(57)【要約】【課題】セラミックス基板に金属板を接合し、該金属板に回路をエッチングで形成して回路基板とし、該回路基板に半導体素子を装着して構成した半導体部品がある。このような部品はヒートサイクルを繰り返し受けるため、熱膨張係数の違いにより基板と金属板の界面にクラックが生じる虞がある。もちろんこれまでもヒートサイクル対策は行われてきたが、正確性・信頼性に欠ける問題があった。【解決手段】セラミックス基板２の一方の面に金属板３を備え、該金属板３に絶縁部４を設けて回路を形成してなる回路基板５において、金属板３の硬度がほぼ一定である範囲を厚さ成分とする表層３Ａとそれより高硬度の裏層３Ｂとの境界面３Ｃと金属板３の外周囲金属端面との交点をＡとし、金属端面のセラミックス基板２側の基端である金属端底部をＢとし、セラミックス基板２と金属板３の界面をＣとした場合に、∠ＡＢＣ＝αが３０度≦α≦７０度である回路基板５を提供する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板の一方の面に回路形成用の金属板を備え、その金属板に絶縁部を設けて回路を形成してなる回路基板において、
前記金属板の硬度がほぼ一定である範囲を厚さ成分とする表層とそれより高硬度の裏層との境界面と、前記金属板の外周囲金属端面との交点をＡとし、
前記金属端面のセラミックス基板側の基端である金属端底部をＢとし、
セラミックス基板と金属板の界面をＣとした場合に、
∠ＡＢＣ＝αが３０度≦α≦７０度であることを特徴とする回路基板。
【請求項２】
請求項１記載の回路基板の前記セラミックス基板の非回路側の面に放熱部材を接合してなることを特徴とする放熱モジュール。
【請求項３】
請求項１記載の回路基板の前記セラミックス基板の非回路側の面に放熱部材たる放熱板を接合し、さらにその放熱板の他面に第二のセラミックス基板を接合してなることを特徴とする放熱モジュール。
【請求項４】
請求項１記載の回路基板又は請求項２若しくは３記載の放熱モジュールの前記金属板に半導体素子を装着してなることを特徴とする半導体部品。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気自動車、ハイブリッド車、家庭用機器のインバーター制御に用いられるＩＧＢＴをはじめとするパワーモジュール等の回路基板と、その回路基板に放熱部材を接合した放熱モジュール及び前記回路基板又は前記放熱モジュールに半導体素子を装着してなる半導体部品に関する。
【０００２】
【従来の技術】
パワーモジュールやスイッチング電源モジュール等の半導体部品として、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等のセラミックス基板に銅やアルミニウム等の導電性に優れた金属板を接合し、その金属板に回路を構成する線状の絶縁部をエッチングで形成して回路基板とし、その回路基板に半導体素子を装着して構成したものがある。前記回路基板のセラミックス基板と金属板は、ろう付け法、メタライズ法、ダイレクト・ボンド・カッパー法等の化学的接合手段により一体に接合されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
半導体素子は通電により発熱し、その熱が回路基板に伝わる。一般に回路基板のセラミックス基板には非回路側の面に金属板やヒートシンク等の放熱部材が接合されていて、半導体素子の熱がその放熱部材から外部に拡散するようになっている。もちろん半導体素子への通電が止まれば発熱は止み、回路基板の温度も下がる。
回路基板は、このようなヒートサイクルを繰り返し受けるため、セラミックスと金属の熱膨張係数の違いによる残留応力や熱応力の影響を受けて回路を構成する金属板とセラミックス基板の界面にクラックが生じたり、セラミックス基板自体にクラックが生ずるおそれがある。金属板とセラミックス基板の界面に生ずるクラックの発生は、放熱性能の低下や耐電圧の低下等、半導体部品の動作不良、寿命、信頼性に直結する重大事であり、従ってこれまでも多くのヒートサイクル対策が行われてきた。特に近年、半導体素子の高集積化が著しく、それに比例して発熱量も急増していることから、回路基板の耐ヒートサイクル性の向上は急務である。
【０００４】
ところで回路を構成する金属板には導電性に優れた銅やアルミニウムが使われるが、これらの材質は比較的軟質であるため、前記ヒートサイクルによる熱応力や残留応力に対して緩衝作用を発揮し、それがヒートサイクル対策として有効に機能するものと考えられていた。
【０００５】
しかしながらセラミックス基板と金属板を化学的接合手段で接合した場合には、例えばろう材に含まれるＡｇ、Ｓｎ、Ｔｉ等の成分が銅やアルミニウムで出来ている金属板に拡散・固溶して界面からある範囲に渡って硬度を上昇させるから、それだけ緩衝性能が低下する。従ってそのような金属板の接合に起因する硬化現象を無視した従来のヒートサイクル対策では正確性・信頼性に欠ける。
【０００６】
