(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板の表面に回路層となる金属板を接合したパワーモジュール用基板であって、
前記セラミックス基板は、ＡｌＮ粒子からなるマトリックスと、該マトリックスに分散されたＳｉＣ粒子とを有するセラミックス複合焼結体からなり、
前記ＡｌＮ粒子は、板形状をなすとともに、その外形寸法が５μｍ以上３０μｍ以下とされており、
前記ＳｉＣ粒子は、繊維状ＳｉＣ粒子と球状ＳｉＣ粒子とからなり、
前記繊維状ＳｉＣ粒子は、短軸径が０．０５μｍ以上３μｍ以下、且つアスペクト比が３以上２０以下とされており、
前記球状ＳｉＣ粒子は、粒子径が１ｎｍ以上５００ｎｍ以下とされており、
前記ＳｉＣ粒子の、前記セラミックス基板に占める割合が、１５体積％以下とされていることを特徴とするパワーモジュール用基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミックス複合焼結体を用いたセラミックス基板を備えるとともに、大電流・大電圧を制御する半導体装置に用いられるパワーモジュール用基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体素子の中でも電力供給のためのパワーモジュールは発熱量が比較的高く、これを搭載する基板としては、例えば、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）のセラミックス基板上にＡｌ（アルミニウム）の金属板が接合されたパワーモジュール用基板が用いられる。また、この金属板は回路層として形成され、その金属板のさらに上には、半導体チップ等のパワー素子（電子部品）が搭載される。なお、セラミックス基板の下面にも放熱のための熱伝導層としてＡｌ等の金属板が接合され、この金属板を介してヒートシンク等の放熱板上にパワーモジュール用基板全体が接合されたものが知られている。
【０００３】
上述のパワーモジュール用基板の前記セラミックス基板として、複数のセラミックス材料を焼結してなるセラミックス複合焼結体を適用することが可能である。例えば特許文献１に記載されたセラミックス複合焼結体は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等のセラミックス粒子を有するマトリックスと、このマトリックスに分散され、該マトリックスとは別種のセラミックスからなるセラミックス球状粒子及びセラミックス板状粒子とから形成されている。
【特許文献１】特開平７−８２０４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このようなセラミックス複合焼結体からなるセラミックス基板を用いても、未だパワーモジュール用基板の熱サイクル時における耐久性は充分とは言えず、使用時にこのセラミックス複合焼結体を形成する粒子の粒界に沿って亀裂が進展することがあった。そのため、熱サイクル時の強度をさらに向上させ、耐久性の高いパワーモジュール用基板を製作可能なセラミックス複合焼結体が求められていた。
【０００５】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、熱サイクル時における亀裂の進展が抑制されるとともに、耐久性が向上されるパワーモジュール用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】
【０００６】
前記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提案している。すなわち本発明は、セラミックス基板の表面に回路層となる金属板を接合したパワーモジュール用基板であって、前記セラミックス基板は、ＡｌＮ粒子からなるマトリックスと、該マトリックスに分散されたＳｉＣ粒子とを有するセラミックス複合焼結体からなり、前記ＡｌＮ粒子は、板形状をなすとともに、その外形寸法が５μｍ以上３０μｍ以下とされており、前記ＳｉＣ粒子は、繊維状ＳｉＣ粒子と球状ＳｉＣ粒子とからなり、前記繊維状ＳｉＣ粒子は、短軸径が０．０５μｍ以上３μｍ以下、且つアスペクト比が３以上２０以下とされており、前記球状ＳｉＣ粒子は、粒子径が１ｎｍ以上５００ｎｍ以下とされており、前記ＳｉＣ粒子の、前記セラミックス基板に占める割合が、１５体積％以下とされていることを特徴とする。
【０００７】
この発明に係るパワーモジュール用基板によれば、セラミックス基板のセラミックス複合焼結体を構成するマトリックスのＡｌＮ（窒化アルミニウム）粒子は、板形状をなすとともに、その外形寸法が５μｍ以上３０μｍ以下とされているので、適度に緻密化されて破壊抵抗が増加されるとともに、粒子の粒界に沿って発生する亀裂先端の偏向効果が得られるようになっている。従って、このパワーモジュール用基板は、そのセラミックス基板の焼結性が高められ強度が向上されているとともに、該セラミックス基板の亀裂の進展が抑制される。
