(57)【要約】      （修正有）【課題】製造時あるいは運転時に生ずる熱応力ないし歪を軽減し、各部材の変形，変性，破壊の恐れが少なく、高信頼性絶縁型半導体装置が得られる回路基板と、この回路基板を適用した絶縁型半導体装置を提供する点にある。【解決手段】絶縁型半導体装置は、半導体基体がセラミックス板１１０の一方の面に設けられたＡｌ合金からなる配線金属層１３０上に固着され、該セラミックス板１１０の他方の面がＡｌ合金からなる接合金属層１２０を介して支持部材１２５’が固着され、該支持部材１２５’がＣｕからなるコア材１２５Ａの表面をＡｌ合金からなる表皮層で被覆される。【選択図】  図２
2004281721.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス板，該セラミックス板の一方の面に設けられたＡｌ合金からなる配線金属層，該セラミックス板の他方の面にＡｌ合金からなる接合金属層を介して固着された支持部材からなり、該支持部材がＣｕからなるコア材の表面をＡｌ合金からなる表皮層で被覆されてなることを特徴とする回路基板。
【請求項２】
半導体基体がセラミックス板の一方の面に設けられたＡｌ合金からなる配線金属層上に固着され、該セラミックス板の他方の面がＡｌ合金からなる接合金属層を介して支持部材が固着され、該支持部材がＣｕからなるコア材の表面をＡｌ合金からなる表皮層で被覆されていることを特徴とする絶縁型半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、新規な回路基板及び絶縁型半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子基体を金属支持部材上に搭載した絶縁型半導体装置は、全ての電極が金属支持部材を含む全てのパッケージ部材から電気的に絶縁して外部へ引き出されているため、回路適用上の自由度が高い。例えば、一対の主電極が回路上の接地電位から浮いている使用例であっても、電極電位とは無関係にパッケージを接地電位部に固定できるので半導体装置の実装が容易になる。
【０００３】
半導体素子を安全かつ安定に動作させるためには、半導体装置の動作時に発生する熱をパッケージの外へ効率よく放散させる必要がある。この熱放散は通常、発熱源である半導体素子基体からこれと接着された各部材を通じて気中へ熱伝達させることで達成される。絶縁型半導体装置では、この熱伝達経路中に絶縁体，半導体基体を接着する部分等に用いられる接着材層，金属支持部材等が含まれる。
【０００４】
また、半導体装置を含む回路の扱う電力が高くなり、要求される信頼性（経時的安定性，耐湿性，耐熱性等）が高くなるほど、完全な絶縁性が要求される。ここで言う耐熱性には、半導体装置の周囲温度が外因により上昇した場合のほか、半導体装置の扱う電力が大きく、半導体基体で発生する熱が大きくなった場合の耐熱性を含む。
【０００５】
一方、絶縁型半導体装置では一般に半導体素子基体を含むあるまとまった電気回路が組み込まれる。このため、回路の少なくとも一部と支持部材とを電気的に絶縁する必要がある。また、支持部材は上記回路を搭載する役割の他に、半導体基体から放出された熱流を効率よく放散させる役割も兼ねる。例えば、先行技術としての特開２０００−２７７９５３号公報には、セラミックス基板とＳｉＣ粉末で形成された多孔質プリフォームを隣接させ、前記プリフォームに溶融Ａｌを含浸することによりＡｌ／ＳｉＣ複合材からなる支持部材を製作すると同時にＡｌ／ＳｉＣ複合材とセラミックス基板を溶融Ａｌにより一体化接合し、セラミックス基板の表面にＡｌ回路部を形成した回路基板が開示されている。これにより、Ａｌ回路部と支持部材とを絶縁し、支持部材に放熱路の役割を与える、低コストの回路基板を得ることが可能である。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−２７７９５３号公報（［００１２］〜［００１４］段落等）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
半導体装置における発熱量が少なく、要求される信頼性がさほど高くない場合には、装置の構成部材は特段に厳選された材料である必要はない。しかし、発熱量が大きく高い信頼性が要求される場合には、適用されるべき部材は選択されねばならない。
【０００８】
上記先行技術に基づくセラミックス回路基板はＡｌ／ＳｉＣ支持部材とセラミックス絶縁板があらかじめ直接一体化され、しかもセラミックス絶縁板上には半導体基体搭載用の配線が施されているため、後続のパワーモジュール組立て工程は簡略化される。本構造の支持部材はＳｉＣ粉末をＡｌマトリックス中に分散させた形態のもので、具体的にはＳｉＣ粉末からなるプリフォームに溶融Ａｌを含浸することにより得ている。この際、（１）支持部材は複合体であって、均質かつ機械的に強固な支持部材を歩留まりよく得ることが困難で、コスト面での欠点を免れにくい。（２）支持部材の内部にはＳｉＣ粉末とＡｌマトリックスとで構成される接合界面を無数に有している。この界面の接合強度は比較的低く、熱変化に伴う応力又は歪の重畳によりミクロな界面剥離部が多く生ずる。この結果、支持部材における熱伝導性（放熱性）は著しく阻害されることとなる。（３）ＳｉＣ粉末とＡｌマトリックスとで構成される接合界面には酸化物等の不純物が介在しやすい。この介在不純物は（２）の不具合の要因になるほか、フォノンの散乱を助長せしめる。この結果、熱変化に伴う応力又は歪の重畳がなされない段階であっても、支持部材の熱伝導性（放熱性）は著しく阻害される。
