(57)【要約】  【課題】  セラミック基板にクラックが発生するのを抑制することが可能な半導体モジュール基板を提供することを目的とする。  【解決手段】  半導体モジュール基板１は、矩形状のセラミック基板２と、セラミック基板２の上面に設けられた、半導体素子３が実装される第１金属板４と、セラミック基板２の下面に設けられた第２金属板５とを備え、第２金属板５の下面には、複数の同心円状の溝Ｄが設けられているとともに、複数の溝Ｄの最外周に位置する溝Ｄ１が、第２金属板５の外周の一部と重なって切欠きになっている。【選択図】  図３
2013093355.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
矩形状のセラミック基板と、
前記セラミック基板の上面に設けられた、半導体素子が実装される第１金属板と、
前記セラミック基板の下面に設けられた第２金属板とを備え、
前記第２金属板の下面には、複数の同心円状の溝が設けられているとともに、複数の前記溝の最外周に位置する溝が、前記第２金属板の外周の一部と重なって切欠きになっていることを特徴とする半導体モジュール基板。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体モジュール基板であって、
前記半導体素子が実装される領域は、平面透視して前記溝で囲まれていることを特徴とする半導体モジュール基板。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の半導体モジュール基板であって、
前記切欠きの深さおよび複数の前記溝の深さは、前記第２金属板の外周から内側に向かうにつれて次第に小さくなっていることを特徴とする半導体モジュール基板。
【請求項４】
矩形状のセラミック基板と、
前記セラミック基板の上面に設けられた、半導体素子が実装される第１金属板と、
前記セラミック基板の下面に設けられた第２金属板とを備え、
前記第１金属板の上面には、前記半導体素子が実装される領域を囲む複数の同心円状の溝が設けられているとともに、複数の前記溝の最外周に位置する溝が、前記第１金属板の外周の一部と重なって切欠きになっていることを特徴とする半導体モジュール基板。
【請求項５】
請求項４に記載の半導体モジュール基板であって、
前記切欠きの深さおよび複数の前記溝の深さは、前記第１金属板の外周から内側に向かうにつれて次第に小さくなっていることを特徴とする半導体モジュール基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、半導体素子を実装することが可能な、半導体モジュール基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体モジュール基板において、セラミック基板と金属板の熱膨張係数の違いにより、セラミック基板にクラックが発生しないように、矩形状のセラミック基板の上面および下面に矩形状の金属板を貼り合わせたものが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、矩形状の金属板の表面に、セラミック基板の外形に相似する溝を設けて、セラミック基板にクラックが発生するのを抑制する技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平５−１６７２０５号公報
【特許文献２】特開２００８−２９４２８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、単に金属板の表面に、セラミック基板の外形に相似する溝を設ける構造では、セラミック基板に対して熱応力を低減することができるが、実際には半導体素子を実装した状態の半導体モジュール基板を駆動すると、熱応力が半導体素子側からセラミック基板にも加わるため、セラミック基板が破壊される虞がある。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、セラミック基板にクラックが発生するのを抑制することが可能な半導体モジュール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】
【０００７】
本発明の一実施形態における半導体モジュール基板は、矩形状のセラミック基板と、前記セラミック基板の上面に設けられた、半導体素子が実装される第１金属板と、前記セラミック基板の下面に設けられた第２金属板とを備え、前記第２金属板の下面には、複数の同心円状の溝が設けられているとともに、複数の前記溝の最外周に位置する溝が、前記第２金属板の外周の一部と重なって切欠きになっていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の半導体モジュール基板は、セラミック基板にクラックが発生するのを抑制することが可能な半導体モジュール基板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施形態に係る半導体モジュール基板の平面図であって、複数の同心円状の溝を示している。
