JP2012138541A - 半導体モジュール用回路基板 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明の目的は、構成部材の簡素化とともに高温条件での温度サイクルによる回路基板の反りを低減し、接合部の接合信頼性，放熱性に優れた半導体モジュール用回路基板を提供することにある。
【解決手段】支持部材，接合層，絶縁基板，接合層，回路配線板の順に積層されている回路基板において、前記接合層は金属を含む焼結体であり、かつ前記絶縁基板は非酸化物系のセラミックスであり、該絶縁基板の両面には酸化物層が形成されていることを特徴とする回路基板。
【選択図】 図１

Description

本発明は、パワー半導体モジュール等に適用するセラミックス回路基板に関する。
パワーモジュールに代表される半導体装置では、全ての電極を金属支持部材から電気的に絶縁し、これらの電極は絶縁部材により金属支持部材を含む全てのパッケージ部材から絶縁されて外部へ引き出される。そのために、一対の主電極が回路上の接地電位から浮いている使用例であっても、電極電位とは無関係にパッケージを接地電位部に固定できるので半導体装置の実装が容易になる。
半導体装置では、この装置に収納された半導体素子を安全かつ安定に動作させるために、装置の動作時に発生する熱をパッケージの外へ効率良く放散させる必要がある。この熱放散は通常、発熱源である半導体素子基体からこれと接合された各部材を通じて気中へ熱伝達させることで達成される。半導体装置ではこの熱伝達経路中に、絶縁体，半導体基体を接合する部分等に用いられた接合層、及び金属支持部材を含むのが一般的である。
また、半導体装置を含む回路の扱う電力が高くなるほど、あるいは要求される信頼性（経時的安定性，耐湿性，耐熱性等）が高くなるほど、高い絶縁性が要求される。ここで言う耐熱性には、半導体装置の周囲温度が外因により上昇した場合のほか、半導体装置の扱う電力が大きく、半導体基体で発生する熱が大きくなった場合の耐熱性も含む。
絶縁型半導体装置では一般に半導体素子基体を含むあるまとまった電気回路が組み込まれるため、その回路の少なくとも一部と金属支持部材とを電気的に絶縁する必要がある。一例として、公知の半導体素子基体を搭載する基板構成を図６に示す。絶縁基板３０３の表裏に回路配線板３０４，３０５を接合層３０６，３０７を介して接合することで、絶縁回路部材が構成されている。さらに、絶縁回路部材と支持部材３０２をはんだ層３０８を介して接合することで、回路配線板３０４が支持部材３０２と電気的に絶縁された回路基板３０１が構成されている。ここで、回路配線板３０４，３０５は銅やアルミニウム等の電気伝導性に優れた金属材料で形成されている。また、絶縁基板３０３はアルミナ，窒化アルミニウム，窒化珪素等の高電圧に耐えられるセラミックス材料で形成されている。また、支持部材３０２はアルミシリコンカーバイド（ＡｌＳｉＣ）や銅等の放熱性に優れた材料で形成されている。さらに、絶縁基板３０３の表裏に接合した回路配線板３０４，３０５は、絶縁回路部材の反り量を低減する緩衝材としての役割も有している。また、セラミックス製の絶縁基板３０３と金属製の回路配線板３０４，３０５間の接合層３０６，３０７には銀系ろう材がしばしば用いられる。
セラミックス材料と金属材料は熱膨張係数が異なる。半導体装置に適用されるセラミック材料の熱膨張係数は１０×１０-6／℃未満であり、一方の金属材料は１０×１０-6／℃〜２０×１０-6／℃である。従って、絶縁回路部材と支持部材の接合工程で高温にさらされたり、半導体装置の周囲温度が変化することで、回路基板の反りや応力が発生し、接合部や部材の破損原因になる。
周囲温度の変化に伴う基板の反りや応力を低減するために、支持部材の材料を絶縁基板の熱膨張係数に近い材料で構成する方法が知られている。例えば、絶縁基板に用いられるセラミックス基板が低熱膨張係数（３×１０-6／℃〜８×１０-6／℃程度）であることから、支持部材に低熱膨張係数の複合材であるアルミシリコンカーバイド（線膨張係数は７.５×１０-6／℃程度）を利用するものである。
さらに、半導体基体で発生する熱を効率よく放熱させるために、部材数，接合層数を減らす構造が提示されている。一例として、絶縁基板の裏面を支持部材に直接接合し、回路配線板１枚とはんだ層を取り除いた構造が提案されている。絶縁基板の裏面と支持部材の接合には、熱伝導性の良い銀系ろう材が適用されている。しかしながら、銀系ろう材の接合温度は高温（例えば８００℃前後）であるため、接合時に溶解しない金属支持部材や配線板材料を選択する必要がある。
さらに部材数，接合層数を減らした構造として、特許文献１や特許文献２では、セラミックス製の絶縁基板の裏面と金属製の支持部材との間に接合材を介さず、直接接合する構造が提案されている。絶縁基板の裏面と支持部材の接合には、予め溶解させた金属にセラミックスを接触かつ冷却させて接合体を形成する溶湯法が適用されている。しかしながら、本方法では接合層や応力緩衝層がないため、金属とセラミックス間にかかる応力がセラミックスに直接かかる。応力を低減するためには、アルミニウム等の低融点金属材料を選ぶ必要がある。
他方、特許文献３や特許文献４では、粒径１００ｎｍ以下の金属粒子を用いた接合材が開示されている。金属粒子を用いることで金属の融点よりも低い温度で焼結し、従来のろう材に比べて低温での接合（４００℃以下）が可能になる。特に金属粒子と金属の接合が金属結合で行われるため、従来のろう材，はんだ等を用いた場合と同等もしくはそれ以上の接合強度が得られる。
特開２００３−２５８１５０号公報 特開２００８−２８３２１０号公報 特開２００６−２２８８０４号公報 特開２００８−１６１９０７号公報
特許文献３では、金属粒子とセラミックスの接合は、揮発性有機溶剤と金属粒子を混合したペースト材がセラミックス表面の凹凸内部に侵入した状態で焼結し、アンカー効果により接合すると記載されている。しかしながら、ペースト材をセラミックス表面の凹凸に侵入させる場合、ベースト材に含まれる有機溶剤も凹凸内部に侵入する。凹凸内部に有機溶剤が加熱処理後も残ると、金属粒子の凹凸内部への侵入が阻害され、接合強度の劣化を招くことが予想される。特にセラミックスと金属で挟まれている領域での有機溶剤を揮発させるために、周囲の雰囲気を減圧，加熱温度の上昇，加熱処理を長時間化するといった手段が考えられるが、基板中央部での有機溶剤の除去は困難である。そのため、実際には従来のろう材，はんだ等を用いた場合と同等の接合強度を得るのは困難である。
さらに、特許文献４では、周囲温度の変化に伴うセラミックス回路基板のクラックや反りを生じさせず、かつ放熱効率を向上させるために、セラミックス基板を薄く（０.２〜０.６mmがより好ましいと記載）、セラミックス基板の両面に接合する金属板を厚く（２〜４mmがより好ましいと記載）するのが良いとされている。しかしながら、要求される絶縁特性（高耐サージ電圧性）や基板強度によっては、より厚いセラミックスまたは、より薄い配線用金属板、またはより厚い支持部材が必要になる。
そこで、本発明の目的は、構成部材の簡素化とともに高温条件での温度サイクルによる回路基板の反りを低減し、接合部の接合信頼性，放熱性に優れた半導体モジュール用回路基板を提供することにある。
本発明は、支持部材，接合層，絶縁基板，接合層，回路配線板の順に積層されている回路基板において、前記接合層は金属を含む焼結体であり、かつ前記絶縁基板は非酸化物系のセラミックスであり、該絶縁基板の両面には酸化物層が形成されていることを特徴とする回路基板である。
