JP2008069044A - セラミックス基板、これを用いたセラミックス回路基板及び半導体モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】加熱冷却サイクルでクラックが発生し難く進展し難い高い耐久性をもったセラミックス基板と、これを用いたセラミックス回路基板及び半導体モジュールを提供する。
【解決手段】本発明は破壊靭性が６．０ＭＰａ・ｍ^１／２以上であり、曲げ弾性率が２３０ＧＰａ以上であるセラミックス基板である。セラミックス基板表面のビッカース硬度を１６００以上とすることにより曲げ弾性率２３０ＧＰａ以上とすることができる。又はセラミックス基板表面の残留応力を−４０ＭＰａ以下とすることにより曲げ弾性率２３０ＧＰａ以上とすることができる。

Description

本発明は、高強度で電気絶縁性と高熱伝導性に富んだセラミックス基板に関する。また、本発明は、上記セラミックス基板を用いたセラミックス回路基板及び半導体モジュールに関する。特に冷熱サイクルに対する高信頼性が求められるパワー半導体モジュールに有効に適用することができる技術である。

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、パワーＭＯＳＦＥＴ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の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（金属回路板）を接合し、他方の面（下面）に放熱用の金属板（金属放熱板）を接合したセラミックス回路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、金属回路板の上面には、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、金属回路板および金属放熱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金属放熱板の厚さを０．５ｍｍ以上と比較的厚くしている場合がある。この際、特に金属回路板および金属放熱板に熱伝導率の高い銅や銅合金を用いた場合、絶縁性セラミックスと銅の熱膨張率は大きく異なる（例えば、窒化珪素セラミックスは３．０×１０^−６／Ｋ程度で、銅は１６．７×１０^−６／Ｋ）。このため、接合後の冷却過程やパワー半導体モジュール稼動時の冷熱サイクルで多大な熱応力が発生する。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放熱板の剥離の発生原因となる。

実際にはこうしたセラミックス回路基板を用いて、パワー半導体モジュールを構成するために、金属回路板上部に半導体素子を半田付けにより実装する。さらに、パワー半導体モジュールの構造によっては、半田付けにより金属放熱板を金属ベース板に接合する。このように、実装時に加熱冷却過程を経る必要がある。また、こうしたセラミックス回路基板に対しては、例えば−５５℃から１５０℃までの加熱冷却サイクル試験を所定回数経た上でも放熱特性が保証される信頼性が要求されている。使用分野に応じて、例えば、２００回以上、１０００回以上、さらには３０００回以上の加熱冷却サイクル試験にパスすることが求められる。特に、ハイブリッド車、電気自動車、電車および航空機等に搭載される場合には、高い耐久性を有した高信頼性が要求されている。

この点で窒化アルミニウム基板は、高い熱伝導性を有するが、機械的強度および破壊靭性が低いことから、セラミック基板としては信頼性が高くない。それに対して、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特性を有することから、信頼性の高いセラミックス回路基板を実現できると考えられる。

一方で、近年、窒化アルミニウム基板や窒化珪素基板といった比較的高い熱伝導率を有するセラミックス基板が開発されてきているものの、セラミックス基板は金属板に比べて熱伝導率が低いため、セラミックス回路基板を構成した際に放熱性を妨げる要因となっている。そのため、パワー半導体モジュールの熱抵抗を低減するためには、熱伝導率の高い金属板を厚くするとともに、金属板に比べて熱伝導率の低いセラミックス基板の厚みを薄くする必要があった。

しかしながら、セラミックス基板を薄くした場合、低い応力で破壊に至るため、高い機械的特性を有する窒化珪素基板をセラミックス基板に用いた場合においても、加熱冷却サイクル試験による熱応力でクラックが発生する可能性が高くなった。

このクラックは、金属回路板のパターンの外周部、特に角部に発生することが多く、窒化珪素基板の絶縁耐圧および強度を劣化させ、搭載した半導体素子に電圧を印加した場合、窒化珪素基板が絶縁破壊することもあった。従って、こうしたセラミックス回路基板に半導体素子を搭載した半導体モジュールの信頼性は十分ではなかった。

