JP5153716B2 - Device mounting board - Google Patents
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Description
本発明は、半導体素子を装着するための素子搭載用基板に関する。 The present invention relates to an element mounting substrate for mounting a semiconductor element.
近年、半導体レーザダイオード、フォトダイオード、パワートランジスタ素子、発光ダイオード、太陽電池素子等の比較的高電力を扱う半導体素子の搭載用基板として、セラミック基板の上下面に銅板等の金属板を接合した素子搭載用基板が知られている(例えば、特許文献1参照)。ここで、金属板は、素子搭載用基板に装着された半導体素子に対して電圧を印加する役割を担うものである。 In recent years, as a substrate for mounting semiconductor devices that handle relatively high power, such as semiconductor laser diodes, photodiodes, power transistor elements, light emitting diodes, solar cell elements, etc., elements in which a metal plate such as a copper plate is bonded to the upper and lower surfaces of a ceramic substrate A mounting substrate is known (see, for example, Patent Document 1). Here, the metal plate plays a role of applying a voltage to the semiconductor element mounted on the element mounting substrate.
しかしながら、上記従来の素子搭載用基板においては、熱履歴に対して信頼性が乏しいという問題があった。具体的に言えば、熱膨張係数が異なるセラミック基板と金属板とを接合すると、接合後の冷熱サイクルの付加によって、熱膨張差に起因する応力が素子搭載用基板に発生する。素子搭載用基板に応力が発生すると、セラミック基板の上下面に接合された金属板が、セラミック基板から剥離する可能性があった。 However, the above-described conventional element mounting substrate has a problem that its reliability against thermal history is poor. Specifically, when a ceramic substrate and a metal plate having different thermal expansion coefficients are joined, a stress due to a difference in thermal expansion is generated in the element mounting substrate due to the addition of a thermal cycle after joining. When stress is generated on the element mounting substrate, the metal plates bonded to the upper and lower surfaces of the ceramic substrate may peel from the ceramic substrate.
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、熱履歴に対して信頼性が向上する素子搭載用基板に関する。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object thereof is related to an element mounting substrate whose reliability is improved against a thermal history.
上記目的を達成するために本発明における素子搭載用基板は、半導体素子が装着されるための装着領域を有し、かつ棒状のセラミック基板と、前記セラミック基板の一端部における外周面のうち端面を除く側面全体を覆うようにして当該側面と接合され、前記セラミック基板が有する熱膨張係数より大きい熱膨張係数を有し、かつ前記半導体素子に対して正の電圧を印加するための第1金属板と、前記セラミック基板の他端部における外周面のうち端面を除く側面全体を覆うようにして当該側面と接合され、前記セラミック基板が有する熱膨張係数より大きい熱膨張係数を有し、かつ前記半導体素子に対して負の電圧を印加するための第2金属板と、を備える。 In order to achieve the above object, an element mounting substrate according to the present invention has a mounting region for mounting a semiconductor element, and has a rod-shaped ceramic substrate and an end surface of outer peripheral surfaces at one end of the ceramic substrate. A first metal plate that is bonded to the side surface so as to cover the entire side surface, has a thermal expansion coefficient larger than that of the ceramic substrate, and applies a positive voltage to the semiconductor element And is bonded to the side surface so as to cover the entire side surface excluding the end surface of the outer peripheral surface at the other end of the ceramic substrate, has a thermal expansion coefficient larger than that of the ceramic substrate, and the semiconductor A second metal plate for applying a negative voltage to the element.
本発明の素子搭載用基板は、熱履歴に対して信頼性が向上するという効果を奏する。 The element mounting substrate of the present invention has an effect that reliability is improved with respect to thermal history.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
但し、以下で参照する各図は、説明の便宜上、本発明の一実施形態の構成部材のうち、本発明を説明するために必要な主要部材のみを簡略化して示したものである。したがって、本発明に係る素子搭載用基板は、本明細書が参照する各図に示されていない任意の構成部材を備え得る。また、各図中の部材の寸法は、実際の構成部材の寸法および各部材の寸法比率等を忠実に表したものではない。 However, in the drawings referred to below, for the convenience of explanation, among the constituent members of one embodiment of the present invention, only the main members necessary for explaining the present invention are shown in a simplified manner. Therefore, the element mounting substrate according to the present invention may include any constituent member not shown in the drawings referred to in this specification. Moreover, the dimension of the member in each figure does not represent the dimension of an actual structural member, the dimension ratio of each member, etc. faithfully.
