JP2883787B2 - パワー半導体装置用基板 - Google Patents

パワー半導体装置用基板

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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、パワートランジスタモ
ジュールなどに適用するパワー半導体装置用基板、特に
セラミックス基板に銅板を直接接合したＤＢＯＣ基板
（ＤｉｒｅｃｔＢｏｎｄｉｎｇ ｏｆ Ｃｏｐｐｅｒ
Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ） に関する。
【０００２】
【従来の技術】まず、頭記のＤＢＯＣ基板を採用して組
立てたパワー半導体装置の構造を図１に示す。図におい
て、１は放熱金属ベース、２はセラミックス基板２ａの
表裏両面に銅板２ｂ，２ｃを貼り合わせたＤＢＯＣ基
板、３は半導体チップ、４は外部導出端子、５はボンデ
ィングワイヤ、６は樹脂ケース、７は端子ブロック、８
は封止樹脂、９はゲル状充填材である。
【０００３】ここで、ＤＢＯＣ基板２は、アルミナある
いは窒化アルミニウムなどのセラミックス基板２ａに対
し、その両面に箔状の薄い銅板２ａ，２ｂをダイレクト
・ボンド・カッパー法により（銅と微量の酸素との反応
により生成するＣｕ−Ｏ共晶液相を接合剤として接合す
る）直接接合したものであり、主面側の銅版２ｃに回路
パターンを形成した上で、ここに半導体チップ３をダイ
ボンディングし、さらにワイヤ５をボンディングして回
路を組立てた後、ＤＢＯＣ基板２を放熱金属ベース１の
上に半田付けし、その後外部導出端子４の半田付けを行
いパッケージングする。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところで、前記のＤＢ
ＯＣ基板をパワートランジスタモジュールなどのパワー
半導体装置の基板として採用する場合には次記のような
問題がある。すなわち、パワートランジスタなどの半導
体装置では、通電動作に伴い半導体チップ３に多量の熱
を発生し、この熱がＤＢＯＣ基板２を介して放熱金属ベ
ース１に伝熱した後に、金属ベースより外部に放熱され
る。したがって、このことから判るようにＤＢＯＣ基板
の伝熱性の良否が半導体装置の電流容量を左右する重要
な因子となる。
【０００５】ところで、ＤＢＯＣ基板２はセラミックス
基板２ａを絶縁基材とした構造であるために熱伝導性が
比較的低い。ここで、セラミックス基板２ａの材質とし
て従来より用いているアルミナと窒化アルミニウムの熱
伝導率を比べてみると、 アルミナ： ２１Ｗ／ｍ・Ｋ 窒化アルミニウム：１８０Ｗ／ｍ・Ｋ であって、窒化アルミニウムのほうがアルミナに比べて
伝熱性がはるかに優れているが、反面、窒化アルミニウ
ムはアルミナに比べて材料コストが高い。
【０００６】そこで、発明者等は材料費の安いアルミナ
で作られたセラミックス基板に対し、放熱性を高めるた
めに基板の板厚を極力薄くして伝熱抵抗を小さく抑える
ことを試みた。しかしながら、アルミナセラミックス基
板の板厚を例えば０．３ｍｍ程度まで薄くすると、基板
の実強度が低下し、これが基で半導体チップ（シリコ
ン），放熱金属基板（銅）との接合時には各材料の熱膨
張係数差に起因して加わる熱応力によって基板にクラッ
ク，割れの欠陥が多く発生し、これが基で基板に絶縁不
良を引き起こすことが明らかになった。なお、前記各材
料の熱膨張係数を列記すると次のごとくである。
【０００７】 シリコン（半導体チップ）：４．０×１０−６／℃ アルミナ： ７．５×１０−６／℃ 銅： １８．０×１０−６／℃ 本発明は上記の点にかんがみなされたものであり、材料
費の安価なアルミナを主材としたセラミックス基板につ
いて、その材料組成を改良することにより素材の機械的
強度，特に撓み性を高め、基板自身の薄形化と併せて放
熱性の改善が図れるようにしたパワー半導体装置用基板
を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的は、本発明によ
り、セラミックス基板に銅板を直接接合したパワー半導
体装置用基板に対し、前記セラミックス基板を、主成分
のアルミナを７０〜９０ｗｔ％としてこれに１０〜３０
ｗｔ％のジルコニアを添加した合計量に対して、更に
０．５〜２ｗｔ％のイットリア，カルシア，マグネシ
ア，セリアのいずれか１つを単味で添加した高温焼成体
で構成することにより達成される。
【０００９】また、前記セラミックス基板のアルミナに
添加するジルコニアとして、イットリア，カルシア，マ
グネシア，セリアのいずれか１つを含有する安定化ジル
コニア、または部分安定化ジルコニアを用いることがで
きる。
【００１０】
【作用】上記のように、アルミナを主成分としてこれに
ジルコニアを添加して焼成したセラミックス基板は、ア
