(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板と、該セラミックス基板の少なくとも一方の主表面上に接合された導体層とを有する絶縁放熱基板であって、
前記導体層は上面と、前記セラミックス基板に接合する下面と、上面及び下面を連結する側面とを有し、
導体層とセラミックス基板を導体層の平面視輪郭の接線に対する法線方向及び厚み方向の両方に平行な断面で観察したとき、
前記上面の先端は前記下面の先端よりも導体層の前記法線方向に後退しており、
前記側面は前記上面の先端よりも導体層の前記法線方向に後退した箇所を有する内側に窪んだ湾曲線状の輪郭を有しており、
前記上面と前記側面の連結部は、前記上面の先端に内接し、且つ、前記上面及び前記側面の内側に形成することのできる円の最大半径Ｒが平均で０．１μｍ≦Ｒ≦５μｍとなるような丸み形状を有する、
絶縁放熱基板。
【請求項２】
導体層とセラミックス基板を導体層の前記法線方向及び厚み方向の両方に平行な断面で観察したとき、前記上面の先端への前記下面の先端からの導体層の前記法線方向の平均距離Ｌ１、及び導体層の平均厚みＤが、１≦Ｄ／Ｌ１≦５０の関係を満たす請求項１に記載の絶縁放熱基板。
【請求項３】
導体層とセラミックス基板を導体層の前記法線方向及び厚み方向の両方に平行な断面で観察したとき、前記側面における導体層の前記法線方向に最も後退した箇所への前記上面の先端からの導体層の前記法線方向の平均距離Ｌ２、及び導体層の平均厚みＤが、１≦Ｄ／Ｌ２≦２０の関係を満たす請求項１又は２に記載の絶縁放熱基板。
【請求項４】
導体層とセラミックス基板を導体層の前記法線方向及び厚み方向の両方に平行な断面で観察したとき、前記上面の先端への前記下面の先端からの導体層の前記法線方向への平均距離Ｌ１、前記側面における導体層の前記法線方向に最も後退した箇所への前記上面の先端からの導体層の前記法線方向の平均距離Ｌ２、及び導体層の平均厚みＤが、１≦Ｄ／（Ｌ１＋Ｌ２）≦１５の関係を満たす請求項１〜３の何れか一項に記載の絶縁放熱基板。
【請求項５】
導体層とセラミックス基板を導体層の前記法線方向及び厚み方向の両方に平行な断面で観察したとき、前記上面は前記上面の先端に近づくに従って下方に傾斜する部位を有し、且つ、該部位の前記法線方向の長さは平均で３００μｍ以下である請求項１〜４の何れか一項に記載の絶縁放熱基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、絶縁放熱基板に関し、特に、パワー半導体が実装される絶縁放熱基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＨＥＶ／ＥＶや電車等の電力制御にパワー半導体モジュールが使用されている。パワー半導体モジュールは、例えばスイッチング素子、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴなどのパワー半導体、回路形成用の導体層（例えば島状金属板）を備えた絶縁放熱基板、冷却部材、及び、筺体で構成される。パワー半導体モジュールは、大電力制御を行うため高電圧が掛かる。それゆえ、パワー半導体を実装する絶縁放熱基板には、隣接する導体層間での電気絶縁性が要求される。【０００３】
絶縁放熱基板としては、アルミナ基板、窒化アルミニウム基板、窒化珪素基板などのセラミックス基板に薄銅板を直接接合したＤＣＢ（Direct Copper Bond）基板が広く知られている。また、アルミナ基板、窒化アルミニウム基板、あるいは窒化珪素基板などのセラミックス基板と薄銅板とを、活性金属を含むロウ材（接合材）を用いて形成される接合層を介して接合してなるＡＭＢ（Active Metal Bonding）基板も、絶縁放熱基板として広く知られている。このような絶縁放熱基板については、更なる高性能化を図るべく日夜研究開発が続けられている。【０００４】
導体層間での電気絶縁性に関して、特開２００２−２３２０９０号公報（特許文献１）には、セラミック基板の上面に複数の金属回路板を取着して成るセラミック回路基板であって、前記複数の金属回路板に印加される電圧が４００Ｖ以上、隣接する金属回路板間の距離が１．５ｍｍ以下、金属回路板の上面外周角部の曲率半径が０．０５ｍｍ以上の円弧状であることを特徴とするセラミック回路基板に関する発明が開示されている。特許文献１には、当該発明によれば、金属回路板の上面角部に電荷が集中することがなく、金属回路板に４００Ｖ以上と高電圧な電流が印加され、隣接する金属回路板間の距離が１．５ｍｍ以下に狭くなったとしても金属回路板間に放電が発生することは効果的に防止され、その結果、隣接する金属回路板間の電気的絶縁が確実となりセラミック回路基板を安定して信頼性よく作動させることが可能となると記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−２３２０９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年、パワー半導体モジュールに対して、出力密度の向上や小型化が要求されるようになってきている。