図1は、本発明の一実施形態に係る素子搭載用基板1の一例を示す斜視図である。図2は、図1中に示した切断線A−A´に沿って切断した断面図である。図1および図2に示すように、本実施形態に係る素子搭載用基板1は、セラミック基板2、第1金属板3a、および第2金属板3bを備えている。なお、図1では、半導体素子4を含めて素子搭載用基板1としているが、本発明に係る素子搭載用基板1は、半導体素子4が含まれていなくともよい。
FIG. 1 is a perspective view showing an example of an
なお、以下では、第1金属板3aおよび第2金属板3bを説明する際、特に区別する必要がない場合、あるいは、総称する場合には、単に、金属板3として説明する。なお、後述する第1接続配線5aおよび第2接続配線5bの場合もこれと同様である。
In the following description, when the
セラミック基板2は、外周面Oを有している。ここで、外周面Oは、側面Sと端面Wとを含む。また、セラミック基板2は、その形状が棒状であって、かつ側面S上に半導体素子4が装着されるための装着領域Eを有している。すなわち、セラミック基板2の装着領域E上に、図示しないメタライズ層が形成されており、このメタライズ層の上面に、半導体素子4が装着されている。なお、半導体素子4は、例えば、半導体レーザダイオード、フォトダイオード、パワートランジスタ素子、発光ダイオード、太陽電池素子等であるが、ここでは特に限定されない。また、メタライズ層は、例えば、ペースト状のモリブデン-マンガンあるいはタングステンを焼結して形成した層、またはチタン薄膜上に銅薄膜を成膜して形成した層等である。
The
ここで、セラミック基板2は、例えば、酸化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、炭化珪素質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、窒化珪素質焼結体、ガラスセラミック等からなる。
Here, the
金属板3は、半導体素子4に対して電圧を印加する役割を担う部材である。本実施形態では、第1金属板3aは、半導体素子4に対して正の電圧を印加する役割を担う部材であり、第2金属板3bは、半導体素子4に対して負の電圧を印加する役割を担う部材である。
The metal plate 3 is a member that plays a role of applying a voltage to the
ここで、金属板3は、セラミック基板2が有する熱膨張係数より大きい熱膨張係数を有しており、例えば、銅、銀、アルミニウム等からなる。このため、素子搭載用基板1に対する冷熱サイクルの付加により、金属板3からセラミック基板2に対して応力が加わることになる。
Here, the metal plate 3 has a thermal expansion coefficient larger than that of the
また、第1金属板3aは、セラミック基板2の一端部T1における外周面Oのうち側面S全体を覆うようにして当該側面Sと接合されている。また、第2金属板3bは、セラミック基板2の他端部T2における外周面Oのうち側面S全体を覆うようにして当該側面Sと接合されている。このため、素子搭載用基板1に対する冷熱サイクルの付加により、第1金属板3aからセラミック基板2へ作用する応力は、セラミック基板2の一端部T1における側面S(本実施形態では4つの側面)全体に加わることになる。またこれと同様に、第2金属板3bからセラミック基板2へ作用する応力は、セラミック基板2の他端部T2における側面S(本実施形態では4つの側面)全体に加わることになる。そのため、第1金属板3aとセラミック基板2、および第2金属板3bとセラミック基板2とは、上記従来の素子搭載用基板と比較して、より強固に接合することができる。すなわち、上記従来の素子搭載用基板は、セラミック基板の上下面に単に金属板を接合したものだからである。この結果、本実施形態に係る素子搭載用基板1は、上記従来の素子搭載用基板と比較して、セラミック基板2から金属板3が剥離する可能性を低減することができる。
Further, the
また、図2に示すように、半導体素子4と第1金属板3aとは、セラミック基板2に埋設された第1接続配線5aを介して電気的に接続されている。また、半導体素子4と第2金属板3bとは、セラミック基板2に埋設された第2接続配線5bを介して電気的に接続されている。ここで、接続配線5は、例えば、金、銀、銅、スズ、タングステン、モリブデン、またはマンガン等を主成分とする金属材料からなる。
As shown in FIG. 2, the
なお、上記では、半導体素子4と金属板3とは、セラミック基板2に埋設された接続配線5を介して電気的に接続されている例について説明したが、これに限定されない。すなわち、半導体素子4と金属板3とは、ボンディングワイヤによって電気的に接続されていてもよい。この場合、セラミック基板2には接続配線5が埋設されている必要はない。
In the above description, the example in which the
また、第1金属板3aおよび第2金属板3bにはネジ孔が形成された基板が設けられていてもよい。この場合、このネジ孔に差し込まれたネジを介して、図示しない外部基板に素子搭載用基板1を装着することができる。すなわち、外部基板に素子搭載用基板1を装着した場合、半導体素子4から発せられる熱を、第1金属板3aおよび第2金属板3bを介して、外部基板へ逃がすことが可能となる。この場合、第1金属板3aおよび第2金属板3bは、放熱板としての役割を有することになる。
Moreover, the board | substrate with which the screw hole was formed may be provided in the
