(57)【要約】【課題】基体の反りを抑制し、信頼性を上げ、熱特性を向上することができるセラミック回路基板および半導体モジュールを提供すること。【解決手段】２枚の窒化珪素板２の間に金属板５を挟んで接合して成る基体６の両主面に金属回路板３・４を互いに対向させて取着して成り、両主面の金属回路板３・４にそれぞれ互いに対向しない位置に半導体素子７・８が搭載されるとともに、金属板５に半導体素子７・８の搭載位置と対向するように配置された冷却液の流路１０を形成したセラミック回路基板および半導体モジュール１である。放熱特性が良好であり、金属回路板３・４上に搭載される半導体素子７・８等の電子部品を長期にわたり安定して作動させることができる信頼性の高いセラミック回路基板および半導体モジュール１を提供することができる。【選択図】　図１
2004022973.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２枚の窒化珪素板の間に金属板を挟んで接合して成る基体の両主面に金属回路板を互いに対向させて取着して成り、前記両主面の前記金属回路板にそれぞれ互いに対向しない位置に半導体素子が搭載されるとともに、前記金属板に前記半導体素子の搭載位置と対向するように配置された冷却液の流路を形成したことを特徴とするセラミック回路基板。
【請求項２】
請求項１記載のセラミック回路基板の前記金属回路板の前記搭載位置に前記半導体素子を搭載して成ることを特徴とする半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミック基板と金属板とから成る基体に金属回路板を接合した、基体中に冷却液の流路を内蔵するセラミック回路基板およびこれを用いた半導体モジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、パワーモジュール用基板やスイッチングモジュール用基板等の回路基板として、セラミック基板上に活性金属ロウ材を介して銅等から成る金属回路板を直接接合させたセラミック回路基板が用いられている。
【０００３】
図３に従来のセラミック回路基板を用いた半導体モジュールの例を断面図で示す。図３において、１１はセラミック回路基板を示し、このセラミック回路基板１１は、セラミック基板１２と、その上面に取着された複数の金属回路板１３と、セラミック基板１２の下面に取着された金属板１５とから構成されている。そして、このようなセラミック回路基板１１は、金属回路板１３上に半導体素子１７等の電子部品が搭載され、金属板１５との間に半田１６を介在させて放熱部材１９上に接合実装されることにより、半導体モジュールとして使用される。
【０００４】
かかるセラミック回路基板１１は、酸化アルミニウム質焼結体から成るセラミック基板１２を用いる場合には、具体的には以下の方法によって製作される。
【０００５】
まず、銀−銅合金にチタン・ジルコニウム・ハフニウムおよびこれらの水素化物の少なくとも１種を添加した活性金属粉末に有機溶剤・溶媒を添加混合してロウ材ペーストを調製する。
【０００６】
次に、酸化アルミニウム・酸化珪素・酸化マグネシウム・酸化カルシウム等の原料粉末に適当な有機バインダ・可塑剤・溶剤等を添加混合して泥漿状と成すとともにこれから従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等のテープ成形技術を採用して複数のセラミックグリーンシートを得た後、所定寸法に形成し、次に、セラミックグリーンシートを必要に応じて上下に積層するとともに還元雰囲気中にて約１６００℃の温度で焼成し、セラミックグリーンシートを焼結一体化させて酸化アルミニウム質焼結体から成るセラミック基板１２を形成する。
【０００７】
次に、セラミック基板１２上にロウ材ペーストを間に挟んで銅等から成る複数の金属回路板１３を載置し、一方、これに対向するセラミック基板１２の下面には同様にロウ材ペーストを間に挟んで銅等から成る金属板１５を配置する。
