(57)【要約】【課題】本発明は、半導体素子および放熱ベースとのはんだ接合時における回路基板の反りを低減することにより、高い放熱効率および耐久性を兼ね備えたセラミックス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。【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、前記金属放熱板４の厚みＴ１が前記金属回路板３の厚みＴ２よりも大きく、かつ前記金属放熱板４に少なくとも一つ以上のスリット６が厚さ方向に形成されているセラミックス回路基板。【選択図】図１
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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、前記金属放熱板の厚みＴ１が前記金属回路板の厚みＴ２よりも大きく、かつ前記金属放熱板に少なくとも一つ以上のスリットが厚さ方向に形成されていることを特徴とするセラミックス回路基板。
【請求項２】
前記金属放熱板に形成されたスリットの最大深さｔが、（Ｔ１−Ｔ２）／２≦ｔ≦Ｔ１であることを特徴とする請求項１記載のセラミックス回路基板。
【請求項３】
前記セラミックス回路基板へのはんだ接合時の高温環境において、前記セラミックス回路基板の長手方向における回路基板反り量の絶対値が１５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のセラミックス回路基板。
【請求項４】
前記セラミックス回路基板の金属放熱板に形成されたスリットの体積Ｖ２と、スリット形成後の金属放熱板の体積Ｖ１との比、Ｖ１／Ｖ２が１以上であることを特徴とする請求項１乃至３に記載のセラミックス回路基板。
【請求項５】
前記セラミックス回路基板の金属回路板の厚みＴ２が０．８ｍｍ未満であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のセラミックス回路基板。
【請求項６】
前記セラミックス基板が窒化珪素セラミックスからなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のセラミックス回路基板。
【請求項７】
前記金属回路板および金属放熱板が銅、銅合金、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のセラミックス回路基板。
【請求項８】
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、前記金属回路板の軟化点温度は前記金属放熱板の軟化点温度よりも高いことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のセラミックス回路基板。
【請求項９】
上記セラミックス回路基板に半導体素子と放熱ベースをそれぞれはんだで接合したことを特徴とする半導体モジュール。
【請求項１０】
上記セラミックス回路基板に半導体素子と冷却フィンをそれぞれはんだで接合したことを特徴とする半導体モジュール。
【請求項１１】
冷却フィンがアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる請求項１０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部品を搭載するためのセラミックス基板とこれを用いた半導体モジュールに関するものである。
【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、半導体素子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、半導体素子を搭載する基板としては、機械的強度が高く、熱伝導率の高いセラミックス基板が用いられている。そしてこのセラミックス基板としては、両面に金属層が予めを形成されたものが使用されている。この金属層は、一方は回路として、他方は放熱板として機能させることが多く、熱伝導性と導電性とを兼ね備えた銅が好ましく用いられる。
【０００３】
この回路基板上の金属回路板に半導体素子が接合され、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方の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方の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。また、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。さらには、セラミックス基板の一方の面には金属回路板が形成され、他方の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を有することもできる。
【０００４】
