(57)【要約】  絶縁基板（１００）は、セラミック基板（２１）と、セラミック基板（２１）の少なくとも一方の面に貼り付けられた低熱伸縮性金属板（１２-1、１２-2）と、を有する。低熱伸縮性金属板（１２-1、１２-2）は、厚みがほぼ等しい一対のＣｕ板（１４，１５）と、一対のＣｕ板（１４，１５）の間に設けられた、Ｃｕ板（１４，１５）よりも熱膨張係数が低い低熱膨張金属板（１３）と、を備える。
2014030659.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック基板と、
前記セラミック基板の少なくとも一方の面に貼り付けられた低熱伸縮性金属板と、を有し、
前記低熱伸縮性金属板は、
厚みがほぼ等しい一対のＣｕ板と、
前記一対のＣｕ板の間に設けられた、前記Ｃｕ板よりも熱膨張係数が低い低熱膨張金属板と、を備える
ことを特徴とする絶縁基板。
【請求項２】
前記セラミック基板の厚みは、０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の絶縁基板。
【請求項３】
前記セラミック基板は、窒化珪素、アルミナ、窒化アルミニウム、ベリリアからなる群より選ばれる１つの材料からなることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の絶縁基板。
【請求項４】
前記Ｃｕ板の厚みは、５μｍ以上であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の絶縁基板。
【請求項５】
前記一対のＣｕ板のそれぞれの１枚の厚さは、前記低熱膨張金属板の厚さの１／２以下であることを特徴とする請求項１記載の絶縁基板。
【請求項６】
前記低熱膨張金属板は、インバー、モリブデン、スーパーインバー、ステンレスインバーからなる群より選ばれる１つの材料であることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の絶縁基板。
【請求項７】
前記一対のＣｕ板と前記低熱膨張金属板とは、金属学的方法で接合されていることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の絶縁基板。
【請求項８】
請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載した絶縁基板を、複数接合させて成ることを特徴とする多層セラミック絶縁基板。
【請求項９】
厚みがほぼ等しい複数のセラミック基板と、
前記複数のセラミック基板の間に配置された中間金属板と、
最上部及び最下部に位置するセラミック基板の外面にそれぞれ貼り付けられた低熱伸縮性金属板と、を有し、
前記低熱伸縮性金属板は、
厚みがほぼ等しい一対のＣｕ板と、
前記一対のＣｕ板の間に設けられた、前記Ｃｕ板よりも熱膨張係数が低い低熱膨張金属板と、を備える
ことを特徴とする多層セラミック絶縁基板。
【請求項１０】
少なくとも一つの前記セラミック基板の両面にそれぞれ配設された低熱伸縮性金属板と中間金属板、或いは、一対の中間金属板とが、前記セラミック基板の両面を貫通するビア窓に埋設されたビア窓金属板を介して電気的に接続されていることを特徴とする請求項９に記載の多層セラミック絶縁基板。
【請求項１１】
請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の絶縁基板と、
パワー半導体装置と、
前記絶縁基板と前記パワー半導体装置との間を接合する耐熱はんだ層と、
を備えることを特徴とするパワー半導体装置と絶縁基板の接合構造体。
【請求項１２】
前記パワー半導体装置は、炭化珪素、窒化ガリウム、ダイヤモンド、酸化亜鉛からなる群より選ばれる少なくとも１つのワイドバンドギャップ半導体からなることを特徴とする請求項１１に記載のパワー半導体装置と絶縁基板の接合構造体。
【請求項１３】
前記耐熱はんだ層のはんだは、その固相線温度が前記パワー半導体装置の最大使用温度Ｔｊmaxよりも少なくとも３０℃以上高く、且つ、その液相線温度が前記パワー半導体装置の瞬時耐熱温度よりも少なくとも３０℃以上低い金属材料からなることを特徴とする請求項１１または請求項１２のいずれかに記載のパワー半導体装置と絶縁基板の接合構造体。
【請求項１４】
前記耐熱はんだ層のはんだは、共晶Ａｕ-Ｇｅはんだ、共晶Ａｕ-Ｓｉはんだ、共晶Ａｕ-Ｓｎはんだ、共晶Ｚｎ-Ａｌはんだ、共晶Ｂｉ-Ａｇはんだ、Ｂｉはんだからなる群より選ばれるはんだであることを特徴とする請求項１１または請求項１２のいずれかに記載のパワー半導体装置と絶縁基板の接合構造体。
【請求項１５】
請求項１１に記載のパワー半導体装置と絶縁基板の接合構造体と、
水冷冷却器と、
前記パワー半導体装置と絶縁基板の接合構造体と、前記水冷冷却器との間に配設され、且つ平面視面積が前記パワー半導体装置と絶縁基板の接合構造体より大きい金属製放熱板と、
前記パワー半導体装置と絶縁基板の接合構造体と、前記金属製放熱板との間を接合する耐熱はんだと、
前記金属製放熱板と前記水冷冷却器との間を固定するネジと、
を備えることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項１６】
請求項１１に記載のパワー半導体装置と絶縁基板の接合構造体と、
空冷冷却フィンと、
前記パワー半導体装置と絶縁基板の接合構造体と、前記空冷冷却フィンとの間を接合する耐熱はんだ層と、
を備えることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度差が大きい冷熱サイクルストレスに対して、高い耐性を有する絶縁基板、多層セラミック絶縁基板、パワー半導体装置と絶縁基板の接合構造体、及びパワー半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
炭化珪素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）、ダイヤモンド（Ｃ）等のワイドバンドギャップ半導体を用いたパワー半導体装置は、高い半導体接合温度（Ｔｊ）であっても、シリコン（Ｓｉ）やガリウム砒素（ＧａＡｓ）を用いたパワー半導体装置に比べてオン抵抗が低く、高速スイッチイングが可能であるという利点がある。このため、半導体装置の小チップ化が可能である。また、小チップ化と同時に、システムを構成する受動部品や冷却器の小型化を図ることができ、小型軽量で低価格なパワーエレクトロニクスシステムが実現できると期待されている。【０００３】
このようなパワーエレクトロニクスシステムを現実に具体化させるためには、高い半導体接合温度Ｔｊ（例えば、Ｔｊ＞２００℃）、且つ、広い温度範囲ΔＴｊ（例えば、Ｔｊ＝−４０℃〜３００℃）において高い信頼性で作動するパワー半導体モジュールが実現されなくてはならない。【０００４】
このような問題を解決するために、特開２００８−２７０３５３号公報（特許文献１）に開示されたパワー半導体モジュールが提案されている。該パワー半導体モジュールでは、半導体素子と、絶縁部と、放熱板の組み合わせとしている。【０００５】
そして、特許文献１に開示されたパワー半導体モジュールでは、半導体接合温度（Ｔｊ）の最大値が２００℃、温度範囲（ΔＴｊ＝２４０℃）の冷熱サイクル試験で、２０００サイクル程度に耐えられる信頼度を有することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−２７０３５３号
【発明の概要】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に開示されたパワー半導体モジュールでは、より高い最高温度Ｔｊ、且つ、より大きな温度範囲（例えば、Ｔｊ＝−４０℃〜２５０℃、ΔＴｊ＝２９０℃）の環境で作動させようとした場合、以下に示す問題があった。パワー半導体モジュールを構成するパワー半導体装置と絶縁基板接合構造体との間の接合部分が、極めて少ないサイクル数で故障し、実際上この温度領域では実用に供することができない。
【０００８】
本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、半導体接合温度（Ｔｊ）が高く且つ温度範囲（ΔＴｊ）が広い冷熱サイクルの環境下においても高い信頼性で作動する絶縁基板、多層セラミック絶縁基板、パワー半導体装置と絶縁基板の接合構造体、及びパワー半導体モジュールを提供することにある。
