(57)【要約】【課題】半導体素子の位置合わせが容易で、かつ強度の高い位置決め性を向上した窒化珪素基板と、前記位置決め性を向上した窒化珪素基板を用いた半導体装置を提供する。【解決手段】貫通孔３と、少なくとも１辺に面した凹部２とを有することを特徴とする位置決め性を向上した窒化珪素基板１。また、貫通孔や凹部をねじ止めに使う。これにより位置ずれの発生を防ぐ。また、窒化珪素基板は強度が高いので基板厚さを薄くすることができる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
貫通孔と、少なくとも１辺に面した凹部とを有することを特徴とする位置決め性を向上した窒化珪素基板。
【請求項２】
前記窒化珪素基板の板厚は、０．２ｍｍ以上、１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の位置決め性を向上した窒化珪素基板。
【請求項３】
前記窒化珪素基板は、熱伝導率が６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、かつ室温での３点曲げ強度が６００ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項２のいずれか１項に記載の位置決め性を向上した窒化珪素基板。
【請求項４】
前記貫通孔の直径が１ｍｍ以上、５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の位置決め性を向上した用窒化珪素基板。
【請求項５】
前記凹部は、幅が１ｍｍ以上、５ｍｍ以下で、かつ奥行が１ｍｍ以上、５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の位置決め性を向上した窒化珪素基板。
【請求項６】
前記貫通孔と基板一辺との最短距離が１ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の位置決め性を向上した窒化珪素基板。
【請求項７】
前記凹部と基板一辺との最短距離が１ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の位置決め性を向上した窒化珪素基板。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の位置決め性を向上した窒化珪素基板と、前記窒化珪素基板に回路部を設け、前記回路部上に搭載された半導体素子とを備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項９】
半導体素子を複数個搭載したことを特徴とする請求項８記載の半導体装置。
【請求項１０】
半導体素子が、パワー素子、発光ダイオード、太陽電池素子のいずれか１種であることを特徴とする請求項８記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位置決め性を向上した窒化珪素基板及びそれを用いた半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子を搭載する基板には、アルミナ基板、ＡｌＮ基板が主に使われている。しかしながら、アルミナ基板は熱伝導率が２０Ｗ／ｍ・Ｋ程度と低いため放熱性が悪い。ＡｌＮ基板は熱伝導率１７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上と高いため放熱性は良いが強度が３００〜４００ＭＰａ程度と低いため、ねじ止めなどの応力を負荷する分野には向かない。
熱伝導率と強度の両方を満足するセラミックス基板として窒化珪素基板が注目されている。例えば、特開２００２−２０１０７５号公報（特許文献１）には、熱伝導率５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上かつ三点曲げ強度５００ＭＰａ以上の窒化珪素基板が開示されている。窒化珪素基板は強度が高いため基板厚さを薄くすることができ、その結果、熱伝導率が５０〜１００Ｗ／ｍ・Ｋ程度であっても基板としての熱抵抗を下げることができる。基板としての熱抵抗を下げることにより、放熱性を向上させることができる。
このような窒化珪素基板は、回路部を設け、様々な半導体素子を搭載し、半導体装置を形成することができる。
半導体素子は、パワー素子、発光ダイオード（ＬＥＤ）、太陽電池素子など様々なものが挙げられる。例えば、パワー素子についてはＩＧＢＴ等のパワー素子を搭載した後、その上に放熱フィンを搭載する。発光ダイオードは発光ダイオードを搭載した後、レンズ部材を被せる。太陽電池素子についても太陽電池素子を搭載した後、レンズ部材を搭載する。
このように近年の半導体装置は、半導体素子搭載後に、さらに別の部材を搭載するものが多い。
