JP2008041752A - 半導体モジュールおよび半導体モジュール用放熱板 - Google Patents

Abstract

【課題】高い放熱効率および耐久性を兼ね備え、搭載する半導体チップを大電力で動作させることのできる半導体モジュールを提供することを目的とする。
【解決手段】半導体チップとこの半導体チップの両面から放熱するための一対の放熱基板とを備えた半導体モジュールであって、前記放熱基板はセラミックス基板の両面に銅板もしくは銅合金板をろう材により接合してなり、前記放熱基板および前記半導体チップのほぼ全体がモールド樹脂で覆われている半導体モジュール。
【選択図】図１

Description

本発明は、主に大電力で動作する半導体チップを搭載する回路基板、およびこれを用いた半導体モジュールの構造に関する。

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（例えばＩＧＢＴモジュール）が用いられている。こうした半導体モジュールにおいては、半導体チップが自己の発熱によって高温になるため、その放熱を効率よく行なうという機能が要求される。このため、この半導体モジュールにおいて、半導体チップを搭載する放熱基板としては、機械的強度が高く、熱伝導率の高いセラミックス基板で絶縁し、これに金属板を接合したものが広く使用されている。ここで、金属板はセラミックス基板の両面に接合され、その一面は金属回路板となり、他面は金属放熱板となる。金属回路板は、半導体チップに電気的に接続される配線としても機能する。

金属回路板は配線として機能するため、セラミックス基板には高い絶縁性も要求され、金属回路板には、低い電気抵抗率も要求される。このため、セラミックス基板としては、窒化アルミニウム（熱伝導率が１７０Ｗ／ｍ／Ｋ程度）、金属板としてはアルミニウム（熱伝導率が２４０Ｗ／ｍ／Ｋ程度、電気抵抗率が３．５×１０^−８Ω・ｍ）が用いられた。しかしながら、窒化アルミニウムはその機械的強度が不充分であるため、近年はより機械的強度の高い窒化珪素（熱伝導率が９０Ｗ／ｍ／Ｋ程度）が代わりに用いられている。また、金属板としては、より高い熱伝導率と低い電気抵抗率をもつ銅または銅合金（熱伝導率が３００Ｗ／ｍ／Ｋ程度、電気抵抗率が１．７×１０^−８Ω・ｍ程度）が好ましく用いられている。

この回路基板上の金属回路板に半導体チップが接合され、半導体モジュールが形成される。金属回路板は、セラミックス基板の一面においてその全面を覆うことはなく、所定の配線パターンに加工される。一方、金属放熱板は、放熱を目的としてセラミックス基板に接合されている。そのため、セラミックス基板の他面においてほぼその全面を覆って形成される。また、実際にこの半導体モジュールが機器に搭載されるに際しては、この放熱板が、同様に熱伝導率の高い材料からなる放熱ベースに接合される。同一の金属板を金属放熱板と放熱ベースを兼ねてセラミックス基板に接合することもできる。この場合、セラミックス基板の一面には金属回路板が形成され、他面にはセラミックス基板よりも大きな面積を持った金属板が接合された形態となる。

この半導体モジュールを含む機器がＯＮの場合には半導体チップが高温となり、ＯＦＦの場合には常温となる。さらに、寒冷地においては−２０℃程度の厳寒な条件に至ることもある。従って、通常の使用において、この半導体モジュールは、多数回の冷熱サイクルにさらされる。この半導体モジュールを構成する半導体チップ、セラミックス基板、金属放熱板（銅板）等の熱膨張率は異なる（例えば、半導体チップを構成するシリコンの熱膨張係数は３．０×１０^−６／Ｋ、銅は１７×１０^−６／Ｋ、窒化珪素は２．５×１０^−６／Ｋ程度）ため、これらを接合した場合、この冷熱サイクルに際しては、この熱膨張差に起因した歪みが発生する。この歪みの大きさや方向は、このサイクル中で変化する。このため、この半導体モジュールにおいては、冷熱サイクルによって、セラミックス基板や半導体チップが割れたり、半導体チップと金属回路板との接続部が破断することがあった。従って、この歪みによってこの半導体モジュールの冷熱サイクルに対する耐久性が劣化する。また、破壊を生じない場合でも、高温において放熱ベースとの接合部分で大きな反りが生ずると、熱伝導が悪くなり、放熱効率が低下する。

また、一般に、セラミックス基板と、金属回路板や金属放熱板となる金属板との接合はろう付けを用いて行われる。この接合に要する温度は、例えば、Ａｇ−Ｃｕ系ろう材を用いた場合には、７００℃以上であるため、この接合後に常温に戻った状態においては、この方法で製造された回路基板は、反りを生じている。従って、この回路基板を放熱ベースに接合して使用する場合、特に高温の場合でなくとも、これによって放熱効率が低下することがある。

こうした反りや冷熱サイクルに対する耐久性の劣化を改善するために、その構成を工夫した各種の回路基板または半導体モジュールが提案されている。

特許文献１には、さらにモールド樹脂までも含めた半導体モジュールの構造において、各構成要素の材料、構造を最適化して歪みを減少させ、高い耐久性を得ることができることが記載されている。この半導体モジュールの構造断面図を図１９に示す。この半導体モジュール３１においては、厚い金属ブロック３２がこの半導体モジュールの基体として形成されており、半導体チップ３３がフレーム３４を介して金属ブロック３２に接合されている。半導体チップ３３からの配線は、リード３５とボンディングワイヤ３６を介して、外部のケース３７に形成された外部端子３８と接続される。これらの構造はモールド樹脂３９で覆われている。ここで、金属ブロック３３とモールド樹脂３９の熱膨張係数は近いものとなっている。これらの構造の下部には、放熱ベース（図示せず）との間の絶縁を保つために絶縁基板（セラミックス基板）４０が接合される。ここでは、半導体モジュール３１の基体を熱伝導率の高い金属ブロック３２とし、配線は主にこの半導体パッケージ３１の外部に形成される。また、この半導体装置において複数の半導体チップがある場合、以上の構造の半導体パッケージ３１を半導体チップ毎に形成することによって、これらの熱膨張差に起因した歪みが低減される。絶縁基板３９はモールド樹脂３８を形成した後で例えば銀ペースト等によって低温で接合されるため、絶縁基板３９と金属ブロック３２等との熱膨張係数差に起因する歪みは常温ではほとんど生じない。以上により、この半導体装置においては、高い放熱特性と冷熱サイクルに対する高い耐久性を得ていた。

