WO2012127695A1

WO2012127695A1 - 金属－セラミックス接合基板およびその製造方法

Info

Publication number: WO2012127695A1
Application number: PCT/JP2011/058488
Authority: WO
Inventors: 小山内　英世; 高橋　貴幸; 悟井手口; 浩隆小谷
Original assignee: Ｄｏｗａメタルテック株式会社
Priority date: 2011-03-23
Filing date: 2011-03-29
Publication date: 2012-09-27
Also published as: EP2680678B1; KR20140012738A; JP2012199452A; US9713253B2; EP2680678A1; KR101798272B1; JP5837754B2; CN103503581A; US20140057131A1; EP2680678A4

Abstract

セラミックス基板の一方の面に金属板が直接接合するとともに、他方の面に金属ベース板が直接接合した金属－セラミックス接合基板において、金属ベース板より強度が高い強化部材が、金属ベース板の両端面の一方の端面から他方の端面まで延びるように配置され、この強化部材によって、金属ベース板がセラミックス基板との接合面からこの接合面と反対側の面まで延びることを遮らないようになっている。

Description

金属−セラミックス接合基板およびその製造方法

　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。

　近年、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、パワーモジュールが使用されている。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などにより固定され、この金属−セラミックス接合基板の金属回路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。
　このような金属−セラミックス接合基板は、一般に、セラミックス基板の両面に異なる厚さの金属板（金属回路板とベース板）が接合されるため、接合後に大きな反りが生じ易い。また、金属−セラミックス接合基板への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って金属回路板およびベース板の反りが生じ易い。さらに、半導体チップから発生した熱は、金属−セラミックス接合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。また、実質的に反りのない金属−セラミックス接合基板が得られたとしても、熱衝撃が繰り返されると反りが大きくなる。
　このような問題を解決するため、Ａｌ板またはＡｌ合金板を介して複数の窒化アルミニウム基板が接合された多層構造体の一方の面にＡｌまたはＡｌ合金の回路が形成され、他方の面に放熱板が形成された回路基板が提案されている（例えば、特開２００１−７４６５号公報参照）。この回路基板は、接合材（ろう材）を用いて複数の窒化アルミニウム基板とＡｌ板またはＡｌ合金板を接合して多層構造体を製造するとともに、この多層構造体に接合材（ろう材）を用いてＡｌまたはＡｌ合金の回路および放熱板を接合することによって製造されている。
　また、第１のセラミックス板の一方の面に回路板が接合され、他方の面に熱拡散板、第２のセラミックス板および放熱板が接合された積層体により形成され、回路板、熱拡散板および放熱板がＣｕ、Ｃｕ合金、ＡｌまたはＡｌ合金からなり、熱拡散板と放熱板で第２のセラミックス板を完全に覆うように、熱拡散板の端部と放熱板の端部を一体化した絶縁回路基板が提案されている（例えば、特開２００３−８６７４７号公報参照）。この絶縁回路基板は、金型内に第１および第２のセラミックス板をセットして、回路板、熱拡散板および放熱板となる溶融Ａｌまたは溶融Ａｌ合金を金型内に高圧で注入した後に、冷却して固体化することによって製造されている。
　しかし、特開２００１−７４６５号公報の回路基板では、セラミックス基板として高い熱伝導度（１７０Ｗ／ｍＫ）の窒化アルミニウム基板を使用しているが、ＣｕやＡｌまたはそれらの合金などからなる放熱板（金属ベース板）よりも熱伝導度が低いため、窒化アルミニウム基板により放熱性が妨げられる。仮に、金属ベース板と同等以上の熱伝導率を有するセラミックス基板を使用することができたとしても、そのようなセラミックス基板は非常に高価であり、工業的に量産するのは困難である。また、複数の窒化アルミニウム基板とＡｌ板またはＡｌ合金板を接合して多層構造体を製造するとともに、この多層構造体にＡｌまたはＡｌ合金の回路および放熱板を接合するために、接合材（ろう材）を用いて極めて高い圧力を加える必要があり、多層構造体を製造するための積層工程を必要とし、製造コストが高くなる。
　また、特開２００３−８６７４７号公報の絶縁回路基板では、熱拡散板と放熱板で覆われた第２のセラミックス板の熱伝導度が熱拡散板および放熱板よりも低いため、特開２００１−７４６５号公報の回路基板と同様に、セラミックス板により放熱性が妨げられる。また、特開２００３−８６７４７号公報の絶縁回路基板を製造する場合、金型内にセラミックス板を所定の位置に保持したまま、溶融Ａｌまたは溶融Ａｌ合金を金型内に高圧で注入することが困難であり、適正な位置にセラミックス板を接合することができない場合があり、熱拡散板と放熱板で第２のセラミックス板を完全に覆って精度良く位置決めするのは困難である。そのため、絶縁回路基板の反りを制御し難く、反りのばらつきにより信頼性が低下するおそれがある。

　したがって、本発明は、上述した従来の問題点に鑑み、放熱性が高く且つ反りおよびそのばらつきが小さい金属−セラミックス接合基板、およびその金属−セラミックス接合基板を低コストで製造することができる、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。
　上記目的を達成するために、本発明のある観点による金属−セラミックス接合基板は、セラミックス基板の一方の面に金属板が直接接合するとともに、他方の面に金属ベース板が直接接合した金属−セラミックス接合基板において、金属ベース板より強度が高い強化部材が、金属ベース板の両端面の一方の端面から他方の端面まで延びるように配置され、この強化部材によって、金属ベース板がセラミックス基板との接合面からこの接合面と反対側の面まで延びることを遮らないことを特徴とする。
　この金属−セラミックス接合基板において、金属ベース板の両端面が、金属ベース板の長手方向または幅方向の両端面であるのが好ましい。また、金属ベース板が、接合面に対して略垂直方向に延びる部分を有するのが好ましい。また、強化部材が、金属ベース板に取り囲ま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において、強化部材が金属ベース板の内部を貫通して延びているのが好ましい。この場合、強化部材は、接合面と略平行に延びる板状部材であるのが好ましい。また、強化部材の接合面と略平行な面のセラミックス基板と対向する部分の面積が、接合面の面積より小さいのが好ましい。強化部材は、接合面と略平行な平面上に配置され且つ互いに離間して略平行に延びる複数の板状部材または棒状部材でもよい。強化部材は、接合面と略平行な平面上に配置され且つ互いに離間して金属ベース板の長手方向に延びる複数の長手方向板状部と互いに離間して金属ベース板の幅方向に延びて長手方向板状部を連結する複数の幅方向板状部とからなる格子状の板状部材でもよい。また、強化部材の金属ベース板の内部を貫通して延びる部分の全面が金属ベース板に直接接合しているのが好ましい。また、強化部材の端面が外部に露出し、その端面以外の全面が金属ベース板に直接接合し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において、強化部材が、鋼、またはニッケル、コバルト、銅およびマンガンからなる群から選ばれる１種以上と鉄を含有する金属からなるのが好ましい。あるいは、強化部材が、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素および炭化珪素からなる群から選ばれる１種以上のセラミックスからなるのが好ましい。また、金属ベース板がアルミニウムまたはアルミニウム合金からなるのが好ましく、金属板がアルミニウムまたはアルミニウム合金からなるのが好ましい。さらに、セラミックス基板が、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素および炭化珪素からなる群から選ばれる１種以上のセラミックスからなるのが好ましい。
　本発明の他の観点による金属−セラミックス接合基板の製造方法は、セラミックス基板の一方の面に金属板が直接接合するとともに、他方の面に金属ベース板が直接接合した金属−セラミックス接合基板の製造方法において、金属ベース板より融点および強度が高い強化部材と、セラミックス基板とを鋳型内に離間して配置させるように、セラミックス基板の端部と強化部材の端部を鋳型に支持させ、鋳型内のセラミックス基板の両面に接触するとともに強化部材に接触するように溶湯を注湯した後に冷却して固化させることにより、金属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、金属ベース板を形成してセラミックス基板の他方の面に直接接合させるとともに、強化部材の端部を金属ベース板から突出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、溶湯を注湯する際に強化部材の端部を除く全面に接触するように溶湯を注湯して、金属ベース板から突出する強化部材の端部を除く強化部材の全面を金属ベース板に直接接合させるのが好ましい。また、金属ベース板から突出した強化部材の端部を除去するのが好ましい。また、鋳型が上側鋳型部材と下側鋳型部材とからなり、強化部材の端部が上側鋳型部材と下側鋳型部材に挟持されることによって鋳型に支持されるのが好ましい。また、強化部材が、鋼、またはニッケル、コバルト、銅およびマンガンからなる群から選ばれる１種以上と鉄を含有する金属からなるのが好ましい。あるいは、強化部材が、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素および炭化珪素からなる群から選ばれる１種以上のセラミックスからなるのが好ましい。また、金属板および金属ベース板がアルミニウムまたはアルミニウム合金からなるのが好ましい。
　本発明のこれらの観点によれば、放熱性が高く且つ反りおよびそのばらつきが小さい金属−セラミックス接合基板、およびその金属−セラミックス接合基板を低コストで製造することができる、金属−セラミックス接合基板の製造方法を提供することができる。
　また、本発明の他の観点による金属−セラミックス接合基板は、金属部材の表面が溶射皮膜で被覆された溶射皮膜被覆部材が内部に配置されたアルミニウムまたはアルミニウム合金からなるアルミニウム部材が、セラミックス基板の一方の面に直接接合してい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、溶射皮膜が、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、炭化珪素および窒化珪素からなる群から選ばれる１種以上のセラミックスの皮膜であるのが好ましい。また、金属部材が銅または銅合金からなるのが好ましい。また、セラミックス基板の他方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなるアルミニウム板が直接接合しているのが好ましい。さらに、アルミニウム部材の形状が、板状、または板状体に複数のフィンが一体に形成された形状であるのが好ましい。
　また、本発明のさらに他の観点による金属−セラミックス接合基板の製造方法は、金属部材の表面にセラミックスを溶射して金属部材の表面が溶射皮膜で被覆された溶射皮膜被覆部材を得た後、この溶射皮膜被覆部材とセラミックス基板とを互いに離間して鋳型内に配置させ、この鋳型内の溶射皮膜被覆部材の全面とセラミックス基板の一方の面に接触するようにアルミニウム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、溶射皮膜被覆部材を取り囲み且つセラミックス基板の一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アルミニウム部材を形成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、溶射がプラズマ溶射であるのが好ましい。また、溶射に使用するセラミックスが、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、炭化珪素および窒化珪素からなる群から選ばれる１種以上であるのが好ましい。また、金属部材が銅または銅合金からなるのが好ましい。また、鋳型内のセラミックス基板の他方の面に接触するようにアルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯を注湯することにより、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アルミニウム板を形成するのが好ましい。
　本発明のこれらの観点によれば、溶湯接合によりベース一体型の金属−セラミックス接合基板を製造する際に、アルミニウムまたはアルミニウム合金より熱伝導率の大きい金属からなる金属板を取り囲むように、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形成しても、その金属とＡｌとの金属間化合物または固溶体の形成を防止するとともに、その金属とＡｌの拡散を防止することができる、金属−セラミックス接合基板を製造することができる。

