(57)【要約】      （修正有）【課題】半導体素子接合時の半田層の中の残留ボイドを少なくするパワーモジュール用基板を提供する。【解決手段】セラミック基板１１の両主面のそれぞれに直接接合法、又は活性金属ろう材接合法で加熱接合され、それぞれの領域が独立する１、又は複数個からなる銅板を有するパワーモジュール用基板１０において、銅板の中の半導体素子１４を搭載するためのマウント用銅板１５上に半導体素子１４の大きさより小さく上面を平坦面として突出する半導体素子１４を載置させるための嵩上げ部１６と、嵩上げ部１６の上面に嵩上げ部１６の厚み以下の深さからなる溝状、又は穴状の凹み部１７と、これに連通して嵩上げ部１６の外周縁に延設する切り欠き部１８を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック基板の両主面のそれぞれに直接接合法、又は活性金属ろう材接合法で加熱接合され、それぞれの領域が独立する１、又は複数個からなる銅板を有するパワーモジュール用基板において、
前記銅板の中の半導体素子を搭載するためのマウント用銅板上に前記半導体素子の大きさより小さく上面を平坦面として突出する前記半導体素子を載置させるための嵩上げ部と、該嵩上げ部の上面に前記嵩上げ部の厚み以下の深さからなる溝状、又は穴状の凹み部と、該凹み部に連通して前記嵩上げ部の外周縁に延設する切り欠き部を有することを特徴とするパワーモジュール用基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミック基板の両主面のそれぞれに銅板が接合され、大量の熱を発する半導体素子を銅板の中のマウント用銅板に半田接合した時の半導体素子の接合信頼性を確保できるパワーモジュール用基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、半導体素子を半田で接合させると共に、ボンディングワイヤで電気的に接続状態とし、半導体素子からの発熱を速やかに放熱させて大電力化、高速化、高集積化の進むパワートランジスタ等の高熱を発する半導体素子の信頼性を維持できるパワーモジュール用基板は、民生機器用や、自動車、電気自動車等の車載用等に採用されている。このようなパワーモジュール用基板は、通常、１個分のセラミック基板や、複数個分がマトリックス状に配列することができるセラミック基板に、予めパターン形成された銅板を銅の融点を利用して直接加熱接合する直接接合法や、活性金属ろうを介して加熱接合する活性金属ろう材接合法で接合して形成されている。そして、複数個分がマトリックス状に配列するセラミック基板の場合には、最後に分割溝で分割して個片体にすることでパワーモジュール用基板が形成されている。また、パワーモジュール用基板には、大型のセラミック基板の両主面のそれぞれに大型の銅板を直接接合法、又は活性金属ろう材接合法で加熱接合した後、それぞれの大型銅板の主面をエッチングして個片体用の銅板を形成する場合もある。
【０００３】
上記のパワーモジュール用基板には、セラミック基板の両主面のそれぞれに接合された銅板の中のマウント用銅板に半導体素子が数十μｍの厚さの半田で接合されるようになっている。パワーモジュール用基板は、この半田接合において、熱膨張率の異なる銅板と、半導体素子が薄い半田層で接合されると、半田層で銅と、半導体素子の熱膨張率差を吸収できず、機械的強度の弱い半導体素子に熱応力が集中して半導体素子の機械的信頼性に影響を及ぼすこととなるので、半田層の厚さをある程度厚くすることが必要となっている。また、パワーモジュール用基板は、この半田接合において、加熱接合時に溶融した半田の中に気泡を巻き込み易く、しかも、半田層の厚さが厚くなると更に半田の中に気泡を巻き込む、所謂、ボイドの発生が多くなり、半田層中のボイドで半田が半導体素子の外周から溢れ出して半導体素子を持ち上げて傾けたりする原因となるので、残留するボイドの大小を吸収できる程度の半田層の厚さにすることが必要となっている。しかしながら、パワーモジュール用基板は、大、小のさまざまな大きさの残留ボイドを十分に吸収できる程度に半田層の厚さを厚くしすぎると、半田の熱伝導率が銅に比べて低いのと、半田層の中のボイドによって半導体素子からの発熱の放熱性を阻害したり、半導体素子接合時のバランスが取り辛くなるので、これらを防止できるボイドが少なく、適正な厚みの半田層にコントロールすることが必要となっている。
【０００４】
