JP2021101454A - ねじ止めパット部材付きセラミックス回路基板及びそれを用いた半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 ねじ止め性のよいセラミックス回路基板を提供する。【解決手段】セラミックス回路基板のセラミックス基板の一方の面の沿面に金属板からなるねじ止めパット部材を有し、ねじ止めパット部材は接合層を介してセラミックス基板に接合されると共に、ねじ止めパット部材の端部から接合層がはみ出た構造を有していることを特徴とする。また、ねじ止めパット部材の長辺長さは、セラミックス基板の長辺の長さの１／５以下であることが好ましい【選択図】 図１
Description
後述する実施形態は、ねじ止めパット部材付きセラミックス回路基板及びそれを用いた半導体装置に関する。
セラミックス回路基板は、強度、放熱性および絶縁性を有している。国際公開第２０１７／０５６３６０号公報（特許文献１）には、セラミックス基板と銅板を活性金属接合法で接合したセラミックス回路基板が開示されている。特許文献１では、接合層のはみだし部のサイズや銅板の側面形状を制御している。これにより、セラミックス回路基板のＴＣＴ（熱サイクル）特性を向上させている。
セラミックス回路基板に半導体素子を実装した半導体装置は、様々な方法で固定されている。その一つとしてねじ止め構造がある。特開２００３−１９７８２４号公報（特許文献２）には、セラミックス基板にねじ穴を設け、ねじ穴に補強部材を設けている。特許文献２では、ねじ穴に補強部材を設けることにより、ねじ止め時のクラックの発生を抑制している。しかしながら、セラミックス基板にねじ穴を設けること自体がセラミクス基板の強度低下を招くものである。このため、穴開け工程を行わない、ねじ止め構造が求められていた。
特開２００５−４５１０５号公報（特許文献３）には、セラミックス回路基板の沿面に圧接用部材を設けた構造が開示されている。特許文献３では、モジュールケース、圧接用部材を介してねじ止めを行っている。
セラミックス回路基板に半導体素子を実装した半導体装置は、様々な方法で固定されている。その一つとしてねじ止め構造がある。特開２００３−１９７８２４号公報（特許文献２）には、セラミックス基板にねじ穴を設け、ねじ穴に補強部材を設けている。特許文献２では、ねじ穴に補強部材を設けることにより、ねじ止め時のクラックの発生を抑制している。しかしながら、セラミックス基板にねじ穴を設けること自体がセラミクス基板の強度低下を招くものである。このため、穴開け工程を行わない、ねじ止め構造が求められていた。
特開２００５−４５１０５号公報（特許文献３）には、セラミックス回路基板の沿面に圧接用部材を設けた構造が開示されている。特許文献３では、モジュールケース、圧接用部材を介してねじ止めを行っている。
特許文献３ではセラミックス基板にねじ穴を設けない構造となっている。このような構造により、ねじ穴を設けることによるセラミックス基板の強度低下は防ぐことができる。その一方で、ねじ止め構造後の半導体装置のＴＣＴ特性が必ずしも十分とは言えなかった。また、特許文献３では、圧接用部材とねじの間にモジュールケースを介してねじ止めしている。モジュールケースのような中間部材を介したねじ止め構造では、位置合わせ工程が煩雑になる。
本発明は、このような問題に対応するためのものであり、ねじ止め構造後の半導体装置のＴＣＴを向上させることができるねじ止めパット部材付きセラミックス回路基板を提供するものである。また、ねじ止め構造の際の位置合わせ工程が簡素化できるねじ止めパット部材付きセラミックス回路基板を提供するものである。
本発明は、このような問題に対応するためのものであり、ねじ止め構造後の半導体装置のＴＣＴを向上させることができるねじ止めパット部材付きセラミックス回路基板を提供するものである。また、ねじ止め構造の際の位置合わせ工程が簡素化できるねじ止めパット部材付きセラミックス回路基板を提供するものである。
実施形態にかかるねじ止めパット部材付きセラミックス回路基板は、セラミックス回路基板のセラミックス基板の一方の面の沿面に金属板からなるねじ止めパット部材を有し、ねじ止めパット部材は接合層を介してセラミックス基板に接合されると共に、ねじ止めパット部材の端部から接合層がはみ出た構造を有していることを特徴とするものである。
実施形態にかかるねじ止めパット部材付きセラミックス回路基板は、セラミックス回路基板のセラミックス基板の一方の面の沿面に金属板からなるねじ止めパット部材を有し、ねじ止めパット部材は接合層を介してセラミックス基板に接合されると共に、ねじ止めパット部材の端部から接合層がはみ出た構造を有していることを特徴とするものである。
図１に実施形態にかかるねじ止めパット部材付きセラミックス回路基板の一例を示した。図２にねじ止めパット部材の接合層がはみ出た構造の一例を示した。図中、１はねじ止めパット部材付きセラミックス回路基板、２はセラミックス基板、３は金属回路板、４はねじ止めパット部材、５は接合層、である。また、Ｌはねじ止めパット部材の接合層はみだし部の長さ、Ｈはねじ止めパット部材の接合層はみだし部の厚さ、である。
図１に実施形態にかかるねじ止めパット部材付きセラミックス回路基板の一例を示した。図２にねじ止めパット部材の接合層がはみ出た構造の一例を示した。図中、１はねじ止めパット部材付きセラミックス回路基板、２はセラミックス基板、３は金属回路板、４はねじ止めパット部材、５は接合層、である。また、Ｌはねじ止めパット部材の接合層はみだし部の長さ、Ｈはねじ止めパット部材の接合層はみだし部の厚さ、である。
ねじ止めパット部材付きセラミックス回路基板１は、セラミックス基板２上に金属回路板３とねじ止めパット部材４を有している。ねじ止めパット部材４はセラミックス基板２の沿面に設けられている。セラミックス基板２の沿面とはセラミックス基板２の端部から５ｍｍ以内を示す。そのため、ねじ止めパット部材４は、セラミックス基板２の端部から５ｍｍ以内に設けられている。また、ねじ止めパット部材４はセラミックス基板２の端部から０．１〜５ｍｍの範囲内に設けられることが好ましい。端部から０．１ｍｍ以内だと、後述する接合層はみだし部を設ける場所が小さくなる。また、５ｍｍを超えると金属回路板３を設ける個所が小さくなる。このため、ねじ止めパット部材４はセラミックス基板２の端部から０．１〜５ｍｍ、さらには０．３〜３ｍｍの範囲内に設けることが好ましい。
