JP2000164996A

JP2000164996A - セラミック配線基板

Info

Publication number: JP2000164996A
Application number: JP33937498A
Authority: JP
Inventors: Shoichi Nakagawa; 彰一仲川
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1998-11-30
Filing date: 1998-11-30
Publication date: 2000-06-16

Abstract

(57)【要約】【課題】大電流が印加されるような配線導体層とセラミ
ック絶縁基板の熱膨張差により生じる配線導体層の端部
の剥離の発生を防止し、あらゆる環境下においても配線
導体層と絶縁基板の接合状態を良好な状態に保つ。【解決手段】アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素な
どのセラミック絶縁基板２表面に、深さｔが１００μｍ
以上の凹部４内にＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｓｎおよび
Ｐｂの群から選ばれる少なくとも１種を主成分とする導
電体が埋設されてなる１Ａ以上の電流が流される配線導
体層３が形成されたセラミック配線基板１であって、凹
部４の基板表面側の開口幅ｘが、凹部内の最大幅ｙより
も小さく、特に、（ｙ−ｘ）／（２ｔ）で表される値
が、１以上となるように設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子が収容
搭載される半導体素子収納用パッケージや、半導体素子
の他にコンデンサや抵抗体等の各種電子部品が搭載され
る混成集積回路装置等に用いられ、特に、パワーモジュ
ール基板、ＩＧＢＴ基板等の大電流を流すことが可能な
配線導体層を有するセラミック配線基板に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体素子収納用パッケージや混
成集積回路装置、パワーモジュール基板等に用いられる
セラミック配線基板は、一般にアルミナ質焼結体等の電
気絶縁性のセラミック焼結体から成る絶縁基板を用い、
その表面あるいはその内部及び表面に、タングステン
（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）、マンガン（Ｍｎ）等の高
融点金属から成る複数の配線導体層を配設すると共に、
各配線導体層を絶縁基板内に設けた前記同様の高融点金
属から成るビアホール導体で接続した構造を成してい
る。

【０００３】そして、前述のように構成された配線基板
は、例えば半導体素子収納用パッケージに適用した場合
には、その絶縁基板の凹部底面に半導体素子をガラスあ
るいは樹脂、ロウ材等の接着剤を介して接着固定すると
共に、半導体素子の各電極が凹部周辺に位置する配線導
体層にボンディングワイヤを介して電気的に接続され、
金属やセラミックス等から成る蓋体を前記凹部を塞ぐよ
うに前記接着剤と同様の封止剤を介して接合し、絶縁基
板の凹部内に半導体素子を気密に収容することにより半
導体装置を得るものであった。

【０００４】かかる半導体装置は、その絶縁基板に設け
た配線導体層の一部に鉄−ニッケル（Ｆｅ−Ｎｉ）合金
等から成る外部リード端子を銀ロウ等のロウ材を介して
接着し、外部リード端子を外部回路に接続することによ
って、半導体素子の各電極は配線導体層、ボンディング
ワイヤ及び外部リード端子を介して外部回路に電気的に
接続されている。

【０００５】しかしながら、前記従来のアルミナ質焼結
体を絶縁基板とする配線基板は、配線導体層及びビアホ
ール導体を形成するＷやＭｏの電気抵抗値が４〜８×１
０^-6Ω・ｃｍと極めて高いため、配線間の電気抵抗値を
小さくして大電流を流せることが要求されるような配線
基板、具体的には車載環境のような厳しい環境下で使用
される各種制御機器等をはじめとする、配線導体層のさ
らなる低抵抗化が望まれているような用途には適用でき
なかった。

【０００６】従って、前述のような用途に適用するセラ
ミック配線基板では、配線導体層の抵抗値を低減して大
電流を流せるようにするために、銅（Ｃｕ）や銀（Ａ
ｇ）等を主成分とする低抵抗導体材料を用いて、絶縁基
板の表面に厚膜法や無電解メッキ法により形成するとと
もに、線幅の大きい配線導体層を形成することが行われ
ている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、かかる配線導
体では、配線の高密度化のために配線パターンの線幅が
配線基板の面積により制限され、一定以上に幅広く形成
することができず、しかも、前記配線導体層の形成方法
では、後の工程に悪影響を及ぼさず短時間に低コストで
充分な厚さの配線導体層を形成することが困難であっ
た。

