JP4965314B2 - 金属−セラミックス接合基板の製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、金属−セラミックス接合基板の製造装置に関し、特に、セラミックス基板を設置した鋳型内にアルミニウムやアルミニウム合金などの溶湯を注湯した後に冷却して溶湯を固化させることにより、アルミニウムやアルミニウム合金などからなる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を製造する装置に関する。

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、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、アルミニウムやアルミニウム合金などからなる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、このような金属−セラミックス接合基板を製造するための鋳型として、内部にベース板を形成するための空洞部（ベース板形成部）が形成され、この空洞部の底面にセラミックス基板を収容するための複数の凹部（セラミックス基板収容部）が形成され、これらの凹部の各々の底面に回路パターン用金属板を形成するための凹部（回路パターン用金属板形成部）が形成された鋳型が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００２−７６５５１号公報（段落番号００１５） 特開２００５−７４４３４号公報（段落番号０００８）

しかし、このようにセラミックス基板に接合する金属板（ベース板または回路パターン用金属板）の形状および大きさに対応する空洞部または凹部が内部に形成された鋳型を使用して金属−セラミックス接合基板を製造する場合には、鋳型内にアルミニウムやアルミニウム合金などの溶湯を注湯した後に鋳型を冷却して溶湯を固化させる際に、凝固収縮に対する溶湯の供給が不十分になり、製造された金属−セラミックス接合基板のアルミニウムやアルミニウム合金などからなる金属部材にいわゆる「引け巣」や「ボイド」が生じ易く、所望の形状を得ることができず、金属−セラミックス接合基板の信頼性を低下させる場合がある。例えば、ベース板をセラミックス基板に接合した場合に、ベース板のコーナー部が所望の形状よりも丸くなったり、フィンが一体に形成されたベース板をセラミックス基板に接合した場合に、フィンのコーナー部が所望の形状よりも丸くなる場合がある。また、金属部材がアルミニウム合金からなる場合には、冷却過程において金属部材に熱間割れが生じて、金属−セラミックス接合基板の信頼性を低下させる場合がある。

したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、注湯口を備えた鋳型内にセラミックス基板を設置した後、このセラミックス基板に接触するようにアルミニウムやアルミニウム合金などの溶湯を注湯口から鋳型内に注湯し、鋳型を冷却して溶湯を固化させることにより、セラミックス基板にアルミニウムやアルミニウム合金などからなる金属部材を接合する金属−セラミックス接合基板の製造装置において、引け巣やボイドなどの欠陥を防止して信頼性の高い金属−セラミックス接合基板を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装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明による金属−セラミックス接合基板の製造装置は、内部にセラミックス基板が設置された鋳型を予め加熱する予熱部と、この予熱部において予め加熱された鋳型の注湯口からセラミックス基板に接触するように鋳型内に溶湯を注入する注湯部と、この注湯部において鋳型に注入された溶湯を加圧しながら鋳型を冷却して溶湯を固化させる加圧冷却部とを備えたことを特徴とする。

この金属−セラミックス接合基板の製造装置において、加圧冷却部において溶湯を加圧しながら鋳型を冷却する際に、鋳型の一部を冷却して鋳型内に高温側と低温側を形成するとともに、鋳型に注入された溶湯を高温側から低温側に向けて加圧するのが好ましい。あるいは、加圧冷却部において溶湯を加圧しながら鋳型を冷却する際に、鋳型内の注湯口側の部分が高温側になり且つ注湯口と反対側の部分が注湯口側の部分よりも低温側になるように冷却するとともに、鋳型に注湯された溶湯を高温側から低温側に向けて加圧してもよい。

また、加圧冷却部において溶湯を加圧する際に、鋳型の注湯口からガスを吹き込んで加圧してもよく、鋳型の注湯口からピストンにより加圧してもよい。また、加圧冷却部において鋳型を冷却する際に、鋳型に冷却ガスを吹き付けてもよく、鋳型に冷却ブロックを接近または当接させてもよい。また、予熱部、注湯部および加圧冷却部の各々にヒータが設けられているのが好ましい。さらに、予熱部において鋳型を予め加熱する前に鋳型内の雰囲気を置換する雰囲気置換部が設けられているのが好ましく、加圧冷却部において冷却された鋳型の略全体を冷却する冷却部が設けられているのが好ましい。

本発明によれば、注湯口を備えた鋳型内にセラミックス基板を設置した後、このセラミックス基板に接触するようにアルミニウムやアルミニウム合金などの溶湯を注湯口から鋳型内に注湯し、鋳型を冷却して溶湯を固化させることにより、セラミックス基板にアルミニウムやアルミニウム合金などからなる金属部材を接合する金属−セラミックス接合基板の製造装置において、引け巣やボイドなどの欠陥を防止して信頼性の高い金属−セラミックス接合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製造装置の実施の形態では、注湯口を備えた鋳型内にセラミックス基板を設置した後、このセラミックス基板に接触するようにアルミニウムやアルミニウム合金などの溶湯を注湯口から鋳型内に注湯し、鋳型を冷却して溶湯を固化させることにより、セラミックス基板にアルミニウムやアルミニウム合金などからなる金属部材を接合する金属−セラミックス接合基板の製造装置において、鋳型に注湯された溶湯を加圧しながら鋳型を冷却して溶湯を固化させてセラミックス基板に金属部材を接合している。