【図２】図１のＸ−Ｘ’に沿って切断した、本実施形態に係る半導体モジュール基板の断面図である。
【図３】図２に示す半導体モジュール基板の一部Ａを拡大した断面図である。
【００１０】
以下、本発明の一実施形態に係る半導体モジュール基板について、図面を参照しながら
説明する。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
＜半導体モジュール基板の構成＞
本実施形態に係る半導体モジュール基板１は、矩形状のセラミック基板２と、セラミック基板２の上面に設けられた、半導体素子３が実装される第１金属板４と、セラミック基板２の下面に設けられた第２金属板５とを備えている。また、半導体モジュール基板１は、第２金属板５の下面には、複数の同心円状の溝Ｄが設けられているとともに、溝Ｄの最外周に位置する溝Ｄ１が、第２金属板５の外周の一部と重なって切欠きになっている。
【００１２】
セラミック基板２は、例えば、アルミナ質セラミックス、窒化アルミニウム質セラミックスまたはムライト質セラミックス等のセラミック材料、あるいはこれらのセラミック材料の混合材料から成る。セラミック基板２は、半導体素子３の発した熱を第２金属基板５に伝達しやすく、かつ絶縁性を有する材料が用いられる。
【００１３】
セラミック基板２は、平面視したときに、例えば、一辺の長さが３ｍｍ以上１５０ｍｍ以下に設定されている。また、セラミック基板２の厚みは、例えば、０．１５ｍｍ以上２ｍｍ以下に設定されている。また、セラミック基板２の熱伝導率は、例えば、１６Ｗ／ｍ・Ｋ以上２０００Ｗ／ｍ・Ｋ以上に設定される。セラミック基板２の熱膨張係数は、例えば、３ｐｐｍ／℃以上１１ｐｐｍ／℃に設定されている。
【００１４】
また、セラミック基板２は、第１金属板４および第２金属板５と接続される接合部にメタライズ層が形成されている。なお、メタライズ層上には、ロウ材との濡れ性を良好にするために、電気メッキまたは無電解メッキ等のメッキ形成方法によって、例えば、厚さ１μｍ以上３μｍ以下のニッケルメッキ層が被着されている。
【００１５】
第１金属板４および第２金属板５は、平面視したとき、矩形状に形成された板状の部材である。第１金属板４は、セラミック基板２の上面に設けられる。また、第２金属板５は、セラミック基板２の下面に設けられる。第１金属板４または第２金属板５は、セラミック基板２に対して、例えば、銀ロウまたは銀−銅ロウ等のロウ材を介して接合される。なお、金属板とセラミック基板２とは、半田付け法、活性金属法または金属粒子接合法を用いて接合することができる。
【００１６】
第１金属板４または第２金属板５は、例えば、銅、鉄−ニッケル−コバルト合金または銅−タングステン合金等の金属材料から成る。第１金属板４または第２金属板５の熱膨張係数は、例えば、４ｐｐｍ／℃以上２３ｐｐｍ／℃に設定される。
【００１７】
第１金属板４または第２金属板５は、例えば、それらの金属材料を型枠に鋳込んで作製したインゴットを周知の切削加工または打ち抜き加工等の金属加工法を用いて所定の形状にして製作される。第１金属板４および第２金属板５は、平面視したときに外形がセラミック基板２よりも小さく設定されている。第１金属板４および第２金属板５は、平面視したときに、例えば、一辺の長さが２．５ｍｍ以上１４５ｍｍ以下に設定されている。また、第１金属板４および第２金属板５の厚みは、例えば、０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下に設定されている。
【００１８】
第１金属板および第２金属板５は、外表面に耐蝕性に優れ、かつロウ材との濡れ性が良い金属、例えば、厚さ０．５μｍ以上９μｍ以下のニッケル層と厚さ０．５μｍ以上５μｍ以下の金層を順次、メッキ形成法によりメッキ層を被着させておく。メッキ層は第１金属板５および第２金属板５が酸化腐蝕するのを有効に抑制できるとともに、セラミック基板２に対して強固に接合することができる。
【００１９】
半導体素子３は、第１金属板４上に搭載される。半導体素子３は、例えば、パワー半導体であるパワーＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）
、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bi-polar Transistor）、ショットキーダイオード、ＪＦＥＴ（Junction Field Effect Transistor）等である。また、高発熱量を伴う半導体素子等を用いることができる。
【００２０】
また、半導体素子３は、光を電力に変換する機能を備えた光電変換素子であってもよい。半導体素子３は、例えば、III−Ｖ族化合物半導体を含んでいる太陽電池素子である。
