JP2002076214A - 絶縁基板、その製造方法、およびそれを用いた半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 絶縁信頼性の高い絶縁基板を、安価かつ高い
歩留まりで提供する。 【解決手段】 絶縁基板は、垂直方向に積層された複数
のセラミックス基板と、これらのセラミックス基板の隣
接するセラミックス基板の間に位置する接合層とを含
む。各セラミックス基板は、単一の絶縁性セラミックス
層と、この絶縁性セラミックス層の表面および裏面に形
成された一対の導電層とを有する。各セラミックス基板
の導電層は、接合層によって、隣接するセラミックス基
板の導電層と接合されている。接合層は、ハンダ接合
層、ろう接合層、あるいは、活性金属接合層である。接
合層はまた、伝熱成分を含有した有機物系の樹脂層であ
ってもよい。絶縁性セラミックスは、窒化アルミニウム
または酸化アルミニウムである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電力用半導体装置
に関し、特に絶縁耐圧と信頼性を向上させた絶縁基板、
その製造方法、および、この絶縁基板を用いたモジュー
ル型半導体装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体チップは数ｍＡから数Ａと
いった比較的小さい電流の制御に用いられていたが、近
年では１個の半導体チップで数１０Ａから１００Ａ近く
の電流の制御が可能となっている。また、１つの絶縁性
樹脂ケースの内に複数個の半導体チップを内蔵したモジ
ュール型半導体装置では、１つのモジュールで数１００
Ａから数１０００Ａの電流制御が可能であり、今日では
圧延プラントや化学プラントにおける大型モータの駆動
用電源や車輌等に幅広く使用されている。一方、大電流
化と共に高耐圧化も進んでおり、現状のモジュール型半
導体装置の耐圧は５ｋＶ程度であるが、将来的には１０
ｋＶ以上の耐圧が要求されている。

【０００３】図１０（ａ）は、モジュール型半導体装置
に使用されている従来の絶縁基板１０１の構造を示し、
図１０（ｂ）は、この絶縁基板１０１を用いたモジュー
ル型半導体装置の構造を示す。

【０００４】図１０（ａ）に示すように、絶縁基板１０
１は、絶縁性セラミックス層１０２の表面に、半導体チ
ップ１０５（図１０（ｂ））をハンダにより接合するた
めの金属性導電層１０４ａが銅直接接合法や活性金属ろ
う材を用いて接合されている。絶縁セラミックス１０２
の裏面には、絶縁基板１０１をベース１０７にハンダに
より接合するために、同じく金属性導電層１０４ｂが接
合されれている。

【０００５】図１０（ｂ）に示すように、絶縁基板１０
１の表面には、複数の半導体チップ１０５がハンダ層１
０６により接合されている。絶縁基板１０１の裏面は、
金属または金属とセラミックスから構成される複合材料
製のベース１０７に、ハンダ層１０８により接合されて
いる。半導体チップ１０５は、他の半導体チップや外部
端子等にボンディング・ワイヤ１０９により結線されて
いる。これらの部品は絶縁性ゲル１１３により封止さ
れ、絶縁性樹脂ケース１１４に収容されて、半導体モジ
ュール装置１２０を構成している。

【０００６】モジュール型半導体装置１２０のベース１
０７は、水冷または風令のヒートシンク１３０にボルト
１１５で固定されている。すなわち、半導体チップ１０
５から発生した熱を、絶縁基板１０１とベース１０７を
介してヒートシンク１３０に逃がす構成となっている。
このため、モジュール型半導体装置を構成する導電層１
０４ａ，１０４ｂやベース１０７の材料は、熱伝導率に
優れている必要があり、一般的には銅、アルミニウム、
これらの合金や複合材料が用いられている。

【０００７】一方、モジュール型半導体装置１２０の絶
縁耐圧は、半導体チップ１０５の絶縁耐圧に依存し、半
導体チップ１０５の絶縁耐圧は、絶縁基板１０１で維持
されている。したがって、モジュール型半導体装置１２
０の絶縁耐圧を向上させるためには、絶縁基板１０１を
構成する絶縁性セラミックス層１０２の厚さを厚くすれ
ばよい。このような観点から、絶縁性セラミックス材料
としては絶縁性に優れた酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）
や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が用いられているが、モ
ジュール型半導体の大電流化に伴い半導体チップの発熱
量が増大する傾向にあるため、大電流を制御するモジュ
ール型半導体装置では、酸化アルミニウムに比べて熱伝
導率の高い窒化アルミニウムのほうが適している。

【０００８】しかしながら、図１０（ｂ）に示したよう
に、モジュール型半導体装置１２０は熱膨張率の小さい
半導体チップ１０５や絶縁性セラミックス１０２と、熱
膨張率が大きい導電層１０４ａ，１０４ｂやベース１０
７が積層された構造である。加えて、半導体チップへの
通電により、これらの部材には大きな熱応力が繰り返し
発生し、絶縁性セラミックス層１０２に割れが発生し、
絶縁破壊を起こす可能性があった。

【０００９】このような状況に対して、特開平９−２７
５１６６では絶縁性セラミックス層の表裏面に、絶縁性
セラミックス層と熱膨張係数が近いタングステン（Ｗ）
やモリブデン（Ｍｏ）などの高融点金属層を接合させ
て、熱応力の緩和と絶縁性セラミックス層の補強を提案
している。しかし、従来、導電層として絶縁性セラミッ
クス層の表裏面に接合されていた銅やアルミニウムに比
べて、これらの高融点金属材料の熱伝導率は低く、半導
体チップの冷却の観点からは必ずしも好ましくない。ま
た、従来の銅やアルミニウムでは塑性変形することによ
り絶縁性セラミックスに作用する熱応力を緩和する効果
が期待できたが、高融点金属材料の弾性係数や降伏応力
は著しく高いため応力緩和効果は期待できない。さら
に、熱応力解析結果から、この高融点金属層には高い熱
応力が発生し、かつ、高融点金属の破壊靭性値は必ずし
も高くないので、熱応力により高融点金属層に割れが発
生する可能性が高い。

