(57)【要約】【課題】熱負荷が作用した場合でも金属板の表面の凹凸の増大が抑制されるセラミックス回路基板を提供する。【解決手段】窒化珪素焼結体からなるセラミックス基板と、一方の面が前記セラミックス基板の一方の面に接合され、他方の面に形成された被覆層を有する銅を主成分とする金属板を備えたセラミックス回路基板であって、ＪＩＳ  Ｚ２２８５に準拠して測定した、−４０〜２５０℃における前記セラミックス基板の熱膨張率が、２〜４×１０−６／Ｋであり、前記被覆層を除いた前記金属板の熱膨張率が、１６〜１８×１０−６／Ｋであり、前記被覆層は、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｒからなる群のうち少なくとも一種を含み、−４０〜２５０℃における前記被覆層の熱伝導率は、９０〜１８０Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１であり、前記被覆層の平均厚みをｔ１、前記金属板の平均厚みをｔ２としたとき、ｔ１／ｔ２が０．００５〜０．１の範囲であるセラミックス回路基板である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化珪素焼結体からなるセラミックス基板と、前記セラミックス基板に接合された銅を主成分とする金属板と、前記金属板の表面に設けられた被覆層とを有するセラミックス回路基板であって、
ＪＩＳ  Ｚ２２８５準拠して測定した、−４０〜２５０℃における前記セラミックス基板の熱膨張率が、２〜４×１０−６／Ｋであり、前記被覆層を除いた前記金属板の熱膨張率が、１６〜１８×１０−６／Ｋであり、
前記被覆層は、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｒからなる群のうち少なくとも一種を主体とし、
室温における前記被覆層の熱伝導率は、９０〜１８０Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１であり、
前記被覆層の平均厚みをｔ１、前記金属板の平均厚みをｔ２としたとき、ｔ１／ｔ２が０．００５〜０．１の範囲であるセラミックス回路基板。
【請求項２】
前記被覆層は、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｒからなる群のうち少なくとも一種に替え、金属を主成分とする第１相と、セラミックスを主成分とする第２相を有する請求項１に記載のセラミックス回路基板。
【請求項３】
−４０〜２５０℃における前記被覆層の熱膨張率をα１、前記金属板の熱膨張率をα２としたとき、α１／α２が０．１〜０．７である請求項１または２のいずれかに記載のセラミックス回路基板。
【請求項４】
前記金属板は、半導体素子が接合される接合部を有し、前記被覆層は、前記接合部の周囲に設けられている請求項１乃至３のいずれかに記載のセラミックス回路基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化珪素焼結体からなるセラミックス基板と、セラミックス基板に接合された銅を主成分とする金属板とを有するセラミックス回路基板に係る発明である。
【背景技術】
【０００２】
上記セラミックス回路基板が組み込まれる半導体装置の側断面図を図１に示す。半導体装置１１は、ろう材層１０ｂを介してセラミックス基板１０ａの上面に接合された回路板（金属板）１０ｃと、ろう材層１０ｄを介してセラミックス基板１０ａの下面に接合された放熱板（金属板）１０ｅを有するセラミックス回路基板１０を備えている。そして、回路板１０ｃの上面には、半田層１１ａを介しＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等の半導体素子１１ｂが接合されている。
【０００３】
このように半導体素子を金属板に接合して半導体装置を形成する構成のセラミックス回路基板において、冷熱サイクル、具体的には半導体素子と金属板を接合する際の加熱・冷却に伴う熱負荷、または半導体装置の使用時の作動・停止に伴う熱負荷に起因し、金属板を構成する組織レベルにおける微小変形が生じ、金属板の表面の凹凸が大きくなる場合があった。そして、金属板の表面の凹凸は、特に、半田層１１ａと回路板１０ｃとの接合界面に剥離を発生させ、半導体装置の接合信頼性を低下させるため、当該凹凸の増大が低減可能な構成のセラミックス回路基板の実現が要請されていた。
