【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回路基板および半導体装置に関する。詳しくは、発熱性の電子部品が搭載される回路基板、及びこのような回路基板に半導体素子を搭載した半導体装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
リードフレームを用いたディスクリート半導体（ＴＯ−３Ｐ、ＴＯ−２２０等）に代表される、比較的小型の半導体部品においては、放熱性を向上させるために、Ｃｕまたは、Ｃｕ合金を主成分とした厚み１ｍｍ程度の放熱板がエポキシモールドにより一体化成型されている。この放熱板の一方の面には、半導体チップ部品がはんだ付けにより実装されている。このため、放熱板は電位を持つが、放熱性を向上させるため、非絶縁の状態でヒートシンクに取り付けられるのが一般的である。
【０００３】
このような半導体部品において、感電に対する安全性等を考慮し、絶縁を望む用途向けには、例えば、これら表面に露出している通電個所の全体、及びヒートシンクヘの取り付け穴も含め、エポキシやポリイミド系の絶縁材料を皮膜形成する処理がなされる。
【０００４】
一方、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴに代表される、比較的大型のパワー半導体モジュール（以下、単にモジュールともいう）においては、高電圧に対する絶縁機能と、半導体素子が発生する熱を効率よく放熱する放熱性とが要求される。このため、このようなモジュールをなす回路基板には、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、及び、窒化珪素に代表されるセラミック（セラミックス）基板の両面に金属が接合されたセラミック回路基板が用いられ、安価なＣｕ又はＣｕ−Ｆｅ合金製の放熱板上にはんだ付けによって実装する形態が一般的である。しかし、近年、前述のパワー半導体モジュールが、産業用機械から、電鉄やハイブリッドカー、および燃料電池車等に適用が拡大されるにあたって、より高い放熱性とヒートサイクルにおける信頼性の向上が強く求められている。
【０００５】
ところが、このようなパワー半導体モジュールにおいては、金属層、セラミック層、はんだ層、及び、放熱板といった、それぞれ、熱膨張率の異なる材質からなる部材で形成されている。このため、半導体等の電子部品の発熱時に、その発熱に起因する熱応力が各部に発生し、接合層、セラミック基板、及び、はんだ層等にクラックが発生する場合があった。これらのクラックは、絶縁不良による地絡事故の発生や、熱抵抗の増大を招き、これらに起因して放熱特性が大幅に悪化し、半導体素子の熱破壊を引き起こす原因となることがあった。
【０００６】
このような熱応力に起因する問題点を改善する手段として、軟質金属であるＡｌを金属板として用い、セラミックと金属板との接合部に生じる応力緩和を促す技術が提案されている（特許文献１）。 また、放熱板に熱膨張率の小さい、Ａｌ−ＳｉＣ、Ｃｕ−Ｗ、Ｃｕ−Ｍｏなどの複合材を適用する技術も提案されている（特許文献２）。
【０００７】
このような構成のモジュールは、従来のものと比較し、熱応力が緩和されることから、ヒートサイクルにおける信頼性が高い。特に放熱板に適用される、Ａｌ−ＳｉＣ、Ｃｕ−Ｗ、Ｃｕ−Ｍｏといった複合材の熱膨張率は、９〜１１ｐｐｍ／Ｋ程度であり、Ｃｕ、または、Ｃｕ−Ｆｅ合金の熱膨張率（熱膨張率＝１６〜１７ｐｐｍ／Ｋ）に比較すると小さいため、セラミック回路基板−放熱板間のはんだ層への応力を低減することができる。
【０００８】
その他の技術として、クラックが発生しやすい、セラミック回路基板と放熱板間のはんだ層自体が信頼性低下の要因である、との考え方から、セラミック回路基板と放熱板を、ハンダ付けに代えて、ろう付けにより接合する技術も提案されている（特許文献３）。
【０００９】
さらには、接合時に凹凸に形成された治具を用いて、本来、反りが発生する方向と反対方向に高い圧力をかけながら、セラミック回路基板と、放熱板を低温接合することで反りの発生を防止する技術も提案されている。
【００１０】
【特許文献１】
特許３１７１２３４号公報
【特許文献２】
特許３１８０６７７号公報
【特許文献３】
特開平９−９７８６５号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来技術のうち、エポキシやポリイミド系の絶縁材料で皮膜を形成する絶縁では、ヒートシンクと放熱板間に介在することになるその絶縁材料の熱伝導率が、０．５Ｗ／ｍＫ以下程度と低いため、放熱板の放熱特性が低下し、熱抵抗値が非絶縁タイプに比べると数倍以上に増大する。更には、絶縁層がモジュールの外皮表面で形成されているため、外部応力による、キズやへこみ等による絶縁劣化の可能性もあり、信頼性において十分ではない。
【００１２】
また、上述したように、比較的小型の半導体部品においては、絶縁機能及び放熱性に優れるセラミック層を放熱板上に形成することが望ましいが、放熱板の一方の面にセラミックを接合した場合には、両者の熱膨張の差から、放熱板のうち、ヒートシンクと接する面が凹となす大きな反りを生じてしまい、放熱特性が低下するという問題がある。
【００１３】
一方、軟質金属であるＡｌを金属板として適用してセラミックとその金属板の接合部に生じる応力緩和を促す方法や、放熱板に熱膨張率の小さいＡｌ−ＳｉＣや、Ｃｕ−Ｗ、Ｃｕ−Ｍｏなど複合材を適用する方式では、それらの製造工程が複雑となる。しかも、回路基板との接合においては、特殊な表面処理が必要となる。このため、Ｃｕ、又は、Ｃｕ−Ｆｅ合金からなる放熱板を用いる場合に比べると、数倍程度の高価格となりコスト的に不利である。さらに、熱膨張率の小さい複合材を放熱板として使用しているため、その熱伝導率は１５０〜２５０Ｗ／ｍＫ程度であり、Ｃｕ、Ｃｕ−Ｆｅ合金の熱伝導率（３５０〜４００Ｗ／ｍＫ）に比べて劣り、熱拡散効果を低減させ、放熱特性を悪化させるという重大な問題がある。
【００１４】
すなわち、このような複合材を放熱板として使用することで、セラミック回路基板−放熱板間のはんだ層のヒートサイクルの信頼性は向上できるものの、放熱特性は従来の形態のものよりも悪化するという重大な問題がある。
【００１５】
また、Ｃｕ、Ａｌ、又は、Ｃｕ−Ｆｅ合金製の放熱板にセラミック回路基板を接合した場合には、両者の熱膨張率の差から、放熱板の裏面が凹となす大きな反りを生ずる。この反りは、モジュール製作時には半導体チップ搭載時のはんだボイドの発生の要因となり、モジュールをヒートシンクに取り付ける際には、ヒートシンクとの接触が不十分となり、熱抵抗が増大し、放熱特性を大幅に悪化させるという問題がある。
【００１６】
さらに、圧力をかけながら、セラミック回路基板と、放熱板を低温接合する手法では、次のような問題がある。すなわち、反り量は、接合されるセラミック回路基板の材料や、放熱板の材質、厚み、及び面積によっても変化するため、加圧条件が複雑となり、実用的ではない。また、各種回路基板と放熱板間に、応力緩和を目的とした中間層を設ける構造においても、十分な反り抑制効果は得られないし、その中間層が放熱特性を悪化させるという問題がある。
【００１７】
上記したように、セラミック回路基板を用いたパワー半導体モジュールにおいて、熱膨張率の小さい放熱板を適用した場合には、ヒートサイクルの信頼性の向上は図られるものの、放熱特性や製造コストの面で問題がある。また、安価な金属を放熱板に用いて、セラミック回路基板とその放熱板とをはんだ層を介在させず、接合する方式においては、熱膨張差に起因する大きな反りが発生してしまう。
【００１８】
本発明は、こうした問題点に鑑みてなされたもので、金属製の放熱板の上面に接合されたセラミック板に回路層を有する回路基板であって、これに半導体素子を搭載してなる半導体装置を、その回路基板の下面（裏面）を介して空冷方式又は水冷方式のヒートシンクに取りつけた際において、回路基板の反りに起因する放熱特性上の問題点の解消することにある。また、ヒートサイクル特性の高い回路基板を提供することをその目的としている。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、金属製の放熱板の上下両面に、その各面の略全体をカバーするように、それぞれセラミック板を接合し、上のセラミック板の上面に回路層を形成すると共に、下のセラミック板の下面の略全体に金属層を形成し、
前記放熱板の厚み（厚さ）をＴ１とし、前記金属層の厚み（厚さ）をＴ３としたとき、
Ｔ３／Ｔ１が、０．３７５以下となるようにしたことを特徴とする回路基板である。
【００２０】
請求項１に係る発明においては、放熱板を挟んで上下両面に、セラミック板が接合されており、その各セラミック板の表面に回路層又は金属層が形成されているから、電気的な絶縁性に優れているとともに、反りが小さい回路基板となすことができる。また、上下両面にセラミック板が接合されていることから、回路層の上面に半導体素子をハンダ付けする際におけるそのリフロー温度への加熱においても、反りの発生を抑制できる。なお、本明細書において、回路基板に関して、上面とは、半導体素子が搭載される側の面をいい、下面とは、上面と反対側の面をいう。
【００２１】
また、半導体素子の搭載後においては、回路基板の下面を、放熱性のグリースを介して水冷式又は空冷式の金属製のヒートシンクの取り付け面（平面）に接合状として取り付けられる。これにより、発生する半導体素子の熱は、回路基板、グリースを介してヒートシンクに逃がされる。このように用いられる本発明の回路基板は、上記したように反りが小さい。その上に、ヒートシンクの取り付け面と密着するのは、下のセラミック板の下面の金属層（ヒートシンクへの取付けにおける密着用金属層）の表面（下面）であるが、この面粗度を上げることは、それがセラミックでなく、金属であることから容易である。すなわち、本発明の回路基板は、下に金属層を有するため、ヒートシンクの取り付け面との密着性を向上させやすく、したがって、高い放熱特性が容易に得られる。
【００２２】
さらに、本発明の回路基板では、上と下のセラミック板が、同様の熱膨張係数、ヤング率をもつ材質であり、同様の厚さのものである場合においては、基本的には下の金属層が上の回路層より厚いほど、回路基板は下向きに凹となす形に反りやすい。逆に、下の金属層が上の回路層より薄いほど、下向きに凸となす形に反り易い。一方、回路層はパターン形成されるために、反りに影響を及ぼし難い反面、金属層は略全面に形成されることから、その厚さは反りに影響を及ぼし易い。このため、金属層の厚み（Ｔ３）は放熱板の厚み（Ｔ１）に対して厚くなりすぎないように設定するのが好ましい。ここで、本発明のように、放熱板の厚み（Ｔ１）に対する下の金属層の厚み（Ｔ３）、すなわち、Ｔ３／Ｔ１を、０．３７５以下と設定した場合においては、凹凸に係わらず反り自体の大きさを、この種の回路基板において許容範囲とされている、１０μｍ／ｃｍ以下に保持することができる。これは、詳しくは後述するが、本発明者らによる試験により実証された。このように、本発明の回路基板では、問題となるような大きな反りも発生せず、したがって、金属層の表面（下面）を、ヒートシンクの取り付け面に密着させる場合における密着度を高く保持できるため、高い放熱特性が得られる。
