JP2009105456A

JP2009105456A - 半導体装置

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Publication number: JP2009105456A
Application number: JP2009029248A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Komorida; 裕小森田; Norio Nakayama; 憲隆中山; Yasushi Iyogi; 靖五代儀
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Materials Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Materials Co Ltd
Priority date: 2009-02-12
Filing date: 2009-02-12
Publication date: 2009-05-14
Anticipated expiration: 2020-03-14
Also published as: JP5039070B2

Abstract

【課題】セラミックス回路基板の金属板部分に半導体素子が確実に接合され、熱抵抗不良や剥離等の発生が抑制された半導体装置を提供すること。
【解決手段】セラミックス基板と、前記セラミックス基板の表面に直接接合され、主としてアルミニウムからなる金属板と、前記金属板上に接合された半導体素子とを具備する半導体装置において、前記金属板の主面における前記半導体素子が接合される部分に、複数の溝が設けられているもの。
【選択図】図１３

Description

本発明はセラミックス回路基板に半導体素子を接合してなる半導体装置に関する。

従来、パワーモジュールのような大電力電子部品の実装に使用する基板としては、セラミックス基板の表面に銅板を接合した銅張りセラミックス回路基板が使用されていた。

このセラミックス回路基板は、アルミナや窒化アルミニウム等のセラミックス基板に、銅が直接接合又はろう接等されて作製されている。

直接接合基板は、特開昭５２−３７９１４号公報に開示されるように、酸素を含有する銅板を使用するか、無酸素銅板を使用して酸化性雰囲気中で加熱することによって無酸素銅板の表面に酸化銅を発生させてから、銅板とアルミナ基板を重ねて不活性雰囲気中で加熱し、銅板とアルミナ基板との界面に銅とアルミニウムとの複合酸化物を生成させ銅板とアルミナ基板とを接合する。

銅／窒化アルミニウム直接接合基板の場合には、例えば特開平３−９３６８７号公報に開示するように、予め空気中において、約１０００℃の温度で窒化アルミニウム基板を処理し、表面に酸化物を生成させてから、この酸化物層を介して銅板と窒化アルミニウム基板とを接合する。このような酸化物層を利用した接合方法は、酸化物そのものが必ずしも熱伝導率がよいわけではないことから金属接合セラミックス基板の熱伝導を悪くしてしまう。

また、銅をアルミナ、窒化アルミニウムにろう接する場合は、銅板とセラミックス回路基板との間に低融点のろう材又は融点を下げる為の合金元素、セラミックスとの濡れを良くする為の合金元素を添加したろう材を介在させて接合する。上述したような銅／セラミックス回路基板は広く使用されるにもかかわらず、製造上及び実用上幾つかの問題点がある。その中で最も重大な問題点は、電子部品の実装及び使用時にセラミックス基板の内部にクラックが発生し、基板の表裏間が電気的に導通することによる故障である。

このようなクラックの発生は、銅の熱膨張係数がセラミックスの熱膨張係数より約一桁大きいことに起因している。つまり、これらを接合する際、１０００℃近くまで加熱するため、接合温度から室温に冷却する際に熱膨張係数の違いによりセラミックス回路基板の内部に多大の熱応力が発生してしまうからである。

また、使用時の発熱や冷却により、セラミックス回路基板の温度が変化し、変動熱応力が発生し、この熱応力によってセラミックス基板にクラックが発生することがある。

現在、上記したような銅に代わって、セラミックスの熱膨張係数に比較的近い熱膨張係数を有するアルミニウムが接合に用いられるようになっている。また、アルミニウムは融点が低いため銅に比べて低い温度で接合でき、冷却の際の収縮によるクラック発生を少なくすることができる。さらに、前述のようにアルミニウムは銅よりも軟質金属であるため、使用時の発熱や冷却に伴う熱膨張に対してアルミニウム板そのものが柔軟に対応でき、セラミック基板にクラックを発生させる応力を低減することも可能である。