【０００９】
本発明の一態様に係わる絶縁基板は、セラミック基板と、セラミック基板の少なくとも一方の面に貼り付けられた低熱伸縮性金属板と、を有する。低熱伸縮性金属板は、厚みがほぼ等しい一対のＣｕ板と、一対のＣｕ板の間に設けられた、Ｃｕ板よりも熱膨張係数が低い低熱膨張金属板と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明の第１〜第３実施形態に係る絶縁基板の要部を示す断面図である。
【図２】図２は、本発明の第４実施形態に係る多層セラミック絶縁基板の要部を示す断面図である。
【図３】図３は、本発明の第５実施形態に係る多層セラミック絶縁基板の要部を示す断面図である。
【図４】図４は、本発明の第６実施形態に係るパワー半導体装置と絶縁基板の接合構造体の要部を示す断面図である。
【図５】図５は、本発明の第６実施形態に係るパワー半導体装置と絶縁基板の接合構造体、及び比較例に係わる接合構造体の冷熱試験結果を示す特性図である。
【図６】図６は、本発明の第７実施形態に係るパワー半導体モジュールを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は要部断面図である。
【図７】図７は、本発明の第８実施形態に係るパワー半導体モジュールの要部を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下では、絶縁基板、多層セラミック絶縁基板、パワー半導体装置と絶縁基板の接合構造体、及びパワー半導体モジュールの構成を種々の模式図（断面図、平面図等）を参照して説明するが、これらの模式図は理解を促進するために、厚さと平面寸法との関係や各層の厚さの比率等は誇張して記載している。
【００１２】
［第１実施形態に係る絶縁基板の説明］
以下、第１実施形態に係る絶縁基板について説明する。第１実施形態に係る絶縁基板は、「Ｃｕ板が剥離する」という問題を解決する。この問題は、ＳｉＮ絶縁基板の両面にＣｕ板を貼り付けた従来のパワー半導体モジュールにおいて発生し得る。
【００１３】
図１は、本発明の第１実施形態に係る絶縁基板を示す断面図である。図１に示すように、第１実施形態に係る絶縁基板１００は、厚み方向のほぼ中央にＳｉＮ（窒化珪素）からなるセラミック基板２１が設けられている。セラミック基板２１の厚みは、０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下であることが望ましく、０．３１ｍｍとするのが好適である。
【００１４】
また、セラミック基板２１の両面（下面、及び上面）には、それぞれ低熱伸縮性金属板１２-1，１２-2が接合されている。低熱伸縮性金属板は、例えば、ＣＩＣクラッド金属板からなる。以下、低熱伸縮性金属板１２-1，１２-2を、ＣＩＣクラッド金属板１２-1，１２-2と称する。各ＣＩＣクラッド金属板１２-1，１２-2は同一の構成を備えている。ＣＩＣクラッド金属板１２-1（１２-2）の各々の厚みは０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下であることが望ましく、好ましくは０．３７ｍｍである。ここで、ＣＩＣクラッド金属板１２-1，１２-2は、インバー（Ｉｎｖｅｒ；登録商標）合金板１３（主成分Ｆｅ、Ｎｉ３６．５vol％含有）の両面に一対の無酸素銅板（Ｃｕ板１４，１５）を金属学的方法を用いて接合させた３層金属板である。また、インバー合金板１３の線膨張率は１．２ｐｐｍ／℃程度と小さいことから、インバー合金板１３の両面をこれと略同じ厚み（誤差−１％〜＋１％程度）のＣｕ板１４，１５で挟んだＣＩＣクラッド金属板１２-1，１２-2は、Ｃｕ板単体に比べて低い伸縮性（或いは低い合成熱膨張性）を有する。
【００１５】
ＣＩＣクラッド金属板１２-1，１２-2に設けられるＣｕ板１４及びＣｕ板１５の厚みは、熱伝導、電気伝導の良さを保持するため、少なくとも５μｍ以上であることが望ましく、１０μｍ以上であることがより望ましい。また、後述する冷熱サイクルにおいて、セラミック基板２１と、ＣＩＣクラッド金属板１２-1，１２-2との界面に加えられる熱応力を軽減する観点から、インバー合金板１３に対するＣｕ板１４，１５の各々の厚さの比率（Ｃ／Ｉ比）はできるだけ小さくして、ＳｉＮ（セラミック基板２１）の線膨張率との差を抑制するのが望ましい。具体的には、一対のＣｕ板１４，１５の各々の１枚の厚さは、インバー合金板１３の厚さの１／２以下が望ましく、１／５以下とすることがより望ましい。
【００１６】
セラミック基板２１と、ＣＩＣクラッド金属板１２-1，１２-2との接合は、Ｔｉ-Ｃｕ-Ａｇや、Ｔｉ-Ｃｕ-Ａｇ-Ｎｉ等の蝋剤（図示省略）を用いた活性金属接合法で実行することができる。セラミック基板２１にＣＩＣクラッド金属板１２-1，１２-2を接合させた後、ＣＩＣクラッド金属板１２-1，１２-2の最も外側のＣｕの表面には、実装用のＮｉめっき膜１６を被覆する。なお、Ｎｉめっき膜１６は、第１実施形態に係る絶縁基板１００において必須の構成ではない。
【００１７】
次に、第１実施形態に係る絶縁基板１００の作用について説明する。本実施形態に係る絶縁基板１００の効果を検証するために、発明者らは、絶縁基板（第１実施形態のサンプル）を製作し、冷熱サイクル試験を実施した。第１実施形態のサンプルは、縦２０ｍｍ、横１８ｍｍ、厚み０．３１ｍｍのＳｉＮセラミック基板２１の両面それぞれに、縦１７ｍｍ、横８．５ｍｍ、厚み０．３７ｍｍ、Ｃ／Ｉ比＝１／８のＣＩＣクラッド金属板１２-1，１２-2を貼り付けた絶縁基板（本実施形態のサンプル）である。
【００１８】
発明者らは、比較例に係わる絶縁基板（比較例のサンプル）も作製した。比較例のサンプルは、ＣＩＣクラッド金属板１２-1，１２-2の代わりに、縦１７ｍｍ、横８．５ｍｍ、厚み０．３ｍｍ、表面にＮｉめっきを施した無酸素Ｃｕ板を用いた絶縁基板である。比較例のサンプルについて同様な冷熱サイクル試験を実施した。
【００１９】
試験の結果、Ｔｊ＝−４０℃〜２５０℃（ΔＴｊ＝２９０℃）の冷熱サイクル試験においては、比較例のサンプルでは、１５０サイクル未満で全数がＣｕ板剥離による故障となった。これに対して、第１実施形態のサンプルでは、１万サイクルを越えても剥離の発生は起こらず、冷熱サイクル試験を終了した。また、Ｔｊ＝−４０℃〜３００℃（ΔＴｊ＝３４０℃）の冷熱サイクル試験においては、比較例に係わる絶縁基板は、６０サイクル未満でＣｕ剥離による故障を引き起こした。一方、第１実施形態に係る絶縁基板１００では７３００サイクルに達しても故障が発生していないことが判明した。
【００２０】
以上の冷熱サイクル試験の結果から、本発明の第１実施形態に係る絶縁基板１００によれば、高い半導体接合温度（Ｔｊ）、且つ広い温度範囲（ΔＴｊ）の冷熱サイクルにおいて、Ｃｕ（導体）板がＳｉＮセラミック基板から剥離するという問題を解決できることが判明した。具体的には、半導体接合温度の最大値Ｔｊmax＝３００℃以下、温度範囲Ｔｊ＝−４０℃〜３００℃（ΔＴｊ＝３４０℃）で高い信頼性が得られた。
【００２１】
このようにして、本発明の第１実施形態では、インバー合金板１３を２枚のＣｕ板１４，１５で挟持して形成される低熱伸縮性金属板（ＣＩＣクラッド金属板）１２-1，１２-2を、ＳｉＮ等のセラミック基板２１の両面に貼り付けて絶縁基板１００を構成している。このため、比較例に係わる絶縁基板に比べ、繰り返しの温度変化によりＣｕ（導体）板がＳｉＮセラミック基板から剥離するというトラブルの発生を回避することが可能となる。
【００２２】
本実施形態では、セラミック基板２１の厚みを０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下としているので、より一層繰り返しの温度変化に対する耐久性を向上させることができる。
【００２３】
ＣＩＣクラッド金属板１２-1，１２-2は、インバー合金板（低熱膨張金属板）１３の両面に一対のＣｕ板１４，１５を、金属学的方法を用いて接合させた３層金属板である。これにより、Ｃｕ板１４，１５がインバー合金板１３から剥離することを防止することができる。
【００２４】
ＣＩＣクラッド金属板１２-1，１２-2が備えるＣｕ板１４及びＣｕ板１５の厚みを５μｍ以上としているので、熱伝導、電気伝導の良さを保持することができる。
【００２５】
