JP2002043481A - セラミックモジュールおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 セラミック基板４の片面に銅配線１、反対側
の面に銅放熱板５が接合材２により接合されている、パ
ワーデバイスの搭載に適したセラミックモジュールを、
放熱性能と接合部の信頼性を両立させつつ、安価に製造
する。 【解決手段】 酸化マグネシウム、酸化マグネシウ
ムスピネル、ならびに酸化マグネシウム、酸化マグネ
シウムスピネルおよび酸化アルミニウムから選ばれる少
なくとも２種類から成る複合材料、のいずれかを主成分
とするセラミック基板４の表面に、タングステンまたは
モリブデンを主成分とするメタライズ層３を、基板との
同時焼成法により形成し、このメタライズ層に、はん
だ、ろう材および樹脂から選ばれる熱伝導率１ W/m・K
以上の接合材２を介して、銅配線１または銅放熱板５を
接合する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、パワーデバイス
(パワー半導体デバイス) のように発熱量の大きい半導
体素子を搭載するのに適した、放熱板および／または配
線を接合したセラミックモジュールとその製造方法とに
関する。

【０００２】

【従来の技術】ＬＳＩ、パワーデバイスをはじめとする
電気、電子部品からの発熱量が増大し、その放熱対策が
重要になってきている。パワーデバイスを例に取ると、
ＩＧＢＴに代表されるパワートランジスタから発生する
熱を効率的に外部に発散させながら、同時に電気的に外
部と絶縁する必要があるため、銅のような熱伝導性の高
い金属からなる放熱板 (ヒートシンクとも呼ばれる) を
酸化アルミニウムや窒化アルミニウムなどのセラミック
基板の裏面側 (素子を搭載するための配線が形成される
面と反対側) に接合させたセラミックモジュールが知ら
れている。

【０００３】その一例として、特公平４−24312 号公報
には、非酸化物系セラミック基板の表面に形成した酸化
物層と、表面に酸素を含有する金属とを接触させて、金
属の融点以下でかつ金属と金属酸化物の共晶合金の共晶
温度以上に加熱する接合方法が開示されている。

【０００４】このような金属−金属酸化物の共晶を用い
た接合方法は、セラミックモジュールの製造方法として
広く用いられている。しかし、放熱板や配線に安価な銅
を用いた場合、銅の熱膨張係数が大きいため、セラミッ
ク基板との熱膨張係数差が大きくなり、デバイスが発熱
すると大きな熱応力が発生し、この発熱サイクルを繰り
返し受けるうちに、金属とセラミック基板との接合部が
剥がれたり、セラミック基板が破損する。このように接
合部の信頼性が得られないため、現実には小型のセラミ
ック基板しか作れないという問題や、温度変化の大きい
過酷な条件下では利用できないという問題があった。

【０００５】その対策として、銅の代わりにタングステ
ン、モリブデンなどの熱膨張係数の低い金属を放熱板や
配線に用いる方法や、あるいは放熱板にはセラミックと
金属との複合材料などの熱膨張係数の低い材料を用いる
方法など、放熱板や配線の熱膨張係数をセラミックのそ
れに近づける手法も知られている。この手法を採用する
と、大型のセラミック基板を製造したり、温度変化の大
きい条件下で利用が可能となる。しかし、このような熱
膨張係数の低い金属や複合材料は、一般に価格が高い。
またこれらの金属や複合材料は、銅などに比べると一般
的に加工性に劣るために、加工コストが高く、セラミッ
クモジュールの製造コストを大きく上げる要因となる。

【０００６】特開平７−48180 号公報には、平均熱膨張
係数が 9.5×10^-6／℃以上のマグネシアまたはスピネル
−マグネシア焼結体からなるセラミック基板に、銅板な
どの金属板を接合させた、セラミック−金属接合体が開
示されている。接合方法としては、活性金属による直接
接合法、銅と銅酸化物の共晶融体による直接接合法、お
よび銅とセラミック成分との化合物層による直接接合法
のいずれかが採用されている。