また、ねじ止めパット部材４は接合層５を介してセラミックス基板２に接合されている。ねじ止めパット部材４は金属回路板３と同じ材質であることが好ましい。金属回路板３が銅板であれば、ねじ止めパット部材４も銅板であることが好ましい。同様に、金属回路板３がアルミニウム板であれば、ねじ止めパット部材４もアルミニウム板であることが好ましい。ねじ止めパット部材４は金属回路板３と同じ材質とすることにより、エッチング工程で接合層はみだし部を形成し易くなる。
ねじ止めパット付きセラミックス回路基板１は、ねじ止めパット部材４を接合する接合層５にはみだし部を有している。ねじ止めパット部材４の接合層５のはみだし部の長さＬは２μｍ以上２００μｍ以下が好ましい。また、ねじ止めパット部材４の接合層５のはみだし部の厚さＨは５μｍ以上５０μｍ以下が好ましい。また、はみだし部の長さＬ／はみだし部の高さＨが０．５以上３．０以下の範囲内であることが好ましい。
ねじ止めパット部材４に接合層はみだし部を設けることにより、ねじ止めパット部材４の接合強度を向上させることができる。このため、ねじ止めパット部材４にねじ頭が接するようなねじ止め構造をとることができる。また、接合層はみだし部を設けることにより、ねじ止め後の半導体装置のＴＣＴ（熱サイクル）特性を向上させることができる。
ねじ止めパット付きセラミックス回路基板１は、ねじ止めパット部材４を接合する接合層５にはみだし部を有している。ねじ止めパット部材４の接合層５のはみだし部の長さＬは２μｍ以上２００μｍ以下が好ましい。また、ねじ止めパット部材４の接合層５のはみだし部の厚さＨは５μｍ以上５０μｍ以下が好ましい。また、はみだし部の長さＬ／はみだし部の高さＨが０．５以上３．０以下の範囲内であることが好ましい。
ねじ止めパット部材４に接合層はみだし部を設けることにより、ねじ止めパット部材４の接合強度を向上させることができる。このため、ねじ止めパット部材４にねじ頭が接するようなねじ止め構造をとることができる。また、接合層はみだし部を設けることにより、ねじ止め後の半導体装置のＴＣＴ（熱サイクル）特性を向上させることができる。
また、接合層５は、活性金属を含むことが好ましい。活性金属を含む接合層は金属板と強固な接合を形成することができる。なお、活性金属を含む接合層のことを活性金属接合層と呼ぶ。
銅板を接合するための活性金属は、Ｔｉ（チタン）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）から選ばれる１種または２種以上である。また、活性金属以外の成分としては、Ａｇ（銀）およびＣｕ（銅）が挙げられる。また、Ｉｎ（インジウム）、Ｓｎ（錫）、Ｃ（炭素）から選ばれる１種または２種以上を添加してもよい。なお、銅板には銅合金板も含まれるものとする。
また、アルミニウム板を接合するための活性金属はＳｉ（珪素）である。また、活性金属以外の成分としては、Ａｌ（アルミニウム）が挙げられる。なお、アルミニウム板にはアルミニウム合金板も含まれるものとする。
銅板を接合するための活性金属は、Ｔｉ（チタン）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）から選ばれる１種または２種以上である。また、活性金属以外の成分としては、Ａｇ（銀）およびＣｕ（銅）が挙げられる。また、Ｉｎ（インジウム）、Ｓｎ（錫）、Ｃ（炭素）から選ばれる１種または２種以上を添加してもよい。なお、銅板には銅合金板も含まれるものとする。
また、アルミニウム板を接合するための活性金属はＳｉ（珪素）である。また、活性金属以外の成分としては、Ａｌ（アルミニウム）が挙げられる。なお、アルミニウム板にはアルミニウム合金板も含まれるものとする。
接合層は、ビッカース硬さが２５０以下となることが好ましい。特許文献１に示したように、金属回路板３の厚さが０．６ｍｍ以上と厚くなると接合層のビッカース硬さは２５０以下が好ましい。金属回路板３の厚さが０．６ｍｍ以上になったとき、ねじ止めパット部材４の厚さも０．６ｍｍ以上であることが好ましい。また、金属回路板３とねじ止めパット部材４は同じ厚さであることが好ましい。金属回路板３とねじ止めパット部材４が同じ材質および同じ厚さであることにより、エッチング工程での製造を行い易くなる。従来、特許文献２のようにエッチング工程で金属回路板とねじ止めパット部材を形成することは行われていたが、ねじ止めパット部材に接合層はみだし部を設けていなかったのである。実施形態にかかるねじ止めパット部材付きセラミックス回路基板は、ねじ止めパット部材に接合層はみだし部を設けることにより、ねじ止めパット部材の接合強度を向上させることができるのである。
また、ねじ止めパット部材４の側面において、ねじ止めパット部材４厚さの１／２の点からセラミックス基板１側のねじ止めパット部材４の端部まで直線を引いたとき、この直線とセラミックス基板１の平面方向とがなす角度θが８０°以下であることが好ましい。角度θが８０°以下であるということは、ねじ止めパット部材４の側面はセラミックス基板１方向に向かって広がっている傾斜形状となる。ねじ止めパット部材４の側面が傾斜形状を有することにより、ＴＣＴ特性を向上させることができる。
また、ねじ止めパット部材４の長辺の長さは、セラミックス基板２の長辺の長さの１／５以下であることが好ましい。ねじ止めパット部材４はセラミックス基板２の沿面を一周回るように設けてもよい。一方で、沿面すべてにねじ止めパット部材４を設けると、金属回路板３を設けるスペースが小さくなる。ねじ止めパット部材４は接合層はみだし部を設けているため接合強度が向上している。このため、ねじ止めパット部材４は小さくても信頼性を確保できる。
ねじ止めパット部材４の長辺とは、多角形状のときは最も長い辺となる。多角形状には、正方形、長方形、三角形、五角形、六角形、台形などが挙げられる。なお、多角形状のときは、角にＲ形状が付与されていてもよいものとする。Ｒ形状とは、曲率半径を有した形状のことを示す。
