(57)【要約】【課題】セラミックス製の基板本体が有する放熱性能を充分に活かすことが可能なセラミックス基板を提供する。【解決手段】セラミックス製の基板本体と、前記基板本体における半導体素子が載置される表面側に設けられた導電層と、を備え、前記導電層の平面方向に隣接した放熱性部材が設けられており、前記半導体素子が載置される表面側において、前記導電層を有する部位と前記放熱性部材を有する部位とが面一に形成されているセラミックス基板を提供する。【選択図】図３
2018093163.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子が載置される表面側に相対的な凹部及び凸部を有するセラミックス製の基板本体と、
前記相対的な凹部に設けられた、回路パターンを構成する導電層と、を備え、
前記導電層の平面方向に隣接して、前記基板本体の前記相対的な凸部で構成されている放熱性部材が設けられており、
前記半導体素子が載置される表面側において、前記導電層と前記放熱性部材とが面一に形成されており、前記半導体素子の動作に伴って生じる熱を、前記放熱性部材を介して前記基板本体に伝えるセラミックス基板。
【請求項２】
前記半導体素子が、前記導電層からはみ出て設けられる場合又は前記導電層のパターン間隔にまたがって設けられる場合において、前記面一に形成された前記導電層及び前記放熱性部材は、前記半導体素子との間で空隙なく前記半導体素子を載置可能である請求項１に記載のセラミックス基板。
【請求項３】
前記導電層は、前記半導体素子が載置される側の表面に研磨痕を有する請求項１又は２に記載のセラミックス基板。
【請求項４】
前記基板本体は、反りが１００μｍ以下に形成されている請求項１〜３のいずれか１項に記載のセラミックス基板。
【請求項５】
前記半導体素子がパワー半導体素子である、パワー半導体モジュール用の請求項１〜４のいずれか１項に記載のセラミックス基板。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載のセラミックス基板と、
前記セラミックス基板上に載置された半導体素子と、
を備える半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミックス基板、半導体モジュール、及びセラミックス基板の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）やパワー半導体素子等の半導体素子を備える半導体モジュールにおいては、基板における回路を構成する導電層上に半導体素子が搭載された構造とされている。近年、半導体素子は高集積化かつ高密度化される傾向にあり、半導体素子の動作に伴って生じた熱により、半導体素子の劣化や誤作動等の不具合を引き起こす場合があることから、その熱対策が講じられている。
【０００３】
その熱対策の一手段として、半導体モジュールに使用される基板には、熱伝導性の良いセラミックス製の基板本体が使用され、その基板本体の一方の面に回路パターンを構成する導電層が設けられたセラミックス基板が従来から広く使用されている。さらに、基板本体の他方の面に、銅やアルミニウム等の放熱用の金属板が設けられたセラミックス基板も使用されている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、半導体素子が搭載される金属層が形成された窒化ケイ素基板と、その窒化ケイ素基板が接合され、銅又はアルミニウムを主成分とする金属材料からなるヒートシンクとを具備した放熱部品が開示されている。
特許文献２には、非酸化物系セラミックス基板の表面に導体回路層を形成し、その導体回路層の表面にはんだ層を介して半導体素子を一体に接合したセラミックス回路基板が開示されている。
また、特許文献３には、金属、又は金属にセラミックを分散してなる金属・セラミック複合材を含むヒートシンク材と、前記ヒートシンク材の両面に接合されたセラミック基板とを備える、半導体モジュールに使用される放熱板が開示されている。
さらに、特許文献４には、アルミナ含有量が９９．５質量％以上であるセラミックス基板における回路上に、ＬＥＤ素子が設けられたＬＥＤモジュールが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平９−９７８６５号公報
【特許文献２】特開平１０−２８４８２７号公報
【特許文献３】特開２００５−０１９８７５号公報
【特許文献２】国際公開第２０１１／１５２３６３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
半導体モジュールに使用されている従来の基板においては、基板本体の表面上に、銀等の導電材を含有する導電ペーストを印刷し、焼き付ける手法（いわゆるメタライズ法）や、銅板を接合する手法等によって、導電層を形成することが多い。これらの場合、図８に示すように、基板１における基板本体２の表面２ａ上に、導電層４が凸状に存在し、基板本体２の表面２ａと導電層４とで段差が生じることとなる。基板本体２の表面２ａに、導電層４が凸状に設けられていると、その導電層４の厚さの分だけ、基板１の平坦度が不充分となる。
【０００７】
一方、基板における導電層上に半導体素子が載置される際には、半導体素子が、導電層からはみ出て設けられる場合や、回路パターンの導電層のパターン間隔にまたがって設けられる場合がある。これらの場合に、上述の平坦度が不充分なセラミックス基板１が用いられていると、図８に示すように、半導体素子１８と基板本体２との間に空隙６が生じる可能性がある。このような空隙６が存在すると、半導体素子１８の動作に伴って生じる半導体素子１８からの熱が、空隙６によって遮断され、基板本体２に伝わり難くなる。その結果、基板本体２の材質がセラミックスであっても、そのセラミックスの放熱性能を充分に活かすことができない事態を招くこととなる。
【０００８】
そこで、本発明は、セラミックス製の基板本体が有する放熱性能を充分に活かすことが可能なセラミックス基板を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、セラミックス製の基板本体と、前記基板本体における半導体素子が載置される表面側に設けられた導電層と、を備え、前記導電層の平面方向に隣接した放熱性部材が設けられており、前記半導体素子が載置される表面側において、前記導電層を有する部位と前記放熱性部材を有する部位とが面一に形成されているセラミックス基板を提供する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、セラミックス製の基板本体が有する放熱性能を充分に活かすことが可能なセラミックス基板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態のセラミックス基板及びそれを備える半導体モジュールの一例を表す模式的断面図である。
【図２】本発明の一実施形態のセラミックス基板及びそれを備える半導体モジュールの別の一例を表す模式的断面図である。
【図３】本発明の一実施形態のセラミックス基板及びそれを備える半導体モジュールのまた別の一例を表す模式的断面図である。
【図４】本発明の一実施形態のセラミックス基板の製造方法の一例における一工程を表す模式的断面図である。
【図５】本発明の一実施形態のセラミックス基板の製造方法の一例における別の一工程を表す模式的断面図である。
【図６】本発明の一実施形態のセラミックス基板の製造方法の別の一例における一工程を表す模式的断面図である。