この半導体モジュールを含む機器がＯＮの場合には半導体素子が高温となり、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素子、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、半導体素子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素子が割れたり、半導体素子と金属回路板や接金属放熱板と放熱ベースのはんだ接合部にクラックが生じ、最終的に破断することがあった。また、冷熱サイクル以前の半導体素子および放熱ベースのはんだ接合時の高温環境において、熱膨張差に起因するセラミックス回路基板の大きな反りは、はんだ接合時のボイドの原因となり、放熱効率が低下してしまう。
【０００５】
そこでこれらの熱膨張差に起因する歪みを緩和する手法として、たとえば特許文献１や特許文献２に記載されるように、セラミックス回路基板の金属放熱板にスリットを形成することで、金属放熱板の体積を金属回路板の体積よりも小さくし、基板の反りを低減させる提案がなされている。
【特許文献１】特開昭６３−２４８１９５号公報
【特許文献２】特開平７−８６７０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１および特許文献２に開示されているセラミックス回路基板を用いた半導体モジュールに関して、金属回路板の体積が大きい、すなわち金属回路板が厚い場合には、金属放熱板も相対して体積を大きくすることができるため、放熱ベースには高熱伝導かつ安価な銅やアルミニウムを用いることができるが、半導体素子と金属回路板の熱膨張差により、冷熱サイクルにおけるはんだ接合部のクラックが生じ、放熱効率が低下してしまう。
【０００７】
一方、金属回路板の体積が小さい、すなわち金属回路板が薄い場合には、半導体素子と金属回路板のはんだ接合部のクラックは生じにくくなり、信頼性を確保することができるが、金属放熱板も相対して薄くなるため、銅やアルミニウムを用いた放熱ベースとは熱膨張差が大きくなり、冷熱サイクルにおけるはんだ接合部の信頼性を確保できなくなってしまう。その際には、放熱ベースに例えば銅・モリブデン或いは銅・タングステン等の銅合金およびアルミニウム合金などの熱膨張係数が比較的に小さい金属を用いることで前記はんだ接合部の信頼性を確保することができるが、これら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いこと、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。
【０００８】
そこで、金属回路板が薄く、金属放熱板が厚い構成のセラミックス回路基板ならば半導体素子および高熱伝導の放熱ベースとの熱膨張差が小さくなり、両方のはんだ接合部の信頼性を確保することができると考えられる。しかし、前記のような構成バランスの悪いセラミックス回路基板は特にはんだ接合時に反りが大きくなってしまい、はんだ厚みよりも大きい反りが発生した場合には、接合自体が困難になってしまう。
【０００９】
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、半導体素子および放熱ベースとのはんだ接合時における回路基板の反りを低減することにより、高い放熱効率および耐久性を兼ね備えたセラミックス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】
【００１０】
本発明者らは前記目的を達成するため、金属回路板および金属放熱板の厚み構成およびスリットの効果を見直した。そして、金属回路板よりも金属放熱板の体積が大きい場合においても、金属放熱板のスリットの深さおよび本数を最適化することで、はんだ接合時の反りが制御できるという知見を得た。
【００１１】
本発明者らは、前記知見に基づいて本発明に至ったものである。すなわち請求項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、前記金属放熱板の厚みＴ１が前記金属回路板の厚みＴ２よりも大きく、かつ前記金属放熱板に少なくとも一つ以上のスリットが厚さ方向に形成されていることを特徴とするセラミックス回路基板に存ずる。
【００１２】
請求項２記載の発明の要旨は、前記金属放熱板に形成されたスリットの最大深さｔが、（Ｔ１−Ｔ２）／２≦ｔ≦Ｔ１であることを特徴とする請求項１記載のセラミックス回路基板に存ずる。
【００１３】
請求項３記載の発明の要旨は、前記セラミックス回路基板へのはんだ接合時の高温環境において、前記セラミックス回路基板の長手方向における回路基板反り量の絶対値が１５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のセラミックス回路基板に存ずる。
【００１４】
請求項４記載の発明の要旨は、前記セラミックス回路基板の金属放熱板に形成されたスリットの体積Ｖ２と、スリット形成後の金属放熱板の体積Ｖ１との比、Ｖ１／Ｖ２が１以上であることを特徴とする請求項１乃至３に記載のセラミックス回路基板に存ずる。
【００１５】
請求項５記載の発明の要旨は、前記セラミックス回路基板の金属回路板の厚みＴ２が０．８ｍｍ未満であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のセラミックス回路基板に存ずる。
【００１６】
