JP2501272B2 - 多層セラミックス回路基板 - Google Patents

多層セラミックス回路基板

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裕 小森田
和男 松村
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    • H01L2224/42Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/49Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of a plurality of wire connectors
    • H01L2224/491Disposition
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    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05KPRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00Printed circuits
    • H05K1/02Details
    • H05K1/03Use of materials for the substrate
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    • H05K3/10Apparatus or processes for manufacturing printed circuits in which conductive material is applied to the insulating support in such a manner as to form the desired conductive pattern
    • H05K3/20Apparatus or processes for manufacturing printed circuits in which conductive material is applied to the insulating support in such a manner as to form the desired conductive pattern by affixing prefabricated conductor pattern
    • H05K3/202Apparatus or processes for manufacturing printed circuits in which conductive material is applied to the insulating support in such a manner as to form the desired conductive pattern by affixing prefabricated conductor pattern using self-supporting metal foil pattern

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体実装基板や半導
体パッケージ等として有用な多層セラミックス回路基板
に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、パワートランジスタモジュール用
基板やスイッチング電源モジュール用基板等の回路基板
として、セラミックス基板上に銅板等の金属板を接合し
たものが用いられている。また、上記セラミックス基板
としては、電気絶縁性を有すると共に、熱伝導性に優れ
た窒化アルミニウム基板や窒化ケイ素基板等が注目され
ている。
【0003】上述したような銅板で回路を構成したセラ
ミックス回路基板は、例えばセラミックス基板上に銅板
を Cu-Cu2 O 等の共晶液相を利用して直接接合する、い
わゆる銅直接接合法(DBC法:Direct Bond Copper
法)や、4A族元素や5A族元素のような活性金属を含むろ
う材を用いて、セラミックス基板上に銅板を接合する方
法(活性金属ろう付け法)等によって作製している。ま
た、具体的な回路の形成方法としては、予めプレス加工
やエッチング加工によりパターニングした銅板を用いた
り、接合後にエッチング等の手法によりパターニングす
る等の方法が知られている。これらDBC法や活性金属
ろう付け法により得られるセラミックス回路基板は、い
ずれも単純構造で熱抵抗が小さく、大電流型や高集積型
の半導体チップに対応できる等の利点を有している。
【0004】ところで、最近の半導体チップの高密度化
や高集積化に伴って、半導体モジュールや電子部品自体
の小型化が進められている。このような状況に伴い、半
導体実装基板には、小型化が求められていると共に、高
実装化を図るために、実装部や回路構成部の面積の増大
が求められている。ここで、上述したような従来のセラ
ミックス回路基板では、セラミックス基板の一方の主面
を実装面として使用しているにすぎないため、実装部や
回路構成部の増大を図るためにはセラミックス基板を大
型化する必要があるが、セラミックス基板を大型化する
と、銅回路板を接合する際にセラミックス基板に反りが
生じやすくなる等の問題を招いてしまう。また、セラミ
ックス基板の単純な大型化は、実装基板や電子部品自体
に対する小型化要求に反することとなる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
のセラミックス回路基板においては、実装部や回路構成
部の面積を増大するにはセラミックス基板を大型化しな
ければならず、これに伴って銅回路板の接合不良を招い
たり、電子部品の小型化要求に反する等の問題が生じて
いる。また、半導体チップの多様化に伴って、半導体実
装基板や半導体パッケージに対する要求特性も多岐にわ
たり、それら種々の要求を満足させることが求められて
いる。
【0006】本発明は、このような課題に対処するため
