(57)【要約】【課題】回路基板と放熱ベースとを接合するはんだ層にクラックが発生すること及び金属放熱板とアルミニウム層との界面に化合物層が形成されることを防止することにより高い放熱効率および耐久性を兼ね備え、搭載する半導体チップを大電力で動作させることのできる回路基板およびそれを用いた半導体モジュールを提供すること。【解決手段】セラミックス基板の一方の面に金属回路板が形成され、他方の面に金属放熱板が形成された回路基板であって、前記金属回路板および前記金属放熱板が銅または銅合金であり、前記金属放熱板の表面に溶射によりアルミニウム層が形成されている回路基板である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板の一方の面に金属回路板が形成され、他方の面に金属放熱板が形成された回路基板であって、前記金属回路板および前記金属放熱板が銅または銅合金であり、前記金属放熱板の表面に溶射によりアルミニウム層が形成されていることを特徴とする回路基板。
【請求項２】
前記アルミニウム層の厚みは０．２ｍｍ〜１．５ｍｍであり、アルミニウムの純度が９８％以上であり、かつその相対密度が９５％以上であることを特徴とする請求項１記載の回路基板。
【請求項３】
金属回路板の厚みT1は０．３〜０．８ｍｍであり、かつ金属回路板の厚みT1と金属放熱板の厚みT2の比T２／T1が０．７〜１．０であることを特徴とする請求項項１又は２に記載の回路基板。
【請求項４】
常温における最大反り量が２００μｍ／ｉｎｃｈ以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の回路基板。
【請求項５】
前記セラミックス基板が窒化珪素セラミックスであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の回路基板。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の回路基板に半導体チップが搭載された半導体モジュールであって、
前記金属回路板に前記半導体チップが接合され、前記金属放熱板に放熱ベースが接合されたことを特徴とする半導体モジュール。
【請求項７】
前記放熱ベースが銅、銅合金、またはアルミニウム合金であることを特徴とする請求項６に記載の半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に大電力で動作する半導体チップを搭載する回路基板、およびこれを用いた半導体モジュールの構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電動車両用インバータとして高電圧、大電流動作が可能なパワー半導体モジュール（例えばＩＧＢＴモジュール）が用いられている。こうした半導体モジュールにおいては、半導体チップが自己の発熱によって高温になるため、その放熱を効率よく行なうという機能が要求される。このため、この半導体モジュールにおいて、半導体チップを搭載する回路基板としては、機械的強度が高く、熱伝導率の高いセラミックス基板に金属板を接合したものが広く使用されている。ここで、金属板はセラミックス基板の両面に接合され、その一面は金属回路板となり、他面は金属放熱板となる。金属回路板は、半導体チップに電気的に接続される配線としても機能する。
【０００３】
金属回路板は配線として機能するため、セラミックス基板には高い絶縁性も要求され、金属回路板には、低い電気抵抗率も要求される。このため、セラミックス基板としては、窒化アルミニウム（熱伝導率が１７０Ｗ／ｍ／Ｋ程度）、金属板としてはアルミニウム（熱伝導率が２４０Ｗ／ｍ／Ｋ程度、電気抵抗率が３．５×１０−８Ω・ｍ）が用いられた。しかしながら、窒化アルミニウムはその機械的強度が不充分であるため、近年はより機械的強度の高い窒化珪素（熱伝導率が９０Ｗ／ｍ／Ｋ程度）が代わりに用いられている。また、金属板としては、より高い熱伝導率と低い電気抵抗率をもつ銅が好ましく用いられている。
【０００４】
この回路基板上の金属回路板に半導体チップが接合され、半導体モジュールが形成される。金属回路板は、セラミックス基板の一面においてその全面を覆うことはなく、所定の配線パターンに加工される。一方、金属放熱板は、放熱を目的としてセラミックス基板に接合されている。そのため、セラミックス基板の他面においてほぼその全面を覆って形成される。また、実際にこの半導体モジュールが機器に搭載されるに際しては、この放熱板が、同様に熱伝導率の高い材料からなる放熱ベースに接合される。同一の金属板を金属放熱板と放熱ベースを兼ねてセラミックス基板に接合することもできる。この場合、セラミックス基板の一面には金属回路板が形成され、他面にはセラミックス基板よりも大きな面積を持った金属板が接合された形態となる。
【０００５】
