JP2006019494A - 窒化珪素配線基板および半導体モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】窒化珪素配線基板のそりを低減し、放熱板等の部材への接合の信頼性が高い窒化珪素配線基板及びこれを用いた半導体モジュールを提供する。
【解決手段】窒化珪素基板１１と、この窒化珪素基板１１の一面に接合された金属回路板と、窒化珪素基板の他面に接合された放熱金属板１８とからなる窒化珪素配線基板１において、前記金属回路板は、半導体素子を搭載するための回路パターン１２とその外周部に形成した外枠パターン１３とを含み、当該外枠パターン１３と前記窒化珪素基板１１及び放熱金属板１８を貫く貫通孔１４を設けると共に、前記外枠パターン１３の接合面積を前記窒化珪素基板の接合面の総面積の２０％以上とした窒化珪素配線基板およびこれを用いた半導体モジュールである。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化珪素配線基板、特にパワー半導体モジュールに使用され、窒化珪素基板の一方の面に導電性回路板となる金属回路板を接合し、他方の面に放熱用金属板を接合した窒化珪素配線基板およびこれを用いた半導体モジュールに関するものである。

近年、電動車両用インバータとして高電圧、大電流動作が可能なパワー半導体モジュール（ＩＧＢＴ、ＭＯＳ ＦＥＴ等）が用いられている。パワー半導体モジュールに使用される基板としては、窒化アルミニウムや窒化珪素からなる絶縁性セラミックス基板の一方の面（上面）に回路となる導電性金属板を接合し、他方の面（下面）に放熱用の金属板を接合したセラミックス配線基板が広く用いられている。この金属板としては、銅板またはアルミニウム板等が使用されている。そして、回路となる導電性金属板の上面には、半導体素子等が搭載される。また、セラミックス基板と金属板との接合はろう材による活性金属法や銅板を直接接合する、いわゆる銅直接接合法が採用されている。

しかしながら、金属回路板および放熱金属板をセラミックス基板に接合したセラミックス回路基板を用いたパワー半導体モジュールにおいては、大電流を流せるように金属回路板および放熱金属板の厚さを０．３〜０．５mmと比較的厚くしている場合が多く、熱膨張率が大きく異なるセラミックスと金属を接合すると、接合後の冷却過程で熱応力が発生する。この応力はセラミックス基板の接合部付近で圧縮と引張りの残留応力として存在する。この残留応力は、セラミックス基板にクラックを生じさせたり、絶縁耐圧不良を起こしたり、あるいは金属回路板および金属板の剥離の発生原因となる。

また、最近の半導体素子の高密度化や高集積化に伴って、パワー半導体モジュールにおいても小型化の要求があり、これに用いられるセラミックス配線基板も小型化・薄型化が求められている。
従来、セラミックス配線基板と放熱フィン等の冷却用部材との接合は、はんだ付けによる接合手段が用いられてきているが、接合の信頼性を上げるために、また小型化を図るために、セラミックス配線基板に貫通孔を設け、締結用ボルト等を用いて冷却用部材に直接ねじ止めして接合する構造も適用されてきている。この場合、窒化アルミニウム基板は、セラミック基板としては高い熱伝導性を有するが、機械的強度が低いため強度面での信頼性は低く、冷却用部材に接合する方法として過大な応力が加わるねじ止め構造の適用は困難であった。この点で、窒化珪素基板はセラミック基板として比較的高い熱伝導性と高い機械的強度を有することから、信頼性の高いセラミックス配線基板を実現できると考えられる。

図１１は特許文献１に開示された半導体モジュールの構造を示している。この半導体モジュール１１は、セラミック基板として高強度高靭性かつ高熱伝導性に優れた窒化珪素焼結体を用いたもので、これにより、従来必要としていたヒートシンク板を省略できるとしたものである。即ち、窒化珪素基板１１０の一方の面（上面）側に金属回路板１１１を接合し、他方の面（下面）側に放熱金属板１１２を接合してなり、窒化珪素基板１１０の外縁部には半導体モジュール１１を機器ケーシングあるいは実装ボード１１５にねじ１１４により直接締結固定するための貫通孔１１３が形成されている。尚、金属回路板１１１は、銅板からなり所望の回路形状にパターニングされ、所定位置には半導体素子１１６が半田接合されており、半導体素子１１６の電極部と回路板の電極部とはボンディングワイヤ１１７によって電気的に接続されている。他方、放熱金属板１１２も銅板からなり金属回路版とほぼ同じ大きさのものを接合しているが、より薄く出来ることに利点がある。

この半導体モジュール１１は、窒化珪素基板１１０に設けた貫通孔１１３を介してねじ止めによる締結構造である。しかしながら、窒化珪素基板と言えども過大な締結トルクが掛かると貫通孔周辺に応力が集中し、クラックが発生する場合がある。ここで窒化珪素基板１１０を用いるメリットとしては薄型化であるため、基板強度を高めるために窒化珪素基板を厚肉にすることは避けたい。そこで、特許文献２では、取付けねじ用の貫通孔の周囲に金属材料等からなる補強部材を設けることが提案されている。これにより、ねじ止めする際や使用時にかかる応力により貫通孔周辺部分にクラック等が発生することを防止できるとある。
以上のように、半導体モジュールの小型化・薄型化を図るために、高熱伝導性と高強度高靭性を有する窒化珪素基板を用いて肉厚のヒートシンク板等を省略し、冷却用部材に直接ねじ締結する構造が提案されている。さらに、締結の際のクラックや割れ防止のために貫通孔周辺に補強部材を設ける構造が以下の文献に提案されている。