半導体素子３は、光起電力効果により、受けた光を即時に電力に変換して出力電圧を出力することができる。太陽電池素子は、例えば、ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ／Ｇｅ３接合型セルの構造である。インジウムガリウムリントップセルは、６６０ｎｍ以下の波長領域に含まれる光をエネルギー変換する。ガリウムヒ素ミドルセルは、６６０ｎｍ以上８９０ｎｍ以下の波長領域に含まれる光をエネルギー変換する。ゲルマニウムボトムセルは、８９０ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の波長領域に含まれる光をエネルギー変換する。３つのセルは、トンネル接合を介して直列に接続されている。開放電圧は、３つのセルの起電圧の和である。なお、半導体素子３の大きさは、例えば、平面視したときの一辺の長さが３ｍｍ以上１５ｍｍ以下であって、上下方向の厚みが０．３ｍｍ以上５ｍｍ以下に設定されている。
【００２１】
第２金属板５の下面には、複数の同心円状の溝Ｄが設けられている。溝Ｄは、第２金属板５の下面に対して、切削加工等の金属加工法を用いて形成することができる。複数の溝Ｄのうち、最外周に位置する溝Ｄ１は、平面視して第２金属板５の外周の一部と重なって、該重なった個所が切欠きになっている。
【００２２】
第２金属板５は、第２金属板５の下面が外部の部材と、例えば例えば、銀ロウまたは銀−銅ロウ等のロウ材を介して接合される。ロウ材は、内部にボイドが存在している状態のまま固化すると、ボイドが熱によって膨張・収縮することで、第２金属板５が外部の部材から剥離する虞が大きくなる。ボイドは、ロウ材が固化する前に、第２金属板５と外部の部材とが接合される際に空気が混入することで発生する。そこで、第２金属板５の下面に溝Ｄを設けることで、ロウ材が溝Ｄによって移動しやすくなり、第２金属板５と外部の部材との接合時に混入していた空気が、溝Ｄに沿って第２金属板５の平坦な個所にまで移動して抜けやすくすることができる。その結果、第２金属板５の下面には、ボイドを発生しにくくすることができ、熱によって第２金属板５が外部の部材から剥離するのを抑制することができる。なお、ここで、外部の部材とは、ヒートシンク等である。
【００２３】
また、最外周に位置する溝Ｄ１は、第２金属板５の外周の一部と重なって、該重なった個所が切欠きになっている。第２金属板５は、平面視して矩形状であって、その外周の一辺と溝Ｄ１の一部が重なる。そして、溝Ｄ１の直径は、第２金属板５の四辺のうち最も短い一辺の長さよりも短く設定されている。その結果、溝Ｄ１は、第２金属板５と重なる領域内に円形状として形成される。溝Ｄ１を第２金属板５の外周の一部と重なるように形成される。セラミック基板２と第２金属５との熱膨張差に起因して生じる応力が特に集中するのは、第２金属板５の外周におけるセラミック基板２との接合部であって、その第２金属板５の外周の厚さを薄くすることができることから、セラミック基板との熱膨張差に起因して生じる応力を小さくすることができる。
【００２４】
また、最内周に位置する溝Ｄ２は、平面透視して溝Ｄ１と半導体素子３の実装領域との間に位置している。半導体素子３の発する熱は、第１金属板４からセラミック基板２を介して第２金属板５に伝わる。仮に、平面透視して半導体素子３と重なる領域に溝Ｄ２が設けられていると、半導体素子３の発した熱が、溝Ｄ２によって第２金属板５の下面にまで略均一に伝わりにくくなる。その結果、第２金属板５から外部に向かって放熱するのに、
熱が局所的に第２金属板５から外部に伝わる虞があり、第２金属板５と外部との部材との間で剥離する可能性が高まる。そこで、平面透視して半導体素子３と重なる領域に溝Ｄ２を設けないようにすることで、半導体素子３から下方に向かって伝わる熱にむらが発生するのを抑制することができ、第２金属板５が外部の部材から剥離するのを効果的に抑えることができる。
【００２５】
また、複数の溝Ｄは、第２金属板５の下面に対して、同心円状に設けられることで、第２金属板５が熱によって膨張・収縮するのを第２金属板５全体で略均一になるように調整することができ、第２金属板５からセラミック基板２に加わる応力が局所的に集中するのを抑制することができる。その結果、セラミック基板２の特定個所に応力が集中しにくくすることができ、セラミック基板２が破壊されるのを抑制することができる。
【００２６】
また、半導体素子３が実装される領域は、平面透視して溝Ｄで囲まれる領域内に位置するように配置されている。つまり、半導体素子３が溝Ｄによって囲まれることで、半導体素子３が駆動時に発生する熱が、半導体素子３を中心に広がるように伝わる。そして、溝Ｄが設けられることで、第２金属板５が大気と接する面積を大きく確保することができ、半導体素子３の熱を大気中に効率よく放散することで、第２金属板５の熱膨張を低減し、セラミック基板２が破壊されるのを抑制することができる。
【００２７】
溝Ｄは、直径の大きさが、例えば、２ｍｍ以上１４４ｍｍ以下に設定されている。また、溝Ｄの深さは、例えば、０．０５ｍｍ以上１．９ｍｍ以下に設定されている。また、溝Ｄの第２金属板５の平らな個所に沿った平面方向の大きさは、例えば、１．５ｍｍ以上１４３．５ｍｍ以下に設定されている。