この半導体モジュールを含む機器がＯＮの場合には半導体チップが高温となり、ＯＦＦの場合には常温となる。さらに、寒冷地においては−２０℃程度の厳寒な条件にも至ることもある。従って、通常の使用において、この半導体モジュールは、多数回の冷熱サイクルにさらされる。この半導体モジュールを構成する半導体チップ、セラミックス基板、金属放熱板（銅板）等の熱膨張率は異なる（例えば、半導体チップを構成するシリコンの熱膨張係数は３．０×１０−６／Ｋ、銅は１７×１０−６／Ｋ、窒化珪素は２．５×１０−６／Ｋ程度）ため、これらを接合した場合、この冷熱サイクルに際しては、この熱膨張差に起因した歪みが発生する。この歪みの大きさや方向は、このサイクル中で変化する。このため、この半導体モジュールにおいては、冷熱サイクルによって、セラミックス基板や半導体チップが割れたり、半導体チップと金属回路板との接続部が破断することがあった。従って、この歪みによってこの半導体モジュールの冷熱サイクルに対する耐久性が劣化する。また、破壊を生じない場合でも、高温において放熱ベースとの接合部分で大きな反りが生ずると、熱伝導性が悪くなり、放熱効率が低下する。
【０００６】
また、一般に、セラミックス基板と、金属回路板や金属放熱板となる金属板との接合はろう付けを用いて行われる。この接合に要する温度は、例えば、Ａｇ−Ｃｕ系ろう材を用いた場合には、７００℃以上であるため、この接合後に常温に戻った状態においては、この方法で製造された回路基板は、反りを生じている。従って、この回路基板を放熱ベースに接合して使用する場合、特に高温の場合でなくとも、これによって放熱効率が低下することがある。
【０００７】
図４には従来の半導体モジュールの断面図を示す。この半導体モジュール１１は、金属回路板３上に半導体チップ６がはんだ層７を介して接合して搭載されている。また、放熱ベース１３がはんだ層１２を介して金属放熱板４に接合されている。
【０００８】
半導体チップ６は、例えばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）のような半導体デバイスが形成されたシリコンチップである。特にこの半導体デバイスは、大電力で動作するものとすることができる。これによる発熱がこの回路基板１によって放熱される。なお、回路基板１はセラミックス基板２の表裏に金属回路板３および金属放熱板４がろう材５を介して一体化された構造となっている。また、半導体チップ６と配線となる金属回路板３との電気的接続は、ボンディングワイヤ（図示せず）を用いてもよいし、フリップチップ接続を用いることにより、はんだ等のバンプにより行ってもよい。さらには、半導体素子との接合信頼性（パワーサイクル特性）を向上させるため、銅および銅合金あるいは、銅とインバーとのクラッド材からなるリード板による接合を行ってもよい。
【０００９】
はんだ層７は、例えば、Ｓｎ−５％Ｐｂはんだであり、その融点は２７０℃程度である。従って、これを用いて半導体チップ６と金属回路板３と２９０℃程度の温度で接合することができる。この接合温度はろう材５の融点よりも大幅に低いため、この接合に際しては金属回路板３および金属放熱板４とセラミックス基板２との接合に影響を与えることはない。このはんだ層７は、冷熱サイクルに際しては、上記の半導体チップ６と金属回路板３との熱膨張差によって内部応力が加わった状態となる。フリップチップ接続を用いた場合には、このはんだ層７によって半導体チップ６と金属回路板３との電気的接続もなされる。
【００１０】
はんだ層１２は、例えば共晶Ｐｂ−Ｓｎはんだであり、その融点は１９０℃程度である。これを用いて金属放熱板４（回路基板１）と放熱ベース１３とを２１０℃程度の温度で接合することができる。
【００１１】
放熱ベース１３は、機器側でこの回路基板１を搭載する部分である。放熱ベース１３は金属放熱板４に伝わった熱を放熱するため、熱伝導率が高く、熱容量が大きいことが望ましい。また、放熱ベース１３は前記の通りはんだ層１２を介して回路基板１と接続されるため回路基板１に近い熱膨張係数をもつ材料で形成されることが好ましい。このため従来は例えば銅・モリブデン或いは銅・タングステン等の熱膨張係数が１０×１０−６／Ｋ前後の金属材料としては比較的小さい材料が用いられている。このような材料を用いることではんだ層１２の信頼性を確保している。放熱ベース１３ははんだ層１２を介して金属放熱板４と接続されるにもかかわらず回路基板１の熱膨張係数を重要視するのは次の理由による。すなわち、回路基板１は金属放熱板４、金属回路板３およびセラミックス基板２がろう材により互いに強固に接合されて構成されるため、前記三つの部材の複合された挙動・物性を示します。このことから回路基板１は全体として金属放熱板４および金属回路板３を構成する銅とセラミックス基板２を構成するセラミックスの中間の熱膨張係数を有し、単純な銅である金属放熱板４よりも小さい熱膨張係数を有するからである。
【００１２】
前記のような構成である図４に示す半導体モジュール１１は冷熱サイクルに対する高い耐久性を有しているが、銅・モリブデン或いは銅・タングステン等の低熱膨張材料はその熱伝導率が高々２００W／ｍKと低いこと、比重が重くモジュール重量が大きくなること、更にはモリブデン、タングステン等の希少金属を使用するため、コスト高となる等の課題を有している。
【００１３】