しかしながら、従来のパワーモジュール用基板は、半田接合において半田層に発生する残留ボイドの発生量も、発生したボイドの抜け量の何れの制御も困難であり、マウント用銅板に半導体素子を接合させるための半田量を正しく見積もることができなくなっている。従って、半田層は、残留ボイドがなければ半田容積は最小になり、逆に残留ボイドが多いと見かけの半田容積が大きくなっている。
【０００５】
そこで、パワーモジュール用基板ではないが、半導体素子がリードフレームのダイパッドに傾いて搭載されることを防止できる半導体装置には、ダイパッドの中央部に上面が平坦になされた、上面の面積が半導体素子の面積より小さく、高さが２０μｍ以上の突起部が形成されたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
また、半導体素子付けの半田層を均一厚に保ち、且つ、熱抵抗を増加させないパワー系半導体装置には、リードフレームの一部に半導体素子が半田ろう材を介して接続され、この半田ろう材が半導体素子中央部とその近傍の直下部の厚さが厚くなるように、リードフレーム面の半導体素子取付部周縁に沿って溝ないし凹凸段差が形成されているものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
更に、半導体素子を銅回路板に半田接合する際の半田層の中のボイドの発生を防止し、半導体素子とセラミック基板との間の熱抵抗値のばらつきを低減するとともに、半導体素子搭載部に作用する熱応力を緩和することが可能な従来のパワーモジュール用基板には、セラミック基板上の所定位置に銅回路板を配置して加熱することにより銅回路板を直接接合し、この銅回路板上の半導体素子搭載部に半田層を介して半導体素子を接合するセラミック回路基板において、溝または穴を形成した銅板要素を上記半導体素子搭載部に直接接合し、この銅板要素の溝または穴を形成した側の表面上に半田層を介して半導体素子を一体に接合したものが提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００８】
なお、パワーモジュール用基板ではないが、半田の厚みを所定の厚みに精度良く調整でき、半導体素子がリードフレームのダイパッドに対して傾くことを抑制できるモールド樹脂封止型の半導体装置には、半導体素子と、半導体素子を半田で接合して搭載するリードフレームのダイパッドとを備え、ダイパッドの半導体素子が搭載される面に、半導体素子とダイパッドとを半田で接合する際に両者の間隔を所定間隔に保つ突起部を設けたものが提案されている（例えば、特許文献４参照）。この特許文献４で開示されるような、半導体装置に突起部を設けることは、セラミック基板の両主面のそれぞれに銅板が接合され、大量の熱を発する半導体素子を銅板の中のマウント用銅板に半導体素子を半田接合するパワーモジュール用基板にも応用することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平８−１１６００７号公報
【特許文献２】特開平６−３７１２２号公報
【特許文献３】特開平７−２０２０６３号公報
【特許文献４】特開２００８−１８１９０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、前述したような従来のパワーモジュール用基板は、次のような問題がある。
（１）特開平８−１１６００７号公報で開示される半導体装置を応用するパワーモジュール用基板や、特開平６−３７１２２号公報で開示されるようなパワー系半導体装置を応用するパワーモジュール用基板は、半田接合において突起部の上面や、半導体素子取付部の上面に発生する半田層の中の残留ボイドの抜け口が無く、残留ボイドによって熱伝導性が低下して半導体素子からの発熱の放熱性を阻害することとなっている。また、このようなパワーモジュール用基板は、半田層の中に巻き込む残留ボイドによって半導体素子の平坦性が阻害され、ボンディングワイヤ等の接続信頼性を低下させることとなっている。
（２）特開平７−２０２０６３号公報で開示されるようなパワーモジュール用基板は、銅板要素である突起部に設ける溝又は穴が半導体素子より小さい形態となっているので、半田巣である半田層の中の残留ボイドが溝又は穴に閉じ込められ、半田層の中に閉じ込められた残留ボイドによって、熱伝導性が低下して半導体素子からの発熱の放熱性を阻害することとなっている。また、銅板要素である突起部に設ける溝又は穴に閉じ込められた残留ボイドは、半導体素子を突起部上で傾いて接合させることとなるので、ボンディングワイヤ等の接続信頼性を低下させることとなっている。