　Ｆｉｇ．１Ａは、本発明による金属−セラミックス接合基板の第１の実施の形態を示す斜視図である。
　Ｆｉｇ．１Ｂは、Ｆｉｇ．１Ａの金属−セラミックス接合基板の平面図である。
　Ｆｉｇ．１Ｃは、Ｆｉｇ．１Ｂの右側から見た金属−セラミックス接合基板の側面図である。
　Ｆｉｇ．１Ｄは、Ｆｉｇ．１Ｂの下側から見た金属−セラミックス接合基板の側面図である。
　Ｆｉｇ．２Ａは、Ｆｉｇ．１Ａ~Ｆｉｇ．１Ｄに示す金属−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。
　Ｆｉｇ．２Ｂは、Ｆｉｇ．２Ａの鋳型の下側鋳型部材の斜視図である。
　Ｆｉｇ．２Ｃは、Ｆｉｇ．２Ａの鋳型の下側鋳型部材の平面図である。
　Ｆｉｇ．２Ｄは、Ｆｉｇ．２Ａの鋳型の上側鋳型部材の底面図である。
　Ｆｉｇ．３は、Ｆｉｇ．１Ａ~Ｆｉｇ．１Ｄに示す金属−セラミックス接合基板の強化部材の第１の変形例を示す平面図である。
　Ｆｉｇ．４は、Ｆｉｇ．１Ａ~Ｆｉｇ．１Ｄに示す金属−セラミックス接合基板の強化部材の第２の変形例を示す平面図である。
　Ｆｉｇ．５Ａは、本発明による金属−セラミックス接合基板の第２の実施の形態を示す側面図である。
　Ｆｉｇ．５Ｂは、Ｆｉｇ．５Ａの金属−セラミックス接合基板の平面図である。
　Ｆｉｇ．６は、Ｆｉｇ．５Ａ~Ｆｉｇ．５Ｂに示す金属−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。
　Ｆｉｇ．７Ａは、本発明による金属−セラミックス接合基板の第２の実施の形態の第１の変形例を示す側面図である。
　Ｆｉｇ．７Ｂは、Ｆｉｇ．７Ａの金属−セラミックス接合基板の平面図である。
　Ｆｉｇ．８は、Ｆｉｇ．７Ａ~Ｆｉｇ．７Ｂに示す金属−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。
　Ｆｉｇ．９Ａは、本発明による金属−セラミックス接合基板の第２の実施の形態の第２の変形例を示す側面図である。
　Ｆｉｇ．９Ｂは、Ｆｉｇ．９Ａの金属−セラミックス接合基板の平面図である。
　Ｆｉｇ．１０は、Ｆｉｇ．９Ａ~Ｆｉｇ．９Ｂに示す金属−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。
　Ｆｉｇ．１１Ａは、本発明による金属−セラミックス接合基板の第２の実施の形態の第３の変形例を示す側面図である。
　Ｆｉｇ．１１Ｂは、Ｆｉｇ．１１Ａの金属−セラミックス接合基板の平面図である。
　Ｆｉｇ．１２は、Ｆｉｇ．１１Ａ~Ｆｉｇ．１１Ｂに示す金属−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。
　Ｆｉｇ．１３Ａは、本発明による金属−セラミックス接合基板の第２の実施の形態の第４の変形例を示す側面図である。
　Ｆｉｇ．１３Ｂは、Ｆｉｇ．１３Ａの金属−セラミックス接合基板の平面図である。
　Ｆｉｇ．１４は、Ｆｉｇ．１３Ａ~Ｆｉｇ．１３Ｂに示す金属−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模式断面図である。
　Ｆｉｇ．１５Ａは、本発明による金属−セラミックス接合基板の第２の実施の形態の第５の変形例を示す側面図である。
　Ｆｉｇ．１５Ｂは、Ｆｉｇ．１５Ａの金属−セラミックス接合基板の平面図である。
　Ｆｉｇ．１６は、Ｆｉｇ．１５Ａ~Ｆｉｇ．１５Ｂに示す金属−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。
　Ｆｉｇ．１７Ａは、本発明による金属−セラミックス接合基板の第２の実施の形態の第６の変形例を示す側面図である。
　Ｆｉｇ．１７Ｂは、Ｆｉｇ．１７Ａの金属−セラミックス接合基板の平面図である。
　Ｆｉｇ．１８は、Ｆｉｇ．１７Ａ~Ｆｉｇ．１７Ｂに示す金属−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。
　Ｆｉｇ．１９Ａは、第２の実施の形態との比較例２として製造した金属−セラミックス接合基板を示す側面図である。
　Ｆｉｇ．１９Ｂは、Ｆｉｇ．１９Ａ金属−セラミックス接合基板の平面図である。
　Ｆｉｇ．２０は、Ｆｉｇ．１９Ａ~Ｆｉｇ．１９Ｂに示す金属−セラミックス接合基板を製造するために使用した鋳型の断面図である。
　Ｆｉｇ．２１Ａは、本発明による金属−セラミックス接合基板の第３の実施の形態を示す平面図である。
　Ｆｉｇ．２１Ｂは、Ｆｉｇ．２１Ａの金属−セラミックス接合基板の側面図である。
　Ｆｉｇ．２１Ｃは、Ｆｉｇ．２１Ａの金属−セラミックス接合基板のＸＸＩＣ−ＸＸＩＣ線断面図である。
　Ｆｉｇ．２２は、Ｆｉｇ．２１Ａ~Ｆｉｇ．２１Ｃに示す金属−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。
　Ｆｉｇ．２３Ａは、本発明による金属−セラミックス接合基板の第３の実施の形態の変形例を示す平面図である。
　Ｆｉｇ．２３Ｂは、Ｆｉｇ．２３Ａの金属−セラミックス接合基板の側面図である。
　Ｆｉｇ．２３Ｃは、Ｆｉｇ．２３Ａの金属−セラミックス接合基板のＸＸＩＩＩＣ−ＸＸＩＩＩＣ線断面図である。
　Ｆｉｇ．２４Ａは、Ｆｉｇ．２３Ａ~Ｆｉｇ．２３Ｃに示す金属−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。
　Ｆｉｇ．２４Ｂは、Ｆｉｇ．２４Ａの鋳型内に配置させる溶射皮膜被覆部材の斜視図である。
　Ｆｉｇ．２５は、本発明による金属−セラミックス接合基板の第３の実施の形態の他の変形例を示す断面図である。
　Ｆｉｇ．２６は、Ｆｉｇ．２５に示す金属−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。