また、ねじ止めパット部材４が、Ｌ字形状、Ｖ字形状などのときは最も長い辺が長辺となる。また、ねじ止めパット部材４が円形形状のときは最も長い対角線を長辺とする。円形形状には、真円、楕円が挙げられる。また、ねじ止めパット部材４が星形形状、Ｓ字形状などのときは最も長い対角線を長辺とする。
ねじ止めパット部材４の長辺とは、多角形状のときは最も長い辺となる。多角形状には、正方形、長方形、三角形、五角形、六角形、台形などが挙げられる。なお、多角形状のときは、角にＲ形状が付与されていてもよいものとする。Ｒ形状とは、曲率半径を有した形状のことを示す。
また、ねじ止めパット部材４が、Ｌ字形状、Ｖ字形状などのときは最も長い辺が長辺となる。また、ねじ止めパット部材４が円形形状のときは最も長い対角線を長辺とする。円形形状には、真円、楕円が挙げられる。また、ねじ止めパット部材４が星形形状、Ｓ字形状などのときは最も長い対角線を長辺とする。
また、ねじ止めパット部材４は、複数個有し、少なくとも一対は対角線上に配置されていることが好ましい。ねじ止めパット部材４は、ねじ止めに使われる。対角線上に配置することにより、ねじ止め時の位置ずれを抑制することができる。対角線上に配置とは、一つのねじ止めパット部材４から対角線を引き、その対角線上に別のねじ止めパット部材４が存在する配置を示すものとする。図１を例にすると、向かって左下のねじ止めパット部材と向かって右上のねじ止めパット部材が対角線上に配置となる。このため、図１は対角線上の配置が二対あることになる。
なお、少なくとも一対が対角線上に配置されていればよく、対角線上に配置されていないねじ止めパット部材４が存在していてもよいものとする。例えば、セラミックス基板２の長辺の真ん中にねじ止めパット部材４を設けることもできる。また、ねじ止めパット部材４の個数は偶数が好ましいが、奇数であってもよい。
また、セラミックス基板２の角部は面取り形状部であってもよい。セラミックス基板２の角部を面取り形状とすることにより、ねじ止めパット部材４と位置合わせを行い易くすることができる。
なお、少なくとも一対が対角線上に配置されていればよく、対角線上に配置されていないねじ止めパット部材４が存在していてもよいものとする。例えば、セラミックス基板２の長辺の真ん中にねじ止めパット部材４を設けることもできる。また、ねじ止めパット部材４の個数は偶数が好ましいが、奇数であってもよい。
また、セラミックス基板２の角部は面取り形状部であってもよい。セラミックス基板２の角部を面取り形状とすることにより、ねじ止めパット部材４と位置合わせを行い易くすることができる。
また、セラミックス基板２の同じ面にねじ止めパット部材４および金属回路板３を設け、反対側の面には放熱板６が設けられた構造であり、放熱板６の端部から垂直線７を引いたとき、ねじ止めパット部材４に重なる個所があることが好ましい。
図３にセラミックス基板２の裏面に放熱板を設けたねじ止めパット部材付きセラミックス回路基板の一例を示した。図中、１はねじ止めパット部材付きセラミックス回路基板、２はセラミックス基板、３は金属回路板、４はねじ止めパット部材、５は接合層、６は放熱板、７は放熱板の端部から垂直に引いた線、である。
放熱板６の端部とは、放熱板６の側面の最外部を示す。つまり、放熱板６の側面の最も沿面に近い箇所となる。放熱板６の端部から垂直線７を引いたとき、ねじ止めパット部材４に重なる個所があることが好ましい。重なる個所があるということは、ねじ止めパット部材４の裏側に放熱板６が存在しているということである。ねじ止めパット部材４は、ねじ止めに使われる。ねじ止めを行うと、セラミックス基板２の沿面に応力がかかる。放熱板６がねじ止めパット部材４の裏側に存在することにより、セラミックス基板２の沿面にかかる応力を緩和する効果が得られる。これにより、ねじ止め時にセラミックス基板２が破損することを抑制することができる。また、ねじ止めパット部材付きセラミックス回路基板１をねじ止めした後の半導体装置１０のＴＣＴ特性を向上させることができる。
図３にセラミックス基板２の裏面に放熱板を設けたねじ止めパット部材付きセラミックス回路基板の一例を示した。図中、１はねじ止めパット部材付きセラミックス回路基板、２はセラミックス基板、３は金属回路板、４はねじ止めパット部材、５は接合層、６は放熱板、７は放熱板の端部から垂直に引いた線、である。
放熱板６の端部とは、放熱板６の側面の最外部を示す。つまり、放熱板６の側面の最も沿面に近い箇所となる。放熱板６の端部から垂直線７を引いたとき、ねじ止めパット部材４に重なる個所があることが好ましい。重なる個所があるということは、ねじ止めパット部材４の裏側に放熱板６が存在しているということである。ねじ止めパット部材４は、ねじ止めに使われる。ねじ止めを行うと、セラミックス基板２の沿面に応力がかかる。放熱板６がねじ止めパット部材４の裏側に存在することにより、セラミックス基板２の沿面にかかる応力を緩和する効果が得られる。これにより、ねじ止め時にセラミックス基板２が破損することを抑制することができる。また、ねじ止めパット部材付きセラミックス回路基板１をねじ止めした後の半導体装置１０のＴＣＴ特性を向上させることができる。
また、セラミックス基板２にねじ止め用の穴部が形成されていないことが好ましい。セラミックス基板２にねじ止め用の穴部を設けると、クラックが発生する原因となる恐れがある。また、クラックが存在するとねじ止め応力を負荷したときの破壊の原因となる可能性がある。また、クラックが存在すると、ねじ止めパット部材４の厚さを０．６ｍｍ以上としたときにＴＣＴ特性を低下させる原因となる。このため、ねじ止め用穴部は存在しないことが好ましい。また、ねじ止め用穴部を設ける工程を行わないことは、製造コスト削減の効果も得られる。
また、セラミックス基板２は、窒化珪素基板、アルミナ基板、アルジル基板、窒化アルミニウム基板から選ばれる１種が好ましい。