【００１１】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、半導体素子接合時の半田層の中の残留ボイドを少なくするパワーモジュール用基板を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記目的に沿う本発明に係るパワーモジュール用基板は、セラミック基板の両主面のそれぞれに直接接合法、又は活性金属ろう材接合法で加熱接合され、それぞれの領域が独立する１、又は複数個からなる銅板を有するパワーモジュール用基板において、銅板の中の半導体素子を搭載するためのマウント用銅板上に半導体素子の大きさより小さく上面を平坦面として突出する半導体素子を載置させるための嵩上げ部と、嵩上げ部の上面に嵩上げ部の厚み以下の深さからなる溝状、又は穴状の凹み部と、凹み部に連通して嵩上げ部の外周縁に延設する切り欠き部を有する。
【発明の効果】
【００１３】
上記のパワーモジュール用基板は、銅板の中の半導体素子を搭載するためのマウント用銅板上に半導体素子の大きさより小さく上面を平坦面として突出する半導体素子を載置させるための嵩上げ部と、嵩上げ部の上面に嵩上げ部の厚み以下の深さからなる溝状、又は穴状の凹み部と、凹み部に連通して嵩上げ部の外周縁に延設する切り欠き部を有するので、半導体素子を半田を介してマウント用銅板上の嵩上げ部に載置して加熱接合させるときに、嵩上げ部上の半田層に巻き込まれる気泡が凹み部及び切り欠き部を介して嵩上げ部の外に押し出されると共に、嵩上げ部の外周縁から外側で半導体素子の下面及び側面と、マウント用銅板上との間に半田溜まりを形成して接合でき、半導体素子を嵩上げ部上の半田層の中に大きな残留ボイドの形成を防止して平坦に接合できる半導体素子の接合信頼性が高く、ボンディングワイヤ等の接続信頼性に優れ、半導体素子からの発熱の放熱性に優れるパワーモジュール用基板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の一実施の形態に係るパワーモジュール用基板の平面図、Ａ−Ａ’線縦断面図である。
【図２】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ同変形例のパワーモジュール用基板の平面図、Ｂ−Ｂ’線縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。
図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、本発明の一実施の形態に係るパワーモジュール用基板１０は、焼成済みのセラミック基板１１の上面側である一方の主面に、それぞれの領域が独立する熱伝導率の高い銅板の複数個で回路を形成する表銅板１２が直接接合法、又は活性金属ろう材接合法で加熱接合されている。また、パワーモジュール用基板１０は、この焼成済みのセラミック基板１１の下面側である他方の主面に、１、又は複数個からなる回路のないベタ状の裏銅板１３が直接接合法、又は活性金属ろう材接合法で加熱接合されている。
【００１６】
上記のセラミック基板１１には、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ジルコニア入り酸化アルミニウム等からなるセラミックを用いることができ、絶縁性、耐熱性、熱伝導性、基板強度等に優れることで、半導体素子１４にかかる高電圧、及び半導体素子１４からの高熱に対して問題なく使用することができる。ここで、セラミックの一例であるＡｌ２Ｏ３からなるセラミック基板１１を作製するには、アルミナ粉末にマグネシア、シリカ、カルシア等の焼結助剤を適当量加えた粉末に、ジオクチルフタレート等の可塑剤と、アクリル樹脂等のバインダー、及び、トルエン、キシレン、アルコール類等の溶剤が加えられ、十分に混練いた後、脱泡して粘度２０００〜４００００ｃｐｓのスラリーを作製している。そして、このスラリーは、ドクターブレード法等によって、例えば、厚さ０．６４ｍｍ程度のロール状のシートに形成され、適当なサイズにカットしてセラミックグリーンシートを作製し、大気中約１５５０℃程度で焼成してセラミック基板１１を作製している。
【００１７】
また、セラミックの一例であるＡｌＮからなるセラミック基板１１を作製するには、窒化アルミニウム粉末に焼結助剤を添加し、可塑剤、バインダー、及び溶剤を加えてシート状のセラミックグリーンシートとし、これを適当なサイズにカットし、窒素雰囲気中約１７００℃程度の高温で焼成して形成している。
【００１８】