図４に示すモジュールの課題を解決するモジュールとして、図３に示すモジュールがある。図３の半導体モジュールでは、放熱ベース１３には銅もしくは銅合金等の熱伝導性の高い材料が使用される。銅もしくは銅合金の熱膨張係数は１７×１０−６／Ｋ前後と回路基板１に比べて大きく、図４に示した回路基板１と放熱ベース１３とをはんだ層１２を介して接合すると、両者の熱膨張係数の差が大きいため冷熱サイクル試験ではんだ層１２にクラックが発生し易い。クラックは伝熱抵抗を大きくするため好ましくない。そこで図３に示す半導体モジュール１１では金属放熱板４の下にアルミニウム板２１を介してはんだ層１２により、回路基板１と放熱ベース１３とを接合している。アルミニウム板２１は柔らかい材料であるため応力緩和の機能を有し、結果としてはんだ層１２の信頼性を確保することができる。なお、図３では銅・アルミニウムの２層構造を示したが、銅もしくは銅合金の上下両側にアルミニウム層を設けた構造（特許文献１）や、銅もしくは銅合金層を多孔質層として応力緩和を更に改善した方法（特許文献２）も開示されている。
【００１４】
【特許文献１】特開２００１−１８５８２６号公報
【特許文献２】特開２０００−１３８３１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
前述した図３に示す半導体モジュール或いは特許文献１および特許文献２に開示されている回路基板では銅もしくは銅合金とアルミニウム板が５００℃前後の温度で熱圧着されることで一体化されることが開示されている。しかしながら、銅とアルミニウムは４００℃以上の温度となると反応して化合物を形成し易いため、４００℃以上の温度にさらされると金属放熱板４とアルミニウム板２１との界面には銅とアルミニウムよりなる化合物層が形成される。この化合物層は極めて脆いため、半導体モジュールが冷熱サイクルや衝撃を受けるとクラックを生じやすく、半導体モジュールの信頼性を大幅に低減させてしまう。
【００１６】
また、上記の化合物層の生成抑制に効果のある銀等の金属層を銅とアルミニウムの界面に挟みこんだ銅・銀・アルミニウムからなる三層クラッド材を作製し、これとセラミックス基板２とをろう材５を用いて接合するなども試みられている。しかしながら、銀を挟みこんだ場合でも銅とアルミニウムとの反応を完全に抑制することは困難であり、従って、高い放熱効率および耐久性を兼ね備え、搭載する半導体チップを大電力で動作させることのできる半導体モジュールを得ることは困難であった。
【００１７】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、回路基板と放熱ベースとを接合するはんだ層にクラックが発生すること及び金属放熱板とアルミニウム層との界面に化合物層が形成されることを防止することにより高い放熱効率および耐久性を兼ね備え、搭載する半導体チップを大電力で動作させることのできる回路基板およびそれを用いた半導体モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。請求項１記載の発明の要旨は、セラミックス基板の一方の面に金属回路板が形成され、他方の面に金属放熱板が形成された回路基板であって、前記金属回路板および前記金属放熱板が銅または銅合金であり、前記金属放熱板の表面に溶射によりアルミニウム層が形成されていることを特徴とする回路基板に存する。
【００１９】
請求項２記載の発明の要旨は、セラミックス基板の一方の面に金属回路板が形成され、他方の面に金属放熱板が形成された回路基板であって、前記金属回路板および前記金属放熱板が銅または銅合金であり、前記金属放熱板の表面に溶射によりアルミニウム層が形成され、アルミニウム層の厚みは０．２mm〜１．５ｍｍであり、かつそのアルミニウムの純度が９８％以上であり、かつその相対密度が９５％以上であることを特徴とする回路基板に存する。
【００２０】
請求項３記載の発明の要旨は、金属回路板の厚みT1は０．３〜０．８ｍｍであり、かつ金属回路板の厚みT1と金属放熱板の厚みT2の比T２／T1が０．７〜１．０であることを特徴とする請求項項１乃至２のいずれか１項に記載の回路基板に存する。
【００２１】
請求項４記載の発明の要旨は、常温における最大反り量が２００μｍ／ｉｎｃｈ以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の回路基板に存する。
【００２２】
請求項５記載の発明の要旨は、前記セラミックス基板が窒化珪素セラミックスであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の回路基板に存する。
【００２３】
請求項６記載の発明の要旨は、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の回路基板に半導体チップが搭載された半導体モジュールであって、前記金属回路板に前記半導体チップが接合され、前記金属放熱板に放熱ベースが接合されたことを特徴とする半導体モジュールに存する。
【００２４】
請求項７記載の発明の要旨は、前記放熱ベースが銅、銅合金、またはアルミニウム合金であることを特徴とする請求項６に記載の半導体モジュールに存する。
【発明の効果】
【００２５】
