(57)【要約】【課題】従来の形状のままで、熱応力劣化の少ない安価で信頼性の高い半導体モジュール用基板を提供する。【解決手段】セラミック基板１１の一方の主面に半導体素子１３を搭載するための配線金属板１２、セラミック基板１１の他方の主面に半導体素子１３からの発熱を放熱するためのベタ金属板１５が接合され、ベタ金属板１５と、ベタ金属板１５の接合面１６より大きい寸法の接合側表面１７を有するヒートシンク板１８が半田１９で接合される半導体モジュール用基板１０において、ベタ金属板１５が接合されるヒートシンク板１８の接合側表面１７の接合エリア２０が、ベタ金属板１５の接合面１６と同等以下の相似形寸法からなり、ヒートシンク板１８の接合エリア２０以外の表面に酸化金属層２１を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック基板の一方の主面に半導体素子を搭載するための配線金属板、前記セラミック基板の他方の主面に前記半導体素子からの発熱を放熱するためのベタ金属板が接合され、該ベタ金属板と、該ベタ金属板の接合面より大きい寸法の接合側表面を有するヒートシンク板が半田で接合される半導体モジュール用基板において、
前記ベタ金属板が接合される前記ヒートシンク板の前記接合側表面の接合エリアが、前記ベタ金属板の前記接合面と同等以下の相似形寸法からなり、前記ヒートシンク板の前記接合エリア以外の表面に酸化金属層を有す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、前記ヒートシンク板の前記接合エリア以外の前記ヒートシンク板の前記接合側表面、又は前記ヒートシンク板の前記接合エリア以外の前記ヒートシンク板の全ての表面が酸化金属層で覆わ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記載の半導体モジュール用基板において、前記ヒートシンク板の前記接合エリアの少なくとも外周囲を囲繞するリング状表面が酸化金属層で覆われてい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】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高速、大電力インバーター等パワーモジュール用基板等に使用される高放熱構造を有する半導体モジュール用基板に関し、より詳細には、セラミック基板とヒートシンク板の耐ヒートサイクルの接合信頼性を改良した半導体モジュール用基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、高速化、大電力化、高集積化が進む高熱を発生する半導体素子を実装し、半導体素子からの高熱を速やかに放熱させて半導体素子の信頼性を維持させることができるための半導体モジュール用基板は、例えば、図３に示すような構造のものが提案されている。この半導体モジュール用基板５０は、セラミック基板５１の上面側である一方の主面に、熱伝導性のよい金属板を回路状に形成した配線金属板５２が接合されている。また、この半導体モジュール用基板５０は、セラミック基板５１の下面側である他方の主面に、一方の主面の場合と同様に、熱伝導性のよい金属板をベタ状に形成したベタ金属板５３が接合されている。このベタ金属板５３は、セラミック基板５１と金属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下面側へ速やかに伝熱して放熱させるために設けられている。更に、半導体モジュール用基板５０は、ベタ金属板５３に熱伝導性のよい金属からなるヒートシンク板５４を半田５５で接合して有している。このヒートシンク板５４は、ベタ金属板５３からの熱を横方向に拡散させながら、更に下面側へ速やかに伝熱して放熱させるために設けられている。なお、ヒートシンク板５４の下面側には、通常、熱を放散させるための空冷方式や、水冷方式等からなる冷却器（図示せず）が取り付けられ、速やかに半導体素子からの熱を半導体モジュール用基板５０の外に放熱させている。
【０００３】
従来の半導体モジュール用基板５０のベタ金属板５３とヒートシンク板５４の接合は、半田濡れ性のよい金属板どうしの間に、例えば、Ｓｎ−Ｐｂ系半田を介し加熱して半田を溶融させて接合している。従って、ベタ金属板５３とヒートシンク板５４の接合部の半田５５は、表面どうし間に挟まれると同時に、接合部の周囲でベタ金属板５３の端面からベタ金属板５３より大きい寸法のヒートシンク板５４の表面に濡れ広がったメニスカス５６を形成している。
【０００４】
従来の半導体モジュール用基板には、ヒートシンク板の下面側の凹型状反りの発生を防止し、冷却器を取り付けたときの隙間の発生を防止して放熱性を向上させるために、ヒートシンク板の下面側にセラミック基板と熱膨張係数が近似するモリブデン（Ｍｏ）板を接合させることで、ヒートシンク板の下面側の凹型状反りの発生を防止したものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、従来の半導体モジュール用基板には、セラミック基板にかかる熱応力の負荷を軽減するためにセラミック基板とヒートシンク板との間に、セラミック基板の熱膨張係数とヒートシンク板の熱膨張係数の中間の熱膨張係数を有する緩衝層を設けるものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２０００−３３２１７０号公報
【特許文献２】特開２００１−１４８４５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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）ベタ金属板とヒートシンク板の半田での接合部は、接合部の周囲でベタ金属板の端面からベタ金属板より大きい寸法のヒートシンク板の表面に濡れ広がったメニスカスとなっているので、加熱による熱応力が発生しやすい形状であり応力的に不利な形状となっている。従って、半導体モジュール用基板には、加熱によるヒートシンク板の熱膨張収縮によって、セラミック基板とベタ金属板の接合部に剥がれや、セラミック基板にクラック等の不具合が発生する場合がある。