特許第３１８０１００号公報 特開２００３−１９７８２４公報

しかしながら、特許文献１の半導体モジュールでは、半導体素子を搭載するための金属回路板及び放熱金属板以外の場所をねじ止めする構造としており、窒化珪素基板の外縁部に貫通孔を設けるスペースを必要としている。そのため、窒化珪素基板の中央部分には金属板があるが周縁部分には金属板がない構造となっており、窒化珪素基板と銅板の熱膨張の差により接合後のそり量が大きくなると言う問題がある。窒化珪素基板と金属回路板及び放熱金属板との接合は同時に行われるが、放熱金属板側のそりが、例えば８０μｍ／ｉｎｃｈ以上に反ってしまうと、放熱金属板と冷却部材との密着面積が減少し、必要な接合強度や放熱の効果が得られない。また、締結部に対して放熱金属板が大きく内側にあるため放熱面積が小さく、また締結荷重が放熱金属板の支持点に集中し無理な応力が掛かる構造となっていた。
一方、特許文献２の補強部材を設ければ貫通孔周辺の補強はできるが、補強部材を設けた上面と放熱金属板を設けた下面とのバランスがとれておらず、局所的な反りが生じたり、稼動中の加熱冷却サイクルによる熱衝撃に弱いと言う問題がある。
結局、特許文献１、２共にそり量の低減と言う観点では十分ではなく、窒化珪素基板には大きな残留応力が生成したままとなり、半導体モジュール稼動時の加熱冷却サイクルによる熱衝撃に弱く耐久性に劣ると言う問題があった。

そこで、本発明の目的は、窒化珪素配線基板に設けた貫通孔を用いてねじ止め等で締結する構造において、貫通孔周囲のクラックや割れ発生を防止すると共に金属回路板等の接合時の反り量を低減し、放熱金属板と冷却用部材の接合強度、放熱効果を向上し、半導体モジュール稼動中の熱衝撃に強く、信頼性の高い窒化珪素配線基板並びに半導体モジュールを提供することを目的とする。

本発明は、窒化珪素基板と、この窒化珪素基板の一面に接合された金属回路板と、窒化珪素基板の他面に接合された放熱金属板とからなる窒化珪素配線基板において、前記金属回路板は、半導体素子を搭載するための回路パターンとその外周部に形成した外枠パターンとを含み、当該外枠パターンと前記窒化珪素基板及び放熱金属板を貫く貫通孔を設けると共に、前記外枠パターンの接合面積を前記窒化珪素基板の接合面の総面積の２０％以上とした窒化珪素配線基板である。ここで、外枠パターンの基板上面の総面積に対する面積率は大きいほど望ましいが、４０％を超えると基板の大型化を招くので現実的ではなくなる。また２０％未満ではそり量が８０μｍ／ｉｎｃｈ以上となり接合不良を招きやすい。このようなことより３０〜４０％が望ましいと言える。
以上のように、半導体素子搭載用の回路パターンの外周を一様に囲むように所定の面積率とした外枠パターンを設けることにより、窒化珪素基板の一面側の金属回路板と他面側の放熱金属板との接合面積のバランスがとれ、三部材間の熱膨張差を軽減し、そり量を低減することができる。また、外枠パターンと窒化珪素基板及び放熱金属板の三部材を貫く貫通孔を設け、三者を一体に締結するので、締結部分はより高強度でありクラックや割れ等の発生を防止できる。さらに、このとき放熱金属板の外周縁部をも締結部材で固着するので冷却用部材との接触面積が大きくなり放熱効率も上がる。

本発明の窒化珪素配線基板では、前記半導体素子を搭載するための回路パターンの外周に非回路形成部を設け、この非回路形成部の全周を囲うように外枠パターンを連続的に形成することが望ましい。あるいは、全周を囲わないまでも直線状に形成された非回路形成部は、窒化珪素基板の外縁部まで直接的に繋がっていないことが望ましい。そして、この非回路形成部の幅は０．７ｍｍ以上３．５ｍｍ以下であることが望ましい。０．７ｍｍ未満はこの非回路形成部の周囲で局所的な凹凸が大きくなり好ましくない。一方、３．５ｍｍを越えると外枠パターンの面積が減少するため、窒化珪素配線基板全体のそり量が大きくなるか、もしくは、基板を大型にする必要があり現実的ではなくなる。シミュレーションによれば非回路形成部の周辺で局所的な凹凸が見られるが、この幅が０．７〜３．５ｍｍの間では凹凸はなだらかになることが分かった。

本発明の窒化珪素配線基板は、窒化珪素基板の上面に接合した外枠パターンよりも下面に接合した放熱金属板が若干小さいことが望ましい。これは、外枠パターンの外周端よりも放熱金属板の外周端の方が基板の内側に位置していることを意味しているが、このような構成とすることにより、外枠パターンの外周端のそりを上側に凸の方向に変換せしめ、ねじ部材でこれを締結した際、外周端に無理な応力を掛けることなく基板側に密着させることができる。