【０００８】
そして最後に、セラミック基板１２と金属回路板１３との間およびセラミック基板１２と金属板１５との間に配されているロウ材ペーストを非酸化性雰囲気中にて約９００℃の温度に加熱して溶融させ、このロウ材でセラミック基板１２と金属回路板１３とを、およびセラミック基板１２と金属板１５とを接合することによって製作される。
【０００９】
このように製作されたセラミック回路基板１１は、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　Ｇａｔｅ　Ｂｉｐｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＭＯＳ−ＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ　Ｏｘｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　−　Ｆｉｅｌｄ　Ｅｆｆｅｃｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の半導体素子１７等の電子部品を半田などの接着剤を介して接合した後、例えば、アルミニウム等の放熱部材１９に半田１６で接合される。さらに、この放熱部材１９は、放熱部材１９に設けられたねじ穴（図示せず）を用いて、グリース状の低熱伝導の伝熱性組成物２０を介して水冷式ヒートシンク２１にねじ止めされて接合されることによって、半導体モジュールが構成される。
【００１０】
水冷式ヒートシンク２１は、冷却液の流路１８内に冷却液としての水等の冷媒を循環させることにより、この冷媒によって放熱部材１９から伝導された熱を強制的に外部に伝達する。このように構成された半導体モジュールでは、半導体素子１７等が発した熱は、金属回路板１３・セラミック基板１２・金属板１５・半田１６・放熱部材１９および伝熱性組成物２０を介して水冷式ヒートシンク２１により外部に放散されるようになっている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の半導体モジュールでは、セラミック回路基板１１（セラミック基板１２の熱膨張係数が約３〜１０×１０−６／℃）とアルミニウム等の放熱部材１９（熱膨張係数が約１８〜２３×１０−６／℃）との熱膨張係数が大きく相違することから、セラミック回路基板１１と放熱部材１９との間の半田１６にクラックが発生し、放熱部材１９の剥離が生じて信頼性が著しく劣化する場合があるという問題点があった。
【００１２】
また、セラミック回路基板１１と放熱部材１９との熱膨張率の差によって、両者を半田１６により半田付けした後に冷却すると、反りが生じるという問題点もあった。この反りが大きい場合は、放熱部材１９とこれを冷却するための水冷式ヒートシンク２１との接着が悪くなるため、放熱特性が劣化することとなる。この反りは面積が大きな放熱部材１９を用いる程大きくなる。そして、この放熱部材１９が水冷式ヒートシンク２１にねじ止めにより接合されるので、半導体素子１７のスイッチングによる加熱・冷却の繰り返しによってさらに大きな曲げ荷重が加わることとなり、セラミック基板１２にクラックや割れが生じ、信頼性が低下するという問題点があった。
【００１３】
さらに、半導体素子１７等から水冷式ヒートシンク２１までの熱の伝達経路が比較的長く、特に熱伝導率の低い半田１６や伝熱性組成物２０を介して積層接着することに起因して半導体素子１７からの発熱を有効に水冷式ヒートシンク２１まで伝達して放散させることができない不具合が生じるという問題点もあった。
【００１４】
