(57)【要約】【課題】セラミックス基板に半導体素子とバスバーとをともに十分な接合力で接合した回路装置とその製造方法を提供すること。【解決手段】本発明の回路装置１は，セラミックス板１１と，セラミックス板１１上に設けられたＡｌの配線層１２と，配線層１２に電気的に接続された半導体素子２０およびバスバー３０とを有する回路装置１であって，配線層１２上にＡｌよりハンダ濡れ性の良い金属（Ｎｉ）で部分的に形成され，セラミックス板１１の上方から見て配線層１２が覆われる被覆領域と配線層１２が露出する露出領域とをなすＮｉメッキ層１３を有し，半導体素子２０は，Ｎｉメッキ層１３の被覆領域上にハンダ２１を介して接続されており，バスバー３０は，セラミックス板１１の上方から見て露出領域内に位置している配線層１２に超音波接合によって接合されているものである。【選択図】            図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基層と，前記基層上に設けられたＡｌの配線層と，前記配線層に電気的に接続された機能素子および外部引き出し導体とを有する回路装置において，
前記配線層上にＡｌよりハンダ濡れ性の良い金属で部分的に形成され，基層の上方から見て前記配線層が覆われる被覆領域と前記配線層が露出する露出領域とをなす被覆金属層を有し，
前記機能素子は，前記被覆金属層の前記被覆領域上にハンダを介して接続されており，
前記外部引き出し導体は，基層の上方から見て前記露出領域内に位置している前記配線層に接合されていることを特徴とする回路装置。
【請求項２】
請求項１に記載の回路装置において，
前記露出領域内における前記外部引き出し導体と前記配線層との接合は，超音波接合によるものであることを特徴とする回路装置。
【請求項３】
基層と，前記基層上に設けられたＡｌの配線層と，前記配線層に電気的に接続された機能素子および外部引き出し導体とを有する回路装置の製造方法において，
前記配線層上にＡｌよりハンダ濡れ性の良い金属で被覆金属層を部分的に形成することにより，基層の上方から見て前記配線層が覆われる被覆領域と前記配線層が露出する露出領域とをなさしめ，
前記機能素子を，前記被覆金属層の前記被覆領域上にハンダを介して接続し，
前記外部引き出し導体を，基層の上方から見て前記露出領域内に位置している前記配線層に接合することを特徴とする回路装置の製造方法。
【請求項４】
請求項３に記載の回路装置の製造方法において，
前記外部引き出し導体と前記配線層との接合を，超音波接合により行うことを特徴とする回路装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，セラミックス基板に半導体素子およびバスバーが接続された回路装置とその製造方法に関する。さらに詳細には，セラミックス板の表面にＡｌを主成分とした配線層が形成されたセラミックス基板を使用した回路装置とその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より，複数の半導体素子やバスバーを基板上に配設した回路装置がある。このような基板の例としては，セラミックス板を基体としたセラミックス基板がある。例えば，ＡｌＮ板の両面にＡｌによって配線層が形成されているもの（ＤＢＡ基板と呼ばれる）が多く使用されている。そして，例えば半導体素子等をハンダによって基板に接合するために，Ａｌ層の表面にはＮｉ等のメッキが施されることが一般的である。
【０００３】
しかし，このような基板が用いられたパワーモジュールなどでは，半導体チップの発熱等に起因して，ハンダ層に温度サイクルが付加される。そのため，ハンダ層に亀裂が発生したり，熱膨張率の違いによる基板の反りや割れ等が起きるおそれがあった。これに対し，特許文献１には，バスバーにセラミックス板を接合することが提案されている。これによれば，バスバー部とセラミックス基板との熱膨張差に基づく応力が緩和されるとされている。
【０００４】
また，特許文献２には，セラミックス基板上に形成された金属回路層に金属リードを超音波溶接法により接合する技術が提案されている。この文献によれば，加熱を要しない手法で接合することにより，セラミックスと金属との界面に与える影響が小さく，接合の信頼性を向上できるとされている。さらにこの文献中には，金属回路層と金属リードの材質については，同じ金属を主成分とすることが好ましいとの記述がある。さらには，金属回路層の表層にＮｉメッキが施されていてもよいとの記述もある。
【特許文献１】特開平１１−３４６０３７号公報
【特許文献２】特開２００２−９１９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら，前記した従来の技術には以下のような問題点があった。特許文献１の技術では，バスバーに接合されるセラミックス板が必要となり，部品点数が増えるとともに製造工程も複雑となる。その上，バスバーとセラミックス板との接合部にも，上記と同様に，温度による問題が発生するおそれがある。