特許文献１に記載の発明によれば、金属回路板間の放電が抑制されると記載されているが、パワー半導体モジュールの更なる小型化のためには、金属回路板間の放電を抑制するとともに、絶縁放熱基板の単位面積当たりの半導体チップ搭載面積を大きくする必要がある。この点、特許文献１に記載の発明では、金属回路板の上面外周角部が０．０５ｍｍ（５０μｍ）以上の曲率半径をもつ円弧形状によって面取りされており、金属回路板の上面の先端には大きなデッドエリアが生じ、半導体チップをボンディングする面積が小さくなってしまう。このため、特許文献１に記載の発明はパワー半導体モジュールの小型化及び金属回路板間の放電抑制の両立という観点からは未だ改善の余地が残されている。【０００７】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、隣接する導体層間の電気絶縁性を確保しながらも、半導体チップのボンディングエリアを大きくすることのできる絶縁放熱基板を提供することを課題の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は上記課題を解決するべく鋭意検討したところ、導体層上面の先端を隣接する導体層の方へ迫り出すようにしてボンディングエリアを大きくしたとしても、導体層上面の先端付近の断面形状が丸みを帯びている場合には、隣接する導体層間の電気絶縁性を向上できることを見出した。しかもこの場合、導体層上面の先端付近における丸みを特許文献１において必要とされる曲率半径に比べて著しく小さくしたとしても、導体層間に十分な電気絶縁性が得られることを見出した。本発明は上記知見に基づき完成した。【０００９】
本発明は一側面において、
セラミックス基板と、該セラミックス基板の少なくとも一方の主表面上に接合された導体層とを有する絶縁放熱基板であって、
前記導体層は上面と、前記セラミックス基板に接合する下面と、上面及び下面を連結する側面とを有し、
導体層とセラミックス基板を導体層の平面視輪郭の接線に対する法線方向及び厚み方向の両方に平行な断面で観察したとき、
前記上面の先端は前記下面の先端よりも導体層の前記法線方向に後退しており、
前記側面は前記上面の先端よりも導体層の前記法線方向に後退した箇所を有する内側に窪んだ湾曲線状の輪郭を有しており、
前記上面と前記側面の連結部は、前記上面の先端に内接し、且つ、前記上面及び前記側面の内側に形成することのできる円の最大半径Ｒが平均で０．１μｍ≦Ｒ≦５μｍとなるような丸み形状を有する、
絶縁放熱基板である。【００１０】
本発明に係る絶縁放熱基板は一実施形態において、導体層とセラミックス基板を導体層の前記法線方向及び厚み方向の両方に平行な断面で観察したとき、前記上面の先端への前記下面の先端からの導体層の前記法線方向の平均距離Ｌ１、及び導体層の平均厚みＤが、１≦Ｄ／Ｌ１≦５０の関係を満たす。【００１１】
本発明に係る絶縁放熱基板は別の一実施形態において、導体層とセラミックス基板を導体層の前記法線方向及び厚み方向の両方に平行な断面で観察したとき、前記側面における導体層の前記法線方向に最も後退した箇所への前記上面の先端からの導体層の前記法線方向の平均距離Ｌ２、及び導体層の平均厚みＤが、１≦Ｄ／Ｌ２≦２０の関係を満たす。【００１２】
本発明に係る絶縁放熱基板は更に別の一実施形態において、導体層とセラミックス基板を導体層の前記法線方向及び厚み方向の両方に平行な断面で観察したとき、前記上面の先端への前記下面の先端からの導体層の前記法線方向への平均距離Ｌ１、前記側面における導体層の前記法線方向に最も後退した箇所への前記上面の先端からの導体層の前記法線方向の平均距離Ｌ２、及び導体層の平均厚みＤが、１≦Ｄ／（Ｌ１＋Ｌ２）≦１５の関係を満たす。【００１３】
本発明に係る絶縁放熱基板は別の一実施形態において、導体層とセラミックス基板を導体層の前記法線方向及び厚み方向の両方に平行な断面で観察したとき、前記上面は前記上面の先端に近づくに従って下方に傾斜する部位を有し、且つ、該部位の前記法線方向の長さは３００μｍ以下である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、隣接する導体層間の電気絶縁性を確保しながら、半導体チップのボンディングエリアが従来に比べて大きな絶縁放熱基板が提供される。このため、本発明は、実用性に優れた小型のパワー半導体モジュールの製造に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係る絶縁放熱基板を、導体層とセラミックス基板を導体層の平面視輪郭の接線に対する法線方向及び厚み方向の両方に平行な断面で部分観察したときの模式図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る絶縁放熱基板を、導体層とセラミックス基板を導体層の平面視輪郭の接線に対する法線方向及び厚み方向の両方に平行な断面で部分観察したときの、導体層の上面の先端付近のＳＥＭ画像である。