インバー合金板１３に対するＣｕ板１４，１５の各々の厚みの比率（Ｃ／Ｉ比）を１／２以下としている。これにより、冷熱サイクルにおいてセラミック基板２１と、ＣＩＣクラッド金属板１２-1，１２-2との界面に加えられる熱応力を軽減することができ、セラミック基板２１からＣＩＣクラッド金属板１２-1，１２-2が剥離することを防止することができる。
【００２６】
なお、第１実施形態では、セラミック基板２１の両面に低熱伸縮性金属板１２-1，１２-2を貼り付ける構成としたが、本発明は、低熱伸縮性金属板をセラミック基板２１のいずれか一方の面にのみ貼り付ける構成とすることも可能である。
【００２７】
［第２実施形態に係る絶縁基板の説明］
第１実施形態では、セラミック基板２１の母材として、破壊靭性や曲げ強度を含む機械的強度に優れているＳｉＮ（窒化珪素）を用いる例について説明した。第２実施形態では、セラミック基板２１の母材としてＳｉＮ以外のセラミック材料を用いる例を説明する。
【００２８】
具体的に、第２実施形態におけるセラミック基板２１は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ベリリア（ＢｅＯ）からなる群より選ばれるセラミック材料からなる。セラミック基板２１の厚みは０．１ｍｍ〜２ｍｍであることが望ましい。第２実施形態に係る絶縁基板は、セラミック基板がＳｉＮ以外のセラミック材料であること以外は、図１に示した構成と同一であるので、詳細な構成についての説明を省略する。
【００２９】
ベリリア（ＢｅＯ）は、上記した３つのセラミック材料の中では最も熱伝導度が高いという利点がある反面、毒性があるという欠点がある。
【００３０】
アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）は、ＳｉＮやＡｌＮと対比すると材料費が廉価であるという利点がある。機械的強度はＳｉＮよりも低く、ＡｌＮよりも高い。
【００３１】
窒化アルミニウム（ＡｌＮ）は、熱伝導がアルミナやＳｉＮと対比して非常に高く、発熱する半導体チップの抜熱設計の観点から、本実施形態の絶縁基板に用いる材料として好適である。その反面、ＳｉＮやアルミナと対比すると機械的強度が弱い。このため、半導体接合温度の最大値Ｔｊmaxが２００℃以上、温度範囲（ΔＴｊ）が２５０℃以上の冷熱サイクルストレスに対して、ＳｉＮよりも短期間にＣｕ板の剥離が起きやすいという欠点がある。
【００３２】
以上の諸点を勘案すると、上記した３つのセラミック材料のうち、最も実用性に富むものは、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）であると考えられる。発明者らは、図１に示すセラミック基板２１として窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いて絶縁基板１００を構成し、絶縁基板１００を用いて以下の冷熱サイクル試験を行った。
【００３３】
縦２０ｍｍ、横１８ｍｍ、厚み０．６４ｍｍのＡｌＮセラミック基板２１の両面のそれぞれに、縦１７ｍｍ、横８．５ｍｍ、厚み０．３７ｍｍ、Ｃ／Ｉ比＝１／８のＣＩＣクラッド金属板１２-1，１２-2を貼り付けた絶縁基板１００を製作し、冷熱サイクル試験を実施した。試験結果は以下のとおりである。
【００３４】
Ｔｊ＝−４０℃〜２５０℃（ΔＴｊ＝２９０℃）の冷熱サイクル試験を実施した。その結果、第１実施形態で示したＳｉＮセラミック基板を用いた場合と同様に、１万サイクルを越えても剥離の発生は起こらなかった。また、Ｔｊ＝−４０℃〜３００℃（ΔＴｊ＝３４０℃）の冷熱サイクル試験を実施した。その結果、７３００サイクル経過しても故障が発生していないことが判明した。
【００３５】
以上の冷熱サイクル試験の結果から、本発明の第２実施形態に係る絶縁基板１００によれば、高い半導体接合温度（Ｔｊ）、且つ広い温度範囲（ΔＴｊ）の冷熱サイクルにおいて、Ｃｕ（導体）板がＡｌＮセラミック基板から剥離するという問題を解決できることが判明した。具体的には、半導体接合温度の最大値Ｔｊmax＝３００℃以下、温度範囲Ｔｊ＝−４０℃〜３００℃（ΔＴｊ＝３４０℃）で高い信頼性が得られた。
【００３６】
このようにして、本発明の第２実施形態では、ＡｌＮのセラミック基板２１の両面に低熱伸縮性金属板（ＣＩＣクラッド金属板）１２-1，１２-2を貼り付けて、絶縁基板１００を構成している。これにより、比較例に係わる絶縁基板と比べ、繰り返しの温度変化によりＣｕ（導体）板がＡｌＮセラミック基板から剥離するというトラブルの発生を回避することが可能となる。
【００３７】
なお、第２実施形態に係るＣＩＣクラッド金属板１２-1，１２-2の接合方法として、直接Ｃｕ接合法（ＤＣＢ法）を使用することもできる。
【００３８】
［第３実施形態に係る絶縁基板の説明］
次に、第３実施形態に係る絶縁基板について説明する。前述した第１及び第２実施形態では、低熱伸縮性金属板１２-1，１２-2をＣＩＣクラッド金属板とした。低熱伸縮性金属板１２-1，１２-2はＣＩＣクラッド金属板に限らない。低熱伸縮性を有する金属板であれば、インバー合金板１３以外の金属板をＣｕ板１４，１５で挟持したＣＭＣクラッド金属板を低熱伸縮性金属板１２-1，１２-2として用いることもできる。インバー合金板以外の金属板の材料を「Ｍ」とする。ＣＭＣクラッド金属板の総厚みは０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下であることが望ましく、Ｃｕ板１４，１５の厚みは少なくとも５μｍ以上、好ましくは１０μｍ以上であることが望ましい。インバー合金板以外の金属板に対するＣｕ板１４，１５の各々の厚さの比率（Ｃ／Ｍ比）は、ＣＩＣクラッド金属板と同様に、１／２以下が望ましく、好ましくは１／５以下が望ましい。
【００３９】
ＣＭＣクラッド金属板を構成する金属板の材料（Ｍ）の一例は、モリブデン（Ｍｏ）である。このほかに、スーパーインバー（主成分Ｆｅ、Ｎｉ３２vol％及びＣｏ５vol％含有）や、ステンレスインバー（主成分Ｆｅ、Ｃｏ５４vol％含有）を金属板の材料「Ｍ」として用いることができる。
【００４０】
発明者らは、Ｃｕ-Ｍｏ-Ｃｕの積層構造からなるＣＭＣクラッド金属板（低熱伸縮性金属板１２-1，１２-2）とＳｉＮセラミック基板２１とを備える絶縁基板のサンプルを製作した。そして、Ｔｊ＝−４０℃〜３００℃（ΔＴｊ＝３４０℃）の冷熱サイクル試験を実施した。その結果、２０００サイクル以上経過しても、低熱伸縮性金属板１２-1，１２-2の剥離不良はないという結果が得られた。
【００４１】
以上の冷熱サイクル試験の結果から、本発明の第３実施形態に係る絶縁基板によれば、高い半導体接合温度（Ｔｊ）、且つ広い温度範囲（ΔＴｊ）の冷熱サイクルにおいて、Ｃｕ（導体）板がＳｉＮセラミック基板から剥離するという問題を解決できることが判明した。具体的には、半導体接合温度の最大値Ｔｊmax＝３００℃以下、温度範囲Ｔｊ＝−４０℃〜３００℃（ΔＴｊ＝３４０℃）で高い信頼性が得られた。
【００４２】
このようにして、本発明の第３実施形態では、ＳｉＮ等のセラミック基板の両面に低熱伸縮性導体板としてのＣＭＣクラッド金属板を貼り付けることにより絶縁基板を形成する。これにより、比較例に係わる絶縁基板と対比して、繰り返しの温度変化によりＣｕ（導体）板がセラミック基板から剥離するというトラブルの発生を回避することが可能となる。
【００４３】
また、本実施形態では、セラミック基板２１として、窒化珪素（ＳｉＮ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ベリリア（ＢｅＯ）のうちのいずれかを用いることができる。よって、機械的な強度を強くすることができ、絶縁基板全体の強度を向上させることができる。
【００４４】
低熱膨張金属板として、インバー（主成分Ｆｅ、Ｎｉ３６．５vol％含有）、モリブデン（Ｍｏ）、スーパーインバー（主成分Ｆｅ、Ｎｉ３２vol％及びＣｏ５vol％含有）、ステンレスインバー（主成分Ｆｅ、Ｃｏ５４vol％含有）のうちの一つを用いる。これにより、温度変化により生じる熱膨張を抑えることができ、低熱伸縮性金属板に加わるストレスを軽減し、剥離が発生することを防止できる。
【００４５】
［第４実施形態に係る多層セラミック絶縁基板の説明］
次に、本発明の第４実施形態に係る多層セラミック絶縁基板について説明する。前述した第１〜第３実施形態では、１枚の各種セラミック基板２１の両面に低熱伸縮性金属板１２-1，１２-2を貼り付けた単層セラミック絶縁基板について説明した。第４実施形態では、２以上の単層セラミック絶縁基板を積層した多層セラミック絶縁基板について説明する。