【図７】試験例において、放熱性能の評価に用いたヒーターの表面温度の測定方法を表す概念図である。
【図８】従来の基板とそれに載置される半導体素子との概略構造を表す模式的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではない。
【００１３】
＜セラミックス基板＞
本発明の一実施形態のセラミックス基板は、セラミックス製の基板本体と、基板本体における半導体素子が載置される表面側に設けられた導電層とを備える。このセラミックス基板には、導電層の平面方向に隣接した放熱性部材が設けられており、半導体素子が載置される表面側において、導電層を有する部位と放熱性部材を有する部位とが、面一に形成されている。
【００１４】
本発明の一実施形態のセラミックス基板を使用する際には、そのセラミックス基板における導電層上に半導体素子を載置することができる。この際、半導体素子が導電層からはみ出て設けられる場合や、回路パターンの導電層におけるパターン間隔に半導体素子がまたがって設けられる場合等がある。これらの場合に、このセラミックス基板では、半導体素子が載置される表面側において、導電層を有する部位と放熱性部材を有する部位とが面一に形成されているため、半導体素子から生じた熱が、放熱性部材を介してセラミックス製の基板本体に伝わり易い。そして、その熱を、セラミックス製の基板本体によって放出することができ、本発明の一実施形態のセラミックス基板により、セラミックス製の基板本体が有する放熱性能を充分に活かすことが可能となる。
【００１５】
本明細書において、導電層を有する部位と放熱性部材を有する部位とが面一に形成されていることには、導電層と放熱性部材とが面一に形成されている構成（後述する図１及び図３参照）のほか、セラミックス基板における半導体素子が載置される部位において、導電層を有する部分と、導電層を有さずに放熱性部材を有する部分とが面一に形成されている構成も含まれる（後述する図２参照）。また、面一とは、導電層を有する部位と放熱性部材を有する部位との間に段差がないか、その段差が極めて小さいことを意味する。その段差としては、８μｍ以下であることが好ましく、５μｍ以下であることがより好ましく、３μｍ以下であることがさらに好ましい。
【００１６】
本発明の一実施形態のセラミックス基板の一例及びそれを備える半導体モジュールの一例を表す模式的断面図を図１に示し、また、それらの別の一例を表す模式的断面図を図２に示し、さらに別の一例を表す模式的断面図を図３に示す。以下、図に付した符号を用いて、本発明の一実施形態のセラミックス基板及び半導体モジュールを説明することがあるが、それらは、図１〜３に示す構成に限定されるものではない。なお、図面において、各図で共通する構成部については同一の符号を付し、その説明を省略することがある。
【００１７】
図１及び図２に示すように、セラミックス基板１１、２１は、セラミックス製の基板本体１２と、基板本体１２における半導体素子１８が載置される側の表面に設けられた導電層１４とを備える。これらのセラミックス基板１１、２１には、導電層１４の平面方向に隣接した放熱性部材１６、２６を設けることができる。また、導電層１４として、回路パターンを構成する導電層１４を設けることができ、その回路パターンのパターン間隔に放熱性部材１６、２６を設けることができる。セラミックス基板１１、２１の導電層１４上には、半導体素子１８を載置することができる。その半導体素子１８を備える半導体モジュール１０、２０の基板として、セラミックス基板１１、２１を用いることができる。
【００１８】
図１に示すように、セラミックス基板１１は、基板本体１２の表面に設けられた導電層１４と放熱性部材１６とが、半導体素子１８が載置される表面側で面一に形成されている構成をとることができる。また、図２に示すセラミックス基板２１のように、放熱性部材２６は、導電層１４上にも設けられていてもよい。この場合、セラミックス基板２１は、半導体素子１８が載置される表面側において、導電層１４を有する部位と、導電層１４の平面方向に隣接した放熱性部材２６を有する部位とが、面一に形成されている構成をとることができる。これらのような構成を有するセラミックス基板１１、２１によって、半導体素子１８の動作に伴って生じる熱を、放熱性部材１６、２６を介して基板本体１２に効率よく伝えることが可能である。そして、その熱をセラミックス製の基板本体１２で放出することができ、セラミックス製の基板本体１２が有する放熱性能を充分に活かすことが可能となる。
【００１９】
図１及び図２に示すセラミックス基板１１、２１における放熱性部材１６、２６は、導電層１４の平面方向に隣接する位置に、例えば、熱伝導性フィラー及びバインダー樹脂を含有する熱伝導性ペーストを用いて形成することができる。この熱伝導性ペーストはダイボンド材の役割を有していることが好ましく、この場合、導電層１４上に半導体素子１８を接着させることができる。熱伝導性フィラーの材質としては、例えば、金、銀、銅、ニッケル、アルミニウム、カーボン、グラファイト、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化マグネシウム、窒化ホウ素、及び窒化アルミニウム等を挙げることができ、これらの１種又は２種以上を用いることができる。バインダー樹脂としては、特に限定されず、例えば、アクリル系樹脂、ウレタン系樹脂、エポキシ系樹脂、シリコーン系樹脂、及びポリイソブチレン系樹脂等を挙げることができ、これらの１種又は２種以上を用いることができる。
【００２０】
図１及び図２に示すようなセラミックス基板１１、２１では、セラミックス製の基板本体１２の表面に、導電層１４及び放熱性部材１６、２６を設けるため、基板本体１２として、市販のセラミックス製のプレーン基板を用いることができる利点がある。
【００２１】
一方、本発明の一実施形態のセラミックス基板では、導電層の平面方向に隣接した放熱性部材を、セラミックス製の基板本体の一部によって構成することもできる。放熱性部材をセラミックス製の基板本体の一部によって構成することは、セラミックス基板の放熱性能が高まる観点等から好ましい。以下、放熱性部材がセラミックス製の基板本体の一部で構成されるセラミックス基板の構成例について説明する。
【００２２】
図３に示すセラミックス基板３１は、セラミックス製の基板本体３２と、基板本体３２における半導体素子１８が載置される表面側に設けられた導電層３４とを備える。このセラミックス基板３１には、導電層３４の平面方向に隣接した放熱性部材３２ｂが設けられており、その放熱性部材３２ｂをセラミックス製の基板本体３２における相対的な凸部３２ｂで構成することができる。このセラミックス基板３１にも、導電層３４として、回路パターンを構成する導電層３４を設けることができ、その回路パターンのパターン間隔を相対的な凸部３２ｂとすることができる。セラミックス基板３１の導電層３４上には、半導体素子１８を載置することができる。その半導体素子１８を備える半導体モジュール３０の基板として、セラミックス基板３１を用いることができる。
【００２３】
セラミックス基板３１における基板本体３２は、半導体素子１８が載置される表面側に相対的な凹部３２ａ及び相対的な凸部３２ｂを有することができる。そして、基板本体３２の相対的な凹部３２ａに導電層３４を設けることができ、基板本体３２の相対的な凸部３２ｂで放熱性部材を構成することができる。
【００２４】