特許文献２には、モールド樹脂した半導体モジュールにおいて、半導体チップの上下面に放熱板を配置し、半導体チップの両面から半導体チップからの発熱を放熱することにより、さらに放熱性を高める構造が開示されている。

特許文献３に記載の回路基板においては、金属回路板と金属放熱板に熱膨張係数の異なる材料とした。

さらに、特許文献４においては、これらをセラミックス基板に接合する方法や、その接合に用いるろう材の種類や厚さを金属回路板と金属放熱板で異なるものとした。これによって、熱膨張差に起因する歪みを減少させ、高い耐久性を得ることができた。
特開２００３−１００９８７号公報 特開２００５−１２３２３３号公報 特開平７−４５９１５号公報 特開２００４−２０７５８７号公報

しかしながら、近年のパワー半導体モジュールにおいては、その大電力化はさらに顕著になり、これらが使用される装置も、例えば電動自動車等、多岐にわたっている。この際、耐久性と放熱特性に加えて、この回路基板上の配線が大電力動作に適応することが求められる。すなわち、この配線が数百Ａ以上の大電流かつ数百Ｖ以上の大電圧に耐えるものである必要がある。このためには、配線（金属回路板）が低抵抗であることと、この配線と放熱ベース（機器）との間の絶縁性が高いことを確保し、かつ放熱性に優れた高信頼性モジュールが必要とされている。

特許文献１に記載の半導体モジュールにおいては、モールド樹脂が劣化しない程度の低温で絶縁基板を接合する必要がある。この際には、高温を要するろう付け等の手法を用いることは不可能であり、銀ペーストや接着剤が代わりに用いられる。これらを用いた場合には、接合の機械的強度が不充分であったり、この部分の熱抵抗が増大する。従って、半導体チップから金属ブロックまでの熱伝導は良好であるが、金属ブロックから外部の放熱効率は高くない。また、絶縁基板自身の絶縁耐圧が充分であっても、接合後の絶縁基板上ではこの銀ペースト等の存在のため、あるいは機械的強度が弱いために絶縁耐圧が劣化する。従って、この半導体モジュールを大電圧で動作させることは困難である。

特許文献２におていは、半導体チップの両面に放熱板を配置することにより、半導体チップおよび放熱板より構成される半導体モジュール単体としての放熱性には優れているが、放熱板に絶縁性がないために、熱を放散する冷却機に半導体モジュールを取り付ける際にセラミックス等の絶縁基板を介して冷却機にボルト締め等で取り付けられる。熱伝達を確保するためボルト締めに際してはグリース等を接続面に塗布してから取り付けられるが、グリースの熱伝導率は高々数Ｗ／ｍＫしかないため、この締結部分で放熱性は大幅に低下してしまう。

特許文献３、４に記載の回路基板においては、金属回路板と金属放熱板に熱膨張係数の異なる材料を用いるという制限がある。金属回路板の低抵抗化の観点からは、金属回路板の材料としては、電気抵抗率の小さな銅または銅合金が好ましい。また、回路基板の製造工程を単純化するためには、金属放熱板も同様に銅または銅合金であることが好ましい。しかしながら、特許文献３，４に記載の回路基板においては、両方に銅または銅合金を用いることは困難である。すなわち、配線（金属回路板）の低抵抗化は困難である。

本発明は、斯かる問題点に鑑みてなされたものであり、高い放熱効率および耐久性を兼ね備え、搭載する半導体チップを大電力で動作させることのできる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、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
請求項１記載の発明の要旨は、半導体チップとこの半導体チップの両面から放熱するための一対の放熱基板とを備えた半導体モジュールであって、前記放熱基板はセラミックス基板の両面に銅板もしくは銅合金板をろう材により接合してなり、前記放熱基板および前記半導体チップのほぼ全体がモールド樹脂で覆われていることを特徴とする半導体モジュールに存する。

請求項２記載の発明の要旨は、前記放熱基板の熱膨張係数が ６〜１４×１０^−６／Ｋ、の範囲であることを特徴とする放熱基板に存する。

請求項３記載の発明の要旨は、前記放熱基板に接合された金属板の厚さがＴ_１、Ｔ_２としたとき1.0≦Ｔ_１＋Ｔ_２≦５.0mmであることを特徴とした請求項１記載の放熱基板に存する。

請求項４記載の発明の要旨は、前記放熱基板に一方の面に接合された銅板もしくは銅合金板の軟化点温度が、前記放熱基板の他方の面に接合された銅もしくは銅合金板の軟化点温度が異なり、かつ厚みが異なることを特徴とする請求項１〜３記載の放熱基板に存する。

請求項５記載の発明の要旨は、前記セラミックス板が窒化珪素セラミックスであることを特徴とする請求項１乃至４
のいずれか１項に記載の回路基板に存する。

請求項６記載の発明の要旨は、前記モ−ルド樹脂の熱膨張係数が２５（×１０^−６／Ｋ）以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュールに存する。