【００４６】
図２は、第４実施形態に係る多層（例えば、２層）セラミック絶縁基板２００の構成を示す断面図である。図２に示すように、多層セラミック絶縁基板２００は、上下に積層された２つの絶縁基板、即ち、第１絶縁基板部材３１ａ及び第２絶縁基板部材３１ｂを有している。絶縁基板部材３１ａ，３１ｂの各々の基本構成は、図１に示した絶縁基板１００と略同一である。なお、図２において、インバー合金板１３、Ｃｕ板１４，１５は、前述した第１〜第３実施形態と同様であるので、構成の説明を省略する。
【００４７】
第１絶縁基板部材３１ａは、セラミック基板２１ａと、セラミック基板２１ａの上面に貼り付けられた低熱伸縮性金属板１２ａ-1と、セラミック基板２１ａの下面に貼り付けられた低熱伸縮性金属板１２ａ-2とを備える。同様に、第２絶縁基板部材３１ｂは、セラミック基板２１ｂと、セラミック基板２１ｂの上面に貼り付けられた低熱伸縮性金属板１２ｂ-1と、セラミック基板２１ｂの下面に貼り付けられた低熱伸縮性金属板１２ｂ-2とを備える。
【００４８】
そして、図示省略の蝋材Ｔｉ-Ｃｕ-ＡｇやＴｉ-Ｃｕ-Ａｇ-Ｎｉは、第１絶縁基板部材３１ａの低熱伸縮性金属板１２ａ-2と、第２絶縁基板部材３１ｂの低熱伸縮性金属板１２ｂ-1とを接合している。
【００４９】
多層セラミック絶縁基板２００を適用する利点は、中間層の導体板（図２に示す例では低熱伸縮性金属板１２ａ-2，１２ｂ-1）を配線として活用することができる。これにより、多層セラミック絶縁基板２００の浮遊インダクタンスを縮減し、多層セラミック絶縁基板２００の実装面積を低減することができる。この利点をより一層効果的にするためには、セラミック基板２１ａの所定位置にビア窓１７を開口して、ビア窓１７に埋設したビア窓金属板１８（例えば、Ｃｕ）を介して、上部の低熱伸縮性金属板１２ａ-1と下部の低熱伸縮性金属板１２ａ-2とを電気的に接続すれば良い。低熱伸縮性金属板１２ａ-1とビア窓金属板１８との接合、及び、ビア窓金属板１８と低熱伸縮性金属板１２ａ-2との接合は、図示省略の活性金属蝋材Ｔｉ-Ｃｕ-ＡｇやＴｉ-Ｃｕ-Ａｇ-Ｎｉ等を用いて接合することができる。
【００５０】
次に、図２に記載した多層セラミック絶縁基板２００の製造方法について説明する。初めに、第１〜第３実施形態に示した絶縁基板１００と同様の方法で、第１絶縁基板部材３１ａと第２絶縁基板部材３１ｂをそれぞれ別個に製作する。なお、この時点で、図２に示すＮｉめっき１６は設けられていない。
【００５１】
次いで、活性金属蝋材Ｔｉ-Ｃｕ-ＡｇやＴｉ-Ｃｕ-Ａｇ-Ｎｉ等を用いて、第１絶縁基板部材３１ａの低熱伸縮性金属板１２ａ-2と、第２絶縁基板部材３１ｂの低熱伸縮性金属板１２ｂ-1とを貼り合わせる。
【００５２】
その後、低熱伸縮性金属板１２ａ-1と１２ｂ-2の表面（上面、及び下面）に、Ｎｉめっき１６を被覆する。その結果、図２に示す多層セラミック絶縁基板２００が完成する。なお、高温はんだの濡れ性を改善するために、Ｎｉめっき１６の上にＡｕめっき層やＡｇめっき層、Ｃｕめっき層を被覆してもよい。
【００５３】
発明者らは、図２に示す多層セラミック絶縁基板２００のサンプルを製作し、冷熱サイクル試験を実施した。多層セラミック絶縁基板２００のサンプルにおいて、第１絶縁基板部材３１ａ、及び第２絶縁基板部材３１ｂの各々は、ＳｉＮセラミック基板とＣＩＣクラッド金属板とを組み合わせた第１実施形態の絶縁基板１００である。その結果、Ｔｊ＝−４０℃〜３００℃（ΔＴｊ＝３４０℃）の冷熱サイクル試験おいて、１０００サイクル以上経過しても低熱伸縮性金属板１２ａ-1，１２ａ-2，１２ｂ-1，１２ｂ-2がセラミック基板２１ａ，２１ｂから剥離するという不良が発生しないことが判明した。
【００５４】
以上の冷熱サイクル試験の結果から、本発明の第４実施形態に係る多層セラミック絶縁基板２００によれば、高い半導体接合温度（Ｔｊ）、且つ広い温度範囲（ΔＴｊ）の冷熱サイクルにおいて、Ｃｕ（導体）板がＳｉＮセラミック基板から剥離するという問題を解決できることが判明した。具体的には、半導体接合温度の最大値Ｔｊmax＝３００℃以下、温度範囲Ｔｊ＝−４０℃〜３００℃（ΔＴｊ＝３４０℃）で高い信頼性が得られた。
【００５５】
このようにして、本発明の第４実施形態では、ＳｉＮ等のセラミック基板２１ａ，２１ｂの両面に低熱伸縮性金属板としてのＣＩＣクラッド金属板を貼り付けることにより、第１絶縁基板部材３１ａ、及び第２絶縁基板部材３１ｂを製作する。そして、第１絶縁基板部材３１ａ、及び第２絶縁基板部材３１ｂを積層して多層セラミック絶縁基板２００を構成する。これにより、比較例に係わる絶縁基板と対比して、繰り返しの温度変化によりＣｕ（導体）板がＳｉＮ絶縁基板から剥離するというトラブルの発生を回避することが可能となる。
【００５６】
なお、第４実施形態では、２つの絶縁基板部材３１ａ，３１ｂを積層した多層（２層）セラミック絶縁基板２００を例示したが、２層に限らず、３層以上とすることも可能である。セラミック基板２１ａ、２１ｂの例としてＳｉＮを示したが、第２実施形態で例示した材料は全て使用し得る。低熱伸縮性金属板１２ａ-1と１２ｂ-2の例としてＣＩＣクラッド金属板を示したが、第３実施形態で例示したＣＭＣクラッド金属板も使用し得る。
【００５７】
［第５実施形態に係る多層セラミック絶縁基板の説明］
次に、第５実施形態に係る多層セラミック絶縁基板について説明する。図３は、第５実施形態に係る多層セラミック絶縁基板３００の構成を示す断面図であり、図２に示した多層セラミック絶縁基板２００の構造を改良した構成とされている。
【００５８】
図３に示すように、第５実施形態に係る多層セラミック絶縁基板３００は、第１セラミック基板２１ａ、及び第２セラミック基板２１ｂを有する。第１セラミック基板２１ａの上面には低熱伸縮性金属板１２ａ-1が貼り付けられ、第２セラミック基板２１ｂの下面には低熱伸縮性金属板１２ｂ-2が貼り付けられている。
【００５９】
第１セラミック基板２１ａと第２セラミック基板２１ｂの間には、中間金属板１９が設けられている。中間金属板１９の厚みは、０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下であり、好ましくは０．２ｍｍ以上１ｍｍ以下である。
【００６０】
低熱伸縮性金属板１２ａ-1及び１２ｂ-2は、第１〜第３実施形態で説明したＣＩＣクラッド金属板或いはＣＭＣクラッド金属板と同一である。図３におけるインバー合金板１３，Ｃｕ板１４，１５についての構成説明を省略する。ここでは、ＣＭＣクラッド金属板を例に取り説明する。
【００６１】
セラミック基板２１ａにビア窓１７が開口され、ビア窓１７にビア窓金属板１８が埋設されている。低熱伸縮性金属板１２ａ-1と中間金属板１９とは、ビア窓金属板１８を介して所定の位置で接続されている。
【００６２】
セラミック基板２１ａ，２１ｂと中間金属板１９との間、ビア窓金属板１８と中間金属板１９との間、セラミック基板２１ａ，２１ｂと低熱伸縮性金属板１２ａ-1，１２ｂ-2との間、及びビア窓金属板１８と低熱伸縮性金属板１２ａ-1との間は、図示省略の活性金属蝋材Ｔｉ-Ｃｕ-ＡｇやＴｉ-Ｃｕ-Ａｇ-Ｎｉ等により、接合されている。なお、高温はんだの濡れ性を改善するためにＮｉめっき１６の上に、Ａｕめっき層やＡｇめっき層、Ｃｕめっき層を被覆してもよい。
【００６３】
次に、図３に記載した多層セラミック絶縁基板３００の製造方法について説明する。初めに、焼成炉のサセプタに置いた低熱伸縮性金属板１２ｂ-2の上に活性金属蝋材を載置し、その上にセラミック基板２１ｂを載せる。更にその上に、順に、活性金属蝋材と中間金属板１９、活性金属蝋材、セラミック基板２１ａ、活性金属蝋材、低熱伸縮性金属板１２ａ-1を積層する。但し、セラミック基板２１ａを載置するときには、ビア窓１７内部にビア窓金属板１８を同時に設置するものとする。
【００６４】
上記の積層体が完成すると、その上部に荷重となる錘を設置する。その後、炉内を還元雰囲気、或いは不活性雰囲気にして、活性金属蝋材の融点（または液相線）以上の温度まで加熱してから室温まで徐々に冷却する。その結果、図３に示す多層セラミック絶縁基板３００が完成する。
【００６５】
