(57)【要約】【課題】この発明は、応力緩和材を用いなくても配線層表面に搭載された電子部品との間に発生する熱応力を緩和することができる回路基板を提供することを課題とする。【解決手段】ベース板を配線層よりも低い熱膨張係数を有する素材で形成することにより、配線層の表面の熱膨張係数がこの配線層自身の熱膨張係数より低い値に設定される。また、絶縁樹脂層のガラス転移温度Ｔｇを選択することにより、配線層表面の熱膨張係数を搭載される半導体素子等の電子部品に対応した値、すなわち電子部品の熱膨張係数に近い値に設定することができる。【選択図】        図２
2005056916.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベース板と、
前記ベース板の表面に形成される絶縁樹脂層と、
前記絶縁樹脂層の表面に形成される配線層と
を備え、前記ベース板の材料が前記配線層の材料よりも低い熱膨張係数を有することにより前記配線層の表面の熱膨張係数がこの配線層の材料の熱膨張係数より低く設定されることを特徴とする回路基板。
【請求項２】
前記絶縁樹脂層は、前記配線層の表面に搭載される電子部品の熱膨張係数に対応したガラス転移温度を有することを特徴とする請求項１に記載の回路基板。
【請求項３】
前記ベース板は、ＳｉＣ粉体が充填された金型にＡｌあるいはＳｉを含有するＡｌ合金の溶湯を注入して鋳造することにより得られたＡｌ／ＳｉＣ複合材であり、熱膨張係数が６×１０−６／Ｋ以上１２×１０−６／Ｋ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の回路基板。
【請求項４】
前記絶縁樹脂層のガラス転移温度は、使用温度範囲の上限温度より高いことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の回路基板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、回路基板に係り、特に半導体素子等の電子部品を実装されてパワーモジュール等の半導体装置として使用される回路基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、特許文献１には、Ａｌから形成されたベース板の表面上に絶縁層及びＣｕ配線層が順次積層されて形成された回路基板が開示されている。このような回路基板は、Ｃｕ配線層の表面にはんだを介して半導体素子等の電子部品が接合されて半導体装置として使用される。
また、この回路基板では、絶縁層を充填材の含有量が互いに異なる２以上の絶縁樹脂層から形成することにより高伝導性及び高耐電圧性を確保するようになっている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平６−３１０８２５号公報
【０００４】
上述の回路基板において、ベース板は熱伝導率の優れたＡｌから形成されているため、電子部品で発生した熱はＣｕ配線層及び絶縁層を通ってベース板から外部へ効率よく放散される。
ところが、半導体素子等の電子部品に使用されているＳｉ等の半導体材料とベース板を形成するＡｌとでは、互いの熱膨張係数が大きく異なり、このため温度変化に対して回路基板におけるＣｕ配線層の表面と電子部品との間に熱応力が発生することが知られている。熱応力が大きくなると、電子部品に反りが発生したり、電子部品を接合するはんだに亀裂を生じる虞がある。
そこで、例えば自動車等、温度差が激しい環境で使用される半導体装置にあっては、電子部品と回路基板との間にヒートスプレッダ等の応力緩和材を組み付けることにより熱応力の緩和を図ることが行われている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のような応力緩和材の組み付けは、半導体装置の部品点数を増加して半導体装置全体の構造が複雑になってしまうだけでなく、その製造コストが嵩んでしまうという問題があった。