【０００７】このセラミック−金属接合体は、熱膨張係
数が比較的大きいセラミック基板を使用して、銅などの
接合される金属との熱膨張係数差を小さくすることで、
熱応力を緩和し、セラミック基板と金属板との剥離やセ
ラミック基板のクラック発生を緩和させることを意図し
ている。しかし、依然として、熱膨張係数の大きく異な
るセラミック基板と金属板とを直接的に接合することに
変わりなく、接合部の信頼性が十分であるとはいえな
い。また、上記いずれの接合方法も、セラミックを接合
層で直接濡らす必要があるので、接合部にボイドなどを
発生させずに100％近い確率で確実に接合するために
は、セラミック基板の表面状態や加熱方法と雰囲気等を
厳密に制御する必要があり、上記接合を工業的に実現す
ることはかなり困難である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、放熱
性能 (冷却性能) と接合部の信頼性とが両立し、かつ安
価に製造可能な、パワーデバイスの搭載に適したセラミ
ックモジュールとその製造方法とを提供することであ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、セラミッ
ク基板と放熱板や配線用の金属層との組み合わせと、そ
の接合材料および方法について検討を重ねた結果、マグ
ネシアまたはスピネル系のセラミック基板の接合面を、
熱膨張係数の低い金属でメタライズ化してから、熱伝導
率の高い接合材料を介して、銅を主成分とする配線およ
び／または放熱板と接合したセラミックモジュールが、
接合部の剥がれやセラミック基板の割れが発生すること
が少なく、デバイスを搭載した際の冷却性能にも優れ、
材料コストも低く抑えられることから、上記目的を達成
できることを見出した。

【００１０】ここに、本発明は、セラミック基板の少な
くとも一方の表面に、銅を主成分とする配線および／ま
たは放熱板が接合されたセラミックモジュールであっ
て、前記セラミック基板が、酸化マグネシウム、酸
化マグネシウムスピネル、ならびに酸化マグネシウ
ム、酸化マグネシウムスピネルおよび酸化アルミニウム
から選ばれる少なくとも２種類から成る複合材料、のい
ずれかを主成分とするものであり、このセラミック基板
の前記少なくとも一方の表面に、このセラミック基板と
前記銅を主成分とする配線および／または放熱板のいず
れよりも熱膨張係数が小さい材料からなるメタライズ
層、好ましくはタングステンおよび／またはモリブデン
を主成分とするメタライズ層、が形成されており、この
メタライズ層に、はんだ、ろう材および樹脂から選ばれ
る熱伝導率１ W/m・K 以上の接合材を介して、前記銅を
主成分とする配線および／または放熱板が接合されてい
る、ことを特徴とするセラミックモジュールである。

【００１１】本発明によればまた、下記工程 (1)〜(3)
を含むことを特徴とする、上記セラミックモジュールの
製造方法もまた提供される。当業者には明らかなよう
に、この製造方法は、既存のセラミック基板製造設備を
利用して実施することができるので、コスト面で有利で
ある。

【００１２】(1) 酸化マグネシウム、酸化マグネシ
ウムスピネル、ならびに酸化マグネシウム、酸化マグ
ネシウムスピネルおよび酸化アルミニウムから選ばれる
少なくとも２種類、のいずれかを主成分とする、セラミ
ックグリーンシートを形成する工程、(2) このセラミッ
クグリーンシートの少なくとも一方の表面に、タングス
テンおよび／またはモリブデンを主成分とする導体ペー
ストを印刷し、非酸化性雰囲気中で焼成することによ
り、メタライズ層を有するセラミック基板を形成する工
程、ならびに(3) 銅を主成分とする配線および／または
放熱板を、はんだ、ろう材および樹脂から選ばれる熱伝
導率１ W/m・K 以上の接合材を用いて、前記セラミック
基板の前記メタライズ層の表面に接合する工程。