このように、図３に示すセラミックス基板３１は、半導体素子１８が載置される表面側において、基板本体３２における相対的な凹部３２ａに設けられた導電層３４と、基板本体３２における相対的な凸部（放熱性部材）３２ｂとが面一に形成されている。そのため、半導体素子１８の動作に伴って生じる熱は、基板本体３２における相対的な凸部３２ｂによって基板本体３２に効率よく伝わる。そして、その熱をセラミックス製の基板本体３２で放出することができ、基板本体３２が有する放熱性能を充分に活かすことが可能となる。なお、図示しないが、セラミックス基板３１における導電層３４上に半導体素子１８を設ける際には、はんだ、ダイボンド材、及び上述の熱伝導性ペースト等の接合材を用いることができる。
【００２５】
本明細書において、基板本体における相対的な凹部とは、基板本体における半導体素子が載置される表面側を上側とした基板本体の断面において、相対的な凸部の凸面を基準面とした場合にその基準面よりも低く形成された部分をいう。また、同様に、基板本体における相対的な凸部とは、上記断面において、相対的な凹部の凹面を基準面（図３中の破線参照）とした場合にその基準面よりも高く形成された部分をいう。
【００２６】
相対的な凹部３２ａ及び凸部３２ｂは、基板本体３２に導電層３４を設ける前に、セラミックス原料を用いて、予め相対的な凹部３２ａ及び凸部３２ｂを有する形状の成形板を作製することで形成されるものの他、導電層３４を設ける際の結果として、形成されるものでもよい。具体的には、後述するが、導電層３４が設けられた転写シートを配置した金型でセラミックス原料を成形した後、焼成し、基板本体３２に導電層３４が転写されたセラミックス基板３１を得ることにより、基板本体３２に形成されている相対的な凹部３２ａ及び凸部３２ｂでもよい。この場合、基板本体３２の半導体素子１８が載置される表面側において、導電層３４が設けられている部分が相対的な凹部３２ａとなり、導電層３４が設けられている部分以外の部分が相対的な凸部３２ｂとなる。
【００２７】
基板本体３２における相対的な凹部３２ａの深さ（相対的な凸部３２ｂの高さ）は、１〜５００μｍであることが好ましく、５〜３００μｍであることがより好ましく、１０〜２００μｍであることがさらに好ましい。
【００２８】
セラミックス基板３１における導電層３４は、半導体素子１８が載置される側の表面に、研磨痕を有することが好ましく、曲線状の研磨痕を有することがより好ましい。半導体素子１８が載置される側の表面に研磨痕を有する導電層３４は、半導体素子１８、又は接合材との密着性が高まり、それらとの間に空隙が生じ難くなる結果、放熱性能を高めることが可能となる。また、後述するが、セラミックス基板３１を製造する際には、相対的な凹部３２ａを有する基板本体３２を作製してから、その相対的な凹部３２ａに導電層３４を凹部３２ａの深さよりも厚く形成し、凹部３２ａの深さよりも厚く形成された分を研磨により除去することができる。このような製造方法により、導電層３４と、相対的な凸部（放熱性部材）３２ｂとを容易に面一に形成することができるとともに、導電層３４における半導体素子１８が載置される側の表面に研磨痕を設けることができる。
【００２９】
（基板本体）
次に、図１〜３に示すセラミックス基板１１、２１、３１を含め、本発明の一実施形態のセラミックス基板におけるセラミックス製の基板本体及び導電層の材質及び性質等について、説明する。
【００３０】
セラミックス製の基板本体は、反りが１００μｍ以下に形成されていることが好ましい。基板本体の反りが１００μｍ以下であることにより、その基板本体の半導体素子が載置される表面側に設けられた導電層と、その上に設けられるもの（半導体素子及び接合材等）との密着性が高まり、それらの間に空隙が生じ難くなる結果、セラミックス基板の放熱性能をより高めることが可能である。この観点から、基板本体の反りは、５０μｍ以下であることがより好ましく、２０μｍ以下であることがさらに好ましい。基板本体の反りは小さい程、基板本体の平坦度合いが高まるため、反りの下限は特に限定されるものではないが、製造上、反りは１μｍ以上であってもよい。
【００３１】
本明細書において、「反り」は、定盤に基板本体を置き、マイクロメーターを用いて測定することができる。具体的には、基板本体において定盤面から最も高い位置にある部分の表面までの距離（高さ）と、定盤面から定盤面に接している部分の表面までの距離（高さ）とをマイクロメーターで測定し、それらの差から求めることができる。また、市販の平坦度測定装置や寸法測定器等を用いて、反りを測定することもできる。
【００３２】
基板本体の厚さ（最大厚さ）は、半導体素子からの熱を放出する観点、及び強度の観点から、１〜１０ｍｍであることが好ましく、より好ましくは２〜８ｍｍ、さらに好ましくは３〜８ｍｍである。なお、基板本体は、板状に形成されたもののほか、箱状に形成されたセラミックス製の箱体における一部（例えばその箱体の底面部等）であってもよい。
【００３３】
基板本体の材質はセラミックス製であり、セラミックス原料の焼結体である。基板本体の材質には、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）、及び炭化ケイ素（ＳｉＣ）からなる群から選ばれる少なくとも１種を含む原料の焼結体を用いることができる。基板本体の材質としては、アルミナを主成分とする（５０質量％以上含有する）アルミナセラミックス、窒化アルミニウムを主成分とする（５０質量％以上含有する）窒化アルミニウムセラミックス、及び低温同時焼成セラミックス（ＬＴＣＣ）が好ましい。
【００３４】
基板本体を構成するセラミックスの曲げ強さは、機械的強度に優れた基板本体を得る観点から、２５℃において、３００〜６００ＭＰａであることが好ましい。本明細書において、セラミックスの曲げ強さの値は、２５℃において、ＪＩＳ  Ｒ１６０１−２００８の規定に準拠して測定される値である。
【００３５】
また、優れた絶縁性を有する基板本体を得る観点から、基板本体を構成するセラミックスの体積固有抵抗は、２５℃において、１．０×１０14Ω・ｃｍ以上が好ましい。本明細書において、セラミックスの体積固有抵抗の値は、２５℃において、ＪＩＳ  Ｃ２１４１−１９９２の規定に準拠して測定される値である。
【００３６】
基板本体の材質としては、高い熱放射性能を有することから、アルミナセラミックスがより好ましい。アルミナセラミックス製の基板本体を用いることにより、基板本体上に載置される半導体素子の動作に伴って生じる半導体素子からの熱を、アルミナセラミックス製の基板本体で赤外線に変換して基板本体の下方等へ放射することができる。
【００３７】
優れた熱放射性能を有する観点から、アルミナセラミックスのアルミナ含有量は、９０質量％以上であることが好ましく、より好ましくは９５質量％以上、さらに好ましくは９９質量％以上１００質量％以下である。アルミナセラミックスの組成において、アルミナ以外の残部は、焼結助剤又は不可避的不純物に由来する物質であることが好ましい。アルミナセラミックスには、アルミナ以外の残部として、焼結助剤に由来する元素の１種又は２種以上が含有されていてもよい。焼結助剤としては、Ｍｇ（ＯＨ）2、ＭｇＯ、ＳｉＯ2、Ｎａ2Ｏ、Ｆｅ2Ｏ3、及びＣａＯ等を挙げることができる。アルミナセラミックス中の残部の合計は、好ましくは１０質量％以下、より好ましくは４質量％以下、さらに好ましくは１質量％以下である。
【００３８】
