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CN103503581A - 金属-陶瓷接合基板及其制造方法 - Google Patents

金属-陶瓷接合基板及其制造方法 Download PDF

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Abstract

在陶瓷基板的一面直接接合金属板并在另一面直接接合金属基底板的金属-陶瓷接合基板中，强度比金属基底板高的强化构件以自金属基底板的两端面中的一个端面向另一端面延伸的方式配置，该强化构件并不阻断金属基底板自与陶瓷基板的接合面向该接合面的相反侧的面延伸。

Description

金属-陶瓷接合基板及其制造方法
技术领域
本发明涉及金属-陶瓷接合基板及其制造方法，特别是涉及在陶瓷基板的一面形成有电子部件搭载用金属板(金属电路板)并在另一面形成有散热用金属基底板的金属-陶瓷接合基板及其制造方法。
背景技术
近年来，为了控制电动汽车、电气列车、工作机械等大电流，采用功率模块。以往的功率模块中，在被称为基底板的金属板或复合材料的一面通过焊接等固定有金属-陶瓷绝缘基板，该金属-陶瓷接合基板的金属电路板上通过焊接固定有半导体芯片。此外，基底板的另一面(背面)通过螺丝固定等介以导热膏安装有金属制的散热片或冷却套。
这样的金属-陶瓷接合基板一般在陶瓷基板的两面接合有不同厚度的金属板(金属电路板和基底板)，因此接合后容易产生较大的翘曲。此外，半导体芯片向金属-陶瓷接合基板的焊接通过加热进行，因此焊接时容易因接合构件间的热膨胀系数差而产生金属电路板和基底板的翘曲。另外，由半导体芯片产生的热量介以金属-陶瓷接合基板、焊锡、基底板通过散热片或冷却套散至空气或冷却水中，因此如果焊接时发生基底板的翘曲，则将散热片或冷却套安装于基底板时的空隙变大，散热性极差。此外，即使获得实质上没有翘曲的金属-陶瓷接合基板，若反复受到热冲击，翘曲也会变大。
为了解决这样的问题，提出了在多块氮化铝基板介以Al板或Al合金板接合而得的多层结构体的一面形成有Al或Al合金的电路并在另一面形成有散热板的电路基板(参照例如日本专利特开2001-7465号公报)。该电路基板如下制造：用接合材料(钎料)将多块氮化铝基板与Al板或Al合金板接合制造多层结构体，并用接合材料(钎料)将Al或Al合金的电路和散热板接合于该多层结构体。
此外，提出了下述绝缘电路基板：通过在第一陶瓷板的一面接合有电路板并在另一面接合有热扩散板、第二陶瓷板和散热板的层叠体形成，电路板、热扩散板和散热板由Cu、Cu合金、Al或Al合金形成，以通过热扩散板和散热板将第二陶瓷板完全覆盖的方式将热扩散板的端部与散热板的端部一体化(参照例如日本专利特开2003-86747号公报)。该绝缘电路基板如下制造：将第一陶瓷板和第二陶瓷板设置于模具内，将形成电路板、热扩散板和散热板的熔融Al或熔融Al合金以高压注入模具内后，冷却而固体化。
但是，日本专利特开2001-7465号公报的电路基板中，陶瓷基板采用高热导率(170W/mK)的氮化铝基板，但热导率比由Cu或Al或者它们的合金等形成的散热板(金属基底板)低，因此散热性因氮化铝基板而受到妨碍。即使可使用具有与金属基底板同等以上的热导率的陶瓷基板，这样的陶瓷基板也非常昂贵，难以在工业上量产。此外，为了将多块氮化铝基板与Al板或Al合金板接合制造多层结构体，并将Al或Al合金的电路和散热板接合于该多层结构体，必须用接合材料(钎料)并施加极高的压力，需要用于制造多层结构体的层叠工序，制造成本高。
此外，日本专利特开2003-86747号公报的绝缘电路基板中，被热扩散板和散热板覆盖的第二陶瓷板的热导率比热扩散板和散热板低，因此与日本专利特开2001-7465号公报的电路基板同样，散热性因陶瓷板而受到妨碍。此外，制造日本专利特开2003-86747号公报的绝缘电路基板的情况下，难以在将陶瓷板保持于模具内的规定位置的情况下以高压将熔融Al或熔融Al合金注入模具内，可能会无法将陶瓷板接合于正确的位置，难以将第二陶瓷板用热扩散板和散热板完全覆盖而高精度地将位置固定。因此，难以控制绝缘电路基板的翘曲，可靠性可能会因翘曲的不均而下降。
发明的概要
因此，鉴于上述的现有问题，本发明的目的在于提供散热性高且翘曲及其偏差小的金属-陶瓷接合基板以及可低成本地制造该金属-陶瓷接合基板的金属-陶瓷接合基板的制造方法。
为了实现上述目的，基于本发明的一种观点的金属-陶瓷接合基板是在陶瓷基板的一面直接接合金属板并在另一面直接接合金属基底板的金属-陶瓷接合基板，其特征在于，以自金属基底板的两端面中的一个端面向另一端面延伸的方式配置有强度比金属基底板高的强化构件，该强化构件并不阻断金属基底板自与陶瓷基板的接合面向该接合面的相反侧的面延伸。
该金属-陶瓷接合基板中，较好是金属基底板的两端面为金属基底板的长边方向或宽度方向的两端面。此外，较好是金属基底板具有沿相对于接合面大致垂直的方向延伸的部分。此外，较好是强化构件被包含在金属基底板中。
此外，上述的金属-陶瓷接合基板中，较好是强化构件贯穿金属基底板的内部延伸。该情况下，较好是强化构件为与接合面大致平行地延伸的板状构件。此外，较好是强化构件的与接合面大致平行的面的与陶瓷基板相对的部分的面积比接合面的面积小。强化构件可以是配置于与接合面大致平行的平面上且相互间隔并大致平行地延伸的多个板状构件或棒状构件。强化构件可以是格子状的板状构件，所述格子状的板状构件由配置于与接合面大致平行的平面上且相互间隔并沿金属基底板的长边方向延伸的多个长边方向板状部和相互间隔并沿金属基底板的宽度方向延伸而连接长边方向板状部的多个宽度方向板状部形成。此外，较好是贯穿强化构件的金属基底板的内部延伸的部分整面与金属基底板直接接合。此外，较好是强化构件的端面暴露于外部，该端面以外的整面与金属基底板直接接合。
此外，上述的金属-陶瓷接合基板中，较好是强化构件由钢、或者包含选自镍、钴、铜和锰的1种以上与铁的金属形成。或者，较好是强化构件由选自氧化铝、氮化铝、氮化硅和碳化硅的1种以上的陶瓷形成。此外，金属基底板较好是由铝或铝合金形成，金属板较好是由铝或铝合金形成。另外，较好是陶瓷基板由选自氧化铝、氮化铝、氮化硅和碳化硅的1种以上的陶瓷形成。
基于本发明的另一种观点的金属-陶瓷接合基板的制造方法是在陶瓷基板的一面直接接合金属板并在另一面直接接合金属基底板的金属-陶瓷接合基板的制造方法，其特征在于，以使熔点和强度比金属基底板高的强化构件与陶瓷基板间隔配置于模具内的方式使陶瓷基板的端部和强化构件的端部被支承于模具中，以既与模具内的陶瓷基板的两面接触又与强化构件接触的方式注入熔液后冷却而使其固化，从而形成金属板并与陶瓷基板的一面直接接合，形成金属基底板并与陶瓷基板的另一面直接接合，并且使强化构件的端部自金属基底板突出。
该金属-陶瓷接合基板的制造方法中，较好是注入熔液时以与强化构件的除端部以外的整面接触的方式注入熔液，使自金属基底板突出的除强化构件的端部以外的强化构件整面与金属基底板直接接合。此外，较好是将从金属基底板突出的强化构件的端部除去。此外，较好是模具由上侧模具构件和下侧模具构件形成，强化构件的端部通过夹持于上侧模具构件和下侧模具构件而被支承于模具中。此外，较好是强化构件由钢、或者包含选自镍、钴、铜和锰的1种以上与铁的金属形成。或者，较好是强化构件由选自氧化铝、氮化铝、氮化硅和碳化硅的1种以上的陶瓷形成。此外，较好是金属板和金属基底板由铝或铝合金形成。
根据本发明的这些观点，可提供散热性高且翘曲及其偏差小的金属-陶瓷接合基板以及可低成本地制造该金属-陶瓷接合基板的金属-陶瓷接合基板的制造方法。
此外，基于本发明的另一种观点的金属-陶瓷接合基板的特征在于，铝构件与陶瓷基板的一面直接接合，所述铝构件内部配置有金属构件的表面被熔射被膜被覆的熔射被膜被覆构件且由铝或铝合金形成。
该金属-陶瓷接合基板中，较好是熔射被膜是选自氧化铝、氮化铝、碳化硅和氮化硅的1种以上的陶瓷的被膜。此外，较好是金属构件由铜或铜合金形成。此外，较好是陶瓷基板的另一面直接接合有由铝或铝合金形成的铝板。另外，较好是铝构件的形状为板状或者板状体上一体形成有多个鳍片的形状。
此外，基于本发明的又一种观点的金属-陶瓷接合基板的制造方法的特征在于，在金属构件的表面熔射陶瓷而获得金属构件的表面被熔射被膜被覆的熔射被膜被覆构件后，使该熔射被膜被覆构件与陶瓷基板相互间隔配置于模具内，以与该模具内的熔射被膜被覆构件的整面和陶瓷基板的一面接触的方式注入铝或铝合金的熔液后冷却熔液而使其固化，从而形成包含熔射被膜被覆构件且与陶瓷基板的一面直接接合的由铝或铝合金形成的铝构件。