【００１０】また、特開平８−１９５４５０や特開平８
−１９５４５８では絶縁性セラミックス材料として高強
度化を図った酸化アルミニウムを用いることで絶縁性セ
ラミックスの割れ防止を提案している。しかし、酸化ア
ルミニウムは窒化アルミニウムに比べて強度は高いが熱
伝導率が低く、かつ、高強度化のため添加元素により熱
伝導率がさらに低下することが危惧される。また、セラ
ミックス材料は基本的に破壊靭性値が低く（すなわち、
脆く）、切欠感受性も高いので、表面の微小欠陥が起点
となって割れが発生する。このような割れは、瞬時に表
裏面に貫通する。本発明の発明者らは、熱サイクルによ
る絶縁基板の破壊挙動を詳細に調査した結果、絶縁性セ
ラミックス材料の破壊靭性値は金属材料に比べて著しく
低く、一旦割れが発生すると瞬時に表裏面に貫通した割
れに進展することを検証した。また、絶縁性セラミック
ス材料の絶縁耐圧は厚さ１ｍｍ当たり１０ｋＶ以上であ
るが、部分的にでも表裏面に貫通する割れが発生した絶
縁性セラミックスの絶縁耐圧は空気の絶縁耐圧と等しく
なり、その絶縁耐圧は厚さ１ｍｍ当たり３〜５ｋＶまで
低下し、モジュール型半導体装置は瞬時に絶縁破壊を生
じることも判明した。さらに、高湿度環境下では空気の
絶縁耐圧はさらに低下し、上記値よりも低い電圧で絶縁
破壊を生じる可能性があることも判った。

【００１１】以上の実験結果から、厚さ１ｍｍの絶縁性
セラミックス層が健全であるならば、１０ｋＶ以上の絶
縁耐圧は維持できるため、如何に割れの発生を防止する
かが重要であるといえる。

【００１２】しかしながら、セラミックス材料の強度は
バラツキが大きいため、一般的には強度試験データに統
計的な処理（標準偏差やワイブル）を施して許容応力を
決定し、その値に基づいてモジュール型半導体装置の構
造設計を実施しているのが現状である。したがって、確
率的には設計強度を下回る絶縁性セラミックス層が存在
する可能性があり、絶縁性セラミックス層の割れを完全
に防止するためには設計応力を限りなく低くする必要が
あり、現実的には不可能と考えられる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】このような問題を解決
するために、発明者等は、特開平１０−３５１５９６号
において、図１１に示す構造を有する絶縁基板１３１を
提案した。すなわち、所定の絶縁耐圧を満足する２枚の
絶縁性セラミックス層１０２、１０３が、中間層１３３
を介して接合されており、かつ、２枚の絶縁性セラミッ
クス層１０２、１０３の外側（すなわち中間層１３３と
の接合面の反対側の面）には、それぞれ導電層１０４
ａ，１０４ｂが接合されている。絶縁性セラミックス層
を２層にすることにより、熱応力により一方の絶縁性セ
ラミックス層が破壊にいたった場合でも、他方の絶縁性
基板が健全なため、絶縁耐圧的にモジュール型半導体の
機能を損なうことなく、運転を継続することが可能にな
る。

【００１４】この方法は、製造性や製造コストの観点
で、厚い絶縁性セラミック層素材を製造するよりも、薄
い絶縁性セラミック層を製造した場合の方が歩留まりが
良く、製造コストを安くできるという効果や、１枚当た
りの絶縁性セラミックス層の体積が減少するため、欠陥
が存在する確率も低くなり信頼性が向上するという効果
を有する。

【００１５】しかし、複数枚の絶縁セラミックス層を中
間層を介して接合するために、これらの絶縁セラミック
ス層を鋳型の中に所定間隔で配置し、その中に導電層を
形成するための金属を溶融状態で流し込んで鋳造し、そ
の後、機械加工や化学エッチングで余分な金属を除去す
るという作業が必要になる。すなわち、従来の製造ライ
ンとは別の製造ラインを新たに設置する必要があり、量
産性やコストの面で問題があった。

【００１６】そこで、本発明の第１の目的は、安価な製
造費用で製造される絶縁信頼性の高い絶縁基板を提供す
ることにある。

【００１７】本発明の第２の目的は、このような絶縁基
板を用いたモジュール型半導体装置を提供することにあ
る。

【００１８】本発明の第３の目的は、従来の製造ライン
を用いた絶縁信頼性の高い絶縁基板の製造方法を提供す
ることにある。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の第1の特徴にかかる絶縁基板は、複数の
絶縁性セラミックス層と、各絶縁性セラミックス層の第
１の表面に位置する第１導電層と、各絶縁性セラミック
ス層の第１の表面と反対側の第２の表面に位置する第２
導電層と、各絶縁性セラミックス層の第１導電層と隣接
する絶縁性セラミックス層の第２導電層との間に位置す
る接合層とを含む。

【００２０】第２の特徴にかかる絶縁基板は、各々が単
一の絶縁性セラミックス層と、この絶縁性セラミックス
層の表面および裏面に形成された一対の導電層とを有し
て、高さ方向に積層された複数のセラミックス基板と、
隣接するセラミックス基板とセラミックス基板の間に位
置する接合層とを含む。

【００２１】このように、絶縁基板の絶縁性セラミック
ス層を複数層とすることで、いずれかの絶縁性セラミッ
クス層が健全である限り絶縁耐性は維持できるため、絶
縁基板としての機能を維持し、信頼性を向上することが
できる。

【００２２】接合層は、ハンダ接合層、ろう接合層、あ
るいは、活性金属接合層である。ここで、活性金属接合
層とは、酸化物の共晶を用いた液相化合物を接合材とす
る接合層である。接合層はまた、伝熱成分を含有した有
機物系の樹脂層であってもよい。

【００２３】絶縁性セラミックス層の材料としては、金
属窒化物または金属酸化物が好ましい。特に窒化アルミ
ニウムが、絶縁性、熱伝導率の観点から好ましく、強度
を考慮すると、熱伝導率は多少劣るが酸化アルミニウム
を用いることもできる。本発明のように複数の絶縁性セ
ラミックス層を積層する場合は、高い熱応力が発生しや
すい最上層および最下層の絶縁性セラミックス層を、強
度および破壊靭性値の高い酸化アルミニウムとし、間に
位置する絶縁性セラミックス層を窒化アルミニウムとす
ることもできる。

