(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック基板の上面に金属回路板を取着し、下面に該金属回路板の取着領域と対応する金属板を取着して成るセラミック回路基板を、前記金属回路板に半導体素子を実装するとともに、前記セラミック回路基板の下面および前記セラミック基板の側面に接する伝熱性組成物を介して放熱部材に実装して成ることを特徴とする半導体素子モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミック回路基板にパワートランジスタやＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のパワー半導体素子を実装した半導体素子モジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、パワーモジュール用基板やスイッチングモジュール用基板等の回路基板として、セラミック基板上に活性金属ロウ材を介して銅等から成る金属回路板を直接接合させたセラミック回路基板が用いられている。
【０００３】
かかるセラミック回路基板は、酸化アルミニウム質焼結体から成るセラミック基板の場合には、具体的には以下の方法によって製作される。
【０００４】
まず、銀−銅合金にチタン・ジルコニウム・ハフニウムおよびこれらの水素化物の少なくとも１種を添加した活性金属粉末に有機溶剤・溶媒を添加混合してロウ材ペーストを作製する。
【０００５】
次に、酸化アルミニウム・酸化珪素・酸化マグネシウム・酸化カルシウム等の原料粉末に適当な有機バインダ・可塑剤・溶剤等を添加混合して泥漿状と成すとともにこれを従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等のテープ成形技術を採用して複数のセラミックグリーンシートを得た後、所定寸法に形成し、次にセラミックグリーンシートを必要に応じて上下に積層するとともに還元雰囲気中にて約１６００℃の温度で焼成し、セラミックグリーンシートを焼結一体化させて酸化アルミニウム質焼結体から成るセラミック基板を形成する。
【０００６】
次にセラミック基板上にロウ材ペーストを間にはさんで銅等から成る金属回路板を載置する。
【０００７】
そして最後にセラミック基板と金属回路板との間に配されているロウ材ペーストを非酸化性雰囲気中にて約９００℃の温度に加熱してロウ材を溶融させ、溶融したロウ材でセラミック基板と金属回路板とを接合することによって製作される。
【０００８】
このように製作されたセラミック回路基板は、ＩＣやＬＳＩ等の半導体素子等の電子部品を半田などの接着剤を介して接合した後、アルミニウム等の放熱部材に半田で接合実装されることにより、半導体素子の動作時の発熱を良好に放熱させる半導体素子モジュール（以下、半導体モジュールという）となる。
【０００９】
しかしながら、セラミック回路基板（熱膨張係数が約３〜１０ｐｐｍ／℃）と放熱部材（熱膨張係数が約１８〜２３ｐｐｍ／℃）の熱膨張係数が大きく相違することから、セラミック回路基板と放熱部材間の半田にクラックが発生し、剥離が生じて信頼性が著しく劣化する場合がある。
【００１０】
このため、半田に変えてグリース状の伝熱性組成物を介してセラミック回路基板と放熱部材を実装する方法が採用されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来の半導体モジュールは、セラミック回路基板の下面側金属板に対応するエリアに伝熱性組成物を塗布配置して放熱部材に実装されており、また、セラミック回路基板のセラミック基板と金属回路板および金属板の熱膨張率のバランスが異なっているため、半導体素子が動作し発熱すると、その温度上昇によって基板がそり、変形する。そして、例えば、セラミック基板が変形して周縁部が上側に反り変形すると、伝熱性組成物の端部がコ字状に凹み、次にセラミック基板の反り変形が戻ると伝熱性組成物の端部も戻り、その際に端部の凹み部分に気泡（空気）が侵入することとなる。
【００１２】