本発明は以上のように構成されているので、高い放熱特性と冷熱サイクルに対する高い耐久性を兼ね備え、搭載する半導体チップを大電力で動作させることのできる半導体モジュールを得ることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る半導体モジュールは、高い放熱特性と冷熱サイクルに対する高い耐久性を有する。特に、半導体モジュールが実際に機器に搭載された状態において、その放熱特性と耐久性を高くしている。また、金属回路板の低抵抗化および放熱ベースとの間の高い絶縁耐圧を得ることによって、搭載する半導体チップの大電力での動作を可能としている。この半導体モジュールの断面図が図１である。この半導体モジュール８においては、半導体チップ２の両面に放熱基板１がはんだ９を介して接合されている。放熱基板１を構成するセラミックス板４の一面に厚さＴ_１の金属板３が、他面に厚さＴ_２の金属板５が、それぞれろう材（図示せず）を介して接合されている。
従来技術では放熱経路が半導体チップの一面のみ、もしくは両面からの場合でもグリース等の熱伝導率は小さい部材を介して放熱していたため、その放熱性は不充分であったが、本発明では放熱経路は半導体チップの上下２面から可能であり、かつ、グリース等の低熱伝導部材を介さないため、高放熱性を確保することができる。

半導体チップ２は、例えばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）のような半導体デバイスが形成されたシリコンチップである。特にこの半導体デバイスは、大電力で動作するものとすることができる。これによる発熱がこの放熱基板１によって放熱される。また、半導体チップ２と配線となる金属板３との電気的接続は、ボンディングワイヤ（図示せず）を用いてもよいし、フリップチップ接続を用いることにより、はんだ等のバンプにより行ってもよい。さらには、半導体素子との接合信頼性（パワーサイクル特性）を向上させるため、銅および銅合金あるいは、銅とインバーとのクラッド材からなるリード板による接合を行ってもよい。

はんだ層９は、例えば、Ｓｎ−５％Ｐｂはんだであり、その融点は２７０℃程度である。従って、これを用いて半導体チップ６と金属回路板３と２９０℃程度の温度で接合することができる。また、環境対応下Ｓｎ−３％Ａｇ、Ｓｎ−３％Ａｇ−０．５％Ｃｕ、Ｓｎ−５％ＢｉなどのＰｂフリーはんだを用いることが望ましい。この接合温度はろう材の融点よりも大幅に低いため、この接合に際しては金属板３および金属板５とセラミックス板４との接合に影響を与えることはない。このはんだ層９は、冷熱サイクルに際しては、上記の半導体チップ２と金属板３との熱膨張差によって内部応力が加わった状態となる。フリップチップ接続を用いた場合には、このはんだ層９によって半導体チップ２と金属板３との電気的接続もなされる。

モールド樹脂６は、例えばエポキシ樹脂であり、以上の構造のほぼ全体を覆うように形成され、少なくとも、半導体チップ２、はんだ層９、金属板３を覆う絶縁物である。この熱膨張係数の値は前記の銅の熱膨張係数に近い。この形成方法は、例えば、液体状のモールド樹脂材料中に半導体チップ２が接合された放熱基板１を浸たした後にこれを硬化させることによってなされる。モールド樹脂６の耐熱温度は例えば２５０℃程度と低いため、モールド樹脂６が形成された後にはこれよりも高い温度の工程が不要となるような製造方法を用いる。

放熱基板を構成する金属板３と金属板５はどちらも銅または銅合金の１種であり、一方の金属板の軟化点温度が他方の金属板の軟化点温度よりも高い材質を用いた場合には厚みの異なる金属板で構成することができる。半導体チップとの接合面での放熱性が要求される場合には、半導体チップに接する金属板３の厚みを厚くして放熱性を高めたり、或いは接合面で細かい回路パターンをエッチング等で金属板３上に形成する必要がある時には金属板３の厚みを薄くして回路パターンを形成し、金属板５を厚くして放熱性を高めるため、金属板３，５の厚みを可変することが可能となる。

同じ材質の銅もしくは銅合金材質を用いて、厚みの異なる銅もしくは銅合金板を金属板３，５とした場合、放熱基板１はろう付後に大きな反りが生じて半導体チップ等の他の部材に接合する際に、その接合部分に空隙が生じて熱伝達が不充分となる。

厚みの異なる金属板３，５として薄い金属板には軟化点温度の高い銅、もしくは銅合金を、厚い金属板には軟化点温度の低い銅、もしくは銅合金を用いると反りの少ない放熱板１をえることができる。

軟化点温度は以下の通りに定義される。銅または銅合金に保持時間１時間の熱処理を加えてビッカース硬度を測定する。この硬度と熱処理温度との関係を測定すると、温度の上昇に伴って、急激に硬度が減少し、硬度は常温時よりも低い値で飽和値をとる。このほぼ飽和値をとる温度が軟化点温度であり、具体的には、常温からの硬度の変化量が、常温での硬度とこの飽和値との差分の９５％となった温度を軟化点温度とした。

セラミックス板４としては、高い熱伝導率、絶縁性、および機械的強度を有し、厚い金属回路板３を接合できる材料として、各種のものを用いることができる。中でも、窒化珪素セラミックスが特に好ましい。具体的には、熱伝導率が９０Ｗ／ｍ／Ｋ程度以上、３点曲げ強度が７００ＭＰａ程度以上、破壊靱性値が６ＭＰａ・ｍ^１／２程度以上である窒化珪素セラミックスが好ましい。熱伝導率がこれよりも小さい場合には回路基板の熱抵抗が大きくなることがある。３点曲げ強度や破壊靱性値がこれよりも小さな場合には、回路基板の製造時や冷熱サイクルによって発生する歪みによってクラックが発生する可能性がある。例えば、その厚さは０．３ｍｍであり、大きさは３０ｍｍ×５０ｍｍである。特にその大きさについてはその用途によって適宜決定される。さらに放熱性を向上させるためには、その厚さは、０．２ｍｍあるいは０．１ｍｍとすることが望ましい。