【０００９】
本発明の目的は、製造時あるいは運転時に生ずる熱応力ないし歪を軽減し、各部材の変形，変性，破壊の恐れが少なく、高信頼性絶縁型半導体装置が得られる回路基板と、この回路基板を適用した絶縁型半導体装置を提供する点にある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成してなる本発明回路基板は、セラミックス板，該セラミックス板の一方の面に設けられたＡｌ合金からなる配線金属層，該セラミックス板の他方の面にＡｌ合金からなる接合金属層を介して固着された支持部材からなり、該支持部材がＣｕからなるコア材の表面をＡｌ合金からなる表皮層で被覆されてなることを特徴とする。
【００１１】
上記目的を達成してなる本発明絶縁型半導体装置は、半導体基体がセラミックス板の一方の面に設けられたＡｌ合金からなる配線金属層上に固着され、該セラミックス板の他方の面がＡｌ合金からなる接合金属層を介して支持部材が固着され、該支持部材がＣｕからなるコア材の表面をＡｌ合金からなる表皮層で被覆されていることを特徴とする。
【００１２】
本発明回路基板及び絶縁型半導体装置において特に重要な第１の点は、セラミックス板の他方の面にＡｌ合金接合金属層により固着された支持部材の大半がＣｕコア材で構成され、かつＣｕコア材の表面がＡｌ合金表皮層で被覆される点にある。このような特徴が付与されることにより、回路基板及び絶縁型半導体装置には、強固な接合性，優れた放熱性，信頼性の維持、そして絶縁型半導体装置の最終的コストの低減が図られる。
【００１３】
該セラミックス板は窒化珪素，窒化アルミニウム，アルミナの群から選択された少なくとも１種からなることが好ましい。該Ｃｕコア材は絶縁型半導体装置の目標性能によっては特別に選択された材質である必要はないけれども、特に優れた放熱性や信頼性を要する場合には無酸素銅圧延材（４０３Ｗ／ｍ・Ｋ，１６．７ｐｐｍ／℃）が好ましい。
【００１４】
本発明回路基板及び絶縁型半導体装置において特に重要な第２の点は、該セラミックス板の一方の面に設けられた該配線金属層，該接合金属層，該表皮層が同一組成及び同一物性のＡｌ合金材で構成される点である。このような特徴が付与されることによっても、回路基板及び絶縁型半導体装置の強固な接合性，優れた放熱性，信頼性の維持が図られる。また、このような特徴の付与により、該配線金属層，該接合金属層，該表皮層の同時形成を可能ならしめ、絶縁型半導体装置の最終的コストの低減に寄与する。
【００１５】
該配線金属層，該接合金属層，該表皮層は、Ａｌと、Ｓｉ，Ｇｅ，Ｍｎ，Ｍｇ，Ａｕ，Ａｇ，Ｃａ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ｓｂ，Ｔｅ，Ｖ，Ｚｎ及びＺｒから選択された少なくとも１種の金属からなるアルミニウム基合金で構成されることが望ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
図１は本発明絶縁型半導体装置の基本構造を説明する平面及び断面模式図である。（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ′断面、（ｃ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ′断面をそれぞれ示す。絶縁型半導体装置９００は以下の構成よりなる。セラミックス絶縁板としての窒化珪素板１１０に設けられた配線金属層１３１上に半導体基体としてのＭＯＳ  ＦＥＴ素子基体１０１が搭載されている。主端子３０や補助端子３１を設けてあるポリフェニルサルファイド樹脂ケース２０が複合部材１２５に取付けられている。複合部材１２５は、窒化珪素板１１０及びその一方の面に設けられた配線金属層１３１，１３２，１３０ｃ、窒化珪素板１１０の他方の面に取付けられた無酸素銅圧延材（４０３Ｗ／ｍ・Ｋ，１６．７ｐｐｍ  ／℃）からなるＣｕコア材とその周囲を被覆するＡｌ合金表皮層からなる複合金属板１２５′，複合金属板１２５′と窒化珪素板１１０を一体化する接合金属層１２０から構成されている。配線金属層１３１，１３２，１３０ｃ、Ａｌ合金表皮層，接合金属層１２０は、同一組成及び同一物性のアルミニウム基合金から構成されている。素子基体１０１と配線金属層１３１，１３２、素子基体１０１と補助端子３１間、配線金属層１３１と主端子３０間には、Ａｌ細線１１７のワイヤボンディングが施されている。ケース２０内にはシリコーンゲル樹脂２２が充填され、ケース２０の上部にはポリフェニルサルファイド樹脂蓋２１が設けられている。ここで、窒化珪素板１１０に設けられた配線金属層１３１上には８個の素子基体１０１がはんだ１１３により固着されている。はんだ１１３による固着はフラックス含有のペーストはんだ材を用いて実施される。
【００１７】