　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。
［第１の実施の形態］
　Ｆｉｇ．１Ａ~Ｆｉｇ．１Ｄ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金属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の他方の面に直接接合した平面形状が略矩形の金属からなる回路パターン用の金属板１４とを備えている。
　また、Ｆｉｇ．１Ａ、Ｆｉｇ．１ＣおよびＦｉｇ．１Ｄに示すように、金属ベース板１０の内部には、複数の板状または棒状（本実施の形態では平面形状および横断面形状が略矩形の３つの細長い板状）の金属からなる強化部材１６が、金属ベース板１０の長手方向の両端面の一方の端面から他方の端面まで金属ベース板１０の内部を貫通して長手方向に延びている。これらの強化部材１６の長手方向の両端面は外部に露出し、その両端面以外の全面（強化部材１６の金属ベース板１０の内部を貫通して延びる部分の全面）が金属ベース板１０に直接接合している。このように金属ベース板１０の長手方向の両端面の一方の端面から他方の端面まで金属ベース板１０の内部を貫通して長手方向に延びる強化部材１６により、金属−セラミックス接合基板の反りおよびそのばらつき、特に長手方向の反りおよびそのばらつきを小さくすることができる。
　また、これらの強化部材１６は、金属ベース板１０のセラミックス基板１２との接合面と略平行な（仮想）平面上に配置され、互いに離間して略平行に延びている（本実施の形態では、中央の強化部材１６の両側に等間隔で２つの強化部材１６が配置されている）。このように強化部材１６間に間隙を設け、この間隙が金属板１４上に搭載するパワー素子などの電子部品の真下に配置されるようにすれば、パワー素子などの電子部品によって発生した熱が下方の絶縁性のセラミックス基板１２および金属ベース板１０を伝導して放熱される際に、金属ベース板１０の底面（セラミックス基板１２との接合面と反対側の面）への熱伝導が阻害されず、放熱性の優れた金属−セラミックス接合基板にすることができる。
　なお、金属ベース板１０および金属板１４は、電気伝導性、熱伝導率およびセラミックス基板との接合の信頼性の観点から、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるのが好ましい。また、セラミックス基板１２は、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素および炭化珪素の１種以上からなるのが好ましい。また、強化部材１６は、金属ベース板１０より融点および強度が高い金属からなるのが好ましく、安価で高強度の鋼または鉄含有金属からなるのがさらに好ましく、鉄含有合金がニッケル、コバルト、銅およびマンガンからなる群から選ばれる１種以上と鉄を含有する金属からなるのが好ましい。特に、金属とセラミックスとの熱膨張係数の相違により接合時に発生した熱応力や、金属−セラミックス接合基板にパワー素子などの電子部品を搭載する熱処理時や使用時などにおいて発生した熱応力によって、金属−セラミックス接合基板が大きく反り易く、この反りを抑制するために、強化部材１６が低熱膨張係数の４２Ａｌｌｏｙ（鉄にニッケルを配合した合金）、インバー（鉄とニッケルの合金、不変鋼）、コバール（鉄にニッケルとコバルトなどを配合した合金）、高強度のＳＰＣＣ（普通鋼）などからなるのが好ましい。また、強化部材１６の厚さは０．５~２．０ｍｍであるのが好ましい。また、強化部材１６は、金属ベース板１０との反応を抑制するために、Ｎｉめっきなどによって被覆されているのが好ましい。
　Ｆｉｇ．１Ａ~Ｆｉｇ．１Ｄに示す実施の形態の金属−セラミックス接合基板は、Ｆｉｇ．２Ａ~Ｆｉｇ．２Ｄに示す鋳型２０内にセラミックス基板１２と強化部材１６とを離間して配置させるように、セラミックス基板１２の周縁部と強化部材１６の長手方向の両端部を鋳型に支持させ、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強化部材１６の長手方向の両端部を除く全面に接触するように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。
　Ｆｉｇ．２Ａに示すように、カーボンなどからなる鋳型２０は、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。
　Ｆｉｇ．２Ａ~Ｆｉｇ．２Ｃに示すように、下側鋳型部材２２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（本実施の形態では略半分）を形成するための凹部（金属ベース板形成部）２２ａが形成され、この凹部２２ａ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）２２ｂが形成され、この凹部２２ｂの底面には、回路パターン用の金属板１４を形成するための凹部（金属板形成部）２２ｃが形成されている。また、金属ベース板形成部２２ａの長手方向の両側面の上側には、各々の強化部材１６の長手方向の両端部のセラミックス基板１２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その部分を収容するための凹部（強化部材支持部）２２ｄが互いに離間して形成されている。
　また、Ｆｉｇ．２ＡおよびＦｉｇ．２Ｄに示すように、上側鋳型部材２４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（本実施の形態では略半分）を形成するための凹部（金属ベース板形成部）２４ａが形成されている。この金属ベース板形成部２４ａと下側鋳型部材２２の金属ベース板形成部２２ａ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。また、この凹部２４ａの長手方向の両側面の上側（Ｆｉｇ．２Ａでは下側）には、各々の強化部材１６の長手方向の両端部のセラミックス基板１２と反対側の部分（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その部分を収容するための凹部（強化部材支持部）２４ｄが互いに離間して形成されており、下側鋳型部材２２の強化部材支持部２２ｄに強化部材１６を収容した後に上側鋳型部材２４を下側鋳型部材２２に被せると、強化部材１６が下側鋳型部材２２の強化部材支持部２２ｄと上側鋳型部材２４の強化部材支持部２４ｄによって挟持されるようになっている。このように強化部材１６を挟持することにより、強化部材１６を所定の位置（金属ベース板１０の主面に沿った方向および厚さ方向の所定の位置）に精度良く固定することができるので、反りおよびそのばらつき、特に長手方向の反りおよびそのばらつきが小さい金属−セラミックス接合基板を製造することができる。
　また、上側鋳型部材２４には、（図示しない）注湯ノズルから金属ベース板形成部２４ａ内に溶湯を注湯するための（図示しない）注湯口が形成されているとともに、下側鋳型部材２２には、金属ベース板形成部２２ａと金属板形成部２２ｃとの間に延びる（図示しない）溶湯流路が形成されて、セラミックス基板収容部２２ｂ内にセラミックス基板１２を収容したときにも金属ベース板形成部２２ａと金属板形成部２２ｃとの間が連通するようになっている。
　なお、本実施の形態では、強化部材支持部として凹部２２ｄおよび凹部２４ｄをそれぞれ下側鋳型部材２２の金属ベース板形成部２２ａおよび上側鋳型部材２４の金属ベース板形成部２４ａに設けているが、強化部材１６の長手方向の両端部に対応する形状および大きさの凹部を下側鋳型部材２２の金属ベース板形成部２２ａおよび上側鋳型部材２４の金属ベース板形成部２４ａのいずれか一方に設けてもよい。
　このような鋳型２０を使用してＦｉｇ．１Ａ~Ｆｉｇ．１Ｄ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のセラミックス基板収容部２２ｂ内にセラミックス基板１２を配置した後、下側鋳型部材２２の強化部材支持部２２ｄに強化部材１６を載せて上側鋳型部材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などの金属の溶湯を流し込んで冷却すると、内部に配置された強化部材１６の長手方向の両端部が側面から突出した金属ベース板１０がセラミックス基板１２の一方の面に直接接合するとともに、セラミックス基板１２の他方の面に回路パターン用の金属板１４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。その後、金属ベース板１０から突出した強化部材１６の長手方向の両端部を周知の切断方法で除去することにより、Ｆｉｇ．１Ａ~Ｆｉｇ．１Ｄ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ことができる。
　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（例えばアルミニウム溶湯を注湯する場合には６００~８００℃）まで加熱した後、注湯温度まで加熱して予め計量された金属溶湯を、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、高過ぎると強化部材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から溶湯が漏れたり、強化部材１６やセラミックス基板１２の位置がずれるおそれがある。
　Ｆｉｇ．３は、上述した実施の形態の金属−セラミックス接合基板の強化部材１６の第１の変形例としての強化部材１１６を示している。この強化部材１１６は、金属ベース板１０のセラミックス基板１２との接合面と略平行な（仮想）平面上に配置され且つその接合面と略平行な面のセラミックス基板１２と対向する部分の面積がその接合面の面積より小さい１枚の板状部材であり、互いに離間して長手方向に延びる複数（図示した例では３つ）の長手方向板状部と互いに離間して（長手方向と略垂直な）幅方向に延びて長手方向板状部を連結する複数（図示した例では３つ）の幅方向板状部とからなる格子状の板状部材である。この強化部材１１６の各々の長手方向板状部の両端部１１６ａは、鋳型２０の強化部材支持部２２ｄおよび２４ｄによって画定される空間と略同一の形状および大きさになっている。この変形例の強化部材１１６を使用すれば、金属−セラミックス接合基板の長手方向の反りおよびそのばらつきだけでなく、幅方向の反りおよびそのばらつきも小さくすることができる。また、強化部材１１６の長手方向板状部と幅方向板状部によって囲まれた開口部１１６ｂが、金属板１４上に搭載するパワー素子の真下に配置されるようにすれば、金属ベース板１０の底面への熱伝導の阻害を防止して、放熱性の優れた金属−セラミックス接合基板にすることができる。その他の構成は、上述した実施の形態と同様であるので、その説明を省略する。
　Ｆｉｇ．４は、上述した実施の形態の金属−セラミックス接合基板の強化部材１６の第２の変形例としての強化部材２１６を示している。この強化部材２１６では、開口部２１６ｂの大きさや位置と長手方向板状部の両端部２１６ａの形状が、上述した第１の変形例の強化部材１１６と異なっている。この強化部材２１６の長手方向板状部と幅方向板状部によって囲まれた開口部２１６ｂが、金属板１４上に搭載するパワー素子などの電子部品の真下に配置されるようにすれば、金属ベース板１０の底面への熱伝導の阻害を防止して、放熱性の優れた金属−セラミックス接合基板にすることができる。また、この強化部材２１６の角部は、長手方向側面および幅方向側面に対して傾斜した斜面になっており、長手方向板状部の両端部の大きさおよび形状が上述した第１の変形例の強化部材１１６と異なっているので、その変更に対応するように鋳型２０の強化部材支持部２２ｄおよび２４ｄの形状および大きさも変更すればよい。その他の構成は、上述した第１の変形例と同様であるので、その説明を省略する。
　なお、金属ベース板１０に放熱板をネジ止めするための取付穴が形成されている場合には、その取付穴に対応するように強化部材に穴をあけて金属ベース板１０の取付穴を強化部材によって取り囲むようにすれば、ネジ止め部分の強度を向上させることができる。このネジ止め部分は放熱にほとんど影響しないので、このネジ止め部分では、強化部材が金属ベース板１０から露出してもよい。
　以下、本発明による金属−セラミックス接合基板およびその製造方法の第１の実施の形態の実施例について詳細に説明する。

　まず、金属ベース板形成部２２ａの底面に互いに離間した２つのセラミックス基板収容部２２ｂが形成され且つこれらのセラミックス基板収容部２２ｂの各々の底面に金属板形成部２２ｃが形成されている以外は、Ｆｉｇ．２Ａ~Ｆｉｇ．２Ｄに示す鋳型２０と同様の形状のカーボン製の鋳型を使用し、下側鋳型部材２２のそれぞれのセラミックス基板収容部２２ｂ内に５０ｍｍ×５０ｍｍ×０．６ｍｍの大きさのＡｌＮからなるセラミックス基板１２を配置し、１５０ｍｍ×１５ｍｍ×０．６ｍｍの大きさの３本の４２Ａｌｌｏｙからなる強化部材１６のそれぞれの両端部（それぞれ長さ５ｍｍの部分）を下側鋳型部材２２の強化部材支持部２２ｄに配置した後、下側鋳型部材２２に上側鋳型部材２４を被せて炉内に入れ、炉内を窒素雰囲気にして酸素濃度を４ｐｐｍ以下まで低下させた。この状態でヒーターの温度制御によって鋳型２０を７２０℃まで加熱した後、７２０℃まで加熱して予め計量された純度９９．９％のアルミニウム溶湯を、鋳型２０の注湯口に取り付けられた注湯ノズルから、窒素ガスによって１０ｋＰａの圧力で加圧して、鋳型２０内の１４０ｍｍ×６０ｍｍ×５ｍｍの大きさの金属ベース板形成部２２ａおよび２４ａ内に流し込んで充填するとともに、下側鋳型部材２２に形成された溶湯流路を介して４８ｍｍ×４８ｍｍ×０．６ｍｍの大きさのそれぞれの金属板形成部２２ｃまで充填した。その後、注湯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１０ｋＰａの圧力で加圧したまま冷却して溶湯を凝固させた。このようにして、所謂溶湯接合法により、１５０ｍｍ×１５ｍｍ×０．６ｍｍの大きさの３本の強化部材１６が内部を貫通するとともにそれぞれの強化部材１６の長手方向の両端部（それぞれ長さ５ｍｍの部分）が側面から突出した１４０ｍｍ×６０ｍｍ×５ｍｍの大きさの金属ベース板１０が５０ｍｍ×５０ｍｍ×０．６ｍｍの大きさのそれぞれのセラミックス基板１２の一方の面に直接接合するとともに、それぞれのセラミックス基板１２の他方の面に４８ｍｍ×４８ｍｍ×０．６ｍｍの大きさの回路パターン用の金属板１４が直接接合した金属−セラミックス接合基板を製造した。この金属−セラミックス接合基板を鋳型２０から取り出した後、金属ベース板１０から突出した強化部材１６の長手方向の両端部を切断して除去することにより、金属ベース板１０に２枚のセラミックス基板１２が直接接合し且つこれらのセラミックス基板１２の各々に回路パターン用の金属板１４が直接接合している以外は、Ｆｉｇ．１Ａ~Ｆｉｇ．１Ｄと同様の形状の金属−セラミックス接合基板を製造した。
　このようにして得られた金属−セラミックス接合基板の金属ベース板１０の長手方向の反り量（金属ベース板１０の底面を水平面に配置したときの金属ベース板１０の底面の中央部の接平面と端部の垂直方向の距離）を、下側に反っている場合（凹状）を正（＋）、上側に反っている場合（凸状）を負（−）として、レーザー変位計で測定した。その結果、セラミックス基板１２の長手方向の反り量は−１０μｍであった。
　また、得られた金属−セラミックス接合基板をホットプレート上で加熱して基板表面温度を２６０℃にしたときの長手方向の反り量を測定したところ、セラミックス基板１２の長手方向の反り量は＋２００μｍであった。
　また、加熱後もセラミックス基板１２に割れなどの不具合はなく、絶縁性などの電気性能も良好であった。金属板１４とセラミックス基板１２の間、金属ベース板１０とセラミックス基板１２の間、金属ベース板１０と補強部材１６の間のそれぞれの接合も特に欠陥がなく良好であった。