【０００８】また、低抵抗金属からなる配線導体層を絶
縁基板と同時焼成によって形成することが考えられる
が、アルミナなどの強度の高いセラミックスとは焼成温
度が異なるために、低抵抗金属と同時焼成によって形成
することができないものであった。そこで、最近では、
配線基板を構成する絶縁基板の表面あるいは内部に空間
部や凹部形状の配線用空間部を形成し、その配線用空間
部に電気抵抗値の低い銅（Ｃｕ）や銀（Ａｇ）等の低融
点金属から成る配線導体材料を充填して低抵抗配線導体
を形成したものや、特に高熱伝導性が要求されるパワー
モジュール基板等では、銅板やアルミニウム板により形
成した低抵抗配線導体を銀系やアルミニウム系等のロウ
材で絶縁基板に接着し、これを大電流用の配線導体層と
して用いることが提案されている。

【０００９】しかしながら、銅、アルミニウムなどの低
抵抗配線材料は、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ケ
イ素等のセラミックスに比較して、熱膨張が大きいため
に、配線導体層の幅が大きいほど、絶縁基板との接合部
端部が、熱膨張率差により剥離が生じるという問題があ
った。また、配線導体層の幅が狭い場合においても、使
用環境下での冷熱サイクルを受ける間に、パワー配線層
と絶縁基板との熱膨張率差により配線導体層の剥離が発
生するという問題があった。

【００１０】このような配線導体層の剥離は、配線導体
層の信頼性のみならず、配線導体層を経由した熱放散性
をも阻害することから、配線導体層の特に端部での剥離
を防止することが必要であった。

【００１１】このような配線導体層の剥離を防止する方
法としては、配線導体層の厚みを低減することが最も効
果的であるが、配線導体層自体の抵抗の増大、熱放散性
の低下などが生じる。一方、抵抗値の増大に対する対策
として、配線導体層の配線幅を広げることが効果的であ
るが、基板表面における実装密度が低下してしまうとい
う問題があった。

【００１２】従って、本発明は、セラミック絶縁基板の
熱膨張差により生じる大電流用の配線導体層と配線導体
層の端部の剥離の発生を防止し、あらゆる環境下におい
ても配線導体層と絶縁基板の接合状態を良好な状態に保
ち、熱放散性に優れた高信頼性のセラミック配線基板を
提供することを目的とするものである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、セラミック絶
縁基板表面に、深さ１００μｍ以上の凹部内に導電体が
埋設されてなる配線導体層が形成されたセラミック配線
基板であって、前記凹部の基板表面側の開口幅を前記凹
部内の最大幅よりも小さくすることを特徴とするもので
あれり、特に、前記凹部の開口幅をｘ、前記凹部内の最
大幅をｙ、前記凹部深さをｔとした時、（ｙ−ｘ）／
（２ｔ）で表される値が、１以上であることが望まし
い。

【００１４】また、前記セラミック絶縁基板としては、
アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素のうちの少なく
とも１種を主成分とすること、さらには前記凹部内に充
填される導電体が、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｓｎおよ
びＰｂの群から選ばれる少なくとも１種を主成分とする
ことが望ましく、前記配線導体層に対しては、１Ａ以上
の大電流を印加することが可能である。

【００１５】本発明によれば、上記構成により、配線導
体層の端部の剥離が抑制され、その結果、絶縁基板と配
線導体層との良好な接合状態を確保することができ、パ
ワー半導体素子の熱を配線導体層を経由して効率よく伝
導することができる為、適正な動作温度上限以上への昇
温によるパワー半導体素子などの誤動作等の不具合を生
じないという、高い信頼性を得ることができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】次に、本発明のセラミック配線基
板を図面に基づき説明する。図１〜図３は、本発明のセ
ラミック配線基板の概略図を説明するためのものであ
り、図１は平面図、図２は図１のＡ−Ａ断面図、図３お
よび図４は、他の凹部形状を説明するための断面図であ
る。