【０００４】
かかる要請に対応したセラミックス回路基板が組み込まれた半導体装置が、下記特許文献１に開示されている。特許文献１に開示された一つの態様の半導体装置は、半導体素子を搭載する金属板を備え、当該金属板の半導体素子を搭載する部分またはその近傍に、金属板よりも熱膨張係数が低い多孔質体からなる低熱膨張部を埋設した半導体装置である。また、特許文献１に開示された別の態様の半導体装置は、半導体素子を搭載する金属板を備え、当該金属板よりも熱膨張係数が低く、金属板の半導体素子を搭載する部分を取り囲む部分またはその近傍に環状体からなる、低熱膨張部が埋設されている半導体装置である。なお、上記２つの態様の半導体装置は、いずれも、セラミックス等からなる絶縁板と、絶縁板に接合された金属板とを有する絶縁回路基板を備えており、当該絶縁回路基板が、本発明におけるセラミックス回路基板に該当する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２９４８９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記特許文献１に例示された従来技術のセラミックス回路基板に対し、熱負荷が作用した場合でも金属板の表面の凹凸の増大が抑制されるセラミックス回路基板を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成する本発明の一態様は、窒化珪素焼結体からなるセラミックス基板と、一方の面が前記セラミックス基板の一方の面に接合され、他方の面に形成された被覆層を有する銅を主成分とする金属板を備えたセラミックス回路基板であって、ＪＩＳ  Ｚ２２８５に準拠して測定した、−４０〜２５０℃における前記セラミックス基板の熱膨張率が、２〜４×１０−６／Ｋであり、前記被覆層を除いた前記金属板の熱膨張率が、１６〜１８×１０−６／Ｋであり、前記被覆層は、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｒからなる群のうち少なくとも一種を含み、−４０〜２５０℃における前記被覆層の熱伝導率は、９０〜１８０Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１であり、前記被覆層の平均厚みをｔ１、前記金属板の平均厚みをｔ２としたとき、ｔ１／ｔ２が０．００５〜０．１の範囲であるセラミックス回路基板である。
【０００８】
かかるセラミックス回路基板によれば、ＪＩＳ  Ｚ２２８５に準拠して測定した、−４０〜２５０℃における熱膨張率が２〜４×１０−６／Ｋであるセラミックス基板に、熱膨張率が１６〜１８×１０−６／Ｋの金属板が接合されている。このように熱膨張率の小さなセラミックス基板に金属板は接合されているので、冷熱サイクルに伴い熱負荷が作用した場合にも、金属板を構成する組織レベルの微小変形が抑制される。
【０００９】
そして、上記金属板の表面には、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｒからなる群のうち少なくとも一種を含む被覆層が形成されている。これらの元素は元来熱膨張率が低いので、金属板を構成する組織レベルの微小変形が抑制される。すなわち、本発明のセラミックス回路基板は、熱膨張率が低いセラミックス基板と被覆層との間に金属板を介在させる構成により、冷熱サイクルによる熱負荷が作用した場合における、金属板を構成する組織レベルの微小変形が抑制するものである。その結果、上記した冷熱サイクル試験に付した前後における、ＪＩＳ  Ｂ０６０１−２００１に準拠して測定した被覆層の表面粗さ（Ｒｚ）の差が、２０μｍ以下となり、もって当該金属板に接合される半導体素子との接合信頼性が確保される。さらに、このような被覆層は、周知の成膜法、例えばメッキ、スパッタリング、化学蒸着、イオンプレーティング等の手段を利用し、比較的容易に形成することができ、上記特許文献１に記載のセラミックス回路基板に対し、低コストで被覆層を形成することが可能となる。なお、上記被覆層は、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｒからなる群のうち少なくとも一種に替え、金属を主成分とする第１相と、セラミックスを主成分とする第２相とで構成してもよい。