窒化珪素基板は、３点曲げ強度が６００ＭＰａ以上と高強度である。また、熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、さらには８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のものが好ましい。
また、アルミナ基板は熱伝導率２０〜３０Ｗ／ｍ・Ｋ、３点曲げ強度４００〜５００ＭＰａ程度であるが安価である。また、アルジル基板は、酸化アルミニウムと酸化ジルコニウムを混合した焼結体からなるものである。アルジル基板は３点曲げ強度が４５０〜５５０ＭＰａ程度と比較的高い。
また、窒化アルミニウム基板は熱伝導率１７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上と高いが、３点曲げ強度は３５０〜４５０ＭＰａ程度である。
セラミックス基板の中では窒化珪素基板が好ましい。前述のように窒化珪素基板は３点曲げ強度が高い。強度が高いセラミックス基板であればねじ止め時の破損を抑制することができる。このため、セラミックス基板は３点曲げ強度が６００ＭＰａ以上、さらには７００ＭＰａ以上であることが好ましい。窒化珪素基板は、３点曲げ強度が６００ＭＰａ以上、さらには７００ＭＰａ以上のものが得られるため好ましい。
窒化珪素基板は、３点曲げ強度が６００ＭＰａ以上と高強度である。また、熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、さらには８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のものが好ましい。
また、アルミナ基板は熱伝導率２０〜３０Ｗ／ｍ・Ｋ、３点曲げ強度４００〜５００ＭＰａ程度であるが安価である。また、アルジル基板は、酸化アルミニウムと酸化ジルコニウムを混合した焼結体からなるものである。アルジル基板は３点曲げ強度が４５０〜５５０ＭＰａ程度と比較的高い。
また、窒化アルミニウム基板は熱伝導率１７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上と高いが、３点曲げ強度は３５０〜４５０ＭＰａ程度である。
セラミックス基板の中では窒化珪素基板が好ましい。前述のように窒化珪素基板は３点曲げ強度が高い。強度が高いセラミックス基板であればねじ止め時の破損を抑制することができる。このため、セラミックス基板は３点曲げ強度が６００ＭＰａ以上、さらには７００ＭＰａ以上であることが好ましい。窒化珪素基板は、３点曲げ強度が６００ＭＰａ以上、さらには７００ＭＰａ以上のものが得られるため好ましい。
また、セラミックス基板の厚さは０．７０ｍｍ以下、さらには０．４０ｍｍ以下であることが好ましい。セラミックス回路基板としてはセラミックス基板が薄い方が熱抵抗を下げられる。一方で、セラミックス基板が薄くなるとねじ止め時に破損し易くなる。窒化珪素基板のように強度の高い基板であれば、基板厚さを０．４０ｍｍ以下と薄くしてもねじ止め時の破損を抑制することができる。さらに窒化珪素基板であれば基板厚さを０．３０ｍｍ以下にすることもできる。このため、セラミックス基板が３点曲げ強度６００ＭＰａ以上の窒化珪素基板であることが好ましい。また、窒化珪素基板は３点曲げ強度６００ＭＰａ以上、熱伝導率５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましい。なお、セラミックス基板の厚さは０．１０ｍｍ以上であることが好ましい。厚さ０．１０ｍｍ未満ではねじ止め時にセラミックス基板が破損する可能性がある。
また、ねじ止めパット部材４の面積は、ねじ頭との接触面積が１５％以上になる面積を有することが好ましい。前述のように実施形態にかかるねじ止めパット部材付きセラミックス回路基板１は、ねじ止めパット部材４のサイズを小さくすることができる。その一方で、ねじ止めパット部材４が小さすぎるとねじ止め時の応力緩和効果が少なくなる。このため、ねじ止めパット部材４の面積は、ねじ頭との接触面積が１５％以上になる面積を有することが好ましい。
ねじ頭との接触面積は、次の方法で求めるものとする。まず、ねじ頭の接触可能な面積を求める。ねじ頭の接触可能な面積は、ねじ頭を上から見たときの面積からねじ溝を設けた部分の面積を除いた面積とする。例えば、上から見たときのねじ頭は直径１０ｍｍの円形とする。また、ねじ溝を設けた部分の直径が３ｍｍの円形とする。ねじ頭の接触可能な面積は、５ｍｍ×５ｍｍ×３．１４−１．５ｍｍ×１．５ｍｍ×３．１４＝７１．４３５ｍｍ２となる。ねじ止め構造をとったとき、ねじ止めパット部材４とねじ頭の接触可能な面積とが接する面積をねじ頭との接触面積とする。
ねじ止めパット部材４とねじ頭との接触面積が小さいと点接触のようになり、ねじ止め個所の応力が大きくなる。ねじ止めパット部材４とねじ頭の接触面積を大きくすることにより面接触のようになる。面接触であるとねじ止め個所の応力を分散させることができる。なお、ねじ止めパット部材４とねじ頭との接触面積が大きすぎると、ねじ止めパット部材４の大型化を招く可能性がある。ねじ止めパット部材４の大型化は、金属回路基板３の配置場所を狭くすることになる。このため、ねじ止めパット部材４とねじ頭の接触面積は１５％以上４５％以下が好ましい。
ねじ頭との接触面積は、次の方法で求めるものとする。まず、ねじ頭の接触可能な面積を求める。ねじ頭の接触可能な面積は、ねじ頭を上から見たときの面積からねじ溝を設けた部分の面積を除いた面積とする。例えば、上から見たときのねじ頭は直径１０ｍｍの円形とする。また、ねじ溝を設けた部分の直径が３ｍｍの円形とする。ねじ頭の接触可能な面積は、５ｍｍ×５ｍｍ×３．１４−１．５ｍｍ×１．５ｍｍ×３．１４＝７１．４３５ｍｍ２となる。ねじ止め構造をとったとき、ねじ止めパット部材４とねじ頭の接触可能な面積とが接する面積をねじ頭との接触面積とする。
ねじ止めパット部材４とねじ頭との接触面積が小さいと点接触のようになり、ねじ止め個所の応力が大きくなる。ねじ止めパット部材４とねじ頭の接触面積を大きくすることにより面接触のようになる。面接触であるとねじ止め個所の応力を分散させることができる。なお、ねじ止めパット部材４とねじ頭との接触面積が大きすぎると、ねじ止めパット部材４の大型化を招く可能性がある。ねじ止めパット部材４の大型化は、金属回路基板３の配置場所を狭くすることになる。このため、ねじ止めパット部材４とねじ頭の接触面積は１５％以上４５％以下が好ましい。