アルミナセラミックスの平均結晶粒径は、１〜１０μｍであることが好ましく、２〜７μｍであることがより好ましい。また、このような結晶粒を３０×２０μｍの面積中に３０〜５５個の範囲で含有するアルミナセラミックスが好ましい。結晶粒径及び結晶粒の数は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による観察から確認することができる。
【００３９】
アルミナセラミックスのかさ密度は、３．６ｇ／ｃｍ3以上であることが好ましく、より好ましくは３．７ｇ／ｃｍ3以上、さらに好ましくは３．９ｇ／ｃｍ3以上である。アルミナセラミックスのかさ密度の上限は特に限定されるものではないが、そのかさ密度は４．５ｇ／ｃｍ3以下であることが好ましく、通常、４．０ｇ／ｃｍ3以下である。本明細書において、セラミックスのかさ密度の値は、ＪＩＳ  Ｒ１６３４−１９９８の規定に準拠して測定される値である。
【００４０】
アルミナセラミックスの２５℃での熱伝導率は、１６Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましく、より好ましくは２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、さらに好ましくは３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である。本明細書において、セラミックスの熱伝導率の値は、ＪＩＳ  Ｒ  １６１１−２０１０で規定される、レーザーフラッシュ法による熱伝導率測定から求められる値である。また、アルミナセラミックスの１００℃での熱放射率は、０．９０以上であることが好ましく、より好ましくは０．９５以上である。本明細書において、セラミックスの熱放射率の値は、加熱板法により、発熱体表面の温度上昇の測定から求められる値である。
【００４１】
基板本体の材質としては、熱伝導率が高い点で、窒化アルミニウムセラミックスを用いることも好ましい。窒化アルミニウムセラミックスの窒化アルミニウム含有量は、５０質量％以上であることが好ましく、より好ましくは９０質量％以上、さらに好ましくは９５質量％以上である。窒化アルミニウムセラミックスの組成において、窒化アルミニウム以外の残部は、焼結助剤（希土類元素の酸化物及びアルカリ土類金属の酸化物等）又は不可避的不純物に由来する元素であり、主にＯ及びＹ等である。窒化アルミニウムセラミックス中の残部の合計は、好ましくは１０質量％以下、より好ましくは５質量％以下である。
【００４２】
窒化アルミニウムセラミックスのＪＩＳ  Ｒ１６３４−１９９８で規定されるかさ密度は、３．２ｇ／ｃｍ3以上であることが好ましく、より好ましくは３．３ｇ／ｃｍ3以上である。窒化アルミニウムセラミックスのかさ密度の上限は特に限定されるものではないが、通常、３．５ｇ／ｃｍ3以下である。窒化アルミニウムセラミックスの２５℃での熱伝導率は、８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましく、より好ましくは１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上、さらに好ましくは１５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である。
【００４３】
基板本体の材質としては、低温同時焼成セラミックス（ＬＴＣＣ）を用いることも好ましい。ＬＴＣＣは、１０００℃以下で焼成されたセラミックスである。このセラミックス原料は１０００℃以下の温度帯での焼成が可能であることから、導電層の形成に導電ペーストを用いる場合に、導電ペーストと成形板の同時焼成が可能である。
【００４４】
低温同時焼成セラミックスは、アルミナ及びガラス成分を含有することができる。ガラス成分としては、例えば、硼珪酸ガラス、硼珪酸亜鉛系ガラス、リチウム珪酸系ガラス、ＰｂＯ系ガラス、ＢａＯ系ガラス等を挙げることができ、これらの１種又は２種以上を用いることができる。これらのうち、硼珪酸ガラスが好ましい。ガラス成分は、低温同時焼成セラミックスの主成分（５０質量％以上）であることが好ましく、その含有量は、低温同時焼成セラミックス中、５０〜８０質量％であることが好ましく、５０〜７０質量％であることがより好ましい。
【００４５】
（導電層）
基板本体における半導体素子が載置される表面側に設けられた導電層は、回路を構成することが好ましく、所定のパターン状に形成された回路パターンを構成することがより好ましい。導電層を構成する導電材の材質としては、特に限定されず、例えば、金、白金、銀、銀パラジウム、銅、ニッケル、パラジウム、タングステン、モリブデン、カーボン、及びグラファイト、並びにそれらの１種又は２種以上を含む合金等を挙げることができる。導電層には、上述の導電材の１種又は２種以上を用いることができる。
【００４６】
導電層としては、導電材及びバインダー樹脂を含有する導電ペーストを印刷して焼き付けたもの、導電材をＰＶＤ（物理気相成長法）及びＣＶＤ（化学的気相成長法）等で薄膜形成したもの、導電材としての銅箔等の金属板をエッチングして回路を形成したもの等を用いることができる。また、それらの導電材にメッキ処理が施されていてもよい。導電層の厚さは、例えば１〜１０００μｍとすることができる。導電ペーストによる導電層の厚さとしては、１〜５００μｍであることが好ましく、５〜３００μｍであることがより好ましく、１０〜２００μｍであることがさらに好ましい。金属板による導電層の厚さとしては、５〜１０００μｍであることが好ましく、１０〜５００μｍであることがより好ましく、２０〜４００μｍであることがさらに好ましい。
【００４７】
本発明の一実施形態のセラミックス基板は、前述のセラミックス製の基板本体により、充分な放熱性能を有することが可能であるが、基板本体における導電層が設けられた表面側とは反対の表面側に、放熱用の金属板を備えることもできる。金属板としては、例えば、銅板及びアルミニウム板等を用いることができる。
【００４８】
また、本発明の一実施形態のセラミックス基板は、セラミックス基板の基板本体により、十分な放熱性能を有することが可能であるが、基板本体における導電層が設けられた表面側とは反対の表面側に、プラスチック板を備えることが好ましい。セラミックス基板がプラスチック板を備えることで、放熱性能をさらに高めることが可能である。これは、セラミックス製の基板本体に伝わった熱をプラスチック板が吸収するように働くためと考えられる。プラスチック板としては、ポリプロピレン板等のポリオレフィン板、ポリエステル板、ポリカーボネート板、及びアクリル板等を挙げることができ、これらのうち、アクリル板が好ましい。
【００４９】
＜セラミックス基板の製造方法＞
本発明の一実施形態のセラミックス基板の製造方法は、セラミックス製の基板本体を作製する工程と、基板本体における半導体素子が載置される表面側に導電層を形成する工程とを含む。この製造方法では、導電層の平面方向に隣接した放熱性部材を設け、半導体素子が載置される表面側において、導電層を有する部位と放熱性部材を有する部位とを面一に形成する。
【００５０】
本発明の一実施形態の製造方法では、セラミックス製の基板本体を作製した後、導電層を形成してもよく、基板本体の作製と導電層の形成を同時進行的に行ってもよい。また、この製造方法では、基板本体に導電層を設けた後に、その導電層の平面方向に隣接する位置に放熱性部材を設けてもよく、放熱性部材を基板本体の一部とし、基板本体の作製と基板本体への導電層の形成によって、導電層の平面方向に隣接した放熱性部材が設けられてもよい。