発明者らは、第５実施形態に係わる多層セラミック絶縁基板３００のサンプルを製作し、冷熱サイクル試験を実施した。多層セラミック絶縁基板３００のサンプルは、ＳｉＮのセラミック基板２１ａ，２１ｂと、低熱伸縮性金属板（ＣＭＣクラッド金属板）１２ａ-1，１２ｂ-2とを備える。ビア窓金属板１８及び中間金属板１９としてＣｕ板（厚み約０．３１ｍｍ）を用いる。その結果、Ｔｊ＝−４０℃〜３００℃（ΔＴｊ＝３４０℃）の冷熱サイクル試験において、１０００サイクル以上経過しても、低熱伸縮性金属板１２ａ-1，１２ｂ-2、及び中間金属板１９がセラミック基板２１ａ，２１ｂから剥離する不良は見られなかった。
【００６６】
以上の冷熱サイクル試験の結果から、第５実施形態に係る多層セラミック絶縁基板３００によれば、高い半導体接合温度（Ｔｊ）、且つ広い温度範囲（ΔＴｊ）の冷熱サイクルにおいて、Ｃｕ（導体）板がセラミック基板から剥離するという問題を解決できることが判明した。具体的には、半導体接合温度の最大値Ｔｊmax＝３００℃以下、温度範囲Ｔｊ＝−４０℃〜３００℃（ΔＴｊ＝３４０℃）で高い信頼性が得られた。
【００６７】
なお、低熱伸縮性金属板ではない中間金属板（Ｃｕ）１９がセラミック基板２１ａ，２１ｂから剥離しない。その理由は、熱膨張差によってセラミックとＣｕとの界面に発生する熱応力が、上部のセラミック基板２１ａとの界面と、下部のセラミック基板２１ｂとの界面に二分され、各界面発生する熱応力が半減したためである。
【００６８】
このようにして、本発明の第５実施形態では、ＳｉＮ等のセラミック基板２１ａ，２１ｂの片面に低熱伸縮性金属板としてのＣＭＣクラッド金属板を貼り付け、更に、各セラミック基板２１ａ，２１ｂの間に中間金属板１９を設ける。これにより、多層セラミック絶縁基板３００を構成した。比較例に係わる絶縁基板と対比して、繰り返しの温度変化によりＣｕ（導体）板がセラミック基板から剥離するというトラブルの発生を回避することが可能となる。
【００６９】
第５実施形態に係る多層セラミック絶縁基板３００と、第４実施形態の多層セラミック絶縁基板２００の構造を対比すると、第５実施形態では、中間金属板１９がＣｕ単板であり、且つ、多層セラミック絶縁基板３００全体の厚みが薄く、且つ、良伝導性のＣｕの厚みが厚い、という特徴を有している。従って、第５実施形態に係る多層セラミック絶縁基板３００は、多層セラミック絶縁基板２００に対してコスト的に廉価とすることができ、更に、厚み方向の熱伝導を良好にできるという利点がある。
【００７０】
セラミック基板２１ａにビア窓１７を開口し、ビア窓１７に例えばＣｕ等のビア窓金属板１８を埋設する。これにより、ビア窓金属板１８を介して、低熱伸縮性金属板１２ａ-1と中間金属板１９とを電気的に接続することが可能となる。なお、セラミック基板２１ａ、２１ｂの例としてＳｉＮを示したが、第２実施形態で例示した材料は全て使用し得る。
【００７１】
［第６実施形態に係るパワー半導体装置と絶縁基板の接合構造体の説明］
次に、図４を参照して、第６実施形態に係るパワー半導体装置と絶縁基板の接合構造体４００（以下、「接合構造体４００」と略す）について説明する。第６乃至第８実施形態で説明するパワー半導体装置４１として、ＳｉＣ（炭化珪素）パワー素子を使用する例を示す。しかし、パワー半導体装置４１は、ＧａＮ（窒化ガリウム）素子、ダイヤモンド素子、ＺｎＯ（酸化亜鉛）素子等の他のワイドバンドギャップ半導体素子や高温用途を目的としたＳｉ半導体素子（ＳＯＩ素子やセンサ素子）等であってもよい。更に、パワー半導体装置と類似の機械的熱的性質を有するセラミック製の素子、具体的には、セラミックチップコンデンサやセラミックサーミスタ等の受動素子や機能素子を適用することもできる。
【００７２】
第６実施形態に係る接合構造体４００は、図４に示すように、耐熱はんだ層４２により接合された絶縁基板１０１及びパワー半導体装置４１を備える。なお、絶縁基板１０１は、図１に示した絶縁基板１００と同一の構造であるので、同一符号を付して詳細な構成説明を省略する。
【００７３】
また、図４は、絶縁基板１０１が第１実施形態で示したＳｉＮセラミック基板２１とＣＩＣクラッド金属板１２-1、１２-2とを備える例を示す。絶縁基板１０１は、第２実施形態で説明した他のセラミック基板や、第３実施形態で説明した他の低熱伸縮性のＣＭＣクラッド金属板を備えていてもよい。
【００７４】
パワー半導体装置４１は、例えば、ＳｉＣを用いたトランジスタ、或いはダイオード等である。また、パワー半導体装置４１の裏面には、Ｎｉシリサイド等のオーミックコンタクト２３が設けられている。オーミックコンタクト２３の下面には、Ｔｉ（チタン）／Ｎｉ（ニッケル）／Ａｇ（銀）等の積層膜からなる実装電極２２が形成されている。
【００７５】
耐熱はんだ層４２は、低熱伸縮性金属板１２-1と、パワー半導体装置４１を機械的、電気的に接合している。耐熱はんだ層４２は、固相線温度がパワー半導体装置４１の半導体接合温度の最大値Ｔｊmaxより少なくとも３０℃以上高く、液相線温度がＳｉＣパワー半導体装置４１の瞬時耐熱温度４５０℃よりも少なくとも３０℃以上低い金属材料からなる。具体的には、耐熱はんだ層４２は、共晶Ａｕ-Ｇｅはんだ、共晶Ａｕ-Ｓｉはんだ、共晶Ａｕ-Ｓｎはんだ、共晶Ｚｎ-Ａｌはんだ、共晶Ｂｉ-Ａｇはんだ、Ｂｉはんだ、等からなる。なお、耐熱はんだ層４２は、これに限定されるものではなく、共晶組成から大きく逸脱しない範囲で前記はんだ材の亜共晶組成、過共晶組成のものを用いることできる。
【００７６】
次に、耐熱はんだ層４２として共晶Ａｕ-Ｇｅはんだを用いた場合を例にして、第６実施形態に係る接合構造体４００の製造方法について説明する。
【００７７】
始めに、パワー半導体装置４１（チップ）及び絶縁基板１０１をアセトン、イソプロピルアルコール等の有機溶剤で超音波洗浄し、これら部品の表面に付着している汚染物を除去する。共晶Ａｕ-Ｇｅはんだが、ペースト状のものではなく、板状のものである場合には、共晶Ａｕ-Ｇｅはんだも同様にして洗浄する。
【００７８】
続いて、減圧リフロー装置のリフロー台に絶縁基板１０１を設置し、低熱伸縮性金属板、即ち、ＣＩＣクラッド金属板１２-1の所定の位置に共晶Ａｕ-Ｇｅはんだを載置する。もし、共晶Ａｕ-Ｇｅはんだがペースト状のものである場合は、シリンジ等を利用してＣＩＣクラッド金属板１２-1の所定の位置に共晶Ａｕ-Ｇｅはんだのペーストを滴下する。そして、共晶Ａｕ-Ｇｅはんだの上にパワー半導体装置４１を置き、静止させる。
【００７９】
ここで、絶縁基板１０１の接合させるべき位置に共晶Ａｕ-Ｇｅはんだと半導体素子を正確に載置し、リフロープロセス中のパワー半導体装置４１の位置ずれを防止するために、テンプレート式カーボン治具を使用することが望ましい。
【００８０】
上記準備が終了したならば、リフロー工程を実行する。初めに、減圧リフロー装置の扉を閉め、試料室の排気を行う。試料室内の圧力が５ミリバール以下になったら、不活性ガスを導入する。この操作を数回行い、試料室内の空気を不活性ガスで置換する。これにより、試料室は不活性ガスで充満することになる。
【００８１】
そして、リフロー台或いは試料室全体を加熱して、上記材料の温度を概ね２００℃に昇温し、約２分間この温度を保持する。このとき、蟻酸蒸気を含む不活性ガスを導入して汚染有機物の除去を促進してもよい。
【００８２】
その後、不活性ガスの導入を停止し、排気を再開して試料室を５ミリバール以下に減圧する。リフロー台（または試料室全体）を更に加熱して、絶縁基板１０１とＡｕ-Ｇｅはんだ４２とパワー半導体装置４１をリフロー温度４１０℃まで昇温させ、リフローさせる。保持時間は約１分である。
【００８３】
リフローが終了したら、試料室に不活性ガスを導入し降温を開始する。チャンバ内部の温度が十分低い温度まで下がったところで、完成品、即ち、本実施形態に係る接合構造体４００をリフロー装置から取り出す。
【００８４】
なお、Ａｕ-Ｇｅ以外のはんだを用いるときも上記製造プロセスとほぼ同じである。変更するのは、ほとんどの場合リフロー温度とその保持時間のみで良い。
【００８５】
発明者らは、上記の方法を用いて接合構造体４００のサンプルを作製し、Ｔｊ＝−４０℃〜２５０℃（ΔＴｊ＝２９０℃）の冷熱サイクル試験を行った。サイクル数は自動車等の比較的酷環境利用される電子部品に適用される３０００サイクルとした。パワー半導体装置４１のチップサイズは縦２ｍｍ、横２ｍｍ、厚み０．３ｍｍとした。比較例として、ＣＩＣクラッド金属板代わりに無酸素Ｃｕ単体を用いた絶縁基板を備える接合構造体（はんだ層はＡｕ−Ｇｅ）のサンプルを作製し、上記と同様の冷熱サイクル試験を行った。
