(57)【要約】【課題】絶縁基板と配線金属板、及び絶縁基板と放熱板の接合強度が高く、安価で、高基板強度、高放熱特性を有する半導体モジュール用基板を提供する。【解決手段】絶縁基板１１の上表面側には上面に半導体素子１２が搭載されたりするための配線金属板１３と、絶縁基板１１の下表面側には半導体素子１２から発生する熱を放熱させるための放熱板１５を接合して設ける半導体モジュール用基板１０において、絶縁基板１１が主成分のアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）にジルコニア（ＺｒＯ２）を添加し、イットリア（Ｙ２Ｏ３）、カルシア（ＣａＯ）、マグネシア（ＭｇＯ）、セリア（ＣｅＯ２）のいずれか１種以上の焼結助剤を添加した焼成体よりなり、しかも、絶縁基板１１と配線金属板１３が活性金属ろう１６で接合されている。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板の上表面側には上面に半導体素子が搭載されたりするための配線金属板と、前記絶縁基板の下表面側には前記半導体素子から発生する熱を放熱させるための放熱板を接合して設ける半導体モジュール用基板において、
前記絶縁基板が主成分のアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）にジルコニア（ＺｒＯ２）を添加し、イットリア（Ｙ２Ｏ３）、カルシア（ＣａＯ）、マグネシア（ＭｇＯ）、セリア（ＣｅＯ２）のいずれか１種以上の焼結助剤を添加した焼成体よりなり、しかも、前記絶縁基板と前記配線金属板が活性金属ろうで接合されていることを特徴とする半導体モジュール用基板。
【請求項２】
請求項１記載の半導体モジュール用基板において、前記絶縁基板と前記放熱板が活性金属ろうで接合されていることを特徴とする半導体モジュール用基板。
【請求項３】
請求項１又は２記載の半導体モジュール用基板において、前記活性金属ろうがジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）、フッ化水素（Ｈｆ）、ニオブ（Ｎｂ）のいずれか１種以上を銀ろう（Ａｇ−Ｃｕ系ろう）に含有するものからなることを特徴とする半導体モジュール用基板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、半導体モジュール用基板に係り、より詳細には、大量の熱を発する半導体素子を搭載するためのパワーモジュール用基板等の半導体モジュール用基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図２に示すように、従来より、民生用機器や、自動車の車載用等に採用されている、例えば、パワーモジュール用基板に代表されるような半導体モジュール用基板５０は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等のセラミック基材からなる絶縁基板５１の上表面に、銅板で回路状に形成した配線金属板５２をＤＢＣ（Ｄｉｒｅｃｔ　Ｂｏｎｄ　Ｃｏｐｐｅｒ）法で接合している。このＤＢＣ法とは、予め銅板の表面を酸化させた銅板を絶縁基板５１の表面に当接させ、銅の融点付近まで温度を上げて銅と微量の酸素との反応により生成するＣｕ−Ｏ共晶液相を接合剤として焼成して直接絶縁基板５１に接合する方法である。なお、半導体モジュール用基板５０は、絶縁基板５１の下表面にも同様に、銅板からなる放熱板５３をＤＢＣ法で直接接合している。この放熱板５３は、絶縁基板５１と銅板との熱膨張係数の差から発生する半導体モジュール用基板５０の反りの発生のバランスを保つと同時に、半導体素子からの発熱を半導体モジュール用基板５０の下面から速やかに放熱させている。
【０００３】
また、図３に示すように、従来の他の半導体モジュール用基板５０ａは、ＡｌＮや、Ａｌ２Ｏ３や、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）等のセラミック基材からなる絶縁基板５１の上表面と配線金属板５２との間に、Ａｇ−ＣｕろうにＴｉやＺｎ等の活性金属を含有させた活性金属ろう材５４を挟み込んで加熱してろう付け接合している。一方、絶縁基板５１の下表面にも、銅板からなる放熱板５３を活性金属ろう材５４でろう付け接合している。この活性金属法は、酸素に対して活性な高融点金属を用いることで、セラミック基材との界面反応を促進させて接合を計る方法である。