【００１７】図１によれば、セラミック配線基板１は、
基本的に、セラミック絶縁基板２と配線導体層３を具備
するものである。配線導体層３は、１Ａ以上、特に１０
Ａ以上、さらには５０Ａ以上の大電流を印加するための
ものであり、セラミック絶縁基板２の表面に形成された
深さｔの凹部４内に導電体が充填された構造からなるも
のである。この凹部４は、大電流の印加のためにその深
さが１００μｍ以上であることが必要である。

【００１８】上記配線基板１において、セラミック絶縁
基板２としては、過酷な環境下においても優れた耐久性
を有するセラミック材料から構成されていることが望ま
しく、特に、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、窒化アルミニウ
ム（ＡｌＮ）、窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）のうちの少なく
とも１種を主成分とするセラミック焼結体であればいず
れにも適用できるが、特に、高熱伝導性が要求されるパ
ワーモジュール基板ではＡｌＮ、Ｓｉ₃Ｎ₄が望まし
い。

【００１９】また、配線導体層３を構成する導電体は、
低抵抗金属、例えば、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、アルミ
ニウム（Ａｌ）の群から選ばれる少なくとも１種によっ
て構成されるものであり、これらの中でも、特に熱伝導
性に優れ、安価である等の点からは銅（Ｃｕ）が最適で
ある。

【００２０】本発明によれば、上記配線基板１における
凹部４の形状が、凹部４の基板表面側の開口幅ｘが、凹
部４内の最大幅ｙよりも小さいことが大きな特徴であ
る。このように、凹部４の基板表面側の開口幅ｘが、凹
部４内の最大幅ｙよりも小さいことによって、凹部４の
開口面周囲のセラミック絶縁基板２の突き出し部５が、
配線導体層３の端部の変形を抑制しているため、上記の
ようにセラミック絶縁基板２と凹部４内に充填される低
抵抗金属との熱膨張差に起因する応力によって、配線導
体層３の端部が絶縁基板２から剥離するのを効果的に防
止することができる。

【００２１】この凹部４の形状としては、図２に示され
る断面形状の他、図３に示されるように多段形状に形成
することもできる。また、図２、図３の凹部形状におい
ては、いずれも凹部４内の最大幅は凹部底部の幅に該当
するものであるが、凹部４内の最大幅部は、図４に示さ
れるように凹部４の中央部に存在してもよい。

【００２２】また、凹部４の突き出し部５の長さａと凹
部４の深さｔによるａ／ｔ比、言い換えれば、（ｙ−
ｘ）／（２ｔ）で表される値が、１以上、特に１．５以
上であることが望ましく、この値が１よりも小さいと、
顕著な効果が得られにくい。また、突き出し部５の厚さ
ｂは、絶縁基板２の材質にもよるが１５０μｍ以上であ
ることが望ましい。

【００２３】本発明のセラミック配線基板を作製する具
体的な方法としては、先ず、所定のセラミック原料粉末
にアクリル樹脂などの有機バインダー、可塑剤、溶剤等
を添加混合して泥漿を調製し、該泥漿をドクターブレー
ド法、カレンダー法、圧延法などのシート形成法によっ
てシート状に成形する。

【００２４】そして、例えば、所定厚みのグリーンシー
トに凹部開口部側形状の幅ｘの溝を、また、他のグリー
ンシートに底部側形状の幅ｙの溝をパンチング等によっ
てそれぞれ打ち抜き加工した後、所定のグリーンシート
に、幅ｘの溝が形成されたグリーンシートが最上層とな
るように積層する。

【００２５】また、同時に、一般配線用として、セラミ
ックグリーンシートの所定位置に打ち抜き加工を施して
スルーホールを形成し導体ペーストを充填し、また、一
般配線用として導体ペーストをスクリーン印刷法によっ
て印刷塗布した後、積層する。

