(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板上に銅パターンが直接接合された銅貼り基板において、
前記銅パターンは細長状の第１の銅パターンを含み、該第１の銅パターンは櫛歯状に形成され、
前記銅パターンは細長状の第２の銅パターンを含み、該第２の銅パターンは櫛歯状に形成され、前記第１の銅パターンと前記第２の銅パターンは、それぞれの櫛歯部が対向する方向に形成され、且つそれぞれの櫛歯部の凸部がパターン長手方向に交互に位置するように配置されている、銅貼り基板。
【請求項２】
前記第１の銅パターンの櫛歯部の凸部と前記第２の銅パターンの櫛歯部の凸部は、パターン短手方向にオーバーラップしている請求項１記載の銅貼り基板。
【請求項３】
前記第１の銅パターン又は前記第２の銅パターンの櫛歯部の凸部の一部は、半導体チップと前記第１の銅パターン又は前記第２の銅パターンとを接続する端子であり、該凸部の幅は前記端子の幅と実質的に同一寸法に設定されている請求項１または請求項２のいずれかに記載の銅貼り基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、銅貼り基板、特に同基板上に形成される銅パターンの形状に関する。
【背景技術】
【０００２】
銅板とセラミックスを直接接合した銅貼り基板（ＤＢＣ（Direct Bonded Copper：登録商標）基板）は、セラミックス基板上に直接、銅板を接合した基板である。銅（Ｃｕ）中に含まれる微量な酸化物を利用して、Ｃｕ−Ｏ共昌液相を生成させ、これをセラミックス基板との接合材に利用して、セラミックス基板上にＣｕを直接接合する。このＤＢＣ基板では、接合のための中間材を使用しないため作成プロセスが簡単になる利点がある。
【０００３】
一方、このようなＤＢＣ基板を含む、セラミックスに銅パターンを直接接合した基板構造では、特に電力半導体素子等の発熱素子を実装したものである場合に、熱ストレスの繰り返しにより、基板から銅パターンが剥離し、その結果、剥離部のセラミックス基板に微少クラックが発生して絶縁性を悪くしたり、銅パターンに接続される配線の断線を引き起こす可能性がある。そこで、これを防ぐ構造が要請される。
【０００４】
従来、このような問題に対処するため、様々な提案がなされている。例えば、基板の表面にメッキ処理で回路パターンを形成するときに基板上に凹部を形成し、この凹部全体にわたって回路パターンを形成することで回路パターンの剥離を防ぐ（特許文献１）。また、別の案では半導体チップから回路パターンまでに配線の方向を工夫する（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−３４０９０２号公報
【特許文献２】特開２００９−２２４７１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１に示すような方法では基板上に凹部を形成する別の工程が必要であり、また、凹部を形成するための余分な面積が必要となる。また、特許文献２に示すような方法では回路パターンそのものの剥離を防止できない問題がある。
【０００７】
この発明の目的は、回路パターン（銅パターン）の形状を工夫することで上記の問題を解決する銅貼り基板を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明の銅貼り基板は、セラミックス基板上に銅パターンが直接接合された基板であり、例えば、銅（Ｃｕ）中に含まれる微量な酸化物を利用して、Ｃｕ−Ｏ共昌液相を生成させ、これをセラミックスとの接合材に利用して、セラミックス上にＣｕを直接接合したＤＢＣ基板である。
【０００９】
前記銅パターンは細長状の第１の銅パターンを含み、該第１の銅パターンは櫛歯状に形成されている。
【００１０】
さらに、好ましい形態では、前記銅パターンは細長状の第２の銅パターンを含み、該第２の銅パターンは櫛歯状に形成され、前記第１の銅パターンと前記第２の銅パターンは、それぞれの櫛歯部が対向し、且つそれぞれの櫛歯部の凸部がパターン長手方向に交互に位置するように配置されている、
【発明の効果】
【００１１】
この発明の銅貼り基板では、第１の銅パターンが櫛歯状であるため、基板使用時に繰り返し発生する熱ストレスに対し、特に同パターンの端部付近の内部応力が低減する。この事実は、熱応力シミュレーションの結果、明らかになったものである。そして、熱ストレスに対するパターン端部の内部応力が低減することにより、同パターンのセラミックス基板表面からの剥離現象を防ぎ、また、それによってセラミックスのクラック発生現象を防止できる効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】この発明の第１の実施形態のＤＢＣ基板の概略平面図
