(57)【要約】      （修正有）【課題】単一絶縁材からなる絶縁基板の熱伝導性と基板強度とのトレードオフの関係を解消する複合回路基板を提供する。【解決手段】複数の絶縁材からなる複合回路基板１０と、基板の所望表面に固着した金属層１２とを有する。金属層は、少なくとも片面に発熱性素子１３を固定する実装部１４と、電極や配線導体を形成する回路部１５とからなる。基板は、実装部の絶縁材１１にセラミックス材１６を用い、回路部の絶縁材１１にガラス材１７を用いる。【選択図】図１
2016181572.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の絶縁材からなる基板と、この基板の所望表面に固着した金属層とを有し、前記金属層は、少なくとも片面に発熱性素子を固定する実装部と、電極や配線導体を形成する回路部とからなり、前記基板は、前記実装部の絶縁材にセラミックス材を用い、前記回路部の絶縁材にガラス材を用いたことを特徴とする複合回路基板。
【請求項２】
複数の絶縁材からなる基板と、この基板の所望面に固着した金属層と、前記金属層の間を導通するジャンパー電極とを有し、前記金属層は、少なくとも片面に発熱性素子を固定する実装部と、電極や配線導体を形成した回路部とからなり、前記基板は、前記実装部の絶縁材にセラミック材を用い、前記回路部の絶縁材にガラス材を用いたことを特徴とする複合回路基板。
【請求項３】
複数の絶縁材からなる基板と、この基板の所望面に固着した金属層と、前記金属層の間を導通する貫通電極とを有し、前記金属層は、少なくとも片面に発熱性素子を固定する実装部と、電極や配線導体を形成した回路部とからなり、前記基板は、前記実装部の絶縁材にセラミック材を用い、前記回路部の絶縁材にガラス材を用いたことを特徴とする複合回路基板。
【請求項４】
前記実装部の絶縁材は、窒化アルミニウム、窒化珪素、アルミニウムジルコニアセラミック、アルミナの群から選ばれた高熱伝導性のセラミックス材を用いたことを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか１つに記載の複合回路基板。
【請求項５】
前記回路部の絶縁材は、リン酸系ガラス、ソーダライムガラス、硼珪酸ガラス、アルミノ硼珪酸ガラス、アルミノ珪酸ガラスの群から選ばれ、前記金属層と熱膨張率を合致させた靱性に優れたガラス材を用いたことを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか１つに記載の複合回路基板。
【請求項６】
前記回路部の絶縁材は、主成分となる第一のガラスと、前記第一のガラスとは化学組成、分相、結晶化度などの性状が異なる第二のガラス材との複合ガラス材を用いたことを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか１つに記載した複合回路基板。
【請求項７】
前記回路部の絶縁材は、主成分のガラスにセラミック粉末などのガラスと異なる耐熱絶縁材をフィラーとして含有した複合ガラス材を用いたことを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか１つに記載した複合回路基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、絶縁材にセラミックス材とガラス材とを併用した複合回路基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、産業機器の高性能化や地球環境問題から、種々の電気機械装置に大電流・大電圧を効率よく制御するパワー半導体デバイスが使用されている。例えば、産業用ロボットや工作機械、電気自動車、電車などのモータを駆動するために、ＧＴＯ（Ｇａｔｅ  Ｔｕｒｎ  Ｏｆｆ  Ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ）やＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などのパワーモジュールが用いられている。