しかしながら、近年、電気自動車用パワーモジュールの開発により、より一層冷熱サイクル耐量に優れた回路基板の開発が求められている。例えば、電気自動車のように温度変化が激しく振動が大きい使用条件の場合、回路基板の冷熱サイクル耐量が５００回以上であることが要求される。現在使用されている銅／セラミックス回路基板では、このような要求に対応することは不可能であり、また、比較的クラック発生の少ないといわれる、通常のアルミニウム／セラミックス回路基板においても、このような冷熱サイクルに耐えることは難しい。

また、セラミックス回路基板の金属板部分にはＳｉペレット等の半導体素子が接合されて用いられるが、接合の際にハンダ中にハンダ巣が形成されると、熱伝導が阻害され熱が蓄積されてしまったり、冷熱サイクルの際に半導体素子とセラミックス回路基板が剥離したりする等の問題が発生する。

本発明の目的は、セラミックス回路基板の金属板部分に半導体素子を確実に接合し、熱抵抗不良や剥離等の問題の発生を抑制した半導体装置の提供を目的としている。

本発明の半導体装置は、セラミックス基板と、前記セラミックス基板の表面に直接接合され、主としてアルミニウムからなる金属板と、前記金属板上に接合された半導体素子とを具備する半導体装置において、前記金属板の主面における半導体素子が接合される部分には、複数の溝が設けられていることを特徴とするものである。

前記複数の溝は、深さが金属回路板の実装面となる部分の厚さの１／６以上５／６以下、幅が０．０５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下、隣接する溝との間隔が０．０５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下、かつ長さが前記半導体素子よりも長いことを特徴とするものである。

上記した本発明の半導体装置において、前記セラミックス基板はアルミナ、窒化アルミニウム及び窒化ケイ素からなる群から選ばれた少なくとも１種の材料から主としてなることが好ましい。また、前記主としてアルミニウムからなる金属板には、例えばＡｌ−Ｓｉ合金板等を用いることができる。

本発明の半導体装置は、セラミックス基板と、前記セラミックス基板の表面に直接接合され、主としてアルミニウムからなる金属板と、前記金属板上に接合された半導体素子とを具備する半導体装置において、前記金属板の主面における半導体素子が接合される部分に複数の溝を設けることによって、ハンダの際に、ハンダ層にハンダ巣が形成されるのを抑制し熱伝導が阻害されるのを防ぎ、また、半導体素子と金属板との熱応力の差による剥離を抑制することができる。

複数の溝の深さを金属板の実装面となる部分の厚さの１／６以上５／６以下、幅を０．０５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下、隣接する溝との間隔を０．０５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下、かつ長さを前記Ｓｉペレットよりも長くすることによって、より一層ハンダ層にハンダ巣が形成されるのを抑制し熱伝導が阻害されるのを防ぎ、また、Ｓｉペレットと金属板との剥離を抑制することができる。

また、アルミナ、窒化アルミニウム及び窒化ケイ素からなる群から選ばれた少なくとも１種の材料から主としてなるものをセラミックス基板として用いることで、半導体装置に必要とされる強度、熱伝導性等の特性を向上させることができる。

さらに、主としてアルミニウムからなる金属板をＡｌ−Ｓｉ合金板とすることにより、アルミニウム板と各種セラミックスとの接合強度を向上させることが可能となる。従って、前述の形状を改良したアルミニウム板に適用することにより更にセラミックス板にクラックが発生するのを抑制することが可能となる。