本発明は以上のような従来の技術の問題点に鑑み完成されたもので、その目的は、セラミック回路基板を損傷することがなく、半導体素子から水冷式ヒートシンクまでの伝達経路を短くして半導体素子からの熱を有効に放散し、かつ反りを抑制することができるセラミック回路基板およびこれを用いた半導体モジュールを提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明のセラミック回路基板は、２枚の窒化珪素板の間に金属板を挟んで接合して成る基体の両主面に金属回路板を互いに対向させて取着して成り、前記両主面の前記金属回路板にそれぞれ互いに対向しない位置に半導体素子が搭載されるとともに、前記金属板に前記半導体素子の搭載位置と対向するように配置された冷却液の流路を形成したことを特徴とするものである。
【００１６】
また、本発明の半導体モジュールは、上記構成のセラミック回路基板の前記金属回路板の前記搭載位置に前記半導体素子を搭載して成ることを特徴とするものである。
【００１７】
本発明のセラミック回路基板によれば、基体を機械的強度や破壊靭性値に優れる窒化珪素焼結体から成る窒化珪素板の間に金属板を挟んで接合して成るものとし、この基体を用いて、セラミック回路基板全体として金属回路板／窒化珪素板／金属板／窒化珪素板／金属回路板の構成としたことから、基体の中間層として金属板を設けることで基体の剛性が上がり、また、基体の両主面に金属回路板を互いに対向させて取着して成るため、基体の上下面の熱膨張係数を均衡させることができ、基板の反りをより効率よく抑制することが可能となる。そのため、熱的・機械的応力に起因するクラックや割れの発生を防止し、その結果として、クラックに起因する絶縁不良を防止して製品の信頼性を向上させることが可能となる。
【００１８】
また、本発明のセラミック回路基板によれば、基体の中間層として設けた金属板に半導体素子の搭載位置と対向するように配置された冷却液の流路が形成されているため、金属板が水冷式ヒートシンクの役割を果たす。従って、従来のセラミック回路基板のように、放熱部材のねじ止めによる外力によりセラミック基板である窒化珪素板に負荷がかかることが無い。また、半導体素子が発した熱は金属回路板−窒化珪素板−金属板という短経路にて伝達され、金属板中に形成された冷却液の流路に有効に伝達して冷却液により速やかに放散され、伝熱経路の途中に熱伝導率の低い半田や伝熱性組成物を介していないため、半導体素子から拡散された熱を効率よく放散することが可能であり、放熱特性が向上する。
【００１９】
さらに、本発明のセラミック回路基板によれば、基体の両主面に金属回路板を互いに対向させて取着して成り、両主面の金属回路板は、それぞれ半導体素子を搭載することが可能であるため、従来の半導体モジュール用のセラミック回路基板と比較して、半導体素子の実装密度を高めて半導体モジュールの小型化を図ることができる。また、基体の両主面のそれぞれ互いに対向しない位置に半導体素子が搭載されることから、両主面の半導体素子から拡散された熱量が分散されることとなるため、金属板にて熱干渉を起こすことによる冷却効率の低下がない。
【００２０】
このような構成により、基体の変形が抑制されるため、セラミック基板である窒化珪素板を損傷することがなく、放熱特性が良好であり、搭載される半導体素子を長期にわたり安定して作動させることができる半導体モジュールとして使用することができ、さらに、放熱特性が良好であることから、金属回路板に搭載される半導体素子等の電子部品の実装密度を高めることが可能である。
【００２１】
また、本発明の半導体モジュールによれば、上記構成の本発明のセラミック回路基板の金属回路板の搭載位置に半導体素子を搭載して成ることから、以上のような本発明のセラミック回路基板による作用効果を備えたものとなる。すなわち、セラミック回路基板における反りを効率よく抑制して熱的・機械的応力に起因するクラックや割れの発生を防止することができ、クラックに起因する絶縁不良を防止して製品の信頼性を向上させることが可能となる。また、金属板が水冷式ヒートシンクの役割を果たすため放熱部材のねじ止めによる外力によりセラミック基板である窒化珪素板に負荷がかかることが無く、また、短い伝熱経路で半導体素子から拡散された熱を効率よく放散することが可能である。また、両主面に半導体素子を搭載することが可能であるため、半導体素子の実装密度を高めて半導体モジュールの小型化を図ることができる。また、基体の両主面のそれぞれ互いに対向しない位置に半導体素子が搭載されており、両主面の半導体素子から拡散された熱量が分散されることとなるため、金属板にて熱干渉を起こすことによる冷却効率の低下がない。