ルミナ単体のセラミックス基板と比べて機械的強度、特
に曲げ強度が大幅に高まり、この場合にジルコニアの添
加量を１０〜３０ｗｔ％の範囲に選定することにより、
セラミックス基板の熱伝導率を低下させることなく、機
械強度，特に撓み性が向上し、更にアルミナとジルコニ
アの合計量に対して０．５〜２ｗｔ％のイットリア，カ
ルシア，マグネシア，セリアのいずれか１つを添加する
ことにより、セラミックス基板の焼成温度を低めに抑え
つつ、ジルコニア結晶粒の靱性が改善される。これらに
より、基板自身を薄形化することでパワー半導体装置の
基板として放熱性に優れたＤＢＯＣ基板が得られる。
【００１１】また、イットリア，カルシア，マグネシ
ア，セリアは単味で１つ添加するほか、これらの中の１
つの添加材で安定化，ないしは部分安定化したジルコニ
アをアルミナに添加しても同様な効果が得られる。
【００１２】
【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。ま
ず、アルミナにジルコニア，イットリアを添加して粒径
０．５〜３μｍ程度に粉砕混合し、さらにバインダーと
してポリビニルブチラールＰＶＢを８ｗｔ％，溶剤とし
てトルエン，キシレン混合液を５０ｗｔ％，可塑剤とし
てフタル酸ジオクチルＤＯＰを２ｗｔ％添加して約２０
時間混練した後、ドクターブレード法によりシート状に
成形してグリーンシートを得た。次にグリーンシートを
プレス加工により所定の形状に形抜きした後に温度１５
５０〜１６５０℃で焼成し、板厚０．３２ｍｍのセラミ
ックス基板を作成した。
【００１３】また、上記のようにアルミナにジルコニア
を添加して作成したセラミックス基板の機械的特性を評
価するために、別途、ジルコニアの添加量を０ｗｔ％か
ら４５ｗｔ％の範囲で様々に変えて前記と同じ方法で作
成した試料片を用意し、この試料片について強度試験を
行った。図２はこの強度試験結果を示すものであり、図
から判るようにアルミナにジルコニアを１０ｗｔ％以上
添加することにより、アルミナ単体（ジルコニア添加量
が０ｗｔ％）のセラミックス基板（強度約３００ＭＰ
ａ）と比べて強度が高まり、その強度は約３５０〜４０
０ＭＰａ にも向上することが認められる。ただし、ジ
ルコニアの添加量を３０ｗｔ％以上に増量しても強度の
増加は認めれない。
【００１４】一方、これらの試料片について熱伝導率を
調べたところ、図３のような結果を得た。すなわち、ジ
ルコニアの添加量が約３０ｗｔ％までの範囲ではアルミ
ナ単体と略同じ熱伝導率を示すが、ジルコニアの添加量
が３０ｗｔ％を超えると熱伝導率が低下することが判明
した。したがって、セラミックス基板の材料組成を、ア
ルミナ７０〜９０ｗｔ％，ジルコニア１０〜３０ｗｔ％
の範囲に選定することにより、アルミナ単体のセラミッ
クス基板と比べて機械的強度が向上するほか、伝熱性に
ついてもアルミナと同等な熱伝導率を得ることができ
る。
【００１５】また、ジルコニアの添加量を１０ｗｔ％と
して作成したセラミックス基板の試料片（板厚０．３２
ｍｍ，幅寸法３５ｍｍ）と、アルミナ単体で作成した同
じ寸法の試料片について、支点間距離４０ｍｍで曲げ試
験を行い、その最大撓み量を調べたところ、アルミナ単
体の試料片での撓み量が０．３０ｍｍであるのに対し、
ジルコニア添加の試料片では０．４５ｍｍの撓み量まで
耐えることが確認された。
【００１６】なお、前記の材料組成でアルミナ，ジルコ
ニアに加えて添加したイットリアは、アルミナ，ジルコ
ニアの焼結助剤およびジルコニア結晶粒の靱性向上を目
的に添加したものである。この場合に、イットリアの添
加量は０．５〜２ｗｔ％の範囲に定めるのがよい。すな
わち、イットリアの添加量が０．５ｗｔ％以下である
と、基板の焼成温度が１６５０℃以上となって基板の製
造が困難となる。また、添加量を２ｗｔ％以上とする
と、セラミックス基板の収縮率，強度に大きなばらつき
が生じるようになる。また、この添加剤としてイットリ
ア以外に、カルシア，マグネシア，セリアなどを単味で
添加しても同様な効果が得られ、さらにアルミナに添加
するジルコニアとして、前記のイットリア，カルシア，
マグネシア，セリアなど安定化，あるいは部分安定化し
たジルコニアを用いても同様な効果の得られることが確
認されている。
【００１７】次に、上記したジルコニア添加のアルミナ
基板（板厚０．３２ｍｍ）に対し、その表裏の両面に板
厚０．３ｍｍのタフピッチ電解銅を重ね合わせた上で温
度１０５０〜１０７５℃の窒素雰囲気中で１０分間加熱
し、セラミックス基板と銅板を直接接合してＤＢＯＣ基
板を作成した後、このＤＢＯＣ基板を用いて図１の半導
体装置を組立てた。また、比較例として、別途、板厚
０．６３ｍｍ，０．３２ｍｍのアルミナ単体のセラミッ
クス基板で作成したＤＢＯＣ基板を用いて同様な半導体
装置を組立て、これらの組立体に付いて機械的な変形耐