また、配線金属層１３０ｃ間には温度検出用サーミスタ素子３４がはんだ１２４（図示を省略）により固着され、配線金属層１３０ｃはＡｌ細線１１７により補助端子３１へ連絡されている。なお、図面では省略されているけれども、ケース２０と複合部材１２５の間、そしてケース２０と蓋２１の間はシリコーン接着樹脂３５（図示を省略）を用いて固定されている。蓋２１の肉厚部には凹み２５，主端子３０には穴３０′がそれぞれ設けられ、絶縁型半導体装置９００を外部回路配線に連絡するためのネジ（図示を省略）が収納されている。主端子３０や補助端子３１はあらかじめ所定形状に打ち抜き成形された銅板にＮｉめっきを施したものであり、射出成形法によってポリフェニルサルファイド樹脂ケース２０に取付けられている。
【００１８】
図２は本発明回路基板の断面模式図である。回路基板１２５は、窒化珪素板
（熱膨張率：３．４ｐｐｍ／℃，熱伝導率：９０Ｗ／ｍ・Ｋ，厚さ：０．３ｍｍ  ，サイズ：３０×５０ｍｍ）１１０，無酸素銅圧延材（４０３Ｗ／ｍ・Ｋ，１６．７ｐｐｍ／℃）からなるＣｕコア材１２５Ａとその周囲を被覆するＡｌ合金表皮層（Ａｌ−２０ｗｔ％Ｓｉ−１．５ｗｔ％Ｍｇ  ，固相点：約５５０℃）１２５Ｂ，１２５Ｃからなる支持部材（厚さ：３ｍｍ，サイズ：４２．４×８５ｍｍ）１２５′，支持部材１２５′の一方の主面と窒化珪素板１１０を一体化する接合金属層１２０，窒化珪素板１１０上に設けられた配線金属層１３０（１３１，１３２）で構成されている。ここで、接合金属層１２０，配線金属層１３０（１３１，１３２）はＡｌ合金表皮層１２５Ｂ，１２５Ｃと同一組成及び物性のアルミニウム基合金で構成され、接合金属層１２０は厚さ５０μｍ、配線金属層１３０（１３１，１３２）は厚さ１ｍｍ、Ａｌ合金表皮層１２５Ｂ，１２５Ｃは厚さ２０〜３００μｍに調整されている。接合金属層１２０を構成するＡｌ合金層（Ａｌ−２０ｗｔ％Ｓｉ−１．５ｗｔ％Ｍｇ  ，固相点：約５５０℃）は、窒化珪素板１１０が接合されない複合金属板１２５′の表面に延長して設けられている。
【００１９】
本発明回路基板１２５における接合金属層１２０，配線金属層１３０（１３１，１３２），表皮層１２５Ｂ，１２５Ｃは、（ａ）熱伝導率の高い点、（ｂ）セラミックス絶縁板１１０との接合性に優れる点、（ｃ）Ｎｉ，Ｓｎ，Ａｇ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｚｎ等のめっき層を容易に湿式法で形成できること、（ｄ）溶融状態のもとで優れた流動性を示すこと、（ｅ）比較的低温で溶融すること等から、Ａｌを主成分とする合金（例えば鋳造又はダイキャスト用合金，熱伝導率：約１５０Ｗ／ｍ・Ｋ，熱膨張率：約２３ｐｐｍ  ／℃）が選択される。
【００２０】
（ａ）は半導体基体から放出された熱流が回路基板１２５中を効率よく伝達されるとともに、外部へ効率よく放出されるのに重要な意味を持つ。
【００２１】
（ｂ）はセラミックス絶縁板１１０と配線金属層１３０（１３１，１３２），支持部材１２５′との間を強固かつ緻密に接合して熱伝達を阻害する界面空隙の発生を抑えるのに必要な事項である。
【００２２】
（ｃ）は半導体基体をはんだ付け搭載するのに不可欠であって、配線金属層１３０に良好なはんだぬれ性を付与するのに重要である。
【００２３】
（ｄ）は後述するように、溶湯を配線金属層１３０（１３１，１３２）領域や接合金属層１２０領域に効率よく流動させるのに重要な事項である。
【００２４】
（ｅ）は支持部材１２５′，配線金属層１３０（１３１，１３２）とセラミックス絶縁板１１０の間の残留界面応力ないし歪を軽減させ、また一体化後の回路基板１２５のそりを軽減するのに重要になる。
【００２５】
接合金属層１２０，配線金属層１３０（１３１，１３２），表皮層１２５Ｂ，１２５Ｃを構成するＡｌ合金は、上述の要件（ａ）〜（ｅ）を満たされるべく、Ａｌと、Ｓｉ，Ｇｅ，Ｍｎ，Ｍｇ，Ａｕ，Ａｇ，Ｃａ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ｓｂ，Ｔｅ，Ｖ，Ｚｎ及びＺｒから選択された少なくとも１種の金属からなるアルミニウム基合金であることが望ましい。具体的代表例として、表１に掲げる多元系合金を挙げることができる。Ａｌ−Ｃｕ系やＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系は強度が高く、靭性，耐熱性に優れる。Ａｌ−Ｓｉ系（シルミン）は鋳造性，耐食性に優れるとともに、熱膨張率が比較的低い。Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系（γシルミン）はＭｇ添加で機械的性質が向上し、耐食性に優れる。Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系（含銅シルミン）はＭｇの代りにＣｕを添加することにより機械的性質が向上される。Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｍｇ系は耐食性に優れる。Ａｌ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｍｇ系（Ｙ合金）は２００〜２５０℃以下の高温範囲でも硬さや強度を室温なみの値に維持できる。Ａｌ−Ｍｇ（ヒドロナリウム）は耐食性に優れる。Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｍｇ系はＣｕやＮｉの添加で耐熱強度が向上し、熱膨張率が低く、耐磨耗性に優れる。更に、Ｇｅ，Ａｕ，Ａｇ，Ｃａ，Ｐｄ，Ｓｂ，Ｔｅ，Ｖのような金属を微量添加して、Ａｌ合金の固相点を下げたり、セラミックスとの接合性や耐食性を向上させたり、溶湯の流動性を向上させたりすることが可能である。