以上のように、本実施形態に係る素子搭載用基板1によれば、熱履歴に対して信頼性が向上する素子搭載用基板を実現することができる。
As described above, according to the
なお、上述した実施形態は、本発明の実施形態の一具体例を示すものであり、種々の変更が可能である。以下、いくつかの主な変更例を示す。 The above-described embodiment shows a specific example of the embodiment of the present invention, and various modifications can be made. The following are some major changes.
(変更例1)
図3は、変更例1に係る素子搭載用基板1aの一例を示す斜視図である。図3に示すように、変更例1に係る素子搭載用基板1aは、図1に示すセラミック基板2の代わりに、セラミック基板21を備えている。また、変更例1に係る素子搭載用基板1aは、図1に示す第1金属板3aおよび第2金属板3bの代わりに、第1金属板31aおよび第2金属板31bを備えている。なお、図3において、図1と同様の機能を有する構成については、同じ参照符号を付記し、その詳細な説明を省略する。
(Modification 1)
FIG. 3 is a perspective view showing an example of the element mounting board 1a according to the first modification. As illustrated in FIG. 3, the element mounting substrate 1 a according to the first modification includes a
すなわち、変更例1に係るセラミック基板21の形状は、図3に示すように、円柱状である。このため、変更例1に係る装着領域Eは、図3に示すように、セラミック基板21の一部を切り欠いて形成している。また、変更例1に係る第1金属板31aおよび第2金属板31bの形状は、図3に示すように、円筒状である。つまり、変更例1に係る素子搭載用基板1aは、第1金属板31aの内周面と、セラミック基板21の一端部T1における側面S全体とが接合されている。また、変更例1に係る素子搭載用基板1aは、第2金属板31bの内周面と、セラミック基板21の他端部T2における側面S全体とが接合されている。
That is, the shape of the
セラミック基板21の形状が円柱状、第1金属板31aの形状が円筒状であることにより、第1金属板31aからセラミック基板21へ作用する応力は、セラミック基板21において略均一にすることができる。また、セラミック基板21の形状が円柱状、第2金属板31bの形状が円筒状であることにより、第2金属板31bからセラミック基板21へ作用する応力は、セラミック基板21において略均一にすることができる。すなわち、第1金属板31aおよび第2金属板31bの厚みLが、第1金属板31aおよび第2金属板31bの全周にわたって略均一であるからである。
Since the shape of the
第1金属板31aおよび第2金属板31bからセラミック基板21へ作用する応力は、セラミック基板21において略均一にすることができるので、セラミック基板2においてクラックが生じることを抑制できる。
Since the stress acting on the
以上のように、変更例1に係る素子搭載用基板1aによれば、第1金属板31aとセラミック基板21、および第2金属板31bとセラミック基板21とは、上記従来の素子搭載用基板と比較して、より強固に接合することができるとともに、セラミック基板21に対してクラックが生じることを抑制できる。
As described above, according to the element mounting substrate 1a according to the first modification, the
(変更例2)
図4は、変更例2に係る素子搭載用基板1bの一例を示す断面図である。図4に示すように、変更例2に係る素子搭載用基板1bは、図1に示すセラミック基板2の代わりに、セラミック基板22を備えている。なお、図4において、図2と同様の機能を有する構成については、同じ参照符号を付記し、その詳細な説明を省略する。
(Modification 2)
FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating an example of the element mounting substrate 1b according to the second modification. As shown in FIG. 4, the element mounting substrate 1 b according to the
すなわち、変更例2に係るセラミック基板22には、切欠部Cが形成されている。具体的には、セラミック基板22と第1金属板3aとが接合している箇所におけるセラミック基板22の側面Sの一部に、切欠部Cが形成されている。また、セラミック基板22と第2金属板3bとが接合している箇所におけるセラミック基板22の側面Sの一部に、切欠部Cが形成されている。なお、この切欠部Cの形状、深さ等については、特に限定されない。
That is, the notch C is formed in the
セラミック基板22に切欠部Cが形成されているので、変更例2に係るセラミック基板22と金属板3との接合面積は、上述の実施形態に係るセラミック基板2と金属板3との接合面積より小さくなる。すなわち、セラミック基板22に切欠部Cが形成されているので、金属板3からセラミック基板22に対して加わる応力を、切欠部Cにおいて吸収あるいは緩和することができる。このため、セラミック基板22においてクラックが生じることを抑制できる。
