(57)【要約】【課題】金属板の接合領域や接合容積に関する設計の自由度が高く、−５５〜５００℃の温度条件下において冷熱サイクルが繰り返された場合の信頼性が高い金属−セラミックス複合基板を提供する。【解決手段】平板状のセラミックス基板２と、このセラミックス基板の主面側に直接接合される金属板３とからなり、セラミックス基板２は、主成分のアルミナと、副成分のジルコニアと、ジルコニアの安定化剤とを少なくとも含有し、セラミックス基板の４０〜８００℃における平均線熱膨張係数は、７.３〜９.５（×１０−６／℃）の範囲内であり、金属板３は、一対の銅層３ａ，３ｃと、この一対の銅層３ａ，３ｃの間に介設される銅とモリブデンとからなる複合金属材層３ｂ、又は、モリブデン層とからなり、金属板３の４０〜８００℃における平均線熱膨張係数は、７.０〜１０（×１０−６／℃）の範囲内であることを特徴とする金属−セラミックス複合基板１Ａによる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平板状のセラミックス基板と、このセラミックス基板の主面側に直接接合される金属板と、からなり、
前記セラミックス基板は、主成分のアルミナと、副成分のジルコニアと、前記ジルコニアの安定化剤とを少なくとも含有し、
前記セラミックス基板の４０〜８００℃における平均線熱膨張係数は、７.３〜９.５（×１０−６／℃）の範囲内であり、
前記金属板は、一対の銅層と、この一対の前記銅層の間に介設される、銅とモリブデンとからなる複合金属材層、又は、モリブデン層、とからなり、
前記金属板の４０〜８００℃における平均線熱膨張係数は、７.０〜１０（×１０−６／℃）の範囲内であることを特徴とする金属−セラミック複合基板。
【請求項２】
前記金属板の平均線熱膨張係数と前記セラミックス基板の平均線熱膨張係数の差の絶対値は１.６（×１０−６／℃）以下であることを特徴とする請求項１記載の金属−セラミックス複合基板。
【請求項３】
前記セラミックス基板の裏面に前記金属板を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の金属−セラミックス複合基板。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の金属−セラミックス複合基板と、
前記セラミックス基板の主面側に配される前記金属板上に搭載される半導体と、を有することを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワーモジュールや熱電モジュールに用いられる金属−セラミックス複合基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、パワーモジュールに用いられる金属−セラミックス複合基板は、セラミックス基板の主面に電送回路が形成された金属板が接合され、セラミックス基板の下面に銅板からなる金属層が接合されてなるものである。
また、パワーモジュールは、上述の金属−セラミックス複合基板と、放熱板と、パワー半導体素子とを積層した状態で一体化してなるものである。
このようなパワー半導体素子には大きな電流を流すため、電力損失により大きく発熱して金属−セラミックス複合基板の温度が上昇する。この温度域は、従来は−５５℃〜１５０℃程度であった。これに対して次世代のパワー半導体素子であるＧａＮやＳｉＣは、従来のシリコン（Ｓｉ）やガリウム砒素（ＧａＡｓ）からなるパワー半導体素子に比べて高い動作電圧を用いて大電流を扱うことが可能である。この電流の大きさに起因してパワー半導体素子からの発熱が３００℃程度にまで達するため、金属−セラミックス複合基板にもより幅広い温度領域での信頼性が求められるようになってきた。
その一方で、金属−セラミックス複合基板の別の用途として熱電モジュールとしての利用が期待されており研究が進められている（熱電モジュールについては特開２０１３−２６５６７号公報の明細書段落００５２〜００５５を参照；特許文献４）。そして、このような熱電モジュールにおいても、金属−セラミックスの接合面における信頼性が求められるため、パワーモジュールとして用いられる場合と同様に、より幅広い温度領域での信頼性の向上が求められている。
従来のパワーモジュールに関する先行技術文献としては、以下に示すようなものが知られている。
【０００３】
特許文献１には「半導体装置用基板」という名称で、パワートランジスタモジュールなどにおいて半導体チップを半田付け等により搭載する半導体装置用の絶縁基板に関し、特に、セラミックス基板（絶縁芯板）に箔状の銅板を直接接合してなる貼り合わせ基板（ＣＢＣ基板：Ceramic  Bonding  Copper）に関する発明が開示されている。
特許文献１に開示される半導体装置用基板は、アルミナを主成分としてジルコニアを添加し、これにイットリア，カルシア，マグネシア，セリアからなる群より選択された１種以上の添加剤を添加して作製したセラミックス焼成体よりなることを特徴とするものである。
上記構成の特許文献１に開示される発明によれば、材料費の安価なアルミナを主材とし、機械的強度、特に破壊靱性（撓み性）を高め、これにより基板自身の薄形化による放熱性の改善が図れるようにしたセラミックス基板の半導体装置用基板を提供することができる。
【０００４】
特許文献２には「セラミックス焼結体およびそれを用いた半導体装置用基板」という名称で特許文献１に開示される発明の改良発明が開示されている。
特許文献２に開示される発明は、特許文献１に開示されるセラミックス焼結体におけるジルコニアの安定化剤をイットリアに特定し、さらに、ジルコニアにおけるイットリアのモル分率を０.０１５〜０.０３５の範囲内に特定することで、特許文献１に開示される半導体装置用基板の熱伝導率及び信頼性を同時に改善したものである。
【０００５】
特許文献３には「セラミックス回路基板」という名称で、セラミックス回路基板に関し、特に耐熱衝撃性などに優れた信頼性の高いセラミックス回路基板およびそのセラミックス回路基板を用いた信頼性の高いパワーモジュールに関する発明が開示されている。