【００１３】半導体素子を搭載するセラミック基板とし
て、従来は熱膨張係数が7.5 ppm/℃未満の、例えば、酸
化アルミニウム、窒化アルミニウム、またはガラス系セ
ラミック材料が主に利用されてきた。このような基板を
使用すると、配線や放熱板に用いられる、低価格である
が熱膨張係数の高い、銅または銅基合金（以下、銅系金
属という）との熱膨張差が非常に大きく (銅の熱膨張係
数は 18 ppm/℃) 、セラミック基板と銅系金属との間の
接合をいかに工夫しても、熱膨張差による接合部の剥が
れを完全に防止することは困難である。

【００１４】本発明で用いる、酸化マグネシウム、酸化
マグネシウムスピネル、ならびに酸化マグネシウムと酸
化マグネシウムスピネルと酸化アルミニウムとから選ば
れる少なくとも２種類から成る複合材料、のいずれかを
主成分とするセラミック基板は、熱膨張係数が 7.5〜1
3.2 ppm／℃と大きい。そのため、配線や放熱板に用い
られる銅系金属との熱膨張差がある程度は緩和される。
しかも、酸化マグネシウムの存在により、理由は不明で
あるが、これを含まない同じ熱膨張係数のセラミックに
比べて、ヒートサイクルなどの熱応力を加えた際の信頼
性が向上する。

【００１５】しかし、単にセラミック基板を上記の酸化
マグネシウムまたはスピネル系の材料から構成するだけ
では、特開平７−48180 号公報に関して説明したよう
に、銅系金属との熱膨張差がまだかなりあるので、この
公報に開示されているようなセラミックと金属との直接
的な接合方法では、ボイドがなく信頼性の高い接合部を
確実に形成することは困難である。

【００１６】本発明では、上記セラミック基板の接合面
に、接合すべきセラミック材料と銅系金属のいずれより
も熱膨張係数の小さい金属材料からなるメタライズ層を
形成する。この金属材料は、具体的には、熱膨張係数が
４〜６ppm/℃であるタングステンまたはモリブデンを主
成分とするものでよい。それにより、セラミックと銅系
金属との熱膨張係数の差により発生する熱応力がメタラ
イズ層に集中し、メタライズ層は熱応力を緩和する緩衝
材として作用するため、モジュールの信頼性を飛躍的に
高めることが可能となる。

【００１７】このメタライズ層は、セラミック基板との
同時焼成により形成することが望ましい。それにより、
セラミック基板とメタライズ層との密着強度が高まり、
接合部の剥がれの発生を抑制する効果が大きくなる。ま
た、メタライズ層の焼き付け工程が不要となるため、コ
スト低減にも寄与する。

【００１８】本発明では、メタライズされたセラミック
基板と配線および／または放熱板を構成する銅系金属と
を、熱伝導率１ W/m・K 以上のはんだ、ろう材または樹
脂からなる接合材料で接合して、一体モジュールとす
る。これらの接合材料は、ヤング率が通常は150 GPa 以
下であり、素子の発熱に伴う熱応力を緩和する役割を果
たし、セラミック基板への応力集中を抑制できるので、
モジュールの信頼性が高まる。また、接合層の厚みは通
常は100 μｍ程度以内であるため、接合層の熱伝導率が
１ W/m・K 以上であれば、モジュールに搭載した素子の
冷却を妨げる恐れがない。

【００１９】以上の総合的な結果として、本発明のセラ
ミックモジュールは、デバイスの放熱性能と信頼性に優
れ、かつ安価に製造できる。特に、セラミック基板と銅
系金属との熱膨張差を小さくしたことに加え、熱応力を
緩和させる緩衝材としてメタライズ層を設けたことの相
乗効果によって、信頼性の高い接合部を確実に達成する
ことが可能となる。

【００２０】

【発明の実施の形態】本発明のセラミックモジュール
は、セラミック基板の少なくとも一方の表面に、銅を主
成分とする配線および／または放熱板を一体に接合した
ものである。配線と放熱板の両方を接合する場合、これ
らはセラミック基板の互いに別の表面に接合される。こ
の場合の本発明のセラミックモジュールの構造の１例を
図１に模式的に示す。