本発明の半導体装置は、セラミックス回路基板に半導体素子を接合する際に用いたハンダにハンダ巣が形成されるのを抑制し、熱抵抗不良や剥離等を抑制することができる。

金属板の外周縁部内側に薄肉部を設けた場合の一例を示す外観図。金属板の外周縁部内側に薄肉部を設けた場合の一例を示す断面図。金属板の外周縁部内側に孔を設けた場合の一例を示す外観図。図３の一部分を拡大した平面図。孔の形状を矩形とした場合の一例を示す平面図。金属板の外周縁部内側に孔を設けた場合の一例を示す断面図。孔の深さ方向の形状の他の例を示す断面図。孔を貫通孔とした場合の一例を示す断面図。金属板の外周縁部内側に不連続な溝を設けた場合の一例を示す外観図。図９の一部分を拡大した平面図。溝の断面形状の一例を示す断面図。溝の断面形状の他の例を示す断面図。本発明の半導体装置の一例を示す外観図。本発明の半導体装置の一例を示す断面図。冷熱サイクル試験実施後の参考例１の応力分布を表す図。冷熱サイクル試験実施後の参考例２の応力分布を表す図。冷熱サイクル試験実施後の参考例３の応力分布を表す図。実施例１〜４に用いたアルミニウム板の一例を示した概略図。

図１は、セラミックス回路基板の一例を示したものである。

セラミックス回路基板１は、例えばセラミックス基板２にアルミニウム板３を接合したものである。このときアルミニウム板３の外周縁部を３ａとした場合、外周縁部内側を薄肉部３ｂとしたものである。ここで、外周縁部内側とは、外周縁部から中央方向に向う一定距離の部分のことである。

例えば、アルミニウム板をセラミックス板に直接接合する際、アルミニウム板の融点以上に加熱するが、アルミニウム板の外周縁部内側に薄肉部を設けることによって、アルミニウム板外周縁部に発生する応力を、アルミニウム板の薄肉部の塑性変形により吸収し、セラミックス板にクラックが発生するのを抑制することが可能となる。また、アルミニウム板とセラミックス板の接合時だけでなく、これらを接合した後の使用の際にも、冷熱サイクルにより熱応力が発生するが、この場合にもアルミニウム板外周縁部に発生する応力を、アルミニウム板の薄肉部の塑性変形により吸収し、セラミックス板にクラックが発生するのを抑制することが可能となる。

薄肉部３ｂの形状としては、例えば図２に示すように、アルミニウム板のセラミックス板と接合していない面を削り、段差を設けることが挙げられる。このような薄肉部３ｂの形成方法としては、機械的に加工する方法の他に、エッチング等により加工する方法が挙げられる。薄肉部３ｂは、セラミックス板とアルミニウム板とを接合した後に形成してもよいが、セラミックス板と接合する前に形成することによって、接合時の応力によりセラミックス板にクラックが発生することを抑制できるため、より効果的である。

このような薄肉部３ｂの形成範囲としては、例えばアルミニウム板の外周縁部からの長さをＷ、薄肉部の厚さをＴとすると、Ｗは０．３ｍｍ以上１．０ｍｍ以下、Ｔはアルミニウム板の実装面の厚さの１／６以上５／６以下であることが好ましい。この薄肉部の外周縁部からの長さＷが０．３ｍｍ未満であると、応力緩和効果が十分に得られずクラック発生の原因となる。また、１．０ｍｍを超えた部分に形成されたものは、応力緩和効果が十分でなく、かつ実装面積も減少させてしまう。薄肉部３ｂの厚さＴはアルミニウム板の実装面の厚さの１／６未満であると、アルミニウム板の強度を低下させる恐れがあり、５／６を超えると応力緩和効果が認められなくなる。

次に、他のセラミックス回路基板の一例を図３に示す。

セラミックス回路基板４は、図３に示されるように、例えばアルミニウム板３のセラミックス基板２との接合面と反対面側の外周縁部内側に複数の孔５が形成されているものである。

上述したセラミックス回路基板の好ましい形態としては、前記複数の孔５が例えばアルミニウム板３の外周縁部にそって直線状に形成されているものである。この孔の横断形状は図４に示されるような、円形状であっても、また図５に示されるような矩形状であってもよい。このような複数の孔は、エッチングにより形成してもよいし、金型を用いたプレス加工により形成してもよい。このように、複数の孔を直線状に形成することによって、アルミニウム板の外周縁部への応力集中を効率的に緩和させることができる。