になされたもので、実装部や回路構成部の面積の増大を
図った上で小型化でき、かつ様々な半導体チップやその
実装形態に対応することが可能な多層セラミックス回路
基板を提供することを目的としている。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明の多層セラミック
ス回路基板は、少なくとも一方の主面に銅板が銅直接接
合法または活性金属ろう付け法により接合されたセラミ
ックス基板を複数具備するセラミックス回路基板であっ
て、前記セラミックス基板が前記銅板を介して多層化さ
れた部分を有することを特徴としている。
【0008】
【作用】本発明の多層セラミックス回路基板において
は、銅板を銅直接接合法または活性金属ろう付け法によ
り接合したセラミックス基板を、銅板を介して多層化し
ている。よって、立体的なアッセンブリが可能となるこ
とによって、実装部や回路構成部の面積の増大を図った
上で小型化でき、小型高実装が達成できる。また、銅板
を有するセラミックス基板を多層化することにより、パ
ッケージ等を構成することができるだけでなく、銅板を
回路構成部として使用するため、従来の多層パッケージ
に比べて電流ロスが改善でき、また高周波型半導体チッ
プや大電流型半導体チップ等への対応が図れる。
【0009】
【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。
【0010】図1および図2は、本発明の一実施例の多
層セラミックス回路基板を用いた半導体モジュールの構
成をそれぞれ示す図である。これらの図において、1は
実装基板となるセラミックス基板であり、この実装用セ
ラミックス基板1の一方の主面1aには、所望のパター
ン形状を有する銅回路板2が接合されている。また、実
装用セラミックス基板1の他方の主面1bにも、銅板3
が接合されている。これら銅回路板2や銅板3は、実装
用セラミックス基板1に銅直接接合法(DBC法)によ
って接合されている。
【0011】DBC法によるセラミックス基板1と銅板
2、3との接合は、例えばセラミックス基板上に所望形
状に加工した銅板を接触配置した後、銅の融点(1083
℃)以下で銅と酸化銅(Cu-Cu2 O)の共晶温度(1065℃)
以上の温度範囲で加熱することにより行われる。加熱の
際の雰囲気としては、銅板として酸素を含有する銅を使
用する場合には不活性ガス雰囲気が好ましく、酸素を含
有しない銅板を使用する場合には 80ppm〜3900ppm 程度
の酸素含有雰囲気が好ましい。また、回路の形成は接合
後にエッチング等により行ってもよい。
【0012】上記銅回路板2における回路構成部のう
ち、第1および第2の回路構成部2a、2bには、それ
ぞれ半導体チップ4、5が接合搭載されており、それぞ
れAlワイヤ6によって回路と接続されている。そして、
第3の回路構成部2c上には、DBC法によって両面に
銅板7、8が接合されたセラミックス基板9、いわゆる
DBC基板10が接合搭載されており、セラミックス基
板(1、9)の多層部が銅板(2c、8)を介して構成
されている。このDBC基板10における上面側の銅板
7は、電子回路の一部の抵抗としての機能を有するもの
で、複数に分割(7a、7a…)されており、それぞれ
Alワイヤ11によって回路と接続されている。
【0013】なお、第3の回路構成部2cとなる銅板2
と、DBC基板10の裏面側の銅板8とは、ろう材や半
田等によって接合してもよいし、またDBC基板10の
裏面側の銅板8を省いて、抵抗部用のセラミックス基板
9と銅板2とを直接DBC法によって接合してもよい。
【0014】また、銅回路板2の第2の回路構成部2a
や第4の回路構成部2dには、外部接続端子12が取付
けられていると共に、実装用セラミックス基板1の裏面
1b側に接合された銅板3を介してヒートシンク13に
接合されて、半導体モジュール14が構成されている。
【0015】ここで、上記実装用セラミックス基板1や
多層部用のセラミックス基板9の材質は、特に限定され
るものではなく、酸化アルミニウム焼結体、ムライト焼
結体(3Al2 O 3 −2SiO2 )等の酸化物系焼結体から、窒
化アルミニウム焼結体、窒化ケイ素焼結体、炭化ケイ素
焼結体等の非酸化物系焼結体まで、各種のセラミックス
材料を適用することができ、用途や要求特性に応じて適
宜選択して使用するものとする。ただし、小型高実装を
実現すると共に、多層部での放熱性を向上させるため
に、熱伝導性に優れた窒化アルミニウム焼結体、窒化ケ
イ素焼結体、炭化ケイ素焼結体等を用いることが好まし
く、また実装用セラミックス基板1とセラミックス基板
9とは同材質とすることが好ましい。これは、同材質の
セラミックス基板1、9を用いることにより、多層部に
おける熱応力等を低減することができ、これによって信
頼性の向上を図ることができるためである。
【0016】この実施例の半導体モジュール14におい
ては、実装用セラミックス基板1の銅回路板2上にDB
C基板10を接合搭載して多層化することによって、立
体的なアッセンブリを実現しており、これによって回路
基板さらにはモジュールの小型化を図っていると共に、
DBC基板10自体を抵抗として使用することにより、
部品点数の削減を図っている。
【0017】また、実装用セラミックス基板1として窒
化アルミニウム基板等の高熱伝導性基板を用いることに
より、高密度実装を行う場合においても、その信頼性を
確保することができる。さらに、銅板のDBC法を適用
して接合しているため、窒化アルミニウム基板等に対し
ても高接合強度および高信頼性を満足させることができ
る。
【0018】図3は、本発明の他の実施例による多層セ
ラミックス回路基板を用いた半導体モジュールの構成を
示す図である。同図に示す半導体モジュール15におい
ては、上述した実施例の半導体モジュール14と同様な
構成を有するものの、実装用セラミックス基板1と銅板
2、3、および抵抗部用のセラミックス基板9と抵抗用
銅板7、さらには第3の回路構成部2cと抵抗部用セラ
ミックス基板9とが、Ti、Zr、Hf、Nb等の活性金属元素