更に、セラミックの一例であるジルコニア入り酸化アルミニウムからなるセラミック基板１１を作製するには、主成分の酸化アルミニウムを７０〜９７ｗｔ％の範囲にして、これにジルコニア（ＺｒＯ２）を２〜２９．９ｗｔ％の範囲で添加し、イットリア、カルシア、マグネシア、セリアのいずれか１種以上の焼結助剤を０．１〜２ｗｔ％の範囲で添加し、可塑剤、バインダー、及び溶剤を加えて、例えば、厚さ０．２５ｍｍのシート状のセラミックグリーンシートとしている。そして、このセラミックグリーンシートは、適当なサイズにカットし、大気中約１５５０℃程度で焼成してセラミック基板１１を作製している。なお、Ａｌ２Ｏ３を主成分として、これに上記割合のＺｒＯ２が添加された焼成体からなるセラミック基板１１は、Ａｌ２Ｏ３単体の基板と熱伝導率を同等程度に保ちながら基板強度、特に曲げ強度を大幅に高めることができる（Ａｌ２Ｏ３単体では、３．１ＭＰａ・ｍ０．５、ジルコニア系アルミナセラミックでは、４．４ＭＰａ・ｍ０．５）。また、イットリア、カルシア、マグネシア、セリアのいずれか１種以上を添加することで、基板の焼成温度をＡｌ２Ｏ３単体の基板と同等程度に抑えつつ、ＺｒＯ２結晶粒の靭性を改善することができる。これらによって、セラミック基板１１は、ＡｌＮの基板より熱伝導率が低下するものの、厚みを薄くすることで、熱伝導率の低さを補うことができ、Ａｌ２Ｏ３単体の基板より優れ、ＡｌＮの基板に匹敵する優れた放熱性を有することができる。
【００１９】
上記のようなセラミック基板１１に表銅板１２や、裏銅板１３を加熱接合させる直接接合法とは、予め表面を酸化させた表銅板１２や、裏銅板１３用の銅板をセラミック基板１１の表面に当接させ、窒素雰囲気中で酸化銅の融点（１０８３℃）以下で、銅と酸化銅の共晶温度（１０６５℃）以上の温度で加熱して銅と微量の酸素との反応により生成するＣｕ−Ｏ共晶液相を結合剤として直接セラミック基板１１に接合する方法である。なお、セラミック基板１１がＡｌＮからなる場合には、セラミック基板１１の表面に酸化膜を形成、すなわち、ＡｌＮの表面をＡｌ２Ｏ３としておく必要がある。
【００２０】
また、上記のようなセラミック基板１１に表銅板１２や、裏銅板１３を加熱接合させる活性金属ろう材接合法とは、チタン、ジルコニウム、ベリリウム等のような極めて反応性の大きい、いわゆる活性な金属をＡｇ−Ｃｕ系ろう等に加えた活性金属ろう材を用いてセラミック基板１１と、表銅板１２や、裏銅板１３用の銅板を接合する方法である。この方法での接合は、先ず、活性金属ろう材からなるペーストをセラミック基板１１のそれぞれの表面に塗布し、その上に予め表面を酸化させた表銅板１２や、裏銅板１３用の銅板を当接させ、約７５０〜８５０℃程度で加熱して活性金属の酸素との親和力の強さを利用して、直接セラミック基板１１に接合する方法である。なお、活性金属ろう材は、セラミック基板１１がジルコニア系アルミナセラミックからなる場合には、例えば、ジルコニウム、チタン、フッ化水素、ニオブのいずれか１種以上をＡｇ−Ｃｕ系ろうに含有させたものを用いることができ、セラミック基板１１への親和力を高めることで接合反応強度を高めて強固に接合することができる。
【００２１】
上記のパワーモジュール用基板１０は、表銅板１２が配線回路状態のパターンになるように形成されており、表銅板１２や、裏銅板１２の銅板の中のパワートランジスタ等の高熱を発する半導体素子１４を搭載するためのマウント用銅板１５上に半導体素子１４を載置させるための嵩上げ部１６を有している。この嵩上げ部１６は、平面視する半導体素子１４の外形寸法より小さい寸法の上面を平坦面として突出するようにして設けられている。なお、裏銅板１２の銅板をマウント用銅板１５とする場合には、図示しないが、セラミック基板１１に平面視する半導体素子１４の外形寸法より大きい貫通孔を設け、セラミック基板１１の裏面に貫通孔を塞ぐように加熱接合された裏銅板１２をマウント用銅板１５とし、マウント用銅板１５上に半導体素子１４を載置させるための嵩上げ部１６を有している。
【００２２】
また、このパワーモジュール用基板１０は、マウント用銅板１５上の嵩上げ部１６の上面に嵩上げ部１６の厚み以下の深さからなる溝状の凹み部１７を有している。そして、このパワーモジュール用基板１０は、この溝状の凹み部１７の少なくとも一方の端部に連通して嵩上げ部１６の外周縁に延設する切り欠き部１８を有している。
【００２３】
あるいは、図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、変形例のパワーモジュール用基板１０ａは、マウント用銅板１５上の嵩上げ部１６の上面に嵩上げ部１６の厚み以下の深さからなる穴状の凹み部１７ａを有している。そして、このパワーモジュール用基板１０ａは、この穴状の凹み部１７ａの少なくとも一箇所に連通して嵩上げ部１６の外周縁に延設する切り欠き部１８ａを有している。