【００２１】図１に示すように、本発明のセラミックモ
ジュールでは、配線１が接合材２とメタライズ層３を介
して、セラミック基板４の一方の表面に接合され、セラ
ミック基板４の他方の表面には、放熱板 (ヒートシン
ク) ５が、やはり接合材２とメタライズ層３を介して接
合され、配線／セラミック基板／放熱板が一体化したモ
ジュールを構成している。

【００２２】セラミック基板４の厚みは特に制限される
ものではないが、通常は 0.3〜1.0mm程度である。この
基板の主成分は、酸化マグネシウムまたは酸化マグネシ
ウムスピネルであるか、或いは酸化マグネシウム、酸化
マグネシウムスピネル、および酸化アルミニウムのうち
の少なくとも２種類からなる複合材料である。

【００２３】ここで、酸化マグネシウムスピネルとは、
MgAlO₄なる組成式で示される、単にスピネルまたはセン
ショウ石とも呼ばれている天然鉱物である。天然のスピ
ネルは、Mgの一部がFe(II)、Zn、Mn(II)等で、Alの一部
がCr(III) またはFe(III) 等で置換されていることがあ
り、これらの置換鉱物も酸化マグネシウムスピネルに包
含される。本発明で使用する酸化マグネシウムスピネル
としては、熱伝導率がより高い合成鉱物 (酸化マグネシ
ウム供給源化合物と酸化アルミニウム供給源化合物との
焼成で得られる) が望ましい。

【００２４】配線１および放熱板５は、いずれも銅を主
成分とする材料、即ち、銅または銅基合金からなる。こ
れらを使用するのは安価であるからである。配線１と放
熱板５は、当然ながら同じ材料である必要はない。銅基
合金の例としては、Cu−Ag、Cu−Cr等が挙げられる。こ
れらの部材の厚みは特に制限されないが、一般に配線の
厚みは 100〜500 μｍ程度であり、放熱板の厚みは１〜
５mm程度である。配線は所定パターンを有し、パターン
形成は、セラミック基板への接合前と接合後のいずれに
行うことも可能であるが、通常は接合前に予めエッチン
グ等によりパターン化しておく。放熱板は、通常はベタ
の板状部材であるが、凹部、貫通孔、ミゾなどの形状が
付与されたものも使用可能である。

【００２５】メタライズ層３は、セラミック基板４の表
面に形成される。このメタライズ層３は、熱応力を緩和
する緩衝材として機能させるため、セラミック基板４と
配線１および／または放熱板５のいずれよりも熱膨張係
数が小さい金属質材料から構成する。そのような熱膨張
係数を有する金属質材料の例は、タングステンやモリブ
デンを主成分とする材料である。メタライズ層３は、前
述したように、セラミック基板４との同時焼成により形
成することが好ましい。メタライズ層の厚みは通常は５
〜20μｍ程度である。

【００２６】このメタライズ層３に、配線１および／ま
たは放熱板５が、接合材の層 (接合層) ２を介して接合
されている。接合層の厚みは、前述したように、通常は
100μｍ以下である。接合材としては、はんだ、ろう材
および樹脂から選ばれる、熱伝導率１ W/m・K 以上のも
のを使用する。また、使用温度域である−40℃〜100℃
の温度範囲で安定したものであることが好ましい。

【００２７】一般に、はんだやろう材といった金属は、
このような熱伝導率や熱安定性を有しているので、配線
／放熱板の銅系金属およびメタライズ層との密着性を考
慮して、適当なものを選択すればよい。はんだとして
は、一般的に用いられるPb−Sn共晶はんだやPb−Sn高温
はんだなどを用いることができる。ろう材は一般的なAg
ろうでよく、例えばJIS 規格のB Ag-8などを用いること
ができる。樹脂は、上記の熱伝導率や熱安定性を有する
ものから選択する必要がある。そのような樹脂の１例
は、シリコーン樹脂である。あるいは、熱伝導率を高め
るために数％の金属やセラミックを含有させたエポキシ
樹脂や、熱可塑性樹脂などを用いることができる。