また、前記接合層は銀もしくは銀を含む複合材で構成されており、接合温度が１８０℃〜４００℃であることを特徴とする。
また、前記接合層の厚さは１０μｍ〜２００μｍであることを特徴とする。
また、前記酸化物層は、前記酸化物層が接合層を形成する領域の５０％以上の領域で、厚さが０.１ｎｍ〜３００ｎｍであることを特徴とする。
また、前記絶縁基板は熱膨張係数が−５０℃〜２００℃の範囲で１０×１０-6／℃以下、抗折強度が３００ＭＰａ以上であることを特徴とする。
また、前記絶縁基板は、窒化物であることを特徴とする。
また、前記絶縁基板は、珪素を含む窒化物であることを特徴とする。
また、前記支持部材は熱膨張係数が−５０℃〜２００℃の範囲で１０×１０-6／℃以上２０×１０-6／℃以下であり、接合層が形成される領域での支持部材の厚さは０.５mm以上２０mm以下であり、回路配線板の厚さは０.５mm以上３mm以下であることを特徴とする。
また、前記支持部材は銅または銅を含む合金であることを特徴とする。
また、前記支持部材及び回路配線板は熱膨張係数が−５０℃〜２００℃の範囲で２０×１０-6／℃以上３０×１０-6／℃以下であり、接合層が形成される領域での支持部材の厚さは０.５mm以上２mm以下であり、回路配線板の厚さは支持部材よりも厚く、かつ３mm以下であることを特徴とする。
また、前記支持部材及び回路配線板はアルミニウムまたはアルミニウムを含む合金であることを特徴とする。
また、放熱用金属板と絶縁基板との間の接合層形成領域は、放熱用金属板端部より狭く、かつ回路配線板と絶縁基板との間の接合層最外端部から１mm狭い領域よりも広い領域であることを特徴とする。
また、前記回路配線板の形成面積は、前記絶縁基板面積の７０％〜９５％であることを特徴とする。
また、前記支持部材もしくは回路配線板の一部に、支持部材もしくは回路配線板とは異なる材質のめっき層が形成されていることを特徴とする。
また、前記回路配線板の接合層と接する面の面積は、回路配線板の相対する面の面積よりも小さいことを特徴とする回路基板。
本発明によれば、構成部材の簡素化とともに高温条件での温度サイクルによる回路基板の反りを低減し、接合部の接合信頼性，放熱性に優れた半導体モジュール用回路基板を提供することができる。
第１〜第７の実施例に関わる回路基板の構成である。 第１〜第１１の実施例に関わる絶縁基板と接合層の界面状態である。 第８，第９の実施例に関わる回路基板の構成である。 第１０の実施例に関わる回路基板の構成である。 第１１の実施例に関わる半導体モジュール用基板の構成である。 従来の回路基板構成である。
次に、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
図１は、本実施形態に関わる回路基板の構成説明図である。回路基板１０１は、支持部材１０２，接合層１０６，絶縁基板１０３，接合層１０５，回路配線板１０４の順に積層されている。接合層１０５，１０６は金属を含む焼結体であり、また、絶縁基板１０３の両面には酸化物層が形成されている。
支持部材１０２は、耐熱性，熱伝導性に優れた金属または金属を含む複合材料が適している。具体的には、銅または銅を含む合金、またはアルミニウムまたはアルミニウムを含む合金が良い。
また、支持部材１０２と接合層１０６が接する面とは相対する面に、凹凸状のフィンを設けて放熱性を向上させても良い。
絶縁基板１０３は、耐熱性，耐圧性に優れ、高強度なセラミックスが適している。セラミックス材料として、アルミニウムや珪素を含む酸化物や窒化物が挙げられるが、中でも高強度かつ熱伝導性の良い窒化物が好ましい。具体的には窒化アルミニウム，窒化珪素が挙げられる。特に、窒化珪素は高強度セラミックスとして知られている。また、絶縁基板の厚さは回路基板１０１に求められる絶縁耐圧および強度で決められる。
回路配線板１０４は、耐熱性，熱伝導性、そして導電性に優れた金属または金属を含む複合材料が適している。具体的には、銅または銅を含む合金、またはアルミニウムまたはアルミニウムを含む合金が良い。
接合層１０５，１０６には、金属の焼結体を用いる。接合層１０５，１０６は、支持部材１０２と絶縁基板１０３、および絶縁基板１０３と回路配線板１０４をそれぞれの界面を低温で接合できることが望ましい。低温で接合することにより、接合後の回路基板１０１に残留する熱応力および反りを低減できるためである。そこで、本発明では、金属酸化物粒子と金属酸化物粒子を還元する有機物からなる還元剤から構成される接合材を用いた接合技術を用いる。この接合技術は、接合時における加熱と加圧時に金属酸化物粒子が還元されることで平均粒径１００ｎｍ以下の金属粒子が生成され、平均粒径１００ｎｍ以下の金属粒子の焼結が起こり、バルクな金属に変化するという現象を利用したものである。金属酸化物粒子は還元剤の存在下において、４００℃以下の低温で還元されて、平均粒径１００ｎｍ以下の金属粒子が生成されることから、この接合技術によれば、４００℃以下での低温接合が可能である。また、この接合技術では金属酸化物粒子が還元する際の反応熱によって瞬間的に温度が上昇するという特徴を有しており、この反応熱により接合部材との強固な接合が行われる。例えば、酸化銀と還元剤となるセチルアルコール等の第一級アルコールをトルエン等の溶剤に分散させてベースト化した接合材を用いる場合、３００℃において５分間、加圧力０.５ＭＰａの下で加熱することで、窒化物系セラミックスと接合した焼結層が形成される。
金属製の支持部材１０２，回路配線板１０４は、接合層１０５と金属結合を起こすことから、接合層１０５と高強度で接合する。一方、非酸化物系セラミックスの絶縁基板１０３との接合では、酸化金属粒子の還元反応熱で金属元素をセラミックス内部に拡散させて接合強度を強める必要があるが、特に窒化物中に金属元素を拡散させるのは容易でない。そこで、窒化物系セラミックス表面に金属元素が拡散しやすい酸化層を形成し、金属粒子の拡散を促進する。例えば、セラミックス基板を大気中で１０００℃の温度で焼成することで、厚さ数ｎｍの酸化層をセラミックス表面に形成できる。
上記接合材に用いられる金属酸化物粒子としては、酸化銀（Ａｇ2Ｏ，ＡｇＯ）のほか、酸化銅（ＣｕＯ）も挙げられ、これらの群から少なくとも１種類以上の金属を用いることができる。酸化銀（Ａｇ2Ｏ，ＡｇＯ），酸化銅（ＣｕＯ）からなる金属酸化物粒子は還元時に酸素のみを発生するために、接合後における残渣も残りにくく、体積減少率も小さい。また、金属酸化物粒子は、平均粒径が１ｎｍ以上１００μｍ以下、好ましくは５０μｍ以下の粒子とすることが望ましい。平均粒径を１００μｍ以下としたのは、金属酸化物粒子の還元によって接合中に粒径が１００ｎｍ以下の金属粒子が生成されにくくなり、これにより粒子間の隙間が多くなり、緻密な接合層を得ることが困難になるためである。また、平均粒径を１ｎｍ以上としたのは、平均粒径が１ｎｍ以下の金属酸化物粒子を作製することが困難なためである。また、この接合材では、接合中に１００ｎｍ以下の金属粒子が生成されることで接合が行われるため、金属酸化物粒子の粒径は１００ｎｍ以下とする必要はなく、金属酸化物粒子の作製，取り扱い性，長期保存性の観点からは平均粒径が１μｍ以上の粒子を用いることが好ましい。
また、上記接合材に用いられる還元剤としては、金属酸化物粒子を還元する作用を有するものであればよく、例えば、アルコール類，カルボン酸類，アミン類から選ばれた１種類以上の有機物を用いることができる。
