(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下面の中心部が突出するように反っているセラミックスから成る絶縁基板の上面に、半導体素子を搭載するための第一のメタライズ層が形成されているとともに、前記下面に、ヒートシンクに接合するための第二のメタライズ層が形成されており、該第二のメタライズ層は、複数の導体パターンが前記絶縁基板の前記下面の前記中心部で互いに接続され、且つ隣接する複数の導体パターン間の隙間が、中心部から外周部に向かうに伴って幅が広くなっているとともに前記絶縁基板の前記下面の略全面に形成されていることを特徴とする半導体素子搭載用基板。
【請求項２】
前記絶縁基板は反りが５〜７５μｍ／インチ以下であることを特徴とする請求項１記載の半導体素子搭載用基板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、上面にＩＣ，ＬＳＩ，トランジスタ等の半導体素子を搭載するためのメタライズ層が形成され、下面にヒートシンクに接合するためのメタライズ層が形成されているセラミックスからなる半導体素子搭載用基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、イグナイタ（点火装置）などの車載用電子機器は小型軽量化、高信頼性化が進んでおり、それに用いられる回路ブロックもその動向に呼応する形で半導体素子を中心にして小型軽量化、表面実装化、高信頼性化が推し進められている。このような動向の中でセラミックスからなる絶縁基板は、その優れた放熱性や低誘電損失等の特徴から従来より多用されており、半導体素子搭載用基板（以下、半導体基板ともいう）として幅広く用いられてきた。また、近年、車載用としてエンジンの回転を制御する半導体素子を搭載するユニットなどに、高信頼性、高放熱性等の特性を有する半導体基板が多用され始めている。
【０００３】
従来、エンジンを駆動するためのイグナイタなどの電子装置に用いられるトランジスタは、大きさが数ｍｍ〜十数ｍｍ角の半導体基板の上面に形成された電気回路上に半田接合されて用いられている。そして、半導体基板の下面が外部電気回路装置に備えられたヒートシンクに半田を介して密着するように接合され、半導体素子が発する熱をヒートシンクに伝達することにより半導体素子を正常かつ安定して作動させることを可能としている。
【０００４】
従来の半導体基板の一例として、図２に示すように、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などのセラミックスからなる絶縁基板11の上面のメタライズ層11ａに半導体素子Ｂを半田を介して接合して成る機能部が、絶縁基板11の下面のメタライズ層11ｂを介して、外部電気回路装置に備えられた銅（Ｃｕ）板などからなるヒートシンクＡに接合された構成のものがある。この場合、メタライズ層11ｂとヒートシンクＡとを接合する半田12にボイド（気孔）13が発生するという問題があった。そのため、半導体素子Ｂが作動時に発する熱が絶縁基板11を介してヒートシンクＡに伝達される際に、ボイド13によって熱伝達効率が劣化する。すなわち、半導体素子Ｂの熱は半導体素子Ｂまたは絶縁基板11に滞留することとなり、その結果、半導体素子Ｂの温度が上昇し、半導体素子Ｂが誤作動したり、延いては半導体素子Ｂが熱破壊されるといった不具合を招来していた。
【０００５】
このボイド13は次のようにして発生すると考えられる。すなわち、平坦な絶縁基板11の下面に形成されたメタライズ層11ｂにニッケル（Ｎｉ）メッキ，金（Ａｕ）メッキを順次被着させ、半田プリフォーム（シート状半田）を介して不活性ガス中でヒートシンクＡに溶融接合させる際、半田プリフォームの外側すなわちメタライズ層11ｂの外周部から中心部にかけて徐々に温度が上昇する為、メタライズ層11ｂの外周部の半田プリフォームが中心部の半田プリフォームよりも先に溶融し、この溶融した半田プリフォームによりメタライズ層11ｂの外周部とヒートシンクＡとが完全に覆われる。この時点で溶融していない中心部の半田プリフォームは、溶融温度に達した際に、その周辺部にある不活性ガスなどを巻き込むとともに、メタライズ層11ｂの外部に不活性ガスなどが排出されることなく溶融される。その結果、排出されない不活性ガスなどによって、メタライズ層11ｂの中心部すなわち絶縁基板11の中心部にボイド13が発生することになる。