该金属-陶瓷接合基板的制造方法中，较好是熔射为等离子体熔射。此外，较好是用于熔射的陶瓷为选自氧化铝、氮化铝、碳化硅和氮化硅的1种以上。此外，较好是金属构件由铜或铜合金形成。此外，较好是以与模具内的陶瓷基板的另一面接触的方式注入铝或铝合金的熔液，从而形成与陶瓷基板的另一面直接接合的由铝或铝合金形成的铝板。
根据本发明的这些观点，可制造在通过熔液接合制造基底一体型的金属-陶瓷接合基板时，即使以包含由热导率比铝或铝合金大的金属形成的金属板的方式形成由铝或铝合金形成的基底板，也可防止该金属与Al的金属间化合物或固溶体的形成以及该金属和Al的扩散的金属-陶瓷接合基板。
附图的简单说明
图1A是表示基于本发明的金属-陶瓷接合基板的实施方式1的立体图。
图1B是图1A的金属-陶瓷接合基板的俯视图。
图1C是自图1B的右侧观察的金属-陶瓷接合基板的侧视图。
图1D是自图1B的下侧观察的金属-陶瓷接合基板的侧视图。
图2A是用于制造图1A～图1D所示的金属-陶瓷接合基板的模具的剖视图。
图2B是图2A的模具的下侧模具构件的立体图。
图2C是图2A的模具的下侧模具构件的俯视图。
图2D是图2A的模具的上侧模具构件的仰视图。
图3是表示图1A～图1D所示的金属-陶瓷接合基板的强化构件的变形例1的俯视图。
图4是表示图1A～图1D所示的金属-陶瓷接合基板的强化构件的变形例2的俯视图。
图5A是表示基于本发明的金属-陶瓷接合基板的实施方式2的侧视图。
图5B是图5A的金属-陶瓷接合基板的俯视图。
图6是用于制造图5A～图5B所示的金属-陶瓷接合基板的模具的剖视图。
图7A是表示基于本发明的金属-陶瓷接合基板的实施方式2的变形例1的侧视图。
图7B是图7A的金属-陶瓷接合基板的俯视图。
图8是用于制造图7A～图7B所示的金属-陶瓷接合基板的模具的剖视图。
图9A是表示基于本发明的金属-陶瓷接合基板的实施方式2的变形例2的侧视图。
图9B是图9A的金属-陶瓷接合基板的俯视图。
图10是用于制造图9A～图9B所示的金属-陶瓷接合基板的模具的剖视图。
图11A是表示基于本发明的金属-陶瓷接合基板的实施方式2的变形例3的侧视图。
图11B是图11A的金属-陶瓷接合基板的俯视图。
图12是用于制造图11A～图11B所示的金属-陶瓷接合基板的模具的剖视图。
图13A是表示基于本发明的金属-陶瓷接合基板的实施方式2的变形例4的侧视图。
图13B是图13A的金属-陶瓷接合基板的俯视图。
图14是用于制造图13A～图13B所示的金属-陶瓷接合基板的模具的模式剖视图。
图15A是表示基于本发明的金属-陶瓷接合基板的实施方式2的变形例5的侧视图。
图15B是图15A的金属-陶瓷接合基板的俯视图。
图16是用于制造图15A～图15B所示的金属-陶瓷接合基板的模具的剖视图。
图17A是表示基于本发明的金属-陶瓷接合基板的实施方式2的变形例6的侧视图。
图17B是图17A的金属-陶瓷接合基板的俯视图。
图18是用于制造图17A～图17B所示的金属-陶瓷接合基板的模具的剖视图。
图19A是表示作为与实施方式2的比较例2制造的金属-陶瓷接合基板的侧视图。
图19B是图19A的金属-陶瓷接合基板的俯视图。
图20是用于制造图19A～图19B所示的金属-陶瓷接合基板的模具的剖视图。
图21A是表示基于本发明的金属-陶瓷接合基板的实施方式3的俯视图。
图21B是图21A的金属-陶瓷接合基板的侧视图。
图21C是图21A的金属-陶瓷接合基板的XXIC-XXIC线剖视图。
图22是用于制造图21A～图21C所示的金属-陶瓷接合基板的模具的剖视图。
图23A是表示基于本发明的金属-陶瓷接合基板的实施方式3的变形例的俯视图。
图23B是图23A的金属-陶瓷接合基板的侧视图。
图23C是图23A的金属-陶瓷接合基板的XXIIIC-XXIIIC线剖视图。
图24A是用于制造图23A～图23C所示的金属-陶瓷接合基板的模具的剖视图。
图24B是配置于图24A的模具内的熔射被膜被覆构件的立体图。
图25是表示基于本发明的金属-陶瓷接合基板的实施方式3的另一变形例的剖视图。
图26是用于制造图25所示的金属-陶瓷接合基板的模具的剖视图。
实施发明的方式
以下，参照附图对基于本发明的金属-陶瓷接合基板及其制造方法的实施方式进行说明。
[实施方式1]
如图1A～图1D所示，基于本发明的金属-陶瓷接合基板的实施方式1具备平面形状呈大致矩形的由金属形成的金属基底板10、一面直接接合于该金属基底板10的平面形状呈大致矩形的陶瓷基板12、直接接合于该陶瓷基板12的另一面的平面形状呈大致矩形的由金属形成的电路图案用金属板14。
此外，如图1A、图1C和图1D所示，在金属基底板10的内部，多个板状或棒状(本实施方式中为平面形状和横截面形状呈大致矩形的3个细长板状)的由金属形成的强化构件16自金属基底板10的长边方向的两端面中的一个端面向另一端面贯穿金属基底板10的内部并沿长边方向延伸。这些强化构件16的长边方向的两端面露出于外部，其两端面以外的整面(强化构件16的贯穿金属基底板10的内部延伸的部分整面)与金属基底板10直接接合。通过这样自金属基底板10的长边方向的两端面中的一个端面向另一端面贯穿金属基底板10的内部并沿长边方向延伸的强化构件16，可减小金属-陶瓷接合基板的翘曲及其偏差、特别是长边方向的翘曲及其偏差。
此外，这些强化构件16配置于金属基底板10的与同陶瓷基板12的接合面大致平行的(假想)平面上，相互间隔并大致平行地延伸(本实施方式中，在中央的强化构件16的两侧等间隔配置有2个强化构件16)。如果这样在强化构件16间设置间隙，使该间隙配置于金属板14上搭载的功率元件等电子部件的正下方，则由功率元件等电子部件产生的热量经下方的绝缘性的陶瓷基板12和金属基底板10传导散热时，向金属基底板10的底面(与陶瓷基板12的接合面的相反侧的面)的热传导不会受到阻碍，可形成散热性良好的金属-陶瓷接合基板。
从导电性、热导率和与陶瓷基板的接合的可靠性的观点来看，金属基底板10和金属板14较好是由铝或铝合金形成。此外，陶瓷基板12较好是由氧化铝、氮化铝、氮化硅和碳化硅中的1种以上形成。此外，强化构件16较好是由熔点和强度比金属基底板10高的金属形成，更好是由价格便宜且高强度的钢或含铁金属形成，含铁合金较好是由包含选自镍、钴、铜和锰的1种以上与铁的金属形成。特别是由于因金属与陶瓷的热膨胀系数的差异在接合时产生的热应力和在金属-陶瓷接合基板上搭载功率元件等电子部件的热处理时或使用时等情况下产生的热应力，金属-陶瓷接合基板容易大幅翘曲，为了抑制该翘曲，较好是强化构件16由热膨胀系数低的42合金(铁中掺入镍的合金)、因瓦合金(铁和镍的合金，不变钢)、可伐合金(铁中掺入镍和钴等的合金)、高强度的SPCC(普通钢)等形成。此外，强化构件16的厚度较好是0.5～2.0mm。此外，为了抑制与金属基底板10的反应，强化构件16较好是通过Ni镀层等被覆。
图1A～图1D所示的实施方式的金属-陶瓷接合基板可如下制造：以使陶瓷基板12和强化构件16间隔配置于图2A～图2D所示的模具20内的方式，使陶瓷基板12的周缘部和强化构件16的长边方向的两端部支承于模具中，以既与模具20内的陶瓷基板12的两面接触又与强化构件16的除长边方向的两端部以外的整面接触的方式倒入熔液并冷却。
如图2A所示，由碳等形成的模具20由平面形状分别呈大致矩形的下侧模具构件22和上侧模具构件24构成。
如图2A～图2C所示，在下侧模具构件22的上面形成有用于形成金属基底板10的陶瓷基板12侧的部分(本实施方式中大致为一半)的凹部(金属基底板形成部)22a，在该凹部22a的底面以与陶瓷基板12大致相同的形状和大小形成有用于收纳陶瓷基板12的凹部(陶瓷基板收纳部)22b，在该凹部22b的底面形成有用于形成电路图案用的金属板14的凹部(金属板形成部)22c。此外，在金属基底板形成部22a的长边方向的两侧面的上侧以与各强化构件16的长边方向的两端部的陶瓷基板12侧的部分(本实施方式中大致为一半)大致相同的形状和大小相互间隔地形成有用于收纳该部分的凹部(强化构件支持部)22d。