本発明による金属−セラミックス接合基板の製造装置の実施の形態を使用して、例えば、図１および図２に示すように、金属ベース板１０上にセラミックス基板１２が接合し、その上に金属回路板１４が接合した金属−セラミックス接合基板を製造することができる。セラミックス基板１２は、アルミナなどの酸化物系セラミックス基板でもよいし、窒化アルミニウムや窒化珪素などの非酸化物系セラミックス基板でもよい。また、金属ベース板１０および金属回路板１４がアルミニウム合金からなる場合には、鉄などの元素を添加したアルミニウム−珪素−ホウ素系合金を使用すれば、アルミニウム合金の結晶粒を微細化したまま、アルミニウム−ホウ素化合物の過度の析出を抑制することができ、エッチングによる回路パターンの形成が容易になる。

また、本発明による金属−セラミックス接合基板の製造装置の実施の形態によって、図１および図２に示すような金属−セラミックス接合基板を製造するために使用する鋳型として、例えば、図３に示すような鋳型２０を使用することができる。この鋳型２０は、下側鋳型部材２２と、この下側鋳型部材２２の蓋体としての略平板状の上側鋳型部材２４とから構成されている。下側鋳型部材２２の底面には、ベース板を形成するための空洞部（ベース板形成部）２６が形成され、この空洞部２６の底面には、セラミックス基板を収容するための複数の凹部（セラミックス基板収容部）２８が形成され、これらの凹部２８の各々の底面には、回路パターン用金属板を形成するための凹部（回路パターン用金属板形成部）３０が形成されている。上側鋳型部材２４には、鋳型２０内に溶湯を注湯するための注湯口３２が形成され、この注湯口３２に（図示しない）加圧手段を密着させて溶湯を加圧することができるようになっている。なお、下側鋳型部材２２には、ベース板形成部２６と回路パターン用金属板形成部３０との間に延びる（図示しない）溶湯流路が形成され、セラミックス基板収容部２８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２６と回路パターン用金属板形成部３０との間が連通するようになっている。また、注湯口３２は、引け巣の防止のための押し湯用の開口部を兼ねてもよいが、注湯口３２とは別に（図示しない）押し湯用の開口部を鋳型２０に形成してもよい。

なお、鋳型２０としては、金属の金型と比べてアルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯と反応し難いカーボン製の鋳型を使用するのが好ましく、特に、溶湯を加圧したときに鋳型と溶湯との間にガスが残留している場合でも、残留するガスが鋳型を通過するのを許容し且つ溶湯が鋳型を通過するのを防止して溶湯が鋳型内の端部まで回り易くなるように、多孔質のカーボン製の鋳型を使用するのが好ましい。

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装置の実施の形態について説明する。

［第１の実施の形態］
図４は、本発明による金属−セラミックス接合基板の製造装置の第１の実施の形態を示している。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の製造装置は、セラミックス基板に金属部材を接合する接合炉であり、予熱部２００と、注湯部３００と、加圧冷却部４００と、冷却部５００と、搬送路６００とを備えている。

予熱部２００、注湯部３００、加圧冷却部４００および冷却部５００は、それぞれ外部の大気雰囲気と異なる雰囲気を維持（予熱部２００、注湯部３００および加圧冷却部４００は、さらに外部温度と異なる温度を維持）することができる処理部であり、互いに略水平方向に隣接して配置されている。図中最も左側に配置された予熱部２００の左側の側壁には、（図示しない）鋳型投入口が形成され、図中最も右側に配置された冷却部５００の右側の側壁には、（図示しない）鋳型取り出し口が形成されている。また、予熱部２００と注湯部３００の間の隔壁と、注湯部３００と加圧冷却部４００の間の隔壁と、加圧冷却部４００と冷却部５００の間の隔壁には、それぞれ（図示しない）連通口が形成されている。搬送路６００は、これらの鋳型投入口、連通口および鋳型取り出し口を通過して略水平方向に延びており、鋳型２０を鋳型投入口から予熱部２００、注湯部３００、加圧冷却部４００および冷却部５００内に順次搬送して鋳型取り出し口から取り出すことができるようになっている。

予熱部２００は、セラミックス基板１２が内部に設置された鋳型２０を外部から導入して、内部の空気を窒素ガスやアルゴンガスなどの不活性ガス雰囲気または還元性ガス雰囲気に置換した後、内部に設置されたヒータ２０２によって鋳型２０を加熱して鋳型２０の温度を維持するようになっている。