利用可能なアルコール基を含む化合物としては、アルキルアルコールが挙げられ、例えば、エタノール，プロパノール，ブチルアルコール，ペンチルアルコール，ヘキシルアルコール，ヘプチルアルコール，オクチルアルコール，ノニルアルコール，デシルアルコール，ウンデシルアルコール，ドデシルアルコール，トリデシルアルコール，テトラデルアルコール，ペンタデシルアルコール，ヘキサデシルアルコール，ヘプタデシルアルコール，オクタデシルアルコール，ノナデシルアルコール，イコシルアルコール、がある。さらには１級アルコール型に限らず、２級アルコール型，３級アルコール型、及びアルカンジオール，環状型の構造を有するアルコール化合物を用いることが可能である。それ以外にも、エチレングリコール，トリエチレングリコールなど多数のアルコール基を有する化合物を用いてもよく、また、クエン酸，アスコルビン酸，グルコースなどの化合物を用いてもよい。
また、利用可能なカルボン酸を含む化合物としてアルキルカルボン酸がある。具体例と
しては、ブタン酸，ペンタン酸，ヘキサン酸，ヘプタン酸，オクタン酸，ノナン酸，デカ
ン酸，ウンデカン酸，ドデカン酸，トリデカン酸，テトラデカン酸，ペンタデカン酸，ヘ
キサデカン酸，ヘプタデカン酸，オクタデカン酸，ノナデカン酸，イコサン酸が挙げられ
る。また、上記アミノ基と同様に１級カルボン酸型に限らず、２級カルボン酸型，３級カ
ルボン酸型、及びジカルボン酸，環状型の構造を有するカルボキシル化合物を用いること
が可能である。
また、利用可能なアミノ基を含む化合物としてアルキルアミンを挙げることができる。
例えば、ブチルアミン，ペンチルアミン，ヘキシルアミン，ヘプチルアミン，オクチルア
ミン，ノニルアミン，デシルアミン，ウンデシルアミン，ドデシルアミン，トリデシルア
ミン，テトラデシルアミン，ペンタデシルアミン，ヘキサデシルアミン，ヘプタデシルア
ミン，オクタデシルアミン，ノナデシルアミン，イコデシルアミンがある。また、アミノ
基を有する化合物としては分岐構造を有していてもよく、そのような例としては、２−エ
チルヘキシルアミン、１，５ジメチルヘキシルアミンなどがある。また、１級アミン型に
限らず、２級アミン型，３級アミン型を用いることも可能である。さらにこのような有機
物としては環状の形状を有していてもよい。
還元剤は上記アルコール，カルボン酸，アミンを含む有機物に限らず、アルデヒド基やエステル基，スルファニル基，ケトン基などを含む有機物、あるいはカルボン酸金属塩などの有機物を含有する化合物を用いても良い。カルボン酸金属塩は金属粒子の前駆体としても用いられるが、有機物を含有しているために、金属酸化物粒子の還元剤としても用いてよい。ここで、接合温度よりも低い融点を有する還元剤は接合時に凝集し、ボイドの原因となるが、例えば、カルボン酸金属塩などは接合時の加熱により融解しないため、ボイド低減のために用いることが可能である。カルボン酸金属塩以外にも有機物を含有する金属化合物であれば還元剤として用いても良い。
ここで、エチレングリコール，トリエチレングリコール等の２０〜３０℃において液体である還元剤は、酸化銀（Ａｇ2Ｏ）などと混ぜて放置すると一日後には銀に還元されてしまうため、混合後はすぐに用いる必要がある。一方、２０〜３０℃の温度範囲において固体であるミリスチルアルコール，ラウリルアミン，アスコルビン酸等は金属酸化物等と１ヵ月ほど放置しておいても大きくは反応が進まないため、保存性に優れており、混合後に長期間保管する場合にはこれらを用いることが好ましい。また、用いる還元剤は金属酸化物等を還元させた後には、精製された１００ｎｍ以下の粒径を有する金属粒子の保護膜として働くために、ある程度の炭素数があることが望ましい。具体的には、２以上で２０以下であることが望ましい。これは炭素数が２より少ないと、金属粒子が作製されると同時に粒径成長が起こり、１００ｎｍ以下の金属粒子の作製が困難になるからである。また、２０より多いと、分解温度が高くなり、金属粒子の焼結が起こりにくくなった結果、接合強度の低下を招くからである。
還元剤の使用量は金属粒子前駆体の全重量に対して１質量部以上で５０質量部以下の範囲であればよい。これは還元剤の量が１質量部より少ないと接合材料における金属粒子前駆体を全て還元して金属粒子を作製するのに十分な量ではないためである。また、５０質量部を超えて用いると接合後における残渣が多くなり界面での金属接合と接合銀層中における緻密化の達成が困難であるためである。さらに、還元剤が有機物のみから構成される場合には、４００℃までの加熱時における熱重量減少率が９９％以上であることが好ましい。これは、還元剤の分解温度が高いと接合後における残渣が多くなり、界面での金属接合と接合銀層中における緻密化の達成が困難であるためである。ここで、４００℃までの加熱時における熱重量減少率の測定は、一般に市販されている、Ｓｅｉｋｏ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ 製ＴＧ／ＤＴＡ６２００や、島津製作所製ＴＧＡ−５０等の熱重量測定が可能な装置を用いて１０℃／minにおいて大気中で行った場合のものとする。
金属粒子前駆体と有機物からなる還元剤の組み合わせとしては、これらを混合することにより金属粒子を作製可能なものであれば特に限定されないが、接合用材料としての保存性の観点から、常温で金属粒子を作製しない組み合わせとすることが好ましい。
また、接合材料中には比較的粒径の大きい平均粒径５０μｍ〜１００μｍの金属粒子を混合して用いることも可能である。これは接合中において作製された１００ｎｍ以下の金属粒子が、平均粒径５０μｍ〜１００μｍの金属粒子同士を焼結させる役割を果たすからである。また、粒径が１００ｎｍ以下の金属粒子を予め混合しておいてもよい。この金属粒子の種類としては、金，銀，銅があげられる。上記以外にも白金，パラジウム，ロジウム，オスミウム，ルテニウム，イリジウム，鉄，錫，亜鉛，コバルト，ニッケル，クロム，チタン，タンタル，タングステン，インジウム，ケイ素，アルミニウム等の中から少なくとも１種類の金属あるいは２種類以上の金属からなる合金を用いることが可能である。
この実施形態で用いられる接合材料は金属粒子前駆体と有機物からなる還元剤のみで用いてもよいが、ペースト状として用いる場合に溶媒を加えてもよい。混合後、すぐに用いるのであれば、メタノール，エタノール，プロパノール，エチレングリコール，トリエチレングリコール，テルピネオールのアルコール類等の還元作用があるものを用いてもよいが、長期間に保管する場合であれば、水，ヘキサン，テトラヒドロフラン，トルエン，シクロヘキサン、など常温での還元作用が弱いものを用いることが好ましい。また、還元剤としてミリスチルアルコールのように常温で還元が起こりにくいものを用いた場合には長期間保管可能であるが、エチレングリコールのような還元作用の強いものを用いた場合には使用時に混合して用いることが好ましい。