【図３】実施例において作製した絶縁放熱基板の平面模式図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る絶縁放熱基板の断面（ａ）を、従来の絶縁放熱基板の断面（ｂ）と対比して示した模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、以下の実施の形態に対し適宜変更、改良等が加えられたものも本発明の範囲に入ることが理解されるべきである。
【００１７】
＜１．絶縁放熱基板＞
図１は、本発明の一実施形態に係る絶縁放熱基板１００について、導体層とセラミックス基板を導体層の平面視輪郭の接線に対する法線方向及び厚み方向の両方に平行な断面で隣接し合う導体層を部分観察したときの模式図である。本明細書において、平面視とは絶縁放熱基板をその投影面積が最大となる方向から観察する方法を意味し、厚み方向とは当該観察方向に平行な方向を指す。導体層１２０の平面視輪郭の接線に対する法線の例を図３に点線Ｎ1−Ｎ1’及び点線Ｎ2−Ｎ2’で示す。絶縁放熱基板１００は、セラミックス基板１０２と、セラミックス基板１０２の少なくとも一方の主表面上に接合された導体層１０４とを有する。導体層１０４はセラミックス基板１０２の一方の主表面上に接合されてもよいし、両方の主表面上に接合されてもよい。
【００１８】
導体層１０４は上面１０４ａと、セラミックス基板１０２に接合する下面１０４ｂと、上面１０４ａ及び下面１０４ｂを連結する側面１０４ｃとを有する。セラミックス基板１０２は、導体層の下面１０４ｂに接合する接合面１０２ａを有する。本明細書においては、セラミックス基板１０２と導体層１０４の接合界面（下面１０４ｂ及び接合面１０２ａ）を基準として、セラミックス基板１０２から厚み方向に離れていく方向を「上方向」とし、導体層１０４から厚み方向に離れていく方向を「下方向」として定義する。
【００１９】
絶縁放熱基板１００は、例えばスイッチング素子、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴなどの図示しないパワー半導体を含むパワー半導体モジュールにおいて、該パワー半導体が実装される基板として使用可能である。絶縁放熱基板１００の平面図の一例を図３に示す。導体層１０４は電気回路を形成するための任意のパターンで形成することができ、導体層１０４（例：島状金属板）上にパワー半導体を実装することができる。図３においては、所定形状の三つの島状金属板Ａ、Ｂ、Ｃが絶縁放熱基板１００に形成されている。
【００２０】
セラミックス基板１０２としては、窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）基板や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板などの窒化物セラミックス基板の他、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）基板が例示される。本発明を実現する上においては、セラミックス基板１０２の平面形状やサイズに特段の制限はないが、パワー半導体モジュールの小型化を図るという観点からは、一辺が２０ｍｍ〜７０ｍｍ程度で厚みが０．１ｍｍ〜１．０ｍｍの平面視矩形状のセラミックス基板１００が例示される。
【００２１】
導体層１０４は、銅（Ｃｕ）、銅合金、アルミニウム（Ａｌ）、アルミニウム合金などの金属で形成することができる。導体層１０４は、タングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）等の高融点金属または銀（Ａｇ）からなるメタライズ層で形成することもできる。その他、ニッケル、鉄、チタン、モリブデンを使用することもできる。導体層１０４の平均厚みＤ（導体層１０４の上面１０４ａと下面１０４ｂの高さの差の平均）については、パワー半導体モジュールの小型化を図るという観点からは、０．３ｍｍ〜２．０ｍｍであることが好ましく、０．５ｍｍ〜１．５ｍｍであることがより好ましい。
【００２２】
図１を参照すると、本発明の一実施形態に係る絶縁放熱基板１００においては、導体層の上面の先端１０４ｄは導体層の下面の先端１０４ｅよりも導体層１０４の前記法線方向に後退している。また、この絶縁放熱基板１００においては、導体層の側面１０４ｃは導体層の上面の先端１０４ｄよりも導体層１０４の前記法線方向に後退した箇所を有する内側に窪んだ湾曲線状の輪郭を有している。このような構成を有していることで、隣接する導体層間の距離が近づきすぎるのが防止されるので、隣接する導体層間の電気絶縁性を高めることができる一方で、導体層の上面の先端１０４ｄは隣接する導体層の方へ迫り出しているため、ボンディングエリアを大きくすることができる。