【００２３】
請求項２に係る発明は、請求項１の回路基板において、前記回路層の厚み（厚さ）をＴ２としたとき、
Ｔ３／Ｔ２が、２以下となるようにしたことを特徴とする回路基板である。
【００２４】
この種の回路基板では、前記もしたように、金属層の厚み（Ｔ３）は放熱板の厚み（Ｔ１）に対して厚くなりすぎないように設定するのが好ましい。一方で、下面の金属層の厚さ（Ｔ３）と、上面の回路層の厚さ（Ｔ２）が大きく異なると、回路基板の上下（厚み方向）において、内部応力（残留応力）のアンバランスが発生し易く、反りが発生し易くなる。そして、その反りが大きくなると、熱変化のある条件下において、或いは、ヒートサイクル試験において、これら金属層又は回路層の剥離を招き易い。したがって、請求項１の回路基板においては、金属層の厚み（Ｔ３）は、回路層の厚み（Ｔ２）に比べてあまり大きくならないように設定することが重要であるところ、請求項２に係る発明のように、裏面の金属層の厚み（Ｔ３）を、回路層の厚み（Ｔ２）の２倍以下とすることで、このような剥離の発生が極めて効果的に防止される。これは、詳しくは後述するが、本発明者による試験により実証されたところである。
【００２５】
請求項３に係る発明は、前記金属層の周囲をなす側面と、該金属層の下面とのなす角であって該金属層の周囲に面取りを付けたことを特徴とする、請求項１又は２に記載の回路基板である。
【００２６】
このような、回路基板は半導体装置とされた後、その下面の金属層の下面をヒートシンクの取付け面に放熱性のグリースを介して密着状にして取り付けられる。一方、回路基板が、金属層の下面が凹となす形で反っているとき、このような回路基板を含むモジュールをヒートシンクに取り付ける際には、回路基板の下面の周縁、つまりその下面と側面とのなす角がヒートシンクの平面である取付け面に当接する形となる。このため、回路基板の下面の周縁より、その中央寄り部位は、ヒートシンクの取付け面との間に空隙ができることになる。ところが、本発明によれば、このように下面の金属層の外周縁に面取りが付けられているため、面取がある分、金属層の下面が凹となす形で反っているとしても、その空隙を小さくできる。このため、金属層の下面と、ヒートシンクの取付け平面との密着性を一層高めることができる。すなわち、本発明によれば、回路基板が、金属層の下面が凹となす形で反っているとしても、ヒートシンクの取付け面に、同下面を密着させ易いという効果がある。
【００２７】
請求項４に係る発明は、前記金属層の下面に、１本の直線を引き、該下面にこの直線に沿って下向きに微量膨らむ丸みを付けたことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の回路基板である。すなわち、基準となる１本の直線に沿ってクラウニングをつけたものである。
【００２８】
例えば長方形の回路基板をヒートシンクに取付けるときは、平面視における、両端側（短辺寄りの略中央）に設けられた厚み方向に貫通する、取付け部（貫通孔又は切り欠き）にネジ部材を通し、そのネジ部材のねじ込みによってヒートシンクに取付けられるのが普通である。このため、本発明のように、前記金属層の下面に、下向きに微量膨らむ丸みを付けておくこととすれば、その基準となる直線の両端寄り部位に、このような取付け部を設け、そのようなネジ部材のねじ込みによってヒートシンクに取付けることで、金属層の下面をヒートシンクの取り付け面に密着させやすい、という効果がある。すなわち、このようにすることで、金属層の下面の中央がヒートシンクの取付け面に当接している状態の下で、そのねじ込みを行なうと、同下面がその締付けによりヒートシンクの取付け面になじむ形で回路基板が撓み変形する。本発明のように、金属層の下面を形成しておくことで、その取付け部を、前記直線の両端寄り部位に設けることで、ヒートシンクへの取り付けにおいては、安定した密着が得られるため、良好な熱伝導、冷却効果が得られる。なお、膨らみ量は、微量でよく、金属層の下面（設計上の平面）において、１０μｍ／ｃｍ以下の範囲とするのが適切である。なお、請求項４に係る発明のように、金属層の下面に、下向きに微量膨らむ丸み（クラウニング加工）が施されている場合には、その金属層の厚みは、クラウニング加工の施されていない最も厚い部分をその厚みＴ３とする。すなわち、その最大の厚み部分を金属層の厚みＴ３とする。
【００２９】
請求項５に係る発明は、回路基板自身の平面形状を略長方形とするとともに、前記金属層の下面に、その長方形の長辺に沿って下向きに微量膨らむ丸みを付けたことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の回路基板である。
【００３０】
請求項４に係る発明において、回路基板自身の平面形状を略長方形とするとともに、「直線」に代えて、「長方形の長辺」、に沿って下向きに微量膨らむ丸みを付けたものである。すなわち、このものでは、ヒートシンクに取付けるときの取付け部を、長方形の両端の短辺寄り部位とするか、又は長方形の四角（周囲の角寄り部位）に設け、この取付け部でもって、回路基板をヒートシンクに押え付けるようにして取付けることで、安定した密着が得られる。
【００３１】
請求項６に係る発明は、前記金属層の下面を、下向きに微量膨らむ球面状に形成したことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の回路基板である。
【００３２】
請求項４又は５に係る発明は、クラウニングをいわば円筒の周面形状としたのに対し、請求項６に係る発明は、クラウニングを球面状に形成したこものである。
このものは、回路基板が平面視においてその側面寄り部位に、環状の配置でヒートシンクに対する複数（３以上）の取り付け部を備えている場合において、有効である。例えば、回路基板が平面視において、略正方形又は略長方形であり、その四角寄り部位にヒートシンクへの取付け部（押え付け部）を備えている場合に有効である。
【００３３】
本発明の請求項７に係る発明は、請求項１〜６のいずれか１項に記載の回路基板における前記回路層の上面に半導体素子を搭載してなることを特徴とする半導体装置である。このような半導体装置においては、上記したように、これをその回路基板の金属層の下面を、ヒートシンクの取付け面（平面）にグリースを介して取付けるときには、高い密着性でその取付けが実現できるため、高い冷却効果を得ることができる半導体装置となすことができる。このため、半導体素子等の電子部品を正常に安定して作動させることができるため、その信頼性を高めることができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかる回路基板の実施の形態例について、図１〜５に基づいて詳細に説明する。この回路基板１は、全体としてみると、一定厚さの矩形平板形状を呈しており、金属製（例えば、Ｃｕ（銅）製）で、矩形をなす一定厚さＴ１の放熱板２の上、下の両面２ａ、２ｂに、一定厚さＴＣ１、ＴＣ２のセラミック板（例えば、窒化珪素板）３、４が例えば活性ロウ（図示せず）によるロウ付けで接合されて一体化されており、これらの構成において放熱部材をなしている。
そして、上のセラミック板３の上面３ａには銅板から形成された回路層５が、また、下のセラミック板４の下面４ｂには銅板からなる金属層６が、それぞれ、例えば活性ロウ（図示せず）によるロウ付けで接合されて一体化されており、全体で回路基板１をなしている。
【００３５】
ここで、放熱板２はその厚さＴ１が例えば４ｍｍとされ、上下のセラミック板３、４はその厚さＴＣ１、ＴＣ２がともに０．３２ｍｍとされている。そして、回路層（銅板）５はその厚さＴ２が０．４ｍｍとされている。また、金属層（銅板）６はその厚さＴ３が例えば１．５ｍｍとされている。これにより、本形態では、Ｔ３／Ｔ１が、０．３７５とされている。なお、活性ロウとしては、例えばＣｕ−Ｓｎ系活性金属ロウが使用される。また、回路層５を除き、これらの各部材は、平面が例えば、縦（短辺Ｓの長さ）、横（長辺Ｌの長さ）、３２ｍｍ×９０ｍｍの長方形とされており、周囲の側面が一致するように形成されている。なお、本形態では、平面視において両端寄り部位にヒートシンクへの取付け部７を備えている。ただし、取付け部７は、ヒートシンクへの取付け用のネジ部材挿通用の貫通孔とされ、短辺Ｓの中央寄り部位において、回路基板自身の厚み方向に貫通して形成されている。
【００３６】
このような本形態の回路基板１は、各セラミック板３、４の上下両面にＣｕ−Ｓｎ系活性金属ペースト（活性ロウ）を印刷しておいて、各部材を重ね、所定の錘を載せて、例えば真空雰囲気下にて所定の温度に加熱して活性ロウを溶融し、その後、冷却することで一体的に形成したものである。このとき、放熱板２とセラミック板３、４、回路層５、及び金属層６とにおけるヤング率及び熱膨張係数の相違に基づき、接合、冷却後においては、各部材に内部応力が発生するが、このような積層構造を有するため、上下方向（厚み方向）において、その応力に大きなアンバランスを発生させない。したがって、１０μｍ／ｃｍを超えるような問題となる反りのない回路基板１となすことができる。なお、回路層５は、例えば、銅板の接合後において所望とする回路パターンにエッチング処理等をすることで形成してもよい。
【００３７】
また、本形態の回路基板１では、下のセラミック板４の下面４ｂに金属層６を備えていることから、ヒートシンクとの密着面をなすその下面（表面）６ｂの面粗度を低い値に保持できる。このため、ヒートシンクとの密着性は容易に高めることができる。そして、このような回路基板１では、基本的にはその下面の金属層６の厚みＴ３が厚いほど、図３−Ａに示したように、下面６ｂは下に凹となす形で反りやすい。一方、その下面６ｂの金属層６が薄いほど、図３−Ｂに示したように、下に凸となす形で反り易く、このような凸となす反りは、上記したように、ネジ部材によるヒートシンクへの取付け形態からすると、その反りが微量である限り好ましい反りとなる。さらに、本発明では、Ｔ３／Ｔ１が、０．３７５以下となるようにしたことから、反りの量をその凹凸の向きに係わらず、許容範囲とされる１０μｍ／ｃｍ以下に保持することができる。なお、反りの量（μｍ／ｃｍ）は、その最大値Ｈを基板１の長辺Ｌの長さで除したものである。詳細は後述する。
【００３８】
すなわち、このような回路基板１は、図４に示したように、その回路層５の上面５ａに半導体素子８がハンダ層９を介してハンダ付けされて実装され、半導体装置（モジュール）１１とされる。このとき、反りの量は、許容範囲とされる１０μｍ／ｃｍ以下に保持されているため、ハンダ中にボイドの発生もなく、上の回路層５に半導体素子８を問題なくハンダ付けすることができる。