【００５１】
基板本体を作製する工程では、セラミックス原料を用いて成形された成形板を加熱し、所定の焼成温度で焼成することで基板本体を得ることができる。セラミックス原料には、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、及び炭化ケイ素、並びに硼珪酸ガラス等のガラス成分を用いることができ、顆粒状にした原料を用いることが好ましい。原料を顆粒状に加工する際や、成形板を得る際には、前述した焼結助剤や、有機質結合材等を用いることができる。有機質結合材としては、例えば、ポリビニルアルコール、ポリエステル、アクリル樹脂、セルロース誘導体、ポリエーテル等を挙げることができる。有機質結合材が用いられる場合、成形板から有機質結合材を除去する脱脂工程を行うことが好ましい。
【００５２】
成形方法としては、例えば、乾式金型成形、冷間静水圧成形（ＣＩＰ）、ホットプレス（ＨＰ）、熱間静水圧成形（ＨＩＰ）、射出成形、鋳込成形、押出成形、及びドクターブレード法等を挙げることができる。
【００５３】
成形板の焼成は、大気雰囲気中（酸化雰囲気中）で加熱して、所定の焼成温度で焼成することによって行うことができる。焼成温度は、セラミックスの材質に応じて適宜設定することができる。例えば、アルミナを主成分とする成形板を焼成する際の温度としては、１，４８０〜１，６００℃であることが好ましく、１，５００〜１，６００℃であることがより好ましい。この場合の焼成時間は、０．５〜４時間程度が好ましく、１〜２時間程度がより好ましい。また、例えば、窒化アルミニウムを主成分とする成形板を焼成する際の温度としては、１，５００〜２，１００℃程度であることが好ましく、その焼成時間は、１〜５０時間程度が好ましい。この場合の焼成は、窒素雰囲気などの非酸化性雰囲気の焼成炉で行われることが好ましい。さらに、例えば、低温同時焼成セラミックスの原料を用いて得られた成形板を焼成する際の温度としては、７００〜１０００℃であることが好ましく、その焼成時間は、１〜５０時間程度が好ましい。
【００５４】
導電層を形成する工程では、前述の導電材及びバインダー樹脂を含有する導電ペーストを印刷して焼き付ける方法、導電層を転写する方法、ＰＶＤ及びＣＶＤ等で薄膜形成する方法、及び銅箔等の金属板をエッチングする方法等によって、導電層を形成することができる。
【００５５】
以下、本実施形態のセラミックス基板の製造方法について、態様に分けてさらに説明する。
【００５６】
（第１の態様）
本実施形態のセラミックス基板の製造方法の第１の態様としては、基板本体を作製する工程と、基板本体における半導体素子が載置される側の表面に導電層を形成する工程と、導電層の平面方向に隣接する位置に放熱性部材を形成する工程とを含むことができる。この製造方法では、半導体素子が載置される側の表面において、導電層を有する部位と放熱性部材を有する部位とを面一に形成する。この製造方法は、前述の図１及び図２を用いて説明したような構成を有するセラミックス基板を製造するのに好適である。そのため、図１及び図２に付した符号を用いて、この製造方法をさらに説明する。
【００５７】
第１の態様の製造方法では、セラミックス製の基板本体１２を作製した後に、導電層１４及び／又は放熱性部材１６、２６を形成することができる。また、基板本体１２を構成する焼成前の成形板に、導電層１４及び放熱性部材１６、２６を形成しておき、その後、成形板を焼成することで、基板本体１２に導電層１４及び放熱性部材１６、２６を形成することもできる。さらに、成形板に導電層１４及び放熱性部材１６、２６のいずれか一方を形成しておき、その後、成形板を焼成し、次いで、導電層１４及び放熱性部材１６、２６のいずれか他方を形成することもできる。
【００５８】
この製造方法における基板本体１２を作製する工程では、ドクターブレード法により、セラミックス原料を用いて成形板（いわゆるグリーンシート）を得た後、焼成することが好ましい。また、グリーンシートを焼成して基板本体１２を作製した後に、導電層１４及び放熱性部材１６、２６を形成する工程を行うことが好ましい。このような製造方法により、生産性が高く、また、使用可能なセラミックス原料及び導電材の材質に幅をもたせることが可能である。
【００５９】
この製造方法では、放熱性部材１６、２６を形成する工程の前に、導電層１４を形成する工程を行うことが好ましい。この製造方法では、導電層１４として、回路パターンを構成する導電層１４を設けることができ、その回路パターンのパターン間隔に放熱性部材１６、２６を設けることができる。この製造方法における放熱性部材１６、２６の形成には、前述の熱伝導性ペーストを用いることができ、導電層１４の平面方向に隣接する位置に、熱伝導性ペーストを塗布し、硬化させることで、放熱性部材１６、２６を形成することが好ましい。
【００６０】
放熱性部材１６を形成する際には、導電層１４上をマスキングしておくことにより、図１に示すように、導電層１４上に放熱性部材１６を形成せずに、導電層１４の平面方向に隣接する位置に放熱性部材１６を形成することができる。この場合、導電層１４と放熱性部材１６とを、半導体素子１８が載置される表面側で面一に形成することが可能となる。一方、第１の態様の製造方法では、上述のようなマスキング処理を不要にできる観点から、導電層１４上から熱伝導性ペーストを塗布し、硬化させ、導電層１４の平面方向に隣接する位置及び導電層１４上に放熱性部材２６を形成することが好ましい（図２参照）。この場合、導電層１４を有する部位と放熱性部材２６を有する部位とを、半導体素子が載置される表面側で面一に形成することが可能となる。
【００６１】
（第２の態様）
本実施形態のセラミックス基板の製造方法の第２の態様では、放熱性部材を基板本体の一部とし、基板本体の作製と基板本体への導電層の形成によって、導電層の平面方向に隣接した基板本体の一部である放熱性部材を設けることができる。図４及び図５に、第２の態様の製造方法における一工程を表す模式的断面図を示す。この製造方法は、前述の図３を用いて説明したような構成を有するセラミックス基板を製造するのに好適である。そのため、図３〜５に付した符号を用いて、この製造方法をさらに説明する。
【００６２】
第２の態様の製造方法は、図４に示すように、基板本体３２を、半導体素子１８が載置される表面側に相対的な凹部３２ａを有するとともに放熱性部材を構成する相対的な凸部３２ｂを有する形状に作製する工程を含む。また、この製造方法は、導電層３４を、基板本体３２の相対的な凹部３２ａに形成し、半導体素子１８が載置される表面側で相対的な凸部３２ｂと面一に形成する工程を含む（図３参照）。
【００６３】
この製造方法では、まず、セラミックス原料を用いて、半導体素子１８が載置される表面側に相対的な凹部及び凸部を有する形状の成形板を作製した後、その成形板を焼成することで、基板本体３２を作製することができる（図４参照）。成形板を作製する際には、プレス成形、射出成形、又は鋳込成形の手法により、セラミックス原料を成形することが好ましい。この製造方法では、成形板を焼成して得られた基板本体３２に導電層３４を設けることができるため、セラミックス原料や、導電層３４を構成する導電材の材質に特に制限なく、使用可能なセラミックス原料及び導電材が多いという利点がある。
【００６４】