【００２３】
ここで、導体層の上面の先端１０４ｄとは、上記断面観察を行ったとき、導体層の上面１０４ａと導体層の側面１０４ｃの連結部１０６において、導体層１０４が前記法線方向に最も迫り出した地点を指す。導体層の下面の先端１０４ｅとは、上記断面観察を行ったとき、導体層の下面１０４ｂと導体層の側面１０４ｃの連結部１０８において、導体層が前記法線方向に最も迫り出した地点を指す。
【００２４】
図４には、本発明の一実施形態に係る絶縁放熱基板の断面（ａ）を、従来の絶縁放熱基板の断面（ｂ）と対比して示してある。両者の対比から理解できるように、従来の絶縁放熱基板では断面が台形状となっていることからデッドエリアが大きく、半導体チップを搭載することのできるボンディングエリアが小さいのに対して、本発明に係る絶縁放熱基板によれば、デッドエリアがほとんどないため、半導体チップを搭載することのできるボンディングエリアを大きくできることが分かる。このため、本発明によれば、半導体チップの搭載量が同じであれば絶縁放熱基板の面積を小さくできる、換言すれば、半導体モジュールを小型化することができることになる。
【００２５】
このような断面構造をもつ絶縁放熱基板１００において、隣接する導体層間の電気絶縁性に顕著な影響を与えるのが、導体層の上面１０４ａと導体層の側面１０４ｃの連結部１０６の形状である。当該連結部１０６を少し丸みを帯びた形状にするだけで、隣接する導体層の上面の先端１０４ｄ同士の平均距離Ｌ３が同じだとしても、電気絶縁性が大幅に改善する。本発明の一実施形態に係る絶縁放熱基板１００においては、導体層１０４とセラミックス基板１０２を導体層１０４の平面視輪郭の接線に対する法線方向及び厚み方向の両方に平行な断面で観察したとき、導体層の上面１０４ａと導体層の側面１０４ｃの連結部１０６は、導体層の上面の先端１０４ｄに内接し、且つ、導体層の上面１０４ａ及び導体層の側面１０４ｃの内側に形成することのできる円の最大半径Ｒが平均で０．１μｍ≦Ｒ≦５μｍとなるような丸み形状を有する。
【００２６】
隣接する導体層間の電気絶縁性を高めるという観点からは、最大半径Ｒの平均は０．１μｍ以上であることが好ましく、０．４μｍ以上であることがより好ましく、０．６μｍ以上であることが更により好ましく、１．０μｍ以上であることが更により好ましく、２．０μｍ以上であることが更により好ましい。最大半径Ｒは大きい方が電気絶縁性の向上に寄与するが、過度に大きくしても放電抑制効果が飽和する傾向にあり、連結部１０６の形状加工に余計な手間及び時間を要することから、最大半径Ｒの平均は５μｍ以下であるのが生産性の観点から好ましい。
【００２７】
本明細書においては、導体層の上面の先端１０４ｄを境界地点として、当該先端１０４ｄよりも上側の部分を導体層の上面１０４ａとし、下側の部分を導体層の側面１０４ｃとする。本発明の幾つかの実施形態においては、導体層の上面１０４ａは先端１０４ｄに向かって下方に傾斜した形状を有することがあるが、上記定義に従えば、このような傾斜部分も導体層の上面１０４ａの一部として捉えることになる。傾斜部分が長くなるとボンディングエリアが小さくなるため、傾斜部分は短いことが望ましい。具体的には、導体層とセラミックス基板を導体層の前記法線方向及び厚み方向の両方に平行な断面で観察したとき、前記上面は前記上面の先端に近づくに従って下方に傾斜する部位を有し、且つ、該部位の前記法線方向の長さは平均で３００μｍ以下であることが好ましく、２５０μｍ以下であることがより好ましく、２００μｍ以下であることが更により好ましく、例えば５０〜３００μｍの範囲とすることができ、典型的には１００〜２５０μｍの範囲とすることができる。本発明において、傾斜部位の前記法線方向の長さは、始点を導体層の前記法線方向を傾斜角度０°として、導体層上面の下方への傾斜角度が最初に１°に到達した箇所とし、終点を導体層上面の先端として測定することとする。
【００２８】
図２は、本発明に係る絶縁放熱基板の一実施形態に係る導体層の連結部１０６の近傍を断面観察したときのＳＥＭ写真である。図２において、連結部１０６は最大半径Ｒが０．５μｍの内接円を形成することのできる丸み形状を有する。また、導体層の上面が先端に向かって下方に傾斜した形状を有していることが確認できる。
【００２９】
なお、最大半径Ｒの平均値は、測定対象となる絶縁放熱基板の任意の５箇所以上の断面観察により求めることとする（以下のパラメータの平均値についても同様である。）。
【００３０】