【００１０】
さらに、半導体素子が接合されるセラミックス回路基板としては、実用上、半導体素子の作動時に発生する熱を外部に放熱する必要があり、セラミックス回路基板の熱抵抗を低減せめる必要がある。このため、本発明に係るセラミックス回路基板では、銅を主成分とする金属板の低い熱抵抗を阻害しないよう、上記のとおり被覆層の熱伝導率を９０〜１８０Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１とし、さらに当該被覆層の平均厚みをｔ１、金属板の平均厚みをｔ２としたとき、ｔ１／ｔ２が０．００５〜０．１の範囲としている。
【００１１】
なお、上記態様のセラミックス回路基板において、−４０〜２５０℃における前記被覆層の熱膨張率をα１、前記金属板の熱膨張率をα２としたとき、α１／α２の範囲は０．１〜０．７となる。この態様および下記する態様のセラミックス回路基板の作用・効果については、発明を実施するための形態の欄で詳細に説明する。
【００１２】
加えて、前記金属板は、半導体素子が接合される接合部を有し、前記被覆層は、前記接合部の周囲に設けられていることが望ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、上記したように、回路基板に熱負荷が作用した場合でも、金属板を構成する組織レベルの微小変形が抑制され、金属板の表面に設けられた被覆層の表面の凹凸の増大が抑制される。その結果、熱負荷が作用した後においても、被覆層の表面粗さ（Ｒｚ）の増大が抑制され、もって半導体素子の接合信頼性が確保できるとともに、熱抵抗の低いセラミックス回路基板を低コストで提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】半導体装置の側断面図である。
【図２（ａ）】本発明に係る第１態様のセラミックス回路基板の側断面図である。
【図２（ｂ）】図２（ａ）のセラミックス回路基板に半導体素子を接合した状態の側断面図である。
【図２（ｃ）】図２（ｂ）のセラミックス回路基板を上方から見た平面図である。
【図３】図２のセラミックス回路基板の第１変形例であるセラミックス回路基板の側断面図である。
【図４（ａ）】図２のセラミックス回路基板の第２変形例であるセラミックス回路基板の側断面図である。
【図４（ｂ）】図４（ａ）のセラミックス回路基板を上方から見た平面図である。
【図５（ａ）】本発明に係る第２態様のセラミックス回路基板の側断面図である。
【図５（ｂ）】図５（ａ）のセラミックス回路基板を上方から見た平面図である。
【図５（ｃ）】図５（ａ）のＡ部拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明について、その第１実施形態およびその変形例、ならびに第２実施形態に基づき図面を参照しつつ具体的に説明する。なお、本発明は、上記実施形態に限定されることなく、本発明の作用・効果を奏することのできる範囲で、適宜変形して実施することができる。また、第１実施形態および第２実施形態の各構成要素は、適宜組み合わせて実施することができる。
【００１６】
［第１実施形態］
本発明に係る第１実施形態のセラミックス回路基板（以下、回路基板と言う場合がある。）について、その側断面図である図２（ａ）を参照しつつ説明する。本態様の回路基板１は、窒化珪素焼結体からなるセラミックス基板（以下、窒化珪素基板と言う場合がある。）１ａと、窒化珪素基板１ａの上面（一面）にろう材層１ｂを介し接合された金属板である回路板１ｃと、下面（他面）にろう材層１ｄを介し接合された金属板である放熱板１ｅとを有している。なお、ろう材層１ｂ・１ｄを構成するろう材としては、銅を主成分とする回路板１ｃ・放熱板１ｅと窒化珪素基板１ａとを接合する場合に常用される、例えばＴｉ等の活性金属を含むＡｇ−Ｃｕ系ろう材またはＡｇ−Ｃｕ−Ｉｎ系ろう材を使用すればよい。