特許文献３に開示されるセラミックス回路基板は、非酸化物セラミックスで構成されるセラミックス基板の一方の主面に金属回路板を他方の主面に金属板が接合されたセラミックス回路基板において、金属回路板および金属板が、それぞれ銅を主成分とする層とモリブデンまたはタングステンを主成分とする層を有し、少なくとも最外層が銅を主成分とする層であり、その内部に少なくとも１層以上のモリブデンまたはタングステンを主成分とする層を有した３層以上からなることを特徴とするものである。
上記構成の特許文献３に開示される発明によれば、低コストで耐熱衝撃性などに優れた信頼性の高いセラミックス回路基板を提供することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平８−１９５４５０号公報
【特許文献２】特表２０１０−１１４１２６号公報
【特許文献３】特開２０１３−２４７１５８号公報
【特許文献４】特開２０１３−２６５６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１〜３に開示される発明はいずれも、セラミックス基板とその表面に接合される金属板との線熱膨張係数の差が大きいことを前提とした技術である。そして、この場合、セラミックス基板とその表面に接合される金属板の接合面には大きな熱応力が生じる。この時、セラミックス基板の表面に作用する熱応力が局所に偏ると、変形性の低いセラミックス基板にクラックが生じる、あるいは、割れるといった不具合が生じる。
従って、特許文献１〜３に開示されるいずれの発明においても、セラミックス基板の表面と裏面に作用する熱応力を均質化するために、セラミックス基板の表面と裏面における金属板の接合領域、及び、容積を近似させる必要があった。
つまり、特許文献１〜３に開示される発明では、電送回路としての使用の見込みがない金属板を接合してでもセラミックス基板の表面と裏面に接合される金属板の接合領域と容積を近似させる必要があり、製造時の原材料費を節減することが難しかった。
また、同様の理由により、特許文献１〜３に開示される半導体装置用基板又はセラミックス回路基板の設計の自由度も著しく低いものになっていた。このため、金属−セラミックス複合基板を熱電モジュールとして使用可能とするために、セラミックス基板の表面における金属板の接合領域及び容積の自由度を高める必要があった。
【０００８】
本発明はかかる従来の事情に対処してなされたものであり、セラミックス基板上における金属板の接合領域や接合容積に関する制約を解除することができ、かつ、−５５〜５００℃の温度条件下において冷熱サイクルを繰り返した場合の信頼性が極めて高い金属−セラミックス複合基板および半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため第１の発明である金属−セラミックス複合基板は、平板状のセラミックス基板と、このセラミックス基板の主面側に直接接合される金属板と、からなり、セラミックス基板は、主成分のアルミナと、副成分のジルコニアと、ジルコニアの安定化剤とを少なくとも含有し、セラミックス基板の４０〜８００℃における平均線熱膨張係数は、７.３〜９.５（×１０−６／℃）の範囲内であり、金属板は、一対の銅層と、この一対の銅層の間に介設される、銅とモリブデンとからなる複合金属材層、又は、モリブデン層、とからなり、金属板の４０〜８００℃における平均線熱膨張係数は、７.０〜１０（×１０−６／℃）の範囲内であることを特徴とするものである。
上記構成の第１の発明に記載の発明において、セラミックス基板が、主成分のアルミナと、副成分のジルコニアと、ジルコニアの安定化剤とを少なくとも含有することで、４０〜８００℃におけるセラミックス基板の平均線熱膨張係数を７.３〜９.５（×１０−６／℃）の範囲内にするという作用を有する。さらに、セラミックス基板がジルコニアを含有することで、セラミックス基板の抗折強度が向上して、セラミックス基板の主面側に金属板が接合されてその接合面に熱応力が作用した際に、セラミックス基板にクラックが生じる、あるいは、割れるという不具合を抑制するという作用を有する。
また、金属板を一対の銅層と、この一対の銅層の間に介設される銅とモリブデンとからなる複合金属材層、又は、モリブデン層とにより構成することで、金属板の４０〜８００℃における平均線熱膨張係数を７.０〜１０（×１０−６／℃）の範囲内にするという作用を有する。
加えて、金属板の積層構造を、一対の銅層の間に銅とモリブデンとからなる複合金属材層、又は、モリブデン層が介設された形態とすることで、アルミナを主成分とするセラミックス基板に金属ろう材を用いることなしに、金属板を接合することを可能にするという作用を有する。
そして、上述のような第１の発明では、セラミックス基板の４０〜８００℃における平均線熱膨張係数と、金属板の４０〜８００℃における平均線熱膨張係数とが同じ又は近似するので、双方の接合面に生じる熱応力が極めて小さくなる。これにより、セラミックス基板の主面の局所に金属板を接合して、−５５〜５００℃の温度条件下において冷熱サイクルを繰り返した際に、セラミックス基板にクラックが発生する又は割れる不具合を抑制するという作用を有する。
【００１０】
第２の発明である金属−セラミックス複合基板は、第１の発明である金属−セラミックス複合基板であって、金属板の平均線熱膨張係数とセラミックス基板の平均線熱膨張係数の差の絶対値は１.６（×１０−６／℃）以下であることを特徴とするものである。
上記構成の第２の発明は、上述の第１の発明をより詳細に特定したものであり、その作用は第１の発明と同じである。
【００１１】
第３の発明である金属−セラミックス複合基板は、第１又は第２の発明であって、セラミックス基板の裏面に金属板を備えることを特徴とするものである。
上記構成の第１の発明は、第１又は第２の発明の作用と同じ作用に加えて、第１又は第２の発明の裏面側に接合される金属板が、金属板を一対の銅層とこの一対の銅層の間に介設される銅とモリブデンとからなる複合金属材層、又は、モリブデン層とからなり、かつ、４０〜８００℃における平均線熱膨張係数が７.０〜１０（×１０−６／℃）の範囲内であることで、セラミックス基板の裏面の局所にのみ金属板を接合しても、又は、セラミックス基板の裏面に接合される金属板の容積が主面側に接合される金属板の容積と同じ又は近似していなくとも、−５５〜５００℃の温度条件下において冷熱サイクルを繰り返した際に、セラミックス基板にクラックが発生する又は割れるという不具合を抑制するという作用を有する。