性試験，および断続通電試験を行った。
【００１８】まず、変形耐性試験では放熱金属ベースに
外力を加えて強制的な変形を与え、セラミックス基板の
絶縁不良に至るまでの変形量を調べた。この結果、ジル
コニア添加のアルミナ基板（板厚０．３２ｍｍ）と板厚
０．６３ｍｍのアルミナ基板とでは殆ど同等な耐性を示
したが、板厚０．３２ｍｍのアルミナ基板は、約半分の
変形量で絶縁不良に至ることが判った。つまり、アルミ
ナにジルコニアを適量添加することにより、実用的には
セラミックス基板の板厚を略１／２まで薄くできること
が可能である。
【００１９】また、断続通電試験では、ジルコニア添加
のアルミナ基板（板厚０．３２ｍｍ）は、板厚０．６３
ｍｍのアルミナ単体基板と比べて、同一のコレクタ損失
を与えたときの半導体チップの接合ブロック温度上昇Δ
Ｔｊ が約２０％低減し、断続通電耐量が２．５〜３倍
に向上することが認められた。このことから判るよう
に、アルミナにジルコニアを添加したセラミックス基板
は、アルミナ単体の基板と比べて機械的特性に優れてお
り、基板自身の薄形化により放熱性の高い半導体装置用
基板として十分に期待できる。
【００２０】なお、上記の実施例ではセラミックス基板
の板厚を０．３２ｍｍとしたが、シート形成法によれば
板厚０．０５〜１ｍｍの基板を作成することができる。
また、原料粉にポリビニルアルコールＰＶＡなどの結合
剤を添加し、湿式混合の後にスプレードライヤで乾燥造
粒した原料を用いて成形するプレス成形法を採用すれ
ば、板厚１ｍｍ以上の基板の作成も可能である。
【００２１】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、パ
ワー半導体装置のセラミックス基板として、アルミナを
７０〜９０ｗｔ％としてこれに１０〜３０ｗｔ％のジル
コニアを添加した合計量に対して、更に０．５〜２ｗｔ
％のイットリア，カルシア，マグネシア，セリアのいず
れか１つを単味で添加した焼成体を用いることにより、
従来のアルミナ単体のセラミックス基板と比べて収縮
率，強度にばらつきを生じることなく機械的強度を大幅
に増強できる。したがって、実用上でセラミックス基板
の薄形化が可能となり、これによりパワー半導体装置用
の基板として放熱性の高いＤＢＯＣ基板が得られ、パワ
ー半導体装置の小形化，並びに電流容量の増大化に大き
く寄与できる。
【００２２】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による基板を採用して組立てた半導体装
置の構成断面図
【図２】アルミナに添加したジルコニアの添加量と基板
の曲げ強度との関係を表す図
【図３】アルミナに添加したジルコニアの添加量と基板
の熱伝導率との関係を表す図
【符号の説明】
１ 放熱金属ベース ２ ＤＢＯＣ基板 ２ａ セラミックス基板 ２ｂ，２ｃ 銅板 ３ 半導体チップ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山田 克己 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内 (72)発明者 松浦 一也 山口県美祢市大嶺町東分字岩倉2701番１ 株式会社住友金属セラミックス内 (72)発明者 野▲崎▼ 利夫 山口県美祢市大嶺町東分字岩倉2701番１ 株式会社住友金属セラミックス内 (72)発明者 寺村 一彦 山口県美祢市大嶺町東分字岩倉2701番１ 株式会社住友金属セラミックス内 (56)参考文献 特開 平３−149860（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−21564（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 23/14 C04B 35/00

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】セラミックス基板に銅板を直接接合したパ
    ワー半導体装置用基板において、前記セラミックス基板
    が、主成分のアルミナを７０〜９０ｗｔ％としてこれに
    １０〜３０ｗｔ％のジルコニアを添加した合計量に対し
    て、更に０．５〜２ｗｔ％のイットリア，カルシア，マ
    グネシア，セリアのいずれか１つを単味で添加した焼成
    体よりなることを特徴とするパワー半導体装置用基板。
  2. 【請求項２】請求項１記載の基板において、アルミナに
    添加するジルコニアが、イットリア，カルシア，マグネ
    シア，セリアのいずれか１つを含有する安定化ジルコニ
    ア、または部分安定化ジルコニアであることを特徴とす
    るパワー半導体装置用基板。
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