これらのパワー半導体装置は、半導体チップの表面および裏面に大電流を流すため、半導体素子を実装する基板には高い電気的絶縁性が要求される。また、チップ裏面から電流を取り出すため、該絶縁基板上には電極などの導体を形成する必要がある。従来、基板上への導体形成は、セラミックス素体と金属回路をＤＢＡ法（Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｉｎｄｉｎｇ Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ、アルミニウム直接接合）やＤＢＣ法（Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｉｎｄｉｎｇ Ｃｏｐｐｅｒ、銅直接接合）、またはＡＭＣ法（Ａｃｔｉｖｅ  Ｍｅｔａｌ  Ｂｒａｚｅｄ  Ｃｏｐｐｅｒ、活性金属法）などで接合し、その金属回路上に半導体チップを実装する方法が多く採用されている。絶縁基板は、半導体チップを実装する際の接合加熱や、稼働時の大電流印加によるチップ発熱を速やかに逃がしチップ温度の上昇を抑えるため高い放熱性が求められる。このため、高い電気絶縁性を有し、かつ熱伝導に優れた窒化アルミニウムや窒化珪素などの高熱伝導セラミックス基板を用い、該セラミックス基板に銅やアルミニウム等の金属板を接合した、セラミックス−金属接合回路基板が広く用いられている。
【０００３】
従来技術において、高熱伝導セラミックス基板は、高熱伝導性と高電気絶縁性を有する窒化珪素や窒化アルミニウムの基板材が用いられ、Ａｇ−Ｃｕ合金などを含む活性金属ろう材を用いて金属板と接合したセラミックス−金属接合回路基板が広く用いられている。金属板としては、一般に電気伝導性および熱伝導性に優れる銅またはアルミニウム等が使用されることが多い。銅は、アルミニウムよりも高い降伏応力を有し、さらにセラミックスとの熱膨張差が大きいことから、銅板厚が厚くなるにしたがって、セラミックス−金属接合回路基板の耐熱サイクル性・耐熱衝撃性が低下し、セラミック基板へのクラック発生が生じやすくなり、信頼性が低下するという問題があった。また、ＡＭＣ法の場合はロウ材を用いるため、接合継手の耐熱性や接合欠陥（割れやボイド）が発生しやすいと言う問題があり、より厳しい環境下への適用や信頼性確保には、特に留意する必要があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−２０７４８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の基板は、単一のセラミックス材からなる絶縁基板を用いて、半導体チップ等からの放熱と回路導体の絶縁を解決していた。このため、例えば、窒化アルミニウムなどのより熱伝導性の高いセラミックス材を選択すると基板強度が劣り、アルミナなどのより基板強度が高く絶縁性も大きいセラミックス材を選択すると熱伝導性が悪くなってしまうという、トレードオフの関係があった。本発明は、従来のパワー半導体用基板の上記課題を解消するため提案するものであり、基板材料の熱伝導性と基板強度とのトレードオフの問題を解消し、かつ銅などの導体金属と基板材との熱膨張差に起因する信頼性低下等の問題を解決することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、複数の絶縁材からなる基板と、この基板の所望表面に固着した金属層とを有し、金属層は、少なくとも片面に発熱性素子を固定する実装部と、電極や配線導体を形成する回路部とからなり、基板は、実装部の絶縁材にセラミックス材を用い、回路部の絶縁材にガラス材を用いたことを特徴とする複合回路基板が提供される。この複合回路基板は、電極や配線導体を形成する回路部の絶縁材には金属層と熱膨張性を合致させた靱性に優れたガラス材を、発熱性素子を実装する実装部には高熱伝導性のセラミックス材を用いる。