Since the cutout portion C is formed in the
以上のように、変更例2に係る素子搭載用基板1bによれば、第1金属板3aとセラミック基板22、および第2金属板3bとセラミック基板22とは、上記従来の素子搭載用基板と比較して、より強固に接合することができるとともに、セラミック基板22に対してクラックが生じることを抑制できる。
As described above, according to the element mounting substrate 1b according to the modified example 2, the
(変更例3)
上述の実施形態では、セラミック基板2の側面S上に装着領域Eを有し、この装着領域E上に半導体素子4が装着される例について説明したが、これに限定されない。すなわち、セラミック基板2の端面W上に装着領域Eを有していてもよい。この場合、半導体素子4は、セラミック基板2の端面W上に有する装着領域E上に装着される。
(Modification 3)
In the above-described embodiment, the example in which the mounting region E is provided on the side surface S of the
以上のように、本発明は、熱履歴に対して信頼性が向上する素子搭載用基板として有用である。 As described above, the present invention is useful as an element mounting substrate with improved reliability against thermal history.
1,1a,1b 素子搭載用基板
2,21,22 セラミック基板
3a,31a 第1金属板
3b,31b 第2金属板
4 半導体素子
T1 一端部
T2 他端部
E 装着領域
S 側面
C 切欠部
1, 1a, 1b
Claims (3)
前記セラミック基板の一端部における外周面のうち端面を除く側面全体を覆うようにして当該側面と接合され、前記セラミック基板が有する熱膨張係数より大きい熱膨張係数を有し、かつ前記半導体素子に対して正の電圧を印加するための第1金属板と、
前記セラミック基板の他端部における外周面のうち端面を除く側面全体を覆うようにして当該側面と接合され、前記セラミック基板が有する熱膨張係数より大きい熱膨張係数を有し、かつ前記半導体素子に対して負の電圧を印加するための第2金属板と、を備えた素子搭載用基板。 A mounting area for mounting a semiconductor element, and a rod-shaped ceramic substrate;
The outer peripheral surface of the one end portion of the ceramic substrate is bonded to the side surface so as to cover the entire side surface excluding the end surface, and has a thermal expansion coefficient larger than that of the ceramic substrate, and with respect to the semiconductor element A first metal plate for applying a positive voltage,
The outer surface of the ceramic substrate is joined to the side surface so as to cover the entire side surface excluding the end surface, and has a thermal expansion coefficient larger than that of the ceramic substrate, and the semiconductor element And a second metal plate for applying a negative voltage to the element mounting substrate.
前記第1金属板および前記第2金属板の形状は、円筒状である、請求項1に記載の素子搭載用基板。 The shape of the ceramic substrate is a columnar shape,
The element mounting substrate according to claim 1, wherein the first metal plate and the second metal plate have a cylindrical shape.
A part of the side surface of the ceramic substrate at a location where the ceramic substrate and the first metal plate are joined, and a side surface of the ceramic substrate at a location where the ceramic substrate and the second metal plate are joined. The element mounting substrate according to claim 1, wherein a notch portion is formed in a part thereof.
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