　１５０ｍｍ×５０ｍｍ×１．０ｍｍの大きさの１本の強化部材１６を使用し、それに対応する鋳型２０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製造した。
　このようにして得られた金属−セラミックス接合基板の金属ベース板１０の長手方向の反り量を実施例１と同様の方法により測定したところ、セラミックス基板１２の長手方向の反り量は＋１０μｍであった。
　また、得られた金属−セラミックス接合基板をホットプレート上で加熱して基板表面温度を２６０℃にしたときの長手方向の反り量を測定したところ、セラミックス基板１２の長手方向の反り量は＋２９８μｍでであった。

　１５０ｍｍ×５０ｍｍ×０．６ｍｍの大きさの１本の強化部材１６を使用し、それに対応する鋳型２０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製造した。
　このようにして得られた金属−セラミックス接合基板の金属ベース板１０の長手方向の反り量を実施例１と同様の方法により測定したところ、セラミックス基板１２の長手方向の反り量は−２０μｍであった。
　また、得られた金属−セラミックス接合基板をホットプレート上で加熱して基板表面温度を２６０℃にしたときの長手方向の反り量を測定したところ、セラミックス基板１２の長手方向の反り量は＋５００μｍでであった。
比較例１
　強化部材１６を使用せずそれに対応する鋳型２０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製造した。
　このようにして得られた金属−セラミックス接合基板の金属ベース板１０の長手方向の反り量を実施例１と同様の方法により測定したところ、セラミックス基板１２の長手方向の反り量は−３０μｍであった。
　また、得られた金属−セラミックス接合基板をホットプレート上で加熱して基板表面温度を２６０℃にしたときの長手方向の反り量を測定したところ、セラミックス基板１２の長手方向の反り量は＋９００μｍであった。
［第２の実施の形態］
　Ｆｉｇ．５Ａ~Ｆｉｇ．５Ｂ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２の実施の形態は、平面形状が略矩形の金属からなる金属ベース板３１０と、この金属ベース板３１０に一方の面が直接接合した平面形状が略矩形の１枚または複数枚の（本実施の形態では１枚の）セラミックス基板３１２と、このセラミックス基板３１２の他方の面に直接接合した平面形状が略矩形の金属からなる回路パターン用の金属板３１４とを備えている。
　また、Ｆｉｇ．５Ａ~Ｆｉｇ．５Ｂに示すように、金属ベース板３１０の内部には、１枚または複数の板状または棒状（本実施の形態では平面形状および横断面形状が略矩形の７枚の細長い板状）のセラミックスからなる強化部材３１６が、金属ベース板３１０の長手方向（または幅方向）の両端面の一方の端面から他方の端面まで金属ベース板３１０の内部を貫通して長手方向（または幅方向）に延びている。なお、本実施の形態では、細長い板状の強化部材３１６の（金属ベース板３１０の厚さ方向の）厚さが（金属ベース板３１０とセラミックス基板３１２との接合面に沿った方向の）幅よりも小さくなっている。これらの強化部材３１６の長手方向の両端面は外部に露出し、その両端面以外の全面（強化部材３１６の金属ベース板３１０の内部を貫通して延びる部分の全面）が金属ベース板３１０に直接接合している。このように金属ベース板３１０の長手方向（または幅方向）の両端面の一方の端面から他方の端面まで金属ベース板３１０の内部を貫通して長手方向（または幅方向）に延びる強化部材３１６により、金属−セラミックス接合基板の反りおよびそのばらつきを小さくすることができる。
　また、これらの強化部材３１６は、金属ベース板３１０のセラミックス基板３１２との接合面と略平行な（仮想）平面上に配置され、互いに離間して略平行に延びている（本実施の形態では、中央の強化部材３１６の両側に等間隔で３つずつの強化部材３１６が配置されている）。このように強化部材３１６間に間隙を設け、この間隙が金属板３１４上に搭載するパワー素子などの電子部品の真下に配置されるようにすれば、パワー素子などの電子部品によって発生した熱が下方の絶縁性のセラミックス基板３１２および金属ベース板３１０を伝導して放熱される際に、金属ベース板３１０の底面への熱伝導が阻害されず、放熱性の優れた金属−セラミックス接合基板にすることができる。
　なお、金属ベース板３１０および金属板３１４は、電気伝導性、熱伝導率およびセラミックス基板との接合の信頼性の観点から、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるのが好ましい。また、セラミックス基板３１２および強化部材３１６は、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素および炭化珪素の１種以上からなるのが好ましい。
　Ｆｉｇ．５Ａ~Ｆｉｇ．５Ｂに示す実施の形態の金属−セラミックス接合基板は、Ｆｉｇ．６に示す鋳型３２０内にセラミックス基板３１２と強化部材３１６とを離間して配置させるように、セラミックス基板３１２の周縁部と強化部材３１６の長手方向の両端部を鋳型に支持させ、鋳型３２０内のセラミックス基板３１２の両面に接触するとともに強化部材３１６の長手方向の両端部を除く全面に接触するように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。
　Ｆｉｇ．６に示すように、カーボンなどからなる鋳型３２０は、それぞれ平面形状が略矩形の下側鋳型部材３２２と上側鋳型部材３２４とから構成されている。
　Ｆｉｇ．６に示すように、下側鋳型部材３２２の上面には、金属ベース板３１０のセラミックス基板３１２側の部分（本実施の形態では略半分）を形成するための凹部（金属ベース板形成部）３２２ａが形成され、この凹部３２２ａの底面には、セラミックス基板３１２と略同一の形状および大きさでセラミックス基板３１２を収容するための凹部（セラミックス基板収容部）３２２ｂが形成され、この凹部３２２ｂの底面には、回路パターン用の金属板３１４を形成するための凹部（金属板形成部）３２２ｃが形成されている。また、金属ベース板形成部３２２ａの長手方向の両側面の上側には、各々の強化部材３１６の長手方向の両端部と略同一の形状および大きさでその部分を収容するための凹部（強化部材支持部）３２２ｄが互いに離間して形成されている。
　また、Ｆｉｇ．６に示すように、上側鋳型部材３２４の下面（裏面）には、金属ベース板３１０のセラミックス基板３１２と反対側の部分（本実施の形態では略半分）を形成するための凹部（金属ベース板形成部）３２４ａが形成されている。この金属ベース板形成部３２４ａと下側鋳型部材３２２の金属ベース板形成部３２２ａによって画定された空間内に金属ベース板３１０が形成されるようになっている。なお、下側鋳型部材３２２の強化部材支持部３２２ｄに強化部材３１６を収容した後に上側鋳型部材３２４を下側鋳型部材３２２に被せると、強化部材３１６が下側鋳型部材３２２の強化部材支持部３２２ｄと上側鋳型部材３２４によって挟持されるようになっている。このように強化部材３１６を挟持することにより、強化部材３１６を所定の位置（金属ベース板３１０の主面に沿った方向および厚さ方向の所定の位置）に精度良く固定することができるので、反りおよびそのばらつきが小さい金属−セラミックス接合基板を製造することができる。
　また、上側鋳型部材３２４には、（図示しない）注湯ノズルから金属ベース板形成部３２４ａ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３２２には、金属ベース板形成部３２２ａと金属板形成部３２２ｃ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３２２ｂ内にセラミックス基板３１２を収容したときにも金属ベース板形成部３２２ａと金属板形成部３２２ｃとの間が連通するようになっている。
　なお、本実施の形態では、強化部材支持部として凹部３２２ｄを下側鋳型部材３２２の金属ベース板形成部３２２ａに設けているが、強化部材３１６の長手方向の両端部に対応する形状および大きさの凹部を上側鋳型部材３２４の金属ベース板形成部３２４ａに設けてもよい。あるいは、下側鋳型部材３２２の金属ベース板形成部３２２ａと上側鋳型部材３２４の金属ベース板形成部３２４ａの両方に凹部を設けて、両方の凹部を合わせた空間が強化部材３１６の長手方向の両端部に対応する形状および大きさになるようにしてもよい。
　このような鋳型３２０を使用してＦｉｇ．５Ａ~Ｆｉｇ．５Ｂ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３２２のセラミックス基板収容部３２２ｂ内にセラミックス基板３１２を配置した後、下側鋳型部材３２２の強化部材支持部３２２ｄに強化部材３１６を載せて上側鋳型部材３２４を下側鋳型部材３２２に被せる。この状態で鋳型３２０内にアルミニウムまたはアルミニウム合金などの金属の溶湯を流し込んで冷却すると、内部に配置された強化部材３１６の長手方向の両端部が側面から突出した金属ベース板３１０がセラミックス基板３１２の一方の面に直接接合するとともに、セラミックス基板３１２の他方の面に回路パターン用の金属板３１４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。その後、金属ベース板３１０から突出した強化部材３１６の長手方向の両端部を周知の切断方法で除去することにより、Ｆｉｇ．５Ａ~Ｆｉｇ．５Ｂ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ことができる。
　鋳型３２０内に溶湯を流し込む際には、鋳型３２０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３２０を注湯温度（例えばアルミニウム溶湯を注湯する場合には６００~８００℃）まで加熱した後、注湯温度まで加熱して予め計量された金属溶湯を、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３２０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３２０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３２０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３２０内に溶湯が入り難くなり、高過ぎると強化部材３１６の位置がずれたり、鋳型３２０が破壊するおそれがある。特に、カーボン製の鋳型３２０を使用する場合、１ＭＰａ以上の高圧になると、鋳型３２０が破壊されたり、鋳型３２０から溶湯が漏れたり、強化部材３１６やセラミックス基板３１２の位置がずれるおそれがある。
　Ｆｉｇ．７Ａ、Ｆｉｇ．７ＢおよびＦｉｇ．８は、本実施の形態の金属−セラミックス接合基板およびそれを製造するために使用する鋳型の第１の変形例を示している。
　本変形例では、（金属ベース板４１０の厚さ方向の）厚さが（金属ベース板４１０とセラミックス基板４１２との接合面に沿った方向の）幅よりも大きい平面形状および横断面形状が略矩形の３枚の細長い板状の強化部材４１６が、金属ベース板４１０のセラミックス基板４１２との接合面と略平行な（仮想）平面上に配置され、互いに離間して略平行に延びている（本実施の形態では、中央の強化部材４１６の両側に等間隔で１つずつの強化部材４１６が配置されている）。その他の構成は、上述した第２の実施の形態と同様であるので、対応する部分の参照符号に１００を加えて図示するとともに、その説明を省略する。
　本変形例では、強化部材４１６の（金属ベース板４１０の厚さ方向の）厚さが（金属ベース板４１０とセラミックス基板４１２との接合面に沿った方向の）幅よりも大きいため、金属ベース板４１０の厚さ方向の放熱性に優れ且つ反りおよびそのばらつきが小さい金属−セラミックス接合基板を製造することができる。すなわち、強化部材４１６の（金属ベース板４１０とセラミックス基板４１２との接合面に沿った方向の）幅を小さくして、金属ベース板４１０の厚さ方向の放熱を遮る面積を小さくするとともに、強化部材４１６の（金属ベース板４１０の厚さ方向の）厚さを大きくして、金属ベース板４１０の反りに対して曲がり難くすることができるとともに、強化部材４１６の使用量を少なくしてコストを削減することができる。
　Ｆｉｇ．９Ａ、Ｆｉｇ．９ＢおよびＦｉｇ．１０は、本実施の形態の金属−セラミックス接合基板およびそれを製造するために使用する鋳型の第２の変形例を示している。
　本変形例では、（金属ベース板５１０の厚さ方向の）厚さが（金属ベース板５１０とセラミックス基板５１２との接合面に沿った方向の）幅よりも大きい平面形状および横断面形状が略矩形の３枚の細長い板状の強化部材５１６が、金属ベース板５１０のセラミックス基板５１２との接合面と略平行な（仮想）平面上に配置され、互いに離間して略平行に延びている（本実施の形態では、中央の強化部材５１６の両側に等間隔で１つずつの強化部材５１６が配置されている）とともに、同様の３枚の強化部材５１６が、上記の３枚の強化部材５１６の下面に当接し且つ上記の３枚の強化部材５１６と略垂直方向に互いに離間して延びている（本実施の形態では、中央の強化部材５１６の両側に等間隔で１つずつの強化部材５１６が配置されている）。その他の構成は、上述した第２の実施の形態と同様であるので、対応する部分の参照符号に２００を加えて図示するとともに、その説明を省略する。
　本変形例では、強化部材５１６の（金属ベース板５１０の厚さ方向の）厚さが（金属ベース板５１０とセラミックス基板５１２との接合面に沿った方向の）幅よりも大きいため、金属ベース板５１０の厚さ方向の放熱性に優れ且つ長手方向と幅方向の両方向の反りおよびそのばらつきが小さい金属−セラミックス接合基板を製造することができる。すなわち、強化部材５１６の（金属ベース板５１０とセラミックス基板５１２との接合面に沿った方向の幅方向の）幅を小さくして、金属ベース板５１０の厚さ方向の放熱を遮る面積を小さくするとともに、強化部材５１６の（金属ベース板５１０の厚さ方向の）厚さを大きくして、金属ベース板５１０の長手方向と幅方向の両方向の反りに対して曲がり難くすることができるとともに、強化部材５１６の使用量を少なくしてコストを削減することができる。
　Ｆｉｇ．１１Ａ、Ｆｉｇ．１１ＢおよびＦｉｇ．１２は、本実施の形態の金属−セラミックス接合基板およびそれを製造するために使用する鋳型の第３の変形例を示している。
　本変形例では、金属ベース板６１０の底面の幅よりも細く且つその底面の長さと同じ長さの１枚の平板状の強化部材６１６が、金属ベース板６１０の底面の長手方向中央部にその底面の全長にわたって延びている。その他の構成は、上述した第２の実施の形態と同様であるので、対応する部分の参照符号に３００を加えて図示するとともに、その説明を省略する。本変形例でも、放熱性に優れ且つ反りおよびそのばらつきが小さい金属−セラミックス接合基板を製造することができる。
　Ｆｉｇ．１３Ａ、Ｆｉｇ．１３ＢおよびＦｉｇ．１４は、本実施の形態の金属−セラミックス接合基板およびそれを製造するために使用する鋳型の第４の変形例を示している。
　本変形例では、金属ベース板７１０の底面の長さよりも短く且つその底面の幅と同じ幅の１枚の平板状の強化部材７１８が、金属ベース板７１０の内部において、補強部材７１６から金属ベース板７１０の底面の方へ厚さ方向に離間して且つ補強部材７１６と略垂直方向に金属ベース板７１０の全幅にわたって延びている。その他の構成は、上述した第２の実施の形態と同様であるので、対応する部分の参照符号に４００を加えて図示するとともに、その説明を省略する。本変形例でも、放熱性に優れ且つ反りおよびそのばらつきが小さい金属−セラミックス接合基板を製造することができる。
　Ｆｉｇ．１５Ａ、Ｆｉｇ．１５ＢおよびＦｉｇ．１６は、本実施の形態の金属−セラミックス接合基板およびそれを製造するために使用する鋳型の第５の変形例を示している。
　本変形例では、金属ベース板８１０の側面を覆うように平板状の強化部材８１６が配置されている。その他の構成は、上述した第２の実施の形態と同様であるので、対応する部分の参照符号に５００を加えて図示するとともに、その説明を省略する。本変形例でも、放熱性に優れ且つ反りおよびそのばらつきが小さい金属−セラミックス接合基板を製造することができる。
　Ｆｉｇ．１７Ａ、Ｆｉｇ．１７ＢおよびＦｉｇ．１８は、本実施の形態の金属−セラミックス接合基板およびそれを製造するために使用する鋳型の第６の変形例を示している。
　本変形例では、金属ベース板９１０の厚さ方向の略中央部に金属ベース板９１０の主面より小さい略矩形の平面形状の１枚の補強部材９１６が、金属ベース板９１０の主面の略中央部にその主面と略平行に延びている。その他の構成は、上述した第２の実施の形態と同様であるので、対応する部分の参照符号に６００を加えて図示するとともに、その説明を省略する。本変形例でも、放熱性に優れ且つ反りおよびそのばらつきが小さい金属−セラミックス接合基板を製造することができる。
　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第２の実施の形態の実施例について詳細に説明する。