注湯部３００は、予熱部２００から導入された鋳型２０内にアルミニウムやアルミニウム合金などの溶湯を注入するようになっている。この注湯部３００には、鋳型２０の温度を注湯温度に維持するためのヒータ３０２と、鋳型２０内に溶湯３１２を注入するための注湯装置３１０が設置されている。注湯装置３１０は、溶湯３１２を溜めておく溶湯溜め３１４と、この溶湯溜め３１４内の溶湯３１２を鋳型２０内に注湯するためのシリンダ３１６およびピストン３１８と、このピストン３１８を駆動するためのピストン駆動装置３２０とを備えている。シリンダ３１６は、溶湯溜め３１４の底面を貫通して配置されており、溶湯溜め３１４内に配置されたシリンダ３１６の側面には、溶湯溜め３１４の内部とシリンダ３１６の内部を連通させる溶湯入口３１６ａが形成され、溶湯溜め３１４の外部に配置されたシリンダ３１６の底面には、シリンダ３１６の内部と外部を連通させる溶湯出口３１６ｂが形成されている。このシリンダ３１６に嵌合して上下動可能なピストン３１８がピストン駆動装置３２０によって上方に移動したときに、溶湯溜め３１４から所定量の溶湯３１２が溶湯入口３１６ａを介してシリンダ３１６内に導入され、搬送された鋳型２０の注湯口３２がシリンダ３１６の溶湯出口３１６ｂの真下に到達したときに、ピストン駆動装置３２０によってピストン３１８が下方に移動して、シリンダ３１６内の溶湯３１２が溶湯出口３１６ｂから鋳型２０内に注湯されるようになっている。

加圧冷却部４００は、注湯部３００から導入された鋳型２０内の溶湯を加圧しながら鋳型を冷却して溶湯を固化させるようになっている。この加圧冷却部４００には、鋳型２０内の注湯口３２付近の温度を維持するためのヒータ４０２と、鋳型２０の注湯口３２から窒素ガスなどのガスを吹き込んで鋳型２０内の溶湯３１２を加圧するための加圧ガスノズル４０４と、鋳型２０の注湯口３２から離れた部分を上下から冷却するガスを鋳型２０に吹き付けるための複数の上側冷却ガスノズル４０６および複数の下側冷却ガスノズル４０８が設置されている。加圧ガスノズル４０４は、搬送された鋳型２０の注湯口３２が加圧ガスノズル４０４の真下に到達したときに下方に移動して鋳型２０に当接するようになっている。また、上側冷却ガスノズル４０６および下側冷却ガスノズル４０８は、鋳型２０から所定の距離だけ離間し、それぞれ互いに略水平方向に所定の間隔で配置されている。

この加圧冷却部４００では、鋳型２０を冷却する際に、鋳型２０の一部を冷却して鋳型２０内に高温側と低温側を形成するとともに、鋳型２０に注湯された溶湯３１２を高温側から低温側に向けて加圧しながら鋳型２０を冷却することによって、溶湯３１２を固化させるようになっている。このように、冷却時に溶湯３１２を高温側から低温側に向けて加圧、すなわち、凝固の進行と反対方向に加圧することにより、低温側で凝固した金属が収縮する部分に、高温側の未凝固の溶湯が円滑に補給されて、最終的に引け巣のない金属−セラミックス接合基板を得ることができる。また、鋳型２０内の注湯口３２側の部分が高温側になり且つ注湯口３２と反対側の部分が注湯口３２側の部分よりも低温側になるように冷却すれば、金属−セラミックス接合基板を製造するための鋳型２０や製造装置の構造を簡略化することができる。なお、本実施の形態では、溶湯３１２を加圧する際に、注湯口３２から加圧しているが、この注湯口３２以外に鋳型２０に別途形成した開口部から加圧してもよい。

冷却部５００は、加圧冷却部４００において内部の溶湯３１２が固化した鋳型２０を導入して全体的に冷却するようになっている。この冷却部５００内には、鋳型２０全体を上下から冷却するガスを鋳型２０に吹き付けるための複数の上側冷却ガスノズル５０６および複数の下側冷却ガスノズル５０８が設置されている。これらの上側冷却ガスノズル５０６および下側冷却ガスノズル５０８は、鋳型２０から所定の距離だけ離間し、それぞれ互いに略水平方向に所定の間隔で配置されている。

なお、複数の上側冷却ガスノズル５０６および複数の下側冷却ガスノズル５０８の各々と鋳型２０との間の距離を変えて、高温側の部分では上側冷却ガスノズル５０６および下側冷却ガスノズル５０８を鋳型２０から遠ざけて配置し、冷温側に向かって上側冷却ガスノズル５０６および下側冷却ガスノズル５０８を徐々に鋳型２０に近づけて配置することによって、鋳型２０内に温度勾配を形成してもよい。また、複数の上側冷却ガスノズル５０６および複数の下側冷却ガスノズル５０８の各々のガスの流量や温度を変えることによって温度制御してもよい。