このような孔の大きさとしては、図４に示されるように孔が円の場合は、孔の直径をＤとしたとき、Ｄが０．３ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であることが好ましい。また、孔と孔との間隔をＬとしたとき、Ｌは０．３ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であることが好ましい。さらに、金属板の外周縁部から孔までの距離をＺとしたとき、Ｚは０．３ｍｍ以上であることが好ましい。

孔の直径が０．３ｍｍ未満では十分に応力を緩和することができず、また１．０ｍｍを超えるとアルミニウム板の強度低下をもたらすとともに、実装面積の低下を招いてしまう。また、孔と孔との間隔はあまり大きすぎると、応力の緩和効果を十分に得られないおそれがあり、小さすぎると孔を加工するときにアルミニウム板の変形等を招いてしまう場合がある。また、金属板の外周縁部から孔の外周縁部までの距離Ｚが０．３ｍｍ未満であると応力緩和効果が十分でなくなる恐れがある。

上述した複数の孔は図６や図７に示されるような非貫通孔５ａであってもよいし、また図８に示すように貫通孔５ｂであってもよい。例えば、非貫通孔５ａはプレス加工等により容易に形成することができるため、製造工数の削減等に有効である。また、貫通孔５ｂはＤＢＡ法を適用する場合に、接合に寄与せずにガス化した酸素などの排出孔としても機能させることができる。

ここで複数の孔を非貫通孔５ａとする場合、その深さ方向の形状は図６に示すようにほぼ均一形状であってもよいし、また図７に示すように逆円錐状であってもよい。

次に、セラミックス回路基板の他の例について説明する。

セラミックス回路基板６は、図９に示されるように、アルミニウム板３のセラミックス基板２との接合面と反対面側の外周縁部内側に不連続な溝７が形成されているものである。このような不連続な溝７を設けることによってアルミニウム板３の外周縁部に発生する応力を効率的に緩和させることができる。ここで外周縁部内側とは、図９に示すように、金属板の外周縁部から中央方向に向かった部分のことである。セラミックス回路基板においては、不連続な溝は直線状に形成されていることが好ましい。このように不連続な溝を直線状に形成することによって、より効率的に応力集中を緩和することができる。

図１０はセラミックス回路基板６の一部分を拡大したものである。ここで、Ｗは単体溝の幅を、Ｅは単体溝の長さを、Ｚは単体溝の外周縁部からの距離を表している。

不連続な溝を構成する各単体溝の形状、すなわち単体溝の幅Ｗ、長さＥ及び外周縁部からの距離Ｚとしては、幅Ｗが０．０５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下、長さＥが２０ｍｍ以下、かつ外周縁部からの距離Ｚが０．３ｍｍ以上であることが好ましい。

幅Ｗが０．０５ｍｍ未満の場合は、十分に応力を緩和することができず、１．０ｍｍを超える場合は、アルミニウム板の強度低下を招くとともに、実装面積の低下を招くことになる。また、各単体溝の長さＥが２０ｍｍを超えると、溝非形成領域の減少に伴ってアルミニウム板の変形を十分に抑制できないおそれがある。また、外周縁部からの距離Ｚが０．３ｍｍ未満であると、十分な応力緩和効果が得られなくなる恐れがある。

また、不連続な溝７の縦断面形状は図１１に示すように、深さ方向にほぼ均一でもよいし、図１２に示すように逆三角形状であってもよい。但し、その深さＨはアルミニウム板の実装面の厚さの１／６以上５／６以下であることが好ましい。深さＨがアルミニウム板の実装面の厚さの１／６未満の場合、応力の分散効果が不十分となるおそれがあり、またアルミニウム板の実装面の厚さの５／６を超える場合、アルミニウム板の強度低下等を招きやすくなる。

さらにセラミックス回路基板に用いられるセラミックス基板としては、主としてアルミナ、窒化アルミニウム及び窒化ケイ素からなる群から選ばれた少なくとも１種の材料からなるものであることが好ましい。