【００１７】
窒化珪素基板１ａは、常用される製造方法で製造された、主相である窒化珪素粒子と焼結助剤を主成分とする粒界相を含む窒化珪素焼結体であり、そのＪＩＳ  Ｃ００２５−１９８８に準拠して測定した、−４０〜２５０℃における熱膨張率は、２〜４×１０−６／Ｋである。
【００１８】
回路板１ｃ・放熱板１ｅとはいずれも銅を主成分とする厚みが０．１〜１．０ｍｍの金属板であり、そのＪＩＳ  Ｚ２２８５に準拠して測定した−４０〜２５０℃における熱膨張率は、１６〜１８×１０−６／Ｋである。ここで、本態様の回路基板１では、回路板１ｃ・放熱板１ｅは、ろう材層１ｂ・１ｄを介し窒化珪素基板１ａと接合しているが、直接接合法により窒化珪素基板１ａと直接接合してもよい。また、放熱板１ｅは、本発明において必須の構成要素ではなく、回路基板１は、少なくとも回路板１ｃが設けられていればよい。さらに、回路板１ｃは、単一の金属板に限定されず、複数の金属板からなる回路パターンであってもよい。
【００１９】
上記回路板（金属板）１ｃの表面には被覆層１ｆが形成されている。本態様の被覆層１ｆは、常用される成膜法であるスパッタリング等で形成された、Ｍｏ（モリブデン）を主成分とする被覆層１ｆである。被覆層１ｆを構成する主成分は、Ｗ（タングステン）またはＣｒ（クロム）であってもよい。また、熱負荷が作用した場合に生じる回路基板１の反りを低減するため、上記被覆層１ｆは、放熱板１ｅの表面に設けておいてもよい。ここで、「主成分」とは、当該元素を５０％以上含むことを言う。そして、上記Ｗ、ＭｏまたはＣｒからなる群のうち少なくとも一種を主成分として含む被覆層１ｆの−４０〜２５０℃における熱膨張率をα１、回路板１ｃの熱膨張率をα２としたとき、α１／α２の範囲は０．１〜０．７となる。ここで、α１／α２が０．１未満の場合には、熱負荷が作用した場合に、被覆層１ｆと回路板１ｃとの接合界面、または回路板１ｃと窒化珪素基板１ａとの接合界面に過大な応力が生じ、被覆層１ｆまたは回路板１ｃが剥離する場合がある。一方で、α１／α２が０．７を超える場合には、本発明の作用・効果を発揮することができない。
【００２０】
さらに、本態様の回路基板１では、その熱抵抗を考慮し、被覆層１ｆの熱伝導率は、９０〜１８０Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１としている。加えて、被覆層１ｆの平均厚みをｔ１、回路板１ｃの平均厚みをｔ２としたとき、ｔ１／ｔ２は０．００５〜０．１の範囲としている。すなわち、上記のように回路板１ｃの平均厚みが０．１〜１．０ｍｍである場合には、被覆層１ｆの平均厚みは０．５〜１００μｍとする。ここで、ｔ１／ｔ２が０．００５未満の場合には、本発明の作用・効果を発揮することができない。一方で、上記のように９０〜１８０Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１の熱伝導率を有する被覆層１ｆであっても、ｔ１／ｔ２が０．１を超える場合には、回路基板１の熱抵抗が高くなる。なお、回路板１ｃおよび被覆層１ｆの平均厚みの定義は、実験例の項で説明する。
【００２１】
上記した被覆層１ｆの熱伝導率および熱膨張率の測定方法は、実験例の項で詳細に説明する。
【００２２】
上記構成の回路基板１を利用し半導体装置を形成する場合には、図２（ｂ）に示すように、金属板１ｃに被覆された被覆層１ｆの表面に形成された半田層９ａを介し半導体素子９ｂを接合する。なお、図２（ｂ）中、符号９ｃは半田層９ａと回路板１ｃとの接合界面である。ここで、Ｗ、ＭｏまたはＣｒを主成分とする被覆層１ｆは、その表面に厚い酸化膜が生成され易く、接合工程において溶融した半田の濡れ性が低い。そのため、当該被覆層１ｆの表面に直接半田層を形成する場合には、例えば半導体素子の接合工程の前に酸化膜を除去する工程を設けたり、当該接合工程を還元雰囲気下で行うとよい。
【００２３】
そして、本態様の回路基板１によれば、−４０℃での冷却を５分、２５０℃での加熱を５分とする昇温／降温サイクルを１サイクルとし、これを３００回繰り返してセラミックス回路基板に付与する冷熱サイクル試験に回路基板１を付した前後における、ＪＩＳ  Ｂ０６０１−２００１に準拠して測定した被覆層１ｆの表面粗さ（Ｒｚ）の差が、２０μｍ以下となる。そのため、冷熱サイクルに起因した熱負荷が回路基板１に作用した場合でも、図２（ｂ）に示す接合界面９ｃにおいてクラックが生じ難く、回路板１ｃに接合された半導体素子９ｂとの接合信頼性が確保される。