【００２６】このようにして、ペーストが塗布されたセ
ラミックグリーンシートを複数枚積層後、絶縁基板を構
成する主成分のセラミックスに応じて、適当な焼成温度
で焼成する。例えば、Ａｌ₂Ｏ₃からなる場合は、１２
００〜１７００℃、ＡｌＮからなる場合は、１５００〜
２０００℃、Ｓｉ₃Ｎ₄からなる場合は、１５００〜２
０００℃の範囲が適当である。

【００２７】次に、上記のようにして作製された配線基
板の凹部に、所定の低抵抗金属を含有するペーストをス
クリーン印刷法や、ペースト充填機を用いて充填し、焼
き付け処理を施す。より具体的には、銅ペーストを充填
した場合には、８００〜１０００℃の温度で処理するこ
とにより、凹部内に低抵抗金属が充填された大電流用の
配線導体層を具備するセラミック配線基板を作製するこ
とができる。

【００２８】なお、本発明のセラミック配線基板に対し
ては、その表面にパワー半導体素子等が実装され、大電
流用の配線導体層３がパワー半導体素子用の配線層とし
て機能することができる。また、セラミック配線基板の
裏面には、ヒートシンクなどの放熱体を接合することに
より、表面に実装されたパワー半導体素子から発生した
熱を絶縁基板２や大電流用の配線導体層３を介してヒー
トシンクに伝達して効率的に放熱させ、パワー半導体素
子の誤動作の発生を防止することができる。

【００２９】

【実施例】本発明のセラミック配線基板を評価するに際
し、アルミナ質焼結体を絶縁基板として、以下の手順に
て配線基板を作製した。まず、Ａｌ₂Ｏ₃に対して、Ｓ
ｉＯ₂、ＭｇＯ、ＣａＯを合量で５重量％添加した混合
粉末に有機バインダー、可塑剤、溶剤を添加混合してス
ラリーを調製し、このスラリーを用いて周知のドクター
ブレード法により厚さ（ａ）１５０μｍおよび（ｂ）３
００μｍの２種の厚さのセラミックグリーンシートを成
形した。

【００３０】その後、大電流用の配線導体層用の凹部の
開口部側を形成するために、厚さ１５０μｍのグリーン
シート（ａ）に所定の幅、長さの孔を打ち抜き加工し、
厚さ３００μｍのグリーンシートに対してグリーンシー
ト（ｂ）に形成した孔よりも大きい孔を打ち抜き加工し
た。また、比較のために、グリーンシート（ａ）（ｂ）
ともに同一形状の孔を形成したものも作製した。

【００３１】そして、各グリーンシート（ａ）（ｂ）お
よび撃ち抜き加工を行っていないグリーンシート（ｃ）
に対して、それぞれ一般配線層用として、Ｗ、Ｍｏ等の
高融点金属を主成分とする粉末に、アルミナ粒子を３重
量％添加し、適当な有機バインダー、可塑剤、溶剤を添
加混合して得た金属ペーストをスクリーン印刷法によっ
て所定のパターンに塗布した。

【００３２】その後、グリーンシート（ｃ）の上に、グ
リーンシート（ｂ）およびグリーンシート（ａ）を順次
位置合わせして積層圧着した。そして積層体の表面に形
成された凹部内に有機樹脂を充填した。

【００３３】そして、前記グリーンシート積層体を水素
（Ｈ₂）と窒素（Ｎ₂）の混合ガスから成る還元性雰囲
気中、１６００℃の温度で焼成して、長さ１５０ｍｍ、
幅１００ｍｍ、厚さ１ｍｍのセラミック配線基板を作製
した。

【００３４】なお、大電流用の凹部の形状は、凹部の開
口部の幅、長さ、凹部底部の幅、長さおよび凹部深さを
表１に示した。

【００３５】次に、上記のようにして形成された配線基
板表面の凹部に銅（Ｃｕ）を主成分とする粉末に適当な
有機バインダー、可塑剤、溶剤を添加混合して作製した
ペーストをインク充填装置を用いて充填した。その後、
窒素ガスからなる還元性雰囲気中にて約９００℃の温度
で焼成し、前記凹部に銅導体が充填された大電流用の配
線導体層が形成されたセラミック配線基板を作製した。