本発明者は斯かる観点に立ち、接合による金属板の硬化を考慮しつつヒートサイクル試験を繰り返した結果、金属板の硬化と金属板の外周囲金属端面形状の相関々係を見出し、本発明に到達したものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
セラミックス基板の一方の面に回路形成用の金属板を備え、その金属板に絶縁部を設けて回路を形成してなる回路基板において、前記金属板の硬度がほぼ一定である範囲を厚さ成分とする表層とそれより高硬度の裏層との境界面と、前記金属板の外周囲金属端面との交点をＡとし、前記金属端面のセラミックス基板側の基端である金属端底部をＢとし、セラミックス基板と金属板の界面をＣとした場合に、∠ＡＢＣ＝αが３０度≦α≦７０度である回路基板を提供する。なお、ここで金属板の外周囲金属端面には、金属板の外形の輪郭、絶縁部の輪郭、或いは後述するビス挿通用の貫通孔の輪郭など、金属板の全ての金属端面を含む。
また、請求項２に記載したように前記セラミックス基板の非回路側の面に放熱部材を接合してなる放熱モジュールを提供する。
また、請求項３に記載したように前記セラミックス基板の非回路側の面に放熱部材たる放熱板を接合し、さらにその放熱板の他面に第二のセラミックス基板を接合してなる放熱モジュールを提供する。
さらにまた、請求項４に記載したように前記回路基板又は前記放熱モジュールの金属板に半導体素子を装着してなる半導体部品を提供する。
なお、上記αの範囲は以下のようにして求めた。
【０００８】
【半導体部品の製造】
先ず図１，２に示した半導体部品１を製造した。この半導体部品１は、セラミックス基板２の上面に回路形成用の金属板３を接合しその金属板３にエッチングで絶縁部４を設けて回路を形成してなる回路基板５と、その回路基板５の回路上にはんだ付けして装着した半導体素子６と、前記セラミックス基板２の下面側に配置した放熱部材たる放熱板７と、その放熱板７の下面に配置した第二のセラミックス基板２０と、さらにそのセラミックス基板２０の下面に配置した第二の放熱部材たる放熱板７０とからなる。上記各部材は、金属板３の下面側にセラミックス基板２の上面をセットし、そのセラミックス基板２の下面側に放熱板７の上面をセットし、さらにその放熱板７の下面に第二のセラミックス基板２０の上面をセットし、さらにそのセラミックス基板２０の下面に第二の放熱板７０の上面をセットし、全てろう付けにより８００℃〜１０００℃、３０〜６０分で一体に接合することができる。
【０００９】
前記セラミックス基板２と第二のセラミックス基板２０は、窒化珪素製で厚さ約０．２５ｍｍである。また、金属板３は、銅製で厚さ約０．４ｍｍである。セラミックス基板２と金属板３の接合には、セラミックス基板２の接合面に活性金属であるＴｉを含有するペーストろう材を用いた。
二枚のセラミックス基板２，２０の間に挟まれる前記放熱板７は、銅製で厚さ約３ｍｍであり、セラミックス基板２と放熱板７、また、放熱板７と第二のセラミックス基板２０の接合は前記した金属板３とセラミックス基板２の接合と同じろう材による。また、第二の放熱板７０は、銅製で厚さ約０．４ｍｍである。
【００１０】
なお、上記した金属板３、セラミックス基板２と第二のセラミックス基板２０、放熱板７と第二の放熱板７０の各厚みはある程度の幅を持たせてもよく、金属板３は０．２５〜０．５ｍｍ、セラミックス基板２と第二のセラミックス基板２０は０．２５ｍｍ〜０．４ｍｍ、放熱板７は２〜４ｍｍ、第二の放熱板７０は０．２〜０．５ｍｍの範囲で増減可能である。
【００１１】
また、回路は、金属板３の上面にエッチングレジストを形成し、塩化第二鉄溶液でパターン外の不要な銅を除去して絶縁部４を形成した。図１はエッチングにより形成した絶縁部４の断面を拡大して示したものであり、絶縁部４の金属端面形状（以下エッチング端面形状ともいう。）は図示したようにアール形状になっている。このエッチング端面形状は、前記塩化第二鉄溶液の温度、濃度、時間、噴射圧を調整することにより適宜制御することができるため、これらを調整して種々のエッチング端面形状に仕上げた。
次に絶縁部４に残る不要なろう材をフッ酸により除去した後、金属板３上に残る不要なレジストリを剥がした。
なお、金属板３のエッチング工程は、各部材を一体にろう付けした後に実行したが、ろう付け前の金属板３に対してエッチングを施してから各部材同士を一括してろう付けするようにしてもよい。
【００１２】
【ヒートサイクル試験】
上記のようにして製造した半導体部品１に対し、「−４０℃×８分  →  ２５℃×５分  →  １２５℃×８分  →  ２５℃×５分」を１サイクルとしてこれを１，０００サイクル行うヒートサイクル試験を実施した。
【００１３】
【測定】
以上のヒートサイクル試験を終えた回路基板５を切断して鏡面研磨を行い、先ず金属板３の界面からの硬度（ビッカース硬度）分布を測定して硬度がほぼ一定である範囲を厚さ成分とする表層３Ａとそれより高硬度の裏層３Ｂとの境界面３Ｃを特定し、その境界面３Ｃと金属板３の金属端面との交点Ａを特定した。