此外，如图2A和图2D所示，在上侧模具构件24的下面(背面)形成有用于形成金属基底板10的与陶瓷基板12相反的一侧的部分(本实施方式中大致为一半)的凹部(金属基底板形成部)24a。在由该金属基底板形成部24a和下侧模具构件22的金属基底板形成部22a划定的空间内形成金属基底板10。此外，在该凹部24a的长边方向的两侧面的上侧(图2A中为下侧)以与各强化构件16的长边方向的两端部的与陶瓷基板12相反的一侧的部分(本实施方式中大致为一半)大致相同的形状和大小相互间隔地形成有用于收纳该部分的凹部(强化构件支持部)24d，若在将强化构件16收纳于下侧模具构件22的强化构件支持部22d后将上侧模具构件24盖到下侧模具构件22上，则强化构件16被下侧模具构件22的强化构件支持部22d和上侧模具构件24的强化构件支持部24d夹持。通过这样夹持强化构件16，可高精度地将强化构件16固定至规定的位置(沿金属基底板10的主面的方向和厚度方向的规定位置)，所以可制造翘曲及其偏差、特别是长边方向的翘曲及其偏差小的金属-陶瓷接合基板。
此外，上侧模具构件24形成有用于自(未图示)注液喷嘴向金属基底板形成部24a内注入熔液的(未图示)注液口，并在下侧模具构件22形成有在金属基底板形成部22a与金属板形成部22c之间延伸的(未图示)熔液流路，即使陶瓷基板收纳部22b内收纳有陶瓷基板12时，金属基底板形成部22a与金属板形成部22c之间也连通。
本实施方式中，将作为强化构件支持部的凹部22d和凹部24d分别设于下侧模具构件22的金属基底板形成部22a和上侧模具构件24的金属基底板形成部24a，但也可以将与强化构件16的长边方向的两端部对应的形状和大小的凹部设于下侧模具构件22的金属基底板形成部22a和上侧模具构件24的金属基底板形成部24a中的任一方。
为了使用这样的模具20制造图1A～图1D所示的实施方式的金属-陶瓷接合基板，首先将陶瓷基板12配置于下侧模具构件22的陶瓷基板收纳部22b内后，将强化构件16承载于下侧模具构件22的强化构件支持部22d并将上侧模具构件24盖到下侧模具构件22上。若在该状态下向模具20内倒入铝或铝合金等金属的熔液并冷却，则可制造配置于内部的强化构件16的长边方向的两端部从侧面突出的金属基底板10直接接合于陶瓷基板12的一面且陶瓷基板12的另一面直接接合有电路图案用金属板14的金属-陶瓷接合基板。然后，通过用周知的切割方法除去从金属基底板10突出的强化构件16的长边方向的两端部，可制造图1A～图1D所示的实施方式的金属-陶瓷接合基板。
将熔液倒入模具20内时，优选将模具20移动至(未图示)接合炉内，使该接合炉内呈氮气气氛并使氧浓度下降至100ppm以下，较好是10ppm以下，通过加热器的温度控制将模具20加热至注液温度(例如注入铝熔液的情况下为600～800℃)后，将加热至注液温度并预先进行了测量的金属熔液通过氮气以规定的压力加压，从注液口倒入模具20内。通过这样注液，可防止在金属与陶瓷之间产生大的接合缺陷。此外，将熔液倒入模具20内后，较好是通过从(未图示)喷嘴向注液口通入氮气，在将模具20内的熔液以规定的压力加压的情况下冷却而使其凝固。注液和冷却时通过氮气加压的规定压力较好是1～100kPa，更好是3～80kPa，最好是5～15kPa。如果该压力过低，则熔液难以进入模具20内；如果过高，则强化构件16的位置可能会偏离，或者模具20破坏。特别是使用碳制的模具20的情况下，如果达到1MPa以上的高压，则可能会模具20被破坏，或熔液从模具20漏出，又或强化构件16或陶瓷基板12的位置偏离。
图3表示作为上述的实施方式的金属-陶瓷接合基板的强化构件16的变形例1的强化构件116。该强化构件116是配置于金属基底板10的与同陶瓷基板12的接合面大致平行的(假想)平面上且与该接合面大致平行的面的与陶瓷基板12相对的部分的面积比该接合面的面积小的1个板状构件，是由相互间隔并沿长边方向延伸的多个(图示的例子中为3个)长边方向板状部和相互间隔(与长边方向大致垂直)并沿宽度方向延伸而连接长边方向板状部的多个(图示的例子中为3个)宽度方向板状部形成的格子状的板状构件。该强化构件116的各长边方向板状部的两端部116a呈与由模具20的强化构件支持部22d和24d划定的空间大致相同的形状和大小。如果采用该变形例的强化构件116，则不仅可减小金属-陶瓷接合基板的长边方向的翘曲及其偏差，还可减小宽度方向的翘曲及其偏差。此外，如果强化构件116的由长边方向板状部和宽度方向板状部包围的开口部116b配置于金属板14上搭载的功率元件的正下方，则可防止金属基底板10对向底面的热传导的阻碍，形成散热性良好的金属-陶瓷接合基板。其它构成与上述的实施方式相同，略去其说明。
图4表示作为上述的实施方式的金属-陶瓷接合基板的强化构件16的变形例2的强化构件216。该强化构件216中，开口部216b的大小及位置和长边方向板状部的两端部216a的形状与上述的变形例1的强化构件116不同。如果该强化构件216的由长边方向板状部和宽度方向板状部包围的开口部216b配置于金属板14上搭载的功率元件等电子部件的正下方，则可防止金属基底板10对向底面的热传导的阻碍，形成散热性良好的金属-陶瓷接合基板。此外，该强化构件216的角部呈相对于长边方向侧面和宽度方向侧面倾斜的斜面，长边方向板状部的两端部的大小和形状与上述的变形例1的强化构件116不同，所以将模具20的强化构件支持部22d和24d的形状和大小也与该变更对应地进行变更即可。其它构成与上述的变形例1相同，略去其说明。
金属基底板10形成有用于对散热板进行螺丝固定的安装孔的情况下，如果与该安装孔对应地对强化构件开孔并通过强化构件包围金属基底板10的安装孔，则可使螺丝固定部分的强度提高。该螺丝固定部分几乎不会对散热产生影响，所以该螺丝固定部分中，强化构件可从金属基底板10露出。
以下，对基于本发明的金属-陶瓷接合基板及其制造方法的实施方式1的实施例进行详细说明。
实施例1
首先，除了在金属基底板形成部22a的底面形成有相互间隔的2个陶瓷基板收纳部22b并在这些陶瓷基板收纳部22b的各底面形成有金属板形成部22c以外，使用与图2A～图2D所示的模具20相同形状的碳制模具，将大小为50mm×50mm×0.6mm的由AlN形成的陶瓷基板12配置于下侧模具构件22的各陶瓷基板收纳部22b内，将大小为150mm×15mm×0.6mm的3条由42合金形成的强化构件16的各两端部(分别为长5mm的部分)配置于下侧模具构件22的强化构件支持部22d后，将上侧模具构件24盖到下侧模具构件22上并放入炉内，使炉内呈氮气气氛而使氧浓度达到4ppm以下。在该状态下通过加热器的温度控制将模具20加热至720℃后，将加热至720℃预先进行了测量的纯度99.9％的铝熔液从安装于模具20的注液口的注液喷嘴通过氮气以10kPa的压力加压并导入模具20内的大小为140mm×60mm×5mm的金属基底板形成部22a和24a内进行填充，同时介以形成于下侧模具构件22的熔液流路填充至大小为48mm×48mm×0.6mm的各金属板形成部22c。然后，通过从注液喷嘴向注液口通入氮气，对模具20内的熔液在以10kPa的压力加压的状态下进行冷却而使熔液凝固。由此，通过所谓的熔液接合法制成下述金属-陶瓷接合基板：大小为150mm×15mm×0.6mm的3条强化构件16贯穿内部且各强化构件16的长边方向的两端部(分别为长5mm的部分)从侧面突出的大小为140mm×60mm×5mm的金属基底板10直接接合于大小为50mm×50mm×0.6mm的各陶瓷基板12的一面，各陶瓷基板12的另一面直接接合有大小为48mm×48mm×0.6mm的电路图案用金属板14。将该金属-陶瓷接合基板从模具20取出后，将从金属基底板10突出的强化构件16的长边方向的两端部切割除去，从而制成除金属基底板10上直接接合2块陶瓷基板12且这些陶瓷基板12分别直接接合有电路图案用金属板14以外与图1A～图1D相同形状的金属-陶瓷接合基板。
对于这样得到的金属-陶瓷接合基板的金属基底板10的长边方向的翘曲量(将金属基底板10的底面配置于水平面时的金属基底板10底面的中央部的切平面与端部的垂直方向的距离)，将向下侧翘曲的情况(凹状)设为正(+)，将向上侧翘曲的情况(凸状)设为负(-)，通过激光位移计进行测定。其结果是，陶瓷基板12的长边方向的翘曲量为-10μm。
此外，对将所得的金属-陶瓷接合基板在加热板上加热而使基板表面温度为260℃时的长边方向的翘曲量进行了测定，结果陶瓷基板12的长边方向的翘曲量为+200μm。
此外，加热后陶瓷基板12也不会发生破裂等问题，绝缘性等电性能也良好。金属板14与陶瓷基板12之间、金属基底板10与陶瓷基板12之间、金属基底板10与加强构件16之间的接合都良好，没有特别的缺陷。
实施例2