【０００４】
この半導体モジュール用基板５０、５０ａは、絶縁基板５１に接合された配線金属板５２上の所定の位置に半導体素子が搭載され、半導体素子と配線金属板５２の他の所定の位置とでボンディングワイヤや、リボン等でボンディングして接続している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述したような従来の半導体モジュール用基板は、次のような問題がある。
（１）絶縁基板と配線金属板の接合や、絶縁基板と放熱板の接合をＤＢＣ法で直接当接して行う場合には、接合反応エネルギーが低いので、接合後の接合強度が低く、温度サイクル試験を行った後に、接合部から剥離する場合がある。特に、自動車の車載用等に用いられるような半導体モジュール用基板においては、信頼性不足となっている。
（２）絶縁基板に用いられるセラミック基材の中で、高熱伝導率を有するＡｌＮや、Ｓｉ３Ｎ４等のセラミック基材は、コストが高く、これを用いて作製される半導体モジュール用基板のコストアップとなっている。。
（３）絶縁基板にアルミナを採用する場合は、コスト的にはＡｌＮや、Ｓｉ３Ｏ４に比較して安価ではあるが、熱伝導率が低い（２１Ｗ／ｍ・Ｋ程度で、ＡｌＮは１９０Ｗ／ｍ・Ｋ程度）ので高放熱特性が要求される製品には充分に要求に応えられない。また、放熱特性を補うための基板厚みを薄くして対応しようとすると、基板強度が低い（抗折強度で３２０ＭＰａ程度）ので、薄くすることには限界がある。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、絶縁基板と配線金属板、及び絶縁基板と放熱板の接合強度が高く、安価で、高基板強度、高放熱特性を有する半導体モジュール用基板を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的に沿う本発明に係る半導体モジュール用基板は、絶縁基板の上表面側には上面に半導体素子が搭載されたりするための配線金属板と、絶縁基板の下表面側には半導体素子から発生する熱を放熱させるための放熱板を接合して設ける半導体モジュール用基板において、絶縁基板が主成分のアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）にジルコニア（ＺｒＯ２）を添加し、イットリア（Ｙ２Ｏ３）、カルシア（ＣａＯ）、マグネシア（ＭｇＯ）、セリア（ＣｅＯ２）のいずれか１種以上の焼結助剤を添加した焼成体よりなり、しかも、絶縁基板と配線金属板が活性金属ろうで接合されている。これにより、ジルコニア入りアルミナの焼成体からなる絶縁基板は、熱伝導率が２４Ｗ／ｍ・Ｋ（２５℃において）程度であるが、抗折強度が５２０ＭＰａ程度であるので、放熱特性を基板厚みを薄くして対応でき、高放熱特性をＡｌＮや、Ｓｉ３Ｎ４と同じ程度に維持することができる。また、絶縁基板と配線金属板が活性金属ろうで接合されているので、接合強度が高い。更に、絶縁基板は、ジルコニア入りアルミナであるので、主体がアルミナでありＡｌＮや、Ｓｉ３Ｎ４に比較して安価であり、半導体モジュール用基板を安価にしている。
【０００７】
ここで、絶縁基板と放熱板が活性金属ろうで接合されているのがよい。強固に接合できる活性金属ろうでの接合であるので、絶縁基板との接合信頼性を絶縁基板と配線金属板の接合を含めて高めることができる。
【０００８】
また、活性金属ろうがジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）、フッ化水素（Ｈｆ）、ニオブ（Ｎｂ）のいずれか１種以上を銀ろう（Ａｇ−Ｃｕ系ろう）に含有するものからなるのがよい。これにより、ジルコニア入りアルミナの焼成体からなる絶縁基板と配線金属板や、絶縁基板と放熱板との接合を容易に行うことができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。
ここに、図１（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の一実施の形態に係る半導体モジュール用基板の斜視図、Ａ−Ａ’線縦断面図である。
【００１０】