導電層３４の形成には、基板本体３２の相対的な凹部３２ａに設け易い観点から、前述の導電材及びバインダー樹脂を含有する導電ペーストを用いることが好ましい。バインダー樹脂としては、特に限定されず、例えば、アクリル系樹脂、ウレタン系樹脂、エポキシ系樹脂、シリコーン系樹脂、及びポリイソブチレン系樹脂等を挙げることができる。基板本体３２の相対的な凹部３２ａに、導電ペーストを例えばスクリーン印刷等の印刷手法等により塗布し、乾燥後、焼き付けることにより、導電層３４を容易に得ることができる。
【００６５】
導電層３４を形成する工程は、図５に示すように、基板本体３２の相対的な凹部３２ａに、導電層３４を相対的な凸部３２ｂよりも厚く設ける工程と、相対的な凸部３２ｂの表面よりも高く設けられた分の導電層３４ａを除去する工程とを含むことが好ましい。これにより、基板本体３２の相対的な凹部３２ａに直接、相対的な凸部３２ｂと面一な導電層を形成する場合の高度な精度を必要とせずに、基板本体３２の相対的な凹部３２ａに、相対的な凸部３２ｂと面一な導電層３４を容易に形成することができる。
【００６６】
導電層３４ａを除去する工程は、基板本体３２の相対的な凸部３２ｂの表面よりも高く設けられた分の導電層３４ａを研磨することにより行うことが好ましい。これにより、導電層３４ａを容易に除去することができるとともに、導電層３４における半導体素子１８が載置される側の表面に、前述の研磨痕を形成することもできる。その研磨痕により、導電層３４と、導電層３４上に設けられるものとの密着性が高まり、それらの間に空隙が生じ難くなり、放熱性能を高めることが可能となる。
【００６７】
導電層３４ａを研磨する際には、基板本体３２における相対的な凸部３２ｂの表面も一緒に研磨することが好ましい。これにより、基板本体３２の相対的な凸部３２ｂと面一な導電層３４をより容易に形成することができる。また、基板本体３２の相対的な凸部３２ｂの表面にも研磨痕が形成され、その研磨痕により、相対的な凸部３２ｂの表面とその上に設けられるものとの密着性が高まり、それらの間に空隙が生じ難くなり、放熱性能を高めることが可能となる。
【００６８】
（第３の態様）
本実施形態のセラミックス基板の製造方法の第３の態様では、上述の第２の態様の製造方法と同様、放熱性部材を基板本体の一部とし、基板本体の作製と基板本体への導電層の形成によって、導電層の平面方向に隣接した放熱性部材を設けることができる。具体的には、第３の態様の製造方法は、基板本体を作製する際に、基板本体を構成する成形板に導電層を転写する工程を含むことができる。図６に、第３の態様の製造方法における一工程を表す模式的断面図を示す。この製造方法も、前述の図３を用いて説明したような構成を有するセラミックス基板を製造するのに好適である。そのため、図３及び図６に付した符号を用いて、この製造方法をさらに説明する。
【００６９】
第３の態様の製造方法は、基材シート６３に導電層６４が形成された転写シート６５（図６参照）を、金型のキャビティ内に、導電層６４がキャビティの内側になるように配置する工程を含む。また、その転写シート６５を配置したキャビティ内にセラミックス原料を充填して成形することで、導電層６４が設けられた部分で相対的な凹部６２ａを有するとともに導電層６４が設けられた部分以外で相対的な凸部６２ｂを有する成形板６２を作製する工程を含む。そして、成形板６２を焼成することで、半導体素子１８が載置される表面側で導電層３４と相対的な凸部３２ｂとが面一に形成されたセラミックス製の基板本体３２を得る工程を含む（図３参照）。
【００７０】
転写シート６５における基材シート６３には、ポリエステルフィルム等のプラスチックフィルムを好適に用いることができる。また、基材シート６３に、導電ペーストを印刷して形成された導電層６４を有する転写シート６５を好適に用いることができる。
【００７１】
上述の金型を用いてセラミックス原料を成形する際の成形手法としては、プレス成形、又は射出成形が好ましく、射出成形がより好ましい。射出手法により、成形板を作製する場合、セラミックス原料としては、前述の低温同時焼成セラミックス（ＬＴＣＣ）原料を用いることが好ましい。より好ましくは、ＬＴＣＣ原料粉末と上述の有機質結合材の混合物を加熱及び混練した混練物を冷却後、粉砕して得られたコンパウンドを用いることができる。このコンパウンドを用い、例えば、ノズル温度１５０〜１６０℃、金型温度３０〜４０℃の条件にて射出成形することが可能である。
【００７２】
第３の態様の製造方法では、導電層６４が内側になるように転写シート６５が配置された金型のキャビティに、セラミックス原料が射出成形等により充填されると、原料の熱と圧力により、転写シート６５の導電層６４が一体となった成形板６２を得ることができる（図６参照）。これにより、導電層６４が設けられた部分で相対的な凹部６２ａを有するとともに導電層６４が設けられた部分以外で相対的な凸部６２ｂを有する成形板６２が得られる。
【００７３】
セラミックス原料の成形後、金型から、転写シート６５が導電層６４で一体となった成形板６２（図６参照）を取り出すことができる。この転写シート６５が導電層６４で一体となった成形板６２から、転写シート６５における基材シート６３を剥がすことで導電層６４が一体に設けられた成形板６２を得た後、その成形板６２を焼成することができる。導電層６４に導電ペーストを用いる場合、成形板６２の焼成と同時に、導電ペーストの焼き付けも行うことができ、これにより、導電層３４が設けられた基板本体３２を得ることができる。なお、転写シート６５における基材シート６３を剥がさずに、転写シート６５が導電層６４で一体となった成形板６２のまま焼成し、その焼成により基材シート６３を除去することも可能である。
【００７４】
上述した各製造方法によって、前述の本発明の一実施形態のセラミックス基板を製造することができる。
【００７５】
以上詳述した本発明の一実施形態のセラミックス基板は、基板本体における半導体素子が載置される表面側において、基板本体の一部又は基板本体とは別部材で構成された放熱性部材を有する部位と、導電層を有する部位とが面一に形成されている。そのため、半導体素子が導電層からはみ出て設けられる場合や、回路パターンの導電層におけるパターン間隔に半導体素子がまたがって設けられる場合に、半導体素子から生じた熱を、放熱性部材を介して基板本体に効率よく伝えることができる。そして、その熱をセラミックス製の基板本体によって放出することができ、基板本体が有する放熱性能を充分に活かすことが可能となる。
【００７６】
本発明の一実施形態のセラミックス基板は、半導体素子を備えるモジュールに広く利用することができる。このセラミックス基板は、上述の通り、半導体素子の動作に伴って生じる熱を、基板本体の方へ逃がすことが可能であるため、出力の高いパワー半導体素子を備えるパワー半導体モジュール用や、ＬＥＤを備えるＬＥＤモジュール用として、より好適に用いることができる。
【００７７】
＜半導体モジュール＞
次に、本発明の一実施形態の半導体モジュールについて説明する。図１〜３に示したように、半導体モジュール１０、２０、３０は、前述のセラミックス基板１１、２１、３１と、そのセラミックス基板１１、２１、３１上に載置された半導体素子１８とを備える。半導体モジュール１０、２０、３０は、前述のセラミックス基板１１、２１、３１を備えるため、半導体素子１８の動作に伴って生じた熱を、セラミックス基板１１、２１、３１における基板本体１２、３２によって、放出することが可能である。そのため、半導体素子の安定した動作を確保することが可能となる。
【００７８】
