するとともに、この回路パターン用金属板の他方の面にニッケル板が直接接合した（図３Ａ～図３Ｃに示す金属－セラミックス接合基板と同様の形状の）一体の金属－セラミックス接合基板を得た後、塩化第二鉄を含む水溶液によりエッチングして、（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および回路パターン用金属板形成部同士の間に延びる）溶湯流路を除去するとともに、（アルミニウムからなる）回路パターン用金属板とニッケル板の表面を厚さ０．０５ｍｍ分だけ溶解してニッケル板の厚さを０．１５ｍｍとし、その後、硝酸で酸洗し、水洗し、乾燥させた。

このようにして作製した金属－セラミックス接合基板をその厚さ方向に切断して研磨した断面を観察し、回路パターン用金属板とニッケル板の接合界面を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察することにより、ニッケル板の接合状態を調べたところ、接合状態は良好であった。

また、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）・エネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＳ）装置により回路パターン用金属板の断面組織を調べたところ、過共晶であり、主として、初晶の析出物（ＮｉＡｌ_３）と、ＡｌとＮｉＡｌ_３の共晶組織が観察された。また、回路パターン用金属板とニッケル板との接合界面には、ニッケル板側にＮｉリッチな厚さ数μｍの第１のＮｉ－Ａｌ合金層が形成され、回路パターン用金属板側に第１のＮｉ－Ａｌ合金層よりＡｌリッチな第２のＮｉ－Ａｌ合金層が形成された組織が観察された。

また、金属－セラミックス接合基板をその厚さ方向に切断した断面のビッカース硬さをマイクロビッカース硬度計（株式会社ミツトヨ製のＨＭ－２１０）により試験荷重１０ｇｆを５秒間加えて測定したところ、ニッケル板のビッカース硬さは、厚さ方向中央部で１４９．０ＨＶ、回路パターン用金属板のビッカース硬さは、ニッケル板から厚さ方向に（初晶の析出物（ＮｉＡｌ_３）上を避けて）１００μｍの位置で５７．５ＨＶ、２００μｍの位置で６１．３ＨＶ、４００μｍの位置で５９．６ＨＶ、１０００μｍの位置で７５．４ＨＶ、セラミックス基板との界面から２５μｍの位置で６７．８ＨＶであり、回路パターン用金属板内の析出物（ＮｉＡｌ_３）のビッカース硬さは４１３．６ＨＶであった。

また、作製した金属－セラミックス接合基板のニッケル板の半田濡れ性を評価するために、３質量％のＡｇと０．５質量％のＣｕを含み、残部がＳｎからなるフラックス入り半田ペーストを厚さ０．５ｍｍになるようにニッケル板上に塗布し、半田付け炉により窒素雰囲気において２７０℃で３分間保持し、放冷した後、ニッケル板の表面が濡れた面積率（半田濡れ率）を測定したところ、半田濡れ率は９５％以上であり、ニッケル板の半田濡れ性は良好であった。

［実施例２］
注湯開始から１００秒後に、１６ｋＰａで加圧しながら冷却して金属溶湯を１２０秒間で固化（凝固）させた以外は、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、接合状態とを回路パターン用金属板の断面組織を調べるとともに、ビッカース硬さを測定した。その結果、接合状態は良好であり、回路パターン用金属板の断面組織は、亜共晶であり、首都相手、初晶の析出物（Ａｌ）と、ＡｌとＮｉＡｌ_３の共晶組織が観察された。また、回路パターン用金属板とニッケル板との接合界面には、ニッケル板側にＮｉリッチな厚さ数μｍの第１のＮｉ－Ａｌ合金層が形成され、回路パターン用金属板側に第１のＮｉ－Ａｌ合金層よりＡｌリッチな第２のＮｉ－Ａｌ合金層が形成された組織が観察された。また、ニッケル板のビッカース硬さは、厚さ方向中央部で１２４．２ＨＶ、回路パターン用金属板のビッカース硬さは、ニッケル板から１００μｍの位置で５３．２ＨＶ、４００μｍの位置で５２．１ＨＶ，１０００μｍの位置で４１．０ＨＶ、セラミックス基板との界面から２５μｍの位置で３７．５ＨＶであった。また、実施例１と同様の方法により、ニッケル板の半田濡れ性を評価したところ、半田濡れ率は９５％以上であり、ニッケル板の半田濡れ性は良好であった。

なお、セラミックス基板と銅板の接合強度に優れ且つ耐ヒートサイクル特性に優れた金属－セラミックス接合基板を得るためには、回路パターン用金属板のビッカース硬さは、セラミックス基板との界面から２５μｍの位置で７０ＨＶ以下であるのが好ましく、５０ＨＶ以下であるのがさらに好ましく、４５ＨＶ以下であるのが最も好ましい。