　まず、Ｆｉｇ．６に示す鋳型３２０と同様の形状のカーボン製の鋳型を使用し、下側鋳型部材３２２のそれぞれのセラミックス基板収容部３２２ｂ内に５０ｍｍ×５０ｍｍ×０．６ｍｍの大きさのＡｌＮからなるセラミックス基板３１２を配置し、８０ｍｍ×５ｍｍ×０．６ｍｍの大きさの７本のＡｌＮからなる強化部材３１６のそれぞれの両端部（それぞれ長さ５ｍｍの部分）を下側鋳型部材３２２の強化部材支持部３２２ｄに配置した後、下側鋳型部材３２２に上側鋳型部材３２４を被せて炉内に入れ、炉内を窒素雰囲気にして酸素濃度を４ｐｐｍ以下まで低下させた。この状態でヒーターの温度制御によって鋳型３２０を７３０℃まで加熱した後、７４０℃まで加熱して予め計量されたアルミニウム溶湯を、鋳型３２０の注湯口に取り付けられた注湯ノズルから、窒素ガスによって１０ｋＰａの圧力で加圧して、鋳型３２０内の７０ｍｍ×７０ｍｍ×５ｍｍの大きさの金属ベース板形成部３２２ａ内に流し込んで充填するとともに、下側鋳型部材３２２に形成された溶湯流路を介して４８ｍｍ×４８ｍｍ×０．６ｍｍの大きさのそれぞれの金属板形成部３２２ｃまで充填した。その後、注湯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３２０内の溶湯を１０ｋＰａの圧力で加圧したまま冷却して溶湯を凝固させた。このようにして、所謂溶湯接合法により、８０ｍｍ×５ｍｍ×０．６ｍｍの大きさの７本の強化部材３１６が内部を貫通するとともにそれぞれの強化部材３１６の長手方向の両端部（それぞれ長さ５ｍｍの部分）が側面から突出した７０ｍｍ×７０ｍｍ×５ｍｍの大きさの金属ベース板３１０が５０ｍｍ×５０ｍｍ×０．６ｍｍの大きさのセラミックス基板３１２の一方の面に直接接合するとともに、セラミックス基板３１２の他方の面に４８ｍｍ×４８ｍｍ×０．６ｍｍの大きさの回路パターン用の金属板３１４が直接接合した金属−セラミックス接合基板を製造した。この金属−セラミックス接合基板を鋳型３２０から取り出した後、金属ベース板３１０から突出した強化部材３１６の長手方向の両端部を切断して除去することにより、Ｆｉｇ．５Ａ~Ｆｉｇ．５Ｂと同様の形状の金属−セラミックス接合基板を製造した。
　このようにして得られた金属−セラミックス接合基板の回路パターン用の金属板３１４の表面の中央部の反り量を、セラミックス基板３１２の長手方向および（長手方向と垂直な）幅方向について、スパン４５ｍｍとし、下側に反っている場合（凹状）を正（＋）、上側に反っている場合（凸状）を負（−）として、レーザー変位計で測定した。なお、本実施例の他、以下の実施例５~１７および比較例２~３では、平面形状が正方形のセラミックス基板を使用しているが、便宜上、正方形の一辺の方向を長手方向とし、その長手方向に垂直な方向を幅方向とする。その結果、セラミックス基板３１２の長手方向の反り量は−３６μｍ、幅方向の反り量は−１９８μｍであった。
　また、得られた金属−セラミックス接合基板を４１０℃の炉内で１０分間保持する通炉試験を１回、３回、５回および１０回行った後の反り量を測定した。その結果、通炉１回後の長手方向の反り量は−３３μｍ、幅方向の反り量は−２６４μｍであり、通炉３回後の長手方向の反り量は−５７μｍ、幅方向の反り量は−３０９μｍであり、通炉５回後の長手方向の反り量は−６９μｍ、幅方向の反り量は−３４２μｍであり、通炉１０回後の長手方向の反り量は−９０μｍ、幅方向の反り量は−３９０μｍであった。
　また、通炉１０回後もセラミックス基板３１２に割れなどの不具合はなく、絶縁性などの電気性能も良好であった。金属板３１４とセラミックス基板３１２の間、金属ベース板３１０とセラミックス基板３１２の間、金属ベース板３１０と補強部材３１６の間のそれぞれの接合も特に欠陥がなく良好であった。