【００２４】絶縁性セラミックス層の周囲エッジは、導
電層の周囲エッジよりも外側に張り出しており、導電層
の端部側面から前記絶縁性セラミックス層の端部側面ま
での距離が、０．５ｍｍ以上４ｍｍ以下であることが好
ましい。このようにすることによって、絶縁基板の垂直
方向のみならず、沿面方向の絶縁耐性も改善される。

【００２５】導電層、または導電層と絶縁性セラミック
ス層の双方のコーナー部を、曲率半径が０．５ｍｍ以
上、４ｍｍ以下の円弧形状にすることによって、沿面方
向の絶縁耐性はさらに改善される。

【００２６】各絶縁性セラミックス層の端部側面は、こ
の絶縁性セラミックス層の厚さの１／５以上、１／２未
満の範囲で面取りされている。面取りの代わりに、端部
側面を外側に湾曲する曲面としてもよい。沿面距離を長
く取ることによって、沿面方向の絶縁耐性をさらに改善
することができる。

【００２７】好ましくは、絶縁基板の沿面部分におい
て、複数の絶縁性セラミックス層の隙間に絶縁物が挿入
される。空気よりも絶縁物のほうが、絶縁耐性が良好な
ので、絶縁基板全体としての絶縁耐性を向上できるから
である。

【００２８】本発明の第３の特徴として、上述した絶縁
基板を用いたモジュール型半導体装置を提供する。モジ
ュール型半導体装置は、絶縁基板と、絶縁基板上に位置
する複数の半導体素子と、絶縁基板の下方に接続された
金属ベースと、金属ベースの下方に接続されたヒートシ
ンクとを備える。絶縁基板は、各々が単一の絶縁性セラ
ミックス層と、この絶縁性セラミックス層の表面および
裏面に形成された一対の導電層とを有する複数のセラミ
ックス基板と、隣接する各セラミックス基板の間に位置
する接合層とを有する。

【００２９】各絶縁性セラミックス層の端部は、前記導
電層の端部より外側に突出しており、隣接する絶縁セラ
ミックス層と絶縁セラミックス層の間、最下層の絶縁セ
ラミックス層と前記ベースの間を充填し、絶縁基板上の
半導体素子全体を覆う絶縁性封止樹脂で封止されてい
る。

【００３０】本発明の第４の特徴として、安価かつ歩留
まりの高い絶縁基板の製造方法を提供する。この製造方
法は、各々が単一の絶縁性セラミックス層と、前記絶縁
性セラミックス層の表面および裏面に形成された一対の
導電層とを有する複数のセラミックス基板を準備するス
テップと、複数のセラミックス基板を積層して、隣接す
るセラミックス基板の導電層と導電層を接合するステッ
プと含む。接合ステップは、ろう接合法、ハンダ接合
法、活性金属接合法の少なくとも１種類を用いる。ある
いは、接合ステップは、伝熱成分を含有した有機物系の
樹脂接合剤を使用して接合する。

【００３１】このような製造方法により、特別の装置、
設備を追加することなく、従来の製造ラインをそのまま
利用して、絶縁信頼性の高い絶縁基板を安価に製造する
ことが可能になる

【００３２】

【発明の実施の形態】（第１実施形態）図１は、本発明
の第１実施形態による絶縁性セラミックス層の多層化を
図った絶縁基板１０の構造を示し、図２は、絶縁基板１
０を用いたモジュール型半導体装置２０の構造を示す。

【００３３】図１に示すように、絶縁基板１０は、第1
のセラミックス基板１ａと、第２のセラミックス基板１
ｂと、これら第１および第２のセラミックス基板を接合
する接合層５とを有する。各セラミックス基板は、厚さ
１ｍｍの窒化アルミニウム層２ａ，２ｂと、窒化アルミ
ニウム層の第１の表面に位置する厚さ０．３ｍｍの銅製
導電層３ａ，３ｂと、第１の表面と反対側の第２の面に
位置する、同じく厚さ０．３ｍｍの銅製導電層４ａ，４
ｂとを有する。窒化アルミニウム層２ａ、２ｂの両面に
位置する導電層３、４は、当業者にとって周知の方法、
たとえば、銅直接接合法によって形成されている。

【００３４】第１および第２のセラミックス基板１ａ、
１ｂを接合する接合層５は、たとえば、ろう接合層、ハ
ンダ接合層、銅直接合層などである。接合部に高い強度
が必要とされる場合は、ろう接合層を用い、製造時の熱
応力を低減したい場合は、ハンダ接合層を用いるのが好
ましい。また、接合部の高い熱疲労強度が要求される場
合は、銅直接合層を用いるなど、用途に応じて適切な接
合層を用いることができる。

【００３５】接合部に高い強度が必要とされない場合
は、金属やセラミックスなどの伝熱成分を含有させて熱
伝導率を向上させた有機物系の樹脂、ペーストなどの接
合層を用いることも有効である。このような接合剤は安
価なうえ、取り扱いが容易であるので、本発明の絶縁基
板１０を簡単に完成することができる。

【００３６】図２に示すモジュール型半導体装置２０
は、絶縁基板１０の最上層（最外層）を成す導電層３ａ
上に、ハンダ層６を介して位置する複数の半導体チップ
１５と、絶縁基板１０の最下層（最内層）を成す導電層
４ｂの下方に、ハンダ層８を介して位置する銅製のベー
ス１７を備える。各半導体チップ１５は、他の半導体チ
ップ１５や外部端子等に、ボンディング・ワイヤ１９に
より結線されている。これらの部品は、絶縁性ゲル１３
により封止され、さらに絶縁性樹脂ケース１４に収納さ
れて、半導体モジュール装置２０を構成している。

【００３７】モジュール型半導体装置２０の銅ベース１
７は、水冷または風令のヒートシンク３０にボルト１６
により固定されており、複数の半導体チップ１５から発
生した熱を、絶縁基板１０と銅ベース１７を介してヒー
トシンク３０に逃がす構造になっている。