複数の絶縁材を組み合わせたことにより、実装部に要求される発熱性素子の放熱性を確保しながら、回路部に要求される高絶縁性と金属層との高い密着性を向上できる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の複合回路基板により、発熱性素子の実装部には、熱伝導性に優れた高熱伝導性のセラミックス材を配し、基板の配線部には、絶縁性に優れた強靭性のガラス材を配置するので、熱伝導性と基板強度とのトレードオフの問題を効率的に解消する。さらに基板の回路部（配線部）には、セラミックス材より金属と容易に融着し、かつ銅などの導体金属と熱伝導率が同じガラス材を配置するので、導体金属との密着性を向上するとともに従来のセラミックス基板の課題であった導体金属との熱膨張差の問題も解決する。ガラス基板を配線部に用いたことで、基板に表面活性化処理やロウ材塗布などの前処理を施す必要が無く、導体金属とガラス材を当接させて加熱封着することで簡便に絶縁材上に金属回路を直接固着できる。しかも、セラミックス材を発熱性素子実装部に部分使用しているので、高価な高熱伝導性セラミックス材を用いても低コスト化できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明に係る複合回路基板１０を示し、（ａ）は平面図を、（ｂ）は（ａ）のＤ-Ｄに沿って切断した正面断面図を、（ｃ）は下面図を示す。
【図２】本発明に係る複合回路基板２０を示し、（ａ）は平面図を、（ｂ）は（ａ）のＤ-Ｄに沿って切断した正面断面図を、（ｃ）は下面図を示す。
【図３】本発明に係る複合回路基板３０を示し、（ａ）は平面図を、（ｂ）は（ａ）のＤ-Ｄに沿って切断した正面断面図を、（ｃ）は下面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の複合回路基板について、図面を参照しながら説明する。なお、図１ないし図３では、発熱性素子を封止するリッドなどの蓋体またはポッティング樹脂などの封止樹脂は省略している。
【００１０】
本発明の複合回路基板１０は、図１に示すように、複数の絶縁材１１からなる複合基板と、この複合基板の所望表面に固着した金属層１２とを有し、金属層１２は、少なくとも片面に発熱性素子１３を固定する実装部１４と、電極や配線導体を形成する回路部１５とからなり、基板１０は、実装部１４の絶縁材にセラミックス材１６を用い、回路部１５の絶縁材にガラス材１７を用いたことを特徴とする。該複合回路基板１０は、パワー半導体チップ、光半導体チップ、抵抗素子などの発熱性素子１３を実装する実装部１４には、高熱伝導性のセラミックス材１６を用いる。例えば、窒化アルミニウム、窒化珪素、アルミニウムジルコニアセラミック、アルミナなどが好適である。一方、電極や配線導体を形成する回路部１５の絶縁材には、金属層１２と熱膨張率を合致させた靱性に優れたガラス材１７を用いる。例えば、リン酸系ガラス、ソーダライムガラス、硼珪酸ガラス、アルミノ硼珪酸ガラス、アルミノ珪酸ガラスなどが好適に利用できる。また、ガラス材は、主成分となる第一のガラス材と、第一のガラス材とは化学組成、分相、結晶化度などの性状が異なる第二のガラス材との複合ガラス材を用いてもよい。例えば、第一のガラス材および第二のガラス材は、リン酸系ガラス、ソーダライムガラス、硼珪酸ガラス、硼酸ガラス、アルミノ硼珪酸ガラス、アルミノ珪酸ガラス、アルミノ硼酸ガラスなどから選定できる。これらガラス材は、さらに結晶化ガラスにして強化しても良い。さらにガラス材には、主成分のガラスにセラミック粉末などのガラスと異なる耐熱絶縁材をフィラーとして含有したガラス材を用いてもよい。例えば、結晶化ガラスや窒化アルミニウム、窒化珪素、アルミニウムジルコニアセラミック、アルミナなどのセラミックスフィラーを含むことで強靭化したガラス材などが好適である。金属層１２は、アルミニウム、銅、銀またはそれらの合金材などに代表される低抵抗金属材を用いる。複合回路基板１０は、図２に示す複合回路基板２０のように、必要に応じて基板面表裏に設けた金属層２２の間を導通するジャンパー電極２８を設けて変形しても良い。また、複合回路基板１０は、図３に示す複合回路基板３０のように、必要に応じて基板面に設けた金属層３２の間を導通する貫通電極３８を設けても良い。