除了使用大小为150mm×50mm×1.0mm的1条强化构件16并使用与之对应的模具20以外，通过与实施例1同样的方法，制成金属-陶瓷接合基板。
对这样得到的金属-陶瓷接合基板的金属基底板10的长边方向的翘曲量通过与实施例1同样的方法进行了测定，结果陶瓷基板12的长边方向的翘曲量为+10μm。
此外，对将所得的金属-陶瓷接合基板在加热板上加热而使基板表面温度为260℃时的长边方向的翘曲量进行了测定，结果陶瓷基板12的长边方向的翘曲量为+298μm。
实施例3
除了使用大小为150mm×50mm×0.6mm的1条强化构件16并使用与之对应的模具20以外，通过与实施例1同样的方法，制成金属-陶瓷接合基板。
对这样得到的金属-陶瓷接合基板的金属基底板10的长边方向的翘曲量通过与实施例1同样的方法进行了测定，结果陶瓷基板12的长边方向的翘曲量为-20μm。
此外，对将所得的金属-陶瓷接合基板在加热板上加热而使基板表面温度为260℃时的长边方向的翘曲量进行了测定，结果陶瓷基板12的长边方向的翘曲量为+500μm。
比较例1
除了不使用强化构件16并使用与之对应的模具20以外，通过与实施例1同样的方法，制成金属-陶瓷接合基板。
对这样得到的金属-陶瓷接合基板的金属基底板10的长边方向的翘曲量通过与实施例1同样的方法进行了测定，结果陶瓷基板12的长边方向的翘曲量为-30μm。
此外，对将所得的金属-陶瓷接合基板在加热板上加热而使基板表面温度为260℃时的长边方向的翘曲量进行了测定，结果陶瓷基板12的长边方向的翘曲量为+900μm。
[实施方式2]
如图5A～图5B所示，基于本发明的金属-陶瓷接合基板的实施方式2具备平面形状呈大致矩形的由金属形成的金属基底板310、一面直接接合于该金属基底板310的平面形状呈大致矩形的1块或多块(本实施方式中为1块)陶瓷基板312、直接接合于该陶瓷基板312的另一面的平面形状呈大致矩形的由金属形成的电路图案用金属板314。
此外，如图5A～图5B所示，在金属基底板310的内部，1块或多块板状或棒状(本实施方式中为平面形状和横截面形状呈大致矩形的7块细长板状)的由陶瓷形成的强化构件316自金属基底板310的长边方向(或宽度方向)的两端面中的一个端面向另一端面贯穿金属基底板310的内部并沿长边方向(或宽度方向)延伸。本实施方式中，细长板状的强化构件316的(金属基底板310的厚度方向的)厚度比(沿金属基底板310与陶瓷基板312的接合面的方向的)宽度小。这些强化构件316的长边方向的两端面露出于外部，其两端面以外的整面(强化构件316的贯穿金属基底板310的内部延伸的部分整面)与金属基底板310直接接合。通过这样自金属基底板310的长边方向(或宽度方向)的两端面中的一个端面向另一端面贯穿金属基底板310的内部并沿长边方向(或宽度方向)延伸的强化构件316，可减小金属-陶瓷接合基板的翘曲及其偏差。
此外，这些强化构件316配置于金属基底板310的与同陶瓷基板312的接合面大致平行的(假想)平面上，相互间隔并大致平行地延伸(本实施方式中，在中央的强化构件316的两侧等间隔配置有各3个强化构件316)。如果这样在强化构件316间设置间隙，使该间隙配置于金属板314上搭载的功率元件等电子部件的正下方，则由功率元件等电子部件产生的热量经下方的绝缘性的陶瓷基板312和金属基底板310传导散热时，向金属基底板310的底面的热传导不会受到阻碍，可形成散热性良好的金属-陶瓷接合基板。
从导电性、热导率和与陶瓷基板的接合的可靠性的观点来看，金属基底板310和金属板314较好是由铝或铝合金形成。此外，陶瓷基板312和强化构件316较好是由氧化铝、氮化铝、氮化硅和碳化硅中的1种以上形成。
图5A～图5B所示的实施方式的金属-陶瓷接合基板可如下制造：以使陶瓷基板312和强化构件316间隔配置于图6所示的模具320内的方式，使陶瓷基板312的周缘部和强化构件316的长边方向的两端部支承于模具中，以既与模具320内的陶瓷基板312的两面接触又与强化构件316的除长边方向的两端部以外的整面接触的方式倒入熔液并冷却。
如图6所示，由碳等形成的模具320由平面形状分别呈大致矩形的下侧模具构件322和上侧模具构件324构成。
如图6所示，在下侧模具构件322的上面形成有用于形成金属基底板310的陶瓷基板312侧的部分(本实施方式中大致为一半)的凹部(金属基底板形成部)322a，在该凹部322a的底面以与陶瓷基板312大致相同的形成和大小形成有用于收纳陶瓷基板312的凹部(陶瓷基板收纳部)322b，在该凹部322b的底面形成有用于形成电路图案用的金属板314的凹部(金属板形成部)322c。此外，在金属基底板形成部322a的长边方向的两侧面的上侧以与各强化构件316的长边方向的两端部大致相同的形状和大小相互间隔地形成有用于收纳该部分的凹部(强化构件支持部)322d。
此外，如图6所示，在上侧模具构件324的下面(背面)形成有用于形成金属基底板310的与陶瓷基板312相反的一侧的部分(本实施方式中大致为一半)的凹部(金属基底板形成部)324a。在由该金属基底板形成部324a和下侧模具构件322的金属基底板形成部322a划定的空间内形成金属基底板310。若在将强化构件316收纳于下侧模具构件322的强化构件支持部322d后将上侧模具构件324盖到下侧模具构件322上，则强化构件316被下侧模具构件322的强化构件支持部322d和上侧模具构件324夹持。通过这样夹持强化构件316，可高精度地将强化构件316固定至规定的位置(沿金属基底板310的主面的方向和厚度方向的规定位置)，所以可制造翘曲及其偏差小的金属-陶瓷接合基板。
此外，上侧模具构件324形成有用于自(未图示)注液喷嘴向金属基底板形成部324a内注入熔液的(未图示)注液口，并在下侧模具构件322形成有在金属基底板形成322a与金属板形成部322c之间延伸的(未图示)熔液流路，即使陶瓷基板收纳部322b内收纳有陶瓷基板312时，金属基底板形成322a与金属板形成部322c之间也连通。
本实施方式中，将作为强化构件支持部的凹部332d设于下侧模具构件322的金属基底板形成部322a，但也可将与强化构件316的长边方向的两端部对应的形状和大小的凹部设于上侧模具构件324的金属基底板形成部324a。或者，还可以将凹部同时设于下侧模具构件322的金属基底板形成部322a和上侧模具构件324的金属基底板形成部324a，使将两个凹部合并而得的空间呈与强化构件316的长边方向的两端部对应的形状和大小。
为了使用这样的模具320制造图5A～图5B所示的实施方式的金属-陶瓷接合基板，首先将陶瓷基板312配置于下侧模具构件322的陶瓷基板收纳部322b内后，将强化构件316承载于下侧模具构件322的强化构件支持部322d并将上侧模具构件324盖到下侧模具构件322上。若在该状态下向模具320内倒入铝或铝合金等金属的熔液并冷却，则可制造配置于内部的强化构件316的长边方向的两端部从侧面突出的金属基底板310直接接合于陶瓷基板312的一面且陶瓷基板312的另一面直接接合有电路图案用金属板314的金属-陶瓷接合基板。然后，通过用周知的切割方法除去从金属基底板310突出的强化构件316的长边方向的两端部，可制造图5A～图5B所示的实施方式的金属-陶瓷接合基板。
将熔液倒入模具320内时，优选将模具320移动至(未图示)接合炉内，使该接合炉内呈氮气气氛并使氧浓度下降至100ppm以下，较好是10ppm以下，通过加热器的温度控制将模具320加热至注液温度(例如注入铝熔液的情况下为600～800℃)后，将加热至注液温度并预先进行了测量的金属熔液通过氮气以规定的压力加压，从注液口倒入模具320内。通过这样注液，可防止在金属与陶瓷之间产生大的接合缺陷。此外，将熔液倒入模具320内后，较好是通过从(未图示)喷嘴向注液口通入氮气，在将模具320内的熔液以规定的压力加压的情况下冷却而使其凝固。注液和冷却时通过氮气加压的规定压力较好是1～100kPa，更好是3～80kPa，最好是5～15kPa。如果该压力过低，则熔液难以进入模具320内；如果过高，则可能会强化构件316的位置偏离，或者模具320破坏。特别是使用碳制的模具320的情况下，如果达到1MPa以上的高压，则可能会模具320被破坏，或熔液从模具320漏出，又或强化构件316或陶瓷基板312的位置偏离。
图7A、图7B和图8表示本实施方式的金属-陶瓷接合基板及用于制造该基板的模具的变形例1。