図１に示すように、本発明の一実施の形態に係る半導体モジュール用基板１０は、絶縁基板１１の上表面側に、上面に半導体素子１２を搭載したりするための配線金属板１３が設けられている。この配線金属板１３は、例えばＣｕ板からなり、エッチングや、打ち抜きプレス加工等によって配線回路状態になるように形成されており、所定の場所の配線回路部の上面に搭載された半導体素子１２のパッド電極と他の配線回路部とをボンディングワイヤ１４等で接続している。
【００１１】
絶縁基板１１の下表面側には、半導体素子１２から発生する熱を放熱させるための放熱板１５が設けられている。この放熱板１５は、半導体素子１２から発生する熱を放熱させると同時に、熱膨張係数が配線金属板１３と同等又は近似する金属で形成して、絶縁基板１１との熱膨張係数差から接合時に発生する反りや曲がりを、絶縁基板１１の両面に熱膨張係数が同等又は近似する金属による配線金属板１３と放熱板１５をそれぞれ貼り合わせることで、反りや曲がりの発生を防止している。
【００１２】
絶縁基板１１は、主成分のアルミナを７０〜９７ｗｔ％の範囲にして、これにジルコニアを２〜２９．９ｗｔ％の範囲で添加し、イットリア、カルシア、マグネシア、セリアのいずれか１種以上の焼結助剤を０．１〜２ｗｔ％の範囲で添加して大気中約１６００℃で焼成してジルコニア入りアルミナのセラミック基板を形成している。アルミナを主成分としてこれに上記割合のジルコニアを添加して焼成したセラミック基板は、アルミナ単体のセラミック基板と比べて熱伝導率を同等程度に保ちながら機械的強度、特に曲げ強度（抗折強度）を大幅に高めることができる。また、イットリア、カルシア、マグネシア、セリアのいずれか１種以上を添加することで、セラミック基板の焼成温度をアルミナ単体のセラミック基板と同等程度に抑えつつ、ジルコニア結晶粒の靱性を改善することができる。これらによって、絶縁基板１１の厚みを薄くすることで放熱性に優れた半導体モジュール用基板１０を得ることができる。
【００１３】
絶縁基板１１と配線金属板１３は、絶縁基板１１の表面に活性金属ろうペーストを用いてスクリーン印刷法で配線金属板１３のパターンと実質的に同程度、又は若干大きめのパターンを印刷し、その上に配線金属板１３を載置させ、約７５０〜８５０℃程度で加熱して形成される活性金属ろう１６で接合されている。また、絶縁基板１１の下表面側と放熱板１５との接合は、上記の絶縁基板１１と配線金属板１３の接合で用いられる同様の活性金属ろうペーストを用いて印刷、焼成して形成される活性金属ろう１６ａで接合されているのがよい。絶縁基板１１の上下表面に一度に配線金属板１３と放熱板１５を接合することができるので、極めて効率よく接合することができる。
【００１４】
接合を活性金属ろう１６、１６ａで行う活性金属法は、チタン、ジルコニウム、ベリリウム等のような、極めて反応性の大きい、いわゆる活性な金属をＡｇ−Ｃｕ系ろう等に加えて合金としたものを活性金属ろう材とし、これらをろうとしてチタン等の酸素との親和力の強さを利用して、直接にセラミック基板にろう付けする方法である。この活性金属法を利用して、ジルコニア入りアルミナ基材からなる絶縁基板１１への接合においては、活性金属ろう材がジルコニウム、チタン、フッ化水素、ニオブのいずれか１種以上をＡｇ−Ｃｕ系ろうに含有させたものを用いるのがよい。ジルコニウム、チタン、フッ化水素、ニオブは、ジルコニア入りアルミナ基材からなる絶縁基板１１への親和力を高めることができ、接合反応強度を高めることができるので、絶縁基板１１と配線金属板１３、及び絶縁基板１１と放熱板１５を強固に接合することができる。
【００１５】
【実施例】
本発明者は、本発明の半導体モジュール用基板と、比較用として絶縁基板に各種セラミック基材を用いてＤＢＣ法と活性金属法で作製した半導体モジュール用基板について、ろう付け接合後の接合強度評価と、温度サイクル試験後の接合部材や接合間の異常発生等について評価を行った。サンプル作製に用いた部材の１つである配線金属板は、厚み０．３ｍｍのＣｕ板からなり、幅２ｍｍの櫛状に形成したものを用いた。活性金属法の場合に用いたろう材は、５９．０Ａｇ−２７．２５Ｃｕ−１２．５Ｉｎ−１．２５Ｔｉからなる活性金属ろう材を用いた。ろう付け接合には、炉内の真空度を１０−４Ｔｏｒｒ以下とする真空炉を用いて、７５０〜８００℃でろう付け接合を行った。ろう付け接合後の接合強度の結果を表１に示す。なお、ろう付け接合後の接合強度の測定方法は、幅２ｍｍの櫛状の先端部分を挟持して垂直方向に引っ張ってその強度を測定した。