【００２４】
［第１変形例］
第１態様の回路基板１の第１変形例に係る回路基板２について、その側断面図である図３を参照しつつ説明する。なお、図３において、上記第１態様の回路基板１と同一の構成要素については、同一符号を付しており、詳細な説明を省略する（第１態様の回路基板の第２変形例および第２態様の回路基板についても同様）。
【００２５】
第１変形例の回路基板２は、図３に示すように、Ｗを主成分とする被覆層（以下、第１変形例の説明において第１被覆層と言う。）１ｆの表面に、例えばメッキ法で形成されたＮｉを主成分とする第２被覆層２ｇが積層した状態で被覆されている点で、第１態様の回路基板１と相違している。なお、第２被覆層２ｇはＮｉに限定されず、硬度・耐腐食性その他最表面に求められる特性を考慮し、例えばＰｂ、Ｓｎ、Ａｕを主成分とする第２被覆層２ｇとしてもよい。かかる第２被覆層２ｇは溶融した半田との濡れ性が高いので、半導体素子との接合性を高めることができる。
【００２６】
［第２変形例］
第１態様の回路基板１の第２変形例に係る回路基板３について、その側断面図である図４（ａ）、図４（ａ）の平面図である図４（ｂ）を参照しつつ説明する。なお、図４（ａ）・（ｂ）は、いずれも半導体素子９ｂが搭載された状態を示している。第２変形例の回路基板３の回路板１ｃは、図４（ａ）・（ｂ）に示すように、平面方向においてその表面の中央部に半導体素子９ｂが接合される接合部３ｈを有し、当該接合部３ｈの周囲に被覆層３ｆが形成されている点で、第１態様の回路基板１と相違している。なお、被覆層３ｆは、図４（ｂ）に実線で示すように、接合部３ｈの周囲に形成されていればよいが、破線で示すように接合部３ｈを包囲するように略環状に形成しておくことが好ましい。また、ろう材層１ｂを介し回路板１ｃに半導体素子９ｂを接合してもよいが、回路板１ｃの表面に例えばＮｉ等を主成分とする被覆層を形成しておき、ろう材層を介し被覆層に半導体素子９ｂを接合してもよい。かかる第２変形例の回路基板３によれば、接合部３ｈを設けることにより半導体素子９ｂと回路板１ｃとの接合性を確保できる。加えて、接合部３ｈの周囲に設けた被覆層３ｆにより、熱負荷が作用した場合でも、回路板１ｃを構成する組織レベルの微小変形が抑制され、その結果、半導体素子の接続信頼性を阻害する、回路板１ｃの表面の凹凸の形成が低減される。
【００２７】
［第２実施形態］
本発明の第２実施形態に係る回路基板４について、その側断面図である図５（ａ）、図５（ａ）を上方から見た平面図である図５（ｂ）、図５（ａ）のＡ部拡大図である図５（Ｃ）を参照しつつ説明する。図５に示すように、第２態様の回路基板４は、第１態様のＷを主成分とする被覆層１ｆに替え、金属を主成分とする第１相４ｉと、セラミックスを主成分とする第２相４ｊとで構成された被覆層４ｆを有する点で、第１態様の回路基板１と相違している。以下、第２態様の被覆層４ｆについて詳細に説明する。
【００２８】
本態様の被覆層４ｆは、図５に示すように、回路板１ｃの上面に規則的なパターンで配置された直径がＣの略円板形状の第２相４ｊと、平面方向において複数の第２相４ｊの周囲を埋めるように配置された第１相４ｉとを有している。ここで、金属を主成分とする第１相４ｉは、被覆層４ｆにおいて所望の熱伝導率を確保するために配置され、セラミックスを主成分とする第２相４ｊは所望の熱膨張率を得るために配置される要素である。したがって、第２相４ｊの形状は上記に限定されず、その平面視は略矩形状、略三角形状、略楕円形状その他各種の形状とすることができ、被覆層４ｆの面積に対する面積比は４０〜８０％であることが好ましい。さらに、第２相４ｊは規則的なパターンで配置しなくてもよいが、回路板１ｃを構成する組織レベルの熱負荷による微小変形の均一化のためには、例えば平面方向において中心間距離Ｐが等しくなるよう規則的に配置することが望ましい。
【００２９】