また、金属粒子前駆体の溶媒への分散性を向上させるために必要に応じて分散剤を用いて金属粒子前駆体の周りを有機物で被覆し、分散性を向上させてよい。本発明で用いられる分散剤としては、ポリビニルアルコール，ポリアクリルニトリル，ポリビニルピロリドン，リエチレングリコールなどの他に、市販の分散剤として、例えばディスパービック１６０，ディスパービック１６１，ディスパービック１６２，ディスパービック１６３，ディスパービック１６６，ディスパービック１７０，ディスパービック１８０，ディスパービック１８２，ディスパービック１８４，ディスパービック１９０（以上ビックケミー社製），メガファックＦ−４７９（大日本インキ製），ソルスパース２００００，ソルスパース２４０００，ソルスパース２６０００，ソルスパース２７０００，ソルスパース２８０００（以上、アビシア社製）などの高分子系分散剤を用いることができる。このような分散剤の使用量は金属粒子前駆体に接合用材料中において０.０１ｗｔ％以上でかつ４５ｗｔ％を超えない範囲とする。回路基板１０１を作製する場合、支持部材１０２，絶縁基板１０３，回路配線板１０４を同時に接合することで、接合工程で生じる回路基板１０１の反りを抑制できる。ここで、図１に示す回路基板１０１において、絶縁基板１０３と接合層１０５，１０６との界面の状態を示す模式図を図２に示す。表面に酸化物層１０７，１０８を形成した絶縁基板１０３の両面に、ペースト化した酸化銀接合材を塗布し、絶縁基板１０３の一方の面に支持部材１０２を、もう一方の面に回路配線板１０４を配置し、３００℃において５分間、加圧力０.５ＭＰａの下で加熱することで、銀の焼結体から成る接合層１０５，１０６で一体化した回路基板１０１が得られる。
さらに、金属で作られた回路配線板１０４と支持部材１０２，セラミックスで作られた絶縁基板１０３は熱膨張係数が異なる。具体的には、銅やアルミの熱膨張係数は１５×１０-6／℃〜２５×１０-6／℃であり、一般的な窒化物系セラミック材料の熱膨張係数は２×１０-6／℃〜６×１０-6／℃である。この熱膨張係数差の影響から、接合工程や基板使用時の温度変化に伴い、各部材が接合されている領域では、回路基板１０１は絶縁基板１０３を中心として、支持部材１０２または回路配線板１０４のどちらか一方に伸縮し、反りが生じる。この反り量を抑制するために、絶縁基板１０３を中心として回路基板１０１の伸縮が対称となるように支持部材１０２と回路配線板１０４の厚さ比や、材料を変えることによる熱膨張係数差を設定する。例えば、支持部材１０２が厚さ１mmの平板、絶縁基板が厚さ０.６４mmのセラミックス平板とし、回路配線板１０４に支持部材１０２と同じ熱膨張係数である材料の平板を選んだ場合、回路配線板１０４の厚さを１.３mmに設定することで、２００℃の温度変化が生じたとしても回路基板１０１の反り量は０.１mm以下に抑えられる。さらに、熱伝導性の良い銅やアルミを利用し、かつ接合層数を減らすことができることから、回路基板全体の熱抵抗が下がる。
結果として、半導体装置の周囲温度が外因により上昇したり、半導体基体で発生する熱が高温化しても、回路基板の反りを軽減し、かつ半導体基体で発生する熱を効率よく放熱し、信頼性が高く、かつ作製の容易な半導体モジュール用回路基板を提供することができる。
なお、本実施形態では、支持部材１０２の厚さを限定していないが、回路基板の軽量化と高強度化の観点から０.５mm以上２０mm以下が望ましい。
また、絶縁基板１０３の厚さを限定していないが、回路基板に要求される絶縁耐圧，強度の観点から０.１mm以上１mm以下が望ましい。厚くするにつれて、絶縁耐圧と強度は大きくなる。
また、回路配線板１０４の厚さを限定していないが、配線パターン加工の容易さから、回路配線板１０４の厚さは３mm以下が望ましい。
また、接合層１０５，１０６の厚さを限定していないが、接合材の供給量および接合工程の簡便性を考慮して１０μｍ〜２００μｍの厚さが望ましい。
接合温度は回路基板で利用する他の部材の融点よりも低く、かつ有機溶媒が揮発するのに十分高くする必要がある。また、接合後の回路基板の反り、応力を低減するためには接合温度が低い方が望ましい。具体的には１８０℃〜４００℃の接合温度であれば、高信頼な回路基板を構成できる。そのため、接合材には、４００℃以下で金属酸化物粒子の還元反応が生じる金属酸化物粒子と還元剤を組み合わせて使用することが好ましい。
本実施形態では、酸化金属粒子を含むペースト化した接合材を部材間に塗布し、加熱，加圧を経て接合層を形成したが、接合部に適材適所で接合材を供給できればペーストに限定する必要は無い。例えば、芯材の表面に酸化銀層を形成したシート材でも良い。ここで、銀，金，銅，プラチナ，ニッケル，コバルト，シリコン，アルミ等の単体または合金から成る芯材の両面に酸化銀層を形成してシート材を形成する。このシート材の酸化銀層に還元剤を供給して加熱することで接合が可能となる。シート材を用いることで、接合層の厚み、および接合領域の制御が容易になる。
本実施形態では、絶縁基板の両面に酸化層を形成したが、高強度な接合のためには接合面の広範囲に酸化層を形成する必要がある。酸化層の形成範囲は、接合層を形成する領域の５０％以上であることが望ましい。さらに、酸化層は厚くなるにつれて強度や熱伝導性の劣化を招く。そこで、酸化層は厚さ０.１ｎｍ〜２００ｎｍであることが望ましい。
本実施形態では、絶縁基板の両面に酸化層を形成するために、大気中で焼成したが、高濃度の酸素雰囲気中で焼成しても良い。また、絶縁基板表面に酸化層を積層する手段として、蒸着法，溶射法，エアロゾルデポジション法による成膜技術を利用しても良い。
本実施形態では、回路基板の反り量を抑制するために、絶縁基板を中心として回路基板の伸縮が対称となるように支持部材と回路配線板の厚さ比や、材料を変えることによる熱膨張係数差を設定した。支持部材が銅または銅を含む合金の場合、接合層が形成される領域での支持部材の厚さを０.５mm以上２０mm以下、回路配線板の厚さを０.５mm以上３mm以下の範囲で厚さ比を最適化することで、回路基板の反り量を制御できる。また、支持部材及び回路配線板がアルミニウムまたはアルミニウムを含む合金の場合、接合層が形成される領域での支持部材の厚さを０.５mm以上２mm以下、回路配線板の厚さを支持部材よりも厚くかつ３mm以下の範囲で厚さ比を最適化することで、回路基板の反り量を抑制できる。
本実施形態では、放熱用金属板と絶縁基板との間の接合層形成領域を、放熱用金属板端部より狭く、かつ回路配線板と絶縁基板との間の接合層最外端部から１mm狭い領域よりも広い領域とすることで、回路基板の反り、および絶縁基板にかかる応力を低減できる。特に、回路配線板と絶縁基板との間の接合層最外端部から±０.５mmの範囲内に抑えると効果的である。
本実施形態では、支持部材，絶縁基板，回路配線板，接合層の接合面内での大きさを言及しなかったが、回路基板上に半導体基体を搭載したパワーモジュールの使用方法によっては、支持部材の面積は絶縁基板の面積よりも大きく、かつ回路配線板の面積は絶縁基板の面積よりも小さくすることで、パワーモジュールの電力変換システムへの搭載を容易にできる。ただし、パワーモジュールの利用方法によっては、この面積比に捕われることはない。
本実施形態では、前記回路配線板の配線パターン，形成密度について述べなかったが、回路部材の半導体モジュール内への実装密度を考慮し、配線パターンの形成密度は高い方が望ましい。さらに、絶縁性の観点から、回路配線板の最外端部は、絶縁基板よりも狭い範囲に形成するのが望ましい。従って、前記回路配線板の形成面積は、前記絶縁基板面積の７０％〜９５％であることが望ましい。また、配線パターンの加工方法は、厚さに応じてエッチング，切削，打ち抜き法等を使い分けると良い。
本実施形態では、支持部材および回路配線板の表面状態について述べなかったが、接合部材との接合性を考慮して、支持部材もしくは回路配線板の少なくとも一部に支持部材もしくは回路配線板とは異なる材質の金属層が形成しても良い。例えば、ニッケル，銀等のめっき層を厚さ１μｍ〜１０μｍで形成すれば良い。さらに、めっき層の形成領域は支持部材または回路基板全面とは限らず、例えば接合層の形成領域，半導体基体の接合領域，ワイヤーやリボン配線の接合領域，電極端子の接合領域近傍にのみ形成すれば良い。