かかる加熱冷却サイクルに対しての信頼性の向上を図るセラミックス回路基板における技術として、特許文献１では、窒化珪素基板の３点曲げ強度を５００ＭＰａ以上、破壊靭性値を６．５ＭＰａ・ｍ^１／２以上とする技術が記載されている。３点曲げ強度を５００ＭＰａ以上とするとともに破壊靭性値も６．５ＭＰａ・ｍ^１／２以上と高くした窒化珪素基板を用いることで、熱応力に対するクラックの発生を抑制している。以下、この技術を第１の従来例と呼ぶ。

また、特許文献２では、ヤング率が低い窒化珪素基板を用いる技術が記載されている。ヤング率を低くし、セラミックス基板をたわみやすくすることで、セラミックス基板の信頼性を改善している。以下、この技術を第２の従来例と呼ぶ。

また、特許文献３では、セラミックス基板の表面粗さに方向性を持たせることが記載されている。表面の研削により、セラミックス基板の表面粗さに方向性を持たせることで、抗折強度を向上させ、セラミックス基板の信頼性を改善している。以下、この技術を第３の従来例と呼ぶ。

特開２００２−２０１０７５号公報 特開２００５−１０１６２４号公報 特開２００１−１８１０５４号公報

上記した第１の従来例によるセラミックス回路基板では、セラミックス基板の破壊靭性を高くしている。しかし、セラミックス回路基板の信頼性を確保するためには、セラミックス基板内部におけるクラックの進展を抑制するために破壊靭性を高くすると同時に、セラミックス基板表面からのクラックの発生を抑制する必要がある。また、第１の従来例では、曲げ強度の高いセラミックス基板の使用についても記載されているが、曲げ強度を高くしたとしても、必ずしもセラミックス基板表面からのクラック発生の抑制にはつながらない。

また、上記した第２の従来例によるセラミックス回路基板では、超音波パルス法により測定するセラミックス基板のヤング率を下げることで、セラミックス基板をたわみやすくしているが、第１の従来例と同様に、セラミックス基板表面からのクラックの発生の抑制については考慮されていない。

この点、上記した第３の従来例では、セラミックス基板表面の面粗さに方向性を持たせることで、セラミックス基板表面からのクラックの発生を抑制している。しかしながら、回転砥石による研磨等の工程を付与する必要があり、加工にコストがかかるといった課題がある。

本発明は、斯かる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明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に記載の発明の要旨は、破壊靭性が６．０ＭＰａ・ｍ^１／２以上であり、曲げ弾性率が２３０ＧＰａ以上であることを特徴とするセラミックス基板に存する。

請求項２に記載の発明の要旨は、表面のビッカース硬度が１６００以上であることを特徴とする請求項１に記載のセラミックス基板に存する。

請求項３に記載の発明の要旨は、表面の残留応力が−４０ＭＰａ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のセラミックス基板に存する。

請求項４に記載の発明の要旨は、前記セラミックス基板が窒化珪素セラミックス基板であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のセラミックス基板に存する。

請求項５に記載の発明の要旨は、表面の配向度が０．１５以上であることを特徴とする請求項４に記載のセラミックス基板に存する。

請求項６に記載の発明の要旨は、厚さが０．１〜０．３ｍｍであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のセラミックス基板に存する。

請求項７に記載の発明の要旨は、請求項１乃至６のいずれか１項に記載のセラミックス基板と、前記セラミックス基板の一面に接合された金属回路板と、前記セラミックス基板の他の面に接合された金属放熱板とからなることを特徴とするセラミックス回路基板に存する。

請求項８に記載の発明の要旨は、前記金属回路板が厚さ０．５〜３．０ｍｍの銅板もしくは銅合金板であることを特徴とする請求項７に記載のセラミックス回路基板に存する。

請求項９に記載の発明の要旨は、請求項７または８に記載のセラミックス回路基板と、該セラミックス回路基板上に搭載された半導体素子を有することを特徴とする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、製造時や駆動時の加熱冷却サイクルに対して、セラミックス基板にクラックが生じ難く、高い信頼性をもったセラミックス回路基板および半導体モジュールを得ることができる。