本発明の窒化珪素配線基板は、前記窒化珪素基板の２０℃でのヤング率Ｅ1と厚みｔ1の三乗の積Ｅ1ｔ1^３をａ、前記金属回路板の２０℃でのヤング率Ｅ2と厚みｔ2の三乗の積Ｅ2ｔ2^３をｂ、前記放熱金属板の２０℃でのヤング率Ｅ3と厚みｔ3の三乗の積Ｅ3ｔ3^３をｃとしたとき、ａ×ｂ×ｃ／（ａ×ｂ＋ｂ×ｃ＋ａ×ｃ）の値が１．２（Ｎ・ｍ）以上であるようにそれぞれの厚みを設定することが望ましい。望ましい範囲は１．４（Ｎ・ｍ）以上であり、このような設計手法をもって窒化珪素基板、金属回路板、放熱金属板の厚みをまず設定し、尚且つ上記した条件を満たす窒化珪素配線基板となすことが良い。

そして、本発明は、上記した何れかの窒化珪素配線基板に半導体素子を搭載した半導体モジュールである。
例えば、窒化珪素基板の一方の面に接合した半導体素子を搭載するための回路パターンと、その外周部を一様に囲うように接合した外枠パターンとからなる金属回路板と、他方の面に接合した放熱金属板とからなる窒化珪素配線基板と、前記回路パターンに搭載された半導体素子とを有し、前記外枠パターンの接合面積を窒化珪素基板の接合面の総面積の２０％以上となし、ボルト、ねじ等の締結部材を用いて窒化珪素配線基板の放熱金属板が冷却用部材に密着するように締結固定するための貫通孔を前記窒化珪素基板、放熱金属板及び外枠パターンの三部材を貫くように設けた半導体モジュールとしたものである。

本発明の窒化珪素配線基板によれば、金属回路板の半導体素子を搭載する回路パターンの外周部に外枠パターンを形成したことで窒化珪素基板と金属回路基板および金属板の接合後の冷却あるいは稼動後の熱冷却サイクルで生じるそり量を低減できる。また、外枠パターンと放熱金属板により窒化珪素基板を上下から補強すると共に、この三部材を締結するので高強度でクラック等の発生を防止できる。よって、残留応力を低減し、接合強度、放熱効果を向上して、半導体モジュール稼動中の熱衝撃に強く、信頼性の高い窒化珪素配線基板並びに半導体モジュールを提供することができる。

以下、本発明の具体的な実施例を説明する。ただし、これら実施例により本発明が限定されるものではない。
[実施例１]
図１は本発明の一実施例を示す窒化珪素配線基板１であり、図１（ａ）は上面図、図１（ｂ）は底面図、また、図１（ｃ）は側面図である。
窒化珪素基板１１は、熱伝導率が８０Ｗ／ｍＫ以上のものを用いており、その一方の面（上面）の中央部には、半導体素子を搭載するための回路パターン１２が接合されており、この回路パターンは点線で示すように所定の回路板形状に加工されるが、ここでは単純に長方形状で示している。この回路パターン１２の外周部には非回路形成部分１５を挟んで回路パターン１２を囲む外枠パターン１３が接合されており、外枠パターン１３の外周部には銅板が接合されていない縁部１６がある。ここで回路パターン１２と外枠パターン１３は銅板からなり、本発明では両者を合わせて金属回路板と呼ぶ。一方、窒化珪素基板１１の他方の面（下面）には、これも銅板からなる放熱金属板１８が接合されており、放熱金属板１８の外周部には同じく縁部１９が設けられている。尚、金属回路板と放熱金属板ともに銅板に限るものではない。そして、外枠パターン１３上であって窒化珪素基板１１の四隅付近に外枠パターン１３と窒化珪素基板１１及び放熱金属板１８を貫通する貫通孔１４が設けられている。この貫通孔１４は窒化珪素配線基板１を放熱フィン等の冷却用部材に直接固定するための締結ボルト用の孔である。さて、このような窒化珪素配線基板１において、この基板接合面の総面積に対し３０％の面積にわたって外枠パターン１３を接合している。ここで図１の外枠パターン１３は、全周をＷ１、Ｗ２の幅で一様に連続形成したものであるが、パターン模様はこれに限るものではなく、例えば貫通孔周囲以外の幅は小さめに曲線で結ぶなど種々変更することが出来る。重要なことは上記した接合部の面積率を２０％以上とし、この外枠パターンを含む窒化珪素基板１１及び放熱金属板１８の三部材間に貫通孔を設けたことである。