【０００６】
このボイド13はメタライズ層11ｂの面積が小さい場合には外部に排出され易いが、メタライズ層11ｂの面積が大きい場合には半田12の中心部付近（メタライズ層11ｂの中心部付近）にボイド13が発生し易く、半田12内に欠陥として残ってしまう。
【０００７】
このようなボイド13を排出する為に、例えば絶縁基板11に形成する大面積のメタライズ層11ｂを複数個に小さく分割することにより、ボイド13を容易に排出できるものが提案されている（特開平8−46332号公報参照）。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平8−46332号公報に記載されたものの場合、分割されたメタライズ層11ｂに予め例えば無電解Ｎｉメッキが施されるのであるが、無電解Ｎｉメッキにリン（Ｐ）等の添加物が含まれていることにより、硬いＰによって半田12の軟らかい性質が失われる。すなわち、絶縁基板11とヒートシンクＡとの半田接合部が脆くなり、接合信頼性が損なわれることになる。そのため、Ｐなどの不純物を含まない純度の高いＮｉメッキ、すなわち電解Ｎｉメッキを施すことが必要になる。
【０００９】
この電解Ｎｉメッキを絶縁基板11に施す方法として一般的に電解バレルメッキ法が用いられる。電解バレルメッキ法は、分割されて電気的に分断されているメタライズ層11ｂの各々に接触させる導通端子として例えば金属からなるボール状のメディアを用い、このメディアが接触したメタライズ層11ｂにのみ電流が流れて電解Ｎｉメッキの皮膜を形成するものである。その際、メタライズ層11ｂへのメディアの接触度合いによって電解Ｎｉメッキの厚さがばらつくことがあり、その結果、電解Ｎｉメッキが殆ど被着されない部位が発生する場合がある。従って、メタライズ層11ｂに半田が濡れない部位が発生し、この部位で半導体素子Ｂの熱を伝達できなくなるという不具合が発生していた。
【００１０】
この不具合を解消する為に、メディアの径を小さくしてメタライズ層11ｂへの接触度合いを改善することが考えられるが、メディアの径を小さくすると、必要なメディアの体積を保持する為にメディアの数量を大きく増やす必要があり、その結果、メッキ対象物にメディアを加えた全表面積が大きくなって電流の大きさを調整することが困難になるという問題が生じる。
【００１１】
また、絶縁基板11の焼成状態によっては、絶縁基板11が上面が凸になるように反っている場合があり、この場合絶縁基板11が平坦な場合に比し、半田12の溶融時におけるボイド13の排出性が更に悪くなり大きな問題であった。さらに、絶縁基板11が上面が凸になるように反っている場合、半田12の中心部が厚くなっているため、熱抵抗が中心部で大きくなり熱伝達効率が大きく劣化することになる。
【００１２】
従って、本発明は上記問題点に鑑み完成されたものであり、その目的は、絶縁基板の上面の中央部に搭載される半導体素子の熱を効率よく絶縁基板を介してヒートシンクに伝えることにより、半導体素子を長期に亘り正常かつ安定に作動させることを可能とする半導体基板を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体素子搭載用基板は、下面の中心部が突出するように反っているセラミックスから成る絶縁基板の上面に、半導体素子を搭載するための第一のメタライズ層が形成されているとともに、前記下面に、ヒートシンクに接合するための第二のメタライズ層が形成されており、該第二のメタライズ層は、複数の導体パターンが前記絶縁基板の前記下面の前記中心部で互いに接続され、且つ隣接する複数の導体パターン間の隙間が、中心部から外周部に向かうに伴って幅が広くなっているとともに前記絶縁基板の前記下面の略全面に形成されていることを特徴とする。
【００１４】