［第２の実施の形態］
図５は、本発明による金属−セラミックス接合基板の製造装置の第２の実施の形態を示している。図５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の製造装置は、セラミックス基板に金属部材を接合する接合炉であり、予熱部１２００と、注湯部１３００と、加圧冷却部１４００と、冷却部１５００と、搬送路１６００とを備えている。なお、本実施の形態の金属−セラミックス接合基板の製造装置は、注湯口３２を取り囲むように坩堝３４が設けられた鋳型２０を使用して金属−セラミックス接合基板を製造するようになっている。

予熱部１２００、注湯部１３００、加圧冷却部１４００および冷却部１５００は、それぞれ外部の大気雰囲気と異なる雰囲気を維持（予熱部１２００、注湯部１３００および加圧冷却部１４００は、さらに外部温度と異なる温度を維持）することができる処理部であり、互いに略水平方向に隣接して配置されている。図中最も左側に配置された予熱部１２００の左側の側壁には、（図示しない）鋳型投入口が形成され、図中最も右側に配置された冷却部１５００の右側の側壁には、（図示しない）鋳型取り出し口が形成されている。また、予熱部１２００と注湯部１３００の間の隔壁と、注湯部１３００と加圧冷却部１４００の間の隔壁と、加圧冷却部１４００と冷却部１５００の間の隔壁には、それぞれ（図示しない）連通口が形成されている。搬送路１６００は、これらの鋳型投入口、連通口および鋳型取り出し口を通過して略水平方向に延びており、鋳型２０を鋳型投入口から予熱部１２００、注湯部１３００、加圧冷却部１４００および冷却部１５００内に順次搬送して鋳型取り出し口から取り出すことができるようになっている。

予熱部１２００は、セラミックス基板１２が内部に設置された後にアルミニウムやアルミニウム合金などの固体の金属が坩堝３４内に導入されてピストン１３１８が坩堝３４に嵌合した鋳型２０を外部から導入して、内部の空気を窒素ガスやアルゴンガスなどの不活性ガス雰囲気または還元性ガス雰囲気に置換した後、内部に設置されたヒータ１２０２によって鋳型２０を加熱して坩堝３４内の固体の金属を溶解させ、得られた溶湯１３１２の温度を維持するようになっている。

注湯部１３００は、予熱部１２００から導入された鋳型２０内にアルミニウムやアルミニウム合金などの溶湯を注入するようになっている。この注湯部１３００には、鋳型２０の温度を維持するためのヒータ１３０２と、鋳型２０内に溶湯１３１２を注入するための注湯装置１３１０が設置されている。注湯装置１３１０は、坩堝３４内の溶湯１３１２を鋳型２０内に注湯するためのピストン１３１８と、このピストン１３１８を駆動するためのピストン駆動装置１３２０とを備えている。搬送された鋳型２０の坩堝３４内のピストン１３１８が注湯装置１３１０の真下に到達したときに、ピストン駆動装置１３２０によってピストン１３１８が下方に移動して、坩堝３４内の溶湯１３１２が鋳型２０内に注湯されるようになっている。

加圧冷却部１４００は、注湯部１３００から導入された鋳型２０内の溶湯を加圧しながら鋳型を冷却して溶湯を固化させるようになっている。この加圧冷却部１４００には、鋳型２０内の注湯口３２付近の温度を維持するためのヒータ１４０２と、鋳型２０の注湯口３２から鋳型２０内の溶湯１３１２を加圧するための加圧装置１４１０と、鋳型２０の注湯口３２から離れた部分を上下から冷却するための冷却装置１４３０が設置されている。加圧装置１４１０は、搬送された鋳型２０の坩堝３４内のピストン１３１８が加圧装置１４１０の真下に到達したときにピストン１３１８を下方に移動させて鋳型２０内の溶湯１３１２を加圧するためのピストン駆動装置１４２０を備えている。また、冷却装置１４３０は、鋳型２０の注湯口３２から離れた部分の上側部分に接近または当接してその部分を冷却する上側冷却ブロック１４３２と、鋳型２０の注湯口３２から離れた部分の下側部分に接近または当接してその部分を冷却する下側冷却ブロック１４３４と、上側冷却ブロック１４３２および下側冷却ブロック１４３４をそれぞれ上下方向に移動させるための冷却ブロック駆動装置１４３６および１４３８とを備えている。

この加圧冷却部１４００では、鋳型２０を冷却する際に、鋳型２０の一部を冷却して鋳型２０内に高温側と低温側を形成するとともに、鋳型２０に注湯された溶湯１３１２を高温側から低温側に向けて加圧しながら鋳型２０を冷却することによって、溶湯１３１２を固化させるようになっている。このように、冷却時に溶湯１３１２を高温側から低温側に向けて加圧、すなわち、凝固の進行と反対方向に加圧することにより、低温側で凝固した金属が収縮する部分に、高温側の未凝固の溶湯が円滑に補給されて、最終的に引け巣のない金属−セラミックス接合基板を得ることができる。また、鋳型２０内の注湯口３２側の部分が高温側になり且つ注湯口３２と反対側の部分が注湯口３２側の部分よりも低温側になるように冷却すれば、金属−セラミックス接合基板を製造するための鋳型２０や製造装置の構造を簡略化することができる。