また、金属回路板３の接合層５のはみだし部についても、接合層５のはみだし部の長さＬは２μｍ以上２００μｍ以下が好ましい。また、金属回路板３の接合層５のはみだし部の厚さＨは５μｍ以上５０μｍ以下が好ましい。また、はみだし部の長さＬ／はみだし部の高さＨが０．５以上３．０以下の範囲内であることが好ましい。
また、金属回路板３の側面において、金属回路板３厚さの１／２の点からセラミックス基板１側の金属回路板３の端部まで直線を引いたとき、この直線とセラミックス基板１の平面方向とがなす角度θが８０°以下であることが好ましい。角度θが８０°以下であるということは、金属回路板３の側面はセラミックス基板１方向に向かって広がっている傾斜形状となる。金属回路板３の側面が傾斜形状を有することにより、ＴＣＴ特性を向上させることができる。
また、金属回路板３の側面において、金属回路板３厚さの１／２の点からセラミックス基板１側の金属回路板３の端部まで直線を引いたとき、この直線とセラミックス基板１の平面方向とがなす角度θが８０°以下であることが好ましい。角度θが８０°以下であるということは、金属回路板３の側面はセラミックス基板１方向に向かって広がっている傾斜形状となる。金属回路板３の側面が傾斜形状を有することにより、ＴＣＴ特性を向上させることができる。
また、ねじ止めパット部材４と金属回路板３の側面形状が実質的に同じであることが好ましい。側面形状は前述の通り、金属板の厚さ、接合層はみだし部および金属板の傾斜形状である。金属板は、ねじ止めパット部材４と金属回路板３の両方を示すものである。
ねじ止めパット部材４と金属回路板３の側面形状は任意の断面において観察するものとする。断面形状の観察は断面ＳＥＭ写真を用いて観察するものとする。また、ねじ止めパット部材４に最も近い金属回路板３の断面を観察するものとする。
断面ＳＥＭ写真において、ねじ止めパット部材４と金属回路板３の厚さの差が０ｍｍ以上０．１ｍｍ以下のときは実質的に同じと判断する。また、断面ＳＥＭ写真において、ねじ止めパット部材４と金属回路板３の接合層はみだし部の面積の差が０％以上２０％以下であると実質的に同じと判断する。また、断面ＳＥＭ写真において、ねじ止めパット部材４と金属回路板３の角度θの差が０°以上１０°以下であると実質的に同じと判断する。また、
ねじ止めパット部材４と金属回路板３の厚さ、接合層はみだし部の面積の差、角度θの差のいずれもが上記範囲を満たしたとき、ねじ止めパット部材４と金属回路板３の側面形状が実質的に同じとなる。
ねじ止めパット部材４と金属回路板３の側面形状は任意の断面において観察するものとする。断面形状の観察は断面ＳＥＭ写真を用いて観察するものとする。また、ねじ止めパット部材４に最も近い金属回路板３の断面を観察するものとする。
断面ＳＥＭ写真において、ねじ止めパット部材４と金属回路板３の厚さの差が０ｍｍ以上０．１ｍｍ以下のときは実質的に同じと判断する。また、断面ＳＥＭ写真において、ねじ止めパット部材４と金属回路板３の接合層はみだし部の面積の差が０％以上２０％以下であると実質的に同じと判断する。また、断面ＳＥＭ写真において、ねじ止めパット部材４と金属回路板３の角度θの差が０°以上１０°以下であると実質的に同じと判断する。また、
ねじ止めパット部材４と金属回路板３の厚さ、接合層はみだし部の面積の差、角度θの差のいずれもが上記範囲を満たしたとき、ねじ止めパット部材４と金属回路板３の側面形状が実質的に同じとなる。
以上のようなねじ止めパット部材付きセラミックス回路基板１は、半導体装置に用いることができる。具体的には、ねじ止めパット部材付きセラミックス回路基板１の金属回路板３に半導体素子１１を実装することである。また、半導体素子１１以外にも、リードフレームなどの金属端子を実装してもよい。また、ワイヤボンディングを施してもよいものとする。また、半導体素子１１は複数個設けてもよいものとする。
また、半導体装置はねじ止め構造をとることが好ましい。図４に実施形態にかかる半導体装置の一例を示した。図中、１０は半導体装置、１１は半導体素子、１２はねじ、１３は実装ボード、である。図４は、ねじ止めパット部材付きセラミックス回路基板１に半導体素子１１を実装し、ねじ１２で実装ボード１３にねじ止めした構造を例示したものである。
ねじ止めパット部材付きセラミックス回路基板１は沿面にねじ止めパット部材４が設けられている。このため、セラミックス基板にねじ穴を設けなくてもねじ止め構造がとれている。また、ねじ１２のねじ頭をねじ止めパット部材４に直接接する構造を取ることもできる。なお、実装ボード１３はねじ止めする場所として使われるものである。ヒートシンクや筐体などであってもよい。また、半導体装置１０は、モールド樹脂を設けてもよいものとする。
また、ねじ止めパット部材４の面積は、ねじ頭との接触面積が１５％以上になる面積を有することが好ましい。ねじ頭とねじ止めパット部材を面接触とすることにより、ねじ止め応力を緩和することができる。実施形態にかかる半導体装置は、ねじ止め構造後であってもＴＣＴ特性を向上させることができる。
また、ねじ止めトルクを０．０５Ｎ・ｍ以上としたとしても、セラミックス基板の割れを抑制することができる。なお、ねじ止めトルクの上限は特に限定されるものではないが０．５０Ｎ・ｍ以下が好ましい。
また、半導体装置はねじ止め構造をとることが好ましい。図４に実施形態にかかる半導体装置の一例を示した。図中、１０は半導体装置、１１は半導体素子、１２はねじ、１３は実装ボード、である。図４は、ねじ止めパット部材付きセラミックス回路基板１に半導体素子１１を実装し、ねじ１２で実装ボード１３にねじ止めした構造を例示したものである。
ねじ止めパット部材付きセラミックス回路基板１は沿面にねじ止めパット部材４が設けられている。このため、セラミックス基板にねじ穴を設けなくてもねじ止め構造がとれている。また、ねじ１２のねじ頭をねじ止めパット部材４に直接接する構造を取ることもできる。なお、実装ボード１３はねじ止めする場所として使われるものである。ヒートシンクや筐体などであってもよい。また、半導体装置１０は、モールド樹脂を設けてもよいものとする。