【００２２】
従って、本発明の半導体モジュールによれば、基体の変形が抑制されて基体を損傷することがなく、放熱特性が良好であり、半導体素子等の電子部品の実装密度を高めることが可能で、搭載された半導体素子を長期にわたり安定して作動させることができる半導体モジュールとなる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明を添付図面に基づき詳細に説明する。
【００２４】
図１は本発明のセラミック回路基板およびそれを用いた半導体モジュールについて実施の形態の一例を示す断面図であり、図２はその平面図である。これらの図において、１は半導体モジュール、２は窒化珪素板、３および４は金属回路板、５は金属板、６は２枚の窒化珪素板２の間に金属板５を挟んで接合して成る基体７および８は電子部品としての半導体素子、１０は金属板５の内部に形成された冷却液の流路である。本発明の半導体モジュール１におけるセラミック回路基板は、２枚の窒化珪素板２の間に冷却液の流路１０を内蔵した金属板５を挟んで接合して成る基体６の一方の主面、ここでは上面に金属回路板３を、他方の主面、ここでは下面に金属回路板４を接合して成る、全体として５層構造の構成になっている。
【００２５】
窒化珪素板２は、窒化珪素質焼結体から成る板状体である。窒化珪素板２を得るには、まず窒化珪素粉末に希土類酸化物粉末や酸化アルミニウム粉末等の焼結助剤を添加・混合して窒化珪素質焼結体の原料粉末を調製する。次いで、この原料粉末に有機バインダおよび分散媒を添加・混合してペースト化し、このペーストをドクターブレード法等の成形法でシート状に成形して窒化珪素質グリーンシートを作製する。このような窒化珪素質グリーンシートを必要枚数積層し、プレス加工等を施して圧着（加圧接着）して窒化珪素質成形体を作製する。この後、窒化珪素質成形体を空気中もしくは窒素雰囲気等の非酸化性雰囲気中で脱脂処理した後、窒素雰囲気等の非酸化性雰囲気中で焼成することにより、目的とする窒化珪素板２を得ることができる。
【００２６】
窒化珪素板２は、金属回路板３・４上に搭載される半導体素子７・８等の電子部品が発生する熱を金属回路板３・４から金属板５へと有効に伝導して放散させ、セラミック回路基板および半導体モジュール１の放熱特性を向上させるためには、熱伝導率が少なくとも６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましく、半導体素子７・８の実装密度が大きくなることと半導体素子７・８の小型化による発熱密度が大きくなることから、特に８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、さらには１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましい。
【００２７】
また、窒化珪素板２は、セラミック回路基板および半導体モジュール１の機械的強度を向上させ、放熱特性を劣化させないためには、その厚みを０．２〜１．０ｍｍとすることが好ましい。厚みが０．２ｍｍ未満では、窒化珪素板２と金属回路板３・４と金属板５とを接合したときに発生する応力により、窒化珪素板２に割れ等が発生しやすくなる傾向がある。他方、厚みが１．０ｍｍを超えると、半導体素子７・８から発生する熱を冷却液の流路１０を内蔵した金属板５に良好に伝達することが困難となる傾向がある。
【００２８】
本発明の半導体モジュール１におけるセラミック回路基板は、前述のようにして製造した２枚の窒化珪素板２の間に金属板５を挟んで直接接合法や活性金属法を用いて接合して基体６を作製し、その基体６の上面および下面に、直接接合法や活性金属法を用いて導電性を有する銅やアルミニウム等の金属材料から成る金属回路板３および金属回路板４をそれぞれ接合することにより製造される。