本実施形態では、回路配線板の接合層と接する面と相対する面の面積比について述べなかったが、接合層と接する面の面積は、回路配線板の相対する面の面積とは異なっていても良い。例えば、厚さ方向に面積が変わるよう側面を傾斜させても良い。接合層と接する面の面積が相対する面よりも小さくすることで、半導体基体の実装面積を減らすことなく、絶縁基板端部からの距離を延ばすことができ、絶縁特性を向上させることが可能になる。さらに、半導体基体を搭載後の回路基板を樹脂封止する際に、回路配線板と絶縁基板との間にできた空間に封止樹脂を流し込むことで、樹脂と金属のアンカー効果を高めることができる。
本発明の回路基板は、自動車，風力発電，鉄道，産業機器向け電力変換システムに用いる電力変換器用半導体素子や、ＬＥＤ等の発熱を伴う光半導体素子を実装，駆動するための回路基板として用いることができる。
（Ｃｕベース１mm／Ｃｕ配線）
本実施例では、図１に示す回路基板の構成および作製方法について説明する。
図１に示すように、回路基板１０１は、平坦な支持部材１０２，接合層１０６，平坦な絶縁基板１０３，接合層１０５，平坦な回路配線板１０４の順に積層して構成した。
支持部材１０２として、８２mm×９２mm，厚さ１mmの銅板を利用した。銅板は純度９９.９５％の無酸素銅を加工して作製した。
絶縁基板１０３として、４９mm×５５mm，厚さ０.６４mmの窒化珪素基板を利用した。窒化珪素基板は、絶縁耐圧６ｋＶ以上、抗折強度７５０ＭＰａ以上の特性を有する市販品を選んだ。
回路配線板１０４として、最外部が４６mm×５２mmの銅板を利用した。回路配線板１０４は、絶縁基板１０３の表面積の７７％を占めるように配線パターン形状を構成した。厚さの異なる３種類の銅板を用意し、厚さは１mm，１.３mm，２mmとした。また純度９９.９９％の無酸素銅を加工して作製した。
絶縁基板１０３と接合層１０５，１０６を高強度に接合するため、絶縁基板１０３を大気中で、１０００℃の温度で３０分間焼成し、絶縁基板の全面に酸化層を形成した。焼成後の絶縁基板１０３の断面を電子顕微鏡で観察したところ、最表面から０.５ｎｍの深さまで、非晶質の酸化層が形成されているのを確認した。
接合層１０５，１０６を形成する接合材として、平均粒径１００μｍ以下の酸化銀粒子と還元剤であるセチルアルコールをトルエンに分散させたペースト材を準備した。
該ペースト材を、酸化層を形成した絶縁基板１０３の支持部材１０２と相対する面、および回路配線板１０４の絶縁基板１０３と相対する面それぞれに適量を塗布し、支持部材１０２，絶縁基板１０３，回路配線板１０４の順に積層した。そして、大気中、３００℃において５分間、加圧力０.５ＭＰａの下で加熱することで、平均厚さ０.０５mmの銀の焼結体から成る接合層１０５，１０６を有する回路基板１０１が得られた。なお、得られた回路基板は３種類であり、各回路基板の回路配線板厚さは異なっている。
接合後の回路基板１０１を用いて、支持部材１０２の反り量を測定した。結果を表１に示す。回路配線板１０４の厚さが１mm，１.３mmの場合、支持部材１０２は回路配線板１０４側へ凸となる方向に反っていた（反り量を＋で表記）。他方、２mmの場合、支持部材１０２は回路配線板１０４とは反対側へ凸となる方向に反っていた（反り量を−で表記）。表１に示す反り量は、支持部材１０２の中央付近（凸量の最大値）での測定結果である。従って、回路配線板１０４の厚さが支持部材１０２よりも厚い１.３mmのとき、接合後の支持部材１０２の反り量が最も抑えられた。
Figure 2012138541
また、回路基板１０１を２００℃まで加熱し、周囲温度変化時の支持部材１０２の反り量を測定した結果も表１に併記した。接合後の反り量と同様に、回路配線板１０４の厚さが支持部材１０２よりも厚い１.３mmのとき、支持部材１０２の反り変化量が最も小さかった。
これらの回路基板１０１を、温度サイクル試験（−４５℃〜２００℃、１０００サイクル、投入試料数１０個×３種類）に投入したところ、全サンプルで接合部の剥れ，部材の破損は観察されなかった。
〔比較例〕
（ＡｌＳｉＣベース）
比較例として、図６に示す従来の回路基板３０１を試作し、支持部材３０２の反り量を評価した。
図６に示すように、回路基板３０１は、支持部材３０２，はんだ層３０８，回路配線板３０５，接合層３０６，絶縁基板３０３，接合層３０７，回路配線板３０４の順に積層して構成した。
支持部材３０２として、８２mm×９２mm，厚さ５mmのアルミシリコンカーバードを利用した。
絶縁基板３０３として、４９mm×５５mm，厚さ０.７mmの窒化アルミニウム基板を利用した。窒化珪素基板は、絶縁耐圧６ｋＶ以上、降折強度３００ＭＰａ以上の特性を有する市販品を選んだ。
回路配線板３０４，３０５として、最外部が４６mm×５２mmの純アルミニウム板を利用した。回路配線板３０４は、絶縁基板３０３の表面積の７７％を占めるように配線パターン形状を構成した。回路配線板３０４の厚さは０.４mm、回路配線板３０５の厚さは０.３mmとした。
接合層３０６，３０７、およびはんだ層３０８を形成する接合材として、市販の鉛フリーはんだを使用した。
回路配線板３０４、３０５を貼り付けた絶縁基板３０３から成る絶縁回路部材を、はんだ層３０８を介して支持部材３０２に接合することで、従来の回路基板３０１が得られた。
得られた回路基板３０１は、支持部材３０２は回路配線板３０４とは反対側へ凸となる方向へ反っていた。支持部材３０２の反り量を測定したところ、０.１５mmであった。
また、回路基板３０１を２００℃まで加熱し、周囲温度変化時の支持部材１０２の反り量を測定したところ、支持部材３０２は回路配線板３０４とは反対側へ凸となる方向に０.０５mm反っていた。すなわち、反り量が約０.１mm変化したことになる。
さらに、これらの回路基板３０１を、温度サイクル試験（−４５℃〜２００℃、１０００サイクル、投入試料数１０個×３種類）に投入したところ、全サンプルで接合部の剥れ，部材の破損は観察されなかった。
以上の結果から、接合後の支持部材３０２の反り量が０.１５mm以下、従来の回路基板３０１で生じる周囲温度変化時の支持部材３０２の反り量が０.１mm以下であれば、使用上問題無いと言える。
従って、実施例１の回路基板１０１で回路配線板１０４の厚さを１.３mmとした場合、接合後および周囲温度が外因により上昇した際の反り量が従来の回路基板３０１よりも抑えられており、半導体モジュール用回路基板として利用可能であると言える。また、実施例１の回路基板１０１は、従来の回路基板３０１に比べて薄いことから、回路基板の熱抵抗は低くなった。さらに、実施例１の回路基板１０１では部材数が３、接合層数が２であるのに対して、従来の回路基板３０１では部材数が４、接合層数３になることから、作製工程を簡略化できた。
（Ｃｕベース１０mm／Ｃｕ配線）
本実施例では、実施例１とは異なる回路基板の構成を説明する。
図１の回路基板のうち、既に説明した構成と作製工程については説明を省略する。
支持部材１０２として、８２mm×９２mm，厚さ１０mmの銅板を利用した。
回路配線板１０４として、最外部が４６mm×５２mmの銅板を利用した。厚さの異なる３種類の銅板を用意し、厚さは１mm，２mm，３mmとした。
絶縁基板，接合層に関して、実施例１と同じであることから省略する。
実施例１と同様の手順で、大気中、２５０℃において２分間、加圧力２.５ＭＰａの下で加圧することで、回路基板１０１が得られた。