【００１２】
第４の発明である半導体装置は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の金属−セラミックス複合基板と、セラミックス基板の主面側に配される金属板上に搭載される半導体と、を有することを特徴とするものである。
上記構成の第４の発明は、第１乃至第３のいずれかの発明である金属−セラミックス複合基板を備えており、その作用は、第１乃至第３のそれぞれの発明と同じである。
【発明の効果】
【００１３】
上述のような第１，２の発明によれば、セラミックス基板の主面のみに金属板を接合し、裏面側に金属板を接合しない場合でも、−５５〜５００℃の温度条件下における冷熱サイクルが繰り返される際の、セラミックス基板のクラックの発生や割れを好適に防止することができる。したがって、従来よりも一層過酷な条件下においても高い信頼性を発揮させることができる。
また、第１，２の発明によれば、−５５〜５００℃の温度条件下で冷熱サイクルを繰り返す際のクラックの発生や割れを防止することを目的として、セラミックス基板の主面側と裏面側に接合される金属板の、接合領域を一致又は近似させたり、その容積を一致又は近似させる必要がない。
より具体的には、セラミックス基板の主面側と裏面側に接合される金属板の容積が一致又は近似しているとは、セラミックス基板の主面側又は裏面側に配される金属板の容積Ｖ１と、裏面側又は主面側に配される金属板の容積Ｖ２の比が、Ｖ１：Ｖ２＝１：０.６５〜１.４５に設定されていることを意味しているので、第１，２の発明によれば、上記比率を満たしていなくとも−５５〜５００℃の温度条件下における冷熱サイクルが繰り返される際に十分な信頼性を発揮させることができる。
従って、第１，２の発明によれば、セラミックス基板の主面側の必要箇所にのみ金属板を接合すればよいので、第１，２の発明における金属板の配置や接合容積に関する設計の自由度を飛躍的に向上させることができる。加えて、第１，２の発明によれば、電送回路等として使用見込みのない金属板をセラミックス基板に接合する必要がなくなるので、第１，２の発明を製造する際の金属板の使用量を必要最少限度にできる。この結果、第１，第２の発明の製造コストを削減できる。
よって、第１，２の発明によれば、金属−セラミックス複合基板を従来のパワーモジュールとして用いる場合の性能及び信頼性を向上できるだけでなく、例えば、熱電モジュールとしても使用できる可能性がある。
この結果、第１，２の発明によれば、金属−セラミックス複合基板の汎用性を高めることができる。
【００１４】
第３の発明は、第１，２に記載の発明による効果と同じ効果に加えて、セラミックス基板の裏面側に接合される金属板を、主面側に接合される金属板と同じものにすることで、セラミックス基板とその裏面側に接合される金属板との接合面に生じる熱応力についても極めて小さくできる。
従って、第３の発明によれば、セラミックス基板の主面側に接合される金属板の接合領域や接合容積に関する制約を受けることなく、セラミックス基板の裏面側の所望位置に金属板を接合することができる。この結果、第３の発明において金属板の接合領域や接合容積（例えば、厚み）に関する設計の自由度を大幅に高めることができる。
また、第３の発明によれば、セラミックス基板の裏面のほぼ全域に金属板を接合する場合でも、その厚みを薄くできるので、第３の発明を用いて、例えば、パワーモジュールを構成する場合に、その小型低背化に寄与できだけでなく、その製造コストも削減できる。
よって、第３の発明によれば、高性能で信頼性が高く、かつ、設計上の自由度が極めて高い金属−セラミックス複合基板を廉価に提供できる。
【００１５】
第４の発明によれば、第１乃至第３のそれぞれの金属−セラミックス複合基板を備えることで、高性能で信頼性が高く、かつ、設計上の自由度が極めて高い半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施例１に係る金属−セラミックス複合基板の側面図である。
【図２】本発明の実施例２に係る金属−セラミックス複合基板の側面図である。
【図３】本発明の実施例３に係る半導体装置の側面図である。
【図４】（ａ）〜（ｄ）はいずれも試験１に供試した金属−セラミックス複合基板の側面図である。
【図５】（ａ），（ｂ）はいずれも試験２に供試した金属−セラミックス複合基板の側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の実施の形態に係る金属−セラミックス複合基板および半導体装置について実施例１乃至実施例３を参照しながら詳細に説明する。
【実施例１】
【００１８】
はじめに、図１を参照しながら本発明の実施例１に係る金属−セラミックス複合基板について説明する。
図１は本発明の実施例１に係る金属−セラミックス複合基板の側面図である。
図１に示すように、実施例１に係る金属−セラミックス複合基板１Ａは、平板状のセラミックス基板２（例えば、矩形状）と、このセラミックス基板２の主面側に直接接合される金属板３とにより構成されるものである。また、実施例１に係る金属−セラミックス複合基板１Ａにおいて金属板３は、一対の銅層３ａ，３ｃと、この一対の３ａ，３ｃの間に介設される銅とモリブデンとからなる複合金属材層３ｂとからなる三層積層体である。また、このような金属板３は、４０〜８００℃における金属板３の平均線熱膨張係数が７.０〜１０（×１０−６／℃）の範囲内となるよう各金属層３ａ〜３ｃの厚みや、複合金属材層３ｂにおける銅とモリブデンの配合割合が調整されている。
さらに、この金属−セラミックス複合基板１Ａにおけるセラミックス基板２は、主成分のアルミナと、副成分のジルコニアと、ジルコニアの安定化剤とを少なくとも含有してなるものである。より具体的には、セラミックス基板２におけるアルミナの含有率は５０ｗｔ％以上であり、かつ、セラミックス基板２におけるジルコニア及び安定化剤の含有率は１〜５０ｗｔ％の範囲内である。
そして、実施例１に係るセラミックス基板２におけるアルミナ、ジルコニア及び安定化剤の含有率を上述のように設定することで、４０〜８００℃におけるセラミックス基板２の平均線熱膨張係数を、７.３〜９.５（×１０−６／℃）の範囲内にすることができる。