本発明の実施の形態に係るセラミックス基板では、破壊靭性が６．０ＭＰａ・ｍ^１／２以上であり、曲げ弾性率が２３０ＧＰａ以上である。ここで、破壊靭性はＪＩＳ Ｒ１６０７に準拠したＩＦ法によって測定した。鏡面研磨したセラミックス基板の断面に、ビッカース圧子を荷重２ｋｇｆで圧入して、圧痕の対角線長さおよびクラックの進展長さから破壊靭性値を算出した。また、曲げ弾性率はＪＩＳ Ｒ１６０２に準拠した静的弾性率試験法によって測定した。セラミックス基板を幅４ｍｍの試験片に加工し、支持ロール間距離７ｍｍの３点曲げ治具にセット後、クロスヘッド速度０．５ｍｍ／ｍｉｎ．で荷重を印加して、試験片にかかる荷重と荷重点における試験片の変位から算出した。

セラミックス回路基板および半導体モジュールの加熱冷却サイクルによってセラミックス基板が破壊される場合、セラミックス基板では金属回路板のパターン外周部の表面付近でクラックが発生し、その後、セラミックス基板内部で水平方向に進展する場合が多い。そのため、セラミックス基板表面でのクラックの発生と、セラミックス基板内部でのクラックの進展を抑制することによって、高信頼性のセラミックス回路基板および半導体モジュールが得られる。

セラミックス基板内部でのクラック進展の抑制に対しては、セラミックス基板の破壊靭性を高くすることで対応できる。セラミックス基板の破壊靭性はクラックの進展し難さを表す値であり、破壊靭性を６．０ＭＰａ・ｍ^１／２以上とすることで、セラミックス回路基板や半導体モジュールの加熱冷却サイクルで、セラミックス基板内部でのクラックの進展を抑制することができる。セラミックス基板の破壊靭性を高くするには種々の方法があるが、窒化珪素セラミックス基板では例えばＢＥＴ比表面積が１５ｍ^２／ｇ以下の窒化珪素の原料粉末に希土類酸化物を含んだ焼結助剤添加し、窒素雰囲気下１８００℃以上の高温で焼結することにより、強固な粒界相を有する柱状粒子のからみあった結晶組織とすることができ、高い亀裂進展抵抗によって破壊靭性を６．０ＭＰａ・ｍ^１／２以上に高くすることができる。

一方で、セラミックス基板表面でのクラックの発生を抑制するために、発明者は、セラミックス基板の曲げ弾性率を２３０ＧＰａ以上と高くすることが重要であることを見出した。セラミックス基板表面のクラックの発生を抑制するためには、セラミックス基板表面の剛性を上げる必要がある。そのため、セラミックス基板表面の弾性率を高くすることによって、クラックの発生を抑制することができる。セラミックス基板の曲げ弾性率はセラミックス基板表面と内部の弾性率によって決まるが、破壊靭性が６．０ＭＰａ・ｍ^１／２と高い場合、セラミックス基板内部の弾性率は低いため、セラミックス基板の曲げ弾性率はセラミックス基板表面の弾性率の影響を受け易い。すなわち、破壊靭性を６．０ＭＰａ・ｍ^１／２以上、曲げ弾性率を２３０ＧＰａ以上とすることによって、セラミックス基板の曲げ弾性率が高くなり、セラミックス基板表面からのクラックの発生を抑制することができる。曲げ弾性率が３００ＧＰａより大きい場合、セラミックス回路基板および半導体モジュールの加熱冷却サイクルによって、セラミックス基板に大きな弾性歪みエネルギーが蓄積されて、クラック発生時に一気に破壊に至る可能性がある。よって、セラミックス基板の曲げ弾性率は２３０〜３００ＧＰａの範囲が好ましい。

本発明者らが鋭意検討した結果、セラミックス基板の破壊靭性が６．０ＭＰａ・ｍ^１／２以上、曲げ弾性率が２３０ＧＰａ以上である場合に、セラミックス回路基板および半導体モジュールの加熱冷却サイクルによって、セラミックス基板にクラックが発生、進展し破壊に至ることがなかった。