第１相４ｉを構成する金属としては、各種の金属を使用することができる。例えば、被覆層１ｆの低熱膨張性を重視する場合には、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒからなる群のうちから少なくとも一種の金属で第１相４ｉを構成すればよい。また、半導体素子との接合時における溶融半田との濡れ性を重視する場合には、Ｎｉ、Ｐｂ、ＳｎおよびＡｕからなる群のうちから少なくとも一種の金属で第１相４ｉを構成すればよい。さらに、被覆層４ｆの高熱伝導性を重視する場合には、例えばＣｕ、Ａｌ等の熱伝導率の高い金属で第１相４ｉを構成すればよい。
【００３０】
また、第２相４ｊを構成するセラミックスとしては、例えばアルミナ、ジルコニアその他酸化物系セラミックス、炭化珪素、炭化硼素その他炭化物系セラミックス、窒化珪素、サイアロン、窒化アルミニウム、窒化硼素その他窒化物系セラミックスなど各種のセラミックスを使用することができる。
【００３１】
この第２態様の被覆層４ｆは、常用される成膜法を利用して形成することができる。すなわち、まず、窒化珪素基板１ａの上面にろう材層１ｂを介して接合された回路板１ｃの上面に、第２相４ｊの形状・配置に対応したマスクキングを行い、その後スパッタリングにより所定の厚みの第２相４ｊを形成する。次いで、ＮｉやＰｂ等で第１相４ｉを形成する場合には、第２相４ｊが形成された回路板１ｃの表面に、そのままメッキ法で第１相４ｉを形成すればよい。また、Ｗ、Ｍｏ等で第１相４ｉを形成する場合には、回路板１ｃの表面に形成された第２相４ｊを覆うようにマスキングを行い、スパッタリングにより第１相４ｉを形成すればよい。
【００３２】
上記のように構成された被覆層４ｆを有する第２態様の回路基板１でも、第１相４ｉおおよび第２相４ｊの構成を調整することにより、被覆層４ｆの熱伝導率は、９０〜１８０Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１となる。さらに、被覆層４ｆの厚みをｔ１、回路板１ｃの厚みをｔ２としたとき、ｔ１／ｔ２は０．００５〜０．１の範囲である。このように、被覆層４ｆの第１相４ｉおよび第２相４ｊの構成を調整することにより、上記冷熱サイクル試験に付した前後の、ＪＩＳ  Ｂ０６０１−２００１に準拠して測定した前記被覆層の表面粗さ（Ｒｚ）の差が、２０μｍ以下となる。その結果、冷熱サイクルに起因した熱負荷が作用した場合でも、回路板１ｃに接合された半導体素子の接続信頼性が確保される。
【００３３】
［実験例］
以下、本発明について、その実験例１〜１６に基づき具体的に説明するが、本発明は、当該実験例に限定されない。
【００３４】
表１に示す熱膨張率を有する窒化珪素基板ならびに回路板および放熱板を準備した。なお、窒化珪素基板の熱伝導率は８０Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１、曲げ強度は７００ＭＰａ、破壊靱性値は６．５ＭＰａ１／２のものを使用した。また、回路板および放熱板としては、ＪＩＳ  Ｈ３１００  Ｃ１０２０Ｈで規定される熱伝導率が４００Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１の無酸素銅を使用した。
【００３５】
各実験例ともに、窒化珪素基板の平面方向の寸法Ｌ１・Ｌ２（図２参照）は、各々３７×４７ｍｍとし、その厚みｔ３は０．３２ｍｍとした。また、回路板および放熱板の平面方向の寸法Ｌ３・Ｌ４は、いずれも３５×４５ｍｍとした。表１に示す、回路板および放熱板の平均厚みｔ２は、任意の１０点の厚みをマイクロメータで測定した値の平均値である。なお、いずれの実験例でも、回路板および放熱板は、平面方向において窒化珪素基板の中央部に配置した。
【００３６】
各実験例ともに、窒化珪素基板の両面の回路板および放熱板の接合される領域に、４５μｍの厚みとなるようスクリーン印刷でろう材ペーストで塗布した。なお、ろう材ペーストの組成は、Ａｇ：７０質量％、Ｉｎ：３質量％、残部Ｃｕ及び不可避不純物からなる５０％累積粒子径（ｄ５０）２０μｍの合金粉末と、前記合金粉末１００質量部に対し、５０％累積粒子径（ｄ５０）１０μｍのＡｇ粉末粒子を１０質量部、５０％累積粒子径（ｄ５０）が１５μｍの水素化チタン粉末を、１質量部を有するろう材粉末に対し、バインダーを５質量％、溶剤を１０質量％添加し、混練したろう材ペーストである。