【００３９】
また、回路基板１に半導体素子８を搭載したモジュール１１は、図５に示したように、下の金属層６を介して水冷式又は空冷式の金属製のヒートシンク１２の取付け面１２ａに取付けられる。具体的には、金属層６の下面６ｂを、ヒートシンク（冷却部材）１２に、熱伝導性のグリース１３を介在させ、ネジ部材１４を貫通孔７に通してヒートシンクのネジ孔（図示せず）にねじ込むことで取付けられるのであるが、この取付けにおいても、問題となる反りがないため、放熱特性の高い取付けが確保される。すなわち、この取付けにおいても、回路基板１の反りの量が許容範囲とされる１０μｍ／ｃｍ以下に保持されているため、下の金属層６の下面６ｂと、ヒートシンク１２の取り付け面１２ａとの密着性が高く保持される。このため、その使用に際して半導体素子８から発熱する熱は、ハンダ層９、回路層５、上のセラミック板３、放熱板２、下のセラミック板４、金属層６、グリース１３を介してヒートシンク１２に伝達されるが、効率良く伝達される。したがって、高い放熱性が得られ、高い冷却効果を得ることができる。
【００４０】
ここで、上記の実施の形態において、金属層６の厚みＴ３を、０．２ｍｍ〜１．５ｍｍ、そして１．５ｍｍ〜４ｍｍの範囲で適宜に変えた回路基板１のサンプルを作り、２５℃又は１２５℃における反りを測定した。ただし、反り（μｍ／ｃｍ）は、回路基板１の長辺Ｌに沿う方向における面方向（厚み方向）の凸又は凹の変位の最大値Ｈ（図３参照）を長辺Ｌの長さ（９ｃｍ）で除して表したものである。合否は反りの凹凸の向きにかかわらず、その判断基準である１０μｍ／ｃｍとし、これを超えた場合を反り不良とした。なお、試験では、Ａｌ製の放熱板に、セラミック板として窒化アルミニウム製の板を接合したものについても試験した。ただし、この場合、窒化アルミニウム製の板はその厚みを０．６４ｍｍとした。結果は表１に示したとおりである。
【００４１】
【表１】
【００４２】
表１に示したように、金属層６の厚みＴ３が、２ｍｍ以上では、２５℃又は１２５℃のいずれにおいても、反りは、１０μｍ／ｃｍを超えた。これに対して、金属層６等の材質がＣｕ又はＡｌのいずれでも、Ｔ３を、１．５ｍｍ以下としたものでは、２５℃又は１２５℃のいずれにおいても、反りは、１０μｍ／ｃｍ以下であった。このような反りの要因は、次のように考えられる。このような回路基板１では、その構成上、下の金属層６が上の回路層５より厚く、しかも、両者の厚みが大きく異なると、上下両面における熱応力のアンバランスが大きくなり、回路基板１は下向きに凹となす形に反りやすい。逆に、下の金属層６が上の回路層５より薄く、しかも、両者の厚みが大きく異なると、下向きに凸となす形に反り易い。一方、回路層５はパターン形成されるために、金属層６に比べると、反りに影響を及ぼし難い。反面、金属層６は略全面に形成されることから、その厚さＴ３は反りに容易に影響する。そして、試験結果においては、下面の金属層６の厚さＴ３が、放熱板２の厚みＴ１に対して、０．３７５倍以下のとき、反りは、凹凸は別として１０μｍ／ｃｍ以下であった。これより、Ｔ３／Ｔ１が、０．３７５以下となるように、その各厚さを設定するのが好ましいことがわかる。
【００４３】
なお、上記の回路基板１の製造におけるロウ付けにあたっては、回路層５を除く各部材の側面（周縁）を揃えて同図の配置となるように位置決めしつつ重ねて、活性ロウによるロウ付けなどによって接合すればよい。前記においては、セラミック板３、４を窒化珪素又は窒化アルミニウムを例示したが、酸化アルミニウムなどを用いてもよい。また、放熱板２の材料としては、Ｃｕ合金、或いはＡｌ合金など、熱伝導性の高い金属から適宜のものを選択して用いればよい。なお、このように放熱板２をＡｌ製又はＡｌ合金製とする場合には、セラミック板３、４の各面に、例えば、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｎｉの順に各金属層（例えば各１００ｎｍ厚さ）を蒸着によって形成しておき、Ａｌ−Ｓｉ系ロウ材で、金属層６又は回路層５をなすＣｕ板をロウ付けすればよい。
【００４４】
さて、次に上記の試験サンプルを用いて、−４０℃〜１２５℃で、ヒートサイクル試験した。試験は、−４０℃〜２５℃〜１２５℃〜２５℃を１サイクルとし、各温度において３０分間保持した後、加熱又は冷却を繰返した。これを繰返してセラミック板と、回路層５または金属層６との間に剥離が発生するに至るサイクル数（剥離発生回数）を確認した。剥離の評価は、５００回（サイクル）実施ごとに、超音波探傷装置を用いて、剥離の有無を観察評価した。結果は表２に示したとおりである。なお、表中の○印は、評価において優れるものを示している。
【００４５】
【表２】
【００４６】
表２より、金属層６の厚みＴ３が１ｍｍ以上の時は、２０００サイクルで、剥離が発生し、その厚みＴ３が厚くなるほど少ないサイクル数で剥離に至ってしまった。これに対して、金属層６の厚みＴ３が薄いほど、具体的には、Ｔ３が０．８ｍｍ以下においては、３０００サイクルを超えても剥離は見られなかった。そして、このような剥離は、放熱板２の厚さＴ１が一定の場合には、回路基板１の表裏両面をなす回路層５の厚みＴ２と、金属層６の厚みＴ３の厚さの違いが要因となって、回路基板１に反りをもたらすことに起因していると考えられる。一方、Ｔ３／Ｔ２が、２．５倍以上では、２０００サイクル以下で剥離が発生したのに対し、Ｔ３／Ｔ２が２以下では、３０００サイクルでも、剥離は発生しなかった。これより、裏面の金属層６の厚さＴ３は、回路層５の厚みＴ２に対して、２倍を超えないように設定するのが好ましいことがわかる。すなわち、このような回路基板１では、裏面の金属層６の厚さＴ３が、回路層５の厚さＴ２より、厚くなりすぎると、熱変化のある条件下においては、金属層６及び回路層５のセラミック板からの剥離を招き易いが、Ｔ３／Ｔ２を２以下とすることで、そのような剥離の発生を激減できるのである。
【００４７】
さて次に請求項３にかかる本発明の回路基板３１の実施の形態について、図６に基づいて詳細に説明する。ただし、このものは、上記した実施の形態における回路基板３１の金属層６の周囲をなす側面６ｃと、その下面６ｂとのなす角に、全周にわたって、縦横、例えば５０μｍの４５度の傾斜面取り６ｍを付与（形成）した点が、それと相違するだけであるため、相違点のみ説明し、同一部位には同一の符号を付すに止める。なお、回路基板３１は下向きに凹となす反りがあるものとして、その反りを誇張して図示している。
【００４８】
すなわち、本形態においては、金属層６の外周縁、つまり金属層６の周囲をなす側面６ｃと、その下面６ｂとのなす角に、全周にわたって、例えば５０μｍの４５度の傾斜面取り６ｍが付与（形成）されている。ところで、金属層６の下面６ｂを介して、ヒートシンク１２の取付け面（平面）１２ａに回路基板３１を含む半導体装置を取り付ける時において、回路基板の金属層６の下面６ｂに、このような下向きに凹となす反りがある場合（図３−Ａの場合）には、次のようである。すなわち、仮に前記した面取り６ｍが形成されていない場合に、その金属層６の下面６ｂを、ヒートシンク１２の取付け面（平面）１２ａに着座させるときには、図６の拡大図に誇張して示したように、下面６ｂの周縁つまり下面６ｂと側面６ｃとのなす角Ｋがヒートシンク１２の２点鎖線で示した取付け面１２ａに当接する形となる。このため、下面６ｂの周縁よりも中央寄り部位は、ヒートシンク１２の取付け面１２ａとの間で大きな空隙ができることになる。また、下面６ｂの金属層６の外周縁（下面と側面とのなす角）が鋭角になっていたり、側面６ｃに沿って下向きにバリが突出しているときは、その空隙がさらに大きくなる。
【００４９】
これに対して、本発明では、図６の拡大図で実線で誇張して示したように、その面取り６ｍがあるため、その分、ヒートシンク１２の実線で示した取付け面１２ａと、回路基板３１の金属層６の下面６ｂとの間における空隙の高さは小さくなる。すなわち、この場合には、面取り６ｍと、下面６ｂとが交差してなす稜線Ｒと、ヒートシンク１２の取付け面１２ａとが接する形となるため、その空隙の高さが小さくなる。このため、回路基板３１は、その下面の金属層６の下面６ｂをヒートシンク１２の取付け面１２ａに全体的に近づけて取り付けられることになる。なお、この取付けにおいては、実際には、グリースが薄膜状に介在されるため、グリースがない状態での完全な密着は要求されず、したがって、面取り６ｍの大きさを適切に設定することで、グリースを介在させることで好ましい密着が得られる。
【００５０】
このように、本発明によれば、回路基板３１が金属層６の下面６ｂに下向きに凹となす形で反っている場合において、下面の金属層６の外周縁に面取り６ｍが付けられている分、金属層６の下面６ｂとヒートシンク１２の取付け面１２ａとの間の空隙を小さくできる。そして、このように空隙を小さくできる分、金属層６の下面６ｂと、ヒートシンク１２の取付け面１２ａとの密着性が向上するから、放熱性を高めることができるという特有の効果がある。なお、本形態では、面取り６ｍを傾斜面取りとしたが、アール（円弧）としてもよい。また、本発明における面取りの作用効果からして、面取りはできるだけ大きくするのが好ましく、したがって、金属層６の厚さＴ３によっては、その厚み全体に面取りが付いていてもよい。ただし、面取りの大きさは、Ｃ５０μｍ程度、アール面取ではＲ５０μｍ程度が適切である。金属層６の厚さＴ３や反りの大きさを考慮して設定すればよい。
【００５１】
なお、傾斜面取りとするときは、４５度の傾斜面取でなく、図６拡大図中に示したように、面取り６ｍと、下面６ｃとの交角θが１３５度を超える鈍角となるようにするのがよい。つまり、金属層６の厚みＴ３方向の面取り幅よりも、金属層６の下面６ｂに沿う方向の面取り幅が大きくなる面取りとするとよい。また、このような面取りは、金属層６をセラミック板４に接合する前に形成してもよいし、接合後に形成してもよい。因みに、回路基板が下向きに凸となす形で反っている場合（図３−Ｂの場合）には、上記したことからも明らかなように、このような面取りは奏効しない。
【００５２】
次に、請求項４及び５にかかる回路基板の実施の形態について、図７及び図８に基づいて説明する。ただし、この回路基板４１は、基本的には、上記した各形態の回路基板におけるその金属層６の下面６ｂに、その長方形の長辺Ｌに沿って下向きに微量膨らむ丸みを付けた点と、ヒートシンクに対する取り付け部が相違するだけである。このため、相違点のみ説明し、同一部位には同一の符号を付すに止める。
【００５３】
すなわち、本形態の回路基板４１は、平面視、略長方形をなしており、その平面において互いに向かい合う短辺Ｓの中点を結ぶ一基準直線ＳＬに沿って、金属層６の下面６ｂに下向きに微量（最大でδ）膨らむ丸みを付けたものである。すなわち、このものでは、回路基板４１としての反りの有無とは別に、長辺Ｌに沿って、金属層６の下面６ｂに下向きに微量（最大でδ）膨らむ丸み（クラウニング）を付けたものである。したがって、金属層６の厚さは、前記の各形態では一定厚さであったが、このものでは、厳密にいうと下面６ｂが長辺Ｌに沿う断面（図８）において円弧状を呈しており、同金属層６の厚さは短辺Ｓに近づくほど微量ではあるが薄くなるように形成されている。δは、例えば、長辺Ｌが１０ｃｍのとき、１００μｍ以下である。