　８０ｍｍ×５０ｍｍ×０．６ｍｍの大きさの１枚の強化部材３１６を使用し、それに対応する鋳型３２０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製造した。
　このようにして得られた金属−セラミックス接合基板の回路パターン用の金属板３１４の表面の中央部の反り量を実施例４と同様の方法により測定したところ、セラミックス基板３１２の長手方向の反り量は−３６μｍ、幅方向の反り量は−４５μｍであった。
　また、得られた金属−セラミックス接合基板を４１０℃の炉内で１０分間保持する通炉試験を１回、３回、５回および１０回行った後の反り量を測定した。その結果、通炉１回後の長手方向の反り量は−４２μｍ、幅方向の反り量は−４２μｍであり、通炉３回後の長手方向の反り量は−１８μｍ、幅方向の反り量は−１８μｍであり、通炉５回後の長手方向の反り量は−３０μｍ、幅方向の反り量は−２７μｍであり、通炉１０回後の長手方向の反り量は−６３μｍ、幅方向の反り量は−６３μｍであった。
比較例２
　Ｆｉｇ．１９Ａ~Ｆｉｇ．１９Ｂに示すように強化部材３１６を使用せず、それに対応するＦｉｇ．２０に示す鋳型１０２０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製造した。なお、本比較例で製造した金属−セラミックス接合基板およびそれを製造するために使用する鋳型のその他の構成は、上述した第２の実施の形態と同様であるので、対応する部分の参照符号に７００を加えて図示するとともに、その説明を省略する。
　このようにして得られた金属−セラミックス接合基板の回路パターン用の金属板１０１４の表面の中央部の反り量を実施例４と同様の方法により測定したところ、セラミックス基板１０１２の長手方向の反り量は−２３１μｍ、幅方向の反り量は−２０１μｍであった。
　また、得られた金属−セラミックス接合基板を４１０℃の炉内で１０分間保持する通炉試験を１回、３回、５回および１０回行った後の反り量を測定した。その結果、通炉１回後の長手方向の反り量は−２７３μｍ、幅方向の反り量は−２５２μｍであり、通炉３回後の長手方向の反り量は−３２１μｍ、幅方向の反り量は−２９４μｍであり、通炉５回後の長手方向の反り量は−３５１μｍ、幅方向の反り量は−３３３μｍであり、通炉１０回後の長手方向の反り量は−３９９μｍ、幅方向の反り量は−３９３μｍであった。

　実施例４と同様の方法により製造した他の金属−セラミックス接合基板の回路パターン用の金属板３１４の表面の中央部の反り量を実施例４と同様の方法により測定したところ、セラミックス基板３１２の長手方向の反り量は−４６μｍ、幅方向の反り量は−２０１μｍであった。
　また、得られた金属−セラミックス接合基板の金属ベース板３１０の表面の中央部の反り量を、セラミックス基板３１２の長手方向および（長手方向と垂直な）幅方向について、スパン６０ｍｍとし、下側に反っている場合（凹状）を正（＋）、上側に反っている場合（凸状）を負（−）として、レーザー変位計で測定した。その結果、セラミックス基板３１２の長手方向の反り量は−８４μｍ、幅方向の反り量は−３３６μｍであった。

　実施例６と同様の方法により製造した他の金属−セラミックス接合基板の回路パターン用の金属板３１４の表面の中央部の反り量を実施例４と同様の方法により測定したところ、セラミックス基板３１２の長手方向の反り量は−２７μｍ、幅方向の反り量は−４５μｍであった。
　また、得られた金属−セラミックス接合基板の金属ベース板３１０の表面の中央部の反り量を、セラミックス基板３１２の長手方向および（長手方向と垂直な）幅方向について、実施例６と同様の方法により測定したところ、セラミックス基板３１２の長手方向の反り量は−３３μｍ、幅方向の反り量は−７８μｍであった。

　８０ｍｍ×６０ｍｍ×０．６ｍｍの大きさの１枚の強化部材３１６を使用し、それに対応する鋳型３２０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製造した。
　このようにして得られた金属−セラミックス接合基板の回路パターン用の金属板３１４の表面の中央部の反り量を実施例４と同様の方法により測定したところ、セラミックス基板３１２の長手方向の反り量は−２１μｍ、幅方向の反り量は−２１μｍであった。
　また、得られた金属−セラミックス接合基板の金属ベース板３１０の表面の中央部の反り量を、セラミックス基板３１２の長手方向および（長手方向と垂直な）幅方向について、実施例６と同様の方法により測定したところ、セラミックス基板３１２の長手方向の反り量は−３０μｍ、幅方向の反り量は−３９μｍであった。

　Ｆｉｇ．１２に示す鋳型６２０と同様の形状のカーボン製の鋳型を使用するとともに、８０ｍｍ×６０ｍｍ×０．６ｍｍの大きさの１枚の強化部材６１６を使用した以外は、実施例４と同様の方法により、Ｆｉｇ．１１Ａ~Ｆｉｇ．１１Ｂに示す金属−セラミックス接合基板と同様の形状の金属−セラミックス接合基板を製造した。
　このようにして得られた金属−セラミックス接合基板の回路パターン用の金属板６１４の表面の中央部の反り量を実施例４と同様の方法により測定したところ、セラミックス基板６１２の長手方向の反り量は−４５μｍ、幅方向の反り量は−１５μｍであった。
　また、得られた金属−セラミックス接合基板の金属ベース板６１０の表面の中央部の反り量を、セラミックス基板６１２の長手方向および（長手方向と垂直な）幅方向について、実施例６と同様の方法により測定したところ、セラミックス基板６１２の長手方向の反り量は−７２μｍ、幅方向の反り量は−４２μｍであった。
比較例３
　比較例２と同様の方法により製造した他の金属−セラミックス接合基板の回路パターン用の金属板１０１４の表面の中央部の反り量を実施例４と同様の方法により測定したところ、セラミックス基板１０１２の長手方向の反り量は−２１３μｍ、幅方向の反り量は−１７７μｍであった。
　また、得られた金属−セラミックス接合基板の金属ベース板１０１０の表面の中央部の反り量を、セラミックス基板１０１２の長手方向および（長手方向と垂直な）幅方向について、実施例６と同様の方法により測定したところ、セラミックス基板１０１２の長手方向の反り量は−３８７μｍ、幅方向の反り量は−３４５μｍであった。

　８０ｍｍ×１０ｍｍ×０．６ｍｍの大きさの３枚の強化部材３１６を使用して、４８ｍｍ×４８ｍｍ×０．４ｍｍの大きさの回路パターン用の金属板３１４と７０ｍｍ×７０ｍｍ×４ｍｍの大きさの金属ベース板３１０を形成した以外は、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製造した。
　このようにして得られた金属−セラミックス接合基板の金属ベース板３１０の表面の中央部の反り量を、セラミックス基板３１２の長手方向および（長手方向と垂直な）幅方向について、実施例６と同様の方法により測定したところ、セラミックス基板３１２の長手方向の反り量は−３０μｍ、幅方向の反り量は−３０μｍであった。

　８０ｍｍ×３ｍｍ×０．６ｍｍの大きさの３枚の強化部材３１６を使用して、４８ｍｍ×４８ｍｍ×０．４ｍｍの大きさの回路パターン用の金属板３１４と７０ｍｍ×７０ｍｍ×４ｍｍの大きさの金属ベース板３１０を形成した以外は、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製造した。
　このようにして得られた金属−セラミックス接合基板の金属ベース板３１０の表面の中央部の反り量を、セラミックス基板３１２の長手方向および（長手方向と垂直な）幅方向について、実施例６と同様の方法により測定したところ、セラミックス基板３１２の長手方向の反り量は−２５μｍ、幅方向の反り量は−２５μｍであった。

　８０ｍｍ×１０ｍｍ×０．６ｍｍの大きさの３枚の強化部材３１６を使用して、４８ｍｍ×４８ｍｍ×０．４ｍｍの大きさの回路パターン用の金属板３１４と７０ｍｍ×７０ｍｍ×８ｍｍの大きさの金属ベース板３１０を形成した以外は、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製造した。
　このようにして得られた金属−セラミックス接合基板の金属ベース板３１０の表面の中央部の反り量を、セラミックス基板３１２の長手方向および（長手方向と垂直な）幅方向について、実施例６と同様の方法により測定したところ、セラミックス基板３１２の長手方向の反り量は−３５μｍ、幅方向の反り量は−３５μｍであった。

　Ｆｉｇ．８に示す鋳型４２０と同様の形状のカーボン製の鋳型を使用し、８０ｍｍ×３ｍｍ×０．６ｍｍの大きさの３枚の強化部材４１６を使用して、４８ｍｍ×４８ｍｍ×０．４ｍｍの大きさの回路パターン用の金属板４１４と７０ｍｍ×７０ｍｍ×８ｍｍの大きさの金属ベース板４１０を形成した以外は、実施例４と同様の方法により、Ｆｉｇ．７Ａ~Ｆｉｇ．７Ｂに示す金属−セラミックス接合基板と同様の形状の金属−セラミックス接合基板を製造した。
　このようにして得られた金属−セラミックス接合基板の金属ベース板４１０の表面の中央部の反り量を、セラミックス基板４１２の長手方向および（長手方向と垂直な）幅方向について、実施例６と同様の方法により測定したところ、セラミックス基板４１２の長手方向の反り量は−３８μｍ、幅方向の反り量は−３８μｍであった。

　Ｆｉｇ．１０に示す鋳型５２０と同様の形状のカーボン製の鋳型を使用し、８０ｍｍ×３ｍｍ×０．６ｍｍの大きさの６枚の強化部材５１６を使用して、４８ｍｍ×４８ｍｍ×０．４ｍｍの大きさの回路パターン用の金属板４１４と７０ｍｍ×７０ｍｍ×８ｍｍの大きさの金属ベース板４１０を形成した以外は、実施例４と同様の方法により、Ｆｉｇ．９Ａ~Ｆｉｇ．９Ｂに示す金属−セラミックス接合基板と同様の形状の金属−セラミックス接合基板を製造した。
　このようにして得られた金属−セラミックス接合基板の金属ベース板５１０の表面の中央部の反り量を、セラミックス基板５１２の長手方向および（長手方向と垂直な）幅方向について、実施例６と同様の方法により測定したところ、セラミックス基板５１２の長手方向の反り量は−３６μｍ、幅方向の反り量は−３８μｍであった。

　Ｆｉｇ．１２に示す鋳型６２０と同様の形状のカーボン製の鋳型を使用し、５０ｍｍ×８０ｍｍ×０．６ｍｍの大きさの１枚の強化部材６１６を使用した以外は、実施例４と同様の方法により、Ｆｉｇ．１１Ａ~Ｆｉｇ．１１Ｂに示す金属−セラミックス接合基板と同様の形状の金属−セラミックス接合基板を製造した。
　このようにして得られた金属−セラミックス接合基板の金属ベース板６１０の表面の中央部の反り量を、セラミックス基板６１２の長手方向および（長手方向と垂直な）幅方向について、実施例６と同様の方法により測定したところ、セラミックス基板６１２の長手方向の反り量は−２５μｍ、幅方向の反り量は−３５μｍであった。