【０００８】
また、このセラミックス基板のマトリックスには、該マトリックスと別種のセラミックスのＳｉＣ（炭化ケイ素）粒子が分散されて配置されている。そして、これらＳｉＣ粒子の、このセラミックス基板に占める割合は１５体積％以下とされているので、このセラミックス基板は、その強度が一定以上に確保されているとともに、パワーモジュール用基板の熱サイクル時の耐久性が向上される。
【０００９】
また、これらＳｉＣ粒子は、繊維状ＳｉＣ粒子と球状ＳｉＣ粒子とからなり、繊維状ＳｉＣ粒子は、短軸径が０．０５μｍ以上３μｍ以下、且つアスペクト比が３以上２０以下とされているので、ＡｌＮ粒子同士を架橋し繋ぎ留める効果を充分に発揮することができる。従って、ＡｌＮ粒子の粒界に沿って亀裂が発生した際には、この繊維状ＳｉＣ粒子がこれら粒子同士を架橋するようにして繋ぎ留め、亀裂が進展するのを防止する。
【００１０】
さらに、球状ＳｉＣ粒子は、粒子径が１ｎｍ以上５００ｎｍ以下とされており、ＡｌＮ粒子の粒界近傍に配置されやすくなされているので、これら粒子同士を密着させるようにして繋ぎ留め、前述の繊維状ＳｉＣ粒子の架橋効果をより促進することができる。また、これら球状ＳｉＣ粒子が、マトリックス内の転位の移動を抑制する（ピン留め効果）ため、強度が向上される。また、ナノサイズの粒子がＡｌＮ粒子の粒界の隙間を埋めるようにして配置されるので、このセラミックス基板は相対密度が非常に高く形成されるとともにその焼結性が向上する。
【００１１】
また、このセラミックス基板のマトリックスのＡｌＮ粒子の粒界に沿って微小な亀裂が発生した際には、これら粒子同士の間に引き抜かれ架橋される繊維状ＳｉＣ粒子と、粒子の粒界に配置される球状ＳｉＣ粒子とに含まれるＳｉ成分が夫々酸化されることにより、該亀裂内にＳｉＯ２（酸化ケイ素）の被覆が形成されるようになっている。これらＳｉＯ２の被覆は亀裂の間隙を埋めるようにして形成されていくため、亀裂の進展が抑制されるとともに、亀裂の自己修復作用の効果も期待できる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係るパワーモジュール用基板によれば、熱サイクル時における亀裂の進展が抑制されるとともに、耐久性が向上される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照し、この発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の一実施形態に係るパワーモジュール用基板を示す概略斜視図、図２は図１のパワーモジュール用基板のセラミックス基板を形成するセラミックス複合焼結体を示す部分拡大図である。
【００１４】
図１に示すように、本実施形態に係るパワーモジュール用基板１は、矩形板状のセラミックス基板２を有しており、このセラミックス基板２の表面側に回路層となる回路層用金属板３が積層されるとともに、裏面側に放熱のための熱伝導層となる熱伝導層用金属板４が積層された構成である。例えば、これら回路層用金属板３及び熱伝導層用金属板４は、純Ａｌにより形成されている。
【００１５】
また、図２において、本実施形態のパワーモジュール用基板１に用いられるセラミックス基板２は、母材のセラミックスと、この母材に強化材料として添加する、該母材と異なるセラミックスとを複合して焼結してなるセラミックス複合焼結体２０により形成されている。詳しくは、このセラミックス複合焼結体２０は、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）粒子２ａで形成されるマトリックスと、このマトリックスの粒界近傍及び粒子内に分散されるとともに該マトリックスとは別種のセラミックスからなるＳｉＣ（炭化ケイ素）粒子とから構成されている。また、このＡｌＮ粒子２ａは、板形状をなすとともに、その外形寸法が５μｍ以上３０μｍ以下とされている。
【００１６】
また、強化材料として添加されるこれらＳｉＣ粒子は、繊維状ＳｉＣ粒子２ｂと球状ＳｉＣ粒子２ｃとからなり、この繊維状ＳｉＣ粒子２ｂは、短軸径が０．０５μｍ以上３μｍ以下、且つアスペクト比が３以上２０以下とされ、ＡｌＮ粒子２ａ同士を貫通するようにして配置されている。また、球状ＳｉＣ粒子２ｃは、粒子径が１ｎｍ以上５００ｎｍ以下とされており、ＡｌＮ粒子２ａの粒界近傍及びこれら粒子同士の間隙を埋めるようにして、或いはＡｌＮ粒子２ａ内に配置されている。これら球状ＳｉＣ粒子２ｃにより、このセラミックス複合焼結体２０の相対密度は一定以上の高い状態が確保されており、例えばその相対密度は９８％程度まで高められている。
【００１７】
また、これら繊維状ＳｉＣ粒子２ｂと球状ＳｉＣ粒子２ｃとからなるＳｉＣ粒子の、セラミックス複合焼結体２０（セラミックス基板２）に占める割合は、１５体積％以下となされている。
【００１８】