一般的に、セラミックス基板は長方形であるため、半導体素子を搭載する際、もしくは放熱フィンやレンズ部材を搭載する際は四隅を固定して実装工程を行っていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−２０１０７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、四隅を固定する方法では、固定作業の手間が多く、また固定の際の位置ずれが多く発生していた。位置ずれが発生すると直す作業が必要になる。また、半導体素子が位置ずれしたまま搭載されると、その後に搭載される部材（放熱フィン、レンズ部材など）も位置ずれしてしまい半導体装置として機能が低下する。
本発明は、半導体素子の位置合わせが容易で、かつ強度の高い位置決め性を向上した窒化珪素基板と、それを用いた半導体装置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】
【０００５】
本発明の位置決め性を向上した窒化珪素基板は、貫通孔と、少なくとも１辺に面した凹部とを有することを特徴とするものである。
また、前記窒化珪素基板の板厚は、０．２ｍｍ以上、１ｍｍ以下であることが好ましい。また、前記窒化珪素基板は、熱伝導率が６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、かつ室温での３点曲げ強度が６００ＭＰａ以上であることが好ましい。
また、前記貫通孔の直径が１ｍｍ以上、５ｍｍ以下であることが好ましい。また、前記凹部は、幅が１ｍｍ以上、５ｍｍ以下で、かつ奥行が１ｍｍ以上、５ｍｍ以下であることが好ましい。また、前記貫通孔と基板一辺との最短距離が１ｍｍ以上であることが好ましい。また、前記凹部と基板一辺との最短距離が１ｍｍ以上であることが好ましい。
また、このような位置決め性を向上した窒化珪素基板は、前記位置決め性を向上した窒化珪素基板に搭載された半導体素子を備えた半導体装置に好適である。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、半導体素子の位置合わせが容易で、かつ強度の高い位置決め性を向上した窒化珪素基板を提供することができる。また、これら窒化珪素基板を用いることにより信頼性の高い半導体装置を提供することができる。特に、半導体素子を搭載後にさらに別の部材を搭載しなければならない半導体装置において効果的である。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の実施形態に係る位置決め性を向上した窒化珪素基板の平面図。
【図２】本発明の他の実施形態に係る位置決め性を向上した窒化珪素基板の平面図。
【図３】本発明の実施形態に係る半導体装置を示す概略図。
【図４】本発明の他の実施形態に係る半導体装置を示す概略図。
【図５】比較例の窒化珪素基板の平面図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
貫通孔と、少なくとも１辺に面した凹部とを有する窒化珪素基板によると、半導体素子を搭載する際に、貫通孔と凹部に固定ジグを差し込んで固定することにより窒化珪素基板の位置ずれが発生しないので半導体素子の位置ずれを防ぐことができる。また、半導体素子搭載後も、貫通孔および凹部に固定ジグを差し込んで固定することにより、基板のずれを防ぐことができるので放熱フィンやレンズ部材等の半導体素子搭載後に取り付ける部材の位置ずれを防ぐことができる。
また、半導体装置を実装基板（実装部材）に固定する際、貫通孔および凹部を実装基板に設けられた凸部（例えば、ねじ部）に嵌めこむことで位置決めを行うことができるため、基板の位置決めが容易になる。
【０００９】
また、当該窒化珪素基板は、機械的強度が高いため、例えば半導体装置を実装基板にねじ止めする際や、半導体装置に振動が加わった際の基板の割れを防止することができる。
【００１０】
窒化珪素基板は、破壊靭性６ＭＰａ・ｍ１／２以上と靭性が高いのでねじ止めの際に割れ難い。また、振動により割れるといった不具合が他のセラミックス基板（ＡｌＮ基板など）に比して少ない。よって、基板の板厚を薄くしても基板の割れを回避することが可能となるため、窒化珪素基板の熱抵抗を下げることができるため放熱性を向上させることができる。
【００１１】
なお、破壊靭性は、下記（１）式に示す新原の式を用いる新原法により求める。
新原の式＝０．０１１４Ｅ0.4Ｐ0.6ａ-0.7（Ｃ／ａ−１）-0.5      （１）
但し、Ｐは荷重（Ｋｇｆ）、ｄは圧痕の対角線長（ｍｍ）、Ｅはヤング率（Ｋｇｆ／ｍｍ2）、Ｃは圧痕の中心点から亀裂の長さ（ｍｍ）、ａは圧痕の対角線長の１／２（ｍｍ）である。
【００１２】
窒化珪素基板は、三点曲げ強度が室温で５００ＭＰａ以上の機械的特性を有することが望ましい。これにより、ねじ止めの際の割れを防止できる。さらに好ましい範囲は、６００ＭＰａ以上である。