【００５４】
そして、本形態では、互いに向かい合う短辺Ｓの中点に、一定の幅を有するとともに、一定の奥行きを有する切欠き１７を備えており、この切欠き１７をヒートシンクへの取り付け部としている。すなわち、上記形態における貫通孔に代えて切欠き１７としたものであり、この切欠き１７にネジ部材１４を通し、そのネジ部材１４のねじ込みによって、回路基板４１をヒートシンク１２に取付けるようにされている。
【００５５】
しかして、本形態の回路基板４１をヒートシンク１２に取付けるときは、取り付け部である切欠き１７に、厚み方向にネジ部材を通して、そのネジ部材１４のねじ込みによってヒートシンク１２に取付けられる。この取付け時においては、本形態では、金属層６の下面６ｂに下向きに微量δ膨らむ丸みが付けられているため、あたかも、上記した形態における回路基板に下向きに凸となす反りがあるものと同様の作用が得られる。
【００５６】
すなわち、このような回路基板４１をヒートシンク１２へ取付ける際には、図８に示したように、下面６ｂの中央６ｄがヒートシンク１２の取付け面１２ａに当接している状態から、基板４１の両端側の切欠き１７にネジ部材１４を挿通してその締付け（ねじ込み）を行なうことでなされる。そして、そのねじ込みに際しては、その締付け力に応じて、回路基板４１は図７、８における左右両端が取付け面１２ａに近づくように反り、したがって、下面６ｂが取付け面１２ａになじむ形（取り付け面に近づく形）に変形する。かくして、δはその変形に応じて小さくなる。すなわち、このように金属層６の下面６ｂを、適切なδを付与して形成しておくことにより、回路基板４１の取付けにおいて、金属層６の下面６ｂを、ヒートシンク１２の取付け面１２ａに密着させることができる。したがって、密着面積を広げることができる分、ヒートシンク１２への熱伝導が良くなり、放熱性ないし冷却効果の向上を図ることができる。なお、金属層６の下面６ｂをこのように形成するのは、回路基板において加工することでもよいし、接合前の部品としての金属層（金属板）において加工することでもよい。
【００５７】
なお、上記の各形態にかかる回路基板では、ヒートシンクへの取付け部として、貫通孔又は切欠きを設け、そこにネジ部材を通してねじ込むことで取付ける場合を例示した。しかし、これらは取付け部の例示であり、本発明の回路基板においては、ヒートシンクへの取付け部として、貫通孔又は切欠きは必須のものではない。というのは、貫通孔又は切欠きがなくとも、例えば、図７における左右の短辺Ｓに沿って、回路基板における上面を横断する形で、その短辺Ｓ寄り部位に帯板（図７中２点鎖線で示す板材）２７を載せ、その帯板２７の端部の貫通孔（又は切欠き）にネジ部材を通して、締め付けるようにすることもできるためである。
【００５８】
さて次に、図９に基づいて、請求項６に記載の回路基板の実施の形態について説明する。ただし、この回路基板５１は、前記形態に対し、金属層６の下面６ｂを、下向きに微量膨らむ球面状（Ｒ球面状）に形成した点と、取付け部を回路基板５１の４つのコーナー寄り部位に貫通孔７として設けた点が相違するだけで、本質的相違はないことから、その相違点のみ説明する。
【００５９】
すなわち、前記形態では、金属層６の下面６ｂを、回路基板４１の長方形の長辺Ｌに沿って下向きに微量膨らむように円孤状に形成したものであるが、本形態では、金属層の下面６ｂを下向きに微量膨らむように、球面状に形成したものであり、したがって、図９におけるＢ−Ｂ線断面図およびＣ−Ｃ線断面図においても、金属層の下面６ｂは、図８に示したようになる。また、回路基板５１自身の平面視におけるその周囲（４つのコーナー寄り部位）に、環状の配置で、ヒートシンクに対する取り付け部である貫通孔７を設けたものである。
【００６０】
しかして、このものにおいては、その４つの貫通孔７のそれぞれに、図示しないネジ部材を通して、前記したのと同様に締め付けることで、前記形態におけるのと同様の効果が得られる。比較的細長い平面形状の回路基板では、前記形態におけるようにその両端部で、２本のネジ部材を用いて締め付けることで、ヒートシンクの取り付け面に対する密着が得られる。本形態の回路基板は、比較的、正方形に近い平面形状の回路基板において具体化する場合に適する。
【００６１】
さて次に、下のセラミック放熱板２の下面に、例えば、２ｍｍの金属層６（金属板）を接合したもので、試料Ｎｏ．▲１▼〜▲３▼の各サンプル、及び比較例としてこのような加工を施していないサンプル▲４▼を作って、それぞれをヒートシンク１２の取り付け面１２ａに、グリースを介してネジ部材による締付けで取り付けて熱抵抗を測定した。結果は、表３に示したようである。ただし、各サンプルは次のようである。▲１▼金属層６の周縁に４５度面取り（Ｃ５０μｍ）を付けて接合したサンプル（図６の実施例品）。▲２▼金属層６の周縁にＲ面取り（Ｒ５０μｍ）を付けて接合したサンプル（図６の実施例品）。▲３▼金属層６の下面６ｂ中央を下向き凸となす球面としたサンプル（図９の実施例品）。▲４▼比較例（加工を施していないサンプル）。結果は、表３に示したようである。
【００６２】
【表３】
【００６３】
表３に示したように、比較例の面取り等の加工を施していないサンプルを接合した場合に比べ、本実施例品サンプル▲１▼〜▲３▼ではいずれも熱抵抗（℃／Ｗ）が小さい。このことは、上記した各効果を実証するものである。
【００６４】
本発明は上記した各実施の形態のものに限定されるものではなく、適宜に設計変更して具体化できる。また、放熱板の材質、寸法（厚み等）、セラミック板の材質、寸法（厚み等）、そして、金属層および回路層の材質、寸法（厚み等）、あるいは、これら各部材の接合法についても、適宜に変更して具体化できる。また、回路基板の平面形状についても、長方形、正方形に限らず適宜の形のものとして具体化できる。
【００６５】
以下に、前記の実施の形態と関連する発明を記載する。
▲１▼請求項１〜３のいずれか１項に記載の回路基板において、回路基板自身は互いに向き合う両側面側に、ヒートシンクに対する取り付け部（厚み方向に貫通する貫通孔又は切欠き）を備えており、前記金属層の下面に、前記取付け部を結ぶ直線に沿って下向きに微量膨らむ丸みを付けたことを特徴とする回路基板である。
【００６６】
▲２▼請求項１〜３のいずれか１項に記載の回路基板において、回路基板自身の平面形状を略長方形とするとともに、その長方形の互いに向き合う両短辺側に、ヒートシンクに対する取り付け部（厚み方向に貫通する貫通孔又は切欠き）を備えており、前記金属層の下面に、その長方形の長辺に沿って下向きに微量膨らむ丸みを付けたことを特徴とする回路基板である。
【００６７】
▲３▼請求項１〜３のいずれか１項に記載の回路基板において、回路基板自身が平面視におけるその周囲に、環状の配置で、ヒートシンクに対する複数の取り付け部を備えており、前記金属層の下面を、下向きに微量膨らむ球面状に形成したことを特徴とする回路基板である。▲１▼〜▲３▼のいずれにおいても、ヒートシンクに対する取り付け部を備えているため、回路基板の取付けが容易に行なえる。
【００６８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の請求項１にかかる回路基板によれば、放熱板を挟んで上下両面に、セラミック板が接合されており、その各セラミック板の表面に回路層又は金属層が形成されているから、電気的な絶縁性に優れているとともに、反りが小さい回路基板となすことができる。また、下に金属層を有するため、ヒートシンクの取り付け面との密着性を向上させやすく、したがって、高い放熱特性が容易に得られる。さらに、本発明の回路基板は、放熱板の厚み（Ｔ１）に対する下の金属層の厚み（Ｔ３）、すなわち、Ｔ３／Ｔ１を、０．３７５以下としたため、凹凸に係わらず反り自体の大きさを、この種の回路基板において許容範囲とされている、１０μｍ／ｃｍ以下に保持することができる。
【００６９】
本発明の請求項２にかかる回路基板によれば、ヒートサイクル特性に優れた回路基板となすことができる。さらに、本発明の請求項３にかかる回路基板によれば、回路基板が、金属層の下面が凹となす形で反っているとしても、同下面をグリースを介在させてヒートシンクの取付け面に取付けることで、高い密着性で取りつけることができるという効果がある。
【００７０】
本発明の請求項４〜６にかかる回路基板によれば、金属層の下面にクラウニングが付けられているため、この下面を回路基板のヒートシンクへの取り付け面に密着状にして取付ける際に、そのクラウニングがヒートシンクの取り付け面（平面）になじむ形に変形するようにすることで、高い密着性が得られるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる回路基板の実施の形態の側面図、及び部分拡大断面図。
【図２】図１の回路基板の平面図。
【図３】回路基板の反りを説明する側面図。
【図４】図１の回路基板に半導体素子を搭載した半導体装置の側面図。
【図５】図４の半導体装置をヒートシンクに取付けた状態の側面図。
【図６】請求項３にかかる回路基板の実施の形態の側面図および要部拡大図。
【図７】請求項４及び５にかかる回路基板の実施の形態の平面図。
【図８】図７におけるＡ−Ａ線断面図、その要部の拡大図及びそのさらなる部分拡大図。
【図９】請求項６にかかる回路基板の実施の形態の平面図。
【符号の説明】
１、３１、４１、５１ 回路基板
２ 金属製の放熱板
２ａ 放熱板の上面
２ｂ 放熱板の下面
３、４ セラミック板
３ａ 上のセラミック板の上面
４ｂ 下のセラミック板の下面
５ 回路層
５ａ 回路層の上面
６ 金属層
６ｃ 金属層の周囲をなす側面
６ｂ 金属層の下面
６ｍ 面取り
８ 半導体素子
１１ 半導体装置
Ｔ１ 放熱板の厚み
Ｔ２ 回路層の厚み
Ｔ３ 金属層の厚み
Ｋ 金属層の周囲をなす側面と金属層の下面とのなす角
ＳＬ 金属層の下面に、回路基板自身の平面において引いた一基準直線
Ｌ 長辺
Ｓ 短辺[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a circuit board and a semiconductor device. Specifically, the present invention relates to a circuit board on which a heat-generating electronic component is mounted, and a semiconductor device in which a semiconductor element is mounted on such a circuit board.