【００２６】
【表１】
2004281721.tif 000003
【００２７】
本発明では、半導体基体１０１を搭載する回路基板１２５の製造工程が簡略化され、更に後続における絶縁型半導体装置９００の製造工程や部品点数が削減され、最終的に装置９００のコスト低減に寄与する。この点を図３を用いて説明する。
【００２８】
図３は本発明回路基板の製作工程を示す図である。比較のため、従来技術（前記先行技術）に基づく回路基板の工程も示す。本発明回路基板の出発材料はセラミックス絶縁板１１０としての窒化珪素板（Ｓｉ３Ｎ４，熱伝導率：９０Ｗ／ｍ・Ｋ，熱膨張率：３．４ｐｐｍ／℃，厚さ：０．６３ｍｍ）と、支持部材としてのＣｕコア材である。窒化珪素板１１０とＣｕコア材１２５Ａを、あらかじめ所定形状及び寸法に成形した金属又は無機物質からなる鋳型にセットし、この鋳型にＡｌ合金溶湯を圧入する。この工程でＡｌ合金溶湯は鋳型と窒化珪素板１１０間の所定の隙間，鋳型とＣｕコア材１２５Ａ間の所定の隙間，窒化珪素板１１０とＣｕコア材１２５Ａ間の隙間に流動して、接合金属層１２０，配線金属層１３０（１３１，１３２），表皮層１２５Ｂ，１２５Ｃがそれぞれ形成され、最終的に回路基板１２５が形成される。ここで重要な点は、窒化珪素板１１０とＣｕコア材１２５Ａの接合，窒化珪素板１１０上への配線金属層１３０（１３１，１３２）の形成，Ｃｕコア材１２５Ａの露出表面における表皮層１２５Ｂ，１２５Ｃの形成が同時になされる点である。したがって、接合金属層１２０，配線金属層１３０（１３１，１３２），表皮層１２５Ｂ，１２５Ｃはいずれも同一の出発材料（Ａｌ合金）で構成され、互いに同一の組成及び物性を持つ。
【００２９】
上述の接合，配線金属層形成，表皮層形成がなされたアッセンブリは無電解湿式めっき工程に移され、配線金属層１３０（１３１，１３２）及び表皮層１２５Ｂ，１２５ＣにＮｉめっき層（厚さ：６μｍ）が形成される。配線金属層１３０（１３１，１３２）にＮｉめっき層を設ける理由は、半導体基体１０１を固着する際のはんだぬれ性の確保と、配線金属層１３０（１３１，１３２）へのワイヤボンディング性を付与する点にある。また、化学的あるいは熱的な変質が許される場合は支持部材１２５′へのＮｉめっき層の形成は必ずしも必須でないけれども、これらが許されない場合は外気から遮断して内部の変質を防ぐ意味でＮｉめっき層が設けられる。以上の工程を経て、本発明回路基板１２５が完成する。
【００３０】
従来工程の場合は、回路基板作製の前段階でＳｉＣプリフォームを形成する必要がある。これに当たっては、ＳｉＣ粉末と有機バインダを混練した後、これらの圧粉成形体を作製した後乾燥処理を加える複雑な工程を経る必要がある。このような前段階工程は本発明回路基板の場合は必要ない。次いで、上記ＳｉＣプリフォームとセラミックス板を、あらかじめ所定形状及び寸法に成形した鋳型にセットし、この鋳型にＡｌ合金溶湯を圧入する。この工程でＡｌ合金溶湯は鋳型とセラミックス板間の所定の隙間，鋳型とＳｉＣプリフォーム間の所定の隙間，セラミックス板とＳｉＣプリフォーム間の隙間に流動して、接合金属層，配線金属層が形成される。ここで、セラミックス板と支持部材の接合，セラミックス板上への配線金属層の形成，ＳｉＣプリフォームへのＡｌ溶湯の含浸がなされる。
【００３１】
以上に説明したように、本発明によれば従来より簡便なプロセスで回路基板を作製できる。また、支持部材とセラミックス絶縁基板をはんだ付け一体化していた従来構造の絶縁型半導体装置に比べて、本発明回路基板適用絶縁型半導体装置９００では製造工程や部品点数を削減できる。したがって、本発明回路基板の経済的観点での重要度はいっそう高いものとなる。
【００３２】
本発明回路基板１２５及び絶縁型半導体装置９００においては、支持部材１２５′を構成する主要部材はＣｕコア材１２５Ａである。このＣｕコア材１２５Ａは圧延材であって、Ａｌ溶湯はこの中には含浸されない。即ち、上記先行技術のようにＳｉＣ粉末とＡｌマトリックス間のミクロ接合界面を形成することなく、熱伝導率の高いＣｕ材がそのまま支持部材１２５′の主要部を構成する。当然ながら、熱変化に伴うミクロ界面の剥離を生ずることもないため、放熱性劣化を生じにくい。
【００３３】
また、支持部材１２５′を構成する主要部にミクロ界面が存在しないため、フォノンの散乱を助長する界面不純物の介在を伴わない。したがって、熱変化に伴う応力又は歪の重畳がなされない段階であっても、支持部材１２５′には優れた放熱性が付与される。
【００３４】
図４は本発明絶縁型半導体装置の過渡熱抵抗を説明するグラフである。図において、曲線Ａは本発明絶縁型半導体装置９００、Ｂは比較のために示した上記先行技術に基づく絶縁型半導体装置の特性である。熱抵抗は通電時間を増すにつれ徐々に高い値を示すけれども、通電時間約１ｓ以降ではほぼ一定の値（定常熱抵抗）を示す。Ａの定常熱抵抗は約０．２６℃／Ｗ  と低いけれども、Ｂのそれは約０．３５℃／Ｗ  と高い値を示している。Ｂが高い値を示すのは、上述したようにミクロ界面のフォノン散乱源の介在に基づく。これに対しＡはこのようなミクロ界面を有しておらず、支持部材１２５′が熱伝導性に優れるＣｕコア材１２５Ａにより構成されているため、低い熱抵抗を示す。