【００２８】本発明のセラミックモジュールの製造方法
について次に説明する。まず、焼成後にセラミック基板
となるセラミックグリーンシートを、常法に従って形成
する。例えば、酸化マグネシウムまたは酸化マグネシウ
ムスピネル、あるいは酸化マグネシウムと酸化マグネシ
ウムスピネルと酸化アルミニウムとから選んだ２種類以
上からなる原料粉末を、バインダー溶液でスラリー化
し、これをドクターブレード法等によりシート成形し
て、上記原料粉末を主成分とするグリーンシートを形成
する。

【００２９】酸化マグネシウムスピネルは、酸化マグネ
シウムと酸化アルミニウムとのモル比１：１での複合酸
化物であるから、原料粉末の化学組成は、MgO 単独また
は MgO＋Al₂O₃ ということになる。原料粉末のAl₂O₃ 含
有量が多いほど、得られるセラミック基板の熱膨張係数
が小さくなる。原料粉末中のAl₂O₃ 含有量 (スピネル由
来のものと、酸化アルミニウムの合計量) が90モル％以
下であれば、熱膨張係数が7.5 ppm/℃以上のセラミック
基板を得ることができるので、酸化アルミニウム粉末を
原料粉末に配合する場合には、原料粉末のAl₂O₃ 含有量
が90モル％以下となるように配合量を調整することが好
ましい。原料粉末がMgO 100 ％であると、熱膨張係数が
非常に大きいセラミック基板が得られるが、強度がやや
低下する傾向がある。熱膨張係数と強度を考慮すると、
原料粉末中のAl₂O₃ 含有量は好ましくは10〜50モル％で
ある。

【００３０】原料粉末としては、市販品を用いることが
できる。シート成形用の原料粉末スラリーには、バイン
ダー樹脂 (例、ポリビニルブチラール、エチルセルロー
ス)に加えて、焼結性を向上させるために焼結助剤、着
色剤、メタライズ層の密着性を向上させるための添加
剤、可塑剤 (例、ジブチルフタレート) 等を添加するこ
とができる。また、焼成後のセラミック基板の熱膨張係
数が7.5 ppm/℃以上になるのであれば、他のセラミック
材料も少量混合することができる。

【００３１】シート成形後に乾燥して得たセラミックグ
リーンシートの片面または両面に、焼成後にメタライズ
層となる、タングステンおよび／またはモリブデンの粉
末を主成分とし、バインダーを含有する導体ペーストを
スクリーン印刷等により印刷する。導体ペーストは市販
品を使用することができる。メタライズ層の上に配線層
を形成する場合には、メタライズ層も配線層と同じパタ
ーンを有することが好ましい。導体ペーストは、タング
ステンまたはモリブデン粉末と、バインダー、有機溶剤
以外に、分散剤などの添加剤を含有することができる。
焼成後に形成されるメタライズ層の熱膨張係数が、セラ
ミック基板と銅系金属のいずれよりも小さくなるのであ
れば、Ｗおよび／またはMoに加えて、他の金属粉末を導
体ペーストに少量含有させることができる導体ペースト
とセラミックグリーンシートとの密着性を高めるため、
グリーンシートに導体ペーストを印刷した後、積層体の
形成で採用されているように熱圧着させて、積層体とす
ることが好ましい。この熱圧着は、例えば、温度50〜10
0℃、圧力５〜10 MPaの条件で行うことができる。積層
体をその後、基板の大きさに切断する。