【００１１】
本発明に係る複合回路基板は、良好な伝熱性を確保しながら基板に配線された種々の導体間の大きな電位差に耐える高い絶縁性が得られる。また、回路部の金属層には、大電流に対応して低抵抗・厚膜化の要求があるが、本発明の構成により、回路部の金属層とガラス材との熱膨張差を小さくすることができるので、アルミニウムや銅などの低抵抗、高熱膨張性の金属材を用いながら厚膜化が容易となり、併せて熱サイクル・熱衝撃に対する長期信頼性も向上する。
【実施例】
【００１２】
本発明に係る実施例１の複合回路基板１０は、図１に示すように、２種類の絶縁材１１からなる複合基板と、この複合基板の上下面に固着した銅の金属層１２とを有し、金属層１２は、片面にＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）素子からなる発熱性素子２３を固定する実装部１４と、電極や配線導体を形成した回路部１５とからなり、基板は、実装部１４の絶縁材に炭化ケイ素からなるセラミックス材１６を用い、回路部１５の絶縁材に低アルカリ硼珪酸ガラス（ＳＣＨＯＴＴ社製  品番８３３０番）のガラス材１７を用いる。この複合回路基板１０は、製造時に加熱軟化させたガラス材１７にセラミックス材１６を埋め込み融着させる。ここでセラミックス材１６は、ガラス材１７に穴開けせずに熱で軟化させたガラス地に直接貫入し成形する。板厚によっては、マイクロブラストやドリル等でガラス材に予め孔を開け、その開孔部にセラミックス材１６を挿着し、ガラス材１７を加熱軟化させて埋設しても良い。セラミックス材１６は、ガラス材１７と直接融着する。その後、基板１０の上下面にＣｒ下地Ｎｉ薄膜をスパッタリングで成膜させ、露光して所望の電極形状にパターニングした後、銅めっきを施して銅金属層１２を設ける。図１において基板下面の金属層１２は、ほぼ下面全体
に設けられているが必要に応じて省略してもよい。なお、実施例１の複合回路基板１０は、ガラス材１７の硼珪酸ガラスと、セラミックス材１６の炭化ケイ素の熱膨張係数を３．５ｐｐｍ／Ｋ付近に一致させる。これら材料の熱膨張係数が一致しているので、冷熱サイクルに曝されても界面剥離やクラック発生がなく高信頼性の複合回路基板が得られる。
【００１３】
本発明に係る実施例２の複合回路基板２０は、図２に示すように、２種類の絶縁材２１からなる複合基板と、この複合基板の上下面に固着した銅の金属層２２と、該複合基板の上下面の金属層２２間を導通する銅のジャンパー電極２８とを有し、金属層２２は、片面にＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）素子からなる発熱性素子２３を固定する実装部２４と、電極や配線導体を形成した回路部２５とからなり、基板２０は、実装部２４の絶縁材に窒化アルミニウムからなるセラミックス材２６を用い、回路部２５の絶縁材にアルカリ土類アルミノ珪酸ガラス（ＳＣＨＯＴＴ社製  品番８２５２番）のガラス材２７を用いる。該複合回路基板２０は、製造時に加熱軟化させたガラス材２７にセラミックス材２６を埋め込み融着する。ここで、セラミックス材２６は、ガラス材２７に穴開けせずに熱で軟化させたガラス地に直接貫入し成形する。板厚によっては、マイクロブラストやドリル等でガラス材に予め孔を開け、開孔部に挿着したセラミックス材２６を挿着し、ガラス材２７を加熱軟化させて埋設しても良い。セラミックス材２６はガラス材２７と直接融着させる。その後、基板２０の所望表面にＣｒ下地Ｎｉ薄膜をスパッタリングで成膜させ、露光して所望の電極形状にパターニングした後、銅めっきを施して銅金属層２２およびジャンパー電極２８を設ける。なお、実施例の複合回路基板２０は、ガラス材２７の硼珪酸ガラスと、セラミックス材２６の窒化アルミニウムの熱膨張係数を４．５ｐｐｍ／Ｋ付近に一致させる。これら材料の熱膨張係数が一致しているので、冷熱サイクルに曝されても界面剥離やクラック発生がなく高信頼性の複合回路基板が得られる。