実際のセラミックス基板においては、表面のビッカース硬度を１６００以上とすることによって、曲げ弾性率が２３０ＧＰａ以上となり、セラミックス基板表面へのクラックの発生を抑制することができた。ここで、ビッカース硬度はＪＩＳ Ｒ１６１０に準拠して測定した。表面のビッカース硬度の上限は１８００程度が好ましい。それを超えるとセラミックス基板の曲げ弾性率が３００ＧＰａを超えるため好ましくない。

さらには、セラミックス基板の表面に圧縮の残留応力を付与することによって、セラミックス基板表面へのクラックの発生を抑制した。表面の残留応力を−４０ＭＰａ以下（絶対値で４０ＭＰａ以上）とすることによって、曲げ弾性率が２３０ＧＰａ以上となった。ここで、セラミックス基板の表面の残留応力はＸ線回折を利用して表面の応力を測定するＸ線応力測定法で測定した。ここで残留応力の負（−）の記号は圧縮の応力であることを示す。

さらには、セラミックス基板が異方性のある結晶粒子を主成分とする窒化珪素セラミックスからなる場合、窒化珪素セラミックス基板の表面の配向度を０．１５以上とすることによって、曲げ弾性率が２３０ＧＰａ以上となった。配向度の上限は０．４５程度が好ましい。それを超えるとセラミックス基板の曲げ弾性率が３００ＧＰａを超えるため好ましくない。ここで、窒化珪素セラミックス基板の表面の配向度とは窒化珪素セラミックス基板を構成するβ型窒化珪素粒子の所定格子面のそれぞれのＸ線回折線強度の割合から定まる前記窒化珪素セラミックス基板の厚さ方向に垂直な面内における配向の割合のことを示し、配向度は、窒化珪素セラミックス基板の表面にＸ線を照射することにより生じるＸ線回折線に基づいて、F. K. Lotgerlingによって与えられた式（１）で表される（F. K. Lotgerling: J. Inorg, Nucl. Chem., 9 (1959) 113.参照）。

（配向度）＝（Ｐ−Ｐ_０）／（１−Ｐ_０） ・・・（１）
式（１）において、Ｐは、式（２）で表され、窒化珪素セラミックス基板の表面におけるβ型窒化珪素粒子の（１１０）面、（２００）面、（２１０）面、（３１０）面及び（３２０）面のそれぞれのＸ線回折線強度の割合を意味し、Ｐ_０は、式（３）で表され、β型窒化珪素粉末におけるβ型窒化珪素粒子の（１１０）面、（２００）面、（２１０）面、（３１０）面及び（３２０）面のそれぞれのＸ線回折線強度の割合を意味している。
Ｐ＝（Ｉ_{（１１０）}＋Ｉ_{（２００）}＋Ｉ_{（２１０）}＋Ｉ_{（３１０）}＋Ｉ_{（３２０）}）／（Ｉ_{（１１０）}＋Ｉ_{（２００）}＋Ｉ_{（１０１）}＋Ｉ_{（２１０）}＋Ｉ_{（２０１）}＋Ｉ_{（３１０）}＋Ｉ_{（３２０）}＋Ｉ_{（００２）}） ・・・（２）
Ｐ_０＝（Ｉ'_{（１１０）}＋Ｉ'_{（２００）}＋Ｉ'_{（２１０）}＋Ｉ'_{（３１０）}＋Ｉ'_{（３２０）}）／（Ｉ'_{（１１０）}＋Ｉ'_{（２００）}＋Ｉ'_{（１０１）}＋Ｉ'_{（２１０）}＋Ｉ'_{（２０１）}＋Ｉ'_{（３１０）}＋Ｉ'_{（３２０）}＋Ｉ'_{（００２）}） ・・・（３）

また、セラミックス基板は０．１〜０．４ｍｍの厚さであることが好ましい。セラミックス基板が０．４ｍｍより厚い場合、セラミックス回路基板および半導体モジュールを構成した際に、比較的熱伝導率が低いセラミックス基板の部分が厚くなるため、放熱性が悪くなる。また、曲げ弾性率が２３０ＧＰａより低くても、たわみ難いため、クラックの発生は起こり難い。一方で、セラミックス基板が０．１ｍｍより薄い場合、放熱性は良くなるが金属回路板及び金属放熱板との熱膨張差により発生する熱応力により容易にたわむため、曲げ弾性率を高くしても、クラックの発生を抑制することが困難である。そのため、破壊靭性が６．０ＭＰａ・ｍ^１／２以上、曲げ弾性率が２３０〜３００ＧＰａのセラミックス基板が０．１〜０．４ｍｍの厚さのとき、特に信頼性の高いセラミックス基板となる。