なお、このセラミックス基板２の平均線熱膨張係数は、セラミックス基板２の主面側に接合される金属板３の平均線熱膨張係数と同じ又は近似している。
【００１９】
また、セラミックス基板２の製造時におけるジルコニア及びその安定化剤の添加方法としては、主成分であるアルミナ（粉体状）に対して、粉体状のジルコニア及び安定化剤を添加してこれらを混合してセラミックス基板２を作製する方法と、ジルコニアを安定化剤で予め部分安定化してなる（ジルコニア粒子中に安定化剤を予め固溶させてなる）部分安定化ジルコニアを作製しておき、この部分安定化ジルコニア（粉体状）をアルミナに添加してこれらを混合してセラミックス基板２を作製する方法とがあるが、本発明ではいずれの方法を採用してもよい。
そして、アルミナ、ジルコニア及びその安定化剤の添加量を一定にした場合、後者の方法を採用する場合は、前者の方法を採用する場合に比べて、作製されたセラミックス基板２の平均線熱膨張係数を増加させることができる。
従って、実施例１に係るセラミックス基板２を製造する際の安定化剤の添加方法を適宜選択することで、セラミックス基板２の平均線熱膨張係数を所望に微調整することができる。
【００２０】
また、本発明の主旨から、金属板３において、一対の銅層３ａ，３ｃの間に介設される銅とモリブデンとからなる複合金属材層３ｂは、モリブデン単体からなるモリブデン層に置き換えることもできる。なお、それぞれを用いる場合の金属板３の作用、効果の違いについては、後段において詳細に説明する。
【００２１】
このように、セラミックス基板２におけるジルコニアの含有率を１ｗｔ％以上にすることで、セラミックス基板２の抗折強度を向上しつつ、４０〜８００℃における平均線熱膨張係数を金属板３の平均線膨張係数に近づけることができる。
その一方で、セラミックス基板２におけるジルコニアの含有率の増加に伴いセラミックス基板２の熱伝導率は低下する。
従って、実施例１に係る金属−セラミックス複合基板１Ａでは、セラミックス基板２の抗折強度を高めつつ、セラミックス基板２の過度な熱伝導率の低下を防止するために、セラミックス基板２におけるジルコニアの含有率は１〜５０ｗｔ％の範囲内にするのがよい。なお、セラミックス基板２におけるジルコニアの含有率が５０ｗｔ％を上回ると、セラミックス基板２の熱伝導率の低下が顕著に起こり、実施例１に係る金属−セラミックス複合基板１Ａの熱放散性が低下して電子部品として好適に機能しなくなる。
他方、セラミックス基板２におけるジルコニアの含有率が８ｗｔ％を超えると、セラミックス基板２の抗折強度の増大効果が顕著になり、−５５〜５００℃の温度条件下において冷熱サイクルを繰り返す場合のセラミックス基板２の信頼性を大幅に向上することができる。特に、アルミナに部分安定化ジルコニアを添加する場合は、セラミックス基板２におけるジルコニアの含有率を８〜５０ｗｔ％の範囲内に設定することで、セラミックス基板２の４０〜８００℃における平均線膨張係数が７.９（×１０−６／℃）を超え、これによりセラミックス基板２と金属板３の接合面に生じる熱応力が大幅に緩和されることと、セラミックス基板２自体の抗折強度の向上効果が相俟って、実施例１に係る金属−セラミックス複合基板１Ａの信頼性が飛躍的に向上する。
このように、セラミックス基板２は、ジルコニアを１ｗｔ％以上含有させることでその抗折強度の向上効果が発揮され、さらに、セラミックス基板２におけるジルコニアの含有率が８〜５０ｗｔ％の範囲内である場合はその効果が特に顕著になる。また、セラミックス基板２におけるジルコニアの含有率を５０ｗｔ％以下にすることで、本発明に係るセラミックス基板２の熱電伝導率の低下を抑制して、十分な放熱性を発揮させることができる。
【００２２】
また、ジルコニアの安定化剤としては、例えば、イットリア、カルシア、マグネシア、セリアを用いることができる。さらに、安定化剤の含有率は、ジルコニアの全量を１００モル％とした場合に１〜４モル％に設定すればよい。
特に、安定化剤としてイットリアを用いる場合は、ジルコニア粒子中にイットリアを固溶させてなる部分安定化ジルコニア［ジルコニア粒子中にイットリウム原子（Ｙ）が分散したもの］を用いるとよい。この場合、安定化剤であるイットリアの全てをジルコニア粒子に作用させることができるので、セラミックス基板２における安定化剤の含有率を必要最少限度にしつつ、安定化剤によるジルコニア粒子の抗折強度の向上効果を最大にすることができる。さらに、この場合、セラミックス基板２中に含有される安定化剤の絶対量を少なくできるので、セラミックス基板２の熱伝導率を大幅に高めることができる。よって、セラミックス基板２の放熱性向上効果も期待できる。
なお、セラミックス基板２が上述のようなイットリアのみにより安定化された部分安定化ジルコニアを含有する場合も、セラミックス基板２における部分安定化ジルコニア（安定化剤が固溶したジルコニア）の含有率を８〜５０ｗｔ％の範囲内にするとよい。
【００２３】
そして、上述のような実施例１に係る金属−セラミックス複合基板１Ａでは、セラミックス基板２とその主面側に接合される金属板３との４０〜８００℃における平均線熱膨張係数が同じ又は近似するため、−５５〜５００℃の温度条件下において冷熱サイクルが繰り返される際の、セラミックス基板２と金属板３の変形量の差が小さくなり、これにより、双方の接合面に生じる熱応力が小さくなる。
しかも、セラミックス基板２は、上述の通りアルミナ中にジルコニア及びその安定化剤を含有していることでその抗折強度が大幅に向上する。
この結果、−５５〜５００℃の温度条件下における冷熱サイクルが繰り返される際に、セラミックス基板２にクラックが生じる又は割れるという不具合を好適に防止することができる。
従って、実施例１に係る金属−セラミックス複合基板１Ａによれば、特許文献１乃至３に示される発明の場合のように、冷熱サイクルが繰り返される際のセラミックス基板２に作用する熱応力を緩和することを目的として、セラミックス基板２の主面２ａ側と裏面２ｂ側に配される金属板（例えば、銅板等）の接合領域を一致（略一致の概念を含む）させる、又は、セラミックス基板２の主面２ａ側と裏面２ｂ側に接合される金属板の容積を一致（略一致の概念を含む）させる必要がなくなる。