金属板３、５は銅または銅合金であり、セラミックス板４の両面に形成されている。金属板３は搭載される半導体チップもしくは半導体チップに接合された放熱ブロックと接続されている。また、金属板３は半導体チップとこの回路基板１との接点となるため、半導体チップからの熱を伝導させ、その放熱も行なう。また、半導体チップと電気的な接続を行うこともあり、必要によってはエッチング等により、パターニングされることもある。また、はんだ濡れ性の確保やワイヤボンディングを容易にするために、金属板３、５の最表面にはＮｉ−Ｐメッキが施してあることが好ましい。

金属板３および５として用いられる銅または銅合金の例について、その種類および軟化点温度、熱伝導率、熱膨張係数、ヤング率を示したのが表１である。ここでは無酸素銅としてＡ、Ｂの２種類と、銅合金としてＣ〜Ｇの５種類を例として示した。ここでは参考としてセラミックス板４となる窒化珪素セラミックスについての値も示してある。ここに示したものは一例であるが、図２にその熱伝導率と軟化点温度の関係を示すように、無酸素銅を含めた一般的な傾向として、軟化点温度が高い材料ほど熱伝導率が低い。銅合金の軟化点温度を制御することは、銅にニッケル（Ｎｉ）、スズ（Ｓｎ）および鉄（Ｆｅ）などを微量添加し、熱処理にともなう再結晶粒子の成長を抑制することで達成される。この場合、銅の結晶粒子中に添加元素が固溶し、結晶自身の熱伝導率を低下させる。また、結晶粒子間の粒界相にも添加元素が析出するため、結果として銅合金の熱伝導率を低下させる。ただし、この場合においても、熱膨張係数とヤング率においては大差がない。また、電気伝導率においても大差がなく、いずれも高い値を示す。特にこれらの軟化点温度と熱伝導率によって、金属板３，５にこれらの材料を使い分けることができる。

これらの銅または銅合金は、圧延後の常温においては、いずれも硬度、引っ張り強度、降伏応力等の機械的性質において高い値を示す。これらに軟化点温度以上での熱処理を行った場合、前記の通り、これらの物性値は低下する。その後、この温度から常温になった状態においても、これらの物性値は熱処理前の値には戻らず、より低い値になるという性質がある。従って、熱処理前は、これらの材料は弾性変形をするが、軟化点温度以上の熱処理を施した場合には、塑性変形能が増す。この際、熱処理の温度が同じであっても、軟化点温度が高い場合は、この塑性変形能は小さくなる。また、熱処理温度が軟化点温度よりも低い場合には、硬度等は熱処理前の高い値を保つ。

ろう材としては、例えばＡｇ−Ｃｕ系活性ろう材が用いられ、これによって７００℃〜９００℃程度の温度範囲で金属板３、５とセラミックス板４に強固に接合され、放熱基板１を構成する。ろう材の厚さは２０μｍ程度と金属板等と比べて薄く、熱伝導率も高いため、ろう材による接合が強固であれば、この部分の熱抵抗は他の部分と比べて無視できる。一方、この接合部に破断が生ずると熱抵抗の増大の原因となる。また、ろう材によって金属板３等（銅または銅合金）を接合する際の接合温度（ろう付け温度）は高いため、特にこの温度が前記の軟化点温度を超える場合には、放熱基板１における金属板３、５等の特性に影響を及ぼす。

この放熱基板１における各材料の熱膨張係数は、例えば、セラミックス板４となる窒化珪素セラミックスが２．５×１０^−６／Ｋ、金属板３、５となる銅が１８×１０^−６／Ｋである。従って、金属板３および５が前記の温度でろう材によって接合され、常温に戻った時点で、この放熱基板１には歪みや反りが生じる。また、冷熱サイクルに際しては、この歪み量およびその方向も変化することがある。

ろう付け温度と軟化点温度との関係によって、この歪みの状況は異なる。すなわち、ろう付け温度が軟化点温度よりも高い場合には、前記の通り、接合後に常温に戻った状態においては、金属板３または金属板５の塑性変形能は高くなる。この塑性変形能は、ろう付け温度と軟化点温度の差が大きいほど高い。すなわち、軟化点温度の小さい銅合金は塑性変形能が高く、軟化点温度の高いものは塑性変形能が小さい。

この放熱基板１において、金属板３および５の表面で、冷熱サイクルの際の実際の歪み量を測定した結果、これらの値は前記の銅または銅合金の熱膨張係数（１８×１０^−６／Ｋ）から算出した値とは異なっていた。また、放熱基板１を形成した状態においては、これらの歪み量は金属板３、５等の材質や厚さによって異なる値となった。この原因は、これらがセラミックス板４に接合された状態においては、セラミックス板４の影響と、ろう付け温度の影響とを受けるためである。

セラミックス板４は表１に示すように、銅または銅合金よりも高い弾性率を有するため、これらが接合された放熱基板１の歪みに影響を及ぼす。このため、金属板３または金属板５の厚さが小さな場合、熱膨張に際しては、窒化珪素セラミックスの影響が強く現れ、熱膨張（歪み量）は小さくなる。逆に、金属板３または金属板５の厚さが大きいほど、その熱膨張は、本来の銅に近い、大きなものとなり、歪み量が大きくなる。