冷却部１５００は、加圧冷却部１４００において内部の溶湯１３１２が固化した鋳型２０を導入して全体的に冷却するようになっている。この冷却部１５００には、鋳型２０を上下から冷却するための冷却装置１５３０が設置されている。冷却装置１５３０は、鋳型２０の上側部分に接近または当接してその部分を冷却する上側冷却ブロック１５３２と、鋳型２０の下側部分に接近または当接してその部分を冷却する下側冷却ブロック１５３４と、上側冷却ブロック１５３２および下側冷却ブロック１５３４をそれぞれ上下方向に移動させて鋳型２０に接近または当接させるための冷却ブロック駆動装置１５３６および１５３８とを備えている。

図６は、本実施の形態の金属−セラミックス接合基板の製造装置の第１の変形例を示している。図６に示すように、本変形例の金属−セラミックス接合基板の製造装置は、注湯口３２を取り囲むように坩堝３４が設けられた鋳型２０を使用して金属−セラミックス接合基板を製造する装置の例であり、予熱部１２００および注湯部１３００の代わりに、雰囲気置換部２１００と予熱部２２００と注湯部２３００が設けられている以外は、図５に示す実施の形態の金属−セラミックス接合基板の製造装置と略同一である。

この変形例では、セラミックス基板１２が内部に設置された後にアルミニウムやアルミニウム合金などの固体の金属２３１１が坩堝３４内に導入された鋳型２０が、雰囲気置換部２１００に導入されて、内部の空気が窒素ガスやアルゴンガスなどの不活性ガス雰囲気または還元性ガス雰囲気に置換される。次に、鋳型２０が予熱部２２００に導入されて、内部に設置されたヒータ２２０２によって鋳型２０が加熱され、坩堝３４内の固体の金属２３１１が溶解して、得られた溶湯２３１２の温度が維持される。次に、鋳型２０が注湯部２３００に導入されて、内部に設置されたヒータ２３０２によって溶湯２３１２の温度が注湯温度に維持されながら、加圧ガスノズル２３０４によって窒素ガスなどのガスが吹き込まれて坩堝３４内の溶湯２３１２が加圧されて鋳型２０内に注湯されるようになっている。

図７は、本実施の形態の金属−セラミックス接合基板の製造装置の第２の変形例を示している。図７に示すように、本変形例の金属−セラミックス接合基板の製造装置は、坩堝３４の代わりに溶湯供給用空洞部３４１が内部に設けられた鋳型２０１を使用して金属−セラミックス接合基板を製造する装置の例であり、予熱部１２００および注湯部１３００の代わりに、雰囲気置換部３１００と予熱部３２００と注湯部３３００が設けられている以外は、図５に示す実施の形態の金属−セラミックス接合基板の製造装置と略同一である。

この変形例では、セラミックス基板１２が内部に設置された後にアルミニウムやアルミニウム合金などの固体の金属３３１１が溶湯供給用空洞部３４１内に導入された鋳型２０１が、雰囲気置換部２１００に導入されて、内部の空気が窒素ガスやアルゴンガスなどの不活性ガス雰囲気または還元性ガス雰囲気に置換される。次に、鋳型２０１が予熱部３２００に導入されて、内部に設置されたヒータ３２０２によって鋳型２０１が加熱され、溶湯供給用空洞部３４１内の固体の金属３３１１が溶解して、得られた溶湯３３１２の温度が維持される。次に、鋳型２０１が注湯部３３００に導入されて、内部に設置されたヒータ３３０２によって溶湯３３１２の温度が注湯温度に維持されながら、溶湯供給用空洞部３４１の上部に形成された入口３２２から加圧ガスノズル３３０４によって窒素ガスなどのガスが吹き込まれて溶湯供給用空洞部３４１内の溶湯３３１２が加圧されて注湯口３２１から鋳型２０１内に注湯されるようになっている。

［第３の実施の形態］
図８は、本発明による金属−セラミックス接合基板の製造装置の第３の実施の形態を示している。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の製造装置は、セラミックス基板に金属部材を接合する接合炉であり、雰囲気置換部４１００と、予熱部４２００と、注湯部４３００と、加圧冷却部４４００と、冷却部４５００と、搬送路４６００とを備えている。

雰囲気置換部４１００、予熱部４２００、注湯部４３００、加圧冷却部４４００および冷却部４５００は、それぞれ外部の大気雰囲気と異なる雰囲気を維持（予熱部４２００、注湯部４３００および加圧冷却部４４００は、さらに外部温度と異なる温度を維持）することができる処理部であり、互いに略水平方向に隣接して配置されている。図中最も左側に配置された雰囲気置換部４１００の左側の側壁には、（図示しない）鋳型投入口が形成され、図中最も右側に配置された冷却部４５００の右側の側壁には、（図示しない）鋳型取り出し口が形成されている。また、雰囲気置換部４１００と予熱部４２００の間の隔壁と、予熱部４２００と注湯部４３００の間の隔壁と、注湯部４３００と加圧冷却部４４００の間の隔壁と、加圧冷却部４４００と冷却部４５００の間の隔壁には、それぞれ（図示しない）連通口が形成されている。搬送路４６００は、これらの鋳型投入口、連通口および鋳型取り出し口を通過して略水平方向に延びており、鋳型２０を鋳型投入口から雰囲気置換部４１００、予熱部４２００、注湯部４３００、加圧冷却部４４００および冷却部４５００内に順次搬送して鋳型取り出し口から取り出すことができるようになっている。