この発明はこのような問題点を解消するためになされたもので、応力緩和材を用いなくても配線層表面に搭載された電子部品との間に発生する熱応力を緩和することができる回路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】
この発明に係る回路基板は、ベース板と、ベース板の表面に形成される絶縁樹脂層と、絶縁樹脂層の表面に形成される配線層とを備え、ベース板の材料が配線層の材料よりも低い熱膨張係数を有することにより配線層の表面の熱膨張係数がこの配線層の材料の熱膨張係数より低く設定されるものである。
配線層の表面の熱膨張係数を配線層の材料の熱膨張係数よりも低く設定すれば、配線層表面に搭載される電子部品との熱膨張係数差が小さくなり、これら配線層の表面と電子部品との間に発生する熱応力が緩和される。
【０００７】
絶縁樹脂層は、配線層の表面に搭載される電子部品の熱膨張係数に対応したガラス転移温度を有することが好ましい。このように絶縁樹脂層が搭載される電子部品の熱膨張係数に対応したガラス転移温度を有していれば、配線層表面と電子部品との間の熱膨張係数差をより小さくすることができる。
また、ベース板は、ＳｉＣ粉体が充填された金型にＡｌあるいはＳｉを含有するＡｌ合金の溶湯を注入して鋳造することにより得られたＡｌ／ＳｉＣ複合材であり、熱膨張係数が６×１０−６／Ｋ以上１２×１０−６／Ｋ以下であることが好ましい。金型内のＳｉＣ粉体の体積率、粒径、溶湯のＳｉ含有率すなわち溶湯の種類、及び溶湯温度を選択することにより、熱膨張係数４．５×１０−６／ＫのＳｉＣと熱膨張係数２５．０×１０−６／ＫのＡｌと熱膨張係数２．６×１０−６／Ｋの析出するＳｉとを組み合わせて、例えば６×１０−６／Ｋ〜１２×１０−６／Ｋの低い熱膨張係数と２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高い熱伝導率とを有するＡｌ／ＳｉＣ複合材を得ることが可能となる。
さらに、絶縁樹脂層のガラス転移温度は使用温度範囲の上限温度より高いことが好ましい。このようにすれば、周辺温度が絶縁樹脂層のガラス転移温度を超えることにより絶縁樹脂層が軟化して配線層表面の熱膨張係数が上昇することを防止することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
図１に半導体素子が搭載された実施の形態に係る回路基板の断面を示す。この回路基板は、Ａｌ／ＳｉＣ複合材からなるベース板１の表面に絶縁樹脂層２が形成され、この絶縁樹脂層２の上にＣｕからなる配線層３が形成されることにより構成されている。このような回路基板は、配線層３の表面にはんだ４を介して電子部品である半導体素子５が接合されて半導体装置として使用される。
【０００９】
ベース板１は、ＳｉＣ粉体が充填された金型にＡｌあるいはＳｉを含有するＡｌ合金の溶湯を注入して鋳造することにより得られた、熱膨張係数８．４×１０−６／Ｋを有するＡｌ／ＳｉＣ複合材から形成されている。絶縁樹脂層２はフィラーを含み且つガラス転移温度Ｔｇが例えば１５２℃のエポキシ系樹脂から形成されている。また、配線層３を形成するＣｕの熱膨張係数は１７．５×１０−６／Ｋであり、ベース板１の方が配線層３よりも低い熱膨張係数を有している。なお、ベース板１を３ｍｍ、絶縁樹脂層２を１００μｍ、配線層３を１００μｍの厚みにそれぞれ形成した。
【００１０】
ここで、配線層３の表面の熱膨張係数をひずみゲージにより測定したところ、およそ９．２×１０−６／Ｋであり、配線層３を構成するＣｕの熱膨張係数（１７．５×１０−６／Ｋ）より低くなっていることがわかった。さらに、ベース板１として熱膨張係数が異なる種々のベース板を用いて同様に回路基板を形成した場合の配線層３の表面の熱膨張係数をひずみゲージで測定した結果を図２に示す。
【００１１】