また、ろう付け温度の影響としては、前記の通り、ろう付け温度が銅または銅合金の軟化点温度よりも高い場合には、銅または銅合金の塑性変形能が高くなり、この塑性変形能は、ろう付け温度と軟化点温度の差が大きいほど高くなる。このため、軟化点温度が低いほど、歪み量が大きく、放熱基板１上における熱膨張は大きくなる。すなわち、軟化点温度の低い銅または銅合金は、放熱基板１における熱膨張は大きくなり、軟化点温度の高いものは、放熱基板１における熱膨張は小さくなる。

また、銅または銅合金の塑性変形能が高く、かつその厚さが大きな場合、セラミックス板４と接する側の面と、その反対側の面（金属板３または金属板５の表面）で異なった歪み量を示すこともある。従って、金属板３または金属板５の軟化点温度が低く、その厚さが大きいほど、その表面の歪み量は大きくなり、逆の場合は歪み量は小さくなる。

実際の放熱基板１上の金属板３および金属板５における歪み量から測定した熱膨張係数を、以下では見かけの熱膨張係数と呼称する。この熱膨張係数は金属板３および金属板５の表面に歪みゲージを取り付け、冷熱サイクル時の歪み量を測定し、例えば、金属板３の熱膨張係数≡ =（金属板３歪み量）／（温度変化量）として算出した。放熱基板の膨張係数αは前記のようにして測定した金属板３および５の見かけの熱膨張係数α１およびα２を用いて（１）式により算出した。
α＝(α１＋α2)／２ （１）式
冷熱サイクルとしては、回路基板を冷熱サイクル試験機に装入し、−４０℃〜＋１２５℃の温度変化を与えた。これらの見かけの熱膨張係数は、上記の通り、金属板３、金属板５の材質や厚さ（Ｔ_１、Ｔ_２）を調節することによって、これらの見かけの熱膨張係数を調整することができる。なお、歪み量の校正には、石英をリファレンスとして用いた。

セラミックス板４として０．３ｍｍ厚の窒化珪素セラミックス、金属板３として無酸素銅Ａ（表１）、金属板５として無酸素銅Ａおよび銅合金Ｃ（表１）を用い、Ｔ_１とＴ_２を変えた放熱基板１を多数作成した。これらの放熱基板における前記の見かけの熱膨張係数を測定した。その後、これらの放熱基板に半導体チップを搭載し、モールド樹脂で被覆して、半導体モジュールを作成した。この半導体モジュールにおいて−４０℃〜＋１２５℃の温度範囲の冷熱サイクルを３０００回加え、その放熱効率および耐久性を判定した。ここで、放熱効率を示す指標として、冷熱サイクル印加前後の半導体チップからの熱抵抗を測定した。ここで、熱抵抗は、ＪＩＳＡ１４１２で規定される量である。印加前の熱抵抗が０．２０℃／Ｗよりも大きな場合を不合格とした。また、３０００回印加後に、半導体チップと金属板３との接合部が破断したものと、モールド樹脂が剥離したもの、および熱抵抗が印加前よりも２５％以上上昇していたものを不合格とした。

放熱基板１の熱膨張係数と前記ヒートサイクル試験での不良発生との関係を調べたところ、放熱基板１の熱膨張係数を５．５〜１６×１０^−６／Ｋとした場合に良好な耐久性が得られることがわかった。ここで、放熱基板の熱膨張係数の値は半導体チップのその値（３．０×１０^−６／Ｋ）、およびモールド樹脂の熱膨張係数の間にある。上記の範囲より放熱基板１の熱膨張係数が小さい場合にはモールド樹脂との熱膨張係数に差が生じ過ぎて、放熱基板１とモールド樹脂間の密着性不良に起因したモールド樹脂剥離等の不良が生じる。一方、上記の範囲より熱膨張係数が大きい場合には半導体チップと放熱基板との熱膨張係数の差により、接合部材であるはんだにクラック等の不良が生じる。すなわち、この放熱基板１においては、その熱膨張係数を上記の範囲とすることによって、冷熱サイクルに対する高い耐久性と低い熱抵抗を得ることができる。

熱膨張係数をこの範囲にすることは、金属板３および５の材質と厚さを調整することによって可能である。

この放熱基板の熱膨張の測定例を図３，４に示す。セラミックス板４として０．３２ｍｍの窒化珪素セラミックスを使用し、一方の金属板３を１．５ｍｍ厚の無酸素銅Ａ、他方の金属板５を０．５ｍｍ厚の銅合金Ｄとした放熱基板１を作成した。この場合の、冷熱サイクルに際しての金属板３と金属板５の表面の歪み量を測定した結果が図３である。一方、同一のセラミックス板と、金属板３，５として１．０ｍｍ厚の無酸素銅と０．８ｍｍ厚である同一の無酸素銅Ａを使用して作成した。この場合の同様の測定結果が図４である。前者の放熱基板の熱膨張係数は前出の（１）式により、(１６．０＋５．８)／２＝１０．９ｐｐｍ／Ｋと算出される。後者は同様に（７．９＋８．０）／２＝８．０ｐｐｍ／Ｋと算出される。すなわち、接合する銅または銅合金の材質およびその厚みを選定することで放熱基板の熱膨張係数を所定の範囲に制御することができる。

図５は、放熱基板に接合する金属板３、５の材質を無酸素銅Ａとした時の金属板３および５の厚みの和と放熱基板の熱膨張の関係を纏めたものである。また図６は、放熱基板の接合する金属板３の材質を片面を無酸素銅Ａ、もう一方の金属板５を銅合金Ｄとした時の金属板３および５の厚みの和と放熱基板の熱膨張の関係を纏めたものである。いずれの場合もその厚みの和を１．０~５．０ｍｍとすることにより、放熱基板の熱膨張係数を５．５〜１６×１０^−６／Ｋとすることができる。