なお、金属板３の硬度分布の一例を図３のグラフに示した。この図３のグラフによれば金属板３のビッカース硬度は、界面からの距離に対してなだらかな曲線を描いて一定になることを示している。従って上記した表層３Ａと裏層３Ｂの境界面３Ｃの特定には若干の主観的要因を含むため「硬度がほぼ一定である範囲」と記載せざるを得ないのであるが、経験則によればそのような主観的要因による誤差は極僅かであって許容可能な範囲である。
次に回路基板５の切断面から、金属端面のセラミックス基板２側の基端である金属端底部Ｂと、セラミックス基板２と金属板３の界面Ｃを特定し、∠ＡＢＣ＝αの値を測定した。
また、金属端底部Ｂからセラミックス基板２と金属板３の界面Ｃに生じているクラック長を測定し、そのクラック長と角度αの関係をグラフ化した。その結果が図４である。
【００１４】
【評価】
クラック長が９０μｍを越えると熱伝導特性の低下が顕著になって好ましくないため、クラック長の上限値を９０μｍに設定した。そうすると図４のグラフで明らかなように、角度α≦７０度であれば１，０００サイクルにも及ぶヒートサイクル試験の後もクラック長が上限を上回らないことが判明した。
一方、角度αが３０度を下回ると、絶縁部４が細い線状である場合に対向する金属端底部Ｂ，Ｂ同士の距離が近づきすぎて絶縁性が損なわれるおそれがあるためこれを下限とした。
【００１５】
【実施例】
上記した材質、寸法、接合条件等で図１，２の半導体部品１を製造する場合の具体的な条件は、塩化第二鉄溶液の温度（約４０℃）、濃度（２．７〜３．９モル／Ｌ（比重１．３２〜３．８９））、時間（３０分）、噴射圧（１．５ｋｇ／ｃｍ２）である。もちろんこの条件は上記した材質、寸法、接合条件等の半導体部品１に当て嵌まるものであって、材質、寸法、接合条件などの構成に応じて適宜調整を要する。
【００１６】
なお、上記した半導体部品１は、回路基板５に放熱板７，７０を一体に設けた放熱モジュールに半導体素子６を装着したものであるが、例えば図５に示したように放熱板７，７０を一体に有しない単純な回路基板５に半導体素子６を装着してもよい。この場合の熱対策は独立したヒートシンクに回路基板５を設置することで対応できる。また、図６に示したように第二の放熱板７０を一体に有しない放熱モジュールに半導体素子６を装着してもよい。
【００１７】
また、セラミックス基板２，２０の材質としては上記窒化珪素の他、アルミナや窒化アルミニウム等であってもよい。もっとも窒化珪素は、アルミナや窒化アルミニウムに比べて破壊靭性や耐熱衝撃性など機械的特性に優れ、従って耐ヒートサイクル性に優れるため好ましい。
【００１８】
また、放熱板７，７０は金属に限定されず、金属（例えばＣｕ、Ａｌ）を主成分とする無機化合物を含む複合材（例えばＣｕ２Ｏ、ＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３など）であってもよい。
【００１９】
また、上記の金属端面に関する説明は、金属板３の細い線状にした絶縁部４を例に行ったが、絶縁部４には線状のもの以外にも図２に示したようにやや広い範囲にわたる適宜形状のものも含まれる。また、金属板３の外周囲や図２，図５，図６に示したようにビス挿通用の貫通孔４０を形成した場合の金属端面も同様である。
【００２０】
【発明の効果】
本発明は、回路を構成する金属板の硬化現象を加味して金属端面形状を特定するようにしたため、従来に比し耐ヒートサイクル性の信頼性が大幅に向上する。
【００２１】
また、請求項３のように放熱部材たる放熱板をセラミックス基板でサンドイッチ状に挟み込むようにすれば、放熱板を構成する材質とセラミックス基板の熱膨張係数に大きな隔たりがあっても、そのような熱膨張差に起因する熱応力を放熱板の両面でセラミックス基板同士が打ち消し合うため、何れかの方向に反るような不具合が発生しない。
【図面の簡単な説明】
【図１】要部を示す拡大断面図である。
【図２】構成要素を分離させて示す斜視図である。
【図３】金属板の硬度分布を示すグラフである。
【図４】クラック長と角度αの関係を示すグラフである。
【図５】構成要素を分離させて示す斜視図である。
【図６】構成要素を分離させて示す斜視図である。
【符号の説明】
１  …半導体部品
２  …セラミックス基板
２０…第二のセラミックス基板
３  …金属板
３Ａ…表層
３Ｂ…裏層
３Ｃ…境界面
４  …絶縁部
５  …回路基板
６  …半導体素子
７  …放熱板
７０…第二の放熱板
Ａ  …金属端面と境界面３Ｃの交点
Ｂ  …金属端底部
Ｃ  …セラミックス基板２と金属板３の界面
【図１】
2005005404.tif 000003
【図２】
2005005404.tif 000004
【図３】
2005005404.tif 000005
【図４】
2005005404.tif 000006
【図５】
2005005404.tif 000007
【図６】
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