また、セラミックス基板と、前記セラミックス基板の一面に接合された金属回路板と、前記セラミックス基板の他の面に接合された金属放熱板とからなるセラミックス回路基板において、金属回路板及び金属放熱板がそれぞれ０．５〜５．０ｍｍの銅板もしくは銅合金板であることが好ましい。金属回路板及び金属放熱板を厚さが０．５ｍｍ以上の熱伝導率の高い銅板または銅合金板とすることで、放熱性の良いセラミックス回路基板を提供することができ、かつ、厚さを５．０ｍｍ以下とすることでセラミックス基板と金属回路板及び金属放熱板の熱膨張差による熱応力を低減でき、破壊靭性が６．０ＭＰａ・ｍ^１／２以上、曲げ弾性率が２３０ＧＰａ以上のセラミックス基板で、信頼性の高いセラミックス回路基板を得ることができる。

このように、セラミックス基板において、破壊靭性が６．０ＭＰａ・ｍ^１／２以上、曲げ弾性率が２３０ＧＰａ以上とすることで、信頼性の高いセラミックス回路基板が得られる。そのため、このセラミックス回路基板上に半導体素子を搭載して構成した半導体モジュールの加熱冷却サイクルに対する信頼性も高くなる。

以下、本発明の実施例について説明する。但し、これらの実施例により本発明が限定されるものではない。

セラミックス基板として窒化珪素セラミックス基板を作製した。ＢＥＴ比表面積が３〜１１ｍ^２／ｇの窒化珪素原料粉末に、Ｙ_２Ｏ_３とＭｇＯからなる焼結助剤を所定量添加し、有機溶剤中で粉砕媒体として窒化珪素製ボールを用いたボールミルにより湿式混合した。この混合物に有機バインダー、可塑剤等を混入しボールミルで均一に混合して原料スラリーとした。原料スラリーを脱泡・増粘した後、これを従来公知のドクターブレード法で所定板厚にシート成形して成形体を得た。このシート成形体を所定形状に切断後、５００℃で脱脂し、更に、焼結炉内で１８００〜１９００℃の温度で２〜５時間、０．９ＭＰａの窒素加圧雰囲気中で焼結した。得られた焼結体を熱処理及びブラスト処理し、窒化珪素セラミックス基板を作製した。

窒化珪素セラミックス基板の厚み、破壊靭性、曲げ強度、曲げ弾性率は表１に示す。曲げ強度はＪＩＳ Ｒ１６０１に準拠した３点曲げ試験によって測定した。セラミックス基板を幅４ｍｍの試験片に加工し、支持ロール間距離７ｍｍの３点曲げ治具にセット後、クロスヘッド速度０．５ｍｍ／ｍｉｎ．で荷重を印加して、破断時に試験片にかかる荷重から算出した。

作製した窒化珪素セラミックス基板と、金属回路板及び金属放熱板として銅板を用いて、セラミックス回路基板を作製した。窒化珪素セラミックス基板の両面に活性金属ろう材を印刷形成し、窒化珪素セラミックス基板とほぼ同じ長方形状の銅板を両面に加熱接合した。冷却後、金属回路板及び金属放熱板が所定のパターンとおなるようにエッチングし、金属回路板及び金属放熱板にＮｉ−Ｐめっきを施し窒化珪素セラミックス回路基板を作製した。

得られた窒化珪素セラミックス回路基板について、以下に示すように熱衝撃試験を行った。熱衝撃試験は３００℃で１０分間保持後、室温に急冷し、窒化珪素セラミックス基板のクラックが発生しているか否かを調べた。この操作を繰り返し行い、クラックが発生するまでの熱衝撃試験の回数を評価した。表１に窒化珪素セラミックス回路基板にクラックが発生した熱衝撃試験の回数を示す。熱衝撃試験は最大１５回まで行い、クラックが発生しなかった場合は、≧１５と記す。