この放熱基板１は、例えば、以下の通りにして製造できる。セラミックス板２（窒化珪素セラミックス）の両面に活性金属ろう材として例えば、Ｔｉが添加されたＡｇ−Ｃｕ系合金に代表される活性金属を印刷形成する。次に、セラミックス板２とほぼ同じ長方形状の金属板である無酸素銅または銅合金を両面に６００℃〜９００℃の温度で加熱接合する。接合した無酸素銅または銅合金は金属板３、５となる。冷却後、金属板上にレジストパターンを形成後に、例えば塩化第二鉄あるいは塩化第二銅溶液によってエッチング処理してパターンを形成する。或いは金属板をそのままエッチング処理無しで金属板３，５としてもよいし、同様に所望の形状に加工して金属板３，５としてもよい。金属板３、５はその主成分が同一（銅）であるため、これらのエッチングは同時に行われる。また、これによって露出した部分のろう材のエッチングも、例えば過酸化水素とフッ化アンモニウムとの混合溶液によって引き続き行われる。さらに金属板３，５にＮｉ−Ｐメッキを施し、放熱基板１が作製される。なお、このメッキ処理を施さないことも可能であり、この場合には、回路パターン形成後に化学研磨を行い、ベンゾトリアゾール等などの防錆剤を添付する。また、選択するはんだ材種に応じて、ロジンなどの濡れ性向上成分を含有した防錆剤を用いる。

以上の通り、この放熱基板１においては、熱膨張係数を樹脂モールドするのに適した範囲に設定することができる。従って、これに半導体チップを搭載して半導体モジュールを形成した場合には、冷熱サイクルに対して高い耐久性を有する。特に、この放熱基板１は、これを用いた半導体モジュールが実際に機器に搭載されて使用される状況において、高い耐久性を有する設計となっている。

この放熱基板１に半導体チップを搭載した場合に、半導体チップからの放熱は金属板３、５等を介して高い効率で行われる。

金属板３、５は電気抵抗率の小さな銅または銅合金であり、その厚さが大きいため、その配線抵抗を小さくすることができる。従って、この放熱基板１に搭載する半導体チップに大電流を流して使用することができる。

金属板３とセラミックス板２はろう材によって強固に接合される。従って、この部分の機械的強度は高く、熱抵抗も低い。その接合に銀ペーストや接着剤を使用しないため、絶縁耐圧も、本来のセラミックス板２のもつ絶縁耐圧に近く、高い値となる。従って、この放熱基板１に搭載する半導体チップを大電圧で動作させることができる。

従って、この放熱基板１を用いた半導体モジュールは、高い放熱特性、冷熱サイクルに対する高い耐久性を兼ね備え、半導体チップを大電力で動作させることができる。

また、上記の製造方法においては、金属板３と金属板５のエッチング処理を同時に行うことが可能である。従って、低コストでこの回路基板を製造することができる。

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係る半導体モジュールは、実施例１と同様の半導体モジュールを作製し、その際のモールド用樹脂の材質を比較した。

半導体モジュールにおいては、半導体チップ２となるシリコンの熱膨張係数は３．０×１０^−６／Ｋであるため、これが接合される放熱基板１との熱膨張係数（５．５〜１６）×１０^−６／Ｋ）とは大きく異なる。このため、冷熱サイクルに際しては、この熱膨張差に起因する歪みがはんだ層９に発生する。これらを低減してはんだ層９の接合信頼性を確保するには、主に、（１）はんだ層の上下面に位置する構成部材の熱膨張係数差を低減する、（２）はんだ層の上下面に位置する構成部材の剛性を持たせる方法が効果的である。本発明では、この（２）の効果を意図したもので、モールド樹脂６を形成することによって、これを低減している。すなわち、金属板３、はんだ層９、半導体チップ２をモールド樹脂６で覆うことによって、これらの強度を確保している。さらに、モールド樹脂６の熱膨張係数を２５ppm／Ｋ以下とすることによって、冷熱サイクルに際してのモールド樹脂６と金属板３との接合信頼性が飛躍的に向上する。

金属板３、５に１．５ｍｍ厚の無酸素銅Ａ、および０．６ｍｍ厚の銅合金Ｄを用いた放熱基板１を用いた半導体モジュール８において、熱膨張係数の異なるモールド樹脂６を用いたものを複数作成し、その特性を調べた。なお、樹脂の熱膨張係数は放熱基板よりも大きい材質のものが多く、最も熱膨張係数が低いものでも１０ppm／K前後である。図７は、前記の冷熱サイクル試験結果における冷熱サイクル寿命とモールド樹脂６の熱膨張係数との関係を調べた結果である。ここで、冷熱サイクル寿命とは、前記の冷熱サイクル試験において、この半導体モジュール８が不合格となったときのサイクル数である。最大印加サイクル数が３０００回であったため、図７において○印の点（合格）は冷熱サイクル寿命が３０００回だった点ではなく、少なくとも３０００回以上となった点を表している。一方、×印の点（不合格）は、冷熱サイクル寿命が３０００回未満だった点であり、実際に測定された冷熱サイクル寿命を表している。この結果より、この熱膨張係数を２５×１０^−６／Ｋ以下とすることにより、３０００回以上の高い冷熱サイクル寿命が得られた。この熱膨張係数が２５×１０^−６／Ｋより大きな場合には冷熱サイクルが３０００回未満となった。この場合には、はんだ層の破損は生じないものの、この冷熱サイクル寿命において熱抵抗が２５％以上増加した。これは、はんだ層９に破損が生じない範囲で、冷熱サイクルによって歪みが発生し、接合状態の劣化が生じていることを示している。すなわち、モールド樹脂６の熱膨張係数を、放熱基板１の熱膨張係数に近くすることによって、歪みを低減することができた。