[0002]
[Prior art]
In a relatively small semiconductor component typified by a discrete semiconductor (TO-3P, TO-220, etc.) using a lead frame, in order to improve heat dissipation, the thickness is mainly composed of Cu or a Cu alloy. A heat sink of about 1 mm is integrally molded by an epoxy mold. A semiconductor chip component is mounted on one surface of the heat sink by soldering. For this reason, although a heat sink has an electric potential, in order to improve heat dissipation, it is common to attach to a heat sink in a non-insulated state.
[0003]
In such semiconductor parts, considering the safety against electric shock, etc., for applications where insulation is desired, for example, the entire energized location exposed on these surfaces and the mounting holes for heat sinks, epoxy and polyimide A process of forming a film of the insulating material of the system is performed.
[0004]
On the other hand, relatively large power semiconductor modules (hereinafter also simply referred to as modules) represented by IGBTs and MOSFETs have an insulating function against high voltages and heat dissipation that efficiently dissipates heat generated by semiconductor elements. Required. For this reason, a ceramic circuit board in which a metal is bonded to both surfaces of a ceramic (ceramics) substrate represented by aluminum oxide, aluminum nitride, and silicon nitride is used as a circuit board forming such a module, which is inexpensive. A form of mounting by soldering on a heat sink made of Cu or Cu-Fe alloy is common. However, in recent years, when the application of the power semiconductor module described above is expanded from industrial machinery to electric railways, hybrid cars, and fuel cell vehicles, there is a strong demand for higher heat dissipation and improved reliability in heat cycles. ing.
[0005]
However, such a power semiconductor module is formed of members made of materials having different coefficients of thermal expansion, such as a metal layer, a ceramic layer, a solder layer, and a heat sink. For this reason, when an electronic component such as a semiconductor generates heat, thermal stress due to the generated heat is generated in each part, and cracks may occur in the bonding layer, the ceramic substrate, the solder layer, and the like. These cracks may cause ground faults due to poor insulation and increase in thermal resistance, resulting in a significant deterioration in heat dissipation characteristics and causing thermal destruction of the semiconductor element.
[0006]
As a means for improving such problems caused by thermal stress, a technique has been proposed in which Al, which is a soft metal, is used as a metal plate to promote stress relaxation that occurs at the joint between the ceramic and the metal plate (Patent Literature). 1). Moreover, the technique which applies composite materials, such as Al-SiC, Cu-W, Cu-Mo, with a small thermal expansion coefficient to a heat sink is also proposed (patent document 2).
[0007]
The module having such a configuration is more reliable in heat cycle because the thermal stress is relieved as compared with the conventional module. In particular, the thermal expansion coefficient of a composite material such as Al—SiC, Cu—W, and Cu—Mo applied to a heat sink is about 9 to 11 ppm / K, and the thermal expansion coefficient of Cu or Cu—Fe alloy ( Therefore, the stress on the solder layer between the ceramic circuit board and the heat sink can be reduced.
[0008]
As another technology, from the idea that the solder layer itself between the ceramic circuit board and the heat sink is prone to decrease in reliability, and the ceramic circuit board and the heat sink are replaced by soldering. A technique for joining by brazing has also been proposed (Patent Document 3).
[0009]
In addition, using a jig formed in irregularities at the time of bonding, while applying high pressure in the direction opposite to the direction in which warpage originally occurs, warping is generated by low-temperature bonding the ceramic circuit board and the heat sink. Techniques for preventing it have also been proposed.
[0010]
[Patent Document 1]
Japanese Patent No. 3171234
[Patent Document 2]
Japanese Patent No. 3180677
[Patent Document 3]
Japanese Patent Laid-Open No. 9-97865
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
Among the above-described conventional techniques, in the insulation in which a film is formed with an epoxy or polyimide insulating material, the thermal conductivity of the insulating material that is interposed between the heat sink and the heat sink is about 0.5 W / mK or less. Since it is low, the heat dissipation characteristic of the heat sink is lowered, and the thermal resistance value is increased several times more than that of the non-insulated type. Furthermore, since the insulating layer is formed on the outer surface of the module, there is a possibility of deterioration of insulation due to scratches or dents due to external stress, which is not sufficient in reliability.
[0012]
In addition, as described above, in a relatively small semiconductor component, it is desirable to form a ceramic layer having excellent insulating function and heat dissipation on the heat sink, but when ceramic is bonded to one surface of the heat sink. However, due to the difference in thermal expansion between the two, there is a problem that a large warp in which the surface of the heat radiating plate that comes into contact with the heat sink becomes concave, resulting in a deterioration in heat radiation characteristics.
[0013]
On the other hand, Al, which is a soft metal, is applied as a metal plate to promote relaxation of stress generated at the joint between the ceramic and the metal plate, Al-SiC having a low coefficient of thermal expansion, Cu-W, Cu- In the method of applying a composite material such as Mo, the manufacturing process thereof is complicated. In addition, a special surface treatment is required for bonding to the circuit board. For this reason, compared with the case where the heat sink which consists of Cu or a Cu-Fe alloy is used, it becomes about several times as expensive and is disadvantageous in cost. Furthermore, since a composite material having a low coefficient of thermal expansion is used as a heat sink, its thermal conductivity is about 150 to 250 W / mK, and the thermal conductivity of Cu and Cu—Fe alloys (350 to 400 W / mK). There is a serious problem that the thermal diffusion effect is reduced and the heat dissipation characteristics are deteriorated.
[0014]
That is, by using such a composite material as a heat sink, the reliability of the heat cycle of the solder layer between the ceramic circuit board and the heat sink can be improved, but the heat dissipation characteristics are worse than those of the conventional form. There is a serious problem.
[0015]
In addition, when a ceramic circuit board is joined to a heat sink made of Cu, Al, or Cu—Fe alloy, a large warp is generated in which the back surface of the heat sink becomes concave due to the difference in thermal expansion coefficient between the two. This warpage causes solder voids when mounting the semiconductor chip when the module is manufactured. When the module is attached to the heat sink, the contact with the heat sink becomes insufficient, the thermal resistance increases, and the heat dissipation characteristics are greatly deteriorated. There is a problem of making it.
[0016]
Furthermore, the technique of low-temperature bonding the ceramic circuit board and the heat sink while applying pressure has the following problems. That is, the amount of warpage varies depending on the material of the ceramic circuit board to be joined and the material, thickness, and area of the heat sink, so that the pressurizing condition becomes complicated and is not practical. Further, even in a structure in which an intermediate layer for stress relaxation is provided between various circuit boards and a heat sink, there is a problem that a sufficient warp suppressing effect cannot be obtained and the intermediate layer deteriorates heat dissipation characteristics.
[0017]
As described above, in a power semiconductor module using a ceramic circuit board, when a heat sink with a low coefficient of thermal expansion is applied, the reliability of the heat cycle can be improved, but in terms of heat dissipation characteristics and manufacturing cost. There's a problem. Further, in a method in which an inexpensive metal is used for the heat sink and the ceramic circuit board and the heat sink are joined without using a solder layer, a large warp due to a difference in thermal expansion occurs.
[0018]
The present invention has been made in view of these problems, and is a circuit board having a circuit layer on a ceramic plate bonded to the upper surface of a metal heat sink, and a semiconductor device on which a semiconductor element is mounted. Is attached to an air-cooled or water-cooled heat sink via the lower surface (back surface) of the circuit board, to solve the problem in heat dissipation characteristics caused by the warp of the circuit board. Another object of the present invention is to provide a circuit board having high heat cycle characteristics.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
According to the first aspect of the present invention, the ceramic plate is joined to the upper and lower surfaces of the metal heat sink so as to cover substantially the entire surface, and a circuit layer is formed on the upper surface of the upper ceramic plate. Forming a metal layer on substantially the entire bottom surface of the lower ceramic plate;
When the thickness (thickness) of the heat sink is T1, and the thickness (thickness) of the metal layer is T3,
A circuit board characterized in that T3 / T1 is 0.375 or less.
[0020]
In the invention according to claim 1, the ceramic plates are joined to both the upper and lower surfaces with the heat sink interposed therebetween, and the circuit layer or the metal layer is formed on the surface of each ceramic plate. In addition, the circuit board can be made with a small warpage. In addition, since the ceramic plates are bonded to both the upper and lower surfaces, the occurrence of warpage can be suppressed even in heating to the reflow temperature when the semiconductor element is soldered to the upper surface of the circuit layer. Note that in this specification, with respect to a circuit board, the upper surface refers to a surface on which a semiconductor element is mounted, and the lower surface refers to a surface opposite to the upper surface.
[0021]
Further, after the semiconductor element is mounted, the lower surface of the circuit board is attached as a joint to the mounting surface (plane) of a water-cooled or air-cooled metal heat sink via heat-dissipating grease. Thereby, the generated heat of the semiconductor element is released to the heat sink through the circuit board and the grease. As described above, the circuit board of the present invention used in this way has small warpage. In addition, it is the surface (lower surface) of the metal layer (the metal layer for adhesion in mounting to the heat sink) on the lower surface of the lower ceramic plate that is in close contact with the mounting surface of the heat sink. Is easy because it is metal rather than ceramic. That is, since the circuit board of the present invention has a metal layer underneath, it is easy to improve the adhesion to the mounting surface of the heat sink, and thus high heat dissipation characteristics can be easily obtained.