【００３８】図３は、図１に示す絶縁基板１０の作成方
法の一例を示す図である。図３の例では、接合層５をハ
ンダ接合層とする。まず、従来のラインですでに準備さ
れた第１および第２のセラミックス基板１ａおよび１ｂ
の接合したい面、すなわち、第１セラミックス基板１ａ
の裏面に形成された導電層４ａと、第２セラミックス基
板１ｂの表面に形成された導電層３ｂとの間に、シード
状のハンダを挟み込み、２５０℃〜３５０℃の熱処理に
より、ハンダを溶解させ接合する方法である。

【００３９】ハンダ接合層の代わりに、ろう接合層を用
いる場合は、銀、銅、チタンを含む活性金属ろう材を、
ハンダ接合法と同様に、接合したい面と面の間に挟み込
み、８００℃〜９００℃の熱処理を施し、活性金属ろう
材を溶解させて接続する。間に挟むハンダシートあるい
はろう材の厚さは、いずれも１０〜２０μｍ程度（＊下
線部の数値で正しいかどうかご確認下さい）である。

【００４０】接合層５を銅直接合層とする場合は、接合
面（第１セラミックス基板１ａの裏面の導電層４ａと、
第２セラミックス基板１ｂの表面の導電層３ｂ）の銅
を、銅の融点（１０８３℃）未満の温度、かつ銅と一酸
化銅の共晶温度（１０６５℃）以上の温度に加熱し、生
成された液相の酸化銅共晶化合物を接合材として用い
る。この場合、第１セラミックス基板１ａの裏面の導電
層４ａの表面に形成された膜厚が１０μｍの一酸化銅
と、第２セラミックス基板１ｂの表面の導電層３ｂの表
面に形成された膜厚１０μｍの一酸化銅が接合材とな
る。

【００４１】接合層５を、ハンダ接合、活性金属接合お
よび銅直接接合法により製作した絶縁基板１０の熱サイ
クル試験と断面組織観察を実施した。その結果、ハンダ
接合法により接合した絶縁基板１０は、接合界面にボイ
ド等の欠陥の少ない良好な接合状態が得られた。しか
し、ハンダ層５の疲労強度が低いため、熱サイクル時の
温度差が大きい場合には、接合層５に割れが発生するこ
とから、温度条件の厳しいモジュール型半導体装置には
適さない。

【００４２】活性金属ろう材により接合した試験片も同
様な傾向を示し、製造時にはボイド等の欠陥の少ない良
好な接合状態が得られたが、ろう層５が強度的に脆いた
め、熱サイクル時の温度差が大きい場合には接合層５に
割れが発生する。したがって、活性金属ろう材による接
合も温度の厳しいモジュール型半導体装置には適さな
い。

【００４３】一方、銅直接接合法で作成した絶縁基板１
０は、ハンダや活性金属ろう材に比べて接合時に生成す
る液相の量が少なく、その結果、接合界面には多数のボ
イドの発生が認められた。しかし、熱サイクル試験を行
っても絶縁性セラミックス層２ａ，２ｂ、導電層３ａ、
３ｂ、４ａ，４ｂ、および接合層５に割れが認められ
ず、接合方法としては最も適していると言える。なお、
接合界面に観察されたボイドは、接合前に各部材の表面
を平滑に仕上げておくことで改善可能である。

【００４４】図４は、図１に示す絶縁基板１０の変形例
としての絶縁基板４０を示す。絶縁基板４０は、第１〜
第３のセラミックス基板４１ａ〜４１ｃを接合層４５を
介して接合したものである。図４に示す絶縁基板４０で
は、各セラミックス基板の絶縁性セラミックス層４２ａ
〜４２ｃを、厚さ約０．７ｍｍの窒化アルミニウム層と
し、接合層５を銅直接合層とした。絶縁セラミックスを
３層にした分、１枚あたりのセラミックス層の厚さを薄
くできる。製造性や製造コストの面では、厚い絶縁性セ
ラミックス層素材を製造するよりも、薄い絶縁性セラミ
ックス層を製造した場合のほうが歩留まりが良く、製造
コストを安くできる。さらに、１枚あたりの絶縁性セラ
ミックス層の体積が減少するため、欠陥が存在する確率
も低くなり、信頼性が向上する。

【００４５】本発明による絶縁基板を構成する絶縁性セ
ラミックス層を図４に示すように３層とした場合、熱応
力によるモジュール型半導体の変形により、最外層の絶
縁性セラミックス層４２ａまたは最内層の絶縁性セラミ
ックス４２ｃに高い応力が発生する。そこで、高い熱応
力の発生する最外層４２ａと最内層４２ｃを、窒化アル
ミニウムに比べて強度、破壊靭性値の高い絶縁性セラミ
ックス材料（例えば酸化アルミニウム）を用いることに
より、絶縁基板１の高強度化を図ることができる。ま
た、強度が高くなった分、最外層４２ａおよび最内層４
２ｃの厚さを薄くすることが可能となり、熱抵抗の上昇
も抑えることが可能である。

【００４６】（第２実施形態）図１および図４に示す２
層および３層の絶縁性セラミックス層を配した絶縁基板
１０および４０をそれぞれ用いたモジュール型半導体装
置２０の絶縁耐性の実験を行なった。具体的には、２層
の絶縁基板１０および３層の絶縁基板４０を用いたモジ
ュールをそれぞれ１００個ずつ用意し、モジュールに通
電することにより、絶縁基板上に配された半導体チップ
１５を発熱させ、絶縁基板１０および４０に熱応力を発
生させた。その後室温以下に冷却するとともに、１０ｋ
Ｖの電圧を印加した。その際、通電する電流値を徐々に
増加させることにより、絶縁基板１０および４０に発生
する熱応力を、段階的に上昇させて行った。表１にはこ
のような試験を行ったときの通電時と非通電時の半導体
チップの温度差（ΔＴ）をパラメータとして、絶縁破壊
を生じた試験片の数を調査した結果を示す。なお、比較
例として、絶縁性セラミックス層として厚さ２ｍｍの窒
化アルミニウム１枚を用いた従来の単層絶縁基板を用い
たモジュールを同数製作し、同様の実験を行なった。