【００３２】その後、この積層体を焼成すると、セラミ
ック基板とメタライズ層が同時焼成により形成される。
上記から選んだ２種類以上の原料粉末を使用した場合に
は、それらの複合材料を主成分とするセラミック基板が
形成される。焼成は、セラミックグリーンシートと導体
ペーストの両方を焼結するのに十分な温度および時間で
行う。通常はセラミックグリーンシートの方が焼結温度
が高く、また厚みも大きいので、このグリーンシートを
焼結させるように焼成条件を設定すればよい。例えば、
温度1600〜1700℃で１〜８時間の焼成によりグリーンシ
ートを焼結することができる。焼成前に、バインダー等
の有機物を除去するために、1000℃前後の温度で脱バイ
ンダー加熱を行ってもよい。導体ペースト中のタングス
テンやモリブデンの酸化を防ぐため、焼成と脱バインダ
ー加熱はいずれも、非酸化性雰囲気で行う。非酸化性雰
囲気は、窒素雰囲気等の不活性ガス雰囲気、還元性雰囲
気、および真空のいずれでもよいが、工業的には窒素雰
囲気が好都合である。

【００３３】セラミック基板とメタライズ層は、前述し
たように同時焼成により形成することが、性能的にもコ
スト的にも有利であるが、予め形成した焼成ずみのセラ
ミック基板上に導体ペーストを印刷した後、焼成してメ
タライズ層を形成することも可能である。

【００３４】焼成により形成されたメタライズ層には、
接合材との密着強度を向上させるため、メタライズ層の
密着性を向上させることができる周知の処理、例えば、
Niめっきを、接合前に予め施しておくことが好ましい。

【００３５】セラミック基板の表面に形成されたメタラ
イズ層に、配線または放熱板を、はんだ、ろう材または
樹脂からなる接合材により接合させると、本発明のセラ
ミックモジュールが製造される。接合は、使用する接合
材に応じて、常法に従って実施すればよい。例えば、は
んだの場合、板状または箔状のはんだ材を使用すること
もできるが、メタライズ層または放熱板をはんだめっき
して、その表面にはんだ層を形成するか、クリームはん
だを印刷することにより、接合を行うこともできる。

【００３６】配線を接合する場合、予め所定の配線パタ
ーンを形成してから接合してもよいが、配線が複雑また
は細い場合には、べたの銅板または銅基合金板を接合
し、接合後に、周知のパターン形成方法によって配線を
形成してもよい。

【００３７】こうして製造された本発明のセラミックモ
ジュールに半導体素子を搭載する。この搭載は、従来の
モジュールと同様に、配線上に、樹脂やはんだなどの接
合材を用いて半導体素子を接合すればよい。半導体素子
に発生する熱応力を抑制するために、低ヤング率の例え
ばPb−Sn系はんだなどが好ましい。

【００３８】本発明のセラミックモジュールに半導体素
子を搭載した後の構造を図２に模式的に示す。図２にお
いて、11がパワーデバイス等の半導体素子、12が配線、
13が接合層、14がメタライズ層、15がセラミック基板、
16が放熱板である。図示しないが、半導体素子11とその
周囲の配線12はワイヤーで接続される。従って、接合層
13は樹脂のように絶縁性材料であってもよい。また、放
熱板16の基板15とは反対側の表面には、放熱を助けるた
めにフィンを設けてもよい。

【００３９】

【実施例】グリーンシートの作製 酸化マグネシウム(MgO) または酸化マグネシウムスピネ
ル (スヒ゜ネル、合成品)、あるいはこれらと酸化アルミニウ
ム(Al₂O₃) から選んだ２種以上、からなる原料粉末 (い
ずれも市販品、平均粒径は約 0.5〜3.0 μｍ) を、バイ
ンダーとしてポリビニルブチラール、可塑剤としてジブ
チルフタレート、溶剤としてキシレンおよびトルエンを
使用してスラリー化し、得られたスラリーをドクターブ
レード法によりシート成形して、乾燥厚み約250 μｍの
セラミックグリーンシートを作製した。