【００８６】
図５は、Ｔｊ＝−４０℃〜２５０℃（ΔＴｊ＝２９０℃）の冷熱サイクル試験の結果を示す図である。図５では、接合の強さ（せん断強度）をサイクル数の関数としてプロットしている。比較例に係わる接合構造体のサンプルでは、前述したように、サイクル数の増加に伴ってせん断強度が急速に劣化していることが理解される。これが比較例が抱える課題であった。なお、比較例における接合の強さは、無酸素Ｃｕ単体とパワー半導体装置との接合強度を示す。
【００８７】
これに対し、本実施形態に係る接合構造体４００のサンプルでは、サイクル数が増加しても、せん断強度の劣化速度は緩やかである。プロットの減少傾向を最小２乗法で直線近似することにより、電子部品のせん断強度に関するＩＥＣ６０７４９−１９規格まで低下するサイクル数を予測した。その結果、約９０００サイクルという結果が得られた。比較的過酷な環境下で用いられる電子部品に、経験的に必要とされるサイクル寿命の目安は３０００サイクルである。よって、本実施形態に係る接合構造体４００は、この目安となる寿命の３倍程度となっている。なお、本実施形態における接合の強さは、ＣＩＣクラッド金属板のＣｕ板とパワー半導体装置との接合強度を示す。
【００８８】
上記の試験結果から明らかなように、第６実施形態では、第１〜第５実施形態に示した絶縁基板１０１の低熱伸縮性金属板１２-1の上にパワー半導体装置チップを接合させることにより接合構造体４００を構成する。これにより、パワー半導体装置４１と絶縁基板１０１との間の接合強度の急速な劣化を抑制し、サイクル寿命を大幅に延ばすことが可能となる。
【００８９】
絶縁基板１０１とパワー半導体装置４１を、耐熱はんだ層４２を用いて接合する。これにより、温度変化が繰り返された場合でも、耐熱はんだ層４２が劣化して剥離するという問題を解消することができる。
【００９０】
パワー半導体装置４１を、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、ダイヤモンド（Ｃ）、及び酸化亜鉛（ＺｎＯ）からなる群より選ばれる１つの半導体材料を用いる。これにより、オン抵抗を低くでき、ひいてはスイッチイング速度を高速化することができる。
【００９１】
なお、本実施形態に係る接合構造体４００では、第１〜第３実施形態に示した絶縁基板１０１を適用する例について説明したが、第４，第５実施形態に係る多層セラミック絶縁基板を採用しても良い。
【００９２】
［第７実施形態に係るパワー半導体モジュールの説明］
次に、本発明の第７実施形態に係るパワー半導体モジュールについて説明する。図６は、第７実施形態に係るパワー半導体モジュール５００の構成を示し、図６（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図を示している。図６（ａ），（ｂ）に示すように、本実施形態に係るパワー半導体モジュール５００は、図４に示したパワー半導体装置４１と絶縁基板１００の接合構造体４００と、接合構造体４００の下面に耐熱はんだ６０により接合された金属製放熱板５０と、金属製放熱板５０の下面に設けられた水冷冷却器７０とを備える。
【００９３】
絶縁基板１００の上面には、耐熱はんだ層４２を介してパワー半導体装置４１が設けられている。絶縁基板１００の下面には、金属製放熱板５０及び水冷冷却器７０が設けられている。図６に示すように、金属製放熱板５０（５４）は、積層方向から平面視した際に、絶縁基板１００（２１）よりも面積が大きく構成されている。
【００９４】
金属製放熱板５０は、Ｍｏ層５２の両面にＣｕ層５４，５６が積層されて構成される。１対のＣｕ層５４，５６の間にＭｏ層５２が配置されている。そして、金属製放熱板５０は、ネジ９０により水冷冷却器７０に固定されている。また、低熱伸縮性金属板１２-1と、パワー半導体装置４１は、アルミワイヤ２９により電気的に接続されている。
【００９５】
冷却水７２は水冷冷却器７０の入口７０ａから供給され、出口７０ｂから排出される。これにより、金属製放熱板５０は冷却され、パワー半導体装置４１で発生する熱を放出することが可能となる。
【００９６】
こうして、第７実施形態に係るパワー半導体モジュール５００では、第４実施形態で示したパワー半導体装置４１と絶縁基板１００の接合構造体４００を用いている。これにより、高い半導体接合温度（Ｔｊ）、且つ広い温度範囲（ΔＴｊ）の冷熱サイクルにおいて、パワー半導体モジュール５００を作動させると非常に少ないサイクルで故障してしまうという問題を解決することができる。具体的には、半導体接合温度の最大値Ｔｊmax＝３００℃以下、温度範囲Ｔｊ＝−４０℃〜３００℃（ΔＴｊ＝３４０℃）で高い信頼性が得られる。
【００９７】
［第８実施形態に係るパワー半導体モジュールの説明］
図７は、第８実施形態に係るパワー半導体モジュール６００の断面図である。パワー半導体モジュール６００は、図４で示した第４実施形態に係るパワー半導体装置と絶縁基板の接合構造体４００と、冷却フィン７１とを備える。図７に示す絶縁基板１００は、ＳｉＮ等のセラミック基板２１と、セラミック基板２１の両面に貼り付けられた低熱伸縮性金属板１２-1，１２-2とを有する。パワー半導体装置４１は、例えば、ＳｉＣパワー半導体装置である。パワー半導体装置４１は、耐熱はんだ層４２により低熱伸縮性金属板１２-1に接続されている。パワー半導体装置４１と低熱伸縮性金属板１２-1の間は、アルミワイヤ２９により電気的に接続されている。
【００９８】
低熱伸縮性金属板１２-2の下面には、耐熱はんだ層６０を介して、Ｃｕ製、或いはアルミ製の冷却フィン７１が設けられている。冷却フィン７１の少なくとも上面には、図示省略のＮｉめっきが施されている。
【００９９】
耐熱はんだ層６０の材料としては、固相線温度がＳｉＣパワー半導体装置４１の半導体接合温度の最大値Ｔｊmaxより少なくとも３０℃以上高く、液相線温度が耐熱はんだ層６０の液相線温度よりも少なくとも３０℃以上低いはんだ材料が選択される。前記したはんだ材料として、例えば、共晶Ａｕ-Ｇｅはんだ、共晶Ａｕ-Ｓｉはんだ、共晶Ａｕ-Ｓｎはんだ、共晶Ｚｎ-Ａｌはんだ、共晶Ｂｉ-Ａｇはんだ、Ｂｉはんだを挙げることができる。なお、耐熱はんだ層６０の材料は、これらに限定されるものではない。仮に、耐熱はんだ層４２が共晶Ａｕ-Ｇｅはんだである場合には、耐熱はんだ層６０としては、共晶Ａｕ-Ｓｎはんだ、或いは、共晶Ｂｉ-Ａｇはんだ、Ｂｉはんだが適している。
【０１００】
従って、繰り返して生じる温度変化により耐熱はんだ層６０が劣化することを防止でき、低熱伸縮性金属板１２-2が剥離することを防止できる。なお、冷却フィン７１には、図示省略の小型空冷ファンが接続され、放熱の効率を向上させている。
【０１０１】
図７の構成から明らかなように、第８実施形態に係るパワー半導体モジュール６００は、第４実施形態で示したパワー半導体装置４１と絶縁基板１００の接合構造体４００を用いている。これにより、高い半導体接合温度（Ｔｊ）、且つ広い温度範囲（ΔＴｊ）の冷熱サイクルにおいて、パワー半導体モジュール６００を作動させると非常に少ないサイクルで故障してしまうという問題を解決することができる。具体的には、半導体接合温度の最大値Ｔｊmax＝３００℃以下、温度範囲Ｔｊ＝−４０℃〜３００℃（ΔＴｊ＝３４０℃）で高い信頼性が得られる。
【０１０２】
第８実施形態に係るパワー半導体モジュール６００は、放熱板にねじ留め機構を備えないので、積層方向から見たパワー半導体モジュール６００の大きさを大幅に縮小できる。本実施形態では、接合構造体４００が冷却フィン７１に直結しているので、放熱板を省略することができる。即ち、本発明の第８実施形態では、装置の小型化と重量の軽量化を達成することが可能である。その結果、モジュールのコストダウンを図ることが可能となる。
【０１０３】
なお、第８実施形態では、上述した第１〜第３実施形態に示した絶縁基板１００を適用する例について説明したが、第４，第５実施形態に示した多層セラミック絶縁基板２００、３００を適用することも可能である。
【０１０４】
以上、実施形態に係わる絶縁基板、多層セラミック絶縁基板、パワー半導体装置と絶縁基板の接合構造体、及びパワー半導体モジュールを説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。
【０１０５】
特願２０１２−１８４４６０号（出願日：２０１２年８月２３日）の全内容は、ここに援用される。