【００１６】
【表１】
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【００１７】
ろう付け接合後の接合強度の結果は、本発明の、ジルコニア入りアルミナからなる絶縁基板に配線金属板を活性金属法で接合したものが、従来のＤＢＣ法に比べて約１．５倍程度の強度を有し、他のセラミック基材からなる絶縁基板に配線金属板をＤＢＣ法で接合したものに比べたら約２倍以上の強度を有していることが判った。また、本発明の接合基板は、ＡｌＮの絶縁基板に配線金属板を活性金属法で接合したものに比べて若干接合強度が低いが、接合強度として十分に信頼性の高いものであり、高価なＡｌＮを用いなくても代替えとなれることが判った。更に、本発明の接合基板は、Ｓｉ３Ｎ４の絶縁基板に配線金属板を活性金属法で接合したものに比べても、高い接合強度を有していることが判った。
【００１８】
次いで、温度サイクル試験後の接合部材や接合間の異常発生等について評価を行った。温度サイクル試験は、大気中で常温（２５℃）×５分、−５５℃×１５分、常温（２５℃）×５分、１２５℃×１５分のサイクルを１サイクルとしてこの環境に繰り返しさらして、予め決めておいた途中の回数で顕微鏡観察、超音波検査を行い、基板の異常がないことを確認しながら、基板の異常が発見されるまでのサイクル回数を評価した。なお、基板の異常とは、基板クラック、Ｃｕ板剥がれ、Ｃｕ板膨れ等を異常とした。結果を表２に示す。
【００１９】
【表２】
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【００２０】
温度サイクル試験の結果は、本発明の、ジルコニア入りアルミナからなる絶縁基板に配線金属板を活性金属法で接合したもの、Ｓｉ３Ｎ４の絶縁基板に配線金属板を活性金属法で接合したものが、３０００サイクル後でも異常が見られなかった。しかしながら、Ｓｉ３Ｎ４の絶縁基板は、高価であるのと、接合強度が低いことが判っている。従来のジルコニア入りアルミナからなる絶縁基板に配線金属板をＤＢＣ法で接合したものは、温度サイクル試験で２０００サイクル以下でＣｕ板と基板の接合面でＣｕ板剥がれが発生し、接合信頼性が低いことが判った。参考として評価したアルミナからなる絶縁基板に配線金属板をＤＢＣ法で接合したものは、温度サイクル試験の１０００サイクル以下で接合部のセラミックにクラックが発生し接合信頼性が低いことが確認された。
【００２１】
【発明の効果】
請求項１とこれに従属する請求項２又は３記載の半導体モジュール用基板は、絶縁基板が主成分のＡｌ２Ｏ３にＺｒＯ２を添加し、Ｙ２Ｏ３、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＣｅＯ２のいずれか１種以上の焼結助剤を添加した焼成体よりなり、しかも、絶縁基板と配線金属板が活性金属ろうで接合されているので、ジルコニア入りアルミナの絶縁基板は、熱伝導率がアルミナ並であるが、曲げ強度が非常に高いので、放熱特性を基板厚みを薄くして対応でき、高放熱特性をＡｌＮや、Ｓｉ３Ｎ４と同じ程度に維持することができる。また、絶縁基板と配線金属板が活性金属ろうで接合されているので、接合強度が高い。更に、絶縁基板は、ＡｌＮや、Ｓｉ３Ｎ４に比較して安価であり、半導体モジュール用基板を安価にしている。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の一実施の形態に係る半導体モジュール用基板の斜視図、Ａ−Ａ’線縦断面図である。
【図２】従来の半導体モジュール用基板の線縦断面図である。
【図３】従来の他の半導体モジュール用基板の線縦断面図である。
【符号の説明】
１０：半導体モジュール用基板、１１：絶縁基板、１２：半導体素子、１３：配線金属板、１４：ボンディングワイヤ、１５：放熱板、１６、１６ａ：活性金属ろう
【図１】
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【図２】
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【図３】
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