雰囲気置換部４１００は、セラミックス基板１２が内部に設置された鋳型２０を外部から導入して、鋳型２０内の空気を窒素ガスやアルゴンガスなどの不活性ガス雰囲気または還元性ガス雰囲気に置換するようになっている。

予熱部４２００は、内部に設置されたヒータ４２０２によって鋳型２０を加熱して鋳型２０の温度を維持するようになっている。

注湯部４３００は、予熱部４２００から導入された鋳型２０内にアルミニウムやアルミニウム合金などの溶湯を注入するようになっている。この注湯部４３００の内部には、鋳型２０の温度を維持するためのヒータ４３０２が設置され、注湯部４３００の外部には、鋳型２０内に溶湯４３１２を注入するための注湯装置４３１０が設置されている。注湯装置４３１０は、溶湯４３１２を溜めておく溶湯溜め４３１４と、この溶湯溜め４３１４内の溶湯４３１２を鋳型２０内に注湯するための溶湯供給管４３１６と、溶湯溜め４３１４を密閉して溶湯溜め４３１４内の溶湯４３１２を保温する保温密閉部材４３１８と、溶湯供給管４３１６内を流れる溶湯４３１２を保温するヒータなどを備えた保温部材４３２０と、溶湯溜め４３１４の入口４３２２と、保温密閉部材４３１８の内部のガス圧を調整するバルブ４３２４とを備えている。溶湯供給管４３１６は、注湯部４３００の内部まで延びており、搬送された鋳型２０の注湯口３２が溶湯供給管４３１６の先端の溶湯出口の真下に到達したときに、ガス圧によって溶湯溜め４３１４内の溶湯４３１２が溶湯供給管４３１６の先端の溶湯出口から鋳型２０内に注湯されるようになっている。

加圧冷却部４４００は、注湯部４３００から導入された鋳型２０内の溶湯を加圧しながら鋳型を冷却して溶湯を固化させるようになっている。この加圧冷却部４４００には、鋳型２０内の注湯口３２付近の温度を維持するためのヒータ４４０２と、鋳型２０の注湯口３２から窒素ガスなどのガスを吹き込んで鋳型２０内の溶湯４３１２を加圧するための加圧ガスノズル４４０４と、鋳型２０の注湯口３２から離れた部分を上下から冷却するための冷却装置４４３０が設置されている。加圧ガスノズル４４０４は、搬送された鋳型２０の注湯口３２が加圧ガスノズル４４０４の真下に到達したときに下方に移動して鋳型２０に当接するようになっている。また、冷却装置４４３０は、鋳型２０の注湯口３２から離れた部分の上側部分に接近または当接してその部分を冷却する上側冷却ブロック４４３２と、鋳型２０の注湯口３２から離れた部分の下側部分に接近または当接してその部分を冷却する下側冷却ブロック４４３４と、上側冷却ブロック４４３２および下側冷却ブロック４４３４をそれぞれ上下方向に移動させるための冷却ブロック駆動装置４４３６および４４３８とを備えている。

この加圧冷却部４４００では、鋳型２０を冷却する際に、鋳型２０の一部を冷却して鋳型２０内に高温側と低温側を形成するとともに、鋳型２０に注湯された溶湯４３１２を高温側から低温側に向けて加圧しながら鋳型２０を冷却することによって、溶湯４３１２を固化させるようになっている。このように、冷却時に溶湯４３１２を高温側から低温側に向けて加圧、すなわち、凝固の進行と反対方向に加圧することにより、低温側で凝固した金属が収縮する部分に、高温側の未凝固の溶湯が円滑に補給されて、最終的に引け巣のない金属−セラミックス接合基板を得ることができる。また、鋳型２０内の注湯口３２側の部分が高温側になり且つ注湯口３２と反対側の部分が注湯口３２側の部分よりも低温側になるように冷却すれば、金属−セラミックス接合基板を製造するための鋳型２０や製造装置の構造を簡略化することができる。

冷却部４５００は、加圧冷却部４４００において内部の溶湯４３１２が固化した鋳型２０を導入して全体的に冷却するようになっている。この冷却部４５００には、鋳型２０を上下から冷却するための冷却装置４５３０が設置されている。冷却装置４５３０は、鋳型２０の上側部分に接近または当接してその部分を冷却する上側冷却ブロック４５３２と、鋳型２０の下側部分に接近または当接してその部分を冷却する下側冷却ブロック４５３４と、上側冷却ブロック４５３２および下側冷却ブロック４５３４をそれぞれ上下方向に移動させて鋳型２０に接近または当接させるための冷却ブロック駆動装置４５３６および４５３８とを備えている。