[0022]
Further, in the circuit board of the present invention, when the upper and lower ceramic plates are made of materials having the same thermal expansion coefficient and Young's modulus, and basically have the same thickness, the lower metal layer basically has the lower metal layer. The thicker the circuit layer is, the easier it is for the circuit board to warp downward. Conversely, the thinner the lower metal layer than the upper circuit layer, the easier it is to warp downward. On the other hand, since the circuit layer is patterned, it is difficult to affect the warp. On the other hand, the metal layer is formed on almost the entire surface, so that the thickness is likely to affect the warp. For this reason, it is preferable to set the thickness (T3) of the metal layer so as not to be too thick with respect to the thickness (T1) of the heat sink. Here, as in the present invention, when the thickness (T3) of the lower metal layer relative to the thickness (T1) of the heat sink, that is, T3 / T1 is set to 0.375 or less, the warp is performed regardless of the unevenness. The size of itself can be maintained at 10 μm / cm or less, which is an allowable range in this type of circuit board. Although this will be described in detail later, this was proved by a test by the present inventors. As described above, the circuit board according to the present invention does not generate a large warp which causes a problem, and therefore, it is possible to maintain a high degree of adhesion when the surface (lower surface) of the metal layer is in close contact with the mounting surface of the heat sink. High heat dissipation characteristics can be obtained.
[0023]
The invention according to claim 2 is the circuit board according to claim 1, wherein the thickness (thickness) of the circuit layer is T2.
A circuit board characterized in that T3 / T2 is 2 or less.
[0024]
In this type of circuit board, as described above, the thickness (T3) of the metal layer is preferably set so as not to be too thick with respect to the thickness (T1) of the heat sink. On the other hand, if the thickness of the lower metal layer (T3) and the thickness of the upper circuit layer (T2) are significantly different, the internal stress (residual stress) is unbalanced in the upper and lower sides (thickness direction) of the circuit board. It tends to occur and warp easily occurs. And if the curvature becomes large, it will be easy to cause peeling of these metal layers or a circuit layer in the conditions with a heat change, or in a heat cycle test. Therefore, in the circuit board of claim 1, it is important to set the thickness (T3) of the metal layer so as not to be much larger than the thickness (T2) of the circuit layer. As described above, when the thickness (T3) of the metal layer on the back surface is set to not more than twice the thickness (T2) of the circuit layer, the occurrence of such peeling is extremely effectively prevented. Although this will be described in detail later, this has been proved by a test by the present inventors.
[0025]
The invention according to claim 3 is characterized in that the metal layer is chamfered at an angle formed by a side surface surrounding the metal layer and a lower surface of the metal layer. 2. The circuit board according to 2.
[0026]
After such a circuit board is formed as a semiconductor device, the lower surface of the metal layer on the lower surface thereof is attached to the mounting surface of the heat sink in close contact with the heat-dissipating grease. On the other hand, when the circuit board is warped so that the lower surface of the metal layer is concave, when attaching a module including such a circuit board to a heat sink, the periphery of the lower surface of the circuit board, that is, the lower surface and the side surface The angle formed by is in contact with the mounting surface, which is the flat surface of the heat sink. For this reason, an air gap is formed between the peripheral edge of the lower surface of the circuit board and the center portion of the circuit board and the mounting surface of the heat sink. However, according to the present invention, since the outer peripheral edge of the metal layer on the lower surface is chamfered in this way, even if the lower surface of the metal layer is warped in a concave shape, The gap can be reduced. For this reason, the adhesiveness of the lower surface of a metal layer and the attachment plane of a heat sink can be improved further. That is, according to the present invention, even if the circuit board is warped so that the lower surface of the metal layer is concave, the lower surface can be easily brought into close contact with the mounting surface of the heat sink.
[0027]
The invention according to claim 4 is characterized in that a single straight line is drawn on the lower surface of the metal layer, and the lower surface is rounded so as to swell slightly along the straight line. It is a circuit board given in any 1 paragraph. That is, crowning is applied along one reference straight line.
[0028]
For example, when a rectangular circuit board is attached to a heat sink, a screw member is passed through an attachment portion (through hole or notch) penetrating in the thickness direction provided on both ends (approximately the center near the short side) in plan view. The screw member is usually attached to the heat sink by screwing. For this reason, as in the present invention, if the bottom surface of the metal layer is rounded so as to swell downward, such attachment portions are provided at both ends of the reference straight line. By attaching the screw member to the heat sink by screwing such a screw member, there is an effect that the lower surface of the metal layer can be easily adhered to the attachment surface of the heat sink. That is, in this way, when the screw is screwed in the state where the center of the lower surface of the metal layer is in contact with the mounting surface of the heat sink, the lower surface is adapted to the mounting surface of the heat sink by the tightening. The circuit board is bent and deformed. As in the present invention, by forming the lower surface of the metal layer, the attachment portion is provided near the both ends of the straight line. Heat conduction and cooling effect. Note that the amount of swelling may be a very small amount, and is suitably in the range of 10 μm / cm or less on the lower surface (design plane) of the metal layer. In addition, like the invention which concerns on Claim 4, when the roundness (crowning process) which a small amount bulges downward is given to the lower surface of a metal layer, the thickness of the metal layer is not given the crowning process The thickest part is defined as the thickness T3. That is, the maximum thickness portion is defined as the thickness T3 of the metal layer.
[0029]
The invention according to claim 5 is characterized in that the planar shape of the circuit board itself is substantially rectangular, and the lower surface of the metal layer is rounded to slightly bulge downward along the long side of the rectangle. It is a circuit board of any one of Claims 1-3.
[0030]
In the invention according to claim 4, the planar shape of the circuit board itself is substantially rectangular, and is rounded so as to swell downward along the “long side of the rectangle” instead of the “straight line”. That is, in this case, the mounting portion when mounting to the heat sink is set to a portion near the short side of the both ends of the rectangle, or provided in a rectangular square (portion near the surrounding corner), and with this mounting portion, the circuit board is mounted. Stable adhesion can be obtained by attaching the heat sink.
[0031]
The invention according to claim 6 is the circuit board according to any one of claims 1 to 3, wherein the lower surface of the metal layer is formed in a spherical shape that slightly bulges downward.
[0032]
In the invention according to claim 4 or 5, the crowning is a so-called cylindrical peripheral shape, whereas the invention according to claim 6 is that the crowning is formed in a spherical shape.
This is effective in the case where the circuit board is provided with a plurality (three or more) of attaching portions to the heat sink in an annular arrangement at a portion near the side surface in plan view. For example, this is effective when the circuit board is substantially square or substantially rectangular in plan view and has a mounting portion (pressing portion) to the heat sink at a portion near the square.
[0033]
According to a seventh aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device comprising a semiconductor element mounted on the upper surface of the circuit layer in the circuit board according to any one of the first to sixth aspects. In such a semiconductor device, as described above, when the lower surface of the metal layer of the circuit board is attached to the attachment surface (plane) of the heat sink via grease, the attachment can be realized with high adhesion. Thus, a semiconductor device capable of obtaining a high cooling effect can be obtained. For this reason, since electronic parts, such as a semiconductor element, can be normally operated normally, the reliability can be improved.
[0034]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of a circuit board according to the present invention will be described below in detail with reference to FIGS. When viewed as a whole, the circuit board 1 has a rectangular flat plate shape with a constant thickness, which is made of metal (for example, made of Cu (copper)), and has a rectangular shape on the radiator plate 2 with a constant thickness T1. Ceramic plates (for example, silicon nitride plates) 3 and 4 having constant thicknesses TC1 and TC2 are joined to and integrated with the lower surfaces 2a and 2b by brazing using, for example, active brazing (not shown). In the configuration of FIG.
A circuit layer 5 made of a copper plate is formed on the upper surface 3a of the upper ceramic plate 3, and a metal layer 6 made of a copper plate is formed on the lower surface 4b of the lower ceramic plate 4, for example, an active solder (not shown). The circuit board 1 is formed as a whole.
[0035]
Here, the thickness T1 of the heat radiating plate 2 is 4 mm, for example, and the thicknesses TC1 and TC2 of the upper and lower ceramic plates 3 and 4 are both 0.32 mm. The circuit layer (copper plate) 5 has a thickness T2 of 0.4 mm. The metal layer (copper plate) 6 has a thickness T3 of 1.5 mm, for example. Thereby, in this embodiment, T3 / T1 is set to 0.375. As the active solder, for example, a Cu—Sn based active metal solder is used. Further, except for the circuit layer 5, each of these members has a plane of, for example, a rectangle (length of the short side S), a width (length of the long side L), and a rectangle of 32 mm × 90 mm. It is formed so that the side faces coincide. In addition, in this form, the attachment part 7 to a heat sink is provided in the site | part near both ends in planar view. However, the attachment portion 7 is a through-hole for inserting a screw member for attachment to the heat sink, and is formed in the central portion of the short side S so as to penetrate in the thickness direction of the circuit board itself.
[0036]
In the circuit board 1 of this embodiment, Cu—Sn based active metal paste (active brazing) is printed on both upper and lower surfaces of each ceramic plate 3, 4, each member is stacked, and a predetermined weight is placed thereon. For example, it is integrally formed by heating to a predetermined temperature in a vacuum atmosphere to melt the active wax and then cooling. At this time, based on the difference in Young's modulus and thermal expansion coefficient between the heat sink 2 and the ceramic plates 3 and 4, the circuit layer 5, and the metal layer 6, internal stress is generated in each member after joining and cooling. Since it has such a laminated structure, a large imbalance is not generated in the stress in the vertical direction (thickness direction). Therefore, it is possible to obtain a circuit board 1 having no warp which causes a problem exceeding 10 μm / cm. The circuit layer 5 may be formed, for example, by performing an etching process or the like on a desired circuit pattern after joining the copper plates.
[0037]
Further, in the circuit board 1 of this embodiment, since the lower layer 4b of the lower ceramic plate 4 is provided with the metal layer 6, the surface roughness of the lower surface (surface) 6b that forms an adhesion surface with the heat sink is reduced to a low value. Can hold. For this reason, adhesiveness with a heat sink can be improved easily. And in such a circuit board 1, fundamentally, as the thickness T3 of the metal layer 6 of the lower surface is thicker, as shown in FIG. 3-A, the lower surface 6b tends to warp in a concave shape. On the other hand, as the metal layer 6 on the lower surface 6b is thinner, as shown in FIG. 3B, it tends to warp in the form of a convex downward, and the warping that becomes convex depends on the screw member as described above. From the viewpoint of attachment to the heat sink, as long as the warpage is very small, the warp is preferable. Furthermore, in the present invention, since T3 / T1 is set to 0.375 or less, the amount of warpage can be maintained at 10 μm / cm or less, which is an allowable range, regardless of the direction of the unevenness. . The amount of warpage (μm / cm) is obtained by dividing the maximum value H by the length of the long side L of the substrate 1. Details will be described later.