【００３７】
上記ろう材ペーストが印刷された窒化珪素基板に回路板および放熱板を載置し、接合炉に収納し、加熱・冷却し、窒化珪素基板と回路板・放熱板を接合した。なお、接合炉は、３８０℃の温度で１２時間保持し、１０℃／分の昇温速度で昇温し、炉内圧力が１Ｐａ以下となるよう制御しつつ５８０℃の温度で１０時間保持し、１０℃／分の昇温速度で昇温し、炉内圧力が５×１０−３Ｐａ以下となるよう制御しつつ８３５℃の温度で１時間保持し、その後、冷却速度３℃／分にて冷却するよう制御した。
【００３８】
窒化珪素基板の表面に接合された回路板・放熱板の表面を例えば化学研磨等により処理して、表面の異物等を除去した後、各実験例ごとに表１に示す組成および厚みの被覆層を有する回路基板を形成した。なお、表１において実施形態の欄には、上記説明した図２・４・５の回路基板のいずれに該当するかを示している。実験例１４の回路基板は、その回路板の表面に被覆層を設けなかった。
【００３９】
ここで、実験例１〜１１および実験例１５・１６の被覆層は、図２を参照して説明した第１態様の被覆層１ｆであり、回路板の表面の全てに設けた。そして、実験例１〜６、実験例８〜１２および実験例１５のＷまたはＭｏからなる被覆層１ｆはスパッタリングで形成し、実験例７のＣｒおよび実験例１６のニッケルリンからなる被覆層１ｆはメッキで形成した。また、実験例１２の被覆層は、図４を参照して説明した第１態様の第２変形例の被覆層３ｆであり、Ｗを主体とする被覆層３ｆを回路板１ｃの接合部３ｈの周囲に設けた。そして、実験例１２では、図４に示す被覆層３ｆの平面方向の寸法は、Ｌ７が３５ｍｍ、Ｌ８が３３ｍｍ、Ｌ９が２ｍｍ、Ｌ１０が５ｍｍ、Ｌ１１が３１ｍｍとした。
【００４０】
実験例１３の被覆層は、図５を参照して説明した第２態様の被覆層４ｆであり、回路板の表面の全てに設けた。この第１相４ｉおよび第２相４ｊを有する被覆層４ｆは、次のように形成した。すなわち、図５に示すように、回路板１ｃの表面積に対する第２相４ｊの面積率が５０％となるよう、平面方向において中心間距離Ｐが０．５ｍｍで配置された直径Ｃが０．４ｍｍの第２相４ｊに対応する開口部が形成されたステンレス製のマスクを回路板１ｃの表面に載置し、次いでスパッタリングでＡｌＮからなる第２相４ｊを形成した。第２相４ｉが形成された回路板１ｃの表面をＰｄ処理し、その後無電解Ａｕメッキを行うことにより、第２相４ｊの周囲を埋めるようにＡｕを主体とした第１相４ｉを形成した。なお、各実験例ともに形成された被覆層（実験例１４は回路板）のＪＩＳ  Ｂ０６０１−２００１に準拠して測定した表面粗さの値は、いずれも８〜１５μｍの範囲であった。
【００４１】
表１に示す被覆層の平均厚みｔ１ならびにその熱伝導率および熱膨張率α１は、次のようにして求めた。まず、被覆層の平均厚みｔ１は、各実験例毎に、上記説明した条件と同一の条件で試験片を作成し、当該試験片の任意の断面について光学顕微鏡で観察し、当該断面の任意の１０ヶ所の被覆層の厚みを求め、得られた値の平均値を被覆層の平均厚みとした。
【００４２】
被覆層の熱伝導率は、厚さが０．２ｍｍ、幅３ｍｍ、長さが３０ｍｍのガラス基板の表面に被覆層を形成した試験片を作成し、当該試験片をスキャニングレーザー加熱法により測定することにより求めた。また、被覆層の熱膨張率は、上記試験片の被覆層に歪ゲージを設置し、−４０℃〜２５０℃の範囲で温度を変化させつつ求めた歪値より算出した。
【００４３】
【表１】
2014063798.tif 000003
【００４４】
各実験例で作成された回路基板の厚み方向の熱伝導率を、レーザフラッシュ法で確認した。その結果を表２に示す。
【００４５】
各実験例で作成された回路基板を、−４０℃での冷却を５分、２５０℃での加熱を５分とする昇温／降温サイクルを１サイクルとし、これを３００回繰り返して付与する冷熱サイクル試験に付した。冷熱サイクル試験前および試験後における、ＪＩＳ  Ｂ０６０１−２９９１に準拠して測定した前記被覆層の表面粗さ（Ｒｚ）の差の値を表２に示す。なお、被覆層を形成しなかった実験例１４の数値は、回路板の表面粗さである。