【００２８】
また、複数の溝Ｄの深さは、第２金属板５の内側から外周に向かうに従って、大きくなるように設定されている。複数の溝Ｄの深さを、内側から外周に向かって漸次大きくなるようにすることで、第２金属板５は中央部から外周に向かうに従って薄くなる。結果、半導体素子３からの熱は、第２金属板５の中央部から外周に向けて効率よく伝達されつつ、第２金属板５の熱膨張、熱収縮によって中央部から外周に向かうに従って大きくなる応力は、第２金属板５の内側から外周に向かうに従って大きくなる溝Ｄによって緩和されるとともに、中央部から外周に向かうに従って薄くなる第２金属板５によってさらに低減することができる。
【００２９】
第１金属板４の上面にも第２金属板５に設けられた溝Ｄと同様に、複数の溝Ｄｘが設けられている。溝Ｄｘは、平面透視して第２金属板５の溝Ｄと重なるように設けられている。溝Ｄｘと溝Ｄが重なるように配置されることで、セラミック基板２に対して、第１金属板４および第２金属板５から加わる応力を上下対称に加わるように調整することができる。その結果、セラミック基板２が、第１金属板４または第２金属板５から加わる応力によって破壊されるのを抑制することができる。
【００３０】
また、溝Ｄｘは、平面視して半導体素子３の実装領域の周囲に設けられている。溝Ｄｘが設けられることで、半導体素子３をロウ材を介して第１金属板４上に実装するときに、ロウ材が周囲に漏れ出るのを溝Ｄｘにて抑えることができる。ロウ材が周囲に流れ出ようとすると、溝Ｄｘによって漏れ出たロウ材の一部を溜めることができる。
【００３１】
本実施形態に係る半導体モジュール基板１は、第２金属板５に複数の溝Ｄを設けるとともに、溝Ｄ１を第２金属板５の外周の一部と重なるように設けることで、半導体素子３または外部からセラミック基板２に加わる熱応力を緩和することができ、セラミック基板２にクラックが発生するのを抑制することができる。このようにして、セラミック基板２にクラックが発生するのを抑制することが可能な半導体モジュール基板１を提供することが
できる。
【００３２】
本発明は上述の実施の形態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において種々の変更、改良等が可能である。なお、溝は第１金属板４の溝Ｄと第２金属板５の溝Ｄｘは、上下面同一形状でなく、溝Ｄと溝Ｄｘを異形状にしてもよい。また、溝Ｄと溝Ｄｘは、一部が不連続であっても構わない。
【００３３】
＜半導体モジュール基板の製造方法＞
ここで、半導体モジュール基板１の製造方法を説明する。まずは、セラミック基板２、第１金属板４および第２金属板５を準備する。
【００３４】
第１金属板４および第２金属板５は、例えば、鉄−ニッケル−コバルト合金を型枠に鋳込んで作製したインゴットを周知の切削加工や打ち抜き加工等の金属加工法を用いて所定形状にして製作される。そして、溝Ｄについても、切削加工を用いて第１金属板４および第２金属板５に形成することができる。
【００３５】
また、セラミック基板２は、例えば、酸化アルミニウム質焼結体からなる場合、グリーンシートは、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、有機バインダー、可塑剤、溶剤または分散剤等を混合添加してペースト状とし、ドクターブレード法やカレンダーロール法等によって形成される。平板形状のグリーンシートに金型を用いた打ち抜きを施すことによってそれぞれの形状に合わせて製作される。
【００３６】
未硬化のセラミック基板２は、タングステン、モリブデンまたはマンガン等の高融点金属粉末に有機バインダー、可塑剤、溶剤等を添加してなる導電ペーストを、セラミック基板２の上面の所定位置にスクリーン印刷法等によって印刷塗布する。そして、未硬化のセラミック基板２は、第１金属板４および第２金属板５のそれぞれとの接合部に該当する位置にメタライズ層が形成される。さらに、グリーンシートを、約１６００℃の温度で焼成することにより、焼成後に、セラミック基板２が製作される。
【００３７】
また、電気メッキまたは無電解メッキ等のメッキ形成方法によって、メタライズ層上に厚さ１μｍ以上３μｍ以下のニッケルメッキ層が形成される。そして、セラミック基板２のニッケルメッキ層に対して、第１金属板４および第２金属板５が銀ロウまたは銀−銅ロウ等のロウ材を介して接合されることによって半導体モジュール基板１が製作される。
【００３８】
最後に、半導体モジュール基板１の上面に半導体素子３、例えば、金−錫半田または金−ゲルマニウム半田等の材料で接着固定される。そして、半導体モジュールが製作される。
【符号の説明】
【００３９】
１  半導体モジュール基板
２  セラミック基板
３  半導体素子
４  第１金属板
５  第２金属板
Ｄ  溝
Ｄ１  最外周に位置する溝
Ｄ２  最内周に位置する溝
Ｄｘ  第１金属板の溝
【図１】
2013093355.tif 000003
【図２】
2013093355.tif 000004
【図３】
2013093355.tif 000005