【００２９】
例えば、活性金属法を用いる場合であれば、銀−銅合金粉末等から成る銀ロウ粉末やアルミニウム−シリコン合金粉末等から成るアルミニウムロウ粉末に、チタン・ジルコニウム・ハフニウム等の活性金属やその水素化物の少なくとも１種から成る活性金属粉末を２〜５重量％添加した活性金属ロウ材に、適当な有機溶剤・溶媒を添加混合して得た活性金属ロウ材ペーストを、窒化珪素板２の上下面に従来周知のスクリーン印刷技術を用いて金属回路板３・金属回路板４および金属板５に対応した所定パターンに印刷する。
【００３０】
その後、下から金属回路板４・窒化珪素板２・金属板５・窒化珪素板２・金属回路板３の順で、印刷された活性金属ロウ材ペーストパターンをそれぞれの間に挟むように載置し、これを真空中・中性雰囲気中または還元雰囲気中で、所定温度（銀ロウ材の場合は約９００℃、アルミニウムロウ材の場合は約６００℃）で加熱処理し、活性金属ロウ材を溶融させて、窒化珪素板２と金属板５ならびに金属回路板３および金属回路板４とを接合する。
【００３１】
銅やアルミニウム等から成る金属回路板３・４は、銅やアルミニウム等のインゴット（塊）に圧延加工法や抜き打ち加工法等従来周知の金属加工法を施すことによって、例えば、厚さが０．５ｍｍで、基体６の形状や回路配線パターンの形状等に対応する所定のパターン形状に製作される。あるいは、金属回路板３・４は、広面積の金属板を接合しておき、これからエッチングにより所定の回路を形成するようにしたものであってもよい。
【００３２】
金属回路板３・４は、基体６を介して、上下の主面で対称的な位置に互いに対向させて取着されていることから、金属回路板３・４に搭載された半導体素子７・８が動作発熱しても、窒化珪素板２と金属回路板３および金属回路板４との間の熱膨張係数の相違に起因するセラミック回路基板の反りの発生が抑制され、信頼性の高い半導体モジュール１を得ることができる。また、金属回路板３・４の両方の主面にそれぞれ半導体素子７・８を搭載可能なため、従来の半導体モジュール用のセラミック回路基板と比較して、半導体素子７・８の実装密度を高めて半導体モジュール１の小型化を図ることができる。
【００３３】
金属回路板３・４の厚さは、大電流による金属回路板３・４からの発熱を抑制し、また、金属回路板３・４と窒化珪素板２との接合時に接合界面に発生する熱負荷によるクラックを抑制するために、０．１〜１．０ｍｍが好ましい。金属回路板３・４の厚さが０．１ｍｍより小さいと、電気抵抗が大きくなるため半導体素子７・８からの大電流信号を伝播しにくくなる傾向がある。他方、１．０ｍｍより大きいと、窒化珪素板２と金属回路板３・４とを接合したときに発生する応力により、窒化珪素板２に割れ等が発生しやすくなる傾向がある。これら金属回路板３・４は、活性金属ロウ付け時や半導体素子７・８等の電子部品搭載のための半田リフロー時に生じる加熱による反りを抑制するために、同じ厚み・同じ材質にすることが好ましい。
【００３４】
また、金属回路板３・４は、銅から成る場合であれば、これを無酸素銅で形成しておくと、無酸素銅はロウ付けの際に銅の表面が銅中に存在する酸素により酸化されることなくロウ材との濡れ性が良好となり、ロウ材を介しての接合を強固なものとすることができる。したがって、金属回路板３・４は、これを無酸素銅で形成しておくことが好ましい。
【００３５】
さらに、金属回路板３・４は、その表面にニッケルから成る良導電性で、かつ耐蝕性およびロウ材との濡れ性が良好な金属をメッキ法により被着させておくと、金属回路板３・４と外部電気回路との電気的接続を良好なものにできるとともに、金属回路板３・４に半導体素子７・８等の電子部品を半田を介して強固に接着させることができる。従って、金属回路板３・４は、その表面にニッケルから成る良導電性で、かつ耐蝕性およびロウ材との濡れ性が良好な金属をメッキ法により被着させておくことが好ましい。