本発明の一実施形態に係る絶縁放熱基板１００においては、導体層１０４とセラミックス基板１０２を導体層１０４の平面視輪郭の接線に対する法線方向及び厚み方向の両方に平行な断面で観察したとき、導体層の上面の先端１０４ｄへの導体層の下面の先端１０４ｅからの導体層１０４の前記法線方向の平均距離Ｌ１を認識することができる。隣接する導体層間の電気絶縁性と、半導体チップのボンディングエリアの両方を確保するという観点からは、当該平均距離Ｌ１及び導体層の平均厚みＤが、１≦Ｄ／Ｌ１≦５０の関係を満たすことが好ましい。隣接する導体層の下面の先端１０４ｅの間の平均距離Ｌ４を一定にして比較した場合、隣接する導体層間の電気絶縁性を高めるという観点からは、Ｄ／Ｌ１≦３０を満たすことが好ましく、Ｄ／Ｌ１≦２０を満たすことがより好ましく、Ｄ／Ｌ１≦１０を満たすことが更により好ましく、Ｄ／Ｌ１≦５を満たすことが更により好ましい。また、隣接する導体層の下面の先端１０４ｅの間の平均距離Ｌ４を一定にして比較した場合、ボンディングエリアを大きくするという観点からは、２≦Ｄ／Ｌ１を満たすことが好ましく、４≦Ｄ／Ｌ１を満たすことがより好ましい。
【００３１】
例示的には、平均距離Ｌ１は５μｍ以上とすることができ、１０μｍ以上とすることもでき、５０μｍ以上とすることもでき、１００μｍ以上とすることもできる。また、平均距離Ｌ１は３００μｍ以下とすることができ、２５０μｍ以下とすることもでき、２００μｍ以下とすることもでき、１５０μｍ以下とすることもできる。
【００３２】
本発明の一実施形態に係る絶縁放熱基板１００においては、導体層１０４とセラミックス基板１０２を導体層１０４の平面視輪郭の接線に対する法線方向及び厚み方向の両方に平行な断面で観察したとき、導体層１０４の側面１０４ｃにおける導体層１０４の前記法線方向に最も後退した箇所への導体層の上面の先端１０４ｄからの導体層１０４の前記法線方向の平均距離Ｌ２を認識することができる。パワー半導体モジュールは、冷熱サイクル環境下で使用されるため、パワー半導体を実装する絶縁放熱基板には、隣接する導体層間での電気絶縁性に加えて、冷熱サイクルに対する耐久性も要求されるところ、平均距離Ｌ２と導体層の平均厚みＤの関係、更には平均距離Ｌ１、平均距離Ｌ２及び導体層の平均厚みＤの関係を制御することにより、冷熱サイクルに対する耐久性を高めることができる。
【００３３】
具体的には、平均距離Ｌ２及び導体層の平均厚みＤは、冷熱サイクル耐久性を高めるという観点から、Ｄ／Ｌ２≦２０を満たすことが好ましく、Ｄ／Ｌ２≦１５を満たすことがより好ましく、Ｄ／Ｌ２≦１０を満たすことが更により好ましく、Ｄ／Ｌ２≦６を満たすことが更により好ましい。但し、導体層の機械的強度を高めるという観点からは、１≦Ｄ／Ｌ２を満たすことが好ましく、２≦Ｄ／Ｌ２を満たすことがより好ましく、４≦Ｄ／Ｌ２を満たすことが更により好ましい。
【００３４】
また、平均距離Ｌ１、平均距離Ｌ２及び導体層の平均厚みＤは、冷熱サイクル耐久性を高めるという観点から、Ｄ／（Ｌ１＋Ｌ２）≦１５の関係を満たすことが好ましく、Ｄ／（Ｌ１＋Ｌ２）≦１０であることが好ましく、Ｄ／（Ｌ１＋Ｌ２）≦５であることがより好ましく、Ｄ／（Ｌ１＋Ｌ２）≦３であることが更により好ましく、Ｄ／（Ｌ１＋Ｌ２）≦２であることが更により好ましい。但し、導体層の機械的強度及びボンディングエリアを確保するという観点からは、１≦Ｄ／（Ｌ１＋Ｌ２）であることが好ましく、２≦Ｄ／（Ｌ１＋Ｌ２）であることがより好ましい。
【００３５】
例示的には、平均距離Ｌ２は２０μｍ以上とすることができ、４０μｍ以上とすることもでき、６０μｍ以上とすることもできる。また、平均距離Ｌ２は１５０μｍ以下とすることができ、１００μｍ以下とすることもでき、９０μｍ以下とすることもできる。
【００３６】
導体層１０４とセラミックス基板１０２を導体層１０４の平面視輪郭の接線に対する法線方向及び厚み方向の両方に平行な断面で観察したとき、隣接する導体層の上面の先端１０４ｄの間の前記法線方向の平均距離Ｌ３は、長い方が隣接する導体層間の電気絶縁性を大きくできる一方で、短い方が半導体モジュールの小型化に寄与する。このため、電気絶縁性を向上するという観点からは、平均距離Ｌ３は、１．０ｍｍ以上とするのが好ましく、１．５ｍｍ以上とするのがより好ましく、２．０ｍｍ以上とするのが更により好ましい。また、小型化に資するという観点からは、平均距離Ｌ３は、３．０ｍｍ以下とするのが好ましく、２．５ｍｍ以下とするのがより好ましく、２．０ｍｍ以下とするのが更により好ましい。
【００３７】
導体層１０４とセラミックス基板１０２を導体層１０４の平面視輪郭の接線に対する法線方向及び厚み方向の両方に平行な断面で観察したとき、隣接する導体層の下面の先端１０４ｅの間の該法線方向の平均距離Ｌ４は、長い方が隣接する導体層間の電気絶縁性を大きくできる一方で、短い方が半導体モジュールの小型化に寄与する。具体的には、電気絶縁性を向上するという観点からは、平均距離Ｌ４は、１．０ｍｍ以上とするのが好ましく、１．５ｍｍ以上とするのがより好ましく、２．０ｍｍ以上とするのが更により好ましい。また、小型化に資するという観点からは、平均距離Ｌ４は、３．０ｍｍ以下とするのが好ましく、２．５ｍｍ以下とするのがより好ましく、２．０ｍｍ以下とするのが更により好ましい。