【０００６】
また，特許文献２の技術では，加熱による接合法に比較して，熱による接合部の破損等は回避されている。しかしながら，本発明者らが，Ｎｉメッキが施された一般的なＤＢＡ基板に銅製のバスバーを超音波接合したところ，十分な接合性が得られたとはいえなかった。その原因を確かめるため，接合部を引きはがして検査したところ，接合箇所の中央部が適切に接合されていなかったのである。その理由を以下に説明する。
【０００７】
上記の試験に供した従来の回路装置の基板１００は，図６に示すように，ＡｌＮ等を主成分とするセラミックス板１１の表面にＡｌによる配線層１２が形成され，さらに配線層１２の表面にはＮｉメッキ層１３が施されたものである。半導体素子２０は，ハンダ２１によって，基板１００に接合されている。この図６は，この基板１００にバスバー３０を接合する前の状態を示している。
【０００８】
ここで，基板１００に載置されたバスバー３０上に超音波ホーン４０を接触させ，超音波接合を行うと，図７に示すように，バスバー３０が超音波ホーン４０によって振動される。ここで，基板１００の配線層１２に用いられているＡｌ層は，Ｎｉメッキ層１３に比較してかなり柔らかい。そのため，超音波接合のために振動を与えるとＡｌ層が大きく変形し，Ｎｉメッキ層１３が配線層１２の中にめり込んだ状態となることが分かった。すなわち，接触面であるＮｉメッキ層１３には適切に振動のエネルギーが伝達されていないのである。
【０００９】
このため，図７に示すように，接合面の多くの部分で実際には接合されていない状態となっていた。すなわち，接合部の中央部では，バスバー３０がＮｉメッキ層１３の上にただ重なっている状態であり，接合されてはいなかった。一方，接合部の端部では，Ｎｉメッキ層１３を破壊して追い出すことにより，配線層１２のＡｌとバスバー３０との間で接合されていた。このため，実際の接合面積が小さく，十分な接合力が得られないという問題点があった。
【００１０】
本発明は，前記した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは，セラミックス基板に半導体素子とバスバーとをともに十分な接合力で接合した回路装置とその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この課題の解決を目的としてなされた本発明の回路装置は，基層と，基層上に設けられたＡｌの配線層と，配線層に電気的に接続された機能素子および外部引き出し導体とを有する回路装置であって，配線層上にＡｌよりハンダ濡れ性の良い金属で部分的に形成され，基層の上方から見て配線層が覆われる被覆領域と配線層が露出する露出領域とをなす被覆金属層を有し，機能素子は，被覆金属層の被覆領域上にハンダを介して接続されており，外部引き出し導体は，基層の上方から見て露出領域内に位置している配線層に接合されているものである。
【００１２】
本発明の回路装置によれば，セラミックス製の基層の上にＡｌによって配線層が形成された基板に，機能素子および外部引き出し導体が電気的に接続される。ここで，機能素子は，配線層がＡｌよりハンダ濡れ性の良い金属で覆われた被覆領域にハンダを介して接続されているので，接続は容易であるとともに十分な接合力が得られる。一方，外部引き出し導体は，配線層が露出する露出領域において配線層に直接接合されている。従って，例えば超音波接合のための振動を与えた場合，外部引き出し導体と配線層とに適切に振動のエネルギーが伝達されるので，十分な接合力で接合することができる。これにより，セラミックス基板に半導体素子とバスバーとをともに十分な接合力で接合することができる。なお，Ａｌよりハンダ濡れ性の良い金属としては，例えば，Ｎｉ，Ｃｕ等を用いればよい。
【００１３】
さらに本発明では，露出領域内における外部引き出し導体と配線層との接合は，超音波接合によるものであることが望ましい。
このようにすれば，外部引き出し導体と配線層との接合には加熱を要しないので，ハンダ層や配線層に悪影響を与えるおそれがない。また，外部引き出し導体の他端（配線層との接合部以外の端部）は，回路装置を封入する筐体に直接接続される場合が多く，筐体の振動や応力などが外部引き出し導体に伝達される。このとき，外部引き出し導体の剛性が一般的に高いため，緩和されずに接合箇所に直接伝達されてしまう。超音波接合による接合力は一般的にハンダ接合に比較して強いので，本発明によれば，伝達された振動や応力などに耐えうる接合とすることができる。
【００１４】