【００３６】
金属板５は、その内部に金属回路板３・４の半導体素子７・８の搭載位置に対向するように配置された冷却液の流路１０が冷却液の循環が可能なように形成されたものであって、例えば水冷式ヒートシンクを用いることができる。このような金属板５は、銅やアルミニウム等の金属、またはＣｕ−ＭｏやＡｌＳｉＣ系等の複合金属材料等により製作される。
【００３７】
金属板５の厚さは、冷却液の流路１０の圧力損失を小さくして冷却液の流量を多くすることにより金属板５と窒化珪素板２との接合界面に発生する熱負荷によるクラックを抑制するためには、１．０〜２０．０ｍｍが好ましい。また、冷却液の流路１０を溝状に形成した場合は、その深さは、圧力損失を小さくして冷却液の流量を多くとるために、０．５ｍｍ以上であることが好ましい。溝状の冷却液の流路１０の深さが０．５ｍｍより浅くなると、圧力損失が大きくなるため冷却液の流量が少なくなり、半導体素子７・８からの熱を効率よく冷却液に伝達しにくくなる傾向がある。
【００３８】
金属板５の厚さが１．０ｍｍより小さい場合は、金属板５の片側の肉厚が薄くなり過ぎることにより、金属板５と窒化珪素板２との接合時に加わる負荷により、金属板５が変形する可能性がある。他方、金属板５の厚さが２０．０ｍｍより大きいと、基体６が重くなることによりセラミック回路基板および半導体モジュール１自体が重くなるという問題がある。
【００３９】
冷却液の流路１０は、半導体素子７・８の搭載位置と対向するように少なくともそれら搭載位置の中心直下に設置される。また、冷却液の流路１０の内壁は、搭載される半導体素子７・８の中心から半導体素子７・８の外辺距離の１．５倍以上の範囲に位置するように設置されるのが好ましい。冷却液の流路１０の内壁が半導体素子７・８の搭載位置の中心直下を基準として半導体素子７・８の中心から半導体素子７・８の外辺距離の１．５倍未満の範囲に位置していると、半導体素子７・８から発生する熱はセラミック回路基板の横方向へも伝導するため、熱交換を行なうのに必要な冷却液の流路１０の幅が十分に確保できないことから、半導体素子７・８から拡散された熱を効率よく冷却することができない傾向がある。
【００４０】
また、冷却液の流路１０の形状は、半導体素子７・８の搭載位置と対向しつつ金属板５の全体にわたって例えば基体６を１周するような形状とされ、冷却液の圧力損失が大きくならないように冷却液の流路１０の中心が半導体素子７・８の直下を通るような構造とし、かつ流路長を短くし、流路１０の屈曲部が少なくなるような形状とするのが好ましい。また、冷却液の流路１０の幅を半導体素子７・８の外辺距離の３倍以上の範囲に維持しつつ、さらには、複数の仕切壁を冷却液の流路１０に平行に設置し、屈曲する個所においては曲率半径をできるだけ大きくすることにより、冷却液の流速を増やすことができ半導体素子７・８から拡散された熱を効率よく冷却することが可能となる。
【００４１】
以上のような本発明のセラミック回路基板に対し、金属回路板３・４の所定の搭載位置に半導体素子７・８等の電子部品を搭載して半田等を介して接合し、金属回路板３・４の所定の部位にアルミニウム等のボンディングワイヤで電気的に接続することにより、本発明の半導体モジュール１が構成される。このとき、金属回路板３・４に搭載される半導体素子７・８は、上下でそれぞれ互いに対向しない位置に搭載され、半導体素子７・８の中心から半導体素子７・８の外辺距離の１．５倍以上離れた位置にあるように搭載されることが好ましい。上下の半導体素子７・８が互いの半導体素子７・８の中心から半導体素子７・８の外辺距離の１．５倍より近い位置にあると、半導体素子７・８による発熱密度が大きくなることにより、両主面の半導体素子７・８から拡散された熱量が効果的に分散されないことから金属板５にて熱干渉を起こす傾向がある。その結果、両主面の半導体素子７・８から拡散された熱量と冷却液との熱交換を効果的に行なうことが困難となり、半導体素子７・８から拡散された熱を効率よく冷却できない傾向がある。
【００４２】