本発明は以上のように構成されているので、高い放熱特性と冷熱サイクルに対する高い耐久性を兼ね備え、搭載する半導体チップを大電力で動作させることのできる半導体モジュールを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
【００２７】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る回路基板は、その構造を最適なものとすることにより、これを用いた半導体モジュールにおいては、高い放熱特性と冷熱サイクルに対する高い耐久性を有する。特に、半導体モジュールが実際に機器に搭載された状態において、その放熱特性と耐久性を従来構成と比較して、飛躍的に向上させている。この回路基板断面図が図１である。この回路基板１においては、セラミックス基板２の一方の面に金属回路板３が、他方の面に金属放熱板４が、それぞれろう材５を介して接合されている。その後、溶射法によりアルミニウム層２０が形成される。
【００２８】
セラミックス基板２の材料としては、高い熱伝導率、絶縁性、および機械的強度を有し、厚い金属回路板３を接合できる各種の材料を用いることができる。中でも、窒化珪素セラミックスが特に好ましい。具体的には、熱伝導率が６０Ｗ／ｍ・Ｋ程度以上、絶縁耐圧としてセラミックス基板厚が0.32mm厚みのものでAC８ｋV程度以上、抵抗値としては１０GΩ程度以上、３点曲げ強度が７００ＭＰａ程度以上、破壊靱性値が６ＭＰａ・ｍ１／２程度以上である窒化珪素セラミックスが好ましい。熱伝導率がこれよりも小さい場合には回路基板の熱抵抗が大きくなることがある。３点曲げ強度や破壊靱性値がこれよりも小さな場合には、回路基板の製造時や冷熱サイクルによって発生する歪みによってクラックが発生する可能性がある。クラックは伝熱抵抗を大きくするため好ましくない。例えば、その厚さは０．３ｍｍであり、大きさは３０ｍｍ×５０ｍｍである。特にその大きさについてはその用途によって適宜決定される。さらに放熱性を向上させるためには、その厚さは、０．２ｍｍあるいは０．１ｍｍとすることが望ましい。
【００２９】
金属回路板３は銅または銅合金であり、セラミックス基板２の一方の面（図１中では上面）に形成されている。金属回路板３はこの上に搭載される半導体チップ（図示せず）と機械的および電気的に接続され、セラミックス基板２上でその配線となる。従って、金属回路板３はこの配線となるパターンで形成されており、例として図１中では２つの分離したパターンとなっている。また、金属回路板３は半導体チップとこの回路基板１との接点ともなるため、半導体チップからの熱をこの回路基板１に伝導させ、その放熱も行なう。また、はんだ濡れ性の確保やワイヤボンディングを容易にするために、金属回路板３の最表面にはＮｉ−Ｐメッキが施してあることが好ましい。
【００３０】
金属放熱板４は銅または銅合金であり、セラミックス基板２の他方の面（図１中では下面）に形成されている。さらにアルミニウム層２０が金属放熱板４の下側の面に形成されている。金属放熱板４は半導体チップと電気的に接続されないため配線としての機能は有さない。一方、半導体チップから金属回路板３を介してこのセラミックス基板２に伝導した熱は、さらに金属放熱板４ならびにアルミニウム層２０を介して放熱される。このため、金属放熱板４ならびにアルミニウム層２０は、その放熱効率を高くするべく、セラミックス基板２のほぼ全面にわたり一様に形成されている場合が多く、一般的にはその総面積は金属回路板３よりも大きい。また、金属放熱板４の面積がセラミックス基板２の面積よりも大きくともよい。また、この回路基板１が半導体パッケージを構成して機器に搭載される場合には、アルミニウム層２０がはんだ層１２を介して放熱ベース１３に接合される。また、はんだ濡れ性の確保のために、金属回路板３と同様に、アルミニウム層２０の最表面にはＮｉ−Ｐメッキが施してあることが好ましい。
【００３１】
金属回路板３および金属放熱板４とセラミックス基板２とを接合するろう材５としては、例えばＴｉを含有するＡｇ−Ｃｕ系活性ろう材が用いられ、これによって７００℃〜９００℃程度の温度範囲で金属回路板３と金属放熱板４がセラミックス基板２に強固に接合される。ろう材の厚さは２０μｍ程度と金属回路板３等と比べて薄く、熱伝導率も高いため、ろう材５による接合が強固であれば、この部分の熱抵抗は他の部分と比べて無視できる。一方、この接合部に破断が生ずると熱抵抗の増大の原因となる。また、ろう材５によって銅または銅合金からなる金属回路板３等を接合する際の接合温度（ろう付け温度）は前述の７００℃〜900℃と高温であるため、アルミニウム層２０形成の前に接合を行い、金属放熱板４とアルミニウム層２０との反応を防ぐ必要がある。
【００３２】
以上のように、Ｔｉを含有するＡｇ−Ｃｕ系活性ろう材での接合強度は極めて高いため、信頼性に優れた接合方法である反面、その接合温度が７００℃〜９００℃と高いため、アルミニウムとの接合には適さない。本発明ではアルミニウム層２０の形成に溶射法を用いることにより、接合時に回路基板の温度上昇を最小限に抑えることができる。
【００３３】