その結果、セラミック回路基板と放熱部材間の伝熱性組成物に気泡（空気）が侵入してしまい、その気泡によって電子部品からの放熱経路が遮断されてしまうため電子部品に熱破壊や特性に劣化を招来して電子部品を安定に信頼性よく作動させることができなくなってしまうという問題点を有していた。
【００１３】
本発明は上記問題点に鑑み完成されたもので、その目的は、放熱性の劣化を抑制し、半導体素子等の電子部品を安定して作動させることができる半導体モジュールを提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、セラミック基板の上面に金属回路板を取着し、下面にこの金属回路板の取着領域と対応する金属板を取着して成るセラミック回路基板を、前記金属回路板に半導体素子を実装するとともに、前記セラミック回路基板の下面および前記セラミック基板の側面に接する伝熱性組成物を介して放熱部材に実装して成ることを特徴とするものである。
【００１５】
本発明の半導体モジュールによれば、セラミック回路基板がセラミック回路基板の下面およびセラミック基板の側面に接する伝熱性組成物を介して放熱部材に実装されていることから、半導体素子等の電子部品動作時の発熱によるセラミック回路基板のそり変形が発生しても、伝熱性組成物の端部の凹みが発生しなくなるため、セラミック回路基板と放熱部材間の伝熱性組成物に気泡の侵入がなくなり、放熱性が劣化せず、信頼性の高い半導体モジュールを得ることが可能になる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明を添付図面に基づき詳細に説明する。
【００１７】
図１は、本発明の半導体モジュールの実施の形態の一例を示す断面図であり、１はセラミック基板、２は金属回路板、３は金属板、４は伝熱性組成物、５は放熱部材、６は半導体素子である。
【００１８】
セラミック基板１は四角形状をなし、その上下両面に金属回路板２および金属板３がロウ付け等により取着されている。
【００１９】
セラミック基板１は金属回路板２および金属板３を支持する支持部材として機能し、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）質焼結体・ムライト（３Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２）質焼結体・炭化珪素（ＳｉＣ）質焼結体・窒化アルミニウム（ＡｌＮ）質焼結体・窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）質焼結体等の電気絶縁材料で形成されている。
【００２０】
セラミック基板１は、たとえば、酸化アルミニウム質焼結体で形成されている場合、酸化アルミニウム・酸化珪素・酸化マグネシウム・酸化カルシウム等の原料粉末に適当な有機バインダ・可塑剤・溶剤を添加混合して泥漿状となすとともに、その泥漿物を従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法を採用することによってセラミックグリーンシート（セラミック生シート）を形成し、しかる後、このセラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施すとともにこれを複数枚積層し、約１６００℃の高温で焼成することによって製作される。
【００２１】
セラミック基板１はその上下面に金属回路板２や金属板３がロウ付け等により取着されている。
【００２２】
また、セラミック基板１はその厚みを０．２〜１．０ｍｍとすることが、金属回路板２および金属板３を接合した時のセラミック基板１の割れ抑制や、半導体素子６から発生する熱の伝達性の点で好ましい。０．２ｍｍ未満では、セラミック基板１と金属回路板２や金属板３を接合した時に発生する応力により、セラミック基板１に割れ等が発生しやすくなる傾向がある。他方、１．０ｍｍを超えると、半導体素子６から発生する熱を良好に放熱部材に伝達することが困難となる傾向がある。
【００２３】
金属回路板２および金属板３は銅やアルミニウム等の金属材料から成り、また、セラミック基板１の上下面に金属回路板２および金属板３は以下のように取着されて接合される。
【００２４】