【図２】比較例のＤＢＣ基板の概略平面図
【図３】熱応力シミュレーション結果を示す表
【図４】櫛歯部の他の例を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は、この発明の第１の実施形態のＤＢＣ基板の概略平面図である。この例では、熱応力シミュレーションによる熱応力分析を容易にするため、矩形状のセラミックス基板１に３つの銅パターンが直接接合される簡易構造のＤＢＣ基板を想定する。
【００１４】
ＤＢＣ基板は、アルミナを材料とするセラミックス基板１上に直接、銅板を接合した基板である。銅（Ｃｕ）中に含まれる微量な酸化物を利用して、Ｃｕ−Ｏ共昌液相を生成させ、これをセラミックスとの接合材に利用して、セラミックス上にＣｕを直接接合する。本実施形態では、セラミックス基板１の表裏面に銅パターンが接合形成される。
【００１５】
セラミックス基板１の表面の銅パターンは、図１（Ａ）に示すように、半導体チップ２０等が実装される回路パターン２と、これに平行に配置される第１パターン３と、第２パターン４とで構成される。セラミックス基板１の裏面の銅パターンは、図１（Ｂ）に示すように、一面に形成された基準電位のパターン５で構成される。
【００１６】
セラミックス基板１の表面の第１パターン３は、図示のように基板長手方向に細長で全体として櫛歯状に形成される。すなわち、基板長手方向に延びるパターン部３０に一定の距離毎に下に凸となる凸部パターン３１が形成される。これらパターン２，３の間の櫛歯状部の間隔ｄは、絶縁距離等により決まる距離以上離れており、本実施形態では一定の間隔ｄに保たれている。また、パターン２，３の幅ｂは、配線に必要とされる幅以上が選択される。
【００１７】
本実施形態では、図１（Ａ）に示すように、ひとつの半導体チップ２０と第１パターン３及び第２パターン４とを、ブスバー２２を介して端子２１によって異電位で接続しており、端子２１の幅と、第１パターン３の凸部パターン３１及び第２パターン４の凸部パターン４１の幅とは、ほぼ同一の１．３ｍｍに設定している。このため、端子２１を、第１パターン３の凸部パターン３１及び第２パターン４の凸部パターン４１に半田付する時に端子２１のセルフアライメントが可能になり、双方の寸法が異なる場合に必要なレジスト処理（レジストにより、リード線２１のアライメントをする）が不要である。
【００１８】
ここで、第１パターン３の凸部パターン３１と第２パターン４の凸部パターン部４１が上下方向（基板短手方向）にδ（０．２ｍｍ）だけオーバーラップしている。
【００１９】
図２に示すような従来の基板は、熱サイクル時に第１パターン３や第２パターン４の直線部に沿って、セラミックス基板１にクラックが生じることがあった。これは、各パターンが剥離する際に発生する応力がセラミックスに作用し、パターンの剥離と同時にセラミックスにクラックが生じていることが考えられる。
【００２０】
一方本実施形態では、第１パターン３と第２パターン４の間の部分は、基板長手方向に連続する両パターンの辺縁が近接しており、櫛歯状で、且つ、凸部パターン３１と凸部パターン４１間にδのオーバーラップ領域を設けているため、凸部パターン３１（４１）のδの領域でセラミックス基板１に生じる応力を吸収し、それによってセラミックス基板１が割れる現象を防いでいるものと考えられる。  以上の構成において、各要素の寸法、セラミックス線膨張率、Ｃｕ線膨張率、基板全体の温度上昇等をパラメータとして与える熱解析による熱応力シミュレーションを行った。比較のため、図２に示すＤＢＣ基板についての熱応力シミュレーションも行った。図２に示すＤＢＣ基板は、第１パターン３、第２パターン４を櫛歯部のない細長の矩形状に形成した基板である。なお、熱応力シミュレーションは、有限要素法によって各要素に熱負荷を分散することで任意の箇所（ここでは各パターンの上下コーナー端部）に発生する応力を計算する一般的手法であって、コンピュータ上で行うことが出来る。これは、経験的に熱サイクル時に回路パターンの剥離が、何れかのパターンの上下コーナー端部から発生し、パターンの直線部に沿って広がることが分かっており、そのためこのような熱応力のシミュレーションは、パターンの剥離のし難さを検討することは有効であると考えられる。
【００２１】
（条件）と（結果）を下記に示す。
【００２２】
なお、今回は半導体チップ２０と第１パターン３又は第２パターン４とを、端子２１を半田付けすることで配線するのに必要な端子２１の幅を１．３ｍｍと仮定し、以下の条件を定めた。前述の通り、各パターン間の間隔は、必要とされる絶縁距離等により決まるものであり、実施形態と比較例とでは、回路パターン２と第１パターン３との間の最小距離及び第１パターンと第２パターンとの間の最小距離は等しく、セラミックス基板１全体としては実施形態と比較例とで同じ大きさに形成されている。