窒化珪素セラミックス回路基板の金属回路板上に半導体素子をはんだ接合後、ワイヤボンディングを施し、半導体モジュールを得た。得られ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。予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１に半導体モジュールの熱抵抗値を示す。

実施例１〜１２のように破壊靭性が６ＭＰａ・ｍ^１／２以上で、曲げ弾性率が２３０ＧＰａ以上の厚さ０．３２ｍｍの窒化珪素セラミックス基板を採用した場合、金属回路板を厚さ０．８ｍｍの銅板、金属放熱板を厚さ０．６ｍｍの銅板とした窒化珪素セラミックス回路基板において、クラックが発生するまでの熱衝撃試験の回数は１０回以上であった。

比較例１〜９のように窒化珪素セラミックス基板の破壊靭性が６ＭＰａ・ｍ^１／２より低い場合、曲げ弾性率が２３０ＧＰａより低い場合、もしくは破壊靭性と曲げ弾性率が共に低い場合、窒化珪素セラミックス回路基板において、１０回未満の熱衝撃試験によってクラックが発生した。

特に比較例５〜７では、曲げ強度が７５０ＭＰａ以上と高かったが、曲げ弾性率は２３０ＧＰａより低いため、窒化珪素セラミックス回路基板において、１０回未満の熱衝撃試験によってクラックが発生した。

また、金属回路板及び金属放熱板を実施例１３では、厚さ１．５ｍｍの銅板、実施例１４では、厚さ２．５ｍｍの銅板とした。実施例１３及び１４のように比較的厚い銅板を接合した場合でも、破壊靭性が６ＭＰａ・ｍ^１／２以上で、曲げ弾性率が２３０ＧＰａ以上の窒化珪素セラミックス基板を用いたことにより、窒化珪素セラミックス回路基板において、クラックが発生するまでの熱衝撃試験の回数は１０回以上であった。

実施例１５〜２０では、窒化珪素セラミックス基板の厚さを０．２ｍｍもしくは０．１５ｍｍとした。窒化珪素セラミックス基板の厚さが比較的薄くとも、破壊靭性が６ＭＰａ・ｍ^１／２以上で、曲げ弾性率が２３０ＧＰａ以上の窒化珪素セラミックス基板を用いたことにより、窒化珪素セラミックス回路基板において、クラックが発生するまでの熱衝撃試験の回数は１０回以上であった。

特に実施例１５，１７，１９及び２０では、窒化珪素セラミックス基板の曲げ強度が７５０ＭＰａ以下と比較的低いが、破壊靭性が６ＭＰａ・ｍ^１／２以上で、曲げ弾性率が２３０ＧＰａ以上であるため、窒化珪素セラミックス回路基板において、クラックが発生するまでの熱衝撃試験の回数は１０回以上であった。

実施例１５〜２０のように、セラミックス回路基板及び半導体モジュールにおいて、セラミックス基板の厚さを薄くすることは、放熱性を改善することになる。実施例１５〜２０では熱衝撃試験回数が≧１５であるにも拘わらず半導体モジュールの熱抵抗が比較的低い値を示しており、放熱性に優れた高い信頼性の窒化珪素セラミックス回路基板が得られた。

比較例１０では、窒化珪素セラミックス基板は０．５４ｍｍと厚いため、弾性変形し難い。そのため、曲げ弾性率が１７１ＧＰａと低くとも、窒化珪素セラミックス回路基板において、クラックが発生するまでの熱衝撃試験の回数は１０回以上であった。しかしながら、窒化珪素セラミックス基板が比較的厚いため、半導体モジュールの熱抵抗も比較的高い値を示し、放熱性に劣る窒化珪素セラミックス回路基板となった。