本発明の半導体素子搭載用基板は、上記の構成により、絶縁基板の下面に形成された第二のメタライズ層をヒートシンクに接合するための半田にボイドが発生するのを大幅に抑制することができる。すなわち、ボイド発生の原因となる不活性ガス等は、下面の中心部が突出するように反っている絶縁基板の下面の中心部から外周部、外周部から外部へと効率よく排出される。また、第二のメタライズ層の各導体パターン間へ排出され、各導体パターン間の隙間から外部へ排出される。また、第二のメタライズ層の各導体パターンは中心部で互いに接続されているため、一度に各導体パターンに電解Ｎｉメッキをむらなく施すことができ、その結果、半導体基板とヒートシンクとの半田接合の信頼性が損なわれることはない。さらに、絶縁基板の下面の中心部とヒートシンクとの間の半田の厚さが外周部よりも厚くなることがないため、半導体素子の熱をヒートシンクに効率よく伝えることができる。
【００１５】
本発明の半導体素子搭載用基板において、好ましくは、前記絶縁基板は反りが５〜75μｍ／インチ以下であることを特徴とする。
【００１６】
本発明の半導体素子搭載用基板は、上記の構成により、半導体基板をヒートシンク上に半田を介して接合する際に、半導体基板とヒートシンク間の隙間の大きさのバラツキを小さくして、熱抵抗の大きさのバラツキを小さくすることができる。即ち、半田厚さのバラツキに起因する熱伝達率のバラツキを小さくすることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体基板を添付図面に基づき以下に詳細に説明する。図１は本発明の半導体基板について実施の形態の例を示し、図１（ａ）は半導体基板の断面図、（ｂ）は半導体基板の下面に形成された第二のメタライズ層の平面図である。図１において、１は絶縁基板、１ａは第一のメタライズ層、１ｂは第二のメタライズ層、１ｃは絶縁基板の中心部、２は半田、ＡはＣｕ板等から成るヒートシンク、ＢはＩＣ，ＬＳＩ，トランジスタ等の半導体素子、Ｃは分割された第二のメタライズ層１ｂの導体パターンをそれぞれ示す。
【００１８】
本発明の絶縁基板１はセラミックスから成り、例えばＡｌ2Ｏ3からなる場合以下のようにして作製される。まずＡｌ2Ｏ3の粉末と、焼結助材としてのＳｉＯ2，ＣａＯ，ＭｇＯ等の粉末と、適当なバインダー及び溶剤とを混合してこれをスラリー状となす。次に、このスラリーを用いて従来周知のドクターブレード法等のテープ成形法によって所定厚みのセラミックグリーンシートに成形する。このセラミックグリーンシートを所望の枚数積層し1600℃程度の温度で焼成して、セラミックスからなる絶縁基板１が得られる。
【００１９】
本発明において、絶縁基板１は下面の中心部が突出するように反っている。この反りは、例えば収縮率がわずかに異なるセラミックグリーンシートを上下に積層することによって得られる。例えば、上層側のセラミックグリーンシートの収縮率を、下層側のセラミックグリーンシートよりも0.5〜1.5％程度大きくすることにより、下面の中心部が突出するように反っている絶縁基板１が得られる。
【００２０】
この反りの大きさは５〜75μｍ／インチ以下であることが好ましい。これにより、絶縁基板１をヒートシンクＡ上に半田で接合する際に、絶縁基板１の下面の中心部がヒートシンクＡに最初に接触することから、ボイドが半田２の中心部から外周部、外周部から外部に効率よく排出される。また、半田２の厚さが中心部で極めて薄くなり、半導体素子Ｂの熱を効率よくヒートシンクＡに伝えることができる。反りが75μｍ／インチを超えると、半導体素子Ｂが大きく傾いて接合される場合があり、その際半田２の厚さが部分的に極めて大きくなる部位が発生し、半導体素子Ｂが発生する熱の外部への排出に際して部分的にバラツキが発生して熱応力が発生し、半導体素子Ｂが破壊されてしまう場合がある。また、絶縁基板１の反りが５μｍ／インチ未満では、ボイドを半田２の中心部から外周部、外周部から外部に排出するのが困難になる。また、半田２の厚さが中心部で薄くならず、半導体素子Ｂの熱を効率よくヒートシンクＡに伝えることが困難になる。
【００２１】
絶縁基板１の反りは、絶縁基板１の対角線に沿って触針を接触させる方法や、レーザ光などの非接触式の方法によって測定される。反りの大きさは、測定によって得られた曲線における測定開始点と測定終了点とを直線で結んで基準線とし、この基準線に対して平行に曲線の細かな山部や谷部の凹凸を平均した平均線を引き、基準線と平均線との高さ方向の間隔を測定し、得られた測定値を１インチ（25.4ｍｍ）当りに換算することにより求めたものである。
【００２２】