【００３５】
本発明回路基板１２５及び絶縁型半導体装置９００においては、接合金属層１２０，配線金属層１３０（１３１，１３２），表皮層１２５Ｂ，１２５Ｃが同一の溶湯を素材とし互いに同一の組成及び物性を持つＡｌ合金で構成される。窒化珪素板１１０と接合金属層１２０，配線金属層１３０（１３１，１３２）の接合界面は、いずれも同一素材のＡｌ合金が関与している。この合金にはＳｉ，Ｇｅ，Ｍｎ，Ｍｇ，Ａｕ，Ａｇ，Ｃａ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ｓｂ，Ｔｅ，Ｖ，Ｚｎ及びＺｒの群から選択された少なくとも１種の金属が添加されており、これらが窒化珪素板１１０と反応して界面に接合担体化合物（窒化物）を生成する。この窒化物は窒化珪素板１１０とのぬれ性に優れ、接合金属層１２０，配線金属層１３０（１３１，１３２）と窒化珪素板１１０との間には７９ＭＰａと強固な接合力が付与される。
【００３６】
また、同一素材で物性の同じＡｌ合金が両接合界面に関与しているため、窒化珪素板１１０と接合金属層１２０の間，窒化珪素板１１０と配線金属層１３０（１３１，１３２）の間の接合力にアンバランスを生じない。この点は絶縁型半導体装置９００に熱的変化が印加された場合の信頼性維持に好ましい効果を及ぼす。
【００３７】
図５は本発明絶縁型半導体装置の温度サイクル試験による熱抵抗の推移を説明するグラフである。図において、曲線Ａは本発明絶縁型半導体装置９００、Ｂは上記先行技術に基づく比較用絶縁型半導体装置の特性である。温度サイクルでは−４０〜１２５℃の変化を与えている。Ａは温度サイクル数１万回を経過しても、熱抵抗は初期値とほぼ同等の約０．２６℃／Ｗ  を示している。これに対しＢは温度サイクル数１千回までは初期値と同等の約０．３６℃／Ｗ  を維持しているけれども、これを過ぎると急激な熱抵抗増大を示す。本発明絶縁型半導体装置９００においては、支持部材１２５′を構成する主要部材はＣｕコア材１２５Ａであって、上記先行技術のようにＳｉＣ粉末とＡｌマトリックス間のミクロ接合界面が存在せず、熱変化に伴うミクロ界面の剥離を生ずることもないため放熱性劣化を生じない。また、同一素材及び同一物性のＡｌ合金からなる接合金属層１２０と配線金属層１３０（１３１，１３２）が互いに反対側の窒化珪素板１１０の主面に配置されていて、７９ＭＰａと強固な接合力が付与されるとともに窒化珪素板１１０との接合力にアンバランスを生ぜず、これらの界面における剥離が抑制される。この点も、本発明絶縁型半導体装置９００が優れた放熱信頼性を維持するのに寄与している。一方、Ｂの支持部材には多数のミクロ接合界面が存在し、熱変化に伴う界面剥離を生ずるため放熱性劣化を生ずる。
【００３８】
図６は絶縁型半導体装置の回路を説明する図である。ＭＯＳ  ＦＥＴ素子基体（４個）１０１が並列に配置された２系統のブロック９１０を有し、各ブロック９１０は直列に接続され、入力端子３０ｉｎ，出力端子３０ｏｕｔ  ，補助端子３１が所定部から引き出されて絶縁型半導体装置９００の要部を構成している。また、この回路の稼動時における温度検出用サーミスタ３４が絶縁型半導体装置９００内に独立して配置されている。絶縁型半導体装置９００は最終的に、図７に示す電動機９６０の回転数制御用インバータ装置に組み込まれた。この際、絶縁型半導体装置９００は油中に収納された。
【００３９】
なお、Ａｌ合金とＣｕコア材１２５Ａは拡散的な接合界面を構成し、互いに強固な接合界面を形成する。この点は、窒化珪素板１１０と支持部材１２５′の接合力を高めること、本発明絶縁型半導体装置９００が優れた放熱信頼性を示す（図５）のに寄与する。
【００４０】
表皮層１２５Ｂ，１２５Ｃも同様にＣｕコア材１２５Ａと拡散的で強固な接合界面を構成する。また、表皮層１２５Ｂ，１２５Ｃは接合金属層１２０とともにＣｕコア材１２５Ａを完全に包囲している。このような構造上の特徴は、自動車用電装部品として絶縁型半導体装置９００が油中に収納された場合に利点を享受できる。例えば、絶縁型半導体装置９００が収納される油中には微量の腐食性物質や水分が含まれる。Ｃｕコア材１２５Ａが露出した状態あるいはＣｕコア材
１２５Ａに直接めっき形成したＮｉ層が薄い場合は、Ｃｕが油中に溶解して油そのものを汚染したり支持部材１２５′の腐食を生じ、最終的に絶縁型半導体装置の電気的機能を劣化させる。これに対し、絶縁型半導体装置９００では、Ｃｕコア材１２５Ａと油は緻密な表皮層１２５Ｂ，１２５ＣとＮｉめっき層を介して完全に分離されるため、上記のような油汚染，支持部材１２５′の腐食，絶縁型半導体装置９００の電気的機能劣化を回避するのが容易である。
【００４１】
（実施例２）
本実施例では、前記実施例１と同様の回路基板１２５及び絶縁型半導体装置９００を作製した。ここで、前記実施例１と異なるのはセラミックス絶縁板１００として窒化アルミニウム板及びアルミナ板を用いた点だけであるので、詳細な説明は省略する。
【００４２】
これらの場合でも、半導体基体１０１を搭載する回路基板１２５の製造工程が簡略化され、更に後続における絶縁型半導体装置９００の製造工程や部品点数が削減され、最終的に装置９００のコスト低減に寄与する点は前記実施例１と同様である。