[0038]
That is, such a circuit board 1 is mounted on the upper surface 5a of the circuit layer 5 by soldering the semiconductor element 8 via the solder layer 9, as shown in FIG. Is done. At this time, since the amount of warpage is kept within an allowable range of 10 μm / cm or less, no void is generated in the solder, and the semiconductor element 8 can be soldered to the upper circuit layer 5 without any problem. it can.
[0039]
Further, the module 11 in which the semiconductor element 8 is mounted on the circuit board 1 is attached to the attachment surface 12a of the water-cooled or air-cooled metal heat sink 12 through the lower metal layer 6, as shown in FIG. . Specifically, the lower surface 6b of the metal layer 6 has a heat sink (cooling member) 12 and a heat conductive grease 13 interposed therebetween, and a screw member 14 is passed through the through hole 7 so that a screw hole of the heat sink (not shown). It can be attached by screwing it into this, but even in this attachment, since there is no problem of warping, attachment with high heat dissipation characteristics is ensured. That is, even in this attachment, the amount of warping of the circuit board 1 is maintained at an allowable range of 10 μm / cm or less, so that the lower surface 6b of the lower metal layer 6 and the attachment surface 12a of the heat sink 12 are in close contact with each other. Highly retained. For this reason, the heat generated from the semiconductor element 8 during use is transferred to the heat sink 12 via the solder layer 9, the circuit layer 5, the upper ceramic plate 3, the heat sink 2, the lower ceramic plate 4, the metal layer 6, and the grease 13. Is transmitted efficiently. Therefore, high heat dissipation is obtained and a high cooling effect can be obtained.
[0040]
Here, in the above embodiment, a sample of the circuit board 1 is made by changing the thickness T3 of the metal layer 6 appropriately in the range of 0.2 mm to 1.5 mm and 1.5 mm to 4 mm, Warpage at 125 ° C. was measured. However, the warp (μm / cm) is the maximum value H (see FIG. 3) of the convex or concave displacement in the surface direction (thickness direction) in the direction along the long side L of the circuit board 1 (see FIG. 3). 9 cm). The acceptance / rejection was set to 10 μm / cm, which is a criterion for the determination, regardless of the direction of the unevenness of the warp. In addition, in the test, it tested also about what joined the board made from aluminum nitride as a ceramic board to the heat sink made from Al. In this case, however, the thickness of the aluminum nitride plate was 0.64 mm. The results are as shown in Table 1.
[0041]
[Table 1]
[0042]
As shown in Table 1, when the thickness T3 of the metal layer 6 was 2 mm or more, the warpage exceeded 10 μm / cm at either 25 ° C. or 125 ° C. On the other hand, if the material of the metal layer 6 or the like is Cu or Al and the T3 is 1.5 mm or less, the warpage is 10 μm / cm or less at 25 ° C. or 125 ° C. It was. The cause of such warpage is considered as follows. In such a circuit board 1, the lower metal layer 6 is thicker than the upper circuit layer 5 due to its structure, and if the thicknesses of the two are greatly different, the thermal stress imbalance between the upper and lower surfaces increases. No. 1 tends to warp downward and concave. On the contrary, if the lower metal layer 6 is thinner than the upper circuit layer 5 and the thicknesses of the two are greatly different, they tend to warp downward. On the other hand, since the circuit layer 5 is patterned, it is less likely to affect the warp than the metal layer 6. On the other hand, since the metal layer 6 is formed on substantially the entire surface, the thickness T3 easily affects the warpage. In the test results, when the thickness T3 of the metal layer 6 on the lower surface is 0.375 times or less with respect to the thickness T1 of the heat sink 2, the warpage was 10 μm / cm or less apart from the unevenness. . From this, it is understood that it is preferable to set each thickness so that T3 / T1 is 0.375 or less.
[0043]
For brazing in the manufacture of the circuit board 1 described above, brazing with active brazing or the like is performed while aligning the side surfaces (peripheries) of the respective members excluding the circuit layer 5 so as to be arranged as shown in FIG. Can be joined together. In the above description, silicon nitride or aluminum nitride is exemplified for the ceramic plates 3 and 4, but aluminum oxide or the like may be used. Moreover, as a material of the heat sink 2, an appropriate material selected from metals having high thermal conductivity such as Cu alloy or Al alloy may be used. When the heat sink 2 is made of Al or Al alloy in this way, each metal layer (for example, each 100 nm thick) is formed on each surface of the ceramic plates 3 and 4 in the order of, for example, Ti, Mo, and Ni. May be formed by vapor deposition, and a Cu plate forming the metal layer 6 or the circuit layer 5 may be brazed with an Al—Si brazing material.
[0044]
Now, a heat cycle test was performed at −40 ° C. to 125 ° C. using the above test sample. In the test, a cycle of −40 ° C. to 25 ° C. to 125 ° C. to 25 ° C. was held for 30 minutes at each temperature, and then heating or cooling was repeated. This was repeated to confirm the number of cycles (the number of occurrences of peeling) until the peeling occurred between the ceramic plate and the circuit layer 5 or the metal layer 6. The evaluation of peeling was performed by observing and evaluating the presence or absence of peeling using an ultrasonic flaw detector every time 500 cycles were performed. The results are as shown in Table 2. In addition, the mark in the table indicates that the evaluation is excellent.
[0045]
[Table 2]
[0046]
From Table 2, when the thickness T3 of the metal layer 6 was 1 mm or more, peeling occurred in 2000 cycles, and peeling was reached with a smaller number of cycles as the thickness T3 increased. On the other hand, as the thickness T3 of the metal layer 6 was thinner, specifically, when T3 was 0.8 mm or less, no peeling was observed even after exceeding 3000 cycles. And, when the thickness T1 of the heat radiating plate 2 is constant, such peeling is caused by the difference in thickness between the thickness T2 of the circuit layer 5 and the thickness T3 of the metal layer 6 forming both front and back surfaces of the circuit board 1. This is considered to be caused by causing the circuit board 1 to warp. On the other hand, when T3 / T2 was 2.5 times or more, peeling occurred at 2000 cycles or less, whereas when T3 / T2 was 2 or less, peeling did not occur even at 3000 cycles. From this, it can be seen that the thickness T3 of the metal layer 6 on the back surface is preferably set so as not to exceed twice the thickness T2 of the circuit layer 5. That is, in such a circuit board 1, if the thickness T3 of the metal layer 6 on the back surface is too thicker than the thickness T2 of the circuit layer 5, the metal layer 6 and the circuit layer are subjected to conditions under thermal changes. 5 tends to be peeled off from the ceramic plate, but the occurrence of such peeling can be drastically reduced by setting T3 / T2 to 2 or less.
[0047]
Now, an embodiment of the circuit board 31 according to the third aspect of the present invention will be described in detail with reference to FIG. However, in this embodiment, the side surface 6c surrounding the metal layer 6 of the circuit board 31 in the above-described embodiment and the lower surface 6b are formed at 45 ° inclined chamfering, for example, 50 μm in length and width over the entire circumference. Since the point where 6 m is given (formed) is only different from that, only the difference will be described, and the same parts are only given the same reference numerals. Note that the warpage of the circuit board 31 is shown as exaggerated on the assumption that there is a warp that is concave downward.
[0048]
That is, in this embodiment, an inclined chamfer 6m of, for example, 45 μm of 50 μm is applied to the outer periphery of the metal layer 6, that is, the angle formed by the side surface 6c surrounding the metal layer 6 and the lower surface 6b. (Formed). By the way, when the semiconductor device including the circuit board 31 is attached to the attachment surface (planar surface) 12a of the heat sink 12 via the lower surface 6b of the metal layer 6, the lower surface 6b of the metal layer 6 of the circuit board is faced down like this. When there is a warp that becomes concave and concave (in the case of FIG. 3A), it is as follows. That is, when the above-described chamfer 6m is not formed, when the lower surface 6b of the metal layer 6 is seated on the mounting surface (plane) 12a of the heat sink 12, it is exaggerated in the enlarged view of FIG. In addition, the angle K formed by the peripheral edge of the lower surface 6 b, that is, the lower surface 6 b and the side surface 6 c is in contact with the mounting surface 12 a indicated by the two-dot chain line of the heat sink 12. For this reason, a gap closer to the center than the periphery of the lower surface 6 b is formed with a large gap between the mounting surface 12 a of the heat sink 12. Further, when the outer peripheral edge (the angle formed between the lower surface and the side surface) of the metal layer 6 on the lower surface 6b is an acute angle, or when the burr protrudes downward along the side surface 6c, the gap is further increased.
[0049]
On the other hand, in the present invention, there is a chamfer 6m as shown by exaggerating the solid line in the enlarged view of FIG. 6, and accordingly, the mounting surface 12a indicated by the solid line of the heat sink 12 and the circuit board 31. The height of the gap between the lower surface 6b of the metal layer 6 becomes smaller. That is, in this case, since the ridgeline R formed by the intersection of the chamfer 6m and the lower surface 6b and the mounting surface 12a of the heat sink 12 are in contact with each other, the height of the gap is reduced. For this reason, the circuit board 31 is attached with the lower surface 6b of the metal layer 6 on the lower surface thereof being close to the mounting surface 12a of the heat sink 12 as a whole. In addition, in this mounting, since grease is actually interposed in a thin film shape, complete adhesion in the absence of grease is not required. Therefore, by appropriately setting the size of the chamfer 6 m, Good adhesion can be obtained by interposing grease.
[0050]
As described above, according to the present invention, when the circuit board 31 is warped in the shape of being concave downward on the lower surface 6b of the metal layer 6, the chamfer 6m is attached to the outer peripheral edge of the metal layer 6 on the lower surface. Therefore, the gap between the lower surface 6b of the metal layer 6 and the mounting surface 12a of the heat sink 12 can be reduced. And since the space | interval can be made small in this way, since the adhesiveness of the lower surface 6b of the metal layer 6 and the attachment surface 12a of the heat sink 12 improves, there exists a peculiar effect that heat dissipation can be improved. In this embodiment, the chamfer 6m is an inclined chamfer, but it may be a round (arc). Further, in view of the effect of chamfering in the present invention, it is preferable to make the chamfer as large as possible. Therefore, depending on the thickness T3 of the metal layer 6, the entire thickness may be chamfered. However, it is appropriate that the chamfering size is about C50 μm, and the rounding chamfering is about R50 μm. What is necessary is just to set in consideration of thickness T3 of the metal layer 6, and the magnitude | size of curvature.
[0051]
In the case of inclined chamfering, it is not an inclined chamfering of 45 degrees, but as shown in the enlarged view of FIG. 6, the crossing angle θ between the chamfering 6m and the lower surface 6c is an obtuse angle exceeding 135 degrees. It is good. That is, the chamfering width in the direction along the lower surface 6b of the metal layer 6 is preferably larger than the chamfering width in the thickness T3 direction of the metal layer 6. Such chamfering may be formed before the metal layer 6 is bonded to the ceramic plate 4 or may be formed after the bonding. Incidentally, when the circuit board is warped in a downward convex shape (in the case of FIG. 3B), as is apparent from the above, such chamfering is not effective.