例えば、銀−銅合金粉末等から成る銀ロウ粉末や、アルミニウム−シリコン合金粉末等から成るアルミニウムロウ粉末に、チタン・ジルコニウム・ハフニウム等の活性金属やその水素化物の少なくとも１種から成る活性金属粉末を２〜５重量％添加した活性金属ロウ材に、適当な有機溶剤・溶媒を添加混合して得た活性金属ロウ材ペーストを、セラミック基板１の上下面に従来周知のスクリーン印刷法を用いて金属回路板２および金属板３に対応した所定パターンに印刷する。
【００２５】
その後、金属回路板２および金属板３をこのロウ材パターン上に載置し、これを真空中、または中性雰囲気中もしくは還元雰囲気中で、所定温度（銀ロウ材の場合は約９００℃、アルミニウムロウ材の場合は約６００℃）で加熱処理し、活性金属ロウ材を溶融させてセラミック基板１の上下面と金属回路板２・金属板３とを接合させる。これにより、セラミック基板１の上下面に金属回路板２・金属板３が取着されることとなる。
【００２６】
銅やアルミニウム等から成る金属回路板２や金属板３は、銅やアルミニウム等のインゴット（塊）に圧延加工法や打ち抜き加工法等の従来周知の金属加工法を施すことによって、例えば、厚さが５００μｍで所望の回路配線パターン形状に製作される。金属回路板２や金属板３の厚さは、半導体素子６からの高電流信号を伝達するための電気抵抗や、セラミック基板１と接合した時のセラミック基板１の割れ防止の点で０．１〜１．０ｍｍが好ましい。０．１ｍｍ未満では、電気抵抗が大きくなるため半導体素子６からの高電流信号が流れにくくなる傾向がある。他方、１．０ｍｍ以上では、セラミック基板１と金属回路板２や金属板３とを接合した時に発生する応力により、セラミック基板１に割れ等が発生しやすくなる傾向がある。
【００２７】
金属回路板２と金属板３の材質は、活性金属ロウ付け時や半導体素子６搭載のための半田リフロー時の加熱による反りを抑制するため同じ材質にし、また金属回路板２と金属板３の厚み関係は、金属板３の厚みを金属回路板２より薄くすることが好ましい。これは金属回路板２は回路配線形成のためにパターニングされているため、金属板３と同じ厚みでは反り等の抑制効果が小さくなるためである。
【００２８】
セラミック回路基板の金属回路板２の所定位置には、半導体素子６が、半田接合されるとともに半導体素子６の電極部と金属回路板２の電極部とがアルミニウム等のボンディングワイヤで電気的に接続されることによって実装されている。
【００２９】
放熱部材５は銅やアルミニウム等の高熱伝導性、具体的には熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の材料から成り、伝熱性組成物４を介してセラミック回路基板が実装されている。
【００３０】
銅やアルミニウム等から成る放熱部材５は、銅やアルミニウム等のインゴット（塊）に圧延加工法や打ち抜き加工法等の従来周知の金属加工法を施すことによって、例えば、厚さが３ｍｍの四角形状に製作される。
【００３１】
伝熱性組成物４は、例えば、シリコーンオイルにアルミニウム・銅・亜鉛・窒化アルミニウム等の伝熱性材料の粉体などを適量添加混合することによって作製され、従来周知のスクリーン印刷法やディスペンス塗布法等により、放熱部材５上面に塗布される。
【００３２】
セラミック回路基板は放熱部材５に伝熱性組成物４を介して以下のように実装される。
【００３３】
例えば、伝熱性組成物４の塗布された放熱部材５にセラミック回路基板を押圧し、伝熱性組成物４がセラミック回路基板の下面およびセラミック基板１の側面に接触するように固定し実装される。この際、放熱部材５上面にセラミック回路基板が固定される凹部を形成しておくことが好ましい。凹部を形成しておくことにより、伝熱性組成物４がセラミック基板１の側面に回り込んで接触しやすくなるとともに、セラミック回路基板を固定しやすくすることができる。
【００３４】
また、放熱部材５の上面に凹部を形成する場合、その深さを、セラミック回路基板を固定した際に、放熱部材５の凹部の周囲の上面がセラミック基板１の上面から下面の範囲に位置するように設定することが、伝熱性組成物４がセラミック基板１の側面へ接触する位置を制御しやすくなる点で好ましい。放熱部材５の凹部の周囲の上面がセラミック基板１の上面より高くなった場合、伝熱性組成物４がセラミック基板１の上面まで回り込みやすくなり、金属回路板２の電気短絡を引き起こしやすくなる傾向がある。他方、放熱部材５の凹部の周囲の上面がセラミック基板１の下面より低くなった場合、伝熱性組成物４がセラミック基板１の側面まで回り込みにくくなりやすい傾向がある。