また半田２は、従来の大面積のものの場合、大きなボイド３が中心部に発生し、半導体素子Ｂの熱を効率よく伝達することができなかったが、本発明では第二のメタライズ層１ｂが例えば４つに分割された導体パターンＣから構成されているため、ボイドは各導体パターンＣに発生する。その結果、ボイドが半導体素子Ｂの直下に発生したとしても、従来のボイドに比して数分の１程度の大きさであることから熱伝達効率が大きく劣化することがない。従って、半導体素子Ｂの熱を効率よくヒートシンクＡに伝達することができる。
【００２３】
第一，第二のメタライズ層１ａ，１ｂは、例えば主成分としてのモリブデン（Ｍｏ）−マンガン（Ｍｎ）等の金属粉末を溶剤やバインダーなどに添加混合して得られる金属ペーストを、スクリーン印刷法等の従来周知の印刷法によって所定厚さに焼結体上に形成し、例えば1200〜1300℃程度の温度で焼結することにより絶縁基板１の上下面に形成される。
【００２４】
絶縁基板１の下面の第二のメタライズ層１ｂは、図１（ｂ）に示すように、例えば４つの略同形の四角形の導体パターンＣからなり、絶縁基板１の下面の中心部１ｃで各導体パターンＣの一つの角部が互いに接続されている。導体パターンＣの形状は、四角形に限らず、三角形、扇形等の種々の形状とすることができる。
【００２５】
これらの導体パターンＣは、絶縁基板１の中心部１ｃで各導体パターンＣの角部を延設した導体層によって互いに電気的に接続されており、電解バレルメッキ時に各導体パターンＣのいずれかにメディアの金属ボールを接触させると、全部の導体パターンＣが同時に等電位となり、各導体パターンＣにおけるメッキ厚さを一定とすることができる。
【００２６】
また導体パターンＣは、絶縁基板１が図１（ａ）のように一つの軸の両側に折り曲がるように反っている場合、その軸の両側にそれぞれ一つで合計２つの導体パターンＣが少なくとも存在するように形成されていればよい。即ち、絶縁基板１の下面で反りの軸に沿った部位は、殆ど線接触でヒートシンクＡの上面に接するか線状にヒートシンクＡの上面に対向するため、その線接触部または線状部に導体パターンＣを形成せずに、線接触部または線状部の両側にそれぞれ一つの導体パターンＣを形成すれば本発明の目的が達成されるからである。また同様に、反りの軸が複数あり絶縁基板１の下面の中心部１ｃで交わっている場合、絶縁基板１の下面のそれらの軸の間に導体パターンＣを一つずつ形成すればよい。例えば、反りの軸が２つある場合導体パターンＣは４つとなる。
【００２７】
また、各導体パターンＣ間に形成された導体非形成部（隙間）は、半田２を形成する際に半田２内に取り込まれた不活性ガスなどを外部に効率よく導く通路として機能し、例えば中心部１ｃから外周側に向けて放射状に形成されるのがよい。また、隣接する導体パターンＣ間の隙間は、中心部１ｃから外周部に向かうに伴って幅が広くなっているのが好ましく、中心部１ｃ付近で発生したボイドのガスを外周側へ効率よく排出することができる。
【００２８】
【実施例】
本発明の実施例を以下に説明する。
【００２９】
（実施例１）
図１の半導体基板を以下のように構成した。10ｍｍ角の大きさで、厚さが0.5ｍｍ、反りが３μｍ／インチであるアルミナセラミックスから成る絶縁基板１を用い、絶縁基板１の上面の中心部に、９ｍｍ角の大きさで、厚さが12μｍのＭｏ−Ｍｎから成る第一のメタライズ層１ａを形成し、絶縁基板１の下面に図１（ｂ）のような第二のメタライズ層１ｂを形成した。第二のメタライズ層１ｂは、全体が９ｍｍ角の大きさで、厚さが12μｍのＭｏ−Ｍｎから成り、各導体パターンＣはほぼ４ｍｍ角の大きさとした。また、隣接する導体パターンＣ間の隙間は、中心部１ｃ側の端で幅が300μｍで、外周部側の端で700μｍであった。
【００３０】
また、比較例１として図２の従来構成のものを作製した。10ｍｍ角の大きさで、厚さが0.5ｍｍ、反りが３μｍ／インチであるアルミナセラミックスから成る絶縁基板11を用い、絶縁基板11の上面の中心部に、10ｍｍ角の大きさで、厚さが12μｍのＭｏ−Ｍｎから成るメタライズ層11ｂを形成し、絶縁基板11の下面に図２（ｂ）のようなメタライズ層11ｂを形成した。メタライズ層11ｂは、10ｍｍ角の大きさで、厚さ12μｍのＭｏ−Ｍｎから成るものとした。
【００３１】
表１に、本発明の半導体基板と従来の半導体基板について熱抵抗を測定した結果を示す。半導体素子Ｂとしてトランジスタを用い、これを15ボルトの電圧で作動させて発熱させた。またヒートシンクＡとして厚さ１ｍｍのＣｕ板を用いた。