【０１０６】
以上、実施例に沿って本発明の内容を説明したが、本発明はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変形及び改良が可能であることは、当業者には自明である。
【産業上の利用可能性】
【０１０７】
本発明の実施形態によれば、高い半導体接合温度（Ｔｊ）、且つ広い温度範囲（ΔＴｊ）の冷熱サイクルにおいて、信頼性の高い絶縁基板を実現することができる。その結果、Ｃｕ板の片方或いは双方がセラミック基板から剥離するという故障の発生を回避することができる。本発明の実施形態は、温度サイクルに耐えることが可能なパワー半導体モジュールに利用することができる。
【符号の説明】
【０１０８】
１２（１２ａ，１２ｂ）  低熱伸縮性金属板（ＣＩＣクラッド金属板）
１３  インバー合金板（低熱膨張金属板）
１４，１５  Ｃｕ板
１７  ビア窓
１８  ビア窓金属板
１９  中間金属板
２１（２１ａ，２１ｂ）  セラミック基板
４１  パワー半導体装置
５０  金属製放熱板
７０  水冷冷却器
７１  冷却フィン
９０  ネジ
１００  絶縁基板
２００，３００  多層セラミック絶縁基板
４００  パワー半導体装置と絶縁基板の接合構造体
５００，６００  パワー半導体モジュール
【図１】
2014030659.tif 000003
【図２】
2014030659.tif 000004
【図３】
2014030659.tif 000005
【図４】
2014030659.tif 000006
【図５】
2014030659.tif 000007
【図６】
2014030659.tif 000008
【図７】
2014030659.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成26年3月6日(2014.3.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板を、複数接合させて成る多層セラミック絶縁基板であって、
前記絶縁基板は、
セラミック基板と、
前記セラミック基板の上面および下面に張り付けられた低熱伸縮性金属板と、を有し、
前記低熱伸縮性金属板は、
厚みがほぼ等しい一対のＣｕ板と、
前記一対のＣｕ板の間に設けられた、前記Ｃｕ板よりも熱膨張係数が低い低熱膨張金属板と、を備えており、
一方の絶縁基板を構成するセラミック基板の下面に張り付けられた低熱伸縮性金属板の下面は、他方の絶縁基板を構成するセラミック基板の上面に張り付けられた低熱伸縮性金属板の上面と接合されていることを特徴とする多層セラミック絶縁基板。
【請求項２】
前記一方の絶縁基板を構成するセラミック基板の下面に張り付けられた低熱伸縮性金属板の下面と、前記他方の絶縁基板を構成するセラミック基板の上面に張り付けられた低熱伸縮性金属板の上面とは、ろう材を介して接合されていることを特徴とする請求項１に記載の多層セラミック絶縁基板。
【請求項３】
前記セラミック基板の厚みは、０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の多層セラミック絶縁基板。
【請求項４】
前記セラミック基板は、窒化珪素、アルミナ、窒化アルミニウム、ベリリアからなる群より選ばれる１つの材料からなることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の多層セラミック絶縁基板。
【請求項５】
前記Ｃｕ板の厚みは、５μｍ以上であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の多層セラミック絶縁基板。
【請求項６】
前記一対のＣｕ板のそれぞれの１枚の厚さは、前記低熱膨張金属板の厚さの１／２以下であることを特徴とする請求項１に記載の多層セラミック絶縁基板。
【請求項７】
前記低熱膨張金属板は、インバー、モリブデン、スーパーインバー、ステンレスインバーからなる群より選ばれる１つの材料であることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の多層セラミック絶縁基板。
【請求項８】
前記一対のＣｕ板と前記低熱膨張金属板とは、金属学的方法で接合されていることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の多層セラミック絶縁基板。
【請求項９】
厚みがほぼ等しい複数のセラミック基板と、
上面が一方のセラミック基板の下面とろう材を介して接合されており、下面が他方のセラミック基板の上面とろう材を介して接合された中間金属板と、
最上部及び最下部に位置するセラミック基板の外面にそれぞれ貼り付けられた低熱伸縮性金属板と、を有し、
前記低熱伸縮性金属板は、
厚みがほぼ等しい一対のＣｕ板と、
前記一対のＣｕ板の間に設けられた、前記Ｃｕ板よりも熱膨張係数が低い低熱膨張金属板と、を備える
ことを特徴とする多層セラミック絶縁基板。
【請求項１０】
少なくとも一つの前記セラミック基板の両面にそれぞれ配設された低熱伸縮性金属板と中間金属板、或いは、一対の中間金属板とが、前記セラミック基板の両面を貫通するビア窓に埋設されたビア窓金属板を介して電気的に接続されていることを特徴とする請求項９に記載の多層セラミック絶縁基板。
【請求項１１】
請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の多層セラミック絶縁基板と、
パワー半導体装置と、
前記多層セラミック絶縁基板と前記パワー半導体装置との間を接合する耐熱はんだ層と、
を備えることを特徴とするパワー半導体装置と絶縁基板の接合構造体。
【請求項１２】
前記パワー半導体装置は、炭化珪素、窒化ガリウム、ダイヤモンド、酸化亜鉛からなる群より選ばれる少なくとも１つのワイドバンドギャップ半導体からなることを特徴とする請求項１１に記載のパワー半導体装置と絶縁基板の接合構造体。
【請求項１３】
前記耐熱はんだ層のはんだは、その固相線温度が前記パワー半導体装置の最大使用温度Ｔｊｍａｘよりも少なくとも３０℃以上高く、且つ、その液相線温度が前記パワー半導体装置の瞬時耐熱温度よりも少なくとも３０℃以上低い金属材料からなることを特徴とする請求項１１または請求項１２のいずれかに記載のパワー半導体装置と絶縁基板の接合構造体。
【請求項１４】
前記耐熱はんだ層のはんだは、共晶Ａｕ−Ｇｅはんだ、共晶Ａｕ−Ｓｉはんだ、共晶Ａｕ−Ｓｎはんだ、共晶Ｚｎ−Ａｌはんだ、共晶Ｂｉ−Ａｇはんだ、Ｂｉはんだからなる群より選ばれるはんだであることを特徴とする請求項１１または請求項１２のいずれかに記載のパワー半導体装置と絶縁基板の接合構造体。
【請求項１５】
請求項１１に記載のパワー半導体装置と絶縁基板の接合構造体と、
水冷冷却器と、
前記パワー半導体装置と絶縁基板の接合構造体と、前記水冷冷却器との間に配設され、且つ平面視面積が前記パワー半導体装置と絶縁基板の接合構造体より大きい金属製放熱板と、
前記パワー半導体装置と絶縁基板の接合構造体と、前記金属製放熱板との間を接合する耐熱はんだと、
前記金属製放熱板と前記水冷冷却器との間を固定するネジと、
を備えることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項１６】
請求項１１に記載のパワー半導体装置と絶縁基板の接合構造体と、
空冷冷却フィンと、
前記パワー半導体装置と絶縁基板の接合構造体と、前記空冷冷却フィンとの間を接合する耐熱はんだ層と、
を備えることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
構成される。１対のＣｕ層５４，５６の間にＭｏ層５２が配置されている。そして、金属製放熱板５０は、ネジ９０により水冷冷却器７０に固定されている。また、低熱伸縮性金属板１２−１と、パワー半導体装置４１は、アルミワイヤ２９により電気的に接続されている。
［００９５］
冷却水７２は水冷冷却器７０の入口７０ａから供給され、出口７０ｂから排出される。これにより、金属製放熱板５０は冷却され、パワー半導体装置４１で発生する熱を放出することが可能となる。
［００９６］