次に、表面のビッカース硬度を変えたセラミックス基板について示す。セラミックス基板を作製するときの焼結助剤の添加量および熱処理温度を変えることによって、表面のビッカース硬度の異なる窒化珪素セラミックス基板を作製した。前記の窒化珪素セラミックス基板の作製方法において、原料粉末にはＢＥＴ比表面積が６ｍ^２／ｇの窒化珪素原料粉末と、４．０〜５．５ｗｔ％の焼結助剤を用い、焼結は１８５０℃の温度で５時間、０．９ＭＰａの窒素加圧雰囲気中で行った。得られた焼結体に熱処理後ブラスト処理、もしくはブラスト処理のみを行い、窒化珪素セラミックス基板を作製した。ブラスト処理は窒化珪素セラミック基板の両面に平均粒径４５μｍのアルミナ砥粒を０．２ＭＰａの圧力で湿式噴射して施した。熱処理は１４５０〜１８００℃の温度で５時間の加熱とした。熱処理時の雰囲気は熱処理温度１８００℃の条件では窒化珪素の分解を抑制するために０．９ＭＰａの窒素加圧雰囲気中、それ以外の条件では窒素常圧雰囲気中とした。

得られた厚さ０．３２ｍｍの窒化珪素セラミックス基板と、金属回路板及び金属放熱板として厚さ０．８ｍｍ及び０．６ｍｍの銅板を用いて、セラミックス回路基板を作製した。採用した窒化珪素セラミックス基板の曲げ弾性率、表面のビッカース硬度及びクラックが発生するまでの熱衝撃試験の回数を焼結助剤の添加量及び熱処理条件とともに表２に示す。実施例１〜７のようにセラミックス基板の表面のビッカース硬度が１６００以上の場合、曲げ弾性率は２３０ＧＰａ以上となり、セラミックス回路基板において、クラックが発生するまでの熱衝撃試験の回数は１０回以上であった。高い曲げ弾性率を付与するのに好ましい製造条件としては、焼結助剤添加量４．５wt％以上かつ熱処理温度１５５０℃以上である。

次に、表面の残留応力を変えたセラミックス基板について示す。焼結後のセラミックス基板は表面粗さが大きいため、砥粒を吹き付けることにより表面粗さを小さくするブラスト処理を行っている。このブラスト処理における砥粒を吹き付ける圧力を変えることによって、表面の残留応力の異なるセラミックス基板を作製した。前記の窒化珪素セラミックス基板の作製方法において、原料粉末にはＢＥＴ比表面積が６ｍ^２／ｇの窒化珪素原料粉末と、５．０ｗｔ％の焼結助剤を用い、焼結は１８５０℃の温度で５時間、０．９ＭＰａの窒素加圧雰囲気中で行った。得られた焼結体に１８００℃の温度で５時間、０．９ＭＰａの窒素加圧雰囲気中で熱処理を施した後、ブラスト処理をし、窒化珪素セラミックス基板を作製した。ブラスト処理は平均粒径４５μｍのアルミナ砥粒を０．０５〜０．５ＭＰａの圧力で湿式噴射して窒化珪素セラミック基板の両面に施した。なお、先にブラスト処理を行い後に熱処理を行うとブラスト処理により付与した圧縮応力が熱処理によって緩和されてしまう。

得られた厚さ０．３２ｍｍの窒化珪素セラミックス基板と、金属回路板及び金属放熱板として厚さ０．８ｍｍ及び０．６ｍｍの銅板を用いて、セラミックス回路基板を作製した。採用した窒化珪素セラミックス基板の曲げ弾性率、表面の残留応力及びクラックが発生するまでの熱衝撃試験の回数をブラスト処理の条件とともに表３に示す。実施例８〜１０のようにセラミックス基板の表面に−４０ＭＰａ以下の圧縮の残留応力がある場合、曲げ弾性率は２３０ＧＰａ以上となり、セラミックス回路基板において、クラックが発生するまでの熱衝撃試験の回数は１０回以上であった。