【００４７】

【表１】 表１の結果より、従来の窒化アルミニウムの単層絶縁基
板を用いた場合、ΔＴが大きくなるにつれて絶縁破壊を
生じる試験片の数は徐々に増加する傾向を示すことがわ
かる。温度差ΔＴが２００℃になると、１００個中１７
個の試験片に絶縁破壊が発生している。なお、絶縁破壊
を起こしたすべての試験片の窒化アルミニウム層には表
裏面に貫通する割れが発生しており、モジュール型半導
体装置の絶縁破壊が絶縁基板である窒化アルミニウム層
の割れに起因しているものであることがわかる。一方、
本発明による窒化アルミニウム層を２層とした絶縁基板
１０を用いたモジュール型半導体装置では、ΔＴ＝２０
０℃で１００個中１個のモジュール型半導体装置に絶縁
破壊が発生したが、窒化アルミニウム層を３層とした絶
縁基板４０を用いたモジュール型半導体装置では、ΔＴ
＝２００℃でも絶縁破壊を生じた物は無く、絶縁破壊を
防止する上で窒化アルミニウム層の多層化が極めて効果
的であることが分かる。なお、試験後の絶縁基板の調査
を行った結果、２層および３層の窒化アルミニウム層を
配したモジュール型半導体装置において、絶縁破壊を起
こしてはいないが、複数層の窒化アルミニウム層の中の
１層に割れが入っている物も認められ、窒化アルミニウ
ム層の多層化により１層の窒化アルミニウムに割れが発
生しても絶縁耐圧的には十分機能することが確認され
た。

【００４８】図１および図４に示す絶縁性セラミックス
層２、４２には、いずれも窒化アルミニウム層を使用
し、場合に応じて、最外層および最内層を強度の高い酸
化アルミニウム層に代えている。絶縁基板を構成する絶
縁性セラミックス層としては、絶縁性や強度に加えて、
半導体チップの冷却の観点から、熱伝導率に優れた材料
が好ましい。種々の材料を用いて絶縁性（比抵抗）およ
び熱伝導率を調べた結果、窒化アルミニウム層が絶縁性
セラミックス層に適しているという結論に至った。表２
は、このような実験結果を示すものである。

【００４９】

【表２】 同表より、比抵抗（絶縁性）の観点から、酸化アルミニ
ウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）、酸化ジ
ルコニウム（ＺｒＯ₂）などの金属酸化物や、窒化ボロ
ン（ＢＮ）、窒化シリコン（Ｓｉ₃Ｎ₄）、窒化アルミニ
ウム（ＡｌＮ）などの金属窒化物が適していることが明
らかである。このうち、熱伝導率も考慮すれば、酸化ア
ルミニウム及び金属窒化物が適している。特に、窒化ア
ルミニウムは比抵抗、熱伝導率を兼ね備えた材料であ
り、強度は低いが高耐圧・大電流を制御するモジュール
型半導体装置には最も適した材料といえる。

【００５０】（第３実施形態）第１実施形態では、本発
明による絶縁基板１０を構成する絶縁性セラミックス層
２の両面に形成される導電層３および４の金属材料とし
て、銅を用いていた。第２実施形態では、図１に示す絶
縁基板１０の導電層のうち、接合層５で接合される内側
の導電層（すなわち第１セラミックス基板１ａの裏面の
導電層４ａと、第２のセラミックス基板１ｂの表面の導
電層３ｂ）の材料を選定するため、材質を種々変えて通
電試験を行った。内側導電層の材料としては、厚さ約
０．１５ｍｍ（＊この数値が正しいかどうかご確認下さ
い）の銅、タングステン、ニオブを用い、２つの内側導
電層４ａと３ｂとをハンダ接合した。内側導電層４ａ、
３ｂの反対側の面は、それぞれ第１および第２の窒化ア
ルミニウム層２ａ、２ｂに接合して実験を行った。な
お、最上面と最下面の導電層３ａ、４ｂは、第１の実施
例と同じく銅を用いた。実験結果を表３に示す。

【００５１】

【表３】 表３の結果より、内側の導電層材料として銅を用いた場
合は、耐圧試験により絶縁破壊した試験材はなく、ま
た、タングステンを用いた場合ではΔＴの値が大きい場
合のみ、耐圧試験により絶縁破壊した試験片が観察され
た。一方、ニオブを用いた場合には、すべての試験片が
比較的ΔＴの値が小さい内に損傷し、内側導電層の材料
としては不適なことがわかる。

【００５２】熱応力解析結果から、銅の熱膨張係数は窒
化アルミニウムと大きく異なるが、降伏強度が非常に小
さいたため、窒化アルミニウム層に大きな熱応力が発生
せず、内側の導電層の材料として適していると言える。
このような材料としては、銅以外にアルミニウム、銀、
金等が挙げられる。タングステンは、降伏強度は高いが
熱膨張係数が窒化アルミニウムと近いため、大きな熱応
力が発生せず、温度差がそれほど大きくないモジュール
においては、内側の導電層材料として適している。この
ような材料としてはタングステン以外にモリブデンが上
げられる。

【００５３】一方、ニオブの降伏強度と熱膨張係数はい
ずれも銅とタングステンの中間程度の値であり、このよ
うな材料は、内側の導電層材料として適していないこと
がわかる。

【００５４】以上の結果から、接合層５で接合される内
側の導電層材料としては、絶縁基板を構成する絶縁性セ
ラミックス層に比べて降伏強度が著しく低い材料、もし
くは、熱膨張率が極めて近い材料が適しており、熱応力
解析結果から、前者の場合は降伏強度が絶縁性セラミッ
クス材料の破壊強度の１／２以下、後者の場合は熱膨張
係数が絶縁性セラミックス材料の±２×１０^−６／Ｋ以
内の材料が適している。