得られた回路基板１０１を用いて、支持部材１０２の反り量を測定した。結果を表２に示す。回路配線板１０４の厚さが１mm〜３mmの場合、支持部材１０２は回路配線板１０４側へ凸となる方向に反っていた。回路配線板１０４の厚さが２mm，３mmのとき、接合後の支持部材１０２の反り量は０.１５mm以下であった。
Figure 2012138541
また、回路基板１０１を２００℃まで加熱し、周囲温度変化時の支持部材１０２の反り量を測定した結果も表２に併記した。接合後の反り量と同様に、回路配線板１０４の厚さが３mmのとき、支持部材１０２の反り変化量はほぼ０.１mmであった。
これらの回路基板１０１を、温度サイクル試験（−４５℃〜２００℃、１０００サイクル、投入試料数１０個×３種類）に投入したところ、全サンプルで接合部の剥れ，部材の破損は観察されなかった。
（Ｃｕベース１０mm／Ａｌ配線）
本実施例では、実施例１とは異なる回路基板の構成を説明する。
図１の回路基板のうち、既に説明した構成と作製工程については説明を省略する。
支持部材１０２として、８２mm×９２mm，厚さ１０mmの銅板を利用した。
回路配線板１０４として、最外部が４６mm×５２mmのアルミニウム板を利用した。厚さの異なる３種類の銅板を用意し、厚さは１mm，２mm，３mmとした。また純度９９％の純アルミニウムを加工して作製した。
絶縁基板，接合層に関して、実施例１と同じであることから省略する。
実施例１と同様の作製工程を経て得られた回路基板１０１を用いて、支持部材１０２の反り量を測定した。結果を表３に示す。回路配線板１０４の厚さが１mm〜３mmの場合、支持部材１０２は回路配線板１０４側へ凸となる方向に反っていた。回路配線板１０４の厚さが２mm，３mmのとき、接合後の支持部材１０２の反り量は０.１５mm以下に抑えられた。
Figure 2012138541
また、回路基板１０１を２００℃まで加熱し、周囲温度変化時の支持部材１０２の反り量を測定した結果も表３に併記した。接合後の反り量と同様に、回路配線板１０４の厚さが２mm，３mmのとき、支持部材１０２の反り変化量は０.１mm以下であった。
これらの回路基板１０１を、温度サイクル試験（−４５℃〜２００℃、１０００サイクル、投入試料数１０個×３種類）に投入したところ、全サンプルで接合部の剥れ，部材の破損は観察されなかった。
結果として、回路配線板１０４の厚さが２mm〜３mmであれば、従来の回路基板３０１（図６）と同程度もしくはそれ以下の反り量に抑えられた。
（Ｃｕベース５mm／Ａｌ配線）
本実施例では、実施例３とは異なる回路基板の構成を説明する。
図１の回路基板のうち、既に説明した構成と作製工程については説明を省略する。
支持部材１０２として、８２mm×９２mm，厚さ５mmの銅板を利用した。
回路配線板１０４として、最外部が４６mm×５２mmのアルミニウム板を利用した。回路配線板１０４は、絶縁基板１０３の表面積の８６％を占めるように配線パターン形状を構成した。厚さの異なる３種類の銅板を用意し、厚さは２mm，２.５mm，３mmとした。
絶縁基板，接合層に関して、実施例３と同じであることから省略する。
実施例３と同様の作製工程を経て得られた回路基板１０１を用いて、支持部材１０２の反り量を測定した。結果を表４に示す。回路配線板１０４の厚さが２.５mm，３mmのとき、接合後の支持部材１０２の反り量は０.１５mm以下に抑えられた。
Figure 2012138541
また、回路基板１０１を２００℃まで加熱し、周囲温度変化時の支持部材１０２の反り量を測定した結果も表４に併記した。回路配線板１０４の厚さが２.５mm，３mmのとき、支持部材１０２の反り変化量は０.１mm以下であった。
これらの回路基板１０１を、温度サイクル試験（−４５℃〜２００℃、１０００サイクル、投入試料数１０個×３種類）に投入したところ、全サンプルで接合部の剥れ，部材の破損は観察されなかった。
結果として、回路配線板１０４の厚さが２.５mm〜３mmであれば、従来の回路基板３０１（図６）と同程度もしくはそれ以下の反り量に抑えられた。
（Ｃｕベース１mm／Ａｌ配線）
本実施例では、実施例４とは異なる回路基板の構成を説明する。
図１の回路基板のうち、既に説明した構成と作製工程については説明を省略する。
支持部材１０２として、８２mm×９２mm，厚さ１mmの銅板を利用した。
回路配線板１０４として、最外部が４６mm×５２mmのアルミニウム板を利用した。回路配線板１０４は、絶縁基板１０３の表面積の８６％を占めるように配線パターン形状を構成した。厚さの異なる３種類の銅板を用意し、厚さは０.５mm，１mm，２mmとした。
絶縁基板，接合層に関して、実施例４と同じであることから省略する。
実施例３と同様の作製工程を経て得られた回路基板１０１を用いて、支持部材１０２の反り量を測定した。結果を表５に示す。回路配線板１０４の厚さが１mm，３mmのとき、接合後の支持部材１０２の反り量は０.１５mm以下に抑えられた。
Figure 2012138541
また、回路基板１０１を２００℃まで加熱し、周囲温度変化時の支持部材１０２の反り量を測定した結果も表５に併記した。回路配線板１０４の厚さが１mmのとき、支持部材１０２の反り変化量は０.１mm以下であった。
これらの回路基板１０１を、温度サイクル試験（−４５℃〜２００℃、１０００サイクル、投入試料数１０個×３種類）に投入したところ、回路配線板１０４の厚さが２mmの回路基板４個で、回路配線板１０４と接合層１０５との間で、接合層端部からの剥れが観察された。他の回路基板には接合部の剥れ，部材の破損は観察されなかった。
結果として、回路配線板１０４の厚さが１mm程度であれば、従来の回路基板３０１（図６）と同程度もしくはそれ以下の反り量に抑えられた。
（Ａｌベース１mm／Ａｌ配線）
本実施例では、実施例１とは異なる回路基板の構成を説明する。
図１の回路基板のうち、既に説明した構成と作製工程については説明を省略する。
支持部材１０２として、８２mm×９２mm，厚さ１mmのアルミニウム板を利用した。
回路配線板１０４として、最外部が４６mm×５２mmのアルミニウム板を利用した。回路配線板１０４は、絶縁基板１０３の表面積の８６％を占めるように配線パターン形状を構成した。厚さの異なる３種類の銅板を用意し、厚さは１.２mm，１.３mm，１.４mmとした。
絶縁基板，接合層に関して、実施例１と同じであることから省略する。
実施例１と同様の作製工程を経て得られた回路基板１０１を用いて、支持部材１０２の反り量を測定した。結果を表６に示す。回路配線板１０４の厚さが１.２mmの場合、支持部材１０２は回路配線板１０４側へ凸となる方向に反っていた。他方、１.３mm，１.４mmの場合、支持部材１０２は回路配線板１０４とは反対側へ凸となる方向に反っていた。回路配線板１０４の厚さが１.３mmのとき、接合後の支持部材１０２の反り量は０.１mmに抑えられていた。
Figure 2012138541
また、回路基板１０１を２００℃まで加熱し、周囲温度変化時の支持部材１０２の反り量を測定した結果も表６に併記した。回路配線板１０４の厚さが１.３mmのとき、支持部材１０２の反り変化量が最も小さかった。
これらの回路基板１０１を、温度サイクル試験（−４５℃〜２００℃、１０００サイクル、投入試料数１０個×３種類）に投入したところ、全サンプルで接合部の剥れ，部材の破損は観察されなかった。
結果として、回路配線板１０４の厚さが１.３mm程度であれば、従来の回路基板３０１（図６）と同程度もしくはそれ以下の反り量に抑えられた。
（Ａｌベース３mm／Ａｌ配線）
本実施例では、実施例６とは異なる回路基板の構成を説明する。