【００１３】
セラミックス基板として窒化珪素基板を使用する際、窒化珪素基板の板厚は、０．２ｍｍ以上、１ｍｍ以下であることが好ましい。板厚を０．２ｍｍ以上にすることにより、ねじ止めの際の割れを防止できる。また、板厚を１ｍｍ以下にすることにより、高い放熱性を得ることが可能となる。また、好ましくは０．２〜０．５ｍｍである。
【００１４】
窒化珪素基板は、熱伝導率が６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、かつ３点曲げ強度が室温で６００ＭＰａ以上であることが好ましい。このような基板は、ねじ止めの際に割れ難く、かつ放熱性にも優れている。熱伝導率、強度および破壊靭性の優れた窒化珪素基板としては特開２００２−２０１０７５号公報（特許文献１）に示された窒化珪素基板がある。
【００１５】
位置決め性を向上した窒化珪素基板には、回路部を設けることができる。回路部に半導体素子が実装される。回路部は、例えば、銅板あるいはＡｌ板を接合した金属回路板、金属薄膜を設けた薄膜回路層から形成することが可能である。銅回路板が接合された窒化珪素基板は、振動に対する強度に優れている。銅回路板は、例えば、活性金属接合法、直接接合法（ＤＢＣ法）により接合可能である。また、タングステンやモリブデン等の高融点金属ペーストを使ったメタライズ法により回路部を設けることも可能である。
【００１６】
次いで、本発明の実施形態を図１〜図５を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る位置決め性を向上した窒化珪素基板の平面図である。位置決め性を向上した窒化珪素基板１（以下、基板１と称す）は、一方の長辺に面した１個の凹部２と、他方の長辺付近に位置する１個の貫通孔３とを有する。
【００１７】
基板１のサイズは、特に限定されるものではないが、一辺の長さが１０ｍｍ以上、３００ｍｍ以下であることが望ましい。各辺の長さは、図１に例示されるように長辺Ｌ１と短辺Ｌ２それぞれの長さが１０ｍｍ以上、３００ｍｍ以下であっても良いが、全ての辺が１０ｍｍ以上、３００ｍｍ以下の範囲で同じ長さであっても良い。
【００１８】
貫通孔３の直径φは、ねじ止めに用いるねじサイズに応じて変わるものではあるが、回路部の設置面積を確保するために１ｍｍ以上、５ｍｍ以下であることが望ましい。
【００１９】
凹部２のサイズは、ねじ止めに用いるねじサイズに応じて変わるものではあるが、回路部の設置面積を確保するために幅Ｗ１が１ｍｍ以上、５ｍｍ以下で、かつ奥行Ｗ２が１ｍｍ以上、５ｍｍ以下であることが望ましい。ここで、幅Ｗ１とは、基板一辺と平行な凹部２の長さのうち最大長さで、奥行Ｗ２とは、基板一辺から凹部２の内壁までの距離のうち最大距離である。
貫通孔３と基板一辺との最短距離Ｌ３、凹部２と基板一辺との最短距離Ｌ４が１ｍｍ以上であることが望ましい。これにより、ねじ止めの際の基板の割れ等の破損を回避することができる。
【００２０】
基板１に設ける凹部２、貫通孔３の数は、１個もしくは複数個にすることができる。複数設ける場合、基板１の一辺に複数個設けても、各辺に１個ずつ設けても良い。例えば図２に例示されるように、複数の凹部２を基板１の長辺一辺に設けても良い。
【００２１】
本実施形態の位置決め性を向上した窒化珪素基板に半導体素子を搭載した半導体装置の実施形態を図３に示す。なお、図１で説明したのと同様な部材については、同符号を付して説明を省略する。
図３に示すように、半導体装置は、位置決め性を向上した窒化珪素基板１と、窒化珪素基板上設けられた回路部５、回路部５上に設けられた半導体素子４を有している。
【００２２】
この半導体装置を実装部材（筐体、台座など）にねじ６で固定して半導体モジュールとする。また、ねじ止めの際は必要に応じ、ワッシャーをかましてもよい。なお、図３，図４中では、ねじ止め構造を示したが本発明はねじ止めに限定されるものではなく、凹部および貫通孔に固定部材を挿入して実装することもできる。
また、図３では太陽電池素子を１つ載せた構造を示したが、図４に示したように窒化珪素基板上に２個以上の半導体素子を載せた構造をとってもよい。
【００２３】
また、半導体素子としてパワー素子を用いる場合は放熱フィン、発光ダイオードまたは太陽電池素子を用いる場合はレンズ部材などをさらに搭載することも可能である。
【００２４】
このような位置決め性を向上した窒化珪素基板は、貫通孔および凹部で基板を固定できるので、半導体素子を搭載するとき、放熱フィンやレンズ部材を搭載するとき、半導体装置を実装するとき、などのいずれの場合も位置ずれを防ぐことができる。このため、半導体素子の搭載から半導体装置の実装まで、複数の工程において位置決め性を向上させることができる。
【００２５】