【００２３】
（図１に示す実施形態の条件）
・回路パターン２、第１パターン３、第２パターン４の長手方向の長さLを３８ｍｍ
・回路パターン２と第１パターン３の間隔ａを１．０ｍｍ
・第１パターン３のパターン部３０、第２パターン４のパターン部４０の幅ｂを０．８ｍｍ
・第１パターン３のパターン部３０と第２パターン４のパターン部４０の、両端の直線状部分同士の間隔ｃを１．８ｍｍ
・第１パターン３の凸部パターン３１と第２パターン４の凸部パターン４１により、櫛歯状になっている部分の間隔（第１パターン３と第２パターンの間隔）ｄを０．８ｍｍ
・第１パターン３の凸部パターン３１、第２パターン３の凸部パターン４１の長手方向の幅ｅを１．３ｍｍ
・第１パターン３の凸部パターン３１と第２パターン４の凸部パターン４１の短手方向のオーバーラップ寸法δを０．２ｍｍ
・回路パターン２の寸法を、５．４ｍｍ×３８ｍｍ
・回路パターン２と第１パターン３の間隔を１．０ｍｍ
・セラミックス基板１の厚みを０．３２ｍｍ
・各銅パターンの厚みを０．３ｍｍ
（図２に示す比較例の条件）
・第１パターン３と第２パターン４は同一寸法であって、１．３ｍｍ×３８ｍｍ
・第１パターン３と第２パターン４の短手方向の幅ｂを０．８ｍｍ
・第１パターン３と第２パターン４の間隔ｄを０．８ｍｍ
・その他の条件は図１と同じ
（結果）
図３（Ａ）の表は、第１パターン３について、図１と図２の基板の各シミュレーション結果を示す。「左下」は、第１パターン３の左下コーナー端部付近を示し、「左上」は、第１パターン３の左上コーナー端部付近を示す。同じように、「右下」は、第１パターン３の右下コーナー端部付近を示し、「右上」は、第１パターン３の右上コーナー端部付近を示す。表中の数値は応力の大きさを数値で示したものであり、単位は［Ｎ／ｍ２］である。
【００２４】
図３（Ａ）の効果の欄に「○」（効果あり）で示すように、第１パターン３の左右端部に発生する応力は、図１の基板の方が図２の基板よりは小さくなった。この要因は、図１の基板の第１パターンの形状にあると思われる。すなわち、図１と図２の相違点は、銅パターンの形状だけであるから、第１パターン３が櫛歯状の形状にあることが応力を減少させる要因であると推測される。図１の基板で第１パターン３に生じる応力が小さくなっていることから、熱サイクル時（熱ストレスが繰り返される時）に、セラミックス基板１から第１パターン３が剥離する耐性力が増す。
【００２５】
また、図３（Ｂ）の効果の欄に「○」（効果あり）で示すように、第２パターン４についても、同様に熱サイクル時に発生する応力は小さくなっている。このことから、この第２パターン４についてもセラミックス基板１から剥離する耐性力が増していることがわかる。
【００２６】
一般に、細長い銅パターンの端部は、熱サイクル時の剥離に対する耐性が低いが、本実施形態のシミュレーション結果から明らかなように、銅パターンを櫛歯状にすることで、剥離の耐性力を増すことが出来る。
【００２７】
また、各銅パターンに発生する応力は他の銅パターンの存在の影響を大きく受けることはない。つまり、第１パターン３に発生する応力は、第２パターン４又は回路パターン２の存在に有意に影響を受けることはなく、セラミックス基板１との接合部分の物性（線膨張率や接合力等）の相対関係に大きく依存する。同様に、第２パターン４に発生する応力は、第１パターン３又は回路パターン２の存在に有意に影響を受けることはなく、セラミックス基板１との接合部分の物性（線膨張率や接合力等）の相対関係に大きく依存する。したがって、図１において、第２パターン４が存在しない場合であっても、第１パターン３が櫛歯状である限り剥離しにくくなる効果がある。同様に、第１パターン３が存在しない場合であっても第２パターン４が櫛歯状である限り剥離しにくくなる効果がある。さらに、図１のように第１パターン３と第２パターン４の各櫛部が対向するように配置せずに、各櫛部が図の下側を向くように配置しても、各パターンが剥がれにくくなる効果があると考えられる。
【００２８】
なお、本実施形態ではδを０．２ｍｍとしたが、これに限るものではなく、実験やシミュレーションにより適正な長さにされるべきである。
【００２９】
また、以上の実施形態では、凸部３１（４１）を矩形状にしたが、図４のように頂点が短手方向にオーバーラップした鋸歯状にしても良く、その他、任意の形状であってよい。
【符号の説明】
【００３０】
１−セラミックス基板
２−回路基板
３−第１パターン
４−第２パターン
【図１】
0006456182.tif 000002
【図２】
0006456182.tif 000003
【図３】
0006456182.tif 000004
【図４】
0006456182.tif 000005