また、両主面の金属回路板３・４には、それぞれ互いに対向しない位置に半導体素子７・８が搭載されるため、従来の半導体モジュール用のセラミック回路基板と比較して、半導体素子７・８の実装密度を高めて半導体モジュール１の小型化を図ることができる。
【００４３】
以上の構成により、図１に示すような、半導体素子７・８から水冷式ヒートシンクとして機能する金属板５までの熱の伝達経路を短くして半導体素子７・８からの熱を有効に放散することができ、両主面の半導体素子７・８の熱干渉も低減した本発明のセラミック回路基板を用いた本発明の半導体モジュール１が完成する。
【００４４】
【実施例】
以下、実施例および比較例の試験結果を挙げて本発明のセラミック回路基板および半導体モジュールについて詳細に説明するが、本発明は以下の実施例のみに限定されるものではない。
【００４５】
図１に示した本発明のセラミック回路基板および半導体モジュール１について、表１の実施例の欄に示すような各厚み構成の半導体モジュールの熱抵抗θｊ−ｗ（単位：℃／Ｗ）を計算した。一方、比較例として、図３に示した従来のセラミック回路基板１１についても、表１の比較例の欄に示すような各厚み構成の半導体モジュールの熱抵抗θｊ−ｗを計算した。
【００４６】
なお、熱抵抗θｊ−ｗは、回路基板のサイズを３０ｍｍ□とし、これに搭載される半導体素子のチップサイズを８ｍｍ□として求めた。ただし、実施例においては、上側の主面に搭載した半導体素子のみ発熱したものとして、比較例との対比が容易なように設定している。この熱抵抗θｊ−ｗは、チップ温度Ｔｊと冷却液の流路の温度Ｔｗとについて定常熱伝導解析を行ない、各温度差を印加電力で割ることにより計算した。この熱抵抗θｊ−ｗは値が小さい程、放熱能力が高いと判断できる。このようにして求めた熱抵抗θｊ−ｗの結果を表１に示す。
【００４７】
【表１】
2004022973.tif 000003
【００４８】
表１に示す結果より、熱抵抗θｊ−ｗは、実施例では、半導体素子が発した熱は金属回路板−セラミック基板（窒化珪素板）−金属板という短経路にて冷却液の流路に有効に伝達して放散していることから、比較例のように熱伝導率の低い半田や伝熱性組成物あるいは余分に放熱部材を介していないため、放熱特性が熱抵抗θｊ−ｗで０．４９から０．３７へと向上していることが分かる。
【００４９】
なお、本発明は上述の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更は可能である。例えば、冷却液の流路１０中の半導体素子７・８の直下部においては、半導体素子７・８から拡散された熱を効率よく放散するために、冷却液との接触面積を大きくとれるように、フィン形状の熱交換板を設置してもよい。
【００５０】
【発明の効果】
本発明のセラミック回路基板によれば、機械的強度や破壊靭性値に優れる２枚の窒化珪素板の間に金属板を挟んで接合して成る基体の両主面に金属回路板を互いに対向させて取着して成ることから、基体の中間層として金属板を設けることで基体の剛性が上がり、また、基体の上下面の熱膨張係数を均衡させることができ、基板の反りをより効率よく抑制することが可能となる。そのため、熱的・機械的応力に起因するクラックや割れの発生を防止し、クラックに起因する絶縁不良を防止して、製品の信頼性を向上させることが可能となる。
【００５１】
また、本発明のセラミック回路基板によれば、基体の中間層として設けた金属板に半導体素子の搭載位置と対向するように配置された冷却液の流路が形成されているため、金属板が水冷式ヒートシンクの役割を果たし、従来のセラミック回路基板のように、放熱部材のねじ止めによる外力によりセラミック基板である窒化珪素板に負荷がかかることが無い。また、半導体素子が発した熱は金属回路板−窒化珪素板−金属板という短経路にて伝達され、金属板中に形成された冷却液の流路に有効に伝達して冷却液により速やかに放散され、伝熱経路の途中に熱伝導率の低い半田や伝熱性組成物を介していないため、半導体素子から拡散された熱を効率よく放散することが可能であり、放熱特性が向上する。