本発明の一実施形態の半導体モジュール１０、２０、３０では、前述のセラミックス基板における導電層１４、３４上に半導体素子１８を設けることができる。セラミックス基板１１、２１、３１における導電層上１４、３４に半導体素子１８を設ける際には、はんだ、ダイボンド材、及び前述の熱伝導性ペースト等の接合材を用いることができる。
【００７９】
半導体素子１８は特に限定されず、セラミックス基板１１、２１、３１上には、各種のダイオード、トランジスタ、及びサイリスタ等を載置することができる。半導体素子１８としては、例えば、整流ダイオード、及び発光ダイオード（ＬＥＤ）等のダイオード、パワーＭＯＳＦＥＴ及び絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(ＩＧＢＴ)等のトランジスタ、トライアック及びゲートターンオフサイリスタ等のサイリスタ等を挙げることができる。
【００８０】
上述の通り、セラミックス基板１１、２１、３１はパワー半導体モジュール用に好適であるため、半導体モジュール１０、２０、３０は、セラミックス基板１１、２１、３１上に載置されたパワー半導体素子を備えるパワー半導体モジュールであることが好ましい。そのパワー半導体モジュールは、例えば、太陽光発電装置、自動車、電車、送電システム、生産設備、及び家庭用電化製品等に利用することができる。
【００８１】
なお、上述の通り、本発明の一実施形態のセラミックス基板は、次の構成をとることも可能である。
［１］セラミックス製の基板本体と、前記基板本体における半導体素子が載置される表面側に設けられた導電層と、を備え、前記導電層の平面方向に隣接した放熱性部材が設けられており、前記半導体素子が載置される表面側において、前記導電層を有する部位と前記放熱性部材を有する部位とが面一に形成されているセラミックス基板。
［２］前記基板本体は、前記半導体素子が載置される表面側に相対的な凹部及び凸部を有し、前記導電層は、前記基板本体の前記相対的な凹部に設けられており、前記放熱性部材は、前記基板本体の前記相対的な凸部で構成されている前記［１］に記載のセラミックス基板。
［３］前記導電層は、前記半導体素子が載置される側の表面に研磨痕を有する前記［１］又は［２］に記載のセラミックス基板。
［４］前記基板本体は、反りが１００μｍ以下に形成されている前記［１］〜［３］のいずれかに記載のセラミックス基板。
［５］前記半導体素子がパワー半導体素子である、パワー半導体モジュール用の前記［１］〜［４］のいずれかに記載のセラミックス基板。
【００８２】
また、本発明の一実施形態の半導体モジュールは、次の構成をとることが可能である。
［６］前記［１］〜［５］のいずれかに記載のセラミックス基板と、前記セラミックス基板上に載置された半導体素子と、を備える半導体モジュール。
【００８３】
さらに、本発明の一実施形態のセラミックス基板の製造方法は、次の構成をとることも可能である。
［７］セラミックス製の基板本体を作製する工程と、前記基板本体における半導体素子が載置される表面側に導電層を形成する工程と、を含み、前記導電層の平面方向に隣接した放熱性部材を設け、前記半導体素子が載置される表面側において、前記導電層を有する部位と前記放熱性部材を有する部位とを面一に形成するセラミックス基板の製造方法。
［８］前記基板本体を、前記半導体素子が載置される表面側に相対的な凹部を有するとともに前記放熱性部材を構成する相対的な凸部を有する形状に作製する工程と、前記導電層を、前記基板本体の前記相対的な凹部に形成し、前記半導体素子が載置される表面側で前記相対的な凸部と面一に形成する工程と、を含む前記［７］に記載のセラミックス基板の製造方法。
［９］前記導電層を形成する工程は、前記基板本体の前記相対的な凹部に、前記導電層を前記相対的な凸部よりも厚く設ける工程と、前記相対的な凸部の表面よりも高く設けられた分の前記導電層を除去する工程と、を含む前記［８］に記載のセラミックス基板の製造方法。
［１０］前記導電層を除去する工程は、前記基板本体の前記相対的な凸部の表面よりも高く設けられた分の前記導電層を研磨することにより行う前記［９］に記載のセラミックス基板の製造方法。
［１１］基材シートに前記導電層が形成された転写シートを、金型のキャビティ内に、前記導電層が前記キャビティの内側になるように配置する工程と、前記転写シートを配置した前記キャビティ内にセラミックス原料を充填して成形することで、前記導電層が設けられた部分で相対的な凹部を有するとともに前記導電層が設けられた部分以外で前記放熱性部材を構成する相対的な凸部を有する成形板を作製する工程と、前記成形板を焼成することで、前記半導体素子が載置される表面側で前記導電層と前記相対的な凸部とが面一に形成されたセラミックス製の基板本体を得る工程と、を含む前記［７］に記載のセラミックス基板の製造方法。
【実施例】
【００８４】
次に、試験例を挙げて、前述の一実施形態に係るセラミックス基板をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の試験例に限定されるものではない。
【００８５】
（試験例１）
原料粉末としてバイヤー法によって得られたアルミナ粉末を用いた。用いたアルミナ粉末には、平均粒子径０．７μｍのものを使用した。この原料は、アルミナ９９．５質量％、マグネシア０．１６質量％、及びシリカ０．３４質量％を含む。このアルミナ粉末を水と共にボールミル（ボール材料：アルミナ質）に入れ、１０時間粉砕混合した。得られた粉末の平均粒径をレーザー回折／散乱式粒度分布測定装置により測定したところ３μｍであった。この粉末に有機質結合剤（アクリル樹脂及びポリビニルアルコール）を加えスラリー化し、噴霧乾燥して５０〜１００μｍの顆粒を作製した。得られた顆粒を、金型を用いて、成形圧力２０００ｋｇ／ｃｍ2で乾式成形法により成形し、片面の中央付近に２つの相対的な凹部（及びその凹部以外に相対的な凸部）を有する形状（図４参照）の成形板を作製した。
【００８６】
得られた成形板を、脱脂炉に入れ、室温（２５℃）から５００℃まで１００時間かけて昇温して脱脂した。脱脂した成形板を冷却後に取り出し、ガス炉に入れ１５０℃／時の昇温速度で１５８０℃まで昇温し、大気雰囲気中で２時間保持した。その後、ガス炉内に室温の空気を流入させて、２５８℃／時で冷却した。なお、上記ガス炉は空気を流通させたバッチ式の炉であり、プロパンガスによる燃焼を熱源とするものである。焼成の際の温度の制御は、プロパンガスの流量及びプロパンガスに混ぜる空気の流量を調節することによって行った。
【００８７】
上記のように成形板を焼成して、アルミナの含有量が９９．５質量％以上であるアルミナセラミックス板を得た。このアルミナセラミックス板の寸法は、縦が５０ｍｍ、横が５０ｍｍ、厚さが６ｍｍであり、２つの相対的な凹部の寸法はいずれも、縦が１０ｍｍ、横が１０ｍｍ、深さが０．１ｍｍ、それらの間隔が１ｍｍであった。また、このアルミナセラミックス板のかさ密度は３．９３ｇ／ｃｍ3、曲げ強さは３４０ＭＰａ、熱伝導率は３９Ｗ／ｍ・Ｋ、熱放射率は０．９７、体積固有抵抗値は１．０×１０16Ω・ｃｍ超であった。
【００８８】
得られたアルミナセラミックス板の相対的な凹部に、銀ペースト（京都エレックス株式会社製、商品名「ＤＤ−２３３５Ｓ−１０９」）をスクリーン印刷し、１５０℃で３０分間乾燥させた後、８５０℃で７分間焼き付けて導電層を形成した。この際、導電層を、相対的な凹部の深さよりも僅かに厚く形成した（図５参照）。
【００８９】