従って、この半導体モジュール８は、冷熱サイクルに対する高い耐久性を有する。特に、この半導体モジュール１においては、これが機器に搭載された状態で高い耐久性が得られる。

この半導体モジュール８の最も優れる点は、放熱基板１を構成する金属板３および金属板５の個々の熱膨張挙動を制御することで、半導体モジュール１の高放熱性を確保した上で耐久性を飛躍的に向上させたことにある。

なお、上記の例ではセラミックス板２として窒化珪素セラミックスを用いていたが、これに限られるものではなく、同等以上の熱伝導率、３点曲げ強度、破壊靱性値、絶縁性をもつものであれば、同様に用いることができる。

また、上記の例では金属板３および金属板５として銅または銅合金を用いていたが、これに限られるものではなく、放熱基板としての熱膨張係数が所定の範囲となる構成であれば、同一材質の銅を用いることも可能である。

モールド樹脂６についても同様に、上記の例に限られるものではなく、半導体チップ２や金属板３等を被覆することができ、絶縁抵抗の高い材料であれば、同様に用いることが可能である。

（実施例１〜２５、比較例１〜９）
実施例１〜２５として、上記の構成の回路基板を作成し、これに半導体チップを搭載して上記の構造の半導体モジュールを作成して冷熱サイクルを印加し、その耐久性能を調べた。同時に、比較例となる回路基板も作成して、これを半導体モジュールとし、同様の特性を調べた。

実施例１〜２５および比較例１〜９においては、使用したセラミックス基板はすべて３０ｍｍ×４０ｍｍの窒化珪素セラミックス板（熱伝導率が９０Ｗ／ｍ／Ｋ程度、３点曲げ強度が７００ＭＰａ程度、破壊靱性値が６ＭＰａ・ｍ^１／２程度）である。金属回路板および金属放熱板としては、表１に示した銅または銅合金の中から選択した。使用したろう材はＴｉを活性金属として含有し、組成はＡｇ−Ｃｕ−Ｉｎ系のものである。また、接合温度７６０℃である。

実施例１〜５は、金属板３，５に無酸素銅Ａを用い、Ｔ_１＋Ｔ_２が１．０ｍｍから５．０ｍｍの範囲で変化させた。実施例１０〜１３では、セラミックス板厚みを０．１から０．６３ｍｍまで変化させて用い、実施例１４〜１８では、モールド樹脂６の熱膨張率を１０〜２４ppm／Ｋまで変化させた。

実施例２０〜２５ 銅合金材質を変化させている。なお、セラミックス基板の厚さはいずれも０．３２ｍｍとした。

比較例１、２では本半導体モジュール構造との特性比較のために、比較例１では半導体チップ下面のみに放熱基板を設けた図８に示した構造で作成した半導体モジュール構造を、比較例２では本発明の放熱基板１の代わりにセラミックス板４、および金属板３，５をグリース１１を介してボルト（図示せず）締めして一体化した放熱基板を半導体チップ両面に設けた図９に示した構造の半導体モジュールを作製、評価した。なお、いずれも金属板３，５に無酸素銅Ａを用いている。

比較例３，４では、金属板３，５に無酸素銅Ａを用いて、その厚みの和Ｔ１＋Ｔ２を1mm以下の０．８ｍｍおよび５ｍｍ以上の６．０ｍｍとした。

比較例５，６では、金属板を３，５として異なる材質の銅合金を用い、その厚みの和Ｔ１＋Ｔ２を1mm以下の０．７ｍｍおよび５ｍｍ以上の６．０ｍｍとした。

比較例７では、金属板３，５を無酸素銅Ａとし、モールド樹脂の熱膨張係数を２５ｐｐｍ／Ｋを超える２７ｐｐｍ／Ｋとした。

比較例８，９ではセラミックス板４の材質をそれＡｌＮ、アルミナジルコニアとして、基板を試作した。なお、金属板３、５はいずれも０．８ｍｍの無酸素銅Ａを用いた。また、セラミックス板として用いたＡｌＮの曲げ強度は４００ＭＰａ、破壊靱性値は３．０ＭＰａ．ｍ^0.5、アルミナジルコニアの曲げ強度は８００ＭＰａ、破壊靱性値は３．５ＭＰａ．ｍ^0.5である。

以上の実施例および比較例について、−４０℃〜＋１２５℃の冷熱サイクルにおける特性を調べた。また、この温度範囲での金属板３および金属板５の表面の見かけの熱膨張係数を測定し、放熱基板１単体の熱膨張係数を算出した。この測定は、金属板３および金属板５表面に歪みゲージを取り付け、この温度範囲での歪み量を測定することにより算出した。

図１に示すように、この放熱基板１に半導体チップ（パワーＭＯＳＦＥＴ）をＳｎ−３％Ａｇ−０．５％Ｃｕはんだで接合して搭載し、冷熱サイクルを印加した。−４０℃〜＋１２５℃の冷熱サイクル１サイクルは７０分を３０００回印加し、その後での半導体チップ下のはんだ層の破損の状況を超音波画像診断装置（日立建機製Ｈｉ−Ｆｏｃｕｓ）を用い、ボイド率（ボイドの面積／半導体チップ面積×１００）を算定した。また、放熱基板とモールド樹脂との間に剥離が発生しているかどうかも調べた。はんだ層の破損およびモールド樹脂の剥離は、これらにおける界面のボイド率が３０００サイクル後に３０％以上となっていた場合を、破損や剥離が発生したと認定した。いずれかの箇所で破損や剥離が発生したものを不合格とした。