【００４６】
次いで、各実験例で作成された回路基板であって、上記冷熱サイクル試験に付さない回路基板の平面方向において被覆層の中央部に、２００μｍの厚みの半田層を介し、半導体装置に擬したシリコン片を水素雰囲気下で接合した。使用した半田は、Ａｇ：５質量％、Ｃｕ：０．５質量％、残部Ｓｎおよび不純物からなる半田である。また、半導体装置に擬したシリコン片の熱膨張率は２．８×１０−６／Ｋであり、その平面方向の寸法Ｌ５・Ｌ６（図２参照）は、各々２５×２５ｍｍ、厚みｔ４は０．３ｍｍとした。なお、被覆層を形成しなかった実験例１４では、回路板１ｃの表面に半田層を介しシリコン片を接合した。
【００４７】
上記シリコン片が接合された回路基板に、−４０℃での冷却を５分、２５０℃での加熱を５分とする昇温／降温サイクルを１サイクルとし、これを３００回繰り返して付与する冷熱サイクル試験に付した。冷熱サイクル試験に付した各実験例の回路基板を溶媒中に浸漬し、超音波探傷装置（日立建機製、Ｍｉ−ｓｃｏｐｅ、周波数：５０ＭＨｚ）で、半田層と被覆層（実験例１４では半田層と回路板）との接合界面に発生した剥離の有無を確認した。その結果を表２に示す。
【００４８】
【表２】
2014063798.tif 000004
【００４９】
実験例１〜１６によれば、以下のことが確認された。本発明の範囲である実験例１〜１３の回路基板は、冷熱サイクル試験前後の被覆層の表面粗さの差が２０μｍ以下となり、その結果、半導体装置に擬したシリコン片を接合している半田層と被覆層との接合界面の剥離は発生しなかった。また、回路基板の熱伝導率も２００Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１以上となり、回路基板の熱抵抗も適正な範囲であった。
【００５０】
一方で、回路板の表面に被覆層を形成しなかった実験例１３の回路基板では、熱抵抗は低いものの、冷熱サイクル試験前後の被覆層の表面粗さの差が３５μｍとなり、その結果、半田層と被覆層との接合界面の剥離が生じた。また、被覆層の厚い実験例１４の回路基板では、冷熱サイクル試験前後の被覆層の表面粗さの差は９μｍであり、半田層と被覆層との接合界面の剥離は生じなかったものの、熱抵抗が大きかった。さらに、熱膨張率が大きいニッケルリンで形成した被覆膜を有する実験例１６の回路基板では、冷熱サイクル試験前後の被覆層の表面粗さの差が２５μｍとなり、その結果、半田層と被覆層との接合界面の剥離が生じた。さらに、この実験例１６の被覆膜は熱伝導率も低いため、熱抵抗も大きかった。
【符号の説明】
【００５１】
１（２〜４、１０）  セラミックス回路基板
１ａ（１０ａ）      窒化珪素基板
１ｂ（１０ｂ）      ろう材層
１ｃ（１０ｃ）      回路板（金属板）
１ｄ（１０ｄ）      ろう材層
１ｅ（１０ｅ）      放熱板（金属板）
１ｆ（３ｆ、４ｆ）  被覆層
４ｉ                第１相
４ｊ                第２相
９ａ（１１ａ）      半田層
９ｂ（１１ｂ）      半導体装置
９ｃ                接合界面
【図１】
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【図２（ａ）】
2014063798.tif 000006
【図２（ｂ）】
2014063798.tif 000007
【図２（ｃ）】
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【図３】
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【図４（ａ）】
2014063798.tif 000010
【図４（ｂ）】
2014063798.tif 000011
【図５（ａ）】
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【図５（ｂ）】
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【図５（ｃ）】
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