図９は、本実施の形態の金属−セラミックス接合基板の製造装置の変形例を示している。図９に示すように、本変形例の金属−セラミックス接合基板の製造装置では、注湯部４３００および加圧冷却部４４００の代わりに、注湯および加圧冷却部５０００が設けられている。この変形例は、注湯および加圧冷却部５０００において鋳型２０内に注湯５３１２した後に上側冷却ブロック５４３２および下側冷却ブロック５４３４を鋳型２０に接近または当接させて、そのまま鋳型２０内の溶湯５３１２を加圧しながら鋳型２０を冷却して溶湯５３１２を固化させる以外は、図８に示す実施の形態の金属−セラミックス接合基板の製造装置と略同一であるので、参照符号に１０００を加えて、その説明を省略する。なお、本変形例の注湯および加圧冷却部５０００において、図８に示す実施の形態の金属−セラミックス接合基板の製造装置の雰囲気置換部４１００および予熱部４２００の処理を行うことができるようにしてもよい。

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の製造装置において、鋳型にアルミニウムやアルミニウム合金などの溶湯を注湯する前に、鋳型の温度と溶湯の温度との差が２５０℃以内、好ましくは１５０℃以内、さらに好ましくは５０℃以内になるように予め鋳型を加熱して注湯時の熱衝撃を小さくしておくとよい。この差が２５０℃より高くなると、湯回りが悪く、引け巣やボイドなどの欠陥が生じ易くなる。なお、アルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯の場合には、溶湯と鋳型との反応による鋳型の消耗や、冷却に要する時間などによる生産性の低下の観点から、鋳型を加熱する温度は、８００℃以下にするのが好ましく、７５０℃以下にするのがさらに好ましい。

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の製造装置において、予熱部、注湯部、加圧冷却部および冷却部などを含む接合炉内では、酸素濃度を好ましくは１００ｐｐｍ以下、さらに好ましくは１０ｐｐｍ以下になるように雰囲気を制御する。炉内の酸素濃度が高過ぎると、溶湯が酸化して表面張力が増大し、湯回りや濡れ性に影響する場合があり、また、カーボン製の鋳型を使用した場合に、酸化消耗によって鋳型の寿命が短くなるからである。

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の製造装置において、鋳型内に注湯される溶湯の温度は、アルミニウムやアルミニウム合金などの液相線温度より５〜２００℃高い温度であるのが好ましい。溶湯の温度が液相線温度より２０℃高い温度より低い場合には、鋳型を加熱したり、溶湯を加圧して押し込んでも、湯流れ（湯回り）が悪く、特に、回路パターン用金属板やベース板のような金属部材の細部に欠陥が生じ易くなり、溶湯３１２の温度が液相線温度より２００℃高い温度を超えると、酸化が激しくなったり、水素を吸蔵したりして、内部欠陥を生じさせる原因になるからである。

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の製造装置において、溶湯を加圧する圧力は、１．０〜１００ｋＰａであるのが好ましく、３〜３０ｋＰａであるのがさらに好ましい。１．０ｋＰａ未満では、加圧効果が小さ過ぎて、引け巣やボイドなどの内部欠陥が生じ易く、１００ｋＰａを超えると、圧力が大き過ぎて、同様に引け巣やボイドなどの内部欠陥が生じ易くなるからである。

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の製造装置において、鋳型を冷却する際に、溶湯がその液相線温度から４５０℃まで冷却される間の平均冷却速度が５〜１００℃／分であるのが好ましく、１０〜５０℃／分であるのがさらに好ましく、１５〜３５℃／分であるのが最も好ましい。このように液相線温度から４５０℃までの平均冷却速度を制御することにより、金属−セラミックス接合基板の反り量を制御することができ、アルミニウムやアルミニウム合金などからなる金属部材とセラミックス基板の間の熱ストレスを制御することができる。また、平均冷却速度が５℃／分未満では、アルミニウムやアルミニウム合金などの結晶粒が過度に粗大化したり、特にアルミニウム合金の場合には過度に析出したり、熱間割れが生じる場合があり、また、生産性の面でも不利である。一方、平均冷却速度が１００℃／分を超えると、熱衝撃による熱ストレスのために、セラミックス基板に割れが生じる場合があり、また、アルミニウムやアルミニウム合金などがクリープ変形する時間的余裕がなく、熱膨張差による変形を吸収できずに大きな反りが生じる場合があるからである。

さらに、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の製造装置において、鋳型を冷却する際に、鋳型内に形成される温度勾配が１〜５０℃／ｃｍであるのが好ましく、２〜３０℃／ｃｍであるのがさらに好ましく、２〜１５℃／ｃｍであるのが最も好ましい。１℃／ｃｍ未満では、凝固核生成の制御が難しく、至る所で凝固核が生成して凝固収縮が生じ、また、溶湯の補給経路が凝固した金属によって閉ざされてしまうため、引け巣やボイドが生じ易く、５０℃／ｃｍを超えると、凝固核生成よりも核の成長の方が優位になり、熱流方向に伸びた粗大結晶組織になり易く、ヒートサイクル性に劣る金属−セラミックス接合基板になるからである。