【００３８】
＜２．製造方法＞
本発明に係る絶縁放熱基板は、セラミックス基板と金属板又は金属箔とを接合して接合基板を作製した後、リソグラフィ技術及びエッチング技術を用いて電気回路パターンを形成し、更に導体層上面の先端付近の断面形状に丸みを付与する処理を実施することにより製造することができる。任意の回路パターンを形成することにより製造することができる。
【００３９】
セラミックス基板と金属板又は金属箔とを接合して接合基板を作製する方法は公知の任意の技術を使用すればよい。代表的にはセラミックス基板と金属板又は金属箔とを直接接合してＤＣＢ基板を作製する方法、及び、セラミックス基板と金属板又は金属箔とを活性金属を含むロウ材（接合材）を用いて形成される接合層を介して接合してＡＭＢ基板を作製する方法が挙げられる。これらの中でも接合強度を高めるという観点からは、Ａｇ及びＴｉを含むろう材を用いて加熱加圧接合（ホットプレス）する方法が好ましい。ろう材は導体であるから、本発明においては、接合層も導体層の一部として取り扱うこととする。
【００４０】
ろう材を用いてホットプレスする場合、接合雰囲気は、活性金属であるＴｉが酸化もしくは窒化すると、そもそも接合ができないために、真空もしくはＡｒ雰囲気とする必要がある。接合強度を高めるという観点からは、接合圧力は５ＭＰａ以上が望ましい。但し、接合圧力が高すぎると接合の際にセラミックス基板を破壊してしまうおそれがあるから、接合圧力は２５ＭＰａ以下が望ましい。接合温度は使用するろう材の種類により適宜調整すればよいが、Ａｇ及びＴｉを含むろう材を用いる場合、８００℃〜１０００℃程度とするのが好適である。
【００４１】
なお、ろう材としては、低融点化のためにＡｇにＣｕ、Ｓｎ、Ｉｎ等の一種又は二種以上が添加されたもの、また、それらの合金粉末に、Ｔｉを加えたものを用いることもできる。例えば、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系のろう材としては、Ａｇ、Ｃｕ、Ｔｉをそれぞれ組成重量比で３０〜７０％、０〜４０％、０．１〜２０％なる範囲で含有するものが例示され、これらの組成範囲を充足する市販のものを用いることも可能である。
【００４２】
接合基板を作製した後のリソグラフィ技術及びエッチング技術も公知の任意の方法を採用すればよいが、エッチング方法としてはウェットエッチングが特に好適である。エッチング条件によって導体層の側面形状や、導体層の上面１０４ａと導体層の側面１０４ｃの連結部１０６の形状が影響を受け、上述したＬ１、Ｌ２、Ｌ３及びＬ４が変化するので、エッチング条件には留意する必要がある。
【００４３】
導体層１０４とセラミックス基板１０２を導体層１０４の平面視輪郭の接線に対する法線方向及び厚み方向の両方に平行な断面で観察したとき、導体層の上面の先端１０４ｄが導体層の下面の先端１０４ｅよりも前記法線方向に後退した断面形状を形成するには、所望のレジストパターンを形成した後、ウェットエッチングすることが望ましい。エッチング液は塩化鉄（III）ＦｅＣｌ3の水溶液等、市販のウェットエッチング液を使用することができる。
【００４４】
導体層１０４とセラミックス基板１０２を導体層１０４の平面視輪郭の接線に対する法線方向及び厚み方向の両方に平行な断面で観察したとき、導体層の側面１０４ｃが導体層の上面の先端１０４ｄよりも前記法線方向に後退した箇所を有する内側に窪んだ湾曲線状の輪郭を有するためには、所望のレジストパターンを形成した後、ウェットエッチングすることが望ましい。エッチング液は塩化鉄（III）ＦｅＣｌ3の水溶液等、市販のウェットエッチング液を使用することができる。
【００４５】
エッチング時間を短くすると、Ｌ１が大きく、Ｌ２が小さく、Ｌ４が小さくなりやすい。逆にエッチング時間を長くすると、Ｌ１が小さく、Ｌ２が大きく、Ｌ４が大きくなりやすい。Ｌ３及びＬ４はレジストパターンで基本的な調整が可能であり、レジストを除去する幅（導体層のうちレジストで覆われていない部分）が大きくなるほど、エッチング時にＬ３及びＬ４が全体的に大きくなる。
【００４６】
エッチングにより導体層に回路パターンを形成した直後は、導体層上面の先端付近の断面形状は極めて鋭くなっているのが通常である。そこで、エッチングにより導体層に回路パターンを形成した後に、導体層上面の先端付近の断面形状に丸みを付与する処理（以下、「丸み付け処理」という）を実施することが重要となる。丸み付け処理の方法としては、例えば、ウェットブラスト、乾式ブラスト、切削、レーザー加工、その他の機械加工が挙げられるが、丸み形状の制御しやすさの観点からウェットブラストが好ましい。ウェットブラストを採用する場合、噴射圧力及び噴射時間、ウェットブラストに使用する研削材の種類及び粒径によって丸みの状態が変化するため、適切な条件を適宜選定することが望まれる。一般には、導体層の上面１０４ａと導体層の側面１０４ｃの連結部１０６における先述した円の最大半径Ｒはウェットブラストの時間を長くすることで大きくすることができ、ウェットブラストの時間を短くすることで小さくすることができる。