さて、窒化珪素配線基板１の回路パターン１２、外枠パターン１３、放熱金属板１８および貫通孔１４の製造方法としては、まず、窒化珪素基板１１に貫通孔１４となる部位に孔を形成後、両面に活性金属ろう材を印刷形成し、窒化珪素基板１１とほぼ同じ長方形状の銅板を両面に７５０℃で加熱接合する。冷却後、非回路形成部１５と縁部１６、１９及び貫通孔に相当する部分の銅板をエッチングして取り除くことによって外枠パターン１３と貫通孔１４を形成している。また、他の製造方法としては、予め、プレス加工により回路パターン１２となる部分と外枠パターン１３となる部分を一部の連絡部で繋いだ一体ものの銅板を製造する。このとき貫通孔１４もプレス成形しておき、これらのパターン成形板を上記と同様に活性金属ろう材を印刷形成した窒化珪素基板１１に７５０℃で加熱接合し、最後に回路パターンと外枠パターンを繋ぐ連絡部を取り除いて窒化珪素配線基板１となすことも出来る。
ここで、窒化珪素基板１１の大きさは、幅４５ｍｍ、長さ６５ｍｍ、厚さ０．３ｍｍであり、銅回路パターン１２の大きさは、幅３３ｍｍ、長さ４８ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ、外枠パターン１３の大きさは、幅４３ｍｍ（Ｗ１＝４．０ｍｍ）ｍｍ、長さ６３ｍｍ（Ｗ２＝７．０ｍｍ）、厚さ０．５ｍｍ、非回路形成部１５の幅は１．５ｍｍ、縁部１６および１９の幅は１．０ｍｍ、放熱銅板の大きさは、幅４３ｍｍ、長さ６３ｍｍ、厚さ０．４ｍｍである。また、貫通孔の直径は６．０ｍｍとした。また、２０℃におけるヤング率が３１０ＧＰａの窒化珪素基板と、１３０ＧＰａの銅板がここでの窒化珪素配線基板の作製に用いられた。窒化珪素配線基板１のそりは表面粗さ計を用いて窒化珪素基板１１の対角線上１７で測定し、そのそりの大きさの最大値を対角線の長さで割った値をそり量とした。また、窒化珪素配線基板１を１０個作製し、実際にトルクレンチを用いて１５Ｎ・ｍで冷却部材へのボルトによるねじ止めを行い貫通孔１４周辺のクラック等の発生有無について調べた。

[実施例２〜４]
実施例１と同様の構造で、図１（ａ）の外枠パターン１３の幅Ｗ１、Ｗ２を変えて窒化珪素基板１１の接合面（上面）の全面積に対する外枠パターン１３の面積割合が異なる実施例の窒化珪素配線基板を作製した。窒化珪素配線基板の作製方法は実施例１と同様とし、同様にそり量とクラック等の有無を測定した。

[比較例１]
図２に比較例１である窒化珪素配線基板２の上面図を示す。この例では窒化珪素基板２１上には中央に半導体素子を搭載するための銅回路パターン２２のみが接合されている。窒化珪素配線基板２の四隅付近に窒化珪素配線基板２を放熱フィン等の冷却部材に接合するための貫通孔２４が設けられている。また、窒化珪素配線基板２の底面は図１（ｂ）に示す実施例１と同様の放熱金属板１８を設けた構造とした。さらに、窒化珪素基板、銅回路パターン、放熱銅板、貫通孔の大きさも実施例１と同様とした。窒化珪素配線基板２の作製方法は実施例１と同様とし、同様にそり量とクラック等の有無を測定した。尚、回路パターン、放熱金属板などの金属板は銅板を用いている。よって、銅回路パターン、外枠銅パターン、放熱銅板などと記載している（以下同様）。

[比較例２]
図３に比較例２である窒化珪素配線基板３の上面図を示す。窒化珪素基板３１上には中央に半導体素子を搭載するための銅回路パターン３２が接合されている。その外周部の対向する２辺には銅板の外枠銅パターン３３が接合されており、外枠銅パターン３３上の窒化珪素配線基板３の四隅付近に窒化珪素配線基板３を放熱フィン等の冷却部材に接合するための貫通孔３４が設けられている。また、窒化珪素配線基板３の底面は図１（ｂ）に示す実施例１と同様の放熱用銅板１８を設けた構造とした。さらに、窒化珪素基板、銅回路パターン、外枠銅パターン、放熱銅板、貫通孔の大きさも実施例１と同様とした。窒化珪素配線基板３の作製方法は実施例１と同様とし、同様にそり量とクラック等の有無を測定した。

［比較例３、４］
実施例１と同様の構造で、図１の外周部の外枠銅板１３の幅Ｗ１、Ｗ２を変えて窒化珪素基板１１の上面の総面積に対する外枠銅パターン１３の面積割合が異なる窒化珪素配線基板を作製した。即ち、実施例とは異なる面積割合の窒化珪素配線基板を作製した。尚、窒化珪素配線基板の作製方法は実施例１と同様とし、また同様にそり量とクラック等の有無を測定した。

表１に実施例１〜４及び比較例１〜４の窒化珪素配線基板の外周部に形成された外枠銅パターンの面積の窒化珪素基板の接合面（上面）の総面積に対する割合とそり量及びクラック等の発生有無を示す。尚、窒化珪素基板の接合面の総面積には貫通孔の面積は含まれていない（以下同様）。