次に本発明の半導体装置の一実施形態について説明する。

図１３は本発明の半導体装置の外観を示した図である。また、図１４は本発明の半導体装置の断面形状を示した図である。

本発明の半導体装置８は図１３に示すように、窒化アルミニウム等のセラミックス基板２に接合されたアルミニウム板３と、前記アルミニウム板３のセラミックス基板２が接合されていない面にハンダ層９を介して接合された半導体素子１０からなる半導体装置８において、前記アルミニウム板３の半導体素子１０が接合された面に複数の溝１１を設けたものである。

ここで、Ｈはアルミニウム板に形成される溝の深さを、Ｗは溝の幅を、Ｌは溝と溝との距離を示している。

従来、アルミニウム板に半導体素子をハンダ付けする際、ハンダ部分にガスが巻き込まれてハンダ巣を形成してしまうことがあった。このハンダ部分に存在するハンダ巣は熱抵抗不良の原因となるため、除去することが好ましい。

本発明の半導体装置では、このようにアルミニウム板３のハンダ層９が形成される面に溝１１を設けることによって、この溝１１よりハンダ巣を形成する原因となるガスを排出してハンダ巣の発生を抑制し、かりにハンダ巣が発生したとしても、溝１１を設けたことによって、溝１１より大きなハンダ巣が形成されるのを抑制することができる。従って、本発明の半導体装置では、ハンダ巣による熱抵抗不良を抑制し、各半導体装置における熱抵抗等のバラツキを抑えることができる。

このようなアルミニウム板に形成される溝の深さＨはアルミニウム板の厚さの１／６以上５／６以下、幅Ｗは０．０５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下、隣接する溝との距離Ｌは０．０５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下であることが好ましい。

溝の深さがアルミニウム板の厚さの１／６未満であるとガス排出効果が低くなりハンダ巣が形成されやすくなる、またアルミニウム板の厚さの５／６を超えると、アルミニウム板の強度低下を招いてしまう。また、幅Ｗを０．０５ｍｍ未満とするとガス排出効果が低くなり、ハンダ巣が形成されやすくなる、また幅Ｗが１．０ｍｍを超えるとガス排出効果が低くなるとともに、アルミニウム板の強度低下を招いてしまう。さらに、このような溝と溝との間隔Ｌは、０．０５ｍｍ未満であると基板の強度低下を起こしてしまい、間隔Ｌが５．０ｍｍを超えるとガス排出効果が低くなり、ハンダ巣が形成されやすくなってしまう。

さらに本発明の半導体装置に用いられるセラミックス基板としては、アルミナ、窒化アルミニウム及び窒化ケイ素等から選ばれる少なくとも１種の材料から主としてなるものであることが好ましい。また、主としてアルミニウム板からなる金属板は、アルミニウムが５０ｗｔ％以上であれば特に限定されるものではなく、純度９９％以上の高純度アルミニウム、Ａｌ−Ｍｇ合金、Ａｌ−Ｍｎ合金、Ａｌ−Ｓｉ合金など各種Ａｌ合金板が適用可能である。その中でも、Ａｌ−Ｓｉ合金は各種セラミックスと共晶接合しやすいことから特にＡｌ−Ｓｉ合金板を用いることが好ましい。Ｓｉ含有量は、０．００１〜４０ｗｔ％が好ましく、例えばアルミナや窒化アルミニウムのように主成分としてＳｉを含まないセラミックスにおいては、アルミニウム板中のＳｉ量は５〜３０ｗｔ％が好ましく、窒化ケイ素のように主成分としてＳｉを含んでいるセラミックスにおいてはアルミニウム板中のＳｉ量は０．０１〜１５ｗｔ％が好ましい。

以下、本発明の半導体装置の作製法について、一例を示す。

例えば窒化アルミニウムからなるセラミックス基板にＤＢＡ法によりアルミニウム板を接合する。さらに、接合されたアルミニウム板のセラミックス基板を接合していない面のＳｉペレット等の半導体素子を接合しようとする部分に、エッチング等の方法により半導体素子の長さよりも長い複数の溝を形成する。この溝を形成した面にハンダを用いて半導体素子を接合する。このように予め溝を設けた部分にハンダを用いて半導体素子を接合することによって、ハンダ部分に発生するハンダ巣の除去、又は成長を抑制し熱抵抗不良となるのを抑制することができる。