を添加したろう材(以下、活性金属ろう材と記す)層1
6、例えば活性金属を含む Ag-Cu共晶ろう材やCu系ろう
材の層を介して接合されている。なお、この実施例にお
いては、抵抗部用セラミックス基板9の裏面側の銅板は
省略されており、セラミックス基板9の裏面を直接第3
の回路構成部2cに、活性金属ろう材層16を介して接
合している。これら以外の構成は、上述した実施例の半
導体モジュール14と同一構造を有している。
【0019】活性金属ろう材によるセラミックス基板と
銅板との接合は、ペースト状の活性金属ろう材、例えば
Ag-Cu-Tiろう材(重量比Ag:Cu:Ti=70.6:27.4:2.0等)
を、セラミックス基板および銅板のいずれかに塗布し、
この活性金属ろう材ペーストの塗布層を介してそれらを
積層し、 1×104 Torr程度の真空中にて 850℃前後に加
熱することにより行われる。回路の形成は、上記DBC
法による場合と同様である。また、予め所望の回路形状
とした銅板を接合する場合には、セラミックス基板側に
活性金属ろう材ペーストを所望の回路形状に塗布するこ
とによって行うこともできる。
【0020】この実施例の半導体モジュール15によれ
ば、前述した実施例の半導体モジュール14と同様な効
果が得られると共に、加熱接合温度をDBC法より低温
化できるため、多層部における熱応力等の影響をより小
さくすることができ、さらに信頼性の向上を図ることが
可能となる。
【0021】なお、上述した各実施例においては、セラ
ミックス基板の多層部を抵抗として用いた例について説
明したが、例えば多層部用のセラミックス基板9を銅回
路板2と電気的に絶縁する必要がある部品の搭載部等と
して用いることもできる。
【0022】次に、本発明の多層セラミックス回路基板
の他の実施例について、図4および図5を参照して説明
する。図4および図5は、本発明の多層セラミックス回
路基板を半導体パッケージとして用いた実施例の構成を
それぞれ示す図である。これらの図に示す半導体パッケ
ージ20は、複数のセラミックス基板21、22、2
3、(24)を、それぞれ銅板25、26、27を介し
て多層化することにより構成されている。これらセラミ
ックス基板と銅板とは、いずれも前述した実施例と同様
に、DBC法あるいは活性金属ろう付け法により接合さ
れている。また、両面に銅板を接合したDBC基板等を
用いて、それらの銅板間をろう材や半田で接合すること
により構成することもできる。
【0023】この半導体パッケージ20においては、複
数のセラミックス基板のうち、第1のセラミックス基板
21は半導体チップ28の搭載部(具体的には銅板2
5)とされており、その上の第2のセラミックス基板2
2上には銅板26によって回路が形成されている。この
回路構成部となるセラミックス基板22と銅板26は、
図6に示すように、さらに多層化(22a、22bおよ
び26a、26b)することも可能である。半導体チッ
プ28と銅板26による回路とは、Alワイヤ29等によ
って電気的に接続されており、また銅板26の外周側に
は外部接続端子30が取り付けられている。そして、ウ
エルドリングとなる第3のセラミックス基板23上に、
銅板27を介して蓋部となる第4のセラミックス基板
(24)を封止接合することによって、半導体パッケー
ジ20が構成されている。
【0024】上記したような多層セラミックス回路基板
を用いた半導体パッケージ20によれば、小型のパッケ
ージで高密度配線が実現できると共に、ある程度の板厚
を有する銅板により回路が構成できるため、回路の電流
ロスが改善でき、さらには大電流型や高周波型の半導体
チップに対して十分に対応することができる。
【0025】なお、上述した実施例においては、本発明
の多層セラミックス回路基板を、多層部を抵抗として利
用した半導体実装基板や半導体パッケージとして用いた
例について説明したが、本発明はこれらに限られるもの
ではなく、DBC基板や活性金属接合基板を多層化する
ことによって、様々な半導体チップやその実装形態に対
応することが可能となる。
【0026】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の多層セラ
ミックス回路基板によれば、実装部や回路構成部の面積
の増大を図った上で、小型化を達成することが可能とな
る。また、セラミックス基板を多層化することによっ
て、各種形態の半導体実装基板や半導体パッケージが実
現でき、様々な半導体チップやその実装形態に対応する
ことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例による多層セラミックス回路
基板を適用した半導体モジュールの構成を示す断面図で
ある。
【図2】図1に示す半導体モジュールの平面図である。
【図3】本発明の他の実施例による多層セラミックス回
路基板を適用した半導体モジュールの構成を示す断面図
である。
【図4】本発明のさらに他の実施例による多層セラミッ
クス回路基板を適用した半導体パッケージの構成を示す
平面図である。
【図5】図4に示す半導体パッケージの断面図である。
【図6】図4および図5に示す半導体パッケージの変形
例を示す断面図である。
【符号の説明】
1……実装用セラミックス基板 2……銅回路板 3、8……銅板 4、5、28……半導体チップ 7……抵抗用銅板 9……多層部用セラミックス基板 10…DBC基板 14、15…半導体モジュール 16…活性金属ろう材層 20…半導体パッケージ 21、22、23…セラミックス基板 25、26、27…銅板

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 少なくとも一方の主面に銅板が銅直接接
    合法または活性金属ろう付け法により接合されたセラミ
    ックス基板を複数具備するセラミックス回路基板であっ
    て、前記セラミックス基板が前記銅板を介して多層化さ
    れた部分を有することを特徴とする多層セラミックス回
    路基板。
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