【００４０】導体ペーストの印刷と積層 セラミックグリーンシートの片面に、タングステンまた
はモリブデンの粉末を主成分とする市販の導体ペースト
をベタにスクリーン印刷した。別のセラミックグリーン
シートの片面には、同様の導電性ペーストを用いて、所
定の配線パターンをスクリーン印刷した。その後、未印
刷のセラミックグリーンシート３枚を間に挟んで、上下
面が印刷面となるように計５枚のシートを重ね合わせ、
100 ℃、50 kgf/cm² (5 MPa)で熱圧着して、厚さ約１mm
の積層体を得た。この積層体における導体ペーストの厚
みは約10μｍであった。この成形体を縦横約30 mm の正
方形となるように切断した。

【００４１】焼成 切断した各積層体を、まず窒素雰囲気中で1000℃に４時
間加熱して、脱バインダーを行った後、やはり窒素雰囲
気中で1650℃に４時間加熱して、導体ペーストとセラミ
ックグリーンシートを同時に焼成し、両面にメタライズ
層を有するセラミック基板 (厚み約0.65 mm)を作製し
た。

【００４２】接合 セラミック基板のメタライズ層に無電解Niめっきを厚み
約５μｍとなるように施した後、いずれも市販品であ
る、ペースト状のPb−Sn共晶はんだ(225℃) 、ペースト
状の銀ろう(JIS規格B Ag-8、800 ℃) 、シリコーン樹脂
系接合材(150℃)、またはエポキシ樹脂系接合材(150℃)
を、Niめっきしたメタライズ層にスクリーン印刷 (は
んだもしくはろう材) または塗布 (樹脂) した後、放熱
板となる銅板 (縦40mm×横40mm×厚さ３mm) と配線とし
ての銅板 (最外寸20mm×20mm×0.3mm) をそれぞれ所定
の面に貼り合わせ、接合材のかっこ内に記した温度に加
熱して接合した。

【００４３】比較例として、上記と同様の方法によりア
ルミナ基板または窒化アルミニウム基板とメタライズ層
を同時焼成法により作製したものを用意し、上記と同様
に銅板を接合した。

【００４４】別の比較例として、酸化マグネシウムスピ
ネルのグリーンシートを、導体ペーストを印刷せずに上
と同様に焼成し、得られたセラミック基板に、下記の方
法で前記銅板を接合した。

【００４５】(1)銅−酸素共晶法(DBC法) 銅板をセラミック基板上に配置した後、窒素雰囲気中10
75℃で接合した。 (2)活性金属法 市販のCu−Tiの活性金属接合材により銅板をセラミック
基板上に900 ℃で接合した。

【００４６】以上の方法で作製された、セラミック基板
に銅板が接合されたセラミックモジュールを用いて、熱
サイクル試験と熱抵抗の測定を行った。セラミックモジ
ュールの信頼性を評価するための熱サイクル試験では、
−20℃と100 ℃の間を約55分で昇降温させ、−20℃と10
0 ℃に５分間ずつ保持する温度サイクル (１サイクル約
２時間) に、供試材を1000サイクルさらした。1000サイ
クル後の供試材を目視観察して、セラミック基板や接合
部の亀裂の有無や接合部の剥離の有無など調査した。亀
裂や剥離がない場合を良好とした。

【００４７】熱抵抗は温度傾斜法により測定した。この
熱抵抗が２℃／Ｗ以下であれば、基板の放熱性能は十分
である。試験結果を、モジュールの構成要素の詳細と一
緒に表１に示す。なお、タングステン、モリブデン、お
よび銅の熱膨張係数はそれぞれ次の通りである： Ｗ＝4.8 、Mo＝5.6 、Cu＝18.3ppm/℃。

【００４８】

【表１】 表１に示すように、本発明に従って、酸化マグネシウム
を含有するセラミック基板の表面にＷまたはMoメタライ
ズ層を形成し、このメタライズ層に接合材を介して銅板
を接合した場合には、1000サイクル後も基板や接合部に
亀裂や剥離が発生せず、接合部は良好な状態を保持して
いた。従って、接合部の信頼性は十分である。また、モ
ジュールの熱抵抗は２℃／Ｗ以下となり、放熱性能も十
分である。従って、このセラミックモジュールは、パワ
ーデバイスを搭載するのに好適であり、その場合でもデ
バイスからの発熱を十分に外部に発散させて、接合部や
基板を良好な状態に保持することができる。