また、ねじ止めパット部材４の面積は、ねじ頭との接触面積が１５％以上になる面積を有することが好ましい。ねじ頭とねじ止めパット部材を面接触とすることにより、ねじ止め応力を緩和することができる。実施形態にかかる半導体装置は、ねじ止め構造後であってもＴＣＴ特性を向上させることができる。
また、ねじ止めトルクを０．０５Ｎ・ｍ以上としたとしても、セラミックス基板の割れを抑制することができる。なお、ねじ止めトルクの上限は特に限定されるものではないが０．５０Ｎ・ｍ以下が好ましい。
次に、実施形態にかかるねじ止めパット部材付きセラミックス回路基板の製造方法について説明する。実施形態にかかるねじ止めパット部材付きセラミックス回路基板は上記構成を有していればその製造方法は特に限定されるものではないが、歩留まり良く得るための方法として次の方法が挙げられる。
まず、セラミックス基板と金属板の接合体を作製する。
セラミックス基板２は、窒化珪素基板、アルミナ基板、アルジル基板、窒化アルミニウム基板から選ばれる１種が好ましい。また、セラミックス基板は、３点曲げ強度が６００ＭＰａ以上、熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の窒化珪素基板であることが好ましい。また、窒化珪素基板は厚さ０．４０ｍｍ以下、さらには０．３０ｍｍ以下のものであることが好ましい。
また、金属板は、銅板またはアルミニウム板であることが好ましい。特に、金属板は銅板であることが好ましい。銅の熱伝導率は４００Ｗ／ｍ・Ｋ程度であるのに対し、アルミニウムは２４０Ｗ／ｍ・Ｋ程度である。銅板の方が熱伝導率が高いため放熱性が高い。また、銅のビッカース硬さは３７０ＭＰａ程度であるのに対し、アルミニウムは１７０ＭＰａ程度である。銅板の方が硬いため、ねじ止めに適している。
セラミックス基板と金属板の接合には活性金属接合法を用いるものとする。活性金属接合法は、活性金属を含む接合ろう材を用いた接合法である。
銅板を接合するための活性金属は、Ｔｉ（チタン）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）から選ばれる１種または２種以上である。また、活性金属以外の成分としては、Ａｇ（銀）およびＣｕ（銅）が挙げられる。また、Ｉｎ（インジウム）、Ｓｎ（錫）、Ｃ（炭素）から選ばれる１種または２種以上を添加してもよい。なお、銅板には銅合金板も含まれるものとする。
また、アルミニウム板を接合するための活性金属はＳｉ（珪素）である。また、活性金属以外の成分としては、Ａｌ（アルミニウム）が挙げられる。なお、アルミニウム板にはアルミニウム合金板も含まれるものとする。
まず、セラミックス基板と金属板の接合体を作製する。
セラミックス基板２は、窒化珪素基板、アルミナ基板、アルジル基板、窒化アルミニウム基板から選ばれる１種が好ましい。また、セラミックス基板は、３点曲げ強度が６００ＭＰａ以上、熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の窒化珪素基板であることが好ましい。また、窒化珪素基板は厚さ０．４０ｍｍ以下、さらには０．３０ｍｍ以下のものであることが好ましい。
また、金属板は、銅板またはアルミニウム板であることが好ましい。特に、金属板は銅板であることが好ましい。銅の熱伝導率は４００Ｗ／ｍ・Ｋ程度であるのに対し、アルミニウムは２４０Ｗ／ｍ・Ｋ程度である。銅板の方が熱伝導率が高いため放熱性が高い。また、銅のビッカース硬さは３７０ＭＰａ程度であるのに対し、アルミニウムは１７０ＭＰａ程度である。銅板の方が硬いため、ねじ止めに適している。
セラミックス基板と金属板の接合には活性金属接合法を用いるものとする。活性金属接合法は、活性金属を含む接合ろう材を用いた接合法である。
銅板を接合するための活性金属は、Ｔｉ（チタン）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）から選ばれる１種または２種以上である。また、活性金属以外の成分としては、Ａｇ（銀）およびＣｕ（銅）が挙げられる。また、Ｉｎ（インジウム）、Ｓｎ（錫）、Ｃ（炭素）から選ばれる１種または２種以上を添加してもよい。なお、銅板には銅合金板も含まれるものとする。
また、アルミニウム板を接合するための活性金属はＳｉ（珪素）である。また、活性金属以外の成分としては、Ａｌ（アルミニウム）が挙げられる。なお、アルミニウム板にはアルミニウム合金板も含まれるものとする。
活性金属接合法は、活性金属ろう材ペーストをセラミクス基板上に塗布し、金属板を載せる。金属板の厚さは０．６ｍｍ以上であることが好ましい。また、ねじ止めパット部材４を設ける面に配置する金属板は、セラミックス基板の縦横サイズが略同じであることが好ましい。略同じとはセラミックス基板の長辺および短辺の長さに対し金属板の長さが±２ｍｍの範囲内であることを示す。セラミックス基板と金属板の縦横サイズを略同じとすることにより、同一のエッチング工程で金属回路板とねじ止めパット部材を形成することができる。金属板の長さが２ｍｍを超えて大きいと、エッチングにより除去する量が増えるのでコストアップの原因となる。また、金属板の長さが２ｍｍを超えて小さいと、セラミックス基板の沿面に同一のエッチング工程でねじ止めパット部材を設けることが困難となる可能性がある。また、セラミックス基板と金属板の縦横サイズを略同じにすることにより、ねじ止めパット部材４と金属回路板３の厚さの差が０ｍｍ以上０．１ｍｍ以下にすることができる。
また、放熱板６として用いる金属板についてもセラミックス基板２の縦横サイズと略同じであることが好ましい。また、金属回路板になる金属板を表金属板、放熱板になる金属板を裏金属板とする。接合体を作製する際は、表金属板と裏金属板の縦横サイズが略同じであることが好ましい。略同じであるということは表金属板と裏金属板の縦横サイズが±２ｍｍの範囲内であることを示す。ねじ止めパット部材４と金属回路板３を別々に配置して、接合することも可能である。しかしながら、表裏の金属板のサイズに差がありすぎると接合体に反りが生じやすい。反りが生じると、反り直し工程の負荷が増えるので好ましくない。