　Ｆｉｇ．１４に示す鋳型７２０と同様の形状のカーボン製の鋳型を使用し、５０ｍｍ×８０ｍｍ×０．６ｍｍの大きさの１枚の強化部材７１８を使用した以外は、実施例４と同様の方法により、Ｆｉｇ．１３Ａ~Ｆｉｇ．１３Ｂに示す金属−セラミックス接合基板と同様の形状の金属−セラミックス接合基板を製造した。
　このようにして得られた金属−セラミックス接合基板の金属ベース板７１０の表面の中央部の反り量を、セラミックス基板７１２の長手方向および（長手方向と垂直な）幅方向について、実施例６と同様の方法により測定したところ、セラミックス基板７１２の長手方向の反り量は−３２μｍ、幅方向の反り量は−２２μｍであった。

　Ｆｉｇ．１６に示す鋳型８２０と同様の形状のカーボン製の鋳型を使用し、８０ｍｍ×４ｍｍ×０．６ｍｍの大きさの４枚の強化部材８１６を使用した以外は、実施例４と同様の方法により、Ｆｉｇ．１５Ａ~Ｆｉｇ．１５Ｂに示す金属−セラミックス接合基板と同様の形状の金属−セラミックス接合基板を製造した。
　このようにして得られた金属−セラミックス接合基板の金属ベース板８１０の表面の中央部の反り量を、セラミックス基板８１２の長手方向および（長手方向と垂直な）幅方向について、実施例６と同様の方法により測定したところ、セラミックス基板７１２の長手方向の反り量は−４３μｍ、幅方向の反り量は−３８μｍであった。
　なお、実施例４および１４の金属−セラミックス接合基板の厚さ方向の放熱性を調べたところ、比較例２の金属−セラミックス接合基板の裏面における放熱量と比べて、その放熱量の低下率が３％以下に過ぎなかった。したがって、これらの実施例では、放熱性を殆ど低下させることなく、金属−セラミックス接合基板の反りを抑制することができる。
［第３の実施の形態］
　溶湯接合によりベース一体型の金属−セラミックス接合基板を製造する際に、アルミニウムまたはアルミニウム合金より熱伝導率の大きい銅などからなる金属板を取り囲むように、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形成することが考えられる。
　しかし、溶湯接合の際に銅板を取り囲むようにアルミニウムからなるベース板を形成したところ、ＡｌとＣｕの硬くて脆い金属間化合物または固溶体が形成されて、金属−セラミックス接合基板の耐熱衝撃性やセラミックス基板に対するベース板の接合強度などの信頼性が低下したり、熱伝導率が低下するおそれがあることがわかった。また、ベース板がセラミックス基板の界面から剥離するおそれがあることもわかった。さらに、ＡｌとＣｕの拡散の量を抑制することができないこともわかった。
　そこで、本発明による金属−セラミックス接合基板の第３の実施の形態では、溶湯接合によりベース一体型の金属−セラミックス接合基板を製造する際に、アルミニウムまたはアルミニウム合金より熱伝導率の大きい金属からなる金属板を取り囲むように、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形成しても、その金属とＡｌとの金属間化合物または固溶体の形成を防止するとともに、その金属とＡｌの拡散を防止することができるようにしている。
　Ｆｉｇ．２１Ａ~Ｆｉｇ．２１Ｃ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３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ベース板２０１０と、このベース板２０１０に一方の面が直接接合した平面形状が略矩形のセラミックス基板２０１２と、このセラミックス基板２０１２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回路パターン用アルミニウム板２０１４とを備えている。また、Ｆｉｇ．２１ＢおよびＦｉｇ．２１Ｃに示すように、ベース板２０１０の内部には、平面形状が略矩形の金属板の表面が溶射皮膜で被覆された溶射皮膜被覆部材２０１６が配置されている。
　なお、溶射皮膜被覆部材２０１６の金属板は、アルミニウムまたはアルミニウム合金より熱伝導率が高い金属からなるのが好ましく、銅または銅合金からなるのがさらに好ましい。また、金属板の厚さは、０．３~５ｍｍ程度であるのが好ましく、０．５~３ｍｍ程度であるのがさらに好ましい。このようにアルミニウムまたはアルミニウム合金より熱伝導率が高い金属からなる金属板の表面が溶射皮膜で被覆された溶射皮膜被覆部材２０１６をベース板２０１０の内部に配置させることにより、アルミニウムまたはアルミニウム合金より熱伝導率が高い金属からなる金属板をベース板の内部に配置させて過渡熱特性や飽和熱特性などの放熱性を向上させるという効果に加えて、その金属とＡｌとの金属間化合物または固溶体の形成を防止するとともに、その金属とＡｌの拡散を防止する効果を得ることができ、それによって、金属−セラミックス接合基板の耐熱衝撃性やセラミックス基板に対するベース板の接合強度などの信頼性の低下を防止するとともに、熱伝導率の低下を防止することができる。
　Ｆｉｇ．２１Ａ~Ｆｉｇ．２１Ｃに示す実施の形態の金属−セラミックス接合基板は、金属板の表面にセラミックスを溶射して金属板の表面が溶射皮膜で被覆された溶射皮膜被覆部材２０１６を得た後、Ｆｉｇ．２２に示すような鋳型２０２０内に、溶射皮膜被覆部材２０１６とセラミックス基板２０１２とを互いに離間して配置させ、溶射皮膜被覆部材２０１６の全面とセラックス基板２０１２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。
　溶射は、プラズマ溶射であるのが好ましい。プラズマ溶射は、陰極と陽極ノズルの内面の間に直流アークを生じさせ、後方から送給される作動ガスを直流アークによって加熱して膨張させ、ノズルから激しい超高温のジェット（プラズマジェット）を噴出させ、作動ガスによってプラズマジェットの中に供給された粉末の溶射材料を、プラズマジェットによって加熱し且つ加速して基材表面に衝突させて皮膜（溶射皮膜）を形成する方法である。作動ガスとしては、アルゴンガスまたは窒素ガスを使用することができ、これらに水素ガスを混入してもよく、アルゴンとヘリウムの混合ガスを使用してもよい。溶射材料は、セラミックス粉末であり、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、炭化珪素（ＳｉＣ）および窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）からなる群から選ばれる１種以上のセラミックス粉末であるのが好ましい。また、溶射皮膜によってＣｕなどの金属とＡｌの拡散を防止するために、溶射皮膜の厚さは、０．０１~０．３ｍｍ程度であるのが好ましく、０．０２~０．２ｍｍ程度であるのがさらに好ましい。
　Ｆｉｇ．２２に示すように、カーボンまたは多孔質金属などの通気性材料からなる鋳型２０２０は、それぞれ平面形状が略矩形の下側鋳型部材２０２２と上側鋳型部材２０２４とから構成されている。下側鋳型部材２０２２の上面には、セラミックス基板２０１２を収容するための凹部（セラミックス基板収容部）２０２２ａが形成され、この凹部２０２２ａの底面には、回路パターン用アルミニウム板を形成するための凹部（回路パターン用アルミニウム板形成部）２０２２ｂが形成されている。上側鋳型部材２０２４の下面（裏面）には、ベース板を形成するための凹部（ベース板形成部）２０２４ａが形成されている。また、下側鋳型部材２０２２の上面のセラミックス基板収容部２０２２ａの周囲には、鋳型２０２０と同じ材質の複数の保持ピン２０２６が設けられているとともに、上側鋳型部材２０２４のベース板形成部２０２４ａの底面には、下側鋳型部材２０２２に設けられた保持ピン２０２６と対向するように、鋳型２０２０と同じ材質の複数の保持ピン２０２８が設けられており、下側鋳型部材２０２２の保持ピン２０２６上に溶射皮膜被覆部材２０１６を載せた後に上側鋳型部材２０２４を下側鋳型部材２０２２に被せると、溶射皮膜被覆部材２０１６が保持ピン２０２６と保持ピン２０２８によってベース板形成部２０２４ａの略中央部で挟持されるようになっている。なお、上側鋳型部材２０２４には、（図示しない）注湯ノズルからベース板形成部２０２４ａ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２０２２には、ベース板形成部２０２４ａと回路パターン用アルミニウム板形成部２０２２ｂ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２０２２ａ内にセラミックス基板を収容したときにもベース板形成部２０２４ａと回路パターン用アルミニウム板形成部２０２２ｂとの間が連通するようになっている。
　このような鋳型２０２０を使用してＦｉｇ．２１Ａ~Ｆｉｇ．２１Ｃ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２０２２のセラミックス基板収容部２０２２ａ内にセラミックス基板２０１２を配置させた後、下側鋳型部材２０２２の保持ピン２０２６上に溶射皮膜被覆部材２０１６を載せて上側鋳型部材２０２４を下側鋳型部材２０２２に被せる。この状態で鋳型２０２０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、内部に溶射皮膜被覆部材２０１６が配置されたベース板２０１０がセラミックス基板２０１２の一方の面に直接接合するとともに、セラミックス基板２０１２の他方の面に回路パターン用アルミニウム板２０１４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２０１０には、保持ピン２０２６および２０２８に対応する複数の貫通孔が形成されるが、これらの貫通孔は小さいため、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。
　Ｆｉｇ．２３Ａ~Ｆｉｇ．２３Ｃは、本発明による金属−セラミックス接合基板の第３の実施の形態の変形例を示している。また、Ｆｉｇ．２４Ａは、この変形例の金属−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、Ｆｉｇ．２４Ｂは、この鋳型内に配置させる溶射皮膜被覆部材の形状を示している。この変形例では、セラミックス基板２１１２および回路パターン用アルミニウム板２１１４をそれぞれ２つにした他に、保持ピン２０２６および２０２８の代わりに、これらのピンに対応する形状の複数の突部をプレス加工などにより形成した金属板の表面が溶射皮膜で被覆された溶射皮膜被覆部材２１１６を使用した以外は、上述した第３の実施の形態の金属−セラミックス接合基板およびその製造方法と略同一であるので、参照符号に１００を加えてその説明を省略する。なお、この変形例では、ベース板２１１０の表面には、溶射皮膜被覆部材２０１６の複数の突部の表面が露出するが、これらの露出面の面積は小さいため、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。
　Ｆｉｇ．２５は、本発明による金属−セラミックス接合基板の第３の実施の形態の他の変形例を示し、Ｆｉｇ．２６は、この変形例の金属−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。この変形例では、保持ピン２０２６および２０２８の代わりに、下側鋳型部材の上面に取り付けられた保持ピン２２２６が溶射皮膜被覆部材２２１６の底面および側面に当接して溶射皮膜被覆部材２２１６を保持できるようにするとともに、ベース板２２１０の底面に互いに略平行に且つ一定の間隔で離間した複数のフィン２２１０ａを形成した以外は、上述した第３の実施の形態の金属−セラミックス接合基板およびその製造方法と略同一であるので、参照符号に２００を加えてその説明を省略する。なお、Ｆｉｇ．２５に示すように、箱型部材２１１８でフィン２２１０ａを覆って水冷ジャケットとしてもよいし、箱型部材２１１８を設けないで空冷フィンにしてもよい。また、ベース板２２１０には、保持ピン２２２６に対応する複数の貫通孔が形成されるが、これらの貫通孔は小さいため、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、この変形例のように、ベース板２２１０の底面に形成した互いに略平行に且つ一定の間隔で離間した複数の（板状の）フィン２２１０ａ（または互いに一定の間隔で離間したピン状のフィン）と同様のフィンを、上述した第１および第２の実施の形態およびそれらの変形例の金属−セラミックス接合基板の金属ベース板の底面に形成し、それに対応するようにそれぞれの鋳型の金属ベース板形成部の形状を変形してもよい。
　以下、本発明による金属−セラミックス接合基板およびその製造方法の実施例について詳細に説明する。