１０、１１０ セラミックス基板
１２、１１２ ベース板
１１２ａ 柱状突起部
１４、１１４ 回路パターン用金属板
１６、１１６ ニッケル板
２０、１２０ 鋳型
２２、１２２ 下側鋳型部材
２２ａ、１２２ａ ベース板形成用凹部（ベース板形成部）
２２ｂ セラミックス基板収容用凹部（セラミックス基板収容部）
１２２ｂ 隆起部
２２ｃ、１２２ｃ 回路パターン形成用凹部（回路パターン用金属板形成部）
２２ｄ、１２２ｄ ニッケル板収容用凹部（ニッケル板収容部）
１２２ｅ 長手方向基板支持部
１２２ｆ 幅方向基板支持部
２４、１２４ 上側鋳型部材
１２４ａ 柱状突起形成用凹部（柱状突起形成部）

Claims (13)

1. 鋳型内に略水平方向に延びるようにニッケル板とセラミックス基板を互いに離間して配置し、この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またはアルミニウム合金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、アルミニウムまたはアルミニウム合金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、その回路パターン用金属板の他方の面にニッケル板を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金属－セラミックス接合基板の製造方法であって、鋳型内への溶湯の注湯開始から１０～３００秒後に冷却による固化を開始し、冷却による固化の開始から１０～３００秒間で冷却による固化を終了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. 前記鋳型が上側鋳型部材と下側鋳型部材とからなり、この下側鋳型部材に前記ベース板の外形と略同一の形状および大きさのベース板形成用凹部が形成され、このベース板形成用凹部の底面に、前記セラミックス基板と略等しい形状および大きさのセラミックス基板収容用凹部が形成され、このセラミックス基板収容用凹部の底面に、前記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が形成され、この回路パターン形成用凹部の底面に、前記ニッケル板と略等しい形状および大きさのニッケル板収容用凹部が形成されてい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. 前記溶湯を冷却して固化させることにより、前記ベース板を前記セラミックス基板の一方の面の周縁部と側面および他方の面の全面に形成して前記セラミックス基板に直接接合させ、前記回路パターン用金属板を前記ベース板から離間して前記セラミックス基板の一方の面に形成して前記回路パターン用金属板の一方の面を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に記載の金属－セラミックス接合基板の製造方法。
4. 前記鋳型が上側鋳型部材と下側鋳型部材とからなり、この下側鋳型部材に前記ベース板の外形と略同一の形状および大きさのベース板形成用凹部が形成され、このベース板形成用凹部の底面に、この底面から略垂直方向に隆起した隆起部が形成され、この隆起部の上面に、前記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が形成され、この回路パターン形成用凹部の底面に、前記ニッケル板と略等しい形状および大きさのニッケル板収容用凹部が形成されていることを特徴とする、請求項３に記載の金属－セラミックス接合基板の製造方法。
5. 前記ベース板形成用凹部の底面の周縁部に互いに離間して複数のセラミックス基板支持部が突設され、これらのセラミックス基板支持部に前記セラミックス基板の底面の周縁部が支持されることを特徴とする、請求項４に記載の金属－セラミックス接合基板の製造方法。
6. 前記ベース板を形成して前記セラミックス基板に直接接合させる際に、前記ベース板の底面に、互いに離間して突出する多数の柱状突起部を前記ベース板と一体に形成することを特徴とする、請求項３乃至５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。
7. 前記セラミックス基板に直接接合した回路パターン用金属板の表面と、この回路パターン用金属板に直接接合したニッケル板の表面を、薬液でエッチング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。
8. セラミックス基板と、このセラミックス基板の一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回路パターン用金属板と、この回路パターン用金属板の他方の面に直接接合したニッケル板と、セラミックス基板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ベース板とからなり、回路パターン用金属板とニッケル板との接合界面にＮｉ－Ａｌ合金層が形成されていることを特徴とする、金属－セラミックス接合基板。
9. 前記ベース板が前記セラミックス基板の一方の面の周縁部と側面および他方の面の全面に直接接合し、前記回路パターン用金属板の一方の面が前記ベース板から離間して前記セラミックス基板の一方の面に直接接合し、前記セラミックス基板の他方の面の周縁部の一部が外部に露出していることを特徴とする、請求項８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の側面の一部が外部に露出していることを特徴とする、請求項９に記載の金属－セラミックス接合基板。
11. 前記ベース板の前記セラミックス基板と反対側の面に、互いに離間して突出する複数の柱状突起部が、前記ベース板と一体に形成されていることを特徴とする、請求項９または１０に記載の金属－セラミックス接合基板。
12. 前記回路パターン用金属板のビッカース硬さが、前記セラミックス基板との界面から２５μｍの位置で７０ＨＶ以下であることを特徴とする、請求項９乃至１１のいずれかに記載の金属－セラミックス接合基板。
13. 前記ニッケル板上に、３質量％のＡｇと０．５質量％のＣｕを含み、残部がＳｎからなるフラックス入り半田ペーストを厚さ０．５ｍｍになるように塗布し、半田付け炉により窒素雰囲気において２７０℃で３分間保持し、放冷した後、ニッケル板の表面が濡れた面積率（半田濡れ率）を測定したときに、半田濡れ率が９５％以上であることを特徴とする、請求項９乃至１２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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