JP2003209199A

JP2003209199A - 半導体素子搭載用基板

Info

Publication number: JP2003209199A
Application number: JP2002006653A
Authority: JP
Inventors: Kifumi Mitani; 軌文三谷; Tetsuharu Nagashima; 徹治長島
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-01-15
Filing date: 2002-01-15
Publication date: 2003-07-25
Anticipated expiration: 2022-01-15
Also published as: JP3811407B2

Abstract

(57)【要約】【課題】絶縁基板の上面の中心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こと。【解決手段】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１の上面に半導体素子
Ｂを搭載するための第一のメタライズ層１ａが形成され
ているとともに下面にヒートシンクＡに接合するための
第二のメタライズ層１ｂが形成されており、第二のメタ
ライズ層１ｂは、略同形の複数の導体パターンＣが絶縁
基板１の下面の中心部１ｃで互いに接続されているとと
もに絶縁基板１の下面の略全面に形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、上面にＩＣ，ＬＳ
Ｉ，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（Ｃ
ｕ）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11
ｂ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、
略同形の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Ｓｉ
Ｏ₂，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１
ｂ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30
0μｍ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】

【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】

【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。

【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

Claims

【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、略同形の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。