実施例１〜４の結果から、図１のように構成された窒化珪素配線基板１で半導体素子を搭載するための回路パターン１２の外周部に全周を囲う外枠パターン１３を接合し、且つ前記外枠パターン１３の面積の割合を２０％以上とすること、望ましくは３０％以上とすることで、窒化珪素配線基板のそり量を８０μｍ／ｉｎｃｈ以下の小さい値とすることができることが分かった。また、貫通孔部に外枠パターンのない比較例１では貫通孔周辺にクラックの発生が見られたが、外枠パターンのあるその他の例ではクラック等の発生はなかった。
一方、比較例１および２のように半導体素子を搭載するための回路パターン１２の外周部に外枠パターンを接合しなかった場合や、その面積の割合が２０％未満である場合は、そり量が８０μｍ／ｉｎｃｈ以上の高い値となった。
以上より、外周部に設けた外枠パターンは貫通孔部の補強効果があると共に、窒化珪素配線基板の残留応力を低減し、そり量を低減することが出来ること、また、放熱板等への部材への接合の信頼性を高くすることができることがわかった。

[実施例５]
図４に実施例５である窒化珪素配線基板４の上面図を示す。窒化珪素基板４１上には中央に半導体素子を搭載するための銅回路パターン４２が接合されている。その外周部の４辺には外枠銅パターン４３ａ〜４３ｄが接合されており、外枠銅パターン４３ａと４３ｃの窒化珪素配線基板４の四隅付近に窒化珪素配線基板４を放熱フィン等の冷却部材に接合するための貫通孔４４が設けられている。銅回路パターン４２と外枠銅パターン４３ａ及び４３ｃの間に直線状に設けられた非回路形成部４５ａ及び４５ｃが窒化珪素配線基板４の縁部４６まで繋がっている。また、窒化珪素配線基板４の底面は図１（ｂ）に示す実施例１と同様の放熱銅板１８を設けた構造とした。さらに、窒化珪素基板、銅回路パターン、放熱銅板、貫通孔の大きさも実施例１と同様とした。外枠銅パターン４３ａ〜４３ｄの面積の合計の窒化珪素基板の上面の全面積に対する割合は２８％とした。窒化珪素配線基板４の作製方法は実施例１と同様とし、同様にそり量とクラック等の有無を測定した。

[実施例６]
図５に実施例６である窒化珪素配線基板５の上面図を示す。窒化珪素基板５１上には中央に半導体素子を搭載するための銅回路パターン５２が接合されている。その外周部の４ヶ所には外枠銅パターン板５３ａ〜５３ｄが接合されており、外枠銅パターン５３ａ〜５３ｄの窒化珪素配線基板５の四隅付近に窒化珪素配線基板５を放熱フィン等の冷却部材に接合するための貫通孔５４が設けられている。銅回路パターン５２と外枠銅パターン５３ａ〜５３ｄの間に直線状に設けられたいずれの非回路形成部５５ａ〜５５ｄも直線状に窒化珪素配線基板５の縁部５６までは繋がっていない。また、窒化珪素配線基板５の底面は図１（ｂ）に示す実施例１と同様の放熱銅板１８を設けた構造とした。さらに、窒化珪素基板、銅回路パターン、放熱銅板、貫通孔の大きさも実施例１と同様とした。外枠銅パターン５３ａ〜５３ｄの面積の合計の窒化珪素基板の上面の総面積に対する割合は２８％とした。窒化珪素配線基板５の作製方法は実施例１と同様とし、同様にそり量とクラック等の有無を測定した。

実施例５および実施例６では面積率２８％の外枠銅パターンを設けているため、そり量はそれぞれ６８μｍ／ｉｎｃｈおよび７０μｍ／ｉｎｃｈと共に低い値となった。また、貫通孔部に外枠銅パターンが形成されているため、クラック等の発生もなかった。一方、図６に実施例５のそりの形状６１および実施例６のそりの形状６２を示す。実施例５では６３ａおよび６３ｂの辺りに局所的に上に凸となる部分があるそりの形状６１となっている。この凸となる部分は銅回路パターン４２の端部に符合する。一方、実施例６では局所的な凹凸が目立たない比較的平坦なそりの形状６２となっている。そりの形状に局所的な凹凸がある場合、その場所に応力が集中するため、窒化珪素配線基板の信頼性が低下する。また、放熱フィン等の冷却用部材への接合する際に、局所的な凹凸がある部分で密着性が悪くなり、接合の信頼性もまた放熱性も低下する。面積率２０％以上の外枠銅パターンが形成されている場合でも、銅回路パターン４２と外枠銅パターン４３ａ及び４３ｃの間に直線状に設けられた非回路形成部４５ａ及び４５ｃが窒化珪素配線基板４の縁部４６まで繋がっている実施例５のような構造より、実施例６のように銅回路パターン５２と外枠銅パターン５３ａ〜５３ｄの間に直線状に設けられたいずれの非回路形成部５５ａ〜５５ｄも直線状に窒化珪素配線基板５の縁部５６までは繋がっていない構造とすることで、より好ましいそりの形状とすることができる。

[実施例７]
実施例１と同様の構造で、図１の外枠銅パターン１３の幅Ｗ１、Ｗ２を変えて、非回路形成部１５の幅を変えた窒化珪素配線基板を作製した。尚、窒化珪素配線基板の作製方法は実施例１と同様とし、また同様にそり量とクラック等の有無を測定した。

[比較例５]
比較例２と同様の構造で、図３の外枠銅パターン３３の幅を変えて、非回路形成部３５の幅を変えた窒化珪素配線基板を作製した。尚、窒化珪素配線基板の作製方法は実施例１と同様とし、また同様にそり量とクラック等の有無を測定した。