【００４３】
窒化アルミニウム板１１０を適用した系では熱抵抗０．２℃／Ｗ  と低い値が得られ、アルミナ板１１０を適用した系では熱抵抗０．３５℃／Ｗ  が得られた。窒化アルミニウムは熱伝導率が高く、この点が効果的に作用して前記実施例１よりも一層優れた放熱性を示している。また、アルミナは窒化珪素材より熱伝導率が低いため放熱性は前記実施例１より劣るけれども、放熱性があまり重視されない用途に対しては十分実用に供することが可能である。このように実用上支障のない優れた放熱性が得られたのは、前記実施例１と同様に支持部材１２５′を構成する主要部にミクロ界面及びフォノンの散乱を助長する界面不純物が存在しないことも寄与している。
【００４４】
絶縁型半導体装置９００には温度サイクル試験（−４０〜１２５℃）を施し、熱抵抗を追跡した。窒化アルミニウム板１１０を適用した系では、温度サイクル数１万回後でも熱抵抗は初期値とほぼ同等の約０．２℃／Ｗが維持されていた。また、アルミナ板１１０を適用した系でも、同様に初期値と同等の０．３５℃  ／Ｗが維持されていた。このように優れた放熱信頼性が維持されたのは、第１に熱変化に伴うミクロ界面の剥離を生じない点に基づく。第２には、接合金属層１２０，配線金属層１３０（１３１，１３２）が同一溶湯を素材とし互いに同一組成及び物性を持つＡｌ合金で構成されるため、窒化アルミニウム板又はアルミナ板１１０と接合金属層１２０の間，窒化アルミニウム板又はアルミナ板１１０と配線金属層１３０（１３１，１３２）の間の接合力にアンバランスを生ぜず、これらの界面剥離が抑制されたためである。第３の理由は以下のとおりである。窒化アルミニウム板又はアルミナ板１１０と接合金属層１２０，配線金属層１３０（１３１，１３２）の接合界面には、Ａｌ合金に添加されたＳｉ，Ｇｅ，Ｍｎ，Ｍｇ，Ａｕ，Ａｇ，Ｃａ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ｓｂ，Ｔｅ，Ｖ，Ｚｎ及びＺｒの群から選択された少なくとも１種の金属が窒化アルミニウム板又はアルミナ板１１０と反応して界面に接合担体化合物を生成する。この化合物は窒化アルミニウム板又はアルミナ板１１０とのぬれ性に優れ、接合金属層１２０，配線金属層１３０（１３１，１３２）と窒化アルミニウム板又はアルミナ板１１０との間に強固な接合力を付与する。セラミックス絶縁板１１０が窒化アルミニウムの場合は、主要な接合担体化合物は前記実施例１と同様に窒化物となる。また、セラミックス絶縁板１１０がアルミナの場合は主要な接合担体化合物は酸化物となる。
【００４５】
絶縁型半導体装置９００は図６に示した回路を構成しており、最終的に図７に示す電動機９６０の回転数制御用インバータ装置に組み込まれた。この際、絶縁型半導体装置９００は油中に収納された。表皮層１２５Ｂ，１２５ＣはＣｕコア材１２５Ａと拡散的で強固な接合界面を構成し、接合金属層１２０とともにＣｕコア材１２５Ａを完全に包囲している。この点は、油汚染，支持部材１２５′の腐食，絶縁型半導体装置９００の電気的機能劣化を回避するのに寄与する。
【００４６】
（実施例３）
図８は本実施例で作製した回路基板の断面模式図である。回路基板１２５は、窒化珪素板（熱膨張率：３．４ｐｐｍ／℃，熱伝導率：９０Ｗ／ｍ・Ｋ，厚さ：０．３ｍｍ，サイズ：３０×５０ｍｍ）１１０，無酸素銅圧延材（４０３Ｗ／ｍ・Ｋ，１６．７ｐｐｍ  ／℃）からなるＣｕコア材１２５Ａとその周囲を被覆するＡｌ合金表皮層（Ａｌ−２０ｗｔ％Ｓｉ−１．５ｗｔ％Ｍｇ  ，固相点：約５５０℃）１２５Ｂ，１２５Ｃからなる支持部材（厚さ：３ｍｍ，サイズ：４２．４×８５ｍｍ  ）１２５′，支持部材１２５′の一方の主面と窒化珪素板１１０を一体化する接合金属層１２０，窒化珪素板１１０上に設けられた配線金属層１３０（１３１，１３２）で構成されている。ここで、接合金属層１２０，配線金属層１３０（１３１，１３２）はＡｌ合金表皮層１２５Ｂ，１２５Ｃと同一組成及び物性のアルミニウム基合金で構成され、接合金属層１２０は厚さ５０μｍ、配線金属層１３０（１３１，１３２）は厚さ１ｍｍ、Ａｌ合金表皮層１２５Ｂ，１２５Ｃは厚さ２０〜３００μｍに調整されている。接合金属層１２０を構成するＡｌ合金層（Ａｌ−２０ｗｔ％Ｓｉ−１．５ｗｔ％Ｍｇ  ，固相点：約５５０℃）は、窒化珪素板１１０が接合されない複合金属板１２５′の表面に延長して設けられている。ここで、Ｃｕコア材１２５Ａには貫通孔（直径：１ｍｍ）１２５Ｄが設けられ、この部分に接合金属層１２０，配線金属層１３０（１３１，１３２），Ａｌ合金表皮層１２５Ｂ，１２５Ｃと同一組成及び物性のＡｌ合金による充填層１２５Ｅが形成されている。この充填層１２５Ｅは、Ｃｕコア材１２５Ａと接合金属層１２０，Ａｌ合金表皮層１２５Ｂ，１２５Ｃとの接合力をより強固に保つのに寄与する。この点は、後述する絶縁型半導体装置９００の放熱信頼性の維持により好ましい効果を及ぼす。
【００４７】
上述の回路基板１２５は絶縁型半導体装置９００に適用された。この絶縁型半導体装置９００は回路基板１２５の構成が異なるだけで、他の構成は前記実施例１と同様であるので詳細な説明は省略する。
【００４８】