請求項６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からなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のセラミックス回路基板に存ずる。
【００１７】
請求項７記載の発明の要旨は、前記金属回路板および金属放熱板が銅、銅合金、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のセラミックス回路基板に存ずる。
【００１８】
請求項８記載の発明の要旨は、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、前記金属回路板の軟化点温度は前記金属放熱板の軟化点温度よりも高いことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のセラミックス回路基板に存ずる。
【００１９】
請求項９記載の発明の要旨は、上記セラミックス回路基板に半導体素子と放熱ベースをそれぞれはんだで接合したことを特徴とする半導体モジュールに存ずる。
【００２０】
請求項１０記載の発明の要旨は、上記セラミックス回路基板に半導体素子と冷却フィンをそれぞれはんだで接合したことを特徴とする半導体モジュールに存ずる。
【００２１】
請求項１１記載の発明の要旨は、冷却フィンがアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる請求項１０に記載の半導体モジュールに存ずる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明は以上のように構成されているので、高い放熱効率および耐久性を兼ね備えたセラミックス回路基板およびそれを用いた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】
【００２３】
本発明に関わるセラミックス回路基板および半導体モジュールは、例えば次に示す手順で製造される。
【００２４】
まずセラミックス基板と金属板を用意して、活性金属ろう材をスクリーン印刷法にてセラミックス基板の表面にパターン印刷する。この時、セラミックス基板と金属板との熱膨張差をより緩和させるために、活性金属ろう材の塗布高さは２０〜５０μｍ程度であることが好ましい。次に活性金属ろう材を塗布したセラミックス基板に金属板を加圧密着させ、真空中やアルゴン雰囲気のような不活性雰囲気中にて、前記活性金属ろう材の溶融温度以上で接合処理を行いセラミックス基板と金属板が一体となった接合体を得る。その後、前記接合体にエッチング処理にてパターン外の不要な金属板の除去を行った後、フッ化アンモニウム溶液等に浸漬してセラミックス基板上の不要ろう材除去処理を行う。
さらに化学研磨処理を行い、最後に防錆処理やめっきを施すことで所定の金属回路パターンを有するセラミックス回路基板が製造される。
【００２５】
なお、金属放熱板のスリットは、接合前の金属板に加工処理により形成する方法、エッチング処理時に不要金属板の除去と共に形成する方法、防錆処理およびめっき処理前に加工処理により形成する方法、などが挙げられる。接合前金属板の加工によるスリット形成では、エッチング処理前の接合体の反りを制御することができる。また、エッチング処理時のスリット形成では、エッチング処理と同時に行うため工数を削減することができ、また、加工形成では困難な金属放熱板厚みと同じ深さのスリットを形成することができる。また、防錆処理、めっき処理前に加工によりスリット形成を行うことで、スリット部へエッチング液が流れることによる過剰エッチングを回避でき、エッチング処理によるスリット形成では制御しにくいスリット深さが簡便に調節できる。
【実施例】
【００２６】
以下、本発明を実施例と比較例をあげて具体的に説明する。
【００２７】
Ａｇ、Ｃｕを主原料とする活性金属ろう材を、スクリーン印刷法を用いて５０ｍｍ×３０ｍｍ×厚み０．３２ｍｍに加工した窒化珪素焼結体の両面に塗布する。ろう材塗布済み基板を乾燥後、回路側および放熱側に金属板としてそれぞれ表１に示す銅板もしくは銅合金板を接触配置させ、真空中加圧下にて７５０〜８００℃で２０分熱処理して窒化珪素基板との接合体を製造した。
【００２８】
次いで、この接合体の銅板上に紫外線硬化タイプのエッチングレジストを塗布し、エッチングレジストパターンを形成した後、塩化第２鉄溶液にてパターン外の不要な銅板の除去を行い、回路側および放熱側に４８ｍｍ×２８ｍｍの同寸法のパターンを形成した。なお、実施例１，２，５，６，８，９および比較例２，６，８，１０，１１はエッチング処理時に、放熱側の銅板に表１，表２，表３に示す深さおよび本数のスリットを形成した。その後前記レジストを除去した後、フッ化アンモニウム溶液に浸漬して基板上の不要ろう材等を除去した。実施例３，４，７および比較例３，４，７では、ろう材除去後に表１および表２に示す深さおよび本数のスリットを、外周スライサーを用いて加工形成し、その後さらに化学研磨およびニッケルめっきを施した。このようにして表１および表２および表３の実施例１〜９および比較例１〜１１に示す窒化珪素回路基板を完成させた。図１に前記方法にて製造した２本のスリットを有する窒化珪素回路基板の断面図およびスリット形状の模式図を示す。図２は図１において金属放熱板４側から見た窒化珪素回路基板の平面図である。４本のスリットを有する窒化珪素回路基板の平面図を図３に示す。何れもスリット６の深さと金属放熱板４の厚さとが同じ例を示した。スリット６の深さを金属放熱板４の厚さより小さくしてスリットの位置で金属放熱板を残した場合は、セラミックス基板２と金属放熱板４との接触面積が保たれ熱伝導性の低下を抑制することができる。スリットの本数，幅，深さは回路基板の熱伝導性と反り量とのバランスを見ながら決めればよい。