また、窒化珪素基板は強度が高いことから、ねじ止めトルクを１０Ｎ・ｍ以上、さらには２０Ｎ・ｍ以上と強くできる。このため、強固な固定が必要なヘッドライト用基板に好適である。特に窒化珪素基板は貫通孔や凹部を具備していても６００ＭＰａ以上の強度を維持できるので好ましい。なお、ねじ止めトルクの上限は実装部材の強度にも影響を受けるが、４０Ｎ・ｍ以下が好ましい。
【実施例】
【００２６】
（実施例１〜５）
窒化珪素基板１に、図１に示す凹部２および貫通孔３をパンチング加工により形成した。貫通孔の直径（φ）、貫通孔３と基板一辺との最短距離Ｌ３（ｍｍ）、凹部２の幅Ｗ１及び深さ（奥行）Ｗ２（ｍｍ）、凹部２と基板一辺との最短距離Ｌ４（ｍｍ）を下記表１に示す。
（比較例１〜２）
凹部及び貫通孔のいずれも形成していないセラミックス基板を用意した。
【００２７】
上記実施例及び比較例で用いるセラミックス基板の材質、室温での三点曲げ強度（ＭＰａ）、熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ）、破壊靭性（ＭＰａ・ｍ1/2）、サイズ（縦(L2)×横(L1）×厚さ（mm））を下記表１に示す。三点曲げ強度はＪＩＳ−Ｒ−１６０１に準じて測定した。また、熱伝導率はレーザーフラッシュ法を用いた。破壊靭性はＪＩＳ−Ｒ−１６０７のマイクロインディケーション法に準じて前記新原の式により求めた。
【００２８】
【表１】
2011054853.tif 000003
【００２９】
実施例１〜５、比較例１〜２に係るセラミックス基板にＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ活性金属ろう材を用いて表２に示した銅回路板を接合した。反り防止のための裏銅板を接合した。
各回路基板用いて銅回路板所定の位置に半導体素子の実装工程を行い半導体装置とした。実装工程は、半導体素子を半田により銅板上に接合した。
【００３０】
次に、実施例１〜５の半導体装置をねじ止めにより実装部材に固定した。ねじ止め工程は直径１．９ｍｍのねじと外径３ｍｍのワッシャーを介して、貫通孔および凹部の２か所でねじ止めを行った。ねじ止めのトルクは２５〜３０Ｎ・ｍとした。
【００３１】
一方、比較例１，２の半導体装置は、図６に示すように基板２０の四隅を抑え冶具２１を介してねじ２２を用いて固定した。ねじ止め時のトルクは実施例と同様の値とした。
各基板のねじ止めの際に割れた基板の割合を測定した。また、位置ずれの発生割合は、半導体素子の位置が目的とする場所に搭載されなかった確立を測定した。その結果を表２に示す。
【００３２】
【表２】
2011054853.tif 000004
【００３３】
表２から明らかな通りに、実施例１〜５に係る基板は基板が割れることはなかった。これは強度が６００ＭＰａ以上と窒化珪素基板を使っているためである。また位置ずれの発生も少なかった。これは、凹部と貫通孔で基板を固定しているため、ずれが生じ難いためである。
一方、比較例１，２は四隅を固定するタイプのため、位置ずれの発生が大きかった。また、割れについても４か所にトルクがかかると割れる確率が上がった。
【００３４】
（実施例６〜１０）
Ｌ３、Ｌ４を表３のように変えた以外は実施例２または実施例４と同じ基板を用意し、同様の測定を行った結果を以下に示す。
【００３５】
【表３】
2011054853.tif 000005
【００３６】
窒化珪素基板のように強度および靭性の高い窒化珪素基板であれば貫通孔および凹部が端辺から１ｍｍ以上（Ｌ３およびＬ４が１ｍｍ以上）であれば割れの防止が可能であることが分かる。そのため、窒化珪素基板の方が貫通孔および凹部を端に付けることができるので銅板を接合する面積を大きくすることまたは自由度を上げることができる。銅板を大きくすることまたは銅板の接合位置に自由度が上がれば、窒化珪素基板上に複数個の半導体素子を搭載することも可能である。
また、今回、位置ずれの確立に関しては「半導体素子の搭載時の位置ずれ」だけを測定したが、その後の放熱フィンやレンズ部材の搭載時、実装部材へのねじ止め時にも同様の位置ずれは発生する。そのため、本実施例のように位置ずれが生じないものが望ましい。つまり、貫通孔と凹部という形状の違う固定部で固定できることが効果的である。
【符号の説明】
【００３７】
１…位置決め性を向上した窒化珪素基板
２…凹部
３…貫通孔
４…半導体素子
５…回路部
６…ねじ
【図１】
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【図２】
2011054853.tif 000007
【図３】
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【図４】
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【図５】
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