これらの場合でも、半導体基体１０１を搭載する回路基板１２５の製造工程が簡略化され、更に後続における絶縁型半導体装置９００の製造工程や部品点数が削減され、最終的に装置９００のコスト低減に寄与する点は前記実施例１と同様である。
【００４９】
本実施例絶縁型半導体装置９００の熱抵抗は０．２９℃／Ｗ  である。これは前記実施例１における絶縁型半導体装置より０．０３℃／Ｗ  高い値であるけれども、実用上は支障ない。本実施例における回路基板１２５では、Ｃｕコア材１２５Ａに設けられた貫通孔１２５ＤにＡｌ合金層からなる充填層１２５Ｅが配置されている。本実施例絶縁型半導体装置９００の熱抵抗が前記実施例１の場合より少し高いのは、充填層１２５Ｅの熱伝導率がＣｕコア材１２５Ａより低い点が関係している。しかし、貫通孔１２５Ｄにおける充填層１２５ＥとＣｕコア材１２５Ａの間の接合は、表皮層１２５Ｂ，１２５ＣとＣｕコア材１２５Ａの場合と同様に拡散的で強固な接合界面を構成し、しかも上記先行技術の場合のようなミクロ界面とフォノン散乱源を有していない。このため、本実施例絶縁型半導体装置９００でも、上記先行技術に基づく場合（約０．３５℃／Ｗ  ，実施例１参照）よりは大幅に向上した放熱性を示している。
【００５０】
絶縁型半導体装置９００には温度サイクル試験（−４０〜１２５℃）を施し、熱抵抗を追跡した。温度サイクル数１万回後でも熱抵抗は初期値とほぼ同等の約０．２９℃／Ｗ  が維持されていた。このように優れた放熱信頼性が維持されたのは、第１に熱変化に伴うミクロ界面の剥離を生じない点。第２には接合金属層１２０，配線金属層１３０（１３１，１３２）が同一溶湯を素材とし互いに同一組成及び物性を持つＡｌ合金で構成されるため、窒化珪素板１１０と接合金属層１２０の間、窒化珪素板１１０と配線金属層１３０（１３１，１３２）の間の接合力にアンバランスを生ぜず、これらの界面剥離が抑制されたためである。第３には、Ａｌ合金に添加された金属が窒化珪素板１１０と反応して界面に接合担体化合物を生成し、接合金属層１２０，配線金属層１３０（１３１，１３２）と窒化珪素板１１０との間に強固な接合される点にある。
【００５１】
絶縁型半導体装置９００は図６に示した回路を構成しており、最終的に図７に示す電動機９６０の回転数制御用インバータ装置に組み込まれた。この際、絶縁型半導体装置９００は油中に収納された。表皮層１２５Ｂ，１２５Ｃは充填層１２５Ｅの存在によりＣｕコア材１２５Ａと拡散的でより強固な接合界面を構成し、接合金属層１２０とともにＣｕコア材１２５Ａを完全に包囲している。この点は、油汚染，支持部材１２５′の腐食，絶縁型半導体装置９００の電気的機能劣化を回避するのに寄与する。
【００５２】
（実施例４）
本実施例では、前記実施例１における配線金属層１３０（１３１，１３２）の厚さを変化させた回路基板１２５及びそれを用いた絶縁型半導体装置９００を作製した。他の構成は前記実施例１と同様である。
【００５３】
配線金属層１３０（１３１，１３２）は絶縁型半導体装置９００の主要な導電路としての役割を持つ。仮に所定の電流を通電した場合に配線金属層自体が自己発熱すると、半導体基体には配線による熱が半導体基体自体の発熱分に重畳され、絶縁型半導体装置の安全動作を保証する電流領域が狭められる。したがって、広い安全動作領域を確保するためには、配線金属層１３０は抵抗を減らすためできるだけ厚く形成する必要がある。また、Ａｌ合金溶湯をスムーズに流動させる点でも配線金属層１３０は適度に厚いことが望ましい。しかしながら、配線金属層１３０の厚さは以下の理由により制限される。
【００５４】
図９は絶縁型半導体装置の熱抵抗に関する配線金属層厚さ依存性を説明するグラフである。配線金属層１３０が薄い領域では、半導体基体１０１で発生した熱が横方向へ拡がりにくいため熱抵抗は高い値を示す。配線金属層１３０が厚くなるにつれ横方向拡がり効果が増すため、熱抵抗はゆるやかに低下する。更に厚くなると、配線金属層１３０自体の熱抵抗の縦方向成分が影響してくるため、熱抵抗は再び増加に転ずる。ここで、絶縁型半導体装置９００は電流容量４００Ａのものであり、その目標熱抵抗は電気的安定動作を実現するため０．３５℃／Ｗ  以下に設定されている。これを満足する配線金属層１３０の厚さは０．３〜１．７ｍｍである。
【００５５】
以上のように、配線金属層１３０の好ましい厚さは０．３〜１．７ｍｍであるけれども、この好適範囲はセラミックス絶縁板１１０が窒化アルミニウムやアルミナに代っても変らない。
【００５６】
（実施例５）
本実施例では、前記実施例１における接合金属層１２０の厚さを変化させた回路基板１２５及びそれを用いた絶縁型半導体装置９００を作製した。他の構成は前記実施例１と同様である。
【００５７】
接合金属層１２０は絶縁型半導体装置９００の主要な導電路としての役割を持つから、絶縁型半導体装置９００の放熱性や信頼性を阻害しない範囲の厚さが選択されなければならない。また、接合金属層１２０は可及的にボイドフリー化されている必要がある。これは、ボイドの存在により放熱路が遮られたり、熱変化に伴う応力ないし歪の影響により接合金属層１２０内でのクラック破壊が助長されたりするからである。
【００５８】