また、放熱板６として用いる金属板についてもセラミックス基板２の縦横サイズと略同じであることが好ましい。また、金属回路板になる金属板を表金属板、放熱板になる金属板を裏金属板とする。接合体を作製する際は、表金属板と裏金属板の縦横サイズが略同じであることが好ましい。略同じであるということは表金属板と裏金属板の縦横サイズが±２ｍｍの範囲内であることを示す。ねじ止めパット部材４と金属回路板３を別々に配置して、接合することも可能である。しかしながら、表裏の金属板のサイズに差がありすぎると接合体に反りが生じやすい。反りが生じると、反り直し工程の負荷が増えるので好ましくない。
次に、加熱接合工程を行う。加熱温度は例えば７００〜９００℃の範囲である。また、加熱接合工程は、真空中（１×１０−３Ｐａ以下）で行うことが好ましい。
次に、エッチング工程を行う。表金属板は、金属回路板３およびねじ止めパット部材４を形成する。また、金属回路板３およびねじ止めパット部材４の接合層はみだし部と側面形状が実質的に同じになるようにすることが好ましい。
断面ＳＥＭ写真において、ねじ止めパット部材４と金属回路板３の接合層はみだし部の面積の差が０％以上２０％以下であると実質的に同じと判断する。また、断面ＳＥＭ写真において、ねじ止めパット部材４と金属回路板３の角度θの差が０°以上１０°以下であると実質的に同じと判断する。
また、放熱板もエッチングして、接合層はみだし部と角度θを金属回路板３と実質的に同じにすることが好ましい。また、必要に応じ、ねじ止めパット部材４表面を化学研磨してもよいものとする。
以上の工程により、ねじ止めパット部材付きセラミックス回路基板を製造することができる。
次に、エッチング工程を行う。表金属板は、金属回路板３およびねじ止めパット部材４を形成する。また、金属回路板３およびねじ止めパット部材４の接合層はみだし部と側面形状が実質的に同じになるようにすることが好ましい。
断面ＳＥＭ写真において、ねじ止めパット部材４と金属回路板３の接合層はみだし部の面積の差が０％以上２０％以下であると実質的に同じと判断する。また、断面ＳＥＭ写真において、ねじ止めパット部材４と金属回路板３の角度θの差が０°以上１０°以下であると実質的に同じと判断する。
また、放熱板もエッチングして、接合層はみだし部と角度θを金属回路板３と実質的に同じにすることが好ましい。また、必要に応じ、ねじ止めパット部材４表面を化学研磨してもよいものとする。
以上の工程により、ねじ止めパット部材付きセラミックス回路基板を製造することができる。
（実施例）
（実施例１〜６、比較例１〜３）
窒化珪素基板と銅板により活性金属接合法を用いて接合体を作製した。また、窒化珪素基板と銅板の縦横サイズは略同じに統一した。また、表銅板は金属回路板およびねじ止めパット部材となる銅板である。裏銅板は放熱板となる銅板である。作製した接合体は表１に示す通りである。
（実施例１〜６、比較例１〜３）
窒化珪素基板と銅板により活性金属接合法を用いて接合体を作製した。また、窒化珪素基板と銅板の縦横サイズは略同じに統一した。また、表銅板は金属回路板およびねじ止めパット部材となる銅板である。裏銅板は放熱板となる銅板である。作製した接合体は表１に示す通りである。
次に、各接合体をエッチング処理した。これにより、実施例にかかるねじ止め部材付きセラミックス回路基板を作製した。また、比較例としてねじ止め部材を設けないセラミックス回路基板を用意した。実施例および比較例は表２、表３に示した通りである。
実施例にかかるものは、ねじ止めパット部材をセラミックス回路基板の四隅に１個ずつ設けたものである（合計４個配置）。また、実施例にかかるものは、放熱板の端部から垂直線を引いたとき、ねじ止めパット部材に重なる個所がある構造とした。
次に、金属回路板に半導体素子を実装して、半導体装置を作製した。各半導体装置をねじ止め構造を行った。その際に、ねじ頭のサイズを変えてねじ止めパット部材とねじ頭の接触面積を変えた。また、ねじ止めトルクを変えてねじ止め構造を行った。
ねじ止め時のセラミックス基板の破損の有無を測定した。また、ねじ止め後の半導体装置のＴＣＴ特性を測定した。
ねじ止め時のセラミックス基板の破損の有無は、ねじ止め工程を２０個行った。１つでも破損が生じたものを破損「あり」、１つも破損が生じなかったものを破損「なし」とした。
また、ＴＣＴ試験は、−４０℃×３０分→２５℃×１０分→１７５℃×３０分→２５℃×１０分を１サイクルとし、１０００サイクル後のセラミックス回路基板の破損の有無を調べた。またＴＣＴ試験は、ねじ止め工程でセラミックス基板が破損しなかったものを試験対象としたものである。
その結果を表４に示す。
次に、金属回路板に半導体素子を実装して、半導体装置を作製した。各半導体装置をねじ止め構造を行った。その際に、ねじ頭のサイズを変えてねじ止めパット部材とねじ頭の接触面積を変えた。また、ねじ止めトルクを変えてねじ止め構造を行った。
ねじ止め時のセラミックス基板の破損の有無を測定した。また、ねじ止め後の半導体装置のＴＣＴ特性を測定した。
ねじ止め時のセラミックス基板の破損の有無は、ねじ止め工程を２０個行った。１つでも破損が生じたものを破損「あり」、１つも破損が生じなかったものを破損「なし」とした。
また、ＴＣＴ試験は、−４０℃×３０分→２５℃×１０分→１７５℃×３０分→２５℃×１０分を１サイクルとし、１０００サイクル後のセラミックス回路基板の破損の有無を調べた。またＴＣＴ試験は、ねじ止め工程でセラミックス基板が破損しなかったものを試験対象としたものである。
その結果を表４に示す。
表から分かる通り、実施例にかかるものは、ねじ止め工程でのセラミックス基板の破損は発生しなかった。また、ＴＣＴ後のセラミックス回路基板の破損も確認されなかった。
それに対し、比較例はねじ止めパット部材を設けていないことから、破損が発生していた。このため、実施例にかかるねじ止めパット部材付きセラミックス回路基板は信頼性の高いものであることが分かる。