導電層を形成したアルミナセラミックス板の両面に対し、回転研磨機（ダイヤモンド砥粒２〜４μｍ、回転数５０〜１５０ｒｐｍ；これらの条件は以下の回転研磨機も同じである。）により、研磨時間及び回転数を調整しながら回転研磨の処理を施し、アルミナセラミックス板の反りを１００μｍとした。また、この研磨の際には、アルミナセラミックス板の相対的な凹部以外の表面（相対的な凸部の表面）よりも高く設けられた分の導電層を研磨により除去し、導電層が設けられた表面側において、導電層と相対的な凸部とを面一に形成した。上記のようにして、図３を用いて説明したセラミックス基板３１のような構成を有する試験例１のセラミックス基板の試験体を得た。
【００９０】
（試験例２）
試験例２では、試験例１におけるアルミナセラミックス板の両面に対する回転研磨処理の条件を変更し、研磨時間及び回転数を調整しながら、アルミナセラミックス板の反りを５０μｍとした以外は、試験例１と同様の方法により、試験例２のセラミックス基板の試験体を得た。
【００９１】
（試験例３）
試験例３では、試験例１におけるアルミナセラミックス板の両面に対する回転研磨処理の条件を変更し、研磨時間及び回転数を調整しながら、アルミナセラミックス板の反りを２０μｍとした以外は、試験例１と同様の方法により、試験例３のセラミックス基板の試験体を得た。
【００９２】
（放熱性能の評価）
試験例１〜３で得られた各試験体について、以下に述べるようにして、放熱性能を評価するための試験を行った。
図７に示すように、測定用箱内（不図示）に設置したガラスエポキシ台板Ｂ１上に、熱源として、セラミックプレートヒーター（縦２０ｍｍ×横２０ｍｍ×厚さ２ｍｍ、定格４０Ｖ、４０Ｗ）８をセットした。測定用箱としては、日本半導体協会（ＪＥＤＥＣ）の規格に準拠したアクリル樹脂製の箱（幅３００ｍｍ、長さ３００ｍｍ、高さ３００ｍｍ）を用い、測定用箱内は２５℃で無風密閉の条件とした。ヒーター８の表面には、温度センサ（Ｋ種熱電対、安立計器株式会社製、モデルＨＦＴ−４０）を取り付けた。
そして、上記ヒーター８に導電層７４が接触するように、ヒーター８上に試験体（セラミックス基板）７１を載置した。このヒーター８及び試験体７１の周囲を囲むように、アルミニウム製の固定枠Ｆをガラスエポキシ台板Ｂ１上に取り付け、固定枠Ｆ上にもう一枚のガラスエポキシ板Ｂ２を取り付けた。そのガラスエポキシ板Ｂ２の上からビスＳで試験体７１における基板本体７２に圧力をかけ、０．８Ｎの締付トルクで試験体７１とヒーター８とを接合し、固定した。この状態で、ヒーター８に所定の電力（１Ｗ、２Ｗ、３Ｗ、４Ｗ、５Ｗ）を印加して、温度センサにより、温度変化がみられなくなった恒温になったときの温度を測定温度とした。なお、対照として、試験体７１を用いずに熱源（ヒーター８）単独の場合について、上記と同様にして、その熱源の表面温度を測定した。対照及び各試験体を用いた際の測定結果を表１に示す。
【００９３】
2018093163.tif 000003
【００９４】
試験例１〜３で作製したセラミックス基板はいずれも、良好な放熱効果を有することが確認された。また、このセラミックス基板における基板本体の反りが小さいほど、優れた放熱効果を発揮できることが確認された。
【００９５】
（試験例４）
試験例４では、試験例１で述べた方法に準拠して、セラミックス基板を作製した。このようにして、図３を用いて説明したセラミックス基板３１のような構成を有する試験例４のセラミックス基板の試験体を得た。
【００９６】
（比較試験例５）
比較試験例５では、相対的な凹部を有しない平坦な形状の成形板を作製した以外は、試験例１と同様の方法により、縦が５０ｍｍ、横が５０ｍｍ、厚さが６ｍｍの平坦なアルミナセラミックス板を得た。得られたアルミナセラミックス板の表面上に、試験例４で形成した導電層と、材質、位置及び寸法が同等の導電層を形成した。このようにして、図８を用いて説明した基板１のような構成を有する比較試験例５のセラミックス基板の試験体を得た。
【００９７】
（放熱性能の評価）
試験例４で得られた試験体と、比較試験例５で得られた試験体について、ＬＥＤを熱源として用いた放熱性能の評価を行った。具体的には、試験体における２つの導電層上にまたがってＬＥＤ（５４Ｗ）を載置し、そのＬＥＤに上述の温度センサを取り付け、ＬＥＤを点灯してから所定時間経過後の温度センサによる温度を測定した。なお、この測定も上述の測定用箱内にて行った。この結果を表２に示す。
【００９８】
2018093163.tif 000004
【００９９】
表２に示す通り、試験例４で得られた試験体の方が、比較試験例５で得られた試験体よりも放熱性能に優れることが確認された。
【符号の説明】
【０１００】
１０、２０、３０  半導体モジュール
１１、２１、３１  セラミックス基板
１２、３２  基板本体
１４、３４  導電層
３２ａ  相対的な凹部
３２ｂ  相対的な凸部
１６  放熱性部材
【図１】
2018093163.tif 000005
【図２】
2018093163.tif 000006
【図３】
2018093163.tif 000007
【図４】
2018093163.tif 000008
【図５】
2018093163.tif 000009
【図６】
2018093163.tif 000010
【図７】
2018093163.tif 000011
【図８】
2018093163.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成29年10月25日(2017.10.25)
【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】
半導体素子が載置される表面側に相対的な凹部及び凸部を有するセラミックス製の基板本体と、
前記相対的な凹部に設けられた、回路パターンを構成する導電層と、を備え、
前記導電層の平面方向に隣接して、前記基板本体の前記相対的な凸部で構成されている放熱性部材が設けられており、
前記基板本体及び前記放熱性部材を構成する前記セラミックスは、アルミナの含有量が９５質量％以上であり、１００℃での熱放射率が０．９０以上である、熱放射性能を有するアルミナセラミックスであり、
前記半導体素子が載置される表面側において、前記導電層と前記放熱性部材とが面一に形成されており、前記半導体素子の動作に伴って生じる熱を、前記放熱性部材を介して前記基板本体に伝えて前記基板本体で熱放射するセラミックス基板。
【請求項２】
前記半導体素子が、前記導電層からはみ出て設けられる場合又は前記導電層のパターン間隔にまたがって設けられる場合において、前記面一に形成された前記導電層及び前記放熱性部材は、前記半導体素子との間で空隙なく前記半導体素子を載置可能である請求項１に記載のセラミックス基板。
【請求項３】
前記導電層は、前記半導体素子が載置される側の表面に研磨痕を有する請求項１又は２に記載のセラミックス基板。
【請求項４】
前記基板本体は、反りが１００μｍ以下に形成されている請求項１〜３のいずれか１項に記載のセラミックス基板。
【請求項５】
前記基板本体の厚さが３〜８ｍｍである請求項１〜４のいずれか１項に記載のセラミックス基板。
【請求項６】
前記基板本体における前記導電層が設けられた表面側とは反対の表面側にプラスチック板を備える請求項１〜５のいずれか１項に記載のセラミックス基板。
【請求項７】
前記半導体素子がパワー半導体素子である、パワー半導体モジュール用の請求項１〜６のいずれか１項に記載のセラミックス基板。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載のセラミックス基板と、
前記セラミックス基板上に載置された半導体素子と、
を備える半導体モジュール。