【００２９】
これら一連の処理にて製造された回路基板の、はんだ接合時の反り形状を確認するため、ホットプレートにて回路基板を２００℃まで加熱し、その際基板の長手方向で基板の中央部を通過するように基板の反り量を測定した。加熱温度を２００℃としたのは回路基板と放熱ベースとを接合するのに低温Pbはんだを使用することを仮定しているからである。放熱ベース接合用のはんだは一般にはんだ箔が使用され、放熱性の観点から、はんだ接合層の厚み２００μｍを狙って２００μｍ程度のはんだ箔を用いた。さらにはんだ接合層の強度を保つため、はんだ接合層の厚みは５０μｍ以上あることが望ましいため、本検討では２００℃加熱時の基板反り量が１５０〜−１５０μｍに制御されたサンプルを合格とした。なお、反り量プラスは反り形状が金属放熱板側に凸となる場合、マイナス反り量は反り形状が金属回路板側に凸になる場合と規定した。ここで基板の反り量とは、金属回路板の断面において上面（半導体素子を接合する側の面）の端部同士を結んだ線とその線から最も離れた上面の位置との距離とする。本実施例では回路基板最大反り量は１５０μｍ、はんだ接合層の厚み（反りの谷ではんだ接合層の一番薄いところ）は５０μｍ、合計厚さ（端部厚さであって、はんだ接合層の一番厚いところの厚さ）は２００μｍでこの合計厚さがはんだ箔の厚さ以下なら、はんだの信頼性を確保し易いので好ましい。
【００３０】
【表１】
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【００３１】
表１に示すとおり、本発明の実施例１〜４では、セラミックス回路基板の加熱時反り量は１５０〜−１５０μｍの範囲内の値を示した。一方、スリットのない比較例１、スリット本数と深さのバランスが悪い比較例２〜４では、セラミックス回路基板の加熱時反り量は１５０〜−１５０μｍ／ｍｍの範囲外の値を示した。また、Ｖ１／Ｖ２が最も小さい比較例２ですでに反り量が範囲外であったことから、Ｖ１／Ｖ２が１以下の場合では、さらに反りが大きくなると考えられる。スリット本数はタテ／ヨコの合計で、スリットはタテ／ヨコ同数、ピッチは銅板長さ均等割りとした。
【００３２】
【表２】
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【００３３】
表２に示すとおり、本発明の実施例５〜７では、セラミックス回路基板の加熱時反り量は１５０〜−１５０μｍ／ｍｍの範囲内の値を示した。一方、スリットのない比較例５、スリット本数と深さのバランスが悪い比較例６，７、Ｖ１／Ｖ２が１以下である比較例８では、セラミックス回路基板の加熱時反り量は１５０〜−１５０μｍ／ｍｍの範囲外の値を示した。
【００３４】
【表３】
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【００３５】
表３に示すとおり、本発明の実施例８，９では、セラミックス回路基板の加熱時反り量は１５０〜−１５０μｍ／ｍｍの範囲内の値を示した。一方、スリットのない比較例９、スリット本数と深さのバランスが悪い比較例１０，１１では、セラミックス回路基板の加熱時反り量は１５０〜−１５０μｍ／ｍｍの範囲外の値を示した。
【００３６】
表１、表２および表３の結果から、スリットの本数と深さは密接な関係にあり、どちらか一方のみで反り量を制御することは困難である。例えば、回路面全面に熱源があるような場合には、スリットの深さが大きくなると、放熱効率が低下してしまうため、スリットの深さは可能な限り小さいことが望ましい。また、発熱体である半導体素子の直下は最も熱が集中する場所であるため、スリットは半導体素子の直下を避けた位置に形成するように設計することが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明は、高信頼性および高放熱性を要するパワーモジュール等に使用されるセラミックス回路基板に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施の形態に係るセラミックス回路基板の断面図である。
【図２】図１において金属放熱板４側から見たセラミックス回路基板の平面図である。
【図３】本発明の別の実施の形態に係るセラミックス回路基板の平面図である。
【符号の説明】
【００３９】
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  ろう材層
６  スリット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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