次に、表面の配向度を変えた窒化珪素セラミックス基板について示す。窒化珪素セラミックス基板の主原料となる窒化珪素粉及び焼結条件を変えることによって、表面の配向度の異なる窒化珪素セラミックス基板を作製した。前記の窒化珪素セラミックス基板の作製方法において、原料粉末Ａ、Ｂ、Ｃ、ＤとしてＢＥＴ比表面積がそれぞれ５．８ｍ^２／ｇ、３．５ｍ^２／ｇ、５．４ｍ^２／ｇ、１１ｍ^２／ｇの各窒化珪素粉末と５．０ｗｔ％の焼結助剤を用い、焼結は１８５０℃もしくは１９００℃の温度で５時間、０．９ＭＰａの窒素加圧雰囲気中で行った。得られた焼結体に１８００℃の温度で５時間、０．９ＭＰａの窒素加圧雰囲気中で熱処理を施した後、ブラスト処理をした。ブラスト処理は窒化珪素セラミック基板の両面に平均粒径４５μｍのアルミナ砥粒を０．２ＭＰａの圧力で湿式噴射して施した。

得られた厚さ０．３２ｍｍの窒化珪素セラミックス基板と、金属回路板及び金属放熱板として厚さ０．８ｍｍ及び０．６ｍｍの銅板を用いて、セラミックス回路基板を作製した。採用した窒化珪素セラミックス基板の曲げ弾性率、表面の配向度及びクラックが発生するまでの熱衝撃試験の回数を窒化珪素原料粉の種類及び焼結条件とともに表４に示す。実施例２、１１及び１２のように窒化珪素セラミックス基板の表面の配向度が０．１５以上の場合、曲げ弾性率は２３０ＧＰａ以上となり、セラミックス回路基板において、クラックが発生するまでの熱衝撃試験の回数は１０回以上であった。

以上のように、ビッカース硬度、残留応力もしくは配向度を調整し、曲げ弾性率が２３０ＧＰａ以上のセラミックス基板を得ることによって、加熱冷却過程におけるクラックの発生を抑制したセラミックス回路基板を得ることができる。

実施例１〜２０及び比較例１〜１０の窒化珪素セラミックス回路基板の金属回路板上に半導体素子をはんだ接合後、ワイヤボンディングを施し半導体モジュールを得た。この半導体モジュールについて、以下に示すようにヒートサイクル試験を行った。ヒートサイクル試験は−５５℃での冷却２０分、室温での保持を１０分及び１５０℃における加熱を２０分とする昇温／降温サイクルを１サイクルとし、これを３０００サイクル繰り返し付与し、窒化珪素セラミックス基板のクラックの進展について調べた。その結果、実施例１〜２０ではクラックの進展により窒化珪素セラミックス基板が破壊に至った半導体モジュールはなく、加熱冷却サイクルに対して高いサイクル寿命を有する半導体モジュールであることが判明した。比較例１〜９の半導体モジュールではヒートサイクル試験後に金属回路板のパターン外周部で窒化珪素セラミックス基板の表面付近からクラックの進展が見られた。比較例１０の半導体モジュールではクラックの進展により窒化珪素セラミックス基板が破壊に至ることはなかったが、表１に示したように熱抵抗が比較的高く放熱性に劣った。

本発明のセラミックス基板は、冷熱サイクルに対する高信頼性が求められるパワー半導体モジュールに有効に適用することができる。

Claims (9)

1. 破壊靭性が６．０ＭＰａ・ｍ^１／２以上であり、曲げ弾性率が２３０ＧＰａ以上であることを特徴とするセラミックス基板。
2. 表面のビッカース硬度が１６００以上であることを特徴とする請求項１に記載のセラミックス基板。
3. 表面の残留応力が−４０ＭＰａ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のセラミックス基板。
4. 前記セラミックス基板が窒化珪素セラミックス基板であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のセラミックス基板。
5. 表面の配向度が０．１５以上であることを特徴とする請求項４に記載のセラミックス基板。
6. 厚さが０．１〜０．４ｍｍであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のセラミックス基板。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載のセラミックス基板と、前記セラミックス基板の一面に接合された金属回路板と、前記セラミックス基板の他の面に接合された金属放熱板とからなることを特徴とするセラミックス回路基板。
8. 前記金属回路板および金属放熱板がそれぞれ厚さ０．５〜５．０ｍｍの銅板もしくは銅合金板であることを特徴とする請求項７に記載のセラミックス回路基板。
9. 請求項７または８に記載のセラミックス回路基板と、該セラミックス回路基板上に搭載された半導体素子を有することを特徴とする半導体モジュール。