（２）セラミック基板とヒートシンク板の熱膨張係数差を緩和させるために、ヒートシンク板の下面側にセラミック基板と熱膨張係数が近似するモリブデン板を接合させたり、セラミック基板とヒートシンク板との間にセラミック基板の熱膨張係数とヒートシンク板の熱膨張係数の中間の熱膨張係数を有する緩衝層を設けるのは、半導体モジュール用基板の形状が大きくなったり、本来必要としないものを接合して半導体モジュール用基板のコスト高となっている。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、従来の形状のままで、熱応力劣化の少ない安価で信頼性の高い半導体モジュール用基板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】
【０００６】
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、セラミック基板の一方の主面に半導体素子を搭載するための配線金属板、セラミック基板の他方の主面に半導体素子からの発熱を放熱するためのベタ金属板が接合され、ベタ金属板と、ベタ金属板の接合面より大きい寸法の接合側表面を有するヒートシンク板が半田で接合される半導体モジュール用基板において、ベタ金属板が接合されるヒートシンク板の接合側表面の接合エリアが、ベタ金属板の接合面と同等以下の相似形寸法からなり、ヒートシンク板の接合エリア以外の表面に酸化金属層を有する。
ここで、半導体モジュール用基板は、ヒートシンク板の接合エリア以外のヒートシンク板の接合側表面、又はヒートシンク板の接合エリア以外のヒートシンク板の全ての表面が酸化金属層で覆われているのがよい。
また、半導体モジュール用基板は、ヒートシンク板の接合エリアの少なくとも外周囲を囲繞するリング状表面が酸化金属層で覆われているのがよい。
【発明の効果】
【０００７】
請求項１及び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、ベタ金属板が接合されるヒートシンク板の接合側表面の接合エリアが、ベタ金属板の接合面と同等以下の相似形寸法からなり、ヒートシンク板の接合エリア以外の表面に酸化金属層を有するので、ベタ金属板の接合面より大きい寸法のヒートシンク板の表面に濡れ広がったメニスカス形状ではなく、加熱による熱応力の発生を緩和でき、セラミック基板とベタ金属板の接合部の剥がれや、セラミック基板のクラック等の不具合発生を防止することができる。また、セラミック基板とヒートシンク板の熱膨張係数差を緩和させるために、モリブデン板の接合や、緩衝層を設ける等の特段の部品の接合を必要としない従来形状の半導体モジュール用基板であるので、半導体モジュール用基板を従来の大きさのままで安価にすることができる。
【０００８】
特に、請求項２記載の半導体モジュール用基板は、ヒートシンク板の接合エリア以外のヒートシンク板の接合側表面、又は全ての表面が酸化金属層で覆われているので、ヒートシンク板の接合側表面、又は全ての表面に酸化金属層を形成した後、接合エリア部の酸化金属層を除去するだけでヒートシンク板の接合エリアを形成することができ、加熱による熱応力の発生を緩和させ、セラミック基板とベタ金属板の接合部の剥がれや、セラミック基板のクラック等の不具合発生を防止した半導体モジュール用基板を従来の大きさのままで安価にすることができる。
【０００９】
また、特に、請求項３記載の半導体モジュール用基板は、ヒートシンク板の接合エリアの少なくとも外周囲を囲繞するリング状表面が酸化金属層で覆われているので、加熱による熱応力の発生を緩和させ、セラミック基板とベタ金属板の接合部の剥がれや、セラミック基板のクラック等の不具合発生を防止した半導体モジュール用基板を従来の大きさのままで安価にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
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するための最良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は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説明図、図２（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ同半導体モジュール用基板の変形例、他の変形例の説明図である。
【００１１】
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、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等からなる絶縁性のある焼成済のセラミック基板１１の一方の主面に、銅（Ｃｕ）や、アルミニウム（Ａｌ）等の熱伝導性のよい金属板をエッチングや、打ち抜きプレス加工等によって回路状に形成した配線金属板１２が接合されている。このセラミック基板１１と配線金属板１２の接合方法には、配線金属板１２にＣｕ板を用い、Ｃｕの融点を利用してセラミック基板に直接接合するＤＢＣ（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｂｏｎｄｉｎｇ  Ｃｏｐｐｅｒ）法や、接合材に活性金属ろう材を用いてセラミック基板１１に直接接合する活性金属接合法や、セラミック基板１１に予め形成されたメタライズパターンとの間にろう材を介して接合するろう付け接合法等がある。配線金属板１２は、所定の位置の配線金属板１２の上面に半導体素子１３を搭載したり、半導体素子１３のパッド電極と他の配線金属板１２とをボンディングワイヤ１４等で接続するために設けられている。