【００３２】
【表１】
0003811407.tif 000002
【００３３】
表１より、本発明の半導体基板は従来のものに比べて平均値で熱抵抗が４６％改善された。
【００３４】
（実施例２）
下面が凸になるような20μｍ／インチの反りを有する絶縁基板１を用いた以外は上記実施例１と同様に作製したものを実施例２の半導体基板とした。また、比較例２として、反りが３μｍ／インチである絶縁基板11を用いて上記比較例１と同様に作製したものを用いた。いずれの場合においても、半導体素子Ｂとしてトランジスタを用い、15ボルトの電圧で作動させるとともにＣｕ板から成るヒートシンクを空冷フィンにネジ止めして熱抵抗を測定した。
【００３５】
【表２】
0003811407.tif 000003
【００３６】
表２より、本発明の半導体基板は従来のものに比べて平均値で熱抵抗が約６７％改善された。これは、半導体素子Ｂの直下の半田２におけるボイドが極めて少なくなり、かつ半導体素子Ｂの直下で熱伝導率が小さい半田２の厚さを薄くしたことによるものであり、半田２の断面を観察したところ、大きなボイドが確実に排出されていることが確認できた。
【００３７】
なお、本発明は上記実施の形態および実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を行うことは何ら差し支えない。例えば、上記実施の形態では、図１に示すように第二のメタライズ層１ｂは４つの導体パターンＣから成っているが、導体パターンＣの数は熱伝達を損なわない範囲でより多くすることが可能である。
【００３８】
【発明の効果】
本発明の半導体素子搭載用基板は、下面の中心部が突出するように反っているセラミックスから成る絶縁基板の上面に半導体素子を搭載するための第一のメタライズ層が形成されているとともに下面にヒートシンクに接合するための第二のメタライズ層が形成されており、第二のメタライズ層は、略同形の複数の導体パターンが絶縁基板の下面の中心部で互いに接続されているとともに絶縁基板の下面の略全面に形成されていることにより、絶縁基板の下面に形成された第二のメタライズ層をヒートシンクに接合するための半田にボイドが発生するのを大幅に抑制することができる。すなわち、ボイド発生の原因となる不活性ガス等は、下面の中心部が突出するように反っている絶縁基板の下面の中心部から外周部、外周部から外部へと効率よく排出される。また、第二のメタライズ層の各導体パターン間へ排出され、各導体パターン間の隙間から外部へ排出される。また、第二のメタライズ層の各導体パターンは中心部で互いに接続されているため、一度に各導体パターンに電解Ｎｉメッキをむらなく施すことができ、その結果、半導体基板とヒートシンクとの半田接合の信頼性が損なわれることはない。さらに、絶縁基板の下面の中心部とヒートシンクとの間の半田の厚さが外周部よりも厚くなることがないため、半導体素子の熱をヒートシンクに効率よく伝えることができる。
また、隣接する導体パターンＣ間の隙間は、中心部１ｃから外周部に向かうに伴って幅が広くなっていることから、中心部１ｃ付近で発生したボイドのガスを外周側へ効率よく排出することができる。
【００３９】
本発明の半導体素子搭載用基板は、好ましくは絶縁基板は反りが５〜75μｍ／インチ以下であることにより、半導体基板をヒートシンク上に半田を介して接合する際に、半導体基板とヒートシンク間の隙間の大きさのバラツキを小さくして、熱抵抗の大きさのバラツキを小さくすることができる。即ち、半田厚さのバラツキに起因する熱伝達率のバラツキを小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体素子搭載用基板について実施の形態の例を示し、（ａ）は半導体素子搭載用基板の断面図、（ｂ）は半導体素子搭載用基板の下面の平面図である。
【図２】従来の半導体素子搭載用基板の例を示し、（ａ）は半導体素子搭載用基板の断面図、（ｂ）は半導体素子搭載用基板の下面の平面図である。
【符号の説明】
１：絶縁基板
１ａ：第一のメタライズ層
１ｂ：第二のメタライズ層
Ａ：ヒートシンク
Ｂ：半導体素子
【図１】
0003811407.tif 000004
【図２】
0003811407.tif 000005