また本発明は，基層と，基層上に設けられたＡｌの配線層と，配線層に電気的に接続された機能素子および外部引き出し導体とを有する回路装置の製造方法であって，配線層上にＡｌよりハンダ濡れ性の良い金属で被覆金属層を部分的に形成することにより，基層の上方から見て配線層が覆われる被覆領域と配線層が露出する露出領域とをなさしめ，機能素子を，被覆金属層の被覆領域上にハンダを介して接続し，外部引き出し導体を，基層の上方から見て露出領域内に位置している配線層に接合する回路装置の製造方法にも及ぶ。
【００１５】
さらに本発明の回路装置の製造方法では，外部引き出し導体と配線層との接合を，超音波接合により行うことが望ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の回路装置とその製造方法によれば，セラミックス基板に半導体素子とバスバーとをともに十分な接合力で接合することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下，本発明を具体化した最良の形態について，添付図面を参照しつつ詳細に説明する。本形態は，セラミックス基板上に半導体素子とバスバーとを接合した回路装置に本発明を適用したものである。
【００１８】
本形態の回路装置１は，図１（断面図）と図２（平面図）とに示すように，基板１０に半導体素子２０（ＩＧＢＴなど）とバスバー３０とが接合されたものである。基板１０は，ＡｌＮ等を主成分とするセラミックス板１１の両面にＡｌによる配線層１２が形成され，さらに配線層１２の表面にはＮｉメッキ層１３が施されている。基板１０の図中上面には，半導体素子２０が，ハンダ２１によって接合されている。また，基板１０の図中下面には，ハンダ２２によって放熱板２３が接合されている。
【００１９】
また，バスバー３０は外部引き出し導体に相当し，銅製の板材が折り曲げられて形成されている。その先端部３０ａのみが基板１０に接合され，基部３０ｂはハウジング３１によって基板１０から浮かせた位置に保持されている。このように配置することによって，基板１０の平面面積が小型化されている。また，ハウジング３１は放熱板２３に固定され，全体としての強度や形状を保持している。ここで，図１の図中左右方向はこの回路装置１の約半分であり，実際には，図に示した範囲の右側にもこの図のほぼ左右対称の各部材が配置されている。また，図２は，平面視した回路装置１のごく一部分であり，実際には，ほぼ同様の構成またはほぼ左右対称の構成を有する基板１０が縦横に複数個連続して並べられ，１枚の放熱板２３に接合されている。
【００２０】
次に，図１の一部分を拡大して図３に示す。図２と図３に示すように，バスバー３０の先端部３０ａが接合されている部分の周囲には，Ｎｉメッキ層１３が施されていない。すなわち，先端部３０ａの周囲には配線層１２のＡｌが露出している露出領域３２が設けられている。そして，先端部３０ａは，露出領域３２の中で配線層１２のＡｌに直付けされている。一方，露出領域３２以外の配線層１２は，Ｎｉメッキ層１３によって覆われている。つまり，本形態の基板１０には，配線層１２のＡｌが露出されている露出領域３２と，配線層１２のＡｌがＮｉメッキ層１３によって覆われた被覆領域３３とが形成されている。
【００２１】
一般に，Ａｌを露出させると，容易に酸化して酸化膜ができるため，ハンダ２１による接合がやや困難となる。一方，上記のように，Ｎｉメッキ層１３を形成した配線層１２への超音波接合は，接合性に問題があった。そこで，半導体素子２０がハンダ２１によって接合される接合部分にはＮｉメッキ層１３を施し，バスバー３０が超音波接合によって接合される箇所にはＮｉメッキ層１３を施さないこととしたのである。
【００２２】
本形態で用いる基板１０の例を，図４に示す。セラミックス板１１の表面には，接合される各部材の配置に合わせて，Ａｌによる配線層１２が形成されている。その上に，Ｎｉメッキ層１３が形成されている。このとき，バスバー３０の先端部３０ａが接合される箇所周辺である露出領域３２は除いた部分メッキを行う。この露出領域３２は，少なくとも先端部３０ａが接触する範囲を含み，半導体素子２０がハンダ２１によって接合される位置に干渉しない範囲である。先端部３０ａが接触する範囲にバラツキ，公差を余裕を持って含めた程度が好ましい。この露出領域３２では，下の層である配線層１２のＡｌが見えている。
【００２３】
次に，本形態の回路装置１の製造方法を説明する。本製造方法は，配線層形成工程と部分メッキ工程と素子接合工程と超音波接合工程とを順に行うものである。まず，配線層形成工程は，セラミックス基板１１にＡｌによって配線層１２を形成する工程である。この工程は，従来のものと同様である。
【００２４】