表２に実施例１および７と比較例３〜５の窒化珪素配線基板の外周部に形成された外枠銅パターンの面積の窒化珪素基板の上面の全面積に対する割合、非回路形成部の幅とそり量及びクラック等の発生有無を示す。

実施例１および実施例７の結果から、図１のように構成された窒化珪素配線基板１で半導体素子を搭載するための銅回路パターン１２の外周部に全周を囲う外枠銅パターン１３を接合し、非回路形成部分１５の幅が３．５ｍｍ以下の小さい値のため、前記外枠銅パターン１３の面積の割合を３０％以上となり、窒化珪素配線基板のそり量を６０μｍ／ｉｎｃｈ程度の小さい値とすることができた。また、貫通孔周辺に外枠銅パターンが設けられているため、クラック等の発生はなかった。
一方、比較例３および４の非回路形成部の幅は一定ではなく、表２に示されたように幅の異なる２種類の非回路形成部が設けられているが、そのうちの一つの非回路形成部分の幅は３．５ｍｍ以上となっている。この場合、比較例３および４のように外枠銅板の面積の割合が２０％以下の小さい値となるため、そり量が８０μｍ／ｉｎｃｈ以上の大きい値となってしまうのである。
また、図７に実施例７のそりの形状７１および比較例５のそりの形状７２を示す。このように比較例５では７３ａおよび７３ｂの辺り（非回路形成部周辺）に局所的に上に凸となる部分があるそりの形状７２となる。一方、実施例７では非回路形成部の幅が０．７ｍｍ以上あるため局所的な凹凸が目立たない比較的平坦なそりの形状７１となっている。そりの形状に局所的な凹凸がある場合、その場所に応力が集中するため、窒化珪素配線基板の信頼性が低下する。また、放熱フィン等の冷却部材への接合する際に、局所的な凹凸がある部分で密着性が悪くなり、接合の信頼性ももまた放熱性も低下する。比較例５では面積率２０％以上の外枠銅パターンが形成されておらず、そり量についても８０μｍ／ｉｎｃｈの高い値となっているが、非回路形成部の幅も０．７ｍｍ以下の低い値のため、上記局所的な凸部発生の点でも窒化珪素配線基板として好ましくない。

[実施例８]
図８に実施例８である窒化珪素配線基板８の底面図を示す。窒化珪素基板８１の底面には縁部８６および貫通孔８４を除く全体に放熱銅板８８が接合されている。縁部８９の幅は１．５ｍｍとした。また、窒化珪素配線基板９の上面は図１（ａ）に示す実施例１と同様の銅回路パターン１２および外枠銅パターン１３を設けた構造とした。さらに、窒化珪素基板、銅回路板、貫通孔の大きさ、放熱銅板の厚さも実施例１と同様とした。また、窒化珪素配線基板８の作製方法は実施例１と同様とし、同様にそり量とクラック等の有無を測定した。

実施例８では外枠銅パターンを設けているため、そり量は５３μｍ／ｉｎｃｈと低い値となった。また、貫通孔部に外枠銅パターンが形成されているため、クラック等の発生もなかった。また、図９に実施例８のそりの形状を示すように、実施例８では９３ａ及び９３ｂの窒化珪素配線基板の角部が上に向いたそりの形状となった。一方、図６に示した実施例５および６の窒化珪素配線基板のそりの形状では角部が下に向いたそりの形状となっている。窒化珪素配線基板の角部が下に向いたそりの形状をしている場合、放熱フィン等の冷却部材へ接合する際に角部に応力が集中するため、角部にクラックが入る等の不具合が起こる可能性があり、窒化珪素配線基板の放熱フィン等の冷却部材への接合の信頼性が低下する。これに対して、本実施例のように角部のそりが上に向くようにすることにより、ねじ部材を締付けた際に応力集中を避けて締結することが出来る。外枠銅パターンが接合され、そり量が低減されている本発明の構造であっても、実施例８のように図９に示す底面の縁部８９の幅（１．５ｍｍ）を図１（ａ）に示す上面側の縁部１６の幅（１．０ｍｍ）よりも大きくとることで、換言すれば外枠パターンの外周端よりも放熱金属板の外周端が内側に位置する構造とすることで、窒化珪素配線基板の角部が上に向いたより好ましいそりの形状とすることができる。

[実施例９]
実施例１と同様の構造で、図１（ｃ）に示す窒化珪素基板１１の厚さ、銅回路パターン１２及び外枠銅パターン１３の厚さ、および放熱銅板２２の厚さのみを変えた窒化珪素配線基板を作製した。窒化珪素基板１１の厚さは０．２０ｍｍ、銅回路パターン１２および外枠銅パターン１３の厚さは０．４０ｍｍ、放熱銅板２２の厚さは０．３０ｍｍとした。そして、窒化珪素基板１１の２０℃でのヤング率Ｅ1と厚みｔ1の三乗の積Ｅ1ｔ1^３をａ、銅回路パターン１２と外枠銅パターン１３の２０℃でのヤング率Ｅ2と厚みｔ2の三乗の積Ｅ2ｔ2^３をｂ、放熱銅板の２０℃でのヤング率Ｅ3と厚みｔ3の三乗の積Ｅ3ｔ3^３をｃとしたとき、ａ×ｂ×ｃ／（ａ×ｂ＋ｂ×ｃ＋ａ×ｃ）で表せる値は１．２（Ｎ・ｍ）となった。ここで、実施例１ではａ×ｂ×ｃ／（ａ×ｂ＋ｂ×ｃ＋ａ×ｃ）の値は３．３（Ｎ・ｍ）である。尚、窒化珪素配線基板の作製方法は実施例１と同様とし、また同様にそり量とクラック等の有無を測定した。