【００４７】
ウェットブラストを行うと、導体層の上面１０４ａがその先端１０４ｄに近づくに従って下方に傾斜する断面形状が得られやすいが、ボンディングエリアを大きくすると言う観点からはこの傾斜長さは短いことが望ましい。傾斜部分の長さを抑制するには、ウェットブラストの時間を短くするほうが好ましい。但し、ウェットブラストの時間を短くすると上記の最大半径Ｒが小さくなりやすいので、両者のバランスを見ながらウェットブラストの条件を設定することが好ましい。
【００４８】
丸み付け処理の後、種々の表面処理を行うことができる。表面処理の例としては、限定的ではないが、酸処理、アルカリ処理、洗浄、めっき、防錆処理等が挙げられる。
【実施例】
【００４９】
以下、本発明を実施例によって更に具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではない。【００５０】
（１．絶縁放熱基板の作製）
セラミックス基板として厚み０．３ｍｍの平面視矩形状（横２１ｍｍ×縦２１ｍｍ）の窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）基板を用意した。当該窒化珪素基板の片面側に平均厚みＤ＝０．５ｍｍの平面視矩形状（横２１ｍｍ×縦２１ｍｍ）の銅（Ｃｕ）板をろう材を用いてホットプレスにより接合し、セラミック基板と銅板の接合基板を得た。ろう材としては、組成重量比がＡｇ：５１質量％、Ｃｕ：２４質量％、Ｉｎ：１１質量％、Ｔｉ：１４質量％であるものを用いた。ホットプレスは８５０℃の真空下で接合圧力２０ＭＰａの条件で行った。【００５１】
上記の手順で得られた接合基板から、フォトリソグラフィによるパターン形成及びウェットエッチングを経て、図３示すような導体パターン（隣接する導体層の下面の先端間の平均距離Ｌ４＝１．０ｍｍ）を形成した。エッチング液としては塩化第二銅及び塩化第二鉄等を含有する水溶液（ｐＨ＝１〜３）を使用した。ウェットエッチング時間は３つのグループに分け、各グループで同一のエッチング時間とした。比較例１及び実施例１〜３はグループ１、比較例２及び実施例４〜６はグループ２、比較例３及び実施例７〜９はグループ３とした。グループ１のエッチング時間Ｔ1、グループ２のエッチング時間Ｔ2、及びグループ３のエッチング時間Ｔ3の関係は、Ｔ1＜Ｔ2＜Ｔ3とした。【００５２】
導体パターンを形成後、比較例を除く試験例については、導体層上面の先端付近の断面形状の丸み付けを行うために接合基板の導体パターン形成面に対してウェットブラストを実施した。ウェットブラストは、ウェットブラスト装置を使用し、水と研削材（粒径１０〜２０μｍ程度のＳｉＣ粒子）のスラリーを、導体パターン形成面に対して垂直な方向から噴射することにより行った。この際、噴射圧力を０．１５ＭＰａとし、ノズルの移動速度を１００ｍｍ／ｓｅｃとし、表１に示すようにパス回数を変化させた。１回のパスで、スリット状ノズルを接合基板の一辺からこれに対向する辺に向かって移動させ、これにより全面が一度ウェットブラストされる。パス回数とは、この操作の繰り返し回数を表す。パス回数の変化に伴い、導体層の上面の先端に内接し、且つ、導体層の上面及び側面の内側に形成することのできる円（以下、「内接円」という。）の最大半径Ｒ及び傾斜部位の前記法線方向の長さが表２に示すように変化した。【００５３】
【表１】
0006295382.tif 000002
【００５４】
（２．全体形状の評価）
上記の工程を経て得られた各試験例の絶縁放熱基板について、導体層とセラミックス基板を導体層の平面視輪郭の接線に対する法線方向及び厚み方向の両方に平行な断面が露出するように切断し、樹脂埋め後、露出した断面を研磨して、ＳＥＭ観察を８０倍で行い、以下の評価を行った。結果を表２に示す。
（ａ）評価１
導体層の上面の先端が導体層の下面の先端よりも導体層の平面視輪郭の接線に対する法線方向に後退しているか否かを評価した。評価は、任意の５箇所の断面について行い、５箇所の断面すべてが上記条件を満たす場合にＹＥＳとし、それ以外はＮＯとした。
（ｂ）評価２
導体層の側面が導体層の上面の先端よりも導体層の平面視輪郭の接線に対する法線方向に後退した箇所を有する内側に窪んだ湾曲線状の輪郭を有しているか否かを評価した。評価は、任意の５箇所の断面について行い、５箇所の断面すべてが上記条件を満たす場合にＹＥＳとし、それ以外はＮＯとした。
（ｃ）評価３
導体層の上面の先端への導体層の下面の先端からの導体層の平面視輪郭の接線に対する法線方向の距離Ｌ１、及び、導体層の側面において導体層の前記法線方向に最も後退した箇所への前記上面の先端からの導体層の前記法線方向の距離Ｌ２を測定した。測定は、任意の５箇所の断面について行い、５箇所の平均値をＬ１及びＬ２の測定値として、Ｄ／Ｌ１、Ｄ／Ｌ２、Ｄ／（Ｌ１＋Ｌ２）を算出した。