【００５２】
さらに、本発明のセラミック回路基板によれば、基体の両主面に金属回路板を互いに対向させて取着して成り、両主面の金属回路板には、それぞれ互いに対向しない位置に半導体素子が搭載されるため、従来の半導体モジュール用のセラミック回路基板と比較して、半導体素子の実装密度を高めて半導体モジュールの小型化を図ることができる。しかも、金属板に半導体素子の搭載位置と対向するように配置された冷却液の流路を形成してあることから、半導体素子から拡散された熱を効率よく放散することが可能である。また、基体の両主面の金属回路板には、それぞれ互いに対向しない位置に半導体素子が搭載されることから、両主面の半導体素子から拡散された熱量を分散することができるため、金属板にて熱干渉を起こすことによる冷却効率の低下がない。
【００５３】
このような構成により、セラミック基板である窒化珪素板を損傷することがなく、半導体素子から水冷式ヒートシンクとして機能する金属板までの熱の伝達経路を短くして半導体素子からの熱を有効に放散することができ、かつ基板の反りを抑制することができるので、搭載される半導体素子を長期にわたり安定して作動させることができる半導体モジュールとして使用することができ、金属回路板に搭載される半導体素子等の電子部品の実装密度を高めることが可能なセラミック回路基板となる。
【００５４】
また、本発明の半導体モジュールによれば、上記構成の本発明のセラミック回路基板の金属回路板の搭載位置に半導体素子を搭載して成ることから、以上のような本発明のセラミック回路基板による作用効果を備えたものとなる。すなわち、セラミック回路基板における反りを効率よく抑制して熱的・機械的応力に起因するクラックや割れの発生を防止することができ、クラックに起因する絶縁不良を防止して製品の信頼性を向上させることが可能となる。また、金属板が水冷式ヒートシンクの役割を果たすため放熱部材のねじ止めによる外力によりセラミック基板である窒化珪素板に負荷がかかることが無く、また、短い伝熱経路で半導体素子から拡散された熱を効率よく放散することが可能である。また、両主面に半導体素子を搭載することが可能であるため、半導体素子の実装密度を高めて半導体モジュールの小型化を図ることができる。また、基体の両主面のそれぞれ互いに対向しない位置に半導体素子が搭載されており、両主面の半導体素子から拡散された熱量が分散されることとなるため、金属板にて熱干渉を起こすことによる冷却効率の低下がない。
【００５５】
従って、本発明の半導体モジュールによれば、基体の変形が抑制されて基体を損傷することがなく、放熱特性が良好であり、半導体素子等の電子部品の実装密度を高めることが可能で、搭載された半導体素子を長期にわたり安定して作動させることができる半導体モジュールとなる。
【００５６】
以上により、本発明によれば、セラミック回路基板を損傷することがなく、半導体素子から水冷式ヒートシンクまでの伝達経路を短くして半導体素子からの熱を有効に放散し、かつ反りを抑制することができる、金属回路板上に搭載される半導体素子等の電子部品を長期にわたり安定して作動させることができる信頼性の高いセラミック回路基板およびこれを用いた半導体モジュールを提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセラミック回路基板および半導体モジュールの実施の形態の一例を示す断面図である。
【図２】本発明のセラミック回路基板および半導体モジュールの実施の形態の一例を示す平面図である。
【図３】従来のセラミック回路基板の例を示す断面図である。
【符号の説明】
１：半導体モジュール
２：窒化珪素板
３、４：金属回路板
５：金属板
６：基体
７、８：半導体素子
１０：冷却液の流路
【図１】
2004022973.tif 000004
【図２】
2004022973.tif 000005
【図３】
2004022973.tif 000006