本变形例中，(金属基底板410的厚度方向的)厚度比(沿金属基底板410与陶瓷基板412的接合面的方向的)宽度大的平面形状和横截面形状呈大致矩形的3块细长板状的强化构件416配置于与金属基底板410的同陶瓷基板412的接合面大致平行的(假想)平面上，相互间隔并大致平行地延伸(本实施方式中，在中央的强化构件416的两侧以等间隔配置有分别各1个强化构件416)。其它构成与上述的实施方式2相同，所以对应部分的参照符号加上100进行图示，并略去其说明。
本变形例中，强化构件416的(金属基底板410的厚度方向的)厚度比(沿金属基底板410与陶瓷基板412的接合面的方向的)宽度大，因此可制造金属基底板410的厚度方向的散热性良好且翘曲及其偏差小的金属-陶瓷接合基板。即，可减小强化构件416的(沿金属基底板410与陶瓷基板412的接合面的方向的)宽度，减小阻碍金属基底板410的厚度方向的散热的面积，并增大强化构件416的(金属基底板410的厚度方向的)厚度，对于金属基底板410的翘曲不易发生弯曲，并且能够减少强化构件416的使用量，降低成本。
图9A、图9B和图10表示本实施方式的金属-陶瓷接合基板及用于制造该基板的模具的变形例2。
本变形例中，(金属基底板510的厚度方向的)厚度比(沿金属基底板510与陶瓷基板512的接合面的方向的)宽度大的平面形状和横截面形状呈大致矩形的3块细长板状的强化构件516配置于与金属基底板510的同陶瓷基板512的接合面大致平行的(假想)平面上，相互间隔并大致平行地延伸(本实施方式中，在中央的强化构件516的两侧以等间隔配置有分别各1个强化构件516)，并且同样的3块强化构件516与上述3块强化构件516的下面抵接且沿与上述3块强化构件516大致垂直的方向相互间隔地延伸(本实施方式中，在中央的强化构件516的两侧以等间隔配置有分别各1个强化构件516)。其它构成与上述的实施方式2相同，所以对应部分的参照符号加上200进行图示，并略去其说明。
本变形例中，强化构件516的(金属基底板510的厚度方向的)厚度比(沿金属基底板510与陶瓷基板512的接合面的方向的)宽度大，因此可制造金属基底板510的厚度方向的散热性良好且长边方向和宽度方向这两个方向的翘曲及其偏差小的金属-陶瓷接合基板。即，可减小强化构件516的(沿金属基底板510与陶瓷基板512的接合面的方向的宽度方向的)宽度，减小阻碍金属基底板510的厚度方向的散热的面积，并增大强化构件516的(金属基底板510的厚度方向的)厚度，对于金属基底板510的长边方向和宽度方向这两个方向的翘曲不易发生弯曲，并且能够减少强化构件516的使用量，降低成本。
图11A、图11B和图12表示本实施方式的金属-陶瓷接合基板及用于制造该基板的模具的变形例3。
本变形例中，比金属基底板610的底面宽度窄且长度与其底面长度相同的1块平板状的强化构件616在金属基底板610的底面的长边方向中央部于该底面的整个长度范围内延伸。其它构成与上述的实施方式2相同，所以对应部分的参照符号加上300进行图示，并略去其说明。通过本变形例，也可制造散热性良好且翘曲及其偏差小的金属-陶瓷接合基板。
图13A、图13B和图14表示本实施方式的金属-陶瓷接合基板及用于制造该基板的模具的变形例4。
本变形例中，比金属基底板710的底面长度短且宽度与其底面宽度相同的1块平板状的强化构件718在金属基底板710的内部自加强构件716向金属基底板710的底面沿厚度方向间隔且沿与加强构件716大致垂直的方向于金属基底板710的整个长度范围内延伸。其它构成与上述的实施方式2相同，所以对应部分的参照符号加上400进行图示，并略去其说明。通过本变形例，也可制造散热性良好且翘曲及其偏差小的金属-陶瓷接合基板。
图15A、图15B和图16表示本实施方式的金属-陶瓷接合基板及用于制造该基板的模具的变形例5。
本变形例中，以覆盖金属基底板810的侧面的方式配置有平板状的强化构件816。其它构成与上述的实施方式2相同，所以对应部分的参照符号加上500进行图示，并略去其说明。通过本变形例，也可制造散热性良好且翘曲及其偏差小的金属-陶瓷接合基板。
图17A、图17B和图18表示本实施方式的金属-陶瓷接合基板及用于制造该基板的模具的变形例6。
本变形例中，在金属基底板910的厚度方向的大致中央部比金属基底板910的主面小的大致矩形的平面形状的1块加强构件916在金属基底板910的主面的大致中央部与其主面大致平行地延伸。其它构成与上述的实施方式2相同，所以对应部分的参照符号加上600进行图示，并略去其说明。通过本变形例，也可制造散热性良好且翘曲及其偏差小的金属-陶瓷接合基板。
以下，对基于本发明的金属-陶瓷接合基板及其制造方法的实施方式2的实施例进行详细说明。
实施例4
首先，使用与图6所示的模具320相同形状的碳制模具，将大小为50mm×50mm×0.6mm的由AlN形成的陶瓷基板312配置于下侧模具构件322的各陶瓷基板收纳部322b内，将大小为80mm×5mm×0.6mm的7条由AlN形成的强化构件316的各两端部(分别为长5mm的部分)配置于下侧模具构件322的强化构件支持部322d后，将上侧模具构件324盖到下侧模具构件322上并放入炉内，使炉内呈氮气气氛而使氧浓度达到4ppm以下。在该状态下通过加热器的温度控制将模具320加热至730℃后，将加热至740℃预先进行了测量的铝熔液从安装于模具320的注液口的注液喷嘴通过氮气以10kPa的压力加压并导入模具320内的大小为70mm×70mm×5mm的金属基底板形成部322a内进行填充，同时介以形成于下侧模具构件322的熔液流路填充至大小为48mm×48mm×0.6mm的各金属板形成部322c。然后，通过从注液喷嘴向注液口通入氮气，对模具320内的熔液在以10kPa的压力加压的状态下进行冷却而使熔液凝固。由此，通过所谓的熔液接合法制成下述金属-陶瓷接合基板：大小为80mm×5mm×0.6mm的7条强化构件316贯穿内部且各强化构件316的长边方向的两端部(分别为长5mm的部分)从侧面突出的大小为70mm×70mm×5mm的金属基底板310直接接合于大小为50mm×50mm×0.6mm的陶瓷基板312的一面，同时陶瓷基板312的另一面直接接合有大小为48mm×48mm×0.6mm的电路图案用金属板314。将该金属-陶瓷接合基板从模具320取出后，将从金属基底板310突出的强化构件316的长边方向的两端部切割除去，从而制成与图5A～图5B相同形状的金属-陶瓷接合基板。
对于这样得到的金属-陶瓷接合基板的电路图案用金属板314表面的中央部的翘曲量，针对陶瓷基板312的长边方向和(与长边方向垂直的)宽度方向，间距设为45mm，将向下侧翘曲的情况(凹状)设为正(+)，将向上侧翘曲的情况(凸状)设为负(-)，通过激光位移计进行测定。除本实施例之外，以下的实施例5～17和比较例2～3中，使用平面形状呈正方形的陶瓷基板，但为了便于说明，将正方形的一边的方向称为长边方向，将与该长边方向垂直的方向称为宽度方向。其结果是，陶瓷基板312的长边方向的翘曲量为-36μm，宽度方向的翘曲量为-198μm。
此外，对于进行1次、3次、5次和10次将所得的金属-陶瓷接合基板在410℃的炉内保持10分钟的过炉试验后的翘曲量进行了测定。其结果是，过炉1次后的长边方向的翘曲量为-33μm，宽度方向的翘曲量为-264μm，过炉3次后的长边方向的翘曲量为-57μm，宽度方向的翘曲量为-309μm，过炉5次后的长边方向的翘曲量为-69μm，宽度方向的翘曲量为-342μm，过炉10次后的长边方向的翘曲量为-90μm，宽度方向的翘曲量为-390μm。
此外，过炉10次后陶瓷基板312也不会发生破裂等问题，绝缘性等电性能也良好。金属板314与陶瓷基板312之间、金属基底板310与陶瓷基板312之间、金属基底板310与加强构件316之间的接合都良好，没有特别的缺陷。
实施例5
除了使用大小为80mm×50mm×0.6mm的1块强化构件316并使用与之对应的模具320以外，通过与实施例4同样的方法，制成金属-陶瓷接合基板。
对于这样得到的金属-陶瓷接合基板的电路图案用金属板314表面的中央部的翘曲量通过与实施例4同样的方法进行了测定，结果陶瓷基板312的长边方向的翘曲量为-36μm，宽度方向的翘曲量为-45μm。
此外，对于进行1次、3次、5次和10次将所得的金属-陶瓷接合基板在410℃的炉内保持10分钟的过炉试验后的翘曲量进行了测定。其结果是，过炉1次后的长边方向的翘曲量为-42μm，宽度方向的翘曲量为-42μm，过炉3次后的长边方向的翘曲量为-18μm，宽度方向的翘曲量为-18μm，过炉5次后的长边方向的翘曲量为-30μm，宽度方向的翘曲量为-27μm，过炉10次后的长边方向的翘曲量为-63μm，宽度方向的翘曲量为-63μm。