【００１４】
本発明に係る実施例３の複合回路基板３０は、図３に示すように、２種類の絶縁材３１からなる複合基板と、この複合基板の上下面に固着した銅の金属層３２と、該複合基板の上下面の金属層３２間を導通するタングステンの貫通電極３８とを有し、金属層３２は、片面にＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）素子からなる発熱性素子３３を固定する実装部３４と、電極や配線導体を形成した回路部３５とからなり、基板３０は、実装部３４の絶縁材に窒化アルミニウムからなるセラミックス材３６を用い、回路部３５の絶縁材にアルカリ土類アルミノ珪酸ガラス（ＳＣＨＯＴＴ社製  品番８２５２番）のガラス材３７を用いる。該複合回路基板３０は、製造時に加熱軟化させたガラス材３７にセラミックス材３６と、貫通電極３８とを、ガラス材３７に埋め込み融着する。ここで、セラミックス材３６および貫通電極３８は、ガラス材３７に穴開けせずに熱で軟化させたガラス地に直接貫入し成形する。板厚によっては、マイクロブラストやドリル等でガラス材に予め孔を開け、開孔部に挿着したセラミックス３２６と貫通電極３８とを挿着し、ガラス材３７を加熱軟化させて埋設しても良い。セラミックス材３６および貫通電極３８は、ガラス材３７と直接融着する。その後、基板３０の上下面にＣｒ下地Ｎｉ薄膜をスパッタリングで成膜させ、露光して所望の電極形状にパターニングした後、銅めっきを施して銅金属層３２を設ける。なお、実施例の複合回路基板３０は、ガラス材３７の硼珪酸ガラスと、セラミックス材３６の窒化アルミニウムと、貫通電極３８のタングステンの熱膨張係数を４．５ｐｐｍ／Ｋ付近に一致させる。これら材料の熱膨張係数が一致しているので、冷熱サイクルに曝されても界面剥離やクラック発生がなく高信頼性の複合回路基板が得られる。
【００１５】
これら実施例の複合回路基板は、半導体チップ実装部のみに窒化アルミニウムのセラミックス材を、電極や配線導体を形成した回路部にガラス材を設置することで、窒化アルミニウムによるパワーモジュールの高放熱と、ガラス材による高い絶縁信頼性および気密性が同時に得られ、製造コストも圧縮できる。また、セラミックス材と貫通電極がガラス材に直接融着するので、ロウ材接合品よりもプロセスが簡素化できる。しかも必要部分のみ高価な窒化アルミニウムを使うので、セラミックス単体基板よりも安価にできる。セラミックス材は、金属製放熱ビアよりも絶縁性に優れ、パッケージグラウンドとチップグラウンドの分離が容易である。従来のセラミック基板は、焼成プロセス等の問題から大型化には限界があるが、本発明に係る複合回路基板では、必要部分のみにセラミックス材を使用するので大口径化が容易である。また、単体セラミック基板の場合、基板のうねりや均一性に問題があるが、本発明に係る複合回路基板では、大口径のガラス板が使用でき、うねりの小さい均一なウェハが実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００１６】
本発明は、パワー半導体チップ、光半導体チップ、抵抗素子などの発熱性の実装部品を搭載する回路基板に適用でき、特に概ね１Ｗ以上の電力や１Ａ以上の電流、１００Ｖ以上の電圧を取り扱う大電力を使用する装置、例えば、比較的大きな電力を制御、整流する目的で用いられるパワー半導体装置やパワーモジュールに好適に利用できる。
【符号の説明】
【００１７】
１０、２０、３０・・・複合回路基板（複合基板）、
１１、２１、３１・・・絶縁材、
１２、２２、３２・・・金属層、
１３、２３、３３・・・発熱性素子、
１４、２４、３４・・・実装部、
１５、２５、３５・・・回路部、
１６、２６、３６・・・セラミックス材、
１７、２７、３７・・・ガラス材、
２８・・・ジャンパー電極、
３８・・・貫通電極。
【図１】
2016181572.tif 000003
【図２】
2016181572.tif 000004
【図３】
2016181572.tif 000005