溶射法にはプラズマ溶射法、ワイヤ溶射法、パウダ溶射法等各種の方法があるが、基本的にはいずれの方法でも回路基板の温度上昇は３００℃以下に抑えられるため、いずれの溶射方法でも適用可能である。なお、プラズマ溶射法はプラズマアークを噴流にし、この高温噴流中に溶射粉末を供給して溶融させ、高速で噴射して溶射皮膜を形成する方法である。ワイヤ溶射法は溶射す金属或いは合金線材を酸素−アセチレン炎、または電気アークを熱源として溶融し、これをジェットエアーによってアトマイズすると共に高速で連続的に噴射して溶射皮膜を形成する方法である。パウダ溶射法は自溶合金粉末をパウダ溶射ガンで酸素−アセチレン炎を熱源として溶融噴射して溶射層を形成する方法である。いずれの方法においても被溶射物の温度上昇は３００℃以下に抑えられるため、アルミニウム層２０と金属放熱板４との反応を最小限に抑制することができる。アルミニウムの融点が約６６０℃であるにも拘わらず被溶射物の温度上昇が３００℃以下に抑えられるのは、溶射粉末が微粉末状態で熱伝導性の高い被溶射物にぶつかるため瞬間的に冷却されやすく、結果として被溶射物の温度上昇が抑えられるものと思われる。ここでＣｕ−Ａｌ化合物層の有無は断面観察で接合部分の界面を観察して確認することができる。
【００３４】
セラミックス基板２として０．３ｍｍ厚の窒化珪素セラミックス、金属回路板３には厚み０．５ｍｍの無酸素銅、金属放熱板４には厚み０．４ｍｍの無酸素銅をそれぞれ用い、金属回路板３と金属放熱板４をろう材５によりそれぞれセラミックス基板２に接合した。次いで、金属放熱板４上に溶射法によりアルミニウム層２０を形成し、無電解Ｎｉ−Ｐめっきを金属回路板３およびアルミニウム層２０の表面に形成し回路基板とした。その後、この回路基板に半導体チップを搭載し、放熱ベースに接合して、後述する構造の半導体モジュールを作製した。この半導体モジュールにおいて−４０℃〜＋１２５℃の温度範囲の冷熱サイクルを３０００回行い、その放熱効率および耐久性を判定した。ここで、放熱効率を示す指標として、冷熱サイクル印加前後の半導体チップからの熱抵抗を測定した。ここで、熱抵抗はＪＩＳＡ１４１２で規定される量である。印加前の初期熱抵抗が０．２０℃／Ｗよりも大きな場合を不合格とした。また、３０００回印加後に、半導体チップ６と金属回路板３との接合部またはアルミニウム層２０と放熱ベース１３との接合部が破断した場合、もしくは試験後の熱抵抗値が試験前よりも２５％以上高くなった場合を不合格とした。
【００３５】
また、回路基板の熱抵抗を低減するためには、回路基板の反り量を低減し、回路基板と放熱ベース等との接触を良好にすることが必要である。回路基板と放熱ベースはんだで互いに接合されるが回路基板の反りが大きいとはんだ層に空隙が生じやすく、空隙量が増大すると空隙が熱伝達を妨げ熱抵抗が大きくなる。そのためそり量を低減する必要がある。ろう材５により、金属回路板３と金属放熱板４とをセラミックス基板２とを接合した状態では、回路基板の反りは３０μｍ／ｉｎｃｈ（１ｉｎｃｈは０．０２５４ｍ）程度である。その後、アルミニウム層２０を形成する際に溶射条件によっては基板が大きく反る場合があるが、アルミニウムの噴射量や噴射ノズルと被溶射物との距離などの溶射条件の調整により、放熱性に支障ない反りのレベル、具体的には、常温におけるその最大反り量の絶対値を２００μｍ／ｉｎｃｈ（１ｉｎｃｈは０．０２５４ｍ）以下とすることができる。
【００３６】
この回路基板１は、例えば、以下の通りにして製造できる。セラミックス基板２（窒化珪素セラミックス）の両面に活性金属ろう材５として例えば、Ｔｉが添加されたＡｇ−Ｃｕ系合金に代表される活性金属を印刷形成する。次に、絶縁性セラミックス基板２とほぼ同じ長方形状の金属板である無酸素銅を両面に７００℃〜９００℃の温度で加熱接合する。このうち一方は金属回路板３となり、他方は金属放熱板４となる。その後、金属放熱板４の上に溶射法により、アルミニウム層２０を形成する。その後、一方の面の金属板上にレジストパターンを形成後に、例えば塩化第二鉄溶液あるいは塩化第二銅溶液によってエッチング処理して回路パターンをなす金属回路板３を形成する。他方の面に接合された金属板をそのままエッチング処理無しで金属放熱板４およびアルミニウム層２０としてもよいし、同様に所望の形状に加工して金属放熱板４およびアルミニウム層２０としてもよい。また、これによって露出した部分のろう材５も例えば塩化第二鉄あるいは塩化第二銅溶液によってエッチング処理して回路パターンをなす金属回路板３を形成する。また、これによって露出した部分のろう材５のエッチングは、例えば過酸化水素とフッ化アンモニウムとの混合溶液によって引き続き行われる。さらに回路パターン形成後の金属回路板３及び金属放熱板４にＮｉ−Ｐメッキを施し、回路基板１が作製される。なお、このメッキ処理を施さないことも可能であり、この場合には回路パターン形成後に化学研磨を行い、ベンゾトリアゾール等などの防錆剤を添付する。また、選択するはんだ材種に応じてロジンなどの濡れ性向上成分を含有した防錆剤を用いる。
【００３７】
以上のように作製した回路基板１においては、常温、および冷熱サイクルにおける耐久性が高い。従って、これに半導体チップを搭載し、放熱ベースに接合して半導体モジュールを形成した場合には、冷熱サイクルに対して高い耐久性を有する。特に、この回路基板１は、金属放熱板４の表面に応力緩和層として機能するアルミニウム層２０を備えているため、これを用いた半導体モジュールとして実装された状況において高い耐久性を有する。