このことは、セラミックス基板２の主面２ａの所望個所にのみ金属板３を接合するだけで従来技術以上の信頼性が発揮されることを意味している。つまり、セラミックス基板２のクラックの発生や割れを心配することなく、その主面２ａ上における金属板３の接合領域や容積を決定することができる。
【００２４】
より具体的には、セラミックス基板２の主面２ａ側と裏面２ｂ側に接合される金属板の容積が一致又は近似している状態とは、セラミックス基板の主面側又は裏面側に配される金属板の容積Ｖ１と、裏面側又は主面側に配される金属板の容積Ｖ２の比が、Ｖ１：Ｖ２＝１：０.６５〜１.４５に設定されている状態を意味しており、実施例１に係る金属−セラミックス複合基板１Ａでは、上記比率に関係なく−５５〜５００℃の温度条件下における冷熱サイクルが繰り返される際に十分な信頼性を発揮させることができる。
つまり、従来技術（例えば、特許文献１乃至３）では、セラミックス基板の主面側と裏面側に配される金属板の容積を一致又は近似させることで、セラミックス基板の主面側と裏面側に作用する熱応力を一致又は近似させてセラミックス基板にクラックが発生する又は割れるという不具合を防止するという技術思想である。
これに対して、本発明はセラミックス基板２の４０〜８００℃における平均線熱膨張係数と、セラミックス基板２に接合される金属板３の４０〜８００℃における平均線熱膨張係数を一致又は近似させることで、セラミックス基板２と金属板３との接合面に作用する熱応力そのものを小さくしてセラミックス基板２にクラックが発生する又は割れるという不具合を防止するという技術思想である。
よって、従来技術がセラミックス基板と金属板との接合面に生じる熱応力に対処しようとする技術であるのに対して、本発明はセラミックス基板と金属板との接合面に生じる熱応力そのものを無くそうとする技術である。
【００２５】
このように、実施例１に係る金属−セラミックス複合基板１Ａによれば、従来技術（例えば、特許文献１乃至３）と比較して、セラミックス基板２の主面２ａ側における金属板３の配置や接合容積に関する設計の自由度を飛躍的に向上することができる。これにより、実施例１に係る金属−セラミックス複合基板１Ａを従来公知のパワーモジュールとしてだけでなく、熱電モジュールとしても使用することが可能になる。
この結果、例えば、実施例１に係る金属−セラミックス複合基板１Ａの金属板３上にパワー半導体等の電子部品を搭載した際に、この電子部品の昇温・降温に伴う金属板３とセラミックス基板２の熱膨張と収縮の差の繰り返し応力に起因するセラミックス基板２におけるクラックの発生や割れを好適に防止することができる。つまり、実施例１に係る金属−セラミックス複合基板１Ａを製品として使用する際の信頼性を飛躍的に向上させることができる。
【００２６】
さらに、実施例１に係る金属−セラミックス複合基板１Ａのセラミックス基板２は、アルミナとジルコニアとジルコニアの安定化剤以外の成分として、マグネシア及び／又はシリカを微量含有していてもよい。
より具体的には、セラミックス基板２は、０.０５〜０.５ｗｔ％の範囲内のマグネシアや、０.０５〜１ｗｔ％の範囲内のシリカを、それぞれ単独であるいは複合して含有していてもよい。
そして、セラミックス基板２がマグネシアやシリカ等のガラス質成分を含有する場合は、セラミックス基板２の焼成時にその焼成温度を低下させるという効果を発揮させることができ、これによりセラミックス基板２の製造コストを削減することができる。この結果、実施例１に係る金属−セラミックス複合基板１Ａの製造コストも削減できる。
【００２７】
また、実施例１に係る金属−セラミックス複合基板１Ａでは、金属板３が一対の銅層３ａ，３ｃと、その間に介設されてなる複合金属材層３ｂ、又は、モリブデン単体からなるモリブデン層（図示せず）との三層積層体により構成されていることで、セラミックス基板２に金属板３を接合する際に、金属板３の銅層３ｃの裏面とセラミックス基板２の主面２ａとが直接接触することになる。
一般に、無酸素銅板の表面を酸化処理したものやタフピッチ銅板をアルミナなどの酸化物系セラミックス基板上に配置して不活性ガス中で加熱すると、銅板とセラミックス基板が直接接合することが知られている（直接接合法）。実施例１に係るセラミックス基板２は、アルミナ−ジルコニアセラミックスであり、酸化物系セラミックス基板であるため、上述の直接接合法によりセラミックス基板２上に金属板３を直接接合することができる。
なお、実施例１に係るセラミックス基板２がスピネル（マグネシアとアルミナからなる化合物）を含有する場合は、セラミックス基板２上への金属板３（銅層）の接合性を向上できる。このため、セラミックス基板２の焼成時にセラミックス基板２中にスピネルを生成させるべく、アルミナ、ジルコニア及びその安定化剤以外の原料粉体として微量のマグネシアを含有させておいてもよい。
なお、マグネシアは、ジルコニアの安定化剤としても作用するので、ジルコニアの安定化剤と、スピネルを生成させるためのマグネシアを兼用してもよい。
したがって、実施例１に係る金属−セラミックス複合基板１Ａでは、金属板３として銅層３ａ，３ｃと複合金属材層３ｂ、又は、モリブデン単体からなるモリブデン層（図示せず）とからなる三層積層体を用いることで、セラミックス基板２の主面２ａ側に金属ろう材を用いることなく強固に金属板３を接合することができる。
【００２８】
また、これまで説明してきた通り、４０〜８００℃における平均線熱膨張係数が７.０〜１０（×１０−６／℃）の範囲内であるような金属板は、一対の銅層３ａ，３ｂの間にモリブデン単体からなる層を介設することによっても形成することができる。しかしながら、モリブデン単体からなるモリブデン層は、銅層３ａ，３ｂと比べて硬いため、実施例１に係る金属−セラミックス複合基板１Ａでは、金属板３全体の硬さを銅板に近づけるために、金属板３を一対の銅層３ａ，３ｃの間に銅とモリブデンとからなる複合金属材層３ｂを介設したものを用いる方がよい。
このように一対の銅層３ａ，３ｂと、その間に介設される複合金属層３ｂとからなり、変形性が高められた金属板３を用いることで、セラミックス基板２と金属板３との接合面に熱応力が生じた際に、金属板３自体が変形することによって熱応力を緩和することができ、これによりセラミックス基板２にクラックが生じる又は割れるという不具合をより確実に防止することができる。