【００２４】
なお、上記のパワーモジュール用基板１０、１０ａは、嵩上げ部１６や、凹み部１７、１７ａや、切り欠き部１８、１８ａの形成方法を限定するものではないが、例えば、マウント用銅板１５上に嵩上げ部１６が浮き出るように、マウント用銅板１５上の嵩上げ部１６形状となる周囲をエッチングして嵩上げ部１６を設けると共に、嵩上げ部１６上をエッチングして凹み部１７、１７ａと、切り欠き部１８、１８ａを設けることができる。あるいは、パワーモジュール用基板１０、１０ａは、嵩上げ部１６の外形寸法からなる銅板に予め、打ち抜きプレス加工や、エッチング加工等で凹み部１７、１７ａと、切り欠き部１８、１８ａを設け、この銅板をマウント用銅板１５上に加熱接合させることで凹み部１７、１７ａと、切り欠き部１８、１８ａを有する嵩上げ部１６を設けることができる。
【００２５】
上記のパワーモジュール用基板１０、１０ａは、表銅板１２のマウント用銅板１５、及びその上に設ける嵩上げ部１６に搭載される半導体素子１４のパッド電極と他の配線回路部の表銅板１２とをボンディングワイヤ等で接続するようになっていると共に、半導体素子１４からの発熱を嵩上げ部１６及びマウント用銅板１５と、セラミック基板１１を介して裏銅板１３側に伝熱させるようになっている。また、図示しないが、裏銅板１３をマウント用銅板１５とするパワーモジュール用基板１０、１０ａは、マウント用銅板１５、及びその上に設ける嵩上げ部１６に搭載される半導体素子１４のパッド電極と表銅板１２とをボンディングワイヤ等で接続するようになっていると共に、半導体素子１４からの発熱を嵩上げ部１６、及びマウント用銅板１５である裏銅板１３に直接伝熱させるようになっている。なお、パワーモジュール用基板１０、１０ａは、セラミックと銅の熱膨張係数が大きく異なるが、セラミック基板１１の一方の主面に表銅板１２、他方の主面に裏銅板１３を接合するサンドイッチ状態によって、反りや、変形を防止することができるようになっている。
【００２６】
上記のようなパワーモジュール用基板１０、１０ａは、半導体素子１４を半田を介してマウント用銅板１５上の嵩上げ部１６に載置して加熱接合させるときに、嵩上げ部１６上の半田層に巻き込まれる気泡が凹み部１７、１７ａ、及び切り欠き部１８、１８ａを介して嵩上げ部１６の外に容易に押し出すことができる。また、上記のようなパワーモジュール用基板１０、１０ａは、嵩上げ部１６の外周縁から外側で半導体素子１４の下面及び側面と、マウント用銅板１５上との間に半田溜まりを形成して接合でき、半導体素子１４を嵩上げ部１６上の半田層の中に大きな残留ボイドの形成を防止して平坦に接合することができる。従って、パワーモジュール用基板１０、１０ａは、マウント用銅板１５上の嵩上げ部１６への半導体素子１４の接合信頼性が高く、半導体素子１４のパッド電極と表銅板１２とのボンディングワイヤ等の接続信頼性に優れ、半導体素子１４からの発熱の放熱性に優れるパワーモジュール用基板１０、１０ａとすることができる。
【００２７】
通常、パワーモジュール用基板１０、１０ａは、パワーモジュール用基板１０、１０ａの個片体が複数個配列する集合体から形成される場合には、半導体素子１４が実装された後に、セラミック基板１１に設けられている分割溝で分割して、あるいは、分割溝で分割した後に個片体のパワーモジュール用基板１０、１０ａに半導体素子１４が実装されるようになる。この個片体にするための分割溝は、焼成されて形成されるセラミック基板１１に、予め焼成される前のセラミックグリーンシートに形成された押圧溝、あるいは、焼成された後にレーザー加工等で形成される連続する点状の溝として設けられている。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明のパワーモジュール用基板は、高電圧が流れ、大量の熱を発生する半導体素子を実装し、例えば、インバーター用や、自動車部品用等として用いるためのパワーモジュール用基板に利用することができる。
【符号の説明】
【００２９】
１０、１０ａ：パワーモジュール用基板、１１：セラミック基板、１２：表銅板、１３：裏銅板、１４：半導体素子、１５：マウント用銅板、１６：嵩上げ部、１７、１７ａ：凹み部、１８、１８ａ：切り欠き部
【図１】
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【図２】
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