セラミックス回路基板においては、エッチングやプレス加工によりあらかじめ溝を設けたアルミニウム板をセラミックス基板に直接接合してもよいし、アルミニウムを溶融させ、これをセラミックス基板に塗布し、その後エッチング等により溝を形成し、半導体素子をハンダで接合してもよい。

次に本発明の具体例及びその評価について述べる。

参考例１〜３、比較例１
参考例１
厚さ０．５ｍｍ、純度９９％以上のアルミニウム板を用意し、エッチングによりこのアルミニウム板の外周縁部より１ｍｍまでの部分の厚さを０．２５ｍｍとした。その後、このアルミニウム板を厚さ０．７ｍｍの窒化アルミニウム基板に直接接合してセラミックス回路基板を作製した。

参考例２
厚さ０．５ｍｍ、純度９９％以上のアルミニウム板を用意し、エッチングによりこのアルミニウム板の外周縁部内側に複数の孔を設けた。孔の直径は０．５ｍｍ、各孔の間隔は、０．５ｍｍ、かつ孔の縁部が外周縁部より０．５ｍｍとなるようにした。このアルミニウム板を厚さ０．７ｍｍの窒化アルミニウム基板に直接接合してセラミックス回路基板を作製した。

参考例３
厚さ０．５ｍｍ、純度９９％以上のアルミニウム板を用意し、エッチングによりこのアルミニウム板の外周縁部内側に複数の溝を設けた。溝の深さは０．２５ｍｍ、溝の幅は０．０５ｍｍ、かつ溝の縁部が外周縁部より０．５ｍｍとなるようにした。このアルミニウム板を厚さ０．７ｍｍの窒化アルミニウム基板に直接接合してセラミックス回路基板を作製した。

比較例１
厚さ０．５ｍｍ、純度９９％以上のアルミニウム板を用意し、このアルミニウム板を厚さ０．７ｍｍの窒化アルミニウム基板に直接接合してセラミックス回路基板を作製した。

上記のようにして作製した参考例１〜３及び比較例１のセラミックス回路基板に対して冷熱サイクル試験（ＴＣＴ：２３３Ｋ×３０分→ＲＴ×１０分→３９８Ｋ×３０分→ＲＴ×１０分を１サイクルとする。ＲＴは室温。）を施し、この熱サイクル付加時における応力分布を測定した。

各参考例と比較例の結果を図１５、１６及び１７に示す。

各図から明らかなように、アルミニウム板の外周縁部内側に薄肉部、孔又は溝を設けたものは、いずれも外周縁部に発生した応力を緩和し、アルミニウム板の外周縁部付近の応力は、低くなっていることがわかる。

これに対して、アルミニウム板に何も加工をしなかったものは、アルミニウム板の外周縁部に大きな応力が生じており、クラック等の発生の恐れがあることがわかった。

実施例１〜４、比較例２
実施例１〜４
厚さ０．５ｍｍ、縦３ｃｍ×横３ｃｍ、純度９９％以上のアルミニウム板を用意し、図１８に示すように、このアルミニウム板の中央部に複数の溝を設けた。溝の深さ（Ｈ）、幅（Ｗ）、長さ（Ｅ）及び間隔（Ｌ）は表１に示すように調整した。また、溝は、溝方向と垂直な方向の両縁部から５ｍｍの部分には設けなかった。

さらに、アルミニウム板の溝を設けていない面に窒化アルミニウム基板を直接接合し、また溝を設けた面の中央部にハンダを用いてＳｉペレットを接合し半導体装置を作製した。

Ｓｉペレットは厚さ０．５ｍｍ、縦２ｃｍ×横２ｃｍのものを用いた。

比較例２
厚さ０．５ｍｍ、縦３ｃｍ×横３ｃｍ、純度９９％以上のアルミニウム板を用い、このアルミニウム板の一方の面に溝加工を施さないまま、ハンダを用いてＳｉペレットを接合し、他方の面に窒化アルミニウム基板を直接接合により接合し半導体装置を作製した。Ｓｉペレットは、実施例１〜４で用いたものと同様のものを用いた。