　厚さ１ｍｍのＣｕ板にプラズマ溶射で厚さ０．１ｍｍのＡｌ_２Ｏ_３皮膜を形成した溶射皮膜被覆部材と、ＡｌＮ基板とを、Ｆｉｇ．２２に示す鋳型２０２０と同様の鋳型内に収容した後、鋳型内を窒素雰囲気にした状態で加熱し、アルミニウム溶湯をその表面の酸化膜を取り除きながら鋳型内に注湯し、その後、鋳型を冷却して溶湯を凝固させることによって、溶射皮膜被覆部材を内部に含む厚さ５ｍｍのベース板が一体に形成されたベース一体型の金属−セラミックス接合基板を作製した。この金属−セラミックス接合基板を切断して断面を観察したところ、ＣｕとＡｌの拡散はなく、金属間化合物も認められなかった。また、ＡｌＮ基板とベース板との接合界面と、溶射皮膜被覆部材とベース板との接合界面には、ボイドなどの接合欠陥は見られず、これらの間の接合強度は充分であることがわかった。

　厚さ３ｍｍのＣｕ板を使用した以外は実施例１８と同様の方法によりベース一体型の金属−セラミックス接合基板を作製した。この金属−セラミックス接合基板を切断して断面を観察したところ、ＣｕとＡｌの拡散はなく、金属間化合物も認められなかった。また、ＡｌＮ基板とベース板との接合界面と、溶射皮膜被覆部材とベース板との接合界面には、ボイドなどの接合欠陥は見られず、これらの間の接合強度は充分であることがわかった。

　プラズマ溶射で厚さ０．０２ｍｍのＡｌ_２Ｏ_３皮膜を形成した以外は実施例１９と同様の方法によりベース一体型の金属−セラミックス接合基板を作製した。この金属−セラミックス接合基板を切断して断面を観察したところ、ＣｕとＡｌの拡散はなく、金属間化合物も認められなかった。また、ＡｌＮ基板とベース板との接合界面と、溶射皮膜被覆部材とベース板との接合界面には、ボイドなどの接合欠陥は見られず、これらの間の接合強度は充分であることがわかった。

　プラズマ溶射で厚さ０．０５ｍｍのＡｌ_２Ｏ_３皮膜を形成した以外は実施例１９と同様の方法によりベース一体型の金属−セラミックス接合基板を作製した。この金属−セラミックス接合基板を切断して断面を観察したところ、ＣｕとＡｌの拡散はなく、金属間化合物も認められなかった。また、ＡｌＮ基板とベース板との接合界面と、溶射皮膜被覆部材とベース板との接合界面には、ボイドなどの接合欠陥は見られず、これらの間の接合強度は充分であることがわかった。
比較例４
　Ｃｕ板にプラズマ溶射を行わなかった以外は実施例１８と同様の方法によりベース一体型の金属−セラミックス接合基板を作製した。この金属−セラミックス接合基板を切断して断面を観察したところ、ＣｕとＡｌが相互に拡散し金属間化合物も認められた。

Claims

セラミックス基板の一方の面に金属板が直接接合するとともに、他方の面に金属ベース板が直接接合した金属−セラミックス接合基板において、金属ベース板より強度が高い強化部材が、金属ベース板の両端面の一方の端面から他方の端面まで延びるように配置され、この強化部材によって、金属ベース板がセラミックス基板との接合面からこの接合面と反対側の面まで延びることを遮らないことを特徴とする、金属−セラミックス接合基板。
前記金属ベース板の両端面が、前記金属ベース板の長手方向または幅方向の両端面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。
前記金属ベース板が、前記接合面に対して略垂直方向に延びる部分を有す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。
前記強化部材が、前記金属ベース板に取り囲ま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。
前記強化部材が、前記金属ベース板の内部を貫通して延び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。
前記強化部材が、前記接合面と略平行に延びる板状部材であることを特徴とする、請求項５に記載の金属−セラミックス接合基板。
前記強化部材の前記接合面と略平行な面の前記セラミックス基板と対向する部分の面積が、前記接合面の面積より小さいことを特徴とする、請求項６に記載の金属−セラミックス接合基板。
前記強化部材が、前記接合面と略平行な平面上に配置され且つ互いに離間して略平行に延びる複数の板状部材または棒状部材であることを特徴とする、請求項５に記載の金属−セラミックス接合基板。
前記強化部材が、前記接合面と略平行な平面上に配置され且つ互いに離間して前記金属ベース板の長手方向に延びる複数の長手方向板状部と互いに離間して前記金属ベース板の幅方向に延びて長手方向板状部を連結する複数の幅方向板状部とからなる格子状の板状部材であることを特徴とする、請求項５に記載の金属−セラミックス接合基板。
前記強化部材の前記金属ベース板の内部を貫通して延びる部分の全面が前記金属ベース板に直接接合していることを特徴とする、請求項５に記載の金属−セラミックス接合基板。
前記強化部材の端面が外部に露出し、その端面以外の全面が金属ベース板に直接接合していることを特徴とする、請求項５に記載の金属−セラミックス接合基板。
前記強化部材が、鋼、またはニッケル、コバルト、銅およびマンガンからなる群から選ばれる１種以上と鉄を含有する金属からな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。
前記強化部材が、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素および炭化珪素からなる群から選ばれる１種以上のセラミックスからな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。
前記金属ベース板がアルミニウムまたはアルミニウム合金からな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。
前記金属板がアルミニウムまたはアルミニウム合金からな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。
前記セラミックス基板が、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素および炭化珪素からなる群から選ばれる１種以上のセラミックスからな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。
セラミックス基板の一方の面に金属板が直接接合するとともに、他方の面に金属ベース板が直接接合した金属−セラミックス接合基板の製造方法において、金属ベース板より融点および強度が高い強化部材と、セラミックス基板とを鋳型内に離間して配置させるように、セラミックス基板の端部と強化部材の端部を鋳型に支持させ、鋳型内のセラミックス基板の両面に接触するとともに強化部材に接触するように溶湯を注湯した後に冷却して固化させることにより、金属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、金属ベース板を形成してセラミックス基板の他方の面に直接接合させるとともに、強化部材の端部を金属ベース板から突出させることを特徴とする、金属−セラミックス接合基板の製造方法。
前記溶湯を注湯する際に前記強化部材の端部を除く全面に接触するように溶湯を注湯して、前記金属ベース板から突出する前記強化部材の端部を除く前記強化部材の全面を金属ベース板に直接接合させることを特徴とする、請求項１７に記載の金属−セラミックス接合基板の製造方法。
前記金属ベース板から突出した強化部材の端部を除去することを特徴とする、請求項１７に記載の金属−セラミックス接合基板の製造方法。
前記鋳型が上側鋳型部材と下側鋳型部材とからなり、前記強化部材の端部が上側鋳型部材と下側鋳型部材に挟持されることによって前記鋳型に支持されることを特徴とする、請求項１７に記載の金属−セラミックス接合基板の製造方法。
前記強化部材が、鋼、またはニッケル、コバルト、銅およびマンガンからなる群から選ばれる１種以上と鉄を含有する金属からなることを特徴とする、請求項１７に記載の金属−セラミックス接合基板の製造方法。
前記強化部材が、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素および炭化珪素からなる群から選ばれる１種以上のセラミックスからなることを特徴とする、請求項１７に記載の金属−セラミックス接合基板の製造方法。
前記金属板および前記金属ベース板がアルミニウムまたはアルミニウム合金からなることを特徴とする、請求項１７に記載の金属−セラミックス接合基板の製造方法。
金属部材の表面が溶射皮膜で被覆された溶射皮膜被覆部材が内部に配置されたアルミニウムまたはアルミニウム合金からなるアルミニウム部材が、セラミックス基板の一方の面に直接接合していることを特徴とする、金属−セラミックス接合基板。
前記溶射皮膜が、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、炭化珪素および窒化珪素からなる群から選ばれる１種以上のセラミックスの皮膜であることを特徴とする、請求項２４に記載の金属−セラミックス接合基板。
前記金属部材が銅または銅合金からなることを特徴とする、請求項２５に記載の金属−セラミックス接合基板。
前記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アルミニウム板が直接接合していることを特徴とする、請求項２４に記載の金属−セラミックス接合基板。
前記アルミニウム部材の形状が、板状、または板状体に複数のフィンが一体に形成された形状であることを特徴とする、請求項２４に記載の金属−セラミックス接合基板。
金属部材の表面にセラミックスを溶射して金属部材の表面が溶射皮膜で被覆された溶射皮膜被覆部材を得た後、この溶射皮膜被覆部材とセラミックス基板とを互いに離間して鋳型内に配置させ、この鋳型内の溶射皮膜被覆部材の全面とセラミックス基板の一方の面に接触するようにアルミニウム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、溶射皮膜被覆部材を取り囲み且つセラミックス基板の一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アルミニウム部材を形成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。
前記溶射がプラズマ溶射であることを特徴とする、請求項２９に記載の金属−セラミックス接合基板の製造方法。
前記溶射に使用するセラミックスが、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、炭化珪素および窒化珪素からなる群から選ばれる１種以上であることを特徴とする、請求項２９に記載の金属−セラミックス接合基板の製造方法。
前記金属部材が銅または銅合金からなることを特徴とする、請求項３１に記載の金属−セラミックス接合基板の製造方法。
前記鋳型内の前記セラミックス基板の他方の面に接触するように前記アルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯を注湯することにより、前記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アルミニウム板を形成することを特徴とする、請求項２９に記載の金属−セラミックス接合基板の製造方法。