図１の回路基板のうち、既に説明した構成と作製工程については説明を省略する。
支持部材１０２として、８２mm×９２mm，厚さ３mmのアルミニウム板を利用した。
回路配線板１０４として、最外部が４６mm×５２mmのアルミニウム板を利用した。回路配線板１０４は、絶縁基板１０３の表面積の８６％を占めるように配線パターン形状を構成した。厚さの異なる３種類の銅板を用意し、厚さは１mm，２mm，３mmとした。
絶縁基板，接合層に関して、実施例１と同じであることから省略する。
実施例１と同様の作製工程を経て得られた回路基板１０１を用いて、支持部材１０２の反り量を測定した。結果を表７に示す。全サンプルで、支持部材１０２は回路配線板１０４側へ凸となる方向に反り、反り量を０.１mm以下に抑えることはできなかった。
Figure 2012138541
また、回路基板１０１を２００℃まで加熱し、周囲温度変化時の支持部材１０２の反り量を測定した結果も表７に併記した。全サンプルで、周囲温度変化による支持部材１０２の反り量を０.１mm以下に抑えることはできなかった。
これらの回路基板１０１を、温度サイクル試験（−４５℃〜２００℃、１０００サイクル、投入試料数１０個×３種類）に投入したところ、回路配線板厚さが２mm，３mmの全サンプルで、絶縁基板上に回路配線板端部を起点とする割れが観察された。
支持部材１０２と回路配線板１０４をアルミニウムで構成した場合、絶縁基板１０３との熱膨張係数差が大きくなり、絶縁基板１０３にかかる応力が増大する。そのため、銅を用いたときに比べて、支持部材１０２と回路配線板１０４の厚さを薄くする必要があった。
結果として、支持部材１０２の厚さが少なくとも３mmを超えると、従来の回路基板３０１（図６）と同程度もしくはそれ以下の反り量に抑えることは困難であった。
（酸化銀シートを用いた接合領域制御）
本実施例では、実施例１とは異なる回路基板の構成を説明する。
図３の回路基板のうち、既に実施例１で説明した構成と作製工程については説明を省略する。
回路配線板１０４として、最外部が４６mm×５２mm，厚さ１.３mmの銅板を利用した。
支持部材，絶縁基板に関して、実施例１と同じであることから省略する。
接合層１０５，１０６を形成する接合材として、厚さ５０μｍの銀箔の両面に、陽極酸化を行い、酸化銀層の厚さが１.４μｍとなるように作製したシート材を準備した。シート材の大きさは、回路配線板１０４の最外部と同じ４６mm×５２mmとした。シート材は接合前に還元剤として作用するトリエチレングリコール溶液に浸漬した。
該シート材を酸化層が形成された絶縁基板１０３の支持部材１０２と相対する面、および回路配線板１０４の絶縁基板１０３と相対する面に配置し、支持部材１０２，絶縁基板１０３，回路配線板１０４の順に積層した。このとき、支持部材側に配置したシート材の最外部は、回路配線板１０４の最外部とほぼ一致するように配置した。そして、大気中、２５０℃において２分間、加圧力２.５ＭＰａの下で加熱することで、平均厚さ０.０５mmの焼結体から成る接合層１０５，１０６を有する回路基板１０１が得られた。
得られた回路基板１０１を用いて、支持部材１０２の反り量を測定したところ、支持部材１０２は回路配線板１０４とは反対側へ凸となる方向に０.０３mmであった。
また、回路基板１０１を２００℃まで加熱し、周囲温度変化時の支持部材１０２の反り量を測定したところ、支持部材１０２が回路配線板１０４側へ凸となる方向とは反対側へ凸となる方向に０.０２mmであった。言い換えると、２００℃の温度変化で支持部材１０２は０.０１mm変動した。
さらに本実施例の構造で、絶縁基板１０３にかかる応力をシミュレーション（熱応力解析）で評価した。その結果、回路配線板１０４と接触する面、かつコーナー部の応力が最大となったが、実施例１の場合に比べて応力が８０％程度に抑えられた。接合層１０６の形成領域を、接合層１０５の最外部とほぼ同じにすることで、絶縁基板１０３にかかる応力を緩和でき、回路基板１０１の耐久性を向上させることができる。
回路基板１０１を、温度サイクル試験（−４５℃〜２００℃、１０００サイクル、投入試料数１０個）に投入したところ、全サンプルで接合部の剥れ，部材の破損は観察されなかった。
（セラミックス表面の酸化範囲制御）
本実施例では、実施例８とは異なる回路基板の構成を説明する。
図３に示す回路基板のうち、既に実施例７で説明した構成と作製工程については説明を省略する。
回路配線板，支持部材，接合材に関して、実施例８と同じであることから省略する。また、接合材として厚さ５０μｍの銀箔の両面に、陽極酸化を行い、酸化銀層の厚さが１.４μｍとなるように作製したシート材を準備した。
絶縁基板１０３と接合層１０５，１０６を高強度に接合するため、絶縁基板１０３表面の一部に酸化膜を形成した。酸化膜は、エアロゾルデポジション法で成膜した厚さ２００ｎｍの二酸化珪素膜とした。成膜時には、接合層１０５，１０６を形成する領域にのみ酸化膜が形成されるように絶縁基板の成膜面にマスクをあてがった。
実施例８と同様の工程を経て得られた回路基板１０１を用いて、支持部材１０２の反り量を測定したところ、支持部材１０２は回路配線板１０４とは反対側へ凸となる方向に０.０５mmであった。
また、回路基板１０１を２００℃まで加熱し、周囲温度変化時の支持部材１０２の反り量を測定したところ、支持部材１０２が回路配線板１０４側へ凸となる方向とは反対側へ凸となる方向に０.０２mmであった。言い換えると、２００℃の温度変化で支持部材１０２は０.０２mm変動した。
さらに本実施例の構造で、絶縁基板１０３にかかる応力をシミュレーション（熱応力解析）で評価した。その結果、回路配線板１０４と接触する面、かつコーナー部の応力が最大となったが、実施例１の場合に比べて応力が８０％程度に抑えられた。接合層１０６の形成領域を、接合層１０５の最外部とほぼ同じにすることで、絶縁基板１０３にかかる応力を緩和でき、回路基板１０１の耐久性を向上させることができる。
回路基板１０１を、温度サイクル試験（−４５℃〜２００℃、１０００サイクル、投入試料数１０個）に投入したところ、全サンプルで接合部の剥れ，部材の破損は観察されなかった。
（配線板端部傾斜）
本実施例では、実施例２とは異なる回路基板の構成を説明する。
図１の回路基板のうち、実施例２で説明した構成と作製工程については説明を省略する。
支持部材１０２として、８２mm×９２mm，厚さ１０mmの銅板を利用した。
回路配線板１０４の厚さを３mmとし、接合層１０５と接する面の最外部が４６mm×５２mm、接合面とは相対する面の最外部が４８mm×５４mmとなるように側面を傾斜させ、半導体基体の実装可能面積を増加させた。
絶縁基板，接合層に関して、実施例２と同じであることから省略する。
実施例２と同様の手順で作製した回路基板１０１を用いて、支持部材１０２の反り量を測定したところ、支持部材１０２は回路配線板１０４側へ凸となる方向に反っていた。支持部材１０２の反り量は約０.１mmであった。
また、回路基板１０１を２００℃まで加熱し、周囲温度変化時の支持部材１０２の反り量を測定したところ、支持部材１０２の反り変化量は０.０１mmであった。
これらの回路基板１０１を、温度サイクル試験（−４５℃〜２００℃、１０００サイクル、投入試料数１０個）に投入したところ、全サンプルで接合部の剥れ，部材の破損は観察されなかった。
（Ｃｕベース０.７mm／Ｃｕ配線、補強枠付）
本実施例では、実施例１とは異なる回路基板の構成を説明する。
図４の回路基板のうち、既に実施例１で説明した構成と作製工程については説明を省略する。