このセラミックス複合焼結体２０を構成するＡｌＮ粒子２ａは、例えば、アルミニウム粉末に、このアルミニウム粉末の平均粒径の１〜１０倍の平均粒径の窒化アルミニウム粉末を混合し、この混合粉末を窒素雰囲気中で７００℃以上に加熱して窒化アルミニウムを合成し原料の粉末を得ることができる。
【００１９】
また、繊維状ＳｉＣ粒子は、例えば、ケイ素酸化物と単体炭素とを粉砕してよく混合し、嵩比重が０．２ｇ／ｃｃ以下のケイ素酸化物粉末と単体炭素粉末とを含む粉末組成物を準備し、この粉末組成物を１３００℃〜１８００℃に加熱することによって原料の粉末を得ることができる。また、球状ＳｉＣ粒子２ｃは、例えば、テトラメチルシラン（Ｓｉ（ＣＨ３）４）と水素（Ｈ２）とを含む混合ガスにレーザー光を照射することにより原料の粉末を得ることができる。そして、これら夫々の原料粉末を十分に混合した後、Ａｒガス雰囲気中において２０００℃にて２００ＭＰａの条件で加圧焼結して、本実施形態のセラミックス複合焼結体２０を得ることができる。
【００２０】
以上説明したように、本実施形態のパワーモジュール用基板１によれば、セラミックス基板２のセラミックス複合焼結体２０を構成するマトリックスのＡｌＮ粒子２ａは、板形状をなすとともに、その外形寸法が５μｍ以上３０μｍ以下とされているので、適度に緻密化されて破壊抵抗が増加されるとともに、粒子の粒界に沿って発生する亀裂先端の偏向効果が得られるようになっている。従って、このパワーモジュール用基板１は、そのセラミックス基板２の焼結性が高められ強度が向上されているとともに、該セラミックス基板２の亀裂の進展が抑制される。
【００２１】
また、このセラミックス基板２のマトリックスには、該マトリックスと別種のセラミックスのＳｉＣ粒子が分散されて配置されている。そして、これらＳｉＣ粒子の、このセラミックス基板２に占める割合は１５体積％以下とされているので、このセラミックス基板２は、その強度が一定以上に確保されているとともに、パワーモジュール用基板１の熱サイクル時の耐久性が向上される。これらＳｉＣ粒子の、セラミックス基板２に占める割合が１５体積％を超えると、焼結体の強度が逆に低減する虞があるので、前述のように１５体積％以下とされるのが好ましい。
【００２２】
また、これらＳｉＣ粒子は、繊維状ＳｉＣ粒子２ｂと球状ＳｉＣ粒子２ｃとからなり、繊維状ＳｉＣ粒子２ｂは、短軸径が０．０５μｍ以上３μｍ以下、且つアスペクト比が３以上２０以下とされているので、ＡｌＮ粒子２ａ同士を架橋し繋ぎ留める効果を充分に発揮することができる。従って、ＡｌＮ粒子２ａの粒界に沿って亀裂が発生した際には、この繊維状ＳｉＣ粒子２ｂがこれら粒子同士を架橋するようにして繋ぎ留め、亀裂が進展するのを防止する。
【００２３】
さらに、球状ＳｉＣ粒子２ｃは、粒子径が１ｎｍ以上５００ｎｍ以下とされており、ＡｌＮ粒子２ａの粒界近傍に配置されやすくなされているので、これら粒子同士を密着させるようにして繋ぎ留め、前述の繊維状ＳｉＣ粒子２ｂの架橋効果をより促進することができる。また、これら球状ＳｉＣ粒子２ｃが、マトリックス内の転位の移動を抑制する（ピン留め効果）ため、強度が向上される。また、ナノサイズの粒子がＡｌＮ粒子２ａの粒界の隙間を埋めるようにして配置されるので、このセラミックス複合焼結体２０（セラミックス基板２）は相対密度が非常に高く形成されるとともにその焼結性が向上する。
【００２４】
また、このセラミックス基板２のマトリックスのＡｌＮ粒子２ａの粒界に沿って微小な亀裂が発生した際には、これら粒子同士の間に引き抜かれ架橋される繊維状ＳｉＣ粒子２ｂと、粒子の粒界に配置される球状ＳｉＣ粒子２ｃとに含まれるＳｉ成分が夫々酸化されることにより、該亀裂内にＳｉＯ２（酸化ケイ素）の被覆が形成されるようになっている。これらＳｉＯ２の被覆は亀裂の間隙を埋めるようにして形成されていくため、亀裂の進展が抑制されるとともに、亀裂の自己修復作用の効果も期待できる。
【００２５】
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、本実施形態ではパワーモジュール用基板１について説明したが、これに限られず、このパワーモジュール用基板１の表面に半導体チップ等の電子部品（不図示）を搭載し、パワーモジュール用基板１の裏面に熱交換器であるヒートシンク（不図示）を接合することによってパワーモジュールを形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施形態に係るパワーモジュール用基板を示す概略斜視図である。
【図２】図１のパワーモジュール用基板のセラミックス基板を形成するセラミックス複合焼結体を示す部分拡大図である。
【符号の説明】
【００２７】
１  パワーモジュール用基板
２  セラミックス基板
２ａ  ＡｌＮ粒子（マトリックス）
２ｂ  繊維状ＳｉＣ粒子
２ｃ  球状ＳｉＣ粒子
２０  セラミックス複合焼結体
【図１】
0004905307.tif 000002
【図２】
0004905307.tif 000003