また、このような一対の銅層３ａ，３ｂと、その間に介設される複合金属層３ｂとからなる金属板３は、金属板３全体の硬さが銅板に近いので、銅板を用いる場合と同様の手法により（例えば、打ち抜き成形等により）金属板３を電送回路に加工することができる。
つまり、実施例１に係る金属板３の代わりに、一対の銅層３ａ，３ｂの間にモリブデン単体からなるモリブデン層を介設したものを用いる場合は、モリブデン層が銅層３ａ，３ｂよりも固いので、これらからなる三層積層体を電送回路に加工することが困難になる。そして、このことは、実施例１に係る金属−セラミックス複合基板１Ａが小型である場合に特に顕著になる。このように、複合金属層３ｂに代えて、モリブデン層を用いた金属板３の場合は、実施例１に係る金属−セラミックス複合基板１Ａを小型化しようとする際に、製品の良品率が低下する懸念があり、この点においてやや不利であるが、熱応力の低減効果は遜色ない。
従って、実施例１に係る金属−セラミックス複合基板１Ａでは、特に金属板３として、銅層３ａ，３ｃの間に銅とモリブデンとからなる複合金属材層３ｂを介設したものを用いることで、その外形寸法を小さくする場合でも電送回路に不具合がない高品質な金属−セラミックス複合基板を作製して提供することができる。
【００２９】
さらに、言うまでもないが、銅層３ａ，３ｃの間に銅とモリブデンとからなる複合金属材層３ｂ、又は、モリブデン層を介設してなる三層積層体である金属板の、４０〜８００℃における平均線熱膨張係数が７.０〜１０（×１０−６／℃）の範囲内にない場合は、金属−セラミックス複合基板の昇温・降温に伴う金属板とセラミックス基板の熱膨張と収縮の差が大きくなり、昇温・降温を繰返す過程において、金属板とセラミックス基板の接合面に作用する熱応力が大きくなる。この結果、セラミックス基板にクラックが生じる又は割れるという不具合が起こり易くなる。
また、本発明に係る金属−セラミックス複合基板が特に、単数又は複数の半導体素子の搭載用として用いられる場合は、金属板３上に搭載される半導体素子が発熱するために、本発明に係る金属−セラミックス複合基板が良好な放熱性を有している必要がある。そして、本発明では、金属−セラミックス複合基板の放熱性を良好にするために、三層積層体である金属板３における銅層３ａ，３ｃの厚みを可能な限り大きくしたいという意図がある。
これに対して、セラミックス基板の平均線熱膨張係数は、銅の平均線熱膨張係数［１６.８（×１０−６／℃）］よりも大幅に小さいので、セラミックス基板の平均線熱膨張係数を大きくするための何らかの工夫が必要になる。
このような事情に鑑み、本発明ではセラミックス基板２にジルコニア及びその安定化剤を含有させることでその平均線熱膨張係数を最大限度大きくしている。
この結果、本発明に係る実施例１に係る金属−セラミックス複合基板１Ａでは、金属板３における銅の容積を相対的に大きくできるので、半導体素子を搭載する際に、優れた放熱性を有する高性能な金属−セラミックス複合基板を提供することができる。
【００３０】
なお、実施例１に係る金属板３の４０〜８００℃における平均線熱膨張係数は、金属板３を構成する金属材料の含有比率によって決まる。
この点をより具体的に説明すると、金属板３の４０〜８００℃における平均線熱膨張係数を調整するには、中間層を構成する銅とモリブデンからなる複合金属層における銅とモリブデンの含有率を変えるか、金属板３を構成する各金属層の厚みの比率を変更すればよい。
よって、本発明に用いる金属板３は、４０〜８００℃における平均線熱膨張係数を７〜１０（×１０−６／℃）の範囲内にできるのであれば、上述のいずれの方法で銅とモリブデンの含有比率を調整してもよい。
また、実施例１に係る金属板３が、一対の銅層３ａ，３ｂと、モリブデン単体からなるモリブデン層とにより構成される場合は、４０〜８００℃における平均線熱膨張係数を７〜１０（×１０−６／℃）の範囲内にするために、金属板３を構成する各金属層の厚みの比率を変更すればよい。
【００３１】
なお、実施例１に係る金属−セラミックス複合基板１Ａでは、セラミックス基板２の厚みを０.２〜０.８ｍｍに設定する場合は、その主面２ａ側に接合される金属板３の厚みを０.１〜０.５ｍｍに設定することができる。
なお、セラミックス基板２と金属板３の４０〜８００℃における平均線熱膨張係数の実質的な差を限りなく小さくすることで、セラミックス基板２の厚みを０.２ｍｍ以下にできる可能性がある。
【００３２】
また、実施例１に係る金属−セラミックス複合基板１Ａは、上記構成に加えて、金属板３の平均線熱膨張係数とセラミックス基板２の平均線熱膨張係数の差の絶対値が１.６（×１０−６／℃）以下となるようにセラミックス基板２及び金属板３を設定してもよい。
この場合、−５５〜５００℃の温度条件下において冷熱サイクルが繰り返される際に、セラミックス基板２と金属板３の接合面に生じる熱応力が極めて小さくなる。
この結果、実施例１に係る金属−セラミックス複合基板１Ａの信頼性を大幅に向上させることができる。
なお、実施例１に係る金属−セラミックス複合基板１Ａにおいてセラミックス基板２の主面２ａ側に接合される金属板３は、平板状の金属板である必要はなく電送回路をなしていてもよい。
【実施例２】
【００３３】
次に、図２を参照しながら実施例２に係る金属−セラミックス複合基板１Ｂについて詳細に説明する。
図２は本発明の実施例２に係る金属−セラミックス複合基板の側面図である。なお、図１に記載されたものと同一部分については同一符号を付し、その構成についての説明は省略する。
図２に示すように、実施例２に係る金属−セラミックス複合基板１Ｂは、先に述べた実施例１に係る金属−セラミックス複合基板１Ａにおけるセラミックス基板２の裏面２ｂにも金属板３を備えてなるものである。
また、実施例２に係る金属−セラミックス複合基板１Ｂでは、セラミックス基板２の裏面２ｂに接合される金属板３の４０〜８００℃における平均線熱膨張係数が７.０〜１０（×１０−６／℃）の範囲内であるため、セラミックス基板２の主面２ａ側に接合される金属板３の接合領域による制約を受けることなしに、所望の位置に所望容積の金属板３を接合することができる。
【００３４】