次に，部分メッキ工程は，配線層１２上にＮｉによって部分メッキを施す工程である。部分メッキの方法としては，例えば，先端部３０ａが接触する範囲およびその周囲の露出領域３２に相当する範囲のみマスクしてＮｉメッキを行えばよい。このようにすれば，露出領域３２はメッキがされないままとなる。あるいは，全面メッキをした後，露出領域３２以外（すなわち被覆領域３３）にマスクをして，エッチング等によってメッキを除去する方法でもよい。このようにすれば，露出領域３２にメッキされたＮｉ層は，エッチングによって除去される。いずれの方法の場合でも，処理の後マスクを除去する。このようにして，図４に示す基板１０が形成される。
【００２５】
次に，素子接合工程は，基板１０上の所定の位置に各半導体素子２０をハンダ付けする工程である。この半導体素子２０がハンダ付けされる位置には，Ｎｉメッキ層１３が形成されている。Ｎｉはハンダ濡れ性の良い金属であるので，ハンダ付けは容易である。この工程は，従来のものと同様である。
【００２６】
次に，超音波接合工程は，図５に示すように，バスバー３０を超音波接合する工程である。バスバー３０の先端部３０ａは，基板１０の所定の位置に載置され，その上に超音波ホーン４０が接触される。このとき，先端部３０ａの図中下面は，配線層１２のＡｌ層に直接接触していることになる。そして，超音波ホーン４０を振動させると，その振動のエネルギーが先端部３０ａに伝達されるとともに，先端部３０ａを介して配線層１２にも伝達される。従って，図５に示すように，先端部３０ａと配線層１２との間が適切に接合される。超音波接合では，Ａｌの酸化膜はなんら障害とはならないので，強固な接合が可能である。
【００２７】
以上のように，本形態の製造方法によれば，半導体素子２０もバスバー３０もそれぞれ適切に接合された回路装置１を製造することができる。なお，ここでは，半導体素子２０もバスバー３０とを接合する順序として，素子接合工程，超音波接合工程の順に行っているが，これらの順序は逆にすることもできる。
【００２８】
次に，本発明者らが行った評価実験の結果を示す。ここでは，Ａｌ層に接触面積が約１１ｍｍ2の先端部３０ａを有するバスバー３０を接合する実験を行った。超音波接合の接合条件は，周波数２１ｋＨｚ，振幅４４μｍ，加圧力１６０Ｎ，時間１．２ｓとした。この接合実験によって接合された接合部を引きはがし，実際に接合されている接合面積を調べたところ，先端部３０ａの接触面積のほとんどの部分が接合されていることが分かった。従って，接合面積は十分であり，十分な接合力が得られていることが確認できた。また，多数点の実験では，最低のものでも，前述の従来技術の試験における最高の結果よりもさらに良好な結果が得られた。また，要求される接合品質はすべて確実にクリアされていた。
【００２９】
以上詳細に説明したように，本発明の回路装置１によれば，Ａｌ製の配線層１２を有する基板１０の表面に，バスバー３０の接合部となる露出領域３２を除いてＮｉメッキ層１３が形成されている。従って，Ｎｉメッキ層１３の形成されている被覆領域３３には，半導体素子２０がハンダ２１によって容易に接合される。一方，露出領域３２は，配線層１２のＡｌが露出されており，ここにバスバー３０を超音波接合することは容易である。また，十分な接合面積と接合力が得られる。従って，セラミックスを主体とした基板１０に半導体素子２０とバスバー３０とをともに十分な接合力で接合した回路装置１となっている。
【００３０】
なお，本形態は単なる例示にすぎず，本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に，その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良，変形が可能である。
例えば，本形態で示した基板１０，配線層１２，バスバー３０等の形状はいずれも１つの例であり，これに限らない。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本形態に係る回路装置を示す断面図である。
【図２】本形態に係る回路装置を示す平面図である。
【図３】本形態に係る回路装置を示す拡大断面図である。
【図４】回路装置に用いられるセラミックス基板を示す説明図である。
【図５】本形態の接合方法を示す説明図である。
【図６】従来の接合方法を示す説明図である。
【図７】従来の接合状態を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  回路装置
１０  基板
１１  セラミックス板
１２  配線層
１３  Ｎｉメッキ層
２０  半導体素子
２１  ハンダ
３０  バスバー
３２  露出領域
３３  被覆領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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