支持部材１０２として、８２mm×９２mm，厚さ０.７mmの銅板を利用した。
回路配線板１０４として、最外部が４６mm×５２mm，厚さ０.９mmの銅板を利用した。
絶縁基板，接合層に関して、実施例１と同じであることから省略する。
本実施例では、厚さ０.７mmの支持部材１０２の外周部に、幅１５mmの補強枠１１０を取り付けた。補強材１１０は、支持部材１０２と同じ材料とした。さらに、回路基板１０１に半導体基体や配線を取り付けた後、電力変換システム内に装着することを考慮し、補強材１１０と支持部材１０２を貫通する直径６.５mmのネジ穴１１１を４隅に加工した。
実施例１と同様の作製工程を経て得られた回路基板１０１を用いて、支持部材１０２の反り量を測定したところ、支持部材１０２が回路配線板１０４とは反対側へ凸となる方向に０.０５mmであった。
また、回路基板１０１を２００℃まで加熱し、周囲温度変化時の支持部材１０２の反り量を測定したところ、支持部材１０２が回路配線板１０４側へ凸となる方向とは反対側へ凸となる方向に０.０２mmであった。言い換えると、２００℃の温度変化で支持部材１０２は０.０３mm変動した。
回路基板１０１を、温度サイクル試験（−４５℃〜２００℃、１０００サイクル、投入試料数１０個）に投入したところ、全サンプルで接合部の剥れ，部材の破損は観察されなかった。
（部分めっき）
本実施例では、実施例１１で作製した回路基板を用いた半導体モジュール用基板の構成を説明する。
図４の回路基板のうち、既に実施例１１で説明した構成と作製工程については説明を省略する。
支持部材１０２として、８２mm×９２mm，厚さ０.７mmの銅板を利用した。接合層１０６と接する面には厚さ約４μｍの銀めっき層を形成した。
回路配線板１０４として、最外部が４６mm×５２mm，厚さ０.９mmの銅板を利用した。接合層１０５と接する面には、厚さ約４μｍの銀めっき層を形成した。また、接合層１０５と相対する面には、半導体基体をはんだを介して接合する領域には厚さ６μｍのニッケルめっき層を、ワイヤ配線を接合する領域には厚さ４μｍの銀めっき層を形成した。めっき層を形成していない領域は、銅を表面に露出させた。
絶縁基板，接合層に関して、実施例１１と同じであることから省略する。
実施例１１と同様の作製工程を経て得られた回路基板１０１を用いて、支持部材１０２の反り量を測定したところ、支持部材１０２が回路配線板１０４とは反対側へ凸となる方向に０.０５mmであった。
また、回路基板１０１を２００℃まで加熱し、周囲温度変化時の支持部材１０２の反り量を測定したところ、支持部材１０２が回路配線板１０４側へ凸となる方向とは反対側へ凸となる方向に０.０２mmであった。言い換えると、２００℃の温度変化で支持部材１０２は０.０３mm変動した。
回路基板１０１を、温度サイクル試験（−４５℃〜２００℃、１０００サイクル、投入試料数１０個）に投入したところ、全サンプルで接合部の剥れ，部材の破損は観察されなかった。
（モジュール用基板）
本実施例では、実施例１２で作製した回路基板を用いた半導体モジュール用基板の構成を説明する。
図５は、本実施形態に関わる半導体モジュール用回路基板２０１の構成説明図である。
支持部材２０２，絶縁基板２０３，回路配線板２０４で構成した回路基板上に、６個のパワー半導体基体２１０を配置した。パワー半導体基体２１０と回路基板２０１は酸化銀を含む接合材で接合した。さらに、パワー半導体基体２１０の最上面に形成した電極と、回路基板２０１上の所定の配線とを図示しないアルミニウム製のワイヤーで接続し、また、回路基板２０１の所定の位置から図示しない銅製の入出力用端子を取り付けることで、半導体モジュール用回路基板２０１が構成された。半導体モジュール用回路基板２０１を、所望の電圧，電流で動作するように並列接続することで、半導体モジュールが作製される。
作製した半導体モジュール用回路基板２０１を温度サイクル試験（−４５℃〜２００℃、１０００サイクル、投入試料数１０個）に投入したところ、全サンプルで接合部の剥れ，部材の破損は観察されなかった。また、電気特性，伝熱特性にも変化が観察されなかった。
１０１，２０１，３０１ 回路基板
１０２，２０２，３０２ 支持部材
１０３，２０３，３０３ 絶縁基板
１０４，２０４，３０４，３０５ 回路配線板
１０５，１０６，３０６，３０７ 接合層
１０７，１０８ 酸化物層
１１０ 補強材
１１１ 貫通孔
２１０ 半導体素子
３０８ はんだ層

Claims (15)

  1. 支持部材，接合層，絶縁基板，接合層，回路配線板の順に積層されている回路基板において、前記接合層は金属を含む焼結体であり、かつ前記絶縁基板は非酸化物系のセラミックスであり、該絶縁基板の両面には酸化物層が形成されていることを特徴とする回路基板。
  2. 請求項１に記載の回路基板において、前記接合層は銀もしくは銀を含む複合材で構成されており、接合温度が１８０℃〜４００℃であることを特徴とする回路基板。
  3. 請求項１に記載の回路基板において、前記接合層の厚さが１０μｍ〜２００μｍであることを特徴する回路基板。
  4. 請求項１に記載の回路基板において、前記酸化物層が接合層を形成する領域の５０％以上の領域で、厚さが０.１ｎｍ〜３００ｎｍであることを特徴とする回路基板。
  5. 請求項１に記載の回路基板において、絶縁基板は熱膨張係数が−５０℃〜２００℃の範囲で１０×１０-6／℃以下、抗折強度が３００ＭＰａ以上であることを特徴とする回路基板。
  6. 請求項１に記載の絶縁基板は、窒化物であることを特徴とする回路基板。
  7. 請求項６に記載の絶縁基板は、珪素を含む窒化物であることを特徴とする回路基板。
  8. 請求項１に記載の回路基板において、支持部材は熱膨張係数が−５０℃〜２００℃の範囲で１０×１０-6／℃以上２０×１０-6／℃以下であり、接合層が形成される領域での支持部材の厚さは０.５mm以上２０mm以下であり、回路配線板の厚さは０.５mm以上３mm以下であることを特徴とする回路基板。
  9. 請求項８に記載の回路基板において、支持部材は銅または銅を含む合金であることを特徴とする回路基板。
  10. 請求項１に記載の回路基板において、支持部材及び回路配線板は熱膨張係数が−５０℃〜２００℃の範囲で２０×１０-6／℃以上３０×１０-6／℃以下であり、接合層が形成される領域での支持部材の厚さは０.５mm以上２mm以下であり、回路配線板の厚さは支持部材よりも厚く、かつ３mm以下であることを特徴とする回路基板。
  11. 請求項１０に記載の回路基板において、支持部材及び回路配線板はアルミニウムまたはアルミニウムを含む合金であることを特徴とする回路基板。
  12. 請求項１に記載の回路基板において、放熱用金属板と絶縁基板との間の接合層形成領域は、放熱用金属板端部より狭く、かつ回路配線板と絶縁基板との間の接合層最外端部から１mm狭い領域よりも広い領域であることを特徴とする回路基板。
  13. 請求項１に記載の回路基板において、回路配線板の形成面積は、絶縁基板面積の７０％〜９５％であることを特徴とする回路基板。
  14. 請求項１に記載の回路基板において、支持部材もしくは回路配線板の一部に、支持部材もしくは回路配線板とは異なる材質のめっき層が形成されていることを特徴とする回路基板。
  15. 請求項１に記載の回路基板において、回路配線板の接合層と接する面の面積は、回路配線板の相対する面の面積よりも小さいことを特徴とする回路基板。
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