【００３８】
この回路基板１に半導体チップを搭載した場合に、半導体チップからの放熱は金属回路板３や金属放熱板４等を介して高い効率で行われる。さらに、常温における反りが小さいために、放熱ベースとの間の熱伝導を良好にすることができる。
【００３９】
金属回路板３は電気抵抗率の小さな銅または銅合金であるため、その配線抵抗を小さくすることができる。従って、この回路基板１に搭載する半導体チップに大電流を流して使用することができる。
【００４０】
金属回路板３とセラミックス基板２はろう材５によって強固に接合される。従って、この部分の機械的強度は高く、熱抵抗も低い。その接合に銀ペーストや接着剤を使用しないため、絶縁耐圧も、本来のセラミックス基板２のもつ絶縁耐圧に近く、高い値となる。従って、この回路基板１に搭載する半導体チップを大電圧で動作させることができる。
【００４１】
従って、この回路基板１を用いた半導体モジュールは、高い放熱特性、冷熱サイクルに対する高い耐久性を兼ね備え、半導体チップを大電力で動作させることができる。
【００４２】
また、この回路基板１に接合する放熱ベース１３は高熱伝導でかつ廉価な銅もしくは銅合金を使うことができる。従って、高放熱でかつ低コストの半導体モジュールを提供することができる。
【００４３】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係る半導体モジュールは、前記の回路基板１を用いて形成され、特に大電力で動作する半導体チップをこれに搭載する。この半導体モジュールの断面図が図２である。この半導体モジュール１１は、前記の回路基板１における金属回路板３上に半導体チップ６がはんだ層７を介して接合して搭載されている。また、放熱ベース１３がはんだ層１２を介してアルミニウム層２０に接合されている。
【００４４】
半導体チップ６は、例えばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）のような半導体デバイスが形成されたシリコンチップである。特にこの半導体デバイスは、大電力で動作するものとすることができる。これによる発熱がこの回路基板１によって放熱される。また、半導体チップ６と配線となる金属回路板３との電気的接続は、ボンディングワイヤ（図示せず）を用いてもよいし、フリップチップ接続を用いることにより、はんだ等のバンプにより行ってもよい。さらには、半導体素子との接合信頼性（パワーサイクル特性）を向上させるため、銅および銅合金あるいは、銅とインバーとのクラッド材からなるリード板による接合を行ってもよい。
【００４５】
はんだ層７は、例えば、Ｓｎ−５％Ｐｂはんだであり、その融点は２７０℃程度である。従って、これを用いて半導体チップ６と金属回路板３と２９０℃程度の温度で接合することができる。また、環境対応下Ｓｎ−３％Ａｇ、Ｓｎ−３％Ａｇ−０．５％Ｃｕ、Ｓｎ−５％ＢｉなどのＰｂフリーはんだを用いることが望ましい。この接合温度は金属放熱板４を構成する材料である銅とアルミニウム層２０を構成するアルミニウムとの反応を抑制するために３００℃以下にする必要がある。このはんだ層７は、冷熱サイクルに際しては、上記の半導体チップ６と金属回路板３との熱膨張差によって内部応力が加わった状態となる。特に金属回路板の厚みが０．８ｍｍを越えるような厚い場合、その内部応力は高くなり、冷熱サイクル試験にはんだ層７にクラックが入る可能性が高くなるため金属回路板３の厚みは０．８ｍｍ以下とする必要がある。一方、金属回路板３の厚みが０．３ｍｍ未満の場合には回路断面積が小さくなり過ぎるためシリコンチップから流れてくる電流による発熱量が増大する虞が高くなる。フリップチップ接続を用いた場合には、このはんだ層７によって半導体チップ６と金属回路板３との電気的接続もなされる。
【００４６】
はんだ層１２は、例えば共晶Ｐｂ−Ｓｎはんだであり、その融点は１９０℃程度である。これを用いてアルミニウム層２０（回路基板１）と放熱ベース１３とを２１０℃程度の温度で接合することができる。また、Ｓｎ−３％Ａｇ、Ｓｎ−３％Ａｇ−０．５％Ｃｕ、Ｓｎ−５％ＢｉなどのＰｂフリーはんだを用いることがさらに望ましい。なお、半導体チップ６と回路基板１および放熱ベース１３をはんだ層７およびはんだ層１２を介して接合する場合の工程には、以下の２方法がある。一つは、回路基板１に半導体チップ６をはんだ層７で接合した後に、はんだ層１２を介して放熱ベース１３を接合する。この場合、はんだ層７には、はんだ層１２よりも高融点のはんだ材を選定する。もう一つの方法は、半導体チップ６と回路基板１および放熱ベース１３を一度のリフローで同時に接合する。この際には、はんだ層７およびはんだ層１２の融点が近似したはんだ材を選定する。いずれにせよ、金属放熱板４を構成する材料である銅とアルミニウム層２０を構成するアルミニウムとの反応を抑制するためにリフロー温度は３５０℃以下、望ましくは３００℃以下にする必要がある。
【００４７】