より具体的には、図２に示されるように、セラミックス基板２の裏面２ｂ側の全面に金属板３を接合してもよいし、特に図示しないが、セラミックス基板２の裏面２ｂの所望の局所にのみ金属板３を接合してもよい。
また、実施例２に係る金属−セラミックス複合基板１Ｂによれば、セラミックス基板２の主面２ａにおける金属板３の接合領域と、セラミックス基板２の裏面２ｂに接合される金属板３の接合領域を一致又は近似（略一致又は略近似の概念を含む）させる場合でも、それぞれの面に接合される金属板３の厚みを一致又は近似させる必要がない。
例えば、セラミックス基板２の主面２ａ側に０.５ｍｍの厚みを有する金属板３を接合する場合に、セラミックス基板２の裏面２ｂ側に接合する金属板３の厚みを０.１ｍｍにすることができる。
このように、実施例２に係る金属−セラミックス複合基板１Ｂによれば、セラミックス基板２の主面２ａ側に接合される金属板３の容積と、セラミックス基板２の裏面２ｂ側に接合される金属板３の容積が一致していなくとも、実施例２に係る金属−セラミックス複合基板１Ｂの信頼性には何ら影響がない。つまり、実施例１に係る金属−セラミックス複合基板１Ａと同等の信頼性を発揮させることができる。
なお、セラミックス基板２の裏面２ｂ側に接合される金属板３も、単なる平板状の金属板でもよいし、電送回路をなす金属板でもよい。
【００３５】
従って、実施例２に係る金属−セラミックス複合基板１Ｂの場合も、セラミックス基板２の主面２ａ及び裏面２ｂにおける、金属板３の接合領域や厚みについての設計の自由度が極めて高く、かつ、−５５〜５００℃の温度条件下において冷熱サイクルが繰り返される場合でもクラックや割れが生じ難い信頼性の高い金属−セラミックス複合基板を提供することができる。
【実施例３】
【００３６】
続いて、図３を参照しながら実施例３に係る半導体装置について詳細に説明する。
図３は本発明の実施例３に係る半導体装置の側面図である。なお、図１，２に記載されたものと同一部分については同一符号を付し、その構成についての説明は省略する。
図３に示すように、実施例３に係る半導体装置９は、先の図１又は図２に示すような金属−セラミックス複合基板１Ａ又は金属−セラミックス複合基板１Ｂを用いてなるものである。
より具体的には、実施例３に係る半導体装置９は、実施例１又は実施例２に係る金属−セラミックス複合基板１Ａ又は１Ｂと、そのセラミックス基板２の主面２ａ側に接合される金属板３上に接合材４を介して接合される半導体５とにより構成されるものである。
また、上述のような実施例３に係る半導体装置９では、セラミックス基板２の主面２ａ側に接合される電送回路をなす金属板３と、半導体５とをボンディングワイヤ６により電気的に接続してもよいし、あるいは、特に図示しないが、セラミックス基板２の主面２ａ側に接合される電送回路をなす金属板３にフリップチップ方式により半導体５を搭載してもよい。
なお、図３では所望の金属板３上に単数の半導体５（半導体素子）を搭載する場合を例に挙げて説明しているが、所望の複数の金属板３のそれぞれに半導体５を搭載してもよい。
【００３７】
上述のような実施例３に係る半導体装置９によれば、実施例１又は実施例２に係る金属−セラミックス複合基板１Ａ又は１Ｂを備えることで、セラミックス基板２の主面２ａ及び／又は裏面２ｂに接合される金属板３の設計上の自由度を大幅に高めることができるだけでなく、金属板３の使用量を必要最少限度にすることができる。
この場合、実施例３に係る半導体装置９の製造に必要な原材料費を削減できるので、半導体装置９の製造コストを廉価にできるというメリットを有する。
また、実施例３に係る半導体装置９は、実施例１又は実施例２に係る金属−セラミックス複合基板１Ａ又は１Ｂを備えることで、−５５〜５００℃の温度条件下において冷熱サイクルが繰り返される場合でも、セラミックス基板２にクラックが生じる又は割れるなどの不具合が生じ難い。従って、上記効果に加えて、極めて信頼性の高い半導体装置９を提供することができるという効果も有する。
【００３８】
なお、図３に示すように、実施例３に係る半導体装置９は、セラミックス基板２の裏面２ｂ側に放熱部材７を備えていてもよい。
より具体的には、実施例３に係る半導体装置９は、半導体５を搭載するための金属−セラミックス複合基板として、例えば、図２に示すような実施例２に係る金属−セラミックス複合基板１Ｂを備え、かつ、そのセラミックス基板２の裏面２ｂ側に接合される金属板３に接合材４を介して接合される側面視櫛歯状の放熱部材７を備えていてもよい。
この場合、実施例３に係る半導体装置９の半導体５において発生した熱が、放熱部材７を介して外部に効率良く放熱されることで、実施例２に係る金属−セラミックス複合基板１Ｂのセラミックス基板２及び金属板３の膨張を小さくできる。よって、半導体装置９に昇温・降温が繰り返される場合に、セラミックス基板２にクラックが生じる、割れる等の不具合が生じるのを防止できる。
【００３９】
最後に、本発明に係る金属−セラミックス複合基板の効果を確認するために行った試験１，２について説明する。
試験１では、セラミックス基板２に接合される金属板の４０〜８００℃における平均線熱膨張係数が金属−セラミックス複合基板に与える影響について調べた。
また、試験２では、セラミックス基板の４０〜８００℃における平均線熱膨張係数や組成が金属−セラミックス複合基板に与える影響について調べた。
【００４０】
＜試験１＞
アルミナ、安定化剤を含有するジルコニア、シリカ及びマグネシアの含有率、及び、厚みを以下に示すように調製したセラミックス基板２を準備し、その主面のみ、又は、主面及び裏面に、下表１に示すように調製した金属板を直接接合して金属−セラミックス複合基板（発明品１〜１０、及び、比較品１〜６）を作製し、それぞれに対して条件１，条件２を設定して冷熱サイクル試験を行い、その結果を下表１に併せて記載した。
・セラミックス基板２を構成する各成分の含有率
・アルミナ：７９.６ｗｔ％
・安定化剤含有ジルコニア：２０.０ｗｔ％
（安定化剤：イットリアのみ、ジルコニアにおけるイットリアのモル分率：０.０２）
・シリカ：０.３ｗｔ％
・マグネシア：０.１ｗｔ％
・上記セラミックス基板２の４０〜８００℃における平均線熱膨張係数：８．６（×１０−６／℃）
【００４１】
また、発明品１〜１０、及び、比較品１〜６におけるセラミックス基板２と金属板の配置は図４に示す通りである。