この図２から、ベース板１の熱膨張係数が配線層３を構成するＣｕの熱膨張係数１７．５×１０−６／Ｋよりも低い場合には、配線層３の表面の熱膨張係数がこの配線層３を構成する材料の熱膨張係数よりも低くなることがわかる。さらに、このようにベース板１が配線層３よりも低い熱膨張係数を有する場合には、絶縁樹脂層２のガラス転移温度Ｔｇを高い値に選択するほど、配線層３表面の熱膨張係数は低くなって絶縁樹脂層２を完全弾性体としたときの理論値に近づくことがわかった。
【００１２】
例えばベース板１を熱膨張係数８．４×１０−６／ＫのＡｌ／ＳｉＣ複合材から形成した場合に、配線層３表面の熱膨張係数は、ガラス転移温度Ｔｇ＝５０℃の絶縁樹脂層２を用いたとき１３×１０−６／Ｋ程度、Ｔｇ＝９０℃の絶縁樹脂層２を用いたとき１２×１０−６／Ｋ程度、Ｔｇ＝１５２℃の絶縁樹脂層２を用いたとき９×１０−６／Ｋ程度となる。従って、ガラス転移温度Ｔｇが５０℃〜１５２℃の間の絶縁樹脂層２を選択することにより、配線層３表面の熱膨張係数を９×１０−６／Ｋ〜１３×１０−６／Ｋの間で設定することができる。
【００１３】
以上のように、ベース板１を配線層３よりも低い熱膨張係数を有する素材で形成することにより、配線層３の表面の熱膨張係数をこの配線層３の材料の熱膨張係数より低い値に設定することができる。ここで、配線層３の表面に搭載される半導体素子５等の電子部品としては各種のものがあるが、例えばチップ抵抗は７×１０−６／Ｋ程度の、チップコンデンサは１０×１０−６／Ｋ程度の、Ｓｉ半導体回路チップは２．６×１０−６／Ｋ程度の熱膨張係数をそれぞれ有している。従って、配線層３の表面の熱膨張係数をこの配線層３の材料の熱膨張係数１７．５×１０−６／Ｋより低い値に設定することにより、応力緩和材を用いなくても温度変化に対して回路基板の配線層３の表面と半導体素子５等の電子部品との間に大きな熱応力が発生することを防止することができる。その結果、自動車等の温度差が激しい環境で用いても、半導体素子５に反りが発生したり、はんだ４に亀裂が生じたりする虞がなく、信頼性の高い半導体装置が実現される。すなわち、冷熱サイクルにおけるはんだ信頼性が向上する。また、ヒートスプレッダを用いないため、部品点数が減少し、半導体装置構造が簡素となり、組み付け工数やコスト低減といった効果ももたらされる。
【００１４】
また、特定のガラス転移温度Ｔｇの絶縁樹脂層２を選択することにより、ベース板１の材質が同一でも、配線層３の表面の熱膨張係数を調整することができ、搭載される半導体素子５等の電子部品に対応した値に設定することができる。すなわち、配線層２の表面の熱膨張係数を搭載される半導体素子５の熱膨張係数により近い値に設定し、この配線層の表面上に半導体素子５を搭載することにより、配線層表面に搭載された電子部品との間に発生する熱応力をより効率よく緩和することができる。
【００１５】
さらに、ベース板１を純Ａｌと同程度の高い熱伝導率を有するＡｌ／ＳｉＣ複合材から形成すれば、放熱性の優れた回路基板となる。また、ヒートスプレッダ等の応力緩和材が不要となるので、回路基板に半導体素子５等の電子部品を搭載して半導体装置として使用する際の装置全体の熱抵抗を低減することができる。
【００１６】
次に、回路基板の周辺温度を変化させたときの配線層３表面の熱膨張係数の変動の様子を図３に示す。ベース板１が熱膨張係数８．４×１０−６／ＫのＡｌ／ＳｉＣ複合材からなり且つ絶縁樹脂層２のガラス転移温度Ｔｇが９０℃のとき、配線層３表面の熱膨張係数は、周辺温度が絶縁樹脂層２のガラス転移温度Ｔｇ＝９０℃に近づくにつれて徐々に高くなり、Ｔｇを超えると急峻に高くなって配線層３自身の熱膨張係数１７．５×１０−６／Ｋに近づくことがわかる。また、同一のベース板１で、絶縁樹脂層２のガラス転移温度Ｔｇが１５２℃のときも、配線層３表面の熱膨張係数は、周辺温度が絶縁樹脂層２のガラス転移温度Ｔｇ＝１５２℃に近づくにつれて徐々に高くなっており、Ｔｇを超えると急峻に高くなることが推定される。