放熱ベース１３は、機器側でこの回路基板１を搭載する部分である。放熱ベース１３は金属放熱板４に伝わった熱を放熱するため、熱伝導率が高く、熱容量が大きい。これは例えば銅、銅合金、またはアルミニウム合金からなる。純アルミニウムは柔らかすぎて反り量が大きくなりやすいため不適である。放熱ベース１３の熱膨張係数は、例えば、銅が１７×１０−６／Ｋ、アルミニウムが２２×１０−６／Ｋ程度と大きい。銅合金およびアルミニウム合金の熱膨張係数もこれらに近い値となる。
【００４８】
放熱ベース１３を銅もしくは銅合金とした場合、その熱膨張係数は、１７×１０−６／Ｋであり、回路基板１の熱膨張係数５〜８×１０−６／Ｋよりもかなり大きい。したがって、アルミニウム層２０がない状態で回路基板１を放熱ベースに接合した場合、はんだ層１２に応力が集中して破断する恐れがある。
【００４９】
一方、本発明のように放熱金属板４の表面にアルミニウム層２０を設けて、回路基板１を放熱ベースに接合した場合、柔らかいアルミニウム層２０が応力緩和層として作用し、結果としてはんだ層１２に集中していた応力を緩和し、はんだ層１２の接合信頼性を大幅に向上させることができる。
【００５０】
併せて放熱ベース１３として熱伝導性の高い銅もしくは銅合金を用いることができるので、放熱性にも優れた半導体モジュール１１を提供することができる。すなわち本発明の半導体モジュール１１の優れる点は、応力緩和層として作用するアルミニウム層２０を設けることではんだ層１２の信頼性を確保し、さらに放熱ベース１３として熱伝導性の高い銅もしくは銅合金を用いることで半導体モジュール１１の高放熱性を向上させ、併せてその耐久性を飛躍的に向上させたことにある。さらに金属回路板の厚みを０．３ｍｍ〜０．８ｍｍとすることではんだ層７の信頼性も同時に確保することができる。
【００５１】
また、この半導体モジュール１１においては、単一のセラミックス基板２上に金属回路板３による配線パターンが設けられているため、配線パターンに対応して多数の半導体チップ６を搭載することができる。すなわち、高集積化にも適応する。この際、この半導体モジュール１１の基体は絶縁性の高いセラミックス基板２となるため、半導体チップ６とこれと分離して形成された配線（金属回路板３）との絶縁性も良好である。従って、半導体チップ６を大電力で動作させることができる。
【００５２】
なお、上記の例ではセラミックス基板２として窒化珪素セラミックスを用いていたが、これに限られるものではなく、同等以上の熱伝導率、３点曲げ強度、破壊靱性値、絶縁性をもつものであれば、同様に用いることができる。
【実施例】
【００５３】
（実施例１〜１５、比較例１〜１１）
実施例１〜１５として、上記の構成の回路基板を作成し、これに半導体チップを搭載して上記の構造の半導体モジュールを作成して冷熱サイクルを印加し、その耐久性能を調べた。同時に、比較例となる回路基板も作成し、同様の特性を調べた。
【００５４】
実施例１〜１５および比較例１〜１１においては、使用したセラミックス基板はすべて３０ｍｍ×５０ｍｍ×厚さ０．３２ｍｍの窒化珪素セラミックス板（熱伝導率が９０Ｗ／ｍ・Ｋ程度、３点曲げ強度が７００ＭＰａ程度、破壊靱性値が６ＭＰａ・ｍ１／２程度）である。金属回路板および金属放熱板としては、３０ｍｍ×５０ｍｍの無酸素銅板を用いた。金属回路板のパターンはすべて同一である。使用したろう材はＴｉを活性金属として含有し、組成はＡｇ−Ｃｕ−Ｉｎ系のものである。また、接合温度７６０℃である。
【００５５】
実施例１〜４および比較例１〜４は、アルミニウム層２０の効果並びにその厚みの影響を調べたものである。実施例５〜７および比較例５はアルミニウム層２０の純度を調べたものである。アルミニウム層の純度は溶射に用いたアルミニウムの純度を調整して可変とした。実施例８〜１０および比較例６はアルミニウム層２０の密度を調べたものである。アルミニウム層２０の密度はアルミニウムの噴射量や噴射ノズルと被溶射物の距離などの溶射条件により可変とした。実施例１１〜１２および比較例７は回路基板の反りの影響を調べたものである。回路基板の反りはアルミニウム層の溶射条件により可変した。実施例１３〜15および比較例８〜１１は金属回路板３および金属放熱板４の厚みと厚み比の影響を調べたものである。
【００５６】
以上の実施例および比較例について、−４０℃〜＋１２５℃の冷熱サイクルにおける特性を調べた。回路基板の反りについては、常温にて金属放熱板の対角線上の反り量を３次元形状測定器により測定し、対角線の長さで割った量を最大反り量（μｍ／ｉｎｃｈ）とした。ここで、金属回路板側が凸になる方向を＋とした。
【００５７】
図２に示すように、この回路基板に半導体チップ（パワーＭＯＳＦＥＴ）をＳｎ−３％Ａｇ−０．５％Ｃｕはんだで接合して搭載し、さらに５０ｍｍ×９０ｍｍ×厚さ３ｍｍの無酸素銅の放熱ベース１３にＰｂ−Ｓｎ共晶はんだでこの回路基板１を接合した半導体モジュール１１を作成し、冷熱サイクルを行った。−４０℃〜＋１２５℃の冷熱サイクル（１サイクルは７０分）を３０００回行い、その後での半導体チップ下のはんだ層７およびアルミニウム層２０下のはんだ層１２の破損の状況を超音波画像診断装置（日立建機製Ｈｉ−Ｆｏｃｕｓ）を用い、ボイド率（ボイドの面積／半導体チップ面積×１００）を調べた。はんだ層の破損は、これらにおける界面のボイド率が３０００サイクル後に３０％以上となっていた場合を、破損や剥離が発生したと認定した。いずれかの箇所で破損や剥離が発生したものを不合格とした。