【００５５】一方、図１に示す絶縁基板１０の最上層の
導電層３ａと、最下層の導電層４ｂの中間層材料につい
ても、同様な観点から、絶縁性セラミックス層２に大き
な熱応力を発生させない降伏応力の低い金属材料、また
は、絶縁性セラミックス層２に熱膨張係数が近い金属材
料またはセラミックス材料が適している。ただし、高融
点金属やセラミックス材料を最上層または最下層の導電
層として用いた場合、これらの導電層に半導体チップや
ベースをハンダ接合するときに特殊な処理が必要にな
る。また、接合強度は必ずしも高いものが得られなかっ
た。したがって、絶縁基板１０の最上層および最下層の
導電層材料としては、優れたハンダ接合性と低い降伏強
度を兼ね備えた材料が望まれる。具体的には、銅、アル
ミニウム、銀、金が適している。材料コストの観点から
は銅、アルミニウムが好ましい。

【００５６】なお、接合層５で接合される内側導電層と
して、熱膨張係数が絶縁性セラミックス層に近い金属材
料（特に窒化アルミニウム）に代えて、種々の導電性セ
ラミックス材料を用いた通電試験をさらに行った。

【００５７】その結果、表３に示した金属材料の場合と
同様に、絶縁性セラミックスに熱膨張係数が近いセラミ
ックス材料を内側導電層として用いた絶縁基板は、優れ
た熱サイクル特性を示すことが確認された。したがっ
て、内側導電層の材料としては熱膨張係数が絶縁性セラ
ミックス材料の±２×１０^−６／Ｋ以内のセラミックス
材料も適していると言える。

【００５８】（第４実施形態）第１実施形態において、
本発明による絶縁基板を構成する絶縁性セラミックス層
の多層化を図ることにより、半導体モジュールの板厚方
向の絶縁耐圧は著しく向上した。そこで、第３実施形態
では、沿面方向の耐圧に関して検討する。

【００５９】図５（ａ）に示すように、導電層５３ａ、
５４ａ，５３ｂ、５４ｂの端部側面から絶縁性セラミッ
クス層５２ａ，５２ｂの端部側面までのエッジ距離ｄ１
を変化させて、絶縁耐圧試験を行った。結果を図５
（ｂ）に示す。図５のグラフでは、エッジ距離ｄ１が５
ｍｍの時の絶縁破壊電圧を１（１０ｋＶ）として、エッ
ジ距離を変えた時の絶縁耐圧値の比で表している。

【００６０】図５（ｂ）の結果より、導電層５３ａ、５
３ｂ、５４ａ，５４ｂの端部側面から絶縁性セラミック
ス層５２ａ，５２ｂの端部側面までのエッジ距離ｄ１の
値が大きくなる程、沿面方向に沿ったの絶縁耐圧は上昇
する傾向を示し、エッジ距離ｄ１が２ｍｍ以上で飽和す
ることが分かる。このような観点から、絶縁基板５０の
沿面方向の絶縁耐圧を向上させるためには、エッジ距離
ｄ１を大きくすることが効果的であると言えるが、それ
に伴いモジュール型半導体装置も大型化するので、エッ
ジ距離を過度に大きくすることは好ましくない。図５
（ｂ）の結果から、エッジ距離ｄ１を０．５ｍｍ以上、
４ｍｍ以下にすることにより、沿面方向の耐圧はほぼ満
足な値が得られるが、信頼性の観点から、１．０ｍｍ以
上、３ｍｍ以下のエッジ距離を取ることが好ましい。

【００６１】なお、図５（ａ）に示したモデルとは異な
り、絶縁性セラミックス層５２ａ，５２ｂよりも、導電
層５３、５４の方が大きい場合、つまり、エッジ距離ｄ
１がマイナスの値をとるときは、絶縁破壊電圧は極度に
低下する（図５（ｂ）の☆印のプロット）。このことか
ら、金属層である導電層５３、５４よりも、絶縁性セラ
ミックス層５２のサイズを大きくとることが重要であ
る。

【００６２】なお、発明者らの実験により、窒化アルミ
ニウムは空気中の水分と反応して加水分解を起こし、沿
面方向の絶縁耐圧を低下させることが判明した。したが
って、絶縁性セラミックス層５２ａ、５２ｂの大気に接
する面を、水分を遮断する絶縁性物質で被覆することが
効果的である。絶縁性セラミックス層５２として窒化ア
ルミニウム層を用いた場合は、絶縁性セラミックス層の
大気に接する面を酸化して、酸化アルミニウム膜（不図
示）を形成しておくことが効果的である。

【００６３】（第５実施形態）絶縁基板の沿面方向に沿
った絶縁耐圧は、エッジ距離の他に、絶縁性セラミック
ス層５２ａ，５２ｂおよび導電層５３ａ、５３ｂ、５４
ａ，５４ｂのコーナー部の形状にも依存する。そこで、
図６に示すように、コーナー部の曲率半径ｄ２を変化さ
せて、絶縁耐圧試験を行った。結果を図６（ｂ）に示
す。図６（ｂ）のグラフでは、コーナー部の曲率半径ｄ
２が０．５ｍｍの時の絶縁破壊電圧を１（１０ｋＶ）と
し、コーナー部の曲率を変えた時の絶縁耐圧値との比で
表している。

【００６４】図３（ｂ）の結果より、絶縁性セラミック
ス層５２と、導電層５３、５４のコーナー部の曲率半径
ｄ２の値が大きくなる程、沿面方向の絶縁耐圧は上昇す
る傾向を示し、２ｍｍ以上で飽和することが分かる。こ
れは、コーナー部には電界が集中し、放電が起きるため
であると考えられる。このような観点から、沿面方向の
絶縁耐圧を向上させるためには、コーナー部の曲率半径
を大きくすることが効果的であると言えるが、大きすぎ
ると、多角形形状に近くなり好ましくない。具体的に
は、コーナー部の曲率半径ｄ２を０．５ｍｍ以上、４ｍ
ｍ以下にすることにより沿面耐圧はほぼ満足な値が得ら
れるが、データのバラツキが大きい。そこで、信頼性の
観点から、コーナー部の曲率半径を１．０ｍｍ以上、３
ｍｍ以下とするのが好ましい。