それに対し、比較例はねじ止めパット部材を設けていないことから、破損が発生していた。このため、実施例にかかるねじ止めパット部材付きセラミックス回路基板は信頼性の高いものであることが分かる。
以上上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。
１…ねじ止めパット部材付きセラミックス回路基板
２…セラミックス基板
３…金属回路板
４…ねじ止めパット部材
５…接合層
６…放熱板
７…放熱板の端部から垂直に引いた線
１０…半導体装置
１１…半導体素子
１２…ねじ
１３…実装ボート
Ｌ…接合層はみだし部の幅
Ｈ…接合層はみだし部の厚さ
２…セラミックス基板
３…金属回路板
４…ねじ止めパット部材
５…接合層
６…放熱板
７…放熱板の端部から垂直に引いた線
１０…半導体装置
１１…半導体素子
１２…ねじ
１３…実装ボート
Ｌ…接合層はみだし部の幅
Ｈ…接合層はみだし部の厚さ
Claims (11)
- セラミックス回路基板のセラミックス基板の一方の面の沿面に金属板からなるねじ止めパット部材を有し、ねじ止めパット部材は接合層を介してセラミックス基板に接合されると共に、ねじ止めパット部材の端部から接合層がはみ出た構造を有していることを特徴とするねじ止めパット部材付きセラミックス回路基板。
- ねじ止めパット部材の長辺長さは、セラミックス基板の長辺の長さの１／５以下であることを特徴とする請求項１記載のねじ止めパット部材付きセラミックス回路基板。
- ねじ止めパット部材は、複数個有し、少なくとも一対は対角線上に配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項２のいずれか１項に記載のねじ止めパット部材付きセラミックス回路基板。
- セラミックス基板の角部は面取り形状部であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のねじ止めパット部材付きセラミックス回路基板。
- セラミックス基板の同じ面にねじ止めパット部材および金属回路板を設け、反対側の面には放熱板が設けられた構造であり、放熱板の端部から垂直線を引いたとき、ねじ止めパット部材に重なる個所があることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のねじ止めパット部材付きセラミックス回路基板。
- セラミックス基板にねじ止め用の穴部が形成されていないことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のねじ止めパット部材付きセラミックス回路基板。
- セラミックス基板の厚さが０．４ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のねじ止めパット部材付きセラミックス回路基板。
- セラミックス基板が３点曲げ強度６００ＭＰａ以上の窒化珪素基板であることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のねじ止めパット部材付きセラミックス回路基板。
- ねじ止めパット部材の面積は、ねじ頭との接触面積が１５％以上になる面積を有することを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載のねじ止めパット部材付きセラミックス回路基板。
- 請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載のねじ止めパット部材付きセラミックス回路基板に半導体素子を実装したことを特徴とする半導体装置。
- ねじ止めパット部材にねじ頭が接するようにねじ止めされた構造を有することを特徴とする請求項１０記載の半導体装置。
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| JP2019233014A Active JP7301732B2 (ja) | 2019-12-24 | 2019-12-24 | ねじ止めパット部材付きセラミックス回路基板及びそれを用いた半導体装置 |
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Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000082774A (ja) * | 1998-06-30 | 2000-03-21 | Sumitomo Electric Ind Ltd | パワ―モジュ―ル用基板およびその基板を用いたパワ―モジュ―ル |
| JP2004307307A (ja) * | 2003-04-10 | 2004-11-04 | Hitachi Metals Ltd | セラミックス回路基板とその製造方法 |
| JP2015122453A (ja) * | 2013-12-25 | 2015-07-02 | ダイキン工業株式会社 | パワーモジュール |
| WO2017200004A1 (ja) * | 2016-05-19 | 2017-11-23 | 三菱マテリアル株式会社 | パワーモジュール用基板 |
| WO2018173921A1 (ja) * | 2017-03-23 | 2018-09-27 | 株式会社 東芝 | セラミックス金属回路基板およびそれを用いた半導体装置 |
-
2019
- 2019-12-24 JP JP2019233014A patent/JP7301732B2/ja active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JP2000082774A (ja) * | 1998-06-30 | 2000-03-21 | Sumitomo Electric Ind Ltd | パワ―モジュ―ル用基板およびその基板を用いたパワ―モジュ―ル |
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