[0052]
Next, an embodiment of a circuit board according to claims 4 and 5 will be described with reference to FIGS. However, the circuit board 41 basically has a round surface that is slightly inflated downward along the long side L of the rectangle on the lower surface 6b of the metal layer 6 of the circuit board of each form described above. Only the attachment to the heat sink is different. For this reason, only a difference is demonstrated and it attaches only to attaching | subjecting the same code | symbol to the same site | part.
[0053]
That is, the circuit board 41 of this embodiment has a substantially rectangular shape in plan view, and faces downward on the lower surface 6b of the metal layer 6 along one reference straight line SL connecting the midpoints of the short sides S facing each other in the plane. It is rounded with a small amount (up to δ). That is, in this case, aside from the presence or absence of warping as the circuit board 41, the bottom surface 6b of the metal layer 6 is rounded (crowning) that bulges a small amount (up to δ) downward along the long side L. is there. Therefore, although the thickness of the metal layer 6 was constant in each of the above-described forms, strictly speaking, in this case, the lower surface 6b has an arc shape in a cross section along the long side L (FIG. 8). In addition, the thickness of the metal layer 6 is formed so as to be thin as it approaches the short side S, but a small amount. For example, δ is 100 μm or less when the long side L is 10 cm.
[0054]
In this embodiment, a notch 17 having a certain width and a certain depth is provided at the midpoint of the short sides S facing each other, and this notch 17 is used as a mounting portion to the heat sink. In other words, a notch 17 is used instead of the through hole in the above embodiment, and the screw member 14 is passed through the notch 17, and the circuit board 41 is attached to the heat sink 12 by screwing the screw member 14. Yes.
[0055]
Thus, when the circuit board 41 of this embodiment is attached to the heat sink 12, the screw member 14 is attached to the notch 17 as the attachment portion in the thickness direction, and the screw member 14 is screwed into the heat sink 12. At the time of this mounting, in this embodiment, since the bottom surface 6b of the metal layer 6 is rounded so as to swell by a small amount δ, it is as if the circuit board in the above-described embodiment has a warp that protrudes downward. The following effects can be obtained.
[0056]
That is, when such a circuit board 41 is attached to the heat sink 12, as shown in FIG. 8, from the state where the center 6d of the lower surface 6b is in contact with the attachment surface 12a of the heat sink 12, both end sides of the board 41 are provided. The screw member 14 is inserted into the notch 17 and tightened (screwed). When the screw is screwed in, the circuit board 41 is warped so that the left and right ends in FIGS. 7 and 8 approach the mounting surface 12a according to the tightening force, so that the lower surface 6b conforms to the mounting surface 12a (the mounting surface Deforms to approach. Thus, δ decreases with the deformation. That is, by forming the lower surface 6b of the metal layer 6 with an appropriate δ in this way, the lower surface 6b of the metal layer 6 is brought into close contact with the mounting surface 12a of the heat sink 12 in mounting the circuit board 41. Can be made. Therefore, the heat conduction to the heat sink 12 is improved by the amount that the contact area can be expanded, and the heat dissipation and the cooling effect can be improved. The lower surface 6b of the metal layer 6 may be formed in this way by processing on a circuit board or by processing on a metal layer (metal plate) as a component before joining.
[0057]
In addition, in the circuit board concerning each said form, the case where a through-hole or a notch was provided as an attaching part to a heat sink, and it screwed through a screw member there was illustrated. However, these are examples of the attachment portion, and in the circuit board of the present invention, the through hole or notch is not essential as the attachment portion to the heat sink. For example, even if there is no through hole or notch, for example, a band plate (in FIG. 7) near the short side S along the left and right short sides S in FIG. This is because a plate member 27 indicated by a two-dot chain line can be placed and tightened by passing a screw member through a through hole (or a notch) at the end of the band plate 27.
[0058]
Now, an embodiment of the circuit board according to claim 6 will be described with reference to FIG. However, in this circuit board 51, the lower surface 6b of the metal layer 6 is formed in a spherical shape (R spherical shape) that slightly bulges downward, and the mounting portion is located near the four corners of the circuit board 51. However, since only the difference is provided as the through-hole 7 and there is no essential difference, only the difference will be described.
[0059]
That is, in the above embodiment, the lower surface 6b of the metal layer 6 is formed in an arc shape so as to swell slightly along the long side L of the rectangle of the circuit board 41. The lower surface 6b is formed in a spherical shape so as to slightly bulge downward. Therefore, the lower surface 6b of the metal layer is also shown in FIG. As shown. Further, a through-hole 7 that is an attachment portion for the heat sink is provided in an annular arrangement around the circuit board 51 itself in a plan view (four corners).
[0060]
In this case, the same effect as in the above embodiment can be obtained by tightening each of the four through holes 7 through a screw member (not shown) in the same manner as described above. In the case of a circuit board having a relatively long and narrow shape, it is possible to obtain close contact with the mounting surface of the heat sink by tightening with two screw members at both ends as in the above embodiment. The circuit board of the present embodiment is suitable for implementation in a circuit board having a planar shape that is relatively close to a square.
[0061]
Now, for example, a 2 mm metal layer 6 (metal plate) is joined to the lower surface of the lower ceramic heat sink 2. Samples (1) to (3) and a sample (4) not subjected to such processing as a comparative example are made, and each is fixed to the mounting surface 12a of the heat sink 12 with a screw member via grease. The thermal resistance was measured after mounting. The results are as shown in Table 3. However, each sample is as follows. {Circle around (1)} A sample (Example product in FIG. 6) in which the peripheral edge of the metal layer 6 is chamfered at 45 degrees (C50 μm) and joined. {Circle around (2)} Sample in which R chamfer (R50 μm) is attached to the periphery of the metal layer 6 and joined (Example product in FIG. 6). (3) A sample having a spherical surface in which the center of the lower surface 6b of the metal layer 6 is convex downward (the product of the embodiment of FIG. 9). (4) Comparative example (unprocessed sample). The results are as shown in Table 3.
[0062]
[Table 3]
[0063]
As shown in Table 3, the thermal resistance (° C./W) of each of the product samples (1) to (3) of this example is higher than that in the case of joining the samples not subjected to chamfering or the like of the comparative example. small. This proves each effect described above.
[0064]
The present invention is not limited to the embodiments described above, and can be embodied with appropriate design changes. In addition, regarding the material and dimensions (thickness etc.) of the heat sink, the material and dimensions (thickness etc.) of the ceramic plate, and the material and dimensions (thickness etc.) of the metal layer and circuit layer, or the joining method of these members It can be embodied with appropriate changes. Further, the planar shape of the circuit board is not limited to a rectangle and a square, and can be embodied as an appropriate shape.
[0065]
The invention related to the above embodiment will be described below.
(1) In the circuit board according to any one of claims 1 to 3, the circuit board itself has mounting portions (through holes or notches penetrating in the thickness direction) for the heat sink on both side surfaces facing each other. The circuit board is characterized in that the lower surface of the metal layer is rounded so as to swell slightly along a straight line connecting the attachment portions.
[0066]
(2) In the circuit board according to any one of claims 1 to 3, the planar shape of the circuit board itself is substantially rectangular, and mounting portions (thicknesses) to the heat sink are formed on both short sides of the rectangle facing each other. The circuit board is provided with a through hole or a notch penetrating in a direction, and the lower surface of the metal layer is rounded to slightly bulge downward along the long side of the rectangle.
[0067]
(3) The circuit board according to any one of claims 1 to 3, wherein the circuit board itself is provided with a plurality of attachment portions to the heat sink in an annular arrangement around the circuit board in plan view, The circuit board is characterized in that the lower surface is formed in a spherical shape that bulges a small amount downward. In any one of (1) to (3), since the mounting portion for the heat sink is provided, the circuit board can be easily mounted.
[0068]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, according to the circuit board of the first aspect of the present invention, the ceramic plates are joined to the upper and lower surfaces with the heat sink interposed therebetween, and the circuit layer or Since the metal layer is formed, it is possible to obtain a circuit board having excellent electrical insulation and low warpage. Moreover, since it has a metal layer below, it is easy to improve adhesiveness with the attachment surface of a heat sink, Therefore A high heat dissipation characteristic is obtained easily. Furthermore, since the thickness (T3) of the lower metal layer with respect to the thickness (T1) of the heat sink, that is, T3 / T1 is set to 0.375 or less, the circuit board of the present invention has a warpage itself size regardless of unevenness. Can be maintained at 10 μm / cm or less, which is an acceptable range for this type of circuit board.
[0069]
According to the circuit board concerning Claim 2 of this invention, it can be set as the circuit board excellent in the heat cycle characteristic. Further, according to the circuit board according to claim 3 of the present invention, even if the circuit board is warped so that the lower surface of the metal layer is concave, the lower surface is attached to the mounting surface of the heat sink by interposing grease. Thus, there is an effect that it can be attached with high adhesion.
[0070]
According to the circuit board according to claims 4 to 6 of the present invention, since the lower surface of the metal layer is crowned, when the lower surface is attached in close contact with the mounting surface of the circuit board to the heat sink, By making the crowning deform into a shape that fits the mounting surface (plane) of the heat sink, there is an effect that high adhesion can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side view and a partially enlarged sectional view of an embodiment of a circuit board according to the present invention.
FIG. 2 is a plan view of the circuit board of FIG.
FIG. 3 is a side view for explaining warpage of a circuit board.
4 is a side view of a semiconductor device in which a semiconductor element is mounted on the circuit board of FIG. 1;
FIG. 5 is a side view of the semiconductor device of FIG. 4 attached to a heat sink.
6 is a side view and an enlarged view of a main part of an embodiment of a circuit board according to claim 3. FIG.
7 is a plan view of an embodiment of a circuit board according to claims 4 and 5. FIG.
8 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG.
FIG. 9 is a plan view of an embodiment of a circuit board according to claim 6;
[Explanation of symbols]
1, 31, 41, 51 Circuit board
2 Metal heat sink
2a Top surface of heat sink
2b Underside of heat sink
3, 4 Ceramic plate
3a Top surface of the ceramic plate
4b Bottom surface of the lower ceramic plate
5 Circuit layer
5a Top surface of circuit layer
6 Metal layer
6c Side surface surrounding the metal layer
6b Bottom surface of metal layer
6m chamfer
8 Semiconductor elements
11 Semiconductor devices
T1 Heat sink thickness
T2 Circuit layer thickness
T3 Metal layer thickness
K Angle formed by the side surface surrounding the metal layer and the lower surface of the metal layer
One reference line drawn on the lower surface of the SL metal layer in the plane of the circuit board itself
L Long side
S short side