【００３５】
放熱部材５の上面の凹部に充填された伝熱性組成物４は、セラミック基板１の側面まで接していることから、金属回路板２に搭載された半導体素子６が動作発熱し、セラミック基板１と金属回路板２と金属板３との間の熱膨張係数の相違に起因する反りが発生しても、伝熱性組成物４に気泡（空気）の侵入がなく、半導体素子６から発生した熱を良好に放熱部材５に伝達することができる信頼性の高い半導体モジュールを得ることができる。
【００３６】
伝熱性組成物４がセラミック基板１の側面に接触する位置は、セラミック基板１の側面上下端からそれぞれ１００μｍ以上中央側の範囲であることが、伝熱性組成物４がセラミック基板１の上面に付着することによる電気絶縁性の低下抑制や伝熱性組成物４の端部の凹みの発生防止の点で好ましい。伝熱性組成物４が接触する位置がセラミック基板１の側面上端から１００μｍ未満となると、伝熱性組成物４がセラミック基板１の上面まで付着し易くなり、金属回路板２間の電気絶縁性を低下させ易くなる傾向がある。他方、セラミック基板１の側面下端から１００μｍに到達しない場合、セラミック回路基板の反り変形による伝熱性組成物４の端部の凹みが発生し易くなり、気泡（空気）の侵入が発生しやすくなる傾向がある。
【００３７】
また、金属回路板２および金属板３は、銅から成る場合であれば、金属回路板２および金属板３を無酸素銅で形成しておくと、無酸素銅はロウ付けの際に活性金属ロウ材が銅中に存在する酸素により酸化されることなく濡れ性が良好となることから、セラミック基板１へ強固に接合できる。従って、金属回路板２および金属板３はこれを無酸素銅で形成しておくことが好ましい。
【００３８】
なお、本発明は上述の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更は可能である。
【００３９】
例えば、上述の実施の形態の例ではセラミック基板１に活性金属ロウ材を介して直接金属回路板２および金属板３をロウ付けしてセラミック回路基板となしたが、これをセラミック基板１の表面に予めタングステンまたはモリブデン等のメタライズ金属層を被着させておき、メタライズ金属層に金属回路板２および金属板３をロウ材を介して取着させてセラミック回路基板を形成してもよい。
【００４０】
さらに、上述の実施の形態の例ではセラミック基板１の上面に金属回路板２を、下面に金属板３を接合してセラミック回路基板としたが、図２に示すように、セラミック基板１に金属回路板２と金属板３をロウ付け等により取着させる時の反り抑制のために、金属板３を金属回路板２と同様の形状に分割しても良い。
【００４１】
また、上述の実施の形態の例では上面に凹部を形成した放熱部材５を用いたが、上面が平坦な放熱部材５を用い、伝熱性組成物４をセラミック回路基板の側面からディスペンス塗布法により塗布して、実装してもよい。
【００４２】
【発明の効果】
本発明の半導体モジュールによれば、セラミック回路基板をセラミック回路基板の下面およびセラミック基板の側面に接する伝熱性組成物を介して放熱部材に実装していることから、半導体素子等の電子部品動作時の発熱によりセラミック基板が反り変形しても、伝熱性組成物の端部の凹みが発生しないため、セラミック回路基板と放熱部材間の伝熱性組成物に気泡の侵入がなくなり、放熱性が劣化せず信頼性の高い半導体モジュールを得ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体モジュールの実施の形態の一例を示す断面図である。
【図２】本発明の半導体モジュールの実施の形態の他の例を示す断面図である。
【符号の説明】
１：セラミック基板
２：金属回路板
３：金属板
４：伝熱性組成物
５：放熱部材
６：半導体素子
【図１】
0003588315.tif 000002
【図２】
0003588315.tif 000003