【００１７】
すなわち、配線層３表面の熱膨張係数はガラス転移温度Ｔｇ近傍から高くなり、温度上昇と共にさらに高くなって配線層３自身の熱膨張係数に近づくため、絶縁樹脂層２のガラス転移温度Ｔｇは、回路基板の使用温度範囲の上限温度よりも高い値に選択されることが好ましい。一般に、自動車等では回路基板の使用温度範囲が−４０℃〜１２５℃、または−５５℃〜１５０℃であるため、絶縁樹脂層２のガラス転移温度を例えばＴｇ＝１５２℃に選択することが好ましい。
【００１８】
次に、ベース板１を熱膨張係数８．４×１０−６／ＫのＡｌ／ＳｉＣ複合材から形成すると共に絶縁樹脂層２のガラス転移温度Ｔｇを１５２℃に選択したときの、絶縁樹脂層２の板厚に対する配線層３表面の熱膨張係数の変化を図４に示す。この図４から、絶縁樹脂層２の板厚が小さいほど、配線層３表面の熱膨張係数も低くなることがわかる。絶縁樹脂層２の板厚をＤｐ（μｍ）としたとき、配線層３表面の熱膨張係数βｓ（×１０−６／Ｋ）は、βｓ＝０．０６８６Ｄｐ＋２．３５７８の関係を有していた。
図４に示されるように、この回路基板では、絶縁樹脂層の板厚Ｄｐを２２０μｍにすると、配線層３表面の熱膨張係数βｓが配線層３の材料の熱膨張係数１７．５×１０−６／Ｋにほぼ等しい値になるので、絶縁樹脂層２の板厚Ｄｐは２０μｍ〜２２０μｍ程度であることが好ましい。
【００１９】
さらに実験の結果から、配線層３の表面の熱膨張係数、すなわち半導体素子５が搭載される部分の熱膨張係数βｓ（×１０−６／Ｋ）はβｓ＜１７．５×１０−６／Ｋのとき、
βｓ＝−０．０４４Ｔｇ＋０．０７Ｄｐ＋０．８７８βｂ−０．３Ｄｂ
と表わされることがわかった。
ここで、Ｔｇ：絶縁樹脂層２のガラス転移温度（℃）
Ｄｐ：絶縁樹脂層２の板厚（μｍ）
Ｄｂ：ベース板１の板厚（ｍｍ）
βｂ：ベース板１の熱膨張係数（×１０−６／Ｋ）
である。
この式から、絶縁樹脂層２のガラス転移温度Ｔｇを高くしたり、絶縁樹脂層２の板厚Ｄｐを減少することで、配線層３表面の熱膨張係数βｓが低減されることがわかる。
【００２０】
なお、上述の実施の形態では、配線層３はＣｕから形成されていたが、その代わりに、配線層がＡｌまたはＮｉから形成されていてもよい。
また、ベース板１は熱膨張係数が８．４×１０−６／ＫのＡｌ／ＳｉＣ複合材から形成されていたが、これに限定されず、ベース板の熱膨張係数が配線層の熱膨張係数よりも低くなるならばベース板をどのような素材から形成してもよい。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、ベース板と、ベース板の表面に形成される絶縁樹脂層と、絶縁樹脂層の表面に形成される配線層とを備え、ベース板の材料が配線層の材料よりも低い熱膨張係数を有することにより配線層の表面の熱膨張係数がこの配線層の材料の熱膨張係数より低く設定されるようにしたので、応力緩和材を用いなくても配線層表面に搭載された電子部品との間に発生する熱応力を緩和することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態に係る回路基板に半導体素子を実装した様子を示す断面図である。
【図２】ベース板の熱膨張係数に対する配線層表面の熱膨張係数の関係を示すグラフである。
【図３】周辺温度の変化に対する配線層表面の熱膨張係数の関係を示すグラフである。
【図４】絶縁樹脂層の板厚に対する配線層表面の熱膨張係数の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１  ベース板、２  絶縁樹脂層、３  配線層、４  はんだ、５  半導体素子。
【図１】
2005056916.tif 000003
【図２】
2005056916.tif 000004
【図３】
2005056916.tif 000005
【図４】
2005056916.tif 000006