比较例2
除了如图19A～图19B所示不使用强化构件316并使用与之对应的图20所示的模具1020以外，通过与实施例4同样的方法制成金属-陶瓷接合基板。本比较例中制成的金属-陶瓷接合基板及用于制造该基板的模具的其它构成与上述的实施方式2相同，所以对应部分的参照符号加上700进行图示，并略去其说明。
对于这样得到的金属-陶瓷接合基板的电路图案用金属板1014表面的中央部的翘曲量通过与实施例4同样的方法进行了测定，结果陶瓷基板1012的长边方向的翘曲量为-231μm，宽度方向的翘曲量为-201μm。
此外，对于进行1次、3次、5次和10次将所得的金属-陶瓷接合基板在410℃的炉内保持10分钟的过炉试验后的翘曲量进行了测定。其结果是，过炉1次后的长边方向的翘曲量为-273μm，宽度方向的翘曲量为-252μm，过炉3次后的长边方向的翘曲量为-321μm，宽度方向的翘曲量为-294μm，过炉5次后的长边方向的翘曲量为-351μm，宽度方向的翘曲量为-333μm，过炉10次后的长边方向的翘曲量为-399μm，宽度方向的翘曲量为-393μm。
实施例6
对于通过与实施例4同样的方法制成的其它金属-陶瓷接合基板的电路图案用金属板314表面的中央部的翘曲量通过与实施例4同样的方法进行了测定，结果陶瓷基板312的长边方向的翘曲量为-46μm，宽度方向的翘曲量为-201μm。
此外，对于所得的金属-陶瓷接合基板的金属基底板310表面的中央部的翘曲量，针对陶瓷基板312的长边方向和(与长边方向垂直的)宽度方向，间距设为60mm，将向下侧翘曲的情况(凹状)设为正(+)，将向上侧翘曲的情况(凸状)设为负(-)，通过激光位移计进行测定。其结果是，陶瓷基板312的长边方向的翘曲量为-84μm，宽度方向的翘曲量为-336μm。
实施例7
对于通过与实施例6同样的方法制成的其它金属-陶瓷接合基板的电路图案用金属板314表面的中央部的翘曲量通过与实施例4同样的方法进行了测定，结果陶瓷基板312的长边方向的翘曲量为-27μm，宽度方向的翘曲量为-45μm。
此外，对于所得的金属-陶瓷接合基板的金属基底板310表面的中央部的翘曲量，针对陶瓷基板312的长边方向和(与长边方向垂直的)宽度方向，通过与实施例6同样的方法进行了测定，结果陶瓷基板312的长边方向的翘曲量为-33μm，宽度方向的翘曲量为-78μm。
实施例8
除了使用大小为80mm×60mm×0.6mm的1块强化构件316并使用与之对应的模具320以外，通过与实施例4同样的方法，制成金属-陶瓷接合基板。
对于这样得到的金属-陶瓷接合基板的电路图案用金属板314表面的中央部的翘曲量通过与实施例4同样的方法进行了测定，结果陶瓷基板312的长边方向的翘曲量为-21μm，宽度方向的翘曲量为-21μm。
此外，对于所得的金属-陶瓷接合基板的金属基底板310表面的中央部的翘曲量，针对陶瓷基板312的长边方向和(与长边方向垂直的)宽度方向，通过与实施例6同样的方法进行了测定，结果陶瓷基板312的长边方向的翘曲量为-30μm，宽度方向的翘曲量为-39μm。
实施例9
除使用与图12所示的模具620相同形状的碳制模具并使用大小为80mm×60mm×0.6mm的1块强化构件616并使用与之对应的模具320以外，通过与实施例4同样的方法，制成与图11A～图11B所示的金属-陶瓷接合基板相同形状的金属-陶瓷接合基板。
对于这样得到的金属-陶瓷接合基板的电路图案用金属板614表面的中央部的翘曲量通过与实施例4同样的方法进行了测定，结果陶瓷基板612的长边方向的翘曲量为-45μm，宽度方向的翘曲量为-15μm。
此外，对于所得的金属-陶瓷接合基板的金属基底板610表面的中央部的翘曲量，针对陶瓷基板612的长边方向和(与长边方向垂直的)宽度方向，通过与实施例6同样的方法进行了测定，结果陶瓷基板612的长边方向的翘曲量为-72μm，宽度方向的翘曲量为-42μm。
比较例3
对于通过与比较例2同样的方法制成的其它金属-陶瓷接合基板的电路图案用金属板1014表面的中央部的翘曲量通过与实施例4同样的方法进行了测定，结果陶瓷基板1012的长边方向的翘曲量为-213μm，宽度方向的翘曲量为-177μm。
此外，对于所得的金属-陶瓷接合基板的金属基底板1010表面的中央部的翘曲量，针对陶瓷基板1012的长边方向和(与长边方向垂直的)宽度方向，通过与实施例6同样的方法进行了测定，结果陶瓷基板1012的长边方向的翘曲量为-387μm，宽度方向的翘曲量为-345μm。
实施例10
除使用大小为80mm×10mm×0.6mm的3块强化构件316并形成大小为48mm×48mm×0.4mm的电路图案用金属板314和大小为70mm×70mm×4mm的金属基底板310以外，通过与实施例4同样的方法，制成金属-陶瓷接合基板。
对于这样得到的金属-陶瓷接合基板的金属基底板310表面的中央部的翘曲量，针对陶瓷基板312的长边方向和(与长边方向垂直的)宽度方向，通过与实施例6同样的方法进行了测定，结果陶瓷基板312的长边方向的翘曲量为-30μm，宽度方向的翘曲量为-30μm。
实施例11
除使用大小为80mm×3mm×0.6mm的3块强化构件316并形成大小为48mm×48mm×0.4mm的电路图案用金属板314和大小为70mm×70mm×4mm的金属基底板310以外，通过与实施例4同样的方法，制成金属-陶瓷接合基板。
对于这样得到的金属-陶瓷接合基板的金属基底板310表面的中央部的翘曲量，针对陶瓷基板312的长边方向和(与长边方向垂直的)宽度方向，通过与实施例6同样的方法进行了测定，结果陶瓷基板312的长边方向的翘曲量为-25μm，宽度方向的翘曲量为-25μm。
实施例12
除使用大小为80mm×10mm×0.6mm的3块强化构件316并形成大小为48mm×48mm×0.4mm的电路图案用金属板314和大小为70mm×70mm×8mm的金属基底板310以外，通过与实施例4同样的方法，制成金属-陶瓷接合基板。
对于这样得到的金属-陶瓷接合基板的金属基底板310表面的中央部的翘曲量，针对陶瓷基板312的长边方向和(与长边方向垂直的)宽度方向，通过与实施例6同样的方法进行了测定，结果陶瓷基板312的长边方向的翘曲量为-35μm，宽度方向的翘曲量为-35μm。
实施例13
除使用与图8所示的模具420相同形状的碳制模具和大小为80mm×3mm×0.6mm的3块强化构件416并形成大小为48mm×48mm×0.4mm的电路图案用金属板414和大小为70mm×70mm×8mm的金属基底板410以外，通过与实施例4同样的方法，制成与图7A～图7B所示的金属-陶瓷接合基板相同形状的金属-陶瓷接合基板。
对于这样得到的金属-陶瓷接合基板的金属基底板410表面的中央部的翘曲量，针对陶瓷基板412的长边方向和(与长边方向垂直的)宽度方向，通过与实施例6同样的方法进行了测定，结果陶瓷基板412的长边方向的翘曲量为-38μm，宽度方向的翘曲量为-38μm。
实施例14
除使用与图10所示的模具520相同形状的碳制模具和大小为80mm×3mm×0.6mm的6块强化构件516并形成大小为48mm×48mm×0.4mm的电路图案用金属板414和大小为70mm×70mm×8mm的金属基底板410以外，通过与实施例4同样的方法，制成与图9A～图9B所示的金属-陶瓷接合基板相同形状的金属-陶瓷接合基板。
对于这样得到的金属-陶瓷接合基板的金属基底板510表面的中央部的翘曲量，针对陶瓷基板512的长边方向和(与长边方向垂直的)宽度方向，通过与实施例6同样的方法进行了测定，结果陶瓷基板512的长边方向的翘曲量为-36μm，宽度方向的翘曲量为-38μm。
实施例15
除使用与图12所示的模具620相同形状的碳制模具并使用大小为50mm×80mm×0.6mm的1块强化构件616以外，通过与实施例4同样的方法，制成与图11A～图11B所示的金属-陶瓷接合基板相同形状的金属-陶瓷接合基板。
对于这样得到的金属-陶瓷接合基板的金属基底板610表面的中央部的翘曲量，针对陶瓷基板612的长边方向和(与长边方向垂直的)宽度方向，通过与实施例6同样的方法进行了测定，结果陶瓷基板612的长边方向的翘曲量为-25μm，宽度方向的翘曲量为-35μm。
实施例16