（ｄ）評価４
隣接する導体層の上面先端同士の前記法線方向の距離Ｌ３を測定した。測定は、任意の５箇所の断面について行い、５箇所の平均値をＬ３の測定値とした。
（ｅ）評価５
導体層の上面はその先端に近づくに従って下方に傾斜しているか否かを評価した。評価は、任意の５箇所の断面について行い、５箇所の断面すべてが上記条件を満たす場合にＹＥＳとし、それ以外はＮＯとした。【００５５】
（３．導体層の上面と側面の連結部の形状評価）
全体形状の評価を行ったときのサンプルを用いて、ＳＥＭ観察を３０００倍で行い、導体層の上面の先端に内接し、且つ、導体層の上面及び側面の内側に形成することのできる円の最大半径Ｒを測定した。また、導体層に傾斜部位が存在する場合には、傾斜部位の前記法線方向の長さを測定した。測定は、任意の５箇所の断面について行い、５箇所の平均値をそれぞれの測定値とした。結果を表２に示す。【００５６】
【表２】
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【００５７】
（３．放電開始電圧の測定）
上記の工程を経て得られた各試験例の絶縁放熱基板について、放電開始電圧の測定を行った。測定は、周波数６０Ｈｚとし、交流電圧（実効値）を図３の島状金属板ＡとＢの間に１０秒間印加する操作を行った。その交流電圧で放電が確認されない場合には、交流電圧（実効値）を１ｋＶ上げて印加した。この操作を繰り返し、放電が最初に確認されたときの交流電圧（実効値）を測定した。５回測定したときの平均値を測定値とした。結果を表３に示す。【００５８】
（４．冷熱サイクル試験）
上記の工程を経て得られた各試験例の絶縁放熱基板について、冷熱サイクル試験を行った。冷熱サイクル試験は、−５５℃（１５分）／１７５℃（１５分）の冷熱サイクルを３０００ｃｙｃ（サイクル）与える試験とした。途中１００ｃｙｃ毎に（つまりは全３０回）、実体顕微鏡による外観確認と超音波探傷とによって、接合部の剥がれ及びセラミックス基板におけるクラックの有無（以下、これらをまとめて「不具合」と総称する）について確認し、不具合が生じることなく冷熱サイクル試験が行うことができたサイクル回数を評価した。【００５９】
結果を表３に示す。例えば、「５００」とあるのは最初の５００ｃｙｃまでは不具合が生じなかったが、６００ｃｙｃ終了後の観察時には不具合が生じたことを示す。また、「３０００」とあるのは、３０００ｃｙｃを実施するまでの間に不具合が生じなかったことを示す。【００６０】
【表３】
0006295382.tif 000004
【００６１】
（５．考察）
以上の結果より、導体層の上面と側面の連結部を少し丸みを帯びた断面形状とするだけで、隣接する導体層間の電気絶縁性が大幅に向上することが分かる。また、導体層側面を内側に窪んだ湾曲形状とし、Ｌ１、Ｌ２、及びＬ１＋Ｌ２を大きく（換言すれば、Ｄ／Ｌ１、Ｄ／Ｌ２、及びＤ／（Ｌ１＋Ｌ２）を小さく）することにより、冷熱サイクル耐久性を向上させることができることも理解できる。絶縁放熱基板を作製するにあたっては、製品毎に要求される電気絶縁性、冷熱サイクル耐久性及びボンディングエリアのスペックに応じて、適切な断面形状を構築すればよい。
【符号の説明】
【００６２】
１００    絶縁放熱基板
１０２    セラミックス基板
１０４    導体層
１０４ａ  導体層の上面
１０４ｂ  導体層の下面
１０４ｃ  導体層の側面
１０４ｄ  導体層の上面の先端
１０４ｅ  導体層の下面の先端
１０６    上面と側面の連結部
１０８    下面と側面の連結部
【要約】
隣接する導体層間の電気絶縁性を確保しながらも、半導体チップのボンディングエリアを大きくすることのできる絶縁放熱基板を提供する。セラミックス基板と、該セラミックス基板の少なくとも一方の主表面上に接合された導体層とを有する絶縁放熱基板であって、前記導体層は上面と、前記セラミックス基板に接合する下面と、上面及び下面を連結する側面とを有し、導体層とセラミックス基板を導体層の平面視輪郭の接線に対する法線方向及び厚み方向の両方に平行な断面で観察したとき、前記上面の先端は前記下面の先端よりも導体層の前記法線方向に後退しており、前記側面は前記上面の先端よりも導体層の前記法線方向に後退した箇所を有する内側に窪んだ湾曲線状の輪郭を有しており、前記上面と前記側面の連結部は、前記上面の先端に内接し、且つ、前記上面及び前記側面の内側に形成することのできる円の最大半径Ｒが平均で０．１μｍ≦Ｒ≦５μｍとなるような丸み形状を有する絶縁放熱基板。【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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