【００６５】このようなコーナー部の形状は、電界集中
の観点から絶縁セラミックス層５２よりも、金属層であ
る導電層５３，５４の方が大きく影響を受けるので、少
なくとも導電層５３、５４だけでも、上記の形状にする
ことが好ましい。

【００６６】（第６実施形態）第４実施形態および第５
実施形態で示した方法により、沿面方向の絶縁耐圧は著
しく向上することがわかった。第５実施形態では、さら
に、絶縁基板を構成する複数の絶縁性セラミックス層の
エッジ部を面取りすることにより、沿面方向の絶縁耐圧
をさらに向上させる。

【００６７】図７は、３層の絶縁性セラミックス層７２
ａ、７２ｂ、７２ｃを含む絶縁基板７０を示す。各絶縁
性セラミックス層７２のエッジは、絶縁性セラミックス
層７２の表面および裏面から所定の角度θで面取り７６
が施されている。エッジの面取りを行なうのは、沿面距
離を長くとるためである。沿面距離とは、絶縁性セラミ
ックス層７２ａを例にとると、端部側面の上部エッジか
ら下部エッジに至る長さである。したがって、面取りし
ていない場合は、絶縁性セラミックス層の厚さｄ４に一
致する。この長さを長く取るために、所定の角度θで面
取りして、沿面距離を面取りした斜面に沿った長さとす
る。

【００６８】面取り７６の深さｄ３は、深い程絶縁耐圧
は向上するため、絶縁性セラミックス層７２ａ，７２
ｂ，７２ｃの厚さｄ４の１／５以上１／２未満、好まし
くは１／３以上４／９以下が適している。面取りの深さ
ｄ３が絶縁性セラミックス層の厚さの１／２になると、
表面側と裏面側の面取り斜面が鋭角で交わり、電界の集
中が起こるので好ましくない。

【００６９】また、面取りの角度θは、絶縁基板７０の
垂直方向に対して３０°〜６０°の範囲で行なうことが
望ましく、さらに好ましくは図７に示すように４５°で
ある。

【００７０】第５実施形態では、面取りすることにより
沿面距離を長くとったが、絶縁性セラミックス層の端部
側面を外側に湾曲した曲面（凸面）とすることによって
も、沿面距離を長くすることができる。曲面にすること
によって、絶縁セラミックス層の表面または裏面から端
部側面にかけて滑らかな面となり、直線的なエッジ部分
への電界集中が回避され、絶縁耐性を大幅に向上するこ
とが可能になる。

【００７１】（第７実施形態）第４から第６の実施形態
で示した方法により、導電層から絶縁性セラミックスの
端部側面までの距離ｄ１と、導電層のコーナー部の曲率
半径ｄ２を最適に設定し、絶縁性セラミックスの端部側
面を面取りすることにより、沿面方向の絶縁耐圧は著し
く向上する。第６実施形態では、さらに絶縁耐圧を向上
すべく、図８に示すように、絶縁基板８０を構成する絶
縁性セラミックス層８２ａ，８２ｂ，８２ｃの間に絶縁
物８６を挿入する。このような絶縁物８６としては、絶
縁性セラミックス層８２ａ，８２ｂ，８２ｃの間隙へ充
填することを考慮すると、成形時は液体、使用時は固体
の材料が好ましく、エポキシ等の熱硬化性樹脂が適して
いる。

【００７２】また、図８（ｂ）に示すように、絶縁性セ
ラミックス層８２ａ、８２ｂ、８２ｃの間に挿入する絶
縁物８６の端部側面を、絶縁性セラミックス層８２ａ、
８２ｂ、８２ｃの端部側面８９よりも外側に位置させる
ことにより、絶縁基板８０の沿面部分の絶縁耐性をさら
に向上させることができる。

【００７３】図８の例では、面取りしていない絶縁性セ
ラミックス層の間に絶縁物質を充填したが、面取りした
絶縁性セラミックス層を積層し、その間に絶縁物質を充
填してもよい。

【００７４】（第８実施形態）図９は、本発明による面
取りした３層の絶縁性セラミックス層により構成された
絶縁基板を用いたモジュール型半導体装置を示す。一般
にモジュール型半導体では、半導体チップ１５や絶縁基
板７０をシリコン・ゲル１０のような絶縁性樹脂で封止
することによって、沿面方向の絶縁耐圧を高めている。
第８実施形態では、複数の絶縁性セラミックス層により
構成された絶縁基板を用いたモジュール型半導体装置に
おいて、複数の面取りした絶縁性セラミックス層７２
ａ，７２ｂ，７２ｃとの隙間２６（図中、点線のサーク
ルで示す）にも、このような絶縁性樹脂を含浸すること
により、更に沿面絶縁耐圧を向上させることが可能にな
る。このような樹脂としては、シンコン・ゲルに加えて
エポキシ系の樹脂でも適用可能であり、さらに、隙間の
隅々まで含浸させる方法として、真空または減圧雰囲気
下で含浸を行うことも効果的である。

【００７５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明による複数
の絶縁性セラミックス層で構成された絶縁基板は、基板
の垂直方向および沿面方向の双方に対して絶縁耐性を向
上させることができる。

【００７６】本発明の絶縁基板を用いることによって、
絶縁耐圧および信頼性の高い大電流、高電圧のモジュー
ル型半導体装置を提供することが可能となる。

【００７７】また、本発明の絶縁基板およびモジュール
型半導体装置は、従来の絶縁基板の製造ラインをそのま
ま用い、絶縁信頼性を高く維持して製造することが可能
であり、絶縁基板およびモジュール型半導体装置を安価
に提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の絶縁基板の断面図である。