除使用与图14所示的模具720相同形状的碳制模具并使用大小为50mm×80mm×0.6mm的1块强化构件718以外，通过与实施例4同样的方法，制成与图13A～图13B所示的金属-陶瓷接合基板相同形状的金属-陶瓷接合基板。
对于这样得到的金属-陶瓷接合基板的金属基底板710表面的中央部的翘曲量，针对陶瓷基板712的长边方向和(与长边方向垂直的)宽度方向，通过与实施例6同样的方法进行了测定，结果陶瓷基板712的长边方向的翘曲量为-32μm，宽度方向的翘曲量为-22μm。
实施例17
除使用与图16所示的模具820相同形状的碳制模具并使用大小为80mm×4mm×0.6mm的4块强化构件816以外，通过与实施例4同样的方法，制成与图15A～图15B所示的金属-陶瓷接合基板相同形状的金属-陶瓷接合基板。
对于这样得到的金属-陶瓷接合基板的金属基底板810表面的中央部的翘曲量，针对陶瓷基板812的长边方向和(与长边方向垂直的)宽度方向，通过与实施例6同样的方法进行了测定，结果陶瓷基板712的长边方向的翘曲量为-43μm，宽度方向的翘曲量为-38μm。
对于实施例4和14的金属-陶瓷接合基板的厚度方向的散热性进行了考察，结果与比较例2的金属-陶瓷接合基板的背面的散热量相比，其散热量的下降率仅在3％以下。因此，这些实施例中，可以在几乎不使散热性下降的情况下抑制金属-陶瓷接合基板的翘曲。
[实施方式3]
通过熔液接合制造基底一体型的金属-陶瓷接合基板时，可认为以包含由热导率比铝或铝合金大的铜等形成的金属板的方式形成由铝或铝合金形成的基底板。
但是，已知熔液接合时以包含铜板的方式形成由铝形成的基底板后，形成Al和Cu的既硬又脆的金属间化合物或固溶体，可能会出现金属-陶瓷接合基板的耐热冲击性和对于陶瓷基板的基底板的接合强度等的可靠性下降，或者热导率下降。此外，还已知基底板可能会从陶瓷基板的界面剥离。另外，还已知无法抑制Al和Cu的扩散量。
因此，通过基于本发明的金属-陶瓷接合基板的实施方式3，在通过熔液接合制造基底一体型的金属-陶瓷接合基板时，即使以包含由热导率比铝或铝合金大的金属形成的金属板的方式形成由铝或铝合金形成的基底板，也可防止该金属与Al的金属间化合物或固溶体的形成并防止该金属和Al的扩散。
如图21A～图21C所示，基于本发明的金属-陶瓷接合基板的实施方式3具备平面形状呈大致矩形的由铝或铝合金形成的基底板2010、一面直接接合于该基底板2010的平面形状呈大致矩形的陶瓷基板2012、直接接合于该陶瓷基板2012的另一面的由铝或铝合金形成的电路图案用金属板2014。此外，如图21B和图21C所示，在基底板2010的内部配置有平面形状呈大致矩形的金属板表面被熔射被膜被覆的熔射被膜被覆构件2016。
熔射被膜被覆构件2016的金属板较好是由热导率比铝或铝合金高的金属形成，更好是由铜或铜合金形成。此外，金属板的厚度较好是0.3～5mm左右，更好是0.5～3mm左右。通过像这样使由热导率比铝或铝合金高的金属形成的金属板表面被熔射被膜被覆的熔射被膜被覆构件2016配置于基底板2010的内部，除了使由热导率比铝或铝合金高的金属形成的金属板配置于基底板的内部而使瞬态热特性和饱和热特性等散热性提高的效果之外，还可获得防止该金属与Al的金属间化合物或固溶体的形成以及该金属和Al的扩散的效果，由此可防止金属-陶瓷接合基板的耐热冲击性和对于陶瓷基板的基底板的接合强度等的可靠性的下降并防止热导率的下降。
图21A～图21C所示的实施方式的金属-陶瓷接合基板可如下制造：向金属板的表面熔射陶瓷而获得金属板的表面被熔射被膜被覆的熔射被膜被覆构件2016后，使熔射被膜被覆构件2016和陶瓷基板2012相互间隔地配置于如图22所示的模具2020内，以与熔射被膜被覆构件2016的整面和陶瓷基板2012的两面接触的方式，导入铝或铝合金的熔液并进行冷却。
熔射较好是等离子体熔射。等离子体熔射是下述方法：在阴极和阳极喷嘴的内面之间生成直流电弧，通过直流电弧加热从后方供给的工作气体而使其膨胀，从喷嘴喷出剧烈的超高温的喷流(等离子体喷流)，将通过工作气体供给至等离子体喷流中的粉末的熔射材料通过等离子体喷流加热并加速，使其撞击基材表面而形成被膜(熔射被膜)。作为工作气体，可使用氩气或氮气，也可向其中混入氢气，还可使用氩和氦的混合气体。熔射材料是陶瓷粉末，较好是选自氧化铝(Al2O3)、氮化铝(AlN)、碳化硅(SiC)和氮化硅(Si3N4)的1种以上的陶瓷粉末。此外，为了通过防止熔射被膜防止Cu等金属和Al的扩散，熔射被膜的厚度较好是0.01～0.3mm左右，更好是0.02～0.2mm左右。
如图22所示，由碳或多孔质金属等透气性材料形成的模具2020由平面形状分别呈大致矩形的下侧模具构件2022和上侧模具构件2024构成。在下侧模具构件2022的上面形成有用于收纳陶瓷基板2012的凹部(陶瓷基板收纳部)2022a，在该凹部2022a的底面形成有用于形成电路图案用铝板的凹部(电路图案用铝板形成部)2022b。在上侧模具构件2024的下面(背面)形成有用于形成基底板的凹部(基底板形成部)2024a。此外，在下侧模具构件2022的上面的陶瓷基板收纳部2022a的周围设有与模具2020相同材质的多个保持针2026，并且在上侧模具构件2024的基底板形成部2024a的底面以与设于下侧模具构件2022的保持针2026相对的方式设有与模具2020相同材质的多个保持针2028，若在将熔射被膜被覆构件2016承载于下侧模具构件2022的保持针2026上后将上侧模具构件2024盖到下侧模具构件2022上，则熔射被膜被覆构件2016通过保持针2026和保持针2028夹持于基底板形成部2024a的大致中央部。上侧模具构件2024形成有用于自(未图示)注液喷嘴向基底板形成部2024a内注入熔液的(未图示)注液口，并在下侧模具构件2022形成有在基底板形成部2024a与电路图案用铝板形成部2022b之间延伸的(未图示)熔液流路，即使陶瓷基板收纳部2022a内收纳有陶瓷基板时，基底板形成部2024a与电路图案用铝板形成部2022b之间也连通。
为了使用这样的模具2020制造图21A～图21C所示的实施方式的金属-陶瓷接合基板，首先使陶瓷基板2012配置于下侧模具构件2022的陶瓷基板收纳部2022a内后，将熔射被膜被覆构件2016承载于下侧模具构件2022的保持针2026上并将上侧模具构件2024盖到下侧模具构件2022上。若在该状态下向模具2020内倒入铝或铝合金的熔液并冷却，则可制造内部配置有熔射被膜被覆构件2016的基底板2010直接接合于陶瓷基板2012的一面且陶瓷基板2012的另一面直接接合有电路图案用铝板2014的金属-陶瓷接合基板。基底板2010形成有与保持针2026和2028对应的多个贯通孔，但这些贯通孔小，因此对金属-陶瓷接合基板的可靠性和热导率几乎不会造成影响。
图23A～图23C表示基于本发明的金属-陶瓷接合基板的实施方式3的变形例。此外，图24A表示用于制造该变形例的金属-陶瓷接合基板的模具，图24B表示配置于该模具内的熔射被膜被覆构件的形状。该变形例中，除了使陶瓷基板2112和电路图案用铝板2114分别为2块，并且使用通过压制加工等形成与保持针2026和2028对应的形状的多个突部代替保持针2026和2028的金属板表面被熔射被膜被覆的熔射被膜被覆构件2116以外，与上述的实施方式3的金属-陶瓷接合基板及其制造方法大致相同，参照符号加上100并略去其说明。该变形例中，在基底板2110的表面露出熔射被膜被覆构件2016的多个突部的表面，但这些露出面的面积小，因此对金属-陶瓷接合基板的可靠性和热导率几乎不会造成影响。
图25表示基于本发明的金属-陶瓷接合基板的实施方式3的其它变形例，图26表示用于制造该变形例的金属-陶瓷接合基板的模具。该变形例中，除了使安装于下侧模具构件的下面的保持针2226与熔射被膜被覆构件2216的底面和侧面抵接而可保持熔射被膜被覆构件2216并在基底板2210的底面相互大致平行并以一定的间隔隔开的多个鳍片2210a代替保持针2026和2028以外，与上述的实施方式3的金属-陶瓷接合基板及其制造方法大致相同，参照符号加上200并略去其说明。如图25所示，可用箱形构件2118覆盖鳍片2210a而作为水冷夹套，也可以不设置箱形构件2118而采用空冷鳍片。此外，基底板2210形成有与保持针2226对应的多个贯通孔，但这些贯通孔小，因此对金属-陶瓷接合基板的可靠性和热导率几乎不会造成影响。