【００４９】一方、セラミック基板が、熱膨張係数のよ
り低いアルミナや窒化アルミニウムである比較例１、２
では、本発明と同様にメタライズ層を形成してから銅板
を接合したにもかかわらず、基板に亀裂が発生し、特に
熱膨張係数の低い窒化アルミニウム基板の場合には、接
合部にも亀裂が発生した。また、本発明と同じセラミッ
ク基板を使用しても、メタライズ層を形成せずに銅板を
基板に直接接合した比較例４、５でも、基板に亀裂が発
生したり、密着強度が十分でないために銅板が剥離した
りした。接合材の熱伝導率が小さかった比較例３では、
基板や接合部は良好であったが、セラミックモジュール
の熱抵抗が２℃／Ｗより大きく、パワーデバイスを搭載
するには放熱性能が不十分である。

【００５０】

【発明の効果】本発明により、既存のセラミック基板の
製造設備を利用して、接合部の信頼性が高く、かつ放熱
(冷却) 性能に優れた、パワーデバイスのような発熱量
の大きい半導体素子を搭載するのに適したセラミックモ
ジュールを、安価に提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るセラミックモジュールの断面構造
を模式的に示す説明図。

【図２】本発明に係るセラミックモジュールに半導体素
子を搭載した時の断面構造を模式的に示す説明図。

【符号の説明】

１, 12：配線、２, 13：接合層、３, 14：メタライズ
層、４, 15：セラミック基板、５, 16：放熱板、11：半
導体素子

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 23/36 Ｈ０１Ｌ 23/36 Ｃ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 セラミック基板の少なくとも一方の表面
   に、銅を主成分とする配線および／または放熱板が接合
   されたセラミックモジュールであって、 前記セラミック基板が、酸化マグネシウム、酸化マ
   グネシウムスピネル、ならびに酸化マグネシウム、酸
   化マグネシウムスピネルおよび酸化アルミニウムから選
   ばれる少なくとも２種類から成る複合材料、のいずれか
   を主成分とするものであり、 このセラミック基板の前記少なくとも一方の表面に、こ
   のセラミック基板と前記銅を主成分とする配線および／
   または放熱板のいずれよりも熱膨張係数が小さい材料か
   らなるメタライズ層が形成されており、 このメタライズ層に、はんだ、ろう材および樹脂から選
   ばれる熱伝導率１ W/m・K 以上の接合材を介して、前記
   銅を主成分とする配線および／または放熱板が接合され
   ている、 ことを特徴とするセラミックモジュール。
2. 【請求項２】 前記メタライズ層がタングステンおよび
   ／またはモリブデンを主成分とするものである請求項１
   記載のセラミックモジュール。
3. 【請求項３】 下記工程を含むことを特徴とする、請求
   項２記載のセラミックモジュールの製造方法： (1) 酸化マグネシウム、酸化マグネシウムスピネ
   ル、ならびに酸化マグネシウム、酸化マグネシウムス
   ピネルおよび酸化アルミニウムから選ばれる少なくとも
   ２種類、のいずれかを主成分とする、セラミックグリー
   ンシートを形成する工程、 (2) このセラミックグリーンシートの少なくとも一方の
   表面に、タングステンおよび／またはモリブデンを主成
   分とする導体ペーストを印刷し、非酸化性雰囲気中で焼
   成することにより、メタライズ層を有するセラミック基
   板を形成する工程、ならびに (3) 銅を主成分とする配線および／または放熱板を、は
   んだ、ろう材および樹脂から選ばれる熱伝導率１ W/m・
   K 以上の接合材を用いて、前記セラミック基板の前記メ
   タライズ層の表面に接合する工程。