このようにして作製された実施例１〜４及び比較例２の半導体装置の熱抵抗を測定した。

実施例１〜４及び比較例２における熱抵抗の評価結果を表１に示す。

表１から明らかなように、実施例１〜４のようにＳｉペレットとの接合面に溝を設けたものは、いずれも熱抵抗不良が抑制されていることがわかった。特に、溝の深さ、幅、長さ、間隔を、本発明における好ましい値としたものは、熱抵抗不良が大幅に抑制されていることがわかった。

これに対して、アルミニウム板のＳｉペレットとの接合面に溝を設けず、Ｓｉペレットとアルミニウム板とを接合した比較例２では、熱抵抗不良が発生していることがわかった。

以上の結果より、本発明のようにアルミニウム板のＳｉペレット接合面に複数の溝を設けることによって、ハンダ巣の生成又は成長を抑制し、熱抵抗不良を大幅に抑制することができることが確認された。

参考例４〜６
参考例１のアルミニウム板をＡｌ−１０ｗｔ％Ｓｉ板に変えたものを参考例４、参考例１の窒化アルミニウム基板を窒化ケイ素基板に変えたものを参考例５、参考例１のアルミニウム板をＡｌ−１０ｗｔ％Ｓｉ板に変えさらに窒化アルミニウム基板を窒化ケイ素基板に変えたものを参考例６とした。

このようなセラミックス回路基板に対し、アルミニウム板のピール強度並びに冷熱サイクル試験（ＴＣＴ）として、２３３Ｋ×３０分→ＲＴ×１０分→３９８Ｋ×３０分→ＲＴ×１０分を１サイクルとした通常より厳しい条件にて、１０００サイクルおよび２０００サイクル行った場合のセラミックス基板へのクラックの有無を確認した。

また、比較のため比較例１のセラミックス回路基板についても同様の測定を行った。その結果を表２に示す。

表２に示されるように、アルミニウム板にＳｉを含有させた場合のほうがピール強度が向上していることがわかる。

また、ＴＣＴ試験結果を見ても、参考例４〜６のものは試験条件が２３３Ｋ×３０分→ＲＴ×１０分→３９８Ｋ×３０分→ＲＴ×１０分と通常よりも厳しい条件にもかかわらず、１０００サイクルまではセラミックス基板へのクラックの発生は確認されなかった。

それに対し、比較例のものは若干の剥がれが確認された。これはアルミニウム板の外周部に薄肉部がないため応力緩和がなされていないためであるといえる。なお、ＴＣＴ試験の「ややあり」との表記は若干の割れ現象が確認されたものを示すものである。

さらに、窒化アルミニウム基板と窒化ケイ素基板とを比較すると、窒化ケイ素基板（参考例５および６）を用いたものの方が優れたＴＣＴ試験特性を示すことが分かった。

１……セラミックス回路基板
２……セラミックス基板
３……アルミニウム板
３ａ……外周縁部
３ｂ……薄肉部
５……孔
７……溝
９……ハンダ層
１０……半導体素子
１１……溝

Claims

セラミックス基板と、前記セラミックス基板の表面に直接接合され、主としてアルミニウムからなる金属板と、前記金属板上に接合された半導体素子とを具備する半導体装置において、
前記金属板の主面における前記半導体素子が接合される部分には、複数の溝が設けられていることを特徴とする半導体装置。
前記複数の溝は、深さが前記金属板の実装面となる部分の厚さの１／６以上５／６以下、幅が０．０５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下、隣接する溝との間隔が０．０５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下、かつ長さが前記半導体素子よりも長いことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
前記セラミックス基板はアルミナ、窒化アルミニウム及び窒化ケイ素からなる群から選ばれた少なくとも１種の材料から主としてなることを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置。
前記主としてアルミニウムからなる金属板は、Ａｌ−Ｓｉ合金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項記載の半導体装置。