【００５８】
また、冷熱サイクルの印加の前後で、半導体チップ側から見た熱抵抗（℃／Ｗ）を測定した。この測定は、半導体チップに通電することによってこれを発熱させ、そのとき温度上昇を熱抵抗評価装置（キャッツ電子製、ＭＯＤＥＬ  ＤＶＦ２４０）によって電圧換算により測定した。ここでは、単位断面積当たりの量ではなく、単位を（℃／Ｗ）として測定した。初期（冷熱サイクル印加前）の熱抵抗の値が０．２０℃／Ｗ以上であったものは放熱特性が悪いために不合格と判定した。また、初期の熱抵抗がこの値より小さくとも、冷熱サイクル印加後の熱抵抗の値が２５％以上増加していたものは、はんだ層において上記の観察では判別できない程度の破損やセラミックス基板のクラック等が発生したものと考えられるため、不合格とした。以上の結果を表１にまとめて示す。
【００５９】
【表１】
2008147307.tif 000003
【００６０】
実施例１〜１５の半導体モジュールにおいては、３０００回の冷熱サイクルによってもはんだ層１２の破損を生じることがなく、冷熱サイクルの前後で低い熱抵抗値を保つことが確認できた。また、常温における最大反り量の絶対値は２００μｍ／ｉｎｃｈ以下であった。金属放熱板４とアルミニウム層２０との界面にＣｕ−Ａｌ化合物層は形成されていないことが確認された。
【００６１】
これに対し、アルミニウム層２０がない比較例１は、１５００サイクルで金属ベース上のはんだ層１２の破損が発生した。アルミウム層２０がなく、金属ベースとしてCu・Mｏベースを用いた比較例２では初期の熱抵抗が０．２３℃／Ｗと高く、放熱性が不充分であった。
【００６２】
アルミニウム層２０が０．１ｍｍと薄い比較例３では２０００サイクルで金属ベース上のはんだ層１２の破損が発生した。一方、アルミニウム層２０が１．８ｍｍと厚い比較例４では初期の熱抵抗値が０．２２℃／Ｗと高く、放熱性が不充分であった。
【００６３】
アルミニウム純度が９６％と低い比較例５では２５００サイクルで金属ベース上のはんだ層１２の破損が発生した。またアルミニウム密度が相対密度で９３％と低い比較例６では初期の熱抵抗値が０．２３℃／Ｗと高く、放熱性が不充分であった。Ａｌ純度が低下した比較例５の場合、不純物によりＡｌが硬化し、応力緩和の効果が低減したため、耐冷熱サイクル性が低下したと推定される。なお、不純物としてダイカスト等でよく使われるＳｉを混入して純度を調整した。また、Ａｌ密度が低下した比較例６の場合、アルミニウム中に含まれる空隙によりアルミニウム層の熱抵抗が大きくなり、熱抵抗が低下したと推定される。アルミニウムの密度は溶射時に被溶射物として耐熱樹脂を用い、溶射終了後、耐熱樹脂を剥がしてアルミニウム層の単体を取り出して、水中置換法で測定し、測定結果を純アルニウムの理論密度に対する相対密度として算出した。
【００６４】
回路基板の反りが大きい比較例７では初期の熱抵抗値が０．２２℃／Ｗと高く、放熱性が不充分であった。比較例７ではアルミニウムの噴射圧力を高くするなど反り易い条件で溶射してアルミニウム層２０を形成することにより回路基板に大きい反りを与えた。金属回路板３の厚みＴ１が０．２ｍｍと薄い比較例８および金属回路板３と金属放熱板４との厚み比Ｔ２／Ｔ１比が本発明外の比較例１０および１１では初期熱抵抗値が高く、放熱性が不充分であった。また、金属回路板３の厚みＴ１が１．０ｍｍと厚い比較例９では１０００サイクルで半導体チップ下のはんだ層７にクラックが入り熱抵抗が大きく上昇した。しかし、はんだ層１２に破損は発生しなかった。なお、比較例３〜１１の半導体モジュールにおいても金属放熱板４とアルミニウム層２０との界面にＣｕ−Ａｌ化合物層は形成されていないことが確認された。
【００６５】
実施例で示したように本発明を実施したセラミックス回路基板および、前記回路基板を用いたモジュールとすることにより、高放熱性に優れ、なおかつ信頼性、特にアルミニウム層２０と金属ベース１３の間のはんだ層１２の接続信頼性に優れたパワー半導体モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る回路基板の断面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る半導体モジュールの断面図である。
【図３】従来の半導体モジュールの一例を示す断面の模式図である。
【図４】別の従来の半導体モジュールの一例を示す断面の模式図である。
【符号の説明】
【００６７】
１  回路基板
２  セラミックス基板
３  金属回路板
４  金属放熱板
５  ろう材
６  半導体チップ
７、１２  はんだ層
１１  半導体モジュール
２０  アルミニウム層
２１  アルミニウム板
【図１】
2008147307.tif 000004
【図２】
2008147307.tif 000005
【図３】
2008147307.tif 000006
【図４】
2008147307.tif 000007