像该变形例这样，将形成与基底板2210的底面的相互大致平行且以一定的间隔隔开的多个(板状的)鳍片2210a(或相互以一定的间隔隔开的针状鳍片)相同的鳍片形成于上述的实施方式1及2和它们的变形例的金属-陶瓷接合基板的金属基底板的底面，可与之对应地改变各模具的金属基底板形成部的形状。
以下，对基于本发明的金属-陶瓷接合基板及其制造方法的实施例进行详细说明。
实施例18
将向厚1mm的Cu板通过等离子体熔射形成有厚0.1mm的Al2O3被膜的熔射被膜被覆构件和AlN基板收纳于与图22所示的模具2020同样的模具内后，在使模具内呈氮气气氛的状态下加热，将铝熔液在除去其表面的氧化膜的同时注入模具内，然后冷却模具而使熔液凝固，从而制成内部包含熔射被膜被覆构件的厚5mm的基底板一体形成的基底一体型的金属-陶瓷接合基板。切割该金属-陶瓷接合基板并对剖面进行了观察，结果没有Cu和Al的扩散，也未发现金属间化合物。此外，在AlN基板与基底板的接合界面和熔射被膜被覆构件与基底板的接合界面未发现气孔等接合缺陷，可知它们之间的接合强度充分。
实施例19
通过除了使用厚3mm的Cu板以外与实施例18同样的方法制成基底一体型的金属-陶瓷接合基板。切割该金属-陶瓷接合基板并对剖面进行了观察，结果没有Cu和Al的扩散，也未发现金属间化合物。此外，在AlN基板与基底板的接合界面和熔射被膜被覆构件与基底板的接合界面未发现气孔等接合缺陷，可知它们之间的接合强度充分。
实施例20
通过除了通过等离子体熔射形成厚0.02mm的Al2O3以外与实施例19同样的方法制成基底一体型的金属-陶瓷接合基板。切割该金属-陶瓷接合基板并对剖面进行了观察，结果没有Cu和Al的扩散，也未发现金属间化合物。此外，在AlN基板与基底板的接合界面和熔射被膜被覆构件与基底板的接合界面未发现气孔等接合缺陷，可知它们之间的接合强度充分。
实施例21
通过除了通过等离子体熔射形成厚0.05mm的Al2O3以外与实施例19同样的方法制成基底一体型的金属-陶瓷接合基板。切割该金属-陶瓷接合基板并对剖面进行了观察，结果没有Cu和Al的扩散，也未发现金属间化合物。此外，在AlN基板与基底板的接合界面和熔射被膜被覆构件与基底板的接合界面未发现气孔等接合缺陷，可知它们之间的接合强度充分。
比较例4
通过除了未对Cu板进行等离子体熔射以外与实施例18同样的方法制成基底一体型的金属-陶瓷接合基板。切割该金属-陶瓷接合基板并对剖面进行了观察，结果Cu和Al相互扩散，还发现了金属间化合物。

Claims (33)

1.在陶瓷基板的一面直接接合金属板并在另一面直接接合金属基底板的金属-陶瓷接合基板，其特征在于，强度比金属基底板高的强化构件以自金属基底板的两端面中的一个端面向另一端面延伸的方式配置，该强化构件并不阻断金属基底板自与陶瓷基板的接合面向该接合面的相反侧的面延伸。
2.如权利要求1所述的金属-陶瓷接合基板，其特征在于，所述金属基底板的两端面为所述金属基底板的长边方向或宽度方向的两端面。
3.如权利要求1所述的金属-陶瓷接合基板，其特征在于，所述金属基底板具有沿相对于所述接合面大致垂直的方向延伸的部分。
4.如权利要求1所述的金属-陶瓷接合基板，其特征在于，所述强化构件被包含在所述金属基底板中。
5.如权利要求1所述的金属-陶瓷接合基板，其特征在于，所述强化构件贯穿所述金属基底板的内部延伸。
6.如权利要求5所述的金属-陶瓷接合基板，其特征在于，所述强化构件为与所述接合面大致平行地延伸的板状构件。
7.如权利要求6所述的金属-陶瓷接合基板，其特征在于，所述强化构件的与所述接合面大致平行的面的与所述陶瓷基板相对的部分的面积比所述接合面的面积小。
8.如权利要求5所述的金属-陶瓷接合基板，其特征在于，所述强化构件是配置于与所述接合面大致平行的平面上且相互间隔并大致平行地延伸的多个板状构件或棒状构件。
9.如权利要求5所述的金属-陶瓷接合基板，其特征在于，所述强化构件是格子状的板状构件，所述格子状的板状构件由配置于与所述接合面大致平行的平面上且相互间隔并沿所述金属基底板的长边方向延伸的多个长边方向板状部和相互间隔并沿所述金属基底板的宽度方向延伸而连接长边方向板状部的多个宽度方向板状部形成。
10.如权利要求5所述的金属-陶瓷接合基板，其特征在于，贯穿所述强化构件的所述金属基底板的内部延伸的部分整面与所述金属基底板直接接合。
11.如权利要求5所述的金属-陶瓷接合基板，其特征在于，所述强化构件的端面暴露于外部，该端面以外的整面与金属基底板直接接合。
12.如权利要求1所述的金属-陶瓷接合基板，其特征在于，所述强化构件由钢、或者包含选自镍、钴、铜和锰的1种以上与铁的金属形成。
13.如权利要求1所述的金属-陶瓷接合基板，其特征在于，所述强化构件由选自氧化铝、氮化铝、氮化硅和碳化硅的1种以上的陶瓷形成。
14.如权利要求1所述的金属-陶瓷接合基板，其特征在于，所述金属基底板由铝或铝合金形成。
15.如权利要求1所述的金属-陶瓷接合基板，其特征在于，所述金属板由铝或铝合金形成。
16.如权利要求1所述的金属-陶瓷接合基板，其特征在于，所述陶瓷基板由选自氧化铝、氮化铝、氮化硅和碳化硅的1种以上的陶瓷形成。
17.在陶瓷基板的一面直接接合金属板并在另一面直接接合金属基底板的金属-陶瓷接合基板的制造方法，其特征在于，以使熔点和强度比金属基底板高的强化构件与陶瓷基板间隔配置于模具内的方式使陶瓷基板的端部和强化构件的端部支承于模具中，以既与模具内的陶瓷基板的两面接触又与强化构件接触的方式注入熔液后冷却而使其固化，从而形成金属板并与陶瓷基板的一面直接接合，形成金属基底板并与陶瓷基板的另一面直接接合，并且使强化构件的端部自金属基底板突出。
18.如权利要求17所述的金属-陶瓷接合基板的制造方法，其特征在于，注入所述熔液时以与所述强化构件的除端部以外的整面接触的方式注入熔液，使自所述金属基底板突出的除所述强化构件的端部以外的所述强化构件整面与金属基底板直接接合。
19.如权利要求17所述的金属-陶瓷接合基板的制造方法，其特征在于，将从所述金属基底板突出的强化构件的端部除去。
20.如权利要求17所述的金属-陶瓷接合基板的制造方法，其特征在于，所述模具由上侧模具构件和下侧模具构件形成，所述强化构件的端部通过夹持于上侧模具构件和下侧模具构件而被支承于所述模具中。
21.如权利要求17所述的金属-陶瓷接合基板的制造方法，其特征在于，所述强化构件由钢、或者包含选自镍、钴、铜和锰的1种以上与铁的金属形成。
22.如权利要求17所述的金属-陶瓷接合基板的制造方法，其特征在于，所述强化构件由选自氧化铝、氮化铝、氮化硅和碳化硅的1种以上的陶瓷形成。
23.如权利要求17所述的金属-陶瓷接合基板的制造方法，其特征在于，所述金属板和所述金属基底板由铝或铝合金形成。
24.金属-陶瓷接合基板，其特征在于，铝构件与陶瓷基板的一面直接接合，所述铝构件内部配置有金属构件的表面被熔射被膜被覆的熔射被膜被覆构件且由铝或铝合金形成。
25.如权利要求24所述的金属-陶瓷接合基板，其特征在于，所述熔射被膜为选自氧化铝、氮化铝、碳化硅和氮化硅的1种以上的陶瓷的被膜。
26.如权利要求25所述的金属-陶瓷接合基板，其特征在于，所述金属构件由铜或铜合金形成。
27.如权利要求24所述的金属-陶瓷接合基板，其特征在于，所述陶瓷基板的另一面直接接合有由铝或铝合金形成的铝板。
28.如权利要求24所述的金属-陶瓷接合基板，其特征在于，所述铝构件的形状为板状或者板状体上一体形成有多个鳍片的形状。
29.金属-陶瓷接合基板的制造方法，其特征在于，在金属构件的表面熔射陶瓷而获得金属构件的表面被熔射被膜被覆的熔射被膜被覆构件后，使该熔射被膜被覆构件与陶瓷基板相互间隔配置于模具内，以与该模具内的熔射被膜被覆构件的整面和陶瓷基板的一面接触的方式注入铝或铝合金的熔液后冷却熔液而使其固化，从而形成包含熔射被膜被覆构件且与陶瓷基板的一面直接接合的由铝或铝合金形成的铝构件。
30.如权利要求29所述的金属-陶瓷接合基板的制造方法，其特征在于，所述熔射为等离子体熔射。
31.如权利要求29所述的金属-陶瓷接合基板的制造方法，其特征在于，用于所述熔射的陶瓷为选自氧化铝、氮化铝、碳化硅和氮化硅的1种以上。
32.如权利要求31所述的金属-陶瓷接合基板的制造方法，其特征在于，所述金属构件由铜或铜合金形成。
33.如权利要求29所述的金属-陶瓷接合基板的制造方法，其特征在于，以与所述模具内的所述陶瓷基板的另一面接触的方式注入所述铝或铝合金的熔液，从而形成与所述陶瓷基板的另一面直接接合的由铝或铝合金形成的铝板。
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