[比較例６]
比較例４と同様の構造で、図１（ｃ）に示す窒化珪素基板１１の厚さ、銅回路パターン１２及び外枠銅パターン１３の厚さ、および放熱銅板２２の厚さのみを変えた窒化珪素配線基板を作製した。窒化珪素基板１１の厚さは０．１８ｍｍ、銅回路パターン１２および外枠銅パターン１３の厚さは０．３８ｍｍ、放熱銅板１８の厚さは０．２８ｍｍとした。上記と同様に窒化珪素配線基板を構成する窒化珪素基板、銅回路板および放熱銅板のヤング率：Ｅと厚み：ｔの三乗の積Ｅｔ^３をそれぞれａ、ｂおよびｃとした場合のａ×ｂ×ｃ／（ａ×ｂ＋ｂ×ｃ＋ａ×ｃ）の値は１．０（Ｎ・ｍ）となった。尚、窒化珪素配線基板の作製方法は実施例１と同様とし、また同様にそり量とクラック等の有無を測定した。

表３に実施例１と実施例９及び比較例４、比較例６の窒化珪素配線基板の外周部に形成された外枠銅パターンの面積の窒化珪素基板の上面の全面積に対する割合、窒化珪素基板、銅回路板および放熱銅板のヤング率：Ｅと厚み：ｔの三乗の積Ｅｔ^３をそれぞれａ、ｂおよびｃとした場合のａ×ｂ×ｃ／（ａ×ｂ＋ｂ×ｃ＋ａ×ｃ）の値とそり量及びクラック等の発生有無を示す。

実施例１と９の結果から、図１（ｃ）のように構成された窒化珪素配線基板１で半導体素子を搭載するための銅回路パターン１２の外周部に全周を囲う外枠銅パターン１３を接合した構造の窒化珪素配線基板において、窒化珪素配線基板を構成するの窒化珪素基板１１、銅回路板１２および放熱銅板１８のヤング率：Ｅと厚み：ｔの三乗の積Ｅｔ^３をそれぞれａ、ｂおよびｃとした場合のａ×ｂ×ｃ／（ａ×ｂ＋ｂ×ｃ＋ａ×ｃ）の値を１．２（Ｎ・ｍ）以上とすることで、窒化珪素配線基板のそり量を８０μｍ／ｉｎｃｈ以下の小さい値とすることができることが分かった。一方、比較例６では半導体素子を搭載するための銅回路パターンの外周部に設けた外枠銅パターンの面積の割合が２０％未満であり、また、ａ×ｂ×ｃ／（ａ×ｂ＋ｂ×ｃ＋ａ×ｃ）の値が１．２（Ｎ・ｍ）以下であるため、そり量が１００μｍ／ｉｎｃｈ以上の高い値となった。また、いずれの例も貫通孔部に外枠銅パターンが形成されているため、クラックの発生はなかった。以上より、外周部に外枠銅パターンを設けた窒化珪素配線基板において、窒化珪素基板、銅回路板および放熱銅板のヤング率：Ｅと厚み：ｔの三乗の積Ｅｔ^３をそれぞれａ、ｂおよびｃとした場合のａ×ｂ×ｃ／（ａ×ｂ＋ｂ×ｃ＋ａ×ｃ）の値が１．２（Ｎ・ｍ）以上となるように、窒化珪素配線基板を構成することで、そり量を低減することが出来ること、また、放熱板等への部材への接合の信頼性を高くすることができることがわかった。

次に、図１０に示した半導体モジュール１０を作製した。窒化珪素配線基板として上記実施例１〜８と比較例１〜４の窒化珪素配線基板を用いて、半導体素子１０６を銅回路パターン１０１上に半田接合し、ワイヤボンディング１０７を施し、樹脂ケース１０８に窒化珪素配線基板を接着することで半導体モジュール１０を得た。半導体モジュール１０の端部には冷却用部材（銅製放熱フィン）１０５に直接締結固定するための貫通孔１０４が設けられている。各窒化珪素基板ごとに１０個の半導体モジュールを作製し、熱抵抗を測定後、−４０℃〜１２５℃でヒートサイクル試験を３０００サイクル行った。ヒートサイクル試験後、再び熱抵抗を測定し、また、窒化珪素配線基板のクラック発生の有無を確認した。熱抵抗測定は以下のように行った。半導体モジュールを高熱伝導グリースを介して２０℃に設定した水冷銅ジャケット上に設置し、半導体モジュールに電流１４Ａを投入し１秒後の半導体素子にかかる電圧の変化を測定した。あらかじめ、測定しておいた半導体素子の温度と電圧の関係から素子温度の上昇値を求めることにより熱抵抗を測定した。

表４に実施例１〜８及び比較例１〜４の窒化珪素配線基板を用いて作製した半導体モジュールのヒートサイクル試験前の窒化珪素配線基板のそり量および熱抵抗と、ヒートサイクル試験後のクラックの発生の有無および熱抵抗を示す。