図１０はボイド率に関する接合金属層厚さ依存性を説明するグラフである。ここで言うボイドとは、接合金属層１２０に生じた非接合領域の面積率のことである。厚さが０．０１ｍｍ（１０μｍ）以上であれば接合金属層１２０にはボイドを生じない。これはＡｌ合金溶湯が効率よく接合金属層領域を流動するためである。これに対し０．０１ｍｍ  より薄い領域ではボイド率は増加している。これはＡｌ合金溶湯の流動が阻害されるためである。上述したように接合金属層１２０は熱放散のための主要な伝導路であり、この部分にボイドが存在すると熱放散は効率よくなされない。したがって、放熱路を確保する観点から、接合金属層１２０の厚さは０．０１ｍｍ（１０μｍ）以上に調整する必要がある。
【００５９】
以上の傾向はセラミックス絶縁板１１０が窒化アルミニウムやアルミナに代っても変らない。
【００６０】
（実施例６）
本実施例では、前記実施例１における窒化珪素板１１０の厚さを変化させた回路基板１２５及びそれを用いた絶縁型半導体装置９００を作製した。他の構成は前記実施例１と同様である。
【００６１】
窒化珪素板１１０も絶縁型半導体装置９００における主要な熱流路を構成する部材の１つである。熱抵抗を低く抑えて良好な放熱性を確保するためには、熱流路の中でも熱伝導率の低いこの部材は可及的に薄いことが望ましい。しかし、絶縁担体であるからこの面での性能が損なわれることは許されない。
【００６２】
図１１はクラック破壊率及び熱抵抗増加率の窒化珪素板厚さ依存性を説明するグラフである。先ず（ａ）のクラック破壊率に注目する。ここで言うクラック破壊率とは、温度サイクル試験（３０００回，−４０〜１２５℃）による窒化珪素板１１０の機械的破壊のことである。厚さが０．２ｍｍ  以上の領域では、窒化珪素板１１０のクラック破壊は全く生じていない。これに対し０．２ｍｍ  より薄い領域ではクラック破壊を生じている。この際の破壊は配線金属層１３０側から接合金属層１２０側に貫通するクラックのことである。絶縁型半導体装置９００を安全に稼動させる観点から、窒化珪素板１１０の厚さは０．２ｍｍ  以上の範囲が選択される。
【００６３】
次に（ｂ）の熱抵抗増加率に注目する。温度サイクル試験（３０００回，−４０〜１２５℃）に伴って接合金属層１２０の疲労破壊が進めば放熱路が遮断される。ここで言う熱抵抗増加はこの熱流路遮断に起因して生ずる。厚さが１．０ｍｍ  以下の領域では熱抵抗は全く変動していないのに対し、これより厚い領域では熱抵抗を増している。絶縁型半導体装置９００を安定に動作させる上では、窒化珪素板１１０の厚さは１．０ｍｍ  以下の範囲が選択される。
【００６４】
以上に説明したクラック破壊率及び熱抵抗増加率の評価結果を総合して全ての点を満足できる窒化珪素板１１０の厚さは０．２〜１．０ｍｍの範囲である。このような好ましい範囲はセラミックス絶縁板１１０が窒化アルミニウムやアルミナに代っても変らない。
【００６５】
【発明の効果】
本発明によれば、製造時あるいは運転時に生ずる熱応力ないし熱歪を軽減し、各部材の変性，破壊の恐れが少なく、信頼性が高く、低コストの絶縁型半導体装置と、この絶縁型半導体装置を得るのに有効な回路基板を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明絶縁型半導体装置の基本構造を説明する平面図及び断面模式図である。
【図２】本発明回路基板の断面模式図である。
【図３】本発明回路基板の製作工程を示す図である。
【図４】本発明絶縁型半導体装置の過渡熱抵抗を説明するグラフである。
【図５】本発明絶縁型半導体装置の温度サイクル試験における熱抵抗の推移を説明するグラフである。
【図６】本発明絶縁型半導体装置の回路を説明する図である。
【図７】本発明絶縁型半導体装置が組み込まれたインバータ装置を説明する図である。
【図８】他実施例で製作した回路基板の断面模式図である。
【図９】本発明絶縁型半導体装置の熱抵抗に関する配線金属層厚さ依存性を説明するグラフである。
【図１０】ボイド率に関する接合金属層厚さ依存性を説明するグラフである。
【図１１】クラック破壊率及び熱抵抗増加率の窒化珪素板厚さ依存性を説明するグラフである。
【符号の説明】
２０…ポリフェニルサルファイド樹脂ケース、２１…ポリフェニルサルファイド樹脂蓋、２２…シリコーンゲル樹脂、２５…凹み、３０…主端子、３０′…穴、３０ｉｎ…入力端子、３０ｏｕｔ  …出力端子、３１…補助端子、３４…温度検出用サーミスタ素子、３５…シリコーン接着樹脂、１０１…半導体基体，ＭＯＳ  ＦＥＴ素子基体、１１０…セラミックス絶縁板，窒化珪素板，窒化アルミニウム板，アルミナ板、１１３，１２４…はんだ、１１７…Ａｌ細線、１２０…接合金属層、１２５…複合部材，回路基板、１２５Ａ…Ｃｕコア材、１２５Ｂ，１２５Ｃ…Ａｌ合金表皮層、１２５Ｄ…貫通孔、１２５Ｅ…充填層、１２５′…複合金属板，支持部材、１３０，１３０ｃ，１３１，１３２…配線金属層、９００…絶縁型半導体装置、９１０…ブロック、９６０…電動機。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2004281721.tif 000010
【図８】
2004281721.tif 000011
【図９】
2004281721.tif 000012
【図１０】
2004281721.tif 000013
【図１１】
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