また、冷熱サイクルの印加の前後で、半導体チップ側から見た熱抵抗（℃／Ｗ）を測定した。この測定は、半導体チップに通電することによってこれを発熱させ、そのとき温度上昇を熱抵抗評価装置（キャッツ電子製、ＭＯＤＥＬ ＤＶＦ２４０）によって電圧換算により測定した。ここでは、単位断面積当たりの量ではなく、単位を（℃／Ｗ）として測定した。初期（冷熱サイクル印加前）の熱抵抗の値が０．２１℃／Ｗ以上であったものは放熱特性が悪いために不合格と判定した。また、初期の熱抵抗がこの値より小さくとも、冷熱サイクル印加後の熱抵抗の値が２５％以上増加していたものは、はんだ層において上記の観察では判別できない程度の破損やセラミックス基板のクラック等が発生したものと考えられるため、不合格とした。以上の結果を表２にまとめて示す。

実施例１〜２５の半導体モジュールにおいては、３０００回の冷熱サイクルによってもはんだ層の破損やモールド樹脂の剥離を生じることがなく、冷熱サイクルの前後で低い熱抵抗値を保つことが確認できた。また、これらの放熱基板の熱膨張係数は、いずれも５．５〜１６×１０^−６／Ｋの範囲内であった。また、常温における最大反り量の絶対値は２００μｍ／ｉｎｃｈ以下であった。

これに対し、本導体モジュールの構造が本発明と異なる比較例１〜２は、いずれもモジュール作製直後で測定した熱抵抗が既にそれぞれ０．２１および０．２３℃／Ｗと高く、放熱性が劣るモジュールであることがわかる。

金属板が厚い比較例４、６は初期の熱抵抗値は低いものの、冷熱サイクル３０００サイクル後の熱抵抗の増加率も大きくなった。また、半導体チップと放熱基板間のはんだ層でクラックが観察され、このクラックにより熱抵抗が増大したものと推察された。

金属板の薄い比較例３，５では初期熱抵抗が高く、また冷熱サイクルによって樹脂と放熱基板の間で剥離が生じた。

モールド樹脂の熱膨張率が大きい比較例７では樹脂モールド直後に既に樹脂と放熱基板の間で剥離が生じてた。

比較例８，９では、金属回路板と金属放熱板の組み合わせを同一とし、セラミックス基板の材質を窒化珪素の代わりにＡｌＮおよびアルミナジルコニアを用いて、前記と同様の特性を調べた。

アルミナ・ジルコニアセラミックスは窒化珪素セラミックスと比べて３点曲げ強度は高いが、熱伝導率および破壊靱性が低く、窒化アルミニウムセラミックスは、熱伝導率は高いが、３点曲げ強度および破壊靱性が低い。

上記の構成で、回路基板を作成したところ、金属板３，５の形成後に、セラミックス基板にこれらによって応力が発生し、クラックが発生し、その後の評価不能であった。従って、本発明の回路基板および半導体モジュールにおけるセラミックス基板としては、３点曲げ強度が７００ＭＰａ程度以上、破壊靱性値が６ＭＰａ・ｍ^１／２程度以上である窒化珪素セラミックスが好ましい。

本発明に係る半導体モジュールの断面図である。 銅および銅合金の熱伝導率と軟化温度との関係を示した図である。 金属板３，５として、１．５ｍｍ厚の無酸素銅Ａと０．５ｍｍ厚の銅合金Ｄを用いたときの金属板３，５の表面の熱膨張を測定した結果を示す図である。 金属板３，５として、１．０ｍｍ厚、および０．８ｍｍ厚の無酸素銅Ａを用いたときの金属板３，５の表面の熱膨張を測定した結果を示す図である。 金属板３，５として無酸素銅Aを用いて、金属板３，５の厚さの和を変えた放熱基板と放熱基板の熱膨張係数との関係を調べた結果を示す図である。 金属板３，５として無酸素銅Aと銅合金Dを用いて、金属板３，５の厚さの和を変えた放熱基板と放熱基板の熱膨張係数との関係を調べた結果を示す図である。 半導体モジュールの冷熱サイクル寿命とモールド樹脂の熱膨張係数の関係を示す図である。 比較例として作成した半導体モジュールの断面図を示す図である。 比較例として作成した半導体モジュールの断面図を示す図である。 従来の半導体モジュールの一例の構造の断面図である。

符号の説明

１ 放熱基板
２，３３ 半導体チップ
３，５ 金属板
４，４０ セラミックス板
６，３９ モールド樹脂
７ 放熱ブロック
８，３１ 半導体モジュール
９ はんだ層
１１ グリース
３２ 金属ブロック
３４ フレーム
３５ リード
３６ ボンディングワイヤ
３７ ケース
３８ 外部端子

Claims (6)

1. 半導体チップとこの半導体チップの両面から放熱するための一対の放熱基板とを備えた半導体モジュールであって、
   前記放熱基板はセラミックス基板の両面に銅板もしくは銅合金板をろう材により接合してなり、前記放熱基板および前記半導体チップのほぼ全体がモールド樹脂で覆われていることを特徴とする半導体モジュール。
2. 前記放熱基板の熱膨張係数が５．５〜１６×１０^−６／Ｋ、の範囲であることを特徴とする放熱基板。
3. 前記放熱基板に接合された金属板の厚さがＴ_１、Ｔ_２としたとき1.0≦Ｔ_１＋Ｔ_２≦５.0mmであることを特徴とした請求項１記載の放熱基板。
4. 前記放熱基板に一方の面に接合された銅板もしくは銅合金板の軟化点温度が、前記放熱基板の他方の面に接合された銅もしくは銅合金板の軟化点温度が異なり、かつ厚みが異なることを特徴とする請求項１〜３記載の放熱基板。
5. 前記セラミックス板が窒化珪素セラミックスであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の回路基板。
6. 前記モールド樹脂の熱膨張係数が２５（×１０^−６／Ｋ）以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
   

Images