【００３６】かくして、得られた評価用のセラミック配
線基板のパワー配線形成部を観察する為、該パワー配線
が形成されている配線基板凹部を含む断面が得られるよ
うに該配線基板をファインカッターで切断し、該切断面
をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）観察により観察し、該パ
ワー配線端部の剥離の有無を確認し、各試料につき、サ
ンプル数１０個で剥離が発生したサンプル数を表１に示
した。

【００３７】また、該評価基板の実際の使用状況を想定
し、長期の接合信頼性の確認の為に、上記の配線基板
に、高温設定温度１２５℃、低温設定温度−４０℃の熱
衝撃を１０００サイクル加える熱衝撃試験を施し、５０
０サイクルおよび１０００サイクル後に、前記と同様の
断面観察を行い、大電流用の配線導体層の端部の剥離の
観察を行い、剥離発生のサンプル数を表１に示した。

【００３８】

【表１】

【００３９】表１から明らかなように、凹部形状の断面
が単純な矩形状からなる従来の試料番号１、２と比較し
て、本発明の基板では、長手方向、幅方向とも配線導体
層の端部の剥離の発生が抑制された。特に、（ｙ−ｘ）
／（２ｔ）で表される値が、１以上であると、さらに剥
離の発生が抑制され、１．５以上では剥離の発生が熱サ
イクル後も全く発生せず、信頼性を有することが確認さ
れた。

【００４０】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明によれば、基
板表面側の開口幅が底部幅よりも小さい凹部を形成し、
その凹部内に導電体を充填した構造によって大電流用の
配線導体層を形成することにより、配線形成時あるいは
実際の使用環境下で冷熱サイクルが加わった場合におい
ても、配線導体層とセラミック絶縁基板との熱膨張差に
起因して、配線導体層の端部が剥離するのを防止するこ
とができる。その結果、セラミック配線基板表面の大電
流用の配線導体層にパワー半導体素子などの高発熱部品
が実装され、また、実装された基板をヒートシンクに接
合した構造において、パワー半導体素子から放熱される
熱を大電流用の配線導体層を介して常に効率よく伝達で
きるために、素子を常に動作温度範囲内に保つことがで
き、誤動作などを招くことのないあらゆる環境下におい
ても高信頼性のセラミック配線基板を提供することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のセラミック配線基板の基本構造を説明
するための平面図である。

【図２】図１のセラミック配線基板のＡ−Ａ断面図であ
る。

【図３】本発明のセラミック配線基板の凹部形状の他の
例を説明するための断面図である。

【図４】本発明のセラミック配線基板の凹部形状のさら
に他の例を説明するための断面図である。

【符号の説明】

１セラミック配線基板２セラミック絶縁基板３配線導体層４凹部５突き出し部ｘ凹部開口幅ｙ凹部内最大幅ｔ凹部深さ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】セラミック絶縁基板表面に、深さ１００μ
ｍ以上の凹部内に導電体が埋設されてなる配線導体層が
形成された配線基板であって、前記凹部の基板表面側の
開口幅が、前記凹部内の最大幅よりも小さいことを特徴
とするセラミック配線基板。
【請求項２】前記セラミック絶縁基板が、アルミナ、窒
化アルミニウム、窒化珪素のうちの少なくとも１種を主
成分とすることを特徴とする請求項１記載のセラミック
配線基板。
【請求項３】前記凹部内に充填される導電体が、Ｃｕ、
Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、ＳｎおよびＰｂの群から選ばれる少
なくとも１種を主成分とする請求項１または請求項２記
載のセラミック配線基板。
【請求項４】前記配線導体層に、１Ａ以上の電流が流さ
れることを特徴とする請求項１記載のセラミック配線基
板。
【請求項５】前記凹部の開口幅をｘ、前記凹部内の最大
幅をｙ、前記凹部深さをｔとした時、（ｙ−ｘ）／（２
ｔ）で表される値が、１以上であることを特徴とする請
求項１記載のセラミック配線基板。