【図２】図１に示す絶縁基板を本発明のモジュール方半
導体装置の図である。

【図３】図１に示す絶縁基板の作製方法を示す図であ
る。

【図４】図１に示す絶縁基板の変形例を示す図である。

【図５】本発明の絶縁基板のエッジ距離と絶縁耐性との
関係を示す特性図である。

【図６】本発明の絶縁基板のコーナー部の曲率半径と絶
縁耐性との関係を示す特製図である。

【図７】本発明の絶縁性セラミックス層の端部側面を面
取りすることにより、沿面方向の絶縁耐性を向上させた
絶縁基板の図である。

【図８】本発明の複数の絶縁性セラミックス層の間を絶
縁物質で充填することにより、沿面方向の絶縁耐性を向
上させた絶縁基板の図である。

【図９】本発明による低コスト型の複層基板を用いたモ
ジュール型半導体装置の構造断面図である。

【図１０】従来の単層型の絶縁基板と、これを用いた従
来のモジュール型半導体装置の断面図である。

【図１１】従来の複層型の絶縁基板の断面図である。

【符号の説明】

１、４２、５２、７２、８２ 絶縁性セラミックス層 ３、４、４３、４４、５３、５４、７３、７４，８３、
８４ 導電層 ５、４５、５５、７５、８５ 接合層 ６，８ ハンダ層 １０、４０、５０、７０、８０ 絶縁基板 １３ 絶縁性封止樹脂 １４ 絶縁性樹脂ケース １５ 半導体チップ １６ ボルト １７ 金属ベース １９ ボンディング・ワイヤ ２０、９０ モジュール型半導体装置 ３０ ヒートシンク ｄ１ エッジ距離 ｄ２ 曲率半径 ｄ３ 面取り深さ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 谷口 安彦 神奈川県川崎市川崎区浮島長町２番１号 株式会社東芝浜川崎工場内 (72)発明者 清水 敏夫 東京都府中市東芝町１番地 株式会社東芝 府中事業所内 (72)発明者 平本 裕行 東京都府中市東芝町１番地 株式会社東芝 府中事業所内 (72)発明者 小森田 裕 神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地 株 式会社東芝横浜事業所内 (72)発明者 那波 隆之 神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地 株 式会社東芝横浜事業所内 Ｆターム(参考） 5F036 AA01 BB01 BB08 BB21 BC05 BD13

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の絶縁性セラミックス層と、 前記各絶縁性セラミックス層の第１の表面に位置する第
   １導電層と、 前記各絶縁性セラミックス層の、第１の表面と反対側の
   第２の表面に位置する第２導電層と、 前記各絶縁性セラミックス層の第１導電層と、隣接する
   絶縁性セラミックス層の第２導電層との間に位置する接
   合層とを含むことを特徴とする絶縁基板。
2. 【請求項２】 各々が単一の絶縁性セラミックス層と、
   この絶縁性セラミックス層の表面および裏面に形成され
   た一対の導電層とを有して、高さ方向に積層された複数
   のセラミックス基板と、 前記隣接するセラミックス基板の間に位置する接合層と
   を含むことを特徴とする絶縁基板。
3. 【請求項３】 前記接合層は、ハンダ接合層であること
   を特徴とする請求項１または２に記載の絶縁基板。
4. 【請求項４】 前記接合層は、ろう接合層であることを
   特徴とする請求項１または２に記載の絶縁基板。
5. 【請求項５】 前記接合層は、活性金属接合層であるこ
   とを特徴とする請求項１または２に記載の絶縁基板。
6. 【請求項６】 前記接合層は、伝熱成分を含有した有機
   物系の樹脂層であることを特徴とする請求項１または２
   に記載の絶縁基板。
7. 【請求項７】 前記絶縁性セラミックス層の材料とし
   て、金属窒化物または金属酸化物を用いたことを特徴と
   する請求項１または２に記載の絶縁基板。
8. 【請求項８】 前記導電層の端部側面から前記絶縁性セ
   ラミックス層の端部側面までの距離が、０．５ｍｍ以上
   ４ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に
   記載の絶縁基板。
9. 【請求項９】 前記導電層のコーナー部を、その曲率半
   径が０．５ｍｍ以上、４ｍｍ以下の円弧形状にすること
   を特微とする請求項１または２に記載の絶縁基板。
10. 【請求項１０】 前記各絶縁性セラミックス層の端部側
    面が、この絶縁性セラミックス層の厚さの１／５以上、
    １／２未満の範囲で面取りされていることを特微とする
    請求項１または２に記載の絶縁基板。
11. 【請求項１１】 前記各絶縁性セラミックス層の端部側
    面が曲面であることを特徴とする請求項１または２に記
    載の絶縁基板。
12. 【請求項１２】 前記絶縁基板の沿面部分において、前
    記複数の絶縁性セラミックス層の隙間に挿入された絶縁
    物をさらに有することを特徴とする請求項１または２に
    記載の絶縁基板。
13. 【請求項１３】 絶縁基板と、 前記絶縁基板上に位置する複数の半導体素子と、 前記絶縁基板の下方に接続された金属ベースと、 前記金属ベースの下方に接続されたヒートシンクと、を
    備え、前記絶縁基板は、 各々が単一の絶縁性セラミックス層と、この絶縁性セラ
    ミックス層の表面および裏面に形成された一対の導電層
    とを有して、垂直方向に積層された複数のセラミックス
    基板と、 前記隣接する各セラミックス基板の間に位置する接合層
    とを有することを特徴とするモジュール型半導体装置。
14. 【請求項１４】 前記各絶縁性セラミックス層の端部
    は、前記導電層の端部より外側に突出しており、隣接す
    る絶縁セラミックス層と絶縁セラミックス層の間、およ
    び最下層の絶縁セラミックス層と前記ベースの間に含浸
    された絶縁性封止樹脂をさらに有することを特微とする
    請求項１３に記載のモジュール型半導体装置。
15. 【請求項１５】 各々が単一の絶縁性セラミックス層
    と、前記絶縁性セラミックス層の表面および裏面に形成
    された一対の導電層とを有する複数のセラミックス基板
    を準備するステップと、 前記複数のセラミックス基板を積層して、隣接するセラ
    ミックス基板の導電層と導電層を接合するステップと、
    を含む絶縁基板の製造方法。
16. 【請求項１６】 前記接合ステップは、ろう接合法、ハ
    ンダ接合法、活性金属接合法の少なくとも１種類を用い
    ることを特徴とする請求項１５に記載の絶縁基板の製造
    方法。
17. 【請求項１７】 前記接合ステップは、伝熱成分を含有
    した有機物系の樹脂接合剤を使用して接合することを特
    徴とする請求項１５に記載の絶縁基板の製造方法。