【００１２】
また、この半導体モジュール用基板１０は、セラミック基板１１の他方の主面に、一方の主面の場合の配線金属板１２と同様に、熱伝導性のよい金属板をベタ状に形成したベタ金属板１５が接合されている。このベタ金属板１５は、半導体素子１３からの発熱を速やかに下方側に放熱させるために設けられている。あるいは、このベタ金属板１５は、配線金属板１２とセラミック基板１１との熱膨張係数の差による反りを解消させるために配線金属板１２の熱膨張係数とバランスさせて設けられている。更に、この半導体モジュール用基板１０は、ベタ金属板１５と、ベタ金属板１５の接合面１６より大きい寸法の接合側表面１７を有するＣｕや、Ｃｕ合金や、Ｃｕと他の金属、例えば、タングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）等からなる複合金属板等の熱伝導性のよいヒートシンク板１８とが、例えば、Ｓｎ−Ｐｂ系半田や、無鉛半田等の半田１９で接合されている。
【００１３】
ベタ金属板１５が半田１９で接合されるヒートシンク板１８の接合側表面１７の接合エリア２０は、ベタ金属板１５の接合面１６と同等寸法、又は同等を下まわる相似形寸法に形成されている。そして、ヒートシンク板１８の接合エリア２０には、酸化金属層２１を有さず、接合エリア２０以外の表面には、酸化金属層２１、例えば、ヒートシンク板１８がＣｕ板からなる場合には、酸化銅層を有している。接合エリア２０と酸化金属層２１の形成方法の一例には、先ず、ヒートシンク板１８を大気中焼成炉で約３００℃、１０分間程度焼成することで、ヒートシンク板１８の全体に酸化金属層２１を形成し、次いで、接合エリア２０部をエンドミルで研削したり、プラズマ照射で削除したりして酸化金属層２１を有さない接合エリア２０を形成している。なお、図１においては、酸化金属層２１は、接合エリア２０以外の全てに有するものを示している。この酸化金属層２１は、ベタ金属板１５とヒートシンク板１８の半田１９を用いての接合時に、半田１９の加熱溶融流れを止める堰としての役目をはたしている。この酸化金属層２１によって、半田１９のメニスカス２２は、ベタ金属板１５の接合面１６の外形寸法と、この寸法の同等以下の大きさのヒートシンク板１８の接合エリア２０とで形成されるので、断面視して半田１９の厚み方向の中央部で太鼓状に外部に突出した、又はベタ金属板１５の接合面１６側に濡れ広がった形状となる。このメニスカス２２形状は、セラミック基板１１とベタ金属板１５の接合部に発生する熱応力を緩和をさせることができるので、接合部の剥がれや、セラミック基板１１のクラック等の発生を防止することができる。
【００１４】
図２（Ａ）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の変形例の半導体モジュール用基板１０ａは、ヒートシンク板１８の接合エリア２０以外のヒートシンク板１８の接合側表面１７が酸化金属層２１ａで覆われているのがよい。あるいは、半導体モジュール用基板１０ａは、ヒートシンク板１８の接合エリア２０以外のヒートシンク板１８の全ての表面が酸化金属層２１で覆われているのがよい（図１参照）。また、図２（Ｂ）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の他の変形例の半導体モジュール用基板１０ｂは、ヒートシンク板１８の接合エリア２０の少なくとも外周囲を囲繞するリング状表面が酸化金属層２１ｂで覆われているのがよい。これらの半導体モジュール用基板１０ａ、１０ｂは、何れも酸化金属層２１ａ、２１ｂによって、半田１９のメニスカス２２がベタ金属板１５の接合面１６外形寸法と、この寸法の同等以下の大きさのヒートシンク板１８の接合エリア２０とで形成されるので、断面視して半田１９の厚み方向の中央部で太鼓状に外部に突出した、又はベタ金属板１５の接合面側に濡れ広がった形状となる。このメニスカス２２の形状は、セラミック基板１１とベタ金属板１５の接合部に発生する熱応力を緩和させることができるので、接合部の剥がれや、セラミック基板１１のクラック等の発生を防止することができる。
【産業上の利用可能性】
【００１５】
本発明の半導体モジュール用基板は、パワーモジュール用等の半導体素子が実装され、半導体素子からの高発熱を速やかに放熱させるための高放熱特性を必要として、発熱に対する高信頼性の確保が要求される各種民生機器用や、自動車、電気自動車等の車載用等として多く用いられている。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】は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説明図である。
【図２】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ同半導体モジュール用基板の変形例、他の変形例の説明図である。
【図３】は従来の半導体モジュール用基板の説明図である。
【符号の説明】
【００１７】
１０、１０ａ、１０ｂ：半導体モジュール用基板、１１：セラミック基板、１２：配線金属板、１３：半導体素子、１４：ボンディングワイヤ、１５：ベタ金属板、１６：接合面、１７：接合側表面、１８：ヒートシンク板、１９：半田、２０：接合エリア、２１、２１ａ、２１ｂ：酸化金属層、２２：メニスカス、
【図１】
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【図２】
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【図３】
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