なお、注湯口を備えた鋳型内にセラミックス基板を設置した後、このセラミックス基板に接触するようにアルミニウムやアルミニウム合金などの溶湯を注湯口から鋳型内に注湯し、鋳型を冷却して溶湯を固化させることにより、セラミックス基板にアルミニウムやアルミニウム合金などからなる金属部材を接合する金属−セラミックス接合基板の製造装置において、鋳型に注湯された溶湯を加圧しながら鋳型を冷却して溶湯を固化させてセラミックス基板に金属部材を接合することができれば、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の製造装置を適宜組み合わせてもよい。また、溶湯を加圧しながら鋳型を冷却する際に、鋳型を移動させながら溶湯を加圧するとともに鋳型を冷却してもよい。

本発明による金属−セラミックス回路基板の製造装置の実施の形態により製造される金属−セラミックス回路基板の例を示す平面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ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装置の実施の形態に使用する鋳型の例を示す断面図である。 本発明による金属−セラミックス回路基板の製造装置の第１の実施の形態を概略的に示す図である。 本発明による金属−セラミックス回路基板の製造装置の第２の実施の形態を概略的に示す図である。 図５に示す第２の実施の形態の金属−セラミックス回路基板の製造装置の第１の変形例を概略的に示す図である。 図５に示す第２の実施の形態の金属−セラミックス回路基板の製造装置の第２の変形例を概略的に示す図である。 本発明による金属−セラミックス回路基板の製造装置の第３の実施の形態を概略的に示す図である。 図８に示す第３の実施の形態の金属−セラミックス回路基板の製造装置の変形例を概略的に示す図である。

符号の説明

１０ 金属ベース板、
１２ セラミックス基板
１４ 金属回路板
２０ 鋳型
２２ 下側鋳型部材
２４ 上側鋳型部材
２６ 空洞部（ベース板形成部）
２８ 凹部（セラミックス基板収容部）
３０ 凹部（回路パターン用金属板形成部）
３２ 注湯口
１００ 金属−セラミックス接合基板の製造装置
２００ 予熱部
２０２、３０２、４０２ ヒータ
３００ 注湯部
３１０ 注湯装置
３１２ 溶湯
３１４ 溶湯溜め
３１６ シリンダ
３１６ａ 注湯入口
３１６ｂ 注湯出口
３１８ ピストン
３２０ ピストン駆動装置
４００ 加圧冷却部
４０４ 加圧ガスノズル
４０６、５０６ 上側冷却ガスノズル
４０８、５０８ 下側冷却ガスノズル
５００ 冷却部
６００ 搬送路

Claims (10)

1. 内部にセラミックス基板が設置された多孔質の鋳型を予め加熱する予熱部と、この予熱部において予め加熱された鋳型の注湯口からセラミックス基板に接触するように鋳型内に溶湯を注入する注湯部と、この注湯部において鋳型に注入された溶湯を加圧しながら鋳型を冷却して溶湯を固化させる加圧冷却部とを備えたことを特徴とする、金属−セラミックス接合基板の製造装置。
2. 前記加圧冷却部において溶湯を加圧しながら鋳型を冷却する際に、前記鋳型の一部を冷却して鋳型内に高温側と低温側を形成するとともに、前記鋳型に注入された溶湯を高温側から低温側に向けて加圧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の製造装置。
3. 前記加圧冷却部において溶湯を加圧しながら鋳型を冷却する際に、前記鋳型内の注湯口側の部分が高温側になり且つ注湯口と反対側の部分が注湯口側の部分よりも低温側になるように冷却するとともに、前記鋳型に注湯された溶湯を高温側から低温側に向けて加圧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の製造装置。
4. 前記加圧冷却部において前記溶湯を加圧する際に、前記鋳型の注湯口からガスを吹き込んで加圧することを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板の製造装置。
5. 前記加圧冷却部において前記溶湯を加圧する際に、前記鋳型の注湯口からピストンにより加圧することを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板の製造装置。
6. 前記加圧冷却部において前記鋳型を冷却する際に、前記鋳型に冷却ガスを吹き付けることを特徴とする、請求項１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装置。
7. 前記加圧冷却部において前記鋳型を冷却する際に、前記鋳型に冷却ブロックを接近または当接させることを特徴とする、請求項１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装置。
8. 前記予熱部、前記注湯部および前記加圧冷却部の各々にヒータが設けられていることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板の製造装置。
9. 前記予熱部において鋳型を予め加熱する前に前記鋳型内の雰囲気を置換する雰囲気置換部をさらに備えたことを特徴とする、請求項１乃至８のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板の製造装置。
10. 前記加圧冷却部において冷却された鋳型の略全体を冷却する冷却部をさらに備えたことを特徴とする、請求項１乃至９のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板の製造装置。
    

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