こうして、第７実施形態に係るパワー半導体モジュール５００では、第６実施形態で示したパワー半導体装置４１と絶縁基板１００の接合構造体４００を用いている。これにより、高い半導体接合温度（Ｔｊ）、且つ広い温度範囲（ΔＴｊ）の冷熱サイクルにおいて、パワー半導体モジュール５００を作動させると非常に少ないサイクルで故障してしまうという問題を解決することができる。具体的には、半導体接合温度の最大値Ｔｊｍａｘ＝３００℃以下、温度範囲Ｔｊ＝−４０℃〜３００℃（ΔＴｊ＝３４０℃）で高い信頼性が得られる。
［００９７］
［第８実施形態に係るパワー半導体モジュールの説明］
図７は、第８実施形態に係るパワー半導体モジュール６００の断面図である。パワー半導体モジュール６００は、図４で示した第４実施形態に係るパワー半導体装置と絶縁基板の接合構造体４００と、冷却フィン７１とを備える。図７に示す絶縁基板１００は、ＳｉＮ等のセラミック基板２１と、セラミック基板２１の両面に貼り付けられた低熱伸縮性金属板１２−１，１２−２とを有する。パワー半導体装置４１は、例えば、ＳｉＣパワー半導体装置である。パワー半導体装置４１は、耐熱はんだ層４２により低熱伸縮性金属板１２−１に接続されている。パワー半導体装置４１と低熱伸縮性金属板１２−１の間は、アルミワイヤ２９により電気的に接続されている。
［００９８］
低熱伸縮性金属板１２−２の下面には、耐熱はんだ層６０を介して、Ｃｕ製、或いはアルミ製の冷却フィン７１が設けられている。冷却フィン７１の少なくとも上面には、図示省略のＮｉめっきが施されている。
【手続補正書】
【提出日】平成28年6月10日(2016.6.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板を、複数接合させて成る多層セラミック絶縁基板であって、
前記絶縁基板は、
セラミック基板と、
前記セラミック基板の上面および下面に貼り付けられた低熱伸縮性金属板と、を有し、
前記低熱伸縮性金属板は、
厚みがほぼ等しい一対のＣｕ板と、
前記一対のＣｕ板の間に設けられた、前記Ｃｕ板よりも熱膨張係数が低い低熱膨張金属板と、を備えており、
一方の絶縁基板を構成するセラミック基板の下面に貼り付けられた低熱伸縮性金属板の下面は、他方の絶縁基板を構成するセラミック基板の上面に貼り付けられた低熱伸縮性金属板の上面と接合され、
前記一対のＣｕ板のそれぞれの１枚の厚さは、前記低熱膨張金属板の厚さの１／５以下であることを特徴とする多層セラミック絶縁基板。
【請求項２】
前記一対のＣｕ板のそれぞれの１枚の厚さは、前記低熱膨張金属板の厚さの１／８以下であることを特徴とする請求項１に記載の多層セラミック絶縁基板。
【請求項３】
前記一方の絶縁基板を構成するセラミック基板の下面に貼り付けられた低熱伸縮性金属板の下面と、前記他方の絶縁基板を構成するセラミック基板の上面に貼り付けられた低熱伸縮性金属板の上面とは、ろう材を介して接合されていることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の多層セラミック絶縁基板。
【請求項４】
前記セラミック基板の厚みは、０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の多層セラミック絶縁基板。
【請求項５】
前記セラミック基板は、窒化珪素、アルミナ、窒化アルミニウム、ベリリアからなる群より選ばれる１つの材料からなることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の多層セラミック絶縁基板。
【請求項６】
前記Ｃｕ板の厚みは、５μｍ以上であることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の多層セラミック絶縁基板。
【請求項７】
前記低熱膨張金属板は、インバー、モリブデン、スーパーインバー、ステンレスインバーからなる群より選ばれる１つの材料であることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の多層セラミック絶縁基板。
【請求項８】
前記一対のＣｕ板と前記低熱膨張金属板とは、金属学的方法で接合されていることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の多層セラミック絶縁基板。
【請求項９】
厚みがほぼ等しい複数のセラミック基板と、
上面が一方のセラミック基板の下面とろう材を介して接合されており、下面が他方のセラミック基板の上面とろう材を介して接合された中間金属板と、
最上部及び最下部に位置するセラミック基板の外面にそれぞれ貼り付けられた低熱伸縮性金属板と、を有し、
前記低熱伸縮性金属板は、
厚みがほぼ等しい一対のＣｕ板と、
前記一対のＣｕ板の間に設けられた、前記Ｃｕ板よりも熱膨張係数が低い低熱膨張金属板と、を備え、
前記一対のＣｕ板のそれぞれの１枚の厚さは、前記低熱膨張金属板の厚さの１／５以下であることを特徴とする多層セラミック絶縁基板。
【請求項１０】
前記一対のＣｕ板のそれぞれの１枚の厚さは、前記低熱膨張金属板の厚さの１／８以下であることを特徴とする請求項９に記載の多層セラミック絶縁基板。
【請求項１１】
少なくとも一つの前記セラミック基板の両面にそれぞれ配設された低熱伸縮性金属板と中間金属板、或いは、一対の中間金属板とが、前記セラミック基板の両面を貫通するビア窓に埋設されたビア窓金属板を介して電気的に接続されていることを特徴とする請求項９または請求項１０のいずれかに記載の多層セラミック絶縁基板。
【請求項１２】
請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の多層セラミック絶縁基板と、
パワー半導体装置と、
前記多層セラミック絶縁基板と前記パワー半導体装置との間を接合する耐熱はんだ層と、
を備えることを特徴とするパワー半導体装置と絶縁基板の接合構造体。
【請求項１３】
前記パワー半導体装置は、炭化珪素、窒化ガリウム、ダイヤモンド、酸化亜鉛からなる群より選ばれる少なくとも１つのワイドバンドギャップ半導体からなることを特徴とする請求項１２に記載のパワー半導体装置と絶縁基板の接合構造体。
【請求項１４】
前記耐熱はんだ層のはんだは、その固相線温度が前記パワー半導体装置の最大使用温度Ｔｊmaxよりも少なくとも３０℃以上高く、且つ、その液相線温度が前記パワー半導体装置の瞬時耐熱温度よりも少なくとも３０℃以上低い金属材料からなることを特徴とする請求項１２または請求項１３のいずれかに記載のパワー半導体装置と絶縁基板の接合構造体。
【請求項１５】
前記耐熱はんだ層のはんだは、共晶Ａｕ-Ｇｅはんだ、共晶Ａｕ-Ｓｉはんだ、共晶Ａｕ-Ｓｎはんだ、共晶Ｚｎ-Ａｌはんだ、共晶Ｂｉ-Ａｇはんだ、Ｂｉはんだからなる群より選ばれるはんだであることを特徴とする請求項１２または請求項１３のいずれかに記載のパワー半導体装置と絶縁基板の接合構造体。
【請求項１６】
請求項１２に記載のパワー半導体装置と絶縁基板の接合構造体と、
水冷冷却器と、
前記パワー半導体装置と絶縁基板の接合構造体と、前記水冷冷却器との間に配設され、且つ平面視面積が前記パワー半導体装置と絶縁基板の接合構造体より大きい金属製放熱板と、
前記パワー半導体装置と絶縁基板の接合構造体と、前記金属製放熱板との間を接合する耐熱はんだと、
前記金属製放熱板と前記水冷冷却器との間を固定するネジと、
を備えることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項１７】
請求項１２に記載のパワー半導体装置と絶縁基板の接合構造体と、
空冷冷却フィンと、
前記パワー半導体装置と絶縁基板の接合構造体と、前記空冷冷却フィンとの間を接合する耐熱はんだ層と、
を備えることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
本発明の一態様に係わる多層セラミック絶縁基板は、絶縁基板を複数接合させて成り、セラミック基板と、セラミック基板の上面および下面に貼り付けられた低熱伸縮性金属板と、を有する。低熱伸縮性金属板は、厚みがほぼ等しい一対のＣｕ板と、一対のＣｕ板の間に設けられた、Ｃｕ板よりも熱膨張係数が低い低熱膨張金属板と、を備える。一方の絶縁基板を構成するセラミック基板の下面に貼り付けられた低熱伸縮性金属板の下面は、他方の絶縁基板を構成するセラミック基板の上面に貼り付けられた低熱伸縮性金属板の上面と接合され、一対のＣｕ板のそれぞれの１枚の厚さは、低熱膨張金属板の厚さの１／５以下である。
【国際調査報告】
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