実施例１〜８のように、半導体素子を搭載するための銅回路パターンの外周部に外枠銅パターンを接合した構造のそり量が８０μｍ／ｉｎｃｈ以下の窒化珪素配線基板を用いて作製した半導体モジュールでは、ヒートサイクル試験を行った後でも熱衝撃による窒化珪素配線基板上へのクラックの発生は見られなかった。一方、比較例１〜４のように上記外枠銅パターンが形成されていないか、もしくはその面積の割合が２０％未満の窒化珪素配線基板を用いて作製した半導体モジュールでは、耐熱衝撃性が不十分でありヒートサイクル試験後に窒化珪素配線基板上にクラックが発生する半導体モジュールがあった。また、実施例１〜８の窒化珪素配線基板を用いた半導体モジュールではヒートサイクル試験の前後の熱抵抗に顕著な差は見られなかった。一方で、特にそり量が９５μｍ／ｉｎｃｈ以上と大きい比較例１〜３の窒化珪素配線基板を用いて作製した半導体モジュールではヒートサイクル試験前の熱抵抗に対して、ヒートサイクル試験後の熱抵抗では３０％以上の上昇が見られた。以上のように、本発明によれば例えば実施例１〜８のようなそり量の少ない窒化珪素配線基板を用いることで、熱衝撃に強く、信頼性の高い半導体モジュールを提供することができた。

本発明の実施例１の窒化珪素配線基板の形態を示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は底面図、（ｃ）は側面図である。 従来の比較例１の窒化珪素配線基板の形態を示す上面図である。 従来の比較例２の窒化珪素配線基板の形態を示す上面図である。 本発明の実施例５の窒化珪素配線基板の形態を示す上面図である。 本発明の実施例６の窒化珪素配線基板の形態を示す上面図である。 本発明の実施例５及び実施例６の窒化珪素配線基板のそりの形状を示す図である。 本発明の実施例７及び比較例５の窒化珪素配線基板のそりの形状を示す図である。 本発明の実施例８の窒化珪素配線基板の形態を示す底面図である。 本発明の実施例８の窒化珪素配線基板のそりの形状を示す図である。 本発明および従来の窒化珪素配線基板を用いた半導体モジュールの形態を示す側面図である。 従来の窒化珪素配線基板を用いた半導体モジュールの形態を示す側面図である。

符号の説明

１、２、３、４、５、８、１０９：窒化珪素配線基板
１１、２１、３１、４１、５１、８１：窒化珪素基板
１２、２２、３２、４２、５２：回路パターン
１３、３３、４３ａ、４３ｂ、４３ｃ、４３ｄ、５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄ：外枠パターン
１８、８８：放熱銅板
１４、２４、３４、４４、５４、８４：貫通孔
１５、３５、４５ａ、４５ｃ、５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｄ：非回路形成部
１６、１９、４６、５６、８９：縁部
１７：対角線
１０、１１：半導体モジュール
１０５、１１５：冷却用部材
１０６、１１６：半導体素子
１０７、１１７：ワイヤボンディング
１０８：樹脂ケース

Claims (7)

1. 窒化珪素基板と、この窒化珪素基板の一面に接合された金属回路板と、窒化珪素基板の他面に接合された放熱金属板とからなる窒化珪素配線基板において、前記金属回路板は、半導体素子を搭載するための回路パターンとその外周部に形成した外枠パターンとを含み、当該外枠パターンと前記窒化珪素基板及び放熱金属板を貫く貫通孔を設けると共に、前記外枠パターンの接合面積を前記窒化珪素基板の接合面の総面積の２０％以上としたことを特徴とする窒化珪素配線基板。
2. 前記半導体素子を搭載するための回路パターンの外周に非回路形成部を設け、この非回路形成部の全周を囲うように外枠パターンを連続的に形成したことを特徴とする請求項１記載の窒化珪素配線基板。
3. 前記半導体素子を搭載するための回路パターンの外周に非回路形成部を設け、直線状に形成された非回路形成部は、当該窒化珪素基板の外縁部まで直接的に繋がっていないことを特徴とする請求項１記載の窒化珪素配線基板。
4. 前記非回路形成部の幅が０．７ｍｍ以上３．５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の窒化珪素配線基板。
5. 前記外枠パターンの外周端よりも前記放熱金属板の外周端が内側に位置していることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の窒化珪素配線基板。
6. 前記窒化珪素基板の２０℃でのヤング率Ｅ1と厚みｔ1の三乗の積Ｅ1ｔ1^３をａ、前記金属回路板の２０℃でのヤング率Ｅ2と厚みｔ2の三乗の積Ｅ2ｔ2^３をｂ、前記放熱金属板の２０℃でのヤング率Ｅ3と厚みｔ3の三乗の積Ｅ3ｔ3^３をｃとしたとき、
   ａ×ｂ×ｃ／（ａ×ｂ＋ｂ×ｃ＋ａ×ｃ）の値が１．２（Ｎ・ｍ）以上であることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の窒化珪素配線基板。
7. 請求項１〜６の何れかに記載の窒化珪素配線基板とこの窒化珪素配線基板に搭載された半導体素子からなる半導体モジュール。

Images