図４（ａ）〜（ｄ）はいずれも試験１に供試した金属−セラミックス複合基板の側面図である。なお、図１乃至図３に記載されたものと同一部分については同一符号を付し、その構成についての説明は省略する。
発明品１〜５、及び、比較品１，２は、図４（ａ）に示す構造にした。発明品６〜１０、及び、比較品４，５は、図４（ｂ）に示す構造にした。比較品３は、図４（ｃ）に示す構造にした。比較品６は、図４（ｄ）に示す構造にした。
【００４２】
【表１】
2017224656.tif 000003
【００４３】
上表１に示されるように、条件１での冷熱サイクル試験では、発明品１〜１０及び比較品１〜６の全てにおいてセラミックス基板２にクラックは生じなかった。
しかしながら、より過酷な条件２での冷熱サイクル試験では、比較品１〜６の全てにおいてセラミックス基板２に割れやクラックが生じたのに対し、発明品１〜１０ではクラックが生じなかった。
従って、上記試験１により、本発明に係る金属−セラミックス複合基板の信頼性を向上するためには、セラミックス基板２の４０〜８００℃における平均線膨張係数と、それに接合される金属板の４０〜８００℃における平均線膨張係数を一致又は近似させる必要がある。
【００４４】
＜試験２＞
４０〜８００℃における平均線熱膨張係数や、ジルコニア、添加剤の含有率を下表２に示すように調製したセラミックス基板（後述の図５に示すセラミックス基板１２）をそれぞれ準備し、それぞれのセラミックス基板の主面のみ、又は、主面及び裏面に、一対の銅層の間に銅とモリブデンとからなる複合金属材層（ただし、銅の配合比率は３０ｗｔ％）を介設してなる金属板３［ただし、銅層：複合金属層：銅層の比率は１：１：１、４０〜８００℃における平均線熱膨張係数９.５（×１０−６／℃）］を接合した金属−セラミックス複合基板を作製して、それぞれに対して条件１，条件２を設定して冷熱サイクル試験を行い、その結果を下表２に併せて記載した。
【００４５】
また、発明品１〜１０、及び、比較品１〜６におけるセラミックス基板２と金属板の配置は図５に示す通りである。
図５（ａ），（ｂ）はいずれも試験２に供試した金属−セラミックス複合基板の側面図である。なお、図１乃至図４に記載されたものと同一部分については同一符号を付し、その構成についての説明は省略する。
発明品１〜５、及び、比較品１〜３は、図５（ａ）に示す構造にした。発明品６〜１０、及び、比較品４〜６は、図５（ｂ）に示す構造にした。
【００４６】
【表２】
2017224656.tif 000004
【００４７】
上表２に示されるように、発明品１〜１０，比較品１〜６に対し条件１で２,０００サイクルの冷熱サイクル試験を行ってもクラックや割れは発生しなかった。
また、ジルコニアを含有するセラミックス基板を用いた発明品１〜３、６〜８では、条件２での冷熱試験において１０００サイクルで割れ、クラックは無かった。さらに、発明品４，５，９，１０では、条件２での冷熱サイクル試験において１,０００サイクルに達した時点でクラックや割れが発生した。
この原因としては、発明品４，５，９，１０においては、セラミックス基板の平均線熱膨張係数と金属板の平均線熱膨張係数の差が１.６を超えたためと思われる。しかしながら、ジルコニアを含有しないアルミナ基板を用いた比較例３，６では、セラミックス基板の平均線熱膨張係数と金属板の平均線熱膨張係数の差が０．３しかないにもかかわらず１００サイクルで割れが発生しており、本発明に係るセラミックス基板（ジルコニアを含有してなるセラミックス基板２）では、セラミックス基板の信頼性が向上することが確認できた。
本発明に係るセラミックス基板（ジルコニアを含有するセラミックス基板）を用いた比較例１，４では、条件２での冷熱試験において１０００サイクルで割れやクラックは無かった。しかしながら、セラミックス基板におけるジルコニアの含有量が５０ｗｔ％を超えると、セラミックス基板の熱伝導率が約１０（Ｗ／ｍ・Ｋ）となり、この値は半導体素子等を搭載した状態で電子部品として使用するには低すぎる。つまり、このような熱伝導率の低いセラミックス基板は、十分な放熱性を有しないことを意味しており、本発明の発明品からは除外している。
従って、本発明に係る金属−セラミックス複合基板では、セラミックス基板２におけるジルコニアの含有率を１ｗｔ％以上にする必要がある。
さらに、金属−セラミックス複合基板を構成するセラミックス基板２のジルコニアの含有率が５ｗｔ％を超える場合は、より具体的には、セラミックス基板２におけるジルコニアの含有率を８ｗｔ％以上にすることで、より過酷な条件２において冷熱サイクルを１００サイクル以上繰り返してもセラミックス基板２にはクラックや割れが生じなかった。
したがって、セラミックス基板２におけるジルコニアの含有率を８ｗｔ％以上にするとともに、セラミックス基板２と金属板３の４０〜８００℃における平均線熱膨張係数を互いに一致又は近似させる［好ましくはセラミックス基板２と金属板３の平均線熱膨張係数の差の絶対値を１.６（×１０−６／℃）以下にする］ことで、本発明に係る金属−セラミックス複合基板の信頼性を飛躍的に向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
以上説明したように、本発明は、セラミックス基板の主面、又は、主面及び裏面に接合される金属板の接合領域や、接合容積に関する制約をなくすことができ、かつ、−５０〜５００℃の温度条件下において冷熱サイクルを繰り返す場合の信頼性を向上させることができる金属−セラミックス複合基板およびそれを用いてなる半導体装置であり、電子部品に関する技術分野において利用可能である。
【符号の説明】
【００４９】
１Ａ，１Ｂ…金属−セラミックス複合基板  ２…セラミックス基板  ２ａ…主面  ２ｂ…裏面  ３…金属板  ３ａ，３ｃ…銅層  ３ｂ…複合金属材層  ４…接合材  ５…半導体  ６…ボンディングワイヤ  ７…放熱部材  ９…半導体装置  １０…三層金属板  １１…銅板  １２…セラミックス基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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